JP4010257B2

JP4010257B2 - 電気自動車およびその制御方法

Info

Publication number: JP4010257B2
Application number: JP2003036758A
Authority: JP
Inventors: 哲浩石川; 寛史吉田; 仁佐藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2023-02-14
Also published as: JP2004248433A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車およびその制御方法に関し、詳しくは、発電可能な少なくとも一つの電動機からの動力に基づいて走行する電気自動車およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の電気自動車としては、燃料電池とキャパシタ（電気二重層キャパシタ）とを負荷としての走行用モータに対して並列に接続するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この自動車では、燃料電池とキャパシタとの合成出力特性から負荷変動後の燃料電池の電圧を求めると共にこの電圧と燃料電池の電圧電流特性とからこの電圧に対応する電流値を求める。そして、求めた電流値に対応する反応ガス量以上の反応ガスが燃料電池に供給されるよう制御する。これにより、電力効率を高くすることができる、とされている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２１６８１８号公報（図１０）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした電気自動車では、キャパシタがその定格容量付近まで充電されているときには、これ以上充電を行なうことができないことから、走行用モータを回生制御することができない場合が生じる。車両に制動力を付与するときには、走行用モータを回生制御することができない場合が生じても、機械ブレーキを作動させればよいが、登坂路面で発進しようとするときに車重による後進方向の力がクリープトルクによる前進方向の力より大きくなって車両が後進するときには、走行用モータを回生制御することができないと発進することができない。即ち、車両が後進しているときに走行用モータから前進方向のトルクを作用させる制御は走行用モータを回生制御することになるから、回生制御により生じる回生電力をキャパシタで充電することができないと、回生制御そのものを実行することができない状態となり、車両の後進に対して走行用モータによるブレーキを作用させることすらできないのである。
【０００５】
本発明の電気自動車およびその制御方法は、キャパシタなどの蓄電手段の状態に拘わらず、電動機の回生制御を可能にすることを目的の一つとする。また、本発明の電気自動車およびその制御方法は、キャパシタなどの蓄電手段の状態に拘わらず、登坂路面での発進をスムースに行なうことを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の電気自動車およびその制御方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の電気自動車は、
発電可能な少なくとも一つの電動機からの動力に基づいて走行する電気自動車であって、
前記電動機と電力のやりとりを行なう蓄電手段と、
該蓄電手段の蓄電状態を検出する蓄電状態検出手段と、
前記蓄電手段からの電力系統に接続され該系統からの電力を消費可能な電力消費機器と、
略停車状態の時に所定のトルクが出力されると共に運転者による操作に基づいて設定されるトルクが出力されるよう電動機を駆動する電動機駆動制御手段と、該電動機駆動制御手段により前記電動機が回生制御されているとき、前記蓄電状態検出手段により検出される前記蓄電手段の充電状態に基づいて前記電動機の回生制御により生じる回生電力の少なくとも一部が消費されるよう前記電力消費機器を制御する回生時制御を実行する回生時制御手段と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明の電気自動車では、発電可能な走行用の電動機を略停車状態の時に所定のトルクが出力されると共に運転者による操作に基づいて設定されるトルクが出力されるよう駆動制御し、電動機が回生制御されているときには電動機と電力のやりとりを行なう蓄電手段の充電状態に基づいて電動機の回生制御により生じる回生電力の少なくとも一部が消費されるよう電力消費機器を制御する。したがって、蓄電手段が満充電となったときでも電力消費機器により回生電力を消費することができるから、電動機を回生制御することができる。即ち、蓄電手段の状態に拘わらず、電動機を回生制御することができる。
【０００９】
こうした本発明の電気自動車において、前記回生時制御手段は、前記車両が後進しているときに前記電動機から前進方向のトルクを出力するために該電動機が回生制御される際に前記回生時制御を実行する手段であるものとすることもできる。こうすれば、蓄電手段の状態に拘わらず、登坂路面で後進している状態から発進することができる。
【００１０】
また、本発明の電気自動車において、前記回生時制御手段は、前記回生電力が大きいほど大きな電力が消費されるよう前記電力消費機器を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、電動機の回生制御の範囲を広くすることができる。この結果、登坂路面では、発進をスムースに行なうことができる。この態様の本発明の電気自動車において、前記回生時制御手段は、前記蓄電状態検出手段により前記蓄電手段の満充電状態が検出されたときには、前記電動機駆動制御手段による前記電動機の回生制御により生じる回生電力のすべてが前記電力消費機器により消費されるよう該電力消費機器を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、蓄電手段が満充電状態であっても、電動機を回生制御して電動機から所望のトルクを出力することができる。
【００１１】
本発明の電気自動車において、前記電力消費機器は複数の機器であるものとしたり、前記蓄電手段はキャパシタであるものとすることもできる。こうすれば、二次電池などに比して容量の小さなキャパシタに適合したものとすることができる。
【００１２】
本発明の電気自動車において、前記蓄電手段と並列に接続されて前記電動機に電力を供給可能な燃料電池を備えるものとすることもできる。この場合、前記電力消費機器は前記燃料電池の運転に用いられる補機であるものとすることもできる。そして、前記電力消費機器はエアコンプレッサであるものとすることもできる。
【００１３】
本発明の電気自動車の制御方法は、
走行用の動力を出力する発電可能な少なくとも一つの電動機と、該電動機と電力のやりとりを行なう蓄電手段と、該蓄電手段からの電力系統に接続され該系統からの電力を消費可能な電力消費機器と、を備える電気自動車の制御方法であって、
略停車状態の時に所定のトルクが出力されると共に運転者による操作に基づいて設定されるトルクが出力されるよう電動機を駆動し、
前記電動機が回生制御されているときには、前記蓄電手段の蓄電状態を検出すると共に該検出した蓄電状態に基づいて前記電動機の回生制御により生じる回生電力の少なくとも一部が消費されるよう前記電力消費機器を制御する
ことを要旨とする。
【００１４】
この本発明の電気自動車の制御方法によれば、発電可能な走行用の電動機を略停車状態の時に所定のトルクが出力されると共に運転者による操作に基づいて設定されるトルクが出力されるよう駆動制御し、電動機が回生制御されているときには電動機と電力のやりとりを行なう蓄電手段の充電状態に基づいて電動機の回生制御により生じる回生電力の少なくとも一部が消費されるよう電力消費機器を制御するから、蓄電手段の状態に拘わらず、電動機を回生制御することができる。したがって、登坂路面で後進した状態から発進することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である電気自動車１０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電気自動車１０は、図示するように、水素高圧タンク２２から供給され循環ポンプ２６により循環される燃料ガスとしての水素ガスとエアコンプレッサ２８やアキュムレータ２４から切替バルブ５０を介して供給される空気中の酸素とにより発電する燃料電池３０と、この燃料電池３０に遮断器５６を介して並列に接続されたキャパシタ３２と、燃料電池３０およびキャパシタ３２からの直流電力を三相交流電力に変換するインバータ３４と、インバータ３４により変換された三相交流電力により駆動しデファレンシャルギヤ１４を介して駆動輪１２に動力を出力する走行用モータ３６と、車両全体をコントロールする電子制御ユニット７０とを備える。
【００１６】
燃料電池３０は、図示しないが、電解質膜とこの電解質膜を狭持するアノード電極およびカソード電極とからなる単セルをセル間の隔壁をなすセパレータと共に複数積層してなる燃料電池スタックにより構成されており、セパレータに形成されたガス流路を通じてアノード電極に供給された水素ガスとカソード電極に供給された空気による電気化学反応により発電する。燃料電池３０には、図示しないが、冷却媒体（例えば、冷却水）が循環可能な循環路が形成されており、この循環路内の冷却媒体の循環により燃料電池３０内の温度が適温（例えば、６５℃〜８５℃）に保持されるようになっている。
【００１７】
キャパシタ３２は、例えば、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）として構成されており、実施例の電気自動車１０には、使用電圧の最大値が燃料電池３０の開放端子間電圧より高いものが用いられている。
【００１８】
走行用モータ３６は、例えば、電動機として機能すると共に発電機として機能する周知の同期発電電動機として構成されており、運転者のアクセルペダル８３やブレーキペダル８５の踏み込み量や車速Ｖに応じて電動機として又は発電機として駆動する。走行用モータ３６にデファレンシャルギヤ１４を介して接続された駆動輪１２には、ディスクブレーキなどの機械的な作用により制動力を付与することができる機械ブレーキ１３が取り付けられている。
【００１９】
燃料電池３０およびキャパシタ３２からの電力ラインには燃料電池３０およびキャパシタ３２からの高電圧を低電圧（例えば、１２Ｖ）に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ５４が取り付けられており、１２Ｖ電源としての２次電池６０や車両に搭載された補機６２に電力を供給している。また、この電力ラインには、燃料電池３０からのキャパシタ３２への充電が可能な方向にダイオード５８が取り付けられており、キャパシタ３２側が高電圧になったときでも燃料電池３０には逆電流が流れないようになっている。
【００２０】
電子制御ユニット７０は、ＣＰＵ７２を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ７２の他に、処理プログラム等が記憶されたＲＯＭ７４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ７６と、図示しない入出力ポートとを備える。この電子制御ユニット７０には、キャパシタ３２とインバータ３４との間に並列に取り付けられた電圧センサ５２からの電源電圧Ｖｐや走行用モータ３６の回転子の位置を検出する回転位置検出センサ３７からの回転位置，シフトレバー８１のポジションを検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジション，アクセルペダル８３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度ＡＰ，ブレーキペダル８５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキポジションＢＰ，車両の走行速度を検出する車速センサ８８からの車速Ｖなどが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット７０からは、機械ブレーキ１３への駆動信号や循環ポンプ２６への駆動信号，エアコンプレッサ２８への駆動信号，インバータ３４へのスイッチング信号，ＤＣ／ＤＣコンバータ５４への直流電力変換信号，遮断器５６への開閉信号，切替バルブ５０への切替信号等が出力ポートを介して出力されている。
【００２１】
次に、こうして構成された実施例の電気自動車１０の動作、特に登坂路面における発進時の動作について説明する。図２は、実施例の電子制御ユニット７０により実行される駆動制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎（例えば、８ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。
【００２２】
駆動制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２は、まず、アクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度ＡＰや走行用モータ３６の回転数Ｎｍ，車速センサ８８からの車速Ｖ，電圧センサ５２からの電源電圧Ｖｐなどを入力する処理を実行する（ステップＳ１００）。ここで、走行用モータ３６の回転数Ｎｍについては、実施例では、図示しない回転数検出ルーチンにより回転位置検出センサ３７によって検出される回転子の回転位置に基づいて算出されるものを入力するものとしたが、車速Ｖから換算するものとしてもよいし、走行用モータ３６の回転数を直接検出するセンサを取り付けてこのセンサにより検出されるものを入力するものとしてもよい。
【００２３】
続いて、読み込んだアクセル開度ＡＰや車速Ｖに基づいて車両に要求される要求トルクＴ＊を設定する（ステップＳ１１０）。要求トルクＴ＊は、実施例では、アクセル開度ＡＰと車速Ｖと要求トルクＴ＊との関係を予め設定して要求トルク設定マップとしてＲＯＭ７４に記憶しておき、アクセル開度ＡＰと車速Ｖとが与えられると、要求トルク設定マップから対応する要求トルクＴ＊を導出して設定するものとした。要求トルク設定マップの一例を図３に示す。
【００２４】
こうして要求トルクＴ＊を設定すると、走行用モータ３６が回生モードで駆動制御されるか否かを判定すると共に（ステップＳ１２０）、電源電圧Ｖｐがキャパシタ３２の使用電圧の最大電圧より若干低い電圧として設定された閾値Ｖｒｅｆ以上か否かを判定する（ステップＳ１３０）。ここで、回生モードか否かの判定は、走行用モータ３６の回転方向と要求トルクＴ＊の方向とにより行なうことができる。例えば、モータ回転数Ｎｍの方向と要求トルクＴ＊の方向とに基づいて判定したり、車速Ｖの方向と要求トルクＴ＊の方向とに基づいて判定することができる。走行用モータ３６が回生モードで駆動制御されないとき（力行モードで制御されるとき）や走行用モータ３６が回生モードで駆動制御されても電源電圧Ｖｐが閾値Ｖｒｅｆ未満のときには、補機を通常駆動で制御すると共に（ステップＳ１４０）、設定された要求トルクＴ＊が走行用モータ３６から出力されるよう走行用モータ３６を駆動制御して（ステップＳ１７０）、本ルーチンを終了する。
【００２５】
一方、走行用モータ３６が回生モードで駆動制御されると共に電源電圧Ｖｐが閾値Ｖｒｅｆ以上のときには、要求トルクＴ＊とモータ回転数Ｎｍとに基づいて走行用モータ３６から要求トルクＴ＊を出力する際に回生される電力に相当する電力を補機消費電力Ｐｈとして設定すると共に（ステップＳ１５０）、設定した補機消費電力Ｐｈが消費されるよう補機を強制駆動し（ステップＳ１６０）、設定された要求トルクＴ＊が走行用モータ３６から出力されるよう走行用モータ３６を駆動制御して（ステップＳ１７０）、本ルーチンを終了する。このように補機を強制駆動するのは、以下の理由による。登坂路面での発進を考えると、走行用モータ３６が回生モードで駆動制御される状態は、車重による後進方向の力が走行用モータ３６から出力されるクリープトルクによる前進方向の力に打ち勝って車両が後進している状態となる。図３の要求トルク設定マップに示すように、車両が後進している状態では、運転者のアクセルペダル８３の操作に拘わらず、車両を前進させる方向のトルクが走行用モータ３６から出力されるため、走行用モータ３６は回生制御されることになる。このとき、電源電圧Ｖｐが閾値Ｖｒｅｆ未満であれば走行用モータ３６を回生制御することにより生じる回生電力はキャパシタ３２の充電に用いられるが、電源電圧Ｖｐが閾値Ｖｒｅｆ以上のときには、キャパシタ３２がすぐに満充電となり、回生電力をキャパシタ３２による充電では消費することができなくなってしまう。回生電力を消費することができないことは、走行用モータ３６を回生制御することができないことを意味するから、この場合、運転者がアクセルペダル８３を踏み込んでも車両の後進を抑制するトルク（前進させるためのトルク）を走行用モータ３６から出力することができなくなり、車両の後進速度を加速させてしまう。実施例の駆動制御ルーチンでは、こうした不都合を回避するために、電源電圧Ｖｐが閾値Ｖｒｅｆ以上のとき、即ちキャパシタ３２が満充電近傍のときには、走行用モータ３６を回生制御することにより生じる回生電力を補機を強制駆動することにより消費するのである。実施例では、こうした処理により、キャパシタ３２が満充電となっても走行用モータ３６を回生制御して登坂路面における発進をスムースに行なうようにしているのである。なお、補機の強制駆動は、補機消費電力Ｐｈを消費できるように補機を駆動制御する共に補機に補機消費電力Ｐｈが供給されるようＤＣ／ＤＣコンバータ５４を制御する処理となり、具体的には、燃料電池３０やアキュムレータ２４に空気を供給するエアコンプレッサ２８を補機消費電力Ｐｈを消費する回転数で回転駆動させるのである。なお、補機としてはエアコンプレッサ２８の他に循環ポンプ２６や乗員室の空調装置のコンプレッサなどの機器も対象として強制駆動することもできるが、回生電力をアキュムレータ２４への空気の蓄積という形態で蓄えることができることから、主としてエアコンプレッサ２８を強制駆動することが好ましい。
【００２６】
以上説明した実施例の電気自動車１０によれば、走行用モータ３６が回生モードで駆動制御されると共にキャパシタ３２が満充電近傍のときには、走行用モータ３６を回生制御することにより生じる回生電力を補機を強制駆動することにより消費することにより、走行用モータ３６を回生制御できなくなるという不都合、特に車両が登坂路面で発進する際に若干後進している車両に対して前進方向にトルクを出力することができなくなるという不都合を回避することができる。しかも、走行用モータ３６により回生される電力に応じて補機を強制駆動するから、運転者の操作に応じたトルクを走行用モータ３６から出力することができる。また、実施例の電気自動車１０では、強制駆動する補機として燃料電池３０やアキュムレータ２４に空気を供給するエアコンプレッサ２８を主として用いるから、回生電力を有効に用いることができる。この結果、車両のエネルギ効率を向上させることができる。
【００２７】
実施例の電気自動車１０では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５４を介して電力をエアコンプレッサ２８などの補機に供給するものとしたが、エアコンプレッサ２８などの補機のモータとして三相交流電動機を用い、インバータを介して補機のモータなど電力を供給するものとしてもよい。
【００２８】
実施例の電気自動車１０では、運転者の操作に応じて走行用モータ３６により回生される電力が補機により消費されるよう補機消費電力Ｐｈを設定して補機をを強制駆動するものとしたが、走行用モータ３６により回生される電力の最大値を設定しておき、その最大値の範囲内で走行用モータ３６を駆動制御するものとしてもよい。こうすれば、運転者の操作に完全に一致するよう走行用モータ３６を駆動制御することができないものの、強制的な補機駆動の範囲を設定したり、過剰な補機の強制駆動を抑制することができる。
【００２９】
実施例の電気自動車１０では、二つの駆動輪１２にデファレンシャルギヤ１４を介して取り付けられた走行用モータ３６からの動力により走行するものとして構成したが、二つの駆動輪１２の各々のホイールに取り付けられた二つのモータ（ホイールインモータ）からの動力により走行するものとして構成してもよいし、二つの駆動輪１２以外の車輪の車軸に他のモータを取り付けてそのモータと走行用モータ３６とからの動力により走行する四輪駆動の自動車として構成してもよい。
【００３０】
実施例の電気自動車１０では、電気二重層キャパシタを搭載するものとしたが、他のタイプのキャパシタ３２を搭載するものとしてもよいし、他の蓄電可能な機器、例えば二次電池を搭載するものとしてもよい。この場合、図２の駆動制御ルーチンのステップＳ１３０の処理を電源電圧Ｖｐによるキャパシタ３２の満充電近傍の判定に代えて蓄電可能な機器の蓄電状態（例えば、二次電池における残容量（ＳＯＣ）など）による満充電近傍の判定とすればよい。
【００３１】
実施例の電気自動車１０では、アクセル開度ＡＰが値０のときには停車を含む低車速の状態で前進方向のクリープトルクが出力されるものとしたが、停車状態のときには、停車状態を維持するためのトルク（ヒルホールド用のトルク）を出力するものとしてもよい。
【００３２】
実施例の電気自動車１０では、燃料電池３０を搭載するものとしたが、燃料電池３０以外のエネルギ源、例えば二次電池などを搭載するものとしてもよい。この場合、キャパシタ３２と二次電池とが共に満充電近傍の状態のときに補機の強制駆動による走行用モータ３６の回生制御を行なうものとすればよい。
【００３３】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である電気自動車１０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】実施例の電子制御ユニット７０により実行される駆動制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図３】要求トルク設定マップの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０電気自動車、１２駆動輪、１３機械ブレーキ、１４デファレンシャルギヤ、２２水素高圧タンク、２４アキュムレータ、２６循環ポンプ、２８エアコンプレッサ、３０燃料電池、３２キャパシタ、３４インバータ、３６走行用モータ、３７回転位置検出センサ、５４ＤＣ／ＤＣコンバータ、６０２次電池、６２補機、７０電子制御ユニット、７２ＣＰＵ、７４ＲＯＭ、７６ＲＡＭ、８１シフトレバー、８２シフトポジションセンサ、８３アクセルペダル、８４アクセルペダルポジションセンサ、８５ブレーキペダル、８６ブレーキペダルポジションセンサ、８８車速センサ。

Claims

発電可能な少なくとも一つの電動機からの動力に基づいて走行する電気自動車であって、
前記電動機と電力のやりとりを行なう蓄電手段と、
該蓄電手段の蓄電状態を検出する蓄電状態検出手段と、
前記蓄電手段と並列に接続されて前記電動機に電力を供給可能な燃料電池と、
空気を蓄積すると共に該蓄積した空気を前記燃料電池に供給するアキュムレータと、
前記蓄電手段からの電力系統に接続され該系統からの電力を消費可能で、前記燃料電池と前記アキュムレータとに空気を供給するエアコンプレッサと、
略停車状態の時に所定のトルクが出力されると共に運転者による操作に基づいて設定されるトルクが出力されるよう前記電動機を駆動する電動機駆動制御手段と、
前記車両が後進しているときに前記電動機から前進方向のトルクを出力するために前記電動機駆動制御手段により該電動機が回生制御されているとき、前記蓄電状態検出手段により検出される前記蓄電手段の蓄電状態に基づいて前記電動機の回生制御により生じる回生電力の少なくとも一部が前記アキュムレータへの空気の蓄積を伴って消費されるよう前記エアコンプレッサを制御する回生時制御を実行する回生時制御手段と、
を備える電気自動車。
前記回生時制御手段は、前記回生電力が大きいほど大きな電力が消費されるよう前記エアコンプレッサを制御する手段である請求項１記載の電気自動車。
前記回生時制御手段は、前記蓄電状態検出手段により前記蓄電手段の満充電状態が検出されたときには、前記電動機駆動制御手段による前記電動機の回生制御により生じる回生電力のすべてが前記エアコンプレッサにより消費されるよう該エアコンプレッサを制御する手段である請求項２記載の電気自動車。
前記蓄電手段はキャパシタである請求項１ないし３いずれか記載の電気自動車。
走行用の動力を出力する発電可能な少なくとも一つの電動機と、該電動機と電力のやりとりを行なう蓄電手段と、前記蓄電手段と並列に接続されて前記電動機に電力を供給可能な燃料電池と、空気を蓄積すると共に該蓄積した空気を前記燃料電池に供給するアキュムレータと、前記蓄電手段からの電力系統に接続され該系統からの電力を消費可能で、前記燃料電池と前記アキュムレータとに空気を供給するエアコンプレッサと、を備える電気自動車の制御方法であって、
略停車状態の時に所定のトルクが出力されると共に運転者による操作に基づいて設定されるトルクが出力されるよう前記電動機を駆動し、
前記車両が後進しているときに前記電動機から前進方向のトルクを出力するために前記電動機駆動制御手段により該電動機が回生制御されているときには、前記蓄電手段の蓄電状態を検出すると共に該検出した蓄電状態に基づいて前記電動機の回生制御により生じる回生電力の少なくとも一部が前記アキュムレータへの空気の蓄積を伴って消費されるよう前記エアコンプレッサを制御する
電気自動車の制御方法。