JP3993158B2

JP3993158B2 - ハイブリッド自動車

Info

Publication number: JP3993158B2
Application number: JP2003380127A
Authority: JP
Inventors: 公一山口
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2003-11-10
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2023-11-10
Also published as: JP2005143270A

Description

本発明は、内燃機関による動力および電動機による動力を走行用動力として併用するハイブリッド自動車に利用する。本発明は、内燃機関の始動時に、この走行用動力を発生するための電動機を一時的に始動用電動機として利用する方式のハイブリッド自動車の改良に関する。とくに装置温度がきわめて低温の状態にあるときに、ハイブリッド自動車の内燃機関を始動させる技術の改良に関する。

従来から内燃機関を始動するためには、内燃機関に始動用電動機を装備しておき、始動時にのみこの始動用電動機を利用する形式が広く普及している。一方、ハイブリッド自動車では、内燃機関の出力軸に電動機の出力軸が機械的に連結される形式の装置が利用されている。このような車両では、車両の発進時、登坂時、その他大きい駆動力を必要とするときに、電動機の回転出力が内燃機関の回転出力を補助駆動するように制御される。この形式のハイブリッド自動車では、内燃機関を始動させるために始動用電動機を別に装備することなく、この補助駆動用の電動機を利用して内燃機関に始動時の回転動力を供給することができる。

このために、ハイブリッド制御回路（ＨＶ−ＥＣＵ）に、その動作モードとして始動モードを設定する技術が普及した。すなわちハイブリッド制御回路は、補助駆動用の電動機を制御するプログラム制御回路であり、ハイブリッド装置の複数のモードを切換え制御するものである。車両の内燃機関を最初に始動させるときには、運転者がキー・スイッチを始動位置に操作することにより始動モードが設定され、補助走行用のエネルギが蓄えられた大容量の電池から電流を取りだし、インバータを経由して電動機に電気エネルギを供給する。このときの電動機の回転速度は内燃機関の始動に最適な回転速度に制御される。

ハイブリッド自動車について、補助走行用電動機を利用して内燃機関の始動を行う技術に関連して、下記の特許文献が知られている。

特開２００３−２３０２８６号公報特開２００３−１３８９５８号公報特開２００２−０４８０３６号公報特開２００１−３１４０９０号公報特開２０００−０６０１９６号公報

始動時に車両が低温環境下にあると、内燃機関の潤滑油の粘度が高くなるなど、始動のために内燃機関を回転駆動する必要な回転トルクが大きくなる。本願発明者は低温環境下でハイブリッド自動車の始動特性についてさまざまな試験を行った。その結果から、車両がきわめて低温の環境、例示すると気温が零下１０〜３０℃またはそれ以下の環境下に長時間放置された場合に、通常の始動方式では、内燃機関の始動が円滑に実行されない場合があることが観測された。上記例示する気温は、日本国内の地域に限ると北海道内陸部などで厳冬期に起こりえる環境である。

低温環境で使用される車両について、大容量のインバータを搭載するなど、特別仕様車を設計することも考えられるが、そのような特別仕様車は、部品価格が大きくなるとともに、製造台数が限られるから相応に高価な車両になる。

本発明はこのような背景に行われたものであって、低温環境下でハイブリッド自動車の内燃機関を円滑に始動させる装置を提供することを目的とする。本発明は、ハイブリッド自動車に設けられた補助動力用の電動機を始動電動機として利用する方式で、低温環境下の内燃機関始動性能を向上することを目的とする。本発明は、特別な低温仕様を設けることなく低温環境下で内燃機関の始動を円滑に行うことができる装置を提供することを目的とする。本発明は、安価に低温始動が可能なハイブリッド自動車を提供することを目的とする。本発明は、運転者が低温であることを特に意識することなく、自動的に低温始動制御を実行することができる装置を提供することを目的とする。

本発明は、装置温度が異常低温になったことを検出する低温検出手段を設け、この低温検出手段に検出出力がある状態で内燃機関の始動制御を低温モードに転換することを第一の特徴とする。低温モードで内燃機関の始動を行うときには、短い時間だけインバータから電動機に供給する電流を定格値を上回る値に制御して、内燃機関を始動することができる程度の回転力を発生することを第二の特徴とする。

上記［特許文献３］（出願人、スズキ）には、ハイブリッド自動車の内燃機関始動に際して、電動機に一時的に定格性能を越える電流供給を行う旨の記載があるが、装置が一定の低温にあることを検出しこれを条件とする旨の記載はない。すなわち上記第一の特徴についての記載はない。

低温環境下では、電動機も低温になっているから、短い時間だけ定格値を越える電流が供給されてもただちに不都合が生じることはない。これは、さまざまな試験結果から確かめられた。インバータについては、半導体スイッチ素子に定格値を越える電流が流れることになるが、半導体スイッチ素子についても、部品が同等に低温になっている状態では、短い時間だけ定格値を越える電流が流れても、復元不可能な損傷が発生しないことが確かめられた。すなわち、定格値を越える電流の大きさ、およびこれを印加する短い時間を適当に制御することにより、低温環境下で上記のような制御を実行することにより、装置を損傷することなく有効に内燃機関を始動することができることがわかった。

内燃機関を始動させるための電池についても、低温環境下では電池の実効容量が小さくなるが、ハイブリッド自動車の補助動力を供給するための電池は、全体のエネルギ容量が大きいから、かりに上記の程度の低温の影響により電池の容量が実効的に低下しても、なお始動に必要な程度の電気エネルギを十分に取りだすことができることもわかった。

上記説明のように低温環境下で、定格値を上回る大電流を供給するとき、電池、インバータ、および電動機のうち、どの装置が最も先に影響を受けるかは、装置設計によりそれぞれ設定される定数により条件が異なる。すなわち装置設計は常温における通常の動作条件および経済設計が優先されるべきであり、めったに発生することのない低温化の始動についての設計条件に関する優先度は低い。常温における動作条件の下で最適な設計を行い、その装置について低温環境下での内燃機関始動試験を行い、一定の低温環境下でも本発明を実施することにより、内燃機関を始動することができることを確認すれば十分である。

そしてその低温環境下で利用される定格値を上回る大電流波形およびその最大印加時間について、上記三つの装置（電池、インバータ、電動機）のうちの最も先に影響を受ける装置、すなわち最も弱い装置について、復元不可能な損傷を受けることがないように、電流波形およびその印加時間にたいして適当な制限的な制御を行うように構成することがよい。たとえば、上記三つの装置のうち、一時的な大電流を印加することによりインバータが最も先に復元不能な損傷を受けることが分かったら、内燃機関の始動を制御する制御回路に、インバータが損傷を受けない範囲で電流波形を制限する、あるいは大電流の印加時間を制限するなどの安全対策を施すことができる。これにより、内燃機関が始動しない原因が他にあるとき、たとえば内燃機関の燃料供給通路に故障があるなどのときにも、無用な長時間にわたり大電流を供給する制御を実行し、装置の破損状況を拡大させてしまうことを回避することができる。

すなわち本発明は、内燃機関と、この内燃機関に供給する燃料流量を制御する内燃機関制御回路と、前記内燃機関の回転軸にその回転軸が連結され車両の駆動用補助動力を発生する電動機と、電池と、この電池および前記電動機との間を電気的に結合するインバータと、このインバータを制御するインバータ制御回路とを備え、このインバータ制御回路に前記内燃機関の始動時に前記電動機を始動電動機として制御する始動制御手段を備えたハイブリッド自動車において、装置温度が設定限界を下回る異常低温であることを検出する低温検出手段を設け、前記始動制御手段は、この低温検出手段に検出出力が送出されているとき、前記インバータから前記電動機に供給する電流波形を前記電動機の定格値を上回る大電流波形に変更制御する手段を含むことを特徴とする。

前記定格値を上回る大電流波形またはその最大印加時間を制御する手段を含む構成とすることができる。前記低温検出手段は、前記電池に設けられた温度検出装置の検出出力を利用する手段を含む構成とすることが望ましい。

本発明により、特別な低温仕様を設けることなく、ソフトウエアの追加により低温環境下で内燃機関の始動を円滑に行うことができる装置が得られる。

図１に本発明実施例装置の全体構成をブロック構成図で示す。はじめに装置の全体構成を説明する。内燃機関１の出力軸には電動発電機２の回転軸が固定的に連結される。この電動発電機２は一つの回転機であり、その動作モードにしたがって、電動機としても発電機としても作用する。上記説明の「電動機」は、この電動発電機２の一つの動作モードとして実現されている。すなわちこの電動発電機２の界磁巻線には三相交流が供給され、その界磁巻線により形成される回転磁界の回転速度が、機械的な回転子の回転速度より大きいときにこの装置は電動機として作用する。このとき電気エネルギは電池８からインバータ６を介して交流電流に変換されて供給される。この電動発電機２の界磁巻線に供給される三相交流が形成する回転磁界の回転速度が、回転子の機械的な回転速度より小さいときには、この装置は発電機として作用する。このときこの装置から交流電流が発生し、これはインバータ６で直流電流に変換され電池８に充電される。回転磁界の回転速度、すなわち三相交流の周波数および位相はハイブリッド制御回路７により制御される。ハイブリッド制御回路７はプログラム制御回路により構成されている。

この電動発電機２の回転軸にはクラッチ３の入力軸が接続される。このクラッチ３は図示を省略するクラッチ・アクチュエータにより、半クラッチ状態を含むその接続状態が制御される。このクラッチ３の出力軸には変速機４の入力軸が接続される。この変速機４はこれも図示されていない変速制御装置により切換え制御される。この変速機４は、ニュートラル、前進５段、および後退１段の変速位置を設定することができるよく知られた装置である。変速機４の出力軸はこの車両のプロペラ軸５に連結される。運転席に設けられたアクセル・ペダルおよび変速レバーの操作にしたがって、クラッチ・アクチュエータおよび変速制御装置が制御される。この制御はよく知られた技術であるのでここでは詳しい説明を省略する。

電動発電機２の界磁巻線は、上記のように供給される三相交流により回転磁界を形成するように構成されている。この三相交流の端子はインバータ６の交流側端子に電気的に接続される。インバータ６は、プログラム制御回路により構成されたハイブリッド制御回路（ＥＣＵ)７により、その位相回転角度が制御される。インバータ６の直流側端子には電池８が接続される。さらに図面が複雑になるので図示を省略するが、ハイブリッド制御回路７には入力情報として、内燃機関（すなわち電動発電機）の回転情報、クラッチの動作情報、変速機の位置情報、車速情報、アクセル・ペダルの操作情報、ブレーキの操作情報、電池の状態情報、その他が電気信号として入力する。またこのハイブリッド制御回路７は、この車両に設けられた他のプログラム制御回路、たとえば内燃機関制御回路、クラッチ制御回路、変速機制御回路、排気ブレーキ制御回路、その他と通信バスにより連結され、制御情報を共有することができるように構成されている。

ここで本発明の始動制御に関する構成を説明する。上記電池の状態情報は、詳しくは電池８の端子電圧の情報、インバータ６を双方向に通過する電流の情報、および電池の温度情報である。このうち電池８の端子情報、および電流の情報は、インバータ６の内部で検出され、ハイブリッド制御回路７に取込まれる。そして電池の温度情報は、電池８に設けられた温度センサ９により計測され、ハイブリッド制御回路７に取込まれる。

このハイブリッド制御回路７には運転席に設けられたキー・スイッチ１０の操作情報が入力する。キー・スイッチ１０は通常の自動車のよく知られたエンジン・キー・スイッチと同等の構成であり、車両の動作停止中はオフ位置にあり、運転者がキーを差し込み、そのキーを回転操作することにより、アクセサリ、オン、およびスタートの位置にそれぞれ設定操作することができる。内燃機関を始動させるときには、運転者はキーをスタート位置まで回転させ、内燃機関の起動音を聞いてキーから手を離すことにより、キー・スイッチ１０は自動的にオン位置に戻り保持される。

図２に本発明実施例装置に係る制御フローチャートの要部を示す。すなわち本発明の装置では、キー・スイッチ１０がスタート位置に操作されると、ハイブリッド制御回路７は電池８の温度情報を取込み、この電池温度（θ）が低温値として設定された温度（θ₀）より低いか否かを判定する。この設定温度（θ₀）は例示すると零下１０〜３０℃の間に設定される。さらに具体的に例示すると零下１２℃である。

電池温度がこの設定温度（θ₀）を下回るきわめて低温の状態にあるときには、内燃機関1を始動させるために、電動発電機２の界磁巻線に供給する三相交流の電流波形を特別な低温モードに設定する。この低温モードでは、この電動発電機２およびインバータ６の電流を最大定格電流を越える値に設定する。例示すると、平均最大定格電流の１２０〜１５０％程度のあらかじめ設定された平均電流を供給する電流波形に設定する。このように定格電流値を越える電流を電動発電機２に供給することにより、電動発電機２は一時的に大きい出力トルクを発生して、低温により回転負荷が増大している内燃機関１を強制的に回転駆動させることができる。

装置温度が上記例示する零下１０〜３０℃程度であれば、あらかじめ設定されたｔ秒間の大電流波形による電動発電機２の回転駆動により、内燃機関１は始動する。このとき装置の定格値を越える大電流波形による強制的な回転駆動が実行されるが、インバータ６の半導体装置も、電動発電機２の界磁巻線も低温状態にあるから、この大電流波形によりただちに装置が発熱して装置を損傷するようなことはない。

このような制御を行うとき、何らかの事情によりあらかじめ設定された制限時間ｔ秒間に内燃機関が始動しないときには、警報を発生して始動制御を中止させる。これにより定格値を越える駆動制御により装置を破損することを保護する。何らかの事情とは、多くの場合に電気系以外の原因、たとえば燃料供給系に異常がある場合、あるいはさらに予期してない低温環境にある場合（例、零下４０℃以下）などが想定される。上記制限時間ｔ秒を例示すると５〜１０秒に設定することがよい。

なお図２に示す※Ａは、温度条件が十分に高温であるにもかかわらず、通常の始動制御を実行しても内燃機関が始動しない場合である。このときには運転席の警報を発生するなどにより運転者に点検を促す。これは本発明の構成および動作とは直接に関係がないので詳しい説明を省略する。

上記のような構成および動作により、特別な付加装置や付加部品を追加することなく、低温環境におけるハイブリッド自動車の内燃機関始動制御を実行することができる。この構成により、日本国内で運行される車両については、特別な寒冷地仕様を設定することなく統一仕様によりカバーすることができるとの見通しを得た。

上記実施例では、電気回転機を電動発電機として１基のみ装備するハイブリッド自動車について説明したが、本発明はこれ以外の構成のハイブリッド自動車にも広く実施することがでる。すなわち電動機と発電機とを個別の回転機として装備する形式のハイブリッド自動車についても、内燃機関の始動を補助動力を発生する電動機により実行する形式のハイブリッド自動車について、同様に本発明を実施し、これにより同様の効果を期待することができる。

本発明実施例装置のブロック構成図。本発明実施例装置の要部制御フローチャート。

符号の説明

１内燃機関
２電動発電機
３クラッチ
４変速機
５プロペラ軸
６インバータ
７ハイブリッド制御回路
８電池
９温度センサ
１０キー・スイッチ

Claims

内燃機関と、この内燃機関に供給する燃料流量を制御する内燃機関制御回路と、前記内燃機関の回転軸にその回転軸が連結され車両の駆動用補助動力を発生する電動機と、電池と、この電池および前記電動機との間を電気的に結合するインバータと、このインバータを制御するインバータ制御回路とを備え、このインバータ制御回路に前記内燃機関の始動時に前記電動機を始動電動機として制御する始動制御手段を備えたハイブリッド自動車において、
装置温度が設定限界を下回る異常低温であることを検出する低温検出手段を設け、
前記始動制御手段は、この低温検出手段に検出出力が送出されているとき、前記インバータから前記電動機に供給する電流波形を前記電動機の定格値を上回る大電流波形に変更制御する手段を含むことを特徴とするハイブリッド自動車。
前記定格値を上回る大電流波形およびその最大印加時間を制御する手段を含む請求項１記載のハイブリッド自動車。
前記低温検出手段は、前記電池に設けられた温度検出装置の検出出力を利用する手段を含む請求項１記載のハイブリッド自動車。