JPH11234806A - 電池の充電状態に依存する電池回生を用いる電気自動車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】電池の充電状態に依存して電池の回生を行う、
ハイブリッド電気自動車の作動と作動特性を単純、効率
的にする装置及び方法の提供。 【解決手段】補助電源及び発電制動による電池の充電の
大きさは、電池が部分充電と最大充電の間の充電状態時
は、電池の相対的な充電状態に応じた充電の大きさによ
り傾斜する。トラクション・モータ要求と補助電源から
使用可能なエネルギーとの間の不足は、電池の充電状態
に応じた量で電池から供給される。電池が最大充電近く
まで充電時は不足する全量が電池から供給され、電池が
ほとんど放電状態時は、少量のエネルギーが供給される
か、全く供給されない。電池の充電状態がほぼ全部充電
状態とほぼ全部放電状態の間では、電池は充電状態に単
調に依存するエネルギー量を供給する。電池がほぼ全部
充電時には発電制動を行っている間、補助電源からの電
池の充電は減少する。発電制動の間に回帰するエネルギ
ー量の制御は、発電機として作動するトラクション・モ
ータの変換効率の制御で行ってももよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】本発明は、ハイブリッド電気
自動車の作動と作動特性を単純かつ効率的にする装置お
よび方法に関する。

【従来の技術】ハイブリッド電気自動車は、低公害自動
車の中ではもっとも実用的なものとして広く研究されて
いる。ハイブリッド電気自動車は、また、自動車の車輪
を駆動する、電気トラクション・モータ（traction mot
or）に電力を供給する電気「トラクション」（tractio
n）電池を備える。ハイブリッド電気自動車の「ハイブ
リッド」(hybrid)な面は、自動車の駆動中にトラクショ
ン電池を再充電するために、電気エネルギーの二次もし
くは補助電源を使用する点にある。この電気エネルギー
の二次電源は太陽電池パネル、燃料電池、内燃機関・発
電機、または一般的なその他の電気エネルギー源でもよ
い。内燃機関を電気エネルギーの二次電源として使用す
る場合は、少量の燃料を使用し低公害である比較的小型
の機関（エンジン）を使用するのが一般的である。それ
に伴う利点は、このような小型内燃機関は限られたＲＰ
Ｍ（毎分回転数）の範囲で駆動できるので、エンジンの
公害（汚染）防止効果が最適化されることである。「一
次」および「二次」の用語は、電気エネルギー源を説明
するのに使用される場合には、単に駆動中に配分される
エネルギーのルートに関するだけで、本発明における基
礎的な重要性を意味するものではない。電池のみを動力
源とする純粋な電気駆動自動車では、自動車が電池充電
ステーション（battery charging station）から遠く離
れている時に電池が消耗してしまうかもしれず、一日中
使用したあとで無事にデポ（depot ：駐車場）に戻るこ
とができた場合でも、電池を再充電しなくてはならない
という欠点がある。ハイブリッド電気自動車は純粋な電
気駆動自動車に対して大きな利点がある。すなわち、ハ
イブリッド電気自動車は駆動中に電池を再充電するの
で、通常は外部からの電池充電を必要としない点であ
る。したがって、ハイブリッド電気自動車は、燃料の補
給を必要とする、内燃機関を動力源とする通常の自動車
と同様に使用できる。ハイブリッド電気自動車のもう１
つの主な利点は、燃費が良いことである。この燃費にお
ける利点は、少なくとも制動の一部で運動の機械的エネ
ルギーを電気に変換し電池にエネルギーを戻す、回生発
電制動（regenerative dynamic braking）を使用してい
ることによる。都市輸送という条件下で自動車における
全摩擦損失のほぼ半分にあたるのが制動損失であるとい
うことは既に知られている。この５０％のエネルギーを
復元し、再使用のために電池に戻すことによって、回生
発電制動を使用しない場合に比べ、はるかに小型の「二
次」燃料使用発電機を使用することが可能になる。ま
た、より小型の二次電源を使用することで単位時間毎ま
たはマイル毎の使用燃料を少なくできる。さらにハイブ
リッド電気自動車の他の１つの利点は、多くの条件下
で、自動車を加速するために使用できる動力が、電池が
供給する最大出力と二次発電機が発生する最大出力の合
計である点である。発電機がディーゼル内燃機関である
場合、電池の出力とディーゼル出力を組み合わせること
で、非常に大きな総出力が得られるにも関わらず低燃費
である。

【発明が解決しようとする課題】ハイブリッド電気自動
車は経済的にも環境的にも利点が多い一方で、広く受け
入れられるためには、その作動および運転者の入力に対
する反応の両方が、従来の内燃機関動力自動車と同様に
「誰でもできるほど簡単」（foolproof ）でなければな
らない。

【課題を解決するための手段】そこで、本発明の電池か
ら少なくともいくらかの牽引効果（tractive effort）
を引き出す自動車を作動する方法において、前記方法
は、前記電池が最大充電より低い第１の充電状態である
とき、ダイナミック・ブレーキ制動中に、トラクション
・モータから実質的に全エネルギーを前記電池に回帰さ
せる工程からなる。本方法の他の工程は、前記電池が最
大充電と第１の充電状態の間の充電レベルであるとき、
ダイナミック・ブレーキ制動中に、トラクション・モー
タから全エネルギーより少ないエネルギーを前記電池に
回帰させる工程と、および前記電池が最大充電状態に達
したとき、ダイナミック・ブレーキ制動中に、トラクシ
ョン・モータから実質的にエネルギーを前記電池に回帰
させない工程からなる。本実施例において、前記ダイナ
ミック・ブレーキ制動中に、トラクション・モータから
全エネルギーより少ないエネルギーを前記電池に回帰さ
せる工程は、前記最大充電に対する前記充電の割合に単
調に比例した量の使用可能なダイナミック・ブレーキ制
動エネルギーを回帰させる工程を含む。本発明の好適な
実施例において、上記工程は電池の充電状態に従い１つ
の工程から他の工程へと円滑に遷移する。発電制動の量
は、電池充電量を関数として漸進的に変化するので、摩
擦制動ブレーキ（friction brakes ：フリクション・ブ
レーキ）は制動中に、運転者のブレーキペダルを作動さ
せる力によって自動的に、不足を補完する。

【発明の実施の形態】本発明の実施例について、添付の
図面を参照して詳細に説明する。図１において、電気自
動車１０は、交流電圧電気トラクション・モータ４０、
本発明の１つの実施例では３位相交流モータ（three-ph
ase alternating current motor ）、に接続された少な
くとも１つの車輪１２を有する。モータ４０は、好まし
くは公知のモータ発電機であり、発電制動中、運動の機
械的エネルギーを電気エネルギーに変換する。動力制御
部１４は、動力ハンドリング（power handling）パスを
介してトラクション・モータ４０、トラクション電池２
０、ブロック１６で示される補助または二次電源に接続
される。ブロック１６に示されるように、補助電源は、
発電機２２を駆動させるディーゼルエンジン１８等の内
燃機関、または燃料電池２４を備えてもよい。両方とも
タンク１８ｔの燃料を使用する。ブロック５０で示され
るコマンド（指令）制御部は、コマンド制御部５０にプ
ログラムされた適切な制御方法にしたがって、動力制御
部１４、補助電源１６、およびトラクション・モータ４
０の動作を制御するために、情報パスを介して動力制御
部１４、補助電源１６、およびトラクション・モータ４
０に接続される。比較的高出力を蓄電できる最も一般的
で安価なタイプの電池は、一般的な鉛蓄電池（lead/H2S
O4 battery）からなるものである。電池が最大容量まで
充電されているときに充電電流を印加しないように注意
すれば、また電解質のガス化と望ましくない熱の発生を
防止するようにすれば、さらに硫酸化を避けることがで
きれば、安全性のためにゲルタイプの電解質を使用す
る、このタイプの電池は電気自動車での使用に適してい
る。図１において、自動車１０の表示部と運転者制御部
はブロック３０で示されている。運転コマンドをコマン
ド制御部５０に与えるため、ブロック３０が双方向デー
タパス３１を介してコマンド制御ブロック５０に接続さ
れていることが示されている。コマンド制御部５０は、
運転コマンドを動力制御部１４、補助電源１６、および
トラクション・モータ４０等の動力装置に対する適切な
コマンドに変換する。さらに、ブレーキペダル３０ａに
接続された従来のハイドリック・ブレーキ（液圧ブレー
キ）システムによるフリクション・ブレーキ（摩擦制
動）の直接制御を行うため、ブロック３０がパス３２を
介してフリクション・ブレーキ３６ａ，３６ｂに接続さ
れていることが示されている。図２は図１の動力制御部
１４の要素と図１の他の要素との相互接続を示すもので
ある。特に、（もし必要であれば）補助電源１６の交流
電流出力を直流電圧に変換するために、動力制御部１４
は補助電源１６に接続された整流装置２６を有する。動
力制御部１４はさらに、電池２０、整流装置２６、およ
びトラクション・モータ４０に電力接続で結合された直
流−交流インバータ２８からなる、双方向推進制御シス
テムを有する。上記のように、インバータ２８、補助電
源１６、トラクション・モータ４０の動作はコマンド制
御部５０により制御される。直流−交流インバータ２８
に加えて、推進制御システムは、モータ／発電機、電
池、および補助電源のさまざまな作動パラメータを検出
するための電圧センサおよび電流センサを有する。図１
および図２の装置の基本的動作は、以下の通りである。
コマンド制御部（５０）がインバータ２８の各スイッチ
（図示せず）をパルス幅コマンド（pulse-width comman
d ）により制御し、その結果、トラクション・モータ４
０に結合されたインバータ２８のポート２８ｍで、選択
された周波数と大きさを有する交流電圧に、量的に近似
する電圧が発生する。好ましい実施例においては、イン
バータは電界志向コマンド（Field Oriented Command:
ＦＯＣ）型で、トラクション・モータは同様にＦＯＣ誘
導モータである。トラクション・モータ４０によりコマ
ンド（指令）された交流電流ドライブの周波数と大きさ
は、選択されたモータ速度で選択されたトラクション電
流によって、モータを駆動するするように選択されてい
る。通常、トラクション・モータ４０は、モータ速度が
上がるにしたがって増大する逆起動力（back EMF）を発
生させるので、インバータは（コマンド制御部５０の制
御下では）同様のトラクション・モータ駆動電流を維持
するためにより高い交流電圧周波数でより多くの交流電
圧を発生させなければならない。モータはインバータ出
力のコマンド（指令）周波数に一致した周波数で回転す
る。また、図１および図２の電気自動車の基本的動作に
おいては、発電制動（ダイナミック・ブレーキ）と摩擦
制動（friction brake：フリクション・ブレーキ）の両
方が行われる。発電機として機能しているトラクション
・モータにより、自動車が速度を落としたときに運動の
（機械的）エネルギーを取り戻せるので、発電制動がよ
り所望の。発電制動が行われる時には、図２の直流−交
流インバータ２８は、第２の、または回生的方向で作動
しており、トラクション・モータ４０で発電した交流電
流を、トラクション電池２０を充電するための直流電圧
に変換する。さらに、電気自動車が補助電源１６を有す
るハイブリッド電気自動車である時は、コマンド制御部
５０のコマンドにしたがって、電池を再充電するため、
および／またはトラクション・エネルギーのいくらかを
供給するために、自動車運転中に補助電源が作動する。
電気自動車が発電制動を使用して通常モードで駆動さ
れ、電池が全部（最大容量まで）充電されているとき、
発電制動は既に充電された電池に充電（charge）電流を
流す傾向があることがしられていた。鉛蓄電池の特徴
は、最大充電された電池に充電電流を印加した状態で、
電池の電圧が著しく上昇し、最大充電した状態では名目
上１２ボルト、無電流で１３ボルトの状態から、１６ボ
ルト近くにまで達する点であり、そのため過充電状態が
おきたことをコマンド制御部に指示する。コマンド制御
部が、電池を保護するために発電制動によって生成され
たエネルギーを電池から切り離すと、電池の電圧は最大
充電されて無電流の状態にまで急激に降下する。また、
これにより発電制動制御部は、過電圧制御が行われるま
でふたたび電池にエネルギーを供給することが可能にな
る。この結果、コマンド制御部のループ特性により確定
されたパルス率（rate）での発電制動が定期的に行わ
れ、パルス間隔の期間に電池を過充電する傾向がある、
感知されうる制動チャッタ（chatter ）が発生する。こ
れらの過充電とチャッタは両方とも望ましくない。図３
（ａ）および図３（ｂ）はともに、本発明の１つの特徴
による制御方法を示し、それにより、トラクション電池
が特定の充電量より少ない状態にある時、発電制動から
生成したエネルギーのトラクション電池への全回生また
は回帰を可能にする。この特定の充電量は最大充電より
少ない。またトラクション電池の充電レベルが特定の充
電と最大充電の間のときは、特定の充電量と最大充電の
充電量の差に応じて、またはそれに対して相関的なその
時の充電状態に対応して、発電制動で生成された回生エ
ネルギーの比率を徐々に低減する。本発明の１つの実施
例においては、この関係は単調(monotonic) であり、も
しくは一次関数的でもよい。図３（ａ）において、プロ
ット３１０は本発明の１つの特徴による制御方法に従
う、トラクション電池充電状態に対応する回生量を示し
ている。特に、プロット３１０は、１００％、またはで
きる限り１００％に近い回生を示す発電制動回生値にお
いて一定である部分３１２を定める。最大充電では、発
電制動により生成されたエネルギーの回生量はゼロ近く
まで、またはできる限りゼロになるまで低減される。プ
ロット３１０に示される制御方法はさらに、「第１の充
電」と名付けられた一定のトラクション電池充電レベル
における１００％の回生から、トラクション電池の最大
充電におけるゼロ回生にいたるまで、単調に傾斜する第
２の部分３１４を含む。トラクション電池充電状態に応
じた自動車の回生的トラクションまたは制動に対する効
果は図３（ｂ）のプロット３２０で示される。図３
（ｂ）において、プロット３２０は、最大回生トラクシ
ョンを示す一定値で低充電レベルからトラクション電池
充電の「第１」のレベルまでいたる、第１の部分３２２
を含む。プロット３２０の第２の部分３２４は「第１」
の充電レベルの１００％から、最大充電における０％に
いたるまで、単調に減少する回生トラクションを示す。
プロット３１０および３２０の３１４と３２４は、それ
ぞれ、一次関数的減少として示されているが、制御目的
としては３１４と３２４は単調であれば十分である。こ
の発電制動における単調な減少は自動車の運転者に感知
されない。なぜならトラクション電池の充電状態はゆっ
くりと変化し、したがって回生制動量もゆっくりと変化
するためである。回生制動はゆっくりと変化するので、
フリクション・ブレーキ（摩擦制動ブレーキ）は、発電
制動と所望の制動力の間のいかなる不足も徐々に埋め合
わせ（take up ）する。これはまた、制御方法が、電池
が最大充電されているときに、回生を単に止めることで
トラクション電池を過充電から単に保護するときに、現
れるチャッタを低減させる。図４は、図３（ａ）および
図３（ｂ）により示されるタイプの動作をもたらす、図
１の制御プロセッサ５０を制御する制御方法の一部４０
０を示す簡略化したフローチャートである。図４におい
て、論理（logic ）は開始ブロック４１０から開始し、
トラクション電池パック（図１の２０）のパラメータ、
例えば温度、電圧、および電流さらに検知時間(noting
time) 等を検知することを示すブロック４１２に進む。
これらのパラメータのサンプルは、図４のループにおけ
る論理の各反復のように、頻繁なサンプリング間隔で集
められる。論理ブロック４１２から、論理は、電池に入
った充電量を決定し、電池に残された充電量を減算する
ことで、トラクション電池の充電状態を評価することを
示すブロック４１４に進む。この充電の測定はアンペア
時（amphour ）である。いったん評価がトラクション電
池の充電状態からなされると、論理は、現在または現時
点で評価されたトラクション電池の充電状態を、図３
（ａ）および図３（ｂ）の「第１の充電」レベルにより
示される一定の充電値と比較する、決定ブロック４１６
に進む。上記したように、この充電レベルは最大充電よ
り低い。トラクション電池の評価された充電状態が第１
の充電レベルよりも低いことを、決定ブロック４１６が
発見したときには、論理は決定ブロック４１６からＹＥ
Ｓ出力を通って、回生制動全エネルギーまたは出力を使
用することを可能にすることを示す、次のブロック４１
８に進む。４１８でとられるアクションは、例えば、ト
ラクション・モータの電気出力を最大にするために、制
動中（発電機モードで動作している）トラクション・モ
ータの電界電流を調整することである。いくつかのタイ
プのモータ／発電機は明確な電界巻線（field winding
：フィールド・ワインディング）を有していない。む
しろ１つの巻線が他の１つの巻線の制御された電流によ
り所望の電流を誘導または自己感応させる、複数の巻線
を有することに注目されたい。本発明の目的にとって
は、電界電流を生成する方法が不適切な場合には、電界
電流が所望の量生成されれば十分である。ブロック４１
８から、論理はブロック４１２に戻り、ループを反復す
る。ハイブリッド電気自動車がこの状態で駆動されてい
るときには、トラクション電池は、（補助内燃機関／発
電機の作動により）トラクション電池と自動車の運動を
含むエネルギー蓄積システムに対して、継続的なエネル
ギー注入がなされることによって、しばしばより十分に
充電される。最終的に、トラクション電池の充電状態は
図３（ａ）および図３（ｂ）に示された「第１の充電」
レベルを超える。その時、図４の論理ループ４００によ
り示された予めプログラムされた論理の一部を、図１の
制御部５０の論理が反復する状態が変る。なぜなら、論
理はもはや決定ブロック４１６のＹＥＳ出力から出るの
ではなく、そのかわりにＮＯ出力へと出ていくからであ
る。決定ブロック４１６のＮＯ出力から、論理は、図３
（ａ）および図３（ｂ）の最大充電と「第１の充電」の
差に比例する現時点での充電量に逆の関係もしくは反比
例して、第１の回生電力または自動車の機械的エネルギ
ーの形で使用可能なエネルギーの大きさを減少させるこ
とを示す、次のブロック４２０へと進む。したがって、
もし図３（ａ）および図３（ｂ）のＣＣに示されるよう
に、現在の充電状態が第１の充電と最大充電の中間の７
０％にある場合には、回復され電池に結合される運動エ
ネルギーの量は３０％である。もし現在の充電レベルが
１００％に達したときには、可能な回生は０％である。
上記のように、発電機として作動するトラクション・モ
ータからのエネルギーまたは電力の結合制御は、単に、
ＦＯＣ制御された交流電流モータにおける駆動のコマン
ド・トルクを調整することで達成される。本発明の本実
施例においては、トラクション電池に回帰する、発電機
として作動するモータによって生成された電力量を調整
するために、トルクは速度に比例して減少させられる。
上記の説明では、図４の論理はトラクション電池の充電
状態に従って回生を制御する。これは、発電機として作
動するトラクション・モータにより自動車に働く減速力
は制動中減少することを意味する。回生制動を使用する
電気自動車の利点の１つは、フリクション・ブレーキが
制動全てに必要ではなくなることであり、例えば構成の
際それらを軽くすることにより、より使用が少ないこと
を利用するために、自動車の設計と構成がなされてもよ
い。図４の論理を参照して説明したように、発電制動は
トラクション電池がいくつかの条件下にある場合は低減
される。本発明の他の特徴によれば、回生制動が減少し
ている間に追加の制動を行うために、論理は図４のブロ
ック４２０から、発電機として作動するトラクション・
モータの効率を減少させることを示す次のブロック４２
２に進む。この発電機として作動するトラクション・モ
ータの効率を減少させることは、スリップまたは電界巻
線の電流のどちらかを、好ましくは両方を調整すること
により達成される。図４のブロック４２２から、論理は
ブロック４１２に戻り、「ループ」または論理４００の
反復を始める。 上記に説明したように、チャッタもし
くは不均一な動作は、最大容量まで充電した電池を追加
の充電から保護することから生じる。同様の効果がほぼ
放電した電池で加速しようとするときに生じる。図１の
自動車１０を加速する際、トラクション電池２０と補助
または二次電源１６（内燃機関／発電機）の両方がトラ
クション・モータ４０の電気エネルギー源として使用可
能である。従って、トラクション・モータ４０は補助電
源１６の最大出力とトラクション電池２０の最大出力の
合計で電力を提供しうる。これは加速のバースト（burs
ts）が大きな出力を必要とする、都市での運転に都合が
よい。しかし、いくつかの条件の下では、トラクション
電池保護制御が、電池が放電状態とみなされる充電状態
に達したときにトラクション電池から電力を取り出すこ
とを単に停止するものであるときは、一種のチャッタを
起こすであろう。この種のチャッタは、ロッキー山脈分
水界（The Continental Divide）横断のように、自動車
が長時間登坂したときに起こる。道路に従って自動車を
上昇させるエネルギーの使用率が補助電源１６によるエ
ネルギー供給率を超える場合には、電池は継続的に放電
し、最終的には「放電」レベルとみなされる充電レベル
に達するであろう。もし、その時に、トラクション電池
制御部が単にトラクション・モータ回路からトラクショ
ン電池を切断するだけであるなら、トラクション・モー
タに使用可能な電流の量は急速に補助電源１６により提
供されるレベルにまで減少し、結果としてトラクティブ
出力が突然変化し、自動車は速度が急激に減少すること
になる。しかし、トラクション電池の放電をトラクショ
ン・モータに移動させると、電池電圧を急激に無負荷電
圧にまで上昇させてしまう。制御部がこの電圧の上昇を
トラクション電池が使用可能な充電状態であることを示
していると解釈した場合、トラクション電池をトラクシ
ョン・モータに再接続し、それにより再度トラクション
電池から追加のトラクティブ出力を供給するが、これは
トラクション電池の電圧を降下させる。当業者はこれ
を、登坂時に「チャグ」（chug: ぽっぽっと音をたてる
こと）や傾斜を自動車に起こさせる、振動状態（oscill
atory condition ）として認識する。この点で、トラク
ション電池の寿命が長い方が望ましいという状況におい
ては、「完全に」放電された電池もいまだ実質的には充
電されており、放電の程度があまりに大きすぎるとこの
ような電池の寿命は急激に減少する。従って、電気駆動
自動車を検討する際の放電電池は、電池が完全に放電し
た状態にあるとみなされる状態であるが、いまだ実質的
には充電されていることに注目されたい。ハイブリッド
電気自動車において、補助エネルギー源はエネルギーを
継続的に供給し、それはトラクション要求が補助エネル
ギー源の出力より小さいときに、トラクション電池を充
電するのに使用される。制御方法は、補助エネルギー源
とトラクション電池の両方からトラクション・モータへ
のエネルギーを供給するのを可能にする。トラクション
・モータ要求が補助電源出力を超えるときは、電流がト
ラクション電池から引き出され、それにより電圧が降下
する。トラクション電池が完全に放電した状態に近いと
きには、電流を引き出したことによる電圧の降下は、電
池からの電流の流れを止めることによるトリッガー（tr
igger ）電池保護によってもよい。また、制御方法によ
り電流の流れを移動させると、自動車が補助電源のみに
よって電力を与えられることになり、トラクション電池
の電圧を上昇させる。トラクション電池の電圧が上昇す
ると、制御方法はもはや電池が放電されていることが認
識できず、トラクション電池からの電流の流れが再び可
能になる。トラクション電池とトラクション・モータの
結合および切断を繰り返す工程は、制御システムの揺れ
（oscillation ）を構成する。この揺れにより、トラク
ティブ出力は制御システム振動率により変化し、自動車
の運転者によって感知される。本発明の他の特徴によれ
ば、制御部５０はトラクション電池の充電状態に応じて
トラクション電池から引き出すことができる電力量を制
御する。これは上記の「チャグ」状態を避けて、速度を
円滑に減少させることができ、それにより自動車は電池
の充電が減少しているときも登山することができる。図
５は、本発明のこの特徴による制御の結果を示すプロッ
ト５００を示している。図５において、自動車に使用可
能なトラクション出力（traction power）はトラクショ
ン電池の充電状態またはレベルに対して構想される。プ
ロット５００は、比較的低レベルである、補助電気エネ
ルギーまたは出力源の継続的出力を示す部分５１０を含
む。プロット部分５１０は、名目上の充電条件より低い
レベルから、トラクション電池の名目上放電状態である
「低充電点」として指定された充電レベルにまでいた
る。プロット部分５１２によって示される作動領域にお
いて、自動車に使用可能なトラクティブ出力は比較的高
レベルにあり、電池と補助電源の合計を示している。プ
ロット部分５１２に示される最大出力レベルは「第１の
充電」と名付けられた充電状態から最大充電状態にまで
いたり、プロット部分５１４で示唆されたように、トラ
クティブ出力の量はトラクション電池の充電状態に依存
する。このタイプの制御の効果は、トラクション電池が
「第１の」レベルまで部分的に放電されるまで、一定の
時間内での全トラクティブ出力を作動させることを可能
にする。トラクション電池が第１の状態以下に降下する
ときは、トラクション・モータに使用可能な電池の出力
量はわずかに減少し、所望された量において感知できな
い。図５の第１の充電レベルのすぐ下の点での、このわ
ずかな出力の減少は、トラクション電池の放電率をいく
らか減少させる。丘が長く続くときには、トラクション
電池はさらに放電する。図ｔの「低」充電と「第１の」
充電状態の間の領域で、トラクション電池がさらに放電
されたときには、比較的少ない電池出力がトラクション
・モータに使用可能になり、その結果自動車の速度をさ
らに遅くする。丘が最も長く続くときには、トラクショ
ン電池は究極的に、名目上では放電とみなされる「低」
充電状態に達する。このレベルに達したときには、トラ
クション電池からこれ以上エネルギーを引き出すことが
できず、そして通常は、自動車またはその乗客に切迫し
た危険がある状況で電池保護を緊急に使用するといった
ような、トラクション電池にそれ以外の電流が存在する
場合でない限り、トラクション電池の充電状態はプロッ
ト５１０の「低」充電レベル以下に達する。図５で構想
された制御によって、制御曲線にそったいかなる点にお
いてもトラクティブ出力の急激な遷移は存在しない。電
池の充電が「低」充電点のすぐ下であり、全作動から補
助電源への遷移を行っているときには、トラクション電
池から与えられるトラクティブ出力の量は既に非常に小
さく、遷移は自動車の運転者に感知されない。 図６
は、図５のプロット５００に従って制御を行う図１の制
御部５０の論理の一部６００を示す簡略化したフローチ
ャートである。図６において、論理は開始ブロック６１
０から開始し、図４のブロック４１２と同様に、電池特
性を検出することを示すブロック６１２に進む。図６の
ブロック６１２から、図４で一般的に説明されたよう
に、論理は、トラクション電池の充電状態を評価するこ
とを示すブロック６１４に進む。図６の決定ブロック６
１６は、現在の充電状態が図５の「第１の」充電点以上
かどうかを決定し、もし充電状態が「第１の」充電点以
上であれば、論理を決定ブロック６１６のＹＥＳ出力へ
と進ませる。決定ブロック６１６のＹＥＳ出力から、論
理は、全トラクション出力をトラクション・モータに使
用可能にすることを示す、ブロック６１８に進む。図７
（ａ）および図７（ｂ）を参照して説明されるように、
インバータを制御するソフトウェアにおいて、電池とモ
ータ／発電機が電源または蓄電槽であるときに、補助電
源がインバータの動作に依存す電源だけであることに注
目して、出力限界を移動させることでこのことは達成さ
れる。ブロック６１８から、論理はブロック６１２に戻
り、図６の論理を反復する。一般的に、ほとんど最大ま
で充電されたトラクション電池を使用して開始した場
合、論理は、トラクション電池の充電が図５の「第１
の」充電レベルに示される充電状態を超えている限り、
図６のブロック６１２、６１４、６１６および６１８か
らなるループを反復する。長い登坂時には、トラクショ
ン電池の充電は最終的に図５の「第１の」充電点以下に
降下し、図６の論理を次回反復するときに、論理６は決
定ブロック６１６のＮＯ出力から出て、ブロック６２０
に進む。ブロック６２０は、図５の「第１」の充電と
「低」充電状態の充電差に比例する現時点でのトラクシ
ョン電池充電量に依存した量を、トラクション電池から
トラクション・モータに使用可能な出力量から減少させ
ることを示す。例えば、トラクション電池の現時点の充
電レベルが、図５の「第１の」充電状態以下から、
「低」充電レベルと「第１の充電レベルで示される充電
レベルの中間の９／１０にあたる、図５で「現在の充
電」として示されるレベルに降下したとき、制御部５０
はトラクション電池からトラクション・モータへの使用
可能な出力量を、プロット部分５１２で示される全出力
の電池供給成分の９０％に制御する。その他に、図５に
「現在の充電」として示された現在の充電状態は電池に
帰するものとして定められた全トラクション出力の成分
の９０％なので、トラクション・モータに与えられる電
池出力は電池出力の９０％にまで減少する。当然、図５
のプロット部分５１４が図示されるように一次関数的な
傾斜である必要はないが、プロット部分５１４が少なく
とも単調であれば制御システムは簡略化される。図６の
ブロック６２０から、論理は、トラクション・モータ出
力要求と補助電気エネルギー源の出力を比較する、次の
ブロック６２２に進む。トラクション出力要求が補助電
源からの出力を超えたときには、電池は放電され、論理
は決定ブロック６２２からＹＥＳ出力に進む。決定ブロ
ック６２２のＹＥＳ出力から、論理は、補助電源から使
用可能な出力を最大値まで増大させることを示す、ブロ
ック６２４へ進む。ブロック６２４から論理は決定ブロ
ック６２６へ進む。決定ブロック６２６は、トラクショ
ン電池の現在の充電状態を図５の「低」充電点と比較す
る。もし充電状態が、トラクション電池の損傷を防ぐた
めにはトラクション電池がこれ以上放電すべきでないこ
とを示す、「低」充電点以下であれば、論理は決定ブロ
ック６２６のＹＥＳ出力から出て、次の論理ブロック６
２８に進む。ブロック６２８は、ＦＯＣ制御により、ト
ラクション・モータ出力を、電圧と電流の積によって予
め定められた、補助電気エネルギー源から使用可能な既
知の出力量にまで制限することを示す。ブロック６２８
から、論理は論理パス６３０を通ってブロック６１２に
戻り、図６の論理の反復を始める。決定ブロック６２６
がトラクション電池の充電状態を考察するとき、現在の
充電状態が図５の「低」充電点よりも大きい場合には、
論理は決定ブロック６２６のＮＯ出力から出て論理パス
６３０をとおり、ブロック６２８を通過することなく、
ブロック６１２にもどる。したがって、トラクション電
池に大量の使用可能な充電が存在するときには、図６の
論理はその使用を許可する。図６の論理の通過中、トラ
クション電池出力が補助電源１６により生成された出力
よりも大きくないことを決定ブロック６２２が発見した
場合、論理は決定ブロック６２２のＮＯ出力から、論理
パス６３０を通ってブロック６１２へと進み、反復を開
始する。このパスが補助電源１６の出力が最大値まで増
大することを回避する。図７（ａ）は簡略化した速度に
対するモータ（または発電機）出力のパラメータ的プロ
ット７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃ…７１０Ｎを示す。
図７（ａ）において、プロット７１０ａ、７１０ｂ、７
１０ｃ…７１０Ｎは共通して傾斜部分７１２を有する。
モータまたは発電機のための出力はトルクと速度の積で
ある。したがって、速度ゼロでは、トルクに関係なく出
力もゼロである。図７（ａ）のプロットの部分７１２で
示唆されるように、速度が一定のトルクで増加すると
き、速度ωbaseまでは出力も増大する。ωbaseの周波数
以上では、モータ／発電機は、温度やその他の理由によ
りそれ以上の出力は取り扱えないように設計されてい
る。したがって、最大トルクでは、モータ／発電機の出
力はプロット７１０ａに従うように、インバータの制御
方法により制限される。トルクが最大トルクよりもいく
らか小さいとき、プロット７１０ｂで示されるように、
最大出力はωbaseよりわずかに低いモータ速度で達成さ
れる。プロット７１０ｃはより低いトルクの大きさを示
し、より低いプロット７１０Ｎは量化した制御システム
が保持しうる最低のトルクを示す。制御システムは、モ
ータが所望の最大出力限界以上で作動することを防ぐた
めに、モータにより生成されたトルクを速度に従って限
定値に制限する。限定トルク限界は、たんに最大出力を
現在のモータ速度で割ることで決定され、 トルク限界＝Ｐmax ／速度 求められたトルク限界は出力プロットを、図７（ａ）に
おいてプロット７１０ａとプロット部分７１２により示
される値より大きくない値に制限する。出力がＰmax よ
り小さな値に制限された場合、モータが従う出力プロッ
トは図７（ａ）のプロット７１０ａ、７１０ｂ、７１０
ｃ…７１０Ｎの１つに対応する。図７（ａ）はトルク・
コマンドと出力制限部（リミッタ）の関係を示す簡略化
したブロック図である。図７（ｂ）において、出力が曲
線７１６の下になるように限定するように、ＦＯＣイン
バータ２８に到達したトルク・コマンド（限定されたト
ルク・コマンド）の大きさを調整する、限定部ブロック
７１４にトルク・コマンドが印加される。曲線７１６は
選択されたまたは設定された出力Ｐをモータ速度で割っ
て決定された速度対トルクのプロットである。従って、
ＦＯＣインバータは、モータ速度の観点から、モータ出
力をコマンド（指令）されたトルクの制御によって制御
することが可能である。問題のトルクはトラクションま
たは駆動トルクでもよく、または減速または制動トルク
でもよい。発電機として作動するモータから電池へ流れ
る出力の制御が望まれる場合には、適切なＦＯＣコマン
ドによって制限を適用することができる。図８におい
て、所望のトルクまたはトルク・コマンドが電気加速器
（図示せず）により与えられ、パス８１０を介して、第
２の入力ポート８１４にセンサ（図示せず）から検知し
た自動車速度（自動車が可変ギアを装備している場合は
トラクション・モータ速度）を受け取る、倍率器８１２
の第１の入力ポートに印加される。倍率器８１２はモー
タ速度とコマンド・トルクの積から、トラクション・モ
ータに印加されるコマンド出力を示す信号を生成する。
ブロック８１６は、定数ｋによって指令された出力を計
測し、必要であれば、信号を指令されたトラクション・
モータ出力のワット数での表示Ｐc に変換する。指令さ
れたトラクション・モータ出力をワット数で表示するＰ
c は、ブロック８１６から、指令された出力のワット数
をトラクション電池電圧で割り、指令されたトラクショ
ン・モータ電流（Ic=P/E）を示す信号を得ることを示
す、次のブロック８１８に印加される。トラクション電
池電圧はトラクション・モータ電圧の受入可能な指標
（indicator ）である。なぜなら、システム内の全ての
電圧は電池電圧に関係するからである。所望のモータ電
流を生成するように、ＦＯＣインバータ２８とトラクシ
ョン・モータ４０を制御するために、指令された電流Ic
を示す信号は信号パス８１９を介して図１のコマンド制
御部５０の一部へと運ばれる。指令された電流Icを示す
信号はまた、ブロック８１８の出力から、ブロック８２
０として示される計測（scale ）回路を介してエラー信
号発生器８２２へと印加される。計測回路８２０の目的
は以下に説明するとおりであるが、その動作は指令され
た電流Icを指令された発電機電流IGへの変換を生じさせ
るものである。エラー信号発生器８２２は、エラー信号
を発生させ、指令された発電機電流IGから、内燃機関／
発電機（発電機）の検知された出力電流を示す、信号パ
ス８２４からのフィードバック信号を減算する。エラー
信号発生器８２２によって生成されたエラー信号はルー
プ補償フィルタ、単なる積分器でもよい、に印加され、
補助電気エネルギー源１６、より詳細にはディーゼルエ
ンジン１８の指令された速度を表示する信号を生成す
る。ディーゼルエンジン１８は発電機２２を駆動し、図
１のインバータ２８に出力コンダクタ（導体）８３２を
介して印可する交流出力電圧を生成する。円８３４とし
て図示される電流センサ装置が発電機電流を検知するた
めに出力コンダクタ８３２に結合されている。図８のブ
ロック８２２、８２６、１８、２２および８２４は全体
で、発電機２２の出力電流をエラー発生器に印加される
制御信号IGにより指令された大きさに等しくする、閉じ
たフィードバック・ループを構成する。ループ補償器８
２６は、望ましくない汚染物質の放出の増大を引き起こ
す、ディーゼルエンジンの速度の急激な変化を防ぐよう
に選択される。 上記のように、図８の装置は、自動車
の運動を制御するためのトラクション・モータ電流を指
令する信号ICを生成し、補助発電機２２の電流を指令す
る信号IGを生成する。図８において、トラクション電池
の所望の充電状態（state of charge:以下、ＳＯＣ）を
示す信号は加算回路８５０の非変換入力ポートで受領さ
れる。電池充電状態（ＳＯＣ）決定ブロック８５２か
ら、現在の充電状態を示す信号を、加算回路８５０の変
換入力ポートで受領する。ＳＯＣブロック８５２は電池
電圧、電池温度、および電池電流を示す信号を受領す
る。一般に、電池の充電状態は単に正味の入力電流と出
力電流の時間積分である。ＳＯＣブロック８５２は電流
の正味アンペアを積分して充電のアンペア時を生成す
る。加算回路８５０は、信号パス８５４上に、トラクシ
ョン電池の所望または指令された充電状態と現実の充電
状態の差を示すエラー信号を生成し、それにより充電の
瞬間的な過剰または不足を認識する。エラー信号は、エ
ラー信号を積分するループ補償フィルタ８５６に印加さ
れ、積分エラー信号を生成する。積分エラー信号は時間
の経過に応じてゆっくりと変化する。積分エラー信号は
リミッタ８５８を介してブロック８２０に作用する。特
に、積分エラー信号は計測ブロック８２０に印加された
とき、計測因子を選択し、それにより指令されたモータ
電流ICは計測され、指令された発電機電流となる。リミ
ッタ８５８は単にブロック８５６からの積分エラー信号
を限定して、計測ブロック８２０の計測因子の範囲が０
と１（単位）の間の範囲に限定されるようにする。した
がって、指令された発電機電流IGは決して指令されたモ
ータ電流ICより大きくなれず、リミッタ８５８からの限
定された積分信号によって指令された計測因子に従って
小さくなり、指令されたモータ電流ICはゼロ電流と同じ
くらい低くなる。トラクション電池の所望された充電状
態は最大充電より低い充電レベルなので、過充電により
トラクション電池を損傷させる危険がなく、回生制動を
行うことができる。従って所望のＳＯＣ（充電状態）の
設定点は最大充電より低い充電である。図８の装置の動
作は、ループ補償フィルタ８５６の積分器出力の通常の
状態を、リミッタ８５８により許可される最大１．０ボ
ルトと最小０．０ボルトの中間である０．５「ボルト」
と仮定することで理解できる。（リミッタ８５８により
限定された）積分エラー信号の値は倍率因子とみなさ
れ、それにより計測回路８２０が、指令されたトラクシ
ョン・モータ電流を計測し、１．０の値を有する積分エ
ラー信号はエラー信号発生器８２２により、そのままの
大きさで伝送される指令されたモータ電流ICを生じさせ
る。一方、０．５の値は指令されたモータ電流ICの大き
さを、指令されたモータ電流ICの大きさのちょうど半分
にする。図８の装置の制御下にある自動車の動作におい
て、トラクション電池が所望の充電状態を超えたとき、
エラー信号発生器８５０は設定点の値から高充電状態を
示す大きな信号値を減算し、負の極性を有する差分また
はエラー信号を生成する。ループ補償フィルタ８５６の
積分器は、ループ補償フィルタ８５６の出力において、
正味の積分信号を「減少」させたり、「通常の」０．５
ボルトの値から例えば０．３ボルトへ降下させるといっ
た負の方向へ動かす、負の極性信号を積分する。積分エ
ラー信号の０．３ボルトの値はリミッタ８５８が許可す
る範囲内なので、積分エラー信号は単にリミッタ８５８
内を流れ、「通常の」０．５よりも、０．３で指令され
たトラクション・モータ電流が倍率されるように、計測
回路８２０を制御し、指令された発電機電流IGを生成す
る。従って、電池の充電状態が所望の設定点より高い場
合は、発電機の平均出力が減少する。同様に、トラクシ
ョン電池の充電状態が所望の設定点より低い場合は、図
８のブロック８５２からエラー信号発生器８５０の変換
入力ポートに印加された信号の大きさは、所望の充電状
態（ＳＯＣ）を示す信号より小さくなり、その結果エラ
ー信号発生器８５０の出力においてエラー信号が正の値
を有する。ループフィルタ８５６に付随した積分器は正
の入力信号を積分し、０．５ボルトの「通常」値を例え
ば０．８ボルトまで上昇させる積分出力信号を生成す
る。この値はリミッタ８５８が受け入れることができる
値の範囲内なので、０．８ボルトの積分エラー信号は変
化することなく計測回路８２０に印加される。０．８ボ
ルトの積分エラー信号により、計測回路８２０は指令さ
れたモータ電流ICを示す信号を０．８で倍率し、指令さ
れた発電機電流IGは以前より大きくなる。トラクション
電池の充電を設定点の値まで減少させることの正味の効
果は、トラクション電池の充電レベルを上昇させる、発
電機２２からの平均出力電力を増大させることである。
当業者は、上記の積分エラー信号の「通常」値が実際に
存在しないこと、および制御システムの動作を理解する
ためだけに使用されたことを理解するであろう。したが
って、本発明の１つまたはそれ以上の電池（バッテリ）
（２０）から少なくともいくらかの牽引効果（tractive
effort ）もしくは運動力を引き出す自動車（１０）を
作動する方法（図３（ａ）、図３（ｂ）、および図４）
において、前記方法は、前記電池が最大充電より低い
（第１の充電レベルより低い）第１の充電状態であると
き、ダイナミック・ブレーキ制動中に、トラクション・
モータ（４０）から実質的に全エネルギーを前記電池
（２０）に回帰させる工程（３１２、４１８）からな
る。本方法の他の工程（４２０、４２２）は、前記電池
が最大充電と第１の充電状態（図３（ａ）、図３（ｂ）
の第１の充電状態）の間の充電レベルであるとき、ダイ
ナミック・ブレーキ制動中に、トラクション・モータ
（４０）から全エネルギー（３１４）より少ないエネル
ギーを前記電池に回帰させる工程と、および前記電池が
最大充電状態に達したとき、ダイナミック・ブレーキ制
動中に、トラクション・モータ（４０）から実質的にエ
ネルギーを前記電池（２０）に回帰させない工程（図３
（ａ）の最大充電点におけるプロット３１４）からな
る。本実施例において、前記ダイナミック・ブレーキ制
動中に、トラクション・モータ（４０）から全エネルギ
ーより少ないエネルギーを前記電池（２０）に回帰させ
る工程（４２０、４２２）は、前記最大充電に対する現
時点の電池充電（CC）の割合に単調に比例した（傾斜３
１４）量の使用可能なダイナミック・ブレーキ制動エネ
ルギーを回帰させる工程を含む。本発明の好適な実施例
において、上記工程は電池の充電状態に従い１つの工程
から他の工程へと円滑に遷移する。発電制動の量は、電
池充電量によって漸進的に変化するので、フリクション
・ブレーキ（friction brakes ：摩擦制動ブレーキ）
（３６ａ、３６ｂ）は制動中に、運転者のブレーキペダ
ル（３０ａ）を作動させる力によって自動的に、不足を
補完する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による制御を実行するコマンド
制御部と動力制御部を備えた、本発明の１つの特徴によ
るハイブリッド電気自動車の簡略化したブロック図であ
る。

【図２】図２は、図１の動力制御部のいくつかの機能を
示す簡略化したブロック図である。

【図３】図３（ａ）および図３（ｂ）は、それぞれ、ト
ラクション電池充電状態に対するトラクション電池への
エネルギー回生の関係と、トラクション電池充電状態に
対する回生によるトラクションの関係を示す簡略化した
プロット図である。

【図４】図４は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示され
た動作を実行するために、図１および図２のコマンド制
御部により実行される論理フローを示す簡略化したフロ
ーチャートである。

【図５】図５は、トラクション電池充電を関数としたと
きの、図１の自動車のトラクション・モータに対するト
ラクション出力の供給分布を示す簡略化したプロット図
である。

【図６】図６は、図５に示された動作を実行するため
に、図１および図２のコマンド制御部により実行される
論理フローを示す簡略化したフローチャートである。

【図７】図７（ａ）および図７（ｂ）は、それぞれ、ト
ルクをパラメータとしたときの速度に対するモータまた
は発電機の出力の関係と、どのようにしてモータまたは
発電機の出力を制御するかを示す簡略化したプロット図
である。

【図８】図１は、トラクション電池の充電状態に応じて
補助電源により生成された発電量を制御する制御回路ま
たは装置を示す簡略化したブロック図である。

【符号の説明】

１０ ハイブリッド電気自動車（電気自動車） １２ 車輪 １４ 動力制御部 １６ 補助電源 １８ ディーゼル・エンジン １８ｔ タンク ２０ 電池 ２２ 発電機 ２４ 燃料電池 ２６ 整流装置 ２８ 直流−交流インバータ ２８ｈ 蓄熱槽 ２８ｍ ポート ３０ 表示部および運転者制御部 ３０ａ ブレーキペダル ３１ 双方向データパス ３２ パス ３６ａ，３６ｂ（摩擦制動）フリクション・ブレーキ ４０ トラクション・モータ ５０ コマンド制御部 ８１６ ｋ計測 ８２６ ループ補償器 ８５２ ＳＯＣ評価部 ８５６ ループ補償フィルタ ８５８ リミッタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電池から少なくともいくらかのトラクティ
   ブ効果（tractive effort ：牽引効果）を引き出す自動
   車を作動する方法において、前記方法は、 前記電池が最大充電（full charge ：最大容量の充電）
   より低い第１の充電状態であるとき、ダイナミック・ブ
   レーキ（発電制動）制動中に、トラクション・モータ
   （traction motor）から実質的に全エネルギーを前記電
   池に回帰させる工程と、 前記電池が最大充電と第１の充電状態の間の充電レベル
   であるとき、ダイナミック・ブレーキ制動中に、トラク
   ション・モータから全エネルギーより少ないエネルギー
   を前記電池に回帰させる工程と、および前記電池が最大
   充電状態に達したとき、ダイナミック・ブレーキ制動中
   に、トラクション・モータから実質的にエネルギーを前
   記電池に回帰させない工程とからなることを特徴とする
   自動車を作動する方法。
2. 【請求項２】前記ダイナミック・ブレーキ制動中に、ト
   ラクション・モータから全エネルギーより少ないエネル
   ギーを前記電池に回帰させる工程は、前記最大充電に対
   する前記充電の割合に単調に比例した量の使用可能なダ
   イナミック・ブレーキ制動エネルギーを回帰させる工程
   を含むことを特徴とする、請求項１記載の自動車を作動
   する方法。
3. 【請求項３】前記自動車を作動する方法において、さら
   に、実質的に全エネルギーを回帰させる工程と全エネル
   ギーより少ないエネルギーを回帰させる工程の間と、全
   エネルギーより少ないエネルギーを回帰させる工程と実
   質的にエネルギーを回帰させない工程の間とに、円滑な
   遷移をさせる工程を含むことを特徴とする、請求項１記
   載の自動車を作動する方法。