JP2010202189A - ハイブリッド車両 - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の劣化を抑えられ、回生効率が向上するハイブリッド車両を提供する。
【解決手段】車輪を駆動する動力源としてエンジン３とモータジェネレータ５を備えるハイブリッド車両において、モータジェネレータ５の電力源として電気二重層キャパシタ１１と二次電池１２を備え、アクセルペダルが初期位置に戻され、かつブレーキペダルが踏み込まれない非制動時にキャパシタを遮断し、モータジェネレータ５の発電電力を二次電池１２に充電する一方、アクセルペダルが初期位置に戻され、かつブレーキペダルが踏み込まれる制動時に要求されるブレーキ力が所定値以下と判定された場合に二次電池１２を遮断しモータジェネレータ５の発電電力を電気二重層キャパシタ１１に充電し、制動時に要求されるブレーキ力が所定値より大きいと判定された場合にモータジェネレータ５の発電電力を電気二重層キャパシタ１１と二次電池１２に充電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車輪を駆動する動力源としてエンジンとモータジェネレータを備えるハイブリッド車両の改良に関するものである。

従来、この種のハイブリッド車両として、車両の加速時にモータジェネレータに電力を供給してエンジンの出力を補助し、減速時および制動時にエンジンへの燃料供給を停止するとともに、モータジェネレータを発電機として作動させて回生制動を行い、発生した電力で蓄電装置を充電するものがある。

特許文献３に開示されたハイブリッド車両は、蓄電装置としてキャパシタ、二次電池、燃料電池を備えている。

特開平１１−２２４６９９号公報 特開２００２−１３４１２５号公報 特開２００４−２４８４３３号公報

しかしながら、このような従来のハイブリッド車両にあっては、蓄電池としてリチウムイオン、ニッケル水素等の二次電池を用いた場合、車両の急停止時に発生する大電流を十分に吸収できない。また、急発進時に必要な大電流を十分に供給できないという問題点があった。

また、蓄電池として電気二重層キャパシタを用いた場合、車両の急発進、急停止時における電流の出入りには対応できるが、十分な蓄電力を確保することが難しいという問題点があった。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、二次電池の劣化を抑えられ、回生効率が向上するハイブリッド車両を提供することを目的とする。

本発明は、車輪を駆動する動力源としてエンジンとモータジェネレータを備えるハイブリッド車両において、モータジェネレータの電力源として電気二重層キャパシタと二次電池を備え、運転者によって操作されるアクセルペダルが初期位置に戻され、かつ運転者によって操作されるブレーキペダルが踏み込まれる状態を車両の制動時とし、アクセルペダルが初期位置に戻され、かつブレーキペダルが踏み込まれない状態を車両の非制動時とし、車両の非制動時にキャパシタを遮断し、モータジェネレータの発電電力を二次電池に充電する一方、車両の制動時に要求されるブレーキ力が所定値以下と判定された場合に二次電池を遮断しモータジェネレータの発電電力を電気二重層キャパシタに充電する高電流充電手段を備え、車両の制動時に要求されるブレーキ力が所定値より大きいと判定された場合にモータジェネレータの発電電力を電気二重層キャパシタと二次電池に充電し、二次電池に充電される電力を制限する電力制限充電手段を備える。

本発明によると、アクセルペダルが初期位置に戻され、かつブレーキペダルが踏み込まれない車両の非制動時にキャパシタを遮断し、モータジェネレータの発電電力を二次電池に低電流充電が行われる。

アクセルペダルが初期位置に戻され、かつブレーキペダルが踏み込まれる車両の制動時に二次電池を遮断しモータジェネレータの発電電力を電気二重層キャパシタのみに充電する高電流充電手段を備えたため、車両の制動時に発生する大電流を電気二重層キャパシタへ急速充電することができるとともに、二次電池に急速な充電をさせることを回避し、二次電池の劣化を抑えられる。

車両の制動時にモータジェネレータの発電電力を電気二重層キャパシタに急速充電し、同時に二次電池に充電される電力を制限しつつ充電する電力制限充電手段を備えたため、急制動時に電気二重層キャパシタの充電電力に二次電池の充電電力が加わることによって回生効率が向上する。

本発明の実施形態を示すハイブリッド車両のシステム図。 同じく車両の発進加速時における制御動作を示すフローチャート。 同じく車両の走行時において充電を行う制御動作を示すフローチャート。

本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１に示すように、ハイブリッド車両のパワートレインは、動力源としてエンジン３とモータジェネレータ５を備え、エンジン３の出力がトランスミッション６、エンジン側クラッチ１を介してドライブシャフト４に伝えられる一方、モータジェネレータ５の出力がモータ側クラッチ２を介してドライブシャフト４に伝えられ、ドライブシャフト４の回転が図示しない車輪に伝達される。

エンジンは燃料を燃焼して出力を発生するものであり、例えばガソリンやガス燃料を燃焼する火花点火式エンジン、あるいはディーゼルエンジン等が用いられる。

モータジェネレータ５は三相同期電動機または三相誘導電動機等の交流機が用いられる。蓄電部１０に蓄えられた直流電流はインバータ（整流器）１３を介して交流電力に変換してモータジェネレータ５へ供給するとともに、モータジェネレータ５の交流発電電力を直流電力に変換して蓄電部１０に充電する。

モータジェネレータ５に供給される電力を蓄える蓄電部１０として、電気二重層キャパシタ１１と二次電池１２を備える。

二次電池１２はリチウムイオン、ニッケル水素等の化学反応を用いた各種蓄電池が用いられる。

電気二重層キャパシタ１１は静電容量により電荷（電気エネルギー）を蓄えたり、放出したりするものであり、界面現象を利用して蓄電容量を大きくしている。電気二重層キャパシタ１１は二次電池１２より蓄電容量は小さいが、二次電池１２より大きい電流を入出力するようになっている。

蓄電部１０はモータジェネレータ５に対してインバータ１３を介して並列に接続される第一、第二蓄電回路１４，１５が設けられ、この第一、第二蓄電回路１４，１５に電気二重層キャパシタ１１と二次電池１２がそれぞれ介装されるとともに、第一、第二蓄電回路１４，１５を開閉する第一、第二スイッチＳＷｃ，ＳＷｂを備える。

第一、第二スイッチＳＷｃ，ＳＷｂは電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が用いられ、各ゲート電極に印加電圧が導かれるとＯＮとなって第一、第二蓄電回路１４，１５をそれぞれ閉じる一方、ゲート電極に印加電圧が導かれないとＯＦＦとなって第一、第二蓄電回路１４，１５をそれぞれ開く。

車両にはパワートレインの作動を制御するコントローラ２０を備える。このコントローラ２０は、車速信号、ブレーキ信号、アクセル信号、二次電池１２の二次電池電圧Ｅｂ、電気二重層キャパシタ１１のキャパシタ電圧Ｅｃを入力し、エンジン側クラッチ１、モータ側クラッチ２、インバータ１３、第一、第二スイッチＳＷｃ，ＳＷｂ、トランスミッション６、エンジン３の作動をそれぞれ制御する。

車両には図示しないブレーキペダルの踏み込み量を検出するポジションセンサ等が設けられ、このポジションセンサから運転者によって操作されるブレーキペダルの踏み込み量（要求制動力）に応じた前記ブレーキ信号を出力する。

車両には図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出するポジションセンサ等が設けられ、このポジションセンサから運転者によって操作されるアクセルペダルの踏み込み量（要求負荷）に応じた前記アクセル信号を出力する。

コントローラ２０は図示しないエンジン制御コントローラ等と通信回線を介して情報を送受信し、互いに協調制御が行われる。

コントローラ２０は車両の発進時および低速走行時にエンジン３の運転を停止しクラッチ１を切った状態でモータジェネレータ５を駆動するモータ走行制御を行う。

コントローラ２０は、第一モータ加速制御手段として、車両の発進加速時に二次電池１２を遮断し電気二重層キャパシタ１１の電力をモータジェネレータ５に供給する制御を行う。

これにより、発進加速時に二次電池１２より放電電力が大きい電気二重層キャパシタ１１を用いることにより発進加速時に必要なエネルギを確保するとともに、二次電池１２に急速な放電をさせることを回避し、二次電池１２の劣化を抑えられる。

コントローラ２０は、第二モータ加速制御手段として、車両の加速時に電気二重層キャパシタ１１の蓄電圧Ｅｃが二次電池１２の蓄電圧Ｅｂより低下するキャパシタ電位低下状態を判定し、このキャパシタ電位低下状態にて電気二重層キャパシタ１１の電力に加えて二次電池１２の電力をモータジェネレータ５に供給する制御を行う。

これにより、二次電池１２の放電電力によってモータジェネレータ５による加速走行距離を延長できる。

次に、コントローラ２０で実行される車両の発進加速時における制御動作を図２のフローチャートにしたがって、さらに詳しく説明する。

まずステップ１で電気二重層キャパシタ１１のキャパシタ電圧Ｅｃが二次電池１２の二次電池電圧Ｅｂより低い場合、ステップ２に進んで第一スイッチＳＷｃと第二スイッチＳＷｂをそれぞれＯＮにし、二次電池１２から電気二重層キャパシタ１１に充電する。

発進加速時に電気二重層キャパシタ１１のエネルギを使いたいので、電気二重層キャパシタ１１の電位は二次電池１２の電位より高くなっていることが望ましいが、長期保管からの起動時等に電気二重層キャパシタ１１の電位が低くなっていることが考えられる。

これに対処して車両が発進する前の停止時においてキャパシタ電位低下状態ならば、上記ステップ１、２の処理によって第一スイッチＳＷｃと第二スイッチＳＷｂをそれぞれＯＮにすることにより、二次電池１２から第二スイッチＳＷｂと第一スイッチＳＷｃを通って電気二重層キャパシタ１１に充電される。

なお、第二スイッチＳＷｂをＯＦＦにしてもその寄生ダイオードＤｃを通って電気二重層キャパシタ１１に充電できるが、寄生ダイオードＤｃの順方向電圧降下分（Ｅｂ）だけキャパシタ電圧Ｅｃが低下する。

キャパシタ電圧Ｅｃが二次電池電圧Ｅｂ以上に高い電気二重層キャパシタ充電状態において、ステップ３にて、アクセル信号に基づいてアクセルペダルが踏み込まれたことが判定されると、ステップ４に進んで第二スイッチＳＷｂをＯＦＦにし、第一スイッチＳＷｃをＯＮにし、ステップ５に進んでモータ側クラッチ２を接続する。

そして続くステップ６〜８に進んで電気二重層キャパシタ１１のみの出力によってモータジェネレータ５を駆動する第一モータ加速制御を行う。

この第一モータ加速制御は、ステップ７にて車速が要求車速に達したことを判定するまで、ステップ６にてインバータ１３をＯＮにし、モータジェネレータ５をＯＮにして、電気二重層キャパシタ１１の出力によって走行する。

この第一モータ加速制御が行われているとき、車速が要求車速に達する前に、ステップ８でキャパシタ電圧Ｅｃが二次電池電圧Ｅｂより低いキャパシタ電位低下状態を判定した場合、続くステップ９、１０に進んで電気二重層キャパシタ１１と二次電池１２の両方の出力によってモータジェネレータ５を駆動する第二モータ加速制御を行う。

この第二モータ加速制御は、ステップ１０にて車速が要求車速に達したことを判定するまで、第一スイッチＳＷｃと第二スイッチＳＷｂをＯＮにして、電気二重層キャパシタ１１と二次電池１２の出力によって走行する。

前記した起動時に二次電池電圧Ｅｂよりキャパシタ電圧Ｅｃが低く、二次電池１２から電気二重層キャパシタ１１へ充電した場合は、前記のステップ８からステップ７へのループを回らずにステップ９へ進む。この場合、速度０からの加速に伴う大電流を必要とするが、二次電池１２の内部抵抗より電気二重層キャパシタ１１の内部抵抗が小さいため、もっぱら電気二重層キャパシタ１１からの電流がモータジェネレータ５に供給され、二次電池１２の負荷が軽減される。

一方、ステップ３にて、アクセル信号に基づいてアクセルペダルが踏み込まれたことが判定されると、ステップ１２、１３にて図示しないスタータモータを駆動してエンジン３を始動する。上記した第一、第二モータ加速制御によって車速が要求車速に達すると、ステップ１３に進んで、エンジン側クラッチ１を接続し、モータ側クラッチ２を切ってエンジン走行に切り換える（制御１）。

車速が要求車速に達する前にステップ１１にて二次電池電圧Ｅｂとキャパシタ圧Ｅｃが使用限界値以下に低下した場合、モータ側クラッチ２を切ってエンジン側クラッチ１を半クラッチからつないでエンジン出力にて加速する（制御２）。

なお、ステップ１、８にて行われるキャパシタ電位低下状態の判定は、キャパシタ電圧Ｅｃが二次電池電圧Ｅｂと第二スイッチＳＷｂの寄生ダイオードＤｂの電圧降下分Ｅ_Dの和（Ｅｂ＋Ｅ_D）以下か否かを判定している。

コントローラ２０は、車両減速時の運動エネルギ回収（回生）の制御も行う。車両の制動に伴う高電流充電手段として、車両の制動時に二次電池１２を遮断し、モータジェネレータ５の発電電力を電気二重層キャパシタ１１のみに充電する制御を行うことができる。

制動に伴う大電流を二次電池１２より電流密度が大きい電気二重層キャパシタ１１に充電することにより制動時のエネルギを効率良く吸収するとともに、二次電池１２への急速な充電を回避し、二次電池１２の劣化を抑えられる。

コントローラ２０は、前記高速充電では制動エネルギによる発電電流を吸収しきれない場合、二次電池１２に電力を制限しつつ充電する制御を行う。
電力制限充電手段として、車両の制動時にモータジェネレータ５の発電電力を電気二重層キャパシタ１１と二次電池１２に充電し、二次電池１２に充電される電力を制限する制御を行う。

これにより、急制動時に短時間に発生する大電流を電気二重層キャパシタ１１と二次電池１２に充電することができ、回生効率を高められる。

次に、コントローラ２０で実行される車両の走行時の充電制御動作を図３のフローチャートにしたがって、さらに詳しく説明する。

まずステップ２１にて、アクセル信号に基づいてアクセルペダルが初期位置に戻されたことが判定されると、ステップ２２に進んでブレーキ信号に基づいてブレーキペダルが踏み込まれる制動時かどうかを判定する。

ステップ２２で非制動時と判定された場合、二次電池１２への低電流充電を行うステップ２３で、モータ側クラッチ２を接続し、ステップ２４で、第一スイッチＳＷｃをＯＦＦ、第二スイッチＳＷｂをＯＮとし、インバータ１３の整流器を抵効率にてＯＮとして、ステップ２５にて二次電池１２に低電流充電が行われる。

こうしてステップ２６にて二次電池１２にフル充電が行われたことが判定されると、ステップ２７に進んで第二スイッチＳＷｂをＯＦＦ、インバータ１３の整流器をＯＦＦとし、モータ側クラッチ２を切り、二次電池１２への低電流充電を終了する。

ステップ２２で制動時と判定された場合、ステップ２８に進んで要求されるブレーキ力が所定値より大きいか否かを判定する。この所定値は制動エネルギを電気二重層キャパシタ１１のみで回収できるように予め決められた値である。

ステップ２８にて要求されるブレーキ力が所定値以下と判定された場合、ステップ２９に進んで、モータ側クラッチ２を接続し、ステップ３０にて第一スイッチＳＷｃをＯＮ、第二スイッチＳＷｂをＯＦＦとし、インバータ１３の整流器をＯＮとして、ステップ３１にて電気二重層キャパシタ１１に充電を行う。この際、インバータ１３の変換効率は高効率とする。

車両速度がモータジェネレータ５による発電を維持できない程低下した場合はステップ３２でエンジン側クラッチ１を接続し、ステップ３３の通常のブレーキにより停止する。

ステップ２８にて要求されるブレーキ力が所定値より大きいと判定された場合、ステップ３４に進んで、エンジン側クラッチ１とモータ側クラッチ２をそれぞれ接続し、ステップ３５にて第一スイッチＳＷｃをＯＮ、第二スイッチＳＷｂのゲートにパルス信号を入力して間欠的にＯＮする状態とし、インバータ１３の整流器をＯＮとする。この状態ではステップ３６にて電気二重層キャパシタ１１へは高電流充電が行われるとともに、二次電池１２へはパルス信号に依存した低速充電が行われる。

ステップ３７では図示しないブレーキを作動させて電気二重層キャパシタ１１と二次電池１２への充電可能なエネルギを超える部分の制動力を付与する。

車両を停止するときは、ステップ３２に進んでエンジン側クラッチ１を接続し、ステップ３３に進んで図示しないブレーキを作動させる。

以上のように構成されて、次に作用及び効果について説明する。

車輪を駆動する動力源としてエンジン３とモータジェネレータ５を備えるハイブリッド車両において、モータジェネレータ５の電力源として電気二重層キャパシタ１１と二次電池１２を備え、二次電池１２を遮断し、電気二重層キャパシタ１１の電力をモータジェネレータ５に供給する第一モータ加速制御手段を備えたため、発進加速時に二次電池１２より電流密度が大きい電気二重層キャパシタ１１を用いることにより特に短時間に大電流が必要な発進加速時に必要なエネルギをモータジェネレータ５に供給するとともに、二次電池１２に急速な放電をさせることを回避し、二次電池１２の劣化を抑えられる。

車両の加速時に電気二重層キャパシタ１１の蓄電圧Ｅｃが二次電池１２の蓄電圧Ｅｂより低下することを判定し、電気二重層キャパシタ１１の電力に加えて二次電池１２の電力をモータジェネレータ５に供給する第二モータ加速制御手段を備えたため、二次電池１２の放電電力によってモータジェネレータ５による加速走行距離を延長できる。

二次電池１２を遮断しモータジェネレータ５の発電電力を電気二重層キャパシタ１１のみに充電する高電流充電手段を備えたため、車両の制動時に発生する大電流を電気二重層キャパシタ１１へ急速充電することができるとともに、二次電池１２に急速な充電をさせることを回避し、二次電池１２の劣化を抑えられる。

車両の制動時にモータジェネレータ５の発電電力を電気二重層キャパシタ１１に急速充電し、同時に二次電池１２に充電される電力を制限しつつ充電する電力制限充電手段を備えたため、急制動時に電気二重層キャパシタ１１の充電電力に二次電池１２の充電電力が加わることによって回生効率が向上する。

本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

１ エンジン側クラッチ
２ モータ側クラッチ
３ エンジン
５ モータジェネレータ
１１ 電気二重層キャパシタ
１２ 二次電池
１３ インバータ
ＳＷｃ 第一スイッチ
ＳＷｂ 第二スイッチ

Claims (3)

1. 車輪を駆動する動力源としてエンジンとモータジェネレータを備えるハイブリッド車両において、
   前記モータジェネレータの電力源として電気二重層キャパシタと二次電池を備え、
   運転者によって操作されるアクセルペダルが初期位置に戻され、かつ運転者によって操作されるブレーキペダルが踏み込まれる状態を車両の制動時とし、
   前記アクセルペダルが初期位置に戻され、かつ前記ブレーキペダルが踏み込まれない状態を車両の非制動時とし、
   前記車両の非制動時に前記キャパシタを遮断し、前記モータジェネレータの発電電力を前記二次電池に充電する一方、
   前記車両の制動時に要求されるブレーキ力が所定値以下と判定された場合に前記二次電池を遮断し前記モータジェネレータの発電電力を前記電気二重層キャパシタに充電する高電流充電手段を備え、
   前記車両の制動時に要求されるブレーキ力が所定値より大きいと判定された場合に前記モータジェネレータの発電電力を前記電気二重層キャパシタと前記二次電池に充電し、前記二次電池に充電される電力を制限する電力制限充電手段を備えたことを特徴とするハイブリッド車両。
2. 車両の発進加速時に前記二次電池を遮断し前記電気二重層キャパシタの電力を前記モータジェネレータに供給する第一モータ加速制御手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド車両。
3. 前記車両の加速時に前記電気二重層キャパシタの蓄電圧Ｅｃが前記二次電池の蓄電圧Ｅｂより低下するキャパシタ電位低下状態を判定し、このキャパシタ電位低下状態にて前記電気二重層キャパシタの電力に加えて前記二次電池の電力を前記モータジェネレータに供給する第二モータ加速制御手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド車両。

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