JP5267882B2 - 発電制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド車両に搭載された蓄電器の状態に応じて当該蓄電器が過充電又は過放電に至らないよう制御する発電制御装置に関する。

特許文献１には、発電手段及び電動機を蓄電手段の入出力制限の範囲で運転制御する技術が開示されている。また、特許文献２には、電池の状態に応じて原動機及び発電機による発電を制御する技術が開示されている。

特許第４１９２９９１号公報 特開平１０−２９５０４５号公報

特許文献１に開示された技術であっても、蓄電手段の入出力がゼロになるよう、電動機が要求する電力の全てを発電手段が出力する出力追従制御は困難である。実際には、発電手段及び電動機における出力の差分が蓄電手段に流出入する。したがって、蓄電手段の温度が極低温又は高温のため当該蓄電手段の許容入出力範囲が狭いときには、当該蓄電手段は過充電又は過放電の状態に至る場合があり得る。

また、特許文献２に開示された技術であっても、電池の温度が極低温又は高温であり、かつ、当該電池の残容量（ＳＯＣ：State of Charge）が高いとき、電池に入力される電力が大きいと、当該電池は通常よりも早く過充電の状態に至る。例えば、電池が上記状態のときに、発電機の発電量が大きく、かつ、電動機から回生電力が電池に入力されると、電池が過充電となる可能性が高い。一方、特許文献２に開示された技術であっても、電池の温度が極低温又は高温であり、かつ、当該電池の残容量が低いとき、電池の出力電力が大きいと、当該電池は通常よりも早く過放電の状態に至る。例えば、電池が上記状態のときに発電機が発電を休止すると、電動機が要求する電力を電池が全て供給するため、電池が過放電となる可能性が高い。

このように、電池の温度が極低温又は高温のときは当該電池の許容入出力範囲が狭いため、このような状態の電池の残容量と発電機の動作が上記関係になると、電池が過充電又は過放電の状態に至る可能性が高く、電池の劣化が進んでしまう。また、劣化が進んだ電池の許容入出力範囲も狭いため、このような電池の残容量と発電機の動作が上記関係になっても、当該電池が過充電又は過放電の状態に至る可能性が高く、電池の劣化がさらに進んでしまう。

本発明の目的は、ハイブリッド車両に搭載された蓄電器の許容入出力範囲が狭い状態であっても、当該蓄電器が過充電又は過放電の状態に至らないよう制御可能な発電制御装置を提供することである。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の発明の発電制御装置は、内燃機関（例えば、実施の形態でのエンジン１０９）の運転によって発電する発電機（例えば、実施の形態でのジェネレータ１１１）を備え、蓄電器（例えば、実施の形態でのバッテリ１０１）を電源として駆動する電動機（例えば、実施の形態でのモータ１０７）及び前記内燃機関の少なくとも一方からの動力によって走行するハイブリッド車両の発電制御装置であって、前記電動機に要求された出力を算出する要求出力算出部（例えば、実施の形態でのマネジメントＥＣＵ１１７）と、前記蓄電器の温度が所定範囲外であるとき、前記蓄電器の充電状態に応じた前記蓄電器の許容入出力範囲を導出し、前記電動機に要求された出力に対する前記蓄電器の出力を前記許容入出力範囲の中央値に設定する蓄電器出力設定部（例えば、実施の形態でのマネジメントＥＣＵ１１７）と、前記電動機に要求される出力から前記蓄電器の出力値を引いた値を前記発電機の目標出力として算出し、前記発電機が前記目標出力を出力するために要する前記内燃機関のトルクを導出する要求トルク導出部（例えば、実施の形態でのマネジメントＥＣＵ１１７）と、前記内燃機関に対する要求トルクに応じて前記内燃機関の運転を制御する制御部（例えば、実施の形態でのマネジメントＥＣＵ１１７）と、を備えたことを特徴としている。

さらに、請求項２に記載の発明の発電制御装置は、内燃機関の運転によって発電する発電機を備え、蓄電器を電源として駆動する電動機及び前記内燃機関の少なくとも一方からの動力によって走行するハイブリッド車両の発電制御装置であって、前記電動機に要求された出力を算出する要求出力算出部と、前記蓄電器の温度が所定範囲外であるとき、前記蓄電器の充電状態に応じた前記蓄電器の許容入出力範囲を導出し、前記電動機に要求された出力に対する前記蓄電器の出力を前記許容入出力範囲内の所定値に設定する蓄電器出力設定部と、前記電動機に要求される出力から前記蓄電器の出力値を引いた値を前記発電機の目標出力として算出し、前記発電機が前記目標出力を出力するために要する前記内燃機関のトルクを導出する要求トルク導出部と、前記内燃機関に対する要求トルクに応じて前記内燃機関の運転を制御する制御部と、を備え、前記蓄電器の出力値は、前記蓄電器の充電状態値が高いほど前記許容入出力範囲の中央値よりも放電側に大きく、前記蓄電器の充電状態値が低いほど前記許容入出力範囲の中央値よりも充電側に大きな、前記許容入出力範囲内の値であることを特徴としている。

さらに、請求項３に記載の発明の発電制御装置では、前記蓄電器の許容入出力範囲は、前記蓄電器の劣化状態によって異なり、前記蓄電器が劣化しているほど狭いことを特徴としている。

さらに、請求項４に記載の発明の発電制御装置では、前記ハイブリッド車両は、前記電動機からのみの動力によって走行し、前記蓄電器の状態が前記所定の条件を満たさないとき、前記制御部は、前記蓄電器の充電状態に応じて前記内燃機関の運転を制御することを特徴としている。

請求項１〜４に記載の発明の発電制御装置によれば、蓄電器の許容入出力範囲が狭い状態であっても、電動機に要求された出力に対する蓄電器の出力が許容入出力範囲内の所定値に設定されるため、蓄電器が過充電又は過放電の状態に至る可能性を極力小さくできる。

シリーズ方式のＨＥＶの内部構成を示すブロック図 バッテリ温度が極低温又は高温のときバッテリ１０１が出力可能な範囲とその中央値を示すグラフ マネジメントＥＣＵ１１７の動作を示すフローチャート マネジメントＥＣＵ１１７の動作を示すフローチャート バッテリ温度が極低温又は高温のときバッテリ１０１が出力可能な範囲と設定出力値を示すグラフ シリーズ／パラレル切替可能なＨＥＶの内部構成を示すブロック図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。以下説明する実施形態では、本発明に係る発電制御装置が、シリーズ方式のＨＥＶ（Hybrid Electrical Vehicle：ハイブリッド電気自動車）に搭載されている。

図１は、シリーズ方式のＨＥＶの内部構成を示すブロック図である。図１に示すシリーズ方式のＨＥＶ（以下、単に「車両」という）は、バッテリ(BATT)１０１と、温度センサ(TEMP)１０３と、第１インバータ(第１INV)１０５と、モータ(MOT)１０７と、エンジン(ENG)１０９と、ジェネレータ(GEN)１１１と、第２インバータ(第２INV)１１３と、車速センサ１１５と、マネジメントＥＣＵ(MG ECU)１１７とを備える。さらに、車両は、モータ１０７の回転数を検出するセンサ（図示せず）及びエンジン１０９の回転数を検出するセンサ（図示せず）を備える。

バッテリ１０１は、直列に接続された複数の蓄電セルを有し、例えば１００〜２００Ｖの高電圧を供給する。蓄電セルは、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池である。温度センサ１０３は、バッテリ１０１の温度（以下「バッテリ温度」という）を検出する。温度センサ１０３によって検出されたバッテリ温度を示す信号は、マネジメントＥＣＵ１１７に送られる。

第１インバータ１０５は、直流電圧を交流電圧に変換して３相電流をモータ１０７に供給する。また、第１インバータ１０５は、モータ１０７の回生動作時に入力される交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ１０１に充電する。なお、第１インバータ１０５は、バッテリ１０１とモータ１０７の間の電流供給を制御する複数のスイッチング素子を有する。スイッチング素子は、マネジメントＥＣＵ１１７によって制御される。

モータ１０７は、車両を走行させるための動力を発生する。また、モータ１０７は、回生ブレーキ時には発電機として動作し、モータ１０７で発電された電力はバッテリ１０１に充電される。エンジン１０９は、発電のためだけに用いられ、エンジン１０９の動力によってジェネレータ１１１で発電された電力はバッテリ１０１に充電されるか、モータ１０７に供給される。ジェネレータ１１１は、エンジン１０９の動力によって電力を発生する。第２インバータ１１３は、ジェネレータ１１１で発生した交流電圧を直流電圧に変換する。第２インバータ１１３によって変換された電力はバッテリ１０１に充電されるか、第１インバータ１０５を介してモータ１０７に供給される。なお、第２インバータ１１３も、マネジメントＥＣＵ１１７によって制御される複数のスイッチング素子を有する。

車速センサ１１５は、車両の走行速度（車速）を検出する。車速センサ１１５によって検出された車速を示す信号は、マネジメントＥＣＵ１１７に送られる。マネジメントＥＣＵ１１７は、バッテリ１０１の状態、車速、ドライバのアクセル操作によるアクセル開度（ＡＰ開度）、モータ１０７の回転数及びジェネレータ１１１の回転数等に応じて、エンジン１０９の運転及びバッテリ１０１の出力等を導出する。マネジメントＥＣＵ１１７の詳細については後述する。

上記構成の車両は、バッテリ温度が常温時には、バッテリ１０１からの電力供給によってモータ１０７が駆動することにより走行する。但し、バッテリ１０１の残容量（ＳＯＣ：State of Charge）が所定値まで低下するとエンジン１０９及びジェネレータ１１１が駆動され、バッテリ１０１が充電される。このとき、エンジン１０９は、ＢＳＦＣ（Brake Specific Fuel Consumption）ボトム運転される。ＢＳＦＣボトム運転時のエンジン１０９は、単位発電電力量あたりの消費燃料量が最小となる一定の回転数で定点運転されるため、ジェネレータ１１１による発電効率が最も良い。なお、本明細書において、「常温」とは、バッテリ１０１の使用が想定されるバッテリ温度の範囲の内、上限に近い高温よりも低く下限に近い極低温よりも高い温度帯のことをいう。

一方、バッテリ温度が極低温又は高温時、上述したように、バッテリ１０１の許容入出力範囲は狭い。このとき、モータ１０７に要求される出力（以下「モータ１０７の要求出力」という）に応じてエンジン１０９を駆動して、ジェネレータ１１１がモータ１０７の要求出力に応じた正確な電力を発電できれば、バッテリ１０１の入出力はゼロとなる。しかし、エンジン１０９の応答性及びジェネレータ１１１による発電電力量の正確性は高くないため、モータ１０７の要求出力に応じた電力とジェネレータ１１１の発電電力には差分が生じる。したがって、バッテリ１０１がこの差分を補うようバッファとして機能する。しかし、上述したように、極低温又は高温時のバッテリ１０１の許容入出力範囲は狭いため、バッファとしての機能は限られている。このため、マネジメントＥＣＵ１１７は、前記差分に対してバッテリ１０１が柔軟に対応できるよう、モータ１０７の要求出力及びバッテリ１０１の状態に応じてエンジン１０９の運転を制御する。

以下、マネジメントＥＣＵ１１７が行う制御について、図２〜図４を参照して詳細に説明する。図２は、バッテリ温度が極低温又は高温のときバッテリ１０１が出力可能な範囲とその中央値を示すグラフである。図２に示すように、極低温又は高温時のバッテリ１０１が出力可能な範囲（以下「バッテリ出力可能範囲」という）はＳＯＣによって異なる。なお、バッテリ１０１のＳＯＣは、バッテリ１０１の充放電電流の積算値及びバッテリ１０１の端子電圧に基づいてマネジメントＥＣＵ１１７が算出する。バッテリ出力可能範囲は、許容アシスト出力上限値と許容回生出力上限値によって決定される。また、バッテリ出力可能範囲は、バッテリ１０１の許容入出力範囲と同義である。

マネジメントＥＣＵ１１７は、バッテリ温度が極低温又は高温のとき、バッテリ１０１の劣化状態に応じた許容アシスト出力上限値及び許容回生出力上限値を算出してバッテリ出力可能範囲を決定し、さらに、バッテリ出力可能範囲の中央値（以下「中央出力値」という）を算出する。なお、バッテリ１０１の劣化状態は、マネジメントＥＣＵ１１７が、バッテリ１０１の入出力電流及び開放電圧から求められるバッテリ１０１の内部抵抗に基づいて決定する。また、バッテリ出力可能範囲は、バッテリ１０１が劣化しているほど狭い。マネジメントＥＣＵ１１７は、中央出力値を算出した後、モータ１０７の要求出力と中央出力値に応じてエンジン１０９の動作を制御する。

以下、上記中央出力値の算出及びエンジン１０９の運転制御を含むマネジメントＥＣＵ１１７の動作について、図３及び図４を参照して説明する。図３及び図４は、マネジメントＥＣＵ１１７の動作を示すフローチャートである。図３に示すように、マネジメントＥＣＵ１１７は、温度センサ１０３が検出したバッテリ温度が常温であるか否かを判断し（ステップＳ１０１）、バッテリ温度が常温でない場合はステップＳ１０３に進み、バッテリ温度が常温である場合は図４に示したステップＳ２０１に進む。

ステップＳ１０３では、マネジメントＥＣＵ１１７は、車速センサ１１５が検出した車速とＡＰ開度とに基づいて、モータ１０７に要求されるトルク（以下「モータ１０７の要求トルク」という）を算出する。次に、マネジメントＥＣＵ１１７は、ステップＳ１０３で算出されたモータ１０７の要求トルク及びモータ１０７の回転数を検出するセンサが検出したモータ１０７の回転数に基づいて、モータ１０７の要求出力を算出する（ステップＳ１０５）。

次に、マネジメントＥＣＵ１１７は、バッテリ１０１のＳＯＣを算出し、かつ、バッテリ１０１の劣化状態を決定した上で、バッテリ１０１の許容アシスト出力上限値及び許容回生出力上限値を算出して、バッテリ出力可能範囲を決定する（ステップＳ１０７）。次に、マネジメントＥＣＵ１１７は、ステップＳ１０７で決定したバッテリ出力可能範囲の中央出力値を算出する（ステップＳ１０９）。

次に、マネジメントＥＣＵ１１７は、ステップＳ１０５で算出したモータ１０７の要求出力からステップＳ１０９で算出した中央出力値を引いた値を、ジェネレータ１１１の目標出力として算出する（ステップＳ１１１）。次に、マネジメントＥＣＵ１１７は、ステップＳ１１１で算出されたジェネレータ１１１の目標出力及びエンジン１０９の回転数を検出するセンサが検出したエンジン１０９の回転数に基づいて、エンジン１０９に対する要求トルクを算出する（ステップＳ１１３）。次に、マネジメントＥＣＵ１１７は、ステップＳ１１３で算出したエンジン１０９に対する要求トルクに応じたスロットル開度を算出する（ステップＳ１１５）。マネジメントＥＣＵ１１７は、算出したスロットル開度に基づいてエンジン１０９の運転を制御する（ステップＳ１１７）。

一方、ステップＳ１０１でバッテリ温度が常温であると判断されたため図４に示したステップＳ２０１に進んだ場合、マネジメントＥＣＵ１１７は、バッテリ１０１のＳＯＣを算出する。次に、バッテリ１０１のＳＯＣがしきい値以上であるか否かを判断し（ステップＳ２０３）、しきい値以上である場合はステップＳ２０５に進み、しきい値未満である場合はステップＳ２２１に進む。

ステップＳ２０５では、マネジメントＥＣＵ１１７は、車速とＡＰ開度とに基づいて、モータ１０７の要求トルクを算出する。次に、マネジメントＥＣＵ１１７は、ステップＳ２０５で算出されたモータ１０７の要求トルク及びモータ１０７の回転数に基づいて、モータ１０７の要求出力を算出する（ステップＳ２０７）。次に、マネジメントＥＣＵ１１７は、モータ１０７の要求出力に対応するバッテリ１０１の出力を算出する（ステップＳ２０９）。

一方、ステップＳ２２１では、マネジメントＥＣＵ１１７は、エンジン１０９をＢＳＦＣボトム運転するよう制御する。次に、マネジメントＥＣＵ１１７は、エンジン１０９の運転によって回転するジェネレータ１１１の回転数に基づいて、ジェネレータ１１１の出力を算出する（ステップＳ２２３）。次に、マネジメントＥＣＵ１１７は、車速とＡＰ開度とに基づいて、モータ１０７の要求トルクを算出する（ステップＳ２２５）。次に、マネジメントＥＣＵ１１７は、ステップＳ２２５で算出されたモータ１０７の要求トルク及びモータ１０７の回転数に基づいて、モータ１０７の要求出力を算出する（ステップＳ２２７）。次に、マネジメントＥＣＵ１１７は、ステップＳ２２７で算出したモータ１０７の要求出力からステップＳ２２３で算出したジェネレータ１１１の出力を引いた値を、バッテリ１０１の出力として算出する（ステップＳ２２９）。

以上説明したように、本実施形態のマネジメントＥＣＵ１１７は、バッテリ温度が極低温又は高温のとき、ジェネレータ１１１の出力がモータ１０７の要求出力からバッテリ出力可能範囲の中央出力値を引いた値となるよう、エンジン１０９の運転を制御する。但し、モータ１０７の要求出力の変化に対してジェネレータ１１１の出力が追随できずに、バッテリ１０１の出力が大きく変化する場合もある。例えば、ドライバがアクセルペダルを深く踏み込んだことによってモータ１０７の要求出力が急激に上がっても、ジェネレータ１１１は発電電力を急激に上げることはできないため、バッテリ１０１の出力は放電側に急激に増加する。また、ドライバがブレーキペダルを深く踏み込んだことによって、モータ１０７が回生動作して発電を行っても、ジェネレータ１１１は発電電力を急激に下げることはできないため、バッテリ１０１の出力は充電側に急激に増加する。

しかし、出力が急激に変化する前のバッテリ１０１の出力は中央出力値となるよう制御されており、図２に示すように、中央出力値は過充電の領域と過放電の領域のちょうど中間である。このため、バッテリ温度が極低温又は高温のためにバッテリ１０１の許容入出力範囲が狭くとも、バッテリ１０１の出力変化によって、バッテリ１０１が過充電又は過放電の状態に至る可能性を極力小さくできる。すなわち、本実施形態のマネジメントＥＣＵ１１７による制御によって、バッテリ１０１はその出力の変化に対して柔軟に対応できる。

なお、本実施形態のマネジメントＥＣＵ１１７は、バッテリ温度が極低温又は高温のとき、バッテリ出力可能範囲の中央出力値を算出しているが、図５に示すように、バッテリ出力可能範囲に対して、バッテリ１０１のＳＯＣに応じて異なる出力値（以下「設定出力値」という）を算出しても良い。なお、図５に示した設定出力値は、ＳＯＣが低いほど充電側に大きく、ＳＯＣが高いほど放電側に大きい。このため、ＳＯＣが低い程、バッテリ１０１が過放電の状態に至る可能性をより小さくでき、ＳＯＣが高い程、バッテリ１０１が過充電の状態に至る可能性をより小さくできる。

また、本実施形態では、図１に示したシリーズ方式のＨＥＶを例に説明したが、クラッチ２０１を備えたシリーズ／パラレル切替可能な構成の図６に示すＨＥＶであっても良い。

１０１ バッテリ
１０３ 温度センサ
１０５ 第１インバータ
１０７ モータ
１０９ エンジン
１１１ ジェネレータ
１１３ 第２インバータ
１１５ 車速センサ
１１７ マネジメントＥＣＵ

Claims (4)

1. 内燃機関の運転によって発電する発電機を備え、蓄電器を電源として駆動する電動機及び前記内燃機関の少なくとも一方からの動力によって走行するハイブリッド車両の発電制御装置であって、
   前記電動機に要求された出力を算出する要求出力算出部と、
   前記蓄電器の温度が所定範囲外であるとき、前記蓄電器の充電状態に応じた前記蓄電器の許容入出力範囲を導出し、前記電動機に要求された出力に対する前記蓄電器の出力を前記許容入出力範囲の中央値に設定する蓄電器出力設定部と、
   前記電動機に要求される出力から前記蓄電器の出力値を引いた値を前記発電機の目標出力として算出し、前記発電機が前記目標出力を出力するために要する前記内燃機関のトルクを導出する要求トルク導出部と、
   前記内燃機関に対する要求トルクに応じて前記内燃機関の運転を制御する制御部と、
   を備えたことを特徴とする発電制御装置。
2. 内燃機関の運転によって発電する発電機を備え、蓄電器を電源として駆動する電動機及び前記内燃機関の少なくとも一方からの動力によって走行するハイブリッド車両の発電制御装置であって、
   前記電動機に要求された出力を算出する要求出力算出部と、
   前記蓄電器の温度が所定範囲外であるとき、前記蓄電器の充電状態に応じた前記蓄電器の許容入出力範囲を導出し、前記電動機に要求された出力に対する前記蓄電器の出力を前記許容入出力範囲内の所定値に設定する蓄電器出力設定部と、
   前記電動機に要求される出力から前記蓄電器の出力値を引いた値を前記発電機の目標出力として算出し、前記発電機が前記目標出力を出力するために要する前記内燃機関のトルクを導出する要求トルク導出部と、
   前記内燃機関に対する要求トルクに応じて前記内燃機関の運転を制御する制御部と、を備え、
   前記蓄電器の出力値は、前記蓄電器の充電状態値が高いほど前記許容入出力範囲の中央値よりも放電側に大きく、前記蓄電器の充電状態値が低いほど前記許容入出力範囲の中央値よりも充電側に大きな、前記許容入出力範囲内の値であることを特徴とする発電制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の発電制御装置であって、
   前記蓄電器の許容入出力範囲は、前記蓄電器の劣化状態によって異なり、前記蓄電器が劣化しているほど狭いことを特徴とする発電制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電制御装置であって、
   前記ハイブリッド車両は、前記電動機からのみの動力によって走行し、
   前記蓄電器の状態が前記所定の条件を満たさないとき、前記制御部は、前記蓄電器の充電状態に応じて前記内燃機関の運転を制御することを特徴とする発電制御装置。

Images