JP3933097B2 - 動力出力装置、その制御方法及びそれを搭載した自動車 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、動力出力装置、その制御方法及びそれを搭載した自動車に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の動力出力装置としては、エンジンと、このエンジンの出力軸をキャリアに接続すると共に車軸に機械的に連結された駆動軸にリングギヤを接続したプラネタリギヤ(遊星歯車機構ともいう)と、このプラネタリギヤのサンギヤに接続された発電機と、駆動軸に動力を入出力するモータと、発電機により発電した電力により充電すると共にモータに電力を供給するバッテリとを備えるものを搭載したハイブリッド自動車が提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1のハイブリッド自動車に搭載された装置では、通常は、運転効率を優先してエンジンの運転ポイントを定めその運転ポイントでエンジンを運転しているが、その運転ポイントで運転されるエンジンから出力し得る出力可能動力よりも大きな動力が要求された場合には、エンジンから出力すべき動力を優先してエンジンを運転する。つまり、要求動力が大きい場合、バッテリとの間でやり取りされる電力を所定値以下に抑制し、要求動力の多くをエンジンから出力する。この結果、バッテリにより供給される非常に抵効率の電力量を抑制することができるため、装置全体としての運転効率が向上する。
【0003】
【特許文献1】
特開平11−117782号公報(図9)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、こうした動力出力装置では、エンジンの運転を停止している状態に急加速が要求されたときには、発電機によりエンジンをクランキングしたあと始動させ、エンジン始動直後から発電機に負の値のトルクをかけてエンジンを抑えることによりエンジンから動力を得ている。しかしながら、このようなときには、装置全体としてみたときの動力つまりエンジンからの動力とバッテリからの電力との和が不足しやすいため、できる限り装置全体として大きな動力を確保したいという要求がある。この点は、エンジンがアイドリング状態のときのように回転数が低いときに急加速が要求されたときについても同様である。
【0005】
本発明の動力出力装置、その制御方法及びそれを搭載した自動車は、装置全体として大きなエネルギを確保することを目的の一つとする。また、装置全体として大きなエネルギを確保する制御を操作者に違和感を感じさせることなく行うことを目的の一つとする。
【0006】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の動力出力装置およびその制御方法並びに自動車は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【0007】
本発明は、駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、
内燃機関と、
該内燃機関の出力軸と前記駆動軸とに接続され、電力と動力の入出力を伴って該内燃機関からの動力の少なくとも一部を該駆動軸に出力する電力動力入出力手段と、
前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、
前記電力動力入出力手段および前記電動機と電力のやりとりが可能な蓄電手段と、
前記内燃機関の出力軸の現回転数と目標回転数との回転数差が予め定められた所定範囲を超えるとき、前記内燃機関の出力軸の回転数が前記目標回転数又は該目標回転数より僅少量低い値に至るまで、該出力軸の回転を抑え込む方向のトルクを制限するよう前記内燃機関と前記電力動力入出力手段と前記電動機とを制御する回転数差対応制御を行う回転数差対応制御手段と、
を備えるものである。
【0008】
この動力出力装置では、内燃機関の出力軸の現回転数と目標回転数との回転数差が所定範囲を超えるときには、内燃機関の出力軸の回転数が目標回転数又はそれより僅少量低い値に至るまで、該出力軸の回転を抑え込む方向のトルクを制限する。この結果、目標回転数に至るまでの間に内燃機関の出力軸の回転を抑え込む方向のトルクを制限せずに加える場合に比べて、内燃機関の出力軸の回転数を短時間のうちに目標回転数に到達させることができ、ひいてはエンジンからのエネルギを増やすことができる。したがって、装置全体として大きなエネルギを確保することができる。ここで、「所定範囲」は、例えばこのような効果が得られるような範囲を経験的に求めてその範囲に設定すればよい。
【0009】
本発明の動力出力装置において、前記回転数差対応制御手段は、前記回転数差対応制御を実行する際、前記内燃機関の出力軸の回転数が前記目標回転数又は該目標回転数より僅少量低い値に至るまで該出力軸の回転を抑え込む方向のトルクを略ゼロとなるよう前記電力動力入出力手段を制御してもよい。こうすれば、内燃機関の出力軸の回転数をより短時間のうちに目標回転数に到達させることができる。
【0010】
本発明の動力出力装置において、前記回転数差対応制御手段は、前記回転数差対応制御を実行する際、前記内燃機関の出力軸の回転数が前記目標回転数又は該目標回転数より僅少量低い値に至るまで該出力軸の回転を抑え込む方向のトルクを略ゼロとし、該出力軸の回転数が前記目標回転数又は該目標回転数より僅少量低い値に至ったあと最大トルクで該出力軸の回転を抑え込むよう前記電力動力入出力手段を制御してもよい。こうすれば、内燃機関の出力軸の回転数を短時間のうちに上限回転数付近まで上昇させたあと内燃機関の出力軸から大きな直行トルクを取り出すことができる。
【0011】
本発明の動力出力装置において、前記回転数差対応制御手段は、要求動力が大きく且つ前記回転数差が前記所定範囲を超えるときに前記回転数差対応制御を行うようにしてもよい。回転数差対応制御を行うと運転の滑らかさが若干損なわれる傾向にあるが、要求動力の大きいときにはその滑らかさが若干損なわれたとしても動力出力装置の操作者は違和感を感じにくいため、要求動力が大きいことを条件の一つとして回転数差対応制御を行うことが好ましい。
【0012】
本発明の動力出力装置において、前記回転数差対応制御手段は、前記内燃機関の運転を停止した状態で前記内燃機関の始動指示がなされ且つ前記回転数差が前記所定範囲を超えるときに前記回転数差対応制御を行うようにしてもよい。内燃機関の運転を停止した状態で始動指示がなされたときには内燃機関の出力軸の現回転数と目標回転数との回転数差が所定範囲を超えやすいため、回転数差対応制御を行うための条件の一つに内燃機関の運転を停止した状態で始動指示がなされたときを加える意義がある。
【0013】
本発明の動力出力装置において、前記回転数差対応制御手段は、前記内燃機関がアイドリング状態で且つ前記回転数差が前記所定範囲を超えるときに前記回転数差対応制御を行うようにしてもよい。内燃機関がアイドリング状態のときには内燃機関の出力軸の現回転数と目標回転数との回転数差が所定範囲を超えやすいため、回転数差対応制御を行うための条件の一つにアイドリング状態であるときを加える意義がある。
【0014】
本発明の動力出力装置において、前記回転数差対応制御手段は、前記回転数差対応制御を実行する際、前記内燃機関の出力軸の回転数が前記目標回転数より僅少量低い値に至ったあと最大トルクで該出力軸の回転を抑え込むよう前記電力動力入出力手段を制御して前記目標回転数に収束させるようにしてもよい。こうすれば、内燃機関の出力軸の回転数を短時間のうちに上限回転数付近まで上昇させたあとその出力軸に負荷として最大トルクを加えるため、内燃機関の出力軸をオーバーシュートさせることなく本発明の効果を得ることができるし、内燃機関の出力軸から大きな直行トルクを取り出すことができる。この態様を採用した本発明の動力出力装置において、前記回転数差対応制御手段は、最大トルクで所定時間だけ該出力軸の回転を抑え込むようにしてもよい。なお、「上限回転数を僅少量下回る値」と「所定時間」とは、内燃機関の出力軸の回転数が上限回転数を僅少量下回る値に達したあと出力軸に負荷することのできる最大トルクを所定時間出力軸に加えたときに回転数が上限回転数を超えないような値となるように定めればよい。
【0015】
本発明の動力出力装置において、前記電力動力入出力手段は、前記内燃機関の出力軸と前記駆動軸と第3の軸の3軸に接続され該3軸のうちのいずれか2軸に入出力した動力に基づいて残余の軸に動力を入出力する3軸式動力入出力手段と、前記第3の軸に動力を入出力する発電機とを備える手段であり、前記回転数差対応制御手段は、前記電力動力入出力手段に備えられた前記発電機によって前記内燃機関の出力軸の回転を抑え込む方向のトルクを該出力軸に加えるようにしてもよい。あるいは、前記電力動力入出力手段は、前記内燃機関の出力軸に取り付けられた第1の回転子と前記駆動軸に取り付けられた第2の回転子とを有し該第1の回転子と該第2の回転子との電磁作用による電力の入出力を伴って該内燃機関からの動力の少なくとも一部を該駆動軸に出力する対回転子電動機としてもよい。
【0016】
本発明の自動車は、上述のいずれかの態様の本発明の動力出力装置、即ち、基本的には、駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、内燃機関と、該内燃機関の出力軸と前記駆動軸とに接続され、電力と動力の入出力を伴って該内燃機関からの動力の少なくとも一部を該駆動軸に出力する電力動力入出力手段と、前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、前記電力動力入出力手段および前記電動機と電力のやりとりが可能な蓄電手段と、前記内燃機関の出力軸の現回転数と目標回転数との回転数差が予め定められた所定範囲を超えるとき、前記内燃機関の出力軸の回転数が前記目標回転数又は該目標回転数より僅少量低い値に至るまで、該出力軸の回転を抑え込む方向のトルクを制限するよう前記内燃機関と前記電力動力入出力手段と前記電動機とを制御する回転数差対応制御を行う回転数差対応制御手段と、を備える動力出力装置を備え、前記駆動軸が機械的に車軸に接続されて走行するものである。
【0017】
本発明の自動車によれば、上述のいずれかの態様の本発明の動力出力装置を備えるから、本発明の動力出力装置が奏する効果、例えば、目標回転数に至るまでの間に内燃機関の出力軸の回転を抑え込む方向のトルクを制限せずに加える場合に比べて、内燃機関の出力軸の回転数を短時間のうちに目標回転数に到達させることができ、ひいてはエンジンからの動力を増やして装置全体として大きな動力を確保することができるという効果などと同様の効果を奏することができる。
【0018】
本発明の動力出力装置の制御方法は、
内燃機関と、該内燃機関の出力軸と前記駆動軸とに接続され、電力と動力の入出力を伴って該内燃機関からの動力の少なくとも一部を該駆動軸に出力する電力動力入出力手段と、前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、前記電力動力入出力手段および前記電動機と電力のやりとりが可能な蓄電手段と、を備える動力出力装置の制御方法であって、
(a)前記内燃機関の出力軸の現回転数と目標回転数との回転数差を算出するステップと、
(b)前記回転数差が予め定められた所定範囲を超えるか否かを判定するステップと、
(c)前記回転数差が前記所定範囲を超えると判定されたとき、前記内燃機関の出力軸の回転数が前記目標回転数又は該目標回転数より僅少量低い値に至るまで該出力軸の回転を抑え込む方向のトルクを制限するよう前記内燃機関と前記電力動力入出力手段と前記電動機とを制御する回転数差対応制御を行うステップと、
を含むものである。
【0019】
この動力出力装置の制御方法によれば、目標回転数に至るまでの間に内燃機関の出力軸の回転を抑え込む方向のトルクを制限せずに加える場合に比べて、内燃機関の出力軸の回転数を短時間のうちに目標回転数に到達させることができ、ひいてはエンジンからの動力を増やして装置全体として大きな動力を確保することができる。また、動力出力装置の制御方法において、上述のいずれかの態様の本発明の動力出力装置が備える構成を備えるようにしてもよいし、同動力出力装置が実現する機能を実現するステップを含むようにしてもよい。
【0020】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図1は、本発明の一実施形態である動力出力装置を搭載したハイブリッド自動車20の構成の概略を示す構成図である。このハイブリッド自動車20は、図示するように、エンジン22と、エンジン22の出力軸としてのクランクシャフト26にダンパ28を介して接続された3軸式の動力分配統合機構30と、動力分配統合機構30に接続された発電可能なモータMG1と、動力分配統合機構30に接続された駆動軸としてのリングギヤ軸32aに取り付けられた減速ギヤ35と、この減速ギヤ35に接続されたモータMG2と、動力出力装置全体をコントロールするハイブリッド用電子制御ユニット70とを備える。
【0021】
エンジン22は、ガソリンまたは軽油などの炭化水素系の燃料により動力を出力する内燃機関であり、エンジン22の運転状態を検出する各種センサから信号を入力するエンジン用電子制御ユニット(以下、エンジンECUという)24により燃料噴射制御や点火制御,吸入空気量調節制御などの運転制御を受けている。エンジンECU24は、ハイブリッド用電子制御ユニット70と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット70からの制御信号によりエンジン22を運転制御すると共に必要に応じてエンジン22の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット70に出力する。
【0022】
動力分配統合機構30は、外歯歯車のサンギヤ31と、このサンギヤ31と同心円上に配置された内歯歯車のリングギヤ32と、サンギヤ31に噛合すると共にリングギヤ32に噛合する複数のピニオンギヤ33と、複数のピニオンギヤ33を自転かつ公転自在に保持するキャリア34とを備え、サンギヤ31とリングギヤ32とキャリア34とを回転要素として差動作用を行う遊星歯車機構として構成されている。動力分配統合機構30は、キャリア34にはエンジン22のクランクシャフト26が、サンギヤ31にはモータMG1が、リングギヤ32にはリングギヤ軸32aを介して減速ギヤ35がそれぞれ連結されており、モータMG1が発電機として機能するときにはキャリア34から入力されるエンジン22からの動力をサンギヤ31側とリングギヤ32側にそのギヤ比に応じて分配し、モータMG1が電動機として機能するときにはキャリア34から入力されるエンジン22からの動力とサンギヤ31から入力されるモータMG1からの動力を統合してリングギヤ32側に出力する。リングギヤ32に出力された動力は、リングギヤ軸32aからギヤ機構60およびデファレンシャルギヤ62を介して、最終的には車両の駆動輪63a,63bに出力される。
【0023】
モータMG1およびモータMG2は、いずれも発電機として駆動することができると共に電動機として駆動できる周知の同期発電電動機として構成されており、インバータ41,42を介してバッテリ50と電力のやりとりを行う。インバータ41,42とバッテリ50とを接続する電力ライン54は、各インバータ41,42が共用する正極母線および負極母線として構成されており、モータMG1,MG2のいずれかで発電される電力を他のモータで消費することができるようになっている。したがって、バッテリ50は、モータMG1,MG2のいずれかから生じた電力や不足する電力により充放電されることになる。なお、モータMG1,MG2により電力収支のバランスをとるものとすれば、バッテリ50は充放電されない。モータMG1,MG2は、いずれもモータ用電子制御ユニット(以下、モータECUという)40により駆動制御されている。モータECU40には、モータMG1,MG2を駆動制御するために必要な信号、例えばモータMG1,MG2の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ43,44からの信号や図示しない電流センサにより検出されるモータMG1,MG2に印加される相電流などが入力されており、モータECU40からは、インバータ41,42へのスイッチング制御信号が出力されている。モータECU40は、ハイブリッド用電子制御ユニット70と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット70からの制御信号によってモータMG1,MG2を駆動制御すると共に必要に応じてモータMG1,MG2の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット70に出力する。
【0024】
バッテリ50は、バッテリ用電子制御ユニット(以下、バッテリECUという)52によって管理されている。バッテリECU52には、バッテリ50を管理するのに必要な信号、例えば,バッテリ50の端子間に設置された図示しない電圧センサからの端子間電圧,バッテリ50の出力端子に接続された電力ライン54に取り付けられた図示しない電流センサからの充放電電流,バッテリ50に取り付けられた温度センサ51からの電池温度Tbなどが入力されており、必要に応じてバッテリ50の状態に関するデータを通信によりハイブリッド用電子制御ユニット70に出力する。なお、バッテリECU52では、バッテリ50を管理するために電流センサにより検出された充放電電流の積算値に基づいて残容量(SOC)も演算している。
【0025】
ハイブリッド用電子制御ユニット70は、CPU72を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPU72の他に処理プログラムを記憶するROM74と、データを一時的に記憶するRAM76と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。ハイブリッド用電子制御ユニット70には、イグニッションスイッチ80からのイグニッション信号,シフトレバー81の操作位置を検出するシフトポジションセンサ82からのシフトポジションSP,アクセルペダル83の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ84からのアクセル開度Acc,ブレーキペダル85の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ86からのブレーキペダルポジションBP,車速センサ88からの車速Vなどが入力ポートを介して入力されている。ハイブリッド用電子制御ユニット70は、前述したように、エンジンECU24やモータECU40,バッテリECU52と通信ポートを介して接続されており、エンジンECU24やモータECU40,バッテリECU52と各種制御信号やデータのやりとりを行っている。
【0026】
こうして構成された本実施形態のハイブリッド自動車20は、運転者によるアクセルペダル83の踏み込み量に対応するアクセル開度Accと車速Vとに基づいて駆動軸としてのリングギヤ軸32aに出力すべき要求トルクを計算し、この要求トルクに対応する要求動力がリングギヤ軸32aに出力されるように、エンジン22とモータMG1とモータMG2とが運転制御される。エンジン22とモータMG1とモータMG2の運転制御としては、要求動力に見合う動力がエンジン22から出力されるようにエンジン22を運転制御すると共にエンジン22から出力される動力のすべてが動力分配統合機構30とモータMG1とモータMG2とによってトルク変換されてリングギヤ軸32aに出力されるようモータMG1およびモータMG2を駆動制御するトルク変換運転モード、要求動力とバッテリ50の充放電に必要な電力との和に見合う動力がエンジン22から出力されるようにエンジン22を運転制御すると共にバッテリ50の充放電を伴ってエンジン22から出力される動力の全部またはその一部が動力分配統合機構30とモータMG1とモータMG2とによるトルク変換を伴って要求動力がリングギヤ軸32aに出力されるようモータMG1およびモータMG2を駆動制御する充放電運転モード、エンジン22の運転を停止してモータMG2からの要求動力に見合う動力をリングギヤ軸32aに出力するよう運転制御するモータ運転モードなどがある。
【0027】
次に、こうして構成された本実施形態のハイブリッド自動車20の動作、特にモータMG2によるモータ走行している状態でアクセル開度Accが全開にされたときからエンジン22を始動してエンジン22からの動力を利用して走行する状態に移行するまでの動作について説明する。図2はハイブリッド用電子制御ユニット70により実行される急加速時処理ルーチンのメインフローチャートであり、図3及び図4は図2のメインフローチャートから分岐したサブフローチャートである。このルーチンは、本発明の回転数差対応制御の一つであり、モータ運転モードにより走行している最中にアクセル開度Accが全開にされたときからエンジン22を始動してエンジン22からの動力を利用して走行する状態に移行するまでの間で所定時間毎(例えば8msec毎)に繰り返し実行される。また、このルーチンは、モータ運転モードにより走行している最中にアクセル開度Accが全開にされたときに実行されるが、このときのアクセル開度Accは100%であるから所定開度Aconstを超えており、またエンジン22の現在の回転数Neはゼロであるからエンジン22の許容上限回転数Nmaxとエンジン22の現在の回転数Neとの回転数差ΔNeは所定値ΔNconstを超えている。なお、所定開度Aconstは運転の滑らかさが損なわれたとしても運転者が違和感を感じにくいほど高開度の値に経験的に定めればよく、所定値ΔNconstは後述する図8の下図に示す領域Pと領域Rとの差が十分大きくなるような値に経験的に定めればよい。例えば、所定開度Aconstは80%、所定値ΔNconstは2000rpmとしてもよい。
【0028】
急加速時処理ルーチンが実行されると、ハイブリッド用電子制御ユニット70のCPU72は、まず、アクセルペダルポジションセンサ84からのアクセル開度Accや車速センサ88からの車速V,エンジン22の回転数Ne,バッテリ50の出力制限Wout,モータMG1,MG2の回転数Nm1,Nm2など制御に必要なデータを入力する処理を実行する(ステップS100)。ここで、エンジン22の回転数Neについては図示しないクランクポジションセンサからの信号に基づいてエンジンECU24により演算されたものを通信により入力するものとし、モータMG1,MG2の回転数Nm1,Nm2は、回転位置検出センサ43,44により検出されるモータMG1,MG2の回転子の回転位置に基づいて計算されたものをモータECU40から通信により入力するものとし、バッテリ50の出力制限Woutについてはバッテリ50の湿度や残容量(SOC)などから求めたものをバッテリECU52から通信により入力するものとした。
【0029】
こうしてデータを入力すると、入力したアクセル開度Accと車速Vとに基づいて車両に要求されるトルクとして駆動輪63a,63bに連結された駆動軸としてのリングギヤ軸32aに出力すべき要求トルクTr*と車両に必要な要求パワーP*とを設定する(ステップS110)。要求トルクTr*は、ここでは、アクセル開度Accと車速Vと要求トルクTr*との関係を予め定めて要求トルク設定用マップとしてROM74に記憶しておき、アクセル開度Accと車速Vとが与えられると記憶したマップから対応する要求トルクTr*を導出して設定するものとした。図5に要求トルク設定用マップの一例を示す。いま、アクセル開度Accが全開にされたときを考えているから、ここでは図5のAcc=100%のラインを用いて要求トルクTr*が導出される。要求パワーP*は、設定した要求トルクTr*にリングギヤ軸32aの回転数Nrを乗じたものにバッテリ50の充放電要求量Pb*とロスとを加えたものとして計算することができる。なお、リングギヤ軸32aの回転数Nrは、車速Vに換算係数kを乗じることによって求めたり、モータMG2の回転数Nm2を減速ギヤ35のギヤ比Grで割ることによって求めることができる。充放電要求量Pb*は、バッテリ50の残容量(SOC)やアクセル開度Accなどによって設定することができる。
【0030】
要求トルクTr*と要求パワーP*とを設定すると、次にRAM76の所定領域に記憶されている第1フラグF1と第2フラグF2の値を入力し、両フラグF1,F2の値を判定する(ステップS120)。ここで、第1フラグF1は、エンジン22が始動時回転数Nstartから迅速に許容上限回転数Nmaxに至るよう制御する際に値1にセットされ、その他のときに値0にリセットされるフラグであり、第2フラグF2は、エンジン22の回転数Neが値Nthrに至ったあとエンジン22の回転を最大負荷トルクで抑え込む際に値1にセットされ、その他のときに値0にリセットされるフラグである。両フラグF1,F2は初期設定時には共に値ゼロにリセットされ、本ルーチンが実行された当初も共に値ゼロにリセットされているから、ここでは両フラグF1,F2ともゼロと判定され、エンジン22の目標回転数Ne*にエンジン22に許容される上限回転数である許容上限回転数Nmaxを設定すると共にモータMG1のトルク指令Tm1*にクランキングトルクTstartを設定する(ステップS130)。ここで、クランキングトルクTstartは、エンジン22を始動時回転数Nstartまで比較的迅速に回転させるトルクとしてROM74の所定領域に設定されたものであり、エンジン22の性能やモータMG1及びモータMG2の性能によって設定される。本実施形態では、クランキングトルクTstartは、図8の上図の区間aに示すパターンに基づいて設定される。
【0031】
続いて、バッテリ50の出力制限Woutとトルク指令Tm1*に現在のモータMG1の回転数Nm1を乗じて得られるモータMG1の消費電力との差分をモータMG2の回転数Nm2で割ることによりモータMG2から出力してもよいトルクの上限としてのトルク制限Tmaxを次式(1)により計算すると共に(ステップS140)、目標トルクTr*とトルク指令Tm1*と動力分配統合機構30のギヤ比ρを用いてモータMG2から出力すべきトルクとしての仮モータトルクTm2tmpを次式(2)により計算し(ステップS150)、計算したトルク制限Tmaxと仮モータトルクTm2tmpとを比較して小さい方をモータMG2のトルク指令Tm2*として設定する(ステップS160)。このようにモータMG2のトルク指令Tm2*を設定することにより、モータMG1によりエンジン22をクランキングすることによってリングギヤ軸32aに作用するトルクをモータMG2から出力されるトルクでキャンセルすると共に、リングギヤ軸32aに出力する目標トルクTr*をバッテリ50の出力制限の範囲内で制限したトルクとして設定することができる。エンジン22の始動時における動力分配統合機構30の回転要素とトルクとを力学的に説明する共線図の一例を図6に示す。図中、左のS軸はモータMG1の回転数Nm1であるサンギヤ31の回転数を示し、R軸はモータMG2の回転数Nm2に減速ギヤ35のギヤ比Grを乗じたリングギヤ32の回転数Nrを示す。また、図中、実線はモータ運転モードで走行している最中にエンジン22の始動指示がなされてエンジン22のクランキングが開始されるときの共線図であり、破線はエンジン22の燃料噴射制御や点火制御が開始される際の共線図である。R軸上の2つの太線矢印は、モータMG1でエンジン22のクランキングを開始したときにモータMG1から出力されるトルクがリングギヤ軸32aに伝達されるトルクと、モータMG2から出力されるトルクTm2*が減速ギヤ35を介してリングギヤ軸32aに作用するトルクとを示す。
【0032】
【数1】
Tmax=(Wout-Tm1*・Nm1)/Nm2 …(1)
Tm2tmp=(Tr*+Tm1*/ρ)/Gr …(2)
【0033】
こうしてモータMG1のトルク指令Tm1*とモータMG2のトルク指令Tm2*とを設定すると、設定したトルク指令Tm1*とトルク指令Tm2*とをモータECU40に送信する(ステップS170)。トルク指令Tm1*とトルク指令Tm2*とを受信したモータECU40は、トルク指令Tm1*でモータMG1が駆動されると共にトルク指令Tm2*でモータMG2が駆動されるようインバータ41,42のスイッチング素子のスイッチング制御を行う。即ち、図6の共線図(実線から点線まで)に示すように、キャリア34にクランクシャフト26が接続されたエンジン22の回転数Neが予め定められた始動時回転数NstartとなるようにモータMG1をクランキングトルクTstartで駆動し、バッテリ50の出力制限Woutを考慮した使用可能電力の範囲内でモータMG1によるクランキングトルクTstartの反力をとると共にリングギヤ軸32aに要求トルクTr*を出力するようモータMG2を駆動する。続いて、エンジン22の回転数Neが始動時回転数Nstartに至ったか否かを判定し(ステップS180)、始動時回転数Nstartに至っていないときにはそのまま本ルーチンを終了し、始動時回転数Nstartに至ったときにはエンジン22の燃料噴射制御や点火制御の開始指示をエンジンECU24に送信し(ステップS190)、このあとエンジン22の回転数Neを迅速に許容上限回転数Nmaxまで上昇させる制御を行うために第1フラグF1に値1をセットし(ステップS200)、本ルーチンを終了する。燃料噴射制御や点火制御の開始指示を受信したエンジンECU24は、始動時回転数Nstartで回転しているエンジン22に対して燃料噴射制御と点火制御を開始してエンジン22の始動を完了する。
【0034】
ステップS120において、第1フラグF1が値1で第2フラグF2が値0のとき、エンジン22の回転数Neを迅速に許容上限回転数Nmaxまで上昇させる制御が実行される。即ち、図3のフローチャートに示すように、まず、エンジン22の目標回転数Ne*に許容上限回転数Nmaxを設定すると共にモータMG1のトルク指令Tm1*に値0を設定する(ステップS210)。ここで、許容上限回転数Nmaxは、エンジン22の性能によって決まるエンジン上限回転数またはモータMG1の性能によって決まるモータ上限回転数に対応する図6の共線図上のエンジン22の回転数のいずれか低い方の値である。その後、ステップS140〜S160と同様のステップS220〜S240を実行してモータMG2のトルク指令Tm2*を設定し、設定したトルク指令Tm1*とトルク指令Tm2*とをモータECU40に送信する(ステップS250)。トルク指令Tm1*とトルク指令Tm2*とを受信したモータECU40は、トルクゼロでモータMG1が駆動されると共にトルク指令Tm2*でモータMG2が駆動されるようインバータ41,42のスイッチング素子のスイッチング制御を行う。このとき、図6の共線図に示すように、キャリア34に接続されたエンジン22のクランクシャフト26の回転つまりエンジン22の回転を抑え込む方向のモータMG1のトルクをゼロに制限しているため、エンジン22の回転数Ne(C軸上の回転数)は負荷が軽くなり速やかに上昇していく。その後、エンジン22の回転数Neが、エンジン22のクランクシャフト26の許容上限回転数Nmaxから僅少量低くした値Nthrに達したか否かを判定し(ステップS260)、値Nthrに達していないときにはそのまま本ルーチンを終了し、値Nthrに達したときにはこのあとエンジン22の回転数Neを許容上限回転数Nmaxに収束させるために第2フラグF2に値1をセットすると共に第1フラグF1をリセットして値0とし(ステップS270)、本ルーチンを終了する。
【0035】
ステップS120において、第1フラグF1が値0で第2フラグF2が値1のとき、エンジン22の回転数Neを許容上限回転数Nmaxに収束させる制御が実行される。この制御が開始されると、図4のフローチャートに示すように、まず、この分岐に入ってくるのが初回か否か、つまり前回この急加速時処理ルーチンを実行したときにステップS270で両フラグF1,F2の値を切り替えたか否かを判定し(ステップS310)、この分岐に入ってくるのが初回のときには、ハイブリッド電子制御ユニット70に内蔵された図示しないタイマをスタートさせ(ステップS320)、エンジン22の目標回転数Ne*に許容上限回転数Nmaxを設定すると共にモータMG1のトルク指令Tm1*に最大負荷トルクTguard(<0)を設定し(ステップS340)、その後、ステップS140〜S160と同様のステップS350〜S370を実行してモータMG2のトルク指令Tm2*を設定し、設定したトルク指令Tm1*とトルク指令Tm2*とをモータECU40に送信し(ステップS380)、本ルーチンを終了する。トルク指令Tm1*とトルク指令Tm2*とを受信したモータECU40は、最大負荷トルクTguardでモータMG1が駆動されると共にトルク指令Tm2*でモータMG2が駆動されるようインバータ41,42のスイッチング素子のスイッチング制御を行う。このとき、図6の共線図(点線から一点鎖線)に示すように、キャリア34に接続されたエンジン22のクランクシャフト26の回転つまりエンジン22の回転を抑え込む方向のモータMG1のトルクを最大負荷トルクTguardに設定しているため、エンジン22の回転数Ne(C軸上の回転数)は値Nthrを超えたあとあまり上昇せず上限回転数Ne*に収束していく。
【0036】
さて、ステップS310において図4の分岐フローチャートに入るのが初回でないときには、タイマをスタートさせてから所定時間tcが経過したか否かを判定し(ステップS330)、所定時間tcが経過していないときには、前述したステップS340〜S380を実行したあと本ルーチンを終了し、一方、タイマをスタートさせてから所定時間tcが経過したときには、エンジン22の回転数Neが通常制御へ復帰できる状態になったとみなし、第1フラグF1及び第2フラグF2を共にリセットして値ゼロとし(ステップS390)、その後通常制御への復帰を準備し(ステップS400)、本ルーチンを終了する。ここで、エンジン22の回転数値NthrとモータMG1の最大負荷トルクTguardと所定時間tcとは、エンジン22の回転数Neが値Nthrのときに所定時間tcだけモータMG1に最大負荷トルクTguardをかけたあとエンジン22の回転数Neが許容上限回転数Nmaxを超える(オーバーシュートする)ことなくそのNmaxにほぼ収束されるように、それぞれ経験的に定められている。
【0037】
ところで、ステップS400でいう通常制御とは、本実施形態では、要求パワーP*に基づいてエンジン22の目標回転数Ne*と目標トルクTe*とを燃費優先の動作ライン上の運転ポイントとなるよう設定し、設定した目標回転数Ne*とリングギヤ軸32aの回転数Nrと動力分配統合機構30のギヤ比ρとを用いて次式(3)によりモータMG1の目標回転数Nm1*を計算すると共に計算した目標回転数Nm1*と現在の回転数Nm1とに基づいて次式(4)によりモータMG1のトルク指令Tm1*を計算し、また、上述したステップS140〜S160と同様の処理を実行してトルク指令Tm2*を計算し、これらのトルク指令Tm1*,Tm2*をモータECU40へ送信する、という一連の制御をいう。ここで、燃費優先の動作ラインの一例を図7に示す。図7中、点線のラインは要求パワーP*がP1,P2となる回転数−トルクの曲線であり、その回転数−トルクの組合せで最も効率のよいポイントを結んだラインが燃費優先の動作ラインである。また、式(3)は動力分配統合機構30の回転要素に対する力学的な関係式であり、式(4)はモータMG1を目標回転数Nm1*で回転させるためのフィードバック制御における関係式であり、同式中、k1は比例項のゲイン、k2は積分項のゲインである。このモータMG1のトルク指令Tm1*を最大負荷トルクTguardからフィードバック制御で求めた値に移行するにあたって、通常制御への復帰の準備の一環として、移行後初めてのフィードバック制御における式(4)の前回Tm1*をTguard+ΔT(ΔT>0)に設定しておく。
【0038】
【数2】
Nm1*=Ne*・(1+ρ)/ρ-Nm2/(Gr・ρ) …(3)
Tm1*=前回Tm1*+k1(Nm1*-Nm1)+k2∫(Nm1*-Nm1)dt …(4)
【0039】
このような急加速時処理ルーチンを実行したときの経過時間に対するモータMG1のトルクTm1、エンジン22の回転数Neおよびエンジン22の出力パワーPeの推移を表すグラフを図8に示す。図8における区間aは、モータMG1により始動前のエンジン22をクランキングする区間であり、第1フラグF1および第2フラグF2は共に値0にセットされるため急加速時処理ルーチンのステップS130〜ステップS200が実行される。この区間aでは、モータMG1のトルクは正の値となり、エンジン22の回転数Neは0から始動時回転数Nstartまで上昇する。区間bは、区間aの終わりに始動されたエンジン22の回転数Neを上限回転数Nmax付近まで迅速に上昇させる区間であり、第1フラグF1が値1で第2フラグF2が値0にセットされるため急加速時処理ルーチンのステップS210〜ステップS270が実行される。この区間bでは、モータMG1のトルクはゼロであり、エンジン22の回転数Neは従来のようにモータMG1によりエンジン22の回転を抑え込む負のトルクをかける場合に比べて迅速に値Nthrまで上昇する。区間cは、値Nthrまで上昇したエンジン22の回転数Neを上限回転数Nmaxを超えないようにこのNmaxに収束させる区間であり、第1フラグF1が値0で第2フラグF2が値1にセットされるため急加速時処理ルーチンのステップS310〜ステップS400が実行される。この区間cでは、モータMG1のトルクは最大負荷トルクTguardとなり、エンジン22の回転数Neは上限回転数Nmaxに収束する。この区間cのあと、通常制御に戻ってモータMG1のトルクはフィードバック制御され、エンジン22の回転数Neはほぼ上限回転数Nmaxで推移することになる。また、図8の下図に示すように、本実施形態では、区間cのあと発生したエンジン22の出力パワーPeに経過時間を乗じて算出されるエネルギは領域Pと領域Qとの和になるのに対して、従来のようにモータMG1によりエンジン22の始動直後からエンジン22の回転を抑え込む負のトルクをかける場合では、エンジン22のエネルギは領域Rと領域Qとの和になるため、領域Pから領域Rを差し引いたエネルギ分だけ前者の方が後者よりも有利となる。
【0040】
以上説明した本実施形態のハイブリッド自動車20によれば、エンジン22の運転を停止してモータ運転モードにより走行している最中にアクセル開度Accが全開にされたとき、エンジン22の回転数Neが始動時回転数Nstartから許容上限回転数Nmaxより僅少量低い値Nthrに至るまでモータMG1のトルク指令Tm1*をゼロに制限するので、短時間のうちに上限回転数Nmaxに到達させることができ、ひいてはエンジン22からのエネルギを増やすことができ、自動車全体として大きなエネルギを確保することができる。また、エンジン22の回転数Neが値Nthrに至ったあとモータMG1によるエンジン22の回転を抑え込む方向の最大負荷トルクを所定時間tcだけ加えるため、エンジン22の回転数Neをオーバーシュートさせることなく、エンジン22から大きな直行トルクを取り出すことができる。更に、このような制御を行うと運転の滑らかさが若干損なわれるが、エンジン22の運転を停止してモータ運転モードにより走行している最中にアクセル開度Accが全開にされたときにはその滑らかさが若干損なわれたとしても運転者は違和感を感じにくいため、ドライバビリティも損なわれない。
【0041】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【0042】
例えば、上述したハイブリッド自動車20では、エンジン22を停止した状態で走行しているモータ運転モードにおいてアクセル開度Accが全開とされたときに急加速時処理ルーチンを実行するものとして説明したが、アクセル開度Accが所定開度Aconstを超え且つエンジン22の現在の回転数Neと目標回転数Ne*との回転数差ΔNeが所定値ΔNeconstを超えるときであれば、同様の急加速時処理ルーチン(但しエンジン22の始動完了後にこのルーチンを実行する際にはステップS130〜S200の処理は省略される)を実行してもよい。具体的には、エンジン22がアイドリング状態でアクセル開度Accが全開とされたときなどが挙げられる。
【0043】
また、上述したハイブリッド自動車20では、図8の区間bにおいてモータMG1のトルク指令Tm1*をゼロに制限したが、必ずしもゼロに制限する必要はなく、モータMG1のトルク指令Tm1*を通常制御の値よりもエンジン22の回転を緩く抑え込むよう制限された値(図8の上図の一点鎖線と時間軸とで囲まれた領域内の値)であればよい。その場合、モータMG1のトルク指令Tm1*を一定値としてもよいし、通常制御の値よりもエンジン22の回転を緩く抑え込むよう制限された範囲内で可変な値としてもよい。
【0044】
更に、上述したハイブリッド自動車20では、エンジン22の回転数Neが値Nthrに至ったあと所定時間tcが経過するまでモータMG1のトルク指令Tm1*を最大負荷トルクTguardに設定したが、その代わりにエンジン22の回転数Neが許容上限回転数Nmaxに一致するまでモータMG1のトルク指令Tm1*を最大負荷トルクTguardに設定するようにしてもよい。具体的には、図4のステップS310,S320を省略し、ステップS330において回転数NeがNmaxに一致するか否かを判定し、一致しないときにはステップS340以下の処理を行い、一致したときにはステップS390以下の処理を行うようにしてもよい。この場合も、急加速時処理ルーチンの終了後にエンジン22の回転数Neが許容上限回転数Nmaxに収束する。
【0045】
上述したハイブリッド自動車20では、急加速時処理ルーチンの終了後つまり区間cのあとに行う通常制御としてエンジン22の回転数とトルクとを燃費最適運転ポイントになるよう制御するものとしたが、運転状況に応じて燃費最適運転ポイントになるよう制御したりそれ以外の運転ポイント(例えばトルク最大運転ポイント)になるよう制御したりしてもよい。
【0046】
上述したハイブリッド自動車20では、モータMG2の動力を減速ギヤ35により変速してリングギヤ軸32aに出力するものとしたが、図9の変形例のハイブリッド自動車120に例示するように、モータMG2の動力をリングギヤ軸32aが接続された車軸(駆動輪63a,63bが接続された車軸)とは異なる車軸(図9における車輪64a,64bに接続された車軸)に出力するものとしてもよい。
【0047】
上述したハイブリッド自動車20では、エンジン22の動力を動力分配統合機構30を介して駆動輪63a,63bに接続された駆動軸としてのリングギヤ軸32aに出力するものとしたが、図10の変形例のハイブリッド自動車220に例示するように、エンジン22のクランクシャフト26に接続されたインナーロータ232と駆動輪63a,63bに動力を出力する駆動軸に接続されたアウターロータ234とを有し、エンジン22の動力の一部を駆動軸に伝達すると共に残余の動力を電力に変換する対ロータ電動機230を備えるものとしてもよい。
【0048】
上述したハイブリッド自動車20は本発明の動力出力装置を自動車に搭載した場合の一例であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、船舶、航空機などの交通手段や、その他各種産業の機械などに搭載することも可能である。
【0049】
上述したハイブリッド自動車20では、電力動力入出力手段の一構成要素であるモータMG1や駆動軸としてのリングギヤ軸32aに動力を入出力可能なモータMG2と電力のやりとりが可能な蓄電手段としてバッテリ50を採用したが、電気2重層キャパシタを採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例である動力出力装置を搭載したハイブリッド自動車20の構成の概略を示す構成図である。
【図2】 実施例のハイブリッド用電子制御ユニット70により実行される急加速時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図3】 急加速時処理ルーチンから分岐した部分のフローチャートである。
【図4】 急加速時処理ルーチンから分岐した部分のフローチャートである。
【図5】 要求トルク設定用マップの一例を示す説明図である。
【図6】 動力分配統合機構30の回転要素を力学的に説明する共線図の一例を示す説明図である。
【図7】 エンジン22の動作ラインの一例と目標回転数Ne*および目標トルクTe*を設定する様子を示す説明図である。
【図8】 急加速時処理ルーチンが実行されるときのモータMG1のトルクTm1,エンジン22の回転数Ne,エンジン22の出力パワーPeの推移の一例を示すグラフである。
【図9】 変形例のハイブリッド自動車120の構成の概略を示す構成図である。
【図10】 変形例のハイブリッド自動車220の構成の概略を示す構成図である。
【符号の説明】
20,120,220 ハイブリッド自動車、22 エンジン、24 エンジン用電子制御ユニット(エンジンECU)、26 クランクシャフト、28 ダンパ、30 動力分配統合機構、31 サンギヤ、32 リングギヤ、32a リングギヤ軸、33 ピニオンギヤ、34 キャリア、35,135 減速ギヤ、40 モータ用電子制御ユニット(モータECU)、41,42 インバータ、43,44 回転位置検出センサ、50 バッテリ、51 温度センサ、52バッテリ用電子制御ユニット(バッテリECU)、54 電力ライン、60 ギヤ機構、62 デファレンシャルギヤ、63a,63b,64a,64b 駆動輪、70 ハイブリッド用電子制御ユニット、72 CPU、74 ROM、76 RAM、80 イグニッションスイッチ、81 シフトレバー、82 シフトポジションセンサ、83 アクセルペダル、84 アクセルペダルポジションセンサ、85 ブレーキペダル、86 ブレーキペダルポジションセンサ、88 車速センサ、230 対ロータ電動機、232 インナーロータ 234 アウターロータ、MG1,MG2 モータ。
Claims (11)
- 駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、
内燃機関と、
該内燃機関の出力軸と前記駆動軸とに接続され、電力と動力の入出力を伴って該内燃機関からの動力の少なくとも一部を該駆動軸に出力する電力動力入出力手段であって、前記内燃機関の出力軸と前記駆動軸と第3の軸の3軸に接続され該3軸のうちのいずれか2軸に入出力した動力に基づいて残余の軸に動力を入出力する3軸式動力入出力部と、前記第3の軸に動力を入出力する発電機とを備える電力動力入出力手段と、
前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、
前記電力動力入出力手段および前記電動機と電力のやりとりが可能な蓄電手段と、
急加速の要求があった場合、前記内燃機関の性能によって決まる上限回転数か前記内燃機関の出力軸に接続された前記電力動力入出力手段の前記発電機の性能によって決まる上限回転数のいずれか低い方の値である許容上限回転数を目標回転数とし、前記内燃機関の出力軸の現回転数と目標回転数との回転数差が予め定められた所定範囲を超えるとき、前記内燃機関の出力軸の回転数が前記目標回転数又は該目標回転数より僅少量低い値に至るまで、該出力軸の回転を抑え込む方向のトルクを制限するよう前記内燃機関と前記電力動力入出力手段と前記電動機とを制御する回転数差対応制御を行う回転数差対応制御手段と、
を備える動力出力装置。 - 前記回転数差対応制御手段は、前記回転数差対応制御において、前記内燃機関の出力軸の回転数が前記目標回転数又は該目標回転数より僅少量低い値に至るまで該出力軸の回転を抑え込む方向のトルクを略ゼロとなるよう前記電力動力入出力手段を制御する、請求項1記載の動力出力装置。
- 前記回転数差対応制御手段は、前記回転数差対応制御において、前記内燃機関の出力軸の回転数が前記目標回転数又は該目標回転数より僅少量低い値に至るまで該出力軸の回転を抑え込む方向のトルクを略ゼロとし、該出力軸の回転数が前記目標回転数又は該目標回転数より僅少量低い値に至ったあと最大トルクで該出力軸の回転を抑え込むよう前記電力動力入出力手段を制御する、請求項1又は2記載の動力出力装置。
- 前記回転数差対応制御手段は、要求動力が大きく且つ前記回転数差が前記所定範囲を超えるときに前記回転数差対応制御を行う、請求項1〜3いずれか記載の動力出力装置。
- 前記回転数差対応制御手段は、前記内燃機関の運転を停止した状態で前記内燃機関の始動指示がなされ且つ前記回転数差が前記所定範囲を超えるときに前記回転数差対応制御を行う、請求項1〜4いずれか記載の動力出力装置。
- 前記回転数差対応制御手段は、前記内燃機関がアイドリング状態で且つ前記回転数差が前記所定範囲を超えるときに前記回転数差対応制御を行う、請求項1〜5いずれか記載の動力出力装置。
- 前記回転数差対応制御手段は、前記回転数差対応制御において、前記内燃機関の出力軸の回転数が前記目標回転数より僅少量低い値に至ったあと最大トルクで該出力軸の回転を抑え込むよう前記電力動力入出力手段を制御して前記目標回転数に収束させる、請求項1〜6いずれか記載の動力出力装置。
- 前記回転数差対応制御手段は、前記回転数差対応制御において、前記内燃機関の出力軸の回転数が前記目標回転数より僅少量低い値に至ったあと最大トルクで所定時間だけ該出力軸の回転を抑え込むよう前記電力動力入出力手段を制御して前記目標回転数に収束させる、請求項7記載の動力出力装置。
- 前記回転数差対応制御手段は、前記電力動力入出力手段に備えられた前記発電機によって前記内燃機関の出力軸の回転を抑え込む方向のトルクを該出力軸に加える、
請求項1〜8いずれか記載の動力出力装置。 - 請求項1〜9いずれか記載の動力出力装置を備え、前記駆動軸が機械的に車軸に接続されて走行する自動車。
- 内燃機関と、該内燃機関の出力軸と前記駆動軸とに接続され、電力と動力の入出力を伴って該内燃機関からの動力の少なくとも一部を該駆動軸に出力する電力動力入出力手段であって、前記内燃機関の出力軸と前記駆動軸と第3の軸の3軸に接続され該3軸のうちのいずれか2軸に入出力した動力に基づいて残余の軸に動力を入出力する3軸式動力入出力部と、前記第3の軸に動力を入出力する発電機とを備える電力動力入出力手段と、前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、前記電力動力入出力手段および前記電動機と電力のやりとりが可能な蓄電手段と、を備える動力出力装置の制御方法であって、
(a)急加速の要求があった場合、前記内燃機関の性能によって決まる上限回転数か前記内燃機関の出力軸に接続された前記電力動力入出力手段の前記発電機の性能によって決まる上限回転数のいずれか低い方の値である許容上限回転数を目標回転数とし、前記内燃機関の出力軸の現回転数と前記目標回転数との回転数差を算出するステップと、
(b)前記回転数差が予め定められた所定範囲を超えるか否かを判定するステップと、
(c)前記回転数差が前記所定範囲を超えると判定されたとき、前記内燃機関の出力軸の回転数が前記目標回転数又は該目標回転数より僅少量低い値に至るまで該出力軸の回転を抑え込む方向のトルクを制限するよう前記内燃機関と前記電力動力入出力手段と前記電動機とを制御する回転数差対応制御を行うステップと、
を含む動力出力装置の制御方法。
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