JP2011160530A - バッテリ充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】高圧バッテリの出力を降圧するコンバータと、内燃機関により駆動されて発電するオルタネータとを良好に協調させて、全体として高い効率で低圧バッテリを充電する。
【解決手段】バッテリ充電システムは、回転電機２に電力を供給すると共に回転電機２により発電された電力を蓄える高圧バッテリ３と、高圧バッテリ３よりも低い定格電圧で電力を蓄える低圧バッテリ４と、高圧バッテリ３の出力を所定の充電電圧に降圧して低圧バッテリ４の充電電力を生成するコンバータ５と、内燃機関１により駆動されて発電し、低圧バッテリ４の充電電力を生成するオルタネータ６と、低圧バッテリ４の充電に要求される要求電力と内燃機関１の回転数とに応じて、コンバータ５及びオルタネータ６のうち低圧バッテリ４の充電電力を生成する際の効率が高い方により低圧バッテリ４の充電電力を生成させて低圧バッテリ４を充電する充電制御部７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動源として内燃機関と回転電機とを備えたハイブリッド車両のバッテリ充電システムに関する。

近年、駆動源として回転電機と内燃機関とを併用したハイブリッド車両（自動車）が実用化されている。ハイブリッド車両では、駆動源となる回転電機を駆動するための比較的高電圧（２００Ｖ以上）の高圧バッテリと、車載電装品（補機）を駆動するための比較的低電圧（１２〜２４Ｖ程度）の低圧バッテリとが備えられる。車載電装品（補機）とは、例えば、車両の灯火装置や、空調システム、音響映像システム、制御系システムなどである。車載電装品（補機）は、内燃機関のみを駆動源とする従来の車両にも搭載されており、このような車両では、上記低圧バッテリに相当する１２〜２４Ｖ程度のバッテリを充電するために内燃機関により駆動されて発電するオルタネータが搭載されている。

ハイブリッド車両では、上述したように高圧バッテリを有しているので、高圧バッテリの電圧をコンバータにより降圧して低圧バッテリを充電することが可能である。但し、コンバータの小型化要求や、車両停止時における低圧バッテリへの充電によって高圧バッテリの容量が減少して発進時における回転電機の駆動に支障をきたすことを抑制するためなどの理由により、ハイブリッド車両にもオルタネータが搭載される場合がある。特開２００６−２８０１１０号公報（特許文献１）には、コンバータ及びオルタネータの双方により低圧バッテリを充電するハイブリッド車両が示されている。特許文献１に示されたハイブリッド車両では、低圧バッテリの電力消費が比較的小さい時にはコンバータで降圧された電力のみで低圧バッテリを充電し、低圧バッテリの電力消費が比較的大きい時にはコンバータで降圧された電力に加えてオルタネータで発電された電力も用いて低圧バッテリを充電する。

特開２００６−２８０１１０号公報（第３〜１４段落等）

特許文献１では、オルタネータによる発電効率が高圧バッテリの出力をコンバータで降圧する際の効率よりも低いという点に着目して、コンバータを優先的に利用して低圧バッテリを充電している。しかし、オルタネータの発電効率は、必ずしもコンバータによる降圧に対して低効率であるとは限らない。車両の駆動状況や車載電装品の稼働状況によっては、オルタネータを用いた方が効率が良い場合もあり得る。

従って、車両を駆動する回転電機用の高圧バッテリの出力を降圧するコンバータと、内燃機関により駆動されて発電するオルタネータとを良好に協調させて、全体として高い効率で車載電装品用の低圧バッテリを充電する技術が求められる。

上記課題に鑑みて創案された本発明に係るバッテリ充電システムの特徴構成は、
駆動源として内燃機関と回転電機とを備えたハイブリッド車両のバッテリ充電システムであって、
前記回転電機に電力を供給すると共に当該回転電機により発電された電力を蓄える高圧バッテリと、
前記高圧バッテリよりも低い定格電圧で電力を蓄える低圧バッテリと、
前記高圧バッテリの出力を所定の充電電圧に降圧して前記低圧バッテリの充電電力を生成するコンバータと、
前記内燃機関により駆動されて発電し、前記低圧バッテリの充電電力を生成するオルタネータと、
前記低圧バッテリの充電に要求される要求電力と前記内燃機関の回転数とに応じて、前記コンバータ及び前記オルタネータのうち前記低圧バッテリの充電電力を生成する際の効率が高い方により前記充電電力を生成させて前記低圧バッテリを充電する充電制御部と、を備える点にある。

上述したように、オルタネータの発電効率は、必ずしもコンバータによる降圧に対して低効率であるとは限らない。発明者らによる実験やシミュレーションによれば、低圧バッテリの充電に要求される要求電力を生成する際の効率は、コンバータ及びオルタネータの何れを用いる場合も、内燃機関の回転数に応じて変化することが確かめられた。また、効率が最大となる回転数はコンバータを用いて降圧する場合と、オルタネータを用いて発電する場合とで異なる場合が多いことも確かめられた。上述した特徴構成によれば、単純に要求電力のみに依存することなく、要求電力と内燃機関の回転数とに応じて、コンバータ及びオルタネータのうち低圧バッテリの充電電力を生成する際の効率が高い方により低圧バッテリの充電電力を生成させて低圧バッテリを充電する。従って、コンバータとオルタネータとを良好に協調させて、全体として高い効率で低圧バッテリを充電することが可能となる。

また、本発明に係るバッテリ充電システムの前記充電制御部は、前記コンバータにより前記低圧バッテリの充電電力を生成する際の効率が最大となる前記内燃機関の回転数である第１回転数を含む第１回転数帯に前記内燃機関の回転数が含まれる間は、前記コンバータにより前記低圧バッテリの充電電力を生成させて前記低圧バッテリを充電し、前記オルタネータにより前記低圧バッテリの充電電力を生成する際の効率が最大となる前記内燃機関の回転数である第２回転数を含む第２回転数帯に前記内燃機関の回転数が含まれる間は、前記オルタネータにより前記低圧バッテリの充電電力を生成させて前記低圧バッテリを充電すると好適である。この構成によれば、コンバータ及びオルタネータ共に、効率が最大となる回転数を含む回転数帯において低圧バッテリの充電電力を生成することとなるので、コンバータとオルタネータとを良好に協調させて、全体として高い効率で低圧バッテリを充電することが可能となる。尚、当然ながら、第１回転数帯と第２回転数帯とは重複して設定されてもよい。単純に両者を切り換えるための切り換え回転数を設けると、当該切り換え回転数の近傍において、低圧バッテリの充電電力を生成する主体が頻繁に切り替わるハンチングを生じる可能性がある。第１回転数帯と第２回転数帯とを重複させることによって、そのようなハンチングを抑制することも可能である。

ここで、前記第１回転数帯及び前記第２回転数帯は、前記要求電力に応じて設定されていると好適である。発明者らによる実験やシミュレーションによれば、低圧バッテリの充電電力と内燃機関の回転数とには相関関係があることが判っている。従って、第１回転数帯及び第２回転数帯が、固定値ではなく要求電力に応じて設定されると、コンバータ及びオルタネータ共に、効率が最大となる回転数が要求電力に応じて変化する場合にも、当該回転数を含む回転数帯を適切に設定することができる。その結果、コンバータとオルタネータとを良好に協調させて、全体として高い効率で低圧バッテリを充電することが可能となる。

また、本発明に係るバッテリ充電システムは、前記コンバータ及び前記オルタネータが前記要求電力に応じた前記低圧バッテリの充電電力を生成する際の効率を、前記内燃機関の回転数及び前記要求電力の値に基づいて記憶した効率マップを備え、前記充電制御部は、前記効率マップに基づいて前記コンバータ及び前記オルタネータの何れかで前記低圧バッテリの充電電力を生成させるかを決定すると好適である。要求電力と内燃機関の回転数とを引数として効率マップを参照することにより、迅速にコンバータ及びオルタネータの一方を選択することが可能となる。

また、本発明に係るバッテリ充電システムは、前記要求電力と前記内燃機関の回転数とに応じて、前記コンバータ及び前記オルタネータのうち前記低圧バッテリの充電電力を生成する際の効率が高い方が規定された選択マップを備え、前記充電制御部は、前記選択マップに基づいて前記コンバータ及び前記オルタネータの何れかで前記低圧バッテリの充電電力を生成させるかを決定すると好適である。発明者らによる実験やシミュレーションによれば、コンバータ及びオルタネータにより低圧バッテリの充電電力を生成する際の効率が逆転する内燃機関の回転数と、低圧バッテリの充電電力とには相関関係があることが判った。例えば、低圧バッテリの充電電力（要求電力）が大きいほど、効率が逆転する回転数、即ち低圧バッテリの充電電力を生成させる主体を切り換えるべき回転数が高くなる事例が発見された。選択マップには、要求電力と内燃機関の回転数とに応じて、低圧バッテリの充電電力を生成する際の効率が高い方が規定される。従って、要求電力と内燃機関の回転数とを引数として選択マップを参照することにより、迅速にコンバータ及びオルタネータの一方を選択することが可能となる。

また、本発明に係るバッテリ充電システムが搭載される前記ハイブリッド車両において、前記内燃機関の回転数と前記回転電機の回転数とは、前記内燃機関の駆動力が前記回転電機に伝達される状態において線形性を有するものであると好適である。内燃機関により駆動されて低圧バッテリの充電電力を生成するオルタネータの回転数と内燃機関の回転数とは線形性を有する。従って、オルタネータにより発電される低圧バッテリの充電電力と内燃機関の回転数とは相関関係を有する。低圧バッテリの充電電力がコンバータにより生成される際には、高圧バッテリから電力が持ち出される。高圧バッテリを充電するための電力は発電機として動作する際の回転電機により生成される。従って、低圧バッテリの充電電力がコンバータにより生成される際の効率は、発電機として動作する回転電機の効率も影響する。内燃機関の駆動力が回転電機に伝達される状態において、内燃機関の回転数と回転電機の回転数とは線形性を有する。従って、コンバータにより生成される低圧バッテリの充電電力は、オルタネータにより生成される低圧バッテリの充電電力と同様に内燃機関の回転数と相関関係を有する。つまり、オルタネータにより生成される低圧バッテリの充電電力及びコンバータにより生成される低圧バッテリの充電電力の双方が、内燃機関の回転数との間で相関関係を有するので、内燃機関の回転数に基づいてコンバータとオルタネータとを良好に協調させることが可能となる。

車両のシステム構成例を模式的に示すブロック図 充電電力ごとの回転数に応じた効率特性を示すグラフ 充電制御部による処理手順の一例を示すフローチャート 効率特性に基づく効率マップの概念を示すグラフ 効率特性に基づく効率マップの概念の他の例を示すグラフ 選択マップの概念を示すグラフ 選択マップの概念の他の例を示すグラフ

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、本実施形態に係るハイブリッド車両のハイブリッドシステムは、いわゆるパラレル方式であり、同一の回転軸方向に沿って、エンジン（内燃機関）１、モータ（回転電機）２、変速機構９の各機器が配列されている。つまり、変速機構９への入力軸に沿って、上記各機器が配列され、変速機構９を介して車輪に駆動力が伝達される。尚、図１において、二重線は電力の伝達経路を示している。ハイブリッド車両には、当該車両の駆動源となるモータ（回転電機）２に電力を供給すると共に、発電機として機能する時のモータ２により発電された電力を蓄える高圧バッテリ３と、高圧バッテリ３よりも低い定格電圧で電力を蓄える低圧バッテリ４とが備えられている。高圧バッテリ３は、定格電圧が２００〜２４０Ｖのバッテリであり、低圧バッテリ４は、定格電圧が１２〜２４Ｖのバッテリである。低圧バッテリ４は、例えば、車両の灯火装置や、空調システム、音響映像システム、制御系システムなどの車載電装品（補機）に電力を供給する。

エンジン１は、燃料の燃焼により駆動されるガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの公知の内燃機関である。燃料は、石油などの化石燃料に限らず、各種のアルコールや水素なども含まれる。エンジン１の制御は、車両制御ＥＣＵ（electronic control unit）１０の指令に基づき、ＥＧ制御ＥＣＵ１１によって行われる。変速機構９に対する入力軸は、エンジン１のクランクシャフト等の出力回転軸（第１出力回転軸）Ｘ１と一体回転するように駆動連結されている。本実施形態では、出力回転軸Ｘ１は、ダンパ５１及びクラッチ４２を介してモータ２のロータ２２の回転軸Ｘ２に連結される。変速機構９の構成も公知であるので図示並びに詳細な説明は省略するが、モータ２の回転軸Ｘ２は、変速機構９の歯車機構の入力軸に連結され、入力軸と同軸上に配置される出力ギヤは車輪に連結される。

エンジン１の駆動力は、さらにオルタネータ（スタータ・オルタネータ：Ｓ／Ａ）６にも伝達される。オルタネータ６は、モータ２に比べて小型の回転電機である。オルタネータ６は、力行動作時にはエンジン１を始動するためのスタータとして機能し、回生動作時には発電機として機能する。図示は省略するが、オルタネータ６は、ケーシングに固定されたステータと、このステータの径方向内側に回転自在に支持されたロータとを有している。オルタネータ６のロータの回転軸Ｘ６には、クラッチ４６を介してオルタネータ出力ギヤ５６が連結されている。また、変速機構９への入力軸に沿って、エンジン１に対してモータ２とは反対側に延出するエンジン１の第２出力回転軸Ｘ３はエンジン出力ギヤ５２に連結されている。オルタネータ出力ギヤ５６とエンジン出力ギヤ５２とは互いに噛み合っている。従って、クラッチ４６が締結されている状態において、オルタネータ６は、モータ２や変速機構９を介することなく、エンジン１に駆動連結される。尚、本実施形態においては、ギヤを介してエンジン１の駆動力がオルタネータ６に伝達される例を示したが、ベルトやチェーンによって伝達される構成であってもよい。

オルタネータ６は、図１に示すように、インバータ回路や整流回路を含むＳ／Ａ駆動回路１７を介して低圧バッテリ４に電気的に接続されている。オルタネータ６は、エンジン１の始動時に、低圧バッテリ４に充電された電力の供給を受け、モータ（スタータ）として機能してエンジン１をクランキングさせる。また、オルタネータ６は、低圧バッテリ４の蓄電量が少ない場合に、発電機として機能し、エンジン１の駆動力により発電した充電電力により低圧バッテリ４を充電する。このようなオルタネータ６の動作制御は、車両制御ＥＣＵ１０からの制御指令に従ってＳ／Ａ制御ＥＣＵ１６を介して行われる。

低圧バッテリ４は、コンバータ５を介して高圧バッテリ３にも接続されている。コンバータ５は、高圧バッテリ３の出力を所定の充電電圧に降圧して低圧バッテリ４の充電電力を生成する。従って、低圧バッテリ４は、オルタネータ及びコンバータ５により充電可能である。コンバータ５の動作制御は、車両制御ＥＣＵ１０からの制御指令に従ってコンバータ制御ＥＣＵ１５を介して行われる。

エンジン１と共にハイブリッド車両の駆動源となるモータ２は、図１に示すように、ケースに固定されたステータ２１と、このステータ２１の径方向内側に回転自在に支持されたロータ２２とを有している。ロータ２２は、変速機構９のギヤなどの入力回転要素（不図示）と一体回転するように駆動連結されている。ステータ２１は、図１に示すように、インバータ１３を介して高圧バッテリ３に電気的に接続されている。モータ２は、高圧バッテリ３から電力の供給を受けて動力を発生するモータとしての機能（力行動作）と、エンジン１や変速機構９（車輪）から動力の供給を受けて電力を発生する発電機としての機能（回生動作）との双方を果すことが可能である。このようなモータ２の動作は、車両制御ＥＣＵ１０からの制御指令に従ってモータ制御ＥＣＵ１２を介して行われる。

モータ２は、発電機として機能する場合には、発電した電力を高圧バッテリ３に供給して充電する。上述したように、低圧バッテリ４は、高圧バッテリ３の出力を所定の充電電圧に降圧して低圧バッテリ４の充電電力を生成するコンバータ５を介して充電されることもできる。この際、高圧バッテリ３から持ち出される電力は、モータ２による発電によって補われることになる。詳細は後述するが、低圧バッテリ４の充電電力の生成は、車両制御ＥＣＵ１０の充電制御部７の指令に従ってオルタネータ６及びコンバータ５の何れか一方により行われる。この際、充電制御部７は、両者の内、低圧バッテリ４の充電電力を得るための効率が高い方を用いて低圧バッテリ４を充電させる。コンバータ５を用いて高圧バッテリ３の出力を降圧して低圧バッテリ４の充電電力を生成させる際には、コンバータ５による変換効率に加え、高圧バッテリ３から持ち出す電力をモータ２により発電する発電効率も加味される。

上述したように、ハイブリッド車両の駆動システムは、クラッチ４２が非係合状態であって当該車両の車輪（駆動輪）への駆動力がモータ２のみから伝達される状態（ＥＶモード）と、クラッチ４２が係合状態であって車輪への駆動力がモータ２を介してエンジン１からも伝達される状態（モータアシストモード）との２つの走行モードを少なくとも有する。エンジン１の駆動力がモータ２に伝達される状態であるモータアシストモードにおいては、エンジン１の回転数とモータ２の回転数とは線形性を有する。即ち、モータアシストモードにおいて、エンジン１の回転数とモータ２の回転数とは比例関係にある。これは、モータ２がエンジン１に対してアシストトルクを付加する力行動作の際でも、エンジン１の駆動力により発電機として機能する回生動作の際でも同様である。オルタネータ６のロータの回転数は、当然ながらエンジン１の回転数と比例関係にある。従って、低圧バッテリ４を充電するための電力を作り出す発電機として機能するモータ２及びオルタネータ６が発電する電力は、共にエンジン１の回転数との間に相関関係を有するものとなる。

尚、当然ながら、クラッチ４２を有することなく、常にエンジン１とモータ２とが接続される構成であってもよい。クラッチ４２を有していない場合でも、低圧バッテリ４を充電するための電力を作り出す発電機として機能するモータ２及びオルタネータ６が発電する電力は、共にエンジン１の回転数との間に相関関係を有するものとなる。

コンバータ５及びインバータ１３は、複数のスイッチング素子を有して構成される。スイッチング素子には、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）やＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）を適用すると好適である。コンバータ５やインバータ１３の構成については、公知であるので詳細な説明及び図示は省略する。

車両制御ＥＣＵ１０、ＥＧ制御ＥＣＵ１１、モータ制御ＥＣＵ１２、Ｓ／Ａ制御ＥＣＵ１６は、ＣＰＵ（central processing unit）などの論理演算回路を有したマイクロコンピュータなどのプロセッサを中核として構成される。各ＥＣＵは、ハードウェア（プロセッサ）とソフトウェア（プログラム、パラメータ）との協働により、それぞれの機能を実現する。車両制御ＥＣＵ１０において構成される充電制御部７も、ハードウェアとソフトウェアとの協働により実現される。但し、各機能の実現は、ハードウェアとソフトウェアとの協働に限定されるものではなく、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）などを利用してハードウェアのみで構成されることを妨げるものではない。

ＣＰＵは、例えば、ＣＰＵコア、プログラムメモリ、パラメータメモリ、ワークメモリ、通信制御部、Ａ／Ｄコンバータ、タイマ、ポートなどを有して構成される。ＣＰＵコアは、ＣＰＵの中核であり、命令レジスタや命令デコーダ、種々の演算の実行主体となるＡＬＵ(arithmetic logic unit)、フラグレジスタ、汎用レジスタ、割り込みコントローラなどを有して構成される。

プログラムメモリは、充電制御プログラム、モータ制御プログラムなどが格納された不揮発性のメモリである。パラメータメモリは、プログラムの実行の際に参照される種々のパラメータが格納された不揮発性のメモリである。図１に示すマップ８も、パラメータであり、マップ８はパラメータメモリに格納される。尚、パラメータメモリは、プログラムメモリと区別することなく、プログラムメモリに含められていてもよい。プログラムメモリやパラメータメモリは、例えばフラッシュメモリなどによって構成されると好適である。ワークメモリは、プログラム実行中の一時データを一時記憶するメモリである。ワークメモリは、揮発性で問題なく、高速にデータの読み書きが可能なＤＲＡＭ（dynamic RAM）やＳＲＡＭ（static RAM）により構成される。

通信制御部は、車両内の他のシステムやセンサなどとの通信を制御する。図１では、車両制御ＥＣＵ１０と他のＥＣＵとが直接接続されているように図示しているが、各ＥＣＵは、ＣＡＮ（controller area network）などの車両内のネットワークを介して接続されていてもよい。どのような接続形態にせよ通信制御部を介して各ＥＣＵは連携可能である。Ａ／Ｄコンバータは、アナログの電気信号をデジタルデータに変換する。例えば、モータ２の各ステータコイルに流れるモータ電流の検出結果が不図示の電流センサからアナログ値として出力される際には、当該アナログ値をデジタル値に変換する。また、低圧バッテリ４の電圧値の検出結果が電圧センサ３４からアナログ値として出力される際には、当該アナログ値をデジタル値に変換する。

タイマは、ＣＰＵのクロック周期を最小分解能として時間を計測する。例えば、タイマは、プログラムの実行周期を監視し、ＣＰＵコアの割り込みコントローラに通知する。また、タイマは、コンバータ５やインバータ１３のＩＧＢＴを駆動するゲート駆動信号の有効時間を計測して、当該ゲート駆動信号を生成する。ポートは、ＩＧＢＴのゲート駆動信号などをＣＰＵの端子を介して出力したり、ＣＰＵに入力される回転検出センサ（３１，３２,３６）からの回転検出信号を受け取ったりする端子制御部である。図１において符号３１で示される回転検出センサは、例えばタコメータであり、エンジン１の回転数を検出する。符号３２で示される回転検出センサは、例えばレゾルバであり、モータ２の近傍に設置されてロータ２２の回転位置や回転数を検出する。符号３６で示される回転検出センサは、例えばエンコーダであり、オルタネータ６の回転数を検出する。

上述したように、低圧バッテリ４の充電電力の生成は、車両制御ＥＣＵ１０の充電制御部７の指令に従ってオルタネータ６及びコンバータ５の何れか一方により行われる。以下、充電制御部７による充電制御の詳細について説明する。図２は、低圧バッテリ４の充電電力ごとの回転数に応じた効率特性を示すグラフである。図２において、Ａ＊（＊：１〜４）で示される曲線は、オルタネータ６により低圧バッテリ４の充電電力を生成する際の効率特性を示す。また、Ｇ＊（＊：１〜４）で示される曲線は、コンバータ５により低圧バッテリ４の充電電力を生成する際の効率特性を示す。具体的には、上述したように、高圧バッテリ４から持ち出された電力を発電機として機能するモータ２により発電する際の効率を含めた効率特性である。各効率特性に付された数字１〜４は、生成される電力の大きさを示しており、数字が大きいほど電力も大きい。ここでは、１が１ｋＷであれば４が４ｋＷ、１が５００Ｗであれば４が２ｋＷというように、付される数字に比例した電力である場合を例示している。

図２から明らかなように、コンバータ５により低圧バッテリ４の充電電力を生成する際の効率は、エンジン１の回転数が低いときにピークを迎え、エンジン１の回転数が高くなると低下していく。オルタネータ６により低圧バッテリ４の充電電力を生成する際の効率は、エンジン１の回転数が低いときにはコンバータ５による生成時に比べて低い。但し、エンジン１の回転数の上昇に伴って効率が上昇し、コンバータ５による生成時の効率が低下し始める回転数よりも高い回転数に達してから効率が低下し始める。同じ充電電力を生成する際の効率特性を比較すると、効率特性Ａ１とＧ１との効率はエンジン１の回転数がＦ１の時点を境に逆転し、効率特性Ａ２とＧ２との効率はエンジン１の回転数がＦ２の時点を境に逆転し、効率特性Ａ３とＧ３との効率はエンジン１の回転数がＦ３の時点を境に逆転し、効率特性Ａ４とＧ４との効率はエンジン１の回転数がＦ４の時点を境に逆転する。

車両制御ＥＣＵ１０のマップ８には、図２に示すような効率特性がマッピングされている。つまり、マップ８は、コンバータ５及びオルタネータ６が要求電力に応じた充電電力を生成する際の効率（効率特性Ｇ＊，Ａ＊）を、エンジン１の回転数に応じて要求電力（＊１〜＊４）の値ごとにマッピングした効率マップとして構成することができる。具体的には、パラメータメモリやプログラムメモリに、コンバータ５及びオルタネータ６が要求電力に応じた充電電力を生成する際の効率が、エンジン１の回転数及び要求電力の値に基づいた効率マップとして記憶される。充電制御部７は、マップ８を参照して、低圧バッテリ４の充電に要求される要求電力とエンジン１の現時点における回転数とに応じて、コンバータ５及びオルタネータ６のうち何れで低圧バッテリ４の充電電力を生成させるかを決定する。そして、充電制御部７は、コンバータ５及びオルタネータ６のうち充電電力を生成する際の効率が高い方により充電電力を生成させて低圧バッテリ４を充電する。具体的には、充電制御部７は、Ｓ／Ａ制御ＥＣＵ１６、コンバータ制御ＥＣＵ１５、モータ制御ＥＣＵ１２などを制御して充電電力を生成させる。

ここで、図３のフローチャートも参照して、充電制御部７による処理手順の一例を説明する。初めに、低圧バッテリ４の充電要求の有無が判定される（＃１）。例えば、ＣＰＵのフラグレジスタに充電要求フラグが設けられ、当該フラグが有効であるか否かが判定される。充電要求は、電圧センサ３４により検出された低圧バッテリ４の電圧が所定のしきい値を下回ったときに車両制御ＥＣＵ１０などによって生成される。あるいは、車両制御ＥＣＵ１０は、低圧バッテリ４の電圧の検出結果を用いることなく、車両の灯火装置や、空調システム、音響映像システム、制御系システムなど、車載電装品（補機）の稼働状況から消費電力を算出して、充電要求を生成してもよい。また、低圧バッテリ４に不図示の電流センサが設けられ、低圧バッテリ４に対する電流の入出量から充電要求が生成されてもよい。尚、充電要求が生成される際には、充電に必要な要求電力の値も演算される。演算された要求電力は、例えばＣＰＵの汎用レジスタなどに格納される。

充電要求が有る場合には、充電制御部７は、汎用レジスタなどから要求電力の値を取得すると共に、ＥＧ制御ＥＣＵ１１や車内ネットワークを介して回転センサ３１（タコメータ）からエンジン１の回転数を取得する（＃２）。続いて、充電制御部７は、要求電力とエンジン１の回転数とを引数としてマップ８を参照する（＃３）。ここでは、マップ８が、図２に示したような効率特性がマッピングされた効率マップであるとして説明する。要求電力とエンジン１の回転数とを引数として、マップ８からコンバータ５により充電電力を生成する際の効率ηｃｏｎと、オルタネータ６により充電電力を生成する際の効率ηａｌｔが取得される。

そして、ηｃｏｎとηａｌｔとを比較してηａｌｔが大きいか否か、つまり、オルタネータ６により充電電力を生成する方が効率が良いか否かが判定される（＃４）。この判定は、ηｃｏｎとηａｌｔとの単純な比較でも良いが、ηｃｏｎとηａｌｔとの差が所定の判定しきい値よりも大きい場合に大小判定を行い、ηｃｏｎとηａｌｔとの差が所定の判定しきい値以下の場合には、充電電力を生成する主体（コンバータ５及びオルタネータ６）を変更しないものであるとさらに好適である。つまり、エンジン１の回転数の変動によって、ηｃｏｎとηａｌｔとの大小関係が頻繁に入れ替わり、それに応じて充電電力を生成する主体が頻繁に入れ替わると、ハンチング現象を生じて安定して充電電力を生成できない可能性がある。上述したように、ηｃｏｎとηａｌｔとの差が所定の判定しきい値よりも大きい場合には現状維持とすることで、ヒステリシスを有することと同様の効果を得ることができ、そのようなハンチング現象を抑制することができる。

ステップ＃４において、オルタネータ６により低圧バッテリ４の充電電力を生成する方が効率が良いと判定された場合、充電制御部７は、Ｓ／Ａ制御ＥＣＵ１６に対してオルタネータ６による発電指令を発する（＃５）。Ｓ／Ａ制御ＥＣＵ１６は、クラッチ４６を締結させてオルタネータ６にエンジン１の駆動力を伝達させ、Ｓ／Ａ駆動回路１７の整流回路を介して発電された電力を低圧バッテリ４に供給して、低圧バッテリ４を充電させる。コンバータ５により低圧バッテリ４の充電電力を生成する方が効率が良い場合には、充電制御部７は、コンバータ制御ＥＣＵ１５に対してコンバータ５による降圧指令を発する（＃６）。コンバータ制御ＥＣＵ１５は、高圧バッテリ３の出力を所定の充電電圧に降圧して低圧バッテリ４の充電電力を生成する。尚、この際、高圧バッテリ３から持ち出される電力に対応する電力をモータ２に発電させるべく、モータ制御ＥＣＵ１２も制御されると好適である。

この際、オルタネータ６による発電や、モータ２による発電には、エンジン１の駆動力が用いられる。従って、要求電力に相当する分だけ、エンジン１の駆動力が増加されると好適である。そのようなエンジン１の駆動力の制御は、ＥＧ制御ＥＣＵ１１によって実行される。

ところで、マップ８は、上述したようなマッピングに限定されるものではない。図４は、図２に基づいて上述したマップ８の概念とは別の効率マップの概念を示すグラフである。図４には、理解を容易にするために図２に示す効率特性のうち、効率特性Ａ２及びＧ２を抜き出している。上述したように、エンジン１の回転数がＦ２の時点において、コンバータ５により低圧バッテリ４の充電電力を生成する際の効率ηｃｏｎとオルタネータ６により低圧バッテリ４の充電電力を生成する際の効率ηａｌｔとが逆転する。従って、この回転数Ｆ２を切り換え回転数ＦＳとして、エンジン１の回転数が切り替え回転数ＦＳ以下の際には、コンバータ５により低圧バッテリ４の充電電力を生成させ、エンジン１の回転数が切り替え回転数ＦＳより大きい際には、オルタネータ６により低圧バッテリ４の充電電力を生成させてもよい。この場合には、要求電力の値ごとに、切り換え回転数ＦＳが設定されたマップを有していればよい。そして、ステップ＃４において、切り換え回転数ＦＳとエンジン１の現時点の回転数とを比較すれば、コンバータ５とオルタネータ６との何れが効率が高いかを判定することができる。

マップ８は、さらに別の概念により規定することも可能である。図４に示すように、要求電力の値ごとに、切り換え回転数ＦＳを境界として、エンジン１の回転数が低い側の第１回転数帯Ｓ２１（Ｓ１）と、エンジン１の回転数が高い側の第２回転数帯Ｓ２２（Ｓ２）とを設定する。第１回転数帯Ｓ２１（Ｓ１）は、コンバータ５により低圧バッテリ４の充電電力を生成する方が効率が高い回転数帯であり、第２回転数帯Ｓ２２（Ｓ２）は、オルタネータ６により低圧バッテリ４の充電電力を生成する方が効率が高い回転数帯である。ステップ＃４において、エンジン１の回転数が第１回転数帯Ｓ２１（Ｓ１）の範囲内であるか、第２回転数帯Ｓ２２（Ｓ２）の範囲内であるかを判定することによって、コンバータ５とオルタネータ６との何れが効率が高いかを判定することができる。

尚、第１回転数帯Ｓ１及び第２回転数帯Ｓ２は、要求電力ごとに設定され、効率が逆転する回転数（Ｆ１〜Ｆ４）を境界とすることなく、効率特性の最大値によって規定されてもよい。例えば、コンバータ５により低圧バッテリ４の充電電力を生成する際の効率が最大となるエンジン１の回転数である第１回転数Ｐ２１を含む回転数帯を第１回転数帯Ｓ２１（Ｓ１）とし、オルタネータ６により低圧バッテリ４の充電電力を生成する際の効率が最大となるエンジン１の回転数である第２回転数Ｐ２２を含む回転数帯を第２回転数帯Ｓ２２（Ｓ２）とする。

当然ながら、第１回転数帯Ｓ２（例えばＳ２１）と第２回転数帯Ｓ２（例えばＳ２２）との境界となる切り換え回転数ＦＳは、効率が逆転する回転数（例えばＦ２）に関係なく設定されてもよい。この場合には、厳密には相対的に効率が悪い方において充電電力が生成される場合があり得る。しかし、理想値や実験から求められた標準値がマッピングされるマップ８に基づく効率と、実機における現実の効率との間には誤差が常在する。このため、第１回転数帯Ｓ１と第２回転数帯Ｓ２との境界が、効率が逆転する回転数（例えばＦ２）に関係なく設定されてもそのような誤差と等価であるので問題はない。

また、第１回転数帯Ｓ１と第２回転数帯Ｓ２とは、図５に示すように回転数の範囲が重複して設定されてもよい。即ち、第１回転数帯Ｓ１（Ｓ２１）に一方の効率が最大となる第１回転数Ｐ１（Ｐ２１）が含まれ、第２回転数帯Ｓ２（Ｓ２２）に他方の効率が最大となる第２回転数帯Ｐ２（Ｐ２２）が含まれていれば、１つの切り換え回転数ＦＳを境界とすることなく、回転数の範囲を重複させて回転数帯設定されてもよい。１つの切り換え回転数ＦＳにより回転数帯が区切られている場合には、切り換え回転数ＦＳの近傍において、充電電力を生成する主体が頻繁に切り替わる現象であるハンチングを生じる可能性がある。第１回転数帯Ｓ１と第２回転数帯Ｓ２とを重複させることによって、ヒステリシスを設定したことと同様の効果を得ることができ、そのようなハンチングを抑制することが可能である。

例えば、図５において、エンジン１の回転数が、第１回転数帯Ｓ２１の範囲を超えた場合、低圧バッテリ４の充電電力を生成する主体は、コンバータ５からオルタネータ６に変更される。ここで、再度エンジン１の回転数が第１回転数帯Ｓ２１と第２回転数帯Ｓ２２との重複範囲に低下しても、そこは第２回転数帯Ｓ２２の範囲内であるから、コンバータ５による充電電力の生成に変更されることなく、オルタネータ６による充電電力の生成が継続される。その後、再度エンジン１の回転数が第１回転数帯Ｓ２１の範囲を超えた場合には、当然、第２回転数帯Ｓ２２だけの範囲内であるから継続してオルタネータ６により低圧バッテリ４の充電電力が生成される。このように、効率が逆転する回転数の近傍でエンジン１の回転数が上下に変動しても、その変動を受けることなく、安定して低圧バッテリ４の充電電力を生成することができる。

また、マップ８は、図２、図４、図５に示した効率特性に基づく効率マップに限定されることなく、コンバータ５及びオルタネータ６のうち低圧バッテリ４の充電電力を生成する際の効率が高い方が規定された選択マップであってもよい。図６は、そのような選択マップの概念を示すグラフであり、要求電力とエンジン１の回転数との関係を示すグラフである。図２から明らかなように、コンバータ５により低圧バッテリ４の充電電力を生成する際の効率と、オルタネータ６により低圧バッテリ４の充電電力を生成する際の効率とが逆転するエンジン１の回転数（Ｆ１〜Ｆ４）は、要求電力の値が大きいほど大きい。図２においては要求電力の値は比例しているので、縦軸に要求電力、横軸にエンジン１の回転数を取って、効率が逆転する回転数（Ｆ１〜Ｆ４）をプロットし、プロットされた点を曲線Ｂに近似したものが図６に示すグラフである。

曲線Ｂは選択マップにおける境界を意味する。図６において曲線Ｂよりも上側の領域ＳＧは、コンバータ５により低圧バッテリ４の充電電力を生成する方が効率が高いことが規定された範囲である。一方、図６において曲線Ｂよりも下側の領域ＳＡは、オルタネータ６により低圧バッテリ４の充電電力を生成する方が効率が高いことが規定された範囲である。尚、効率マップを利用する際と同様に、単純に曲線Ｂを境界とすると、ハンチング現象を招く可能性がある。従って、図７に示すように、曲線Ｂを含む所定領域、例えば、曲線Ｂを縦軸方向の上下に所定量オフセットさせた曲線Ｂ１及びＢ２に挟まれた範囲を緩衝領域Ｅとして設定すると好適である。ステップ＃４の説明や、第１回転数帯Ｓ１及び第２回転数帯Ｓ２の説明において例示したように、緩衝領域Ｅにおいては低圧バッテリ４の充電電力を生成する主体（コンバータ５及びオルタネータ６）を変更しないものとすると好適である。エンジン１の回転数の変動や要求電力の変動によって生じる可能性のあるハンチング現象を良好に抑制することができる。

尚、本実施形態においては、コンバータ５及びオルタネータ６により低圧バッテリ４の充電電力を生成する際の効率特性が図２に示すような特性となる場合を例として説明した。つまり、コンバータ５により低圧バッテリ４の充電電力を生成する際の効率は、エンジン１の回転数が低いときにピークを迎え、エンジン１の回転数が高くなると低下する特性を例示した。また、オルタネータ６により低圧バッテリ４の充電電力を生成する際の効率は、エンジン１の回転数が低いときにはコンバータ５による生成時に比べて低く、エンジン１の回転数の上昇に伴って効率が上昇し、コンバータ５による生成時の効率が低下し始める回転数よりも高い回転数に達してから効率が低下し始める特性を例示した。しかし、効率特性は、本実施形態に例示したものに限定されるものではない。

例えば、発電機として機能する際のモータ２の効率は、モータ２の構造や、インバータ１３の回路構成などによって異なる。当然ながら、コンバータ５の回路構成によって降圧の際の効率も異なる。また、オルタネータ６による発電効率は、エンジン１とオルタネータ６との接続形態（ギヤやチェーン、ベルトなどの仕様）や、オルタネータ６の構造、Ｓ／Ａ駆動回路１７の回路構成などによって異なる。従って、コンバータ５により低圧バッテリ４の充電電力を生成する際の効率と、オルタネータ６により低圧バッテリ４の充電電力を生成する際の効率とが、本実施形態とは全く逆となることも有り得る。本発明の要旨は、コンバータ５及びオルタネータ６のうち低圧バッテリ４の充電電力を生成する際の効率が高い方により低圧バッテリ４の充電電力を生成させて低圧バッテリ４を充電することにある。従って、効率特性、効率マップ、選択マップなど、実施形態において例示した、コンバータ５及びオルタネータ６の効率を判定するための基準は例示のものに限定されるものではない。当業者であれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能であろうが、そのような改変も本発明の技術的範囲に含まれる。

また、上述した実施形態では、エンジン１の回転速度に比例してモータ２及び車輪の回転速度が定まるように駆動伝達装置が構成された、いわゆるパラレル方式のハイブリッド車両に、本発明に係るバッテリ充電システムを適用した場合を例として説明した。しかし、本発明の実施形態は、これに限定されるものではない。例えば、遊星歯車機構等を用いた作動歯車装置を備え、エンジン１からの駆動力を作動歯車装置によりモータ２と車輪とに分配する、いわゆるスプリット方式のハイブリッド車両に、本発明に係るバッテリ充電システムを適用することも、本発明の好適な実施形態の一つである。この場合には、単純にエンジン１の回転数に応じてモータ２による発電量が決まらず、エンジン１により生み出される動力の分配度合いもモータ２による発電量に影響を与えることになる。しかし、予め、動力分配も加味したマップを作成しておけば、本発明を適用可能である。

以上説明したように、本発明によれば、車両を駆動する回転電機用の高圧バッテリの出力を降圧するコンバータと、内燃機関により駆動されて発電するオルタネータとを良好に協調させて、全体として高い効率で車載電装品用の低圧バッテリを充電することが可能となる。

本発明は、駆動源として内燃機関と回転電機とを備えたハイブリッド車両に適用することが可能である。特に、ハイブリッド車両の駆動システムが以下のような構成であると好適である。その駆動システムは、車両の駆動輪への駆動力が回転電機のみから伝達される状態と、回転電機を経由して内燃機関からも伝達される状態とを少なくとも有するものであり、内燃機関の回転数と回転電機の回転数とは、内燃機関の駆動力が回転電機に伝達される状態において線形性を有する構成である。

１：エンジン（内燃機関）
２：モータ（回転電機）
３：高圧バッテリ
４：低圧バッテリ
５：コンバータ
６：オルタネータ
７：充電制御部
８：マップ（効率マップ、選択マップ）
Ｐ１：第１回転数
Ｐ２：第２回転数
Ｓ１，Ｓ２１：第１回転数帯
Ｓ２，Ｓ２２：第２回転数帯

Claims (6)

1. 駆動源として内燃機関と回転電機とを備えたハイブリッド車両のバッテリ充電システムであって、
   前記回転電機に電力を供給すると共に当該回転電機により発電された電力を蓄える高圧バッテリと、
   前記高圧バッテリよりも低い定格電圧で電力を蓄える低圧バッテリと、
   前記高圧バッテリの出力を所定の充電電圧に降圧して前記低圧バッテリの充電電力を生成するコンバータと、
   前記内燃機関により駆動されて発電し、前記低圧バッテリの充電電力を生成するオルタネータと、
   前記低圧バッテリの充電に要求される要求電力と前記内燃機関の回転数とに応じて、前記コンバータ及び前記オルタネータのうち前記低圧バッテリの充電電力を生成する際の効率が高い方により前記低圧バッテリの充電電力を生成させて前記低圧バッテリを充電する充電制御部と、を備えるバッテリ充電システム。
2. 前記充電制御部は、前記コンバータにより前記低圧バッテリの充電電力を生成する際の効率が最大となる前記内燃機関の回転数である第１回転数を含む第１回転数帯に前記内燃機関の回転数が含まれる間は、前記コンバータにより前記低圧バッテリの充電電力を生成させて前記低圧バッテリを充電し、前記オルタネータにより前記充電電力を生成する際の効率が最大となる前記内燃機関の回転数である第２回転数を含む第２回転数帯に前記内燃機関の回転数が含まれる間は、前記オルタネータにより前記低圧バッテリの充電電力を生成させて前記低圧バッテリを充電する請求項１に記載のバッテリ充電システム。
3. 前記第１回転数帯及び前記第２回転数帯は、前記要求電力に応じて設定されている請求項２に記載のバッテリ充電システム。
4. 前記コンバータ及び前記オルタネータが前記要求電力に応じた前記低圧バッテリの充電電力を生成する際の効率を、前記内燃機関の回転数および前記要求電力の値に基づいて記憶した効率マップを備え、前記充電制御部は、前記効率マップに基づいて前記コンバータ及び前記オルタネータの何れかで前記低圧バッテリの充電電力を生成させるかを決定する請求項１〜３の何れか一項に記載のバッテリ充電システム。
5. 前記要求電力と前記内燃機関の回転数とに応じて、前記コンバータ及び前記オルタネータのうち前記低圧バッテリの充電電力を生成する際の効率が高い方が規定された選択マップを備え、前記充電制御部は、前記選択マップに基づいて前記コンバータ及び前記オルタネータの何れかで前記低圧バッテリの充電電力を生成させるかを決定する請求項１〜３の何れか一項に記載のバッテリ充電システム。
6. 前記内燃機関の回転数と前記回転電機の回転数とは、前記内燃機関の駆動力が前記回転電機に伝達される状態において線形性を有するものである請求項１〜５の何れか一項に記載のバッテリ充電システム。
   
   

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