(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、前記エンジンに連結されて走行動力を出力する電動モータと、前記エンジンを始動回転する始動モータとを備えるハイブリッド車両のエンジン始動装置であって、
前記始動モータに始動信号を出力して前記エンジンを初爆状態まで始動回転させた後に前記電動モータに始動信号を出力し、
前記電動モータによる始動回転が開始された後に前記始動モータへの始動信号を停止し、
前記電動モータによって前記エンジンを完爆状態まで始動回転させた後に前記電動モータへの始動信号を停止するモータ制御手段を有することを特徴とするハイブリッド車両のエンジン始動装置。
【請求項２】
請求項１記載のハイブリッド車両のエンジン始動装置において、
前記モータ制御手段は、エンジン回転数の上昇率に基づいて前記エンジンの初爆状態を判定し、エンジン回転数に基づいて前記エンジンの完爆状態を判定することを特徴とするハイブリッド車両のエンジン始動装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のハイブリッド車両のエンジン始動装置において、
前記モータ制御手段は、前記エンジンの冷却水温が所定温度を下回るときに前記始動モータと前記電動モータとを用いて前記エンジンを始動回転させることを特徴とするハイブリッド車両のエンジン始動装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッド車両のエンジン始動装置において、
前記モータ制御手段は、前記エンジンを始動回転する前記電動モータの動力をエンジン回転数の変化率に基づいて制御することを特徴とするハイブリッド車両のエンジン始動装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のハイブリッド車両のエンジン始動装置において、
前記モータ制御手段は、前記電動モータに電力を供給する蓄電機器の充電状態が所定値を下回るときに前記電動モータに対する始動信号の出力を禁止することを特徴とするハイブリッド車両のエンジン始動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンとこれに連結される電動モータとを備えるハイブリッド車両のエンジン始動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンおよび電動モータを駆動源とするハイブリッド車両の駆動方式としては、エンジンを発電用の動力源として駆動する一方、電動モータを走行用の動力源として駆動するようにしたシリーズ方式や、エンジンを車両走行時の主要な動力源として駆動する一方、電動モータを発進時や加速時に補助的に駆動するようにしたパラレル方式がある。また、シリーズ方式とパラレル方式とを組み合わせることにより、走行状況に応じてエンジンと電動モータの一方または双方を駆動するようにしたシリーズ・パラレル方式も開発されている。
【０００３】
このようなハイブリッド車両にあっては、エンジンに連結される電動モータを備えることから、この電動モータを用いてエンジンを始動させることが一般的である。しかしながら、走行によって高電圧バッテリの充電状態が低下した場合や、高電圧バッテリの温度低下によって内部抵抗が増大した場合などには、大きな駆動電流を電動モータに対して供給することが困難となり、エンジンの始動性を低下させてしまうおそれがある。そこで、電動モータに対する供給電流を段階的に引き下げることにより、少ない消費電力によってエンジンを始動させるようにしたエンジン始動装置が提案されている(たとえば、特許文献１参照)。
【０００４】
また、ハイブリッド車両に搭載される大型の電動モータは、エンジンを始動する際の低回転低負荷領域において駆動効率が低下することも多く、大きな回転トルクが要求される極低温時にはエンジンの始動が困難となっていた。そこで、極低温時など電動モータによる始動が困難な状況においては、電動モータに代えて従来のスタータモータを用いるようにしたエンジン始動装置も提案されている。
【特許文献１】特開平１１−８２２５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ハイブリッド車両は、高膨張比(ミラーサイクル)エンジンなど燃費性能を向上させるようにしたエンジンを備えることが多い。このような低燃費エンジンにあってはエンジントルクの低下に伴って始動性が低下していることも多く、特に、潤滑油の粘度が増大する極低温時に低燃費エンジンを始動させることが困難となっていた。このような極低温時におけるエンジンの始動性を向上させるためには、スタータモータの高出力化を図って始動回転数を引き上げる必要があるが、スタータモータの高出力化を図ることはエンジン始動装置の大型化や高コスト化を招く要因となる。
【０００６】
本発明の目的は、ハイブリッド車両に搭載されるエンジンの始動性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のハイブリッド車両のエンジン始動装置は、エンジンと、前記エンジンに連結されて走行動力を出力する電動モータと、前記エンジンを始動回転する始動モータとを備えるハイブリッド車両のエンジン始動装置であって、前記始動モータに始動信号を出力して前記エンジンを初爆状態まで始動回転させた後に前記電動モータに始動信号を出力し、前記電動モータによる始動回転が開始された後に前記始動モータへの始動信号を停止し、前記電動モータによって前記エンジンを完爆状態まで始動回転させた後に前記電動モータへの始動信号を停止するモータ制御手段を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明のハイブリッド車両のエンジン始動装置は、前記モータ制御手段は、エンジン回転数の上昇率に基づいて前記エンジンの初爆状態を判定し、エンジン回転数に基づいて前記エンジンの完爆状態を判定することを特徴とする。
【００１０】
本発明のハイブリッド車両のエンジン始動装置は、前記モータ制御手段は、前記エンジンの冷却水温が所定温度を下回るときに前記始動モータと前記電動モータとを用いて前記エンジンを始動回転させることを特徴とする。
【００１１】
本発明のハイブリッド車両のエンジン始動装置は、前記モータ制御手段は、前記エンジンを始動回転する前記電動モータの動力をエンジン回転数の変化率に基づいて制御することを特徴とする。
【００１２】
本発明のハイブリッド車両のエンジン始動装置は、前記モータ制御手段は、前記電動モータに電力を供給する蓄電機器の充電状態が所定値を下回るときに前記電動モータに対する始動信号の出力を禁止することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、エンジンが初爆状態に達するまでは始動モータを用いてエンジンを始動回転させ、エンジンが完爆状態に達するまでは電動モータを用いてエンジンを始動回転させるようにしたので、始動モータや電動モータを効率の良い領域で使用することができ、消費電力を抑制しながらエンジンの始動性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１はハイブリッド車両に搭載されるパワーユニット１０を示すスケルトン図であり、このパワーユニット１０が備えるエンジン１１は、本発明の一実施の形態であるエンジン始動装置によって始動される。
【００１５】
図１に示すように、パワーユニット１０には、駆動源としてのエンジン１１とモータジェネレータ(電動モータ)１２とが設けられており、モータジェネレータ１２の後方側にはトランスミッション１３が設けられている。エンジン１１やモータジェネレータ１２から出力される走行動力は、ミッションケース１４内に組み込まれる変速機構１５を介して変速された後に、複数のデファレンシャル機構１６，１７を経て各駆動輪に分配される。なお、図示するパワーユニット１０はパラレル方式のパワーユニットであり、走行用の主要な駆動源としてエンジン１１が駆動される一方、発進時や加速時には補助的な駆動源としてモータジェネレータ１２が駆動される。また、減速時や定常走行時にはモータジェネレータ１２を発電駆動させることにより、減速エネルギや余剰動力を電気エネルギに変換して回収することが可能となっている。
【００１６】
エンジン１１の後方側に設けられるモータジェネレータ１２は、モータケース２０に固定されるステータ２１と、エンジン１１のクランク軸２２に連結されるロータ２３とを備えており、ロータ２３はドライブプレート２４を介してトルクコンバータ２５に連結されている。トルクコンバータ２５は、コンバータケース２６に固定されるポンプインペラ２７と、このポンプインペラ２７に対向するタービンランナ２８とを備えており、トルクコンバータ２５内の作動油を介してポンプインペラ２７からタービンランナ２８に動力が伝達される。さらに、トルクコンバータ２５にはロックアップクラッチ２９が組み込まれており、定常走行時にはロックアップクラッチ２９を締結して動力伝達効率を向上させることが可能となっている。
【００１７】
また、トルクコンバータ２５の近傍には始動モータとしてのスタータモータ３０が設けられており、このスタータモータ３０が備えるピニオン３１はコンバータケース２６に固定されるリングギヤ３２に噛み合うようになっている。さらに、スタータモータ３０のピニオン３１は、リングギヤ３２に噛み合う突出位置と噛み合わない退避位置とに移動するようになっており、ピニオン３１を突出位置に移動させてスタータモータ３０を駆動することにより、コンバータケース２６およびロータ２３を介してエンジン１１をクランキングさせることが可能となる。なお、スタータモータ３０は低電圧の直流電流によって駆動される直流モータとなっている。
【００１８】
さらに、トルクコンバータ２５には、遊星歯車列、クラッチ、ブレーキ等を備える変速機構１５が変速入力軸３３を介して接続されている。この変速機構１５内のクラッチやブレーキを選択的に締結することにより、変速機構１５内の動力伝達経路を切り換えて変速することが可能となる。さらに、変速出力軸３４と後輪出力軸３５との間には、前後輪に駆動トルクを分配する複合遊星歯車式のセンタデファレンシャル機構１６が装着されており、このセンタデファレンシャル機構１６を介して前輪出力軸３６と後輪出力軸３５とに動力が分配される。
【００１９】
図２はハイブリッド車両の始動制御系を示すブロック図である。なお、図１に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。図２に示すように、ハイブリッド車両には、モータジェネレータ１２に電力を供給する蓄電機器として高電圧バッテリ(たとえばリチウムイオンバッテリ)４０が搭載されるとともに、スタータモータ３０に電力を供給する低電圧バッテリ(たとえば１２Ｖの鉛蓄電池)４１が搭載されている。また、高電圧バッテリ４０と低電圧バッテリ４１とはコンバータ４２を介して接続されており、このコンバータ４２によって高電圧電流を低電圧電流に変換することにより、高電圧バッテリ４０から低電圧バッテリ４１に電力を供給することが可能となっている。
【００２０】
また、ハイブリッド車両には、高電圧バッテリ４０の電圧や電流を制御して充放電量を制御するとともに、電圧、電流、セル温度に基づき高電圧バッテリ４０の充電状態ＳＯＣ(state of charge)を算出するバッテリＥＣＵ４３が設けられている。さらに、エンジントルクやエンジン回転数を制御するエンジンＥＣＵ４４が設けられており、このエンジンＥＣＵ４４から、スロットルバルブ、インジェクタ、イグナイタ等に対して制御信号が出力されている。さらに、モータジェネレータ１２やスタータモータ３０に対して制御信号を出力するモータ制御手段としてのハイブリッドＥＣＵ４５が設けられている。これらのＥＣＵ４３〜４５は、制御信号等を演算するＣＰＵを備えるとともに、制御プログラム、演算式、マップデータ等を格納するＲＯＭや、一時的にデータを格納するＲＡＭを備えている。なお、ＥＣＵ４３〜４５は、通信ネットワークを介して相互に接続されており、制御信号や検出信号を共有している。
【００２１】
また、ハイブリッドＥＣＵ４５には、バッテリＥＣＵ４３から充電状態ＳＯＣが入力されるとともに、エンジンＥＣＵ４４からエンジントルク、エンジン回転数、エンジン水温等が入力されるようになっている。さらに、ハイブリッドＥＣＵ４５には、スタータスイッチ４６からエンジン始動時の操作信号が入力されるとともに、図示しない各種センサから、アクセル開度、車速、シフトレンジ等が入力されるようになっている。そして、ハイブリッドＥＣＵ４５は、これらの入力信号に基づいてハイブリッド車両の車両状態を判定するとともに、車両状態に応じた制御信号をモータジェネレータ１２やスタータモータ３０に対して出力することになる。
【００２２】
なお、モータジェネレータ１２の駆動状態を制御するため、高電圧バッテリ４０とモータジェネレータ１２との間にはインバータ４７が設けられている。ハイブリッドＥＣＵ４５からインバータ４７に対して制御信号を出力することにより、インバータ４７を介して交流電流の電流値や周波数を制御することができ、交流同期型モータであるモータジェネレータ１２のモータトルクやモータ回転数を制御することが可能となっている。
【００２３】
続いて、エンジン１１の始動制御について説明する。図３は始動方法とエンジン水温との関係を示す説明図であり、図４は始動方法と充電状態ＳＯＣとの関係を示す説明図である。まず、図３に示すように、エンジン１１の始動方法としては３種類の始動方法が設定されており、これらの始動方法はエンジン水温(冷却水温)に基づいて切り換えられている。つまり、エンジン水温が−１０℃よりも高い常温領域にあっては、モータジェネレータ１２単体によってクランク軸２２を始動回転させるジェネレータモードが設定され、エンジン水温が−２０℃から−１０℃までの低温領域にあっては、スタータモータ３０単体によってクランク軸２２を始動回転させるスタータモードが設定される。そして、エンジン水温が−２０℃よりも低い極低温領域にあっては、潤滑油の粘度が増大してエンジン始動が困難となるため、スタータモータ３０とモータジェネレータ１２とを併用してクランク軸２２を始動回転させる併用モードが設定される。
【００２４】
ここで、図５は併用モードにおけるスタータモータ３０およびモータジェネレータ１２の作動状態を示すタイミングチャートである。図２および図５に示すように、運転手によってスタータスイッチ４６が操作されると、ハイブリッドＥＣＵ４５からスタータモータ３０に対して始動信号が出力され、スタータモータ３０はエンジン１１の始動回転(以下、クランキングという)を開始する。また、エンジンＥＣＵ４４はインジェクタやイグナイタ等に対して制御信号を出力し、シリンダ内の混合気に対する点火制御を開始する。そして、エンジン回転数の上昇率が所定の初爆判定値(たとえば０．１秒間の上昇率が１０％)を上回り、ハイブリッドＥＣＵ４５によってエンジン１１の初爆状態が判定された場合には、ハイブリッドＥＣＵ４５からインバータ４７に対して始動信号が出力され、モータジェネレータ１２はエンジン１１のクランキングを開始する。なお、エンジン１１の初爆状態とは、いずれかの気筒内における混合気の燃焼が開始された状態であり、エンジン１１が自力運転に至っていない状態である。
【００２５】
次いで、モータジェネレータ１２によるクランキングが開始されると、スタータモータ３０に対する始動信号が停止され、エンジン１１はモータジェネレータ１２からの動力のみによってクランキングされる。そして、エンジン回転数が所定の判定時間(たとえば１秒間)に渡って所定の完爆判定値(たとえば１６００ｒｐｍ)を上回り、ハイブリッドＥＣＵ４５によってエンジン１１の完爆状態が判定された場合には、ハイブリッドＥＣＵ４５からインバータ４７に対する始動信号が停止され、モータジェネレータ１２によるエンジン１１のクランキングが停止されることになる。なお、エンジン１１の完爆状態とは、すべての気筒内における混合気の燃焼が開始された状態であり、エンジン１１が自力運転に至った状態である。
【００２６】
このように、大きな回転トルクが要求されるエンジン１１の初爆状態までは、スタータモータ３０によってエンジン１１をクランキングさせ、回転トルクの引き下げが可能なエンジン１１の完爆状態までは、モータジェネレータ１２によってエンジン１１をクランキングさせるようにしたので、スタータモータ３０およびモータジェネレータ１２を効率良く使用することができ、消費電力を抑制するとともにエンジン１１を確実に始動させることが可能となる。特に、潤滑油の粘度が増大してクランク軸２２の回転抵抗が増大するとともに、高電圧バッテリ４０の放電特性が低下する極低温領域において、スタータモータ３０とモータジェネレータ１２とを併用してエンジン１１をクランキングさせることにより、エンジン１１を確実に始動させることが可能となる。また、エンジン１１が完爆状態に達するまで、スタータモータ３０によってエンジン回転数を引き上げる必要がないため、スタータモータ３０の小型化を図ることができ、エンジン始動装置の低コスト化を図ることが可能となる。さらに、スタータモータ３０単体よりも高いエンジン回転数でエンジン１１を完爆状態に移行させることができるため、始動時における排出ガスの清浄化を図ることも可能となる。
【００２７】
また、図５に破線αで示すように、モータジェネレータ１２に供給される電流値や周波数を制御することにより、エンジン始動時におけるモータジェネレータ１２の動力を徐々に引き下げるようにしても良い。このような、モータジェネレータ１２の出力制御をエンジン回転数の変化率に基づいて実行することにより、エンジン回転数の過度な吹け上がりや落ち込みを抑制することができ、エンジン回転数を滑らかに収束させることが可能となる。さらに、モータジェネレータ１２によってエンジン１１のクランキングを開始する際に、モータジェネレータ１２の動力を徐々に引き上げることによって、クランキングの動力源を滑らかに切り換えるようにしても良い。
【００２８】
続いて、前述した始動方法を図６のフローチャートに従って説明する。図６はエンジン１１の始動手順を示すフローチャートである。図６に示すように、まず、ステップＳ１では、エンジン水温が−２０℃を下回るか否かが判定される。エンジン水温が−２０℃を下回る極低温領域である場合には、ステップＳ２に進み、高電圧バッテリ４０の充電状態ＳＯＣが３５％を上回るか否かが判定される。そして、エンジン水温が−２０℃を下回り、かつ充電状態ＳＯＣが３５％を上回る場合には、併用モードによってエンジン１１を始動するため、続くステップＳ３においてスタータモータ３０によるエンジン１１のクランキングが開始される。続くステップＳ４においてエンジン１１が初爆状態に至ったか否かが判定され、初爆状態に至っていないと判定された場合には、スタータモータ３０によるクランキングが継続される一方、エンジン１１が初爆状態に至ったと判定された場合には、続くステップＳ５においてモータジェネレータ１２によるクランキングが開始された後に、続くステップＳ６においてスタータモータ３０によるエンジン１１のクランキングが停止される。このようにクランキングの動力源がスタータモータ３０からモータジェネレータ１２に切り換えられると、ステップＳ７に進み、エンジン１１が完爆状態に至ったか否かが判定される。そして、ステップＳ７において、完爆状態に至っていないと判定された場合には、モータジェネレータ１２によるクランキングが継続される一方、完爆状態に至ったと判定された場合には、ステップＳ８においてモータジェネレータ１２によるクランキングが停止される。このように、エンジン始動が困難な極低温領域においては、スタータモータ３０およびモータジェネレータ１２を効率良く使用することにより、消費電力を抑制しながらエンジン１１を確実に始動させることが可能となる。
【００２９】
一方、ステップＳ１において、エンジン水温が−２０℃を上回ると判定された場合には、ステップＳ１１に進み、エンジン水温が−１０℃を下回るか否かが判定される。つまり、エンジン水温が−２０℃から−１０℃までの低温領域である場合には、スタータモードによってエンジン１１が始動されることになるため、続くステップＳ１２において、スタータモータ３０によるエンジン１１のクランキングが開始される。また、エンジン水温が−２０℃を下回る極低温領域であっても、ステップＳ２において充電状態ＳＯＣが３５％を下回ると判定された場合には、モータジェネレータ１２に電力を供給することが困難であるため、ステップＳ１２に進み、モータジェネレータ１２を使用しないスタータモードが選択されることになる。そして、エンジン１１が完爆状態に達するまでスタータモータ３０によるクランキングが継続され、ステップＳ１３においてエンジン１１が完爆状態に達したと判定されると、続くステップＳ１４においてスタータモータ３０によるクランキングが停止される。このように、スタータモータ３０によるエンジン始動が可能な温度領域においては、スタータモータ３０のみを用いてエンジン１１を始動させることにより、高電圧バッテリ４０の消費電力を抑制することが可能となる。
【００３０】
また、ステップＳ１１において、エンジン水温−１０℃を上回ると判定された場合には、ジェネレータモードによってエンジン１１が始動されることになるため、続くステップＳ２１において、モータジェネレータ１２によるエンジン１１のクランキングが開始される。そして、エンジン１１が完爆状態に達するまでモータジェネレータ１２によるクランキングが継続され、ステップＳ２２においてエンジン１１が完爆状態に達したと判定されると、続くステップＳ２３においてモータジェネレータ１２によるクランキングが停止される。このように、モータジェネレータ１２によるエンジン始動が可能な温度領域においては、モータジェネレータ１２のみを用いてエンジン１１を始動させることにより、低電圧バッテリ４１の消費電力を抑制することができるだけでなく、始動時のエンジン回転数を引き上げて排出ガスの清浄化を図ることが可能となる。
【００３１】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。たとえば、図示するエンジン１１は、吸気バルブの閉タイミングを遅らせることにより、圧縮比よりも膨張比を大きく設定するようにした高膨張比(ミラーサイクル)エンジンであるが、このような高膨張比エンジンに限られることはなく、他の形式のエンジンであっても本発明を有効に適用することが可能である。
【００３２】
また、図示する場合には、クランク軸２２に直結したモータジェネレータ１２によってエンジン１１をクランキングしているが、これに限られることはなく、クラッチ等を介してエンジン１１に連結される電動モータによってエンジン１１をクランキングさせるようにしても良い。
【００３３】
また、モータジェネレータ１２に電力を供給する高電圧バッテリ４０としては、リチウムイオンバッテリに限られることはなく、ニッケル水素バッテリやキャパシタ等であっても良い。同様に、スタータモータ３０に電力を供給する低電圧バッテリ４１についても、鉛蓄電池に限られることなく、他の形式のバッテリを用いても良いことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】ハイブリッド車両に搭載されるパワーユニットを示すスケルトン図である。
【図２】ハイブリッド車両の始動制御系を示すブロック図である。
【図３】始動方法とエンジン水温との関係を示す説明図である。
【図４】始動方法と充電状態との関係を示す説明図である。
【図５】併用モードにおけるスタータモータおよびモータジェネレータの作動状態を示すタイミングチャートである。
【図６】エンジンの始動手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３５】
１１    エンジン
１２    モータジェネレータ(電動モータ)
３０    スタータモータ(始動モータ)
４０    高電圧バッテリ(蓄電機器)
４５    ハイブリッドＥＣＵ(モータ制御手段)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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