JP6270011B2 - 車両の電力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気モータで走行駆動する車両に搭載した発電ユニットの発電制御技術に関する。

車載バッテリから供給された電力により電気モータを駆動して走行する電気自動車において、発電ユニットであるレンジエクステンダーを搭載した車両が開発されている。レンジエクステンダーは、例えば小型の発電専用エンジンと発電機とから構成されており、発電した電力を電気モータに供給したり車載バッテリの充電に使用したりすることで、電気自動車の航続距離を増加させることができる。
ところで、近年では燃料電池の開発が進み、燃料電池を搭載した車両が提案されている。更に、電気自動車のレンジエクステンダーとして、エンジンの代わりに燃料電池を用いる車両が提案されている。
例えば、特許文献１では、燃料電池を搭載した車両において、燃料電池とバッテリを電力供給源として電気モータに供給して駆動輪を駆動し走行可能になっている。更に特許文献１では、バッテリの電力が使用された後に、当該バッテリの充電率（ＳＯＣ）が下限値に近く設定された目標充電率に維持されるように燃料電池の出力を制御する技術が開示されている。

特許第５１０１５８３号公報

上記特許文献１に開示された車両では、バッテリの充電率が目標充電率に到達するまではバッテリから電気モータへ電力が供給され、バッテリの充電率が目標充電率より低下した場合には、電気モータ等で使用する電力をまかなうとともに目標充電率を維持するように、バッテリの現在の充電率と目標充電率との偏差に基づいて燃料電池からの出力を制御する。
しかしながら、例えばアクセル操作等によって車両の消費電力が変化し、これに伴ってバッテリの充電率が目標充電率近辺で変動した場合には、発電電力も合わせて変化させることになり、このような発電電力の変動は、燃料電池等の発電ユニットの効率を低下させてしまう。そして、車両に搭載される発電ユニットの燃料は限られるので、発電ユニットの効率低下は、結果的に車両の航続距離を減少させることになってしまう。また、バッテリの充電率が目標充電率を上下するように変動した場合、発電をオンオフさせることとなり、特に燃料電池では寿命が低下するといった問題点もある。

本発明は、この様な問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料電池等の発電ユニット効率よく出力するよう制御し、航続距離を増加させる車両の電力制御装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本願発明の車両の電力制御装置は、燃料を消費して発電する発電ユニット及びバッテリから走行駆動用の電気モータに電力を供給する車両の電力制御装置であって、前記発電ユニットの燃料残量を検出する燃料残量検出部と、前記バッテリの現在の充電率を検出する充電率検出部と、前記発電ユニットの発電出力を制御する発電制御部と、を備え、前記発電制御部は、前記燃料残量に基づいて演算された目標充電率と前記現在の充電率との偏差に基づいて前記発電出力を演算することを特徴とする。
また、好ましくは、前記発電制御部は、前記目標充電率から前記現在の充電率を減算した前記偏差が正の値となる場合には、前記偏差が大きくなるに伴って前記発電出力が増加するように前記発電出力を演算するとよい。

また、好ましくは、前記発電制御部は、前記目標充電率から前記現在の充電率を減算した前記偏差が正の値となる場合には、前記偏差が大きくなるに伴って前記発電出力の変化率が増加するように前記発電出力を演算するとよい。
また、好ましくは、前記発電制御部は、前記目標充電率から前記現在の充電率を減算した前記偏差が０以下の場合でも発電出力を一定の値として発電を停止させることなく維持するとよい。
また、好ましくは、前記発電ユニットは、燃料電池であるとよい。

本願発明の車両の電力制御装置によれば、燃料残量に基づいて演算された目標充電率と現在の充電率との偏差に基づいて発電ユニットの発電出力が演算されるので、発電ユニットの作動に伴って目標充電率が徐々に低下するよう設定される。したがって、バッテリが最終的な目標充電率に低下する前から発電させることができ、車両消費電力が変動して一時的に増加したとしてもバッテリからの出力が増加して発電ユニットの発電出力の変動を抑制することができる。これにより、発電ユニットの効率を向上させることができ、限られた燃料で発電ユニットの可能な発電量を増加させ、車両の航続距離を増加させることができるとともに、発電ユニットの寿命を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る電気自動車の駆動系の概略構成図である。 出力ゲインの演算用マップである。 本実施形態の車両走行時におけるバッテリの充電率、燃料残量、発電出力の推移の一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る車両１の駆動系の概略構成図である。
本発明の一実施形態に係る電力制御装置２を採用した車両１は、電気モータ３によりデフ４を介して左右の走行駆動輪５を駆動する電気自動車である。
車両１には、走行駆動用の電気モータ３に電力を供給する電源装置として、バッテリ６と燃料電池８を搭載している。

燃料電池８は、車両１に搭載した燃料タンク９に貯蔵された水素を燃料として発電する。燃料電池８によって発電された電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の１次側に供給されて昇圧され、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の２次側からインバータ１１を介して電気モータ３に供給可能となっている。また、バッテリ６はインバータ１１を介して電気モータ３に電力を供給可能となっている。
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を介した燃料電池８とバッテリ６とは並列に接続されており、燃料電池８から出力された電力の余剰電力は、バッテリ６に供給されてバッテリ６を充電する。また、電気モータ３の駆動に必要な電力に対して発電ユニット７から出力された電力が不足する場合には、バッテリ６から電力が供給される。

また、車両１には、充電機１２が搭載されている。充電機１２はＡＣ−ＤＣコンバータであり、コンセント１３を介して外部電源から供給された交流電圧を直流に変換し、バッテリ６に供給してバッテリ６の充電を可能としている。
燃料タンク９には、燃料残量（水素残量）を検出する燃料残量検出器２０(燃料残量検出部)が備えられている。また、バッテリ６には、バッテリ６の充電率を監視するバッテリモニタリングユニット２１（充電率検出部）が備えられている。

コントロールユニット２２（発電制御部）は、ＣＰＵ（中央演算装置）、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ）及び入出力インターフェース等を備えており、燃料残量検出器２０から燃料タンク９の燃料残量、バッテリモニタリングユニット２１からバッテリ６の充電率、及び車両１のアクセル操作量、エアコン等の車載機器の作動情報等のその他車両運転情報を入力し、インバータ１１を介して電気モータ３の作動制御を行うとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を介して燃料電池８の出力制御を行う。

コントロールユニット２２は、車両走行時において、車両１の高出力・高速走行状態を判定する発電開始判定を行う。コントロールユニット２２は、電気モータ３の消費電力及びその他の車載機器の消費電力を合計した車両消費電力を逐次演算し、当該車両消費電力をフィルタ等を用いて平滑化して、車速変化相当値を求める。そして、この車速変化相当値が所定時間Ｔa以上継続してあらかじめ設定された所定の閾値Ｖaを超えた場合に、車両１が高出力・高速走行状態であるとして発電を開始する判定（発電開始判定）をする。なお、所定の閾値Ｖa及び所定時間Ｔaは、燃料電池８からの出力効率が低下するような高出力・高速走行状態であることを判定できる値に適宜設定すればよい。また、車両消費電力が所定時間Ｔa以上継続して閾値Ｖaを超えなくとも、バッテリ６の充電率が後述する到達目標充電率ＳＯＣbに達した場合には、その時点においても発電開始判定をする。

コントロールユニット２２は、更に、発電開始判定された以降では、燃料電池８の発電出力Ｐfを所定の演算周期(例えば数msec)毎に演算して制御する（発電制御部）。発電出力Ｐfは、以下の式(１)により演算される。
Ｐf＝α×（ＳＯＣt−ＳＯＣ）・・・（１）
式（１）において、ＳＯＣは、バッテリモニタリングユニット２１から入力したバッテリ６の現在の充電率である。ＳＯＣtは目標充電率であり、下記の式（２）により式（１）とともに所定の演算周期毎に演算される。αは出力ゲインであり、後述するように図２に示すマップを用いて演算される。
ＳＯＣt＝ＳＯＣb＋（ＳＯＣa−ＳＯＣb）×｛（Ｑf−Ｑfb）/（Ｑfa−Ｑfb）｝・・・（２）

式（２）において、ＳＯＣaは開始時充電率であり、上記発電開始判定されたときのバッテリ６の充電率を記憶して用いられる。ＳＯＣbは、到達目標充電率であり、車両１を走行終了したときに少なくとも必要とするバッテリ６の充電率であり、例えば０に近い正の値に設定されている。Ｑfは燃料残量検出器２０から入力した現在の燃料残量であり、Ｑfaは開始時燃料残量である。開始時燃料残量Ｑfaは、上記発電開始判定されたときの燃料残量を記憶して用いられる。Ｑfbは、到達目標燃料残量であり、車両１を走行終了したときに少なくとも必要とする燃料の残量である。到達目標燃料残量Ｑfbは例えば０に近い正の値に設定されている。

図２は、出力ゲインαの演算用マップである。
コントロールユニット２２は、図３に示す演算用マップを用いて、目標充電率ＳＯＣtと現在の充電率ＳＯＣとの偏差から出力ゲインαを演算する。
コントロールユニット２２は、式（２）により求めた目標充電率ＳＯＣtから現在の充電率ＳＯＣを減算して目標充電率偏差ΔＳＯＣ（＝ＳＯＣt−ＳＯＣ）を演算する。そして、図２に示すように、目標充電率偏差ΔＳＯＣが０以下である場合、即ち現在の充電率ＳＯＣが目標充電率ＳＯＣt以上である場合は、出力ゲインαを所定値α1にする。所定値α1は、式（１）において演算された発電出力Ｐfが、燃料電池８が効率よく出力する範囲内での下限値付近になるように設定される定数である。

目標充電率偏差ΔＳＯＣが０より大きい場合、即ち現在の充電率ＳＯＣが目標充電率ＳＯＣｔより低い場合は、所定値α1と最大値αmaxの間で目標充電率偏差ΔＳＯＣが増加するに伴って出力ゲインαが増加し、更にその変化率も増えるように設定する。例えば、所定値α1と最大値αmaxの間で、目標充電率偏差ΔＳＯＣの２次数と出力ゲインαが比例するように設定すればよい。なお、最大値αmaxは、発電出力Ｐfが燃料電池８の最大出力を超えないような値に設定すればよい。
図３は、本実施形態の車両走行時におけるバッテリ充電率ＳＯＣ、燃料残量Ｑf、発電出力Ｐfの推移の一例を示すグラフである。

図３では、バッテリ６の充電率ＳＯＣが１００％でありかつ燃料残量が１００％に近い値Ｑfaである状態から車両１を走行開始して最大限可能な走行が終了するまでの、（Ａ）バッテリ６の充電率ＳＯＣ、（Ｂ）燃料残量Ｑf、（Ｃ）燃料電池８の発電出力Ｐfの推移を示している。図３中において、実線が上記式（１）及び（２）を用いて発電出力Ｐfを設定する本実施形態であり、破線は比較例における推移を示している。また、図３（Ａ）における二点鎖線は、本実施形態において設定される目標充電率ＳＯＣtの推移を示している。
図３に記載された比較例では、バッテリ６の充電率ＳＯＣが到達目標充電率ＳＯＣbに達するまでバッテリ６からの電力のみで電気モータ３を駆動し、到達目標充電率ＳＯＣbに達してから到達目標充電率ＳＯＣbを維持するように、現在の充電率ＳＯＣと到達目標充電率ＳＯＣbとの偏差に基づいて、燃料電池８から電力を供給する。

一方、本実施形態では、上記のように、バッテリ６の充電率ＳＯＣが到達目標充電率ＳＯＣbまで低下しなくとも、車両１が高出力・高速走行状態となって車両消費電力が所定時間Ｔa以上継続して閾値Ｖaを超えた場合には、発電開始判定され燃料電池８の発電が開始される。したがって、高出力・高速走行状態において、比較例よりも早期に発電が開始される。このように早期に発電を開始することで、燃料電池８の出力を抑えることができ、車両消費電力に対する不足分はバッテリ６からの出力で補われる。
発電が開始してからは、燃料残量Ｑfが低下するに伴って目標充電率ＳＯＣtが低下するように設定され、燃料残量Ｑfが到達目標燃料残量Ｑfｂに達することと目標充電率ＳＯＣtが到達目標充電率ＳＯＣbに達することが同時となるように目標充電率ＳＯＣtが設定される。そして、この目標充電率ＳＯＣtと現在の充電率ＳＯＣとの偏差に基づいて発電出力Ｐfを演算するので、充電率ＳＯＣが目標充電率ＳＯＣtに一致するように正確にフィードバック制御される。

目標充電率ＳＯＣtは、燃料残量Ｑfの減少とともに徐々に低下し、燃料残量Ｑfが到達目標燃料残量Ｑfｂに達することと同時期に到達目標充電率ＳＯＣbに達するように制御されるので、実際のバッテリ６の充電率ＳＯＣも目標充電率ＳＯＣtに合わせて略同時期に到達目標充電率ＳＯＣbに達する。したがって、バッテリ６の充電率が１００％であり燃料残量が開始時燃料残量Ｑfaの状態から、到達目標充電率ＳＯＣb及び燃料残量Ｑfbになるまで車両１が走行する距離が最大走行可能な航続距離となる。そして本実施形態では、燃料残量Ｑfが到達目標燃料残量Ｑfｂに達するまで燃料電池８から出力することになり、目標充電率ＳＯＣtを燃料残量Ｑfの減少とともに徐々に低下させることで、発電開始から走行終了まで発電時間を確保し、燃料電池８の出力を抑えることが可能となる。

比較例では、発電開始以降では、すでにバッテリ６の充電率ＳＯＣが到達目標充電率ＳＯＣbに達しているので、バッテリ６からの出力増加が困難であり、よって車両消費電力が大きく増加した場合には、その変動に合わせて燃料電池８からの出力を大きく増加させなければならない。これに対し、本実施形態では、発電開始してから走行終了までの期間で充電率ＳＯＣが到達目標充電率ＳＯＣbを上回っているので、車両消費電力が一時的に増加したとしてもバッテリ６からの出力が増加して燃料電池８の出力の変動を抑制することができる。
以上のように、本実施形態では、高出力・高速走行状態では、充電開始時期を早め、かつ燃料残量Ｑfが到達目標燃料残量Ｑfｂに到達するまで燃料残量Ｑfの減少に伴って目標充電率ＳＯＣtを低下させることで、発電時間を確保して燃料電池８の出力を一定に抑えることができる。燃料電池８は、一般的に、出力が増加するに伴って効率が低下するので、燃料電池８の出力が抑えられることで、燃料電池８の効率が向上する。また、車両消費電力の変動に対しても燃料電池８の出力の変動が抑えられるので、この点でも燃料電池８の効率を向上させることができる。

これにより、例えば高速道路を走行するときのように高出力・高速走行状態が続く状況では、燃料電池８を効率よく発電させることができ、燃料消費を抑えることができる。したがって、車両１に搭載した限られた燃料(水素)で燃料電池８が可能な発電量を増加させて、車両１の航続距離を増加させることができる。また、燃料電池８の出力の変動を抑えることで、燃料電池８の寿命を向上させることができる。
なお、低出力・低速走行状態が続く場合では、早期に発電開始判定されず、比較例と同様にバッテリ６の充電率ＳＯＣが到達目標充電率ＳＯＣbに達してから発電開始するが、低出力・低速走行状態であることから電気モータ３の消費電力が少ないので、燃料電池８を高出力にする必要がなく、したがって燃料電池８の効率低下は抑えられる。

また、本実施形態では、車両消費電力を平滑化して演算した車速相当値によって発電開始判定を行っており、当該車速相当値が所定時間Ｔa以上閾値Ｖaを超えた場合に車両１が高出力・高速走行状態であるとして、発電開始するように判定する。したがって、登坂や下り坂等での影響を受け難く、かつ加減速による出力変動の影響も抑制して、車両１の高出力・高速走行状態を安定して正確に判定することができる。

更に、本実施形態では、目標充電率偏差ΔＳＯＣが増加するに伴って出力ゲインαが増えるように設定しており、特に目標充電率偏差ΔＳＯＣが増加するに伴って出力ゲインαの変化率が増えるように設定するので、目標充電率偏差ΔＳＯＣが０に近い正の領域では出力ゲインαは所定値α1付近に抑えられる。これにより、バッテリ６の充電率ＳＯＣが目標充電率ＳＯＣtよりわずかに低下した場合に出力ゲインαは抑えられ、発電電力Ｐfが抑えられるので、車両消費電力の変動により充電率ＳＯＣが目標充電率ＳＯＣt付近で変動しても、発電電力Ｐfの変動を抑えることができる。一方、目標充電率偏差ΔＳＯＣが大きくなると、即ちバッテリ６の充電率ＳＯＣが目標充電率ＳＯＣtより大きく低下すると、出力ゲインαが急激に増加して発電電力Ｐfを増加させ、充電率ＳＯＣのそれ以上の低下を確実に抑制して、バッテリ６の保護を図ることができる。

このように、目標充電率偏差ΔＳＯＣに対する発電出力Ｐfの変化率が目標充電率偏差ΔＳＯＣに伴って変化するので、目標充電率偏差ΔＳＯＣの変動に対する発電出力Ｐfの変動を抑える領域を設定することができる。したがって、電気モータ３の消費電力の変動等により充電率ＳＯＣが変動して、目標充電率偏差ΔＳＯＣが変動したとしても、当該領域で発電出力Ｐfの変動を抑え、燃料電池８の効率を更に向上させることができる。
また、目標充電率偏差ΔＳＯＣが０以下、即ち充電率ＳＯＣが目標充電率ＳＯＣt以上である場合には、出力ゲインαが所定値α1に設定されるので、少ない発電量で燃料電池８が効率よく発電をする。これにより、例えば充電率ＳＯＣが目標充電率を上下するように推移しても燃料電池８はオンオフせずに発電し続けるので、燃料電池８の効率及び寿命を向上させることができる。
以上で発明の実施形態の説明を終えるが、発明の形態は本実施形態に限定されるものではない。

例えば、本実施形態では、発電ユニットとして燃料電池を使用しているが、燃料電池の代わりにエンジンと発電機を組み合わせたユニットを用いてもよい。この場合、車両はシリーズモードが可能なハイブリッド車となるが、このような車両においても、発電機及びエンジンを駆動制御して当該発電機からの出力を、上記燃料電池の出力制御と同様に制御することで、エンジンを効率よく作動させ、航続距離を増加させることができる。

１ 車両
３ 電気モータ
６ バッテリ
８ 燃料電池（発電ユニット）
２０ 燃料残量検出器（燃料残量検出部)
２１ バッテリモニタリングユニット（充電率検出部)
２２ コントロールユニット（発電制御部）

Claims (4)

1. 燃料を消費して発電する発電ユニット及びバッテリから走行駆動用の電気モータに電力を供給する車両の電力制御装置であって、
   前記発電ユニットの燃料残量を検出する燃料残量検出部と、
   前記バッテリの現在の充電率を検出する充電率検出部と、
   前記発電ユニットの発電出力を制御する発電制御部と、を備え、
   前記発電制御部は、前記燃料残量に基づいて演算された目標充電率と前記現在の充電率との偏差に基づいて前記発電出力を演算し、前記目標充電率から前記現在の充電率を減算した偏差が０以下の場合では前記発電出力を一定の値として発電を停止させることなく維持することを特徴とする車両の電力制御装置。
2. 前記発電制御部は、
   前記目標充電率から前記現在の充電率を減算した前記偏差が正の値となる場合には、前記偏差が大きくなるに伴って前記発電出力が増加するように前記発電出力を演算することを特徴とする請求項１の車両の電力制御装置。
3. 前記発電制御部は、
   前記目標充電率から前記現在の充電率を減算した前記偏差が正の値となる場合には、前記偏差が大きくなるに伴って前記発電出力の変化率が増加するように前記発電出力を演算することを特徴とする請求項１又は２の車両の電力制御装置。
4. 前記発電ユニットは、燃料電池であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の車両の電力制御装置。

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