JP2011168226A - シリーズハイブリッド車両の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】バッテリ23の目標出力PBとバッテリ23の充電率SOCに基づいて直流バス8に対する直流バス電圧指令値Vbus*を設定し、バッテリ目標出力PBに達するようにバッテリ23から直流バス8に対する出力を制御する。そして、直流バス8へのバッテリ23からの出力がバッテリ目標出力PBに達すると、直流バス電圧指令値Vbus*にコンバータ21の直流電圧レベルが近づくように発電機2からの電力量を制御する。
【選択図】図1
Description
特許文献1による制御装置の回路構成を図10に示すとおりであり、バッテリ101が電力変換装置102を介してコンバータ103の出力端子であるa端子、b端子に並列に接続されている。双方向のDC/DCコンバータからなる電力変換装置102は、コンバータ103の出力端子であるa端子、b端子にかかる直流バス電圧Vbusの電圧レベルにより充放電電流を制御する。例えば、車両が要求する出力(負荷)に対応するため、エンジン104、発電機107の回転が上がってコンバータ103が出力すると、直流バス電圧Vbusが上がる。このときバッテリ101が充電するように制御される。また、インバータ105が電力を吸収すると、直流バス電圧Vbusが下がるので、バッテリ101は放電する。
そして、バッテリ101からの電力とコンバータ103からの電力を足したものをインバータ105がモータ106に出力する。このように、直流バス電圧Vbusを制御するだけでバッテリ101とモータ106を制御できる。バッテリ101自体の制御は電力変換装置102だけに任せられるので、コンバータ103は、運転者がどんな出力を車両にさせたいかの指令と、直流バス電圧Vbusを監視していればよい。
また、ハイブリッド車両はバッテリ101への電力の入出力が頻繁に発生するとともに、電力変換装置102によるエネルギーロスが大きいため、電力変換装置102が存在することにより車両燃費が低下する。
本発明は、このような課題に基づいてなされたもので、電力変換装置を用いることなく、直流バス電圧に対応してバッテリへの出力を適切に制御できる制御装置を提供することを目的とする。
そして、本発明による制御装置は、以下の手順で電力供給を制御する。つまり、バッテリの目標出力とバッテリの充電率に基づいてバスに対する直流電圧指令値を設定し、目標出力に達するようにバッテリからバスに対する出力を制御し、バスへのバッテリからの出力が目標出力に達すると、直流バス電圧指令値にコンバータの直流電圧レベルが近づくように発電機からの電力を制御することを特徴としている。
本発明の制御装置は、バッテリの充電率を考慮して直流バス電圧指令値を設定するので、バッテリからバスへ向けて適切な出力を与えることができる。
[第1実施形態]
図1に本実施形態によるシリーズハイブリッド方式車両10の概略構成を示す。
シリーズハイブリッド方式車両10は、エンジン1で発電機2を駆動して発電をし、得られた電力により、第1車輪5、第2車輪6を各々回転させる第1走行モータ3、第2走行モータ4を駆動する。また、発電機2で得られた電力は、バッテリ23の充電にも使用される。バッテリ23は、蓄えられた電力を放電することで、第1走行モータ3、第2走行モータ4を駆動する。つまり、第1車輪5、第2車輪6の駆動力はすべて第1走行モータ3、第2走行モータ4から供給される。第1走行モータ3、第2走行モータ4への電力の供給は、発電機2から行う場合、バッテリ23から行う場合、発電機2及びバッテリ23の両者から行う場合、のいずれかから選択できる。
また、直流バス8には、電力負荷となる補機7が並列に接続されている。補機7としては、例えば空気調和装置、照明などが掲げられ、電力負荷となる。なお、補機7は本発明にとって任意の構成要素である。
コンバータ21は、エンジン1に連結された発電機2の出力を制御する機能を有している。具体的には、車両が要求する負荷からバッテリ23が入出力する電力を足し引きして発電機2の出力を制御する。このとき、直流バス電圧Vbusの値を参照することで間接的にバッテリ23からの出力を制御する。そして、第1インバータ25、第2インバータ27は、コンバータ21からの電力とバッテリ23からの電力の和を第1走行モータ3、第2走行モータ4に出力する。
図2は、制御部20及びコンバータ21における電力制御の手順を模式的に示している。
この電力制御システムでは、まず、バッテリ目標出力PBと、バッテリ23の充電率(以下、バッテリSOC)とが参照される。バッテリSOCを参照するのは、以下の理由による。先述したように、コンバータ21は発電機2の出力を制御することにより、バッテリ23の出力を間接的に制御する。しかし、バッテリ23は充放電を繰り返しているとその特性が変動し、この特性にバッテリ電圧が依存するので、バッテリ23から任意の出力(電力)を得ることが困難である。そこで、出力に最も大きく影響を与えるバッテリSOCを考慮する。
ここで、バッテリ目標出力PBは、車両のアクセル、ハンドル及びブレーキ(いずれも図示を省略)等に基づく運転条件(車両の負荷要求)に基づいて定められる。
また、バッテリSOCは「バッテリの残容量/バッテリの満充電容量×100」で特定されるが、例えば、バッテリ23のバッテリ電圧値及びバッテリ電流を検出し、その積算値に基づいてバッテリの残容量を推定できる。ただし、これはバッテリの残容量を特定する最も基本的な例であり、バッテリ電圧値及びバッテリ電流の他に、バッテリ23の端子電圧、端子電流及び温度などを考慮してバッテリ23の残容量を推定することもできる。
次に、電力制御システムは、バッテリ目標出力PB、バッテリSOCを参照して、直流バス電圧指令値Vbus*を決定する。この決定は、バッテリ電力−電圧特性対比ブロック29において行われる。
バッテリ電力−電圧特性対比ブロック29は、バッテリ23におけるバッテリ電圧とバッテリ電力が対応付けられた特性テーブルを保持している。この特性テーブルは、バッテリSOCの値に応じて保持される。この特性テーブルの一例をグラフ化して図3に示している。図3は、縦軸をバッテリ電圧とし、横軸をバッテリ電力(電流)としている。このグラフに示すように、同じバッテリ電力であっても、バッテリSOCが高いほどバッテリ電圧は高く、バッテリSOCが低いほどバッテリ電圧は低くなる傾向がある。例えば、バッテリ目標出力がP1、バッテリSOCがS4だとすると、図3の特性線図S4を参照することにより、直流バス電圧指令値Vbus*をV1に決定する。
なお、図3に示す特性テーブルは、使用するバッテリ23について事前に実験的に取得しておく。また、ここではテーブル(グラフ)とした例を説明したが、事前に実験的に求めた値から導出される、バッテリ電圧とバッテリ電力の関係式を用いて直流バス電圧指令値Vbus*を決定することもできる。
図4に示すように、車両負荷が増大するときには、バッテリ23が発電機2よりも優先して出力する。車両負荷の増大に伴い、バッテリ23からの出力、特性の変化に応じてバッテリ電圧、つまり直流バス電圧Vbusが低下する。直流バス電圧Vbusが低下して直流バス電圧指令値Vbus*に達したならば、エンジン1を駆動させて発電機2により電力を発生し、第1インバータ25、第2インバータ27に向けて供給する。コンバータ21は、発電機2からの出力及びバッテリ23からの出力による直流バス電圧Vbusが直流バス電圧指令値Vbus*に一致するように、発電機2の制御を行う。この制御により、バッテリ23からの出力は一定とされる。
第2実施形態では、直流バス電圧指令値Vbus*をさらに精度よく決定することを志向する。つまり、バッテリ電力−電圧特性は、バッテリSOC以外にバッテリ23の温度(TB)及び劣化状態(バッテリSOH)にも影響を受けるため、これらをも考慮した電力−電圧特性により直流バス電圧指令値Vbus*を決定する。なお、バッテリ劣化状態(State of Health)は、劣化時満充電容量/初期満充電容量×100[%]で特定される。
また、バッテリ23に充放電履歴監視回路28を設ける。バッテリ23が劣化する主たる要因が充放電の回数であることから、充放電履歴監視回路28で得られたバッテリ23の充放電の履歴は制御部20に送られる。
制御部20は、図7に示すように、取得したバッテリSOC、バッテリ温度TB及び充放電の履歴を、図5に示す特性線図と対比することで、直流バス電圧指令値Vbus*を決定する。そうすることで、バッテリ23の温度が変化し、あるいはバッテリ23が劣化したことによりバッテリ電力−電圧特性が変化した場合でも、所望のバッテリ出力が得られる。
第3実施形態は、バッテリ電力−電圧特性テーブルへ入力されるバッテリ目標出力PBを、車両状態を考慮して決定する機能を制御部20が有している。
このバッテリ目標出力PBの決定機構は、図8に示すように、走行用動力演算ブロック37、エンジン最大出力演算ブロック39及びバッテリ出力決定ブロック41を備える。
補機7の動作に必要な電力(補機用電力)P2は、別途計算して求める。
走行用電力P1と補機用電力P2を足し合わせることで負荷要求電力PLが決定される。
なお、ここでは高SOCモード(図9(a))、低SOCモード(図9(b))というように、SOCを2段階としているが、高SOCモード、中SOCモード及び低SOCモードというように3段階、あるいは4段階以上にSOCモードを設定することもできる。
ここで、バッテリSOCを高い値に維持していると回生される電力によりバッテリ23が過度に充電される一方、バッテリSOCを低い値に維持していると負荷からの要求に応える電力をバッテリ23が供給できなくなるため、通常、バッテリSOCは50〜60%程度に維持することが求められる。これに対して第3実施形態によると、バッテリSOCを考慮してバッテリ23の充放電を決定するので、バッテリSOCを50〜60%程度に保つことができるので、バッテリ23へ過度に充電されること、又は過度に放電されることがない。また、バッテリSOCが50〜60%という中程度で運用できるため、常に十分な加速(放電)および回生ブレーキ(充電)を確保しつつ、バッテリSOCの振れ幅が狭いためバッテリ23の寿命も長くすることができる。
さらに、エンジン1とバッテリ23の動力配分、つまり、エンジン燃費を考慮してバッテリ目標出力PBの決定をすることで、エンジン燃費の向上も期待できる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
1…エンジン、2…発電機、3…第1走行モータ、4…第2走行モータ
5…第1車輪、6…第2車輪、7…補機、8…直流バス
20…制御部、21…コンバータ、23…バッテリ、24…温度検知センサ
25…第1インバータ、27…第2インバータ、28…充放電履歴監視回路
29…バッテリ電力−電圧特性対比ブロック
33…直流バス電圧レギュレータブロック
37…走行用動力演算ブロック、39…エンジン最大出力演算ブロック
41…バッテリ出力決定ブロック
Claims (4)
- 駆動力を発生するエンジンと、
前記エンジンが発生する前記駆動力により発電を行う発電機と、
前記発電機で発電される交流電力を直流に変換するとともに電圧を制御して供給するコンバータと、
前記コンバータから供給される電力が充電されるバッテリと、
前記発電機及び前記バッテリを動力源とするモータと、
前記コンバータ及び前記バッテリからの電力を前記モータに向けて供給するバスと、
を備えるシリーズハイブリッド方式の車両における出力の制御装置であって、
前記制御装置は、
前記バッテリの目標出力と前記バッテリの充電率に基づいて前記バスに対する直流電圧指令値を設定し、
前記目標出力に達するように前記バッテリから前記バスに対する出力を制御し、
前記バスへの前記バッテリからの出力が前記目標出力に達すると、前記直流電圧指令値に前記コンバータの直流電圧レベルが近づくように前記発電機からの出力を制御する、
ことを特徴とするハイブリッド車両の制御装置。 - 前記制御装置は、
前記バッテリの温度及び前記バッテリの劣化状態の一方又は双方をさらに考慮して前記直流電圧指令値を設定する、
請求項1に記載のハイブリッド車両の制御装置。 - 前記制御装置は、
車両に対する負荷要求電力と前記発電機の最大出力に基づいて、前記バッテリの目標出力及び前記発電機からの出力を決定する、
請求項1又は2に記載のハイブリッド車両の制御装置。 - 前記バッテリの充電率が予め設定される閾値よりも低い場合には、
前記バッテリからの前記バスへの出力よりも、前記発電機からの前記バスへの出力を優先させるとともに、前記発電機からの前記出力を前記バッテリの充電に供する、
請求項1〜3のいずれか一項に記載のハイブリッド車両の制御装置。
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JP5419745B2 (ja) | 2014-02-19 |
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