KR20010071191A

KR20010071191A - 하이브리드 차량 및 그 구동 장치, 및 그 구동 방법

Info

Publication number: KR20010071191A
Application number: KR1020007012010A
Authority: KR
Inventors: 시라이시다꾸야; 노기도시하루; 오오스가미노루; 스께가와요시히로
Original assignee: 가나이 쓰토무; 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1999-04-26
Publication date: 2001-07-28
Also published as: KR20030011346A; US6570265B1; EP1083319A1; EP1083319A4; KR20030011347A; WO1999056011A1

Abstract

내연 기관(10)의 출력 토크와 전동기(19)의 출력 토크를 합성 또는 절환하여 구동륜에 전달하는 수단(22)을 갖는 하이브리드 차량 구동 장치에 있어서, 상기 내연 기관(10)의 배기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 터보 제너레이터(7)와, 상기 터보 제너레이터(7)와 상기 전동기(19)를 전기적으로 접속하는 수단(1)을 구비한다. 하이브리드 차량에 있어서, 희박 상태로 엔진을 가능한 한 오래 구동시킴으로써 효율이 향상된다.

Description

하이브리드 차량 및 그 구동 장치, 및 그 구동 방법{HYBRID CAR, AND METHOD AND APPARATUS FOR DRIVING HYBRID CAR}

엔진과 그 밖의 구동 장치, 예를 들어 전동기 등을 구비하고, 양자를 구동 장치로서 사용하는 하이브리드 차량이 종래부터 제공되고 있다.

엔진과 전동기를 구비한 하이브리드 전기 자동차(이하, HEV라고 약칭함)는 그 구동 장치의 구성에 의해 시리즈 HEV(이하, SHEV라고 약칭함)와 패럴렐 HEV(이하, PHEV라고 약칭함)로 분류된다. SHEV는 엔진에 의해서 제너레이터를 구동하여 전기 에너지를 발생시키고, 그 전기 에너지에 의해서 모터를 회전시켜 차륜을 구동하는 것이다. 한편, PHEV는 엔진 및 모터에 의해서 차륜을 구동하는 것이다.

엔진만을 구비한 차량에 있어서는 아이들링이나 저속 저부하 주행시는 엔진의 효율이 나빠서 연비 향상에는 한계가 있었다. 또한, 모터만을 구비한 차량에 있어서는 전기를 축적해 두는 배터리가 많아져서, 차량 중량이 무거워지는 동시에 주행 거리가 짧은 것이 결점이었다.

HEV는 양자의 결점을 보완하고 서로의 잇점을 최대한으로 활용할 수 있다.즉, 엔진의 효율이 나쁜 아이들링이나 저속 저부하 주행시는 모터만으로 주행한다. 차속이 커짐에 따라서 모터로부터 엔진으로 동력원을 절환한다.

엔진은 효율이 좋은 상태로 운전할 수 있고, 가속 등의 과도적으로 출력 토크가 필요한 때는 응답성이 좋은 모터로 토크를 어시스트할 수도 있다.

HEV에 이용되는 엔진으로서 린번 엔진을 이용한 것이 일본 특허 공개 평8-294205호 공보에 개시되어 있다.

이에 따르면, 엔진은 공연비를 이론 혼합비(이하, 화학 양론이라고 약칭함)로 동작시키는 모드와, 공연비를 희박 혼합기(이하, 희박이라고 약칭함)로 동작시키는 2개의 모드를 갖고 있고, 엔진의 효율을 가능한 한 높게 유지하기 위해서 희박 상태로 운전하는 기간이 길어지도록 설정되어 있다.

그러나, 상기에 개시되어 있는 HEV의 구성에서는 토크를 어시스트하는 모터의 전기 에너지는 배터리로부터 공급되므로, 배터리 충전량이 부족하면 엔진의 연소 모드를 화학 양론으로 변경해야 하고, 희박 상태를 계속할 수 없는 등의 문제점이 있다.

본 발명은 구동 장치 내에 엔진과 그 밖의 동력 발생 장치를 구비한 하이브리드 차량, 및 하이브리드 차량 구동 장치, 및 그 구동 방법에 관한 것이다.

도1은 본 발명의 일 실시 형태를 이루는 하이브리드 차량 구동 장치의 구성도이다.

도2는 도1의 목표 구동 토크의 결정 방법을 도시한 도면이다.

도3은 도1의 하이브리드 차량 구동 장치의 엔진 운전 모드를 도시한 도면이다.

도4는 도1의 하이브리드 차량 구동 장치의 모터 운전 모드를 도시한 도면이다.

도5는 도1의 하이브리드 차량 구동 장치의 시리즈/패럴렐 모드를 도시한 도면이다.

도6은 도1의 엔진의 최저 연료 소비율 영역을 도시한 도면이다.

도7은 도1의 하이브리드 차량 구동 장치에 있어서 운전 상태가 변화했을 때의 각 매개 변수의 변화의 상태를 도시한 타임차트이다.

도8은 도1의 하이브리드 차량 구동 장치에 있어서의 상태 변화의 응답성을 도시한 도면이다.

도9는 도1의 하이브리드 자동차의 공연비 절환시의 엔진 토크와 N0x 배출량의 관계도이다.

도10은 도1의 공연비 절환시의 모터 어시스트 제어의 흐름도를 도시한 도면이다.

도11a, 도11b는 도1의 하이브리드 자동차에 있어서의 회생 브레이크시의 동력 전달 경로를 도시한 도면이다.

도12는 도1의 하이브리드 자동차의 제어 동작을 도시한 흐름도이다.

도13은 본 발명의 다른 실시 형태를 이루는 하이브리드 차량 구동 장치의 구성도이다.

도14는 도13의 하이브리드 차량 구동 장치의 모터 운전 모드를 도시한 도면이다.

도15a, 도15b는 도13의 하이브리드 차량 구동 장치의 회생 브레이크시의 동력 전달 경로를 도시한 도면이다.

도16은 도13의 하이브리드 차량 구동 장치의 제어 동작을 도시한 흐름도이다.

도17은 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서의 하이브리드 차량 구동 장치의 구성도이다.

도18은 도17의 하이브리드 차량 구동 장치의 엔진 운전 모드를 도시한 도면이다.

도19는 도17의 하이브리드 차량 구동 장치의 모터 운전 모드를 도시한 도면이다.

도20은 도17의 하이브리드 차량 구동 장치의 시리즈/패럴렐 모드를 도시한 도면이다.

도21은 도17의 하이브리드 차량 구동 장치의 운전 상태가 변화했을 때의 각 매개 변수의 변화의 상태를 도시한 타임차트이다.

도22는 도17의 하이브리드 차량 구동 장치의 제어 동작을 도시한 흐름도이다.

도23은 본 발명의 실시 형태에서 이용하는 터보 제너레이터의 구성도이다.

도24는 도23의 터보 제너레이터에 의한 배기열 회수 능력을 도시한 도면이다.

도25는 액셀 및 브레이크 조작량과 구동 토크 및 회생 토크의 관계의 일예를도시한 도면이다.

도26은 운전 상태 변화의 일예를 도시한 도면이다.

도27은 운전 상태 변화의 일예를 도시한 도면이다.

도28은 운전 상태 변화의 일예를 도시한 도면이다.

도29는 운전 상태(Y→Z)의 시계열 변화의 일예를 도시한 도면이다.

상기를 감안하여 본 발명은, 고효율의 희박 상태로 HEV의 엔진을 가능한 한 오래 구동시킬 수 있는 하이브리드 차량 구동 장치를 제공하는 것을 제1 과제로 한다.

또한, 배터리 충전량에 여유가 있는 경우라도 요구 토크가 크면 희박 연소로부터 화학 양론 연소로 이행할 필요가 있는데, 희박 연소 영역과 화학 양론 연소영역 사이에는 N0x를 다량 발생하는 연소 영역이 존재한다. 그 영역을 회피하기 위해, 희박 연소 영역으로부터 화학 양론 연소 영역으로 갑자기 이행시키면, 출력 토크의 차에 따른 토크 쇼크가 발생한다.

이 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 모터로 엔진의 출력 토크를 어시스트 할 수 있는 HEV의 특성을 살려서, 희박 연소 영역으로부터 화학 양론 연소 영역으로 이행할 때 N0x를 발생시키지 않고, 또한 토크 쇼크를 발생시키지 않는 구동 방법을 제공하는 것을 제2 과제로 한다.

또한, 연비 효율을 한층 더 향상시킴을 목표로 하여, 현재 가솔린 엔진의 압축 착화 기술이 급속히 진보하고 있는데, 아직 단체로 차량을 구동할 수 있기에 충분한 출력 토크폭을 얻을 수 없는 것이 현상이다.

그래서, 본 발명은 작은 출력 토크의 압축 착화 엔진으로도 차량을 구동하기에 충분한 토크를 발생할 수 있는 자동차를 제공하는 것을 제3 과제로 한다.

상기 제1 과제는, 내연 기관의 출력 토크와 전동기의 출력 토크를 합성 또는 절환하여 구동륜에 전달하는 수단을 갖는 하이브리드 차량 구동 장치에 있어서, 상기 내연 기관의 배기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 터보 제너레이터와, 상기 터보 제너레이터와 상기 전동기를 전기적으로 접속하는 수단을 구비함으로써 해결된다.

상기 제2 과제는, 소정의 제1 공연비 이상으로 운전하는 제1 운전 모드와, 상기 제1 공연비의 값보다도 작은 소정의 제2 공연비 이하로 운전하는 제2 운전 모드를 절환하여 내연 기관을 운전하고, 상기 내연 기관의 출력 토크와 전동기의 출력 토크를 합성하여 차륜을 구동하는 하이브리드 차량의 구동 방법에 있어서, 상기 내연 기관이 상기 제1 운전 모드로 운전되고 있을 때 공연비가 상기 제1 공연비를 하회했을 때, 상기 전동기를 구동하는 동시에 상기 내연 기관의 공연비를 상기 제1 공연비로 유지하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 구동 방법에 의해 해결된다.

또한, 상기 제2 과제는, 상기 내연 기관이 제2 공연비로 되었을 때의 제2 공연비 엔진 토크를 추정하고, 상기 제1 공연비에 있어서의 엔진 토크와 상기 추정된 제2 공연비에 있어서의 엔진 토크의 토크차를 산출하고, 상기 전동기의 출력 토크가 산출된 토크차와 대략 동일해졌을 때 상기 제1 운전 모드로부터 상기 제2 운전 모드로 절환함으로써 해결된다.

상기 제3 과제는, 압축 착화 모드를 갖는 내연 기관과, 상기 내연 기관의 출력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기와, 상기 발전기에 의해 변환된 전기 에너지를 구동륜의 구동 에너지로 변환하는 전동기를 갖는 하이브리드 차량에 의해서 해결된다.

본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 이용하여 설명한다.

도1은 본 발명의 제1 실시 형태를 도시한 것이며, HEV용 구동 장치의 구성을 도시하고 있다. HEV의 구동 장치로서는 엔진(10)과, 엔진(10)이 발생하는 엔진 토크에 의해서 발전하는 제너레이터(17)와, 전기 에너지를 받아 모터 토크를 발생하는 모터/제너레이터(19)와, 엔진(10)의 배기계(9)에 장착되고 배기 가스의 에너지를 받아 발전하는 터보 제너레이터(7)로 구성되어 있다. 또, 엔진(10)의 출력을 제너레이터(17)와 구동축(21)에 분할하는 유성 기어 등으로 구성된 동력 전달 절환 기구(12)와, 모터/제너레이터(19)의 출력과 구동축(21)으로부터의 출력을 합성하는 동력 전달 절환 기구(22)와, 터보 제너레이터(7)가 구동되어 발전된 전기 에너지의 전압을 제어하는 전기 에너지 변환기(8)와, 제너레이터(17)가 구동되어 발전된 전기 에너지의 전압을 제어하는 전기 에너지 변환기(16)와, 모터/제너레이터(19)에 전기 에너지를 공급하는 전기 에너지 변환기(18)와, 이들 전기 에너지 변환기에 접속되고 전기 에너지를 저장하는 전기 에너지 저장 장치(5)와, 전기 에너지 변환기의 전압 제어 및 전기 에너지 저장 장치의 충전 제어를 행하는 전기 에너지 변환기제어 장치(1)를 갖고 있다.

엔진(10)은 도시하지 않은 전자 제어식의 드로틀 밸브를 구비하고 있고, 통상 운전시는 완전 개방 상태로 되어 있다. 또한, 드로틀 밸브를 구비하고 있지 않은 비드로틀 엔진을 이용하는 경우도 있다. 따라서, 열효율 저하의 원인인 펌프 손실은 발생하지 않는다. 엔진(10)의 출력 토크의 제어는 공연비에 의해서, 즉 공급 연료량에 의해서 행해진다. 이와 같은 엔진으로서는 디젤 엔진이 알려져 있는데, 디젤 엔진은 고부하 영역에서는 스모크를 발생시키므로 바람직하지 않다. 본 발명에서는 가솔린 엔진인 린번 엔진을 가정하고 있다. 또, 본 발명의 린번 엔진은 연료를 직접 연소실에 분사하는 통내 분사 엔진이 바람직하고, 공연비 50 정도까지는 운전 가능하다. 또한, 공연비 50 이상에서는 균질 혼합기를 압축열에 의해 착화 연소시키는 압축 착화식의 연소를 행한다. 이러한 압축 착화 엔진에 대해서는 일본 특허 출원 평10-56413호 공보에 상세하게 기재되어 있다.

다음에, 본 발명의 제1 실시 형태의 구체적인 동작에 대하여 설명한다. 도1에 기재한 구동 장치의 구성을 갖는 HEV에 있어서, 목표 구동 토크의 결정 방법을 도2에 도시한다. 목표 구동 토크라 함은 HEV를 주행시키기 위해서 구동륜에 전달해야 하는 토크의 목표치를 의미하고, 엔진 토크와 모터 토크를 합계한 토크이다.

목표 구동 토크는 액셀 조작량, 브레이크 조작량 및 차속으로부터 도2와 같이 결정된다. 액셀 조작, 브레이크 조작은 운전자의 가속, 감속의 의사를 나타내고 있고, 그들의 조작량이 출력 토크의 요구량을 나타내고 있다. 따라서, 액셀 조작량에 따라서 목표 구동 토크는 커지고, 브레이크 조작량에 따라서 목표 구동 토크는 작아진다(회생 토크는 커진다). 또한, 이들 관계는 차속에 의해 변화하고, 차속이 큰 영역에서는 액셀, 브레이크 조작량에 대한 기울기가 작아진다.

도3에 본 실시 형태의 HEV의 엔진 운전 모드를 도시한다. 엔진 운전 모드는 차속과 목표 구동 토크로부터 결정되고, 크게 나누어 영역 A, B, C로 분류된다. 차속, 목표 구동 토크는 각각 본 실시 형태의 HEV의 최대치로 정규화되어 있다. 영역 A에서는 일정한 소정의 차속(도3에서는 V1)까지는 엔진은 동작시키지 않고 모터(19)만으로 주행한다. 그러나, 전기 에너지 저장 장치(5)의 충전량이 부족 또는 저하했을 때는 엔진(10)을 압축 착화 모드로 운전하고 제너레이터(17)로 발전한다. 이 때, 엔진(10)은 엔진 회전수 일정, 드로틀 밸브 완전 개방으로 운전되고, 연료량만으로 제너레이터 구동 동력을 제어한다. 이 제어는 엔진(10)의 엔진 제어 장치(11)가 주 제어 장치(15)로부터의 정보에 의해 발전량을 제어함으로써 행해진다. 또한, 영역 A 내에 있어서 목표 구동 토크가 크고 모터/제너레이터(19)의 전기 에너지 사용량이 많은 경우에는 엔진 출력을 증대시키기 위해서 운전 모드를 통내 분사에 의한 성층 연소(영역 A2), 균질 연소(영역 A3)로 절환한다. 압축 착화 연소 모드에서는 공연비는 50 이상(초희박이라고 함), 성층 연소 모드에서는 30 내지 50 (희박이라고 함), 균질 연소 모드에서는 14 내지 15(화학 양론이라고 함)로 설정한다.

영역 B는 차속이 V1 이상 V3 이하이고 또한 목표 구동 토크가 T2 이하인 영역이며, 엔진은 성층 연소로 운전된다. 공연비는 30 내지 50 사이에서 설정된다.

영역 C에서는 공연비를 화학 양론으로 설정하고, 엔진(10)을 균질 연소 모드로 운전시키며, 엔진 토크를 증대시킨다.

도4에 본 실시 형태의 HEV의 모터 운전 모드를 도시한다. 모터 운전 모드는 차속과 목표 구동 토크로부터 결정되고, 크게 나누어 영역 A, D, E, F로 분류된다. 차속, 목표 구동 토크는 각각 본 실시 형태의 HEV의 최대치로 정규화되어 있다. 영역 A에서는 일정한 소정의 차속(도4에서는 V1)까지는 엔진(10)은 동작시키지 않고 모터(19)만으로 주행한다. 따라서, 모터(19)를 구동하기 위한 전기 에너지는 전기 에너지 저장 장치(5)로부터 공급된다. 그러나, 전기 에너지 저장 장치(5)의 충전량이 부족 또는 저하했을 때는 엔진(10)을 압축 착화 모드로 운전하고 제너레이터(17)에 의해 발전하여 모터(19)에 전기 에너지를 공급한다. 이 제어는 엔진(10)의 엔진 제어 장치(11)와 전기 에너지 변환기 제어 장치(1)가 주 제어 장치(15)로부터의 정보에 의해 발전량을 제어함으로써 행해진다.

영역 D는 차속이 V1 이상 V2 이하이고 또한 목표 구동 토크가 T1 이하인 영역이며, 엔진만으로 주행되고 모터는 동작하지 않는다.

영역 E는 엔진(10)으로부터의 배기 가스의 에너지로 터보 제너레이터(7)를 구동하고, 그곳에서 발전한 전기 에너지는 필요에 따라서 모터(19)에 공급되며, 그 밖의 경우는 전기 에너지 저장 장치(5)에 충전된다.

영역 F는 엔진(10)으로부터의 배기 가스의 에너지로 터보 제너레이터(7)를 구동하고, 또한 엔진(10)으로부터의 출력으로 제너레이터(17)도 구동하여 발전량을 증가시키며, 그곳에서 발전한 전기 에너지를 모터(19)에 공급한다.

본 실시 형태에서는 엔진 토크와 회전수가 비교적 큰 영역(E, F)에 있어서터보 제너레이터(7)에 의한 에너지 회수를 행하고 있다. 후술하는 도24에서 알 수 있는 바와 같이, 엔진 토크가 높을수록 많은 배기열을 회수할 수 있기 때문이다.

종래의 자동차에 있어서, 엔진의 배기열을 이용하여 에너지를 회수하는 방식으로서 터보 과흡기와 터보 제너레이터가 있다. 터보 과흡기는 흡입 공기량을 압축할 수는 있지만, 그 에너지를 축적할 수는 없다. 한편, 터보 제너레이터는 배터리에 전기 에너지로서 축적할 수 있다.

하이브리드 차량은 구동 수단으로서 전기 에너지를 사용하는 모터를 구비하고 있으므로, 터보 제너레이터를 사용하는 것이 바람직하고, 자동차 전체의 에너지 관리를 가능하게 하며, 보다 효율이 좋은 자동차를 제공할 수 있다.

도5에 본 실시 형태의 HEV를 시리즈/패럴렐의 관점으로부터 정리한 운전 모드를 도시한다. 영역 A에서는 기본적으로는 엔진(10)은 동작하지 않으므로, 모터/제너레이터(19)만이 구동력을 발생시킨다. 이 점에서는 전기 자동차와 마찬가지이다.

그러나, 전기 에너지 저장 장치(5)의 충전량이 부족한 때, 또는 저하했을 때는 엔진(10)을 압축 착화 모드로 운전하고 제너레이터(17)에 의해 발전시킨 전기 에너지를 모터/제너레이터(19)에 공급하여 주행한다. 따라서, 충전시는 SHEV가 된다.

영역 B에서는 엔진(10)만이 구동력을 발생시키므로, 통상의 내연 기관을 탑재한 자동차와 마찬가지이다. 엔진(10)은 공연비 30 내지 50인 성층 연소 모드로 운전시키므로, 효율이 저하하는 일은 없다. 또, 터보 제너레이터(7)로 배기 에너지를 회수하여 발전한다.

영역 B'에서는 엔진(10)은 공연비 30으로 일정하게 운전되고 부족한 토크분을 모터/제너레이터(19)로 어시스트한다. 이 때, 모터/제너레이터(19)에 공급되는 전기 에너지는 주로 터보 제너레이터(7)로 발전된 전기 에너지가 공급되므로, 전기 에너지 저장 장치(5)의 충전량에는 영향을 주지 않는다. 이 관점에서 보면, 엔진(10)과 모터/제너레이터(19)의 토크가 구동력이 되므로 PHEV이고, 터보 제너레이터(7)로 발전한 전기 에너지가 모터/제너레이터(19)에 공급되어 구동되므로 SHEV이다.

영역 C'에서는 엔진(10)은 공연비 14 내지 15인 균질 연소 모드로 대략 일정하게 운전된다. 부족한 토크분은 모터/제너레이터(19)로 어시스트한다. 이 때, 모터/제너레이터(19)에 공급되는 전기 에너지는 주로 터보 제너레이터(7)로 발전된 전기 에너지가 공급되므로, 전기 에너지 저장 장치(5)의 충전량에는 영향을 주지 않는다. 따라서, 영역 B'와 마찬가지로 PHEV/SHEV의 병용이다.

또한, 영역 C에서는 모터/제너레이터(19)의 토크 어시스트량을 증가시키기 위해서 제너레이터(17)를 회전시켜 발전량을 증가시키고, 터보 제너레이터(7)와 제너레이터(17)의 양 쪽으로부터 전기 에너지를 공급한다. 이 영역에서는 엔진(10)과 모터/제너레이터(19)의 토크가 구동력이 되므로 PHEV이고, 터보 제너레이터(7)로 발전한 전기 에너지가 모터/제너레이터(19)에 공급되어 구동되므로 SHEV이다.

도6에 본 실시 형태의 HEV의 엔진 특성을 도시한다. 엔진 회전수와 엔진 토크를 변화시켰을 때의 연료 소비율을 도시하고 있다. 각 운전 모드에서의 최소 연료 소비율이 되는 범위를 도시하고 있다. 드로틀 밸브로 공기량을 교축하여 출력 토크를 제어하는 통상의 엔진에서는 최소 연료 소비율이 되는 범위는 하나 밖에 없고, 저회전·저부하 영역에서는 연비가 악화된다. 본 실시 형태의 HEV용 엔진은 엔진의 운전 모드를 압축 착화 연소, 성층 연소, 균질 연소로 3단계로 변화시킬 수 있으므로, 최소 연료 소비율이 되는 범위가 도면에 도시한 바와 같이 세 개 존재한다. 영역 G는 압축 착화 운전 모드이고, D1의 공연비는 약 50이다. 영역 H는 성층 연소 운전 모드이고, E1의 공연비는 약 40, E2의 공연비는 약 30이다. 영역 J는 균질 연소 운전 모드이고, F1의 공연비는 약 15, F2의 공연비는 약 14이다. 따라서, 각 운전 모드에서 최소 연료 소비율 범위에 들어가도록 공연비를 설정하는 동시에 엔진 회전수를 제어한다.

도7은 제어계의 제어 동작을 도시한 타임차트이다. 본 실시 형태의 특징적인 동작인 도5중의 점 X로부터 점 Y로 운전 상태가 변화한 경우에 대하여 설명한다.

영역 A에서 주행하고 있을 때는, 전기 에너지 저장 장치(5)가 충분히 충전되어 있을 때는 엔진(10)은 정지되어 있고, 충전량이 부족할 때는 엔진(10)은 압축 착화 모드로 운전되고 있으며, 점선(30)과 같이 엔진 토크(Te1)를 발생하고 있다. 이 엔진 토크(Te1)는 직접 차량을 구동시키기 위해서 사용되고 있는 것은 아니며, 제너레이터(17)를 회전시켜 발전하기 위해서 사용되고 있다. 따라서, 영역 A에서의 공연비는 엔진 정지시는 ∞이고, 엔진 운전시는 점선(31)과 같이 약 50이다. 영역 A에서의 차량의 구동은 모터/제너레이터(19)로 행해지고, 모터는 Tm1의 토크를 발생시키고 있다. 따라서, 최종적으로 구동륜에 전달되는 출력 구동 토크는 T1이고, Tm1과 동일하다. 운전자의 액셀 조작량이 α1로부터 α2로 변화하면, 그 정보와 차속으로부터 목표 구동 토크가 연산되고, To1로부터 To2로 변경된다. 목표 구동 토크가 도5중의 점 X로부터 점 Y로 변화하는 과정에서, 출력 구동 토크는 영역(B, B')을 경유하여 영역(C)에 유입된다. 영역 A로부터 B로 변화할 때는 정지 또는 발전을 위해서 Te1의 토크를 발생시켰던 엔진을 성층 연소 모드로 운전하고, 엔진 토크(Te2)를 발생시키도록 공연비를 설정한다. 엔진(10)이 설정한 공연비로 될 때까지는 모터/제너레이터(19)의 토크를 서서히 저하시킨다. 모터/제너레이터(19)의 출력 토크 조정은 전류값에 의해서 행해지고, 전류값을 작게 함으로써 모터 토크를 저하시킨다. 이 때, 모터는 타성으로 회전하고 있어 관계하지 않는다. 영역 B 내에 있어서 엔진(10)의 공연비가 설정값으로 되면 모터 토크를 0으로 하도록 제어한다. 영역 B로부터 B'로 이행하면 엔진(10)은 공연비 30, 회전수가 일정하고, 성층 운전 모드를 계속하여 모터/제너레이터(19)의 출력 토크를 증가시킨다. 이와 같이 모터/제너레이터(19)로 토크를 어시스트함으로써 엔진(10)은 성층 연소 운전을 계속할 수 있고, 연비를 향상시킬 수 있다. 또한, 이 때 모터/제너레이터(19)를 구동하기 위한 전기 에너지는 터보 제너레이터(7)로부터 공급되므로, 전기 에너지 저장 장치(5)의 충전량에는 영향을 주지 않는다. 영역 C에서는 엔진(10)은 균질 연소로 운전 모드를 변경시키므로, 성층 연소시의 엔진 토크(Te2)와 균질 연소시의 엔진 토크(Te3) 사이에 토크 단차(△Te)가 발생하게 된다. 모터 어시스트 기구를 갖지 않은 종래의 엔진 시스템에서는 이 토크 단차(△Te)를 적게 하기 위해서 드로틀을 교축하여 출력을 조정하고 있는데, 실린더 내부가 부압으로 되어 펌프 손실이 발생하게 된다.

본 실시 형태에서는 토크 어시스트하고 있는 모터 토크가 △Te와 대략 동일해진 시점에서 영역 B'로부터 영역 C로의 절환 제어를 행한다. 이 절환 제어에 대해서는 도9에 의해 설명한다. 영역 B'의 기간, 즉 모터/제너레이터(19)로 토크 어시스트하는 시간은 액셀 조작량으로부터 결정된다. 액셀 조작량이 α1로부터 α2로 변화할 때까지의 시간이 운전자의 출력 구동 토크의 응답성에 관한 요구값이라고 생각할 수 있으므로, (Tα2-Tα1)이 짧으면 급가속을 의미하고, 비교적 길면 느린 가속을 의미한다. 따라서, 영역 B'의 기간(t4-t3)은 (Tα2-Tα1)에 따라서 도8과 같이 결정된다. 영역 C로 절환되면 엔진(10)은 공연비 15, 회전수가 일정하고, 균질 연소 운전을 계속하며, 모터/제너레이터(19)가 발생시키는 모터 토크는 절환 직후는 △Te 만큼 저하되어 있고, 전류 지령값은 작아져 있다. 그 후, 목표 구동 토크가 될 때까지 모터/제너레이터(19)의 모터 토크를 증가시킨다. 또한, 영역 C에 있어서 제너레이터(17)로 발전시킬 때는 점선(33)과 같이 엔진의 공연비를 14로 변경시키고 엔진 토크를 점선(32)과 같이 증가시킨다.

영역 B'로부터 영역 C로의 절환 제어에 대하여 도9에 의해 설명한다. 본 실시 형태의 HEV용 엔진의 출력 특성을 공연비와 엔진 토크의 관계로 나타내었다. 공연비 50 이상은 압축 착화 운전 모드로 영역 A에 있어서 제너레이터(17)를 발전시킬 때 사용되는 영역이다. 발전하지 않을 때는 엔진 토크는 0이다. 공연비 30 내지 50은 성층 연소 운전 모드이고, 공연비 14 내지 15는 균질 연소 운전 모드이다. 여기서, 공연비 30 내지 15 사이를 이용하지 않는 것은 도9의 상부 도면에 있는 바와 같이 그 영역 운전시에 다량의 N0x가 발생하기 때문이다.

본 발명의 HEV용 엔진은 전자 제어 드로틀은 구비하고는 있지만, 엔진을 고효율로 하기 위해서 공기량을 교축하지 않고 연료량으로 엔진 토크를 제어하고 있으므로, 공연비를 30 내지 15로 변화시키면 △Te의 토크 단차가 발생한다.

이를 그대로 절환하면 운전성이 악화될 뿐만 아니라 구동력 전달계가 파손될 우려가 있다. 본 발명의 하나의 포인트는 이 토크 단차를 모터 토크로 보완하는 것이며, 공연비가 절환될 때 구동륜에 전달되는 토크가 원활해지는 것이다. 또한, 이 때 모터/제너레이터(19)에 공급되는 전기 에너지는 터보 제너레이터(7)가 배기 가스로부터 회수한 에너지로 발전한 전기 에너지이므로, 전기 에너지 저장 장치(5)의 충전량에는 영향을 주지 않는 것이다. 다음에, 구체적인 절환 방법에 대하여 설명한다. 공연비가 30이 된 시점에서 엔진(10)은 일정 운전 모드가 되고, 모터/제너레이터(19)는 모터 토크를 발생하기 시작한다. 모터는 전류 지령값에 따라서 모터 토크를 발생시키므로, 전류 지령값을 정밀하게 제어함으로써 순조롭게 토크를 발생시킬 수 있다. 따라서, 이 때의 토크 단차는 문제가 되지 않는다. 공연비를 30에서 15로 절환하는 타이밍은 모터 토크(△Tm)가 엔진 토크 단차(△Te)와 동일해졌을 때 행해지고, 공연비가 절환됨과 동시에 전기 에너지 변환기 제어 장치(1)는 모터/제너레이터(19)에의 전류 지령값을 작게 하여 엔진 토크 단차(△Te) 만큼의 모터 토크를 저하시킨다. 이 절환 타이밍이 너무 늦으면,

△Tm > △Te …(1)

로 되어 버려 출력 구동 토크에 단차가 발생하게 된다. 특히, 절환후의 출력 구동 토크가 순간적으로라도 저하되면, 운전성과 가속감을 해친다. 따라서, 이 절환 타이밍은,

△Tm ≤ △Te …(2)

가 되는 범위로 결정되어야 한다. 모터 토크는 전류값을 계측함으로써 정확하게 파악할 수 있다. 엔진 토크는 연료 공급량, 흡입 공기량, 엔진 회전수로부터 추정할 수 있다. 즉, 공연비 30으로 운전하고 있는 현재의 상황으로부터 연료 공급량을 증가시킨 경우의 엔진 토크를 어림잡는다. 그러나, 엔진 토크를 크게 어림잡아 버린 경우, 모터/제너레이터는 잘못된 △Te'를 기준으로 △Tm을 제어하게 되어 실제의 엔진 토크 단차(△Te)와 오차가 발생하고, (1)식의 상태로 되어 버리는 것을 생각할 수 있다. 그래서, 엔진 토크 단차의 추정값(△Te')과 모터 토크(△Tm)의 관계에 있어서,

△Tm = β × △Te' …(3)

로 되는 β를 도입하고, 이 β를 조정하여 추정값(△Te')이 실제의 값(△Te)에 근사해지도록 제어한다.

도10에 공연비 절환시의 제어 흐름을 도시한다. 모터 어시스트가 개시되면, 블록(41)에서 주 제어 장치(15)는 모터 어시스트 개시 시각을 제어 유닛 내의 기억 장치에 보유한다. 블록(42)에서 연료 공급량, 흡입 공기량 및 엔진 회전수로부터 현재(공연비 30)의 엔진 토크를 계산한다. 이 계산 결과를 기초로 공연비를 15로 했을 때의 엔진 토크를 블록(43)에서 추정한다. 이 공연비 절환 제어를 처음으로행하는 경우에는 엔진 토크 추정값의 보정 계수(β)로서는 일정한 소정값을 블록(44)에서 입력해 둔다. 보정 계수(β)의 학습값이 제어 유닛 내의 기억 장치에 보유되어 있는 경우에는 블록(46)에서 참조하고 블록(45)에서 결정한다. 블록(47)에서 (3)식에 기초하여 모터 토크 단차(△Tm)를 계산하고, △Tm이 되는 전류값(I')을 계산한다. 블록(48)에서 모터 전류(I)를 검출하고, 블록(49)에서 모터 전류 I를 1'와 비교하며, 다른 경우에는 반복해서 모터 전류(I)를 검출하여 블록(49)에서 비교한다. 모터 전류 I가 I'와 동일해지면 공연비를 30에서 15로 절환하는 공연비 절환 지령을 엔진(10)의 제어 장치(11)에 출력한다. 블록(51)에서는 엔진 토크 추정값의 보정 계수(β)가 적당한 값으로 되어 있는지를 판정하기 위해서 구동륜의 회전 변동을 검출한다. 회전 변동의 검출에는 프로펠러축에 부착된 토크 센서를 이용하는 방법과, 안티로크 브레이크(ABS) 등에 사용되고 있는 차륜 속도 센서를 이용하는 방법이 있다. 토크 센서를 이용한 경우는 구동 차륜에 전달되는 실제의 토크가 계측되므로, 출력 구동 토크가 순조롭게 절환되었다고 판정할 수 있다. 또한, 차륜 속도 센서를 이용한 경우는 출력 구동 토크에 단차가 있으면 회전 변동이 계측된다. 어느 쪽을 이용한 경우라도 출력 구동 토크의 변화를 검출할 수 있다. 블록(52)에서는 출력 구동 토크의 변화량과 연료 공급량, 흡입 공기량, 엔진 회전수, 엔진 토크 단차의 추정값, 모터 토크가 한 세트의 데이터로서 기억 장치에 보유되어 학습 제어에 사용된다. 따라서, 보정 계수(β)는 학습 제어에 의해서 정밀도가 향상된다. 이 모터 어시스트에 의한 공연비 절환 제어가 종료하면 제어 흐름은 주 제어 흐름으로 복귀한다.

도11a, 도11b에 본 실시 형태의 HEV가 브레이크 조작된 때의 상태를 도시한다. HEV에서는 도2에 도시한 바와 같이 브레이크 조작량에 따라서 브레이크력을 발생시킨다. 브레이크력은 차량에 구비되어 있는 기계적 브레이크 장치의 제동력과 모터/제너레이터(19)의 회생 브레이크력과 엔진 브레이크력을 합성한 것을 정의한다. 도11a는 전기 에너지 저장 장치(5)의 공용량(空容量)에 여유가 있는(충전량이 적은) 때이고, 차륜측으로부터 입력된 회전 에너지는 모터/제너레이터(19)의 회생 브레이크에 사용된다. 도11b는 전기 에너지 저장 장치(5)의 공용량에 여유가 없는(충전량이 많은) 때이고, 차륜측으로부터 입력된 회전 에너지는 엔진측에 전달되어 엔진을 회전시킨다. 이 때, 엔진은 전자 제어 드로틀을 완전 폐쇄로 하고, 엔진 내에 부압을 발생시켜 엔진 브레이크의 효과를 증대시킨다.

도12에 본 실시 형태의 제어 흐름을 도시한다. 블록(60)에서 액셀 조작량, 브레이크 조작량, 차속으로부터 HEV의 운전 상태를 검출하고, 블록(61)에서 목표 구동 토크를 산출한다. 블록(62)에서 목표 구동 토크와 차속으로부터 운전 모드를 결정한다. 영역 A의 경우는 블록(63)에서 전기 에너지 저장 장치(5)의 충전량을 체크하고, 부족한 경우는 블록(64)에서 엔진(10)을 압축 착화 모드로 운전하고, 블록(69)에서 제너레이터로 발전하며, 충전량이 충분한 경우는 엔진(10)은 정지한다. 엔진(10)을 운전하는 경우, 전기 에너지 변환기 제어 장치(1)는 제너레이터(17)의 전기 에너지 변환기(16)에 전압 제어 지령을 보낸다. 여기서 제너레이터(17)는 교류 발전기로서 설명하고 있으므로, 전기 에너지 변환기(16)는 AC-DC 변환기 상당의 것으로 되고, 제너레이터(17)에 의해 발전된 교류 전기 에너지를 직류 전기 에너지로 변환하는 동작을 행한다. 이에 대하여, 제너레이터(17)가 직류 발전기인 경우는 전기 에너지 변환기(16)는 DC-DC 변환기 상당의 것으로 되고, 제어 장치(1)에서는 소요 전압으로의 전압 변환 제어가 행해진다. 블록(74)에 나타낸 바와 같이 영역 A에서 주행에 사용되는 구동력을 발생하는 것은 모터/제너레이터(19)이다.

영역 B에서는 블록(65)에서 엔진(10)은 성층 연소 모드로 운전되고, 모터/제너레이터(19)는 구동력을 발생하지 않는다. 블록(68)에서 전기 에너지 저장 장치(5)의 충전량을 체크하고, 부족한 경우는 엔진(10)의 배기관(9)에 부착된 터보 제너레이터(7)로 발전하여 전기 에너지 저장 장치(5)에 충전한다. 영역 B의 특수한 상황으로서 영역 C에 운전 모드를 변경할 때 통과하는 영역 B'가 있다. 이 영역에서는 엔진(10)은 성층 연소 모드로 일정하게 제어되고 있으므로, 토크 요구값에 대하여 모터/제너레이터(19)를 구동하여 토크의 어시스트를 행한다.

영역 C에서는 블록(66)에서 엔진(10)은 균질 연소로 운전되고, 블록(76)에서 모터/제너레이터(19)를 구동하여 토크의 어시스트를 행한다. 모터/제너레이터(19)에의 전기 에너지 공급 방법으로서 터보 제너레이터(7)만을 사용하는 경우가 영역 C'이고, 터보 제너레이터(7)＋제너레이터(17)로 발전하여 전기 에너지를 공급하는 경우가 영역 C이다.

또한, 브레이크가 조작되면 기본적으로는 블록(73)에서 모터/제너레이터(19)로 회생 에너지를 회수한다. 블록(63)에서 전기 에너지 저장 장치(5)의 충전량을 확인하고, 충분히 충전되어 있는 경우는 모터/제너레이터(19)의 회생 동작은 행해지지 않고, 블록(67)에서 엔진 브레이크를 이용한다. 어떤 모드에 있어서도블록(77)에서 출력 구동 토크(T)를 검출하고, 목표 구동 토크(To)와 비교하여 동일해질 때까지 상기 제어를 반복한다.

다음에, 본 발명의 다른 실시 형태에 대하여 설명한다. 도13에 제2 실시 형태의 HEV용 구동 장치의 구성을 도시한다. HEV의 구동 장치로서는 엔진(10)과, 엔진(10)과 클러치(12) 사이에 설치되어 있는 모터/제너레이터(17)와, 엔진(10)과는 독립하여 설치되어 있는 모터/제너레이터(19)와, 엔진(10)의 배기계(9)에 장착되고 배기 가스의 에너지를 받아 발전하는 터보 제너레이터(7)로 구성되어 있다. 또, 구동축(21)에 의해 전달되는 엔진(10)으로부터의 출력과 모터/제너레이터(19)의 출력을 합성하는 동력 전달 절환 기구(22)와, 터보 제너레이터(7)가 구동되어 발전된 전기 에너지의 전압을 제어하는 전기 에너지 변환기(8)와, 모터/제너레이터(17)가 구동되어 발전된 전기 에너지의 전압을 제어하는 전기 에너지 변환기(16)와, 모터/제너레이터(19)에 전기 에너지를 공급하는 전기 에너지 변환기(18)와, 이들 전기 에너지 변환기에 접속되고 전기 에너지를 저장하는 전기 에너지 저장 장치(5)와, 전기 에너지 변환기의 전압 제어 및 전기 에너지 저장 장치의 충전 제어를 행하는 전기 에너지 변환기 제어 장치(1)를 갖고 있다. 탑재되는 엔진에 대해서는 제1 실시 형태에서 기재한 것과 동일한 것이 바람직하다.

다음에, 본 발명의 제2 실시 형태의 구체적인 동작에 대하여 설명한다. 도13에 기재한 구동 장치의 구성을 갖는 HEV의 목표 구동 토크의 결정 방법은 도2에 도시한 것과 동일하다. 또한, 본 실시 형태의 HEV의 엔진 운전 모드, 시리즈/패럴렐 모드는 각각 도3, 도5에 도시한 것과 동일하다. 모터 운전 모드를 도14에도시한다. 모터 운전 모드는 차속과 목표 구동 토크로부터 결정되고, 크게 나누어 영역 A, D, E, F로 분류된다. 차속, 목표 구동 토크는 각각 본 실시 형태의 HEV의 최대치로 정규화되어 있다. 영역 A에서는 일정한 소정의 차속(도14에서는 V1)까지는 엔진(10)은 동작시키지 않고 모터(19)만으로 주행한다. 따라서, 모터(19)를 구동하기 위한 전기 에너지는 전기 에너지 저장 장치(5)로부터 공급된다. 그러나, 전기 에너지 저장 장치(5)의 충전량이 부족 또는 저하했을 때는 엔진(10)을 압축 착화 모드로 운전하고, 모터/제너레이터(17)에 의해 발전하여 모터(19)에 전기 에너지를 공급한다. 이 제어는 엔진(10)의 엔진 제어 장치(11)와 전기 에너지 변환기 제어 장치(1)가 주 제어 장치(15)로부터의 정보에 의해 발전량을 제어함으로써 행해진다.

영역 F는 엔진(10)으로부터의 배기 가스의 에너지로 터보 제너레이터(7)를 구동하고, 또한 엔진(10)으로부터의 출력으로 모터/제너레이터(17)도 구동하여 발전량을 증가시키고, 그곳에서 발전한 전기 에너지를 모터(19)에 공급한다.

도15에 본 실시 형태의 HEV가 브레이크 조작된 때의 상태를 도시한다. HEV에서는 도2에 도시한 바와 같이 브레이크 조작량에 따라서 브레이크력을 발생시킨다. 브레이크력은 차량에 구비되어 있는 기계적 브레이크 장치의 제동력과 모터/제너레이터(17, 19)의 회생 브레이크력과 엔진 브레이크력을 합성한 것을 정의한다. 도15a는 전기 에너지 저장 장치(5)의 공용량에 여유가 있는(충전량이 적은) 때이고, 차륜측으로부터 입력된 회전 에너지는 모터/제너레이터(19)의 회생 브레이크에 사용된다. 도15b는 전기 에너지 저장 장치(5)의 공용량에 여유가 있고, 또한 회생 브레이크력을 강하게 하고 싶을 때이며, 차륜측으로부터 입력된 회전 에너지는 동력 전달 절환 기구, 트랜스미션, 클러치를 거쳐서 모터/제너레이터(17)에 전달되어 회생 브레이크력을 증가시킨다. 도15b에 있어서, 전기 에너지 저장 장치(5)의 공용량에 여유가 없는(충전량이 많은) 때는 2개의 모터/제너레이터(17, 19)에는 차륜측의 회전 에너지는 전달되지 않고 엔진(10)에 전달되어 회전시킨다. 이 때, 엔진(10)은 전자 제어 드로틀을 완전 폐쇄로 하고, 엔진 내에 부압을 발생시켜 엔진 브레이크의 효과를 증대시킨다.

도16에 본 실시 형태의 제어 흐름을 도시한다. 블록(160)에서 액셀 조작량, 브레이크 조작량, 차속으로부터 HEV의 운전 상태를 검출하고, 블록(161)에서 목표 구동 토크를 산출한다. 블록(162)에서 목표 구동 토크와 차속으로부터 운전 모드를 결정한다. 영역 A의 경우는 블록(163)에서 전기 에너지 저장 장치(5)의 충전량을 체크하고, 부족한 경우는 블록(164)에서 엔진(10)을 압축 착화 모드로 운전하고, 블록(169)에서 모터/제너레이터로 발전하며, 충전량이 충분한 경우는 엔진(10)은 정지한다. 엔진(10)을 운전하는 경우, 전기 에너지 변환기 제어 장치(1)는 모터/제너레이터(17)의 전기 에너지 변환기(16)에 전압 제어 지령을 보낸다. 여기서모터/제너레이터(17)는 교류 발전기로서 설명하고 있으므로, 전기 에너지 변환기(16)는 AC-DC 변환기 상당의 것으로 되고, 모터/제너레이터(17)에 의해 발전된 교류 전기 에너지를 직류 전기 에너지로 변환하는 동작을 행한다. 이에 대하여, 모터/제너레이터(17)가 직류 발전기인 경우는 전기 에너지 변환기(16)는 DC-DC 변환기 상당의 것으로 되고, 제어 장치(1)에서는 소요 전압으로의 전압 변환 제어가 행해진다. 블록(174)에 나타낸 바와 같이 영역 A에서 주행에 사용되는 구동력을 발생하는 것은 모터/제너레이터(19)이다.

영역 B에서는 블록(165)에서 엔진(10)은 성층 연소 모드로 운전되고, 모터/제너레이터(19)는 구동력을 발생하지 않는다. 블록(168)에서 전기 에너지 저장 장치(5)의 충전량을 체크하고, 부족한 경우는 엔진(10)의 배기관(9)에 부착된 터보 제너레이터(7)로 발전하여 전기 에너지 저장 장치(5)에 충전한다. 영역 B의 특수한 상황으로서 영역 C에 운전 모드를 변경할 때 통과하는 영역 B'가 있다. 이 영역에서는 엔진(10)은 성층 연소 모드로 일정하게 제어되고 있으므로, 토크 요구값에 대하여 모터/제너레이터(19)를 구동하여 토크의 어시스트를 행한다.

영역 C에서는 블록(166)에서 엔진(10)은 균질 연소로 운전되고, 블록(176)에서 모터/제너레이터(19)를 구동하여 토크의 어시스트를 행한다. 모터/제너레이터(19)에의 전기 에너지 공급 방법으로서 터보 제너레이터(7)만을 사용하는 경우가 영역 C'이고, 터보 제너레이터(7)＋제너레이터(17)로 발전하여 전기 에너지를 공급하는 경우가 영역 C이다.

또한, 브레이크가 조작되면 기본적으로는 블록(173, 179)에서 모터/제너레이터(17, 19)로 회생 에너지를 회수한다. 블록(163)에서 전기 에너지 저장 장치(5)의 충전량을 확인하고, 충분히 충전되어 있는 경우는 모터/제너레이터(17, 19)의 회생 동작은 행하지 않고, 블록(167)에서 엔진 브레이크를 이용한다. 어떤 모드에 있어서도 블록(177)에서 출력 구동 토크(T)를 검출하고, 목표 구동 토크(To)와 비교하여 동일해질 때까지 상기 제어를 반복한다.

다음에, 본 발명의 다른 실시 형태에 대하여 설명한다. 도17에 제3 실시 형태의 HEV용 구동 장치의 구성을 도시한다. HEV의 구동 장치로서는 엔진(10)과, 엔진(10)과 클러치(12) 사이에 설치되어 있는 모터/제너레이터(17)와, 엔진(10)의 배기계(9)에 장착되고 배기 가스의 에너지를 받아 발전하는 터보 제너레이터(7)로 구성되어 있다. 또, 엔진(10)과 모터/제너레이터(17)의 출력축에는 트랜스미션(13)이 연결되어 있다. 또한, 터보 제너레이터(7)가 구동되어 발전된 전기 에너지의 전압을 제어하는 전기 에너지 변환기(8)와, 모터/제너레이터가 구동되어 발전된 전기 에너지의 전압을 제어하는 전기 에너지 변환기(16)와, 이들 전기 에너지 변환기에 접속되고 전기 에너지를 저장하는 전기 에너지 저장 장치(5)와, 전기 에너지 변환기의 전압 제어 및 전기 에너지 저장 장치의 충전 제어를 행하는 전기 에너지 변환기 제어 장치(1)를 갖고 있다. 탑재되는 엔진에 대해서는 제1 실시 형태에서 기재한 것과 동일한 것이 바람직하다.

다음에, 본 발명의 제3 실시 형태의 구체적인 동작에 대하여 설명한다. 도17에 기재한 구동 장치의 구성을 갖는 HEV의 목표 구동 토크의 결정 방법은 도2에 도시한 것과 동일하다. 본 실시 형태의 HEV의 엔진 운전 모드를 도18에 도시한다. 엔진 운전 모드는 차속과 목표 구동 토크로부터 결정되고, 크게 나누어 영역 A, B, C로 분류된다. 차속, 목표 구동 토크는 각각 본 실시 형태의 HEV의 최대치로 정규화되어 있다. 영역 A에서는 압축 착화, 영역 B에서는 성층 연소, 영역 C에서는 균질 연소로 운전된다. 이 때, 엔진(10)은 엔진 회전수 일정, 드로틀 밸브 완전 개방으로 운전되고, 연료량만으로 엔진 출력을 제어한다. 이 제어는 엔진(10)의 엔진 제어 장치(11)가 주 제어 장치(15)로부터의 정보에 의해 발전량을 제어함으로써 행해진다. 엔진 출력을 증대하기 위해서 운전 모드를 통내 분사에 의한 성층 연소(영역 A2) , 균질 연소(영역 A3)로 절환한다. 압축 착화 연소 모드에서는 공연비는 50 이상(초희박이라고 함), 성층 연소 모드에서는 30 내지 50(희박이라고 함), 균질 연소 모드에서는 14 내지 15(화학 양론이라고 함)로 설정한다.

도19에 본 실시 형태의 HEV의 모터 운전 모드를 도시한다. 모터 운전 모드는 차속과 목표 구동 토크로부터 결정되고, 크게 나누어 영역 D, E, F로 분류된다. 차속, 목표 구동 토크는 각각 본 실시 형태의 HEV의 최대치로 정규화되어 있다. 영역 E에서는 토크 어시스트는 행하지 않고, 엔진 출력을 이용하여 항상 발전시키고 있다. 영역 E 내의 영역 D는 저회전, 저부하 영역이며, 엔진을 구동시키는 것은 고효율상 바람직하지 않다. 따라서, 그러한 범위에서는 모터/제너레이터(17)로토크를 어시스트한다. 영역 F에서는 모터/제너레이터는 항상 토크를 어시스트할 필요가 있으므로, 터보 제너레이터로부터 전기 에너지가 공급된다.

도20에 본 실시 형태의 HEV의 운전 모드를 도시한다. 운전 모드는 차속과 목표 구동 토크로부터 결정되고, 크게 나누어 영역 0, P, Q, R, S로 분류된다. 차속, 목표 출력 토크는 각각 본 실시 형태의 HEV의 최대치로 정규화되어 있다.

본 실시 형태에서는 모터/제너레이터가 하나 밖에 없으므로, 시리즈 HEV 운전은 행할 수 없다. 영역 O에서는 엔진(10)이 압축 착화 모드로 운전되고, 모터/제너레이터(17)로 토크 어시스트한다. 영역 P에서는 엔진(10)은 압축 착화 모드로 운전되고, 모터/제너레이터(17)로 발전되고 있다. 영역 Q에서는 엔진(10)은 성층 연소 모드로 운전되고, 모터/제너레이터(17)로 발전되고 있다. 영역 R에서는 엔진(10)은 성층 연소 모드로 운전되고, 터보 제너레이터(7)로 발전되며, 모터/제너레이터(17)로 토크 어시스트된다. 영역 S에서는 엔진(10)은 균질 연소 모드로 운전되고, 터보 제너레이터(7)로 발전되며, 모터/제너레이터(17)로 토크 어시스트된다.

도21은 제어계의 제어 동작을 도시한 타임차트이다. 본 실시 형태의 특징적인 동작인 도20중의 점 X로부터 점 Y로 목표 출력 토크가 변화한 경우에 대하여 설명한다. 영역 0에서 정지하고 있을 때는 액셀 조작량이 없으므로, 출력 구동 토크는 발생하지 않는다. 시각 t1에서 액셀이 조작되면, 그 조작량에 따라서 목표 구동 토크(To2)가 결정된다. 이 때, 엔진은 시동 직후이므로 공연비가 안정하지 않다. 그로 인해, 엔진 토크가 불안정하고 출력 구동 토크가 안정하지 않다. 이 영역에서는 모터/제너레이터(17)로 토크를 어시스트한다. 시각 t2가 되면 공연비가 안정되고 엔진 토크가 커지므로, 모터/제너레이터(17)에 의한 토크 어시스트를 정지하는 이 영역은 P이며, 모터/제너레이터(17)는 엔진 토크의 일부를 사용하여 발전하고 있다. 발전량을 조정하려면 공연비를 다소 작게 하고 엔진 토크를 증가시키며, 공연비가 30이 되면 엔진 토크는 일정하게 하고 모터 토크를 발생시킨다. 시각 t4에서 모터 토크 단차(△Tm)가 엔진 토크 단차(△Te)에 근사해지면 공연비 절환 제어를 행하여 출력 구동 토크가 순조롭게 변화하도록 한다. 영역 S에서는 엔진(10)은 균질 연소 모드이고, 터보 제너레이터(7)에 의해 발전된 전기 에너지가 모터/제너레이터(17)에 공급되며, 시각 t5에서 목표 구동 토크에 도달한다.

도22에 본 실시 형태의 제어 흐름을 도시한다. 블록(260)에서 액셀 조작량, 브레이크 조작량, 차속으로부터 HEV의 운전 상태를 검출하고, 블록(261)에서 목표 구동 토크를 산출한다. 블록(262)에서 목표 구동 토크와 차속으로부터 운전 모드를 결정한다.

영역 0의 경우는 블록(263)에서 전기 에너지 저장 장치(5)의 충전량을 체크하고, 충전량이 충분히 있는 경우에는 블록(264)에서 압축 착화 모드로 운전되고 있는 엔진 토크를 어시스트한다.

영역 P에서는 블록(264)에서 엔진(10)은 압축 착화 모드로 운전되어 차량을 구동한다. 모터/제너레이터(17)는 구동력을 발생시키지 않고, 블록(268)에서 전기 에너지 저장 장치(5)의 충전량을 체크하고, 부족한 경우는 블록(270)에서 엔진 출력을 사용하여 발전하여 전기 에너지 저장 장치(5)에 충전한다.

영역 Q, R에서는 엔진은 블록(265)에서 성층 연소 모드로 운전된다. 영역 Q에서는 모터/제너레이터(17)는 구동력을 발생시키지 않고, 블록(268)에서 전기 에너지 저장 장치(5)의 충전량을 체크하고, 부족한 경우는 블록(270)에서 엔진 출력을 사용하여 발전하여 전기 에너지 저장 장치(5)에 충전한다. 영역 R에서는 블록(271)에서 터보 제너레이터(7)로 발전하고, 발전한 전기 에너지를 이용하여 블록(275)에서 모터/제너레이터로 엔진 토크를 어시스트한다.

영역 S에서는 엔진은 블록(266)에서 균질 연소 모드로 운전되고, 또 블록(272)에서 터보 제너레이터(7)로 발전하며, 발전한 전기 에너지를 이용하여 블록(276)에서 모터/제너레이터로 엔진 토크를 어시스트한다.

도23에 본 발명에서 사용되는 터보 제너레이터의 구성을 도시한다. 도면 부호 83은 터빈 휘일(87)과 계자 로터(93)를 접속하는 샤프트이고, 80은 레이디얼 금속, 81은 드러스트 금속, 90은 회전 위치 센서, 91은 축 시일, 92는 고정자이다. 샤프트(83)는 오일 공급구(85)로부터 유입된 오일에 의해 냉각 및 윤활되고, 오일은 86으로부터 유출되는 구조로 되어 있다. 엔진으로부터의 배기 가스는 터빈 휘일(87)의 주위에 형성되어 있는 선회실(82)로 유입되어 터빈 휘일(87)을 회전시키고, 마지막으로 84로부터 배출된다.

도24는 본 발명의 터보 제너레이터로 회수할 수 있는 배기열량을 도시하고 있다. 엔진 회전수와 엔진 토크의 관계로 나타내고 있으며, 굵은 선(94)은 엔진의 출력 토크 특성을 나타내고 있다. 점선(95 내지 99)은 회수 배기열량이 같은 점을 연결한 것이고, 사각으로 둘러싸인 숫자는 점선(95)을 기준으로 한 경우의 회수 배기열량의 비율을 나타내고 있다. 엔진 토크가 높을수록 보다 많은 배기열을 회수할 수 있다.

도25에 액셀 조작량 및 브레이크 조작량과 구동 토크 및 회생 토크의 관계를 도시한다. 저속(V1)으로 주행하고 있는 상태로부터 V2의 차속까지 액셀을 답입하여 가속하여 정상 주행하는 것을 고려한다. 차속 V1로 정상 주행하고 있는 상태를 X라 하고, 차속 V2로 정상 주행하고 있는 상태를 Z라고 한다. 상태 X의 액셀 답입량 α1로부터 α2까지 답입하면, 답입한 직후에는 차속은 거의 변화하지 않으므로, 목표 구동 토크는 도25에 도시한 상태 Y의 값이 된다. 서서히 차속이 높아져 가므로, 목표 구동 토크는 상태 Y의 값이 된다. 이 X에서 Y까지의 설명은 도1에서 도12까지의 제1 실시예에 기재되어 있다.

상태 Y에서는 차속은 V2가 되었지만 액셀 조작량이 α2인 상태이므로, 차속은 더욱 상승하여 V3으로 되어 버린다. V2의 차속을 유지하기 위해서는 액셀 조작량을 복귀시킬 필요가 있다. 액셀 답입량을 α3으로 하면 차속(V2)을 유지할 수 있고, 정상 주행이 된다. 이 상태가 Z이다. 상태 Y에서 Z까지의 상태 변화를 A라고 한다. 상태 Z부터 액셀 조작량을 작게 하는 것은 브레이크 조작 전단계의 조작이 되고, 도11a 및 도11b에 도시한 회생 모드로 된다. 여기서는 상태 변화 A에 대하여 설명한다.

도26, 도27, 도28에 X→Y→Z의 상태 변화가 기입되어 있다. 도28은 사용하는 동력원을 도시하고 있고, 상태 Y로부터 Z로의 변화에서는 시리즈/패럴렐 상태로부터 엔진만의 상태로 변화한다. 도27은 모터 운전 모드를 도시하고 있고, 상태 Y에서는 터보 제너레이터＋제너레이터로 발전하고, 모터 제너레이터로 구동한다. 상태 Z에서는 모터 제너레이터로의 구동은 정지한다. 도26은 엔진 운전 모드를 도시하고 있고, 상태 Y에서는 균질 연소 운전을 행하고 있고, 상태 Z에서는 성층 연소 운전을 행하고 있다.

도29에 상태 Y로부터 Z로의 변화의 상태를 도시한다. 상태 Y의 일정 영역(C)에서의 액셀 답입량은 α2이고, 목표 구동 토크는 To2이며, 출력 구동 토크는 T2이다. 그 내역은 엔진 토크가 Te3, 모터 토크가 Tm1로 되어 있다. 차속 유지를 위해서 액셀 조작량이 α3으로 변화하면, 목표 구동 토크는 To3으로 변화한다. 그에 따라서, 엔진은 균질 연소로부터 성층 연소로 운전 방식을 절환한다. 이 때, 공연비는 14.7로부터 30 정도로 변화한다. 엔진의 연소 방식의 변화에 의해서 엔진 토크가 △Te 만큼 저하하므로, 모터는 토크가 △Tm 증가하도록 전류 지령값을 변화시킨다. 이로써, 토크 단차를 발생시키지 않고 영역 C로부터 영역 B'로의 절환을 행할 수 있다. 영역 절환후(tl)는 t2까지 엔진은 공연비를 30으로 일정하게 유지하고, 모터는 발생 토크를 서서히 감소시켜 t2에서 0으로 한다. 모터 토크가 0이 된 후, 엔진은 공연비를 40까지 변화시키고 엔진 토크를 저하시키며 t3에서 출력 구동 토크가 T3이 되도록 한다. 이상과 같이 제어함으로써 순조롭게 운전 영역을 절환할 수 있다. △Tm을 발생시키기 위한 전력은 터보 제너레이터가 배기 가스로부터 회수한 전력으로 조달되므로, 이 절환 제어를 행하여 효율이 저하하는 일은 없다.

본 발명에 따르면, 내연 기관의 출력 토크와 전동기의 출력 토크를 합성 또는 절환하여 구동륜에 전달하는 수단을 갖는 하이브리드 차량 구동 장치에 있어서, 상기 내연 기관의 배기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 터보 제너레이터와, 상기 터보 제너레이터와 상기 전동기를 전기적으로 접속하는 수단을 구비함으로써, 고효율의 희박 상태로 HEV의 엔진을 가능한 한 오래 구동시킬 수 있고, 연비 및 효율이 향상된다.

또한, 본 발명에 따르면, 소정의 제1 공연비 이상으로 운전하는 제1 운전 모드와, 상기 제1 공연비의 값보다도 작은 소정의 제2 공연비 이하로 운전하는 제2 운전 모드를 절환하여 내연 기관을 운전하고, 상기 내연 기관의 출력 토크와 전동기의 출력 토크를 합성하여 차륜을 구동하는 하이브리드 차량의 구동 방법에 있어서, 상기 내연 기관이 상기 제1 운전 모드로 운전되고 있을 때 공연비가 상기 제1 공연비를 하회했을 때, 상기 전동기를 구동하는 동시에 상기 내연 기관의 공연비를 상기 제1 공연비로 유지하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 구동 방법에 의해, 희박 연소 영역으로부터 화학 양론 연소 영역으로 이행할 때 N0x를 발생시키는 영역을 거치지 않아 깨끗한 자동차를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 내연 기관이 제2 공연비로 되었을 때의 제2 공연비 엔진 토크를 추정하고, 상기 제1 공연비에 있어서의 엔진 토크와 상기 추정된 제2 공연비에 있어서의 엔진 토크의 토크차를 산출하고, 상기 전동기의 출력 토크가 산출된 토크차와 대략 동일해졌을 때 상기 제1 운전 모드로부터 상기 제2 운전 모드로 절환함으로써, 토크 쇼크를 발생시키지 않는 구동 방법을 제공하여 보다높은 운전성을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 압축 착화 모드를 갖는 내연 기관과, 상기 내연 기관의 출력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기와, 상기 발전기에 의해 변환된 전기 에너지를 구동륜의 구동 에너지로 변환하는 전동기를 갖는 하이브리드 차량에 의해, 작은 출력 토크의 압축 착화 엔진으로도 차량을 구동하기에 충분한 토크를 얻을 수 있다.

Claims

내연 기관의 출력 토크와 전동기의 출력 토크를 합성 또는 절환하여 구동륜에 전달하는 수단을 갖는 하이브리드 차량 구동 장치에 있어서, 상기 내연 기관의 배기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 터보 제너레이터와, 상기 터보 제너레이터와 상기 전동기를 전기적으로 접속하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량 구동 장치.
내연 기관과, 전동기와, 상기 내연 기관의 출력 토크와 상기 전동기의 출력 토크를 합성 또는 절환하여 구동륜에 전달하는 수단을 갖는 하이브리드 차량에 있어서, 상기 내연 기관의 배기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 터보 제너레이터와, 상기 터보 제너레이터와 상기 전동기를 전기적으로 접속하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
내연 기관과, 상기 내연 기관의 출력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기와, 상기 발전기에 의해 변환된 전기 에너지를 구동륜의 구동 에너지로 변환하는 전동기를 갖는 하이브리드 차량에 있어서, 상기 내연 기관의 배기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 터보 제너레이터와, 상기 터보 제너레이터와 상기 전동기를 전기적으로 접속하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
내연 기관과, 전동기와, 상기 내연 기관의 출력 토크와 상기 전동기의 출력 토크를 합성 또는 절환하여 구동륜에 전달하는 수단과, 전기 에너지를 축적하는 배터리와, 상기 내연 기관의 배기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 터보 제너레이터를 갖고, 상기 전동기는 상기 터보 제너레이터와 상기 배터리의 양 쪽으로부터 전기 에너지를 공급받는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
내연 기관의 출력 토크와 전동기의 출력 토크를 합성 또는 절환하여 구동륜에 전달하는 수단을 갖는 하이브리드 차량 구동 장치에 있어서, 상기 전동기는 상기 내연 기관의 토크 단차를 경감하는 토크를 발생하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량 구동 장치.
소정의 제1 공연비 이상으로 운전하는 제1 운전 모드와, 상기 제1 공연비의 값보다도 작은 소정의 제2 공연비 이하로 운전하는 제2 운전 모드를 절환하여 운전되는 내연 기관과, 전동기와, 상기 내연 기관의 출력 토크와 상기 전동기의 출력 토크를 합성하여 구동륜에 전달하는 수단을 갖고, 상기 전동기는 상기 내연 기관에 있어서 제1 운전 모드와 제2 운전 모드를 서로 절환할 때 발생하는 토크 단차를 경감하는 토크를 발생하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량 구동 장치.
소정의 제1 공연비 이상으로 운전하는 제1 운전 모드와, 상기 제1 공연비의 값보다도 작은 소정의 제2 공연비 이하로 운전하는 제2 운전 모드를 절환하여 내연기관을 운전하고, 상기 내연 기관의 출력 토크와 전동기의 출력 토크를 합성하여 차륜을 구동하는 하이브리드 차량의 구동 방법에 있어서, 상기 내연 기관이 상기 제1 운전 모드로 운전되고 있을 때 공연비가 상기 제1 공연비를 하회했을 때, 상기 전동기를 구동하는 동시에 상기 내연 기관의 공연비를 상기 제1 공연비로 유지하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 구동 방법.
제7항에 있어서, 상기 내연 기관이 제2 공연비로 되었을 때의 제2 공연비 엔진 토크를 추정하고, 상기 제1 공연비에 있어서의 엔진 토크와 상기 추정된 제2 공연비에 있어서의 엔진 토크의 토크차를 산출하고, 상기 전동기의 출력 토크가 산출된 토크차와 대략 동일해졌을 때 상기 제1 운전 모드로부터 상기 제2 운전 모드로 절환하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 구동 방법.
제7항에 있어서, 상기 내연 기관이 제2 공연비로 되었을 때의 제2 공연비 엔진 토크를 추정하고, 상기 제1 공연비에 있어서의 엔진 토크와 상기 전동기의 출력 토크의 합계가 상기 추정된 제2 공연비 엔진 토크를 초과했을 때 상기 제1 운전 모드로부터 상기 제2 운전 모드로 절환하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 구동 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 내연 기관이 제2 공연비로 되었을 때의 제2 공연비 엔진 토크를 추정할 때는 상기 제1 운전 모드로부터 상기 제2 운전 모드로의 이행시에 발생한 구동 토크 변동을 매개 변수로 하여 추정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 구동 방법.
압축 착화 모드를 갖는 내연 기관과, 상기 내연 기관의 출력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기와, 상기 발전기에 의해 변환된 전기 에너지를 구동륜의 구동 에너지로 변환하는 전동기를 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
요구 부하에 따라서 압축 착화 모드, 성층 연소 모드, 및 균질 연소 모드를 절환하는 내연 기관과, 상기 내연 기관의 출력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기와, 상기 발전기에 의해 변환된 전기 에너지를 구동륜의 구동 에너지로 변환하는 전동기를 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량.
요구 부하에 따라서 내연 기관을 압축 착화시키고, 발전기에 의해서 상기 내연 기관의 출력 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 전동기에 의해서 상기 발전기에 의해 변환된 전기 에너지를 구동륜의 구동 에너지로 변환하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 구동 방법.
요구 부하에 따라서 내연 기관을 압축 착화시키고, 발전기에 의해서 상기 내연 기관의 출력 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 전동기에 의해서 상기 발전기에 의해 변환된 전기 에너지를 구동륜의 구동 에너지로 변환하는 것을 특징으로 하는하이브리드 차량의 구동 방법.
요구 부하에 따라서 내연 기관을 압축 착화시키고, 발전기에 의해서 상기 내연 기관의 출력 에너지의 일부를 전기 에너지로 변환하고, 전동기에 의해서 상기 발전기에 의해 변환된 전기 에너지를 구동륜의 구동 에너지로 변환하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 구동 방법.
내연 기관을 압축 착화시키고, 구동륜의 요구 부하가 소정치 이하일 때는 상기 내연 기관의 출력축에 설치된 모터/제너레이터에 의해 상기 내연 기관의 출력 에너지의 일부를 전기 에너지로 변환하여 배터리에 축적하고, 구동륜의 요구 부하가 소정치보다 클 때는 배터리의 전기 에너지를 상기 모터/제너레이터에 의해 구동륜의 구동 에너지로 변환하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 차량의 구동 방법.