| 【発明の名称】 |
電気自動車の制御装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】安部 孝昭 【住所又は居所】神奈川県横須賀市神奈川区宝町2番地 日産自動車株式会社内
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| 【要約】 |
【課題】車両の燃費性能の低下を最小限に抑制して車両の動力性能を確保する電気自動車の制御装置を提供する。
【解決手段】発電機(3)と2次電池(4)からの電力を用いて駆動モータ(1)または補機(8)を駆動する電気自動車において、モータの要求電力(PMT)を演算する一方、2次電池から放電可能な電力(PB,max)とと車両の動力性能から要求される2次電池の要求電力(PB,req)を演算するコントローラ(5)を備え、コントローラは、モータの要求電力に加えて2次電池の放電可能電力2次電池の要求電力とから発電機が発電すべき発電指令電力(PFC,cmd)を制御する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項1】発電機と2次電池からの電力を用いて駆動モータまたは補機を駆動する電気自動車において、モータの要求電力を演算する一方、2次電池から放電可能な電力と車両の最大動力性能を確保するために要求される2次電池の要求電力を演算するコントローラを備え、コントローラは、モータの要求電力に加えて2次電池の放電可能電力と2次電池の要求電力とから発電機が発電すべき発電指令電力を制御することを特徴とする電気自動車の制御装置。 【請求項2】電気自動車の走行時において、2次電池の放電可能電力が2次電池の要求電力より小さくなろうとする時に、前記コントローラは前記発電機の発電指令電力を2次電池の放電可能出力が2次電池の要求出力と等しくなるように制御することを特徴とする請求項1に記載の電気自動車の制御装置。 【請求項3】前記コントローラは、前記発電機の発電電力が発電機の最大発電効率運転電力に達した時に、発電機の発電指令電力を最大発電効率運転電力に維持するように制御することを特徴とする請求項2に記載の電気自動車の制御装置。 【請求項4】前記コントローラは、前記2次電池の残容量を演算する手段を有し、演算された残容量が上限値を越えた時に前記発電機の運転を停止し、2次電池の電力で車両を駆動することを特徴とする請求項3に記載の電気自動車の制御装置。 【請求項5】前記コントローラは、2次電池の放電可能電力が2次電池の要求電力より小さい場合に前記発電機の発電指令電力を最大発電効率運転電力に制御することを特徴とする請求項4に記載の電気自動車の制御装置。 【請求項6】前記発電機は燃料電池システムであることを特徴とする請求項1から5にいずれか一つに記載の電気自動車の制御装置。 【請求項7】前記発電機はエンジン駆動による発電機またはモータであることを特徴とする請求項1から5にいずれか一つに記載の電気自動車の制御装置。
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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、電気自動車の制御装置、特に発電機と2次電池とを備えた電気自動車の制御装置の改良に関するものである。 【0002】 【従来の技術】発電機と2次電池とを備えた電気自動車として、特開平11−345623号公報、特開2000−353535号公報に記載のものがある。 【0003】特開平11−345623号公報に記載の技術は、燃料電池システムの出力応答性向上を目的として燃料電池システム内で最も電力消費量の多いコンプレッサの出力立ち上げ時には2次電池から電力を供給し、出力低下時には燃料電池の発電電力を低下した分の、水素極からの排ガス増加による回転エネルギをコンプレッサと同軸に取付けたモータで回転力を回生させて2次電池に充電することにより燃料電池の発電電力の低下を速やかに行うものである一方、特開2000−353535号公報に記載のものは、燃料電池システムの応答性向上と過充電、過放電防止を両立させたものであり、2次電池の残容量が多い場合には燃料電池システムの発電電力が2次電池に充電されないように制御し、一方、2次電池の残容量が少ない場合には燃料電池システムの発電電力が2次電池に充電されるように制御し、2次電池の過充電と過放電を防止するものである。 【0004】図8は従来の燃料電池と2次電池を備えた燃料電池車両での加速時から定常運転時の燃料電池の発電電力の変化を示しており、燃料電池システムの発電制御はモータの要求電力に応じて制御される。燃料電池の発電には発電要求に対して遅れがあり、加速時にはこの遅れ分を補うように2次電池から電力をモータに供給する。対して加速状態から定常状態に移行する時にはモータの要求電力の低下指令に対して燃料電池の出力の低下までに遅れが生じ、この遅れによって発生する余剰電力は2次電池に充電することによって処理できる。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図8に示すように加速時から定常走行時への移行時には、2次電池の放電可能出力が2次電池残容量の低下に伴い低下して、2次電池要求出力を下回り、次の加速に対してモータへの電力が供給されず車両の動力性能が確保されないという問題が生じる。 【0006】ここで、2次電池の放電可能出力は2次電池の残容量によって決まり、2次電池が車両の加速時に放電によって低減した残容量とともに低下する。これは2次電池残容量に対する2次電池の開放電圧が変化する2次電池に生じる特性である。また加速時に必要な2次電池要求出力は、燃料電池システムの発電電力に応じて決定される。これは発電電力が大きいほど、加速時の2次電池からの電力の取り出しが小さくすむためである。なお、ここでの加速とは、モータ要求電力が矩形波で要求されるような最大の加速を意味する。 【0007】この問題に対処するために燃料電池システムの発電電力を2次電池の充電可能出力とモータ要求電力の和となるように設定し、2次電池の残容量を上げることにより車両の加速に必要な2次電池の放電電力を確保することが考えられる。 【0008】しかしながら、この対処法では加速終了後定常時に燃料電池システムの発電電力を大きくして2次電池を充電すると、燃料電池システムの発電効率が低下し、車両の燃費性能の低下を招く恐れがある。また、燃費性能向上のために燃料電池システムの発電効率を最大発電効率点で運転すると車両の動力性能が得られないという問題が生じる。 【0009】そこで本発明の目的は、上記問題点を鑑みて車両の燃費性能の低下を最小限に抑制して車両の動力性能を確保する電気自動車を提供することである。 【0010】 【課題を解決するための手段】第1の発明は、発電機と2次電池からの電力を用いて駆動モータまたは補機を駆動する電気自動車において、モータの要求電力を演算する一方、2次電池から放電可能な電力と車両の最大動力性能を確保するために要求される2次電池の要求電力を演算するコントローラを備え、コントローラは、モータの要求電力に加えて2次電池の放電可能電力と2次電池の要求電力とから発電機が発電すべき発電指令電力を制御する。 【0011】第2の発明は、第1の発明において、電気自動車の走行時において、2次電池の放電可能電力が2次電池の要求電力より小さくなろうとする時に、前記コントローラは、前記発電機の発電指令電力を2次電池の放電可能出力が2次電池の要求出力と等しくなるように制御する。 【0012】第3の発明は、第2の発明において、前記コントローラは、前記発電機の発電電力が発電機の最大発電効率運転電力に達した時に、発電機の発電指令電力を最大発電効率運転電力に維持するように制御する。 【0013】第4の発明は、第3の発明において、前記コントローラは、前記2次電池の残容量を演算する手段を有し、演算された残容量が上限値を越えた時に前記発電機の運転を停止し、2次電池の電力で車両を駆動する。 【0014】第5の発明は、第4の発明において、前記コントローラは、2次電池の放電可能電力が2次電池の要求電力より小さい場合に前記発電機の発電指令電力を最大発電効率運転電力に制御する。 【0015】第6の発明は、第1から5にいずれか一つの発明において、前記発電機は燃料電池システムである。 【0016】第7の発明は、第1から5にいずれか一つの発明において、前記発電機はエンジン駆動による発電機またはモータである。 【0017】 【発明の効果】第1、2の発明では、2次電池の放電可能電力と要求電力とを同じになるように発電機の発電指令電力を制御するので、車両が加速状態から定常走行状態に移行する過渡時においても、常に次の加速に必要な動力性能を確保しつつ、燃費性能の低下を最小限に抑制することができる。 【0018】さらに第2の発明では、制御方法が容易で、車両への適用が容易である。 【0019】第3の発明では、第2の発明を続行することによって、発電機の発電電力が最大効率よりも低い効率で運転されようとする時に、最大効率での運転を維持できるので、燃費性能を向上することができる。 【0020】第4の発明では、発電機の最大効率運転電力での運転を継続することで2次電池が過充電となり、駆動モータからの回生電力を充電できずに回生電力の受入性の低下を招くことがない。 【0021】第5の発明では、第4の発明の制御を続けることによって2次電池の放電可能電力が2次電池の要求電力を下回ろうとする時に、2次電池に充電することができ、車両の動力性能と燃費性能を維持することができる。 【0022】第6、7の発明では、車両の動力性能を確保しつつ燃費性能を確保することができる。 【0023】 【発明の実施の形態】以下、本発明の制御装置を添付図面に基づいて説明する。 【0024】図1は本発明の制御装置を備えた電気自動車の構成を説明する図であり、車両を駆動する車輪1は、接続されたモータ2によって回転駆動され、モータ2は発電機としての燃料電池システム3および2次電池(例えば、バッテリ)4からの電力によって駆動する。 【0025】燃料電池システム3および2次電池4からモータ2へ供給される電力は車両の運転状態に応じてコントローラ5によって制御され、その制御内容については詳しく後述する。 【0026】燃料電池システム3に備えられる燃料電池は、メタノール等の燃料を改質して水素リッチの改質ガスを生成し、改質ガスは燃料電池で電気化学反応を生じ、化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。なお燃料はメタノール等の炭化水素系の燃料に限らず、燃料として水素を直接燃料電池に供給することも可能である。 【0027】燃料電池システム3の下流にはDC/DCコンバータ6とインバータ7とが順に配置されており、インバータ7に負荷としてのモータ2と補機8とが接続されている。一方、2次電池4はDC/DCコンバータ6に接続される。 【0028】DC/DCコンバータ6はコントローラ5によって制御され、コントローラ5はDC/DCコンバータ6を燃料電池システム3からの電力をモータ2、補機8と2次電池4に供給する2次電池4を充電する走行モードと、燃料電池システム3での発電を停止し、2次電池4からの電力をモータ2と補機8に供給する2次電池4を放電する走行モードとのいずれかに制御する。 【0029】したがって燃料電池システム3で発電された電力は、DC/DCコンバータ6で昇圧または降圧されて2次電池4に供給され、またインバータ7を介してモータ2と補機8に供給される。 【0030】2次電池4の電力はDC/DCコンバータ6とインバータ7とを介してモータ2と補機8に供給される。なおモータ2が車両制動時等に回生発電する場合には、その回生電力はインバータ7から2次電池4に充電される。 【0031】燃料電池システム3や2次電池等を制御するコントローラ5には車両の運転状態を検出すためにアクセルペダルの踏み込み量を検出するセンサ9とモータ2の回転速度を検出するセンサ10が接続され、これらの検出結果に基づいてモータ2の要求電力が演算される。 【0032】またコントローラ5には2次電池4の総電圧を検出する電圧センサ11と、同じく電流値を検出する電流センサ12と、2次電池4の温度を検出する温度センサ13が接続されており、コントローラ5はこれらセンサの検出値に基づいて2次電池4に残っている電力量である残容量SOC、2次電池4からモータ2に放電できる放電可能電力PB,max、充電可能電力、放電効率及び充電効率を演算する。 【0033】さらにコントローラ5には燃料電池システム3の出力総電圧を検出する電圧センサ14と、同じく電流値を検出する電流センサ15とが接続され、燃料電池システム3の発電効率が演算されるとともに、燃料電池システム3の発電電力より車両の加速に必要な2次電池4からモータ2への要求電力が演算される。 【0034】コントローラ5は前述のように「2次電池を充電する走行モード」と「2次電池を放電する走行モード」とを車両の運転状態に応じて切換え制御し、以下図2から図4を用いてこの制御内容について説明を行う。 【0035】図2に示すフローチャートはコントローラ5が行う制御内容のメインルーチンを示したものである。まずステップS1でイグニッションスイッチがオンであることを確認し、続くステップS2で車両の走行モードを「2次電池を放電する走行モード」に設定する。これは始動直後の走行時において車両の加速を確実に確保するための制御である。 【0036】ステップS3で、現在の走行モードを判断する。このとき、ステップS2での走行モードの設定、または後述するステップS12とS22からのフラグに基づき走行モードの判断を行う。「2次電池を放電する走行モード」の時にはステップS4に進み、「2次電池を充電する走行モード」の時にはステップS5に進む。なおこのステップS3において走行モードの判定に加えて、イグニッションスイッチの状態を判定しており、イグニッションスイッチがオフとなった場合には制御を終了する。 【0037】ステップS4とステップS5で行う処理内容について、図3と図4に示すサブルーチンを用いて説明する。 【0038】まず、図3に示す「2次電池を放電する走行モード」時にステップS4でコントローラ5が実施するサブルーチンを説明する。なおこのサブルーチンは図5に示す時間経過に伴う電力の変化に従い、時系列的に行われる。 【0039】ステップS11で2次電池4の放電可能電力PB,maxが車両の加速に必要な2次電池4の要求電力PB,reqより大きいかどうかを判定する。大きい場合にはステップS13に進み、以下の場合にはステップS12に進み、2次電池4を充電する走行モードのフラグを立てて、図2に示すステップS3を経由して図4に示す「2次電池を充電する走行モード」のステップS21に進む。 【0040】ステップS13ではモータ電力PMTを燃料電池システム3の最大効率運転電力PFC,effと比較し、モータ電力PMTが大きい時にはステップS15に進み、以下の時にはステップS14に進む。ステップ14では燃料電池システム3が発電すべき発電指令電力PFC,cmdを0に設定し、発電を停止する。 【0041】ステップS15では燃料電池システム3の発電指令電力PFC,cmdをモータ電力PMTに設定する。 【0042】ここまでの処理は図5に示す加速状態(加速スタート時を0としてスタート後14.5秒まで)で行われる処理である。ここでは2次電池4の放電可能電力PB,maxが要求電力PB,reqより大きい状態(ステップS11)、かつモータ電力PMTが燃料電池システム3の最大効率運転電力PFC,effより大きい状態(ステップS13)の時に燃料電池システム3の発電指令電力PFC,cmdをモータ電力PMTに設定する(ステップS15)ことで2次電池4は放電を行う。 【0043】これは燃料電池システム3の最大効率運転電力PFC,effを上回るモータ電力PMTで車両の加速が行われた時に燃料電池システム3の電力供給不足分を2次電池4からの放電で補うよう制御するものである。 【0044】ステップS16ではモータ電力PMTが燃料電池システム3の発電電力PFCより小さいかどうかを判定し、小さい時にステップS17に進み、発電電力PFC以上の時にはステップS15に戻る。 【0045】ステップS17では、燃料電池システム3の発電電力PFCが最大効率運転電力PFC,effより大きいか判定し、大きい時にはステップS18で2次電池4の放電可能電力PB,maxが車両の加速に必要な2次電池4の要求電力PB,reqより小さいかどうかを判定する。 【0046】ステップS18で2次電池4の放電可能電力PB,maxが要求電力PB,reqより小さい時にはステップS19に進み、燃料電池システム3の発電指令電力PFC,cmdを発電電力PFCに設定してステップS16に戻る。また2次電池4の放電可能電力PB,maxが要求電力PB,req以上の時にはステップS20に進み、燃料電池システム3の発電指令電力PFC,cmdをモータ電力PMTに設定してステップS16に戻る。 【0047】ステップS17からステップS20において、燃料電池システム3の発電電力PFCが燃料電池システム3の最大効率運転電力PFC,effより大きい場合にのみ、2次電池4の放電可能電力PB,maxと要求電力PB,reqの大きさによって燃料電池システム3の発電指令電力PFC,cmdを現在の発電電力PFCとモータ電力PMTに切換えることで、2次電池4の放電可能電力PB,maxと要求電力PB,reqがほぼ等しくなるようにして、2次電池4の放電可能電力PB,maxを増加させることができ、2次電池4に燃料電池システム3の発電電力PFCとモータ電力PMTの差分の電力を充電させることができる。 【0048】ステップS16は14.5秒時に、ステップS17からS20の制御は図5でのt14.5秒から19.5秒の間に行われている制御である。 【0049】一方、燃料電池システム3の発電電力PFCが最大効率運転電力PFC,eff以下の時にはステップS11に戻る。 【0050】なおステップS11で2次電池4の放電可能電力PB,maxが要求電力PB,reqより大きいかを判断しているが、2次電池4の残容量SOCがその下限容量SOC,downより大きいか判断するようにしてもよい。下限容量SOC,downは燃料電池システム3が作動していない時の車両の加速に必要な2次電池4の要求電力を確保できる値であり、2次電池4の上限容量SOC,upよりは小さい値となる。これにより、2次電池4の残容量SOCが下限容量SOC,down以下の場合に放電モードから充電モードに移行する。 【0051】次に図2のステップS5に示す「2次電池4を充電する走行モード」においてコントローラ5が実施するサブルーチンについて説明する。 【0052】ステップS21で2次電池4の残容量SOCがその上限残容量SOC,upより小さいかを判定する。小さい場合にはステップS23に進み、以上の場合にはステップS22に進み、2次電池4の過充電を防止するため2次電池4から放電するために放電する走行モードのフラグを立てて、図2に示すステップS3に進む。 【0053】ステップS23ではモータ電力PMTを燃料電池システム3の最大効率運転電力PFC,effと比較し、モータ電力PMTが大きい時にはステップS25に進み、以下の時にはステップS24に進む。ステップS24で燃料電池システム3の発電指令電力PFC,cmdに最大効率運転電力PFC,effを設定し、ステップS21に戻る。 【0054】ここまでは、2次電池4の残容量SOCがその上限残容量SOC,upを超さない範囲で2次電池4の充電を行っているものである。モータ電力PMTが燃料電池システム3の最大効率運転電力PFC,effより小さく、高負荷状態でない場合には、燃料電池システム3の発電指令電力PFC,cmdを最大効率運転電力PFC,effに設定し、2次電池4に充電する。 【0055】なお、このステップS21以降の2次電池4を充電する走行モードでの制御が図5の19.5秒以降に行われる制御であり、つまり19.5秒経過時点で2次電池4を放電する走行モードでの燃料電池システム3の発電電力PFCは最大効率運転電力PFC,eff以下となり(ステップS17)、かつ2次電池4の放電可能電力PB,maxは2次電池4の要求電力PB,req(以下)となっている(ステップS11)。この条件によって2次電池4を放電する走行モードから充電する走行モードに切り換わる。 【0056】また、図5に図示しないが32秒経過時に2次電池のSOCが上限容量SOC,upに達するまで充電され(ステップS21)、32秒以降でステップS22から図3の放電する走行モードのステップS11に移行して燃料電池システム3の発電指令電力PFC,cmdを0にして(ステップS14)、2次電池4を放電する。 【0057】ステップS25では燃料電池システム3の発電指令電力PFC,cmdにモータ電力PMTを設定する。ステップS25以降は図3に示したステップS15からS20と同様である。 【0058】ステップS26ではモータ電力PMTが燃料電池システム3の発電電力PFCより小さいかどうかを判定し、小さい時にステップS27に進み、発電電力PFC以上の時にはステップS25に戻る。 【0059】ステップS27では、燃料電池システム3の発電電力PFCが燃料電池システム3の最大効率運転電力PFC,effより大きいか判定し、大きい時にはステップS28で2次電池4の放電可能電力PB,maxが車両の加速に必要な2次電池4の要求電力PB,reqより小さいかどうかを判定する。一方、燃料電池システム3の発電電力PFCが最大効率運転電力PFC,eff以下の時にはステップS21に戻る。 【0060】ステップS28で2次電池4の放電可能電力PB,maxが要求電力PB,reqより小さい時にはステップS29に進み、燃料電池システム3の発電指令電力PFC,cmdを発電電力PFCに設定してステップS26に戻る。また2次電池4の放電可能電力PB,maxが要求電力PB,req以上の時にはステップS30に進み、燃料電池システム3の発電指令電力PFC,cmdをモータ電力PMTに設定してステップS26に戻る。 【0061】このステップS25からS30の制御は、図5で示す19.5秒経過後、32秒までの2次電池4に充電を行っている定常走行時に、車両の加減速が生じた場合の制御内容であり、この制御時においても常に2次電池4の放電可能電力が要求電力より大きい状態を維持するように制御する。 【0062】また、図5において40秒経過以降の図示をしていないが、その後に車両の加減速が生じた時には、図3のステップS15からS20の制御を実行し、常に2次電池4の放電可能電力PB,maxが要求電力PB,req以上の状態を維持するように制御する。 【0063】このようにしてステップS4とステップS5でのサブルーチン処理が終了するとステップS3に戻り、再び走行モードを判断する。 【0064】次に図5に示すコントローラ5が実施した上記の制御の結果について説明する。 【0065】車両の加速が開始すると、モータ2の必要電力PMTが加速に応じて立ち上がるが、燃料電池システム3の発電電力PFCは図5に示すように加速が急速な場合には、必要電力PMTに対して遅れを生じ、電力の不足が生じる。この不足分を2次電池4からの放電電力によって賄うように制御する。燃料電池システムでの発電電力PFCが増加してくると、車両の最大加速に要求される2次電池4の要求電力PB,reqは減少し、一方、モータ2への電力供給によって2次電池4の放出可能電力PB,maxも減少する。言い換えると2次電池4の残容量SOCが減少していることになる。 【0066】そして加速状態から定常走行へ車両の運転状態が変化すると、モータ電力PMTは定常走行で必要とする電力に急速に低下し、これに伴って燃料電池システム3での発電電力PFCもモータ電力PMTに遅れつつ減少する。 【0067】一方、2次電池4に要求される電力PB,reqと放電可能電力PB,maxは上昇に転じ、時間t1で2次電池要求電力PB,reqと放電可能電力PB,maxは要求電力PB,reqのほうが放電可能電力PB,maxよりもわずかに大きくなる。この状態で走行モードが「2次電池を放電する走行モード」では図3に示すステップS19以降の制御を実行する。この制御を実行することにより2次電池の放電可能電力PB,maxと要求電力PB,reqとをほぼ同じとすることができ、車両の加速性能を確保することができる。また定常走行時で燃料電池システム3の発電電力PFCが最大効率運転電力での効率運転を行いつつ(2次電池4を充電する走行モードに移行)、2次電池4に充電が開始され、上限容量まで充電された後、走行モードが再び2次電池4を放電する走行モードに切り換わり燃料電池システム3は発電を停止する。 【0068】図6は燃料電池システム3の発電効率を説明する図であり、燃料電池システム3は所定の発電電力の時に最大効率運転点を持ち、他の発電電力の時には発電効率が著しく低下するので、最大効率点での運転を行うように制御する必要がある。 【0069】図7に示すフローチャートは図3の「2次電池4を放電する走行モード」のフローチャートに類似するが、ステップS19とS20を変更したもので、2次電池4の放電可能電力PB,maxと要求電力PB,reqをほぼ等しくなる状態で2次電池4を充電するように燃料電池システム発電指令電力PFC,cmdを制御する別のフローチャートである。 【0070】具体的にはステップS19に対応するステップS31で燃料電池システム発電指令電力PFC,cmdを現在値より所定量だけ増加させる。またステップS20に対応するステップS32で、燃料電池システム3の発電指令電力PFC,cmdを現在値より所定量だけ減少させるように制御するものである。 【0071】本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
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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 【住所又は居所】神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地
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| 【出願日】 |
平成13年6月22日(2001.6.22) |
| 【代理人】 |
【識別番号】100075513 【弁理士】 【氏名又は名称】後藤 政喜 (外1名)
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| 【公開番号】 |
特開2003−9313(P2003−9313A) |
| 【公開日】 |
平成15年1月10日(2003.1.10) |
| 【出願番号】 |
特願2001−189440(P2001−189440) |
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