JP4680949B2

JP4680949B2 - 電動車両の制御装置

Info

Publication number: JP4680949B2
Application number: JP2007057260A
Authority: JP
Inventors: 彰吾町田
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2027-03-07
Also published as: JP2008220125A

Description

本発明は、電動モータと蓄電デバイスとを備える電動車両の制御装置に関する。

エンジンおよび電動モータを駆動源とするハイブリッド車両(電動車両)には、エンジンを発電用の駆動源として駆動する一方、電動モータを走行用の駆動源として駆動するようにしたシリーズ方式や、エンジンを車両走行時の主要な駆動源として駆動する一方、電動モータを発進時や加速時に補助的に駆動するようにしたパラレル方式がある。また、シリーズ方式とパラレル方式とを組み合わせることにより、走行状況に応じてエンジンと電動モータとの一方または双方を駆動するようにしたシリーズ・パラレル方式も開発されている。

また、ハイブリッド車両には、電動モータに対して駆動電力を供給したり、電動モータからの発電電力を蓄えたりするため、リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタなどの蓄電デバイスが搭載されている。この蓄電デバイスを有効に活用する為には、蓄電デバイス内の残存容量を正確に把握することが重要となることから、蓄電デバイスの開放電圧に基づいて残存容量を求める技術や、蓄電デバイスの充放電電流を積算して残存容量を求める技術が提案されている(たとえば、特許文献１および２参照)。そして、ハイブリッド車両は、算出された残存容量が所定範囲に収束するように、残存容量が所定上限値に達したときには電動モータの力行制御を実行して残存容量を引き下げる一方、残存容量が所定下限値に達したときには電動モータの回生制御を実行して残存容量を引き上げるようにしている。
特開平１０−１３２９１１号公報特開２００２−５１４７０号公報

しかしながら、残存容量が所定上限値に達したときに蓄電デバイスに対する放電制御を実行し、残存容量が所定下限値に達したときに蓄電デバイスに対する充電制御を実行すると、下り坂や上り坂が続いた場合には蓄電デバイスの過充電状態や過放電状態を招いてしまうおそれがある。このため、蓄電デバイスの残存容量を大きく変化させないように、蓄電デバイスの充放電制御を実行することが重要となっている。

また、ハイブリッド車両にあっては、駆動源としてエンジンと電動モータとを備えることから、電動モータの使用状況に応じてエンジンの燃費性能が大きく変化することになる。つまり、単に蓄電デバイスの過放電状態と過充電状態とを回避するように、比較的広い範囲内で蓄電デバイスの残存容量を制御しようとすると、車両の停止タイミングによっては走行毎に燃費性能が大きく変化してしまうという問題もある。

本発明の目的は、残存容量を大きく変動させることなく蓄電デバイスを制御することにある。

本発明の電動車両の制御装置は、電動モータと蓄電デバイスとを備える電動車両の制御装置であって、前記蓄電デバイスの目標容量を設定する目標容量設定手段と、前記蓄電デバイスの開放電圧と電流積算との少なくともいずれか一方に基づいて、前記蓄電デバイスの残存容量を算出する残存容量算出手段と、前記蓄電デバイスの充放電電力を積算して前記蓄電デバイスから出し入れされた収支エネルギーを算出する収支エネルギー算出手段と、前記目標容量と前記残存容量との差に基づいて、前記目標容量に対する前記蓄電デバイスの差分エネルギーを算出する差分エネルギー算出手段と、前記残存容量と前記目標容量との差が所定値を下回る場合には、前記収支エネルギーに基づいて前記電動モータを制御する一方、前記残存容量と前記目標容量との差が所定値を上回る場合には、前記差分エネルギーに基づいて前記電動モータを制御するモータ制御手段とを有することを特徴とする。

本発明の電動車両の制御装置は、前記モータ制御手段は、前記残存容量と前記目標容量との差が所定値を下回る場合に、前記収支エネルギーをゼロに向けて前記電動モータを制御する一方、前記残存容量と前記目標容量との差が所定値を上回る場合に、前記差分エネルギーをゼロに向けて前記電動モータを制御することを特徴とする。

本発明によれば、残存容量と目標容量との差が所定値を下回る場合に、収支エネルギーに基づいて電動モータを制御するようにしたので、蓄電デバイスから出し入れされる収支エネルギーの変動を抑制することができ、残存容量を大きく変動させることなく蓄電デバイスを制御することが可能となる。

また、残存容量と目標容量との差が所定値を上回る場合に、差分エネルギーに基づいて電動モータを制御するようにしたので、目標容量から残存容量が大幅に外れることを防止することができ、蓄電デバイスの過放電状態や過充電状態を防止することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は電動車両であるハイブリッド車両の駆動制御システムを示す概略図である。図１に示すように、ハイブリッド車両のパワーユニット１０には、駆動源としてエンジン１１とモータジェネレータ(電動モータ)１２とが設けられており、モータジェネレータ１２の後方側にはトルクコンバータ１３を介してトランスミッション１４が連結されている。エンジン１１やモータジェネレータ１２から出力される動力は、トランスミッション１４を介して変速された後に、デファレンシャル機構１５を介して各駆動輪１６に分配される。

図示するパワーユニット１０はパラレル方式のパワーユニットであり、主要な駆動源としてエンジン１１が駆動される一方、発進時や加速時にはモータジェネレータ１２が補助的に駆動される。また、減速時や定常走行時にはモータジェネレータ１２を発電駆動させることにより、運動エネルギーを電気エネルギーに変換して回収することが可能となる。このようなハイブリッド車両には、モータジェネレータ１２に対して電力を供給するとともに、モータジェネレータ１２によって発電された電力を蓄えるため、蓄電デバイスとしてリチウムイオン二次電池等の高電圧バッテリ１７が搭載されている。

また、高電圧バッテリ１７の充放電制御を実行するため、高電圧バッテリ１７にはバッテリ制御ユニット２０が接続されている。このバッテリ制御ユニット２０には、高電圧バッテリ１７の端子電圧Ｖを検出する電圧センサ２１、高電圧バッテリ１７の電流Ｉを検出する電流センサ２２、高電圧バッテリ１７の温度Ｔを検出する温度センサ２３が接続されている。そして、バッテリ制御ユニット２０は、後述する演算処理に従って、高電圧バッテリ１７の目標容量ＳＯＣｔ、高電圧バッテリ１７の残存容量ＳＯＣｐ、高電圧バッテリ１７から出し入れされた収支エネルギーＥｓｈ、目標容量ＳＯＣｔと残存容量ＳＯＣｐとの差に相当する差分エネルギーＥｓａを算出する。つまり、バッテリ制御ユニット２０は、目標容量設定手段、残存容量算出手段、収支エネルギー算出手段、差分エネルギー算出手段として機能するようになっている。

さらに、ハイブリッド車両には、車両の走行状態等に基づいてエンジン１１やモータジェネレータ１２等を協調制御するハイブリッド制御ユニット２４が設けられている。このハイブリッド制御ユニット２４には、モータジェネレータ１２のトルクや回転数を制御するインバータ２５が接続され、エンジン１１のトルクや回転数を制御するエンジン制御ユニット２６が接続されている。また、ハイブリッド制御ユニット２４には、車速を検出する車速センサ２７、アクセルペダルの操作状況を検出するアクセルペダルセンサ２８、ブレーキペダルの操作状況を検出するブレーキペダルセンサ２９等が接続されており、車両の走行状態を示す各種情報がハイブリッド制御ユニット２４に入力されている。また、モータジェネレータ１２の回転数を検出するモータ回転数センサ３０はインバータ２５に接続されている。なお、各制御ユニット２０，２４，２６は、制御信号等を演算するＣＰＵを備えるとともに、制御プログラム、演算式、マップデータ等を格納するＲＯＭや、一時的にデータを格納するＲＡＭを備えている。

続いて、バッテリ制御ユニット２０による高電圧バッテリ１７の残存容量の算出処理について説明する。高電圧バッテリ１７における残存容量の算出方式としては、開放電圧Ｖｏに基づいて残存容量ＳＯＣｖを算出する方式と、電流積算に基づいて残存容量ＳＯＣｃを算出する方式とがある。しかしながら、開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖは、開放電圧Ｖｏが正確に推定される状況では有効性が高い反面、突入電流等の負荷変動に弱いという課題を有しており、電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃは、突入電流等の負荷変動に強い反面、誤差が累積し易いという課題を有している。このため、充放電状態に応じて設定されるウェイトｗを用いることにより、残存容量ＳＯＣｖと残存容量ＳＯＣｃとを重み付けて合成し、残存容量の算出精度を向上させるようにしている。

まず、開放電圧Ｖｏに基づき算出される残存容量ＳＯＣｖについて説明する。開放電圧Ｖｏと残存容量ＳＯＣｖとは一定の関係を有するため、高電圧バッテリ１７の開放電圧Ｖｏを求めることにより、マップデータや演算式を用いて開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖを求めることが可能となっている。そこで、端子電圧Ｖと電流Ｉとを用いて以下の式(１)から開放電圧Ｖｏを推定し、この推定された開放電圧Ｖｏを用いて残存容量ＳＯＣｖを算出するようにしている。なお、式(１)に示されるＺとは高電圧バッテリ１７のインピーダンスである。このインピーダンスＺは、高電圧バッテリ１７の等価回路モデルを用いた電流Ｉの移動平均値と温度Ｔとを条件とするインピーダンス測定によって求められ、電流Ｉの移動平均値と温度Ｔとに基づくインピーダンスＺのテーブルとしてバッテリ制御ユニット２０に格納されている。
Ｖ＝Ｖｏ−Ｉ×Ｚ…(１)

続いて、電流積算に基づき算出される残存容量ＳＯＣｃについて説明する。電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃは以下の式(２)を用いて算出される。ここで、ＳＯＣｃ(０)とは残存容量ＳＯＣｃを算出する際の初期値であり、システム起動時の開放電圧Ｖｏに基づいて算出される。システム起動時には、電流Ｉがゼロであるとともに、端子電圧Ｖが開放電圧Ｖｏに一致していることから、所定のテーブルを参照して開放電圧Ｖｏから求められる残存容量ＳＯＣｃを初期値ＳＯＣｃ(０)とすることができる。また、式(２)において、ηとは高電圧バッテリ１７の電流効率であり、Ａｈとは高電圧バッテリ１７のバッテリ容量(電流容量)である。バッテリ容量Ａｈと温度Ｔとは一定の関係を有することから、温度Ｔに基づいてバッテリ容量Ａｈを算出することが可能となる。
ＳＯＣｃ＝ＳＯＣｃ(０)−(∫(Ｉ×η)ｄｔ／(Ａｈ×３６００)×１００)…(２)

そして、以下の式(３)に示されるように、開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖと電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃとを、所定のウェイトｗを加味して合算することにより、それぞれの欠点を打ち消して互いの利点を引き出すようにして残存容量ＳＯＣｐを算出することが可能となる。なお、ウェイトｗは０〜１の間で設定される値となっており、現在の高電圧バッテリ１７の使用状況を表すパラメータを用いて決定される。このパラメータとしては、例えば単位時間当たりの電流変化率等が用いられる。
ＳＯＣｐ＝ｗ×ＳＯＣｃ＋(１−ｗ)×ＳＯＣｖ…(３)

続いて、バッテリ制御ユニット２０による差分エネルギーＥｓａの算出処理について説明する。図２は差分エネルギーＥｓａを示す説明図である。図２に示すように、差分エネルギーＥｓａとは、高電圧バッテリ１７の残存容量ＳＯＣｐと目標容量ＳＯＣｔとの差に基づいて算出されるエネルギーであり、この差分エネルギーＥｓａをゼロに近づけるように制御することにより、高電圧バッテリ１７の残存容量ＳＯＣｐを目標容量ＳＯＣｔに向けて制御することが可能となる。なお、高電圧バッテリ１７の目標容量ＳＯＣｔとは、走行状況等に応じてバッテリ制御ユニット２０によって適宜設定される残存容量ＳＯＣｐの目標値であり、例えば車速や温度Ｔの値に応じて設定されるようになっている。

そして、図２の斜線部分に相当する差分エネルギーＥｓａは、以下の式(４)を用いて算出される。ここで、式(４)において、Ｖｔとは目標容量ＳＯＣｔに相当する高電圧バッテリ１７の電圧であり、Ｖｐとは残存容量ＳＯＣｐに相当する高電圧バッテリ１７の電圧である。また、Ａｓとは残存容量ＳＯＣｐと目標容量ＳＯＣｔとの差に相当するバッテリ容量である。このバッテリ容量Ａｓは以下の式(５)を用いて算出される。
Ｅｓａ＝(Ｖｔ−Ｖｐ)×Ａｓ÷２÷１０００…(４)
Ａｓ＝Ａｈ×３６００×(ＳＯＣｔ−ＳＯＣｐ)÷１００…(５)

続いて、バッテリ制御ユニット２０による収支エネルギーＥｓｈの算出処理について説明する。図３は充放電電力と収支エネルギーＥｓｈとの関係を示す説明図である。図３に示すように、収支エネルギーＥｓｈとは高電圧バッテリ１７の充放電電力(Ｖ×Ｉ)を積算したもの、つまり高電圧バッテリ１７の放電エネルギーと充電エネルギーとを合算したものであり、この収支エネルギーＥｓｈをゼロに近づけるように制御することにより、使用前後において高電圧バッテリ１７に蓄えられているエネルギー量の変動を抑制することが可能となる。この収支エネルギーＥｓｈは、実測された端子電圧Ｖと電流Ｉとに基づき以下の式(６)を用いて算出される。
Ｅｓｈ＝∫(Ｖ×Ｉ÷１０００)ｄｔ…(６)

次いで、モータ制御手段としてのハイブリッド制御ユニット２４によって実行されるモータジェネレータ１２の駆動制御について説明する。ここで、図４はモータジェネレータ１２を駆動制御する際の実行手順を示すフローチャートであり、図５はモータジェネレータ１２に対する指示トルクを設定する際に参照されるトルクマップである。また、図６は残存容量ＳＯＣｐの変動状況を示す説明図である。

図４に示すように、ステップＳ１では、目標容量ＳＯＣｔと残存容量ＳＯＣｐとの差が所定値Ｓを下回るか否かが判定される。ステップＳ１において、目標容量ＳＯＣｔと残存容量ＳＯＣｐとの差が所定値Ｓを下回ると判定された場合、つまり残存容量ＳＯＣｐが目標容量ＳＯＣｔに対して所定範囲(Ｓ１〜Ｓ２)内に収束していると判定された場合には、ステップＳ２に進み、差分エネルギーＥｓａが算出されるとともに、この差分エネルギーＥｓａが収支エネルギーＥｓｈの初期値に設定される。続いて、ステップＳ３では、端子電圧Ｖと電流Ｉとに基づいて収支エネルギーＥｓｈが算出される。

続くステップＳ４では、ステップＳ３で算出された収支エネルギーＥｓｈが、モータジェネレータ１２を制御する際に用いられる制御用エネルギーとして設定される。続いて、ステップＳ５では、収支エネルギーＥｓｈに基づいて図５のトルクマップを参照することにより、収支エネルギーＥｓｈをゼロに向けて制御するためのモータトルクが設定される。そして、続くステップＳ６において、設定されたモータトルクと運転手の操作状況等とを総合的に判断しながら、モータジェネレータ１２の駆動制御が実行されることになる。

ここで、図５に示すように、収支エネルギーＥｓｈが正側に算出された場合、つまり高電圧バッテリ１７が放電側に制御されている場合には、モータジェネレータ１２のモータトルクが負側に設定され、モータジェネレータ１２の回生制御を実行するようにしている。また、収支エネルギーＥｓｈが負側に算出された場合、つまり高電圧バッテリ１７が充電側に制御されている場合には、モータジェネレータ１２のモータトルクが正側に設定され、モータジェネレータ１２の力行制御を実行するようにしている。

一方、図４に示すように、ステップＳ１において、目標容量ＳＯＣｔと残存容量ＳＯＣｐとの差が所定値Ｓを上回ると判定された場合、つまり残存容量ＳＯＣｐが目標容量ＳＯＣｔから所定範囲(Ｓ１〜Ｓ２)を超えて乖離していると判定された場合には、ステップＳ７に進み、前回算出された収支エネルギーＥｓｈがクリアされ、ステップＳ８に進み、残存容量ＳＯＣｐと目標容量ＳＯＣｔとに基づいて差分エネルギーＥｓａが算出される。続くステップＳ４では、ステップＳ８で算出された差分エネルギーＥｓａが、モータジェネレータ１２を制御する際に用いられる制御用エネルギーとして設定される。続いて、ステップＳ５では、前述したように、差分エネルギーＥｓａに基づいて図５のトルクマップを参照することにより、差分エネルギーＥｓａをゼロに向けて制御するためのモータトルクが設定される。そして、続くステップＳ６において、設定されたモータトルクと運転手の操作状況等とを総合的に判断しながら、モータジェネレータ１２の駆動制御が実行されることになる。

つまり、図６に示すように、ハイブリッド制御ユニット２４は、モータジェネレータ１２の駆動制御を実行するため、収支エネルギーＥｓｈを用いるようにした収支エネルギーモードと、差分エネルギーＥｓａを用いるようにした差分エネルギーモードとを用いるようにしている。残存容量ＳＯＣｐが目標容量ＳＯＣｔに対して所定範囲(Ｓ１〜Ｓ２)内に収まる場合には、収支エネルギーＥｓｈをゼロに向けて制御する収支エネルギーモードが実行され、高電圧バッテリ１７のエネルギー収支のバラツキを抑制することが可能となる。これにより、高電圧バッテリ１７の残存容量ＳＯＣｐの大きな変動を抑制することができるため、ハイブリッド車両の停止タイミングに影響されることなく、ハイブリッド車両の燃費性能を安定させることが可能となる。

一方、残存容量ＳＯＣｐが目標容量ＳＯＣｔから所定範囲(Ｓ１〜Ｓ２)を超えて乖離した場合には、差分エネルギーＥｓａをゼロに向けて制御する差分エネルギーモードが実行されるようになっている。これにより、目標容量ＳＯＣｔに対して残存容量ＳＯＣｐが大幅に外れることを防止することができ、高電圧バッテリ１７の過放電状態や過充電状態を未然に防止することが可能となる。

なお、図４および図６に示すように、収支エネルギーモードを開始する際には、収支エネルギーＥｓｈの初期値として差分エネルギーＥｓａを設定するようにしている。これにより、差分エネルギーＥｓａを利用する差分エネルギーモードから、収支エネルギーＥｓｈを利用する収支エネルギーモードに切り換える場合であっても、制御用エネルギーの急変を抑制することができ、車両の走行品質を向上させることが可能となる。また、収支エネルギーＥｓｈの初期値として差分エネルギーＥｓａを設定することにより、目標容量ＳＯＣｔを基準とした収支エネルギーＥｓｈを算出することができるため、収支エネルギーＥｓｈを利用する収支エネルギーモードであっても、残存容量ＳＯＣｐが目標容量ＳＯＣｔに対して近づくように制御することが可能となる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。たとえば、図示する場合には、パラレル方式のハイブリッド車両に対して本発明を適用しているが、これに限られることはなく、シリーズ方式のハイブリッド車両に対して本発明を適用するようにしても良く、シリーズ・パラレル方式のハイブリッド車両に対して本発明を適用するようにしても良い。また、電動車両としてはハイブリッド車両に限られることはなく、駆動源として電動モータのみを備えた電気自動車に対して本発明を適用しても良い。

また、蓄電デバイスとしては、前述したリチウムイオン二次電池に限られることはなく、他の形式の二次電池に対して本発明を適用するようにしても良く、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等のキャパシタに対して本発明を適用しても良い。なお、前述の説明では、開放電圧Ｖｏに基づく残存容量ＳＯＣｖと電流積算に基づく残存容量ＳＯＣｃとを組み合わせるようにしているが、これに限られることはなく、残存容量ＳＯＣｖや残存容量ＳＯＣｃをそれぞれ単独で使用するようにしても良い。

ハイブリッド車両の駆動制御システムを示す概略図である。差分エネルギーを示す説明図である。充放電電力と収支エネルギーとの関係を示す説明図である。モータジェネレータを駆動制御する際の実行手順を示すフローチャートである。モータジェネレータに対する指示トルクを設定する際に参照されるトルクマップである。残存容量の変動状況を示す説明図である。

符号の説明

１２モータジェネレータ(電動モータ)
１７高電圧バッテリ(蓄電デバイス)
２０バッテリ制御ユニット(目標容量設定手段，残存容量算出手段，収支エネルギー算出手段，差分エネルギー算出手段)
２４ハイブリッド制御ユニット(モータ制御手段)
ＳＯＣｔ目標容量
ＳＯＣｐ残存容量
Ｅｓｈ収支エネルギー
Ｅｓａ差分エネルギー
Ｓ所定値

Claims

電動モータと蓄電デバイスとを備える電動車両の制御装置であって、
前記蓄電デバイスの目標容量を設定する目標容量設定手段と、
前記蓄電デバイスの開放電圧と電流積算との少なくともいずれか一方に基づいて、前記蓄電デバイスの残存容量を算出する残存容量算出手段と、
前記蓄電デバイスの充放電電力を積算して前記蓄電デバイスから出し入れされた収支エネルギーを算出する収支エネルギー算出手段と、
前記目標容量と前記残存容量との差に基づいて、前記目標容量に対する前記蓄電デバイスの差分エネルギーを算出する差分エネルギー算出手段と、
前記残存容量と前記目標容量との差が所定値を下回る場合には、前記収支エネルギーに基づいて前記電動モータを制御する一方、前記残存容量と前記目標容量との差が所定値を上回る場合には、前記差分エネルギーに基づいて前記電動モータを制御するモータ制御手段とを有することを特徴とする電動車両の制御装置。
請求項１記載の電動車両の制御装置において、
前記モータ制御手段は、前記残存容量と前記目標容量との差が所定値を下回る場合に、前記収支エネルギーをゼロに向けて前記電動モータを制御する一方、前記残存容量と前記目標容量との差が所定値を上回る場合に、前記差分エネルギーをゼロに向けて前記電動モータを制御することを特徴とする電動車両の制御装置。