JP4548374B2 - ハイブリッド電気自動車のパワートレイン及びパワートレインの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、概略的にはハイブリッド電気自動車（hybrid electric vehicle: HEV）に関し、より具体的には、HEVパワートレインの制御方法に関する。

ハイブリッド電気自動車及びそれのパワートレイン構成は良く知られており、例えば特許文献１及び非特許文献１に示されている。HEVパワートレインにおいては、内燃機関、第１電気機械及び車両の駆動輪が、遊星歯車機構のような動力伝達システムを介して、回転自在に接続される。この遊星歯車は、例えば、内燃機関に結合されるプラネタリー・キャリア、第１電気機械に結合されるサン・ギアそして駆動輪に結合されるリング・ギアである３つの回転要素を持つ。それに加えて、第２電気機械が、一定の減速比で駆動輪に回転自在に接続される。

この遊星歯車形のHEVパワートレインの動作は、３つの回転要素の間の回転速度の関係により説明することが出来る。その関係は、図４に示されるような共線図として表現することが出来る。共線図において、３つの回転要素の速度が動作共線L_C上に常に位置する。この動作共線L_Cは、３つの回転要素に作用するトルクの釣り合いに基づき、それの位置と向きを変化させる。エンジン・トルクT_ENGが、プラネタリー・キャリアを介してサン・ギアとリング・ギアとへ、遊星歯車機構の各歯数により規定される一定のトルク比（T_ES/T_ER = 一定）で、分配される。図４は、いわゆるポジティブ・パワースプリット・モード（positive power-split mode）を示しており、そこにおいて、エンジンは、所望の出力を、燃料消費量の少ない動作点（効率的動作点）である所望のエンジン回転数で発生するように、制御される。所望エンジン回転数は、発電機として動作するように第１電気機械を制御することにより、得ることが出来る。これは、第１電気機械が、エンジンからサン・ギアへ伝達されるトルクT_ESに抵抗することにより、サン・ギアを制動し、そして発電することを可能とする。ここで、リング・ギア速度は、駆動輪速に直接対応し、それで、一定であると、みなすことが出来る。通常、第１電気機械により発電される電力は、第２電気機械を駆動するのに用いられ、第２電気機械は、エンジンからリング・ギアへ伝達されるトルクT_ERを補うように電動機として作動させられる。言い換えると、エンジンが発生した動力は全て、駆動輪へ伝達可能である。

他方で、ポジティブ・パワースプリット・モードの効率は、特に低車速において駆動輪における所望動力が低いときに、低下する可能性がある。このような状態では、所望のエンジン出力が、効率的なエンジン動作状態に対応していない。例えば、エンジンには、エンジン振動や燃焼安定性が許容範囲内となるような、最低回転数がある。エンジン・トルクが一定レベルであれば、エンジンはこの回転数で効率的に動作する。しかし、要求エンジン・トルクがこのレベル未満であるとき、エンジン・トルクをその要求レベルに合致させるように低下させることが出来るが、それは、エンジン効率を犠牲にすることになる。特許文献１には、空燃比を変更することにより、ポジティブ・パワースプリット・モードで動作しながら、エンジン効率を向上させる方法が、記載されている。この方法によれば、最低エンジン回転数を保ったままで、効率的なエンジン動作点を、低トルク側へ移動させる。しかしながら、この方法は、後述のような要求トルクは低いが速度は高い高速巡航中に生じる問題について、認識していない。

ポジティブ・パワースプリット・モードに加えて、いわゆるネガティブ・パワースプリット・モード（negative power-split mode）が、高速巡航中に起こる可能性がある。
この状態において、エンジン回転数が、駆動輪の低い動力要求に合致するように、低下させられる。エンジン回転数は、図５の点線で示されるように、第１電気機械をポジティブ・モードとは反対の方向に（つまり負の速度で）回転させることにより、低下させられる。第１電気機械は、エンジンから伝達されるトルクT_ESに対抗して回転することにより、負の速度を得る。それで、第１電気機械は、電動機として動作し、そして、典型的には第２電気機械から供給されるエネルギーを消費する必要がある。結果としてこのモードで、第２電気機械は、発電機として作動させられる。更に、エンジンが発生するトルクの一部でサン・ギアに伝達されるトルクT_ESが駆動輪に伝達されることがなく、むしろそのトルクは、サン・ギアを駆動してエネルギーを消費している第１電気機械により、相殺される。また、エンジンからリング・ギアに伝達されるトルクT_ERの一部が、第１電気機械を駆動するためのエネルギー（電力）を発生している第２電気機械により用いられる（エネルギー再循環）。このエネルギー循環が、動力伝達効率の低下につながる。

非特許文献１は、エンジン動作効率と動力伝達効率の両方を考慮してエンジン動作点（例えばエンジン・トルクと回転数）を選択することにより、ネガティブ・パワースプリット・モードにおける低い効率を向上させるための方法、を記載している。具体的には、この方法は、第１電気機械の負速度の絶対値を低下させることにより、循環エネルギー量を低下させるように、エンジン動作点を高速低トルク側に移動させるものである。

この方法は、第１電気機械の負の速度の絶対値を低下させることにより、エネルギー循環量を低下させてパワートレイン効率を向上させようとするものであるが、エンジンが、ポンピング損失が高い可能性のある状態で動作するので、エンジン効率を低下させる可能性がある。言い換えると、この方法は、エンジン効率を動力伝達効率のために犠牲にしており、それで、更なるシステム効率向上の余地を残している。
国際公開第９９／０４７８０１号パンフレット 阿部，「HEV制御−新型プリウスにおける性能向上について」，エンジンテクノロジー，山海堂，2004年6月，p. 28-33

本発明は以上の点に鑑み、ハイブリッド電気自動車のパワートレインのシステム効率を、向上させることを、課題とする。

その課題を解決するために、本発明の観点の一つにおいて、内燃機関と、電気機械と、前記内燃機関、前記電気機械及び駆動輪にそれぞれ結合される３つの回転要素を持ち、該３つの回転要素のいずれか一つの回転速度が残り二つの回転速度により機械的に規定される歯車機構を持つ変速機と、を有する、ハイブリッド電気自動車のパワートレインを制御する方法が、提供される。この方法は、上記内燃機関の吸気マニフォールド圧力を燃料消費量の少ない効率的ラインに沿って制御する工程と、上記電気機械の発生トルクを調整して、上記内燃機関の回転数を変更すると共に上記電気機械の回転速度を所定値より大きく制御する工程、及び上記内燃機関へのトルク要求の低下に応答して、上記電気機械の発生トルクの調整により上記内燃機関の発生トルクを低下させる際、上記電気機械の回転速度を上記所定値より大きく制御した上で内燃機関の吸気マニフォールド圧力を上記効率的ラインに制御できない場合には、内燃機関の発生トルクを下げることによって該内燃機関の吸気マニフォールド圧力を実質的に上記効率的ラインに維持する工程、を有する。内燃機械の吸気マニフォールド圧力は、例えば、内燃機関の最も効率的な動作点におけるそれから１００００Ｐａの範囲内に維持される。また、上記内燃機関の発生トルクを低下させると共に、該内燃機関の吸気マニフォールド圧力を実質的に上記効率的ラインに維持する工程は、例えば、空燃比のリーン化、排気再循環量の増加、又は、吸排気弁開閉特性の調整、により実行される。

この方法によれば、内燃機関の回転数を変更すると共に電気機械の回転速度を所定値より大きく制御するように、電気機械のトルクを調整することにより、電気機械を、電動機としてではなく発電機として動作するように制御することが出来るか、又は、電気機械が発電機として動作しているときであってもその速度が所定値以上である（絶対値は小さい）ゆえに、発電機としての動作の程度を小さく出来るので、ネガティブ・パワースプリット・モード及びエネルギー再循環を制限することが出来る。同時に、要求出力の減少に応じて、例えば、燃焼室内の空燃比のリーン化、吸気システムへの排気の再導入又は吸排気弁開閉特性の変更により、内燃機関の吸気マニフォールド圧力を実質的に維持しながら、内燃機関の発生トルクを減少させることにより、内燃機関は、吸気マニフォールド圧力が維持されることから、電気機械の回転速度から導かれた速度でより効率的に動作することが出来る。

従って、この方法は、エンジン効率と動力伝達効率の両方を向上させることが出来る。それで、内燃機関及び、それと、電気機械及び駆動輪とを接続する動力伝達機構を持つパワートレイン・システム全体の動作効率を向上させることが出来る。

図１は、内燃機関（エンジン）1、第１電気機械（電動機／発電機）2及び第２電気機械（電動機／発電機）3、を持つハイブリッド電気自動車のパワートレイン・システムの全体を示す概略図である。第１電気機械2及び第２電気機械3は、インバーター4を介して互いに電気的に接続され、インバーター4はまた高電圧バッテリーに接続される。内燃機関1そして第１電気機械2及び第２電気機械3はまた、動力伝達（分割）機構（変速機）6を介して、機械的に互いに接続される。本実施形態においては、変速機6は、遊星歯車機構により構成される。変速機6の出力は、ディファレンシャル・ギア機構7とドライブ・シャフト8を介して最終的に駆動輪Wへ伝達される。

図２には、遊星歯車機構6と関連する回転要素が詳細に示されている。遊星歯車機構6は、リング・ギア11、その内側に配置されるサン・ギア12、プラネタリ・ギア13及びプラネタリ・キャリア14からなる。プラネタリ・ギア13は、プラネタリ・キャリア14に回転自在に支持され、リング・ギア11とサン・ギア12の両方に係合し、そしてサン・ギア12の外周でリング・ギア11の内周を周回する。

エンジン1の出力軸1aが、同軸状にプラネタリ・キャリア14に接続される。第1電気機械2の出力軸2aが、サン・ギア12に同軸上に接続される。リング・ギア11は、カウンター・ギア15に係合し、そのカウンター・ギアが更に、第２電気機械3の出力軸3aに接続されたピニオン・ギア16に係合する。カウンター・ギア15は、伝達ギア17をそれと共に回転させ、その伝達ギア17がディファレンシャル・ギア18と係合して、ディファレンシャル・ギア機構7及びドライブ・シャフト8を介して駆動輪Wを駆動する。上述の動力伝達機構は遊星歯車機構を用いるものの、同じ機能を達成するベベル・ギアなど他の形式の歯車機構を用いることも出来る。

第１電気機械2及び第２電気機械3は、それの外周に永久磁石が配置されたローター及び、回転磁界を形成する三相コイルが巻かれたステーターを持つ、同期電動機／発電機として構成される。三相コイルのそれぞれが個別にインバーター4に接続される。三相コイルが、インバーターにより制御された電力を受けると、電気機械は、正トルクを発生する電動機として働く。一方で、ローターが強制的に回転されると、電気機械は、電力と負トルクを発生する発電機として働く。

図１を再び参照すると、内燃機関1が燃焼する燃料は、公知の燃料供給システム及び燃料噴射弁21を介して、燃料タンク22から供給される。燃料噴射弁21は、この実施形態では4つあるが、複数ある気筒若しくは燃焼室のそれぞれに設けられる。エンジン1に供給される燃料は、ガソリン、軽油、エタノール、水素など、燃焼してエネルギーを発生する適切な燃料と、することが出来る。スロットル弁24が、吸気通路若しくは吸気マニフォールド23に配置され、それは、スロットル・アクチュエーター25により駆動されて、エンジン1に吸引される空気量を制限する。排気再循環（EGR）通路27が設けられ、それは、排気通路若しくはマニフォールド26から吸気通路23へと延びて、エンジン1からそこに排気の一部を再導入若しくは再循環する。EGR流量は、EGRアクチュエーター29により駆動されるEGR制御弁により制御される。

パワートレインは更に、マイクロプロセッサーを含む制御器31を有し、この制御器は、エンジン回転数センサー32、スロットル開度センサー33、車速センサー34、アクセル・ペダル位置センサー35、EGRバルブ位置センサー36及び後述又は公知の他のセンサーからの信号に基づき、インバーター4、燃料噴射弁21、スロットル・アクチュエーター25、EGRアクチュエーター29及び後述又は公知の他のアクチュエーター、を制御する。

図３を参照すると、内燃機関1のより詳細な構成が示されている。内燃機関1は、一つだけ図示されているものの、４つの気筒を有し、各気筒は燃焼室を含み、各燃焼室は気筒壁とピストン52とにより規定され、各ピストンは、クランクシャフト53若しくは上述の出力軸1aに接続される。燃焼室51は、吸気弁54を介して吸気マニフォールド23と連通し、排気弁55を介して排気マニフォールド26と連通する。図３においては、吸気マニフォールド23の吸気ポートに面するように配置された噴射弁21により噴射される燃料が、燃焼室51内に吸引される。なお、直接噴射エンジンとして知られるように、燃焼室51の内部に面して、噴射弁51を配して、燃焼室に直接燃料を噴射するようにしても良い。いずれの場合においても、噴射弁21は、より詳細には後述するように、制御器31が様々なセンサー信号に基づき出力するパルス幅信号FPWに応じた量の燃料を噴射する。制御器31は、噴射弁21に信号FPWを個別に出力することが出来、更に、特定の気筒51への燃料供給を遮断しながら、残りの気筒への燃料供給は継続するということも出来る。燃焼室51へ吸引又は噴射された燃料は、点火プラグ56により着火される。点火プラグ56は、制御器31からの信号SAを用いて制御される、この分野で周知のディストリビューターレス・イグナイターのような点火システム57により、着火される。信号SAは、様々なセンサー信号から判定されるエンジン運転状態に基づき制御器31により決定される。排気は、燃焼室51から排気弁55を通り排気通路26へ流れるようになっている。排気通路においては、例えば、排気酸素（exhaust gas oxygen: EGO）センサー、ユニバーサル排気酸素（universal exhaust gas oxygen: UEGO）センサー及びヒーター付排気酸素（heated exhaust gas oxygen: HEGO）センサーである排気センサー58が、排気成分を検出し、信号EGOを制御器31に出力する。制御器は、合わせて吸気通路23に配置されたマニフォールド空気圧センサーからの信号MAPを受けて、信号EGOとMAPを含む様々な信号に基づき排気センサー58の下流に位置する触媒コンバーター59における排気浄化に適した、噴射弁21における燃料噴射量を決定し、そして信号FPWを送信する。

本実施形態において、吸気弁54と排気弁55はそれぞれ、電磁アクチュエーター54及び55により駆動される。この電磁アクチュエーターは、この分野で公知の、バルブ・ステムに結合されたアーマチュアと、その両側に配置される開作動コイルと閉作動コイルとを持つ構造などとすることが出来る。吸排気弁54及び55の位置は、バルブ位置信号を制御器31へ送信するバルブ位置センサー63及び64により検出され、制御器31は、バルブ位置信号と他のセンサー信号とに基づきアクチュエーター61及び62の制御信号を発生する。電磁バルブ・アクチュエーター61及び62を用いることにより、吸排気弁54及び55の開閉時期とバルブ・リフトを、クランクシャフト53の回転角度から独立して完全に制御することが出来る。また、この実施形態では4つである複数の気筒のうちの個々の気筒51について、完全に独立して制御することが出来る。電磁バルブ・アクチュエーターは、気筒個別の燃料遮断と組み合わせれば、個々の気筒が不作動とされ得るように、吸排気弁54, 55を閉位置に保持することを可能とすることさえも出来る。しかしながら、当業者であれば判るであろうが、上述の電磁バルブ駆動機構に代えて、通常のカムシャフト駆動システムに装着される可変カム・タイミング機構や可変バルブ・リフト機構又はバルブ・タイミング又はバルブ・リフトを変更することの可能な他のバルブ駆動機構さらには、バルブ・タイミングの可変機構を持たない通常のカムシャフト駆動システムさえも、本発明の実施形態においては用いることが可能である。

以下に、図１乃至３を用いて説明したハイブリッド電気自動車のパワートレインの作動を説明する。この分野で知られているように、遊星歯車機構6の本質的な特性により、リング・ギア11、サン・ギア12及びキャリア14の3つの回転軸のうち二つの回転速度が決まると、3つの回転軸の残りの一つの回転速度が自動的に求められる。特にこの実施形態では、サン・ギア12とキャリア14の回転速度はそれぞれ、第１電気機械2とエンジン1の回転速度に対応する。第１電気機械2の速度N_M1、エンジン1の速度N_ENG及びリング・ギア11の速度N_Rの間の関係は、以下の式(1)により表すことが出来る。
N_M1 + (Z_R/Z_S) x N_R - (1 + Z_R/Z_S) x N_ENG = 0 (1)
ここで、Z_Rはリング・ギア11の歯数であり、Z_Sはサン・ギア12の歯数である。

この関係は、図４に示される共線図によって表すことも出来る。図４は、ハイブリッド電気自動車の通常走行状態若しくはポジティブ・パワースプリット・モードにおける動作共線図を示す。ポジティブ・パワースプリット・モードにおいて、エンジン1がトルクT_ENGを発生し、そのトルクがキャリア14を介してサン・ギア12とリング・ギア11とへ分割される。第１電気機械2は、発電機として動作して、サン・ギアを介して分配されるエンジン・トルクの一部T_ESを用いて発電機として動作し、電力を発生する。第１電気機械2により発生された電力が、第２電気機械3を駆動し、それが電気モーターとして動作してトルクを発生する。そのトルクは、エンジン1からリング・ギア11を介して伝達されるトルクの残りの部分T_ERと合わせて、カウンター・ギア15を含む歯車機構を介して車輪Wを駆動する。上述のトルクT_ENG, T_ES and T_ERの関係は、以下の式により表すことが出来る。
T_ES = [Z_S / (Z_R + Z_S)] x T_ENG (2)
T_ER = [Z_R / (Z_R + Z_S)] x T_ENG (3)

図４の共線図の鉛直軸は、各回転軸の回転速度を示し、鉛直線S, C及びRは、三つの回転軸の減速比の間の関係を示す。共線図において、第１電気機械2又はサン・ギア12の回転速度N_M1が、鉛直線S上にプロットされ、エンジン1又はキャリア14の回転速度N_ENGが鉛直線C上にプロットされ、そして第２電気機械3の回転速度に比例するリング・ギア11の回転速度N_Rが鉛直線Ｒ上にプロットされる。理論的に、遊星歯車機構の3つの回転軸が前記の関係にプロットされると、3つのプロットは必ず一本の直線つまり図４の動作共線L_C上に位置する。それより、二本の回転軸の回転速度から、残り一本の回転軸の速度を求めることが出来る。矢印T_ENGは、エンジン1が発生してキャリア14に作用するトルクを表わし、矢印T_M1は、第１電気機械が発生してサン・ギア12に作用するトルクを表す。矢印の上向きは、駆動輪に作用する前進方向のトルクを示す。

理論的に遊星歯車機構においては、各回転軸のトルクを剛体としての動作共線L_Cに作用する力で置き換えて考えると、定常動作状態では、動作共線の向きが釣り合うという特性がある。つまり、エンジン1によりキャリア14へ作用されるトルクを、動作共線L_Cへ上向きに作用するトルクT_ENGとして表すと、そのトルクT_ENGは、鉛直線S上のトルクT_ESと鉛直線R上のトルクT_ERとに分割される。したがって、動作共線L_Cの向きが一定であるときには、第１電気機械2からサン・ギア12へ加えられるべきトルクT_M1が、トルクT_ESと同じ大きさを持ち、それと反対の方向を持つはずであり、そして、リング・ギア11に作用すべき応答トルクT_Rは、トルクT_ESと同じ大きさを持ち、それと反対の方向を持つはずである。
なお、反応トルクT_Rは、駆動輪Wにおける走行抵抗と第２電気機械3により生成される駆動力との差に対応することになる。

図４に示されるように、通常の走行状態において、第１電気機械2は、その回転方向を正として、そのトルクT_M1の作用方向を負とし、それらが互いに逆に向いていると考えることが出来るので、発電機として動作する。一方、第２電気機械3は、バッテリー5を第１電気機械2又は第２電気機械3により発電される電力によりバッテリー5が充電される必要がないならば、車輪Wにおける駆動力を補うためのモーターとして動作する。なお、より高い負荷においては、バッテリー5からの電力が、第２電気機械3へ供給される場合もある。

トルクT_M1つまり第１電気機械2により生成される電力を増加することにより、反応トルクT_Rが変化しない若しくは第２電気機械3がその動作状態を変化しないとすれば、動作共線L_Cの右端は静止している状態で、鉛直線Ｓ上のトルクT_M1とT_ESとの不釣合いのために、動作共線L_Cがその左端が下方に移動するように回転する。つまり、サン・ギア12若しくは第１電気機械2の速度N_M1が、減少することになる。対応して、動作共線L_Cのその右端を中心とする回転により、減速比の低下ゆえにエンジン1から車輪Wへ分配される動力を減少するように、キャリア14若しくはエンジン1の速度N_ENGが減少されることになる。反対に、トルクT_M1を減少することにより、エンジン1から車輪Wへの動力は増大する。

図５は、定常走行時、高速定常走行時の状態を示す共線図を示す。その状態において、車速が一定であるがゆえにHEVパワートレインの負荷は小さい。それは、要求エンジン出力が小さいので、エンジン・トルクがそれほど変化しないとすれば、エンジン回転数が車速に対して相対的に小さいということを意味する。また、高効率のエンジン動作点が、図６に示されるように、エンジンの等馬力曲線上の比較的低いエンジン回転数領域にある、最も好ましくは最小燃料消費曲線上にある、ということを意味する。この状況において、低下したエンジン1の回転数に対応して低下したキャリア14の速度が、サン・ギア12の速度をゼロを越えて低下させる。言い換えれば、それが、正から負に代わり、それは、今度はサン・ギア12が、図４における方向とは逆の方向に回転する、ということを意味する。従って、第１電気機械2の回転方向とトルクT_M1の作用方向とが同じであるので、第１電気機械2は、電動機として動作してトルクT_M1と回転速度N_M1との積に比例する電気エネルギーを消費する。第２電気機械3は、発電機として動作し、第１電気機械２により消費されるべき、電気エネルギーを発生する。そのとき第１電気機械2は、エンジン1からのトルクの一部T_ESを相殺するだけで、車輪Wへの駆動力を発生することはない。この状態は、エネルギー循環状態若しくはネガティブ・トルクスプリット・モードと呼ばれ、図５の点線の共線L_Cにより示される。

この分野で知られているように、制御器31は、プログラム及びデータを格納するメモリーと、プログラムに含まれた命令をメモリー内のデータと上述の様々なセンサーからの入力に基づき実行して、インバーター4、燃料噴射弁21、スロットル・アクチュエーター25、EGRアクチュエーター29、点火システム57及びバルブ・アクチュエーター61及び62への信号を含む制御信号を出力する、マイクロプロセッサーを持つ。制御器31に格納されたデータはには、与えられた条件の下でHEVパワートレインの全体効率を最良のものとし得る、一定範囲の動作条件での動作パラメーターの組み合わせが、含まれる。その動作パラメーターには、駆動輪Wにおける目標駆動トルクT_dW、第１電気機械2の目標トルクT_dM1と目標速度N_dM1、第２電気機械3の目標トルクT_dM2、そして、エンジン1の目標エンジン速度N_dENGと目標エンジン・トルクT_dENG、目標スロットル開度TVOd、目標空燃比λd及び目標EGR量（EGR弁28の目標開度）を含むエンジン関係のパラメーターが、含まれる。

制御器31内に格納されたプログラムには、車輪速センサー34からの車速VSP及びアクセル・ペダル位置センサー35からのアクセル・ペダル位置αに基づきHEVパワートレインからの目標動力P_dHEV [kW]を設定する目標動力設定命令、決定されメモリーに記憶された目標トルクT_dM2を第２電気機械が発生するようにインバーター4を制御するための第２電気機械トルク設定命令、目標スロットル開度TVOdを達成するようにスロットル・アクチュエーター25を制御するためのスロットル開度制御命令、噴射弁21への信号FPWのパルス幅を計算するための燃料制御命令、EGRアクチュエーター29を制御するためのEGR制御命令、バルブ・アクチュエーター61及び62を制御するためのバルブ動作制御命令、及び、与えられた動作状態の下でHEVパワートレインの最良の効率を得るための他の命令、が含まれる。

図７は、HEVパワートレインの効率を最適化するための制御ルーチン70を示すフローチャートである。ルーチン70は、ステップ71で始まり、そこでルーチンは、アクセル・ペダル位置センサー35により検出されるアクセル・ペダル位置α及び車速センサー34により検出される車速VSPを含む上述の様々なセンサー信号を読み込む。そしてルーチンは、ステップ72へ進み、そこで、後述の各種パラメーターに基づきHEVパワートレインの仮動作パラメーターを決定する。

図８は、その仮動作パラメーターを決定するためのサブルーチン80を示し、そこにおいて、まずブロック81において、駆動輪における目標トルクT_dW [Nm]が、アクセル・ペダル位置αと車速VSP [m/s]とを入力パラメーターとするマップから導かれる。そして次のステップ82において、決定された駆動輪における目標トルクT_dW [Nm]、車速VSP [m/s]、バッテリーを充電するための所望のエネルギーE_dB [kW]及びHEVパワートレインの推定システム損失SL_HEV [kW]から、HEVパワートレインから駆動輪への所望動力P_dHEV [kW]が、計算される。次にステップ83において、所望エンジン動力P_dENG [kW]が、マップを見ることにより、所望動力P_dHEV [kW]に基づき、求められる。ルーチンは、ステップ84へ進み、そこにおいて、与えられた所望エンジン動力P_dENGの下でエンジン効率を最高とするように、図６に示されるように、所望エンジン動力P_dENGとエンジン効率とに基づき、一組の目標エンジン速度N_dENGと目標エンジン・トルクT_dENG [Nm]、すなわち、目標エンジン動作点が、決定される。最高効率のエンジン動作点は、図６における等馬力曲線と最小燃料消費曲線とが互いに交差するところとなる。ここで、一般的に、最高効率点は、最大トルク曲線のやや下方に位置し、その点では、燃焼室内荷空気が殆ど完全に充填され、それでエンジンのポンプ損失は、あまり大きくない。そして、次のステップ85において、サブルーチン80は、ステップ84において決定されたエンジン動作点に基づき、様々なエンジン制御パラメーターを通常値として決定する。例えば、空燃比λを1とするような 信号FPWに対応する燃料噴射量、スロットル開度TVO、吸排気弁開閉特性そして排気再循環量、がそれに含まれる。

そして、サブルーチン80は、ステップ86へと進み、そこにおいて、目標エンジン速度N_dENGと車速VSPから、第１電気機械2の所望速度N_dM1が、式(1)と図４の共線図の関係に従い、導かれる。そして、サブルーチンは、ステップ87へ進み、そこにおいて、第２電気機械3の所望トルクT_dM2が、ポジティブ・パワースプリット・モードにあるのであれば、所望トルクT_dM1と所望速度N_dM1とから導かれる第１電気機械2において生成されるエネルギーと、パラメーターE_dBに対応する第２電気機械を駆動するのに利用可能な電気としてのバッテリー放電量または要求バッテリー充電量との和、そして所望HEV動力P_dHEV [kW]と所望エンジン動力P_dENGとの差に基づき、決定される。そして、仮動作パラメーターを決定するためのサブルーチン80は、終了し、メイン・ルーチンへステップ73において復帰する。

ここで再び図７を参照すると、ステップ73においてルーチンは、アクセル・ペダル位置αの変化Δαを所定値Δα₁と比較し、車速VSPを所定値VSP₁と比較することにより、車両が高速巡航中であるか否かを判定する。ステップ73において、アクセル・ペダル位置の変化Δαが、所定値Δα ₁よりも大きくなく、かつ車速VSPが所定値VSPより高いとと判定されるならば、それは、車両が比較的高速で巡航しており、上述のネガティブ・パワースプリット・モードに入っている可能性がある、ということを意味し、ルーチンは、ステップ74へ進み、そこにおいて、図８のサブルーチン80を実行することによりステップ72で決定された仮動作パラメーターが、図９のサブルーチン90を実行することにより、更新される。これは、仮動作パラメーターから導かれるHEVパワートレインの効率が比較的低いと予想されるときに、行なわれる。

図９は、図８のサブルーチン80で仮に決定された動作パラメーターを更新するためのサブルーチン90を示す。ステップ91において、第１電気機械2の所望速度N_dM1が、例えば10 rpmである正若しくはゼロより大きい所定値N_Iと比較される。所定値N_Iは、速度ゼロで最低となる第１電気機械2の動作効率と、第１電気機械2と第２電気機械3及び／又はバッテリー5との間の電気機械的変換効率との両方を考慮して、求めることが出来る。所望速度N_dM1が所定値N_Iよりも大きいならば、第１電気機械2に接続されたサン・ギア12は、エンジン1に接続されたプラネタリー・キャリア14と同じ方向にゼロでない速度で回転する。それは、HEVパワートレインが、ポジティブ・パワースプリット・モードを採っていて、大きな損失は生じていない、ということを意味するので、動作パラメーターの更新は、必要なく、サブルーチン90が、終了する。反対に、ステップ91において、第１電気機械2の所望速度N_dM1が所定値N_Iより大きくなければ、つまり、式(1)と図５の共線図における関係に従い、HEVパワートレインの負荷若しくは所望動力P_dHEVが低い結果として、所望エンジン速度N_dENGが比較的低いならば、サブルーチン90は、ステップ92へ進み、そこにおいて、第１電気機械の所望速度N_dM1が、例えば-10 rpmである第２所定値N_IIと比較される。所望速度N_dM1が所定値N_IIよりも大きいならば、ぞれは、所望速度がゼロを含む第１所定値N_Iと第２所定値N_IIとの間の範囲に入っているということを意味し、ステップ93において、第１電気機械2の所望速度N_dM1は図５の実線で示されるように第１所定値N_Iへと更新される。その結果、式(1)の関係に従い、所望エンジン速度N_dENGが上昇する。そうすることにより、第１電気機械2は、エンジン2と同じ方向に回転すると予想される。それは、ポジティブ・パワースプリット・モードが生じており、トルク循環が生じることがなく、かつ第１電気機械の回転速度ゼロつまり最低効率点を避けることが出来る、ということを意味する。反対にステップ92において所望速度N_dM1が例えば-10 rpmである所定値N_IIより小さいならば、サブルーチン90はステップ94へ進み、そこにおいて、所望速度N_dM1が、図５における破線で示されるように所定値N_IIに更新される。これは、ネガティブ・パワースプリット・モード若しくはトルク循環がまだ生じているとしても、その程度が最小となり、かつ第１電気機械2の最低効率点を避けている、ということを意味する。結果として、図４及び５の共線図の関係に従い、所望エンジン速度N_dENGが上昇する。所定値N_IIは、速度ゼロで最低である第１電気機械2の動作効率を考慮しながら、ゼロに出来るだけ近づけて設定することが出来る。ステップ93及び94で判定される所望速度N_dM1がN_IとN_IIとの間でハンチングするのを避けるために、それに対する補正が行なわれるのが好ましく、それには、ヒステリシス制御、ディレー制御など当業者に公知の適切な制御を、用いることが出来る。

第１電気機械2の所望速度がステップ93又は94のいずれかで更新されると、サブルーチンは、ステップ95へと進み、そこにおいて、更新された第１電気機械2の所望速度N_dM1と車速VSPとに基づき、式(1) の関係と図５の共線図に従い、所望エンジン速度N_dENGが更新される。次のステップ96において、ステップ83において決定された所望エンジン動力P_dENGを更新された所望エンジン速度N_dENGで割ることにより、所望エンジン・トルクT_dENGが更新される。次のステップ97において、更新されたエンジン・トルクに基づき、燃料噴射信号FPWが更新される。この更新は通常、エンジン速度の上昇により生じたエンジン・トルクの低下に比例した減少となる。

信号FPWの減少に比例して、エンジンへの吸入空気量が制限される若しくは吸気マニフォールド23の圧力が減少されるならば、図６に示されるように、エンジン効率が低下する若しくはポンプ損失が増大することになる。これを回避するために、燃料消費量を最小にする吸気マニフォールド圧力から１００００Ｐａの範囲内であるような圧力に維持するための方策、具体的には、図６の最小燃料消費曲線を下方に位置させる方策が、採られる。ステップ98において、ステップ85で決定された一つ又は複数のエンジン動作パラメーターが、後述のように、吸気マニフォールド圧力を維持するために、更新される。

エンジン2そして、触媒コンバーター59を含む排気後処理システムが、リーン空燃比又は1より大きい空気過剰率を許容するならば、その空燃比が、燃焼安定性が許容レベルを越えて低下し燃料失火を起こす点であるリーン限界を越えない限り、所望スロットル開度TVOdを、ステップ85で仮に決定された値を維持するように、更新することが出来る。ここで、リーン限界は、燃焼される燃料が水素である場合には、より大きくなる。噴射弁21が、気筒51の全てに等しく燃料を供給しており、予想される気筒内空燃比がリーン限界に到達したならば、複数の気筒51の一部についての燃料噴射信号FPWがゼロに更新され、そして残りの気筒についての燃料噴射信号FPWは、その残りの気筒が、所望エンジン・トルクT_dENGを発生するように、更新される。それは、吸気マニフォールド圧力を維持したままでの燃焼安定性の向上につながる。

エンジン2そして、触媒コンバーター59を含む排気後処理システムが、リーン空燃比を許容しないならば、又は空燃比が既にリーン限界に到達しているならば、排気再循環（EGR）量が、EGR中の不活性ガスのために燃焼安定性が許容レベルを越えて低下し燃料失火を起こす点であるEGR限界を越えない限り、排気再循環の所望量EGRdを増大することが出来る。ここで、EGR限界は、燃焼される燃料が水素である場合には、低い失火の可能性による高い燃焼安定性のために、大きくなる。また、EGR量は、後述のように、吸気弁及び／又は排気弁の開閉特性を更新することによっても、制御することが出来る。また後述のように、吸気マニフォールド圧力を維持するように空燃比λ又は目標EGR量EGRdをそれ以上変更出来ない状態においても、弁開閉特性は更新することが出来る。

吸気弁54の開閉時期は、図10の実線で示される標準吸気弁開閉特性から変更可能であるならば、吸気弁の開閉位相を遅らせるか進めることにより、吸気マニフォールド圧力を維持したままで、吸入空気量を調整することが出来る。ここで、吸気弁の開閉位相を遅らせる場合には、燃焼室51内の空気が吸気マニフォールドへ押し戻すように、吸気弁閉時期を下死点後に遅らせる。一方、開閉位相を進める場合には、有効吸入期間を短くするように、吸気弁閉時期を下死点前に進めると共に、燃焼室51からの燃焼ガスが吸気マニフォールド23へ一旦導き再び燃焼室51内へ吸引することにより、残留燃焼ガス又は内部EGRの量を増大するように、吸気弁開時期を上死点前に進める。更に、内部EGRを増加するために、排気弁55の開閉位相を進めることが出来る。これにより、燃焼ガスを燃焼室51内に保持するように、排気弁閉時期が上死点前に進められる。

図３に示される電磁バルブ・アクチュエーター61及び62や可変カム・タイミング機構をベースとする可変バルブ・リフト機構などにおいて、バルブ・リフト自体が可変可能であるならば、バルブの開閉時期のうちのいずれを変更することも、他の時期を変更することなしに、可能である。そのような機構において、空燃比λを変化させることなしに吸気マニフォールド圧力を維持するために、吸気弁開閉特性を、標準特性から、図10の吸気弁早閉じ特性又は吸気弁遅閉じ特性へと変更することが出来る。また、吸気弁の開放時期及び／又は排気弁の閉時期を変更することにより、吸気弁閉時期による吸入空気量制御と並列に、残留燃焼ガス若しくは内部EGR量を制御することが出来る。

更に、電磁バルブ・アクチュエーター61及び62のような可変バルブ・リフト機構が、複数の気筒51に独立して組み込まれているとき、気筒のそれぞれの吸気弁54又は排気弁55を、閉じた状態に保持することが出来る。上述のようにそれらの気筒への燃料供給が停止され、残りの気筒が所望トルクT_dENGを発生するように残りの気筒への燃料噴射信号FPWが更新されている状態で、吸気弁54又は排気弁55を閉じた状態に保持すること（いわゆる気筒休止制御）により、空気充填量そしてまたポンプ損失を制限することが出来る。そうすることにより、燃料供給される気筒はそれぞれ、全気筒が作動しているときのそれと同じ最小空気充填量で作動することが可能で、それは更に、図６の最小燃料消費曲線を低下させ得る。また、全気筒が作動しているときに比較して大きな空気充填量で作動することも可能で、その際には、例えば問題が顕在化しやすい低負荷状態のような一定のエンジン運転状態で、エンジン回転の安定性を向上させ得る。更に、過剰空気率を、排気後処理システムに最適な化学量論値に維持することが出来るので、排気浄化の面でも有利である。以上のように、バルブ開閉制御と気筒休止とを、特定のエンジン運転状態で組合わせて、最高の効率を得ると共に、エンジン安定性など他の制約条件を満足することが出来る。

吸気マニフォールド圧力を維持するための上述の各種手段は、排気後処理システムなどのエンジン・システム要素の構成を考慮して、組合わせることが出来る。

上述のようにステップ98においてエンジン動作パラメーターを更新することにより、図６における、最小燃料消費曲線がより下方に位置することになり、それに対応して、エンジン動作点が、等馬力曲線に沿って、低トルクで高エンジン速度側に向かって更新されることになる。

そして、サブルーチン90が終了する。つまり、メイン・ルーチン70のステップ74が実行された。図７に戻ると、ステップ73又は74から、ルーチンはステップ75へ進む。そのとき、ルーチンは、HEVパワートレインの動作パラメーターを全て持っている。まずステップ75において、第１電気機械2が、制御器31を用いてインバーター4を制御することにより、所望速度N_dM1にフィードバック制御される。ステップ76において、第２電気機械3が、再び制御器31を用いてインバーター4を制御することにより、所望トルクT_dM2を発生するように制御される。最後に、ステップ76において、エンジン1が、ステップ72で仮に決定され、場合によりステップ74で更新されたエンジン動作パラメーターに基づき、制御される。最後に、ルーチン70はスタートへ戻り、処理を反復する。

上述の処理順序は、説明そして例示のために過ぎず、意図した結果が得られる限り、その処理は、異なる順序であっても、並列に行なわれても良い、ということが、当業者には、認識されるであろう。

本発明の実施形態によるハイブリッド電気自動車のパワートレイン・システム（HEVパワートレイン）の概略図である。 本発明の実施形態による、遊星歯車機構を含むHEVパワートレインの動力伝達機構の概略図である。 図１のHEVパワートレインの一部を構成する内燃機関のより詳細な図である。 本発明の実施形態の遊星歯車機構の３つの回転要素の間の回転速度の関係を、通常運転状態若しくはポジティブ・パワースプリット・モードでのトルク分配特性と共に、示す共線図である。 ネガティブ・パワースプリット・モード（点線）及び本発明の実施形態による動作補正モード（実線及び一点鎖線）での遊星歯車機構の３つの回転要素の速度関係を示す共線図である。 エンジン性能曲線を、本発明の実施形態によるそれの修正と共に示す図である。 本発明の実施形態によるHEVパワートレインの制御のメイン・ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施形態による、HEVパワートレインの仮動作パラメーターを決定するための、図７のステップ72におけるサブルーチンのフローチャートである。 図８で仮に決定されたHEVパワートレインの動作パラメーターを更新するための、図７のステップ74におけるサブルーチンのフローチャートである。 吸排気弁開閉特性を、本発明の実施形態による修正と共に、示す図である。

1 内燃機関
2 第１電気機械
3 第２電気機械
5 バッテリー
6 変速機
11, 12, 14 回転要素
23 吸気マニフォールド
31 制御器
W 駆動輪

Claims (18)

1. 内燃機関と、電気機械と、前記内燃機関、前記電気機械及び駆動輪にそれぞれ結合される３つの回転要素を持ち、該３つの回転要素のいずれか一つの回転速度が残り二つの回転速度により機械的に規定される歯車機構を持つ変速機と、を有する、ハイブリッド電気自動車のパワートレインを制御する方法であって、
   上記内燃機関の吸気マニフォールド圧力を燃料消費量の少ない効率的ラインに沿って制御する工程と、
   上記電気機械の発生トルクを調整して、上記内燃機関の回転数を変更すると共に上記電気機械の回転速度を所定値より大きく制御する工程、及び
   上記内燃機関へのトルク要求の低下に応答して、上記電気機械の発生トルクの調整により上記内燃機関の発生トルクを低下させる際、上記電気機械の回転速度を上記所定値より大きく制御した上で内燃機関の吸気マニフォールド圧力を上記効率的ラインに制御できない場合には、内燃機関の発生トルクを下げることによって該内燃機関の吸気マニフォールド圧力を実質的に上記効率的ラインに維持する工程、
   を有することを特徴とする方法。
2. 上記電気機械の回転速度の上記所定値が、ゼロではない、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 上記所定値が正と負の二つの値からなる、請求項２に記載の方法。
4. 上記二つの所定値が、上記電気機械の現在の速度に応じて、選択されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 上記内燃機関の発生トルクの低下が、該内燃機関の燃焼室への燃料供給量を低下させると共に、該燃料供給量の低下に従い上記燃焼室内の空燃比をリーン化することにより、行なわれることを特徴とする前記請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 上記燃料としての水素が上記内燃機関に供給されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 上記内燃機関の発生トルクの低下が、上記内燃機関の複数の気筒の一部への燃料供給を遮断することにより、行なわれることを特徴とする、前記請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
8. 上記内燃機関の発生トルクの低下が、該内燃機関の燃焼室への燃料供給量を低下させると共に、該燃料供給量の低下に従い上記燃焼室へ排気を再導入する工程により、行なわれることを特徴とする、前記請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
9. 上記排気再導入工程が、排気を上記内燃機関の排気システムから吸気システムへ再導入する工程を更に有することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 上記排気再導入工程が、吸気弁と排気弁の双方が開放しているオーバーラップ期間を増大するように、吸気弁又は排気弁を制御する工程を更に有することを特徴とする、請求項８又は９に記載の方法。
11. 上記排気再導入工程が、排気弁閉時期を進角するように制御する工程を更に有することを特徴とする、請求項８乃至１０のいずれかに記載の方法。
12. 上記内燃機関の発生トルクの低下が、該内燃機関の気筒内空気充填量を減少させるように、吸気弁を制御する工程により、なされることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の方法。
13. 上記吸気弁制御工程が、吸気行程の下死点より前に上記吸気弁の閉時期を進角させる工程を更に有することを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 上記吸気弁制御工程が、吸気行程の下死点より後に上記吸気弁の閉時期を遅角させることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
15. 上記内燃機関の発生トルクの低下が、上記内燃機関の複数の気筒の一部への燃料を遮断すると共に、上記一部の気筒の吸気弁又は排気弁を閉位置に保持する工程、によりなされることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
16. 空気を燃焼室へ導く吸気マニフォールドを持つ内燃機関と、
    第１電気機械と、
    前記内燃機関、前記第１電気機械及び駆動輪にそれぞれ結合される３つの回転要素を持ち、該３つの回転要素のいずれか一つの回転速度が残り二つの回転速度により機械的に規定される歯車機構を持つ変速機と、
    制御器と、
    を有するハイブリッド電気自動車のパワートレインであって、
    上記制御器が、
    上記内燃機関の吸気マニフォールド圧力を燃料消費量の少ない効率的ラインに沿って制御し、
    上記第１電気機械の発生トルクを調整して、上記内燃機関の回転数を変更すると共に上記第１電気機械の回転速度を所定値より大きく制御し、そして
    上記内燃機関へのトルク要求の低下に応答して、上記第１電気機械の発生トルクの調整により上記内燃機関の発生トルクを低下させる際、上記第１電気機械の回転速度を上記所定値より大きく制御した上で内燃機関の吸気マニフォールド圧力を上記効率的ラインに制御できない場合には、内燃機関の発生トルクを下げることによって該内燃機関の吸気マニフォールド圧力を実質的に上記効率的ラインに維持する、
    ように構成されることを特徴とするパワートレイン。
17. 上記車輪に機械的に接続され、上記第１電気機械に電気的に接続される、第２電気機械を更に有する、ことを特徴とする請求項１６に記載のパワートレイン。
18. 上記内燃機関が、その燃料として水素を用いることを特徴とする、請求項１６又は１７に記載のパワートレイン。

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