JP2017153328A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低温環境下での冷間始動の際の初期充電を必要十分に実施できるようにする。
【解決手段】停止していた内燃機関の冷間始動後、内燃機関により発電機を駆動して発電を行い車載のバッテリを充電する初期充電を実施するものであって、初期充電においてバッテリに流入する電流の大きさが基準値に到達したときにバッテリの液温が所定値よりも低いという条件が成立する度に、メモリに記憶保持している閾値をある量だけ減算してメモリに記憶する一方、初期充電においてバッテリに流入する電流の大きさが基準値に到達したときにバッテリの液温が所定値以上であるという条件が成立した場合には、メモリに記憶保持している閾値をある初期値に更新してメモリに記憶し、その上で、バッテリに流入する電流の大きさが当該閾値に到達するまで初期充電を継続し、しかる後発電機による発電量を初期充電中よりも低下させる制御装置を構成した。
【選択図】図４

Description

本発明は、車載のバッテリの充電制御を司る制御装置に関する。

車両において内燃機関を始動した際には、内燃機関により発電機を駆動して積極的に発電を行い、車載のバッテリを満充電またはそれに近い状態となるまで強制的に充電する初期充電を実施し、しかる後発電機による発電量を低減して内燃機関の燃料消費量の削減を図ることが通例となっている（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０１４−１７７９０８号公報

バッテリの充電を開始すると、その充電の初期には大きな電流がバッテリに向けて流れるが、充電が進行するにつれてバッテリ電流は徐々に減少してゆき、バッテリが満充電に近づいた終期には殆どバッテリ電流が流れなくなる。このような特性に鑑み、初期充電中のバッテリ電流をセンシングし、そのバッテリ電流が所定の閾値に達した時点でバッテリが満充電になったと判定することが考えられる。

しかしながら、車両用のバッテリとして広く採用されている鉛バッテリは、バッテリ内部を満たすバッテリ液である電解液の温度が低下すると内部抵抗が増大して充電受入性が悪化する。このため、バッテリ液温が低いほど、初期充電中にバッテリに向けて流れる電流量が少なくなり、バッテリ電流が閾値に到達する時点が早くなって、初期充電の期間が短くなる。

つまり、冬期や寒冷地等、バッテリ液温が顕著に低下する低温環境下での冷間始動では、バッテリが充分に充電されていないにもかかわらずバッテリが満充電になったと誤判定するおそれがある。このような誤判定は、バッテリの蓄電量の欠乏（俗に言うバッテリ上がり）や、サルフェーションによるバッテリ寿命の短命化につながる。

本発明は、低温環境下での冷間始動の際の初期充電を必要十分に実施できるようにすることを所期の目的としている。

本発明では、停止していた内燃機関の冷間始動後、内燃機関により発電機を駆動して発電を行い車載のバッテリを充電する初期充電を実施するものであって、初期充電においてバッテリに流入する電流の大きさがはじめて基準値に到達したときにバッテリの液温が所定値よりも低いという条件が成立する度に、メモリに記憶保持している閾値をある量だけ減算してメモリに記憶する一方、初期充電においてバッテリに流入する電流の大きさがはじめて基準値に到達したときにバッテリの液温が所定値以上であるという条件が成立した場合には、メモリに記憶保持している閾値をある初期値に更新してメモリに記憶し、その上で、バッテリに流入する電流の大きさが当該閾値に到達するまで初期充電を継続し、しかる後発電機による発電量を初期充電中よりも低下させる制御装置を構成した。

本発明によれば、低温環境下での冷間始動の際の初期充電を必要十分に実施できるようになる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態における車両の発電システムの概要を示す電気回路図。 初期充電中におけるバッテリ電流の低下の推移を示す図。 同実施形態の制御装置が実行する処理の手順例を示すフロー図。

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。本実施形態の内燃機関は、ポート噴射式の４ストローク火花点火エンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備する。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結果発生した排気を各気筒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。

ＥＧＲ（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。

車両には、各種の電気負荷が実装されている。その具体例としては、内燃機関の点火系や各種バルブ２３、３２等の他、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）、エンジン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、内燃機関の始動時にクランクシャフトを回転駆動する電動機（スタータモータ。但し、発電機１１０と一体化したＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）であることがある）、車室内空調用の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等が挙げられる。

電気負荷への電力供給の源となる発電機（オルタネータ。但し、電動機と一体化した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、クランクシャフトから回転トルクの伝達を受けて回転駆動され、発電した電力を車載のバッテリ１２０に充電し、及び／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等である。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バッテリ１２０に回収しつつ、内燃機関及び車両を減速させる。

図２に、発電システムの等価回路を示している。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ロータコイル（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を介してロータコイル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ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０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、ロータコイル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。

逆に、発電機１１０の出力電圧がバッテリ１２０電圧に満たないときには、バッテリ１２０から電気負荷に電力が供給され、発電機１１０は電力を供給しない。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。

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。

内燃機関及び発電機１１０等の運転制御を司る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、内燃機関の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エンジン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の電極端子近傍の雰囲気の温度を検出する電流・温度センサ（サーミスタを含む）１４０から出力されるバッテリ電流・温度信号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を出力インタフェースを介して印加する。

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、電動機を稼働させるための制御信号ｏを出力し、当該電動機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。

本実施形態のＥＣＵ０は、停止していた内燃機関を冷間始動したときに、内燃機関により発電機１１０を積極的に駆動、即ち発電機１１０の出力電圧を高める指令を電圧レギュレータ１３０に与えつつ吸気量及び燃料噴射量を増量補正して発電量を増大させ、バッテリ１２０を強制的に充電する初期充電を実施する。

内燃機関の冷間始動後、ＥＣＵ０は、バッテリ１２０に向けて流れる電流量及びバッテリ１２０の液温を、電流・温度センサ１４０を介して継続的に監視する。因みに、バッテリ液は強酸性であり、バッテリ液中に温度センサを投入してその液温を直接計測することは困難であるので、電流・温度センサ１４０によりバッテリ１２０近傍の雰囲気の温度を検出することを通じて、バッテリ液温の推測を行っている。

図３に示すように、バッテリ１２０の充電を開始すると、その充電の初期には大きな電流がバッテリ１２０に向けて流れるが、充電が進行するにつれてバッテリ電流は徐々に減少してゆき、バッテリ１２０が満充電に近づいた終期には殆どバッテリ電流が流れなくなる。なお、鉛バッテリ１２０は、その内部を満たすバッテリ液である電解液の温度が低下すると内部抵抗が増大して充電受入性が悪化する。このため、バッテリ１２０の液温が低いほど、初期充電中にバッテリ１２０に向けて流れる電流量が少なくなる。図３中、実線はバッテリ液温が比較的高い場合のバッテリ電流量の推移を表し、鎖線はバッテリ液温が比較的低い場合のバッテリ電流量の推移を表し、破線はバッテリ液温が中程度の場合のバッテリ電流量の推移を表している。

図４に、初期充電においてＥＣＵ０が実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ０は、初期充電においてバッテリ１２０に流入する電流の大きさがはじめて基準値に達したとき（ステップＳ１）のバッテリ液温を所定値（例えば、４０℃）と比較する（ステップＳ２）。そして、そのバッテリ液温が所定値よりも低ければ、メモリに記憶保持している閾値をある量αだけ減算してメモリに再記憶する（ステップＳ３）。一方で、バッテリ液温が所定値以上に高ければ、メモリに記憶保持している閾値をある初期値に更新してメモリに記憶（ステップＳ４）、換言すれば閾値を初期値にリセットする。この初期値は、バッテリ液温が上記の所定値に等しい状況下でバッテリ１２０が満充電状態になったと判断できるようなバッテリ電流量に相当する。初期値は、上記の基準値と同等であってもよく、基準値とは異なる値であってもよい。

その上で、初期充電中にバッテリ１２０に流入する電流の大きさがメモリに記憶保持している閾値を下回るまで初期充電を継続し（ステップＳ５）、しかる後に初期充電を終了（ステップＳ６）、発電機１２０による出力電圧即ち発電量を初期充電中よりも低下させる指令を電圧レギュレータ１３０に与え、吸気量及び燃料噴射量を初期充電中と比較して減量する。

初期充電中のバッテリ電流と比較するべき閾値は、初期充電の終了後のみならず、イグニッションスイッチがＯＦＦとなって内燃機関の運転を停止した後も、さらにはイグニッションスイッチが再びＯＮとなって内燃機関を冷間始動する際にも記憶保持し続ける。つまり、前回のトリップ（イグニッションスイッチがＯＮに操作されてから再びＯＦＦに操作されるまでの稼働期間を一トリップとする）で記憶保持した閾値は、今回のトリップに引き継がれる。従って、初期充電中のバッテリ電流の大きさが基準値に達したときのバッテリ液温が所定値未満であるというステップＳ２の条件が満たされるような低温環境下において、連続して複数回の冷間始動が行われる（連続して複数回のトリップが営まれる）と、その回数分だけ閾値が低下してゆく。図３には、低温環境下で連続して三回の冷間始動が行われた場合の閾値を示している。

低温環境下で継続して車両が運用されるときに、閾値を所定量αずつ徐々に引き下げてゆくことには意義がある。閾値を引き下げると、バッテリ電流が閾値に到達するというステップＳ５の条件が成立することが遅れ、その分だけ初期充電期間を引き延ばすことが（または、初期充電期間の短縮を抑えることが）できる。他方、初期充電中は、内燃機関のアイドルストップが制限され、また発電機１１０の駆動により多くの燃料を消費するため燃費が一時的に高くなる。閾値を一度に大きく引き下げると、あるトリップにおいて急に大きく初期充電期間が延長されることとなり、突然アイドルストップ機能が働かなくなる、またはある日を境に急に燃費が悪化するような違和感をユーザに与える可能性がある。そこで、本実施形態では、複数回のトリップに跨って徐々に閾値を引き下げてゆき、初期充電期間を少しずつ延長するようにして、ユーザに違和感を与えないようにしながら、バッテリ１２０を充分に充電してバッテリ寿命の短命化を抑制している。

翻って、低温環境下を脱した、即ち初期充電中のバッテリ電流の大きさが基準値に達したときのバッテリ液温が所定値未満であるというステップＳ２の条件が満たされなくなったならば、閾値を速やかに初期値にリセットし、初期充電の期間が徒に長くなることを回避して、できるだけ早くアイドルストップを開始できるようにし、また発電機１１０の駆動に伴う燃料消費の削減を図る。

本実施形態では、停止していた内燃機関の冷間始動後、内燃機関により発電機１１０を駆動して発電を行い車載のバッテリ１２０を充電する初期充電を実施するものであって、初期充電においてバッテリ１２０に流入する電流の大きさがはじめて基準値に到達したときのバッテリ１２０の液温が所定値よりも低いという条件が成立する度に、メモリに記憶保持している閾値をある量αだけ減算してメモリに記憶する一方、初期充電においてバッテリ１２０に流入する電流の大きさがはじめて基準値に到達したときのバッテリ１２０の液温が所定値以上であるという条件が成立した場合には、メモリに記憶保持している閾値をある初期値に更新してメモリに記憶し、その上で、バッテリ１２０に流入する電流の大きさが当該閾値に到達するまで初期充電を継続し、しかる後発電機１１０による発電量を初期充電中よりも低下させる制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、バッテリ液温に応じて閾値を変更することで初期充電の期間の長さを最適化でき、低温環境下での冷間始動の際の初期充電を必要十分に実施できるようになる。そして、不必要な燃料消費を削減して燃費性能を高めながら、いわゆるバッテリ上がりやバッテリ寿命の短命化を防止することが可能となる。

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。各部の具体的構成や処理の内容等は、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、内燃機関、発電機及びバッテリが搭載された車両の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１１０…発電機
１２０…バッテリ
１４０…電流・温度センサ
ｇ…バッテリ電流・温度信号

Claims (1)

1. 停止していた内燃機関の冷間始動後、内燃機関により発電機を駆動して発電を行い車載のバッテリを充電する初期充電を実施するものであって、
   初期充電においてバッテリに流入する電流の大きさがはじめて基準値に到達したときにバッテリの液温が所定値よりも低いという条件が成立する度に、メモリに記憶保持している閾値をある量だけ減算してメモリに記憶する一方、初期充電においてバッテリに流入する電流の大きさがはじめて基準値に到達したときにバッテリの液温が所定値以上であるという条件が成立した場合には、メモリに記憶保持している閾値をある初期値に更新してメモリに記憶し、
   その上で、バッテリに流入する電流の大きさが当該閾値に到達するまで初期充電を継続し、しかる後発電機による発電量を初期充電中よりも低下させる制御装置。

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