JP2008030559A - ハイブリッド車両のバッテリ充放電システム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの自律始動技術を用いて、高電圧バッテリの完全放電を実行し、メモリ効果による出力電圧低下を回復させることである。
【解決手段】ハイブリッド車両のバッテリ充放電システム１０は、エンジン１４とモータ・ジェネレータ１６と、高電圧バッテリ２２と低電圧バッテリ２４と、ＳＯＣ監視部２６と、放電回路２８と、充放電制御部４０と、ＨＶＣＰＵ３０を含んで構成される。充放電制御部４０は、前回の完全放電からの経過時間等を監視する完全放電後経過監視モジュール４２と、完全放電後経過が所定の基準に達したときに高電圧バッテリ２２の完全放電を指令する完全放電指令モジュール４４と、完全放電後にエンジン１４の再始動要求がある場合に、ＨＶＣＰＵ３０に対しエンジン１４を自律始動させ充電を行うことを要求する自律始動充電要求モジュール４６とを含んで構成される。
【選択図】図１

Description

本発明はハイブリッド車両のバッテリ充放電システムに係り、特に、高電圧バッテリの完全放電を含むハイブリッド車両のバッテリ充放電システムに関する。

ハイブリッド車両に搭載され、モータ・ジェネレータに駆動エネルギを供給し、また制動エネルギを回生するために用いられるバッテリとしては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池のように充電が可能な２次電池が用いられる。そして車両用電源として必要な電圧と電流容量を確保するため、これらの単電池を組み合わせて組電池とし、所定の高電圧バッテリとして用いられる。この充電が可能な高電圧バッテリは、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）と呼ばれる電池の充放電状態を監視して、負荷への放電によってＳＯＣが低下しすぎないように、適宜充電が行われる。

このように、高電圧バッテリは充放電を繰り返すので、例えばニッケル水素電池またはニッケルカドミウム電池において、主に使用したＳＯＣ領域において、出力電圧が低下するというメモリ効果が生じる。一例を上げると、ＳＯＣが４０％から７０％の範囲で充放電を制御する場合、充放電を繰り返すことでそのＳＯＣ領域における出力電圧が次第に低下し、極端な場合、公称値から約１０％も低下することが生じ得る。このメモリ効果による出力電圧低下現象を回復するには、完全放電と完全充電を数回繰り返せばよいことが知られている。

例えば、特許文献１には、ハイブリッド車両の蓄電装置のメモリ効果による蓄電容量の低下を防止するため、２つの蓄電部を設け、一方の蓄電部を完全放電させる際に、その蓄電量ＳＯＣが所定値ＭＣ１以下になると、他方の蓄電部の蓄電量ＳＯＣを所定値ＭＣ２以上に維持しつつ、それ以後の一方の蓄電部の放電が実行される構成が開示されている。

ところで、完全放電を行うと、高電圧バッテリは充電電力を有していないので、モータ・ジェネレータによるエンジンの始動が困難になる。そこで、モータ・ジェネレータによる始動援助を受けずに、エンジンの燃料噴射と点火によって自律的に始動する技術が注目される。なお、自律始動の場合でも、着火の際に電気エネルギを用いるが、これは低電圧バッテリ、例えば１２Ｖバッテリの電力で十分である。高電圧バッテリの完全放電とは直接関係がないが、エンジンの自律始動技術として、以下の技術が知られている。

例えば、特許文献２には、アイドリング時等に自動的にエンジンを一旦停止させた後に自動的に再始動させるときの始動性を向上させる方法として、エンジン停止時に排気行程にある気筒の排気弁を閉じた状態とし、これに燃料を供給し強制着火してピストンを逆転させ、またエンジン停止時に膨張行程にある気筒に対し燃料を供給し、上記逆転の後強制着火、燃焼させてピストンを正転させ、その後の行程で膨張行程となる気筒に燃料供給、着火、燃焼を行わせて始動させることが開示されている。

また、特許文献３では、筒内噴射型内燃機関において迅速で静寂な始動を行う方法として、スタータによりクランクシャフトを逆回転させ、エンジンの始動前に膨張行程後半にあった気筒の燃焼室を圧縮し燃焼させることが開示されている。

また、特許文献４には、エンジンの停止位置がばらついたとしても膨張行程気筒点火時に十分な燃焼トルクを得る方法として、再始動条件が成立したときに膨張行程にある４番気筒のピストンがＡＴＤＣ９０°の位置から排気バルブ開位置までの間で停止しているか、ＡＴＤＣ９０°の位置よりも手前で停止しているかを区別して制御を行うことが開示されている。前者の状態のときは、膨張行程にある気筒は燃焼室の容積が比較的大きく十分な空気を有しているのでその気筒に点火して大きな燃焼トルクを得られ、エンジンを正回転させて始動できる。後者の状態のときは、燃焼室の容積が比較的小さいので、そのときに圧縮行程にある３番気筒に点火してエンジンを逆転させて４番気筒の燃焼室を圧縮した後にその気筒に点火する。これにより大きな燃焼トルクを得ることができ、始動できる、と述べられている。

特開２００３−３４８７６４号公報 特開２００４−３０１０８１号公報 特開２００５−２９９４８１号公報 特開２００６−４６０９１号公報

高電圧バッテリのメモリ効果による出力電圧の低下を回復するために、完全放電を実行すると、車両の運行システムとしては、そのままではエンジン再始動に対応できない。したがって、特許文献１では、２つの蓄電部を設けている。また、特許文献２から４は、エンジンの始動性の改善を目的としており、自律始動を高電圧バッテリの完全放電と結び付ける技術思想がない。

本発明の目的は、エンジンの自律始動技術を用いて、高電圧バッテリの完全放電を含むハイブリッド車両のバッテリ充放電システムを提供することである。他の目的は、高電圧バッテリを１つしか備えていない場合にその完全放電を含むハイブリッド車両のバッテリ充放電システムを提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも１つに貢献する。

本発明に係るハイブリッド車両のバッテリ充放電システムは、駆動源としてのエンジンと回転電機と、車両用電源としての高電圧バッテリと低電圧バッテリと、高電圧バッテリの充放電を制御する制御部と、を備え、制御部は、高電圧バッテリが前回の完全放電の後からの経過時間又は走行距離を監視し、規定値以上の時間又は距離を経過したときに完全放電を指令する手段と、完全放電が完了後に、エンジンの再始動要求を受け取った場合に、低電圧バッテリによる着火を用いてエンジンの自律始動を実行するエンジン始動手段と、始動したエンジンによって高電圧バッテリの充電を行う充電手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係るハイブリッド車両のバッテリ充放電システムにおいて、エンジン始動手段は、ＳＯＣが所定値以下のときにエンジンの自律始動を実行することが好ましい。

また、本発明に係るハイブリッド車両のバッテリ充放電システムにおいて、エンジン始動手段は、エンジン停止時に排気行程にある気筒の排気弁を閉じた状態とし、これに燃料を供給し低電圧バッテリによって強制着火してピストンを逆転させ、またエンジン停止時に膨張行程にある気筒に対し燃料を供給し、上記逆転の後低電圧バッテリによって強制着火、燃焼させてピストンを正転させ、その後の行程で膨張行程となる気筒に燃料供給、低電圧バッテリによる着火、燃焼を行わせて始動させることが好ましい。

上記構成により、高電圧バッテリが前回の完全放電の後からの経過時間又は走行距離を監視し、規定値以上の時間又は距離を経過したときに完全放電を指令し、完全放電が完了後に、エンジンの再始動要求を受け取った場合に、低電圧バッテリによる着火を用いてエンジンの自律始動を実行し、始動したエンジンによって高電圧バッテリの充電を行う。これにより、完全放電後にエンジンの再始動要求があっても、高電圧バッテリの電力を用いずに、低電圧バッテリの着火を用いたエンジンの自律始動を行える。したがって、高電圧バッテリを１つしか備えていない場合であっても、その高電圧バッテリを完全放電でき、メモリ効果の回復を図ることができる。

また、ＳＯＣが所定値以下のときにエンジンの自律始動を実行する。所定値としては、回転電機による走行は無理でもエンジンの始動が可能であるＳＯＣ値を選ぶことが好ましい。これによって、高電圧バッテリによる始動が可能となる。

また、エンジンの自律始動として、エンジン停止時に排気行程にある気筒の排気弁を閉じた状態とし、これに燃料を供給し低電圧バッテリによって強制着火してピストンを逆転させ、またエンジン停止時に膨張行程にある気筒に対し燃料を供給し、上記逆転の後低電圧バッテリによって強制着火、燃焼させてピストンを正転させ、その後の行程で膨張行程となる気筒に燃料供給、低電圧バッテリによる着火、燃焼を行わせて始動させる方法を実行する。これにより、完全放電後にエンジンの再始動要求があっても、高電圧バッテリの電力を用いずに、低電圧バッテリの着火を用いたエンジンの自律始動を行うことができる。

以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、エンジンの自律始動方法として、上記特許文献２に従い、低電圧バッテリによって着火を行うものを説明するが、これは１例であって、それ以外の方法であっても、回転電機の始動援助を用いずにエンジンを始動させるものであればよい。例えば、特許文献３，４等の技術に基づいて、低電圧バッテリによって着火を行って自律始動が可能な方法を用いてもよい。また、エンジンの自律始動方法においては、上記特許文献２に従う関係で４気筒４サイクルエンジンについて説明するが、自律始動が可能な構成を有していれば、それ以外の方式のエンジンであっても構わない。

また、以下では、回転電機として、電動機と発電機の２つの機能を併せ持つモータ・ジェネレータを説明するが、これ以外に、電動機のみの機能を有するものとしてもよい。また、高電圧バッテリとして、ニッケル水素組電池を説明するが、それ以外の高電圧２次電池であって、メモリ効果が認められるものであってもよい。

図１は、ハイブリッド車両のバッテリ充放電システム１０の構成を示す図である。ハイブリッド車両のバッテリ充放電システム１０は、駆動源１２としてのエンジン１４とモータ・ジェネレータ１６と、車両用電源としての高電圧バッテリ２２と低電圧バッテリ２４と、高電圧バッテリ２２の充放電状態としてのＳＯＣを監視するＳＯＣ監視部２６と、高電圧バッテリ２２を完全放電させるための放電回路２８と、充放電を制御する充放電制御部４０と、ハイブリッド車両全体の動作を制御するハイブリッドＣＰＵ（ＨＶＣＰＵ）３０を含んで構成される。

高電圧バッテリ２２は、ハイブリッド車両に搭載される高電圧２次電池で、具体的には、ニッケル水素単電池を複数組み合わせて組電池としたものである。例えば、ニッケル水素単電池を１００個以上積層し、約２００Ｖ程度の高電圧ニッケル水素組電池としたものを用いることができる。高電圧バッテリ２２は、モータ・ジェネレータ１６が発電機として機能するときに生成される電気エネルギを充電によって蓄え、モータ・ジェネレータ１６が電動機として機能するときに駆動エネルギとして放電により電気エネルギを供給する。

ＳＯＣ監視部２６は、高電圧バッテリ２２の充電電流値と放電電流値等を逐次取得し、その充放電状態としてのＳＯＣ値を監視し、ＳＯＣ値を充放電制御部４０に伝送する機能を有する。なお、適当なＳＯＣ値の範囲としては、例えば４０％から７０％等が用いられる。

放電回路２８は、高電圧バッテリ２２を放電するための回路で、一般的には組電池を構成する各単電池の充放電状態を均等化するために用いられるが、ここでは、特に完全放電を実行するために用いられる。すなわち、ニッケル水素電池はメモリ効果を有することが知られているので、充放電制御部４０の制御の下で、適当な間隔で、放電回路２８により高電圧バッテリ２２の完全放電が実行される。

低電圧バッテリ２４は、例えば１２Ｖバッテリである。低電圧バッテリ２４は、高電圧バッテリ２２の電力から、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等の手段を用いて変換された低電圧直流電力が充電される。低電圧バッテリ２４は、車両のエアコンディショナ等の補機用の電源として用いられるが、ここでは特に、エンジン１４の着火電源として用いられる。

充放電制御部４０は、高電圧バッテリ２２のＳＯＣ値を監視し、所定のＳＯＣ値の範囲に充放電状態が入るように充放電を制御する機能を有する。具体的には、ＳＯＣ監視部２６から高電圧バッテリ２２のＳＯＣ値を取得し、取得されたＳＯＣ値に基づいてＨＶＣＰＵ３０に高電圧バッテリ２２の充電または放電の必要性を知らせる。ＨＶＣＰＵ３０は、充放電制御部４０からの情報に応じて、モータ・ジェネレータ１６の駆動、または回生を指示し、それによってＳＯＣ値が所定の範囲、例えば上記の例で４０％から７０％の範囲に収まるように制御する。

また、充放電制御部４０は、特に、エンジン１４の自律始動を用いて、高電圧バッテリ２２の完全放電を含む充放電の制御を行う機能を有する。すなわち、完全放電を定期的に実行するために前回の完全放電からの経過時間等を監視する完全放電後経過監視モジュール４２と、前回の完全放電からの経過時間等が所定の基準に達したときに放電回路２８に対し高電圧バッテリ２２の完全放電を指令する完全放電指令モジュール４４と、完全放電後にエンジン１４の再始動要求がある場合に、ＨＶＣＰＵ３０に対しエンジン１４を自律始動させ充電を行うことを要求する自律始動充電要求モジュール４６とを含んで構成される。

かかる充放電制御部４０は、制御回路又はコンピュータで構成でき、その機能を車両に搭載される他の制御装置の機能と統合することもできる。例えばＨＶＣＰＵ３０の機能に充放電制御部４０の機能を含ませるものとすることができる。また、充放電制御部４０の各機能は、ソフトウェアで実現でき、具体的には、対応するバッテリ充放電制御プログラムを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。

ＨＶＣＰＵ３０は、上記のようにハイブリッド車両全体の動作を制御する機能を有するが、充放電制御部４０との関係で、上記のＳＯＣ値の情報に従ってモータ・ジェネレータ１６の駆動と回生とを制御する機能を有する。そして、特に自律始動モジュール３２の機能を有し、充放電制御部４０のエンジン自律始動の要求に従ったエンジン１４の自律始動を制御する。以下に、エンジン１４の自律始動の方法について説明する。

図２は、４気筒４サイクルエンジンにおいて通常に動作している場合の各気筒の行程と燃焼動作を模式的に説明する図である。図２において、紙面に縦方向に４つの気筒を、Ｎｏ．１からＮｏ．４として並べ、紙面の横方向に行程の時間変化を示している。例えば、Ｎｏ．１の気筒が圧縮行程にあるとき、Ｎｏ．２の気筒は膨張行程にある。同様にそのときＮｏ．３の気筒は吸気行程にあり、Ｎｏ．４の気筒は排気行程にある。そして、各気筒とも、時間経過と共に、・・圧縮−膨張−排気−吸気−圧縮−膨張−排気・・の行程を繰り返す。行程にあわせ、吸気弁の開くタイミングと排気弁の開くタイミングも示してある。図２において、Ｔ，Ｂと示してあるのは、クランクの上死点と下死点の位置である。また、燃料噴射タイミング５０について斜線を付した矩形パターンで示し、着火タイミング５２を火花パターンで示してある。このように、通常の動作では、燃料噴射タイミング５０は、吸気弁が開いている吸気行程の上死点からやや過ぎた時点に設定され、着火タイミング５２は、圧縮行程の終り又は膨張行程の開始の時点に設定されている。

図３は、図２で説明した４気筒４サイクルエンジンについて自律始動を実行する場合の排気弁、燃料噴射、着火等のタイミング制御を説明する図である。ここでは、エンジンがアイドル停止しているものとし、その状態は、図２の最初の状態であるとする。すなわち、Ｎｏ．１気筒が圧縮行程、Ｎｏ．２気筒が膨張行程、Ｎｏ．３気筒が吸気行程、Ｎｏ．４気筒が排気行程にあるものとする。この状態からエンジンを自律始動させるには、次の手順による。図３ではその手順を時系列に沿って紙面の縦方向に並べてある。

まずエンジン停止時に排気行程にある気筒を特定する。ここではＮｏ．４気筒である。そのとき、排気弁は開いている（Ｓ３０）ので、これを閉じる（Ｓ３２）。これにより、Ｎｏ．４気筒は圧縮気筒化されるので、そこで燃料噴射を行い、低電圧バッテリによって着火する（Ｓ３４）。これによって、エンジンは逆転する（Ｓ３６）。

また、エンジン停止時に膨張行程にある気筒を特定する。ここではＮｏ．２気筒である。この気筒に燃料を噴射し（Ｓ３８）、Ｓ３６によるエンジン逆転の後に、低電圧バッテリによって着火する（Ｓ４０）。これにより、エンジンは再び正転する（Ｓ４２）。

そして、エンジン停止時を基準として、次のサイクルで膨張行程にある気筒を特定する。この気筒はエンジン停止時において圧縮行程にあるものであるから、ここでは、Ｎｏ．１気筒である。この気筒に、燃料を噴射し（Ｓ４４）、Ｓ４２の正転で膨張行程の開始のタイミング、すなわち通常動作と同じタイミングで着火を低電圧バッテリによって行う（Ｓ４６）。これによって、図２で説明した通常動作の着火タイミングと同じになったので、その後は通常運転と同じタイミングで燃料噴射と着火を行えば、始動の後順調にエンジンが動作する。こうして、電気エネルギとしては低電圧バッテリの着火のみを用いて、エンジンがモータ・ジェネレータの始動援助を受けることなく、自律的に始動することができる。

上記構成の作用、特に充放電制御部の各機能について図４のフローチャートを用いて説明する。なお、以下の説明中の各要素については、図１で用いた符号を用いるものとする。図４は、ハイブリッド車両のバッテリ充放電の各手順を示すフローチャートで、各手順は、対応するバッテリ充放電プログラムの各処理手順に相当する。

最初に、エンジン１４が停止していることを確認する。そして次に、前回の完全放電の時点から現在の時点までどの程度経過しているかを判断する（Ｓ１０）。この機能は、充放電制御部４０の完全放電後経過監視モジュール４２によって実行される。経過の判断は、いくつかの方法を用いて行うことができる。１つは前回の完全放電からの走行時間である。ハイブリッド車両において、走行時間は、充放電の頻度の目安として用いることができるからである。この場合の経過の判断は、前回の完全放電から現在時点までの走行距離が予め定めておいた走行距離基準値以上か否かで行うことができる。走行距離基準値としては、例えば５０００ｋｍ等と設定することができる。他の方法は、前回の完全放電から現在時点までの時間経過である。ハイブリッド車両の運行が安定した頻度で行われているときは、経過時間も充放電の頻度の目安として用いることができるからである。

Ｓ１０において、完全放電後の経過が基準値以上であると判断されると、完全放電指令が出される（Ｓ１２）。この機能は、充放電制御部４０の完全放電指令モジュール４４によって実行される。具体的には放電回路２８に指示して、高電圧バッテリ２２について完全放電を実行させる。最も簡便な完全放電は、各ニッケル水素単電池のそれぞれについて一斉に短絡することである。一般的には適当な制限抵抗を用いて放電させ、その制限抵抗の値を順次小さくする等の手順で放電を行うことができる。そして、完全放電が完了するまで放電処理が継続される（Ｓ１４）。

完全放電が完了すると、エンジン１４について再始動指令が出されるまで待機する（Ｓ１６）。エンジン再始動指令が出されたと判断されると、そのときのＳＯＣ値を確認する。完全放電が実行されると、ＳＯＣ値はゼロとなるはずであるが、何かの理由でＳＯＣ値がゼロでないことがある。ここでは、ＳＯＣ値が予め定めておいた所定値Ａ以下か否かを判断する（Ｓ１８）。所定値Ａは、モータ・ジェネレータ１６によって車両を運行するほどのＳＯＣ値ではないが、エンジン１４をモータ・ジェネレータ１６によって始動することはできる程度のＳＯＣ値として設定することができる。Ｓ１８において、ＳＯＣ値が所定値Ａを超えるときは、Ｓ２２へ移行し、エンジン１４が通常通り始動される。すなわち、モータ・ジェネレータ１６によって始動される。始動されたエンジン１４によってモータ・ジェネレータ１６が駆動され、これによって生成される電気エネルギは、高電圧バッテリ２２を充電する（Ｓ２４）。

Ｓ１８において、ＳＯＣ値が所定値Ａ以下であるときは、エンジン１４の自律始動が要求される（Ｓ２０）。この機能は、充放電制御部４０の自律始動充電要求モジュール４６によって実行される。具体的には、ＨＶＣＰＵ３０にエンジン自律始動の要求が出され、ＨＶＣＰＵ３０の自律始動モジュール３２の機能により、図３で説明した排気弁、燃料噴射、低電圧バッテリ２４による着火等のタイミング指令がエンジン１４に対して実行される。

エンジンが自律始動した後は、エンジン１４によってモータ・ジェネレータ１６が駆動され、これによって生成される電気エネルギは、高電圧バッテリ２２を充電する（Ｓ２４）。そして車両は走行等を続け（Ｓ２６）、Ｓ１０に戻って、Ｓ１４の完全放電からの経過が監視され、以後Ｓ１２以下の工程が繰り返される。このようにして、エンジンの自律始動を利用して、高電圧バッテリの完全放電が実行され、高電圧バッテリの充放電の繰り返しによって生じるメモリ効果、すなわち出力電圧の低下を定期的に回復させることができる。

本発明に係る実施の形態におけるハイブリッド車両のバッテリ充放電システムの構成を示す図である。 ４気筒４サイクルエンジンにおいて通常に動作している場合の各気筒の行程と燃焼動作を模式的に説明する図である。 本発明に係る実施の形態において用いられるエンジンの自律始動について、排気弁、燃料噴射、着火等のタイミング制御を説明する図である。 本発明に係る実施の形態におけるハイブリッド車両のバッテリ充放電の各手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ ハイブリッド車両のバッテリ充放電システム、１２ 駆動源、１４ エンジン、１６ モータ・ジェネレータ、２２ 高電圧バッテリ、２４ 低電圧バッテリ、２６ ＳＯＣ監視部、２８ 放電回路、３０ ＨＶＣＰＵ、３２ 自律始動モジュール、４０ 充放電制御部、４２ 完全放電後経過監視モジュール、４４ 完全放電指令モジュール、４６ 自律始動充電要求モジュール、５０ 燃料噴射タイミング、５２ 着火タイミング。

Claims (3)

1. 駆動源としてのエンジンと回転電機と、
   車両用電源としての高電圧バッテリと低電圧バッテリと、
   高電圧バッテリの充放電を制御する制御部と、
   を備え、
   制御部は、
   高電圧バッテリが前回の完全放電の後からの経過時間又は走行距離を監視し、規定値以上の時間又は距離を経過したときに完全放電を指令する手段と、
   完全放電が完了後に、エンジンの再始動要求を受け取った場合に、低電圧バッテリによる着火を用いてエンジンの自律始動を実行するエンジン始動手段と、
   始動したエンジンによって高電圧バッテリの充電を行う充電手段と、
   を有することを特徴とするハイブリッド車両のバッテリ充放電システム。
2. 請求項１に記載のハイブリッド車両のバッテリ充放電システムにおいて、
   エンジン始動手段は、
   ＳＯＣが所定値以下のときにエンジンの自律始動を実行することを特徴とするハイブリッド車両のバッテリ充放電システム。
3. 請求項１に記載のハイブリッド車両のバッテリ充放電システムにおいて、
   エンジン始動手段は、
   エンジン停止時に排気行程にある気筒の排気弁を閉じた状態とし、これに燃料を供給し低電圧バッテリによって強制着火してピストンを逆転させ、またエンジン停止時に膨張行程にある気筒に対し燃料を供給し、上記逆転の後低電圧バッテリによって強制着火、燃焼させてピストンを正転させ、その後の行程で膨張行程となる気筒に燃料供給、低電圧バッテリによる着火、燃焼を行わせて始動させることを特徴とするハイブリッド車両のバッテリ充放電システム。

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