CN101331030A - 动力输出装置、其控制方法及具有该装置的车辆 - Google Patents

动力输出装置、其控制方法及具有该装置的车辆 Download PDF

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Abstract

当发动机要求功率Pe*不大于最大功率Pemax时，使用以理论空燃比进行控制时获得的参考运行曲线设定发动机的目标转速Ne*与目标转矩Te*(步骤S125)。另一方面，当发动机要求功率Pe*超过最大功率Pemax时，一旦预设的燃料增加禁止条件不成立，将目标转速Ne*设定为最高转速Nemax(步骤S140)，并且基于发动机要求功率Pe*，将用于发动机22的空燃比控制的目标空燃比设定为浓空燃比(步骤S150)。

Description

动力输出装置、其控制方法及具有该装置的车辆
技术领域
本发明涉及一种动力输出装置，该动力输出装置的控制方法，以及装有该动力输出装置的车辆。
背景技术
在专利文献1中公开的一种提议的用于将动力输出至驱动轴的动力输出装置的结构，包括作为驱动动力源的发动机与电动机，并且在从作为驱动动力源的发动机输出动力的过程中驱动旋转发电机，以为电池充电。专利文献1的该动力输出装置设置有具有比传统节气门更好响应的输出增加机构。响应于驾驶员要求动力的增加，该输出增加机构工作以迅速增加发动机转矩，并从而确保足够动力输出，同时保持发动机的转速不变。专利文献1所给出的该动力输出装置的示例为可变气门正时机构，D4稀薄燃烧控制机构，动力增加控制机构，以及涡轮增压器。
通常地优选地根据重视燃料消耗的参考(基准)运行曲线设定用以确保发动机要求动力的输出的发动机驱动点，并且在设定的驱动点驱动发动机。响应于驾驶员要求动力的增加，专利文献1提议的动力输出装置在优先快速响应驾驶员的需求而暂时脱离参考运行曲线的驱动点驱动发动机。
专利文献1：日本专利申请公开(特开)No.2001-112115。
发明内容
然而，专利文献1中公开的该现有技术的动力输出装置，并没有特别地考虑某种条件下发动机的控制，该条件是指在发动机的转速达到根据某些限制设定的最高转速。在发动机的转速达到最高转速后，在例如伴随充电功率的增加的发动机要求动力逐渐增加时，要求根据参考运行曲线将发动机的驱动点改变至更高转速的驱动点。然而，因为发动机的转速不能超过最高转速，则发动机的驱动点不可变。发动机的输出动力因此不能满足发动机要求动力(动力需求)。
在根据本发明的某些方面的该动力输出装置，该动力输出装置的控制方法，以及装配有该动力输出装置的车辆中，其目的在于，即使在内燃机的转速达到预设的最高转速之后，仍能够适当地响应于内燃机所需的要求动力的逐渐增加。其目的还在于在有效防止蓄电器过充电的同时确保这种响应。
通过应用于动力输出装置、该动力输出装置的控制方法，以及装配有该动力输出装置的车辆的以下结构，本发明实现了以上提及的需求。
本发明的一方面涉及将动力输出至驱动轴的动力输出装置。该动力输出装置包括：
内燃机；
与该内燃机的输出轴以及所述驱动轴相连，并能够通过电力和动力的输入和输出将所述内燃机的至少部分输出动力输出至所述驱动轴的电力动力输入输出机构；
能够向所述驱动轴输入动力和从所述驱动轴输出动力的电动机；
能够从所述电力动力输入输出机构与所述电动机传送电力和向所述电力动力输入输出机构与所述电动机传送电力的蓄电器；
设定所述驱动轴所需的驱动轴要求动力的驱动轴要求动力设定机构；
基于所述蓄电器的状态与所设定的驱动轴要求动力，设定所述内燃机所需的内燃机要求动力的内燃机要求动力设定机构；以及
控制机构，当所述内燃机的转速达到预设(预定)的最高转速，并且所述设定的内燃机要求动力超过预先设定的最大动力时，基于所述设定的内燃机要求动力设定燃料增加参数，并且控制所述内燃机、所述电力动力输入输出机构以及所述电动机，以喷射对应于所述设定的燃料增加参数的燃料量，并且向所述驱动轴输出根据所述设定的驱动轴要求动力的动力，同时保持所述内燃机的转速不变，其中，所述最大动力表示由所述内燃机输出的最高可能的动力，并且所述最大动力根据所述最高转速与参考运行曲线计算，所述参考运行曲线由以等于或接近理论空燃比的空燃比进行空燃比控制而获得。
当所述内燃机的转速达到预设的最高转速，并且所述设定的内燃机要求动力超过根据最高转速与参考运行曲线计算的所述内燃机能够输出的最大动力时，根据本发明的该方面基于所述设定的内燃机要求动力而设定燃料增加参数，并且控制所述内燃机、所述电力动力输入输出机构以及所述电动机，以喷射对应于所述设定的燃料增加参数的燃料量，并且根据所述设定的驱动轴要求动力向所述驱动轴输出动力，同时保持所述内燃机的转速不变。其中，所述参考运行曲线由以等于或接近理论空燃比的空燃比进行空燃比控制而获得。一旦所述内燃机的转速达到所述预设的最高转速，就不允许在内燃机要求动力逐渐增加等情况下将所述内燃机的所述驱动点改变至沿参考运行曲线的更高转速一侧的驱动点。根据本发明的该方面的所述动力输出装置因此通过对应于所述设定的内燃机要求动力增加燃料量来增加所述内燃机的输出动力。该装置确保了即使在所述内燃机的转速达到所述预设的(最高)转速后，对所述内燃机所需的所述要求动力的逐渐增加也能够适当地应对。
在根据本发明的一方面的动力输出装置的一个优选应用中，所述最高转速根据由所述内燃机的运行所产生的噪声级确定。该装置确保了所述内燃机的输出动力的需求的增加，同时适当地限制由所述内燃机的运行所产生的噪声级。所述内燃机的所述最高转速可以根据其他因素确定，例如，通过考虑所述内燃机的性能与寿命，以及所述电力动力输入输出机构、所述电动机以及所述蓄电器的状况。
在根据本发明的以上方面的动力输出装置的一个优选实施例中，在当在所述内燃机的转速达到所述最高转速之后需要增加燃料量的情况下，所述控制机构将燃料量增加至不超出根据所述蓄电器的输入限制而设定的所述内燃机要求动力的最大值的预设范围。该设置有效地防止了所述蓄电器的过充电，同时确保了即使在所述内燃机的转速达到预设的最高转速之后，对所述内燃机所需的所述要求动力的增加适当地响应。
在根据本发明的以上方面的动力输出装置的另一个优选实施例中，所述控制机构在预设的燃料增加禁止条件成立时不增加燃料量，即使当所述内燃机的当前转速达到所述预设的最高转速并且所述设定的内燃机要求动力超过所述预先设定的最大动力时。在所述预设的燃料增加禁止条件成立时，所述内燃机以所述参考运行曲线上的驱动点驱动。这样确保了良好的排放与燃料消耗。
优选地，所述预设的燃料增加禁止条件为从以下条件中选出来的至少一种条件：设定燃料消耗优先模式的条件，所述动力输出装置在预设区域中运行的条件，燃料余量处于预设的低水平范围的条件，以及位于所述内燃机的排气通道中的排气净化催化剂的温度低于预设的激活温度的条件。在燃料消耗优先模式的设定中，因为驾驶员相比动力性能更优先考虑燃料消耗，所以理想的是禁止燃料量增加。当在预设区域中(例如，在市区或居住区)驱动所述动力输出装置时，为了禁止因排放而增加环境负载，理想的是禁止燃料量的增加。在燃料余量处于预设的低水平范围(例如，在打开燃料余量指示器的范围中)处，为了延长剩余燃料的行驶距离，理想的是禁止燃料量的增加。在所述排气净化催化剂的温度低于预设的催化剂激活温度处，因为由燃料获得的成分的浓含量可能会导致不充分的排气净化，因而理想的是禁止燃料量的增加。
在根据本发明的以上方面的动力输出装置的一个优选应用中，所述电力动力输入输出机构具有：三轴型动力输入输出机构，所述三轴型动力输入输出机构与所述内燃机的输出轴、所述驱动轴和旋转轴这三个轴相连，并且基于从这三个轴中任意两个轴输入的动力和输出至这三个轴中任意两个轴的动力，将动力输出至剩余的一个轴或者从剩余的一个轴输入动力；以及从所述旋转轴输入动力或将动力输出至所述旋转轴的发电机。
本发明的另一方面涉及装配有所述动力输出装置的车辆，所述装置具有上述装置中的任意一个，并且基本上将动力输出至驱动轴。该车辆装配有具有上述任意方式的动力输出装置。根据本发明的该方面的该车辆因此具有与上述动力输出装置的优势相似的优势，例如，即使在所述内燃机的转速达到所述预设的最高转速后，也可适当地响应于所述内燃机所需的要求动力的逐渐增加的优势。
本发明的另一方面涉及动力输出装置的控制方法。所述动力输出装置具有：内燃机；与所述内燃机的输出轴以及驱动轴相连，并能够通过电力和动力的输入和输出将所述内燃机的至少部分输出动力输出至所述驱动轴的电力动力输入输出机构；能够向所述驱动轴输入动力和从所述驱动轴输出动力的电动机；以及能够从所述电力动力输入输出机构及所述电动机传送电力和向所述电力动力输入输出机构及所述电动机传送电力的蓄电器；所述控制方法包括
(a)设定所述驱动轴所需的驱动轴要求动力；
(b)基于所述蓄电器的状态与所设定的驱动轴要求动力，设定所述内燃机所需的内燃机要求动力；以及
(c)当所述内燃机的转速达到预设的最高转速，并且所述设定的内燃机要求动力超过预先设定的最大动力时，基于所述设定的内燃机要求动力设定燃料增加参数，并且控制所述内燃机、所述电力动力输入输出机构以及所述电动机，以喷射对应于所述设定的燃料增加参数的燃料量，并且根据所述设定的驱动轴要求动力向所述驱动轴输出动力，同时保持所述内燃机的转速不变。在此，所述最大动力表示由所述内燃机输出的最高可能的动力，并且所述最大动力根据所述最高转速与参考运行曲线确定，所述参考运行曲线由用等于或接近理论空燃比的空燃比进行空燃比控制而获得。
当所述内燃机的转速达到所述预设的最高转速，并且所述设定的内燃机要求动力超过所述内燃机的预先设定的最大动力时，根据本发明的该方面的所述控制方法基于所述设定的内燃机要求动力设定所述燃料增加参数，并且控制所述内燃机、所述电力动力输入输出机构以及所述电动机，以喷射对应于所述设定的燃料增加参数的燃料量，并且根据所述设定的驱动轴要求动力向所述驱动轴输出动力，同时保持所述内燃机的转速不变，其中，所述内燃机的预先设定的最大动力根据所述最高转速与参考运行曲线确定，所述参考运行曲线由用等于或接近理论空燃比的空燃比进行空燃比控制而获得。一旦所述内燃机的所述转速达到所述预设的最高转速，就不允许响应于内燃机要求动力的逐渐增加将所述内燃机的所述驱动点改变至沿参考运行曲线的更高转速一侧的驱动点。根据本发明的该方面的所述控制方法因此通过对应于所述设定的内燃机要求动力增加燃料量来增加所述内燃机的输出动力。该设置确保了即使在所述内燃机的转速达到所述预设的转速后，对所述内燃机所需的所述要求动力的逐渐增加也能够适当地应对。用于所述动力输出装置的所述控制方法可以具有额外的步骤或操作，以实现上述动力输出装置中的各种功能中的任意一种。
附图说明
图1示意性示出了装配有本发明的一个实施例的动力输出装置的混合动力车辆20的结构；
图2示出了发动机22的示意性结构；
图3为示出由混合动力电子控制单元70执行的驱动控制例程的流程图；
图4示出了输入限制Win与输出限制Wout相对于电池50的电池温度Tb的变化；
图5示出了输入限制校正系数与输出限制校正系数相对于电池50的剩余容量SOC(充电状态)的变化；
图6示出了要求转矩设定图的一个示例；
图7示出了设定目标转速Ne＊与目标转矩Te＊的发动机22的参考运行曲线；
图8示出了目标空燃比设定图的一个示例，当发动机要求功率Pe＊超过最大功率Pemax时参考该目标空燃比设定图；
图9为示出包括在行星齿轮机构30中的各个旋转元件的转矩转速动力学关系的列线图；
图10示意性示出了一个变形例中另一混合动力车辆120的结构；以及
图11示意性示出了另一个变形例中又一混合动力车辆220的结构。
具体实施方式
参考附图，作为优选实施例，以下描述了实施本发明的一种方式。
图1示意性示出了装配有本发明的一个实施例的动力输出装置的混合动力车辆20的结构。图2示出了安装在混合动力车辆20上的发动机22的示意性结构。如所示例的，该实施例的混合动力车辆20包括发动机22；行星齿轮机构30，该行星齿轮机构具有行星架34，该行星架34转动小齿轮33，并且经由减振器28与发动机22的曲轴26或输出轴相连；连接至行星齿轮机构30的太阳轮31并且具有发电能力的电动机MG1；经由减速器35连接至与行星齿轮机构30的齿圈32相连的齿圈轴32a或驱动轴的电动机MG2；巡航系统90，其搜寻从当前位置到目的地的路线，并且导向路线；以及混合动力电子控制单元70，其控制整个混合动力车辆20的运行。齿圈轴32a或驱动轴经由动力传递齿轮60与差速器62连接至设置有驱动轮63a与63b的车轴64。输出至齿圈轴32a的输出动力用作混合动力车辆20的驱动动力。
发动机22为消耗碳氢化合物燃料，例如汽油或轻油，以输出动力的内燃机。如图2所示，由空气滤清器122过滤并且经由节气门124吸入进气导管的空气，与来自燃料喷射阀126的雾化的燃料混合成空气燃料混合物。通过进气门128将空气燃料混合物引入燃烧室166。利用由火花塞130产生的火花点燃所引入的空气燃料混合物，以形成爆炸燃烧。由燃烧能量压动的活塞132的往复运动转换为曲轴26的旋转运动。来自发动机22的废气穿过催化剂转化器(三元催化剂)134，以将包含在废气中的有毒成分，即，一氧化碳(CO)，碳氢化物(HC)，以及氮氧化物(NOX)转化为无害成分，并且排放到外部空气中。
发动机22处于发动机电子控制单元(以下称之为发动机ECU)24的控制之下。发动机ECU构成为微处理器，该微处理器包括CPU 24a，存储处理程序的ROM 24b，暂时存储数据的RAM 24c，输入与输出端口(未示出)，以及通讯端口(未示出)。发动机ECU 24经由其输入端口接收来自各种传感器的信号，这些传感器测量与检测发动机22的运行状况。输入发动机ECU 24的信号包括作为曲轴26的旋转位置而检测的来自曲轴位置传感器140的曲轴位置；作为发动机22中冷却水的温度而测量的来自水温传感器142的冷却水温；作为凸轮轴的旋转位置而检测的来自凸轮位置传感器144的凸轮位置，为了气体吸入到燃烧室和从燃烧室排出，驱动该凸轮轴，以开启与关闭进气门128与排气门；作为节气门124的开度而检测的来自节气门位置传感器146的节气门位置；以及来自固定于催化剂转化器134的催化剂床温度传感器135的催化剂床温度Tcat。发动机ECU 24经由其输出端口输出各种控制信号以及驱动信号以驱动和控制发动机22，例如，至燃料喷射阀126的驱动信号，至用于调整节气门124的位置的节气门电动机136的驱动信号，至与点火器一体的点火线圈138的控制信号，以及至可变气门正时机构150以改变进气门128的开启与关闭定时的控制信号。发动机ECU 24建立起与混合动力电子控制单元70的通讯，以响应于从混合动力电子控制单元70接收的控制信号驱动与控制发动机22，并且根据需求，考虑发动机22的运行状况而将数据输出至混合动力电子控制单元70。
电动机MG1与电动机MG2构造成公知的同步电动发电机，该电动发电机既可以作为发电机工作，也可以作为电动机工作。电动机MG1与电动机MG2经由逆变器41与42将电力传送至电池50，以及从电池50传送电力。电动机MG1与电动机MG2均由电动机电子控制单元(以下称之为电动机ECU)40驱动与控制。电动机ECU 40输入驱动与控制电动机MG1与电动机MG2所需的信号，例如，来自于旋转位置检测传感器43与44的表示电动机MG1与电动机MG2中的转子的旋转位置的信号和来自于电流传感器(未示出)的表示将施加于电动机MG1与电动机MG2的相电流的信号。电动机ECU 40将开关控制信号输出至逆变器41与42。电动机ECU 40建立与混合动力电子控制单元70的通讯，以响应于从混合动力电子控制单元70接收的控制信号而驱动与控制电动机MG1与电动机MG2，并根据需求，将关于电动机MG1与电动机MG2的运行状况的数据输出至混合动力电子控制单元70。
电池50处于电池电子控制单元(以下称之为电池ECU)52的控制与管理之下。电池ECU 52输入用于电池50管理与控制所需的信号，例如，来自于电压传感器(未示出)的端子间电压，该电压传感器位于电池50的端子之间；来自于电流传感器(未示出)的充电放电电流，该电流传感器位于连接电池50的输出端子的电力线54上；以及来自于温度传感器51的电池温度Tb，该温度传感器安装于电池50。电池ECU 52根据需求，通过通讯将关于电池50的运行状况的数据输出至混合动力电子控制单元70。为了电池50管理与控制的目的，电池ECU 52根据对由电流传感器测量的充电放电电流的累计值，计算电池50的剩余电量水平或剩余容量(SOC)。
巡航系统90具有包括地磁传感器与陀螺仪的方向传感器92，从卫星以无线电波形式接收车辆当前位置信息以及其他相关数据的GPS天线94；显示车辆当前位置信息并且允许操作者进行各种设定与操作，例如，操作者用于设定期望目的地的操作的触摸板显示器96；以及包括通讯端口和用于存储地图信息的记录介质(未示出)，例如DVD或硬盘的系统主体98。巡航系统90设计成基于地图信息，当前位置，以及目的地，搜寻到达设定的目的地的路径。巡航系统90根据需求，经由其通讯端口将车辆的当前位置的信息以及当前位置的区域信息传送至混合动力电子控制单元70。巡航系统90接收来自混合动力电子控制单元70的指令，并且将各种信息显示在显示器96上。术语“区域信息”在此表示使用区域，例如，居住区，商业区，以及工业区，其由分区法(规划法)设定。
混合动力电子控制单元70构建成微处理器，该微处理器包括CPU 72，存储处理程序的ROM 74，暂时存储数据的RAM 76，输入与输出端口(未示出)，以及通讯端口(未示出)。混合动力电子控制单元70经由其输入端口接收来自点火开关80的点火信号，来自变速位置传感器82的变速位置SP或变速杆81的当前设定位置，来自加速踏板位置传感器84的加速器开度Acc或驾驶员的加速踏板83的踩压量，来自制动踏板位置传感器86的制动踏板位置BP或驾驶员的制动踏板85的踩压量，来自车速传感器88的车速V，来自在驾驶员相对于动力性能而对燃料消耗优先选择时开启的燃料消耗优先模式开关56的模式信号M，以及来自燃料余量传感器58的燃料箱(未示出)中的燃料剩余量或燃料余量RF。混合动力电动控制单元70经由其通讯端口建立起与发动机ECU 24，电动机ECU 40，电池ECU52，以及巡航系统90之间的通讯，以接收来自上述发动机ECU 24，电动机ECU 40，电池ECU 52以及巡航系统90的各种控制信号数据，并向上述发动机ECU 24，电动机ECU 40，电池ECU 52以及巡航系统90传送各种控制信号数据。
如上述构建的本实施例的混合动力车辆20基于车速V和加速器开度Acc(对应于驾驶员的加速踏板83的踩压量)设定将要输出至齿圈轴32a或驱动轴的要求转矩，并驱动与控制发动机22与电动机MG1、MG2，以确保根据预设的要求转矩将要求动力(功率)输出至齿圈轴32a。存在几种发动机22与电动机MG1、MG2的驱动控制模式。在转矩转化驱动模式中，当驱动与控制发动机22以输出对应于要求动力的动力所需水平时，驱动与控制电动机MG1与电动机MG2以使得发动机22的全部输出动力能够通过行星齿轮机构30、电动机MG1与电动机MG2发生转矩转化，并且输出至齿圈轴32a。在充电放电驱动模式中，驱动与控制发动机22以输出对应于用于为电池50充电或从电池50放电的电力与要求动力的总和的动力所需水平。驱动与控制电动机MG1与电动机MG2以使得相当于电池50充电或放电与要求动力的发动机22的全部或部分输出动力能够通过行星齿轮机构30、电动机MG1与电动机MG2发生转矩转化，并且输出至齿圈轴32a。在电动机驱动模式中，驱动与控制电动机MG2以确保将对应于要求动力的动力所需水平输出至齿圈轴32a，同时发动机22停止其运行。
本说明涉及具有上述结构的本实施例的混合动力车辆20的操作。图3为示出由混合动力电子控制单元70以预设时间间隔(例如，每几毫秒)反复执行的驱动控制例程的流程图。
图3的驱动控制例程一启动，混合动力电子控制单元70的CPU 72首先输入控制所需的各种数据，即，来自加速踏板位置传感器84的加速器开度Acc，来自车速传感器88的车速V，来自燃料消耗优先模式开关56的模式信号M，来自燃料余量(fuel level)传感器58的燃料余量RF，电动机MG1与电动机MG2的转速Nm1与Nm2，发动机22的转速Ne，催化剂床温度Tcat，电池50的输入限制Win与输出限制Wout，以及车辆位置信息NAV(步骤S100)。电动机MG1与电动机MG2的转速Nm1与Nm2根据由旋转位置检测传感器43与44所检测的电动机MG1与电动机MG2中的各个转子的旋转位置而计算得到，并且通过通讯从电动机ECU 40接收。发动机22的转速Ne根据安装于曲轴26的曲轴位置传感器140的输出信号而计算得到，并且通过通讯从发动机ECU 24接收。催化剂床温度Tcat由催化剂床温度传感器135的输出信号确定，并且通过通讯从发动机ECU 24接收。基于由温度传感器51测量的电池50的电池温度Tb以及电池50的剩余容量SOC设定电池50的输入限制Win与输出限制Wout，并且通过通讯从电池ECU 52接收。设定电池50的输入与输出限制Win与Wout的具体程序设定对应于电池温度Tb的输入限制Win与输出限制Wout的基准值，指定对应于电池50的剩余容量SOC的输入限制校正系数与输出限制校正系数，并且将输入限制Win与输出限制Wout的基准值乘以指定的输入限制校正系数与输出限制校正系数，以确定电池50的输入限制Win与输出限制Wout。图4示出了输入限制Win与输出限制Wout相对于电池50的电池温度Tb的变化。图5示出了输入限制校正系数与输出限制校正系数相对于电池50的剩余容量SOC的变化。通过通讯从巡航系统90接收车辆位置信息NAV，该车辆位置信息NAV包括车辆当前位置信息及其区域信息。
在数据输入后，基于输入的加速器开度Acc与输入的车速V，CPU 72设定要输出至与驱动轮63a与63b连接的齿圈轴32a或驱动轴的驱动要求转矩Tr＊作为混合动力车辆20所需的转矩，并设定发动机22所需的发动机要求功率Pe＊(步骤S110)。在本实施例中设定驱动要求转矩Tr＊的具体程序预先将相对于加速器开度Acc与车速V的驱动要求转矩Tr＊的变化作为要求转矩设定图存储在ROM 74中，并且根据该要求转矩设定图读取对应于给定的加速器开度Acc与给定的车速V的驱动要求转矩Tr＊。图6中示出了要求转矩设定图的一个实施例。发动机要求功率Pe＊根据图3流程图中步骤S110所示的方程，作为驱动要求功率Pr＊，将要充入电池50或从电池50放出的充电放电要求功率Pb＊(负值表示充电，正值表示放电)，以及潜在损失之和而计算得到，其中驱动要求功率Pr＊作为设定的驱动要求转矩Tr＊与齿圈轴32a的转速Nr的乘积而给出。通过将车速V乘以预设的转换系数k或将电动机MG2的转速Nm2除以减速器35的传动比Gr获得齿圈轴32a的转速Nr。根据加速器开度Acc与电池50的剩余容量SOC设定充电放电要求功率Pb＊。
随后判断设定的发动机要求功率Pe＊是否超过当发动机22运行在参考运行曲线上的驱动点(由转速Ne与转矩Te的组合限定出)处时的最大功率Pemax(步骤S120)。图7示出了参考运行曲线的一个示例。根据以下程序确定参考运行曲线。存在无数种转速Ne与转矩Te的组合，其乘积等于发动机要求功率Pe＊的固定值。获得最好燃料消耗与最优排放的转速Ne与转矩Te的最优组合从这些无数种组合中选出来。连续选择出用于发动机要求功率Pe＊的各个值中的每一个的获得最好燃料消耗与最优排放的转速Ne与转矩Te的最优组合。将连接所选择出来的用于发动机要求功率Pe＊的各个值的最优组合的线设定为参考运行曲线。因此，参考运行曲线上的驱动点表示获得最好燃料消耗与最佳排放的转速Ne与转矩Te的组合。该转速Ne与转矩Te的组合被认为是用设定成目标空燃比的理论空燃比(理论配比空燃比)(大约14.7)进行空燃比控制下的转速Ne与转矩Te。最大功率Pemax作为在设定成如图7中所示的最高转速Nemax的发动机22的转速Ne处的最高可能输出功率给出。设定最高转速Nemax的具体程序，预先根据基本环境法或其他相关法规设定基准噪声级，用实验等方法确定发动机22的转速Ne与混合动力车辆20的车辆外部噪声级之间的关系，基于确定的关系计算对应于基准噪声级的转速Ne，并且将计算的转速Ne设定成最高转速Nemax。最高转速Nemax可以根据车辆的当前位置的使用区域(居住区，商业区，或工业区)的区域信息而改变，该区域信息包括在从巡航系统90接收的车辆位置信息NAV中。例如，居住区中的最高转速Nemax可以设定得低于商业区与工业区中的最高转速Nemax。
在步骤S120处，当发动机要求功率Pe＊不大于最大功率Pemax时，根据图7所示的参考运行曲线设定目标转速Ne＊与目标转矩Te＊(步骤S125)。在步骤S120处，当发动机要求功率Pe＊超过了最大功率Pemax时，相反，CPU 72随后判断预先设定的燃料增加禁止条件是否成立(步骤S130)。当模式信号M表示燃料消耗优先模式开关56的开启设定时，当从巡航系统90输入的车辆位置信息NAV确定居住区作为车辆的当前位置的使用区域时，当燃料余量RF低于用于点亮燃料余量指示器(未示出)而预设的阈值时，或当催化剂床温度Tcat低于预设的催化剂激活(活性化)温度(例如，300℃或350℃)时，燃料增加禁止条件成立。在燃料增加禁止条件成立时，CPU 72参照图7所示参考运行曲线，并且分别将发动机22的目标转速Ne＊与目标转矩Te＊设定为最高转速Nemax与最大转矩Temax(步骤S135)。在这种情况下，为了增加燃料喷射量而将用于发动机22的空燃比控制的目标空燃比不设定为浓空燃比。另一方面，在燃料增加禁止条件不成立时，CPU 72将发动机22的目标转速Ne＊设定为最高转速Nemax(步骤S140)，并且基于发动机要求功率Pe＊，将用于发动机22的空燃比控制的目标空燃比(燃料增加参数)设定为浓空燃比(步骤S150)。图7所示参考运行曲线上的空燃比为理论空燃比，并且因此获得良好的燃料消耗与排放。然而，发动机输出功率Pe趋于在浓空燃比下比在理论空燃比下更高。将用于空燃比控制的目标空燃比设定成浓(rich)空燃比，以相对于吸入空气量增加燃料喷射量，这样能够在将发动机22的转速Ne保持在最高转速Nemax的情况下增加发动机输出功率Pe。对应于发动机要求功率Pe＊设定浓空燃比。例如，可以对应于发动机要求功率Pe＊与最大功率Pemax的比率设定浓空燃比。图8示出了目标空燃比相对于发动机要求功率Pe＊与最大功率Pemax的比率的变化。
在步骤S125与S135任一步骤中设定发动机22的目标转速Ne＊与目标转矩Te＊之后，或在步骤S140与S150中设定目标转速Ne＊与用于发动机22的空燃比控制的浓空燃比之后，CPU 72根据发动机22的目标转速Ne＊，齿圈轴32a的转速Nr(＝Nm2/Gr)以及行星齿轮机构30的传动比ρ，按照以下给出的方程(1)计算电动机MG1的目标转速Nm1＊，同时根据计算的目标转速Nm1＊与电动机MG1的当前转速Nm1，按照以下给出的方程(2)计算电动机MG1的转矩指令Tm1＊(步骤S160)。方程(1)为包括在行星齿轮机构30中的旋转元件的动力学关系的表达式。图9为示出包括在行星齿轮机构30中的各个旋转元件的转矩转速动力学关系的列线图。左轴S表示相当于电动机MG1的转速Nm1的太阳轮31的转速。中轴C表示相当于发动机22的转速Ne的行星架34的转速。右轴R表示通过将电动机MG2的转速Nm2乘以减速器35的传动比Gr而获得的齿圈32的转速Nr。方程(1)容易从图9的列线图导出。图9中轴R上的两个向上的粗箭头分别示出了当从稳定运行在目标转速Ne＊与目标转矩Te＊的指定驱动点处的发动机22输出转矩Te＊时，传递至齿圈轴32a的转矩，以及当从电动机MG2输出转矩Tm2＊时，经由减速器35作用于齿圈轴32a的转矩。方程(2)为以目标转速Nm1＊驱动与旋转电动机MG1的反馈控制的关系表达式。在方程(2)中，右边第二项中的k1与第三项中的k2分别表示比例项增益与积分项增益。
Nm1＊＝Ne＊·(1+ρ)/ρ-Nm2/(Gr·ρ)(1)
Tm1＊＝前一Tm1＊+k1(Nm1＊-Nm1)+k2∫(Nm1＊-Nm1)dt(2)
在计算电动机MG1的目标转速Nm1＊与转矩指令Tm1＊后，CPU 72根据以下给出的方程(3)和(4)计算下限转矩限制Tmin与上限转矩限制Tmax作为可以从电动机MG2输出的最小与最大转矩(步骤S170)。通过将电池50的输入限制Win与电动机MG1的功率消耗(发电电力)之间的差除以电动机MG2的输入的当前转速Nm2而给出下限转矩限制Tmin，其中电动机MG1的功率消耗是电动机MG1的转矩指令Tm1＊与输入的当前转速Nm1的乘积。通过将电池50的输出限制Wout与电动机MG1的功率消耗(发电电力)之间的差除以电动机MG2的输入的当前转速Nm2而给出上限转矩限制Tmax。CPU 72随后根据电动机MG1的驱动要求转矩Tr＊，转矩指令Tm1＊以及行星齿轮机构30的传动比ρ，按照以下给出的方程(5)计算将要从电动机MG2输出的暂定电动机转矩Tm2tmp(步骤S180)。CPU 72将暂定电动机转矩Tm2tmp限制至介于计算的下限转矩限制Tmin与上限转矩限制Tmax之间的范围，以设定电动机MG2的转矩指令Tm2＊。以这种方式设定电动机MG2的转矩指令Tm2＊将待要输出至齿圈轴32a或驱动轴的驱动要求转矩Tr＊限制在电池50的输入限制Win与输出限制Wout的范围中。方程(5)容易由图9的列线图导出。
Tmin＝(Win-Tm1＊·Nm1)/Nm2(3)
Tmax＝(Wout-Tm1＊·Nm1)/Nm2(4)
Tm2tmp＝(Tr＊+Tm1＊/ρ)/Gr(5)
在设定了发动机22的目标转速Ne＊与目标转矩Te＊(或可替换地，目标转速Ne＊与设定成浓空燃比的目标空燃比)以及电动机MG1与电动机MG2的转矩指令Tm1＊与Tm2＊之后，CPU 72将发动机22的目标转速Ne＊与目标转矩Te＊(或设定成浓空燃比的目标空燃比)传送至发动机ECU 24，并且将电动机MG1与电动机MG2的转矩指令Tm1＊与Tm2＊传送至电动机ECU 40(步骤S200)，同时从图3的驱动控制例程中退出。响应于目标转速Ne＊与目标转矩Te＊的接收，发动机ECU 24执行空燃比控制，该空燃比控制驱动节气门电动机136，以调整节气门124，用于吸入相应于目标转速Ne＊的所需空气量，同时驱动燃料喷射阀126，以喷射根据理论空燃比与所需空气量计算得到的所需的燃料量。另一方面，响应于目标转速Ne＊与设定成浓空燃比的目标空燃比的接收，发动机ECU 24执行空燃比控制，该空燃比控制驱动节气门电动机136，以调整节气门124，用于吸入相应于目标转速Ne＊的所需空气量，同时驱动燃料喷射阀126，以喷射根据设定成浓空燃比的目标空燃比与所需空气量计算得到的所需的燃料量。电动机ECU 40接收转矩指令Tm1＊与Tm2＊的设定，并且执行包含在各个逆变器41与42中的开关元件的开关控制，以便以转矩指令Tm1＊驱动电动机MG1，以转矩指令Tm2＊驱动电动机MG2。
一旦发动机22的转速达到最高转速Nemax，就不允许响应于发动机要求功率Pe＊逐渐增加将发动机22的驱动点沿参考运行曲线改变至更高转速Ne的驱动点。在上述实施例的混合动力车辆20中，在这种情况下，驱动控制对应于发动机要求功率Pe＊的增加而增加燃料喷射量，以增加发动机22的输出功率Pe。该控制程序因此即使在发动机22的转速Ne达到其最高转速Nemax之后，仍确保了对应于发动机要求功率Pe＊的增加的发动机22的输出功率Pe的增加。根据噪声级确定最高转速Nemax，该噪声级取决于发动机22的运行。本实施例的驱动控制获得了所需的发动机22输出功率Pe的增加，同时理想地限制了噪声级。一旦燃料增加禁止条件成立，以参考运行曲线上的驱动点驱动发动机22。这样确保了良好的排放与燃料消耗。在燃料消耗优先模式开关56的开启设定中，由于驾驶者相对于动力性能而对燃料消耗的优先选择而禁止燃料喷射量的增加。在居住区中，禁止燃料喷射量的增加，以防止由排放而增加的环境负担。在低燃料余量RF处，禁止燃料喷射量的增加，以延长以剩余燃料行驶的距离。在催化剂床温度Tcat低于催化剂激活温度处，因为由燃料获得的成分的浓含量可能会导致不充分的排放控制而禁止燃料喷射量的增加。
上述实施例在所有方面均被视为示例，而不是限制。在不脱离本发明的主要特征的范围或精神的情况下，可以存在多种变形，改变以及替换。
在上述实施例的混合动力车辆20中，对在空燃比控制中的发动机要求功率Pe＊不存在特定限制，该空燃比控制将目标空燃比设定为浓空燃比，并且增加燃料喷射量，以增加在保持为最高转速Nemax的发动机22的转速Ne处的发动机22的输出功率Pe。然而，也可为发动机要求功率Pe＊设定一些限制。在这种情况下，因为无论发动机22的输出功率Pe的增加如何，保持发动机22的转速Ne恒定，以电动机MG1的转矩Tm1控制发动机22的转速。这样导致充入电池50的充电量的增加。发动机要求功率Pe＊的限制理想地防止了充入电池50的充电量超出其输入限制Win。用于这种限制的一种典型程序判断发动机要求功率Pe＊是否超出作为从驱动要求功率Pr＊减去输入限制Win(负值，参见图3)的结果给出的差值(Pr＊-Win)，并且在发动机要求功率Pe＊超出该差值的情况下，设定警戒(guard)以将发动机要求功率Pe＊限制在该差值(Pr＊-Win)。该配置有效地防止了电池50的过充电。
在上述实施例的混合动力车辆20中，当发动机要求功率Pe＊不大于最大功率Pemax时，以参考运行曲线上的驱动点驱动发动机22。即使在这种情况下，响应于由驾驶者踩压加速踏板83而产生的加速器开度Acc的突然增加，驱动控制的一种修改的流程可以将目标空燃比设定为浓空燃比，以增加发动机22的输出功率Pe。
在上述实施例的混合动力车辆20中，通过减速器35对电动机MG2的动力进行变换(变速)，并且将该动力输出至齿圈轴32a。本发明的技术可以应用于图10中所示变形结构的混合动力车辆120。在图10的混合动力车辆120中，电动机MG2的动力连接至另一车轴(与车轮64a与64b相连的车轴/车桥)，该另一车轴不同于与齿圈轴32a相连的车轴(与车轮63a与64b相连的车轴)。
在上述实施例的混合动力车辆20中，经由行星齿轮机构30，将发动机22的动力传递至与驱动轮63a与63b相连的齿圈轴32a或驱动轴。本发明的技术也可以应用于图11中所示另一变形结构的混合动力车辆220。图11的混合动力车辆220装配有双转子电动机230。双转子电动机230包括连接至发动机22的曲轴26的内转子232以及连接至用于将动力输出至驱动轮63a与63b的驱动轴的外转子234。双转子电动机230将发动机22的部分输出动力传递至驱动轴，同时将剩余发动机输出动力转化为电力。
以上实施例涉及将本发明应用于混合动力车辆20。然而，本发明的技术并不限于安装在这种混合动力车辆上的动力输出装置，其也可应用于安装在任意的各种汽车，其他车辆以及其他移动体，例如小船，大船以及飞行器上，具有空燃比控制功能的动力输出装置，以及安装在任意像建筑机械的固定设备上，具有空燃比控制功能的动力输出装置。本发明的另一应用是该动力输出装置的控制方法。
本申请要求了2005年12月19日提交的申请号为No.2005-365433的日本专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并在此。
本发明的技术优选地应用于汽车相关的工业，其包括通用汽车，公共汽车，卡车；以及运输车辆相关的工业，其包括火车，小船，大船以及飞行器；重型设备相关的工业，其包括建筑设备与机械；以及农业机械相关的工业。

Claims (8)

1.一种动力输出装置，用于将动力输出至驱动轴，包括：
内燃机；
与所述内燃机的输出轴以及所述驱动轴相连，并能够通过电力和动力的输入和输出将所述内燃机的至少部分输出动力输出至所述驱动轴的电力动力输入输出机构；
能够向所述驱动轴输入动力和从所述驱动轴输出动力的电动机；
能够从所述电力动力输入输出机构与所述电动机传送电力和向所述电力动力输入输出机构与所述电动机传送电力的蓄电器；
设定所述驱动轴所需的驱动轴要求动力的驱动轴要求动力设定机构；
基于所述蓄电器的状态与所设定的驱动轴要求动力，设定所述内燃机所需的内燃机要求动力的内燃机要求动力设定机构；以及
控制机构，当所述内燃机的转速达到预设的最高转速，并且所述设定的内燃机要求动力超过预先设定的最大动力时，基于所述设定的内燃机要求动力设定燃料增加参数，并且控制所述内燃机、所述电力动力输入输出机构以及所述电动机，以喷射对应于所述设定的燃料增加参数的燃料量，并且根据所述设定的驱动轴要求动力向所述驱动轴输出动力，同时保持所述内燃机的转速不变，其中，所述最大动力表示由所述内燃机输出的最高可能的动力，并且所述最大动力根据所述最高转速与参考运行曲线计算，所述参考运行曲线由以等于或接近理论空燃比的空燃比进行空燃比控制而获得。
2.根据权利要求1所述的动力输出装置，其中，所述最高转速根据由所述内燃机的运行所产生的噪声级确定。
3.根据权利要求1或2所述的动力输出装置，其中，在当在所述内燃机的转速达到所述最高转速之后需要增加燃料量的情况下，所述控制机构将燃料量增加至不超出根据所述蓄电器的输入限制而设定的所述内燃机要求动力的最大值的预设范围。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的动力输出装置，其中，所述控制机构在预设的燃料增加禁止条件成立时不增加燃料量，即使当所述内燃机的当前转速达到所述预设的最高转速并且所述设定的内燃机要求动力超过所述预先设定的最大动力时。
5.根据权利要求4所述的动力输出装置，其中，所述预设的燃料增加禁止条件为从以下条件中选出来的至少一种条件：设定燃料消耗优先模式的条件，在预设区域中运行的条件，燃料余量处于预设的低水平范围的条件，以及位于所述内燃机的排气通道中的排气净化催化剂的温度低于预设的激活温度的条件。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的动力输出装置，其中，所述电力动力输入输出机构具有：三轴型动力输入输出机构，所述三轴型动力输入输出机构与所述内燃机的输出轴、所述驱动轴和旋转轴这三个轴相连，并且基于从这三个轴中任意两个轴输入的动力和输出至这三个轴中任意两个轴的动力，将动力输出至剩余的一个轴或者从剩余的一个轴输入动力；以及从所述旋转轴输入动力或将动力输出至所述旋转轴的发电机。
7.一种车辆，其装备有根据权利要求1至6中任一项所述的动力输出装置，并具有与所述驱动轴相连的车轴。
8.一种动力输出装置的控制方法，其中所述动力输出装置具有：内燃机；与所述内燃机的输出轴以及驱动轴相连，并能够通过电力和动力的输入和输出将所述内燃机的至少部分输出动力输出至所述驱动轴的电力动力输入输出机构；能够向所述驱动轴输入动力和从所述驱动轴输出动力的电动机；以及能够从所述电力动力输入输出机构及所述电动机传送电力和向所述电力动力输入输出机构及所述电动机传送电力的蓄电器，
所述控制方法包括
(a)设定所述驱动轴所需的驱动轴要求动力；
(b)基于所述蓄电器的状态与所述设定的驱动轴要求动力，设定所述内燃机所需的内燃机要求动力；以及
(c)当所述内燃机的转速达到预设的最高转速，并且所述设定的内燃机要求动力超过预先设定的最大动力时，基于所述设定的内燃机要求动力设定燃料增加参数，并且控制所述内燃机、所述电力动力输入输出机构以及所述电动机，以喷射对应于所述设定的燃料增加参数的燃料量，并且根据所述设定的驱动轴要求动力向所述驱动轴输出动力，同时保持所述内燃机的转速不变，其中，所述最大动力表示由所述内燃机输出的最高可能的动力，并且所述最大动力根据所述最高转速与参考运行曲线确定，所述参考运行曲线由用等于或接近理论空燃比的空燃比进行空燃比控制而获得。
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