JP2017065442A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車載のバッテリの現在の充電量の算出の誤差を縮小する。
【解決手段】車載のバッテリに流入する電流量及び同バッテリから流出する電流量を積算することを通じて現在のバッテリの充電量を推算する制御装置において、バッテリから電動機に電力を供給し当該電動機により内燃機関の始動のためのクランキングを実行する際にバッテリから流出する電流量の積算値を、クランキング時の内燃機関の温度が低いほど多く見積もることとした。
【選択図】図４

Description

本発明は、車載のバッテリに流入する電流量及び同バッテリから流出する電流量を積算することを通じて現在のバッテリの充電量を推算する制御装置に関する。
に関する。

車両に搭載された各種電気負荷に電力を供給するバッテリが放電する電流量、及び同バッテリに充電される電流量は、ホール式またはシャント式の電流センサを介して常時監視する。バッテリの現在の充電量、即ちバッテリが現在蓄えている電荷の量は、充電電流量の積算値（時間積分値）から放電電流量の積算値（時間積分値）を減算したものとなる（例えば、下記特許文献を参照）。

車両の制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）は、電流センサの出力信号を参照してバッテリの充電量を演算し、これが所要の目標値を下回ったときに発電機による発電を実行してバッテリを充電する。この発電機は、内燃機関が出力するエンジントルクの一部の伝達を受けて回転駆動される。

停止している内燃機関を始動する際には、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトを電動機（スタータモータまたはＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ））により駆動するクランキングを実行しつつ、各気筒の吸気行程に合わせて燃料を噴射し、気筒内で燃焼させてエンジン回転を加速させる。クランキング中は、バッテリから電動機に必要な電力を供給することは言うまでもない。

特開２０１３−０９２１４０号公報

車載のバッテリに対し流出入する電流の大きさを検出する電流センサは、検出精度及びコストの面から、限られた測定レンジを持つものを採用している。ホール式電流センサであれば、測定レンジが±１００Ａ程度である。

内燃機関の始動のためのクランキング中にバッテリから電動機に向かって流れる電流の大きさは、電流センサの測定レンジを超える。その場合、電流センサは、検出した電流値を測定レンジの上限にクリップしてしまう。例えば、クランキング時の突入電流が−４００Ａであったとしても、電流センサはこれを−１００Ａとして出力する。結果、ＥＣＵがバッテリの放電電流量を過小に評価することになり、実際のバッテリの充電量が目標値を下回ることが常態化して、バッテリの早期の劣化につながる懸念が生じる。

本発明は、車載のバッテリの現在の充電量の算出の誤差を縮小することを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、車載のバッテリに流入する電流量及び同バッテリから流出する電流量を積算することを通じて現在のバッテリの充電量を推算するものであって、バッテリから電動機に電力を供給し当該電動機により内燃機関の始動のためのクランキングを実行する際にバッテリから流出する電流量の積算値を、クランキング時の内燃機関の温度が低いほど多く見積もる制御装置を構成した。

本発明によれば、車載のバッテリの現在の充電量の算出の誤差を縮小できる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 車両に実装された各種の電気負荷を制御するための電気回路を示す図。 同実施形態における発電システムを示す回路図。 内燃機関のクランキング中にバッテリから電動機に向かって流れる電流の大きさの推移を例示する図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を気筒１毎に設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させたことで生じる排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、特にサージタンク３３に接続している。

車両に実装される発電システム及び電装系に関して述べる。発電機（オルタネータ。但し、電動機６３と一体化したＩＳＧであることがある）１１０は、ベルト及びプーリを要素とする巻掛伝動機構等を介して内燃機関の出力軸であるクランクシャフトに接続しており、クランクシャフトの回転に従動して回転し、発電した電力を車載のバッテリ１２０に充電し、または車両に実装された各種の電気負荷に給電する。

バッテリ１２０は、車両用として周知の鉛バッテリや、ニッケル水素バッテリ、リチウムイオンバッテリ等である。

電気負荷の具体例としては、エアコンディショナの送風用ブロワ、リアガラスの曇りを取るデフォッガ、オーディオ機器、カーナビゲーションシステム、照明灯（ヘッドランプ、テールランプ、フォグランプ、ウィンカ（ターンシグナルランプ）等）、内燃機関の冷却水を空冷するラジエータのファン、電動パワーステアリング装置、内燃機関のクランクシャフトを駆動する電動機（スタータモータ。但し、発電機１１０と一体化したＩＳＧであることがある）６３等が挙げられる。

エアコンディショナの冷媒圧縮用コンプレッサは、内燃機関のクランクシャフトから回転駆動力の伝達を受けて回転駆動され、冷媒を圧縮する。図２に示すように、コンプレッサとクランクシャフトとの間には、断接切換可能なマグネットクラッチ６１が介在している。エアコンディショナを稼働するときには、マグネットクラッチ６１に車載のバッテリ１２０及び／または発電機１１０からの電流を通電し、マグネットクラッチ６１を締結する。逆に、エアコンディショナを稼働しないときには、マグネットクラッチ６１に通電せず、クラッチ６１を切断する。マグネットクラッチ６１への通電及びその遮断は、リレースイッチ６２のＯＮ／ＯＦＦによって行う。

送風用ブロワの回転駆動用の電動機や、デフォッガとしてリアガラスに敷設された電熱線ヒータ６５、クランクシャフトの回転駆動用の電動機６３等は、バッテリ１２０及び／または発電機１１０から電力供給を受けて作動する。電動機６３やヒータ６５への通電及びその遮断は、リレースイッチ６４のＯＮ／ＯＦＦ、または半導体スイッチング素子（パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ等に代表されるパワーデバイス（電力用半導体素子））６６の点弧／消弧によって行う。

オーディオ機器、カーナビゲーションシステム、照明灯、ラジエータファンの回転駆動用の電動機その他の電気負荷についても、上記と同様である。

上記電気負荷への電力供給の源である発電機１１０は、内燃機関のクランクシャフトから回転トルクの伝達を受けて回転駆動され、発電を行う。また、発電機１１０は、回生発電を行うことがある。即ち、運転者がアクセルペダルを踏んでおらず、車両の加速を要求していない（減速を容認している）場合において、クランクシャフト及び車軸（駆動輪）の回転のエネルギを電気エネルギに変換して回収しつつ、内燃機関及び車両を減速させる。

図３に、発電システムの等価回路を示す。発電機１１０は、ステータに巻回されたステータコイル１１１と、ステータの内側に配置され回転するロータに巻回されたフィールドコイル１１２とを有する。ステータコイル１１１は三相コイルであり、三相交流の誘起電流を発電する。この誘起電流は、ダイオードを用いてなる整流器１１３によって直流電流とした上でバッテリ１２０に蓄電する。

レギュレータ１３０は、発電機１１０に付随し、発電機１１０が発電して出力する電圧の大きさを制御するＩＣ式のものである。レギュレータ１３０は、半導体スイッチング素子を用いた切替回路１３１を介してフィールドコイル１１２に通電する。

レギュレータ１３０の電圧制御回路１３２は、制御装置たるＥＣＵ０から発電機１１０の目標電圧を指令する信号ｍを受け付け、バッテリ１２０の端子電圧をその指令された目標電圧に追従させるべく、パワーデバイス１３１をスイッチ動作させるＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を行う。発電機１１０の出力電圧、即ち発電機１１０のステータコイルに誘起される電圧は、フィールドコイル１１２を流れる励磁電流のＤＵＴＹ比であるｆＤＵＴＹに比例して大きくなる。発電機１１０による発電量、換言すればバッテリ１２０への充電量及び／または電気負荷への給電量は、ｆＤＵＴＹが高いほど増加し、ｆＤＵＴＹが低いほど減少する。

発電機１１０は、内燃機関から見れば機械的な負荷となる。発電機１１０の出力電圧がバッテリ１２０の端子電圧を超越するとき、バッテリ１２０が充電され、かつ発電機１１０から電気負荷に電力が供給される。つまり、発電機１１０がクランクシャフトの回転のエネルギを費やして電気エネルギを生成する仕事をする。バッテリ１２０への充電量及び電気負荷への給電量は、発電機１１０の出力電圧とバッテリ１２０電圧との電位差に依存する。

逆に、発電機１１０の出力電圧がバッテリ１２０電圧に満たないか、バッテリ１２０電圧に近いときには、バッテリ１２０が充電されず、また発電機１１０から電気負荷に電力が供給されない（バッテリ１２０から電気負荷に電力供給されることはある）。つまり、発電機１１０がクランクシャフトの回転のエネルギを費やす仕事をしないか、またはその仕事が小さくなる。

要するに、ＥＣＵ０からレギュレータ１３０に高い出力電圧を指令すると、エンジン回転に対する発電機１１０の機械負荷が増し、低い出力電圧を指令すると、エンジン回転に対する発電機１１０の機械負荷が減る。

内燃機関、発電機１１０及び電動機６３等の運転制御を司る、本実施形態の制御装置たるＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、内燃機関に対する要求トルク）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｅ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｆ、バッテリ１２０に対して流出入する電流及びバッテリ１２０の端子電圧を検出するセンサから出力されるバッテリ電流・電圧信号ｇ、レギュレータ１３０の内蔵回路１３３から出力される励磁電流の通電／遮断（パワーデバイス１３１の点弧／消弧）の波形ひいては励磁電流の大きさを示すｆＤＵＴＹ信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、発電機１１０の出力電圧を制御する電圧レギュレータ１３０に対して電圧指令信号ｍ、マグネットクラッチ６１に通電する電気回路上のスイッチ６２に対してクラッチ締結信号ｏ、電動機６３やヒータ６５その他の電気負荷に通電する電気回路上のスイッチ６４、６６に対してスイッチＯＮ信号ｐ、ｑ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）、発電機１１０の出力電圧（発電量）等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｏ、ｑを出力インタフェースを介して印加する。

特に、ＥＣＵ０は、電流センサの出力信号ｇを参照して知得される、バッテリ１２０に流入する電流量及び同バッテリから流出する電流量を積算（時間積分）することを通じて、現在のバッテリ１２０の充電量を推算する。そして、バッテリ１２０の充電量が所要の目標値を下回ったときに、発電機１１０による発電を実行してバッテリ１２０を充電し、充電量を目標値まで回復させる。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、電動機６３を稼働させるための制御信号ｐを入力し、当該電動機６３によりクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が内燃機関の温度（冷却水温）等に応じて定まる判定値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。

クランキング中にバッテリ１２０から電動機６３に向かって流れるバッテリ電流の大きさは、電流センサの測定レンジを超える。バッテリ電流の大きさが電流センサの測定レンジを超える場合、電流センサは、検出した電流値を測定レンジの上限にクリップした信号ｇを出力する。図４に、内燃機関のクランキング中のバッテリ電流の推移を例示する。図４中、実線が電流センサの出力信号ｇが示す電流値、鎖線が実際にバッテリ１２０から電動機６３に向かって流れる電流値である。

クランキング中に消費される電荷の量を、専ら電流センサの出力信号ｇのみに基づいて推算すると、図４において網点を付して表している領域分の電荷量が減算されないこととなり、ＥＣＵ０が把握している現在のバッテリ１２０の充電量と、真のバッテリ１２０の充電量との間に乖離が生じる。即ち、ＥＣＵ０が、現在のバッテリ１２０の充電量を実際よりも大きく見積もってしまう。

そこで、本実施形態では、クランキング中にバッテリ１２０から流出する電流量の積算値を、クランキング時の内燃機関の温度、バッテリ１２０の端子電圧、及びクランキングの開始から終了までの所要時間によって補正する、いわば、バッテリ電流信号ｇに基づく電流量の積算値よりも大きく見積もることとしている。具体的には、ＥＣＵ０が、
（クランキング中のバッテリ１２０からの放電電流量の積算値）＝（バッテリ電流信号ｇにより示される電流値の積算値）＋（内燃機関の温度、バッテリ１２０の端子電圧、クランキングの所要時間に基づく加算補正値）
として算定する。
上式の右辺第二項の加算値は、図４において網点を付している、電流センサの測定レンジを超えた領域分の電荷量に相当する。この加算補正値は、クランキング時の内燃機関の温度が低いほど多くする。これは、内燃機関の温度が低いほど内燃機関のフリクションロスが大きくなることによる。クランキング時の内燃機関の温度は、冷却水温信号ｅを参照して知得できる。また、加算補正値は、クランキング時のバッテリ１２０の端子電圧が高いほど多くし、並びに、クランキングの所要時間が長いほど多くする。クランキング時のバッテリ１２０の端子電圧は、バッテリ電流・電圧信号ｇを参照して知得できる。

ＥＣＵ０のメモリに予め、クランキング時の内燃機関の冷却水温、バッテリ１２０の端子電圧及びクランキングの所要時間と、クランキング中のバッテリ１２０からの放電電流量の加算補正値との関係を規定したマップデータまたは関数式が格納されている。ＥＣＵ０は、クランキング時の内燃機関の冷却水温、バッテリ１２０の端子電圧、及びクランキングの所要時間をキーとして当該マップを検索するか、これらを当該関数式に代入して演算することで、放電電流量の加算補正値を得る。そして、その加算補正値を、バッテリ電流信号ｇをサンプリングして得たクランキング期間中の電流値の積算値に加算する。これにより、クランキングの際にバッテリ１２０から放電される電荷の量を正しく見積もることができる。

本実施形態では、車載のバッテリ１２０に流入する電流量及び同バッテリ１２０から流出する電流量を積算することを通じて現在のバッテリ１２０の充電量を推算するものであって、バッテリ１２０から電動機６３に電力を供給し当該電動機６３により内燃機関の始動のためのクランキングを実行する際にバッテリ１２０から流出する電流量の積算値を、クランキング時の内燃機関の温度が低いほど多く見積もることを特徴とする制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、内燃機関のクランキング中のバッテリ電流値が電流センサの測定レンジを超越する事象を織り込み、現在のバッテリ１２０の充電量をより精確に算出することが可能となる。バッテリの充電量１２０の算定の誤差を縮小できることから、バッテリ１２０の充電量が適正目標から乖離することを防止でき、バッテリ１２０の早期の劣化の回避につながる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両に搭載される内燃機関及び発電機の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
６３…電動機
１２０…バッテリ
ｅ…冷却水温信号
ｇ…バッテリ電流・電圧信号
ｐ…クランキング用電動機に対する制御信号

Claims (1)

1. 車載のバッテリに流入する電流量及び同バッテリから流出する電流量を積算することを通じて現在のバッテリの充電量を推算する制御装置において、
   バッテリから電動機に電力を供給し当該電動機により内燃機関の始動のためのクランキングを実行する際にバッテリから流出する電流量の積算値を、クランキング時の内燃機関の温度が低いほど多く見積もることを特徴とする制御装置。

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