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JP5454789B2 - 電動車両の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電動車両の走行駆動用電気モータのトルク制御技術に関する。
電動車両は、電気モータとバッテリとを備え、バッテリから電力を供給して電気モータを駆動し、車両を走行可能にしている。また、このような電気車両において電力消費を抑えるために、減速時において走行エネルギーを電気モータ(モータジェネレータ)により電気エネルギーに変換し、バッテリに回生充電する技術も開発されている。
電動車両は、例えばアクセル開度や車速などの情報からドライバの要求するモータトルクを演算し、加速時は力行(駆動)トルクを、減速時は回生トルクをモータコントローラ(インバータ)に指令して、電気モータのトルク制御を行なう構成となっている。
ところで、バッテリは一般的に充電率(バッテリの開放端電圧に相当する)の使用可能範囲が限られており、この使用可能範囲を超えて充電または放電すると、バッテリの劣化を招く虞がある。また、バッテリの充放電時にバッテリを流れる電流であるバッテリ電流が許容量を超えても、バッテリの劣化を招く虞がある。
そこで、バッテリ充電率またはバッテリ電流が使用可能範囲を超えないように制御する技術が開発されている(特許文献1、2)。
特許文献1に記載の制御装置では、バッテリ温度等のバッテリの状態に応じて、電気モータの駆動制御時にバッテリ電圧またはバッテリ電流に対して夫々上限値及び下限値を設定する。
特許文献2に記載の制御装置では、バッテリ温度に応じてバッテリの充放電時間を制限することで、バッテリ充電率の使用可能範囲からの大きな逸脱を防いでいる。
特許第4052080号公報 特許第4200956号公報
しかしながら、バッテリには内部抵抗があるため、バッテリに対して充放電すると、バッテリ電流と内部抵抗との積算値に相当する電圧変動が生じる。したがって、例え上記特許文献1、2のように制御したとしても、バッテリ充電率やバッテリ電流が限界値付近であるときに電気モータの作動が変動すると、限界値を超えてしまう虞がある。例えばバッテリ充電率が下限値付近であるときに加速しようとして電気モータの駆動電流を上昇させ、バッテリの放電電流が増加すると、バッテリ電圧が下限値を下回り、過放電となる虞がある。あるいは、回生充電時にバッテリ充電率が上限値付近であるときに例えば下り坂を走行して電気モータの回転速度が上昇すると、バッテリの充電電流が増加し、バッテリ電圧が上限値を上回って過充電となる虞がある。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、電気モータの作動が変動してもバッテリ電圧あるいはバッテリ電流が限界値に維持されるように迅速な制御を行ない、バッテリの劣化を確実に防止できる電動車両の制御装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、請求項1の電動車両の制御装置は、バッテリから電気モータへ電力を供給し駆動させて走行可能であるとともに、減速エネルギーを利用して電気モータで発電した電力によりバッテリを充電する回生充電が可能な電動車両の制御装置であって、電気モータの要求トルクを演算する要求トルク演算手段と、要求トルク演算手段により演算した要求トルクに基づいて電気モータを制御するモータ制御手段と、電気モータの駆動時または回生充電時に、バッテリの電圧または入出力電流が限界値に達した場合に、電気モータの要求トルクを抑制するトルク抑制手段と、を備え、トルク抑制手段は、バッテリの電圧または入出力電流が限界値に達した時点での電気モータのトルクと回転角速度とを記憶し、電気モータの駆動時または回生充電時に電気モータの回転角速度とトルクとの積算値が、限界値に達した時点で記憶したトルクと回転角速度との積算値と一致するように、電気モータの回転角速度に基づいて要求トルクを設定するフィードフォワード制御機能を有していることを特徴とする。
また、請求項2の電動車両の制御装置は、請求項1において、限界値は、バッテリからの放電時におけるバッテリ電圧の下限値であることを特徴とする。
また、請求項3の電動車両の制御装置は、請求項1において、限界値は、バッテリの充電時におけるバッテリ電圧の上限値であることを特徴とする。
また、請求項4の電動車両の制御装置は、請求項1において、限界値は、バッテリの充放電時におけるバッテリ電流の上限値であることを特徴とする。
また、請求項5の電動車両の制御装置は、請求項4において、上限値はバッテリの温度に基づいて設定されることを特徴とする。
また、請求項6の電動車両の制御装置は、請求項5において、上限値は、バッテリからの放電時にはバッテリの温度が所定の高温域で常温域より低く設定されるとともに、バッテリの充電時にはバッテリの温度が所定の高温域及び所定の低温域で常温域より低く設定されることを特徴とする。
また、請求項7の電動車両の制御装置は、請求項1〜6のいずれかにおいて、トルク抑制手段は、バッテリの電圧または入出力電流が限界値を超えたときに、限界値との差に基づいて電気モータの要求トルクを補正するフィードバック制御機能を更に有することを特徴とする。
本発明の請求項1の電動車両の制御装置によれば、トルク抑制手段により、電気モータの要求トルクが抑制されることで、電気モータの駆動時または回生充電時にバッテリの電圧または入出力電流が限界値を超えない方向に制御されるので、バッテリの過充電及び過放電によるバッテリの劣化を防止することができる。
特に、トルク抑制手段は、電気モータのトルクと回転角速度との積算値が、バッテリの電圧または入出力電流が限界値に達した時点での積算値と一致するように、電気モータの回転角速度に基づいて要求トルクが設定されるので、限界値に達したときに電気モータの作動が変動してもバッテリ電圧または入出力電流が限界値に維持されるように迅速に制御することができる。
本発明の請求項2の電動車両の制御装置によれば、電気モータの駆動時にバッテリから放電しているときに、例えば車両を加速して電気モータの駆動電流が上昇しても、バッテリ電圧が下限値を下回らないように制御され、バッテリの過放電を防止することができる。
本発明の請求項3の電動車両の制御装置によれば、回生充電時に例えば車両が下り坂を走行して電気モータの充電電流が上昇しても、バッテリ電圧が上限値を上回らないように制御され、バッテリの過充電を防止することができる。
本発明の請求項4の電動車両の制御装置によれば、電気モータの駆動時または回生充電時に、バッテリの消費電流または充電電流が上昇しても、これらのバッテリ電流が上限値を上回らないように制御され、バッテリの劣化を防止することができる。
本発明の請求項5の電動車両の制御装置によれば、バッテリ電流の上限値がバッテリの温度に基づいて設定されるので、バッテリの温度によるバッテリ電流の許容量の変化に対応して効率のよい充放電を行なうことができる。
本発明の請求項6の電動車両の制御装置によれば、バッテリからの放電時には高温域でバッテリ電流の上限値が低く設定され、バッテリの過熱を防止することができる。バッテリからの充電時には、高温域ではバッテリ電流の上限値が低く設定され、バッテリの過熱を防止することができる一方、低温域ではバッテリ電流の上限値が低く設定されることで、低温域での過度の充電電流による内部短絡を防止することができる。
本発明の請求項7の電動車両の制御装置によれば、バッテリの電圧または入出力電流が限界値を超えたときに、限界値との差に基づいて電気モータの要求トルクを補正するので、例えば車両に搭載された電気モータ以外の電気機器による電力の消費を変動させた場合や、フィードフォワード制御機能が不十分であった場合でも、バッテリの電圧または入出力電流限界値を超えない方向に制御することができる。
本発明に係る電動車両の実施形態の概略構成図である。 バッテリの充電率と開放端電圧との関係を示すグラフである。 電気モータのトルク制御要領を示すフローチャートである。 バッテリ温度とバッテリ電流の上限値との関係を示すグラフである。
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明に係る電動車両の実施形態の概略構成図である。
図1に示すように、本発明の実施形態に係る電動車両の概略構造図である。
本実施形態の電動車両(以下、単に車両1という)は、走行駆動源としてモータジェネレータ2(電気モータ)を備えている。モータジェネレータ2は、車両に搭載されたバッテリ3より電力を供給されて駆動し、減速機4を介して駆動輪5を駆動する。また、モータジェネレータ2は、駆動輪5の回転により駆動されて発電する機能を有している。モータジェネレータ2により発電された電力はバッテリ3に供給され、バッテリ3を充電する(回生充電機能)。バッテリ3は、複数のセルを直列に並べて構成されている。
車両1には、BMU10(バッテリマネジメントユニット)、EV−ECU11(EV総合コントロールユニット)、及びMCU12(モータコントロールユニット、モータ制御手段)が備えられている。BMU10は、バッテリ3の状態、詳しくはバッテリ3の各セルの電圧、バッテリ全体の電圧であるバッテリ電圧Vbat、バッテリ3の各セルの温度、及びバッテリ3を流通する電流であるバッテリ電流Ibatを監視する機能を有している。EV−ECU11は、車両1のアクセル操作装置13からアクセル操作量、ブレーキ操作装置14からブレーキ操作量、変速装置15から変速段、車速センサ16から車速を入力し、これらの入力値に応じてモータジェネレータ2の要求トルクTreqを演算し(要求トルク演算手段)、この要求トルクTreqに基づきトルク指令値T”をMCU12に出力する。MCU12は、インバータユニットにより構成されており、モータジェネレータ2の出力トルク及び回生トルクを制御する機能を有している。具体的には、EV−ECU11から入力したトルク指令値T”に基づいて、モータジェネレータ2を駆動制御する一方、回生充電時におけるモータジェネレータ2による発電電力を制御してバッテリ3に供給する。また、MCU12は、現在のモータトルクT及びモータ回転角速度ωをEV−ECU11に出力する機能を有している。
本実施形態のEV−ECU11は、更に、バッテリ充電率が使用可能範囲内に維持されるように、モータジェネレータ2のトルク制御を行なう。
図2は、バッテリ3の充電率と開放端電圧との関係を示すグラフである。
図2に示すように、バッテリ3の充電率は、バッテリ3の開放端電圧と一義的な関係を有しており、充電率が低下すると開放端電圧も低下する。
また、バッテリ3には内部抵抗があるので、放電時にはその放電電流と内部抵抗との積算値に相当してバッテリ電圧Vbatが降下する特性を有している。
このような点を鑑み、本実施形態では、車両加速時にバッテリ3の最低セル電圧Vminが下限値VlimLに達した場合に、バッテリ3の最低セル電圧Vminが下限値VlimLを下回らないようにモータジェネレータ2をトルク制御する第1のトルク制御を行なう。
図3は、モータジェネレータ2のトルク制御要領を示すフローチャートである。
本ルーチンは、車両走行時に繰り返し行なわれる。
まず、ステップS10では、ドライバの要求トルクTreqを演算する(要求トルク演算手段)。これは、上記のように、車両のアクセル操作装置13から入力したアクセル操作量、車速センサ16から入力した車速等に基づいて要求トルクTreqを演算する。そして、ステップS20に進む。
ステップS20では、トルク抑制が必要か否かを判別する。トルク抑制が必要か否かは、バッテリ3の最低セル電圧Vminが下限値VlimL以下であるか否かを判別すればよく、最低セル電圧Vminが下限値VlimL以下である場合(条件1)には、トルク抑制が必要であると判定する。ステップS10で演算した要求トルクTreqが、後述するステップS30で演算する抑制トルクT’の前回演算値以下である場合(条件2)には、トルク抑制が不要であると判定する。また、このトルク抑制が必要か否かの判定結果は記憶され、上記条件1及び2のいずれも満たさない場合には、前回の判定結果を維持する。なお、初期状態ではトルク抑制が不要であると判定すればよい。トルク抑制が必要である場合には、ステップS30に進む。
ステップS30では、最低セル電圧Vminを下限値VlimLに保つ抑制トルクT’を演算する。詳しくは、抑制トルクT’は、次式(1)に示すように、後述するフィードフォワード制御トルクTffとフィードバック制御トルクTfbとの合計値となる。
T’=Tff+Tfb・・・(1)
フィードフォワード制御トルクTffは、次式(2)により求められる。
Tff=T1×ω1/ω・・・(2)
但し、T1は最低セル電圧Vminが下限値VlimLに達したときのモータトルク、ω1は最低セル電圧がVminが下限値VlimLに達したときのモータ回転角速度であり、これらの値は夫々最低セル電圧Vminが下限値VlimLに達したときにMCU12から入力して記憶した値である。また、ωは現在のモータ回転角速度であり、MCU12から入力する。
フィードバック抑制トルクTfbは、次式(3)により求められる。
Tfb=η×Vbat×(Kp+Ki/S)(VlimL−Vmin)/ω・・・(3)
但し、ηはモータシステム効率、Kpは比例ゲイン、Kiは積分ゲインであり、下限値VlimLとともにあらかじめ設定された値である。Sはラプラス演算子であり、バッテリ電圧Vbat及び最低セル電圧VminはBMU10から入力する。
そして、ステップS40に進む。
ステップS40では、ステップS30で演算した抑制トルクT’がステップS10で演算した要求トルクTreq未満であるか否かを判別する。抑制トルクT’が要求トルクTreq未満である場合には、ステップS50に進む。
ステップS50では、MCU12に出力する最終的なトルク指令値T”をステップS30で演算した抑制トルクT’に設定する。そして、本ルーチンをリターンする。
ステップS20でトルク抑制が必要でないと判定した場合、またはステップS40で抑制トルクT’が要求トルクTreq以上であると判定した場合には、ステップS60に進む。
ステップS60では、最終的なトルク指令値T”を、ステップS10で演算した要求トルクTreqに設定する。そして、本ルーチンをリターンする。
なお、本ルーチンのステップS30〜S50までの一連の制御が、本発明のトルク抑制手段に該当する。
以上のように、第1のトルク制御では、モータジェネレータ2のトルク指令値T”を設定する際に、本実施形態では、バッテリ2の最低セル電圧Vminが下限値VlimL以下となった場合に、バッテリ電圧を下限値VlimLに保つ抑制トルクT’が演算され、抑制トルクT’とドライバの要求トルクTreqとのうち小さい方の値を最終的なトルク指令値T”に設定する。
本実施形態では、上記式(1)に示すように、抑制トルクT’をフィードフォワード制御トルクTffとフィードバック制御トルクTfbとの合計値によって求めることを特徴とする。フィードバック制御トルクTfbに関しては、最低セル電圧Vminと下限値VlimLとの差に応じて所謂PI制御によりフィードバック制御するものであり、最低セル電圧Vminが下限値VlimLを超えたときに下限値VlimLに維持するように制御する。これにより、加速等によりバッテリ3からの放電電流が変動した場合、あるいはモータジェネレータ2以外の電気機器の使用により電圧降下が生じて、最低セル電圧Vminが下限値VlimLを超えた場合に、以降最低セル電圧Vminが下限値VlimLに維持されるようにモータジェネレータ2のトルク制御が行なわれる。
更に、本実施形態ではフィードバック制御だけでなく、フィードフォワード制御も行なっている。フィードフォワード制御トルクTffは、上記(2)式のように最低セル電圧Vminが下限値VlimLに達したときのモータトルクT1とモータ回転角速度ω1との積算値を現在のモータ回転角速度ωで除算した値に設定されることで、最低セル電圧Vminが下限値VlimLに維持される。以下にこの理由について説明する。
モータジェネレータ2以外の電力消費がないと仮定すると、モータトルクT、モータ回転角速度ω、モータシステム効率η,バッテリ電圧Vbat、及びバッテリ電流Ibatの間には次式(4)の関係が成り立つ。
Tω=η×Vbat×Ibat・・・(4)
バッテリ電圧Vbatを一定に保つには、バッテリの内部抵抗が一定であるとすると、電流Ibatを一定にすればよい。またモータシステム効率ηも一定であるとすると、(4)式の両辺は一定となる。したがって、バッテリ電圧Vbatを一定に保つには、モータ出力(Tω)を一定に保てばよい。そこで、最低セル電圧Vminが下限値VlimLに達したときのモータトルクT1及びモータ回転角速度ω1を記憶して、この積算値とモータトルクT及びモータ回転角速度ωとの積算値とを同一にすれば、モータ回転角速度ωが変動しても最低セル電圧Vminが下限値VlimLに維持される。
本実施形態では、フィードバック制御だけではなく、上記のようにモータトルクTとモータ回転角速度ωとの積算値を一定にするフィードフォワード制御をすることで、モータジェネレータ2の作動変動(モータ回転角速度ωの変動)によりバッテリ電流Ibatが変動しバッテリ電圧Vbatが変動しても、この変動に対してモータトルク制御をより迅速に対応させることができ、確実に最低セル電圧Vminを下限値VlimLに維持させることができる。
また、EV−ECU11は、最低セル電圧Vminを下限値VlimLに維持させるだけでなく、最高セル電圧Vmaxを上限値VlimHに維持させる制御も行う第2のトルク制御を行なう。
以下に、第2のトルク制御について上記第1のトルク制御との相違点について述べる。
第2のトルク制御では、バッテリ3の各セルの電圧の最大値である最高セル電圧Vmaxが上限値VlimHに達したときのモータトルクT2及びモータ回転角速度ω2を記憶しておき、図3に示すフローチャートのステップS30において、これらの積算値と現在のモータトルクT及びモータ回転角速度ωとの積算値が同一になるように、モータ回転角速度ωの値の変動に対応してモータトルクTを制御する。具体的には、下記(5)式に示すようにフィードフォワード制御トルクTffを演算するとともに、下記(6)式に示すようにフィードバック制御トルクTfbを演算し、上記第1のトルク制御における式(1)と同様に抑制トルクT’を演算する。
Tff=T2×ω2/ω・・・(5)
Tfb=η×Ibat×(Kp+Ki/S)×(Vmax−VlimH)/ω・・・(6)
このように制御することで、第2のトルク制御では、回生充電時にバッテリ3への充電電流(バッテリ電流Ibat)が変動した場合、あるいはモータジェネレータ2以外の電気機器の使用停止等により上昇側への電圧変動が生じた場合に、最高セル電圧Vmaxが上限値VlimHに維持されるようにモータジェネレータ2のトルク制御が行なわれる。特に、フィードフォワード制御トルクTffを加えて制御することで、バッテリ電圧が上限値VlimHを超えないように迅速に制御することができる。
そして、上記第1のトルク制御及び第2のトルク制御により、バッテリ電圧が上限値VlimH及び下限値VlimLを超えないように制御することで、バッテリ3の充放電時にバッテリ電圧を使用可能範囲内に維持させることができ、バッテリ3の劣化を確実に防止することができる。
また、本実施形態では、バッテリ3の充電電流または放電電流が上限値IlimHを超えないようにモータジェネレータ2をトルク制御する第3のトルク制御を行なう。
以下、第3のトルク制御について説明する。
第3のトルク制御では、上記第2のトルク制御おける最高セル電圧Vmax及びバッテリ電圧Vbatの代わりにバッテリ電流Ibatを用いて、これが上限値IlimHを超えないように制御する。詳しくは、図3に示すフローチャートのステップS30において演算するフィードフォワード制御トルクTffを以下の式(7)により演算するとともに、フィードバック制御トルクTfbを式(8)により演算する。
Tff=T3×ω3/ω・・・(7)
Tfb=η×Vbat×(Kp’+Ki’/S)×(Ibat−IlimH)/ω・・・(8)
ここで、T3はバッテリ電流が上限値IlimHに達したときのモータトルク、ω3はバッテリ電流が上限値IlimHに達したときのモータ回転角速度、及びKp’は比例ゲイン、Ki’は積分ゲインである。
バッテリ電流の上限値IlimHは、バッテリ温度に基づいて設定される。図4は、バッテリ温度とバッテリ電流の上限値IlimHとの関係を示すグラフであり、図4中の実線が放電電流の上限値、破線が充電電流の上限値を示す。
図4に示すように、バッテリ温度の高い領域では充電電流及び放電電流ともに上限値IlimHが低く抑えられる一方、バッテリ温度の低い領域では充電電流のみ上限値IlimHが低く抑えられる。これは、バッテリ温度の高い領域では充電及び放電ともにバッテリ温度が上昇することでバッテリ3の熱による劣化を抑制することを目的とするためであり、バッテリ温度の低い領域では、充電電流の受け入れ性が低下することから過度の充電電流により内部短絡を起こし易くなるので、この内部短絡によるバッテリの劣化を防止することを目的とする。
以上のように制御することで、第3のトルク制御では、バッテリ電流Ibatが上限値IlimH以上となった場合に、バッテリ電流Ibatを上限値IlimHに保つ抑制トルクT’が演算され、抑制トルクT’とドライバの要求トルクTreqとのうち小さい方の値を最終的なトルク指令値T”に設定する。
このように第3のトルク制御では、バッテリ電流Ibatが上限値IlimHを超えないようにモータジェネレータ2のトルク制御を行なうことで、電流過多によるバッテリ3の劣化を防止することができる。そして、第3のトルク制御についても第1のトルク制御及び第2のトルク制御と同様に、フィードフォワード制御をすることで、モータジェネレータ2の作動変動に対してモータジェネレータ2のトルク制御をより迅速に対応させることができ、確実にバッテリ電流Ibatを上限値IlimHに維持させることができる。
なお、上記実施形態では、第1のトルク制御、第2のトルク制御及び第3のトルク制御を全て行なっているが、これらのトルク制御のうち1つを、またはいずれか2つを組み合わせて行なってもよい。
1 車両(電動車両)
2 モータジェネレータ
3 バッテリ
10 BMU
11 EV−ECU
12 MCU

Claims (7)

  1. バッテリから電気モータへ電力を供給し駆動させて走行可能であるとともに、減速エネルギーを利用して前記電気モータで発電した電力により前記バッテリを充電する回生充電が可能な電動車両の制御装置であって、
    前記電気モータの要求トルクを演算する要求トルク演算手段と、
    前記要求トルク演算手段により演算した前記要求トルクに基づいて前記電気モータを制御するモータ制御手段と、
    前記電気モータの駆動時または前記回生充電時に、前記バッテリの電圧または入出力電流が限界値に達した場合に、前記電気モータの要求トルクを抑制するトルク抑制手段と、を備え、
    前記トルク抑制手段は、前記バッテリの電圧または入出力電流が前記限界値に達した時点での前記電気モータのトルクと回転角速度とを記憶し、前記電気モータの駆動時または前記回生充電時に前記電気モータの回転角速度とトルクとの積算値が、前記限界値に達した時点で記憶した前記トルクと回転角速度との積算値と一致するように、前記電気モータの回転角速度に基づいて前記要求トルクを設定するフィードフォワード制御機能を有していることを特徴とする電動車両の制御装置。
  2. 前記限界値は、前記バッテリからの放電時におけるバッテリ電圧の下限値であることを特徴とする請求項1に記載の電動車両の制御装置。
  3. 前記限界値は、前記バッテリの充電時におけるバッテリ電圧の上限値であることを特徴とする請求項1に記載の電動車両の制御装置。
  4. 前記限界値は、前記バッテリの充放電時におけるバッテリ電流の上限値であることを特徴とする請求項1に記載の電動車両の制御装置。
  5. 前記上限値は前記バッテリの温度に基づいて設定されることを特徴とする請求項4に記載の電動車両の制御装置。
  6. 前記限界値は、前記バッテリからの放電時には前記バッテリの温度が所定の高温域で常温域より低く設定されるとともに、前記バッテリの充電時には前記バッテリの温度が所定の高温域及び所定の低温域で常温域より低く設定されることを特徴とする請求項5に記載の電動車両の制御装置。
  7. 前記トルク抑制手段は、前記バッテリの電圧または入出力電流が前記限界値を超えたときに、前記限界値との差に基づいて前記電気モータの要求トルクを補正するフィードバック制御機能を更に有することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の電動車両の制御装置。
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