(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンで回転させる発電機の電力を電動機に与え、その電動機の駆動力で走行するシリーズ型ハイブリッド自動車において、制動時に前記電動機を発電運転して得られた電力を蓄え発進時等に前記電動機に放電するキャパシタと、前記キャパシタの電圧が前記キャパシタの電圧変動に対する蓄積エネルギ変動の割合を大きく取れる電圧より高ければ前記電動機に与える電力を前記キャパシタの電力とし、前記キャパシタの電圧が所定値以下又は放電電流値が降下傾向になった時、前記電動機に与える電力を前記発電機の電力に切り替える切替手段とを設けたことを特徴とするシリーズ型ハイブリッド自動車の制御装置。
【請求項２】
前記電動機の発電電圧を前記キャパシタの電圧より高くする昇圧手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のシリーズ型ハイブリッド自動車の制御装置。
【請求項３】
ブレーキペダルの踏み込み量に応じた指示電流を設定し、この指示電流を目標に前記キャパシタへの充電電流を制御することを特徴とする請求項１又は２記載のシリーズ型ハイブリッド自動車の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリーズ型ハイブリッド自動車の制御装置に係り、特に、蓄電池を用いずに高効率で蓄電が可能なシリーズ型ハイブリッド自動車の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリーズ型ハイブリッド自動車は、エンジンで発電機を回し、得られた電気エネルギで電動機を駆動して走行するようになっている。また、制動に際しては、電動機を発電運転することで制動力を発生させると共に、得られた電力を蓄電池やキャパシタに充電しておき、この回生エネルギを再利用するようになっている。従来のシリーズ型ハイブリッド自動車は、エンジン、発電機、パワーユニット、電動機、切替装置、蓄電池、キャパシタなどからなる。
【０００３】
従来のシリーズ型ハイブリッド自動車の制動時におけるエネルギ回収の動作は以下の通りである。
【０００４】
▲１▼ブレーキペダルが踏まれると、電動機は発電運転を行う。
【０００５】
▲２▼発電運転で得られた電気エネルギは、蓄電池又はキャパシタに充電される。充電先は切替装置により切り替えられる。その切り替えの方式として、
方式１．電力切替え式
切替装置は、制動時にキャパシタへの蓄電電力を観測し、蓄電電力がキャパシタの充電能力を超えた場合に充電先を蓄電池に切り替える。
【０００６】
方式２．並列式
切替装置は、制動時に蓄電池とキャパシタとを並列接続して電力が両方に流れ込むようにする。
【０００７】
このようにして蓄電された電気エネルギは、次回の発進時のエネルギとして使用される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のシリーズ型ハイブリッド自動車は、蓄電池とキャパシタとを備えているが、これは蓄電池において急速充放電を行うと劣化が顕著になるため、急速充放電に優れたキャパシタを併用しようというものである。即ち、キャパシタは蓄電池の補助をする部材ということになる。
【０００９】
従来のシリーズ型ハイブリッド自動車は、蓄電池とキャパシタとを備えることにより、積載面積及び重量が大きくなるという欠点がある。また、前記した充放電の方式は、エネルギの貯蔵量が電圧二乗に比例する点、急速充放電に優れる点、同一電力に対し電圧を上げれば電流を減らせる点、などのキャパシタの優れた能力を有効利用したものとはなっておらず、キャパシタを搭載したメリットが得られていない。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、蓄電池を用いずに高効率で蓄電が可能なシリーズ型ハイブリッド自動車の制御装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、エンジンで回転させる発電機の電力を電動機に与え、その電動機の駆動力で走行するシリーズ型ハイブリッド自動車において、制動時に前記電動機を発電運転して得られた電力を蓄え発進時等に前記電動機に放電するキャパシタと、前記キャパシタの電圧が前記キャパシタの電圧変動に対する蓄積エネルギ変動の割合を大きく取れる電圧より高ければ前記電動機に与える電力を前記キャパシタの電力とし、前記キャパシタの電圧が所定値以下又は放電電流値が降下傾向になった時、前記電動機に与える電力を前記発電機の電力に切り替える切替手段とを設けたものである。
【００１３】
前記電動機の発電電圧を前記キャパシタの電圧より高くする昇圧手段を設けてもよい。
【００１４】
ブレーキペダルの踏み込み量に応じた指示電流を設定し、この指示電流を目標に前記キャパシタへの充電電流を制御してもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１６】
本発明に係るシリーズ型ハイブリッド自動車は、図１に示されるように、エンジン１、エンジンを制御するエンジンコントローラ２、エンジンで回転される発電機３、発電機３の電力を直流化・変圧するコンバータ４、アクセルペダル・ブレーキペダル等の車載機器５、運転状態に応じて各部に指令を行うコントローラ６、直流電力を交流化・変圧して電動機８に供給すると共に電動機８の発電電力を直流化・変圧して蓄電手段に供給するインバータ７、ギヤを駆動する電動機８、コンバータ４・インバータ７・蓄電手段１０間の回路を切り替える切替手段９、蓄電手段としてのキャパシタ１０などからなる。
【００１７】
エンジン１の出力は発電機３に接続されており、発電機３はコンバータ４に接続されている。コンバータ４、インバータ７、キャパシタ１０は切替手段９を介して相互に接続されている。インバータ７に電動機８が接続されており、電動機８の出力はギアに連結されている。電動機８及び発電機３は、ロータに永久磁石を用いた構造のもので、回転機の高効率化に適している。
【００１８】
図２に示されるように、発電機３の３相出力がコンバータ４内のスイッチング回路４１に取り込まれている。このコンバータ４には、平滑用コンデンサ４２、発電機平滑部電圧を検出する電圧センサ４３、発電機平滑部電流を検出する電流センサ４４、コントローラ６からの指令に応じて直流電力の電圧・電流を制御する制御部４５などが設けられている。
【００１９】
また、電動機８の３相入出力がインバータ７内のスイッチング回路７１に取り込まれている。このインバータ７には、平滑用コンデンサ７２、電動機平滑部電圧を検出する電圧センサ７３、電動機平滑部電流を検出する電流センサ７４、コントローラ６からの指令に応じて電動機８による発電電圧・電流又は電動機８の駆動電圧・電流を制御する制御部７５などが設けられている。インバータ７の制御部７５は、電動機８の発電電圧を蓄電手段１０の電圧より高くする昇圧手段である。
【００２０】
切替手段９には、コンバータ４とインバータ７との間を入り切りする第一スイッチ９１、蓄電手段１０とインバータ７との間を入り切りする第二スイッチ９２、インバータ電圧またはコンバータ電圧を入力して出力を降圧制御するＤＣ／ＤＣコンバータ９３、ＤＣ／ＤＣコンバータ９３と蓄電手段１０との間を入り切りする第三スイッチ９４、キャパシタ電圧を検出する電圧センサ９６、キャパシタ電流を検出する電流センサ９７、第一〜第三スイッチの開閉を制御する制御部９８などが設けられている。
【００２１】
コントローラ６は、アクセルペダルの踏み込み量、ブレーキペダルの踏み込み量、車速などから発進・加速モード、減速モード等の運転状態を判定して各部に指令を行うようになっている。コントローラ６は、ブレーキペダルの踏み込み量に応じた指示電流を設定し、この指示電流を目標に前記蓄電手段への充電電流を制御する機能を有する。
【００２２】
エンジンコントローラ２は、検出されるエンジン回転数をコントローラ６からの指令値と比較してガバナを制御するようになっている。
【００２３】
本発明に係るシリーズ型ハイブリッド自動車の主要な動作を説明する。
【００２４】
▲１▼ブレーキ回収動作
制動時には、コントローラ６は、切替手段９により第一スイッチ９１を解放してコンバータ４・インバータ７間を遮断し、第二スイッチ９２を閉成してインバータ７・キャパシタ１０間を導通させ、インバータ７により電動機８を発電運転に切り替える。このときキャパシタ１０の電圧が電動機８の発電電圧より高い場合には、コントローラ６は、発電昇圧制御により発電電圧を高めるようインバータ７に指令する。逆に、電動機８の発電電圧がキャパシタ１０の電圧より高い場合には、キャパシタ１０に充電電流が無制御に流れ込まないように、切替手段９により第二スイッチ９２を解放し、第三スイッチ９４を閉成してＤＣ／ＤＣコンバータ９３により電動機８の発電電圧をそれより低い電圧に変換してキャパシタ１０に提供する（キャパシタ充電器制御）。このようにして電動機８の発電電圧がキャパシタ１０の電圧よりもやや高い状態に制御しておく。そして、コントローラ６は、ブレーキペダルの踏み込み量に基づきキャパシタ１０への指示電流を設定する。この指示電流を目標にキャパシタ１０への充電電流を制御するが、充電電流の制御には電圧制御を伴うので、キャパシタ１０への目標充電電流・電力がブレーキペダルの踏み込み量に基づいて決定されたことになる。これにより、運転者が欲した制動量が得られると共に、その制動エネルギに応じた発電電力がキャパシタ１０に充電される。
【００２５】
▲２▼発進動作
発進時には、コントローラ６は、切替手段９により第一スイッチ９１を解放してコンバータ４・インバータ７間を遮断し、第二スイッチ９２を閉成してインバータ７・キャパシタ１０間を導通させ、インバータ７により電動機８を駆動運転に切り替えると共に電動機８への投入電力を制御する。これにより、キャパシタ１０から放電された電力で電動機８が駆動される。キャパシタ１０の電圧が所定値以下になった場合には、コントローラ６は、切替手段９により第一スイッチ９１を閉成してコンバータ４・インバータ７間を導通させ、第二スイッチ９２を解放してインバータ７・キャパシタ１０間を遮断する。これにより、発電機３からの電力で電動機８が駆動される。また、キャパシタ１０の電圧が所定値以上であっても、キャパシタ１０からの放電電流値が降下傾向にある場合には、コントローラ６は、切替手段９により第一スイッチ９１を閉成してコンバータ４・インバータ７間を導通させ、第二スイッチ９２を解放してインバータ７・キャパシタ１０間を遮断する。これにより、発電機３からの電力で電動機８が駆動される。
【００２６】
▲３▼キャパシタの電圧管理
キャパシタ１０の電圧が所定値以下にならないよう制御する理由は、キャパシタ１０におけるエネルギの貯蔵量が電圧二乗に比例するからである。即ち、図３に示されるように、電圧が一定量変動するごとに出入りするエネルギ偏差（破線）は電圧に比例するので、電圧に対するキャパシタ内の総エネルギ量（実線）は二次曲線的に変化する。キャパシタ１０の電圧が高い使用範囲では、電圧変動に対する蓄積エネルギ変動（出入り）の割合を大きく取ることができる。従って、図３に示した使用範囲で充放電を行うと、わずかの電圧変動で多くのエネルギを出し入れすることができる。これにより、インバータ７の制御が簡単になり、大エネルギの充放電制御が容易になる。また、電圧が高い方が同一電力における電流値を低くでき、電流値が低いことにより、キャパシタ１０への受け入れ性が向上し、損失も少なくなる。以上のように、キャパシタ１０の電圧を所定値より高く維持する制御により、効率が向上する。
【００２７】
次に、自動車制御の動作を説明する。
【００２８】
図４に示されるように、コントローラ６のメインルーチンは、各種処理ルーチンを順次呼び出す動作を繰り返すものである。電源投入後の初期設定の後、図２の各種センサ・制御部・車載機器に対する入出力処理を行う。次に、車載機器５の入力によるモード（運転状態）を判定する。即ち、車速、アクセルペダルの踏み込み量などから発進・加速モードかどうかを判定する。また、ブレーキペダルの踏み込み量、車速などから減速モードかどうかを判定する。次に、アラーム検知処理を行い、キャパシタ制御の指令を行う処理、コンバータ制御の指令を行う処理、インバータ制御の指令を行う処理、エンジンコントローラ制御の指令を行う処理を行う。
【００２９】
キャパシタ制御指令処理からエンジンコントローラ制御指令処理までの詳細を図５〜図９を用いて説明する。まず、図５のキャパシタ制御指令処理において、発進・加速モードかどうかを判定する（ステップＳ１）。発進・加速モードであれば、図６の発進・加速切り替え制御に移行する。発進・加速モードでなければ、次に、減速モードかどうかを判定する（ステップＳ２）。減速モードであれば、図７のブレーキ・減速制御に移行する。減速モードでなければ、メインルーチンに戻る。
【００３０】
図６の発進・加速切り替え制御では、キャパシタ１０の電圧・電流を検出し、キャパシタ電圧が所定値（最低キャパシタ設定電圧）Ｅｓより高いかどうか判定する（ステップＳ３）。キャパシタ電圧が所定値Ｅｓ以下であれば、エンジンコントローラ２に対しマップデータに基づくガバナ制御を行うよう指令すると共に、切替手段９に対し発電機３からの電力で電動機８を駆動するよう指令する（ステップＳ４）。これにより、発電機３は車速やアクセルペダルの踏み込み量に対応した電力を出力し、その電力で電動機８が駆動される。ステップＳ３において、キャパシタ電圧が所定値Ｅｓより高ければ、今回検出したキャパシタ放電電流が前回検出したキャパシタ放電電流Ｉｓより高いかどうか判定する（ステップＳ５）。今回検出したキャパシタ放電電流が前回検出したキャパシタ放電電流Ｉｓ以下であれば、放電電流値が降下傾向にあることになるので、前述のステップＳ４に移行する。今回検出したキャパシタ放電電流が前回検出したキャパシタ放電電流Ｉｓより高ければ、放電電流値が降下傾向にないことになるので、切替手段９に対しキャパシタ１０からの電力で電動機８を駆動するよう指令し（ステップＳ６）、メインルーチンに戻る。これにより、キャパシタ１０から放電された電力で電動機８が駆動される。
【００３１】
図７のブレーキ・減速制御では、インバータ７の平滑部の電圧及びキャパシタ１０の電圧を検出し、キャパシタ電圧が電動機平滑部電圧より高いかどうか判定する（ステップＳ７）。キャパシタ電圧が電動機平滑部電圧以下であれば、図９のＢに移行する。ステップＳ７でキャパシタ電圧が電動機平滑部電圧より高ければ、第二スイッチ９２（キャパシタリレー）をオンし、第一スイッチ９１はオフする。そして、電動機８の発電電圧を高める発電昇圧制御を行うようインバータ７に対し指令する（ステップＳ８）。
【００３２】
ステップＳ８の次に、キャパシタ１０の電流を検出し、キャパシタを充電する電流がブレーキペダルの踏み込み量に応じて決定した指示電流に等しいかどうか判定する（ステップＳ９）。キャパシタ電流が指示電流どおりであれば、図８のＡに移行する。ステップＳ９でキャパシタ電流が指示電流と異なるときには、ステップＳ１０にてキャパシタ電流と指示電流との大小を調べ、電動機８の発電電圧を高めると共に、キャパシタ電流が指示電流に等しくなるよう、電動機平滑部電圧を調整してキャパシタ電流をアップ又はダウンさせる。その後、図８のＡに移行する。
【００３３】
図８のＡでは、車速がゼロか、加速モードか、減速中止モードかをそれぞれ判定する（ステップＳ１１）。車速がゼロである、又は加速モードである、又は減速中止モードである場合は、自動車が停止したか、減速モード以外のモードに変化したことになるので、発電昇圧制御を停止するようインバータ７に対し指令すると共に第二スイッチ９２（キャパシタリレー）をオフし、第一スイッチ９１をオンし、メインルーチンに戻る。ステップＳ１１にて、車速がゼロでなく、かつ加速モードでなく、かつ減速中止モードでない場合は図７のＣに戻る。これにより、キャパシタ１０には指示電流による充電が行われ、その充電電力に見合うだけの制動力が自動車に働くことになる。
【００３４】
図９のＢでは、即ち、ブレーキ・減速制御のステップＳ７でキャパシタ電圧が電動機平滑部電圧以下のときには、第二スイッチ９２（キャパシタリレー）をオフし、第一スイッチ９１はオフする。そして、第三スイッチ９４をオンすると共にキャパシタ充電器制御を行うよう切替手段９に対し指令する（ステップＳ１２）。切替手段９では、キャパシタ充電器制御を行うべく、ＤＣ／ＤＣコンバータ９３を動作状態にする。次いで、キャパシタ１０の電流を検出し、キャパシタを充電する電流がブレーキペダルの踏み込み量に応じて決定した指示電流に等しいかどうか判定する（ステップＳ１３）。キャパシタ電流が指示電流どおりであれば、ステップＳ１４に移行する。ステップＳ１３でキャパシタ電流が指示電流と異なるときには、ステップＳ１５にてキャパシタ電流と指示電流との大小を調べ、キャパシタ電流が指示電流に等しくなるよう、ＤＣ／ＤＣコンバータ９３の出力電圧をアップ又はダウンさせ、ステップＳ１４に移行する。
【００３５】
ステップＳ１４では、車速がゼロか、加速モードか、減速中止モードかをそれぞれ判定する。車速がゼロである、又は加速モードである、又は減速中止モードである場合は、自動車が停止したか、減速モード以外のモードに変化したことになるので、キャパシタ充電器制御を停止し第三スイッチ９４をオフするよう切替手段９に対し指令すると共に第二スイッチ９２（キャパシタリレー）をオフし、第一スイッチ９１をオンし、メインルーチンに戻る。ステップＳ１４にて、車速がゼロでなく、かつ加速モードでなく、かつ減速中止モードでない場合はステップＳ１３に戻る。これにより、キャパシタ１０には指示電流による充電が行われ、その充電電力に見合うだけの制動力が自動車に働くことになる。
【００３６】
次に、キャパシタの電圧制御範囲の設定方法を説明する。図１０に示されるように、電動機８における無負荷誘起電圧は、車速に比例する。通常のハイブリッド自動車に適用されるＭ１５モードの速度範囲では、市街地走行以下の車速であるから電圧は低いが、それより高速では電圧が高い。そこで、キャパシタの電圧制御範囲の下限を比較的高速ｖ１時の電圧Ｖ１に設定し、それより高い電圧Ｖ２に上限を設定する。電圧Ｖ２がキャパシタ１０の定格電圧より低いことは勿論である。キャパシタ１０の電圧が常に電圧Ｖ１から電圧Ｖ２の範囲にあるように制御しておけば、通常のハイブリッド自動車の使用速度範囲で十分なキャパシタ電圧を確保することができる。
【００３７】
次に、キャパシタ特性から見た効果的な電圧制御範囲を説明する。図１１の特性図は、基本的に図３と同じものであるが、電圧制御範囲を設定するためのものである。すでに説明したように、高電圧域ではわずかの電圧変動で多くのエネルギを出し入れすることができる。そこで、図１１に示されるように、キャパシタ１０からの放電を停止して発電機の電力に切り替える放電リミット電圧を電圧Ｖ１に設定し、キャパシタ１０への充電を禁じる充電リミット電圧を電圧Ｖ２に設定する。これにより、キャパシタ１０は電圧Ｖ１から電圧Ｖ２の間を推移し、その電圧区間では広いエネルギ制御範囲を確保することができる。
【００３８】
次に、本発明のシリーズ型ハイブリッド自動車における運転時のエネルギの流れを図１２により説明する。まず、図１２（ａ）は、発電機回転数（破線ｂ）、電動機回転数（実線ａ）を示したものであり、発電機回転数及び電動機回転数は発進・加速のとき上昇し、定速走行では安定し、減速・停止のとき下降する。図１２（ａ）と同じ時間経過で示された図１２（ｂ）では、発進・加速において、キャパシタ電力（実線ｃ）は放電され、この放電電力に対応し電動機電力（破線ｄ）は消費される。定速走行に移ると、キャパシタ電力の充放電はなく、発電機電力（点線ｅ）が供給され、この供給電力に対応し電動機電力（破線ｄ）は消費される。減速・停止において、電動機電力（破線ｄ）は回生され、この回生電力に対応しキャパシタ電力（実線ｃ）は充電される。
【００３９】
次に、キャパシタの自然放電対策を説明する。キャパシタは充電した後、放置しておくと、自然放電により電圧が低下していく。図１３に示されるように、充電リミット電圧Ｖ２を超えて充電した場合でも、数日で放電リミット電圧Ｖ１まで下降する。充電リミット電圧Ｖ２に近い電圧制御範囲内からでは、２日ほどで放電リミット電圧Ｖ１まで下降する。このため、本発明のシリーズ型ハイブリッド自動車を長く駐車しておくと、キャパシタ１０の電圧を電圧制御範囲内に維持できない。そこで、運転開始時にキャパシタ１０の電圧が著しく低い場合、第三スイッチ９４を閉じ、第一スイッチ９１を介してコンバータ４側から供給される電力をＤＣ／ＤＣコンバータ９３で降圧制御してキャパシタ電流を調節しつつキャパシタ１０に充電する。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００４１】
（１）蓄電手段の電圧を所定値以上に維持できるので、蓄電池を廃止し、キャパシタのみを搭載した構成が実現される。
【００４２】
（２）蓄電手段に特有の電圧変動に対する蓄積エネルギ変動の割合を大きく取れる電圧が維持されるので、高効率で充放電が可能になる。
【００４３】
（３）電動機、発電機に永久磁石式電動機／発電機を採用した場合でも電圧変換器が不要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すシリーズ型ハイブリッド自動車の電力制御系システムブロック図である。
【図２】図１のシステムの詳細回路図である。
【図３】本発明で用いるキャパシタの電圧対エネルギ特性の図である。
【図４】本発明を実施するソフトウェアの流れ図である。
【図５】本発明を実施するソフトウェアの流れ図である。
【図６】本発明を実施するソフトウェアの流れ図である。
【図７】本発明を実施するソフトウェアの流れ図である。
【図８】本発明を実施するソフトウェアの流れ図である。
【図９】本発明を実施するソフトウェアの流れ図である。
【図１０】本発明で用いる電動機の車速対電圧特性の図である。
【図１１】本発明により電圧制御範囲を設定したキャパシタの電圧対エネルギ特性の図である。
【図１２】本発明によるエネルギの流れを説明するための図であり、（ａ）は発電機及び電動機の回転数の時間波形図、（ｂ）はキャパシタ、発電機及び電動機の電力の時間波形図である。
【図１３】キャパシタの自然放電特性の図である。
【符号の説明】
１  エンジン
３  発電機
４  コンバータ
６  コントローラ
７  インバータ（昇圧手段）
８  電動機
９  切替手段
１０  キャパシタ（蓄電手段）
９３  ＤＣ／ＤＣコンバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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