JP2008062722A - 直列ハイブリッド式電気自動車 - Google Patents

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Abstract

【課題】エンジンの回転数を最大効率ポイントに維持し、直流電源電圧変動を抑制する。
【解決手段】発電機の回転数を制御するコンバータ３と、直流電源電圧を制御するスロットル４と、直流電源電圧の大きな変動を抑制するためにキャパシタ１１の放電電流を制御するチョッパ１０を具備する。チョッパを介してキャパシタの充放電電流を制御することで、Ｖｄｃの大きな変動を抑制することができる。またバッテリ９の充放電電流も許容値以内に抑制することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、直列ハイブリッド式電気自動車の制御装置に関するものであり、特に直流電源電圧の安定化とエンジン負荷の急変を抑制したものである。
従来の直列ハイブリッド式電気自動車の全体ブロック図を図２に示し、この図に従って説明する。
エンジン１はスロットル４から供給される燃料Ｆで制御され、スロットル４はエンジン１が最大効率で運転できる回転数になるようにエンジン１の回転数Ｎ’をフィードバックして燃料Ｆを調整してエンジン１へ出力する。発電機２はエンジン１によって駆動され、コンバータ３は発電機２のトルクを制御することで発電された電力を調整して、その出力に接続されたコンデンサ５の電圧Ｖｄｃが所定値になるようにする。コンデンサ５に並列にインバータ６とバッテリ９が接続され、インバータ６はモータ７に電力を供給し、モータ７は車輪８を駆動する。バッテリ９は、コンデンサ５の電圧Ｖｄｃに応じて充放電される。モータ７は運転者の操作に応じたトルクで駆動される。
例えば、運転者が走行中に急加速を要求すると、モータ７が急に電力を必要とする。すると、コンバータ３の制御遅れのために電圧Ｖｄｃが下がるが、そうするとバッテリ９より放電電流が流れてＶｄｃの低下を小さく抑えることができる。また定常状態でもＶｄｃの指令を下げることでモータ７が必要とする電力をバッテリ９に分担させることができる。逆にバッテリ９の充電率が低くなった場合は、Ｖｄｃの指令を上げることで発電機２からの電力をモータ７に供給するとともにバッテリ９を充電することも可能である。
特開平１０−０８５６３６号公報
前述したようにモータ７が急に電力を必要とした場合、コンデンサ５の電圧Ｖｄｃが低下しそうになるので、コンバータ３が同じ電力を発電機２より吸収してＶｄｃを一定に保とうと動作する。すると、当然のことながらエンジン１の負荷が急に重くなるので、エンジン１の回転数が低下する。するとスロットル４によって回転数低下を抑制するように燃料が注入される。しかしながら、エンジンの種類または特性によっては、燃料注入からエンジン回転数までの応答が非常に遅いものがあり、それに要する時間が数秒のものがある。そうすると、エンジン１が停止してしまい、要求の電力を供給できなくなるので全ての電力をバッテリ９から供給することとなり、バッテリ９の放電電流が許容値を超えてしまう恐れがある。
コンバータ３のＶｄｃ電圧制御応答を遅くすると負荷急変時にエンジン１が停止する恐れは軽減されるが、やはりＶｄｃは低下するのでバッテリ９の放電電流が許容値を超えてしまう恐れがある。
バッテリ９が接続されていないシステムにおいて、モータ７が急に電力を必要とすると、エンジン１の応答が遅いことにより、急激な発電の電力増加が得られないので、Ｖｄｃの急低下となり、モータ７の駆動もできなくなってしまう。
逆に急ブレーキ操作をされると、モータ７より回生電力が急に増えるが、エンジン１からの発電量を急に下げることができないので、エンジン１からの発電とモータ７からの回生電力との総和をバッテリ９に充電することとなり、バッテリ９の充電電流が許容値を超えてしまう恐れがある。バッテリ９が無いシステムにおいてはＶｄｃが急峻に上昇し、過電圧によりコンバータ３やモータ７駆動のインバータ６が保護停止してしまう。
前述の問題点を解決するために本発明では、エンジンと、該エンジンに供給する燃料の量を調整するスロットルと、前記エンジンで駆動される発電機と、該発電機の出力を直流に変換して出力するコンバータと、該コンバータの出力に並列接続されているコンデンサと、該コンデンサを電源として車輪を駆動するモータに電力を供給するインバータと、前記コンデンサに並列接続されたバッテリとからなる直列ハイブリッド式電気自動車において、前記コンバータは前記エンジンが最大効率で運転できる回転速度となるように前記発電機のトルクを調整し、前記スロットルは前記コンデンサの電圧が所定値になるように前記エンジンに供給する燃料の量を調整し、前記コンデンサを電源として直流電流を出力するチョッパと、該チョッパ出力の直流電流で充放電されるキャパシタを具備し、前記チョッパは、前記コンデンサの電圧が所定範囲外となった場合や前記バッテリの充放電電流が所定範囲外となった場合に前記コンデンサの電圧や前記バッテリの充放電電流がそれぞれ所定範囲内になるように前記キャパシタの充放電電流を制御し、前記コンデンサの電圧が所定範囲内かつ前記バッテリの充放電電流が所定値範囲内の場合は前記キャパシタの電圧が徐々に所定値になるように前記キャパシタの充放電電流を制御することを特徴とする。
そして、前記バッテリを装備しないシステムにおいては、前記チョッパは、前記コンデンサの電圧が所定範囲外となった場合に前記コンデンサの電圧が所定範囲内になるように前記キャパシタの充放電電流を制御し、前記コンデンサの電圧が所定範囲内の場合は前記キャパシタの電圧が徐々に所定値になるように前記キャパシタの充放電電流を制御することを特徴とする。
さらに、前記コンバータは、前記エンジンが最大効率で運転できる回転速度となるように前記発電機のトルクを調整する際に、前記コンデンサの電圧が所定範囲内におさまるように前記発電機のトルクを制限する制限値を調整することを特徴とする。
従来技術のコンバータ３は、コンデンサ５の電圧Ｖｄｃの制御を行っていたが、それを本発明では発電機２の回転数を制御することで、負荷急変時に発電機２に直結されているエンジン１が停止する恐れがなくなる。本発明では、コンデンサ５の電圧Ｖｄｃの制御をスロットル４によって行い、エンジン１の応答が遅いので、負荷急変時にＶｄｃは大きな電圧変動となる恐れがあるが、チョッパを介してキャパシタの充放電電流を制御することで、Ｖｄｃの大きな変動を抑制することができる。またバッテリ９の充放電電流も許容値以内に抑制することが可能となる。
また、バッテリ９がなくても、チョッパを介してキャパシタの充放電電流を制御することでＶｄｃの大きな変動を抑制することができるだけでなく、回生電力を貯蔵することも可能となる。
キャパシタによる電力授受は、キャパシタ電圧が所定範囲内であれば有効に行えるが、キャパシタ電圧が非常に低い場合はキャパシタから電力供給ができなくなり、キャパシタ電圧が許容値を以上ではキャパシタが電力を吸収することができなくなるため、キャパシタによるＶｄｃ変動抑制ができなくなる。そのような場合でも、Ｖｄｃの低電圧や過電圧でコンバータ３やインバータ６が保護動作することが無いように、コンバータ３のトルク制限値を調整することで、Ｖｄｃが許容電圧範囲外とならないようにできる。
発電機を制御するコンバータを回転数制御とすることで、過渡時のエンジン停止およびエンジン急加速を避けることができ、スロットルを直流電圧制御とすることで、定常状態では直流電圧を調整可能とし、チョッパによりキャパシタ電流を制御することで直流電圧の過渡的な大きな変動を抑制することができた。
図１は、本発明装置の１実施例である。エンジン１はスロットル４から供給される燃料Ｆで制御され、スロットル４はコンデンサ５の電圧Ｖｄｃが所定値になるように燃料Ｆを調整してエンジン１へ出力する。発電機２はエンジン１によって駆動され、コンバータ３は発電機２のトルクを制御することでフィードバックした発電機２の回転数をエンジン１が最大効率で運転できる回転数となるようにする。その制御ブロック例を図３に示す。エンジン１が最大効率運転となる回転数指令Ｎｃと発電機２の回転数フィードバックとの差を加減算器３１で求め、回転数制御器３２で誤差増幅して、トルク制限器３３で制限されて発電機トルク制御器３４によって発電機２のトルクが制御される。これによって、エンジン１が最大効率で運転できる回転数で運転できるようになる。なおトルク制限器３３で用いるトルク制限値は、トルク制限演算器３５で求められる。トルク制限演算器３５は、コンデンサ５の電圧Ｖｄｃを入力し、Ｖｄｃが高い場合は発電機２を加速させる方向のトルク制限値Ｔｐは大きな値としているが、Ｖｄｃが低くなるとＴｐを徐々に小さくし、発電機２を減速させるトルクしか発生できないようにしている。Ｔｐをこのようにすることで、発電機２を減速させるトルクは発電電できるトルクなので、Ｖｄｃが低くなりすぎないようにできる。逆に発電機２を減速させる方向のトルク制限値ＴｎをＶｄｃが高くなるにつれて上げることで、Ｖｄｃが高くなりすぎないようにできる。つまりコンバータ３は、Ｖｄｃが所定範囲内であれば発電機２の回転数をエンジン1が最大効率で運転できる回転数に制御するが、Ｖｄｃが所定範囲外となればＶｄｃが所定範囲内となるように制御することができる。
コンデンサ５に並列にインバータ６とバッテリ９が接続され、インバータ６はモータ７に電力を供給し、モータ７は車輪８を駆動する。バッテリ９は、コンデンサ５の電圧Ｖｄｃに応じて充放電される。
またコンデンサ５にはチョッパ１０が接続され、チョッパ１０はキャパシタ１１の充放電電流Ｉｃを制御することができる。従って、チョッパ１０によってコンデンサ５側とキャパシタ１１との電力交換が可能となる。チョッパ１０の制御例を表したブロック図を図４に示す。キャパシタ１１の電圧Ｖｃとその電圧指令Ｖｃｃとの差を加減算器２０で求め、電圧制御器２１で増幅して、制限器２２と加算器２３と制限器２７を経過してキャパシタ１１の放電電流Ｉｃの指令Ｉｃｃとなる。チョッパ１０が指令Ｉｃｃ通りにキャパシタ１１の放電電流を制御することでキャパシタ１１の電圧Ｖｃを前記指令Ｖｃｃに近づけることができる。
電圧変動抑制指令発生器２６は、コンデンサ５の電圧Ｖｄｃを入力して、Ｖｄｃが所定値よりも低いと正の大きな電流指令を出力し、Ｖｄｃが所定値よりも高いと負の大きな電流指令を出力する。バッテリ電流抑制指令発生器２５は、バッテリ９の放電電流Ｉｂを入力してＩｂが負の所定値よりも低い場合（大きな電流でバッテリ９を充電している場合）は負の大きな電流指令を出力し、Ｉｂが正の所定値よりも大きい場合は正の大きな電流指令を出力する。電圧変動抑制指令発生器２６の出力Ｉｖｄｃとバッテリ電流抑制指令発生器２５の出力Ｉｂｃは加算器２４と加算器２３で制限器２２の出力と加算され、キャパシタ１１の放電電流指令Ｉｃｃとなる。ＩｖｄｃやＩｂｃの絶対値が制限器２２の制限値よりも十分に大きな値となり得るようにしておけば、Ｖｄｃが所定範囲外となった場合はＩｖｄｃが大きくなり、Ｖｄｃが所定範囲内に戻るような電流指令値Ｉｃｃが出力されるようになり、Ｉｂが所定範囲外となればＩｂｃが大きくなり、Ｉｂが所定範囲内に戻るような電流指令値Ｉｃｃが出力されるようになる。以上の構成で、チョッパ１０は、通常はキャパシタ１１の電圧が指令値となるように動作するが、ＶｄｃやＩｂが所定範囲外となればそれらが所定範囲内と戻すことを優先して動作する。なお制限器２７は、キャパシタ１１の電圧が所定範囲内になるようにキャパシタ放電電流指令を制限するものである。
直列ハイブリッド式電気自動車において、本発明により、急加速や急ブレーキ操作時に、出力制御応答の遅いエンジンを停止させたり高速回転させることなく高効率となる回転数で運転することが可能となり、車輪駆動用モータの直流電源電圧変動やバッテリの充放電電流を許容値内に抑制することができるので、ハイブリッド電気自動車の燃費を向上できる。
本発明の実施例を示した説明図である。（実施例１） 従来技術の実施例を示した説明図である。 本発明のコンバータの制御ブロック図である。 本発明のチョッパの制御ブロック図である。
符号の説明
１ エンジン
２ 発電機
３ コンバータ
４ スロットル
５ コンデンサ
６ インバータ
７ モータ
８ 車輪
９ バッテリ
１０ チョッパ
１１ キャパシタ
３１ 加減算器
３２ 回転数制御器
３３ トルク制限器
３４ 発電機トルク制御器
３５ トルク制限演算器
２０ 加減算器
２１ 電圧制御器
２２ 制限器
２３ 加算器
２４ 加算器
２５ バッテリ電流抑制指令発生器
２６ 電圧変動抑制指令発生器
２７ 制限器

Claims (3)

  1. エンジンと、該エンジンに供給する燃料の量を調整するスロットルと、前記エンジンで駆動される発電機と、該発電機の出力を直流に変換して出力するコンバータと、該コンバータの出力に並列接続されているコンデンサと、該コンデンサを電源として車輪を駆動するモータに電力を供給するインバータと、前記コンデンサを電源として直流電流を出力するチョッパと、該チョッパ出力の直流電流で充放電されるキャパシタと、前記コンデンサに並列接続されたバッテリとからなる直列ハイブリッド式電気自動車において、
    前記コンバータは前記エンジンが最大効率で運転できる回転速度となるように前記発電機のトルクを調整し、前記スロットルは前記コンデンサの電圧が所定値になるように前記エンジンに供給する燃料の量を調整し、前記チョッパは、前記コンデンサの電圧が所定範囲外となった場合や前記バッテリの充放電電流が所定範囲外となった場合に前記コンデンサの電圧や前記バッテリの充放電電流がそれぞれ所定範囲内になるように前記キャパシタの充放電電流を制御し、前記コンデンサの電圧が所定範囲内かつ前記バッテリの充放電電流が所定値範囲内の場合は前記キャパシタの電圧が徐々に所定値になるように前記キャパシタの充放電電流を制御することを特徴とする直列ハイブリッド式電気自動車。
  2. 請求項１記載から前記バッテリを除いた直列ハイブリッド式電気自動車において、前記チョッパは、前記コンデンサの電圧が所定範囲外となった場合に前記コンデンサの電圧が所定範囲内になるように前記キャパシタの充放電電流を制御し、前記コンデンサの電圧が所定範囲内の場合は前記キャパシタの電圧が徐々に所定値になるように前記キャパシタの充放電電流を制御することを特徴とする直列ハイブリッド式電気自動車。
  3. 前記コンバータは、前記エンジンが最大効率で運転できる回転速度となるように前記発電機のトルクを調整する際に、前記コンデンサの電圧が所定範囲内におさまるように前記発電機のトルクを制限する制限値を調整することを特徴とする請求項1および２記載の直列ハイブリッド式電気自動車。
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