(57)【要約】  第１蓄電デバイスに対して少ない容量の第２蓄電デバイスで、第１蓄電デバイスの寿命延長を図れる電力回生電源システムを得る。制御装置１０は、電力移動開始点の電流値Ｉ0を超える回生電流について、回生初期に、電力移動開始点の電流値を第１蓄電デバイスが分担し、電力移動開始点の電流値を越える回生電流を第２蓄電デバイスに分担させると共に、時間経過と共に、第１蓄電デバイスの分担比率を曲線的に上げ、電力移動開始点の電流値を越える回生電流を第１蓄電デバイスへ充電させている間において、充電電流が電力移動開始点の電流値以下の場合に、第２蓄電デバイスから第１蓄電デバイスへの放電をさせる。
2012111508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列に接続された高エネルギー型の第１蓄電デバイスおよび高出力型の第２蓄電デバイスと、
前記第１蓄電デバイスの電流および電圧を測定する第１電流計および第１電圧計と、
前記第２蓄電デバイスの電流および電圧を測定する第２電流計および第２電圧計と、
前記第１蓄電デバイスの充放電を制御する第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記第２蓄電デバイスの充放電を制御する第２ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記第１電流計および第１電圧計、並びに前記第２電流計および第２電圧計の出力に基づき、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータおよび第２ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御装置と
を備えた電力回生電源システムにおいて、
前記制御装置によって、電力移動開始点の電流値Ｉ0を超える回生電流の受け入れについて、回生初期（ｔ＝０）に、電力移動開始点の電流値Ｉ0以下の回生電流を前記第１蓄電デバイスが分担し、前記電力移動開始点の電流値Ｉ0を越える回生電流を前記第２蓄電デバイスに分担させると共に、時間経過と共に、前記第１蓄電デバイスの分担電流Ｉ1（ｔ）を曲線的に前記第１蓄電デバイスの最大許容電流値まで上げる機能と、
前記制御装置によって、電力移動開始点の電流値を越える回生電流を前記第１蓄電デバイスへ充電させている間において、前記第１蓄電デバイスの充電電流Ｉ1（ｔ）が電力移動開始点の電流値Ｉ0以下の場合に、前記第２蓄電デバイスから前記第１蓄電デバイスへの放電をさせる機能と
を含む充放電制御手段を前記制御装置に備えたことを特徴とする電力回生電源システム。
【請求項２】
前記第１蓄電デバイスの分担電流Ｉ1（ｔ）を、次式、
Ｉ1（ｔ）＝√（Ａｔ）＋Ｉ0
但し、Ａは定数、
により演算することを特徴とする請求項１に記載の電力回生電源システム。
【請求項３】
前記電力移動開始点の電流値Ｉ0が、前記第１蓄電デバイスの最大許容電流値の１０％以上５０％未満であることを特徴とする請求項１に記載の電力回生電源システム。
【請求項４】
前記電力移動開始点の電流値Ｉ0を、２０℃よりも高温になるほど小さく設定し、２０℃よりも低温になるほど小さく設定したことを特徴とする請求項１に記載の電力回生電源システム。
【請求項５】
前記電力移動開始点の電流値Ｉ0を、前記第１蓄電デバイスのＳＯＣレベルが高くなるほど小さく設定したことを特徴とする請求項１に記載の電力回生電源システム。
【請求項６】
前記定数Ａの値を、２０℃よりも高温になるほど小さく設定し、２０℃よりも低温になるほど小さく設定したことを特徴とする請求項２に記載の電力回生電源システム。
【請求項７】
前記定数Ａの値を、前記第１蓄電デバイスのＳＯＣレベルが高くなるほど小さく設定したことを特徴とする請求項２に記載の電力回生電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車、電気自動車、鉄道車両などのブレーキ回生や太陽光発電の出力平準化などに用いられる、高エネルギー型の第１蓄電デバイスと高出力型の第２蓄電デバイスを並列に接続した電力回生電源システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高エネルギー型の第１蓄電デバイスと高出力型の第２蓄電デバイスを並列に接続した電力回生電源システムは、瞬時の充放電を高出力型の第２蓄電デバイスで受け持ち、長時間の充放電を高エネルギー型の第１蓄電デバイスで受け持つことで、充放電の繰り返しによる高エネルギー型の第１蓄電デバイスへのダメージを軽減し、サイクル寿命を改善する方法として古くから提案されている。【０００３】
従来の電力回生電源システムとしては、例えば、電鉄用としては、特許文献１の図１および図２のような蓄電池（高エネルギー型の第１蓄電デバイス）と電気二重層キャパシタ（高出力型の第２蓄電デバイス）を並列に接続した構成がある。
特許文献１の図５に示されているように、充電電流に対して、初期は１００％電気二重層キャパシタが受け持ち、徐々に蓄電池の比率を高め、放電電流に対しても、初期は１００％電気二重層キャパシタが受け持ち、徐々に蓄電池の比率を高めている。【０００４】
特許文献１において、充電電流は、電車がブレーキをかけた場合に、モータが発電機となって回生電流が発生して電力回生電源システムへの充電電流となっており、放電電流は、電車が加速してモータが大きなトルクを出すときに大きな電力を必要とし、力行電流が必要になって電力回生電源システムからの放電電流となっている。【０００５】
特許文献２には、同様に鉄道用として蓄電池（高エネルギー型の第１蓄電デバイス）と電気二重層キャパシタ（高出力型の第２蓄電デバイス）を並列に接続した構成とその充放電制御方法が細かく記載されている。特許文献２の段落［００３５］の（１Ｂ）回生運転終了後の制御として、回生運転状態終了後に、昇圧チョッパ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を制御し、電気二重層キャパシタから蓄電池への放電を開始させると記述されている。【０００６】
このような鉄道用の電力回生電源システムは、電車車両に搭載されたり、地上設備として設置されたりしてキ電の安定化や回生失効防止のために用いられることが想定されている。【０００７】
電気自動車に対しても従来から同様の電力回生電源システムが提案されている。例えば特許文献３の図１には、高エネルギー型電池と高出力型電池が、電流２象限チョッパ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を介して並列に接続された電力回生電源システムであって、電気自動車や、直流電源と内燃機関とを動力源とするハイブリッド電気自動車の電力回生電源システムの構成が示されている。
また、特許文献３の図３には減速時の電流および電圧の変化が示されており、一定の回生電流を高エネルギー型電池（主電池）が受け持ち、その電流を超える回生電流を高出力型電池（コンデンサ）が受け持っている。【０００８】
また、特許文献４の図１にも、同様に、自動車やハイブリッド車両の電力回生電源システムが示されており、車両が登りの坂道などで停止中に、後退が発生すると推定される場合に、キャパシタに充電された電力を二次電池に放電して、後退時の回生電流が、キャパシタが満充電であるがために、二次電池にのみ充電され、後退の抑制トルクが小さくなるのを防止するとしている。すなわち、停止中に、キャパシタから二次電池への放電が想定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−２６０７１８号公報（図１、図２、図５）
【特許文献２】特開２００４−３５８９８４号公報（［００３５］）
【特許文献３】特開平１０−２７１６１１号公報（図１、図３）
【特許文献４】特開２００８−３０６８２号公報（図１、［０００５］〜［００２１］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の高エネルギー型の第１蓄電デバイスと高出力型の第２蓄電デバイスを並列に接続した電力回生電源システムは、以上のように構成され充放電制御されているので、回生電流が流れた後、引き続いて回生電流が流れると、すでに充電されている高出力型の第２蓄電デバイスで回生することができず、高エネルギー型の第１蓄電デバイスで回生電流を充電せざるを得なくなり、第１蓄電デバイスの寿命延長を図ることができないという課題があった。
また、第１蓄電デバイスの寿命短縮を避けるためには、高エネルギー型の第１蓄電デバイス対して十分な容量の高出力型の第２蓄電デバイスを用意しなければならないという問題点があった。【００１１】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高エネルギー型の第１蓄電デバイスに対してできるだけ少ない容量の高出力型の第２蓄電デバイスで、第１蓄電デバイスの寿命延長を図ることができる電力回生電源システムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る電力回生電源システムは、並列に接続された高エネルギー型の第１蓄電デバイスおよび高出力型の第２蓄電デバイスと、第１蓄電デバイスの電流および電圧を測定する第１電流計および第１電圧計と、第２蓄電デバイスの電流および電圧を測定する第２電流計および第２電圧計と、第１蓄電デバイスの充放電を制御する第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、第２蓄電デバイスの充放電を制御する第２ＤＣ／ＤＣコンバータと、第１電流計および第１電圧計、並びに第２電流計および第２電圧計の出力に基づき、第１ＤＣ／ＤＣコンバータおよび第２ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御装置とを備えた電力回生電源システムにおいて、制御装置によって、電力移動開始点の電流値Ｉ0を超える回生電流の受け入れについて、回生初期（時刻ｔ＝０）に、電力移動開始点の電流値Ｉ0以下の回生電流を第１蓄電デバイスが分担し、電力移動開始点の電流値Ｉ0を越える回生電流を第２蓄電デバイスに分担させると共に、時間経過と共に、第１蓄電デバイスの分担電流Ｉ1（ｔ）を曲線的に第１蓄電デバイスの最大許容電流値まで上げる機能と、制御装置によって、電力移動開始点の電流値を越える回生電流を第１蓄電デバイスへ充電させている間において、第１蓄電デバイスの充電電流Ｉ1（ｔ）が電力移動開始点の電流値（Ｉ0）以下の場合に、第２蓄電デバイスから第１蓄電デバイスへの放電をさせる機能とを含む充放電制御手段を制御装置に備えたものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明に係る電力回生電源システムによれば、電力移動開始点の電流値を越える回生電流のみ第２蓄電デバイスで分担し、しかも時間経過と共に第１蓄電デバイスの分担比率を正弦曲線的に上げて第２蓄電デバイスの分担をゼロにするので、第１蓄電デバイスの反応律速に合致した回生電流の増加にすることができ、第１蓄電デバイスの回生電流増加に伴うダメージを最低限に留めると共に、第２蓄電デバイスの分担をゼロにすることで、第２蓄電デバイスへの無駄な充電を防止できるという効果がある。また、第１蓄電デバイスが電力移動開始点の電流値を越える回生電流を充電している間において、充電電流が電力移動開始点の電流値を下回った場合に、第２蓄電デバイスから第１蓄電デバイスへの放電を開始するようにしたので、第１蓄電デバイスのダメージが小さい範囲内で、第２蓄電デバイスに充電された電力を第１蓄電デバイスに速やかに移動させることができ、次なる回生に速やかに備えることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１に係る電力回生電源システムの構成を示すブロック図である。（実施例１）
【図２】この発明の実施の形態１に係る電力回生電源システムの充放電動作を示す説明図である。（実施例１）
【図３】この発明の実施の形態１に係る電力回生電源システムの第１および第２蓄電デバイスの役割分担を示す説明図である。（実施例１）
【図４】リチウムイオン電池への充電電流閾値とダメージ数の関係を示す説明図である。（実施例１）
【図５】この発明の実施の形態２に係る電力回生電源システムの構成を示すブロック図である。（実施例２）
【図６】この発明の実施の形態３に係る電力回生電源システムの充放電動作を示す説明図である。（実施例３）
【図７】この発明の実施の形態３に係る電力回生電源システムの充放電制御動作を示すフローチャートである。（実施例３）
【図８】この発明の実施の形態３に係る電力回生電源システムの第１蓄電デバイスの温度に対して、電力移動開始点の電流値の第１蓄電デバイスの最大許容電流値に対する比率の設定値を示す説明図である。（実施例３）
【図９】この発明の実施の形態３に係る電力回生電源システムの第１蓄電デバイスのＳＯＣレベルに対して、電力移動開始点の電流値の第１蓄電デバイスの最大許容電流値に対する比率の設定値を示す説明図である。（実施例３）
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら、この発明の電力回生電源システムの好適な実施の形態について説明する。
【００１６】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る電力回生電源システムについて、図１〜図４を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る電力回生電源システムの構成を示すブロック図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１７】
図１において、この発明の実施の形態１に係る電力回生電源システムは、高エネルギー型の第１蓄電デバイスとしてリチウムイオン電池１と、高出力型の第２蓄電デバイスとして電気二重層キャパシタ２と、リチウムイオン電池１の電流および電圧を測定する第１電流計Ａ１および第１電圧計Ｖ１と、電気二重層キャパシタ２の電流および電圧を測定する第２電流計Ａ２および第２電圧計Ｖ２と、リチウムイオン電池１の充放電を制御する第１ＤＣ／ＤＣコンバータ３と、電気二重層キャパシタ２の充放電を制御する第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４と、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ３および第２ＤＣ／ＤＣコンバータ５を制御する制御装置１０とが設けられている。
【００１８】
リチウムイオン電池１と電気二重層キャパシタ２は並列に接続され、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ３と第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４も並列に接続されている。制御装置１０は、第１電流計Ａ１および第１電圧計Ｖ１によって測定されたリチウムイオン電池１の電流および電圧、第２電流計Ａ２および第２電圧計Ｖ２によって測定された電気二重層キャパシタ２の電流および電圧に基づき、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ３と第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４を制御して、リチウムイオン電池１と電気二重層キャパシタ２を充放電制御する。なお、全体の電流を測定する電流計Ａ３は、必ずしも必要ではなく、第１電流計Ａ１と第２電流計Ａ２の値を合計すればよい。
【００１９】
回生／力行運転源１００は、電力回生電源システムの利用形態によって異なる。例えば、電鉄用であれば、ブレーキ回生のための車載用とキ電安定化のための地上用とが考えられる。車載用の場合は、モータに接続された車内の電源系であり、地上用の場合は、キ電につなぐための電力変換器になる。また、電気自動車やハイブリッド自動車用であれば、モータのインバータになる。一般の自動車用であれば、エンジンに直結したオルタネータのインバータ、アイドルストップ車用であれば、モータジェネレータのインバータに相当する。さらに、太陽光発電システムにおいては、太陽光パネルの電源を接続するＤＣ／ＤＣコンバータに相当する。この発明の実施の形態１は、いずれの利用形態にも適用することができる。
【００２０】
次に、この発明の実施の形態１に係る電力回生電源システムについて図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図２は、この発明の実施の形態１に係る電力回生電源システムの充放電動作を示す説明図である。
【００２２】
図２において、横軸は、時間で、数字は示していないが、全体で数秒のイメージである。縦軸は、充電電流および放電電流を示す。
【００２３】
図２では、回生／力行運転源１００から制御装置１０へ台形の充電指示がなされている。充電初期は急速に立ち上がり、充電末期は徐々に低下する典型的なブレーキ回生時の回生電流波形を簡単化して模式的に表している。電流値Ｓは電力移動開始点ＰＳであり、これを超えると、制御装置１０は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御してリチウムイオン電池１への充電を開始する。リチウムイオン電池１への充電電流Ｉ１の経時変化は正弦曲線的に変化しており、これによって、リチウムイオン電池１の反応速度を超える充電を避ける効果が得られる。なぜならば、リチウムイオン電池１の反応速度は反応物の供給律速によって支配されており、スムースに反応できる電流量が正弦曲線的に変化するためである。なお、電力移動開始点ＰＳの電流値Ｓは、いきなりこの電流でリチウムイオン電池１を充電してもダメージをほとんど与えることのない最大限の充電電流値である。
【００２４】
電気二重層キャパシタ２は、電力移動開始点ＰＳを超えた回生電流の充電を分担しており、徐々に分担比率を下げて、回生電流の途中で分担がゼロになっている。これによって、電気二重層キャパシタ２への回生充電電流Ｉ２は、その波形が三角定規かブーメランのような形になる。
【００２５】
利用形態において、多くの場合、回生電流は、立ち上がりは急激であるが、急にゼロになるのではなく、図２のようにテールを持っている。
この発明の実施の形態１では、充電電流が電力移動開始点ＰＳを下回った時点で、制御装置１０は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ３および第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４を制御して、電気二重層キャパシタ２からリチウムイオン電池１への充電Ｉ２１Ｃ、すなわち、リチウムイオン電池１への電気二重層キャパシタ２からの放電Ｉ２１Ｄを開始する。
【００２６】
電気二重層キャパシタ２からリチウムイオン電池１への充電電流Ｉ２１Ｃと、リチウムイオン電池１への電気二重層キャパシタ２からの放電電流Ｉ２１Ｄとは、基本的に同じ値となる。充電末期のテール部に、うわばみの口のように食いついている波形が、この発明の実施の形態１の特徴となる。この充電電流は、リチウムイオン電池１を充電してもダメージをほとんど与えることのない電流であり、電気二重層キャパシタ２からリチウムイオン電池１への充電電流Ｉ２１Ｃで電力移動開始点ＰＳの電流値Ｓを維持しても構わないが、電流を下げることでｉ2Ｒのいわゆるリチウムイオン電池１、電気二重層キャパシタ２、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ３、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４や配線での内部抵抗によるロスを大幅に削減することができる。
【００２７】
図３は、この発明の実施の形態１に係る電力回生電源システムの第１および第２蓄電デバイスの役割分担を示す説明図である。
【００２８】
図３に示す表は、運転モード毎の電気二重層キャパシタ２とリチウムイオン電池１の分担を図示したもので、制御装置１０の充放電制御アルゴリズムは、このような表を基に設計される。運転モードが回生の場合、回生電流が電力移動開始点ＰＳの電流値Ｓを下回る範囲では、電気二重層キャパシタ２の補助（充電）は行われず、回生電流が電力移動開始点ＰＳの電流値Ｓを上回ったときに、電気二重層キャパシタ２での補助（充電）が開始される。その場合に、電気二重層キャパシタ２の補助率は、リチウムイオン電池１の充電曲線がおおよそ正弦曲線的に変化するように設定される。電気二重層キャパシタ２は充電率が上がるほどセル電圧が上昇するので、単に、電気二重層キャパシタ２の電流値を一定に制御するだけでも、リチウムイオン電池１の充電曲線がおおよそ正弦曲線的に変化する。
【００２９】
その後、回生電流が電力移動開始点ＰＳの電流値Ｓを下回ると、電気二重層キャパシタ２に貯めていた電力をリチウムイオン電池１に移動する、すなわち電力移動を開始する。この間、リチウムイオン電池１への充電電流は、回生電流に電気二重層キャパシタ２からの充電電流を合わせた値（回生＋ＣＡＰ）となる。
【００３０】
運転モードが力行の場合は、モータを回すのにトルクが必要になるときに発生するが、電気二重層キャパシタ２から優先的に放電し、リチウムイオン電池１からは不足分を放電する。
【００３１】
すなわち、制御装置１０は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ３および第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４を制御して、回生電流の受け入れ比率について、回生初期に、電力移動開始点ＰＳの電流値Ｓより大きい回生電流を電気二重層キャパシタ２（第２蓄電デバイス）に分担させると共に、時間経過と共に、リチウムイオン電池１（第１蓄電デバイス）の分担比率を正弦曲線的に上げて電気二重層キャパシタ２の分担をゼロにし、電力移動開始点ＰＳの電流値Ｓより大きい回生電流をリチウムイオン電池１へ充電させている間において、充電電流が電力移動開始点ＰＳの電流値Ｓ以下の場合に、電気二重層キャパシタ２からリチウムイオン電池１への放電を開始させる。
【００３２】
これらの制御装置１０の一連の充放電制御によって、少ない容量の電気二重層キャパシタ２でも、満腹状態が継続されることなく、すぐに電力を吐き出して空腹状態を保つことができるので、連続した回生電流に対応して、リチウムイオン電池１へのダメージを和らげることが可能になる。特に、充電開始時には、必要以上に電気二重層キャパシタ２で分担せず、リチウムイオン電池１の充電反応において理想的な曲線を描くように必要最低限の補助を電気二重層キャパシタ２がするので、少ない充電補助でリチウムイオン電池１のダメージを効果的に削減することが可能になる。
【００３３】
ここで、充放電の模擬試験について説明する。５０Ａｈのリチウムイオン電池の３０セルを直列にしたリチウムイオン電池１と、１０００Ｆの電気二重層キャパシタの２０セルを直列にした電気二重層キャパシタ２とを、それぞれ第１および第２ＤＣ／ＤＣコンバータ３および４を介して並列接続した。リチウムイオン電池１のトータル電圧は約１００Ｖ、トータルエネルギー量は約５．６ｋＷｈで、電気二重層キャパシタ２の最大定格電圧は５０Ｖ、トータルエネルギー量は約１７Ｗｈで、電気二重層キャパシタ２のトータルエネルギー量はリチウムイオン電池１のわずか０．３％にしか過ぎない。コスト的にも、わずかなコストアップで構築できるシステムである。リチウムイオン電池１の最大充電電流許容量は１００Ａであった。
【００３４】
制御装置１０に代表的な車の走行モードであるＪＣ０８モードパターンをインプットして、充放電の模擬試験を行い、電流と電圧の経時変化を調べた。この模擬試験では、電力移動開始点ＰＳの電流値Ｓを、５０Ａ、４０Ａ、３０Ａ、２０Ａ、１０Ａと０Ａの６通りで試験するとともに、比較例として、電気二重層キャパシタ２を並列接続せずに、リチウムイオン電池１単独の場合の電流と電圧の経時変化を調べた。
【００３５】
また、リチウムイオン電池１の劣化を短期間に判断するのが難しいので、以下のダメージ数を用いる。すなわち、実際に測定されたリチウムイオン電池１および電気二重層キャパシタ２の充放電電流値と電圧値から、次式（１）によりリチウムイオン電池１のダメージ数Ｙを計算した。
【００３６】
Ｙ＝ＳＯＣＥ＊Ｉ／Ｂ    ・・・（１）
【００３７】
但し、Ｉはリチウムイオン電池１の充電時の最大充電電流［Ａ］、Ｂはリチウムイオン電池１の許容最大電流［Ａ］である。
【００３８】
式（１）において、ＳＯＣＥ（Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｅｎｄ）は、リチウムイオン電池１の充電終了時の充電状態［ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）］［％］である。例えば、リチウムイオン電池１をＳＯＣ５０％の状態からＳＯＣ７０％まで充電した場合には、ＳＯＣＥは７０として式（１）の演算に用いられる。リチウムイオン電池１のＳＯＣは、リチウムイオン電池１のセル電圧やトータル電圧から求めることができるが、リチウムイオン電池１の充放電電流の積算値によっても求めることができる。
【００３９】
また、模擬試験の場合、許容最大電流［Ａ］は１００Ａとなる。したがって、リチウムイオン電池１の充電が完了した時点での最大充電電流値Ｉでもって、ダメージ数が計算できる。
【００４０】
ダメージ数ＹはＪＣ０８モード一回分について積算した。一連の結果を図４に示す。図４は、リチウムイオン電池への充電電流閾値とダメージ数の関係を示す説明図である。図４では、横軸に電力移動開始点ＰＳの電流値Ｓ［Ａ］を、縦軸にダメージ数Ｙの積分値を示す。また、電気二重層キャパシタ２と並列にしなかった比較例については、左端に示した。
【００４１】
電気二重層キャパシタ２と並列にしない場合に、ダメージ数Ｙは４５００を超え、ＪＣ０８モードでの充電によるリチウムイオン電池１へのダメージが大きいことが分かった。これに対して、電気二重層キャパシタ２を並列接続した場合には、いずれの場合もダメージ数Ｙが著しく減少した。これにより、この発明の実施の形態１による効果が実証できた。
【００４２】
注目されるのは、電力移動開始点ＰＳの電流値Ｓ［Ａ］を、１０〜２０Ａ（最大許容電流値の１０〜２０％）に設定した場合に、ダメージ数Ｙがほぼゼロに保たれることで、この領域においては、この発明の実施の形態１が特に効果が高いことが判明した。５０Ａを大きく超えると、ダメージ数Ｙも大きく増加したので、電力移動開始点ＰＳの電流値Ｓ［Ａ］は、最大許容電流値の１０〜５０％の範囲に設定することが望ましい。
【００４３】
なお、模擬試験では、電気二重層キャパシタ２からリチウムイオン電池１への放電は、電力移動開始点ＰＳの電流値Ｓ［Ａ］を下回った場合に、５Ａ程度（最大許容電流値の５％）で電力移動するようにプログラムしたが、１％以上１０％以下であることが望ましく、１％を下回ると、放電に時間がかかって、次の回生までに放電しきれず、ダメージ数Ｙを削減する効果が低くなった。また、１０％を超えると、電気二重層キャパシタ２とリチウムイオン電池１間での第１および第２ＤＣ／ＤＣコンバータ３および４を含めた電力移動時の内部抵抗によるロスが大きくなり、回生効率が悪くなった。
【００４４】
また、模擬試験では、リチウムイオン電池１に対して、電気二重層キャパシタ２の最大蓄電量が０．３％の場合を示したが、０．１〜１％の範囲が望ましい。０．１％を下回ると、電気二重層キャパシタ２の内部抵抗が増大して、回生効率が悪化する。また、１％を超えると、コスト的にも、容積的にも大きくなって、システムとしての付加価値が下がる。
【００４５】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る電力回生電源システムについて図５を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態２に係る電力回生電源システムの構成を示す説明図である。
【００４６】
図５においては、高エネルギー型の第１蓄電デバイスとして高エネルギー型リチウムイオン電池１を用い、高出力型の第２蓄電デバイスとして高出力型リチウムイオン電池２を用いて並列に接続している点が、前述の実施の形態１と異なる。
【００４７】
高エネルギー型リチウムイオン電池１としては、実施の形態１で用いたような電気自動車に用いられる大型リチウム電池を用いることができる。また、高エネルギー型リチウムイオン電池１としては、ハイブリッド自動車や産業用に用いられる大型リチウム電池を用いることができる。
【００４８】
第２蓄電デバイスとして高出力型リチウムイオン電池２を用いる場合には、電圧の可変範囲が限られるとともに、電気二重層キャパシタに比べて内部抵抗が大きくなるので、高出力型リチウムイオン電池２の最大蓄電量が高エネルギー型リチウムイオン電池１の１％以上１０％以下であることが望ましい。１％を下回ると、内部抵抗の影響で、充放電によるロスが増えて、回生効率が低下してしまう。また、１０％を超えると、容積や重量が大きくなりすぎてシステムとしての付加価値が低下してしまう。
【００４９】
電気二重層キャパシタの代わりに高出力型リチウムイオン電池２を用いた場合にも、同様に高エネルギー型リチウムイオン電池１のダメージを低減することが可能になる。ただし、そのために高出力型リチウムイオン電池２のダメージが大きくなる場合もあるが、高出力型リチウムイオン電池２の最大蓄電量が高エネルギー型リチウムイオン電池１の１％以上１０％以下なので、交換する場合にも低コストですむ効果が得られる。
【００５０】
なお、リチウムイオン電池を用いた場合について示したが、ニッケル水素電池や鉛蓄電池の場合でも同様の効果が得られる。
【００５１】
また、この発明の実施の形態２では、自動車を想定した場合を示したが、電鉄用途や太陽光発電の平準化など他の用途でも同様の効果が期待できることは自明である。
【００５２】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る電力回生電源システムの充放電制御について、図６および図７のフローチャートを参照しながら説明する。
図６および図７に示すこの発明の実施の形態３においては、前述の実施の形態２と同様に、高エネルギー型の第１蓄電デバイスとして高エネルギー型リチウムイオン電池を用い、高出力型の第２蓄電デバイスとして高出力型リチウムイオン電池を用いている。高出力型リチウムイオン電池２の最大蓄電量が高エネルギー型リチウムイオン電池の５％である。
【００５３】
図６において、一点鎖線は回生電流、実線は第１蓄電デバイスの充放電電流、破線は第２蓄電デバイスの充放電電流の各時間変化を示している。なお、図６においては、回生電流および充電電流を正の値としている。また、図６においては、図２の場合と違って、モータからの回生電流が、左側が急な斜面の山のような形になっている。図２は、比較的緩やかなブレーキをかけたモータの場合に相当し、図６は、急なブレーキをかけているモータに相当する。用途によっては、図２の場合のように事前に予定されて制御されたブレーキではなく、図６のような充電電流が生じる場合がある。
【００５４】
図２は電気二重層キャパシタを用いていたが、図６から、高出力型リチウムイオン電池を用いても、図２の場合と同様の効果が得られ、高エネルギー型の第１蓄電デバイスのダメージを軽減することができる。
【００５５】
以下、図６に示した充放電電流について、時刻Ｔ０〜時刻Ｔ５にわたる経過時間に分けて説明する。
時刻Ｔ０においては、制御装置１０が、モータのブレーキの制御信号などから回生電流の発生を検知し、予想される回生電流を演算する。その値が、電力移動開始点の電流値Ｉ0（＝５０Ａ）を超えていなければ、第１蓄電デバイスのみに充電するが、電力移動開始点の電流値Ｉ0を超えている場合には、その時点を回生初期（ｔ＝０）とし、第１蓄電デバイスと第１蓄電デバイスでの回生電流の分担を開始する。
【００５６】
時刻Ｔ０〜時刻Ｔ１においては、第１蓄電デバイスへの分担電流（充電電流）が曲線的に徐々に増加する。これにより、第１蓄電デバイスが急激に充電されることによる副反応を防止することが可能になる。残りは、第２蓄電デバイスに分担されて、第２蓄電デバイスに充電されている。
【００５７】
時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２においては、第１蓄電デバイスへの分担電流（充電電流）が第１蓄電デバイスの最大許容電流値ＩMAX（＝１００Ａ）に達したことから、第１蓄電デバイスへの分担電流（充電電流）を最大許容電流値ＩMAXの値に固定されている。
時刻Ｔ２〜時刻Ｔ３においては、回生電流が下がって、第１蓄電デバイスの最大許容電流値ＩMAX（＝１００Ａ）を下回ったことから、回生電流はすべて第１蓄電デバイスに充電されている。
【００５８】
時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４においては、回生電流が下がって、電力移動開始点の電流値Ｉ0（＝５０Ａ）を下回ったことから、第２蓄電デバイスに蓄電された回生電力を第１蓄電デバイスに放電し、電力移動開始点の電流値Ｉ0（＝５０Ａ）を保った状態で、第１蓄電デバイスへの充電が継続される。電力移動開始点の電流値Ｉ0（＝５０Ａ）での一定電流での充電なので、第１蓄電デバイスへのダメージは少ない。
【００５９】
時刻Ｔ４においては、回生電力が収束している。従来の制御装置では、この時点で、第２蓄電デバイスに蓄電された回生電力を第１蓄電デバイスに放電する操作が始まるが、この発明の実施の形態３では、この時点ですでに、第２蓄電デバイスに蓄電された回生電力の大部分を第１蓄電デバイスに放電し終わっている。
【００６０】
時刻Ｔ４〜時刻Ｔ５においては、第２蓄電デバイスに蓄電された回生電力を第１蓄電デバイスに放電する時間になる。Ｔ５の時点で、第２蓄電デバイスに蓄電された回生電力はすべて放出されており、次なる回生電力を受け入れることが可能になっている。ブレーキを数回に分けて踏まれた場合には、図６に示されたような回生電流が繰り返されることになるが、この発明の実施の形態３の電力回生電源システムによれば、第２蓄電デバイスに蓄電された回生電力は速やかに第１蓄電デバイスに放電されるので、従来よりも少ない容量の第２蓄電デバイスで効果的に回生電力を充電することが可能になる。
【００６１】
また、この発明の実施の形態３の電力回生電源システムの制御装置１０によって演算され制御される、第１蓄電デバイスへの分担電流が曲線的に徐々に増加する手段によって、第１蓄電デバイスが急激に充電されることによる副反応を防止することが可能になる。
【００６２】
図７のフローチャートを用いて、制御装置１０での充放電制御について、さらに詳細に説明する。なお、簡単のため、回生電流の値を基準に、この電流値を第１蓄電デバイスと第２蓄電デバイスで分担する形で説明する。正確には、電流値を第１蓄電デバイスと第２蓄電デバイスで分担した後、第１蓄電デバイスと第２蓄電デバイスの電圧や、それぞれの抵抗ロス分を勘案して制御装置１０で演算し、それぞれの蓄電デバイスの電流値が決定される。また、充放電の別を簡単にするために、文章中では電流値はすべて正の値として表現する。
【００６３】
まず、ステップＳ１においては、制御装置１０でモータのブレーキの制御信号などから回生電流の発生を検知し、予想される回生電流Ｉ（ｔ）を演算する。
また、ステップＳ２においては、電力移動開始点の電流値Ｉ0を第１蓄電デバイスのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ：充電状態）と温度を基にして決定する。
続いて、ステップＳ３においては、「Ｉ（ｔ）＞Ｉ0」の関係にあるか否かを判定する。
【００６４】
ステップＳ３の判定結果が「Ｉ（ｔ）≦Ｉ0」（すなわち、ＮＯ）の場合には、ステップＳ４において、回生電流Ｉ（ｔ）を、すべて第１蓄電デバイスに充電し、ステップＳ２１に移行してリターン（回生のための充放電動作を終了）する。
ただし、第１蓄電デバイスのＳＯＣが高く、充電できない場合には、ステップＳ４をスキップして、回生の実行を取りやめる（簡単のため、図７では図示を省略している）。
【００６５】
ステップＳ５においては、定数Ａの値を第１蓄電デバイスのＳＯＣおよび温度を基にして決定する。ここでは、定数Ａの値は２４００としている。定数Ａの値を大きく設定すると曲線的な立ち上がりが急になり、逆に、定数Ａの値を小さく設定すると、曲線的な立ち上がりが緩やかになる。
【００６６】
一方、ステップＳ３の判定結果が「Ｉ（ｔ）＞Ｉ0」（すなわち、ＹＥＳ）の場合には、ステップＳ６において、回生初期（ｔ＝０）を設定する。
続くステップＳ７においては、時刻ｔにおいて、第１蓄電デバイスの分担電流Ｉ1（ｔ）を曲線的に上げた値を、電力移動開始点の電流値Ｉ0と定数Ａとを用いて、次式（２）により計算する。
【００６７】
Ｉ1（ｔ）＝√（Ａｔ）＋Ｉ0    ・・・（２）
【００６８】
ステップＳ８においては、上記式（２）の計算により求めた第１蓄電デバイスの分担電流Ｉ1（ｔ）が第１蓄電デバイスの最大許容電流値ＩMAX以下（Ｉ1（ｔ）≦ＩMAX）であるか否かを判定する。
【００６９】
ステップＳ８の判定結果が「Ｉ1（ｔ）＞ＩMAX」（すなわち、ＮＯ）の場合には、ステップＳ９において、第１蓄電デバイスの分担電流Ｉ1（ｔ）を第１蓄電デバイスの最大許容電流値ＩMAXに置き換え（Ｉ1（ｔ）＝ＩMAX）、ステップＳ１０に移行する。
【００７０】
一方、ステップＳ８の判定結果が「Ｉ1（ｔ）≦ＩMAX」（すなわち、ＹＥＳ）の場合には、ステップＳ１０において、回生電流Ｉ（ｔ）から第１蓄電デバイスの分担電流Ｉ1（ｔ）を減算した値（Ｉ（ｔ）−Ｉ1（ｔ））を、第２蓄電デバイスの分担電流Ｉ2（ｔ）として求める。
【００７１】
続くステップＳ１１においては、第２蓄電デバイスの分担電流Ｉ2（ｔ）が０以下（Ｉ2（ｔ）≦０）であるか否かを判定する。
ステップＳ１１の判定結果が「Ｉ2（ｔ）＞０」（すなわち、ＮＯ）の場合には、ステップＳ１２において、第２蓄電デバイスに分担電流Ｉ2（ｔ）を分担させて、後述の判定ステップＳ１８に移行する。
【００７２】
一方、ステップＳ１１の判定結果が「Ｉ2（ｔ）≦０」（すなわち、ＹＥＳ）の場合には、ステップＳ１３において、第１蓄電デバイスの分担電流Ｉ1（ｔ）が回生電流Ｉ（ｔ）以下であるか否かを判定して、Ｉ1（ｔ）≦Ｉ（ｔ）であることを確認する。なお、時刻ｔが進む（時間の経過）につれて、分担電流Ｉ1（ｔ）よりも回生電流Ｉ（ｔ）の方が小さくなる場合が生じる。
【００７３】
ステップＳ１３の判定結果が「Ｉ1（ｔ）＞Ｉ（ｔ）」（すなわち、ＮＯ）の場合には、回生電流Ｉ（ｔ）が第１蓄電デバイスの分担電流Ｉ1（ｔ）よりも小さくなったことから、第１蓄電デバイスの分担電流Ｉ1（ｔ）に、追加の充電の余地が生じているので、ステップＳ１４において、その余地をＩ3（ｔ）として求める。
【００７４】
続くステップＳ１５においては、第１蓄電デバイスの分担電流Ｉ1（ｔ）に生じた追加の充電の余地Ｉ3（ｔ）に対して、第２蓄電デバイスから充電するように、第２蓄電デバイスのＤＣ／ＤＣコンバータを制御装置１０で制御する。
続くステップＳ１６においては、第１蓄電デバイスの分担電流Ｉ1（ｔ）から余地Ｉ3（ｔ）を減算した電流値（Ｉ1（ｔ）＋Ｉ3（ｔ））を、新たな第１蓄電デバイスの分担電流Ｉ1（ｔ）として設定し、ステップＳ１７に移行する。
【００７５】
一方、ステップＳ１３の判定結果が「Ｉ1（ｔ）≦Ｉ（ｔ）」（すなわち、ＹＥＳ）の場合には、ステップＳ１７において、第１蓄電デバイスに分担電流Ｉ1（ｔ）を充電する。
続くステップＳ１８においては、第１蓄電デバイスに充電される分担電流Ｉ1（ｔ）が０以下（Ｉ1（ｔ）≦０）であるか否かを判定する。
【００７６】
ステップＳ１８の判定結果が「Ｉ1（ｔ）＞０」（すなわち、ＮＯ）の場合には、まだ、回生すべき電力が残っていると見なせるので、ステップＳ１９において、時刻ｔを、経過時間Δｔだけ増やした値（ｔ＋Δｔ）に更新設定する。
続くステップＳ２０においては、回生電流Ｉ（ｔ）についても、経過時間Δｔだけ増やした時刻（ｔ＋Δｔ）での値（Ｉ（ｔ）＋Δｔ）を改めてデータとして取り込み、ステップＳ７に移行する。
【００７７】
以下、ステップＳ７〜Ｓ１８の充放電制御プロセスを繰り返し実行し、最後に、ステップＳ１８の判定結果が「Ｉ1（ｔ）≦０」（すなわち、ＹＥＳ）となった場合に、回生電流の処理が完了したと見なし、ステップＳ２１において、回生のための充放電動作を終了する。
【００７８】
なお、図７のフォローチャートに示されたシーケンスは、制御装置１０の回路基板に装着されたマイコンなどに格納される。制御装置１０にはメモリも装着されており、図７のフォローチャートに必要な演算処理データが格納される。
経過時間Δｔは、ＤＣ／ＤＣコンバータの応答時間やマイコンの性能によって異なるが、例えば、経過時間Δｔが０．１秒程度の比較的遅い制御間隔であっても、十分に前述の効果を得ることができる。
【００７９】
また、上記実施の形態３では、回生電流［Ａ］の分配を行うように構成したが、回生電力［Ｗ］の分配として、図７のフローチャートと同様の充放電制御を行うように構成してもよく、いずれの場合でも同様の効果が得られる。
実際に、第１蓄電デバイスと第２蓄電デバイスとに分配する場合に、それぞれの電圧や内部抵抗による損失、ＤＣ／ＤＣコンバータによるエネルギー変換の損失を考慮する必要があり、その際に、回生電流［Ａ］または回生電力［Ｗ］の値を、実際の第１蓄電デバイスの電流および電圧と、第２蓄電デバイスの電流および電圧と、に読み替えて分担することになる（簡単のため、図７では図示を省略している）。
【００８０】
さらに、上記実施の形態３では、第１蓄電デバイスの最大許容電流値ＩMAX（＝１００Ａ）、電力移動開始点の電流値Ｉ0（＝５０Ａ）、定数Ａ（＝２４００）をそれぞれ固定値としたが、第１蓄電デバイスの最大許容電流値ＩMAXに対する電力移動開始点の電流値Ｉ0の比率［％］および定数Ａの値については、可変設定することにより、上記効果を大きく高めることが可能になる。
【００８１】
以下、電力移動開始点の電流値Ｉ0の第１蓄電デバイスの最大許容電流値に対する比率の変形例を示す。
図８は、第１蓄電デバイスの温度に対して、電力移動開始点の電流値の第１蓄電デバイスの最大許容電流値に対する比率の設定値を示す説明図である。
【００８２】
図８においては、電力移動開始点の電流値の第１蓄電デバイスの最大許容電流値に対する比率を、２０℃よりも高温になるほど小さく設定し、２０℃よりも低温になるほど小さく設定している。
これにより、高エネルギー型の第１蓄電デバイスのダメージの大きな高温の領域や、零度を下回る領域において、高出力型リチウムイオン電池の分担を増やして、より効果的に、エネルギー型の第１蓄電デバイスのダメージを軽減することができる。
【００８３】
なお、第２蓄電デバイスについても、第１蓄電デバイスと同様の温度になっている可能性が高いので、電力移動開始点の電流値の第１蓄電デバイスの最大許容電流値に対する比率の設定値を、５０％を超えて設定することは、逆に、高出力型リチウムイオン電池２のダメージを大きくすることにつながる。
したがって、電力移動開始点の電流値の第１蓄電デバイスの最大許容電流値に対する比率の設定値は、１０％以上５０％未満が望ましい。
【００８４】
図９は、第１蓄電デバイスのＳＯＣレベルに対して、電力移動開始点の電流値の第１蓄電デバイスの最大許容電流値に対する比率の設定値を示す説明図である。
電力移動開始点の電流値の第１蓄電デバイスの最大許容電流値に対する比率を、第１蓄電デバイスのＳＯＣレベルが高くなるほど小さく設定している。
これにより、高エネルギー型の第１蓄電デバイスのダメージの大きな第１蓄電デバイスのＳＯＣレベルが高い領域において、高出力型リチウムイオン電池の分担を増やして、より効果的に、エネルギー型の第１蓄電デバイスのダメージを軽減することができる。
【００８５】
第１蓄電デバイスがＳＯＣレベルが高い領域にある場合は、第２蓄電デバイスについてもＳＯＣレベルが比較的高い領域にある可能性が高いので、電力移動開始点の電流値の第１蓄電デバイスの最大許容電流値に対する比率の設定値を、５０％を超えて設定することは、逆に、高出力型リチウムイオン電池のダメージを大きくすることにつながる。
したがって、電力移動開始点の電流値の第１蓄電デバイスの最大許容電流値に対する比率の設定値は、１０％以上５０％未満が望ましい。
【００８６】
定数Ａの値の適正な設定値については、使用する第１蓄電デバイスの仕様によって大きく異なってくる。定数Ａの値を大きくすると充電電流が急激に増加し、定数Ａの値を小さくすると充電電流が緩やかに増加する。したがって、定数Ａの値を、２０℃よりも高温になるほど小さく設定し、２０℃よりも低温になるほど小さく設定することで、第１蓄電デバイスの耐久性に劣る高温や低温（特に、０℃以下での低温）での第１蓄電デバイスのダメージを効果的に少なくした電力回生電源システムを構築することができる。
【００８７】
また、定数Ａの値を、第１蓄電デバイスのＳＯＣレベルが高くなるほど小さく設定することで、第１蓄電デバイスの耐久性に劣る高いＳＯＣレベルにおいて第１蓄電デバイスのダメージを効果的に少なくした電力回生電源システムを構築することができる。
【００８８】
さらに、定数Ａの値については、第１蓄電デバイスの劣化度合いに応じて可変としてもよく、制御装置１０に記録された第１蓄電デバイスの劣化度合いに応じて、劣化の少ない初期は、定数Ａの値を大きくし、劣化の進んだ末期ほど、定数Ａの値を小さくなるように設定するれば、第１蓄電デバイスの劣化度合いに応じて、ダメージを効果的に下げることが可能になる。第１蓄電デバイスの劣化度合いは、第１蓄電デバイスの内部抵抗の増加などによって判定することができるが、単純に、第１蓄電デバイスを用いた充放電の累積時間を基準にすると、制御装置１０のマイコンでの演算処理をより簡単化することができる。
【００８９】
なお、上記実施の形態１〜３では、モータの回生を想定して記述したが、この発明の電力回生電源システムは、太陽光発電の出力平準化などに用いることができる。
太陽光発電の場合には、雲から太陽が出てきた時に急激な出力上昇が起こり、そのまま系統に逆潮すると系統電圧が異常に高くなる可能性があるので、この発明の電力回生電源システムによって、蓄電して平準化させることが望まれる。
【００９０】
例えば、雲から太陽が出てきた時に急激な出力上昇が起こる現象は、急ブレーキをかけた上記実施の形態３に近似しており、うろこ雲のように雲がまばらに存在すると、これを短時間のうちに繰り返すことになるので、この発明の効果がより顕著に得られる。この場合、「回生」という用語は、太陽光発電の出力平準化では用いられないが、太陽光発電における出力平準化のための蓄電デバイスへの充電についての意味も含まれるものとする。
【符号の説明】
【００９１】
１  リチウムイオン電池、２  電気二重層キャパシタ、３  第１ＤＣ／ＤＣコンバータ、４  第２ＤＣ／ＤＣコンバータ、１０  制御装置、１００  回生／力行運転源、Ａ１  第１電流計、Ａ２  第２電流計、Ａ３  電流計、Ｖ１  第１電圧計、Ｖ２  第２電圧計。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012111508.tif 000009
【図８】
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【図９】
2012111508.tif 000011
【国際調査報告】
2012111508.tif 000012
2012111508.tif 000013
2012111508.tif 000014
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