JP5267171B2

JP5267171B2 - ハイブリッド車両の冷却装置

Info

Publication number: JP5267171B2
Application number: JP2009022414A
Authority: JP
Inventors: 茂樹木野村; 誠平井; 博人日下; 保亀嶋; 直人弓指
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2029-02-03
Also published as: JP2010180713A

Description

本発明は、電動ウォーターポンプを備えるハイブリッド車両の冷却装置に関する。

ハイブリッド車両などにおいて、電動ウォーターポンプ（以下、「電動ＷＰ」と表記する。）の停止による暖機を行う場合、冷却水通路内の場所によって冷却水温度に偏りが生じて、電動ＷＰの作動開始直後における冷却水温度センサ値が急変するおそれがある。そうすると、一般的に、当該センサ値を引数にして暖気判定やマップ切り替えなどを行っているため、当該センサ値が急変すると、エンジン制御への影響が懸念される。これを回避するために、エンジン停止中に電動ＷＰも停止させていた場合に、エンジン作動前に予め電動ＷＰを作動させて冷却水の混合を促進することで、エンジン作動後における冷却水温度センサ値を安定させ、制御を安定させる技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００４−１０８１５９号公報

冷却水通路内の場所による冷却水温度の偏りがほとんど無いような場合は、エンジン始動後にセンサ値が急変する可能性が低いと言えるが、上記した特許文献１に記載された技術では、基本的には、このような場合にも電動ＷＰを作動させていた。そのため、無駄に電力を消費してしまう場合があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、内燃機関の停止中における、電動ＷＰによる電力消費量を適切に低減することが可能なハイブリッド車両の冷却装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの観点では、電動ウォーターポンプによって冷却水を循環させることで冷却を行うハイブリッド車両の冷却装置は、内燃機関の停止中において当該内燃機関の始動が予測される場合に、前記冷却水が冷却水通路内において混合されるように、当該冷却水が低流量にて流れるよう前記電動ウォーターポンプを作動させる制御を行う電動ウォーターポンプ制御手段と、前記電動ウォーターポンプ制御手段による前記制御によって、前記冷却水が混合された後の冷却水温度を予測する冷却水温度予測手段と、現在の冷却水温度と前記冷却水温度予測手段によって予測された冷却水温度との差が所定値以下である場合、前記内燃機関の始動が予測される場合であっても、当該内燃機関の停止中における前記電動ウォーターポンプの作動を禁止する電動ウォーターポンプ作動禁止手段と、を備える。

上記のハイブリッド車両の冷却装置は、ハイブリッド車両に適用され、電動ウォーターポンプによって冷却水を循環させる。電動ウォーターポンプ制御手段は、内燃機関の始動（作動）が予測される場合に、冷却水が冷却水通路内において混合されるように、低流量にて電動ウォーターポンプを制御する。冷却水温度予測手段は、冷却水が混合された後の冷却水温度を予測する。電動ウォーターポンプ作動禁止手段は、現在の冷却水温度と予測された冷却水温度との差が所定値以下である場合、内燃機関の始動が予測される場合であっても、当該内燃機関の停止中における電動ウォーターポンプの作動を禁止する。こうするのは、当該温度差が低いような場合には、冷却水通路内の場所による冷却水温度の偏りがほとんど無いと言え、内燃機関の始動後にセンサ値が急変する可能性が低いと考えられるからである。つまり、このような場合には、電動ウォーターポンプを作動させる必要はないと考えられるからである。

上記のハイブリッド車両の冷却装置によれば、電動ウォーターポンプの無駄な作動を効果的に抑制することができる。よって、電動ウォーターポンプによる電力消費量を適切に低減することが可能となる。

本実施形態におけるハイブリッド車両の概略構成図を示す。本実施形態におけるハイブリッド車両の冷却装置の概略構成図を示す。第１実施形態における制御フローを示す。第２実施形態における制御フローを示す。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
［装置構成］
図１は、本実施形態におけるハイブリッド車両１００の概略構成図を示す。なお、図中の破線矢印は、信号の入出力を示している。

ハイブリッド車両１００は、主に、エンジン（内燃機関）１と、車軸２０と、駆動輪３０と、第１のモータジェネレータＭＧ１と、第２のモータジェネレータＭＧ２と、動力分割機構４０と、インバータ５０ａ、５０ｂと、バッテリ６０と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）７０と、を備える。

車軸２０は、エンジン１及び第２のモータジェネレータＭＧ２の動力を車輪３０に伝達する動力伝達系の一部である。車輪３０は、ハイブリッド車両１００の車輪であり、説明の簡略化のため、図１では特に左右前輪のみが表示されている。エンジン１は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンで構成され、ハイブリッド車両１００の主たる推進力を出力する動力源として機能する。エンジン１は、ＥＣＵ７０によって種々の制御が行われる。

第１のモータジェネレータＭＧ１は、主としてバッテリ６０を充電するための発電機、或いは第２のモータジェネレータＭＧ２に電力を供給するための発電機として機能するように構成されており、エンジン１の出力により発電を行う。第２のモータジェネレータＭＧ２は、主としてエンジン１の出力をアシスト（補助）する電動機として機能するように構成されている。これらのモータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２は、例えば同期電動発電機として構成され、外周面に複数個の永久磁石を有するロータと、回転磁界を形成する三相コイルが巻回されたステータとを備える。

動力分割機構４０は、サンギヤやリングギヤなどを有して構成されるプラネタリギヤ（遊星歯車機構）に相当し、エンジン１の出力を第１のモータジェネレータＭＧ１及び車軸２０へ分配することが可能に構成されている。

インバータ５０ａは、バッテリ６０と第１のモータジェネレータＭＧ１との間の電力の入出力を制御する直流交流変換機であり、インバータ５０ｂは、バッテリ６０と第２のモータジェネレータＭＧ２との間の電力の入出力を制御する直流交流変換機である。例えば、インバータ５０ａは、第１のモータジェネレータＭＧ１によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ６０に供給し、インバータ５０ｂは、バッテリ６０から取り出した直流電力を交流電力に変換して第２のモータジェネレータＭＧ２に供給する。

バッテリ６０は、第１のモータジェネレータＭＧ１及び／又は第２のモータジェネレータＭＧ２を駆動するための電源として機能することが可能に構成されると共に、第１のモータジェネレータＭＧ１及び／又は第２のモータジェネレータＭＧ２が発電した電力を充電可能に構成された蓄電池である。なお、以下では、第１のモータジェネレータＭＧ１と第２のモータジェネレータＭＧ２との区別をしないで用いる場合には、単に「モータジェネレータＭＧ」と表記する。

ＥＣＵ７０は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）などを備え、ハイブリッド車両１００内の各構成要素に対して種々の制御を行う。詳細は後述するが、ＥＣＵ７０は、本発明における電動ウォーターポンプ制御手段、冷却水温度予測手段、及び電動ウォーターポンプ作動禁止手段として機能する。

次に、図２を参照して、本実施形態におけるハイブリッド車両の冷却装置９０について説明する。図２は、ハイブリッド車両の冷却装置９０の概略構成図を示す。図２においては、実線矢印は冷却水の流れの一例を示しており、破線矢印は信号の入出力を示している。また、太線で表した実線（符号７で示す）は、冷却水が流れる冷却水通路を示している。

ハイブリッド車両の冷却装置９０は、主に、エンジン１と、ヒータコア２ａと、ヒータブロア２ｂと、ラジエータ３と、サーモスタット４と、電動ウォーターポンプ（電動ＷＰ）５と、排気熱回収器６ａと、ＥＧＲクーラ６ｂと、冷却水通路７と、冷却水温度センサ１０と、ＥＣＵ７０と、を有する。

ハイブリッド車両の冷却装置９０は、上記したようなハイブリッド車両１００に搭載され、冷却水通路７に設けられた構成要素（エンジン１、ヒータコア２ａ、排気熱回収器６ａ、ＥＧＲクーラ６ｂなど）と冷却水との間で熱交換を行うことで、冷却したり暖機したりするシステムである。

エンジン１は、前述したように、燃料と空気との混合気を燃焼させることによって、車両における動力を発生する装置である。エンジン１には冷却水通路７が形成されており、当該冷却水通路７を通過する冷却水とエンジン１との間で熱交換が行われることで、エンジン１の冷却若しくは暖機が行われる。

ヒータコア２ａは、内部を通過する冷却水によって、車室内の空気を暖める装置であり、ヒータブロア２ｂは、ヒータコア２ａで暖められた空気を車室内に送風する装置である。具体的には、ヒータコア２ａにはヒータブロア２ｂから取り込まれた車室内の空気が供給され、このようにヒータコア２ａに供給された空気は、冷却水と熱交換することで暖められて、ヒータブロア２ｂより吹き出される。

ラジエータ３は、内部を通過する冷却水を外気によって冷却する装置である。この場合、電動ファン（不図示）の回転により導入された風によって、ラジエータ３内の冷却水の冷却が促進される。サーモスタット４は、冷却水温度に応じて開閉する弁によって構成される。基本的には、サーモスタット４は、冷却水温度が比較的低温である場合には閉弁することでラジエータ３への冷却水の供給を遮断し、冷却水温度が比較的高温となったときに開弁してラジエータ３へ冷却水を供給する。

電動ＷＰ５は、電動式のモータを備えて構成され、このモータの駆動により冷却水を冷却水通路７内で循環させる。電動ＷＰ５は、ＥＣＵ７０から供給される制御信号Ｓ５によって制御される。具体的には、電動ＷＰ５における動作のオン／オフや、電動ＷＰ５内のモータの回転数などが制御される。なお、電動ＷＰ５は、エンジン回転数に関係なく、運転状態を変更することができる。

排気熱回収器６ａは、冷却水通路７上に設けられていると共に、エンジン１の排気ガスが通過する排気通路（不図示）上に設けられており、冷却水と排気ガスとの間で熱交換を行うことで排気熱を回収する。ＥＧＲクーラ６ｂは、冷却水通路７上に設けられていると共に、ＥＧＲガスが通過するＥＧＲ通路（不図示）上に設けられており、冷却水とＥＧＲガスとの間で熱交換を行うことでＥＧＲガスを冷却する。

冷却水温度センサ１０は、エンジン１のヘッドの下流側における冷却水通路７上に設けられおり、当該箇所での冷却水温度（以下、単に「水温」とも表記する。）を検出する。冷却水温度センサ１０は、検出した冷却水温度に対応する検出信号Ｓ１０をＥＣＵ７０に供給する。

ここで、ＥＣＵ７０が電動ＷＰ５に対して行う基本制御について簡単に説明を行う。ＥＣＵ７０は、基本的には、エンジン１が作動している際において、冷却水温度センサ１０が検出した冷却水温度に基づいて、電動ＷＰ５の停止許可と停止禁止とを実施する。具体的には、ＥＣＵ７０は、冷却水温度が所定温度以下（例えば７０℃以下）である場合には電動ＷＰ５の停止を許可し、冷却水温度が所定温度以上（例えば９０℃以上）である場合には電動ＷＰ５の停止を禁止する。

また、ＥＣＵ７０は、エンジン１の停止中などにおける電動ＷＰ５を停止させるモード（以下、「電動ＷＰ停止モード」と呼ぶ。）から、エンジン１の始動後などにおける電動ＷＰ５を作動させるモード（以下、「電動ＷＰ作動モード」と呼ぶ。）へ切り替えるまでの間、冷却水が低流量で流れるように電動ＷＰ５を作動させる（以下、このようなモードを「低流量モード」と呼ぶ）。

このように低流量モードを用いる理由は、以下の通りである。基本的には、エンジン１本体の暖気のためには電動ＷＰ５を停止することが望ましい。しかしながら、トリップ中において何度も電動ＷＰ５を停止／作動を繰り返す場合、電動ＷＰ５を停止させている状態（つまり、冷却水の流量が概ね０である状態）では、冷却水通路７内（以下、単に「系統内」とも呼ぶ。）の冷却水温度の偏りが冷却水温度センサ１０に反映されない場合がある。そのため、冷却水温度センサ１０に基づいて電動ＷＰ５における停止／作動の判定を行っても、系統内に冷却水温度センサ１０で検出している水温よりも高水温箇所が存在し、沸騰するおそれがある。特に、排気熱回収器６ａを搭載する場合には、エンジン１と排気熱回収器６ａとの二箇所に受熱箇所が存在するため、電動ＷＰ停止モードから電動ＷＰ作動モードに切り替える際に、冷却水温度センサ１０のセンサ値の挙動が不安定になる可能性がある。

したがって、ＥＣＵ７０は、電動ＷＰ停止モードから電動ＷＰ作動モードへ切り替えるまでの間、電動ＷＰ５作動後の水温急変を適切に防止するために、低流量にて電動ＷＰ５を作動させる低流量モードを設けている。なお、エンジンヘッドや排気熱回収器６ａは高水温となる傾向にあり、冷却水通路７の配管やヒータコア２ａ内は低水温となる傾向にあるので、冷却水が混合するまで水温急変しやすいと言える。
［制御方法］
次に、ＥＣＵ７０が電動ＷＰ５に対して行う制御の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態では、ＥＣＵ７０は、上記した低流量モードにおいて、予測されるエンジン１の作動状態に応じて、エンジン１の間欠運転中における電動ＷＰ５の作動許可／作動禁止についての判定を実施する。具体的には、ＥＣＵ７０は、エンジン１が頻繁に作動することが予測されるような場合には、電動ＷＰ５の作動を許可する。これに対して、ＥＣＵ７０は、エンジン１の作動頻繁が大幅に低下することが予測されるような場合には、電動ＷＰ５の作動を禁止する。

こうする理由は、以下の通りである。ハイブリッド車両１００においては、トリップ中にエンジン１を停止することが行われる、つまり間欠運転が行われる。このような間欠運転中は、エンジン１からの受熱が発生しないため、電動ＷＰ５を作動させる必要はないとも考えられる。一方で、電動ＷＰ５の停止からの作動後に、再度の電動ＷＰ５の停止を行うためには、系統内における冷却水の混合を速やかに行うことが望ましいと言える。これは、早期に系統内の冷却水温度の偏りを減少させて、冷却水温度センサ１０のセンサ値に基づいて、再度の電動ＷＰ５の停止許可／停止禁止の判定を適切に行う必要があるからである。そのため、間欠運転中においては、基本的には、前述したような低流量モードが設定される。しかしながら、例えばトリップ中に再度のエンジン作動が発生しないと予測されるような場合には、電動ＷＰ５を作動させる必要はないと言える。逆に、このような場合において、電動ＷＰ５を作動させると無駄に電力を消費してしまい、燃費悪化の要因になると言える。

したがって、第１実施形態では、低流量モードにおいて、予測されるエンジン１の作動状態に応じて、エンジン１の間欠運転中における電動ＷＰ５の作動許可／作動禁止についての判定を実施する。具体的には、ＥＣＵ７０は、エンジン１の作動頻繁が大幅に低下することが予測される場合には（例えばプラグインハイブリッド車両等のように、エンジン作動頻度が大幅に低下し、トリップ中に再度のエンジン作動が発生しないような場合）、間欠運転中における電動ＷＰ５の作動を禁止する。こうすることにより、電動ＷＰ５による無駄なエネルギー消費を抑えることが可能となる。

これに対して、ＥＣＵ７０は、エンジン１が頻繁に作動することが予測される場合には、間欠運転中における電動ＷＰ５の作動を許可する。こうすることにより、早期に系統内の冷却水を混合させることができ、再度の電動ＷＰ５の停止許可／停止禁止の判定を適切に行うことが可能となる。なお、ＥＣＵ７０は、電動ＷＰ５の作動後において、冷却水温度が所定温度以下（例えば７０℃以下）に低下した場合には、再度、電動ＷＰ５の停止許可を出す。

次に、図３を参照して、第１実施形態における制御フローについて説明する。この制御フローは、エンジン１の間欠運転中において、ＥＣＵ７０によって繰り返し実行される。

まず、ステップＳ１０１では、ＥＣＵ７０は、低流量モードを開始する。つまり、冷却水が低流量で流れるように電動ＷＰ５を作動させるモードに設定する。そして、処理はステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、ＥＣＵ７０は、エンジン１の作動が予測されるか否かを判定する。１つの例では、ＥＣＵ７０は、予測されるエンジン１の作動頻度が所定以上であるか否かに応じて、当該判定を行う。他の例では、ＥＣＵ７０は、過去所定期間の車両要求パワー平均値や、現段階のバッテリ６０の充電状態（ＳＯＣ）や、バッテリ６０の放電制限値（Ｗｏｕｔ）などに基づいて、当該判定を行う。この場合、ＥＣＵ７０は、バッテリ６０の放電可能電力以上に車両要求パワーが発生する場合や、ＳＯＣが低下している場合や、Ｗｏｕｔが低い場合に、エンジン１が作動すると予測する（なお、Ｗｏｕｔが低い場合には、エンジン要求増大に伴いエンジン１が作動すると予測する）。

エンジン１の作動が予測される場合（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１０３に進む。この場合には、ＥＣＵ７０は、早期の系統内冷却水の混合を優先すべく、電動ＷＰ５の作動を許可する（ステップＳ１０３）。そして、処理は終了する。

これに対して、エンジン１の作動が予測されない場合（ステップＳ１０２；Ｎｏ）、処理はステップＳ１０４に進む。この場合には、ＥＣＵ７０は、電動ＷＰ５による無駄なエネルギー消費を抑制すべく、電動ＷＰ５の作動を禁止する（ステップＳ１０４）。そして、処理は終了する。

以上説明した第１実施形態によれば、無駄な電動ＷＰ５の作動を抑制することができると共に、冷却水を早期に混合することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、ＥＣＵ７０は、エンジン１の間欠運転中において、低流量モードにて冷却水が混合された後の冷却水温度を予測し、現在の冷却水温度と予測された冷却水温度との温度差が所定値以下である場合、エンジン１の作動（始動）が予測される場合であっても電動ＷＰ５の作動を禁止する点で、第１実施形態と異なる。こうするのは、当該温度差が低いような場合には、冷却水通路７内の場所による冷却水温度の偏りがほとんど無いと言え、エンジン１の始動後にセンサ値が急変する可能性が低いと考えられるからである。つまり、このような場合には、電動ＷＰ５を作動させる必要はないと考えられるからである。したがって、第２実施形態では、現在の冷却水温度と予測された冷却水温度との温度差が所定値以下である場合には、電動ＷＰ５による無駄なエネルギー消費を抑制すべく、電動ＷＰ５の作動を禁止する。

更に、第２実施形態では、ＥＣＵ７０は、間欠運転中において、電動ＷＰ５が流した冷却水の積算流量が、系統内の冷却水量相当分を上回った場合、電動ＷＰ５の作動を禁止する。つまり、ＥＣＵ７０は、低流量モードにおいて系統一周分以上の冷却水が循環された場合に、電動ＷＰ５の作動を禁止する。このような場合には、冷却水が十分に混合して、水温の偏りが低減しているものと考えられるからである。

次に、図４を参照して、第２実施形態における制御フローについて説明する。この制御フローは、エンジン１の間欠運転中において、ＥＣＵ７０によって繰り返し実行される。

ステップＳ２０１、Ｓ２０２の処理は、前述したステップＳ１０１、Ｓ１０２の処理と同様であるため（図３参照）、その説明を省略する。

ステップＳ２０３では、ＥＣＵ７０は、低流量モードでの積算流量が所定量未満であるか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ７０は、電動ＷＰ５が流した冷却水の積算流量が、系統内の冷却水量相当分を上回っていないか否かを判定する。言い換えると、系統一周分以上の冷却水が循環されていないか否かを判定する。例えば、当該判定で用いられる所定量は「５（Ｌ）」に設定される。

積算流量が所定量未満である場合（ステップＳ２０３；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ２０４に進む。これに対して、積算流量が所定量以上である場合（ステップＳ２０３；Ｎｏ）、処理はステップＳ２０６に進む。この場合には、ＥＣＵ７０は、冷却水が十分に混合したものと考えられるので、電動ＷＰ５による無駄なエネルギー消費を抑制すべく、電動ＷＰ５の作動を禁止する（ステップＳ２０６）。そして、処理は終了する。

ステップＳ２０４では、ＥＣＵ７０は、低流量モードにて冷却水が混合された後の冷却水温度を予測し、現在の冷却水温度と予測された冷却水温度との温度差が所定値以下であるか否かを判定する。つまり、混合後における予測水温変動が所定値以下であるか否かを判定する。当該判定に用いられる所定値は、暖機条件やラジエータ３の電動ファンの作動条件などを考慮して、制御・燃費が悪化しないように設定される。これは、エンジン暖機条件と判定される冷却水温度（例えば７０℃）から、強制冷却のために電動ファンが作動開始する冷却水温度（例えば９０℃）の間で制御できれば、エンジン１の作動中であっても、制御上特に問題とならないといった考えに基づいている。例えば、所定値は「±１０℃」に設定される。

混合後の予測水温変動が所定値以下である場合（ステップＳ２０４；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ２０６に進む。この場合には、電動ＷＰ５を作動させる必要はないと考えられるので、電動ＷＰ５による無駄なエネルギー消費を抑制すべく、電動ＷＰ５の作動を禁止する（ステップＳ２０６）。そして、処理は終了する。

これに対して、混合後の予測水温変動が所定値より大きい場合（ステップＳ２０４；Ｎｏ）、処理はステップＳ２０６に進む。この場合には、電動ＷＰ５を作動させて、早期の系統内冷却水の混合を優先すべく、電動ＷＰ５の作動を許可する（ステップＳ２０５）。そして、処理は終了する。

以上説明した第２実施形態によれば、より効果的に、電動ＷＰ５の無駄な作動を抑制することができる。よって、電動ＷＰ５による無駄なエネルギー消費を効果的に抑制することが可能となる。

１エンジン
２ａヒータコア
３ラジエータ
４サーモスタット
５電動ウォーターポンプ（電動ＷＰ）
６ａ排気熱回収器
７冷却水通路
１０冷却水温度センサ
６０バッテリ
７０ＥＣＵ
９０ハイブリッド車両の冷却装置
１００ハイブリッド車両

Claims

電動ウォーターポンプによって冷却水を循環させることで冷却を行うハイブリッド車両の冷却装置であって、
内燃機関の停止中において当該内燃機関の始動が予測される場合に、前記冷却水が冷却水通路内において混合されるように、当該冷却水が低流量にて流れるよう前記電動ウォーターポンプを作動させる制御を行う電動ウォーターポンプ制御手段と、
前記電動ウォーターポンプ制御手段による前記制御によって、前記冷却水が混合された後の冷却水温度を予測する冷却水温度予測手段と、
現在の冷却水温度と前記冷却水温度予測手段によって予測された冷却水温度との差が所定値以下である場合、前記内燃機関の始動が予測される場合であっても、当該内燃機関の停止中における前記電動ウォーターポンプの作動を禁止する電動ウォーターポンプ作動禁止手段と、を備えることを特徴とするハイブリッド車両の冷却装置。