JP6336953B2 - 駆動装置、輸送機器及び制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、2つの蓄電器を備えた駆動装置、輸送機器及び制御方法に関する。
特許文献1には、3つの蓄電装置と、3つの蓄電装置からの電力を用いて、駆動力を発生するように構成された駆動装置と、3つの蓄電装置にそれぞれ対応して設けられ、3つの蓄電装置からの電力の供給と遮断とを切替えるための3つのリレーとを含む車両が記載されている。当該車両のECUは、3つの蓄電装置の故障を検出し、検出された蓄電装置の故障状態に応じて、駆動装置と3つの蓄電装置との接続状態を変更するように3つのリレーを制御する。
特開2011−041386号公報 特開2014−155297号公報
特許文献1に記載の車両は、検出された3つの蓄電装置の故障状態に応じて、駆動装置と3つの蓄電装置との接続状態を3つのリレーの開閉によって制御し、走行の継続を図っている。しかし、リレーの開閉の制御の前後におけるコンバータの制御については、何ら記載がない。特に特性の異なる複数の蓄電装置を含む駆動装置においては、それぞれの蓄電装置の特性を最大限活かすべく異なった充放電を行うようにコンバータを制御するため、一方の蓄電装置が使用不能となるリレーの開閉の前後において適切にコンバータを制御しなければ、正常な蓄電装置を適切に使用できないばかりか、劣化を促進させるおそれがある。
本発明の目的は、2つの蓄電器のいずれか一方が故障した際に他方の蓄電器の電力を適切に使用可能かつ劣化を抑制可能な駆動装置、輸送機器及び制御方法を提供することである。
上記の目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、
第1蓄電器(例えば、後述の実施形態での高出力型バッテリES−P)と、
前記第1蓄電器と電圧が異なる第2蓄電器(例えば、後述の実施形態での高容量型バッテリES−E)と、
前記第1蓄電器の出力電圧を変換する電圧変換部(例えば、後述の実施形態でのVCU103)と、
前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の少なくとも一方から供給される電力によって駆動して、車両が走行するための動力を発生する駆動部(例えば、後述の実施形態でのPDU105,モータジェネレータ101)と、
前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の故障を検出する検出部(例えば、後述の実施形態でのECU115)と、
前記第2蓄電器から前記駆動部に供給される電力と前記駆動部の要求電力との差分に応じて、前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第1制御モード(例えば、後述の実施形態での電流制御モード)と、前記駆動部の要求駆動力に基づく目標電圧になるよう前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第2制御モード(例えば、後述の実施形態での電圧制御モード)と、のいずれかによって前記電圧変換部を制御する制御部(例えば、後述の実施形態でのECU115)と、を備え、
前記制御部は、
前記検出部が前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の故障を検出しないときは、前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力と前記第2蓄電器が出力可能な電力との合計を超えないように、前記電圧変換部を前記第1制御モードで制御し、
前記第1制御モードで制御中に前記検出部が前記第2蓄電器の故障を検出すると前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力を超えないようにした後に、前記第1制御モードから前記第2制御モードに切替え、前記電圧変換部を前記第2制御モードで制御する、駆動装置である。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、
前記第2蓄電器と前記駆動部との間の電流経路を開閉するスイッチ部(例えば、後述の実施形態でのスイッチ部113)を備え、
前記制御部は、前記検出部が前記第2蓄電器の故障を検出すると、前記スイッチ部を制御して前記第2蓄電器と前記駆動部との間の電流経路を開いた後に、前記第1制御モードから前記第2制御モードへ切替える。
請求項3に記載の発明では、請求項2に記載の発明において、
前記制御部は、前記検出部が前記第1蓄電器の故障を検出すると、前記スイッチ部を制御して前記第2蓄電器と前記駆動部との間の電流経路を開いた後、前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力を超えないようにし、次に、前記第1制御モードから前記第2制御モードに切替える。
請求項4に記載の発明では、請求項1から3のいずれか1項に記載の発明において、
前記制御部は、前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力を超えないようにする際、前記駆動部に供給可能な電力の上限値を、前記第1蓄電器が出力可能な電力と前記第2蓄電器が出力可能な電力の合計から前記第1蓄電器が出力可能な電力へと徐々に変更する。
請求項5に記載の発明では、請求項1から4のいずれか1項に記載の発明において、
前記検出部は、前記第1蓄電器又は前記第2蓄電器の故障の前兆を検出し、
前記制御部は、前記検出部が前記第2蓄電器の故障の前兆を検出すると、前記第2蓄電器から前記第1蓄電器へ電力を供給するよう前記電圧変換部を制御する。
請求項6に記載の発明は、請求項1から5のいずれか1項に記載の発明において、
前記目標電圧は、前記駆動部の要求駆動力における駆動効率が閾値以上である最適電圧である。
請求項7に記載の発明は、
第1蓄電器と、
前記第1蓄電器と電圧が異なる第2蓄電器と、
前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第1電圧変換部と、
前記第2蓄電器の出力電圧を変換する第2電圧変換部と、
前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の少なくとも一方から供給される電力によって駆動して、車両が走行するための動力を発生する駆動部と、
前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の故障を検出する検出部と、
前記第2蓄電器から前記駆動部に供給される電力と前記駆動部の要求電力との差分に応じて、前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第1制御モードと、前記駆動部の要求駆動力に基づく目標電圧になるよう前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第2制御モードと、のいずれかによって前記第1電圧変換部を制御し、前記駆動部の要求駆動力に基づく目標電圧になるよう前記第2蓄電器の出力電圧を変換する第3制御モードによって前記第2電圧変換部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記検出部が前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の故障を検出しないときは、前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力と前記第2蓄電器が出力可能な電力との合計を超えないように、前記第1電圧変換部を前記第1制御モードで制御し、
前記第1制御モードで制御中に前記検出部が前記第2蓄電器の故障を検出すると、前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力を超えないようにした後に、前記第1制御モードから前記第2制御モードに切替え、前記第1電圧変換部を前記第2制御モードで制御し、
前記第1制御モードで制御中に前記検出部が前記第1蓄電器の故障を検出すると、前記駆動部に供給する電力が、前記第2蓄電器が出力可能な電力を超えないようにした後に、前記第1制御モードから前記第3制御モードに切替え、前記第2電圧変換部を前記第3制御モードで制御する、駆動装置である。
請求項8に記載の発明は、請求項1から7のいずれか1項に記載の駆動装置を有する、輸送機器である。
請求項9に記載の発明は、
第1蓄電器と、
前記第1蓄電器と電圧が異なる第2蓄電器と、
前記第1蓄電器の出力電圧を変換する電圧変換部と、
前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の少なくとも一方から供給される電力によって駆動して、車両が走行するための動力を発生する駆動部と、
前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の故障を検出する検出部と、
前記第2蓄電器から前記駆動部に供給される電力と前記駆動部の要求電力との差分に応じて、前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第1制御モードと、前記駆動部の要求駆動力に基づく目標電圧になるよう前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第2制御モードと、のいずれかによって前記電圧変換部を制御する制御部と、を備えた駆動装置が行う制御方法であって、
前記制御部は、
前記検出部が前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の故障を検出しないときは、前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力と前記第2蓄電器が出力可能な電力との合計を超えないように、前記電圧変換部を前記第1制御モードで制御し、
前記第1制御モードで制御中に前記検出部が前記第2蓄電器の故障を検出すると、前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力を超えないようにした後に、前記第1制御モードから前記第2制御モードに切替え、前記電圧変換部を前記第2制御モードで制御する、制御方法である。
請求項10に記載の発明は、
第1蓄電器(例えば、後述の実施形態での高出力型バッテリES−P)と、
前記第1蓄電器と電圧が異なる第2蓄電器(例えば、後述の実施形態での高容量型バッテリES−E)と、
前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第1電圧変換部(例えば、後述の実施形態でのVCU103)と、
前記第2蓄電器の出力電圧を変換する第2電圧変換部(例えば、後述の実施形態でのVCU203)と、
前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の少なくとも一方から供給される電力によって駆動して、車両が走行するための動力を発生する駆動部(例えば、後述の実施形態でのPDU105,モータジェネレータ101)と、
前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の故障を検出する検出部(例えば、後述の実施形態でのECU115)と、
前記第2蓄電器から前記駆動部に供給される電力と前記駆動部の要求電力との差分に応じて、前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第1制御モードと、前記駆動部の要求駆動力に基づく目標電圧になるよう前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第2制御モードと、のいずれかによって前記第1電圧変換部を制御し、前記駆動部の要求駆動力に基づく目標電圧になるよう前記第2蓄電器の出力電圧を変換する第3制御モードによって前記第2電圧変換部を制御する制御部と、を備えた駆動装置が行う制御方法であって、
前記制御部は、
前記検出部が前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の故障を検出しないときは、前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力と前記第2蓄電器が出力可能な電力との合計を超えないように、前記第1電圧変換部を前記第1制御モードで制御し、
前記第1制御モードで制御中に前記検出部が前記第2蓄電器の故障を検出すると、前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力を超えないようにした後に、前記第1制御モードから前記第2制御モードに切替え、前記第1電圧変換部を前記第2制御モードで制御し、
前記第1制御モードで制御中に前記検出部が前記第1蓄電器の故障を検出すると、前記駆動部に供給する電力が、前記第2蓄電器が出力可能な電力を超えないようにした後に、前記第1制御モードから前記第3制御モードに切替え、前記第2電圧変換部を前記第3制御モードで制御する、制御方法である。
第1蓄電器と第2蓄電器の双方が正常である場合は、それぞれの蓄電器の特性を考慮して駆動部に電力が供給されるように電圧変換部を制御する。当該制御を「電力分配制御」と呼ぶ。第1蓄電池と第2蓄電器の双方から同時に電力を駆動部に供給するためには、電圧を等しくする必要がある。よって、第1蓄電器と第2蓄電器の双方が正常である場合に、電力分配制御を行うためには、供給電圧が制御可能な第1制御モードで電圧変換部を制御する必要がある。
一方、第1制御モードで制御中に第1蓄電器又は第2蓄電器が故障した場合は、一方の蓄電器のみからしか駆動部に電力を供給できないため、電力分配制御を実現できない。よって、第1制御モードと異なり、駆動部を高効率点で運転可能な第2制御モード又は第3制御モードで電圧変換部を制御する必要がある。
ところで、第1蓄電器又は第2蓄電器が故障した際、第1蓄電器が出力可能な電力と第2蓄電器が出力可能な電力との合計を超えて、駆動部に供給可能な状態で第2制御モード又は第3制御モードに切替えると、電圧変換部及び駆動部によって正常な蓄電器から本来2つの蓄電器より出力されるべき電力が持ち出されることによって、当該正常な蓄電器の出力電力が過大となる可能性がある。その結果、正常な蓄電器を適切に使用できないばかりか、その劣化を促進させるおそれがあるため望ましくない。
しかし、請求項1の発明、請求項8の発明及び請求項9の発明では、第2蓄電器が故障した際には、駆動部に供給される電力が、第1蓄電器が出力可能な電力になるまでは第1制御モードが継続され、その後に第2制御モードに切替えるため、当該第2制御モードに基づいて、電圧変換部が第1蓄電器の出力電圧を目標電圧まで変換しても、第1蓄電器の出力電力は、第1蓄電器が出力可能な電力以下に抑えられる。このように、請求項1の発明によれば、第2蓄電器に故障が発生した際の第1蓄電器の出力電力は過大とならずに適正値に抑えられるため、当該正常な第1蓄電器の電力を適切に使用できる。また、過大な電力の出力は蓄電器の劣化を促進するが、請求項1の発明によれば、正常な第1蓄電器の出力電力は過大とならずに適正値に抑えられるため、当該正常な第1蓄電器の劣化の促進を防止できる。
請求項2の発明によれば、第2蓄電器が故障すると、第1制御モードから第2制御モードへの切替え前に、第2蓄電器と駆動部との間の電流経路が開かれるため、第1制御モードから第2制御モードへのモード変更に伴う、第2蓄電器への電力の流入や第2蓄電器からの電力の流出を防止できる。
請求項3の発明によれば、第2蓄電器と駆動部との間の電流経路の開放、駆動部に供給する電力の制限、第1制御モードから第2制御モードへの切替えの順に各処理が行われるため、正常な蓄電器の適切な使用と劣化の抑制を確実に行うことができる。
請求項4の発明によれば、駆動部に供給可能な電力の上限値を、第1蓄電器が出力可能な電力へと徐々に変更するため、第1制御モードから第2制御モードへの切替えのタイミングを遅らせることができる。
請求項5の発明によれば、第2蓄電器の故障の前兆があった際には、第2蓄電器から第1蓄電器に電力が移行されるため、故障が実際に生じた場合に利用可能な電力量を予め最大化できる。
請求項6の発明によれば、第2蓄電器の故障が発生した後の駆動部の駆動効率を最適化できる。
請求項7の発明、請求項8の発明及び請求項10の発明によれば、第1蓄電器の出力電圧を変換する第1電圧変換部と、第2蓄電器の出力電圧を変換する第2電圧変換部の2つを有した構成であっても、一方の蓄電器が故障した場合には、他方の正常な蓄電器の電力を効率的に消費することができる。
第1の実施形態の電動車両の内部構成を示すブロック図である。 第1の実施形態における高容量型バッテリ、高出力型バッテリ、VCU、PDU及びモータジェネレータの関係を示す電気回路図である。 高容量型バッテリが故障した際にECUがVCUの制御モードを切替える際の処理の流れを示すフローチャートである。 電力供与時の高出力型バッテリから高容量型バッテリへの電流の流れを示す図である。 電圧制御モードでVCUを制御する際の高出力型バッテリからモータジェネレータへの電流の流れを示す図である。 高容量型バッテリに故障が発生した際のECUの制御による各パラメータの経時変化を示すタイミングチャートである。 高容量型バッテリに故障が発生した際の図6とは異なる制御による各パラメータの経時変化を示すタイミングチャートである。 第2の実施形態の電動車両の内部構成を示すブロック図である。 第2の実施形態における高容量型バッテリ、高出力型バッテリ、VCU、PDU及びモータジェネレータの関係を示す電気回路図である。
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。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の電動車両の内部構成を示すブロック図である。図1に示す1MOT型の電動車両は、モータジェネレータ(MG)101と、高容量型バッテリES−Eと、高出力型バッテリES−Pと、VCU(Voltage Control Unit)103と、PDU(Power Drive Unit)105と、電圧センサ107p,107eと、電流センサ109p,109eと、温度センサ111p,111eと、スイッチ部113と、ECU(Electronic Control Unit)115とを備える。なお、図1中の太い実線は機械連結を示し、二重点線は電力配線を示し、細い実線は制御信号を示す。
モータジェネレータ101は、高容量型バッテリES−E及び高出力型バッテリES−Pの少なくともいずれか一方から得られる電力によって駆動して、電動車両が走行するための動力を発生する。モータジェネレータ101で発生したトルクは、変速段又は固定段を含むギヤボックスGB及びデファレンシャル・ギアDを介して駆動輪Wに伝達される。また、モータジェネレータ101は、電動車両の減速時には発電機として動作して、電動車両の制動力を出力する。なお、モータジェネレータ101を発電機として動作させることで生じた回生電力は、高容量型バッテリES−Eと高出力型バッテリES−Pの少なくともいずれか一方に蓄えられる。
高容量型バッテリES−Eは、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等といった複数の蓄電セルを有し、モータジェネレータ101に高電圧の電力を供給する。また、高出力型バッテリES−Pも、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等といった複数の蓄電セルを有し、VCU103を介してモータジェネレータ101に高電圧の電力を供給する。高出力型バッテリES−Pは、VCU103を介して、PDU105に対して高容量型バッテリES−Eと並列に接続されている。また、一般的に高出力型バッテリES−Pの電圧は、高容量型バッテリES−Eの電圧よりも低い。したがって、高出力型バッテリES−Pの電力は、VCU103によって高容量型バッテリES−Eの電圧と同レベルまで昇圧された後、PDU105を介してモータジェネレータ101に供給される。
なお、高容量型バッテリES−Eや高出力型バッテリES−Pは、前述したニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池や、電池外部より活物質の供給を必要とする燃料電池や空気電池に限定される訳ではない。例えば、蓄電容量が少ないものの、短時間に大量の電力を充放電可能なコンデンサやキャパシタを高出力型バッテリES−Pとして用いても構わない。
また、高容量型バッテリES−Eの特性と高出力型バッテリES−Pの特性は互いに異なる。高容量型バッテリES−Eは、高出力型バッテリES−Pよりも、出力重量密度は低いが、エネルギー重量密度は高い。一方、高出力型バッテリES−Pは、高容量型バッテリES−Eよりも、エネルギー重量密度は低いが、出力重量密度は高い。このように、高容量型バッテリES−Eは、エネルギー重量密度の点で相対的に優れ、高出力型バッテリES−Pは、出力重量密度の点で相対的に優れる。なお、エネルギー重量密度とは、単位重量あたりの電力量(Wh/kg)であり、出力重量密度とは、単位重量あたりの電力(W/kg)である。したがって、エネルギー重量密度が優れている高容量型バッテリES−Eは、高容量を主目的とした蓄電器であり、出力重量密度が優れている高出力型バッテリES−Pは、高出力を主目的とした蓄電器である。
このような高容量型バッテリES−Eと高出力型バッテリES−Pの特性の違いは、例えば電極や活物質、電解質/液といった電池の構成要素の構造や材質等により定まる種々のパラメータに起因するものである。例えば、充放電可能な電気の総量を示すパラメータである蓄電可能容量は、高出力型バッテリES−Pより高容量型バッテリES−Eの方が優れる。一方、充放電に対する蓄電可能容量の劣化耐性を示すパラメータであるCレート特性や充放電に対する電気抵抗値を示すパラメータである内部抵抗(インピーダンス)は、高容量型バッテリES−Eより高出力型バッテリES−Pの方が優れる。
VCU103は、高出力型バッテリES−Pの出力電圧を直流のまま昇圧する。また、VCU103は、電動車両の減速時にモータジェネレータ101が発電して直流に変換された電力を降圧する。さらに、VCU103は、高容量型バッテリES−Eの出力電圧を直流のまま降圧する。VCU103によって降圧された電力は、高出力型バッテリES−Pに充電される。図2は、第1の実施形態における高容量型バッテリES−E、高出力型バッテリES−P、VCU103、PDU105及びモータジェネレータ101の関係を示す電気回路図である。図2に示すように、VCU103は、高出力型バッテリES−Pの出力電圧を入力電圧として2つのスイッチング素子をオンオフ切換動作することによって、高出力型バッテリES−Pの電圧を昇圧して出力する。
PDU105は、直流電圧を交流電圧に変換して3相電流をモータジェネレータ101に供給する。また、PDU105は、モータジェネレータ101の回生動作時に入力される交流電圧を直流電圧に変換する。
電圧センサ107pは、高出力型バッテリES−Pの電圧Vpを検出する。電圧センサ107pが検出した電圧Vpを示す信号はECU115に送られる。電圧センサ107eは、高容量型バッテリES−Eの電圧Veを検出する。なお、電圧センサ107eが検出した電圧Veは、高出力型バッテリES−Pの電圧VPをVCU103が昇圧した値に等しい。電圧センサ107eが検出した電圧Veを示す信号はECU115に送られる。
電流センサ109pは、高出力型バッテリES−Pの入出力電流Ipを検出する。電流センサ109pが検出した入出力電流Ipを示す信号はECU115に送られる。電流センサ109eは、高容量型バッテリES−Eの入出力電流Ieを検出する。電流センサ109eが検出した入出力電流Ieを示す信号はECU115に送られる。
温度センサ111pは、高出力型バッテリES−Pの温度Tpを検出する。温度センサ111pが検出した温度Tpを示す信号はECU115に送られる。温度センサ111eは、高容量型バッテリES−Eの温度Teを検出する。温度センサ111eが検出した温度Teを示す信号はECU115に送られる。
スイッチ部113は、高容量型バッテリES−EからPDU105又はVCU103までの電流経路を断接するコンタクタMCeと、高出力型バッテリES−PからVCU103までの電流経路を断接するコンタクタMCpとを有する。各コンタクタMCe,MCpは、ECU115の制御によって開閉される。
ECU115は、PDU105及びVCU103の制御、並びに、スイッチ部113の開閉制御を行う。また、ECU115は、PDU105及びモータジェネレータ101によって構成される駆動部に供給可能な電力の上限値(以下「システム許可電力」という。)を管理する。通常は、高容量型バッテリES−Eが出力可能な電力と高出力型バッテリES−Pが出力可能な電力の合計がシステム許可電力として設定される。
なお、過大な電力の持出しに起因する劣化や故障の促進を抑制するため、高容量型バッテリES−Eと高出力型バッテリES−Pの出力可能な電力は、それぞれのバッテリが出力可能な最大電力より小さな値が設定される。
また、ECU115は、特性の異なる高容量型バッテリES−Eと高出力型バッテリES−Pの各々の特性を活かすよう、VCU103を用いた電力分配制御を行う。この電力分配制御を行えば、高容量型バッテリES−Eは、電動車両の走行時に一定の電力をモータジェネレータ101に電力を供給するよう用いられ、高出力型バッテリES−Pは、電動車両の走行のために大きな駆動力が必要なときに、モータジェネレータ101に電力を供給するよう用いられる。
また、ECU115は、電圧センサ107eが検出した電圧、電流センサ109eが検出した電流、及び温度センサ111eが検出した温度に基づいて、高容量型バッテリES−Eの故障及びその前兆を検出する。高容量型バッテリES−Eの故障は、例えば断線等が発生して電流が極端に小さい場合に検出される。また、高容量型バッテリES−Eの故障の前兆は、高容量型バッテリES−Eの温度が極端に高い場合に検出される。
さらに、ECU115は、高容量型バッテリES−Eに故障が発生していなければ「電流制御モード」でVCU103を制御し、高容量型バッテリES−Eに故障が発生した際には「電圧制御モード」でVCU103を制御する。以下、ECU115がVCU103を制御する際の上記2つの制御モード(電流制御モードと電圧制御モード)について説明する。
電流制御モードは、原則、高容量型バッテリES−Eと高出力型バッテリES−Pの双方のバッテリが正常な状態のとき用いられる。電流制御モードでは、上述したVCU103の電力分配制御によって、モータジェネレータ101には高容量型バッテリES−Eの電圧が印加され、高容量型バッテリES−Eの供給電力がモータジェネレータ101への要求駆動力に応じた要求電力に満たない場合は、高出力型バッテリES−Pが不足電力分を出力する。但し、高出力型バッテリES−Pの電圧Vpは、モータジェネレータ101に印加される高容量型バッテリES−Eの電圧Veよりも低いため、VCU103は、高出力型バッテリES−Pの電圧Vpを高容量型バッテリES−Eの電圧Veに等しい電圧まで昇圧する。このように、電流制御モードでは、高出力型バッテリES−Pの電圧Vpは、高容量型バッテリES−Eの電圧Veに等しい電圧まで一律に昇圧され、高出力型バッテリES−Pが出力する電流Ipは、高出力型バッテリES−Pに求められる不足電力の大きさによって異なる。したがって、電流制御モードでは、高出力型バッテリES−Pの電圧Vpと電流IpがVCU103にフィードバックされる。なお、電流制御モードでの制御が行われると、当該制御が安定する。
一方、電圧制御モードは、高出力型バッテリES−Pは正常であるが、高容量型バッテリES−Eが故障した状態のときに用いられる。電圧制御モードでは、高出力型バッテリES−Pのみからモータジェネレータ101に電力が供給され、モータジェネレータ101に印加される電圧がモータジェネレータ101への要求駆動力における駆動効率が最大となる最適電圧となるよう、VCU103は高出力型バッテリES−Pの電圧Vpを昇圧する。したがって、電圧制御モードでは、モータジェネレータ101の最適電圧を指令値とするフィード・フォワード制御、又は、高出力型バッテリES−Pの電圧Vpとモータジェネレータ101の最適電圧の差分を指令値とするフィード・バック制御を用いてVCU103を制御するため、モータジェネレータ101の駆動効率を最適化できる。
以下、高容量型バッテリES−Eと高出力型バッテリES−Pの双方が正常であるためECU115が電流制御モードでVCU103を制御しているときに、高容量型バッテリES−Eが故障した際のECU115によるVCU103の制御モードの切替え方法について、図3を参照して詳細に説明する。図3は、高容量型バッテリES−Eが故障した際にECU115がVCU103の制御モードを切替える際の処理の流れを示すフローチャートである。
図3に示すように、ECU115は、電圧センサ107eが検出した電圧、電流センサ109eが検出した電流、及び温度センサ111eが検出した温度に基づいて、高容量型バッテリES−Eの故障の前兆が発生したか否かを判断し(ステップS101)、前兆があればステップS103に進み、前兆がなければステップS105に進む。ステップS103では、ECU115は、高容量型バッテリES−Eから高出力型バッテリES−Pへ電力を供給するようVCU103を制御する。図4は、電力供与時の高出力型バッテリES−Pから高容量型バッテリES−Eへの電流の流れを示す図である。次に、ステップS105では、ECU115は、電圧センサ107eが検出した電圧、電流センサ109eが検出した電流、及び温度センサ111eが検出した温度に基づいて、高容量型バッテリES−Eに故障が発生したか否かを判断し、故障が発生したと判断すればステップS107に進み、故障が発生していないと判断すれば一連の処理を終了する。
ステップS107では、ECU115は、スイッチ部113が有する高容量型バッテリES−E側のコンタクタMCeを開いて、高容量型バッテリES−EからPDU105及び高出力型バッテリES−Pまでの電流経路を遮断する。次に、ECU115は、PDU105及びモータジェネレータ101によって構成される駆動部に供給可能な電力の上限値であるシステム許可電力を、正常な高出力型バッテリES−Pが出力可能な電力に設定する(ステップS109)。なお、ステップS109でのシステム許可電力の設定値は、高容量型バッテリES−Eが出力可能な電力と高出力型バッテリES−Pが出力可能な電力の合計から、高出力型バッテリES−Pが出力可能な電力へと徐々に低減される。次に、ECU115は、VCU103の制御モードを電流制御モードから電圧制御モードに切替える(ステップS111)。その後、ECU115は、電圧制御モードでVCU103を制御する。図5は、電圧制御モードでVCU103を制御する際の高出力型バッテリES−Pからモータジェネレータ101への電流の流れを示す図である。
以上説明したフローチャートの処理に従えば、高容量型バッテリES−Eと高出力型バッテリES−Pの双方が正常であるためECU115が電流制御モードでVCU103を制御しているときに、高容量型バッテリES−Eに故障の前兆が発生すると、ECU115は、高容量型バッテリES−Eから高出力型バッテリES−Pへ電力を供給するようVCU103を制御する。その結果、図6に示すように、高容量型バッテリES−Eの残容量(SOC:State of Charge)は低下し、高出力型バッテリES−PのSOCは増加する。
その後、高容量型バッテリES−Eが故障すると、ECU115は、高容量型バッテリES−Eの故障を示す故障フラグを立てる。その後、ECU115は、高容量型バッテリES−E側のコンタクタMCeを開き、かつ、システム許可電力の設定値を高出力型バッテリES−Pが出力可能な電力(PMAX_ES−P)へと徐々に下げる。ECU115は、システム許可電力の設定値を高出力型バッテリES−Pが出力可能な電力(PMAX_ES−P)まで下げた後、VCU103の制御モードを電流制御モードから電圧制御モードに切替える。その後、ECU115は、電圧制御モードでVCU103を制御する。
仮に、上記VCU103の制御モードの切替えがシステム許可電力の変更前に行われ、図7に示すように、高容量型バッテリES−Eが故障した状態で電動車両のアクセルペダルが踏まれてAP開度が増加すると、VCU103は電圧制御モードで制御されるため、VCU103は正常な高出力型バッテリES−Pの電圧をモータジェネレータ101の最適電圧まで昇圧することによって、高出力型バッテリES−Pの出力電力がオーバーシュートして過大となる可能性がある。こういった過大な電力の放電は、正常な高出力型バッテリES−Pの劣化を促進するおそれがあるため望ましくない。
しかし、本実施形態では、上記VCU103の制御モードの切替えは、システム許可電力の設定値が高出力型バッテリES−Pが出力可能な電力(PMAX_ES−P)に低下するまで行われないため、図6に示すように、高容量型バッテリES−Eが故障してVCU103の制御モードが切り替わる前に電動車両のアクセルペダルが踏まれてAP開度が増加しても、高容量型バッテリES−Eが出力可能な電力と高出力型バッテリES−Pの合計(PMAX_ES−E+PMAX_ES−P)にシステム許可電力は設定されているが、電流制御モードであるVCU103によって、正常な高出力型バッテリES−Pから放電される電流量が制御されるため、正常な高出力型バッテリES−Pの出力電力はモータジェネレータ101への要求駆動力に応じた要求電力を上限として抑制される。
また、電圧制御モードに切替えられた時点ではシステム許可電力の設定値は高出力型バッテリES−Pが出力可能な電力(PMAX_ES−P)まで低下しているため、正常な高出力型バッテリES−Pから放電される電流量が制御せずとも、VCU103が高出力型バッテリES−Pの電圧をモータジェネレータ101の最適電圧まで昇圧しても、高出力型バッテリES−Pの出力電力は高出力型バッテリES−Pが出力可能な電力(PMAX_ES−P)を上限として抑制される。
以上説明したように、本実施形態によれば、システム許可電力を高出力型バッテリES−Pが出力可能な電力(PMAX_ES−P)に設定する前に電圧制御モードへの切替えを行った場合と比べて、高容量型バッテリES−Eに故障が発生した際の高出力型バッテリES−Pの出力電力は過大とならずに適正値に抑えられるため、正常な高出力型バッテリES−Pの電力を適切に使用できる。また、過大な電力の出力はバッテリの劣化を促進するが、高出力型バッテリES−Pの出力電力は過大とならずに適正値に抑えられるため、高出力型バッテリES−Pの劣化の促進を防止することができる。
また、高容量型バッテリES−Eが故障すると、電流制御モードから電圧制御モードへの切替え前に、高容量型バッテリES−E側のコンタクタMCeが開かれるため、電流制御モードから電圧制御モードへのモード変更に伴う高容量型バッテリES−Eへの電力の流入や高容量型バッテリES−Eからの電力の流出を防止できる。また、高容量型バッテリES−Eに故障の前兆があった際には高出力型バッテリES−Pに電力が移行されるため、故障が実際に生じた場合に利用可能な電力量を予め最大化できる。
(第2の実施形態)
図8は、第2の実施形態の電動車両の内部構成を示すブロック図である。また、図9は、第2の実施形態における高容量型バッテリ、高出力型バッテリ、VCU、PDU及びモータジェネレータの関係を示す電気回路図である。第2の実施形態の電動車両が第1の実施形態の電動車両と異なる点は、高容量型バッテリES−Eの電圧を変換するVCU203が設けられたことである。この点以外は第1の実施形態と同様であり、図8及び図9に示された構成要素に関して、第1実施形態と同一又は同等部分には同一符号又は相当符号を付して説明を簡略化又は省略する。
VCU203は、高容量型バッテリES−Eの出力電圧を直流のまま昇圧する。また、VCU203は、電動車両の減速時にモータジェネレータ101が発電して直流に変換された電力を降圧する。さらに、VCU203は、VCU103の出力電圧を直流のまま降圧する。VCU203によって降圧された電力は、高容量型バッテリES−Eに充電される。図9に示すように、VCU203は、高容量型バッテリES−Eの出力電圧を入力電圧として2つのスイッチング素子をオンオフ切換動作することによって、高容量型バッテリES−Eの電圧を昇圧して出力する。
ECU1152は、PDU105及びVCU103,203の制御、並びに、スイッチ部113の開閉制御を行う。また、ECU1152は、第1の実施形態のECU115と同様に、システム許可電力を管理する。また、ECU1152は、VCU103,203を用いた電力分配制御を行う。また、ECU1152は、電圧センサ107p,107eが検出した電圧、電流センサ109p,109eが検出した電流、及び温度センサ111p,111eが検出した温度に基づいて、高出力型バッテリES−Pと高容量型バッテリES−Eの各故障及びその前兆を検出する。
さらに、ECU1152は、高出力型バッテリES−Pにも高容量型バッテリES−Eにも故障が発生していなければ「電流制御モード」でVCU103,203を制御し、高出力型バッテリES−P又は高容量型バッテリES−Eに故障が発生した際には、正常なバッテリを昇圧するVCUを「電圧制御モード」で制御する。以下、ECU115がVCU103,203を制御する際の上記2つの制御モード(電流制御モードと電圧制御モード)について説明する。
電流制御モードは、原則、高容量型バッテリES−Eと高出力型バッテリES−Pの双方のバッテリが正常な状態のとき用いられる。電流制御モードでは、VCU103,203の電力分配制御によって、モータジェネレータ101には高容量型バッテリES−Eが出力した電圧VeをVCU203が昇圧した電圧Vが印加され、高容量型バッテリES−Eの供給電力がモータジェネレータ101への要求駆動力に応じた要求電力に満たない場合は、高出力型バッテリES−Pが不足電力分を出力するように、フィード・バック制御又はフィード・フォワード制御でVCU103を制御する。VCU103は、高出力型バッテリES−Pの電圧VpをVCU203の出力電圧Vに等しい電圧まで昇圧する。このように、電流制御モードでは、高出力型バッテリES−Pの電圧Vpは、VCU203の出力電圧Vに等しい電圧まで昇圧され、高出力型バッテリES−Pが出力する電流Ipは、高出力型バッテリES−Pに求められる不足電力の大きさによって異なる。したがって、電流制御モードでは、高出力型バッテリES−Pの電圧Vpと電流IpがVCU103にフィードバックされる。なお、電流制御モードでの制御が行われると、当該制御が安定する。
一方、電圧制御モードは、高容量型バッテリES−Eと高出力型バッテリES−Pのうち、一方のバッテリは正常であるが、もう一方のバッテリが故障した状態のときに用いられる。電圧制御モードでは、故障していないバッテリのみからモータジェネレータ101に電力が供給され、モータジェネレータ101に印加される電圧がモータジェネレータ101への要求駆動力における駆動効率が閾値以上となる最適電圧となるよう、故障していないバッテリの電圧を昇圧するVCUは当該故障していないバッテリの電圧を昇圧する。したがって、電圧制御モードでは、モータジェネレータ101の最適電圧を指令値とするフィード・フォワード制御、又は、故障していないバッテリの電圧とモータジェネレータ101の最適電圧の差分を指令値とするフィード・バック制御を用いて、故障していないバッテリの電圧を昇圧するVCUを制御するため、モータジェネレータ101の駆動効率を最適化できる。
本実施形態でも、第1実施形態と同様に、高容量型バッテリES−Eと高出力型バッテリES−Pの双方が正常であるためECU115が電流制御モードでVCU103,203を制御しているときに、いずれ一方のバッテリに故障の前兆が発生すると、ECU115は、前兆が発生したバッテリから他のバッテリへ電力を供給するようVCU103,203を制御する。その後、一方のバッテリが故障すると、ECU115は、当該一方のバッテリの故障を示す故障フラグを立てる。その後、ECU115は、故障したバッテリ側のコンタクタを開き、かつ、システム許可電力の設定値を正常なバッテリが出力可能な電力へと徐々に下げる。ECU115は、システム許可電力の設定値を正常なバッテリが出力可能な電力まで下げた後、正常なバッテリを昇圧するVCUの制御モードを電流制御モードから電圧制御モードに切替える。その後、ECU115は、電圧制御モードで当該VCUを制御する。
したがって、本実施形態でも、一方のバッテリに故障が発生した際の正常なバッテリの出力電力は過大とならずに適正値に抑えられるため、正常なバッテリの電力を適切に使用できる。また、過大な電力の出力はバッテリの劣化を促進するが、正常なバッテリの出力電力は過大とならずに適正値に抑えられるため、当該正常なバッテリの劣化の促進を防止することができる。
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、上記説明した電動車両は、1MOT型のEV(Electrical Vehicle)であるが、複数のモータジェネレータを搭載したEVであっても、少なくとも1つのモータジェネレータと共に内燃機関を搭載したHEV(Hybrid Electrical Vehicle)やPHEV(Plug-in Hybrid Electrical Vehicle)であっても、FCV(Fuel Cell Vehicle)であっても良い。
101 モータジェネレータ(MG)
103,203 VCU
105 PDU
107p,107e 電圧センサ
109p,109e 電流センサ
111p,111e 温度センサ
113 スイッチ部
115 ECU
ES−E 高容量型バッテリ
ES−P 高出力型バッテリ
MCe,MCp コンタクタ

Claims (10)

  1. 第1蓄電器と、
    前記第1蓄電器と電圧が異なる第2蓄電器と、
    前記第1蓄電器の出力電圧を変換する電圧変換部と、
    前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の少なくとも一方から供給される電力によって駆動して、車両が走行するための動力を発生する駆動部と、
    前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の故障を検出する検出部と、
    前記第2蓄電器から前記駆動部に供給される電力と前記駆動部の要求電力との差分に応じて、前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第1制御モードと、前記駆動部の要求駆動力に基づく目標電圧になるよう前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第2制御モードと、のいずれかによって前記電圧変換部を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記検出部が前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の故障を検出しないときは、前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力と前記第2蓄電器が出力可能な電力との合計を超えないように、前記電圧変換部を前記第1制御モードで制御し、
    前記第1制御モードで制御中に前記検出部が前記第2蓄電器の故障を検出すると前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力を超えないようにした後に、前記第1制御モードから前記第2制御モードに切替え、前記電圧変換部を前記第2制御モードで制御する、駆動装置。
  2. 請求項1に記載の駆動装置であって、
    前記第2蓄電器と前記駆動部との間の電流経路を開閉するスイッチ部を備え、
    前記制御部は、前記検出部が前記第2蓄電器の故障を検出すると、前記スイッチ部を制御して前記第2蓄電器と前記駆動部との間の電流経路を開いた後に、前記第1制御モードから前記第2制御モードへ切替える、駆動装置。
  3. 請求項2に記載の駆動装置であって、
    前記制御部は、前記検出部が前記第2蓄電器の故障を検出すると、前記スイッチ部を制御して前記第2蓄電器と前記駆動部との間の電流経路を開いた後、前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力を超えないようにし、次に、前記第1制御モードから前記第2制御モードに切替える、駆動装置。
  4. 請求項1から3のいずれか1項に記載の駆動装置であって、
    前記制御部は、前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力を超えないようにする際、前記駆動部に供給可能な電力の上限値を、前記第1蓄電器が出力可能な電力と前記第2蓄電器が出力可能な電力の合計から前記第1蓄電器が出力可能な電力へと徐々に変更する、駆動装置。
  5. 請求項1から4のいずれか1項に記載の駆動装置であって、
    前記検出部は、前記第1蓄電器の故障の前兆を検出し、
    前記制御部は、前記検出部が前記第2蓄電器の故障の前兆を検出すると、前記第2蓄電器から前記第1蓄電器へ電力を供給するよう前記電圧変換部を制御する、駆動装置。
  6. 請求項1から5のいずれか1項に記載の駆動装置であって、
    前記目標電圧は、前記駆動部の要求駆動力における駆動効率が閾値以上である最適電圧である、駆動装置。
  7. 第1蓄電器と、
    前記第1蓄電器と電圧が異なる第2蓄電器と、
    前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第1電圧変換部と、
    前記第2蓄電器の出力電圧を変換する第2電圧変換部と、
    前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の少なくとも一方から供給される電力によって駆動して、車両が走行するための動力を発生する駆動部と、
    前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の故障を検出する検出部と、
    前記第2蓄電器から前記駆動部に供給される電力と前記駆動部の要求電力との差分に応じて、前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第1制御モードと、前記駆動部の要求駆動力に基づく目標電圧になるよう前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第2制御モードと、のいずれかによって前記第1電圧変換部を制御し、前記駆動部の要求駆動力に基づく目標電圧になるよう前記第2蓄電器の出力電圧を変換する第3制御モードによって前記第2電圧変換部を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記検出部が前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の故障を検出しないときは、前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力と前記第2蓄電器が出力可能な電力との合計を超えないように、前記第1電圧変換部を前記第1制御モードで制御し、
    前記第1制御モードで制御中に前記検出部が前記第2蓄電器の故障を検出すると、前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力を超えないようにした後に、前記第1制御モードから前記第2制御モードに切替え、前記第1電圧変換部を前記第2制御モードで制御し、
    前記第1制御モードで制御中に前記検出部が前記第1蓄電器の故障を検出すると、前記駆動部に供給する電力が、前記第2蓄電器が出力可能な電力を超えないようにした後に、前記第1制御モードから前記第3制御モードに切替え、前記第2電圧変換部を前記第3制御モードで制御する、駆動装置。
  8. 請求項1から7のいずれか1項に記載の駆動装置を有する、輸送機器。
  9. 第1蓄電器と、
    前記第1蓄電器と電圧が異なる第2蓄電器と、
    前記第1蓄電器の出力電圧を変換する電圧変換部と、
    前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の少なくとも一方から供給される電力によって駆動して、車両が走行するための動力を発生する駆動部と、
    前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の故障を検出する検出部と、
    前記第2蓄電器から前記駆動部に供給される電力と前記駆動部の要求電力との差分に応じて前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第1制御モードと、前記駆動部の要求駆動力に基づく目標電圧になるよう前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第2制御モードと、のいずれかによって前記電圧変換部を制御する制御部と、を備えた駆動装置が行う制御方法であって、
    前記制御部は、
    前記検出部が前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の故障を検出しないときは、前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力と前記第2蓄電器が出力可能な電力との合計を超えないように、前記電圧変換部を前記第1制御モードで制御し、
    前記第1制御モードで制御中に前記検出部が前記第2蓄電器の故障を検出すると、前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力を超えないようにした後に、前記第1制御モードから前記第2制御モードに切替え、前記電圧変換部を前記第2制御モードで制御する、制御方法。
  10. 第1蓄電器と、
    前記第1蓄電器と電圧が異なる第2蓄電器と、
    前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第1電圧変換部と、
    前記第2蓄電器の出力電圧を変換する第2電圧変換部と、
    前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の少なくとも一方から供給される電力によって駆動して、車両が走行するための動力を発生する駆動部と、
    前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の故障を検出する検出部と、
    前記第2蓄電器から前記駆動部に供給される電力と前記駆動部の要求電力との差分に応じて、前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第1制御モードと、前記駆動部の要求駆動力に基づく目標電圧になるよう前記第1蓄電器の出力電圧を変換する第2制御モードと、のいずれかによって前記第1電圧変換部を制御し、前記駆動部の要求駆動力に基づく目標電圧になるよう前記第2蓄電器の出力電圧を変換する第3制御モードによって前記第2電圧変換部を制御する制御部と、を備えた駆動装置が行う制御方法であって、
    前記制御部は、
    前記検出部が前記第1蓄電器及び前記第2蓄電器の故障を検出しないときは、前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力と前記第2蓄電器が出力可能な電力との合計を超えないように、前記第1電圧変換部を前記第1制御モードで制御し、
    前記第1制御モードで制御中に前記検出部が前記第2蓄電器の故障を検出すると、前記駆動部に供給する電力が、前記第1蓄電器が出力可能な電力を超えないようにした後に、前記第1制御モードから前記第2制御モードに切替え、前記第1電圧変換部を前記第2制御モードで制御し、
    前記第1制御モードで制御中に前記検出部が前記第1蓄電器の故障を検出すると、前記駆動部に供給する電力が、前記第2蓄電器が出力可能な電力を超えないようにした後に、前記第1制御モードから前記第3制御モードに切替え、前記第2電圧変換部を前記第3制御モードで制御する、制御方法。
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