JP7647538B2

JP7647538B2 - 車両の制御装置

Info

Publication number: JP7647538B2
Application number: JP2021207077A
Authority: JP
Inventors: 博人日下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2025-03-18
Anticipated expiration: 2041-12-21
Also published as: US20230192066A1; JP2023092081A; US12214773B2

Description

本発明は、車両の制御装置に関する。

特許文献１には、電力変換器のスイッチング素子のスイッチング速度を大気圧が低いほど低速に設定し、サージ電圧抑制によってモータの耐電圧（モータ耐圧）を確保する電力変換器の制御装置が開示されている。

特開２０１７－０２８９００号公報

スイッチング速度を低下させることで、スイッチング素子の発熱量が増大する。そのため、このスイッチング素子の発熱量を抑制するために、モータトルクを制限することが考えられる。しかしながら、このモータトルク制限によって、車両が走行するために必要な出力の要求値である車両要求出力を確保できないおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、サージ電圧の上昇を抑えつつ、車両要求出力を確保することができる車両の制御装置を提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る車両の制御装置は、エンジンと、蓄電装置の電力を走行用の回転電機の駆動電力に変換する電力変換器とを備え、前記エンジンの発生するトルクのみによって車両が走行する第１走行モード、前記エンジンを停止させて前記回転電機の発生するトルクのみによって走行する第２走行モード、及び、前記エンジンと前記回転電機との両方のトルクによって走行する第３走行モードを選択的に実行して走行可能な車両の制御装置であって、前記車両の周囲の気圧とシステム電圧とが、前記気圧と前記システム電圧との関係を示す予め設定されたマップの所定領域にある場合には、前記電力変換器が有するスイッチング素子のスイッチング速度を通常よりも低下させ、且つ、前記エンジンを運転させた上で前記回転電機のトルクを制限して、前記第３走行モードを実行することを特徴とするものである。

これにより、サージ電圧の上昇を抑えつつ、車両要求出力を確保することができる。

また、上記において、前記所定領域では、前記エンジンの間欠運転を禁止するようにしてもよい。

これにより、回転電機のトルクが制限されても、エンジンを連続運転させることにより、エンジンのトルクによって車両要求出力をより確実に確保することができる。

本発明に係る車両の制御装置は、サージ電圧の上昇を抑えつつ、車両要求出力を確保することができるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係る車両の制御装置が適用される車両の概略構成を示した図である。図２は、低地及び高地におけるモータ耐圧について示した図である。図３は、気圧とシステム電圧との関係を示す予め設定されたマップを表した図である。

以下に、本発明に係る車両の制御装置の一実施形態について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、実施形態に係る車両の制御装置が適用される車両１０の概略構成を示した図である。図１に示すように、実施形態に係る車両１０は、第１回転電機（ＭＧ１）２１、第２回転電機２２（ＭＧ２）及びエンジン２３を備えたハイブリッド車両である。なお、図１に示した車両１０では、２つの回転電機を備えているが、これに限定されるものではなく、例えば、車両走行用の駆動力を出力可能な１つの回転電機と、エンジン２３とを備えた構成であってもよい。言い換えると、実施形態に係る車両１０は、回転電機からの駆動力（トルク）のみで走行可能、エンジン２３からの駆動力（トルク）のみで走行可能、且つ、回転電機とエンジン２３との両方からの駆動力（トルク）によって走行可能、に構成されていればよい。

第１回転電機２１及び第２回転電機２２はそれぞれ、回転磁界を発生させる三相巻線（コイル）を備えるステータ、及び、その回転磁界との間の磁気力によってトルクを発生させる永久磁石を備えるロータ、を有する。第１回転電機２１及び第２回転電機２２のそれぞれは、電動機として動作するとともに発電機として動作することも可能な所謂モータ・ジェネレータである。

第１回転電機２１は、主に発電機として用いられる。第１回転電機２１は更に、エンジン２３の始動時にエンジン２３のクランキングを行う。なお、第１回転電機２１が「エンジン２３に対して作用するトルク」を発生させ、クランキングを行うことは（エンジン２３のクランクシャフトを回転させる）ことは「モータリング」とも称呼される。

第２回転電機２２は、主に電動機として用いられ、車両１０の駆動力（車両１０を走行させるためのトルク）を発生することができる。

エンジン２３は、例えば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関である。エンジン２３には、エンジン２３をクランキングするスタータモータ２４が設けられている。エンジン２３も第２回転電機２２と同様に、車両１０の駆動力（車両１０を走行させるためのトルク）を発生することができる。

車両１０は、動力分割機構３１を有する。動力分割機構３１は遊星歯車機構である。すなわち、動力分割機構３１は、図示しないサンギア、このサンギアと同心円状に配置された図示しないリングギア、サンギアに噛合するとともにリングギアにも噛合する図示しない複数のピニオンギア、及び、複数のピニオンギアを自転可能且つサンギアの回りに公転可能な状態で保持する図示しないピニオンキャリア、を備える。

サンギアには第１回転電機２１の出力軸がトルク伝達可能に連結されている。ピニオンキャリアにはエンジン２３のクランクシャフトがトルク伝達可能に連結されている。リングギアには減速機構３２を介して第２回転電機２２の出力軸がトルク伝達可能に連結されている。更に、第２回転電機２２の出力軸は、減速機構３２を介して車軸３３とトルク伝達可能に連結されている。車軸３３は、ディファレンシャルギア３４を介して駆動輪３５とトルク伝達可能に連結されている。

エンジン２３と動力分割機構３１との間にはトーショナルダンパ３６が介装されている。トーショナルダンパ３６は、エンジン２３側の軸と動力分割機構３１側の軸とを弾性体を介してそれぞれ回転可能に結合させ、エンジン２３が発生するトルクの変動を吸収するようになっている。

車両１０は、更に、バッテリ４１、昇圧コンバータ４２及び電力変換器であるインバータ４３を備えている。バッテリ４１は、蓄電装置であって、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの充放電が可能な二次電池である。バッテリ４１の出力した直流電力は、昇圧コンバータ４２により電圧変換（昇圧）される。その電圧変換された直流電力は、インバータ４３でのスイッチング素子のスイッチング動作により交流電力に変換され、第１回転電機２１及び第２回転電機２２へ供給される。

一方、第１回転電機２１と第２回転電機２２との少なくとも一方が発電機として動作するとき、これらによって発電された交流電力はインバータ４３でのスイッチング素子のスイッチング動作により直流電力に変換される。更に、その変換された直流電力は、昇圧コンバータ４２により電圧変換（降圧）され、バッテリ４１に供給される。この結果、バッテリ４１が充電される。或いは、第１回転電機２１が発電した交流電力は、インバータ４３を介して第２回転電機２２へと供給される。

車両１０は、大気圧を検出するための気圧検出センサ６１を備えている。気圧検出センサ６１は、車両１０の周囲の大気圧に応じた検出信号を制御装置１００に出力する。なお、以下の説明においては、大気圧を単に気圧とも記す。なお、本実施形態において、車両１０の周囲の大気圧の検出方法としては、気圧検出センサ６１による大気圧の検出に限定されるものではなく、例えば、車両１０に搭載されたカーナビゲーションシステムや高度計などを用いて、現在の車両１０の位置における標高から大気圧を推定してもよい。

制御装置１００は、車両１０を制御するための複数のＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）を有する。すなわち、制御装置１００は、第１回転電機２１及び第２回転電機２２を制御するＭＧ－ＥＣＵ、エンジン２３を制御するエンジン－ＥＣＵ及びバッテリ４１の監視などを行うバッテリ－ＥＣＵなどを有する。制御装置１００は、エンジン２３の発生するトルクのみによって車両１０が走行する第１走行モードであるエンジン走行モード、エンジン２３を停止させて第２回転電機２２の発生するトルクのみによって走行する第２走行モードであるモータ走行モード、及び、エンジン２３と第２回転電機２２との両方のトルクによって走行する第３走行モードであるハイブリッド走行モードなどを選択的に実行するようになっている。

なお、ＥＣＵは、マイクロコンピュータを主要部として備える電気制御装置であり、図示しないＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）を介して相互に情報を送信可能及び受信可能に接続されている。マイクロコンピュータは、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、不揮発性メモリ及びインターフェースＩ／Ｆなどを有する。ＣＰＵはＲＯＭに格納されたインストラクション（プログラム、ルーチン）を実行することにより各種機能を実現するようになっている。これらのＥＣＵは、幾つか又は全部が一つのＥＣＵに統合されてもよい。

アクセル開度センサ５１は、アクセルペダル５２の操作量を検出し、この操作量を表す信号を出力するようになっている。制御装置１００は、アクセルペダル５２の操作量及び車速などに基づいて、車両１０を駆動するために、第１回転電機２１、第２回転電機２２及びエンジン２３などを制御する。

図２は、低地及び高地におけるモータ耐圧について示した図である。図２では、低地（標高が低い位置）と高地（標高が高い位置）とで、車両１０のシステム電圧とサージ電圧とが同じ場合における第２回転電機２２の耐電圧であるモータ耐圧について示している。なお、システム電圧は、第２回転電機２２を駆動するインバータ４３に供給される電力の電圧である。なお、システム電圧は、図示されない電圧センサによって検出される。また、サージ電圧は、インバータ４３を介してバッテリ４１から第２回転電機２２に電力を供給する際に、インバータ４３での連続したスイッチング動作によって生じるオーバーシュートした電圧である。

図２に示すように、モータ耐圧は、低地から高地になるにつれて、言い換えると、気圧が小さくなるにつれて小さくなる。そのため、低地ではシステム電圧とサージ電圧との合計電圧よりモータ耐圧が高くても、高地ではシステム電圧とサージ電圧との合計電圧がモータ耐圧を超過してしまう場合がある。そのため、実施形態に係る車両１０においては、制御装置１００が気圧とシステム電圧とに応じて車両１０の動作モードを切り替える制御を実施する。

図３は、気圧とシステム電圧との関係を示す予め設定されたマップを表した図である。実施形態に係る車両１０では、図３の気圧とシステム電圧との関係を示す予め設定されたマップのように、気圧検出センサ６１が検出した気圧と、システム電圧との関係に対応させて、領域（１）～領域（４）の動作モードが設定されている。そして、制御装置１００は、気圧とシステム電圧とに応じて領域（１）～領域（４）のいずれかの動作モードに切り替えて、車両１０を走行させる制御を実施する。

ここで、領域（１）は、システム損失が最適となるスイッチング速度で、第２回転電機２２をトルク制限なく使用できる動作モードの領域である（第２回転電機２２の通常動作領域）。領域（２）は、インバータ４３のスイッチング損失及び素子熱は悪化するが、素子熱が成立する範囲内でスイッチング速度を低速化し、第２回転電機２２をトルク制限なく使用できる動作モードの領域である（インバータ４３のスイッチング速度切り替え（低速化）領域）。なお、素子熱とは、インバータ４３でのスイッチング動作によって発生するスイッチング素子の熱である。領域（３）は、スイッチング速度を低速化した上で、第２回転電機２２のトルク制限を実施する動作モードの領域である（第２回転電機２２のトルク制限領域）。領域（４）は、インバータ４３のスイッチング動作を完全に停止する動作モードの領域である（第２回転電機２２の動作禁止領域（インバータ４３のスイッチング停止領域））。

実施形態に係る車両１０においては、例えば、標高０［ｍ］などの低地で車両１０を走行させる際には、エンジン２３を停止させて第２回転電機２２の発生するトルクのみによって走行するモータ走行モードを実施する領域（１）の動作モードに切り替える。

そして、車両１０が走行するなどして、気圧とシステム電圧との関係が、図３に示した境界線ａを超えて領域（１）から領域（２）に移行すると、制御装置１００は、インバータ４３のスイッチング速度を低速化させつつ、第２回転電機２２のトルク制限をせずにモータ走行モードを実施する動作モードに切り替える。

これにより、領域（２）の動作モードでは、インバータ４３のスイッチング速度を低下させることによって、サージ電圧の上昇を抑えてモータ耐圧を確保しつつ、第２回転電機２２の要求出力を確保して、モータ走行モードで車両１０を走行させることができる。

また、車両１０が走行するなどして、気圧とシステム電圧との関係が、図３に示した境界線ｂを超えて領域（２）から領域（３）に移行する場合、制御装置１００は境界線ｂにてエンジン２３を始動する。また、領域（３）の動作モードでは、エンジン２３の間欠運転を禁止する。すなわち、領域（３）の動作モードでは、エンジン２３が運転していることを前提にして、第２回転電機２２のトルク制限をし、第２回転電機２２の駆動を許可する。

これにより、領域（３）の動作モードでは、インバータ４３のスイッチング速度を低速化した上で、第２回転電機２２のトルク制限を実施し、サージ電圧の上昇を抑えてモータ耐圧を確保しつつ、ハイブリッド走行モードで車両１０を走行させて車両要求出力を確保することができる。

また、車両１０が走行するなどして、気圧とシステム電圧との関係が、境界線ｃを超えて領域（３）から領域（４）に移行すると、制御装置１００は、インバータ４３のスイッチング動作を完全に停止し、第２回転電機２２の駆動を停止させて運転中のエンジン２３のトルクのみによって走行するエンジン走行モードを実施する動作モードに切り替える。また、領域（４）の動作モードでは、エンジン２３の間欠運転を禁止する。

これにより、領域（４）の動作モードでは、システム電圧とサージ電圧との合計電圧がモータ耐圧を超えやすい条件下において、第２回転電機２２を停止し、エンジン走行モードで車両１０を走行させて車両要求出力を確保することができる。

なお、例えば、車両１０がプラグインハイブリッド車両である場合に、高地で外部充電装置によりバッテリ４１の充電を実施した後などで、車両Ｒｅｄｙ－ＯＮ時に、気圧とシステム電圧との関係が領域（４）の領域内にあるときには、スタータモータ２４を用いてエンジン２３を始動させる。

また、実施形態に係る車両１０においては、気圧とシステム電圧との関係が領域（３）及び領域（４）の領域内では、エンジン２３の間欠運転を禁止する一方で、気圧とシステム電圧との関係が領域（３）から領域（２）に移行した段階で、エンジン２３の間欠運転を許可する。

以上のように、実施形態に係る車両１０においては、制御装置１００が気圧とシステム電圧とに応じて、領域（１）～領域（４）のいずれかの動作モードに切り替えて車両１０を走行させることにより、サージ電圧の上昇を抑制してモータ耐圧を確保しつつ、車両要求出力を確保することができる。

１０車両
２１第１回転電機
２２第２回転電機
２３エンジン
２４スタータモータ
３１動力分割機構
３２減速機構
３３車軸
３４ディファレンシャルギア
３５駆動輪
３６トーショナルダンパ
４１バッテリ
４２昇圧コンバータ
４３インバータ
５１アクセル開度センサ
５２アクセルペダル
６１気圧検出センサ
１００制御装置

Claims

エンジンと、蓄電装置の電力を走行用の回転電機の駆動電力に変換する電力変換器とを備え、前記エンジンの発生するトルクのみによって車両が走行する第１走行モード、前記エンジンを停止させて前記回転電機の発生するトルクのみによって走行する第２走行モード、及び、前記エンジンと前記回転電機との両方のトルクによって走行する第３走行モードを選択的に実行して走行可能な車両の制御装置であって、
前記車両の周囲の気圧とシステム電圧とが、前記気圧と前記システム電圧との関係を示す予め設定されたマップの所定領域にある場合には、前記電力変換器が有するスイッチング素子のスイッチング速度を通常よりも低下させ、且つ、前記エンジンの間欠運転を禁止して前記エンジンを運転させた上で前記回転電機のトルクを制限して、前記第３走行モードを実行することを特徴とする車両の制御装置。