JP2014198495A

JP2014198495A - ハイブリッド車の制御装置

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Publication number: JP2014198495A
Application number: JP2013073879A
Authority: JP
Inventors: 強岡本; Tsutomu Okamoto
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2014-10-23
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP6089887B2; US9067596B2; US20140297080A1

Abstract

【課題】車両の動力源としてエンジンとＭＧ（モータジェネレータ）とを搭載したハイブリッド車のシステム全体の効率を向上させて燃費を効果的に向上させる。【解決手段】車両の走行動力とＭＧ１２や発電機１７の発電電力とバッテリ１８の放電電力とエンジン１１の冷却水加熱量と温水回路２３の冷却水放熱量とを用いてシステム効率関数を定義すると共に、バッテリ１８の状態（例えばバッテリＳＯＣ等）と外気温と将来の走行情報と冷却水温のうちの少なくとも一つに基づいて、要求充放電エネルギ（要求充電エネルギ又は要求放電エネルギ）や要求蓄熱エネルギ等の要求エネルギを算出し、この要求エネルギを満たしながらシステム効率関数が最大値を含む所定範囲内になるようにエンジン出力を決定する。これにより、エンジン１１、ＭＧ１２、発電機１７、バッテリ１８等を含むシステム全体の効率が最大値付近になる動作点でエンジン１１を動作させる。【選択図】図１

Description

本発明は、車両の動力源としてエンジンとモータとを搭載したハイブリッド車の制御装置に関する発明である。

近年、低燃費、低排気エミッションの社会的要請から車両の動力源としてエンジンとモータとを搭載したハイブリッド車が注目されている。このようなハイブリッド車においては、例えば、特許文献１（特許第３８１２１３４号公報）に記載されているように、バッテリのＳＯＣ（充電状態）を所定範囲に維持するように、車両の走行パワーとバッテリの充放電パワーとに基づいてエンジンのパワーを決定するようにしたものがある。

特許第３８１２１３４号公報

ハイブリッド車は、エンジンの効率が低下する低負荷走行時にエンジンを停止してモータの動力で走行するＥＶ走行を行うことで燃費を向上させるようにしたものがある。しかし、ＥＶ走行を継続し過ぎると、バッテリのＳＯＣが低下するため、ＥＶ走行を中断してエンジンの動力で走行せざるをえない状況になり、燃費を改善できなくなる。このため、バッテリのＳＯＣがある程度低下すると、エンジンの動力で発電してバッテリに充電するのが一般的である。

しかし、例えば、走行負荷が高いときに、バッテリのＳＯＣを早期に回復させるために発電量を大きく設定すると、エンジンや発電機やバッテリ等を含むシステム全体の効率が低下して、燃費を改善できない可能性がある。逆に、バッテリのＳＯＣが目標値に近いため、発電量を小さく設定すると、システム全体の効率を十分に高められず、燃費を改善できない可能性がある。

従って、ハイブリッド車において、燃費を効果的に向上させるには、エンジンや発電機やバッテリ等を含むシステム全体の効率を向上させる必要がある。しかし、上記特許文献１の技術では、システム全体としての効率は考慮されておらず、単にバッテリのＳＯＣを所定範囲に維持するようにエンジンのパワーを決定するだけであるため、システム全体の効率を向上させることは困難であり、燃費を効果的に向上させることができない。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、システム全体の効率を向上させることができ、燃費を効果的に向上させることができるハイブリッド車の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、車両の動力源として搭載されたエンジン（１１）及びモータ（１２）と、エンジン（１１）により駆動される発電機（１２，１７）と、充放電可能なバッテリ（１８）とを備えたハイブリッド車の制御装置において、車両の走行動力と発電機（１２，１７）の発電電力とバッテリ（１８）の放電電力とを用いてシステム効率関数を定義し、該システム効率関数が最大値又は該最大値を含む所定範囲内になるようにエンジン出力を決定する制御手段（３３）を備えた構成としたものである。

この構成では、走行動力と発電電力と放電電力とを用いて定義したシステム効率関数が最大値又は該最大値を含む所定範囲内になるようにエンジン出力を決定することで、エンジンや発電機やバッテリ等を含むシステム全体の効率が最大値付近（最大値又はその付近）になる動作点でエンジンを動作させることができる。これにより、システム全体の効率を向上させることができ、燃費を効果的に向上させることができる。

図１は本発明の一実施例におけるハイブリッド車の制御システムの概略構成を示す図である。図２はエンジン制御ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。図３はエンジン動作線の一例を示す図である。図４はエンジン高効率稼働領域の一例を示す図である。図５は発生エンジン出力Ｐe1と実効エンジン出力Ｐe2を説明する図である、図６はエンジン高効率稼働領域の設定方法を説明する図である。図７は要求充電エネルギの算出方法を説明する図である。図８は要求蓄熱エネルギ及び要求充電エネルギの算出方法を説明する図である。図９は目標エンジン出力の決定方法を説明する図である。図１０は目標エンジン回転速度の算出方法を説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてハイブリッド車の制御システムの概略構成を説明する。
車両の動力源として内燃機関であるエンジン１１とモータジェネレータ（以下「ＭＧ」と表記する）１２とが搭載されている。エンジン１１の出力軸（クランク軸）の動力がＭＧ１２を介して変速機１３に伝達され、この変速機１３の出力軸の動力がデファレンシャルギヤ機構１４や車軸１５等を介して車輪１６に伝達される。変速機１３は、複数段の変速段の中から変速段を段階的に切り換える有段変速機であっても良いし、無段階に変速するＣＶＴ（無段変速機）であっても良い。

エンジン１１の動力を車輪１６に伝達する動力伝達経路のうちのエンジン１１と変速機１３との間に、ＭＧ１２の回転軸が動力伝達可能に連結されている。尚、エンジン１１とＭＧ１２との間（又はＭＧ１２と変速機１３との間）に、動力伝達を断続するためのクラッチ（図示せず）を設けるようにしても良い。

エンジン１１の動力で駆動される発電機１７の発電電力がメインバッテリ１８に充電される。また、ＭＧ１２を駆動するインバータ１９がメインバッテリ１８に接続され、ＭＧ１２がインバータ１９を介してメインバッテリ１８と電力を授受するようになっている。発電機１７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０を介して低圧バッテリ２１に接続されている。メインバッテリ１８と低圧バッテリ２１は、いずれも充放電可能（充電や放電が可能）なバッテリである。

エンジン１１の冷却水通路（図示せず）には、暖房用の温水回路２３が接続されている。この温水回路２３には、暖房用のヒータコア２４と電動ウォータポンプ２５が設けられている。電動ウォータポンプ２５は、低圧バッテリ２１の電力で駆動され、この電動ウォータポンプ２５によりエンジン１１とヒータコア２４との間で冷却水（温水）を循環させるようになっている。また、ヒータコア２４の近傍には、温風を発生させるブロアファン２６が配置されている。

アクセルセンサ２８によってアクセル開度（アクセルペダルの操作量）が検出され、シフトスイッチ２９によってシフトレバーの操作位置が検出される。更に、ブレーキスイッチ３０によってブレーキ操作（又はブレーキセンサによってブレーキ操作量）が検出され、車速センサ３１によって車速が検出される。

ハイブリッドＥＣＵ３３は、車両全体を総合的に制御するコンピュータであり、上述した各種のセンサやスイッチの出力信号を読み込んで、車両の運転状態を検出する。このハイブリッドＥＣＵ３３は、エンジン１１の運転を制御するエンジンＥＣＵ３４と、インバータ１９を制御してＭＧ１２を制御すると共に発電機１７を制御するＭＧ−ＥＣＵ３５と、暖房装置（電動ウォータポンプ２５やブロアファン２６）を制御するエアコンＥＣＵ３６との間で制御信号やデータ信号等を送受信し、各ＥＣＵ３４〜３６によって車両の運転状態に応じて、エンジン１１、ＭＧ１２、発電機１７、暖房装置（電動ウォータポンプ２５やブロアファン２６）等を制御する。

ハイブリッド車は、エンジン１１の効率が低下する低負荷走行時にエンジン１１を停止してＭＧ１２の動力で走行するＥＶ走行を行うことで燃費を向上させることができる。しかし、ＥＶ走行を継続し過ぎると、メインバッテリ１８のＳＯＣ（充電状態）が低下するため、ＥＶ走行を中断してエンジン１１の動力で走行せざるをえない状況になり、燃費を改善できなくなる。このため、メインバッテリ１８のＳＯＣがある程度低下すると、エンジン１１の動力でＭＧ１２や発電機１７を駆動して発電してメインバッテリ１８に充電する。

しかし、例えば、走行負荷が高いときに、バッテリＳＯＣ（メインバッテリ１８のＳＯＣ）を早期に回復させるために発電量を大きく設定すると、エンジン１１、ＭＧ１２、発電機１７、メインバッテリ１８等を含むシステム全体の効率が低下して、燃費を改善できない可能性がある。逆に、バッテリＳＯＣが目標値に近いため、発電量を小さく設定すると、システム全体の効率を十分に高められず、燃費を改善できない可能性がある。

また、ハイブリッド車は、エンジン１１の稼働頻度が低いために冬季の暖房時等に熱量不足となる可能性がある。そこで、エンジン１１の動力で発電する発電量を増やすことでエンジン１１の発熱量を増加させて熱量不足を早期に解消することが行われるが、この場合においても、発電量の決定にシステム全体の効率を考慮しないと燃費を十分に改善できない。

従って、ハイブリッド車において、燃費を効果的に向上させるには、エンジン１１、ＭＧ１２、発電機１７、メインバッテリ１８等を含むシステム全体の効率を向上させる必要がある。

そこで、本実施例では、ハイブリッドＥＣＵ３３により後述する図２のエンジン制御ルーチンを実行することで、車両の走行動力とＭＧ１２や発電機１７の発電電力とメインバッテリ１８の放電電力とエンジン１１の冷却水加熱量とを用いてシステム効率関数を定義すると共に、メインバッテリ１８の状態と外気温と将来の走行情報とエンジン１１の冷却水温のうちの少なくとも一つに基づいて充放電と蓄熱のうちの少なくとも一方の要求エネルギを算出し、該要求エネルギを満たしながらシステム効率関数が最大値を含む所定範囲内になるようにエンジン出力を決定する。

以下、本実施例でハイブリッドＥＣＵ３３が実行する図２のエンジン制御ルーチンの処理内容を説明する。
図２に示すエンジン制御ルーチンは、ハイブリッドＥＣＵ３３の電源オン期間中に所定周期で繰り返し実行され、特許請求の範囲でいう制御手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、アクセル開度、車速、走行損失（例えば、走行抵抗、ギヤ損失）等に基づいて、車両の走行要求パワー（車両の走行に必要なパワー）をマップ又は数式等により算出する。

この後、ステップ１０２に進み、エンジン動作線（図３参照）のデータを読み込む。このエンジン動作線は、予め試験データや設計データ等に基づいて作成され、ハイブリッドＥＣＵ３３のＲＯＭに記憶されている。

エンジン動作線は、次のようにして作成されている。まず、車両の走行動力とＭＧ１２や発電機１７の発電電力とバッテリ１８の放電電力とエンジン１１の冷却水加熱量と温水回路２３の冷却水放熱量とを用いてシステム効率関数を下記（１）式で定義する。

ここで［−］は無次元数を意味する。
このシステム効率関数において、α＝β＝δ＝０、γは任意の値に設定して、システム効率関数の等高線（図３参照）を作成する。この後、各エンジン出力毎にシステム効率関数が最大値となる動作点（エンジン回転速度とエンジントルクの組み合わせ）を結んでエンジン動作線（図３参照）を作成する。

この後、ステップ１０３に進み、走行要求パワーが与えられたとき（走行動力＝走行要求パワーとしたとき）に、予め作成したエンジン動作線上で上記（１）式によりシステム効率関数を計算する（α、β、γ、δは任意の値に設定）。その結果、システム効率関数が最大値となる動作点付近（システム効率関数が最大値となる動作点を含む所定範囲内）をエンジン高効率稼働領域（図４参照）として設定する。

ここで、エンジン高効率稼働領域について補足する。
効率としては、発生エンジン出力Ｐe1（図５参照）から求めた発生効率や、実効エンジン出力Ｐe2（図５参照）から求めた実効効率がある。

発生効率［％］＝発生エンジン出力Ｐe1［ｋＷ］／燃料消費熱量［ｋＷ］×１００
実効効率［％］＝実効エンジン出力Ｐe2［ｋＷ］／燃料消費熱量［ｋＷ］×１００

システム効率関数は、損失分（ＭＧ１２やインバータ１９の損失、バッテリ１８の損失、放熱量等）を考慮するため、実効エンジン出力Ｐe2（＝発生エンジン出力Ｐe1−損失分）から求めた実行効率を意味する。そして、図６に示すように、エンジン高効率稼働領域は、実効効率（システム効率関数）が最大値Ｋ1 よりも所定値［％］だけ小さい値Ｋ2 以上となるエンジン出力領域とする。

この後、ステップ１０４に進み、メインバッテリ１８の状態（例えば、バッテリＳＯＣ、バッテリ電圧、バッテリ温度等）と外気温と将来の走行情報とエンジン１１の冷却水温のうちの少なくとも一つに基づいて、要求充放電エネルギ（要求充電エネルギ又は要求放電エネルギ）や要求蓄熱エネルギ等の要求エネルギを算出する。尚、運転者の操作（例えば空調設定等）や環境情報（例えば外気温等）に基づいて要求エネルギ（要求充放電エネルギや要求蓄熱エネルギ）を算出するようにしても良い。

［例１］
バッテリＳＯＣが所定の閾値よりも低くなると、エンジン１１を強制稼働して充電を実施するが、この場合、ＥＶ走行できなくなるため、バッテリＳＯＣをできるだけ閾値よりも高くしたい。そこで、図７に示すように、ある時点において、バッテリＳＯＣが所定の閾値よりも低い場合には、バッテリＳＯＣを所定時間Ｔで閾値まで増加させるのに必要な充電エネルギＡ［Ｊ］に余裕分を加算して要求充電エネルギＢ［Ｊ］を求める。この要求充電エネルギＢを発電効率（ＭＧ１２とインバータ１９とバッテリ１８の特性から定めた発電効率）で除算することで、要求充電エネルギＢを満たすのに必要な要求発電エネルギを求める。

［例２］
図８に示すように、ある時点において、冷却水温が所定の閾値よりも低く、バッテリＳＯＣが閾値よりも高い場合には、冷却水温を所定時間Ｔで閾値まで上昇させるのに必要な要求蓄熱エネルギを求める。この要求蓄熱エネルギを満たすのに必要な要求充電エネルギを求め、この要求充電エネルギを発電効率で除算することで、要求蓄熱エネルギを満たすのに必要な要求発電エネルギを求める。更に、要求蓄熱エネルギを発熱効率（エンジン１１と温水回路２３の特性から定めた発熱効率）で除算して要求発熱エネルギを求め、この要求発熱エネルギを用いてエンジン動作線を補正するようにしても良い。

尚、要求エネルギの算出方法は、上記の例１や例２の方法に限定されず、適宜変更しても良く、例えば、ナビゲーション装置からの将来の走行情報（例えば将来の走行経路や走行距離等）に基づいて、走行経路に降坂路があるため車両の運動エネルギをＭＧ１２で電気エネルギに変換してバッテリ１８に充電するエネルギ回生が期待できると判断した場合には、バッテリＳＯＣとエネルギ回生による予想回生エネルギ量等の情報に基づいて要求放電エネルギを算出する。

この後、ステップ１０５に進み、走行要求パワーと要求エネルギ（要求充放電エネルギや要求蓄熱エネルギ）とに基づいて、要求エネルギを満たすようにエンジン高効率稼働領域内で目標エンジン出力を決定することで、要求エネルギを満たしながらシステム効率関数が最大値を含む所定範囲内になるように目標エンジン出力を決定する。

例えば、図９に示すように、要求充電エネルギを満たすのに必要な要求発電エネルギを実現するための要求発電電力の設定範囲を求め、この要求発電電力の設定範囲内で走行要求パワーに要求発電電力を加算して求めた目標エンジン出力（＝走行要求パワー＋要求発電電力）がエンジン高効率稼働領域内になるように目標エンジン出力を設定する。この場合、目標エンジン出力（＝走行要求パワー＋要求発電電力）がエンジン高効率稼働領域内になるという条件を満たす中で、要求発電電力が最小となるように目標エンジン出力を設定しても良いし、要求発電電力が最大となるように目標エンジン出力を設定しても良い。或は、要求発電電力が中間（最小と最大の間）となるように目標エンジン出力を設定しても良い。もし、エンジン高効率稼働領域内で目標エンジン出力を設定できない場合には、設定可能な中で実行効率（システム効率関数）が最大となる目標エンジン出力を選択する。

この後、ステップ１０６に進み、図１０に示すように、エンジン動作線上で目標エンジン出力を満たすエンジン回転速度を目標エンジン回転速度として算出する。

以上説明した本実施例では、車両の走行動力とＭＧ１２や発電機１７の発電電力とメインバッテリ１８の放電電力とエンジン１１の冷却水加熱量と温水回路２３の冷却水放熱量とを用いてシステム効率関数を定義し、このシステム効率関数が最大値を含む所定範囲内になるように目標エンジン出力を決定するようにしたので、エンジン１１、ＭＧ１２、発電機１７、メインバッテリ１８等を含むシステム全体の効率が最大値付近（最大値又はその付近）になる動作点でエンジン１１を動作させることができる。これにより、システム全体の効率を向上させることができ、燃費を効果的に向上させることができる。

しかも、本実施例では、走行動力と発電電力と放電電力に加えて冷却水加熱量及び冷却水放熱量も用いてシステム効率関数を定義するようにしたので、暖機時や暖房時における燃費も向上させることができる。

ところで、システム全体の効率が最大値になるようにエンジン１１を動作させても、不要なエネルギ（電力や熱）を生成したのでは、燃費の向上効果が低下する可能性がある。
このような事情を考慮して、本実施例では、メインバッテリ１８の状態と外気温と将来の走行情報とエンジン１１の冷却水温のうちの少なくとも一つに基づいて、要求充放電エネルギや要求蓄熱エネルギ等の要求エネルギを算出し、この要求エネルギを満たしながらシステム効率関数が最大値を含む所定範囲内になるように目標エンジン出力を決定するようにしたので、必要なエネルギ（電力や熱）を生成しながらシステム全体の効率ができるだけ高くなる動作点でエンジン１１を動作させることができる。これにより、不要なエネルギの生成を抑制して、燃費向上効果の低下を抑制することができる。

この場合、システム全体の効率が最大値になる動作点でエンジン１１を稼働するのに必要なバッテリ１８の充電可能な空き容量又は放電可能な残容量が十分に無い状況でも、最大効率ではなく若干低めの効率を許容することで、バッテリ１８の空き容量や残容量の制約を回避しながら、エンジン効率をある程度高めることができる。これは、ハイブリッド車に使われるような高効率なエンジン１１では、一般的に最大効率付近におけるエンジン出力に対する効率の変化が緩やかであるため、少しの効率減少を許容すれば、エンジン出力をある程度大きめに減少又は増加させることが可能という知見に基づいている。

尚、上記実施例では、システム効率関数が最大値を含む所定範囲内になるように目標エンジン出力を決定するようにしたが、これに限定されず、例えば、システム効率関数が最大値になるように目標エンジン出力を決定するようにしても良い。このようにすれば、システム全体の効率が最大値になる動作点でエンジン１１を動作させることができ、燃費をより効果的に向上させることができる。この場合、バッテリ１８に充電可能な空き容量又は放電可能な残容量があることを前提としており、システム全体の効率が最大値になるエンジン１１の動作点が決まれば、充電量又は放電量を確定できるので、バッテリ１８の空き容量又は残容量が十分かどうかを判定できる。

また、上記実施例では、走行動力と発電電力と放電電力に加えて冷却水加熱量及び冷却水放熱量も用いてシステム効率関数を定義するようにしたが、これに限定されず、例えば、冷却水加熱量及び冷却水放熱量を省略して、走行動力と発電電力と放電電力とを用いてシステム効率関数を定義するようにしても良い。

また、上記実施例では、ハイブリッドＥＣＵでエンジン制御ルーチンを実行するようにしたが、これに限定されず、ハイブリッドＥＣＵ以外の他のＥＣＵ（例えばエンジンＥＣＵ等）でエンジン制御ルーチンを実行するようにしたり、或は、ハイブリッドＥＣＵと他のＥＣＵの両方でエンジン制御ルーチンを実行するようにしても良い。

その他、本発明は、図１に示す構成のハイブリッド車に限定されず、車両の動力源としてエンジンとモータジェネレータとを搭載した種々の構成のハイブリッド車（例えば複数のモータジェネレータを搭載したハイブリッド車）に適用して実施することができ、また、車両外部の電源からバッテリに充電可能なＰＨＶ車（プラグインハイブリッド車）にも適用して実施できる。

１１…エンジン、１２…ＭＧ（モータ，発電機）、１７…発電機、１８…メインバッテリ、３３…ハイブリッドＥＣＵ（制御手段）

Claims

車両の動力源として搭載されたエンジン（１１）及びモータ（１２）と、前記エンジン（１１）により駆動される発電機（１２，１７）と、充放電可能なバッテリ（１８）とを備えたハイブリッド車の制御装置において、
前記車両の走行動力と前記発電機（１２，１７）の発電電力と前記バッテリ（１８）の放電電力とを用いてシステム効率関数を定義し、該システム効率関数が最大値又は該最大値を含む所定範囲内になるようにエンジン出力を決定する制御手段（３３）を備えていることを特徴とするハイブリッド車の制御装置。
前記制御手段（３３）は、前記バッテリ（１８）の状態と外気温と将来の走行情報のうちの少なくとも一つに基づいて充放電の要求エネルギを算出し、該要求エネルギを満たしながら前記システム効率関数が前記所定範囲内になるように前記エンジン出力を決定することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド車の制御装置。
前記制御手段（３３）は、前記走行動力と前記発電電力と前記放電電力に加えて前記エンジン（１１）の冷却水加熱量と温水回路（２３）の冷却水放熱量も用いて前記システム効率関数を定義することを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド車の制御装置。
前記制御手段（３３）は、前記バッテリ（１８）の状態と外気温と将来の走行情報と前記エンジン（１１）の冷却水温のうちの少なくとも一つに基づいて充放電と蓄熱のうちの少なくとも一方の要求エネルギを算出し、該要求エネルギを満たしながら前記システム効率関数が前記所定範囲内になるように前記エンジン出力を決定することを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド車の制御装置。