JP3707206B2

JP3707206B2 - ハイブリット車両の発電機制御装置

Info

Publication number: JP3707206B2
Application number: JP16120897A
Authority: JP
Inventors: 孝昭安部
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-06-18
Filing date: 1997-06-18
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2017-06-18
Also published as: JPH1118203A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ハイブリット車両の発電機制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のハイブリット車両の発電機制御装置としては、特開平６−１９７４０６号公報や特開平８−６１１９３号公報に見られるようなものが開発されている。両者とも発電機の作動開始ポイントを制御する発明である。前者は、車両の操縦者や走行環境によって発電機の作動開始ポイントを制御することにより、操縦者や走行環境に左右されず安定的に２次電池を充電可能にすることを目的としている。後者は、２次電池の最大使用可能出力がモーターの最大出力以下になった時に発電機を起動させ、車両が常に最大出力を出せるようにしたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者のような従来の２次電池の制御方法をハイブリット電気自動車用電池へ適用するにあっては、電池の温度上昇によって放電ができなくなってしまう、あるいは、充電ができなくなってしまうといった問題点が予測される。
また、後者の技術にあっては、電池の温度管理がなされていないため、電池の劣化をまねいたり、温度上昇のため電池の出力を低下せざるを得ないといった問題点が発生すると考えられる。
【０００４】
この発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その構成を電池の温度変化から演算された放電深度で発電機を作動させることにより、電池の温度上昇を抑えることができ、電池の劣化や温度上昇による電池出力低下を防ぐ効果が得られる。また、電池冷却システムの小容量化を図ることができる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するための手段として、請求項１記載のハイブリット車両の発電機制御装置では、２次電池を電源とする走行用電動機を具備した車両走行装置と、エンジンを駆動源とする発電機を具備した発電装置と、そのエンジンにより前記発電機を駆動してその発電電力を前記２次電池及び走行用電動機に供給するハイブリット車両において、前記２次電池の温度を検出する手段と、その検出された電池温度から２次電池の温度上昇率を算出する手段と、その２次電池の温度上昇率が高いとき２次電池の電池放電深度が浅い状態で発電機を起動する構成とした。
また、請求項２記載のハイブリット車両の発電機制御装置は、２次電池を電源とする走行用電動機を具備した車両走行装置と、燃料電池と、当該燃料電池の発電電力を前記２次電池に供給する手段とを有するハイブリット車両において、前記２次電池の温度を検出する手段と、その検出された電池温度から２次電池の温度上昇率を算出する手段と、その２次電池の温度上昇率が高いとき２次電池の電池放電深度が浅い状態で前記燃料電池から前記２次電池へ充電することを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のハイブリット車両の発電機制御装置において、電池の冷却空気温度を検出する検出手段と、前記発電機を起動する放電深度を前記検出手段が検出した温度に基づいて演算する手段と、を備え、当該手段の演算した放電深度に基づいて発電機を制御するよう構成した。
請求項４記載の発明は、請求項１ないし３記載のハイブリット車両の発電機制御装置において、前記２次電池の温度上昇率の算出方法は、電池のみの電力を走行用電動機に供給する走行モードの前後の温度差をとることとした。
請求項５記載の発明は、請求項１ないし３記載のハイブリット車両の発電機制御装置において、電池温度計測位置として最も温度が上がる単電池を計測することを特徴とする。
【０００６】
請求項６記載の発明は、請求項１ないし５記載のハイブリット車両の発電機制御装置において、２次電池にリチウムイオン電池を使用することを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明実施の形態１にかかるハイブリット車両、特にシリーズハイブリット車両の発電機制御装置の構成を示すブロック図である。この図に示される車両は、駆動源としてモーター１０を、モーター１０の電力源として２次電池３１をそれぞれ備えている。２次電池３１は充放電可能な電池であり、その放電電力は、インバーター１１を介してモーター１０に供給される。モーター１０は例えば３相交流モーターであり、インバーター１１は、２次電池３１から供給される直流電力を３相交流電力に変換してモーター１０に供給する。モーター１０はディファレンシャルギア１３を介して駆動輪１４に連結されている。
【０００８】
このように、図１に示される車両は、２次電池３１の電力によって駆動される。さらに、この図においては、エンジン２０及び発電機２１から構成されるエンジン駆動発電機２３が示されている。エンジン２０の出力軸は発電機２１に直接または間接的に連結されており、従って、エンジン２０が回転すると発電機２１から発電出力が得られる。発電機２１は、例えば３相交流発電機であり、コンバーター２２を介して、２次電池３１に供給されるか、あるいは、インバーター１１を介してモーター１０に供給される。従って、エンジン２０が回転し発電機２１から発電出力が得られている状態では、この発電電力がコンバーター２２によって整流され、２次電池３１に供給されたり、モーター１０に供給されたりすることになる。２次電池３１は電池ケース３６に収納されている。電池冷却ファン３７によって冷却空気が２次電池３１へ導かれる。
【０００９】
モーターコントローラー１２は、インバーター１１とモーター１０の制御を行うコントローラーである。発電機コントローラー２４は、コンバーター２２、発電機２１及びエンジン２０の制御を行うコントローラーである。電池コントローラー３２は、２次電池３１の中の単電池の電圧・温度計測装置３４と、電流・電圧計測装置３３及び冷却空気温度計測装置３５で計測された値を取り込み、電池冷却ファン３７に作動信号を送っている。車両コントローラー４１は電池コントローラー３２で演算された充電開始のＤＯＤ＊（作用のところで説明する）を受け取り、発電機コントローラー２４へ指令を送り、発電機２１を作動させる。
【００１０】
次に、作用を説明する。充放電可能な二次電池は化学反応を伴うため、ジュール発熱とその化学反応熱の和が充放電時に内部発熱となる。図２は、横軸に充放電電力を縦軸に発熱量Ｑをプロットした図である。図２においてライン１は充電時の反応熱が吸熱反応となる電池の発熱量を示したもので、ライン２は充電時の反応熱が発熱反応となる電池の発熱量を示したものである。
【００１１】
実施の形態１は充電時の反応熱が吸熱反応となる２次電池（例えば、リチウムイオン電池等）についての場合である。ハイブリット車両において放電電力は走行条件により０〜７０ｋｗと、充電電力は発電機の能力により０〜２０ｋｗとなる。よく使われる条件として放電条件は２０ｋｗ、発電機で２次電池を充電する電力は発電機を回すエンジン音のため１０ｋｗがよく使用される。具体的にリチウムイオン電池で説明すると、重量の点から１０ｋｗｈｒの容量の２次電池を積むのがハイブリット車両に最適である。図３にこの時の発熱量をプロットする。２０ｋｗ放電時が１６００ｗ、１０ｋｗ充電時が１５０ｗの発熱量となる。
このハイブリット車両で走行を行うと、図４に示すような結果となる。領域ａでは２次電池のみで走行を続けるため、電池の温度は上昇していく。この走行モードを電池出力モードとする。領域ｂでは２次電池と発電機の出力による走行であり、発電機の出力以下の走行条件では、２次電池は充電されていることになるため、冷却能力が電池の発熱より上回るので温度は下がっていく。この走行モードを電池＋発電機出力モードとする。領域ｃは領域ａと同様に２次電池のみの出力で走行する領域である。領域ｄは領域ｂと同様に２次電池と発電機の出力で走行する領域である。以降、領域ａと領域ｂの繰り返しである。この時、図５に示すように２次電池のみで走行する走行条件が厳しいと温度上昇速度が大きくなってしまい、電池の発熱に対して冷却能力が追いつかず、電池の使用上限温度に達してしまうおそれがある。２次電池の冷却能力を極力上げ、最大電力を放電する時の内部発熱を放熱できる冷却能力が望まれるが、ハイブリット車両などでは限界があり、実現できたとしても重量が大幅に増大し実現が困難である。冷却空気の温度が下がると、電池の表面温度との差が大きくなって性客性能が上がるために、冷却空気の温度によって温度上昇率と発電機を作動させるＤＯＤの関係が変化する。さらに、電池の耐熱温度が一定であることから、電池モード走行初期の電池温度Ｔ_B0によって電池モード走行を終了するまでの許容電池温度上昇が変化する。このような影響を考慮して、電池温度Ｔ_B0によって変化する係数ｋを設定する。実験の結果、電池温度Ｔ_B0と係数ｋとの関係は図１２に示すような関係となっている。したがって、発電機を作動させるＤＯＤ＊は、図７により求められるＤＯＤ₀ と図１２より求められる係数ｋから（ＤＯＤ₀ ×ｋ）で求めることができる。
【００１２】
しかし、図６に示すように、２次電池のみの出力によって走行する時間を短くする、つまり、放電深度を浅くすると、電池の最大温度上昇を抑えることができることが、電池の発熱量測定実験結果と電池周りの冷却シュミレーション結果よりわかった。すなわち、電池温度上昇が一定となるような温度上昇率と、２次電池のみの出力で走行する時の放電深度の関係を求めると、図７に示すようになる。
【００１３】
図８、９、１０に制御のフローチャートを示す。
図８において、ステップＳ１１で車両のキーがＯＮされ、フローチャートが開始される。ステップＳ１２において、前回の使用条件が残っていれば記憶装置からロードされる。ステップＳ１３では車両の走行モードを判別し、走行モードが電池出力モードならば、ステップＳ１４１の電池出力モードヘ進む。走行モードが電池＋発電機出力モードならば、ステップＳ１４２の電池＋発電機出力モードヘ進む。電池出力モードとは、２次電池の出力のみで車両走行を行うモードであり、電池＋発電機出力モードとは、２次電池の充電を中心に考えた走行モードであり、発電機の出力を中心に走行するモードである。この走行モードを図１１に基づいて説明する。
【００１４】
図１１は、停止、加速走行、定速走行、減速走行、停止を行ったときの２次電池の充放電状態を示した図であり、停止時はエンジン音や発電機の効率を考慮した出力で、２次電池は充電されている。加速走行時は（発電機の最大出力＋電池出力）を必要とするため、２次電池は（車両出力−発電機の最大出力）で放電されることになる。定速走行時は車両出力は発電機の出力で足り、発電機の余裕の出力は２次電池へ充電されることになる。減速走行時にはモーターからの回生電力を２次電池へ戻すことになり、２次電池は充電されることになる。ライン１は２次電池の充電量を示しており、時間がたつにつれ充電量が増えていく。このように電池＋発電機出力モードでは、発電機の出力に余裕がある時に電池を充電する制御を行っていくモードである。
【００１５】
図９に、電池出力モードのフローチャートを示す。
ステップＳ２１でフローが開始される。ステップＳ２２で走行モードの判定を行う。走行モードが電池出力モード初期であれば、ステップＳ２２１で電池温度ＴＢ₀ を計測し、ＴＢ₀ をＴ₁ に計測時刻をｔ₁ に代入する。走行モードが電池出力モード途中であれば、ステップＳ２２２で前回の走行条件の初期温度をＴ₁ に計測時刻をｔ₁ に代入する。ステップＳ２３では、ユーザーによる車両停止、つまり、キーオフが行われたかを判断するステップである。キーがオフされると、ステップＳ２３１でその時点での走行条件を記録しステップＳ２３２で終了する。記録される走行条件は電池出力モード途中とする。ステップＳ２４では、電池温度ＴＢを計測し、ＴＢをＴ₂ に代入する。また、その時刻をｔ₂ とする。ステップＳ２５で温度上昇率を演算する。ステップＳ２６で図７より、電池出力モードから電池＋発電機出力モードヘ移行する２次電池の放電深度ＤＯＤ＊を求める。ステップＳ２７では、電池放電深度がＤＯＤ＊以上となったら、ステップＳ２８で電池＋発電機出力モードヘ移行しステップＳ２９で図８のステップＳ１３に戻る。電池放電深度がＤＯＤ＊以下ならば、ステップＳ２４へ移り、電池放電深度がＤＯＤ＊以上となるまで繰り返す。
【００１６】
図１０に、電池＋発電機出力モードのフローチャートを示す。ステップＳ３２では、ユーザーによる車両停止、つまり、キーオフが行われたかを判断するステップである。キーがオフされると、ステップＳ３２１でその時点での走行条件を記録し、ステップＳ３２２で終了する。ステップＳ３３では、図１１で説明したように、２次電池の充電量が２次電池の放電深度ＤＯＤ₁ より小さくなったら、ステップＳ３４で電池出力モードへ移行しステップＳ３５で図８のステップＳ１３に戻る。２次電池の充電量が２次電池の放電深度ＤＯＤ₁ より小さくなければステップＳ３２へ戻る。
【００１７】
発明の実施の形態２は、エンジン駆動の発電機による発電を燃料電池により行う。
図１３は本発明実施の形態２にかかるハイブリット車両、特にシリーズハイブリット車両の発電機制御装置の構成を示すブロック図である。燃料電池５１によって発電された直流電源はＤＣ／ＤＣコンバーター５２によって電圧を変圧され、２次電池３１に供給されるか、あるいは、インバーター１１を介してモーター１０に供給される。従って、燃料電池５１から発電出力が得られている状態では、この発電電力がＤＣ／ＤＣコンバーター５２によって変圧され、２次電池３１に供給されたり、モーター１０に供給されたりすることになる。燃料電池５１とＤＣ／ＤＣコンバーター５２は燃料電池コントローラー５３によって制御される。制御の流れは、実施の形態１と同じである。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明してきたように、この発明によれば、その構成を２次電池の温度変化から演算された放電深度で、発電機を作動させることにより、２次電池の温度上昇を抑えることができ、電池の劣化や温度上昇による電池出力低下を防ぐ効果が得られる。また、電池冷却システムの小容量化をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施の形態１にかかるハイブリット車両、特にシリーズハイブリット車両の発電機制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】電池の内部発熱特性を示す図である。
【図３】電池の内部発熱特性を示す図である。
【図４】電池の内部発熱による温度上昇を示す図である。
【図５】各走行条件による温度上昇を示す図である。
【図６】発電開始条件を変えたときの温度上昇を示した図である。
【図７】電池温度上昇と発電機開始ＤＯＤを示した図である。
【図８】本発明実施の形態１にかかるハイブリット車両の走行モードのフローチャートである。
【図９】本発明実施の形態１にかかるハイブリット車両の電池出力モードのフローチャートである。
【図１０】本発明実施の形態１にかかるハイブリット車両の電池＋発電機出力モードのフローチャートである。
【図１１】本発明実施の形態１にかかるハイブリット車両の電池＋発電機出力モード走行時の電池状態を示した図である。
【図１２】本発明実施の形態１にかかる電池温度Ｔ_B0と係数ｋの関係を示した図である。
【図１３】本発明実施の形態２にかかるハイブリット車両、特にシリーズハイブリット車両の発電機制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０モーター
１１インバーター
１２モーターコントローラー
１３ディファレンシャルギア
１４駆動輪
２０エンジン
２１発電機
２２コンバーター
２３エンジン駆動発電機
２４発電機コントローラー
３１電池
３２電池コントローラー
３３電流・電圧計測装置
３４電圧・温度計測装置
３５冷却空気温度計測装置
３６電池ケース
３７電池冷却ファン
４１車両コントローラー
５１燃料電池
５２ＤＣ／ＤＣコンバーター
５３燃料電池コントローラー

Claims

２次電池を電源とする走行用電動機を具備した車両走行装置と、エンジンを駆動源とする発電機を具備した発電装置と、そのエンジンにより前記発電機を駆動してその発電電力を前記２次電池及び走行用電動機に供給するハイブリット車両において、
前記２次電池の温度を検出する手段と、その検出された電池温度から２次電池の温度上昇率を算出する手段と、その２次電池の温度上昇率が高いとき２次電池の電池放電深度が浅い状態で発電機を起動する装置を備えたことを特徴とするハイブリット車両の発電機制御装置。
２次電池を電源とする走行用電動機を具備した車両走行装置と、燃料電池と、当該燃料電池の発電電力を前記２次電池に供給する手段とを有するハイブリット車両において、
前記２次電池の温度を検出する手段と、その検出された電池温度から２次電池の温度上昇率を算出する手段と、その２次電池の温度上昇率が高いとき２次電池の電池放電深度が浅い状態で前記燃料電池から前記２次電池へ充電する装置を備えたことを特徴とするハイブリット車両の発電機制御装置。
電池の冷却空気温度を検出する検出手段と、前記発電機を起動する放電深度を前記検出手段が検出した温度に基づいて演算する手段と、を備え、当該手段の演算した放電深度に基づいて発電機を制御することを特徴とする請求項１または２記載のハイブリット車両の発電機制御装置。
前記２次電池の温度上昇率の算出方法は、電池のみの電力を走行用電動機に供給する走行モードの前後の温度差をとることを特徴とする請求項１ないし３記載のハイブリット車両の発電機制御装置。
電池温度計測位置として最も温度が上がる単電池を計測することを特徴とする請求項１ないし３記載のハイブリット車両の発電機制御装置。
２次電池にリチウムイオン電池を使用することを特徴とする請求項１ないし５記載のハイブリット車両の発電機制御装置。