JP5163000B2 - ハイブリッド車両の回生制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、気筒毎に有効圧縮比を変更する機構を有した内燃機関と電動機とを連結した原動機を備えたハイブリッド車両において、減速時の発電機として機能する電動機による回生効率を高める制御技術に関する。

特許文献１には、上記ハイブリッド原動機を備えた車両において、減速時に、電動機を発電機として機能させることにより、制動力を電力に変換して回生する際に、内燃機関の圧縮比を低下させて、回生効率を向上させる技術が開示されている。
特開２００４−２７０６７９号公報

上記特許文献１では、回生時は常に圧縮比を低下させるようにしているが、実際には、減速中に圧縮比を低下させることが難しい場合もある。

また、減速初期の圧縮比低下前の状態から所定量低下するまで、圧縮比変化に対して回生効率を高めるような補正を特別行っておらず、必ずしも、回生効率を十分に高めることができるものではなかった。

本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、減速時に異なる圧縮比での回生に対し、回生効率を高く維持できるようにすることを目的とする。

このため、本発明は、気筒毎に有効圧縮比を変更する機構を有した内燃機関と電動機とが連結された原動機を搭載したハイブリッド車両の減速時に、前記電動機を発電機として機能させて回生を行うハイブリッド車両の回生制御装置において、前記回生時における電動機の目標回転速度を、内燃機関の有効圧縮比が低いときは有効圧縮比が高いときより、大きい値に設定し、電動機の回転速度を前記目標回転速度に収束させるように無段変速機の変速比を制御しつつ、目標発電量と目標回転速度とに基づいて算出した発電トルクで電動機を駆動する構成としたことを特徴とする。

このようにすれば、有効圧縮比が低いときは、内燃機関の回転抵抗が減少するため、内燃機関に連動する電動機の回生時の目標回転速度を、有効圧縮比が高いときより大きい値に設定することで、発電機として機能する電動機を前記目標回転速度で回転させたときに目標発電量を得るのに必要な発電トルクが減少し、これにより、エネルギ損失を小さくでき、回生効率を向上することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るハイブリッド車両の駆動系の概略を示している。

エンジン（内燃機関）１の出力軸と、モータ（電動機）２の出力軸の一端部が連結され、該モータ２の他端部には、入／出力プーリ径比を変更することで変速比を無段に可変制御する無段変速機３が接続され、該無段変速機２の出力軸（出力プーリ軸）が、クラッチ４を介してギア軸５の一端に接続されている。

前記ギア軸５に固定されたギア５ａは、両端に車輪６が連結された車軸（駆動軸）７に固定されたギア７ａと噛み合い、エンジン１およびモータ２の駆動力が、前記無段変速機３、クラッチ４、ギア５ａ、ギア７ａ、車軸７を介して車輪６に伝達される。

また、モータ２には、インバータ８を介してバッテリ（蓄電装置）９が接続され、モータ２が電動機として機能するときはバッテリ９から電力が供給され、モータ２が発電機として機能するときは、発電された電力がバッテリ９に充電される。

図２は、エンジン１の一例を示す。

エンジン１は、ディーゼルエンジンであり、吸入空気は、エアクリーナ２２から吸気通路２３、コレクタ２４、吸気マニホールド２５、吸気カム２６により開閉駆動される吸気弁２７を介してシリンダ２８内に吸入される。

シリンダ２８内には、ピストン２９が嵌挿され、燃料噴射弁３０によって燃料が噴射供給される。燃焼排気は、排気カム３１によって開閉駆動される排気弁３２を介して排気通路３３へ排出される。

排気の一部は、ＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路３４に導入され、ＥＧＲ弁３５によってＥＧＲ量を制御されつつ吸気マニホールド２５に還流される。

そして、エンジン１の有効圧縮比を変更する機構として、吸気弁２７のバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構３６を備え、吸気弁を吸気下死点後で閉じる遅閉じ方式において、吸気弁２７の閉時期ＩＶＣを遅角させることにより、有効圧縮比が減少する。なお、吸気弁を吸気下死点前で閉じる早閉じ方式としてもよく、この方式では閉時期ＩＶＣを進角させることにより、有効圧縮比が減少する。

有効圧縮比を変更することは、実質的に圧縮上死点での圧縮圧力を変更すること、つまり、吸気の充填効率を変更することと同等であるから、有効圧縮比を変更する機構としては、上記可変バルブタイミング機構の他、吸気弁の作動角やリフト量を変更する可変バルブリフト機構、吸気スロットル弁等による吸気絞り機構等であってもよい。

また、エンジン１としては、ガソリンエンジンであってもよいことは勿論である。

上記のように構成されたハイブリッド車両において、本発明に係る回生制御を、図３のフローチャートにしたがって、説明する。

ステップＳ１では、回生要求が発生したかを判定し、発生したときは、ステップＳ２へ進む。

ステップＳ２では、運転者の操作情報、具体的には、ブレーキペダル踏量ＢＰＳ、アクセルペダル踏量ＡＰＳに基づいて、回生による目標発電量ｔＰ、可変バルブタイミング機構による有効圧縮比等を設定する。

具体的には、アクセルペダルが離されているだけでブレーキペダルを踏んでいないエンジンブレーキのみによる制動を行うような、要求制動量が小さい状態では、回生は行わないか、行う場合でも目標発電量を小さく設定し、有効圧縮比を低減する（ＩＶＣを遅角する）制御は行わない。

一方、ブレーキペダルを踏み込む要求制動量が大きいときは、目標発電量を大きい値に設定し、有効圧縮比を低減する制御を行う。

続いて、ステップＳ３では、バッテリ９の充電状態ＳＯＣが所定値Ｃｂ以下であるか、ステップＳ４では、モータコイル温度ＭＴＥＭＰが、所定値Ｔｓ以下であるか、ステップＳ５では、可変バルブタイミング機構により有効圧縮比を低減する制御を行っているかを判定する。

そして、ステップＳ３〜ステップＳ５で、ＳＯＣがＣｂ以下、ＴＥＭＰが、所定値Ｔｓ以下で、かつ、有効圧縮比を低減する制御を行っていると判定されたときは、ステップＳ６へ進み、電動機２の目標回転速度（＝エンジン１の目標回転速度）ｔＮを、図４に示す特性に基づいて、低減された有効圧縮比ＥＰＲに応じた値Ｎ２として算出する。

ここで、図４に示す特性は、有効圧縮比ＥＰＲが小さいときほど、目標回転速度ｔＮが増大する特性となっている。以下、このような特性となる理由を説明する。

図５は、モータの回転速度と発電トルクに対する効率の特性を示す。同一の発電出力（発電量）を得るのに、回転速度を高くするほど発電トルク（＝界磁コイル電流）、つまり消費電力量を減少できるので、モータの効率を高めることができる。

図６は、有効圧縮比が高いとき（低減しないとき）のエネルギ損失率の特性を示し、図７は、有効圧縮比を低減したときのエネルギ損失率の特性を示す。

上述したように、モータ２の効率は、回転速度の増大に応じて増大するので、モータ２単独でのエネルギ損失率は、回転速度の増大に応じて減少する。

一方、エンジン１については、フリクションが回転速度の増大に応じて増大するので、エネルギ損失率も回転速度の増大に応じて増大するが、有効圧縮比が高いときは低いときに比較してフリクションが増大するので、エネルギ損失率も増大する。

目標回転速度Ｎは、エンジン１とモータ２のエネルギ損失を合計した総エネルギ損失が最小となるとき、つまり、回生効率が最大となるときのモータ２（およびエンジン１）の回転速度に設定され、この回転速度は、図６および図７に示すように、有効圧縮比が高いときのＮ１に対し、有効圧縮比が低いときはＮ２に増大する。

図３に戻って、ステップＳ７では、前記目標発電量ｔＰと目標回転速度ｔＮ（＝ｔＮ２）とに基づいて、図８に示す特性に基づいて、電動機２の目標発電トルクｔＴＭ（＝ｔＴＭ２）を設定する。なお、発電トルクは、駆動力に対して抵抗となるため負のトルクである。

ステップＳ８では、電動機２を前記目標回転速度ｔＮ（＝ｔＮ２）と目標発電トルクｔＴＭ（＝ｔＴＭ２）とで定まる運転点に制御して回生制御を行う。具体的には、電動機２（及びエンジン１）の回転速度Ｎを、目標回転速度ｔＮに収束させるように、無段変速機３の変速比を制御するとともに、電動機２の発電トルクを、目標発電トルクｔＴＭとするように、界磁コイル電流を制御する。

一方、ステップＳ３でバッテリ９の充電状態ＳＯＣが所定値Ｃｂより大きいと判定されたとき、ステップＳ４でモータコイル温度ＴＥＭＰが、所定値Ｔｓより大きいと判定されたとき、ステップＳで有効圧縮比を低減する制御を行っていないと判定されたときの、いずれかの場合は、ステップＳ９へ進み、電動機２の目標回転速度（＝エンジン１の目標回転速度）ｔＮを、図４の特性に基づいて、低減されていない有効圧縮比ＥＰＲに応じた値Ｎ１（＜Ｎ２）として算出する（図６参照）。

次いで、ステップＳ７へ進んで、前記目標発電量ｔＰと目標回転速度ｔＮ（＝ｔＮ１）とに基づいて、図６に示す特性に基づいて、電動機２の目標発電トルクｔＴＭ（＝ｔＴＭ１）を設定し、ステップＳ８で、電動機２を前記目標回転速度ｔＮ（＝ｔＮ１）と目標発電トルクｔＴＭ（＝ｔＴＭ２）とで定まる運転点に制御して回生制御を行う。

このようにすれば、基本的な回生制御として、有効圧縮比に応じた目標回転速度Ｎに設定し、有効圧縮比を低減した状態のときのＮ１から、圧縮比を低減しない高い状態のときのＮ２に増大することにより、回生効率を最大限高めることができ、引いては燃費を向上できる。

また、回生時に、バッテリ９の充電状態ＳＯＣが所定値Ｃｂより大きいと判定されたときは、有効圧縮比が低減された状態でも、低減されない高い状態での低い目標回転速度ｔＮ１に維持し、回生効率を下げることによって、バッテリ９の過充電を防止することができる。

同じく、回生時に、モータコイル温度ＴＥＭＰが所定値Ｔｓより大きいときも、有効圧縮比が低減されない高い状態での低い目標回転速度ｔＮ１に維持することにより、温度上昇を抑制し、モータ２の過熱や減磁による性能低下を抑制することができる。

以上では、簡明のため、回生時の有効圧縮比が低減される場合と低減されない場合との段階的に切り換えられるような説明としたが、本実施形態のように可変バルブタイミング機構によって、有効圧縮比を連続的に可変できるものでは、回生時の有効圧縮比も要求制動量などによって任意に制御することができる。また、有効圧縮比の目標値は段階的に切り換える場合でも、切換途中では可変バルブタイミング機構の応答遅れによって、有効圧縮比が徐々に変化する。

このように回生時の有効圧縮比を連続的に可変する場合や切換途中で徐々に変化する場合は、基本的な制御としては、変化する有効圧縮比に応じて目標回転速度Ｎに連続的に変更することで、回生効率を十分に高めることができる。この場合、無段変速機の動作遅れも考慮した進み補正等を行って実際の回転速度をできるだけ目標回転速度に応答良く追従させれば、回生効率を最大限向上させることができる。

図９は、本発明に係る回生時の制御を行った場合の、各種状態量の変化の様子を示す。

時刻ｔ０では、エンジンブレーキのみの制動によるコースト減速状態であり、ｔ１でブレーキペダルが踏まれブレーキによる制動が加わった減速回生状態となる。

上記減速回生の開始と同時に、エンジン１の可変バルブタイミング機構３６により、吸気弁２７の閉時期ＩＶＣが、ｔ２までの間徐々に吸気下死点後で遅角側に作動する。これにより、有効圧縮比が低減し、該有効圧縮比の低減変化に応じて、モータ２の発電運転点（回転速度、発電トルク）の変更指令が行われる。

発電トルクは、目標値に対して実際値が応答よく追従するが、回転速度は目標値に対して遅れがあり、ｔ３で収束する。つまり、発電運転点指令に対して実際の運転点が追従する。

ｔ４までの間ブレーキ踏量が変化し、それに応じて発電運転点が変化する。ここでは回生量が低出力側に移行する作用とともに、回生時指令値変更により図４、図８に示す補正処理を行う作用が含まれる。

ｔ４でブレーキがオフとなり、発電量はコースト減速時の設定まで減少する。

ｔ５でアクセルが踏まれ、エンジントルクが正となり加速する。

なお、バッテリ９の充電状態ＳＯＣが所定値Ｃｂより大きいとき、あるいは、モータコイル温度ＴＥＭＰが所定値Ｔｓより大きいときに、上記実施形態のように目標回転速度の有効圧縮比が高いときのＮ１に維持する代わりに、有効圧縮比の低減制御を禁止し、あるいは低減量を制限するようにしてもよく、また、目標発電量を低減するようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係るハイブリッド車両の駆動系の概略を示す図。 同上実施形態のエンジンの一例を示す図。 同上実施形態の回生制御を示すフローチャート。 同上実施形態において、有効圧縮比に対する目標回転速度の特性を示す図。 同上実施形態において、モータの回転速度と発電トルクに対する効率の特性を示す図。 同上実施形態において、有効圧縮比が高いとき（低減しないとき）のエネルギ損失率の特性を示す図。 同上実施形態において、有効圧縮比を低減したときのエネルギ損失率の特性を示す図。 同上実施形態において、目標発電量と目標回転速度に対する目標発電トルクの関係を示す特性図。 本発明に係る回生時の制御を行った場合の、各種状態量の変化の様子を示す図。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
２ モータ（電動機）
３ 無段変速機
９ バッテリ

Claims (6)

1. 気筒毎に有効圧縮比を変更する機構を有した内燃機関と電動機とが連結された原動機を搭載したハイブリッド車両の減速時に、前記電動機を発電機として機能させて回生を行うハイブリッド車両の回生制御装置において、
   前記回生時における電動機の目標回転速度を、内燃機関の有効圧縮比が低いときは有効圧縮比が高いときより、大きい値に設定し、
   電動機の回転速度を前記目標回転速度に収束させるように無段変速機の変速比を制御しつつ、目標発電量と目標回転速度とに基づいて算出した発電トルクで電動機を駆動する構成とした
   ことを特徴とするハイブリッド車両の回生制御装置。
2. 前記有効圧縮比を変更する機構は、有効圧縮比を連続的に変更可能であり、
   前記目標回転速度設定手段は、電動機の目標回転速度を、内燃機関の有効圧縮比が低いほど高い値に設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド車両の回生制御装置。
3. 電動機の回転速度と発電トルクで定まる運転点が、目標発電量に対する電動機のエネルギ損失率と、内燃機関のエネルギ損失率との和が最小となる運転領域もしくはその近傍に設定されるように、前記目標回転速度を設定する
   ことを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド車両の回生制御装置。
4. 前記電動機に電力を供給すると共に電動機が発電機として機能するときは発電電力を充電する蓄電装置の充電量が所定より大きいときは、前記回生時の目標回転速度を、有効圧縮比が低いときは高いときより大きくする設定を制限し、または、有効圧縮比の低減量を制限する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のハイブリッド車両の回生制御装置。
5. 前記電動機の温度もしくは該温度に順ずるパラメータが所定より高い場合は、前記回生時の目標回転速度を、有効圧縮比が低いときは高いときより大きくする設定を制限し、または、有効圧縮比の低減量を制限する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のハイブリッド車両の回生制御装置。
6. 減速時の要求制動量が大きいときほど、回生時の有効圧縮比を低くする
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のハイブリッド車両の回生制御装置。

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