JP5384771B1 - ハイブリッド車両の制御装置 - Google Patents

Abstract

エンジンに連結される発電機が出力する交流電力を直流電力に変換するコンバータを制御して発電機の発電量を制御する発電制御部７は、電力貯蔵装置に対する直流電圧指令値Ｖｄｃ＿ｒｅｆと、直流リンク部の直流電圧Ｖｄｃとの差分電圧値ΔＶｄｃに基づいて発電機に対する回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ１を算出し、この回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ１に基づいて、コンバータの出力をＰＷＭ制御して発電機の回転速度ωｃを回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ１に追従させると共に直流電圧Ｖｄｃを直流電圧指令値Ｖｄｃ＿ｒｅｆに追従させることで過電圧を防止する。

Description

本発明は、ハイブリッド車両の制御装置に関する。

ハイブリッド車両は、エンジンの出力を発電機により電力に変換し、その変換した電力とバッテリなどの電力貯蔵装置からの電力により電動機を駆動して推進制御するように構成された鉄道車両である。

このように構成されたハイブリッド車両において、例えば下記特許文献１には、バッテリの目標出力とバッテリの充電率に基づいて、直流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直流バスに対する出力を制御し、直流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出力を制御する技術が開示されている。なお、下記非特許文献１については、後述する。

特開２０１１−１６８２２６号公報

「ＡＣサーボシステムの理論と設計の実際基礎からソフトウェアサーボまで」杉本英彦、小山正人、玉井伸三著、９９〜１０３ページ

しかしながら、上記従来の技術では、例えば鉄道車両が長い下り坂を走行するときなどでは、負荷装置からの回生電力が電力貯蔵装置であるバッテリに充電され続けるため、バッテリが過充電および過電圧に至る恐れがあるという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力貯蔵装置の過充電および過電圧を防止し得るハイブリッド車両の制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、エンジンに連結される発電機と、発電機が出力する交流電力を直流電力に変換するコンバータと、前記コンバータを制御して前記発電機の発電量を制御する発電制御部と、前記コンバータと電気的に接続された電力貯蔵装置と、少なくとも前記発電制御部の動作を制御する上位制御部と、を備えたハイブリッド車両の制御装置であって、前記発電制御部は、前記電力貯蔵装置の電気的接続端に対する直流電圧指令値と、前記電気的接続端の直流電圧との差分電圧値の情報に基づいて前記発電機に対する回転速度指令値を算出し、この回転速度指令値に基づいて、前記コンバータの出力をＰＷＭ制御して前記発電機の回転速度を前記回転速度指令値に追従させると共に前記直流電圧を前記直流電圧指令値に追従させることで過電圧を防止する過電圧防止部を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、電力貯蔵装置の過充電および過電圧を防止し得るハイブリッド車両の制御装置を提供できるという効果を奏する。

図１は、この発明の実施の形態１に係るハイブリッド車両の制御装置を含むハイブリッド車両システムの全体構成を示すブロック図である。 図２は、この発明の実施の形態１に係るハイブリッド車両の制御装置の要部を成す発電制御部の構成を示すブロック図である。 図３は、図２に示す発電制御部のさらに詳細な構成を示すブロック図である。 図４は、直流電圧指令値生成器の入出力特性を示すグラフである。 図５は、速度リミット器の入出力特性を示すグラフである。 図６は、この発明の実施の形態２に係るハイブリッド車両の制御装置の要部を成す発電制御部の構成を示すブロック図である。 図７は、図６に示す発電制御部のさらに詳細な構成を示すブロック図である。 図８は、トルク補正器の入出力特性を示すグラフである。 図９は、この発明の実施の形態３に係るハイブリッド車両の制御装置を含むハイブリッド車両システムの全体構成を示すブロック図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかるハイブリッド車両の制御装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るハイブリッド車両の制御装置を含むハイブリッド車両システムの全体構成を示すブロック図である。図１において、ハイブリッド車両システムは、エンジン１と、エンジン１によって駆動される発電機２と、電力変換装置としてのコンバータ３と、コンバータ３に接続された負荷装置４と、負荷装置４と同様にコンバータ３に接続された電力貯蔵装置としてのバッテリ５と、エンジン１を制御するエンジン制御部６と、発電機２の発電量を制御するためにエンジン１およびコンバータ３を制御する発電制御部７と、バッテリ５の電力調整を行うバッテリ制御部８と、負荷装置４を制御する負荷装置制御部９と、図示しない運転台からの運転指令Ｄｏ＿１や、電圧センサ１１、速度センサ１２などからの各種センサ出力に基づいて、エンジン制御部６、発電制御部７、バッテリ制御部８および負荷装置制御部９を制御する上位制御部１０を備えて構成される。

エンジン１は、例えばディーゼルエンジンであり、発電のための駆動力を発電機２へ伝達する。エンジン１は、負荷装置４の一構成要素である電動機４ｄの回生動作時に、エンジンブレーキや、排気管の途中に設けられたバルブを閉じることで排気圧力を高めてエンジン１のポンピングロスを大きくして回転速度を抑制する、所謂、排気ブレーキ（強化エンジンブレーキ）の動作を行なうことも可能である。また、エンジン１は、排気弁をオン／オフ制御することで、エンジンブレーキと排気ブレーキとの切り替えを行うことも可能である。

発電機２は、例えば三相交流発電機であり、エンジン１の駆動力によって回転子が回転して発電し、この発電した電力（交流電力）を負荷装置４およびバッテリ５のうちの少なくとも一方に供給する電力供給源として機能する。発電機２は、電動機としても動作することができ、エンジン１の始動時にエンジン１をクランキングすることや、発電機２の駆動力を用いてエンジン１を回転させることで、電力を消費することができる。

電力変換装置としてのコンバータ３は、図示しない複数のスイッチング素子および整流素子を備えて構成され、バッテリ５および負荷装置４の双方が電気的に接続される直流リンク部１３と発電機２との間に接続され、後述する発電機制御部７からのゲート信号Ｇｐ＿cに基づいて、発電機２が発電する交流電力を直流電力に変換する。また、コンバータ３は、発電機２を電動機として動作させる際には、バッテリ５もしくは負荷装置４から供給される直流電力を交流電力に変換する逆変換動作を行う。

直流リンク部１３に接続される負荷装置４は、図示のように駆動輪４ａ、車軸４ｂ、負荷装置４における電力変換装置としてのインバータ４ｅ、車両を駆動する電動機４ｄおよび、電動機４ｄの出力を減速して車軸４ｂに伝達する減速機４ｃを備えて構成されている。インバータ４ｅは、図示しない複数のスイッチング素子と整流素子とを備えて構成され、バッテリ５およびコンバータ３のうちの少なくとも一方から供給される直流電力を交流電力に変換して電動機４ｄに供給する。また、インバータ４ｅは、負荷装置４における電動機４ｄを回生動作させる際には、電動機４ｄで回生される交流電力を直流電力に変換する逆変換動作を行うことが可能である。負荷装置４における電動機４ｄは、例えば三相交流電動機であり、駆動力を発生し減速機４ｃを介して駆動輪４ａに駆動力を伝達する。また、この電動機４ｄは、発電機としても動作することができ、車両の減速時に駆動輪４ａにより駆動されて回生電力を発生させることで車両の運動エネルギーを回生する。

負荷装置４と同様に直流リンク部１３に接続されるバッテリ５は、例えばリチウムイオン二次電池であり、発電機２の出力電力や電動機４ｄの回生電力により充電される一方で、発電機２や電動機４ｄを駆動するための駆動電力を直流リンク部１３に供給する。

エンジン制御部６は、上位制御部１０から指令されるエンジントルク指令値Ｔｅ＿ｒｅｆと、エンジン１に設けられたセンサ（図示せず）により検出されるエンジンの回転速度等の信号とに基づいて、エンジン１のスロットル開度Ｓｔを制御し、エンジン１がエンジントルク指令値Ｔｅ＿ｒｅｆに対応するトルクを発生するようにエンジン１を制御する。

発電制御部７は、発電機２に取り付けられた速度センサ１２により検出された発電機２の回転速度ωｃと、直流リンク部１３に設けられた電圧センサ１１により検出された直流電圧値Ｖｄｃの状態とに応じて、コンバータ３を構成するスイッチング素子をスイッチング制御して発電機２に供給する電圧を制御する。また、発電制御部７の制御状態を上位制御部１０に伝送する。

バッテリ制御部８は、バッテリ５の電流センサ（図示せず）により検出されたバッテリ５の充電電流もしくは放電電流としてのバッテリ電流値Ｉｂａｔおよび、同じくバッテリ５の電圧センサ（図示せず）により検出されたバッテリ電圧値Ｖｂａｔに基づいて、バッテリ５の充電状態ＳＯＣ（State of Charge）を推定し、上位制御部１０へ出力する。なお、バッテリ電流値Ｉｂａｔおよびバッテリ電圧値Ｖｂａｔは、電流センサおよび電圧センサを直流リンク部１３に設けることで検出し、その検出値をバッテリ制御部８に入力してもよい。

負荷装置制御部９は、上位制御部１０から指令される電動機トルク指令値Ｔｉ＿ｒｅｆに電動機４ｄのトルクを追従させるように、インバータ４ｅを制御するための、所謂、ＰＷＭスイッチング信号であるゲート信号ＧＰ＿ｉを生成し、この生成したゲート信号ＧＰ＿ｉを負荷装置４に出力してインバータ４ｅを制御する。

上位制御部１０は、前述の各構成要素の動作全体を管理およびモニタリングする機能を有する。より詳細に説明すると、この上位制御部１０は、発電機２の回転数ωｃや、直流リンク部１３の電圧センサ１１で取得した直流電圧Ｖｄｃ情報、入力された運転指令Ｄｏ＿１に基づいて生成した制御指令Ｄｏ＿２に基づいて、発電制御部７およびコンバータ３を介して発電機２を制御すると共に、エンジン制御部６を介してエンジン１を制御する。さらに、上位制御部１０は発電制御部７からのエンジンブレーキ信号ＥＢに基づいて、エンジン制御部６を介してエンジン１を制御し、発電制御部７からの制限信号をモニタリングして図示しない運転台に必要な情報を通知する。

以上の装置構成において、負荷装置４が回生中にエンジンブレーキを使用するときには、負荷装置４からの回生電力によりエンジン１が高回転となると共に、バッテリ５が過電圧になるという課題を解決するため、以下の発電機制御を実行し、エンジン１のオーバースピードを抑制しつつ、バッテリ５の過充電および過電圧を防止する制御を行う。

図２は、この発明の実施の形態１に係るハイブリッド車両の制御装置の要部を成す発電制御部７の構成を示すブロック図である。図２において、発電制御部７は、回転速度指令値生成部７ａ、速度制御部７ｂ、電圧制御部７ｃおよび排気弁操作制御部７ｄを備えて構成される。ここで、詳細な動作は後述するが、回転速度指令値生成部７ａ、速度制御部７ｂおよび電圧制御部７ｃは、発電機２の回転速度を発電機２に対する回転速度指令値に追従させる制御と、直流リンク部１３の直流電圧をこの直流リンク部１３に対する直流電圧の指令値に追従させる制御とを行うことで過電圧を防止する過電圧防止部７Ａとして動作する。なお、過電圧防止部７Ａの構成要素に排気弁操作制御部７ｄを含めてもよい。

また、図３は、図２に示す発電制御部７のさらに詳細な構成を示すブロック図である。回転速度指令値生成部７ａは、図３に示すように、直流電圧指令値生成器７ａ＿１、電圧ＰＩ制御器７ａ＿２などを備えて構成されており、直流電圧指令値生成器７ａ＿１にて直流電圧指令値Ｖｄｃ＿ｒｅｆを生成し、生成した直流電圧指令値Ｖｄｃ＿ｒｅｆと直流電圧Ｖｄｃとの差分電圧値に基づいて、電圧ＰＩ制御器７ａ＿２にて回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ１を演算する。

直流電圧指令値生成器７ａ＿１の更に詳細な動作については、図４を参照して説明する。図４は、直流電圧指令値生成器７ａ＿１の入出力特性を示すグラフであり、横軸が直流電圧Ｖｄｃ、縦軸が直流電圧指令値Ｖｄｃ＿ｒｅｆを表わしている。また、図４の横軸および縦軸には、過電圧限界電圧Ｖｄｃ＿ｍａｘと過電圧閾値Ｖｄｃ＿ｌｉｍとが設けられている。過電圧限界電圧Ｖｄｃ＿ｍａｘは、例えばバッテリ５の充電状態ＳＯＣが満充電（ＳＯＣ＝１００％）のときのバッテリ５の電圧値であり、過電圧閾値Ｖｄｃ＿ｌｉｍは、負荷装置４の電動機４ｄが回生動作を行ったときに、過電圧限界値Ｖｄｃ＿ｍａｘを超えない範囲で設定される電圧値である。直流電圧指令値生成器７ａ＿１は、直流電圧Ｖｄｃに応じた直流電圧指令値Ｖｄｃ＿ｒｅｆを生成するが、直流電圧Ｖｄｃが過電圧閾値Ｖｄｃ＿ｌｉｍ以上になるとエンジンブレーキで過剰となった回生電力を消費する。従って、負荷装置４の電動機４ｄが回生動作を行う場合、直流電圧指令値Ｖｄｃ＿ｒｅｆは以下のように決定される。

（１）の区間（横軸の電圧が０から過電圧閾値Ｖｄｃ＿ｌｉｍまでの区間）
この区間においては、直流電圧指令値生成器７ａ＿１が出力する直流電圧指令値Ｖｄｃ＿ｒｅｆは、直流電圧Ｖｄｃと一致した値が出力される。

（２）の区間（横軸の電圧が過電圧閾値Ｖｄｃ＿ｌｉｍ以上の区間）
この区間においては、直流電圧指令値生成器７ａ＿１が出力する直流電圧指令値Ｖｄｃ＿ｒｅｆは、直流電圧Ｖｄｃに依らず過電圧閾値Ｖｄｃ＿ｌｉｍの値が出力される。

このようにして、直流電圧指令値生成器７ａ＿１は、直流電圧Ｖｄｃの大きさが（２）の区間にあるときには、バッテリ５の状態が過電圧ぎみであると判定してエンジンブレーキ制御を開始し、負荷装置４からの回生電力をエンジン１の回転摩擦力で消費させるための指令値を生成して出力する。

さらに、直流電圧指令値生成器７ａ＿１は、過電圧閾値Ｖｄｃ＿ｌｉｍの情報を後述する排気弁操作制御部７ｄと、上位制御部１０とに伝送する。この過電圧閾値Ｖｄｃ＿ｌｉｍは、予め路線ごとに、インバータ４ｅから直流リンク部１３に流れるインバータ電力の最大回生電力に基づき、過電圧限界電圧Ｖｄｃ＿ｍａｘを超えない範囲で算出・設定してもよい。なお、上位制御部１０に伝送された過電圧閾値Ｖｄｃ＿ｌｉｍは、経過時間ごとに上位制御部１０に記憶される。

図３に戻り、電圧ＰＩ制御器７ａ＿２には、直流電圧指令値生成器７ａ＿１が生成した直流電圧指令値Ｖｄｃ＿ｒｅｆと、直流電圧Ｖｄｃとの差分電圧値ΔＶｄｃが入力される。電圧ＰＩ制御器７ａ＿２は、予め所望の電圧制御応答に基づいて設定されたゲインを用いて、例えば比例積分演算を差分電圧値ΔＶｄｃに施すことにより、回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ１を算出して出力する。なお、算出した回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ１は後段の速度制御部７ｂに入力される。

つぎに、速度制御部７ｂについて説明する。速度制御部７ｂは、図３に示すように、速度リミット器７ｂ＿１、速度ＰＩ制御器７ｂ＿２などを備えて構成されており、回転速度指令値生成部７ａからの回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ１に速度リミット器７ｂ＿１がリミットをかけ、このリミットされた出力値と発電機回転数（発電機回転速度と同義）ωｃとの差分回転数に基づいて、速度ＰＩ制御器７ｂ＿２にて発電機２に対するトルク指令値Ｔｃ＿ｒｅｆ１を生成する。

速度リミット器７ｂ＿１の更に詳細な動作については、図５を参照して説明する。図５は、速度リミット器７ｂ＿１の入出力特性を示すグラフである。速度リミット器７ｂ＿１は、電圧ＰＩ制御器７ａ＿２から出力された回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ１（第１の回転速度指令値）に対して、上限リミット処理と下限リミット処理とのうちの少なくとも一方の処理を行ない、回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ２（第２の回転速度指令値）として出力する。

例えば、下限リミット処理を行う制限値（下限値）はエンジン１のアイドリング回転数ωｅ＿ｉｄｏｌ（＝Ｘ０）とし、回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ２がアイドリング回転数ωｅ＿ｉｄｏｌ以下となることを防止する。その一方で、上限リミット処理を行う制限値（上限値）は、エンジン１のエンジンブレーキ・排気ブレーキ時の最大回転数ωｅ＿ｍａｘにマージンを見積もったエンジン回転数ωｅ＿ｌｉｍ（Ｙ＝０）とし、回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ２がエンジン回転数ωｅ＿ｌｉｍ以上になることを防止する。加えて、速度リミット器７ｂ＿１は、回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ２がリミット処理されたときの情報を、発電機リミット信号ωｃ＿ｌｉｍとして上位制御部１０に伝送する。

図３に戻り、速度ＰＩ制御器７ｂ＿２には、速度リミット器７ｂ＿１から出力された回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ２と、発電機２の回転子軸から取得した発電機回転速度ωｃとの差分回転速度値Δωｃが入力される。速度ＰＩ制御器７ｂ＿２は、予め所望の速度制御応答に基づいて設定されたゲインを用いて、例えば比例積分演算を差分回転速度値Δωｃに施すことにより、トルク指令値Ｔｃ＿ｒｅｆ１を算出して出力する。なお、算出したトルク指令値Ｔｃ＿ｒｅｆ１は後段の電圧制御部７ｃに入力される。

つぎに、電圧制御部７ｃについて説明する。図３において、電圧制御部７ｃは、発電機２の出力トルクが速度ＰＩ制御器７ｂ＿２から入力されたトルク指令値Ｔｃ＿ｒｅｆ１に追従するようにする制御（所謂、ベクトル制御）に基づいてコンバータ３に出力する電圧指令値を演算し、この演算した電圧指令値に基づいてコンバータ３をＰＷＭ制御するためのゲート信号ＧＰ＿ｃを生成してコンバータ３へ出力する。コンバータ３は、電圧制御部７ｃからのゲート信号ＧＰ＿ｃに基づいて、ＰＷＭ制御装置（図示せず）によりＰＷＭ制御され、発電機２の出力トルクを制御する。なお、ベクトル制御によるトルク制御方式は公知の技術であり、例えば上記した非特許文献１などを参照されたい。

つぎに、排気弁操作制御部７ｄについて説明をする。排気弁操作制御部７ｄは、図３に示すように、比較器７ｄ＿１〜７ｄ＿３、力行・惰行・回生判定器７ｄ＿４、エンジンブレーキ判定器７ｄ＿５、排気ブレーキ判定器７ｄ＿６などを備えて構成される。

比較器７ｄ＿１は、直流リンク部１３の直流電圧Ｖｄｃと、回転速度指令値生成部７ａで生成された過電圧閾値Ｖｄｃ＿ｌｉｍとを比較し、直流電圧Ｖｄｃが過電圧閾値Ｖｄｃ＿ｌｉｍを上回った場合にエンジンブレーキ判定器７ｄ＿５に信号Ｖｄｃ＿ｓｉｇのＯＮ信号を出力する。なお、過電圧閾値Ｖｄｃ＿ｌｉｍは、前述のように、負荷装置４の電動機４ｄが回生したときにバッテリ５が過電圧とならない範囲で決定される。

比較器７ｄ＿２は、発電機回転数ωｃとエンジン１のアイドリング回転数ωｅ＿ｉｄｏｌとを比較し、発電機回転数ωｃがアイドリング回転数ωｅ＿ｉｄｏｌを上回った場合にエンジンブレーキ判定器７ｄ＿５に信号ωｃ＿ｓｉｇのＯＮ信号を出力する。

比較器７ｄ＿３は、発電機回転数ωｃと、エンジン１の排気ブレーキ実行時のエンジン回転数ωｅ＿ｈａｉｋｉとを比較し、発電機回転数ωｃが、このエンジン回転数ωｅ＿ｈａｉｋｉを上回った場合に排気ブレーキ判定器７ｄ＿６に信号ωｃ＿ｓｉｇ２のＯＮ信号を出力する。排気ブレーキ実行時のエンジン回転数ωｅ＿ｈａｉｋｉは、後述する図８のようにアイドリング回転数ωｅ＿ｉｄｏｌとエンジン１の許容最大回転数ωｅ＿ｌｉｍとの間の回転数である。例えば、アイドリング回転数ωｅ＿ｉｄｏｌが６００ｒｐｍ近傍で許容最大回転数ωｅ＿ｌｉｍが２０００ｒｐｍなら排気ブレーキ時のエンジン回転数ωｅ＿ｈａｉｋｉは１２００ｒｐｍ近傍となる。

力行・惰行・回生判定器７ｄ＿４は、上位制御部１０からの運転動作信号Ｄｏ＿２を受け取って、その情報をＭｏｄｅ（力行・惰行・回生）信号としてエンジンブレーキ判定器７ｄ＿５に出力する。

エンジンブレーキ判定器７ｄ＿５は、比較器７ｄ＿１からの信号Ｖｄｃ＿ｓｉｇと、力行・惰行・回生判定器７ｄ＿４からのＭｏｄｅ信号と、比較器７ｄ＿２からの信号ωｃ＿ｓｉｇ１とによる３つの信号からエンジンブレーキ動作が可能か否かを判定し、排気ブレーキ判定器７ｄ＿６と上位制御部１０とに対しエンジンブレーキ信号ＥＢを出力する。このエンジンブレーキ信号ＥＢは、信号Ｖｄｃ＿ｓｉｇがＯＮ、Ｍｏｄｅ信号が回生、信号ωｃ＿ｓｉｇ１がＯＮのときに、排気ブレーキ判定器７ｄ＿６および上位制御部１０に対しＯＮ信号が出力される。一方、このＯＮ信号となる組み合わせ以外のときは、排気ブレーキ判定器７ｄ＿６および上位制御１０とにＯＦＦ信号が出力される。

排気ブレーキ判定器７ｄ＿６は、エンジンブレーキ判定器７ｄ＿５からのエンジンブレーキ信号ＥＢと、比較器７ｄ＿３からの信号ωｅ＿ｓｉｇ２とによる２つの信号から排気ブレーキが可能か否かを判定し、弁操作信号Ｂｓを出力する。この弁操作信号Ｂｓは、エンジンブレーキ信号ＥＢがＯＮ、信号ωｅ＿ｓｉｇ２がＯＮのときにＯＮ信号が出力される。一方、このＯＮ信号となる組み合わせ以外はＯＦＦ信号が出力される。

発電制御部７の制御シーケンスは以上の通りである。この制御シーケンスにより、上位制御部１０はエンジンブレーキ使用時にて以下の動作を行い、バッテリ５の過電圧を防止する。

（エンジン制御部６に対する制御）
電動機４ｄの回生動作時に直流電圧Ｖｄｃが過電圧閾値Ｖｄｃ＿ｌｉｍ以上となり、かつ、発電機回転数ωｃがアイドリング回転数以上になると、エンジンブレーキ信号ＥＢのＯＮ信号が上位制御部１０に出力される。このとき、上位制御部１０は、エンジン制御部６に「０（零）」のエンジントルク指令Ｔｅ＿ｒｅｆ（図１参照）を出力する。零のエンジントルク指令Ｔｅ＿ｒｅｆが出力されたエンジン制御部６は、エンジン１のスロットル開度Ｓｔ（図１参照）を閉じるようにエンジン１に指令を送り、エンジン１への燃料供給を停止させる。その後、負荷装置４からの回生電力はバッテリ５に充電されず、エンジン１の摩擦負荷によって消費され、バッテリ５が過電圧となるのを防止できる。

（負荷装置制御部９にする制御）
上記の制御を行う一方で、上位制御部１０は、速度リミット器７ｂ＿１からの発電機リミット信号ωｃ＿ｌｉｍに応じて、負荷装置４からの回生電力を抑えるように負荷装置制御部９からの負荷トルク指令値Ｔｉ＿ｒｅｆ（図１参照）を絞る。そして、負荷トルク指令値Ｔｉ＿ｒｅｆの減少量に応じて、機械ブレーキ力を増大させ余剰な回生電力を機械ブレーキで消費する。また、発電機リミット信号ωｃ＿ｌｉｍは、上位制御部１０を介し図示しない運転台等に通知しランプ表示等にて運転手に報知する。

以上説明したように、実施の形態１に係るハイブリッド車の制御装置によれば、発電制御部７は直流電圧Ｖｄｃが過電圧閾値Ｖｄｃ＿ｌｉｍ以上になると、直流電圧Ｖｄｃと直流電圧指令値Ｖｄｃ＿ｒｅｆとの差分電圧ΔＶｄｃを一旦、回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ１とし、さらに速度リミット器７ｂ＿１で上・下限処理を施して発電機回転数ωｃ＿ｒｅｆ２とする制御を行う。この制御により、余剰な回生電力をエンジンブレーキもしくは排気ブレーキで消費することができ、エンジンのオーバースピードを抑制しつつ、過充電および過電圧を防止できるという効果がある。

なお、発電制御部７の直流電圧指令値生成器７ａ＿１は、負荷装置４の最大回生時のバッテリ５の電圧降下を加味して過電圧閾値Ｖｄｃ＿ｌｉｍを設定することが好ましい。この点を考慮することにより、バッテリ５の内部抵抗により、直流電圧Ｖｄｃが上昇して過電圧領域に入ることを確実に防止する効果がある。

また、電圧制御系の入力側に速度リミット器７ｂ＿１による上下制限を施した閉ループの速度制御系を設けることで、エンジン１の異常な回転を確実に防止できるという効果が得られる。具体的には、バッテリ５の内部抵抗による電圧降下により直流電圧Ｖｄｃが大幅に変化した場合においても、速度制御系の速度リミット器７ｂ＿１によって、発電機２およびエンジン１からなる機械系の回転数異常を防止できるという効果に繋がる。なお、バッテリ５の内部抵抗に加え、バッテリ５が吸収できる電流の最大値（最大吸収電流）を考慮すれば、更に好ましい。

また、速度リミット器７ｂ＿１の発電機回転速度の下限値Ｘ０をエンジン１のアイドリング速度ωｅ＿ｉｄｏｌ以上に設定することが好ましい。このような設定により、発電制御部７の回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ２がアイドリング速度ωｅ＿ｉｄｏｌを下回らないように制御されるため、エンジン１の逆転を防ぎ、安定した動作を続行できるという効果がある。

また、速度リミット器７ｂ＿１により、発電機回転速度の上限値Ｙ０をエンジン１のエンジンブレーキ・排気ブレーキ時の許容最大回転数ωｅ＿ｍａｘに対してマージンを持たせ、この許容最大回転数ωｅ＿ｍａｘよりも少し小さい値に設定することが好ましい。このような設定により、エンジン１が高回転となって機械的に破損することを確実に防止できるという効果がある。

また、速度リミット器７ｂ＿１における発電機リミット信号ωｃ＿ｌｉｍを上位制御部１０に伝達することが好ましい。この制限情報は、上位制御部１０から運転台を介して運転手に報知することができ、直流電圧指令値Ｖｄｃ＿ｒｅｆの生成に制限がかかっている状態であることを認識できるという効果がある。

また、発電機リミット信号ωｃ＿ｌｉｍを上位制御部１０に伝達することにより、上位制御部１０が負荷装置４からの回生電力を抑制できるので、バッテリ５の過電圧に近い状態の期間を短く抑えられ、バッテリ５の劣化を遅らせられるという効果がある。

実施の形態２．
つぎに、この発明の実施の形態２に係るハイブリッド車両の制御装置について説明する。図６は、この発明の実施の形態２に係るハイブリッド車両の制御装置の要部を成す発電制御部７の構成を示すブロック図である。実施の形態２では、実施の形態１の発電制御部７と比較して、排気弁操作制御部７ｄから速度制御部７ｂに弁操作信号Ｂｓが伝達されることと、速度制御部７ｂの内部処理とが相違点である。

また、図７は、図６に示す発電制御部７のさらに詳細な構成を示すブロック図である。実施の形態２では、実施の形態１の速度制御部７ｂと比較して、新たにトルク補正器７ｂ＿３が設置されている。実施の形態２の速度制御部７ｂでは、速度ＰＩ制御器７ｂ＿２から算出したトルク指令値Ｔｃ＿ｒｅｆ１と、発電機回転数ωｃと弁操作信号Ｂｓとに基づいてトルク補正器７ｂ＿３からマップ参照したＴｃ＿ｒｅｆ２とで差分トルク指令値ΔＴｃ＿ｒｅｆが算出され、その算出値が電圧制御部７ｃに出力される。

新たに設けられたトルク補正器７ｂ＿３の更に詳細な動作については、図８を参照して説明する。図８は、トルク補正器７ｂ＿３の入出力特性を示すグラフであり、横軸が発電機２の回転速度ωｃ、縦軸がトルク補正器７ｂ＿３の出力となるトルク補正値Ｔｃ＿ｒｅｆ２である。

トルク補正器７ｂ＿３が参照するマップでは、図８のように、エンジン１に対するエンジンブレーキ時の摩擦トルク指令特性Ｔｅｂ＿ｃｈａｒａ１と、排気ブレーキ時の摩擦トルク指令特性Ｔｅｂ＿ｃｈａｒａ２とが、発電機回転数ωｃに対する関数として夫々設定されている。

ここで、発電制御部７の排気弁操作制御部７ｄの排気ブレーキ判定器７ｄ＿６から算出した排気弁操作信号ＢｓがＯＦＦなら、トルク補正器７ｂ＿３から摩擦トルク指令特性Ｔｅｂ＿ｃｈａｒａ１が選択され、その摩擦トルク指令特性Ｔｅｂ＿ｃｈａｒａ１に基づいてトルク補正値Ｔｃ＿ｒｅｆ２が出力される。さらに、発電機回転数ωｃが上昇し、排気弁操作信号ＢｓからＯＮ信号が出力された場合には、トルク補正器７ｂ＿３から摩擦トルク指令特性Ｔｅｂ＿ｃｈａｒａ２が選択され、その選択された摩擦トルク指令特性Ｔｅｂ＿ｃｈａｒａ２に基づいてトルク補正値Ｔｃ＿ｒｅｆ２が出力される。エンジンブレーキと排気ブレーキとの切替えは、排気弁操作信号ＢｓのＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて行われる。

つぎに、トルク補正器７ｂ＿３のマップに規定されるパラメータ値の詳細な設け方について図８を参照して説明する。

まず、下限値の設け方であるが、一点鎖線で示す発電機回転速度ωｃの下限値Ｘ０は、発電機回転数ωｃがエンジン１のアイドリング回転数ωｅ＿ｉｄｏｌに相当するように設定されており、トルク補正値Ｔｃ＿ｒｅｆ２はエンジンブレーキの方が排気ブレーキより低く設定されている。

一方、上限値は、エンジン１がエンジンブレーキおよび排気ブレーキをかけるときの設計上の限度値である許容最大回転数ωｅ＿ｌｉｍに対してマージンを持たせ、この許容最大回転数ωｅ＿ｌｉｍよりも少し小さい値（Ｙ０）に設定している。このエンジンブレーキ・排気ブレーキ用上限設定値Ｙ０は、例えば許容最大回転数の例えば０．９倍となるように許容最大回転数ωｅ＿ｌｉｍ未満となるように設定される。

なお、エンジン１の保護のため、許容最大回転数ωｅ＿ｌｉｍ以上の回転数領域では、発電機トルクＴｃ＿ｒｅｆ２が零となるように上限値を設定することが好ましい。

以上説明したように、実施の形態２に係るハイブリッド車の制御装置によれば、直流電圧指令値生成器７ａ＿１から過電圧閾値Ｖｄｃ＿ｌｉｍに基づいて、排気弁操作信号Ｂｓを生成することで、エンジンブレーキもしくは排気ブレーキを使用する際の制御シーケンスを簡略化できる効果がある。

また、電圧制御部７ｃは、速度リミット器７ｂ＿１を介して入力された速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ２を用いてＰＩ制御器７ｂ＿２を介して出力したトルク指令値Ｔｃ＿ｒｅｆ１と、トルク補正器７ｂ＿３から出力されたトルク補正値Ｔｃ＿ｒｅｆ２とに基づいてコンバータ３の出力をＰＷＭ制御することとしたので、直流電圧Ｖｄｃが変化したときに発生する電圧ＰＩ制御器７ａ＿２の応答遅れに対し、トルク補正器７ｂ＿３からのトルク補正値Ｔｃ＿ｒｅｆ２がフィードフォワード機能として働き、負荷装置４からの回生電力消費を速やかに実行できるという効果がある。

なお、トルク補正器７ｂ＿３は、排気弁操作指令Ｂｓの有無に基づいた複数のトルク指令特性として、エンジンブレーキ時の摩擦トルク指令特性Ｔｅｂ＿ｃｈａｒａ１と、排気ブレーキ時の摩擦トルク指令特性Ｔｅｂ＿ｃｈａｒａ２とが、発電機回転数ωｃに対する関数として夫々設定されていることが好ましい。これら２つの摩擦トルク指令特性を有することにより、排気弁操作指令Ｂｓが速度制御部７ｂのトルク補正器７ｂ＿３に出力されるとき、摩擦トルク指令特性Ｔｅｂ＿ｃｈａｒａ１から摩擦トルク指令特性Ｔｅｂ＿ｃｈａｒａ２が選択され、その選択された摩擦トルク指令特性Ｔｅｂ＿ｃｈａｒａ２に基づいてトルク補正値Ｔｃ＿ｒｅｆ２が出力されるので、トルク補正値Ｔｃ＿ｒｅｆ２がエンジンブレーキ単体の時より強くフィードフォワード機能が働き、負荷装置４からの回生電力を速い応答で、かつ速く消費できるという効果がある。

また、エンジン１の許容最大回転数ωｅ＿ｌｉｍ以上の速度領域では、トルク補正器７ｂ＿３から出力されるトルク補正値Ｔｃ＿ｒｅｆ２が零に設定されていることが好ましい。このような設定により、発電機２の回転数ωｃが急激に上昇した場合も、トルク補正器７ｂ＿３からのトルク補正値Ｔｃ＿ｒｅｆ２が零となるので、発電制御部７の制御が安定するという効果がある。

実施の形態３．
つぎに、この発明の実施の形態３に係るハイブリッド車両の制御装置について説明する。図９は、この発明の実施の形態３に係るハイブリッド車両の制御装置を含むハイブリッド車両システムの全体構成を示すブロック図である。この実施の形態３では、実施の形態１のシステム制御部と比較して、バッテリ５と、コンバータ３と、負荷装置４のインバータ４ｅとの間に遮断器１４を設けている点と、上位制御部１０からバッテリ５に対しバッテリ開放制御信号線が結線されている点とが相違点である。

実施の形態３の発電制御部７は、実施の形態１および実施の形態２で用いた発電制御部７のうちの何れかを適用することができる。実施の形態１および実施の形態２の何れの発電制御部７においても、速度リミット器７ｂ＿１から発電機リミット信号ωｃ＿ｌｉｍが上位制御部１０に出力される構成である。上位制御部１０は、発電機リミット信号ωｃ＿ｌｉｍを監視しており、発電機リミット信号ωｃ＿ｌｉｍが許容値以上になれば、遮断器１４にバッテリ開放信号ＢＡＴＯＰＥＮを出力し、バッテリ５を開放する制御を行う。この制御により、バッテリ５に回生電流が流れなくなり、負荷装置４からの回生電力を遮断できるので、バッテリ５の過電圧と、バッテリ５の過剰な温度上昇とを抑える効果がある。

なお、以上の実施の形態１−３に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

以上のように、本発明は、電力貯蔵装置の過充電および過電圧を防止し得るハイブリッド車両の制御装置として有用である。

１ エンジン、２ 発電機、３ コンバータ、４ 負荷装置、４ａ 駆動輪、４ｂ 車軸、４ｃ 減速機、４ｄ 電動機、４ｅ インバータ、５ バッテリ、６ エンジン制御部、７ 発電制御部、７ａ 回転速度指令値生成部、７ａ＿１ 直流電圧指令値生成器、７ａ＿２ 電圧ＰＩ制御器、７ｂ 速度制御部、７ｂ＿１ 速度リミット器、７ｂ＿２ 速度ＰＩ制御器、７ｂ＿３ トルク補正器、７ｃ 電圧制御部、７ｄ 排気弁操作制御部、７ｄ＿１ 比較器、７ｄ＿２ 比較器、７ｄ＿３ 比較器、７ｄ＿４ 力行・惰行・回生判定器、７ｄ＿５ エンジンブレーキ判定器、７ｄ＿６ 排気ブレーキ判定器、８ バッテリ制御部、９ 負荷装置制御部、１０ 上位制御部、１１ 電圧センサ、１２ 速度センサ、１３ 直流リンク部、１４ 遮断器。

Claims (15)

1. エンジンで駆動される発電機と、
   前記発電機が出力する交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータと電気的に接続された電力貯蔵装置と、
   前記コンバータが出力する電力および前記電力貯蔵装置からの電力のうちの少なくとも１つを用いて駆動され回生動作を行う負荷装置と、
   を備えたハイブリッド車両に適用され、
   前記コンバータを制御して前記発電機の発電量を制御する発電制御部と、
   少なくとも前記発電制御部の動作を制御する上位制御部と、
   を備えたハイブリッド車両の制御装置であって、
   前記発電制御部は、
   前記電力貯蔵装置の電気的接続端に対して満充電の電圧値以下である過電圧閾値を超えない範囲で設定される直流電圧指令値と、前記電気的接続端の直流電圧との差分電圧値の情報を用いて前記発電機に対する回転速度指令値を算出し、
   前記直流電圧が前記過電圧閾値以上になると、前記差分電圧値を前記回転速度指令値として、前記コンバータの出力をＰＷＭ制御して前記発電機の回転速度を前記回転速度指令値に追従させることにより前記直流電圧を前記直流電圧指令値に追従させる過電圧防止部を備え、
   前記上位制御部は、前記負荷装置が回生動作中に前記直流電圧が前記過電圧閾値以上になり前記発電機の回転速度がアイドリング回転数以上になると、前記エンジンにエンジンブレーキ動作を促すための零のエンジントルク指令を出力することを特徴とするハイブリッド車両の制御装置。
2. 前記過電圧防止部は、
   前記直流電圧指令値と前記直流電圧とを用いて前記回転速度指令値を算出する回転速度指令値算出部と、
   前記回転速度指令値と前記発電機の回転速度との差分値に基づいて、前記発電機に対するトルク指令値を生成する速度制御部と、
   前記トルク指令値に基づいて前記コンバータをＰＷＭ制御する電圧制御部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド車両の制御装置。
3. 前記回転速度指令値算出部は、
   前記直流電圧指令値を生成する直流電圧指令生成器と、
   前記差分電圧値に基づいて前記回転速度指令値を算出する電圧ＰＩ制御器と、
   を備えたことを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド車両の制御装置。
4. 前記直流電圧指令生成器には、前記直流電圧指令値の制限を開始する過電圧閾値が設定されていることを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド車両の制御装置。
5. 前記過電圧閾値は、前記電力貯蔵装置の内部抵抗と、前記電力貯蔵装置の最大吸収電流とから予め想定される電圧変動幅を加味して設定されていることを特徴とする請求項４に記載のハイブリッド車両の制御装置。
6. 前記速度制御部は、
   前記回転速度指令値に対する下限値と上限値とのうちの少なくとも一方をリミットする速度リミット器と、
   前記速度リミット器を介して入力された回転速度指令値に基づいて前記トルク指令値を算出する速度ＰＩ制御器と、
   を備えたことを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド車両の制御装置。
7. 前記速度リミット器における前記回転速度指令値に対する下限値は、前記エンジンのアイドリング回転数以上に設定されていることを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド車両の制御装置。
8. 前記速度リミット器における前記回転速度指令値に対する上限値は、エンジンブレーキ動作時の許容回転数以下に設定されていることを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド車両の制御装置。
9. 前記速度リミット器のリミット処理情報を前記上位制御部に伝送することを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド車両の制御装置。
10. 前記上位制御部は、前記リミット処理情報に基づいて、負荷装置が発生する回生電力を調整すること特徴とする請求項９に記載のハイブリッド車両の制御装置。
11. 前記上位制御部は、前記速度リミット器のリミット処理情報に基づいて、前記電力貯蔵装置と前記コンバータとの電気的接続端を開放する信号を出力することを特徴とする請求項９に記載のハイブリッド車両の制御装置。
12. 前記発電制御部は、前記直流電圧、前記発電機の回転速度および前記過電圧閾値に基づいて、前記エンジンの排気弁操作指令を出力する排気弁操作制御部をさらに具備することを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド車両の制御装置。
13. 前記エンジンのトルク指令特性を有し、前記発電機の回転速度に基づいてトルク補正値を出力するトルク補正器をさらに備え、
    前記電圧制御部は、前記速度リミット器を介して入力された前記回転速度指令値と、前記トルク補正器から出力された前記トルク補正値とに基づいて前記コンバータの出力をＰＷＭ制御することを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド車両の制御装置。
14. 前記排気弁操作指令の有無に基づいた複数のトルク指令特性を有し、前記エンジンの排気弁操作に基づいて前記複数のトルク指令特性のうちの一つを選択し、この選択したトルク指令特性に基づいてトルク補正値を出力するトルク補正器をさらに備え、
    前記電圧制御部は、前記速度リミット器を介して入力された前記回転速度指令値と、前記トルク補正器から出力された前記トルク補正値とに基づいて、前記コンバータの出力をＰＷＭ制御することを特徴とする請求項１２に記載のハイブリッド車両の制御装置。
15. 前記エンジンの許容最大回転数以上の速度領域では、前記トルク補正器から出力されるトルク補正値が零に設定されていることを特徴とする請求項１３に記載のハイブリッド車両の制御装置。

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