JP5507284B2

JP5507284B2 - 電気自動車の制御装置

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Publication number: JP5507284B2
Application number: JP2010032180A
Authority: JP
Inventors: 至瀬田; 洋祐大伴
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2030-02-17
Also published as: DE102011000625A1; US8463475B2; US20110202220A1; JP2011172341A; DE102011000625B4; CN102161319B; CN102161319A

Description

本発明は、高電圧バッテリからの電力を制御して駆動モータおよび補機類を駆動する電気自動車の制御装置に関する。

電気自動車は、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等よりなる高電圧バッテリと、三相直流モータやPMモータ等よりなる駆動モータとを備えている。高電圧バッテリからの電力（約300V）は、車両制御ユニットにより制御されるインバータによって電力変換され、駆動モータに供給される。また、高電圧バッテリからの電力は、DC/DCコンバータにより約14Vにまで降圧され、パワーステアリングポンプ，ブレーキ用負圧ポンプ，ワイパ装置用電動モータ，ヘッドライト等の補機類に供給される。

このように高電圧バッテリは、電気自動車に搭載される種々の負荷を駆動するため、繰り返しの充放電に耐え得るよう設計されている。しかしながら、高電圧バッテリは、その特性上、例えば残エネルギ量（SOC）が著しく低下して深放電状態になると、高電圧バッテリとしての機能低下、つまり充電容量が低下する等の損傷を招くことになる。そのため、高電圧バッテリが深放電状態に至らないようにすべく、駆動モータや補機類の駆動状態を監視、つまり高電圧バッテリの残エネルギ量を監視し、高電圧バッテリが深放電状態になることを防止するようにしている。

高電圧バッテリが深放電状態になることを防止し、かつ電気自動車の走行性能を確保するようにした技術として、例えば、特許文献１に記載された電気自動車の制御装置が知られている。特許文献１に記載された電気自動車の制御装置は、高電圧バッテリの残エネルギ量（バッテリ電圧）を検出し、高電圧バッテリの残エネルギ量の低下に対応させて駆動モータの出力を低下させている。これにより、高電圧バッテリが深放電状態になることを防止し、かつ電気自動車の走行性能を確保することができる。

特開平１０−３０４５０３号公報（図４）

しかしながら、上述の特許文献１に記載された電気自動車の制御装置によれば、高電圧バッテリの残エネルギ量が少なくなり、例えば電気自動車が停止するような状態（走行不能状態）に陥ると、これに伴って高電圧バッテリにより駆動される補機類の動作も停止し得る制御ロジックとなっている。この場合、電気自動車が平坦路や上り坂を走行している途中で補機類が停止したときには、電気自動車は加速する挙動を示さず、運転者に不安を与えることは殆ど無い。一方、電気自動車が下り坂を走行している途中で補機類が停止したときには、電気自動車は加速する挙動を示すため、運転者の操作をアシストする補機類の駆動が弱まって運転者は不安を覚える虞がある。

本発明の目的は、高電圧バッテリの残エネルギ量が少なくなったとしても、補機類を継続して駆動できる電気自動車の制御装置を提供することにある。

本発明の電気自動車の制御装置は、高電圧バッテリからの電力を制御して駆動モータおよび補機類を駆動する電気自動車の制御装置であって、前記高電圧バッテリの残エネルギ量を検出する残エネルギ量検出部と、前記残エネルギ量検出部からの検出信号と比較される第１しきい値および前記第１しきい値よりも小さい第２しきい値を格納するしきい値格納部と、前記検出信号と前記第１，第２しきい値とを比較し、比較結果に応じて前記駆動モータおよび前記補機類の駆動状態を切り換える駆動状態切換部とを備え、前記補機類は、運転操作をアシストする車載機器であり、前記駆動状態切換部は、前記検出信号が前記第１しきい値を下回ったときに、前記補機類の駆動を許容しつつ前記駆動モータの出力トルクを弱め、前記検出信号が前記第２しきい値を下回ったときに、前記補機類の駆動を許容しつつ前記駆動モータへの電力供給を停止することを特徴とする。

本発明の電気自動車の制御装置は、前記しきい値格納部に、前記第２しきい値よりも小さく、前記高電圧バッテリの残エネルギ量下限値となる第３しきい値を格納し、前記駆動状態切換部は、前記検出信号が前記第３しきい値を下回ったときに前記補機類の駆動を停止することを特徴とする。

本発明の電気自動車の制御装置によれば、大小２つのしきい値（第１しきい値＞第２しきい値）を格納するしきい値格納部を設け、残エネルギ量検出部からの検出信号が第１しきい値を下回ったときに、補機類の駆動を許容しつつ駆動モータの出力トルクを弱め、残エネルギ量検出部からの検出信号が第２しきい値を下回ったときに、補機類の駆動を許容しつつ駆動モータへの電力供給を停止する駆動状態切換部を設けるので、高電圧バッテリの残エネルギ量が少なくなったときに、補機類を駆動しつつ駆動モータへの出力トルクを弱め、その後駆動モータへの電力供給を停止できる。したがって、高電圧バッテリの残エネルギ量が少なくなって電気自動車が走行不能状態に陥ったとしても、補機類を継続して駆動することができる。よって、下り坂を走行している途中等において、高電圧バッテリの残エネルギ量が少なくなったとしても、運転者の操作をアシストする補機類の駆動を弱めることが無く、ひいては運転者を不安にさせることが無い。

本発明の電気自動車の制御装置によれば、しきい値格納部に、第２しきい値よりも小さく、高電圧バッテリの残エネルギ量下限値となる第３しきい値を格納し、駆動状態切換部は、検出信号が第３しきい値を下回ったときに補機類の駆動を停止するので、補機類の駆動により高電圧バッテリが深放電状態になるのを防止でき、ひいては高電圧バッテリの損傷を防止できる。

電気自動車の構成を示す概略図である。図１の電気自動車における制御装置の制御内容（動作）を示すフローチャート図である。本発明による残エネルギ量の変化と従来技術による残エネルギ量の変化とを比較したグラフである。

以下、本発明の一実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は電気自動車の構成を示す概略図を、図２は図１の電気自動車における制御装置の制御内容（動作）を示すフローチャート図を、図３は本発明による残エネルギ量の変化と従来技術による残エネルギ量の変化とを比較したグラフをそれぞれ表している。

図１に示すように、電気自動車１０は、三相直流モータよりなる駆動モータ１１を備えている。駆動モータ１１には歯車列１２を介してドライブシャフト１３が連結され、ドライブシャフト１３の両端には一対の前輪１４ａがそれぞれ一体回転可能に設けられている。また、電気自動車１０は一対の後輪１４ｂを有しており、本実施の形態に係る電気自動車１０は各前輪１４ａ，各後輪１４ｂを備えた四輪自動車となっている。このように、電気自動車１０は駆動モータ１１により各前輪１４ａを駆動する前輪駆動方式を採用している。ただし、本発明における駆動モータとしては、PMモータやブラシレスDCモータ等の他の形式のモータを用いることもできる。

電気自動車１０には、駆動モータ１１の電源として機能する高電圧バッテリ１５が搭載され、この高電圧バッテリ１５は、例えば、電圧制御範囲が280V〜380Vのリチウムイオン二次電池となっている。ただし、本発明における高電圧バッテリとしては、ニッケル水素二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電体を用いることもできる。

駆動モータ１１にはインバータ１６が電気的に接続され、インバータ１６と高電圧バッテリ１５との間には、一対の通電ケーブル１７，１８がそれぞれ電気的に接続されている。駆動モータ１１は駆動源および発電機として駆動可能なモータジェネレータ（M/G）としての機能を有しており、駆動モータ１１を駆動源として駆動する際には、インバータ１６により高電圧バッテリ１５からの直流電流が交流電流に変換され、変換された交流電流が駆動モータ１１に供給される。一方、駆動モータ１１を発電機として駆動する際には、インバータ１６により駆動モータ１１からの交流電流が直流電流に変換され、変換された直流電流が高電圧バッテリ１５に供給される。なお、高電圧バッテリ１５に接続される各通電ケーブル１７，１８には、一対のメインリレー１９がそれぞれ設けられている。

高電圧バッテリ１５には、各通電ケーブル１７，１８およびDC/DCコンバータ２０を介して低電圧バッテリ２１が電気的に接続されている。低電圧バッテリ２１としては、例えば、電圧制御範囲が10V〜14Vの鉛蓄電池を用いており、低電圧バッテリ２１は、インバータ１６，DC/DCコンバータ２０，各制御ユニット３０，４０，車載充電器５４等の電源として用いられる。

低電圧バッテリ２１とDC/DCコンバータ２０との間には、補機類２２が電気的に接続されている。ここで、補機類２２とは、パワーステアリングポンプ，ブレーキ用負圧ポンプ，ワイパ装置用電動モータ，ヘッドライト等（何れも図示せず）の低電圧で駆動される車載機器のことであり、補機類２２は、DC/DCコンバータ２０により降圧された電力（約14.5V）により駆動される。また、DC/DCコンバータ２０により降圧された電力は低電圧バッテリ２１にも供給され、これにより低電圧バッテリ２１を充電するようになっている。

電気自動車１０を統括的に制御するために、電気自動車１０には車両制御ユニット３０が搭載されている。車両制御ユニット３０には、車速センサ，アクセルスイッチ，ブレーキスイッチ等（何れも図示せず）の各種車両情報信号が入力されるとともに、補機類２２の動作情報信号、つまり補機類２２が動作中であるか否かを示す信号が入力される。そして、車両制御ユニット３０は、各種車両情報信号や補機類２２の動作情報信号等に基づいて所定の演算処理を実行し、各メインリレー１９をオン／オフ制御したり、DC/DCコンバータ２０およびインバータ１６等に制御信号を出力したりする。

高電圧バッテリ１５の充放電を制御するために、電気自動車１０にはBCU（バッテリ制御ユニット）４０が搭載されている。BCU４０には、残エネルギ量検出部４１が設けられ、残エネルギ量検出部４１は、高電圧バッテリ１５の電圧，電流，雰囲気温度等を監視して、これに基づき高電圧バッテリ１５の残エネルギ量SOCを検出するようになっている。そして、BCU４０は、残エネルギ量検出部４１により検出した残エネルギ量（検出信号）SOCに基づいて、高電圧バッテリ１５の出力電圧や出力電流を制御するようになっている。ここで、本発明における制御装置は、車両制御ユニット３０およびBCU４０により構成されている。

電気自動車１０には、CAN等よりなる通信ネットワーク５０が構築されている。通信ネットワーク５０は、車両制御ユニット３０，BCU４０，DC/DCコンバータ２０，インバータ１６等を相互に電気的に接続している。通信ネットワーク５０は、当該通信ネットワーク５０に接続された各部材間における情報信号の授受を許容するようになっている。

車両制御ユニット３０には、しきい値格納部３１および駆動状態切換部３２が設けられている。しきい値格納部３１には、BCU４０に設けた残エネルギ量検出部４１からの検出信号と比較される第１しきい値SL1、第１しきい値SL1よりも小さい第２しきい値SL2、第２しきい値SL2よりも小さい第３しきい値SL3（SL1＞SL2＞SL3）がそれぞれ格納されている。各しきい値SL1，SL2，SL3は、残エネルギ量SOCとともに駆動状態切換部３２に読み込まれる。

駆動状態切換部３２には、残エネルギ量SOCおよび各しきい値SL1，SL2，SL3が入力され、駆動状態切換部３２は、読み込んだ残エネルギ量SOCと各しきい値SL1，SL2，SL3とを比較し、この比較結果に応じて駆動モータ１１および補機類２２の駆動状態を切り換えるようになっている。具体的には、駆動状態切換部３２は、以下に示すような第１，第２および第３の状態となるよう、駆動モータ１１および補機類２２の駆動状態を切り換えるようになっている。

第１の状態として、高電圧バッテリ１５の残エネルギ量SOCが第１しきい値SL1を下回った場合には、補機類２２の駆動を許容しつつ、駆動モータ１１への電力を徐々に小さくする「出力トルク低減制御／補機類継続制御」に切り換える。これにより車両制御ユニット３０は、補機類２２の駆動を許容しつつ、駆動モータ１１の出力トルクを徐々に弱めるよう制御する。

第２の状態として、高電圧バッテリ１５の残エネルギ量SOCが第２しきい値SL2を下回った場合には、補機類２２の駆動を許容しつつ、駆動モータ１１への電力供給を停止する「駆動モータ停止制御／補機類継続制御」に切り換える。これにより車両制御ユニット３０は、補機類２２の駆動を許容しつつ、駆動モータ１１の駆動を停止するよう制御する。

第３の状態として、高電圧バッテリ１５の残エネルギ量SOCが第３しきい値SL3を下回った場合には、補機類２２への電力供給も停止して電気自動車１０のシステム電源をオフにする「補機類停止制御／システム電源オフ制御」に切り換える。これにより車両制御ユニット３０は、補機類２２の駆動を停止するとともに電気自動車１０のシステム電源を切るよう制御する。ここで、第３しきい値SL3は、高電圧バッテリ１５を深放電状態から保護するためのしきい値であり、高電圧バッテリ１５の残エネルギ量SOCの下限値となっている。

商用電源５１（AC200V等）を用いて高電圧バッテリ１５を充電するために、電気自動車１０には電源接続部としての充電口５２が設けられている。充電口５２は一対の接続端子５３を備えており、各接続端子５３は車載充電器５４に電気的に接続されている。商用電源５１に接続して使用される充電ケーブル５５にはコネクタ５６が一体に設けられ、コネクタ５６には充電口５２の各接続端子５３に対応する一対の接続端子５７が設けられている。

車載充電器５４の充電口５２側とは反対側は、各通電ケーブル１７，１８にそれぞれ電気的に接続されている。これにより、充電口５２にコネクタ５６を接続することで、車載充電器５４および各通電ケーブル１７，１８を介して商用電源５１から高電圧バッテリ１５に電力を供給することができる。ここで、商用電源５１によって高電圧バッテリ１５を充電する際には、車載充電器５４，各通電ケーブル１７，１８およびDC/DCコンバータ２０を介して低電圧バッテリ２１も充電される。なお、車載充電器５４は通信ネットワーク５０に電気的に接続され、車両制御ユニット３０により制御される。

次に、以上のように形成した電気自動車１０における制御装置（車両制御ユニット３０およびBCU４０）の制御内容（動作内容）について、図２および図３を用いて詳細に説明する。ここで、図２に示す制御ロジックは、図示しないイグニッションスイッチをオン操作して、電気自動車１０のシステム電源がオンされてから所定の制御周期毎（例えば10分毎）に繰り返される。

図２に示すように、ステップＳ１において制御ロジックが開始（スタート）されると、ステップＳ２において残エネルギ量検出部４１が残エネルギ量SOCを検出する。続くステップＳ３では、駆動状態切換部３２が残エネルギ量SOCと第１しきい値SL1とを読み込み、残エネルギ量SOCが第１しきい値SL1未満であるか否かを判定する。ステップＳ３でyes判定の場合はステップＳ４に進み、ステップＳ３でno判定の場合はステップＳ９に進む。

ステップＳ４では、残エネルギ量SOCが低下して第１しきい値SL1を下回ったとして、これまで通常制御していた駆動モータ１１および補機類２２を、駆動状態切換部３２により「出力トルク低減制御／補機類継続制御」に切り換える（図３中切り換えポイントP1参照）。これにより、補機類２２はこれまで通りに駆動可能、つまり運転者のステアリング操作やブレーキング操作等を継続してアシストできる。一方、駆動モータ１１の出力トルクは徐々に弱められていく。このとき、図３の「出力トルク低減制御／補機類継続制御領域」に示すように、駆動モータ１１への供給電力が抑えられることから、残エネルギ量SOCの低下率（グラフの傾斜）は若干緩やかになる。

ここで、駆動モータ１１の出力トルクは徐々に弱められるため、運転者は違和感無く電気自動車１０を継続して運転操作できる。また、「出力トルク低減制御／補機類継続制御」に切り換えられたことを運転者に知らせるために、例えばインストルメントパネルに設けた警告灯（図示せず）を点灯させたり、駆動モータ１１を駆動可能な残り時間をカウントダウン表示したりしても良く、この場合、運転者に効果的に高電圧バッテリ１５を充電するタイミングを知らせることができる。

ステップＳ５では、駆動状態切換部３２が残エネルギ量SOCと第２しきい値SL2とを読み込み、残エネルギ量SOCが第２しきい値SL2未満であるか否かを判定する。ステップＳ５でyes判定の場合はステップＳ６に進み、ステップＳ５でno判定の場合はステップＳ９に進む。

ステップＳ６では、残エネルギ量SOCが低下して第２しきい値SL2を下回ったとして、これまで出力トルク低減制御／補機類継続制御をしていた駆動モータ１１および補機類２２を、駆動状態切換部３２により「駆動モータ停止制御／補機類継続制御」に切り換える（図３中切り換えポイントP2参照）。これにより、補機類２２はこれまで通りに駆動可能であり、駆動モータ１１の駆動が停止される。このとき、図３の「駆動モータ停止制御／補機類継続制御領域」に示すように、駆動モータ１１への供給電力が無くなるため、残エネルギ量SOCの低下率はより緩やかになる。

ここで、「駆動モータ停止制御／補機類継続制御」に切り換えられたことについても、警告灯（図示せず）を点灯させたりすることで運転者に知らせるようにしても良い。

ステップＳ７では、駆動状態切換部３２が残エネルギ量SOCと第３しきい値SL3とを読み込み、残エネルギ量SOCが第３しきい値SL3未満であるか否かを判定する。ステップＳ７でyes判定の場合はステップＳ８に進み、ステップＳ７でno判定の場合はステップＳ９に進む。

ステップＳ８では、残エネルギ量SOCが低下して第３しきい値SL3を下回ったとして、これまで駆動モータ停止制御／補機類継続制御をしていた駆動モータ１１および補機類２２を、駆動状態切換部３２により「補機類停止制御／システム電源オフ制御」に切り換える（図３中切り換えポイントP3参照）。これにより、補機類２２の駆動も停止され、かつシステム電源がオフとなる。このとき、図３の「補機類停止制御／システム電源オフ制御領域（深放電領域）」に示すように、駆動モータ１１および補機類２２への供給電力が無くなるため、残エネルギ量SOCの消費が殆ど無くなって、高電圧バッテリ１５が深放電状態となることを防止できる。

続くステップＳ９では、本制御ロジックを最終的に終了させる処理を実行する。なお、ステップＳ３でno判定となった場合は、ステップＳ３の処理前の「通常制御」が継続して実行される。ステップＳ５でno判定となった場合は、ステップＳ５の処理前の「出力トルク低減制御／補機類継続制御」が継続して実行される。ステップＳ７でno判定となった場合は、ステップＳ７の処理前の「駆動モータ停止制御／補機類継続制御」が継続して実行される。

ここで、図３中符号Tは、駆動モータ１１の駆動を停止した後に、補機類２２を駆動できる時間（補機類駆動可能時間）を示している。また、図３の符号P4は、上述した従来技術における制御ロジックによる駆動モータおよび補機類の停止ポイント（同時停止ポイント）を示している。従来技術の制御ロジックでは、同時停止ポイントP4で駆動モータおよび補機類の何れもが停止するが、本発明の制御ロジックでは、切り換えポイントP2から切り換えポイントP3の間で、比較的長い補機類駆動可能時間Tを確保でき、この間において補機類２２のみを駆動させることができる。

以上詳述したように、本実施の形態に係る電気自動車の制御装置によれば、大小２つのしきい値SL1，SL2（第１しきい値SL1＞第２しきい値SL2）を格納するしきい値格納部３１を設け、残エネルギ量検出部４１からの残エネルギ量SOCが第１しきい値SL1を下回ったときに、補機類２２の駆動を許容しつつ駆動モータ１１の出力トルクを弱め、残エネルギ量検出部４１からの残エネルギ量SOCが第２しきい値SL2を下回ったときに、補機類２２の駆動を許容しつつ駆動モータ１１への電力供給を停止する駆動状態切換部３２を設けた。

したがって、高電圧バッテリ１５の残エネルギ量SOCが少なくなったときに、補機類２２を駆動しつつ駆動モータ１１への出力トルクを弱め、その後駆動モータ１１への電力供給を停止できる。よって、高電圧バッテリ１５の残エネルギ量SOCが少なくなって電気自動車１０が走行不能状態に陥ったとしても、補機類２２を継続して駆動することができる。これにより、下り坂を走行している途中等において、高電圧バッテリ１５の残エネルギ量SOCが少なくなったとしても、運転者の操作をアシストする補機類２２の駆動を弱めることが無く、ひいては運転者を不安にさせることが無い。

また、本実施の形態に係る電気自動車の制御装置によれば、しきい値格納部３１に、第２しきい値SL2よりも小さく、高電圧バッテリ１５の残エネルギ量SOCの下限値となる第３しきい値SL3を格納し、駆動状態切換部３２は、残エネルギ量SOCが第３しきい値SL3を下回ったときに補機類２２の駆動を停止するので、補機類２２の駆動により高電圧バッテリ１５が深放電状態になるのを防止でき、ひいては高電圧バッテリ１５の損傷を防止できる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上記実施の形態においては、電気自動車として駆動モータ１１のみで駆動する電気自動車１０を挙げ、当該電気自動車１０に本発明に係る制御装置（車両制御ユニット３０およびBCU４０）を搭載したものを示したが、本発明はこれに限らず、内燃機関と駆動モータとの２つの駆動系統を有する電気自動車、所謂ハイブリッド車に搭載される制御装置に本発明を適用することもできる。

また、上記実施の形態においては、本発明を各前輪１４ａを駆動する前輪駆動方式の電気自動車１０に適用したものを示したが、本発明はこれに限らず、各後輪を駆動する後輪駆動方式の電気自動車や、前後輪を駆動する四輪駆動方式の電気自動車にも適用することができる。

１０電気自動車
１１駆動モータ
１５高電圧バッテリ
２２補機類
３０車両制御ユニット（制御装置）
３１しきい値格納部
３２駆動状態切換部
４０ BCU（制御装置）
４１残エネルギ量検出部
SL1 第１しきい値
SL2 第２しきい値
SL3 第３しきい値
SOC 残エネルギ量（検出信号）

Claims

高電圧バッテリからの電力を制御して駆動モータおよび補機類を駆動する電気自動車の制御装置であって、
前記高電圧バッテリの残エネルギ量を検出する残エネルギ量検出部と、
前記残エネルギ量検出部からの検出信号と比較される第１しきい値および前記第１しきい値よりも小さい第２しきい値を格納するしきい値格納部と、
前記検出信号と前記第１，第２しきい値とを比較し、比較結果に応じて前記駆動モータおよび前記補機類の駆動状態を切り換える駆動状態切換部とを備え、
前記補機類は、運転操作をアシストする車載機器であり、
前記駆動状態切換部は、前記検出信号が前記第１しきい値を下回ったときに、前記補機類の駆動を許容しつつ前記駆動モータの出力トルクを弱め、前記検出信号が前記第２しきい値を下回ったときに、前記補機類の駆動を許容しつつ前記駆動モータへの電力供給を停止することを特徴とする電気自動車の制御装置。
請求項１記載の電気自動車の制御装置において、前記しきい値格納部に、前記第２しきい値よりも小さく、前記高電圧バッテリの残エネルギ量下限値となる第３しきい値を格納し、前記駆動状態切換部は、前記検出信号が前記第３しきい値を下回ったときに前記補機類の駆動を停止することを特徴とする電気自動車の制御装置。