JP4768320B2 - ハイブリッド車両の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド車両の制御装置に関する。

従来のハイブリッド車両の制御装置は、例えば特開２００３−１６４００３号公報（特許文献１）に記載されているように、直流電力発生手段の発生する直流電力と、電力蓄積手段の発生する直流電力をインバータ手段に供給するに際し、電力蓄積手段に蓄積する蓄電エネルギーを車両速度に対する蓄電量管理基準パターンとして設定し、このパターンによる蓄電量と電力蓄積手段の実蓄電量との差分に応じて直流電力発生手段の発生する直流電力を制御するようにしている。

このような従来のハイブリッド車両の制御装置では、車両速度に対する蓄電量管理基準パターンの蓄電量と実蓄電量との差分で電力発生手段の発生する直流電力を制御するが、車両速度で作った蓄電量管理基準パターンが必ずしも最適な車両走行エネルギーを管理しているとは言えない問題点があった。
特開２００３−１６４００３号公報

本発明は、上述のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、走行計画に基づき算出した目標エネルギー残量と蓄電装置の実エネルギー残量との差分で発電装置の発電電力を制御することにより、走行区間全体を考慮して最適なエネルギー管理を行うことができるハイブリッド車両の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、直流電力を発電する発電装置と、直流電力を充放電する蓄電装置と、車両を駆動する電動機と、前記発電装置と前記蓄電装置が出力した直流電圧を交流電圧に変換して前記電動機を駆動する電力変換装置と、前記車両の駅停車を検知する駅検知手段と、予め作成し保持している走行計画に基づき、線路の各地点での前記蓄電装置の目標エネルギー残量を演算する目標エネルギー残量演算手段と、前記蓄電装置の実エネルギー残量を検出する実エネルギー残量検出手段と、前記車両の走行期間中は前記発電装置の発電電力を一定に保持し、前記駅検知手段が駅停車を検知した時には、当該駅位置における前記蓄電装置の目標エネルギー残量と蓄電装置の実エネルギー残量との差分に応じて前記発電装置の発電する直流電力を制御する発電制御手段とを備えたハイブリッド車両の制御装置を１の特徴とする。

また、本発明は、直流電力を発電する発電装置と、直流電力を充放電する蓄電装置と、車両を駆動する電動機と、前記発電装置と前記蓄電装置が出力した直流電圧を交流電圧に変換して前記電動機を駆動する電力変換装置と、前記車両の速度を検出する速度検出手段と、車両が駅間における最高速度で走行中であることを判定する車両最高速度判定手段と、予め作成し保持している走行計画に基づき、線路の各地点での前記蓄電装置の目標エネルギー残量を演算する目標エネルギー残量演算手段と、前記蓄電装置の実エネルギー残量を検出する実エネルギー残量検出手段と、前記車両最高速度判定手段が前記車両が駅間における最高速度であると判定したときに、前記蓄電装置の目標エネルギー残量と蓄電装置の実エネルギー残量との差分に応じて発電装置の発電する直流電力を制御し、前記車両が前記最高速度でないと判定している期間中は前記発電装置の発電電力を一定に保持する発電制御手段とを備えたハイブリッド車両の制御装置を別の特徴とする。

本発明によれば、走行計画に基づき算出した目標エネルギー残量と蓄電装置の実エネルギー残量との差分で発電装置の発電電力を制御するため、走行区間全体を考慮して最適なエネルギー管理を行うことができるハイブリッド車両の制御装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）図１は本発明の第１の実施の形態のハイブリッド車両の制御装置を搭載するハイブリッド車両の構成を示す図である。図１において、１はハイブリッド車両、２は発電装置、３は電力変換装置、４は電動機、５は蓄電装置、６は補機、７は車輪、８はレールである。

ハイブリッド車両１の発電装置２は直流電力を発電する機器で、ディーゼルエンジンとコンバータや、燃料電池とＤＣ／ＤＣコンバータなど、発電機単体もしくは発電機と変換機との組合せにより構成されている。発電装置２が発電した直流電力は、電力変換装置３にて直流電圧から可変電圧可変周波数の交流電圧へと変換される。この交流電圧は電動機４へと送られる。電動機４の回転子は車輪７とつながっていて、電動機４が車輪７を駆動してハイブリッド車両１を走行させる。蓄電装置５は、二次電池や電気二重層キャパシタ、フライホイール等の蓄電素子と、ＤＣ／ＤＣコンバータとで構成されていて、発電装置２が発電した直流電力を充電し、また蓄電力を放電することができる。

ハイブリッド車両１が加速する力行動作においては、電力変換装置３から電動機４へと電動機の力行電力を供給する。この力行電力に対して、発電装置２が十分に電力供給できれば、発電装置２から電力変換装置３そして電動機４へと電流は流れ、発電装置２が発電した電力は電動機４で消費される。しかし、発電装置２の発電電力最大値が電動機４の定格電力より小さいときや、発電装置２の出力増加レートが電動機４の出力増加より小さいとき、電動機４はパワーが不足し、十分な加速性能を保てなくなる。そのときには、蓄電装置５から発電機２の不足電力を補うことで電動機４には車両を走行するのに十分な電力を得させる。

ハイブリッド車両１が減速する回生動作においては、電動機４は発電機として回生電力を発電し、電動機４から電力変換装置３へと電力は流れる。発電装置２は電力を吸収できないので、電動機４の回生電力は直流電圧部に蓄積され直流電圧を増加させる。このとき、蓄電装置５を充電して電動機４からの回生電力を蓄電装置５で吸収することで、直流電圧部上昇を抑制して回生ブレーキを活用する。

図２は本発明の第１の実施の形態のハイブリッド車両の制御装置のブロック図である。図２において、９は線路条件データ保持部、１０は速度条件データ保持部、１１は時間条件データ保持部、１２は走行計画作成部、１３は発電装置の発電特性データ記憶部、１４は電動機の特性データ記憶部、１５は蓄電装置の特性データ記憶部、１６は補機の特性データ記憶部、１７は目標エネルギー残量の計画値演算部、１８は位置情報入力部、１９は目標エネルギー残量演算部、２０は実エネルギー残量検出部、２１は引算器、２２は発電装置２の直流電力制御部である。

走行計画作成部１２は、線路条件データ保持部９の保持するハイブリッド車両１の走行路線に対する線路条件データ、速度条件データ保持部１０の保持する速度条件データ、時間条件データ保持部１１の保持する時間条件データから走行計画を作成する。線路条件データとは勾配やカーブ、また踏切など予めわかっている走行線区の路線データである。

目標エネルギー残量の計画値演算部１７は、走行計画作成部１２にて作成された走行計画に加えて、発電装置の発電特性データ記憶部１３に記憶されている発電特性データ、電動機の特性データ記憶部１４に記憶されている電動機の特性データ、蓄電装置の蓄電特性データ記憶部１５に記憶されている蓄電装置の蓄電特性データ、補機の特性データ記憶部１６に記憶されている補機の特性データから線路の各地点での目標エネルギー残量の計画値を計算する。目標エネルギー残量演算部１９は、この目標エネルギー残量の計画値演算部１７にて演算された目標エネルギー残量の計画値から位置情報入力部１８の入力するハイブリッド車両１の位置情報に応じて目標エネルギー残量を算出する。引算器２１は、この目標エネルギー残量と、実エネルギー残量検出部２０からの蓄電装置５の実エネルギー残量との差分を求めて発電装置２の直流電力制御部２２に出力する。発電装置の直流電力制御部２２はこの引算器２１からの差分に基づいて、発電電力を周期的に制御する。

走行計画作成部１２は、予め線路条件データ、速度条件データ、時間条件データがわかっていることから、走行計画を予め計算しておいてもよいし、ハイブリッド車両１で走行中に演算して求めてもよい。走行計画を予め作成する場合、目標エネルギー残量の計画値演算部１７は同様に、発電装置の発電特性データ、電動機の特性データ、蓄電装置の特性データ、補機の特性データから目標エネルギー残量の計画値を予め計算して保持しておくようにしてもよい。位置情報入力部１８はＧＰＳ等を利用したナビゲーションシステムを用いて位置情報を測定して入力するものでもよいし、速度を積分して位置情報として入力するものでもよい。加えて、ここでは、目標エネルギー残量演算部１９は目標エネルギー残量の計画値から目標エネルギー残量を求めるのに位置情報を使っているが、これに代えて、駅間における速度情報や加速度情報、また勾配情報や曲線情報を使って目標エネルギー残量を求めるものとして構成してもよい。

本実施の形態によれば、ハイブリッド車両１は走行計画に合わせたエネルギー管理ができるようになる。

（第２の実施の形態）図３は本発明の第２の実施の形態のハイブリッド車両の制御装置のブロック図である。図３において、２３は駅位置検知部、２４はスイッチである。尚、図３において図２と同一の要素には同一の符号を用いて表している。

駅位置検知部２３は、位置情報入力部１８の出力する位置情報から駅位置を検知する。目標エネルギー残量演算部１９はハイブリッド車両１が駅に停車している期間の蓄電装置５の目標エネルギー残量を算出する。引算器２１は目標エネルギー残量と、蓄電装置の実エネルギー残量検出部２０からの実エネルギー残量と比較して差分を求めて出力する。そして、スイッチ２４はクローズしたときにだけ、その差分データを発電装置の直流電力制御部２２に出力する。発電装置の直流電力制御部２２は、与えられる差分から発電装置２の発電電力である直流電力を制御する。スイッチ２４は駅位置にてハイブリッド車両１が駅にいると判断したときにクローズし、走行中はオープンする。

本実施の形態によれば、ハイブリッド車両が駅にいる間に蓄電装置の実エネルギー残量を目標エネルギー残量に近づけることで、ハイブリッド車両は加速に十分なエネルギーを蓄電装置に蓄積することができる。また走行期間中は発電装置の直流電力制御部でそれまでの発電電力値を保持し、発電装置の発電電力を一定値とすることで発電装置の出力変動に伴う負担を軽減して寿命を延ばすことができる。

（第３の実施の形態）図４は本発明の第３の実施の形態のハイブリッド車両の制御装置のブロック図である。図４において、２５は速度情報入力部、２６は最高速度期間判定部である。尚、図４において図２、図３と同一の要素には同一の符号を用いて表している。

最高速度期間判定部２６は、速度情報入力部２５の速度情報と速度条件データ保持部１０の速度条件データからハイブリッド車両１が走行中の最高速度期間を判定する。目標エネルギー残量演算部１９は、この判定期間に蓄電装置５の目標エネルギー残量を算出する。引算器２１は、この目標エネルギー残量と実エネルギー残量検出部２０の検出する蓄電装置５の実エネルギー残量と比較して、差分を求めて出力する。そして、スイッチ２４はクローズしたときにだけ、その差分データを発電装置の直流電力制御部２２に出力する。発電装置の直流電力制御部２２は、与えられる差分から発電装置２の発電電力である直流電力を制御する。スイッチ２４は最高速度期間判定部２６にてハイブリッド車両１が最高速度期間にいると判断したときにクローズし、ブレーキ開始等で最高速度期間から速度が下がったときにオープンする。

本実施の形態によれば、ハイブリッド車両が最高速度にいる期間に蓄電装置の実エネルギー残量を目標エネルギー残量に近づけることで、ハイブリッド車両は減速での回生エネルギーを吸収するのに十分なエネルギーを蓄電装置に蓄積することができる。また最高速度期間以外は発電装置の直流電力制御手段でそれまでの発電電力値を保持し、発電装置の発電電力を一定値とすることで発電装置の出力変動に伴う負担を軽減して寿命を延ばすことができる。

（第４の実施の形態）図５は本発明の第４の実施の形態のハイブリッド車両の制御装置のブロック図である。図５において、２７は車両重量検出部である。尚、図５において、図２、図３、図４と同一の要素には同一の符号を用いて表している。

車両重量検出部２７の検出する車両重量は乗客数で増減する。車両重量検出部２７は、重量センサー、乗客カウント数から車両重量を演算するもの、電動機４の電力から車両重量を計算するもの等が用いられる。そして車両重量は、目標エネルギー残量演算部１９に入力される。目標エネルギー残量演算部１９は目標エネルギー残量の計画値と位置情報入力部１８による位置情報と車両重量からの現在位置での目標エネルギー残量を演算に引算器２１に出力する。引算器２１は、この目標エネルギー残量と実エネルギー残量検出部２０の検出する蓄電装置５の実エネルギー残量と比較して、差分を求めて出力する。

本実施の形態によれば、車両重量に応じて目標エネルギー残量を精度良く計算することができ、発電装置２の発電電力を効率よく制御して、蓄電装置５のエネルギー残量を最適化することができる。

（第５の実施の形態）図６は本発明の第５の実施の形態のハイブリッド車両の制御装置のブロック図である。図６において、２８は天候情報入力部である。尚、図６において、図２、図３〜図５と同一の要素には同一の符号を用いて表している。

天候は逐次変化するので、そのときの天候状態を天候情報入力部２８が検知して目標エネルギー残量演算部１９に入力する。目標エネルギー残量演算部１９は、この検出結果で目標エネルギー残量に入力される。目標エネルギー残量演算部１９は目標エネルギー残量の計画値と位置情報入力部１８による位置情報と車両重量からの現在位置での目標エネルギー残量を演算に引算器２１に出力する。引算器２１は、この目標エネルギー残量と実エネルギー残量検出部２０の検出する蓄電装置５の実エネルギー残量と比較して、差分を求めて出力する。

本実施の形態によれば、天候に応じて目標エネルギー残量を精度良く計算することができ、発電装置２の発電電力を効率よく制御して、蓄電装置５のエネルギー残量を最適化することができる。

（第６の実施の形態）図７は本発明の第６の実施の形態のハイブリッド車両の制御装置のブロック図である。図７において、２９は補機の消費電力制御部である。尚、図７において、図２、図３〜図６と同一の要素には同一の符号を用いて表している。

発電装置の直流電力制御部２２は第１の実施の形態と同様に発電装置２の発電電力を制御するが、発電装置の制御では電力が不十分な場合に補機の消費電力制御部２９にて補機を制御する。たとえば、発電装置２の最大発電電力より大きな電力が必要な場合は、補機の消費電力制御部２９でエアコン等の補機電力を減らして不足する電力を補う。逆に発電装置２を停止し、さらに蓄電装置４の実エネルギー残量を低減する場合は、補機の消費電力制御部２９で照明等の補機電力を増やして電力消費を増加させる。

本実施の形態によれば、目標エネルギー残量に対して実エネルギー残量をすばやく合わせることができ、精度よくエネルギーを管理することができる。

（第７の実施の形態）図８は本発明の第７の実施の形態のハイブリッド車両の制御装置のブロック図である。図８において、３０は電力変換装置の電力制御部である。尚、図８において、図２、図３〜図７と同一の要素には同一の符号を用いて表している。

通常は発電装置の直流電力制御部２２で第１の実施の形態と同様に発電装置２の発電電力を制御するが、蓄電装置５が満充電状態や空状態になると、発電装置２の発電電力が電動機４の電力要求に応えられず十分な電動機性能を維持できなくなる。そこで蓄電装置５が満充電状態や空状態になって蓄電装置５が充放電できないときは、電力変換装置の電力制御部３０で電動機４の駆動電力を制御して、発電装置２の出力電力動作可能範囲に電動機の駆動電力を制限する。

本実施の形態によれば、発電装置の発電電力に負担をかけずに、精度よくエネルギーを管理することができる。

（第８の実施の形態）図９は、本発明の第８の実施の形態のハイブリッド車両の構成を示す図であり、図１０は、目標エネルギー残量を算出するタイミングの説明図である。図９において、３１は遅延判定部である。尚、図９において、図２、図３〜図８と同一の要素には同一の符号を用いて表している。

図１０（ａ）は車両に遅延がない場合であり、目標エネルギー残量を算出するタイミングは駅停車時もしくは駅間における最高速度のときである。また、図１０（ｂ）は車両に遅延が発生した場合であり、目標エネルギー残量を算出するタイミングは、駅停車時、駅間における最高速度のときに加えて、遅延を検出したことをトリガーとする。

この目標エネルギー残量を算出するタイミングを速度情報入力部２５から入力された速度情報をもとに遅延判定部３１で判定し、目標エネルギー残量演算部１９に判定したデータを出力する。目標エネルギー残量演算部１９は、目標エネルギー残量の計画値と、位置情報入力部１８による位置情報と、遅延判定部３１からの判定したデータとから目標エネルギー残量を演算し、演算を引算器２１に出力する。引算器２１は、この目標エネルギー残量と実エネルギー残量検出部２０の検出する蓄電装置５の実エネルギー残量とを比較して、差分を求めて出力する。

本実施の形態によれば、発電装置の発電電力に負担をかけずに、精度よくエネルギーを管理することができる。そして特に遅延発生時には、その再加速のために大きなエネルギーを消費するので、再加速後にハイブリッド車両が高速度となった期間に蓄電装置の実エネルギー残量を目標エネルギー残量に近づけることで、ハイブリッド車両は減速での回生エネルギーを吸収するのに十分なエネルギーを蓄電装置に蓄積することができる。

本発明の第１の実施の形態のハイブリッド車両の構成を示す図。 本発明の第１の実施の形態のハイブリッド車両の制御装置のブロック図。 本発明の第２の実施の形態のハイブリッド車両の構成を示す図。 本発明の第３の実施の形態のハイブリッド車両の構成を示す図。 本発明の第４の実施の形態のハイブリッド車両の構成を示す図。 本発明の第５の実施の形態のハイブリッド車両の構成を示す図。 本発明の第６の実施の形態のハイブリッド車両の構成を示す図。 本発明の第７の実施の形態のハイブリッド車両の構成を示す図。 本発明の第８の実施の形態のハイブリッド車両の構成を示す図。 本発明の第８の実施の形態のハイブリッド車両の制御装置の目標エネルギー残量を算出するタイミングの説明図。

符号の説明

１ ハイブリッド車両
２ 発電装置
３ 電力変換装置
４ 電動機
５ 蓄電装置
６ 補機
７ 車輪
８ レール
９ 線路条件
１０ 速度条件
１１ 時間条件
１２ 走行計画
１３ 発電装置の発電特性
１４ 電動機の特性
１５ 蓄電装置の特性
１６ 補機の特性
１７ 目標エネルギー残量の計画値
１８ 位置情報
１９ 目標エネルギー残量
２０ 実エネルギー残量
２１ 引算手段
２２ 発電装置の直流電力制御手段
２３ 駅位置
２４ スイッチ手段
２５ 速度情報
２６ 最高速度期間
２７ 車両重量
２８ 天候情報
２９ 補機の消費電力制御手段
３０ 電力変換装置の電力制御手段

Claims (7)

1. 直流電力を発電する発電装置と、
   直流電力を充放電する蓄電装置と、
   車両を駆動する電動機と、
   前記発電装置と前記蓄電装置が出力した直流電圧を交流電圧に変換して前記電動機を駆動する電力変換装置と、
   前記車両の駅停車を検知する駅検知手段と、
   予め作成し保持している走行計画に基づき、線路の各地点での前記蓄電装置の目標エネルギー残量を演算する目標エネルギー残量演算手段と、
   前記蓄電装置の実エネルギー残量を検出する実エネルギー残量検出手段と、
   前記車両の走行期間中は前記発電装置の発電電力を一定に保持し、前記駅検知手段が駅停車を検知した時には、当該駅位置における前記蓄電装置の目標エネルギー残量と蓄電装置の実エネルギー残量との差分に応じて前記発電装置の発電する直流電力を制御する発電制御手段とを備えたことを特徴とするハイブリッド車両の制御装置。
2. 直流電力を発電する発電装置と、
   直流電力を充放電する蓄電装置と、
   車両を駆動する電動機と、
   前記発電装置と前記蓄電装置が出力した直流電圧を交流電圧に変換して前記電動機を駆動する電力変換装置と、
   前記車両の速度を検出する速度検出手段と、
   車両が駅間における最高速度で走行中であることを判定する車両最高速度判定手段と、
   予め作成し保持している走行計画に基づき、線路の各地点での前記蓄電装置の目標エネルギー残量を演算する目標エネルギー残量演算手段と、
   前記蓄電装置の実エネルギー残量を検出する実エネルギー残量検出手段と、
   前記車両最高速度判定手段が前記車両が駅間における最高速度であると判定したときに、前記蓄電装置の目標エネルギー残量と蓄電装置の実エネルギー残量との差分に応じて発電装置の発電する直流電力を制御し、前記車両が前記最高速度でないと判定している期間中は前記発電装置の発電電力を一定に保持する発電制御手段とを備えたことを特徴とするハイブリッド車両の制御装置。
3. 車両重量を検出する車両重量検出手段を備え、
   前記目標エネルギー残量演算手段は、前記目標エネルギー残量を車両重量で補正することを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド車両の制御装置。
4. 天候条件を検出する天候条件検出手段を備え、
   前記目標エネルギー残量演算手段は、前記目標エネルギー残量を天候条件で補正することを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド車両の制御装置。
5. 前記発電装置の発電する直流電力に応じて補機の消費電力を制御する補機制御手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のハイブリッド車両の制御装置。
6. 発電装置の発電する直流電力に応じて電動機の駆動電力を制御する駆動電力制御手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のハイブリッド車両の制御装置。
7. 車両の遅延を判定する遅延判定手段を備え、
   前記発電制御手段は、車両に遅延が発生した場合には、前記遅延検出手段が遅延を検出したことをトリガーとして、該当位置についての蓄電装置の目標エネルギー残量と蓄電装置の実エネルギー残量との差分に応じて前記発電装置の発電する直流電力を制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のハイブリッド車両の制御装置。

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