JP4300600B2

JP4300600B2 - ハイブリッド車の電池充電状態制御装置

Info

Publication number: JP4300600B2
Application number: JP20802898A
Authority: JP
Inventors: 幸男小林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-07-23
Filing date: 1998-07-23
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2018-07-23
Also published as: JP2000040532A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンにより駆動される発電機と、車両を駆動するモータを有し、電池の充電状態（以下ＳＯＣという）を目標ＳＯＣに一致させるように発電機の発電量を制御するハイブリッド車の充電状態制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、エンジン駆動の発電機と車両を駆動するモータを搭載するハイブリッド車が知られている。このハイブリッド車では、発電機によって得られた電力により電池を充電をすると共に、電池からの放電電力によってモータを駆動して走行する。なお、通常の場合、エンジンの駆動力も直接車輪に伝達できるようになっている。また、エンジンブレーキ相当の制動に回生制動を用い、回生制動によってモータから発生する電力も電池の充電に利用している。
【０００３】
このようなハイブリッド車においては、電池のＳＯＣを所定の範囲に収まるように、発電機の発電を制御する。すなわち、電池のＳＯＣが０％になると走行不能になってしまい、また１００％になると回生制動により発生した電力を電池が受け入れられなくなる。このため、適当な目標ＳＯＣ（例えば、５０％）を設定し、電池ＳＯＣがこの目標ＳＯＣになるように、発電機による発電を制御している。このような制御によって、電池ＳＯＣは、常に５０％を中心とした所定の範囲（例えば、２０％〜８０％の範囲）に収めることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、エンジンは、始動後にある程度の暖機運転が必要である。特に、外気温が低い場合には、暖機運転の時間が長くなる。また、電池もその温度が低いと能力が小さくなるため、暖機を必要とする。
【０００５】
ここで、上述のような制御により、電池のＳＯＣは、通常目標ＳＯＣに近い値にある。この場合には、発電機は運転されないか、運転されても発電量は非常に少なく制御される。従って、エンジンに対する負荷が小さく暖機に長い時間がかかるという問題があった。また、電池についても充電が行われないと暖機に長い時間がかかるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、エンジンや電池の暖機を促進することができるハイブリッド車の電池充電状態制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジンにより駆動される発電機と、車両を駆動するモータを有し、電池の充電状態を目標充電状態に一致させるように前記発電機の発電量を制御するハイブリッド車の充電状態制御装置において、エンジンの冷却水の水温を検出する冷却水温度センサと、この冷却水温度センサにより検出したエンジンの冷却水の水温が当該水温の暖機終了温度より低いときには、目標充電状態を水温が低いほど大きくなる、通常時の目標充電状態より高い値に設定し、エンジンの冷却水の水温が当該水温の暖機終了温度に達した場合または目標充電状態に達した場合には、目標充電状態を通常時の目標充電状態に戻すことを特徴とする。このように、本発明では、エンジン冷却水温が低いときに、目標ＳＯＣが上昇する。このため、充電要求が発せられやすくなり、発電機による発電が行われる。そこで、エンジンに対する負荷が大きくなり、エンジンの暖機を促進することができる。
【０００８】
また、本発明は、エンジンにより駆動される発電機と、車両を駆動するモータを有し、電池の充電状態を目標充電状態に一致させるように前記発電機の発電量を制御するハイブリッド車の充電状態制御装置において、電池の温度を検出する電池温度センサと、この電池温度センサにより検出した電池温度が当該電池温度の暖機終了温度より低いときには、目標充電状態を電池温度が低いほど大きくなる、通常時の目標充電状態より高い値に設定し、電池温度が当該電池温度の暖機終了温度に達した場合または目標充電状態に達した場合には、目標充電状態を通常時の目標充電状態に戻すことを特徴とする。これによって、電池温度が低い場合に、目標ＳＯＣを上昇することで電池への充電が行われ、電池の暖機を促進することができる。
【０００９】
また、前記エンジンの要求出力を目標充電状態と現在の電池の充電状態の差に応じて、差が大きいほど大きく設定することが好適である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。
【００１１】
「全体構成」
図１には、本発明の電池充電状態制御装置が搭載されたハイブリッド車のパワープラントの概略図が示されている。エンジン１０の出力軸１２には、ねじれダンパ１４を介して遊星ギア機構１６のプラネタリギア１８を支持するプラネタリキャリア２０が接続されている。遊星ギア機構１６のサンギア２２とリングギア２４は、それぞれ第１モータジェネレータ２６と第２モータジェネレータ２８のロータ３０，３２に接続されている。第１および第２モータジェネレータ２６，２８は、三相交流発電機または三相交流電動機として機能する。リングギア２４には、さらに動力取り出しギア３４が接続されている。動力取り出しギア３４は、チェーン３６、ギア列３８を介してディファレンシャルギア４０と接続されている。ディファレンシャルギア４０の出力側には、先端に図示しない駆動輪が結合されたドライブシャフト４２が接続されている。以上の構造によって、エンジン１０または第１および第２のモータジェネレータ２６，２８の出力が駆動輪に伝達され、車両を駆動する。
【００１２】
エンジン１０は、アクセルペダル４４の操作量や、冷却水温、吸気管負圧などの環境条件、さらに第１および第２モータジェネレータ２６，２８の運転状態に基づきエンジンＥＣＵ４６によりその出力、回転数などが制御される。また、第１および第２モータジェネレータ２６，２８は、制御装置４８により制御が行われる。制御装置４８は、二つのモータジェネレータ２６，２８に電力を供給し、またこれらからの電力を受け入れる電池（二次電池）５０を含んでいる。電池５０と第１および第２モータジェネレータ２６，２８との電力のやりとりは、それぞれ第１および第２インバータ５２，５４を介して行われる。二つのインバータ５２，５４の制御は、制御ＣＰＵ５６が行い、この制御は、エンジンＥＣＵ４６からのエンジン１０の運転状態の情報、アクセルペダル４４の操作量、ブレーキペダル５８の操作量、シフトレバー６０で定められるシフトレンジ、電池の蓄電状態、さらに遊星ギア機構１６のサンギアの回転角θｓ、プラネタリキャリアの回転角θｃ、リングギアの回転角θｒなどに基づき、行われる。また、前記遊星ギア機構１６の三要素の回転角は、それぞれプラネタリキャリアレゾルバ６２、サンギアレゾルバ６４およびリングギアレゾルバ６６により検出される。電池に蓄えられた電力、すなわちＳＯＣはＳＯＣメータ６８により算出される。制御ＣＰＵ５６は、前述の諸条件や第１および第２モータジェネレータ２６，２８のｕ相、ｖ相の電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｕ２，Ｉｖ２さらには電池または他方のインバータから供給される、または供給する電流Ｌ１，Ｌ２などに基づき第１および第２インバータ５２，５４のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６，Ｔｒ１１〜Ｔｒ１６を制御する。
【００１３】
遊星ギア機構１６の、サンギアの回転数Ｎｓ、プラネタリキャリアの回転数Ｎｃおよびリングギアの回転数Ｎｒは、サンギアとリングギアのギア比ρとすれば、
【数１】
Ｎｓ＝Ｎｒ−（Ｎｒ−Ｎｃ）（１＋ρ）／ρ ・・・（１）
で示される関係がある。すなわち、三つの回転数Ｎｓ，Ｎｃ，Ｎｒのうちの二つが定まれば、もう一つの回転数が決定する。リングギアの回転数Ｎｒは、車両の速度で決定するので、プラネタリキャリアの回転数Ｎｃすなわちエンジン回転数と、サンギアの回転数Ｎｓすなわち第１モータジェネレータ回転数の一方の回転数が決定されれば、他方が決定される。そして、第１および第２モータジェネレータ２６，２８の界磁電流をその時の回転数に応じて制御して、これらのモータジェネレータを発電機として作用させるか、電動機として作用させるかを決定する。二つのモータジェネレータ２６，２８が、全体として電力を消費している場合は電池５０から電力が持ち出され、全体として発電している場合は電池５０に充電が行われる。たとえば、電池５０のＳＯＣが少なくなっていることがＳＯＣメータ６８により検出された場合、エンジン１０の発生するトルクの一部により二つのモータジェネレータ２６，２８の一方または双方により発電を行い、電池５０への充電を行う。また、電池５０のＳＯＣが多くなった場合、エンジン１０の出力を抑え気味にして、第２モータジェネレータ２８を電動機として作用させ、これの発生するトルクを車両走行用に用いるように制御する。また、制動時においては、二つのモータジェネレータ２６，２８の一方または双方を発電機として動作させ、発生した電力を電池５０に充電する。
【００１４】
自動車の制動は、いつ行われるか予測することは困難であるから、電池５０は、回生制動によって発生した電力を十分受け入れられるような状態にあることが望ましい。一方、エンジン１０の出力だけでは、運転者の所望する加速を得られない場合、第２モータジェネレータ２８を電動機として動作させるために、電池５０はある程度ＳＯＣを確保していなければならない。この条件を満たすために、電池５０のＳＯＣは、電池容量、すなわち電池が蓄えられる最大の電力の半分程度となるように制御される。本実施形態の場合は、ＳＯＣが約５０％となるように制御が行われる。
【００１５】
「要部構成」
そして、本実施形態の装置では、エンジン１０の冷却水温を検出する温度センサ７０と、電池温度を検出する温度センサ７２を有している。これら温度センサ７０、７２は、どのような形式のものでもよいが、検出結果を電気信号として出力するものが好ましい。これら温度センサ７０、７２の出力は、制御ＣＰＵ５６に供給され、この制御ＣＰＵ５６が温度センサ７０、７２の検出したエンジン冷却水温または電池温度に基づき、モータジェネレータ２６、２８による発電量およびエンジン１０の出力を制御する。すなわち、車両の始動時などにおけるエンジン１０および電池５０の暖機を効果的に行うための制御を実行する。
【００１６】
エンジン暖機の際の動作を図２のフローチャートに基づいて説明する。まず、目標ＳＯＣの基準値であるＫＳＯＣＴを目標ＳＯＣであるＳＯＣＴに代入する（Ｓ１０１）。ＫＳＯＣＴは、電池５０のＳＯＣについての一般的な制御目標値であり、例えば５０％である。次に、エンジン暖機完了フラグＳＸＯＣＲがオフか否かを判定する（Ｓ１０２）。このエンジン暖機完了フラグは、イグニッションスイッチがオンされたシステムの立ち上げ時には自動的にオフに設定されている。従って、処理の最初には必ずオフされている。このＳ１０２の判定において、暖機完了フラグＳＸＯＣＲがオンであれば、暖機は終了しており、処理を終了する。Ｓ１０２において、暖機完了フラグＳＸＯＣＲがオフであれば、エンジン暖機中と判断し、エンジン水温ＴＨＷによる目標ＳＯＣに対する加算値ＫＳＯＣをマップ（ｋｓｃｏ＿ｍａｐ）より求める（Ｓ１０３）。このマップ（ｋｓｏｃ＿ｍａｐ）の一例を図３に示す。このように、エンジン水温ＴＨＷが低いほど加算値ＫＳＯＣは大きくなる。例えば、加算値ＫＳＯＣは、エンジン水温ＴＨＷが０℃以下場合に１０％、７０℃で０％のように設定される。図３においては、グラフで示したが、実際には、この関係を示すマップがＲＯＭに記憶されており、マップから読み出した値を補間して、検出したエンジン温度ＴＨＷに対する加算値ＫＳＯＣを求める。そして、加算値ＫＳＯＣをＳＯＣメータ６８で検出した現在のＳＯＣに加算し、暖機用の目標ＳＯＣであるＳＯＣＲに代入する（Ｓ１０３）。ここで、このＳＯＣＲには上限ＳＯＣＭＸを定めておき、ＳＯＣＲがＳＯＣＭＸを超えないようにしている。このＳＯＣＭＸは、例えば７５％である。これによって、暖機運転終了時において電池５０のＳＯＣが高くなりすぎ、回生制動が行えなくなるような事態の発生を避けることができる。
【００１７】
次に、暖機用の目標ＳＯＣであるＳＯＣＲが、Ｓ１０１において基準となるＫＳＯＣＴが代入されている目標ＳＯＣであるＳＯＣＴより大きいかを判定する（Ｓ１０４）。この判定において、ＹＥＳであれば、ＳＯＣＲの方が現在設定されているＳＯＣＴより大きい。そこで、ＳＯＣＴにＳＯＣＲを代入する（Ｓ１０５）。例えば、現在のＳＯＣが５０％であり、加算値ＫＳＯＣが５％であれば、ＳＯＣＴが５０％に代えて、５５％に設定される。Ｓ１０４において、ＮＯであれば、ＳＯＣＴを下げる必要はないため、Ｓ１０４を実行しないで、ＳＯＣＴは変更しない。例えば、５０％のままとする。
【００１８】
そして、現状のＳＯＣが暖機用の目標ＳＯＣであるＳＯＣＲ以上になったかまたはエンジン水温ＴＨＷが所定の暖機終了時の水温であるＫＴＨＷ（例えば７０℃）に至ったかを判定する（Ｓ１０６）。この判定で、ＮＯであれば、まだ暖機運転を継続すべきであり、Ｓ１０１からの処理を繰り返す。一方、Ｓ１０６の判定でＹＥＳであれば、暖機のための処理は終了であり、暖機完了フラグＸＳＯＣＲをオンして（Ｓ１０７）、処理を終了する。なお、この暖機完了フラグＸＳＯＣＲがオンされた状態では、Ｓ１０１において、目標ＳＯＣであるＳＯＣＴには規定値であるＫＳＯＣＴがセットされるため、暖機終了後は通常の目標ＳＯＣであるＫＳＯＣＴを利用して発電量が制御され、またこれに見合ったエンジン１０の駆動制御が行われる。
【００１９】
このように、本実施形態では、現在のＳＯＣに対し、エンジン冷却水温度に基づいた加算値を加算して、目標ＳＯＣを決定する。従って、目標ＳＯＣが現在のＳＯＣに比べ高い値になる。そこで、モータジェネレータ２６、２８が発電機として動作する。そこで、エンジン１０に対する負荷が大きくなり、エンジン１０の出力パワーが大きくなり、発生熱量も増加するため、暖機を早めることができる。
【００２０】
また、図２のフローチャートでは、温度センサ７０からのエンジン冷却水温度をパラメータとして、目標ＳＯＣを決定した。しかし、温度センサ７２からの電池５０の温度に基づいて、同様の制御を行うこともできる。フローチャートは図２のもので全く同一になる。すなわち、Ｓ１０３において、電池温度に対応するＫＳＯＣをマップから求めればよい。このマップも、図３のマップと基本的に同一でよく、電池温度を横軸にとればよい。
【００２１】
そして、目標ＳＯＣを高くすることによって、モータジェネレータ２６、２８により充電要求は発生し、これに応じた発電が行われ、電池５０に対する充電が行われる。このため、充電による熱発生に基づいて、電池５０の暖機が促進される。
【００２２】
図４は、他の実施形態の動作を示すフローチャートである。この実施形態では、Ｓ１０２とＳ１０３の間に、Ｓ２０１が挿入されている。このＳ２０１では、イグニッションスイッチがオフからオンに変わったかを判定する。すなわち、イグニッションスイッチがオンされてエンジンが始動される際の最初の処理か否かが判定される。そして、このＳ２０１の判定において、ＹＥＳの場合にはＳ１０３に進むが、ＮＯの場合には、Ｓ１０３を通らずにＳ１０４に移る。
【００２３】
このような処理により、イグニッションスイッチをオンしたエンジン始動時の１回だけ、暖機用の目標ＳＯＣであるＳＯＣＲの算出が行われ、この値はその後変更されない。このようにして、エンジン始動時において、エンジン冷却水温に応じて目標ＳＯＣを高めに設定することができ、エンジン１０の負荷を大きくして、エンジン１０の暖機を早めることができる。更に、この図４のフローチャートによる処理も電池５０の暖機に適用することができる。
【００２４】
次に、目標ＳＯＣの設定値であるＳＯＣＴが決定された場合のエンジンの駆動制御について、説明する。
【００２５】
まず、エンジン要求出力の算出について、図５に基づいて説明する。まず、運転者による車両駆動出力についての指令であるアクセル開度ＡＣＣと、そのときの車速ＳＰＤとに応じて、車両の要求駆動力ＳＰＶを求める（Ｓ４０１）。制御ＣＰＵ５６が、要求駆動力ＳＰＶの値について、アクセル開度ＡＣＣと車速ＳＰＤによる２次元マップとして記憶しており、このマップから補間によって要求駆動力ＳＰＶを求める。
【００２６】
次に、目標ＳＯＣであるＳＯＣＴと、現在のＳＯＣの差であるＤＳＯＣを求め、求められたＤＳＯＣより電池５０の充電要求値ＳＰＣＨＧを算出する（Ｓ４０２）。なお、ＤＳＯＣとＳＰＣＨＧの関係は、予めマップとして記憶しており、算出されたＤＳＯＣに基づいて、補間によってＳＰＣＨＧを求める。ＤＳＯＣと、ＳＰＣＨＧの関係は、例えば図６に示すとおりであり、ＤＳＯＣ＞０の時には、ＳＰＣＨＧとして充電側の正の値が設定される。一方、ＤＳＯＣ＜０の場合には、ＳＰＣＨＧとして放電側の負の値が設定される。
【００２７】
そして、車両の要求駆動力ＳＰＶと充電要求量ＳＰＣＨＧを加算することでエンジン１０への要求出力値ＳＰＥを算出する（Ｓ４０３）。このＳＰＥは、０以上の下限ガードした値とする。このようにして、電池５０の充電要求量を考慮したエンジン１０への要求出力値ＳＰＥが算出される。
【００２８】
次に、エンジン１０のスロットル制御について、図７に基づいて説明する。まず、上述のようにして求めたエンジンへの要求出力値ＳＰＥと、現在のエンジン１０の回転数ＮＥからエンジンが出すべき目標トルクＴＥＴＡＧを算出する（Ｓ６０１）。すなわち、要求出力値ＳＰＥをエンジン回転数で除算し、これに換算係数であるＫＴＥを乗算してＴＥＴＡＧとする。次に、目標トルクＴＥＴＡＧとエンジン１０の回転数ＮＥから目標スロットル開度ＴＡＴＡＧを算出する（Ｓ６０２）。これもＴＥＴＡＧと値による２次元マップに基づき補間により求める。そして、得られたＴＡＴＡＧによりエンジン１０のスロットル開度を調節し、エンジン１０の駆動が制御される（Ｓ６０３）。また、モータジェネレータ２６、２８による発電量は、充電要求量ＳＰＣＨＧに応じた値に制御され、これによって電池５０への充電が行われる。なお、エンジン１０の制御は、制御ＣＰＵ５６からの指令に基づき、エンジンＥＣＵ４６が行い、モータジェネレータ２６、２８の発電量制御は、制御ＣＰＵ５６が第１および第２のインバータ５２、５４を制御して行う。
【００２９】
また、停車中はＳＰＶ＝０であり、ＳＰＣＨＧのみでＳＰＥが決定され、これに応じたエンジン１０のスロットル制御が行われ、ＳＰＣＨＧに対応した発電が行われ、これが電池５０に充電される。このように、エンジン１０を負荷運転とすることによって、エンジン１０の暖機を効果的に行うことができる。また、上述のように、エンジン冷却水温度が低いほど目標ＳＯＣを高く設定でき、ＳＰＥが大きくなるため、それだけエンジン負荷も大きくなり暖機性が向上する。
【００３０】
一方、本実施形態のように、目標ＳＯＣを上昇しないと、通常はＳＯＣが５０％程度であり、ＤＳＯＣは０であり、その結果ＳＰＥ＝０になり、エンジン１０は無負荷運転状態になり、効果的な暖機が行えない。
【００３１】
また、このような発電制御により、電池５０に対しても、積極的な充電が行え、電池の暖機性を向上することができる。
【００３２】
更に、Ｓ１０３において、エンジン冷却水温によるＫＳＯＣと、電池温度によるＫＳＯＣを同時に求め、その中の大きい方を採用することで、エンジンおよび電池の暖機を同一のフローチャートで制御することも好適である。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、エンジン冷却水温が低いときや、電池温度が低いときに、発電を行うことができる。これによって、エンジンの負荷を大きくしてエンジンの暖機を効率的に行え、また電池への充電により電池の暖機を促進することができる。特に、エンジン始動時において、暖機を効果的に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハイブリッド車のパワープラントの全体構成を示す図である。
【図２】目標ＳＯＣの算出を示すフローチャートである。
【図３】エンジン冷却水温ＴＨＷとＳＯＣへの加算値ＫＳＯＣの関係を示す図である。
【図４】目標ＳＯＣの算出の他の例を示すフローチャートである。
【図５】エンジン要求出力の算出を示すフローチャートである。
【図６】現在と目標のＳＯＣの差ＤＳＯＣと充電要求値ＳＰＣＨＧの関係を示す図である。
【図７】エンジンのスロットル制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０エンジン、２６，２８モータジェネレータ、５６制御ＣＰＵ、７０，７２温度センサ。

Claims

エンジンにより駆動される発電機と、車両を駆動するモータを有し、電池の充電状態を目標充電状態に一致させるように前記発電機の発電量を制御するハイブリッド車の充電状態制御装置において、
エンジンの冷却水の水温を検出する冷却水温度センサと、
この冷却水温度センサにより検出したエンジンの冷却水の水温が当該水温の暖機終了温度より低いときには、目標充電状態を水温が低いほど大きくなる、通常時の目標充電状態より高い値に設定し、
エンジンの冷却水の水温が当該水温の暖機終了温度に達した場合または目標充電状態に達した場合には、目標充電状態を通常時の目標充電状態に戻すことを特徴とするハイブリッド車の電池充電状態制御装置。
エンジンにより駆動される発電機と、車両を駆動するモータを有し、電池の充電状態を目標充電状態に一致させるように前記発電機の発電量を制御するハイブリッド車の充電状態制御装置において、
電池の温度を検出する電池温度センサと、
この電池温度センサにより検出した電池温度が当該電池温度の暖機終了温度より低いときには、目標充電状態を電池温度が低いほど大きくなる、通常時の目標充電状態より高い値に設定し、
電池温度が当該電池温度の暖機終了温度に達した場合または目標充電状態に達した場合には、目標充電状態を通常時の目標充電状態に戻すことを特徴とするハイブリッド車の電池充電状態制御装置。
請求項１または２に記載の装置において、
前記エンジンの要求出力を目標充電状態と現在の電池の充電状態の差に応じて、差が大きいほど大きく設定することを特徴とするハイブリッド車の電池充電状態制御装置。