JP2012125049A

JP2012125049A - 電気自動車の電源制御装置

Info

Publication number: JP2012125049A
Application number: JP2010273442A
Authority: JP
Inventors: 英行 ▲高▼橋; Hideyuki Takahashi
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2012-06-28

Abstract

【課題】車両の走行状態に応じて適切な電源を選択し、効率よく電動機の電源を使用することができるとともに、バッテリの劣化を防ぐことのできる電気自動車の電源制御装置を提供すること。
【解決手段】車両１が渋滞に突入している場合（Ｓ２）の充電時（Ｓ４）においては、キャパシタ充電率が上限値に達していない限り（Ｓ５）、電動機６の電源として電源選択部２２によりキャパシタ２０を選択することで、当該キャパシタに優先的に充電を行う（Ｓ６）。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気自動車の電源制御装置に係り、詳しくは電動機（モータ）を駆動源とし、当該電動機の電源としてバッテリ及びキャパシタを備えた電気自動車の電源切り換え制御技術に関する。

近年、車両の駆動源としてエンジンとともに電動機を備えたハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）や、電動機のみを駆動源とする電気自動車（ＥＶ）等がある。そして、当該電動機の電源としては主にバッテリを用いているが、キャパシタを用いることも可能である。
一般に当該電動機の電源には、大充電容量と軽量・小体積の両立、すなわちエネルギー密度の高さと、様々な加速・減速パターンに対応可能な充放電特性が同時に求められる。バッテリはエネルギー密度の点に於いて良好な特性を持つが、充放電時に発熱を伴う。そのため条件によっては、自己の発熱に対する保護回路による電力的な出力制限を加える必要が生じたり、あるいはバッテリ自体の劣化を生じるという特性も併せて持つ。そのような影響は、例えば大電流の充放電や、あるいは継続的な繰り返しの充放電により引き起こされる。一方で、キャパシタは大電流の充放電や繰り返しの充放電に適しており、良好な充放電特性を持つ。反面、エネルギー密度の面に於いてバッテリには及ばず、結果として当該電気自動車に搭載可能な充電容量はバッテリに比較して小さくなる。

このような両者の特性に着目して、大電流の発生する制動時にはキャパシタへの充電を行い、急速充電を回避すべくバッテリへの充電は非制動時に行う技術がある（特許文献１参照）。

特開２０１０−２０２１８９号公報

上記特許文献１では、運転者のアクセル操作及びブレーキ操作に応じてバッテリとキャパシタとの切り換えを行っており、アクセル操作がなくブレーキ操作が行われた制動時にキャパシタへの充電を行っている。
しかしながら、例えば、渋滞時等は断続的に発進及び停止を繰り返すためアクセル及びブレーキ操作が短時間に交互に繰り返されるため、上記特許文献１を適用すると、このような渋滞時にはバッテリとキャパシタとの間で電源の切り換えが頻繁に行われることとなり、却ってバッテリに負荷がかかるおそれがある。

このように、運転者の操作状態に応じて、電動機の電源としてバッテリとキャパシタとの切り換えを行うと、車両の走行する条件に応じてはバッテリに負荷をかけたり、電力消費の効率が悪化させたりするおそれがある。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、車両の走行状態に応じて適切な電源を選択し、効率よく電動機の電源を使用することができるとともに、バッテリの劣化を防ぐことのできる電気自動車の電源制御装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の電気自動車の電源制御装置では、車両を駆動する電動機の電源としてバッテリ及びキャパシタを備えた電気自動車の電源制御装置であって、前記車両の進路上にある渋滞を検出し、当該渋滞への自車両の突入を判定する渋滞判定手段と、前記電動機の電源として前記バッテリまたはキャパシタを選択する電源選択手段と、前記渋滞判定手段により自車両が渋滞に突入していると判定された場合には、前記電動機の電源を前記電源選択手段により前記キャパシタに切り換える電源切換制御手段と、を備えることを特徴としている。

請求項２の電気自動車の電源制御装置では、請求項１において、前記キャパシタの充電状態を検出するキャパシタ充電状態検出手段をさらに備え、前記電源切換制御手段は、前記渋滞判定手段により自車両が渋滞に突入していると判定され、前記キャパシタ充電状態検出手段により検出された前記キャパシタの充電状態が所定の範囲外にある場合には、前記電動機の電源を前記電源切換手段により前記バッテリに切り換えることを特徴としている。

上記手段を用いる本発明の請求項１の電気自動車の電源制御装置によれば、車両を駆動する電動機の電源としてバッテリ及びキャパシタを備えた電気自動車において、当該車両が渋滞に突入した場合には、電動機の電源を電源選択手段によりキャパシタに切り換える。したがって、渋滞走行中には優先的にキャパシタを用いて電動機への電力供給（放電）及び電動機からの充電を行うこととなる。

渋滞走行中は、発進及び停止を伴う加減速を頻繁に繰り返すため、電動機の電源は短い周期で充放電を繰り返すこととなるが、当該電源としてバッテリに比べて短期間に効率よく充放電を行うことができるキャパシタを選択することで、効率よく電力の消費及び回収を行うことができる。また、渋滞時にバッテリを用いないことで、充放電の繰り返しによるバッテリの劣化を防ぐことができる。

また、運転者の操作状態によらず、車両が渋滞に突入したか否かという車両の走行環境から優先的に使用する電源を選択することで、車両の運転状態に適した電源の選択を行うことができる。
請求項２の電気自動車の電源制御装置によれば、渋滞走行中にキャパシタの充電状態が所定の範囲外となった場合には、電動機の電源としてキャパシタを外すべく、電源選択手段によりキャパシタからバッテリに切り換える。

これによりキャパシタの過充電や充電不足を防ぎ、キャパシタの性能を維持することができる。

本発明に係る電気自動車の電源制御装置の一実施形態における全体構成を示した概略構成図である。本発明に係る電気自動車の電源制御装置の一実施形態における車両ＥＣＵが実行する制御ルーチンの一部を表したフローチャートである。図２に続く制御ルーチンを表したフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係る電気自動車の電源制御装置の概略構成図が示されている。
図１に示す車両１はパラレル式ハイブリッド型電気自動車であり、ディーゼルエンジン（以下、エンジンという）２の出力軸にクラッチ４の入力軸が連結されており、クラッチ４の出力軸には例えば永久磁石式同期電動機のように発電も可能な電動機６の回転軸を介して変速機８の入力軸が連結されている。また、変速機８の出力軸はプロペラシャフト１０、差動装置１２及び駆動軸１４を介して左右の駆動輪１６に接続されている。

なお、エンジン２は、一般的に自動車に用いられる原動機であり、ディーゼルエンジン以外のガソリンエンジンなどでも良く、ここでは特にその種類を問わない。
当該構成の車両１は、クラッチ４が接続されているときには、エンジン２の出力軸と電動機６の回転軸の両方が変速機８を介して駆動輪１６と機械的に接続され、クラッチ４が切断されているときには電動機６の回転軸のみが変速機８を介して駆動輪１６と機械的に接続される。

また、車両１には、電動機６の電源としてバッテリ１８及びキャパシタ２０が搭載されている。当該バッテリ１８は例えばリチウムイオン、ニッケル水素等の二次電池であり、キャパシタ２０は電気二重層キャパシタである。
これらバッテリ１８及びキャパシタ２０は電源選択部２２（電源選択手段）と電気的に接続されており、当該電源選択部はインバータ２４を介して電動機６と電気的に接続されている。

当該電源選択部２２は、バッテリ１８及びキャパシタ２０のうちいずれか一方を電動機６の電源として選択することが可能である。そして、電源として選択されたバッテリ１８またはキャパシタ２０からの直流電力はインバータ２４により交流電力に変換されて電動機６に供給される。
電動機６は、電力が供給されることによりモータとして作動し、その駆動力が変速機８によって適切な速度に変速された後に駆動輪１６に伝達されるよう構成されている。また、車両減速時には電動機６が発電機（ジェネレータ）として機能し、駆動輪１６から逆に伝達される駆動力により電動機６が交流電力を発電するとともに、このとき電動機６が発生する回生トルクにより駆動輪１６に減速抵抗が付与される。そして、この交流電力はインバータ２０によって直流電力に変換された後、電源選択部２２において電源として選択されたバッテリ１８またはキャパシタ２０に充電され、駆動輪１６の回転による運動エネルギが電気エネルギとして回収される。

一方、エンジン２の駆動力は、クラッチ４が接続されているときに電動機６の回転軸を経由して変速機８に伝達され、適切な速度に変速された後に駆動輪１６に伝達される。従って、エンジン２の駆動力が駆動輪１６に伝達されているときに電動機６がモータとして作動する場合には、エンジン２の駆動力と電動機６の駆動力とがそれぞれ変速機８を介して駆動輪１６に伝達されることになる。即ち、車両１の駆動のために駆動輪１６に伝達されるべき駆動力の一部がエンジン２から供給されるとともに、不足分が電動機６から供給されアシストされる。

また、バッテリ１８またはキャパシタ２０の充電率（ＳＯＣ：State of Charge）が低下してバッテリ１８またはキャパシタ２０を充電する必要があるときには、車両１の走行中であっても、電動機６を発電機として機能させるとともに、エンジン２の駆動力の一部を用いて電動機６を作動することにより発電が行われ、発電された交流電力をインバータ２０によって直流電力に変換した後に電源選択部２２において選択されたバッテリ１８またはキャパシタ２０に充電することが可能である。

また、バッテリ１８及びキャパシタ２０には、それぞれ対応したバッテリＥＣＵ２６及びキャパシタＥＣＵ２８が設けられている。
バッテリＥＣＵ２６は、バッテリ１８の温度、バッテリ１８の電圧、インバータ２４との間に流れる電流等を検出し、バッテリ１８の充電率を算出する。

キャパシタＥＣＵ２８は、キャパシタ２０の電圧、インバータ２４との間に流れる電流等を検出し、キャパシタ２０の充電率を算出する。
また、車両１には車両ＥＣＵ３０が設けられており、当該車両１の車両ＥＣＵ３０は、上記バッテリＥＣＵ２６、キャパシタＥＣＵ２８からの情報や、その他図示しない各種センサや各種装置からの情報が入力される。当該車両ＥＣＵ３０は入力された情報に基づき各種装置の制御を行う。

例えば、車両ＥＣＵ３０は車両の駆動に必要な駆動力を条件に応じてエンジン２と電動機６に分配し、各々の駆動力を制御する機能を有する。
また、車両ＥＣＵ３０には、ナビゲーションユニット３２（渋滞判定手段）が接続されており、当該ナビゲーションユニット３２からの情報に基づき上記電源選択部２２における電源切換制御等を行う。

ナビゲーションユニット３２は、外部からの情報を受信する情報受信ユニット３４と接続されている。当該情報受信ユニット３４は、例えば人工衛星からのＧＰＳ（Global Positioning System）信号を受信して自車両１の現在位置情報を受信するＧＰＳや、ＶＩＣＳを利用して路側ビーコンやＦＭ多重放送から自車両の進路上の渋滞の有無、発生位置、規模等の渋滞情報を受信する道路交通情報受信機等からなる。

ナビゲーションユニット３２は、予め地図情報が記憶されており、当該地図情報としては、道路の位置や幅、道路勾配、標高等の情報が含まれている。そして、当該ナビゲーションユニット３２は、情報受信ユニット３４により受信した情報と照合することで、自車両と渋滞との位置関係等を算出する。
車両ＥＣＵ３０は、ナビゲーションユニット３２より得られる渋滞情報等に基づき、電動機６の電源としてバッテリ１８またはキャパシタ２０に切り換える電源切換制御を行う。

以下、当該車両ＥＣＵ３０において実行される電源切換制御について詳しく説明する。
図２、３には、車両ＥＣＵにおいて実行される電源切換制御ルーチンを示すフローチャートが示されており、以下同フローチャートに沿って説明する。
図２のステップＳ１に示すように、車両ＥＣＵ３０はまずナビゲーションユニット３２から渋滞情報を取得する。

続くステップＳ２において、取得した渋滞情報から自車両が渋滞に突入しているか否かを判別する。自車両の進路上に渋滞が発生していない、または渋滞が発生していても自車両が当該渋滞に突入していない場合には当該判別結果は偽（Ｎｏ）となり、ステップＳ３に進む。
ステップＳ３では、車両ＥＣＵ３０は、電源選択部２２を通常制御する。当該通常制御とは、電動機６の電源としてバッテリ１８を主に用いるよう電源選択部２２を制御するものである。具体的には、通常制御時には車両ＥＣＵ３０は、バッテリ１８の充電率が所定範囲にある場合には電源選択部２２により電動機６の電源としてバッテリ１８を選択し、バッテリ１８の充電率が所定範囲外にあるときにはキャパシタ２０を選択するよう制御する。

一方、上記ステップＳ２において、自車両が渋滞に突入している場合には判別結果は真（Ｙｅｓ）となり、ステップＳ４に進む。
ステップＳ４では、車両１が減速しており、電動機６が発電機として機能して回生により電源に対し充電が行われるか否かを判別する。当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合は、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、キャパシタＥＣＵ２８から得られる情報に基づき、キャパシタ充電率が予め定められたキャパシタ充電率の上限値（例えば１００％）より小であるか否かが判別される。キャパシタ充電率が上限値より小であり、キャパシタ２０に充電可能である場合は、当該判別結果は真（Ｙｅｓ）となりステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、車両ＥＣＵ３０は、回生により得られたエネルギをキャパシタ２０に充電すべく、電源選択部２２によりキャパシタ２０を電源として選択し、当該ルーチンをリターンする。
一方、上記ステップＳ５において、キャパシタ充電率が上限値に達している場合には、判別結果は偽（Ｎｏ）となりステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、バッテリＥＣＵ２６から得られる情報に基づき、バッテリ充電率が予め定められたバッテリ充電率の上限値（例えば８０％）より小であるか否かを判別する。バッテリ充電率が上限値より小であり、バッテリ１８に充電可能である場合は、当該判別結果は真（Ｙｅｓ）となり、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８では、バッテリＥＣＵ２６から得られる情報に基づきバッテリ状態が良好であるか否かを判別する。これは例えばバッテリ１８の温度に基づき、バッテリ１８の劣化が激しくなる所定温度より小である場合は、バッテリ状態は良好であると判断し、判別結果は真（Ｙｅｓ）となり、ステップＳ９に進む。

ステップＳ９では、車両ＥＣＵ３０は、回生により得られたエネルギをバッテリ１８に充電すべく、電源選択部２２によりバッテリ１８を電源として選択し、当該ルーチンをリターンする。
一方、上記ステップＳ７またはステップＳ８において、判別結果が偽（Ｎｏ）となった場合、即ちバッテリ充電率が上限値以上であったり、バッテリ温度が所定温度以上等でバッテリ状態が良好でない場合には、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０では、車両ＥＣＵ３０は電動機６に対する回生駆動力の要求を停止する、あるいは電源選択部２２を中立状態として、回生により得られたエネルギをバッテリ１８やキャパシタ２０に充電する事を停止し、当該ルーチンをリターンする。
このように、渋滞走行中の充電時においては、キャパシタ充電率が上限値に達するまでは優先的に当該キャパシタ２０への充電を行う。キャパシタ充電率が上限値に達した後は、バッテリ１８が充電可能である場合は電源を当該バッテリ１８に切り換え、バッテリ１８が充電不可能な状態にある場合は充電を停止する。

一方、上記ステップＳ４において、充電時でない場合、即ち主に電源から電動機６に電力を供給する場合には、当該判別結果は偽（Ｎｏ）となり、図３のステップＳ１１に進む。
ステップＳ１１では、キャパシタＥＣＵ２８から得られる情報に基づき、キャパシタ充電率が予め定められたキャパシタ充電率の下限値（例えば１０％）より大であるか否かが判別される。キャパシタ充電率が下限値より大であり、キャパシタ２０が放電可能である場合は、当該判別結果が真（Ｙｅｓ）となりステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、車両ＥＣＵ３０は、キャパシタ２０からの放電（電力供給）により電動機６を駆動すべく、電源選択部２２によりキャパシタ２０を電源として選択するよう制御し、当該ルーチンをリターンする。
一方、上記ステップＳ１１において、キャパシタ充電率が下限値に達している場合には、判別結果は偽（Ｎｏ）となりステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、バッテリＥＣＵ２６から得られる情報に基づき、バッテリ充電率が予め定められたバッテリ充電率の下限値（例えば２０％）より大であるか否かを判別する。バッテリ充電率が下限値より大であり、バッテリ１８が放電可能である場合は、当該判別結果が真（Ｙｅｓ）となり、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４では、上記ステップＳ８と同様に、バッテリＥＣＵ２６から得られる情報に基づきバッテリ状態が良好であるか否かを判別する。当該判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合はステップＳ１５に進む。
ステップＳ１５では、車両ＥＣＵ３０は、バッテリ１８からの放電（電力供給）により電動機６を駆動すべく、電源選択部２２においてバッテリ１８を電源として選択するよう制御し、当該ルーチンをリターンする。

一方、上記ステップＳ１３またはステップＳ１４において、判別結果が偽（Ｎｏ）となった場合、即ちバッテリ充電率が下限値以下であったり、バッテリ温度が所定温度以上等でバッテリ状態が良好でない場合には、ステップＳ１６に進む。
ステップＳ１６では、バッテリ１８及びキャパシタ２０での放電を停止すべく、車両ＥＣＵ３０は電動機６への駆動力分配を停止する事により、車両の駆動を電動機６の駆動からエンジン２による駆動に切り換え、当該ルーチンをリターンする。

このように、渋滞走行中の放電時においては、キャパシタ充電率が下限値に達するまでは優先的に当該キャパシタ２０により放電を行う。キャパシタ充電率が下限値に達した後は、バッテリ１８が放電可能である場合は電源を当該バッテリ１８に切り換え、バッテリ１８が放電不可能な状態にある場合は放電を停止し、エンジン２のみで車両１を駆動する。

車両ＥＣＵ３０は、以上のような制御ルーチンを繰り返すことで、渋滞走行中には優先的にキャパシタ２０を用いて電動機６への放電（電力供給）及び電動機６からの充電を行う。
これにより、発進及び停止を伴う加減速を頻繁に繰り返し、電動機６の電源が短い周期で充放電を繰り返す渋滞走行中においても、当該電源としてバッテリ１８に比べて短期間に効率よく充放電を行うことができるキャパシタ２０を選択することで、効率よく電力の消費及び回収を行うことができる。また、渋滞時にバッテリ１８を極力用いないことで、充放電の繰り返しによるバッテリ１８の劣化を防ぐことができる。

また、運転者の操作状態によらず、車両１が渋滞に突入したか否かという車両の走行環境から優先的に使用する電源を選択することで、車両１の運転状態に適した電源の選択を行うことができる。
そして、渋滞走行中にキャパシタ２０の充電率が上限値から下限値の所定範囲外になった場合には、電動機６の電源として当該キャパシタ２０を外すべく、電源選択部２２によりキャパシタ２０からバッテリ１８に切り換える。これにより、キャパシタ２０の過充電や充電不足を防ぎ、キャパシタ２０の性能を維持することができる。

これらのことから本発明に係る電気自動車の電源制御装置は、車両１の走行状態に応じて適切な電源を選択し、効率よく電動機６の電源を使用することができるとともに、バッテリ１８の劣化を防ぐことができる。
以上で本発明に係る電気自動車の電源制御装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。

例えば、上記実施形態では、車両１は駆動源としてエンジン２と電動機４を備えたハイブリッド車両であるが、電動機のみを駆動源とする電気自動車にも本発明は適用可能である。
また、上記実施形態では、キャパシタ充電率が所定範囲外となった場合には（ステップＳ５、１１）、電源をバッテリ１８に切り換えているが、バッテリの劣化を確実に防ぐべく、渋滞走行中にはバッテリを使用しないようステップＳ５またはＳ１１の判別結果が偽（Ｎｏ）となった場合には、電源選択部２２を中立状態として、電源の充放電を停止するものとしても構わない。

１車両
２エンジン
４電動機
１８バッテリ
２０キャパシタ
２２電源選択部（電源選択手段）
２６バッテリＥＣＵ
２８キャパシタＥＣＵ
３０車両ＥＣＵ（電源切換制御手段）
３２ナビゲーションユニット（渋滞判定手段）
３４情報受信ユニット

Claims

車両を駆動する電動機の電源としてバッテリ及びキャパシタを備えた電気自動車の電源制御装置であって、
前記車両の進路上にある渋滞を検出し、当該渋滞への自車両の突入を判定する渋滞判定手段と、
前記電動機の電源として前記バッテリまたはキャパシタを選択する電源選択手段と、
前記渋滞判定手段により自車両が渋滞に突入していると判定された場合には、前記電動機の電源を前記電源選択手段により前記キャパシタに切り換える電源切換制御手段と、
を備えることを特徴とする電気自動車の電源制御装置。
前記キャパシタの充電状態を検出するキャパシタ充電状態検出手段をさらに備え、
前記電源切換制御手段は、前記渋滞判定手段により自車両が渋滞に突入していると判定され、前記キャパシタ充電状態検出手段により検出された前記キャパシタの充電状態が所定の範囲外にある場合には、前記電源選択手段により前記電動機の電源を前記バッテリに切り換えることを特徴とする請求項１記載の電気自動車の電源制御装置。