(57)【要約】【課題】極低インピーダンスの負荷に対する電流制御／電圧制御の追従性を改善すること。【解決手段】充電電圧指令値Ｅｍ＊と二次電池端子電圧検出値Ｖｂｄｅｔの差に対して、インダクタンスＬと抵抗Ｒのノミナル値によるインピーダンスを乗じ、充電電流Ｉｂ＾を求める。そして充電電流Ｉｂ＾と、実際に二次電池に流れた充電電流検出値Ｉｂｄｅｔの偏差に対して、インダクタンスＬと抵抗Ｒのノミナル値によるインピーダンスとローパスフィルタの伝達関数を乗じ、その結果に基づいて、充電電圧指令値Ｅｍ＊を算出する。【選択図】　　図２
2004056935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低インピーダンスの負荷と、
電圧指令値に応じた電圧を前記負荷に印加する電圧印加装置と、
前記負荷に印加されている電流及び／又は電圧を検出する検出手段と、
前記電圧印加装置に出力する電圧指令値を前記検出手段の検出値に基づいてフィードバック制御する制御装置と、
を備えて構成される電気回路であって、
前記制御装置は、前記検出手段による検出値に基づいて推定外乱値を算出する算出手段を有し、出力する電圧指令値を、この算出手段により算出された推定外乱値に基づいて補正することを特徴とする電気回路。
【請求項２】
極低インピーダンスの負荷と、
電流指令値に応じた電流を前記負荷に印加する電流印加装置と、
前記負荷に印加されている電流及び／又は電圧を検出する検出手段と、
前記電流印加装置に出力する電流指令値を前記検出手段の検出値に基づいてフィードバック制御する制御装置と、
を備えて構成される電気回路であって、
前記制御装置は、前記検出手段による検出値に基づいて推定外乱値を算出する算出手段を有し、出力する電流指令値を、この算出手段により算出された推定外乱値に基づいて補正することを特徴とする電気回路。
【請求項３】
前記負荷のインピーダンスは１Ω以下であり、
前記負荷に印加される電流は１０Ａ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気回路。
【請求項４】
前記負荷は二次電池であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の電気回路。
【請求項５】
二次電池への充電電流を制御する制御方法であって、
前記二次電池に印加されている電流及び／又は電圧を検出する検出工程と、
前記検出した検出値に基づいて推定外乱値を算出する算出工程と、
前記検出した検出値と前記算出した推定外乱値に基づいて前記二次電池に印加する電流値を設定する設定工程と、
を含むことを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は極低インピーダンスの負荷、特に二次電池に対する充電電流／電圧を制御するための電気回路および制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、昇降圧チョッパ回路１を用いて二次電池２を充電する充電回路の構成の一例を示す図である。昇降圧チョッパ回路１は、サイリスタ１１、１２、ダイオード１３、１４、フィルタコンデンサＣｆ、インダクタンスＬ１のコイルおよびインダクタンスＬ２のコイルによって構成される。抵抗Ｒ１はインダクタンスＬ１のコイルの抵抗成分であり、抵抗Ｒ２はインダクタンスＬ２のコイルの抵抗成分である。インダクタンスＬ１およびＬ２のインダクタンスは数ｍＨオーダ、抵抗Ｒ１およびＲ２の抵抗は数ｍΩオーダであり、合成インピーダンスは非常に低い（本明細書において「極低インピーダンス」という。）。また、二次電池２自体も内部インピーダンスを持つ。
４は二次電池２の端子電圧を測定する電圧計、５は二次電池２に流れる電流を測定する電流計である。電圧計４および電流計５の測定結果は、電流制御装置３０に入力される。電流制御装置３０は、二次電池２に対して定電流充電を行うために、昇降圧チョッパ回路１に対して電圧指令値Ｅｍ＊を出力する回路である。６は外部電源である。尚、二次電池２は、例えば鉛蓄電池等で、繰り返し充放電を行えるものである。
【０００３】
図５は、図４に示す充電回路の制御ブロック図である。以下、昇降圧チョッパ回路１のインダクタンスＬ１をインダクタンスＬ、昇降圧チョッパ回路１の抵抗Ｒ２と二次電池２の内部抵抗の合成抵抗を抵抗Ｒとして説明する。図５において、１１は充電電流指令値Ｉｂ＊と、電流計５（ゲイン１８）からの充電電流検出値Ｉｂｄｅｔとの差を求める加算器であり、その出力信号はＰＩ制御器１２に入力される。１３は、ＰＩ制御器１２の出力信号と、電圧計４からの二次電池端子電圧検出値Ｖｂｄｅｔとの加算を求める加算器であり、その出力信号は充電電圧指令値Ｅｍ＊として昇降圧チョッパ装置１（ゲイン１５）に入力される。１６は、充電電圧指令値Ｅｍ＊に昇降圧チョッパ装置１のゲイン１５を乗じた充電電圧Ｅｍと、二次電池端子電圧Ｖｂの差を求める加算器である。そして、加算器１６の出力信号に、インダクタンスＬおよび抵抗Ｒの伝達関数１７を乗じ、充電電流Ｉｂが出力される。充電電流Ｉｂは、電流計５のゲイン１８を乗じて、充電電流検出値Ｉｂｄｅｔとして、加算器１１に入力される。
【０００４】
このように、従来においては、充電電流Ｉｂおよび充電電圧Ｖｂを検出し、それをフィードバックさせて充電電圧指令値Ｅｍ＊を算出して定電流制御を行っていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の制御においては次の様な問題があった。即ち、インダクタンスＬや抵抗Ｒは温度や磁気飽和の影響で変化する。また、二次電池２には充電状況に応じた化学的変化による内部インピーダンスの変動も生じる。更に、昇降圧チョッパ回路１と二次電池２は極低インピーダンスであるために、わずかな二次電池電圧の変動や、二次電池電圧の検出誤差によっても、充電電流Ｉｂの変動は大きなものとなり、フィードバック制御の追従性が悪化する要因となっていた。
【０００６】
更に、制御系全体の制御の遅れに占める、昇降圧チョッパ装置１による電圧変換の遅れの割合が大きい。このため、実際の昇降圧チョッパ装置１に係る遅れと、設計上の遅れとの差によって、制御系全体に遅れが生じ、追従性が更に悪化する要因となっていた。
【０００７】
また、例えば、充電電流の供給側の問題等から、二次電池への充電電圧が５００［ｍＶ］程度変動することを想定して充電回路を設計する場合がある。この場合、合成したインピーダンスが５［ｍΩ］の場合においては、電流が１００［Ａ］変動することとなり、充電電流／電圧の追従制御を困難にしている要因の１つであった。
【０００８】
本発明は、極低インピーダンスの負荷に対する電流制御／電圧制御の追従性を改善することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１記載の発明の電気回路は、極低インピーダンスの負荷（例えば、図１の二次電池２の内部インピーダンス）と、
電圧指令値に応じた電圧を前記負荷に印加する電圧印加装置（例えば、図１の昇降圧チョッパ装置１）と、
前記負荷に印加されている電流及び／又は電圧を検出する検出手段（例えば、図１の電圧計４、電流計５）と、
前記電圧印加装置に出力する電圧指令値を前記検出手段の検出値に基づいてフィードバック制御する制御装置（例えば、図１の電流制御装置３）と、
を備えて構成される電気回路であって、
前記制御装置は、前記検出手段による検出値に基づいて推定外乱値を算出する算出手段（例えば、図１の外乱値推定部２００）を有し、出力する電圧指令値を、この算出手段により算出された推定外乱値に基づいて補正することを特徴としている。
【００１０】
請求項２記載の発明の電気回路は、極低インピーダンスの負荷（例えば、図１の二次電池２の内部インピーダンス）と、
電流指令値に応じた電流を前記負荷に印加する電流印加装置と、
前記負荷に印加されている電流及び／又は電圧を検出する検出手段（例えば、図１の電圧計４、電流計５）と、
前記電流印加装置に出力する電流指令値を前記検出手段の検出値に基づいてフィードバック制御する制御装置（例えば、図１の電流制御装置３）と、
を備えて構成される電気回路であって、
前記制御装置は、前記検出手段による検出値に基づいて推定外乱値を算出する算出手段（例えば、図１の外乱オブザーバ２００）を有し、出力する電流指令値を、この算出手段により算出された推定外乱値に基づいて補正することを特徴としている。
【００１１】
この請求項１または２記載の発明によれば、電圧指令値と、負荷に印加されている電流／電圧の検出値とに基づいて推定外乱値を算出し、この推定外乱値を用いて電流指令値又は電圧指令値を補正する。このため、極低インピーダンスの変動を推定外乱値として予期（推定）してフィードバック制御できるため、電流制御又は電圧制御の追従性を向上させることができる。
【００１２】
なお、請求項１または２に記載の電気回路は、請求項３記載の発明のように、負荷のインピーダンスを１Ω以下、前記負荷に印加される電流を１０Ａ以上として構成してもよい。
【００１３】
また、請求項４記載の発明のように、二次電池を極低インピーダンスの負荷としてもよい。この場合には、二次電池に対する充電電圧又は充電電流の制御特性を向上させることができる。
【００１４】
また、請求項５記載の発明のように、二次電池への充電電流を制御する制御方法として、前記二次電池に印加されている電流及び／又は電圧を検出する検出工程と、前記検出した検出値に基づいて推定外乱値を算出する算出工程と、前記検出した検出値と前記算出した推定外乱値に基づいて前記二次電池に印加する電流値を設定する設定工程と、を含む制御方法を実現することとしてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、電圧印加装置および電流印加装置である昇降圧チョッパ回路を用いて、二次電池を充電する充電回路に対して本発明を適用した実施の形態を説明する。なお、図中、図４および５と同一の符号を付した部分は従来の充電回路と同一物を表しており、その詳細な説明を省略する。
【００１６】
図１は本実施の形態の充電回路を示す図である。図１において、電流制御装置３は外乱値推定部２００を備える。外乱値推定部２００は、二次電池端子電圧検出値Ｖｂｄｅｔおよび充電電流検出値Ｉｂｄｅｔに基づき、外乱オブザーバを用いた推定外乱値を算出する算出手段として機能する。そして、電流制御装置３は、算出した推定外乱値を用いたフィードバック制御を行う。
【００１７】
図２は、図１に示す充電回路の制御ブロック図である。図２において、２１は二次電池端子電圧検出値Ｖｂｄｅｔと、充電電圧指令値Ｅｍ＊との差を求める加算器である。そして、加算器２１の出力信号にインダクタンスＬおよび抵抗Ｒのノミナル値を含んだインピーダンスの伝達関数２２を乗じ、出力信号Ｉｂ＾を出力する。
【００１８】
２３は、出力信号Ｉｂ＾と、充電電流検出値Ｉｂｄｅｔの差を求める加算器であり、出力信号ΔＩｂ＾を出力する。出力信号ΔＩｂ＾に、インダクタンスＬおよび抵抗Ｒのノミナル値のインピーダンスに一次遅れフィルタ（１／（Ｔｆｓ＋１））を挿入した伝達関数２４を乗じ、推定外乱値ΔＥｍｆｂを出力する。ここで、一次遅れフィルタは、充電電流指令値Ｉｂ＊に対する応答を改善するために挿入される。そして加算器１８が、推定外乱値ΔＥｍｆｂ、二次電池端子電圧検出値ＶｂｄｅｔおよびＰＩ制御器１２の出力信号を加算し、充電電圧指令値Ｅｍ＊を出力する。
【００１９】
ここで、図５の従来の制御ブロック図において、入力を充電電流指令値Ｉｂ＊および二次電池端子電圧Ｖｂ、出力を充電電流Ｉｂとした場合の充電電流Ｉｂの伝達関数を求めると次のようになる。
【数１】
2004056935.tif 000003
【００２０】
ここで、
【数２】
2004056935.tif 000004
とし、式（２）、（３）および（４）を式（１）に代入すると、
【数３】
2004056935.tif 000005
となる。
【００２１】
一方、本実施の形態の充電回路の制御ブロック図において、同様に充電電流Ｉｂの伝達関数を求めると次のようになる。
【数４】
2004056935.tif 000006
【００２２】
ここで、式（２）、（３）および（４）を式（６）に代入すると、
【数５】
2004056935.tif 000007
となる。
【００２３】
外乱値推定部２００による外乱オブザーバの使用有無による充電電流Ｉｂの伝達関数を比較すると、次式のようになる。
【数６】
2004056935.tif 000008
【００２４】
即ち、式（７）は、下線部で示す項によって、抵抗ＲおよびインダクタンスＬのインピーダンスの値変動が充電電流Ｉｂの値に反映されている。
【００２５】
更に式（７）を展開すると次式となる。
【数７】
2004056935.tif 000009
【００２６】
ここで、
【数８】
2004056935.tif 000010
とおき、式（９）および（１０）を式（８）に代入すると、次式となる。
【数９】
2004056935.tif 000011
【００２７】
更に、式（１１）の右辺の分母および分子にＲＮ／ＬＮをかけると、
【数１０】
2004056935.tif 000012
ここで、（ＬＮ／ＲＮ）≫ＴｆとなるようにＴｆを設定する。即ち、Ｔｆ／（ＬＮ／ＲＮ）≒０であり、Ｔｆ・ＲＮ／ＬＮ≒０とおくと、
【数１１】
2004056935.tif 000013
【００２８】
以上より、ＰＩ制御器１２において、ＫＰ＝ＬＮ／Ｔｄ、ＫＩ＝ＲＮ／Ｔｄとすれば、充電電流Ｉｂは式（１３）のように一次遅れ系で表すことができる。即ち、充電電流指令値Ｉｂ＊の入力に対して、充電電流Ｉｂが二次遅れ以上の応答に見られる振動を伴った応答をせず、理想的な応答を行う。
【００２９】
図３は、充電電流指令値Ｉｂ＊のステップ入力に対して、外乱値推定部２００による推定外乱値を用いたフィードバック制御を行う場合（外乱オブザーバを使用した場合）と、行わない場合（使用しない場合）の充電電流検出値Ｉｂｄｅｔの変化を示した図である。図３において、外乱オブザーバを使用しない場合には、充電電流検出値Ｉｂｄｅｔが充電電流指令値Ｉｂ＊に収束（追従）するまでに約０．０９［秒］かかった。これに対し、外乱オブザーバを使用した場合には、充電電流検出値Ｉｂｄｅｔは約０．０７［秒］で充電電流指令値Ｉｂ＊とに収束（追従）し、外乱オブザーバを使用しなかった場合に比べて、約０．０２［秒］早く収束した。
【００３０】
また、外乱オブザーバを使用しなかった場合には、充電電流検出値Ｉｂｄｅｔが一時的に充電電流指令値Ｉｂ＊を超えた後に収束（追従）したのに対し、外乱オブザーバを使用しなかった場合には、充電電流指令値Ｉｂ＊を超えることなく収束（追従）した。
【００３１】
以上のように、外乱オブザーバを用いたフィードバック制御を行うことにより、インピーダンスの変動の大きい極低インピーダンスである負荷であっても、その充電電流の定電流制御における追従性を向上させることができる。
【００３２】
尚、本発明の電気回路および制御方法は、上述の実施の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、電流制御装置３が定電流制御を行うこととして説明したが、定電圧制御を行うこととしてもよいし、二次電池ではなく極低インピーダンスである電気二重層コンデンサ等の他の負荷を用いることとしてもよい。
【００３３】
但し、極低インピーダンスの負荷に対する電流又は電圧の制御であるため、負荷のインピーダンスはより低い方が好ましく、また電流や電圧はより高い方が本発明の特徴が顕著に表れる。例えば、負荷のインピーダンスが１［Ω］以下で、負荷に流れる電流が１０［Ａ］以上の電気回路への適用が好適である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、電圧指令値と、負荷に印加されている電流／電圧の検出値とに基づいて推定外乱値を算出し、この推定外乱値を用いて電流指令値又は電圧指令値を補正する。このため、極低インピーダンスの変動を推定外乱値として予期（推定）してフィードバック制御できるため、電流制御又は電圧制御の追従性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態における昇降圧チョッパ回路を用いて二次電池を充電する充電回路。
【図２】本実施の形態における図１の充電回路の制御ブロック図。
【図３】充電電流指令値Ｉｂ＊のステップ入力に対する、充電電流検出値Ｉｂｄｅｔおよび充電電流検出値Ｉｂｄｅｔの変化を示した図。
【図４】従来の昇降圧チョッパ回路を用いて二次電池を充電する充電回路。
【図５】図４の充電回路の制御ブロック図。
【符号の説明】
１　　昇降圧チョッパ回路
１１、１２　　サイリスタ
１３、１４　　ダイオード
２　　二次電池
３　　電流制御装置
２００　　外乱値推定部
４　　電圧計
５　　電流計
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004056935.tif 000016
【図４】
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【図５】
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