| 【発明の名称】 |
車両駆動システム |
| 【発明者】 |
【氏名】赤尾 憲彦
【氏名】古平 貴大
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| 【要約】 |
【課題】エンジンとホイールモータを併用する車両駆動システムにおけるエンジン始動関連の構成の設計の容易化と、小型化を可能にする。
【解決手段】補機バッテリ２０の電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２により昇圧されてキャパシタ２４に蓄えられる。キャパシタ２４の電力で、ホイールモータ２６がアシスト推進力を発生する。エンジン１０を始動するスタータモータ４４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の昇圧側のキャパシタ２４に接続されている。エンジン始動の際は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の昇圧機能により、補機バッテリ２０からの電力が、エンジン始動に必要な電圧の電力に変換され、キャパシタ２４に蓄えられる。既存の構成要素であるＤＣ／ＤＣコンバータ３２やキャパシタ２４を利用して、スタータモータ４４への供給電圧を自由に設定できる。供給電圧の高圧化によりスタータモータ４４を小型化できる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 車両の主推進力を発生するエンジンと、車両のアシスト推進力を発生するアシストモータと、補機蓄電手段からの供給電力を前記アシストモータで要求される電圧の電力へ昇圧変換する電力コンバータと、前記電力コンバータによって昇圧された電力を一時的に蓄え、蓄えた電力を前記アシストモータへ供給するモータ用蓄電手段と、を含む車両駆動システムにおいて、前記モータ用蓄電手段に接続されたエンジン始動用のスタータモータと、エンジン始動の前に前記電力コンバータを制御して、前記補機蓄電手段からの供給電力をエンジン始動に必要な電圧の電力に昇圧変換して前記モータ用蓄電手段に蓄える始動用充電制御手段と、を含み、前記モータ用蓄電手段に蓄えられたエンジン始動用の電力を用いて前記スタータモータを駆動して前記エンジンを始動することを特徴とする車両駆動システム。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンとアシストモータによって車両の推進力を発生する車両駆動システムに関し、特に、エンジン始動関連の構成の改良に関する。アシストモータは、例えば、ホイールに設けられるホイールモータである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、低公害などの観点から電気自動車が注目されている。電気自動車の一種に、ホイールモータ付き車両がある。図１は、ホイールモータ付き車両の構成の一例を示している。内燃機関であるエンジン１０は、変速機１２および車軸１４を介してフロントホイール１６に接続されている。エンジン１０の出力によりフロントホイール１６が駆動される。エンジン１０はスタータモータ１８により始動され、スタータモータ１８は、補機バッテリ２０の電力によって駆動される。補機バッテリ２０の電圧は、例えば１２Ｖである。補機バッテリ２０は、エンジン１０の出力で駆動されるオルタネータ１９の発電電力によって充電される。
【０００３】補機バッテリ２０の電力に対してＤＣ／ＤＣコンバータ２２にて昇圧が行われる。昇圧後の電力はキャパシタ２４に蓄えられる。キャパシタ２４からインバータを介して左右のホイールモータ２６に電力が供給される。ホイールモータ２６のステータは車体側に固定され、ロータはリアホイール２８に固定されている。従って、ホイールモータ２６の出力によりリアホイール２８が駆動される。
【０００４】上記のように、図１のシステムでは、補機バッテリ２０の電力が高圧電力に変換され、変換された電力を用いてホイールモータ２６が駆動される。キャパシタ２４は、昇圧された電力を一時的に蓄えるためのものである。また、車両の減速時には、ホイールモータ２６が回生制動を行い、回生制動により発電された電力もキャパシタ２４に蓄えられる。
【０００５】図１のシステムでは、エンジン１０が車両の主推進力を発生し、ホイールモータ２６はアシスト推進力を発生する。例えば、例えば雪道の上り坂のように、路面の摩擦係数が低い状況においては、フロントホイール１６がスリップすることがある。このとき、ホイールモータ２６のアシスト推進力によりリアホイール２８が駆動され、車両が安定して走行する。また、ホイールモータ２６の回生制動で得られた電力により、ホイールモータ２６を駆動できる。このようにして、アシストモータとしてのホイールモータ２６を設けたことにより、車両の運動性能を向上し、また、燃費の向上を図ることができる。
【０００６】さらに、モータをホイールに直接に取り付けたことにより、（１）ドライブシャフト等の伝達系部品およびそのためのスペースを省略でき、伝達損失も少なくなる、（２）１つのモータの駆動力を左右輪に分配するのではなく、左右のホイールに独立して駆動力を与えられるので、従って、左右の駆動力を独立して制御することができ、これにより高い運動性能が得られる、といった利点が得られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図１のシステムには、エンジン始動に関して以下の問題がある。図１のシステムでは、補機バッテリ２０の電力でスタータモータ１８が回転し、これによりエンジン１０が始動される。エンジン１０のクランキングに必要なトルクは、エンジン仕様により決まる。一方、スタータモータ１８への供給電圧は、補機バッテリ２０の電圧により決まっており、供給電圧を自由に変えることはできない。そのため、システムの開発では、予め決まった供給電圧の電力でエンジン側の要求トルクを出さなければならないので、スタータモータの設計が容易でないことがある。また、供給電圧を変えられないので、エンジン側の要求クランキングトルクに応じてスタータモータの大型化が必要になり、大型化に伴い効率が低下し、コストが増大してしまう。スタータモータの電流値を上げるためにリレーやワイヤーハーネス等の関連部品の変更が必要になり、部品変更によってコストが増大することもあった。
【０００８】また、補機バッテリ２０の蓄電量の低下が生じると、スタータモータ１８に十分な電力を供給できなくなり、エンジン１０の始動も困難になってしまう。寒冷地ではこのような状況が発生しやすく、また、バッテリ性能が低下したときにもこのような状況が発生しやすい。特に、図１のシステムでは、補機バッテリ２０の電力を用いてホイールモータ２６が駆動されるので、そのために補機バッテリ２０の蓄電量の減少を招く可能性もある。
【０００９】参考技術として、特開平５−２９６１２８号公報では、エンジン始動のための専用コンデンサを設けることにより始動性の向上が図られている。補機バッテリの電力で専用コンデンサが充電され、専用コンデンサの電力でスタータモータが駆動する。補機バッテリの電圧値が下がったときは、他のエネルギ源からの電力を利用して専用コンデンサが充電され、始動性が確保される。しかしながら、同公報のシステムでは、専用コンデンサの充電電圧は補機バッテリと同等であり、従って、上述したスタータモータ関連の問題は依然として解消されない。また、専用コンデンサおよび関連装置を設けなければならないという不利な点がある。さらに、同公報のシステムは、ホイールモータのようなアシストモータ付きの駆動システムに関するものではない。
【００１０】本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジンとアシストモータとを有する車両駆動システムにおけるエンジン始動関連の構成を改良し、スタータモータの設計の容易化やコストの低減を可能にすることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するため、本発明は、車両の主推進力を発生するエンジンと、車両のアシスト推進力を発生するアシストモータと、補機蓄電手段からの供給電力を前記アシストモータで要求される電圧の電力へ昇圧変換する電力コンバータと、前記電力コンバータによって昇圧された電力を一時的に蓄え、蓄えた電力を前記アシストモータへ供給するモータ用蓄電手段と、を含む車両駆動システムにおいて、前記モータ用蓄電手段に接続されたエンジン始動用のスタータモータと、エンジン始動の前に前記電力コンバータを制御して、前記補機蓄電手段からの供給電力をエンジン始動に必要な電圧の電力に昇圧変換して前記モータ用蓄電手段に蓄える始動用充電制御手段と、を含み、前記モータ用蓄電手段に蓄えられたエンジン始動用の電力を用いて前記スタータモータを駆動して前記エンジンを始動することを特徴とする。前記補機蓄電手段は例えば補機バッテリであり、モータ用蓄電手段は例えばキャパシタやコンデンサである。
【００１２】本発明によれば、エンジン始動用のスタータモータは、補機蓄電手段ではなくモータ用蓄電手段に接続されている。エンジン始動の前に、補機蓄電手段からの電力の昇圧が電力コンバータにより行われ、昇圧側でモータ用蓄電手段に電力が蓄えられる。電力コンバータを利用することにより、スタータモータへの供給電力の電圧を任意に設定できる。供給電圧の制約が軽減されるので、スタータモータの設計が容易になる。また、供給電圧を高くできるので、スタータモータを小型化でき、スタータモータへの起動電流を低下でき、さらに、安価な関連部品（リレーやワイヤーハーネス等）を採用できる。従って、スタータモータの小型化、高効率化、低コスト化を図ることができる。また、スタータモータへの供給電圧を高くできるのでエンジン始動が容易になり、寒冷地等でも確実なエンジン始動が可能になる。
【００１３】ここで特に、本発明が適用されるタイプのシステムでは、上記の如く、補機蓄電手段からの電力の昇圧を電力コンバータで行うことによってアシストモータ駆動電力を得る構成が採用されている。そのため、電力コンバータによる昇圧後のモータ駆動用の電力を一時的に蓄える蓄電手段が必要である。このモータ用蓄電手段および電力コンバータを利用することにより、スタータモータへの供給電圧を自由に設定できる。従って、部品の追加や構造の複雑化を必要とせずに、既存の構成要素を利用した簡単な構成にて、上述のような設計の容易化、スタータモータの小型化等の好適な効果が得られる。
【００１４】なお、好ましくは、本発明の始動用充電制御手段は、車両駆動システムの少なくとも一部を制御する制御装置に一体的に設けられる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態（以下、実施形態という）について、図面を参照し説明する。図２は、本実施形態の車両駆動システムの構成を示している。図２において、図１と共通の構成要素には、図１と同一の符号が付されている。図１と同様に、車体のフロント部に搭載されたエンジン１０の出力が、変速機１２および車軸１４を介してフロントホイール１６に伝達され、フロントホイール１６が駆動される。
【００１６】一方、ホイールモータ２６を含むパワーアシスト関連の構成には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２が設けられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、周知の構成を有するものでよい。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２により、１２Ｖの補機バッテリ２０からの電力の昇圧が行われ、昇圧側では電力がキャパシタ２４に蓄えられる。このように、本実施形態のシステムでは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２を内蔵していることから、ホイールモータ２６を駆動する電力を一時的に蓄えるために、上記のキャパシタ２４を設ける必要がある。通常は、ホイールモータ２６を駆動するのに必要な電圧を目標にした電力変換が行われる。後述するように、エンジン始動時には、エンジン始動に適当な電圧を目標にした電力変換が行われる。なお、キャパシタ２４の代わりに電界コンデンサを設けることも好適である。
【００１７】キャパシタ２４に蓄えられた電力は、インバータ３４を介して左右のホイールモータ２６に供給される。インバータ３４は、複数のスイッチング素子を有し、キャパシタ２４から送られる直流電力を交流電力に変換する。ホイールモータ２６は、例えば３相交流式のＰＭ同期モータである。ホイールモータ２６のステータは車両側に固定され、ロータはリアホイール２８に固定されている。従って、ホイールモータ２６の出力によりリアホイール２８が駆動される。
【００１８】システムＥＣＵ３６は、ホイールモータ２８による図２のパワーアシストシステムを制御している。システムＥＣＵ３６は、ホイールモータ２６、キャパシタ２４、補機バッテリ２０およびエンジン１０を含む各種の構成要素およびそれらの要素に設けられたセンサから入力される信号に基づいて動作する。システムＥＣＵ３６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２に制御信号を出力して、昇圧動作を行わせる。また、システムＥＣＵ３６は、インバータ３４のスイッチング動作を制御する信号を生成し、出力する。ホイールモータ２６に所望のトルクを発生させる交流電流を生成するためのスイッチング信号が生成される。また、車両の減速時には、ホイールモータ２６に回生制動を行わせるスイッチング信号が生成される。回生制動により発電された電力は、キャパシタ２４に充電される。さらに、システムＥＣＵ３６は、本発明の始動用充電制御手段としても機能する。また、エンジン１０は、図示しないエンジンＥＣＵにより制御されているが、このエンジンＥＣＵもシステムＥＣＵ３６に一体化されている。
【００１９】さらに、図２のシステムには、補機バッテリ２０の両端の電圧を検出する電圧センサ４０と、キャパシタ２４の両端の電圧を検出する電圧センサ４２が設けられている。電圧センサ４０、４２の検出信号はシステムＥＣＵ３６に送られる。次に、エンジン始動関連の構成を説明する。エンジン１０は、スタータモータ４４により始動される。図２ではエンジン１０とスタータモータ４４が離れて示されているが、実際にはスタータモータ４４はエンジン１０または変速機１２と連結されている。本実施形態の特徴として、スタータモータ４４は、キャパシタ２４から電力の供給を受ける。つまり、スタータモータへ電力を印可する電源系が、従来の補機バッテリから、ＤＣ／ＤＣコンバータの高圧側のキャパシタへと変更されている。スタータスイッチ４６が閉じられるとスタータモータ４４に電力が供給され、スタータモータ４４が駆動し、エンジン１０がクランキングされる。スタータスイッチ４６の開閉もシステムＥＣＵ３６により制御される。
【００２０】図２のシステムでは、図１を用いて説明したように、エンジン１０が車両の主推進力を発生し、ホイールモータ２６はアシスト推進力を発生する。雪道の上り坂のような状況では、ホイールモータ２６のアシスト推進力、つまりリアホイール２８の駆動力を利用することで、車両の運動性能を向上できる。キャパシタ２４に蓄えられた電気エネルギがアシスト推進力の発生に使われると、再びキャパシタ２４の充電が行われる。蓄えられた電力は、次にアシスト推進力が必要になったときにまた使われる。また、ホイールモータ２６の回生制動で得られた電力がキャパシタ２４に蓄えられ、この電力を使ってホイールモータ２６が駆動される。これにより、燃費の向上を図ることができる。
【００２１】図３は、本実施形態の車両駆動システムの全体的な制御を示している。イグニッションスイッチ（図示せず）がオンになると（Ｓ１００）、システムＥＣＵ３６が立ち上げられ（Ｓ１０１）、エンジン始動制御が行われる（Ｓ１０２）。エンジン始動制御の詳細は後述する。エンジンが始動すると、アシストシステム、すなわち、ホイールモータ２６に関連するシステムが立ち上げられる（Ｓ１０３）。そして、走行制御が行われ（Ｓ１０４）、イグニッションスイッチがオフになったか否かが判断される（Ｓ１０５）。イグニッションがオフでなければ走行制御が継続され、イグニッションがオフであれば、全体処理は終了する。
【００２２】図４は、図３のＳ１０２におけるエンジン始動制御処理を示している。システムＥＣＵ３６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２を制御して、昇圧動作を行わせる（Ｓ２００）。これにより、補機バッテリ２０からの電力の昇圧が行われ、昇圧後の電力がキャパシタ２４に蓄えられる。補機バッテリ２０と異なり、キャパシタ２４については、電圧をコントロールして高電圧までの充電ができる。そこで、キャパシタ２４の充電電圧の目標値を例えば５０Ｖに設定する。システムＥＣＵ３６は、タイマを監視して、所定のタイマ時間が経過したか否かを判定する（Ｓ２０１）。所定タイマ時間が経過してしまった場合にはＳ２０３に進む。タイマ時間が経過していなければ、システムＥＣＵ３６は、電圧センサ４２の検出信号を基に、キャパシタ２４の電圧が５０Ｖより高くなったか否かを判定する（Ｓ２０２）。キャパシタ電圧が５０Ｖ以下であれば、コンバータ駆動を継続する。キャパシタ電圧が５０Ｖを上回ったら、システムＥＣＵ３６はＤＣ／ＤＣコンバータ３２を停止する（Ｓ２０３）。そして、スタータスイッチ４６が閉じられ、キャパシタ２４からスタータモータ４４に電流が流れる。キャパシタ２４は、内部抵抗が小さく、大電流を短時間でスタータモータ４４に供給できる。これにより、スタータモータ４４が駆動され、エンジン１０のクランキングが行われる（Ｓ２０４）。周知のように、このとき、エンジン１０には適当な量の燃料が供給され、補機バッテリ２０の電力を用いたスパークプラグの点火が行われる。システムＥＣＵ３６は、エンジン回転数を所定のしきい回転数と比較することによって、エンジンが始動したか否かを判定する（Ｓ２０５）。エンジン回転数は、エンジン１０に設けられた回転センサ（図示せず）から、直接あるいはエンジンＥＣＵを経由して、システムＥＣＵ３６に入力されている。エンジンが始動していれば、図４の処理を終了し、図３のＳ１０３へ進む。エンジンが始動してなければ、Ｓ２００に戻り、再び、上記の一連の処理を行う。
【００２３】以上、本発明の好適な実施形態を説明した。本実施形態では、スタータモータ４４が、補機バッテリ２０ではなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の昇圧側のキャパシタ２４に接続されている。そして、スタータモータ４４の駆動の前に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の昇圧機能を用いてキャパシタ２４が充電される。図４の例では、キャパシタ２４の電圧値が５０Ｖを越えるまで充電が行われる。このように、電力コンバータを利用することにより、スタータモータ４４への供給電力の電圧を任意に設定できるので、システム開発時のスタータモータ４４の設計が容易である。また、スタータモータ４４への供給電圧を高くできるので、スタータモータ４４を小型化でき、また、スタータモータ４４への起動電流を低下できる。さらに、スタータモータ４４の関連部品（リレーやワイヤーハーネス等）に安価なものを採用できる。
【００２４】また、本実施形態では、スタータモータ４４への供給電圧を高くしているので、エンジン始動が容易になる。補機バッテリ２０の電圧が下がっている状況でも、補機バッテリ２０に残っているエネルギを利用して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の昇圧機能により、バッテリ電圧より高い電圧をエンジン始動のために作り出せる。従って、寒冷地等でも確実なエンジン始動が可能になる。
【００２５】また、本発明は、図２に示した本実施形態のシステムには限定されず、他のシステムにも同様に本発明が適用される。
【００２６】また、本実施形態に好適に適用可能なＤＣ／ＤＣコンバータは、例えば、以下のようなものである。ただし、本発明は、下記に例示するＤＣ／ＤＣコンバータを適用したシステムには限定されない。
【００２７】また、本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータには、周知のフライバックコンバータやフォワードコンバータ、その他の適当なコンバータを適用すればよい。そのようなコンバータを使って、周期の方法に従って、補機バッテリ側からキャパシタ側への昇圧駆動が行われる。
【発明の効果】本発明が適用されるタイプのシステムでは、補機蓄電手段からの電力の昇圧を電力コンバータで行うことによってアシストモータを駆動する電力を得る構成が採用されている。そのため、電力コンバータによる昇圧後のモータ駆動電力を一時的に蓄える蓄電手段が必要である。このモータ用蓄電手段および電力コンバータを利用することにより、スタータモータへの供給電圧を自由に設定できる。従って、部品の追加や構造の複雑化を必要とせずに、既存の構成要素を利用した簡単な構成にて、スタータモータの設計の容易化、スタータモータの小型化等の好適な効果が得られる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３２０７
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）５月１４日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 研二 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−３３２０１３ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１１月３０日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−１３１７４７ |
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