JP2017166463A

JP2017166463A - エンジン始動装置

Info

Publication number: JP2017166463A
Application number: JP2016055233A
Authority: JP
Inventors: 高松　直義; Naoyoshi Takamatsu; 直義高松; 賢樹岡村; Sakaki Okamura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2017-09-21

Abstract

【課題】低温時のバッテリの電力不足を補うことができるエンジン始動装置を提供する。
【解決手段】エンジン始動装置は、エンジン２の始動に使用するバッテリ１２と、エンジン２の始動の際にバッテリ１２の出力不足を補助するキャパシタ１３とを備え、キャパシタ１３の残存容量ｃＳＯＣが所定の目標値に維持されるようにキャパシタ１３の残存容量ｃＳＯＣを制御する。上記目標値として、エンジン２が停止する際に低温時に使用される低温時目標値と通常時に使用される通常時目標値とが設けられ、低温時目標値は通常時目標値よりも高い値である。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの始動に使用するバッテリとバッテリを補助するキャパシタとを備えたエンジン始動装置に関する。

エンジン始動装置として、イグニッションスイッチがオフに切り替えられる際に、メインバッテリの充電状態が下限値を下回る場合、充電状態が目標値に達するまでエンジンの運転状態を継続したままオルタネータが発電駆動してからエンジンを停止する装置が知られている（特許文献１）。

特開２００８−１８０２０７号公報

特許文献１の装置は、エンジン停止時に次のエンジン始動に必要なバッテリの残存容量を確保するものであるが、残存容量を確保できても環境温度が低い場合はバッテリの内部抵抗が高くなるためエンジン始動の際に電力不足となるおそれがある。

そこで、本発明は、低温時のバッテリの電力不足を補うことができるエンジン始動装置を提供することを目的とする。

本発明のエンジン始動装置は、エンジンの始動に使用するバッテリと、前記エンジンの始動の際に前記バッテリの出力不足を補助するキャパシタと、前記キャパシタの残存容量が目標値に維持されるように前記キャパシタの残存容量を制御する制御手段と、を備え、前記目標値として、前記エンジンが停止する際に環境温度が所定温度よりも低い低温時に使用される低温時目標値と、前記エンジンが停止する際に前記環境温度が前記所定温度以上の通常時に使用される通常時目標値とが設けられ、かつ、前記低温時目標値は前記通常時目標値よりも高い値である、ことを特徴とするものである。

本発明のエンジン始動装置によれば、エンジンが停止する際にキャパシタの残存容量が所定の目標値となるように制御されるので、次のエンジンの始動の際にキャパシタによってバッテリの電力不足を補助できる。しかも、キャパシタの残存容量の目標となる低温時目標値が通常時目標値よりも高い値であるので、通常時のキャパシタの負担が低温時よりも小さいことでキャパシタの劣化を抑制しつつ低温時におけるエンジンの始動に必要なキャパシタの電力を確保できる。

本発明の一形態に係るエンジン始動装置が適用された車両の全体構成を模式的に示した図。図１のＨＶＥＣＵが電力分配を決める際の機能ブロック図。本発明の一形態に係る制御ルーチンの一例を示したフローチャート。キャパシタの特性評価回路を示した図。比較例に係る電流、キャパシタ電圧、及び出力電力の時間的変化を示した図。本形態に係る電流、キャパシタ電圧、及び出力電力の時間的変化を示した図。本形態の動作例を示したタイムチャート。通常時目標値の他の例を示した図。

図１に示すように、車両１は、内燃機関として構成されたエンジン２と、２つのモータ・ジェネレータ３、４とを備えたハイブリッド車両として構成されている。エンジン２及び第１モータ・ジェネレータ３は遊星歯車機構として構成された動力分割機構５に連結されている。エンジン２の動力は動力分割機構５によって分割され、分割された動力の一方が第１モータ・ジェネレータ３による発電に利用され、残りの動力は動力分割機構５から出力される。第１モータ・ジェネレータ４は発電機として機能することが多いが、エンジン２を始動する際のモータリング（クランキング）に利用される。動力分割機構５と駆動輪７との間の動力伝達経路には第２モータ・ジェネレータ４が設けられている。第２モータ・ジェネレータ４は、エンジン２だけでは不足する動力の補助、電気自動車モードの実施、及び車両減速時に発電する回生制御の実施等に利用される。

各モータ・ジェネレータ３、４は三相交流型のモータ・ジェネレータとして構成されており、第１モータ・ジェネレータ３には第１インバータ１１が、第２モータ・ジェネレータ４には第２インバータ１１がそれぞれ電気的に接続されている。各インバータ１１、１２は電気回路Ｅｃの主正母線ＭＰＬ及び主負母線ＭＮＬに並列接続されている。主正母線ＭＰＬと主負母線ＭＮＬとの間には平滑コンデンサＣが設けられている。

電気回路Ｅｃにはバッテリ１２とキャパシタ１３とが設けられている。バッテリ１２は、例えば鉛バッテリ、ニッケル水素バッテリ、リチウムイオンバッテリ、燃料電池等の低温特性が比較的悪い蓄電デバイスである。また、キャパシタ１３は、例えば電気２重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ等の低温特性が比較的良い蓄電デバイスである。バッテリ１２は第１正極線ＰＬ１及び第１負極線ＰＮ１を介して第１コンバータ１５に、キャパシタ１３は第２正極線ＰＬ２及び第２負極線ＰＮ２を介して第２コンバータ１６にそれぞれ接続される。

各コンバータ１５、１６は主正母線ＭＰＬ及び主負母線ＭＮＬに並列接続されている。各インバータ１１は電気回路Ｅｃから供給される直流電力を交流変換して各モータ・ジェネレータ３、４に出力する。一方、各モータ・ジェネレータ３、４が発電する交流電力は各インバータ１１、１２にて直流変換されて電気回路Ｅｃに出力される。

車両１には、各部を制御するＨＶＥＣＵ２０と、ＨＶＥＣＵ２０に管理されエンジン２を制御するエンジンＥＣＵ２１と、バッテリ１２及びキャパシタ１３の放電及び充電等を制御する電池ＥＣＵ２２とが設けられている。

ＨＶＥＣＵ２０は、エンジンＥＣＵ２１や不図示の各種センサから送信される信号、走行状況及びアクセル開度などに基づいて車両要求パワーを算出し、その算出した車両要求パワーに基づいてエンジン２のエンジンパワーの目標値を算出するとともに各モータ・ジェネレータ３、４のトルク目標値及び回転数目標値を算出する。ＨＶＥＣＵ２０は、エンジンパワーの目標値をエンジンＥＣＵ２１に送り、エンジンＥＣＵ２１にエンジン２を目標値に制御させるとともに、各モータ・ジェネレータ３の発生トルク及び回転数が目標値となるように駆動信号ＰＷＭ１、ＰＷＭ２を生成し、その生成した駆動信号ＰＷＭ１、ＰＷＭ２をそれぞれ第１インバータ１１及び第２インバータ１２へ出力して各インバータ１１、１２を制御する。

電池ＥＣＵ２２はバッテリ１２及びキャパシタ１３のそれぞれの電圧Ｖｂ、Ｖｃ、電流Ｉｂ、Ｉｃ、温度Ｔｂ、Ｔｃを、電圧センサ２５、電流センサ２６及び温度センサ２７の出力信号に基づいて取得し、これらの物理量に基づいてバッテリ１２の残存容量ＳＯＣを計算するとともに、キャパシタ１３の残存容量ｃＳＯＣを計算する。そして、これらの残存容量ＳＯＣ、ｃＳＯＣを各温度Ｔｂ、ＴｃととともにＨＶＥＣＵ２０に送る。詳しくは後述するが、ＨＶＥＣＵ２０は、電池ＥＣＵ２２から送られた各種情報に基づいてバッテリ１２及びキャパシタ１３が出力する電力配分を決定し、その配分に基づいた電力が各インバータ１１、１２に供給されるように駆動信号Ｐ１、Ｐ２を生成し、駆動信号Ｐ１を第１コンバータ１５に、駆動信号Ｐ２を第２コンバータ１６にそれぞれ出力して各コンバータ１５、１６を制御する。

図２はＨＶＥＣＵ２０がバッテリ１２及びキャパシタ１３の電力配分を決定する際にその内部に論理的に構成される機能ブロック図を示している。図２に示すように、電圧指令生成部２０ａは各モータ・ジェネレータ３、４のモータトルクＴｍｇ及び回転数Ｎｍｇに基づいて電圧指令ＶＨ＊を計算して出力する。電圧指令生成部２０ａから出力された電圧指令ＶＨ＊と、図１に示した電圧センサ２８で測定されたインバータ電圧の測定値ＶＨとの差分がＰＩ部２０ｂに送られ、ＰＩ部２０ｂは電力指令Ｐ＊を出力して電流指令分配部２０ｃに送る。分配率生成部２０ｄはモータトルクＴｍｇ、回転数Ｎｍｇ、電池ＥＣＵ２２から得た各種情報ＳＯＣ、Ｔｂ、ｃＳＯＣ、Ｔｃに基づいて、バッテリ１２及びキャパシタ１３の電力配分を決めるための分配率Ｋ＊を計算し、これを電流指令分配部２０ｃに送る。第１制限値生成部２０ｅは電池ＥＣＵ２２から得たバッテリ１２の残存容量ＳＯＣ及び温度Ｔｂに基づいて第１入力制限値Ｗｉｎ１及び第１出力制限値Ｗｏｕｔ１を生成し、これらを電流指令分配部２０ｃに送る。第２制限値生成部２０ｆは電池ＥＣＵ２２から得たキャパシタ１３の残存容量ｃＳＯＣ及び温度Ｔｃに基づいて第２入力制限値Ｗｉｎ２及び第２出力制限値Ｗｏｕｔ２を生成し、これらを電流指令分配部２０ｃに送る。

電流指令分配部２０ｃは、電力指令Ｐ＊、分配率Ｋ＊、第１入力制限値Ｗｉｎ１、第１出力制限値Ｗｏｕｔ１、第２入力制限値Ｗｉｎ１、及び第２入力制限値Ｗｏｕｔ２に基づいて、バッテリ１２の電流指令Ｉｂ＊とキャパシタ１３の電流指令Ｉｃ＊を算出し、これらを出力する。出力された電流指令Ｉｂ＊と電流センサ２６で測定されたバッテリ１２の電流の測定値Ｉｂと差分がＰＩ部２０ｇに送られ、ＰＩ部２０ｇは第１デューティー比ｄｕｔｙ１を出力して第１ＰＷＭ部２０ｈに送る。第１ＰＷＭ部２０ｈは第１デューティー比ｄｕｔｙ１を変調し第１指令信号Ｐ１を生成して第１コンバータ１５を制御する。一方、出力された電流指令Ｉｃ＊と電流センサ２６で測定されたキャパシタ１３の電流の測定値Ｉｃと差分がＰＩ部２０ｉに送られ、ＰＩ部２０ｉは第２デューティー比ｄｕｔｙ２を生成して第１ＰＷＭ部２０ｊに送る。第２ＰＷＭ部２０ｊは第２デューティー比ｄｕｔｙ２を変調し第２指令信号Ｐ２を生成して第２コンバータ１６を制御する。これにより、エンジン２の始動時などにバッテリ１２の出力が不足した場合にその出力不足をキャパシタ１２で補助できる。

図１に示したＨＶＥＣＵ２０は、上記の各指令信号Ｐ１、Ｐ２に基づいて各コンバータ１５、１６を操作することによってバッテリ１２及びキャパシタ１３の充放電を行い、バッテリ１２及びキャパシタ１３の残存容量ＳＯＣ、ｃＳＯＣが目標値に維持されるようにこれらを制御する。本形態は、エンジン２が停止する際に、次のエンジン始動時にバッテリ１２単独では始動が困難となる低温時において、キャパシタ１３の残存容量ｃＳＯＣの目標値として低温時以外に使用する通常時目標値よりも高い低温時目標値を使用する点に特徴がある。

ＨＶＥＣＵ２０は上記制御を実現するため例えば図３の制御ルーチンを実行する。図３の制御ルーチンのプログラムはＨＶＥＣＵ２０に予め記憶されており適時に読み出されて繰り返し実行される。ステップＳ１において、ＨＶＥＣＵ２０はエンジン２の停止要求の有無を判定し、停止要求がある場合はステップＳ２に、停止要求がない場合はステップＳ５に処理を進める。ステップＳ２において、ＨＶＥＣＵ２０はバッテリ１２の温度Ｔｂが所定温度（例えば、−２０℃）よりも低い低温時か否かを判定する。低温時の場合はステップＳ３に、低温時でない場合、すなわちバッテリ１２の温度Ｔｂが所定温度以上の通常時の場合はステップＳ５にそれぞれ処理を進める。ステップＳ３において、ＨＶＥＣＵ２０はキャパシタ１３の残存容量ｃＳＯＣが低温時目標値よりも小さいか否かを判定し、残存容量ｃＳＯＣが低温時目標値よりも小さい場合はステップＳ４に、低温時目標値以上の場合はステップＳ５にそれぞれ処理を進める。

ステップＳ４において、ＨＶＥＣＵ２０は、エンジン２の出力を利用してキャパシタ１３を低温時目標値まで充電する。これにより、低温時においてはキャパシタ１３の残存容量ｃＳＯＣが通常時に比べて高い状態に維持されることになる。一方、ステップＳ５において、ＨＶＥＣＵ２０は、低温時目標値よりも低い値の通常時目標値までキャパシタ１３に対して充電又は放電する充放電制御を行う。これにより、通常時においてはキャパシタの残存容量ｃＳＯＣが通常時目標値に維持される。そして、ステップＳ６において、ＨＶＥＣＵ２０はエンジン２を停止する。

このように、図３の制御ルーチンを実行することにより、環境温度が低い低温時にはエンジン２の停止の際に次の始動時に備えてキャパシタ１３の残存容量ｃＳＯＣを通常時よりも高くしておくことができる。しかも、通常時には通常時目標値を使用するため通常時のキャパシタ１３の負担を軽減できるので、キャパシタ１３の劣化を抑制できる。ＨＶＥＣＵ２０は、図３の制御ルーチンを実行することにより本発明に係る制御手段として機能する。

図４に示すように、一般的なキャパシタＣａｐの特性評価回路を推定し、キャパシタＣａｐの内部抵抗をＲ、開回路電圧をＯＣＶ、回路に流れる電流をＩｃとすると、キャパシタＣａｐの端子電圧は次の式１の通りとなる。

端子電圧＝ＯＣＶ−Ｒ×Ｉｃ …１

一般に、キャパシタはバッテリと異なり残存容量に応じて電圧が増減する特性がある。キャパシタは低温時にはバッテリほどではないが内部抵抗が通常時に比べて大きくなる。例えば、図５Ａの比較例に示すように、同じ電流Ｉｃを回路に流した場合、初期の残存容量が少ないと、キャパシタ１３の電圧が下限値を超えてしまうので（下限割れ）、所望の出力電力を取り出すことができなくなるおそれがある。これに対して、図５Ｂの本形態の場合は、低温時においてキャパシタ１３の残存容量が通常時よりも高くなるため、電流Ｉｃを流すことによってキャパシタ１３の電圧が低下しても、下限値を超えずに出力電圧を取り出すことができ、しかもキャパシタ１３の残存容量が高い状態が低温時に限られるので劣化を抑制できる。

図６は、エンジン２の停止要求がされてからエンジン２が停止し、駐車を経て始動要求に応じて再始動が行われる際の、各種パラメータの時間的変化を通常時及び低温時のそれぞれについて示している。図示するように、通常時においては停止要求があると速やかにエンジン回転数が低下してエンジン２は停止に至る。その間、バッテリ１２は残存容量が目標値に維持されるように制御されているので、バッテリ出力及び残存容量ＳＯＣはいずれも変化なく一定である。同様に、キャパシタ１３も残存容量ｃＳＯＣが通常時目標値に維持されるので、キャパシタ出力及び残存容量ｃＳＯＣはいずれも変化なく一定である。その後、駐車を経て始動要求があると、エンジン２のモータリングが開始され、それに伴ってバッテリ１２の出力が通常時の出力制限Ｗｏｕｔ１を超えない限度で上昇し、その出力の上昇に伴ってバッテリ１２の残存容量ＳＯＣは低下する。図６の通常時の例ではバッテリ１２が単独で始動可能であったため、キャパシタ１３の補助は不要であり、その出力及び残存容量ｃＳＯＣに変化はない。

これに対して、低温時においては停止要求があるとエンジン２を直ちに停止させずに運転を継続する。その間、キャパシタ１３は残存容量ｃＳＯＣが低温目標値に至るまでエンジン２の出力を利用して充電されるので、キャパシタ１３の出力は充電側に変化するともに、キャパシタ１３の残存容量ｃＳＯＣは低温目標値に向かって上昇する。一方、バッテリ１２は残存容量が目標値に維持されるように制御されているので、バッテリ出力及び残存容量ＳＯＣはいずれも変化なく一定である。その後、駐車を経て始動要求があると、エンジン２のモータリングが開始され、それに伴ってバッテリ１２の出力が上昇するが、低温時の出力制限Ｗｏｕｔ１を超えないように制限される。その制限による出力の不足をキャパシタ１３で補助するため、キャパシタ１３の出力は放電側に変化する。キャパシタ１３の放電に伴い、キャパシタ１３の残存容量ｃＳＯＣは減少することになる。このように、キャパシタ１３の残存容量ｃＳＯＣが通常時目標値よりも高い低温時目標値に至るまで充電され、次の始動時に備えて通常時よりも残存容量ｃＳＯＣが高められている。これにより、エンジン２の停止後の次の始動時にバッテリ１２の出力不足を十分に補うことができる。また、低温時目標値を使用するのが低温時に限られているためキャパシタ１３の劣化も抑制できる。

本発明は上記形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。上記形態では、図３のステップＳ１においてエンジン２の停止要求の有無を判断しているが、この処理の代わりに、車両１の駐車が予測されるパーキングレンジへのシフト操作の有無を判断する処理を用いることも可能である。

また、上記形態の車両１の走行時におけるキャパシタ１３の残存容量ｃＳＯＣの管理は従来技術と同様でよい。例えば、残存容量ｃＳＯＣの目標となる通常時目標値を一定に保持してもよいし、図７のように、車速が高くなるほど通常時目標値の値が低下するように変化させても構わない。

上記形態は本発明がハイブリッド車両に適用されたものであるが、内燃機関の他に走行用駆動源を持たないコンベンショナル車両に適用された形態で本発明を実施することもできる。

２エンジン
１２バッテリ
１３キャパシタ
２０ＨＶＥＣＵ（制御手段）
ＳＯＣバッテリの目標残量
ｃＳＯＣキャパシタの目標残量

Claims

エンジンの始動に使用するバッテリと、
前記エンジンの始動の際に前記バッテリの出力不足を補助するキャパシタと、
前記キャパシタの残存容量が所定の目標値に維持されるように前記キャパシタの残存容量を制御する制御手段と、を備え、
前記目標値として、前記エンジンが停止する際に環境温度が所定温度よりも低い低温時に使用される低温時目標値と、前記エンジンが停止する際に前記環境温度が前記所定温度以上の通常時に使用される通常時目標値とが設けられ、かつ、前記低温時目標値は前記通常時目標値よりも高い値である、ことを特徴とするエンジン始動装置。