JP5708802B2 - 電動ウォータポンプの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両等に搭載されるエンジン（内燃機関）の冷却水を循環する電動ウォータポンプの制御装置に関する。

車両等に搭載されるエンジンでは、冷却水通路としてウォータジャケットを内燃機関（シリンダヘッド及びシリンダブロック）に設け、冷却水（例えばＬＬＣ：Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）をウォータポンプによってウォータジャケットを経由して循環させることで、エンジンの全体を冷却（暖機）するようにしている。

このようなエンジンの冷却装置のウォータポンプとしては、エンジンの回転数に応じて吐出量が増大する機械式ウォータポンプが適用されている。また、最近では、電動ウォータポンプも用いられている。

電動ウォータポンプを用いたエンジンの冷却装置においては、エンジン暖機運転時（エンジン始動時）のように水温が低いときには、電動ウォータポンプを停止し、エンジン内（ウォータジャケット内）の冷却水の循環を停止（エンジン冷却系水停止）することによってエンジンの暖機を促進している（例えば、特許文献１参照）。このようなエンジン冷却系水停止制御では、例えば、エンジン内の冷却水の温度を検出または推定し、その冷却水の水温がエンジンのオーバーヒート温度に達する前にエンジン冷却系水停止を終了して水循環状態に移行するようにしている。

特開２０１０−２１６３８６号公報 特開２００９−０３３８２３号公報

上記したエンジン冷却系水停止制御の課題のひとつに、水停止状態から水循環状態に移行する際に、エンジン内に冷たい冷却水が流れることによって発生するヒートショックや燃費（燃料消費率）効果の低減がある。これを防止するには、上記水停止状態と水循環状態との間に極低流量状態を設ければよいが、従来の電動ウォータポンプの制御では極低流量を実現することはできない。この点について以下に説明する。

まず、電動ウォータポンプには例えば３相直流モータが用いられている。３相直流モータでは、モータ駆動開始時に、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の通電相（ステータコイル）のうちの１つの通電相（例えばＵ相）のみに通電を行ってロータの極位置を合わせ（Ｕ相通電でロータのＮ極を引き合わせ）を行い、この状態から各通電相への通電を順次切り替えていく（Ｖ相→Ｗ相→Ｕ相→Ｖ相・・）ことでロータを回転させている。また、そのような通電相の切替制御において、非通電相（非通電のステータコイル）に発生する起電力（誘起電圧）からロータの位置変化を検出し、この検出値から得られるモータ回転数（単位時間あたりのロータの回転数）が目標値（要求回転数）となるようにフィードバック制御している。

このような電動ウォータポンプの制御では、ロータの回転が遅くて非通電相（ステータコイル）を通過するロータ極の速度（ロータの磁束がコイルを切る速度）がゆっくりである場合には、非通電相に発生する起電力が弱くなってしまい、起電力を検出できなくなるので、ロータ（電動ウォータポンプ）が要求通りに回転しているか否かを判定することができない。このため、電動ウォータポンプの流量を、上記検出可能な起電力での最低流量よりも小さい流量とすることができず、電動ウォータポンプを極低流量で制御することはできない。

本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、電動モータの非通電相に生じる起電力を検出できない低回転域においてポンプの正常判定を可能とする電動ウォータポンプの制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、エンジンの冷却系に冷却水を循環する電動ウォータポンプの制御装置において、前記電動ウォータポンプは、インペラを有するロータと、前記ロータの周囲に配置された複数相のコイルを有するステータとを備え、前記ステータのコイルの通電相を切り替えることによって前記ロータを回転させるように構成され、前記ステータのコイルの通電相の切り替えに応じて前記電動ウォータポンプの吐出圧または前記冷却水の水温が増加と減少とを繰り返している場合に、前記電動ウォータポンプが要求通りに回転していると判定する回転判定手段を備えていることを技術的特徴としている。

本発明においては、例えば、電動ウォータポンプによる冷却水の循環流量が所定流量以下であるとき、または、ポンプデューティ比（通電デューティ比）が所定値以下であるときに、電動ウォータポンプの吐出圧または冷却水の水温が増加と減少とを繰り返しているか否かを判定し、その判定結果が肯定判定である場合（吐出圧または水温が増加と減少とを繰り返している場合）は電動ウォータポンプが要求通りに正しく回転していると判定する。一方、電動ウォータポンプの吐出圧または冷却水の水温が増加と減少とを繰り返していない場合には電動ウォータポンプが回転していないと判定する。

このように、電動ウォータポンプの吐出圧または冷却水の水温を用いて電動ウォータポンプの回転判定を行うことにより、上記した非通電相に生じる起電力を検出できない低ロータ回転域において電動ウォータポンプの正常判定を行うことが可能になる。その理由について以下に説明する。

まず、電動ウォータポンプのモータにおいて、通電相を切り替える時間間隔とローラの回転数とは反比例関係にあり、通電相を切り替える時間間隔を長くすればするほど、ロータ回転数つまりポンプ回転数は小さくなる。

上述の如く、通電相の切り替えにより回転するモータを備えた電動ウォータポンプにあっては、回転要求に応じて電動ウォータポンプが実際に回転している場合、ポンプ吐出圧が増加と減少とを繰り返す現象があらわれる。すなわち、通電相の切り替えによりロータが回転方向に引っ張られる力は、通電相を切り替えた時点が最大となり、その後に順次低下していき、次の通電相の切り替え時点で再び最大となるという動作を繰り返すので、ポンプ吐出圧も増加と減少とを繰り返すようになる（図５参照）。一方、駆動要求があるのにも関らず、ロータが回転していない場合はポンプ吐出圧のハンチングは生じない。

このようなポンプ吐出圧のハンチングは、通常流量制御時（通電相の切り替えが高速である場合）には認識することは難しいが、通電相を切り替える時間間隔を十分に長くすると認識することが可能になる。つまり、通電相を切り替える時間間隔が大きいほどハンチングの周期が長くなって、ポンプ吐出圧のハンチングを認識しやすくなる傾向となるので、通電相を切り替える時間間隔を通常流量制御時よりも十分に長く（ロータ回転数を十分に小さく）しても、ポンプ吐出圧のハンチングを認識することが可能になる。

これによって、上記した非通電相に生じる起電力を検出できない低ロータ回転域であっても、吐出圧ハンチングの有無を認識することが可能になる。そして、その吐出圧ハンチングが生じている場合は電動ウォータポンプが要求通りに正しく回転していると判定することができる。一方、吐出圧ハンチングが生じていない場合には電動ウォータポンプが異常であると判定することができる。

また、冷却水の水温を用いても、上記した非通電相に生じる起電力を検出できない低ロータ回転域において電動ウォータポンプの正常判定を行うことができる。この点について以下に説明する。

まず、上記したエンジン冷却系水停止制御において、水停止状態から電動ウォータポンプを駆動したときには、エンジン内（ウォータジャケット内）の高温の冷却水に、エンジン外部からの冷たい冷却水が流入する。このとき、電動ウォータポンプの流量が極低流量である場合、上記したポンプ吐出圧のハンチングによってエンジン内に流入する冷却水（冷たい冷却水）の流量変動が生じるので、エンジン内の冷却水の水温が下降（減少）と上昇（増加）とを繰り返すようになる（図８参照）。このような水温のハンチングについても、上述した吐出圧ハンチングの場合と同じ理由により認識可能である。したがって、この場合も、上記した非通電相に生じる起電力を検出できない低ロータ回転域において、水温ハンチングの有無を判定することによって電動ウォータポンプが要求通りに正常に回転しているか否かを判定することができる。

以上のように、本発明によれば、非通電相に生じる起電力を検出できない低ロータ回転域において電動ウォータポンプが正常に回転しているか否かを判定することが可能であるので、従来制御では不可能であった極低流量制御を実現することができる。これにより、エンジン冷却系水停止制御において、上記した水停止状態と水循環状態との間に極低流量状態を設けることが可能になる。その結果として、水停止状態から水循環状態への移行時のヒートショックを効果的に抑制することができるとともに、高い燃費効果を維持することができる。

ここで、本発明において、電動ウォータポンプによる冷却水の循環流量が所定の流量（従来制御で制御可能な最低流量）以下である場合に上記電動ウォータポンプの回転判定を行うようにしてもよいし、また、電動ウォータポンプは通電がデューティ制御されるものであり、前記デューティ制御のデューティ比が所定値（従来制御で制御可能な最低デューティ比）以下である場合に上記電動ウォータポンプの回転判定を行うようにしてもよい。

また、本発明において、上記通電相を切り替える時間間隔を、通常流量制御時（非通電相に発生する起電力が検出可能な流量以上での流量制御時）よりも長く設定して上記電動ウォータポンプの回転判定を行うようにする。より具体的には、通電相を切り替える時間間隔を、電動ウォータポンプの吐出圧または冷却水の水温が増加と減少とを繰り返す現象が生じる程度に長く設定して上記電動ウォータポンプの回転判定を行うようにする。

本発明によれば、ロータ回転により非通電相に生じる起電力の検出が可能な最低回転数よりも低い回転域において電動ウォータポンプの正常判定が可能になるので、極低流量制御を実現することができる。これによって、エンジン冷却系水停止制御において水停止状態と水循環状態との間に極低流量状態を設けることが可能になる。

エンジンの冷却装置の一例を示す概略構成図である。 本発明を適用する電動ウォータポンプの一例を示す縦断面図である。 図１の冷却装置の冷却水の流れ（冷却系停止状態を含む）を示す図である。 電動モータのロータ及びステータ（通電相）の配置の一例を示す概念図である。 本発明の電動ウォータポンプの駆動制御の一例を示すタイミングチャートである。 本発明の電動ウォータポンプの駆動制御で実現できる極低流量の領域を示す図である。 ＥＣＵが実行する電動ウォータポンプの駆動制御の一例を示すフローチャートである。 エンジン始動からの水温の変化の一例を示すグラフである。 従来の電動ウォータポンプの駆動制御の一例を示すタイミングチャートである。 従来の電動ウォータポンプの駆動制御での最低流量を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、本発明を適用する電動ウォータポンプが組み込まれた冷却装置について図１を参照して説明する。

この例の冷却装置は、例えばハイブリッド車両に搭載されたエンジンの冷却装置であって、電動ウォータポンプ（電動Ｗ／Ｐ）１００、ヒータコア２、ラジエータ３、サーモスタット（Ｔ／Ｓ）４、及び、これら機器に冷却水を循環する冷却水循環通路２００などを備えている。

冷却水循環通路２００には、冷却水（ＬＬＣ）を、エンジン１（ウォータジャケット１３）、ラジエータ３及びサーモスタット４を経由して循環させるラジエータ循環系通路２０１と、冷却水を、エンジン１（ウォータジャケット１３）、ヒータコア２及びサーモスタット４を経由して循環させるヒータ循環系通路２０２とを備えている。そして、この例では、これらラジエータ循環系通路２０１とヒータ循環系通路２０２との冷却水循環に、１台の電動ウォータポンプ１００を併用している。

エンジン１は、ハイブリッド車両等に搭載されるガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどであって、シリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２を備えている。シリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２の内部にはウォータジャケット１３が形成されている。また、エンジン１には、冷却水出口（ウォータジャケット出口）１３ｂの水温を検出する水温センサ５が配置されている。

電動ウォータポンプ１００は、エンジン１の冷却水入口１３ａ側に配置されている。電動ウォータポンプ１００の吐出口１０１ｂはエンジン１のウォータジャケット１３の冷却水入口１３ａに接続されている。ウォータジャケット１３の冷却水出口１３ｂは、ヘッド出口通路２００ｂを介してヒータコア２の冷却水入口２ａ及びラジエータ３の冷却水入口３ａにそれぞれ接続されている。電動ウォータポンプ１００の詳細については後述する。

ヒータコア２の冷却水出口２ｂは、サーモスタット４の冷却水入口４ａにヒータ出口通路２０２ｂを介して接続されている。また、ラジエータ３の冷却水出口３ｂはサーモスタット４の冷却水入口４ｂにラジエータ出口通路２０１ｂを介して接続されている。サーモスタット４の冷却水出口４ｃは電動ウォータポンプ１００の吸込口１０１ａにサーモ出口通路２００ｃを介して接続されている。電動ウォータポンプ１００の吐出側には、この電動ウォータポンプ１００の吐出圧を検出する圧力センサ６が配置されている。この圧力センサ６は、後述する吐出圧ハンチングが発生したときには、その吐出圧ハンチングを検出することが可能である。なお、圧力センサ６を設ける位置は特に限定されず、電動ウォータポンプ１００の吐出圧を検出できる場所であればよく、例えば、ウォータジャケット１３の冷却水出口１３ｂ側であってもよい。

サーモスタット４は、この種の冷却装置に一般に用いられる公知の感温式の切替弁であって、閉弁状態であるときには冷却水入口４ｂ（ラジエータ３の接続口）と冷却水出口４ｃとの間を遮断し、開弁状態のときに、それら冷却水入口４ｂと冷却水出口４ｃとを接続する構造となっている。

具体的に、サーモスタット４は、弁体に変位を与える感温部を備え、その感温部のサーモワックスの膨張・収縮によって作動する弁装置であって、冷却水の水温が比較的低い場合は、ラジエータ３と電動ウォータポンプ１００との間の冷却水通路を遮断（冷却水入口４ｂと冷却水出口４ｃとの間を遮断）して、ラジエータ３に冷却水を流さないようになっている。一方、エンジン１の暖機完了後、すなわち冷却水の温度が比較的高い場合には、その水温に応じてサーモスタット４が開弁（冷却水入口４ｂと冷却水出口４ｃとが連通）してラジエータ３に冷却水の一部が流れるようになっている。

なお、サーモスタット４の冷却水入口４ａ（ヒータコア２の接続口）と冷却水出口４ｃとは常に連通しており、その冷却水入口４ａから冷却水出口４ｃに向けて流れる冷却水が上記感温部に接触するようになっている。

ヒータ循環系通路２０２にはヒータコア２が接続されており、電動ウォータポンプ１００から吐出した冷却水が［エンジン１のウォータジャケット１３→ヒータコア２→サーモスタット４→電動ウォータポンプ１００］の順で循環する。ヒータコア２は、冷却水の熱を利用して車室内を暖房するための熱交換器であって、エアコンディショナの送風ダクトに臨んで配置されている。つまり、車室内の暖房時（ヒータＯＮ時）には送風ダクト内を流れる空調風をヒータコア２に通過させて温風として車室内に供給する一方、それ以外（例えば冷房時）のとき（ヒータＯＦＦ時）には空調風がヒータコア２をバイパスするようになっている。

−電動ウォータポンプ−
次に、電動ウォータポンプ１００について図２を参照して説明する。

この例の電動ウォータポンプ１００は、遠心式のポンプであって、ポンプボディを構成するポンプケース１０１、支持シャフト１０２、冷却水を圧送するインペラ１０３、ロータシャフト１０４、及び、ロータ１５１とステータ１５２とによって構成される電動モータ１０５などを備えている。

ポンプケース１０１には、渦巻き室１１１、ロータ収容部１１２、ステータ収容部１１３及び制御機器収容部１１４などが形成されている。ロータ収容部１１２の一部は渦巻き室１１１と連通しており、電動ウォータポンプ１００に冷却水を充填すると、ロータ収容部１１２の内部にも冷却水が流入する。なお、ポンプケース１０１の背面側には放熱フィン１０１ｃが形成されている。

また、ポンプケース１０１には渦巻き室１１１に連通する吸込口１０１ａが設けられており、この吸込口１０１ａを通じて冷却水が渦巻き室１１１内に流入する。渦巻き室１１１内に流入した冷却水は、後述するインペラ１０３によって加圧され、ポンプケース１０１の吐出口１０１ｂ（図１参照）を通じてエンジン１のウォータジャケット１３に圧送される。

支持シャフト１０２は、ポンプケース１０１の内部に、ポンプ回転中心（インペラ１０３の回転中心）に沿って配置されている。支持シャフト１０２の一端部（先端部）１０２ａは支持部材１１５によって支持されている。支持部材１１５はポンプケース１０１に一体形成されている。支持シャフト１０２の他端部（後端部）１０２ｂは、ポンプケース１０１に嵌め込まれたブッシュ１１６に圧入されている。支持シャフト１０２はポンプケース１０１に固定されており、電動ウォータポンプ１００の駆動時であっても回転しない。

インペラ１０３は、ポンプケース１０１の渦巻き室１１１内に収容されている。インペラ１０３はロータシャフト１０４の一端（先端）に一体形成されている。ロータシャフト１０４は、円筒形状の部材であって、支持シャフト１０２に回転自在に支持されている。なお、インペラ１０３とロータシャフト１０４とを別体の部品とし、ロータシャフト１０４の先端にインペラ１０３を固着した構成であってもよい。

ロータシャフト１０４には、電動モータ１０５を構成するロータ１５１が一体に設けられている。ロータ１５１は、例えば複数枚の電磁鋼板を積層したロータコア１５１ａと、そのロータコア１５１ａに埋設された永久磁石（ＩＰＭ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）１５１ｂとによって構成されている。また、電動モータ１０５を構成するステータ１５２は、複数枚の電磁鋼板が積層されたステータコア１５２ａと、そのステータコア１５２ａの外周に巻回された３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の通電相のコイル１５２ｂ・・１５２ｂとによって構成されている。これらステータ１５２とロータ１５１とによって構成される電動モータ１０５の詳細については後述する。

なお、ポンプケース１０１の制御機器収容部１１４には、例えばコンデンサとインダクタ（リアクトル）１０６とによって構成されるＬＣモジュール、及び、制御基板１０７などが収容されている。

以上の構造の電動ウォータポンプ１００において、ステータ１５２の各コイル１５２ｂへの通電が制御（通電相の切り替え制御）されると、ロータ１５１及びロータシャフト１０４が回転し、これに伴ってインペラ１０３が回転する。このインペラ１０３の回転により、ポンプケース１０１の吸込口１０１ａから冷却水が吸い込まれて渦巻き室１１１内に流入し、その渦巻き室１１１内に流入した冷却水がインペラ１０３によって加圧されて吐出口１０１ｂ（図１参照）からエンジン１の冷却水入口１３ａに圧送される。電動ウォータポンプ１００の駆動制御については後述する。

−ＥＣＵ−
次に、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）３００について説明する。

ＥＣＵ３００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、及び、バックアップＲＡＭなどを備えている。

ＲＯＭには、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて演算処理を実行する。また、ＲＡＭはＣＰＵでの演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭはエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。

ＥＣＵ３００には、上記した水温センサ５、吸入空気量を検出するエアフロメータ、吸気温センサ、及び、エンジン回転数センサ（図示せず）などを含むエンジン１の運転状態を検出する各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ３００には、上記した電動ウォータポンプ１００の吐出圧を検出する圧力センサ６が接続されている。

そして、ＥＣＵ３００は、エンジン運転状態を検出する各種センサの出力信号に基づいて、エンジン１の吸入空気量制御（スロットルバルブの開度制御）、燃料噴射量制御（インジェクタの開閉制御）などを含むエンジン１の各種制御を実行する。また、ＥＣＵ３００は電動ウォータポンプ１００の駆動制御を実行する。

以上のＥＣＵ３００により実行されるプログラムによって本発明の電動ウォータポンプの制御装置が実現される。

−冷却装置の動作説明−
次に、図１に示す冷却装置の冷却水の流れについて図１及び図３を参照して説明する。なお、図３において、冷却水が流れている通路及びその流れ方向を実線の矢印で示し、冷却水が流れていない通路を破線で示している。

まず、冷間時（コールドスタート時等）は、冷却水の水温が低いのでサーモスタット４は閉弁状態である。また、この例では、冷間時におけるエンジン１の暖機を促進するために、電動ウォータポンプ１００を停止してエンジン１内（ウォータジャケット１３内）の冷却水の循環を停止する（エンジン冷却系水停止：図３（ａ）の状態）。

このエンジン冷却系水停止制御中において、ＥＣＵ３００は水温センサ５の出力信号に基づいて、エンジン１内の冷却水の水温を監視しており、その水温が後述する判定水温（エンジン１のオーバーヒート温度を考慮した水温）ｔｈｗ１にまで上昇した時点で、電動ウォータポンプ１００を駆動して水循環状態に移行する。このとき、電動ウォータポンプ１００の停止による水停止状態から電動ウォータポンプ１００の通常流量制御による水循環状態に直接移行するのではなく、水停止状態と水循環状態との間に、後述する極低流量制御を実行する。極低流量制御を実行すると、ヒータ循環系通路２０２に微小量の冷却水が循環する。このような極低流量制御を所定の時間だけ行った後に通常流量制御による水循環状態（図３（ｂ）の状態）に切り替える。

そして、時間の経過とともにヒータ循環系通路２０２内の冷却水の水温が上昇してき、サーモスタット４の感温部周辺の冷却水の水温が所定温度以上（サーモスタット４の開弁温度以上）になると、サーモスタット４が開弁する。サーモスタット４が開弁すると、図３（ｃ）に示すように、ラジエータ３に冷却水の一部が流れるようになり、冷却水が回収した熱がラジエータ３から大気に放出される。

−電動ウォータポンプの駆動制御−
まず、電動ウォータポンプ１００の電動モータ１０５について説明する。この例の電動モータ１０５は、３相４極のセンサレス駆動方式のブラシレスモータであって、図４に示すように、４極のロータ（マグネットロータ）１５１と、そのロータ１５１の周囲に配置された３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の通電相であるコイル１５２ｂ・・１５２ｂを有するステータ１５２とを備えている。

このような３相４極の電動モータ１０５では、図４（ａ）に示すように、モータ駆動開始時に、３相の通電相（ステータ１５２のコイル１５２ｂ・・１５２ｂ）のうちの１つの通電相（例えばＵ相のコイル１５２ｂ）のみに通電を行ってロータ１５１の極位置を合わせ（ロータ極（Ｎ極）の位置検出）を行い、この状態から各通電相（各コイル１５２ｂ）への通電を順次切り替えていく（Ｖ相→Ｗ相→Ｕ相→Ｖ相・・）ことによって、ロータ１５１が回転するようになっている。

また、そのような通電相の切替制御において、非通電相（非通電のコイル１５２ｂ）に発生する起電力（誘起電圧）からロータ１５１の位置変化を検出し、この検出値から得られるモータ回転数（単位時間あたりのロータ１５１の回転数）が目標値（要求回転数）となるようにフィードバック制御している。なお、このようなフィードバック制御は通常流量制御時のみ実行し、後述する極低流量制御時には行わない。

さらに、この例の電動モータ１０５にあっては、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の通電相（コイル１５２ｂ・・１５２ｂ）の通電を切り替える時間間隔を可変に設定することが可能である。また、各通電相（コイル１５２ｂ・・１５２ｂ）に対する通電をデューティ制御にて制御する。その各通電相に対する通電デューティ比についても、０〜１００％の範囲で可変に設定することができる。

そして、このような電動モータ１０５（電動ウォータポンプ１００）の駆動制御（通電相を切り替える時間間隔、及び、各通電相に対する通電デューティ比などの制御）はＥＣＵ３００によって実行される。

−極低流量制御−
次に、電動ウォータポンプ１００の極低流量制御について説明する。

上述したように、エンジン冷却系水停止制御においては、水停止状態から水循環状態に移行する際に、通常流量制御で電動ウォータポンプ１００を駆動すると、エンジン１内（ウォータジャケット１３内）に冷たい冷却水が流れてしまい、エンジン１内の水温が急激に低下する（図８の破線参照）。これによってヒートショックや燃費効果の低減が発生する。こうした課題を解決するには、上記水停止状態と水循環状態との間に極低流量状態を設ければよいが、従来制御では、以下の理由により電動ウォータポンプ１００を極低流量制御することはできない。

まず、従来制御においても、図４（ａ）及び図９に示すように、モータ駆動開始時に、３相の通電相（コイル）のうちの１つの通電相（例えばＵ相）のみに通電を行ってロータ１５１の極位置を合わせ（ロータ極位置検出）を行い、この状態から各通電相（各コイル）への通電を順次切り替えていく（Ｖ相→Ｗ相→Ｕ相→Ｖ相・・）ことでロータ１５１を回転させている。そして、このような通電相の切替制御において、非通電相（非通電のコイル１５２ｂ）に発生する起電力を検出し、ロータ１５１（電動ウォータポンプ）が要求通りに回転しているか否かを判定している。

しかしながら、このような従来制御では、ロータ１５１の回転が遅くて非通電相（コイル１５２ｂ）を通過するロータ極（Ｎ極またはＳ極）の速度（ロータ１５１の磁束がコイル１５２ｂを切る速度）がゆっくりである場合には、非通電相に発生する起電力が弱くなるためロータ回転（モータ回転）を正確に検出することができなくなる。具体的には、図９に示すように、検出最小起電力Ｖｍｉｎよりも低いロータ回転数である場合には、ロータ回転数を正確に検出できなくなってしまい、ロータ１５１（電動ウォータポンプ）が要求通りの回転数で回転しているか否かを判定することができなくなる。このため、電動ウォータポンプのポンプ流量を、上記した検出可能な最小起電力Ｖｍｉｎに相当する最低流量Ａ（例えば１０Ｌ／ｍｉｎ）よりも小さい流量とすることはできない（図１０参照）。

このような点を解決するために、本実施形態では、電動ウォータポンプ１００の吐出圧を用いて、当該電動ウォータポンプ１００の回転判定を行うことにより、上記した非通電相に生じる起電力を検出できない低ロータ回転域において、電動ウォータポンプ１００の正常判定を可能としている。その具体的な判定制御について図４〜図６を参照して説明する。

まず、図４（ａ）及び図５に示すように、モータ駆動開始時に、３相の通電相（ステータ１５２のコイル１５２ｂ）のうちの１つの通電相（例えばＵ相のコイル１５２ｂ）のみに通電を行ってロータ１５１の極位置を合わせ（ロータ極位置検出）を行う。この状態から通電相を切り替えていく（図４（ａ）→（ｂ）・・）ことによりロータ１５１を回転させるが、本実施形態では、通電相を切り替える時間間隔Ｔｉｎｔ（図５参照）を通常流量制御時（例えばｍｓｅｃオーダー）よりも十分に長く設定し（例えば１ｓｅｃ）、ロータ１５１（電動ウォータポンプ１００）を極低回転で回転させることにより、極低流量での冷却水の循環を実現している。

ここで、通電相の切り替えにより回転する電動モータ１０５を備えた電動ウォータポンプ１００にあっては、上述したように、回転要求に応じて電動ウォータポンプ１００が実際に回転している場合、ポンプ吐出圧が増加と減少とを繰り返す現象（吐出圧ハンチング）があらわれる。一方、駆動要求があるのにも関らず、ロータ１５１（ポンプ）が回転していない場合は吐出圧のハンチングは生じない。

このような吐出圧ハンチングは、通電相を切り替える時間間隔Ｔｉｎｔが大きいほどハンチングの周期が長くなって、ポンプ吐出圧のハンチングを認識しやすくなる傾向となるので、通電相を切り替える時間間隔Ｔｉｎｔを通常流量制御時よりも十分に長く（ロータ回転数を十分に小さく）しても、吐出圧ハンチングを認識することが可能になる。これによって、図５に示すように、電動モータ１０５の非通電相に生じる起電力が、上記した検出可能な最小起電力（非通電相に生じる最小起電力）Ｖｍｉｎ以下になるような極めて低いロータ回転域であっても、吐出圧ハンチングの有無を認識することが可能になる。そして、その吐出圧ハンチングが生じている場合は電動ウォータポンプ１００が要求通りに正しく回転していると判定することができる。一方、吐出圧ハンチングが生じていない場合には電動ウォータポンプ１００が異常であると判定することができる。

このように、本実施形態では、非通電相に生じる起電力を検出できない低ロータ回転域（従来制御で制御可能な最低デューティ比（例えば４０％）以下でのロータ回転域）において、電動ウォータポンプ１００が要求通りに正常に回転しているか否かを判定することが可能になるので、図６に示すように、従来制御で制御可能な最低流量Ａ（例えば１０Ｌ／ｍｉｎ）よりも低い極低流量Ｂ（例えば２Ｌ／ｍｉｎ）で冷却水を循環することが可能になる。

−電動ウォータポンプの制御例（１）−
次に、電動ウォータポンプ１００の駆動制御の一例について図７のフローチャートを参照して説明する。この図７の制御ルーチンはＥＣＵ３００において実行される。

図７に示す制御ルーチンはエンジン始動要求があった時点で開始される。図７の制御ルーチンが開始されると、まずはステップＳＴ１０１において、エンジン回転数センサの出力信号に基づいてエンジン１が始動したか否かを判定し、エンジン１が始動した時点（ステップＳＴ１０１が肯定判定（ＹＥＳ）となった時点）でステップＳＴ１０２に進む。

ステップＳＴ１０２では、水温センサ５の出力信号に基づいて冷間時であるか否かを判定し、その判定結果が否定判定（ＮＯ）である場合は処理を終了する。ステップＳＴ１０２の判定結果が肯定判定（ＹＥＳ）である場合はステップＳＴ１０３に進む。なお、このステップＳＴ１０２において、水温センサ５の出力信号から得られる冷却水の水温が所定値（例えば７０℃）以下である場合に「冷間時」であると判定する。

ステップＳＴ１０３では、電動ウォータポンプ（電動Ｗ／Ｐ）１００の停止状態を維持する。次に、ステップＳＴ１０４において、水温センサ５の出力信号から得られる現在の冷却水の水温が所定の判定温度ｔｈｗ１以上であるか否かを判定する。

このステップＳＴ１０４の判定結果が否定判定（ＮＯ）である場合（水温＜ｔｈｗ１である場合）は、電動ウォータポンプ１００は停止した状態が維持される。そして、エンジン始動からの時間の経過とともにエンジン１内（ウォータジャケット１３内）の冷却水の水温が上昇し、その水温（水温センサ５の出力信号から認識）が判定温度ｔｈｗ１に達した時点（水温≧ｔｈｗ１となり、ステップＳＴ１０４が肯定判定（ＹＥＳ）となった時点）でステップＳＴ１０５に進む。

以上のステップＳＴ１０４が肯定判定（ＹＥＳ）となるまでの期間、つまり、エンジン始動時から水温が判定温度ｔｈｗ１に達するまでの期間が、電動ウォータポンプ１００を停止してエンジン１内に冷却水を循環しない冷却系水停止の期間である。

ここで、ステップＳＴ１０４の判定処理に用いる判定温度ｔｈｗ１は、エンジン１のオーバーヒート温度を考慮して、実験・シミュレーション等によって適合した値を設定する。この例では、判定温度ｔｈｗ１を、例えば８０℃としている。なお、判定温度ｔｈｗ１は、「８０℃」以外の値であってもよい。

また、ステップＳＴ１０４の判定に用いる現在の水温は、エンジン始動時の冷却水の水温と及びエンジン始動からの吸入空気量積算値等に基づいて推定した推定水温（シリンダブロック１１内またはシリンダヘッド１２内の冷却水の推定水温）を用いてもよい。

ステップＳＴ１０５では、電動ウォータポンプ１００を極低流量制御にて駆動する。具体的には、図４（ａ）に示すように、まずは３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の通電相（コイル１５２ｂ）のうちの１つの通電相（例えばＵ相）のみに通電を行ってロータ極位置検出を行い、この状態で、通電相の切り替えてロータ１５１（電動ウォータポンプ１００）を回転させる。このとき、上述したように、通電相を切り替える時間間隔を十分に長く設定して（例えば１ｓｅｃ）、ロータ１５１（電動ウォータポンプ１００）を極低回転で回転させる。また、このステップＳＴ１０５の極低流量制御を実行したときに、ＥＣＵ３００は、極低流量制御を開始した時点からの経過時間Δｔの計時を開始する。なお、極低流量制御中において各通電相に対する通電ディーティ比は一定の値（例えば４０％以下の値）に設定する。

ステップＳＴ１０６では、圧力センサ６の出力信号に基づいて、図５に示すような吐出圧ハンチングが生じているか否かを判定する。ステップＳＴ１０６の判定結果が肯定判定（ＹＥＳ）である場合は、電動ウォータポンプ１００が要求通りに正しく回転していると判定（正常判定；ステップＳＴ１０７）して、ステップＳＴ１０８に進む。一方、ステップＳＴ１０６の判定結果が否定判定（ＮＯ）である場合（吐出圧ハンチングが発生していない場合）は処理を終了する。なお、吐出圧ハンチングが発生していない場合は、電動ウォータポンプ１００が異常であると判定し、例えば、ＭＩＬ（Ｍａｌｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ Ｌａｍｐ；警告ランプ）を点灯して、ユーザに対しディーラ等での点検・修理等を促すようにする。

ステップＳＴ１０８では、上記極低流量制御を開始した時点からの経過時間Δｔが所定の判定値ｔｉｍｅ１よりも大きくなったか否かを判定する。この判定値ｔｉｍｅ１は、例えば、上記極低流量制御によって、エンジン１内（ウォータジャケット１３内）の冷却水と冷却水循環通路２００の配管系（ヒータコア２等も含む）内の冷却水とが混合して同程度（もしくは許容温度差の範囲内）の水温になるまでの時間を考慮して設定する。

上記ステップＳＴ１０８の判定結果が否定判定（ＮＯ）である場合（Δｔ＜ｔｉｍｅ１である場合）は、電動ウォータポンプ１００の極低流量制御が継続される。そして、極低流量制御を開始した時点からの経過時間Δｔが判定値ｔｉｍｅ１に達した時点（Δｔ≧ｔｉｍｅ１となり、ステップＳＴ１０８が肯定判定（ＹＥＳ）となった時点）でステップＳＴ１０９に進む。ステップＳＴ１０９では電動ウォータポンプ１００の制御を極低流量制御から通常流量制御に切り替える（水循環状態に切り替える）。

なお、ステップＳＴ１０９で実行する通常流量制御は、例えば、エンジン１の運転状態に基づいてマップ（通常制御時のマップ）を参照して要求流量を求め、その要求流量に基づいて電動ウォータポンプ１００の回転数を設定するという制御である。

以上のように、この例の制御によれば、非通電相に生じる起電力を検出できない低ロータ回転域において電動ウォータポンプ１００が正常に回転しているか否かを判定することが可能であるので、従来制御では不可能であった極低流量制御を実現することができる。これによって、エンジン冷却系水停止制御において、水停止状態と水循環状態との間に極低流量状態を設けることが可能になる。その結果として、水停止状態から水循環状態への移行時のヒートショックを効果的に抑制することができるとともに、高い燃費効果を維持することができる。

−電動ウォータポンプの制御例（２）−
次に、電動ウォータポンプ１００の駆動制御の他の例について、図８を参照して説明する。

この例においても、エンジン始動が冷間時である場合、電動ウォータポンプ１００を停止して水停止状態とする（図８参照）。この水停止状態中に、時間の経過とともにエンジン１内（ウォータジャケット１３内）の冷却水の水温が上昇し、その水温（水温センサ５の出力信号から認識）が上記判定温度ｔｈｗ１に達した時点で、電動ウォータポンプ１００を上記した極低流量制御にて駆動する。このような極低流量制御中において、図８に示すように、水温が上昇（増加）と下降（減少）を繰り返す水温ハンチングが発生する。その理由について以下に説明する。

まず、上記水停止状態から電動ウォータポンプ１００を駆動したときには、エンジン１内（ウォータジャケット１３内）の高温の冷却水に、エンジン１の外部からの冷たい冷却水が流入する。このとき、電動ウォータポンプ１００の流量が極低流量である場合、上記したポンプ吐出圧のハンチングによってエンジン１内に流入する冷却水（冷たい冷却水）の流量変動が生じるので、エンジン１内の水温が下降（減少）と上昇（増加）とを繰り返すようになる（図８参照）。このような水温ハンチングについても、上述した吐出圧ハンチングの場合と同じ理由により認識可能である。

そして、この例では、そのような点（水温のハンチング現象）を利用して、水温センサ５の出力信号に基づいて、極低流量制御中に上記水温ハンチングが生じているか否かを判定（上記した図７のフローチャートのステップＳＴ１０６にて判定）し、水温ハンチングが発生している場合は電動ウォータポンプ１００が要求通りに正常に回転していると判定する。一方、極低流量制御中に水温ハンチングが生じていない場合には電動ウォータポンプ１００が異常であると判定する。

なお、この例の制御においても、上記極低流量制御を開始した時点からの経過時間Δｔが上記判定値ｔｉｍｅ１に達した時点で、極低流量制御状態から通常流量制御による水循環状態に切り替える。つまり、上記した図７のフローチャートにおいて、ステップＳＴ１０６の判定処理を変更する以外は同じ処理を行う。

以上のように、この例の制御においても、電動モータ１０５の非通電相に生じる起電力を検出できない低ロータ回転域において電動ウォータポンプ１００が正常に回転しているか否かを判定することが可能であるので、従来制御では不可能であった極低流量制御を実現することができる。これによって、エンジン冷却系水停止制御において、水停止状態と水循環状態との間に極低流量状態を設けることが可能になる。その結果として、水停止状態から水循環状態への移行時のヒートショックを効果的に抑制することができるとともに、高い燃費効果を維持することができる。

−他の実施形態−
本発明は、図１に示す構成のエンジン冷却装置に用いられる電動ウォータポンプに限られることなく、他の構成のエンジン冷却装置の電動ウォータポンプにも適用可能である。

例えば、シリンダヘッドのウォータジャケット（ヘッド側ウォータジャケット）及びシリンダブロックのウォータジャケット（ブロック側ウォータジャケット）に対して冷却水を並列に循環させるようにしたエンジン冷却装置（一般に、「２系統冷却装置」と呼ばれている）において、冷間時に、ブロック側ウォータジャケットへの冷却水の供給を停止（ブロック内水停止）させる方式のエンジン冷却装置に用いられる電動ウォータポンプにも本発明は適用可能である。

本発明は、車両等に搭載されるエンジン（内燃機関）の冷却水を循環する電動ウォータポンプの制御に利用することができる。

１ エンジン
１１ シリンダブロック
１２ シリンダヘッド
１３ ウォータジャケット
５ 水温センサ
６ 圧力センサ
１００ 電動ウォータポンプ
１０１ａ 吸込口
１０１ｂ 吐出口
１０３ インペラ
１０４ ロータシャフト
１０５ 電動モータ
１５１ ロータ
１５２ ステータ
１５２ａ ステータコア
１５２ｂ コイル
２００ 冷却水循環通路
２０１ ラジエータ循環系通路
２０２ ヒータ循環系通路
３００ ＥＣＵ

Claims (5)

1. エンジンの冷却系に冷却水を循環する電動ウォータポンプの制御装置であって、
   前記電動ウォータポンプは、インペラを有するロータと、前記ロータの周囲に配置された複数相のコイルを有するステータとを備え、前記ステータのコイルの通電相を切り替えることによって前記ロータを回転させるように構成され、
   前記ステータのコイルの通電相の切り替えに応じて前記電動ウォータポンプの吐出圧または前記冷却水の水温が増加と減少とを繰り返している場合に、前記電動ウォータポンプが要求通りに回転していると判定する回転判定手段を備えていることを特徴とする電動ウォータポンプの制御装置。
2. 請求項１記載の電動ウォータポンプの制御装置において、
   前記電動ウォータポンプによる冷却水の循環流量が所定流量以下である場合に、前記電動ウォータポンプの回転判定を行うことを特徴とする電動ウォータポンプの制御装置。
3. 請求項１記載の電動ウォータポンプの制御装置において、
   前記電動ウォータポンプは通電がデューティ制御されるものであり、前記デューティ制御のデューティ比が所定値以下である場合に、前記電動ウォータポンプの回転判定を行うことを特徴とする電動ウォータポンプの制御装置。
4. 請求項１記載の電動ウォータポンプの制御装置において、
   前記通電相を切り替える時間間隔を通常制御時よりも長く設定して、前記電動ウォータポンプの回転判定を行うことを特徴とする電動ウォータポンプの制御装置。
5. 請求項４記載の電動ウォータポンプの制御装置において、
   前記通電相を切り替える時間間隔を、前記電動ウォータポンプの吐出圧または前記冷却水の水温が増加と減少とを繰り返す現象が生じる程度に長く設定することを特徴とする電動ウォータポンプの制御装置。

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