JP2005033886A

JP2005033886A - ハイブリッド車両の制御装置

Info

Publication number: JP2005033886A
Application number: JP2003194691A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kobayashi; 真一小林; Satoshi Matsuda; 聡松田; Yasuo Kuwabara; 康雄桑原; Tetsuya Miyamoto; 徹也宮本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-07-10
Also published as: JP3886940B2

Abstract

【課題】簡単な構成で制御可能であり、比較的安価なハイブリッド車両の制御装置を提供する。
【解決手段】エンジン１に連結された発電機２と、発電機２からの出力を直流に変換し制御するコンバータ３と、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して接続されたバッテリー５とを備え、発電機２及びバッテリー５を動力源としてモータ８により駆動する構成において、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６は直流電圧レベルにより規定の充放電電流を直流電圧に供給する機能を有しており、コンバータ３が車両要求出力からバッテリー５が入出力する電力を足し引きして電力を制御するとともに、前記直流電圧レベルを操作することによりバッテリー出力を同時に制御可能とした構成とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッド車両の出力制御技術に関するものであり、特に、シリーズ方式ハイブリッド車両の出力制御を行う制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、複数の動力源を組み合わせ、状況に応じてその動力源を同時にまたは個々に作動させて走行するハイブリッド車両が知られている。使用する動力源や組み合わせの方法により、例えば以下に示す方式のハイブリッド車両が提案されている。
【０００３】
一つには、シリーズハイブリッド方式があり、これは、エンジンで発電機を回して発電された電力により、バッテリーを充電し、或いは走行エネルギーとして活用して走るものである。ここでは車輪を回すのはモータだけであり、エンジンは車輪を回さないことが特徴となっている。このように、シリーズハイブリッド方式では、エンジンは発電機を駆動するためにだけ使用される。また、車輪の駆動力は全てモータから供給され、動力の流れが直列であることから、シリーズ方式と呼ばれる。なお、エンジンは、最も効率の良い運転領域で使用される。
【０００４】
もう一つには、パラレルハイブリッド方式があり、これは、エンジンは走行を主体とし、場合により電池を充電する動力源として使用されるものである。エンジンに負荷がかかる発進や加速時にはモータが作動し、駆動力を補助する。このように、パラレルハイブリッド方式は、エンジンとモータの両方から駆動力を得るものであり、二つの駆動力を使い分けてそれぞれの短所を補っている。また、二つの動力源が並行して駆動に関与することから、パラレル方式と呼ばれる。
【０００５】
乗用車では、電気部品のコストが抑えられるパラレルハイブリッド方式が多く採用されており、一部、レイアウトの自由度の高さから、シリーズハイブリッド方式を適用した例が見られる。通常、インバータにはバッテリーが直付けされており、バッテリー電圧がそのままインバータ電源電圧となる。また、コンバータを介するものでも、インバータ電源電圧はほぼ一定に維持するように制御される（例えば、特許文献１〜特許文献４参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１１９８０８号公報
【特許文献２】
特開２０００−２１３３８６号公報
【特許文献３】
特開２０００−１９７２０７号公報
【特許文献４】
特開２０００−１７５３０６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の構成においては、バッテリーの着脱や増設或いは削減を考慮しておらず、システム制御上、常に規定のバッテリーである必要があり、バッテリーの制御或いは保護とシステムの制御のために、上位システムは細やかな制御を必要とされていた。そのため、システム制御装置の負荷が大きくなり、また複雑となっていた。
【０００８】
本発明は、このような問題点に鑑み、簡単な構成で制御可能であり、比較的安価な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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、エンジンに連結された発電機と、その発電機からの出力を直流に変換し制御するコンバータと、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続されたバッテリーとを備え、前記発電機及び前記バッテリーを動力源としてモータにより駆動する構成において、
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは直流電圧レベルにより規定の充放電電流を直流電圧に供給する機能を有しており、前記コンバータが車両要求出力から前記バッテリーが入出力する電力を足し引きして電力を制御するとともに、前記直流電圧レベルを操作することによりバッテリー出力を同時に制御可能としたことを特徴とする。
【００１０】
また、前記バッテリーは各々の前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して並列接続により複数設けることが可能であることを特徴とする。また、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記バッテリーの充電量と直流電圧レベルとにより、規定の充放電電流を直流電圧に供給する機能を有することを特徴とする。
【００１１】
また、前記エンジンとこれに連結された前記発電機の代わりに燃料電池を設け、前記コンバータの代わりに前記燃料電池の出力を制御する他のコンバータを設けたことを特徴とする。また、前記バッテリーの代わりに電気二重層コンデンサを設けたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明では、シリーズハイブリッド方式によるハイブリッド車両の制御装置を例示している。但し、これに限定される訳ではない。シリーズハイブリッド方式は、エンジンの出力を車輪に伝えるドライブシャフトが不用であるので、各部品のレイアウトの自由度が高い。
【００１３】
また、エンジンは、アクセルを踏んでから回転数が上がって出力が出てくるまでのタイムラグがあるが、バッテリーはこのようなタイムラグがない。そして、モータによる駆動のみであるので、スタートダッシュの機動性が良く、また機敏な動作を行わせることができる。その他、エンジンを止めてバッテリーだけでモータを駆動すれば、車両の発熱を抑えることができる。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係るハイブリッド車両の制御装置の概略構成を示すブロック図である。同図において、１はエンジンであり、２はこれに連結され回転駆動される発電機である。また、３は発電機からの交流を直流に変換するコンバータであり、発電機２と電気的接続されている。コンバータ３の出力端子であるａ端子，ｂ端子には、平滑コンデンサ４が並列接続されており、またバッテリー５が電圧変換用の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して同じく並列接続されている。
【００１５】
このようなバッテリー５と双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６の構成は、並列接続により複数設けることができる。さらに、７はコンバータ３及びバッテリー５からの直流をモータ用の交流に変換するインバータであり、入力端子であるｃ端子，ｄ端子がそれぞれコンバータ３の出力端子であるａ端子，ｂ端子に接続（並列接続）されている。そして、インバータ７にはモータ８が電気的接続されている。また、モータ８には車輪９が回転可能に連結されている。
【００１６】
コンバータ３の出力端子であるａ端子，ｂ端子間には、直流バス電圧Ｖｂｕｓがかかっている。バッテリー５用の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、この直流電圧レベルにより規定の充放電電流を直流電圧に供給する機能を有している。つまり、直流電圧レベルが高ければバッテリー５に対して充電し、低ければ放電する作用を行う。
【００１７】
一方、コンバータ３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、車両が要求する出力からバッテリー５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、直流電圧レベルを操作して間接的にバッテリー５からの出力を同時に制御可能としている。つまり、コンバータ３は直流バス電圧Ｖｂｕｓを制御してバッテリー５とモータ８を制御する。
【００１８】
ここで、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、上述したように、直流バス電圧によってバッテリー５が充電か放電かを決定する。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１の回転が上がってコンバータ３が出力すると、直流バス電圧が上がる。このときバッテリー５が充電として制御される。また、インバータ７が電力を吸収すると、直流バス電圧が下がるので、バッテリー５は放電として制御される。
【００１９】
そして、バッテリー５からの電力とコンバータ３からの電力を足したものをインバータ７がモータ８に出力する。このように、直流バス電圧を制御するだけでバッテリー５とモータ８を制御できる。バッテリー５自体の制御は双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６だけに任せられるので、コンバータ３は、運転者がどんな出力を車両にさせたいかの指令と、直流バス電圧を監視していれば良い。
【００２０】
図２は、本実施形態におけるバッテリー制御システムを模式的に示すブロック図である。同図に示すように、まず、バッテリー充放電電流制御ブロック１１では、入力された直流バス電圧Ｖｂｕｓに基づき、ブロック内のグラフのようにバッテリー５の充放電電流を制御（指令）する。図３に同グラフを拡大して示す。図３は、前記バッテリー充放電電流制御の一例を示すグラフである。同図の横軸に直流バス電圧Ｖｂｕｓを取っており、縦軸にバッテリー電流Ｉｂを取っている。またバッテリー電流Ｉｂは、放電側をプラスとし、充電側をマイナスとしている。
【００２１】
例えば、直流バス電圧Ｖｂｕｓが放電開始電圧（例えば６２０Ｖ）以下になると、バッテリー電流Ｉｂは放電状態となり、直線的に変化する。但し、直線的に変化することに限定されるものではなく、例えば曲線的に変化しても良い。そして、直流バス電圧Ｖｂｕｓが最大放電電流発生電圧（例えば６００Ｖ）になると、バッテリー電流Ｉｂは最大放電電流Ｉｂｍａｘ（例えば１００Ａ）となる。なお、直流バス電圧Ｖｂｕｓが最大放電電流発生電圧以下となっても、バッテリー保護のため、バッテリー電流Ｉｂは最大放電電流を保ったままであり、変化しない。
【００２２】
一方、例えば、直流バス電圧Ｖｂｕｓが充電開始電圧（例えば６７０Ｖ）以上になると、バッテリー電流Ｉｂは充電状態となり、直線的に変化する。但し、直線的に変化することに限定されるものではなく、例えば曲線的に変化しても良い。そして、直流バス電圧Ｖｂｕｓが最大充電電流発生電圧（例えば７００Ｖ）になると、バッテリー電流Ｉｂは最大充電電流−Ｉｂｍａｘ（例えば−１００Ａ）となる。なお、直流バス電圧Ｖｂｕｓが最大充電電流発生電圧以上となっても、バッテリー保護のため、バッテリー電流Ｉｂは最大充電電流を保ったままであり、変化しない。
【００２３】
図２に戻って、バッテリー充放電電流制御ブロック１１からのバッテリー電流指令値Ｉｂ＊と実際のバッテリー電流Ｉｂとが比較され、双方向ＤＣ／ＤＣ電流制御ブロック１２において、バッテリー電流Ｉｂが制御される。
【００２４】
図４は、本実施形態におけるコンバータ制御システムの実施例１を模式的に示すブロック図である。同図において、まず、例えば車両のアクセル，ハンドル，ブレーキ等からくる車両要求出力に基づき、直流バス電圧指令値演算ブロック１３において、直流バス電圧指令値が演算され、直流バス電圧指令値Ｖｂｕｓ＊が出力される。続いて、指令値と実際の直流バス電圧Ｖｂｕｓとが比較され、これに基づき直流バス電圧レギュレータブロック１４において、直流バス電圧が制御される。
【００２５】
一方、同じく車両要求出力に基づき、ＦＦ（フィードフォワード）トルク指令演算ブロック１５において、要求トルクが演算され、これが出力される。具体的には、以下の式により要求トルクが演算される。
（車両要求出力−バッテリー出力）／発電機回転数＝要求トルク
そして、フィードフォワードにより要求トルクが出力され、これと前述の制御された直流バス電圧とに基づき、実際の直流バス電圧Ｖｂｕｓを監視しつつ、コンバータトルク指令ブロック１６において、発電機のトルク指令値Ｔｇ＊を出力する。
【００２６】
以上のように、直流電圧を操作量とすることで、バッテリーの出力制御が同時に可能となる。バッテリーの出力制御や保護はバッテリー側に分担させるため、車両コントローラは駆動モータのインバータと発電機のコンバータへの指令だけで制御可能となり、制御装置が複雑にならず、比較的安価に済む。また、万一バッテリーユニットが所定の出力を出せなくなる不具合が生じても、コンバータが発電機出力を増加させて直流電圧を維持するため、車両運行を継続することができる。一方、発電機側が出力を出せなくなる不具合が生じても、直流電圧が変動してバッテリー側が動力を入出力するため、車両運行を継続することができる。
【００２７】
次に、本実施形態におけるコンバータ制御システムの実施例２を以下に示す。ここでは、基本構成は上記図４と同じであるが、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続されたバッテリーを追加又は削除した構成としている。つまり、上記図１において、二点鎖線で示したように、バッテリー５を双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して並列接続により複数（いくつでも）設け、或いは削除した構成となっている。
【００２８】
それぞれの双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、同じようにして直流バス電圧Ｖｂｕｓを監視している。そして、それぞれのバッテリー５がそれぞれの持てるパワーを電圧レベルに応じて出力する。この場合、搭載したバッテリーユニットの個数を予めデータ入力しておくと、それに対応した充放電電流の制御が行われる。なお、ＦＦトルク指令演算ブロック１５において、要求トルクは以下の式により演算される。
（車両要求出力−ｎ個のバッテリー合計出力）／発電機回転数＝要求トルク
【００２９】
これにより、バッテリーの増設，削除が容易なシステム構成になり、車両運行中のトラブル等で複数あるバッテリーユニットの一つが損傷しても、容易に運行継続可能となる。また、いくつかのバッテリーユニットが所定の出力を出せなくなるといった不具合が生じても、コンバータ３が発電機出力を増加させて直流電圧を維持するため、車両運行を継続することができる。
【００３０】
図５は、本実施形態におけるコンバータ制御システムの実施例３を模式的に示すブロック図である。本実施例では、上記図４に示した構成に加えて、直流バス電圧指令値演算ブロック１３に、ＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）即ちバッテリーの充電量を入力する構成となっている。ここでは双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、ＳＯＣと直流バス電圧レベルにより、規定の充放電電流を直流電圧に供給する機能を有する。これにより、バッテリーの過充電や過放電を防止することができる。なお、ＳＯＣの代わりにバッテリーや双方向ＤＣ／ＤＣコンバータからの熱を監視する構成としても良い。
【００３１】
その他、上記各実施例において、エンジンとこれに連結された発電機の代わりに燃料電池を設け、その出力を制御するコンバータを持つ構成としても良い。これにより、コンバータ以外の制御装置を変更することなく、環境に優しい車両に組み替えることができる。また、バッテリーの代わりに電気二重層コンデンサを用いた構成としても良い。これにより、バッテリー制御部に対してパラメータ変更程度の変更を加えるだけで、寿命が長い省メンテナンスのシステムを実現することができる。
【００３２】
加えて、各構成の動作指令用に、エンジン，コンバータ，インバータ等の各機器間に配線が施された通信系と、アナログ或いはディジタルのディスクリート系との２系統を持つ構成としても良い。なお、ディスクリート系は機器間配線の有無を問わない。これにより、通信系が正常な場合は通信により動作するが、通信系に不具合が生じた場合でも、個別にディスクリート系の設定と入力を与えておけば、電動機を駆動するインバータの操作だけでシステムを操作することが可能となり、車両運行継続性に対する信頼度が向上する。
【００３３】
また、前記ディスクリート系の信号生成に利用可能な出力電源、即ち制御電源の出力端子を持つ制御装置を、機器毎に持つ構成としても良い。これにより、ディスクリート系の設定を与える際に、ワイヤー等の入手しやすい受動部品を端子に繋ぐだけで構成することが可能であり、車両運行継続性に対する信頼度が更に向上する。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、簡単な構成で制御可能であり、比較的安価なハイブリッド車両の制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハイブリッド車両の制御装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】バッテリー制御システムを模式的に示すブロック図。
【図３】バッテリー充放電電流制御の一例を示すグラフ。
【図４】コンバータ制御システムの実施例１を模式的に示すブロック図。
【図５】コンバータ制御システムの実施例３を模式的に示すブロック図。
【符号の説明】
１エンジン
２発電機
３コンバータ
４平滑コンデンサ
５バッテリー
６双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
７インバータ
８モータ
９車輪
１１バッテリー充放電電流制御ブロック
１２双方向ＤＣ／ＤＣ電流制御ブロック
１３直流バス電圧指令値演算ブロック
１４直流バス電圧レギュレータブロック
１５ＦＦトルク指令演算ブロック
１６コンバータトルク指令ブロック

Claims

エンジンに連結された発電機と、該発電機からの出力を直流に変換し制御するコンバータと、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続されたバッテリーとを備え、前記発電機及び前記バッテリーを動力源としてモータにより駆動するハイブリッド車両の制御装置において、
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは直流電圧レベルにより規定の充放電電流を直流電圧に供給する機能を有しており、前記コンバータが車両要求出力から前記バッテリーが入出力する電力を足し引きして電力を制御するとともに、前記直流電圧レベルを操作することによりバッテリー出力を同時に制御可能としたことを特徴とするハイブリッド車両の制御装置。
前記バッテリーは各々の前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して並列接続により複数設けることが可能である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。
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記バッテリーの充電量と直流電圧レベルとにより、規定の充放電電流を直流電圧に供給する機能を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のハイブリッド車両の制御装置。
前記エンジンとこれに連結された前記発電機の代わりに燃料電池を設け、前記コンバータの代わりに前記燃料電池の出力を制御する他のコンバータを設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のハイブリッド車両の制御装置。
前記バッテリーの代わりに電気二重層コンデンサを設けたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のハイブリッド車両の制御装置。