CN1772530A - 驱动装置和安装有该驱动装置的汽车 - Google Patents

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Abstract

在分别将电机(MG1)、发动机、驱动轴和电机(MG2)连接到行星齿轮机构的太阳齿轮、行星齿轮架和齿圈上的汽车中，通过DC/DC变换器(53)将蓄电池(52)连接到电机(MG1、MG2)的逆变器(41、42)公用的电力线(51)上，同时将电容器(54)连接到电力线(51)上，晶体管(TR)位于电力线(51)和电容器(54)之间并安装在对电容器(54)进行充电的方向上，同时逆并联地将二极管(DI)连接在晶体管(TR)上。由于通过晶体管(TR)和DC/DC变换器(53)的驱动控制，能够将来自蓄电池(52)的电压变换到所希望电压并输出到电力线(51)上，同时能够对电容器(54)的充放电进行调整，可以适当地使电容器(54)进行充放电，更可靠地对应于要求动力，从而能够使行驶性能提高。

Description

驱动装置和安装有该驱动装置的汽车
技术领域
本发明涉及一种对驱动轴进行驱动的驱动装置和安装有该驱动装置的、将车轴与上述驱动轴连接而行驶的汽车。
背景技术
一直以来，作为这种驱动装置，提出了将电容器和蓄电池通过各自的继电器A、B而并列连接在对向驱动车轮输出动力的电动机进行驱动的逆变器上的技术方案(例如参考特开平9-98514号公报)。在这种装置中，当电容器端子之间的电压比蓄电池端子之间电压大时，仅打开继电器A，仅从电容器向电动机供电，一旦电容器端子之间的电压小于等于蓄电池端子之间电压，则关闭继电器A，同时打开继电器B，仅由蓄电池向电动机供电，当电容器端子之间的电压大于等于蓄电池端子之间电压且要求电动机高输出时，同时打开继电器A、B，由电容器和蓄电池两者向电动机供电。
发明内容
在包括为了对应于电动机高输出化而能够提高蓄电池电压并向逆变器供给的DC/DC变换器类型的驱动装置中，能够自由地对由DC/DC变换器而作用在逆变器输入侧上的电压进行调节。在使用将电容器和蓄电池组合在这种驱动装置上的电源系统时，为了使电容器性能充分发挥而使驱动性能提高，必须使蓄电池和电容器之间的连接关系适当，更适当地对DC/DC变换器进行驱动控制。
本发明的驱动装置和安装有该驱动装置的汽车的一个目的在于，利用将通过电压变换器与电动机的驱动电路连接的二次电池(蓄电池)和电容器组装在一起的驱动装置，来更可靠地应对要求动力。此外，本发明的驱动装置和安装有该驱动装置的汽车的一个目的在于，利用将通过电压变换器与电动机的驱动电路连接的二次电池和电容器组装在一起的驱动装置，使得由电动机所再生的电力更为适当地对电容器进行充电。此外，本发明的驱动装置和安装有该驱动装置的汽车的一个目的在于，利用将通过电压变换器与电动机的驱动电路连接的二次电池和电容器组装在一起的驱动装置，不使用性能过剩的电容器而使得驱动性能提高。
本发明的驱动装置和安装有该驱动装置的汽车为了实现上述目的的至少一部分而采用了下述技术方案。
本发明的驱动装置是一种对驱动轴进行驱动的驱动装置，其包括：相对上述驱动轴输入输出动力且能够发电的电动机；对上述电动机进行驱动的驱动电路；电源系统，该电源系统具有：通过电压变换器与上述驱动电路连接的二次电池、能够与连接该电压变换器和该驱动电路的电力系统进行电力交换的电容器、位于该电力系统和该电容器之间的连接开关；和以将基于所述驱动轴所要求动力的动力输出到该驱动轴的方式对上述驱动电路、上述电压变换器和上述连接开关进行驱动控制的驱动控制部。
在该本发明的驱动装置中，安装有电源系统，该电源系统具有：通过电压变换器而连接在对电动机进行驱动的驱动电路上的二次电池、能够与连接该电压变换器和驱动电路的电力系统进行电力交换的电容器、位于电力系统和电容器之间的连接开关；以将基于驱动轴所述要求动力的动力输出到驱动轴的方式对驱动电路、电压变换器和连接开关进行驱动控制。因而，在将电容器与通过电压变换器而连接在驱动电路上的二次电池组装在一起的驱动装置中，由电压变换器和连接开关的驱动控制，能够更可靠地对应于要求动力。
在上述本发明的驱动装置中，包括对上述电容器的端子之间的电压进行检测的电压检测器；上述驱动控制部，在上述连接开关被断开且要求上述电动机的再生控制时，能够以上述电动机被再生控制的方式对上述驱动电路进行驱动控制，并且以使作用在上述电力系统上的电压接近上述所检测到的电容器的端子之间的电压的方式对上述电压变换器进行驱动控制，在上述驱动控制后，以上述连接开关被连接并且能够以上述电动机再生的电力对上述电容器进行充电的方式对上述连接开关和上述电压变换器进行驱动控制。如此，在通过由电动机再生的电力对电容器进行充电时，能够遏制冲击电流的产生。在该种形态的本发明的驱动装置中，上述驱动控制部也能够对上述电压变换器进行驱动控制以使作用在上述电力系统上的电压与上述所检测到的电容器的端子之间的电压大致一致。
而且在本发明的驱动装置中，上述连接开关可以由安装在对上述电容器进行充电方向上的半导体开关，和与该半导体开关在逆向上并列连接的二极管构成。
在由半导体开关和二极管构成连接开关的这种形态的本发明的驱动装置中，上述驱动控制部也可以根据上述要求动力对上述半导体开关和上述电压变换器进行驱动控制，以从上述二次电池和上述电容器中至少之一向上述驱动电路供电。如此，则能够根据要求动力，从电容器向驱动电路供电。在这种形态的本发明的驱动装置中，上述驱动控制部，当能够在所述二次电池的输出限制的范围内将基于所述要求动力的动力输出到所述驱动轴上时，能够以从上述二次电池向上述驱动电路供电并且不从上述电容器向上述驱动电路供电的方式对上述半导体开关和上述电压变换器进行驱动控制，当不能在所述二次电池的输出限制的范围内将基于所述要求动力的动力输出到所述驱动轴上时，能够以从上述二次电池和上述电容器向上述驱动电路供电的方式对上述电压变换器进行驱动控制。一旦如此，即使在要求动力比较大的场合下，也能够更可靠地对应，同时，能够避免电容器的使用浪费。因此，不使用性能过剩的电容器而能够进一步提高驱动性能。
而且，在由半导体开关和二极管构成连接开关的这种形态的本发明的驱动装置中，上述驱动控制部，在上述电容器的端子之间的电压小于规定电压时，可对上述半导体开关和上述电压变换器进行驱动控制，以使电容器与上述电力系统断电。一旦如此，由于将电容器断电，将来自二次电池的电压由电压变换器变换到所希望的电压，并供应到驱动电路，因而能够避免伴随着电容器电压下降而供应到驱动电路的电压下降，能够从电动机输出的动力减小。
在本发明的驱动装置中，也可以包括内燃机、能够由来自该内燃机的动力发电并向上述驱动电路供电的发电部。在这种形态的本发明的驱动装置中，上述连接开关由安装在对上述电容器进行充电方向上的半导体开关、与该半导体开关在逆向上并列连接的二极管构成；上述驱动控制部，在上述要求动力大于等于规定动力时，为了输出该要求动力对上述内燃机和上述发电部进行运转控制，根据该内燃机所输出的动力和上述要求动力以从上述二次电池和上述电容器中至少一个向上述驱动电路供电的方式对上述半导体开关和上述电压变换器进行驱动控制，以将根据上述要求动力的动力输出到上述驱动轴的方式对上述驱动电路进行驱动控制。一旦如此，能够根据要求动力从电容器向驱动电路供电。在该种形态的本发明的驱动装置中，上述驱动控制部，当能够在所述内燃机输出的动力的范围内和在所述二次电池的输出限制的范围内将基于所述要求动力的动力输出到所述驱动轴时，以从上述二次电池向上述驱动电路供电并且不从上述电容器向上述驱动电路供电的方式对上述半导体开关和上述电压变换器进行驱动控制，当不能在所述内燃机输出的动力的范围内和在所述二次电池的输出限制的范围内将基于所述要求动力的动力输出到所述驱动轴上时，以从上述二次电池和上述电容器向上述驱动电路供电的方式对上述半导体开关和上述电压变换器进行驱动控制。一旦如此，即使例如在由要求动力的急增而产生内燃机响应延迟的场合下，能够更可靠地对应于要求动力，同时可以避免电容器的使用浪费。因而，不使用性能过剩的电容器，能够提高驱动性能。此时，所述发电部包括：与所述内燃机的输出轴和所述驱动轴以及第3旋转轴这3轴连接、将基于相对该3轴中的任意2轴输入和输出的动力的动力相对剩余的1轴输入和输出的3轴式动力输入输出器，和可相对所述第3旋转轴输入和输出动力的发电机。上述发电部是具有与上述内燃机的输出轴连接的第1转子以及与上述驱动轴连接的第2转子，并由该第1转子和该第2转子的电磁作用使这两个转子相对转动的成对转子电动机。
本发明的汽车是这样一种汽车，其包括：能够相对与车轴连接的驱动轴输入输出动力且能够发电的电动机；对上述电动机进行驱动的驱动电路；电源系统，该电源系统具有：通过电压变换器与上述驱动电路连接的二次电池、能够与连接该电压变换器和所述驱动电路的电力系统进行电力交换的电容器、位于该电力系统和该电容器之间的连接开关；和以将基于所述驱动轴所述要求动力的动力输出到该驱动轴的方式对上述驱动电路、上述电压变换器和上述连接开关进行驱动控制的驱动控制部。
在该本发明的汽车中，安装有电源系统，该电源系统具有：通过电压变换器而连接在对电动机进行驱动的驱动电路上的二次电池、能够与连接该电压变换器和驱动电路的电力系统进行电力交换的电容器、位于电力系统和电容器之间的连接开关；以将基于驱动轴所述要求动力的动力输出到驱动轴的方式对驱动电路、电压变换器和连接开关进行驱动控制。因而，在将电容器与通过电压变换器而连接在驱动电路上的二次电池组装在一起的系统中，由电压变换器和连接开关的驱动控制，能够更可靠地对应于要求动力。
附图说明
图1是示意性示出安装了根据本发明一个实施例的驱动装置的混合动力汽车20的结构的视图；
图2是示意性示出电源系统50的结构的视图；
图3是示出由实施例的混合动力汽车20的混合动力用电子控制单元70所实施的驱动控制例程的一个示例的说明图；
图4是示出要求扭矩设定用图的一个示例的说明图；
图5是示出晶体管驱动处理的一个示例的流程图；
图6是示出通常时处理的一个示例的流程图；
图7是示出发动机22的动作线(動作ライン)的一个示例以及设定目标转速Ne*和目标扭矩Te*的状态的说明图；
图8是示出动力分配综合(統合)机构30的各个转动要素的转速和扭矩的力学关系的说明图；
图9是示出再生时处理的一个示例的流程图；
图10是示出再生要求状态、系统电压Vsys和电容器电压Vcap、晶体管TR的状态的时间变化状态的说明图；
图11是示出大功率输出处理时的一个示例的流程图；
图12是示出加速踏板开度Acc、系统电压Vsys和电容器电压Vcap、晶体管TR的状态的时间变化状态的说明图；
图13是示意性示出变形例的混合动力汽车120的结构的视图；
图14是示意性示出变形例的混合动力汽车220的结构的视图。
具体实施方式
下文对本发明优选实施例进行说明。图1是示意性示出安装了作为本发明一个实施例的驱动装置的混合动力汽车20的结构的视图。如图所示，该实施例的混合动力汽车20包括：发动机22、通过减震器28而连接到作为发动机22输出轴的曲轴26上的3轴式动力分配综合机构30、与动力分配综合机构30相连且能够发电的电机MG1、安装在与动力分配综合机构30相连的作为驱动轴的齿圈轴32a上的减速齿轮35、与该减速齿轮35相连的电机MG2、与电机MG1和MG2进行电力交换的电源系统50、对车辆驱动系整体进行控制的混合动力用电子控制单元70。
发动机22是通过汽油或轻油等碳氢化合物燃料而输出动力的内燃机，通过输入来自对发动机22的运转状态进行检测的各种传感器的信号的发动机用电子控制单元(下文简称为发动机ECU)24接受燃料喷射控制、点火控制、吸入空气量调节控制等运转控制。发动机ECU24与混合动力用电子控制单元70通信，由来自混合动力用电子控制单元70的控制信号对发动机22进行运转控制，同时根据需要，将与发动机22的运行状态有关的数据输出到混合动力用电子控制单元70。
动力分配综合机构30具有外齿齿轮的太阳齿轮31、与该太阳齿轮31同轴设置的内齿齿轮的齿圈32、与太阳齿轮31啮合的同时与齿圈32啮合的多个小齿轮33、将多个小齿轮33保持可自由地自转和公转的行星齿轮架34，太阳齿轮31和齿圈32以及行星齿轮架34作为旋转要素而构成进行差动作用的行星齿轮装置。对于动力分配综合机构30，行星齿轮架34与发动机22的曲轴26连接，太阳齿轮31与电机MG1连接，减速齿轮35通过齿圈轴32a而与齿圈32连接，电机MG1作为发电机发挥功能时，从行星齿轮架34输入的、来自发动机22的动力根据其齿轮比分配于太阳齿轮31侧和齿圈32侧，而在电机MG1作为电动机发挥功能时，从行星齿轮架34输入的、来自发动机22的动力和从太阳齿轮31输入的、来自电机MG1的动力综合后向齿圈32侧输出。向齿圈32输出的动力从齿圈32开始、通过齿轮机构60和差动齿轮62，最终向车辆的驱动轮63a、63b输出。
电机MG1和电机MG2任意一个具有可作为发电机驱动的同时可作为电动机驱动的公知的同步发电电动机的结构，通过逆变器41、42与电源系统50进行电力的交换。将逆变器41、42与电源系统50连接的电力线51由各逆变器41、42共用的正极母线和负极母线构成，电机MG1、MG2之一发电的电力能够由另一电机消耗。因此，电源系统50根据电机MG1、MG2任意一个发生的电力或电力不足而充放电。另外，如通过电机MG1、MG2获取电力收支的平衡，则电源系统50就不进行充放电。电机MG1、MG2每一个均由电机用电子控制单元(以下称作电机ECU)40驱动控制。向电机ECU40输入驱动控制电机MG1、MG2用的必要信号，例如从检测出电机MG1、MG2的转子的旋转位置用的旋转位置检测传感器43、44来的信号或者输入由未图示的电流传感器检测出的、施加到电机MG1、MG2上的相电流等，由电机ECU40向逆变器41、42输出开关控制信号。电机ECU40与混合动力用电子控制单元70通信连通，根据来自混合动力用电子控制单元70的控制信号，驱动控制电机MG1、MG2的同时，根据需要，将与电机MG1、MG2的运转状态有关的数据向混合动力用电子控制单元70输出。
图2是示意性示出电源系统50结构的视图。如图所示，电源系统50包括：通过DC/DC变换器53而连接到作为逆变器41、42公用的正极母线和负极母线的电力线51上的蓄电池52、能够与电力线51进行电力交换的电容器54(例如电双层电容器等)、由位于电力线51和电容器54之间并安装在对电容器54进行充电方向上的晶体管TR(例如，IGBT等)以及与该晶体管TR逆向并联的二极管DI组成的连接开关55。通过DC/DC变换器53和晶体管TR的驱动控制，能够将来自蓄电池52的电压变换到所希望的电压并输出到电力线51上，同时能够对电容器54进行充放电调整。电源系统50由电源用电子控制单元(下文简称为电源ECU)59管理。将对电源系统50进行管理所必需的信号，例如来自设置在蓄电池52端子之间的电压传感器56a的蓄电池电压Vbat、来自连接在蓄电池52输出端子上的电流传感器56b的蓄电池电流Ibat、来自安装在蓄电池52上的温度传感器56c的蓄电池温度Tbat、来自设置在电容器54端子之间的电压传感器57a的电容器电压Vcap、来自连接在电容器54输出端子上的电流传感器57b的电容器电流Icap、来自安装在电容器54上的温度传感器57c的电容器温度Tcap、来自设置在与电力线51相连的平滑(滤波)电容器的端子之间的电压传感器58的系统电压Vsys等输入到该电源ECU59中，从电源ECU59向DC/DC变换器53输出开关(转换)控制信号，向晶体管TR输出驱动信号等。而且，电源ECU59通过通信端口与混合动力用电子控制单元70通信，由来自混合动力用电子控制单元70的控制信号对DC/DC变换器53和晶体管TR进行驱动控制，同时根据需要，将与电源系统50的状态有关的数据输出到混合动力用电子控制单元70内。
混合动力用电子控制单元70构成为以CPU72为中心的微处理器，除了CPU72，还具有存储处理程序的ROM74，暂时存储数据的RAM76，未图示的输入和输出端口和通信端口。来自点火开关80的点火信号，从检测出变速杆81的操作位置的变速位置传感器82来的变速位置SP，从检测出加速踏板83的踩下量的加速踏板位置传感器84来的加速踏板开度Acc，从检测出制动踏板85的踩下量的制动踏板位置传感器86来的制动踏板位置BP，来自车速传感器88的车速V等通过输入端口向混合动力用电子控制单元70输入。混合动力用电子控制单元70正如前述，通过通信端口与发动机ECU24、电机ECU40、电源ECU59连接，与发动机ECU24、电机ECU40、电源ECU59进行各种控制信号或数据的交换。
如此结构的实施例的混合动力汽车20基于与驾驶员对加速踏板83的踩下量相对应的加速踏板开度Acc和车速V，计算应当向作为驱动轴的齿圈轴32a输出的要求扭矩，对发动机22和电机MG1以及电机MG2进行运转控制，以将与该要求扭矩相对应的要求动力向齿圈轴32a输出。作为发动机22和电机MG1以及电机MG2的运转控制，具有：扭矩变换运转模式，其中，以与要求动力相称的动力从发动机22输出的方式运转控制发动机22的同时，以从发动机22输出的动力的全部通过动力分配综合机构30与电机MG1和电机MG2进行扭矩变换而向齿圈轴32a输出的方式驱动控制电机MG1和电机MG2；充放电运转模式，其中，以与要求动力和电源系统50充放电所需的电力之和相称的动力从发动机22输出的方式运转控制发动机22的同时，随着电源系统50的充放电，随着从发动机22输出的动力的全部或其一部分由动力分配综合机构30与电机MG1和电机MG2所致的扭矩变换，以要求动力向齿圈轴32a输出的方式驱动控制电机MG1和电机MG2；和电机运转模式，其中，以停止发动机22的运转并将与来自电机MG2的要求动力相称的动力向齿圈轴32a输出的方式进行运转控制等。
下面，对如此构成的实施例的混合动力汽车20的动作进行说明。图3是示出实由施例的混合动力汽车20的混合动力用电子控制单元70所实施的驱动控制例程一个示例的流程图。该例程每隔规定时间(例如8毫秒)往复执行。
执行驱动控制例程时，混合动力用电子控制单元70的CPU72首先执行对来自加速踏板位置传感器84的加速踏板开度Acc、来自制动踏板位置传感器86的制动踏板位置BP、来自车速传感器88的车速V、发动机的转速Ne、电机MG1和MG2的转速Nm1、Nm2、蓄电池52的剩余容量SOC、蓄电池温度Tbat、蓄电池输入限制Wbi、Wbo、电容器电压Vcap、电容器电流Icap、电容器温度Tcap、电容器输入输出限制Wci、Wco、系统电压Vsys等数据的输入处理(步骤S100)。此时，发动机22的转速Ne是将由图中未示出的转速传感器所检测的信号通过通信传递从发动机ECU24输入而获得。电机MG1、MG2的转速Nm1、Nm2是根据由旋转位置检测传感器43、44检测出的电机MG1、MG2的转子的旋转位置计算出的结果通过通信传递从电机ECU40输入而获得的。剩余容量SOC是将根据电流传感器56b所检测到的蓄电池电流Ibat的累计值而设定的数值通过通信传递而从电源ECU59输入的。蓄电池温度Tbat是将由温度传感器56c所检测到的信号通过通信传递而从电源ECU59输入的。蓄电池输入输出限制Wbi、Wbo是将根据蓄电池温度Tbat和剩余容量SOC所设定的数值通过通信传递而从电源ECU59输入的。电容器电压Vcap、电容器电流Icap、电容器温度Tcap、系统电压Vsys分别是由电压传感器57a、电流传感器57b、温度传感器57c、电压传感器58所检测到的数值通过通信传递而从电源ECU59输入的。电容器输入输出限制Wci、Wco是将根据电容器电流Icap、电容器电压Vcap、电容器温度Tcap而设定的数值通过通信传递而从电源ECU59输入。
在如此输入数据后，根据所输入的加速踏板开度Acc、制动踏板位置BP和车速V，设定作为驱动轴的齿圈轴32a所要求的扭矩Tdrv*和要求功率Pdrv*(步骤S110)。此时，要求扭矩Tdrv*在实施例中采用下述方式设定，即预先求取加速踏板开度Acc、制动踏板位置BP、车速V和要求扭矩Tdrv*的关系，并作为要求扭矩设定用图而存储在ROM74中，一旦给予了加速踏板开度Acc、制动踏板位置BP和车速V，则通过从所述图将对应要求扭矩Tdrv*导出。图4示出了要求扭矩设定用图的一个示例。而且，要求功率Pdrv*设定为将所设定的要求扭矩Tdrv*与齿圈轴32a的转速Nr相乘的结果。此时，可以采用下述方式计算齿圈轴32a的转速Nr，即用电机MG2的转速Nm2除以减速齿轮35的齿轮比Gr，或将车速V与换算系数相乘。
然后判断要求功率Pdrv*的数值是否小于0(步骤S120)、要求功率Pdrv*是否大于等于规定功率Pref(步骤S130)。此时，规定功率Pref是用于判断为了将要求扭矩Tdrv*输出到齿圈轴32a而仅来自发动机22的功率是否不足(是否需要来自电源系统50的辅助)的数值，由发动机22的性能等确定。一旦断定要求功率Pdrv*的数值不小于0且要求功率Pdrv*不大于等于规定功率Pref时，执行图6所示通常时处理(步骤S140)，当断定要求功率Pdrv*的数值小于0时，执行图9所示再生时处理(步骤S150)，当断定要求功率Pdrv*大于等于规定功率Pref时，执行图11所示大功率输出时处理(步骤S160)。下文中断对图3的驱动控制例程的说明，按顺序说明通常时处理、再生时处理、大功率输出时处理。首先，对作为前提的电源系统50所包括的晶体管TR的动作进行说明。图5是示出每隔规定时间(例如每隔8毫秒)往复执行的晶体管驱动处理的一个示例的流程图。在该晶体管驱动处理中，混合动力用电子控制单元70的CPU72判断电容器54的充电要求是否存在(形成)(步骤S200)，当存在充电要求时，接通晶体管TR(步骤S210)，当没有充电要求时，关闭晶体管TR(步骤S220)。也就是仅在对电容器54进行充电时才接通晶体管TR，除此之外，关闭晶体管TR。而且，下文将对电容器54的充电要求进行说明。
在图6所例示的通常时处理中，混合动力用电子控制单元70的CPU72根据电容器电压Vcap、电容器电流Icap和电容器温度Tcap而进行对电容器要求功率Pcap*的设定处理(步骤S300)。在实施例中通过下述方式进行该设定处理，也就是根据电容器温度Tcap，由图导出电容器54内部阻抗Rcap，根据所导出的内部阻抗Rcap、电容器电压Vcap和电容器电流Icap，由下式(1)计算电容器的开放电压Voc，根据所计算的电容器的开放电压Voc，由以下述方式预定的图设定电容器要求功率Pcap*，即电容器开放电压Voc比基准值大时，则电容器开放电压Voc越比基准值大，放电用功率就越大，而且，电容器开放电压Voc比基准值小时，电容器开放电压Voc越比基准值小，则充电用功率变大。而且，作为电容器要求功率Pcap设定充电用功率时，存在电容器54的充电要求，在上述图5的晶体管驱动处理中，接通晶体管TR。在设定了电容器要求功率Pcap*后，由所设定的电容器要求功率Pcap*以电容器54充放电的方式设定电压指令V*(步骤S310)。
Voc＝Vcap+Icap·Rcap...(1)
根据剩余容量SOC，设定蓄电池52应该充放电的蓄电池要求功率Pbat*(步骤S320)。此时，蓄电池要求功率Pbat*由下述那样预定的图而设定，即在剩余容量SOC比基准值大时，剩余容量SOC越比基准值大，放电用功率增大，而且，在剩余容量SOC比基准值小时，剩余容量SOC越比基准值小，则充电用功率增大。
在设定了蓄电池要求功率Pbat*后，由在图3的步骤S110所设定的要求功率Pdrv*、电容器要求功率Pcap*、蓄电池要求功率Pbat*以及损失Loss之和，设定应该从发动机22输出的发动机要求功率Pe*(步骤S330)。根据所设定的发动机要求功率Pe*，设定作为发动机22工作点的目标转速Ne*和目标扭矩Te*(步骤S340)。通过基于使发动机22高效地动作的动作线和发动机要求功率Pe*而设定目标转速Ne*和目标扭矩Te*来进行上述设定。图7示出了发动机22的动作线的一个示例以及设定目标转速Ne*和目标扭矩Te*状态。如图所示，目标转速Ne*和目标扭矩Te*能够由动作线和发动机要求功率Pe*(Ne*×Te*)为常数的曲线交点确定。
设定了发动机22的目标转速Ne*后，根据所设定的目标转速Ne*、齿圈轴32a的转速Nr(＝Nm2/Gr)和动力分配综合机构30的齿轮比ρ(＝太阳齿轮31的齿数/齿圈32的齿数)，由下式(2)计算电机MG1的目标转速Nm1*，同时根据所计算的目标转速Nm1*以及输入的当前转速Nm1，由下式(3)设定电机MG1的扭矩指令Tm1*(步骤S350)。图8示出了表示动力分配综合机构30的各个转动要素的转速和扭矩的力学关系的共线图。图中左边的S轴表示太阳齿轮31的转速，C轴表示行星齿轮架34的转速，R轴表示齿圈32(齿圈轴32a)的转速Nr。如上所述，由于太阳齿轮31的转速就是电机MG1的转速Nm1，行星齿轮架34的转速就是发动机22的转速Ne，所以电机MG1的目标转速Nm1*能够根据齿圈轴32a的转速Nr、发动机22的目标转速Ne*和动力分配综合机构30的齿轮比ρ由式(2)计算。因而，通过以电机MG1以目标转速Nm1*转动的方式设定扭矩指令Tm1*并对电机MG1进行驱动控制，能够使发动机22以目标转速Ne*转动。此时式(3)是用于使电机MG1以目标转速Nm1*转动的反馈控制中的关系式。在式(3)中，右边第2项“KP”是比例项的增益，右边第3项“KI”是积分项的增益。而且在图8中R轴上的2个粗线箭头表示：在目标转速Ne*和目标扭矩Te*的工作点下使发动机22正常(稳定)运转时，从发动机22输出的扭矩Te*向齿圈轴32a传递的扭矩和从电机MG2输出的扭矩Tm2*作用于齿圈轴32a上的扭矩。
Nm1*＝(Ne*·(1+ρ)-k·V)/ρ           ...(2)
Tm1*＝前次Tm1*+KP(Nm1*-Nm1)+KI∫(Nm1*-Nm1)dt...(3)
计算电机MG1的目标转速Nm1*和扭矩指令Tm1*后，根据要求扭矩Tdrv*、扭矩指令Tm1*、动力分配综合机构30的齿轮比ρ和减速齿轮35的齿轮比Gr，作为为了使要求扭矩Tdrv*作用在齿圈轴32a上而应该从电机MG2输出的扭矩，扭矩指令Tm2*由从图8所例示共线图的R轴上的扭矩关系而确定的下式(4)设定(步骤S360)，结束处理。
Tm2*＝(Tdrv*+Tm1*/ρ)/Gr          ...(4)
返回图3的步骤S140，在如上述那样设定电压指令V*、发动机22的目标转速Ne*和目标扭矩Te*、电机MG1和MG2的扭矩指令Tm1*、Tm2*后，则分别将电压指令V*输送到电源ECU59，将发动机22的目标转速Ne*和目标扭矩Te*输送到发动机ECU24中，将电机MG1和MG2的扭矩指令Tm1*、Tm2*输送到电机ECU40中(步骤S170)，结束驱动控制例程。为了使作用在电力线51上的电压成为电压指令V*，接收了电压指令V*的电源ECU59进行DC/DC变换器53的开关元件的开关控制。而且，为了使发动机22在由目标转速Ne*和目标扭矩Te*所示的工作点运行，接收了目标转速Ne*和目标扭矩Te*的发动机ECU24进行发动机22的燃料喷射控制和点火控制等控制。此外，为了使电机MG1以扭矩指令Tm1*被驱动，同时电机MG2以扭矩指令Tm2*被驱动，接收了扭矩指令Tm1*、Tm2*的电机ECU40进行逆变器41、42的开关元件的开关控制。
下文对图9所示的再生时处理进行说明。在再生时处理中，混合动力用电子控制单元70的CPU72根据电容器电压Vcap、电容器电流Icap、电容器温度Tcap由上式(1)计算电容器开放电压Voc(步骤S400)，根据所计算的开放电压Voc，判断电容器54是否能够充电(步骤S410)，该判断能够通过判断电容器开放电压Voc是否比充电用基准值(比电容器54的使用电压范围上限值小的数值)小而进行。一旦断定电容器54不能充电，不进行向电容器54的充电要求，将发动机22的目标扭矩Te*设定为0(步骤S450)，同时将电机MG1的扭矩指令Tm1*设定为0(步骤S460)，如下式(5)所示，将在图3的步骤S110所设定的要求扭矩Tdrv*由减速齿轮35的齿轮比Gr相除后的结果设定为作为应该从电机MG2输出扭矩的临时电机扭矩Tm2tmp(步骤S470)，同时如下式(6)所示，将蓄电池输入限制Wbi由电机MG2的转速Nm2相除后的数值设定为作为也可以从电机MG2输出的扭矩下限的扭矩限制Tm2min(步骤S480)。将临时电机扭矩Tm2tmp和扭矩限制Tm2min中较大的一个设定为电机MG2的扭矩指令Tm2*(步骤S490)，结束处理。然后，返回图3的驱动控制例程，将各个设定值向对应的ECU输送(步骤S170)，结束驱动控制例程。此时，由于不进行向电容器54的充电要求，晶体管TR原封不动地保持关闭，由电机MG2所再生的电力都对蓄电池52充电。此时，来自电机MG2的再生电力被限制在蓄电池输入限制Wbi的范围内。
Tm2tmp＝Tdrv*/Gr  ...(5)
Tm2min＝Wbi/Nm2   ...(6)
当在步骤S410断定电容器54能够充电时，接着，判断系统电压Vsys减去电容器电压Vcap后的电压差(＝Vsys-Vcap)是否比规定值β大(步骤S420)。此时，规定值β是用于遏制在系统电压Vsys和电容器电压Vcap的电压差大的状态下由接通晶体管TR而产生冲击电流的预定阈值。当断定电压差比规定值β大时，以使系统电压Vsys与电容器电压Vcap一致的方式设定电压指令V*(步骤S430)，执行上述步骤S450之后的处理。然后，当系统电压Vsys与电容器电压Vcap的电压差变得小于或等于规定值β时(步骤S420)，以进行向电容器54的充电要求同时对电容器54进行充电的方式设定电压指令V*(步骤S440)，执行上述步骤S450之后的处理。由于由该向电容器54的充电要求，在图5的晶体管处理中，晶体管TR接通，所以由在电机MG2所再生的电力开始对电容器54进行充电。此时，能够通过对电压指令V*进行调节，而进行向蓄电池52的充电电力和向电容器54的充电电力的分配。而且，一旦开始电容器54的充电，在步骤S480中，由下式(7)代替上式(6)，将蓄电池输入限制Wbi和电容器输入限制Wci之和由电机MG2的转速Nm2相除后的结果设定为扭矩限制Tm2min。因而，当电容器54充电时，由电机MG2所再生的电力被限制在蓄电池输入限制Wbi和电容器输入限制Wci的范围内。
Tm2min＝(Wbi+Wci)/Nm2                ...(7)
图10是示出再生要求的状态、系统电压Vsys、电容器电压Vcap和晶体管TR的状态随时间变化状态的说明图。如图10所示，在时刻t1，要求功率Pdrv*变得小于0而进行再生时处理(再生要求)时，首先，以电力线51的系统电压Vsys与电容器电压Vcap一致的方式对DC/DC变换器53进行驱动控制。此时，由于晶体管TR原封不动地保持关闭，电机MG2所再生的所有电力都对蓄电池52进行充电。当系统电压Vsys与电容器电压Vcap接近，它们的电压差变得小于等于规定值β时，则接通晶体管TR，开始向电容器54进行充电。因而，在对电容器54进行充电时，不会发生在系统电压Vsys和电容器电压Vcap之间的电压差大的状态下由接通晶体管TR而产生的冲击电流。
下文将对图11所示大功率输出时处理进行说明。在大功率输出时处理中，混合动力用电子控制单元70的CPU72根据电容器电压Vcap、电容器电流Icap和电容器温度Tcap，由上式(1)计算电容器的开放电压Voc(步骤S500)，根据计算出的电容器开放电压Voc，判断电容器54是否能够放电(步骤S510)。可以通过判断电容器开放电压Voc是否比放电用基准值(比电容器54的使用电压范围的下限值大的值)大而进行上述判断。当断定电容器54不能放电时，以电容器54与电力线51断电的方式设定电压指令V*(步骤S520)。因为二极管DI仅允许电流从电容器54向电力线51流动，而不允许逆向电流流动，在晶体管TR关闭时，通过成为系统电压Vsys比电容器电压Vcap高的状态，能够将电容器54与电力线51断电。因而，一旦设定了将电容器54与电力线51断电的电压指令V*，则将来自发动机22的能够输出的最大功率Pemax设定为发动机要求功率Pe*(步骤S580)。由与图6的步骤S340、S350相同的处理，对发动机22的目标转速Ne*和目标扭矩Te*进行设定(步骤S590)，同时对电机MG1的目标转速Nm1*和扭矩指令Tm1*进行设定(步骤S600)。因而根据要求扭矩Tdrv*、扭矩指令Tm1*、动力分配综合机构30的齿轮比ρ以及减速齿轮35的齿轮比Gr，由将上式(4)的“扭矩指令Tm2*”替换为“临时扭矩Tm2tmp”的下式(8)来计算作为应该从电机MG2输出的扭矩的临时扭矩Tm2tmp(步骤S610)，同时也可以如下式(9)那样，由电容器输出限制Wbo减去电机MG1的扭矩指令Tm1*和转速Nm1的乘积，将计算结果除以电机MG2的转速Nm2，而计算作为可以从电机MG2输出的扭矩的上限的扭矩限制Tm2max(步骤S620)，将临时扭矩Tm2tmp和扭矩限制Tm2max中小的一个设定为电机MG2的扭矩指令Tm2*(步骤S630)，结束处理。然后返回图3的驱动控制例程，将各个设定值向对应的ECU送信(步骤S170)，结束驱动控制例程。此时，虽然电容器54不放电，伴随着来自蓄电池52的放电，从电机MG2输出扭矩，但是该从电机MG2输出的扭矩被限制在蓄电池输出限制Wbo的范围内。
Tm2tmp＝(Tdrv*+Tm1*/ρ)/Gr    ...(8)
Tm2max＝(Wbo-Tm1*·Nm1)/Nm2   ...(9)
一旦在步骤S510断定电容器54能够放电，根据电机MG1的扭矩指令Tm1*的前次值和发动机22的转速Ne，由下式(10)计算作为实际上从发动机22输出的功率的实际发动机功率Pe(步骤S530)，将从图3的步骤S110中所设定的要求功率Pdrv*减去所设定的实际发动机功率Pe的结果设定为电源系统50应该放电的放电要求功率Pdchg*(步骤S540)。
Pe＝(前次Tm1*·(1+ρ)/ρ)×Ne  ...(10)
一旦设定了放电要求功率Pdchg*，对所设定的放电要求功率Pdchg*和蓄电池输出限制Wbo进行比较(步骤S550)，当放电要求功率Pdchg*比蓄电池输出限制Wbo大时，将从放电要求功率Pdchg*减去蓄电池输出限制Wbo的结果设定为电容器要求功率Pcap*(步骤S560)，以电容器要求功率Pcap*使电容器54放电的方式设定电压指令V*(步骤S570)，当放电要求功率Pdchg*小于等于蓄电池输出限制Wbo时，为了不使电容器54放电，以使电容器54与电力线51断电的方式设定电压指令V*(步骤S520)，进行上述步骤S580之后的处理。而且，当使电容器54放电时，由下式(11)代替上式(9)那样，从蓄电池输出限制Wbo和电容器输出限制Wco之和减去电机MG1的扭矩指令Tm1*与转速Nm1的乘积，并将其结果除以电机MG2的转速Nm2，将该除算结果设定为步骤S620的扭矩限制Tm2max。因而，此时从电机MG2输出的扭矩被限制在蓄电池输出限制Wbo和电容器输出限制Wco的范围内。
Tm2max＝(Wbo+Wco-Tm1*·Nm1)/Nm2    ...(11)
图12是示出加速踏板开度Acc、系统电压Vsys和电容器Vcap、晶体管TR状态的时间变化状态的说明图。如图所示，当在时刻t1，急剧踩下加速踏板83时，从图6的通常时处理转变到图11的大功率输出时处理，虽然伴随着要求功率Pdrv*的急增，发动机要求功率Pe*也急增，但是由发动机22的响应延迟，实际上由发动机22输出的功率只是缓慢地增加。此时，因为将来自电容器54的放电附加在来自蓄电池52的放电而对电机MG2进行驱动，即使从发动机22不输出发动机要求功率Pe*那样的功率，也可以输出要求功率Pdrv*。一旦在时刻t2，从电容器54获取电力，电容器电压Vcap下降，则在步骤S510断定电容器54不能放电，将电容器54从电力线51断开。
根据上述实施例的混合动力汽车20，由于将电容器54连接到通过DC/DC变换器53与蓄电池52相连的逆变器41、42公用的电力线51上，晶体管TR位于电力线51和电容器54之间并安装在对电容器54进行充电的方向上，同时逆并联地将二极管DI连接在该晶体管TR上，构成系统电源50，因而，由晶体管TR和DC/DC变换器53的驱动控制，能够适当地对电容器54的充放电进行管理，同时可将要求扭矩Tdrv*输出到作为驱动轴的齿圈轴32a上，因而，能够使行驶性能提高。
而且，根据实施例的混合动力用汽车20，在要求功率Pdrv*小于0而产生再生要求时，对电机MG2进行再生控制，同时，由于系统电压Vsys接近电容器电压Vcap，接通晶体管TR，开始向电容器54的充电，从而能够遏制在使电容器54充电时冲击电流的产生。
而且，根据实施例的混合动力用汽车20，当要求功率Pdrv*大于或等于规定功率Pref时，在从要求功率Pdrv*减去实际发动机功率Pe*后的放电要求功率Pdchg*小于或等于蓄电池输出限制Wbo时，为了将要求功率Pdrv*输出到齿圈轴32a上，仅由蓄电池52的放电就能供应发动机22输出功率所不足的部分。当放电要求功率Pdchg*比蓄电池输出限制Wbo大时，由于将电容器54的放电附加在蓄电池52的放电上，即使由伴随着要求功率Pdrv*的急增但发动机22的响应延迟而不能从发动机22输出充分的功率时，也可以输出要求功率Pdrv*。而且，由于将电容器54的使用限制在仅由蓄电池52的放电供应不了的场合，所以能够对应于要求功率Pdrv*而不使用性能过剩的电容器54。而且当电容器开放电压Voc变小并断定电容器54不能放电时，由于将电容器54从电力线51断电，伴随着系统电压Vsys下降，由于系统电压Vsys下降，能够避免不能从电机MG2输出扭矩的状态。
在实施例的混合动力汽车20中，是由减速齿轮35将电机MG2的动力变速后向齿圈轴32a输出的，但也可如图13的变形例的混合动力汽车120所例示的，也可将电机MG2的动力同与连接齿圈轴32a的车轴(与驱动轮63a、63b连接的车轴)不同的车轴(图13中与车轮64a、64b连接的车轴)连接。
在实施例的混合动力汽车20中，是将发动机22的动力通过动力分配综合机构30向与驱动轮63a、63b连接的、作为驱动轴的齿圈轴32a输出的，但也可如图14的变形例的混合动力汽车220所例示的，可包括具有与发动机22的曲轴26连接的内转子232和与将动力向驱动轮63a、63b输出的驱动轴连接的外转子234，将发动机22的动力的一部分向驱动轴传递的同时、将剩余的动力变换为电力的成对转子电动机230。
在实施例中，虽然说明了将本发明的驱动装置安装在混合动力汽车上，但是只要伴随着电源系统50的充放电能够由电机对驱动轴进行驱动，也可以将本发明的驱动装置安装在其它结构的汽车例如不包括发动机的电动汽车上，而且，也可以将本发明的驱动装置安装在汽车之外的列车等车辆或船舶、飞机等移动体上，也可以作为建筑机械的驱动装置而使用等，组装在移动体之外的机器中。
上文虽然使用实施例对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明并不局限于上述实施例，在不脱离本发明精神的范围内，不言而喻，能够以各种实施方式实施。

Claims (13)

1一种对驱动轴进行驱动的驱动装置，包括：
相对所述驱动轴输入输出动力且能够发电的电动机；
对所述电动机进行驱动的驱动电路；
电源系统，该电源系统具有：通过电压变换器与所述驱动电路连接的二次电池、能够与连接该电压变换器和该驱动电路的电力系统进行电力交换的电容器、位于该电力系统和该电容器之间的连接开关；和
以将基于所述驱动轴所要求动力的动力输出到该驱动轴的方式对所述驱动电路、所述电压变换器和所述连接开关进行驱动控制的驱动控制部。
2如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于：
包括对所述电容器的端子之间的电压进行检测的电压检测器；
所述驱动控制部，在所述连接开关被断开且要求所述电动机的再生控制时，以所述电动机被再生控制的方式对所述驱动电路进行驱动控制，并且以使作用在所述电力系统上的电压接近所述所检测到的电容器的端子之间的电压的方式对所述电压变换器进行驱动控制，在所述驱动控制后，以所述连接开关被连接并且用所述电动机再生的电力对所述电容器进行充电的方式对所述连接开关和所述电压变换器进行驱动控制。
3如权利要求2所述的驱动装置，其特征在于：所述驱动控制部对所述电压变换器进行驱动控制，以使作用在所述电力系统上的电压与所述检测到的电容器的端子之间的电压大致一致。
4如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于：所述连接开关由安装在对所述电容器进行充电方向上的半导体开关、和与该半导体开关在逆向上并列连接的二极管构成。
5如权利要求4所述的驱动装置，其特征在于：所述驱动控制部根据所述要求动力对所述半导体开关和所述电压变换器进行驱动控制，以从所述二次电池和所述电容器中至少之一向所述驱动电路供电。
6如权利要求5所述的驱动装置，其特征在于：所述驱动控制部，当能够在所述二次电池的输出限制的范围内将基于所述要求动力的动力输出到所述驱动轴上时，以从所述二次电池向所述驱动电路供电并且不从所述电容器向所述驱动电路供电的方式对所述半导体开关和所述电压变换器进行驱动控制，当不能在所述二次电池的输出限制的范围内将基于所述要求动力的动力输出到所述驱动轴上时，以从所述二次电池和所述电容器向所述驱动电路供电的方式对所述电压变换器进行驱动控制。
7如权利要求4所述的驱动装置，其特征在于：所述驱动控制部，在所述电容器的端子之间的电压小于规定电压时，对所述半导体开关和所述电压变换器进行驱动控制，以使该电容器与所述电力系统断电。
8如权利要求1所述的驱动装置，其特征在于：包括内燃机和能够由来自该内燃机的动力发电并向所述驱动电路供电的发电部。
9如权利要求8所述的驱动装置，其特征在于：所述连接开关由安装在对所述电容器进行充电方向上的半导体开关、与该半导体开关在逆向上并列连接的二极管构成；
所述驱动控制部，在所述要求动力大于等于规定动力时，为了输出该要求动力对所述内燃机和所述发电部进行运转控制，根据该内燃机所输出的动力和所述要求动力以从所述二次电池和所述电容器中至少一个向所述驱动电路供电的方式对所述半导体开关和所述电压变换器进行驱动控制，以将基于所述要求动力的动力输出到所述驱动轴的方式对所述驱动电路进行驱动控制。
10如权利要求9所述的驱动装置，其特征在于：所述驱动控制部，当能够在所述内燃机输出的动力的范围内和在所述二次电池的输出限制的范围内将基于所述要求动力的动力输出到所述驱动轴时，以从所述二次电池向所述驱动电路供电并且不从所述电容器向所述驱动电路供电的方式对所述半导体开关和所述电压变换器进行驱动控制，当不能在所述内燃机输出的动力的范围内和在所述二次电池的输出限制的范围内将基于所述要求动力的动力输出到所述驱动轴上时，以从所述二次电池和所述电容器向所述驱动电路供电的方式对所述半导体开关和所述电压变换器进行驱动控制。
11如权利要求8所述的驱动装置，其特征在于：所述发电部包括：与所述内燃机的输出轴和所述驱动轴以及第3旋转轴这3轴连接、将基于相对该3轴中的任意2轴输入和输出的动力的动力相对剩余的1轴输入和输出的3轴式动力输入输出器，和可相对所述第3旋转轴输入和输出动力的发电机。
12如权利要求8所述的驱动装置，其特征在于：所述发电部是具有与所述内燃机的输出轴连接的第1转子以及与所述驱动轴连接的第2转子，并由该第1转子和该第2转子的电磁作用使这两个转子相对转动的成对转子电动机。
13一种汽车，包括：
能够相对与车轴连接的驱动轴输入输出动力且能够发电的电动机；
对所述电动机进行驱动的驱动电路；
电源系统，该电源系统具有：通过电压变换器与所述驱动电路连接的二次电池、能够与连接该电压变换器和所述驱动电路的电力系统进行电力交换的电容器、位于该电力系统和该电容器之间的连接开关；和
以将基于所述驱动轴所述要求动力的动力输出到该驱动轴的方式对所述驱动电路、所述电压变换器和所述连接开关进行驱动控制的驱动控制部。
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