説明

ハイブリッド車

【課題】インバータの温度上昇を抑制する充電制御を備えたハイブリッド車を提供する。
【解決手段】ハイブリッド車は、エンジン、モータ、バッテリ、及びモータの発電力を制御するコントローラを備える。コントローラは、車両が走行可能状態で停止しておりアクセルペダルが踏まれていない間、バッテリが所定のチャージ量となるまで、エンジンを間欠運転しつつ、エンジン運転中の発電力が第1発電力となるようにエンジン回転を調整する第1制御を実行する。また、コントローラは、第1制御実行中であって、インバータの温度又はインバータを冷却する冷媒の温度が温度閾値を超えた場合、あるいは、バッテリからの電力で動作している電気デバイス群の消費電力が消費電力閾値を超えた場合に、エンジンを連続運転しつつ、発電力が第1発電力よりも低い第2発電力となるようにエンジン回転を調整する第2制御に切り換える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、エンジンとモータを搭載したハイブリッド車に関する。
【背景技術】
【0002】
ハイブリッド車のモータは、車両走行用の駆動源として用いられるほか、発電機としても用いられる。ハイブリッド車では、バッテリの直流電力を交流電力に変換してモータへ供給するインバータが、逆にモータが発電した交流電力を直流電力に変換してバッテリへ供給するACDCコンバータの機能も果たすことが多い。そのようなインバータは、いわゆるパワーデバイスと呼ばれるスイッチング素子を多用しており、発熱量が多い。モータを駆動する場合とモータの発電力をバッテリにチャージする場合のいずれであっても、インバータの発熱はエネルギ変換効率の低下につながるため、及び、インバータの素子の寿命に影響を与えるため、インバータの発熱を抑制することが一つの課題となっている。
【0003】
ハイブリッド車の場合、アクセルペダルが踏まれていない間にモータを発電機として使うことがある。アクセルペダルが踏まれていない期間の典型は、車両が停止している期間と、走行中ではあるが減速している期間である。前者は、エンジンによってモータを駆動し、後者では車両の運動エネルギがモータを駆動する。前者は、エンジンを制御することによってモータの回転を制御することができるため、インバータの温度上昇を抑制するように発電の仕方を制御できる余地がある。その一例が特許文献1に開示されている。特許文献1の技術は、車両がアイドリング状態で放置されている場合や低速で走行している場合の発電の仕方を工夫するものである。具体的には、アイドリング時や低速走行中にエンジンを間欠運転しつつ、エンジン停止中のインバータキャリア周波数を低く設定する、あるいは、インバータを停止する。特許文献1の技術は、エンジンを間欠運転することで、インバータの温度が単調に増加することを防止するとともに、エンジン停止時の無駄を排除し、インバータの温度上昇を抑制する。
【0004】
なお、車両が停止しており、アクセルペダルが踏まれていない期間は、エンジンのみを有する車両ではエンジンが最低回転数を維持する期間でありアイドリング期間と呼ばれる。ハイブリッド車では、車両が停止している間はエンジンが停止することがあるので「アイドリング期間」(あるいは「アイドリング中」)という表現は必ずしも正確ではないが、慣例にならって、本明細書でも「アイドリング期間」(あるいは「アイドリング中」)という表現を用いる。ハイブリッド車において「アイドリング期間」(あるいは「アイドリング中」)とは、車両が走行可能状態でありながら停止しておりアクセルペダルが踏まれていない状態、と定義することができる。なお、ここでいう走行可能状態には、シフトレバーがニュートラルポジションあるいはパーキングポジションに位置する場合も含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2008−307908号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本明細書が開示する技術は、アイドリング時にエンジンを間欠運転するだけではインバータの温度抑制が不十分であるおそれがある場合に、さらにインバータの温度上昇を抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
アイドリング中に発電する場合、モータの発電力は、適切な時間でバッテリを充電するのに十分な大きさに設定される。今、間欠運転時の発電力を第1発電力(ワット)と称する。ここで、電圧が一定であれば、発電力は電流の大きさで定まる。他方、モータが出力する発電量(ワット時)は、第1発電力×発電時間であるから、同じ発電量を確保するには、間欠運転よりも連続運転した方が発電力(即ち電流)を抑えられる。また、インバータの発熱量は、流れる電流の二乗にほぼ比例するから、電流が小さい方がインバータの発熱量を抑えることができる。以上の考察より、間欠運転ではインバータの温度抑制が不十分であるおそれがある場合は、連続運転に切り換えるとともに、発電力を間欠運転時の第1発電力よりも小さい第2発電力となるように調整することによって、インバータの温度上昇をさらに抑制することができる。なお、モータの発電力は、実質的にはエンジンの回転数で定まるので(エンジンの駆動エネルギが電気エネルギに変換されるから)、エンジン回転数を調整することで実質的に発電力を調整することになる。
【0008】
本明細書が開示するハイブリッド車は、エンジンと、走行用駆動源と発電機を兼ねるモータと、モータが発電した電力によって充電されるバッテリと、発電力を制御するコントローラを備える。コントローラは、次の2種類の制御(第1制御と第2制御)を選択し実行することができる。第1制御は、アイドリング時(即ち、車両が走行可能状態で停止しておりアクセルペダルが踏まれていない期間)、バッテリが所定のチャージ量となるまで、エンジンを間欠運転しつつ、エンジン運転中の発電力が第1発電力となるようにエンジン回転を調整する。第2制御は、第1制御実行中であって、インバータの温度又はインバータを冷却する冷媒の温度が所定の温度閾値を超えた場合、あるいは、バッテリからの電力で動作している電気デバイス群の消費電力が所定の消費電力閾値を超えた場合に、エンジンを連続運転しつつ、発電力が第1発電力よりも低い第2発電力となるようにエンジン回転を調整する。なお、モータの発電力はエンジン回転数で実質的に決まるから、第1制御のエンジン回転数をRev1とすると、第2制御は、エンジン回転数をRev1よりも小さい範囲で設定することに等価である。また、インバータの温度上昇を抑制することは、インバータを冷却する冷媒の温度上昇を抑えることで達成できることは当然である点に留意されたい。
【0009】
上記のハイブリッド車は、インバータを冷却する冷媒の温度が所定の温度閾値を超えた場合、あるいは、バッテリからの電力で動作する電気デバイス群の消費電力が所定の消費電力閾値を超えた場合、即ち、インバータのさらなる温度上昇が予測される場合に、モータの発電力を下げ、インバータの温度上昇を抑える。上記のハイブリッド車は、エンジン間欠運転のままで単に発電力を下げるのではなく、エンジンを連続運転に切り換えることによって、発電量を確保する。
【0010】
本明細書は、上記の発電制御の原理をさらに改良した技術も提案する。インバータの温度上昇をできるだけ抑制するには、第2発電力をできるだけ小さくするのがよい。さりとて、車両が停止している間であっても何らかの電気デバイスが電力を消費しているから、モータで発電しなければバッテリの残量は減る一方である。次の走行に影響を及ぼさないためには、車両の電気デバイスが消費している電力を賄うだけの電力をモータが発電すればよい。そうすれば、バッテリの充電量が下がることはない。具体的には、コントローラは、第2発電力が電気デバイス群の消費電力に等しくなるようにエンジン回転を調整するとよい。電圧が一定(バッテリ電圧)であれば、消費電力は消費電流に実質的に等価であるから、コントローラは、モータの出力電流が電気デバイスの消費電流にほぼ等しくなるようにエンジン回転を調整すればよい。
【0011】
バッテリからの電力で動作している電気デバイス群の総消費電力(総消費電流)は、例えば、バッテリから各電気デバイスへ電力を供給するための電源ラインを流れる電流を計測すればよい。あるいは、各電気デバイスの定格消費電力は既知であるから、コントローラにそれら定格消費電力を記憶しておき、稼働している電気デバイスを特定することによって総消費電力を求めてもよい。
【0012】
第2発電力が電気デバイス群の消費電力に等しくなるようにエンジン回転を調整するという制御を採用することによって、次の走行に影響を与えることなく、インバータの発熱をできるだけ下げることができる。本明細書が開示する技術のさらなる詳細は、以下の「実施の形態」において説明する。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】実施例のハイブリッド車の模式的システムブロック図である。
【図2】アイドリング充電制御のフローチャート図である。
【図3】充電時のエンジン回転数、発電力、及び、冷媒温度の時間変化を示すグラフである。
【図4】第2実施例のアイドリング充電制御のフローチャート図である。
【図5】制御切り換えマップの一例である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
(第1実施例)図1に、実施例に係るハイブリッド車100の模式的なシステムブロック図を示す。ハイブリッド車100は、エンジン2とモータ5を搭載しており、必要に応じてエンジンの駆動力とモータの駆動力を切り換えて走行する。大きなトルクが必要なときはエンジンの駆動力とモータの駆動力を合わせて用いる。モータ5は、発電機としても機能する。発電には、エンジンでモータを駆動して発電する場合と、車両の減速エネルギを利用してモータを駆動して発電する場合がある。モータが発電した電力はバッテリの充電に利用される。なお、以下の説明では、ハイブリッド車100に関し、バッテリの充電制御に関わる要素のみを説明し、他の要素については概略を説明するか、あるいは説明を省略することに留意されたい。
【0015】
ハイブリッド車100は、2個のバッテリ(メインバッテリ7とサブバッテリ8)を搭載している。メインバッテリ7は、高電圧(例えば200V)を出力することができ、主にモータ駆動用の電力を供給する。サブバッテリ8は、12Vあるいは24Vを出力するものであり、モータ以外の電気デバイス群に電力を供給する。
【0016】
メインバッテリ7の出力は、パワーコントローラ6を介してモータ5へ供給される。パワーコントローラ6は、メインバッテリ7の直流電圧を昇圧するDCDCコンバータと、DCDCコンバータの出力を交流電力に変換するインバータ20を含む。DCDCコンバータは、逆方向で電圧を降圧することも可能であり、モータが発電した電力は、パワーコントローラ6を逆方向に流れて(インバータ20とDCDCコンバータを逆方向に流れて)、バッテリ(メインバッテリ7とサブバッテリ8)に供給される。即ち、モータ5の発電力によりバッテリが充電される。なお、パワーコントローラ6内には、DCDCコンバータを通じて降圧された電力をさらにサブバッテリ8に適した電圧へ降圧する第2のDCDCコンバータも備える。インバータ20やDCDCコンバータは、多くのスイッチング素子(パワー素子)を備えるため、発熱量が多い。そのため、冷媒(典型的には水である)による液体冷却装置も備えている。パワーコントローラ6内には、冷媒の温度を計測する温度センサ21が備えられている。
【0017】
サブバッテリ8の電力供給対象は、例えば、エアコン12a、カーナビゲーション12b、ヘッドライド12c、ワイパ12dなどである。なお、サブバッテリ8の電力供給対象となる電気デバイスは他にもある。以下では、サブバッテリ8の電力供給対象となる電気デバイスを「電気デバイス群12」と総称する。サブバッテリ8から電気デバイス群12へはメインケーブル14を通じて電力が供給される。サブバッテリ8の電圧は一定であるので、メインケーブル14を流れる電流の大きさは、電気デバイス群12が消費する総消費電力に相当する。メインケーブル14には、メインケーブル14を流れる電流(即ち電気デバイス群の総消費電力)を計測する電流センサ9が備えられている。
【0018】
エンジン2、モータ5、及び、パワーコントローラ6は、パワーコントローラ6の上位コントローラであるシステムコントローラ3によって制御される。システムコントローラ3は、ハイブリッドコントローラと呼ばれることもある。システムコントローラ3は、各種のセンサデータと、他の要素(エンジン2、モータ5、バッテリなど)の動作状態のデータを収集し、それらのデータに基づいて各種の指令を他の要素に送る。充電制御に関しては、システムコントローラ3は、エンジン回転数Rev、温度センサ21のセンサデータ(インバータを冷却する冷媒の温度Twt)、サブバッテリ8のチャージ残量CHG、電流センサ9のセンサデータ(メインケーブル14を流れる電流であり、電気デバイス群12の総消費電力に相当する)を収集する。システムコントローラ3は、また、アクセルペダルの踏み込み量を計測するペダルセンサと車速センサのセンサデータも収集する。以下では、ペダルセンサと車速センサを合わせて車両状態センサ4と称する。システムコントローラ3は、車両状態センサ4のセンサデータに基づき、アイドリング中であるか否かを判定する。さらにシステムコントローラ3は、上記したデータに基づいて、アイドリング中のバッテリ充電制御を実施する。なお、前述したように、本明細書において「アイドリング中」とは、「車両が走行可能状態で停止しておりアクセルペダルが踏まれていない状態」を意味する。
【0019】
図2に、アイドリング中における充電制御(アイドリング充電制御)のフローチャートを示す。システムコントローラ3は、車両状態センサ4のセンサデータに基づいて車両がアイドリング中であると判定すると、図2に示すアイドリング充電制御を実行する。図2の処理は、所定時間毎、例えば1秒毎に繰り返し実行される。以下、図2のフローについて説明する。なお、以下のアイドリング充電制御は、サブバッテリ8の充電に関するものである。メインバッテリ7に関する充電制御は、本明細書では割愛する。
【0020】
アイドリング状態になるとシステムコントローラ3は、まず、サブバッテリ8のチャージ残量CHGが、チャージ閾値CHG_thより小さいか否かをチェックする(S2)。チャージ閾値CHG_thは、バッテリを充電すべきか否かを判定する基準値であり、予め定められている。チャージ残量CHGがチャージ閾値CHG_thより小さい場合(S2:YES)は充電が必要であり、チャージ閾値CHG_thより大きい場合(S2:NO)は充電不要である。後者の場合はエンジンを停止して処理を終了する(S3)。
【0021】
チャージ残量CHGがチャージ閾値CHG_thより小さい場合(S2:YES)、次にシステムコントローラ3は、インバータ20を冷却する冷媒の温度Twtと、電気デバイス群12の総消費電流(総消費電力)に応じて、第1制御と第2制御のいずれかを実行する。即ち、冷媒温度Twtが予め定められた温度閾値Twt_thを超えているか(S4:YES)、あるいは、電気デバイス群12の総消費電流Aout(総消費電力に相当する)が所定の消費電流閾値Aout_thを超えている場合(S5:YES)、システムコントローラ3は、第2制御を実行する(S7)。上記の場合以外(S4:NO、かつ、S5:NO)、システムコントローラ3は第1制御を実行する(S6)。なお、冷媒温度Twtは、パワーコントローラ6内の温度センサ21で計測され、総消費電流はメインケーブル14に設けられた電流センサ9で計測される。
【0022】
第1制御(S6)は、チャージ残量CHGを速やかに増加させる制御であり、第2制御(S7)は、インバータ20の温度(冷媒の温度Twt)があまり増加しないように発電量を抑える制御である。第1制御では、エンジンを間欠運転する。システムコントローラ3は、エンジン運転中の回転数Rev[rpm]を、予め定められた回転数Rev1に設定する。他方、第2制御では、エンジンを連続運転する。システムコントローラ3は、エンジン回転数Revを、先の既定回転数Rev1よりも低い範囲で、かつ、電気デバイス群12の総消費電流(総消費電力)Aoutにほぼ比例する大きさに設定する。より具体的には、システムコントローラ3は、モータの発電力が、電気デバイス群12の総消費電力と同じとなるように、エンジン回転数Revを設定する。第1制御では、電気デバイス群12が電力を消費するがその消費量以上にモータが発電し、バッテリが充電される。第2制御では、モータが発電する電力は、電気デバイス群12が消費する総電力にほぼ等しく、バッテリの残量CHGは増加しない。しかし、第2制御は、車両の電力系を最低限維持しつつ、インバータの発熱を最も抑えることができる。
【0023】
第1制御で設定されるエンジン回転数Rev1のときのモータの発電力が第1発電力に相当する。第2制御では、エンジンを連続運転しつつ、エンジン回転数をRev1よりも小さい値に設定する。このことは、発電力が第1発電力よりも低い第2発電力となるようにエンジン回転を調整することに対応する。
【0024】
図2の処理は、所定時間毎に繰り返し実行される。バッテリへの充電が行われ、チャージ残量CHGがチャージ閾値CHG_thを上回るまで回復したら、システムコントローラ3は、エンジンを停止し、充電を終了する(S2:NO、S3)。
【0025】
図3に、充電処理中のエンジン回転数Rev、発電力(電流値)、及び、冷媒温度Twtの時間変化を示す。破線が第1制御の場合を示し、実線が第2制御の場合を示す。第1制御ではエンジンを間欠運転する(グラフRev_a参照)。第2制御では、エンジンを連続運転するが、エンジン回転数は、第1制御のエンジン回転数Rev1よりも低く設定される(グラフRev_b参照)。第2制御においてモータが発生する電流Ag_bは、第1制御においてモータが発生する電流Ag_aよりも小さい。第2制御における発生電流Ag_bは、電気デバイス群12の総消費電流にほぼ等しい。第1制御では、エンジン運転時に冷媒温度が上昇するが、エンジン停止時には低下する。しかしエンジン再起動により冷媒温度は再び上昇する(グラフTwt_a参照)。このように第1制御では、冷媒温度は上昇と下降を繰り返しつつ、長期的な傾向としては増加する。これに対して第2制御では冷媒温度は単調に増加するが、その割合は、第1制御の場合よりも小さい(グラフTwt_b参照)。このように第2制御では、発電量は第1制御よりも小さいが、冷媒温度(即ちインバータ温度)の上昇率は第1制御の場合よりも小さく抑えられる。
【0026】
なお、第2制御では、発電量は電気デバイス群12の総消費電流に対応して変化する(図2のステップS7参照)。従って、図3に示すように、第2制御におけるエンジン回転数のグラフRev_bと電流のグラフAg_bは、電気デバイス群12の総消費電流が変化すればそれにつれて変化する。ただし、エンジン回転数は第1制御時のエンジン回転数Rev1よりも低く抑えられる。
【0027】
(第2実施例)次に、第2実施例を説明する。第2実施例のハイブリッド車は、ハードウエア構成は第1実施例と同じである。アイドリング中の充電制御のアルゴリズムが第1実施例とは異なる。図4に、第2実施例におけるアイドリング充電制御のフローチャートを示す。ステップS12及びS13は、図2のステップS2及びS3と同じである。第2実施例の充電制御では、冷媒温度Twtと電気デバイス群12の総消費電流Aout(総消費電力)の関係に応じて第1制御と第2制御を切り換える。図5に制御切り換えのマップの一例を示す。図5の領域1では、システムコントローラ3は、第1制御を選択して実行する(S14:領域1、S15)。図5の領域2では、システムコントローラ3は、第2制御を選択して実行する(S14:領域2、S16)。図5の領域3では、システムコントローラ3は、第1、第2制御は実行せず、エラー処理を実行する(S14:領域3、S17)。
【0028】
図5のマップについて説明する。冷媒温度Twtが下限温度Twt_min以下の領域では、総消費電流Aoutの大きさに関わらずに、システムコントローラ3は常に第1制御を選択し実行する。この領域は、冷媒温度が十分に低いから、インバータの温度上昇を気にする必要はない。冷媒温度Twtが下限温度Twt_minから上限温度Twt_lmtまでの間では、冷媒温度Twtの上昇に伴って総消費電流Aoutが下がる右下がりのグラフの下側領域では第1制御を選択実行し、グラフの上側領域では第2制御を選択実行する。冷媒温度Twtが下限温度Twt_minから上限温度Twt_lmtまでの範囲では、総消費電流が小さければ第1制御を実行し、大きければ第2制御を実行する。冷媒温度Twtが高くなるにつれて、より低い総消費電流にて第2制御へ移行する。冷媒温度Twtが上限温度Twt_lmt以上の領域では、エラー処理を実行する。エラー処理とは、例えば、インパネのワーニングランプを点灯させる、などである。上限温度Twt_lmtは、それ以上の温度となるとインバータに悪影響を及ぼす虞のある温度に設定されている。
【0029】
本明細書が開示する技術に関する留意点をいくつか述べる。図2と図4のフローチャート内の処理において用いられた不等号(「>」又は「<」)は、等号を含むもの(「≧」や「≦」)であってもよい。それらの処理では2個の値を比較することが重要であり、等号を含むか否かは重要ではない点に留意されたい。
【0030】
実施例ではインバータを冷却する冷媒の温度Twtを制御切り換えの指標に用いた。冷媒温度に代えてインバータの温度を制御切り換えの指標に用いてもよい。
【0031】
図2のアイドリング充電処理において、ステップS5は省略してもよい。すなわち、システムコントローラ3は、インバータを冷却する冷媒の温度が所定の温度閾値を下回っている場合には、エンジンを間欠運転しつつ、エンジン運転中の発電力が第1発電力となるようにエンジン回転を調整する第1制御を実行し、冷媒温度が温度閾値を超えた場合に、エンジンを連続運転しつつ発電力が第1発電力よりも低い第2発電力となるようにエンジン回転を変更する第2制御に切り換えてもよい。
【0032】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【0033】
2:エンジン
3:システムコントローラ
4:車両状態センサ
5:モータ
6:パワーコントローラ
7:メインバッテリ
8:サブバッテリ
9:電流センサ
12:電気デバイス群
14:メインケーブル
20:インバータ
21:温度センサ
100:ハイブリッド車

【特許請求の範囲】
【請求項1】
エンジンと、
走行用駆動源と発電機を兼ねるモータと、
モータが発電した電力によって充電されるバッテリと、
発電力を制御するコントローラと、
を備え、コントローラは、
車両が走行可能状態で停止しておりアクセルペダルが踏まれていない間、バッテリが所定のチャージ量となるまで、エンジンを間欠運転しつつ、エンジン運転中の発電力が第1発電力となるようにエンジン回転を調整する第1制御を実行するとともに、
第1制御実行中であって、インバータの温度又はインバータを冷却する冷媒の温度が温度閾値を超えた場合、あるいは、バッテリの電力で動作している電気デバイス群の消費電力が消費電力閾値を超えた場合に、エンジンを連続運転しつつ、発電力が第1発電力よりも低い第2発電力となるようにエンジン回転を調整する第2制御に切り換える、
ことを特徴とするハイブリッド車。
【請求項2】
コントローラは、前記第2発電力が前記消費電力に等しくなるようにエンジン回転を調整することを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド車。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2013−35302(P2013−35302A)
【公開日】平成25年2月21日(2013.2.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−170324(P2011−170324)
【出願日】平成23年8月3日(2011.8.3)
【出願人】(000003207)トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Fターム(参考)】