JP6147380B2

JP6147380B2 - ハイブリッド車両の発電機制御装置

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Publication number: JP6147380B2
Application number: JP2016032616A
Authority: JP
Inventors: 康彦和田; 山崎　尚徳; 尚徳山崎; 啓太畠中; 英俊北中; 万基岡田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: JP2016106059A

Description

この発明は、エンジンの出力を発電機により電力に変換し、その変換した電力とバッテリからの電力により電動機を駆動して車両を走行させるようにした、ハイブリッド車両の発電機制御装置に関するものである。

鉄道車両は、鉄の車輪がレール面上を転がることにより走行するため、走行抵抗が自動車に比べて小さいことが特徴である。特に、最近の電気鉄道車両では、制動時に主電動機を発電機として作用させることで制動力を得ると同時に、制動時に主電動機で発生する電気的エネルギーを架線に戻して他の車両の力行エネルギーとして再利用する回生ブレーキ制御を行なっている。この回生ブレーキを備える電気鉄道車両は、回生ブレーキを備えていない電気鉄道車両に比べて、約半分のエネルギー消費で走行することが可能とされている。従って、回生ブレーキを備える電気鉄道車両は、走行抵抗が小さい鉄道車両の特徴を生かした省エネルギーな電気鉄道車両であるといえる。

その一方で、輸送密度が小さい地方路線等は、架線、変電所等のインフラを必要としない気動車（ディーゼルカー）により、きめ細かな乗客サービスを低コストに実現している現状がある。しかし、気動車は、架線等により他の車両にエネルギーを回生する手段がないため、電気鉄道車両のような回生エネルギーの再利用は行なわれていなかった。このため、気動車で省エネルギー走行を実現するためには、低燃費エンジンの開発に頼らざるを得ないと考えられていた。

このような気動車に対しても省エネルギーを推進する一つの方法として、エンジンと発電機と蓄電装置を組み合わせたハイブリッド気動車が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ハイブリッド気動車は蓄電装置であるバッテリを設けることにより、制動時に主電動機で発生する発電機の回生エネルギーをバッテリで一旦吸収することが可能となり、この吸収した回生エネルギーを力行時に必要なエネルギーの一部として再利用することにより、省エネルギーを実現することができるようにしている。

一方で、長い距離を回生ブレーキで降り続ける状況等では、バッテリが過充電になるため、何らかの方法でバッテリの充電電力を抑制する必要がある。その一つの手法として、発電機を電動機として動作させ、エンジンを回転摩擦負荷として用いることでエネルギーを敢えて消費させる、所謂、エンジンブレーキの利用が挙げられる。これに対して、車両の制動力として、回生ブレーキを用いず、機械ブレーキを用いることで回生エネルギーそのものを抑制し、過充電を防ぐことも可能ではあるが、摩耗するブレーキシューのメンテナンスの手間を考えると機械ブレーキの使用は極力控えるほうが望ましいため、上記エンジンブレーキの活用はメリットがある。

特許文献１に示されたハイブリッド気動車は、エンジンと、エンジンによって駆動され交流電力を出力する交流発電機と、交流電力を直流電力に変換するコンバータ装置と、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、鉄道車両を駆動する電動機と、この電動機の出力を減速して車輪軸に伝達する減速機と、直流電力を充電及び放電する機能を持つ蓄電装置と、サービス電源用インバータと、サービス電源用変圧器と、制御装置とで構成されているが、前述のエンジンブレーキ時の制御方式に関しては詳しく述べられていない。

特開２００７−１９５３３４号公報「電動機制御工学―可変速ドライブの基礎」松瀬貢規著、９８ページ「ＡＣサーボシステムの理論と設計の実際基礎からソフトウェアサーボまで」杉本英彦、小山正人、玉井伸三著、９９〜１０３ページ

一般に、エンジンの出力は、同一の運転指令に対しても、運転状態（油温、潤滑状態等）や整備状況等に起因した出力特性のバラツキが存在し、長期の運用を通じて一定の安定したエンジン出力を得ることが困難である。このことは、前述の従来のハイブリッド車両に於いても例外ではない。従って、従来のハイブリッド車両の発電機制御装置に於いては、運転状態（油温、潤滑状態等）や整備状況等に起因したエンジンの出力特性のバラツキにより、安定した発電電力の維持が困難であるという課題があった。

この発明は、従来のハイブリッド車両の発電機制御装置の前述のような課題を解決するためになされたもので、運転状態や整備状態に於けるエンジンの出力特性のバラツキにかかわらず、安定した発電電力を維持することができるハイブリッド車両の発電機制御装置を提供することを目的とする。

この発明によるハイブリッド車両の発電機制御装置は、
エンジンの出力軸に回転子が連結された発電機と、
前記発電機と負荷装置との間の電力変換を行う電力変換装置と、
前記電力変換装置をPWM制御して前記発電機の出力を制御する発電機制御部と、
前記負荷装置の状態を監視する負荷監視部と、
前記負荷監視部により検出された前記負荷装置の状態に基づいて、前記発電機制御部に発電機電力指令値を与える上位制御部と、
を備えたハイブリッド車両の発電機制御装置であって、
前記発電機制御部は、
前記上位制御部から与えられた前記発電機電力指令値と前記発電機の出力電力値との偏差に相当する差分電力値に基づいて発電機回転速度指令値を算出し、
前記算出した発電機回転速度指令値と前記発電機の回転速度との差分である差分回転速度値に基づいて前記発電機の出力トルクの指令値であるトルク指令値を算出し、前記トルク指令値に基づいて前記電力変換装置の出力をＰＷＭ制御することにより、前記発電機の出力電力値を前記発電機電力指令値に追従させるように構成されており、
前記発電機電力指令値に対応した複数のトルク指令特性を備え、前記発電機電力指令値に基づいて前記複数のトルク指令特性のうちの一つを選択し、この選択したトルク指令特性に基づいてトルク補正値を出力するトルクマップ部と、
前記トルク指令値と前記トルクマップ部から出力された前記トルク補正値とに基づいて、前記電力変換装置をＰＷＭ制御する電圧制御部と、
を備えた、
ことを特徴とする。
又、この発明によるハイブリッド車両の発電機制御装置は、
エンジンの出力軸に回転子が連結された発電機と、
前記発電機と負荷装置との間の電力変換を行う電力変換装置と、
前記電力変換装置をPWM制御して前記発電機の出力を制御する発電機制御部と、
前記負荷装置の状態を監視する負荷監視部と、
前記負荷監視部により検出された前記負荷装置の状態に基づいて、前記発電機制御部に発電機電力指令値を与える上位制御部と、
を備えたハイブリッド車両の発電機制御装置であって、
前記発電機制御部は、
前記上位制御部から与えられた前記発電機電力指令値と前記発電機の出力電力値との偏差に相当する差分電力値に基づいて発電機回転速度指令値を算出し、
前記算出した発電機回転速度指令値と前記発電機の回転速度との差分である差分回転速度値に基づいて前記発電機の出力トルクの指令値であるトルク指令値を算出し、前記トルク指令値に基づいて前記電力変換装置の出力をＰＷＭ制御することにより、前記発電機の出力電力値を前記発電機電力指令値に追従させるように構成されており、
前記発電機の出力電力値を演算する電力演算部と、
前記差分電力値に基づいて前記発電機回転速度指令値を算出する電力ＰＩ制御部と、
前記トルク指令値に基づいて前記電力変換装置をＰＷＭ制御する電圧制御部と、
前記算出された前記発電機回転速度指令値に対する下限値と上限値とのうちの少なくとも一方を設定する速度リミッタと、
前記算出された前記発電機回転速度指令値又は前記速度リミッタを介して入力された前記発電機回転速度指令値と、前記発電機の回転速度と、の差分である差分回転速度値に基づいて前記トルク指令値を算出する速度ＰＩ制御部と、
前記エンジンの排気弁の操作の有無に対応した複数のトルク指令特性を備え、前記上位制御部から排気弁に対し出力される排気弁操作指令値に基づいて前記複数のトルク指令特性のうちの一つを選択し、この選択したトルク指令特性に基づいてトルク補正値を出力するトルクマップ部と、
前記トルク指令値と前記トルクマップ部から出力された前記トルク補正値とに基づいて、前記電力変換装置をＰＷＭ制御する電圧制御部と、
を備えた、
ことを特徴とする。

この発明によるハイブリッド車両の発電機制御装置によれば、発電機制御部は、上位制御部から与えられる発電機電力指令値と発電機の出力電力値との偏差に相当する差分電力値に基づいて発電機回転速度指令値を算出し、前記算出した発電機回転速度指令値に基づいて電力変換装置の出力をＰＷＭ制御することにより、発電機の回転速度を発電機回転速度指令値に追従させると共に発電機の出力電力値を発電機電力指令値に追従させるようにしているので、エンジンの運転状態や整備状態に起因したエンジン特性のバラツキにかかわらず、所望の発電電力を安定して得ることができる。

この発明の実施の形態１によるハイブリッド車両の発電機制御装置の構成を示すシステムブロック図である。この発明の実施の形態１によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於ける発電機制御部を示すブロック図であるこの発明の実施の形態２によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於ける発電機制御部を示すブロック図である。この発明の実施の形態２によるハイブリッド車両の発電機制御装置の動作を説明する説明図である。この発明の実施の形態2によるハイブリッド車両の発電機制御装置の動作を説明する説明図である。この発明の実施の形態３によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於ける発電機制御部を示すブロック図である。

実施の形態１．
以下、図に基づいてこの発明の実施の形態１によるハイブリッド車両の発電機制御装置について説明する。図１は、この発明の実施の形態１によるハイブリッド車両の発電機制御装置の構成を示すシステムブロック図であって、鉄道のハイブリッド車両に適用される場合を示している。図１に於いて、ハイブリッド車両の発電機制御装置１００は、負荷装置１と、エンジン２と、発電機３と、バッテリ４と、電力変換装置としてのコンバータ５と、エンジン２を制御するエンジン制御部６と、バッテリ４を制御する負荷監視部７と、負荷装置１を制御する負荷装置制御部８と、発電機３を制御する発電機制御部９と、これ等の各制御部６乃至９を制御する上位制御部１０とを備えている。

負荷装置１は、駆動輪と、車軸と、負荷装置１に於ける電力変換装置としてのインバータと、車両を駆動する電動機と、電動機の出力を減速して車軸に伝達する減速機とで構成されている（何れも図示せず）。前述のインバータは、複数のスイッチング素子と整流素子とにより構成され、前述のバッテリ４とコンバータ５のうちの少なくとも一方から供給される直流電力を交流電力に変換して電動機に供給する。又、インバータは、負荷装置１に於ける電動機を回生動作させる際には、電動機で回生される交流電力を直流電力に変換する逆変換動作を行うことが可能である。負荷装置１に於ける電動機は、例えば、三相交流電動機であり、駆動力を発生して減速機を介して駆動輪に駆動力を伝達する。又、この電動機は、発電機としても動作することができ、車両の減速時に駆動輪により駆動されて回生電力を発生させることで車両の減速エネルギーを回生する。

エンジン２は、例えば、ディーゼルエンジンであり、発電のための駆動力を発電機３へ伝達する。エンジン２は、負荷装置１に於ける前述の電動機の回生動作時に、エンジンブレーキや、排気管の途中に設けられたバルブを閉じることで排気圧力を高めてエンジン２のポンピングロスを大きくして回転速度を抑制する、所謂、排気ブレーキの動作を行なうことも可能である。又、エンジン２は、排気弁をオン／オフ制御することで、エンジンブレーキと排気ブレーキとの切替えを行うことも可能である。

発電機３は、例えば、三相交流発電機であり、エンジン２の駆動力によって回転子が回転して発電し、この発電した電力を負荷装置１とバッテリ４とのうちの少なくとも一方に供給する電力供給源として機能する。又、発電機３は、電動機としても動作することができ、エンジン２の始動時にエンジン２をクランキングすることや、発電機３の駆動力を用いてエンジン２を回転させることで、電力を消費することができる。

バッテリ４は、例えば、リチウムイオン二次電池であり、コンバータ５と負荷装置１のインバータとの間の直流リンク部５０に接続され、発電機３の出力電力と負荷装置１の電動機の回生電力とにより充電され、若しくは、発電機３と負荷装置１の電動機とに駆動電力を供給する。

電力変換装置としてのコンバータ５は、複数のスイッチング素子及び整流素子で構成され、発電機３と、バッテリ４と、負荷装置１とに接続され、発電機３が発電する交流電力を直流電力に変換する。又、コンバータ５は、発電機３を電動機として動作させる際には、バッテリ４若しくは負荷装置１から供給される直流電力を交流電力に変換する逆変換動作を行う。

エンジン制御部６は、上位制御部１０から指令されるエンジントルク指令値Ｔｅ＿ｒｅｆと、エンジン２に設けられたセンサ（図示せず）により検出されるエンジンの回転速度等の信号とに基づいて、エンジン２のスロットル開度Ｓｔ、点火時期、燃料噴射量等を制御し、エンジン２がエンジントルク指令値Ｔｅ＿ｒｅｆに対応するトルクを発生するように制御する。

負荷監視部７は、負荷装置１とコンバータ５との間の中間直流リンク部５０に設けられた電流センサ及び電圧センサ（何れも図示せず）により検出されたバッテリ４の充電電流若しくは放電電流としてのバッテリ電流値Ｉｂａｔと、バッテリ電圧値Ｖｂａｔとに基づいて、バッテリ４の充電状態ＳＯＣを推定し、上位制御部１０へ出力する。

負荷装置制御部８は、上位制御部１０から指令される電動機トルク指令値Ｔｉ＿ｒｅｆに負荷装置１の電動機のトルクを追従させるように、負荷装置１のインバータを制御するための、所謂、ＰＷＭスイッチング信号であるゲート信号ＧＰ＿ｉを生成し、この生成したゲート信号ＧＰ＿ｉを負荷装置1に出力して負荷装置１のインバータを制御する。

発電機制御部９は、上位制御部１０から指令される発電機電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ１若しくは発電機消費電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ２と、速度センサ（図示せず）により検出された発電機３の回転速度ωｃと、電圧センサ（図示せず）により検出された中間直流リンク部５０の直流電圧値Ｖｄｃと、コンバータ５に入力され若しくはコンバータ５から出力される直流電流値Ｉｄｃ＿ｃと、上位制御部１０から出力される運転指令値Ｓｅ等の状態とに応じて、コンバータ５を構成するスイッチング素子のスイッチング制御して発電機3の電力を制御する。尚、発電機電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ１と、発電機消費電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ２とは、何れも発電機電力指令値を構成する。

上位制御部１０は、前述の各構成要素の動作全体を管理する機能を有し、負荷装置１が授受する電力と、負荷監視部７が監視しているバッテリ４の充電状態ＳＯＣや、負荷装置１の稼働状態情報に基づいて、発電機制御部９を介して発電機３を制御すると共に、エンジン制御部６を介してエンジン２を制御する。即ち、負荷装置1が電力を消費することでバッテリ４の充電状態ＳＯＣが不足気味である等の場合は、上位制御部１０は、バッテリ４への充電動作が必要と判断し、発電機制御部９に発電機電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ１を出力すると共に、エンジン制御器6に発電機電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ１に応じたエンジントルク指令値Ｔｅ＿ｒｅｆを出力することで、バッテリ４の充電を行なわせる。

一方で、負荷装置1が電力回生動作を行ない続ける等によりバッテリ４が過充電気味である場合には、上位制御部１０はバッテリ４の放電が必要と判断し、発電機制御部９に発電機消費電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ２を出力すると共に、エンジン２に発電機消費電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ２の大きさに応じて排気弁を閉じるための排気弁操作指令値Ｂｓを出力し、各機器による電力消費を促し、バッテリ４の放電を行わせる。

次に、この発明の実施の形態１によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於ける発電機制御部９について説明する。図２は、この発明の実施の形態１によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於ける発電機制御部を示すブロック図である。図２に於いて、発電機制御部９は、電力演算部１１と、電力ＰＩ制御部１２と、電圧制御部１３とで構成されている。

発電機制御部９に於いて、電力演算部１１は、中間直流リンク部５０に設けられた電圧センサにより検出された直流電圧値Ｖｄｃと、中間直流リンク部５０に設けられた電流センサにより検出されたコンバータの入出力電流値Ｉｄｃ＿ｃとを乗算して発電機電力値Ｐｃを演算して出力する。電力ＰＩ制御部１２は、電力演算部１１からの発電機電力値Ｐｃと前述の上位制御部１０から受けた発電機電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ１若しくは発電機消費電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ２との差分電力値ΔＰが入力され、この差分電力値ΔＰを「０」にするための発電機回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆを算出して出力する。

電圧制御部１３は、電力ＰＩ制御部１２により演算された発電機回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆに基づいて三相電圧指令値を演算し、この演算した三相電圧指令値に基づいてコンバータ５をＰＷＭするためのゲート信号GP＿cを生成してコンバータ５へ出力する。

以上のように構成された発電機制御部９は、電力演算部１１からの発電機電力値Ｐｃと、上位制御部１０から受けた発電機電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ１若しくは発電機消費電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ２との差分電力値ΔＰを電力ＰＩ制御部１２に入力し、電力ＰＩ制御部１２では、予め所望の応答を加味して設定された各種ゲインに基づく比例積分演算により、入力された差分電力値ΔＰを「０」とするための発電機回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆを算出して電圧制御部１３に入力する。

電圧制御部１３では、入力された発電機回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆに基づいて三相電圧指令値を算出すると共にその三相電圧指令値に対応したゲート信号GP＿cを生成してコンバータ５を制御するＰＷＭ制御装置（図示せず）に与える。コンバータ５は、電圧制御部１３からのゲート信号GP＿cに基づいて、発電機３の電圧値Ｖと周波数値Ｆの比が一定となる、所謂Ｖ／Ｆ一定制御が行われる。

ここで、前述のＶ／Ｆ一定制御とは、周知のように、発電機（電動機）の一次電圧値Ｖと一次周波数値Ｆとを比例させて制御する制御方式であり（例えば、非特許文献１参照）、前述の発電機回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆが一次周波数値Ｆに相当し、三相電圧指令値が一次電圧値Ｖに相当する。

以上述べたように、この発明の実施の形態１によるハイブリッド車の発電機制御装置は、上位制御部１０が出力する発電機電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ１若しくは発電機消費電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ２と発電機３の電力値との差分電力値ΔＰを「０」とするための発電機速度指令値ωｃ＿ｒｅｆを算出し、この発電機回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆに基づいてコンバータ５の出力電圧Ｖを調整することにより、発電機回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆに発電機３の回転速度を追従させ、発電機電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ１若しくは発電機消費電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ２に発電機３の電力を追従させることを特徴とする。

この発明の実施の形態１によるハイブリッド車の発電機制御装置によれば、油温や潤滑状態、或いは整備状態等に基づくエンジンの運転状態のバラツキに起因したエンジン特性のバラツキが存在しても、発電機の発電電力を発電機電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ１若しくは発電機消費電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ２に追従させて安定化させることができる効果が得られる。又、発電機回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆに基づいて発電機の回転速度を制御することにより、油温・潤滑状態等に基づくエンジンの運転状態のバラツキに起因した機械応答性の変動を抑制する効果を得ることができる。

尚、前述では発電機電力値Ｐｃの算出方法として、中間直流リンク部５０に設けた電圧センサにより検出した直流電圧値Ｖｄｃと、中間直流リンク部５０に設けた電流センサにより検出したコンバータ入出力電流値Ｉｄｃ＿ｃとを、電力演算部１１により乗算する場合について述べたが、発電機電力値が相当の精度で得られるその他の手法、例えば発電機の入力交流電圧値、入力交流電流値、力率から発電機電力値Ｐｃを算出するようにしても同等の効果を得ることができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２によるハイブリッド車の発電機制御装置について説明する。この発明の実施の形態２によるハイブリッド車の発電機制御装置は、前述の実施の形態１に於ける発電機制御装置に、閉ループ速度制御機能を付加するようにしたものである。

図３は、この発明の実施の形態２によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於ける発電機制御部を示すブロック図である。図３に於いて、発電機制御部９は、電力演算部１１と、電力ＰＩ制御部１２と、電圧制御部１３と、速度リミッタ１４と、速度ＰＩ制御部１５とで構成されている。その他の構成は、実施の形態１の場合と同様である。

以上のように構成された発電機制御部９に於いて、電力演算部１１は、中間直流リンク部５０に設けられた電圧センサにより検出した直流電圧Ｖｄｃと、中間直流リンク部５０に設けられた電流センサにより検出されたコンバータ５の入出力電流Ｉｄｃ＿ｃとを乗算して発電機電力値Ｐｃを算出する。

電力ＰＩ制御部１２は、電力演算部１１からの発電機電力値Ｐｃと前述の上位制御部１０から受けた発電機電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ１若しくは発電機消費電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ２との差分電力値ΔＰが入力され、この差分電力値ΔＰを「０」にするための発電機回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ１を算出して出力する。

速度リミッタ１４は、電力ＰＩ制御部１２から出力された発電機回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ１に対する上限リミット処理と下限リミット処理とのうちの少なくとも一方の処理を行ない、発電機回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ２とする。

速度ＰＩ制御部１５は、速度リミッタ１４から出力された発電機回転速度指令値ωｃ＿ｒｅｆ２と、発電機３の回転子軸から取得した発電機回転速度ωcとの差分回転速度値Δωに基づいて発電機トルク指令値Ｔｃ＿ｒｅｆ１を算出し電圧制御部１３へ入力する。

この実施の形態２の場合、速度ＰＩ制御部１５は、予め所望の速度制御応答に基づいて設定されたゲインを用いて比例積分演算を前述の差分回転速度値Δωに施すことにより、発電機トルク指令値Ｔｃ＿ｒｅｆ１を算出して出力する。

電圧制御部13は、発電機3の出力トルクが速度ＰＩ制御部１５から入力された発電機トルク指令値Ｔｃ＿ｒｅｆ１に追従するように、所謂、ベクトル制御に基づいてコンバータ５に出力する電圧指令値を演算し、この演算した電圧指令値に基づいてコンバータ５をＰＷＭするためのゲート信号GP＿cを生成してコンバータ５へ出力する。

コンバータ５は、電圧制御部１３からのゲート信号GP＿cに基づいて、ＰＷＭ制御装置（図示せず）によりＰＷＭ制御され、ベクトル制御により発電機3の出力トルクを制御する。尚、ベクトル制御によるトルク制御方式は、周知の技術である（例えば、非特許文献２参照）。

以上述べたように、電力制御系の内部に閉ループの速度制御系を設けることで、所望の機械応答に設定が可能である。例えば、発電機電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ１若しくは発電機消費電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ２が大幅に変化した場合に於いても、速度制御系の所望の応答設定によって、発電機３及びエンジン２からなる機械系の回転数変動を抑制できる効果が得られる。

又、速度リミッタ１４によって、更に機械系の回転数範囲を指定することで、電力の制御、及びエンジンの制御を安定化することが可能である。以下にその詳細例を説明する。図４は、この発明の実施の形態２によるハイブリッド車両の発電機制御装置の動作を説明する説明図であって、速度リミッタ１４の下限値及び上限値の設け方の一例を表している。

図４に於いて、横軸は発電機回転速度ωｃ、縦軸は発電機トルクＴｅを示している。一点鎖線で示す発電機回転速度ωｃの下限値Ｘ０は、発電機３の回転数ωｃがエンジン２のアイドリング回転数に相当するように設定されている。破線で示す発電機回転数ωｃの上限値Ｙ０は、設計上の限度値であるエンジン２の許容最大回転数にマージンを持たせるように、エンジンの最大回転数の例えば０．９倍となるように設定されている。

速度リミッタ１４により、発電機回転速度の下限値Ｘ０をエンジン２のアイドリング速度相当に設定することで、発電機制御部９により実際の回転速度がアイドリング速度を下回らないように制御されるため、エンジン２が自立回転できなくなるエンジン停止事象や、逆転を防ぎ、安定した動作を続行できる効果が得られる。

又、速度リミッタ１４により、発電機回転速度の上限値Ｙ０をエンジン２の設計上の安全速度以下に設定することで、発電機電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ１或いは発電機消費電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ２が大きく変動した過渡状態に於いても、実際の回転速度が設定された上限値を下回るように制御されるため、故障を誘発するような高回転状態に至ることを防ぐ効果を得られる。尚、前述の下限値Ｘ０、上限値Ｙ０は一例であり、必要に応じて変更し得ることは勿論である。

図５は、この発明の実施の形態2によるハイブリッド車両の発電機制御装置の動作を説明する説明図であり、図４の場合とは異なる速度リミッタ１４の上限値の設定方法を示している。図５に於いて、横軸は発電機回転速度ωｃ、縦軸は発電機トルクＴｅを示している。図５は、発電機電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ１若しくは発電機消費電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ２、及びエンジントルク指令値Ｔｅ＿ｒｅｆの大きさに応じて、速度リミッタ１４による発電機の速度の上限値を決定する場合を示している。発電機の速度の下限値Ｘ０については図４の場合と同様である。

即ち、発電機電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ１、及びそれに応じて決定されるエンジントルク指令値Ｔｅ＿ｒｅｆは、複数のノッチに対応して、例えば１ノッチ特性、２ノッチ特性、３ノッチ特性のように与えられ、負荷装置１の消費電力状態に応じて、これ等のノッチ特性が上位制御部１０の判断により切り替えて出力される。そこで、速度リミッタ１４は、図５に示すように、それらの複数のノッチ特性に基づく運転特性で想定される夫々の最大速度に対応して、１ノッチ用速度上限設定値Ｙ１、２ノッチ用速度上限設定値Ｙ２、３ノッチ用速度上限設定値Ｙ３を備えている。速度リミッタ１４は、上位制御部１０が指定するノッチ指令に応じて、これ等の速度上限設定値を切り替える。

又、速度リミッタ１４は、エンジンブレーキ及び排気ブレーキ時に、設計上の限度値であるエンジン２のエンジンブレーキ及び排気ブレーキの許容最大回転数に対してマージンを持たせ少し低く設定した、エンジンブレーキ・排気ブレーキ用上限設定値Ｙ０を備えている。このエンジンブレーキ・排気ブレーキ用上限設定値Ｙ０は、設計上の限度値であるエンジン２のエンジンブレーキ及び排気ブレーキの許容最大回転数の例えば０．９倍となるように設定されている。

尚、ノッチ用速度上限値は、１乃至３ノッチ用速度上限値に限らず、１乃至Ｎノッチ用速度上限値に設定することが可能である。

この発明の実施の形態２によるハイブリッド車両の発電機制御装置は、エンジン２は、各ノッチで与えられた発電の電力制御状態に於いて、各ノッチ特性で想定される速度上限を下回るように制御されるので、発電機電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ１若しくは発電機消費電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ２の大きさにかかわらず回転状態、発電状態を安定化させる効果が得られる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３によるハイブリッド車両の発電機制御装置について説明する。図６は、この発明の実施の形態３によるハイブリッド車両の発電機制御装置に於ける発電機制御部を示すブロック図である。この実施の形態３では、実施の形態２の発電機制御部９の構成に、トルクマップ１６を付加したものである。

図６に於いて、トルクマップ１６には、上位制御部１０から出力されるエンジン２に対する１ノッチ指令、２ノッチ指令・・・Ｎノッチ指令に対応して、１ノッチ用トルク指令特性Ｔｅ＿ｃｈａｒａ＿１、２ノッチ用トルク指令特性Ｔｅ＿ｃｈａｒａ＿２、・・・Ｎノッチ用トルク指令特性Ｔｅ＿ｃｈａｒａ＿N、及び、エンジンブレーキ時の摩擦トルク指令特性Ｔｅｂ＿ｃｈａｒａ１、排気ブレーキ時のエンジン摩擦トルク指令特性Ｔｅｂ＿ｃｈａｒａ２が、発電機速度に対する関数として夫々設定されている。

そして、上位制御部１０が出力する発電機電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ１の大きさ、ノッチ種別に応じて、トルクマップ１６から対応する各ノッチ用トルク指令特性Ｔｅ＿ｃｈａｒａ＿１、Ｔｅ＿ｃｈａｒａ＿２、・・・Ｔｅ＿ｃｈａｒａ＿Nが選択され、その選択されたトルク特性に基づいて、トルクマップ１６からトルク補正値Ｔｃ＿ｒｅｆ２が出力される。

又、上位制御部１０の出力指令が発電機消費電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ２であった場合には、トルクマップ１６から摩擦トルク特性Ｔｅｂ＿ｃｈａｒａ１が選択され、その摩擦トルク特性に基づいてトルク補正値Ｔｃ＿ｒｅｆ２が出力される。

更に、上位制御部１０が更に大きな発電機消費電力指令値Ｐｃ＿ｒｅｆ２となり、排気弁操作指令値Ｂｓが出力された場合には、トルクマップ１６から摩擦トルク特性Ｔｅｂ＿ｃｈａｒａ２が選択され、その選択された摩擦トルク特性に基づいてトルク補正値Ｔｃ＿ｒｅｆ２が出力される。エンジンブレーキと排気ブレーキとの切替えは、前記発電機消費電力指令値に基づいて行われる。

これにより、遅れなく弁操作することができると共に、制御シーケンスを簡略化できる効果がある。

電圧制御部１３は、速度ＰＩ制御部１５の出力である発電機トルク指令値Ｔｃ＿ｒｅｆ１と、トルクマップ１６からの前述のトルク補正値Ｔｃ＿ｒｅｆ２を加算した値が入力され、その入力された値に基づいて、ベクトル制御に基づいてコンバータ５に出力する電圧指令値を演算し、この演算した電圧指令値に基づいてコンバータ５をＰＷＭするためのゲート信号GP＿cを生成してコンバータ５へ出力する。

コンバータ５は、電圧制御部１３からのゲート信号GP＿cに基づいて、ＰＷＭ制御装置（図示せず）によりＰＷＭ制御され、ベクトル制御により発電機3の出力トルクを制御する。

以上述べたように、この発明の実施の形態３によるハイブリッド車両の発電機制御装置によれば、上位制御部１０の指令が変化したときに発生する電力ＰＩ制御部１２の応答遅れに対し、トルクマップ１６からのトルク補正値Ｔｃ＿ｒｅｆ２がフィードフォワード機能として働き、発電状態の遷移を速やかに、かつより安定に実施できる効果が得られる。又、エンジンブレーキ時及び排気ブレーキ時でも消費電力特性を一定に保つと共に、エンジンの運転状態における油温や潤滑状態などのバラツキによらず所望の値に制御できる効果がある。

尚、トルクマップ１６に予め設定される各ノッチ用トルク指令特性Ｔｅ＿ｃｈａｒａ＿１〜Ｔｅ＿ｃｈａｒａ＿N、及び摩擦トルク特性Ｔｅｂ＿ｃｈａｒａ１、Ｔｅｂ＿ｃｈａｒａ２は、事前の設計や試験で得て設定しておくものであり、前述の実際のエンジントルク出力が有する運転状態に応じたバラツキの情報を含んでおらず、その意味で実際の運転時のトルク精度を持つものではない。しかしながら、前述のとおり、トルクマップ１６からのトルク補正値Ｔｃ＿ｒｅｆ２は、応答性改善のためのフィードフィワード制御機能に用いるものであり、定常特性のトルク精度はさほど必要ない。発電電力制御の定常精度は、電力ＰＩ制御部１２、速度ＰＩ制御部１５が確保する機能を有している。

尚、この発明は、その発明の範囲内に於いて、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

この発明は、ハイブリッド車両、特に鉄道のハイブリッド車両の発電機制御装置として利用することが可能である。

１負荷装置、２エンジン、３発電機、４バッテリ、５コンバータ、６エンジン制御部、７負荷監視部、８負荷装置制御部、９発電機制御部、１０上位制御部、１１電力演算部、１２電力ＰＩ制御部、１３電圧制御部、１４速度リミッタ、１５速度ＰＩ制御部、１６トルクマップ

Claims

エンジンの出力軸に回転子が連結された発電機と、
前記発電機と負荷装置との間の電力変換を行う電力変換装置と、
前記電力変換装置をPWM制御して前記発電機の出力を制御する発電機制御部と、
前記負荷装置の状態を監視する負荷監視部と、
前記負荷監視部により検出された前記負荷装置の状態に基づいて、前記発電機制御部に発電機電力指令値を与える上位制御部と、
を備えたハイブリッド車両の発電機制御装置であって、
前記発電機制御部は、
前記上位制御部から与えられた前記発電機電力指令値と前記発電機の出力電力値との偏差に相当する差分電力値に基づいて発電機回転速度指令値を算出し、
前記算出した発電機回転速度指令値と前記発電機の回転速度との差分である差分回転速度値に基づいて前記発電機の出力トルクの指令値であるトルク指令値を算出し、前記トルク指令値に基づいて前記電力変換装置の出力をＰＷＭ制御することにより、前記発電機の出力電力値を前記発電機電力指令値に追従させるように構成されており、
前記発電機電力指令値に対応した複数のトルク指令特性を備え、前記発電機電力指令値に基づいて前記複数のトルク指令特性のうちの一つを選択し、この選択したトルク指令特性に基づいてトルク補正値を出力するトルクマップ部と、
前記トルク指令値と前記トルクマップ部から出力された前記トルク補正値とに基づいて、前記電力変換装置をＰＷＭ制御する電圧制御部と、
を備えた、
ことを特徴とするハイブリッド車両の発電機制御装置。
前記発電機制御部は、
前記発電機の出力電力値を演算する電力演算部と、
前記差分電力値に基づいて前記発電機回転速度指令値を算出する電力ＰＩ制御部と、
前記算出された発電機回転速度指令値と前記発電機の回転速度との差分である差分回転速度値に基づいて前記トルク指令値を算出する速度ＰＩ制御部と、
前記トルク指令値に基づいて前記電力変換装置をＰＷＭ制御する電圧制御部と、
を備えた、
ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド車両の発電機制御装置。
前記発電機制御部は、
前記算出された前記発電機回転速度指令値に対する下限値と上限値とのうちの少なくとも一方を設定する速度リミッタと、
前記速度リミッタを介して入力された前記発電機回転速度指令値と前記発電機の回転速度との差分である差分回転速度値に基づいて前記トルク指令値を算出する速度ＰＩ制御部と、
を備えた、
ことを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド車両の発電機制御装置。
エンジンの出力軸に回転子が連結された発電機と、
前記発電機と負荷装置との間の電力変換を行う電力変換装置と、
前記電力変換装置をPWM制御して前記発電機の出力を制御する発電機制御部と、
前記負荷装置の状態を監視する負荷監視部と、
前記負荷監視部により検出された前記負荷装置の状態に基づいて、前記発電機制御部に発電機電力指令値を与える上位制御部と、
を備えたハイブリッド車両の発電機制御装置であって、
前記発電機制御部は、
前記上位制御部から与えられた前記発電機電力指令値と前記発電機の出力電力値との偏差に相当する差分電力値に基づいて発電機回転速度指令値を算出し、
前記算出した発電機回転速度指令値と前記発電機の回転速度との差分である差分回転速度値に基づいて前記発電機の出力トルクの指令値であるトルク指令値を算出し、前記トルク指令値に基づいて前記電力変換装置の出力をＰＷＭ制御することにより、前記発電機の出力電力値を前記発電機電力指令値に追従させるように構成されており、
前記発電機の出力電力値を演算する電力演算部と、
前記差分電力値に基づいて前記発電機回転速度指令値を算出する電力ＰＩ制御部と、
前記トルク指令値に基づいて前記電力変換装置をＰＷＭ制御する電圧制御部と、
前記算出された前記発電機回転速度指令値に対する下限値と上限値とのうちの少なくとも一方を設定する速度リミッタと、
前記算出された前記発電機回転速度指令値又は前記速度リミッタを介して入力された前記発電機回転速度指令値と、前記発電機の回転速度と、の差分である差分回転速度値に基づいて前記トルク指令値を算出する速度ＰＩ制御部と、
前記エンジンの排気弁の操作の有無に対応した複数のトルク指令特性を備え、前記上位制御部から排気弁に対し出力される排気弁操作指令値に基づいて前記複数のトルク指令特性のうちの一つを選択し、この選択したトルク指令特性に基づいてトルク補正値を出力するトルクマップ部と、
前記トルク指令値と前記トルクマップ部から出力された前記トルク補正値とに基づいて、前記電力変換装置をＰＷＭ制御する電圧制御部と、
を備えた、
ことを特徴とするハイブリッド車両の発電機制御装置。
前記速度リミッタは、前記発電機回転速度指令値に対する下限値を、前記エンジンのアイドリング回転数に相当する値に設定している、
ことを特徴とする請求項３又は４に記載のハイブリッド車両の発電機制御装置。
前記速度リミッタは、前記発電機回転速度指令値に対する上限値を、エンジンブレーキ及び排気ブレーキの許容最大回転数以下の値に設定している、
ことを特徴とする請求項３から５のうちの何れか一項に記載のハイブリッド車両の発電機制御装置。
前記速度リミッタは、前記発電機回転速度指令値に対する上限値を、前記発電機電力指令値に対応した複数のノッチ特性に応じた値に設定されている、
ことを特徴とする請求項３から５のうちの何れか一項に記載のハイブリッド車両の発電機制御装置。
前記上位制御部は、
前記発電機に対し電力を消費させる発電機消費電力指令値を出力すると共に、
予め設定されたしきい値以上の発電機消費電力指令値を出力する場合には、これに併せて前記エンジンに備えられた排気弁に対して閉じる指令を出力することにより、エンジンのポンピングロスを大きくするように構成されている、
ことを特徴とする請求項１から７のうちの何れか一項に記載のハイブリッド車両の発電機制御装置。