JP2018188112A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッドシステムにおいてエンジンの始動前に効率的な予熱を行う。【解決手段】エンジン１６と、エンジン１６の駆動力によって駆動される発電機１８と、発電機１８から出力される電力によって充電される電池１２と、電池１２から出力される電力によって駆動されるモータ１０と、を備えるハイブリッドシステム１００において、電池１２のＳＯＣに応じてエンジン１６を始動する前に予熱するためにモータ１０の発熱を促進するモータ制御に切り替える。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン等の暖機のためのモータ制御装置に関する。

エンジンとモータとを備えるハイブリッド車両において、モータを駆動源として使用すると共に熱源としても使用し、モータに供給される電気エネルギーを有効に利用するハイブリッド車両のモータ制御装置が開示されている。具体的には、直列接続された第１、第２及び第３の巻線を備えるモータにおいて、回転速度に応じて導通させる巻線を変更することによりモータからの発熱を制御する構成が開示されている（特許文献１）。

特開２０１０−１２５９５４号公報

従来技術では、エンジンが冷機状態のときにモータの発熱によってエンジンを暖機する。したがって、プラグインハイブリッド車両やレンジエクステンダーのように概ね電池のエネルギーだけで走行する車両においては、暖機を適切に制御しなければ必要以上にエンジンを暖機することになり、そのために投入される電池エネルギーが増加し、システム全体のエネルギー効率が低下し、ひいては一充電当たりの車両の航続距離が短くなるという問題が生ずる。

本発明の１つの態様は、エンジンと、前記エンジンの駆動力によって駆動される発電機と、前記発電機から出力される電力によって充電される電池と、前記電池から出力される電力によって駆動されるモータと、を備えるハイブリッドシステムに対するモータ制御装置であって、前記電池のＳＯＣに応じて、前記エンジンを始動する前に予熱するために前記モータの発熱を促進するモータ制御に切り替えることを特徴とするモータ制御装置である。

ここで、前記エンジンが停止した状態であり、前記電池のＳＯＣが充電準備の閾値より大きい場合、前記モータを第１の制御モードで駆動し、前記エンジンが停止した状態であり、前記電池のＳＯＣが前記充電準備の閾値以下である場合、前記モータを前記第１の制御モードより発熱が大きい第２の制御モードで駆動することが好適である。

また、前記電池のＳＯＣが前記充電準備の閾値より小さい充電開始の閾値以下となった場合、前記モータを前記第２の制御モードより発熱が小さい第３の制御モードで駆動すると共に、前記エンジンを始動させることが好適である。

また、前記充電準備の閾値は、前記エンジンの温度又は外部の環境温度に応じて設定されることが好適である。また、前記充電準備の閾値は、前記電池の電力消費量の予測値に応じて設定させることが好適である。

また、前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとにおいて、前記モータに流れる電流の進角を変更する、又は、前記モータを駆動するインバータのキャリア周波数を変更することが好適である。

また、前記エンジンの予熱箇所は、給気ポート、燃焼室及びクランクケースの少なくとも１つであることが好適である。

本発明によれば、エンジンの始動前に効率的な予熱を行うことができる。これにより、例えば、燃料の気化を促進してエミッションの向上を図ることができ、エンジンでの摩擦を低減して損失を低下させることができる。

第１の実施の形態におけるハイブリッドシステムの構成を示す図である。 第１の実施の形態におけるモータの制御を説明する図である。 第２の実施の形態におけるハイブリッドシステムの構成を示す図である。 第３の実施の形態におけるハイブリッドシステムの構成を示す図である。

［第１の実施の形態］
第１の実施の形態におけるハイブリッドシステム１００は、図１に示すように、モータ１０、電池１２、インバータ１４、エンジン１６、発電機１８、熱交換器２０、目標駆動力生成部２２、モータ制御部２４及び制御モード選択部２６を含んで構成される。

ハイブリッドシステム１００は、エンジン１６によって発電機１８を駆動することによって電池１２を充電することが可能に構成されている。ハイブリッドシステム１００は、プラグインハイブリッド車両やレンジエクステンダーに適用することができる。

モータ１０は、車両の駆動軸を回転させる駆動手段として用いられる。モータ１０は、例えば、交流同期モータとすることが好適である。交流同期モータは、低回転から高回転まで強いトルクを効率的に発生させることができる。

電池１２は、モータ１０を回転駆動させるための電力を発生させる。電池１２は、充放電が可能な二次電池とされる。電池１２は、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池とすることができる。また、電池１２は、発電機１８で発生した電力の供給を受けて充電することができる。電池１２から供給される直流電力は、インバータ１４によって交流電力に変換されてモータ１０へ供給される。また、発電機１８から供給される交流電力は、インバータ１４によって直流電力に変換されて電池１２へ供給される。インバータ１４は、直流をＰＷＭ（パルス幅変調）により交流に変換して出力する、

エンジン１６は、ガソリン等の燃料を燃焼させることによって駆動力を発生させる。エンジン１６は、既存の構成のものを適用することができる。本実施の形態では、エンジン１６は、発電機１８を駆動させるために利用される。発電機１８は、エンジン１６から駆動力を受けて電力を発電する。発電機１８で発生した電力は、インバータ１４を介して電池１２へ供給される。

熱交換器２０は、エンジン１６から発生する熱を放熱するための手段である。熱交換器２０は、例えば、ラジエータとすることができる。熱交換器２０は、液体や気体等の冷却媒体を循環させることによって、エンジン１６から発生する熱を周囲の空気に熱伝導を利用して放熱する。

本実施の形態では、エンジン１６、熱交換器２０及びモータ１０を冷却媒体が循環するような構成とされている。これにより、エンジン１６からの熱を熱交換器２０において放熱すると共に、モータ１０で発生する熱をエンジン１６の予熱に利用することができる。

具体的には、モータ１０からの熱によりエンジン１６の吸気ポート、燃焼室及びクランクケースの少なくとも１つを予熱できるようにすることが好適である。給気ポートや燃焼室を予熱することにより、エンジン１６に供給される燃料の気化を促進することができ、エミッションの向上を図ることができる。また、クランクケースを予熱することにより、オイルの粘度を低下させ、駆動部の摩擦を低減させることができる。ただし、予熱する場所は、これらに限定されるものではなく、エンジン１６の全体又はいずれかの場所であればよい。

目標駆動力生成部２２は、アクセル開度及び車速の入力を受けて、アクセル開度及び車速に基づいて車両を走行させるために必要な駆動力（目標駆動力）を導出する。目標駆動力生成部２２は、例えば、アクセル開度と車速との組み合わせ毎に対して目標駆動力を関連付けたテーブル（データベース）を参照して、入力されたアクセル開度と車速との組み合わせに対応する目標駆動力を求めて出力する。また、目標駆動力生成部２２は、アクセル開度と車速とを引数とする関数を用いて目標駆動力を導出する構成としてもよい。目標駆動力生成部２２は、導出された目標駆動力をモータ制御部２４へ出力する。

モータ制御部２４は、モータ回転数及び目標駆動力生成部２２から目標駆動力を受けて、制御モード選択部２６から入力される運転モードに応じた電流指令値を導出する。モータ回転数は、モータ１０の回転軸に設けた回転センサ（レゾルバ）を用いて実測したものとすることができる。また、モータ回転数は、車速から推定するようにしてもよい。

制御モード選択部２６は、エンジン１６の状態及び電池１２の充電量（ＳＯＣ）に応じて制御モードを設定して出力する。図２を参照して、制御モード選択部２６における制御モードの設定方法を説明する。

制御モード選択部２６は、エンジン１６が停止状態であり、電池１２のＳＯＣが予め設定された第１の閾値Ｐ１より大きい場合には第１の制御モード（ＥＶモード）に設定する。第１の制御モード（ＥＶモード）では、エンジン１６は運転されておらず、モータ１０のみが運転される。制御モード選択部２６は、エンジン１６が停止状態であり、電池１２のＳＯＣが第１の閾値Ｐ１以下であり、第１の閾値Ｐ１より小さい第２の閾値Ｐ２より大きい場合には第２の制御モード（予熱モード）に設定する。第２の制御モード（予熱モード）では、エンジン１６は運転されておらず、モータ１０のみが運転される。このとき、モータ１０の発熱を利用してエンジン１６を予熱する状態とする。制御モード選択部２６は、電池１２のＳＯＣが第２の閾値Ｐ２以下となった場合には第３の制御モード（エンジン運転モード）に設定する。第３の制御モードに設定されると、エンジン１６が始動され、エンジン１６が運転状態となり、電池１２は発電機１８からの電力により充電される状態となる。エンジン１６の予熱は終了する。

ここで、第１の閾値Ｐ１は、電池１２の充電の準備を開始する閾値である。また、第２の閾値Ｐ２は、電池１２の充電を開始する閾値である。第１の閾値Ｐ１は、第２の閾値Ｐ２よりも大きい値に設定する。例えば、第２の閾値Ｐ２をＳＯＣの最大値の３０％に設定した場合、第１の閾値Ｐ１をＳＯＣの最大値の５０％に設定する。第１の閾値Ｐ１及び第２の閾値Ｐ２は、エンジン１６の加熱部分の熱容量や必要な予熱状態等に応じて設定すればよい。

モータ制御部２４は、制御モード選択部２６によって設定された制御モードに応じて、モータ回転数及び目標駆動力に基づいてモータ１０から目標駆動力が出力されるように電流指令値を生成する。具体的には、モータ１０から目標駆動力が出力されるようにインバータ１４を制御するための電流指令値を求めてインバータ１４を制御する。具体的には、目標駆動力が増大するにつれてインバータ１４のパルス変調幅（デューティ）が増大するように電流指令値を生成する。

このとき、第２の制御モード（予熱モード）では、第１の制御モード（ＥＶモード）及び第３の制御モード（エンジン運転モード）よりもモータ１０での発熱量が大きくなるような電流指令値を生成して出力する。例えば、第２の制御モード（予熱モード）では、第１の制御モード（ＥＶモード）及び第３の制御モード（エンジン制御モード）よりもモータ１０での電流の進角が大きくなるような電流指令値を生成して出力する。または、例えば、第２の制御モード（予熱モード）では、第１の制御モード（ＥＶモード）及び第３の制御モード（エンジン制御モード）よりもインバータ１４におけるキャリア周波数を高周波化するような電流指令値を生成して出力する。

なお、第１の制御モード（ＥＶモード）及び第３の制御モード（エンジン運転モード）では、モータ１０の効率が最大となるような電流指令値とすることが好適である。例えば、第１の制御モード（ＥＶモード）と第３の制御モード（エンジン運転モード）は同じにしてもよい。

このように、第２の制御モード（予熱モード）においてモータ１０での発熱量を増加させることによって、電池１２の充電の準備期間においてモータ１０からの熱によってエンジン１６を予熱することができる。したがって、第３の制御モード（エンジン運転モード）に移行する際にエンジン１６を必要十分な状態となるように暖機しておくことができる。このとき、電池１２のエネルギーの消費を抑制することができ、車両の走行距離を長くすることができる。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態におけるハイブリッドシステム２００は、図３に示すように、モータ１０、電池１２、インバータ１４、エンジン１６、発電機１８、熱交換器２０、目標駆動力生成部２２、モータ制御部２４及び制御モード選択部２６ａを含んで構成される。ハイブリッドシステム２００は、制御モード選択部２６ａを除いて、第１の実施の形態におけるハイブリッドシステム１００と同じ構成であるので、以下の説明では制御モード選択部２６ａを重点的に説明する。

制御モード選択部２６ａは、外部から温度データを取得し、当該温度データに基づいて第１の閾値Ｐ１を設定する。温度データは、エンジン１６に設けられた温度センサによって測定された温度とすることが好適である。すなわち、エンジン１６において予熱される場所の温度に応じて必要な予熱の程度が異なるので、当該場所の温度を測定し、当該値に応じて予熱を開始する第１の閾値Ｐ１を設定する。

例えば、エンジン１６の予熱箇所の現在の温度が高いほど予熱を短縮することができるので、第１の閾値Ｐ１を低く設定することが好適である。これにより、エンジン１６の予熱箇所の現在の温度が高いほど、電池１２がより低いＳＯＣにならなければ第２の制御モード（予熱モード）に移行しなくなり、システムにおける電力消費を抑制することができる。

また、温度データは、温度センサによって測定された外気温としてもよい。すなわち、外気温に応じて必要なエンジン１６の予熱の程度が異なるので、外気温を測定し、当該値に応じて予熱を開始する第１の閾値Ｐ１を設定する。例えば、外気温が高いほど予熱を短縮することができるので、第１の閾値Ｐ１を低く設定することが好適である。これにより、外気温が高いほど、電池１２がより低いＳＯＣにならなければ第２の制御モード（予熱モード）に移行しなくなり、システムにおける電力消費を抑制することができる。

［第３の実施の形態］
第３の実施の形態におけるハイブリッドシステム３００は、図４に示すように、モータ１０、電池１２、インバータ１４、エンジン１６、発電機１８、熱交換器２０、目標駆動力生成部２２、モータ制御部２４、制御モード選択部２６及び運転予測部２８を含んで構成される。ハイブリッドシステム３００は、運転予測部２８を除いて、第１の実施の形態におけるハイブリッドシステム１００と同じ構成であるので、以下の説明では運転予測部２８を重点的に説明する。

運転予測部２８は、アクセル開度及び車速の入力を受けて、ハイブリッドシステム３００の運転モデルに基づいて将来の電池１２の電力の消費量を予測する。ハイブリッドシステム３００の運転モデルは、将来の電池１２の電力の消費量を予測することができるものであれば特に限定されるものではない。電池１２の電力消費量の予測値は制御モード選択部２６に入力される。

制御モード選択部２６では、エンジン１６の状態、電池１２の充電量（ＳＯＣ）に加えて、電池１２の電力消費量の予測値に応じて制御モードを設定して出力する。具体的には、電池１２の電力消費量の予測値が大きいほど、エンジン１６の予熱に掛けられる時間が短くなると予測されるので、エンジン１６の予熱が早く開始されるように制御モードを設定する。

例えば、電池１２の電力消費量の予測値が大きいほど第１の閾値Ｐ１を大きい値に設定する。これにより、電池１２の電力消費量の予測値が大きいほど、電池１２のＳＯＣがより高い状態においてエンジン１６の予熱が開始されることになる。したがって、電池１２の電力が急激に低下した場合であってもエンジン１６の運転による発電機１８から電池１２への充電を適切な時期に開始することが可能となる。

１０ モータ、１２ 電池、１４ インバータ、１６ エンジン、１８ 発電機、２０ 熱交換器、２２ 目標駆動力生成部、２４ モータ制御部、２６，２６ａ 制御モード選択部、２８ 運転予測部、１００，２００，３００ ハイブリッドシステム。

Claims (7)

1. エンジンと、
   前記エンジンの駆動力によって駆動される発電機と、
   前記発電機から出力される電力によって充電される電池と、
   前記電池から出力される電力によって駆動されるモータと、
   を備えるハイブリッドシステムに対するモータ制御装置であって、
   前記電池のＳＯＣに応じて、前記エンジンを始動する前に予熱するために前記モータの発熱を促進するモータ制御に切り替えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、
   前記エンジンが停止した状態であり、前記電池のＳＯＣが充電準備の閾値より大きい場合、前記モータを第１の制御モードで駆動し、
   前記エンジンが停止した状態であり、前記電池のＳＯＣが前記充電準備の閾値以下である場合、前記モータを前記第１の制御モードより発熱が大きい第２の制御モードで駆動することを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項２に記載のモータ制御装置であって、
   前記電池のＳＯＣが前記充電準備の閾値より小さい充電開始の閾値以下となった場合、前記モータを前記第２の制御モードより発熱が小さい第３の制御モードで駆動すると共に、前記エンジンを始動させることを特徴とするモータ制御装置。
4. 請求項２又は３に記載のモータ制御装置であって、
   前記充電準備の閾値は、前記エンジンの温度又は外部の環境温度に応じて設定されることを特徴とするモータ制御装置。
5. 請求項２又は３に記載のモータ制御装置であって、
   前記充電準備の閾値は、前記電池の電力消費量の予測値に応じて設定させることを特徴とするモータ制御装置。
6. 請求項２〜５のいずれか１項に記載のモータ制御装置であって、
   前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとにおいて、前記モータに流れる電流の進角を変更する、又は、前記モータを駆動するインバータのキャリア周波数を変更することを特徴とするモータ制御装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のモータ制御装置であって、
   前記エンジンの予熱箇所は、給気ポート、燃焼室及びクランクケースの少なくとも１つであることを特徴とするモータ制御装置。