JP2015071332A - ハイブリッド自動車の制御装置およびハイブリッド自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリの電力を外部に給電する際のエンジンによる発電の最適な制御を実現すること。【解決手段】エンジン１０と、エンジン１０の回転速度を所定の回転速度に変速するＡＭＴ４１と、電動機１１と、電動機１１に電力を供給すると共に電動機１１の発電電力によって充電されるバッテリ１２と、バッテリ１２の電力を外部に給電する外部端子１３と、を有するハイブリッド自動車１の制御装置において、外部端子１３を介してバッテリ１２の電力を外部に給電中であり、エンジン１０の動力によって電動機１１で発電を行ってバッテリ１２のＳＯＣを所定の状態に保つときには、ＡＭＴ４１の変速比と、エンジン１０の回転速度と、電動機１１の回転速度および回生トルクと、が予め設定された値となるように制御するエンジンＥＣＵ２０、車両ＥＣＵ２１、ＨＶ−ＥＣＵ２２、およびＡＭＴ−ＥＣＵ２３を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド自動車の制御装置およびハイブリッド自動車に関する。

災害発生時の電力供給源として電気自動車やハイブリッド自動車のバッテリが着目されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１３−５１７７２号公報

特許文献１では、車両から外部への給電中に、バッテリの電力が不足したときには、エンジンを駆動することによって電動機により発電することが述べられている。

また、特許文献１は、駆動輪を駆動するための電動機とエンジンにより駆動される発電機として用いる電動機とが異なり、外部給電中における１つの走行用の電動機でのバッテリへの充電については記載されていない。

本発明は、このような背景の下に行われたものであって、バッテリの電力を外部に給電する際のエンジンおよび電動機の最適な制御を実現することができるハイブリッド自動車の制御装置およびハイブリッド自動車を提供することを目的とする。

本発明は、エンジンと、エンジンの回転速度を所定の回転速度に変速する変速機と、電動機と、電動機に電力を供給すると共に電動機の発電電力によって充電されるバッテリと、バッテリの電力を外部に給電する外部端子と、を有するハイブリッド自動車の制御装置において、外部端子を介してバッテリの電力を外部に給電中であり、エンジンの動力によって電動機で発電を行ってバッテリの充電状態を所定の状態に保つときには、変速機の変速比と、エンジンの回転速度と、電動機の回転速度および回生トルクと、が予め設定された値となるように制御する制御手段を有するものである。

このとき、制御手段は、少なくとも外部端子を介してバッテリの電力を外部に給電中であるときには、エンジンおよび電動機のいずれの出力も走行系とは切り離すことができる。

本発明の他の観点は、エンジンと、エンジンの回転速度を所定の回転速度に変速する変速機と、電動機と、電動機に電力を供給すると共に電動機の発電電力によって充電されるバッテリと、バッテリの電力を外部に供給する外部端子と、を有するハイブリッド自動車において、本発明の制御装置を有し、変速機を介したエンジンの回転力を電動機にギアを介して伝達する回転力の伝達機構を有し、回転力の伝達機構は、変速機を介したエンジンの回転速度が予め設定された値であるときに、電動機の回転速度が予め設定された値となるように回転力の伝達比率が設定されているものである。

本発明によれば、バッテリの電力を外部に給電する際のエンジンおよび電動機の最適な制御を実現することができる。

本発明の実施の形態に係るハイブリッド自動車の構成図である。 図１のエンジンの効率を説明するための図であり、横軸にエンジンの回転速度をとり、縦軸に馬力をとる図である。 図１の電動機の発電効率を説明するための図であり、横軸に電動機の回転速度をとり、縦軸に回生トルクをとる。 図１のＨＶ−ＥＣＵおよび他のＥＣＵの動作を示すフローチャートである。

本発明の実施の形態に係るハイブリッド自動車１について、図１〜図４を参照しながら説明する。

ハイブリッド自動車１は、主な構成として、図１に示すように、エンジン１０と、電動機１１と、電動機１１に電力を供給すると共に電動機１１の発電電力によって充電されるバッテリ１２と、バッテリ１２の電力を外部に給電する際に負荷が接続される外部端子１３と、を有する。なお、外部端子１３に接続される負荷としては、たとえば、不図示の給電機がある。この給電機は、バッテリ１２の直流電力の供給を受け、その直流電力を、たとえば一般家庭用の交流１００ボルトに変換することができる。

そして、ハイブリッド自動車１は、外部端子１３を介してバッテリ１２の電力を外部に給電中であるときに、後述するＡＭＴ４１のギア段数と、エンジン１０の回転速度と、電動機１１の回転速度および回生トルクと、が予め設定された値となるように制御する制御手段としてエンジンＥＣＵ(Electric Control Unit)２０、車両ＥＣＵ２１、ＨＶ−ＥＣＵ２２、およびＡＭＴ−ＥＣＵ２３を有する。なお、これらの各ＥＣＵ間は、ＣＡＮ(Control Area Network)通信を介して情報伝達が行われる。

エンジンＥＣＵ２０は、エンジン１０の各種の制御を行う制御部である。エンジンＥＣＵ２０は、たとえば、エンジン１０の回転速度の制御、およびエンジン１０の燃料噴射を停止するなどしてエンジン１０を停止させる制御を行う。

車両ＥＣＵ２１は、ハイブリッド自動車１の各種の制御を行う制御部である。たとえば、車両ＥＣＵ２１は、スタータ３０によるエンジン１０の始動を実施する。また、車両ＥＣＵ２１のこれらの制御は、ＨＶ−ＥＣＵ２２からの指示によっても行われる。

ＨＶ−ＥＣＵ２２は、主にエンジン１０と電動機１１との協調制御を行う制御部である。たとえば、ＨＶ−ＥＣＵ２２は、バッテリ１２のＳＯＣに応じたエンジン１０の動力による電動機１１の発電制御およびバッテリ１２の電力の外部給電中のクラッチ４０の切断制御を行う。

ＡＭＴ−ＥＣＵ２３は、後述するＡＭＴ４１の制御を行う制御部であり、ＨＶ−ＥＣＵ２２の指示に従ってＡＭＴ４１のギア段数の制御等を行う。

ハイブリッド自動車１のさらに詳細な構成としては、図１に示すように、エンジン１０のＡＭＴ４１を介した回転軸と電動機１１の回転軸とをギアを介して接続し、これらの動力を混合するトランスファ３１と、トランスファ３１の出力軸３２とディファレンシャルギア３４に接続する駆動軸３３とを接断するクラッチ４０と、を有する。トランスファ３１は、エンジン１０のＡＭＴ４１を介した回転軸と電動機１１の回転軸とをギアを介して接続することで、エンジン１０の設置方向にディファレンシャルギア３４に接続する駆動軸３３を折り返すことができる。これにより、たとえば、エンジン１０の設置位置とディファレンシャルギア３４の設置位置とを近づけたい場合に有用である。

また、エンジン１０の出力は、ＡＭＴ(Automated Manual Transmission)４１を介してトランスファ３１に入力される。なお、ＡＭＴとは、マニュアルトランスミッションと同等の構成でありながら、運転者がクラッチペダルおよびシフトレバーの操作を行うことなく、自動的に、変速が実施される自動変速装置である。また、駆動軸３３の回転は、ディファレンシャルギア３４を介して車輪３５に伝達される。

さらに、電動機１１とバッテリ１２との間には、インバータ５０が設けられる。インバータ５０は、電動機１１の三相交流を直流に変換してバッテリ１２に供給する。あるいは、バッテリ１２の直流電力を三相交流に変換して電動機１１に供給する。

制御手段としてのＨＶ−ＥＣＵ２２は、外部端子１３を介してバッテリ１２の電力を外部に給電中であるときには、クラッチ４０が断状態となるように制御を行う。

さらに、制御手段としてのＨＶ−ＥＣＵ２２は、外部端子１３を介してバッテリ１２の電力を外部に給電中であり、エンジン１０の動力によって電動機１１で発電を行ってバッテリ１２の充電状態を所定の状態に保つときには、ＡＭＴ４１のギア段数と、エンジン１０の回転速度と、電動機１１の回転速度および回生トルクと、が予め設定された値となるように制御する。

ここで、上述の「予め設定された値」について図２および図３を参照しながら説明する。図２は、エンジン１０の効率を説明するための図であり、横軸にエンジン１０の回転速度をとり、縦軸に、エンジン１０の出力（馬力）をとる。さらに、図２中には、エンジン１０の燃料流量を示す概ね左肩上がりの曲線と、負荷率を示す概ね右肩上がりの曲線とが示されている。

図３は、電動機１１の効率を説明するための図であり、横軸に電動機１１の回転速度をとり、縦軸に出力トルクをとる。なお、縦軸の下半分は回生領域になる。さらに、図３中には、電動機１１の発電効率が最も良い領域Ｚが示されている。

説明のために、バッテリ１２の容量をたとえばＰｋｗｈ（キロワットアワー）とする。ここで、図２の縦軸のＰｋｗの位置から水平に線を延ばし、なるべく低いエンジン１０の回転速度でありながら燃料流量が小さい点を探すと、エンジン１０の回転速度がＱｒｐｍのところが最適であることがわかる。

一方、電動機１１の発電効率の観点からは、図３に示すように、回生トルクがＲＮ（ニュートン）であり、電動機１１の回転速度がＳｒｐｍであるときが最適であることがわかっているとする。

この場合、エンジン１０が回転速度Ｑｒｐｍのときに、電動機１１の回転軸をＳｒｐｍで回転させることになる。そこで、トランスファ３１およびＡＭＴ４１の双方の変速機構を利用して変速比がＱ：Ｓとなるように変速を行う。ただし、トランスファ３１を構成するギアの変速比は一定であるため、変速比の過不足については、ＡＭＴ４１のギア段数の選択によって補うことになる。

このようにして、外部端子１３を介してバッテリ１２の電力を外部に給電中であり、エンジン１０の動力によって電動機１１で発電を行ってバッテリ１２の充電状態を所定の状態に保つときには、エンジン１０および電動機１１が効率の良い状態で運転可能となるように、エンジン１０の回転速度、ＡＭＴ４１のギア段数、および電動機１１の回生トルクの各値が予め設定されている値となるように制御が行われる。すなわち、エンジン１０の燃料消費量に対する電動機１１の発電量の比率が大きくなるように、エンジン１０の回転速度、ＡＭＴ４１のギア段数、および電動機１１の回生トルクが設定される。

次に、制御手段を構成するエンジンＥＣＵ２０、車両ＥＣＵ２１、ＨＶ−ＥＣＵ２２、およびＡＭＴ−ＥＣＵ２３の各ＥＣＵの動作を図４のフローチャートを参照しながら説明する。

図４のフローチャートにおけるＳＴＡＲＴの条件は、バッテリ１２の電力が外部端子１３から外部に給電を開始する準備が完了したという条件である。具体的には、たとえば、外部端子１３に不図示の給電機が接続されたことを検出したという条件である。あるいは、外部端子１３にカバー（不図示）が設けられている場合には、そのカバーが取り除かれたことを検出したという条件である。

上述のＳＴＡＲＴの条件が満たされると、処理は、ステップＳ１に進む。

ステップＳ１において、ＨＶ−ＥＣＵ２２は、クラッチ４０に対して切断の指示を行って、処理は、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２において、不図示の給電機のスタートスイッチがＯＮ状態に操作されると、ＨＶ−ＥＣＵ２２は、バッテリ１２に対し、バッテリ１２の給電開始の指示を行って、処理は、ステップＳ３に進む。なお、給電機とＨＶ−ＥＣＵ２２とは、ＣＡＮ通信等によって、スタートスイッチのＯＮ／ＯＦＦ情報などの伝達を行うことができる。

ステップＳ３において、ＨＶ−ＥＣＵ２２は、バッテリ１２から通知されるバッテリ１２のＳＯＣが低下しているか否かを判定する。ステップＳ３において、バッテリ１２のＳＯＣが低下していると判定されると、処理は、ステップＳ４に進む。一方、ステップＳ３において、バッテリ１２のＳＯＣが低下していないと判定されると、処理は、ステップＳ３を繰り返す。

ステップＳ４において、ＨＶ−ＥＣＵ２２は、車両ＥＣＵ２１に対してエンジン始動指示を行い、処理は、ステップＳ５に進む。この指示を受けて、車両ＥＣＵ２１は、スタータ３０を駆動するなどしてエンジン１０を始動する。

ステップＳ５において、ＨＶ−ＥＣＵ２２は、ＡＭＴ−ＥＣＵ２３に対して現在はニュートラルの位置にあるＡＭＴ４１のギア位置の指示を行い、処理は、ステップＳ６に進む。このとき、ＡＭＴ−ＥＣＵ２３は、ＡＭＴ４１をニュートラルの位置から指定ギア位置にギアを入れる。ここで、指定ギア位置とは、ハイブリッド自動車１が電動機１１による発電を実施する状況に最適なギア位置になる。すなわち、図２のエンジン１０の効率を示す図に基づいて設定されるエンジン１０の所定の回転速度によって電動機１１を発電機として効率良く駆動可能なギア比となるギア位置である。

ステップＳ６において、ＨＶ−ＥＣＵ２２は、車両ＥＣＵ２１を介してエンジンＥＣＵ２０に対してエンジン１０の回転速度の指示を行い、処理は、ステップＳ７に進む。この指示を受けて、エンジンＥＣＵ２０は、エンジン１０の回転速度を指示どおりに調整する。すなわち、図２のエンジン１０の効率を示す図に基づいて設定される電動機１１を発電機として効率良く駆動可能なエンジン１０の回転速度（ここではＱｒｐｍ）である。これにより、上述したように、エンジン１０の出力がＡＭＴ４１およびトランスファ３１を介することによって電動機１１をＳｒｐｍで回転させることができる。

ステップＳ７において、ＨＶ−ＥＣＵ２２は、インバータ５０に対して電動機１１の回生トルクの指示を行い、処理は、ステップＳ８に進む。このとき、インバータ５０は、電動機１１の回生トルクを指定の回生トルクに調整する。ここで、指定の回生トルクとは、上述したように、ＲＮである。

ステップＳ８において、エンジン１０の動力によって、電動機１１が発電を実施し、処理は、ステップＳ９に進む。

ステップＳ９において、ＨＶ−ＥＣＵ２２は、バッテリ１２のＳＯＣが回復したか否かを判定する。ステップＳ９において、バッテリ１２のＳＯＣが回復したと判定されると、処理は、ステップＳ１０に進む。一方、ステップＳ９において、バッテリ１２のＳＯＣが回復していないと判定されると、処理は、ステップＳ９を繰り返す。

ステップＳ１０において、ＨＶ−ＥＣＵ２２は、車両ＥＣＵ２１に対し、エンジン停止を指示し、処理は、ステップＳ１１に進む。エンジンＥＣＵ２０は、エンジン１０の燃料噴射を停止するなどしてエンジン１０を停止する。

ステップＳ１１において、ＨＶ−ＥＣＵ２２は、ＡＭＴ−ＥＣＵ２３に対するギア位置の指示を停止し、処理は、ステップＳ１２に進む。このとき、ＡＭＴ−ＥＣＵ２３は、ＨＶ−ＥＣＵ２２からのギア位置の指示が停止されたので、ＡＭＴをニュートラルの位置にする。

ステップＳ１２において、ＨＶ−ＥＣＵ２２は、インバータ５０に対し、電動機１１のトルクをゼロにするように指示し、処理は、ステップＳ１３に進む。このとき、インバータ５０は、電動機１１のトルクの発生を停止する。これにより、電動機１１は、発電を停止する。

ステップＳ１３において、ＨＶ―ＥＣＵ２２は、不図示の給電機のストップスイッチがＯＮ状態に操作されたか否かを判定することにより給電停止か否かを判定する。ステップＳ１３において、給電停止と判定されると、処理は、ステップＳ１４に進む。一方、ステップＳ１３において、給電停止ではない（すなわち給電続行）と判定されると、処理は、ステップＳ３に戻る。

ステップＳ１４において、ＨＶ−ＥＣＵ２２は、バッテリＥＣＵ２３に対し、バッテリ１２の給電停止の指示を行って、処理を終了する（ＥＮＤ）。この指示を受けて、バッテリ１２は、給電を停止する。

以上説明したように、ＨＶ−ＥＣＵ２２は、他のＥＣＵと協働し、外部端子１３を介してバッテリ１２の電力を外部に給電中であるときに、バッテリ１２のＳＯＣが所定の値よりも低下したときには、エンジン１０を始動させてバッテリ１２に充電を行うことができる。

これによれば、バッテリ１２の電力を外部に給電する際に、バッテリ１２のＳＯＣが低下してもエンジン１０の動力によって電動機１１に発電させることで、自動的に、バッテリ１２のＳＯＣを回復させることができる。これにより、エンジン１０の燃料が尽きるまでは、バッテリ１２の電力を外部に給電することができる。

このとき、エンジン１０と電動機１１は、バッテリ１２を充電するために効率の良い運転を行うことができる。

さらに、外部端子１３を介してバッテリ１２の電力を外部に給電中であるときには、クラッチ４０を断状態とし、エンジン１０および電動機１１のいずれもの出力も走行系とは切り離すことができる。

これによれば、外部に電力を給電中のハイブリッド自動車が誤って動き出すようなことがなく、安全に、外部に電力を給電することができる。

上述した実施の形態では、変速機としてＡＭＴ４１を採用したので、ギア段数が有段であるが、変速機として無段変速機を用いてもよい。その場合、図４のフローチャートにおけるステップＳ５の「ギア位置指定」は、「変速比指定」になる。

また、以上説明したエンジンＥＣＵ２０、車両ＥＣＵ２１、ＨＶ−ＥＣＵ２２、およびＡＭＴ−ＥＣＵ２３の各ＥＣＵは、情報処理装置が予めインストールされている所定のプログラムを実行することによって実現することができる。このような情報処理装置は、たとえば、メモリ、ＣＰＵ(Central Processing Unit)、入出力ポートなどを有する。情報処理装置のＣＰＵは、メモリなどから所定のプログラムとして制御プログラムを読み込んで実行する。これにより、情報処理装置には、各ＥＣＵの機能が実現される。なお、ＣＰＵの代わりにＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)、マイクロプロセッサ（マイクロコンピュータ）、ＤＳＰ(Digital Signal Processor)などを用いてもよい。

また、上述の所定のプログラムは、各ＥＣＵの出荷前に、情報処理装置のメモリなどに記憶されたものであっても、各ＥＣＵの出荷後に、情報処理装置のメモリなどに記憶されたものであってもよい。また、プログラムの一部が、各ＥＣＵの出荷後に、情報処理装置のメモリなどに記憶されたものであってもよい。各ＥＣＵの出荷後に、情報処理装置のメモリなどに記憶されるプログラムは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭなどのコンピュータ読取可能な記録媒体に記憶されているものをインストールしたものであっても、インターネットなどの伝送媒体を介してダウンロードしたものをインストールしたものであってもよい。

また、上述の所定のプログラムは、情報処理装置によって直接実行可能なものだけでなく、ハードディスクなどにインストールすることによって実行可能となるものも含む。また、圧縮されたり、暗号化されたりしたものも含む。

このように、情報処理装置とプログラムによって各ＥＣＵを実現することにより、大量生産や仕様変更（または設計変更）に対して柔軟に対応可能となる。

なお、情報処理装置が実行するプログラムは、本明細書で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであってもよいし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであってもよい。

また、制御手段を構成するエンジンＥＣＵ２０、車両ＥＣＵ２１、ＨＶ−ＥＣＵ２２、およびＡＭＴ−ＥＣＵ２３のいずれか１つまたは複数を１つにまとめたＥＣＵを構成することもできる。反対に、制御手段を構成するエンジンＥＣＵ２０、車両ＥＣＵ２１、ＨＶ−ＥＣＵ２２、およびＡＭＴ−ＥＣＵ２３のいずれかを１つまたは複数をさらに細分化して新たなＥＣＵを構成することもできる。

また、バッテリ１２と外部端子１３との間に、インバータを設け、バッテリ１２の直流電力を交流電力に変換して外部端子１３に給電するようにしてもよい。これによれば、前述した不図示の給電機等は不要になる。

また、上述の実施の形態では、バッテリ１２に外部端子１３を設け、バッテリ１２からの外部給電を想定したが、バッテリ１２を介さずに、エンジン１０によって発電機として駆動されている電動機１１から直接的に外部に給電してもよい。また、このとき、バッテリ１２の前段にあるインバータ５０から外部に給電してもよい。

１…ハイブリッド自動車、１０…エンジン、１１…電動機、１２…バッテリ、１３…外部端子、２０…エンジンＥＣＵ（制御手段の一部）、２１…車両ＥＣＵ（制御手段の一部）、２２…ＨＶ−ＥＣＵ（制御手段の一部）、２３…あＭＴ−ＥＣＵ（制御手段の一部）、３１…トランスファ（回転力の伝達機構）、３２…出力軸、３３…駆動軸、３４…ディファレンシャルギア、４０…クラッチ、４１…AＭＴ

Claims (3)

1. エンジンと、前記エンジンの回転速度を所定の回転速度に変速する変速機と、電動機と、前記電動機に電力を供給すると共に前記電動機の発電電力によって充電されるバッテリと、前記バッテリの電力を外部に給電する外部端子と、を有するハイブリッド自動車の制御装置において、
   前記外部端子を介して前記バッテリの電力を外部に給電中であり、前記エンジンの動力によって前記電動機で発電を行って前記バッテリの充電状態を所定の状態に保つときには、前記変速機の変速比と、前記エンジンの回転速度と、前記電動機の回転速度および回生トルクと、が予め設定された値となるように制御する制御手段を有する、
   ことを特徴とする制御装置。
2. 請求項１記載の制御装置において、
   前記制御手段は、少なくとも前記外部端子を介して前記バッテリの電力を外部に給電中であるときには、前記エンジンおよび前記電動機のいずれもの出力も走行系とは切り離す、
   ことを特徴とする制御装置。
3. エンジンと、前記エンジンの回転速度を所定の回転速度に変速する変速機と、電動機と、前記電動機に電力を供給すると共に前記電動機の発電電力によって充電されるバッテリと、前記バッテリの電力を外部に給電する外部端子と、を有するハイブリッド自動車において、
   請求項１または２記載の制御装置を有し、
   前記変速機を介した前記エンジンの回転力を前記電動機にギアを介して伝達する回転力の伝達機構を有し、
   前記回転力の伝達機構は、前記変速機を介した前記エンジンの回転速度が予め設定された値であるときに、前記電動機の回転速度が予め設定された値となるように回転力の伝達比率が設定されている、
   ことを特徴とするハイブリッド自動車。

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