JP2017081319A - ハイブリッド車両の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】模擬変速制御の際のバッテリの劣化を抑制する。
【解決手段】エンジン５０とモータジェネレータ４０とによって駆動されるハイブリッド車両１００の制御装置７０であって、車両の要求加速度が閾値を超えた場合に、変速機を備えるエンジン駆動車両のエンジン回転数の変化を模擬するようにエンジン５０の回転数を変化させる模擬変速制御において、模擬変速制御を行った際のバッテリ１０への充電電流に基づいてバッテリ１０の劣化指標値を算出し、劣化指標値が所定値を超えた場合に、バッテリ１０が充電されることを制限する充電制限手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンとモータとで駆動されるハイブリッド車両の制御装置に関する。

近年、エンジンとモータとを駆動源とするハイブリッド車両が多く用いられている。ハイブリッド車両では、最も効率が良くなるようにエンジンとモータの回転数を制御しているので、アクセルを大きく踏み込んだ場合でも、エンジンを一定回転させてモータの回転数を上げて加速するような動作を行う場合が多い。このため、従来のエンジン駆動車のように、例えば、３速から２速にシフトダウンしてエンジン回転数を上げて加速するというような動作をする従来のエンジン駆動車に慣れたドライバーが違和感を持つ場合がある。

そこで、運転者のアクセルの操作量に応じて変速段を模擬するように、目標エンジン回転数を設定し、その設定した目標エンジン回転数に基づいてエンジントルク、発電機回転数を制御し、エンジンと変速機を有する車両に慣れ親しんだ運転者にとって違和感のない走行制御を行う方法（模擬変速制御）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１７３３８９号公報

ところで、ハイブリッド車両で模擬変速制御により変速段の切換えの際を模擬するようにエンジン回転数を通常制御よりも高くした場合、モータは発電機として機能し、発電した電力はバッテリに蓄積される。しかし、バッテリの状態、例えば、温度、劣化度等によっては、電力がバッテリに流れ込むことでバッテリの劣化を促進させてしまう場合がある。

そこで、本発明は、模擬変速制御の際のバッテリの劣化を抑制することを目的とする。

本発明の制御装置は、エンジンとモータとによって駆動されるハイブリッド車両の制御装置であって、車両の要求加速度が閾値を超えた場合に、変速機を備えるエンジン駆動車両のエンジン回転数の変化を模擬するように前記エンジンの回転数を変化させる模擬変速制御において、模擬変速制御を行った際のバッテリへの充電電流に基づいてバッテリの劣化指標値を算出し、前記劣化指標値が所定値を超えた場合に、前記バッテリが充電されることを制限する充電制限手段を備えることを特徴とする。

本発明は、模擬変速制御の際のバッテリの劣化を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態における制御装置が搭載されるハイブリッド車両の系統を示す系統図である。 本発明の実施形態における制御装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態における制御装置が搭載されるハイブリッド車両の時間に対する車速の変化を示すグラフである。 本発明の実施形態における制御装置が搭載されるハイブリッド車両の時間に対するエンジン回転数の変化を示すグラフである。 本発明の実施形態における制御装置が搭載されるハイブリッド車両の時間に対するバッテリ電力の変化を示すグラフである。 本発明の実施形態における制御装置が搭載されるハイブリッド車両の時間に対するアクセル操作量の変化を示すグラフである。 バッテリが充放電を繰り返した際のハイレート劣化指標値ΣＤの変化を示すグラフである。 本発明の実施形態のバッテリの充電電流に対するバッテリ入力電力制限値のマップである。

以下、図面を参照しながら本実施形態の制御装置７０が搭載されたハイブリッド車両１００の構成について説明する。ハイブリッド車両１００は、エンジン５０と、エンジン５０の動力をモータジェネレータ４０と出力軸６１とに分配する動力分配機構６０と、出力軸６１にディファレンシャルギヤ６２を介して接続される駆動軸６３と、駆動軸６３に接続される駆動輪６４とを含んでいる。エンジン５０には回転数を検出するレゾルバ５３が取り付けられている。また、ハイブリッド車両１００は、バッテリ１０と、バッテリ１０の直流電圧を昇圧する昇圧コンバータ２０と、昇圧コンバータ２０から供給された直流電力をモータジェネレータ４０駆動用の交流電力に変換するインバータ３０とを含んでいる。バッテリ１０と昇圧コンバータ２０とは正極ライン１１、負極ライン１２とで接続され、正極ライン１１にはバッテリ１０の充放電電流Ｉｂを検出する電流センサ１６が取り付けられ、正極ライン１１と負極ライン１２との間には、バッテリ１０の電圧Ｖｂを検出する電圧センサ１５が配置されている。バッテリ１０には温度Ｔｂを検出する温度センサ１７が取り付けられている。昇圧コンバータ２０とインバータ３０とは正極ライン２１と負極ライン２２とで接続され、正極ライン２１と負極ライン２２との間には、平滑コンデンサ２３と昇圧後の電圧ＶＨを検出する電圧センサ２５が取り付けられている。インバータ３０とモータジェネレータ４０との間は、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相の動力線３１で接続されている。また、ハイブリッド車両１００の車内には、アクセルペダル６５が取り付けられている。なお、本実施形態では、バッテリ１０はリチウムイオン電池である。

レゾルバ５３、電圧センサ１５，２５、電流センサ１６、温度センサ１７、アクセルペダル６５の操作量の各信号は、制御装置７０に入力される。また、エンジン５０、インバータ３０、昇圧コンバータ２０は、制御装置７０の指令によって制御される。制御装置７０は、内部に演算処理或いは情報処理を行うＣＰＵ７１と、プロクラムや制御データ等を格納するメモリ７２とを含むコンピュータである。

以上の様に構成されたハイブリッド車両１００において、模擬変速制御を行った場合には、エンジン５０の回転数を上昇させた際に、モータジェネレータ４０は発電機として機能し、発電した電力はバッテリ１０に入力される。しかし、発電電力のバッテリ１０の状態によっては、バッテリ１０への電力の入力がバッテリ１０の劣化を促進してしまう場合がある。このような場合には、制御装置７０は、以下に示すようにバッテリ１０への充電を制限する充電制限を実施する。充電制限を行うかどうかは、（１）電池温度が高い場合の電池発熱増加量、（２）ハイレート劣化指標値ΣＤ（ΣＤはマイナス）の絶対値、（３）リチウム析出が発生しないバッテリ１０の入力電力、という３つの劣化指標値によって判断する。以下、各劣化指標値について説明する。

＜劣化指標値（１）＞
劣化指標値（１）は、電池温度が高い場合の電池発熱増加量であり、温度センサ１７で検出したバッテリ１０の温度Ｔｂが、例えば、４０℃程度の所定温度よりも高い場合の電流センサ１６で検出したバッテリ１０の充放電電流Ｉｂの二乗にバッテリ１０の内部抵抗Ｒを掛けた値（Ｉｂ^２×Ｒ）である。この電池発熱増加量が所定値Ａ１を超えた場合、制御装置７０は、バッテリ１０の発熱が大きく、充電によりバッテリ１０の温度上昇による劣化が予想されるため、電圧ＶＨを昇圧してバッテリ１０への充電を制限する。また、制御装置７０は、電池発熱増加量が所定値Ａ１よりも大きい所定値Ｂ１を超えた場合には、模擬変速制御を禁止してバッテリ１０への充電を制限する。

＜劣化指標値（２）＞
劣化指標値（２）は、リチウムイオン電池であるバッテリ１０の充電側のハイレート劣化指標値ΣＤ（ΣＤはマイナス）の絶対値である。リチウムイオン電池等のバッテリ１０は、繰り返し充放電を行うことにより劣化し、次第に電池容量が低下したり、内部抵抗Ｒが上昇してきたりすることが知られている。特に、大きな充放電電流Ｉｂ（ハイレート）での使用が繰り返し行われることにより劣化が進むことが知られており、「ハイレート劣化」と呼ばれることがある。ハイレート劣化は、大きな放電電流Ｉｂｏ或いは大きな充電電流Ｉｂｉが流れる際に、バッテリ１０の中の電解液中の塩濃度に偏りが発生し、これによって内部抵抗Ｒが上昇してくる現象である。

ハイレート劣化指標値ΣＤは、所定の周期Δｔごとにダメージ量Ｄを計算し、これを所定の式によって積算した値である。以下、詳細に説明する。

バッテリ１０のハイレート劣化のダメージ量Ｄは、以下の式（１）を用いて所定の周期Δｔごとに算出することによって行われる。

Ｄ［ｔ＋Δｔ］
＝Ｄ［ｔ］−α×Δｔ×Ｄ［ｔ］＋β×Ｉｂ×Δｔ／ｃ０ −−−−（１）

上記の式（１）において、ｔは時間を示し、Ｄ［ｔ＋Δｔ］は、今回算出されるダメージ量であり、右辺第１項のＤ［ｔ］は、前回算出されたダメージ量を示す。αは、忘却係数であり、βは電流係数であり、Ｉｂは電流センサ１６で検出したバッテリ１０の充放電電流Ｉｂ（放電時は＋、充電時は−）、ｃ０は限界閾値である。上記の式（１）に示すように、今回のダメージ量Ｄ［ｔ＋Δｔ］は、前回のダメージ量Ｄ［ｔ］に基づいて算出される。初期値としてのダメージ量Ｄ［０］は、例えば、「０」とすることができる。

電解液中の塩濃度の偏りは、時間の経過に伴うイオンの拡散に応じて緩和されるため、時間が経過するにつれてダメージ量Ｄは減少してくる。上記の式（１）の右辺第２項は、所定の周期Δｔの間におけるダメージ量Ｄの減少を考慮する項である。忘却係数αは、バッテリ１０の電解液中におけるイオンの拡散速度に対応する係数であり、拡散速度が高いほど、忘却係数αが大きくなる。「α×Δｔ」の値は、０から１の範囲内で設定される。「α×Δｔ」の値が、「１」に近づくほど、右辺第２項の絶対値は大きくなる。また、忘却係数αの値が大きくなるほど、或いは、周期Δｔが長くなるほど、「α×Δｔ」の値が「１」に近づく。

忘却係数αは、バッテリ１０のＳＯＣや温度Ｔｂに依存するため、ＳＯＣや温度Ｔｂに応じて、忘却係数αを設定することができる。具体的には、忘却係数αと、ＳＯＣおよび温度Ｔｂの少なくとも一方との対応関係を、実験などによって予め求め、マップ又は関数としてメモリ７２に記憶しておき、電圧センサ１５で検出したバッテリ１０の電圧Ｖｂと電流センサ１６で検出したバッテリ１０の充放電電流Ｉｂに基づいてＳＯＣを求め、このＳＯＣと温度センサ１７によって検出したバッテリ１０の温度Ｔｂとを用いてメモリ７２に記憶したマップ又は関数に基づいて忘却係数αを設定するようにしてもよい。

電解液中の塩濃度の偏りは、電流値の絶対値が大きい程大きくなる。また、放電中と充電中とでは、塩濃度の偏りの方向が逆になる。このため、充放電電流Ｉｂが正（＋）となる放電中には、式（１）の右辺第３項は、正の値となってダメージ量Ｄを増加させ、充放電電流Ｉｂが負（−）となる充電中には、式（１）の右辺第３項は負の値となって、ダメージ量Ｄを減少させる。したがって、ハイレートの放電電流Ｉｂｏが流れるとダメージ量Ｄは正（＋）となり、ハイレートの充電電流Ｉｂｉが流れるとダメージ量Ｄは負（−）となる。

式（１）の右辺第３項の電流係数βと限界閾値ｃ０とは、バッテリ１０のＳＯＣや温度Ｔｂに依存する。このため、忘却係数αと同様、ＳＯＣおよび温度Ｔｂの少なくとも一方との対応関係を、実験などによって予め求め、マップ又は関数としてメモリ７２に記憶しておき、電圧センサ１５で検出したバッテリ１０の電圧Ｖｂと電流センサ１６で検出したバッテリ１０の充放電電流Ｉｂに基づいてＳＯＣを求め、このＳＯＣと温度センサ１７によって検出したバッテリ１０の温度Ｔｂとを用いてメモリ７２に記憶したマップ又は関数に基づいて電流係数βと限界閾値ｃ０を設定するようにしてもよい。

ハイレート劣化の進行状況は、先に説明したダメージ量Ｄを積算したΣＤを指標値として用いる。ハイレート劣化指標値ΣＤは、以下のように所定の周期Δｔごとに算出する。ここで、Ｄ［ｔ］は上記の式（１）によって計算したダメージ量Ｄである。

ΣＤ［ｔ＋Δｔ］＝γ×ΣＤ［ｔ］＋η×Ｄ［ｔ］ −−−−（２）

上記の式（２）において、γは減衰係数で１よりも小さい値であり、時間経過に伴うイオンの拡散によって塩濃度の偏りが緩和される程度を予測して設定される値であり、メモリ７２の中に格納されている値である。また、ηは補正係数であり、γ同様、メモリ７２の中に格納されている値である。

先に述べたように、ハイレートの放電電流Ｉｂｏが流れるとダメージ量Ｄは正（＋）となり、ハイレートの充電電流Ｉｂｉが流れるとダメージ量Ｄは負（−）となるので、ハイレート劣化指標値ΣＤは、ハイレートの放電電流Ｉｂｏが流れると増加し、ハイレートの充電電流Ｉｂｉが流れると減少する。ただし、ハイレート劣化指標値ΣＤが負の場合には、ハイレートの放電電流Ｉｂｏが流れると絶対値が減少し、ハイレートの充電電流Ｉｂｉが流れると絶対値が増加する。つまり、ハイレート劣化指標値ΣＤが正（＋）の放電過多側に積算している場合には、充電はハイレート劣化指標値ΣＤを減少させて、ハイレート劣化指標値ΣＤをゼロに近づけさせ、ハイレート劣化指標値ΣＤが負（−）の充電過多側に積算している場合には、放電はハイレート劣化指標値ΣＤを増加させて、ハイレート劣化指標値ΣＤをゼロに近づける。

バッテリ１０の種類によっては、充放電を繰り返すことによってハイレート劣化指標値ΣＤが正（＋）の放電過多側に積算しやすい特性を持つものと、充放電を繰り返すことによってハイレート劣化指標値ΣＤが負（−）の充電過多側に積算しやすい特性を持つものとがある。本実施形態のバッテリ１０は、充放電を繰り返すことによってハイレート劣化指標値ΣＤが負（−）の充電過多側に積算しやすい特性を持つので、図４（ｂ）に示すように、充放電を繰り返すと、図４（ａ）に示すように、ハイレート劣化指標値ΣＤは負（−）側に積算されて行く。このため、模擬変速制御によってバッテリ１０に充電を行った場合、ハイレート劣化指標値ΣＤは負側に大きくなっていく（より小さくなっていく）。このため、制御装置７０は、模擬変速制御中にハイレート劣化指標値ΣＤ（マイナス）の絶対値が所定値Ａ２を超えた場合には、バッテリ１０への充電により劣化が進行すると判断して電圧ＶＨを昇圧してバッテリ１０への充電を制限する。また、制御装置７０は、ハイレート劣化指標値ΣＤ（マイナス）の絶対値が所定値Ａ２よりも大きい所定値Ｂ２を超えた場合には、模擬変速制御を禁止してバッテリ１０への充電を制限する。

＜劣化指標値（３）＞
劣化指標値（３）は、バッテリ１０でリチウム析出が発生しない入力電力である。制御装置７０は、メモリ７２に図５に示すようなバッテリ１０への充電電流Ｉｂｉと温度Ｔｂに対してリチウム析出の発生しないバッテリ１０の入力電力の制限マップを格納している。図５の一点鎖線ｑ１，ｑ２，ｑ３は、バッテリ１０の温度ＴｂがＴｂ１，Ｔｂ２，Ｔｂ３の場合の充電電流Ｉｂｉに対するバッテリ１０の入力電力の制限を示す線であり、図２のステップＳ１０２で用いる所定値Ａ３を求める場合に用いる線である。また、図５の実線ｐ１，ｐ２，ｐ３は、バッテリ１０の温度ＴｂがＴｂ１，Ｔｂ２，Ｔｂ３の場合の充電電流Ｉｂｉに対するバッテリ１０の入力電力の制限を示す線であり、図２のステップＳ１０３で用いる所定値Ｂ３を求める場合に用いる線である。

制御装置７０は、電流センサ１６で検出した充電電流Ｉｂｉと温度センサ１７で検出した温度Ｔｂとを用いて図５に示すマップからバッテリ１０の入力電力の制限値を求める。バッテリ１０の温度がＴｂ１で充電電流Ｉｂｉが図５に示すＩｂ１の場合、一点鎖線ｑ１からバッテリ１０への入力制限値はＷＩ１となる。このＷＩ１が所定値Ａ３である。そして、制御装置７０は、バッテリ１０への入力電力が所定値Ａ３を超えた場合には、バッテリ１０でリチウム析出が発生する可能性があると判断して電圧ＶＨを昇圧してバッテリ１０への充電を制限する。また、図５に示す実線ｐ１から求めたバッテリ１０への入力制限値はＷＩ２となる。このＷＩ２が所定値Ｂ３である。所定値Ｂ３は所定値Ａ３よりも大きい。そして、制御装置７０は、バッテリ１０への入力電力が所定値Ｂ３を超えた場合には、模擬変速制御を禁止してバッテリ１０への充電を制限する。

＜制御装置７０の動作＞
次に、図２〜図５を参照しながら本実施形態の制御装置７０の動作について説明する。なお、図２のフローチャートは所定の周期で繰り返し実行されるものである。図２のステップＳ１０１に示すように、図３Ｄの時刻ｔ１１に実線ｅ１で示すように、アクセル操作量が所定値Ｅを超えたら、制御装置７０は、要求加速度が閾値を超えたと判断して図２のステップＳ１０２に進み、劣化指標値（１）が所定値Ａ１を超えたか、劣化指標値（２）が所定値Ａ２を超えたか、劣化指標値（３）が所定値Ａ３を超えたかを判断する。そして、図２のステップＳ１０２で劣化指標値（１）が所定値Ａ１を超えたか、劣化指標値（２）が所定値Ａ２を超えたか、劣化指標値（３）が所定値Ａ３を超えた場合には、ステップＳ１０２でＹＥＳと判断してステップＳ１０３に進む。また、ステップＳ１０２でＮＯと判断した場合には、制御装置７０は、図２のステップＳ１０５にジャンプし、模擬変速制御を許可する。図３Ｃの一点鎖線ｄ１に示すように、時刻ｔ１１では、ハイブリッド車両１００は通常制御であり、バッテリ電力はプラスでバッテリ１０には電力が入力されていない。このため、時刻ｔ１１では、制御装置７０は、図２のステップＳ１０２でＮＯと判断してステップＳ１０５に進み、模擬変速制御を開始する。これにより、時刻ｔ１１以降、図３Ｂの実線ｂ１に示すように、エンジン５０の回転数は通常制御の際の回転数を示す図３Ｂの一点鎖線Ｃ１よりも大きくなっていく。

図３Ｄの実線ｅ１に示すように、時刻ｔ１２では、アクセル操作量が所定値Ｅを超えており、要求加速度が閾値を超えている状態なので、制御装置７０は、図２のステップＳ１０１でＹＥＳと判断して図２のステップＳ１０２に進む。時刻ｔ１２では、エンジン５０の回転数が通常制御の際の回転数よりも高く、バッテリ電力はマイナスでバッテリ１０に電力が入力されている。制御装置７０は、図３Ｃの時刻ｔ１２に、図２のステップＳ１０２に示す劣化指標値（１）が所定値Ａ１を超えたか、劣化指標値（２）が所定値Ａ２を超えたか、劣化指標値（３）が所定値Ａ３を超えた場合には、図２のステップＳ１０２でＹＥＳと判断して図２のステップＳ１０３に進む。制御装置７０は、図２のステップＳ１０３で、劣化指標値（１）が所定値Ｂ１を超えたか、劣化指標値（２）が所定値Ｂ２を超えたか、劣化指標値（３）が所定値Ｂ３を超えたかを判断する。時刻ｔ１２では、まだバッテリ１０への入力電力はあまり大きくないので、制御装置７０は、図２のステップＳ１０３でＮＯと判断し、図２のステップＳ１０４に進み、バッテリ１０の充電を制限するために、昇圧コンバータ２０を動作させて電圧ＶＨを上昇させる昇圧を行う。例えば、電圧ＶＨが３００Ｖの場合、これを６００Ｖに上昇させる。これにより、モータジェネレータ４０の発電した電力が平滑コンデンサ２３に蓄積され、バッテリ１０への入力電力が低減される。

図３Ｄに示す時刻ｔ１３でも、アクセル操作量が所定値Ｅを超えており、要求加速度が閾値を超えている状態なので、制御装置７０は、図２のステップＳ１０１でＹＥＳと判断して図２のステップＳ１０２に進む。時刻ｔ１３では、時刻ｔ１２よりもエンジン５０の回転数と通常制御の際の回転数との差が大きくなっており、バッテリ電力もマイナス側に大きくなっており、時刻ｔ１２よりも多くの電力がバッテリ１０に入力されている。このため、制御装置７０は、時刻ｔ１２と同様、図２のステップＳ１０２でＹＥＳと判断して図２のステップＳ１０３に進む。先に説明したように、時刻ｔ１３では、バッテリ１０への入力電力が大きくなっていることから、バッテリ１０への充電電流Ｉｂｉも大きくなって、劣化指標値（１）、（２）、（３）も増加しており、制御装置７０は、図２のステップＳ１０３でＹＥＳと判断して図２のステップＳ１０６に進み、模擬変速制御を禁止する。

制御装置７０は、図３Ｂの実線ｂ１で示すように、エンジン５０の回転数を通常の回転数制御に戻し、昇圧を停止して電圧ＶＨを通常制御の電圧に戻す。また、制御装置７０は、図３Ｃの一点鎖線ｄ１に示すようにバッテリ１０からモータジェネレータ４０へ電力を出力する。以後、ハイブリッド車両１００は、通常の制御で加速していく。そして、時刻ｔ１４にアクセルの操作量が所定値Ｅよりも小さくなったら、制御装置７０は図２のステップＳ１０１でＮＯと判断し、模擬変速制御に入らず、通常の制御を行う。車速は図３Ａの実線ａ１に示すように、時刻ｔ１４からは略一定の速度となる。

以上説明したように、本実施形態の制御装置７０は、（１）電池温度が高い場合の電池発熱増加量、（２）ハイレート劣化指標値ΣＤ（ΣＤはマイナス）の絶対値、（３）リチウム析出が発生しないバッテリ１０の入力電力、という３つの劣化指標値のいずれか１つが所定値を超えた場合には、電圧ＶＨを昇圧したり、模擬変速制御を禁止したりして、模擬変速制御におけるバッテリ１０への充電を制限するので、バッテリ１０の劣化を効果的に抑制することができる。また、本実施形態の制御装置７０は、劣化指標値が小さい方の所定値Ａ１，Ａ２，Ａ３を超えた場合には電圧ＶＨを昇圧することによってバッテリ１０への充電を制限しつつ、模擬変速制御を継続し、各劣化指標値が大きい方の所定値Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３を超えた場合に模擬変速制御を禁止するようにしているので、バッテリ１０の劣化を抑制しつつ模擬変速制御が可能な範囲を広くすることができ、運転者が違和感を持つ場合を少なくすることができる。

１０ バッテリ、１１，２１ 正極ライン、１２，２２ 負極ライン、１５，２５ 電圧センサ、１６ 電流センサ、１７ 温度センサ、２０ 昇圧コンバータ、２３ 平滑コンデンサ、３０ インバータ、３１ 動力線、４０ モータジェネレータ、４２ メモリ、５０ エンジン、５３ レゾルバ、６０ 動力分配機構、６１ 出力軸、６２ ディファレンシャルギヤ、６３ 駆動軸、６４ 駆動輪、６５ アクセルペダル、７０ 制御装置、７１ ＣＰＵ、７２ メモリ、１００ ハイブリッド車両。

Claims (1)

1. エンジンとモータとによって駆動されるハイブリッド車両の制御装置であって、
   車両の要求加速度が閾値を超えた場合に、変速機を備えるエンジン駆動車両のエンジン回転数の変化を模擬するように前記エンジンの回転数を変化させる模擬変速制御において、
   模擬変速制御を行った際のバッテリへの充電電流に基づいてバッテリの劣化指標値を算出し、前記劣化指標値が所定値を超えた場合に、前記バッテリが充電されることを制限する充電制限手段を備えることを特徴とする制御装置。

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