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JP2000092614A - ハイブリッド車の充放電状態制御装置 - Google Patents

ハイブリッド車の充放電状態制御装置

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JP2000092614A
JP2000092614A JP10253057A JP25305798A JP2000092614A JP 2000092614 A JP2000092614 A JP 2000092614A JP 10253057 A JP10253057 A JP 10253057A JP 25305798 A JP25305798 A JP 25305798A JP 2000092614 A JP2000092614 A JP 2000092614A
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battery
temperature
charge
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engine
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佳行 中山
Masahiko Mitsui
正彦 三井
Yoshiteru Kikuchi
義晃 菊池
Kazuo Toshima
和夫 戸島
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Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電池を所定温度に迅速かつ容易に制御するこ
とのできるハイブリッド車の電池充放電状態制御装置を
提供する。 【解決手段】 電池５０の温度を温度センサ７４で監視
し、電池温度が所定温度より低い場合に、電池ＥＣＵ６
８は制御ＥＣＵ５６に対して、電池５０が強制的に充放
電を行い電池の昇温を行うように指令を出す。充電によ
り昇温を行う場合には、エンジン１０に対する出力要求
を通常時より大きくして、モータジェネレータ２６，２
８を発電機として使用し発電を行い電池の充電を行い電
流を流す。また、放電により昇温を行う場合には、エン
ジン１０に対する出力要求を通常時より小さくして、モ
ータジェネレータ２８をモータとして使用し電力を消費
し電池に電流を流す。この時流れる電流により電池の内
部抵抗を発生させ、電池を内部より暖める。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンにより駆
動される発電機と、車両を駆動するモータを有するハイ
ブリッド車の充放電状態制御装置、特に、電池の状態温
度を所定の温度に迅速に制御可能なハイブリッド車の充
放電状態制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、エンジン駆動の発電機と車両
を駆動するモータを搭載するハイブリッド車が知られて
いる。このハイブリッド車では、発電機によって得られ
た電力により電池を充電をすると共に、電池からの放電
電力によってモータを駆動して走行する。なお、通常の
場合、エンジンの駆動力も直接車輪に伝達できるように
なっている。また、エンジンブレーキ相当の制動に回生
制動を用い、回生制動によってモータから発生する電力
も電池の充電に利用している。
【０００３】このようなハイブリッド車においては、電
池の充電量（以下、ＳＯＣという）を所定の範囲に収ま
るように、発電機の発電を制御する。すなわち、電池の
ＳＯＣが０％になると走行不能になってしまい、また１
００％になると回生制動により発生した電力を電池が受
け入れられなくなる。このため、適当な目標ＳＯＣ（例
えば、５０％）を設定し、電池ＳＯＣがこの目標ＳＯＣ
になるように、発電機による発電を制御している。この
ような制御によって、電池ＳＯＣは、常に５０％を中心
とした所定の範囲（例えば、２０％〜８０％の範囲）に
収めることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、電池はその温
度が低いと能力が小さくなる。例えば、最適温度状態
（電池温度が例えば２０℃〜４０℃）の場合に２１ＫＷ
程度の出力を発生する能力のある電池を０℃で使用した
場合には、５ＫＷ程度しか出力することができない。ハ
イブリッド車の場合、電池が利用されるのは、基本的に
発進時、エンジン出力の補助を行う場合（例えば、フル
加速を行う場合）等であるが、前述のように、電池温度
が低い場合、特に、冬季の早朝や寒冷地等では、所定の
出力が得られず、ハイブリッド車のスムーズな発進や加
速ができないという問題がある。また、電池が所定温度
以下の場合、エンジンの暖気運転により電池周囲から暖
めて電池温度を所定温度にすることも考えられるが、こ
の場合、長時間の暖気運転が必要になり、やはり迅速な
発進や所望タイミングで加速ができない。
【０００５】本発明は、上記課題に鑑みなされたもので
あり、電池を所定温度に迅速かつ容易に制御し、所定の
高出力を得ることのできるハイブリッド車の電池充放電
状態制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するために、第１の発明は、エンジンにより駆動される
発電機と、車両を駆動するモータを有し、電池の充電状
態を目標充電状態に一致させるように制御するハイブリ
ッド車の充放電状態制御装置において、前記電池の温度
が所定温度より低い場合に、電池の所定の充電範囲内で
充放電を強制的に行い、当該充放電により発生する熱で
前記電池の温度を所定温度に制御することを特徴とす
る。
【０００７】この構成によれば、電池の温度が所定温度
より低い場合に、強制的に充放電を行い電池に電流を流
し、電池の内部抵抗により熱を発生させる。この場合、
電池を内部より暖めることができるので、迅速に電池を
所定温度に昇温させることができる。
【０００８】また、上記目的を達成するために、第２の
発明は、第１の発明において、前記電池の充電は、現在
の電池の充電状態が最大充電状態でない場合に、エンジ
ンに対する出力要求を大きくして発電機を駆動し電池の
充電を行うことを特徴とする。
【０００９】この構成によれば、電池を迅速に発熱させ
ることができる。特に、最大充電状態付近では、充電効
率が低下し、発熱が大きくなるので、電池の温度上昇を
加速度的に行うことができる。
【００１０】また、上記目的を達成するために、第３の
発明は、第１の発明において、前記電池の放電は、現在
の電池の充電状態が最大充電状態の場合に、エンジンに
対する出力要求を小さくしてモータを駆動し電池の放電
を行うことを特徴とする。
【００１１】この構成によれば、車両駆動用の充電量を
確保しつつ、電池の昇温を確実に行うことができる。
【００１２】また、上記目的を達成するために、第４の
発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記
電池の充放電は、目標充電状態と最大充電状態の間で繰
り返し行われることを特徴とする。
【００１３】この構成によれば、充放電の繰り返しによ
り迅速に電池の昇温を行うことができると共に、急加速
等大きな電池消費が要求された場合でも、必要量の電力
を供給することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
（以下、実施形態という）を図面に基づき説明する。
【００１５】図１には、本発明の電池充放電状態制御装
置が搭載されたハイブリッド車のパワープラントの概略
図が示されている。エンジン１０の出力軸１２には、ね
じれダンパ１４を介して遊星ギア機構１６のプラネタリ
ギア１８を支持するプラネタリキャリア２０が接続され
ている。遊星ギア機構１６のサンギア２２とリングギア
２４は、それぞれ第１モータジェネレータ２６と第２モ
ータジェネレータ２８のロータ３０，３２に接続されて
いる。第１および第２モータジェネレータ２６，２８
は、三相交流発電機または三相交流モータとして機能す
る。リングギア２４には、さらに動力取り出しギア３４
が接続されている。動力取り出しギア３４は、チェーン
３６、ギア列３８を介してディファレンシャルギア４０
と接続されている。ディファレンシャルギア４０の出力
側には、先端に図示しない駆動輪が結合されたドライブ
シャフト４２が接続されている。以上の構造によって、
エンジン１０または第１および第２のモータジェネレー
タ２６，２８の出力が駆動輪に伝達され、車両を駆動す
る。
【００１６】エンジン１０は、アクセルペダル４４の操
作量や、冷却水温、吸気管負圧などの環境条件、さらに
第１および第２モータジェネレータ２６，２８の運転状
態に基づきエンジンＥＣＵ４６によりその出力、回転数
などが制御される。また、第１および第２モータジェネ
レータ２６，２８は、制御装置４８により制御が行われ
る。制御装置４８は、二つのモータジェネレータ２６，
２８に電力を供給し、またこれらからの電力を受け入れ
る電池（二次電池）５０を含んでいる。電池５０と第１
および第２モータジェネレータ２６，２８との電力のや
りとりは、それぞれ第１および第２インバータ５２，５
４を介して行われる。二つのインバータ５２，５４の制
御は、制御ＣＰＵ５６が行い、この制御は、エンジンＥ
ＣＵ４６からのエンジン１０の運転状態の情報、アクセ
ルペダル４４の操作量、ブレーキペダル５８の操作量、
シフトレバー６０で定められるシフトレンジ、電池の充
電状態、さらに遊星ギア機構１６のサンギアの回転角θ
ｓ、プラネタリキャリアの回転角θｃ、リングギアの回
転角θｒなどに基づき、行われる。また、前記遊星ギア
機構１６の三要素の回転角は、それぞれプラネタリキャ
リアレゾルバ６２、サンギアレゾルバ６４およびリング
ギアレゾルバ６６により検出される。電池に蓄えられた
電力、すなわちＳＯＣは電池ＥＣＵ６８により算出され
る。制御ＣＰＵ５６は、前述の諸条件や第１および第２
モータジェネレータ２６，２８のｕ相、ｖ相の電流Ｉｕ
１，Ｉｖ１，Ｉｕ２，Ｉｖ２さらには電池または他方の
インバータから供給される、または供給する電流Ｌ１，
Ｌ２などに基づき第１および第２インバータ５２，５４
のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６，Ｔｒ１１〜Ｔｒ１６を
制御する。
【００１７】遊星ギア機構１６の、サンギアの回転数Ｎ
ｓ、プラネタリキャリアの回転数Ｎｃおよびリングギア
の回転数Ｎｒは、サンギアとリングギアのギア比ρとす
れば、
【数１】 Ｎｓ＝Ｎｒ−（Ｎｒ−Ｎｃ）（１＋ρ）／ρ ・・・（１） で示される関係がある。すなわち、三つの回転数Ｎｓ，
Ｎｃ，Ｎｒのうちの二つが定まれば、もう一つの回転数
が決定する。リングギアの回転数Ｎｒは、車両の速度で
決定するので、プラネタリキャリアの回転数Ｎｃすなわ
ちエンジン回転数と、サンギアの回転数Ｎｓすなわち第
１モータジェネレータ回転数の一方の回転数が決定され
れば、他方が決定される。そして、第１および第２モー
タジェネレータ２６，２８の界磁電流をその時の回転数
に応じて制御して、これらのモータジェネレータを発電
機として作用させるか、モータとして作用させるかを決
定する。二つのモータジェネレータ２６，２８が、全体
として電力を消費している場合は電池５０から電力が持
ち出され、全体として発電している場合は電池５０に充
電が行われる。たとえば、電池５０のＳＯＣが少なくな
っていることが電池ＥＣＵ６８により検出された場合、
エンジン１０の発生するトルクの一部により二つのモー
タジェネレータ２６，２８の一方または双方により発電
を行い、電池５０への充電を行う。また、電池５０のＳ
ＯＣが多くなった場合、エンジン１０の出力を抑え気味
にして、第２モータジェネレータ２８をモータとして作
用させ、これの発生するトルクを車両走行用に用いるよ
うに制御する。また、制動時においては、二つのモータ
ジェネレータ２６，２８の一方または双方を発電機とし
て動作させ、発生した電力を電池５０に充電する。
【００１８】自動車の制動は、いつ行われるか予測する
ことは困難であるから、電池５０は、回生制動によって
発生した電力を十分受け入れられるような状態にあるこ
とが望ましい。一方、エンジン１０の出力だけでは、運
転者の所望する加速を得られない場合、第２モータジェ
ネレータ２８をモータとして動作させるために、電池５
０はある程度ＳＯＣを確保していなければならない。こ
の条件を満たすために、電池５０のＳＯＣは、電池容
量、すなわち電池が蓄えられる最大の電力の半分程度と
なるように制御される。本実施形態の場合は、ＳＯＣが
約５０％となるように制御が行われる。
【００１９】図２には、本実施形態の概略構成が示され
ている。図２において、図１と共通する構成要素には、
同一の符号を付している。電池５０は、図示するように
複数のセルを直列した組電池であり、インバータ５２，
５４を介して、モータジェネレータ２６，２８に接続さ
れている。二つのモータジェネレータ２６，２８は遊星
ギア機構を含む伝達機構を介してエンジン１０と接続さ
れている。また、電池５０の端子電圧を検出する電圧検
出手段としての電圧センサ７０、電池５０に流れる電流
を検出する電流検出手段としての電流センサ７２が設け
られている。さらに、電池５０の複数箇所に電池温度を
検出する温度検出手段としての温度センサ７４が設けら
れている。温度センサ７４を複数の箇所に設けたのは、
電池５０の温度が場所により異なるためである。電圧セ
ンサ７０、電流センサ７２および温度センサ７４の出力
は、電池ＥＣＵ６８に送られる。電池ＥＣＵ６８では、
得られた電圧と電流に基づき、電池のＳＯＣを算出し、
また、温度に関する情報を制御ＣＰＵ５６に送出する。
制御ＣＰＵ５６は、電池ＥＣＵ６８から送られてきたデ
ータと、エンジンＥＣＵ４６などの各種データを総合し
て、モータジェネレータ２６，２８の運転状態を決定
し、これに応じてインバータ５２，５４の制御を行う。
前述したように当該実施形態のハイブリッド車において
は、電池５０に蓄えられた電力をモータジェネレータ２
８が消費する。また、モータジェネレータ２６，２８に
よる回生電力およびエンジンに駆動される発電機として
のモータジェネレータ２６，２８からの電力が、電池５
０に供給される。よって、モータジェネレータ２６，２
８およびエンジン１０が、電池５０に電力を供給し、ま
たは電池の電力を消費する充放電手段として機能する。
また、インバータ５２，５４を介してモータジェネレー
タ２６，２８を制御する制御ＣＰＵ５６およびエンジン
ＣＰＵ４６は、充放電手段を制御する充放電制御手段と
して機能する。
【００２０】前述したように、電池５０の温度が所定温
度（例えば、２０℃）より低い場合、当該電池５０は、
モータジェネレータ２８に対して十分な出力を供給する
ことができない。そこで、本実施形態においては、前記
温度センサ７４の検出の結果、電池５０の温度が所定温
度以下の場合に、電池ＥＣＵ６８が制御ＥＣＵ５６に対
して昇温フラグを示し、制御ＥＣＵ５６の制御形態を通
常モードから昇温モードに変更し、電池５０の積極的な
昇温を開始させる。
【００２１】ここで、制御ＥＣＵ５６の通常モードと
は、ＳＯＣが目標充電状態（例えば、ＳＯＣ＝５０％）
になるように、電池５０の充電または、放電を適宜切り
換える制御モードである。前述したように、例えば、Ｓ
ＯＣが５０％以下の時は、充電を促進するように、エン
ジン１０に対する出力要求を通常状態（例えば、運転者
により要求されるスピードやトルク要求状態）より大き
くして、モータジェネレータ２６，２８の一方または双
方により発電を行い、電池５０への充電を行う。また、
電池５０のＳＯＣが大きくなった場合、例えば、５０％
（制御中心）を越えた場合、エンジン１０に対する出力
要求を通常状態より抑え気味にして、第２モータジェネ
レータ２８をモータとして作用させ、電池５０を消費す
る。この時、発生するトルクは車両走行用に用いられ
る。
【００２２】一方、昇温モードとは、積極的に電池５０
の充放電を繰り返すモードである。図３に示すように、
例えばＳＯＣが、５０％（制御中心）を越えた場合でも
電池ＥＣＵ６８は、制御ＥＣＵ５６に対して、昇温フラ
グを示し、電池５０の最大充電状態まで、充電動作を行
うようにエンジン１０に対する出力要求を通常状態より
大きくさせて、その分、モータジェネレータ２６，２８
の一方または双方により発電を行い、電池５０に充電を
行う（区間Ａ）。そして、最大充電状態になったら逆に
目標充電状態になるまで放電動作を行うように、エンジ
ン１０に対する出力要求を通常状態より抑え気味にし
て、第２モータジェネレータ２８をモータとして作用さ
せ、電池５０を消費する（区間Ｂ）。この充放電動作に
より電池５０内部に流れる電流により当該電池５０の内
部抵抗を発熱させ、電池５０を内部から暖める。なお、
図３は、昇温モードの時のＳＯＣの変化や充放電の変化
のみを示したものである。従って、ハイブリッド車の始
動時に消費される電力によるＳＯＣの変化や充放電の変
化は省略している。また、区間Ｂの放電動作は、ハイブ
リット車の走行中に行われるので、区間Ａの段階で、当
該ハイブリッド車が発進していることが必要になる。ハ
イブリッド車の発進は、基本的にモータで行うためこの
発進動作に伴って電力が消費されＳＯＣや充放電量が変
化するが、この変化も図３では省略している。
【００２３】図４には、温度センサ７４の検出結果に基
づき、電池ＥＣＵ６８が制御ＥＣＵ５６に対してモード
切替を行う手順を示すフローチャートである。まず、ハ
イブリッド車が始動（イグニッションキーのＯＮ）する
と、温度センサ７４は電池５０の温度を各ポイントで測
定する。その結果を電池ＥＣＵ６８に提供し、当該電池
ＥＣＵ６８は、電池５０全体またはいずれかのポイント
の温度が所定温度（例えば、２０℃）以下であるか否か
の判断を行う（Ｓ１００）。もし、電池５０の温度が所
定温度以上である場合、電池ＥＣＵ６８は、制御ＥＣＵ
５６が通常モードで動作してよいと判断する（Ｓ１０
１）。すなわち、電池ＥＣＵ６８は、制御ＥＣＵ５６に
対して、充電動作または放電動作により電池５０のＳＯ
Ｃが目標充電状態（制御中心）になるように制御を要求
する。
【００２４】一方、電池５０の一部または全ての温度が
所定温度以下である場合、電池ＥＣＵ６８は、ＳＯＣが
最大充電状態（例えば、ＳＯＣ上限＝８０％）であるか
否かの判断を行う（Ｓ１０２）。もし、ＳＯＣが上限で
ない場合、電池ＥＣＵ６８は、昇温モードに移行する
（Ｓ１０３）。この場合の昇温は、強制充電によって行
われる。すなわち、エンジン１０に対する出力要求を通
常状態（例えば、運転者により要求されるスピードやト
ルク要求状態）より大きくし、その分、モータジェネレ
ータ２６，２８の一方または双方により発電を行い、電
池５０に充電を行う。この時、ＳＯＣが上限に近づく
と、充電効率が低下する反面、電池５０の内部抵抗によ
る発熱量が増加するため昇温効率が向上する。この間も
電池ＥＣＵ６８は、温度センサ７４を介して電池５０の
温度を監視している。そして、常に電池５０の温度が所
定温度を越えたか否かの判断を行っている（Ｓ１０
４）。もし、前記強制充電によって電池５０の温度が上
昇し所定温度（例えば、２０℃）以上になった場合に
は、（Ｓ１０１）に移行し、電池ＥＣＵ６８は、制御モ
ードを通常モードに切り換える。また、電池５０の温度
が所定温度に達していない場合には、電池ＥＣＵ６８は
ＳＯＣが上限に達したか否かの判断を継続して行う（Ｓ
１０５）。そして、上限に達していない場合、（Ｓ１０
３）に戻り、充電による昇温動作を継続する。
【００２５】また、（Ｓ１０２）及び（Ｓ１０５）でＳ
ＯＣが上限、すなわち、電池５０が最大充電状態である
と判断された場合には、放電制御による昇温モードに切
り換える（Ｓ１０６）。この場合の放電は、ハイブリッ
ド車に対する運転者の走行要求（スピードやトルク）に
対して、エンジンの出力要求を小さくし、その分モータ
を積極的に駆動することにより行われる。電池ＥＣＵ６
８は、放電中もＳＯＣが目標充電状態（制御中心）に達
したか否かの監視を行い（Ｓ１０７）、ＳＯＣが目標充
電状態に達するまで放電を継続する。また、ＳＯＣが目
標充電状態になったと判断した場合には、電池ＥＣＵ６
８は、（Ｓ１００）に戻り、再度、電池５０の温度が所
定温度以下か否かの判断を行い、昇温モードを継続する
か通常モードに切り替えるか決定する。すなわち、電池
５０の温度が所定温度以下の場合には、さらに昇温動作
を継続するために、図３に示すように、充電動作と放電
動作を繰り返す。また、電池５０の温度が所定温度を越
えた場合には、通常モードに移行する。
【００２６】なお、本実施形態では、電池５０の温度が
所定温度以下の場合には、ＳＯＣの上限（例えば、８０
％）まで充電を行う構成を示したが、ＳＯＣの上限値
は、停止時に発生する回生電力を受け入れることを考慮
して、適宜選択することが望ましい。また、電池の昇温
を行うか否かを判断する温度を２０℃としたが、この温
度も電池の性能に応じて適宜変更してもよい。また、各
図に示した構成は、例示であり、電池温度が所定温度以
下の時に、電池の強制的な充放電を行い発生する熱によ
り電池温度を所定温度まで上昇させる構成であれば、各
構成は適宜変更可能である。
【００２７】
【発明の効果】本発明によれば、電池の温度が所定温度
より低い場合に、強制的に充放電を行うことにより電池
に電流を流し、電池の内部抵抗により熱を発生させ、電
池を内部より暖めることができる。その結果、迅速に電
池を所定温度に制御し、所望する高出力を発生する準備
を迅速かつ容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ハイブリッド車の駆動系の構成を説明する概
略説明図である。
【図２】 本発明の実施形態のハイブリッド車の充放電
状態制御装置の概略構成を説明する説明図である。
【図３】 本発明の実施形態のハイブリッド車の充放電
状態制御装置の昇温制御中のＳＯＣの状態及び充放電の
状態を説明する説明図である。
【図４】 本発明の実施形態のハイブリッド車の充放電
状態制御装置の昇温制御手順を説明するフローチャート
である。
【符号の説明】
１０ エンジン、２６，２８ モータジェネレータ、４
６ エンジンＥＣＵ、５０ 電池、５２，５４ インバ
ータ、５６ 制御ＣＰＵ、６８ 電池ＥＣＵ、７０ 電
圧センサ、７２ 電流センサ、７４ 温度センサ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｊ 7/00 Ｈ０２Ｊ 7/00 Ｂ (72)発明者 菊池 義晃 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 戸島 和夫 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 エンジンにより駆動される発電機と、車
    両を駆動するモータを有し、電池の充電状態を目標充電
    状態に一致させるように制御するハイブリッド車の充放
    電状態制御装置において、 前記電池の温度が所定温度より低い場合に、電池の所定
    の充電範囲内で充放電を強制的に行い、当該充放電によ
    り発生する熱で前記電池の温度を所定温度に制御するこ
    とを特徴とするハイブリッド車の充放電状態制御装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の装置において、 前記電池の充電は、現在の電池の充電状態が最大充電状
    態でない場合に、エンジンに対する出力要求を大きくし
    て発電機を駆動し電池の充電を行うことを特徴とするハ
    イブリッド車の充放電状態制御装置。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の装置において、 前記電池の放電は、現在の電池の充電状態が最大充電状
    態の場合に、エンジンに対する出力要求を小さくしてモ
    ータを駆動し電池の放電を行うことを特徴とするハイブ
    リッド車の充放電状態制御装置。
  4. 【請求項４】 請求項１から請求項３のいずれかに記載
    の装置において、 前記電池の充放電は、目標充電状態と最大充電状態の間
    で繰り返し行われることを特徴とするハイブリッド車の
    充放電状態制御装置。
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