JP4200635B2 - ハイブリッド車両およびその制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動力源として熱機関と電動機を備え、少なくとも熱機関の動力を変速機で変速して駆動軸に出力しつつ走行するハイブリッド車両に関し、詳しくは該ハイブリッド車両における変速機の制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
動力源として熱機関と電動機とを備えるハイブリッド車両が提案されている。ハイブリッド車両の中には、熱機関の動力を変速機で変速して駆動軸に出力して走行するタイプの車両がある。変速機は、熱機関のみを動力源とする通常の車両と同じく、車速、アクセル開度などの走行状態に応じて予め設定されたマップに従って制御される。電動機は、熱機関のトルクをアシストするように運転される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ハイブリッド車両では、要求される動力が一定であっても、走行状態に応じて熱機関と電動機のそれぞれから出力される動力配分を変えることができる。従来、変速機の制御は、熱機関と電動機の動力配分に依存しない態様で行われていた。燃費を重視して比較的小さい変速比を用いるよう設定されているときは、熱機関の動力配分が大きい場合に熱機関の振動を招き、変速時のショックを招いていた。振動やショックの回避を重視して比較的大きい変速比を用いるよう設定されているときは、熱機関の動力配分が小さい場合に燃費を損ねていた。このように燃費と振動、ショックの双方を満足するように変速比を制御することは困難であった。
【０００４】
また、変速機については、動力の伝達効率を向上するため、回転軸の滑りを制止するロックアップが行われることが多い。従来は、熱機関と電動機の動力配分に依存しない一定の条件でロックアップが行われていたため、熱機関の動力配分に応じて、振動、ショックおよび燃費に関する課題が存在した。本発明は、これらの課題を解決するためになされたものであり、変速機を介して動力伝達するハイブリッド車両において、振動およびショックの低減、および燃費の向上を図る技術を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題を解決するために、本発明は動力源としての熱機関および電動機と、該熱機関の動力を駆動軸に伝達する際の変速比を変更可能な変速機とを備えるハイブリッド車両において、
前記熱機関と電動機それぞれの目標動力を設定する目標動力設定手段と、
少なくとも前記熱機関の目標動力と前記電動機の目標動力との関係を考慮して前記変速機の動作状態を制御する変速機制御手段と、
前記目標動力を出力するよう前記熱機関および電動機の運転を制御する制御手段とを備えるものとした。
【０００６】
熱機関および電動機の目標動力は、車両の走行状態に応じて要求される動力を所定の比率で分配して設定してもよいし、それぞれ個別にマップや関数などを用いて設定するものとしてもよい。目標動力設定手段は、一つの要求動力に対し、熱機関および電動機の目標動力は種々の組み合わせで設定可能な態様を採ることが好ましい。かかる態様としては、要求動力の他、熱機関と電動機の動力配分に影響を与えるパラメータ、例えば電動機の電源の電力供給能力などを考慮してそれぞれの目標動力を設定する態様が挙げられる。本発明のハイブリッド車両は、動力伝達経路の上流側から、熱機関、変速機、駆動軸の順に備えられた構成であればよく、電動機は変速機の上流側、下流側のいずれに位置させてもよい。熱機関の動力を駆動軸に伝達する経路と、電動機の動力を伝達する経路とを並列に構成してもよい。
【０００７】
本発明によれば、変速機の制御に前記熱機関の目標動力と前記電動機の目標動力との関係を反映することができ、熱機関と電動機の動力配分に応じてそれぞれ振動を抑制しつつ、燃費を向上する変速比を実現できる。つまり、本発明では、変速機の制御において、駆動軸に出力される総動力のみならず、各動力源における動力配分をも考慮する点に技術的意義を有する。複数の動力源を備えるハイブリッド車両では、駆動軸に出力すべき総動力が一定であっても、各動力源の動力配分が相違する場合がある。振動の抑制、燃費の向上の両立を図ることができる変速機の最適の動作状態は、複数の動力源からの動力の動力配分に応じて相違する。本発明では、かかる点に着目し、熱機関の目標動力と前記電動機の目標動力との関係をも考慮して変速機の制御を行うことにより、熱機関と電動機の動力の動力配分に応じて適切な動作状態を実現することができる。この結果、車両の振動を低減し、および燃費を向上することができる。熱機関の目標動力と前記電動機の目標動力との関係は、熱機関の目標動力と前記電動機の目標動力との比または差をパラメータとして考慮するものとすることができる。両者の大小関係で考慮してもよい。また、熱機関の目標動力と電動機の目標動力との和が駆動軸に出力すべき要求動力に相当するため、熱機関の目標動力と前記電動機の目標動力との関係を間接的に考慮した態様として、要求動力と熱機関または電動機いずれか一方の目標動力との関係を考慮してもよい。
【０００８】
動力は、回転数とトルクの積として定まる値である。回転数が決まれば動力とトルクは一義的に対応するから、目標動力は例えば、車速または駆動軸の回転数に応じたトルクをパラメータとして扱ってもよい。つまり、前記駆動軸の回転数を検出する回転数検出手段を備え、前記変速機制御手段は、前記目標動力を表すパラメータとして該回転数に応じて定まる前記駆動軸に出力すべきトルクを用いて前記制御を行う手段であるものとしてもよい。更に、目標動力を設定するのではなく、熱機関および電動機の目標トルクを設定し、双方の目標トルクの関係を考慮して変速機の制御を行う態様を採ることもできる。この態様には、各回転数における動力を設定することにより、間接的に目標トルクを設定する態様も含まれる。
【０００９】
本発明の制御としては、
例えば、前記熱機関の目標動力と前記電動機の目標動力との関係に応じて該車両の走行状態と変速比との関係を変更して、前記制御を行うものとできる。
また、変速機が２つの回転軸間に備えられた流体継手と、該流体継手の滑りを抑制する抑制機構とを備える場合には、前記熱機関の目標動力と前記電動機の目標動力との関係に応じて該流体継手の滑りを制止すべき走行状態の範囲を変更するものとしてもよい。いわゆるロックアップを行う領域を電動機の目標動力に応じて切り替える態様である。
【００１０】
通常、変速機の動作状態の制御は、走行状態と動作状態との関係を予め記憶したマップその他の記憶手段に従って行われる。従って、上記構成は、いずれも記憶手段の内容を熱機関の目標動力と前記電動機の目標動力との関係に応じて使い分けることによって実現できる。両者の関係に依存しないマップに基づいて動作状態を設定した後、両者の関係に応じた所定の補正を行う制御態様を採ることも可能である。
【００１１】
本発明において、電動機の電源はバッテリなど種々の電源を適用可能であるが、特に燃料電池を用いることが望ましい。電動機の電源としてエネルギ密度が比較的高い燃料電池を用いることにより、幅広い運転領域で電動機を動力源として活用することができ、本発明を有効に活用することが可能となる。
【００１２】
本発明のハイブリッド車両においては、常に電動機の目標動力を考慮した制御を行うものとしてもよいが、
前記電動機の電源について電力供給能力を検出する電力供給能力検出手段と、該電力供給能力が所定値以下である場合には、前記変速機制御手段に対し、前記熱機関の目標動力と前記電動機の目標動力との関係を考慮した制御の実行を禁止する禁止手段とを備えるものとしてもよい。電力供給能力とは、電源から出力可能な総電力を意味する。燃料電池を電源としている場合には、燃料電池用の燃料残量などのパラメータに基づいて検出することができる。二次電池を電源として用いる場合には、残容量などのパラメータに基づいて検出することができる。
【００１３】
電力供給能力が低下した場合には、電動機を動力源として使用することを控える必要が生じる。上記禁止手段の作用によって、変速機の制御態様を、熱機関の目標動力と前記電動機の目標動力との関係に依存しない態様に予め切り替えておくことにより、電動機の使用を控える必要が生じた場合でも、運転感覚が大きく変動することを回避できる。
【００１４】
本発明は、ハイブリッド車両の他、種々の態様で構成可能である。例えば、ハイブリッド車両の運転または変速機を制御する制御装置、制御方法として構成してもよい。制御方法として構成する場合においても、熱機関と電動機の目標動力を考慮して変速機を制御する方法として構成してもよいし、両者の目標トルクを考慮して変速機を制御する方法として構成してもよい。前者において、目標トルクをパラメータとして使用するものとしてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を実施例に基づき以下の項目に分けて説明する。
Ａ．装置の構成：
Ｂ．一般的動作：
Ｃ．走行制御処理：
Ｄ．変形例：
【００１６】
Ａ．装置の構成：
図１は実施例としてのハイブリッド車両の概略構成図である。本実施例のハイブリッド車両の動力源は、エンジン１０とモータ２０である。図示する通り、本実施例のハイブリッド車両の動力系統は、上流側からエンジン１０、入力クラッチ１８、モータ２０、および変速機１００を直列に結合した構成を有している。即ち、エンジン１０のクランクシャフト１２は、入力クラッチ１８を介してモータ２０に結合されている。入力クラッチ１８をオン・オフすることにより、エンジン１０からの動力の伝達を断続することができる。モータ２０の回転軸１３は、変速機１００に結合されている。変速機１００の出力軸１５はディファレンシャルギヤ１６を介して車軸１７に結合されている。以下、それぞれの構成要素について順に説明する。
【００１７】
エンジン１０は通常のガソリンエンジンである。但し、エンジン１０は、ガソリンと空気の混合気をシリンダに吸い込むための吸気バルブ、および燃焼後の排気をシリンダから排出するための排気バルブの開閉タイミングを、ピストンの上下運動に対して相対的に調整可能な機構を有している（以下、この機構をＶＶＴ機構と呼ぶ）。ＶＶＴ機構の構成については、周知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。エンジン１０は、ピストンの上下運動に対して各バルブが遅れて閉じるように開閉タイミングを調整することにより、いわゆるポンピングロスを低減することができる。この結果、エンジン１０をモータリングする際にモータ２０から出力すべきトルクを低減させることもできる。ガソリンを燃焼して動力を出力する際には、ＶＶＴ機構は、エンジン１０の回転数に応じて最も燃焼効率の良いタイミングで各バルブが開閉するように制御される。
【００１８】
モータ２０は、三相の同期モータであり、外周面に複数個の永久磁石を有するロータ２２と、回転磁界を形成するための三相コイルが巻回されたステータ２４とを備える。モータ２０はロータ２２に備えられた永久磁石による磁界とステータ２４の三相コイルによって形成される磁界との相互作用により回転駆動する。また、ロータ２２が外力によって回転させられる場合には、これらの磁界の相互作用により三相コイルの両端に起電力を生じさせる。なお、モータ２０には、ロータ２２とステータ２４との間の磁束密度が円周方向に正弦分布する正弦波着磁モータを適用することも可能であるが、本実施例では、比較的大きなトルクを出力可能な非正弦波着磁モータを適用した。
【００１９】
モータ２０の電源としては、バッテリ５０と燃料電池システム６０とが備えられている。但し、主電源は燃料電池システム６０である。バッテリ５０は燃料電池システム６０が故障した場合や十分な電力を出力することができない過渡的な運転状態にある場合などに、これを補完するようモータ２０に電力を供給する電源として使用される。バッテリ５０の電力は、主としてハイブリッド車両の制御を行う制御ユニット７０や、照明装置などの電力機器に主として供給される。
【００２０】
モータ２０と各電源との間には、接続状態を切り替えるための切替スイッチ８４が設けられている。切替スイッチ８４は、バッテリ５０，燃料電池システム６０，モータ２０の３者間の接続状態を任意に切り替えることができる。ステータ２４は切替スイッチ８４および駆動回路５１を介してバッテリ５０に電気的に接続される。また、切替スイッチ８４および駆動回路５２を介して燃料電池システム６０に接続される。駆動回路５１，５２は、それぞれトランジスタインバータで構成されており、モータ２０の三相それぞれに対して、ソース側とシンク側の２つを一組としてトランジスタが複数備えられている。これらの駆動回路５１，５２は、制御ユニット７０と電気的に接続されている。制御ユニット７０が駆動回路５１，５２の各トランジスタのオン・オフの時間をＰＷＭ制御するとバッテリ５０および燃料電池システム６０を電源とする擬似三相交流がステータ２４の三相コイルに流れ、回転磁界が形成される。モータ２０は、かかる回転磁界の作用によって、先に説明した通り電動機または発電機として機能する。
【００２１】
図２は燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システム６０は、メタノールを貯蔵するメタノールタンク６１、水を貯蔵する水タンク６２、燃焼ガスを発生するバーナ６３、空気の圧縮を行なう圧縮機６４、バーナ６３と圧縮機６４とを併設した蒸発器６５、改質反応により燃料ガスを生成する改質器６６、燃料ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度を低減するＣＯ低減部６７、電気化学反応により起電力を得る燃料電池６０Ａを主な構成要素とする。これらの各部の動作は、制御ユニット７０により制御される。
【００２２】
燃料電池６０Ａは、固体高分子電解質型の燃料電池であり、電解質膜、カソード、アノード、およびセパレータとから構成されるセルを複数積層して構成されている。電解質膜は、例えばフッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。カソードおよびアノードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。カソードおよびアノードとの間に燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。
【００２３】
燃料電池システム６０の各構成要素は次の通り接続されている。メタノールタンク６１は配管で蒸発器６５に接続されている。配管の途中に設けられたポンプＰ２は、流量を調整しつつ、原燃料であるメタノールを蒸発器６５に供給する。水タンク６２も同様に配管で蒸発器６５に接続されている。配管の途中に設けられたポンプＰ３は、流量を調整しつつ、水を蒸発器６５に供給する。メタノールの配管と、水の配管とは、それぞれポンプＰ２，Ｐ３の下流側で一つの配管に合流し、蒸発器６５に接続される。
【００２４】
蒸発器６５は、供給されたメタノールと水とを気化させる。蒸発器６５には、バーナ６３と圧縮機６４とが併設されている。蒸発器６５は、バーナ６３から供給される燃焼ガスによってメタノールと水とを沸騰、気化させる。バーナ６３の燃料は、メタノールである。メタノールタンク６１は、蒸発器６５に加えてバーナ６３にも配管で接続されている。メタノールは、この配管の途中に設けられたポンプＰ１により、バーナ６３に供給される。バーナ６３には、また、燃料電池６０Ａでの電気化学反応で消費されずに残った燃料排ガスも供給される。バーナ６３は、メタノールと燃料排ガスのうち、後者を主として燃焼させる。バーナ６３の燃焼温度はセンサＴ１の出力に基づいて制御されており、約８００℃から１０００℃に保たれる。バーナ６３の燃焼ガスは、蒸発器６５に移送される際にタービンを回転させ、圧縮機６４を駆動する。圧縮機６４は、燃料電池システム６０の外部から空気を取り込んでこれを圧縮し、この圧縮空気を燃料電池６０Ａの陽極側に供給する。
【００２５】
蒸発器６５と改質器６６とは配管で接続されている。蒸発器６５で得られた原燃料ガス、即ちメタノールと水蒸気の混合ガスは、改質器６６に搬送される。改質器６６は、供給されたメタノールと水とからなる原燃料ガスを改質して水素リッチな燃料ガスを生成する。なお、蒸発器６５から改質器６６への搬送配管の途中には、温度センサＴ２が設けられており、この温度が通常約２５０℃の所定値になるようにバーナ６３に供給するメタノール量が制御される。なお、改質器６６における改質反応では酸素が関与する。この改質反応に必要な酸素を供給するために、改質器６６には外部から空気を供給するためのブロワ６８が併設されている。
【００２６】
改質器６６とＣＯ低減部６７とは配管で接続されている。改質器６６で得られた水素リッチな燃料ガスは、ＣＯ低減部６７に供給される。改質器６６での反応課程において、通常は燃料ガスに一酸化炭素（ＣＯ）が一定量含まれる。ＣＯ低減部６７は、この燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる。固体高分子型の燃料電池では、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素が、アノードにおける反応を阻害して燃料電池の性能を低下させてしまうからである。ＣＯ低減部６７は、燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素へと酸化することにより、一酸化炭素濃度を低減させる。
【００２７】
ＣＯ低減部６７と燃料電池６０Ａのアノードとは配管で接続されている。一酸化炭素濃度が下げられた燃料ガスは、燃料電池６０Ａの陰極側における電池反応に供される。また、先に説明した通り、燃料電池６０Ａのカソード側には圧縮された空気を送り込むための配管が接続されている。この空気は、酸化ガスとして燃料電池６０Ａの陽極側における電池反応に供される。
【００２８】
以上の構成を有する燃料電池システム６０は、メタノールと水を用いた化学反応によって電力を供給することができる。本実施例では、メタノールタンク６１，水タンク６２内のメタノールおよび水の残量に応じて、燃料電池の運転状態を制御する。かかる制御を実現するため、それぞれのタンクには、容量センサ６１ａ、６２ａが設けられている。なお、本実施例では、メタノールおよび水を用いる燃料電池システム６０を搭載しているが、燃料電池システム６０は、これに限定されず、ガソリン・天然ガス改質や、純水素を用いるもの等、種々の構成を適用することができる。
【００２９】
なお、以下の説明では燃料電池システム６０をまとめて燃料電池６０と称するものとする。また、燃料電池での発電に使用されるメタノールおよび水を総称してＦＣ燃料と呼ぶものとする。両者の容量は常に同一とは限らない。以下の説明においてＦＣ燃料量というときは、燃料電池での発電に制約を与える側の容量を意味するものとする。つまり、メタノールおよび水のうち、発電を継続した場合に先に不足する側の容量を意味するものとする。
【００３０】
図３は変速機１００の内部構造を示す説明図である。図示する通り、変速機１００は、内部にトルクコンバータ３０と、複数のギヤ、クラッチ、ワンウェイクラッチ、ブレーキ等を備えた有段の変速機構を備える。トルクコンバータ３０は、流体を利用した周知の動力伝達機構である。動力の入力軸に相当するモータ２０の回転軸１３に結合されたタービン３１と中間の回転軸１４に結合されたタービン３２は、流体が封入された容器内で互いに滑りをもった状態で回転可能であり、流体の作用によってトルク変換しつつ動力を伝達する。トルクコンバータ３０には、回転軸１３，１４の滑りが生じないよう、所定の条件下で両者を結合するロックアップクラッチ３３も設けられている。ロックアップクラッチのオン・オフは制御ユニット７０により制御される。
【００３１】
トルクコンバータ３０を経て伝達された動力は、有段の変速機構でトルク変換される。変速機構は、大きくは副変速部１１０（図中の破線より左側の部分）と主変速部１２０（図中の破線より右側の部分）とから構成されており、前進５段、後進１段の変速段を実現することができる。
【００３２】
変速機１００の構成について回転軸１４側から順に説明する。図示する通り、回転軸１４から入力された動力は、オーバードライブ部として構成された副変速部１１０によって所定の変速比で変速されて回転軸１１９に伝達される。副変速部１１０は、シングルピニオン型の第１のプラネタリギヤ１１２を中心に、クラッチＣ０と、ワンウェイクラッチＦ０と、ブレーキＢ０により構成される。第１のプラネタリギヤ１１２は、遊星歯車とも呼ばれるギヤであり、中心で回転するサンギヤ１１４、サンギヤの周りで自転しながら公転するプラネタリピニオンギヤ１１５、更にプラネタリピニオンギヤの外周で回転するリングギヤ１１８の３種類のギヤから構成されている。プラネタリピニオンギヤ１１５は、プラネタリキャリア１１６と呼ばれる回転部に軸支されている。
【００３３】
副変速部１１０では、変速機１００の入力軸に相当する回転軸１４がプラネタリキャリア１１６に結合されている。またこのプラネタリキャリア１１６とサンギヤ１１４との間にワンウェイクラッチＦ０とクラッチＣ０とが並列に配置されている。ワンウェイクラッチＦ０はサンギヤ１１４がプラネタリキャリア１１６に対して相対的に正回転、即ち変速機への入力軸１４と同方向に回転する場合に係合する方向に設けられている。サンギヤ１１４には、その回転を制止可能な多板ブレーキＢ０が設けられている。副変速部１１０の出力に相当するリングギヤ１１８は回転軸１１９に結合されている。回転軸１１９は、主変速部１２０の入力軸に相当する。
【００３４】
主変速部１２０は三組のプラネタリギヤ１３０，１４０，１５０を備えている。また、クラッチＣ１，Ｃ２、ワンウェイクラッチＦ１，Ｆ２およびブレーキＢ１〜Ｂ４を備えている。各プラネタリギヤは、副変速部１１０に備えられた第１のプラネタリギヤ１１２と同様、サンギヤ、プラネタリキャリアおよびプラネタリピニオンギヤ、並びにリングギヤから構成されている。三組のプラネタリギヤ１３０，１４０，１５０は次の通り結合されている。
【００３５】
第２のプラネタリギヤ１３０のサンギヤ１３２と第３のプラネタリギヤ１４０のサンギヤ１４２とは互いに一体的に結合されており、これらはクラッチＣ２を介して入力軸１１９に結合可能となっている。これらのサンギヤ１３２，１４２が結合された回転軸には、その回転を制止するためのブレーキＢ１が設けられている。また、該回転軸が逆転する際に係合する方向にワンウェイクラッチＦ１が設けられている。さらにこのワンウェイクラッチＦ１の回転を制止するためのブレーキＢ２が設けられている。
【００３６】
第２のプラネタリギヤ１３０のプラネタリキャリア１３４には、その回転を制止可能なブレーキＢ３が設けられている。第２のプラネタリギヤ１３０のリングギヤ１３６は、第３のプラネタリギヤ１４０のプラネタリキャリア１４４および第４のプラネタリギヤ１５０のプラネタリキャリア１５４と一体的に結合されている。更に、これら三者は変速機１００の出力軸１５に結合されている。
【００３７】
第３のプラネタリギヤ１４０のリングギヤ１４６は、第４のプラネタリギヤ１５０のサンギヤ１５２に結合されるとともに、回転軸１２２に結合されている。回転軸１２２はクラッチＣ１を介して主変速部１２０の入力軸１１９に結合可能となっている。第４のプラネタリギヤ１５０のリングギヤ１５６には、その回転を制止するためのブレーキＢ４と、リングギヤ１５６が逆転する際に係合する方向にワンウェイクラッチＦ２とが設けられている。
【００３８】
変速機１００に設けられた上述のクラッチＣ０〜Ｃ２およびブレーキＢ０〜Ｂ４は、それぞれ油圧によって係合および解放する。図１中に示す通り、変速機１００には電動式の油圧ポンプ１０２から、これらのクラッチおよびブレーキを作動させるための作動油が供給されている。詳細な図示は省略したが、変速機１００には作動を可能とする油圧配管および油圧を制御するためのソレノイドバルブ等が設けられた油圧制御部１０４により、油圧を制御することができる。本実施例のハイブリッド車両では、制御ユニット７０が油圧制御部１０４内のソレノイドバルブ等に制御信号を出力することによって、各クラッチおよびブレーキの作動を制御する。
【００３９】
本実施例の変速機１００は、クラッチＣ０〜Ｃ２およびブレーキＢ０〜Ｂ４の係合および解放の組み合わせによって、前進５段・後進（Ｒ）1段の変速段を設定することができる。前進については、１ｓｔが低速側、５ｔｈが高速側である。また、いわゆるパーキング（Ｐ）およびニュートラル（Ｎ）の状態も実現することができる。図４は各クラッチ、ブレーキ、およびワンウェイクラッチの係合状態と変速段との関係を示す説明図である。この図において、○印はクラッチ等が係合した状態であることを意味し、◎は動力源ブレーキ時に係合することを意味し、△印は係合するものの動力伝達に閑係しないことを意味している。動力源ブレーキとは、エンジン１０およびモータ２０による制動をいう。なお、ワンウェイクラッチＦ０〜Ｆ２の係合状態は、制御ユニット７０の制御信号に基づくものではなく、各ギヤの回転方向に基づくものである。更に多くの変速段、少ない変速段を備える機構を適用してもよい。変速比も種々の値を設定可能である。なお、運転者は、運転席横に設けられたシフトレバーを操作することにより、走行中に使用される変速段の範囲を変更することができる。
【００４０】
本実施例のハイブリッド車両では、エンジン１０などの動力源から出力される動力は、補機の駆動にも用いられる。図１に示す通り、エンジン１０には補機駆動装置８２が結合されている。補機には、エアコンのコンプレッサやパワーステアリング用のポンプ等が含まれる。ここでは、エンジン１０の動力を利用して駆動される補機類をまとめて補機駆動装置８２として示した。補機駆動装置８２は、具体的にはエンジン１０のクランクシャフトに補機クラッチ１９を介して設けられたプーリにベルトを介して結合されており、クランクシャフトの回転動力によって駆動される。
【００４１】
補機駆動装置８２には、また、補機駆動用モータ８０も結合されている。補機駆動用モータ８０は、切替スイッチ８３を介して燃料電池６０およびバッテリ５０に接続されている。補機駆動用モータ８０は、モータ２０と同様の構成を有しており、エンジン１０の動力によって運転され、発電を行うことができる。補機駆動用モータ８０で発電された電力はバッテリ５０に充電することができる。また、補機駆動用モータ８０は、バッテリ５０および燃料電池６０から電力の供給を受けて力行することもできる。本実施例のハイブリッド車両は、後述する通り、所定の条件下では、エンジン１０の運転が停止される。補機駆動用モータ８０を力行すれば、エンジン１０が停止している時でも補機駆動装置８２を駆動することができる。もちろん、エンジン１０が停止している場合に、入力クラッチ１８をオンにして、モータ２０の動力で補機駆動装置８２を駆動するものとしてもよい。補機駆動用モータ８０で補機を駆動する際には、負担を軽減するために、エンジン１０と補機駆動装置８２との間の補機クラッチ１９を解放する。
【００４２】
本実施例のハイブリッド車両では、エンジン１０、モータ２０、変速機１００、補機駆動用モータ８０等の運転を制御ユニット７０が制御している（図１参照）。制御ユニット７０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ，ＲＯＭ等を備えるワンチップ・マイクロコンピュータであり、ＲＯＭに記録されたプログラムに従い、ＣＰＵが後述する種々の制御処理を行う。制御ユニット７０には、かかる制御を実現するために種々の信号が入力されている。図１には、代表的な入力として、車速センサ７１、アクセルポジションセンサ７２、バッテリの残容量センサ７３からの入力を示した。制御ユニット７０には、図２に示した通り、タンクの容量センサ６１ａ，６２ａも入力される。この他にも種々のセンサ信号からの信号が入力されるが、図示を省略した。
【００４３】
Ｂ．一般的動作：
次に、本実施例のハイブリッド車両の一般的動作について説明する。先に図１で説明した通り、本実施例のハイブリッド車両は動力源としてエンジン１０とモータ２０とを備える。制御ユニット７０は、車両の走行状態、即ち車速およびアクセル開度に応じて定まる要求トルクに応じて両者を使い分けて走行する。両者の使い分けは予めマップとして設定され、制御ユニット７０内のＲＯＭに記憶されている。
【００４４】
図５は車両の走行状態と動力源との関係を示す説明図である。図中の領域ＭＧはモータ２０を動力源として走行する領域である。領域ＭＧの外側の領域は、エンジン１０を主動力源としつつ、モータ２０でトルクアシストを行って走行する領域である。以下、前者をＥＶ走行と呼び、後者を通常走行と呼ぶものとする。
【００４５】
ハイブリッド車両は、ＥＶ走行で発進する。かかる領域では、入力クラッチ１８をオフにして走行する。車速およびアクセル開度で決まる車両の走行状態が図５のマップにおける領域ＭＧの境界近傍に達した時点で、制御ユニット７０は、入力クラッチ１８をオンにするとともに、エンジン１０を始動する。入力クラッチ１８をオンにすると、エンジン１０はモータ２０により回転させられる。制御ユニット７０は、エンジン１０の回転数が所定値まで増加したタイミングで燃料を噴射し点火する。こうしてエンジン１０が始動して以後、領域ＥＧ内ではエンジン１０を主動力源として走行する。制御ユニット７０は、車速とアクセル開度から決まる要求動力を出力するように、後述する所定の条件に基づいてエンジン１０とモータ２０の動力配分を設定し、それぞれの運転を制御する。なお、ここで設定されるのは、エンジン１０およびモータ２０から出力すべき動力である。両者の運転ポイント、即ち、回転数およびトルクは最終的には変速機１００の変速比に応じて定まる。
【００４６】
制御ユニット７０は、動力源の制御とともに、変速機１００の制御も行う。変速段の切り替えは、車両の走行状態に予め設定されたマップに基づいてなされる。マップは、シフトポジションによっても相違する。図５には５つの変速段を全て使用するシフトポジションにおけるマップを示した。マップに示す通り、制御ユニット７０は、車速が増すにつれて変速比が小さくなるように変速段の切り替えを実行する。
【００４７】
ここで、本実施例では、車速とアクセル開度の他、モータ２０から車軸１７に出力されるアシストトルクをも考慮して変速比が決定される。車速が決まれば、モータ２０から出力される動力と、モータ２０から車軸１７に出力すべきアシストトルクとの関係は一義的に決定されるから、モータ２０の要求動力を考慮して変速比を決定するものとしてもよい。車軸１７に関わらず、変速機１００の下流側に位置するいずれかの駆動軸のトルクを用いても良い。図５に示す通り、変速比を与えるマップは、モータ２０のアシストトルクに応じて用意されている。図中には、３段階のアシストトルクに対応するマップを示した。実線で示した曲線Ｔ０は、アシストトルクが非常に小さい場合、即ち、ほとんどエンジン動力のみで走行する場合のマップである。破線で示した曲線ＴＭは、アシストトルクが中程度の場合のマップである。一点鎖線で示した曲線ＴＬは、アシストトルクが大きい場合のマップである。アシストトルクが大きくなるにつれて、より高速側の変速段が低車速、高アクセル開度側の領域で使用されるように設定されている。ここでは、３段階のアシストトルクに対応したマップを例示したが、更に多くのマップを用意してもよい。アシストトルクに対して連続的に変化するマップを用いてもよい。
【００４８】
変速機１００の制御には、変速比の他、ロックアップクラッチ３３の制御も含まれる。トルクコンバータ３０は、通常、ロックアップクラッチ３３が解放され、タービン３１，３２を滑らせつつ動力の伝達を行うが、高速側の変速段が使用される所定の条件下では、ロックアップクラッチ３３が係合される。ロックアップを行うことにより、タービン３１，３２間での滑りによる動力損失を回避することができるから、燃費向上を図ることができる。ロックアップは、予め用意されたマップに従って行われる。図６はロックアップ制御用のマップを示す説明図である。５ｔｈの変速段について、車速およびアクセル開度によって決まる走行状態に対して、ロックアップクラッチ３３の係合領域と解放領域の境界を示した。４ｔｈ等でロックアップを行うものとしても構わない。例えば、図中の直線Ｔ０より右側の領域は、ロックアップクラッチ３３が係合される領域である。本実施例では、ロックアップ用のマップも、モータ２０から車軸１７に出力すべきアシストトルクに応じて用意されている。図中には、３段階のアシストトルクに対応したマップを例示した。直線Ｔ０はアシストトルクが非常に小さい場合のマップ、直線ＴＭはアシストトルクが中程度の場合のマップ、直線ＴＬはアシストトルクが大きい場合のマップである。アシストトルクが大きくなるにつれて、ロックアップ領域が広くなるように設定されている。
【００４９】
アシストトルクに応じて変速比およびロックアップ領域を切り替える理由を説明する。車両が図５中の点Ｐで示す走行状態にある場合を考える。図７は、動力配分と変速比との関係を示す説明図である。縦軸は、車軸１７に出力されるトルクを表している。ＣＡＳＥ１として、モータ２０のアシストトルクが比較的大きい場合を例示した。図中のハッチングを付した領域ＴＬがモータ２０のアシストトルクに相当する。ＣＡＳＥ２として、モータ２０のアシストトルクが０の場合を例示した。エンジン１０およびモータ２０の双方から車軸１７に出力すべき総トルクは、車両の走行状態に応じて一義的に設定される。従って、ＣＡＳＥ１，ＣＡＳＥ２は、要求トルク一定の条件下で、エンジン１０とモータ２０の出力トルクの配分が異なっている。ＣＡＳＥ１ではエンジン１０の出力トルクは比較的小さく（図中の領域Ｔ１）、ＣＡＳＥ２では比較的大きくなる（図中の領域Ｔ２）。
【００５０】
一方、エンジン１０から出力可能なトルクには上限がある。右側にはエンジン１０のみで出力可能なトルクと変速段との関係を示した。図示する通り、５ｔｈの変速段では車軸１７に比較的低いトルクしか出力し得ず、４ｔｈの変速段を選択することにより、５ｔｈ以上のトルクを車軸１７に出力することができるようになる。
【００５１】
ここで、アシストトルクの大きさと変速比との関係を説明する。ＣＡＳＥ２の場合、エンジンから出力すべきトルクＴ２は、５ｔｈで出力可能な範囲を超えている。かかる状態で５ｔｈを変速段として選択すれば、エンジン１０が滑らかに回転できず、大きな振動を伴う。従って、ＣＡＳＥ２の場合は、４ｔｈの変速段を選択することが望ましい。一方、ＣＡＳＥ１では、エンジンから出力すべきトルクＴ１は、５ｔｈで出力可能な範囲にある。もちろん、４ｔｈでも出力可能である。かかる場合に、変速段として４ｔｈを選択すれば、エンジン１０は比較的低トルク、高回転数の状態で運転される。一般にかかる運転状態は、運転効率が低い。５ｔｈを変速段として選択すれば、エンジン１０を比較的運転効率の高い運転ポイントで運転しつつ要求されたトルクを出力することができる。このようにモータ２０のアシストトルクに応じて変速段を使い分けることにより、エンジン１０を安定して運転し、運転時の振動を低減しつつ燃費を向上することができる。
【００５２】
図７では、変速段の使い分けを例にとって説明した。ロックアップ領域についても同様である。トルクコンバータ３０は、タービン３１，３２間の滑りによってトルクアップを行う機構であるから、モータ２０のアシストトルクに応じて図７に示したのと同様の理由により、かかるトルクアップの必要性が変わる。従って、アシストトルクに応じてロックアップ領域を変化させることにより、エンジン１０を安定して運転し、運転時の振動を低減しつつ燃費を向上することができる。
【００５３】
Ｃ．走行制御処理：
図５および図６のマップを使い分ける走行制御は、次の処理により実現される。図８は走行制御処理ルーチンのフローチャートである。エンジン１０およびモータ２０を動力源として走行する際の制御処理であり、制御ユニット７０のＣＰＵが他の制御処理とともに繰り返し実行する処理である。
【００５４】
この処理が開始されると、ＣＰＵは車両の走行状態、即ち、車速およびアクセル開度を入力する（ステップＳ１０）。また、ＦＣ燃料が十分残っているか否かを判定する（ステップＳ１２）。本実施例では、予め設定された所定値とＦＣ燃料との大小関係で判断するものとした。本実施例では、燃料電池６０をモータ２０の主電源として使用するため、ＦＣ燃料が十分に残っていない場合には、モータ２０でのアシストを行わない。従って、ＣＰＵは、モータ２０から車軸１７に出力すべきアシストトルクを考慮しない変速比マップ（以下、「ベース変速マップ」と呼ぶ）、およびロックアップマップ（以下、「ベースロックアップマップ」と呼ぶ）に基づいて変速機１００の動作状態を設定する（ステップＳ２０）。ベース変速マップ、ベースロックアップマップは、図５および図６に実線で示したマップに相当する。なお、ステップＳ１０は、燃料電池６０が発電可能な状態にあるか否かを判断するものであるから、ＦＣ燃料の他、燃料電池６０の暖機状態や故障の有無などを総合して発電可能な状態か否かを判断してもよい。
【００５５】
ＦＣ燃料が十分に残っていると判断された場合には（ステップＳ１２）、モータ２０でのアシストを伴って走行する。このため、ＣＰＵはモータ２０のアシスト量をマップに基づいて算出する（ステップＳ１４）。図９はエンジン１０とモータ２０から車軸１７に出力するトルク配分を与えるマップの説明図である。ある特定の車速におけるマップを例示した。図示する通り、アクセル開度に応じて車軸１７から出力すべき要求トルクが設定される。マップには、この要求トルクを実現するためにエンジン１０およびモータ２０のトルクがそれぞれ記憶されている。図中の曲線ＥＬは、その一例であり、曲線ＥＬよりも下側の領域がエンジントルク、上側の領域がアシストトルクに相当する。
【００５６】
本実施例では、エンジントルクとアシストトルクとの関係が、燃料電池６０の発電能力に応じて変化する。つまり、図９のマップは、燃料電池６０の発電能力に応じて用意されている。本実施例では、ＦＣ燃料の残量をパラメータとして発電能力を表す。図中には、３段階の発電能力に対応したマップＥＳ，ＥＭ，ＥＬを示した。発電能力が低い場合には、アシストトルクを抑制するため、マップＥＳが使用される。発電能力が高い場合には、アシストトルクを増大し、モータ２０を活用するため、マップＥＬが使用される。発電能力が中程度の場合には、両者の中間のマップＥＭが使用される。ここでは、３段階の発電能力に対応したマップを例示したが、更に多くのマップを用意してもよい。また、アシストトルクが０となるマップ、即ち要求トルクの曲線に一致するマップを使用してもよい。
【００５７】
図８のステップＳ１４では、ＦＣ燃料の残量に応じて、図９のマップを参照し、モータ２０のアシストトルクＴｍを設定する。こうして設定されたアシストトルクＴｍが所定の値Ｔａよりも大きい場合には（ステップＳ１６）、ＣＰＵは、アシストトルクに応じて変速マップおよびロックアップマップを使い分けて変速機１００の動作状態を設定する（ステップＳ１８）。先に図５および図６で説明した通り、アシストトルクが大きくなるにつれて、高速側の変速比をより広い範囲で活用するとともに、より広い範囲でロックアップクラッチ３３を係合させる制御を行う。
【００５８】
一方、アシストトルクＴｍが所定の値Ｔａ以下である場合には（ステップＳ１６）、アシストトルクに応じたマップの使い分けを行わない。つまり、ベース変速マップ、ベースロックアップマップに従って変速機１００の動作状態を設定する（ステップＳ２０）。変速マップおよびロックアップマップの切り替えは、運転感覚に与える影響が少なからずあり、制御処理の複雑化も招く。従って、本実施例では、アシストトルクが小さい場合には、マップの使い分けによる利点が十分に得られないと判断して、ベース変速マップ、ベースロックアップマップを使用するものとしている。アシストトルクが小さい場合でも、マップを使い分ける態様を採ることも、もちろん可能である。ステップＳ１６で用いられる所定の値Ｔａは、かかる趣旨に基づいて設定された値であり、本実施例では非常に小さい値に設定されている。
【００５９】
こうしてそれぞれの状況に対応して、変速機１００の動作状態が設定されると、ＣＰＵは変速機１００およびモータ２０、エンジン１０の動作を制御する（ステップＳ２２）。モータ２０およびエンジン１０は、ステップＳ１４で設定されたトルク配分で要求トルクを出力するように運転される。ＦＣ燃料が十分に残っていない場合には、図９に示した要求トルクを全てエンジン１０で出力するように運転される。モータ２０、エンジン１０の制御方法は周知であるため説明を省略する。なお、変速機１００の制御は、所定のヒステリシスを持って行われる。
【００６０】
以上の処理を繰り返し実行することにより、本願の車両は、エンジン１０およびモータ２０を動力源として走行することができる。ここでは、図５中の通常走行領域における制御を例にとって説明したが、図８の処理は、ＭＧ領域における制御にも適用可能である。ＭＧ領域では、原則としてモータ２０のみを動力源として走行するが、ＦＣ燃料が若干不足した場合には、エンジン１０を動力源としつつ、モータ２０でトルクアシストして走行するモードに切り替えることもできる。ＭＧ領域でも、かかる運転モードを適用する場合には、図８で示した本実施例の制御処理をそのまま適用することができる。
【００６１】
以上で説明した本実施例のハイブリッド車両によれば、モータ２０のアシストトルクに応じて変速機１００の動作状態を変更することができる。この結果、エンジン１０とモータ２０の動力配分の変化に応じて、それぞれ振動の抑制、燃費の向上を両立することができる。
【００６２】
本実施例のハイブリッド車両では、アシストトルクが小さい場合や燃料電池６０が発電不能の場合には、アシストトルクに依存しない態様で変速機１００を制御する。つまり、アシストトルクが変速機１００の制御に与える影響を、アシストトルクの大きさに応じて切り替えている。こうすることにより、本実施例の車両は、変速機１００の制御を切り替えることによる運転感覚への影響を抑えつつ、振動抑制および燃費向上の利点が得られる制御を実現することができる。実施例では、車軸１７に出力されるべきトルクに応じて変速機１００の制御を行う場合を例示した。車速が決定されれば、モータ２０等の動力源が出力する動力と車軸１７に出力されるトルクとの関係は一義的に定まる。従って、実施例で例示した制御は、エンジン１０およびモータ２０から出力すべき目標動力をパラメータとして実現してもよい。
【００６３】
Ｄ．変形例：
実施例では、アシストトルクの大きさによって変速機１００の制御態様を変更する例を示した。アシストトルクによって変速機１００の制御を変えるか否かを運転者がマニュアルで選択可能な構成を採っても良い。例えば、シフトレバー近傍に運転モードの切り替えスイッチを設け、燃費優先の運転モードが選択されている場合には実施例の制御を実行し、トルク優先の運転モードが選択されている場合には常にベース変速マップ、ベースロックアップマップを用いるものとしてもよい。
【００６４】
実施例では、有段の変速機１００を用いた場合を例示した。本発明は、いわゆる無段変速機を用いた構成にも適用可能である。この場合は、図５のマップにおいて、変速段を与える代わりに、変速比を与えるものとすればよい。
【００６５】
本発明は図１に示した構成のみならず種々の構成の車両に適用することができる。変速機１００はエンジン１０とモータ２０の間に設けられていても良い。モータ２０から車軸１７への動力伝達経路は、エンジン１０から車軸１７への動力伝達経路と並列に設けられていても良い。
【００６６】
実施例では、燃料電池６０を主電源として使用する場合を例示した。これに対し、バッテリ５０を主電源としてもよいし、燃料電池６０およびバッテリ５０に代えてキャパシタなど別の蓄電手段を電源として用いてもよい。実施例では、２種類の電源を備えた場合を例示したが、１種類のみを備えるものとしてもよい。
【００６７】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、更に種々なる形態で実施し得ることは勿論である。例えば、本実施例のハイブリッド車両ではガソリンエンジンを用いたが、ディーゼルエンジンその他の熱機関を用いることができる。本実施例では、モータとして全て三相同期モータを適用したが、誘導モータその他の交流モータおよび直流モータを用いるものとしてもよい。本実施例では、種々の制御処理をＣＰＵがソフトウェアを実行することにより実現しているが、かかる制御処理をハード的に実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例としてのハイブリッド車両の概略構成図である。
【図２】燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図３】変速機１００の内部構造を示す説明図である。
【図４】各クラッチ、ブレーキ、およびワンウェイクラッチの係合状態と変速段との関係を示す説明図である。
【図５】車両の走行状態と動力源との関係を示す説明図である。
【図６】ロックアップ制御用のマップを示す説明図である。
【図７】動力配分と変速比との関係を示す説明図である。
【図８】走行制御処理ルーチンのフローチャートである。
【図９】エンジン１０とモータ２０のトルク配分を与えるマップの説明図である。
【符号の説明】
１０…エンジン
１２…クランクシャフト
１３，１４…回転軸
１５…出力軸
１６…ディファレンシャルギヤ
１７…車軸
１８…入力クラッチ
１９…補機クラッチ
２０…モータ
２２…ロータ
２４…ステータ
３０…トルクコンバータ
３１，３２…タービン
３３…ロックアップクラッチ
５０…バッテリ
５１，５２…駆動回路
６０，６０Ａ…燃料電池
６１…メタノールタンク
６２…水タンク
６１ａ，６２ａ…容量センサ
６３…バーナ
６４…圧縮機
６５…蒸発器
６６…改質器
６８…ブロワ
７０…制御ユニット
７１…車速センサ
７２…アクセルポジションセンサ
７３…残容量センサ
８０…補機駆動用モータ
８２…補機駆動装置
８３，８４…切替スイッチ
１００…変速機
１０２…油圧ポンプ
１０４…油圧制御部
１１０…副変速部
１１２…第１のプラネタリギヤ
１１４…サンギヤ
１１５…プラネタリピニオンギヤ
１１６…プラネタリキャリア
１１８…リングギヤ
１１９…回転軸
１２０…主変速部
１２２…回転軸
１３０…第２のプラネタリギヤ
１３２…サンギヤ
１３４…プラネタリキャリア
１３６…リングギヤ
１４０…第３のプラネタリギヤ
１４２…サンギヤ
１４４…プラネタリキャリア
１４６…リングギヤ
１５０…第４のプラネタリギヤ
１５２…サンギヤ
１５４…プラネタリキャリア
１５６…リングギヤ

Claims (6)

1. 動力源としての熱機関および電動機と、該熱機関の動力を駆動軸に伝達する際の変速比を変更可能な変速機とを備えるハイブリッド車両であって、
   前記熱機関と電動機それぞれの目標動力を設定する目標動力設定手段と、
   少なくとも前記熱機関の目標動力と前記電動機の目標動力との関係を考慮して前記変速機の動作状態を制御する変速機制御手段と、
   前記目標動力を出力するよう前記熱機関および電動機の運転を制御する制御手段とを備え、
   前記変速機は、２つの回転軸間に備えられた流体継手と、該流体継手の滑りを抑制する抑制機構とを備え、
   前記変速機制御手段は、前記熱機関の目標動力と前記電動機の目標動力との関係に応じて該流体継手の滑りを制止すべき走行状態の範囲を変更して、前記制御を行い、さらに、前記電動機の目標動力が大きいほど、前記流体継手の滑りを制止すべき走行状態の範囲が広くなるように、前記制御を行う手段であるハイブリッド車両。
2. 請求項１記載のハイブリッド車両であって、
   前記変速機制御手段は、前記熱機関の目標動力と前記電動機の目標動力との比または差を考慮して前記制御を行う手段であるハイブリッド車両。
3. 請求項１記載のハイブリッド車両であって、
   前記変速機制御手段は、前記熱機関の目標動力と前記電動機の目標動力との関係に応じて該車両の走行状態と変速比との関係を変更して、前記制御を行う手段であるハイブリッド車両。
4. 前記電動機の電源として燃料電池を備える請求項１記載のハイブリッド車両。
5. 請求項１記載のハイブリッド車両であって、
   前記電動機の電源について電力供給能力を検出する電力供給能力検出手段と、
   該電力供給能力が所定値以下である場合には、前記変速機制御手段に対し、前記熱機関の目標動力と前記電動機の目標動力との関係を考慮した制御の実行を禁止する禁止手段とを備えるハイブリッド車両。
6. 動力源としての熱機関および電動機と、該熱機関の動力を駆動軸に伝達する際の変速比を変更可能な変速機とを備えるハイブリッド車両の制御方法であって、
   前記変速機は、２つの回転軸間に備えられた流体継手と、該流体継手の滑りを抑制する抑制機構とを備え、
   前記制御方法は、
   （ａ） 前記熱機関と電動機それぞれの目標動力を設定する工程と、
   （ｂ） 前記熱機関の目標動力と前記電動機の目標動力との関係を考慮して変速機の動作状態を制御する工程と、
   （ｃ） 前記目標動力を出力するよう前記熱機関および電動機の運転を制御する工程とを備え、
   前記工程（ｂ）は、前記熱機関の目標動力と前記電動機の目標動力との関係に応じて前記流体継手の滑りを制止すべき走行状態の範囲を変更して、前記制御を行う工程であって、前記電動機の目標動力が大きいほど、前記流体継手の滑りを制止すべき走行状態の範囲が広くなるように、前記制御を行う工程を備える、ハイブリッド車両の制御方法。

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