WO2012085992A1 - 電動車両およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

　第１のバッテリ（１１０）と、走行用電動機（３０）に対して入出力される電力を伝達するための電力線（ＰＬ１）との間には、コンバータ（１３０）が配置される。一方、第２のバッテリ（１２０）は、リレー（ＲＬ１）を介して、電力線（ＰＬ１）と接続される。制御装置（１５０）は、電動機（３０）の動作状態に応じて、リレー（ＲＬ１）のオンオフを制御する。

Description

電動車両およびその制御方法

　この発明は、電動車両およびその制御方法に関し、より特定的には、複数の蓄電装置を搭載した電動車両の制御に関する。

　ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両は、走行用電動機に対して入出力される電力を蓄積するための蓄電装置（代表的には、二次電池）を搭載する。

　特開２０１０－１６６７９０号公報（特許文献１）には、複数の高圧バッテリを並列に接続して、車載電力変換回路としての昇圧コンバータに電力を供給可能とする構成が記載されている。特許文献１の構成では、昇圧コンバータによって、インバータの直流側電圧、すなわち、走行用電動機に印加されるパルス状電圧の振幅を可変制御することができる。

　また、複数の蓄電装置を接続した他の例として、特開２０１０－１１０１２４号公報（特許文献２）には、メイン二次電池ブロックと、補助二次電池ブロックとを搭載した電源システムが開示される。特許文献２の電源システムでは、補助二次電池ブロックの出力電圧を電圧変換するためのＤＣ－ＤＣコンバータが設けられる。そして、ＤＣ－ＤＣコンバータによって、放電時には補助二次電池ブロックの電圧を昇圧して負荷に電力を供給するとともに、充電時にはメイン二次電池ブロックの電圧を降圧して補助二次電池ブロックに電力を供給することが記載されている。

特開２０１０－１６６７９０号公報 特開２０１０－１１０１２４号公報

　特許文献１の構成では、昇圧コンバータに対して２個の高圧バッテリを、それぞれ単独に接続することも、並列接続することも可能なように、リレーが配置されている。しかしながら、いずれの高圧バッテリの充放電に対しても、昇圧コンバータでの電力損失が発生する。また、高圧バッテリ同士が昇圧コンバータの低電圧側で直接並列接続される構成なので、バッテリ電圧レベルが揃っていないと、２個の高圧バッテリを並列に使用することが困難である。

　一方、特許文献２の電源システムでは、補助二次電池ブロックに対してのみＤＣ－ＤＣコンバータが配置される。そして、補助二次電池ブロックの出力電圧を、ＤＣ－ＤＣコンバータによってメイン二次電池ブロックと同等まで昇圧することによって、補助二次電池ブロックおよびメイン二次電池ブロックを並列に動作させて、負荷に対して充放電を行なうことが記載されている。

　しかしながら、特許文献２の構成では、負荷に対してメイン二次電池ブロックが常時接続される構成となっている。したがって、負荷へ供給される直流電圧は一定レベルとなる。すなわち、特許文献２の構成を、特許文献１のような車載電源装置に適用すると、インバータの直流側電圧を可変制御することができない。

　特許文献２において、負荷への供給電圧を可変制御するためには、メイン二次電池ブロックと負荷との間にもＤＣ－ＤＣコンバータを配置することが必要となる。しかしながら、このように構成すると、電源システムの大型化およびコスト上昇を招いてしまう。

　この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、複数の蓄電装置が搭載された電動車両の電源システムを、直流電圧の可変制御機能を確保しつつ、簡素かつ効率的に構成することである。

　この発明のある局面では、電動車両は、車両駆動力を発生するための電動機と、第１の蓄電装置と、第２の蓄電装置と、電動機に対して入出力される電力を伝達するための電力線と、コンバータと、開閉器と、制御装置とを備える。コンバータは、第１の蓄電装置と電力線との間で双方向の直流電圧変換を実行するように構成される。開閉器は、第２の蓄電装置と電力線との間に接続される。制御装置は、電動機の動作状態に応じて、開閉器のオンオフを制御する。

　この発明の他の局面では、電動車両の制御方法であって、電動車両は、車両駆動力を発生するための電動機と、第１の蓄電装置と、第２の蓄電装置と、第１の蓄電装置と電動機に対して入出力される電力を伝達するための電力線との間で双方向の直流電圧変換を実行するためのコンバータとを搭載する。そして、制御方法は、第２の蓄電装置の出力電圧を検出するステップと、電動機の動作状態に応じて、第２の蓄電装置と電力線との間に接続された開閉器のオンオフを制御するステップとを備える。

　好ましくは、制御装置は、電動機のトルクおよび回転数に応じて電力線の必要最低電圧を算出する。そして、開閉器は、第２の蓄電装置の出力電圧が必要最低電圧よりも低いときにはオフされる。

　さらに好ましくは、制御装置は、電動機のトルクおよび回転数に応じて、必要最低電圧以上の範囲で電力線の電圧指令値を設定する。開閉器は、第２の蓄電装置の出力電圧が電圧指令値よりも高いときにはオンされる一方で、出力電圧が電圧指令値よりも低いときにはオフされる。

　さらに好ましくは、開閉器は、第２の蓄電装置の出力電圧から電圧指令値を減算した電圧差が所定のしきい値よりも大きいときにはオフされる。

　また好ましくは、開閉器は、第２の蓄電装置の充電レベルが所定値よりも低下すると、開閉器をオフされる。

　好ましくは、第１および第２の蓄電装置全体での充放電電力上限値は、開閉器のオフ時には、第１の蓄電装置の充放電電力上限値とコンバータでの損失電力値とに基づいて設定される一方で、開閉器のオン時には、第１の蓄電装置の充放電電力上限値と、第２の蓄電装置の充放電電力上限値と、コンバータでの損失電力値とに基づいて設定される。

　また好ましくは、第１の蓄電装置の出力電圧の定格値は、第２の蓄電装置の出力電圧の定格値よりも低い。

　あるいは好ましくは、第１の蓄電装置のパワー密度は、第２の蓄電装置のパワー密度よりも高く、第１の蓄電装置のエネルギ密度は、第２の蓄電装置のエネルギ密度よりも低い。

　この発明によれば、複数の蓄電装置が搭載された電動車両の電源システムを、直流電圧の可変制御機能を確保しつつ、簡素かつ効率的に構成することができる。

本発明の実施の形態による電動車両の構成を説明するブロック図である。 システム電圧とモータジェネレータの動作可能領域との関係を示す概念図である。 本発明の実施の形態による電動車両における電源システムの制御処理の第１の例を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態による電動車両における電源システムの制御処理の第２の例を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態による電動車両における電源システムの充放電電力上限値を示す図表である。 本発明の実施の形態による電動車両における電源システムの制御処理の変形例を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態による電動車両における電源システムにおける蓄電装置の特性を説明する概念図である。

　以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。

　図１は、本発明の実施の形態による電動車両の構成を説明するブロック図である。
　図１を参照して、本発明の実施の形態による電動車両５は、負荷１０と、電源システム１００と、制御装置１５０とを備える。負荷１０は、インバータ２０と、モータジェネレータ３０と、動力伝達ギヤ４０と、駆動輪５０とを備える。

　モータジェネレータ３０は、代表的には永久磁石型の三相同期電動機で構成される。モータジェネレータ３０の出力トルクは、図示しない減速機や動力分割機構によって構成される動力伝達ギヤ４０を介して駆動輪に伝達されて、電動車両５を走行させる。すなわち、モータジェネレータ３０は、車両駆動力を発生するための「電動機」に対応する。

　モータジェネレータ３０は、電動車両５の回生制動動作時には、駆動輪５０の回転力によって発電することができる。そしてその発電電力は、インバータ２０によって、電源システム１００の蓄電装置１１０および／または１２０を充電するための直流電力に変換される。

　インバータ２０は、特許文献１にも記載された一般的な三相インバータにより構成される。インバータ２０は、電力線ＰＬ１上の直流電圧を交流電圧に変換して、モータジェネレータ３０の各相に印加する。すなわち、インバータ２０は、電力線ＰＬ１上の直流電力と、モータジェネレータ３０を駆動制御する交流電力との間で双方向のＤＣ／ＡＣ変換を実行する。電力線ＰＬ１は、モータジェネレータ３０に対して入出力される電力を伝達するための「第１の電力線」に対応する。

　制御装置１５０は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを内蔵した電子制御ユニット（ＥＣＵ）により構成される。ＥＣＵは、当該メモリに記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、各センサによる検出値を用いた演算処理を行なうように構成される。あるいは、ＥＣＵの少なくとも一部は、電子回路等のハードウェアにより所定の数値・論理演算処理を実行するように構成されてもよい。

　電源システム１００は、「第１の蓄電装置」に対応する蓄電装置１１０と、「第２の蓄電装置」に対応する蓄電装置１２０と、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２と、リレーＲＬ１，ＲＬ２と、コンバータ１３０と、平滑コンデンサ１４０とを含む。

　蓄電装置１１０，１２０の各々は、代表的には、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池により構成される。したがって、以下では、蓄電装置１１０および蓄電装置１２０を、それぞれバッテリ１１０およびバッテリ１２０とも称する。ただし、電気二重層等の他の蓄電素子、あるいは、他の蓄電素子とバッテリとの組み合わせによって、蓄電装置１１０，１２０を構成することも可能である。

　また、蓄電装置１１０および１２０は、同一種類の蓄電装置によって構成されてもよく、異なる種類の蓄電装置によって構成されてもよい。蓄電装置１１０および１２０を異なる種類の蓄電装置で構成する際の好ましい例については、後程詳細に説明する。

　バッテリ１１０および１２０の各々は、直列接続された電池セルによって構成される。すなわち、バッテリ１１０および１２０のそれぞれの出力電圧の定格値は、直列接続される電池セルの個数に依存する。

　バッテリ１１０には、バッテリ電圧Ｖｂ１，バッテリ電流Ｉｂ１，バッテリ温度Ｔｂ１を検出するための電池センサ１１５が設けられる。同様に、バッテリ１２０には、バッテリ電圧Ｖｂ２，バッテリ電流Ｉｂ２，バッテリ温度Ｔｂ２を検出するための電池センサ１２５が設けられる。電池センサ１１５，１２５による検出値は、制御装置１５０へ伝達される。

　システムメインリレーＳＭＲ１は、バッテリ１１０の正極端子と電力線ＰＬ２との間に電気的に接続される。システムメインリレーＳＭＲ２は、バッテリ１１０の負極端子と、および電力線ＧＬとの間に電気的に接続される。電力線ＰＬ１，ＰＬ２は、直流電圧を伝達する。電力線ＧＬは、接地線に相当する。

　リレーＲＬ１は、バッテリ１２０の正極端子と電力線ＰＬ１との間に電気的に接続される。リレーＲＬ２は、バッテリ１２０の負極端子と電力線ＧＬとの間に電気的に接続される。リレーＲＬ１は「開閉器」に対応する。

　なお、リレーＲＬ２については、バッテリ１２０の負極端子をバッテリ１１０の負極端子と電気的に接続することによって、配置を省略することも可能である。このようにすると、リレーの個数削減により、小型化および低コスト化が図られる。一方で、図１の構成のようにリレーＲＬ２を配置すると、バッテリ１１０を完全に電源システムから電気的に切離すことができるので、安全上好ましい構成とすることができる。

　システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２およびリレーＲＬ１，ＲＬ２のオン（閉成）およびオフ（開放）は、制御装置１５０により制御される。

　なお、本実施の形態に示される各リレーは、代表的には、通電時に接点間を接続することによって閉成（オン）される一方で、非通電時には接点間を非接続とすることによって開放（オフ）される電磁リレーによって構成される。ただし、閉成（オン）および開放（オフ）を制御可能な構成であれば、半導体リレーを始めとして、任意の開閉器を適用することができる。

　コンバータ１３０は、電力線ＰＬ１と、バッテリ１１０との間で双方向の直流電圧変換を実行するように構成する。たとえば、図１の構成例では、コンバータ１３０は、非絶縁型チョッパ回路の構成を有する。

　具体的には、コンバータ１３０は、電力用半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、リアクトルＬとを含む。本実施の形態において、電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」とも称する）としては、ＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）を例示する。ただし、電力用ＭＯＳ（Metal　Oxide　Semiconductor）トランジスタあるいは、電力用バイポーラトランジスタ等、オンオフが制御可能な任意の素子を、スイッチング素子として用いることが可能である。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に対しては、逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ配置されている。

　リアクトルＬは、電力線ＰＬ２およびノードＮ１の間に接続される。スイッチング素子Ｑ１は、電力線ＰＬ１およびノードＮ１の間に接続される。スイッチング素子Ｑ２は、ノードＮ１および電力線（接地線）ＧＬの間に接続されている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフは、制御装置１５０からの制御信号によって制御される。

　平滑コンデンサ１４０は、電力線ＰＬ１および電力線ＧＬの間に接続される。電圧センサ２０５は、電力線ＰＬ１の直流電圧ＶＨを検出する。電圧センサ２０５の検出値は、制御装置１５０へ伝達される。以下では、インバータ２０の直流側電圧に相当する直流電圧ＶＨをシステム電圧ＶＨとも称する。

　コンバータ１３０は、スイッチング素子Ｑ１および／またはＱ２のオンオフ制御により、電力線ＰＬ２の直流電圧ＶＬと、電力線ＰＬ１のシステム電圧ＶＨとの電圧変換比（ＶＨ／Ｖｂ）を制御する。具体的には、システム電圧ＶＨが電圧指令値ＶＨｒに一致するように、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のデューティ比が制御される。なお、システム電圧ＶＨを直流電圧ＶＬから昇圧する必要がない場合には、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２をオンおよびオフにそれぞれ固定することにより、ＶＨ＝ＶＬ（電圧変換比＝１．０）とすることもできる。

　コンバータ１３０では、基本的には、各スイッチング周期内でスイッチング素子Ｑ１およびＱ２が相補的かつ交互にオンオフするように制御される。このようにすると、電流方向に応じて特に制御動作を切換えることなく、バッテリ１１０の充電および放電のいずれにも対応して、システム電圧ＶＨを電圧指令値ＶＨｒに制御することができる。

　制御装置１５０は、電池センサ１１５，１２５の検出値（Ｖｂ１，Ｉｂ１，Ｔｂ１，Ｖｂ２，Ｉｂ２，Ｔｂ２）および電圧センサ２０５の検出値（ＶＨ）を受ける。さらに、制御装置１５０は、電源システム１００を適切に動作させるために、モータジェネレータ３０の動作状態および各センサの検出値に基づいて、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２およびリレーＲＬ１，ＲＬ２のオンオフを制御する信号と、コンバータ１３０の制御信号とを生成する。制御装置１５０による制御処理については、後程さらに詳細に説明する。

　このように、本発明の実施の形態による電動車両５では、電源システム１００は、複数のバッテリ１１０および１２０を含んで構成される。そして、バッテリ１２０は、コンバータを介することなく、直接、電力線ＰＬ１に対して電気的に接続される。したがって、リレーＲＬ１，ＲＬ２のオン時には、システム電圧ＶＨを、バッテリ電圧Ｖｂ２よりも高くすることができない。

　一方、バッテリ１１０は、コンバータ１３０を介して電力線ＰＬ１に接続される。したがって、バッテリ電圧Ｖｂ１がシステム電圧ＶＨよりも低い状態でも、バッテリ１１０から電力線ＰＬ１へ電力を供給できるとともに、電力線ＰＬ１の電力によってバッテリ１１０を充電することができる。

　このため、バッテリ１１０の出力電圧の定格値は、バッテリ１２０の出力電圧の定格値よりも低くすることが好ましい。このようにすると、バッテリ１１０での直列接続される電池セル数を少なくしても、バッテリ１１０，１２０を並列に使用することができる。

　次に、モータジェネレータ３０の動作状態と、システム電圧ＶＨとの関係について詳細に説明する。

　モータジェネレータ３０を円滑に駆動するためには、モータジェネレータ３０の動作点、具体的には、回転速度およびトルクに応じて、システム電圧ＶＨを適切に設定する必要がある。第１に、インバータ２０におけるＤＣ／ＡＣ変換の変調率には一定の限界があるため、システム電圧ＶＨに対して、出力可能な上限トルクが存在する。

　図２は、システム電圧とモータジェネレータの動作可能領域との関係を示す概念図である。

　図２を参照して、モータジェネレータ３０の動作領域および動作点は、回転数およびトルクの組み合わせによって示される。最大出力線２００は、システム電圧ＶＨ＝Ｖｍａｘ（上限電圧）であるときの動作可能領域の限界を示すものである。最大出力線２００は、トルクＴ＜Ｔｍａｘ（最大トルク）かつ回転数Ｎ＜Ｎｍａｘ（最高回転数）であっても、出力電力に相当するＴ×Ｎによって制限される部分を有する。システム電圧ＶＨが低下すると、動作可能領域は狭くなっていく。

　たとえば、動作点Ｐ１は、システム電圧ＶＨ＝Ｖａで実現可能である。この状態から、ユーザのアクセル操作によって、電動車両５が加速する場合には、車両駆動力の要求値が高くなる。これにより、モータジェネレータ３０の出力トルクが増加するので、動作点はＰ２に変化する。しかしながら、動作点Ｐ２には、システム電圧ＶＨをＶｂ（Ｖｂ＞Ｖａ）へ上昇させなければ対応することができない。

　図２に示した、システム電圧ＶＨと動作領域の限界線との関係に基づいて、モータジェネレータ３０の各動作点（回転速度，トルク）における、システム電圧ＶＨの下限値（必要最低電圧ＶＨｍｉｎ）を求めることができる。

　また、モータジェネレータ３０には、回転数に比例した誘起電圧が発生する。この誘起電圧がシステム電圧ＶＨよりも高くなると、モータジェネレータ３０の電流を制御できなくなる。したがって、モータジェネレータ３０の回転数が高くなる電動車両５の高速走行時には、システム電圧ＶＨの必要最低電圧ＶＨｍｉｎが上昇する。

　これらの観点から、モータジェネレータ３０の動作点に対応させて、当該動作点に従った出力を確保するための必要最低電圧ＶＨｍｉｎを予め算出可能であることが理解される。

　図３は、本発明の実施の形態による電動車両における電源システムの制御処理の第１の例を説明するフローチャートである。なお、図３を始めとして、以下に示すフローチャートの各ステップの処理は、制御装置１５０によるソフトウェア処理またはハードウェア処理によって実行される。また、以下に示すフローチャートの各々による一連の制御処理は、制御装置１５０によって所定の制御周期毎に実行される。

　図３を参照して、制御装置１５０は、ステップＳ１００において、モータジェネレータ３０の動作状態より、上述の必要電圧マップを用いて必要最低電圧ＶＨｍｉｎを算出する。さらに、ステップＳ１１０では、必要最低電圧ＶＨｍｉｎを考慮して電圧指令値ＶＨｒが設定される。

　電圧指令値ＶＨｒは、ＶＨｒ＝ＶＨｍｉｎまたは、ＶＨｒ＞ＶＨｍｉｎに設定される。たとえば、ＶＨ＞ＶＨｍｉｎの領域で、ＶＨ＝ＶＨｍｉｎのときよりも、電源システム１００および負荷１０での損失が最小となる電圧が存在するときは、燃費優先の観点から、電圧指令値ＶＨｒを当該電圧に設定することが好ましい。一方、バッテリ１２０を積極的に使用したい場合には、電圧指令値ＶＨｒが低いほうが好ましいので、ＶＨｒ＝ＶＨｍｉｎに設定してもよい。

　このように、電圧指令値ＶＨｒは、必要最低電圧ＶＨｍｉｎを考慮した上で、モータジェネレータ３０の動作点に対応して算出できる。このため、モータジェネレータ３０の動作点に対応させて、当該動作点に従った電圧指令値ＶＨｒを算出するためのマップ（電圧指令値マップ）を予め作成することが可能である。電圧指令値マップは、制御装置１５０の図示しないメモリに記憶される。このように、本実施の形態の電動車両では、モータジェネレータ３０を円滑かつ効率的に駆動するために、システム電圧ＶＨを可変制御している。すなわち、モータジェネレータ３０へ印加される電圧振幅（パルス電圧振幅）が、モータジェネレータ３０の動作状態（回転速度・トルク）に応じて可変制御される。

　制御装置１５０は、ステップＳ１１０では、図１に示した電池センサ１１５，１２５の検出値に基づいて、バッテリ情報を読込む。バッテリ情報には、バッテリ電圧Ｖｂ２が少なくとも含まれる。

　制御装置１５０は、ステップＳ１２０により、バッテリ電圧Ｖｂ２と、ステップＳ１００で設定された電圧指令値ＶＨｒとを比較する。Ｖｂ２＞ＶＨｒのとき（Ｓ１２０のＹＥＳ判定時）には、制御装置１５０は、ステップＳ１３０に処理を進めて、リレーＲＬ１，ＲＬ２をオンする。これにより、バッテリ１２０が、電力線ＰＬ１に接続される。

　コンバータ１３０は、システム電圧ＶＨを電圧指令値ＶＨｒと一致させるように、バッテリ１１０の充放電を制御する。これにより、バッテリ１１０，１２０を並列に用いて、負荷１０に対する充放電を制御することが可能となる。この状態で、電動車両５が回生制動を行うと、バッテリ１１０，１２０を並列に充電することができる。

　一方、Ｖｂ２＜ＶＨｒのとき（Ｓ１２０のＮＯ判定時）には、制御装置１５０は、ステップＳ１４０に処理を進めて、リレーＲＬ１，ＲＬ２をオフする。これにより、バッテリ１２０が、電力線ＰＬ１から切離される。上述のように、ＶＨｒ≧ＶＨｍｉｎであるから、ステップＳ１２０の判定によって、少なくとも、Ｖｂ２＜ＶＨｍｉｎのときにはリレーＲＬ１は確実にオフされる。

　このときには、コンバータ１３０を介して、バッテリ１１０のみを用いて、負荷１０に対する充放電が制御される。この状態で、電動車両５が回生制動を行うと、バッテリ１１０のみが充電される。

　このように、本実施の形態による電動車両では、複数のバッテリ１１０，１２０を備えた電源システムにおいて、バッテリ１１０のみにコンバータを設ける構成としても、モータジェネレータ３０の動作状態に応じたシステム電圧ＶＨの可変制御を実現することができる。この結果、複数の蓄電装置（バッテリ１１０，１２０）の電力によりモータジェネレータ３０の出力による走行距離を拡大することができる電源システムを、簡素かつ効率的に構成できる。

　特に、車両加速時等に対応したシステム電圧ＶＨの高電圧領域に対しては、電圧指令値（必要最低電圧）よりも出力電圧が低いバッテリ１２０を電力線ＰＬ１から切離すととともに、バッテリバッテリ１１０の出力電圧をコンバータ１３０によって昇圧することで対応できる。また、バッテリ１２０の出力電圧が、電圧指令値（必要最低電圧）よりも高く、バッテリ１２０が使用可能であるときには、バッテリ１１０，１２０を並列に使用することができる。このように、複数の蓄電装置（バッテリ１１０，１２０）を有効に活用して、モータジェネレータ３０の出力による走行のための電力を供給することができるので、電源システムを小型化かつ低コストで効率的に構成することが可能となる。

　なお、バッテリ１２０を使用する場合に、電圧指令値ＶＨｒとバッテリ電圧Ｖｂ２との電圧差ΔＶ（ΔＶ＝Ｖｂ２－ＶＨｒ）が大きいと、コンバータ１３０による制御の限界を超えてしまうことにより、システム電圧ＶＨが高くなり過ぎる可能性がある。この点を考慮して、図４に示す制御処理を適用することも可能である。

　図４は、本発明の実施の形態による電動車両における電源システムの制御処理の第２の例を説明するフローチャートである。

　図４を図３と比較して、第２の制御処理例では、制御装置１５０は、図３のステップＳ１２０に代えて、ステップＳ１２０♯を実行する。

　制御装置１５０は、ステップＳ１２０♯では、電圧指令値ＶＨｒとバッテリ電圧Ｖｂ２との差が一定範囲内であるか否かを判定する。具体的には、バッテリ電圧Ｖｂ２Ｖが、ＶＨｒ＜Ｖｂ２＜ＶＨｒ＋αの範囲内であるか否かが判定される。なお、αは、所定のしきい値である。

　そして、ＶＨｒ＜Ｖｂ２＜ＶＨｒ＋αであるとき（Ｓ１２０♯のＹＥＳ判定時）には、制御装置１５０は、ステップＳ１３０に処理を進めて、バッテリ１２０を電力線ＰＬ１に接続する。一方で、Ｖｂ２＜ＶＨｒあるいは、Ｖｂ２＞ＶＨｒ＋αのとき（Ｓ１２０♯のＮＯ判定時）には、制御装置１５０は、ステップＳ１３０に処理を進めて、バッテリ１２０を電力線ＰＬ１から切離す。

　このようにすると、上述した本実施の形態による電動車両の効果に加えて、システム電圧ＶＨが高くなり過ぎることを防止できる。

　（電源システムでの充放電制限）
　なお、電動車両の電源システムでは、電源システム１００から負荷１０に対して充放電可能な電力範囲が設定される。そして、当該電力範囲内に充放電電力が収まるように、モータジェネレータ３０の出力（トルク）が制限されることが一般的である。充放電可能な電力範囲は、充電電力上限値Ｗｉｎおよび放電電力上限値Ｗｏｕｔによって規定される。以下では、Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔとも、充放電される電力の大きさ（絶対値）を示すものとする。

　本実施による電動車両の電源システムでは、バッテリ１２０が使用される第１のモードと、バッテリ１２０が不使用とされる第２モードとが選択される。第１および第２のモードのそれぞれについて、バッテリ１１０単体での充電電力上限値Ｗｉｎ１および放電電力上限値Ｗｏｕｔ１、ならびに、バッテリ１２０単体での充電電力上限値Ｗｉｎ２および放電電力上限値Ｗｏｕｔ２に基づいて、制御装置１５０は、電源システム全体でのＷｉｎ，Ｗｏｕｔを以下のように設定する。

　制御装置１５０は、バッテリ電流Ｉｂ１、バッテリ電圧Ｖｂ１およびバッテリ温度Ｔｂ１に基づいて、バッテリ１１０のＷｉｎ１，Ｗｏｕｔ１を算出する。同様に、制御装置１５０は、バッテリ電流Ｉｂ２、バッテリ電圧Ｖｂ２およびバッテリ温度Ｔｂ２に基づいて、バッテリ１２０のＷｉｎ２，Ｗｏｕｔ２を算出する。各バッテリでのＷｉｎ，Ｗｏｕｔの算出については、公知の任意の手法を適用できるので、詳細な説明は省略する。

　図５を参照して、バッテリ１２０を使用する第１のモードでは、バッテリ１１０，１２０が負荷１０に対して並列に接続される。したがって、制御装置１５０は、電源システム１００全体での放電電力上限値Ｗｏｕｔを下記（１）式によって定める。また、充電電力上限値Ｗｉｎは下記（２）式で求められる。

　Ｗｏｕｔ＝Ｗｏｕｔ１－（Ｌ１＋Ｌｃ）＋Ｗｏｕｔ２－Ｌ２　　…（１）
　Ｗｉｎ＝Ｗｉｎ１＋（Ｌ１＋Ｌｃ）＋Ｗｉｎ２＋Ｌ２　　　　　…（２）
　なお、（１），（２）式において、Ｌ２は、バッテリ１２０から電力線ＰＬ１への通電経路で生じる損失であり、電力ケーブルでの損失およびリレーＲＬ１による損失等が含まれる。同様に、Ｌ１は、バッテリ１１０から電力線ＰＬ１への通電経路で生じる損失である。また、Ｌｃは、コンバータ１３０で生じる電力損失である。

　これらの損失項Ｌ１，Ｌ２，Ｌｃは、実験結果等に基づいて予め定めることができる。Ｌ１，Ｌ２，Ｌｃは、定数（固定値）としてもよく、電流等のパラメータに応じて変化する変数としてもよい。

　一方、バッテリ１２０を不使用とする第２のモードでは、バッテリ１１０のみが負荷１０に対して接続される。したがって、制御装置１５０は、電源システム１００全体での放電電力上限値Ｗｏｕｔを下記（３）式によって定める。また、また、充電電力上限値Ｗｉｎは下記（４）式で求められる。

　Ｗｏｕｔ＝Ｗｏｕｔ１－（Ｌ１＋Ｌｃ）　　　　　　　　　　…（３）
　Ｗｉｎ＝Ｗｉｎ１＋（Ｌ１＋Ｌｃ）　　　　　　　　　　　　…（４）
　このように、バッテリ１１０の使用、不使用の切換に応じて、通電経路での損失およびコンバータ１３０による損失の相違を反映して、電源システム１００全体での充放電可能な電力範囲を精密に設定することができる。これにより、バッテリ１１０，１２０を能力いっぱいまで用いた充放電が可能となるので、バッテリ１１０，１２０の電力を効率的に使用できる。

　（制御処理の変形例）
　図６は、本発明の実施の形態による電動車両における電源システムの制御処理の変形例を説明するフローチャートである。

　図６を参照して、制御装置１５０は、変形例による制御処理では、図３または図４に示したフローチャートと比較して、ステップＳ２００をさらに実行する。また、ステップＳ１１０で読み込まれるバッテリ情報は、バッテリ電圧Ｖｂ２に加えて、バッテリ１２０のＳＯＣ（State　of　Charge）を含む。以下では、バッテリ１２０のＳＯＣについて、ＳＯＣ２と表記する。

　周知のように、ＳＯＣは、バッテリの満充電容量に対する現在の残存容量の比を百分率で示したものである。ＳＯＣについては、バッテリ電流、電圧等に基づいて算出する手法が種々提案されている。これらの公知の手法を適宜用いることによって、制御装置１５０は、バッテリ１２０のＳＯＣを取得することができる。

　制御装置１５０は、ステップＳ２００により、ＳＯＣ２をしきい値Ｓｍｉｎと比較する。しきい値Ｓｍｉｎは、バッテリ１２０が過放電によって劣化を生じるＳＯＣ領域の境界値に対応して設定される。

　制御装置１５０は、ＳＯＣ２＜Ｓｍｉｎのとき（ステップＳ２００のＹＥＳ判定時）には、ステップＳ１４０に処理を進めて、リレーＲＬ１，ＲＬ２をオフする。これにより、バッテリ１２０は、電力線ＰＬ１から切り離されて不使用とされる。

　バッテリ１１０，１２０が並列に使用される状態では、コンバータ１３０によるバッテリ１１０の充放電制御に付随して、バッテリ１２０の充放電電力が定まる。したがって、コンバータ１３０による制御誤差によって、バッテリ１２０のＳＯＣが想定よりも低下すると、過放電による劣化を招く虞がある。したがって、このようなＳＯＣ領域では、モータジェネレータ３０の動作状態（すなわち、電圧指令値ＶＨｒ）に関らず、バッテリ１２０を電力線ＰＬ１から切離すことが好ましい。これにより、バッテリ１２０を過放電から保護することができる。

　一方、制御装置１５０は、ＳＯＣ２＞Ｓｍｉｎのとき（Ｓ２００のＮＯ判定時）には、図３または図４と同様に、ステップＳ１２０（またはＳ１２０♯）～Ｓ１４０の処理により、バッテリ１１０の使用および不使用を制御する。

　この変形例によれば、本発明による電動車両の電源システムにおいて、バッテリ１２０を過放電から保護することができる。

　（複数の蓄電装置の適用例）
　本実施の形態による電動車両の電源システムでは、複数の蓄電装置（バッテリ１１０，１２０）が具備される。上述した電源システムの制御処理は、出力特性および出力電圧が共通である複数の蓄電装置に対しても、適用できることが理解される。しかしながら、本実施の形態では、一方側の蓄電装置（バッテリ１１０）に対してのみコンバータ１３０を配置する非対称な構成となっている。この点を考慮して、複数の蓄電装置（バッテリ１１０，１２０）の出力特性および／または出力電圧を異なるものとすれば、電源システムをさらに効率的に設計できる。

　まず、蓄電装置の出力電圧については、上述のように、コンバータ１３０が設けられたバッテリ１１０の出力電圧定格値を、バッテリ１２０の出力電圧定格値よりも低くすることができる。このようにすると、バッテリ１１０での直列接続される電池セル数を抑制できる。同様に、バッテリ１２０の出力電圧定格値を、システム電圧ＶＨの上限電圧Ｖｍａｘよりも低い範囲で適切に設計することにより、バッテリ１２０での直列接続される電池セル数を抑制できる。

　図７には、蓄電装置の出力特性を説明するためのラゴンプロット（Ragone　plot）が示される。

　図７を参照して、縦軸は蓄電装置のパワー密度（W/Kg)を示し、横軸は蓄電装置のエネルギ密度（Wh/Kg）を示す。電動車両の車載蓄電装置への適用を考慮する場面では、加速要求等の短時間の高トルク出力要求に対しては、パワー密度の高い蓄電装置が有利である。一方、通常走行での走行距離を伸ばすためには、エネルギ密度の高い蓄電装置が有利である。

　エネルギ密度およびパワー密度は、蓄電装置の種類（バッテリ／キャパシタ）あるいは、バッテリの種類（ニッケル水素電池／リチウムイオン二次電池）によって異なる。あるいは、同一種類の蓄電装置であっても、設計によって、エネルギ密度およびパワー密度を変えることができる。

　たとえば、二次電池では、活物質を基材に塗布する際の厚みによって、出力特性が変わってくる。一例としては、活物質を薄く広く塗布するようにすれば、単位時間の反応に寄与する活物質の数が増えるので、相対的にパワー密度が高いバッテリを実現できる。一方で、活物質を厚く塗布するようにすると、パワー密度が相対的に低下する一方で、エネルギ密度を高めることができる。

　本実施の形態による電動車両の電源システムでは、バッテリ１２０は、電動車両５の加速や高速走行によってモータジェネレータ３０に高パワーが要求されるとき（すなわち、電圧指令値ＶＨｒが高いとき）には、不使用とされる。したがって、バッテリ１２０は、モータジェネレータ３０の出力パワーが比較的低い領域で使用される。このため、バッテリ１２０については、図６の領域２２０に示されるような、エネルギ密度が高く、パワー密度が小さい、高エネルギ型の蓄電装置を適用することが好ましい。これにより、ハイブリッド自動車では、モータジェネレータ３０のみを用いた、いわゆるＥＶ（Electric　Vehicle）走行の距離を延ばすことができる。電気自動車では、航続可能距離が長くなる。

　一方で、バッテリ１１０は、モータジェネレータ３０が高パワーを出力する場面での電力供給に対応する必要がある。したがって、バッテリ１１０については、図６の領域２１０に示されるような、パワー密度が高くエネルギ密度が低い蓄電装置を用いることが好ましい。

　このように、バッテリ１１０，１２０について、図６の領域２１０および２２０にそれぞれ示される特性の蓄電装置によって使い分けることが好ましい。このようにすると、ユーザからの高出力要求（加速や高速走行）に対応した上で、モータジェネレータ３０の出力による走行距離を伸ばすように、電源システムを効率的に構成することができる。

　なお、図１に示した電動車両５の負荷１０（すなわち、駆動系）の構成は、図示された構成に限定されるものではない。すなわち、上述したように、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等、走行用電動機を搭載した電動車両に対して、本発明は共通に適用することができる。また、走行用電動機の個数についても、特に限定されるものではない。

　また、コンバータ１３０についても、本実施の形態では、非絶縁型チョッパ回路を例示したが、バッテリ（蓄電装置）１１０と電力線ＰＬ１との間で同等の直流電圧変換が可能であれば、任意の回路構成を適用することが可能である。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　本発明は、複数の蓄電装置を搭載した電動車両に適用することができる。

　５　電動車両、１０　負荷、２０　インバータ、３０　モータジェネレータ、４０　動力伝達ギヤ、５０　駆動輪、１００　電源システム、１１０，１２０　バッテリ（蓄電装置）、１１５，１２５　電池センサ、１２０　蓄電装置、１２０　バッテリ、１３０　コンバータ、１４０　平滑コンデンサ、１５０　制御装置、２００　最大出力線、２０５　電圧センサ、Ｄ１，Ｄ２　逆並列ダイオード、ＧＬ，ＰＬ１，ＰＬ２　電力線、Ｉｂ１，Ｉｂ２　バッテリ電流、Ｌ　リアクトル、Ｌ１，Ｌ２，Ｌｃ　損失項、Ｎ１　ノード、Ｐ１，Ｐ２　動作点、Ｑ１，Ｑ２　電力用半導体スイッチング素子、ＲＬ１，ＲＬ２　リレー、ＳＭＲ１，ＳＭＲ２　システムメインリレー、Ｓｍｉｎ　しきい値（ＳＯＣ）、Ｔｂ１，Ｔｂ２　バッテリ温度、ＶＨ　直流電圧（システム電圧）、ＶＨｍｉｎ　必要最低電圧、ＶＨｒ　電圧指令値、Ｖｂ１，Ｖｂ２Ｖ　バッテリ電圧、Ｗｉｎ，Ｗｉｎ１，Ｗｉｎ２　充電電力上限値、Ｗｏｕｔ，Ｗｏｕｔ１，Ｗｏｕｔ２　放電電力上限値。

Claims (13)

1. 　車両駆動力を発生するための電動機（３０）と、
   　第１の蓄電装置（１１０）と、
   　第２の蓄電装置（１２０）と、
   　前記電動機に対して入出力される電力を伝達するための電力線（ＰＬ１）と、
   　前記第１の蓄電装置と前記電力線との間で双方向の直流電圧変換を実行するためのコンバータ（１３０）と、
   　前記第２の蓄電装置と前記電力線との間に接続された開閉器（ＲＬ１）と、
   　前記電動機の動作状態に応じて、前記開閉器のオンオフを制御する制御装置（１５０）とを備える、電動車両。
2. 　前記制御装置（１５０）は、前記電動機（３０）のトルクおよび回転数に応じて前記電力線（ＰＬ１）の必要最低電圧（ＶＨｍｉｎ）を算出するとともに、前記第２の蓄電装置の出力電圧（Ｖｂ２）が前記必要最低電圧よりも低いときには前記開閉器をオフする、請求項１記載の電動車両。
3. 　前記制御装置（１５０）は、前記電動機（３０）のトルクおよび回転数に応じて、前記必要最低電圧（ＶＨｍｉｎ）以上の範囲で前記電力線（ＰＬ１）の電圧指令値（ＶＨｒ）を設定するとともに、前記第２の蓄電装置の出力電圧（Ｖｂ２）が前記電圧指令値よりも高いときには前記開閉器（ＲＬ１）をオンする一方で、前記出力電圧が前記電圧指令値よりも低いときには前記開閉器をオフする、請求項２記載の電動車両。
4. 　前記制御装置（１５０）は、前記第２の蓄電装置の出力電圧（Ｖｂ２）から前記電圧指令値（ＶＨｒ）を減算した電圧差が所定のしきい値よりも大きいときには、前記開閉器（ＲＬ１）をオフする、請求項３記載の電動車両。
5. 　前記制御装置（１５０）は、前記第２の蓄電装置（１１０）の充電レベル（ＳＯＣ２）が所定値（Ｓｍｉｎ）よりも低下すると、前記開閉器（ＲＬ１）をオフする、請求項１記載の電動車両。
6. 　前記制御装置（１５０）は、前記開閉器（ＲＬ１）のオフ時には、前記第１の蓄電装置（１１０）の充放電電力上限値（Ｗｉｎ１，Ｗｏｕｔ１）と前記コンバータ（１３０）での損失電力値（Ｌｃ）とに基づいて、前記第１および第２の蓄電装置全体での充放電電力上限値（Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔ）を設定し、前記開閉器のオン時には、前記第１の蓄電装置の充放電電力上限値と、前記第２の蓄電装置（１２０）の充放電電力上限値（Ｗｉｎ２，Ｗｏｕｔ２）と、前記コンバータでの損失電力値とに基づいて、前記第１および第２の蓄電装置全体での充放電電力上限値（Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔ）を設定する、請求項１記載の電動車両。
7. 　前記第１の蓄電装置（１１０）の出力電圧（Ｖｂ１）の定格値は、前記第２の蓄電装置（１２０）の出力電圧（Ｖｂ２）の定格値よりも低い、請求項１から６のいずれか１項に記載の電動車両。
8. 　前記第１の蓄電装置（１１０）のパワー密度は、前記第２の蓄電装置（１２０）のパワー密度よりも高く、
   　前記第１の蓄電装置のエネルギ密度は、前記第２の蓄電装置のエネルギ密度よりも低い、請求項１から６のいずれか１項に記載の電動車両。
9. 　車両駆動力を発生するための電動機（３０）と、第１の蓄電装置（１１０）と、第２の蓄電装置（１２０）と、前記第１の蓄電装置と前記電動機に対して入出力される電力を伝達するための電力線（ＰＬ１）との間で双方向の直流電圧変換を実行するためのコンバータ（１３０）とを搭載した電動車両の制御方法であって、
   　前記第２の蓄電装置の出力電圧（Ｖｂ２）を検出するステップ（Ｓ１１０）と、
   　前記電動機の動作状態に応じて、前記第２の蓄電装置と前記電力線との間に接続された開閉器（ＲＬ１）のオンオフを制御するステップ（Ｓ１２０，Ｓ１２０♯－Ｓ１４０）とを備える、電動車両の制御方法。
10. 　前記電動機（３０）のトルクおよび回転数に応じて前記電力線（ＰＬ１）の必要最低電圧（ＶＨｍｉｎ）を算出するステップ（Ｓ１００）をさらに備え、
    　前記制御するステップ（Ｓ１２０，Ｓ１４０）は、前記第２の蓄電装置の出力電圧（Ｖｂ２）が前記必要最低電圧よりも低いときには前記開閉器をオフする、請求項９記載の電動車両の制御方法。
11. 　前記算出するステップ（Ｓ１００）は、前記電動機（３０）のトルクおよび回転数に応じて、前記必要最低電圧（ＶＨｍｉｎ）以上の範囲で前記電力線（ＰＬ１）の電圧指令値（ＶＨｒ）を設定し、
    　前記制御するステップ（Ｓ１２０－Ｓ１４０）は、前記第２の蓄電装置の出力電圧（Ｖｂ２）が前記電圧指令値よりも高いときには前記開閉器（ＲＬ１）をオンする一方で、前記出力電圧が前記電圧指令値よりも低いときには前記開閉器をオフする、請求項１０記載の電動車両の制御方法。
12. 　前記制御するステップ（Ｓ１２０♯，Ｓ１４０）は、前記第２の蓄電装置の出力電圧（Ｖｂ２）から前記電圧指令値（ＶＨｒ）を減算した電圧差が所定のしきい値（α）よりも大きいときには、前記開閉器（ＲＬ１）をオフする、請求項１１記載の電動車両の制御方法。
13. 　前記第２の蓄電装置（１１０）の充電レベル（ＳＯＣ２）が所定値（Ｓｍｉｎ）よりも低下すると、前記開閉器（ＲＬ１）をオフするステップ（Ｓ２００）をさらに備える、請求項９記載の電動車両の制御方法。

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