JP4222359B2 - ハイブリッド自動車のハイブリッド制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド自動車のハイブリッド制御装置の二次電池充電制御モードに関する。

エンジンと電動機を組み合わせたハイブリッド自動車が多く製作されるようになってきている。近年のハイブリッド自動車は、発電機としても電動機としても動作することが可能な発電電動機を備え、エンジンにより走行することもできるし、エンジン走行中に発電電動機で蓄電池を充電し、発電電動機（走行用電動機として使う）で走行することもできるし、エンジンと発電電動機を併用して走行することもできるもので、自動車の走行速度、蓄電池の充電状況によって、燃費が最もよくなるように、エンジンの負荷と、発電電動機の負荷の割合を遊星歯車式の動力分割機構によって切り替えて走行するようになっている。このようなハイブリッド自動車においては、蓄電池の充電容量をコントロールすることは安定走行、効率走行の点から非常に重要で、図９のような目標充蓄電設定カーブにしたがって、蓄電池の充電、使用、放電を行うようになっている。図９に示すように、蓄電池は蓄電容量上限値ＳＯＣ１０と蓄電容量下限値ＳＯＣ２０の間で使用するように制御され、蓄電容量下限値ＳＯＣ２０より蓄電容量が少なくなると走行の安定性と蓄電池の劣化防止からエンジンを起動して発電電動機によって充電が行われ、蓄電容量上限値ＳＯＣ１０に達すると充電を停止し、発電電動機の出力割合を増加させて、蓄電池を使用して走行していく。そして再び蓄電容量が蓄電容量下限値ＳＯＣ２０に達すると、エンジンを起動して発電電動機により充電が行われるようになっている。蓄電容量が蓄電容量上限値ＳＯＣ１０と蓄電容量下限値ＳＯＣ２０の間にあり、加速時等大きな駆動動力が必要な時は、発電電動機による走行時でもエンジンが起動して、エンジンと発電電動機の合計出力によって加速するようになっている。

ハイブリッド自動車が、渋滞などで低速走行している時には、加速のための大きな駆動力が必要になることはほとんどなく、走行は、走行用の蓄電池（これを二次電池という）の残存容量によって、エンジン走行とエンジンを停止させて発電電動機のみの出力で走行する全電動走行を交互に繰り返していく走行パターンになる（例えば、特許文献１）。

従来技術によるこのような低速走行時の走行パターンについて図７、８を用いて説明する。図７は二次電池の残存容量（ＳＯＣ）に対する充電制御を示し、図８は自動車の走行状態を示す。
（１）二次電池の残存容量が充電開始値ＳＯＣ２まで低下してくると、エンジンが起動され、二次電池への充電が始まる（図７のａ点）。自動車はエンジンにて走行する（図８のａからｂ）。なお、図面は二次電池からの出力を＋として記載しているので、二次電池への充電（入力）は−側に表されている。
（２）二次電池への充電が進み、二次電池の残存容量が充電停止値ＳＯＣ１まで上昇してくると（図７のｂ点）、エンジンが停止し充電が止まる（図７のｃ点）。この時自動車は、エンジン走行から全電動走行に移る（図８、ｃ点）。
（３）一端充電が止まり、全電動走行に移行すると、煩雑なエンジンの起動停止を防止すべく、充電容量が低下しても充電開始値ＳＯＣ２に達するまでは、エンジンは再起動されず、全電動走行が継続する（図７、８のｃ点からｄ点）。
（４）全電動走行によって二次電池の残存容量が低下し、充電開始値ＳＯＣ２に達すると（図７のｄ点）、再びエンジンが起動されて、充電が開始され、自動車はエンジン走行を開始する。
このように、エンジン走行と全電動走行は二次電池の残存容量に対する充電の開始と停止のヒステリシスループ（図７のａ→ｂ→ｃ→ｄ）によって制御され、自動車はエンジン走行（充電走行）と全電動走行（エンジン停止）を繰り返していく。

特開２０００−１３４７１９号公報

通常、上記の充電開始値ＳＯＣ２、充電停止値ＳＯＣ１はそれぞれ図９の目標充電設定カーブの蓄電容量下限値ＳＯＣ２０、蓄電容量上限値ＳＯＣ１０に対応している。これは、充電容量が大きくなりすぎる、あるいは少なくなりすぎると蓄電池の寿命低下などの問題が生じることと、ハイブリッド自動車は制動力を電力として充電池に回収する回生ブレーキを使用しているため、蓄電池の残存容量に余裕がないと、回生ブレーキが使用できなくなるためである。このため、自動車が全電動走行を継続できる時間はあまり長くなく、自動車が渋滞などで長時間低速走行を継続する時には、頻繁にエンジンの起動、停止を繰り返すという問題があった。また、大きなトルクが必要ないことからエンジンは低速で回転する運転となる。一方、エンジンは図３に示すような回転数と出力と燃費との特性を持っている。図３においてＡの領域がもっとも燃料効率がよく、このＡの領域から離れるに従って燃費が低下してくる。図中の各曲線は燃費が等しくなる運転状態を結んだ等燃費曲線である。したがって、エンジン回転数Ｒ１、エンジン出力ＰＥ１の低速、低出力の運転点Ｂはエンジンの効率が悪く、低速走行中のエンジン走行、充電は燃費が悪くなるという問題があった。

この問題を解決するために、渋滞の時には、蓄電容量上限値を通常よりも大きくし、蓄電容量下限値を通常よりも小さくすることによって、全電動運転時間を長くするという正制御方法が提案されている（例えば、特許文献１）。この制御は、図７、８に示すように充電の開始と停止のヒステリシスループの充電停止値を通常のＳＯＣ１より大きいＳＯＣ３に変更し、充電開始値を通常のＳＯＣ２よりも小さいＳＯＣ４に変更することによって、ヒステリシスループを広げ、エンジン走行と全電動走行のインターバルを長くするものである。この方式は、二次電池残存容量が中間値ＳＯＣ５の時に渋滞に入った場合、従来の制御方式だと図８の残存全電動運転可能時間ＴＲ１をＴＲ２に長くできるという効果はあるものの、二次電池残存容量が充電開始値まで低下し、エンジン走行に移ると長い間エンジン走行が続いてしまうという問題があった。また、エンジンの起動、停止回数は従来のものよりも少なくなるものの、累計エンジン走行時間と全電動走行時間の割合は変わらす、また、エンジンの燃費効率の悪い運転範囲での充電となることは同様なので、全体的な燃費もあまり変わらないものであった。

そこで、本発明の目的は、渋滞などの低速連続走行時に、全電動走行時間の割合を大きくすると共に、エンジンの充電をエンジン効率のよい運転状態で行うことにより、燃費の低減を図ることができるハイブリッド自動車のハイブリッド制御装置を提供することにある。

本発明の目的は、二次電池残存容量に対する充電の開始と停止のヒステリシスを有するハイブリッド制御の二次電池充電制御モードを、渋滞状態の検出により通常制御モードから、二次電池残存容量に対する充電の開始と停止のヒステリシスの充電停止値が通常制御モードよりも大きく、充電開始値が通常制御モードよりも小さい、渋滞制御モードに切り替えて、全電動運転可能範囲を広げるハイブリッド電気自動車のハイブリッド制御装置において、二次電池充電制御の渋滞制御モードは、二次電池への充電要求電力が通常制御モードよりも大きくすることによって達成することができる。本発明の目的を達成するための渋滞状態の検出は、外部よりの渋滞情報と車両位置情報とによって行うことでもよい。

本発明によるハイブリッド自動車のハイブリッド制御装置は、渋滞などの低速連続走行時でも燃費の低減を図ることができるという効果を奏する。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。

本発明の第１の実施形態を図１〜４を参照しながら説明する。まず、図４に示すように、ＶＩＣＳ（Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ、ＶＩＣＳは登録商標）の渋滞情報と、ＧＰＳからの自分の自動車の位置情報をカーナビゲーションシステムに入力し、現在、自分の自動車が渋滞地域に入っているのかどうかを判断する。渋滞位置に入っていないと判断された場合には、二次電池充電制御モードは図７のａ→ｂ→ｃ→ｄのヒステリシスループによって制御される通常の走行パターンにて走行する。一方、上記の位置情報と渋滞情報から自分の自動車が現在渋滞地域に入っていると判断された場合には、渋滞制御モードが選択され、二次電池充電制御モードは図１のｐ→ｑ→ｒ→ｓのヒステリシスループによって制御される渋滞モードに移行する。

渋滞制御モードの二次電池残存容量に対する充電制御について図１、図２を用いて説明する。従来技術と同様、図１は二次電池の残存容量（ＳＯＣ）に対する充電制御を示し、図２は自動車の走行状態を示す。図１、図２において、破線は従来技術を示し、実線は本発明の第１の実施形態を示す。
（１）二次電池の残存容量が通常モードの充電開始値ＳＯＣ２より小さいＳＯＣ４まで低下してくると、エンジンが起動され、二次電池への充電が始まる（図１のｐ点）。自動車はエンジンにて走行する（図２のｐからｑ）。
（２）充電は、通常モードの充電電力Ｐ１よりも大きいＰ２で行う（図面は二次電池からの出力を＋として記載しているので、二次電池への充電（入力）は−側に表されている）。通常モードよりも大きな充電電力で二次電池に充電していくことから、充電速度は通常モードの充電に比較して早く、短時間で充電ができる。この結果、エンジンによる走行時間による充電時間ＴＥ３は従来技術のＴＥ２よりも短くなる。
（３）二次電池への充電が進み、二次電池の残存容量が通常モードの充電停止値ＳＯＣ１より大きいＳＯＣ３まで上昇してくると（図１のｑ点）、エンジンが停止し充電が止まる（図１のｒ点）。この時自動車は、エンジン走行から全電動走行に移る（図２、ｒ点）。
（４）一端充電が止まり、全電動走に移行すると、充電容量が低下しても充電開始値ＳＯＣ４に達するまでは、エンジンは再起動されず、全電動走行が継続する（図１、２のｒ点からｓ点）。全電動走行における、走行時間と二次電池の消費割合は従来技術のヒステリシスループのｇ点からｈ点と同様となり、全電動走行時間ＴＭ３も従来技術のＴＭ２と同様になる。
（５）全電動走行によって二次電池の残存容量が低下し、充電開始値ＳＯＣ４に達すると（図１のｓ点）、再びエンジンが起動されて、充電が開始され、自動車はエンジン走行を開始する。
このように、エンジン走行と全電動走行は通常モードよりも大きくなった二次電池の残存容量に対する充電の開始と停止のヒステリシスループ（図１のｐ→ｑ→ｒ→ｓ）によって制御される。

本発明の第１の実施形態では、図２に示すようにエンジン走行の時間が全電動走行（発電電動のみによって走行する）の時間よりも短くなり、全体走行時間に占める全電動走行の割合が大きくなる。特に、充電開始値よりすこし大きな二次電池残存容量ＳＯＣ６で全電走行をしているときに渋滞に入った場合、全電動走行時の二次電池の消費割合が本発明の第１の実施形態も従来技術も同様であることから、残存全電動運転可能時間ＴＲ４とＴＲ５は同一であるが、充電時間が短いので次の全電動走行を早く開始でき、全体運転時間に締める全電動運転時間を長くできるという効果を奏する。これによって、燃費の悪い低速エンジン走行時間を短くして、全体の燃費を向上させることができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態では、二次電池への充電電力が通常モードよりも大きくなっている。このため、エンジンは通常モードよりも大きな出力を要求されるため、回転数を上昇させることが必要となる。さきに述べたように、エンジンは図３に示すような回転数と出力と燃費との特性を持っており、図中のエンジン回転数がＲ１、エンジン出力がＰＥ１の低速、低出力の運転点Ｂよりも、エンジン回転数がＲ２と高く、出力もＰＥ２と大きい運転点Ｃでエンジンを運転するほうが燃費が改善されることがわかる。

渋滞状態のような低速運転中の通常モードにおいては従来技術におけるエンジン走行での充電では、エンジンは図３のＢ点での運転状態となり、回転数は１０００回転前後に制御されている。しかし、本願発明の第１の実施形態では、通常モードから渋滞モードに切り替えることによって、充電電力を大きくしていることから、エンジンに要求される出力が大きくなり、結果として高い出力ＰＥ２、高い回転数Ｒ２で運転されることとなる。この結果、エンジンの運転状態は図３のＢ点からエンジン回転数が２０００回転程度のＣ点に移り、エンジンは効率のよい運転点で自動車を走行させ、充電することができるようになる。

したがって、本発明の第１の実施形態では、全電動走行時間を長くすることができると共に、エンジン走行においても従来技術のエンジン走行、充電よりも燃費をよくすることができることから、より自動車の燃費を向上させることができる。

本発明の第２の実施形態を図５、６を参照しながら説明する。本発明の第１の実施形態で説明したように、渋滞などの低速走行における燃費は、二次電池の残存容量に対する充電の開始と停止のヒステリシスループを大きくすることによって改善することができる。本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態よりもさらに充電開始値をＳＯＣ８に下げ、充電停止値をＳＯＣ７に上げてヒステリシスループをｐ_２→ｑ_２→ｒ_２→ｓ_２とさらに大きくして、より燃費の向上を図ったものである。しかし、充電停止値を大きくするということは、より大きな二次電池残存容量まで充電するということになり、過充電による二次電池の破損、寿命の低下が発生する恐れがある。そこで、本発明の第２の実施形態では、二次電池残存容量が第１の実施形態の充電停止値ＳＯＣ３より少し小さいＳＯＣ９（図中ｑ_２点）に達したら、充電電力を徐々に少なくして、充電停止値ＳＯＣ７に到達するようなヒステリシスループとしている。これによって、より大きな二次電池残存容量まで安全に充電することが可能となり、かつより高い燃費を実現することができる。また、ヒステリシスループのｑ_２からｒ_２への間において、必要動力が大きくない場合には、充電停止値ＳＯＣ７まで充電せず、ＳＯＣ７よりも小さい二次電池残存容量、例えばＳＯＣ３に達した時にエンジンを停止して全電動運転に移行することもできる。この場合にはヒステリシスループは、ｐ_２→ｑ_２→ｆ→ｇ→ｓ_２となり、自動車の走行状態は図６の一点鎖線によって示されるようになる。

図６に示すように、本発明の第２の実施形態では、第１の実施形態と同様、全電動走行時間ＴＭ４を長くすることができると共に、エンジン走行においても従来技術のエンジン走行、充電よりも燃費をよくすることができることから、より自動車の燃費を向上させることができるという効果を奏するとともに、充電開始値と充電停止値の中間のＳＯＣ５において、全電動走行中に渋滞状態に入った時には、従来技術では次のエンジン起動までの残存全電動運転可能時間がＴＲ２であったのをＴＲ３まで伸ばすことができ、より効率の向上を図ることができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態の二次電池の残存容量（ＳＯＣ）に対する充電制御ループを示す図である。 本発明の第１の実施形態のハイブリッド自動車の走行状態を示す図である。 エンジンの燃費特性を表す図である。 本発明の第１の実施形態の渋滞モードへの切り替えを示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態の二次電池の残存容量（ＳＯＣ）に対する充電制御ループを示す図である。 本発明の第２の実施形態のハイブリッド自動車の走行状態を示す図である。 従来技術の二次電池の残存容量（ＳＯＣ）に対する充電制御ループを示す図である。 従来技術のハイブリッド自動車の走行状態を示す図である。 従来技術の二次蓄電池の目標充電設定カーブである。

符号の説明

Ａ エンジン最高出力範囲、Ｂ，Ｃ エンジン運転点、Ｐ１，Ｐ２ 充電電力、ＰＥ１，ＰＥ２ エンジン出力、Ｒ１，Ｒ２ エンジン回転数、ＳＯＣ１，ＳＯＣ３，ＳＯＣ７ 充電停止値、ＳＯＣ２，ＳＯＣ４，ＳＯＣ８ 充電開始値、ＳＯＣ１０ 蓄電容量上限値、ＳＯＣ２０ 蓄電容量下限値、ＴＥ１，ＴＥ２，ＴＥ３，ＴＥ４ エンジン走行（充電）時間、ＴＭ１，ＴＭ２，ＴＭ３，ＴＭ４ 全電動走行時間、ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３，ＴＲ４，ＴＲ５ 残存全電動運転可能時間。

Claims (2)

1. 二次電池残存容量に対する充電の開始と停止のヒステリシスを有するハイブリッド制御の二次電池充電制御モードを、
   渋滞状態の検出により
   通常制御モードから、
   前記二次電池残存容量に対する充電の開始と停止のヒステリシスの
   充電停止値が通常制御モードよりも大きく、
   充電開始値が通常制御モードよりも小さい、
   渋滞制御モードに切り替えて、全電動運転可能範囲を広げるハイブリッド自動車のハイブリッド制御装置において、
   前記二次電池充電制御の渋滞制御モードは、
   二次電池への充電要求電力が通常制御モードよりも大きいこと、
   を特徴とするハイブリッド自動車のハイブリッド制御装置。
2. 渋滞状態の検出は、
   外部よりの渋滞情報と、
   車両位置情報と、
   によって行うこと、
   を特徴とする請求項１に記載のハイブリッド自動車のハイブリッド制御装置。

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