JPH09284913A

JPH09284913A - ハイブリッド自動車

Info

Publication number: JPH09284913A
Application number: JP8909996A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kawashima; 由浩川島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1996-04-11
Filing date: 1996-04-11
Publication date: 1997-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】大型かつ重量の充電器を搭載する必要をなく
す。【解決手段】家庭用又は商用電源にて駆動可能なモー
タ３６を設け、モータ３６の出力にて発電機１２を駆動
しバッテリ１４を充電する。モータ３６にて発電機１２
を駆動するときにはマグネットクラッチ３２をオフする
ことによりエンジン２８と発電機１２の機械的な連結を
解消し、エンジン２８がモータ３６の負荷となることを
防ぐ。あるいは、エンジン２８をデコンプすることによ
り同様の状態を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジン、発電機
及びバッテリを搭載するハイブリッド自動車に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジン出力にて推進される在来の車両
に更に補助的な回転電機を付加したものや、モータ出力
にて推進される電気自動車にバッテリの他に第２の電力
源（例えばエンジン駆動発電機）を付加したものは、在
来のエンジン車両と純粋な電気自動車とを複合（ハイブ
リッド）させた車両という意味で、ハイブリッド自動車
と呼ばれる。特開平７−９５７０３号には、ハイブリッ
ド自動車のうち、ＳＨＶ（Series Hybrid Vehicle ）と
呼ばれる車両の一例が示されている。この公報に記載の
ＳＨＶでは、エンジンからの動力にて発電機を駆動し、
発電機の出力にて車両走行用モータを駆動し、車両走行
用モータに供給すべき電力に対する発電機出力の過不足
分をバッテリ（例えば鉛電池等の二次電池）にて賄う、
というシステム構成が採用されている。また、バッテリ
の放電出力にて車両走行用モータを駆動する純粋な電気
自動車では、車両走行に伴いバッテリがいずれ放電して
しまい、外部電源による充電が必要になる。これに対
し、上掲公報に記載のＳＨＶでは、バッテリの充電状態
（ＳＯＣ）が所定範囲内にとどまるよう、当該ＳＯＣに
応じて発電機の出力を制御している。従って、純粋な電
気自動車に比べ外部電源による充電の頻度が低くなり、
かつバッテリの寿命が長くなる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述のＳＨＶのように
バッテリ以外の電力源を搭載するハイブリッド自動車で
は、原理上は外部電源による充電を全廃できるはずであ
るが、実際には、多くの二次電池にはいわゆる均等充電
やリフレッシュ充電が必要であるため、全廃は困難であ
る。即ち、２週間〜１か月に１度といった低頻度ではあ
るものの、バッテリを均等充電あるいはリフレッシュ充
電する操作を外部電源から電力の供給を受け実行せざる
を得ない。更に、バッテリを外部電源の出力にて充電す
るには、バッテリの充電に使用できるよう当該外部電源
出力を電力変換（例えば変圧・整流等）しなければなら
ず、従って電力変換機能を備えた充電器を車両に搭載し
なければならない。この充電器は、一般に、コアを多く
内蔵しているため大型かつ重量である。なお、ここでい
う均等充電とは、同時使用される複数のバッテリ間の充
電受入性の相違により生じるＳＯＣのばらつきを解消す
るための充電であり、リフレッシュ充電とは、浅い放電
のくり返しによる硫酸鉛等の極板付着ひいてはサルフェ
ーションが生じることを防ぐための充電である（鉛電池
の例。他の電池も同様）。

【０００４】本発明の目的の一つは、充電器を廃止する
ことにより、車両内のスペース利用状況を改善しかつ車
両を軽量化することにある。本発明の目的の一つは、充
電用モータの追加により、充電器非搭載にもかかわらず
均等充電やリフレッシュ充電を実行できるようにするこ
とにある。

【０００５】本発明の目的の一つは、追加した充電用モ
ータを用いて、バッテリの充電の他、付加的な機能を実
現することにある。本発明の目的の一つは、充電用モー
タと発電機とを一体化させることにより、小形な装置を
実現することにある。本発明の目的の一つは、充電用モ
ータから発電機に至る動力伝達機構の工夫あるいはエン
ジンの弁の制御により、エンジンが充電用モータの負荷
にならずまた充電用モータがエンジンの負荷にならない
ようにすることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、動力を発生させるエンジン、動力
供給に応じ発電する発電機、及び発電機から得られる電
力にて充電されるバッテリを搭載するハイブリッド自動
車において、発電機に動力を供給する充電用モータと、
要求に応じかつ車外からの電力を利用して充電用モータ
を駆動させる手段と、を搭載することを特徴とする。本
構成においては、充電用モータが車外からの電力を利用
して駆動され、これにより発電機に動力が供給され、そ
の結果得られる発電機出力にてバッテリが充電される。
従って、充電器非搭載にもかかわらず、バッテリの均等
充電やリフレッシュ充電を実行できる。また、一般にモ
ータにて使用されるコアの量は変圧器等にて使用される
それよりも少ない。このように、多くのコアを内蔵する
充電器が充電用モータにて置換されているため、充電器
を搭載するのに必要であった大きなスペースは不要にな
り、また充電器重量と充電用モータ重量の差に相当する
分だけ車両が軽量化される。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
関し図面に基づき説明する。なお、各実施形態中同一の
又は対応する部材には同一の符号を付し、説明を省略す
る。

【０００８】図１に、本発明の第１実施形態に係るハイ
ブリッド自動車の構成を示す。この図のハイブリッド自
動車はＳＨＶであり、車両走行用の三相交流モータ１０
を三相交流発電機１２の発電出力及びバッテリ１４の放
電出力にて駆動する構成を有している。また、バッテリ
１４を発電機１２の発電出力及びモータ１０の回生出力
にて充電することが可能である。更に、図中１６で表さ
れているのは発電機１２の発電出力を三相交流から直流
に変換する整流器である。１８で表されているのは整流
器１６及びバッテリ１４の出力を直流から三相交流に変
換するインバータであり、その電力変換動作はＥＣＵ
（電子制御ユニット）２０にて制御される。ＥＣＵ２０
は、図示しないアクセルペダル、ブレーキペダル等の操
作に応じ、インバータ１８の動作を制御することによ
り、モータ１０から必要なトルクを出力させる。ＥＣＵ
２０は、また、電圧センサ２２及び電流センサ２４によ
って、一般に複数のバッテリから構成されるバッテリ１
４の電圧及び電流を検出し、検出した電流の積算等によ
ってバッテリ１４のＳＯＣを求め、求めたＳＯＣが所定
の目標範囲内に維持されるよう、発電機１２の発電出力
を目標制御する。より具体的には、発電機１２の励磁電
流Ｉ_fを制御することにより、モータ１０を駆動するの
に必要な電力及びバッテリ１４のＳＯＣを目標範囲内に
維持するために必要な電力を、発電機１２によって発電
させる。

【０００９】発電機１２は、エンジン２８によって駆動
される。ＥＣＵ２０は、必要に応じスタータ２６に指令
を与え、エンジン２８を運転し、このエンジン２８の出
力にて発電機１２を駆動させる。エンジン２８と発電機
１２の間に設けられている部材のうち、増速機３０は、
エンジン２８から得られる比較的低回転の出力を発電機
１２の駆動に適する高回転の出力に変換する手段であ
り、かかる増速機３０を設けることにより発電機１２を
小型化することができる。

【００１０】エンジン２８（又は増速機３０）と発電機
１２の間には、更に、マグネットクラッチ３２及び動力
伝達機構３４が設けられている。動力伝達機構３４は、
本発明の特徴に係りバッテリ１４を充電する際に使用さ
れる単相インダクションモータ３６からの動力を、発電
機１２に伝達するための機構である。また、マグネット
クラッチ３２は、増速機３０と動力伝達機構３４の間の
機械的な連結を開閉する手段であり、その動作はＥＣＵ
２０によって制御される。さらに、図中符号３８であら
わされているのはコネクタであり、車両外部の電源、例
えば商用あるいは家庭用の単相１００Ｖ又は２００Ｖ電
源とモータ３６とを接続するためのコネクタであり、符
号４０であらわされているのはコネクタ３８を介したモ
ータ３６への外部電源の供給をオン／オフするためのコ
ンタクタである。

【００１１】ＥＣＵ２０は、車両操縦者の操作等に応じ
て充電開始信号ＣＨＧが与えられたときに、モータ３６
を利用したバッテリ１４の充電を実行する。図２〜図４
に、ＥＣＵ２０の動作、特にバッテリ充電動作の概略を
示す。

【００１２】図２に示されるフローチャートにおいて
は、まず、充電開始信号ＣＨＧが与えられているか否か
をＥＣＵ２０が判定する（１００）。充電開始信号ＣＨ
Ｇが与えられていないときには、ＥＣＵ２０はマグネッ
トクラッチ３２をオンさせ、これによりエンジン２８と
発電機１２の間の機械的な連結を形成する（１０１）。
ＥＣＵ２０は、その後、従来と同様のＳＨＶ制御を実行
する。この制御に関しては、本願出願人が先に提案して
いる特開平７−９５７０３号等を参照されたい。逆に、
充電開始信号ＣＨＧが与えられている旨判定したときに
は（１００）、ＥＣＵ２０はまずマグネットクラッチ３
２をオフさせることによりエンジン２８と発電機１２の
間の機械的な連結を解消し（１０３）、同時にコンタク
タ４０をオンさせることによりモータ３６の駆動を開始
する（１０４）。ステップ１０４が実行されると、発電
機１２はモータ３６によって駆動され、この発電機１２
の出力端子からは励磁電流Ｉ_fに応じた出力電流が得ら
れる。ＥＣＵ２０は発電機１２の励磁電流Ｉ_fを制御す
ることにより、発電機１２の出力電流ひいてはバッテリ
１４の充電電流Ｉ_Bを目標制御する（１０５）。

【００１３】なお、ステップ１０４を実行するに際して
はそれ以前にコネクタ３８によって外部電源が接続され
ていなければならない。充電開始信号ＣＨＧを車両操縦
者によるマニュアル操作で与えるようなシステム構成下
では、コネクタ３８が接続されるのを待つステップをス
テップ１０４以前に設ける必要があるが、コネクタ３８
による接続に応じ充電開始信号ＣＨＧが自動的に生成さ
れるシステム構成下では図２に示すごとくかかるコネク
タ接続待ちステップは必要でない。

【００１４】バッテリ１４の充電電流Ｉ_Bを制御するの
に際しては、ＥＣＵ２０は、図３に示すごとくＰＩ制御
を実行する。すなわちＥＣＵ２０は、バッテリ１４のＳ
ＯＣや図４に示す多段階定電流充電シーケンスに応じて
定めた充電電流指令値Ｉ_B ^*と、電流センサ２４によっ
て検出される充電電流Ｉ_Bとを比較し（１０５ａ）、そ
の結果得られる充電電流制御誤差ΔＩ＝Ｉ_B ^*−Ｉ_Bに
係る比例積分（ＰＩ）演算により（１０５ｂ）励磁電流
制御誤差ΔＩ_f＝ｋ_PΔＩ＋ｋ_I∫ΔＩｄｔを求める。
ＥＣＵ２０は、この励磁電流制御誤差ΔＩ_fとそれまで
の励磁電流指令値Ｉ_f ^*との加算により、新たな励磁電
流指令値Ｉ_f ^*を求め（１０５ｃ）、求めた励磁電流指
令値Ｉ_f ^*に基づき発電機１２の励磁電流Ｉ_fを制御す
る。なお、かかるＰＩ制御及び多段階定電流制御に代
え、他の制御論理、手法乃至シーケンスを用いても構わ
ない。

【００１５】このように、本実施形態によれば、従来用
いられていた大型かつ重量の充電器に代え、比較的小型
かつ軽量のインダクションモータ３６を用いてバッテリ
１４を充電するようにしているため、従来この充電器に
占められていたスペースを他の目的に利用することが可
能になり、また充電器とモータ３６の重量差に相当する
分だけ車両を軽量化することができる。これは、また、
充電器の廃止による車両の低価格化にもつながる。加え
てモータ３６にて発電機１２を駆動する際、マグネット
クラッチ３２にてエンジン２８と発電機１２の間の機械
的連結を解消するようにしているため、モータ３６にて
発電機１２を駆動する際エンジン２８がモータ３６の負
荷となることがなく、従ってモータ３６として省出力の
モータを利用可能になるとともに、エンジン２８がモー
タ３６の負荷になることにより生じる外部電力の大量消
費を防ぐことができ、経済的な車両が得られる。また、
動力伝達機構３４のうちモータ３６側のギアをラチェッ
ト付のギアとする等、エンジン２８の回転によってはモ
ータ３６が回転しないようにすれば、クラッチ３２オン
時にモータ３６がエンジン２８の負荷となることもな
い。

【００１６】加えて、モータ３６を、エンジン２８のス
タータ２６の代用コンポーネントとして用いることもで
きる。図５に、スタータ２６に故障等が発生したときモ
ータ３６にてエンジン２８を始動する手順を示す。この
図に示すように、ＥＣＵ２０は、スタータ２６に対しエ
ンジン２８を始動する旨の指令を与えたにもかかわらず
エンジン２８を始動することが出来なかったとき（２０
１）、マグネットクラッチ３２をオンさせることにより
エンジン２８と発電機１２の間の機械的な連結を形成す
るとともに（２０２）、コンタクタ４０をオンしそれに
よりモータ３６の駆動を開始する（２０３）。その結果
エンジン２８の始動に成功したときには（２０４）、ス
タータ２６による始動に成功した場合（２０１）と同
様、通常の、例えば従来公知のＳＨＶ運転を実行する
（２０５）。このような手順を用いることにより、スタ
ータ２６に故障等が生じた場合であっても、エンジン２
８を始動させることができ、従って現在の場所からスタ
ータ２６を修理できる場所まで、車両を走行させること
が可能になる。

【００１７】なお、モータ３６にてエンジン２８を始動
させるためには、コネクタ３８にてモータ３６が外部電
源に接続されていなければならない。そのため、ステッ
プ２０２及び２０３を実行するのに先立ち、ＥＣＵ２０
はコネクタ３８が接続されるまで待つ（２０６）。コネ
クタ３８が接続されたことの検出は、車両操縦者からマ
ニュアルで供給される信号によって、あるいはコネクタ
３８の接続に応じ当該コネクタからＥＣＵ２０に与えら
れる信号によって、実行することができる。更に、モー
タ３６によるエンジン２８の始動を実行するには、車両
操縦者等によるコネクタ３８の接続操作が必要であり、
また、スタータ２６に故障等が発生している可能性があ
ることを車両操縦者等に知らしめる必要があるため、ス
テップ２０１にてエンジン２８の始動不成功と判定され
たときには、ＥＣＵ２０から車両操縦者等に対しその旨
の情報を供給するのが好ましい。さらに、ステップ２０
４においてエンジン２８の始動に不成功であったことが
判明したときには、図示しないフェイル処理に移行す
る。

【００１８】図６に、本発明の第２実施形態に係るハイ
ブリッド車の構成を示す。この実施形態も第１実施形態
と同様ＳＨＶに係る実施形態である。第１実施形態とこ
の実施形態の相違点は、第１実施形態ではマグネットク
ラッチ３２が設けられていたのに対し、この実施例では
設けられていないことである。また、仮に第１実施形態
中のマグネットクラッチ３２を単純に廃止したのみだと
モータ３６による発電機１２の駆動時にエンジン２８が
モータ３６の負荷となってしまうが、この実施形態で
は、これを避けるべくバルブ駆動アクチュエータ４２に
よるエンジン２８のバルブの制御が行われている。すな
わち、ＥＣＵ２０は、図２でいえばステップ１０３に相
当するステップにて、バルブ駆動アクチュエータ４２に
対しデコンプ指令を与え、エンジン２８をデコンプさせ
る。これにより、エンジン２８のポンピングロスが低減
されることとなり、その結果、モータ３６のひきずり負
荷（すなわちエンジン２８が原因となったモータ３６に
とっての負荷）が小さくなる。このようにすると、マグ
ネットクラッチ３２なしでも、第１実施形態と同様又は
類似した効果を得ることが可能になる。

【００１９】図７に、本発明の第３実施形態におけるモ
ータ３６及び発電機１２の構造を示す。この実施形態に
おいては、共通の筐体４４の内部に発電機１２とモータ
３６とが収納されている。更に、動力伝達機構３４は廃
止されており、モータ３６と発電機１２とが同一の軸上
に設けられている。このような構成においては、第１又
は第２実施形態と同様の作用効果を、第１又は第２実施
形態に比べコンパクトな構成にて実現することができ
る。なお、図７中モータ３６と発電機１２の間に増速機
又は減速機を設けることにより、モータ３６の部分と発
電機１２の部分とを異なる回転数特性にて実現すること
が可能になる。

【００２０】図８に、本発明の第４実施形態に係るハイ
ブリッド自動車の構成を示す。この実施形態も前述の第
１又は第２実施形態と同様ＳＨＶに係る実施形態であ
る。この実施形態においては、第１又は第２実施形態に
おける動力伝達機構３４やマグネットクラッチ３２に代
え、差動分配機構（例えばディファレンシャルギア）４
６並びに制動機構４８及び５０を設けた構成を有してい
る。差動分配機構４６は２本の入力軸及び１本の出力軸
を有しており、入力軸はエンジン２８及びモータ３６
に、また出力軸は発電機１２に、それぞれ機械的に連結
されている。制動機構４８及び５０は、差動分配機構４
６の２本の入力軸それぞれに対応して設けられており、
対応する軸の回転をＥＣＵ２０からの指令に応じて制止
する機能を有している。差動分配機構４６は、制動機構
４８によってエンジン２８側の入力軸が制止されている
ときにはモータ３６の出力が発電機１２に分配され、ま
た制動機構５０によってモータ３６側の入力軸が制止さ
れているときにはエンジン２８の出力が発電機１２に分
配されるよう構成されている。

【００２１】従って、本実施形態においては、図２中の
ステップ１０３に相当するステップにて制動機構４８を
動作させ、また図２中のステップ１０１及び図５中のス
テップ２０２に相当するステップにて制動機構５０を動
作させることにより、第１実施形態等と同様の効果を実
現することができる。なお、この実施形態に関しても、
第２実施形態等と同様の変形が可能である。

【００２２】図９に、本発明の第５実施形態に係るハイ
ブリッド自動車の構成を示す。この実施形態はＰＨＶ
（Parallel Hybrid Vehicle ）に係る実施形態であり、
エンジン２８が発生させた動力を電気への変換を介さず
に車輪に伝達しつつ、発電機１２を適宜モータ又は発電
機として利用してエンジン２８をアシストする構成を有
している。図中のインバータ１６Ａは、発電機１２を発
電機として動作させるときには整流機として、モータと
して動作させるときには本来のインバータとして、それ
ぞれ動作する。更に、本発明の特徴に係るバッテリ１４
充電用のモータ３６は発電機１２と同様エンジン２８の
軸上に設けられている。加えて、この実施形態では、発
電機１２から見て車輪側に第２のマグネットクラッチ５
２が設けられている。

【００２３】このように、本発明は、ＳＨＶに限定すべ
きものではなく、より一般に、エンジン２８や発電機１
２と車輪との機械的な連結が形成されないあるいは形成
されていない状態が生成され得る車両に、適用すること
ができる。図９の実施形態の場合、エンジン２８や発電
機１２と車輪とが連結されていない状態を、ＥＣＵ２０
によりオン／オフされるマグネットクラッチ５２にて実
現している。更に、この実施形態の場合、第３実施形態
と同様、図７のごとくモータ３６と発電機１２とを一体
化することができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
発電機に動力を供給する充電用モータを搭載し、要求に
応じかつ車外からの電力を利用して充電用モータを駆動
させるようにしたため、充電用モータにて発電機を駆動
しバッテリを充電することができ、従って、充電器非搭
載にもかかわらずバッテリの均等充電やリフレッシュ充
電を実行できる。また、従来充電器を搭載するのに必要
であった大きなスペースは不要になり、また充電器重量
と充電用モータ重量の差に相当する分だけ車両を軽量化
できる。

【００２５】

【補遺】なお、本発明は、要求に応じ充電用モータから
エンジンに動力を供給させる手段を備える構成として
も、把握できる。本構成においては、エンジンのスター
タが故障しているときでも、充電用モータを駆動可能な
外部電源が付近にあれば、エンジンを始動できる。ま
た、本発明は、充電用モータを発電機と同一筐体内に組
み込んだ構成としても、把握できる。本構成において
は、充電用モータを発電機内に組み込んでいるため、小
形な装置を実現できる。本発明は、また、エンジンから
発電機への動力伝達を要求に応じ禁止するエンジン切離
し機構（例えばクラッチ）を備える構成としても、把握
できる。本構成においては、エンジン切離し機構にてエ
ンジンから発電機への動力伝達を禁止し、その上で充電
用モータを駆動することにより、エンジンが充電用モー
タの引き摺り負荷となることを防止できる。本発明は、
あるいは、エンジンにおけるポンピングロスを要求に応
じ低減する手段（例えばデコンプ可能な弁制御機構乃至
手段）を備える構成としても、把握できる。本構成にお
いては、エンジンのポンピングロスが低減された状態で
充電用モータを駆動することにより、エンジンが充電用
モータの顕著な引き摺り負荷となることを防止できる。
更に、クラッチ等のエンジン切離し機構が不要である。
本発明は、あるいは、エンジンからの動力が発電機に伝
達する一方充電用モータには伝達せずかつ充電用モータ
からの動力が発電機に伝達する一方エンジンには伝達し
ないよう、動力伝達方向を規制する機構（例えばラチェ
ット付きのギア）を備える構成としても、把握できる。
本構成においては、エンジンの動力を発電機に供給して
いるときに、充電用モータがエンジンの負荷とならな
い。従って、充電用モータを発電機及びエンジン双方か
ら切り離す機構は不要である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係るハイブリッド自
動車の構成を示すブロック図である。

【図２】この実施形態におけるＥＣＵの動作手順を示
すフローチャートである。

【図３】発電機の励磁電流を制御する手法を示すブロ
ック図である。

【図４】バッテリの多段階定電流充電シーケンスを示
すタイミングチャートであり、図中Ｉ₁〜Ｉ₄及びＴ₁
〜Ｔ₄はそれぞれ充電電流及び充電時間を示す。

【図５】この実施形態におけるＥＣＵの動作手順のう
ちスタータ故障時のエンジン始動手順を示すフローチャ
ートである。

【図６】本発明の第２実施形態に係るハイブリッド自
動車の構成を示すブロック図である。

【図７】本発明の第３実施形態におけるモータ及び発
電機の一体化構造を示す概略断面図である。

【図８】本発明の第４実施形態に係るハイブリッド自
動車の構成を示すブロック図である。

【図９】本発明の第５実施形態に係るハイブリッド自
動車の構成を示すブロック図である。

【符号の説明】１２発電機、１４バッテリ、２０ＥＣＵ、２８
エンジン、３２，５２マグネットクラッチ、３４動力
伝達機構、３６モータ、３８コネクタ、４０コン
タクタ、４２バルブ駆動アクチュエータ、４４筐
体、４６差動分配機構、４８，５０制動機構。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】動力を発生させるエンジン、動力供給に
応じ発電する発電機、及び発電機から得られる電力にて
充電されるバッテリを搭載するハイブリッド自動車にお
いて、発電機に動力を供給する充電用モータと、要求に
応じかつ車外からの電力を利用して充電用モータを駆動
させる手段と、を搭載することを特徴とするハイブリッ
ド自動車。