JP2012125051A

JP2012125051A - 電気自動車の電源制御装置

Info

Publication number: JP2012125051A
Application number: JP2010273444A
Authority: JP
Inventors: 英行 ▲高▼橋; Hideyuki Takahashi
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2012-06-28

Abstract

【課題】バッテリの劣化を防ぎつつ、効率よく電動機を使用することのできる電気自動車の電源制御装置を提供すること。
【解決手段】車両１を駆動する電動機６の電源としてバッテリ１８及びキャパシタ２０を備えた電気自動車において、バッテリ１８の状態が過負荷状態となったときには（Ｓ２）、当該バッテリ１８における充放電を制限し（Ｓ４）、この制限により生じる不足電力または余剰電力を（Ｓ５）、キャパシタ２０に分配する（Ｓ７）。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気自動車の電源制御装置に係り、詳しくは電動機（モータ）を駆動源とし、当該電動機の電源としてバッテリ及びキャパシタを備えた電気自動車の電源分配制御技術に関する。

近年、車両の駆動源としてエンジンとともに電動機を備えたハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）や、電動機のみを駆動源とする電気自動車（ＥＶ）等がある。そして、当該電動機の電源としては主にバッテリを用いているが、キャパシタを用いることも可能である。
一般に当該電動機の電源には、大充電容量と軽量・小体積の両立、すなわちエネルギー密度の高さと、様々な加速・減速パターンに対応可能な充放電特性が同時に求められる。バッテリはエネルギー密度の点に於いて良好な特性を持つが、充放電時に発熱を伴う。そのため条件によっては、自己の発熱に対する保護回路による電力的な出力制限を加える必要が生じたり、あるいはバッテリ自体の劣化を生じるという特性も併せて持つ。そのような影響は、例えば大電流の充放電や、あるいは継続的な繰り返しの充放電により引き起こされる。一方で、キャパシタは大電流の充放電や繰り返しの充放電に適しており、良好な充放電特性を持つ。反面、エネルギー密度の面に於いてバッテリには及ばず、結果として当該電気自動車に搭載可能な充電容量はバッテリに比較して小さくなる。

このような両者の特性に着目して、大電流の発生する制動時にはキャパシタへの充電を行い、急速充電を回避すべくバッテリへの充電は非制動時に行う技術がある（特許文献１参照）。

特開２０１０−２０２１８９号公報

上記特許文献１では、運転者のアクセル操作及びブレーキ操作に応じてバッテリとキャパシタとの切り換えを行っており、アクセル操作がなくブレーキ操作が行われた制動時にキャパシタへの充電を行っている。
しかしながら、例えば高速道路走行等でブレーキ操作がなく、アクセルのＯＮ、ＯＦＦ操作のみで運転が継続的に行われる場合、上記特許文献１では、バッテリにのみ負荷がかかる。さらに上記特許文献１を、アクセルＯＦＦ操作にて強力な減速駆動力を発生する設定の車両（例えば大型商用車）に適用し、さらに上記の例に示す運転条件を想定した場合、その車両特性と制御特性の結果、バッテリに大きな負荷が加わることになる。このように、バッテリに長期間あるいは強力な負荷がかかるとバッテリの温度が上昇し、バッテリ保護回路による電力的な出力制限を余儀なくされ、結果、期待される電動機駆動力の発生が不能となる、あるいはバッテリそのものの劣化が促進されるという問題がある。

本発明はこのよう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、バッテリの劣化を防ぎつつ、効率よく電動機を使用することのできる電気自動車の電源制御装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の電気自動車の電源制御装置では、車両を駆動する電動機の電源としてバッテリ及びキャパシタを備えた電気自動車の電源制御装置であって、前記バッテリ及びキャパシタとの間で、前記電動機への供給電力及び前記電動機からの充電電力を分配する電源分配手段と、前記バッテリの状態を検出する前記バッテリ状態検出手段と、前記バッテリ状態検出手段により検出されたバッテリ状態が過負荷状態を示す所定の状態にある場合に、前記バッテリにおける充放電を制限するバッテリ充放電制限手段と、前記バッテリ充放電制限手段により前記バッテリに対する充放電が制限されている場合に、前記電源分配手段により、前記バッテリへの充放電の制限により生じる前記電動機への供給不足電力または前記電動機からの余剰充電電力を前記キャパシタに分配する電源分配制御手段と、を備えることを特徴としている。

請求項２の電気自動車の電源制御装置では、請求項１において、前記バッテリ状態検出手段は、前記バッテリの温度に基づきバッテリ状態を検出するものであり、前記バッテリ充放電制限手段は、前記バッテリ状態検出手段により検出された前記バッテリの温度が所定温度以上である場合に過負荷状態と判断して、前記バッテリにおける充放電を制限することを特徴としている。

上記手段を用いる本発明の請求項１の電気自動車の電源制御装置によれば、車両を駆動する電動機の電源としてバッテリ及びキャパシタを備えた電気自動車において、バッテリの状態が過負荷状態となったときには、当該バッテリにおける充放電を制限し、この制限により生じる供給不足電力または余剰充電電力をキャパシタに分配する。

このように、バッテリの充放電制限中に、当該制限分をキャパシタが補助的に負担することで、バッテリの劣化を防ぎつつも、電動機への電力供給を維持することができ、且つ充電時においては充電電力を無駄なく回収することができ、効率よく電動機を使用することができる。
請求項２の電気自動車の電源制御装置によれば、バッテリの劣化に影響するバッテリ温度に基づきバッテリ状態を検出することで、容易且つ正確にバッテリ状態を検出できる。そして、このようなバッテリ温度に基づきバッテリの制限を行うことで、適切にバッテリの制限を行うことができ、より確実にバッテリの劣化を防ぐことができる。

本発明に係る電気自動車の電源制御装置の一実施形態における全体構成を示した概略構成図である。本発明に係る電気自動車の電源制御装置の一実施形態における車両ＥＣＵが実行する制御ルーチンを表したフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係る電気自動車の電源制御装置の概略構成図が示されている。
図１に示す車両１はパラレル式ハイブリッド型電気自動車であり、ディーゼルエンジン（以下、エンジンという）２の出力軸にクラッチ４の入力軸が連結されており、クラッチ４の出力軸には例えば永久磁石式同期電動機のように発電も可能な電動機６の回転軸を介して変速機８の入力軸が連結されている。また、変速機８の出力軸はプロペラシャフト１０、差動装置１２及び駆動軸１４を介して左右の駆動輪１６に接続されている。

なお、エンジン２は、一般的に自動車に用いられる原動機であり、ディーゼルエンジン以外のガソリンエンジンなどでも良く、ここでは特にその種類を問わない。
当該構成の車両１は、クラッチ４が接続されているときには、エンジン２の出力軸と電動機６の回転軸の両方が変速機８を介して駆動輪１６と機械的に接続され、クラッチ４が切断されているときには電動機６の回転軸のみが変速機８を介して駆動輪１６と機械的に接続される。

また、車両１には、電動機６の電源としてバッテリ１８及びキャパシタ２０が搭載されている。当該バッテリ１８は例えばリチウムイオン、ニッケル水素等の二次電池であり、キャパシタ２０は電気二重層キャパシタである。
これらバッテリ１８及びキャパシタ２０は電源分配部２２（電源分配手段、バッテリ充放電制限手段）と電気的に接続されており、当該電源分配部２２はインバータ２４を介して電動機６と電気的に接続されている。

当該電源分配部２２は、バッテリ１８とキャパシタ２０との間で、電動機６への供給電力、及び電動機６からの充電電力を分配するものである。
車両加速時等で電動機６による駆動を行うべく当該電動機６へ電力を供給する際、バッテリ１８及びキャパシタ２０は電源分配部２２により分配された割合でそれぞれ直流電力を放電し、インバータ２４により交流電力に変換されて電動機６に供給される。電動機６は、電力が供給されることによりモータとして作動し、その駆動力が変速機８によって適切な速度に変速された後に駆動輪１６に伝達されるよう構成されている。

また、車両減速時には電動機６が発電機（ジェネレータ）として機能し、駆動輪１６から逆に伝達される駆動力により電動機６が交流電力を発電するとともに、このとき電動機６が発生する回生トルクにより駆動輪１６に減速抵抗が付与される。そして、この交流電力はインバータ２４によって直流電力に変換された後、電源分配部２２において分配された分配割合でバッテリ１８及びキャパシタ２０に充電され、駆動輪１６の回転による運動エネルギが電気エネルギとして回収される。

一方、エンジン２の駆動力は、クラッチ４が接続されているときに電動機６の回転軸を経由して変速機８に伝達され、適切な速度に変速された後に駆動輪１６に伝達される。従って、エンジン２の駆動力が駆動輪１６に伝達されているときに電動機６がモータとして作動する場合には、エンジン２の駆動力と電動機６の駆動力とがそれぞれ変速機８を介して駆動輪１６に伝達されることになる。即ち、車両１の駆動のために駆動輪１６に伝達されるべき駆動力の一部がエンジン２から供給されるとともに、不足分が電動機６から供給されアシストされる。

また、バッテリ１８またはキャパシタ２０の充電率（ＳＯＣ：State of Charge）が低下してバッテリ１８またはキャパシタ２０を充電する必要があるときには、車両１の走行中であっても、電動機６を発電機として機能させるとともに、エンジン２の駆動力の一部を用いて電動機６を作動することにより発電が行われ、発電された交流電力をインバータ２０によって直流電力に変換した後に電源分配部２２において分配してバッテリ１８及びキャパシタ２０に充電することが可能である。

また、バッテリ１８及びキャパシタ２０には、それぞれ対応したバッテリＥＣＵ２６（バッテリ状態検出手段）及びキャパシタＥＣＵ２８が設けられている。
バッテリＥＣＵ２６は、バッテリ１８の温度、バッテリ１８の電圧、インバータ２４との間に流れる電流等のバッテリ状態を検出し、バッテリ１８の充電率を算出する。

キャパシタＥＣＵ２８は、キャパシタ２０の電圧、インバータ２４との間に流れる電流等のキャパシタ状態を検出し、キャパシタ２０の充電率を算出する。
また、車両１には車両ＥＣＵ３０が設けられており、当該車両ＥＣＵ３０は、上記バッテリＥＣＵ２６及びキャパシタＥＣＵ２８からの情報や、その他図示しない各種センサや各種装置からの情報が入力される。そして、当該車両ＥＣＵ３０は入力された情報に基づき各種装置の制御を行う。

例えば、車両ＥＣＵ３０は、車両の駆動に必要な駆動力を条件に応じてエンジン２と電動機６に分配し、各々の駆動力を制御する機能を有している。また、車両ＥＣＵ３０は、バッテリＥＣＵ２６において検出されるバッテリ状態に基づき、上記電源分配部２２によりバッテリ１８及びキャパシタ２０に対する電源分配制御等を行う。
以下、当該車両ＥＣＵ３０において実行される電源分配制御について詳しく説明する。

図２、３には、車両ＥＣＵにおいて実行される電源分配制御ルーチンを示すフローチャートが示されており、以下同フローチャートに沿って説明する。
図２のステップＳ１に示すように、車両ＥＣＵ３０はまずバッテリＥＣＵ２６からバッテリ情報を取得する。
続くステップＳ２において、取得したバッテリ情報から、バッテリ１８が過負荷状態にあるか否かを判別する。具体的には、バッテリ温度がバッテリ劣化の促進される所定温度より大であるか否かにより判別する。バッテリ温度が所定温度以下であり、バッテリ１８が過負荷状態にないと判断できる場合には当該判別結果は偽（Ｎｏ）となり、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、車両ＥＣＵ３０は、電源分配部２２を通常制御する。当該通常制御とは、電動機６の電源としてバッテリ１８を主として用いるよう電源分配部２２を制御するものであり、従来より行われている制御であり、詳しい説明は省略する。
一方、上記ステップＳ２において、バッテリ温度が所定温度より大であり、バッテリ１８が過負荷状態にあると判断できる場合には判別結果は真（Ｙｅｓ）となり、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、車両ＥＣＵ３０は、電源分配部２２により、バッテリ１８の過負荷状態に応じて、バッテリ１８の充放電の割合を制限する。当該制限としては、例えばバッテリ１８の温度が高くなるほどバッテリ１８への充放電割合を少なくする。
次のステップＳ５では、上記ステップＳ４においてバッテリ１８の充放電割合を制限したことで生じる電動機６への供給電力の不足における不足電力、または電動機６により回生された充電電力の余剰における余剰電力を算出する。

そして、ステップＳ６においては、キャパシタＥＣＵ２８からの情報に基づきキャパシタ２０の充電率が所定範囲内（例えば１０〜９０％）にあるか否かを判別する。当該キャパシタ充電率が所定範囲内にある場合は、当該判別結果は真（Ｙｅｓ）となり、次のステップＳ７に進む。
ステップＳ７では、上記ステップＳ５において算出した不足電力または余剰電力をキャパシタ２０により補助するように、電源分配部２２においてキャパシタ２０への分配割合を増加させる（キャパシタアシスト）。

一方、上記ステップＳ６において、キャパシタ充電率が所定範囲外にある場合には、当該判別結果は偽（Ｎｏ）となり、ステップＳ８に進む。
ステップＳ８では、電動機６へ供給する電力が不足している場合には、車両ＥＣＵ３０は電動機６への駆動力分配を停止し、当該電力不足により生じる電動機６による駆動トルク不足をエンジン２により補う（エンジンアシスト）。充電電力が余剰である場合には、車両ＥＣＵ３０は電動機６に対する回生駆動力の要求を停止あるいは低減、もしくは余剰分の充電を外部に放電する等して余剰充電を停止する。

車両ＥＣＵ３０は、以上のような制御ルーチンを繰り返すことで、バッテリ１８の過負荷時には、当該バッテリ１８の充放電を制限しつつ、当該制限により生じる供給不足電力または余剰充電電力をキャパシタ２０に分配する。キャパシタ２０はバッテリ１８に比べて短時間での充放電を効率よく行うことができるため、このような不足電力または余剰電力を即座に許容することができる。

このように、バッテリ１８の充放電制限中に、当該制限分をキャパシタ２０が補助的に負担することで、バッテリ１８の劣化を防ぎつつも、電動機６への電力供給を維持することができ、且つ充電時においては充電電力を無駄なく回収することができ、効率よく電動機６を使用することができる。
また、バッテリ１８の過負荷状態を、バッテリ１８の劣化に影響するバッテリ温度に基づきバッテリ状態を検出することで、容易且つ正確にバッテリ状態を検出できる。そして、このようなバッテリ温度に基づきバッテリ１８の制限を行うことで、適切にバッテリ１８の制限を行うことができ、より確実にバッテリ１８の劣化を防ぐことができる。

以上で本発明に係る電気自動車の電源制御装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、車両１は駆動源としてエンジン２と電動機６を備えたハイブリッド車両であるが、電動機のみを駆動源とする電気自動車にも本発明を適用可能である。

また、上記実施形態では、バッテリＥＣＵ２６にてバッテリ１８の過負荷状態をバッテリ１８の温度に基づき検出しているが、当該バッテリ状態検出手段はバッテリ温度に限られるものではない。例えば、所定期間におけるバッテリの電流積算値を演算し、当該電流積算値が所定の閾値を超えたときにバッテリが過負荷状態であると判断するものとしても構わない。
また、上記実施形態では、バッテリ１８が過負荷状態と判定された場合、バッテリ１８の温度が高くなるほどバッテリ１８への充放電割合を少なくするようにして、バッテリ１８の充放電の割合を制限しているが、バッテリ１８による充放電自体を停止し、電動機の電源としてキャパシタ２０に切り換えるようにしても構わない。

１車両
２エンジン
６電動機
１８バッテリ
２０キャパシタ
２２電源分配部（電源分配手段、バッテリ充放電制限手段）
２６バッテリＥＣＵ（バッテリ状態検出手段）
２８キャパシタＥＣＵ
３０車両ＥＣＵ（電源分配制御手段）

Claims

車両を駆動する電動機の電源としてバッテリ及びキャパシタを備えた電気自動車の電源制御装置であって、
前記バッテリ及びキャパシタとの間で、前記電動機への供給電力及び前記電動機からの充電電力を分配する電源分配手段と、
前記バッテリの状態を検出する前記バッテリ状態検出手段と、
前記バッテリ状態検出手段により検出されたバッテリ状態が過負荷状態を示す所定の状態にある場合に、前記バッテリにおける充放電を制限するバッテリ充放電制限手段と、
前記バッテリ充放電制限手段により前記バッテリに対する充放電が制限されている場合に、前記電源分配手段により、前記バッテリへの充放電の制限により生じる前記電動機への供給不足電力または前記電動機からの余剰充電電力を前記キャパシタに分配する電源分配制御手段と、
を備えることを特徴とする電気自動車の電源制御装置。
前記バッテリ状態検出手段は、前記バッテリの温度に基づきバッテリ状態を検出するものであり、
前記バッテリ充放電制限手段は、前記バッテリ状態検出手段により検出された前記バッテリの温度が所定温度以上である場合に過負荷状態と判断して、前記バッテリにおける充放電を制限することを特徴とする請求項１記載の電気自動車の電源制御装置。