JPH11234807A - バッテリの充電状態に応じて効率を変化できる回生制動を用いた電気自動車 - Google Patents
バッテリの充電状態に応じて効率を変化できる回生制動を用いた電気自動車Info
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Abstract
単純且つ効果的にする装置及び方法の提供。 【解決手段】バッテリが、部分充電と完全充電との間の
充電状態時、補助電気源によるバッテリの充電及び発電
制動からのバッテリの充電の大きさを傾斜させる。主電
動機需要と補助電気源から得られるエネルギーとの間の
不足分は、バッテリの状態に応じた量でバッテリから供
給される。バッテリがほぼ完全充電状態時には、不足分
の全量がバッテリにより供給され、バッテリがほぼ放電
状態時には、エネルギーはバッテリによってはほとんど
供給されない。ほぼ完全充電とほぼ完全放電との間の充
電状態では、バッテリは、充電状態に単調に応じたエネ
ルギー量を供給する。バッテリがほぼ完全充電状態時に
は、補助源からのバッテリの充電を、発電制動中に減少
させる。発電制動中に戻すエネルギー量の制御は、発電
機として作動する主電動機の変換効率の制御により行
う。
Description
自動車の動作及び動作特性を単純且つ効果的にする装置
及び方法に関する。
リッド電気自動車は、最も実用的な低公害車のうちの一
つとして広く見られている。ハイブリッド電気自動車
は、電気自動車の車輪を駆動する主電動機に電力を供給
する電気「車両用」バッテリを含んでなる。ハイブリッ
ド電気自動車の「ハイブリッド」という概念は、自動車
の作動中に車両用バッテリを再充電するために二次又は
補助電気エネルギー源を使用することにある。この二次
電気エネルギー源は、ソーラーパネル、燃料電池、内燃
機関により駆動される発電機、又は一般的な他の電気エ
ネルギー源でよい。内燃機関を二次電力源として使用す
るとき、一般的に、燃料をほとんど使用せず且つほとん
ど公害を出さない比較的小さなエンジンを使用する。こ
れに付随する利点は、このような小さな内燃機関は限ら
れたRPM範囲で作動でき、したがって、最適なエンジ
ンの公害防止が可能である。電気エネルギー源を説明す
るのに使用される用語「一次」及び「二次」は、単に作
動中にエネルギーを分布させる方法に関し、基本的には
本発明にとっては重要ではない。電気バッテリでのみ電
力が供給される単純な電気駆動車両は、車両が、バッテ
リチャージステーションから遠く離れたところでバッテ
リがなくなってしまうことがあること、及びこのような
車両を昼間使用した後に首尾よく車庫に戻せたとして
も、次にバッテリを再充電しなければならないという欠
点がある。ハイブリッド電気自動車は、単純な電気駆動
車両に対して、ハイブリッド電気自動車では、作動中に
それ自体のバッテリを再充電し、したがって、通常外部
バッテリ充電を必要としないという大きな利点がある。
このように、ハイブリッド電気自動車は、極めて燃料の
補給だけが必要な内燃機関によって駆動される通常の自
動車のように使用することができる。ハイブリッド電気
自動車の別の主要な利点は、燃費がよいことである。こ
の燃費の利点は、制動の少なくとも一部分で動作の運動
エネルギーを電力に変換し、このエネルギーをバッテリ
に戻す、回生発電制動の使用により得られる。制動損失
は、都市交通状態における車両が遭遇する全摩擦損失の
ほぼ半分を占めることが判明した。この50%のエネル
ギーを回収し、これをバッテリに戻してさらに使用する
ことにより、回生制動をしないよりもはるかに小さい
「二次」燃料作動発電機を使用できる。次に、このより
小さい二次電源を使用することにより、単位時間、即
ち、1マイル当たりの燃料試料量が少なくなる。ハイブ
リッド電気自動車のさらなる利点は、数多くの条件下
で、自動車を加速するのに有効である動力は、バッテリ
により供給できる最大電力と、二次発電機により発生で
きる最大電力との合計である。発電機がディーゼル式内
燃機関であるときには、バッテリ電力とディーゼル電力
との組み合わせにより、良好な燃費にもかかわらず総原
動力は全く十分なものとなる。ハイブリッド電気自動車
は経済的及び環境的に有利であるけれども、広く受け入
れられるためには、動作及びオペレータの入力に対する
応答において通常の内燃式車両と同様でなければならな
い点で、ある程度「フールプルーフ」でなければならな
い。
ば、電気自動車の少なくとも一つの駆動輪を駆動よう
に、且つ制動中の前記自動車の運動を電気エネルギーに
変換するように接続された主電動機を含んでなる電気自
動車を作動させる方法であって、バッテリが完全充電よ
り少ない初充電状態にあるとき、制動中に前記主電動機
からのエネルギーの実質的に全てを、発電機として作動
する前記主電動機の最大効率でバッテリに戻す工程、を
含んでなることを特徴とする方法が提供される。さらな
る工程には、前記バッテリが前記初充電状態と前記完全
充電状態との間の充電レベルにあるとき、前記最大効率
と効率ゼロとの中間のレベルに前記主電動機の効率を調
整して、前記主電動機からの有効エネルギーの全てより
も少ないエネルギーを前記バッテリに戻す工程と、前記
バッテリが前記完全充電状態に到達したら、前記主電動
機の効率をできるかぎり又は都合のよく効率ほぼゼロに
調整して、前記主電動機からのエネルギーの最小量を前
記バッテリに戻す工程と、を含んでなる。本発明のこの
態様の具体的実施態様では、発電機として作動する前記
主電動機の効率を調整する前記工程が、前記主電動機の
滑り周波数を変化させる工程を含んでなる。本発明のこ
の態様の別の具体的実施態様では、発電機として作動す
る前記主電動機の効率を調整する前記工程が、前記主電
動機の界磁又は界磁様巻線における電流を変化させる工
程を含んでなる。本発明のこの態様のさらなる具体的実
施態様では、発電機として作動する前記主電動機の効率
を調整する前記工程が、前記主電動機の巻線に直流を通
過させる工程を含んでなる。
なうコマンドコントローラ、およびさらにはパワーコン
トローラを含んでなる、本発明の一態様による電気自動
車の概略ブロック図である。図1に示す電気自動車10
は、少なくとも一つの駆動輪12を、交流電圧主電動機
40に接続して含んでなる。本発明の一実施態様では、
この主電動機40は、三相交流電流電動機である。電動
機40は、好ましくは、発電制動中に動作の運動エネル
ギーを電気エネルギーに変換できるような公知の電動発
電機である。パワーコントローラ14は、主電動機40
のパワーハンドリングパスにより、参照番号20により
示されている車両用バッテリ、及びブロック16として
示されている補助電気エネルギー源に接続されている。
ブロック16に示されているように、補助源は、発電機
22を駆動するディーゼルエンジン18等の内燃機関を
含んでいてもよく、または燃料電池24を含んでいても
よい。ブロック50として示されているコマンドコント
ローラは、情報パスによりパワーコントローラ14、補
助源16、パワーコントローラ14の動作を制御するた
めに主電動機40、補助源16、及び適当な制御法則に
準じて主電動機40に接続されている。比較的高電力を
貯蔵できる最も一般的且つ最も安価なバッテリには、共
鉛/H2SO4バッテリなどがある。この種のバッテリ
は、バッテリが完全充電状態にあるときにはそこに充電
電流が加わわらないようにすること、電解質の発泡及び
望ましくない熱の発生を防止することのために何らかの
注意を払い、且つ硫酸化を避けることができるならば、
電気自動車に使用するのに適当である。図では、自動車
10のディスプレイとオペレータ制御装置を、ブロック
30として示してある。ブロック30は、図示されてい
るように、二方向性データパス31により、駆動コマン
ドをコマンドコントローラ50に適用するためのコマン
ドコントロールブロック50に接続されている。コマン
ドコントローラ50は、次に、種々のパワー要素、例え
ば、パワーコントローラ14,補助源16及び主電動機
40、への適当なコマンドに変換する。また、ブロック
30は、図示されているように、パス32により摩擦ブ
レーキ36a及び36bに接続されて、ブレーキペダル
に接続された通常の油圧ブレーキ系により直接制御でき
るようになっている。図2は、図1のパワーコントロー
ラ内でおこなわれる機能の一部を示した概略ブロック図
である。即ち、図2には、図1のパワーコントローラ1
4の要素の一部と図1の他の要素との相互接続が示され
ている。より具体的には、パワーコントローラ14は、
整流装置26を補助源16に接続して含んでなり、(必
要に応じて)補助源16の交流出力を直流電圧に変換す
るようになっている。また、パワーコントローラ14、
二方向性推進制御系を含んでなる。この二方向性推進制
御系は、さらに直流から交流へのインバータ28を、バ
ッテリ20、整流装置26及び主電動機40にパワー接
続により結合させて含んでなる。インバータ28、補助
源16及び主電動機40の動作は、上記したように、コ
マンドコントローラ50により制御される。直流から交
流へのインバータ28に加えて、推進制御系は、電圧セ
ンサ及び電流センサを含んでなり、電動機/発電機、バ
ッテリ及び補助電源の種々の作動パラメータを検知する
ようになっている。図1及び図2の装置の基本的動作に
おいて、コマンドコントローラ(50)は、パルス幅変
調コマンドを用いてインバータ28の個々のスイッチ
(図示せず)を制御することにより、主電動機40に結
合したインバータ28のポート28mに、おおよそ選択
された周波数と大きさを有する交流電圧を発生させる。
本発明の好ましい実施態様では、インバータは界磁方位
コマンド(FOC)型であり、主電動機は同様にFOC
誘導電動機である。主電動機40を駆動するための指令
交流電流駆動の周波数及び大きさは、選択されたトラク
ション電流により選択された電動機速度で電動機を駆動
するように選択される。一般的に、主電動機40は、電
動機速度の増加にともなって増加する逆EMFを生じ、
そしてインバータは、同じ主電動機駆動電流を維持する
ために、(コマンドコントローラ50の制御下で)交流
電圧周波数の増加にともなって大きさが増加する交流電
圧を生じなければならない。電動機は、インバータ出力
の指令周波数と一致する周波数で回転する。図1及び図
2等の電気自動車の基本的動作においても、発電制動と
摩擦制動の両方をおこなってよい。電気自動車の動作に
固有の(運動)エネルギーが、自動車の速度が落ちたと
きに、発電機として作動する主電動機により取り戻され
るので、発電制動がはるかに好ましい。発電制動が生じ
るこれらの休止期間の間に、第二又は再生方向作動する
図2に示す直流から交流へのインバータ28は、主電動
機40により生じた交流電圧を、車両用バッテリ20を
充電する直流電圧に変換する。さらに、電気自動車が、
補助電源16を含むハイブリッド電気自動車であるとき
には、この補助源を、自動車の作動中に作動させて、コ
マンドコントローラ50の指令に応じて、バッテリを補
給したり及び/又はトラクションエネルギーの一部分を
供給したりすることができる。電気自動車を発電制動を
用いて標準モードで作動し且つバッテリが完全充電の状
態にあるときには、発電制動は、すでに充電されている
バッテリに充電電流を押し込む傾向があることが判明し
た。鉛蓄電池の特性は、完全充電バッテリに充電電流が
加わるこの状況では、バッテリ電圧が、公称12ボルト
バッテリにおいて完全充電無電流値13ボルトから約1
6ボルトに著しく上昇することにより、コマンドコント
ローラに過充電状態が生じていることを示す傾向があ
る。もしコマンドコントローラがバッテリからの発電制
動により発生したエネルギーを緩和するならば、バッテ
リを保護するために、バッテリ電圧が直ちに完全充電無
電流値に低下する。これにより、過電圧制御装置が動作
するまで、発電制動コントローラが再びバッテリにエネ
ルギーを供給し始める。このため、コマンドコントロー
ラのループ特性により決まるパルス繰返し数で発電制動
が周期的に加わり、感知できる程度の制動チャタリング
が生じるとともに、パルス間隔の部分の間にバッテリが
過充電される傾向がある。過充電もチャタリングも、好
ましくない。図3a及び図3bは、それぞれ、車両用バ
ッテリへのエネルギー回生と車両用バッテリ充電状態と
の関係を示すグラフ、及び回生によるトラクションと車
両用バッテリ充電状態との関係を示すグラフである。具
体的には、図3a及び図3bは、いっしょに、本発明の
一態様による制御法則を示す。この制御法則によれば、
車両用バッテリが特定量の充電よりも少ない充電状態に
ある(特定量の充電は、完全充電よりも少ない)間隔の
間に発電制動に由来するエネルギーの全回生又は車両用
バッテリへの戻りが可能となるとともに、前記特定充電
と完全充電との間にある車両用バッテリ充電レベルで、
所定充電と完全充電との間の充電差に対して、次に存在
する充電状態に応答するか、次に存在する充電状態に相
関のある方法で発電制動に由来する回生エネルギーの割
合を次第に減少させる。本発明の一実施態様において
は、この関係は単調である。この関係は、直線的でもよ
い。図3aにおいて、グラフ310は、本発明の一態様
に準じた制御法則による回生量と車両用バッテリ充電状
態との関係を示す。より詳細には、グラフ310は、1
00%回生か、便宜的に可能であるできるだけ100%
に近い値を表す発電制動回生値で一定である部分312
を示している。完全充電で、発電制動に由来するエネル
ギーの回生量は、ほぼゼロか、便宜的に可能であるでき
るだけゼロに近い値に減少する。グラフ310により表
される制御法則は、さらに、「初充電」と称される所定
の車両用バッテリ充電レベルでの100%回生から車両
用バッテリの完全充電でのゼロ回生に傾斜する第二部分
314を含んでいる。自動車の回生トラクション又は制
動と車両用バッテリ充電状態との関係を、図3bのグラ
フ320に示す。図3bでは、グラフ320は、車両用
バッテリの低充電レベルから「初」充電レベルまで最大
回生トラクションを表す一定値で延びる第一部分322
を含む。グラフ320の第二部分324は、「初」充電
レベルでの100%から完全充電での0%まで単調に傾
斜する回生トラクションを表す。グラフ310及び32
0の部分314及び324は、それぞれ直線傾斜として
示されているが、部分314及び324が単調であれ
ば、制御目的には十分である。車両用バッテリの充電状
態はゆっくりと変化し、したがって、回生制動量はゆっ
くりと変化するので、この発電制動における単調な減少
は、自動車のドライバには分からないであろう。回生制
動がゆっくり変化するので、摩擦ブレーキは、発電制動
と所望の制動力との間の不足を徐々に埋める。これによ
り、バッテリが完全充電状態にあるときに制御法則によ
り単純に回生を停止することにより単純に車両用バッテ
リの過充電を防止するときに明らかに生じるチャタリン
グが減少できる。図4は、図3a及び3bに示した動作
を得るための図1及び2のコマンドコントローラにおけ
る論理フローを示す概略フローチャートである。具体的
には、図4は、図3a及び3bに示される種類の性能が
得られる図1のコントロールプロセッサ50を制御する
制御法則の部分400を示す概略フローチャートであ
る。図4において、論理は、開始ブロック410で開始
し、ブロック412に進む。ブロック412は、車両用
バッテリパック(図1の20)パラメータ、例えば、温
度、電圧及び電流、さらには計測時刻、をモニターする
ことを表す。これらのパラメータのサンプルは、図4の
ループを介する論理の反復ごと等の頻繁に採取してもよ
い。論理は、論理ブロック412から、ブロック414
に流れる。ブロック414は、バッテリに入った電気量
を求め、バッテリを去った電気量を減じることによる、
車両用バッテリの充電状態の推定を表す。この電気の尺
度は、アンペア時である。車両用バッテリの充電状態に
ついての推定をしたら、論理は、決定ブロック416に
流れる。決定ブロック416では、車両用バッテリの現
時点での推定充電状態を、図3a及び3bの「初充電」
レベル(上記したように、この充電レベルは完全充電よ
りも小さい)により表される所定の充電値と比較する。
もし決定ブロック416において、車両用バッテリの推
定充電レベルが初充電レベルよりも小さいことが判明し
たならば、YES出力により決定ブロック416を出
て、さらなるブロック418に進む。ブロック418
は、全回生制動エネルギー又はパワーを利用することを
表す。ブロック418では、例えば、主電動機の電気出
力を最大とするように制動中の主電動機(発電機モード
で作動している)における界磁電流を調整してもよい。
ある種の電動機/発電機は別個の界磁巻線を有さず、む
しろ複数の巻線を有しており、一つの巻線が別の巻線に
おける制御電流により誘発又は誘導された所望の電流が
得られるようになっている。本発明の目的には、界磁電
流を発生させる方法は無関係であり、所望の量の界磁電
流が発生されれば十分である。ブロック418から、論
理は、ブロック412に逆流してループの別の反復を開
始する。ハイブリッド電気自動車をこの状態で駆動する
と、車両用バッテリは、エネルギーが(補助内燃機関/
発電機により)、車両用バッテリと自動車の動作を含む
エネルギー貯蔵系に連続して注入されるために、より十
分に充電された状態となることがある。結局は、車両用
バッテリの充電状態は、図3a及び3bに示した「初充
電」レベルを超える。そのとき、図4の論理ループ40
0により表される予めプログラムされた論理の部分の周
囲の図1のコントローラ50の論理の反復が、変化す
る。これは、論理の流れが、もはや決定ブロック416
のYES出力から導かれず、代わりに、NO出力に導か
れるからである。決定ブロック416のNO出力から、
論理は、さらなるブロック420に流れる。ブロック4
20は、自動車の運動エネルギーの形態で得られる回生
パワー又はエネルギーの大きさを、図3a及び3bの完
全充電レベルと初充電レベルとの間の差に対する現時点
での電気量に逆関係又は逆比例して減少することを表
す。このように、もし現在の充電状態が、図図3a及び
3bにおいてCcにより示されている初充電と完全充電
との間の距離の70%であるならば、回収されバッテリ
に結合される運動エネルギー量は、30%である。現在
の充電レベルが100%に到達すると、許容回生は0%
である。上記したように、発電機としての役割を果たす
主電動機からのエネルギー又は電力の結合の制御は、界
磁方位制御交流電動機における駆動装置の指令トルクを
調整することにより、簡単になされる。本発明の具体的
実施態様では、速度に比例してトルクを減少させること
により、車両用バッテリに戻される発電機としての役割
を果たす電動機により生じさせられる電力量を制御す
る。上記したように、図4の論理により、車両用バッテ
リの充電状態に準じて回生制御する。これは、発電機と
しての役割を果たす主電動機により自動車に作用する抑
制力を制動中に減少させることを意味する。回生制動を
使用する電気自動車の利点の一つは、制動の全てを行う
のに摩擦ブレーキを必要とせず、したがって、それらの
設計及び構成は、例えば、より軽い構成とすることによ
り、利用をより少なくするようにできる。図4の論理と
の関連において上記したように、車両用バッテリの一定
の充電条件下で発電制動を減少させる。回生制動を必要
としたときにさらなる制動を行うために、本発明の別の
態様によれば、論理は、図4のブロック420からさら
なるブロック422に流れる。ブロック422は、発電
機としての役割を果たす主電動機の効率を減少させるこ
とを表す。この発電機としての役割を果たす主電動機の
効率の減少は、界磁巻線における滑り又は電流、好まし
くは両方、を調整することによりおこなうことができ
る。論理は、図4のブロック422からブロック412
に戻って、「このループを中心とした」別の反復又は論
理400を介した別の反復を開始する。上記したよう
に、チャタリング又は不均一な性能は、完全充電バッテ
リがさらに充電されないようにすることから生じる。同
様のことが、ほぼ放電したバッテリでの加速により生じ
る。図1の自動車10の加速中には、車両用バッテリ2
0と補助又は二次電源16(内燃機関/発電機)の両方
が、主電動機40用電気エネルギー源として利用でき
る。その結果、主電動機40は、車両用バッテリ20か
ら引き出すことのできる最大電力と、補助源16が供給
できる最大電力との合計である電力が供給できる。これ
は、急加速に顕著な電力を必要とすることがある都市部
での運転に便利である。しかしながら、ある条件下で、
もしバッテリが放電状態と思われる充電状態に到達した
ときに、車両用バッテリ保護制御装置が単純に車両用バ
ッテリから電力を引き出すことを停止するならば、車両
用バッテリ保護制御装置も、一種のチャタリングを生じ
る。この種のチャタリングは、自動車がロッキー山脈分
水嶺を越える際のような長時間にわたって坂道を走る場
合に生じる。道路に沿って車両を起こす際のエネルギー
の利用速度が、補助源16によるエネルギーの排出速度
を超えると、バッテリが連続的に放電し、ついには「放
電」レベルと思われる充電レベルに到達する。もしその
時に、車両用バッテリコントローラが単純に車両用バッ
テリを主電動機回路から切り離すならば、主電動機に有
効な電流量が補助源16により供給されるレベルまで急
激に減少し、その結果、トラクションパワーが急激に変
化し、自動車の速度が急に低下する。主電動機への車両
用バッテリの放電をなくすと、バッテリ電圧がその無負
荷電圧まで急激に上昇する。もしコントローラがこの電
圧の上昇を車両用バッテリが使用可能な充電状態にある
ことを示していると解釈した場合には、コントローラが
車両用バッテリを主電動機に再接続することにより再び
車両用バッテリからさらなるトラクションパワーを供給
することがあるが、この場合、車両用バッテリの電圧が
降下する。当業者には、これが発振条件であり、自動車
が登坂中に繰り返し「チャギング」を生じたり突然揺れ
たりすることが分かるであろう。ここで、長寿命が望ま
しい車両用バッテリとの関連において、このようなバッ
テリの寿命はもし放電深さが大きすぎると極めて大きく
減少するので、「完全」放電バッテリは、まだかなりの
電気を含んでいる。したがって、電気駆動車両を検討す
るうえでの放電バッテリとは、完全放電状態にあると思
われる充電レベルに達するが、まだかなりの電気を含ん
でいる充電状態にあるものである。ハイブリッド電気自
動車では、補助エネルギー源がエネルギーを連続的に供
給し、もしトラクション需要が補助エネルギー源の出力
よりも小さいならば、これを使用して車両用バッテリを
充電できる。制御法則により、補助エネルギー源と車両
用バッテリの両方が主電動機にエネルギーを供給でき
る。主電動機の需要が補助源出力を超えると、電流が車
両用バッテリから引き出され、車両用バッテリの電圧が
低下する。車両用バッテリがほぼ完全放電状態にあるな
らば、この電流引き出しによる電圧降下は、バッテリか
らの電流ドレインを停止することによるバッテリ保護を
生じさせるようなものであってもよい。制御法則により
電流ドレインをなくすと、自動車は補助源でのみ駆動さ
れ、車両用バッテリの電圧が上昇できる。車両用バッテ
リが上昇すると、制御法則は、もはやバッテリを放電さ
れたものとしては認識せず、車両用バッテリからの電流
ドレインが再び可能となる。車両用バッテリを主電動機
に繰り返し結合したり減結合したりするプロセスは、制
御系の振動を生じる。この振動によりトラクションパワ
ーを生じる。このトラクションパワーは、制御系振動速
度で異なり、且つ自動車のオペレータが分かることがあ
る。本発明の別の態様によれば、コントローラ50は、
車両用バッテリの充電状態に応答して車両用バッテリか
ら引き出すことのできる電力量を制御する。これによ
り、上記した「チャギング」が回避され、バッテリの電
気量が減少するにつれて、自動車が山を昇ることのでき
る速度を円滑に減少できる。図5は、図1の自動車の主
電動機に供給されるトラクションパワーの分布と、車両
用バッテリ充電との関係を概略示したグラフである。即
ち、図5は、本発明の本態様による制御の結果を表すグ
ラフ500を示している。具体的には、図5には、自動
車に有効なトラクションパワーを、車両用バッテリの充
電状態又はレベルに対してプロットしてある。グラフ5
00は、部分510を含んでいる。部分510は、比較
的低レベルである、電気エネルギー又は電力の補助源の
連続出力を表す。グラフの部分510は、公称放電状態
よりも小さいレベルから、車両用バッテリの公称放電状
態である「低充電点」として示されている充電レベルま
で延びている。グラフ部分512により表されている作
動領域において、自動車に有効なトラクションパワー
は、比較的高レベルであり、バッテリ電力と補助電力と
の合計である。このグラフ部分512により表される最
大電力レベルは、「初充電」と称される充電状態から完
全充電状態に延びている。車両用バッテリの「低充電」
状態と「初充電」状態との間では、トラクションパワー
の量は、グラフ部分514により示唆されているよう
に、車両用バッテリの充電状態に依存する。この種の制
御の効果は、車両用バッテリが「初」レベルまで部分的
に放電されるまでの間、全トラクションパワーで作動で
きることである。車両用バッテリが初レベルよりも少し
だけ低く降下すると、主電動機に有効なバッテリ電力量
は、わずかに(望ましくは目立たない量)減少する。図
5の初充電レベルよりもわずかに低い点にわずかに電力
が減少することにより、車両用バッテリの放電速度が多
少減少する。坂が長ければ、車両用バッテリはさらに放
電することができる。車両用バッテリが、図5の「低」
充電状態と「初」充電状態との間の領域でさらに放電さ
れた状態となると、主電動機に利用できるバッテリ電力
が相対的に少なくなり、自動車がさらに遅くなる。最も
長い坂では、車両用バッテリは、最後には、公称的に放
電されたと見なされる「低」充電状態に到達する。この
レベルに到達すると、車両用バッテリからはこれ以上エ
ネルギーが引き出されず、一般的に、車両用バッテリに
ついて何らかの他のドレイン、例えば、自動車又はその
同乗者に切迫した危険の条件下でバッテリ保護の緊急オ
ーバーライド、がない限りは、車両用バッテリの充電状
態は、「低」充電レベルよりも下のグラフ部分510に
延びることができない。図5のグラフに示した制御の場
合、制御曲線に沿ったいずれの点でも、トラクションパ
ワーの急激な変化はない。バッテリの充電状態が、
「低」充電点よりもほんの少し上にあり、且つ補助電源
からの全作動に切り替えるとき、車両用バッテリにより
供給されるトラクションパワー量はすでに極めて小さ
く、切り替えは、自動車のドライバには感知できない。
図6は、図5に示した動作を得るための図1及び2のコ
マンドコントローラにおける論理流れを概略示したフロ
ーチャートである。具体的には、図6は、図5のグラフ
500に準じた制御が得られる図1のコントローラ50
の論理の部分600を概略示す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610から開始
し、ブロック612に進む。ブロック612は、図4の
ブロック412と同様なバッテリ特性の読み取りを表
す。論理は、図5のブロック512から、ブロック61
4に流れる。ブロック614は、これも図4に一般的に
記載されているような充電状態の推定を表す。図6の決
定ブロック616は、現時点の充電状態が図5の「初」
充電点よりも上かどうかを決定し、もし充電状態が
「初」充電点よりも大きいならば、決定ブロック616
のYES出力経由で論理を送る。論理は、決定出力61
6のYES出力から、ブロック618に流れる。ブロッ
ク618は、全トラクションパワーを主電動機に利用で
きるようにすることを表す。これは、インバータを制御
するソフトウエアにおいて、図7a及び7bに関連して
記載したように極限電力を除去することにより達成され
る。ここで、補助源は源のみとして用いられるのに対し
て、バッテリと電動機/発電機は、インバータの動作に
応じて、源又はシンクであることができる。論理は、ブ
ロック618から、ブロック612に逆流して、図6の
論理を介して別の反復を開始する。一般的に、ほぼ完全
に充電された車両用バッテリで開始するとき、車両用バ
ッテリ充電レベルが図5における「初」充電レベルによ
り表される充電レベルを超える限り、論理は、図6のブ
ロック612,614、616及び618を含むループ
を反復する。長い坂で、車両用バッテリ充電レベルは、
結局、図5の「初」充電点に等しいかそれよりも小さく
なり、図6の論理を介した次の反復で、論理6はNO出
力により決定ブロック616を出て、ブロック620に
進む。ブロック620は、車両用バッテリからの主電動
機に利用できる電力量を、図5の「初」充電状態と
「低」充電状態との間の充電差に対する現時点での車両
用バッテリ充電レベルの大きさに応じた量に減少するこ
とを表す。例えば、車両用バッテリの現在の充電レベル
が「低」充電レベルと「初」充電レベルにより表される
充電レベル間の距離の9/10である、「現在の充電」
として図5に示されているレベル(図5の「初」充電状
態より下)に降下したならば、コントローラ50は、車
両用バッテリから主電動機への利用できる電力量を、グ
ラフ部分512により表される全電力のバッテリ供給成
分の90%に制御する。換言すれば、「現在の充電」と
して図5に示されている充電状態が、バッテリの起因す
るものとされている全トラクションパワーの成分の90
%であるので、主電動機に供給されるバッテリ電力を、
バッテリ電力の90%に減少する。当然のことながら、
図5のグラフ部分514が図示されているような直線傾
斜である必要はないが、グラフ部分514が少なくとも
単調であるならば、制御系が簡略化される。論理は、図
6のブロック620から決定ブロック622に流れる。
決定ブロック622では、主電動機電力需要を、電気エ
ネルギーの補助源からの電力と比較する。トラクション
電力需要が補助電源からの電力を超えると、バッテリが
放電され、論理は、YES出力により決定ブロック62
2を出る。決定ブロック622のYES出力から、論理
は、ブロック624に流れる。ブロック624は、補助
源から得られる電力をその最大値に増加することを表
す。論理は、ブロック624から決定ブロック626に
流れる。決定ブロック626では、車両用バッテリの現
時点の充電状態を、図5の「低」充電点と比較する。も
し充電状態が「低」充電点よりも下(車両用バッテリの
損傷を防止するために車両用バッテリがさらに放電され
てはならないことを示す)であるならば、論理はYES
出力により決定ブロック626を出て、論理ブロック6
28に進む。ブロック628は、FOC制御装置によ
り、主電動機電力を、電圧と電流との積として容易に求
められる電気エネルギーの補助源から得られる既知の電
力量に制限する。論理は、ブロック628から、論理パ
ス630を経由してブロック612に逆流して、図6の
論理を介して別の反復を開始する。決定ブロック626
が車両用バッテリの充電状態を調査したとき、現時点で
の充電状態が図5の「低」充電点よりも大きいならば、
論理はNO出力により決定ブロック626を出て、ブロ
ック628を通過することなく、論理パス630を介し
てブロック612に逆流する。したがって、車両用バッ
テリにおいて使用できる顕著な電気量があるときには、
図6の論理はその使用を許容する。図6を介する論理の
推移中に、決定ブロック622により、トラクション電
力が補助源16により生じた電力よりも大きくないこと
が判明したら、論理は、NO出力により決定ブロック6
22を出て、論理パス630を経由してブロック612
に進んで、別の反復を開始する。このパスは、補助源1
6の電力を最大に増加するのを飛び越える。図7aは、
電動機又は発電機電力とパラメータとしてトルクを用い
た速度との関係を示したグラフであり、図7bは、電動
機/発電機の電力をいかに制御するかを示したものであ
る。具体的には、図7aは電動機(又は発電機)電力の
パラメータプロット710a、710b、710
c、... 、710Nを速度に対して概略プロットしたも
のである。図7aにおいて、プロット710a、710
b、710c、... 、710Nは、共通に傾斜部712
を有する。電動機又は発電機のパワーは、トルクと速度
との積である。その結果、速度ゼロでは、パワーは、ト
ルクとは無関係にゼロである。速度を一定トルクで増加
すると、図7aのグラフの部分712により示されてい
るように、速度ωbaseまで増加する。ωbaseの
周波数より上では、電動機/発電機の設計は、熱又は他
の理由で、これ以上のパワーを取り扱えないものであ
る。その結果、最大トルクで、電動機/発電機のパワー
は、グラフ710a上にあるインバータの制御法則によ
り制限される。もしトルクが、最大トルクよりも多少小
さいならば、最大パワーは、プロット710bにより表
されるωbaseよりもわずかに小さい電動機速度で達
成される。プロット710cは、まだ大きさが小さいト
ルクを表し、最小プロット710Nは、量子化制御系が
維持する最低トルクを表す。制御系は、発電機により生
じるトルクを、速度に応じて、極限値に制限して、発電
機が所望の最大極限パワーよりも上で作動するのを防止
する。極限トルクは、最大パワーを現時点での電動機速
度により割ることにより簡単に求められる。極限トルク
=Pmax/速度得られた極限トルクにより、パワープ
ロットが、図7aにおいてプロット710aとグラフ部
分712により表されるよりも大きくない値に制限され
る。もしパワーがPmaxよりも小さい値に制限しよう
とすると、発電機のパワープロットは、図7aのプロッ
ト710b、710c、..、710Nの一つに相当す
る。図7bは、トルクコマンドとパワーリミタとの関係
を概略示すブロック図である。図7bでは、トルクコマ
ンドを、リミタブロック714に適用する。リミタブロ
ック714では、界磁方位制御(FOC)インバータ2
8に到達するトルクコマンド(限定トルクコマンド)の
大きさを、パワーが曲線716の下となるように制限す
るように調整する。曲線716は、トルクと、選択又は
設定パワーPを発電機速度により割ることにより求めら
れる速度との関係を示すグラフである。このように、F
OCインバータは、発電機速度を考慮して指令トルクを
制御することにより発電機のパワーを制御できる。当該
トルクは、トラクション又は駆動トルクでもよいし、抑
制又は制動トルクでもよい。発電機としての役割を果た
す電動機からバッテリに流れる電力を制御することが望
ましいときには、適当なFOCコマンドにより、極限を
加える。図8は、車両用バッテリの充電状態に応答して
補助動力源により発生される電力量を制御するための、
ある種の制御回路又は装置の概略ブロック図である。図
8では、所望のトルク又はトルクコマンドを、電気加速
機(図示せず)から得て、パス810を経由して乗算器
812の第一入力ポートに適用する。乗算器812は、
センサ(図示せず)からの検知された自動車速度(又は
自動車が可変ギヤを備えている場合には主電動機速度)
を第二入力ポート814で受け入れる。乗算器812
は、電動機速度と指令トルクとの積を求めて、主電動機
にかける指令パワーを表す信号を生じさせる。ブロック
816は、指令パワーを、定数kだけスケーリングし、
必要に応じて、信号を指令主電動機パワーPc(ワッ
ト)に換算する。指令パワー(ワット)を表す信号Pc
を、ブロック816からさらなるブロック818に適用
する。ブロック818では、指令パワー(ワット)を車
両用バッテリ電圧で割って、指令主電動機電流(Ic=
P/E)を表す信号を得る。系における全ての電圧は、
バッテリ電圧に寄与するので、車両用バッテリ電圧は、
主電動機電圧の許容指標である。指令電流Icを表す信
号は、信号パス819により、図1のコマンドコントロ
ーラ50の一部分に搬送して、所望の電動機電流を生じ
るようにFOCインバータ28と主電動機40を制御す
る。また、指令電流Icを表す信号は、ブロック820
として示されているスケーリング回路を経由してブロッ
ク818の出力からエラー信号発生機822にも適用さ
れる。スケーリング回路820の目的を以下で説明する
が、その作用により、指令電動機電流Icを指令発電機
電流IGに変換する。エラー信号発生器822は、内燃
機関/発電機(発電機)の検知された出力電流を表す信
号パス824からのフィートバック信号を、指令発電機
電流IGから減じることにより、エラー信号を発生す
る。エラー信号発生器822により生じたエラー信号
を、簡単な積分器でもよいループ補償フィルターに適用
して、電気エネルギーの補助源16、より具体的にはデ
ィーゼルエンジン18、の指令速度を表す信号を生成す
る。ディーゼルエンジン18は、発電機22を駆動し
て、交流出力電圧を生成し、パワーコンダクタ832を
経由して図1のインバータ28に印加する。円834で
示されている電流検知装置は、出力コンダクタ832に
結合して発電機電流を検知するようになっている。図8
のブロック822、826、18、22及び824は一
緒になって閉フィードバックループを構成する。この閉
フィードバックループは、発電機22の出力電流を、エ
ラー信号発生器に適用される制御信号IGにより指令さ
れる大きさに等しくするのに役立つ。ループ補償器82
6を選択して、ディーゼルエンジンの速度があまり急激
に変化して汚染物の放出量が増加することのないように
する。上記したように、図8の装置により、自動車の作
動を制御するための主電動機電流を指令するための信号
Icを生成するとともに、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、車両用バッテ
リの所望の充電状態(SOC)を表す信号は、加算回路
850の非反転入力ポートに受け入れられる。現時点で
の充電状態を表す信号は、バッテリ充電状態(SOC)
決定ブロック852から加算回路850の反転入力ポー
トに受け入れられる。SOCブロック852は、バッテ
リ電圧、バッテリ温度及びバッテリ電流を表す信号を受
け入れる。一般的に、バッテリの充電状態は、単純に
は、正味入力電流と出力電流の時間積分である。SOC
ブロック852は、正味電流アンペアを積分して、電気
量(アンペア時)を出す。加算回路850は、単一パス
854上で、車両用バッテリの所望又は指令充電状態と
その実際の充電状態との間の差を表すエラー信号を生成
することにより、瞬時に電気量が過剰であるか、不足し
ているかを決定する。エラー信号を、ループ補償フィル
ター856に適用する。ループ補償フィルター856で
は、エラー信号を積分して、積分エラー信号を生成す
る。積分エラー信号は、時間との相関でゆっくりと変化
する。積分エラー信号は、リミタ858を経由してブロ
ック820に作用する。より詳細には、積分エラー信号
は、スケーリングブロック820に適用されると、指令
電動機電流Icをスケーリングして指令発電機電流とす
るスケーリング係数を選択する。リミタ858は、単に
ブロック856からの積分エラー信号を制限して、スケ
ーリングブロック820のスケーリング係数の範囲を、
ゼロと1(一)との間の範囲に限定する。このように、
指令発電機電流IGは、指令主電動機電流Icよりも大
きくできないが、リミタ858からの限定積分信号によ
り指令されたスケーリング係数に準じてより小さくで
き、指令発電機電流IGは、電流ゼロと小さくできる。
所望の車両用バッテリの充電状態は、完全充電よりも小
さい充電レベルである、したがって、回生制動を適用し
ても、車両用バッテリが過充電により損傷する危険がな
い。このようなことから、所望SOCの設定点は、完全
充電よりも小さい充電レベルである。図8に示す装置の
動作は、ループ補償フィルター856における積分器の
出力の標準状態は、リミタ858により許容される1.
0ボルト(最大)と0.0ボルト(最小)との間にある
0.5「ボルト」であると仮定することにより理解でき
る。積分エラー信号(リミタ858により限定される)
の値は、スケーリング回路820が指令主電動機電流を
スケーリングする乗算係数とみなすことができ、したが
って、積分エラー信号値1.0では、指令主電動機電流
Icがエラー信号発生器822により全振幅で送られ、
一方、積分エラー信号値0.5では、指令発電機電流I
Gの大きさが、指令主電動機電流Icのちょうど半分の
値となる。図8の装置の制御下で自動車を動作する際、
車両用バッテリは、所望の充電状態を超えると、エラー
信号発生器850は、設定点から高充電状態を表す大き
な信号値を減じることにより、負の極性を有する差又は
エラー信号を生じる。ループ補償フィルター856にお
ける積分器は、負極性信号を積分する。これにより、ル
ープ補償フィルター856の出力での正味積分信号を
「減少」又は負の方、例えば、「標準」値0.5ボルト
から、おそらく0.3ボルト近くに減少する。積分エラ
ー信号値0.3ボルトは、リミタ858の許容範囲にあ
るので、積分エラー信号は、単純にリミタ858を介し
て流れ、指令主電動機電流Icに、「標準」の0.5で
はなくて0.3を乗じて、指令発電機電流IGを生成す
るようにスケーリング回路820を制御する。このよう
に、所望の設定点よりも大きいバッテリ充電状態によ
り、発電機の平均出力が減少する。同様の方法で、車両
用バッテリの充電状態が所望の設定点よりも小さいなら
ば、図8のブロック852からエラー信号発生器850
の反転入力ポートに加える信号の大きさが、所望のSO
Cを表す信号よりも小さくなり、エラー信号発生器85
0の出力でのエラー信号値が正の値となる。ループフィ
ルター856と関連した積分器は、その正の入力信号を
積分して、その「標準」値0.5ボルトより上の値、例
えば0.8ボルト、に増加する傾向のある積分出力信号
を生成する。この値はリミタ858に許容される値内に
あるので、0.8ボルト積分エラー信号を、変更なくス
ケーリング回路820に加える。0.8ボルト積分エラ
ー電圧により、スケーリング回路820が指令主電動機
電流Icを表す信号に0.8を乗じ、したがって、指令
発電機電流IGは、前よりも大きい。車両用バッテリ充
電レベルを減少して設定点より小さくすることによる最
終的な効果は、発電機22からの平均出力電力を増加
し、これにより車両用バッテリ充電レベルを増加する。
上記した積分エラー信号の「標準」値は、実際には存在
せず、制御系の動作を理解しやすくするためのみの目的
に使用されることは、当業者には、理解されるところで
あろう。このように、本発明の一態様によれば、電気自
動車(10)の少なくとも一つの駆動輪(12)を駆動
するように、且つ制動中の前記自動車(10)の運動を
電気エネルギーに変換するように接続された主電動機
(40)を含んでなる電気自動車(10)を作動させる
方法であって、バッテリ(20)が完全充電状態より少
ない初充電状態(図3bの低充電レベルと初充電レベル
との間)にあるとき、制動中に前記主電動機(40)か
らのエネルギーの実質的に全て(全回生パワー)を、発
電機として作動する前記主電動機(40)の最大効率で
バッテリに戻す工程(312,418)、を含んでなる
ことを特徴とする方法(図3a、3b、4)が提供され
る。さらなる工程(324,422)には、前記バッテ
リが前記初充電状態と前記完全充電状態との間の充電レ
ベル(Cc)にあるとき、前記最大効率と効率ゼロとの
中間のレベル(最大ηと顕著に減少したηとの間)に前
記主電動機(40)の効率(η)を調整して、制動中に
前記主電動機(40)からの有効エネルギーの全てより
も少ないエネルギーを前記バッテリ(20)に戻す工程
と、前記バッテリ(20)が前記完全充電状態に到達し
たら、前記主電動機(40)の効率をできるかぎり又は
都合よく効率ほぼゼロ(おそらく80%の低効率)に調
整して、前記主電動機(40)からのエネルギーの最小
量を前記バッテリ(20)に戻す工程と、を含んでな
る。本発明のこの態様の具体的実施態様では、発電機と
して作動する前記主電動機(40)の効率を調整する前
記工程(422)が、前記主電動機(40)の滑り周波
数を変化させる工程を含んでなる。本発明のこの態様の
別の具体的実施態様では、発電機として作動する前記主
電動機(40)の効率を調整する前記工程が、前記主電
動機(40)の界磁巻線(40f)における電流を変化
させる工程を含んでなる。本発明のこの態様のさらなる
具体的実施態様では、発電機として作動する前記主電動
機(40)の効率を調整する前記工程が、前記主電動機
(40)の巻線(40a、40b、40c、40f)に
直流を通過させる工程を含んでなる。
方法によれば、ハイブリッド電気自動車の動作及び動作
特性を単純且つ効果的にできる。
ーラ、およびさらにはパワーコントローラを含んでな
る、本発明の一態様による電気自動車の概略ブロック図
である。
能の一部を示した概略ブロック図である。
用バッテリ充電状態との関係を示すグラフである。b
回生によるトラクションと車両用バッテリ充電状態との
関係を示すグラフである。
及び2のコマンドコントローラにおける論理フローを示
す概略フローチャートである。
ョンパワーの分布と、車両用バッテリ充電との関係を概
略示したグラフである。
マンドコントローラにおける論理流れを概略示したフロ
ーチャートである。
トルクを用いた速度との関係を示したグラフである。 b.電動機/発電機の電力をいかに制御するかを示した
図である。
源により発生される電力量を制御するための、ある種の
制御回路又は装置の概略ブロック図である。
実質的に全てを、主電動機の最大効率でバッテリに戻す
工程 324、422 制動中に主電動機からのエネルギーを
バッテリに戻す効率を減少させる工程
Claims (4)
- 【請求項1】電気自動車の少なくとも一つの駆動輪を駆
動するように、且つ制動中の前記自動車の運動を電気エ
ネルギーに変換するように接続された主電動機を含んで
なる電気自動車を作動させる方法であって、 バッテリが完全充電より少ない初充電状態にあるとき、
制動中に前記主電動機からのエネルギーの実質的に全て
を、発電機として作動する前記主電動機の最大効率でバ
ッテリに戻す工程と、 前記バッテリが前記初充電状態と前記完全充電状態との
間の充電レベルにあるとき、前記最大効率と効率ゼロと
の中間のレベルに前記主電動機の効率を調整して、制動
中に前記主電動機からの前記エネルギーの全てよりも少
ないエネルギーを前記バッテリに戻す工程と、 前記バッテリが前記完全充電状態に到達したら、前記主
電動機の効率を選択された低効率に調整して、前記主電
動機からの前記エネルギーの最小量を前記バッテリに戻
す工程と、を含んでなることを特徴とする方法。 - 【請求項2】発電機として作動する前記主電動機の効率
を調整する前記工程が、前記主電動機の滑り周波数を変
化させる工程を含んでなる、請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】発電機として作動する前記主電動機の効率
を調整する前記工程が、前記主電動機の界磁電流を変化
させる工程を含んでなる、請求項1に記載の方法。 - 【請求項4】発電機として作動する前記主電動機の効率
を調整する前記工程が、前記主電動機の巻線に直流を通
過させる工程を含んでなる、請求項1に記載の方法。
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