CN1819933B - 动力输出装置、控制动力输出装置的方法以及汽车 - Google Patents

动力输出装置、控制动力输出装置的方法以及汽车 Download PDF

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Abstract

本发明的技术基于蓄电池的输入限制和输出限制Win、Wout、电机要求电力Pm2、辅机要求电力Pcsm以及潜在的损失Ploss,设定从电动发电机输出的上限转矩Tm1max和下限转矩Tm1min(步骤S150)。然后,该技术限制发动机的目标转速Ne,以使得电动发电机的输出转矩在下限转矩Tm1min到上限转矩Tm1max的范围内(步骤S180至S200)。此布置确保了响应驾驶员的要求的转矩输出,同时有效地防止蓄电池过充电或过放电。

Description

动力输出装置、控制动力输出装置的方法以及汽车
技术领域
[0001] 本发明涉及动力输出装置和对应的方法以及汽车。更具体地,本发明涉及向驱动 轴输出动力的动力输出装置和控制该动力输出装置的方法,以及安装有内燃机的汽车。
背景技术
[0002] 一种已提出的动力输出装置具有发动机、包括与发动机的曲轴相连的行星架和与 机械连接到车轴的驱动轴相连的齿圈的行星齿轮装置、从行星齿轮装置的太阳齿轮输入动 力和向该太阳齿轮输出动力的第一电机、从驱动轴输入动力和向驱动轴输出动力的第二电 机以及向第一电机及第二电机提供电力和从第一电机及第二电机接收电力的蓄电池(例 如,见日本专利公开公报No. 11-187577)。该动力输出装置基于蓄电池的温度和充电状态设 定蓄电池的输入限制和输出限制,并在输入限制和输出限制的设定范围内驱动和控制第一 电机和第二电机。
[0003] 在现有技术的驱动和控制第一电机以调节发动机的驱动状态的动力输出装置 中,根据将输出至驱动轴的目标动力和将用于对蓄电池充电或将从蓄电池放电的目标充 电-放电电力来设定发动机的目标驱动点。控制发动机、第一电机以及第二电机,以在目标 驱动点下驱动发动机并将目标动力输出至驱动轴。可能需要改变发动机的目标驱动点,以 在蓄电池的输入限制和输出限制的范围内驱动第一电机和第二电机。
[0004] 本发明的动力输出装置包括通过电力的输入和输出来控制内燃机的运转的电力 输入输出单元以及能够向驱动轴输出动力的电机。本发明的动力输出装置、控制动力输出 装置的方法以及对应的汽车旨在基于蓄电装置例如二次电池的输出限制和输入限制控制 内燃机、电力输入输出单元以及电机。本发明还旨在防止蓄电装置例如二次电池过充电或 过放电。
发明内容
[0005] 为实现上述目的的至少一部分,本发明的动力输出装置、控制动力输出装置的方 法以及相应的汽车构造为如下。
[0006] 本发明涉及一种向驱动轴输出动力的动力输出装置,该动力输出装置包括:内燃 机;与所述内燃机的输出轴和所述驱动轴相连、通过电力和机械动力的输入和输出保持或 改变所述内燃机的驱动状态并将来自所述内燃机的动力的至少一部分输出至所述驱动轴 的电力-机械动力输入输出单元;能够从所述驱动轴输入动力和向所述驱动轴输出动力的 电机;能够向所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机提供电力和从所述电力-机械 动力输入输出单元及所述电机接收电力的蓄电器;以及控制器,该控制器包括:设定所述 蓄电器的输入限制和输出限制的输入-输出限制设定单元;基于所设定的输入限制和输出 限制设定所述电力-机械动力输入输出单元的可驱动范围的可驱动范围设定单元;响应操 作者的操作设定对所述驱动轴所要求的要求动力的要求动力设定单元;以及控制所述内燃 机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机以在所设定的可驱动范围内驱动所述电力-机械动力输入输出单元并将对应于所设定的要求动力的动力输出至所述驱动轴的 驱动控制单元。
[0007] 本发明的动力输出装置设定能够向所述电力-机械动力输入输出单元及所述电 机提供电力和从所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机接收电力的蓄电器的输入 限制和输出限制,并基于所设定的输入限制和输出限制设定所述电力-机械动力输入输出 单元的可驱动范围。该动力输出装置控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元 以及所述电机,以在所设定的可驱动范围内驱动所述电力-机械动力输入输出单元并将对 应于响应操作者的操作所设定的要求动力的动力输出至所述驱动轴。即,控制所述内燃机 和所述电力-机械动力输入输出单元以在可驱动范围内驱动所述电力-机械动力输入输 出单元,同时控制所述电机以将对应于要求动力的动力输出至所述驱动轴。因此,所述内燃 机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机的控制在蓄电器的输入限制和输出限 制内。该布置能有效地防止向蓄电器输入的电力或从蓄电器输出的电力过量。
[0008] 在本发明的动力输出装置的一个优选实施例中,所述可驱动范围设定单元基于所 设定的输入限制和输出限制、将输入至所述电机和将从所述电机输出的电机要求电力、将 从所述蓄电器供至辅机的辅机电力以及所述电力-机械动力输入输出单元的驱动状态设 定可驱动范围。该布置确保了适当地设定可驱动范围。在该实施例中,所述可驱动范围设 定单元可将由所述电力-机械动力输入输出单元限定的所述内燃机的可允许驱动范围设 定为可驱动范围。因此,内燃机的驱动范围在蓄电器的输入限制和输出限制内。在该实施例 的一个优选应用中,所述可驱动范围设定单元,基于所设定的输入限制和输出限制、电机要 求电力以及辅机电力规定可输入至所述电力-机械动力输入输出单元和可从所述电力-机 械动力输入输出单元输出的可允许输入_输出电力范围,根据所规定的可允许输入_输出 电力范围和所述电力-机械动力输入输出单元的驱动状态计算可从所述电力-机械动力输 入输出单元输出的可允许转矩范围,并基于所计算的可允许转矩范围设定所述内燃机的驱 动范围。在该实施例的另一个优选应用中,可驱动范围设定单元将内燃机的输出轴的转速 范围设定为可驱动范围。调节内燃机的输出轴的转速能够使内燃机的驱动范围在蓄电器的 输入限制和输出限制内。
[0009] 在本发明的动力输出装置的另一个优选实施例中,所述控制器还包括基于所设定 的要求动力设定所述内燃机的目标驱动状态的目标驱动状态设定单元。所述驱动控制单元 根据可驱动范围校正所设定的目标驱动状态,并控制所述内燃机、所述电力_机械动力输 入输出单元以及所述电机,以在所校正的目标驱动状态下驱动所述内燃机。该布置能有效 地防止由于没有对内燃机的目标驱动状态校正而可能出现向蓄电器输入的电力或从蓄电 器输出的电力过量。在该实施例的一个优选应用中,所述目标驱动状态设定单元至少将所 述内燃机的目标转速设定为目标驱动状态。所述驱动控制单元根据可驱动范围校正所设定 的目标转速,并控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机,以在所 校正的目标转速下驱动所述内燃机。
[0010] 在本发明的动力输出装置的又一优选实施例中,所述驱动控制单元控制所述内燃 机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机,以在输入限制和输出限制的设定范 围内将对应于要求动力的动力输出至所述驱动轴。该布置能够在蓄电器的输入限制和输出 限制的范围内将对应于要求动力的动力输出至所述驱动轴。[0011] 在本发明的动力输出装置中,所述电力-机械动力输入输出单元可包括:三轴动 力输入输出组件,该组件与三个轴即所述内燃机的所述输出轴、所述驱动轴以及第三轴相 连,并基于从所述三个轴中的两个轴输入的动力和输出至所述两个轴的动力规定从所述三 个轴中剩余的一个剩余轴输入的动力和输出至该剩余轴的动力;以及从所述第三轴输入动 力和向所述第三轴输出动力的发电机。所述电力-机械动力输入输出单元可包括具有第一 转子和第二转子的双转子发电机,该第一转子与所述内燃机的输出轴相连,该第二转子与 所述驱动轴相连并相对于第一转子转动,所述双转子发电机通过第一转子与第二转子之间 的电磁相互作用所产生的电力的输入和输出将来自所述内燃机的动力的至少一部分输出 至所述驱动轴。
[0012] 本发明还涉及一种安装有内燃机的汽车,该汽车包括:与所述内燃机的输出轴 相连并与和车轴机械连接的驱动轴相连、通过电力和机械动力的输入和输出保持或改变 所述内燃机的驱动状态并将来自所述内燃机的动力的至少一部分输出至所述驱动轴的电 力-机械动力输入输出单元;能够从所述驱动轴输入动力和向所述驱动轴输出动力的电 机;能够向所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机提供电力和从所述电力-机械动 力输入输出单元及所述电机接收电力的蓄电器;以及控制器,该控制器包括:设定所述蓄 电器的输入限制和输出限制的输入-输出限制设定单元;基于所设定的输入限制和输出限 制设定所述电力-机械动力输入输出单元的可驱动范围的可驱动范围设定单元;响应操作 者的操作设定对所述驱动轴所要求的要求动力的要求动力设定单元;以及控制所述内燃 机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机以在所设定的可驱动范围内驱动所述 电力-机械动力输入输出单元并将对应于所设定的要求动力的动力输出至所述驱动轴的 驱动控制单元。
[0013] 本发明的汽车设定能够向所述电力_机械动力输入输出单元及所述电机提供电 力和从所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机接收电力的蓄电器的输入限制和输 出限制,并基于所设定的输入限制和输出限制设定所述电力-机械动力输入输出单元的可 驱动范围。本发明的汽车还控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述 电机,以在所设定的可驱动范围内驱动所述电力-机械动力输入输出单元并将对应于响应 操作者的操作所设定的要求动力的动力输出至所述驱动轴。即,控制所述内燃机和所述电 力_机械动力输入输出单元以在可驱动范围内驱动所述电力_机械动力输入输出单元,同 时控制所述电机以将对应于要求动力的动力输出至所述驱动轴。因此,所述内燃机、所述电 力-机械动力输入输出单元以及所述电机的控制在蓄电器的输入限制和输出限制内。该布 置能有效地防止向蓄电器输入的电力或从蓄电器输出的电力过量。
[0014] 在本发明的汽车的一个优选实施例中,所述可驱动范围设定单元基于所设定的输 入限制和输出限制、将输入至所述电机和将从所述电机输出的电机要求电力、将从所述蓄 电器供至辅机的辅机电力以及所述电力-机械动力输入输出单元的驱动状态设定可驱动 范围。该布置确保了适当地设定可驱动范围。在该实施例中,所述可驱动范围设定单元可 将由所述电力-机械动力输入输出单元限定的所述内燃机的可允许驱动范围设定为可驱 动范围。因此,内燃机的驱动范围在蓄电器的输入限制和输出限制内。在该实施例的一个 优选应用中,所述可驱动范围设定单元基于所设定的输入限制和输出限制、电机要求电力 以及辅机电力规定可输入至所述电力-机械动力输入输出单元和可从所述电力-机械动力输入输出单元输出的可允许输入_输出电力范围,根据所规定的可允许输入-输出电力范 围和所述电力-机械动力输入输出单元的驱动状态计算可从所述电力-机械动力输入输 出单元输出的可允许转矩范围,并基于所计算的可允许转矩范围设定所述内燃机的驱动范 围。在该实施例的另一个优选应用中,可驱动范围设定单元将内燃机的输出轴的转速范围 设定为可驱动范围。调节内燃机的输出轴的转速能够使内燃机的驱动范围在蓄电器的输入 限制和输出限制内。
[0015] 在本发明的汽车的另一个优选实施例中,所述控制器还包括基于所设定的要求动 力设定所述内燃机的目标驱动状态的目标驱动状态设定单元。所述驱动控制单元根据可驱 动范围校正所设定的目标驱动状态,并控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单 元以及所述电机,以在所校正的目标驱动状态下驱动所述内燃机。该布置能有效地防止由 于没有对内燃机的目标驱动状态校正而可能出现向蓄电器输入的电力或从蓄电器输出的 电力过量。在该实施例的一个优选应用中,所述目标驱动状态设定单元至少将所述内燃机 的目标转速设定为目标驱动状态。所述驱动控制单元根据可驱动范围校正所设定的目标转 速,并控制所述内燃机、所述电力_机械动力输入输出单元以及所述电机,以在所校正的目 标转速下驱动所述内燃机。
[0016] 本发明还涉及一种控制动力输出装置的控制方法,所述动力输出装置包括:内燃 机;与所述内燃机的输出轴和驱动轴相连、通过电力和机械动力的输入和输出保持或改变 所述内燃机的驱动状态并将来自所述内燃机的动力的至少一部分输出至所述驱动轴的电 力-机械动力输入输出单元;能够从所述驱动轴输入动力和向所述驱动轴输出动力的电 机;以及能够向所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机提供电力和从所述电力-机 械动力输入输出单元及所述电机接收电力的蓄电器,该控制方法包括以下步骤:(a)设定 所述蓄电器的输入限制和输出限制;(b)基于所设定的输入限制和输出限制、将输入至所 述电机和将从所述电机输出的电机要求电力、将从所述蓄电器供至辅机的辅机电力以及所 述电力-机械动力输入输出单元的驱动状态设定所述电力-机械动力输入输出单元的可驱 动范围;(c)响应操作者的操作设定对所述驱动轴所要求的要求动力;以及(d)控制所述内 燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机,以在所设定的可驱动范围内驱动 所述电力-机械动力输入输出单元,并将对应于所设定的要求动力的动力输出至所述驱动 轴ο
[0017] 本发明的控制方法设定能够向所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机提 供电力和从所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机接收电力的蓄电器的输入限制 和输出限制,并基于所设定的输入限制和输出限制设定所述电力-机械动力输入输出单元 的可驱动范围。该方法还控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电 机,以在所设定的可驱动范围内驱动所述电力_机械动力输入输出单元并将对应于响应操 作者的操作所设定的要求动力的动力输出至所述驱动轴。即,控制所述内燃机和所述电 力_机械动力输入输出单元以在可驱动范围内驱动所述电力_机械动力输入输出单元,同 时控制所述电机以将对应于要求动力的动力输出至所述驱动轴。因此,所述内燃机、所述电 力-机械动力输入输出单元以及所述电机的控制在蓄电器的输入限制和输出限制内。该布 置能有效地防止向蓄电器输入的电力或从蓄电器输出的电力过量。
[0018] 在本发明的一个优选实施例中,所述控制方法在所述步骤(d)之前还包括基于所设定的要求动力设定所述内燃机的目标驱动状态的步骤。所述步骤(d)根据可驱动范围校 正所设定的目标驱动状态,并控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所 述电机,以在所校正的目标驱动状态下驱动所述内燃机。
附图说明
[0019] 图1示意性示出一个实施例中的混合动力车辆20的构造;
[0020] 图2是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;
[0021] 图3示出输入限制Win和输出限制Wout随蓄电池50的蓄电池温度Tb的变化;
[0022] 图4示出输出限制校正系数和输入限制校正系数随蓄电池50的充电状态(SOC) 的变化;
[0023] 图5示出要求转矩设定图(map)的一个示例;
[0024] 图6示出发动机22的驱动线(动作线,driving line)的一个示例以及设定目标 转速Ne *和目标转矩Te *的过程;
[0025] 图7示出关于动力分配综合机构30 (power distribution integration mechanism)中转动部件的动力学关系的列线图;
[0026] 图8示意性示出一个变形例的结构中的混合动力车辆120的构造;
[0027] 图9示意性示出另一个变形例的结构中的混合动力车辆220的构造。
具体实施方式
[0028] 下面说明作为优选实施例实施本发明的一个模式。图1示意性示出本发明的一个 实施例中的安装有动力输出装置的混合动力车辆20的构造。如所示出的,本实施例的混合 动力车辆20包括:发动机22,经由减振器28与用作发动机22的输出轴的曲轴26相连的 三轴型动力分配综合机构30,与动力分配综合机构30相连并能够产生电力的电机MG1,连 接到用作与动力分配综合机构30相连的驱动轴的齿圈轴32a的减速器35,与减速器35相 连的另一个电机MG2,以及控制整个动力输出装置的混合动力电子控制单元70。
[0029] 发动机22是消耗碳氢燃料例如汽油或轻油以输出动力的内燃机并受到发动机电 子控制单元(下文称为发动机ECU) 24的控制。发动机ECU 24从检测发动机22的运转状 况的各种传感器接收输入信号并实施包括燃料喷射控制、点火控制以及进气量调节控制的 操作控制。发动机ECU 24与混合动力电子控制单元70通信并接收来自混合动力电子控制 单元70的控制信号以控制发动机22的运转,同时根据要求向混合动力电子控制单元70输 出有关发动机22的运转状况的数据。
[0030] 动力分配综合机构30具有:为外齿轮的太阳齿轮31,为内齿轮并与太阳齿轮31 同心地设置的齿圈32,多个与太阳齿轮31和齿圈32啮合的行星齿轮33,以及以允许行星 齿轮33自由公转和在其各自的轴上自由自转的方式保持多个行星齿轮33的行星架34。即, 动力分配综合机构30构造成允许作为转动部件的太阳齿轮31、齿圈32以及行星架34差动 的行星齿轮机构。动力分配综合机构30中的行星架34、太阳齿轮31以及齿圈32分别连 接到发动机22的曲轴26、电机MGl以及经由齿圈轴32a连接到减速器35。在电机MGl用 作发电机时,从发动机22输出并通过行星架34输入的动力根据齿轮比分配给太阳齿轮31 和齿圈32。另一方面,在电机MGl用作电动机时,从发动机22输出并通过行星架34输入的动力与从电机MGl输出并通过太阳齿轮31输入的动力结合,该结合的复合动力输出至齿圈 32。输出至齿圈32的动力最终从齿圈轴32a经由齿轮机构60和差速器62传递到驱动轮 63a、63b0
[0031 ] 电机MGl和MG2都构造成公知的同步发电电动机,既可被驱动作为发电机,又可被 驱动作为电动机。电机MGl和MG2经由逆变器41和42从蓄电池50传递电力并向蓄电池 50传递电力。连接逆变器41和42与蓄电池50的电力线54包括这两个逆变器41和42共 用的正极母线和负极母线。这种布置允许由电机MGl和MG2中的一个产生的电力被另一个 电机消耗。蓄电池50用电机MGl或电机MG2的过量的电力充电,或者放电以补充电机MGl 或电机MG2的不足的电力。当电机MGl和MG2的电力平衡时,蓄电池50既不充电也不放 电。电机MGl和MG2都由电机电子控制单元(下文称为电机ECU) 40驱动和控制。电机ECU 40接收驱动和控制电机MGl和MG2所需的信号,例如来自检测电机MGl和MG2中转子的转 动位置的转动位置检测传感器43和44的信号以及提供给电机MGl和MG2并由未示出的电 流传感器检测的相电流的值。电机ECU 40向逆变器41和42输出开关(切换)控制信号。 电机ECU 40与混合动力电子控制单元70通信并响应来自混合动力电子控制单元70的控 制信号驱动和控制电机MGl和MG2,同时根据要求向混合动力电子控制单元70输出有关电 机MGl和MG2的运转状况的数据。
[0032] 蓄电池50由蓄电池电子控制单元(下文称为蓄电池E⑶)52控制。蓄电池E⑶52 接收控制蓄电池50所需的信号,例如,由设置在蓄电池50的端子之间的未示出的电压传感 器检测的端子之间间电压的值,由连接到与蓄电池50的输出端子相连的电力线54的未示 出的电流传感器检测的充电放电电流的值,以及由连接到蓄电池50的未示出的温度传感 器检测的蓄电池温度。蓄电池ECU 52根据要求经由通信向混合动力电子控制单元70输出 有关蓄电池50的状况的数据。蓄电池ECU 52从由电流传感器检测的充电放电电流的累积 值计算充电状态(SOC),用于控制蓄电池50。
[0033] 混合动力电子控制单元70构造成包括CPU 72、存储处理程序的R0M74、临时存储 数据的RAM 76、未示出的输入-输出端口以及未示出的通信端口的微处理器。混合动力电 子控制单元70经由输入端口接收各种输入:来自点火开关80的点火信号,来自检测换档杆 81的当前位置的换档位置传感器82的换档位置SP,来自检测加速踏板83的踩下量的加速 踏板位置传感器84的加速器开度Acc,来自检测制动踏板85的踩下量的制动踏板位置传 感器86的制动踏板位置BP,以及来自车速传感器88的车速V。混合动力电子控制单元70 经由通信端口与发动机E⑶24、电机E⑶40以及蓄电池E⑶52通信,以便如上文提及的那 样向发动机ECU 24、电机ECU 40以及蓄电池ECU 52传递各种控制信号和数据并从发动机 E⑶24、电机E⑶40以及蓄电池E⑶52传递各种控制信号和数据。
[0034] 这样构造的实施例的混合动力车辆20,基于对应于驾驶员对加速踏板83的踩下 量的加速器开度Acc和车速V,计算将输出至齿圈轴32a或驱动轴的要求转矩(所要求的转 矩)。发动机22以及电机MGl和MG2处于运转控制下,以能够将对应于所计算的要求转矩 的动力实际输出至齿圈轴32a。发动机22以及电机MGl和MG2的运转控制具有多种模式: 转矩转换驱动模式、充电-放电驱动模式以及电机驱动模式。在转矩转换驱动模式中,发动 机22处于运转控制下,以输出等于要求动力(所要求的动力)的动力。电机MGl和MG2被 驱动和控制,以使来自发动机22的总动力输出经受通过动力分配综合机构30以及电机MGl和MG2的转矩转换并输出至齿圈轴32a。在充电-放电驱动模式中,发动机22处于运转控 制下,以输出等于要求动力与用于蓄电池50的充电和放电的电力之和的动力。电机MGl和 MG2被驱动和控制,以随着蓄电池50的充电或放电使从发动机22输出的动力的全部或部分 经受通过动力分配综合机构30以及电机MGl和MG2的转矩转换并作为要求动力输出至齿 圈轴32a。在电机驱动模式中,发动机22的运转停止,而电机MG2被驱动和控制,以向齿圈 轴32a输出等于要求动力的动力。
[0035] 下面说明如上所述构造的实施例的混合动力车辆20的操作,尤其是在蓄电池50 的输入限制和输出限制下的操作。图2是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。该例程以预先设定的时间间隔(例如,每隔8毫秒)重复执行。
[0036] 当驱动控制例程开始时,混合动力电子控制单元70的CPU 72首先输入用于控制 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,电机MGl和MG2的转速Nml和Nm2,蓄电池50的输入限制和输出限制Win、Wout,以及发 动机22的转速Ne (步骤S100)。电机MG1、MG2的转速Nml、Nm2由通过转动位置检测传感器 43和44所检测出的电机MGl和MG2中转子的转动位置计算出,并经由通信从电机E⑶40 输入。发动机22的转速Ne响应来自未示出的、连接到曲轴26上的曲轴位置传感器的信号 计算出,并经由通信从发动机E⑶24输入。蓄电池50的输入限制和输出限制WiruWout根 据由温度传感器51所检测的蓄电池50的蓄电池温度Tb和蓄电池50的充电状态(SOC)而 设定,并经由通信从蓄电池ECU 52输入。一个具体的程序基于所观测的蓄电池温度Tb规 定输入限制和输出限制Win、Wout的基准值,基于蓄电池50的充电状态(SOC)确定输出限 制校正系数和输入限制校正系数,并将所规定的输入限制和输出限制Win、Wout的基准值 乘以各自的校正系数,以设定蓄电池50的输入限制和输出限制Win、Wout。图3示出输入 限制和输出限制WiruWout随蓄电池温度Tb的变化。图4示出输出限制校正系数和输入限 制校正系数随蓄电池50的充电状态(SOC)的变化。
[0037] 在输入这些数据之后,CPU 72基于加速器开度Acc和车速V的输入,设定将作为 车辆所需的转矩输出至齿圈轴32a或与驱动轮63a和63b相连的驱动轴的要求转矩Tr *和 将从发动机22输出的要求动力Pe* (步骤S110)。在此实施例的结构中,要求转矩Tr *随 加速器开度Acc和车速V的变化被预先规定并作为要求转矩设定图存储于ROM 74中。本 实施例的程序对应于给定的加速器开度Acc和给定的车速V从所存储的要求转矩设定图读 取并设定要求转矩Tr*。图5示出要求转矩设定图的示例。要求动力Pel皮计算为所设定 的要求转矩Tr *与齿圈轴32a的转速Nr的乘积、蓄电池50的充电-放电要求电力Pb *以 及潜在的损失“Loss”之和。齿圈轴32a的转速Nr可通过车速V乘以转换系数k或通过减 速器35的传动比Gr除电机MG2的转速Nm2获得。
[0038] 然后,CPU 72基于所设定的要求动力Pe *设定发动机22的目标转速Ne *和目标 转矩Te* (步骤S120)。此处,目标转速Ne*和目标转矩Te*根据用于有效地驱动发动机22 的驱动线和所设定的要求动力Pe *而设定。图6示出发动机22的驱动线的一个示例以及 设定目标转速Ne*和目标转矩Te*的过程(处理)。如图所示,目标转速Ne*和目标转矩Te Ί乍为驱动线与恒定发动机要求动力(功率斤^^(=彻*\1^*)的曲线的交点而获得。
[0039] 然后CPU 72设定作为从电机MG2输出最小所需水平的机械力所要求的电力的电 机要求电力Pm2,以及作为致动从蓄电池50接收电力供给的辅机(即,安装在车辆上的辅机,如空气压缩机)所要求的电力的辅机要求电力Pcsm(步骤S130和S140)。电机要求电 力Pm2设定为将从电机MG2输出的必要转矩,例如作为在起动发动机22的过程中响应从电 机MGl的转矩输出,齿圈轴32a或驱动轴所需的反作用力的转矩。辅机要求电力Pcsm根据 辅机的开关状态和负荷状态而设定。
[0040] 在设定电机要求电力Pm2和辅机要求电力Pcsm之后,基于输入限制和输出限 制Win、Wout、电机要求电力Pm2、辅机要求电力Pcsm、潜在的损失Ploss以及电机MGl的 转速Nml,设定作为从电机MGl输出的转矩的上限和下限的上限转矩Tmlmax和下限转矩 Tmlmin (步骤S150)。该具体的程序将电机MGl的电力(功率)pml(=转矩X转速Nml) 代入下面给出的方程式(1)并从方程式(1)推出下面给出的方程式(2)和(3),以计算上限 转矩Tmlmax和下限转矩Tmlmin :
[0041] Win ≤ Pm2+Pml+Ploss+Pcsm ≤Wout. . . (1)
[0042] Tmlmin = {Win-(Pm2+Ploss+Pcsm)}/Nml. . . (2)
[0043] Tmlmax = {ffout-(Pm2+Ploss+Pcsm)}/Nml. · · (3)
[0044] 然后,CPU 72根据下面给出的用于电机MGl的反馈控制的方程式(4)计算目标转 速Ne*相对于发动机转速Ne的变化的上限ANemax和下限Δ Nemin (上限变化和下限变 化),以便当发动机22当前在相对于所设定的上限转矩Tmlmax和下限转矩Tmlmin的转速 Ne下被驱动时在目标转速Ne*下驱动发动机22 (步骤S160)。在方程式(4)中,右侧第一 项中的Tbs、第二项中的kl以及第三项中的k2分别表示基项、比例项的增益以及积分项的 增益。ΔΝθ表示目标转速Ne*与当前转速Ne之间的差(Ne*-Ne)。比例项立即响应目标 转速Ne*与当前转速Ne之间的差,而积分项在每个循环中仅有很小的变化。因此,本实施 例的处理将基项和积分项作为固定值,并根据下面给出的方程式(5)和(6)计算上限变化 ANemax禾口下限变化Δ Nemin :
[0045] Tml = Tbs+kl · Δ Ne+k2 · f ANedt. . . (4)
[0046] Δ Nemin = (Tmlmin-Tbs_k2 · f Δ Nedt)/kl. · · (5)
[0047] Δ Nemax = (Tmlmax-Tbs_k2 · f Δ Nedt)/kl…(6)
[0048] 然后,CPU 72从目标转速Ne*减去当前转速Ne以计算目标转速变化ANe* (步骤 S170),并将所计算的目标转速变化Δ Ne *与上限变化Δ Nemax和下限变化Δ Nemin进行比 较(步骤S180)。当目标转速变化ANe *小于下限变化ANemin时,将当前转速Ne与下限 变化Δ Nemin之和设定为目标转速Ne* (步骤S190)。当目标转速变化ANe*大于上限变 化Δ Nemax时,将当前转速Ne与上限变化Δ Nemax之和设定为目标转速Ne * (步骤S200)。 当目标转速变化Δ Ne *不小于下限变化ANemin且不大于上限变化ANemax时,不执行目 标转速Ne*的重新设定。目标转速Ne*的这种重新设定使得为将发动机22的转速从当前 转速Ne改变为目标转速Ne *所需的电机MGl的输出转矩在下限转矩Tmlmin到上限转矩 Tmlmax的范围内。
[0049] CPU 72根据上面给出的方程式(4)由发动机22的预设定或重新设定的目标转速 Ne*与当前转速Ne之间的差计算电机MGl的转矩指令Tml* (步骤S210)。然后,CPU 72根 据下面给出的方程式(7),用电机MG2的当前转速Nm2除蓄电池50的输出限制Wout与电 机MGl的电力消耗(发生的电力)之差,以计算作为从电机MG2输出的上限转矩的转矩限 制Tmax (步骤S220),其中电机MGl的电力消耗为计算出的电机MGl的转矩指令Tml *与电机MGl的当前转速Nml的乘积。CPU 72还根据下面给出的方程式(8),由要求转矩Tr *、转 矩指令Tml*以及动力分配综合机构30的传动比P,计算作为将从电机MG2输出的转矩的 假定电机转矩Tm2tmp (步骤S230),并将计算出的转矩限制Tmax与计算出的假定电机转矩 Tm2tmp中较小的一个设定为电机MG2的转矩指令Tm2* (步骤S240)。方程式⑶示出动力 分配综合机构30中的转动部件的动力学关系。图7是示出关于动力分配综合机构30中的 转动部件的转速与转矩之间的动力学关系的列线图。轴线S示出等于电机MGl的转速Nml 的太阳齿轮31的转速。轴线C示出等于发动机22的转速Ne的行星架34的转速。轴线R 示出由电机MG2的转速Nm2乘以减速器35的传动比Gr所得的齿圈32的转速Nr。从此列 线图可以容易地推出方程式(8)。轴线R上的两个粗箭头分别表示当发动机22在由目标 转矩Te *和目标转速Ne *限定的具体驱动点稳定地驱动时由于从发动机22输出的转矩Te *经由动力分配综合机构30传递而作用在齿圈轴32a上的转矩,以及由于从电机MG2输出 的转矩Tm2 *经由减速器35传递而作用在齿圈轴32a上的转矩。以这种方式设定电机MG2 的转矩指令Tm2 Ί吏得将输出至齿圈轴32a或驱动轴的要求转矩Tr 1 皮设定为在蓄电池50 的输出限制范围之内的受限制转矩。 [0050] Tmax = (Wout-Tml * · Nml)/Nm2. . . (7) [0051 ] Tm2tmp = (Tr * +Tml */p ) /Gr. . . (8)
[0052] 在设定发动机22的目标转速Ne *和目标转矩Te *以及电机MGl和MG2的转矩指 令Tml *和Tm2 *之后,CPU72将发动机22的目标转速Ne *和目标转矩Te *发送到发动机E⑶ 24,并将电机MGl和MG2的转矩指令Tml *和Tm2 *发送到电机ECU 40 (步骤S250),然后退 出此驱动控制例程。发动机ECU 24接收目标转速Ne *和目标转矩Te *并执行发动机22的 燃料喷射控制和点火控制,以在由目标转速Ne *和目标转矩Te 1艮定的驱动点处驱动发动 机22。电机E⑶40接收转矩指令Tml *和Tm2 *并执行逆变器41和42中的开关元件的开 关控制,以利用转矩指令Tml *驱动电机MGl并利用转矩指令Tm2 *驱动电机MG2。
[0053] 如上所述,本实施例的混合动力车辆20基于蓄电池50的输入限制和输出限制 Win、Wout、电机MG2的电机要求电力Pm2、辅机要求电力Pcms、潜在的损失Ploss以及电机 MGl的转速Nml,设定从电机MGl输出的上限转矩Tmlmax和下限转矩Tmlmin。混合动力车 辆20重新设定发动机22的目标转速Ne*,以使得电机MGl的输出转矩在下限转矩Tmlmin 到上限转矩Tmlmax的范围内,并驱动发动机22,同时致动电机MGl和MG2。从而,发动机22 的驱动和电机MGl和MG2的致动都在蓄电池50的输入限制和输出限制WiruWout下。此布 置有效地防止了蓄电池50过充电或过放电。驾驶员所要求的要求转矩Tr*作为在蓄电池 50的输入限制和输出限制WiruWout范围内的受限制转矩输出至齿圈轴32a或驱动轴。因 此,本实施例的布置可在有效地防止蓄电池50过充电或过放电的同时,确保对应于驾驶员 所需水平的转矩输出。
[0054] 在本实施例的混合动力车辆20中,基于蓄电池50的输入限制和输出限制Win、 Wout、电机MG2的电机要求电力Pm2、辅机要求电力Pcms、潜在的损失Ploss以及电机MGl 的转速Nml,设定从电机MGl输出的上限转矩Tmlmax和下限转矩Tmlmin。将电机要求电力 Pm2计算作为从电机MG2输出最小所需水平的机械动力所要求的电力不是必须的。电机要 求电力Pm2可由从电机MG2输出最小所需水平的机械动力所要求的最小要求电力计算出, 例如通过将最小要求电力加上校正电力,或通过将最小要求电力乘以校正系数而计算出。电机要求电力Prn2也可通过任何其它技术设定,例如设定为等于电机MG2的当前电力消耗 或通过将当前电力消耗乘以校正系数而计算出。
[0055] 本实施例的混合动力车辆20基于蓄电池50的输入限制和输出限制Win、Wout设 定从电机MGl输出的上限转矩Tmlmax和下限转矩Tmlmin,并重新设定发动机22的目标转 速Ne*,以使电机MGl的输出转矩在下限转矩Tmlmin到上限转矩Tmlmax的范围内。一个 变形例的程序可基于蓄电池50的输入限制和输出限制Win、Wout直接设定发动机22的目 标转速Ne *,而不规定上限转矩Tmlmax和下限转矩Tmlmin。
[0056] 本实施例的混合动力车辆20使用所观测的电机MGl的转速Nml以基于蓄电池 50的输入限制和输出限制Win、Wout设定从电机MGl输出的上限转矩Tmlmax和下限转矩 Tmlmin。一个变形例的程序可估计在以上讨论的驱动控制例程的致动间隔或接近该致动 间隔的时间段之后预期的电机MGl的将来转速,并使用所估计的将来转速以设定上限转矩 Tmlmax和下限转矩Tmlmin。
[0057] 本实施例的混合动力车辆20,使用作为包括基项、比例项以及积分项的反馈控 制的关系表达式的方程式(4),以由上限转矩Tmlmax和下限转矩Tmlmin计算上限变化 ANemax和下限变化ANemin,或由目标转速Ne *和所观测的转速Ne设定转矩指令Tml *。 也可为相同的目的使用其它各种反馈控制关系表达式:例如,不包括积分项而仅包括基项 和比例项的关系表达式,不包括基项而仅包括比例项和积分项的关系表达式,或除了基项、 比例项和积分项之外还包括微分项的关系表达式。也可为相同的目的使用除反馈控制之外 的任何其它合适的控制的关系表达式。
[0058] 在本实施例的混合动力车辆20中,电机MG2的动力经受减速器35变速并输出至 齿圈轴32a。在示出为图8的混合动力车辆120的一个可能的变形例中,电机MG2的动力可 输出至不同于与齿圈轴32a相连的车轴(即,与车轮63a和63b相连的车轴)的另一车轴 (即,与车轮64a和64b相连的车轴)。
[0059] 在本实施例的混合动力车辆20中,发动机22的动力经由动力分配综合机构30输 出至用作与驱动轮63a和63b相连的驱动轴的齿圈轴32a。在图9的另一可能的变形例中, 混合动力车辆220可具有双转子电机230,该双转子电机具有与发动机22的曲轴26相连的 内转子232和与用于将动力输出至驱动轮63a、63b的驱动轴相连的外转子234,并将从发动 机22输出的动力的一部分传递至驱动轴,而将动力的剩余部分转换为电力。
[0060] 以上讨论的实施例在所有方面都应认为是示例性的而不是限制性的。在不脱离本 发明的主要特征的精神和范围的条件下可存在很多变形、改变和变化。本发明的精神和范 围由所附权利要求而不是上述说明指出。
[0061] 工业应用性
[0062] 本发明的技术可应用于动力输出装置和汽车的制造工业。

Claims (15)

  1. 一种向驱动轴输出动力的动力输出装置,该动力输出装置包括:内燃机;与所述内燃机的输出轴和所述驱动轴相连、通过电力和机械动力的输入和输出保持或改变所述内燃机的驱动状态并将来自所述内燃机的动力的至少一部分输出至所述驱动轴的电力-机械动力输入输出单元;能够从所述驱动轴输入动力和向所述驱动轴输出动力的电机;能够向所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机提供电力和从所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机接收电力的蓄电器;以及控制器,该控制器包括:设定所述蓄电器的输入限制和输出限制的输入-输出限制设定单元;基于所设定的输入限制和输出限制设定所述电力-机械动力输入输出单元的可驱动范围的可驱动范围设定单元;响应操作者的操作设定所述驱动轴所要求的要求动力的要求动力设定单元;以及控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机以在所设定的可驱动范围内驱动所述电力-机械动力输入输出单元并将对应于所设定的要求动力的动力输出至所述驱动轴的驱动控制单元,所述可驱动范围设定单元,基于所设定的输入限制和输出限制、要输入至所述电机和要从所述电机输出的电机要求电力、要从所述蓄电器供给至辅机的辅机电力、以及所述电力-机械动力输入输出单元的驱动状态,设定可驱动范围;所述可驱动范围设定单元将由所述电力-机械动力输入输出单元限定的所述内燃机的可允许驱动范围设定为可驱动范围。
  2. 2.根据权利要求1所述的动力输出装置,其特征在于,所述可驱动范围设定单元基于 所设定的输入限制和输出限制、电机要求电力以及辅机电力规定可输入至所述电力-机械 动力输入输出单元和从所述电力-机械动力输入输出单元输出的可允许输入-输出电力范 围,根据所规定的可允许输入_输出电力范围和所述电力_机械动力输入输出单元的驱动 状态计算可从所述电力-机械动力输入输出单元输出的可允许转矩范围,并基于所计算的 可允许转矩范围设定所述内燃机的驱动范围。
  3. 3.根据权利要求1所述的动力输出装置,其特征在于,所述可驱动范围设定单元将所 述内燃机的所述输出轴的转速范围设定为可驱动范围。
  4. 4.根据权利要求1所述的动力输出装置,其特征在于,所述控制器还包括基于所设定 的要求动力设定所述内燃机的目标驱动状态的目标驱动状态设定单元,以及所述驱动控制单元根据可驱动范围校正所设定的目标驱动状态,并控制所述内燃机、 所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机,以在所校正的目标驱动状态下驱动所述 内燃机。
  5. 5.根据权利要求4所述的动力输出装置,其特征在于,所述目标驱动状态设定单元至 少将所述内燃机的目标转速设定为目标驱动状态,以及所述驱动控制单元根据可驱动范围校正所设定的目标转速并控制所述内燃机、所述电 力-机械动力输入输出单元以及所述电机以在所校正的目标转速下驱动所述内燃机。
  6. 6.根据权利要求1所述的动力输出装置,其特征在于,所述驱动控制单元控制所述内 燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机以在输入限制和输出限制的设定范 围内将对应于要求动力的动力输出至所述驱动轴。
  7. 7.根据权利要求1所述的动力输出装置,其特征在于,所述电力-机械动力输入输出单 元包括:三轴动力输入输出组件,该组件与三个轴即所述内燃机的所述输出轴、所述驱动轴以 及第三轴相连,并基于从所述三个轴中的两个轴输入的动力和输出至所述两个轴的动力规 定从所述三个轴中剩余的一个剩余轴输入的动力和输出至该剩余轴的动力;以及从所述第三轴输入动力和向所述第三轴输出动力的发电机。
  8. 8.根据权利要求1所述的动力输出装置,其特征在于,所述电力-机械动力输入输出 单元包括具有第一转子和第二转子的双转子发电机,该第一转子与所述内燃机的输出轴相 连,该第二转子与所述驱动轴相连并相对于第一转子转动,所述双转子发电机通过第一转 子与第二转子之间的电磁相互作用所产生的电力的输入和输出将来自所述内燃机的动力 的至少一部分输出至所述驱动轴。
  9. 9. 一种安装有内燃机的汽车,该汽车包括:与所述内燃机的输出轴相连并与和车轴机械连接的驱动轴相连、通过电力和机械动力 的输入和输出保持或改变所述内燃机的驱动状态并将来自所述内燃机的动力的至少一部 分输出至所述驱动轴的电力-机械动力输入输出单元;能够从所述驱动轴输入动力和向所述驱动轴输出动力的电机;能够向所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机提供电力和从所述电力-机械动 力输入输出单元及所述电机接收电力的蓄电器;以及控制器,该控制器包括:设定所述蓄电器的输入限制和输出限制的输入-输出限制设 定单元;基于所设定的输入限制和输出限制设定所述电力-机械动力输入输出单元的可驱 动范围的可驱动范围设定单元;响应操作者的操作设定所述驱动轴所要求的要求动力的要 求动力设定单元;以及控制所述内燃机、所述电力_机械动力输入输出单元以及所述电机 以在所设定的可驱动范围内驱动所述电力-机械动力输入输出单元并将对应于所设定的 要求动力的动力输出至所述驱动轴的驱动控制单元,所述可驱动范围设定单元,基于所设定的输入限制和输出限制、要输入至所述电机 和要从所述电机输出的电机要求电力、要从所述蓄电器供至辅机的辅机电力、以及所述电 力-机械动力输入输出单元的驱动状态,设定可驱动范围;所述可驱动范围设定单元将由所述电力-机械动力输入输出单元限定的所述内燃机 的可允许驱动范围设定为可驱动范围。
  10. 10.根据权利要求9所述的汽车,其特征在于,所述可驱动范围设定单元基于所设定的 输入限制和输出限制、电机要求电力以及辅机电力规定可输入至所述电力_机械动力输入 输出单元和从所述电力_机械动力输入输出单元输出的可允许输入_输出电力范围,根据 所规定的可允许输入-输出电力范围和所述电力-机械动力输入输出单元的驱动状态计算 可从所述电力-机械动力输入输出单元输出的可允许转矩范围,并基于所计算的可允许转 矩范围设定所述内燃机的驱动范围。
  11. 11.根据权利要求9所述的汽车,其特征在于,所述可驱动范围设定单元将所述内燃机 的所述输出轴的转速范围设定为可驱动范围。
  12. 12.根据权利要求9所述的汽车,所述控制器还包括基于所设定的要求动力设定所述 内燃机的目标驱动状态的目标驱动状态设定单元,以及所述驱动控制单元根据可驱动范围校正所设定的目标驱动状态,并控制所述内燃机、 所述电力_机械动力输入输出单元以及所述电机,以在所校正的目标驱动状态下驱动所述 内燃机。
  13. 13.根据权利要求12所述的汽车,其特征在于,所述目标驱动状态设定单元至少将所 述内燃机的目标转速设定为目标驱动状态,以及所述驱动控制单元根据可驱动范围校正所设定的目标转速并控制所述内燃机、所述电 力-机械动力输入输出单元以及所述电机以在所校正的目标转速下驱动所述内燃机。
  14. 14. 一种控制动力输出装置的控制方法,所述动力输出装置包括:内燃机;与所述内燃 机的输出轴和驱动轴相连、通过电力和机械动力的输入和输出保持或改变所述内燃机的驱 动状态并将来自所述内燃机的动力的至少一部分输出至所述驱动轴的电力-机械动力输 入输出单元;能够从所述驱动轴输入动力和向所述驱动轴输出动力的电机;以及能够向所 述电力-机械动力输入输出单元及所述电机提供电力和从所述电力-机械动力输入输出单 元及所述电机接收电力的蓄电器;所述控制方法包括以下步骤:(a)设定所述蓄电器的输入限制和输出限制;(b)基于所设定的输入限制和输出限制、要输入至所述电机和要从所述电机输出的电 机要求电力、要从所述蓄电器供给至辅机的辅机电力、以及所述电力-机械动力输入输出 单元的驱动状态,设定所述电力-机械动力输入输出单元的可驱动范围;(c)响应操作者的操作设定所述驱动轴所要求的要求动力;以及(d)控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机,以在所设定的 可驱动范围内驱动所述电力-机械动力输入输出单元,并将对应于所设定的要求动力的动 力输出至所述驱动轴。
  15. 15.根据权利要求14所述的控制方法,其特征在于,所述控制方法在所述步骤(d)之前 还包括基于所设定的要求动力设定所述内燃机的目标驱动状态的步骤,其中,所述步骤(d)根据可驱动范围校正所设定的目标驱动状态,并控制所述内燃机、 所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机以在所校正的目标驱动状态下驱动所述 内燃机。
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