| 【発明の名称】 |
ハイブリット電気自動車における蓄電装置の充電制御方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】岡村 廸夫
【氏名】山岸 政章
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| 【要約】 |
【課題】比較的小容量のキャパシタ蓄電装置を最大限有効に利用する。
【解決手段】電気二重層キャパシタの充放電を並列モニタを含む制御回路にて制御する蓄電装置を用いたハイブリット電気自動車において、定速走行モードＮ、加速走行モードＰおよび減速走行モードＢの３つの走行モードが選択可能で、各走行モードに応じて蓄電装置に対する充電上限値Ｕおよび充電下限値Ｄの充電管理幅を変更する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 内燃機関などよりなる主動力源と、上記主動力源により駆動される発電機と、走行車輪を単独もしくは上記主動力源とともに駆動する電動機と、上記電動機に電力を供給するとともに、上記発電機および回生制動時の上記電動機により充電される蓄電装置およびその制御回路とを含み、上記蓄電装置が互いに直列に接続された所定数の電気二重層キャパシタを含むキャパシタ群からなり、上記制御回路が上記蓄電装置の充電レベルを設定する充電レベル設定部と、同充電レベル設定部の設定電圧に基づいて上記発電機の運転を制御する充電電圧制御部とを備えているハイブリット電気自動車における蓄電装置の充電制御方法において、上記充電レベル設定部には、少なくとも定速走行モード、加速走行モードおよび減速走行モードの３つの走行モードが選択可能に用意されており、上記各走行モードに応じて上記蓄電装置に対する充電上限値および充電下限値が変更され、上記各走行モード時において上記蓄電装置の充電レベルが上記充電下限値よりも低下した場合にのみ、上記発電機により上記蓄電装置が充電されるようにしたことを特徴とするハイブリット電気自動車における蓄電装置の充電制御方法。
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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ト電気自動車における蓄電装置の充電制御方法に関し、さらに詳しく言えば、蓄電装置が電気二重層キャパシタからなり、走行モードに応じてその充電管理幅を変更することにより、エネルギーを効果的に利用することを意図した技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】電気二重層キャパシタによる蓄電装置は、急速充電が可能であるとともに、瞬時に大電流を取り出すことができるため、ハイブリット電気自動車の蓄電装置としても実用化が進められている。
【０００３】この種の蓄電装置に該当するものとして、ＥＣＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれ、電気二重層キャパシタ、並列モニタおよび電流ポンプを組み合わせてなる電力貯蔵システムがすでに各種文献に紹介されている（例えば、電子技術１９９４−１２，ｐ１〜３参照）。また、特開平１０−１７４２８５号公報には、このＥＣＳについて、好ましい充電レベルの設定方法が提案されている。
【０００４】すなわち、上記公報に記載の先行技術においては、直列に接続された複数の電気二重層キャパシタの各々に、設定電圧値を超えると充電電流をバイパスさせる並列モニタを接続してなる蓄電装置について、充電レベル設定手段により設定された充電レベルに応じて並列モニタの設定電圧を制御するとともに、充電電源から供給する充電電流を電気二重層キャパシタの充電状態に応じて制御することにより、通常の使用状態では、電気二重層キャパシタに対する充電電圧を満充電電圧よりも低く抑えることを可能としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】この先行技術によれば、図４の充放電パターンに示されているように、満充電レベルを１００％として、充放電の管理電圧を例えば７５％レベルに設定することができ、高い電圧に充電するほど寿命が短くなる傾向を示す電気二重層キャパシタの用法としては自然でメリットが大きい。なお、図４で鎖線で示されている充放電パターンは二次電池のものである。
【０００６】ハイブリット電気自動車において、蓄電装置は発電機のみならず回生制動電力によっても充電されるが、上記の管理電圧（充電管理レベル）をどこに設定するかによって蓄電エネルギー、特に回生制動電力の利用に大きな違いが生ずる。
【０００７】これを図５の車速に沿った充放電のタイミングチャートにより説明すると、車が加速して車速が増加していく時間ｔ１からの過程ではキャパシタは加速用のエネルギーを電動機に放電するので、電動機が加速をアシストする全期間にわたって蓄電量は減少していく。
【０００８】時間ｔ２で加速が完了して定速走行に入ると、エンジンだけの力で走行できるので電動機への電流は不要でキャパシタの放電は止まる。しかしながら、当初から見れば、蓄電量が低下しているため、エンジンの馬力に余裕があれば、発電機を駆動し、時間ｔ２からキャパシタへの充電が始まる。これにより、キャパシタの蓄電量は増加に転じ、定速走行の時間が十分に長ければ、当初の充電管理レベル（例えば７５％）まで復帰して充電が停止する。
【０００９】次に、時間ｔ３で走行中の車が減速すると、回生制動によって電力が発生し、キャパシタを充電しようとする。しかしながら、キャパシタは先の定速走行時にすでに充電管理レベルにまで充電されているため、回生制動電力を受け入れることができない。
【００１０】したがって、回生制動電力を回収したとしても、減速が終了する時間ｔ４まで、やむを得ずエネルギーを廃棄する放電用抵抗を発熱させるか、もしくは機械ブレーキを用いざるを得ない。これを回避するには、充電管理レベルを低めに設定すればよいのであるが、このようにすると、他方において加速時の放電電流が足りなくなるおそれが生ずるので好ましくない。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、基本的には上記先行技術を踏襲しながらも、回生制動電力を捨てることなく、そのエネルギーをより有効に利用することができる。
【００１２】そのため、本発明は、内燃機関などよりなる主動力源と、上記主動力源により駆動される発電機と、走行車輪を単独もしくは上記主動力源とともに駆動する電動機と、上記電動機に電力を供給するとともに、上記発電機および回生制動時の上記電動機により充電される蓄電装置およびその制御回路とを含み、上記蓄電装置が互いに直列に接続された所定数の電気二重層キャパシタを含むキャパシタ群からなり、上記制御回路が上記蓄電装置の充電レベルを設定する充電レベル設定部と、同充電レベル設定部の設定電圧に基づいて上記発電機の運転を制御する充電電圧制御部とを備えているハイブリット電気自動車における蓄電装置の充電制御方法において、上記充電レベル設定部には、少なくとも定速走行モード、加速走行モードおよび減速走行モードの３つの走行モードが選択可能に用意されており、上記各走行モードに応じて上記蓄電装置に対する充電上限値および充電下限値が変更され、上記各走行モード時において上記蓄電装置の充電レベルが上記充電下限値よりも低下した場合にのみ、上記発電機により上記蓄電装置が充電されるようにしたことを特徴としている。
【００１３】本発明の好ましい態様によれば、上記キャパシタ群の全蓄電容量を１００％として、上記定速走行モード時における充電管理幅が約７５％〜約３７％の範囲とされ、上記加速走行モード時における充電管理幅が約１００％〜約７５％の範囲とされ、上記減速走行モード時における充電管理幅が約３７％〜約２５％の範囲とされる。
【００１４】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を図１ないし図３により説明する。本発明が対象とするハイブリット電気自動車の方式はパラレル、シリアルもしくはその中間的なものを問わず、また、その主動力源はエンジン、タービンもしくは燃料電池のいずれであってもよいが、図１には本発明を主動力源をエンジンとするシリアル方式に適用した例が示されている。
【００１５】すなわち、このハイブリット電気自動車は、その基本的な構成として、エンジン１により駆動される発電機（充電装置）２と、発電機２により充電される蓄電装置３と、蓄電装置３の充放電を制御する制御回路４と、蓄電装置３から供給される電力により車輪６を駆動する電動機５とを備えている。発電機２および電動機５は公知のものであってよい。
【００１６】蓄電装置３は、複数の電気二重層キャパシタ３ａ〜３ｎを直列に接続したものからなるが、個々の電気二重層キャパシタは、所定数のキャパシタセルを任意の直並列に組み合わせたものであってもよい。
【００１７】蓄電装置３の充放電を制御する制御回路４は、電気二重層キャパシタ３ａ〜３ｎの各々に接続される並列モニタ４１ａ〜４１ｎと、蓄電装置３の充電電流を検出する電流検出回路４２と、蓄電装置３の充電レベルを設定する充電レベル設定部４３と、充電制御回路４４とを備えている。
【００１８】並列モニタ４１ａ〜４１ｎは、あらかじめ設定された充電電圧を超えると充電電流をバイパスする回路であり、これにより各電気二重層キャパシタ３ａ〜３ｎが所定の電圧にまで均一に充電される。なお、並列モニタ４１ａ〜４１ｎの詳しい構成に関しては、例えば特開平１０−１７４２８５号公報を参照されたい。
【００１９】充電レベル設定部４３には、例えばスライドスイッチが用いられており、定速走行モードＮ、加速走行モードＰおよび減速走行モードＢの３つの走行モードが選択可能とされている。この充電レベル設定部４３には、選択された走行モードに応じた電圧を発生する設定電圧発生部４３ａが接続されている。なお、充電レベル設定部４３は、選択釦式もしくはロータリースイッチであってもよい。
【００２０】この実施形態において、充電制御回路４４は、設定電圧発生部４３ａからの設定電圧Ｖｒに基づいて、並列モニタ４１ａ〜４１ｎの監視電圧（電気二重層キャパシタの充電電圧）を制御する。また、充電制御回路４４は、蓄電装置３に対する充電電圧Ｖｃと上記設定電圧Ｖｒとの差に応じて発電機２を制御する。すなわち、充電電圧Ｖｃが設定電圧Ｖｒに近づくにしたがって、電流検出回路４２からの検出信号Ｖｉが漸減するように発電機２を制御する。
【００２１】図２の充電管理モードグラフを参照して、この実施形態においては、充電レベル設定部４３にて、定速走行モードＮが選択された場合には、充電上限値Ｕが蓄電容量の７５％、下限値Ｄがその１／２の３７．５％に設定される。加速走行モードＰでは、充電上限値Ｕが蓄電容量ほぼ一杯の約１００％、下限値Ｄが７５％近傍に設定される。また、減速走行モードＢでは、充電上限値Ｕが蓄電容量の約３７％近傍で、下限値Ｄが約２５％近傍に設定される。
【００２２】定速走行モードＮのときの動作を、図３の車速に沿った充放電のタイミングチャートにより説明すると、時間ｔ１では加速が始まり時間ｔ２で加速が完了するまで蓄電装置３の蓄電量が減少していくのは先に説明した図５の場合と同様であるが、本発明では、時間ｔ２で定速走行に入ってエンジン１に余裕が出ても蓄電装置３を充電しない。すなわち、蓄電装置３の蓄電量が下限値Ｄまで下がらない限り充電することなくそのまま使い続ける。
【００２３】時間ｔ３からブレーキを掛けて減速に入ると、電動機５からの回生制動電力により蓄電装置３が充電されることになるが、この場合、蓄電装置３は充電される余地が十分な状態とされているため、回生制動電力のほぼ全部が回収され蓄電量が増える。
【００２４】なお、平地の走行ならば回生エネルギーは加速エネルギーより必ず少ないから、減速完了後の時間ｔ４での蓄電量は時間ｔ１のときよりも少ないが、この定速走行モードＮにおいては、蓄電装置３の蓄電量が下限値Ｄまで下がらない限り発電が不要で、しかも放電抵抗によるエネルギー破棄も生じない。
【００２５】このように、定速走行モードＮにおいて、上限値Ｕと下限値Ｄと間の充電管理幅を広く設定したとしても、例えば上り坂がかなり長く続くような場合には蓄電量が底をつき加速エネルギーを失い、また、下り坂がかなり長く続くような場合には蓄電量が上限値Ｕに達し、それ以上はせっかく回収した回生エネルギーを放熱抵抗で捨てざるを得ない事態が予想される。
【００２６】もっとも、このような事態を回避するには、キャパシタを大量に積載すればよいのであるが、いつ使うか分からない余分な蓄電能力を常に積載して走行したのでは、そのコストもエネルギーも無駄である。そこで、本発明においては、限られた積載量のキャパシタをより有効に使うため、加速走行モードＰおよび減速走行モードＢを設けている。
【００２７】加速走行モードＰは加速に重点が置かれ、このモードＰが選択されると、上記のように充電管理幅の上限値Ｕは全蓄電容量の１００％近くにまでに設定され、下限値もそれに近いレベルの例えば７５％近傍に設定される。この状態のとき、回生制動電力が入ってくれば放電抵抗で棄てるしかないが、加速側では蓄電装置３の蓄電量を最大限利用することができる。
【００２８】そして、蓄電量が下限値Ｄまで低下すると発電機２が起動して蓄電装置３の充電が開始されるため、定速走行モードＮの平均的な同じレベルに比べて約２倍の蓄電量を加速に利用することが可能となる。
【００２９】これに対して、減速走行モードＢは回生制動に重点が置かれている。このモードＢにおいては、加速用の蓄電量は定速走行モードＮの下限値Ｄより下に少ししかないが、回生制動電力を蓄える蓄電容量は平均的な定速走行モードＮに比べて約２倍用意され、これにより、下り坂がかなり長く続くような場合でも、その回生制動電力を棄てることなく、ほぼ１００％回収することができる。
【００３０】上記実施形態では、各走行モードＮ，Ｐ，Ｂを手動にて切り替えるようにしているが、例えばカーナビゲータから車道の上り下りの情報を得て自動的にモード切替を行なうようにしてもよい。別の方法として、運転操作を検出してモード切替を行なうことも可能である。
【００３１】例えば、アクセル操作が頻繁でブレーキ操作がない場合、あるいはアクセル操作の割には車速が上がらないなどの場合には、上り坂と判断して加速走行モードＰに入る。これに対して、ブレーキ操作が頻繁でアクセル操作なしの場合、あるいはアクセル操作の割には車速が大であるなどの場合には、下り坂と判断して減速走行モードＢに入る。
【００３２】なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。特に、各走行モードにおける充電管理幅は、設計により、また、使用する部品の特性などによって適宜変更可能であるし、充電制御回路４４はＣＰＵやマイクロコンピュータで構成されてもよい。また、上記実施形態では各並列モニタ４１ａ〜４１ｎの監視電圧を制御して蓄電装置３の充電管理幅を変更するようにしているが、これはオプション的機能であり、並列モニタによることなく蓄電装置３の充電管理幅は変更可能である。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、電気二重層キャパシタの充放電を並列モニタを含む制御回路にて制御する蓄電装置を用いたハイブリット電気自動車において、少なくとも定速走行モード、加速走行モードおよび減速走行モードの３つの走行モードが選択可能で、しかも各走行モードに応じて蓄電装置に対する充電上限値および充電下限値（充電管理幅）が変更されるようにしたことにより、比較的小容量のキャパシタ蓄電装置を最大限有効に利用することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】３９３０１３５６０
【氏名又は名称】株式会社岡村研究所
【識別番号】５９４０８６２８８
【氏名又は名称】株式会社パワーシステム
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| 【出願日】 |
平成１２年６月３０日（２０００．６．３０） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８３４０４
【弁理士】
【氏名又は名称】大原 拓也
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| 【公開番号】 |
特開２００２−１７００１（Ｐ２００２−１７００１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年１月１８日（２００２．１．１８） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−１９８１９３（Ｐ２０００−１９８１９３） |
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