JP2004208420A

JP2004208420A - 車両制御装置

Info

Publication number: JP2004208420A
Application number: JP2002375065A
Authority: JP
Inventors: Katsura Masuda; 桂増田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2004-07-22
Also published as: DE10360440A1

Abstract

【課題】本発明の目的は、モータ付ターボチャージャによる回生発電電力を電力損失を抑制しつつハイブリッドモータにて消費することのできるハイブリッド車用の車両制御装置を提供すること。
【解決手段】本発明の車両制御装置は、内燃機関１と、車両駆動用のモータ２９と、排気流によってタービン１１ａを回転させて発電を行い得る発電機１１ｂとを備えたハイブリッド車を制御するもので、発電機１１ｂによって発電された電力をモータ２９に直接印可させ得る電力制御手段を備えていることを特徴としている。本発明によれば、発電機による回生発電電力をモータに直接印可させることで、電力損失を抑制してエネルギー効率の良い運用を行うことができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービンの回転を利用して発電を行うことのできる発電機を備えたターボチャージャを備えたハイブリッド車の車両制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年になって省エネルギーや環境保全に対する要望が高まり、このような要望を反映するものの一つとしてハイブリッド車が実用化されている。ハイブリッド車は、従来からの内燃機関と電気モータ（ハイブリッドモータ）とを組み合わせて動力源とするものである。ハイブリッドモータでは、減速時などに回生発電を行って電気エネルギーを回収することも可能となっている。内燃機関及びハイブリッドモータの車載方法としては、シリーズ型やパラレル型、その混成型、など種々のものがあるが、バッテリには内燃機関の出力を用いて発電された電力や上述した回生発電による電力が蓄えられる。
【０００３】
一方、エンジン（内燃機関）の吸入空気をターボチャージャで過給して、高出力（あるいは、低燃費）を得ようとする試みは以前から常用されている。ターボチャージャの改善が要望されている点の一つとして、低回転域の過給圧の立ち上がりが悪く、低回転域でのエンジン出力特性が良好でないというものがある。これは、排気エネルギーを利用して吸入空気を過給するというターボチャージャの原理上、排気エネルギーの少ない低回転域で発生する現象であった。これを改善するために、ツインターボ化などが一般に行われているが、タービン／コンプレッサに電動機（ターボモータ）を組み込んで強制的にタービン／コンプレッサを駆動して所望の過給圧を得ようとする試みもなされている。このようなモータ付ターボチャージャにおいては、ターボモータを発電機として機能させることで、排気エネルギーを利用して回生発電を行わせることも可能である。
【０００４】
このようなモータ付ターボチャージャを有する内燃機関とハイブリッドモータとを有するハイブリッド車としては、［特許文献１］に記載のようなものがある。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−４５８１２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
［特許文献１］に記載のハイブリッド車においては、排気エネルギーによってターボモータで回生発電をさせた電力をハイブリッドモータに供給しようとした場合、電力を一旦バッテリに蓄えてから供給する必要があった。即ち、ターボモータによる発電電力は、バッテリを経由しなければハイブリッドモータに供給できなかった。このため、ターボモータ−バッテリ間、及び、バッテリ−ハイブリッドモータ間で充放電による電力損失を多く生じてしまい、効率が悪化するという現象があり、更なる改善が要望されていた。
【０００７】
従って、本発明の目的は、モータ付ターボチャージャによる回生発電電力を電力損失を抑制しつつハイブリッドモータにて消費することのできるハイブリッド車用の車両制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の車両制御装置は、内燃機関と、車両駆動用のモータと、排気流によってタービンを回転させて発電を行い得る発電機とを備えたハイブリッド車の車両制御装置であり、発電機によって発電された電力をモータに直接印可させ得る電力制御手段を備えていることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の車両制御装置において、電力制御手段は、バッテリの充電状態にかかわらずに、発電機によって発電された電力をモータに印可させ得ることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の制御装置の一実施形態について以下に説明する。本実施形態の制御装置を有するエンジン１を図１に示す。
【００１１】
本実施形態で説明するエンジン１は、多気筒エンジンであるが、ここではそのうちの一気筒のみが断面図として図１に示されている。エンジン１は、インジェクタ２によってシリンダ３内のピストン４の上面に燃料を噴射するタイプのエンジンである。このエンジン１は、成層燃焼が可能であり、いわゆるリーンバーンエンジンである。後述するターボチャージャによってより多くの吸入空気を過給してリーンバーンを行うことによって、高出力化だけでなく低燃費化をも実現し得るものである。
【００１２】
エンジン１は、吸気通路５を介してシリンダ３内に吸入した空気をピストン４によって圧縮し、ピストン４の上面に形成された窪みの内部に燃料を噴射して濃い混合気を点火プラグ７近傍に集め、これに点火プラグ７で着火させて燃焼させ得る（成層燃焼）。吸気行程に燃料噴射すれば、通常の均質燃焼も行える。シリンダ３の内部と吸気通路５との間は、吸気バルブ８によって開閉される。燃焼後の排気ガスは排気通路６に排気される。シリンダ３の内部と排気通路６との間は、排気バルブ９によって開閉される。吸気通路５上には、上流側からエアクリーナ１０、エアフロメータ２７、ターボユニット１１、インタークーラー１２、スロットルバルブ１３などが配置されている。
【００１３】
エアクリーナ１０は、吸入空気中のゴミや塵などを取り除くフィルタである。本実施形態のエアフロメータ２７は、ホットワイヤ式のものであり、吸入空気量を質量流量として検出するものである。ターボユニット１１は、吸気通路５と排気通路６との間に配され、過給を行うものである。本実施形態のターボユニット１１においては、タービン側インペラーとコンプレッサ側インペラーとが回転軸で連結されている（以下、この部分を単にタービン／コンプレッサ１１ａと言うこととする）。
【００１４】
また、本実施形態のターボチャージャは、タービン／コンプレッサ１１ａの回転軸が出力軸となるようにターボモータ１１ｂが組み込まれているモータ付ターボチャージャである。ターボモータ１１ｂは、排気エネルギーを用いて発電する発電機としても機能し得るもので、単にモータ呼ばれるのではなく、モータジェネレータと呼ばれることもある。なお、ターボユニット１１は、排気エネルギーによってのみ過給を行う通常の過給機としても機能し得るが、ターボモータ１１ｂによってタービン／コンプレッサ１１ａを強制的に駆動することでさらなる過給を行うこともできる。
【００１５】
また、排気エネルギーを利用して、タービン／コンプレッサ１１ａを介してターボモータ１１ｂを回転させることで回生発電させ、発電された電力を回収することもできる。ターボモータ１１ｂは、タービン／コンプレッサ１１ａの回転軸に固定されたロータと、その周囲に配置されたステータとを主たる構成部分として有している。吸気通路５上のターボユニット１１の下流側には、ターボユニット１１による過給で圧力上昇に伴って温度が上昇した吸入空気の温度を下げる空冷式インタークーラー１２が配されている。インタークーラー１２によって吸入空気の温度を下げ、充填効率を向上させる。
【００１６】
インタークーラー１２の下流側には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ１３が配されている。本実施形態のスロットルバルブ１３は、いわゆる電子制御式スロットルバルブであり、アクセルペダル１４の操作量をアクセルポジショニングセンサ１５で検出し、この検出結果と他の情報量とに基づいてＥＣＵ１６がスロットルバルブ１３の開度を決定するものである。スロットルバルブ１３は、これに付随して配設されたスロットルモータ１７によって開閉される。また、スロットルバルブ１３に付随して、その開度を検出するスロットルポジショニングセンサ１８も配設されている。
【００１７】
スロットルバルブ１３の下流側には、吸気通路５内の圧力（過給圧・吸気圧）を検出する圧力センサ１９が配設されている。これらのセンサ１５，１８，１９，２７はＥＣＵ１６に接続されており、その検出結果をＥＣＵ１６に送出している。ＥＣＵ１６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等からなる電子制御ユニットである。ＥＣＵ１６には、上述したインジェクタ２、点火プラグ７や、ターボモータ１１ｂ、等が接続されており、これらはＥＣＵ１６からの信号によって制御されている。ＥＣＵ１６には、このほかにも、吸気バルブ８の開閉タイミングを制御する可変バルブタイミング機構２０の油圧や、ターボモータ１１ｂと接続されたコントローラ２１、バッテリ２２なども接続されている。
【００１８】
コントローラ２１は、ターボモータ１１ｂの駆動を制御するだけでなく、ターボモータ１１ｂが回生発電した電力の電圧変換を行うインバータとしての機能も有している。ターボモータ１１ｂによる回生発電電力は、コントローラ２１によって電圧変換された後にバッテリ２２に充電される。また、ターボモータ１１ｂによる回生発電電力は、コントローラ２１によって周波数変換された後に直接後述するハイブリッドモータ２９に印可される場合もある。このとき、コントローラ２１はコンバータとして機能する。即ち、コントローラ２１は、インバータ・コンバータ機能付コントローラである。
【００１９】
一方、排気通路６上には、ターボユニット１１の上流側に、排気空燃比を検出する空燃比センサ２８が配されている。空燃比センサ２８の上述したＥＣＵ１６に接続されており、その検出結果をＥＣＵ１６に送出している。また、ターボユニット１１の下流側には、排気ガスを浄化する排気浄化触媒２３が取り付けられている。そして、排気通路６（空燃比センサ２８の上流側）から吸気通路５（圧力センサ１９の下流側に形成されたサージタンク部）にかけて排気ガスを還流させるためのＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)通路２４が配設されている。
【００２０】
ＥＧＲ通路２４上には、排気ガス還流量を調節するＥＧＲバルブ２５が取り付けられている。ＥＧＲバルブ２５の開度制御も上述したＥＣＵ１６によって行われる。また、エンジン１のクランクシャフト近傍には、クランクシャフトの回転位置を検出するクランクポジショニングセンサ２６が取り付けられている。クランクポジショニングセンサ２６は、クランクポジションの位置からエンジン回転数を検出することもできる。
【００２１】
さらに、上述したコントローラ２１には、ターボモータ１１ｂだけでなく、車両駆動用のハイブリッドモータ２９も接続されている。ハイブリッドモータ２９も、減速時などに回生発電を行い得るもので、ターボモータ１１ｂと同様にモータジェネレータと呼ばれることもある。なお、ハイブリッドモータ２９によって回生発電している際には、駆動輪３１にはブレーキ（回生ブレーキ）がかかるので、これをフットブレーキ（オイルブレーキ）やエンジンブレーキと併用することにより、車両を制動させることができる。ハイブリッドモータ２９も、コントローラ２１（及びＥＣＵ１６）によってその駆動や回生発電が制御されている。
【００２２】
ハイブリッドモータ２９の出力軸とエンジン１の出力軸とは、動力分割機構３０に接続されている。動力分割機構３０は、エンジン１の出力をハイブリッドモータ２９と駆動輪３１とに振り分けている。動力分割機構３０は、ハイブリッドモータ２９からの出力を駆動輪３１に伝達させる役割や、ディファレンシャルギアなどを介して駆動輪３１に伝達される駆動力に関する変速機としての役割も備えている。本実施形態の動力分割機構３０は、プラネタリギアによって上述した機構を実現している。
【００２３】
上述した内燃機関におけるターボモータの回生発電制御について説明する。図２に、本実施形態における制御のフローチャートを示す。
【００２４】
まず、ターボモータ１１ｂによって回生発電を行うための条件が成立しているか否かを判定する（ステップ２００）。この条件は、ターボモータ１１ｂが回生発電を行うべき状態にあるか否かの条件であり、単一条件、又は、複数の条件を「and条件」や「or条件」で組み合わせた複合条件として設定される。ターボモータ１１ｂで発電を行うには、ハイブリッド車のエンジン１が駆動されている必要がある。このような条件もステップ２００の条件の中に含まれる。
【００２５】
ターボモータ１１ｂの回生条件として、具体的には以下のようなものが挙げられる。(1)エンジン１の出力が大きい。これは、排気エネルギーの一部を回生発電にあててエネルギー回収してもエンジン１の出力的に問題がない場合である。(2)定速走行時である。これは、ＥＧＲ量を増やして排ガス浄化率を向上させ得る状況である。回生発電によって排気通路６とＥＧＲ通路２４との結合部分近傍の圧力が増加するので排ガス還流が行われやすくなる。(3)ターボモータ１１ｂの温度が所定値以下である。回生発電で発熱しても過熱のおそれがないための条件となる。
【００２６】
なお、本実施形態の場合、ターボモータ１１ｂによる回生発電は、基本的には回生発電のための更なるエンジン出力が必要とされない領域で行われるようにされており、省エネルギーである。上述したステップ２００が否定されるようであれば、ターボモータ１１ｂで回生発電をさせるべき状況ではないので、図２に示されるフローチャートの制御を一旦終了する。一方、ステップ２００が肯定されるようであれば、ハイブリッドモータ２９が駆動中であるか否かを判定する（ステップ２１０）。ハイブリッドモータ２９の駆動中とは、ハイブリッドモータ２９で車両を走行させている場合か、ハイブリッドモータ２９とエンジン１とで車両を走行させている場合かの何れかである。
【００２７】
ステップ２１０が肯定される場合は、ターボモータ１１ｂで回生発電を行っても、バッテリ２２の充電状態（state of charge : SOC）にかかわらず、発電した電力は必ずハイブリッドモータで消費される。そこで、この場合は、ターボモータ１１ｂで回生発電を行い、その電力をハイブリッドモータ２９に直接印可させる（ステップ２２０）。このようにすれば、バッテリ２２を介さないため電力損失を抑制でき、エネルギー効率の良い運転を行うことができる。バッテリを介する場合には、バッテリへ充電及びバッテリからの放電に伴う損失が発生するが、ステップ２２０のように回生電力をハイブリッドモータ２９に直接印可すればこのような損失を抑制できる。
【００２８】
一方、ステップ２１０が否定される場合は、ハイブリッドモータ２９は駆動されていないので、ターボモータ１１ｂによって回生発電を行っても発電した電力をハイブリッドモータ２９に供給することができない。そこで、この場合はバッテリ２２に充電することとなるが、バッテリ２２が充電し得る状態であるか否かを判定するため、バッテリ２２の充電状態(SOC)が１００％未満であるか否かを判定する（ステップ２３０）。
【００２９】
SOCが１００％未満であれば、ターボモータ１１ｂで回生発電を行い、その電力をバッテリ２２に充電させることでエネルギーの回収を行う（ステップ２４０）。ステップ２３０が否定される場合、即ち、SOCがフル充電状態（SOC≧１００％）にある場合は、ターボモータ１１ｂで回生発電を行っても発電電力を有効に利用できないため、モータターボ１１ｂによる発電を行わないようにする（ステップ２４５）。
【００３０】
なお、本実施形態の場合、ターボモータ１１ｂが出力し得る電力とハイブリッドモータ２９が駆動時に消費する電力とを比較した場合、ハイブリッドモータ２９によって消費される電力の方が絶対的に多い。このため、ターボモータ１１ｂによって発電した電力でハイブリッドモータ２９を駆動する際に、ターボモータ１１ｂによって発電した電力が余るということはない。むしろ、ターボモータ１１ｂによって発電した電力に加えて、バッテリ２２からも電力を供給してハイブリッドモータ２９を駆動する。
【００３１】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態においては、圧力センサ１９とエアフロメータ２７とが併用されていた。しかし、吸気管内圧から吸入空気量を推定するようなシステムが構築できるのであれば、必ずしもエアフロメータ２７を設けなくても良い。あるいは、エアフロメータ２７のみで制御が可能であるなら、圧力センサ１９を設けなくても良い。
【００３２】
また、上述した実施形態では、ターボモータ１１ｂとバッテリ２２とがコントローラ２１を介して接続されていた。しかし、ターボモータとバッテリとが接続されずに、ターボモータとハイブリッドモータとが接続されているような構成としても良い。この構成の場合は、ハイブリッドモータが駆動中であれば、ターボモータの回生発電電力をハイブリッドモータに直接印可して損失を抑制してエネルギーを有効に使用し、ハイブリッドモータが駆動されていない場合は、ターボモータの回生発電を禁止する。このようにすることで、簡素な構成でのエネルギーの回収を可能とすることができる。
【００３３】
また、上述した実施形態のハイブリッド車は、ターボモータとハイブリッドモータとを有していたが、主に発電を担当するモータジェネレータをもう一つ配設しても良い。このモータジェネレータは動力分割機構３０に接続され、エンジン１の出力で発電する。また、上述した実施形態では、エンジン１の出力とハイブリッドモータ２９との出力が、動力分割機構３０によって統合され、同じ駆動輪３１に供給されるものであったが、エンジン１の出力で前輪を駆動し、ハイブリッドモータ２９で後輪を駆動し、エンジン１の出力とハイブリッドモータ２９の出力とが統合され得ないようなシステムのハイブリッド車にも本発明は適用し得る。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の車両制御装置によれば、発電機（ターボモータ）による回生発電電力を車両駆動用モータに直接印可させることで、電力損失を抑制してエネルギー効率の良い運用を行うことができる。ここで、発電機の回生発電電力を車両駆動用モータに直接印可させる際に、バッテリの充電状態にかかわらず印可を行うことで、バッテリ満充電状態であっても回生発電によるエネルギーを利用して車両駆動用のモータを確実に作動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御装置の一実施形態を有するハイブリッド車の構成を示す構成図である。
【図２】本発明の制御装置の一実施形態におけるターボモータによる回生発電制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１…エンジン、２…インジェクタ、３…シリンダ、４…ピストン、５…吸気通路、６…排気通路、７…点火プラグ、８…吸気バルブ、９…排気バルブ、１０…エアクリーナ、１１…ターボユニット、１１ａ…タービン、１１ｂ…ターボモータ（発電機）、１２…インタークーラー、１３…エアクリーナ、１３…スロットルバルブ、１４…アクセルペダル、１５…アクセルポジショニングセンサ、１６…ＥＣＵ、１７…スロットルモータ、１８…スロットルポジショニングセンサ、１９…圧力センサ、２０…可変バルブタイミング機構、２１…コントローラ、２２…バッテリ、２３…排気浄化触媒、２４…ＥＧＲ通路、２５…ＥＧＲバルブ、２６…クランクポジショニングセンサ、２７…エアフロメータ、２８…空燃比センサ、２９…ハイブリッドモータ（車両駆動用モータ）。

Claims

内燃機関と、車両駆動用のモータと、排気流によってタービンを回転させて発電を行い得る発電機とを備えたハイブリッド車の車両制御装置であって、
前記発電機によって発電された電力を前記モータに直接印可させ得る電力制御手段を備えていることを特徴とする車両制御装置。
前記電力制御手段は、バッテリの充電状態にかかわらずに、前記発電機によって発電された電力を前記モータに印可させ得ることを特徴とする請求項１に記載の車両制御装置。