JP4275042B2 - ハイブリッド電気自動車において高電圧バスから低電圧バスへエネルギーを制御可能に移送する方法及びそのための制御器 - Google Patents
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Description
本発明は、高電圧バスと低電圧バスとを備えたハイブリッド電気自動車に関し、具体的には、高電圧バスから低電圧バスへのエネルギーの移送に関する。
シリーズ、パラレルそしてパラレル・シリーズ・ハイブリッドなど多くのハイブリッド電気自動車は通常、高電圧バス及び低電圧バスを備えている。該高電圧バスは、車両を駆動するために用いられる部品の間でエネルギーを移送するものであり、低電圧バスは、アクセサリー負荷へエネルギーを移送するものである。
上記高電圧バスは、DC/DCコンバーターを介して低電圧バスに電気的に結合され、バス間でのエネルギーの移送を可能とする。上記高電圧バスは、高電圧状態を維持するために、車両が動作していないときには解放されるのが一般的である。そうするに際し、高電圧バスに結合されるバッテリー若しくは他の高電圧エネルギー貯蔵装置は、高電圧バスの残りの部分から絶縁されている。
一般的に、この絶縁は、高電圧エネルギー貯蔵装置を高電圧バスの残りの部分に電気的に結合するのに用いられる接触器を開放することにより、なされる。開放された接触器は、車両をスタートするときには閉じなければならない。開放している接触器を閉じるのに先立ち、高電圧バスをプリチャージ（precharge）するために、エネルギーが高電圧エネルギー貯蔵装置から高電圧バスへと移送される。
このプリチャージは、接触器が閉じるときに、瞬間的に短絡が起きるのを防ぐことができる。プリチャージは、高電圧バスが充分にチャージされて、接触器が閉じるときに、終了する。
プリチャージの後であるがパワートレイン全体が動作可能となる前に、システムは、高電圧バスが動作可能であるが、内燃機関又は燃料電池を典型とする主エネルギー源が一時的に動作不能な状態で、待機する。これは、「プリスタート（prestart）」と呼ばれる。
そのようなプリスタートの間に、低電圧バスに結合された低電圧バッテリーにある程度の性能低下が生じることが実験によって分かっている。具体的には、低電圧バスにより電力供給されるアクセサリー負荷がプリスタートの間、長期にわたり動作しているとき、例えば、イグニッション・キーがラン（run）位置にあり、照明又はラジオがオンであるときに、上記の性能低下が起こり得る。従って、低電圧バッテリーにおいて、そのような性能低下を抑える必要がある。
本発明は、プリスタート中に高電圧バスから低電圧バスへ制御可能にエネルギーを移送する方法及びそのための制御器により、上述の必要性を満たすものである。これにより、低電圧バスに接続された低電圧バッテリーが、プリチャージ中に、性能低下を抑えるのに充分なエネルギーを受けることが出来る。
本発明の観点の一つは、低電圧バッテリーの劣化を抑えるようにハイブリッド電気自動車を作動させる方法に関する。この方法は、DC/DCコンバーターを用いて低電圧バッテリーへエネルギーを制御可能に移送することに関する。
本発明の実施形態の一つにおいて、DC/DCコンバーターが、高電圧バスと低電圧バスとを結合するように配設され、エネルギーがバスの間で制御可能に移送されるのを可能とする。この方法は、高電圧バスに接続された高電圧バッテリーから利用可能なエネルギーに基いてDC/DCコンバーターを制御することを含む。
本発明の観点の一つは、高電圧バッテリーのエネルギー・レベルを監視して、低電圧バスへエネルギーを移送するようにDC/DCコンバータを制御することに関する。高電圧バッテリーのエネルギーが電気スターターを駆動するのに充分な場合にのみ、エネルギーが低電圧バッテリーへ移送されるのが好ましい。これは、主動力源を始動する電動スターターのために充分なエネルギーを確保するために、なされる。
本発明の観点の一つは、ハイブリッド車両システムに関する。このハイブリッド車両システムは、高電圧バスと低電圧バスとを備えた車両を含む。内燃機関（主動力源）と高電圧バッテリー（二次動力源）とが、車両のハイブリッド作動を行なう。
このシステムは更に、DC/DCコンバーター及び車両システム制御器を含む。DC/DCコンバーターは、高電圧バスと低電圧バスとを結合するように配設されるのが好ましい。車両システム制御器は、高電圧バスのプリチャージ中に、DC/DCコンバーターを通るエネルギーの流れを制御することにより、高電圧バスから低電圧バスへエネルギーを制御可能に移送する。
ここに記載の発明は、例えば、主動力源が一時的に動作不能であるラン位置へイグニッション・スイッチが回された後である、車両の高電圧バスのプリスタート中に、ハイブリッド電気自動車を作動させるシステム及びその方法である。ここに記載の方法は、いかなるハイブリッド車両システムにも適用可能であり、その車両又はそれのパワートレインの具体的な構造又は構成は以下の記載によって限定されるものではない。
図１は、本発明を適用することの出来るハイブリッド車両システムを示し、これは、一般的にパラレル・シリーズ・ハイブリッド電気自動車（parallel-series hybrid electric vehicle: PSHEV）システム10と呼ばれるものである。しかしながら、本発明はまた、他のハイブリッド電気自動車（HEV）にも関連する。それには、シリーズ・ハイブリッド電気自動車（SHEV）、パラレル・ハイブリッド電気自動車（PHEV）及び燃料電池ハイブリッド電気自動車（FCHEV）が含まれる。
システム10は、ガソリン燃料の内燃機関（internal combustion engine: ICE）14、車両システム制御器（vehicle system controller: VSC）16、高電圧バッテリー18及び低電圧バッテリー20を含む。
内燃機関14及び高電圧バッテリー18は、第１モーター／発電機26及び第２モーター／発電機28を備えた電子動力伝達ユニット22を介して車両駆動系に接続される。第１モーター／発電機26は主に発電機として機能し、第２モーター／発電機28は主にモーターとして機能する。
高電圧バッテリー18は主に、第１モーター／発電機26が発生する電気エネルギーを貯蔵するためのエネルギー貯蔵装置として機能する。高電圧バス32が、第１及び第２のモーター／発電機を高電圧バッテリー18へ接続する。車両システム制御器16により制御され得るプリチャージ装置36が、プリチャージのためにバッテリー18から高電圧バス32へエネルギーを供給する。
内燃機関14は全体として「主動力源」と呼ばれ、そして、高電圧バッテリー18、モーター／発電機26及びモーター／発電機28の組合せは集合的に「二次動力源」と呼ばれる。しかしながら、主動力源と二次動力源とは置き換えることが出来、そして、本発明では、特定の形式の車両動力源に限定されることが意図されていないことが、理解される。
例えば、主動力源は、限定されるものではないが、ガソリン、ディーゼル、水素、メタノール、天然ガス、エタノール若しくは他のガス又は液体を燃料とする内燃機関を含む、いかなる内燃機関とすることも出来る。また、主動力源は、水素燃料電池エンジンのような燃料電池エンジンとすることも出来る。
二次動力源も同様に、バッテリー及び対応する電気機械に限定されることなく、ウルトラキャパシター、リニア・ジェネレーター及びトルクを発生するための他の電気機械又は油圧装置が、含まれ得る。
動力伝達ユニット22は、リング・ギア38、サン・ギア40及びプラネタリー・キャリアー・アッセンブリー41を含む遊星歯車機構37を含む。リング・ギア38は、減速歯車／噛合い歯車要素42, 44, 46, 48及び50を介して、モーター／発電機を車両駆動系に連結する。
サン・ギア40及びプラネタリー・キャリアー組立体41も同様に、動力伝達ユニット22のトルク出力軸58を介して、内燃機関14及びモーター／発電機26をそれぞれ、車両駆動系（車両駆動輪54及びデファレンシャルと車軸（axle）との機構56として示されている）に連結する。
歯車44, 46及び48がカウンターシャフト上に取り付けられ、歯車46がモーター駆動歯車62へ係合する。電気モーター28が、歯車62を駆動し、それが、カウンターシャフトの歯車機構のトルク入力となる。
VSC 16を介して、HEVシステム10は、内燃機関14、モーター／発電機26及びモーター／発電機28の一つ又は複数を用いて、複数の異なる動力モードで動作し得る。これらのモードうち、所定のものは、一般的に「パラレル」、「スプリット」及び「電動」と表される。
これらのモードの一つである「電気自動車（electric vehicle: EV）モード」若しくは「電動モード」は、内燃機関14が停止され、ワンウェイ・クラッチ66がトルク入力シャフト68及びキャリアー・アッセンブリー41を制動するために締結される。これが車両をEVモードにして、そこでは、高電圧バッテリー18及び、モーター／発電機26及びモーター／発電機28の一方又は両方からなる電気推進システムによってのみ推進力が供給される。
前述のものは、全体として、エンジン14（主動力源）、高電圧バッテリー18及び第１と第２のモーター／発電機26, 28（二次動力源）の一方又は両方を用いて車両を駆動する手段について、述べている。加えて、システム10は、例えば、ラジオ、CDプレーヤー、GPSシステム、照明や当業者が想到するであろうそれ以外のものとしてのアクセサリー負荷70に電力供給するために、用いることが出来る。
アクセサリー負荷70は、低電圧バス72を介して供給されるエネルギーを用いて駆動されるのが好ましい。本発明によれば、アクセサリー負荷70を駆動するためのエネルギーは、低電圧バッテリー20を介して供給されても、高電圧バス32を介して供給されても良い。
DC/DCコンバーター74は、高電圧バス32から低電圧バス72へのエネルギー移送を制御するために設けられる。このようにして、高電圧バッテリー18からのエネルギー又は回生制動中に生成されて高電圧バス32へ供給されたエネルギーを、DC/DCコンバーター74を介して低電圧バス72へ移送することが出来る。
DC/DCコンバーター74は、車両システム制御器16により制御可能である。概略的には、車両システム制御器16は、システム10の各種センサーを監視し、制御信号をDC/DCコンバーター74へ送信する。制御信号に応答して、DC/DCコンバーター74は、高電圧バス32と低電圧バス72との間の電気エネルギーの移送を制御する。
図２は、本発明に従い低電圧バス72へ制御可能にエネルギーを移送するために電子制御モジュール16により実行される方法を表すフローチャート79を示している。
ブロック80は、イグニッション・キーがラン位置へ回されたことの判定を示す。ラン位置は、車両電気システムを作動させるが、エンジンは作動させないキー位置である。一般的に、イグニッション・キーがラン位置に回されたときに、アクセサリー負荷70を用いることが出来る。
ブロック82は、接触器86を閉じるのに先立ち、限られたエネルギーを高電圧バス32へ移送することにより、ブロック80に応答して高電圧バス32のプリチャージが開始されることを示す。具体的には、これは、接触器86をバイパスする不図示の抵抗要素を用いて行なわれる。プリチャージは、接点が閉じるときに、高電圧バスで瞬間的な短絡が起こるのを防止する。
ブロック84は、接触器86の閉鎖を示す。接触器86は、高電圧バッテリー18を高電圧バス32と結合するために閉じられる。この接触器86の閉鎖は、プリチャージの終了を意味する。プリチャージの後であるが、パワートレイン全体が動作可能とされる前に、システムは、高電圧バスが動作可能であるが主エネルギー源（典型的には内燃機関又は燃料電池）は一時的に動作不能である状態で待機する。これが、プリスタート（prestart）と呼ばれる。
そのようなプリスタート中に、特に低電圧バス72により駆動されるアクセサリーが長期のプリチャージの間、例えばイグニッション・スイッチがラン位置にあり照明又はラジオがオンであるときに、低電圧バス72に接続された低電圧バッテリー20にある程度の性能低下が生じ得る、ということが実験から分かっている。
後述のように、本発明は、スタート前にエネルギーを低電圧バス72へ移送することにより、そのような性能低下を抑制する。このようにして、バッテリー20が過放電されるのを防止するのが好ましい。過放電が抑制されるので、より小さなバッテリーを用いてコストを削減することが可能で、また、バッテリーをウルトラキャパシターなど他のエネルギー貯蔵装置で代えることも出来る。アクセサリー負荷は、プリチャージ中に長期間にわたり動作可能である。
このようにして、高電圧バッテリー18からのエネルギーを、必要に応じて、発電機／モーター26を電気的に始動させて車両を駆動するためのトルクを供給するために用いることが出来る。エンジン14を回転させるための発電機／モーター26の使用は、特にエンジン14の代わりに燃料電池が用いられるときには、別の電動スターターによる動作とすることも出来る。
ブロック88は、高電圧バッテリー18から利用可能なエネルギーについての判定を示す。利用可能なエネルギーは、DC/DCコンバーター74を通り低電圧バス72へ移送され得る。この利用可能なエネルギーは、バッテリーの充電状態又はバッテリー放電限界によって判定されるのが好ましい。これらエネルギー値の一つ又は複数に基き、車両システム制御器18は、どの程度のエネルギーを低電圧バス72へ移送することができるかを判定することが出来る。
高電圧バッテリー18は、常に、エンジン14がクランキングされ得るように発電機／モーター26を駆動するのに充分なエネルギー（所定のエネルギー・レベル）を維持するのが好ましい。そうすることで、低電圧バス72に対するエネルギーの移送は、プリチャージ中に低電圧バス72へ移送されるエネルギーが高電圧バッテリー18を消耗させるのに対応して、制限される。ここで、例えば、上記高電圧バッテリー18において、発電機／モータ26を駆動させてエンジン14をクランク可能とさせるような充分なエネルギー・レベルが所定のエネルギー・レベルとなる。なお、この所定のエネルギー・レベルは、エンジン14がクランク可能となるように発電機／モータ26を駆動させることのできるエネルギー・レベルよりも大きくなるように設定されていてもよい（この場合の所定のエネルギー・レベルはエネルギー閾値に相当する）。
発電機／モーター26（電動スターター）を駆動するのに必要なエネルギーの大きさは、発電機／モーターに応じて、変わり得る。加えて、必要とされるエネルギーの大きさは、電動スターターが別の形式の始動装置若しくは燃料電池スターターであるときにも、変わり得る。
ブロック90は、高電圧バスから低電圧バスへエネルギーを移送するためのDC/DCコンバーター74の制御を示す。これは、車両システム制御器16又は、当業者が想到するような他の制御器、によりなされる。
ブロック92は、上記ブロック88で判定された利用可能バッテリー・エネルギーから利用可能なエネルギーをチェックすることを示す。ブロック94は、上記ブロック92で判定された利用可能エネルギーに基き低電圧バス72へのエネルギーの移送を調整することを示す。好ましくは、電動スターターに充分なエネルギーが利用可能であるように、高電圧バッテリー18が継続的に監視される。
利用可能な高電圧バッテリーのエネルギーが低電圧バス72へのエネルギーの移送を継続するには不充分であるとブロック94が判定するとき、ブロック96が低電圧バス72へのエネルギーの更なる移送を停止する。これは、電動スターターが必要とするエネルギー又は高電圧システムの他のエネルギー要件に基き判定される。
ブロック98は、低電圧バッテリー20をチェックすることを示す。好ましくは、低電圧バッテリー20が、充電が必要とされているか判定するために、チェックされる。これは、低電圧バッテリー20の充電と共に、アクセサリー負荷のエネルギー消費率を判定することを含んでも良い。
ブロック100は、DC/DCコンバーターを通り移送されるエネルギーによって直接必要な負荷70を駆動することを示す。これは、DC/DCコンバーターを低電圧バッテリー20よりも高い電圧まで制御することにより、低電圧バッテリーが充分に充電されたときになされるのが、好ましい。
低電圧バッテリーが充分に充電されておりアクセサリー負荷70に充分に電力供給されているとき（低電圧バッテリーの電圧が所定電圧よりも高いとき）、ブロック102が低電圧バス72へのエネルギーの更なる移送を停止する。
低電圧バッテリー20の充電量及びアクセサリー負荷70のエネルギー使用量に基き、ブロック104がDC/DCコンバーター74の調整を行なう。この調整には、エネルギー・レベル及びエネルギー伝送率の増減が含まれ得る。
ブロック106は、イグニッション・キーがスタート位置へ回されたか否かの判定を示す。スタート位置において、主駆動源が起動されて、モーター／発電機26（電動スターター）がクランキングを開始する。キーがスタート位置にないとき、ブロック90乃至104が繰り返され、高電圧バッテリーから利用可能なエネルギーの利用を最大にする。
ブロック110がスタート前のエネルギー移送の終了を示し、ブロック112が、キーがスタート位置に回されるとエネルギー移送制御方法を変更することを示す。この制御方法には、DC/DCコンバーターの制御と低電圧バスへのエネルギーの移送とが含まれ得る。
上述のように、本発明は、プリチャージ中に高電圧バスから低電圧バスへエネルギーを制御可能に移送する方法及びそのシステムを提供する。このようにして、低電圧バスに接続された低電圧バッテリーが、プリチャージ中に性能低下を抑えるのに充分なエネルギーを受けることが出来る。
本発明を実施する最良の態様について詳細に説明してきたが、本発明の関連する分野の当業者であれば、請求項により規定される発明を実施するために、種々の代替構成や実施形態及びそれらの均等物を想到するであろう。
10 パラレル・シリーズ・ハイブリッド電気自動車システム
16 制御器（車両システム制御器）
18 高電圧バッテリー
20 低電圧バッテリー
26, 28 発電機／モーター
32 高電圧バス
70 アクセサリー装置（アクセサリー負荷）
72 低電圧バス
74 DC/DCコンバーター
86 接触器
Claims (18)
- 低電圧バスと、高電圧バスと、該低電圧バス及び高電圧バスを電気的に接続するDC/DCコンバーターとを備えたハイブリッド電気自動車を作動させる方法であって、
イグニッション・キーが車両電気システムを作動させるラン位置へ回されたことを検出した場合に、上記高電圧バッテリーと上記高電圧バスとの間に設けられた接触器の接点が開状態で、抵抗要素を備えたプリチャージ装置が上記高電圧バスのプリチャージを行う工程と、
上記高電圧バスがチャージされると、上記開状態の接触器の接点を閉鎖することでプリスタートを行う工程と、
上記高電圧バスのプリスタート中で上記接触器が閉じているときにのみ、上記DC/DCコンバーターを通るエネルギーを制御することにより、上記高電圧バスから上記低電圧バスへエネルギーを移送する工程と、を有する方法。 - 上記高電圧バスに接続され、上記高電圧バスをプリチャージするのに用いられる電気エネルギーを貯蔵するための高電圧バッテリーにおいて、バッテリー・エネルギー・レベルを判定する工程と、
上記バッテリー・エネルギー・レベルが所定のエネルギー・レベルよりも大きいとき、上記高電圧バッテリーにより上記高電圧バスへ供給されるエネルギーから上記低電圧バスへエネルギーを制御可能に移送する工程と、を更に有する請求項１の方法。 - 上記高電圧バッテリーのバッテリー・エネルギーに相当するバッテリー充電状態を判定する工程を更に有する、請求項２の方法。
- 上記高電圧バッテリーのバッテリー・エネルギーに相当するバッテリー放電限界を判定する工程を更に有する、請求項２又は３の方法。
- 上記高電圧バッテリーに蓄積されたエネルギーが、車両を始動させるために用いられる電動スターターに電力を供給するのに充分であるか否かを判断する工程と、
上記高電圧バッテリーに蓄積されたエネルギーが上記電動スターターに電力供給するのに充分である場合にのみ、上記低電圧バスへエネルギーを移送する工程と、を更に有する、請求項２乃至４のいずれか一つに記載の方法。 - 上記バッテリー・エネルギーを継続的に監視する工程と、
上記バッテリー・エネルギーが、上記電動スターターを駆動するのに必要なエネルギーよりも大きい所定のエネルギー閾値を下回るときに上記低電圧バスへのエネルギーの移送を禁止する工程と、を更に有する、請求項５の方法。 - 上記低電圧バスに接続された低電圧バッテリーのバッテリー電圧を検出する工程と、
上記低電圧バッテリーのバッテリー電圧に基いて上記低電圧バスへエネルギーを制御可能に移送する工程と、を更に有する、請求項１乃至６のいずれか一つに記載の方法。 - 上記低電圧バッテリーのバッテリー電圧が所定電圧よりも高いときに、上記低電圧バスへのエネルギーの移送を制限する工程、を更に有する、請求項７の方法。
- アクセサリー負荷へ電力を供給するための低電圧バスと、DC/DCコンバーターにより上記低電圧バスに電気的に接続され、車両を電気的に駆動させるために電力を供給する高電圧バスと、を備えたハイブリッド電気自動車（HEV）を作動させるための車両システム制御器であって、
上記高電圧バッテリーと上記高電圧バスとの間に設けられた接触器の接点が開状態のときに、抵抗要素を備えたプリチャージ装置によって上記高電圧バスのプリチャージを行う手段と、
上記高電圧バスがチャージされて、上記開状態の接触器が閉状態であることを検出することによりプリスタート状態であると判定するとともに、上記接触器が閉じているときにのみ、上記DC/DCコンバーターを通るエネルギーを制御することにより、上記高電圧バスから上記低電圧バスへエネルギーを移送する手段と、を有する、制御器。 - 上記高電圧バッテリーのバッテリー・エネルギー・レベルを判定し、該バッテリー・エネルギー・レベルが所定のエネルギー・レベルよりも大きいとき、上記高電圧バッテリーにより上記高電圧バスへ供給されるエネルギーから上記低電圧バスへエネルギーを制御可能に移送する手段、を更に有する、請求項９の制御器。
- 上記バッテリー・エネルギー・レベルに相当する上記高電圧バッテリーのバッテリー充電状態を判定する手段を更に有する、請求項１０の制御器。
- 上記バッテリー・エネルギー・レベルに相当する上記高電圧バッテリーのバッテリー放電限界を判定する手段を更に有する、請求項１０の制御器。
- 上記バッテリー・エネルギーレベルが上記車両を発進させるために用いられる電気スターターを駆動するのに充分であるか否かを判定するとともに、上記バッテリー・エネルギー・レベルが上記電気スターターを駆動するのに充分であるときに上記低電圧バスへエネルギーを移送する手段、を更に有する、請求項１０の制御器。
- 上記バッテリー・エネルギー・レベルを連続的に監視するとともに、該バッテリー・エネルギー・レベルが予め定められた閾値を下回るときに、上記低電圧バスへのエネルギーの移送を制限する手段、を更に有する、請求項１３の制御器。
- 上記低電圧バスに接続された低電圧バッテリーのバッテリー電圧を判定するとともに、上記低電圧バッテリーのバッテリー電圧に基いて上記低電圧バスへエネルギーを制御可能に移送する手段、を更に有する、請求項９乃至１４のいずれか一つに記載の制御器。
- 上記低電圧バッテリーのバッテリー電圧が所定電圧よりも大きいとき、上記低電圧バスへのエネルギー移送を制限する手段、を更に有する、請求項１５の制御器。
- 内燃機関と、
上記内燃機関を電気的に始動させるための発電機／モーターと、
高電圧エネルギーを貯蔵する高電圧バッテリーと、
上記発電機／モーターと上記高電圧バッテリーとの間に接続された高電圧バスと、
開状態で上記高電圧バッテリーを上記高電圧バスから電気的に絶縁するために、上記高電圧バッテリーと上記高電圧バスとの間に接続された接触器と、
抵抗要素を備えていて、開状態の上記接触器が閉状態になるのに先立ち、上記高電圧バスをプリチャージするためのプリチャージ装置と、
低電圧エネルギーを貯蔵し、アクセサリーへ電力供給する低電圧バッテリーと、
上記低電圧バッテリーと上記アクセサリーとの間に接続された低電圧バスと、
上記高電圧バスと上記低電圧バスとの間に接続され、上記接触器が開状態のときに上記高電圧バッテリーから絶縁されるDC/DCコンバーターと、
上記高電圧バスのプリスタート中で上記接触器が閉じているときにのみ、該高電圧バスから上記低電圧バスへエネルギーを制御可能に移送させるように、上記DC/DCコンバーターを制御する車両システム制御器と、
を有する、ハイブリッド電気自動車。 - 上記車両システム制御器は、高電圧バッテリーのエネルギーが上記内燃機関の始動時に上記発電機／モーターを駆動させるのに充分であるときにのみ、上記低電圧バスへエネルギーを移送させるように上記DC/DCコンバーターを制御する、請求項１７のハイブリッド電気自動車。
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