JP2013189061A - 発電制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ベルト滑り防止のためのフリクション増大を抑制しつつ、燃焼が不安定な状態でのベルト滑りを防止し得る発電制御装置を提供する。
【解決手段】ベルト８を介して伝達される内燃機関１の駆動力により回転することによって発電を行ない得る電動機２を備える発電システムの発電制御装置において、電動機２により発電を行なう場合に、内燃機関１の燃焼トルク変動が大きい運転状態では燃焼トルク変動が小さい運転状態より発電トルクが小さくなるよう制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の出力軸にベルト等を介して機械的に連結された電動機を用いた発電制御に関する。

ベルト等を介して内燃機関の出力軸により駆動される電動機を発電機として使用し、発電量、つまり発電トルクを目標値に向けて徐々に増大させ、増大させる際の増大度合を内燃機関の燃焼安定性に基づいて設定する構成が特許文献１に開示されている。具体的には、燃焼安定性が低いときほど増大度合を緩やかにしている。これにより、アイドル運転状態における発電開始に伴う機関回転速度の急低下を抑制して、エンジンストールを防止ししている。

特開２００３−１８４５９８号公報

しかしながら、特許文献１では発電トルクの増大度合を変えているだけであって、発電トルクの絶対値は変化させていない。したがって、内燃機関の燃焼が不安定で燃焼によるトルク変動が大きい状態で大きな発電トルクが設定されると、ベルト張力に対して過大なトルクが作用することとなり、ベルト滑りが生じて発電効率が低下してしまう。一方、ベルト滑りはベルト張力を上げることで解消できるが、ベルト張力を上げた分だけフリクションが大きくなり、燃費性能を低下させることになる。

そこで、本発明では、ベルト張力を無用に高く設定することなく、燃焼が不安定な状態でもベルト滑りを防止し得る発電制御装置を提供することを目的とする。

本発明の発電制御装置は、ベルトを介して内燃機関の駆動力により駆動されて発電を行なう発電機能を有する電動機を備える発電システムの発電制御装置である。そして、電動機により発電を行なう場合に、内燃機関の燃焼トルク変動が大きくいほど小さい発電トルクを設定する。

本発明によれば、燃焼トルク変動が大きいほど小さい発電トルクを設定するので、燃焼トルク変動が大きい場合ほど緩み側ベルト張力が大きくなる。その結果、燃焼トルク変動が増大したときに、ベルト張力がスリップ限界を下回ることを防止できる。つまり、ベルト滑りが発生し易い状況ほどベルト張力が大きくなるので、フリクションの増大を抑制しつつベルト滑りを防止することができる。

本発明の実施形態に係るシステムの構成図である。 ベルト張力を説明する為の図であり、（Ａ）はシステム停止状態、（Ｂ）は発電状態、（Ｃ）は（Ｂ）に比べて発電トルクを低下させた状態を示す図である。 ＥＣＭが実行する発電制御ルーチンのフローチャートである。 発電制御を実行した場合のタイムチャートである。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態を示すシステム構成図である。図中の実線はハードワイヤ接続を示し、破線は電力伝達経路を示し、一点鎖線はコントローラ・エリア・ネットワーク（以下、ＣＡＮと称する）を示している。以下の説明では、図中上方を先端側、下方を基端側とする。

図１に示すように、内燃機関１は一方の側面に電動機２を、他方の側面にエアコンコンプレッサ４を、それぞれ図示しないブラケット等を介して備えている。内燃機関１のクランクシャフト先端に装着したクランクプーリ５と、電動機２の回転軸先端に装着した電動機プーリ６と、エアコンコンプレッサ４の回転軸先端に装着したコンプレッサプーリ７とに、ベルト８を巻掛けて、これらを機械的に連結する。

なお、図１ではクランクプーリ５、電動機プーリ６、及びコンプレッサプーリ７の３つのプーリを一本のベルト８で機械的に連結しているが、電動機プーリ６とコンプレッサプーリ７をそれぞれ別のベルト８でクランクプーリ５と機械的に連結してもよい。

内燃機関１は無段変速機（以下、ＣＶＴと称する）１１との連結部付近にスタータ９を備える。スタータ９は、一般的な始動用のスタータと同様に進退動するピニオンギヤを備え、作動時にはピニオンギヤがクランクシャフト基端部に装着されたドライブプレートの外周に設けたギヤに係合し、クランキングを行なう。スタータ９の制御はアンダー・フード・スイッチングモジュール（以下、ＵＳＭと称する）２３が行い、作動に必要な電力はメインバッテリ１６から供給される。ＵＳＭ２３は、この他にエアコンアンプ２２等の制御も行う。

ＣＶＴ１１は変速用のオイルポンプ１０を備える。オイルポンプ１０はＣＶＴコントローラ２０の変速指示に応じて作動する。

電動機２はインバータ３を備え、メインバッテリ１６から供給された電力により駆動するモータ機能と、内燃機関１の駆動力により駆動して発電する発電機能を有する。また、電動機２の発電機能を使用する際に、発電量、つまり発電トルクを可変に制御することが可能である。

モータ機能と発電機能の切り換えは、エンジンコントロールモジュール（以下、ＥＣＭと称する）１９が行う。モータ機能を使用するのは、主にアイドルストップからの復帰時と、加速時等におけるトルクアシスト実行時である。トルクアシストとは、加速時や登坂路走行時のように大きな出力が必要な場合に、電動機２のモータ機能を使用して、内燃機関１の出力の補助を行なうことをいう。トルクアシストの制御については後述する。

メインバッテリ１６は、第１電気負荷群４０へ電力を供給する。第１電気負荷群４０はトルクアシスト実行時にいわゆる瞬低と呼ばれる瞬間的な電圧降下を許容し得る電装品群である。上記のＥＣＭ１９、スタータ９、インバータ３の他に、例えば、ヘッドライトやワイパ等が含まれる。

また、本システムではサブバッテリ１５を備える。サブバッテリ１５は第２電気負荷群３０へ電力を供給する。第２電気負荷群３０は、トルクアシスト時の瞬低が許容し得ない電装品群であり、例えば各メータ、ナビゲーションシステム、エアコンディショナー等が含まれる。

メインバッテリ１６とサブバッテリ１５は、いずれも電動機２で発電された電力が充電される。ただし、サブバッテリ１５と電動機２の間にはリレー１７が介装されている。リレー１７は、リレー１７Ａとリレー１７Ｂの２つのリレーを備えており、いわゆる冗長系となっている。リレー１７Ａとリレー１７Ｂの切り換えは、ＥＣＭ１９が行う。

ＥＣＭ１９は、アクセル開度センサ１８、クランク角センサ１２、ブレーキスイッチ２５といった運転状態を検出するセンサの検出信号を読み込み、これらに基づいて一般的な燃料噴射量や点火時期等の制御や上述したリレー１７の制御の他、後述するトルクアシスト制御等を行なう。ＥＣＭ１９は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。ＥＣＭ１９を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

また、ＥＣＭ１９は、ＣＶＴコントローラ２０、電動パワーステアリングコントローラ２１、エアコンアンプ２２、ＵＳＭ２３、及び各メータ２４とＣＡＮを形成している。

次に、電動機２のモータ機能と発電機能の切り換えと、リレー１７の切り換えについて、運転シーン毎に説明する。

（Ａ）システム停止状態、例えば車両運行終了から次回運行までの間は、リレー１７Ａ、リレー１７Ｂをいずれもオフにする。

（Ｂ）運転者の操作により内燃機関１を始動する場合は、リレー１７Ａ、リレー１７Ｂはいずれもオフのまま、メインバッテリ１６からスタータ９へ電力供給し、スタータ９により内燃機関１を始動させる。内燃機関１が完爆した後、電動機２は発電を行ない、リレー１７Ａ、リレー１７Ｂのいずれかをオンにする。ここでは、電動機２の目標発電電圧は１４Ｖ、メインバッテリ１６、サブバッテリ１５は満充電状態で１４Ｖとする。これにより、電動機２で発電された電力によりメインバッテリ１６、サブバッテリ１５の充電を完了させる。

（Ｃ）定常走行時やトルクアシストを伴わない程度の加速時は、始動時と同様にリレー１７Ａ、リレー１７Ｂのいずれかをオンにした状態を維持する。そして、電動機２の目標発電電圧を、例えば１２Ｖ程度まで低下させることで電動機２を無発電状態にする。これにより、内燃機関１の負荷が低減し、燃費性能が向上する。

（Ｄ）減速時は、始動時と同様にリレー１７Ａ、リレー１７Ｂのいずれかをオンにした状態を維持する。そして、電動機２は目標発電電圧を１４Ｖとして回生発電を行ない、メインバッテリ１６、サブバッテリ１５への充電を行なう。

（Ｅ）車両運行中にいわゆるアイドルストップを行なう場合は、リレー１７Ａ、リレー１７Ｂはいずれもオフにし、システム停止状態にする。

（Ｆ）アイドルストップからの復帰時は、リレー１７Ａ、リレー１７Ｂはいずれもオフのままにする。メインバッテリ１６から電動機２へ電力を供給し、電動機２をモータとして機能させて内燃機関１を始動させる。すなわち、アイドルストップからの復帰時には、スタータ９は用いずに、電動機２のモータ機能により内燃機関１を再始動させる。

（Ｇ）再始動時の完爆後は、アイドルストップ前の運転中とは逆のリレー１７をオンにし、電動機２を発電機能に切り換える。

（Ｈ）トルクアシスト実行時は、リレー１７Ａ、リレー１７Ｂをいずれもオフにし、メインバッテリ１６から電動機２へ電力を供給する。リレー１７Ａとリレー１７Ｂをいずれもオフにすることで、サブバッテリ１５と電動機２を電気的に切断する。これにより、トルクアシスト中もサブバッテリ１５から第２電気負荷群３０へ安定した電力供給を行なうことが可能となり、第２電気負荷群３０の瞬低を防止できる。

なお、本実施形態では簡単のため、アクセル開度の変化速度が所定値以上となったらトルクアシストを開始し、アクセル開度が減少するまで、またはトルクアシスト開始から所定時間が経過するまでトルクアシストを終了するものとする。

（Ｉ）トルクアシスト終了後は、トルクアシスト実行前とは逆のリレー１７をオンにする。

次に、電動機２の発電機能により発電する際の制御内容について説明する。

図２は、クランクプーリ５と電動機プーリ６を機関正面から見た図である。なお、簡単のためコンプレッサプーリ７は省略し、クランクプーリ５と電動機プーリ６にベルト８を巻掛けた構成を示している。図２の（Ａ）はシステム停止状態、（Ｂ）は発電状態、（Ｃ）は（Ｂ）に比べて発電トルクを低下させた状態、を示している。図中の実線矢印は内燃機関１のトルクを、破線矢印は発電トルクをあらわしている。

図２の（Ａ）に示すように、ベルト８は張力Ｔｐを与えられてクランクプーリ５と電動機プーリ６に巻掛けられている。この張力Ｔｐを静止張力という。

電動機２が発電機能を発揮している状態では、図２の（Ｂ）に示すようにベルト８の張力のバランスが崩れ、一方は静止張力Ｔｐより大きなＴｔ、他方は静止張力Ｔｐより小さなＴｓとなる。この張力差により電動機プーリ６に内燃機関１の動力が伝達される。ここで、張力Ｔｔを張り側張力、張力Ｔｓを緩み側張力と呼ぶ。

発電トルクが図２の（Ｂ）の状態より小さい場合には、図２の（Ｃ）に示すように、発電トルクが小さくなった分だけ図２の（Ｂ）の状態に比べて張り側張力Ｔｔが小さく、緩み側張力Ｔｓが大きくなる。

また、張り側張力Ｔｔ及び緩み側張力Ｔｓは、内燃機関１の燃焼トルク変動に応じて脈動する。これは、クランクプーリ５の回転が燃焼トルク変動に応じて変動するためである。したがって、燃焼トルク変動が大きくなるほどクランクプーリ５の回転ムラが大きくなり、張り側張力Ｔｔ及び緩み側張力Ｔｓの振幅も大きくなる。

このように、ベルト張力は発電トルクの大きさに応じて変動するものであり、発電トルクが大きくなるほど緩み側張力Ｔｓは小さくなる。そして、内燃機関１の燃焼トルク変動により、ベルト張力に対して燃焼トルクが過大になると、ベルト滑りが生じる。すなわち、燃焼トルク変動が大きいほどベルト滑りが生じ易くなる。

なお、静止張力Ｔｔが大きいほどベルト滑りが生じにくくなるが、ベルト張力が大きくなることによってフリクションが増大するので、燃費性能の悪化を招くこととなる。

そこで、ＥＣＭ１９は以下に説明するような運転状態に応じた発電制御を実行する。

図３は、ＥＣＭ１９が実行する発電トルクの制御ルーチンを示すフローチャートである。

ステップＳ１００で、ＥＣＭ１９はブレーキ判定を行なう。具体的にはブレーキスイッチ２５の検出信号に基づいてブレーキペダルが踏み込まれているか否かを判定する。ブレーキペダルが踏み込まれている場合（以下、この状態をブレーキオンという）はステップＳ１４０の処理を実行し、踏み込まれていない場合（以下、この状態をブレーキオフという）はステップＳ１１０の処理を実行する。

ステップＳ１１０で、ＥＣＭ１９はアクセル踏み込み判定を行なう。具体的にはアクセル開度センサ１８の検出信号に基づいて、アクセルペダルが踏み込まれているか否かを判定する。なお、アクセル開度がゼロの場合だけでなく、所定の低開度である場合もアクセルペダルが踏み込まれていないと判定する。

そして、アクセルペダルが踏み込まれている場合（以下、この状態をアクセルオンという）はステップＳ１２０の処理を実行し、踏み込まれていない場合（以下、この状態をアクセルオフという）はステップＳ１４０の処理を実行する。

ステップＳ１２０で、ＥＣＭ１９はアクセル開度判定を行なう。具体的には、アクセル開度センサの検出信号に基づいて、アクセル開度が予め設定した開度Ａ［ｄｅｇ］以上か否かを判定する。開度Ａは、例えば、内燃機関１の運転領域を高負荷域と低負荷域に分ける際の境界となる負荷に相当する開度とする。

アクセル開度が開度Ａ以上の場合はステップＳ１３０の処理を実行し、開度Ａ未満の場合はステップＳ１５０の処理を実行する。

ステップＳ１３０で、ＥＣＭ１９はエンジン回転数判定を行なう。具体的には、クランク角センサ１２の検出信号に基づいて、エンジン回転数がＢ［ｒｐｍ］以上か否かを判定する。回転数Ｂは内燃機関１の運転領域を高回転域と低回転域に分ける際の境界となる回転数とする。

そして、回転数Ｂ以上の場合はステップＳ１６０の処理を実行し、回転数Ｂ未満の場合はステップＳ１７０の処理を実行する。

ＥＣＭ１９は、ステップＳ１４０では第１発電トルク、ステップＳ１５０では第２発電トルク、ステップＳ１６０では第３発電トルク、ステップＳ１７０では第４発電トルクで発電を行なう。各発電トルクの大小関係は、第１発電トルク＞第２発電トルク＞第３発電トルク＞第４発電トルクとする。

次に、上記の制御ルーチンを実行した場合の具体例について説明する。

図４は、上述した発電制御を実行した場合のタイムチャートである。最緩み側張力のチャート中の一点鎖線は、最緩み側張力のスリップ限界を示している。つまり、最緩み側張力がスリップ限界を下回るとベルト滑りが生じる。

タイミングＴ０−Ｔ１間はブレーキオンの状態なので、ＥＣＭ１９は、発電トルクを取り得る４段階のうち最も大きい第１発電トルクに設定する。

タイミングＴ１でブレーキオフになるが、タイミングＴ２まではアクセルオフの状態なので、ＥＣＭ１９は第１発電トルクを維持する。なお、タイミングＴ１以降はブレーキオフの状態が続く。

タイミングＴ２−Ｔ３間は、アクセル開度がごく小さいためアクセルオフ状態とみなされ、ＥＣＭ１９は第１発電トルクのままである。

タイミングＴ３でアクセルオンとなるが、アクセル開度が開度Ａ未満である。したがって、ＥＣＭ１９は発電トルクを第１発電トルクより低い第２発電トルクに切り換える。

タイミングＴ４でアクセル開度が開度Ａ以上になるが、エンジン回転数は回転数Ｂ未満である。つまり、低回転高負荷の状態なので、ＥＣＭ１９は発電トルクを４段階で最も低い第４発電トルクに切り換える。

タイミングＴ５でアクセル開度が全開になったら、その後全開を維持する。エンジン回転数が上昇し続け、タイミングＴ６で回転数Ｂ以上になると、ＥＣＭ１９は発電トルクを第４発電トルクより高く第２発電トルクより低い第３発電トルクに切り換える。これは、運転者の加速要求は高いが、低回転高負荷の状態に比べると燃焼トルク変動が小さいので、最緩み側張力の脈動振幅も小さくなり、発電トルクを増大させても最緩み側張力をスリップ限界以上に維持できるからである。

ところで、発電トルクを小さくするほど最緩み側張力の脈動の中心が高張力側へ移動する。また、内燃機関１の燃焼トルク変動が大きくなるほど、最緩み側張力の脈動の振幅は大きくなる。したがって、最緩み側張力の脈動の振幅が大きくなる場合ほど、最緩み側張力の脈動の中心がスリップ限界から離れるように制御すれば、最緩み側張力が脈動中の最小値となったときでもスリップ限界を下回ることを防止することができる。本実施形態の発電制御は、このような思想に基づくものである。

本実施形態の制御についてまとめると、以下のようになる。

ブレーキペダルが踏み込まれている場合や、アクセルペダルが踏み込まれていない場合には、燃焼トルク変動が小さいとみなし、選択し得る発電トルクのうち最も大きな第１発電トルクで発電を行なう。

アクセルペダルは踏み込まれているが開度Ａ未満の場合は、第１発電トルクより小さい第２発電トルクで発電する。このような場合は、ステップＳ１４０の処理を実行する場合に比べて、内燃機関１の燃焼トルク変動が大きいとみなすことができるからである。

アクセル開度が開度Ａ以上かつ内燃機関１の回転数が回転数Ｂ以上の場合、つまり運転者がより高い加速を要求している場合には、ステップＳ１５０の処理を実行する場合に比べて燃焼トルク変動が大きいとみなし、第２発電トルクより小さな第３発電トルクで発電を行なう。また、発電トルクを低下させることで、電動機２を駆動するのに要する内燃機関１の負荷を低減することができ、加速性能を向上させることもできる。

アクセル開度が開度Ａ以上でエンジン回転数が回転数Ｂ未満の場合、つまり低回転高負荷の場合には、さらに燃焼トルク変動が大きいものとみなし、第３発電トルクよりさらに低い第４発電トルクで発電を行なう。

以上のように、燃焼トルク変動が相対的に小さい場合にはより高い発電トルクを設定する。発電トルクを高めることで緩み側張力が小さくなるが、燃焼トルク変動が小さいため緩み側張力の脈動も小さくなり、ベルト滑りを防止することができる。そして、燃焼トルク変動が大きくなるほど小さい発電トルクを設定することによって、緩み側張力を高めて、緩み側張力の脈動が増大した場合のベルト滑りを防止している。このように、燃焼トルク変動に応じて発電トルクを変化させることにより、静止張力Ｔｐを無用に高めることなく、運転状態の変化に応じてベルト８の緩み側張力の大きさ及び脈動振幅が変化する場合のベルト滑りを防止することができる。また、ベルト８の張力を高めずに済むので、フリクションの増大を防止することもできる。

なお、制御の簡素化のために、アクセルオンであればアクセル開度の大きさによらず第２発電トルクに設定するようにしてもよい。ただし、この場合の第２発電トルクは、加速時等にもベルト滑りを防止するために、上述した制御における第４発電トルク程度の大きさに設定する必要がある。同様に、アクセル開度が開度Ａ以上の場合に、エンジン回転数によらず第３発電トルクまたは第４発電トルクに設定するようにしてもよい。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ 内燃機関
２ 電動機
３ インバータ
４ エアコンコンプレッサ
５ クランクプーリ
６ 電動機プーリ
８ ベルト
９ スタータ
１２ クランク角センサ
１９ エンジンコントロールモジュール（ＥＣＭ）
１５ サブバッテリ
１６ メインバッテリ
１８ アクセル開度センサ
２５ ブレーキスイッチ

Claims (4)

1. ベルトを介して伝達される内燃機関の駆動力により発電し得る電動機を備える発電システムの発電制御装置において、
   前記電動機により発電を行なう場合に、前記内燃機関の燃焼トルク変動が大きいほど小さい発電トルクを設定することを特徴とする発電制御装置。
2. 請求項１に記載の発電制御装置において、
   ブレーキペダルが踏み込まれているか否かを検知するブレーキスイッチと、
   アクセルペダルの開度を検知するアクセル開度センサを備え、
   ブレーキペダルが踏み込まれている場合、及びブレーキペダルとアクセルペダルがいずれも踏み込まれていない場合は発電トルクを予め設定した第１発電トルクに設定し、
   ブレーキペダルが踏みこまれておらず、かつアクセルペダルが踏みこまれている場合は発電トルクを前記第１発電トルクより小さい第２発電トルクに設定する発電制御装置。
3. 請求項２に記載の発電制御装置において、
   アクセル開度が所定開度未満の場合は前記第２発電トルクに設定し、
   アクセル開度が所定開度以上の場合は発電トルクを前記第２発電トルクより小さくする発電制御装置。
4. 請求項３に記載の発電制御装置において、
   前記内燃機関の機関回転数を検出する回転数センサを備え、
   アクセル開度が所定開度以上かつ機関回転数が所定回転数以上の場合は前記第２発電トルクより小さい第３発電トルクに設定し、
   アクセル開度が所定開度以上かつ機関回転数が所定回転数未満の場合は前記第３発電トルクより小さい第４発電トルクに設定する発電制御装置。

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