JP3908400B2 - シリーズハイブリッド電気自動車 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン発電機を用いてバッテリに充電しながら走行するシリーズハイブリッド電気自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のハイブリッド電気自動車は、通常走行のような軽負荷時では、発電機出力のみを電源として駆動しつつ、バッテリ容量が少ない場合は充電もしながら走行し、更に、加速時などの重負荷時には、発電機出力とバッテリ出力の２つを電源としてモータを駆動するものである。
また、エンジン発電機は、燃費向上を図れるよう、走行に必要とされる出力に応じて回転数を変化させながら出力の調整を行う。
【０００３】
更に、バッテリ出力は、重負荷時における発電機出力の補助として使用されるのが一般的である。
ここで、発電機と直結されるエンジン出力の立ち上がりが遅い場合、軽負荷時から重負荷時への急激な変化が生じた時に必要とされる発電機出力が小さくなり、バッテリの負担が大きくなる。
【０００４】
あるいは、出力が大きくとれないバッテリを使用している場合、発電機負荷が大きくなり、エンジンストールを起こしてしまう。
また、バッテリの放電電流が大きくなることは、バッテリ寿命にも影響してしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
シリーズハイブリッド電気自動車の走行モードとしては、以下のような制御が要求される。
【０００６】
（ａ）平地での定速走行をしている時など比較的軽負荷の場合には、発電機の出力電圧をバッテリ開放電圧値で一定とする定電圧制御を行う。この場合には、発電機の出力のみで駆動することが可能であり、バッテリの放電状態に応じて充電も行われる。
【０００７】
（ｂ）急加速又は登坂時など、駆動に発電機出力以上の電力が必要な場合には、発電機を定出力運転し、不足分はバッテリから供給される。この制御を発電機の出力特性で示すと図５（ｃ）に示すようになる。このような状況において、発電機と直結しているエンジンの状況によって、十分な発電機出力が得られなかった場合、その不足分が大きくなるほど、バッテリ出力が大きくなってしまう。
【０００８】
その結果、バッテリ過放電状態が継続され、寿命に影響してしまう。この過放電状態になる前にバッテリ出力をリミットすることで、寿命への影響を少なくできる。
また 走行モータの駆動に必要なインバータ入力電力を計算すれば、実際に走行モータへ供給されている電力を把握できることから、その量を発電機出力指令とすることで、駆動するのに必要な出力のみを発電出力することができる。
更に、予めエンジン回転速度に合わせた許容出力で発電機出力をリミットすれば、エンジン発電機の最大出力を越えるような出力要求をされた場合でも、エンジン発電機の発電出力とバッテリ出力を合わせた供給可能な出力に制限した走行モータの運転が行え、エンジンストールの防止になる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係るシリーズハイブリッド電気自動車は、エンジンにより駆動される発電機と、前記発電機の出力を制御する発電制御手段と、前記発電機の出力によって充電されるバッテリと、前記発電機の出力及び前記バッテリの放電出力により駆動される走行モータと、前記走行モータの出力を制御する駆動制御手段とを備えるシリーズハイブリッド電気自動車の制御において、前記走行モータの出力に必要な前記駆動制御手段への入力電力を前記発電制御手段の前記発電機への出力指令値とすると共に、予め前記バッテリの最大出力値を設定し、前記駆動制御手段は前記発電制御手段より実際に出力される出力と前記バッテリの最大出力値との和を越えないように前記走行モータの出力を制限することにより、前記発電機は前記走行モータの走行に必要な分だけの発電を行い、車両全体のエネルギー消費を抑えつつ、前記バッテリの過放電を防止することを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決する本発明の請求項２に係るシリーズハイブリッド電気自動車は、請求項１において、アクセル踏み込み量に対応したモータ軸トルク指令と、走行モータの回転速度に対応した総合効率マップ（モータ＋インバータ効率）を用意しておき、運転時のアクセルの踏み込み量と、前記走行モータの回転速度から総合効率を算出してインバータ入力電力を求め、これを前記発電機への出力指令値とすることを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する本発明の請求項３に係るシリーズハイブリッド電気自動車は、請求項１において、前記発電機への出力指令値は、軽負荷時には定電圧制御を行い、重負荷時には定出力制御を行うため、定電圧指令と検出されたバッテリ電圧値との偏差を入力としたＰＩ演算により算出し、予めエンジン発電機の発電機出力をエンジン回転速度に合わせた許容出力リミットを求め、前記発電機への出力指令値が許容出力リミット以下の場合は、定電圧制御を行い、前記許容出力リミットを越えた場合には定出力制御を行うことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
本発明の第１の実施例に係るシリーズハイブリッド電気自動車の制御系統を図１に示す。
本実施例に係る電気自動車においては、図１に示すように、エンジン１により駆動される発電機２と、発電機２の出力によって充電されるバッテリ３と、発電機２の出力及びバッテリ３の放電出力により駆動される走行モータ５とが備えられる。
【００１４】
このようなシリーズハイブリッド電気自動車においては、通常走行のような軽負荷時では、発電機２の出力のみを電源として走行モータ５を駆動し、バッテリ３の残存容量が少ない場合は発電機２の出力をバッテリ３へ充電もしながら走行し、更に、加速時などの重負荷時には、発電機２の出力とバッテリ３の出力の２つを電源として走行モータ５を駆動する。
本実施例では、そのような制御を行うためのモータ制御部６及び発電機制御部７が設けられている。
【００１５】
即ち、モータ制御部６は、インバータ主回路６ａ及び制御ユニット６ｂより構成されている。
制御ユニット６ｂは、モータ制御ブロック６ｃ、バッテリ出力リミット算出部６ｄ及びインバータ入力電力リミット算出部６ｅから構成される。
モータ制御ブロック６ｃは、アクセルの踏み込み量に対応したモータ軸トルク指令、モータ５のモータ回転速度等に基づき、後述するようにモータ５を制御する。モータ５は、永久磁石式同期電動機の使用を前提とする。
【００１６】
バッテリ出力リミット算出部６ｄは、バッテリ３が過放電状態とならないように、そのバッテリ３が出力可能な最大値（以下、バッテリ出力リミット値という）ＰBAT-LMTを予め設定する。
バッテリ出力リミット値ＰBAT-LMTは、放電電流ＩBAT-LMTの増加に伴う内部抵抗Ｒbによる電圧降下分を考慮すると、式（１）を用いて計算される。
ＰBAT-LMT＝（Ｖ0−ＩBAT-LMT×Ｒb）×ＩBAT-LMT …（１）
【００１７】
但し、
ＰBAT-LMT：バッテリ出力リミット値（計算値）
Ｖ0：バッテリ開放電圧（設定値）
ＩBAT-LMT：バッテリ放電電流リミット値（設定値）
Ｒb：バッテリ内部抵抗（設定値）
【００１８】
ここで、バッテリ開放電圧Ｖ0、内部抵抗Ｒbを設定値としているのは、絶えず負荷が変化している運転中にこれらの値を検出するのが困難なためである。
そのため、図８に示すバッテリの特性（一般的な特性例）から各放電状態における開放電圧Ｖ0、内部抵抗Ｒbを設定することで、放電状態に応じたバッテリ出力リミット値ＰBAT-LMTを設定することが可能となる。
【００１９】
放電状態については、バッテリ電流ＩBAT-CURをバッテリ出力リミット算出部６ｄに取り込み、バッテリ電流があまり流れていない比較的軽負荷の状態のバッテリ電圧から判断する。
バッテリ電流ＩBAT-CURは、後述するように、バッテリ電流算出部７ｅにより算出される。
【００２０】
このように設定されたバッテリ出力リミット値ＰBAT-LMTは、バッテリ３の過放電を防止するために予め設定された最大値である。
一方、インバータ入力電力リミット算出部６ｅは、式（２）によりインバータ入力電力リミット値ＰINV-LMTを計算する。
ＰINV-LMT＝ＰBAT-LMT＋ＰGEN-OUT …（２）
【００２１】
但し、
ＰINV-LMT：インバータ入力電力リミット値（計算値）
ＰBAT-LMT：バッテリ出力リミット値（計算値）
ＰGEN-OUT：発電機出力（検出値）
【００２２】
バッテリ出力リミット値ＰBAT-LMTは、前述したようにバッテリ出力リミット算出部６ｄにより算出される値であり、また、発電機出力ＰGEN-OUTは、発電機制御部７から実際に出力されている値であり、何れもインバータ入力電力リミット算出部６ｅに入力される。
発電機出力ＰGEN-OUTは、後述するように発電機制御部７の発電機出力電流ＩGEN-CURとバッテリ電圧ＶBAT-VLTの積として算出されるものである。
【００２３】
このように設定されるインバータ入力電力リミット値ＰINV-LMTは、発電機制御部７から実際に出力されている値にバッテリ出力リミット値ＰBAT-LMTを加えたものであり、モータ制御部６でモータトルクをインバータ入力電力リミット値ＰINV-LMT以下に制限することにより、結果的に、バッテリ３から出力される電力を、バッテリ出力リミット値ＰBAT-LMT以下に抑えることができる。
モータ制御ブロック６ｃは、インバータ入力電力リミット値ＰINV-LMTとモータ回転速度からモータトルクリミットを計算し、モータ軸トルク指令に対してモータトルクを制限することで、バッテリの重負荷を抑制する。
【００２４】
尚、図３は、モータ制御ブロック６ｃにおける一般的なモータ制御を示すものである。
図３において、点線で囲まれた部分は、モータ制御ブロック６ｃ内でソフトウェアで処理している部分である。
同図に示すように、インバータ主回路６ａは、制御電流電圧形を採用し、非同期式正弦波近似ＰＷＭ方式で制御する。
トルク制御部６ｉは、アクセルの踏み込み量に対応したモータ軸トルク指令Ｔ*及びモータ回転速度ωｒを入力として、最適な電流指令値Ｉd *，Ｉq *を演算する。
【００２５】
電流制御部６ｊは、同期回転座標（ｄ−ｑ座標）系で行っており、トルク制御部６ｉからの電流指令値Ｉd *，Ｉq *とｄ−ｑ軸に座標変換された検出値Ｉd、Ｉqが一致するようにフィードバック演算を行い、電圧指令値Ｖｄ*，Ｖｑ*を出力する。
座標変換部６ｋは、位置検出値θ’と同期して回転する制御上の座標（ｄ−ｑ座標）と実際の３相交流座標との相互変換を行う。
座標変換部６ｋにおいて、３相交流電流の２相分Ｉu，Ｉwは同期回転座標上の電流Ｉd，Ｉqに、電圧指令値Ｖd *，Ｖq *は３相交流電圧Ｖu *，Ｖv *，Ｖw *に変換され、制御指令値として出力される。
【００２６】
一方、発電機制御部７は、コンバータ主回路７ａ及び制御ユニット７ｂより構成される。
制御ユニット７ｂは、発電機制御ブロック７ｃ、インバータ入力電力算出部７ｄ、バッテリ電流算出部７ｅ、発電機出力算出部７ｆ及び発電機出力リミット部７ｇとを備える。
バッテリ電流算出部７ｅは、発電機制御部７の発電機出力電流ＩGEN-CURとインバータ入力電流ＩINV-CURの差から、下式（３）によりバッテリ電流ＩBAT-CURを算出する。
ＩBAT-CUR＝ＩGEN-CUR−ＩINV-CUR …（３）
【００２７】
算出されたバッテリ電流ＩBAT-CURは、バッテリ出力リミット算出部６ｄへ出力され、前述したように、放電状態に応じたバッテリ出力リミット値ＰBAT-LMTが算出される。
発電機出力算出部７ｆは、下式（４）により、バッテリ電圧ＶBAT-VLTの積として発電機出力ＰGEN-OUTを算出する。
ＰGEN-OUT＝ＩGEN-CUR×ＶBAT-VLT …（４）
算出された発電機出力ＰGEN-OUTは、インバータ入力電力リミット算出部６ｅへ出力され、前述したように、インバータ入力電力リミット値ＰINV-LMTが計算される。
【００２８】
インバータ入力電力算出部７ｄは、インバータ入力電流ＩINV-CURとインバータ入力電圧（バッテリ電圧ＶBAT-VLT）に基づき、下式（５）に従い、駆動時に必要とされるインバータ入力電力（モータ及びインバータ損失を含めた駆動するのに必要とされる出力）ＰINV-POWを算出する。
ＰINV-POW＝ＩINV-CUR×ＶBAT-VLT …（５）
【００２９】
但し、
ＰINV-POW：インバータ入力電力
ＩINV-CUR：インバータ入力電流
ＶBAT-VLT：バッテリ電圧
【００３０】
このインバータ入力電力ＰINV-POWは、発電機出力指令として、インバータ入力電力算出部７ｄから発電機出力リミット部７ｇへ出力される。
発電機出力リミット部７ｇは、発電機出力指令をエンジン回転速度（発電機回転速度）に合わせた許容出力でリミットする。
この許容出力リミットは、エンジンストールが生じないように、エンジンの特性に合わせて予め設定される。
【００３１】
例えば、図５（ａ）に示すように、インバータ入力電力算出部７ｄから出力された発電機出力指令と、そのときの発電機回転数により設定されたリミット値以下ならば、インバータ入力電力算出部７ｄから出力された発電機出力指令が、それ以上ならば予め設定されたリミット値が発電機出力指令として発電機制御ブロック７ｃへ出力される。
【００３２】
発電機制御ブロック７ｃは、図４に示すように、発電機制御部７の発電機出力電流ＩGEN-CUR、発電機出力指令等に基づいて、発電機２を制御する。発電機２は、永久磁石式同期発電機を使用することを前提とする。
ここで、本実施例では、発電機出力指令としてインバータ入力電力ＰINV-POWを使用するので、駆動するのに必要な電気量に相当する分のみを発電出力することができる。
【００３３】
一方、発電機２は、エンジン燃費を考慮して、走行に必要とされる出力に応じて一定出力を越えないような回転数可変の運転である。
そのため、従来技術では、発電機２の運転状態によっては、急激な負荷変動が生じた場合にエンジン１の立ち上がりが悪いと、発電機出力指令に対して実際に可能な発電機出力が小さくなり、本来ならば、バッテリ出力で不足分を補うべきであるが、バッテリ残量容量や性能によっては、不足分を補えない場合もある。
【００３４】
つまり、発電機負荷が大きくなり、エンジンストールを起こす場合がある。
そこで、これを防止するため、本実施例のように、インバータ入力算出部７ｄから走行モータの駆動に必要なインバータ入力電力を計算し、インバータ入力電力を発電機出力指令として発電機制御ブロック７ｃへ与え、走行に必要な出力分のみを発電出力にして、余分なエネルギー消費を抑制する。更に、予めエンジン回転速度を合わせた許容出力でエンジン発電機の発電出力をリミットし、エンジン発電機の最大出力を越えないような制御を行う。そのようにして制御された発電機出力をモータ制御部６ｅへ与え、バッテリ出力と合わせた供給可能な出力に制限した走行モータの運転を行うことで、エンジンストールが抑制される。
【００３５】
尚、図４は本実施例の発電機制御部７の制御を示すものである。図４中の点線部分は、ソフトウェアで構成される部分を示す。
同図に示すように、発電機２の運転としては、図５（ｃ）に示すように、軽負荷時には定電圧制御を行い、重負荷時には定出力の制御を行う。
それを実現するために、図４に示すような、定電圧指令Ｖdc-ref *と検出されたバッテリ電圧値ＶBAT-VLTの偏差をＰＩ制御部の入力として発電機出力指令Ｐdc-refを算出する。
【００３６】
発電機出力指令Ｐdc-refは、エンジンストールを防止するため、予めエンジン発電機の発電機出力をエンジン回転速度に合わせた許容出力でリミットされる。この発電機出力指令Ｖdc-refが許容出力リミット以下の場合は、定電圧制御を、リミットを越えた場合には定出力制御を行う。
ここで、定電圧制御の場合には、電圧の偏差により発電と駆動の両方の動作を行うことで定電圧制御を行い、定出力制御時には、エンジン回転速度に合わせた許容出力でリミットされた発電出力で定出力制御を行う。
【００３７】
更に、検出されたバッテリ電圧値ＶBAT-VLTと発電機出力電流値ＩGEN-CURから発電機出力Ｐdcを算出し、発電機出力指令Ｐdc-ref*との偏差から発電機出力指令の補正を行う。
そのようにして算出された発電機出力指令Ｐdc*を、回転速度で割ることでトルク指令値に変換し、発電機の定格リミットを通して、モータ制御部と同じ構成の制御ブロックで発電制御を実現する。
ＰＩ制御部における具体的な制御としては、電圧の偏差を入力として、図５（ｂ）に示す伝達関数により、次のようにＰＩ演算を行う。
【００３８】
但し、図中において
ｅi ：電圧偏差
Ｅi ：出力
ｋp ：比例ゲイン
ｋi ：積分ゲイン
ｓ ：ラプラス演算子
【００３９】
ここで、
▲１▼Ｅi＜Ｐdc-ref * ならば Ｐdc-ref＝Ｅi
▲２▼Ｅi≧Ｐdc-ref * ならば Ｐdc-ref＝Ｐdc-ref *
つまり、図５（ｃ）に示すように、▲１▼の場合が定電圧制御、▲２▼の場合が定出力制御となる。
定電圧制御は、電圧を定電圧指令Ｖdc-ref *となるようにする制御であり、また、定出力制御は発電機出力を発電機出力指令Ｐdc-ref *となるようにする制御である。
【００４０】
定電圧指令Ｖdc-ref *は、バッテリ特性に応じて決められる値である。一例として、バッテリの過充電防止のため、満充電時の開放電圧で設定される。
定電圧制御を行うＰＩ制御部において、ＰＩ出力を、予めエンジン回転速度に合わせた許容出力でリミットされた発電機出力指令によるリミットを行うことで、定電圧・定出力制御を簡易な構成で実現することができる。
更に、検出された発電機出力によりフィードバック制御を行うことで出力設定値に含まれる数％の誤差分の補正を行える特徴がある。
【００４１】
このように説明したように、本実施例では、発電機出力指令としてインバータ入力電力を用いるので、駆動するのに必要な電気量に相当する分のみを発電出力することができ、また、バッテリ出力リミット値を設定し、モータ制御部でモータトルクをインバータ入力電力リミット値以下に制限することにより、結果的に、バッテリから出力される電力を、バッテリ出力リミット値以下に抑えることができる。
尚、上述した実施例においては、インバータ入力電力はＰINV-POWは、発電機制御部における制御ユニットで計算していたが、これに限るものではなく、モータ制御部における制御ユニットで計算しても良いものである。
【００４２】
〔実施例２〕
本発明の第２の実施例に係るシリーズハイブリッド電気自動車の制御系統を図２に示す。
本実施例では、直流電流検出の数を減らして、駆動時に必要とされるインバータ入力電力を算出するため、アクセルの踏み込み量に対応したモータ軸トルク指令とモータ回転速度に対応した総合効率（モータ＋インバータの効率）マップ６ｆを持たせるものである。その他の構成は前述した実施例と同様である。
【００４３】
従って、本実施例では、この効率マップ６ｆを用いて、インバータ入力電力算出部６ｇがアクセルの踏み込み量に対応したモータ軸トルク指令とモータ回転速度から算出された総合効率と、アクセルの踏み込み量に対応したモータ軸トルク指令をとモータ回転速度からモータ軸出力を算出し、インバータ入力電力ＰINV-POWを計算する。
このインバータ入力電力ＰINV-POWを発電機出力指令として、発電機制御ユニツト７ｂの発電機出力指令リミット７ｇヘ入力し、以下、実施例１と同様に、発電機２を制御することができる。
【００４４】
従って、本実施例においても、前述した実施例と同様な効果を奏するほか、モータ制御部に効率マップ６ｆを持たせたので、直流電流検出無しで、精度良くインバータ入力電力の算出が行える。
尚、本実施例では、発電機制御部７内におけるバッテリ電流算出部７ｅを削除し、モータ制御部６内にバッテリ電流算出部６ｈを追加している。
【００４５】
そのため、本実施例では、発電機制御部７に取り込まれている発電機出力電流ＩGEN-CURをモータ制御部６へ出力し、インバータ入力電力算出部６ｇにより計算されたインバータ入力電力ＰINV-POWと、バッテリ電圧ＶBAT-VLTから、下式に示すようにバッテリ電流算出部６ｈによりバッテリ電流ＩBAT-CURを算出している。
ＩINV-CUR＝ＰINV-POW／ＶBAT-VLT
ＩBAT-CUR＝ＩGEN-CUR−ＩINV-CUR …（６）
【００４６】
〔実施例３〕
本発明の第３の実施例に係るシリーズハイブリッド電気自動車の制御系統を図６に示す。
本実施例は、発電機制御部７内におけるバッテリ電流算出部７ｅを削除し、バッテリ電流ＩBAT-CURを検出する変流器４を設けたものである。その他の構成は、前述した実施例１と同様であり、同様な効果を奏するものである。
【００４７】
〔実施例４〕
本発明の第４の実施例に係るシリーズハイブリッド電気自動車の制御系統を図７に示す。
本実施例は、発電機制御部７内におけるバッテリ電流算出部７ｅを削除し、バッテリ電流ＩBAT-CURを検出する変流器４を設けたものである。その他の構成は、前述した実施例２と同様であり、同様な効果を奏するものである。
【００４８】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発明によれば、発電機出力とバッテリ出力を合わせた供給可能なモータ出力を制限することで、エンジンストールを防止できる。また、バッテリ出力をリミットすることで、バッテリの過放電を防止できる。更に、負荷側に必要とされる出力を発電機への出力指令値とすることで、効率の良いエンジン運転が行える。しかも、モータ制御部に効率マップを持たせることにより、直流電流検出無しで、精度良くインバータ入力電力を算出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係るシリーズハイブリッド電気自動車の制御系統図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係るシリーズハイブリッド電気自動車の制御系統図である。
【図３】モータ制御部内における一般的な制御を示す回路図である。
【図４】発電機制御部内における本発明の制御を示す回路図である。
【図５】発電機の出力特性を示すグラフである。
【図６】本発明の第３の実施例に係るシリーズハイブリッド電気自動車の制御系統図である。
【図７】本発明の第４の実施例に係るシリーズハイブリッド電気自動車の制御系統図である。
【図８】バッテリの放電電圧−電圧特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 発電機
３ バッテリ
４ 変流器
５ モータ
６ モータ制御部
６ａ インバータ主回路
６ｂ 制御ユニット
６ｃ モータ制御ブロック
６ｄ バッテリ出力リミット算出部
６ｅ インバータ入力電力リミット算出部
６ｆ 総合効率（モータ＋インバータの効率）マップ
６ｇ インバータ入力電力算出部
６ｈ バッテリ電流算出部
６ｉ トルク制御部
６ｊ 電流制御部
６ｋ 座標変換部
７ 発電機制御部
７ａ コンバータ主回路
７ｂ 制御ユニット
７ｃ 発電機制御ブロック
７ｄ インバータ入力電力算出部
７ｅ バッテリ電流算出部
７ｆ 発電機出力算出部
７ｇ 発電機出力リミット部
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン発電機を用いてバッテリに充電しながら走行するシリーズハイブリッド電気自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のハイブリッド電気自動車は、通常走行のような軽負荷時では、発電機出力のみを電源として駆動しつつ、バッテリ容量が少ない場合は充電もしながら走行し、更に、加速時などの重負荷時には、発電機出力とバッテリ出力の２つを電源としてモータを駆動するものである。
また、エンジン発電機は、燃費向上を図れるよう、走行に必要とされる出力に応じて回転数を変化させながら出力の調整を行う。
【０００３】
更に、バッテリ出力は、重負荷時における発電機出力の補助として使用されるのが一般的である。
ここで、発電機と直結されるエンジン出力の立ち上がりが遅い場合、軽負荷時から重負荷時への急激な変化が生じた時に必要とされる発電機出力が小さくなり、バッテリの負担が大きくなる。
【０００４】
あるいは、出力が大きくとれないバッテリを使用している場合、発電機負荷が大きくなり、エンジンストールを起こしてしまう。
また、バッテリの放電電流が大きくなることは、バッテリ寿命にも影響してしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
シリーズハイブリッド電気自動車の走行モードとしては、以下のような制御が要求される。
【０００６】
（ａ）平地での定速走行をしている時など比較的軽負荷の場合には、発電機の出力電圧をバッテリ開放電圧値で一定とする定電圧制御を行う。この場合には、発電機の出力のみで駆動することが可能であり、バッテリの放電状態に応じて充電も行われる。
【０００７】
（ｂ）急加速又は登坂時など、駆動に発電機出力以上の電力が必要な場合には、発電機を定出力運転し、不足分はバッテリから供給される。この制御を発電機の出力特性で示すと図５（ｃ）に示すようになる。このような状況において、発電機と直結しているエンジンの状況によって、十分な発電機出力が得られなかった場合、その不足分が大きくなるほど、バッテリ出力が大きくなってしまう。
【０００８】
その結果、バッテリ過放電状態が継続され、寿命に影響してしまう。この過放電状態になる前にバッテリ出力をリミットすることで、寿命への影響を少なくできる。
また 走行モータの駆動に必要なインバータ入力電力を計算すれば、実際に走行モータへ供給されている電力を把握できることから、その量を発電機出力指令とすることで、駆動するのに必要な出力のみを発電出力することができる。
更に、予めエンジン回転速度に合わせた許容出力で発電機出力をリミットすれば、エンジン発電機の最大出力を越えるような出力要求をされた場合でも、エンジン発電機の発電出力とバッテリ出力を合わせた供給可能な出力に制限した走行モータの運転が行え、エンジンストールの防止になる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１に係るシリーズハイブリッド電気自動車は、エンジンにより駆動される発電機と、前記発電機の出力を制御する発電制御手段と、前記発電機の出力によって充電されるバッテリと、前記発電機の出力及び前記バッテリの放電出力により駆動される走行モータと、前記走行モータの出力を制御する駆動制御手段とを備えるシリーズハイブリッド電気自動車の制御において、前記走行モータの出力に必要な前記駆動制御手段への入力電力を前記発電制御手段の前記発電機への出力指令値とすると共に、予め前記バッテリの最大出力値を設定し、前記駆動制御手段は前記発電制御手段より実際に出力される出力と前記バッテリの最大出力値との和を越えないように前記走行モータの出力を制限することにより、前記発電機は前記走行モータの走行に必要な分だけの発電を行い、車両全体のエネルギー消費を抑えつつ、前記バッテリの過放電を防止することを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決する本発明の請求項２に係るシリーズハイブリッド電気自動車は、請求項１において、アクセル踏み込み量に対応したモータ軸トルク指令と、走行モータの回転速度に対応した総合効率マップ（モータ＋インバータ効率）を用意しておき、運転時のアクセルの踏み込み量と、前記走行モータの回転速度から総合効率を算出してインバータ入力電力を求め、これを前記発電機への出力指令値とすることを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する本発明の請求項３に係るシリーズハイブリッド電気自動車は、請求項１において、前記発電機への出力指令値は、軽負荷時には定電圧制御を行い、重負荷時には定出力制御を行うため、定電圧指令と検出されたバッテリ電圧値との偏差を入力としたＰＩ演算により算出し、予めエンジン発電機の発電機出力をエンジン回転速度に合わせた許容出力リミットを求め、前記発電機への出力指令値が許容出力リミット以下の場合は、定電圧制御を行い、前記許容出力リミットを越えた場合には定出力制御を行うことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
本発明の第１の実施例に係るシリーズハイブリッド電気自動車の制御系統を図１に示す。
本実施例に係る電気自動車においては、図１に示すように、エンジン１により駆動される発電機２と、発電機２の出力によって充電されるバッテリ３と、発電機２の出力及びバッテリ３の放電出力により駆動される走行モータ５とが備えられる。
【００１４】
このようなシリーズハイブリッド電気自動車においては、通常走行のような軽負荷時では、発電機２の出力のみを電源として走行モータ５を駆動し、バッテリ３の残存容量が少ない場合は発電機２の出力をバッテリ３へ充電もしながら走行し、更に、加速時などの重負荷時には、発電機２の出力とバッテリ３の出力の２つを電源として走行モータ５を駆動する。
本実施例では、そのような制御を行うためのモータ制御部６及び発電機制御部７が設けられている。
【００１５】
即ち、モータ制御部６は、インバータ主回路６ａ及び制御ユニット６ｂより構成されている。
制御ユニット６ｂは、モータ制御ブロック６ｃ、バッテリ出力リミット算出部６ｄ及びインバータ入力電力リミット算出部６ｅから構成される。
モータ制御ブロック６ｃは、アクセルの踏み込み量に対応したモータ軸トルク指令、モータ５のモータ回転速度等に基づき、後述するようにモータ５を制御する。モータ５は、永久磁石式同期電動機の使用を前提とする。
【００１６】
バッテリ出力リミット算出部６ｄは、バッテリ３が過放電状態とならないように、そのバッテリ３が出力可能な最大値（以下、バッテリ出力リミット値という）ＰBAT-LMTを予め設定する。
バッテリ出力リミット値ＰBAT-LMTは、放電電流ＩBAT-LMTの増加に伴う内部抵抗Ｒbによる電圧降下分を考慮すると、式（１）を用いて計算される。
ＰBAT-LMT＝（Ｖ0−ＩBAT-LMT×Ｒb）×ＩBAT-LMT …（１）
【００１７】
但し、
ＰBAT-LMT：バッテリ出力リミット値（計算値）
Ｖ0：バッテリ開放電圧（設定値）
ＩBAT-LMT：バッテリ放電電流リミット値（設定値）
Ｒb：バッテリ内部抵抗（設定値）
【００１８】
ここで、バッテリ開放電圧Ｖ0、内部抵抗Ｒbを設定値としているのは、絶えず負荷が変化している運転中にこれらの値を検出するのが困難なためである。
そのため、図８に示すバッテリの特性（一般的な特性例）から各放電状態における開放電圧Ｖ0、内部抵抗Ｒbを設定することで、放電状態に応じたバッテリ出力リミット値ＰBAT-LMTを設定することが可能となる。
【００１９】
放電状態については、バッテリ電流ＩBAT-CURをバッテリ出力リミット算出部６ｄに取り込み、バッテリ電流があまり流れていない比較的軽負荷の状態のバッテリ電圧から判断する。
バッテリ電流ＩBAT-CURは、後述するように、バッテリ電流算出部７ｅにより算出される。
【００２０】
このように設定されたバッテリ出力リミット値ＰBAT-LMTは、バッテリ３の過放電を防止するために予め設定された最大値である。
一方、インバータ入力電力リミット算出部６ｅは、式（２）によりインバータ入力電力リミット値ＰINV-LMTを計算する。
ＰINV-LMT＝ＰBAT-LMT＋ＰGEN-OUT …（２）
【００２１】
但し、
ＰINV-LMT：インバータ入力電力リミット値（計算値）
ＰBAT-LMT：バッテリ出力リミット値（計算値）
ＰGEN-OUT：発電機出力（検出値）
【００２２】
バッテリ出力リミット値ＰBAT-LMTは、前述したようにバッテリ出力リミット算出部６ｄにより算出される値であり、また、発電機出力ＰGEN-OUTは、発電機制御部７から実際に出力されている値であり、何れもインバータ入力電力リミット算出部６ｅに入力される。
発電機出力ＰGEN-OUTは、後述するように発電機制御部７の発電機出力電流ＩGEN-CURとバッテリ電圧ＶBAT-VLTの積として算出されるものである。
【００２３】
このように設定されるインバータ入力電力リミット値ＰINV-LMTは、発電機制御部７から実際に出力されている値にバッテリ出力リミット値ＰBAT-LMTを加えたものであり、モータ制御部６でモータトルクをインバータ入力電力リミット値ＰINV-LMT以下に制限することにより、結果的に、バッテリ３から出力される電力を、バッテリ出力リミット値ＰBAT-LMT以下に抑えることができる。
モータ制御ブロック６ｃは、インバータ入力電力リミット値ＰINV-LMTとモータ回転速度からモータトルクリミットを計算し、モータ軸トルク指令に対してモータトルクを制限することで、バッテリの重負荷を抑制する。
【００２４】
尚、図３は、モータ制御ブロック６ｃにおける一般的なモータ制御を示すものである。
図３において、点線で囲まれた部分は、モータ制御ブロック６ｃ内でソフトウェアで処理している部分である。
同図に示すように、インバータ主回路６ａは、制御電流電圧形を採用し、非同期式正弦波近似ＰＷＭ方式で制御する。
トルク制御部６ｉは、アクセルの踏み込み量に対応したモータ軸トルク指令Ｔ*及びモータ回転速度ωｒを入力として、最適な電流指令値Ｉd *，Ｉq *を演算する。
【００２５】
電流制御部６ｊは、同期回転座標（ｄ−ｑ座標）系で行っており、トルク制御部６ｉからの電流指令値Ｉd *，Ｉq *とｄ−ｑ軸に座標変換された検出値Ｉd、Ｉqが一致するようにフィードバック演算を行い、電圧指令値Ｖｄ*，Ｖｑ*を出力する。
座標変換部６ｋは、位置検出値θ’と同期して回転する制御上の座標（ｄ−ｑ座標）と実際の３相交流座標との相互変換を行う。
座標変換部６ｋにおいて、３相交流電流の２相分Ｉu，Ｉwは同期回転座標上の電流Ｉd，Ｉqに、電圧指令値Ｖd *，Ｖq *は３相交流電圧Ｖu *，Ｖv *，Ｖw *に変換され、制御指令値として出力される。
【００２６】
一方、発電機制御部７は、コンバータ主回路７ａ及び制御ユニット７ｂより構成される。
制御ユニット７ｂは、発電機制御ブロック７ｃ、インバータ入力電力算出部７ｄ、バッテリ電流算出部７ｅ、発電機出力算出部７ｆ及び発電機出力リミット部７ｇとを備える。
バッテリ電流算出部７ｅは、発電機制御部７の発電機出力電流ＩGEN-CURとインバータ入力電流ＩINV-CURの差から、下式（３）によりバッテリ電流ＩBAT-CURを算出する。
ＩBAT-CUR＝ＩGEN-CUR−ＩINV-CUR …（３）
【００２７】
算出されたバッテリ電流ＩBAT-CURは、バッテリ出力リミット算出部６ｄへ出力され、前述したように、放電状態に応じたバッテリ出力リミット値ＰBAT-LMTが算出される。
発電機出力算出部７ｆは、下式（４）により、バッテリ電圧ＶBAT-VLTの積として発電機出力ＰGEN-OUTを算出する。
ＰGEN-OUT＝ＩGEN-CUR×ＶBAT-VLT …（４）
算出された発電機出力ＰGEN-OUTは、インバータ入力電力リミット算出部６ｅへ出力され、前述したように、インバータ入力電力リミット値ＰINV-LMTが計算される。
【００２８】
インバータ入力電力算出部７ｄは、インバータ入力電流ＩINV-CURとインバータ入力電圧（バッテリ電圧ＶBAT-VLT）に基づき、下式（５）に従い、駆動時に必要とされるインバータ入力電力（モータ及びインバータ損失を含めた駆動するのに必要とされる出力）ＰINV-POWを算出する。
ＰINV-POW＝ＩINV-CUR×ＶBAT-VLT …（５）
【００２９】
但し、
ＰINV-POW：インバータ入力電力
ＩINV-CUR：インバータ入力電流
ＶBAT-VLT：バッテリ電圧
【００３０】
このインバータ入力電力ＰINV-POWは、発電機出力指令として、インバータ入力電力算出部７ｄから発電機出力リミット部７ｇへ出力される。
発電機出力リミット部７ｇは、発電機出力指令をエンジン回転速度（発電機回転速度）に合わせた許容出力でリミットする。
この許容出力リミットは、エンジンストールが生じないように、エンジンの特性に合わせて予め設定される。
【００３１】
例えば、図５（ａ）に示すように、インバータ入力電力算出部７ｄから出力された発電機出力指令と、そのときの発電機回転数により設定されたリミット値以下ならば、インバータ入力電力算出部７ｄから出力された発電機出力指令が、それ以上ならば予め設定されたリミット値が発電機出力指令として発電機制御ブロック７ｃへ出力される。
【００３２】
発電機制御ブロック７ｃは、図４に示すように、発電機制御部７の発電機出力電流ＩGEN-CUR、発電機出力指令等に基づいて、発電機２を制御する。発電機２は、永久磁石式同期発電機を使用することを前提とする。
ここで、本実施例では、発電機出力指令としてインバータ入力電力ＰINV-POWを使用するので、駆動するのに必要な電気量に相当する分のみを発電出力することができる。
【００３３】
一方、発電機２は、エンジン燃費を考慮して、走行に必要とされる出力に応じて一定出力を越えないような回転数可変の運転である。
そのため、従来技術では、発電機２の運転状態によっては、急激な負荷変動が生じた場合にエンジン１の立ち上がりが悪いと、発電機出力指令に対して実際に可能な発電機出力が小さくなり、本来ならば、バッテリ出力で不足分を補うべきであるが、バッテリ残量容量や性能によっては、不足分を補えない場合もある。
【００３４】
つまり、発電機負荷が大きくなり、エンジンストールを起こす場合がある。
そこで、これを防止するため、本実施例のように、インバータ入力算出部７ｄから走行モータの駆動に必要なインバータ入力電力を計算し、インバータ入力電力を発電機出力指令として発電機制御ブロック７ｃへ与え、走行に必要な出力分のみを発電出力にして、余分なエネルギー消費を抑制する。更に、予めエンジン回転速度を合わせた許容出力でエンジン発電機の発電出力をリミットし、エンジン発電機の最大出力を越えないような制御を行う。そのようにして制御された発電機出力をモータ制御部６ｅへ与え、バッテリ出力と合わせた供給可能な出力に制限した走行モータの運転を行うことで、エンジンストールが抑制される。
【００３５】
尚、図４は本実施例の発電機制御部７の制御を示すものである。図４中の点線部分は、ソフトウェアで構成される部分を示す。
同図に示すように、発電機２の運転としては、図５（ｃ）に示すように、軽負荷時には定電圧制御を行い、重負荷時には定出力の制御を行う。
それを実現するために、図４に示すような、定電圧指令Ｖdc-ref *と検出されたバッテリ電圧値ＶBAT-VLTの偏差をＰＩ制御部の入力として発電機出力指令Ｐdc-refを算出する。
【００３６】
発電機出力指令Ｐdc-refは、エンジンストールを防止するため、予めエンジン発電機の発電機出力をエンジン回転速度に合わせた許容出力でリミットされる。この発電機出力指令Ｖdc-refが許容出力リミット以下の場合は、定電圧制御を、リミットを越えた場合には定出力制御を行う。
ここで、定電圧制御の場合には、電圧の偏差により発電と駆動の両方の動作を行うことで定電圧制御を行い、定出力制御時には、エンジン回転速度に合わせた許容出力でリミットされた発電出力で定出力制御を行う。
【００３７】
更に、検出されたバッテリ電圧値ＶBAT-VLTと発電機出力電流値ＩGEN-CURから発電機出力Ｐdcを算出し、発電機出力指令Ｐdc-ref*との偏差から発電機出力指令の補正を行う。
そのようにして算出された発電機出力指令Ｐdc*を、回転速度で割ることでトルク指令値に変換し、発電機の定格リミットを通して、モータ制御部と同じ構成の制御ブロックで発電制御を実現する。
ＰＩ制御部における具体的な制御としては、電圧の偏差を入力として、図５（ｂ）に示す伝達関数により、次のようにＰＩ演算を行う。
【００３８】
但し、図中において
ｅi ：電圧偏差
Ｅi ：出力
ｋp ：比例ゲイン
ｋi ：積分ゲイン
ｓ ：ラプラス演算子
【００３９】
ここで、
▲１▼Ｅi＜Ｐdc-ref * ならば Ｐdc-ref＝Ｅi
▲２▼Ｅi≧Ｐdc-ref * ならば Ｐdc-ref＝Ｐdc-ref *
つまり、図５（ｃ）に示すように、▲１▼の場合が定電圧制御、▲２▼の場合が定出力制御となる。
定電圧制御は、電圧を定電圧指令Ｖdc-ref *となるようにする制御であり、また、定出力制御は発電機出力を発電機出力指令Ｐdc-ref *となるようにする制御である。
【００４０】
定電圧指令Ｖdc-ref *は、バッテリ特性に応じて決められる値である。一例として、バッテリの過充電防止のため、満充電時の開放電圧で設定される。
定電圧制御を行うＰＩ制御部において、ＰＩ出力を、予めエンジン回転速度に合わせた許容出力でリミットされた発電機出力指令によるリミットを行うことで、定電圧・定出力制御を簡易な構成で実現することができる。
更に、検出された発電機出力によりフィードバック制御を行うことで出力設定値に含まれる数％の誤差分の補正を行える特徴がある。
【００４１】
このように説明したように、本実施例では、発電機出力指令としてインバータ入力電力を用いるので、駆動するのに必要な電気量に相当する分のみを発電出力することができ、また、バッテリ出力リミット値を設定し、モータ制御部でモータトルクをインバータ入力電力リミット値以下に制限することにより、結果的に、バッテリから出力される電力を、バッテリ出力リミット値以下に抑えることができる。
尚、上述した実施例においては、インバータ入力電力はＰINV-POWは、発電機制御部における制御ユニットで計算していたが、これに限るものではなく、モータ制御部における制御ユニットで計算しても良いものである。
【００４２】
〔実施例２〕
本発明の第２の実施例に係るシリーズハイブリッド電気自動車の制御系統を図２に示す。
本実施例では、直流電流検出の数を減らして、駆動時に必要とされるインバータ入力電力を算出するため、アクセルの踏み込み量に対応したモータ軸トルク指令とモータ回転速度に対応した総合効率（モータ＋インバータの効率）マップ６ｆを持たせるものである。その他の構成は前述した実施例と同様である。
【００４３】
従って、本実施例では、この効率マップ６ｆを用いて、インバータ入力電力算出部６ｇがアクセルの踏み込み量に対応したモータ軸トルク指令とモータ回転速度から算出された総合効率と、アクセルの踏み込み量に対応したモータ軸トルク指令をとモータ回転速度からモータ軸出力を算出し、インバータ入力電力ＰINV-POWを計算する。
このインバータ入力電力ＰINV-POWを発電機出力指令として、発電機制御ユニツト７ｂの発電機出力指令リミット７ｇヘ入力し、以下、実施例１と同様に、発電機２を制御することができる。
【００４４】
従って、本実施例においても、前述した実施例と同様な効果を奏するほか、モータ制御部に効率マップ６ｆを持たせたので、直流電流検出無しで、精度良くインバータ入力電力の算出が行える。
尚、本実施例では、発電機制御部７内におけるバッテリ電流算出部７ｅを削除し、モータ制御部６内にバッテリ電流算出部６ｈを追加している。
【００４５】
そのため、本実施例では、発電機制御部７に取り込まれている発電機出力電流ＩGEN-CURをモータ制御部６へ出力し、インバータ入力電力算出部６ｇにより計算されたインバータ入力電力ＰINV-POWと、バッテリ電圧ＶBAT-VLTから、下式に示すようにバッテリ電流算出部６ｈによりバッテリ電流ＩBAT-CURを算出している。
ＩINV-CUR＝ＰINV-POW／ＶBAT-VLT
ＩBAT-CUR＝ＩGEN-CUR−ＩINV-CUR …（６）
【００４６】
〔実施例３〕
本発明の第３の実施例に係るシリーズハイブリッド電気自動車の制御系統を図６に示す。
本実施例は、発電機制御部７内におけるバッテリ電流算出部７ｅを削除し、バッテリ電流ＩBAT-CURを検出する変流器４を設けたものである。その他の構成は、前述した実施例１と同様であり、同様な効果を奏するものである。
【００４７】
〔実施例４〕
本発明の第４の実施例に係るシリーズハイブリッド電気自動車の制御系統を図７に示す。
本実施例は、発電機制御部７内におけるバッテリ電流算出部７ｅを削除し、バッテリ電流ＩBAT-CURを検出する変流器４を設けたものである。その他の構成は、前述した実施例２と同様であり、同様な効果を奏するものである。
【００４８】
【発明の効果】
以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本発明によれば、発電機出力とバッテリ出力を合わせた供給可能なモータ出力を制限することで、エンジンストールを防止できる。また、バッテリ出力をリミットすることで、バッテリの過放電を防止できる。更に、負荷側に必要とされる出力を発電機への出力指令値とすることで、効率の良いエンジン運転が行える。しかも、モータ制御部に効率マップを持たせることにより、直流電流検出無しで、精度良くインバータ入力電力を算出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係るシリーズハイブリッド電気自動車の制御系統図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係るシリーズハイブリッド電気自動車の制御系統図である。
【図３】モータ制御部内における一般的な制御を示す回路図である。
【図４】発電機制御部内における本発明の制御を示す回路図である。
【図５】発電機の出力特性を示すグラフである。
【図６】本発明の第３の実施例に係るシリーズハイブリッド電気自動車の制御系統図である。
【図７】本発明の第４の実施例に係るシリーズハイブリッド電気自動車の制御系統図である。
【図８】バッテリの放電電圧−電圧特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 発電機
３ バッテリ
４ 変流器
５ モータ
６ モータ制御部
６ａ インバータ主回路
６ｂ 制御ユニット
６ｃ モータ制御ブロック
６ｄ バッテリ出力リミット算出部
６ｅ インバータ入力電力リミット算出部
６ｆ 総合効率（モータ＋インバータの効率）マップ
６ｇ インバータ入力電力算出部
６ｈ バッテリ電流算出部
６ｉ トルク制御部
６ｊ 電流制御部
６ｋ 座標変換部
７ 発電機制御部
７ａ コンバータ主回路
７ｂ 制御ユニット
７ｃ 発電機制御ブロック
７ｄ インバータ入力電力算出部
７ｅ バッテリ電流算出部
７ｆ 発電機出力算出部
７ｇ 発電機出力リミット部
Claims (3)
- エンジンにより駆動される発電機と、前記発電機の出力を制御する発電制御手段と、前記発電機の出力によって充電されるバッテリと、前記発電機の出力及び前記バッテリの放電出力により駆動される走行モータと、前記走行モータの出力を制御する駆動制御手段とを備えるシリーズハイブリッド電気自動車の制御において、
前記走行モータの出力に必要な前記駆動制御手段への入力電力を前記発電制御手段の前記発電機への出力指令値とすると共に、予め前記バッテリの最大出力値を設定し、前記駆動制御手段は前記発電制御手段より実際に出力される出力と前記バッテリの最大出力値との和を越えないように前記走行モータの出力を制限することにより、前記発電機は前記走行モータの走行に必要な分だけの発電を行い、車両全体のエネルギー消費を抑えつつ、前記バッテリの過放電を防止することを特徴とするシリーズハイブリッド電気自動車。 - アクセル踏み込み量に対応したモータ軸トルク指令と、走行モータの回転速度に対応した総合効率マップ（モータ＋インバータ効率）を用意しておき、運転時のアクセルの踏み込み量と、前記走行モータの回転速度から総合効率を算出してインバータ入力電力を求め、これを前記発電機への出力指令値とすることを特徴とする請求項１記載のシリーズハイブリッド電気自動車。
- 前記発電機への出力指令値は、軽負荷時には定電圧制御を行い、重負荷時には定出力制御を行うため、定電圧指令と検出されたバッテリ電圧値との偏差を入力としたＰＩ演算により算出し、予めエンジン発電機の発電機出力をエンジン回転速度に合わせた許容出力リミットを求め、前記発電機への出力指令値が許容出力リミット以下の場合は、定電圧制御を行い、前記許容出力リミットを越えた場合には定出力制御を行うことを特徴とする請求項１記載のシリーズハイブリッド電気自動車。
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