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【発明の名称】 電気自動車の電力制御装置
【発明者】 【氏名】緒方 慎也
【住所又は居所】神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産自動車株式会社内
【要約】 【課題】電気自動車の電力制御装置において、バッテリ容量を大きくすることなく、必要なモータ出力を得られるようにする。

【解決手段】バッテリ１から出力される直流電力は、チョッパ回路５により間欠出力となるように制御される。この間欠出力は、平滑回路６で平滑化され、インバータ７で交流出力とされ、モータ１０を回転させる。モータ１０は、減速機１１、車軸１２ａ、１２ｂを介して車輪１３ａ、１３ｂを駆動する。チョッパ回路５は、トルクプロセシングコントローラ１４で決定されたモータ出力要求値、及びこれから求めたインバータ入力電圧に応じて設定されるデューティ比αで、バッテリ１の出力可能な最大値とこれより低い値との間で切り替えるように間欠駆動される。これにより、連続放電したときの電力値より放電初期の高いバッテリ出力可能な最大値を利用することが可能となる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 バッテリから出力される直流電力をインバータで交流電力に変換して車輪を駆動するモータへ供給するようにした電気自動車において、前記バッテリから前記インバータへ供給される電圧を、前記バッテリの出力可能な最大値とこれより低い値との間で切り替え、かつ前記バッテリから放電される電圧の平均値が、前記インバータおよび前記モータの最低動作電圧以上となるように間欠供給する電圧間欠供給回路を有することを特徴とする電気自動車の電力制御装置。
【請求項２】 前記電圧間欠供給回路がチョッパ回路であり、該チョッパ回路と前記インバータとの間に、前記チョッパ回路から間欠供給される電圧を平滑化する平滑回路を設けたことを特徴とする請求項１に記載の電気自動車の電力制御装置。
【請求項３】 前記電圧の間欠供給は、前記モータの出力要求値とインバータ入力電圧とに基づいて設定したデューティ比で前記電圧間欠供給回路を駆動するようにして実行することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の電気自動車の電力制御装置。
【請求項４】 前記デューティ比は、αをデューティ比、ＰＬをモータ出力要求値、Ｐｍａｘをバッテリの最大放電電力、ＶＬをモータ出力要求値ＰＬに必要なインバータ入力電圧、Ｖｂｏをバッテリ開放電圧、Ｖｂｆを放電終止電圧として、ＰＬ／Ｐｍａｘ≦α≦（ＶＬ−Ｖｂｏ）／（Ｖｂｆ−Ｖｂｏ）
の関係を満たすように設定することを特徴とする請求項３に記載の電気自動車の電力制御装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気自動車の電力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の電気自動車の電力制御装置としては、たとえば特開平９−３１２９０１号公報に記載された技術が知られている。上記従来技術では、バッテリの充放電電力を最適に制御するために、放電時にサンプリングした電圧値及び電流値から、例えば最大放電電力ＰＤを、ＰＤ＝Ｖｍｉｎ・Ｉｄｍａｘ＝Ｖｍｉｎ・（ＥＯ−Ｖｍｉｎ）／Ｒで演算する。ここで、Ｖｍｉｎは放電終止電圧、Ｉｄｍａｘは放電許容電流、ＥＯは開放電圧、Ｒは内部抵抗である。
【０００３】一方で、最大放電電力で放電を行うことは少なく、このときの最大電流を少なくすることができればモータの小型化ができるので、このことを考慮し、最大放電電力ＰＩ’を、ＰＩ’＝Ｉｄｍａｘ’・（ＥＯ−Ｉｄｍａｘ・Ｒ）でも演算する。ここで、Ｉｄｍａｘ’はモータ最大定格電流である。そして、バッテリの内部抵抗から算出される最大放電電力ＰＤと、電流上限から計算される最大放電電力ＰＩ’とのうち、下限電圧と上限電流のいずれかにより制限がかかる方、すなわち電力値が小さくなる方の出力を実際のバッテリ最大出力として、車両の放電制御を行うようにしている。なお、充電制御においても同様である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記従来のバッテリの充放電制御にあっては、バッテリの過充放電からの保護を考慮して演算・選択した最大充放電可能出力に基づき制御を行うようにしているが、しかし、選択されたバッテリの放電出力における放電終止電圧が、例えばインバータの最低入力電圧よりも小さい場合には、インバータが所望の動作を行えず、所定のモータ出力が得られないことになる。これを避けるために、バッテリ容量を大きくすることが考えられるが、この場合、バッテリが大容積、重量大、コスト高となってしまうといった問題がある。
【０００５】したがって本発明は、バッテリ容量を大きくすることなく、必要なモータ出力を得ることができるバッテリの放電制御を可能とする電気自動車の電力制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】このため、請求項１の発明は、バッテリから出力される直流電力をインバータで交流電力に変換して車輪を駆動するモータへ供給するようにした電気自動車において、バッテリからインバータへ供給される電圧を、バッテリの出力可能な最大放電電力とこれより低い値との間で切り替え、かつバッテリから放電される電圧の平均値が、インバータおよびモータの最低動作電圧以上となるように間欠供給する電圧間欠供給回路を有する構成とした。
【０００７】請求項２の発明は、電圧間欠供給回路をチョッパ回路とし、チョッパ回路とインバータとの間に、チョッパ回路から間欠供給される電圧を平滑化する平滑回路を設けたものである。
【０００８】請求項３の発明は、電圧の間欠供給が、モータの出力要求値とインバータ入力電圧とに基づいて設定したデューティ比で電圧間欠供給回路を駆動するようにして実行する。
【０００９】請求項４の発明は、デューティ比が、ＰＬ／Ｐｍａｘ≦α≦（ＶＬ−Ｖｂｏ）／（Ｖｂｆ−Ｖｂｏ）の関係を満たす（αはデューティ比、ＰＬはモータ出力要求値、Ｐｍａｘはバッテリ最大出力、ＶＬはモータ出力要求値ＰＬに必要なインバータ入力電圧、Ｖｂｏはバッテリ開放電圧、Ｖｂｆは放電終止電圧）ように設定する。
【００１０】
【発明の効果】請求項１の発明では、バッテリからインバータへの電圧供給を、バッテリの出力可能な最大値とこれより低い値との間で切り替える間欠供給とし、このときバッテリから放電される電圧の平均値が、インバータおよびモータの最低動作電圧以上となるように設定したので、バッテリ容量を大きくすることなく、必要なモータ出力を得ることができるバッテリの放電制御が可能となる。
【００１１】この理由を以下に説明する。一般にバッテリでは、バッテリの反応状態に起因して、放電電流の変化に対して電圧の変化が遅れるという性質があることが知られている。また、電流の変化に対し電圧の変化が小さいので、放電開始時には、電流〜電圧の関係がリニアな特性を示すものに比べて、バッテリから出力可能な電力および電圧が大きくなる。したがって、放電時においては、放電初期に出力可能電力および電圧が高い状態にあるので、この放電初期領域（すなわち過渡領域）における電圧をインバータやモータへ供給するように電圧を間欠供給することにより、十分高い電圧をインバータやモータへ供給することができ、バッテリ容量を大きくすることなく、所定のモータ出力が得られる放電制御を行うことが可能となる。
【００１２】請求項２の発明では、電圧間欠供給回路にチョッパ回路を用い、チョッパ回路とインバータとの間にチョッパ回路から間欠供給される電圧を平滑化する平滑回路を設けるようにしたので、簡単な回路で確実に間欠供給電圧を得ることができ、またこの間欠供給電圧を平滑化することで、インバータでより好ましい交流電力を作り出すことが可能となり、モータをよりスムーズに回転駆動させることができる。
【００１３】請求項３の発明では、電圧の間欠供給を、モータの出力要求値とインバータ入力電圧とに基づいて設定したデューティ比で電圧間欠供給回路を駆動することにより得るようにしたので、アクセルペダルの踏み込み量等に応じた、インバータやモータへの最適な電圧の間欠供給が可能となる。
【００１４】請求項４の発明では、デューティ比αを、ＰＬ／Ｐｍａｘ≦α≦（ＶＬ−Ｖｂｏ）／（Ｖｂｆ−Ｖｂｏ）の関係を満たすように設定したので、上記電圧の最適な間欠供給を確実に実行することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、実施の形態における電力制御装置の構成を示す。バッテリ１は、複数の単位バッテリ（セル・バッテリ）が直列に接続された組バッテリから構成されている。電圧センサ２は、バッテリ１のプラス・マイナス両極間に設けられ、バッテリ１の充放電時のバッテリ電圧を検出する。電圧センサ２で検出した電圧信号は、バッテリコントローラ３へ送られる。電流センサ４は、バッテリ１とチョッパ回路５との間に設けられて、組バッテリ１の充放電電流を検出する。電流センサ４で検出した電流信号は、バッテリコントローラ３へ送られる。
【００１６】電圧間欠供給回路としてのチョッパ回路５は、バッテリ１からの電力を、平滑回路６以降に供給する際に、デューティ制御でオン・オフ切り替えして電圧の間欠供給を可能にする回路であり、バッテリコントローラ３により制御される。平滑回路６は、チョッパ回路５から出力される電圧を平滑化する回路である。インバータ７は、パワー素子としての絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）８をスイッチングすることで、直流電力を交流電力に変換する。インバータ７は、モータコントローラ９により制御される。
【００１７】モータ１０は、ここでは３相交流モータを用い、インバータ７から交流電力が供給され、そこで発生した回転駆動出力を減速機１１へ伝える。減速機１１は、その内部に設けた図示しない歯車組により、その入力を回転減速・トルクを増大して出力し、その出力が図示しない差動歯車を介して車両幅方向の左右へ方向転換かつ動力分割され、左右の車軸１２ａ、１２ｂで車輪１３ａ、１３ｂへ各々伝達されるようになっている。
【００１８】バッテリコントローラ３は、バッテリ１の充放電を制御する目的で、電圧センサ２および電流センサ４で検出した電圧および電流の各情報やトルクプロセシングコントローラ１４から得たモータ出力要求値（トルク指令値）等に基づいて、チョッパ回路５のオン・オフの割合であるデューティ比を演算し、チョッパ回路５を制御する。モータコントローラ９は、トルクプロセシングコントローラ１４で演算されたモータ出力要求値を実現するために、ＩＧＢＴ８のスイッチングのオン・オフ割合等を演算し、ＩＧＢＴ８をオン・オフしてインバータ７から出力される電力を制御する。
【００１９】トルクプロセシングコントローラ１４は、車両駆動用電子装置全体を電子制御するコントローラであって、アクセルペダルセンサ１５およびブレーキペダルセンサ１６から入力される各操作量等に基づき、モータ１０が出力すべきトルクを演算する。上記バッテリコントローラ３、モータコントローラ９、トルクプロセシングコントローラ１４は、それぞれ通信線で接続され、種々の必要な情報を送受信している。
【００２０】以上の構成からなる電気自動車の電力制御装置にあっては、車両走行に際して、図外のスタートスイッチをオンにすれば、バッテリ１が放電可能になる。バッテリコントローラ３により制御されるチョッパ回路５がデューティ比に応じてオン・オフ駆動されることにより、バッテリ１が間欠放電する。この結果、チョッパ回路５は、出力されるその平均電力が所定の電力の大きさにされるように制御されることになる。チョッパ回路５から出力された間欠電力は、平滑回路６で平滑化される。平滑回路６で平滑化された電力は、インバータ７に入力され、モータコントローラ９で制御されるＩＧＢＴ８のスイッチングのオン・オフにより、直流電力から所望の交流電流へと変換されてインバータ７から出力される。
【００２１】インバータ７から出力された交流電力は、モータ１０へ供給され、モータ１０が回転駆動する。モータ１０からの回転駆動力は、減速機１１で回転減速、トルク増大されて差動歯車で動力分割され、左右の車軸１２ａ、１２ｂを介して車輪１３ａ、１３ｂを駆動することで車両の走行を可能とする。
【００２２】走行中、トルクプロセシングコントローラ１４は、アクセルペダルセンサ１５やブレーキペダルセンサ１６等からドライバの要求信号を受け、モータ１０が発生すべきトルクの大きさを演算し、モータ出力要求値を決定する。トルクプロセシングコントローラ１４で決定されたモータ出力要求値に関する情報は、バッテリコントローラ３とモータコントローラ９へ送られ、バッテリコントローラ３が上記情報に応じて設定したデューティ比でチョッパ回路５を駆動する。
【００２３】こうして、バッテリ１からの放電電圧を平滑回路６、インバータ７、モータ１０へ間欠供給可能とするとともに、モータコントローラ９が上記情報に応じてＩＧＢＴ８をオン・オフしてインバータ７によりモータ１０へ供給するのに最適な交流電力を作り出す。この交流電流の供給を受けて、モータ１０は、ドライバの要求等に応じて調整された回転駆動出力を発生することが可能となる。
【００２４】次に、上記電力制御で実行されるバッテリコントローラ３の処理の流れにつき、図２のフローチャートに基づいて説明する。この制御処理は、所定時間毎に実行される。ステップ１０では、バッテリコントローラ３が、電圧センサ２で検出したバッテリ１の電圧（組バッテリ全体での電圧）Ｖの信号を取得する。ステップ２０では、電流センサ４により検出した充放電電流Ｉの信号を取得する。上記ステップ１０およびステップ２０は、Ｖ−Ｉ特性につき複数のサンプリングデータが集まるまで繰り返し行われる。
【００２５】続くステップ３０では、上記ステップ１０とステップ２０とで検出したバッテリ電圧および放電電流を用いて、回帰演算を行い、最大放電電力を求める。なお、この回帰演算による最大放電電力の算出については、特開平９−３１２９０１号公報の図４およびその発明の詳細な説明中、第３ページ右欄第３８行目〜第４ページ右欄第４０行目等に詳細記載がある。
【００２６】ステップ４０では、ステップ３０の回帰演算に基づいて、回帰直線のＶ軸切片である開放電圧Ｖｂｏを演算する。ステップ５０では、予め定められている放電終止電圧Ｖｂｆ（＝バッテリの最大出力可能電圧）および放電許容電流Ｉｄｍａｘと回帰演算した直線から、出力可能なバッテリの最大放電電力Ｐｍａｘ（＝Ｖｂｆ・Ｉｄｍａｘ）を演算する。上記バッテリの開放電圧、出力可能なバッテリの最大放電電力の演算にあっては、電圧センサ２、電流センサ４、及び図示しないバッテリ１の温度センサ等により、バッテリ１の電圧、電流、温度等を計測して、バッテリ１が放電終止電圧Ｖｂｆまで放電した時の出力可能な最大放電電力Ｐｍａｘ、バッテリの開放電圧Ｖｂｏをリアルタイムで演算する。
【００２７】ステップ６０では、トルクプロセシングコントローラ１４からモータの出力要求値ＰＬを読込む。ステップ６５では、モータ出力要求値ＰＬに応じたインバータ電圧（直流換算したインバータ７の入力側電圧）ＶＬを、予め定めたマップから読込む。ステップ７０では、チョッパ回路５のデューティ比αを演算する。デューティ比αは、下式を満たすように設定する。
ＰＬ／Ｐｍａｘ≦α≦（ＶＬ−Ｖｂｏ）／（Ｖｂｆ−Ｖｂｏ）
【００２８】上記間欠放電におけるデューティ比αの設定根拠につき、説明する。バッテリの放電終止電圧Ｖｂｆの時における出力可能な最大放電電力をＰｍａｘとすると、インバータ入力電圧ＶＬでバッテリ出力が不足する場合、デューティ比αを次のように設足する。モータ出力要求値ＰＬは、バッテリの平均出力α・Ｐｍａｘより、小さくなければならないので、α・Ｐｍａｘ≧ＰＬとならなければならない。
【００２９】一方、バッテリ電圧Ｖｂｆの時におけるバッテリから出力可能な最大放電電力Ｐｍａｘは、バッテリの内部抵抗をＲとしてＰｍａｘ＝Ｖｂｆ・Ｉｄｍａｘ＝Ｖｂｆ・（Ｖｂｏ−Ｖｂｆ）／Ｒとなる。また、バッテリから放電される平均電圧は、モータ出力要求値ＰＬを保証する電圧ＶＬより大きくなければならないので、α・Vｂｆ＋（１−α）・Ｖｂｏ≧ＶＬとならなければならない。よって、デューティ比αは、以下の範囲に設定される。
ＰＬ／Ｐｍａｘ≦α≦（ＶＬ−Ｖｂｏ）／（Ｖｂｆ−Ｖｂｏ）
【００３０】ステップ８０では、ステップ７０で演算されたデューティ比αで、チョッパ回路５を駆動する。したがって、バッテリ１からの放電は、上記デューティ比に応じた間欠放電となる。上記間欠放電では、無負荷高電圧の状態と高負荷低電圧の状態とを、デューティ比αに応じて交互に切り替える。そして、この無負荷時の電圧と高負荷時の電圧とによる平均電圧が、モータ１０に要求されたモータ出力要求値の出力を発生するような電圧となるように、上記デューティ比αを制御する。
【００３１】参考のため上記制御における各物理量の特性値を式で示すと、バッテリの平均放電電圧＝α・Ｖｂｆ＋（１−α）・Ｖｂｏ（ ≧モータの出力可能電圧）
バッテリ平均電流＝α・Ｉｂｆバッテリ出力＝α・Ｖｂｆ・Ｉｂｆ＋（１−α）・Ｖｂｏ・Ｉｂｆモータ出力＝η［α・Ｉｂｆ・｛α・Ｖｂｆ＋（１−α）・Ｖｂｏ｝］（ηはモータ・インバータの総合効率）
となる。
【００３２】ある条件で上記間欠放電させたときのバッテリ放電電力とこのとき得られる平均出力との一例を、図３に示す。縦軸はバッテリ放電出力、横軸は放電時間を表す。間欠供給した場合のバッテリ放電出力４０は、ここでは無負荷高電圧の状態４０ａと高負荷低電圧の状態４０ｂの切り替えが１秒間に２回の割合で繰り返される間欠出力となっている。バッテリ放電出力４０は、放電時間の経過とともに無負荷高電圧の値が低下していくものの、その低下率は次第に小さくなっていく。また、この無負荷高電圧の値は、組バッテリが出力可能な最大出力値と同じであり、連続出力する場合よりも高い値に保つことが可能である。
【００３３】一方、上記間欠放電による平均出力４１は、図示のようにデューティ比に応じてオフとなった分、無負荷高電圧の値より低い値となる。この平均出力４１の値は、放電時間の経過とともに、上記間欠出力の無負荷高電圧の値が低下していく（ただし、その低下率は次第に小さくなっていく）ことから、これと同様の傾向を示すが、連続放電した場合のバッテリ出力より大きい。
【００３４】実施の形態は以上のように構成され、モータの出力要求値およびインバータの入力電圧に基づき決定したデューティ比でチョッパ回路を駆動し、この結果バッテリから間欠放電する電圧をインバータやモータに供給するようにした。したがって、無負荷高電圧の状態と高負荷低電圧の状態がデューティ比に応じて切り替わるようにして放電開始初期の電圧を利用するようにしていること、またバッテリの放電出力が低電圧ほど大きく、かつ短時間ほど大きいことから、間欠放電時の電力は、連続放電時よりも大きくなり、この結果バッテリ容量を大きくしなくても、必要なモータ出力を得ることが可能となる。
【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
【出願日】 平成１３年８月８日（２００１．８．８）
【代理人】 【識別番号】１０００８６４５０
【弁理士】
【氏名又は名称】菊谷 公男 （外２名）
【公開番号】 特開２００３−６１２０４（Ｐ２００３−６１２０４Ａ）
【公開日】 平成１５年２月２８日（２００３．２．２８）
【出願番号】 特願２００１−２４１１９３（Ｐ２００１−２４１１９３）