JP3838169B2

JP3838169B2 - 電気車両の回生制動制御方法及び過充電防止方法

Info

Publication number: JP3838169B2
Application number: JP2002194396A
Authority: JP
Inventors: 正明山岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-09-05
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2015-09-05
Also published as: JPH0974605A; JP2003125502A; JP3360499B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気車両における回生制動制御方法及び過充電防止方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉛電池、ＮｉＭＨ電池等の二次電池を充電するに当たっては、過充電を避けねばならない。仮に顕著な過充電状態にいたると、この種の電池の内部では電解液の分解によりガスが発生する。このガス発生は、電池の寿命の短縮を招く。他方、電気自動車等、モータにて推進力を発生させる電気車両では、制御方法の一つとして、車両走行用のモータにて回収した制動エネルギにて電池を充電する回生制動が用いられる。特開平５−１６１２１５号公報に開示されている装置では、電池の充電深度（ＤＯＤ）又は充電状態（ＳＯＣ）及び温度に応じて回生制動力（トルク）の上限値を制限することにより、回生制動に伴う電池の過充電を好適に防止している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平５−１６１２１５号公報では、電池のＤＯＤやＳＯＣに応じ一律に回生制動力の上限値を制限しているため、実際にはまだ充電の余地があるにもかかわらず過充電防止のための回生制動力制限が施されることがあり、従って車両のエネルギ効率を改善する上で回生制動を十分に利用しているとはいえないという不具合があった。本発明は、このような問題点を解決することを課題としてなされたものであり、過充電防止のための回生制動力制限に新たな要素を導入することにより、回生制動に伴う電池の過充電を好適に防止すると同時に回生制動を車両のエネルギ効率の改善に最大限利用可能にすることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明の第１の構成は、充放電可能な電池及び電池の放電出力により駆動されるモータを備えた電気車両における回生制動制御方法であって、電池の充電状態（ＳＯＣやそれに代わるものとしての電解液比重等。以下同様）及び温度を検出するステップと、電池の充電状態及び温度と充電電力上限値とを対応付けるテーブルを、検出した電池の充電状態及び温度により参照することによって、充電電力上限値を決定するステップと、電池の瞬時充電電力が充電電力上限値を越えないよう、モータによる回生制動力を制御するステップと、を有することを特徴とする。本発明の第２の構成は、充放電可能な電池及び電池の放電出力により駆動されるモータを備えた電気車両における電池の過充電防止方法であって、電池の充電状態及び温度を検出するステップと、電池の充電状態及び温度と充電電力上限値とを対応付けるテーブルを、検出した電池の充電状態及び温度により参照することによって、充電電力上限値を決定するステップと、電池の瞬時充電電力が充電電力上限値を越えないよう、制動エネルギを電池に回収するステップと、を有することを特徴とする。そして、本発明の第３の構成は、第１又は第２の構成に係る方法において、前記電池の充電状態は電池のＳＯＣであり、上記テーブルが、電池のＳＯＣの上昇に伴い充電電力上限値が減少しかつ電池の温度の上昇に伴い充電電力上限値が増大するよう、設計されたテーブルであることを特徴とする。このように、電池の充電状態及び温度と充電電力上限値とを対応付けるテーブルを用いて回生制動力制御或いは制動エネルギ回収を実行することによって、電池の過充電を好適に防止でき車両のエネルギ効率を改善できる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態に関し図面に基づき説明する。
【０００６】
図１には、本発明の一実施形態に係る電気自動車のシステム構成が示されている。このシステムでは三相交流モータを車両走行用のモータ１６として使用しており、モータ１６はインバータ１７を介して供給される電池１８の放電出力により駆動される。モータＥＣＵ（電子制御ユニット）１９は、アクセルペダルの踏込量やシフト位置に応じて力行トルクの制御目標を決定する一方でモータ１６の回転数ｗｍを検出し、決定した力行トルク目標値及び検出したモータ回転数ｗｍに基づきモータ電流の制御目標を求め、求めたモータ電流目標値に従いインバータ１７による電力変換動作を制御する。これにより、アクセルペダルの踏込量等に応じた力行トルクがモータ１６から出力される。上述の手順を実行するに際しては、モータＥＣＵ１９は、電池ＥＣＵ２０により検出される電池１８のＳＯＣ、温度、電圧等を参照し、必要に応じ力行トルク目標値を補正する。
【０００７】
図１に示される車両は、制動手段として油圧制動（より一般には非圧縮性流体による流体圧制動）及び回生制動を搭載している。まず、油圧制動に係る油圧配管は、マスタシリンダ１からフロント側の増圧バルブ５を経てフロント側のホイールシリンダ３に、またリア側の増圧バルブ６を経てリア側のホイールシリンダ４に、それぞれ至っている。マスタシリンダ１は、車両操縦者によるブレーキペダルの踏込量に応じた油圧を発生させる。また、増圧バルブ５及び６は、回生ＥＣＵ２１からの指令に応じ開閉する。後述する減圧バルブ７を閉じている状態で増圧バルブ５を開くと、マスタシリンダ１からホイールシリンダ３に制動油が導入されるため、マスタシリンダ１における油圧上昇に応じてホイールシリンダ３の油圧も上昇する（増圧）。逆に、減圧バルブ７を閉じている状態で増圧バルブ５を閉じれば、マスタシリンダ１からホイールシリンダ３への制動油の導入が遮断されるため、マスタシリンダ１における油圧上昇にかかわらずホイールシリンダ３の油圧は保持される。増圧バルブ６も、同様に動作する。ホイールシリンダ３及び４は、それぞれ前輪又は後輪に油圧による制動トルク（以下油圧トルクと呼ぶ）を作用させる。なお、この図では前輪駆動車の例を示しているが、本発明は後輪駆動車や四輪駆動車にも適用できる。
【０００８】
油圧制動に係る油圧配管は、さらに、ホイールシリンダ３又は４からフロント側又はリア側の減圧バルブ７又は８を介してリザーバタンク１３に至り、さらにリザーバタンク１３から油圧ポンプ１２、チェックバルブ１１及び切り替え弁１５を経てフルードタンク１４又はマスタシリンダ１に至っている。減圧バルブ７及び８は、回生ＥＣＵ２１からの指令に応じ開閉する。増圧バルブ５を閉じかつ減圧バルブ７を開くと、ホイールシリンダ３からリザーバタンク１３に制動油が排出されるため、マスタシリンダ１における油圧の発生如何にかかわらず、ホイールシリンダ３の油圧が下がる（減圧）。油圧ポンプ１２は、リザーバタンク１３内に貯留されている制動油を、回生ＥＣＵ２１からの指令に応じ切り替え弁１５側に送給する。切り替え弁１５は、油圧ポンプ１２から送給される制動油をフルードタンク１４に排出するのかそれともマスタシリンダ１に導入するのかを、回生ＥＣＵ２１からの指令に応じ切り替える。チェックバルブ１１は、切り替え弁１５側から油圧ポンプ１２側に制動油が導入されるのを防いでいる。
【０００９】
回生ＥＣＵ２１は、マスタシリンダ１における油圧を圧力センサ２により、ホイールシリンダ３における油圧を圧力センサ９により、ホイールシリンダ４における油圧を圧力センサ１０により、それぞれ検出する。回生ＥＣＵ２１は、検出結果を利用して、回生による制動トルク（以下回生トルクと呼ぶ）の目標値及び油圧トルクの目標値を決定し、決定した回生トルク目標値をモータＥＣＵ１９に与えて回生制動を行わせる一方で、決定した油圧トルク目標値に従い増圧バルブ５及び６並びに減圧バルブ７及び８を制御する。回生ＥＣＵ２１は、また、油圧ポンプ１２や切り替え弁１５を適宜制御することにより、マスタシリンダ１のボトミング（制動油の不足）を防ぐ。
【００１０】
図２には、回生ＥＣＵ２１の動作の流れが示されている。回生ＥＣＵ２１は、動作開始直後にまず内部パラメタの設定等の初期化処理を実行した上で（１００）、ブレーキペダルが踏まれているか否かを判定する（１０１）。この判定は、圧力センサ２により検出される油圧が所定値を超えているか否かの判定として、実現できる。無論、ブレーキペダルに付設されているブレーキスイッチ（図示せず）がオンしたことを以て、ブレーキペダルが踏まれたと判定してもよい。ブレーキペダルが踏まれていないときには、回生ＥＣＵ２１は回生トルク目標値Ｔｒｅｇ及び油圧トルク目標値Ｔｈｙｄを共に０に設定し（１０２）、その上で、設定した回生トルク目標値ＴｒｅｇをモータＥＣＵ１９に与え（１０３）、同時に、設定した油圧トルク目標値Ｔｈｙｄに従いバルブ５〜８を駆動する（１０４）。回生ＥＣＵ２１は、その際、必要に応じ油圧ポンプ１２や切り替え弁１５を駆動する。車両操縦者によりキースイッチがオフされると（１０５）、回生ＥＣＵ２１は所定の終了処理を実行し（１０６）、動作を終了する。キースイッチがオフされるまでは、回生ＥＣＵ２１はステップ１０１以降の動作を繰り返す。
【００１１】
ブレーキペダルが踏まれると、回生ＥＣＵ２１は、電池ＥＣＵ２０にて検出される電池１８のＳＯＣ及び温度にて、内蔵するＰｂａｔｔテーブルを参照することにより、充電上限パワーＰｂａｔｔを決定する（１０７）。回生ＥＣＵ２１は、決定した充電上限パワーＰｂａｔｔとモータ１６のパワー定格Ｐｍｏｔに基づき次の式
【数１】
Ｐｍｉｎ＝Ｍｉｎ（Ｐｂａｔｔ，Ｐｍｏｔ）（但しＭｉｎは最小値関数）
の演算を実行することによりパワー制約値Ｐｍｉｎを求め、さらに、モータＥＣＵ１９により検出されたモータ回転数ｗｍに基づき次の式
【数２】
Ｔｍａｘ＝Ｐｍｉｎ／ｗｍ
の演算を実行することにより回生トルク上限値Ｔｍａｘを決定する（１０８）。回生ＥＣＵ２１は、圧力センサ２により検出されるマスタシリンダ１の油圧Ｐｍｃに油圧・トルク変換係数Ｋを乗ずることにより要求制動トルクＫ・Ｐｍｃを求め、求めた要求制動トルクＫ・Ｐｍｃと決定した回生トルク上限値Ｔｍａｘに基づき次の式
【数３】
Ｔｒｅｇ＝Ｍｉｎ（Ｋ・Ｐｍｃ，Ｔｍａｘ）
の演算を実行することにより回生トルク目標値Ｔｒｅｇを決定する（１０９）。回生ＥＣＵ２１は、電池ＥＣＵ２０にて検出される電池１８の電圧が所定の最大許容電圧を超えた場合に、前者から後者を減じた値ΔＶをトルクに換算し、換算により得られた値ΔＴに基づき次の式
【数４】
Ｔｒｅｇ＝Ｔｒｅｇ−ΔＴ
の演算を実行することにより回生トルク目標値Ｔｒｅｇを補正する（１１０）。回生ＥＣＵ２１は、次の式
【数５】
Ｔｈｙｄ＝Ｋ・Ｐｍｃ−Ｔｒｅｇ
の演算を実行することにより、油圧トルク目標値Ｔｈｙｄを求める（１１１）。回生ＥＣＵ２１の動作は、この後ステップ１０３に移行する。
【００１２】
図３〜図７には、この実施形態の動作原理及び利点が示されている。本実施形態で着目しているのは、▲１▼過充電を避けるためには、電池１８の電圧が最大許容電圧を超えないようにすればよいこと、▲２▼できるだけ多くの制動エネルギをモータ１６から電池１８へ回生するためには、回生トルクをできるだけ大きくする必要があること、▲３▼電池１８の瞬時充電電力と電圧との間に相関があること、▲４▼電池１８の瞬時充電電力がモータ回転数ｗｍと回生トルクの関数であること、▲５▼従ってできるだけ多くの制動エネルギを回生しながら過充電を避けるためには、電池１８の電圧が最大許容電圧を超えない範囲でできる限り高い電圧となるよう、回生トルクを制御すればよいこと、である。
【００１３】
まず、電池１８の電圧は充電電流の変化に対し一次遅れ応答特性（又はこれに類似する特性）に従い応答する（図３参照）。従って、電池１８の電圧は充電電流変化から例えば５秒程度の時間が経過した時点で安定し、電池１８の充電電流と電圧の積として与えられる電池１８の瞬時充電電力もその時点で安定する。電池１８の過充電を防止するためには、安定後の電圧が最大許容電圧を超えないよう、ひいては安定後の瞬時充電電力が最大許容電圧相当の瞬時充電電力（すなわち前述の充電上限パワーＰｂａｔｔ）を超えないようにすればよい。電池１８の瞬時充電電力は、他方で、モータ１６の出力トルク（この場合は回生トルク）とモータ回転数ｗｍとの積でも定まる（図４参照）。従って、電池１８の過充電を防止する際、電池１８のＳＯＣ等に応じ最大許容電圧相当の充電上限パワーＰｂａｔｔを定めた上で、この充電上限パワーＰｂａｔｔ及びモータ回転数ｗｍに基づき回生トルク目標値Ｔｒｅｇを決定するようにすれば、電池１８の過充電を防止できる範囲内でさらに回生トルクを最大の値とすることができ、ひいては最大のエネルギを電池１８に回生できる。図５に示されるＰｂａｔｔテーブルは、最大許容電圧相当の充電上限パワーＰｂａｔｔを定めるべくステップ１０７にて使用可能なテーブルの一例である。このテーブルでは、電池１８のＳＯＣ及び温度を充電上限パワーＰｂａｔｔと対応付けている。通常の二次電池では、ＳＯＣの上昇又は温度の低下に伴い充電の余地がなくなるため、図３に示されるテーブルは、ＳＯＣの上昇に伴い充電上限パワーＰｂａｔｔが減少し、かつ温度の上昇に伴い増大するよう、設計されている。なお、ＳＯＣに代え電池１８の電解液比重等の量を用いてもよい。
【００１４】
図６及び図７には、制動の進行に伴う油圧・回生間の制動力配分の変化が示されている。ここでは、モータ１６として、モータ回転数ｗｍが高い領域では回生トルクの上限値がモータ定格Ｐｍｏｔにより制約され、モータ回転数ｗｍが低い領域では回生トルクの上限値がモータ最大回生トルクにより制約され、モータ回転数ｗｍが極めて低い領域では回生トルク出力が禁止されたトルク回転数特性を有するモータを想定している。
【００１５】
図６に示されるようにモータ１６が高速回転している状態でブレーキペダルが踏み込まれると、要求制動トルクＫ・Ｐｍｃが回生トルク上限値Ｔｍａｘに至るまでは、Ｔｒｅｇ＝Ｋ・Ｐｍｃ、Ｔｈｙｄ＝０となり、要求制動トルクＫ・Ｐｍｃが回生のみにより賄われる。この状態では、回生ＥＣＵ２１は増圧バルブ５及び減圧バルブ７を閉じる。その後要求制動トルクＫ・Ｐｍｃが回生トルク上限値Ｔｍａｘを上回ると、Ｔｒｅｇ＝Ｔｍｉｎ、Ｔｈｙｄ＝Ｋ・Ｐｍｃ−Ｔｍｉｎとなり、要求制動トルクＫ・Ｐｍｃの一部が油圧により賄われ始める。この状態では、Ｋ・Ｐｍｃ−Ｔｍｉｎが増加している間は回生ＥＣＵ２１は増圧バルブ５を開き減圧バルブ７を閉じる。逆に、Ｋ・Ｐｍｃ−Ｔｍｉｎが減少している間は回生ＥＣＵ２１は増圧バルブ５及び減圧バルブ７を開く。モータ回転数ｗｍの低下に伴い要求制動トルクＫ・Ｐｍｃが回生トルク上限値Ｔｍａｘを下回ると、再びＴｒｅｇ＝Ｋ・Ｐｍｃ、Ｔｈｙｄ＝０となる。その後、モータ回転数ｗｍが極めて低い領域に至ると、Ｔｒｅｇ＝０、Ｔｈｙｄ＝Ｋ・Ｐｍｃとなり、要求制動トルクＫ・Ｐｍｃが油圧のみにより賄われる。このような制動の経過から明らかなように、本実施形態においては、ホイールシリンダ３の油圧を減圧することが可能であるため、回生トルク上限値Ｔｍａｘに従い回生トルク目標値Ｔｒｅｇを制限しているにもかかわらず、油圧・回生合計の制動トルクを常に要求制動トルクＫ・Ｐｍｃに一致させることができる。また、ホイールシリンダ３の油圧を減圧するのに応じホイールシリンダ４の油圧を減圧することが可能であるため、前後輪間の制動力配分を常に良好な値とすることができる。
【００１６】
また、図７に示されるように、特性のばらつきや経時変化に起因して、電池１８の電圧が一時的に最大許容電圧を超えた場合、前述のステップ１１０の動作により、回生トルクにこれを補償するフィードバックが施される。従って、電池１８の電圧が最大許容電圧を超える状況が長く続くことはない。すなわち、電池１８の特性のばらつきや経時変化にかかわらず常に過充電を防止できる。また、ステップ１１０による電圧フィードバックは、回生トルク上限値Ｔｍａｘに従い回生トルク目標値Ｔｒｅｇを制限した上で実行しているから、前述のΔＶは小さな値であり、従ってステップ１１０による電圧フィードバックのゲインは小さくすることができる。これにより、電圧フィードバックに係る制御系を安定化することができる。さらに、電圧フィードバックにより回生トルクが変動するが、これを補うよう油圧トルクが変動するから、常に要求制動トルクＫ・Ｐｍｃを実現することができる。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の第１及び第２の構成によれば、電池の充電状態及び温度を検出し、電池の充電状態及び温度と充電電力上限値とを対応付けるテーブルを参照することによって充電電力上限値を決定し、電池の瞬時充電電力がこの充電電力上限値を越えないよう、モータによる回生制動力を制御し或いは制動エネルギを電池に回収するようにしたため、電池の過充電を好適に防止でき車両のエネルギ効率を改善できる。また、この効果は、電池のＳＯＣの上昇に伴い充電電力上限値が減少しかつ電池の温度の上昇に伴い充電電力上限値が増大するよう、テーブルを設計することによって、好適に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る電気自動車の構成を示すブロック図である。
【図２】回生ＥＣＵ２の動作の流れを示すフローチャートである。
【図３】電池の充電電流及び電圧の変化を示すタイミングチャートである。
【図４】回生トルク上限値を示すトルク回転数特性図である。
【図５】Ｐｂａｔｔテーブルを示す概念図である。
【図６】制動の進行に伴う油圧・回生制動力配分の変化を、トルク回転数特性と共に示す図である。
【図７】制動の進行に伴う油圧・回生制動力配分の変化を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１マスタシリンダ、２，９，１０圧力センサ、３，４ホイールシリンダ、５，６増圧バルブ、７，８減圧バルブ、１２油圧ポンプ、１３リザーバタンク、１４フルードタンク、１５切り替え弁、１６モータ、１７インバータ、１８電池、１９モータＥＣＵ（電子制御ユニット）、２０電池ＥＣＵ、２１回生ＥＣＵ、Ｐｂａｔｔ充電上限パワー、Ｔｍａｘ回生トルク上限値、Ｔｒｅｇ回生トルク目標値、Ｔｈｙｄ油圧トルク目標値。

Claims

充放電可能な電池及び電池の放電出力により駆動されるモータを備えた電気車両における回生制動制御方法であって、
電池の充電状態及び温度を検出するステップと、
電池の充電状態及び温度と充電電力上限値とを対応付けるテーブルを、検出した電池の充電状態及び温度により参照することによって、充電電力上限値を決定するステップと、
電池の瞬時充電電力が充電電力上限値を越えないよう、モータによる回生制動力を制御するステップと、
を有することを特徴とする回生制動制御方法。
充放電可能な電池及び電池の放電出力により駆動されるモータを備えた電気車両における電池の過充電防止方法であって、
電池の充電状態及び温度を検出するステップと、
電池の充電状態及び温度と充電電力上限値とを対応付けるテーブルを、検出した電池の充電状態及び温度により参照することによって、充電電力上限値を決定するステップと、
電池の瞬時充電電力が充電電力上限値を越えないよう、制動エネルギを電池に回収するステップと、
を有することを特徴とする電池の過充電防止方法。
請求項１又は２記載の方法において、
前記電池の充電状態は電池のＳＯＣであり、
上記テーブルが、電池のＳＯＣの上昇に伴い充電電力上限値が減少しかつ電池の温度の上昇に伴い充電電力上限値が増大するよう、設計されたテーブルであることを特徴とする方法。