WO2014097415A1

WO2014097415A1 - 充放電システム及び充放電方法

Info

Publication number: WO2014097415A1
Application number: PCT/JP2012/082890
Authority: WO
Inventors: 範明三宅; 孝幸土屋; 邦彦肥喜里; 良昭山田; 幸一井谷
Original assignee: ボルボラストバグナーアクチエボラグ
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2014-06-26

Abstract

　制御装置は、第１の充電装置に充電された電力を電動発電機に供給すると共に、第１の充電装置の充電状態と第２の充電装置の充電状態とに基づいて、第１の充電装置の電力を第２の充電装置に充電させる、又は、第２の充電装置の電力を第１の充電装置に充電させるように電力変換装置を制御し、電動発電機の駆動力のみによって車両を駆動することが指示された場合は、第１の充電装置から第２の充電装置への充電のみを許可するように電力変換装置を制御する。

Description

充放電システム及び充放電方法

　本発明は、電気エネルギーを充放電する充放電システム及び充放電方法に関する。

　車両等の駆動力源としての電動機に電力を供給するためにバッテリが用いられる。バッテリとしては、例えば鉛蓄電池やリチウムイオン電池等の二次電池が用いられる。また、バッテリ装置とは別に、電気二重層キャパシタ等により電気エネルギーを充放電する装置も知られている。

　バッテリは蓄積可能な容量が大きいが、高頻度の充放電や深度の大きな充放電を行うと寿命が低下するという特性がある。キャパシタは高頻度の充放電や深度の大きな充放電には強く寿命は長いが蓄積可能な容量が比較的小さいという特性がある。このように、バッテリとキャパシタとは特性が異なるので、バッテリとキャパシタとを同時に搭載する場合は、それぞれの特性に応じた制御を行う必要がある。

　ＪＰ２００８－０３５６７０Ａには、バッテリとキャパシタとによる複数の充電機構を搭載する車両において、出力性能が他より優れる充電機構の充電量を確保することが開示されている。

　バッテリは高出力、高頻度の充放電や深度の大きな充放電を行うと寿命が低下するので、このような充放電はキャパシタに分担させることが好適である。一方で、従来技術では、バッテリ及びキャパシタのいずれか一方に切り替えて充放電を行うので、必ずしも効率よく充放電を行えるとはいえない。

　また、エンジンを搭載しキャパシタ及びバッテリを充放電可能なハイブリッド車両においては、深夜、早朝時間帯に走行する場合や市街地を走行する場合など、電動機の駆動のみにより車両を運転することが望まれている。従来技術では、キャパシタとバッテリとを独立して制御するため、エネルギー効率が低下し、電動機の駆動のみでの走行距離が短くなってしまうという問題があった。

　本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリやキャパシタなど、負荷や充放電特性が異なる複数の充電装置を搭載する充放電システムにおいて、エネルギー効率を向上できる充放電システム及び充放電方法を提供することを目的とする。

　本発明のある実施態様によると、車両を駆動する駆動力源であって、車両の動力により発電を行う電動発電機と、車両を駆動する駆動力源であるエンジンと、電動発電機に電力を供給し、電動発電機が発電した電力を充電する第１の充電装置と、第１の充電装置に接続され、第１の充電装置の間で充放電が行われる第２の充電装置と、第１の充電装置と第２の充電装置との間の電圧を変換して互いの充放電を制御する電圧変換装置と、電動発電機及び電力変換装置の動作を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、車両を駆動するときは、第１の充電装置に充電された電力を電動発電機に供給すると共に、第１の充電装置の充電状態と第２の充電装置の充電状態とに基づいて、第１の充電装置の電力を第２の充電装置に充電させる、又は、第２の充電装置の電力を第１の充電装置に充電させるように電力変換装置を制御し、電動発電機の駆動力のみによって車両を駆動する準備が指示された場合は、第１の充電装置から第２の充電装置への充電のみを許可するように電力変換装置を制御する充放電システムが提供される。

　本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細を説明する。

図１は、本発明の実施形態の充放電システムが適用された車両の説明図である。図２Ａは、本発明の実施形態のキャパシタの充放電マップの一例の説明図である。図２Ｂは、本発明の実施形態のバッテリの充放電マップの一例の説明図である。図２Ｃは、本発明の実施形態のバッテリの充放電マップの一例の説明図である。図３は、本発明の実施形態の充放電システムが搭載された車両における運転状態とキャパシタ、バッテリそれぞれのＳＯＣの状態を示す説明図である。図４は、本発明の実施形態の電動走行の制御のフローチャートである。図５は、本発明の実施形態の電動走行準備用マップの一例の説明図である。図６は、本発明の実施形態の電動走行準備が選択された場合の、車速、キャパシタ、バッテリ、失効エネルギー及びマップの状態を示す説明図である。

　図１は、本発明の実施形態の充放電システム１が適用された車両の説明図である。

　充放電システム１は、インバータ１０、キャパシタ２０、電力変換装置３０、バッテリ４０、コントローラ５０、コントローラ１００及びモータジェネレータ６０を備える。

　キャパシタ２０（第１の充電装置）は、例えば電気二重層キャパシタにより構成され、電力を充放電する。バッテリ４０（第２の充電装置）は、例えばリチウムイオン二次電池により構成され、電力を充放電する。

　キャパシタ２０及びバッテリ４０は、インバータ１０を介して、充電された電力をモータジェネレータ６０に供給する。また、モータジェネレータ６０により発電された電力を、インバータ１０を介して充電する。インバータ１０は、キャパシタ２０及びバッテリ４０とモータジェネレータ６０との間で交直流の変換を行う。

　電力変換装置３０は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータにより構成され、キャパシタ２０とバッテリ４０との間で電圧の昇降を行うことで、キャパシタ２０からバッテリ４０に充電を行う、または、バッテリ４０からキャパシタ２０に充電を行う。

　バッテリ４０には、電動補機７０が接続されており、バッテリ４０は電動補機７０に電力を供給する。電動補機７０は、エアコンや冷却水回路のポンプ、ラジエタのファン、その他電気駆動される装置等が含まれる。

　モータジェネレータ６０（電動発電機）は、車両の駆動力源として機能し、駆動輪９０を回転させる。また、モータジェネレータ６０は、車両の減速時に発電機として機能し、回生電力として回収する。エンジン８０は、モータジェネレータ６０と共に、又は、エンジン８０単体で車両の駆動力源として機能する。また、エンジン８０は、モータジェネレータ６０を駆動してモータジェネレータ６０に発電をさせることもできる。

　コントローラ５０は、キャパシタ２０及びバッテリ４０の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ）を検出する。また、コントローラ５０は、電力変換装置３０、の動作を制御する。コントローラ１００は、インバータ１０及びエンジン８０の動作を制御する。

　コントローラ１００は、車両が停止状態から発進を要求されたときは、キャパシタ２０に充電された電力を、インバータ１０を介してモータジェネレータ６０に供給することにより、車両を発進させる。

　コントローラ５０は、キャパシタ２０に充電された電力が消費されたときは、バッテリ４０に充電された電力を、電力変換装置３０を介してキャパシタ２０に供給する。コントローラ１００は、この電力によってモータジェネレータ６０を駆動する。このとき、コントローラ１００はエンジン８０を運転して、エンジン８０の駆動力とモータジェネレータ６０の駆動力とで走行するハイブリッド走行としてもよい。

　その後、車両が減速を要求された場合は、コントローラ１００は、モータジェネレータ６０を発電機として駆動させ、発電された電力を、インバータ１０を介してキャパシタ２０に充電する。このとき、キャパシタ２０の充電状態が満充電となった場合には、コントローラ５０は、電力変換装置３０を介してモータジェネレータ６０が発電する電力をバッテリ４０に充電するように制御してもよい。

　次に、このように構成された充放電システムの動作を説明する。

　バッテリ４０は、リチウムイオン二次電池によって構成されている。バッテリ４０は、高出力、高頻度の充放電や深度の大きい充放電を行うと寿命が著しく低下するため、このような充放電を避けるように制御をする必要がある。キャパシタ２０は、電気二重層キャパシタで構成されている。キャパシタ２０は、充電容量はバッテリ４０と比較して小さいものの、高出力、高頻度の充放電や深度の大きい充放電による寿命低下が起こりにくい。

　このような特性により、例えば、車両の発進時など、モータジェネレータ６０に短時間内に大きな電力供給するような場合はキャパシタ２０に充電された電力を用いることが好適である。一方、キャパシタ２０が蓄積できる電力は限られるため、バッテリ４０に充電された電力を適宜利用できるような仕組みを設けることが好適である。

　このように、キャパシタ２０とバッテリ４０とのそれぞれの特性に合わせた適切な電力の充放電制御を行うことにより、バッテリ４０の寿命を低下させることなく、エネルギー効率を向上することができて、車両の燃費を向上できる。

　コントローラ１００は、図１のように構成された充放電システム１において、車両の状態に基づいて、モータジェネレータ６０を駆動させるかモータジェネレータ６０を発電させるかの制御を行う。コントローラ５０は、電力変換装置３０を制御して、キャパシタ２０とバッテリ４０との間で相互に電力を充放電する制御を行う。

　コントローラ１００は、例えば運転者による加速、減速要求、車速及びキャパシタ２０のＳＯＣに基づいてモータジェネレータ６０の駆動及び発電を行うと共に、エンジン８０の運転も制御する。

　コントローラ５０は、次に説明するように、キャパシタ２０のＳＯＣとバッテリ４０のＳＯＣとに基づいて、キャパシタ２０からバッテリ４０に充電を行うか、バッテリ４０からキャパシタ２０に充電を行うか、を制御する。

　図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃは、本発明の実施形態のコントローラ５０が備える充放電マップの一例の説明図である。図２Ａは、キャパシタ２０の充放電マップを、図２Ｂ及び図２Ｃは、バッテリ４０の充放電マップを、それぞれ示す。これら図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃに示す充放電マップは、コントローラ５０の制御に用いられる。なお、本実施形態では、この図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃに示す充放電マップを、「通常時の充放電マップ」と呼ぶ。

　コントローラ５０は、キャパシタ２０の電圧を取得して、キャパシタ２０のＳＯＣを算出する。同様に、バッテリ４０の電圧及び電流値を取得して、バッテリ４０のＳＯＣを算出する。

　コントローラ５０は、算出されたキャパシタ２０のＳＯＣと、バッテリ４０のＳＯＣとから、この図２に示す充放電マップに基づいてキャパシタ２０とバッテリ４０との充放電を制御する。

　図２Ａはキャパシタ２０の充放電マップを示す。この充放電マップによると、キャパシタ２０のＳＯＣが所定値ｘ３よりも大きい場合は、正側の出力、すなわち、キャパシタ２０に充電された電力を、電力変換装置３０を介してバッテリ４０へと出力する。また、キャパシタ２０のＳＯＣが所定値ｘ２よりも小さい場合は、負側の出力、すなわち、バッテリ４０から出力される電力を、電力変換装置３０を介してキャパシタ２０へと充電する。

　なお、このキャパシタ２０の充放電マップは、ＳＯＣが所定値ｘ３から、ｘ３よりも大きいｘ４までの間は、ＳＯＣが大きくなるにつれて出力が大きくなるように設定され、所定値ｘ４となったところで出力が最大となるように設定されている。これは、キャパシタ２０とバッテリ４０との間の充放電電力がＳＯＣの変化により急変することを防ぐ目的で、一定の傾きとなるように設定されている。

　同様に、キャパシタ２０の充放電マップは、ＳＯＣが所定値ｘ２から、ｘ２よりも小さいｘ１までの間は、ＳＯＣが小さくなるにつれて入力が大きくなるように設定され、所定値ｘ１となったところで入力が最大となるように設定されている。

　図２Ｂ及び図２Ｃは、バッテリの充放電マップを示す。この充放電マップによると、バッテリ４０のＳＯＣが所定値Ｘ４よりも大きい場合は、正側への出力を制限する、すなわち、キャパシタ２０からバッテリ４０への充電を制限する。また、バッテリ４０のＳＯＣが所定値Ｘ１よりも小さい場合は、負側の出力を制限する。すなわち、バッテリ４０からキャパシタ２０への充電を制限する。

　なお、前述のキャパシタ２０の充放電マップと同様に、図２Ｂにおいて、キャパシタ２０とバッテリ４０との間の充放電電力がＳＯＣの変化により急変することを防ぐ目的で、ＳＯＣが所定値Ｘ３から、Ｘ３よりも大きいＸ４までの間は、ＳＯＣが大きくなるにつれて出力が小さくなるように設定され、所定値Ｘ４となったところで出力を行わないように、すなわちキャパシタ２０からバッテリ４０への充電を行わないように設定されている。

　同様に、図２Ｃにおいて、充放電マップは、ＳＯＣが所定値Ｘ２から、Ｘ２よりも小さいＸ１までの間は、ＳＯＣが小さくなるにつれて負側の出力が小さく寝るように設定され、所定値Ｘ１となったところで出力を行わないように、すなわちバッテリ４０からキャパシタ２０への充電を行わないように設定されている。

　また、これら充放電マップの充放電量の上限値は、電力変換装置３０の最大出力として設定されている。

　次に、このように構成された車両の充放電システム１の動作を説明する。

　図３は、本発明の実施形態の充放電システムが搭載された車両における、運転状態とキャパシタ２０、バッテリ４０それぞれのＳＯＣの状態を示す説明図である。

　図３は、車両が停止状態から再発進し、一定時間走行後、減速の後に停車する一連の車両の状態を説明する図である。

　コントローラ１００は、車両が停車状態のときに運転者による発進要求を受けた場合は車両を発進させる制御を行う（タイミングｔ０１）。このとき、エンジン８０は始動させず、キャパシタ２０に充電された電力を用いてモータジェネレータ６０を駆動して、車両を発進させる。

　車両の発進により車速が上昇し、キャパシタ２０に充電された電力がモータジェネレータ６０により消費され、キャパシタ２０のＳＯＣが徐々に低下する。

　そして、キャパシタ２０のＳＯＣが、図２Ａに示す充放電マップのｘ２以下となった場合は（タイミングｔ０２）コントローラ５０は、電力変換装置３０を制御して、バッテリ４０からキャパシタ２０へと充電を行う制御を行う。これにより、モータジェネレータ６０に供給される電力は、キャパシタ２０のみならずバッテリ４０に充電された電力を用いることができるようになる。なお、このとき、バッテリ４０からキャパシタ２０へと充電される電力と、キャパシタ２０からモータジェネレータ６０に供給される電力とが平衡するので、バッテリ４０の電力によりモータジェネレータ６０が駆動することと同等の制御となる。

　その後、コントローラ１００は、運転者の加速要求や車速等に基づいて、モータジェネレータ６０だけでなく、エンジン８０を駆動して運転を行う（タイミングｔ０３）。例えば、モータジェネレータ６０とエンジン８０との双方の駆動力による運転、又は、エンジン８０の駆動力のみによる運転を行う。

　図３に示す例では、タイミングｔ０３において加速状態から車速が略一定の定常走行となったことにより、このタイミングｔ０３においてエンジン８０の駆動を開始して、モータジェネレータ６０及びエンジン８０の双方の駆動力により走行する。その後タイミングｔ０４において、モータジェネレータ６０の駆動を停止して、エンジン８０の駆動力のみによって走行する。

　モータジェネレータ６０の駆動を停止した場合は、キャパシタ２０に充電された電力は消費されなくなるが、バッテリ４０に充電された電力は電動補機７０に供給されるため、バッテリ４０のＳＯＣは徐々に低下する。

　そして、バッテリ４０のＳＯＣが図示しない判定閾値を下回った場合は（タイミングｔ０５）、コントローラ５０は、電力変換装置３０を制御して、キャパシタ２０からバッテリ４０へと充電を行う。これにより、キャパシタ２０に充電された電力をバッテリ４０に充電して、この電力を電動補機７０に供給することで、バッテリ４０が放電可能な容量を拡大することができる。なおこのとき、キャパシタ２０からバッテリ４０へと充電される電力と、バッテリ４０から電動補機７０に供給される電力とが平衡するので、キャパシタ２０の電力により電動補機７０を動作させることと同等の制御となる。

　キャパシタ２０は、バッテリ４０に電力を供給することによってＳＯＣが低下する。その後、キャパシタ２０のＳＯＣが所定値を下回った場合は（タイミングｔ０６）、コントローラ１００は、モータジェネレータ６０をエンジン８０の駆動力によって発電させて、キャパシタ２０に充電する。なお、この場合、必要に応じてキャパシタ２０からバッテリ４０への電力の供給を停止する。

　次に、例えば運転者によるブレーキの踏み込みなどにより車両の減速が指示される（タイミングｔ０７）。コントローラ１００は、車両が減速されることを検出すると、モータジェネレータ６０を発電機として機能させ、車両の減速に伴う駆動輪９０の回転によりモータジェネレータ６０を発電させ、この回生電力を回収する。回収された電力は、インバータ１０を介してキャパシタ２０に充電される。

　モータジェネレータ６０の発電によりキャパシタ２０のＳＯＣが上昇し、図２Ａに示す充放電マップに設定された閾値ｘ３を上回った場合は（タイミングｔ０８）、コントローラ５０は、キャパシタ２０に充電された電力を、電力変換装置３０を介してバッテリ４０に充電させる。その後車両が停車する（タイミングｔ０９）。この場合、車両停車後は、キャパシタ２０には十分に電力が充電されているので、次回の車両発進時にキャパシタ２０に蓄積された電力を用いてモータジェネレータ６０を駆動することができる。

　このような制御を行うことによって、モータジェネレータ６０への電力の供給、発電電力の充電は、コントローラ１００の制御によって第１の充電装置であるキャパシタ２０によって行い、その一方で、キャパシタ２０とは別に設けられる第２の充電装置であるバッテリ４０とキャパシタ２０とでコントローラ５０の制御によって相互に充放電を行うことにより、キャパシタ２０の特性を超えて、モータジェネレータ６０への電力の供給、発電電力の充電を行うことができる。

　特に、キャパシタ２０の電力をモータジェネレータ６０に供給するときに、キャパシタ２０の充電容量が不足する場合は、第２の充電装置であるバッテリ４０からキャパシタ２０に充電を行うことで、キャパシタ２０に蓄積可能な電力の下限を越えてモータジェネレータ６０を駆動することができる。また、モータジェネレータ６０からキャパシタ２０に充電するときに、キャパシタ２０の充電容量が上限へと達する場合は、キャパシタ２０からバッテリ４０へと充電を行うことで、キャパシタ２０が蓄積可能な電力の上限を超えて充電できるので、回生電力を有効に回収することができる。

　キャパシタ２０は、例えば電気二重層キャパシタから構成されており、高出力、高頻度な充放電や、深度が大きな充放電が可能である一方、バッテリ４０と比較して体積辺りの充電容量が小さいという特性がある。これに対してバッテリ４０は、キャパシタ２０と比較して大きな電力を充電できる一方、高出力、高頻度な充放電や、深度が大きな充放電を行うことができないという特性がある。

　そこで、モータジェネレータ６０を駆動するときは、まずキャパシタ２０に充電された電力を用いる。キャパシタ２０は、高出力、高頻度な充放電や、深度が大きな充放電が可能であるので、例えば車両の発進時や加速時など、短期間に大きな電力を供給する場合や、車両が減速時など、短期間に大きな回生電力を充電する場合にキャパシタ２０を用いる。

　一方で、キャパシタ２０は蓄積可能な電力の上限が小さいため、例えば加速中にキャパシタ２０に充電された電力を使い切る可能性がある。このような場合には、バッテリ４０からキャパシタ２０へと充電を行うことによって、キャパシタ２０に蓄積可能な容量を超えてモータジェネレータ６０を駆動することができる。

　また、モータジェネレータ６０が発電するときには、まずキャパシタ２０に充電させるが、キャパシタ２０は蓄積可能な電力の上限が小さいため、例えば減速中にキャパシタ２０への充電が上限となってしまう可能性がある。このような場合には、キャパシタ２０からバッテリ４０へと充電を行うことによって、キャパシタ２０に蓄積可能な容量を超えてモータジェネレータ６０の回生電力を回収することができる。

　従って、キャパシタ２０の容量及びバッテリ４０の容量を大型化することなく充放電制御を行うことができる。特にバッテリ４０に関しては、高出力、高頻度な充放電をカバーする必要がなくなるため、例えば出力の上限を抑えて容量を拡大したものなど、用途に特化したものを選定することができ、サイズを小型化できると共にコストを抑えることができる。また、バッテリ４０のサイズを小型化して重量を抑えることにより、車両に搭載した場合に燃費性能や積載性を向上することができる。

　またさらに、コントローラ１００は、モータジェネレータ６０の駆動及び発電を、インバータ１０を介してキャパシタ２０とで行う。すなわち、充放電システム１は、充放電特性が異なるキャパシタ２０とバッテリ４０とを備えるが、インバータ１０及びこれを制御するコントローラ１００側からは単独のキャパシタ２０のみのシステムとして見なすことができる。このように構成することで、例えば、従来、充放電特性が異なる複数の充電装置を切り替えて使用する場合にはインバータ１０やコントローラ１００が制御を切り替える必要があったが、本発明の実施形態においては、この切り替えを必要とせず、コントローラ５０の制御によって単一の電池特性によるロバスト的な制御を行うことができる。

　次に、本発明の実施形態の車両における、電動走行準備時の動作を説明する。

　図３で説明したように、車両の発進及び加速時にはモータジェネレータ６０のみにより走行し、その後、運転者の加速要求や車速等に基づいて、モータジェネレータ６０だけでなく、エンジン８０を駆動して運転を行う（タイミングｔ０３）。このとき、モータジェネレータ６０とエンジン８０との双方の駆動力によるハイブリッド走行、モータジェネレータ６０の駆動力による電動走行、または、エンジン８０の駆動力のみによる走行が行われる。

　ここで、車両を意図的に電動走行させたいという要求がある。例えば、早朝や深夜帯、住宅街における走行などでは、エンジン８０の動作音及び排ガスが環境問題となるため、これを抑制することが望まれている。そこで、このような状況では、エンジン８０を停止して、モータジェネレータ６０の動力のみによる電動走行を行うように制御する。

　電動走行を行うためにはバッテリ４０に十分な電力が蓄積されている必要がある。ここで、前述の図２の通常時の充放電マップに従って制御を行うと、バッテリ４０のＳＯＣに基づいてバッテリ４０とキャパシタ２０との間で充放電を行うので、バッテリ４０のＳＯＣは満充電状態となることはない。

　特に、前述の図２及び図３で説明したように、ブレーキによる減速時の回生エネルギーを有効に利用するために、キャパシタ２０及びバッテリ４０のＳＯＣは、走行時には低くなるように制御されている。これに対して、電動走行を行う場合には、車両の走行距離を向上させるために、バッテリ４０のＳＯＣはできるだけ高く保持するように制御することが望ましい。またさらに、キャパシタ２０及びバッテリ４０のＳＯＣが高い場合は、減速時の回生エネルギーを充電する余裕が少なくなり、回生エネルギーが無駄となってしまう場合があるので、回生エネルギーを十分に回収できるように制御を行うことが望ましい。

　そこで、本発明の実施形態では、電動走行を行う前に、バッテリ４０のＳＯＣを満充電状態付近まで上昇させる処理（以降、「電動走行準備」と呼ぶ）を行う。電動走行準備では、運転者は、運転席に備えられた電動走行準備のためのスイッチを操作することによって、電動走行準備をコントローラ５０に指示する。または、コントローラ５０が、ＧＰＳ等により車両の現在位置を取得し、予め保存されている地図情報と現在位置とを照合して、現在位置が電動走行を行う領域である又は電動走行を行う領域に差し掛かろうとしていると判定した場合に、電動走行準備の指示があったと判定する。または、コントローラ５０が現在時刻を取得して、電動走行を行う時間帯であると判定した場合は、電動走行準備の指示があったと判定する。

　そこで、本実施形態では、次に説明するように電動走行準備を行い、電動走行時の走行距離を向上させつつ、回生エネルギーの利用効率を向上するように構成した。

　コントローラ５０は、運転者のスイッチ操作による指示、又は、前述のように取得した車両の現在位置、又は、現在時刻により、電動走行準備を行うことが指示された場合は、電動走行準備モードに移行する。

　電動走行準備モードは、バッテリ４０のＳＯＣをできるだけ高く保持してバッテリ４０の電力蓄積量を高めるために、キャパシタ２０に充電された電力を用いて発進した後、通常時と同じハイブリッド走行を行う。このとき、バッテリ４０からキャパシタ２０に充電を行わず、モータジェネレータ６０による動力のアシストを行わない。減速時の回生エネルギーは、バッテリ４０へと充電される。

　図４は、本発明の実施形態の電動走行の制御のフローチャートである。このフローチャートは、コントローラ５０において、所定の周期（例えば１０ｍｓ）で実行される。

　まず、コントローラ５０は、ステップＳ１０において、電動走行準備の指示があるか否かを判定する。

　このステップＳ１０では、運転席に備えられている電動走行準備のためのスイッチを運転者が操作した場合、コントローラ５０が備えるＧＰＳが取得した現在位置と、コントローラ５０が予め保持している地図データとから、電動走行を行う領域に車両が存在している又は車両が差し掛かろうとしていると判定した場合、または、コントローラ５０が現在時刻を取得して、電動走行を行う時間帯であると判定した場合に、コントローラ５０が電動走行準備の指示があると判定する。

　電動走行準備の指示がないと判定した場合はステップＳ２０に移行し、コントローラ５０は、図２に示す通常の充放電マップを選択して本フローチャートによる処理を一旦終了し、他の処理に戻る。この場合は、コントローラ５０が、図２に示す充放電マップに従って、キャパシタ２０とバッテリ４０との間で充放電制御を行うと共に、モータジェネレータ６０又はエンジン８０により走行を行う。

　電動走行準備の指示があると判定した場合は、ステップＳ３０に移行する。

　ステップＳ３０では、コントローラ５０は、充放電マップを電動走行準備用マップに変更する。電動走行準備用マップは、バッテリ４０のＳＯＣを高く保持するように、回生エネルギーをバッテリ４０に優先して充電するように制御するマップである。電動走行準備用マップは、図５で詳述する。

　次に、コントローラ５０は、ステップＳ４０において、車速と車両重量とを取得し、取得した車速と車両重量とから、充電可能エネルギーを計算する。

　充電可能エネルギーは、当該車両重量の車両が、当該車速で走行している状態からブレーキ操作により減速して停車に至るまでの間に回生することができる電気エネルギーの総量である。車速は、車両に備えられた車速センサから取得する。車両重量は予め車両毎に記録されている車両重量を用いてもよいし、車重センサによって取得してもよい。車速と車両重量とから、所定の計算式により車両の運動エネルギーが計算され、この運動エネルギーに基づく充電可能エネルギーが計算される。

　次に、コントローラ５０は、ステップＳ５０において、現在のキャパシタ２０のＳＯＣとバッテリ４０のＳＯＣとを取得し、取得した各ＳＯＣから、キャパシタ２０及びバッテリ４０に充電が可能な容量の総量である空き容量を計算する。空き容量は、キャパシタ２０及びバッテリ４０にどれだけ充電をすることができるかを示す値である。

　次に、コントローラ５０は、ステップＳ６０において、ステップＳ４０で計算された充電可能ネルギーとステップＳ５０で計算された空き容量と、から、失効エネルギーを算出する。

　失効エネルギーとは、車両が減速して停止するまでに得られる充電可能エネルギーと、キャパシタ２０及びバッテリ４０に充電することができる空き容量との差である。

　失効エネルギーは、次式（１）のように、空き容量から充電可能エネルギーを減算することによって計算される。
　空き容量－充電可能エネルギー＝失効エネルギー　・・・　（１）

　充電可能エネルギーよりも空き容量が大きい場合は、充電可能エネルギーの全てを無駄なくキャパシタ２０及びバッテリ４０に充電することができる。この場合の失効エネルギーは正の値となる。

　空き容量よりも充電可能エネルギーが大きい場合は、充電可能エネルギーの全てがキャパシタ２０及びバッテリ４０に充電することができず、利用することができない余剰のエネルギーが発生することとなる。この場合の失効エネルギーは負の値となる。

　そして、コントローラ５０は、ステップＳ７０において、ステップＳ６０で計算された失効エネルギーの値が、０よりも大きいか否か、すなわち失効エネルギーが正の値であるか負の値であるかを判定する。

　失効エネルギーが正の値である場合は、ＹＥＳが選択され、本フローチャートの処理を一旦終了し、他の処理に戻る。この場合は、充電可能エネルギーの全てを無駄なくキャパシタ２０及びバッテリ４０に充電することができるので、ステップＳ３０で選択された電動走行準備用マップが選択された状態で、他の処理に移行する。

　失効エネルギーが負の値である場合は、ＮＯが選択され、ステップＳ８０に移行する。この場合は、充電可能エネルギーの全てがキャパシタ２０及びバッテリ４０に充電することができず、利用することができない余剰のエネルギーが発生する。そこで、ステップＳ８０において、コントローラ５０は、ステップＳ３０で選択された電動走行準備用マップから、通常の充放電マップに変更する。そして、ステップＳ４０の処理に戻り、処理を繰り返す。

　このように、コントローラ５０が、図４のフローチャートの処理を実行することによって、適宜通常の充放電マップから電動走行準備用マップに切り換えられる。

　図５は、本発明の実施形態のコントローラ５０が備える電動走行準備用マップの一例の説明図である。

　前述のように、コントローラ５０は、電動走行準備の要求があった場合に、通常時の充放電マップ（図２Ａ）からを電動走行準備用マップへと切り換える。

　図５に示す電動走行準備用マップは、キャパシタ２０のＳＯＣに対するキャパシタ２０の出力（すなわち、キャパシタ２０からバッテリ４０に充電させる電力）を示すマップである。

　図５において、バッテリ４０のＳＯＣごとに３つのマップが示されている。点線はバッテリ４０のＳＯＣが３０％である場合、実線はバッテリ４０のＳＯＣが４０％である場合、一点鎖線はバッテリ４０のＳＯＣが５０％である場合のマップがそれぞれ示されている。

　電動走行準備用マップは、出力の正側、すなわち、キャパシタ２０に充電された電力をバッテリ４０に出力することのみが許可され、バッテリ４０からキャパシタ２０への出力は許可されていない。

　車両が減速する場合にモータジェネレータ６０により回生される電気エネルギーは、インバータ１０を介してまずキャパシタ２０に充電される。このとき、コントローラ５０は、電動走行準備用マップに従って、キャパシタ２０からバッテリ４０への出力を制御する。なお、キャパシタ２０からバッテリ４０への出力は、減速時に回生される電気エネルギーのみでなくてもよい。加速時や定常走行時にエンジン４０の駆動力によってモータジェネレータ６０を発電し、この発電されたエネルギーをキャパシタ２０からバッテリ４０へと充電するように制御してよい。

　図５に示すように、電動走行準備用マップは、バッテリ４０のＳＯＣの大きさに基づいて変更される。バッテリ４０のＳＯＣが小さい場合は、キャパシタ２０のＳＯＣが小さくてもバッテリ４０に出力を行うように設定されている。また、バッテリ４０のＳＯＣが大きい場合は、キャパシタ２０のＳＯＣが大きくならないとバッテリ４０に出力しないように設定されている。言い換えると、バッテリ４０のＳＯＣが小さいほどバッテリ４０への充電が行われ、バッテリ４０のＳＯＣが大きくなるほど、バッテリ４０への充電は制限される。

　このように、バッテリのＳＯＣが小さいほどバッテリ４０が充電されるように電動走行準備用マップを設定することにより、回生エネルギーがバッテリ４０に充電されることが促進される。このとき、バッテリ４０からキャパシタ２０に出力が行われないように制限されているので、バッテリ４０のＳＯＣを高く保持できる。

　なお、前述した図２Ａの充放電マップと同様に、キャパシタ２０とバッテリ４０との間の充放電電力がＳＯＣの変化により急変することを防ぐ目的で、ＳＯＣの変化に対して出力を徐々に変化させるように電動走行準備用マップが設定されている。これにより、バッテリ４０に高頻度高出力の充放電が発生しないように制御することができる

　例えば、図５において、バッテリ４０のＳＯＣが３０％である場合は（点線）、キャパシタ２０のＳＯＣが所定値Ｙ１からＹ１よりも大きいＹ２までの間は、キャパシタ２０のＳＯＣが小さくなるにつれて出力が小さくなるように設定され、所定値Ｙ１未満ではキャパシタ２０からの出力が禁止される。

　同様に、バッテリ４０のＳＯＣが４０％である場合は（実線）、キャパシタ２０のＳＯＣが所定値Ｙ３からＹ３よりも大きいＹ４までの間は、キャパシタ２０のＳＯＣが小さくなるにつれて出力が小さくなるように設定され、所定値Ｙ３未満ではキャパシタ２０からの出力が禁止される。

　同様に、バッテリ４０のＳＯＣが５０％である場合は（一点鎖線）、キャパシタ２０のＳＯＣが所定値Ｙ５からＹ５よりも大きいＹ６までの間は、キャパシタ２０のＳＯＣが小さくなるにつれて出力が小さくなるように設定され、所定値Ｙ５未満ではキャパシタ２０からの出力が禁止される。

　図６は、本発明の実施形態の充放電システムが搭載された車両における、電動走行準備が指示された場合の、車速、キャパシタ２０のＳＯＣ、バッテリ４０のＳＯＣ、失効エネルギー及びマップの状態を示す説明図である。

　図６では、電動走行準備が指示された状態で、タイミングｔ１１で車両が停止状態から発進し、一定速で走行した後に減速して、タイミングｔ１６で停止するまでの車速、キャパシタ２０のＳＯＣ、バッテリ４０のＳＯＣ、失効エネルギー及び選択されるマップが示されている。

　タイミングｔ１１において、車両が発進し、車速がゼロから徐々に上昇する。なお、図６に示す例は、車両が発進する直前の状態では、車速は０ｋｍ／ｈであり、バッテリ４０のＳＯＣ及びキャパシタ２０のＳＯＣは満充電状態であるとする。

　この状態では、車速がゼロであり回生電力が発生しないことから充電可能エネルギーがゼロである。従って、図４のフローチャートの処理に従って、電動走行準備用マップが選択されている。

　車両が発進した後、コントローラ５０は、キャパシタ２０に充電された電力を用いてモータジェネレータ６０を駆動して車両を加速する。このとき、電動走行準備用マップに基づいて、バッテリ４０からキャパシタ２０への充電は許可されないため、コントローラ５０は、キャパシタ２０に充電された電力のみを用いてモータジェネレータ６０を駆動する。

　その後、タイミングｔ１２において、キャパシタ２０のＳＯＣが所定値以下となった場合は、エンジン８０を始動してハイブリッド走行を行う。このとき、加速要求とエンジン８０の出力とに基づいて、エンジン８０の駆動力の一部でモータジェネレータ６０を発電し、発電された電力をキャパシタ２０及びバッテリ４０へと充電してもよい。

　この加速のとき（タイミングｔ１１からｔ１２）、前述のように計算された失効エネルギーが正の値である間は、電動走行準備用マップが選択され、コントローラ５０は、キャパシタ２０に充電された電力を用いてモータジェネレータ６０を駆動する。回生エネルギーが発生した場合は、電動走行準備用マップに基づいて電力をキャパシタ２０からバッテリ４０へと出力する。

　次に、タイミングｔ１３において、車速に基づき計算された充電可能エネルギーがキャパシタ２０及びバッテリ４０との空き容量を上回った場合は、失効エネルギーが負となり、図４のフローチャートのステップＳ７０及びＳ８０の処理に従って通常の充放電マップが選択される。

　通常の充放電マップでは、図２Ａに示すように、キャパシタ２０からバッテリ４０への出力、及び、バッテリ４０からキャパシタ２０への充電との双方が許可される。

　図６のタイミングｔ１３からｔ１５の間で、失効エネルギーが負となり、通常の充放電マップが選択される。通常の充放電マップが選択されている場合は、バッテリ４０からキャパシタ２０への充電が許可されるので、キャパシタ２０のＳＯＣが低い場合にはバッテリ４０の電力をキャパシタ２０に出力する。この電力によりモータジェネレータ６０が駆動されて、モータジェネレータ６０の駆動力によりエンジン８０がアシストされて走行する。

　その後、タイミングｔ１５において、前述のように計算された失効エネルギーが正又はゼロとなった場合は、前述の図４のフローチャートに従って、通常の充放電マップから電動走行準備用マップへと切り換えられる。この状態では、コントローラ５０は、電動走行準備用マップに基づいて、回生された電力をキャパシタ２０からバッテリ４０へと出力する。

　その後、タイミングｔ１６において、ブレーキが操作されて車両が減速を開始する。車両の減速によりモータジェネレータ６０が回生した電力は、まずキャパシタ２０に充電される。キャパシタ２０に充電された電力は、電動走行準備用マップに従ってバッテリ４０に出力され、バッテリ４０が充電される。

　車両の減速により、バッテリ４０に充電されると共にキャパシタ２０にも充電される。例えばタイミング１７において、バッテリ４０のＳＯＣが満充電状態となった場合は、キャパシタ２０にも充電が行われる。そして、タイミングｔ１８において車両が停止する。このとき、キャパシタ２０のＳＯＣは満充電状態となっている。

　なお、車両が停止した後は、車速がゼロであり回生電力が発生しないことから充電可能エネルギーがゼロであるとともに、バッテリ４０とキャパシタ２０とに空き容量がないことから、失効エネルギーは正又はゼロの値となり、電動走行準備が指示されている間は、電動走行準備用マップが選択され続ける。

　電動走行準備用マップは、バッテリ４０のＳＯＣに応じて変更される。すなわち、バッテリ４０のＳＯＣが小さいほど、キャパシタ２０のＳＯＣが小さい状態からバッテリに出力するように設定されている。電動走行準備用マップがこのように設定されていることによって、回生エネルギーがバッテリ４０に充電されて、バッテリ４０のＳＯＣを満充電状態へと維持することができる。また、バッテリ４０のＳＯＣが大きいほどキャパシタ２０からの出力が行われないように設定されているので、バッテリ４０が満充電状態となった場合は、回生エネルギーはキャパシタ２０に充電される。

　このように、電動走行準備用マップを用いることでバッテリ４０のＳＯＣを満充電状態にすることができ、電動走行を行う準備が整った。その後、コントローラ５０は、運転者による電動走行のためのスイッチの操作又はＧＰＳによる位置情報に基づいて、電動走行準備から電動走行へと制御を切り替え、バッテリ４０に充電された電力を用いてモータジェネレータ６０を駆動することにより、電動走行を行う。

　以上のように本発明の実施形態では、前述のように構成された充放電システムにおいて、コントローラ５０は、モータジェネレータ６０の駆動力のみによる電動走行を行う準備が指示された場合は、図２に示す通常時の充放電マップから図５に示す電動走行準備用マップに変更する。これにより、第１の充電装置であるキャパシタ２０から第２の充電装置であるバッテリ４０への充電のみを許可するように電力変換装置３０を制御する。

　このように制御することによって、バッテリ４０のＳＯＣを高く保持するように制御することができる。また、バッテリ４０とモータジェネレータ６０との間で直接充放電を行うことがないので、バッテリ４０に高頻度高出力の充放電が発生しないように制御することができる。このように、電動走行準備が指示された場合は、バッテリ４０のＳＯＣを満充電状態にまで上昇させてこれを保持することができるので、電動走行を行う場合に車両の走行距離を向上することができる。さらに、バッテリ４０に高頻度高出力の充放電が発生しないようにすることにより、バッテリ４０の寿命を向上することができる。

　また、コントローラ５０は、電動走行準備用マップに基づいて、バッテリのＳＯＣが小さいほどバッテリ４０を充電し、バッテリ４０のＳＯＣが大きくなると充電を制限するので、バッテリ４０のＳＯＣを高く保持するように制御することができると共に、バッテリ４０に高頻度高出力の充放電が発生しないように制御することができ、バッテリの寿命を向上できる。

　また、コントローラ５０は、運転者によるスイッチの操作によって、または、現在位置が電動走行を行う領域であると判定した場合は、モータジェネレータ６０の駆動力のみによる電動走行に切り換えるので、早朝や深夜帯、住宅街における走行の準備として、電動走行準備を行ってバッテリ４０を満充電状態としてから電動走行を行うので、エンジン８０の動作音及び排ガスを抑制することができる。

　なお、本発明の実施形態では、バッテリ４０をリチウムイオン二次電池として説明したが、これに限られず、鉛蓄電池やニッケル水素電池等の他の二次電池を用いてもよい。また、キャパシタ２０は、電気二重層キャパシタに限られず、リチウムイオンキャパシタ等、他のキャパシタを用いてもよい。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する主旨ではない。

Claims

　車両を駆動する駆動力源であって、車両の動力により発電を行う電動発電機と、
　車両を駆動する駆動力源であるエンジンと、
　前記電動発電機に電力を供給し、前記電動発電機が発電した電力を充電する第１の充電装置と、
　前記第１の充電装置に接続され、前記第１の充電装置の間で充放電が行われる第２の充電装置と、
　前記第１の充電装置と前記第２の充電装置との間の電圧を変換して互いの充放電を制御する電圧変換装置と、
　前記電動発電機及び前記電力変換装置の動作を制御する制御装置と、
　を備え、
　前記制御装置は、
　前記車両を駆動するときは、前記第１の充電装置に充電された電力を前記電動発電機に供給すると共に、前記第１の充電装置の充電状態と前記第２の充電装置の充電状態とに基づいて、前記第１の充電装置の電力を前記第２の充電装置に充電させる、又は、前記第２の充電装置の電力を前記第１の充電装置に充電させるように前記電力変換装置を制御し、
　前記電動発電機の駆動力のみによって前記車両を駆動する準備を行うことが指示された場合は、前記第１の充電装置から前記第２の充電装置への充電のみを許可するように前記電力変換装置を制御する
充放電システム。
　請求項１に記載の充放電システムにおいて、
　前記第１の充電装置はキャパシタにより構成され、
　前記第２の充電装置は二次電池により構成される
充放電システム。
　請求項１又は２に記載の充放電システムにおいて、
　前記制御装置は、
　前記電動発電機の駆動力のみによって前記車両を駆動することを決定したときは、前記第２の充電装置に充電された電力が大きいほど、前記第１の充電装置から前記第２の充電装置への充電が制限されるように前記電力変換装置を制御する
充放電システム。
　請求項１から３のいずれか一つに記載の充放電システムにおいて、
　前記制御装置は、前記車両の現在位置が所定の領域である場合に、前記電動発電機の駆動力のみによって前記車両を駆動することが指示される
充放電システム。
　請求項１から４のいずれか１つに記載の充放電システムにおいて、
　前記制御装置は、運転手からの操作があった場合に、前記電動発電機の駆動力のみによって前記車両を駆動することが指示される
充放電システム。
　車両を駆動する駆動力源であって、車両の動力により発電を行う電動発電機と、車両を駆動する駆動力源であるエンジンと、前記電動発電機に電力を供給し、前記電動発電機が発電した電力を充電する第１の充電装置と、前記第１の充電装置に接続され、前記第１の充電装置の間で充放電が行われる第２の充電装置と、前記第１の充電装置と前記第２の充電装置との間の電圧を変換して互いの充放電を制御する電圧変換装置と、前記電動発電機及び前記電力変換装置の動作を制御する制御装置と、
　を備える充放電システムにおける充放電方法であって、
　前記制御装置は、
　前記第１の充電装置に充電された電力を前記電動発電機に供給することにより前記車両を駆動し、
　前記電動発電機の駆動力のみによって前記車両を駆動する準備を行うこと指示された場合は、
　前記車両の車速と車両重量から、前記電動発電機による回生エネルギーによって前記第１の充電装置及び前記第２の充電装置を充電可能な充電可能エネルギーを計算し、
　前記第１の充電装置と前記第２の充電装置との空き容量を計算し、
　前記充電可能エネルギーが前記空き容量よりも小さい場合は、前記第１の充電装置から前記第２の充電装置への充電のみを許可するように前記電力変換装置を制御する
充放電方法。