JP2007062659A - ハイブリッド車両の電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】
車両の推進力を発生するエンジンと電気モータとを備えているハイブリッド車両の電源システムを簡素化することができるハイブリッド車両の電源システムを提供する。
【解決手段】
ハイブリッド車両の電源システムは、車両の推進力を発生するエンジン１５と、エンジン１５の燃焼室に直接燃料を供給する燃料噴射装置１６と、車両の推進力を発生する電気モータ２３、２４と、エンジン１５に搭載されている補機もしくは車両に搭載されている電気負荷に電力を供給する補機駆動用バッテリ３４とは別のバッテリであって、該補機駆動用バッテリ３４のバッテリ電圧よりも高電圧を発生し、電気モータ２３、２４および燃料噴射装置１６に電力を供給するメインバッテリ３５と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンもしくは電気モータから推進力を得ているハイブリッド車両の電源システムに関する。

エンジンもしくは電気モータから推進力を得ているハイブリッド車両において、エンジンに搭載されている補機もしくは車両に搭載されている電気負荷を駆動する補機駆動用バッテリとは別にこの補機駆動用バッテリよりも高電圧を発生し、電気モータ用バッテリを備えているハイブリッド車両がある。高電圧のバッテリを使用することにより電気モータの出力を向上させ、車両の走行性能を向上させることができる。
特開２０００−１７５３０５号公報

燃料を燃焼室内に直接噴射する燃料噴射装置を有するエンジン（以下、直噴エンジンと呼ぶ）は、燃料を吸気管内で噴射する燃料噴射装置を有するエンジン（以下、ポート噴射エンジンと呼ぶ）に比べ、燃料消費や、排出ガス等の点において、有利であることが一般的に知られている。発明者は、ハイブリッド車両に使用するエンジンを直噴エンジンとすれば、上記有利な点で優れたハイブリッド車両ができると考えた。

直噴エンジンは、ポート噴射エンジンとは異なり、以下に説明するような特徴を有している。直噴エンジンは、ポート噴射エンジンに比べ、燃料噴射圧力が高い。また、直噴エンジンの燃料噴射装置の噴孔は燃焼室内に臨んでいるので、燃焼室の燃焼圧力でも噴孔が開かないように、針弁は、強いスプリング力で噴孔を閉塞する方向に付勢されている。このため、燃料を噴射するために噴孔を開くには、スプリング力の付勢力よりも大きな吸引力を電磁コイルに発生させ、針弁を噴孔が開く方向に吸引する必要がある。一般的には、燃料噴射装置の駆動回路にＤＣ−ＤＣコンバータ等の昇圧回路を組み込み補機駆動用バッテリの電圧を昇圧し、電磁コイルに高電圧を印加し、強大な吸引力を得ている。

単にハイブリッド車両のエンジンとして直噴エンジンを使用すると、燃料噴射装置を駆動するための昇圧回路等が必要となり、ハイブリッド車両全体の電源システムが、ハイブリッド車両のエンジンとしてポート噴射エンジンを使用する場合に比べ複雑になる。

本発明は、上記実情に鑑みなされたもので、その目的は、車両の推進力を発生するエンジンと電気モータとを備えているハイブリッド車両の電源システムを簡素化することができるハイブリッド車両の電源システムを提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載のハイブリッド車両の電源システムは、車両の推進力を発生するエンジンと、エンジンの燃焼室に直接燃料を供給する燃料噴射装置と、車両の推進力を発生する電気モータと、エンジンに搭載されている補機もしくは車両に搭載されている電気負荷に電力を供給する補機駆動用バッテリとは別のバッテリであって、該補機駆動用バッテリのバッテリ電圧よりも高電圧を発生し、電気モータおよび燃料噴射装置に電力を供給するメインバッテリと、を備えていることを特徴としている。

請求項１に記載されているハイブリッド車両の電源システムの構成によれば、電気モータに電力を供給するバッテリの電力を燃料噴射装置にも供給しているので、直噴エンジンの燃料噴射装置において通常必要な、燃料噴射装置用のＤＣ−ＤＣコンバータ等の昇圧回路等を廃止することができ、ハイブリッド車両の電源システムを簡素化することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照し説明する。図１は、本実施形態のハイブリッド車両の動力系統と電源系統とを説明する概略構成図である。

図１に示すハイブリッド車両は、車両本体に前輪としてのフロントホイール１１、１２および後輪としてのリアホイール２１、２２を備えている。このハイブリッド車両には、フロントホイール１１、１２を駆動する前輪動力系統と、リアホイール２１、２２を駆動する後輪動力系統の二つの動力系統が設けられている。

まず、前輪動力系統の構成について説明する。フロントホイール１１、１２には、これらに動力を伝達するための前車軸１３が接続されている。そして、前車軸１３には、この車軸１３から順にディファレンシャルギア（図示せず）、変速機１４およびエンジン１５が接続されている。

エンジン１５は、燃焼室内に燃料を直接噴射する、いわゆる直噴ガソリンエンジンである。このエンジン１５は、図示されないシリンダヘッド、シリンダブロック、シリンダブロック内部に配置されたシリンダ、シリンダの内部を摺動可能に配置されたピストン、およびピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトから構成されている。

このエンジン１５のクランクシャフトには、１ＭＰａから２０ＭＰａの燃料噴射圧力を発生し、燃料噴射装置１６へ高圧燃料を供給する高圧ポンプ１７、オルタネータ１８およびスタータ１９がベルトやギア等を介して接続されている。そして、エンジン１５のシリンダヘッドには、点火プラグや燃料噴射装置１６が取り付けられている。これらは、点火プラグの電極や燃料噴射装置１６の噴孔が、シリンダの内部であってピストンの頂面に臨む空間に形成される燃焼室に臨むように取り付けられている。

燃料噴射装置１６は、図示されない先端に噴孔が形成されているハウジング、ハウジングの内部に配置され、往復移動することにより噴孔の開閉を行う針弁、ハウジングの内部に配置され、針弁を常時噴孔が閉塞する方向に付勢するスプリング、および吸引力を発生し、針弁を噴孔が開く方向に吸引する電磁コイルから構成されている。

燃料噴射装置１６には、電磁コイルへの電力供給を制御する駆動回路３１が接続されている。駆動回路３１は、複数のスイッチング素子から構成されており、スイッチング素子のスイッチ動作を制御することにより電力供給源からの電力を所定のタイミングで電磁コイルへ供給する。電磁コイルへ電力を供給すると針弁を吸引する吸引力が発生し、針弁を噴孔が開く方向に吸引する。すると、高圧ポンプ１７から供給された高圧燃料が燃焼室に噴射される。なお、上記電力供給源については後ほど説明する。

本実施形態における変速機１４は、複数の遊星歯車と、これらの遊星歯車のトルク伝達経路を切り替える係合・解放される複数の摩擦係合装置とを備えた周知の有段式自動変速機である。これらの摩擦係合装置の係合・解放状態の切換えにより、変速機１４の変速比が制御される。なお、変速機１４の形式は、上記形式の変速機に限ったものでなくても良い。例えば、手動変速機であっても良いし、ベルト等を利用した無段変速機であっても良い。

燃料噴射装置１６の駆動回路３１、高圧ポンプ１７、スタータ１９および変速機１４には、ＥＣＵ（Electrical Control Unit）３０が接続されている。ＥＣＵ３０は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えるマイクロコンピュータであり、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムに従い、燃料噴射装置１６、高圧ポンプ１７、スタータ１９および変速機１４に関する各種の制御を実行する。なお、図示していないが、エンジン１５および変速機１４には、前記各種の制御を可能とするために、その運転状態等を知ることのできる種々のセンサが接続されている。

次に後輪動力系統について説明する。リアホイール２１、２２には、それぞれのホイールに電気モータとしてのモータ２３、２４が接続されている。本実施形態におけるモータ２３、２４は、３相交流式のＰＭ同期モータである。これらのモータ２３、２４は、各リアホイール２１、２２の内部に組み込まれている、いわゆるホイールインモータであり、モータ２３、２４のステータは、車両側に固定され、ロータは、リアホイール２１、２２に固定されている。モータ２３、２４の形式は、上記説明したようにホイールイン式のモータに限らず、リアホイール２１、２２に接続される車軸を、ギア等を介して駆動する形式のモータであっても良い。

各モータ２３、２４には、インバータ３２、３３が接続され、インバータ３２、３３には、ＥＣＵ３０が接続されている。インバータ３２、３３は、複数のスイッチング素子から構成されており、ＥＣＵ３０からの指令信号に基づき、後ほど説明する電力供給源からの電力供給を受けて３相電流を発生する。モータ２３、２４は、この３相電流を受けてロータが回転させられ、リアホイール２１、２２が回転駆動させられる。モータ２３、２４への電力供給源については後ほど説明する。

リアホイール２１、２２を駆動するモータ２３、２４をモータジェネレータとしても良い。モータジェネレータとすれば、車両が減速する際、モータジェネレータを発電機として機能させ、発生した電力を電力供給源に充電することができ、ハイブリッド車両としてのエネルギー効率が向上する。

次に、このハイブリッド車両の電源系統について説明する。このハイブリッド車両には、ＥＣＵ３０、スタータ１９、空気調和装置用のコンプレッサ、ウォータポンプ、パワーステアリング、空気清浄機のモータ、その他車両に搭載されている電気負荷等に電力を供給するための補機駆動用バッテリ３４と、モータ２３、２４に電力を供給するためのメインバッテリ３５を備えている。

補機駆動用バッテリ３４の定格電圧は、１２Ｖに設定されており、メインバッテリ３５の定格電圧は、５０Ｖから５００Ｖに設定されている。メインバッテリ３５の定格電圧は、この数値に限定されるものではなく、車両の仕様等により適宜設定することができる。このメインバッテリ３５が上述の電力供給源となる。

メインバッテリ３５と補機駆動用バッテリ３４との間には、ＤＣ−ＤＣコンバータ３６が接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ３６は、周知の構成を有するものでよい。ただし、本実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ３６には、昇圧と降圧の両方の電力変換が可能な装置が適用される。通常、ＤＣ−ＤＣコンバータ３６は、オルタネータ１８で発生した電圧もしくは補機駆動用バッテリ３４の電圧を昇圧し、メインバッテリ３５に充電する。補機駆動用バッテリ３４の充電量が少なくなったときは、ＤＣ−ＤＣコンバータ３６は、メインバッテリ３５の電圧を降圧し、補機駆動用バッテリ３４に充電する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３６は、ＥＣＵ３０に接続され、ＥＣＵ３０からの指令信号に基づき、昇圧、降圧の動作を行う。ＥＣＵ３０は、常に補機駆動用バッテリ３４およびメインバッテリ３５の充電量を監視しており、両バッテリ３４、３５の充電量が適切となるようにＤＣ−ＤＣコンバータ３６に昇圧または降圧動作を行うための指令信号を出力する。

本実施形態のＥＣＵ３０は、エンジン１５、変速機１４、インバータ３２、３３、ＤＣ−ＤＣコンバータ３６等をすべて制御する制御ユニットであるが、エンジン１５を制御するＥＣＵ、変速機１４を制御するＥＣＵ、インバータ３２、３３を制御するＥＣＵ、ＤＣ−ＤＣコンバータ３６を制御するＥＣＵを個別に備え、それぞれのＥＣＵ同士をＣＡＮによって接続し、それぞれのＥＣＵが互いに通信し合いハイブリッド車両を制御するようにしても良い。

次に、本実施形態の特徴部分について説明する。まず、直噴エンジンの燃料噴射装置について説明する。

直噴エンジンは、ポート噴射エンジンに比べ、燃料消費や、排出ガス等の点において、有利であることが一般的に知られている。

また、直噴エンジンは、通常、ポート噴射エンジンに比べ、燃料噴射圧力が高い。直噴エンジンの燃料噴射装置は、噴孔が燃焼室内に臨んでいるので、燃焼室の燃焼圧力でも噴孔が開かないように、針弁を強いスプリング力で噴孔を閉塞する方向に付勢している。このため、燃料を噴射するために噴孔を開くには、スプリング力よりも大きな吸引力を電磁コイルに発生させる必要がある。

一般的な直噴エンジンの燃料噴射装置には、燃料噴射装置の駆動回路にＤＣ−ＤＣコンバータ等からなる昇圧回路が設けられている。この昇圧回路により補機駆動用バッテリ（定格電圧１２Ｖ）の電圧を昇圧し、昇圧した電圧を駆動回路にて制御し、燃料噴射装置に印加している。これにより、電磁コイルは、比較的大きな吸引力を得ていた。

発明者は、ハイブリッド車両に使用するエンジンを直噴エンジンとすれば、上記有利な点で優れたハイブリッド車両ができると考えた。その想定例を図２に示す。図２は、発明者が想定したハイブリッド車両の動力系統および電源系統を説明する概略構成図である。この図に示す他の部分の構成要素は、図１の構成要素と同じであるため、説明は省略する。図１と同じ機能を有する構成要素は、図１と同じ番号を付与している。

しかしながら、単にハイブリッド車両に搭載されているポート噴射エンジンを直噴エンジンに置き換えるだけでは、燃料噴射装置用の昇圧回路３７が追加されるため、ポート噴射エンジンを使用する場合に比べハイブリッド車両の電源システムが複雑になる。

一方、本実施形態のハイブリッド車両では、燃料噴射装置１６の駆動回路３１を、高電圧を発生するメインバッテリ３５に接続し、燃料噴射装置１６にメインバッテリ３５の高電圧を印加するようにしているので、上記想定例に示すように昇圧回路３７が必要なくなる。これにより、ハイブリッド車両の電源システムを簡素化することができる。

メインバッテリ３５の定格電圧は、燃料噴射装置１６を動作させるために少なくとも５０Ｖあれば良い。この定格電圧は、大きければ大きいほど燃料噴射装置１６の針弁の動作応答性を向上させることができ、モータ２３、２４の出力を向上させることができる。

本実施形態では、前車軸、後車軸にそれぞれ動力源（エンジン１５、モータ２３、２４）を有する４輪駆動可能な形式のハイブリッド車両について説明したが、例えば、前車軸にエンジン、モータの２つの動力を加えることが可能な形式のハイブリッド車両であってももちろん良い。

また、本実施形態では、直噴ガソリンエンジンに使用される燃料噴射装置１６について説明したが、この形式のエンジンに使用される燃料噴射装置１６に限る必要はない。高電圧を印加している燃料噴射装置を必要とする形式のエンジンであれば良い。例えば、直噴ディーゼルエンジンが挙げられる。また、燃料噴射装置１６自体の形式も電磁コイル式の燃料噴射装置に限る必要はない。例えば、ピエゾアクチュエータを利用した燃料噴射装置であっても良い。

本発明の一実施形態であるハイブリッド車両の動力系統および電源系統を説明する概略構成図である。 公知のハイブリッド車両に対し直噴エンジンを搭載することを発明者が想定した場合のハイブリッド車両の動力系統および電源系統を示す概略構成図である。

符号の説明

１１ フロントホイール
１２ フロントホイール
１３ 前車軸
１４ 変速機
１５ エンジン
１６ 燃料噴射装置
１７ 高圧ポンプ
１８ オルタネータ
１９ スタータ
２１ リアホイール
２２ リアホイール
２３ モータ（電気モータ）
２４ モータ（電気モータ）
３０ ＥＣＵ
３１ 駆動回路
３２ インバータ
３３ インバータ
３４ 補機駆動用バッテリ
３５ メインバッテリ
３６ ＤＣ−ＤＣコンバータ
３７ 昇圧回路

Claims (1)

1. 車両の推進力を発生するエンジンと、
   前記エンジンの燃焼室に直接燃料を供給する燃料噴射装置と、
   前記車両の推進力を発生する電気モータと、
   前記エンジンに搭載されている補機もしくは前記車両に搭載されている電気負荷に電力を供給する補機駆動用バッテリとは別のバッテリであって、該補機駆動用バッテリのバッテリ電圧よりも高電圧を発生し、前記電気モータおよび前記燃料噴射装置に電力を供給するメインバッテリと、
   を備えていることを特徴とするハイブリッド車両の電源システム。

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