JP2008295300A - 蓄電器を備えた車両の電力制限装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリーの耐用寿命や回生効率を向上させることのできる電力制限装置を提供する。
【解決手段】蓄電器から出力する電力によって走行のための駆動力を発生し、また走行していることによる運動エネルギを制動時に電力に変換して前記蓄電器に蓄える蓄電器を備えた車両の電力制限装置であって、前記蓄電器に接続されたモータもしくは発電機の回転数および要求トルクに応じて電力を算出する手段（ステップ２）と、その算出された電力が前記蓄電器における限界値を超えている場合にその限界値および前記回転数に基づいて、少なくとも前記モータもしくは発電機でのエネルギ損失を補い得るモータもしくは発電機のトルクを算出する手段（ステップ４，５）と、前記モータもしくは発電機におけるトルクをその算出されたトルクに制限する手段（ステップ６）とを備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、電気自動車やハイブリッドカーなどの蓄電器（バッテリー）を動力源として備えている車両の電力を制限する装置に関するものである。

周知のように、電気自動車やハイブリッドカーは、バッテリーからモータ（電動機）に電力を供給し、そのモータが出力するトルクによって車輪を回転させて走行する。また一方、減速時には車両の有する運動エネルギによって発電機を駆動することによって発電をおこない、これをバッテリーに蓄える回生をおこなっている。そのバッテリーとしては各種のタイプのものが開発されているが、いずれのタイプのものも放電と充電との電力に制限があり、その制限を越えて放電もしくは充電すると耐用寿命が短くなるなどの問題を生じる。

そこで例えば特許文献１に記載された装置では、バッテリーの電流および電圧に基づいて出力制限係数をマップから求め、その係数をバッテリーの最大出力に掛け算することにより出力電力制限値を求めている。また回生時にも同様に、バッテリーの電流および電圧に基づいて回生電力制限係数をマップから求め、その係数を回生電力最大値に掛け算することにより回生電力制限値を求めている。そしてこれらの電力制限値とモータ回転数ならびに目標トルクとに基づいて駆動力指令値を定めている。

また、特許文献２には、バッテリーのＳＯＣ（充電状態）および温度に基づいて充電上限パワーを決定し、その充電上限パワーとモータ（発電機）のパワー定格とからパワー制約値を求め、さらにそのパワー制約値とモータ回転数とから回生トルク上限値を定めている。

特開平９−２９４３０５号公報 特開平９−７４６０５号公報

ところで、従来一般の電気自動車やハイブリッドカーなどにおいては、バッテリーとモータもしくは発電機との間にインバータが介在されている。したがってバッテリーが出力する電力とモータで発生する動力との間、あるいは発電機に入力される回生動力とバッテリーに入力される電力との間には、インバータやモータあるいは発電機における損失分の動力差が不可避的に生じる。

これに対して上述した各特許文献１，２に記載されたいずれの装置も、電力の制限値とモータ回転数とに基づいてモータ（発電機）トルクを定めていて、インバータやモータ（発電機）での損失を考慮していないので、回生時に充電電力を不必要に制限してしまい、制動エネルギ回収率が低下する不都合があった。すなわち上記のようにして求められたモータトルクに設定して得られる回生エネルギのうちの幾分かはモータやインバータの損失として消費されてしまい、バッテリーに充電されないので、その分、回生効率が低下する。

また、出力時においては、前記電力制限値とモータ回転数とに基づいて求められたモータトルクとなるように制御すると、バッテリーからはそのモータトルクに応じた電力に加えて、モータやインバータでの損失に応じた電力が出力されるから、結局、過放電状態が生じ、バッテリーの耐用寿命が低下する可能性があった。

さらに、インバータやモータでのエネルギ損失は、モータなどの動作状態に応じて変化するので、上記従来の装置では、損失の大きい動作領域での回生効率が低下し、また出力時にはバッテリーに対する過負荷状態が生じる可能性があった。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、回生効率を向上させ、また過充電やそれに起因するバッテリーの耐用寿命の低下などを防止することのできる電力制限装置を提供することを目的とするものである。

この発明は、上記目的を達成するために、蓄電器から出力する電力によって走行のための駆動力を発生し、また走行していることによる運動エネルギを制動時に電力に変換して前記蓄電器に蓄える蓄電器を備えた車両の電力制限装置において、前記蓄電器に接続されたモータもしくは発電機の回転数および要求トルクに応じて電力を算出する手段と、その算出された電力が前記蓄電器における限界値を超えている場合にその限界値および前記回転数に基づいて、少なくとも前記モータもしくは発電機でのエネルギ損失を補い得るモータもしくは発電機のトルクを算出する手段と、前記モータもしくは発電機のトルクをその算出されたトルクに制限する手段とを備えていることを特徴とするものである。

したがってこの発明の装置では、蓄電器に入力もしくは出力される電力を制限するべくトルクを制御するにあたり、限界値と回転数とに基づき、かつ少なくともモータもしくは発電機でのエネルギ損失を補い得るトルクを求め、その算出されたトルクでモータもしくは発電機を駆動することにより、蓄電器から出力される電力が、モータで発生する動力とモータでの損失とを含めた値であって限界値以下の値となる。また、蓄電器に入力する場合、発電機で発生する電力が、発電機での損失と蓄電器に入力される電力となり、蓄電器に入力される電力が限界値となる。すなわちこの発明の装置では、蓄電器から出力する場合、モータのトルクを少なくともモータでの損失に応じて低下させるので、過放電が防止され、また蓄電器に入力する場合、発電機での発電量を少なくとも発電機での損失に応じて増大させるので、過不足なく充電することができ、その結果、回生効率やバッテリーの耐用寿命を向上させることができる。

つぎにこの発明を図に基づいて具体的に説明する。図２は、この発明が対象とする一例である電気自動車の駆動系統を模式的に示しており、動力源としてのモータ・ジェネレータ１の出力軸２がプロペラシャフトなどの所定の伝動機構を介して駆動輪３に連結されている。この駆動輪３を含む全ての車輪に付設されたブレーキ（図示せず）が、ブレーキ操作やその他の制御状態に応じた信号に基づいて電気的に制御されるように構成されている。

前記モータ・ジェネレータ１は、交流同期型のものであって、このモータ・ジェネレータ１には交流・直流の変換と電力の制御のためのインバータ４を介してバッテリー（蓄電器）５が接続されている。

モータ・ジェネレータ１およびインバータ４を制御するための電子制御装置（モータＥＣＵ）６が設けられている。このモータＥＣＵ６は、いわゆるマイクロコンピュータを主体に構成されたものであり、アクセルペダル（図示せず）の踏み込み量（アクセル開度）や車速などに基づいてモータ要求トルクやバッテリー５での充電状態（ＳＯＣ）に基づくジェネレータ要求トルクに従ってモータ・ジェネレータ１を制御するように構成されている。

また、前記バッテリー５を制御するための電子制御装置（バッテリーＥＣＵ）７が設けられている。このバッテリーＥＣＵ７もいわゆるマイクロコンピュータを主体にして構成されたものであり、バッテリー５のＳＯＣを監視し、その結果に応じた信号を出力するように構成されている。

前述したようにブレーキは電気的に制御できるように構成されており、その制御のための電子制御装置（ブレーキＥＣＵ）８が設けられている。このブレーキＥＣＵ８もマイクロコンピュータを主体とするものであり、制動操作に基づく信号や回生要求信号などによってブレーキによる制動トルクを制御するように構成されている。

これらの各ＥＣＵ６，７，８が互いにデータ通信可能に接続されている。そして、バッテリーＥＣＵ７からモータＥＣＵ６には充電状態や電流、電圧などに関するデータが送信されており、またブレーキＥＣＵ８とモータＥＣＵ６との間では、回生要求値や回生実行値などが送受信されている。

上述した駆動系統を備えた電気自動車では、アクセルペダルを踏み込むなどのことによる出力要求があった場合、その要求に適合するトルクが発生するようにモータ・ジェネレータ１を制御する。これは、モータＥＣＵ６が入力信号に基づいて演算をおこない、その結果に応じてモータ・ジェネレータ１およびインバータ４を制御することにより実行される。またブレーキ操作された場合、車両の有する運動エネルギを電気エネルギに変換するために回生制御が実行される。すなわちブレーキによって制動をおこなう一方、モータ・ジェネレータ１を駆動輪３側から入力されるトルクによって駆動して発電をおこない、その電力をインバータ４を介してバッテリー５に充電する。この制御は、ブレーキＥＣＵ８の回生要求値に対するモータＥＣＵ６からの回生実行信号に基づいてブレーキＥＣＵ８がブレーキによる制動力を制御することによって実行される。

これら走行のためのバッテリー５からの出力および回生によるバッテリー５に対する入力をおこなう場合、バッテリー５の状態に応じて入出力値に制限があるので、以下のようにして電力の制限がおこなわれる。図１はその制御例を示しており、先ず、モータ・ジェネレータ１での要求トルクＴm を入力する（ステップ１）。この要求トルクＴm は、モータ・ジェネレータ１で駆動力を発生させて力行する場合には、その時点の車速およびアクセル開度などに基づいて求められる。また、回生の場合には、例えば車速およびブレーキ力に基づいて求めることができる。

つぎにその要求トルクＴm でのバッテリー電力Ｐb が演算される（ステップ２）。すなわち
Ｐb ＝Ｎm ・Ｔm ＋Ｐmlos
が計算される。ここで、Ｎm はモータ・ジェネレータ１の回転数、Ｐmlosはモータ・ジェネレータ１での電力損失である。この電力損失Ｐmlosは、モータ・ジェネレータ１の回転数Ｎm とその時点のトルクＴm とに基づいて定まり、例えば予め試験をしてマップ値として求めておくことができる。また、バッテリー電力Ｐb の算出手段としては、バッテリーＥＣＵ７などで検出した値を使用する手段を採用してもよい。なお、この電力損失には、インバータ４での損失を含ませてもよい。

このようにして求めたバッテリー電力Ｐb が制限値を超えているか否かが判断される（ステップ３）。この制限値は、出力する場合には放電上限値Ｐbmaxであり、また回生の場合には充電上限値Ｐbminであり、これらは、バッテリー５の温度およびＳＯＣなどによって定めることができる。ステップ２で求めたバッテリー電力Ｐb が制限値を超えていない場合には、ステップ１で入力されたモータトルクでモータ・ジェネレータ１を動作させる。すなわちそのトルクとなるように電力を出力し、または回生をおこなう。

これに対してステップ２で求めたバッテリー電力Ｐb が上限値Ｐbmax，Ｐbminを超えていた場合には、それぞれの上限値Ｐbmax，Ｐbminでのモータ最大トルクＴmlimを求める（ステップ４，５）。すなわちバッテリー電力Ｐb が放電上限値Ｐbmaxを超えていれば（Ｐb ＞Ｐbmax）、バッテリー出力上限でのモータ最大トルクＴmlimを求める（ステップ４）。あるいはバッテリー電力Ｐb がバッテリー入力上限値Ｐbminを超えていれば（Ｐb＜Ｐbmin）、バッテリー入力上限での最大トルクＴmlimを求める（ステップ５）。これらの最大トルクＴmlimは、モータ電力が上限値Ｐbmax，Ｐbminでかつモータ・ジェネレータ１のその時点の回転数Ｎm の状態でのトルクであり、モータ・ジェネレータ１での損失を加味して求められる。

具体的には、対象とする駆動系統についてモータ・ジェネレータ１の回転数Ｎm とモータ電力Ｐm とをパラメータとしたモータトルクＴm の二次元マップを作成しておく。その例を図３に示してある。これらモータ回転数Ｎm 、モータ電力Ｐm 、モータトルクＴm は実測値であり、したがってモータ・ジェネレータ１で生じる損失が含まれた値である。またモータ・ジェネレータ１での損失は、回転数やトルクなどの動作点が異なれば、異なる値となるが、ステップ４もしくはステップ５では、その時点の回転数Ｎm で上限値Ｐbmax，ＰbminとなるモータトルクＴmlimを求めるから、実際の運転点でのモータ損失を加味したものとなる。

このようにしてステップ４もしくはステップ５で求められた最大トルクＴmlimにモータトルクＴm を制限する（ステップ６）。そしてモータ・ジェネレータ１の出力軸２でのトルクがこのステップ６で設定したトルクとなるように制御する。具体的には、力行の場合には、モータ・ジェネレータ１の出力軸トルクがステップ６で設定されたトルクとなるように電力を制御する。したがってバッテリー５から出力される電力は放電上限値となるが、その電力のうちの幾分かは、モータ・ジェネレータ１での損失として消費されるので、実際にモータ・ジェネレータ１の出力軸２に現れる動力はその損失分、少なくなる。言い換えれば、上記の制御によれば、モータ最大トルクがモータ・ジェネレータ１での損失分だけ小さく算定されるので、ステップ６で設定されたモータトルクに基づいて制御を実行しても、バッテリー５からその放電上限値を超えて放電することがなく、その耐用寿命が低下することを未然に防止することができる。

また、回生の場合、ブレーキでの制動トルクを制御してモータ・ジェネレータ１の出力軸２のトルクをステップ６で定められたトルクに設定する。そのトルクはモータ損失を含んだ値であるから、出力軸における計算の上では、バッテリー５の充電上限値を超えた電力を発電することになるが、実際にモータ・ジェネレータ１から出力される電力は、モータ損失分、少なくなって充電上限値にほぼ一致する。その結果、充電上限値を下回ることなく回生および充電をおこなうことができ、回生効率が向上する。

ところで上述した例から知られるようにこの発明の装置は、モータもしくは発電機での損失を考慮して出力時もしくは回生時のモータトルクを決定してモータもしくは発電機の制御を実行する。したがってその損失を制御に取り込む方法は、上述の例で示した方法に限られないのであり、以下に述べるようにしてもよい。

すなわちモータ損失は、モータ回転数Ｎm とモータ電力Ｐm とによって定まるから、対象とする駆動系統について実際の運転によるモータ回転数Ｎm およびモータ電力Ｐm ごとのモータ損失Ｐmlosを測定し、マップとして用意する。図４はそのマップの例を示している。こうして求められるモータ損失Ｐmlosを考慮したモータトルクＴm は、
Ｔm ＝（Ｐm ＋Ｐmlos）／Ｎm
である。したがって力行の際のモータ電力Ｐm がバッテリー最大出力電力Ｐbmaxであれば、制限されたモータトルクＴmlimは、
Ｔmlim＝（Ｐbmax−Ｐmlos）／Ｎm
として求められ、また回生の際のモータ電力Ｐm がバッテリー最大入力電力Ｐbminであれば、制限されたモータトルクＴmlimは、
Ｔmlim＝（Ｐbmin−Ｐmlos）／Ｎm
として求めることができる。なお、これらの演算は、上述したステップ４もしくはステップ５でおこなえばよい。

このような制御をおこなった場合であっても、実際のモータ・ジェネレータ１の運転点での損失を見込んでモータトルク（モータ電力）を制限するから、過放電や過充電を防止することができる。

なお、上述した制御におけるステップ２では、モータ損失を加えてバッテリー電力Ｐb を求めており、その値が上限値を超えた場合にモータトルクあるいはモータ電力を制限する。したがってその点ではモータ損失を考慮した制御となっているので、バッテリー電力Ｐb が上限値を超えた場合には、そのバッテリー電力Ｐb と上限値との差およびその時点のモータ回転数Ｎm とに基づいて超過しているトルクを算出し、その算出された超過モータトルクを、その時点の実際のモータトルクから減じてこれをモータトルクの上限値としてもよい。その場合、得られたモータトルクでの運転点におけるモータ損失が、ステップ２で考慮したモータ損失とは異なることになるので、その点で若干制御精度が低下し、過放電傾向もしくは過充電傾向が生じる可能性がある。

ここでこの発明と上記の具体例との関係を説明すると、ステップ２がこの発明における要求トルクに応じて電力を算出する手段に相当し、またステップ４もしくはステップ５がこの発明におけるトルクを算出する手段に相当し、さらにステップ６がこの発明におけるトルクを制限する手段に相当する。

以上の具体例では、モータ・ジェネレータのみを動力源とした電気自動車を例に採って説明したが、この発明は上記の例に限定されないのであって、モータとジェネレータとを個別に備えた電気自動車やモータ・ジェネレータおよび内燃機関を動力源として備えたハイブリッド車、モータおよびジェネレータならびに内燃機関を備えたハイブリッド車など、要は、電力による力行と電力を回収する回生とを可能な車両を対象とする制御装置に適用することができる。また、この発明におけるモータやジェネレータは、交流型のもの以外に、直流型のものであってもよい。

この発明の制御装置で実行される制御の一例を説明するためのフローチャートである。 この発明で対象とする電気自動車の駆動系統を模式的に示す図である。 モータ損失を含むモータ回転数とモータ電力とモータトルクとのマップの一例を示す図である。 モータ回転数とモータ電力とに基づくモータ損失のマップの一例を示す図である。

符号の説明

１…モータ・ジェネレータ、 ４…インバータ、 ５…バッテリー、 ６…モータＥＣＵ、 ７…バッテリーＥＣＵ、 ８…ブレーキＥＣＵ。

Claims (1)

1. 蓄電器から出力する電力によって走行のための駆動力を発生し、また走行していることによる運動エネルギを電力に変換して前記蓄電器に蓄える蓄電器を備えた車両の電力制限装置において、
   前記蓄電器に接続されたモータもしくは発電機の回転数および要求トルクに応じて電力を算出する手段と、
   その算出された電力が前記蓄電器における限界値を超えている場合にその限界値および前記回転数に基づいて、少なくとも前記モータもしくは発電機でのエネルギ損失を補い得るモータもしくは発電機のトルクを算出する手段と、
   前記モータもしくは発電機におけるトルクをその算出されたトルクに制限する手段と
   を備えていることを特徴とする蓄電器を備えた車両の電力制限装置。

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