JP2008168894A - ハイブリッド電気自動車における電力供給システム、及び、その動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車に搭載されたもの以外の電源を使用して、ハイブリッド電気自動車におけるバッテリへの均等化充電を行うハイブリッド電気自動車を提供する。
【解決手段】ハイブリッド電気自動車における電力供給システムが、車輪60に連結されて交流電力を生成するモータ・ジェネレータ30と、電力の充電及び放電を行うエネルギー蓄積装置56と、モータ・ジェネレータ30及びエネルギー蓄積装置56に結合されて、交流・直流間の相互変換をするためのインバータ64と、自動車の外部に配置される交流電源76と、交流電源76及びエネルギー蓄積装置56に結合されて、交流電源76からエネルギー蓄積装置56に直流電力を供給するための充電器70と、を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、概してハイブリッド電気自動車の電力供給システム及びバッテリ充電方法に関連する。

ハイブリッド電気自動車（hybrid electric vehicle: HEV）のパワートレインは、高速走行が続いているときに主として使用される内燃機関エンジン（Internal combustion engine：ICE）と、バッテリを充電するための電気モータ、及び、自動車を発進させるための（すなわち、自動車を停車状態から加速させるための）けん引モータのような、複数の動力源を含む。

一般的に、密閉型鉛酸蓄電池（バッテリ）が使用されるときには、定電圧充電が、電池を充電するために好ましい手法である。

定電圧状態の下では、電流はバッテリの内部抵抗によって制限される。バッテリが低い充電状態（SOC）にあり且つ内部抵抗が低いときは、突入電流が非常に大きくなる場合があり、その結果、エネルギーがバッテリに急速に再蓄積される場合がある。バッテリは充電状態になったとき内部抵抗の急激な増加が生じる遷移点に到達し、その結果、一定電圧の下で受け入れ可能な電流が低下することになる。

この自動調整の効果は、バッテリの過充電を防止し、バッテリの寿命を長くする。そのような定電圧充電は、そこにおいてバッテリが高い充電状態（SOC）に維持され得る推奨電圧である均等化電圧において実行される。

この遷移の後、バッテリを最大容量に戻し且つ、バッテリ内部の個々の電池がほぼ一様な充電状態になることを確実にするために、低電流での均等化充電が必要とされる。

バッテリの充放電の大部分は、遷移点より下方のバルク領域（bulk region）において行なわれる。

一般的なハイブリッド電気自動車のパワートレインは、ICEによって駆動される電気モータをバッテリ充電器として使用して、バッテリ均等化を実行する。均等化処理の制御は、電気モータとICEの組合せの定格出力と、バッテリの正確な過充電／均等化を実行するのに必要とされるバッテリ出力との不整合のために、困難性を有する。

したがって本技術分野において、自動車に搭載されたもの以外の動力源を使用してハイブリッド電気自動車のバッテリへの均等化充電を行うシステム及び方法の必要性が存在する。また、プラグイン充電器を備える自動車のバッテリ均等化を改善するために、ハイブリッド電気自動車用パワートレイン装置内のカスタマイズされたバッテリ出力範囲を使用するシステム及び方法の必要性が存在する。

ハイブリッド電気自動車における、電力を蓄えそして供給するための電力供給システムは、自動車に搭載配置され、車輪に駆動可能に連結されて交流電力を生成するモータ・ジェネレータと、電力の充電及び放電を交互に行うためのエネルギー蓄積装置と、モータ・ジェネレータ及びエネルギー蓄積装置に結合されて、モータ・ジェネレータによって生成される交流をエネルギー蓄積装置に伝送される直流に変換し、そしてエネルギー蓄積装置において蓄積される直流をモータ・ジェネレータに伝送される交流に変換するためのインバータと、自動車の外部に配置される交流電源と、交流電源及びエネルギー蓄積装置に結合されて、交流電源からエネルギー蓄積装置に直流電力を供給するための充電器と、を含む。

プラグイン式の装置及びシステムは、効率良く正確なバッテリの均等化、ICE或いは公共のバッテリー・グリッドのエネルギー源の選択の任意性、及び、充電器のサイズ、充電時の電流積算、及び、バッテリ充電位相を含むハイブリッド・アーキテクチュアの設計における更なる柔軟性を含む利点を有する。

本装置によって充電されるエネルギー蓄積バッテリは均等化の頻度は小さく、場合によっては、三ヶ月から四ヶ月毎である。

エネルギー蓄積装置は、ただ一つのバッテリを使用し、システム及び自動車に対して不必要な重量を増加することになる第二のバッテリは、充電されているバッテリの他には必要とされない。第二のバッテリが自動車に搭載されれば、それが定期的に充電されなければならないので、コストが増加し、装置の充電効率が低減し、そして均等化の問題が倍増することになる。

エネルギー蓄積装置は、ICE、又は、電気事業の電力網（例えば、一般家庭や公共施設に敷設される配電網）のような自動車外部の電源によって補充されるという柔軟性を有する。

ICEは、特定の充電状態まで負荷を駆動すべく、作動とエネルギー供給を続け、その後に公益事業の電力網がエネルギーをバッテリに供給する場合がある。

カスタマイズ可能なバッテリ出力範囲を使用して、電気機械／ICEが、バッテリ・パックを高いSOC（約90％）に至らせるために使用され、その後、プラグイン充電器が、正確な過充電及び均等化を実行するために使用される場合がある。代替電力源、電気機械及びICEの単独使用又は組み合わせての使用、及び外部の電力源は、各々の電力源に付随するコストの最適化のための制御の柔軟性を提供する。例えば、燃料の価格が外部の電力のコストに対して比較的低いときには、エネルギー蓄積装置のバルク充電を提供するため（すなわちバッテリ・パックを高いSOCに充電するため）にICEが使用され、そして、外部電源及び充電器が、均等化充電のため、すなわち、高SOC（約90%）から最大SOC（約100％）になるまで、使用されることになる。しかし、公共の電力の価格と比較して、燃料の価格が高いときは、高いSOCよりも相応に低いSOCのバルク充電をエネルギー蓄積装置に供給すべくICEが使用され、低SOC（約10％）よりも相応に高い均等化充電のために、外部電源及び充電器が使用されることになる。

好ましい実施形態の適用可能範囲は、後述する詳細な説明、及び図面によって明らかになるであろう。本発明の好ましい実施形態を示しているが、本発明の説明及び具体例が、単に説明の手段として提示されていることを理解すべきである。記述されている実施形態及び実施例に対する種々の変更及び修正が、本技術分野の当業者にとって明らかになるであろう。

まず図1を参照すると、制御器12にアクセス可能な電子メモリに記憶された区分的な線形伝達関数10が、車載のバッテリの充電状態(SOC)を、バッテリによって生成される電力の大きさ（すなわちバッテリ出力要求14）と関連付けている。バッテリ出力のアービトレーション制御アルゴリズム（arbitration control algorithm）16が、現在のバッテリ出力要求14を表す入力信号、（SOC、バッテリ温度、内部抵抗、開放電圧のような）現在のバッテリの内部パラメータ18、及び、アクセル・ペダル位置、ブレーキ・ペダル変位量、変速段或いは変速レンジ（PRNDL）の選択レバーの位置、自動車のテレマティック又はテレメーターの電流値、及びドライバー・インターフェースを含む種々の自動車入力信号を受信する。アルゴリズム16はその出力として、調整済みの、目標バッテリ出力22を表す信号を生成する。自動車入力信号20及び調整済のバッテリ出力22を表す入力信号に応答して、ハイブリッド電気自動車(HEV)のブレンディング及び最適化アルゴリズム24が、電気機械30及び内燃機関エンジン32(ICE)への入力として使用される出力指令信号26、28を生成し、これらの信号は、二つの動力源30、32を使用して、バッテリのようなエネルギー蓄積装置を充電するのに最適に使用される。

バッテリ出力要求14は、バッテリ出力飽和下限値34、飽和下限値のゼロ点35、飽和上限値のゼロ点36、及びバッテリ出力飽和上限値37の四つの点から成る不感帯を持つ区分的線形関数である。

図2は、充電前(PLF A) 38、及び、電気モータ／ICEが運転サイクルの間にバッテリ・パックを充電した後(PLF B) 40のバッテリ出力要求の伝達関数10の例を示す。 このようにして、伝達関数の四つの点34〜37によって表される変数の大きさが、バッテリ充電器を使用する運転サイクルの間に変更される。図示された例において、バッテリ出力要求を変更するために使用される装置は、伝達関数38を右側に伝達関数40の位置まで移動させ、それによって自動車が、再充電に先立ってより高いSOC容量に留まることを可能にする。

図3はハイブリッド電気自動車の電気均等化システム50の構成を概略的に示す。自動車に搭載された二つの動力源は、ICE32及び、スタータ・ジェネレータ又はモータ・ジェネレータであり得る電気機械30を含む。電気機械30は、シリーズ型及び／又はパラレル型の駆動接続によって、車輪60に駆動可能に連結される。ICE32は、それがジェネレータ（発電）・モードにおいて動作するときに電気機械30を駆動し得て、また、ICEは車輪60を駆動する場合がある。電気機械30は、スタータ（始動）・モードにおいてICE32を始動し、モータ（発動）・モードにおいて車輪60を駆動し、そしてジェネレータ（発電）・モードにおいてエネルギー蓄積装置56を電気的に充電するように、動作し得る。ジェネレータ・モードにおいては、電気機械30は、車輪、ICE32、及びこれらの組み合わせによって駆動される場合がある（例えば、電気機械30は車輪60によって駆動されている間、ジェネレータ（発電）・モードで動作する場合がある）。

ICE32は、機械的インターフェース58によって電気機械30に対し継続的に駆動可能に連結される。機械的インターフェース58は、選択的に係合及び係合解除され得る、自動車のパワートレイン又はクラッチの一部であり得る。電気機械30の出力は、電気的インターフェース62によって、モータ・インバータ64に連結される。

モータ・インバータ64は、電気機械30によって生成された交流電流を、エネルギー蓄積装置56へのライン68上に供給される直流電流に変換し、そしてそれは、エネルギー蓄積装置からの直流電流を、電気機械30へのライン62上に供給される交流電流に変換する。

エネルギー蓄積装置56は、バッテリ、バッテリ・パック、コンデンサ、又はバッテリとコンデンサとの組み合わせであり得る。エネルギー蓄積装置56がバッテリ・パックを備えるときは、それらは、直列、並列、及び直並列を含む任意の組み合わせにて相互連結されるバッテリ・パック群72、73、74、75内に配置され得る。

高電圧(HV)充電器70及びエネルギー蓄積装置56は、必要に応じて二つの異なる電気的インターフェース86、88を共同で用い、それにより、充電されている間に蓄積装置56が分割されることを可能にする場合がある。このようにして、HV充電器70からの電流は、エネルギー蓄積装置56を構成するバッテリ・パックのグループ72〜75の間で分配あるいは分割され得る。HV充電器70は、自動車に搭載配置される場合があり、その場合にはインバータ64と一体化される、または、インバータとは独立したユニットであり得る。あるいは、HV充電器70は自動車の外部に設置される場合もある。

いずれの場合においても、電気事業の電力網（例えば公共施設や一般家庭に敷設される配電網）のような自動車の外部電源76が、ライン78を介してHV充電器に電気的に連結される。外部電源は、単相または三相の交流電流を充電器70に供給する場合がある。充電器70は、電源76からの電流を、エネルギー蓄積装置56に向かうライン86、88上に供給される直流電流に変換する。HV充電器は、バランスを取り戻すか、完全に再充電するかのいずれかの大きさで、エネルギーを供給することができる。外部電源76は、電気機械30によって生成される電力と比較して、高電圧にて電力を供給することが出来る。バランスを取り戻すための充電が、均等化充電と呼ばれることもある。

図2に示された例において、バッテリ出力要求を変更するために使用される方法は、自動車が再充電に先立ってより高いSOC容量に留まることを可能にするように、伝達関数38を右側に移動させる。この、より高いSOCは、低いSOCに比べ、充電器70の容量をより小さくするのを可能とするように、又は、エネルギー蓄積装置の均等化充電を実行するのに要求される期間がより短くなるのを可能とするように、動作の柔軟性を提供する。

代替電源、ICE32、及び外部電源76の使用は、各々の動力源に付随するコストを最適化する制御の柔軟性を提供する。例えば、ガソリン又はディーゼル燃料の価格が外部の交流電源からの電力のコストに対して比較的低いときに、制御器12は電気機械30及びICE32を別個に、又は、組み合わせて制御することにより、エネルギー蓄積装置56をバルク充電（すなわち、バッテリ・パックを高SOC（約90％）まで充電）し、そして、制御器は、均一過充電（すなわち、高SOC（約90%）から最大SOC（100％）までの充電）を提供するために、外部の交流電源76及び充電器70を使用する。自動車の燃料のコストが交流電源76からの電力のコストに比較して高いときは、ICE32及び／又は電気機械30が高SOC（約90％）よりも相応に低いバルク充電をエネルギー蓄積装置56に提供すべく使用されるように制御器12は電気機械30及びICE32を制御し、そして、外部電源76及び充電器70が、末期的に低いSOC（約10％）よりも相応に大きい均等化充電に使用されることになる（この場合は、電気機械30及びICE32がエネルギー蓄積装置56をバルク充電するのが防止される場合がある）。

すなわち、制御器12は、エネルギー蓄積装置56の現在の充電状態を示す入力信号を受信し、それに基づいてエネルギー蓄積装置56によって現在放電又は充電され得る電力の大きさを繰り返し判定する。そして、エネルギー蓄積装置56によって放電又は充電され得る電力の大きさが基準大きさよりも下回る場合は、制御器12が、電気機械30及びICE32にエネルギー蓄積装置56へのバルク充電を提供させる。その反対に、エネルギー蓄積装置56によって現在放電又は充電され得る電力の大きさが基準大きさ以上の場合は、制御器12が、電気機械30及びICE32がエネルギー蓄積装置56にバルク充電させるのを禁止する。

本発明の望ましい実施形態を記述してきたが、代替実施形態が、具体的に図示され且つ記述されたものとは別の方法で実施され得ることに留意すべきである。これらの及び他の利点は、添付図面に照らして考慮された時に、上述の望ましい実施形態の詳細な説明から、本技術分野の当業者にとって直ちに明白となるであろう。

ハイブリッド電気自動車のバッテリ出力制御システムの概略図である。 バッテリのSOCとバッテリ出力要求を関係付ける、図1に示される伝達関数である。 ハイブリッド電気自動車の電気均等化システムを示す概略図である。

符号の説明

30 電気機械（モータ・ジェネレータ)
32 ICE（内燃機関エンジン）
56 エネルギー蓄積装置
60 車輪
64 インバータ
70 HV充電器
72〜75 バッテリ・パック
76 外部電源（交流電源）
86、88 ライン（電気的インターフェース）

Claims (13)

1. ハイブリッド電気自動車における、電力を蓄積して供給するための電力動力供給システムであって、
   上記自動車に搭載されて配置され、車輪に駆動可能に連結されて交流電力を生成するモータ・ジェネレータと、
   電力の充電及び放電を交互に行うためのエネルギー蓄積装置と、
   上記モータ・ジェネレータ及び上記エネルギー蓄積装置に結合されて、上記モータ・ジェネレータによって生成される交流を上記エネルギー蓄積装置に伝送される直流に変換し、そして上記エネルギー蓄積装置において蓄積される直流を上記モータ・ジェネレータに伝送される交流に変換するためのインバータと、
   上記自動車の外部に配置される交流電源と、
   上記交流電源及び上記エネルギー蓄積装置に結合されて、上記交流電源から上記エネルギー蓄積装置に直流電力を供給するための充電器と、を備える電力供給システム。
2. 上記交流電源は電気事業の電力網である、
   請求項１に記載の電力供給システム。
3. 上記交流電源は、上記モータ・ジェネレータによって生成される電力と比較して、高い電圧にて電力を供給する、
   請求項1又は2に記載の電力供給システム。
4. 上記モータ・ジェネレータはジェネレータ・モードにおいて動作し、そして、
   上記システムは、上記モータ・ジェネレータに駆動可能に連結されて、上記ジェネレータ・モード中の上記モータ・ジェネレータを駆動するための内燃機関を更に備える、
   請求項1乃至3のいずれか一つに記載の電力供給システム。
5. 上記モータ・ジェネレータが上記車輪によって駆動されている間は、上記モータ・ジェネレータはジェネレータ・モードにおいて動作する、
   請求項3に記載の電力供給システム。
6. 上記エネルギー蓄積装置は、複数のバッテリ・パック群を含み、そして、
   上記システムは、上記バッテリ・パック群と上記充電器とを結合する複数の電気的インターフェースを更に備える、
   請求項1乃至5のいずれか一つに記載の電力供給システム。
7. 上記充電器及び上記インバータは、一つのユニットとして一体的に形成される、
   請求項1乃至6のいずれか一つに記載の電力供給システム。
8. 上記充電器及び上記インバータは、別個のユニットとして形成される、
   請求項1乃至6のいずれか一つに記載の電力供給システム。
9. 駆動輪を有するハイブリッド電気自動車における、電力を蓄えて供給するための電力供給システムであって、
   上記自動車に搭載配置され、上記車輪に駆動可能に連結されて交流電力を生成するモータ・ジェネレータと、
   電力の充電及び放電を交互に行うエネルギー蓄積装置と、
   上記モータ・ジェネレータ及び上記エネルギー蓄積装置に結合されて、上記モータ・ジェネレータによって生成される交流を上記エネルギー蓄積装置に伝送される直流に変換し、そして上記エネルギー蓄積装置において蓄積される直流を上記モータ・ジェネレータに伝送される交流に変換するためのインバータと、
   上記自動車の外部に配置される交流電源と、
   上記交流電源及び上記エネルギー蓄積装置に結合されて、上記交流電源から上記エネルギー蓄積装置に直流電力を供給するための充電器と、
   上記エネルギー蓄積装置の現在の充電状態を示す入力信号を受信する制御器と、を備え、
   上記制御器は、上記エネルギー蓄積装置の上記充電状態を使用して上記エネルギー蓄積装置によって現在放電又は充電され得る電力の大きさを判定し、
   そして、上記エネルギー蓄積装置によって放電又は充電され得る上記電力の大きさが基準大きさよりも下回るときに、上記モータ・ジェネレータ及び内燃機関に上記エネルギー蓄積装置へのバルク充電を提供させる電力供給システム。
10. 上記制御器は、上記エネルギー蓄積装置を所定値以上の高い充電状態まで充電するために、上記モータ・ジェネレータ及び内燃機関を使用する請求項9に記載の電力供給システム。
11. 上記制御器は、上記エネルギー蓄積装置によって現在放電又は充電され得る上記電力の大きさが上記基準大きさ以上のときに、上記モータ・ジェネレータ及び内燃機関が上記エネルギー蓄積装置をバルク充電するのを防止する請求項9又は10に記載の電力供給システム。
12. 自動車に搭載されて交流電力を生成するモータ・ジェネレータと、電力の充電及び放電を交互に行うエネルギー蓄積装置と、上記モータ・ジェネレータ及び上記エネルギー蓄積装置に連結されるインバータと、上記自動車の外部に配置される高電圧の交流電源と、そして上記交流電源及び上記電力蓄積装置に結合される充電器とを有するハイブリッド電気自動車における、電力を蓄えて供給するための電力供給システムの動作方法であって、
    （ａ）比較的低い電圧の交流を生成するために、上記モータ・ジェネレータを使用する工程と、
    （ｂ）上記モータ・ジェネレータによって生成される交流を直流に変換するために、上記インバータを使用する工程と、
    （ｃ）上記インバータから上記エネルギー蓄積装置へ直流を伝送することによって、上記エネルギー蓄積装置にバルク充電を提供する工程と、そして、
    （ｄ）上記エネルギー蓄積装置に均等化充電を提供するために、上記高電圧の交流電源と上記充電器とを使用する工程と、を備える動作方法。
13. 上記エネルギー蓄積装置によって現在放電され得る電力の大きさを繰り返し判定する工程と、
    上記エネルギー蓄積装置によって放電され得る上記電力の大きさが基準大きさよりも下回るときに、上記エネルギー蓄積装置にバルク充電を提供するため、上記モータ・ジェネレータ及び上記インバータを使用する工程と、
    上記エネルギー蓄積装置によって現在放電され得る上記電力の大きさが基準大きさ以上のときに、上記モータ・ジェネレータが上記エネルギー蓄積装置をバルク充電するのを防止する工程と、を更に備える請求項12に記載の動作方法。

Images