WO2018047351A1

WO2018047351A1 - 車両

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Publication number: WO2018047351A1
Application number: PCT/JP2016/076859
Authority: WO
Inventors: 友樹桑野; 陽介清水; 萩原　敬三
Original assignee: 株式会社東芝; 東芝インフラシステムズ株式会社
Priority date: 2016-09-12
Filing date: 2016-09-12
Publication date: 2018-03-15
Also published as: CN109689455B; EP3511215A4; EP3511215A1; CN109689455A; JPWO2018047351A1; JP6768813B2; EP3511215B1

Abstract

車両は、内燃機関及びモータとを備え、制御部は発電機及び主回路バッテリーに対してバッテリー温度とＳＯＣ推定値から演算されたバッテリー最大充放電電力からバッテリー出力目標値を設定する。バッテリー出力目標値とフィードバックされたバッテリー出力検出値に基づき、直流リンクパワー補正値を算出し、発電機トルクと内燃機関出力を補正し車両要求トルクを出力しつつ、バッテリー充放電電力を目標値に制御しながら、主回路バッテリーの放電及び充電を繰り返し行い、主回路バッテリーを昇温する。

Description

車両

　本発明に係る実施形態は、動力源として内燃機関と主回路バッテリーが搭載される車両に関する。

　一般に、車輪を回転させる動力源となる内燃機関に加えて、バッテリーを搭載しモータを第２の動力源として用いるハイブリッド車両が知られている。例えば、特許文献１には、回転駆動される駆動軸にリングギアを設けて、減速ギアを介してモータを取り付けた動力分割結合機構を有するハイブリッド自動車が提案されている。このハイブリッド自動車においては、バッテリー温度とバッテリーＳＯＣ（State Of Charge）推定値からバッテリー充放電要求パワーを設定している。このバッテリー充放電要求パワーに車両要求パワーと損失分を加算して内燃機関パワーを決定し、バッテリー充放電電力を制御している。

特開２００９－９６３６０号公報

　通常、ハイブリッド車両の燃費特性を向上するには、極力、エンジン効率の高いポイントで動作させることが有効である。このとき、運転者が要求する車両要求パワーと、内燃機関が発生させるエンジンパワーとの差は、バッテリーでモータを駆動させることで補完する。しかし、バッテリーは、低温時には充放電特性が著しく低下するため、エンジン動作点の自由度を下げてしまい、結果、燃費の悪化を招くことになる。この対策として、ヒータ等を設置して、バッテリーを昇温させることも考えられるが、低コスト及び小型化の観点から見ると、追加部材を伴わない簡易な昇温制御システムが望まれている。

　また、特許文献１に記載されている動力分割結合機構を有するハイブリッド車両に発生する機械的損失及び電気的損失は、各ギアの回転数や発電機及びモータの動作点によって、効率の良否が変化する。また、直流リンク部分の補機による負荷も状況によって変化している。これらの理由からフィードフォワード的に損失を設定しても、バッテリー出力目標値と検出値の間には誤差が生じる。このため、バッテリー出力目標値をバッテリー最大充放電電力として設定した場合、バッテリー電圧が保護電圧（過電圧又は、不足電圧）に到達するため、昇温させるべきバッテリーが電気的に切り離されてしまう可能性があった。

　そこで、実施形態は、動力分割結合機構を備え、バッテリー充放電電力をフィードバック制御し、主回路バッテリーを短時間で昇温させ、且つ所望する車両要求トルクを出力する車両を提供する。

　実施形態による車両は、機械エネルギーを出力する内燃機関と、サンギア及びリングギアを含むギア機構を備え、前記機械エネルギーを分割して出力する動力分割機構と、前記機械エネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーに変換する発電機と、前記発電機の動作を制御するコンバータと、前記コンバータと直流リンクを介して電気的に接続されるインバータと、前記直流リンクに電気的に接続した主回路バッテリーと、前記インバータから供給された電気エネルギーにより駆動されるモータと、前記モータの回転軸と機械的に接続され、該モータが発生した機械エネルギーと前記動力分割機構から分割され伝達部材を介して伝達された機械エネルギーとを結合する動力結合機構と、前記動力結合機構により結合された機械エネルギーにより駆動される車軸と、前記主回路バッテリーの温度を制御する制御部と、を具備し、前記制御部は、予め設定された、前記主回路バッテリーから検出されたバッテリー温度とＳＯＣ（State Of Charge）推定値とに対応して定義されたバッテリー最大放電電力及びバッテリー最大充電電力のそれぞれの電力マップと、予め設定された、前記主回路バッテリーのバッテリー温度に対応して定義されたＳＯＣ上限値とＳＯＣ下限値によるＳＯＣ使用可能範囲マップと、検出されたバッテリー温度から前記ＳＯＣ使用可能範囲マップを用いて設定されたＳＯＣ上限値及びＳＯＣ下限値に対して、前記バッテリーＳＯＣ推定値が前記ＳＯＣ上限値以上の場合は、バッテリー放電指令を出し、前記バッテリーＳＯＣ推定値が前記ＳＯＣ下限値以下の場合は、バッテリー充電指令を出す充放電指令部と、前記バッテリー放電指令が出された場合は、前記電力マップから選択された前記バッテリー最大放電電力を昇温時のバッテリー出力目標値に設定し、前記バッテリー充電指令が出された場合は、前記電力マップから前記バッテリー最大充電電力を昇温時のバッテリー出力目標値に設定するバッテリー出力目標設定部と、前記昇温時のバッテリー出力目標値と、前記主回路バッテリーから検出されたバッテリー出力検出値との差から、昇温時のバッテリー出力補正値を算出するバッテリー出力補正部と、前記バッテリー出力補正値にＰＩ制御を行い、発電機トルクを補正するための直流リンクパワー補正値を演算するＰＩ制御部と、前記直流リンクパワー補正値と前記動力分割機構の前記サンギアのギア数及び前記リングギアのギア数と、前記モータ及び発電機の回転数にて発電機トルク補正値を演算するトルク補正部と、前記発電機トルク補正値と、前記サンギアのギア数及び前記リングギアのギア数と、前記モータ及び発電機の回転数にて内燃機関出力を補正する内燃機関出力補正部と、を備え、車両要求トルクを満たしつつ、前記主回路バッテリーの出力を目標値に制御して、主回路バッテリーを昇温する。

図１は、一実施形態に係るハイブリッド車両の駆動システムの概念的な構成を示す図である。図２は、駆動システムのハイブリッドコントローラの概念的な構成を示す図である。図３は、ハイブリッドコントローラにおけるバッテリー温度制御部の概念的な構成を示す図である。図４は、ハイブリッドコントローラにおける発電機及びモータトルクの指令演算を行う構成を示す図である。図５は、駆動システムの内燃機関の動作ポイントを概念的に示す図である。図６は、駆動システムのバッテリー出力制限値の決定に用いる特性を示す図である。図７は、バッテリー最大放電電力マップの一例を示す図である。図８は、主回路バッテリーの昇温とバッテリーＳＯＣ使用可能範囲を推移を時系列的に示す図である。図９は、図８に基づく主回路バッテリーのバッテリー温度で規定されたＳＯＣ上限値とＳＯＣ下限値によるＳＯＣ使用可能範囲を示す図である。

　以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。　
　［第１の実施形態］
　図１は、第１の実施形態に係るハイブリッド車両の駆動システムにおける概念的な構成を示すブロック図である。本実施形態の車両は、内燃機関及び主回路バッテリーにより駆動されるモータを動力源とし、サンギアを含む遊星ギア機構の動力分割結合機構を備えるハイブリッド車両である。

　この駆動システム１は、主たる動力源となる内燃機関２と、内燃機関２により発生させた機械エネルギーを分割及び結合する動力伝達システム３と、動力伝達システム３内に設けられ補助的動力源となるモータ４と、動力伝達システム３と車軸５を介して連結するホイール６と、駆動システム１内の構成部位の制御を行うハイブリッドコントローラ［制御部］７と、で構成される。ここで、内燃機関２は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等のエンジンやガスタービン等の内部で化石燃料を燃焼させて機械エネルギーを発生する動力源である。この例では、主たる動力源を内燃機関２とし、補助的な動力源をモータとして説明しているが、反対に、主たる動力源をモータ４とし、補助的な動力源を内燃機関２とする構成も可能である。

　動力伝達システム３は、機械エネルギーを少なくとも二分する動力分割機構８と、分割された一方の機械エネルギーを交流、例えば３相交流の電気エネルギーに変換する発電機９と、発電機９を制御し交流から直流の電流電圧を生成するコンバータ１０と、直流の電流電圧（電気エネルギー）を伝送するための直流リンク１１と、直流から交流、例えば３相交流の電流電圧を生成し、モータ４の駆動を制御するインバータ１２と、モータ４により発生された補助的機械エネルギーと動力分割機構８に分割されて伝達部材１３により伝達される他方の機械エネルギーとを結合する動力結合機構１４と、で構成される。　
　この動力結合機構１４により結合された機械エネルギーは、車軸５を介してホイール６を回転させる。尚、以下の説明において、機械エネルギー及び電気エネルギーは、区分の必要が無い場合には、動力又はパワーと称して説明する。

　本実施形態における動力分割機構８及び動力結合機構１４は、遊星ギア機構で構成されている。この遊星ギア機構は、公知な構成であり、例えば、サンギアＳと、サンギアＳに外接したプラネタリアギアＰと、プラネタリアギアＰが内接するリングギアＲと、プラネタリアギアＰの軌道に沿って回転するプラネタリキャリアＣと、を備えている。本実施形態では、プラネタリキャリアＣは、内燃機関２で生成された機械エネルギーにより回転する。サンギアＳの回転動力は発電機９へ伝達される。リングギアＲの回転動力は、伝達部材１３を通じて動力結合機構１４に伝達される。

　発電機９は、動力分割機構８のサンギアＳを介して供給される機械エネルギーＰを３相交流電力の電気エネルギーに変換する。コンバータ１０は、発電機９による発電動作を制御する制御機能を有し、発電機９から出力された３相交流電力を直流電力に変換する。また、インバータ１２は、直流リンク１１から供給された直流電力を交流電力に変換してモータ４へ出力する。また、インバータ１２は、回生動作するモータ４から供給された交流電力を直流電力に変換して直流リンク１１へ出力する。

　本実施形態のモータ４は、インバータ１２から供給される交流電力により駆動され、電気エネルギーを機械エネルギーに変換して動力結合機構１４へ出力する。但し、モータ４は、交流により駆動されるモータに限定されるものではなく、駆動電力は、パルス波等であっても用いることは可能である。

　さらに、コンバータ１０とインバータ１２を連結する直流リンク１１には、主回路バッテリー１５がコンタクタ１６を介して接続される。コンタクタ１６は、公知な電磁接触器であり、電磁力を利用した開放により、主回路バッテリー１５を電気的に切り離すことができる。コンタクタ１６を動作させる制御信号をバッテリー開放信号とする。以下の説明において、主回路バッテリー１５を電気的に切り離すことと、コンタクタ１６を開放することは同義であるものとする。

　他にも、この直流リンク１１には、図示しないエアコン等の補機に電気エネルギーを供給する補機パワーユニット（ＡＰＵ）１７が接続されている。主回路バッテリー１５は、充電池で有り、例えば、複数の２次電池セルを含む組電池で構成され、発電機９による充填が可能である。主回路バッテリー１５は、情報送信機能が付加され、ハイブリッドコントローラ７へバッテリー温度、バッテリーＳＯＣ（State Of Charge：充電率）推定値、及びバッテリー出力検出値等の情報を提供し、補機パワーユニット１７は、ハイブリッドコントローラ７へ補機消費電力検出値を提供する。

　ハイブリッドコントローラ７は、システム全体の制御を統括し、以下に説明する演算処理を行っている。例えば、ハイブリッドコントローラ７は、演算機能やメモリ機能を有する情報処理機器（例えば、コンピュータ等）及びメモリ（図示せず）により構成され、図２には、一例となるブロック構成を示す。

　このハイブリッドコントローラ７は、システムパワー／車両要求トルク演算部２１と、内燃機関出力演算部２２と、加算部２３と、リミッタ部２４と、内燃機関動作点決定部２５と、発電機／モータトルク指令演算部（以下、トルク指令演算部と称する）２７とを有している。このトルク指令演算部２７内には、後述するバッテリー温度制御部２８が含まれている。ハイブリッドコントローラ７は、運転者によるトルク要求・解除指令とモータ回転数より、システムパワー要求と車両要求トルクを演算する。

　次に、システムパワー要求とバッテリーＳＯＣ推定値及びバッテリー温度から内燃機関出力要求を演算する。内燃機関２は、ＳＯＣと温度により決定されるバッテリー最大出力の制約条件のもと、極力、内燃機関２の効率が高いポイントで出力させる。つまり、基本的には、バッテリー出力を明示的に制御しない。

　以下、図２乃至図４を参照して本実施形態の車両における、それぞれの構成部位における指令及び信号の流れについて説明する。図２は、駆動システムのハイブリッドコントローラの概念的な構成を示すブロック図、図３は、ハイブリッドコントローラにおけるバッテリー温度制御部の概念的な構成を示すブロック図、及び、図４は、ハイブリッドコントローラにおける発電機及びモータトルクの指令演算を行う構成を示すブロック図である。

　まず、図２に示すシステムパワー／車両要求トルク演算部２１は、運転者が車両の運転状況（登坂や加減速等）に応じた運転操作から出されるトルク要求・解除指令とモータ４の回転数の情報とが入力され、どの程度の動力（パワー）が必要であるかを示唆するシステムパワー要求及び車両要求トルクを出力する。

　このシステムパワー要求と、主回路バッテリー１５の残容量となるＳＯＣ推定値及びバッテリー温度の情報に基づき、内燃機関出力演算部２２により内燃機関出力要求が演算される。この演算結果は、加算部２３により後述する内燃機関出力補正値が加えられて、リミッタ部２４に出力される。

　リミッタ部２４は、内燃機関出力補正値により補正された内燃機関出力要求（内燃機関出力要求値）に対して、内燃機関出力要求をゼロ値から内燃機関２の最大出力値（Pe_max）までの範囲内に制限するように補正する。補正された値は、内燃機関動作点決定部２５及び、トルク指令演算部２７へ補正された内燃機関要求出力値として出力される。

　内燃機関動作点決定部２５は、この内燃機関出力要求を用いて、図５に示す内燃機関動作ポイントに従って内燃機関回転数から求めた内燃機関速度指令を内燃機関２へ出力する。尚、図５は、駆動システムの内燃機関の動作ポイントを概念的に示すものであり、具体的には、内燃機関回転数に対する内燃機関出力による内燃機関の最適動作ラインを示している。ここでは、最適動作ライン上で任意に離散的に設定された内燃機関動作ポイント８１ａ，８１ｂ，８１ｃを示している。この例では、バッテリー出力性能で許容される範囲内で効率の高い領域に内燃機関動作ポイント８１ａを設定している。

　また、減算部２６は、リミッタ部２４より出力された補正された内燃機関要求出力から、加算部２３より出力された内燃機関要求出力値を減算して、その差を内燃機関最大出力超過値として、トルク指令演算部２７へ出力する。　
　トルク指令演算部２７は、バッテリー温度制御部２８を含み、前述したバッテリー温度、ＳＯＣ推定値、バッテリー出力検出値及び、補機消費電力検出値の他に、モータ回転数、発電機回転数、内燃機関最大出力超過値、車両要求トルク及び補機消費電力検出値が入力され、後述する演算処理により、発電機トルク指令、モータトルク指令及び発電機トルク指令補正値を演算出力する。

　ここで、後述する各電力マップについて説明する。　
　図７は、バッテリー最大放電電力マップの一例を示す図である。バッテリー温度（－３０℃～＋５０℃）とバッテリーＳＯＣ（１０％～１００％）の関係に対して、主回路バッテリー１５の最大放電電力（Pbat_max_XX、XX:11～A9）が設定されている。図７における最大放電電力の設定は、バッテリー温度－３０℃から＋４０℃に向かい、電力値が大きくなり、且つバッテリーＳＯＣが１０％から１００％に向かい電力値が大きくなるように設定される。つまり、電力値の設定例としては、バッテリー温度においては、Pbat_max_59＜Pbat_max_52（SOC50%）となり、バッテリーＳＯＣにおいては、Pbat_max_14＜Pbat_max_A4(20℃)の関係となる。

　従って、放電の電力値の分布においては、バッテリー温度－３０℃及びバッテリーＳＯＣが１０％の条件が最も電力値が小さくなり、バッテリー温度４０℃及びバッテリーＳＯＣ１００％の条件が最も電力値が大きくなるように設定される。尚、本実施形態では、通常状態において、バッテリー温度が４０度までを使用範囲として設定しているため、４０℃を超えた場合には、温度上昇の抑制や冷却が必要となる。従って、バッテリー温度４０℃よりも５０℃の方がバッテリーＳＯＣは小さく設定されている。勿論、この設定は、主回路バッテリーの性能により異なり、一律的に限定されるものではない。

　また、バッテリー最大充電電力マップの電力値においては、バッテリー最大放電電力マップとは逆の分布になり、バッテリーＳＯＣが大きいほど充電電力は小さくなり、バッテリー温度が高いほど充電電力は小さくなる。従って、充電の電力値の分布においては、バッテリー温度４０℃及びバッテリーＳＯＣが１０％の条件が最も電力値が大きくなり、バッテリー温度－３０及びバッテリーＳＯＣ１００％の条件が最も電力値が小さくなるように設定される。

　本実施形態において、バッテリー温度に対して実用的なバッテリーＳＯＣは、図７に示す太線枠で囲まれた範囲内に設定されている。例えば、バッテリー温度が－３０℃であれば、バッテリーＳＯＣは、５０％であり、バッテリー温度が０℃であれば、バッテリーＳＯＣは、３０％～６０％であり、バッテリー温度が４０℃であれば、バッテリーＳＯＣは、３０％～８０％である。これらのバッテリー温度に対するＳＯＣの実用範囲及び電力値は、主回路バッテリーの特性により、適宜設定されるものであり、図７に示す例に限定されるものではない。

　また、図８は、主回路バッテリーの昇温とバッテリーＳＯＣ使用可能範囲の推移を時系列的に示す図である。図９は、図８に基づく主回路バッテリーのバッテリー温度で規定されたＳＯＣ上限値とＳＯＣ下限値によるＳＯＣ使用可能範囲を示す図である。　
　図８は、主回路バッテリー１５の昇温特性（℃）に対するバッテリーＳＯＣ（％）の上限値と下限値の一例を示している。後述する手法により時間経過と共に主回路バッテリー１５が－２０℃～３０℃に昇温した際のバッテリーＳＯＣ（％）の上限値と下限値の変化を時系列的に示している。図９は、図８の特性において、任意のバッテリー温度に対する主回路バッテリー１５のＳＯＣ下限値とＳＯＣ上限値による使用可能な範囲を数値的に示すＳＯＣ使用可能範囲マップである。この例では、バッテリーＳＯＣの範囲が主回路バッテリー１５の昇温と共に、ＳＯＣ下限値が下がり、ＳＯＣ上限値が上がることから、ＳＯＣの範囲が昇温と共に広がる傾向が読み取れる。

　図３を参照して、トルク指令演算部２７内に設けられるバッテリー温度制御部２８について説明する。このバッテリー温度制御部２８は、後述するバッテリー出力制御部６６へ直流リンクパワー補正値を出力する。

　まず、シュミットトリガ部３１は、切替スイッチ３２の入力端１，０に、最大バッテリー温度（又は最高バッテリー温度）及び最低バッテリー温度がそれぞれ入力する。また、シュミットトリガ部３１は、主回路バッテリー１５における最高バッテリー温度に対して、ヒステリシス特性を有する閾値を利用して揺らぎを無くした検出信号を切替信号として切替スイッチ３２の切替端子に出力する。切替スイッチ３２により選択された最高又は最低バッテリー温度（以下、バッテリー温度とする）は、ＳＯＣ設定部３３、ＳＯＣ上限値マップ３７、ＳＯＣ下限値マップ４０、バッテリー最大放電電力マップ５１、バッテリー最大充電電力マップ５２及び、シュミットトリガ部５８へそれぞれ出力する。最高バッテリー温度及び最低バッテリー温度は、駆動システム１内又は車両内の何れかで計測される測定温度である。ＳＯＣ上限値マップ３７及びＳＯＣ下限値マップ４０は、前述したバッテリー最大充電電力マップと同様に、例えば、図９に示すようなバッテリー温度とバッテリーＳＯＣが展開するマップである。

　ＳＯＣ設定部３３は、バッテリー温度の入力に従い、予め設定したＳＯＣ設定値を加算部３５及び減算部４２へ出力する。加算部３５では、ＳＯＣ設定値に対して、任意の幅を有する固定値であるΔＳＯＣを加算する。このΔＳＯＣは、微小なＳＯＣの値、例えば、１％程度の固定値であり、これを設定値に加算する。また、減算部４２においては、設定値からΔＳＯＣを減算する。このような加減算により、設定値に微小な範囲（幅）を持たせることができる。例えば、ＳＯＣ設定値が５０％であれば、４９％～５１％の幅を持たせたＳＯＣ設定値で充放電を行う。この狭い幅を持たせることで、短時間で充放電が切り替えられて、放電最大出力又は充電最大出力による広い幅で充放電させるよりも効率的で素早い温度上昇が期待できる。

　加算部３５で上限側に振られたＳＯＣ設定値（例えば、５１％）は、急速昇温に用いられる切替スイッチ３６の一方の入力端１に入力される。また、他方の入力端０には、ＳＯＣ上限値マップ３７から出力されたＳＯＣ上限値が入力される。同様に、減算部４２で下限側に振られたＳＯＣ設定値（例えば、４９％）は、急速昇温に用いられる切替スイッチ４３の一方の入力端１に入力される。また、他方の入力端０には、ＳＯＣ下限値マップ４０から出力されたＳＯＣ下限値が入力される。これらの切替スイッチ３６，４３は、共に、運転者の操作により発信される急速昇温要求信号により切り替えられる。これらのＳＯＣ上限値マップ３７とＳＯＣ下限値マップ４０によりバッテリーＳＯＣの上下限設定部を構成する。

　切替スイッチ３６から出力されるＳＯＣ設定値又はＳＯＣ上限値は、比較部３８に入力され、バッテリーＳＯＣ推定値（以下、ＳＯＣ推定値とする）と比較される。この比較でＳＯＣ推定値≧ＳＯＣ設定値又は、ＳＯＣ推定値≧ＳＯＣ上限値の場合には、フリップフロップ回路３９へセット信号Ｓが出力される。また同様に、切替スイッチ４３から出力されるＳＯＣ設定値又はＳＯＣ下限値は、比較部４４に入力され、ＳＯＣ推定値と比較される。この比較で、ＳＯＣ推定値≧ＳＯＣ設定値又は、ＳＯＣ推定値≧ＳＯＣ下限値の場合には、フリップフロップ回路３９へリセット信号Ｒが出力される。このフリップフロップ回路３９は、バッテリー放電指令として後述する切替スイッチ５３の切替端子に入力する。このフリップフロップ回路３９は充放電指令部である。

　また、バッテリー最大放電電力マップ５１には、切替スイッチ３２から最高バッテリー温度又は最低バッテリー温度が入力し、さらに、ＳＯＣ推定値が入力される。バッテリー最大放電電力マップ５１は、図７に示したバッテリー温度とバッテリーＳＯＣ（ＳＯＣ推定値）により、予め設定されたバッテリー最大放電電力（Pbat_max）が選択されて、切替スイッチ５３の一方の入力端１及び可変リミッタ部５４へ出力される。

　同様に、バッテリー最大充電電力マップ５２には、切替スイッチ３２から最高バッテリー温度又は最低バッテリー温度と、さらにＳＯＣ推定値とが入力される。バッテリー最大充電電力マップ５２は、バッテリー温度とバッテリーＳＯＣ（ＳＯＣ推定値）により、予め設定されたバッテリー最大充電電力が選択されて、切替スイッチ５３の他方の入力端０及び可変リミッタ部５４へ出力される。これらのバッテリー最大放電電力マップ５１及びバッテリー最大充電電力マップ５２は、電力演算部とする。

　切替スイッチ５３は、前述したバッテリー放電指令により切り替えられて、バッテリー最大放電電力又はバッテリー最大充電電力が減算部５５にバッテリー出力目標値（昇温時）として出力される。切替スイッチ５３は、バッテリー出力目標設定部である。減算部５５は、バッテリー出力検出値（＋放電、－充電）からバッテリー出力目標値を減算して、切替スイッチ５７の一方の入力端に出力する。

　また、可変リミッタ部５４は、バッテリー最大放電電力マップ５１の出力値を上限とし、バッテリー最大充電電力マップ５２の出力値を下限として範囲制限を行い、その範囲内のバッテリー出力検出値を出力する。可変リミッタ部５４から出力されたバッテリー出力検出値は、減算部５６に出力される。減算部５６は、可変リミッタ部５４の通過前の現在のバッテリー出力検出値から上下限の制限を受けたバッテリー出力検出値を減算する。この減算による差は、現在のバッテリー出力検出値における超過分であり、バッテリー出力補正値（温度昇温抑制時）として、切替スイッチ５７の他方の入力端０に出力される。尚、減算部５６は、この超過分が発生しない限り、バッテリー出力補正値はゼロであり、直流リンクパワーの補正は行わない。尚、これらの減算部５５，５６は、バッテリー出力目標設定部とする。

　切替スイッチ５７は、切替スイッチ３２から出力されたバッテリー温度に基づくシュミットトリガ部５８の出力により、切替動作される。この切替動作により、昇温時又は昇温抑制時のバッテリー出力補正値が加算部５９に出力される。加算部５９は、この温時又は昇温抑制時のバッテリー出力補正値に、前述した減算部２６（図２参照）から出力された内燃機関最大出力超過値を加算して、バッテリー出力補正値としてＰＩ制御部６０に出力する。ＰＩ制御部６０は、ＰＩ制御（比例積分制御又は、比例積分処理とする。）によりオフセットを抑制しつつ、予め設定された直流リンクパワー補正値を生成する。ＰＩ制御部６０は直流リンクパワー補正部とする。本実施形態のシステム構成においては、減算部５５及びＰＩ制御部６０と、減算部５６及びＰＩ制御部６０とが、それぞれフィードバック制御の機能を果たしている。

　次に、図４を参照して、トルク指令演算部２７における信号及び指令の信号処理について説明する。　
　まず、除算部６１は、リミッタ部２４から出力された補正された燃料機関出力要求を、内燃機関２から出力された内燃機関回転数で除算して、内燃機関トルク要求として算出する。次に、乗算部６２は、この内燃機関トルク要求に対して、－Ｇｓ／（Ｇｒ＋Ｇｓ）の比を乗算して発電機トルク指令１を算出する。ここで、Ｇｓ：サンギアのギア数、Ｇｒ：リングギアのギア数とする。

　さらに、減算部６３において、発電機トルク指令１から、後述するバッテリー出力制御部６６による発電機トルク補正値が減算されて、発電機トルク指令２が演算される。発電機トルク指令２は、発電機トルク指令としてコンバータ１０（図１参照）及び乗算部６４に出力される。乗算部６４では、発電機トルク指令２に、－Ｇｒ／Ｇｓの比を乗算してリングギアトルクとして、減算部６５に出力する。減算部６５では、車両要求トルクからリングギアトルクが減算され、モータトルク指令としてインバータ１２（図１参照）に出力される。

　このようなバッテリー温度制御部２８から出力された直流リンクパワー補正値は、バッテリー出力制御部６６の乗算部６７に入力される。乗算部６７は、直流リンクパワー補正値にサンギアのギア数Ｇｓを乗算し、その乗算結果を除算部６８に出力する。

　また、乗算部６９において、モータ回転数にリングギアのギア数Ｇｒを乗算し、加算部７１に出力すると、共に、乗算部７０において、発電機回転数にサンギアのギア数Ｇｓを乗算して、加算部７１に出力する。加算部７１は、それぞれの乗算部６９、７０からの出力値の加算し、その加算結果を除算部６８に出力する。除算部６８は、直流リンクパワー補正値とサンギアのギア数Ｇｓの乗算結果を、加算部７１による加算結果で除算し、発電機トルク補正値として算出する。この発電機トルク補正値は、前述した減算部６３、及び乗算部７２に出力される。乗算部７２では、発電機トルク補正値に１／Ｇｓを乗算して、乗算部７３に出力する。乗算部７３は、加算部７１の加算結果に乗算部７２の乗算結果に掛け合わせて内燃機関出力補正値を算出する。乗算部７３は、内燃機関出力補正部とする。トルク指令演算部２７は、この内燃機関出力補正値を加算部２３に出力する。

　次に、前述したように構成された車両の駆動システム１における主回路バッテリー１５のバッテリー温度制御方法について説明する。　
　まず、駆動システム１の起動に際して、主回路バッテリー１５の温度検出を行い、昇温が必要な温度か否かを判断し、昇温が必要と判断した場合には、主回路バッテリー１５に対して、後述する放電電圧及び充電電圧による放電及び充電を繰り返し行い、主回路バッテリー１５の温度上昇又は抑制して好適な温度に制御する。主回路バッテリー１５の昇温作業が必要となる温度は、一例として、次のように決定する。

　本実施形態では、図５に示すように、内燃機関動作ポイント８１ａは、内燃機関出力を車両要求出力に応じて、段階的又は線形的に変化させることで、内燃機関２が極力、高効率の領域内で動作するよう制御する。この制御において、車両要求出力（トルク要求・解除指令）と内燃機関出力の差は、主回路バッテリー１５が補完する。しかし、バッテリー温度が低下していると、本来のバッテリー最大充放電電力も低下しているため、内燃機関２が理想的な内燃機関動作ポイント８１ａで動作できなくなり、燃費の低下を招く。

　本実施形態では、主回路バッテリー１５は、内燃機関２が理想的なポイントで動作するために必要なバッテリー充放電電力を出力可能な温度まで昇温される。なお、昇温を実施する判断は、主回路バッテリー１５が駆動システム１内に組み込まれた構成であるため、駆動システム１内で検出される最低温度を判断基準として採用している。

　次に、検出されたバッテリー温度に基づき、バッテリーＳＯＣの上限値と下限値を決定し、ＳＯＣ推定値が、ＳＯＣ上限値以上の場合には、バッテリー放電指令をセットし、主回路バッテリー１５の放電を行う。一方、ＳＯＣ推定値が、ＳＯＣ下限値以下の場合には、バッテリー放電指令をリセットしてバッテリー充電指令により主回路バッテリー１５の充電を行う。

　ここで、バッテリー昇温制御を行う温度域のＳＯＣ上限値及び下限値は、バッテリー充放電電力がゼロとなるＳＯＣに設定するのではなく、必要最小限の出力可能なＳＯＣに設定することが好ましい。（例えば下限値の場合、内燃機関のクランキングに必要な出力が可能なＳＯＣの値。）　
　また、可能な限り早く昇温したい場合は、急速昇温要求信号を発して、バッテリー温度における最大充電電力と最大放電電力の和が最大となるＳＯＣを目標値に設定し、そのＳＯＣ目標値を中心として、前述したΔＳＯＣとなる１％の固定値を増減した微小なＳＯＣ範囲で、最大充電電力と最大放電電力を繰り返してもよい。さらに、バッテリー温度とＳＯＣ推定値より、前述した図３及び図７に示したバッテリー最大放電電力マップ５１とバッテリー最大充電電力マップ５２を用いて、主回路バッテリー１５の最大放電電力と、最大充電電力を決定する。

　ここで、フリップフロップ回路３９から出力されるバッテリー放電指令となる切替信号（ＯＮ信号）が切替スイッチ５３の切替端子に入力された場合、バッテリー最大放電電力がバッテリー出力目標値に設定される。一方、バッテリー放電指令のＯＦＦ信号が切替スイッチ５３の切替端子に入力された場合には、バッテリー最大放電電力がバッテリー出力目標値に設定される。

　この設定後に、減算部５５において、バッテリー出力検出値からバッテリー出力目標値を引いた差をバッテリー出力補正値とする。このバッテリー出力補正値をＰＩ制御部６０に通して、直流リンクパワー補正値として算出し、バッテリー出力制御部６６に出力する。この減算部５５は、バッテリー出力補正部とする。

　次に、バッテリー出力制御部６６は、入力された直流リンクパワー補正値を、モータ回転数と発電機回転数の加算値で除算し、発電機トルク補正値として算出する。バッテリー出力制御部６６は、発電機トルク補正部とする。この発電機トルク補正値に動力分割機構のギア比（－Ｇｓ／（Ｇｒ＋Ｇｓ））を乗算して、発電機トルク指令２を算出する。また同様に、発電機トルク補正値に動力分割機構のギア比（１／Ｇｓ）を乗算し、さらにモータ回転数と発電機回転数の加算値を乗算させて、内燃機関出力補正値を算出する。また、発電機トルク指令２に動力分割機構のギア比（－Ｇｒ／Ｇｓ）を乗算してリングギアトルクを算出する。車両要求トルクから、このリングギアトルクを減算して、モータトルク指令を算出する。

　尚、内燃期間出力要求が、内燃機関出力補正値を用いて補正されることで、内燃機関最大出力を超えた場合は、リミッタ部２４及び減算部２６を用いて、内燃機関最大出力超過値を算出する。さらに、図３に示す加算部５９を用いて、内燃機関最大出力超過値にバッテリー出力補正値を加算して、ＰＩ制御部６０における飽和を防止してもよい。

　以上説明したように、本実施形態の車両は、バッテリー温度とＳＯＣ推定値により、バッテリー最大充放電電力を演算して、バッテリー出力目標値として設定する。またフィードバック制御を用いて、検出したバッテリー出力検出値とバッテリー出力目標との差であるバッテリー出力補正値を用いて、ＰＩ制御器により直流リンクパワー補正値を演算出力する。この直流リンクパワー補正値で発電機トルクと内燃機関出力を補正することで、車両要求トルクを出力する。補機負荷変動などの外乱が発生した際も、バッテリー充放電電力を目標値に制御することで、主回路バッテリーを保護電圧に到達させることなく、短時間でのバッテリー昇温を行うことができる。さらに、外乱等が発生した場合であっても、バッテリー最大充放電電力を出力可能となり、従来よりも短時間で主回路バッテリーを昇温させることができる。

　［第２実施形態］
　第２の実施形態は、前述した第１の実施形態と同等の構成であり、同じ参照符号を用いて説明する。　
　本実施形態においては、駆動システム１は、主回路バッテリー１５を所望のバッテリー出力が出力可能となるまで昇温させて、内燃機関効率が優先するように制御する。このとき、車両要求出力（トルク要求・解除指令）と内燃機関出力の差は、主回路バッテリー１５が補完する。しかし、外気温や主回路バッテリー１５の冷却性能、バッテリー出力パターンによっては、バッテリー温度が徐々に上がり、保護温度まで到達する可能性がある。これを防ぐため、バッテリー温度が設定温度よりも高温時には、バッテリー出力を制限する。この設定温度は、システムの設計時に適宜、決定される値であり、例えば、４０℃に設定される。

　このバッテリー出力の制限において、まず、バッテリー温度制御部２８は、バッテリー最大放電電力マップ５１及びバッテリー最大充電電力マップ５２を用いて、バッテリー温度とバッテリーＳＯＣからバッテリー出力の上限値及び下限値を設定する。次に、バッテリー出力検出値からの超過分を算出して、この超過分をバッテリー出力補正値とする。ＰＩ制御部６０は、バッテリー出力補正値から直流リンクパワー補正値を演算する。

　発電機／モータトルク指令演算部２７（以下、トルク指令演算部２７と称する）は、直流リンクパワー補正値、モータ回転数、発電機回転数及び動力分割機構のギア比から、発電機トルク補正値と内燃機関出力補正値を演算する。

　これら発電機トルク補正値と内燃機関出力補正値を用いることにより、車両要求トルクを出力しつつ、バッテリー充放電電力を制御することが可能になる。さらに、主回路バッテリー１５が高温側の温度保護まで到達しない場合には、駆動システム１を内燃機関中心に動作させることが可能となり、車両の燃費向上が実現できる。尚、高温側のバッテリー出力制限値は、低温時と同じようにマップを作成して利用してもよい。

　高温側の出力制限値の決定方法としては、まず、図６に示すポイント８２ｂの高温保護の温度より数℃低い温度状態になるように、バッテリー出力をゼロに設定する。次に、主回路バッテリー１５の期待寿命に基づき、図６に示すポイント８２ｃの通常使用最大温度を定義する。この通常使用最大温度と想定する最大環境温度及び、バッテリーシステムの熱抵抗より、バッテリーシステムの冷却能力を算出する。そして、バッテリー寿命末期にて、この冷却能力と釣り合う熱量を発生させるバッテリー出力を制限値とする。

　また、バッテリー温度制御部２８は、車両の停車時において、現在のバッテリー温度と３時間後の予測される環境温度とバッテリーシステムの冷却能力から、主回路バッテリー１５の３時間後の温度を予測し、その予測したバッテリー温度とバッテリーＳＯＣとから、バッテリー最大放電電力を算出する。このバッテリー最大放電電力がエンジンクランキングに必要な電力に満たない場合には、エンジンクランキングに必要な電力が発生するまで、バッテリーＳＯＣを高める。この処理を３時間ごとに行うことで、車両の長期的な停止状態においても、エンジンクランキングできないことを防止することができる。また、反対に、車両が極低温環境下にあり、バッテリーＳＯＣを高めても、必要な電力を出せない場合は、エンジンクランキングに必要な電力までＳＯＣを調整する際、バッテリーの昇温動作が行われる。

　前述した停車中のバッテリー昇温動作の際に、動力分割機構８とモータ４とホイール６を連結させた状態で、ホイール６をロックすることで、リングギアＲが回らないようにする。そして、内燃機関２から発電機９を制御して主回路バッテリー１５を充電した後、動力分割機構８とモータ４をホイール６から切り離して、テリーングギアとモータ４をフリーで回転可能にし、内燃機関２を停止した状態で主回路バッテリー１５から放電してモータ４を目標速度まで上昇させる。目標速度に到達した後、モータ４および周辺ギアの運動エネルギーを用いて、モータ４を回生することで回収して主回路バッテリー１５を充電する。この操作を繰り返し行い、バッテリー充放電を行うことで内燃機関２の燃料消費を極力抑えつつ、主回路バッテリー１５を昇温することができる。

　また、図６に示すポイント８２ｂとポイント８２ｃを直線で繋ぎ、予め設定されるバッテリーシステム最大出力とクロスするポイント８２ａまで延長する。このポイント８２ａを高温側のバッテリー出力制限開始温度とする。図６に示す特性図の直線ラインに基づき、バッテリー温度に対するバッテリー出力制限値を決定する。尚、駆動システム１内の主回路バッテリー１５は、１つに限定されるものではなく、複数の主回路バッテリー１５を搭載した構成又は、設置場所によっては、冷却条件が異なってくるため、多少の温度ばらつきが発生する。このため、主回路バッテリー１５は、低温側において駆動システム１内の最低温度を検出温度とし、反対に高温側においては、駆動システム１内の最高温度を検出温度と設定することが好ましい。

　以上説明した本実施形態によれば、発電機トルク補正値と内燃機関出力補正値を用いることにより、車両要求トルクを出力しつつ、バッテリー充放電電力を制御することが可能になる。さらに、主回路バッテリー１５が高温側の温度保護まで到達しない場合には、駆動システム１を内燃機関中心に動作させることが可能となり、車両の燃費向上が実現できる。尚、高温側のバッテリー出力制限値は、低温時と同じようにマップを用いてもよい。

１…駆動システム、２…内燃機関、３…動力伝達システム、４…モータ、５…車軸、６…ホイール、７…ハイブリッドコントローラ、８…動力分割機構、９…発電機、１０…コンバータ、１１…直流リンク、１２…インバータ、１３…伝達部材、１４…動力結合機構、１５…主回路バッテリー、１６…コンタクタ、１７…補機パワーユニット、２１…システムパワー／車両要求トルク演算部、２２…内燃機関出力演算部、２３，３５…加算部、２４…リミッタ部、２５…内燃機関動作点決定部、２６，４２，５５，５６…減算部、２７…発電機／モータトルク指令演算部（トルク指令演算部）、２８…バッテリー温度制御部、３１，５８…シュミットトリガ部、３２，４３，５７…切替スイッチ、３３…ＳＯＣ設定部、３６…切替スイッチ、３７…ＳＯＣ上限値マップ、３８…比較部、３９…フリップフロップ回路、４０…ＳＯＣ下限値マップ、４４…比較部、５１…バッテリー最大放電電力マップ、５２…バッテリー最大充電電力マップ、５３…切替スイッチ、５４…可変リミッタ部、６０…ＰＩ制御部、６６…バッテリー出力制御部。

Claims

　機械エネルギーを出力する内燃機関と、
　サンギア及びリングギアを含むギア機構を備え、前記機械エネルギーを分割して出力する動力分割機構と、
　前記機械エネルギーの少なくとも一部を電気エネルギーに変換する発電機と、
　前記発電機の動作を制御するコンバータと、
　前記コンバータと直流リンクを介して電気的に接続されるインバータと、
　前記直流リンクに電気的に接続した主回路バッテリーと、
　前記インバータから供給された電気エネルギーにより駆動されるモータと、
　前記モータの回転軸と機械的に接続され、該モータが発生した機械エネルギーと前記動力分割機構から分割され伝達部材を介して伝達された機械エネルギーとを結合する動力結合機構と、
　前記動力結合機構により結合された機械エネルギーにより駆動される車軸と、
　前記主回路バッテリーの温度を制御する制御部と、
を具備し、
　前記制御部は、
　予め設定された、前記主回路バッテリーから検出されたバッテリー温度とＳＯＣ（State Of Charge）推定値とに対応して定義されたバッテリー最大放電電力及びバッテリー最大充電電力のそれぞれの電力マップと、
　予め設定された、前記主回路バッテリーのバッテリー温度に対応して定義されたＳＯＣ上限値とＳＯＣ下限値を有するＳＯＣ使用可能範囲マップと、
　検出されたバッテリー温度から前記ＳＯＣ使用可能範囲マップを用いて設定されたＳＯＣ上限値及びＳＯＣ下限値に対して、前記バッテリーＳＯＣ推定値が前記ＳＯＣ上限値以上の場合は、バッテリー放電指令を出し、前記バッテリーＳＯＣ推定値が前記ＳＯＣ下限値以下の場合は、バッテリー充電指令を出す充放電指令部と、
　前記バッテリー放電指令が出された場合は、前記電力マップから選択された前記バッテリー最大放電電力を昇温時のバッテリー出力目標値に設定し、前記バッテリー充電指令が出された場合は、前記電力マップから前記バッテリー最大充電電力を昇温時のバッテリー出力目標値に設定するバッテリー出力目標設定部と、
　前記昇温時のバッテリー出力目標値と、前記主回路バッテリーから検出されたバッテリー出力検出値との差から、昇温時のバッテリー出力補正値を算出するバッテリー出力補正部と、
　前記バッテリー出力補正値にＰＩ制御を行い、発電機トルクを補正するための直流リンクパワー補正値を演算するＰＩ制御部と、
　前記直流リンクパワー補正値と前記動力分割機構の前記サンギアのギア数及び前記リングギアのギア数と、前記モータ及び発電機の回転数にて発電機トルク補正値を演算するトルク補正部と、
　前記発電機トルク補正値と、前記サンギアのギア数及び前記リングギアのギア数と、前記モータ及び発電機の回転数にて内燃機関出力を補正する内燃機関出力補正部と、
を備え、車両要求トルクを満たしつつ、前記主回路バッテリーの出力を目標値に制御して、主回路バッテリーを昇温することを特徴とする車両。
　前記制御部は、さらに、
　検出されたバッテリー温度より、バッテリー最大放電電力とバッテリー最大充電電力の和が最大となるＳＯＣを目標値に決定し、該目標値を中心として微小な固定値を増減した範囲を設定して、前記バッテリー最大放電電力にて放電及び、前記バッテリー最大充電電力の充電を繰り返し行い、
　車両要求トルクを満たしつつ、前記主回路バッテリーの出力を前記目標値に制御して、前記主回路バッテリーを昇温することを特徴とする請求項１に記載の車両。
　前記制御部は、
　前記主回路バッテリーが設定温度よりも高温時に、
　前記バッテリー最大放電電力、又は前記バッテリー最大充電電力で求めたバッテリー出力補正値と前記バッテリー出力検出値の超過分とを加算して温度上昇抑制時のバッテリー出力補正値を求め、該バッテリー出力補正値に前記ＰＩ制御を行い、前記直流リンクパワー補正値を演算し、
　前記直流リンクパワー補正値と前記サンギアのギア数及び前記リングギアのギア数と、前記モータの回転数及び発電機の回転数と、から発電機トルク補正値を演算し、
　前記発電機トルク補正値と前記サンギアのギア数及び前記リングギアのギア数と、前記モータ及び発電機の回転数にて内燃機関出力を補正することで、
　車両要求トルクを満たしつつ、前記主回路バッテリーの出力を目標値に制御して、主回路バッテリーの温度上昇を抑制することを特徴とする請求項１に記載の車両。
　前記制御部は、
　トルク要求及びモータ回転数から算出したシステムパワー要求より内燃機関出力要求を決定し、内燃機関出力補正値を加算した値が、内燃機関の最大出力を超過した場合、内燃機関最大出力超過値を前記バッテリー出力補正値に加算することで、前記ＰＩ制御の飽和を防止することを特徴とする請求項１に記載の車両。
　前記制御部は、
　前記ＳＯＣ上限値及び前記ＳＯＣ下限値と前記バッテリー最大放電電力及び前記バッテリー最大充電電力を決定する際に、入力するバッテリー温度を、
　低温時は、前記車両内の最低バッテリー温度を使用し、
　高温時は、前記車両内の最高バッテリー温度を使用することで
　駆動システム内のバッテリー温度のばらつきによって温度又は電圧の保護による駆動システムの停止を防止することを特徴とする請求項１に記載の車両。