JP3687463B2

JP3687463B2 - ハイブリッド車両の制御装置

Info

Publication number: JP3687463B2
Application number: JP2000029509A
Authority: JP
Inventors: 麻巳久保; 健一後藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-02-07
Filing date: 2000-02-07
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2020-02-07
Also published as: JP2001224103A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両走行用の駆動源として、内燃機関と、バッテリを電力源とする電気モータとを備えるハイブリッド車両の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両走行用の駆動源として、内燃機関（ガソリンエンジン）と、高電圧バッテリにつながれた電気モータ（モータジェネレータ）とを備えるハイブリッド車両の開発が進められている（特開平１１−２２５０１号公報等参照）。
【０００３】
かかるハイブリッド車両として、燃費向上のため、所定のアイドルストップ条件（停止条件）にて内燃機関を自動的に停止させ、所定のアイドルストップ解除条件（始動条件）にて電気モータにより内燃機関を自動的に始動させるものがある。
【０００４】
また、減速運転時には、電気モータを発電機として用いて発電を行わせることによりバッテリに充電するようにしている。
このような制御を行う場合、バッテリの充電量若しくは充電率を検出し、これに基づいて制御している。
【０００５】
すなわち、アイドルストップ制御を行う場合は、バッテリの充電量が不足している状態で、内燃機関を停止すると、再始動が困難となることから、バッテリの充電状態に基づいてアイドルストップ許可判定を行い、充電量が不足しているときはアイドルストップを禁止するようにしている。
【０００６】
また、減速時回生制御（発電量制御）を行う場合は、バッテリの過充電防止等のため、バッテリの充電状態に基づいて電気モータの発電量を制御している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来においては、バッテリの充電状態に基づいて各種制御を行う場合、バッテリの充電状態として、バッテリの充電量（絶対値；残存容量）、又は充電率として初期容量に対する現在の充電量の割合を検出していた。
【０００８】
しかるに、残存容量を示す充電量のみでは、あとどの位の空き容量があるのかが良くわからない。
また、例えば初期容量に対する充電率が例えば８０％と検出されても、残りの２０％は充電可能であるのか、劣化によって既に充電できない領域になっているかをはっきりさせなければ、特に減速時回生制御に際し、回生時の充電可能容量を確保しておいて回生効率を高めたり、回生時の過充電防止を図ることができず、減速時回生制御を適切に行うことができない。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、ハイブリッド車両において、バッテリの充電状態をより的確に把握できるようにすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、車両走行用の駆動源として、内燃機関と、バッテリを電力源とする電気モータとを備えるハイブリッド車両の制御装置において、図１に示すように、バッテリへの充放電電流を時間積算してバッテリの充電量を算出する充電量算出手段と、バッテリの所定の初期容量に対する現在の充電量の割合として、第１充電率を算出する第１充電率算出手段と、バッテリが過充電状態のときの充電量を満充電量とし、この満充電量に対する現在の充電量の割合として、第２充電率を算出する第２充電率算出手段と、始動直後の暖機運転中又は暖機運転終了後の所定期間経過毎に、強制的にバッテリの過充電を行って、このときに前記充電量算出手段により算出される充電量を満充電量として学習する強制過充電時満充電量学習手段と、を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る発明では、バッテリの放電時に、このときの放電時特性からバッテリの充電量を求め、前記充電量算出手段により算出される充電量を更新する放電時充電量初期化手段を有することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明では、前記放電時充電量初期化手段は、始動時又は始動後の所定期間経過毎に、強制的にバッテリの放電を行わせることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る発明では、所定のアイドルストップ条件にて内燃機関を停止させ、所定のアイドルストップ解除条件にて電気モータにより内燃機関を始動するアイドルストップ制御手段を備え、前記第１充電率に基づいてアイドルストップ許可判定を行うことを特徴とする。
【００１４】
請求項５に係る発明では、減速運転時に電気モータを発電機として用いて発電を行わせることによりバッテリに充電する減速時回生制御手段を備え、前記第２充電率に基づいて発電量制御を行うことを特徴とする。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、バッテリの所定の初期容量に対する現在の充電量の割合としての第１充電率と、バッテリの現在の満充電量に対する現在の充電量の割合としての第２充電率とを持つことで、現在の残存容量のみならず、充電可能容量を知ることができ、各種制御を的確に行うことができる。
また、所定の条件にて、強制的に過充電を行って、満充電量を学習することで、第２充電率の算出精度が向上する。
【００１６】
請求項２，３に係る発明によれば、バッテリの充電量は放電時特性から積算誤差のイニシャライズが可能であるので、バッテリの放電時に、又は強制的にバッテリの放電を行って、バッテリの充電量を求め、イニシャライズを行うことで、充放電電流の時間積算による誤差の累積を防ぎ、充電量の算出精度が向上することで、第１及び第２充電率の算出精度も向上する。
【００１７】
請求項４に係る発明によれば、アイドルストップ制御の許可判定は、再始動可能な残存容量との比較で行うことが求められるので、残存容量に対応する第１充電率を用いることで、アイドルストップ制御の信頼性が向上する。
【００１８】
請求項５に係る発明によれば、減速時回生制御のための発電量制御は、充電可能容量を基に行うことが求められるので、充電可能容量を知ることができる第２充電率を用いることで、減速時回生制御の信頼性が向上する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
図２は本発明の一実施形態を示すハイブリッド車両のシステム図である。
【００２０】
内燃機関（以下エンジンという）１の出力側に、発電機を兼ねる電気モータ（以下モータジェネレータという）２を直結し、このモータジェネレータ２に変速機３を接続して、この変速機３の出力側の駆動軸４によりデフ５を介して駆動輪側の車軸６を駆動するようにしてある。
【００２１】
ここにおいて、モータジェネレータ２は、エンジンの始動又は車両の発進時にエンジン１のクランキングを行う始動手段として使用し、特に、所定のアイドルストップ条件にてエンジン１を自動的に停止させるアイドルストップ装置を装備する場合に、アイドルストップ後に、所定のアイドルストップ解除条件にてエンジン１を自動的に始動する時に使用する。そして、減速運転時には、発電機として、駆動軸４側からのエネルギーを回生して、発電を行い、バッテリへの充電のために使用する。
【００２２】
図３は上記ハイブリッド車両における電力供給系のシステム図である。
高電圧バッテリ１１は、定格４２Ｖ程度の、モータジェネレータ２の電力源となる充放電可能な電池電源であって、具体的には鉛酸バッテリ（lead-acid battery ；充放電中に組成が変わる酸化鉛を含む鉛の格子を電極とし、希硫酸を電解質とする鉛蓄電池）を用いている。
【００２３】
ここで、高電圧バッテリ１１の充電時には、すなわち、モータジェネレータ２から発電電力が得られている状態では、モータジェネレータ２より発生する３相交流電力が、インバータ１２により直流電力に変換されて、ジャンクションボックス１３を介して、供給され、放電時には、その放電電力がジャンクションボックス１３及びインバータ１２を介して３相交流電力に変換されて、モータジェネレータ２に供給される。
【００２４】
低電圧バッテリ１４は、エンジン補機負荷を含む車載電気負荷の電力源として一般的に用いられている定格１４Ｖ程度の鉛酸電池で、その電気エネルギーはモータジェネレータ２からインバータ１２及びジャンクションボックス１３を経由した後、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介して蓄えられる。
【００２５】
また、必要により、モータジェネレータ２の発電電力を強制的に消費させるため、インバータ１２により変換した直流電力を、強制放電スイッチ１６を介して、車両用のリアウィンドウに設けられる曇り止め用の熱線ヒータなどの放電用抵抗１７に供給し得るようにしてある。
【００２６】
コントロールユニット１８は、車両の各種運転条件が入力される他、モータジェネレータ２より発生しインバータ１２により変換された発電電流ＩＭＧの検出、高電圧バッテリ１１への充電電流（又は放電電流）ＩＨ及びその端子電圧ＶＨの検出等を行って、これらを基に、エンジン１及びモータジェネレータ２の作動を制御する機能を有している。
【００２７】
次に前記コントロールユニット１８の制御内容を図４〜図７のフローチャートにより説明する。
図４は充電量及び充電率算出ルーチンのフローチャートであり、所定の時間隔毎に実行される。
【００２８】
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、電流センサにより、高電圧バッテリ１１への充放電電流ＩＨを検出し、これを次式のごとく時間積算して、高電圧バッテリ１１の充電量ＳＯＣ（絶対量Ａ・Ｈｒ）を算出する。この部分が充電量算出手段に相当する。
【００２９】
ＳＯＣ＝ＳＯＣ＋ＩＨ・Δｔ
Δｔは本ルーチンの実行時間隔である。
尚、充電量ＳＯＣは、電源ＯＦＦ時にバックアップメモリに書込まれて、次回の電源投入時まで記憶保持される。また、充電量ＳＯＣは、後述する図５の学習ルーチンによって、定期的により正確な演算方法で演算され、これにより更新（初期化）されて、積算のズレが補正される。
【００３０】
ステップ２では、次式のごとく、高電圧バッテリ１１の所定の初期容量に対する現在の充電量ＳＯＣの割合（％）として、第１充電率ＳＯＣＡを算出する。この部分が第１充電率算出手段に相当する。
【００３１】
ＳＯＣＡ＝ＳＯＣ／初期容量
初期容量は、予め固定値として記憶させておくことはもちろんである。
ステップ３では、次式のごとく、高電圧バッテリ１１の満充電量に対する現在の充電量ＳＯＣの割合（％）として、第２充電率ＳＯＣＢを算出する。この部分が第２充電率算出手段に相当する。
【００３２】
ＳＯＣＢ＝ＳＯＣ／満充電量
満充電量は、後述する図５の学習ルーチンによって、定期的に学習され、バックアップメモリに書込まれて、記憶保持されている。
【００３３】
図５は学習ルーチンのフローチャートである。
ステップ１１では、第１の所定条件か否かを判定する。この第１の所定条件は、始動時、及びこれ以降の所定時間毎に成立するものとする。
【００３４】
第１の所定条件の場合は、ステップ１２へ進み、強制的に高電圧バッテリ１１の放電を行わせる。すなわち、強制放電スイッチ１６をＯＮにして、強制放電を行わせる。
【００３５】
但し、始動時は大放電がなされるので、電力消費を考えて、特に強制放電を行わせなくてもよく、この場合は、ステップ１１にて始動時等の大放電時か否かを判定するようにして、ステップ１２を省略する。
【００３６】
次のステップ１３では、電圧センサ及び電流センサにより、放電中の高電圧バッテリ１１の端子電圧ＶＨ及び放電電流ＩＨを検出する。
次のステップ１４では、検出した端子電圧ＶＨ及び放電電流ＩＨから、充電量ＳＯＣ（又は第１充電率ＳＯＣＡ）を算出する。
【００３７】
ここで、放電時の充電量ＳＯＣ（第１充電率ＳＯＣＡ）は、バッテリの電解液比重により知ることができ、電解液比重は起電力（開放端電圧）Ｅ０と相関がある。そこで、電圧センサ及び電流センサにより検出した放電中の端子電圧ＶＨ及び放電電流ＩＨから起電力Ｅ０を演算し、これにより電解液比重を演算し、更に充電量ＳＯＣを演算することができる。
【００３８】
すなわち、放電時Ｉ−Ｖ特性を図８（ａ）に示すように、放電中のバッテリ電圧は次式により表される。
ＶＨ＝Ｅ０−ＩＨ・Ｒ０
ＶＨは放電中の端子電圧、Ｅ０は起電力（開放端電圧）、ＩＨは放電電流、Ｒ０はバッテリ内部抵抗である。
【００３９】
従って、先ず、電圧センサ及び電流センサにより放電中の端子電圧ＶＨ及び放電電流ＩＨを複数点で計測し、これらより起電力Ｅ０及び内部抵抗Ｒ０を演算する。
【００４０】
次に、起電力Ｅ０と電解液比重とには、図８（ｂ）に示すような相関関係があることから、起電力Ｅ０から電解液比重を演算する。
次に、電解液比重と充電量ＳＯＣ（第１充電率ＳＯＣＡ）とには、図８（ｃ）に示すような関係がある。すなわち、放電量に比例して電解液比重が直線的に低下する。よって、電解液比重から充電量ＳＯＣ（第１充電率ＳＯＣＡ）を演算することができる。
【００４１】
以上より、端子電圧ＶＨ及び放電電流ＩＨから、充電量ＳＯＣ（第１充電率ＳＯＣＡ）を算出することができるのである。
このようにして、放電時特性から充電量ＳＯＣを算出することができ、これにより、図４の充電量及び充電率算出ルーチンにより充放電電流の時間積算から求められる充電量ＳＯＣを更新（初期化）して、積算のずれを補正することができる。ここで、ステップ１１〜１４の部分が放電時充電量初期化手段に相当する。
【００４２】
ステップ１５では、第２の所定条件か否かを判定する。この第２の所定条件は、始動直後の暖機運転中、及びこれ以降の所定時間毎に成立するものとする。
第２の所定条件の場合は、ステップ１６へ進み、強制的に高電圧バッテリ１１の過充電を行わせる。具体的には、後述する図７の発電量制御ルーチンにおいて、目標充電率ＴＳＯＣＢを過充電状態に相当する値に設定する。
【００４３】
次のステップ１７では、電圧センサにより、過充電中の高電圧バッテリ１１の端子電圧ＶＨを検出する。
次のステップ１８では、検出した端子電圧ＶＨが所定値（定格電圧４２Ｖに対し、４６Ｖ程度）に達したか否かを判定し、ＶＨ≧所定値となった場合に、ステップ１９へ進む。
【００４４】
ステップ１９では、図４の充電量及び充電率算出ルーチンにより算出される最新の充電量ＳＯＣを読込み、次のステップ２０で、このときの充電量ＳＯＣを満充電量として学習する（満充電量＝ＳＯＣ；ＳＯＣＢ＝１００％に相当）。学習した満充電量は、バックアップメモリに書込んで、満充電量のデータを更新する。
【００４５】
尚、ＶＨ≧所定値となった後、充電量ＳＯＣの変化が無くなったときの充電量ＳＯＣを満充電量として学習するようにすると、満充電量の検出精度がより向上する。
【００４６】
これにより、図４の充電量及び充電率算出ルーチンにおいて、満充電量に対する現在の充電量の割合である第２充電率ＳＯＣＢを正確に算出できる。ここで、ステップ１５〜２０の部分が強制過充電時満充電量学習手段に相当する。
【００４７】
図６はアイドルストップ制御ルーチンのフローチャートであり、アイドルストップ制御手段に相当する。
ステップ２１では、所定のアイドルストップ条件か否かを判定する。ここで、アイドルストップ条件とは、例えば、アイドルスイッチＯＮで、エンジン回転数Ｎｅがアイドル回転数付近で、車速ＶＳＰ＝０のアイドル運転時で、ブレーキスイッチＯＮのときとする。
【００４８】
アイドルストップ条件が成立した場合は、ステップ２２へ進んで、第１充電率ＳＯＣＡを読込み、次のステップ２３で、これを所定値（再始動可能ＳＯＣ値）と比較し、ＳＯＣＡ＜所定値の場合は、アイドルストップを不許可とする。
【００４９】
ＳＯＣＡ≧所定値の場合は、アイドルストップを許可して、ステップ２４へ進み、アイドルストップのため、エンジン１を停止させる。
アイドルストップ後は、ステップ２５にて、所定のアイドルストップ解除条件が成立したか否かを判定する。アイドルストップ解除条件とは、例えば、アイドルスイッチＯＦＦ（アクセル踏込み）で、ブレーキスイッチＯＦＦのときとする。
【００５０】
アイドルストップ解除条件が成立した場合は、ステップ２６へ進み、モータジェネレータ２によりエンジン１を始動する。
以上のように、アイドルストップ制御の許可判定は、再始動可能な残存容量との比較で行うことが求められるので、残存容量に対応する第１充電率ＳＯＣＡを用いることで、アイドルストップ制御の信頼性が向上する。
【００５１】
図７は発電量制御（減速時回生制御）ルーチンのフローチャートであり、減速時回生制御手段に相当する。
ステップ３１では、高電圧バッテリ１１の目標充電率（目標第２充電率）ＴＳＯＣＢを設定する。ここで、目標充電率ＴＳＯＣＢは、満充電状態に対する割合で、通常運転時は減速回生時に余裕を残すように例えば８０％に設定し、減速運転時は回生のため例えば９０〜９５％に設定する。また、強制過充電時は例えば９５％に設定する。
【００５２】
ステップ３２では、図４の充電量及び充電率算出ルーチンにより算出される最新の第２充電率ＳＯＣＢを読込む。
ステップ３３では、目標充電率ＴＳＯＣＢと実際の第２充電率ＳＯＣＢとを比較し、その差分（ＴＳＯＣＢ−ＳＯＣＢ）に比例積分制御に基づくゲインを乗じるなどして、充電率のフィードバック制御量を算出し、これを電流変換して、高電圧バッテリ１１への目標充電電流＝ｆ（ＴＳＯＣＢ−ＳＯＣＢ）を算出する。
【００５３】
ステップ３４では、電流センサにより、モータジェネレータ２の実際の発電電流ＩＭＧを検出し、また、高電圧バッテリ１１への実際の充電電流ＩＨを検出する。
【００５４】
ステップ３５では、モータジェネレータ２の発電電流ＩＭＧから、高電圧バッテリ１１への充電電流ＩＨを減算して、車載電気負荷に供給されている電気負荷電流（＝ＩＭＧ−ＩＨ）を算出する。すなわち、モータジェネレータ２の発電電流ＩＭＧから、高電圧バッテリ１１への充電電流ＩＨを減算して、低電圧バッテリ１４への充電電流ＩＬ＝ＩＭＧ−ＩＨを求め、この低電圧バッテリ１４への充電電流ＩＬを、電気負荷電流（＝ＩＬ）と推定するのである。
【００５５】
ステップ３６では、目標充電電流に、電気負荷電流を加算して、モータジェネレータ２の目標発電電流（＝目標充電電流＋電気負荷電流）を算出する。
ステップ３７では、バッテリ放電時か否かを判定し、バッテリ充電時ではなく、バッテリ放電時の場合は、ステップ３８にて、バッテリ放電時のバッテリ劣化を防止すべく、バッテリ放電時にモータジェネレータ２より微量の発電電流を得るために、目標発電電流を１〜２Ａ程度（定数）に設定する。
【００５６】
すなわち、バッテリ充電中は、ステップ３６にて算出されたバッテリ充電時目標発電電流を、目標発電電流として決定し、バッテリ放電中は、ステップ３８にて設定されたバッテリ放電時目標発電電流（微量発電電流）を、目標発電電流として決定する。
【００５７】
ステップ３９では、現在のモータ発電電流が目標発電電流と等価になるように、モータジェネレータ２への目標トルクを制御する。
以上のように、減速時回生制御のための発電量制御は、充電可能容量を基に行うことが求められるので、充電可能容量を知ることができる第２充電率ＳＯＣＢを用いることで、減速時回生制御の信頼性が向上する。
【００５８】
尚、本実施形態では、強制的な過充電のために、充電量フィードバック制御における目標充電率ＴＳＯＣＢを過充電状態に相当する値に設定するようにしたが、図７のフィードバック制御を停止し、別途大きな発電電流を供給するように制御してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を示す機能ブロック図
【図２】本発明の一実施形態を示すハイブリッド車両のシステム図
【図３】同上のハイブリッド車両における電力供給系のシステム図
【図４】充電量及び充電率算出ルーチンのフローチャート
【図５】学習ルーチンのフローチャート
【図６】アイドルストップ制御ルーチンのフローチャート
【図７】発電量制御ルーチンのフローチャート
【図８】放電時の特性図
【符号の説明】
１エンジン
２モータジェネレータ
３変速機
１１高電圧バッテリ
１２インバータ
１３ジャンクションボックス
１４低電圧バッテリ
１５ＤＣ−ＤＣコンバータ
１６強制放電スイッチ
１７放電用抵抗
１８コントロールユニット

Claims

車両走行用の駆動源として、内燃機関と、バッテリを電力源とする電気モータとを備えるハイブリッド車両の制御装置において、
バッテリへの充放電電流を時間積算してバッテリの充電量を算出する充電量算出手段と、
バッテリの所定の初期容量に対する現在の充電量の割合として、第１充電率を算出する第１充電率算出手段と、
バッテリが過充電状態のときの充電量を満充電量とし、この満充電量に対する現在の充電量の割合として、第２充電率を算出する第２充電率算出手段と、
始動直後の暖機運転中又は暖機運転終了後の所定期間経過毎に、強制的にバッテリの過充電を行って、このときに前記充電量算出手段により算出される充電量を満充電量として学習する強制過充電時満充電量学習手段と、
を有することを特徴とするハイブリッド車両の制御装置。
バッテリの放電時に、このときの放電時特性からバッテリの充電量を求め、前記充電量算出手段により算出される充電量を更新する放電時充電量初期化手段を有することを特徴とする請求項１記載のハイブリッド車両の制御装置。
前記放電時充電量初期化手段は、始動時又は始動後の所定期間経過毎に、強制的にバッテリの放電を行わせることを特徴とする請求項２記載のハイブリッド車両の制御装置。
所定のアイドルストップ条件にて内燃機関を停止させ、所定のアイドルストップ解除条件にて電気モータにより内燃機関を始動するアイドルストップ制御手段を備え、前記第１充電率に基づいてアイドルストップ許可判定を行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のハイブリッド車両の制御装置。
減速運転時に電気モータを発電機として用いて発電を行わせることによりバッテリに充電する減速時回生制御手段を備え、前記第２充電率に基づいて発電量制御を行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のハイブリッド車両の制御装置。