JP3963302B2 - パラレルハイブリッド自動車の駆動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンまたは電動機、もしくはこれら双方の動力を用いて車両を駆動するパラレルハイブリッド自動車の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、従来技術としてのパラレルハイブリッド自動車の公知の駆動シス テムを示している。図３において、１は内燃機関であるエンジン、２はクラッチ、３は電動機、４は変速機、５は電動機３を駆動する半導体電力変換器、６は車載の蓄電装置、７はデフギア、８は車輪である。
電動機３は、自動車駆動用としては一般に永久磁石型同期電動機が用いられており、半導体電力変換器５としてはインバータが用いられ、更に、蓄電装置６としては一般に化学二次電池が用いられている。
【０００３】
また、９は自動車運転指令装置であり、運転手のキー操作やアクセルペダル踏込み信号、ブレーキペダル踏込み信号等から自動車の運転指令を出力する。 更に、１０は自動車運転制御装置であり、自動車運転指令装置９からの信号を受けて、エンジン出力指令（エンジン１への燃料供給量指令）、クラッチ２の操作指令、変速機４の変速指令、電力変換器５の運転モード指令及び出力指令を出力すると共に、これら各機器の動作状態も監視している。
【０００４】
図４は、図３の駆動システムによる運転モードを示す図であり、図４における矢印は動力の流れを示している。
（ａ）は、エンジン１の動力のみを用いて走行する運転モードであり、実質的に一般のエンジン自動車の駆動システムと同様である。このモードでは、必要に応じて電動機３を発電機として運転し、電力変換器５を介して蓄電装置６を充電する。
（ｂ）は、クラッチ２を切ってエンジン１を切り離し、電動機３により走行する運転モードである。この運転モードにおいて、走行動力は蓄電装置６の直流電力を電力変換器５により交流電力に変換して電動機３を駆動することにより供給される。また、この運転モードでは、エンジン１を停止することも可能である。
（ｃ）は、エンジン１と電動機３の両方の動力によって走行する運転モードである。この運転モードでは、エンジン１からの動力と電動機３からの動力との和が駆動力となる。エンジン１の動力と電動機３の動力の割合は、運転状態や運転方法によって異なる。ここでは、その詳細な説明は省略する。
（ｄ）は、制動時の運転モードである。この運転モードでは電動機３を発電機として運転し、電力変換器５を整流器動作させて制動エネルギーを蓄電装置６に回収する。
【０００５】
図３の駆動システムでは、エンジン軸と電動機軸とがクラッチ２を介して直接連結されているが、図５に示すように、増速機としての連結ギア４ａを介して連結する駆動システムも公知である。なお、図５においては、図３に示した自動車運転指令装置９及び自動車運転制御装置１０は、図示を省略してある。
【０００６】
この駆動システムによれば、図３の駆動システムに比べて電動機３の回転数を高速化することができるので、電動機３の小型・軽量化が可能になる。
図５の駆動システムの基本動作は図３と同じであるため、ここでは説明を省略する。
【０００７】
次に、図４（ｂ）に示した電動機運転モードについて、図６を参照しつつ説明する。図６は、電動機３として永久磁石型同期電動機を使用した場合の最大出力時の回転数に対する諸特性を示したものである。
【０００８】
図６において、ａはトルク特性、ｂは電力変換器出力電圧特性、ｃは同出力電流特性、ｄは永久磁石型同期電動機の誘起電圧特性を各々示し、特性域Ａは定トルク運転域、特性域Ｂは定出力運転域を示す。
更に、回転数Ｎ_ｂは基底回転数、Ｎ_ｍａｘは運転可能最大回転数であり、この回転数Ｎ_ｍａｘ以上では電動機電流が電力変換器５の出力電流許容値Ｉ_Ｌを越えてしまうため、運転できないことを示している。
【０００９】
永久磁石同期電動機は電動機内部に励磁用永久磁石を持った内部励磁型電動機であり、その誘起電圧は回転数に比例するので、図６のｄに示すように、電動機誘起電圧は最大回転数Ｎ_ｍａｘまで回転数に比例して増加する。
また、図６のｂに示すように、電力変換器出力電圧は特性域Ａではほぼ回転数に比例して増大し、基底回転数Ｎ_ｂで最大になるとともに、特性域Ｂでは蓄電装置の電圧で決まるほぼ一定の最大値Ｖ_ｉｍａｘとなる。よく知られているように、上記特性域Ｂにおいて、例えばベクトル制御では電動機の減磁電流（ｄ軸電流成分）を増加させて永久磁石による磁束を打ち消し、誘起電圧の増加を抑制するような弱め界磁運転が行われる。
【００１０】
更に図６のｃに示すように、電力変換器の出力電流（永久磁石型同期電動機の電流）は、基底回転数Ｎ_ｂまでの特性域Ａでは一定であり、Ｎ_ｂ以後は回転数の増加に応じて一旦減少し、その後再び増加する。Ｎ_ｂ以後に電動機電流が減少するのは、電動機力率が向上するためである。また、特性域Ｂにおいて回転数の増加に伴って電流が増加するのは、減磁電流の増加に起因している。
そして、回転数が最大回転数Ｎ_ｍａｘになると、電流は電力変換器の出力電流許容値Ｉ_Ｌに達し、もはやこれ以上の回転数では電力変換器を運転することができない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
エンジン自動車をハイブリッド化する目的は排気ガスを少なくして低公害化を図ることにあり、そのための一手段としては、燃費を向上させて排気ガスの総量を低減することが有効である。従って、ハイブリッド自動車、例えばパラレルハイブリッド自動車の駆動システムでは、いかに燃費を向上させるかが大きな課題である。
【００１２】
燃費を向上させるには、エンジンを始めとした機器そのものの作動効率向上は勿論のこと、駆動システム全体としての作動効率向上が必要である。また、パラレルハイブリッド自動車の駆動システムでは、制動時のエネルギーをいかに回収して駆動に再使用するかが効率を向上させるキーポイントとなる。
【００１３】
更に、ハイブリッド自動車を広く普及させる場合の問題点の一つに、蓄電装置の寿命がある。この問題の解決策として、従来から使用されてきた化学電池から物理電池である電気二重層キャパシタ電池への移行が注目されており、その実用化が進められている。
電気二重層キャパシタ電池は、化学電池に比べて寿命が大きく改善されるが、化学電池と大きく異なる点は、蓄電量に応じて電池電圧が大きく変化することである。
【００１４】
図７は、電気二重層キャパシタ電池の充電量（ＳＯＣ）と電池電圧との関係を示したものである。
電気二重層キャパシタ電池の充電量は電池電圧の２乗に比例するので、図７に示すような特性となる。同図において、ＳＯＣ１００％は満充電状態を示し、０％は充電量が零であることを示している。
【００１５】
図８は、図６に示した永久磁石型同期電動機の特性について、蓄電装置の電圧が低下した場合を示したものである。図８において、Ｎ_ｂ１，Ｎ_ｂ２，Ｎ_ｂ３は蓄電装置の電圧Ｖ_ｄ１，Ｖ_ｄ２，Ｖ_ｄ３に対応する基底回転数であり、これらの電圧にはＶ_ｄ１＞Ｖ_ｄ２＞Ｖ_ｄ３の関係がある。また、、Ｎ_ｍａｘ１，Ｎ_ｍａｘ２，Ｎ_ｍａｘ３は同じくＶ_ｄ１，Ｖ_ｄ２，Ｖ_ｄ３に対応する運転可能最大回転数である。
【００１６】
図８に示すように、基底回転数Ｎ_ｂ及び運転可能最大回転数Ｎ_ｍａｘは電力変換器の入力電圧（蓄電装置の電圧）の低下に応じて低下する。
なお、図８において蓄電装置電圧がＶ_ｄ１の時のトルク、電力変換器出力電圧、同出力電流の特性（実線により示してあり、便宜上、これらをまとめて特性▲１▼とする）は図６と同一の特性であり、Ｖ_ｄ２における諸特性（破線により示してあり、まとめて特性▲２▼とする）、Ｖ_ｄ３における諸特性（一点鎖線により示してあり、まとめて特性▲３▼とする）は、蓄電装置の電圧がＶ_ｄ１より順次、低下した場合の特性である。
【００１７】
図８から明らかなごとく、電力変換器の入力電圧が低下していくとその出力電流が許容値Ｉ_Ｌに達する運転可能最大回転数もＮ_ｍａｘ１→Ｎ_ｍａｘ２→Ｎ_ｍａｘ３と低下していき、言い換えれば、運転可能最大回転数Ｎ_ｍａｘは電力変換器の入力電圧にほぼ比例して変化する。
このように、車両走行中に電力変換器入力電圧の低下が進行すると、諸特性は▲１▼→▲２▼→▲３▼と変化していき、特性▲３▼になると、運転可能最大回転数Ｎ_ｍａｘ３がもはや車両走行速度に相当する回転数Ｎより低くなり、運転の継続が不可能になってしまう。
【００１８】
上述したように、車載の蓄電装置として電気二重層キャパシタ電池を採用した駆動システムでは、キャパシタ電池の電圧すなわち電力変換器の入力電圧が大きく変動するので、この電圧に応じた的確な走行速度で自動車を継続的に運転することが要請される。
そこで本発明は、電池電圧の変動に応じた最適の走行速度で運転可能としたパラレルハイブリッド自動車の駆動方法を提供しようとするものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、エンジンまたは永久磁石型同期電動機、もしくはこれら双方の動力を変速機を介し車輪に伝達して車両を駆動すると共に、半導体電力変換器を介して前記電動機を駆動するための蓄電装置を備えたパラレルハイブリッド自動車の駆動システムにおいて、
前記電動機の発生動力により車両を駆動する運転モードでは、前記蓄電装置の電圧に応じて前記変速機の変速比により決定される第１の回転数と、この第１の回転数より小さい第２の回転数とを設定し、この第２の回転数以下で前記電動機を駆動すると共に、前記電動機の回転数が第１の回転数と第２の回転数との間にある場合に警報を発するものである。
【００２３】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載したパラレルハイブリッド自動車の駆動方法において、
車両の制動時に前記電動機を発電機動作させ、前記半導体電力変換器を整流器動作させて前記蓄電装置を充電するものである。
【００２４】
なお、上記各発明は、請求項３に記載するように、蓄電装置が電気二重層キャパシタ電池のように電圧の変動範囲が大きい場合に特に有効である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１はこの実施形態の構成を示すもので、図３と同一の構成要素には同一番号を付してある。
【００２６】
図１において、１１は蓄電装置電圧監視制御装置であり、電気二重層キャパシタ電池等の蓄電装置６の電圧を監視して運転可能最大回転数Ｎ_ｍａｘを求め、電動機３をこの回転数Ｎ_ｍａｘを基準とした後述の第１の回転数以下で運転するために必要な制御指令を自動車運転制御装置１２に送るように構成されている。また、蓄電装置電圧監視制御装置１１は、電力変換器５の運転モード（インバータ動作、整流器動作）や運転周波数等を監視していると共に、電力変換器５の運転モード指令及び出力指令を出力可能であり、図３における自動車運転制御装置１０の一部の機能も備えている。
【００２７】
自動車運転制御装置１２は、従来と同様に自動車運転指令装置９からの信号を受けて、エンジン出力指令、クラッチ２の操作指令、変速機４の変速指令、電力変換器５の運転モード指令及び出力指令を出力すると共に、これら各機器の動作状態も監視している。
なお、蓄電装置電圧監視制御装置１１を独立して設けずに、その機能を自動車運転制御装置１２に持たせても良い。
【００２８】
この駆動システムが電動機による運転モード（前述の図４（ｂ）や（ｃ））である場合、蓄電装置電圧監視制御装置１１は、検出した蓄電装置６の電圧と電力変換器５の動作周波数から、図８の特性に基づいて電動機３の運転可能最大回転数Ｎ_ｍａｘを算出する。例えば、図８に示したように蓄電装置６の電圧がＶ_ｄ１，Ｖ_ｄ２，Ｖ_ｄ３である場合に、それぞれ運転可能最大回転数Ｎ_ｍａｘ１，Ｎ_ｍａｘ２，Ｎ_ｍａｘ３を求める。
また、この監視制御装置１１は、上記運転可能最大回転数Ｎ_ｍａｘ１，Ｎ_ｍａｘ２，Ｎ_ｍａｘ３と等しい回転数か、またはこれらの回転数よりそれぞれ若干低めの回転数を第１の回転数として設定するとともに、これらの第１の回転数よりも低い第２の回転数（例えば第１の回転数の９０％など）をそれぞれ算出して記憶している。
【００２９】
そして、電動機３の現在の回転数が上記第２の回転数よりも小さい範囲では電力変換器５や自動車運転制御装置１２に通常の運転指令を送り、電力変換器５により電動機３の運転を継続させる。
また、電動機３の現在の回転数が上記第２の回転数を越えた場合には、注意を促すための警報信号を作成して自動車運転制御装置１２に送り、音声や表示による警報を出力させる。
【００３０】
更に、電動機３の回転数が第２の回転数から更に上昇して前記第１の回転数に達したら、電動機の発生トルク（電動機の出力）を制限するための指令を電力変換器５に出力する。ここで、トルクを制限するとは、トルク指令値をゼロにする場合も含むものとする。電力変換器５は、制限されたトルク指令に従って電動機３を駆動する。
【００３１】
自動車運転制御装置１２は、従来と同様に自動車運転指令装置９からの各種指令を受けてエンジン１、クラッチ２等の動作を制御するほか、蓄電装置電圧監視制御装置１１からの警報指令を受けて警報出力を行なう。
なお、電動機３の回転数が第１の回転数を越えた場合には、エンジン１による駆動に切り替えるべくエンジン１に運転指令を出力してもよく、その際、クラッチ２が切られている場合にはこれを繋ぐようにクラッチ２に操作指令を送る。
【００３２】
以下、上述した変速機４の変速比の制御について、図２を参照しつつ説明する。
図２は、図１に示した実施形態の動作を説明する図である。この図２は、図６における電動機の回転数−トルク特性を車速−牽引力特性に置き換えたものである。
【００３３】
図２において、特性▲１▼は図１の変速機４の変速比がＲ_１である場合の車速−牽引力特性であり、車速の上限値はＶ_１である。また、特性▲２▼は変速機４の変速比がＲ_２である場合の車速−牽引力特性であり、車速の上限値はＶ_２である。
ここで、変速比は変速機４の入力軸回転数（電動機側回転数）に対する出力軸回転数（車輪側回転数）の比（＝入力軸回転数／出力軸回転数）であり、図２の例ではＲ_１＞Ｒ_２である。
【００３４】
図２の特性▲１▼におけるＶ_１及び特性▲２▼におけるＶ_２は、例えば図８における運転可能最大回転数Ｎ_ｍａｘ１に対応する車速であり、特性▲１▼におけるＶ_１’及び特性▲２▼におけるＶ_２’は、例えば図８における運転可能最大回転数Ｎ_ｍａｘ２に対応する車速である。
本実施形態における前記第１の回転数は、上記Ｎ_ｍａｘ１またはこれより若干低い回転数である。更に、図２におけるＶ_１’，Ｖ_２’は、それぞれ前記第２の回転数に対応する車速である。
【００３５】
変速比がＲ_１のとき、特性▲１▼により車速Ｖ_１を超える速度での運転は不可能であるため、自動車運転制御装置１２は蓄電装置電圧監視制御装置１１を介して電力変換器５の出力周波数を制御し、Ｖ_１以下で運転するように電動機３の回転数を制御する。なお、Ｖ_１’は前述の第２の回転数に対応する車速であるから、Ｖ_１’〜Ｖ_１の範囲では警報が発せられることとなり、実際にはＶ_１’以下の車速が実現されるように回転数が制御される。
【００３６】
変速比Ｒ_２の時は、上述のＶ_１をＶ_２に、Ｖ_１’をＶ_２’に読み替えることにより、特性▲１▼と同じ特性となる。
なお、変速比Ｒ_２による運転において、Ｖ_２’は前述の第２の回転数に対応する車速であるため、Ｖ_２’〜Ｖ_２の範囲では警報が発せられることとなり、実際にはＶ_２’以下の車速が実現されるように回転数が制御される。
【００３７】
本実施形態において、電動機３ａを発電動機として車両の制動時に発電機動作させ、電力変換器５の整流器動作により蓄電装置６を充電することが望ましい。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、エンジン及び永久磁石型同期電動機の一方または両方の動力を用いて車両を駆動するパラレルハイブリッド自動車において、電動機運転モードでは、蓄電装置の電圧に応じて変速機の変速比により決定される第１の回転数を基準として電動機を駆動し、またはその出力を制御し、更に、この第１の回転数よりも低い第２の回転数以上では警報を発するようにしたため、次のような効果が期待できる。
【００３９】
（１）電気二重層キャパシタ電池のように電圧変動範囲が大きく変化する蓄電装置を使用した場合でも電池電圧に応じた最適な走行速度での運転が可能になる。
（２）蓄電装置として電気二重層キャパシタ電池を使用する場合には、電池寿命が伸びると共に電池交換等が不要となり、ハイブリッド自動車の保守作業やそのための時間を軽減することができる。
（３）上記（１），（２）から、実用的なパラレルハイブリッド自動車の実現が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す構成図である。
【図２】図１の動作説明図である。
【図３】従来技術を示す構成図である。
【図４】図３の運転モード説明図である。
【図５】他の従来技術を示す構成図である。
【図６】永久磁石型同期電動機の特性図である。
【図７】電気二重層キャパシタ電池の特性図である。
【図８】永久磁石型同期電動機の特性図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ クラッチ
３ 電動機
４ 変速機
４ａ 連結ギア
５ 半導体電力変換器
６ 蓄電装置
７ デフギア
８ 車輪
９ 自動車運転指令装置
１１ 蓄電装置電圧監視制御装置
１２ 自動車運転制御装置

Claims (3)

1. エンジンまたは永久磁石型同期電動機、もしくはこれら双方の動力を変速機を介し車輪に伝達して車両を駆動すると共に、半導体電力変換器を介して前記電動機を駆動するための蓄電装置を備えたパラレルハイブリッド自動車の駆動システムにおいて、
   前記電動機の発生動力により車両を駆動する運転モードでは、前記蓄電装置の電圧に応じて前記変速機の変速比により決定される第１の回転数と、この第１の回転数より小さい第２の回転数とを設定し、この第２の回転数以下で前記電動機を駆動すると共に、前記電動機の回転数が第１の回転数と第２の回転数との間にある場合に警報を発することを特徴とするパラレルハイブリッド自動車の駆動方法。
2. 請求項１に記載したパラレルハイブリッド自動車の駆動方法において、
   車両の制動時に前記電動機を発電機動作させ、前記半導体電力変換器を整流器動作させて前記蓄電装置を充電することを特徴とするパラレルハイブリッド自動車の駆動方法。
3. 請求項１または２に記載したパラレルハイブリッド自動車の駆動方法において、
   前記蓄電装置が電気二重層キャパシタ電池であることを特徴とするパラレルハイブリッド自動車の駆動方法。

Images