(57)【要約】キャパシタを主電源とする負荷の動作継続時間の延長を図りうる装置等を提供する。キャパシタ電圧Ｖ1が第１基準電圧Ｖth1以上である場合、キャパシタ１１からコンバータ１２による昇圧動作を経ていない電力が負荷である電動モータ１４に対して供給される。一方、負荷である電動モータ１４に対する電力供給によりキャパシタ１１の放電容量が減少し、その結果としてキャパシタ電圧Ｖ1が低下して第１基準電圧Ｖth1より低くなった場合、キャパシタ１１からコンバータ１２による昇圧動作を経た電力が負荷に対して供給される。
2017159042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャパシタと、コンバータと、主電源である前記キャパシタに対して前記コンバータを介して電気的に接続されている負荷と、を備えている機器において前記キャパシタの電力を制御するための装置であって、
前記キャパシタの電圧を測定する測定要素と、
前記測定要素により測定された前記キャパシタの電圧が、前記負荷の動作に必要な基準電圧以上であるか否かを判定する判定要素と、
前記判定要素により前記キャパシタの電圧が前記基準電圧以上であると判定された場合、第１駆動モードにしたがって前記キャパシタから前記コンバータによる昇圧動作を経ていない電力を前記負荷に供給し、前記判定要素により前記キャパシタの電圧が前記基準電圧より低いと判定された場合、第２駆動モードにしたがって前記キャパシタから前記コンバータによる昇圧動作を経た電力を前記負荷に供給するモード制御要素と、を備えていることを特徴とする電力制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力制御装置において、
前記測定要素が、前記負荷としての電動モータの回生電圧を測定し、
前記判定要素が、前記測定要素により測定された前記電動モータの回生電圧が、前記基準電圧以上であるか否かを判定し、
前記モード制御要素が、前記判定要素により前記電動モータの回生電圧が前記基準電圧以上であると判定された場合、第１回生モードにしたがって前記電動モータから前記コンバータによる昇圧動作を経ていない回生電力を前記キャパシタに供給し、前記判定要素により前記電動モータの回生電圧が前記基準電圧以上であると判定された場合、第２回生モードにしたがって前記電動モータから前記コンバータによる昇圧動作を経た回生電力を前記キャパシタに供給することを特徴とする電力制御装置。
【請求項３】
キャパシタと、コンバータと、主電源である前記キャパシタに対して前記コンバータを介して電気的に接続されている負荷としての電動モータと、前記電動モータにより駆動される車輪と、を備えている車両であって、
電力制御装置をさらに備え、
前記電力制御装置が、キャパシタと、コンバータと、主電源である前記キャパシタに対して前記コンバータを介して電気的に接続されている負荷と、を備えている機器において前記キャパシタの電力を制御するための装置であって、
前記キャパシタの電圧を測定する測定要素と、
前記測定要素により測定された前記キャパシタの電圧が、前記負荷の動作に必要な基準電圧以上であるか否かを判定する判定要素と、
前記判定要素により前記キャパシタの電圧が前記基準電圧以上であると判定された場合、第１駆動モードにしたがって前記キャパシタから前記コンバータによる昇圧動作を経ていない電力を前記負荷に供給し、前記判定要素により前記キャパシタの電圧が前記基準電圧より低いと判定された場合、第２駆動モードにしたがって前記キャパシタから前記コンバータによる昇圧動作を経た電力を前記負荷に供給するモード制御要素と、を備えていることを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャパシタ等の電源から電動モータ等の負荷に対して供給される電力を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動搬送車両等の車両の駆動用電源として２次バッテリが広く使用されている（特許文献１参照）。しかし、２次バッテリには、電気化学的な性能劣化のために高頻度での交換が必要である等の問題がある。このため、２次バッテリよりも性能が劣化しにくく長寿命のキャパシタを当該車両等の電源とすることが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−０１２５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、キャパシタは２次バッテリと比較するとエネルギー密度が小さいことから２次バッテリよりも放電電気量の増加に伴って出力電圧が速く低下して負荷の動作可能電圧を早期に下回るため、これを負荷の主電源として採用することは困難になる場合がある。【０００５】
そこで、本発明は、利用率を向上させ、キャパシタを主電源とする負荷の動作継続時間の延長を図りうる装置等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、キャパシタと、コンバータと、主電源である前記キャパシタに対して前記コンバータを介して電気的に接続されている負荷と、を備えている機器において前記キャパシタの電力を制御するための電力制御装置に関する。【０００７】
本発明の電力制御装置は、前記キャパシタの電圧を測定する測定要素と、前記測定要素により測定された前記キャパシタの電圧が、前記負荷の動作に必要な基準電圧以上であるか否かを判定する判定要素と、前記判定要素により前記キャパシタの電圧が前記基準電圧以上であると判定された場合、第１駆動モードにしたがって前記キャパシタから前記コンバータによる昇圧動作を経ていない電力を前記負荷に供給し、前記判定要素により前記キャパシタの電圧が前記基準電圧より低いと判定された場合、第２駆動モードにしたがって前記キャパシタから前記コンバータによる昇圧動作を経た電力を前記負荷に供給するモード制御要素と、を備えていることを特徴とする。【０００８】
本発明の電力制御装置において、前記測定要素が、前記負荷としての電動モータの回生電圧を測定し、前記判定要素が、前記測定要素により測定された前記電動モータの回生電圧が、前記基準電圧以上であるか否かを判定し、前記モード制御要素が、前記判定要素により前記電動モータの回生電圧が前記基準電圧以上であると判定された場合、第１回生モードにしたがって前記電動モータから前記コンバータによる昇圧動作を経ていない回生電力を前記キャパシタに供給し、前記判定要素により前記電動モータの回生電圧が前記基準電圧以上であると判定された場合、第２回生モードにしたがって前記電動モータから前記コンバータによる昇圧動作を経た回生電力を前記キャパシタに供給することが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の電力制御装置によれば、キャパシタ電圧が基準電圧以上である場合、キャパシタからコンバータによる昇圧動作を経ていない電力が負荷に対して供給される。一方、負荷に対する電力供給によりキャパシタの放電容量が減少し、その結果として出力電圧が低下して基準電圧より低くなった場合、キャパシタからコンバータによる昇圧動作を経た電力が負荷に対して供給される。これにより、負荷の動作継続時間の延長が図られる。【００１０】
また、負荷である電動モータによる回生電圧が基準電圧以上である場合、電動モータからコンバータによる昇圧動作を経ていない回生電力がキャパシタに対して供給される。一方、負荷である電動モータによる回生電圧が基準電圧より低い場合、電動モータからコンバータによる昇圧動作を経た回生電力がキャパシタに対して供給される。これにより、キャパシタの放電容量の増加または復元、ひいては負荷の動作継続時間の延長が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態としての車両および電力制御装置の構成説明図。
【図２】電力制御方法に関する説明図。
【図３】車両力行時の電力制御装置の機能に関する説明図。
【図４】車両回生制動時の電力制御装置の機能に関する説明図。
【図５】コンバータの入力電圧および出力電圧の時間変化態様に関する説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（構成）
図１に示されている本発明の一実施形態としての車両１は、電力制御装置２のほか、キャパシタ１１、コンバータ１２、インバータ１３および電動モータ１４（負荷）を備えている。車両１はキャパシタ１１を主電源としている。この主電源が唯一の電源であってもよいが、車両１がキャパシタ１１に並列接続されたバッテリを補助電源として備えていてもよい。キャパシタ１１は、その内部の構成によって例えば活性炭キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタなどあるが、種類はこれらに限定されず、あらゆる種類のキャパシタが採用されてもよい。
【００１３】
コンバータ１２（ＤＣ／ＤＣコンバータ）は、一方側でキャパシタ１１に接続され、他方側でインバータ１３を介して電動モータ１４に対して接続されている。コンバータ１２およびインバータ１３の間にはコンデンサ１２４が接続されている。コンバータ１２は、リアクトル１２０（またはコイル）、昇圧用素子１２１および降圧用素子１２２を備えている。インバータ１３は、電動モータ１４に対して接続されている。インバータ１３は、電動モータ１４の相数に応じた複数組の素子１３１〜１３６（ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、トランジスタおよびダイオード等により構成されている。）を備えている。
【００１４】
電力制御装置２は、コンピュータにより構成され、測定要素２１と、判定要素２２と、モード制御要素２３と、を備えている。電力制御装置２およびその各要素２１〜２３は、例えば、演算処理装置（ＣＰＵまたはプロセッサコアなど）が、記憶装置（ＲＯＭまたはＲＡＭなどのメモリ）から必要なデータおよびソフトウェア（プログラム）を読み出し、当該プログラムを実行することで担当する演算処理を実行するように設計されている。
【００１５】
（機能）
電力制御装置２が、車両１が力行状態および回生制動状態のうちいずれの状態であるかを判定する（図２／ＳＴＥＰ０２）。例えば、キャパシタ電圧Ｖ1が減少している場合は車両１が力行状態であると判断される一方、回生電圧Ｖ2が増加している場合は車両１が回生制動状態であると判断される。
【００１６】
（力行時の電力制御）
車両１が力行状態にあると判定された場合（図２／ＳＴＥＰ０２‥１）、測定要素２１が、キャパシタ１１の電圧Ｖ1を測定する（図２／ＳＴＥＰ１０）。この測定には、キャパシタ電圧Ｖ1に応じた信号を出力する第１電圧センサ（図示略）からの当該出力信号が用いられる。
【００１７】
判定要素２２が、測定要素２１により測定されたキャパシタ電圧Ｖ1が第１基準電圧Ｖth1以上であるか否かを判定する（図２／ＳＴＥＰ１２）。第１基準電圧Ｖth1は、負荷である電動モータ１４が安定的に動作するために必要な電圧またはこれに若干の正値が付加された値に設定される。
【００１８】
判定要素２２によりキャパシタ電圧Ｖ1が第１基準電圧Ｖth1以上であると判定された場合（図２／ＳＴＥＰ１２‥ＹＥＳ）、モード制御要素２３が「第１駆動モード」にしたがって、キャパシタ１１からコンバータ１２による昇圧動作を経ていない電力が電動モータ１４に対して供給される（図２／ＳＴＥＰ１４）。この場合、コンバータ１２において、昇圧用素子１２１がＯＮに維持され、降圧用素子１２２がＯＦＦに維持される。このため、キャパシタ１１の電圧Ｖ1が昇圧されることなく、キャパシタ１１から電流がインバータ１３を経て電動モータ１４に対して供給される。これにより、電動モータ１４が車輪（図示略）を駆動することで車両１が力行状態を維持する。
【００１９】
判定要素２２によりキャパシタ電圧Ｖ1が第１基準電圧Ｖth1より低いと判定された場合（図２／ＳＴＥＰ１２‥ＮＯ）、判定要素２２によりキャパシタ電圧Ｖ1が第１基準電圧Ｖth1よりも低い停止電圧Ｖth0以上であるか否かがさらに判定される（図２／ＳＴＥＰ１６）。
【００２０】
判定要素２２によりキャパシタ電圧Ｖ1が停止電圧Ｖth0以上であると判定された場合（図２／ＳＴＥＰ１６‥ＹＥＳ）、モード制御要素２３が「第２駆動モード」にしたがって、キャパシタ１１からコンバータ１２による昇圧動作を経た電力が電動モータ１４に対して供給される（図２／ＳＴＥＰ１８）。図３には、この際の電力制御態様の一例が示されている。図３において昇圧用素子１２１のＯＮ／ＯＦＦが一点鎖線で示され（上側：ＯＮ／下側：ＯＦＦ）、降圧用素子１２２のＯＮ／ＯＦＦが二点鎖線で示され、リアクトル１２０を流れる電流が破線で示され、インバータ１３側の出力電圧が実線で示されている。
【００２１】
期間Ｔ11において昇圧用素子１２１がＯＦＦに制御され、降圧用素子１２２がＯＮに制御されることにより、リアクトル１２０に流れる電流が増加し、リアクトル１２０に蓄積される電流エネルギーが増大する。期間Ｔ11の後で間隔をおいて始まる期間Ｔ12において昇圧用素子１２１がＯＮに制御され、降圧用素子１２２がＯＦＦに制御されることにより、リアクトル１２０に蓄積されていた電流エネルギーが放出され、リアクトル１２０に流れる電流が減少し、コンバータ１２の電動モータ１４側の出力電圧が上昇する。期間Ｔ11および期間Ｔ12の間の間隔（デッドタイム）は、昇圧用素子１２１および降圧用素子１２２がともにＯＮになる事態を回避するために設定されている。このような手順が繰り返されることにより、コンバータ１２のインバータ１３側の出力電圧が徐々に増加する。
【００２２】
判定要素２２によりキャパシタ１１の電圧Ｖ1が停止電圧Ｖth0より低いと判定された場合（図２／ＳＴＥＰ１６‥ＮＯ）、モード制御要素２３が、コンバータ１２の出力電圧を０に制御し、キャパシタ１１から電動モータ１４への電力供給が停止される。
【００２３】
図５には、キャパシタ電圧Ｖ1およびコンバータ１２の出力電圧のそれぞれの時間変化態様の一例が破線および実線のそれぞれにより示されている。期間ｔ0〜ｔ1ではキャパシタ電圧Ｖ1が第１基準電圧Ｖth1以上であるため、電力制御モードとして第１駆動モードが選択され、キャパシタ電圧Ｖ1の低下に伴って出力電圧も低下している（図２／ＳＴＥＰ１２‥ＹＥＳ→ＳＴＥＰ１４参照）。期間ｔ1〜ｔ2ではキャパシタ電圧Ｖ1が第１基準電圧Ｖth1より低い一方で停止電圧Ｖth0以上であるため、電力制御モードとして第２駆動モードが選択され、キャパシタ電圧Ｖ1が低下する一方、出力電圧が第１基準電圧Ｖth1付近に維持されている（図２／ＳＴＥＰ１２‥ＮＯ→ＳＴＥＰ１６‥ＹＥＳ→ＳＴＥＰ１８参照）。そして、時刻ｔ2においてキャパシタ電圧Ｖ1が停止電圧Ｖth0より低くなったため、出力電圧が０に制御されている（図２／ＳＴＥＰ１６‥ＮＯ→ＥＮＤ参照）。
【００２４】
（回生時の電力制御）
車両１が回生制動状態（電動モータ１４が回生状態）にあると判定された場合（図２／ＳＴＥＰ０２‥２）、測定要素２１が、コンバータ１２の出力側の電圧が回生電圧Ｖ2として測定する（図２／ＳＴＥＰ２０）。この測定には、回生電圧Ｖ2に応じた信号を出力する第２電圧センサ（図示略）からの当該出力信号が用いられる。
【００２５】
判定要素２２が、測定要素２１により測定された回生電圧Ｖ2が第２基準電圧Ｖth2以上であるか否かを判定する（図２／ＳＴＥＰ２２）。第２基準電圧Ｖth2は、キャパシタ１１を充電するために必要な電圧またはこれに若干の正値が付加された値に設定される。第２基準電圧Ｖth2は、第１基準電圧Ｖth1と同じ値に設定されてもよく、異なる値に設定されてもよい。
【００２６】
判定要素２２により回生電圧Ｖ2が第２基準電圧Ｖth2以上であると判定された場合（図２／ＳＴＥＰ２２‥ＹＥＳ）、モード制御要素２３が「第１回生モード」にしたがって、電動モータ１４からコンバータ１２による昇圧動作を経ていない回生電力がキャパシタ１１に対して供給される（図２／ＳＴＥＰ２４）。この場合、コンバータ１２において、昇圧用素子１２１がＯＮに維持され、降圧用素子１２２がＯＦＦに維持される。このため、回生電圧Ｖ2が昇圧されることなく、電動モータ１４から電流がインバータ１３を経てキャパシタ１１に対して供給される。これにより、キャパシタ１１の放電容量が増大し、キャパシタ電圧Ｖ1が上昇する。
【００２７】
判定要素２２により回生電圧Ｖ2が第２基準電圧Ｖth2より低いと判定された場合（図２／ＳＴＥＰ２２‥ＮＯ）、モード制御要素２３が「第２回生モード」にしたがって、電動モータ１４からコンバータ１２による昇圧動作を経た回生電力がキャパシタ１１に対して供給される（図２／ＳＴＥＰ２８）。図４には、この際の電力制御態様の一例が示されている。図４において、図３と同様に昇圧用素子１２１のＯＮ／ＯＦＦが一点鎖線で示され（上側：ＯＮ／下側：ＯＦＦ）、降圧用素子１２２のＯＮ／ＯＦＦが二点鎖線で示され、リアクトル１２０を流れる電流が破線で示され、インバータ１３側の出力電圧が実線で示されている。
【００２８】
期間Ｔ21において昇圧用素子１２１がＯＦＦに制御され、降圧用素子１２２がＯＮに制御されることにより、リアクトル１２０に流れる電流が増加し、リアクトル１２０に蓄積される電流エネルギーが増大する。期間Ｔ21の後で間隔をおいて始まる期間Ｔ22において昇圧用素子１２１がＯＮに制御され、降圧用素子１２２がＯＦＦに制御されることにより、リアクトル１２０に蓄積されていた電流エネルギーが放出され、リアクトル１２０に流れる電流が減少し、コンバータ１２のキャパシタ１１側の出力電圧が上昇する。期間Ｔ21および期間Ｔ22の間の間隔（デッドタイム）は、昇圧用素子１２１および降圧用素子１２２がともにＯＮになる事態を回避するために設定されている。このような手順が繰り返されることにより、コンバータ１２のキャパシタ１１側の出力電圧、ひいてはキャパシタ電圧Ｖ1が徐々に増加する。
【００２９】
（効果）
前記機能を発揮する本発明の一実施形態としての車両１および電力制御装置２によれば、キャパシタ電圧Ｖ1が第１基準電圧Ｖth1以上である場合、キャパシタ１１からコンバータ１２による昇圧動作を経ていない電力が負荷である電動モータ１４に対して供給される（図２／ＳＴＥＰ１２‥ＹＥＳ→ＳＴＥＰ１４、図５／期間ｔ0〜ｔ1参照）。一方、負荷である電動モータ１４に対する電力供給によりキャパシタ１１の放電容量が減少し、その結果としてキャパシタ電圧Ｖ1が低下して第１基準電圧Ｖth1より低くなった場合、キャパシタ１１からコンバータ１２による昇圧動作を経た電力が負荷に対して供給される（図２／ＳＴＥＰ１２‥ＮＯ→ＳＴＥＰ１８、図３および図５／期間ｔ1〜ｔ2参照）。
【００３０】
また、負荷である電動モータ１４による回生電圧Ｖ2が第２基準電圧Ｖth2以上である場合、電動モータ１４からコンバータ１２による昇圧動作を経ていない回生電力がキャパシタ１１に対して供給される（図２／ＳＴＥＰ２２‥ＹＥＳ→ＳＴＥＰ２４参照）。一方、負荷である電動モータ１４による回生電圧Ｖ2が第２基準電圧Ｖth2より低い場合、電動モータ１４からコンバータ１２による昇圧動作を経た回生電力がキャパシタ１１に対して供給される（図２／ＳＴＥＰ２２‥ＮＯ→ＳＴＥＰ２８および図４参照）。
【００３１】
これらの結果、電動モータ１４の動作継続時間および車両１の力行継続可能時間の延長が図られる。
【００３２】
（本発明の他の実施形態）
前記実施形態では、車両１における駆動用電力および回生電力のそれぞれが対応するモード（「第１駆動モード」および「第２駆動モード」のうち一方の駆動モード、または、「第１回生モード」および「第２回生モード」のうち一方の回生モード）にしたがって制御されているが、他の実施形態として産業用または移動用ロボットまたはその関節機構など、車両１とは別の形態の機器における駆動用電力、または駆動用電力および回生電力のそれぞれが対応するモードにしたがって制御されてもよい。当該機器において、負荷である電動モータ１４の回生制動を伴わない場合、回生電力の制御（図２／ＳＴＥＰ２０、２２、２４および２８参照）が省略されてもよい。
【００３３】
前記実施形態では、駆動用電力および回生電力のそれぞれが対応する複数のモードのうち選択された一のモードにしたがって制御されているが、他の実施形態として駆動用電力および回生電力のうち一方のみが対応する複数のモードのうち選択された一のモードにしたがって制御されてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１‥車両（機器）、２‥電力制御装置、１１‥キャパシタ、１２‥コンバータ、１４‥電動モータ（負荷）。
【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】
2017159042.tif 000007
【国際調査報告】
2017159042.tif 000008
2017159042.tif 000009
2017159042.tif 000010
2017159042.tif 000011