JP6270009B2 - 車両の電力制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電気モータで走行駆動する車両に搭載した発電ユニットの発電制御技術に関する。
車載バッテリから供給された電力により電気モータを駆動して走行する電気自動車において、発電ユニットであるレンジエクステンダーを搭載した車両が開発されている。レンジエクステンダーは、例えば小型の発電専用エンジンと発電機とから構成されており、発電した電力を電気モータに供給したり車載バッテリの充電に使用したりすることで、電気自動車の航続距離を増加させることができる。
ところで、近年では燃料電池の開発が進み、燃料電池を搭載した車両が提案されている。更に、電気自動車のレンジエクステンダーとして、エンジンの代わりに燃料電池を用いる車両が提案されている。
例えば、特許文献１では、燃料電池を搭載した車両において、燃料電池とバッテリを電力供給源として電気モータに供給して駆動輪を駆動し走行可能になっている。更に特許文献１では、バッテリの電力が使用された後に、当該バッテリの充電率（ＳＯＣ）が下限値に近く設定された目標充電率に維持されるように燃料電池の出力を制御する技術が開示されている。
特許第５１０１５８３号公報
上記特許文献１に開示された車両では、バッテリの充電率が目標充電率に到達するまではバッテリから電気モータへ電力が供給され、バッテリの充電率が目標充電率より低下した場合には、電気モータ等で使用する電力をまかなうとともに目標充電率を維持するように、バッテリの現在の充電率と目標充電率との差に基づいて燃料電池からの出力を制御する。
しかしながら、燃料電池は一般的に出力が増加すると効率が低下する。また、燃料電池の代わりにエンジン駆動の発電機を使用したとしてもエンジンの効率のよい回転速度範囲が限られている。したがって、特許文献１のように目標充電率に達してから充電率と目標充電率とに基づいて発電ユニットの発電出力を設定すると、車両消費電力に足りるように発電ユニットから出力させなければならず、高速走行時のように車両消費電力が高い場合に燃料電池からの出力を高くしなければならなくなり、効率が低下してしまう可能性がある。そして、車両に搭載される発電ユニットの燃料は限られるので、発電ユニットの効率低下は、結果的に車両の航続距離を減少させることになってしまう。
本発明は、この様な問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料電池等の発電ユニットが効率よく出力するよう制御し、航続距離を増加させる車両の電力制御装置を提供することにある。
上記の目的を達成するために、本願発明の車両の電力制御装置は、燃料を消費して発電する発電ユニット及びバッテリから走行駆動用の電気モータに電力を供給する車両の電力制御装置であって、前記発電ユニットの燃料残量を検出する燃料残量検出部と、前記発電ユニットの発電開始判定をする発電開始判定部と、前記発電ユニットの発電出力を制御する発電制御部と、を備え、前記発電制御部は、前記発電開始判定されてから前記燃料残量が減少するに伴って減少するように前記バッテリの目標充電率を設定し、前記目標充電率に基づいて前記発電出力を制御することを特徴とする。
また、好ましくは、前記発電開始判定部は、前記バッテリから供給される電力に基づいて車速相当値を演算し、当該車速相当値が所定の閾値を超えた際に前記発電開始判定するとよい。
また、好ましくは、前記発電開始判定部は、前記バッテリから供給される電力を平滑化して前記車速相当値を演算するとよい。
また、好ましくは、前記バッテリの現在の充電率を検出する充電率検出部を備え、前記発電制御部は、前記目標充電率と前記現在の充電率との差に基づいて前記発電出力を制御するとよい。
また、好ましくは、前記発電ユニットは、燃料電池であるとよい。
本願発明の車両の電力制御装置によれば、発電ユニットの燃料残量が減少するに伴って目標充電率が減少するので、発電ユニットの作動に伴って目標充電率が徐々に低下するよう設定される。これにより、発電開始判定されてから燃料の消費とバッテリの充電率の低下が同時に進行するようになり、発電時間を確保して発電出力を抑制することができる。したがって、抑制された発電出力にて発電できるため発電ユニットの発電効率を向上させることができ、限られた燃料で可能な発電量を増加させて、車両の航続距離を増加させることができる。
本発明の一実施形態に係る電気自動車の駆動系の概略構成図である。 本実施形態の車両走行時におけるバッテリ充電率、燃料残量、発電出力の推移の一例を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る車両１の駆動系の概略構成図である。
本発明の一実施形態に係る電力制御装置２を採用した車両１は、電気モータ３によりデフ４を介して左右の走行駆動輪５を駆動する電気自動車である。
車両１には、走行駆動用の電気モータ３に電力を供給する電源装置として、バッテリ６と燃料電池８を搭載している。
燃料電池８は、車両に搭載した燃料タンク９に貯蔵された水素を燃料として発電する。燃料電池８によって発電された電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の１次側に供給されて昇圧され、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の２次側からインバータ１１を介して電気モータ３に供給可能となっている。また、バッテリ６はインバータ１１を介して電気モータ３に電力を供給可能となっている。
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を介した燃料電池８とバッテリ６とは並列に接続されており、燃料電池８から出力された電力の余剰電力は、バッテリ６に供給されてバッテリ６を充電する。また、電気モータ３の駆動に必要な電力に対して発電ユニット７から出力された電力が不足する場合には、バッテリ６から電力が供給される。
また、車両１には、充電機１２が搭載されている。充電機１２はＡＣ−ＤＣコンバータであり、コンセント１３を介して外部電源から供給された交流電圧を直流に変換し、バッテリ６に供給してバッテリ６の充電を可能としている。
燃料タンク９には、燃料残量（水素残量）を検出する燃料残量検出器２０(燃料残量検出部)が備えられている。また、バッテリ６には、バッテリ６の充電率を監視するバッテリモニタリングユニット２１（充電率検出部）が備えられている。
コントロールユニット２２（発電開始判定部、発電制御部）は、ＣＰＵ（中央演算装置）、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ）及び入出力インターフェース等を備えており、燃料残量検出器２０から燃料タンク９の燃料残量、バッテリモニタリングユニット２１からバッテリ６の充電率、及び車両１のアクセル操作量、エアコン等の車載機器の作動情報等のその他車両運転情報を入力し、インバータ１１を介して電気モータ３の作動制御を行うとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を介して燃料電池８の出力制御を行う。
コントロールユニット２２は、車両走行時において、車両１の高出力・高速走行状態を判定する発電開始判定を行う（発電開始判定部）。コントロールユニット２２は、電気モータ３の消費電力及びその他の車載機器の消費電力を合計した車両消費電力、すなわち、バッテリから供給される電力を逐次演算し、当該車両消費電力をフィルタ等を用いて平滑化して、車速変化相当値を求める。そして、この車速変化相当値が所定時間Ｔa以上継続してあらかじめ設定された所定の閾値Ｖaを超えた場合に、車両１が高出力・高速走行状態であるとして発電を開始する判定（発電開始判定）をする。なお、所定の閾値Ｖa及び所定時間Ｔaは、燃料電池８からの出力効率が低下するような高出力・高速走行状態であることを判定できる値に適宜設定すればよい。また、車両消費電力が所定時間Ｔa以上継続して閾値Ｖaを超えなくとも、バッテリ６の充電率が後述する到達目標充電率ＳＯＣbに達した場合には、その時点においても発電開始判定をする。
コントロールユニット２２は、更に、発電開始判定された以降では、燃料電池８の発電出力Ｐfを所定の演算周期(例えば数msec)毎に演算して制御する（発電制御部）。発電出力Ｐfは、以下の式(１)により演算される。
Ｐf＝α×（ＳＯＣt−ＳＯＣ）・・・（１）
式（１）において、ＳＯＣは、バッテリモニタリングユニット２１から入力したバッテリ６の現在の充電率である。ＳＯＣtは目標充電率であり、下記の式（２）により式（１）とともに所定の演算周期毎に演算される。αは出力ゲインであり、例えば充電率ＳＯＣが目標充電率ＳＯＣtより高い場合には０、充電率ＳＯＣが目標充電率ＳＯＣtより低い場合に目標充電率ＳＯＣtと充電率ＳＯＣとの差が増加するに伴って出力ゲインαが増加するように設定すればよい。
ＳＯＣt＝ＳＯＣb＋（ＳＯＣa−ＳＯＣb）×｛（Ｑf−Ｑfb）/（Ｑfa−Ｑfb）｝・・・（２）
式（２）において、ＳＯＣaは開始時充電率であり、上記発電開始判定されたときのバッテリ６の充電率を記憶して用いられる。ＳＯＣbは、到達目標充電率であり、車両１を走行終了したときに少なくとも必要とするバッテリ６の充電率であり、例えば０に近い正の値に設定されている。Ｑfは燃料残量検出器２０から入力した現在の燃料残量であり、Ｑfaは開始時燃料残量である。開始時燃料残量Ｑfaは、上記発電開始判定されたときの燃料残量を記憶して用いられる。Ｑfbは、到達目標燃料残量であり、車両１を走行終了したときに少なくとも必要とする燃料の残量である。到達目標燃料残量Ｑfbは例えば０に近い正の値に設定されている。
図２は、本実施形態の車両走行時におけるバッテリ充電率ＳＯＣ、燃料残量Ｑf、発電出力Ｐfの推移の一例を示すグラフである。
図２では、バッテリ６の充電率ＳＯＣが１００％でありかつ燃料残量が１００％に近い値Ｑfaである状態から車両１を走行開始して可能な限り走行するまでの、（Ａ）バッテリ６の充電率ＳＯＣ、（Ｂ）燃料残量Ｑf、（Ｃ）燃料電池８の発電出力Ｐfの推移を示している。図２中において、実線が上記式（１）及び（２）を用いて発電出力Ｐfを設定する本実施形態であり、破線は比較例における推移を示している。また、図２（Ａ）における二点鎖線は、本実施形態において設定される目標充電率ＳＯＣtの推移を示している。
図２に記載された比較例では、バッテリ６の充電率ＳＯＣが到達目標充電率ＳＯＣbに達するまでバッテリ６からの電力のみで電気モータ３を駆動し、到達目標充電率ＳＯＣbに達してから到達目標充電率ＳＯＣbを維持するように、現在の充電率ＳＯＣと到達目標充電率ＳＯＣbとの差に基づいて、燃料電池８から電力を供給する。
一方、本実施形態では、上記のように、バッテリ６の充電率ＳＯＣが到達目標充電率ＳＯＣbまで低下しなくとも、車両１が高出力・高速走行状態となって車両消費電力が所定時間Ｔa以上継続して閾値Ｖaを超えた場合には、発電開始判定され燃料電池８の発電が開始される。したがって、高出力・高速走行状態において、比較例よりも早期に発電が開始される。このように早期に発電を開始することで、燃料電池８の出力を抑えることができ、車両消費電力に対する不足分はバッテリ６からの出力で補われる。
発電が開始してからは、燃料残量Ｑfが低下するに伴って目標充電率ＳＯＣtが低下するように設定され、燃料残量Ｑfが到達目標燃料残量Ｑfｂに達することと目標充電率ＳＯＣtが到達目標充電率ＳＯＣbに達することが同時となるように目標充電率ＳＯＣtが設定される。そして、この目標充電率ＳＯＣtと現在の充電率ＳＯＣとの差に基づいて発電出力Ｐfを演算するので、充電率ＳＯＣが目標充電率ＳＯＣtに一致するように正確にフィードバック制御される。
目標充電率ＳＯＣtは、燃料残量Ｑfの減少とともに徐々に低下し、燃料残量Ｑfが到達目標燃料残量Ｑfｂに達することと同時期に到達目標充電率ＳＯＣbに達するように制御されるので、実際のバッテリ６の充電率ＳＯＣも目標充電率ＳＯＣtに合わせて略同時期に到達目標充電率ＳＯＣbに達する。したがって、バッテリ６の充電率が１００％であり燃料残量が開始時燃料残量Ｑfaの状態から、充電率ＳＯＣa及び燃料残量Ｑfbになるまで車両１が走行する距離が最大走行可能な航続距離となる。そして本実施形態では、燃料残量Ｑfが到達目標燃料残量Ｑfｂに達するまで燃料電池８から出力することになり、目標充電率ＳＯＣtを燃料残量Ｑfの減少とともに徐々に低下させることで、発電開始から走行終了まで発電時間を確保し、燃料電池８の出力を抑えることが可能となる。
比較例では、発電開始以降では、すでにバッテリ６の充電率ＳＯＣが到達目標充電率ＳＯＣbに達しているので、バッテリ６からの出力増加が困難であり、よって車両消費電力が大きく増加した場合には、その増加に合わせて燃料電池８からの出力を大きく増加させなければならない。これに対し、本実施形態では、発電開始してから走行終了までの期間で充電率ＳＯＣが到達目標充電率ＳＯＣbを上回っているので、車両消費電力が一時的に増加したとしてもバッテリ６からの出力が増加して燃料電池８の出力の変動を抑制することができる。
以上のように、本実施形態では、高出力・高速走行状態では、充電開始時期を早め、かつ燃料残量Ｑfが到達目標燃料残量Ｑfｂに到達するまで燃料残量Ｑfの減少に伴って目標充電率ＳＯＣtを低下させることで、発電時間を確保して燃料電池８の出力を一定に抑えることができる。燃料電池８は、一般的に出力が増加するに伴って効率が低下するので、燃料電池８の出力が抑えられることで、燃料電池８の効率が向上する。また、車両消費電力の変動に対しても燃料電池８の出力の変動が抑えられるので、この点でも燃料電池８の効率を向上させることができる。
これにより、例えば高速道路を走行するときのように高出力・高速走行状態が続く状況では、燃料電池８を効率よく発電させることができ、燃料消費を抑え、航続距離を増加させることができる。
なお、低出力・低速走行状態では、早期に発電開始判定されず、比較例と同様にバッテリ６の充電率ＳＯＣが到達目標充電率ＳＯＣbに達してから発電開始するが、低出力・低速走行状態であることから電気モータ３の消費電力が少ないので、燃料電池８を高出力にする必要がなく、したがって燃料電池８の効率低下は抑えられる。
また、本実施形態では、車両消費電力を平滑化して演算した車速相当値によって発電開始判定を行っており、当該車速相当値が所定時間Ｔa以上閾値Ｖaを超えた場合に車両１が高出力・高速走行状態であるとして、発電開始するように判定する。これに対して、例えば車速そのものが閾値以上である場合に高出力・高速走行状態であると判定すると、例えば登坂や下り坂では出力が一定でも車速が変動してしまうので、車両の高出力・高速走行状態を正確に判定することが困難となる。また、単純に車両消費電力が閾値以上である場合に高出力・高速走行状態であると判定すると、車両消費電力は加減速により大きく変動することから、閾値近辺で頻繁に判定結果が切り換わってしまう可能性が高くなる。したがって、この頻繁な判定結果の切り換わりを抑制するように閾値を設定することが困難となる。本実施形態では、車両消費電力を平滑化した車速相当値によって発電開始判定を判定していることで、登坂や下り坂等での影響を受け難く、かつ加減速による出力変動の影響も抑制して、車両１の高出力・高速走行状態を安定して正確に判定することができる。
以上で発明の実施形態の説明を終えるが、発明の形態は本実施形態に限定されるものではない。
例えば、本実施形態では、発電ユニットとして燃料電池を使用しているが、燃料電池の代わりにエンジンと発電機を組み合わせたユニットを用いてもよい。この場合、車両はシリーズモードが可能なハイブリッド車となるが、このような車両においても、発電機及びエンジンを駆動制御して当該発電機からの出力を、上記燃料電池の出力制御と同様に制御することで、エンジンを効率よく作動させ、航続距離を増加させることができる。
１ 車両
３ 電気モータ
６ バッテリ
８ 燃料電池（発電ユニット）
２０ 燃料残量検出器（燃料残量検出部)
２１ バッテリモニタリングユニット（充電率検出部)
２２ コントロールユニット（発電開始判定部、発電制御部）

Claims (4)

  1. 燃料を消費して発電する発電ユニット及びバッテリから走行駆動用の電気モータに電力を供給する車両の電力制御装置であって、
    前記発電ユニットの燃料残量を検出する燃料残量検出部と、
    前記発電ユニットの発電開始判定をする発電開始判定部と、
    前記発電ユニットの発電出力を制御する発電制御部と、
    前記バッテリの現在の充電率を検出する充電率検出部と、を備え、
    前記発電制御部は、前記発電開始判定されてから前記燃料残量が減少するに伴って減少するように前記バッテリの目標充電率を設定し、前記目標充電率と前記現在の充電率との差に基づいて前記発電出力を制御することを特徴とする車両の電力制御装置。
  2. 前記発電開始判定部は、前記バッテリから前記電気モータに供給される電力に基づいて車速相当値を演算し、当該車速相当値が所定の閾値を超えた際に前記発電開始判定することを特徴とする請求項１に記載の車両の電力制御装置。
  3. 前記発電開始判定部は、前記バッテリから供給される電力を平滑化して前記車速相当値を演算することを特徴とする請求項２に記載の車両の電力制御装置。
  4. 前記発電ユニットは、燃料電池であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の車両の電力制御装置。
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