JP2021165090A - 車両の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン自動停止後の自動始動制御を最適化し燃費向上を図る。【解決手段】エンジンの出力軸の回転により発電する機能およびエンジンを自動始動する機能を有する電動発電機と、前記電動発電機の電力で充電され、前記電動発電機、一般負荷、被保護負荷に電力供給可能な主バッテリと、前記電動発電機の電力で充電され、前記被保護負荷に電力供給可能な補助バッテリと、を備えた車両であって、エンジン自動始動時に、被保護負荷を主バッテリから切断して補助バッテリに接続し、自動始動後に被保護負荷を主バッテリに再接続する制御を行うものにおいて、エンジン自動始動条件が成立しかつ車速が所定値以上の場合に、補助バッテリの出力可能電力で被保護負荷の消費電力に対応できるか判断し、対応できない場合は自動始動を停止する。【選択図】図６

Description

本発明は、ハイブリットシステムやマイルドハイブリットシステムなど、走行中にエンジンを自動停止しかつ自動始動する制御を行う車両の制御装置に関する。

ハイブリットシステムやマイルドハイブリットシステムは、内燃エンジン車両をベースとしつつ、走行中にエンジンを自動停止しかつ自動始動する制御や回生ブレーキなど、燃費性能を格段に向上させる利点から様々な形で実用化されている。

例えば、特許文献１には、エンジンの自動始動を行うモータージェネレータやスタータ等の電源回路を補機電気機器と共用するとともに、モータージェネレータやスタータの作動に伴う電圧低下を許容できない機器（被保護負荷）のみ、自動始動時に別の電源（補助電源）に切り替えるシステムが開示されている。

このようなシステムを採用することで、低電圧系電源回路のみでマイルドハイブリットシステムを構成できることはもちろん、特許文献１に開示されるように、駆動用モータージェネレータのための高電圧系電源回路を並設し、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いずにハイブリットシステムを構成できる。

特開２０１７−１０５３７７号公報

ところで、上記システムにおいて、何らかの異常により走行中のエンジン自動始動に時間が掛かった場合に、被保護負荷の消費電力が大きい高負荷作動状況にあるか、または、補助バッテリ（補助電源）が劣化もしくは容量低下している状態にあると、補助バッテリの電力が不足し、被保護負荷の電圧低下を招く虞がある。

この課題の回避策として、車両の運転開始後、初回のエンジン自動始動を低車速で実施し、正常な所要時間で始動できるか確認することが検討された。しかし、この回避策は、始動確認が実施されるまでは中高車速でエンジン停止に移行できず、減速時のエンジンフリクションにより回生電力が減少するなど、燃費性能面で課題を残していた。

本発明は、上記のような実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、ハイブリットシステムやマイルドハイブリットシステムを備えた車両において、エンジン自動停止後の自動始動制御を最適化し、更なる燃費向上を実現することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、
内燃式のエンジンと、
前記エンジンの出力軸の回転により発電する機能および前記エンジンを自動始動する機能を有する電動発電機と、
前記電動発電機と一般負荷に接続され、被保護負荷に接続可能であり、前記電動発電機で発電された電力で充電され、前記電動発電機および前記一般負荷および前記被保護負荷に電力供給可能な主バッテリと、
前記電動発電機と前記被保護負荷に接続可能であり、前記電動発電機で発電された電力で充電され、前記被保護負荷に電力供給可能な補助バッテリと、
を備えた車両の制御装置であって、
前記エンジンの自動始動時に、前記被保護負荷を前記主バッテリから切断して前記補助バッテリに接続し、前記エンジンの自動始動後に前記被保護負荷を前記主バッテリに再接続する制御を行うものにおいて、
前記エンジンの自動始動条件が成立しかつ車速が所定値以上の場合に、前記補助バッテリの出力可能電力で前記被保護負荷の消費電力に対応できるか判断し、
（ａ）対応できる場合は前記電動発電機により前記エンジンを自動始動し、
（ｂ）対応できない場合は前記電動発電機による前記エンジンの自動始動を停止する
ように構成されている、車両の制御装置にある。

本発明に係る制御装置によれば、エンジンの自動始動条件が成立しかつ車速が所定値以上の場合に、補助バッテリの出力可能電力で被保護負荷の消費電力に対応できるか否か判断し、対応できない場合は、電動発電機によるエンジン自動始動を停止するので、何らかの異常により走行中のエンジン自動始動に時間が掛かった場合でも、被保護負荷の電圧低下を回避でき、また、低車速のみならず中高車速でも直ちにエンジンの自動停止制御に移行でき、更なる燃費向上が期待できる。

本発明が実施される車両のシステム構成図である。 エンジン運転時の補機電源回路図である。 エンジン自動停止／自動始動時の補機電源回路図である。 本発明実施形態に係るエンジン自動始動不調時の補機電源回路図である。 エンジン自動停止制御を示すフローチャートである。 本発明実施形態に係るエンジン自動始動制御を示すフローチャートである。 本発明実施形態に係るエンジン自動始動不調時の制御を示すタイムチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１において、車両１は、エンジン２と駆動用モータ４とが変速機３を介して駆動輪５に動力伝達可能なパラレル式のハイブリット車両として構成されており、制御装置として、ハイブリットシステムを制御するＨＣＵ（Hybrid Control Unit）１０、エンジン２および補機を制御するＥＣＵ（Engine Control Unit）２０、および、変速機３を制御するＴＣＵ（Transmission Control Unit）３０を備えている。

エンジン２は、例えば往復動型内燃エンジンであり、ＥＣＵ２０は、エンジン２の運転状態を反映する各状態値を検出するセンサからの入力信号に基づいてエンジン制御を実施する。

例えば、ＥＣＵ２０は、クランク角センサおよびカム角センサからの入力信号に基づいてピストン位置およびエンジン回転数を検出し、吸入空気量センサ、吸気温度センサ、水温センサ、空燃比センサ、アクセル開度センサ（負荷要求）などの検出値に基づいて、燃料噴射量や燃料噴射時期、点火時期、バルブ開閉時期を決定し、燃料インジェクタ、点火プラグなどに制御信号を出力することにより、エンジンの運転状態を最適化する。

エンジン２の出力軸をなすクランクシャフト２１の出力側端部（フライホイール）には冷間始動を行うためのスタータ２２が付設され、クランクシャフト２１の他端部（プーリ）にはベルトを介してトルク伝達可能なＩＳＧ２３が付設されている。

ＩＳＧ（Integrated Starter Generator）２３は、スタータ機能付き発電機（電動発電機、モータージェネレータ）であり、主電源回路２６を介して主バッテリ２４に接続されており、エンジン２（クランクシャフト２１）の回転により発電される電力で主バッテリ２４（および補助バッテリ２５）を充電する発電機の機能と、主バッテリ２４から供給される電力によりエンジン２を始動させるスタータの機能を備えている。

クランクシャフト２１の出力側端部（フライホイール）は、クラッチ３２を介して変速機３の入力軸３１にトルク伝達可能に接続されるとともに、クラッチ３２を開放することで、エンジン２と変速機３とが遮断される。

変速機３は、入力軸３１と出力軸３４との間に変速比を変化させるギヤまたはベルトなどの機構を備えた自動変速機（ＡＴ）であり、ＡＭＴ、ＣＶＴ、遊星歯車式など、種々の形式、例えば、平行軸歯車機構からなる常時噛合式の変速機構と不図示のシフトアクチュエータ、クラッチアクチュエータを備えたＡＭＴ（Automated Manual Transmission）として構成され、ＴＣＵ３０によりシフトアクチュエータおよびクラッチアクチュエータを制御して変速段の切替やエンジン２との切り離しを行う。

変速機３の出力軸３４は、その一端がデファレンシャルギヤを介して駆動軸３３に接続され、駆動輪５にトルク伝達可能であるとともに、出力軸３４の他端には不図示の減速機を介して駆動用モータ４がトルク伝達可能に接続されている。

駆動用モータ４（ＭＧＵ；Motor Generator Unit）は、高電圧電源回路４３を介してインバータ４１および駆動用バッテリ４２に接続され、ＨＣＵ１０の駆動指令により、駆動用バッテリ４２から供給される高電圧電源（例えば１００Ｖ）で駆動される一方、ＨＣＵ１０の回生指令により、駆動軸３３（出力軸３４）の回転により回生発電を行い、駆動用バッテリ４２を充電する発電機としての機能も備えている。

ＨＣＵ１０、ＥＣＵ２０、ＴＣＵ３０は、演算処理を行うＣＰＵ、制御プログラムや設定データなどを格納するＲＯＭ、制御プログラムや設定データを読出し、動的データや演算処理結果を記憶するＲＡＭ、および、通信Ｉ／Ｆなどを備えたマイコン（ＭＣＵ）と電源回路、入出力回路、保護回路などで構成されており、ＨＣＵ１０は、ＥＣＵ２０およびＴＣＵ３０との協調制御によりハイブリットシステムの制御を行う。

以上のような構成により、車両１は、エンジン２が発生するエンジントルクのみによる走行、駆動用モータ４が発生するモータトルクのみによる走行（ＥＶ走行）、および、駆動用モータ４を力行運転してエンジン２のエンジントルクをアシストする走行（モータアシスト走行）が可能である。

すなわち、ＥＣＵ２０は、車両１の走行中に、車載ネットワークを通じて入力される車両情報を監視しており、所定のエンジン停止条件が成立した場合に、エンジン２を自動停止させる信号を出力し、駆動用モータ４によるＥＶ走行や回生ブレーキ（回生発電）に移行させ、それらの状態または停車状態において、所定の自動始動条件が成立した場合に、ＩＳＧ２３にエンジン２を自動始動させる信号を出力し、エンジン２による走行や、エンジン２と駆動用モータ４を併用したモータアシスト走行に移行させる。

ところで、既に述べたように、エンジン自動停止／自動始動に際して、エンジンを自動停止する前に自動停止前提条件が成立した時点で、ＩＳＧ２３（またはスタータ２２）の駆動時の電圧低下が許容できない被保護負荷７の電源を主電源（主バッテリ２４）から補助電源（補助バッテリ２５）に切り替える制御を行う。

図１に示すように、低電圧（例えば１２Ｖ）の補機電源回路は、主電源回路２６と補助電源回路２７とで構成されている。主電源回路２６には、スタータ２２や一般負荷６などの低電圧機器が接続されており、これらの機器に主バッテリ２４から電力を供給可能である。主バッテリ２４は、例えば鉛バッテリを利用可能である。一般負荷６は、補機類のうち、ＩＳＧ２３等の駆動時における電圧低下を許容できる機器や車両１の走行性能に影響しない機器、例えば、空調機器のブロア、デフォッガ等が含まれる。

主電源回路２６には、第１スイッチＳＷ１を介して補助電源回路２７が接続可能であり、補助電源回路２７には被保護負荷７が接続されるとともに、第２スイッチＳＷ２を介して補助バッテリ２５に接続可能である。補助バッテリ２５としては、例えば、リチウムイオンバッテリ（ＬｉＢ）を利用可能である。

上記の構成により、図２に示すように、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２が閉じた状態では、ＩＳＧ２３で発電される電力によって補助バッテリ２５を充電可能であるとともに、被保護負荷７に電力を供給可能である。補助バッテリ２５が満充電（充電率ＳＯＣが所定値以上）になると第２スイッチＳＷ２は開かれ、過充電が防止される。

また、図３に示すように、第１スイッチＳＷ１が開いた状態でも、第２スイッチＳＷ２が閉じた状態にあれば、補助バッテリ２５から被保護負荷７に電力を供給可能である。被保護負荷７としては、補機類のうち、スタータ２２やＩＳＧ２３等の駆動時における電圧低下が許容できない機器や車両１の走行性能に影響のある機器、例えば、ＥＰＳ（電動パワーステアリング）、ＥＳＰ（登録商標；エレクトロニックスタビリティプログラム、車両挙動安定化制御システム）、ナビゲーションシステム、あるいは、前照灯や尾灯などの灯火類などが含まれる。

図５は、エンジン自動停止制御を示すフローチャートであり、ＥＣＵ２０は、エンジン２の状態を常に監視しており、エンジン２の運転中において（ステップ１００）、所定の停止条件が成立した場合（例えば、クラッチ３２を接続して力行している状態でドライバー要求トルクの減少等により自動停止が可能となった場合）には（ステップ１１０）、先ず、上述したように被保護負荷７を主電源回路２６（ＩＳＧ２３、主バッテリ２４）から切り離し、補助電源回路２７（補助バッテリ２５）に切り替える制御を行う（ステップ１２０）。

次いで、ＥＣＵ２０は、ＴＣＵ３０からクラッチ３２の接続／開放状態を取得し、クラッチ３２が接続状態にある場合は、エンジントルクを０まで漸減させてからＴＣＵ３０にクラッチ３２の開放指令を出し、クラッチ３２を開放するとともに、燃料噴射を停止してエンジン２を自動停止させる（ステップ１２１）。

図６は、エンジン自動始動制御を示すフローチャートであり、ＥＣＵ２０は、エンジン２の自動停止中において（ステップ２００）、所定の始動条件が成立した場合（例えば、ＥＶ走行中にドライバー要求トルクが規定値以上になった場合など）には（ステップ２１０）、先ず、車速が所定値以上であるか否かがチェックされる（ステップ２１２）。

車速が所定値未満の低速で走行中の場合には、万一、被保護負荷７の最低電圧を維持することが困難になっても停車または退避できるので、そのまま制御を継続する。

一方、車速が所定値以上の場合は、補助バッテリ２５の出力可能電力が被保護負荷７の消費電力以上であるか否かが判定される（ステップ２１３）。

すなわち、エンジン２の始動後に被保護負荷７を主バッテリ２４（主電源回路２６）に再接続するまでの間（約ｌ秒）、被保護負荷７の最低電圧を維持することが可能な補助バッテリ２５の出力可能電力（ｌｓ出力可能電力）を、補助バッテリ２５の温度、充電率、内部抵抗（充電電流、充電電圧）等から算出し、被保護負荷７の現在の消費電力と比較される。

ステップ２１３で、補助バッテリ２５の出力可能電力が被保護負荷７の消費電力以上である場合や、ステップ２１２で、車速が所定値未満と判定された場合は、被保護負荷７が主電源回路２６（ＩＳＧ２３、主バッテリ２４）から切り離されているか否かが確認され（ステップ２２０）、エンジンの自動停止時などに切り離しが完了していない場合は、主電源回路２６からの切り離しが実行される（ステップ２２１）。

次いで、図３に示すように、主バッテリ２４から供給される電力によりＩＳＧ２３が駆動され、エンジン２の自動始動が実行され（ステップ２２２）、エンジン２の自動始動が完了したか否かが判定される（ステップ２３０）。

エンジン２の自動始動が完了した場合には、ＩＳＧ２３の駆動が停止され（ステップ２３１）、図２に示すように、第１スイッチＳＷ１が閉じて補助電源回路２７が主電源回路２６に接続され（ステップ２３２）、被保護負荷７に主バッテリ２４から電力が供給されるとともに、補助バッテリ２５が充電される。

一方、ステップ２３０で、エンジン２の自動始動が完了しない場合は、再度、車速が所定値以上であるか否かがチェックされ（ステップ２１２）、所定値未満の場合はＩＳＧ２３によるエンジン２の始動が継続される。

その前に、ステップ２１２で車速が所定値以上と判定され、かつ、ステップ２１３で補助バッテリ２５の出力可能電力が被保護負荷７の消費電力未満であると判定された場合、すなわち、被保護負荷７の消費電力が補助バッテリ２５の出力可能電力以上になっていると判断された場合には、ＩＳＧ２３の駆動を停止する（ステップ２１４）。

さらに、図４に示すように、第１スイッチＳＷ１を閉じ、補助電源回路２７を主電源回路２６に接続する（ステップ２１５）。これにより、主バッテリ２４の電力が被保護負荷７に供給されるようになり、主バッテリ２４の電力が枯渇するまで、長時間にわたり被保護負荷７の電圧を維持できるようになる。また、主バッテリ２４の電力により補助バッテリ２５が充電される。

その後、ステップ２１２で、車速が所定値以下の低車速まで低下するか、または、ステップ２１３で、被保護負荷７の消費電力が、補助バッテリ２５の出力可能電力未満に低下した場合は、ステップ２２１で、被保護負荷７の電源を再び補助バッテリ２５に切り替え、ＩＳＧ２３の駆動によるエンジン２の始動を再開する。

次に、図７は、エンジン自動始動不調時の制御を示すタイムチャートであり、被保護負荷７の消費電力が急激に増大し、それによりエンジン自動始動条件成立して、ＩＳＧ２３の駆動によるエンジン自動始動が開始される場合を想定している。図中、実線は上述した本発明実施形態に係る制御（図６）を示し、破線は、比較例として、ステップ２１２、２１３〜２１５を含まない場合の制御を示している。

このような状況としては、例えば、ヘッドライトをハイビームで点灯し、雪道など低μ路の走行により、ＥＳＰの油圧ポンプが作動すると同時に、深い轍にハンドルが取られるのをドライバーが修正操舵してＥＰＳ（電動パワーステアリング）が作動するする等により被保護負荷の電力が増大すると共に、何らかの故障や燃料不足によりエンジンが短時間で掛からない状態が考えられる。

この場合、被保護負荷７の高負荷作動により、補助バッテリ２５の出力可能電力（充電量）が図中（ａ）で減少し始め、始動完了しないまま、図中（ｂ）において、被保護負荷７の消費電力を下回る状況になる。

しかし、本発明では、この時点でＩＳＧ２３の駆動を停止し、被保護負荷７を主バッテリ２４に再接続するので、補助バッテリ２５の電力消費と被保護負荷７の電圧降下が是正され、主バッテリ２４から充電されることで、補助バッテリ２５の出力可能電力（充電量）が徐々に回復する。

その後、図中（ｄ）において、被保護負荷７の消費電力が、補助バッテリ２５の出力可能電力未満に減少したので、被保護負荷７の電源を主バッテリ２４から補助バッテリ２５に切り替え、ＩＳＧ２３の駆動によるエンジン２の自動始動を行い、その後、エンジン２の始動が完了し、図中（ｆ）においてＩＳＧ２３の駆動を停止、被保護負荷７を主バッテリ２４に再接続して、エンジン走行に移行する。

これに対して、図中破線で示される比較例では、ステップ２１２、２１３〜２１５の制御を含まないので、図中（ｂ）でもＩＳＧ２３の駆動が継続され、その後、エンジン２は始動されるものの、補助バッテリ２５の出力可能電力（充電量）はさらに減少し、図中（ｃ）において、被保護負荷（コントローラ）７の最低動作電圧まで降下し、被保護負荷（コントローラ）７が停止する。

このように、本発明に係るエンジンの自動始動制御では、ＩＳＧ２３による自動始動が長引く場合に、ＩＧＳ２３による始動を中断し、被保護負荷７を主バッテリ２４に再接続するとともに、補助バッテリ２５の出力可能電力を回復させることができるので、被保護負荷７の動作への影響を回避しながら、エンジンの自動始動を実行できる。

なお、上記実施形態では、高電圧電源回路４３を介してインバータ４１および駆動用バッテリ４２に接続された駆動用モータ４を備えたハイブリット車両に実施する場合について述べたが、それらを備えず、ＩＧＳ２３を利用してアシスト走行や回生ブレーキ、あるいは、クリープ走行を行うマイルドハイブリット車両に実施することもできる。

以上、本発明のいくつかの実施形態について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能であることを付言する。

１ 車両
２ エンジン
３ 変速機
４ 駆動用モータ
５ 駆動輪
６ 一般負荷
７ 被保護負荷
１０ ＨＣＵ
２０ ＥＣＵ
２１ クランクシャフト
２２ スタータ
２３ ＩＳＧ（電動発電機）
２４ 主バッテリ
２５ 補助バッテリ
２６ 主電源回路
２７ 補助電源回路
３０ ＴＣＵ
３２ クラッチ
４１ インバータ
４２ 駆動用バッテリ
４３ 高電圧電源回路
ＳＷ１ 第１スイッチ
ＳＷ２ 第２スイッチ

Claims (8)

1. 内燃式のエンジンと、
   前記エンジンの出力軸の回転により発電する機能および前記エンジンを自動始動する機能を有する電動発電機と、
   前記電動発電機と一般負荷に接続され、被保護負荷に接続可能であり、前記電動発電機で発電された電力で充電され、前記電動発電機および前記一般負荷および前記被保護負荷に電力供給可能な主バッテリと、
   前記電動発電機と前記被保護負荷に接続可能であり、前記電動発電機で発電された電力で充電され、前記被保護負荷に電力供給可能な補助バッテリと、
   を備えた車両の制御装置であって、
   前記エンジンの自動始動時に、前記被保護負荷を前記主バッテリから切断して前記補助バッテリに接続し、前記エンジンの自動始動後に前記被保護負荷を前記主バッテリに再接続する制御を行うものにおいて、
   前記エンジンの自動始動条件が成立しかつ車速が所定値以上の場合に、前記補助バッテリの出力可能電力で前記被保護負荷の消費電力に対応できるか判断し、
   （ａ）対応できる場合は前記電動発電機により前記エンジンを自動始動し、
   （ｂ）対応できない場合は前記電動発電機による前記エンジンの自動始動を停止する
   ように構成されている、車両の制御装置。
2. 前記電動発電機による前記エンジンの自動始動を停止した後、前記被保護負荷を前記主バッテリに再接続するように構成されている、請求項１に記載の車両の制御装置。
3. 前記被保護負荷を前記主バッテリに再接続した後、前記被保護負荷の消費電力が前記補助バッテリで対応できる出力可能電力未満に低下するかまたは前記車速が所定値未満に減速した場合は、前記被保護負荷を前記主バッテリから切断して前記補助バッテリに接続し、前記電動発電機による前記エンジンの始動を再開するように構成されている、請求項２に記載の車両の制御装置。
4. 前記補助バッテリと前記電動発電機との前記切断は、前記補助バッテリと前記被保護負荷との前記接続の後に実施される、請求項１〜３の何れか一項に記載の車両の制御装置。
5. 前記補助バッテリは、前記エンジン運転時であっても、満充電時には、前記主バッテリ、前記電動発電機、および、前記被保護負荷から切断されるように構成されている、請求項１〜４の何れか一項に記載の車両の制御装置。
6. 前記車両は、前記主バッテリに前記電動発電機と前記一般負荷とが接続された主電源回路と、前記補助バッテリに前記被保護負荷を接続するための補助電源回路と、前記主電源回路と前記補助電源回路とを接続／切断するための第１スイッチと、前記第１スイッチと前記補助バッテリの間で前記補助電源回路を接続／切断するための第２スイッチと、を備え、前記第１スイッチは、前記エンジンの運転時に接続されるが、前記エンジンの自動停止から自動始動までは切断され、前記第２スイッチは、前記エンジンの運転時であっても前記補助バッテリの満充電時には切断されるが、前記第１スイッチの切断時には接続状態にあるように構成されている、請求項１〜５の何れか一項に記載の車両の制御装置。
7. 前記車両は、前記エンジンとは別に駆動軸に動力を伝達可能な駆動用電動発電機と、前記駆動用電動発電機にインバータを介して接続された高電圧バッテリとを備え、前記駆動用電動発電機による力行運転および回生ブレーキを実行可能なハイブリット車両である、請求項１〜６の何れか一項に記載の車両の制御装置。
8. 前記車両は、前記電動発電機による前記エンジンの駆動アシストと回生ブレーキを実行可能なマイルドハイブリット車両である、請求項１〜６の何れか一項に記載の車両の制御装置。

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