JP2010028963A - 電気自動車システム - Google Patents

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Abstract

【課題】環境温度に応じて最適なSOCの使用可能範囲を確保し、搭載されたバッテリの容量を有効に利用することができる電気自動車システムを提供する。
【解決手段】イグニッションがONされたら通信手段(カーナビゲーション)5によって位置情報及び日時情報を取得する。ECU4aは、カーナビゲーションが取得した位置情報及び日時情報とその位置情報から判断した標高とに基づいて、その地点の予想気温情報を検索する。次に、ECU4aは、予想気温情報に基づいてバッテリ1におけるSOCの使用可能な上限値と下限値を決定してSOCの使用可能範囲を拡大する。
【選択図】図5

Description

本発明は、バッテリを電源として走行する電気自動車やハイブリッド車両の温度情報に基づいて該バッテリを最適制御させるための電気自動車システムに関する。
電気自動車やハイブリッド車両などは数百Vといった高い電圧での充放電可能な二次電池としてバッテリを搭載している。バッテリは、一般的に、高い充電状態や高い電圧状態、逆に低い充電状態や低い電圧状態で使用すると、早期に劣化が進行するという特性がある。したがって、それぞれのバッテリの特性に応じて、使用できるSOC(State Of Charge:蓄電量)の上限値と下限値を設定し、最適な充電状態を維持している。(例えば、特許文献1参照)。
特開2007−311309号公報
しかしながら、このような従来の技術においては、最適な充電状態を維持するべく上限値と下限値を設けているため、使用可能なバッテリ容量が減少してしまうことになる。言い換えると、必要なバッテリ容量を実現するには余分にバッテリを搭載する必要がある。その結果、電気自動車に搭載するバッテリが大型化してしまい、車両の小型・軽量化を阻害する要因となる。また、使用可能なSOCの範囲が限定されるため、ハイブリッド車両などにバッテリが搭載された場合において、燃費向上のために使用できるバッテリのエネルギ量が少なくなり、結果的に、車両の効率が悪化してしまう。さらに、電気自動車などにバッテリが搭載された場合は、充電できるSOCの範囲が狭くなるため、結果的に車両の航続距離が短くなってしまう。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、蓄電装置(バッテリ)の温度などに応じて最適なSOC(や電圧)の使用可能範囲を確保し、搭載されたバッテリの容量を有効に利用することができる電気自動車システムを提供することを目的とする。
前記課題を解決するため、請求項1に係る発明の電気自動車システムは、蓄電装置の温度又は外気の温度が低くなるにつれて、蓄電装置の使用可能範囲を拡大させる。
このような構成によれば、バッテリ(蓄電装置)が高いSOC(蓄電量)又は高い電圧状態であっても、低温の環境下では蓄電装置の劣化が抑制できることを利用して、低温時に蓄電装置の使用領域(使用可能範囲)を拡大させることで、蓄電装置の容量を有効利用することができる。通常、蓄電装置は劣化限界などの理由によりSOCが40〜60%程度の範囲内で使用されるが、本発明による蓄電装置の最適制御を導入することにより、SOCの使用可能範囲が拡大されるため、蓄電装置の小型化が可能であり、かつ、走行モータの回生電力のエネルギを有効に回収することができる。
なお、電気自動車システムでは、外気の温度が高ければ、蓄電装置の温度は高くなる傾向がある。また、外気の温度が低ければ、蓄電装置の温度は低くなる傾向がある。
また、請求項2に係る発明の電気自動車システムにおいては、前記外気の温度は、気象予報情報又は気象観測データから取得するように構成されている。
つまり、車両の温度センサではなく、例えば、カーナビゲーションや携帯電話などの通信手段によって外気の温度を取得する。もちろん通信を介さないでも、気象観測データを車両に搭載することで取得できる。
また、請求項3に係る発明の電気自動車システムにおいては、温度が低くなるにつれて前記使用可能範囲の上限値を上昇させるように構成されている。
このような構成によれば、SOCの使用可能範囲が拡大するので、蓄電装置に対してより多くの蓄電量を蓄えることが可能となる。
また、請求項4に係る発明の電気自動車システムにおいては、前記温度が低くなるにつれて前記使用可能範囲の下限値を下降させるように構成されている。
このような構成によれば、SOCの下限値が低くなるので、蓄電装置からより多くの放電電力を引き出すことができる。
また、請求項5に係る発明の電気自動車システムにおいては、使用可能範囲拡大手段は、使用可能範囲を拡大させる範囲を100パーセントとして、蓄電量又は電圧値の使用範囲をパーセントによって算出するように構成されている。
このような構成によれば、SOCの使用可能範囲をパーセントで算出することにより、拡大したSOCの範囲に対応した残容量算出をパーセント表示で行うことができ、車両の蓄電装置の制御をより効率的に行うことが可能となる。
また、請求項6に係る発明の電気自動車システムにおいては、走行モータに電力を供給する発電装置が蓄電装置に並列接続されたハイブリッド車両であることを特徴とする。
このような構成によれば、蓄電装置におけるSOCの使用可能範囲の拡大にともない、車両の過大な電力要求に対しても蓄電装置によって対応が可能となり、発電装置の効率が悪化する領域での発電を防止することができるので、車両の燃費向上が期待できる。
また、請求項7に係る発明の電気自動車システムにおいては、走行モータに電力を供給する発電装置が蓄電装置に並列接続されたハイブリッド車両において、使用可能範囲拡大手段が使用可能範囲の上限値を上昇させたとき、発電装置の発電量を増加させて蓄電装置に充電を行うことを特徴とする。
このような構成によれば、蓄電装置の蓄電量又は電圧値の使用可能範囲の上限値上昇が行われたときの、見かけのSOC低下による蓄電装置の制御の誤動作を防止することができる。
また、請求項8に係る発明の電気自動車システムにおいては、発電装置は反応ガスを供給することによって発電する燃料電池であって、この燃料電池は、低温時に反応ガスを過剰に供給して発電量を増加させることで暖機する暖機手段を備え、蓄電装置は、暖機手段の実行時における発電電力を使用可能範囲拡大手段により使用可能範囲を拡大させた領域に少なくとも一部を蓄電するように構成されている。
このような構成によれば、電気自動車システム内の抵抗負荷などで暖機時に発生した電力を消費することがなくなり、電力の有効利用を図ることができる。また、暖機時に発生した電力の受け入れ先の容量が増加するため、暖機運転を長時間にわたって行うことができる。
また、請求項9に係る発明の電気自動車システムにおいては、走行モータが充電装置を兼ねるように構成されている。
このような構成によれば、走行モータの回生電力を蓄電装置に蓄電することができる。
本発明によれば搭載された蓄電装置の容量を有効に利用することができる電気自動車システムを提供することができる。
本実施形態の電気自動車は、バッテリ(蓄電装置)に設置されているセンサによって、バッテリの温度を取得するか、GPS(Global Positioning System)などのカーナビゲーションや携帯電話などの通信手段によって、車両の現在位置における外気の温度(以下「気温」という)の情報を取得するか、現在位置の情報や現在の日時情報などを取得し、その情報をバッテリ制御に使用することにより、SOC(蓄電量)の使用可能範囲を広げて高効率かつ長寿命でバッテリを使用できるようにしたものである。すなわち、本実施形態は、温度に基づいてバッテリのSOCを最適制御するバッテリ最適制御システムを実現する電気自動車を提供するものである。以下、本実施形態の電気自動車におけるバッテリ最適制御システムの技術的手法について、電気自動車を例に挙げて幾つかの実施形態を詳細に説明する。なお、各図面において同一の構成要素は同じ符号を付し、且つ重複する説明は可能な限り省略する。
《第1の実施形態》
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電気自動車システムの構成図である。この電気自動車システム10aは、電気自動車の駆動用電源となるバッテリ(蓄電装置)1と、バッテリ1の直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータ2と、インバータ2から出力された三相交流電圧によって回転駆動して電気自動車を走行させる走行モータ3と、電気自動車システム10a全体の制御を行うECU(Electronic Control Unit:使用可能範囲決定手段、蓄電装置温度取得手段及び使用可能範囲拡大手段)4とを備えて構成されている。なお、バッテリ1は、リチウム−イオン電池などの単位セルが組み合わされた組電池によって例えば250Vの高圧電圧を発生する。
第1の実施形態では、バッテリ1は、図示しないバッテリボックスに収納されており、バッテリ1の温度は、蓄電装置温度取得手段が、バッテリボックスの中の雰囲気の温度を測定するか、バッテリ1の温度を直接測定するなどにより取得される。ちなみに、バッテリボックスは、換気されるのが一般的である。また、このバッテリボックスの温度(バッテリ1の温度)は、気温が高くなれば高くなり、気温が低くなれば低くなる傾向がある。
なお、電気自動車の降坂中や減速中においては、図示しないトランスミッションを介して走行モータ3が回転させられ、この走行モータ3に回生電力が発生する。この回生電力は、インバータ2の逆変換作用によって直流電圧に変換されてバッテリ1に充電されるように構成されている。つまり、走行モータ3は、回生電力をバッテリ1に供給することにより、充電装置を兼ねることができる。
ECU4は、バッテリ1に設置されている電流センサ12から電流I、電圧センサ11から電圧V及び温度センサ13(蓄電装置温度取得手段)から温度Tを検出してバッテリ1におけるSOCの上限値と下限値を計算し、そのSOCの上限値と下限値の範囲をSOCの使用可能範囲として、インバータ2から目標電圧を出力させるようにバッテリ制御を行う。すなわち、ECU4は、バッテリ1の温度Tを直接検出して、バッテリ1の電流I及び電圧Vに対応して使用可能なSOCの上限値と下限値を決定し、SOCの使用可能範囲内でバッテリ制御を行う。なお、ECU4は、SOCの上限値と下限値の代わりに、バッテリ1の上限電圧と下限電圧を決定してその電圧の範囲内でバッテリ制御を行うこともできる。
次に、図1に示す温度センサ13によって取得したバッテリ1における温度情報に基づいてバッテリ制御を行う処理の流れを説明する。図2は、本発明の第1の実施形態において、温度センサによって取得した温度情報に基づいてバッテリ制御を行う処理の流れを示すフローチャートである。
図2において、ECU4は、電気自動車のイグニッションがONされたか否かを判断し(ステップS1)、イグニッションがONされていなければ(ステップS1でNo)、ONされるまで待つ。一方、イグニッションがONされたら(ステップS1でYes)、ECU4は、温度センサ13によってバッテリ1の温度情報を取得する(ステップS2)。
次に、ECU4は、取得した温度情報により、バッテリ1におけるSOCの使用可能な上限値と下限値を決定してSOCの使用可能範囲を設定する(ステップS3)。そして、ECU4は、SOCの使用可能範囲内でバッテリ1の制御を行い、インバータ2を介して走行モータ3を駆動制御して電気自動車を走行運転させる(ステップS4)。
ちなみに、SOCの使用可能範囲が広がった場合、回生発電による充電を多く行えるようになるので燃費が向上する。
次に、ECU4は、電気自動車のイグニッションがOFFされたか否かを判断し(ステップS5)、イグニッションがOFFされていなければ(ステップS5でNo)、ステップS2に戻って前記した処理を繰り返す。一方、イグニッションがOFFされていれば(ステップS5でYes)、ECU4は、通信手段(カーナビゲーション)5が取得した位置情報及び日時情報とに基づいてその地点の予想気温情報(未来時刻における予想気温)を後記する方法で取得し、その予想気温情報により、次回の運転開始のためにバッテリ1の充電目標SOCを設定する(ステップS6)。ここで、気温を予想するのはイグニッションOFFで温度センサ13によるバッテリ1の温度の検出ができなくなったり、温度センサ13による温度検知を停止してイグニッションOFF後の12Vバッテリの消耗を防ぐためである。そして、バッテリ1のSOCがステップS6で設定された充電目標SOCに達していない場合、ECU4は、電気自動車(ハイブリッド車両)に備わっているエンジンで発電機を回して充電目標SOCに到達するまでバッテリ1の充電を行う。ちなみに、充電は、電力会社の商用電源(コンセント)から電力を得ることでも行うことができる。なお、ステップS6は、実行しなくてもよい。
ここで、温度センサを用いない気温情報の取得には、(1)過去の気象情報を用いる方式と、(2)気象予報情報を用いる方法とがある。
(1)過去の気象情報を用いる場合
前提として、次の3つの機能が車両側に備わっている。
1.現在の自身の位置情報(緯度・経度)を取得できるナビゲーション機能
2.現在の日時情報を取得できるカレンダ機能
3.位置情報と日時情報とに対応付けて、過去におけるその位置のその日時における気温(過去n年間の平均気温など)情報が登録されたデータベース機能
気温を知りたいとき、ナビゲーション機能が、現在の自身の位置情報を取得するとともに、カレンダ機能により現在の日時情報を取得する。そして、ECU4は、取得した位置情報と日時情報とでデータベースを検索して気温の情報(予想気温情報)を取得する。該当する位置に対応する気温の情報がデータベースにない場合、ECU4は、最も近い位置の気温の情報をデータベースから取得し、取得した気温を該当する位置及び日時における予想気温情報とする。日時についても同様であり、該当する日時の気温の情報がないとき、ECU4は、最も近い日時の気温の情報(時刻まで考慮した情報)をデータベースから取得し、その気温の情報を予想気温情報とする。
(2)気象予報情報を用いる場合
前提として、次の2つの機能を車両側に備えている。
1.現在の自身の位置(緯度・経度)を取得できるナビゲーション機能
2.現在の日時情報を取得できるカレンダ機能
3.位置を基に、その位置における気象予報情報(現在の気象情報を含む)を提供する図示しないシステム(気象システム)から通信機能を用いて気象予報情報を取得する機能
気温を知りたいとき、まず、ナビゲーション機能が、現在の自身の位置情報を取得するとともに、カレンダ機能により現在の日時情報を取得する。そして、カーナビゲーションなどの通信手段5は、取得した位置情報及び日時情報を気象システムに送信する。気象システムは、送信された位置情報及び日時情報を基に該当する位置における気象予報情報(気温情報を含む)を通信手段5へ送信する。該当する位置に対応する気象予報情報がないとき、気象システムは、最も近い位置、近い日時の気象予報情報を通信手段に送信する。ECU4は、通信手段5に送信された気象予報情報に含まれる気温の情報を予想気温情報として取得する。
図3は、バッテリの温度(バッテリ温度)と劣化限界SOCの上限値との関係を示す特性図であり、横軸にバッテリ温度、縦軸に劣化限界SOCの上限値を表わしている。ここで、劣化限界SOCとは、これ以上の値となるとバッテリの劣化が進むSOCである。この図は、バッテリの温度に応じてSOCの使用可能な上限値(劣化限界SOCの上限値)が変化する特性を示している。すなわち、この特性図から分かるように、バッテリの温度が高くなるにつれてSOCの使用可能な上限値が低くなり、バッテリの温度が低くなるにつれてSOCの使用可能な上限値が高くなる傾向を示している。
図4は、バッテリの温度(バッテリ温度)と劣化限界SOCの下限値との関係を示す特性図であり、横軸にバッテリ温度、縦軸に劣化限界SOCの下限値を表わしている。この図は、バッテリの温度に応じてSOCの使用可能な下限値(劣化限界SOCの下限値)が変化する特性を示している。すなわち、この特性図から分かるように、バッテリの温度が高くなるにつれてSOCの使用可能な下限値が高くなり、バッテリの温度が低くなるにつれてSOCの使用可能な下限値が低くなる傾向を示している。
すなわち、図1に示すECU4は、バッテリ1の温度Tを直接検出し、図3及び図4の特性図に基づいて、バッテリ1から検出した温度Tに応じてSOCの使用可能な上限値と下限値とを決定している。そして、ECU4は、SOCの使用可能範囲内においてバッテリ1の電圧Vと電流Iを検出しながらバッテリ制御を行い、インバータ2に対して制御指令信号を与えている。これにより、インバータ2は、バッテリ1におけるSOCの上限値と下限値との使用可能範囲内において、制御指令信号に対応した目標電圧を出力して走行モータ3を回転駆動させる。そして、走行モータ3が電気自動車を所望の速度で走行させる。
(第1の実施形態の効果)
本発明の第1の実施形態によれば、バッテリ1の劣化が抑制される低温環境下において、バッテリ1の使用領域を拡大させることで、バッテリ1の容量を有効利用できる。これに伴い、バッテリ1の小型化や、走行モータ3の回生電力の回収を増やすことができる。
《第2の実施形態》
図1に示す第1の実施形態の電気自動車システムの構成では、ECU4(図1)が、バッテリ1の温度T(又はバッテリボックス内の雰囲気温度)を直接検出し、温度Tに対応したSOCの上限値と下限値とに基づいてバッテリ制御を行っているが、図5を参照して詳細を後記する第2の実施形態の電気自動車システム10bでは、蓄電装置温度取得手段としてのECU4aは、通信機能を有しているカーナビゲーションなどの通信手段を備えている。これにより、ECU4aは、通信手段が取得した位置情報や日時情報を基に、気温に関する情報である予想気温情報を取得し、この予想気温情報によって求められたSOCの上限値と下限値とに基づいてバッテリ制御を行う。
なお、この第2実施形態は、バッテリ1の温度は、気温が高くなれば高くなり、逆に気温が低ければ低くなるという前記した傾向を利用した制御を行う実施形態である。また、この第2実施形態は、気温に関する情報を車両に搭載する温度センサで測定するのではなく、外部から取得して制御に利用する実施形態である。
図5は、本発明の第2の実施形態に係る電気自動車システムの構成図である。図5に示す電気自動車システム10bの構成が図1の電気自動車システム10aと異なるところは、カーナビゲーションなどの通信手段5がECU4aに接続されている点である。
すなわち、電気自動車システム10bのカーナビゲーション(通信手段5)は、図示しないGPS衛星からの電波を受信して自身の地球上での位置(緯度、経度及び標高)を割り出す機能を有し、あわせて日時情報を取得する機能を有する。そして、ECU4aは、通信手段(カーナビゲーション)5が割り出した位置情報や、日時情報を基にその位置、その日時の気温の情報である予想気温情報を取得し、その予想気温情報に基づいて、使用可能なSOCの上限値と下限値を決定する。さらに、ECU4aは、そのSOCの使用可能範囲内においてバッテリ1の電圧Vと電流Iを検出しながらバッテリ制御を行っている。なお、ECU4aは、SOCの上限値と下限値との代わりに、バッテリ1の上限電圧と下限電圧とを決定してその電圧の範囲内でバッテリ制御を行うこともできる。
次に、予想気温情報に基づいてバッテリ制御を行う処理の流れを説明する。図6は、本発明の第2の実施形態において、予想気温情報に基づいてバッテリ制御を行う処理の流れを示すフローチャートである。
図6において、ECU4aは、電気自動車のイグニッションがONされたか否かを判断し(ステップS11)、イグニッションがONされていなければ(ステップS11でNo)、ONされるまで待つ。一方、イグニッションがONされたら(ステップS11でYes)、ECU4aの制御に基づいて、通信手段(カーナビゲーション)5は、位置情報、日時情報などを取得する(ステップS12)。そして、ECU4aは、当該位置情報、日時情報などにより予想気温情報を取得する(ステップS13)。取得方法は、第1実施形態において前記した方法(1)及び(2)のうちのいずれかである。
次に、ECU4aは、取得した予想気温情報により、バッテリ1におけるSOCの使用可能な上限値と下限値とを決定してSOCの使用可能範囲を設定する(ステップS14)。この場合のSOCの上限値と下限値を求める方法は、前記した第1の実施形態で述べたように図3及び図4の特性図を用いて行う方法と同じであるので、重複する説明は省略する。つまり、第2実施形態におけるSOCの上限値と下限値は、図3及び図4の横軸が予想気温になった図を用いて算出される。そして、ECU4aは、SOCの使用可能範囲内でバッテリ1の制御を行い、インバータ2を介して走行モータ3を駆動制御して電気自動車を走行運転させる(ステップS15)。
次に、ECU4aは、電気自動車のイグニッションがOFFされたか否かを判断し(ステップS16)、イグニッションがOFFされていなければ(ステップS16でNo)、ステップS12に戻って前記した処理を繰り返す。一方、イグニッションがOFFされていれば(ステップS16でYes)、ECU4aは、通信手段(カーナビゲーション)5が取得した位置情報及び日時情報により、その地点の未来時刻における予想気温情報(現在時刻から先の予想気温情報)を取得し、その予想気温情報に基づいて、次回の運転開始のためにバッテリ1の充電目標SOCを設定する(ステップS17)。未来時刻における予想気温情報の取得方法は、第1実施形態で前記した(1)及び(2)のうちのいずれかと同様の方法であり、位置と日時とを参考にその位置において、その日に予想される最高気温の情報などを取得し、その最高気温の情報などを予想気温情報とする。そして、バッテリ1のSOCがステップS17で設定された充電目標SOCに達していない場合、ECU4aは、電気自動車(ハイブリッド車両)に備わっているエンジンで発電機を回して充電目標SOCに到達するまでバッテリ1の充電を行う。ちなみに、充電は、電力会社の商用電源(コンセント)から電力を得ることでも行うことができる。逆に、SOCが適切な範囲を超えているような場合、ECU4aは、バッテリ1の蓄電電力を放電させる。
例えば、東京において、7月30日の午前10時にイグニッションがOFFにされた場合、予想気温情報を取得し、その日の最高気温が35℃となることがわかり、また、SOCが、その温度に対応する充電目標SOCをオーバしてしまうときは、イグニッションOFF後にもSOCが充電目標SOCとなるまで、ECU4aが、バッテリボックスのファンを回してSOCを低下させるとともに、温度が上昇しないようにする。その際には、ECU4aが、バッテリ1からダウンコンバータ(図示せず)を介して12V機器であるファンをまわす。又は、バッテリ1からダウンコンバータを介して12Vバッテリ(図示せず)に充電し、12Vバッテリを利用してファンをまわしてもよい。このようにして、ECU4aは、その35℃に対応したSOCになるように充電(放電)を行う。ちなみに、夏場の気温が35℃であれば、バッテリ1の温度はそれよりも高くなるので、そのことを考慮するものとする。
ちなみに、ステップS12〜S15における予想気温情報は、現在時刻に対応したものであり、ステップS17における予想気温情報は、未来時刻に対応したものである。
また、最高気温になるときの気象が、晴れ、曇り、雨などであるのかという情報も取得して制御に反映してもよい。例えば、晴れのときは気温以上にバッテリ温度が高くなると思われるので、ECU4aは、そのようなことを反映した制御を行う。また、例えば、雨のときは気温以上にバッテリ温度が高くなることはないと思われるので、ECU4aは、そのようなことを反映した制御を行う。なお、この処理は、前記した第1実施形態にも適用できる。
図7は、電気自動車を停止させた後に次回の運転開始のために残しておくSOCと予想気温との関係を示す特性図であり、横軸に予想気温、縦軸に動作終了時の充電目標SOCを表わしている。すなわち、図7に示すように、次回の運転開始のためのバッテリ1の充電目標SOCは、通信手段(カーナビゲーション)5が取得した予想気温が低いほど高く設定し、予想気温が高くなるほど低く設定する。もちろん、前記のとおり、晴れ、曇り、雨の種別を考慮した特性図としてもよい。
図8は、本発明の第2の実施形態において、携帯電話などの通信手段によって取得した予想気温情報に基づいてバッテリ制御を行う処理の流れを示すフローチャートである。すなわち、このフローチャートは、カーナビゲーションの機能を使用しないで、携帯電話などの通信手段5が外部データを受信して予想気温情報を取得する処理の流れを示している。
図8において、ECU4aは、電気自動車のイグニッションがONされたか否かを判断し(ステップS21)、イグニッションがONされていなければ(ステップS21でNo)、ONされるまで待つ。一方、イグニッションがONされたら(ステップS21でYes)、携帯電話などの通信手段5が、気象システムなどから現在位置、現在日時における外部データとして予想気温情報を取得する(ステップS22)。
次に、ECU4aは、通信手段5が取得した予想気温情報により、バッテリ1におけるSOCの使用可能な上限値と下限値を決定してSOCの使用可能範囲を設定する(ステップS23)。SOCの使用可能範囲の設定方法は、図6のステップS14と同様の方法であるため、説明を省略する。そして、ECU4aは、SOCの使用可能範囲内でバッテリ1の制御を行い、インバータ2を介して走行モータ3を駆動制御して電気自動車を走行運転させる(ステップS24)。
次に、ECU4aは、電気自動車のイグニッションがOFFされたか否かを判断し(ステップS25)、イグニッションがOFFされていなければ(ステップS25でNo)、ステップS22に戻って前記した処理を繰り返す。イグニッションがOFFされていれば(ステップS25でYes)、図6において説明したように、ECU4aは、通信手段(携帯電話など)5が取得した位置情報及び日時情報により、その地点の未来時刻における予想気温情報(現在時刻から先の予想気温情報)を取得し、その予想気温情報に基づいて、次回の運転開始のためにバッテリ1の充電目標SOCを設定する(ステップS26)。未来時刻における予想気温情報の取得方法は、第1実施形態で前記した(1)及び(2)のうちのいずれかと同様の方法であり、位置と日時とを参考にその位置において、その日に予想される最高気温の情報などを取得し、その最高気温の情報などを予想気温情報とする。そして、バッテリ1のSOCがステップS26で設定された充電目標SOCに達していない場合、ECU4aは、電気自動車(ハイブリッド車両)に備わっているエンジンで発電機を回して充電目標SOCに到達するまでバッテリ1の充電を行う。ちなみに、充電は、電力会社の商用電源(コンセント)から電力を得ることでも行うことができる。。逆に、SOCが適切な範囲を超えているような場合、ECU4aは、バッテリ1の蓄電電力を放電させる。
ちなみに、ステップS22〜S24における予想気温情報は、現在時刻に対応したものであり、ステップS26における予想気温情報は、未来時刻に対応したものである。
また、前記したように最高気温になるときの気象が、晴れ、曇り、雨などであるのかという情報も取得して制御に反映してもよい。例えば、晴れのときは気温以上にバッテリ温度が高くなると思われるので、ECU4aは、そのようなことを反映した制御を行う。また、例えば、雨のときは気温以上にバッテリ温度が高くなることはないと思われるので、ECU4aは、そのようなことを反映した制御を行う。
すなわち、前記した図7に示すように、次回の運転開始のためのバッテリ1の充電目標SOCの上限値は、通信手段5又はカーナビゲーションが検索した予想気温が低いほど高く設定し、予想気温が高くなるほど低く設定する。なお、図7の横軸は、通信手段5又はカーナビゲーションが検索した予想気温の代わりに、第1の実施形態で述べたようなバッテリ1から直接検出した温度であってもよい。
(第2の実施形態の効果)
本発明の第2の実施形態によれば、バッテリ1の温度と気温に関連性があることを利用して、気温(イグニッションONのときは現在時刻の予想気温/イグニッションOFF時のときは将来時刻における予想気温(最高気温))に応じて、バッテリ1の使用可能範囲を変更することにより、効率的にバッテリ1の使用可能範囲を拡大できる。また、実測に比べバッテリ1の発熱や、他の車載電気機器の熱の影響を受けないため、安定した使用可能範囲を設定できる。
《第3の実施形態》
本発明に係る第3の実施形態では、電気自動車に搭載される燃料電池システムについて説明する。図9は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この燃料電池システム20は、例えば、燃料電池6とバッテリ1とを電源として走行するハイブリッド車両などに利用される。
なお、この第3実施形態も、前記した第2実施形態と同様に、バッテリ1の温度は、気温が高くなれば高くなり、逆に気温が低ければ低くなるという前記した傾向を利用した制御を行う実施形態である。また、この第3実施形態は、気温を車両に搭載する温度センサで測定するのではなく、外部から取得して制御に利用する実施形態である。
図9に示すように、燃料電池システム20は、バッテリ1、インバータ2、走行モータ3、ECU4b、及び通信手段5に加えて、燃料電池6、電力分配装置7、燃料電池6へエアを供給するエアコンプレッサ8、及び燃料電池6へ水素を供給する水素供給装置9などを備えて構成されている。
この燃料電池システム20の主要な電力系統は、燃料電池6とバッテリ1とが電力分配装置7を介して並列に接続され、電力分配装置7から出力された直流電圧がインバータ2によって三相交流電圧に変換されて走行モータ3を駆動するように構成されているところである。そして、走行モータ3の駆動力がトランスミッション(図示せず)を介して駆動輪であるタイヤ(図示せず)に伝達され、電気自動車を走行させるように構成されている。
燃料電池6は、エアコンプレッサ8から供給されるエア(酸化剤ガス)と水素供給装置9から供給される水素ガスとの化学反応によって発電し、走行モータ3などの負荷に対し電力供給可能なものである。バッテリ1は、燃料電池6と並列に接続され、電力分配器7を介して、燃料電池6から発電電力を受けることによって充電可能であると共に、走行モータ3などの負荷に対して電力供給可能なものである。
また、燃料電池6は、低温時に反応ガスを過剰に供給して発電量を増加させることで暖機する暖機手段6aを備えている。したがって、バッテリ1は、暖機手段6aの実行時における発電電力をSOCの使用可能範囲に少なくとも一部を蓄電することができる。
電力分配装置7は、ECU4bによる出力電力の配分指令(配分割合)に基づいて、走行モータ3へ供給する燃料電池6とバッテリ1との出力電力の配分を行う。したがって、電力分配装置7にはDC(Direct current)/DCコンバータが内蔵されているが特に図示していない。また、走行モータ3は、トランスミッション(図示せず)を介して、タイヤ(図示せず)を回転駆動させて電気自動車を走行させる駆動力を発生させるものである。なお、車両の降坂中においては、トランスミッション(図示せず)を介して走行モータ3が回転させられ、その走行モータ3に回生電力が発生する。この回生電力はインバータ2の逆変換作用によって直流電圧に変換され、電力分配装置7を介してバッテリ1に充電されるように構成されている。
ECU4bは、バッテリ1に設置されている電流センサ12から電流I及び電圧センサ11から電圧Vを検出し、検出した電流Iや、電圧Vを基にバッテリ1のSOCを計算し、そのSOCの値に基づいて電力分配装置7に対して燃料電池6の出力電力とバッテリ1の出力電力の配分指令を行う。なお、通信手段5は、自身が有している通信機能を使用し、図示しないGPS衛星からの電波を受信して自身の地球上での位置(緯度、経度及び標高)を割り出す機能を有し、、あわせて日時情報を取得する機能を有する。さらに、ECU4bは、通信手段(カーナビゲーション)5が割り出した位置情報や、日時情報を基にその位置、その日時の気温の情報である予想気温情報を取得し、その予想気温情報に基づいて、使用可能なSOCの上限値と下限値を決定する。そして、ECU4bは、そのSOCの使用可能範囲内においてバッテリ1の電圧Vと電流Iとを検出しながらバッテリ制御を行う。なお、通信手段5は、ナビゲーション機能を備えたものであってもよいし、携帯電話やその他の通信機器などのような通信機能を備えたものであってもよい。さらに、ECU4bは、燃料電池6に設置されている電流センサ13から燃料電池6の出力電流を取得し、電圧センサ14から燃料電池6の出力電圧を取得し、温度センサ15から燃料電池6の温度を取得することができる。なお、ECU4bは、SOCの上限値と下限値との代わりに、バッテリ1の上限電圧と下限電圧とを決定してその電圧の範囲内でバッテリ制御を行うこともできる。
図10は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システムにおいて、カーナビゲーションによって取得した予想気温情報に基づいてバッテリ制御を行う処理の流れを示すフローチャートである。
図10において、ECU4bは、電気自動車のイグニッションがONされたか否かを判断し(ステップS31)、イグニッションがONされていなければ(ステップS31でNo)、ONされるまで待つ。一方、イグニッションがONされたら(ステップS31でYes)、ECU4bは、通信手段(カーナビゲーション)5によって位置情報、日時情報などを取得する(ステップS32)。さらに、ECU4bは、取得した位置情報や、日時情報などにより、その地点の予想気温情報を取得する(ステップS33)。予想気温情報の取得は、第1実施形態で前記した方法(1)及び(2)のうちのいずれかの方法で行われる。
次に、ECU4bは、取得した予想気温情報により、バッテリ1におけるSOCの使用可能な上限値と下限値を決定してSOCの使用可能範囲を設定する(ステップS34)。そして、ECU4bは、電気自動車が低温始動であるか否かを判断し(ステップS35)、低温始動であれば(ステップS35でYes)、エアコンプレッサ8の出力を増加して(ステップS36)燃料電池6の発電出力を増加させ、発電出力の増加分をバッテリ1の充電のために供給する。これは、低温であれば下限値が低下しており、SOCの範囲が拡大しているため、バッテリ1の充電可能量が拡大しているためである。低温始動であるか否かは、ステップS31におけるイグニッションON直後であり、かつ取得した予想気温情報が、所定の温度以下である否かをECU4bが判定することによって行われる。なお、低温始動でない場合は(ステップS35でNo)、ECU4bは、ステップS36をスキップして、エアコンプレッサ8の出力エアを増加させない。
次に、ステップS34で設定したSOCの使用可能範囲内でバッテリ1の制御を行い、インバータ2を介して走行モータ3を駆動制御して電気自動車を走行運転させる(ステップS37)。そして、電気自動車のイグニッションがOFFされたか否かを判断し(ステップS38)、イグニッションがOFFされていなければ(ステップS38でNo)、ECU4bは、ステップS32に戻って前記した処理を繰り返す。一方、イグニッションがOFFされていれば(ステップS38でYes)、図6において説明したように、ECU4bは、通信手段(カーナビゲーション)5が取得した位置情報及び日時情報により、その地点の未来時刻における予想気温情報(現在時刻から先の予想気温情報)を取得し、その予想気温情報により、次回の運転開始のためにバッテリ1の充電目標SOCを設定する(ステップS39)。未来時刻における予想気温情報の取得方法は、第1実施形態で前記した(1)及び(2)のうちのいずれかの方法であり、位置と日時とを参考にその位置において、その日に予想される最高気温の情報などを取得し、その最高気温の情報などを予想気温情報とする。そして、バッテリ1のSOCがステップS39で設定された充電目標SOCに達していない場合、ECU4bは、燃料電池6を作動させて、充電目標SOCに到達するまでバッテリ1の充電を行う。ちなみに、充電は、電力会社の商用電源(コンセント)から電力を得ることでも行うことができる。逆に、SOCが適切な範囲を超えているような場合、ECU4bは、バッテリ1の蓄電電力を放電させる。
例えば、札幌において、1月30日の夜8時にイグニッションがOFFにされた場合、予想気温情報を取得し、その日の最低気温が−15℃となることがわかれば、その−15℃に対応したSOCになるように充電(放電)を行う。ちなみに、冬場の気温が−15℃であれば、バッテリ1の温度はそれよりも高くなるので、そのことを考慮するものとする。
ちなみに、ステップS32〜S37における予想気温情報は、現在時刻に対応したものであり、ステップS39における予想気温情報は、未来時刻に対応したものである。
また、最高気温になるときの気象が、晴れ、曇り、雨などであるのかという情報も取得して制御に反映してもよい。例えば、晴れのときは気温以上にバッテリ温度が高くなると思われるので、ECU4bは、そのようなことを反映した制御を行う。また、例えば、雨のときは気温以上にバッテリ温度が高くなることはないと思われるので、ECU4bは、そのようなことを反映した制御を行う。
図11は、ECU4bがSOCに応じて燃料電池の発電出力(FC出力)を制御する処理の流れを示すフローチャートである。また、図12は、SOCと燃料電池の発電出力(FC出力)との関係を示す特性図であり、横軸にSOC、縦軸にFC出力を表わしている。
図11において、電気自動車のイグニッションがONされたか否かを判断し(ステップS41)、イグニッションがONされていなければ(ステップS41でNo)、ONされるまで待つ。一方、イグニッションがONされたら(ステップS41でYes)、ECU4bは、カーナビゲーション又は携帯電話などの通信手段5を介して位置情報、日時情報などにより予想気温情報を取得する(ステップS42)。
次に、ECU4bは、通信手段5が取得した予想気温情報に基づいて、バッテリ1におけるSOCの使用可能な上限値と下限値とを決定して、SOCの使用可能範囲を設定する(ステップS43)。そして、ECU4bは、新たに設定した使用可能な上限値及び下限値によるSOCの使用範囲を0〜100%とし、現在(拡大後)のSOCを算出する(ステップS44)。
次に、ECU4bは、予想気温情報に基づいて新たに設定した補正後のSOCに応じて燃料電池の発電出力(FC出力)を制御する(ステップS45)。すなわち、図12に示すSOCとFC出力との関係を示す特性図のように、SOCが高くなるにしたがってFC出力を低下させるように制御を行う。
次に、ECU4bは、ステップS45で決定したSOCの使用可能範囲内でバッテリ1の制御を行い、インバータ2を介して走行モータ3を駆動制御して電気自動車を走行運転させる(ステップS46)。そして、ECU4bは、電気自動車のイグニッションがOFFされたか否かを判断し(ステップS47)、イグニッションがOFFされていなければ(ステップS47でNo)、ステップS42に戻って前記した処理を繰り返す。一方、イグニッションがOFFされていれば(ステップS47でYes)、図6において説明したように、ECU4bは、通信手段5が取得した位置情報及び日時情報により、その地点の未来時刻における予想気温情報(現在時刻から先の予想気温情報)を取得し、その予想気温情報により、次回の運転開始のためにバッテリ1の充電目標SOCを設定する(ステップS48)。未来時刻における予想気温情報の取得方法は、第1実施形態で前記した(1)及び(2)のうちのいずれかと同様の方法であり、位置と日時とを参考にその位置において、その日に予想される最高気温の情報などを取得し、その最高気温の情報などを予想気温情報とする。そして、バッテリ1のSOCがステップS48で設定された充電目標SOCに達していない場合、ECU4bは、燃料電池6を作動させて充電目標SOCに到達するまでバッテリ1の充電を行う。逆に、SOCが適切な範囲を超えているような場合、ECU4bは、バッテリ1の蓄電電力を放電させる。
ちなみに、ステップS42〜S46における予想気温情報は、現在時刻に対応したものであり、ステップS48における予想気温情報は、未来時刻に対応したものである。
また、最高気温になるときの気象が、晴れ、曇り、雨などであるのかという情報も取得して制御に反映してもよい。例えば、晴れのときは気温以上にバッテリ温度が高くなると思われるので、ECU4bは、そのようなことを反映した制御を行う。また、例えば、雨のときは気温以上にバッテリ温度が高くなることはないと思われるので、ECU4bは、そのようなことを反映した制御を行う。
(第3の実施形態の効果)
本発明の第3の実施形態によれば、蓄電装置におけるSOCの使用可能範囲の拡大にともない、車両の過大な電力要求に対してもバッテリによって対応が可能となり、燃料電池の発電能力の上限値を超えて発電を行うことを防止することができるので、車両の燃費向上が期待できる。また、電気自動車システム内の抵抗負荷などで暖機時に発生した電力を消費することがなくなり、電力の有効利用を図ることができる。また、暖機時に発生した電力の受け入れ先の容量が増加するため、暖機運転を長時間にわたって行なうことができる。また、SOCの使用可能範囲が広がった場合、加速時に燃料電池の発電量の遅れが生じるときなど、バッテリ1から多く放電できるので、発電量の不足を補って、ドライバにパワー不足と思わせるような場面を少なくできる。
なお、請求項における使用可能範囲決定手段及び使用可能範囲拡大手段は、図2のフローチャートのステップS3、図6のフローチャートのステップS14、図8のフローチャートのステップS23、図10のフローチャートのステップS34、及び図11のフローチャートのステップS43によって実現される。また、請求項における温度検出手段は、温度センサ13、通信手段5、図2のフローチャートのステップS2、図6のフローチャートのステップS13、図8のフローチャートのステップS22、図10のフローチャートのステップS33、及び図11のフローチャートのステップS42によって実現される。。なお、本実施形態において気温情報(予想気温情報)を取得する際には、位置情報に加えて日時情報も必要であることは当然である。
《まとめ》
本発明の各実施形態による電気自動車、ハイブリッド車両及び燃料電池電気自動車によれば、温度が低いときには、バッテリのSOCの使用可能範囲を拡大することにより、効率的なバッテリの使用を可能とする。
また、本発明の各実施形態による電気自動車、ハイブリッド車両及び燃料電池電気自動車によれば、バッテリに設置した温度センサから取得したバッテリの温度情報を使用し、又は通信機能を有したカーナビゲーションや携帯電話どの通信手段を使用し、現在位置の予想気温情報を取得し、温度情報や予想気温情報に基づいて使用するSOCの上限値及び下限値の両方又は片方を変化させ、SOCの使用可能範囲を可変制御してバッテリ制御を行うことができる。あるいは、取得した温度情報や予想気温情報に基づいて、バッテリの上限電圧及び下限電圧の両方又は片方を変化させてバッテリ制御を行うこともできる。
さらに、本発明の各実施形態による電気自動車、ハイブリッド車両及び燃料電池電気自動車によれば、取得した温度情報や予想気温情報に基づいて、バッテリの容量を変化させてSOCを算出するバッテリ制御システムを実現したり、温度情報や予想気温情報に基づいて動作終了後におけるバッテリの充電目標SOCを決定するシステムを構築することもできる。
《効果》
一般的に、温度の高い状態でバッテリを高い充電状態や高電圧で放置するとそのバッテリが劣化し、温度が低いときにはバッテリの劣化が抑制されることが知られている。そこで、本発明の各実施形態における電気自動車システムは、バッテリの使用環境における温度を検知又は推測して、当該温度が低いときにはバッテリのSOCの下限値を引き下げ、SOCの上限値を引き上げることにより、SOCの使用可能範囲を広げてバッテリを使用している。これにより、バッテリの容量を有効に使用することが可能となり、かつバッテリ寿命が短縮することを防止することが可能となる。
また、検知又は予想した温度が低い環境下においてはバッテリの内部抵抗が増加するため、バッテリの出力電圧が制限されてSOCの使用可能範囲が狭くなってしまう。そこで、本発明の各実施形態における電気自動車システムは、検知又は予想した温度が低くなることが予想される場合には、電気自動車の動作終了時におけるSOCの下限値を高くするように制御することによって、次回の動作時における出力電圧を高くするようにして再起動を確保することができる。
なお、位置情報と日時情報を用いることとしたが、日時情報はかならずしも必須ではない。車両から位置情報を明示したアクセスがあった場合、アクセスを受けたシステム側で日時がわかるからである。
本発明の第1の実施形態に係る電気自動車システムの構成図である。 本発明の第1の実施形態において、温度センサによって取得した温度情報に基づいてバッテリ制御を行う処理の流れを示すフローチャートである。 バッテリ温度と劣化限界SOCの上限値との関係を示す特性図である。 バッテリ温度と劣化限界SOCの下限値との関係を示す特性図である。 本発明の第2の実施形態に係る電気自動車システムの構成図である。 本発明の第2の実施形態において、予想気温情報に基づいてバッテリ制御を行う処理の流れを示すフローチャートである。 電気自動車を停止させた後に次回の運転開始のために残しておくSOCと予想気温との関係を示す特性図である。 本発明の第2の実施形態において、携帯電話などの通信手段によって取得した温度予測情報に基づいてバッテリ制御を行う処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池システムにおいて、カーナビゲーションによって取得した予想気温情報に基づいてバッテリ制御を行う処理の流れを示すフローチャートである。 SOCに応じて燃料電池の発電出力(FC出力)を制御する処理の流れを示すフローチャートである。 SOCと燃料電池の発電出力(FC出力)との関係を示す特性図である。
符号の説明
1 バッテリ(蓄電装置)
2 インバータ
3 走行モータ
4、4a、4b ECU(使用可能範囲決定手段、蓄電装置温度取得手段及び使用可能範囲拡大手段)
5 通信手段
6 燃料電池(発電装置、充電装置)
6a 暖気手段
7 電力分配装置
8 エアコンプレッサ
9 水素供給装置
10a、10b 電気自動車システム
20 燃料電池システム

Claims (9)

  1. 蓄電装置と、
    充電装置と、
    前記蓄電装置から出力された電力の供給によって駆動する走行モータと、
    前記蓄電装置の蓄電量又は電圧値の使用可能範囲を決定する使用可能範囲決定手段と、
    前記蓄電装置の温度又は外気の温度が低くなるにつれて、前記使用可能範囲を拡大させる使用可能範囲拡大手段と
    を備えることを特徴とする電気自動車システム。
  2. 前記外気の温度は、気象予報情報又は気象観測データから取得すること
    を特徴とする請求項1に記載の電気自動車システム。
  3. 前記温度が低くなるにつれて前記使用可能範囲の上限値を上昇させることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電気自動車システム。
  4. 前記温度が低くなるにつれて前記使用可能範囲の下限値を下降させることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電気自動車システム。
  5. 前記使用可能範囲拡大手段は、拡大後の前記使用可能範囲を100パーセントとして、蓄電量又は電圧値の使用範囲をパーセントによって算出することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電気自動車システム。
  6. 前記走行モータに電力を供給する発電装置が前記蓄電装置に並列接続されたハイブリッド車両であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電気自動車システム。
  7. 前記走行モータに電力を供給する発電装置が前記蓄電装置に並列接続されたハイブリッド車両において、
    前記使用可能範囲拡大手段が使用可能範囲の上限値を上昇させたとき、前記発電装置の発電量を増加させて前記蓄電装置に充電を行うことを特徴とする請求項6に記載の電気自動車システム。
  8. 前記発電装置は反応ガスを供給することによって発電する燃料電池であり、
    前記燃料電池は、低温時に反応ガスを過剰に供給して発電量を増加させることで暖機する暖機手段を備え、
    前記蓄電装置は、前記暖機手段の実行時における発電電力を前記使用可能範囲拡大手段により使用可能範囲を拡大させた領域に少なくとも一部を蓄電することを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の電気自動車システム。
  9. 前記走行モータが前記充電装置を兼ねることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電気自動車システム。
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