| 【発明の名称】 |
ハイブリッド車両の発電制御装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】大蔵 一真
【氏名】北島 康彦
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| 【要約】 |
【課題】エンジン駆動発電機による発電電力制御の応答性能を改善する。
【解決手段】所要電力の発電用のエンジン駆動発電機３の回転速度指令値Ｎ*と第１のトルク指令値Ｔ*とを演算し、エンジン駆動発電機３の回転速度検出値Ｎを回転速度指令値Ｎ*に一致させるために発電機３の第２のトルク指令値Ｔ１*を演算する。回転速度検出値Ｎと回転速度指令値Ｎ*とに基づいて第２のトルク指令値Ｔ１*を制限し、発電機３のトルクが第２のトルク指令値Ｔ１*に一致するように発電機３を制御し、第２のトルク指令値Ｔ１*が第１のトルク指令値Ｔ*に一致するようにエンジン４を制御する。エンジン駆動発電機の所要発電電力の変更時、実際の発電電力がオーバーシュート、アンダーシュートしないで、良好な応答性が得られ、応答性を調整するためのパラメーターが不要となり、調整工数が削減される。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 エンジン駆動発電機により所要電力を発電してバッテリーおよび／または走行用電動機へ供給するハイブリッド車両の発電制御装置において、前記所要電力を発電するための前記エンジン駆動発電機の回転速度指令値と第１のトルク指令値とを演算する第１の演算手段と、前記エンジン駆動発電機の回転速度を検出する検出手段と、前記回転速度検出値を前記回転速度指令値に一致させるための前記発電機の第２のトルク指令値を演算する第２の演算手段と、前記回転速度検出値と前記回転速度指令値とに基づいて前記第２のトルク指令値を制限する制限手段と、前記発電機のトルクが前記第２のトルク指令値に一致するように前記発電機を制御する発電機制御手段と、前記第２のトルク指令値が前記第１のトルク指令値に一致するように前記エンジンを制御するエンジン制御手段とを備えることを特徴とするハイブリッド車両の発電制御装置。
【請求項２】 請求項１に記載のハイブリッド車両の発電制御装置において、前記制限手段は、前記回転速度指令値が変化したときに、前記回転速度検出値が前記回転速度指令値に到達するまでの間、前記第２のトルク指令値を前記回転速度指令値が変化する前の値に制限することを特徴とするハイブリッド車両の発電制御装置。
【請求項３】 請求項１または請求項２に記載のハイブリッド車両の発電制御装置において、前記エンジン制御手段は、前記第２のトルク指令値を前記第１のトルク指令値に一致させるためのスロットル開度指令値を演算し、スロットルバルブを駆動制御することを特徴とするハイブリッド車両の発電制御装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ハイブリッド車両におけるエンジン駆動発電機の発電電力を制御する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術とその問題点】走行駆動源に電動機を用い、エンジン駆動発電機により発電を行ってバッテリーを充電するとともに、走行用電動機へ電力を供給するハイブリッド車両の発電制御装置が知られている（例えば、特開平８−６５８１３号公報参照）。この種の装置では、エンジンにより発電機の回転速度を制御しながら、発電機により所要電力を発電している。
【０００３】しかしながら、エンジンの回転速度を制御する制御系には機械的な要素が含まれるため、電気的な要素のみによる発電機の制御系に比べて応答速度が遅く、所要発電電力を変えたときの応答性が悪く、また、その調整が難しいという問題がある。
【０００４】本発明の目的は、エンジン駆動発電機による発電電力制御の応答性能を改善することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（１） 請求項１の発明は、エンジン駆動発電機により所要電力を発電してバッテリーおよび／または走行用電動機へ供給するハイブリッド車両の発電制御装置に適用される。そして、所要電力を発電するためのエンジン駆動発電機の回転速度指令値と第１のトルク指令値とを演算する第１の演算手段と、エンジン駆動発電機の回転速度を検出する検出手段と、回転速度検出値を回転速度指令値に一致させるための発電機の第２のトルク指令値を演算する第２の演算手段と、回転速度検出値と回転速度指令値とに基づいて第２のトルク指令値を制限する制限手段と、発電機のトルクが第２のトルク指令値に一致するように発電機を制御する発電機制御手段と、第２のトルク指令値が第１のトルク指令値に一致するようにエンジンを制御するエンジン制御手段とを備える。
（２） 請求項２のハイブリッド車両の発電制御装置は、制限手段によって、回転速度指令値が変化したときに、回転速度検出値が回転速度指令値に到達するまでの間、第２のトルク指令値を回転速度指令値が変化する前の値に制限するようにしたものである。
（３） 請求項３のハイブリッド車両の発電制御装置は、エンジン制御手段によって、第２のトルク指令値を第１のトルク指令値に一致させるためのスロットル開度指令値を演算し、スロットルバルブを駆動制御するようにしたものである。
【０００６】
【発明の効果】本発明によれば、エンジン駆動発電機の所要発電電力を変えたときに、実際の発電電力がオーバーシュート、アンダーシュートするようなことがなく、良好な応答性が得られる上に、応答性を調整するためのパラメーターがなくなり、調整工数が削減される。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明をシリーズ・ハイブリッド車両ＳＨＥＶの発電制御装置に応用した一実施の形態を説明する。図１は一実施の形態の構成を示す図である。車両のパワートレインは、走行駆動源である三相同期電動機１と、電動機１に電力を供給するバッテリー２と、電動機１およびバッテリー２に電力を供給する三相同期発電機３と、発電機３を駆動するエンジン４を備えている。なお、発電機３の回転子はエンジン４の出力軸に直結されている。電動機１には、その回転速度および回転位置を検出するための回転センサー５と、電動機１に流れる三相電流を検出するための電流センサー６が設置される。また、エンジン４には、エンジン４と発電機３の回転速度Ｎおよび回転位置を検出するための回転センサー７が設置される。さらに、発電機３には、発電機３に流れる三相電流を検出するための電流センサー８が設置される。
【０００８】発電出力演算回路９は、バッテリー２の充電状態ＳＯＣや車両の走行状態、エンジン４の運転状態などに基づいて所要発電電力Ｐ*を演算し、さらに所要発電電力Ｐ*を発電するためのエンジン４および発電機３の回転速度指令値Ｎ*と、発電機３の発電トルク指令値Ｔ*を演算する。
【０００９】ここで、エンジン４により駆動されて発電中の発電機３は負のトルクを発生していると考えられ、この明細書では発電機３の負のトルクを発電トルクと呼ぶ。なお、発電機３とエンジン４の回転速度は同一であるから、発電機３の発電効率とエンジン４の運転効率を無視すれば、発電機３の発電トルクはエンジン４の出力トルクと等しくなる。一方、電動機１は、正のトルクすなわち駆動トルクを発生して車両を推進させるとともに、負のトルクすなわち回生トルクを発生して車両に制動をかける。
【００１０】回転数制御回路１０は、例えば比例積分制御などによって、回転センサー７による回転速度検出値Ｎを回転速度指令値Ｎ*に一致させるための発電トルク指令値Ｔ１*を演算し、発電機３の回転速度を制御する。トルク制限回路１１は、回転速度指令値Ｎ*が変化したときに、回転速度検出値Ｎが指令値Ｎ*に到達するまでの間、発電トルク指令値Ｔ１*を制限して発電トルク指令値Ｔ２*を出力する。ベクトル演算回路１２は、発電トルク指令値Ｔ２*と発電機３の各種パラメーターとを用いて発電機３の電流指令値を演算する。例えば、発電機３の回転子とともに回転するｄ−ｑ座標系を設定し、発電トルク指令値Ｔ２*に比例するｑ軸電流指令値ｉq*を次式により演算する。
【数１】ｉq*＝Ｔ２*／（ｐ・φ）
数式１において、ｐは発電機３の極対数、φは発電機３の電機子巻線鎖交磁束数である。なお、発電機３は同期発電機であるから、界磁磁束分に相当するｄ軸電流ｉd*は０とする。
【００１１】なお、三相同期発電機３の回転速度検出値Ｎおよびバッテリー２の端子電圧に応じてｄ軸電流ｉd*を負の値に設定すれば、弱め界磁効果が得られる。
【００１２】また、発電機３に三相誘導発電機を用いることもできる。この場合には、周知の誘導電動機のベクトル制御によって、上述した同期発電機３と同様に発電トルクを制御することができる。
【００１３】電流制御インバーター１３は、回転センサー７による発電機３の回転速度Ｎと、電流センサー８による三相同期発電機３の電流検出値とに基づいて、発電機３の電流検出値が電流指令値に一致するように制御しながら、三相同期発電機３で発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリー２へ供給する。さらに具体的には、回転センサー７により検出される発電機３の回転子の回転位置に基づいて、上述した二相電流ｉq*、ｉd*を三相交流電流に変換し、電流検出値が電流指令値に一致するように発電機３の駆動電圧を制御する。
【００１４】トルク制御回路１４は、発電トルク指令値Ｔ２*が発電トルク指令値Ｔ*となるようなスロットル開度指令値α*を演算する。上述したように、発電機３の発電効率とエンジン４の運転効率を無視すれば、発電中の発電機３の発電トルクＴｇとエンジン４の出力トルクＴｅは等しい。また、発電機３は所要発電電力Ｐ*を得るために指令値Ｔ*に等しい発電トルクを出力しなければならないから、発電機３に対する最終的な発電トルク指令値Ｔ２*を、所要発電電力Ｐを満たす発電トルク指令値Ｔ*に一致させなければならない。そこで、Ｔ２*がＴ*に一致するようにエンジン４の出力トルクＴｅを制御することによって、エンジン４の出力トルクＴｅと発電機３の発電トルクとを等しくする。なお、発電中のエンジン４の運転効率と発電機３の発電効率による損失分は、所要発電電力Ｐ*の演算における効率ηにより調整できる。
【００１５】スロットル制御回路１５は、スロットルバルブ１６の開度αが指令値α*となるように制御する。エンジン制御装置１７は、回転センサー７や、不図示の吸入空気量センサー、排ガスセンサー、冷却水温度センサーなどの各種センサーを用いてエンジン４の運転状態を検出し、エンジン４の燃料噴射制御や点火時期制御などを行う。
【００１６】車両駆動トルク演算回路１８は、不図示のアクセルセンサー、ブレーキセンサー、車速センサーなどにより検出される乗員の操作および車両の走行状態に基づいて、電動機１のトルク指令値Ｔ’を演算する。ベクトル演算回路１９は、電動機トルク指令値Ｔ’と電動機１の各種パラメーターとに基づいて、電動機１の電流指令値を演算する。電流制御インバーター２０は、回転センサー５による電動機１の回転速度と、電流センサー６による三相同期電動機１の電流検出値とに基づいて、電動機１の電流検出値が電流指令値に一致するように制御しながら、バッテリー２の直流電力を交流電力に変換して電動機１を駆動するとともに、電動機１からの交流回生電力を直流電力に逆変換してバッテリー２へ供給する。
【００１７】なお、発電出力演算回路９、回転数制御回路１０、トルク制限回路１１、ベクトル演算回路１２、電流制御インバーター１３、トルク制御回路１４、スロットル開度制御回路１５、車両駆動トルク演算回路１８、ベクトル演算回路１９、電流制御インバーター２０は、マイクロコンピューターを中心とした電子回路により構成される。
【００１８】次に、一実施の形態の動作を説明する。一実施の形態の動作を理解しやすくするために、まずトルク制限回路１１がない場合の動作を、制御結果のタイムチャートである図２を参照しながら説明する。この場合、発電トルク指令値Ｔ２*＝Ｔ１*である。
【００１９】図２において、発電出力演算回路９による所要発電電力Ｐ*が時刻ｔ１でＰ１からＰ２に変化し、時刻ｔ２でＰ２からＰ１へ変化した場合の、（ａ）は回転速度指令値Ｎ*と回転速度検出値Ｎを示し、（ｂ）は発電トルク指令値Ｔ*と発電トルク指令値Ｔ１*および実際の発電トルクＴｇを示し、（ｃ）はスロットル開度指令値α*と実際のスロットル開度αを示す。また、（ｄ）は実際のエンジントルクＴｅを示し、（ｅ）は所要発電電力Ｐ*（＝｜Ｎ*・Ｔ*｜）と実際の発電電力Ｐ（＝｜Ｎ・Ｔｇ｜）を示す。ここで、所要発電電力Ｐ１のときの発電機３の回転速度指令値をＮ１、発電トルク指令値をＴ１、発電効率をη１とし、所要発電電力Ｐ２のときの発電機２の回転速度指令値をＮ２、発電トルク指令値をＴ２、発電効率をη２とすると、所要発電電力Ｐ１、Ｐ２はそれぞれ次のように表される。
【数２】Ｐ１＝Ｎ１・Ｔ１／η１，Ｐ２＝Ｎ２・Ｔ２／η２【００２０】発電機３のトルク制御系は、ベクトル演算回路１２、電流制御インバーター１３、回転センサー７および発電機３の巻線によって構成される。この発電機トルク制御系は電気的な要素のみにより閉ループが構成されており、回転数制御回路１０の発電トルク指令値Ｔ１*に対する発電機３の出力トルクＴｇの応答が速い。したがって、回転数制御回路１０を含めた回転速度制御系におけるフィードバック・ゲインを高く設定でき、図２（ａ）に示すように回転速度指令値Ｎ*に対して回転速度検出値Ｎがすばやく追従している。
【００２１】また、時刻ｔ１において、発電トルク指令値Ｔ*が−Ｔg1から−Ｔg2へ増加すると、スロットル開度指令値α*はα１からα２へ増加し、実際のスロットル開度αが指令値に追従して増加する。そして、実スロットル開度αに比例した空気量がエンジン４へ吸入され、その吸入空気量に応じた燃料噴射制御および点火時期制御などが行われる。この結果、エンジン４の出力トルクＴｅはＴe３からＴe４へ増加する。この時点において、エンジン４の出力トルクＴｅ４が、発電機３の発電トルク−Ｔg2および摩擦などの負荷トルクの合計値と釣り合い、回転数がＮ２に維持される。
【００２２】ここで、エンジン４のトルク制御系は、トルク制御回路１４、スロットル開度制御回路１５、スロットルバルブ１６、および不図示の開度センサーなどから構成されている。このエンジン４のトルク制御系は、スロットルバルブアクチュエーターや吸入空気系などの機械的な要素を含んでおり、フィードバックゲインを高く設定できず、トルク指令値に対するエンジン４の出力トルクＴｅの応答は発電機３のトルク制御系に比べて遅い。
【００２３】上述したように、発電機３とエンジン４の回転速度Ｎは、発電機３の回転速度制御系によって回転速度指令値Ｎ*に一致するように制御され、制御の応答性が速い。時刻ｔ１、ｔ２において、所要発電電力Ｐ*の変化にともなって回転速度指令値Ｎ*と発電トルク指令値Ｔ*が変化したとき、発電機３の回転速度制御系によって制御される回転速度Ｎはその指令値Ｎ*にすばやく追従するが、エンジン４のトルク制御系によって制御されるエンジントルクＴｅには応答遅れが発生する。発電機３の回転速度制御系は、このエンジントルクＴｅの応答遅れを補償しようと動作するため、図２（ｂ）示すように、時刻ｔ１、ｔ２において発電トルク指令値Ｔ１*（＝Ｔ２*）が発電トルク指令値Ｔ*と逆の方向に振れている。つまり、発電機３のトルク制御系が、エンジントルクの立ち上がりの遅れを発電機３の出力トルクで補おうとしている。その結果、発電電力Ｐも所要発電電力Ｐ*と逆の方向に変化し、バッテリー２の充電電力が不安定になって好ましくない。
【００２４】このような不具合をなくすために、この実施の形態ではトルク制限回路１１を備えている。図３はトルク制限回路１１がある場合の制御結果を示すタイムチャートであり、制御条件と表示内容は図２と同様である。この図を参照してこの実施の形態の動作を説明する。トルク制限回路１１は、回転速度指令値Ｎ*が変化したときに、回転速度検出値Ｎが指令値Ｎ*に到達するまでの間、それまでの発電トルク指令値Ｔ１*を維持する。すなわち、回転数Ｎが指令値Ｎ*に到達するまでの間ｔ１〜ｔ３は、それまでの発電トルク指令値Ｔ１*＝Ｔg1を維持し、発電トルク指令値Ｔ２*＝Ｔg1とする。その間、トルク制御回路１４は発電トルク指令値Ｔ*と発電トルク指令値Ｔ２*との差に応じてスロットル開度指令値α*を増加させる。この結果、エンジン４の出力トルクＴｅが増加し、回転速度がＮ２へと上昇する。時刻ｔ３で回転速度がＮ２に達すると、トルク制限回路１１のトルク制限機能が解除されるので、発電トルクが−Ｔg2へ、エンジントルクがＴｅ４へ増加する。なお、時刻ｔ２〜ｔ４の間も同様に動作する。
【００２５】このように、発電機３の回転速度Ｎと発電トルクＴｇが、定常時も過渡時も良好に制御されるので、発電電力Ｐのスパイク状の飛びはねがなくなり、バッテリー２に悪影響をあたえるようなことが避けられる。
【００２６】以上の一実施の形態の構成において、発電機３がエンジン駆動発電機を、エンジン４がエンジンを、バッテリー２がバッテリーを、電動機１が走行用電動機を、発電出力演算回路９が第１の演算手段を、回転センサー７が検出手段を、回転数制御回路１０が第２の演算手段を、トルク制限回路１１が制限手段を、ベクトル演算回路１２、電流制御インバーター１３、回転センサー７および電流センサー８が発電機制御手段を、トルク制御回路１４、スロットル開度制御回路１５、エンジン制御装置１７および回転センサー７がエンジン制御手段をそれぞれ構成する。
【００２７】上述した一実施の形態では本発明をシリーズ・ハイブリッド車両ＳＨＥＶに応用した例を示したが、本発明はシリーズ・ハイブリッド車両に限定されず、例えば低負荷時に電動機で走行し、高負荷時にエンジンで走行するシリーズ・パラレルハイブリッド車両ＳＰＨＶにも応用できる。また、発電機３および電動機１は三相同期機に限定されず、三相誘導機を用いてもよい。さらに、バッテリー２には一般の電池の他に、パワーキャパシター（電気二重層コンデンサー）を用いることもできる。さらにまた、上述した実施の形態ではエンジンに発電機を直結する例を示したが、動力伝達機構によりエンジンと発電機を接続してもよい。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３９９７
【氏名又は名称】日産自動車株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）１０月２７日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】永井 冬紀
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１３６８０６ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）５月２１日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−２９４２４４ |
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