JP2020050053A - 車両の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両に搭載された内燃機関の始動に要する時間を短縮する。【解決手段】内燃機関１並びにこれに連結する発電機若しくは電動機２と、内燃機関１の回転軸が所定角度回転する毎に信号を発するセンサの出力信号を受信して回転角度に関する情報を得るコントローラ０１と、発電機若しくは電動機２の回転軸の絶対的な回転角度を検出するセンサの出力信号を受信して回転角度に関する情報を得るコントローラ０２とを具備し、内燃機関１の回転速度が所定以下となったとき、コントローラ０２が知得する発電機若しくは電動機２の回転軸の回転角度に関する情報をコントローラ０１に送信しコントローラ０１において内燃機関１の回転軸の現在の回転角度を演算する、または、コントローラ０１が知得する内燃機関１の回転軸の回転角度に関する情報をコントローラ０２に送信しコントローラ０２において内燃機関１の回転軸の現在の回転角度を演算する制御装置０を構成した。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関、並びにこの内燃機関に連結し内燃機関により駆動される発電機若しくは内燃機関を駆動する電動機が搭載された車両の制御装置に関する。

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ひいては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。

蓄電装置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、内燃機関を始動するとともに内燃機関に燃料を供給してこれを燃焼させ、内燃機関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を駆動し、発電を実施して蓄電装置を充電し、または走行モータジェネレータに供給する電力を増強する。

運転者の意思に合致したレスポンスを実現するべく、内燃機関の始動は可及的速やかに完遂することが望ましい。内燃機関のモータリングは、当該内燃機関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。そのためには、内燃機関の各気筒の現在の行程またはピストンの位置を知得した上で、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、かつ適切なタイミングで燃料を着火燃焼させる必要がある。

既存のシステムでは、内燃機関の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の出力信号と、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の出力信号とを用いて、気筒判別を行っている。気筒判別を完了するには、停止していた内燃機関のクランクシャフトが二回転程度回転する必要がある。その分だけ、内燃機関の始動に時間を要していることになる。

特開２０１６−０６４７３５号公報

本発明は、車両に搭載された内燃機関の始動に要する時間をより短縮することを所期の目的としている。

本発明では、車両に搭載される内燃機関、並びにこの内燃機関に連結し内燃機関により駆動される発電機若しくは内燃機関を駆動する電動機と、前記内燃機関の回転軸が所定角度回転する毎に信号を発するセンサの出力信号を受信して、内燃機関の回転軸の回転角度に関する情報を得る第一コントローラと、前記発電機若しくは電動機の回転軸の絶対的な回転角度を検出するセンサの出力信号を受信して、発電機若しくは電動機の回転軸の回転角度に関する情報を得る第二コントローラとを具備し、前記内燃機関の回転速度が所定以下となったとき、前記第二コントローラが知得する前記発電機若しくは電動機の回転軸の回転角度に関する情報を前記第一コントローラに送信し第一コントローラにおいてこれを参照して内燃機関の回転軸の現在の回転角度を演算する、または、前記第一コントローラが知得する前記内燃機関の回転軸の回転角度に関する情報を前記第二コントローラに送信し第二コントローラにおいてこれを参照して内燃機関の回転軸の現在の回転角度を演算する、車両の制御装置を構成した。

本発明によれば、車両に搭載された内燃機関の始動に要する時間をより短縮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及び制御装置の概要を示す図。

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ひいては駆動輪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、例えば複数の気筒を包有する４ストロークエンジンである。内燃機関１の回転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の回転軸と歯車機構を介して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の制御を司る制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０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、即ち内燃機関１を制御するエンジンコントローラ０１、発電用モータジェネレータ２及び発電機インバータ２１を制御する発電機コントローラ０２、蓄電装置３を制御するバッテリコントローラ０３、走行用モータジェネレータ４及び駆動機インバータ４１を制御する駆動機コントローラ０４等が、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。

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。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った時点で、モータリングを終了する。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。

内燃機関１の始動を完遂するためには、現在の内燃機関１の各気筒の現在の行程またはピストンの位置を知得し、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ことが必要となる。本実施形態では、第一コントローラたるエンジンコントローラ０１と、第二コントローラたる発電機コントローラ０２とが協働して、内燃機関１の各気筒の現在の行程を知得する。

エンジンコントローラ０１は、内燃機関１のクランクシャフトに付随するクランク角センサの出力信号と、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトに付随するカム角センサの出力信号とを受信することができる。クランク角センサは、クランクシャフトに固定されクランクシャフトと一体となって回転するロータの回転角度をセンシングするものである。そのロータには、クランクシャフトの回転方向に沿った所定角度毎に、歯または突起が形成されている。典型的には、クランクシャフトが１０°回転する毎に、歯または突起が配置される。クランク角センサは、ロータの外周に臨み、個々の歯または突起が当該センサの近傍を通過することを検知して、その都度パルス信号を発信する。エンジンコントローラ０１は、このパルスをクランク角信号として受信する。

但し、クランク角センサは、クランクシャフトが一回転する間に三十六回のパルスを出力するわけではない。クランクシャフトのロータの歯または突起は、その一部が欠けている。例えば、十七番目、十八番目及び二十番目、二十一番目の欠歯部分、並びに三十五番目、三十六番目の欠歯部分という、大きく分けて二つの欠歯部分が存在する。欠歯部分はそれぞれ、クランクシャフトの特定の回転位相角に対応する。連続する欠歯部分が１８０°ＣＡ（クランク角度）及び５４０°ＣＡに対応する場合、単独の欠歯部分は０°ＣＡ及び３６０°ＣＡに対応し、両者の間に約１８０°ＣＡの位相差が介在する。そして、上記の欠歯部分に起因して、クランク角信号のパルス列もまた一部が欠損する。この欠損を基にして、クランクシャフトの絶対的な角度（姿勢）を知ることが可能である。欠損した三十六番目のパルスの次の一番目のパルスのタイミングを０°ＣＡまたは３６０°ＣＡとおくと、欠損した十八番目のパルスに続く十九番目のパルスのタイミングが１８０°ＣＡまたは５４０°ＣＡということになる。

カム角センサもまた、カムシャフトに固定されカムシャフトと一体となって回転するロータの回転角度をセンシングするものである。そのロータには、少なくともカムシャフトの一回転を気筒数で割った角度毎に、歯または突起が形成されている。三気筒エンジンの場合、カムシャフトが１２０°回転する毎に、歯または突起が配置される。カムシャフトは、巻掛伝動機構を介してクランクシャフトから回転駆動力の伝達を受けて回転するもので、その回転速度はクランクシャフトの二分の一である。故に、上記の歯または突起は、クランク角度に換算すれば２４０°ＣＡ毎に配置されていることになる。加えて、ロータに、追加的なカム角信号を発生させるための歯または突起が、２４０°ＣＡ毎の歯または突起の間に一つ設けられる。

カム角センサは、ロータの外周に臨み、個々の歯または突起が当該センサの近傍を通過することを検知して、その都度パルス信号を発信する。ＥＣＵ０は、このパルスをカム角信号として受信する。歯または突起に起因して発生する基本カム角信号は、内燃機関１の何れかの気筒が所定の行程に至らんとすることを表す。例えば、基本カム角信号は、各気筒における圧縮上死点からあるクランク角度（例えば、３０°ＣＡ）進角したタイミングを示唆する。クランク角信号及びカム角信号の双方を参照すれば、内燃機関１の各気筒の現在の行程が明らかとなる。追加の歯または突起に起因して発生する追加カム角信号は、カムシャフトの特定の回転位相角に対応しており、内燃機関１の各気筒の行程を判別するための補助となる。

クランク角センサ及びカム角センサの弱点として、内燃機関１のクランクシャフト及びカムシャフトの回転速度が著しく低下すると、信号対雑音比の高いクランク角信号及びカム角信号を出力できなくなる点が挙げられる。つまり、内燃機関１が回転を停止したときの各気筒の行程またはピストンの位置は、停止した内燃機関１の始動を開始する時点では分からない。クランク角信号及びカム角信号のみに基づいて内燃機関１の各気筒の行程を判別しようとする場合、始動のためのモータリングを開始してからクランクシャフトを二回転程度回転させなければならず、その分だけ内燃機関１の始動に時間を要することになる。

一方で、発電機コントローラ０２は、発電用モータジェネレータ２の回転軸に付随するセンサの出力信号を受信することができる。このセンサは、発電用モータジェネレータ２の回転軸の回転角度を検出するもので、例えばレゾルバやアブソリュート形ロータリエンコーダ等である。内燃機関１側のクランク角センサ及びカム角センサとは異なり、レゾルバ若しくはアブソリュート形エンコーダ等は、たとえ発電用モータジェネレータ２の回転軸の回転速度が停止し、あるいはその回転が停止したとしても、回転軸の絶対的な角度（姿勢）を検出することができる。

既に述べた通り、内燃機関１の回転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の回転軸と歯車機構を介して連結しており、両者は連動して回転する。内燃機関１の回転速度と発電用モータジェネレータ２の回転速度とは１：１ではなく、歯車機構による変速比が介在するが、クランク角センサの出力信号、カム角センサの出力信号、並びにレゾルバ若しくはアブソリュート形エンコーダ等の出力信号をおしなべて参照すれば、現在の発電用モータジェネレータ２の回転軸の回転角度を、現在の内燃機関１のクランクシャフトの回転角度、ひいては現在の内燃機関１の各気筒の行程またはピストンの位置に換算することが可能である。

そこで、本実施形態では、エンジンコントローラ０１または発電機コントローラ０２に、クランク角センサ及びカム角センサの出力信号を基に得られる内燃機関１のクランクシャフトの回転角度と、レゾルバ若しくはアブソリュート形エンコーダの出力信号を基に得られる発電用モータジェネレータ２の回転軸の回転角度の情報とを集約して、内燃機関１が回転を停止したときの各気筒１の行程またはピストンの位置を知得する。さすれば、停止した内燃機関１を再び始動するにあたり、クランク角信号及びカム角信号を参照した気筒判別を改めて実行することが不要となり、内燃機関１の始動を速やかに完了できるようになる。レゾルバ若しくはアブソリュート形エンコーダは、回転を停止した発電用モータジェネレータ２の回転軸の揺れ動きによる角度変化をも検知できることから、内燃機関１の始動のためのモータリングを開始する時点において、現在のクランクシャフトの角度及び各気筒のピストンの位置を精確に把握することができる。

但し、エンジンコントローラ０１と発電機コントローラ０２とを接続するＣＡＮ等の電気通信回線の帯域幅は比較的狭く、両者の間の情報通信には遅延が発生し得る。従って、本実施形態では、内燃機関１のクランクシャフトの回転速度（または、発電用モータジェネレータ２の回転軸の回転速度）が所定以下に低下したことを条件として、発電機コントローラ０２が知得する現在の発電用モータジェネレータ２の回転軸の角度に関する情報をエンジンコントローラ０１に反復的に送信し、エンジンコントローラ０１においてその情報を参照した上で現在の内燃機関１のクランクシャフトの角度を反復的に算出する。

エンジンコントローラ０１は、クランク角センサ及びカム角センサの出力信号を基に、内燃機関１の現在のクランクシャフトの回転角度及び各気筒の現在の行程を、３０°ＣＡ単位で把握している。エンジンコントローラ０１と発電機コントローラ０２とが通信できる間隔を１０ｍｓ（ミリ秒）と仮定すると、内燃機関１の回転速度が５００ｒｐｍを下回れば、クランク角センサ及びカム角センサの出力信号に基づく情報と、レゾルバ若しくはアブソリュート形エンコーダの出力信号に基づく情報との間に、両コントローラ０１、０２間の通信遅延に起因する時間的なずれが生じないと見なすことができる（クランクシャフトが３０°ＣＡ回転するのに要する時間が１０ｍｓであるとすると、クランクシャフトが一回転するのに要する時間が１２０ｍｓであり、６００００ｍｓ／１２０ｍｓ＝５００ｒｐｍ）。よって、内燃機関１の回転速度が５００ｒｐｍを下回ったときに、発電機コントローラ０２が知得する現在の発電用モータジェネレータ２の回転軸の角度に関する情報をエンジンコントローラ０１に反復的に送信し、エンジンコントローラ０１においてその情報を参照して現在の内燃機関１のクランクシャフトの角度を反復的に算出する処理を実行開始する。

なお、内燃機関１のクランクシャフトの回転角度の演算を、発電機コントローラ０２が実行することもできる。その場合には、内燃機関１のクランクシャフトの回転速度（または、発電用モータジェネレータ２の回転軸の回転速度）が所定以下に低下したことを条件として、エンジンコントローラ０１が知得する現在の内燃機関１のクランクシャフトの角度に関する情報を発電機コントローラ０２に反復的に送信し、発電機コントローラ０２においてその情報を参照した上で現在の内燃機関１のクランクシャフトの角度を反復的に算出する。算出したクランクシャフトの角度は、随時エンジンコントローラ０１に返信する。

何れにせよ、内燃機関１のクランクシャフトの回転角度の演算は、内燃機関１及び発電用モータジェネレータ２の回転が停止するまで継続し、さらにはその回転が停止している間も続行する。そのときには、現在のレゾルバ若しくはアブソリュート形エンコーダの出力信号を基に、現在の内燃機関１のクランクシャフトの角度を算出することとなる。

本実施形態では、車両に搭載される内燃機関１、並びにこの内燃機関１に連結し内燃機関１により駆動される発電機若しくは内燃機関を駆動する電動機２と、前記内燃機関１の回転軸が所定角度回転する毎に信号を発するセンサの出力信号を受信して、内燃機関１の回転軸の回転角度に関する情報を得る第一コントローラ０１と、前記発電機若しくは電動機２の回転軸の絶対的な回転角度を検出するセンサの出力信号を受信して、発電機若しくは電動機２の回転軸の回転角度に関する情報を得る第二コントローラ０２とを具備し、前記内燃機関１の回転速度が所定以下となったとき、前記第二コントローラ０２が知得する前記発電機若しくは電動機２の回転軸の回転角度に関する情報を前記第一コントローラ０１に送信し第一コントローラ０１においてこれを参照して内燃機関１の回転軸の現在の回転角度を演算する、または、前記第一コントローラ０１が知得する前記内燃機関１の回転軸の回転角度に関する情報を前記第二コントローラ０２に送信し第二コントローラ０２においてこれを参照して内燃機関１の回転軸の現在の回転角度を演算する、車両の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、停止している内燃機関１を再始動するにあたり、クランク角信号及びカム角信号を参照した気筒判別を改めて実行する必要から解放される。従って、内燃機関１の始動に要する時間をより短縮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）
０１…第一コントローラ（エンジンコントローラ）
０２…第二コントローラ（発電機コントローラ）
１…内燃機関
２…発電機若しくは電動機（発電用モータジェネレータ）

Claims (1)

1. 車両に搭載される内燃機関、並びにこの内燃機関に連結し内燃機関により駆動される発電機若しくは内燃機関を駆動する電動機と、
   前記内燃機関の回転軸が所定角度回転する毎に信号を発するセンサの出力信号を受信して、内燃機関の回転軸の回転角度に関する情報を得る第一コントローラと、
   前記発電機若しくは電動機の回転軸の絶対的な回転角度を検出するセンサの出力信号を受信して、発電機若しくは電動機の回転軸の回転角度に関する情報を得る第二コントローラとを具備し、
   前記内燃機関の回転速度が所定以下となったとき、前記第二コントローラが知得する前記発電機若しくは電動機の回転軸の回転角度に関する情報を前記第一コントローラに送信し第一コントローラにおいてこれを参照して内燃機関の回転軸の現在の回転角度を演算する、または、前記第一コントローラが知得する前記内燃機関の回転軸の回転角度に関する情報を前記第二コントローラに送信し第二コントローラにおいてこれを参照して内燃機関の回転軸の現在の回転角度を演算する、車両の制御装置。

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