JP2016144366A

JP2016144366A - 電動車両

Info

Publication number: JP2016144366A
Application number: JP2015020394A
Authority: JP
Inventors: 正男高岡; Masao Takaoka; 勇太鈴木; Yuta Suzuki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-02-04
Filing date: 2015-02-04
Publication date: 2016-08-08

Abstract

【課題】発電装置と二次電池とモータとを備える駆動システムが少なくとも２つ独立して設けられたものにおいて、駆動システムの何れかに発電装置の故障が生じた場合でも、十分な動力により待避走行できるようにする。
【解決手段】２つの駆動系のうち一方の発電装置（燃料電池）がフェールした場合、車両に制動力が要求されたときに、フェール側駆動系のバッテリ（フェール側バッテリ）の目標ＳＯＣを正常時よりも高く設定し、フェール側バッテリの蓄電割合ＳＯＣが目標ＳＯＣに近づくように２つの駆動系の各モータを回生制御する。これにより、フェール側バッテリの充電量を多くすることができるため、次に、車両に駆動力が要求されたときに、正常側駆動系からの動力に加えて、フェール側バッテリの電力を用いてフェール側駆動系から十分な動力を出力することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電装置と、該発電装置により発電される電力により充電可能な二次電池と、該二次電池からの電力または前記発電装置により発電される電力を用いて走行に必要な動力を出力可能な電動機とを備える駆動システムが少なくとも２つ独立して設けられた電動車両に関する。

従来、この種の電動車両としては、燃料電池と、燃料電池で発電した電力を充電可能なバッテリと、走行用の動力を出力可能な交流モータとからなる駆動システムを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この電動車両では、車両の駆動が要求されたときには、燃料電池で発電した電力またはバッテリからの電力を用いて交流モータを駆動制御し、車両の制動が要求されたときには、回生電力によりバッテリを充電するよう交流モータを回生制御する。

特開２０１１−１５５８０号公報

ところで、バスやトラック等の大型車両では、走行に要求される駆動力が大きいため、駆動システムを大型化したり、複数の駆動システムを搭載したりする場合がある。前者の場合、駆動システムの燃料電池に故障が生じると、燃料電池で発電ができなくなるため、バッテリの残容量の範囲内でしか待避走行を行うことができない。一方、後者の場合、複数の駆動システムの一つに燃料電池の故障が生じても、正常な駆動システムを用いて待避走行を行うことが可能である。しかしながら、この場合でも、燃料電池に故障が生じている駆動システムのバッテリの残容量が低下すると、正常な駆動システムだけからしか動力を出力できなくなり、十分な動力により待機走行を行うことができない場合がある。

本発明の自動車は、発電装置と二次電池とモータとを備える駆動システムが少なくとも２つ独立して設けられたものにおいて、駆動システムの何れかに発電装置の故障が生じた場合でも、十分な動力により待避走行できるようにすることを主目的とする。

本発明の電動車両は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の電動車両は、
発電装置と、該発電装置により発電される電力により充電可能な二次電池と、該二次電池からの電力または前記発電装置により発電される電力を用いて走行に必要な動力を出力する発電可能な電動機とを備える駆動システムが少なくとも２つ独立して設けられた電動車両であって、
前記少なくとも２つの駆動システムのいずれかに前記発電装置の故障が生じている場合、車両の制動が要求されたときには、発電装置に故障が生じている駆動システムの二次電池の蓄電割合が正常時よりも高い目標蓄電割合に近づくように、前記少なくとも２つの駆動システムの各電動機を回生制御する
ことを要旨とする。

この本発明の電動車両では、発電装置と、発電装置により発電される電力により充電可能な二次電池と、二次電池からの電力または発電装置により発電される電力を用いて走行に必要な動力を出力する発電可能な電動機とを備える駆動システムを少なくとも２つ独立して設ける。また、少なくとも２つの駆動システムのいずれかに発電装置の故障が生じている場合、車両の制動が要求されたときには、発電装置に故障が生じている駆動システム（故障側駆動システム）の二次電池の蓄電割合が正常時よりも高い目標蓄電割合に近づくように、少なくとも２つの駆動システムの各電動機を回生制御する。このように、少なくとも２つの駆動システムのいずれかに発電装置の故障が生じている場合、回生制動時に故障側駆動システムの二次電池を優先して充電させる。これにより、故障側駆動システムの二次電池の蓄電割合が低下して動力が出力できなくなるのを抑制することができるため、駆動システムの何れかに発電装置の故障が生じた場合でも、発電装置に故障が生じていない駆動システム（正常側駆動システム）からの動力に加えて、故障側駆動システムからも十分な動力を出力して、待避走行を行うことができる。この結果、待避走行時の性能をより向上させることができる。なお、回生制動時に故障側駆動システムの二次電池の充電を優先させると、正常側駆動システムの二次電池の充電量は少なくなるが、正常側駆動システムでは発電装置で発電した電力により二次電池を充電することが可能である。ここで、「蓄電割合」は、二次電池から放電可能な容量の全容量に対する割合を意味する。「発電装置」は、燃料電池を例示できる。また、少なくとも２つの駆動システムの各電動機は、同じ駆動輪に動力を出力するものとしてもよいし、それぞれ異なる駆動輪に動力を出力するものとしてもよい。

本発明の一実施例としての電動車両２０の構成の概略を示す構成図である。メインＥＣＵ７０により実行されるＦＣフェール時回生制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。正常時のバッテリの目標ＳＯＣとフェール時のバッテリの目標ＳＯＣの一例を示す説明図である。配分比率設定用マップの一例を示す説明図である。変形例の電動車両２０Ｂの構成の概略を示す構成図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である電動車両２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電動車両２０は、図示するように、第１駆動系３０と、第２駆動系４０と、車両全体をコントロールするメイン電子制御ユニット（以下、メインＥＣＵという）６０とを備える。

第１駆動系３０および第２駆動系４０は、それぞれ独立したシステムとして構成されており、駆動輪２６ａ，２６ｂにデファレンシャルギヤ２４を介して連結された駆動軸２２に動力を出力するモータ３２，４２と、モータ３２，４２に電力を供給可能なバッテリ３４，４４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５，４５を介してモータ３２，４２とバッテリ３４，４４とに電力を供給可能な燃料電池３６，４６と、を備える。

モータ３２，４２は、電動機として駆動可能であると共に発電機としても駆動可能な周知の同期発電電動機として構成されている。モータ３２，４２は、メインＥＣＵ６０によってインバータ３１，４１のスイッチング素子がスイッチング制御されることで、バッテリ３４，４４からの直流電力が三相交流電力に変換されて供給されることにより駆動する。

バッテリ３４，４４は、例えばリチウムイオン二次電池として構成されており、インバータ３１，４１を介してモータ３２，４２と電力をやりとりする。バッテリ３４，４４は、バッテリ用電子制御ユニット（以下、バッテリＥＣＵという）５０により管理されている。バッテリＥＣＵ５０には、バッテリ３４，４４を管理するのに必要な信号、例えば，バッテリ３４，４４の端子間に設置された図示しない電圧センサからの端子間電圧，バッテリ３４，４４の出力端子に接続された電力ラインに取り付けられた図示しない電流センサからの充放電電流，バッテリ３４，４４に取り付けられた図示しない温度センサからの電池温度などが入力されており、必要に応じてバッテリ３４，４４の状態に関するデータを通信によりメインＥＣＵ６０に出力する。なお、バッテリＥＣＵ５０では、バッテリ３４，４４を管理するために、電流センサにより検出された充放電電流の積算値に基づいてそのときのバッテリ３４，４４から放電可能な電力の容量の全容量に対する割合である蓄電割合ＳＯＣも演算している。

燃料電池３６，４６は、例えば固体高分子型燃料電池として構成されており、燃料電池用電子制御ユニット（以下、ＦＣＥＣＵという）５２によりその運転、例えば水素含有ガスや酸素含有ガスの供給量や冷却水の供給量などが制御されている。ＦＣＥＣＵ５２は、メインＥＣＵ６０と通信可能に接続されており、必要に応じて燃料電池３６，４６の状態に関するデータをメインＥＣＵ６０に出力する。

メインＥＣＵ６０は、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、図示しないが、ＣＰＵの他にＲＯＭ，ＲＡＭ，入出力ポート，通信ポートを備える。メインＥＣＵ６０には、モータ３２，４２を駆動制御するために必要な信号、例えばモータ３２，４２の回転子の回転位置を検出する図示しない回転位置検出センサからの信号や図示しない電流センサにより検出されるモータ３２，４２に印加される相電流，シフトレバー６１の操作位置を検出するシフトポジションセンサ６２からのシフトポジションＳＰ，アクセルペダル６３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ６４からのアクセル開度Ａｃｃ，ブレーキペダル６５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ６６からのブレーキペダルポジションＢＰ，車速センサ６８からの車速Ｖなどが入力ポートを介して入力されている。メインＥＣＵ６０からは、インバータ３１，４１へのスイッチング制御信号やＤＣ／ＤＣコンバータ３５，４５へのスイッチング制御信号などが出力ポートを介して出力されている。また、メインＥＣＵ６０は、前述したように、バッテリＥＣＵ５０やＦＣＥＣＵ５２と通信ポートを介して接続されており、バッテリＥＣＵ５０やＦＣＥＣＵ５２と各種制御信号やデータのやりとりを行なっている。

次に、こうして構成された実施例の電動車両２０の動作について説明する。実施例の電動車両２０では、車両の駆動力が要求される場合には、メインＥＣＵ６０は、アクセルペダルポジションセンサ６４からのアクセル開度Ａｃｃと車速センサ６８からの車速Ｖとに基づいて走行に要求される走行要求トルクＴｄ＊を設定する。続いて、走行要求トルクＴｄ＊が所定の配分比で両モータ３２，４２から出力されるようモータ３２，４２毎の目標トルクＴｍ１＊，Ｔｍ２＊を設定する。ここで、走行要求トルクＴｄ＊のモータ３２，４２への分配に用いる配分比は、例えば、車両の走行状態や運転者の操作に基づいて定めることができる。なお、この配分比は、走行要求トルクＴｄ＊が出力されれば、如何なる比率としてもよい。次に、目標トルクＴｍ１＊に車速Ｖに基づいて演算されるモータ３２の回転数を乗じて第１駆動系３０に要求される走行要求パワーＰｄ１＊を設定すると共に、目標トルクＴｍ２＊に車速Ｖに基づいて演算されるモータ４２の回転数を乗じて第２駆動系４０に要求される走行要求パワーＰｄ２＊を設定する。また、第１駆動系３０のバッテリ３４の蓄電割合ＳＯＣに基づいてバッテリ３４が要求する充電要求パワーＰｂ１＊を設定すると共に、第２駆動系４０のバッテリ４４の蓄電割合ＳＯＣに基づいてバッテリ４４が要求する充電要求パワーＰｂ２＊を設定する。ここで、充電要求パワーＰｂ１＊，Ｐｂ２＊は、例えば、バッテリ３４，４４の蓄電割合ＳＯＣが目標ＳＯＣ（ＳＯＣ中心）よりも低い場合には低いほど大きな正のパワーを設定し、所定の目標ＳＯＣよりも高い場合には高いほど小さな負のパワーを設定する。ここで、目標ＳＯＣ（ＳＯＣ中心）は、例えば、６０％とすることができる。なお、充電要求パワーＰｂ１＊，Ｐｂ２＊は、正のパワーであればバッテリ３４，４４を充電させるパワーとなり、負のパワーであればバッテリ３４，４４を放電させるパワーとなる。そして、走行要求パワーＰｄ１＊と充電要求パワーＰｂ１＊との和に基づいて第１駆動系３０の燃料電池３６の目標出力Ｐｆ１＊を設定すると共に、走行要求パワーＰｄ２＊と充電要求パワーＰｂ２＊との和に基づいて第２駆動系４０の燃料電池４６の目標出力Ｐｆ２＊を設定する。こうしてモータ３２，４２の目標トルクＴｍ１＊，Ｔｍ２＊と燃料電池３６，４６の目標出力Ｐｆ１＊，Ｐｆ２＊とを設定すると、目標出力Ｐｆ１＊，Ｐｆ２＊に見合う電力が出力されるよう燃料電池３６，４６を運転制御すると共に、設定した目標トルクＴｍ１＊，Ｔｍ２＊に見合うトルクがモータ３２，４２から出力されるようインバータ３１，４１を駆動制御する。これにより、充放電要求パワーＰｂ１＊，Ｐｂ２によりバッテリ３４，４４を充放電しながら、モータ３２，４２からそれぞれ目標トルクＴｍ１＊，Ｔｍ２＊に見合うトルクを出力して走行することができる。

また、実施例の電動車両２０では、車両に制動力が要求される場合には、ブレーキペダルポジションセンサ６６からのブレーキペダルポジションと車速Ｖとに基づいて両モータ３２，４２全体で回生すべき回生要求トルクＴｄ＊を設定する。続いて、回生要求トルクＴｄ＊が所定の配分比でモータ３２，４２から出力されるようにモータ３２，４２毎の目標トルクＴｍ１＊，Ｔｍ２＊（回生トルク）を設定する。ここで、回生時の配分比は、例えば、５０：５０の均等配分としたり、両バッテリ３４，４４の蓄電割合ＳＯＣが同レベルに近づくように蓄電割合ＳＯＣが少ない方を多い方よりも高い比率としたりすることができる。そして、設定した目標トルクＴｍ１＊，Ｔｍ２＊に見合う回生トルクがモータ３２，４２が出力されるようインバータ３１，４１を駆動制御する。これにより、両モータ３２，４２の回生制動によって車両に制動力を出力すると共に、回生制動によってモータ３２，４２で発電した電力によりバッテリ３４，４４を充電することができる。

次に、実施例の電動車両２０における燃料電池３６，４６の一方に故障（フェール）が生じたときの動作について説明する。なお、燃料電池３６，４６の故障判定は、例えば、ＦＣＥＣＵ５２により燃料電池３６，４６を構成するセル間の電圧低下などの燃料電池３６，４６の状態を監視することにより行うことができる。

２つの駆動系３０，４０の一方に燃料電池のフェールが生じている場合、車両に駆動力が要求されているときには、フェール側駆動系のバッテリ（フェール側バッテリ）の電力と、正常側駆動系の燃料電池（正常側燃料電池）またはバッテリ（正常側バッテリ）の電力とを用いて、走行要求トルクＴｄ＊により走行するようモータ３２，４２と正常側燃料電池とを制御する。この場合、走行要求トルクＴｄ＊のモータ３２，４２への分配に用いる配分比は、フェール側バッテリの蓄電割合ＳＯＣに基づいて、例えば、フェール側バッテリの蓄電割合ＳＯＣが少ないほど、フェール側モータの比率が小さくなるように定めることができる。ここで、フェール側駆動系は、そのモータ（フェール側モータ）の駆動に必要な電力の全てをバッテリ（フェール側バッテリ）からの放電で賄わなければならない。このため、フェール側バッテリの蓄電割合ＳＯＣが正常側バッテリの蓄電割合ＳＯＣよりも低下しやすく、フェール側バッテリの蓄電割合ＳＯＣの低下によってフェール側モータから十分な動力を出力できない場合がある。

また、燃料電池３６，４６の一方に故障（フェール）が生じている場合、車両に制動力が要求されているときには、図２に例示するＦＣフェール時回生制御ルーチンが実行される。

ＦＣフェール時回生制御ルーチンが実行されると、メインＥＣＵ６０のＣＰＵ５２は、まず、ブレーキペダルポジションＢＰと車速Ｖとに基づいて回生要求トルクＴｄ＊を設定する（ステップＳ１００）。続いて、フェール側バッテリの目標ＳＯＣ（ＳＯＣ中心）を正常時よりも高いフェール用の値に設定する（ステップＳ１１０）。図３は、正常時のバッテリの目標ＳＯＣとフェール時のバッテリの目標ＳＯＣの一例を示す説明図である。目標ＳＯＣは、本実施例では、図３に示すように、燃料電池が正常なときには第１の値（例えば６０％）とされ、燃料電池がフェールすると、第１の値よりも高い第２の値（例えば８０％）とされる。そして、設定した目標ＳＯＣとフェール側バッテリの蓄電割合ＳＯＣとに基づいて、回生要求トルクＴｄ＊のフェール側モータへの配分比率αを設定する（ステップＳ１２０）。ステップＳ１２０の処理は、フェール側バッテリの蓄電割合ＳＯＣと配分比率αとの関係を予め求めて配分比設定用マップとしてＲＯＭに記憶しておき、フェール側バッテリの蓄電割合ＳＯＣが与えられると、対応する配分比率αを配分比設定用マップから導出することにより行なう。配分比率設定用マップの一例を図４に示す。図４の配分比率設定用マップは、目標ＳＯＣをフェール用の値（８０％）とした場合に最適化されている。配分比率αは、図４に示すように、フェール側バッテリの蓄電割合ＳＯＣが目標ＳＯＣに近づくように、蓄電割合ＳＯＣが小さくなるにつれて徐々（リニア）に大きくなるように設定される。

配分比率αを設定すると、回生要求トルクＴｄ＊に設定した配分比率αを乗じることによりフェール側モータの目標トルクＴｍａ＊を設定する（ステップＳ１３０）。また、回生要求トルクＴｄ＊からフェール側モータの目標トルクＴｍａ＊を減じることにより正常側モータの目標トルクＴｍｂ＊を設定する（ステップＳ１４０）。目標トルクＴｍａ＊，Ｔｍｂ＊を設定すると、設定した目標トルクＴｍａ＊，Ｔｍｂ＊に見合う回生トルクがモータ３２，４２から出力されるようインバータ３１，４１を駆動制御して（ステップＳ１５０）、ＦＣフェール時回生制御ルーチンを終了する。

以上説明した実施例の電動車両２０によれば、第１駆動系３０と第２駆動系４０とのうち一方の燃料電池がフェールした場合、車両に制動力が要求されたときに、フェール側駆動系のバッテリ（フェール側バッテリ）の目標ＳＯＣを正常時よりも高く設定し、フェール側バッテリの蓄電割合ＳＯＣが設定した目標ＳＯＣに近づくようにモータ３２，４２を回生制御する。これにより、フェール側バッテリの充電量を多くすることができるため、次に、車両に駆動力が要求されたときに、正常側駆動系からの動力に加えて、フェール側バッテリの電力を用いてフェール側駆動系から十分な動力を出力することができる。この結果、待避走行時の性能をより向上させることができる。ここで、車両の回生制動を行う際に、フェール側バッテリの充電量を多くすると、正常側バッテリの充電量は少なくなるが、正常側燃料電池の電力を用いて正常側バッテリを充電することにより、正常側バッテリの蓄電割合ＳＯＣを目標ＳＯＣに近づけることができる。

実施例の電動車両２０では、図４に示すように、フェール側モータのトルク配分比率αを、蓄電割合ＳＯＣの変化に対してリニアに変化するよう設定するものとしたが、これに限定されるものではなく、蓄電割合ＳＯＣの変化に対して配分比率αを階段状に変化させてもよいし、蓄電割合ＳＯＣが所定割合以上の場合と所定割合未満の場合とで異なる配分比率αを設定するようにしてもよい（２値制御）。

実施例の電動車両２０では、２つの駆動系３０，４０から同一の駆動輪に動力を出力するよう構成するものとしたが、それぞれ異なる駆動輪に動力を出力するよう構成するものとしてもよい。例えば、図５に例示する変形例の電動車両２０Ｂに示すように、第１駆動系３０Ｂのモータ３２の回転軸を駆動輪（例えば前輪）２６ａ，２６ｂに連結された駆動軸２２に接続し、第２駆動系４０Ｂのモータ４２の回転軸を駆動輪（例えば後輪）１２６ａ，１２６ｂに連結された駆動軸１２２に接続するよう構成するものとしてもよい。また、実施例の電動車両２０では、２つの駆動系３０，４０を備える構成としたが、３つ以上の駆動系を備える構成としてもよい。

実施例の電動車両２０では、駆動系（第１駆動系３０，第２駆動系４０）として、モータ３２，４２とバッテリ３４，４４と燃料電池３６，４６とを備える構成としたが、燃料電池３６，４６に代えて内燃機関からの動力を用いて発電する発電機を備えるなど、モータやバッテリに電力を供給可能な発電装置であれば、如何なるタイプの発電装置であってもよい。

以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、電動車両の製造産業などに利用可能である。

２０，２０Ｂ電動車両、２２，１２２駆動軸、２４デファレンシャルギヤ、２６ａ，２６ｂ，１２６ａ，１２６ｂ駆動輪、３０，３０Ｂ第１駆動系、３１インバータ、３２モータ、３４バッテリ、３５ＤＣ／ＤＣコンバータ、３６燃料電池、４０，４０Ｂ第２駆動系、４１インバータ、４２モータ、４４バッテリ、４５ＤＣ／ＤＣコンバータ、４６燃料電池、５０バッテリＥＣＵ、５２ＦＣＥＣＵ、６０メインＥＣＵ、６１シフトレバー、６２シフトポジションセンサ、６３アクセルペダル、６４アクセルペダルポジションセンサ、６５ブレーキペダル、６６ブレーキペダルポジションセンサ、６８車速センサ。

Claims

発電装置と、該発電装置により発電される電力により充電可能な二次電池と、該二次電池からの電力または前記発電装置により発電される電力を用いて走行に必要な動力を出力する発電可能な電動機とを備える駆動システムが少なくとも２つ独立して設けられた電動車両であって、
前記少なくとも２つの駆動システムのいずれかに前記発電装置の故障が生じている場合、車両の制動が要求されたときには、発電装置に故障が生じている駆動システムの二次電池の蓄電割合が正常時よりも高い目標蓄電割合に近づくように、前記少なくとも２つの駆動システムの各電動機を回生制御する
ことを特徴とする電動車両。