JP3924681B2 - ハイブリッド車両のドライブトレイン制御システム - Google Patents
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Description
本発明は少なくとも2つの駆動機構、エネルギ蓄積器およびトランスミッションを備えたハイブリッド車両のドライブトレイン制御システムに関する。
【0002】
次世代の自動車は従来の内燃機関のほか、少なくとも1つの付加的な駆動機構、例えばエレクトロモータを備えるものとして製造されることが多くなるはずである。エレクトロモータの概念はここでは一般的な意味で使用しており、クランクシャフトスタータジェネレータ(以下では組み込み型スタータジェネレータISGとも称する)を含む。
【0003】
独国特許出願公開第19637210号明細書から、車両のドライブトレイン制御システムが公知である。このシステムでは駆動ソースのタイプがアクセルペダルの位置およびブレーキペダルの位置、センサ信号および車両の駆動パラメータに依存して定められる。
【0004】
本発明の課題は少なくとも2つの駆動機構とトランスミッションとを備えた車両のドライブトレイン制御システムにおいて、車両の駆動における燃費特性、障害物質放出特性、走行性能、走行出力などを改善することである。
【0005】
この課題は独立請求項の特徴部分に記載の構成を有する本発明のドライブトレイン制御システムにより解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項から得られる。
【0006】
トルク目標値とエネルギ蓄積器のチャージ状態とに依存して、ステータスマネージャ内でドライブトレインの目標駆動ステータスが定められる。トルクマネージャ内では続いてトルク目標値と目標駆動ステータスとに依存して駆動機構およびトランスミッションの分散制御ユニットに対する制御信号が形成される。
【0007】
目標駆動ステータスを設定する機能部と、既存のモーメントソースおよびモーメントシンクへトルク要求を分配する機能部とを階層的に分離したことにより、システムの複雑性が大幅に低減される。これによりドライブトレイン制御システムの各機器を簡単に構成することができ、種々の限界条件および要求に対して低コストで適合化することができる。さらにステータスマネージャおよびトルクマネージャに対して異なる処理時間スロットを割り当てることもできる。これにより閉制御ダイナミクスが高められ、処理負荷量を所望に応じて調整することができる。
【0008】
本発明の実施例を以下に図に則して説明する。図1には2つの駆動機構を備えた車両のドライブトレインが示されている。図2には本発明のドライブトレイン制御システムのブロック図が示されている。図3には図1のドライブトレインで生じうるステータスの概略図が示されている。図4には組み込み型スタータジェネレータを有する場合と有さない場合の内燃機関のトルク特性が示されている。
【0009】
図1に示されているのは内燃機関1によって駆動される車両のドライブトレインであり、ここで内燃機関1は従来のように構成されているので概略的にしか示していない。内燃機関1はここでは電子式機関制御ユニット(EMS)2により制御され、この制御ユニットが電子式スロットルバルブ制御ユニットETCの機能も担当している。出力側では内燃機関1はシャフトを介して組み込み型スタータジェネレータ3の形態のエレクトロモータに接続されており、ここからエネルギ蓄積器4への充電が行われる。ここではエネルギ蓄積器4は有利に電気バッテリとして構成されているが、燃料電池またはUltra‐Capsの形態のハイパワーコンデンサとして構成することもできる。モータが停止しているあいだは組み込み型スタータジェネレータ3が内燃機関1の始動に用いられる。組み込み型スタータジェネレータはここでは有利には非同期機として構成されているが、同期機または直流機としても構成することができる。組み込み型スタータジェネレータ3はISG制御ユニット(ISGS)5により制御される。
【0010】
有利には内燃機関1と組み込み型スタータジェネレータ3とのあいだに図示されないクラッチが設けられており、このクラッチにより内燃機関1がドライブトレインから切り離される。これにより組み込み型スタータジェネレータ3の回転数と内燃機関1との分離が行われ、これにより損失エネルギのみを生じる内燃機関1のブレーキ作用が遮断され、スタータジェネレータ3の電気的に利用可能なブレーキ作用が改善される。
【0011】
さらにドライブトレインにはトランスミッション7に対するクラッチ6が設けられており、ここでクラッチ6は例えば湿式クラッチまたは乾式クラッチとして構成することができる。クラッチ6およびトランスミッション7は電子式トランスミッション制御ユニット(EGS)8によって駆動される。その際にこの電子式トランスミッション制御ユニット8はトランスミッション7の種々の変速比ueを調整することができる。種々の変速比間の切換はここでは電子式トランスミッション制御ユニット8を介して自動的にクラッチ6の相応の駆動とトランスミッション7のアクチュエータ、例えばセミオートマティックトランスミッションとして構成されたトランスミッション7を動かす際のギヤ位置とにより行われる。固定のギヤ段を有するトランスミッションに代えて、連続的に調整可能な変速比を有するトランスミッションを使用することもできる。同様にトランスミッション7が従来のプラネタリギアを備えたオートマティックトランスミッションとして構成されていたり、またはセミオートマティックトランスミッションとして構成されていたりしても問題にはならない。
【0012】
さらにドライブトレインは車両の駆動輪9に接続されている。解りやすくするために図には例として駆動輪9が1つだけ示されている。さらにドライブトレイン内には回転数センサ10が設けられており、このセンサはトランスミッション出力軸のその時点での回転数nまたは相応の信号(例えば駆動輪回転数または車両速度など)を連続的に測定し、線路11を介してシステムを管理するドライブトレインマネジメント部(IPM)12へ伝達する。別の入力信号としてドライブトレインマネジメント部12は特に線路13、14を介して駆動トルクまたはブレーキトルクに対するドライバー要求を表す信号を受け取る。この信号は例えばアクセルペダル15の位置またはブレーキペダル16の位置を評価することにより得られる。さらにドライブトレインマネジメント部12には線路17を介してエネルギ蓄積器4のチャージ状態を表す信号が伝達される。またドライブトレインマネジメント部12には概略的に1つのブロックとしてまとめて示されているセンサ18の信号や外部の信号源、例えばGPSからのその時点での駆動状況を求めるためのデータが供給される。
【0013】
供給された信号に依存してドライブトレインマネジメント部12はドライブトレインの中央駆動パラメータの調整計算を行う。つまりドライブトレインマネジメント部12で例えばトランスミッション変速比およびトルク目標値が駆動機構の動作タイプおよび動作点に対して定められる。これらの情報は分散制御ユニットまたは分散制御装置2、5、8へ制御信号の形態で供給される。分散制御ユニットまたは分散制御装置2、5、8はこれらの制御信号に依存してドライブトレインの個々の機構またはコンポーネントに対する調整信号を形成する。ドライブトレインマネジメント部12は図では独立した制御ユニットとして示されているが、これを1つまたは複数の分散制御ユニットまたは分散制御装置2、5、8の集積体として構成することもできる。これらのユニットは任意に組み合わせたり、1つまたは複数の多機能制御機器内に収容したりすることができる。
【0014】
ドライブトレインマネジメント部12のアーキテクチャが図2に詳細に示されている。ペダル評価部20では線路13、14の信号に依存して要求トルク値が求められる。この要求トルク値は有利には目標駆動輪モーメントとして出力されるが、目標駆動輪摩擦力または目標入力トルクまたは目標出力トルクとして出力してもよい。ブレーキペダル16に関する連続的な情報とセンサ18の別の信号とにより、負の目標駆動輪モーメントまたは負の目標駆動輪摩擦力を設定することもできる。したがって駆動されるユニット、例えば内燃機関、エレクトロモータ、ブレーキまたはスタータジェネレータなど減速に作用するエネルギ収容ユニットを統合したマネジメントが可能となる。要求トルク値をドライバが設定することに代えてこれを走行速度制御回路によって設定することもできる。
【0015】
ドライバー識別および状況識別部21ではセンサ18の信号、線路11から供給される回転数n、および場合により外部の信号ソースからの他のデータに依存して、運転状況とドライバーのタイプとを表す出力信号が形成される。さらにドライバー要求を表す線路13、14の信号も考慮される。個々にはドライバー識別および状況識別部は次のような構成素子を有する。すなわち、ドライバータイプ識別回路、環境タイプおよび道路タイプローカリゼーション回路、走行進路計画および状況識別回路、情報チャネル(例えば無線電話または衛星受信機)などである。
【0016】
ドライバー識別および状況識別部21の出力信号と線路17を介して供給されるエネルギ蓄積器4のチャージ状態を表す信号とに依存して、ステータスマネージャ22でドライブトレインの目標駆動ステータスが設定される。駆動ステータスの設定については後に詳細に説明する。ステータスマネージャ22からは目標駆動ステータスを表すステータス変数の形態の制御信号がトルクマネージャ23へ伝達される。
【0017】
目標駆動ステータスに依存して要求トルク値が既存のモーメントソースおよびモーメントシンクへ分配され、トランスミッションの変速比が定められる。ここで要求トルク値の分配はトルクマネージャ23が分散制御ユニット2、5へ各駆動機構の要求するトルクを表す制御信号を伝達することにより行われる。同様に入れるべきギアまたは調整すべき変速比または調整すべきクラッチ6の開放度などを表す制御信号がトランスミッション制御ユニット8へ伝達される。
【0018】
以下に図3の状態遷移図に則してステータスマネージャ22の機能を説明する。ステータスマネージャ22にはドライブトレインで生じうる複数の目標駆動ステータスが記憶されている。車両で実際に生じうる駆動ステータスおよびその遷移はドライブトレインの構成、つまり車両内の既存のコンポーネントまたは機構のタイプおよび個数に依存している。本発明のステータスマネージャ22を種々の車両タイプひいては種々のドライブトレインの構成に対して利用できるようにするために、ステータスマネージャ22内には有利にはデータビットの形態の構成データセットが設けられており、これがドライブトレインのコンポーネントの構成に依存してセットされる。構成データセットに依存して個々のステータスは阻止されたりイネーブルされたりする。図3の実施例は図1のドライブトレインでのステータスおよびその遷移を示している。ここでステータスマネージャ22ではドライブトレインの次のような駆動ステータスが区別されている。
【0019】
Z1:ステータス"乗車"は点火直後に発生する。
【0020】
Z2:ステータス"スタート"では内燃機関1が組み込み型スタータジェネレータ3を介して始動される。このときクラッチ6が開放されていればトルクマネージャ23からスタート回転数要求がISG制御ユニット5へ伝達される。これにより再び組み込み型スタータジェネレータ3が制御され、相応のトルクが形成される。ブレークアウェイトルクに達した後は内燃機関1が組み込み型スタータジェネレータ3からスタート回転数へ加速される。スタート過程は機関制御ユニット2がドライブトレインマネジメント部12へ応答することにより終了し、アイドリング回転数が達成される。これに代えてスタート過程をスタータジェネレータ3での直接のモーメント設定部を介して制御されるように構成することもできる。スタータジェネレータ3を有するタイプの機関は従来のスタータよりも格段に迅速かつ低ノイズでスタートを行うことができる。
【0021】
Z3:ステータス"フリーホイーリング"ではクラッチ6が開放されるかまたは開放された状態のままとどめられ、内燃機関1はアイドリング動作を続ける。フリーホイーリング駆動とは特に従来のドライブトレインを備えた内燃機関1のエンジンブレーキ動作時に大きな利点を有する。内燃機関1のエンジンブレーキ動作の際、従来のドライブトレインでは内燃機関1の摩擦モーメントにより相応のエネルギ損失が発生し、これが高い回転数まで上昇する。フリーホイーリング駆動でクラッチ6を開放することにより、内燃機関1の損失エネルギから生じる車両の減速が回避される。したがってアクセルペダル15もブレーキペダルも操作されない場合にこのフリーホイーリング駆動がアクティブとなり、アクセルペダル15またはブレーキペダル16が操作されると遮断される。
【0022】
Z4:ステータス"フリーホイーリング"からのみ遷移するステータス"拡張フリーホイーリング"ではクラッチ6の開放に加えてさらに内燃機関1が遮断される。その際には安全のための機構(例えばブレーキ倍力装置またはパワーステアリング)または快適性のための機構(例えばエアコンディショナ)は電気的に駆動されるかまたは少なくともその機能性が監視され、これにより内燃機関1は要求に応じて適切な時点で再スタートすることができる。
【0023】
Z5:ステータス"走行"はこの実施例では全部で3つのサブステータスを含んでいるので、これらを詳細に説明する。
【0024】
Z51:ステータス"ブースト"では組み込み型スタータジェネレータ3が内燃機関1を支援するためにエレクトロモータとして駆動され、これによりクラッチ6を介して付加的なトルクをトランスミッション7へ導入することができる。ここでは内燃機関1のトルク特性にスタータジェネレータ3のトルク特性が下方の回転数領域で補充され(図4を参照)、改善されたトラクションパワーの値が実現される。それ以外の場合には内燃機関1は小さなレンジで使用され、低い回転数でのトラクションパワーに損失が生じることはない。
【0025】
Z52:ステータス"バッテリチャージ"では組み込み型スタータジェネレータ3がジェネレータとして駆動され、従来の発電機の機能を担当する。つまりこのステータスではスタータジェネレータを介してエネルギ蓄積器4が充電される。ギアシフトが行われているとき、またはトランスミッションの変速比が変更されているあいだは負荷モーメントは0Nmへ低減され、シフトの快適性は損なわれない。
【0026】
Z52:ステータス"効率の最適化"では、内燃機関1の動作点が効率を改善するためにアクティブに最適な動作点へとシフトされる。つまりドライバのもともとの要求トルク値から外れて、内燃機関1が良好な固有消費量でのより高い平均圧力またはより低い平均圧力で駆動される。例えば高い内燃機関モーメントへのシフトで過剰なトルクは組み込み型スタータジェネレータ3に収容されて電流へ変換され、エネルギ蓄積器4へ蓄積される。動作点をシフトさせる変化量の大きさは組み込み型スタータジェネレータ3の最大トルクとエネルギ蓄積器4のチャージキャパシタンスによるシフトの持続時間とにより制限される。もちろんこのときにも個々のコンポーネントの効率が考慮される。
【0027】
Z6:ステータス"ブレーキング"はこの実施例では2つのサブステータスを有する。次にこれを詳細に説明する。
【0028】
Z61:ステータス"エネルギ回生"では熱交換式のブレーキにより組み込み型スタータジェネレータ3を介してエネルギ蓄積器4が充電される。もちろんこのための前提として、使用されるエネルギ蓄積器4が充放電可能であり、完全には充電されていないことが必要である。内燃機関1と組み込み型スタータジェネレータ3とのあいだには図1に示されていないクラッチが設けられており、これを開放された状態とすることにより内燃機関1はドライブトレインから切り離される。
【0029】
Z62:ステータス"純粋に機械的な制動"では熱交換は遮断され、組み込み型スタータジェネレータ3を介したエネルギの回生は行われない。内燃機関1と組み込み型スタータジェネレータ3とのあいだには図1に示されていないクラッチが設けられているケースでは、これを閉じた状態とすることにより内燃機関1はドライブトレインと結合される。
【0030】
生じうる状態遷移は図3では相応の向きの矢印によって示されている。メインステータス"走行""ブレーキング"内には解りやすくするために矢印を省略しているが、任意にそれぞれのサブステータス間で移行可能である。ただし状態遷移は設定された遷移条件を満足しないと行われない。ステータス3"フリーホイーリング"とメインステータスZ5"走行"およびZ6"ブレーキング"とのあいだの遷移は有利には中央判別器ZEを介してのみ、特にドライバー要求を表す線路13、14の信号に依存して行われる。
【0031】
前述のように、組み込み型スタータジェネレータ3を用いた内燃機関1のスタートは従来のスタータよりも格段に迅速かつ低ノイズで可能となる。さらに組み込み型スタータジェネレータ3のスタート過程では摩耗が生じない。エネルギ蓄積器4が充分なエネルギを次のスタート過程に供給しているかぎり、内燃機関はフリーホイーリング駆動から特に車両の停止フェーズで遮断される。内燃機関1を必要に応じて再び適切な時点でスタートするために、"拡張フリーホイーリング"から"スタート"への移行が重要な意味を有する。以下に例えば"拡張フリーホイーリング"からステータス"スタート"への移行の遷移条件を示す。
【0032】
目標駆動ステータスはステータスZ4"拡張フリーホイーリング"からステータスZ2"スタート"へ次の各条件に依存して移行する。
【0033】
a)アクセルペダル15の位置
ステータスマネージャ22に対してアクセルペダル15の操作により形成されたドライバーからの正の要求トルク値が伝達された場合、ドライブトレインの目標駆動ステータスはステータス"スタート"へ移行する。
【0034】
b)ブレーキペダル16の位置
ブレーキペダル16の操作が終了し、ドライバーからの負の要求トルク値が存在しなくなった場合、このことはトルクマネージャ23にとっては近いうちに正の要求トルク値が生じることの示唆となる。したがってドライブトレインの目標駆動ステータスは予めステータス"スタート"へ移される。
【0035】
c)シフトレバーの位置
ギヤ段に対するシフトレバーまたはトランスミッション変速比をドライバーがニュートラルポジションから動かした場合、ドライブトレインの目標駆動ステータスはステータス"スタート"へ移行する。
【0036】
d)ブレーキ倍力装置の低圧状態
ブレーキ倍力装置内の低圧が所定の閾値を下回った場合、ドライブトレインの目標駆動ステータスはステータス"スタート"へ移行し、これによりブレーキ倍力装置の機能が保証される。装置内の低圧状態を直接に評価することに代えて、ブレーキペダル操作の回数および/または持続時間を評価してもよい。この場合にはブレーキング持続時間が所定の閾値を上回るとドライブトレインの目標駆動ステータスはステータス"スタート"へ移行する。
【0037】
e)エネルギ蓄積器のチャージ状態
エネルギ蓄積器4のチャージ状態が所定の閾値を下回る場合、ドライブトレインの目標駆動ステータスはステータス"スタート"へ移行し、これによりエネルギ蓄積器4が次のスタート過程に対して充分な電力を供給でき、再充電されることが保証される。
【0038】
f)エネルギ蓄積器のチャージ状態および走行区間のトポロジ
エネルギ蓄積器のチャージ状態が所定の閾値を上回っており、かつドライバー識別および状況識別部が勾配区間を識別した場合、ドライブトレインの目標駆動ステータスはステータス"スタート"へ移行し、これにより内燃機関1のブレーキ作用が利用される。
【0039】
"拡張フリーホイーリング"から"スタート"への状態遷移に対する前述の遷移条件と同様に、生じうるそれぞれのステータス間の移行についての遷移条件はステータスマネージャ22の入力信号に依存して定義される。例えば"ブースト"駆動への移行はその時点での要求トルク値、ドライバータイプ、およびエネルギ蓄積器のチャージ状態、また場合により回転数に依存して移行する。ステータス"乗車"から"スタート"への移行は、クラッチ6が開放されており、かつ内燃機関1が遮断されており、ブレーキペダル16が操作されている場合にのみ、組み込み型スタータジェネレータ3の出力によって許可される。またこれらの遷移条件を適切に選択することにより、ドライブトレインがスタート過程を終えるたびにまずバッテリチャージステータスZ52へ移行し、エネルギ蓄積器4の充電が保証されるように設定することもできる。遷移条件は簡単に拡張することができるので、エネルギ蓄積器4が既に充分に充電されていたり、またはドライバーのトルク要求が極めて高かったりまた全く存在しなかったりする場合には、このステータスへの移行を阻止してもよい。その場合これに代えて、"ブースト"駆動へ移行したり、または"フリーホイーリング"駆動にとどめられたりする。
【0040】
前述の遷移条件は本発明のドライブトレインの簡単かつ多様な構成を明らかにする実施例に過ぎない。
【0041】
安全上の理由から、ステータスマネージャ22にステータス"緊急走行プログラム"を設けると有利である。このステータスへの遷移はドライブトレイン内でエラー機能が識別されるとつねにトリガされる。その場合車両は例えば制動から静止まで監視され、続いて内燃機関1が停止される。
【0042】
本発明を内燃機関および組み込み型のスタータジェネレータの形態の2つの駆動機構を備えた車両を例として説明した。組み込み型のスタータジェネレータは一方では後置接続されているトランスミッションのスタータの機能を担当し、他方では個別の発電機として車両バッテリの充電機能を担当する(このときこのスタータジェネレータはエレクトロモータの特殊形態と見なされる)。ただし本発明の使用はこうした駆動機構のタイプに限定されない。本発明は2つ以上の駆動機構を有する車両にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 2つの駆動機構を備えた車両のドライブトレインを示す図である。
【図2】 本発明のドライブトレイン制御システムのブロック図である。
【図3】 図1のドライブトレインで生じうるステータスの概略図である。
【図4】 組み込み型スタータジェネレータを有する場合と有さない場合の内燃機関のトルク特性を示す図である。
Claims (7)
- 少なくとも2つの駆動機構(1、3)、エネルギ蓄積器(4)およびトランスミッション(7)を含み、ここで駆動機構の少なくとも1つは内燃機関(1)であり、また少なくとも1つはエレクトロモータ(3)である所定のドライブトレインのコンポーネント構成を有しており、
さらに、ハイブリッド車両のアクセルペダル位置またはブレーキペダル位置からトルク目標値を求めるペダル評価部(20)と、
トルク目標値およびエネルギ蓄積器(4)のチャージ状態からドライブトレインの目標駆動ステータスを設定するステータスマネージャ(22)と、
ドライブトレインの目標駆動ステータスから制御信号を形成するトルクマネージャ(23)と、
制御信号から各駆動機構(1,3)およびトランスミッション(7)に対する調整信号を形成する分散制御ユニット(2,5,8)と
を有しており、
ステータスマネージャ(22)はドライブトレインのコンポーネントまたは駆動機構の種々の構成に対してそれぞれ異なる目標駆動ステータス(Z1〜Z4)を記憶しており、当該のドライブトレインのコンポーネント構成に対して利用可能な複数の目標駆動ステータスが、記憶されている目標駆動ステータスのなかから選択され、
ここでステータスマネージャ(22)には、内燃機関(1)をスタートする目標駆動ステータス " スタート " (Z2)、ドライブトレインのクラッチ(6)を開放する目標駆動ステータス " フリーホイーリング " (Z3)、および内燃機関(1)を遮断する目標駆動ステータス " 拡張フリーホイーリング " (Z4)が記憶されており、
当該車両のドライブトレインのドライブトレインのコンポーネント構成に対して利用可能な複数の目標駆動ステータスのうち、その時点の目標駆動ステータスがトルク目標値およびエネルギ蓄積器のチャージ状態からステータスマネージャにより設定され、
その時点の目標駆動ステータスが " 拡張フリーホイーリング " であるときにアクセルペダル(15)が操作されると、ステータスマネージャ(22)により目標駆動ステータス " 拡張フリーホイーリング " (Z4)から " スタート " (Z2)への移行がトリガされる
ことを特徴とするハイブリッド車両のドライブトレイン制御システム。 - ハイブリッド車両の駆動パラメータを評価し分類するドライバー識別および状況識別部(21)が設けられており、ドライブトレインの目標駆動ステータスが該ドライバー識別および状況識別部(21)の出力信号に依存して設定される、請求項1記載のシステム。
- ステータスマネージャ(22)はドライブトレインのコンポーネントについての構成データセットを有しており、ステータスマネージャ(22)内に記憶されているドライブトレインの目標駆動ステータスは該構成データセットに依存して阻止またはイネーブルされる、請求項1または2記載のシステム。
- ブレーキペダル(16)の操作が終了したとき、ステータスマネージャ(22)により目標駆動ステータス"拡張フリーホイーリング"(Z4)から"スタート"(Z2)への移行がトリガされる、請求項1から3までのいずれか1項記載のシステム。
- ハイブリッド車両のギア段またはトランスミッション変速比に対してシフトレバーがニュートラルポジションから動かされたとき、ステータスマネージャ(22)により目標駆動ステータス"拡張フリーホイーリング"(Z4)から"スタート"(Z2)への移行がトリガされる、請求項1から4までのいずれか1項記載のシステム。
- エネルギ蓄積器(4)のチャージ状態が設定された閾値を下回ったとき、ステータスマネージャ(22)により目標駆動ステータス"拡張フリーホイーリング"(Z4)から"スタート"(Z2)への移行がトリガされる、請求項1から5までのいずれか1項記載のシステム。
- ハイブリッド車両のエネルギ蓄積器(4)のチャージ状態および走行区間のトポロジに依存してステータスマネージャ(22)により目標駆動ステータス"拡張フリーホイーリング"(Z4)から"スタート"(Z2)への移行がトリガされる、請求項1から6までのいずれか1項記載のシステム。
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