JP2011167030A - 電動車両の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦ブレーキ装置と回生ブレーキ装置を協調制御する協調制動時において、回生制動トルクの変化に、摩擦制動トルクが一時的に追従できない状況が発生することを防止する。
【解決手段】バッテリ４８には、第２電動機１６を発電機として動作させて発電された回生電力が充電される。第２電動機１６以外に、このバッテリ４８と電力の授受を行う電気機器５８が車載されている。電気機器５８による負荷が変化すると、バッテリの入出力電力が制限されているために回生制動トルクが変化する場合がある。電気機器５８の負荷変化の速さを所定値以下に制限して、回生制動トルクの変化を抑制し、摩擦制動トルクが追従できるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、原動機として電動機を搭載した電動車両の制御装置に関し、特に回生ブレーキ装置と摩擦ブレーキ装置を協調して動作させる際の制御に関する。

原動機として電動機を搭載した電動車両が知られている。ここで「電動車両」は、原動機として電動機を備えた車両の意味で用い、車両に搭載したバッテリから電力が供給される電動機のみを備えた、いわゆる電気自動車や、原動機として内燃機関も備えたハイブリッド自動車を含む。電動車両においては、通常は車両を駆動する原動機として使用される電動機を、車両の制動時に発電機として使用し、発電された電力をバッテリに充電する回生制動が実用化されている。電動機とこれを制御する機器が回生ブレーキ装置となる。一方、電動車両は、通常のブレーキ装置、つまり摩擦力により制動トルクを得る摩擦ブレーキ装置も装備している。制動時には、回生ブレーキ装置と摩擦ブレーキ装置を共に動作させる協調制動制御が行われる。

車両に搭載されたバッテリに入力する電力およびバッテリから出力する電力は、バッテリおよび高電圧系の回路部品の保護のために所定の範囲内となるように制御される。この所定の範囲は、主に電池の蓄電状態（ＳＯＣ）および温度に基づき決定される。協調制動時においても、この入出力電力の制限を受ける。

特許文献１には、協調制動制御を行う車両が開示されている。

特開２００７−２７４８０４号公報

原動機としての電動機以外にバッテリとの電力の授受を行う電気機器が車両に搭載されている場合、これらの電気機器の入出力電力と電動機の入出力電力の総和が上述の所定範囲内にとなるように制御される。協調制動時において、電動機以外の電気機器の負荷が変化すると、電動機による発電電力（回生電力）を変化させなければならない場合がある。この発電電力の変化は、回生による制動トルクの変化となり、全体の制動トルクを維持しようとすれば、この変化を補うように摩擦ブレーキ装置の制動トルクを調整する必要がある。しかし、回生ブレーキ装置の制動トルクの変化と摩擦ブレーキ装置の制動トルクの変化が完全には同期しない場合があり、回生と摩擦による制動トルクの和（以下、総制動トルクと記す。）が変化し、ブレーキ操作に違和感が生じる場合がある。

本発明は、協調制動制御時における総制動トルクの変動を抑制することを目的とする。

本発明の電動車両の制御装置は、摩擦ブレーキ装置と回生ブレーキ装置を協調して用いる制動時に、車載されたバッテリと電力の授受を行う、制動時に発電機として動作する電動機以外の電気機器の負荷の変化の速さが所定値以下となるように、前記電気機器を制御する。

バッテリの入出力電力の変化が抑制され、回生制動トルクの変化の速さが抑えられ、総制動トルクの変動が抑制される。

本実施形態のシステム構成図である。 協調制動実行中の電動エアコンの制御に関するフローチャートである。 協調制動実行中の補機電気機器の制御に関するフローチャートである。 協調制動実行中の内燃機関の回転速度制御に関するフローチャートである。 協調制動実行中のシフトレバー操作に関するフローチャートである。 協調制動実行中の内燃機関の初爆時、燃料カット時の補正制御に関するフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、ハイブリッド車両の駆動系のシステム構成を示す図である。ハイブリッド駆動システム（以下、ＨＶシステム）１０は、原動機として、オットー機関、ディーゼル機関などの内燃機関１２と二つの電動機１４，１６を有する。電動機１４，１６は、車両の状態に応じて発電機としても機能する。第１電動機１４は、主に発電機として機能し、内燃機関１２に駆動されて発電を行い、発電された電力はバッテリ４８に充電される。また、内燃機関１２の回転速度の制御にも用いられる。さらに、内燃機関１２の始動時にクランク軸を回転させる電動機として機能する。第２電動機１６は、主に電動機として機能し、車両の駆動を行う。第２電動機１６のみで車両の駆動を行うことも可能である。また、車両の制動時においては、車体の慣性により駆動され発電を行う発電機として機能する。発電された電力は、バッテリ４８に充電される。

三つの原動機は、遊星歯車機構２０を有する動力分割機構１８に結合されている。具体的には、内燃機関１２は遊星歯車機構２０のプラネタリキャリア２２に、第１電動機１４はサンギア２４に、第２電動機１６は減速遊星歯車機構２８を介してリングギア２６に結合されている。プラネタリキャリア２２は、サンギア２４とリングギア２６の双方に噛み合うプラネタリピニオン３０を回転可能に支持している。これにより、三つの原動機は、遊星歯車機構２０の幾何学的な条件に従った関係を保って回転する。つまり、三つの原動機のうち、二つの回転速度が決定されれば、残りの一つの回転速度が決定される。第２電動機１６は、減速遊星歯車機構２８のサンギア３２に結合されており、リングギア３４は、動力分割に係る遊星歯車機構２０のリングギア２６に結合されている。減速遊星歯車機構２８のプラネタリキャリア３６は回転しないように固定されている。したがって、プラネタリキャリア３６に支持されるプラネタリピニオン３８は、公転運動は行わず、自転のみ許容される。二つの遊星歯車機構２０，２８のリングギア２６，３４は、減速ギア列４０の一つのギアに結合され、この減速ギア列４０、差動装置４２および駆動軸４３を介して駆動輪４４に結合されている。

第１および第２電動機１４，１６は、電動機制御ユニット４６により、それらの動作が制御される。電動機電子制御装置（電動機ＥＣＵ）５０は、昇圧コンバータ５２およびインバータ５４を制御してバッテリ４８と第１および第２電動機１４，１６の電力の授受を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６およびエアコン用インバータ５７は、車載された電気機器５８に所定電力を供給する。電気機器５８は、例えば電動空気調和装置（電動エアコン）のコンプレッサを駆動する電動機、クーリングファンのファンを駆動する電動機、室内や座席等の暖房を行う電気ヒータ、および灯火類などである。エアコン用インバータ５７は、電動エアコンの電動機に交流電力を供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、バッテリ４８の電圧を対象となる車載電装機器に使用される電圧まで下げ、これらの機器に電力を供給する。

運転者は、アクセルペダル６０、ブレーキ装置ペダル６２およびシフトレバー６４を操作して車両の運転を行う。これらの操作子の操作に基づき、車両制御装置６６が、原動機、ブレーキ装置、その他の装置の制御を行う。車両制御装置６６は、前述の電動機ＥＣＵ５０、バッテリ４８のＳＯＣ、温度などを監視するバッテリ監視ユニット６８、ブレーキ装置の制御を行うブレーキ装置電子制御装置（ブレーキＥＣＵ）７０、内燃機関の制御を行う内燃機関電子制御装置（内燃機関ＥＣＵ）７２、これらのＥＣＵを統合して走行制御を行うハイブリッド車両電子制御装置（ＨＶ−ＥＣＵ）７４を有する。

シフトレバー６４により、動力装置の動作状態が選択される。動作状態は、前進走行を行う状態（Ｄレンジ）、前進走行を行い、かつアクセルペダルを戻したときＤレンジより制動トルクが大きく制御される状態（Ｂレンジ）、後退走行を行う状態（Ｒレンジ）、内燃機関１２の出力が駆動輪に伝わらないようにする中立状態（Ｎレンジ）、および車両が動かないように駆動輪を間接的に固定する状態（Ｐレンジ）等である。

ＨＶ−ＥＣＵ７４は、電動機ＥＣＵ５０から電動機１４，１６の回転速度情報を得、一方、電動機ＥＣＵ５０に対して、電動機の発生すべきトルクの指令を行う。このトルク指令に基づき電動機ＥＣＵ５０は、昇圧コンバータ５２およびインバータ５４を制御して、所定のトルクが発生するように電動機１４，１６を制御する。ＨＶ−ＥＣＵ７４は、内燃機関ＥＣＵ７２から冷却水温、回転速度、暖機要求などの情報を得、一方、内燃機関ＥＣＵ７２に対して、内燃機関の発生すべき出力の指令を行う。この出力指令に基づき、内燃機関ＥＣＵ７２は、スロットル弁の開度、燃料噴射量、噴射時期などを制御して、内燃機関１２を制御する。

ブレーキＥＣＵ７０は、ブレーキペダル６２の操作量に基づき発生すべき総制動トルクを算出し、さらにこの総制動トルクを回生ブレーキ装置による制動トルク（回生制動トルク）と摩擦ブレーキ装置による制動トルク（摩擦制動トルク）に分配する。算出された回生制動トルクをＨＶ−ＥＣＵに送出し、ＨＶ−ＥＣＵ７４はこの情報を用いて電動機ＥＣＵ５０に対して電動機で発生すべきトルクを指令する。ブレーキＥＣＵ７０が要求した回生制動トルクと、ＨＶ−ＥＣＵ７４が電動機に対し実行するよう指令した回生制動トルクは異なる場合がある。例えば、バッテリがすでに満蓄電状態であり、回生により発電された電力を受け入れられないときには、ＨＶ−ＥＣＵ７４は電動機に対して発電を指令しない。ＨＶ−ＥＣＵ７４は、実際に指令した回生制動トルクをブレーキＥＣＵ７０に送出し、ブレーキＥＣＵ７０は、この情報に基づき、摩擦制動トルクを再算出する。ブレーキＥＣＵ７０は、この再算出された摩擦制動トルクに基づき、摩擦ブレーキ装置の油圧制御部７６の制御を行う。この油圧は、摩擦ブレーキ装置のブレーキパッド、ブレーキシューをブレーキディスク、ブレーキドラムに接触する圧力を与えるもので、この油圧を増減することにより、前記の算出された制動トルクを発生するようにする。

バッテリ監視ユニット６８は、バッテリ４８の電流、端子電圧、温度を監視し、この情報をＨＶ−ＥＣＵ７４に送出する。ＨＶ−ＥＣＵ７４では、この情報を基にバッテリ４８のＳＯＣを把握し、また入出力電力を制御する。ＨＶ−ＥＣＵ７４は、バッテリ４８および電動機制御ユニット４６内の電子部品などの高電圧部品を保護するために、バッテリ４８の入出力電力を所定の範囲内に制御する。以下では、バッテリ４８の入出力電力は、出力を正、入力を負として説明する。前記の高電圧部品保護のための所定範囲は、所定の入力電力Ｗin以上、所定の出力電力以下Ｗout 以下となる。入出力電力の下限値Ｗinおよび上限値Ｗout は、バッテリ監視ユニット６８で監視されるＳＯＣおよび温度に基づきＨＶ−ＥＣＵ７４が決定し、これに基づき電動機制御ユニット４６のインバータ５４等の制御が実行される。

電動車両の制動においては、車両駆動用の電動機を発電機として機能させることにより車両の有している運動エネルギを電気エネルギに変換することができ、この電気エネルギを蓄えておけば、駆動時に利用することができる。いわゆる、回生制動である。電動車両においては、通常のブレーキ装置、すなわち摩擦を利用した摩擦ブレーキ装置と、回生ブレーキ装置が併用されている。前述のように、本実施形態のＨＶシステムにおいても、両者のブレーキ装置が用いられ、制動時には、回生ブレーキ装置と摩擦ブレーキ装置を用いて必要な制動トルクを得ている。回生ブレーキ装置の発生可能な制動トルクは、前述のバッテリの電力下限値Ｗinに影響を受ける。すなわち、バッテリ４８のＳＯＣが１００％またはこれに近い場合、下限値Ｗinは、０または０に近い値であり、発電電力を大きくすることができない。つまり、電力下限値Ｗinを下回るような発電を行うことができない。このような場合は、摩擦ブレーキ装置による制動トルクを増量して、総制動トルクを確保する。なお、前述のように、バッテリ４８に入力する電力は負の値であるから、「回生電力（発電された電力）が下限値Ｗinを下回る」は、絶対値でみれは、回生電力が下限値Ｗinより大きな値となることを意味している。

本実施形態のＨＶシステム１０において、回生制動時に発電を行うのは、第２電動機１６である。一方、第２電動機１６以外にも、バッテリ４８と電力の授受を行う電気機器５８が備えられている。これらの電気機器５８と授受される電力も含め、バッテリ４８への入出力電力は上記の範囲すなわち下限値Ｗin以上、上限値Ｗout 以下に制御される。したがって、発生可能な回生制動トルクは電気機器５８の使用状態にも影響を受ける。

電力下限値Ｗinと、電動機の出力（電力）、電気機器の消費電力の関係は、次式となる。

Ｗin≦Ｐg ＋Ｐm ＋Ｐac＋Ｐdc＋・・・＝Ｔp ×Ｎp ＋Ｐac＋Ｐdc＋・・・ （１）
Ｐg ：第１電動機出力
Ｐm ：第２電動機出力
Ｐac：電動エアコン消費電力
Ｐdc：ＤＣ−ＤＣコンバータ消費出力（≒補機負荷出力）
Ｔp ：駆動トルク
Ｎp ：駆動軸回転速度

例えば、回生制動中、それまで運転していた電動エアコンが停止され、電動エアコン消費電力Ｐacが減少すると、式（１）の右辺が減少し、下限値Ｗinを下回る場合がある。この場合、第１または第２電動機の出力Ｐg,Ｐm を増加させて、下限値Ｗinを下回らないようにすることが考えられる。しかし、第１電動機１４は、内燃機関１２の速度調整機能を有しており、この機能を優先させるために、第１電動機の出力Ｐg を調整することは避けることが望ましい。したがって、電動エアコン停止に対応して第２電動機出力Ｐm を増加させることになる。回生制動中に第２電動機出力Ｐm を増加させるということは、第２電動機１６で発電している電力を減少させること、つまり回生制動トルクが減少することを意味する。この回生制動トルクの変化に合わせて、摩擦制動トルクを制御する必要があるが、摩擦制動トルクが短時間で追従できず、制動トルクの値が連続的にならない場合がある。この場合、総制動トルクが一時的に変動し、運転者が違和感を感じる場合がある。

本実施形態のＨＶシステム１０においては、電気機器５８の負荷が急に変化しないようにして、摩擦制動トルクの制御が追従できないような回生制動トルクの変化を防止している。以下、回生ブレーキ装置と摩擦ブレーキ装置を協調制御して制動を実行している際の電気機器５８等の制御について説明する。

図２は、協調制動実行中における電動エアコンの負荷制御に関するフローチャートである。協調制動が実行中かが判断され（Ｓ１００）、実行中であれば、電動エアコンの負荷（Ｐac）が変化する速さが所定値以下となるように制御する（Ｓ１０２）。この制御には、電動エアコンの負荷が変化しないようにする制御も含まれる。協調制動が実行中でなければ、電動エアコンの負荷に関し、通常の制御が実行される（Ｓ１０４）。なお、ここで「（変化する）速さ」は、増加（正）、減少（負）を考慮しない絶対値を表す。

例えば、電動エアコンがオンからオフに制御される場合、電動エアコン消費電力Ｐacは、正の値から０に減少する。一方、協調制動実行中にあっては第２電動機出力Ｐm は負の値であり、もし電動エアコン消費電力Ｐacが０になると、第２電動機出力と電動エアコン消費電力の和（Ｐm ＋Ｐac）は低くなり（絶対値は大きくなり）、電動エアコンがオフされることによって、電力下限値Ｗinを下回る場合がありえる。この場合には、第２電動機出力Ｐm を高くし（絶対値は小さくし）、電力下限値Ｗinを下回らないようにする必要がある。このときには、回生制動トルクが減少し、摩擦制動トルクがこの減少を補うまで、一時的に総制動トルクが減少する場合がある。この総制動トルクの一時的な減少が生じないように、図２に示された制御により、摩擦制動トルクが回生制動トルクの変化に追従可能な範囲で電動エアコンの負荷の変化が実行される。

また、逆に、電動エアコンがオフからオンに制御されるとき、第２電動機１６は、回生制動トルクを増加させることができる場合があるが、摩擦制動トルクがこの変化に追従できないときには、総制動トルクが一時的に増加することになる。この総制動トルクの一時的な増加が生じないように、電動エアコンがオフからオンとなる場合においても、電動エアコンの負荷が急に上昇しないよう制御される。

電動エアコンの負荷変化の速さは、一つのしきい値を設定し、これ以上とならないように制御してもよく、車速ごとに異なるしきい値を設定してもよい。車速が高くなると、電動エアコンの負荷の変化が大きくなっても、摩擦制動トルクが追従できる傾向があり、より速い負荷変化の速さを許容するようにできる。協調制動実行中において、このしきい値を超えるような速さの負荷変化とならないように電動エアコンは制御される。

図３は、協調制動実行中におけるクーリングファン、電気ヒータ等の補機の負荷制御に関するフローチャートである。これらの機器の負荷変化は、ＤＣ−ＤＣコンバータ出力Ｐdcの変化となる。協調制動が実行中かが判断され（Ｓ１１０）、実行中であれば、補機の負荷（Ｐdc）が変化する速さが所定値以下となるように制御する（Ｓ１１２）。この制御には、補機の負荷が変化しないようにする制御も含まれる。協調制動が実行中でなければ、補機の負荷に関し、通常の制御が実行される（Ｓ１１４）。

補機の負荷も、前述の電動エアコンの負荷と同様に、回生制動トルクの変化を引き起こす場合がある。この変化の速さを摩擦制動トルクの変化が追従できる程度とするため、補機の負荷の変化の速さを制限する。補機の負荷変化の速さは、一つのしきい値を設定し、これ以上とならないように制御してもよく、車速ごとに異なるしきい値を設定してもよい。

図４は、協調制動実行中における内燃機関１２の回転速度制御に関するフローチャートである。図１のＨＶシステムにおいては、第１電動機１４のトルクにより内燃機関１２の回転速度が制御される。例えば、第１電動機１４を発電機として機能させている場合、発電量を増加させることで、内燃機関１２の負荷が大きくなり、回転速度を減少させることができる。この第１電動機１４は、回生制動時に発電機として機能する第２電動機１６以外の、バッテリ４８と電力の授受を行う電気機器とみることができる。

まず、協調制動が実行中かが判断され（Ｓ１２０）、実行中であれば、内燃機関の回転速度の変化の速さが所定値以下となるように制御する（Ｓ１２２）。この制御には、内燃機関の回転速度が変化しないようにする制御も含まれる。協調制動が実行中でなければ、内燃機関の回転速度に関して通常の制御が実行される。内燃機関の回転速度の変化が抑制されるので、第１電動機出力Ｐg の変化が抑制される。これにより、回生制動トルクの変化が、摩擦制動トルクが追従できる程度となり、総制動トルクの変化が抑制される。内燃機関の回転速度の変化の速さは、一つのしきい値を設定し、これ以上とならないように制御してもよく、車速ごとに異なるしきい値を設定してもよい。

図５は、協調制動実行中にシフトレバーが操作されたときの制御に関するフローチャートである。例えば、シフトレバーがＤレンジからＢレンジとされた場合、制動トルク（エンジンブレーキに相当）を大きくするよう第２電動機１６の制御が実行されると、この制動トルクの増加に一時的に摩擦制動トルクが追従できない場合がある。これを防止するため、シフトレバー６４の操作がなされたときには、駆動軸４３上のトルクの変化の速さが所定値以下となるように制御する。まず、協調制動が実行中であるかが判断され（Ｓ１３０）、実行中においてシフトレバー６４が操作されると（Ｓ１３２）、駆動軸４３上のトルクの変化の速さが所定値以下となるように制御する（Ｓ１３４）。この制御には、駆動軸上のトルクが変化しないようにする制御も含まれる。協調制動実行中でないか、またはシフトレバーの操作がされなかったときには、通常制御が実行される（Ｓ１３６）。第２電動機１６の出力の変化が抑制されることにより、摩擦制動トルクが追従でき、総制動トルクの変化が抑制される。第２電動機の出力の変化の速さは、一つのしきい値を設定し、これ以上とならないように制御しても良く、車速ごとに異なるしきい値を設定してもよい。

図６は、協調制動実行中の内燃機関の制御に関するフローチャートである。通常であれば、内燃機関の始動にあたって振動低減のために初爆時に所定期間、所定量、第２電動機の出力を増加するよう補正制御される。また、燃料供給を停止（燃料カット）する際、振動低減のために所定期間、所定量、第２電動機の出力を減少するよう補正制御される。これにより、回生制動トルクが変化し、この変化に一時的に摩擦制動トルクが追従できない場合がある。これを防止するため、上記の内燃機関の初爆時の制御、燃料カット時の制御を禁止する。まず、協調制動が実行中であるかが判定され（Ｓ１４０）、実行中であれば、内燃機関の初爆時、燃料カット時の通常の補正制御を禁止する（Ｓ１４２）。協調制動が実行中でなければ通常の初爆時、燃料カット時の補正制御を可能とする。

以上は、内燃機関と２個の電動機を有するハイブリッド車両に関する説明であるが、上述の制御は、制動時に回生制動と摩擦制動を協調して制御する車両に広く適用することができる。例えば、内燃機関と１個の電動機を有するハイブリッド車両にも適用可能である。また、原動機として電動機のみを備えた車両においても、上述の制御のうち、内燃機関の制御に関連しない制御を適用することができる。

１０ ＨＶシステム、１２ 内燃機関、１４ 第１電動機、１６ 第２電動機、４３ 駆動軸、４８ バッテリ、５２ 昇圧コンバータ、５４ インバータ、５６ ＤＣ／ＤＣコンバータ、５８ 電気機器、６６ 車両制御装置。

Claims (1)

1. 原動機としての電動機と、摩擦により制動トルクを発生する摩擦ブレーキ装置と、前記電動機を発電機として動作させて発電された電力をバッテリに蓄える回生ブレーキ装置と、前記バッテリと電力の授受を行う、前記発電機として動作する電動機以外の電気機器と、を備えた電動車両の制御装置であって、
   摩擦ブレーキ装置と回生ブレーキ装置を協調して用いる制動時に、前記電気機器の負荷変化の速さが所定値以下となるように、前記電気機器を制御する、電動車両の制御装置。

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