JP2008307908A

JP2008307908A - ハイブリッド電気自動車

Info

Publication number: JP2008307908A
Application number: JP2007154828A
Authority: JP
Inventors: Yoshiomi Hironaka; 良臣廣中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2008-12-25
Anticipated expiration: 2027-06-12
Also published as: JP4432999B2; WO2008153161A1

Abstract

【課題】ハイブリッド電気自動車が高負荷で走行後に、たとえエンジンをアイドリング状態で放置するあるいは、低速で走行を継続する場合でも、インバータの発熱を抑制する。
【解決手段】ハイブリッド電気自動車１０は、駆動源としてエンジン２２およびモータＭＧ１，ＭＧ２を備える。ハイブリッドＥＣＵ７０は、エンジン２２が作動期間と休止期間とを交互に繰り返す間欠運転を行い、作動期間におけるエンジン２２の動力によりモータＭＧ１あるいはＭＧ２が発電するように、エンジンＥＣＵ２４やモータＥＣＵ４０に制御信号を出力する。モータＥＣＵ４０は、車速が所定の閾速度より小さい場合、休止期間におけるインバータ４１あるいはインバータ４２のキャリア周波数を、運転期間におけるインバータ４１あるいはインバータ４２のキャリア周波数より低く設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動源としてエンジンとモータとを備えるハイブリッド電気自動車に関する。

ハイブリッド電気自動車は、エンジン（内燃機関）のほかに駆動源として駆動用モータ（電動機）を備える。駆動用モータは交流電流で駆動する交流モータであり、当該交流モータを直流電流で駆動する場合にはインバータなどの電力変換装置が必要である。駆動用モータは、インバータなどの電力変換装置において、高周波でのスイッチングにより大電力を対象とする電力変換が行われるため、パワートランジスタが加熱するおそれがある。したがって、駆動用モータの制御を行う際には、パワートランジスタにおいて発生する熱を抑制する対策が必要である。

加熱防止の対策の１つとして、ＰＷＭ（パルス幅変調）信号のキャリア周波数、すなわちパワートランジスタのスイッチング周波数を低減させて、インバータにおいて発生する熱を抑制する技術が知られている。キャリア周波数の低減は、例えば、モータの回転数が十分低い場合に、坂道発進の際サイドブレーキをオンしたままアクセルを踏んだときや、車止めに車輪が当たっている状態でアクセルを踏んだときのように、外力によりロックされているとみなすことができる場合に行われる。また、パワートランジスタの温度を検出して、温度の変化に応じてキャリア周波数を変化させて、インバータにおいて発生する熱を抑制する技術が知られている。

特許文献１には、故障して軌道上に立ち往生した列車を他の列車で待避させるための推進運転、故障したユニットを切り離して、残りのユニットのみで運転するユニットカット運転、洗車時の低速の一定速度運転などの特殊運転モードへ通常運転モードから切り替わったときにスイッチング周波数を低く設定して、スイッチング素子の損失を抑制する技術が開示されている。

特許文献２には、筐体の中に制御基板を備えたインバータ装置において、制御基板に温度検出手段を設け、筐体内の雰囲気温度を検出してインバータ装置の動作状況を把握する技術が開示されている。

特開平５−３０８７０４号公報特開２００３−３２４９６７号公報

ところで、ハイブリッド電気自動車に備えられるインバータは、搭載スペースが限られているため、エンジンの近傍に配置せざるを得ない場合も多い。また、インバータは、内部の制御基板などの加熱を抑制するために、冷却水により冷却されていることが多い。ところが、坂道走行などの高負荷走行後に、エンジンをアイドリング状態で放置する場合や低速で走行を継続する場合、高負荷走行の影響により冷却水の水温が高くなり、インバータ装置の冷却効率が低下することがある。また、低速で走行する場合、エンジンルーム内に取り込まれる冷却風が減少するため、インバータの冷却効果が低下する。

本発明は、ハイブリッド電気自動車が高負荷で走行後に、たとえエンジンをアイドリング状態で放置する、あるいは低速で走行を継続する場合でも、インバータの発熱を抑制することを目的とする。

本発明に係るハイブリッド電気自動車は、駆動源としてエンジンおよびモータを備え、前記エンジンが作動期間と休止期間とを交互に繰り返す間欠運転を行い、前記作動期間における前記エンジンの動力により前記モータに発電させるハイブリッド電気自動車において、前記モータに接続されたインバータに対して所定のキャリア周波数のパルス変調信号を供給するモータ制御部であって、前記エンジンが間欠運転中で車速が所定の閾速度より小さい場合、前記休止期間における前記インバータのキャリア周波数を、前記作動期間における前記インバータのキャリア周波数より低く設定するモータ制御部を備えることを特徴とする。

本発明に係るハイブリッド電気自動車の１つの態様では、前記モータ制御部は、前記エンジンが間欠運転中で前記車速がゼロの場合、前記休止期間における前記インバータへの前記パルス変調信号の供給を停止することを特徴とする。

本発明に係るハイブリッド電気自動車の１つの態様では、前記モータ制御部は、前記エンジンが間欠運転を行う直前における前記モータの負荷が所定の閾値より大きい場合のみ、前記インバータのキャリア周波数より低く設定する、あるいは、前記インバータへの前記パルス変調信号の供給を停止することを特徴とする。

本発明によれば、車速が所定の閾速度より小さい場合、エンジンの休止期間におけるインバータのキャリア周波数を、エンジンの運転期間におけるインバータのキャリア周波数より低く設定することで、ハイブリッド電気自動車が高負荷で走行後に、たとえエンジンをアイドリング状態で放置する、あるいは低速で走行を継続する場合でも、インバータの発熱を抑制することができる。

本発明を実施するための最良の形態を具体的に示す実施形態について、以下図面を用いる説明する。

図１は、本実施形態に係るハイブリッド電気自動車１０の概略の構成を示す図である。ハイブリッド電気自動車１０は、図示するように、エンジン２２と、エンジン２２の出力軸としてのクランクシャフト２６にダンパを介して接続された３軸式の動力分配機構３０と、動力分配機構３０に接続された発電可能なモータＭＧ１と、動力分配機構３０に駆動軸３２を介して接続されたモータＭＧ２と、動力出力装置全体をコントロールするハイブリッド用電子制御ユニット（以下、ハイブリッドＥＣＵという）７０とを備える。駆動軸３２は、エンジン２２や、モータＭＧ１，ＭＧ２からの動力を、減速機３４およびドライブシャフト３６を介して駆動輪に伝達する。

エンジン２２は、燃料タンク（図示せず）からのガソリンまたは軽油などの炭化水素系の燃料の供給を受けて動力を出力する内燃機関である。エンジン２２は、エンジン２２の運転状態を検出する各種センサから信号を入力するエンジン用電子制御ユニット（以下、エンジンＥＣＵという）２４により燃料噴射制御や点火制御、吸入空気量調節制御などの運転制御を受けている。エンジンＥＣＵ２４は、ハイブリッドＥＣＵ７０と通信しており、ハイブリッドＥＣＵ７０からの制御信号によりエンジン２２を運転制御する。さらに、エンジンＥＣＵ２４は、必要に応じてエンジン２２のエンジン回転数などの運転状態に関するデータをハイブリッドＥＣＵ７０に出力する。

動力分配機構３０は、エンジン２２の動力により駆動輪を直接駆動するための車両駆動力と、エンジン２２の動力によりモータＭＧ１を作動させて発電を行わせる発電駆動力とに適切に分割するための周知のいわゆる遊星歯車機構を備える。動力分配機構３０は、さらにモータＭＧ２のロータシャフトと駆動軸３２とを介して回転伝達可能な機構を備える。

モータＭＧ１およびモータＭＧ２は、いずれも発電機として三相交流により駆動することができ、かつ電動機として駆動できる周知の同期発電電動機として構成されており、インバータ４１，４２を介してバッテリ５０と電力のやりとりを行なう。モータＭＧ１，ＭＧ２は、インバータ４１，４２を介していずれもモータ用電子制御ユニット（以下、モータＥＣＵという）４０により駆動制御されている。モータＥＣＵ４０には、モータＭＧ１，ＭＧ２を制御するために必要な信号、例えばモータＭＧ１，ＭＧ２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサからの信号や電流センサにより検出されるモータＭＧ１，ＭＧ２に印加される電流などが入力される。また、モータＥＣＵ４０からは、インバータ４１，４２へのスイッチング信号（パルス幅変調信号）が出力される。モータＥＣＵ４０は、モータＭＧ１およびモータＭＧ２の回転数を検出する各回転数センサからモータＭＧ１およびモータＭＧ２の回転数、電流センサからインバータ４１，４２に入力されるインバータ電流Ｉ１，Ｉ２、モータＭＧ１およびモータＭＧ２から出力させるべきトルクの値であるトルク指令値をハイブリッドＥＣＵ７０から入力し、キャリア周波数を演算し、インバータ４１，４２へスイッチング信号を出力する。

バッテリ５０は、バッテリ用電子制御ユニット（以下、バッテリＥＣＵという）５２によって管理されている。バッテリＥＣＵ５２には、バッテリ５０を管理するのに必要な信号、例えば、バッテリ５０の端子間に設置された電圧センサからの端子間電圧、バッテリ５０の出力端子に接続された電力ラインに取り付けられた電流センサからの充放電電流、バッテリ５０に取り付けられた温度センサからの電池温度などが入力される。また、バッテリＥＣＵ５２は、必要に応じて、入力された各信号に基づいてバッテリ５０の状態に関するデータを演算し、当該データを通信によりハイブリッドＥＣＵ７０に出力する。なお、バッテリＥＣＵ５２では、バッテリ５０を管理するために電流センサにより検出された充放電電流の積算値に基づいて充電状態（ＳＯＣ）も演算している。

ハイブリッドＥＣＵ７０には、イグニッションスイッチ８０からのイグニッション信号、エンジンＥＣＵ２４からエンジン２２のエンジン回転数Ｒｅｖなどが入力ポートを介して入力される。ハイブリッドＥＣＵ７０には、さらに、シフトレバーの操作位置を検出するシフトポジションセンサからのシフトポジションＳＰ，アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサからのアクセル開度Ａｃｃ，ブレーキペダルの踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサからのブレーキペダルポジションＢＰ，車速センサからの車速Ｖなどが入力ポートを介して入力されている。ハイブリッドＥＣＵ７０は、前述したように、エンジンＥＣＵ２４やモータＥＣＵ４０，バッテリＥＣＵ５２と通信ポートを介して接続されており、エンジンＥＣＵ２４やモータＥＣＵ４０、バッテリＥＣＵ５２と各種制御信号やデータのやりとりを行なっている。

さて、本実施形態では、上記のように構成されたハイブリッド電気自動車１０がアイドリング状態で放置された場合、ハイブリッドＥＣＵ７０は、エンジン２２を間欠的に作動させて、エンジン２２の動力によりモータＭＧ１を駆動してバッテリ５０の充電を間欠的に行う。つまり、ハイブリッドＥＣＵ７０は、エンジン２２が作動期間と休止期間とを交互に繰り返す間欠運転を行うようにエンジンＥＣＵ２４やモータＥＣＵ４０に制御信号を出力する。このようにアイドリング中にバッテリ５０の充電を行うことで、次回の始動時にバッテリ５０の充電不足によりモータＭＧ１を駆動できなくなることを防ぐ。ところが、ハイブリッド電気自動車が、坂道走行などの高負荷走行後に、上記のようにアイドリング状態で放置された場合、インバータ４１，４２を冷却する冷却水の水温も高負荷走行により温度が上昇しており、インバータ４１，４２の冷却効率が低下することがある。また、ハイブリッド電気自動車が、低速で走行する場合、エンジンルーム内に取り込まれる冷却風が減少するため、インバータ４１，４２の冷却効果が低下する。

一方、インバータ４１，４２は、スイッチング信号のキャリア周波数が高いほど、モータの駆動が安定し、異音の発生を抑制することができる。しかし、キャリア周波数が高いほど、インバータ４１，４２が備えるパワートランジスタは加熱されやすい。言い換えれば、キャリア周波数が低いほどパワートランジスタの加熱を抑制することができる。そのため、ハイブリッド電気自動車１０をアイドリング状態で放置する場合、常にキャリア周波数を低く設定しておき、パワートランジスタの加熱を抑制することも考えられる。しかし、上記の通り、アイドリング中には、モータＭＧ１を駆動させて、バッテリ５０の充電が行われる。つまり、アイドリング状態で放置する場合に、常にキャリア周波数を低く設定しておくと、バッテリ５０の充電の際に駆動するモータＭＧ１あるいはモータＭＧ２から異音が発生するおそれがある。

そこで、本実施形態では、ハイブリッド電気自動車１０をアイドリング状態で放置する場合、エンジン２２が休止している期間、つまり、モータＭＧ１およびモータＭＧ２のトルクがゼロの間、モータＥＣＵ４０がインバータ４１，４２に対して出力するキャリア周波数を低く設定することで、インバータ４１，４２で発生する熱を抑制する。

図２は、アイドリング状態の際のエンジン２２の運転状態に対応するキャリア周波数に関するタイミングチャートを示す。図２に示すように、モータＥＣＵ４０は、エンジン２２が間欠運転を行うアイドリング状態において、エンジン２２が休止している期間は、モータＭＧ１およびモータＭＧ２が駆動していないと判断して、エンジン２２が作動している期間よりも、キャリア周波数を低く設定する。より具体的には、モータＥＣＵ４０は、エンジン２２の作動期間のキャリア周波数を例えば２０ｋＨｚとする場合、エンジン２２の休止期間のキャリア周波数を例えば１０ｋＨｚあるいは例えば１ｋＨｚに設定する。なお、図２において、（ａ）は、エンジン２２の作動期間も休止期間もキャリア周波数を２０ｋＨｚに設定した場合のインバータ４１あるいはインバータ４２内部の雰囲気温度を示す。（ｂ）は、エンジン２２の作動期間のキャリア周波数を２０ｋＨｚ、エンジン２２の休止期間のキャリア周波数を１０ｋＨｚとした場合の雰囲気温度を示す。（ｃ）は、エンジン２２の作動期間のキャリア周波数を２０ｋＨｚ、エンジン２２の休止期間のキャリア周波数を１ｋＨｚとした場合の雰囲気温度を示す。つまり、図２に示す通り、エンジン２２の休止期間のキャリア周波数を低くするほどインバータ内部の雰囲気温度の上昇を抑制できることがわかる。

なお、上記の実施形態では、エンジン２２の休止期間、キャリア周波数を低くする例について説明した。しかし、例えば、図３に示すように、エンジン２２の休止期間において、モータＥＣＵ４０がスイッチング信号をオフ、つまりスイッチング信号をインバータ４１，４２に出力しないようにしてもよい。これにより、図３の（ｄ）に示すように、エンジン２２の休止期間もスイッチング信号をオンする場合と比べて、インバータ内部の雰囲気温度の上昇を抑制することができる。

上記の通り、インバータの温度上昇が起こりやすいアイドリング時のエンジン２２の休止期間において、インバータに入力するスイッチング信号のキャリア周波数を低くする、あるいはスイッチング信号をインバータに入力しないように構成することで、アイドリング時のインバータの温度上昇を抑制することができる。

ハイブリッド電気自動車に搭載されるインバータは、スペースの制約があるため、エンジンルーム付近など高温環境下に配置されることが多い。よって、インバータが備える回路も高温になる可能性が高く、回路の耐熱性能を考慮する必要があり、耐熱性能を向上させるためには回路の大型化を招くおそれがある。しかし、本実施形態によれば、アイドリング時のエンジン２２の休止期間において、キャリア周波数を低く設定する、あるいはスイッチング信号をオフするため、インバータ内部の温度上昇を抑制することができる。よって、インバータが備える回路の耐熱性能もある程度低くしても問題ない。よって、耐熱性能を向上させるための回路の大型化を抑制することができる。また、モータが駆動していないエンジン２２の休止期間にキャリア周波数を低く設定する、あるいはスイッチング信号をオフすることで、モータの回転時に発生する異音も抑制することができる。

また、上記の実施形態では、ハイブリッド電気自動車がアイドリング状態、つまり、停車中にエンジン２２が間欠運転を行っている場合に、キャリア周波数の値を変更する、あるいはスイッチング信号をオフする例について説明した。しかし、例えば、エンジン２２が間欠運転を行っている間における車速に応じて、キャリア周波数の値を変更するか、スイッチング信号をオフするかを切り替えてもよい。すなわち、モータＥＣＵ４０は、エンジン２２が間欠運転時の休止期間において、車速が所定の閾速度より小さい場合に、キャリア周波数を低く設定し、さらに、車速がゼロとなった場合、つまりハイブリッド電気自動車が停車した場合に、スイッチング信号をオフしてもよい。

さらに、上記の実施形態では、アイドリング状態に移行する直前の走行状態によらずに、エンジン２２の間欠運転時の休止期間において、キャリア周波数を低く設定する、あるいはスイッチング信号をオフする例について説明した。

しかし、インバータの発熱の抑制は、坂道走行などの高負荷走行後に、エンジンをアイドリング状態で放置する場合や低速で走行を継続する場合に行うのが好適である。よって、ハイブリッド電気自動車が高負荷走行直後に、エンジン２２が間欠運転（アイドリング状態）に移行した場合のみ、エンジン２２の間欠運転時の休止期間においてキャリア周波数を低く設定する、あるいはスイッチング信号をオフしてもよい。この場合、例えば、モータＥＣＵ４０は、エンジン２２が間欠運転（アイドリング状態）に移行する直前におけるモータＭＧ１，ＭＧ２の負荷（トルクやインバータ電流）が所定の閾値より大きいか否かを判定して、大きい場合のみエンジン２２の間欠運転時の休止期間においてキャリア周波数を低く設定する、あるいはスイッチング信号をオフすればよい。

本実施形態に係るハイブリッド電気自動車の機能ブロックを示す図である。アイドリング状態の際のエンジンの運転状態に対応するキャリア周波数に関するタイミングチャートの一例を示す図である。アイドリング状態の際のエンジンの運転状態に対応するスイッチング信号に関するタイミングチャートの一例を示す図である。

符号の説明

１０ハイブリッド電気自動車、２２エンジン、２４エンジンＥＣＵ、２６クランクシャフト、３０動力分配機構、３２駆動軸、３４減速機、３６ドライブシャフト、４０モータＥＣＵ、４１，４２インバータ、５０バッテリ、５２バッテリＥＣＵ、７０ハイブリッドＥＣＵ、８０イグニッションスイッチ。

Claims

駆動源としてエンジンおよびモータを備え、前記エンジンが作動期間と休止期間とを交互に繰り返す間欠運転を行い、前記作動期間における前記エンジンの動力により前記モータに発電させるハイブリッド電気自動車において、
前記モータに接続されたインバータに対して所定のキャリア周波数のパルス変調信号を供給するモータ制御部であって、前記エンジンが間欠運転中で車速が所定の閾速度より小さい場合、前記休止期間における前記インバータのキャリア周波数を、前記作動期間における前記インバータのキャリア周波数より低く設定するモータ制御部
を備えるハイブリッド電気自動車。
請求項１に記載のハイブリッド電気自動車において、
前記モータ制御部は、
前記エンジンが間欠運転中で前記車速がゼロの場合、前記休止期間における前記インバータへの前記パルス変調信号の供給を停止する、
ことを特徴とするハイブリッド電気自動車。
請求項１または２に記載のハイブリッド電気自動車において、
前記モータ制御部は、
前記エンジンが間欠運転を行う直前における前記モータの負荷が所定の閾値より大きい場合のみ、前記インバータのキャリア周波数より低く設定する、あるいは、前記インバータへの前記パルス変調信号の供給を停止する、
ことを特徴とするハイブリッド電気自動車。