JP2012236518A - 車両搭載用発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンによってジェネレータを駆動して発電を行う車両搭載用発電装置において、エンジンおよびジェネレータの回転状態を安定化させることを目的とする。
【解決手段】 コントロールユニット３０は、発電電力または発電電力目標値と、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１の回転数とに基づいてＮＴ平面上での動作点の位置を求め、求められた位置とＮＴ特性曲線との関係に基づいて、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１のトルク作用状態が安定であるか否かの判定を行う。コントロールユニット３０は、不安定である旨の判定をしたときは、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１の動作点をＮＴ平面上の安定領域に至らしめる制御を実行する。この制御には、エンジントルクを減少させるエンジントルク減少制御、および、昇圧電圧を増加させる電圧増加制御がある。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両搭載用発電装置に関し、特に、エンジンによってジェネレータを駆動して発電を行う装置の改良に関する。

シリーズハイブリッド自動車につき広く研究開発が行われている。シリーズハイブリッド自動車は、エンジンによってジェネレータを駆動して発電を行い、発電電力によって走行用モータを駆動して車両を走行させる。ジェネレータによる発電電力のうち車両の走行に用いられない電力、および走行用モータによる回生電力は、繰り返して充放電が可能な二次電池に供給される。二次電池に充電された電力は、走行制御に応じて走行用モータに供給され、走行用電力として用いられる。シリーズハイブリッド自動車によれば、エンジンによる発電電力および回生電力を走行電力として用いることができる。

シリーズハイブリッド自動車は、ジェネレータから走行用モータおよび二次電池に供給される電力を制御する電力変換回路、および、電力変換回路を制御するコントロールユニットを備える。ジェネレータの制御に際し、コントロールユニットは、車両の走行制御に応じてジェネレータの発電電力に対する目標値を決定する。そして、電力変換回路およびエンジンを制御してジェネレータの回転状態を制御し、ジェネレータの発電電力を発電電力目標値に一致させる。

特許文献１には、シリーズハイブリッド自動車について記載されている。このシリーズハイブリッド自動車においては、ジェネレータが出力する交流発電電圧を整流する整流器が設けられている。整流器が出力する直流電圧は、昇圧チョッパ回路によって電圧値が調整された後、二次電池（バッテリ）に印加される。特許文献１には、さらに、昇圧チョッパ回路の制御によりバッテリの電圧制御を行う旨が記載されている。

特開平６−２４５３２２号公報

ジェネレータの発電電力に対する目標値は、車両の運転操作や走行状態に応じて変化する。コントロールユニットは、電力変換回路およびエンジンを制御し、随時変化する発電電力目標値に発電電力を追従させる。

一般に、エンジンおよびジェネレータの特性は使用と共に変化し経時変化が生じる。また、エンジンおよびジェネレータの特性は温度変化に応じて変化する。さらに、エンジンおよびジェネレータの特性には製造品ごとの個体差がある。これに対し、コントロールユニットは、制御対象のエンジンおよびジェネレータが設計で定められた特性を有するものとして制御を実行する。

これによって、電力変換回路およびエンジンの制御処理によっては、エンジンからジェネレータに与えられる駆動トルクが、ジェネレータからエンジンに与えられる反作用トルクを上回り、回転状態が不安定となることがある。この場合、エンジンおよびジェネレータの回転数が増加して、騒音レベルまたは振動レベルが研究開発時に予め想定していた基準値を上回る等の問題が生じることがある。

本発明は、このような課題に対してなされたものである。すなわち、エンジンによってジェネレータを駆動して発電を行う車両搭載用発電装置において、エンジンおよびジェネレータの回転状態を安定化させることを目的とする。

本発明は、エンジンと、前記エンジンとの間でトルクを作用し合うジェネレータと、前記ジェネレータの交流発電電力を直流電力に変換し、車両を電力駆動する車両駆動部に至る電力経路にその直流電力を出力する整流回路と、前記エンジンのトルクを変化させるエンジン制御部と、前記エンジンまたは前記ジェネレータの動作状態に基づいて、前記エンジンおよび前記ジェネレータのトルク作用状態が安定であるか否かを判定する判定部と、を備え、前記エンジン制御部は、前記トルク作用状態が不安定である旨の判定が前記判定部によってされたときに、エンジンのトルクを減少させる、ことを特徴とする。

また、本発明に係る車両搭載用発電装置は、望ましくは、前記整流回路と前記車両駆動部との間の電力経路に、二次電池の出力電圧を調整した制御用電圧を出力するコンバータ回路と、前記エンジンまたは前記ジェネレータの回転状態と、前記ジェネレータの回転数対トルク特性とに基づいて、前記エンジンおよび前記ジェネレータのトルク作用状態が安定となる安定トルクを前記エンジンのトルクについて求める安定トルク決定部と、を備え、前記エンジン制御部は、前記トルク作用状態が不安定である旨の判定が前記判定部によってされたときに、前記エンジンのトルクを前記安定トルクに一致させる。

また、本発明は、エンジンと、前記エンジンとの間でトルクを作用し合うジェネレータと、前記ジェネレータの交流発電電力を直流電力に変換し、車両を電力駆動する車両駆動部に至る電力経路にその直流電力を出力する整流回路と、前記整流回路と前記車両駆動部との間の電力経路に、二次電池の出力電圧を調整した制御用電圧を出力するコンバータ回路と、前記コンバータ回路を制御し、前記制御用電圧を変化させる電圧制御部と、前記エンジンまたは前記ジェネレータの動作状態に基づいて、前記エンジンおよび前記ジェネレータのトルク作用状態が安定であるか否かを判定する判定部と、を備え、前記電圧制御部は、前記トルク作用状態が不安定である旨の判定が前記判定部によってされたときに、前記制御用電圧を増加させる、ことを特徴とする。

また、本発明に係る車両搭載用発電装置は、望ましくは、前記電圧制御部は、前記トルク作用状態が不安定である旨の判定が前記判定部によってされたときに、予め定められた最大電圧値まで前記制御用電圧を増加させる。

また、本発明に係る車両搭載用発電装置は、望ましくは、前記エンジンまたは前記ジェネレータの回転状態と、前記ジェネレータの回転数対トルク特性とに基づいて、前記エンジンおよび前記ジェネレータのトルク作用状態が安定となる安定電圧値を前記制御用電圧について求める、安定電圧値決定部を備え、前記電圧制御部は、前記トルク作用状態が不安定である旨の判定が前記判定部によってされたときに、前記制御用電圧を前記安定電圧値に一致させる。

本発明によれば、エンジンによってジェネレータを駆動して発電を行う車両搭載用発電装置において、エンジンおよびジェネレータの回転状態を安定化させることができる。

本発明の実施形態に係るシリーズハイブリッド車両駆動システムの構成を示す図である。 シリーズハイブリッド車両駆動システムの回路構成例を示す図である。 コントロールユニットが実行する制御について説明するための図である。 回転状態の安定性について説明するための図である。 安定判定処理について説明するための図である。 エンジントルク減少制御について説明するための図である。 電圧増加制御について説明するための図である。

１．シリーズハイブリッド車両駆動システムについての概要
図１には本発明の実施形態に係るシリーズハイブリッド車両駆動システムの構成が示されている。このシステムは、モータジェネレータＭＧ２を走行用のモータジェネレータとし、モータジェネレータＭＧ１を発電用のモータジェネレータとするものである。シリーズハイブリッド車両駆動システムが備える構成要素のうち、整流回路１４、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０、および車両駆動回路２６は、上述の電力変換回路に相当する。また、エンジン１０、モータジェネレータＭＧ１、整流回路１４およびＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０は、車両搭載用の発電装置としての機能を有する。

モータジェネレータＭＧ１による発電電力は、二次電池１８またはモータジェネレータＭＧ２に供給される。モータジェネレータＭＧ２は、二次電池１８に充電された電力またはモータジェネレータＭＧ１の発電電力によって車両を駆動する。

エンジン１０は、モータジェネレータＭＧ１にトルクを与える。モータジェネレータＭＧ１は、エンジン１０からトルクを与えられることで発電を行う。整流回路１４は、モータジェネレータＭＧ１が発電した交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０または車両駆動回路２６に出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０は、二次電池１８の出力電圧を昇圧し、昇圧して得られた昇圧電圧を整流回路１４および車両駆動回路２６に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０が昇圧電圧を変化させることで、整流回路１４から二次電池１８に供給される電力、整流回路１４から車両駆動回路２６に供給される電力、および二次電池１８と車両駆動回路２６との間で授受される電力が調整され得る。すなわち、昇圧電圧は、これらの電力を調整するための制御用電圧として用いることができる。

車両駆動回路２６は、車両を加速するときは、整流回路１４から出力される直流電力、またはＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０から出力される直流電力を交流電力に変換し、その交流電力をモータジェネレータＭＧ２に供給する。そして、車両を回生制動するときは、モータジェネレータＭＧ２の交流発電電力を直流電力に変換し、その直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０は、車両駆動回路２６から出力された電力によって二次電池１８を充電する。

コントロールユニット３０は、アクセルペダル、ブレーキペダル、運転席の操作パネル等を含む運転操作部４４における操作に基づいて、エンジン１０、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０、および車両駆動回路２６を制御する。

２．シリーズハイブリッド車両駆動システムの構成および動作
シリーズハイブリッド車両駆動システムの具体的な構成および動作について説明する。エンジン１０は、燃料の供給量を調整するスロットル１２を備える。スロットル１２はエンジン１０に燃料を供給する管に弁が設けられたものである。スロットル１２は、弁の開き具合、すなわち、スロットル開度を調整することで燃料の供給量を調整する。スロットル開度が大きい程、エンジン１０の出力パワー（トルクと回転数との積に比例する量）は増加し、スロットル開度が小さい程、エンジン１０の出力パワーは減少する。コントロールユニット３０は、エンジン１０を制御するエンジン制御部３４を備え、その一つの機能としてスロットル１２を制御する。エンジン制御部３４は、その他、エンジン１０の点火タイミングや、シリンダに設けられた弁の開閉タイミングの制御を行う。

モータジェネレータＭＧ１のシャフトは、エンジン１０のシャフトに取り付けられている。エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１は互いにトルクを作用し合う。すなわち、エンジン１０は出力パワーに応じた駆動トルクをモータジェネレータＭＧ１に与え、モータジェネレータＭＧ１は、発電電力に応じた反作用トルクをエンジン１０に与える。以下の説明においては、エンジン１０の駆動トルクおよびモータジェネレータＭＧ１の反作用トルクを、それぞれ、エンジントルクおよびジェネレータトルクと称する。

モータジェネレータＭＧ１の電力伝送線Ｕ１、Ｖ１およびＷ１は、整流回路１４に接続されている。整流回路１４は、整流素子として６個のダイオード１６を備える。整流回路１４には、上下のダイオード１６の組が、電力伝送線Ｕ１，Ｖ１およびＷ１に対応して設けられている。上下のダイオード１６の組においては、上側のダイオード１６のアノード端子が下側のダイオード１６のカソード端子に接続されている。また、各組の上側のダイオード１６のカソード端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０と車両駆動回路２６とを接続する正極伝送線２２に接続され、各組の下側のダイオード１６のアノード端子はＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０と車両駆動回路２６とを接続する負極伝送線２４に接続されている。

各ダイオード１６は、アノード端子の電位がカソード端子の電位よりも高いときに導通する。これによって、整流回路１４は、３相交流電力を直流電力に変換する。すなわち、整流回路１４は、各ダイオード１６の整流作用により、電力伝送線Ｕ１、Ｖ１およびＷ１の相互間の交流電圧を直流電圧に変換し、正極伝送線２２および負極伝送線２４に出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０には二次電池１８の正極および負極が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０は、二次電池１８の出力電圧を昇圧し、昇圧電圧を正極伝送線２２および負極伝送線２４との間に出力する。コントロールユニット３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０を制御して昇圧電圧を変化させる電圧制御部３２を備え、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０を制御する。

正極伝送線２２および負極伝送線２４には車両駆動回路２６が接続されている。また、車両駆動回路２６には、モータジェネレータＭＧ２の電力伝送線Ｕ２、Ｖ２およびＷ２が接続されている。車両駆動回路２６は、正極伝送線２２および負極伝送線２４から与えられる直流電力を３相交流電力に変換し、その３相交流電力をモータジェネレータＭＧ２に出力する。また、車両駆動回路２６は、モータジェネレータＭＧ２から与えられる３相交流電力を直流電力に変換し、その直流電力を正極伝送線２２および負極伝送線２４に出力する。車両駆動回路２６が正極伝送線２２および負極伝送線２４側からモータジェネレータＭＧ２に電力を供給するか、モータジェネレータＭＧ２から正極伝送線２２および負極伝送線２４側に電力を供給するかは、正極伝送線２２および負極伝送線２４の線間電圧、モータジェネレータＭＧ２の回転状態、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０の動作状態、車両駆動回路２６の動作状態等によって決定される。

モータジェネレータＭＧ２のシャフトには、車輪にトルクを伝達するトルク伝達機構２８が取り付けられている。車両を加速するときは、車両駆動回路２６からモータジェネレータＭＧ２に電力が供給される。これによって、モータジェネレータＭＧ２は加速トルクを発生し、車両を加速する。また、車両を回生制動するときは、モータジェネレータＭＧ２から車両駆動回路２６に発電電力が供給される。これによって、モータジェネレータＭＧ２は制動トルクを発生し、車両を制動する。

コントロールユニット３０は、エンジン１０に設けられたエンジン回転数センサ４６から、エンジン１０の回転数の検出値を読み込む。この検出値は、エンジン１０の回転数のみならずモータジェネレータＭＧ１の回転数をも示す。回転数の検出値は、モータジェネレータＭＧ１に設けられたレゾルバ３８から読み込んでもよい。また、コントロールユニット３０は、モータジェネレータＭＧ１の電力伝送線Ｖ１およびＷ１の各電流を検出する電流センサ４０から、電力伝送線Ｖ１およびＷ１の各電流検出値を読み込み、さらに、昇圧電圧を検出する電圧計４２から昇圧電圧の検出値を読み込む。そして、回転数の検出値、電力伝送線Ｖ１およびＷ１の電流検出値、ならびに昇圧電圧の検出値に基づいてモータジェネレータＭＧ１のトルクを求める。また、コントロールユニット３０は、電力伝送線Ｖ１およびＷ１の電流検出値と、昇圧電圧の検出値とに基づいてモータジェネレータＭＧ１の発電電力を求める。コントロールユニット３０は、回転数の検出値、求められたモータジェネレータＭＧ１のトルクおよび発電電力を、モータジェネレータＭＧ１の発電制御に用いる。

図２には、シリーズハイブリッド車両駆動システムの回路構成例が示されている。図１に示される構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０は、インダクタ４８、第１ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）５０、第２ＩＧＢＴ５２、ダイオード５４、および出力コンデンサ５６を備える。ここで、ＩＧＢＴの代わりに、サイリスタ、トライアック、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ等のその他の半導体素子を用いてもよい。

インダクタ４８の一端は二次電池１８の正極に接続されている。インダクタ４８の他端は、第１ＩＧＢＴ５０のエミッタ端子、および第２ＩＧＢＴ５２のコレクタ端子に接続されている。第１ＩＧＢＴ５０のコレクタ端子は正極伝送線２２に接続され、第２ＩＧＢＴ５２のエミッタ端子は負極伝送線２４に接続されている。第１ＩＧＢＴ５０および第２ＩＧＢＴ５２のそれぞれのコレクタ端子とエミッタ端子との間には、エミッタ端子側がアノード端子となるようダイオード５４が接続されている。正極伝送線２２と負極伝送線２４との間には出力コンデンサ５６が接続されている。

第１ＩＧＢＴ５０および第２ＩＧＢＴ５２に対しては、コントロールユニット３０によって、電圧目標値に応じたデューティ比を以て交互にスイッチングが行われる。これによって、インダクタ４８にはデューティ比に応じた誘導起電力が発生する。そして、二次電池１８の出力電圧に誘導起電力を加えた電圧が昇圧電圧として出力コンデンサ５６に充電され、正極伝送線２２および負極伝送線２４に昇圧電圧が出力される。

車両駆動回路２６は、インバータ回路５８によって構成されている。インバータ回路５８は、それぞれが上側ＩＧＢＴ６０および下側ＩＧＢＴ６２を含む３組のＩＧＢＴ組５８ｕ、５８ｖおよび５８ｗを備える。各ＩＧＢＴ組における上側ＩＧＢＴ６０のエミッタ端子は同じ組の下側ＩＧＢＴ６２のコレクタ端子に接続されている。また、各ＩＧＢＴのコレクタ端子とエミッタ端子との間には、エミッタ端子側がアノード端子となるようダイオード６４が接続されている。

各ＩＧＢＴ組の上側ＩＧＢＴ６０のコレクタ端子は共通に接続され正極伝送線２２に接続されている。また、各ＩＧＢＴ組の下側ＩＧＢＴ６２のエミッタ端子は共通に接続され負極伝送線２４に接続されている。

ＩＧＢＴ組５８ｕの上側ＩＧＢＴ６０と下側ＩＧＢＴ６２の接続節点には、モータジェネレータＭＧ２の電力伝送線Ｕ２が接続されている。また、ＩＧＢＴ組５８ｖの上側ＩＧＢＴ６０と下側ＩＧＢＴ６２の接続節点には、モータジェネレータＭＧ２の電力伝送線Ｖ２が接続され、ＩＧＢＴ組５８ｗの上側ＩＧＢＴ６０と下側ＩＧＢＴ６２の接続節点には、ＭＧ２の電力伝送線Ｗ２が接続されている。

ここでは、インバータ回路５８のスイッチング素子としてＩＧＢＴを用いた例を示しているが、スイッチング素子としては、サイリスタ、トライアック、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ等のその他の半導体素子を用いてもよい。

コントロールユニット３０は、各ＩＧＢＴ組が備える上側ＩＧＢＴ６０および下側ＩＧＢＴ６２に対しスイッチング制御を行う。インバータ回路５８は、このスイッチング制御によって、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０および整流回路１４と、モータジェネレータＭＧ２との間で直流交流変換を行うと共に、モータジェネレータＭＧ２との間で授受される電力を調整する。

３．シリーズハイブリッド車両駆動システムにおける発電制御
（１）発電制御の概要
次に、モータジェネレータＭＧ１の発電制御について説明する。車両の走行制御においてコントロールユニット３０は、運転操作部４４における操作および走行状態に基づいてモータジェネレータＭＧ１の発電電力目標値を決定する。そして、モータジェネレータＭＧ１の発電電力が発電電力目標値に一致するよう、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０の昇圧電圧およびエンジン１０のスロットル開度を制御する。なお、本願明細書において、「一致」とは、２つの値の差異が所定の誤差範囲内であることをいうものとする。

例えば、昇圧電圧を増加させると、正極伝送線２２と負極伝送線２４との間の電圧と、モータジェネレータＭＧ１の電力伝送線Ｕ１、Ｖ１およびＷ１の線間電圧との差異が小さくなり、モータジェネレータＭＧ１のステータ巻線に流れる負荷電流が減少する。これによって、エンジン１０に対する反作用トルクが減少する。このとき、エンジン１０のスロットル開度が一定である場合には、エンジン１０の出力パワーが増加し、モータジェネレータＭＧ１の発電電力が増加する。

他方、昇圧電圧を減少させると、正極伝送線２２と負極伝送線２４との間の電圧と、モータジェネレータＭＧ１の電力伝送線Ｕ１、Ｖ１およびＷ１の線間電圧との差異が大きくなり、モータジェネレータＭＧ１のステータ巻線に流れる負荷電流が増加する。これによって、エンジン１０に対する反作用トルクが増加する。このとき、エンジン１０のスロットル開度が一定である場合、エンジン１０の出力パワーが減少し、モータジェネレータＭＧ１の発電電力が減少する。このように、昇圧電圧は、発電電力を制御するための制御用電圧となり得る。

さらに、昇圧電圧が一定であるという条件の下、スロットル開度を大きくすると、エンジン１０の出力パワーが増加し、モータジェネレータＭＧ１の発電電力は増加する。他方、昇圧電圧が一定であるという条件の下、スロットル開度を小さくすると、エンジン１０の出力パワーが減少し、モータジェネレータＭＧ１の発電電力は減少する。

コントロールユニット３０が実行する発電制御について具体的に説明する。コントロールユニット３０は、発電電力目標値と共に、昇圧電圧に対する目標値として昇圧電圧目標値を決定する。昇圧電圧目標値は、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１についての、目標とする回転状態に基づいて決定される。この回転状態には、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１の回転数、エンジン１０とモータジェネレータＭＧ１との間で作用するトルク等がある。

ジェネレータトルクと回転数との積が一定であれば発電電力は一定であるため、発電電力を発電電力目標値に一致させても回転状態は一意に定まらない。そこで、コントロールユニット３０は、例えば、エンジン１０の燃料消費率が最大となる回転状態に対応する昇圧電圧を昇圧電圧目標値として決定する。そして、発電電力を発電電力目標値に一致させると共に、昇圧電圧を昇圧電圧目標値に一致させることで、エンジン１０の燃料消費率が最大となる回転状態にエンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１を制御する。

コントロールユニット３０が実行する制御について、図３に示されているモータジェネレータＭＧ１の回転数対トルク特性を参照して説明する。図３における横軸は回転数を示し、縦軸はモータジェネレータＭＧ１からエンジン１０に与えられるジェネレータトルクを示す。図３には、昇圧電圧をＶｈ１〜Ｖｈ３で一定にした場合のそれぞれにつき、回転数ＮとトルクＴとの関係がＮＴ特性曲線Ｖｈ１〜Ｖｈ３として示されている。ここで、昇圧電圧Ｖｈ１〜Ｖｈ３には、Ｖｈ１＜Ｖｈ２＜Ｖｈ３の関係がある。回転数対トルク特性の情報は記憶部３６に記憶されており、コントロールユニット３０によって参照される。

なお、本願明細書においては、コントロールユニット３０が実行する処理を幾何解析的に説明する。この幾何解析は、電子計算機による数値演算に帰着され、コントロールユニット３０は、幾何学解析に対応する数値演算を行う。

コントロールユニット３０は、回転数対トルク特性を参照し、現時点におけるモータジェネレータＭＧ１の回転数およびトルクに対応する、ＮＴ平面上の動作点を初期動作点として設定する。ここでは、初期動作点は、ＮＴ特性曲線Ｖｈ１と、発電電力がＰ０であることを示す等電力線Ｐ０との交点である、点Ａであるものとする。

コントロールユニット３０は、運転操作部４４における操作および走行状態に基づいてモータジェネレータＭＧ１の発電電力目標値を決定する。そして、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１について目標とする回転状態に基づいて、昇圧電圧目標値を決定する。

コントロールユニット３０は、発電電力目標値および昇圧電圧目標値に対応する目標点をＮＴ平面上に設定する。ここでは、ＮＴ特性曲線Ｖｈ２と、発電電力がＰ１であることを示す等電力線Ｐ１との交点である点Ｂが目標点として設定されるものとする。

コントロールユニット３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０およびスロットル１２を制御し、昇圧電圧および発電電力を、それぞれ、昇圧電圧目標値Ｖｈ２および発電電力目標値Ｐ１に近づけ一致させる。これによって、動作点は点Ａから軌跡Ｑに沿って移動し点Ｂに至る。コントロールユニット３０は、この軌跡Ｑが、エンジン１０の燃料消費率が最大となることを示す最適燃費線と一致するよう、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０およびスロットル１２を制御してもよい。

（２）回転状態の安定性
一般に、エンジンおよびモータジェネレータの特性は使用と共に変化し経時変化が生じる。また、エンジンおよびモータジェネレータの特性は温度変化に応じて変化する。さらに、エンジンおよびモータジェネレータの特性には製造品ごとの個体差がある。このような経年変化、温度変化に伴う特性変化、特性の個体差等があるという条件の下、コントロールユニット３０が発電制御を実行した場合、制御の状態によっては、エンジントルクがジェネレータトルクより大きくなり回転状態が不安定となることがある。この場合、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１の回転数が増加し、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１の振動や騒音が増加することがある。

回転状態の安定性、すなわち、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１のトルク作用状態の安定性について、図４に示される回転数対トルク特性を参照して説明する。ＮＴ特性曲線Ｖｈａは、昇圧電圧をＶｈａとしたときにおけるモータジェネレータＭＧ１の回転数対トルク特性を示す。

ＮＴ特性曲線Ｖｈａによって示されるように、昇圧電圧がＶｈａで一定であるという条件の下では、ジェネレータトルクには上限がある。すなわち、モータジェネレータＭＧ１の回転数が増加した場合、回転数の増加と共にジェネレータトルクは増加し、ジェネレータトルクが上限に達した後は、回転数の増加と共にジェネレータトルクは減少する。

ここでは、ＮＴ平面を３つの領域Ｒ１、Ｒ２およびＲ３に分けて回転状態の安定性について説明する。領域Ｒ１は、ＮＴ特性曲線Ｖｈａの最大点を通り回転数軸に平行な直線Ｌよりも下側、かつ、ＮＴ特性曲線Ｖｈａよりも左側の領域である。領域Ｒ２は、ＮＴ特性曲線Ｖｈａを含む、ＮＴ特性曲線Ｖｈａよりも下側の領域である。領域Ｒ３は、最大点を除いた直線Ｌを含み、最大点より左側では直線Ｌよりも上側の領域、最大点より右側ではＮＴ特性曲線Ｖｈａよりも上側の領域である。

コントロールユニット３０は、昇圧電圧をＶｈａに維持しているものとする。このとき、動作点が領域Ｒ１内の点Ｃ１となった場合、エンジントルクは、ＮＴ特性曲線Ｖｈａで示されるジェネレータトルクよりも大きくなる。そのため、回転数が増加して動作点は右側に移動し、ジェネレータトルクとエンジントルクとが釣り合う点Ｄ１に至り、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１のトルク作用状態が安定する。

動作点が領域Ｒ２内の点Ｃ２となった場合、エンジントルクは、ＮＴ特性曲線Ｖｈａで示されるジェネレータトルクよりも小さくなる。そのため、回転数が減少して動作点は左側に移動し、ジェネレータトルクとエンジントルクとが釣り合う点Ｄ２に至り、トルク作用状態が安定する。

動作点が領域Ｒ３内の点Ｃ３となった場合、エンジントルクは、ＮＴ特性曲線Ｖｈａで示されるジェネレータトルクよりも大きくなる。そのため、回転数が増加して動作点は右側に移動する。しかし、点Ｃ３より右側には、ＮＴ特性曲線Ｖｈａは存在しない。そのため、ジェネレータトルクとエンジントルクとが釣り合うことはなく、トルク作用状態は不安定となる。

したがって、領域Ｒ１およびＲ２は、トルク作用状態が安定となる安定領域であり、領域Ｒ３は、トルク作用状態が不安定となる不安定領域であるといえる。そこで、コントロールユニット３０は、次に説明する安定化制御においては、昇圧電圧に基づいてＮＴ特性曲線を特定し、動作点が安定領域にあるか否かを判定する。そして、動作点が不安定領域にある場合には、動作点を安定領域に位置させる制御を実行する。

（３）安定化制御
（３−１）安定判定処理
エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１の動作点が安定領域にあるか否かを判定する処理について説明する。この安定判定処理は、発電電力と、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１の回転数とに基づいてＮＴ平面上での動作点の位置を求め、求められた位置とＮＴ特性曲線との関係に基づいて判定を行うものである。

コントロールユニット３０は、測定された実際の発電電力に基づいてＮＴ平面上における等電力線を特定する。この等電力線の特定は、発電電力目標値に基づいて行ってもよい。コントロールユニット３０は、エンジン回転数センサ４６またはレゾルバ３８から回転数の検出値を取得し、特定された等電力線と回転数の検出値とから動作点の位置を求める。

例えば、図５に示されるように、発電電力がＰ２である場合には、発電電力がＰ２であることを示す等電力線Ｐ２が特定される。そして、回転数がＮ０である場合には、等電力線Ｐ２において回転数がＮ０となる点Ｅの位置が動作点の位置として求められる。

次に、コントロールユニット３０は、昇圧電圧目標値に対応するＮＴ特性曲線を特定する。例えば、昇圧電圧目標値がＶｈａであれば、特定されるＮＴ特性曲線は図５に示されるＮＴ特性曲線Ｖｈａとなる。なお、ＮＴ特性曲線の特定は、電圧計４２による昇圧電圧の検出値を用いて行ってもよい。

コントロールユニット３０は、特定されたＮＴ特性曲線および動作点の位置に基づいて、動作点が安定領域にあるか不安定領域にあるかを判定する。例えば、図５に示されるように、特定されたＮＴ特性曲線がＶｈａであり、動作点が点Ｅであるときは、動作点は領域Ｒ３内に位置することとなる。そのため、コントロールユニット３０は、動作点が不安定領域にある旨の判定をする。他方、図５で示される場合とは別に、動作点としての点Ｅが領域Ｒ１またはＲ２にある場合には、コントロールユニット３０は、動作点が安定領域にある旨の判定をする。

なお、動作点が不安定領域にある場合、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１の回転数は、急激に変化していることが多い。そこで、コントロールユニット３０は、回転加速度に基づいて、動作点が安定領域にあるか否かを判定してもよい。この場合、コントロールユニット３０は、エンジン回転数センサ４６またはレゾルバ３８の検出値に基づいて、回転数の単位時間当たりの変化量である回転加速度を求める。そして、回転加速度が所定の閾値以上となったときに、動作点が不安定領域にある旨の判定をする。

また、動作点が不安定領域にある場合、実際の発電電力およびモータジェネレータＭＧ１に流れる電流は、急激に変化していることが多い。そこで、コントロールユニット３０は、発電電力または電流センサ４０の電流検出値に基づいて、動作点が安定領域にあるか否かを判定してもよい。この場合、コントロールユニット３０は、測定された発電電力の時間変化率を求める。そして、求められた時間変化率が所定の閾値以上となったときに、動作点が不安定領域にある旨の判定をする。あるいは、電力伝送線Ｖ１またはＷ１の電流検出値の時間変化率が所定の閾値以上となったときに、動作点が不安定領域にある旨の判定をする。

このように、コントロールユニット３０は、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１のトルク作用状態が安定であるか否かを判定する判定部として機能する。コントロールユニット３０は、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１の動作点が不安定領域にある旨の判定をしたときは、動作点を安定領域に至らしめる制御を実行する。この制御には、エンジントルクを減少させるエンジントルク減少制御、および、昇圧電圧を増加させる電圧増加制御がある。

（３−２）エンジントルク減少制御
エンジントルク減少制御について説明する。コントロールユニット３０は、安定トルク決定部として機能し、エンジン１０またはモータジェネレータＭＧ１の回転状態と、モータジェネレータＭＧ１の回転数対トルク特性とに基づいて、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１のトルク作用状態が安定となるエンジントルクを安定トルクとして求める。

具体的には、コントロールユニット３０は、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１の回転数が維持され、かつ、上述の安定判定処理において特定されたＮＴ特性曲線よりも下側にある点を安定動作点として設定する。そして、安定動作点に対応するエンジントルクを安定トルクとして求める。

図６には、このような安定動作点Ｆが示されている。コントロールユニット３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０およびスロットル１２を制御し、昇圧電圧を一定に維持しつつエンジントルクを安定トルクに一致させる。図６に示される例では、動作点は点Ｅから軌跡Ｑ１上を移動し、安定動作点Ｆに至る。これによって、動作点は安定領域に移動し、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１のトルク作用状態を安定化させることができる。この制御によれば、発電電力を著しく低下させることなく、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１のトルク作用状態を安定化させることができる。

なお、エンジントルクを安定トルクに一致させる制御は、エンジン１０の点火タイミングを変化させることで実行してもよい。エンジン１０の点火タイミングは、ピストンの位置に対応付けて定められている。通常の制御においては、混合燃料の圧縮工程においてピストンの位置が基準の点火位置となったときに点火が行われる。ここで、点火タイミングを遅らせ、ピストンが基準の点火位置を通り過ぎたときに点火を行うと、エンジントルクが減少する。そこで、コントロールユニット３０は、エンジン１０の点火タイミングを遅らせることで、エンジントルクを減少させる制御を行ってもよい。一般に、点火タイミングの変化によるエンジントルクの制御は、スロットル１２の制御によるエンジントルクの制御に比べて、エンジントルクの変化の時間応答特性が良好であることが多い。

（３−３）電圧増加制御
次に電圧増加制御について説明する。コントロールユニット３０は、安定電圧値決定部として機能し、エンジン１０またはモータジェネレータＭＧ１の回転状態と、モータジェネレータＭＧ１の回転数対トルク特性とに基づいて、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１のトルク作用状態が安定となる昇圧電圧を安定電圧値として求める。

具体的には、コントロールユニット３０は、動作点が安定領域に位置することとなるような昇圧電圧を安定電圧値として求め、安定電圧値を新たな昇圧電圧目標値とする。例えば、図７に示されるように、ＮＴ特性曲線Ｖｈａに対しては、動作点としての点Ｅは不安定領域に位置する。したがって、動作点は不安定領域に位置し、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１のトルク作用状態は不安定となる。他方、昇圧電圧目標値をＶｈａより大きいＶｈｂとし、昇圧電圧をＶｈｂとした場合には、特定されるＮＴ特性曲線はＮＴ特性曲線Ｖｈｂとなる。ＮＴ特性曲線Ｖｈｂに対しては、動作点としての点Ｅは安定領域に位置する。したがって、この例では、昇圧電圧目標値および昇圧電圧がＶｈｂである場合には、動作点は安定領域に位置し、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１のトルク作用状態は安定となる。

そこで、コントロールユニット３０は、ＮＴ平面上での動作点の位置に基づいて、その動作点が安定領域に位置するような昇圧電圧目標値を求める。そして、スロットル開度を一定に維持しながらＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０を制御し、昇圧電圧を昇圧電圧目標値に一致させる。

図７の例では、コントロールユニット３０は、昇圧電圧目標値をＶｈａからＶｈｂに変化させ、昇圧電圧をＶｈａからＶｈｂに変化させる。これによって、ＮＴ特性曲線は、ＮＴ特性曲線ＶｈａからＮＴ特性曲線Ｖｈｂへと変化し、動作点としての点Ｅは安定領域に位置することとなる。その後、動作点は点Ｅから軌跡Ｑ２に沿ってＮＴ特性曲線Ｖｈｂ上の点Ｅ１に至り、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１のトルク作用状態が安定化される。

なお、図７から明らかなように、昇圧電圧を増加させることで、ＮＴ特性曲線は右側に移動する。したがって、動作点が不安定領域にある場合には、昇圧電圧を増加させることで動作点をＮＴ特性曲線の左側に位置させ、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１のトルク作用状態を安定化することができることが多い。そこで、コントロールユニット３０は、昇圧電圧目標値を予め定められている昇圧電圧の最大電圧値ＶｈＭとしてもよい。昇圧電圧の最大電圧値ＶｈＭは、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１について許容される回転数、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０、車両駆動回路２６、整流回路１４、モータジェネレータＭＧ１等における耐電圧等に基づいて定められる。昇圧電圧目標値を最大電圧値ＶｈＭとすることによって、特定されるＮＴ特性曲線はＮＴ特性曲線ＶｈＭとなり、動作点を安定領域に位置させることができる。動作点は点Ｅから軌跡Ｑ３に沿ってＮＴ特性曲線Ｖｈｂ上の点Ｅ２に至り、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１のトルク作用状態が安定化される。

電圧増加制御によれば、発電電力を一定に維持しながらエンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１のトルク作用状態を安定化させることができる。上述のように安定電圧値を新たな昇圧電圧目標値とする場合、この安定電圧値を必要最小限の値とすることで、回転数の増加が抑制される。他方、昇圧電圧目標値を最大電圧値ＶｈＭとする場合、エンジン１０およびモータジェネレータＭＧ１のトルク作用状態を確実に安定化することができる。

なお、ここでは、エンジン１０の回転数とモータジェネレータＭＧ１の回転数とが同一であるものとして、コントロールユニット３０が実行する制御について説明した。エンジン１０とモータジェネレータＭＧ１との間に、所定の回転比率を以てトルクを伝達するトルク伝達機構が備えられている場合には、コントロールユニット３０は、いずれか一方の回転数を、その回転比率によって他方の回転数に換算した上で制御を行うこととすればよい。

１０ エンジン、１２ スロットル、１４ 整流回路、１６，５４，６４ ダイオード、１８ 二次電池、２０ ＤＣ／ＤＣコンバータ回路、２２ 正極伝送線、２４ 負極伝送線、２６ 車両駆動回路、２８ トルク伝達機構、３０ コントロールユニット、３２ 電圧制御部、３４ エンジン制御部、３６ 記憶部、３８ レゾルバ、４０ 電流センサ、４２ 電圧計、４４ 運転操作部、４６ エンジン回転数センサ、４８ インダクタ、５０ 第１ＩＧＢＴ、５２ 第２ＩＧＢＴ、５６ 出力コンデンサ、５８ インバータ回路、５８ｕ，５８ｖ，５８ｗ ＩＧＢＴ組、６０ 上側ＩＧＢＴ、６２ 下側ＩＧＢＴ。

Claims (5)

1. エンジンと、
   前記エンジンとの間でトルクを作用し合うジェネレータと、
   前記ジェネレータの交流発電電力を直流電力に変換し、車両を電力駆動する車両駆動部に至る電力経路にその直流電力を出力する整流回路と、
   前記エンジンのトルクを変化させるエンジン制御部と、
   前記エンジンまたは前記ジェネレータの動作状態に基づいて、前記エンジンおよび前記ジェネレータのトルク作用状態が安定であるか否かを判定する判定部と、を備え、
   前記エンジン制御部は、
   前記トルク作用状態が不安定である旨の判定が前記判定部によってされたときに、エンジンのトルクを減少させる、
   ことを特徴とする車両搭載用発電装置。
2. 請求項１に記載の車両搭載用発電装置において、
   前記整流回路と前記車両駆動部との間の電力経路に、二次電池の出力電圧を調整した制御用電圧を出力するコンバータ回路と、
   前記エンジンまたは前記ジェネレータの回転状態と、前記ジェネレータの回転数対トルク特性とに基づいて、前記エンジンおよび前記ジェネレータのトルク作用状態が安定となる安定トルクを前記エンジンのトルクについて求める安定トルク決定部と、を備え、
   前記エンジン制御部は、
   前記トルク作用状態が不安定である旨の判定が前記判定部によってされたときに、前記エンジンのトルクを前記安定トルクに一致させる、
   ことを特徴とする車両搭載用発電装置。
3. エンジンと、
   前記エンジンとの間でトルクを作用し合うジェネレータと、
   前記ジェネレータの交流発電電力を直流電力に変換し、車両を電力駆動する車両駆動部に至る電力経路にその直流電力を出力する整流回路と、
   前記整流回路と前記車両駆動部との間の電力経路に、二次電池の出力電圧を調整した制御用電圧を出力するコンバータ回路と、
   前記コンバータ回路を制御し、前記制御用電圧を変化させる電圧制御部と、
   前記エンジンまたは前記ジェネレータの動作状態に基づいて、前記エンジンおよび前記ジェネレータのトルク作用状態が安定であるか否かを判定する判定部と、を備え、
   前記電圧制御部は、
   前記トルク作用状態が不安定である旨の判定が前記判定部によってされたときに、前記制御用電圧を増加させる、
   ことを特徴とする車両搭載用発電装置。
4. 請求項３に記載の車両搭載用発電装置において、
   前記電圧制御部は、
   前記トルク作用状態が不安定である旨の判定が前記判定部によってされたときに、予め定められた最大電圧値まで前記制御用電圧を増加させる、
   ことを特徴とする車両搭載用発電装置。
5. 請求項３に記載の車両搭載用発電装置において、
   前記エンジンまたは前記ジェネレータの回転状態と、前記ジェネレータの回転数対トルク特性とに基づいて、前記エンジンおよび前記ジェネレータのトルク作用状態が安定となる安定電圧値を前記制御用電圧について求める、安定電圧値決定部を備え、
   前記電圧制御部は、
   前記トルク作用状態が不安定である旨の判定が前記判定部によってされたときに、前記制御用電圧を前記安定電圧値に一致させる、
   ことを特徴とする車両搭載用発電装置。

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