JP2016107818A - ハイブリッド車両の暖機装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レイアウトの変更やコストの増加を招くことなく、低温時において速やかにバッテリを暖機することができ、ひいては燃費を向上させることのできるハイブリッド車両の暖機装置を提供すること。【解決手段】エンジン（２）と電動機（３）とを駆動源とする車両（１）において、バッテリ（１１）の温度が所定温度（Ｔ１）より低い所定温度閾値（Ｔ２）未満である場合には、電動機（３）を回転させつつインバータ（１０）を三相短絡状態とし、インバータ（１０）及びバッテリ（１１）を経由する電源冷却回路の冷媒を循環させることで前記バッテリ（１１）の暖機を行い、バッテリ（１１）の温度が所定温度閾値以上である場合には、電動機（３）に正側又は負側の駆動力を発生させることでバッテリ（１１）の暖機を行う。【選択図】図３

Description

本発明は、ハイブリッド車両の暖機装置に係り、詳しくは走行用のバッテリを暖機する技術に関する。

近年、環境問題等を考慮して、エンジンとモータとを駆動源とするハイブリッド電気自動車の開発が進んでいる。このようなハイブリッド車両には、大容量のバッテリが搭載されているが、バッテリは適切な温度範囲になければ大幅に効率が低下したり、製品の寿命を縮めることになる。また、ハイブリッドシステムの使用範囲が制限され、燃費改善効果が得られない。

そこで、低温時にはバッテリを暖機する必要があり、例えば特許文献１では、エンジン近傍及びバッテリ近傍に冷媒が循環する循環経路を形成し、車両始動直後にエンジンの暖機とともにバッテリの暖機を行っている。

特開２００６−１５１０９１号公報

しかしながら、エンジンとバッテリは通常離れてレイアウトされており、特許文献１のように、エンジンの熱を利用してバッテリを暖機するよう循環経路を形成するには、バッテリや循環経路のレイアウトが複雑化するという問題がある。また、循環経路が長くなることにより、冷媒の熱容量が増大し、熱エネルギの分散も増大することから、エンジン自体の暖機時間が長期化し、燃費の悪化や空調機能の低下等、効率の悪化を招くという問題が生じる。さらには、部品点数が増加し、コスト増加を招くという問題もある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、レイアウトの変更やコストの増加を招くことなく、低温時において速やかにバッテリを暖機することができ、ひいては燃費を向上させることのできるハイブリッド車両の暖機装置を提供することにある。

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。

本適用例に係るハイブリッド車両の暖機装置は、車両の駆動源であるエンジンと、前記車両の駆動源であり発電も可能な電動機と、前記電動機を駆動するための電力の供給及び当該電動機により発電された電力の蓄電が可能であり、所定温度未満では電流制限がかかるバッテリと、前記バッテリと前記電動機との間で電力を変換するインバータと、前記バッテリの温度を検出するバッテリ温度検出手段と、前記バッテリ及び前記インバータを経由して冷媒が循環する冷却回路と、前記電動機を回転させつつ前記インバータを三相短絡状態とし、前記冷却回路の冷媒を循環させることで前記バッテリの暖機を行う第１暖機手段と、前記電動機に正側又は負側の駆動力を発生させることで前記バッテリを暖機する第２暖機手段と、前記バッテリ温度検出手段により検出される前記バッテリの温度が前記所定温度よりも低い所定温度閾値未満である場合には前記第１暖機手段による暖機を行い、前記バッテリの温度が前記所定温度閾値以上である場合には前記第２暖機手段による暖機を行う暖機制御部と、を備える。

上記手段を用いる本発明によれば、レイアウトの変更やコストの増加を招くことなく、低温時において速やかにバッテリを暖機することができ、ひいては燃費を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係るハイブリッド車両の暖機装置の概略構成図である。 インバータの概略構成図である。 本実施形態の暖機制御を行った場合のタイムチャートである。 変形例の暖機制御を行った場合のタイムチャートである。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。

図１は本発明の一実施形態におけるハイブリッド車両の暖機装置の概略構成図であり、同図に基づき説明する。

ハイブリッド車両１はいわゆるパラレル型ハイブリッドのトラックとして構成されており、以下の説明では、単に車両とも称する。

車両１には走行用の動力源としてディーゼルエンジン（以下、エンジンという）２、及び発電機としても作動可能なモータ３（電動機）が搭載されている。エンジン２の出力軸にはクラッチ４が連結され、クラッチ４にはモータ３の回転軸を介して変速機５の入力側が連結されている。変速機５の出力側にはプロペラシャフト６を介して差動装置７が連結され、差動装置７には駆動軸８を介して左右の駆動輪９が連結されている。

モータ３は、具体的には永久磁石が貼り付けられたロータと三相コイルが巻回されたステータとを備えた同期発電電動機であり、インバータ１０を介してバッテリ１１と接続されている。

インバータ１０は、具体的には図２に示すように、前記モータ３の三相コイルと接続された一相につき一対のスイッチング素子１２ａ〜１２ｆ（例えばＩＧＢＴ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を備えた三相ブリッジ回路により直流電流と三相交流電流との変換を行ったり、供給する電力の電圧の変換を行ったりする電力変換器である。つまり、当該インバータ１０は、バッテリ１１からの直流電力を三相交流電力に変換してモータ３に供給可能であるとともに、モータ３からの三相交流電力を整流してバッテリ１１へ供給可能である。

このように構成された車両１は、エンジン２又はモータ３で発生させた駆動力を変速機５で変速された後、駆動輪９に伝達されることで走行する。また、例えば車両１の減速時や降坂路での走行時には、駆動輪９側からの逆駆動によりモータ３が発電機として作動する。そしてモータ３が発生した負側の駆動力は制動力として駆動輪９側に伝達されると共に、モータ３が発電した交流電力がインバータ１０で直流電力に変換されてバッテリ１１に充電される。

また車両１は、エンジン２を冷却するためのエンジン冷却回路２０、モータ３を冷却するためのモータ冷却回路３０、インバータ１０及びバッテリ１１を冷却するための電源冷却回路４０（冷却回路）を備えている。

エンジン冷却回路２０は、冷媒としてエンジン冷却水を使用する。そして、エンジン冷却回路２０には、エンジン２と、エンジン冷却水を循環させるエンジン冷却ポンプ２１、外気との熱交換によりエンジン冷却水を冷却するエンジンラジエータ２２、エンジン冷却水を貯えるエンジン冷却水タンク２３等が設けられている。

モータ冷却回路３０は、冷媒としてモータ冷却水を使用する。そして、モータ冷却回路３０には、モータ３と、モータ冷却水を循環させるモータ冷却ポンプ３１、外気との熱交換によりモータ冷却水を冷却するモータラジエータ３２、モータ冷却水を貯えるモータ冷却水タンク３３等が設けられている。

エンジンラジエータ２２及びモータラジエータ３２はそれぞれエンジンルームの前方に配置されており、エンジン２により駆動される冷却ファン２ａの回転により当該エンジンラジエータ２２及びモータラジエータ３２に走行風が引き込まれ、外気と各冷却水との熱交換が促進される。

電源冷却回路４０は、冷媒として電源冷却水を使用する。そして、電源冷却回路４０には、インバータ１０、バッテリ１１、電源冷却ポンプ４１、電源ラジエータ４２、電源冷却水タンク４３、及びチラー４４が設けられている。

詳しくは、電源冷却ポンプ４１は、電源冷却回路４０上のバッテリ１１とインバータ１０との間に設けられており、回転することで電源冷却水を循環させるものである。当該電源冷却ポンプ４１はインバータ１０及びバッテリ１１の冷却時においては、バッテリ１１から電源ラジエータ４２、電源冷却水タンク４３、及びチラー４４を経由してインバータ１０へと向かう方向に電源冷却水を循環させる。以下、このインバータ１０及びバッテリ１１の冷却時における電源冷却水の流れ方向に基づき、電源冷却回路４０における上流側、及び下流側を規定する。

電源ラジエータ４２は、電源冷却回路４０上においてインバータ１０の下流側に設けられ、外気との熱交換により電源冷却水を冷却する熱交換器である。電源ラジエータ４２の近傍には電動ファン４５が配設されており、当該電動ファン４５の駆動により外気が電源ラジエータ４２を通過する。

電源冷却水タンク４３は、電源冷却回路４０上において電源ラジエータ４２の下流側に設けられ、電源冷却水を貯えるものである。

チラー４４は、電源冷却回路４０上において電源冷却水タンク４３の下流側に設けられ、電源冷却水と他の冷媒との熱交換を行う熱交換器である。当該他の冷媒は、電源冷却水より低温となる冷媒であり、例えば車両１の車室空調用の空調回路４６を循環する空調冷媒である。そして、電源冷却回路４０上において当該チラー４４の下流側にバッテリ１１が設けられている。

このように構成された電源冷却回路４０は、インバータ１０及びバッテリ１１の冷却時には、電源冷却ポンプ４１が駆動することでバッテリ１１及びインバータ１０の熱を吸収した電源冷却水が電源ラジエータ４２に送られる。電源ラジエータ４２では、電源冷却水と電動ファン４５により送風された外気との熱交換が行われることで、電源冷却水が冷却される。

また、電源ラジエータ４２を通過した電源冷却水は、チラー４４において当該電源冷却水より低温な他の冷媒と熱交換が行われることで、さらに冷却される。そして、十分冷却された電源冷却水が再びバッテリ１１及びインバータ１０に送られる。

さらに、車両１には、寒冷地での走行や車両１の始動直後等でバッテリ１１が低温状態にある場合に、バッテリ１１の暖機を行う暖機制御部５０を備えている。当該暖機制御部５０は、車両１に搭載されている一つ又は複数のＥＣＵ（電子コントロールユニット）からなり、モータ３、並びにインバータ１０及び電源冷却回路４０の電源冷却ポンプ４１等の制御が可能である。

暖機制御部５０には、バッテリ１１のセル温度（以下、バッテリ温度という）を検知するバッテリ温度センサ５１等の各種センサが接続されている。

以下、暖機制御部５０が実行するバッテリ１１の暖機制御について詳しく説明する。図３には本実施形態の暖機制御を実行したときのタイムチャートが示されており、以下これらの図も参照しつつ、バッテリ１１の暖機制御について説明する。

暖機制御部５０は、第１暖機手段と第２暖機手段の２つの暖機手段を切り替えてバッテリ１１の暖機を行う。

第１暖機手段は、クラッチ４を接続しエンジン２の回転によりモータ３を回転させつつ、インバータ１０を三相短絡状態とすることで行う暖機である。具体的には暖機制御部５０は、図２に示すインバータ１０の各相一対のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子１２ｄ〜１２ｆからなる素子群を全てオンとし、他方のスイッチング素子１２ａ〜１２ｃからなる素子群を全てオフとすることでインバータ１０を三相短絡状態とする。このように三相短絡状態となったインバータ１０は、オン状態のスイッチング素子１２ｄ〜１２ｆにモータ３の回転により発電された大電流が流れるため、当該スイッチング素子１２ｄ〜１２ｆが発熱する。

そして、暖機制御部５０は電源冷却ポンプ４１を駆動することで、電源冷却回路４０の電源冷却水を循環させる。一方で暖機制御部５０は、電動ファン４５を停止させ、電源ラジエータ４２での熱交換を抑える。また、暖機制御部５０はチラー４４での熱交換も抑えるように、空調装置を止めたり、空調冷媒をバイパスさせたりしてもよい。これにより、電源冷却水は発熱したインバータ１０を通ることで加熱され、電源ラジエータ４２及びチラー４４での熱交換は少なく高温状態のままバッテリ１１に送られて、バッテリ１１の温度を上昇させることとなる。

このように第１暖機手段は、インバータ１０を三相短絡させてインバータ１０を加熱して、その熱を電源冷却回路４０を介してバッテリ１１に伝達させることで、バッテリ１１を暖機する。

第２暖機手段は、モータ３に正側又は負側の駆動力を積極的に発生させて、バッテリ１１を充電又は放電させることでバッテリ１１自体から熱を生じさせて暖機を行う。例えばバッテリ１１のＳＯＣが十分である場合にはモータ３に正側の駆動力を発生させてバッテリ１１を放電させ、ＳＯＣが少ない場合にはモータ３の負側の駆動力を発生させてバッテリ１１を充電させる。

具体的には、モータ３の正側の駆動力を発生させる場合には、その正側の駆動力で車両１を駆動させたり、クラッチ４を接続してエンジンブレーキのようなエンジン２の負側の駆動力を発生させ、その負側の駆動力を補うようにモータ３の正側の駆動力を発生させたりする。

一方、モータ３の負側の駆動力を発生させる場合には、車両１の減速時であればモータ３を回生運転させたり、減速時以外でも、モータ３に負側の駆動力を発生させて回生運転させ、その負側の駆動力を補うためエンジン２の駆動力を上乗せさせたりする。

そして、暖機制御部５０は、バッテリ温度センサ５１により検出されるバッテリ１１の温度が所定温度Ｔ１以下であるときに、上記第１暖機手段又は第２暖機手段を用いた暖機を行う。

バッテリ１１は使用に適した温度範囲があり、その温度範囲外ではバッテリ温度に応じて出力可能な電流が制限される。例えば図３に示すようにバッテリ１１が所定温度Ｔ１以下では温度が低くなるにつれて電流制限を大きくすべく電流制限値の値が１から０に近くなるよう設定されている。電流制限値が０となると、バッテリ１１の使用が実質的に禁止される。

暖機制御部５０は、上記バッテリ温度センサ５１により検出されるバッテリ温度が、所定温度Ｔ１より低く電流制限値が０となる温度より高い所定温度閾値Ｔ２より小である場合には第１暖機手段を、当該所定温度閾値Ｔ２以上である場合には第２暖機手段を行う。当該所定温度閾値Ｔ２はモータ３を使用してバッテリ１１を加熱できる最低限の電流制限に対応する温度に設定されている。

従って、図３に示すように、例えば車両１を始動させた際にバッテリ温度が電流制限値が０となる温度より低かった場合には、暖機制御部５０はまず第１温度手段での暖機を行う。当該第１温度手段では、インバータ１０を三相短絡させてバッテリ１１を暖機するので、インバータ１０からバッテリ１１との間では電流は流れず、バッテリ１１の電流制限とは関係なくバッテリ１１を暖機することができる。なお、インバータ１０が三相短絡状態にあるときには、モータ３は負のトルク（ドラックトルク）を発生させていることから、エンジン２の負荷は上がるが、その分エンジン２の暖機も促される。ただし、モータ３のドラックトルクがかかっていると変速を行えない場合があるため、変速時には一時的に三相短絡を解除するのが好ましい。

バッテリ１１が暖機され所定温度閾値Ｔ２を超えると、暖機制御部５０は第１暖機手段から第２暖機手段へと暖機方式を切り替える。第２暖機手段は、モータ３を積極的に使用することで、バッテリ１１を流れる電流が増大してバッテリ１１自体に熱を発生させることから、電源冷却回路４０を介しての第１暖機手段よりも効率よく暖機を行うことができる。

そして、バッテリ温度が電流制限温度Ｔ１以上となると暖機制御部５０は第２暖機手段による暖機を終了する。

以上のように、暖機制御部５０は、車両１始動直後や寒冷地走行時に、バッテリ温度が、バッテリ１１を実質的に使用できない電流制限値０付近ではインバータ１０を三相短絡とする第１暖機手段を選択し、バッテリ１１の使用が可能となってからはモータ３を積極的に使用する第２暖機手段に切り替える。このようにバッテリ温度に応じて２つの暖機手段を使い分けることで、効率的に且つ早期にバッテリ１１を暖機することができる。

第１暖機手段及び第２暖機手段は、インバータ１０及びバッテリ１１の冷却回路４０とモータ３を利用していることから、装置の追加やレイアウトの変更等はなくコストの増加を招くことはない。

これらのことから本実施形態に係るハイブリッド車両の暖機装置は、レイアウトの変更やコストの増加を招くことなく、低温時において速やかにバッテリ１１を暖機することができ、ひいてはハイブリッドシステムの使用機会を増加させることにより燃費を向上させることができる。

以上で本発明に係るハイブリッド車両の暖機装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。

上記実施形態ではバッテリ温度センサ５１により検出したバッテリ温度が所定温度Ｔ１以上となることで第２暖機手段による暖機を終了しているが、第２暖機制御の終了タイミングはこれに限られるものではない。

例えば、図４には本実施形態の変形例におけるタイムチャートが示されている。変形例では、図示しないが電源冷却回路４０を循環する電源冷却水の温度を検出する温度センサを設け、暖機制御部５０はこの電源冷却水の温度が上記所定温度Ｔ１以上となったときに第２暖機手段による暖機を終了させる。

電源冷却水は、バッテリ１１よりも先行して温まり、バッテリ温度は電源冷却水の温度に追従するように温まる。このことから、電源冷却水の温度に基づき第２暖機手段による暖機を終了させることで、バッテリ１１の温度に基づいて第２暖機手段による暖機を終了させるよりは早く暖機を終了することとなる。これにより、バッテリ１１の温度が所定温度以上となるのを見越していち早く暖機を終了させることで、より早くハイブリッドシステムの使用機会を生じさせ、燃費の更なる向上を図ることができる。

また、上記実施形態におけるエンジン冷却回路２０、モータ冷却回路３０、電源冷却回路４０に設けられる装置は上述したものに限られるものではなく、各装置の配置等もこれに限られるものではない。

例えば、電源冷却回路において、電源ラジエータ４２、電源冷却水タンク４３、及びチラー４４を迂回するように、インバータ１０下流側の電源冷却回路とバッテリ１１上流側の電源冷却回路とを接続するバイパス通路を設けてもよい。

そして、暖機制御部は、バッテリを暖機する際には、切換弁等により電源冷却水がバイパス通路を通るように切り換えた上で、インバータを三相短絡状態とする。これにより、電源冷却水は発熱したインバータにて加熱された後、電源ラジエータやチラーを経由することなく、バイパス通路を通ってバッテリに送られることとなる。従って、電源冷却水は電源ラジエータやチラーにより無駄に熱が放出されることなく、より高温のままでバッテリに送られることから、より早期にバッテリを暖機することができる。

１ 車両
２ エンジン
３ モータ（電動機）
１０ インバータ
１１ バッテリ
４０ 電源冷却回路
４１ 電源冷却ポンプ
５０ 暖機制御部
５１ バッテリ温度センサ（バッテリ温度検出手段）

Claims (1)

1. 車両の駆動源であるエンジンと、
   前記車両の駆動源であり発電も可能な電動機と、
   前記電動機を駆動するための電力の供給及び当該電動機により発電された電力の蓄電が可能であり、所定温度未満では電流制限がかかるバッテリと、
   前記バッテリと前記電動機との間で電力を変換するインバータと、
   前記バッテリの温度を検出するバッテリ温度検出手段と、
   前記バッテリ及び前記インバータを経由して冷媒が循環する冷却回路と、
   前記電動機を回転させつつ前記インバータを三相短絡状態とし、前記冷却回路の冷媒を循環させることで前記バッテリの暖機を行う第１暖機手段と、
   前記電動機に正側又は負側の駆動力を発生させることで前記バッテリを暖機する第２暖機手段と、
   前記バッテリ温度検出手段により検出される前記バッテリの温度が前記所定温度よりも低い所定温度閾値未満である場合には前記第１暖機手段による暖機を行い、前記バッテリの温度が前記所定温度閾値以上である場合には前記第２暖機手段による暖機を行う暖機制御部と、
   を備えるハイブリッド車両の暖機装置。
   

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