JP4267565B2 - 動力出力装置およびこれを搭載する自動車 - Google Patents

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Description

本発明は、駆動用の動力を出力する動力出力装置およびこれを搭載する自動車に関する。
従来、この種の動力出力装置としては、前輪に走行用の動力を出力するエンジンと、エンジンからの動力により発電するオルタネータと、オルタネータからの電力を用いて後輪に走行用の動力を出力するモータと、モータに対してオルタネータに並列接続されたバッテリと、オルタネータからの電力を電圧変換して電気負荷(補機)に供給可能な直流電圧変換器とを備えるものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この装置では、バッテリの残容量が少なくなったり電気負荷の消費電力が所定値よりも多いときには、モータへの給電を停止すると共にオルタネータからの電力を直流電圧変換器を介して電気負荷に供給している。
特開2000−245008号公報
しかしながら、上述の動力出力装置では、モータの性能が発揮できない場合やバッテリが劣化してしまう場合が生じる。オルタネータは、通常、モータで消費されるエネルギにより変動するバッテリの電圧が一定となるようにフィールドコイルに印加する電流を増減させてその発電量を調整している。上述した動力出力装置では、オルタネータの発電量が考慮されていないから、オルタネータの発電量が十分にも拘わらずモータから出力する動力を過剰に制限したり、オルタネータの発電量に対してモータから出力する動力が過剰となってバッテリに過剰な電流が流れバッテリを劣化させてしまう場合が生じる。オルタネータの発電量を直接検出してモータを制御することも考えることができるが、比較的高圧のオルタネータの発電量を検出するためには別途専用のセンサが必要となり、高コストとなる。
本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車は、発電機の発電量を直接検出することなく電動機から出力する動力を適正に調整してその性能を発揮させることを目的の一つとする。また、本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車は、発電機の発電量を直接検出することなく蓄電装置の過放電を抑制することを目的の一つとする。
本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
本発明の動力出力装置は、
駆動用の動力を出力する動力出力装置であって、
駆動用の動力を出力可能な電動機と、
前記電動機で消費されるエネルギに基づいて行なわれる励磁コイルへの通電の調整を伴って発電して該電動機に供給する発電機と、
前記励磁コイルの励磁状態を検出する励磁状態検出手段と、
該検出された励磁状態に基づいて前記電動機を駆動制御する制御手段と
を備えることを要旨とする。
この本発明の動力出力装置では、電動機で消費されるエネルギに基づいて行なわれる励磁コイルへの通電の調整を伴って発電して電動機に供給する発電機における励磁コイルの励磁状態を検出し、検出した励磁状態に基づいて電動機を駆動制御する。励磁状態によって発電機の発電量を把握できるから、発電機の発電量を直接検出することなく電動機から出力する動力を適正に調整することができる。
こうした本発明の動力出力装置において、前記制御手段は、少なくとも前記検出された励磁コイルの励磁状態が最大励磁の近傍に達したときに前記電動機から出力される駆動用の動力が制限されるよう該電動機を駆動制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、簡易な処理により電動機から出力する動力を適正に調整することができる。
また、本発明の動力出力装置において、前記発電機および前記電動機と電力をやり取り可能な蓄電手段と、該蓄電手段の放電状態を検出する放電状態検出手段と、を備え、前記制御手段は、前記検出された励磁コイルの励磁状態と前記検出された蓄電手段の放電状態とに基づいて前記電動機を駆動制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、蓄電手段が過放電するのを抑制することができる。この態様の本発明の動力出力装置において、前記制御手段は、少なくとも前記検出された励磁コイルの励磁状態が最大励磁の近傍に達すると共に前記検出された蓄電手段の放電状態が所定の放電状態に達したときに前記電動機から出力される駆動用の動力が制限されるよう該電動機を駆動制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、簡易な処理により蓄電手段が過放電するのを抑制することができる。
さらに、本発明の動力出力装置において、前記励磁コイルへの通電の調整は、デューティ比を変更してスイッチング素子を駆動することにより行なわれる調整であり、前記励磁状態検出手段は、前記デューティ比を検出する手段であるものとすることもできるし、前記励磁状態検出手段は、前記励磁コイルの端子間に作用する電圧を検出する手段であるものとすることもできるし、前記励磁状態検出手段は、前記励磁コイルを流れる電流を検出する手段であるものとすることもできる。
本発明の自動車は、
上述した各態様のいずれかの本発明の動力出力装置、即ち、基本的には、駆動用の動力を出力する動力出力装置であって、駆動用の動力を出力可能な電動機と、前記電動機で消費されるエネルギに基づいて行なわれる励磁コイルへの通電の調整を伴って発電して該電動機に供給する発電機と、前記励磁コイルの励磁状態を検出する励磁状態検出手段と、該検出された励磁状態に基づいて前記電動機を駆動制御する制御手段とを備える動力出力装置を搭載する
ことを要旨とする。
この本発明の自動車では、上述した各態様のいずれかの本発明の動力出力装置を搭載するから、本発明の動力出力装置が奏する効果と同様の効果、例えば、発電機の発電量を直接検出することなく電動機から出力する動力を適正に調整することができる効果や蓄電手段が過放電するのを抑制することができる効果などを奏することができる。
次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。
図1は、本発明の一実施形態としての動力出力装置を搭載するハイブリッド自動車20の構成の概略を示す構成図である。実施例のハイブリッド自動車20は、図示するように、エンジン22と、エンジン22のクランクシャフト26に接続されると共にデファレンシャルギヤ61を介して前輪62a,62bに連結されエンジン22からの動力を変速して出力するオートマチックトランスミッション24と、エンジン22のクランクシャフト26に掛けられたベルト28を介して駆動するオルタネータ30と、オルタネータ30の出力電圧を調整する出力電圧調整回路31と、オルタネータ30からの電力を用いてデファレンシャルギヤ63を介して後輪64a,64bに動力を出力可能なモータ32と、オルタネータ30からモータ32に至る電力ライン40にモータ32に対してオルタネータ30と並列に接続された高圧バッテリ42と、車両の駆動系全体をコントロールする電子制御ユニット70とを備える。
エンジン22は、ガソリンなどの炭化水素系の燃料により動力を出力する内燃機関として構成されており、エンジン22のクランクシャフト26とデファレンシャルギヤ61とに接続されたオートマチックトランスミッション24と共にエンジントランスミッション用電子制御ユニット(以下、EGATECUという)29による運転制御を受けている。このEGATECU29には、エンジン22の回転数を検出する図示しない回転数センサからの回転数Neなどが入力ポートを介して入力されている。また、EGATECU29は、電子制御ユニット70と通信ポートを介して通信しており、電子制御ユニット70からの信号によりエンジン22やオートマチックトランスミッション24を制御すると共に必要に応じてエンジン22やオートマチックトランスミッション24の状態に関するデータを電子制御ユニット70に送信している。
オルタネータ30は、周知の三相交流発電機に全波整流器を取り付けたものとして構成されている。図2に、出力電圧調整回路31を中心とした構成の概略を示す構成図を示す。出力電圧調整回路31は、図示するように、並列接続されたオルタネータ30のフィールドコイル30aおよび順方向のダイオードDiを介してオルタネータ30の出力端子や高圧バッテリ42の正極にコレクタが接続されると共にエミッタが接地されたトランジスタTrと、高圧バッテリ42の正極の電圧と目標電圧との比較によりPWM信号を生成すると共に生成したPWM信号をトランジスタTrのベースに出力するPWM信号生成出力部31aとにより構成されている。PWM信号生成出力部31aは、高圧バッテリ42の正極の電圧が目標電圧よりも小さいときには小さいほどデューティ比Duを大きくしたPWM信号を生成し高圧バッテリ42の正極の電圧が目標電圧よりも大きいときには大きいほどデューティ比Duを小さくしたPWM信号を生成してトランジスタTrをオンオフし、フィールドコイル30aに印加するフィールド電流を増減させることにより、高圧バッテリ42の正極の電圧を目標電圧に調整する。デューティ比Duを100%としてトランジスタTrを駆動することは、オルタネータ30の発電能力が最大となっている状態を意味するものとなる。高圧バッテリ42の正極の電圧はモータ32で消費されるエネルギに反映されるから、PWM信号生成出力部31aはモータ32で消費されるエネルギに基づいてトランジスタTrのデューティ比Duを調整していることにもなる。出力電圧調整回路31は、電子制御ユニット70により制御されている。電子制御ユニット70は、PWM信号生成出力部31aから出力されたPWM信号(デューティ比Du)を入力しており、そのPWM信号の監視も行なっている。
モータ32は、電動機として駆動できると共に発電機としても駆動できる同期発電電動機として構成されており、インバータ34を介してオルタネータ30の出力電圧調整回路31や高圧バッテリ42と電力ライン40により接続されている。モータ32は、モータ用電子制御ユニット(以下、モータECUという)39により駆動制御されている。このモータECU39には、モータ32を駆動制御するのに必要な信号、例えば、モータ32の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ33からの信号やモータ32に印加される相電流を検出する図示しない電流センサからの信号などが入力ポートを介して入力されており、モータECU39からは、インバータ34へのスイッチング制御信号などが出力ポートを介して出力されている。また、モータECU39は、電子制御ユニット70と通信ポートを介して通信しており、電子制御ユニット70からの信号によりモータ32を駆動制御すると共に必要に応じてモータ32の運転状態に関するデータを電子制御ユニット70に出力する。
高圧バッテリ42は、バッテリ用電子制御ユニット(以下、バッテリECUという)49によって管理されている。バッテリECU49は、高圧バッテリ42を管理するために必要な信号、例えば、高圧バッテリ42の充放電電流を検出する電流センサ43(図2参照)からの信号や高圧バッテリ42の端子間電圧を検出する図示しない電圧センサからの信号,高圧バッテリ42の温度を検出する図示しない温度センサからの信号などが入力ポートを介して入力されている。また、バッテリECU49は、電子制御ユニット70と通信ポートを介して通信しており、必要に応じて高圧バッテリ42の状態に関するデータを電子制御ユニット70に出力する。なお、バッテリECU49は、電流センサにより検出された高圧バッテリ42の充放電電流を積算して残容量SOCも演算している。
オルタネータ30(出力電圧調整回路31)とモータ32(インバータ34)とが接続された電力ライン40には、オルタネータ30や高圧バッテリ42からの電力を電圧変換して低圧バッテリ46や補機48に供給可能なDC/DCコンバータ44が取り付けられている。このDC/DCコンバータ44は、電子制御ユニット70により制御されている。
電子制御ユニット70は、CPU72を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPU72の他に処理プログラムを記憶するROM74と、データを一時的に記憶するRAM76と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。電子制御ユニット70には、イグニッションスイッチ80からのイグニッション信号,シフトレバー81の操作位置を検出するシフトポジションセンサ82からのシフトポジションSP,アクセルペダル83の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ84からのアクセル開度Acc,ブレーキペダル85の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ86からのブレーキペダルポジションBP,車速センサ88からの車速Vなどが入力ポートを介して入力されている。電子制御ユニット70からは、オルタネータ30の出力電圧を調整する出力電圧調整回路31への制御信号やDC/DCコンバータ44の図示しないスイッチング素子へのスイッチング制御信号などが出力ポートを介して出力されている。また、前述したように、電子制御ユニット70は、EGATECU29やモータECU39,バッテリECU49と通信ポートを介して接続されており、各種制御信号やデータのやり取りを行なっている。
次に、こうして構成された実施例のハイブリッド自動車20の動作、特に、モータ32を駆動制御する際の動作について説明する。図3は、実施例の電子制御ユニット70により実行されるモータ制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎(例えば、数msec)毎に実行される。なお、エンジン22やオートマチックトランスミッション24の制御は、アクセル開度Accや車速Vに基づく信号をEGATECU29に送信することにより、EGATECU29が受信した信号に基づいてエンジン22を運転制御すると共にオートマチックトランスミッション24を運転制御することにより行なわれる。エンジン22とオートマチックトランスミッション24の制御は本発明の中核をなさないからこれ以上の詳細な説明は省略する。
モータ制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット70のCPU72は、まず、アクセルペダルポジションセンサ84からのアクセル開度Accや車速センサ88からの車速V,PWM信号生成出力部31aから出力されたPWM信号におけるデューティ比Du,バッテリ電流Ibatなどのデータを入力する(ステップS100)。ここで、バッテリ電流Ibatは、電流センサ43により検出されたものをバッテリECU49から通信により入力するものとした。
こうしてデータを入力すると、入力したアクセル開度Accと車速Vとに基づいてモータ32から出力すべき要求トルクTmを設定する(ステップS110)。ここで、要求トルクTmは、実施例では、アクセル開度Accと車速Vと要求トルクTmとの関係を予め求めてマップとしてROM74に記憶しておき、アクセル開度Accと車速Vとが与えられるとマップから対応する要求トルクTmを導出することにより設定するものとした。
そして、入力したデューティ比Duが100%であるか否かを判定する(ステップS120)。この処理は、前述したようにPWM信号生成出力部31aがデューティ比Duを100%としてトランジスタTrを駆動している場合はオルタネータ30の発電能力が最大となっている状態であるから、オルタネータ30の発電能力が最大か否かを判定する処理となる。デューティ比Duが100%であると判定されたときには、オルタネータ30の発電能力に余裕がないと判断し、次に、入力したバッテリ電流Ibatが電流制限Ilimよりも大きいか否かを判定する(ステップS130)。ここで、電流制限Ilimは、高圧バッテリ42を劣化させる程度の比較的大きな電流が流れているか否かを判定するためのものであり、高圧バッテリ42の性能などにより定められる。バッテリ電流Ibatが電流制限Ilimよりも大きいと判定されたときには、モータ32から出力されるトルクの制限が徐々に強化されるよう前回このルーチンで設定されたトルク制限(前回Tlim)に所定値ΔT1を減じたものを新たなトルク制限Tlimに設定する(ステップS140)。ここで、トルク制限Tlimの初期値としては、例えば、モータ32の定格値などを定めることができる。こうしたトルク制限Tlimの設定により、高圧バッテリ42の過電流を抑制し、その劣化を抑制しているのである。所定値ΔT1は、モータ32から出力されるトルクの制限の急激な強化によるショックを抑制するためのものであり、本ルーチンの実行間隔などにより定められる。バッテリIbatが電流制限Ilim以下と判定されたときには、高圧バッテリ42を劣化させる程度の大きな電流は流れていないとしてトルク制限Tlimを変更することなく次の処理に進む(ステップS150)。
一方、デューティ比Duが100%でないと判定されると、オルタネータ30の発電能力に余裕があると判断し、モータ32から出力されるトルクの制限が徐々に緩和されるよう前回このルーチンで設定されたトルク制限(前回Tlim)に所定値ΔT2を加えたものを新たなトルク制限Tlimに設定する(ステップS160)。このように、オルタネータ30の発電電力に余裕があるときにはモータ32から出力するトルクの制限を解除していくことにより、モータ32の性能を十分に発揮させるのである。所定値ΔT2は、モータ32から出力されるトルクの制限の急激な緩和によるショックを抑制するためのものであり、本ルーチンの実行間隔などにより定められる。
トルク制限Tlimを設定すると、設定したトルク制限Tlimとモータ32の定格値としての上限値Tmaxとを比較し(ステップS170)、トルク制限Tlimが上限値Tmax以下のときにはそのまま次の処理に進み、トルク制限Tlimが上限値Tmaxよりも大きいときには上限値Tmaxをトルク制限Tlimに設定し直す(ステップS180)。
こうしてトルク制限Tlimを設定したり再設定したりすると、このトルク制限TlimとステップS110で設定した要求トルクTmとのうち小さい方をモータ32から出力すべきトルク指令Tm*に設定し(ステップS190)、設定したトルク指令Tm*をモータECU39に送信して(ステップS200)、本ルーチンを終了する。これにより、トルク指令Tm*を受信したモータECU39は、トルク指令Tm*に基づいてモータ32が駆動されるようインバータ34のスイッチング素子のスイッチング制御を行なう。
以上説明した実施例のハイブリッド自動車20によれば、モータ32で消費されるエネルギ(高圧バッテリ42の正極の電圧)に基づいてオルタネータ30のフィールドコイル30aに印加する電流を増減するトランジスタTrをオンオフさせるためのデューティ比Du(PWM信号)を監視し、このデューティ比Duに基づいてモータ32に出力するトルクを制限するから、オルタネータ30から出力されている高圧の電力を直接検出することなくオルタネータ30と高圧バッテリ42とモータ32(DC/DCコンバータ44)との間の電力バランスをとることができ、高圧バッテリ42に過電流が流れるのを抑制することができる。この結果、高圧バッテリ42の劣化を抑制することができる。
実施例のハイブリッド自動車20では、フィールドコイル30aに印加するフィールド電流を増減させるトランジスタTrのオンオフのデューティ比Duを監視し、このデューティ比Duに基づいてモータ32のトルク制限Tlimを設定するものとしたが、これに限られず、フィールドコイル30aの励磁の状態を把握できる他の如何なるパラメータに基づいてトルク制限Tlimを設定するものとしてもよい。例えば、フィールドコイル30aに流れる電流を検出するものとしてもよいし、フィールドコイル30aの端子間の電圧を検出するものとしてもよい。この場合でも、オルタネータ30の高圧の電力を直接検出することなくオルタネータ30と高圧バッテリ42とモータ32との間の電力バランスをとりながらモータ32を制御することができる。
実施例のハイブリッド自動車20では、バッテリ電流Ibatが電流制限Ilimよりも大きいときに所定値ΔT1を用いて徐々に小さくなるようモータ32のトルク制限Tlimを設定するものとしたが、これに限られず、バッテリ電流Ibatが電流制限Ilimに対して大きいほど小さくなる傾向にトルク制限Tlimを設定するものとしてもよい。例えば、バッテリ電流Ibatと電流制限Ilimとの偏差に基づいてP(比例)制御やPI(比例積分)制御などによりトルク制限Tlimを設定するものとしてもよい。
実施例のハイブリッド自動車20では、フィールドコイル30aの励磁の状態に加えてバッテリ電流Ibatに基づいてトルク制限Tlimを設定するものとしたが、フィールドコイル30aの励磁の状態だけに基づいてトルク制限Tlimを設定するものとしてもよい。
実施例のハイブリッド自動車20では、エンジン22からの動力をオートマチックトランスミッション24を介して前輪62a,62bに出力しモータ32からの動力を後輪64a,64bに出力するものとしたが、モータ32からの動力を前輪に出力しエンジン22からの動力をオートマチックトランスミッション24を介して後輪に出力するものとしてもよい。また、エンジン22からの動力をオートマチックトランスミッション24を介して前輪62a,62bに出力すると共にモータ32からの動力も前輪62a,62bに出力するものとしてもよいし、モータ32からの動力を後輪64a,64bに出力すると共にエンジン22からの動力もオートマチックトランスミッション24を介して後輪64a,64bに出力するものとしてもよい。
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
本発明は、自動車産業に利用可能である。
本発明の一実施形態としてのハイブリッド自動車20の構成の概略を示す構成図である。 出力電圧調整回路31を中心とした構成の概略を示す構成図である。 実施例のハイブリッド自動車20の電子制御ユニット70により実行される駆動制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
符号の説明
20 ハイブリッド自動車、22 エンジン、24 オートマチックトランスミッション、26 クランクシャフト、28 ベルト、29 エンジントランスミッション用電子制御ユニット(EGATECU)、30 オルタネータ、30a フィールドコイル、31 出力電圧調整回路、31a PWM信号生成出力部、32 モータ、33 回転位置検出センサ、34 インバータ、39 モータ用電子制御ユニット(モータECU)、40 電力ライン、42 高圧バッテリ、43 電流センサ、44 DC/DCコンバータ、46 低圧バッテリ、48 補機、49 バッテリ用電子制御ユニット(バッテリECU)、61 デファレンシャルギヤ、62a,62b 前輪、63 デファレンシャルギヤ、64a,64b 後輪、70 電子制御ユニット、72 CPU、74 ROM、76 RAM、80 イグニッションスイッチ、81 シフトレバー、82 シフトポジションセンサ、83 アクセルペダル、84 アクセルペダルポジションセンサ、85 ブレーキペダル、86 ブレーキペダルポジションセンサ、88 車速センサ、Di ダイオード、Tr トランジスタ。

Claims (6)

  1. 駆動用の動力を出力する動力出力装置であって、
    駆動用の動力を出力可能な電動機と、
    前記電動機で消費されるエネルギに基づいて行なわれる励磁コイルへの通電の調整を伴って発電して該電動機に供給する発電機と、
    前記励磁コイルの励磁状態を検出する励磁状態検出手段と、
    該検出された励磁状態が最大励磁の近傍に達したときに前記電動機から出力される駆動用の動力が制限されるよう該電動機を駆動制御し、該検出された励磁状態が最大励磁の近傍に達していないときには前記電動機から出力される駆動用の動力の制限が緩和されるよう該電動機を駆動制御する制御手段と
    を備える動力出力装置。
  2. 請求項1記載の動力出力装置であって、
    前記発電機および前記電動機と電力をやり取り可能な蓄電手段と、
    該蓄電手段の放電状態を検出する放電状態検出手段と、を備え、
    前記制御手段は、前記検出された励磁コイルの励磁状態が最大励磁の近傍に達すると共に前記検出された蓄電手段の放電状態が所定の放電状態に達したときに前記電動機から出力される駆動用の動力の制限が強化されるよう該電動機を駆動制御し、前記検出された励磁コイルの励磁状態が最大励磁の近傍に達しているが前記検出された蓄電手段の放電状態が所定の放電状態に達していないときには前記電動機から出力される駆動用の動力の制限が維持されるよう該電動機を駆動制御する手段である
    動力出力装置。
  3. 請求項1または2記載の動力出力装置であって、
    前記励磁コイルへの通電の調整は、デューティ比を変更してスイッチング素子を駆動することにより行なわれる調整であり、
    前記励磁状態検出手段は、前記デューティ比を検出する手段である
    動力出力装置。
  4. 前記励磁状態検出手段は、前記励磁コイルの端子間に作用する電圧を検出する手段である請求項1または2記載の動力出力装置。
  5. 前記励磁状態検出手段は、前記励磁コイルを流れる電流を検出する手段である請求項1または2記載の動力出力装置。
  6. 請求項1ないしいずれか1項に記載の動力出力装置を搭載する自動車。
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