JP4577274B2 - 車両用電源システム - Google Patents

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載されてエンジンによって駆動される発電機の発電電力を調整する車両用電源システムに関する。

近年の車両は、車載機器の電動化が進んで消費電力が増加しているため、エンジン運転中に発電機で多くの電力を発電する必要がある。車両用の発電機は、車両の駆動源であるエンジンのトルクで駆動されるため、発電機の発電量が増加すれば、発電機で消費されるエンジントルクが増加し、その分、エンジンの燃料消費量が増加する。このため、エンジンの燃料消費量を低減する技術が望まれている。

従来から、エンジンの燃料消費量を低減する技術としては、発電コストを算出して、発電コストの安いタイミングで集中的に発電することにより燃料消費量を低減する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−２６０９０８号公報（第８−１３頁、図１−８）

ところで、特許文献１に開示された従来技術では、発電電力の変化が従来一般に行われている電圧一定制御に比べて大きくなるため、電源電圧（バッテリ電圧や発電電圧）の変動（変化速度、変動量）が大きくなってしまうという問題があった。電源電圧の変化が大きいと、例えば、ヘッドライトなどの抵抗性の負荷の消費電力も大きく変化してしまうため、明暗のちらつきなどが発生して運転者に不快感を与えることになる。

また、発電電力変化が大きくなることにより、エンジンからの発電機の吸収トルク（発電トルク）の変化も大きくなる。エンジンに対する発電機の吸収トルクは、エンジンから見ると外乱として扱われるため、発電機により短時間で大きなトルクが吸収されると、急激なエンジン回転数の低下が生じたり、車両の減速感が生じるという新たな問題も発生する。

さらに、運転者の運転フィーリングに悪影響を与えるだけでなく、回転数の低下により、バッテリの容量で賄えないような長時間に渡る発電機の発電電力の不足状態が生じるおそれがあるという問題があった。長時間に渡る発電電力の不足状態は、車載電装品の動作不良の原因になる。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、電源電圧の変動やエンジン回転の低下、車両の減速感を抑制するとともに、長時間に渡る発電電力の不足状態を回避することができる車両用電源システムを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用電源システムは、電源バスを通して電気負荷に電力を供給するバッテリと、電源バスを通してバッテリおよび電気負荷に電力を供給する発電機と、電源バスに現れる電源電圧の変化を許容範囲に収めるために必要となるバッテリの充放電電力の範囲を示す第１の範囲と、電源電圧の変化速度を許容範囲に収めるために必要となるバッテリの充放電電力の変化速度範囲を示す第２の範囲とを算出し、電気負荷の動作状況や前記バッテリの残容量から求められる発電機が定常的に発電すべき発電機配分電力に対して、バッテリの充放電電力が第１の範囲に収まり、かつ、バッテリの充放電電力の変化速度が第２の範囲に収まるように補正を行って、発電機の発電電力を設定する電源制御手段とを備えている。これにより、電源電圧が所定範囲に含まれ、かつ、急激に変化しないように発電機の発電電力を制御することが可能になり、電源電圧の変動を抑制するとともに長時間に渡る発電電力の不足状態を回避することができる。また、発電電力の変化速度を所定の範囲内で制御することが可能となり、発電トルクの急激な変化によるエンジン回転の低下、車両の減速感を抑制することができる。

また、バッテリの充放電電力の変化時に、電源電圧変化速度を抑え、ライトの明滅など運転者に与える違和感を低減することができる。

また、上述した電源制御手段は、第２の範囲を、バッテリの内部抵抗ｒと、現在の電源電圧Ｖおよび充放電電流Ｉの検出値とに基づいて算出することが望ましい。これにより、より正確な第２の範囲や発電電力の設定が可能になる。

また、上述した発電機を駆動するエンジンに指令を与えるエンジン制御手段を備え、電源制御手段は、電気負荷の動作状況やバッテリの残容量から求められる発電機が発電すべき発電機配分電力に対して、バッテリの充放電電力の変化速度が第２の範囲に収まるように補正を行って発電要求電力を算出するとともに、この発電要求電力を発電するために必要な要求トルクをエンジン制御手段に送信し、エンジン制御手段は、要求トルクを発生するようにエンジンを制御するとともに、エンジンの応答を加味して実現可能な許可トルクを予測して電源制御手段に送信し、電源制御手段は、許可トルクと発電機による吸収トルクとが同期するように発電要求電力に対して調停を行って発電機の発電電力を指示する指令電力を設定することが望ましい。これにより、エンジンの応答を考慮しつつ発電電力が急激に変化しないようにすることができ、エンジンの回転数変動や車両の減速感を抑制することができる。

また、上述した電源制御手段は、発電機の現在の発電電力と電源電圧の検出値とに基づいて、電源電圧の速度変化が所定の許容範囲内に収まるように、指令電力を補正することが望ましい。これにより、バッテリの充放電電力の変化速度範囲を示す第２の範囲に誤差が生じてもこの誤差を補正することができる。

また、本発明の車両用電源システムは、電源バスを通して電気負荷に電力を供給するバッテリと、電源バスを通してバッテリおよび電気負荷に電力を供給する発電機と、電源バスに現れる電源電圧の変化を許容範囲に収めるために必要となるバッテリの充放電電力の範囲を示す第１の範囲と、電力供給の遅延によって生じる一時的な電圧変化を許容範囲に収めるために必要となるバッテリ充放電電力の範囲を示す第３の範囲とに基づいて、発電機の発電電力と電気負荷で消費する負荷電力の少なくとも一つを設定する電源制御手段と、発電機を駆動するエンジンに指令を与えるエンジン制御手段とを備えている。電源制御手段は、電気負荷の消費電力の変化に伴う、発電機が発電すべき発電機配分電力の変化時に、この発電機配分電力を発電要求電力とするとともに、この発電要求電力を発電するために必要な要求トルクをエンジン制御手段に送信し、エンジン制御手段は、要求トルクを発生するようにエンジンを制御するとともに、エンジンの応答を加味して実現可能な許可トルクを予測して電源制御手段に送信し、電源制御手段は、許可トルクに対応する発電許可電力と発電要求電力との間に差がある場合に、この差が第３の範囲に収まるように発電要求電力に対して調停を行って発電機の発電電力を指示する指令電力を設定している。これにより、電源電圧の変化が所定範囲に含まれるように発電機の発電電力と電気負荷の負荷電力とを制御することが可能になり、電源電圧の変動を抑制するとともに長時間に渡る発電電力の不足状態を回避することができる。また、発電電力の変化速度を所定の範囲内で制御することが可能となり、発電トルクの急激な変化によるエンジン回転の低下、車両の減速感を抑制することができる。

また、エンジンの応答を考慮しつつ発電電力が急激に変化しないようにすることができ、エンジンの回転数変動や車両の減速感を抑制するとともに、電源電圧の変動を抑えることができる。

また、上述した電源制御手段は、許可トルクに対応する発電許可電力と発電要求電力との間に差がある場合に、この差が、第３の範囲の上限値／下限値と、負荷電力を増加／減少可能な負荷増加／減少可能電力との和以下になるように、発電要求電力に対して調停を行って発電機の発電電力を指示する指令電力を設定するとともに、差が第３の範囲の上限値／下限値を超える分だけ電気負荷に供給される負荷電力を減少／増加させるように、電気負荷に供給する負荷電力を制御することが望ましい。これにより、電気負荷に供給する負荷電力の大きさを増加／減少してバッテリの充放電電力の調停を行うことで、発電許可電力と指令電力の乖離を少なくすることができるため、エンジン回転数の落ちこみを少なくすることができる。

また、上述した電源制御手段は、第３の範囲を、バッテリの内部抵抗ｒと、現在の電源電圧Ｖおよび充放電電流Ｉの検出値とに基づいて算出することが望ましい。これにより、より正確な第１の範囲や発電電力の設定が可能になる。

また、上述したエンジン制御手段と電源制御手段を同一のユニット内に備えたことが望ましい。これにより、エンジン制御手段と電源制御手段との間のデータのやりとりを高速化することができ、これらの間でのトルクの同期をより好適に行うことが可能となる。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用電源システムについて、図面を参照しながら説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、第１の実施形態の車両用電源システムの全体構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の車両用電源システムは、エンジン１０１、発電機１０２、エンジン制御ユニット１０３、電源制御装置１０５、負荷制御装置１０６ａ、１０６ｂ、バッテリ１０８を含んで構成されている。電源制御装置１０５が電源制御手段に、エンジン制御ユニット１０３がエンジン制御手段にそれぞれ対応する。

発電機１０２は、エンジン１０１によって回転駆動されており、各種の電気負荷１０７ａ、１０７ｂに対する動作電力やバッテリ１０８に対する充電電力を供給する。電源制御装置１０５は、発電機１０２と、電気負荷１０７ａ、１０７ｂのコントローラである負荷制御装置１０６ａ、１０６ｂとに接続されており、発電機１０２の出力電力を調節するとともに、電気負荷１０７ａ、１０７ｂの状態およびバッテリ１０８の状態を検知して必要な発電電流を算出する。発電機１０２、バッテリ１０８、電気負荷１０７ａに対応する負荷制御装置１０６ａ、電気負荷１０７ｂに対応する負荷制御装置１０６ｂは、共通の電源バス（電源ライン）１１５に接続されている。通信線１０９、１１０、１１１、１１２は、例えばＣＡＮ（controller area network）などのシリアル通信を行うためのものである。

図２は、電源制御装置１０５の詳細構成を示す図である。図２に示すように、電源制御装置１０５は、バッテリ状態検知部４０１、配分電力算出部４０２、要求電力算出部４０３、電力調停部４０４、電力補正部４０５、要求トルク算出部４０６、発電許可電力算出部４０７、発電機制御部１０４を含んで構成されている。

図３は、本実施形態の車両用電源システムの動作手順を示す流れ図であり、主に電源制御装置１０５によって行われる発電制御の動作手順が示されている。

（ステップ１００）まず、電源制御装置１０５は、電気負荷１０７ａ、１０７ｂの作動に必要な電力である負荷要求電力を算出する。

（ステップ１０１）また、電源制御装置１０５内の配分電力算出部４０２は、負荷制御装置１０６ａ、１０６ｂから送られてくる電気負荷ａ１等の動作状況とバッテリ１０８の残容量等からバッテリ１０８の最適な充放電電力を求め、この求めた最適な充放電電力に基づいて、発電機１０２が供給可能な電力の範囲内で発電機１０２が定常的に発電すべき発電機配分電力を算出する。この発電機配分電力は、バッテリ１０８の充放電電力（配分電力−負荷要求電力）が、バッテリ１０８の電力−電圧特性においてバッテリ電圧があらかじめ決められた電圧最小値と電圧最大値の間に入る第１の範囲（充放電可能電力範囲）で決められる。図４は、バッテリ１０８の電力−電圧特性の具体例を示す図である。横軸がバッテリ１０８の充放電電力を、縦軸がバッテリ１０８の電圧をそれぞれ示している。図４に示す「充放電可能電力範囲」が電源バス１１５に現れる電源電圧の変化を許容範囲に収めるために必要となるバッテリ１０８の充放電電力の範囲を示す第１の範囲に対応する。

（ステップ１０２）次に、バッテリ状態検知部４０１は、電源バス１１５に現れる電源電圧の変化を所定の電圧増加速度制限値ｄＶｕ（単位［Ｖ／ｓ］）内に収めるために必要なバッテリ充放電電力の増加速度制限値（充放電電力増加速度制限値ｄＷｕ、単位［Ｗ／ｓ］）を求める。また、バッテリ状態検知部４０１は、電源電圧の変化を所定の電圧減少速度制限値ｄＶｌ（単位［Ｖ／ｓ］）内に収めるために必要なバッテリ充放電電力の減少速度制限値（充放電電力減少速度制限値ｄＷｌ、単位［Ｗ／ｓ］）を求める。上記の電圧増加速度制限値ｄＶｕと電圧減少速度制限値ｄＶｌは、電源電圧の変化に伴ってヘッドライトの輝度変化が生じて運転者に違和感を与えない範囲の最大幅を基にあらかじめ決められる。この充放電電力加速／減速速度制限値ｄＷｕ／ｄＷｌを上限値および下限値とする範囲が、電源電圧の変化速度を許容範囲に収めるために必要となるバッテリ１０８の充放電電力の変化速度範囲を示す第２の範囲に対応する。

図５は、充放電電力増加速度制限値ｄＷｕの算出方法を示す説明図である。充放電電力増加速度制限値ｄＷｕは、例えば図５（ａ）に示す電池モデルを用いて算出される。バッテリ１０８の電流、電圧の検出値をＩ、Ｖ、バッテリ１０８の内部抵抗をｒ（バッテリ状態検知部４０１によってバッテリ１０８の電流、電圧の関係から算出）とすると、充放電電力増加速度制限値ｄＷｕは、図５（ｂ）に示す式で求めることができる。充放電電力減少速度制限値ｄＷｌも充放電電力増加速度制限値ｄＷｕと同様の方法で求めることができる。なお、電圧増加側と電圧減少側で別の値（ｄＷｕ、ｄＷｌ）を用いるのは、バッテリ１０８の電圧増加側と減少側で、バッテリ１０８の見かけ上の内部抵抗ｒが異なる場合があるためである。

（ステップ１０３）次に、要求電力算出部４０３は、発電機１０２の発電電力の変化に伴うバッテリ１０８の充放電電力の変化速度が、充放電電力増加／減少速度制限値ｄＷｕ／ｄＷｌ内に収まるように発電機配分電力を補正し、発電要求電力として算出する。

（ステップ１０４）次に、発電許可電力算出部４０７は、ステップ１０３で算出された発電要求電力に対して、エンジン１０１の応答を考慮した現在実現可能な発電電力を発電許可電力として算出する。

図６は、発電許可電力を算出する具体的な動作手順を示す流れ図である。要求トルク算出部４０６は、現在の発電機１０２の回転数と電源バス１１５の電圧から、発電機１０２に対応した発電機モデルを用いて、発電要求電力に対応する発電機１０２の要求トルクを算出し（ステップ２００）、この算出した要求トルクを発電機１０２による吸収トルクとしてエンジン制御ユニット１０３内のエンジン制御部４０８に向けて送信する（ステップ２０１）。エンジン制御部４０８は、車両の走行に必要なトルクと要求トルク算出部４０６から送られてくる吸収トルクとを合計したトルクを発生するように、エンジン１０１に指令（スロットル開度、燃料噴射量、点火時期等）を与える（ステップ２０２）。次に、エンジン制御部４０８は、エンジン１０１の応答遅れを加味して、現在実現できる発電機１０２への出力トルク（許可トルク）を予測する（ステップ２０３）。この予測された許可トルクは、発電許可電力算出部４０７に送信される。発電許可電力算出部４０７は、エンジン制御部４０８から受信した許可トルクから現在実現できる発電電力（発電許可電力）を算出する（ステップ２０４）。このようにしてステップ１０４において発電許可電力の算出が行われる。算出された発電許可電力は、電力調停部４０４に送信される。

（ステップ１０５）次に、バッテリ状態検知部４０１は、現在の電源電圧を一時的に電圧増加幅制限値ΔＶｕだけ増加させる場合に必要な充放電電力の増加幅（充放電電力偏差上限値ΔＷｕ）を求める。また、バッテリ状態検知部４０１は、現在の電源電圧を一時的に電圧減少幅制限値ΔＶｌだけ減少させる場合に必要な充放電電力の減少幅（充放電電力偏差下限値ΔＷｌ）を算出する。上記の電圧増加幅制限値ΔＶｕと電圧減少幅制限値ΔＶｌは、エンジン１０１の応答遅れによる発電遅れ等に起因する一時的な電源電圧の増加／減少許容値を示しており、電源電圧の変化によりヘッドライトの輝度変化が生じて運転者に違和感を与えない範囲の最大幅を基にあらかじめ決められる。この充放電電力偏差上限値／下限値ΔＷｕ／ΔＷｌを上限値および下限値とする範囲が、電力供給の遅延によって生じる一時的な電圧変化を許容範囲に収めるために必要となるバッテリ充放電電力の範囲を示す第３の範囲に対応する。

図７は、充放電電力偏差下限値ΔＷｌの算出方法を示す説明図である。充放電電力偏差下限値ΔＷｌは、例えば図７（ａ）に示す電池モデルを用いて算出される。バッテリ１０８の電流、電圧の検出値をＩ、Ｖ、バッテリ１０８の内部抵抗値をｒ（バッテリ状態検知部４０１によってバッテリ１０８の電流と電圧の関係から算出）とすると、充放電電力偏差下限値ΔＷｌは、図７（ｂ）に示す式で求めることができる。充放電電力偏差上限値ΔＷｕも充放電電力偏差下限値ΔＷｌと同様の方法で求めることができる。なお、電圧増加側と電圧減少側で別の値（ΔＷｕ、ΔＷｌ）を用いるのは、充放電電力増加／減少速度制限値ｄＷｕ／ｄＷｌの場合と同様であり、バッテリ１０８の電圧増加側と減少側で、バッテリ１０８の見かけ上の内部抵抗ｒが異なる場合があるためである。

（ステップ１０６）次に、電力調停部４０４は、ステップ１０３において算出された発電要求電力と、ステップ１０４において算出された発電許可電力と、ステップ１０５において算出された充放電電力偏差上限／下限値ΔＷｕ／ΔＷｌとを用いて発電電力を調停し、発電機１０２へ指令する電力（指令電力）を算出する。

図８は、指令電力を算出する具体的な動作手順を示す流れ図である。電力調停部４０４は、バッテリ１０８の充放電電力変化が起こっていないか否かを判定する（（発電要求電力−負荷要求電力）が変化していたら充放電電力変化が起こっていると判断する）（ステップ３００）。充放電電力変化中でない場合には肯定判断が行われ、次に、電力調停部４０４は、発電要求電力が発電許可電力以上か否かを判定する（ステップ３０１）。

発電要求電力が発電許可電力以上の場合には肯定判断が行われる。この場合には、発電要求電力に対して、エンジン１０１の応答を考慮した発電電力が小さく、仮に発電許可電力通り発電すると一時的に発電機１０２から電気負荷等に供給する電力が不足し、結果として、不足分がバッテリ１０８から供給されて一時的な電源電圧の低下が起こる。そこで、電力調停部４０４は、この電源電圧の低下を電圧減少幅制限値ΔＶｌ以内に抑えるために、電力不足量が充放電電力偏差下限値ΔＷｌ内に収まるように、以下の式を用いて指令電力を算出する（ステップ３０２）。

指令電力＝発電許可電力＋ｍａｘ（（発電要求電力−指令電力）
−充放電電力偏差下限値ΔＷｌ，０）
ここで、ｍａｘ（ｘ，ｙ）は、ｘ，ｙの中で大きい方の値を選択する関数である。

一方、発電要求電力が発電許可電力よりも小さい場合にはステップ３０１の判定において否定判断が行われる。この場合には、発電要求電力に対して、エンジン１０１の応答を考慮した発電電力が小さく、仮に発電許可電力通り発電すると一時的に発電機１０２から電気負荷等に供給する電力が過剰となり、結果として、過剰分がバッテリ１０８に供給されて一時的な電源電圧の上昇が起こる。そこで、電力調停部４０４は、この電圧上昇を電圧増加幅制限値ΔＶｕ以内に抑えるために、電力過剰量が充放電電力偏差上限値ΔＷｕ内に収まるように、以下の式を用いて指令電力を算出する（ステップ３０３）。

指令電力＝発電許可電力＋ｍｉｎ（（発電要求電力−指令電力）
＋充放電電力偏差上限値ΔＷｕ，０）
ここで、ｍｉｎ（ｘ，ｙ）はｘ，ｙの中で小さい方の値を選択する関数である。

また、充放電電力変化が起こっていない場合にはステップ３００の判定において否定判断が行われ、電力調停部４０４は、発電許可電力をそのまま指令電力として設定する（ステップ３０４）。このような設定を行うのは、充放電電力を変化させる際、充放電電力が実際に変化するまでは電源電圧が変化しないため、エンジン１０１の応答の遅れを待って発電電力を変化させても、一時的な電源電圧の増加や減少が起こらないためである。このようにして、充電電力変化の有無に応じた指令電力の設定動作が行われる。

（ステップ１０７）次に、電力補正部４０５は、実際の電圧変化量に基づいて、ステップ１０６において算出された指令電力に対してフィードバック補正を行い、補正後指令電力を算出する。

（ステップ１０８）発電機制御部１０４は、算出された補正後指令電力を発生するように発電機１０２を制御する。

図９は、電力補正部４０５の詳細構成を示す図である。図９に示すように、電力補正部４０５は、電力制御部５０１、電圧制御部５０２、電圧補正条件判断部５０３、切替部５０４、乗算部５０５を備えている。

電圧補正条件判断部５０３は、ステップ３００と同様に、発電要求電力と負荷要求電力とに基づいて、充放電電力変化を伴う発電電力変化が行われているかを判定する。充放電電力変化を伴う電力変化が起こっていない場合には、切替部５０４がＯＦＦ側に切り替えられる。これにより、指令電力がそのまま補正後指令電力として設定され、出力される。また、充放電電力変化を伴う発電電力変化が起こっている場合には、切替部５０４がＯＮ側に切り替えられる。これにより、電力制御部５０１および電圧制御部５０２を用いたフィードバック補正が実施されて補正後指令電力が設定される。

電圧制御部５０２は、入力された指令電圧と、検出された発電機１０２の出力電圧（電源バス１１５の電圧）とを比較し、指令電圧通りの電圧値になるように（減算部５０２Ａから出力されるこれらの電圧の差が０になるように）、制御器５０２Ｂによって発電機１０２に対する補正後指令電力を出力する。電力制御部５０１は、入力された指令電力と、検出された発電電力（検出された発電機１０２の出力電圧と出力電流とを乗算部５０５で乗算することで算出される）とを比較し、指令電力通りの発電電力になるように（減算部５０１Ａから出力されるこれらの電力の差が０になるように）、制御器５０１Ｂによって指令電圧を設定する。このとき、出力する指令電圧の変化速度が、電圧増加速度制限値ｄＶｕよりも小さく、電圧減少速度制限値ｄＶｌよりも大きくなるように制限が加えられる。設定された指令電圧は電圧制御部５０２に入力される。電圧制御部５０２、電力制御部５０１を用いることで、充放電電力増加／減少速度制限値ｄＷｕ／ｄＷｌに誤差が生じ、電圧増加／減少速度制限値ｄＶｕ／ｄＶｌを超える電圧変化が起こっても、電圧変化速度を制限内に抑えることができる。

図１０は、充放電電力が変化する場合の動作例を示す説明図である。充電電力が増加して発電機配分電力が増加すると（図１０（ａ））、充放電電力変化速度が充電電力増加速度制限値ｄＷｕ以下になるように発電要求電力が補正され、エンジン１０１の応答に合わせて発電を行うための発電許可電力、補正後指令電力が設定される（図１０（ｂ））。このとき、エンジン１０１の発生トルクと発電機１０２の吸収トルクを同期させることで、電圧変化速度を電圧増加速度制限値ｄＶｕ内に抑えると同時にエンジン回転数の変動を抑えることができる（図１０（ｃ）、図１０（ｄ））。

図１１は、充放電電力が変化する場合であって充放電電力増加速度制限値ｄＷｕに誤差が生じた場合の動作例を示す説明図である。図１１（ａ）〜図１１（ｄ）のそれぞれは図１０（ａ）〜図１０（ｄ）のそれぞれに対応している。例えば、充放電電力増加速度制限値ｄＷｕが大きすぎて過剰な発電が行われた場合であっても、図９に示す電力補正部４０５によるフィードバック補正（図３のステップ１０７における補正後指令電力算出）を行うことで、電圧変化速度を電圧増加速度制限値ｄＶｕ内に抑えることができる。また、この場合でもエンジン回転数の変動は最小限に抑えることができる。

図１２は、負荷電力の増加に伴って発電機配分電力が変化した場合の動作例を示す説明図である。負荷電力が増加する際（図１２（ａ））、エンジン１０１の応答（発電許可電力）に合わせて発電すると（図１２（ｂ））、一時的な電力不足により電源電圧が落ち込んでしまうが（図１２（ｃ）の点線部）、本実施形態では、発電要求電力と発電許可電力を調停し、電源電圧の落ちこみを電圧減少幅制限値ΔＶｌ内に抑えることができる。また、エンジン１０１の回転数の落ちこみも、電圧減少幅制限値ΔＶｌを満たす最小限に抑えることができる（図１２（ｄ））。

〔第２の実施形態〕
図１３は、第２の実施形態の車両用電源システムに含まれる電源制御装置１０５Ａの詳細構成を示す図である。第２の実施形態の車両用電源システムは、図１に示した構成に含まれる電源制御装置１０５を図１３に示した電源制御装置１０５Ａに置き換えた点が異なっている。

図１３に示すように、本実施形態の電源制御装置１０５Ａは、バッテリ状態検知部４０１、配分電力算出部４０２、要求電力算出部４０３、電力調停部４０４、電力補正部４０５、要求トルク算出部４０６、発電許可電力算出部４０７、負荷指令算出部４０９、発電機制御部１０４を含んで構成されている。この電源制御装置１０５Ａは、図２に示した電源制御装置１０５に対して負荷指令算出部４０９を追加した点が異なっており、他の構成については共通している。第１の実施形態と同様に、電源制御装置１０５が電源制御手段に、エンジン制御ユニット１０３がエンジン制御手段にそれぞれ対応する。

図１４は、本実施形態の車両用電源システムの動作手順を示す流れ図であり、主に電源制御装置１０５Ａによって行われる発電制御の動作手順が示されている。図１４に示す流れ図では、図３に示した動作手順に対して、ステップ１１０とステップ１１１が追加されている。

図１５は、本実施形態において指令電力を算出する具体的な動作手順を示す流れ図である。図１５に示す流れ図では、図８に示したステップ３０２、３０３の動作手順がステップ３１０、３１１の動作手順に置き換えられている。

発電要求電力が発電許可電力以上の場合であってステップ３０１の判定において肯定判断が行われると、電力調停部４０４は、エンジン冷却ファンやデフォッガのような一時的に抑制可能な電気負荷を用いて、運転者に違和感を与えずに最大限減少できる負荷電力（負荷減少可能電力）を求め、以下の式を用いて指令電力を決定する（ステップ３１０）。

指令電力＝発電許可電力＋ｍａｘ（（発電要求電力−指令電力）
−充放電電力偏差下限値ΔＷｌ−負荷減少可能電力，０）
一方、発電要求電力が発電許可電力よりも小さい場合（電力過剰時）であってステップ３０１の判定において否定判断が行われると、電力調停部４０４は、エンジン冷却ファンやデフォッガのような電気負荷を用いて運転者に違和感を与えずに負荷電力を増加できる最大電力（負荷増加可能電力）を求め、以下の式を用いて指令電力を決定する（ステップ３１１）。

指令電力＝発電許可電力＋ｍｉｎ（（発電要求電力−指令電力）
＋充放電電力偏差上限値ΔＷｕ＋負荷増加可能電力，０）
図１４に示すステップ１０８において発電機１０２に対して発電電力の指令を行った後、負荷指令算出部４０９は、各電気負荷への電力指令値（負荷指令電力）を算出する（ステップ１１０）。各電気負荷への指令電力は、負荷電力の変化時に発電要求電力と指令電力とを比較し、発電要求電力に対して発電許可電力が不足する場合は、電力不足分が充放電電力偏差下限値ΔＷｌを超える分だけ負荷要求電力を減少させることで算出することができる。但し、減少分は、前記負荷減少可能電力を超えないように設定する。また、発電要求電力に対して、発電許可電力が過剰な場合は、電力過剰分が、充放電電力偏差上限値ΔＷｕを超える分だけ負荷要求電力を増加させることで算出することができる。但し、増加分は、前記負荷増加可能電力を超えないように設定する。

すなわち、電力不足時の負荷指令電力は、以下の式で算出することができる。

負荷指令電力＝負荷要求電力−ｍｉｎ（負荷減少可能電力，
（発電要求電力−指令電力−充放電電力偏差下限値ΔＷｌ））
また、電力過剰時の負荷指令電力は、以下の式で算出することができる。

負荷指令電力＝負荷要求電力＋ｍｉｎ（負荷増加可能電力，
（指令電力−発電要求電力−充放電電力偏差上限値ΔＷｕ））
次に、負荷指令算出部４０９は、算出した負荷指令電力の指令を負荷制御装置１０６ａ、１０６ｂに与え、指令を受け取った負荷制御装置１０６ａ、１０６ｂは、指令に従って電気負荷に供給する電力を制御する（ステップ１１１）。

図１６は、充放電電力が変化する場合の動作例を示す説明図である。第１の実施形態では、図１２（ｄ）に示したように、電圧減少を電圧減少幅制限値ΔＶｌ内に収めるために、発電電力を調停した分だけエンジントルクが不足し、エンジン回転が落ち込んでいた。これに対し、本実施形態では、電気負荷への電力供給量を増加／減少して調整できる電力を加味して調停を行うことで発電許可電力と指令電力の差が少なくなるため（図１６（ｂ））、エンジン回転数の落ちこみを少なくすることができる（図１６（ｅ））。また、同時に、運転者に違和感を与えない範囲で電気負荷を増加／減少させることで（図１６（ｃ））、電圧の落ちこみを既定値（電圧減少幅制限値ΔＶｌ）内に抑えることができる（図１６（ｄ））。

〔第３の実施形態〕
図１７は、第３の実施形態の車両用電源システムに含まれる電力補正部４０５Ａの詳細構成を示す図である。第３の実施形態の車両用電源システムは、図１および図２に示した構成に含まれる電力補正部４０５を図１７に示した電力補正部４０５Ａに置き換えた点が異なっている。

図１７に示すように、本実施形態の電力補正部４０５Ａは、電圧補正条件判断部５０３、切替部５０４、電圧増加速度制限部５０６、電圧減少速度制限部５０７、加算部５０８、５０９、微分処理部５１０を備えている。

第１の実施形態と同様に、電圧補正条件判断部５０３は、発電要求電力と負荷要求電力とに基づいて、充放電電力変化を伴う発電電力変化が行われているかを判定する。充放電電力変化を伴う電力変化が起こっていない場合には、切替部５０４がＯＦＦ側に切り替えられる。これにより、指令電力がそのまま補正後指令電力として設定され、出力される。また、充放電電力変化を伴う発電電力変化が起こっている場合には、切替部５０４がＯＮ側に切り替えられる。この場合には、電圧増加速度制限部５０６や電圧減少速度制限部５０７を用いたフィードバック補正が実施されて補正後指令電力が設定される。

電圧増加速度制限部５０６は、電源電圧の増加速度が電圧増加速度制限値ｄＶｕを超えないように指令電力に補正を加える。この電圧増加速度制限部５０６は、ＦＢ（フィードバック）制御実行判断部（増加側）５０６Ｂと、ＦＢ制御器（増加側）５０６Ｃを有している。ＦＢ制御実行判断部（増加側）５０６Ｂでフィードバック制御の実行が判断された場合にはスイッチ５０６Ｄが切り替えられ、ＦＢ制御器（増加側）５０６Ｃにより、検出した電源電圧増加速度と電圧増加速度制限値ｄＶｕとを比較し、電源電圧増加速度が電圧増加速度制限値ｄＶｕになるように、指令電力にフィードバック補正を加える。なお、電源電圧増加速度の検出は、電源バス１１５の電圧を微分処理部５１０で検出することにより行われる。また、検出された電源電圧増加速度と電圧増加速度制限値ｄＶｕとの差分が減算部５０６Ａによって求められ、この差分値がＦＢ制御器（増加側）５０６Ｃに入力されている。

ＦＢ制御器５０６Ｃは、入力された電源電圧増加速度と電圧増加速度制限値ｄＶｕとを比較し、電源電圧増加速度が電圧増加速度制限値ｄＶｕになるように（減算部５０６Ａから出力されるこれらの差が０になるように）、指令電力に加えるフィードバック補正値を決定する。このフィードバック補正値は加算部５０８と通して加算部５０９に入力され、指令電力に加算される。

また、電圧減少速度制限部５０７は、電源電圧の減少速度が電圧減少速度制限値ｄＶｌを超えないように指令電力に補正を加える。この電圧減少速度制限部５０７は、ＦＢ（フィードバック）制御実行判断部（減少側）５０７Ｂと、ＦＢ制御器（減少側）５０７Ｃを有している。ＦＢ制御実行判断部（減少側）５０７Ｂでフィードバック制御の実行が判断された場合にはスイッチ５０７Ｄが切り替えられ、ＦＢ制御器（減少側）５０７Ｃにより、検出した電源電圧減少速度と電圧減少速度制限値ｄＶｌとを比較し、電源電圧減少速度が電圧減少速度制限値ｄＶｌになるように、指令電力にフィードバック補正を加える。なお、電源電圧減少速度の検出は、電源電圧増加速度の検出と供給であり、電源バス１１５の電圧を微分処理部５１０で検出することにより行われる。また、検出された電源電圧減少速度と電圧減少速度制限値ｄＶｌとの差分が減算部５０７Ａによって求められ、この差分値がＦＢ制御器（減少側）５０７Ｃに入力されている。

ＦＢ制御器５０７Ｃは、入力された電源電圧減少速度と電圧減少速度制限値ｄＶｌとを比較し、電源電圧減少速度が電圧減少速度制限値ｄＶｌになるように（減算部５０７Ａから出力されるこれらの差が０になるように）、指令電力に加えるフィードバック補正値を決定する。このフィードバック補正値は加算部５０８と通して加算部５０９に入力され、指令電力に加算される。

図１８は、ＦＢ制御実行判断部（増加側）５０６Ｂの動作手順を示す流れ図である。ＦＢ制御実行判断部（増加側）５０６Ｂは、微分処理部５１０を用いて検出した電圧増加速度が、電圧増加速度制限値ｄＶｕに第１の所定値を加えた値よりも大きいか否かを判定する（ステップ４００）。大きい場合には肯定判断が行われ、ＦＢ制御実行判断部（増加側）５０６Ｂは、指令電力の補正が必要であると判断してスイッチ５０６Ｄをオンし、ＦＢ制御器（増加側）５０６Ｃの出力を有効にする（ステップ４０１）。

また、検出された電圧増加速度が電圧増加速度制限値ｄＶｕに第１の所定値を加えた値と同じかあるいは小さい場合にはステップ４００の判定において否定判断が行われる。この場合には、ＦＢ制御実行判断部（増加側）５０６Ｂは、検出した電圧増加速度が電圧増加速度制限値ｄＶｕから第２の所定値を差し引いた値より小さいか否かを判定する（ステップ４０２）。小さい場合には肯定判断が行われ、ＦＢ制御器（増加側）５０６Ｃはスイッチ５０６Ｄをオフし、ＦＢ制御器（増加側）５０６Ｃの出力を無効にする（ステップ４０３）。上述した第１の所定値は、瞬時に電圧増加速度が電圧増加速度制限値ｄＶｕを超えても許容されるあらかじめ決められた最大マージンである。第２の所定値は、フィードバック制御をしなくても電圧変化が電圧増加速度制限値ｄＶｕ内に収まると判断されるあらかじめ決められた値である。また、検出した電圧増加速度が電圧増加速度制限値ｄＶｕから第２の所定値を差し引いた値と同じかあるいは大きい場合にはステップ４０２の判定において否定判断が行われ、それ以前のスイッチ５０６Ｄの状態が維持される。なお、電圧減少速度制限部５０７の動作も電圧増加速度制限部５０６と電圧変化の方向が変わるだけで、同様の動作手順でフィードバック制御が行われる。

これにより、第１の実施形態と同様に、充放電電力増加／減少速度制限値ｄＷｕ／ｄＷｌに誤差が生じ、電圧増加／減少速度制限値ｄＶｕ／ｄＶｌを大きく超える電圧変化が起こっても、電圧変化速度を制限内に抑えるように補正することができる。

〔第４の実施形態〕
第１の実施形態（第２および第３の実施形態についても同様）では、エンジン制御ユニット１０３と電源制御装置１０５を通信線１１２で接続したが、図１９および図２０に示すように、エンジン制御ユニット１０３Ａに電源制御装置１０５を内包し、一体とすることもできる。エンジン制御ユニット１０３Ａと電源制御装置１０５とを一体化することで、エンジン１０１の制御と電源（発電機１０２）の制御を同一あるいは別々のマイコンで行う場合に、メモリの共有などにより、エンジン制御部４０８と電源制御装置１０５との間のデータのやりとりを高速化することができるため、エンジン１０１と発電機１０２のトルクの同期をより好適に行うことができる。

なお、エンジン制御手段としてのエンジン制御ユニットと電源制御手段としての電源制御装置とを同一ユニットに備える形態としては、上記以外に、電源制御装置にエンジン制御ユニットを内包したり、別のユニットにエンジン制御ユニットと電源制御装置の両方を内包するようにしてもよい。

第１の実施形態の車両用電源システムの全体構成を示す図である。 電源制御装置の詳細構成を示す図である。 本実施形態の車両用電源システムの動作手順を示す流れ図である。 バッテリの電力−電圧特性の具体例を示す図である。 充放電電力増加速度制限値ｄＷｕの算出方法を示す説明図である。 発電許可電力を算出する具体的な動作手順を示す流れ図である。 充放電電力偏差下限値ΔＷｌの算出方法を示す説明図である。 指令電力を算出する具体的な動作手順を示す流れ図である。 電力補正部の詳細構成を示す図である。 充放電電力が変化する場合の動作例を示す説明図である。 充放電電力が変化する場合であって充放電電力増加速度制限値ｄＷｕに誤差が生じた場合の動作例を示す説明図である。 負荷電力の増加に伴って発電機配分電力が変化した場合の動作例を示す説明図である。 第２の実施形態の車両用電源システムに含まれる電源制御装置の詳細構成を示す図である。 本実施形態の車両用電源システムの動作手順を示す流れ図である。 本実施形態において指令電力を算出する具体的な動作手順を示す流れ図である。 充放電電力が変化する場合の動作例を示す説明図である。 第３の実施形態の車両用電源システムに含まれる電力補正部の詳細構成を示す図である。 ＦＢ制御実行判断部（増加側）の動作手順を示す流れ図である。 第４の実施形態の車両用電源システムの全体構成を示す図である。 第４の実施形態のエンジン制御ユニットの構成を示すずである。

符号の説明

１０１ エンジン
１０２ 発電機
１０３ エンジン制御ユニット
１０４ 発電機制御部
１０５ 電源制御装置
１０６ａ、１０６ｂ 負荷制御装置
１０８ バッテリ
４０１ バッテリ状態検知部
４０２ 配分電力算出部
４０３ 要求電力算出部
４０４ 電力調停部
４０５ 電力補正部
４０６ 要求トルク算出部
４０７ 発電許可電力算出部

Claims (8)

1. 電源バスを通して電気負荷に電力を供給するバッテリと、
   前記電源バスを通して前記バッテリおよび前記電気負荷に電力を供給する発電機と、
   前記電源バスに現れる電源電圧の変化を許容範囲に収めるために必要となる前記バッテリの充放電電力の範囲を示す第１の範囲と、前記電源電圧の変化速度を許容範囲に収めるために必要となる前記バッテリの充放電電力の変化速度範囲を示す第２の範囲とを算出し、前記電気負荷の動作状況や前記バッテリの残容量から求められる前記発電機が定常的に発電すべき発電機配分電力に対して、前記バッテリの充放電電力が前記第１の範囲に収まり、かつ、前記バッテリの充放電電力の変化速度が前記第２の範囲に収まるように補正を行って、前記発電機の発電電力を設定する電源制御手段と、
   を備えることを特徴とする車両用電源システム。
2. 請求項１において
   前記電源制御手段は、前記第２の範囲を、前記バッテリの内部抵抗ｒと、現在の電源電圧Ｖおよび充放電電流Ｉの検出値とに基づいて算出することを特徴とする車両用電源システム。
3. 請求項１または２において、
   前記発電機を駆動するエンジンに指令を与えるエンジン制御手段を備え、
   前記電源制御手段は、前記電気負荷の動作状況や前記バッテリの残容量から求められる前記発電機が発電すべき発電機配分電力に対して、前記バッテリの充放電電力の変化速度が前記第２の範囲に収まるように補正を行って発電要求電力を算出するとともに、この発電要求電力を発電するために必要な要求トルクを前記エンジン制御手段に送信し、
   前記エンジン制御手段は、前記要求トルクを発生するように前記エンジンを制御するとともに、前記エンジンの応答を加味して実現可能な許可トルクを予測して前記電源制御手段に送信し、
   前記電源制御手段は、前記許可トルクと前記発電機による吸収トルクとが同期するように前記発電要求電力に対して調停を行って前記発電機の発電電力を指示する指令電力を設定することを特徴とする車両用電源システム。
4. 請求項３において、
   前記電源制御手段は、前記発電機の現在の発電電力と前記電源電圧の検出値とに基づいて、前記電源電圧の速度変化が所定の許容範囲内に収まるように、前記指令電力を補正することを特徴とする車両用電源システム。
5. 電源バスを通して電気負荷に電力を供給するバッテリと、
   前記電源バスを通して前記バッテリおよび前記電気負荷に電力を供給する発電機と、
   前記電源バスに現れる電源電圧の変化を許容範囲に収めるために必要となる前記バッテリの充放電電力の範囲を示す第１の範囲と、電力供給の遅延によって生じる一時的な電圧変化を許容範囲に収めるために必要となるバッテリ充放電電力の範囲を示す第３の範囲とに基づいて、前記発電機の発電電力と前記電気負荷で消費する負荷電力の少なくとも一つを設定する電源制御手段と、
   前記発電機を駆動するエンジンに指令を与えるエンジン制御手段と、を備え、
   前記電源制御手段は、前記電気負荷の消費電力の変化に伴う、前記発電機が発電すべき発電機配分電力の変化時に、この発電機配分電力を発電要求電力とするとともに、この発電要求電力を発電するために必要な要求トルクを前記エンジン制御手段に送信し、
   前記エンジン制御手段は、前記要求トルクを発生するように前記エンジンを制御するとともに、前記エンジンの応答を加味して実現可能な許可トルクを予測して前記電源制御手段に送信し、
   前記電源制御手段は、前記許可トルクに対応する発電許可電力と前記発電要求電力との間に差がある場合に、この差が前記第３の範囲に収まるように前記発電要求電力に対して調停を行って前記発電機の発電電力を指示する指令電力を設定することを特徴とする車両用電源システム。
6. 請求項５において、
   前記電源制御手段は、前記許可トルクに対応する発電許可電力と前記発電要求電力との間に差がある場合に、この差が、前記第３の範囲の上限値／下限値と、前記負荷電力を増加／減少可能な負荷増加／減少可能電力との和以下になるように、前記発電要求電力に対して調停を行って前記発電機の発電電力を指示する指令電力を設定するとともに、前記差が前記第３の範囲の上限値／下限値を超える分だけ前記電気負荷に供給される負荷電力を減少／増加させるように、前記電気負荷に供給する負荷電力を制御することを特徴とする車両用電源システム。
7. 請求項５または６において、
   前記電源制御手段は、前記第３の範囲を、前記バッテリの内部抵抗ｒと、現在の電源電圧Ｖおよび充放電電流Ｉの検出値とに基づいて算出することを特徴とする車両用電源システム。
8. 請求項３、４、５、６のいずれかにおいて、
   前記エンジン制御手段と電源制御手段を同一のユニット内に備えたことを特徴とする車両用電源システム。

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