JP5301520B2 - 電動車両における出力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動スクータなどのモータを備えた電動車両における出力制御装置に関し、特に、寒冷地での使用におけるバッテリの温度特性に合わせてモータの出力を制御するための出力制御装置に関する。

電動車両は、車軸を回転駆動するためのモータと、このモータに対して電力供給を行うバッテリを搭載している。モータを駆動源とする電動車両においては、車速やグリップ開度等をパラメータとしてバッテリからモータへの放電量を制御するマップ（通常マップ）を備えた制御部により、このマップに基づいてモータの出力制御が行われる。
電動車両について、外気温が０℃以下の寒冷地での使用を考えた場合、バッテリの温度は低い状態になり、この状態で通常マップを用いてモータの出力制御を行った場合、バッテリの放電能力に制限があるので、過放電等の事象が発生することでバッテリの早期消耗を引き起こす可能性がある。

一方、電動車両において、バッテリの温度を検出する温度検出手段と、検出された温度が所定の温度以下の場合、温度に応じて変化する放電電力上限値を超えないように、放電電力を制御する充放電電力制御手段とを有することで、バッテリの温度を検知し、低温時には通常時に比較して放電能力を制限して低温環境下で大電流が流れることを抑制し、バッテリの端子電圧の低下を防止する構成が特許文献１に記載されている。

特許第３９２９３８７号公報

マップによりモータの出力制御を行う場合、バッテリの温度が低温時においては、通常マップに対して冷間マップを使用することで放電能力を制限することが考えられる。
この場合、電動車両が低温時で始動後、冷間マップに基づく出力制御による走行でバッテリの放電が進むにつれ、バッテリの温度が上昇するが、上昇後は放電能力が制限されない通常マップを用いた方が出力調整を行うグリップのグリップ開度に対するレスポンス等に優れるので好ましい。
しかしながら、走行中に冷間マップから通常マップへの切り替えが行われた場合、モータの出力変化に対して、運転者が異和感を覚える場合がある。例えば、走行中に冷間マップから通常マップへの切り替えが行われた場合、同じグリップ開度であるのに急に車両の駆動力が上昇して走行フィーリングに異和感が生じることが予想される。
すなわち、単にバッテリの温度によりマップを切り換えてモータ出力を変化させることは、モータの出力制御において適切でないという課題が存在した。

また、バッテリを構成するＬｉイオン電池は、低温時や劣化時に内部インピーダンスが上昇するので、新品常温時の出力電流を得ようとすると、許容されている下限電圧以上の電圧が生じて放電停止が発生する可能性もある。

本発明は上記実情に鑑みて提案されたものであり、電動車両において、冷間始動時でのバッテリの劣化を防止するとともに、バッテリ温度が上昇した場合に、走行中におけるモータの出力変化が滑らかになるようなマップ切り替えを可能とする電動車両における出力制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に係る発明は、車両の駆動源であるモータ（２３）に対して電力を供給するバッテリ（３６）と、車両の速度（車速）を検出する車速センサ（９１）と、前記バッテリ（３６）の温度を検出する温度センサ（９２）と、前記車速に応じて前記モータ（２３）への出力値を設定したマップに基づいて前記バッテリ（３６）から前記モータ（２３）に供給される電力量を制御する制御部（７１）とを備え、前記マップは、前記バッテリ（３６）の温度が所定以上のときに用いられる通常マップと、前記バッテリ（３６）の温度が所定未満のときに用いられる冷間マップを有する電動車両における出力制御装置において、
前記制御部（７１）は、前記モータ（２３）の始動時に際し前記バッテリ（３６）の温度が所定未満の場合に、前記冷間マップを用いてバッテリ（３６）の放電制御を行うとともに、その後の走行時において前記バッテリ（３６）の温度が所定以上になった場合には、車速がゼロ近傍になるのを待って冷間マップから通常マップへの切り替えを行う一方、前記冷間マップは、前記通常マップよりも放電特性が低く設定され、前記バッテリ（３６）の温度が所定未満の場合の始動時に用いられるマップとして唯一設定されたことを第１の特徴としている。

請求項２の発明は、請求項１の電動車両における出力制御装置において、前記バッテリ（３６）は複数のセルで構成され、前記制御部（７１）によるマップ切り替えのためのバッテリ（３６）の温度は、前記複数のセルの中で最も温度が低いセルで代表することを第２の特徴としている。

請求項３の発明は、請求項１の電動車両における出力制御装置において、前記通常マップは、複数の放電特性を有し、バッテリの状態に応じて遷移することを第３の特徴としている。

請求項４の発明は、請求項３の電動車両における出力制御装置において、前記通常マップは、前記冷間マップよりも低い放電特性を有するエンプティマップを有し、前記エンプティマップに遷移された場合は、その後に他のマップへの遷移は行われないことを第４の特徴としている。

第１の特徴によれば、バッテリ（３６）からモータ（２３）に供給される電力量は冷間マップに基づいて制御されるので、冷間始動（走行時）におけるバッテリ（３６）の劣化を抑えることができるとともに、冷間マップによる制御時においてバッテリ（３６）の温度が所定以上になった場合は、通常マップへの切り替えを行うことなくそのまま冷間マップによる制御が行われるので、冷間始動での走行中にマップが切り換わることで走行フィーリングが低下することを防止することができる。
そして、冷間マップから通常マップへの切り替えは、車速がゼロ近傍になるのを待って行われるので、冷間始動で走行中におけるマップ切り替えを防ぎ、モータの出力変化が滑らかになるようなマップ切り替えを可能とすることができる。

第２の特徴によれば、マップ切り替えのためのバッテリ（３６）の温度は、バッテリ（３６）を構成する複数のセルの中で最も温度が低いセルが代表することで、一番温度の低いセルに対応して放電特性を変えることができ、バッテリ（３６）のモジュール全体としての劣化防止を図ることができる。

第３の特徴によれば、複数のマップを用意し複数の放電特性を有することで、運転状況に適した細かな制御を可能としてバッテリの劣化を防止することができる。

第４の特徴によれば、バッテリ（３６）容量が空に近づいた場合においても、エンプティマップを有することで、予め設定された最低移動距離（例えば１００ｍ）を確保することができる。

本発明の一実施形態に係る出力制御装置が搭載された電動二輪車の外観説明図である。 本発明の一実施形態に係る出力制御装置の構成を示すブロック図である。 出力制御装置において切り替えられる複数のマップの車速に対する駆動力特性を示すグラフ図である。 出力制御装置においてマップの切り替えを行う手順を示すフローチャート図である。

本発明の電動二輪車における出力制御装置の実施形態の一例について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の出力制御装置が搭載された電動車両の一例を示す左側面図である。電動車両１は低床フロアを有するスクータ型二輪車であり、車体フレームＦに各構成部分が直接または他の部材を介して間接的に取り付けられている。

図１において、車体フレームＦは、前部分であるヘッドパイプ２６と、ヘッドパイプ２６に先端が接合されて後端が下方に延びているダウンフレーム２７と、ダウンフレーム２７の下部に連結されて車体幅方向左右にそれぞれ分岐して車体後方寄りに延びている一対のアンダフレーム２８と、アンダフレーム２８から車体上後方に延びているリヤフレーム２９とからなる。ヘッドパイプ２６は、ステアリング軸２０を回動自在に支持する。ステアリング軸２０の上部にはステアリングハンドル２５が連結され、下部には前輪ＷＦを支持するフロントフォーク２４が連結される。
ステアリングハンドル２５の各先端にはグリップが装着され、電動車両の前方に向かってステアリングハンドル２５の右側位置に装着されたグリップが回動可能に構成されることで、グリップ角度に応じてモータ２３の出力を調整可能なように構成されている。

ヘッドパイプ２６の前部にはパイプからなるフロントステー５０が結合され、このフロントステー５０の前端部には、ヘッドライト５１が取り付けられ、ヘッドライト５１の上方にはブラケット５７で支持されるフロントキャリア１９が設けられる。

車体フレームＦの、アンダフレーム２８とリヤフレーム２９との中間領域に、車体後方に向けて延在するピボットプレート３０が接合されており、このピボットプレート３０には、車体幅方向に延在しているピボット軸３２が設けられ、このピボット軸３２によってスイングアーム２２が上下揺動自在に支持される。スイングアーム２２には、車両駆動源としての電動モータ２３が設けられ、モータ２３の出力は後輪車軸２１に伝達され、後輪車軸２１に支持された後輪ＷＲが駆動される。なお、後輪車軸２１を含むハウジングとリヤフレーム２９とは、リヤサスペンション３３によって連結される。ピボットプレート３０の下方延長部分には、停車中に車体を支持するサイドスタンド３１が回動可能に取り付けられ、スイングアーム２２の下面にはメインスタンド３４が取り付けられている。

複数のバッテリセルをバッテリケース３７に内蔵した高電圧（例えば、７２ボルト定格）のメインバッテリ３６がアンダフレーム２８に搭載される。メインバッテリ３６の前部には、バッテリ冷却風としての空気をバッテリケース３７内に導入するダクト６４が接続管６５を介して連結され、ダクト６４の上方には、接続管６６を介してエアクリーナ６８が設けられる。エアクリーナ６８はヘッドパイプ２６とほぼ同じ高さに設けられる。

バッテリケース３７の後部にはダクト６９が連結され、このダクト６９の後部は、送風手段である冷却ファン７０に連結される。冷却ファン７０は、アンダフレーム２８から斜め上後方に延在しているリヤフレーム２９に沿って配置される。冷却ファン７０は、好ましくはシロッコファンであり、ダクト６４並びに接続管６５，６６やダクト６９を通じてバッテリケース３７内に送風される空気の流れ方向を反転させることができるように回転方向を反転可能に構成される。

リヤフレーム２９の上にはメインバッテリ３６を充電する外部の充電器から延びる充電ケーブルに接続される給電側コネクタを結合することができる受電側コネクタ７８が設けられる。リヤフレーム２９には、さらにリヤキャリヤ５９やテールライト５２が設けられる。

左右一対のリヤフレーム２９の間には荷室３８が設けられ、この荷室３８から下部に突出している荷室底部３８ａには、メインバッテリ３６で充電される低電圧（例えば、１２ボルト定格）のサブバッテリ４０が収容される。荷室３８の上には、荷室３８の蓋を兼用する運転者シート３９が設けられる。

車体フレームＦは、合成樹脂製の車体カバーで覆われる。車体カバーは、ハンドルカバー５６、フロントカバー４２、レッグシールド４３、低床フロア４４、フロアサイドカバー４５、アンダカバー４６、シート下前部カバー４７、サイドカバー４８、およびリヤカバー４９とを備える。

フロントカバー４２は、ヘッドパイプ２６やフロントステー５０等を前方から覆う。レッグシールド４３はフロントカバー４２に連なり、運転者シート３９に座った運転者の脚部の前方に位置するように配置され、ヘッドパイプ２６、ダクト６４および接続管６６を運転者シート３９側から覆う。低床フロア４４はレッグシールド４３の下部に連なり、フロアサイドカバー４５は低床フロア４４に連なる。低床フロア４４はバッテリケース３７を上方から覆い、フロアサイドカバー４５はアンダフレーム２８およびバッテリケース３７を車体左右側から覆う。

アンダカバー４６は左右のフロアサイドカバー４５の下縁間に渡される。シート下前部カバー４７は荷室３８を前方から覆うようにして低床フロア４４の後端から立ち上がる。左右一対のサイドカバー４８は荷室３８を左右から覆うようにして前記シート下前部カバー４７の両側に連なる。リヤカバー４９は後輪ＷＲを上方から覆ってサイドカバー４８に連なる。

図２は、本発明の出力制御装置が含まれた電動車両の電気系統を示すブロック図である。
制御部７１は、モータ２３を駆動するためのパワー・ドライブ・ユニット（ＰＤＵ）及び制御ユニット（ＥＣＵ）を含んで構成され、ヒューズ７２および第１リレースイッチ７３を介してメインバッテリ３６のプラス側端子に接続される。第１リレースイッチ７３には第２リレースイッチ７４および抵抗７６からなる直列回路が並列に接続される。メインバッテリ３６およびサブバッテリ４０は、充電器７５によって外部電源ＰＳから供給される電力で充電することができる。充電器７５は給電側コネクタ７７を備え、車両に設けられる受電側コネクタ７８と接続可能である。受電側コネクタ７８はＤＣ−ＤＣコンバータ７９に接続される。
また、制御部７１には電動車両の車速を検知する車速センサ９１が接続され、車速に応じて駆動力が設定された複数のマップに基づいてメインバッテリ３６からモータ２３に供給される電力量を制御する。制御部７１が有する複数のマップによる出力制御についての説明は後述する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ７９は、受電側コネクタ７８に接続される一対のラインＬ１，Ｌ２の一方Ｌ１に介挿される電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）８０と、充電器７６からの電圧を低電圧（例えば１２ボルト）に降下させるためラインＬ１，Ｌ２に接続される電圧降下回路８１とを備える。ラインＬ１，Ｌ２は、高電圧の充電電流でメインバッテリ３６を充電するため、第２リレースイッチ７４（プリチャージコンタクタ）および抵抗７６からなる直列回路と、第１リレースイッチ７３（メインコンタクタ）との並列回路を介してメインバッテリ３６に接続される。電圧降下回路８１の出力側はサブバッテリ４０に接続される。メインバッテリ３６は複数のバッテリセルを有するモジュール構造で構成され、各バッテリセルの温度を検知する温度センサ９２がメインバッテリ３６の各バッテリセルの近傍位置にそれぞれ配置されている。

制御部７１に内蔵されたＥＣＵにはサブバッテリ４０がメインスイッチ８２を介して接続され、制御用電力がサブバッテリ４０から供給される。サブバッテリ４０はメインスイッチ８２を介してバッテリ管理ユニット（ＢＭＵ）８３にも接続され、ＢＭＵ８３は第１リレースイッチ７３および第２リレースイッチ７４のオン・オフを指示する機能を有する。各バッテリセルの温度を検知する温度センサ９２もＢＭＵ８３にそれぞれ接続されている。また、制御部７１はＢＭＵ８３に接続され、ＢＭＵ８３で得たメインバッテリ３６に関する情報は、制御部７１側に出力されるようになっている。

動作時、メインスイッチ８２をオンにすると、ＢＭＵ８３は第２リレースイッチ７４をオンにしてメインバッテリ３６から第２リレースイッチ７４、抵抗７６およびヒューズ７２を介して制御部７１のＰＤＵに電流を流し、その後、第１リレースイッチ７３をオンにする。このように、第２リレースイッチ７４をオンにした後に第１リレースイッチ７３をオンにするのは、制御部７１のＰＤＵに設けられているコンデンサへの突入電流が第１リレースイッチ７３に流れるのを防止するためである。

なお、第１リレースイッチ７３、第２リレースイッチ７４およびＢＭＵ８３は、メインバッテリ３６とともにバッテリケース３７に収納することができる。

次に、制御部７１によりモータ２３へ供給する電力量の制御について説明する。
制御部７１は、図３に示すような、車速に応じて駆動力が設定された複数のマップに基づいてメインバッテリ３６からモータ２３に供給される電力量を制御する。複数のマップは、通常走行時に使用する通常マップと、寒冷地での始動に適した特性を有する冷間マップ（１．８ｋＷマップ）から構成されている。
各マップは、横軸を車速（ｋｍ／ｈ）、縦軸を後輪駆動力（Ｎ）とし、モータ２３の出力調整を行うグリップのグリップ角度の全開時における出力限界を示すものであり、グリップ角度全開時において、横軸の車速に応じた縦軸の後輪駆動力（Ｎ）が得られるようにメインバッテリ３６からモータ２３に供給される電力の制御がなされる。
グリップ角度が全開でない場合は、例えば、マップにおける車速に対応する後輪駆動力の最高値（全開時）と０との間の後輪駆動力でグリップ角度に略比例する後輪駆動力値が与えられる電力量がインバッテリ３６からモータ２３に供給される。

通常マップは、通常の走行時に使用されるもので、バッテリの残容量（劣化状態、温度）に対応して制御できるように、駆動特性が異なる３種類のマップ（３．６ｋＷマップ、２，７ｋＷマップ、２．０ｋＷマップ）を備えている。この場合の「３．６ｋＷ」等の数値は、バッテリの放電量の最大値に対して、これより低く設定された値となっている。
３．６ｋＷマップは、メインバッテリ３６の充電量がフルである場合に使用するマップであり、２，７ｋＷマップは充電量が少し少なくなった場合、２．０ｋＷマップは更に少なくなった場合に使用される。
また、走行時において、バッテリの残容量が低下する等の事象が発生した場合に、マップを適宜に切り替えることで駆動特性を遷移させ、過放電の発生を防止するようになっている。
冷間マップ（１．８ｋＷマップ）は、バッテリ温度が低い場合に使用するマップであり、通常マップ（２．０ｋＷマップ）よりも低い放電特性とすることで、寒冷地でのモータ２３の始動に適した特性が設定されている。
なお、３．６ＫＷマップ、２，７ｋＷマップ、２．０ｋＷマップおよび１．８ｋＷマップ間の切替は、バッテリの劣化状態に応じて適宜切り替えられるようになっていてもよい。

また、通常マップは、メインバッテリ３６のバッテリ容量が少ない場合に使用するエンプティマップを備えている。このエンプティマップは、冷間マップよりも更に低い放電特性を有している。すなわち、エンプティマップは、バッテリ容量が完全に無くなって出力停止に至る手前で使用可能な特性を有しており、例えば、車両が道路の真ん中で停止しないように、１００〜２００ｍ程度移動できる駆動特性を有している。

モータ始動時における制御部７１による出力制御について、図４のフローチャートを参照しながら説明する。
車両のメインスイッチをオンしてモータ始動が行われると（ステップ１０１）、ＢＭＵ８３は、メインバッテリ３６の各バッテリセルの温度を温度センサ９２により検出し、バッテリセルの内の最も低いバッテリ温度が所定値未満（例えば、０℃未満）かどうかを判断する（ステップ１０２）。メインバッテリ３６を構成する複数のバッテリセルの中で最も温度が低いバッテリセルを判断基準とすることにより、一番温度の低いバッテリセルに対応して放電特性を変えることができ、メインバッテリ３６に対してモジュール全体の劣化防止を図るためである。
バッテリ温度が所定値以上の場合には、通常マップである３．６ｋＷマップが選択され（ステップ１０３）、３．６ｋＷマップの駆動特性により後輪駆動力が制御されてモータ駆動が行われる。

バッテリ温度が所定値未満の場合には（ステップ１０２）、冷間マップである１．８ｋＷマップが選択され（ステップ１０４）、１．８ｋＷマップの駆動特性により後輪駆動力が得られる電力が供給される制御によりモータ駆動が行われる。これは、低温時（０℃）には、電池の出力特性が低下するため、通常時のように出力させると、過放電等の事態が発生することによる。

車両の走行が開始され、車速が「０」近傍になった場合（ステップ１０５）、バッテリ温度が上昇して所定値以上（例えば、３℃以上）になったかどうかを判断する（ステップ１０６）。車速が「０」近傍になった場合とは、例えば、車両が停止する、車速が３ｋｍ以下のほとんど停止する状態になった場合をいう。
バッテリ温度が所定値以上（例えば、３℃以上）となっていない場合は、冷間マップ（１．８ｋＷマップ）の駆動特性による制御が継続される。
バッテリ温度が所定値以上（例えば、３℃以上）となった場合は、車速センサ９１により車速が「０」近傍と判断された場合に、冷間マップ（１．８ｋＷマップ）から通常マップ（３．６ｋＷマップ）への切り替えが行われ（ステップ１０７）、３．６ｋＷマップの駆動特性による制御が行われる。

上述した制御部７１の出力制御によれば、冷間マップを使用してモータ２３が始動されて走行中にメインバッテリ３６の温度が所定以上になった場合は、通常マップへの切り替えを行うことなくそのまま冷間マップによる制御が行われるので、冷間始動での走行中にマップが切り換わることで走行フィーリングが低下することを防止することができる。
また、冷間マップから通常マップへの移行に際して、車速が「０」に近づくのを要件としているため、冷間マップでの走行中にマップの切り換えが必要になった場合においても、冷間始動で走行中におけるマップ切り替えを防ぎ、冷間マップから通常マップへの切り替えは、車速がゼロ近傍になるのを待って行われるので、モータの出力変化が滑らかになるようなマップ切り替えを可能とすることができる。

上述の制御例では、車速が「０」近傍と判断された場合に、冷間マップから通常マップへの切り替えを行うようにしたが、モータ２３の回転数を常時検出し、回転数が所定回転数（例えば、アイドル回転数）以下となった場合に、冷間マップから通常マップへの切り替えを行うようにしてもよい。この場合、車速がある程度あってもモータ２３の回転数が低くなれば切り替えが可能となる。

続いて、通常マップでの走行中におけるマップの切り替え移行について説明する。
通常マップには、上述したように、３．６ｋＷマップと２，７ｋＷマップと２．０ｋＷマップ、１．８Ｋｗマップとエンプティマップがある。車両の走行中においては、メインバッテリ３６の各バッテリセルの電圧が監視され、最小電圧のバッテリセルの電圧が所定電圧（例えば、１．９５Ｖ）以下になった場合には、低い出力に対応するマップに順次切り替えることでメインバッテリ３６の状態に応じてマップの遷移が行われる。３．６ｋＷマップと２，７ｋＷマップと２．０ｋＷマップと１．８Ｋｗマップ間においては、低い出力側への切り替えとともに、所定電圧を基準として高い出力側への切り替えとなるマップ復帰が行われる。

上述の制御を行うことで、通常マップを使用する出力制御において、複数のマップを用意して複数の放電特性で出力制御が行われることで、運転状況に適した細かな制御を行うことができ、効率良くメインバッテリ３６の劣化を防止することができる。

また、通常マップ（２．０ｋＷマップ）又は冷間マップを使用中にメインバッテリ３６における最小バッテリセルの電圧が１．９０Ｖを割った場合は、エンプティマップに切り替わり、一旦エンプティマップに移行した場合には、バッテリの状態が変化しても他のマップへの復帰は行われないようになっている。これは、他のマップへの復帰により高い電圧が出力されると、バッテリ残量があるにもかかわらず放電量が大きくなって車両停止が発生することを防止するためである。

エンプティマップでの制御を行うことで、メインバッテリ３６のバッテリ容量が空に近づいた場合においても、予め設定された最低移動距離（例えば１００〜２００ｍ）を確保するように電力を供給することでモータ２３の駆動を行うことができる。

２３…モータ、 ３６…メインバッテリ、 ７１…制御部、 ９１…車速センサ、
９２…温度センサ。

Claims (4)

1. 車両の駆動源であるモータ（２３）に対して電力を供給するバッテリ（３６）と、車両の速度（車速）を検出する車速センサ（９１）と、前記バッテリ（３６）の温度を検出する温度センサ（９２）と、前記車速に応じて前記モータ（２３）への出力値を設定したマップに基づいて前記バッテリ（３６）から前記モータ（２３）に供給される電力量を制御する制御部（７１）とを備え、前記マップは、前記バッテリの温度が所定以上のときに用いられる通常マップと、前記バッテリの温度が所定未満のときに用いられる冷間マップを有する電動車両における出力制御装置において、
   前記制御部（７１）は、前記モータ（２３）の始動時に際し前記バッテリ（３６）の温度が所定未満の場合に、前記冷間マップを用いてバッテリ（３６）の放電制御を行うとともに、その後の走行時において前記バッテリ（３６）の温度が所定以上になった場合には、車速がゼロ近傍になるのを待って冷間マップから通常マップへの切り替えを行う一方、
   前記冷間マップは、前記通常マップよりも放電特性が低く設定され、前記バッテリ（３６）の温度が所定未満の場合の始動時に用いられるマップとして唯一設定された
   ことを特徴とする電動車両における出力制御装置。
2. 前記バッテリ（３６）は複数のセルで構成され、前記制御部（７１）によるマップ切り替えのためのバッテリの温度は、前記複数のセルの中で最も温度が低いセルで代表する請求項１に記載の電動車両における出力制御装置。
3. 前記通常マップは、複数の放電特性を有し、バッテリ（３６）の状態に応じて遷移する請求項１または請求項２に記載の電動車両における出力制御装置。
4. 前記通常マップは、前記冷間マップよりも低い放電特性を有するエンプティマップを有し、前記エンプティマップに遷移された場合は、その後に他のマップへの遷移は行われない請求項３に記載の電動車両における出力制御装置。

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