JP2014069785A - ハイブリッド車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車両走行時に発電される電力を最適な範囲に制限することにより、燃費の悪化を最小限に抑える。
【解決手段】本発明のハイブリッド車両は、エンジン１０と電動発電機１３とバッテリ１５とを有し、エンジン１０と電動発電機１３とが協働して走行可能であり、減速中に電動発電機１３により回生発電が可能であるとともに、走行に必要な所要動力以上の出力でエンジン１０を作動させ、所要動力以上の余裕動力で電動発電機１３を作動させながら所要動力で走行する発電走行を行うように構成される。発電走行時に電動発電機１３が発電する電力を補機２４，２６，２７の消費電力に制限する電動発電機制御手段１８を備える。電動発電機制御手段１８は、電動発電機１３における発電トルクの変動率が所定値以上であるとき、変動率が所定値以下になるように電動発電機１３を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンと電動発電機と、その電動発電機に電力を供給するバッテリとを有するハイブリッド車両に関するものである。

従来、エンジンの出力軸にクラッチを介して電動発電機を結合し、この電動発電機の回転駆動力を駆動出力として変速機に伝達し、変速機の駆動出力をディファレンシャル・ギアから駆動車軸に伝達する構造のハイブリッド車両が知られている。このようなハイブリッド車両は、エンジン又は電動発電機のいずれか一方又は双方の回転駆動力により走行するとともに、減速時には電動発電機が車両の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する発電機として作用する。従って、このようなハイブリッド車両は、エンジン及び電動発電機がともに車両を駆動するパラレル走行と、エンジンにより電動発電機を駆動して発電させながら走行する発電走行をとることができる他に、車両減速時に、その減速時における運動エネルギーにより電動発電機を駆動して発電させ（回生発電）、その電気エネルギーをバッテリに充電して回収する減速走行を取り得るとしている。

ここで減速走行の電動発電機による回生発電では、電動発電機に回生トルクが発生する。この回生トルクは、ハイブリッド車両の走行における減速力となりエンジンブレーキと同様に制動力になる。なお、電動発電機の回生トルクは、電動発電機の回生電力に依存する。即ち電動発電機の回生電力が多いほど電動発電機の回生トルクも大きい。そして、ハイブリッド車両における電動発電機の回生トルクは、エンジンブレーキと同様に、制動力になり、減速走行において、この制動力を電気エネルギーとして回収することにより、エネルギーの有効活用が図られるとしている。

一方、発電走行は、バッテリの充電状態（以下では、ＳＯＣ(State of Charge）と称する)に応じて行われる。即ち、バッテリのＳＯＣは、バッテリの寿命に影響を与えるので、そのＳＯＣは所定の範囲に維持されることが好ましい。このため、バッテリからの放電によりＳＯＣがその所定の範囲以下に低下すると、走行に必要な所要動力以上の出力でエンジンを作動させ、その所要動力以上の余裕動力で電動発電機を作動させて発電しながら、その所要動力で走行する発電走行を行うようにしている。そして、電動発電機が故障した場合に、その発電走行を中止することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平９−１０３００１号公報

しかし、バッテリの内部抵抗等により、バッテリの充電には一定のロスが生じることが知られている。このため、ＳＯＣが低下したバッテリを充電させるために、エンジンにより電動発電機を作動させるとすると、バッテリの充電時におけるロスにより、エンジンを駆動させる燃料の消費が増加して、燃費を悪化させてしまう。

その一方、一般的に車両には、電力で駆動するエアコン(air conditioner)等の補機が備えられる。このために、ＳＯＣが低下した走行状態においてエンジンによる発電を行わせないとすると、バッテリに充電された電力がそれらの補機に使用され、その放電によりバッテリのＳＯＣが更に低下して、そのバッテリの寿命を低下させるおそれもある。

本発明の目的は、車両走行時に発電される電力を最適な範囲に制限することにより、燃費の悪化を最小限に抑えることができるハイブリッド車両を提供することにある。

本発明は、エンジンと電動発電機とその電動発電機に電力を供給するバッテリとを有し、エンジン又は電動発電機のいずれか一方又は双方の回転駆動力により走行可能であり、少なくとも減速中に、電動発電機により回生発電が可能であるとともに、所定の条件を満足した場合には、走行に必要な所要動力以上の出力でエンジンを作動させ、所要動力以上の余裕動力で電動発電機を作動させながら所要動力で走行する発電走行を行うハイブリッド車両の改良である。

その特徴ある点は、発電走行時に電動発電機が発電する電力を補機の消費電力に制限する電動発電機制御手段が備えられたところにある。

この場合、電動発電機制御手段は、電動発電機における発電トルクの変動率が所定値以上であるとき、その変動率が所定値以下になるように電動発電機を制御することが好ましい。

本発明のハイブリッド車両では、発電走行時に電動発電機が発電する電力を補機の消費電力に制限する電動発電機制御手段を備えたので、電動発電機により発電された電力は補機により使用される量に留まり、バッテリに充電されることはない。このため、エンジンにより電動発電機を駆動させてバッテリに充電する際に生じるロスの発生を回避することができる。よって、車両走行時にエンジンにより駆動されて電動発電機により発電される電力は最適な範囲に制限されることになり、その走行時における燃費の悪化を最小限に抑えることが可能になる。すると、発電走行時にバッテリに充電されることはないけれども、車両が減速したときに、その運動エネルギーを回生させて、電力としてバッテリに充電することにより、バッテリへの充電を確保することができる。

そして、電動発電機における発電トルクの変動率が所定値以上であるとき、その変動率が所定値以下になるように電動発電機を制御するようにすれば、運転者が感じる操作性が悪化することを防止することができる。

本発明実施形態のハイブリッド車両のブロック構成図である。 その発電走行を開始する所定の条件を示す図である。 その電動発電機制御手段における制御を示す図である。 その補機使用電力が増加する変化と発電トルクとの関係を示す図である。 その補機使用電力が減少する変化と発電トルクとの関係を示す図である。

次に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、ハイブリッド車両１の構成の例を示すブロック図である。このハイブリッド車両１は、半自動トランスミッションの変速機を介したエンジン１０及び電動発電機１３のいずれか一方又は双方によって駆動され、減速時には、電動発電機１３の回生トルクによってエンジン１０のエンジンブレーキのような制動力を発生させることができるものである。

即ち、このハイブリッド車両１は、エンジン１０、エンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）１１、クラッチ１２、電動発電機１３、インバータ１４、バッテリ１５、トランスミッション１６、電動発電機ＥＣＵ１７、ハイブリッドＥＣＵ１８を有する。なお、トランスミッション１６は、上述したように、半自動のものであって、マニュアルトランスミッションと同じ構成を有しながら変速操作を自動的に行うことができるものである。

エンジン１０は、内燃機関の一例であり、エンジンＥＣＵ１１によって制御され、ガソリン、軽油、ＣＮＧ(Compressed Natural Gas)、ＬＰＧ(Liquefied Petroleum Gas)、又は代替燃料等を内部で燃焼させて、軸を回転させる動力を発生させ、発生した動力をクラッチ１２に伝達するように構成される。このエンジン１０を制御するエンジンＥＣＵ１１は、ハイブリッドＥＣＵ１８からの指示に従うことにより、電動発電機ＥＣＵ１７と連携動作するコンピュータであり、燃料噴射量やバルブタイミングなど、エンジン１０を制御する。例えば、エンジンＥＣＵ１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、マイクロプロセッサ（マイクロコンピュータ）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などにより構成され、内部に、演算部、メモリ、及びＩ／Ｏ（Input/Output）ポートなどを有する。

クラッチ１２は、クラッチアクチュエータ２１により制御される油圧に従って、クラッチブースタ２２により機械的に制御されるものを例示する。クラッチアクチュエータ２１はハイブリッドＥＣＵ１８からの電気信号により制御される。クラッチ１２は、エンジン１０からの軸出力を、電動発電機１３及びトランスミッション１６を介して図示しない車輪に伝達する。即ち、クラッチ１２は、ハイブリッドＥＣＵ１８の制御によって、エンジン１０の回転軸と電動発電機１３の回転軸とを機械的に接続することにより、エンジン１０の軸出力を電動発電機１３に伝達したり、又は、エンジン１０の回転軸と電動発電機１３の回転軸との機械的な接続を切断することにより、エンジン１０の軸と、電動発電機１３の回転軸とが互いに異なる回転速度で回転できるようにする。

電動発電機１３は、いわゆる、モータジェネレータであり、インバータ１４から供給された電力により、軸を回転させる動力を発生させて、その軸出力をトランスミッション１６に供給するか、又はトランスミッション１６から供給された軸を回転させる動力によって発電し、その電力をインバータ１４に供給するものである。

インバータ１４は、電動発電機ＥＣＵ１７によって制御され、バッテリ１５からの直流電力を交流電力に変換するか、又は電動発電機１３からの交流電力を直流電力に変換するものである。電動発電機１３が動力を発生させる場合、インバータ１４は、バッテリ１５の直流電力を交流電力に変換して、電動発電機１３に電力を供給し、電動発電機１３が発電する場合、インバータ１４は、電動発電機１３からの交流電力を直流電力に変換するように構成される。即ち、インバータ１４は、バッテリ１５に直流電力を供給するための整流器及び電圧調整装置としての役割を果たすものである。

バッテリ１５は、充放電可能な二次電池であり、電動発電機１３が動力を発生させるとき、電動発電機１３にインバータ１４を介して電力を供給するか、又は電動発電機１３が発電しているとき、電動発電機１３が発電する電力によって充電される。このバッテリ１５には、バッテリＥＣＵ２３を介してハイブリッドＥＣＵ１８に接続される。このバッテリＥＣＵ２３は、そのバッテリ１５におけるＳＯＣを検出してハイブリッドＥＣＵ１８に出力するものであり、ハイブリッドＥＣＵ１８は、このバッテリＥＣＵ２３によりバッテリ１５のＳＯＣ情報を取得できるように構成される。バッテリ１５には、適切なＳＯＣの範囲が決められており、ＳＯＣがその範囲を外れないように管理されるものである。

また、このハイブリッド車両１は、補機として、電力で駆動するエアコン２４やその他の一般電装品２６を備え、この実施の形態では冷凍機２７をも備えるものとする。これらの補機２４，２６，２７は、インバータ１４とバッテリ１５の間の直流回線２８にＤＣ−ＤＣコンバータ２９を介して接続され、バッテリ１５からの直流電力、又は電動発電機１３により発電されてインバータ１４により変換された直流電力により駆動するように構成される。ここでＤＣ−ＤＣコンバータ２９は、インバータ１４とバッテリ１５の間の直流回線２８における電圧を補機２４，２６，２７に使用可能な電圧に変換するものである。

電動発電機ＥＣＵ１７は、ハイブリッドＥＣＵ１８からの指示に従うことにより、エンジンＥＣＵ１１と連携動作するコンピュータであり、インバータ１４を制御することによって電動発電機１３を制御するように構成される。そして、この電動発電機ＥＣＵ１７は、例えば、ＣＰＵ、ＡＳＩＣ、マイクロプロセッサ（マイクロコンピュータ）、ＤＳＰなどにより構成され、内部に、演算部、メモリ、及びＩ／Ｏポートなどを有するものが使用される。

ハイブリッドＥＣＵ１８は、コンピュータの一例であり、ＣＰＵ、ＡＳＩＣ、マイクロプロセッサ（マイクロコンピュータ）、ＤＳＰなどにより構成され、内部に、演算部、メモリ、及びＩ／Ｏポートなどを有するものが使用される。このハイブリッドＥＣＵ１８、エンジンＥＣＵ１１、バッテリＥＣＵ２３及び電動発電機ＥＣＵ１７は、ＣＡＮ（Control Area Network）などの規格に準拠したバスなどにより相互に接続される。そして、ハイブリッドＥＣＵ１８によって実行されるプログラムは、ハイブリッドＥＣＵ１８の内部の不揮発性のメモリにあらかじめ記憶しておくことで、コンピュータであるハイブリッドＥＣＵ１８にあらかじめインストールされる。

ハイブリッドＥＣＵ１８は、ハイブリッド走行のために、アクセル開度情報、ブレーキ操作情報、車速情報、及びトランスミッション１６から取得したギア位置情報、エンジンＥＣＵ１１から取得したエンジン回転速度情報を取得して、これを参照して、エンジン１０もしくは電動発電機１３、又はエンジン１０と電動発電機１３とが協働して走行させるパラレル走行と、エンジン１０により電動発電機１３を駆動して発電させながら走行する発電走行をとるように構成される。このパラレル走行にあって、ハイブリッドＥＣＵ１８は、取得したアクセル開度情報やその他の情報に基づき電動発電機ＥＣＵ１７に対して電動発電機１３及びインバータ１４の制御指示を与え、エンジンＥＣＵ１１に対してエンジン１０の制御指示を与える。

このパラレル走行にあって、ハイブリッドＥＣＵ１８に制御されるクラッチ１２は、エンジン１０の回転軸と電動発電機１３の回転軸とを機械的に接続するように構成される。また、パラレル走行であっても、電動発電機１３の駆動力によってハイブリッド車両１が走行している場合、エンジン１０を停止又はアイドリング状態とするために、クラッチ１２は、エンジン１０の回転軸と電動発電機１３の回転軸との機械的な接続を切断するように構成される。

また、ハイブリッドＥＣＵ１８は、上述したアクセル開度情報やブレーキ操作情報等から、ハイブリッド車両１が減速状態である時には、その減速時における運動エネルギーにより電動発電機１３を発電させて、その電気エネルギーをバッテリ１５に充電して回収する減速走行を取るように構成される。即ち、この減速走行では、電動発電機１３は、発電機として動作し、トランスミッション１６から供給された軸を回転させる動力によって発電して、電力をインバータ１４に供給し、バッテリ１５を充電するように構成される。ここで、発電している状態の電動発電機１３は、回生電力に応じた大きさの回生トルクを発生することになる。このように電動発電機１３が発電している（電力回生している）場合、ハイブリッドＥＣＵ１８は、必要に応じて、クラッチ１２を介してエンジン１０の回転軸と電動発電機１３の回転軸との機械的な接続を切断し、エンジン１０を停止又はアイドリング状態にさせる。

そして、本発明の特徴ある構成は、エンジン１０により電動発電機１３を駆動して発電させながら走行する発電走行時に、その電動発電機１３が発電する電力をバッテリ１５以外の補機２４，２６，２７の消費電力に制限するところにある。このため、本発明では、インバータ１４とバッテリ１５の間の直流回線２８の、ＤＣ−ＤＣコンバータ２９が接続された部位とバッテリ１５の間に電流計３１が介装される。この電流計３１の検出出力はハイブリッドＥＣＵ１８の入力に接続され、ハイブリッドＥＣＵ１８は、この電流計３１からの検出出力により、バッテリ１５が充電状態であるか、又は放電状態であるかを検出可能に構成される。

そして、ハイブリッドＥＣＵ１８は、所定の発電走行条件を満足した場合に、走行に必要な所要動力以上の出力でエンジン１０を作動させ、その所要動力以上の余裕動力で電動発電機１３を作動させながらその所要動力で走行する発電走行を行う。この実施の形態における所定の発電走行条件とは、図２に示すように、取得したバッテリ１５のＳＯＣが所定の発電開始ＳＯＣより下回ったことを検出し、かつハイブリッド車両１がパラレル走行状態である場合に、そのパラレル走行に代えて発電走行を開始する。従って、減速走行状態から発電走行状態となることはない。

この発電走行状態では、ハイブリッドＥＣＵ１８は、取得したバッテリ１５のＳＯＣ情報や、その他の情報に基づき電動発電機ＥＣＵ１７に対して電動発電機１３及びインバータ１４の制御指示を与え、エンジンＥＣＵ１１に対してエンジン１０の制御指示を与える。これにより走行に必要な所要動力以上の出力でエンジン１０を作動させ、その所要動力以上の余裕動力で電動発電機１３を作動させる。電動発電機１３が作動して発電が行われると、インバータ１４は、電動発電機１３からの交流電力を直流電力に変換し、その後バッテリ１５に充電され又はＤＣ−ＤＣコンバータ２９を介して各種の補機２４，２６，２７にて使用されることになる。ここで、バッテリ１５に充電されるか否かは電流計３１により検出される。この実施の形態では、電流計３１がプラスであれば充電状態とされ、マイナスであれば放電状態とされるものとする。

図３に示すように、この発電走行状態におけるハイブリッドＥＣＵ１８は、電動発電機１３が発電する電力をバッテリ１５以外の補機２４，２６，２７の消費電力に制限するために、電流計３１からの検出出力を入力して、その値が所定の値Ｘの絶対値を超えるか否かを判断する。

具体的に、その電流値がマイナスＸを越えていれば（Ｓ０１）、補機２４，２６，２７により使用されてバッテリ１５から放電されている状態を意味するので、電動発電機１３による発電トルクを増加させるように制御する（Ｓ０２）。これにより、電動発電機１３の発電量を増やしてバッテリ１５からの放電を抑制し、バッテリ１５におけるＳＯＣが更に低下することを防止する。逆に、その電流値がＸを越えていれば（Ｓ０３）、バッテリ１５への充電を意味するので電動発電機１３による発電トルクを低下させるように制御して（Ｓ０４）、その発電量を減少させてバッテリ１５に充電されることを防止する。従って、ハイブリッドＥＣＵ１８や電動発電機ＥＣＵ１７は、発電走行時に電動発電機１３が発電する電力をバッテリ１５以外の補機２４，２６，２７の消費電力に制限するように制御する点で、本発明における電動発電機制御手段といえる。

これにより、電動発電機１３により発電されてインバータ１４により変換された直流電力の量は補機２４，２６，２７により使用される量に留まり、エンジン１０により電動発電機１３を駆動させてバッテリ１５に充電する際に生じるロスの発生を回避することができる。このように、車両１の発電走行時における発電量を最適な範囲に制御することにより、燃費の悪化を最小限に抑えることが可能になる。一方、この発電走行時にバッテリ１５に充電されることはないけれども、車両が減速したときの減速走行において、その運動エネルギーを回生させて、電力としてバッテリ１５に充電することにより、バッテリ１５への充電量は確保されることになる。

また、電動発電機制御手段であるハイブリッドＥＣＵ１８は、電流値から求めた発電トルクの単位時間における変化量が所定の値Ｙの絶対値を超えるか否かを次に判断する。

具体的に説明すると、例えば、図４（ａ）に示すように、補機２４，２６，２７により使用される電力が急激に増加したとすると、バッテリ１５から放電は短時間に増加する。特に、この実施の形態では、補機としての冷凍機２７を備えるため、停止状態であった冷凍機が稼働すると、それにより使用される電力が急激に増加することは有り得る。すると、それらの補機２４，２６，２７の消費電力に電動発電機１３が発電する電力を一致させるべく、電動発電機１３における発電トルクも図４（ｂ）の破線で示すように単位時間に増加する。けれども、この急激な増加量に沿って発電トルクを急激に上昇させると、車両を走行させる運転者に急な制動を生じさせたような感覚を生じさせることになり、好ましくない。このため、図３に戻って、このように、発電トルクの変化量がＹを越えていれば（Ｓ０５）、その増加量を図４（ｂ）の実線で示す所定の値Ｙに限定して、発電トルクを徐々に上昇させ（Ｓ０６）、運転者が感じる操作性が悪化することを防止するものである。

逆に、図５（ａ）に示すように、補機２４，２６，２７により使用される電力が急激に減少したとすると、バッテリ１５への充電量が短時間に増加する。例えば、補機としての冷凍機２７を備えるため、稼働状態であった補機としての冷凍機２７が停止すると、それにより使用される電力が急激に減少することは有り得る。すると、それらの補機２４，２６，２７の消費電力に電動発電機１３が発電する電力を一致させるべく、電動発電機１３における発電トルクも図５（ｂ）の破線で示すように短時間に減少する。けれども、この急激な減少量に沿って発電トルクを急激に減少させると、車両を走行させる運転者に急な加速を生じさせたような感覚を生じさせることになり、好ましくない。このため、図３に戻って、このように、発電トルクの変化量がマイナスＹを越えていれば（Ｓ０７）、その減少量を図５（ｂ）の実線で示す所定の値マイナスＹに限定して、発電トルクを徐々に減少させ（Ｓ０８）、運転者が感じる操作性が悪化することを防止するものである。

なお、上述した実施の形態では、ハイブリッドＥＣＵ１８や電動発電機ＥＣＵ１７が、発電走行時に電動発電機１３が発電する電力を補機２４，２６，２７の消費電力に制限するように制御する電動発電機制御手段である場合を説明したけれども、この電動発電機制御手段は、他のＥＣＵが兼ねるようにしても良い。

また、上述した実施の形態では、エンジン１０がクラッチ１２を介して電動発電機１３に連結されたハイブリッド車両１を例示したけれども、エンジン１０や電動発電機１３の配置はこれに限られない。このため、パラレル走行、発電走行及び減速走行が可能である限り、エンジン１０と電動発電機１３の間にクラッチ１２を設けることを必要としない。

１ ハイブリッド車両
１０ エンジン
１３ 電動発電機
１５ バッテリ
１８ ハイブリッドＥＣＵ（電動発電機制御手段）

Claims (2)

1. エンジン(10)と電動発電機(13)と前記電動発電機(13)に電力を供給するバッテリ(15)とを有し、前記エンジン又は前記電動発電機のいずれか一方又は双方の回転駆動力により走行可能であり、少なくとも減速中に前記電動発電機(13)により回生発電が可能であるとともに、所定の条件を満足した場合には、走行に必要な所要動力以上の出力で前記エンジン(10)を作動させ、前記所要動力以上の余裕動力で前記電動発電機(13)を作動させながら前記所要動力で走行する発電走行を行うハイブリッド車両において、
   前記発電走行時に前記電動発電機(13)が発電する電力を補機(24,26,27)の消費電力に制限する電動発電機制御手段(18)が備えられた
   ことを特徴とするハイブリッド車両。
2. 前記電動発電機制御手段(18)は、電動発電機(13)における発電トルクの変動率が所定値以上であるとき、前記変動率が所定値以下になるように電動発電機(13)を制御する請求項１記載のハイブリッド車両。

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