JP2011046279A - ハイブリッド車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車載補機類の消費電力の見込み値を電動エアコンの負荷状況に応じた値に設定することにより、車両全体における電力収支を適正に維持することができるハイブリッド車両を提供する。
【解決手段】ハイブリッド車両１０は、バッテリ１６と、エンジン１２と、エンジン１２から動力供給を受けて発電可能なモータ２４と、バッテリ１６の高圧電力を所定の低電圧に降圧して電動エアコン４９を含む車載補機類４８の駆動電力として出力するＤＣ／ＤＣコンバータ４６と、エンジン１２等を作動制御するコントローラ２６とを備える。コントローラ２６は、電動エアコンが暖房モードで運転されるとき、車載補機類４８の駆動電力の通常値である第１の値Ｐ₁から、電動エアコンの負荷状況に応じた消費電力が第１の値Ｐ₁に加算された第２の値Ｐ₂に切り替える処理を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド車両に係り、特に、電動エアコンを搭載したハイブリッド車両に関する。

従来、バッテリから放電される電力によってモータを駆動して走行用動力を出力させる電動車両が知られており、そのうち走行用動力源としてエンジンとモータとを併用するハイブリッド車両が普及している。

上記ハイブリッド車両においてモータは、電動機として機能して走行用動力を出力するのに加えて、回生制動時に車輪から入力される動力やエンジン動力を受けて発電を行う発電機としても機能するモータジェネレータであり、モータで発電された電力はバッテリに充電されるようになっている。バッテリには、高圧電力を充放電可能な例えばリチウムイオン電池等の二次電池が好適に用いられ、バッテリの充電状態（ＳＯＣ(State Of Charge)）が所定範囲内に維持されるようにコントローラによって管理されている。

バッテリから放電される高圧電力は、モータの駆動電力として使用されるだけでなく、車両に搭載された各種補機類、例えば電動エアコン、冷却ファン、燃料ポンプ等の駆動電力としても消費される。これらの補機類の駆動電力は、バッテリからの高圧電力をＤＣ／ＤＣコンバータによって例えば１２Ｖの低電圧に降圧して供給される。

コントローラは、バッテリの充電が必要とされる場合にエンジン動力によってモータを駆動して発電させるが、そのときバッテリ要求充電量（ｋＷ）に補機類の消費電力見込み値（ｋＷ）を加えた値を発電電力指令として生成することがある。この場合、全補機類の最大消費電力を見込み値として用いると、発電電力の指令値と実際に補機類で消費される実消費電力とのずれが大きくなり、発電動力の無駄ひいては燃費の悪化につながる。そのため、補機類の消費電力見込み値として、車両走行時に常時必要となる各種のスイッチ、センサ、制御用コンピュータ等の駆動電力を賄える一定値が設定されることがある。

そうした場合、車載の電動エアコンによる消費電力が見込まれていないため、発電電力指令値が実消費電力を下回る事態が生じる。通常、実消費電力はバッテリからの放電電力を監視しているために取得できるので、コントローラは発電指令値を実消費電量に迅速に一致させるようフィードバック制御を行うようになっている。具体的には、上記のように実消費電力の方が大きい場合、発電指令値をより大きく設定して上記実消費電力とのずれを解消し、エンジン回転数を上げてモータによる発電電力を増加させることになる。

しかし、バッテリ温度が所定温度以下の低温時において、リチウムイオン電池等の二次電池では許容充電電力が極端に低下するため、バッテリ保護の観点からバッテリ充電電力を制限する制御が実行されることがある。そうした場合に、上記のようなフィードバック制御によってもモータによる発電量を十分に増加させることができず、車両全体としての電力収支バランスが崩れ、その結果、バッテリからの過放電によってバッテリ電圧が急降下して使用下限電圧を割り込み、寿命低下や性能劣化を招くことになる。このような事態は、低温環境下にあるハイブリッド車両において、電動エアコンが例えば比較的高温の温度設定で且つ風量強で運転されたとき、電動エアコンに含まれる電熱ヒータおよびブロアファン用モータでの消費電力が大きくなることにより、特に生じやすい。

例えば特許文献１には、エンジンのアイドル回転の安定を図りつつ、低温下におけるＤＣ／ＤＣコンバータ起動時のバッテリからの放電を抑制して、バッテリの一時的な電圧降下を防止することを課題としたハイブリッド車両が開示されている。このハイブリッド車両では、モータコントローラ８は、エンジン７がアイドル状態でモータジェネレータ６の発電量が少なく、高電圧バッテリ１の温度が規定下限温度以下である場合、出力可変ＤＣ／ＤＣコンバータ２を低電圧モードで起動し、その後エンジン７のアイドル回転に影響を与えない速度で徐々に発電量を増加させ、そして、モータジェネレータ６の発電量を出力可変ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力の消費電力と比較して、モータジェネレータ６による発電量が確保できたことを判断し、出力可変ＤＣ／ＤＣコンバータ２の動作モードを低電圧モードから高電圧モードへ切り替える、ことが記載されている。

特開２００３−１８９４０１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のハイブリッド車両での制御は、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力である消費電力を低電圧電力情報取得部で検出することでなし得るものであるため、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力（すなわち車載補機類の消費電力）を検出する構成を採用していないハイブリッド車両には適用できない。

本発明の目的は、車載補機類の消費電力の見込み値を電動エアコンの負荷状況に応じた値に設定することにより、車両全体における電力収支を適正に維持することができるハイブリッド車両を提供することにある。

本発明に係るハイブリッド車両は、高圧電力を充放電するバッテリと、走行用動力を出力するエンジンと、バッテリから電力供給を受けて走行用動力を出力可能であってエンジンから動力供給を受けて発電可能なモータと、バッテリの高圧電力を所定の低電圧に降圧して電動エアコンを含む車載補機類の駆動電力として出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、バッテリ状態を管理しつつエンジン、モータおよびＤＣ／ＤＣコンバータを作動制御するコントローラと、を備えるハイブリッド車両であって、前記コントローラは、前記電動エアコンが暖房モードで運転されるとき、前記車載補機類の駆動電力の通常値である第１の値から、前記電動エアコンの負荷状況に応じた消費電力が前記第１の値に加算された第２の値に切り替える処理を実行することを特徴とする。

本発明に係るハイブリッド車両によれば、コントローラは、電動エアコンが暖房モードで運転されるとき、車載補機類の駆動電力の通常値である第１の値から、電動エアコンの負荷状況に応じた消費電力が第１の値に加算された第２の値に切り替える処理を実行する。これにより、電動エアコンを含む車載補機類の消費電力に見合った発電電力指令を生成してモータを発電動作させることができ、ハイブリッド車両全体としての電力収支を適正に維持することができる。その結果、低温時にバッテリの許容充電量が低下している状況でも、バッテリの電圧下限割れによる寿命低下や性能劣化を抑制できる。

本発明の一実施形態であるハイブリッド車両の概略構成図である。 車載補機類の１つである電動エアコンの概略構成図である。 モータに対する発電電力指令を生成する工程を模式的に示す図である。 電動エアコンが暖房モードで運転されているときに車載補機類の消費電力の見込み値を切り替える制御の処理手順を示すフローチャートである。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

下記においては、主として電動機として機能して走行用動力を出力するモータと主として発電機として機能するモータの２つのモータを搭載したハイブリッド車両を例に説明するが、本発明は、走行用動力源および発電機として用いられる１つのモータだけを搭載したハイブリッド車両に適用されてもよい。

図１は、本発明の一実施形態であるハイブリッド車両１０の概略構成を示す。図１中、動力伝達系は丸棒状の軸要素として図示され、電力系は実線で図示され、信号系は破線で図示されている。

ハイブリッド車両１０は、走行用動力源としてのエンジン１２と、別の走行用動力源である第２のモータ（図中「ＭＧ２」と表示）１４と、エンジン１２の出力軸１８が連結される動力分配機構２０を介して回転軸２２が接続される第１のモータ２４と、第１および第２のモータ２４，１４に駆動電力を供給可能なバッテリ１６と、上記エンジン１２およびモータ２４，１２の作動を統括的に制御するコントローラ（図１中「ＥＣＵ（Electronic Control Unit）」と表示）とを備える。

エンジン１２は、ガソリン等を燃料とする内燃機関であり、コントローラ２６からの指令に基づき始動、運転、停止等が制御される。また、エンジン１２から動力分配機構２０へと延伸する出力軸１８の近傍にはエンジン回転数Ｎｅを検出するエンジン回転数センサ２８が設けられており、このセンサ２８により検出されるエンジン回転数Ｎｅがコントローラ２６に入力されるようになっている。

動力分配機構２０は、例えば遊星歯車機構によって好適に構成されることができる。エンジン１２から出力軸１８を介して動力分配機構２０に入力された動力は、減速機３０および車軸３２を介して駆動輪３４に伝達されて、ハイブリッド車両１０がエンジン動力によって走行することができる。

また、動力分配機構２０は、出力軸１８を介して入力されるエンジン１２の動力の一部または全部を、回転軸２２を介して第１のモータ２４に入力することができる。このとき、例えば三相同期型交流モータによって好適に構成される第１のモータ２４は発電機として機能し、発電された三相交流電圧がインバータ３６によって直流電圧に変換された後、バッテリ１６に充電されることができる。

また、第１のモータ２４は、バッテリ１６からインバータを介して供給された電力により回転駆動される電動機としても機能することができ、第１のモータ２４が回転駆動されて回転軸２２に出力される動力は動力分配機構２０および出力軸１８を介してエンジン１２に入力され、エンジン１２を始動させる際にエンジン１２をクラッキングさせる。すなわち、第１のモータ２４は、セルモータとして機能する。

主として電動機として機能する第２のモータ１４は、例えば三相同期型交流モータによって好適に構成されることができ、バッテリ１６から供給される直流電圧がインバータ３８で三相交流電圧に変換されて駆動電圧として印加されることにより回転駆動される。第２のモータ１４が駆動されて回転軸１５に出力される動力は、減速機３０および車軸３２を介して駆動輪３４に伝達され、これにより電動走行またはＥＶ走行が可能になる。また、第２のモータ１４は、ユーザのアクセル操作によりハイブリッド車両１０に対して急加速要求があった場合等に、走行用動力を出力してエンジン出力をアシストする機能も有する。

さらに、第２のモータ１４は、車両の回生制動時に発電機として機能することができ、駆動輪３４から減速機３０および回転軸１５を介して入力される動力によって交流電力を発電する。第２のモータ１４で発電されて出力される三相交流電圧は、インバータ３８によって直流電圧に変換された後、バッテリ１６に充電されることができる。

インバータ３６，３８は、上述したように双方向の交流・直流変換機能を有する公知構成のものを用いることができる。また、第１のモータ２４によって発電された電力をインバータ３６からインバータ３８に直に供給して、第２のモータ１４の駆動電力として用いることもできる。

バッテリ１６には、充放電可能な二次電池、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池等を好適に用いることができる。バッテリ１６には、バッテリ電圧Ｖｂを検出する電圧センサ４０と、バッテリ１６に出入りするバッテリ電流Ｉｂを検出する電流センサ４２、バッテリ１６の温度Ｔｂを検出する温度センサ４４とが設けられている。各センサ４０，４２，４４による検出値は、コントローラ２６に入力されてバッテリ１６のＳＯＣ（State Of Charge）を管理するために用いられる。

また、バッテリ１６に接続される一対の電力ラインには、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４６は、バッテリ１６から放電される例えば２００Ｖの高圧電力を例えば１２Ｖの低圧電力に降圧する機能を有する電圧変換器であり、電力用スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）等を含んで構成される公知構成のものを用いることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ４６は、コントローラ２６からの信号を受けて作動制御される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４６の出力端子には車載補機類４８が接続されている。車載補機類４８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６によって降圧された低圧電力によって駆動される。ここで、車載補機類４８には、電動エアコン４９（図２参照）、冷却ファン、燃料ポンプ、スイッチ類、センサ類、および制御用コンピュータ等が含まれる。

電動エアコン４９は、バッテリ１６から放電される直流電力がＤＣ／ＤＣコンバータ４６によって降圧されて供給されることで、内部に含むモータ等が駆動されて空調動作を行う電動式のエアコンである。電動エアコン４９は、コントローラ２６からの信号を受けて作動が制御されると共に、ユーザ操作による設定状況、具体的にはオン・オフ設定、温度設定、風量設定等を示す信号をコントローラ４８に送信するようになっている。

なお、車載補機類４８への安定した電力供給を行うために、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６と車載補機類４８との間に例えば充放電可能な鉛電池（定格電圧１２Ｖ）からなる補機バッテリ（図示せず）が接続されてもよい。

コントローラ２６は、各種の制御プログラムを実行するＣＰＵ、制御プログラム等を予め記憶するＲＯＭ、各センサ４０，４２，４４による検出値などを一時的に記憶するＲＡＭ等の含むマイクロコンピュータとして好適に構成されることができる。コントローラ２６は、エンジン回転数Ｎｅ、バッテリ電流Ｉｂ、バッテリ電圧Ｖｂ、バッテリ温度Ｔｂ、アクセル開度信号Ａｃｃ、車速Ｓｖ等が入力される入力ポート、ならびに、エンジン１２、インバータ３６，３８、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６および電動エアコン４９の作動を制御する制御信号を出力する出力ポートを含む入出力インターフェースを有する。また、上記ＲＯＭには、電動エアコン４９の負荷状況、具体的には暖房モード運転時の設定温度や風量に応じて変化する電熱ヒータおよびブロアモータの消費電力量がマップまたはテーブル等の形式で予め記憶されている。

なお、本実施形態のハイブリッド車両１０では、コントローラ２６が車両全体を一括して制御するものとして説明するが、エンジン１２、モータ１４，２４、バッテリ１６等がそれぞれ個別のコントローラ（エンジン用ＥＣＵ、モータ用ＥＣＵ、バッテリ用ＥＣＵ等）によって監視および制御され、コントローラ２６が上記各個別のコントローラと通信して全体を統括制御する構成としてもよい。

図２は、電動エアコン４９の構成を概略的に示す。電動エアコン４９は、空気通路形成部材５０内に、ブロワモータ５１によって回転駆動されるファン５２、冷媒系統６０の一部を構成するエバポレータ５４、電力供給されて発熱する電熱ヒータ５６、および、図示しないサーボモータにより回動されて空気取り込み流路を車外または車室に切り替える切り替えドア部材５８を含んで構成されている。

冷媒系統６０は、エバポレータ５４、コンプレッサモータ６４によって駆動されるコンプレッサ６６、放熱器６８、および膨張弁７０を冷媒配管７２でループ状に接続して構成されている。冷媒は、コンプレッサ６６によって圧縮されることにより高温高圧のガス状冷媒となって放熱器６８に送られる。放熱器６８を通過する際に、冷媒は外部に放熱することにより高温高圧の液状冷媒となる。そして、膨張弁７０が所定のタイミングで開閉することにより、冷媒は低温低圧の霧状冷媒となってエバポレータ５４に送られる。エバポレータ５４では、内部を流れる低温低圧の冷媒がエバポレータ５４を通過して流れる空気から吸熱して冷風が生成される。エバポレータ５４を通過した冷媒は、コンプレッサ６６に還流する。このようにして電動エアコン４９が冷房モードで運転されるとき、所定の設定温度に温調された冷風が車室内送風通路６３へと送られるようになっている。冷房時の冷風温度は、コンプレッサモータ６４の回転数や膨張弁７０の開閉タイミング等を調節することにより所望温度に設定されることができる。コンプレッサモータ６４には図示しない電流センサが設けられており、コントローラ６４はその電流センサの検出値に基づいてコンプレッサモータ６４の消費電力を取得することができる。

一方、電動エアコン４９が暖房モードで運転されるとき、電熱ヒータ５６に電力供給して発熱させ、ヒータ周囲を流れる空気を温めることにより温風を生成する。この温風の温度は、電熱ヒータ５６に供給される電力によって発熱量を調節することにより所望温度に設定される。コントローラ２６は、暖房モード運転中である電動エアコン４９の設定温度および空気通路形成部材５０内に取り込まれる空気と上記設定温度との温度差に基づいて電熱ヒータ５６の消費電力を上記ＲＯＭから取得することができる。

さらに、電動エアコン４９に含まれるブロアモータ５１の回転数は、ユーザ操作により又は自動的に選択される風量設定、例えば風量弱、中、強の３段階に応じて変化し、コントローラ２６はそのときの風量設定に基づいてブロアモータ５１の消費電力を上記ＲＯＭから取得することができる。

続いて、上記構成からなるハイブリッド車両１０の動作について簡単に説明する。ユーザによってスタートスイッチ（図示せず）がオン操作されると、バッテリ１６からインバータ３６を介して第１のモータ２４に電力供給されて駆動され、これによりエンジン１２がクランキングされて始動される。その後、発進時に車両がＥＶ走行する場合、エンジン１２は暖機運転を終了すると運転停止されることになる。

車両速度Ｓｖが低速域から中速域にかけては、ユーザによるアクセル踏み込み量に応じた車両加速度が比較的緩やかな場合、バッテリ１６に出力制限がかかっていないことを条件に、バッテリ１６からインバータ３８を介して電力供給されて第２のモータ１４が駆動され、これによりＥＶ走行が行われる。これに対し、車両速度Ｓｖが中速域から高速域になった場合、あるいは、ユーザのアクセル操作により比較的大きな車両加速要求がある場合等に、エンジン１２を運転して走行用動力を出力させ、必要に応じて第２のモータ１４からも走行用動力を出力させる。

また、コントローラ２６は、バッテリ１６のＳＯＣが例えば４０〜８０％内に維持されるように常時監視および制御している。具体的には、ＳＯＣが低下して４０％に近づくとバッテリ充電指令を発し、エンジン動力により第１のモータ２４で発電させ、その発電電力をバッテリ１６に充電してＳＯＣを回復させる制御を実行する。

図３は、コントローラ２６が第１のモータ２４に対する発電電力指令を生成する工程を模式的に示す図である。上記のようにコントローラ２６では、バッテリ１６のＳＯＣに基づいてバッテリ要求充電量Ｐｉｎ（ｋＷ）が決定される。そして、電動エアコン４９が冷房モードで運転されているときは、コンプレッサモータ６４の消費電力（消費パワー）Ｐｃｏｍ（ｋＷ）が上記バッテリ要求充電量Ｐｉｎに加算部７４０において加算処理される。ただし、電動エアコン４９が運転されていないか又は暖房モードでの運転時には、上記コンプレッサモータ６４の消費電力Ｐｃｏｍは０に設定される。

さらに、車載補機類４８の消費電力（消費パワー）Ｐａｃｃｅ（ｋＷ）が上記バッテリ要求充電量Ｐｉｎに加算部７６において加算処理される。ここで、車載補機類４８の消費電力Ｐａｃｃｅは、図４に示す処理手順にしたがって第１の値Ｐ₁または第１の値Ｐ₂に設定される。すなわち、図４を参照すると、まず電動エアコン４９が暖房モードで運転されているか否かが判定され（ステップＳ１０）、暖房モードで運転中でないとき（ステップＳ１０でＮＯ）、車載補機類４８の消費電力Ｐａｃｃｅは第１の値Ｐ₁に設定され（ステップＳ１２）、一方、電動エアコン４９が暖房モードで運転されているとき（ステップＳ１０でＹＥＳ）、車載補機類４８の消費電力Ｐａｃｃｅは第２の値Ｐ₂に設定される（ステップＳ１４）。

ここで、上記第１の値Ｐ₁は、電動エアコン４９が暖房モードで運転されていないときの車載補機類４８の消費電力の通常値であり、車両走行時に常時必要となる各種のスイッチ、センサ、制御用コンピュータ等の駆動電力を賄える一定値として設定されるものである。これに対し、上記第２の値Ｐ₂は、電動エアコン４９が暖房モードで運転されているときの負荷状況に応じた消費電力、具体的には電熱ヒータ５６の消費電力およびブロアモータ５１の消費電力を上記第１の値Ｐ₁に加算したものである。

なお、この処理では電動エアコン４９が冷房モードで運転されているときのブロアモータ５１の消費電力が発電電力指令に反映されないことになるが、この場合、電動エアコン４９が冷房運転される常温またはそれ以上の温度環境下ではバッテリ１６の許容充電容量は十分に大きく、上記従来技術の欄で説明したように実消費電力と発電電力指令とのずれはフィードバック制御により迅速に解消可能であるため、ハイブリッド車両１０全体としての電力収支は良好に維持されることになる。

図３を再び参照すると、バッテリ要求充電量Ｐｉｎにコンプレッサ消費電力Ｐｃｏｍおよび車載補機類消費電力Ｐａｃｃｅが加算された後、システム効率補正部７８においてバッテリ放電時用定数（またはバッテリ充電時用定数）が乗算されて電力損失分を考慮した補正がなされる。そして、発電電力指令は、加算部８０において、アクセル開度Ａｃｃおよび車速Ｓｖに基づいて算出された走行要求パワーＰｄｒ＊に加算処理されてエンジン要求パワーＰｅ＊が生成される。このエンジン要求パワーＰｅ＊に基づいてエンジン１２の出力が制御され、発電電力指令に相当するエンジン出力の一部（車両が停車中またはＥＶ走行中であれば全部）が第１のモータ２４に供給されて発電が行われ、車載補機類４８の消費電力をカバーできる発電電力が得られる。

このように本実施形態のハイブリッド車両１０によれば、コントローラ２６は、電動エアコン４９が暖房モードで運転されるとき、車載補機類４８の駆動電力の通常値である第１の値Ｐ₁から、電動エアコン４９の負荷状況に応じた消費電力が第１の値Ｐ₁に加算された第２の値Ｐ₂に切り替える処理を実行する。これにより、電動エアコン４９を含む車載補機類４８の消費電力に見合った発電電力指令を生成して第１のモータ２４を発電動作させることができ、ハイブリッド車両１０全体としての電力収支を適正に維持することができる。その結果、低温時にバッテリ１６の許容充電量が低下している状況でも、バッテリ１６の電圧下限割れによる寿命低下や性能劣化を抑制できる。

１０ ハイブリッド車両、１２ エンジン、１４ 第２のモータ、１５ 回転軸、１６ バッテリ、１８ 出力軸、２０ 動力分配機構、２２ 回転軸、２４ 第１のモータ、２６ コントローラ、２８ エンジン回転数センサ、３０ 減速機、３２ 車軸、３４ 駆動輪、３６，３８ インバータ、４４ 温度センサ、４６ ＤＣ／ＤＣコンバータ、４８ 車載補機類、４９ 電動エアコン、５０ 空気通路形成部材、５１ ブロワモータ、５２ ファン、５４ エバポレータ、５６ 電気ヒータ、５８，６２ 切り替えドア部材、６０ 冷媒系統、６３ 車室内送風通路、６４ コンプレッサモータ、６６ コンプレッサ、６８ 放熱器、７０ 膨張弁、７２ 冷媒配管、７４，７６，８０ 加算部、７８ システム効率補正部。

Claims (1)

1. 高圧電力を充放電するバッテリと、走行用動力を出力するエンジンと、バッテリから電力供給を受けて走行用動力を出力可能であってエンジンから動力供給を受けて発電可能なモータと、バッテリの高圧電力を所定の低電圧に降圧して電動エアコンを含む車載補機類の駆動電力として出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、バッテリ状態を管理しつつエンジン、モータおよびＤＣ／ＤＣコンバータを作動制御するコントローラと、を備えるハイブリッド車両であって、
   前記コントローラは、前記電動エアコンが暖房モードで運転されるとき、前記車載補機類の駆動電力の通常値である第１の値から、前記電動エアコンの負荷状況に応じた消費電力が前記第１の値に加算された第２の値に変更する処理を実行することを特徴とする、ハイブリッド車両。

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