JP2020049979A - ハイブリッド車両の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電装置にこれ以上電力を蓄電することが不可能または困難である状況下において、適正に回生制動を実施できるようにする。【解決手段】駆動輪に走行のための駆動力を供給するとともに回生制動により発電を行うことができる走行用モータジェネレータと、内燃機関により駆動されて発電を行うとともに当該内燃機関の始動のためのモータリングを行うことができる発電用モータジェネレータと、これらモータジェネレータとの間で電力を授受する蓄電装置とを具備するハイブリッド車両を制御するものであって、蓄電装置にこれ以上電力を充電することが不可能または困難である状況下にあって走行用モータジェネレータによる回生制動を実行する場合、そうでない場合と比較して、内燃機関の排気通路に設けられた排気絞り弁の開度を縮小する制御を実施する制御装置を構成した。【選択図】図４

Description

本発明は、駆動輪に走行のための駆動力を供給するとともに回生制動により発電を行う走行用モータジェネレータと、内燃機関により駆動されて発電を行うとともに当該内燃機関の始動のためのモータリングを行う発電用モータジェネレータと、これらモータジェネレータとの間で電力を授受する蓄電装置とを具備するハイブリッド車両の制御に関する。

近時、内燃機関及び電動機の二つの動力源を備えるハイブリッド車両が一定の普及を見ている。シリーズ方式のハイブリッド車両（例えば、下記特許文献を参照）は、内燃機関により発電用モータジェネレータを駆動して発電を行い、発電した電力を蓄電装置（バッテリ及び／またはキャパシタ）に蓄えるとともに走行用モータジェネレータに供給する。そして、走行用モータジェネレータによって車両の車軸及び駆動輪を回転させて走行する。

ハイブリッド車両では、内燃機関が燃料を燃焼させて回転駆動力を発生させなくとも、走行用モータジェネレータが出力する回転駆動力により車両を走行させることが可能である。故に、車両の運用中であっても、内燃機関の運転を停止している状態が継続することがある。

シリーズ方式のハイブリッド車両にあって、発電用モータジェネレータは、停止した内燃機関を始動する際に内燃機関をモータリング（または、クランキング）する役割を兼ねる。モータリング時には、蓄電装置から必要な電力の供給を受ける。

走行用モータジェネレータもまた、回生制動により発電を行い、発電した電力を蓄電装置に蓄えることができる。蓄電装置の容量一杯まで既に電荷が蓄えられている場合には、回生制動により得られる電力を敢えて発電用モータジェネレータに供給し、これを電動機として作動させて内燃機関を回転駆動することで、余剰の電力を消費する。

特開２０１６−０６４７３５号公報

発電用モータジェネレータが内燃機関を回転駆動するときの内燃機関による機械損失は、内燃機関の回転速度が高くなるほど増大する。回生制動により走行用モータジェネレータが発電する余剰電力が多いと、その分だけ内燃機関を高速で回転させることになる。

しかし、内燃機関の高回転化は、内燃機関の気筒内で発生する負圧を増大させ、内燃機関のオイルパンに貯留している潤滑油が吸い上げられる副作用を招来する。加えて、発電用モータジェネレータ及び内燃機関の高速回転に伴う振動や騒音の発生も無視できない。

回生制動時の走行用モータジェネレータの発電電力を低減すれば、発電用モータジェネレータ及び内燃機関の高回転化を抑制できるが、代わりに車両の減速度が低下する。それにより、蓄電装置が満充電状態となった瞬間に車体がふと軽くなったような感覚を運転者を含む搭乗者に与えてしまう。

本発明は、蓄電装置にこれ以上電力を蓄電することが不可能または困難である状況下において、適正に回生制動を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、駆動輪に走行のための駆動力を供給するとともに回生制動により発電を行うことができる走行用モータジェネレータと、内燃機関により駆動されて発電を行うとともに当該内燃機関の始動のためのモータリングを行うことができる発電用モータジェネレータと、これらモータジェネレータとの間で電力を授受する蓄電装置とを具備するハイブリッド車両を制御するものであって、蓄電装置にこれ以上電力を蓄電することが不可能または困難である状況下にあって走行用モータジェネレータによる回生制動を実行する場合、そうでない場合と比較して、内燃機関の排気通路に設けられた排気絞り弁の開度を縮小する制御を実施するハイブリッド車両の制御装置を構成した。

本発明によれば、蓄電装置にこれ以上電力を蓄電することが不可能または困難である状況下において、適正に回生制動を実施することが可能となる。

本発明の一実施形態におけるシリーズ方式のハイブリッド車両の概要を示す図。 同実施形態のハイブリッド車両の発電用モータジェネレータと接続している内燃機関の構造を示す図。 同実施形態のハイブリッド車両の発電用モータジェネレータと接続している内燃機関の回転速度と機械損失との関係を示す図。 同実施形態のハイブリッド車両の制御装置がプログラムに従い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ハイブリッド車両の主要システムの概略構成を示している。このハイブリッド車両は、内燃機関１と、内燃機関１により駆動されて発電を行う発電用モータジェネレータ２と、発電用モータジェネレータ２が発電した電力を蓄える蓄電装置３と、発電用モータジェネレータ２及び／または蓄電装置３から電力の供給を受けて車両の車軸及び駆動輪６２を駆動する走行用モータジェネレータ４とを備えている。

本実施形態のハイブリッド車両は、内燃機関１を発電にのみ使用するシリーズハイブリッド方式の電気自動車であり、車両の駆動輪６２には専ら走行用モータジェネレータ４から走行のための駆動力を供給する。内燃機関１と駆動輪６２との間は機械的に切り離されており、元来両者の間で回転駆動力の伝達がなされない。従って、イグニッションスイッチ（パワースイッチ、またはイグニッションキー）がＯＮに操作されている車両の運用中、換言すれば運転者がアクセルペダルを踏むことで車両が走行可能な状態にあっても、蓄電装置３が充分な電荷を蓄えている状況下では、燃料の燃焼を伴う内燃機関１の運転を実施しない。

内燃機関１は、例えば火花点火式の４ストロークエンジンである。図２に、本実施形態における内燃機関の概要を示している。この内燃機関は、複数の気筒１１（図２には、そのうち一つを図示している）を具備する。各気筒１１の吸気ポート近傍には、吸気ポートに向けて燃料を噴射するインジェクタ１１１を気筒１毎に設けている。また、各気筒１１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１１２を取り付けてある。点火プラグ１１２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１３は、外部から空気を取り入れて各気筒１１の吸気ポートへと導く。吸気通路１３上には、エアクリーナ１３１、吸気絞り弁である電子スロットルバルブ１３２、サージタンク１３３、吸気マニホルド１３４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１４は、気筒１１内で燃料を燃焼させたことで生じる排気を各気筒１１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路１４上には、排気マニホルド１４２、排気絞り弁１４３、及び排気浄化用の三元触媒１４１を配置している。

排気絞り弁１４３は、ダイアフラム式のアクチュエータ１５により開閉駆動する。アクチュエータ１５は、ダイアフラム１５１により隔てられたダイアフラム室１５２及び定圧室１５３を有し、ダイアフラム室１５２と定圧室１５３との差圧を利用してダイアフラム１５１を変位させる。ダイアフラム１５１と排気絞り弁１４３とは、リンク機構１５４を介して連結している。

アクチュエータ１５のダイアフラム室１５２には、吸気通路１３におけるスロットルバルブ１３２の下流に生じる吸気負圧を導入する。そのために、ダイアフラム室１５２と吸気通路１３の当該部位（例えば、サージタンク１３３）とを連通せしめる吸気負圧導入路１５５と、ダイアフラム室１５２を大気に開放するための圧抜路１５６と、３ポート方向切換弁であるバルブ（Ｖａｃｕｕｍ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｖａｌｖｅ）１５７とを設けている。

ダイアフラム室１５２と定圧室１５３との差圧が所定の設定圧を超えると、ダイアフラム１５１及びリンク機構１５４のバルブロッドが、スプリング１５８の弾性付勢力に抗して、定圧室１５３側からダイアフラム室１５２側に向かって変位する。その結果、排気通路１４上に設置した排気絞り弁１４３の弁体が変位し、排気絞り弁１４３の開度が縮小する。排気絞り弁１４３の開度の縮小は、排気通路１４を流れる排気に対する流路抵抗の増大、換言すれば排気絞り弁１４３の上流における排気圧力の上昇をもたらす。

ダイアフラム室１５２と定圧室１５３との差圧が設定圧以下であるときには、スプリング１５８の弾性付勢力によりダイアフラム１５１及びバルブロッドが元の位置に復帰し、排気絞り弁１４３が開放される。排気絞り弁１４３の開度の拡大により、排気通路１４を流れる排気に対する流路抵抗が減少し、排気絞り弁１４３の上流における排気圧力が低下する。

ＶＳＶ１５７は、本実施形態のハイブリッド車両の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０から発せられる制御信号を受け、吸気負圧導入路１１５とダイアフラム室１５２とを連通しダイアフラム室１５２を大気から隔絶する状態と、圧抜路１５６とダイアフラム室１５２とを連通しダイアフラム室１５２を大気に開放する状態とを選択的にとり得る。後者の状態に切り換えることで、ダイアフラム室１５２に導入した吸気負圧を圧抜路１５６経由で大気に逃がし（大気をダイアフラム室１５２に導入し）、閉じていた排気絞り弁１４３を開くことができる。

内燃機関１の出力軸であるクランクシャフトは、発電用モータジェネレータ２の入力軸と機械的に接続している。そして、内燃機関１が出力する回転駆動力を発電用モータジェネレータ２に入力することで、発電用モータジェネレータ２が発電する。発電した電力は、蓄電装置３に充電し、及び／または、走行用モータジェネレータ４に供給する。また、発電用モータジェネレータ２は、自らが回転駆動力を発生させて内燃機関１のクランクシャフトを回転駆動する電動機としても機能する。例えば、発電用モータジェネレータ２は、停止している内燃機関１を始動するためのモータリング（クランキング）を実行することがある。

走行用モータジェネレータ４は、車両の走行のための駆動力を発生させ、その駆動力を減速機６１を介して駆動輪６２に入力する。また、走行用モータジェネレータ４は、駆動輪６２に連れ回されて回転することで発電し、車両の運動エネルギを電気エネルギとして回収する。この回生制動により発電した電力は、蓄電装置３に充電する。

但し、既に蓄電装置３の容量一杯まで電荷が蓄えられており、それ以上の充電が困難である場合には、発電した電力を敢えて発電用モータジェネレータ２に供給し、発電用モータジェネレータ２を電動機として稼働させて内燃機関１を回転駆動する。これにより、車両の制動性能を維持しながら、余剰の電力を消尽する。また、このとき、内燃機関１の回転が保たれることから、内燃機関１の気筒への燃料供給を一時的に停止する燃料カットを実行することができる。

発電機インバータ２１は、発電用モータジェネレータ２が発電する交流電力を直流電力に変換する。そして、その直流電力を蓄電装置３または駆動機インバータ４１に入力する。並びに、発電機インバータ２１は、発電用モータジェネレータ２を電動機として作動させる際に、蓄電装置３及び／または駆動機インバータ４１から供給される直流電力を交流電力に変換した上で発電用モータジェネレータ２に入力する。

駆動機インバータ４１は、蓄電装置３及び／または発電機インバータ２１から供給される直流電力を交流電力に変換した上で走行用モータジェネレータ４に入力する。並びに、駆動機インバータ４１は、車両の回生制動を行うときに走行用モータジェネレータ４が発電する交流電力を直流電力に変換した上で蓄電装置３または発電機インバータ２１に入力する。

発電機インバータ２１及び駆動機インバータ４１は、ＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）の一部をなす。

蓄電装置３は、バッテリ及び／またはキャパシタ等である。蓄電装置３は、発電用モータジェネレータ２及び走行用モータジェネレータ４の各々が発電する電力を充電して蓄える。並びに、蓄電装置３は、発電用モータジェネレータ２及び走行用モータジェネレータ４の各々を電動機として作動させるための電力を放電し、それらモータジェネレータ２、４に必要な電力を供給する。

内燃機関１、発電用モータジェネレータ２、蓄電装置３、インバータ２１、４１及び走行用モータジェネレータ４の制御を司る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は、複数基のＥＣＵ（例えば、内燃機関１、モータジェネレータ２、４、蓄電装置３等を個別に制御する各コントローラ）がＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。

ＥＣＵ０は、センサを介してセンシングしている運転者によるアクセルペダルの踏込量や、現在の車両の車速、路面の勾配、蓄電装置３の蓄電量、発電用モータジェネレータ２の発電電力等に応じて、走行用モータジェネレータ４が出力する回転駆動力、内燃機関１が出力する回転駆動力、及び発電用モータジェネレータ２が発電する電力の大きさを増減制御する。蓄電装置３が現在充分な電荷を蓄えており、走行用モータジェネレータ４に要求される出力駆動力が極大でない場合には、内燃機関１への燃料の供給を遮断して内燃機関１を運転しない。

翻って、蓄電装置３が現在蓄えている電荷の量が所定量を下回っている場合、または走行用モータジェネレータ４に要求される出力駆動力が極大である場合には、内燃機関１を始動するとともに内燃機関１に燃料を供給してこれを燃焼させ、内燃機関１の出力する回転駆動力を以て発電量モータジェネレータ２を駆動し、発電を実施して蓄電装置３を充電し、または走行モータジェネレータ４に供給する電力を増強する。

内燃機関１の気筒に燃料を供給して内燃機関１を運転しておらず、走行用モータジェネレータ４により駆動輪６２を駆動して車両を走行させている最中に、内燃機関１を始動しようとするとき、発電用モータジェネレータ２が内燃機関１の始動のためのモータリングを行う。

内燃機関１の始動のためのモータリングは、内燃機関１が燃料を燃焼させて自立的に回転できるようになるまで続行する。より具体的には、センシングしている内燃機関１のクランクシャフトの回転速度が始動に必要な最低限度の閾値以上に高まり、かつモータリングの開始から内燃機関１のクランクシャフトが所定回数以上または所定角度以上回転した時点で、モータリングを終了する。クランクシャフトが所定回数以上または所定角度以上回転した、という条件は、内燃機関１の各気筒の現在の行程またはピストンの位置を知得する気筒判別が完了した、と置き換えてもよい。各気筒の行程に合わせて適切なタイミングで燃料を噴射し、また適切なタイミングで燃料を着火燃焼させるためには、各気筒の現在の行程を知る必要がある。気筒判別は、クランクシャフトが所定角度（例えば、１０°ＣＡ）回転する都度パルス信号を発するクランク角センサと、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトが所定角度（カムシャフトの一回転を気筒数で割った角度。三気筒エンジンであれば、１２０°（２４０°ＣＡ））回転する都度パルス信号を発するカム角センサとを用いて行う。気筒判別の手法は周知であるので、ここではその説明を割愛するが、クランク角信号及びカム角信号を参照した気筒判別を完了するためには、停止していた内燃機関１のクランクシャフトが二回転程度回転する必要がある。モータリングの開始から終了までの所要時間の長さは、蓄電装置３が故障していなければコンマ数秒以下である。

内燃機関１の始動が完了し、内燃機関１のモータリングを終了して以降は、発電用モータジェネレータ２への電力供給を０まで低下させる。

車両の運転者がアクセルペダルから足を離し、またはブレーキペダルを踏んだことに呼応して、走行用モータジェネレータ４による回生制動を実施しようとする際、既に蓄電装置３が満充電状態であるか、または蓄電装置３に何らかの支障が生じていると、走行用モータジェネレータ４が発電する電力を蓄電装置３に蓄えることが困難または不可能となる。そのような場合において、ＥＣＵ０は、既に述べた通り、内燃機関１の気筒への燃料供給を一時停止する燃料カットを実行するとともに、走行用モータジェネレータ４が発電する余剰の電力を発電用モータジェネレータ２に供給し、発電用モータジェネレータ２を電動機として動作させて内燃機関１を回転駆動する。これにより、余剰の電力を消費し、高電圧または大電流が生じてインバータ２１、４１その他の電気回路または素子を損傷させる危険を防止する。

図３に示すように、電動機として稼働する発電用モータジェネレータ２に対する内燃機関１の機械損失は、内燃機関１の回転速度が高まるほど大きくなる傾向にある。従って、回生制動により発電した電力を単純に走行用モータジェネレータ４から発電用モータジェネレータ２に供給するだけでは、発電用モータジェネレータ２及び内燃機関１の回転速度が徒に高回転化してしまう懸念がある。

そこで、図４に示すように、本実施形態のＥＣＵ０は、蓄電装置３にこれ以上電力を蓄電することが不可能または困難である状況下にあって（ステップＳ１）、走行用モータジェネレータ４による回生制動を実行する場合（ステップＳ２）、そうでない場合と比較して、内燃機関１の排気通路１４に設けられている排気絞り弁１４３の開度を縮小する（ステップＳ３）。

ＥＣＵ０は、蓄電装置３に対して流出入する電流の大きさを恒常的にセンシングしており、及び／または、蓄電装置３の端子電圧の大きさを恒常的にセンシングしている。ステップＳ１にて、ＥＣＵ０は、蓄電装置３に対して流出入する電流の時間積分値（電荷の積算値）が閾値を上回り、及び／または、現在の蓄電装置３の端子電圧が閾値を上回っているときに、蓄電装置３が満充電状態となっており、これ以上蓄電装置３に電力を蓄電できないと判断する。

あるいは、ＥＣＵ０が、蓄電装置３の故障が疑われる事象を感知したときに、これ以上蓄電装置３に電力を蓄電できないと判断する。蓄電装置３の故障が疑われる事象の具体例は種々考えられるが、例えば、
・モータジェネレータ２、４が発電した電力を蓄電装置３に充電しようとしたら、センシングしている蓄電装置３の端子電圧または端子電流が所定以上の速さで急増し、または正常範囲を超えて増大した
・蓄電装置３からインバータ２１、４１に電力を供給しようとしたら、センシングしている蓄電装置３の端子電圧または端子電流が所定以上の速さで急落し、または正常範囲を超えて減少した
・センシングしている、蓄電装置３を構成する各バッテリセルの端子電圧が所定の正常範囲から逸脱した
・センシングしている蓄電装置３の温度が所定の正常範囲を超えて高温となった
等が挙げられる。ＥＣＵ０は、正常な挙動からの逸脱を以て、蓄電装置３の故障が疑われる事象が発生したと判断する。

本実施形態における内燃機関１の排気通路１４には、吸気負圧を利用して開度を縮小する排気絞り弁１４３を設置してある。ステップＳ３にて、ＥＣＵ０は、内燃機関１の吸気通路１３上のスロットルバルブ１３２の開度を縮小するとともに、ＶＳＶ１５７を操作して吸気負圧導入路１１５とダイアフラム室１５２とを連通させる。これにより、ダイアフラム式アクチュエータ１５１が排気絞り弁１４３の開度を縮小するように作動し、排気抵抗が増大し、ひいては発電用モータジェネレータ２に対する内燃機関１の機械損失が増大することとなる。図３中、実線は排気絞り弁１４３の開度を縮小した場合の内燃機関１の機械損失を表し、破線は排気絞り弁１４３の開度を拡大した場合の内燃機関１の機械損失を表している。

内燃機関１の機械損失が大きければ、回生制動時に走行用モータジェネレータ４から発電用モータジェネレータ２に多くの電力を入力しても、発電用モータジェネレータ２及び内燃機関１の回転速度が過剰に高回転化しない。さすれば、内燃機関１のオイルパンから潤滑油が吸い上げられる問題が回避される上、運転者を含む搭乗者に知覚される振動や騒音の発生も抑制できる。

蓄電装置３が故障しておらず、満充電状態でもなく、回生制動により発電される電力を蓄電することが可能である状況下では、ＥＣＵ０がＶＳＶ１５７を操作して圧抜路１５６とダイアフラム室１５２とを連通させてダイアフラム室１５２を大気に開放、以て排気通路１４上の排気絞り弁１４３の開度を拡大する（ステップＳ４）。走行用モータジェネレータ４による回生制動を実行しないときも、同様である。

因みに、排気絞り弁１４３は、車両の冷間始動時において、低温化した蓄電装置３を適正な温度まで昇温させる暖機処理の際に利用することができる。蓄電装置３を昇温させるには、敢えて充放電を繰り返す必要があるが、その放電のために、発電用モータジェネレータ２を電動機として動作させて内燃機関１を回転駆動することがある。このときに、排気絞り弁１４３の開度を縮小するのである。

本実施形態では、駆動輪６２に走行のための駆動力を供給するとともに回生制動により発電を行うことができる走行用モータジェネレータ４と、内燃機関１により駆動されて発電を行うとともに当該内燃機関１の始動のためのモータリングを行うことができる発電用モータジェネレータ２と、これらモータジェネレータ２との間で電力を授受する蓄電装置３とを具備するハイブリッド車両を制御するものであって、蓄電装置３にこれ以上電力を蓄電することが不可能または困難である状況下にあって走行用モータジェネレータ４による回生制動を実行する場合、そうでない場合と比較して、内燃機関１の排気通路１４に設けられた排気絞り弁１４３の開度を縮小する制御を実施するハイブリッド車両の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、蓄電装置３が満充電状態であったり故障していたりしても、適正に回生制動を実施することができる。

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。例えば、内燃機関１の排気通路１４上に設置する排気絞り弁１４３は、制御装置たるＥＣＵ０によりその開度を任意に操作できるものであれば、どのような態様のバルブであってもよい。即ち、電子スロットルバルブ１３２と同様のモータバルブ（電動弁、バタフライバルブ）であってもよいし、ソレノイドバルブ（電磁弁）であってもよい。

その他、各部の具体的な構成や処理の内容は、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、ハイブリッド車両の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…内燃機関
１４…排気通路
１４３…排気絞り弁
２…発電用モータジェネレータ
３…蓄電装置
４…走行用モータジェネレータ

Claims (1)

1. 駆動輪に走行のための駆動力を供給するとともに回生制動により発電を行うことができる走行用モータジェネレータと、内燃機関により駆動されて発電を行うとともに当該内燃機関の始動のためのモータリングを行うことができる発電用モータジェネレータと、これらモータジェネレータとの間で電力を授受する蓄電装置とを具備するハイブリッド車両を制御するものであって、
   蓄電装置にこれ以上電力を蓄電することが不可能または困難である状況下にあって走行用モータジェネレータによる回生制動を実行する場合、そうでない場合と比較して、内燃機関の排気通路に設けられた排気絞り弁の開度を縮小する制御を実施するハイブリッド車両の制御装置。

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