JP2002218602A - パラレル・ハイブリッド電気自動車における回生制動エネルギーの回収方法及び装置 - Google Patents

パラレル・ハイブリッド電気自動車における回生制動エネルギーの回収方法及び装置

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JP2002218602A JP2001337560A JP2001337560A JP2002218602A JP 2002218602 A JP2002218602 A JP 2002218602A JP 2001337560 A JP2001337560 A JP 2001337560A JP 2001337560 A JP2001337560 A JP 2001337560A JP 2002218602 A JP2002218602 A JP 2002218602A
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regenerative braking
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Mirozlava Jankovic
ジャンコビック ミロスラバ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 車両の運転性を向上するために、パワートレ
インの動揺を最小にする。 【解決手段】 本発明は、エンジン20をモーター22から
分離する切断クラッチ24を持つハイブリッド電気自動車
（HEV）のための、回生制動制御方法及びシステムであ
る。エンジン20がHEVの駆動系28から分離されると、エ
ンジンの摩擦とポンピング損失によるパワートレインの
負のトルクが排除されるので、より大きな回生制動エネ
ルギーを回収することが可能である。制御は、例えば、
ドライバーの要求、車速、アクセル・ペダルの位置、ブ
レーキ・ペダルの位置、エンジン状態、モーター状態及
びモーター故障状態を用いて、エンジンの駆動系への接
続及び分離すべき時期を判定する。制御は、接続又は分
離途上において、パワートレインにおけるエンジンのト
ルク変動に、回生制動量を対応させて調整する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、概略的には、ハイ
ブリッド電気自動車に関し、具体的には、駆動系へのト
ルクの動揺を最小にしながら、パラレル・ハイブリッド
電気自動車（hybridelectric vehicle略してHEV）にお
ける回生制動エネルギーの回収を最適化することに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関を動力源とする自動車などの車
両による化石燃料の消費及びそれらからの排出物の放出
量を削減する必要性は、良く知られている。電気モータ
ーを動力源とする車両は、この様なニーズに向けられた
ものである。しかしながら、電気自動車は、走行可能距
離及び最高出力が限られ、バッテリーの充電のためにか
なりの時間を必要とする。これに代る解決策が、内燃機
関と電気駆動モーターの両方を一台の車両に組合わせる
ことである。その様に構成された車両を普通、ハイブリ
ッド電気自動車（HEV）と呼ぶ。例えば、米国特許5,34
3,970号に概略が開示されている。
【０００３】HEVについては、各種の形態のものが開示
されてきた。多くのHEVの特許は、電気モーターの動作
と内燃機関の動作との間を車両のドライバーが選択する
のが必要であるシステムを開示している。それとは別
に、電気モーターが一組の車輪を駆動し、内燃機関が別
の組の車輪を駆動するものも、ある。
【０００４】他のより有用な形態も開発されてきた。例
えば、シリーズ・ハイブリッド電気自動車（Series Hyb
rid Electric Vehicle略してSHEV）は、発電機を駆動す
るエンジン（最も一般的には内燃機関）を持つ車両であ
る。そして、発電機は、バッテリー及び車両の駆動輪に
接続されたモーターに電気を供給する。エンジンと駆動
輪との間に機械的な接続関係はない。パラレル・ハイブ
リッド電気自動車（Parallel Hybrid Electric Vehicle
略してPHEV）は、車輪に動力を与えるトルクを発生する
ために組合わせられた、エンジン（最も一般的には内燃
機関）、バッテリーそして電気モーターを持つ、車両で
ある。
【０００５】パラレル／シリーズ・ハイブリッド電気自
動車（parallel/series hybrid electric vehicle略し
てPSHEV）は、PHEV構成とSHEV構成両方の特性を持つ。P
SHEVはまた、トルク（又は電力）分割パワートレイン構
成として、知られている。発電機は、バッテリーと、ト
ルク出力も発生するモーターに、電力を与える。この構
成において、トルク出力は、いずか又は両方から同時に
来ることが出来る。車両の制動システムは、バッテリー
に充電を行なうため発電機を駆動するトルクを供給する
ことが出来る。
【０００６】内燃機関を電気モーターと組合わせるのが
望ましいことは、明らかである。内燃機関の燃料消費量
と排出物の放出量を、車両の性能や航続距離を殆ど損な
うことなく、低下させることが出来る。それでもなお、
HEVの動作パラメーターを最適化する方法を開発する余
地がまだ残っている。その様な開発領域が２つあり、一
つはエンジンの始動／停止であり、もう一つは回生制動
である。エンジンの始動／停止の手法は、ドライバーが
要求する動力が小さい時に、エンジンを停止させ、それ
により、燃料の使用量と排出物の生成量を直接的に削減
する、というものである。
【０００７】回生制動は、車両が減速する際に、車両の
慣性エネルギーを収集するものである。一般的な車両に
おいて、慣性エネルギーは、減速中の車両のブレーキ又
はエンジンにおいて、熱として放散するのが普通であ
る。回生制動により、収集された慣性エネルギーが発電
機を介して車両のバッテリーに貯蔵された電荷の形態の
電気エネルギーに変換される。そして、この貯蔵された
エネルギーが、電気モーターに動力を与えるのに用いら
れる。結果として、回生制動も、燃料使用量と排出物発
生量を削減する。ある車両の構成においては、エンジン
を、駆動系の他の部分から分離することが出来る。これ
により、より大きな慣性エネルギーが貯蔵された電気エ
ネルギーへと変換されるのを可能とする。
【０００８】効率的な回生制動制御を有利に行なうに
は、車両の内燃機関のエンジン・ブレーキの影響を、他
のものと共に、考慮しなければならない。従来の車両に
おいて、エンジン・ブレーキは周知であり、そしてエン
ジンの摩擦とポンプ損失を含む２種類の負の駆動系トル
クにより特徴付けられるのが、普通である。両方の種類
の損失は、駆動系を介して車輪によりエンジンが駆動さ
れる結果である。エンジンの摩擦損失は、シリンダー壁
に沿ってピストン・リングが摺動することと、エンジン
のベアリングにおける回転運動の結果である。エンジン
のポンプ損失は、エンジンがその行程を動く際に、エン
ジンのそれぞれの気筒内での空気の圧縮のことを指して
いる。エンジン・ブレーキは、ドライバーが、ブレーキ
・ペダルに力を加えることなしに、車速を減ずるのを可
能とする。
【０００９】回生制動は、従来の一般的な内燃機関車両
で知られている。代表的な回生制動システムが、米国特
許5,086,865号に記載されている。この特許において、
回生制動制御器が、エンジンを車両の駆動系から分離す
る。車速と変速段に基き、電磁クラッチが駆動系を、油
圧ポンプ／モーターに接続し、それにより、車両の慣性
エネルギーは高圧油滞留器へ伝えられる。この圧力は、
例えば、車両の次回の加速中に、駆動系へ戻すことが出
来る。
【００１０】HEVにおける回生制動もまた、従来技術と
して知られている。米国特許5,839,533号には、エンジ
ン・ブレーキと回生制動のための、迅速に応答する駆動
源制動制御器が、開示されている。この特許の制御器
は、ドライバーが手動で設定する変速シフトレバーの位
置（例えば、ローギアなど）を判定する。エンジンの制
動力（負のトルク）は、自動変速機の変速比が増大する
につれて、増大する。手動で選択された制動力が、発電
機が生成可能な最大回生制動力を越える場合に、制御器
が、エンジン・ブレーキと回生制動の両方を、接続する
ことが出来る。
【００１１】米国特許5,915,801号は、内燃機関の制動
トルクをシミュレートする回生制動制御器を開示してい
る。この制御器は、切断クラッチを用いてエンジンを駆
動系から分離し、そして制動エネルギー（負のトルク）
を発電機やバッテリーなどの車載滞留器に蓄える。この
制御器は、例えば、アクセル・ペダルの解放速度に応じ
て目標制動トルクを判定することにより、回生制動の速
度と効率を高めるものである。それで、この制御器は、
大きな制動トルクが必要とされているときに、ブレーキ
・ペダルが踏込まれる前でさえも、遅れることなく、大
きな回生制動力を発生することを可能とする。これが、
ドライバーが手動のシフトレバーを低速段へと操作した
り、ブレーキ・ペダルを更に踏込む必要性を、減らす。
制御器は目標制動トルクを判定するため、ブレーキ・ペ
ダル位置、車速、車重そして道路勾配の情報を、使用す
ることも出来る。
【００１２】この制御器を回生制動中に用いながら、エ
ンジンを駆動系に接続しても、接続しなくても良い。エ
ンジンが回生制動中に分離している場合には、エンジン
の摩擦損失とポンプ損失は存在しない。これは、車両の
減速限界を越えることなしに、更に多くの慣性エネルギ
ーを回収することを可能とする。明らかにこれは、エネ
ルギー管理の観点から、HEVに有利なものである。
【００１３】回生制動エネルギーを収集するためにエン
ジンを分離することにより犠牲となるのが、エンジンを
分離すると、エンジン駆動状態に戻る過程がかなり複雑
になるということである。エンジンが回生制動中に接続
されたままで、ドライバーがアクセル・ペダルを踏込む
場合には、必要時のエンジン再始動が、単にエンジンへ
の燃料供給を再開することによる、簡単な処理になる。
エンジン再始動に起因する駆動系へのトルクの変動は、
小さいと考えられ、トルク要求の変化があるときには、
ドライバーが全く予測していなかったものになるという
ことはないと考えられる。そうではなく、エンジンが回
生制動中に駆動系から分離されている場合には、エンジ
ンを始動する工程、ドライバーの要求に対する車両の応
答を維持する工程、モーターを用いながら同時に切断し
たクラッチを締結する工程及び、エンジンを始動する工
程が、エンジンを始動する工程に含まれることになる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】駆動系へのトルク供給
は、ドライバーへのいかなる動揺も回避するために、モ
ーターからエンジンへ滑らかに移行されるべきである。
そうは言っても、上記米国特許5,915,801号は、エンジ
ン・ブレーキをシミュレートし、車両の運転性を高める
ことを意図しているが、ドライバーが突然減速から加速
の変更を行なうという一般的な状況に対処するものでは
ない。それで、ドライバーの要求の変化（減速から加
速）が予測されるときに、回生制動中の駆動系へのエン
ジンの接続を維持する方法を、開発する必要がある。回
生制動のモードは２つ考えられ、あるモードから他のモ
ードへの移行に際しエンジンが駆動系から分離されてい
るときには、エンジンの圧縮制動トルクからモーターの
制動トルクへの移行も必要である。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明は、パラレル・ハ
イブリッド電気自動車において、回生制動エネルギーを
制御する方法及びシステムを提供するものである。この
制御は、ドライバーの要求及び車両運転状態の少なくと
も一つである基本量に基き目標制動トルクを判定し、エ
ンジンの車両駆動系への締結部を切断するか否かを判断
し、そして駆動系の動揺を最小化するために、エンジン
切断途上において、結果として増大する回生制動トルク
を制御する。ドライバーの要求は、ブレーキ・ペダル位
置及びアクセル・ペダル位置を用いて、判定することが
出来る。車両動作状態には、エンジン動作状態、モータ
ー故障状態、バッテリーの充電状態、変速段、変速シフ
ト・レバーの状態、バッテリーの電流シンク性能及び車
速が、含まれ得る。
【００１６】制御はまた、増大した回生制動エネルギー
が回収される様に、エンジンの車両駆動系への締結手段
を切断すべきか否かを判断すると共に、駆動系の動揺を
最小化するために、エンジンの再接続途上において結果
として増大する回生制動トルクを同様に制御する。エン
ジンを分離する要因には、車速が所定値に到達したか否
かの判断、ドライバーの要求（例えば、ブレーキ・ペダ
ルの位置及びアクセル・ペダルの位置）が出力要求が小
さいということを示しているか否かの判断、そして、車
両のモーターに故障状態が存在していないという判断、
が含まれ得る。
【００１７】本発明の重要な観点は、制御が、駆動系か
らエンジンを分離する途上において、駆動系の動揺を最
小化する、ということである。これは、回生制動の量
を、分離途上のエンジンのトルクの変動に対応させて連
続的に調整することにより、達成される。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明は、概略的にはハイブリッ
ド電気自動車（hybrid electric vehicle略してHEV）に
関する。ここで述べる好ましい実施の形態は、パラレル
HEVについてのものであるものの、本発明は、エンジン
切断クラッチを持ち駆動源としてモーターとエンジンを
用いるいかなる車両にも適用することが出来る。
【００１９】図１は、エンジン切断クラッチを持つパラ
レルHEVのパワートレインの主な構成部品を示してい
る。エンジン20は、切断クラッチ24を介して、モーター
／発電機22へ接続されている。バッテリー26がモーター
／発電機22に接続され、それらの間で電流が流れるのを
可能とする。モーター／発電機22は、変速機やドライブ
・シャフトなどの駆動系（動力伝達ユニット）28に接続
され、駆動系は、車両の車輪30に接続される。それで、
トルク・エネルギーは、エンジン20及びモーター／発電
機22から、動力伝達ユニット28を通り、車輪30へと流れ
る。
【００２０】エンジン20をモーター／発電機22及び動力
伝達ユニット28から分離出来るので、回生制動のための
駆動状態として、２つ考えられる。本発明は、より大き
な回生エネルギーを得るべきか（エンジン分離）、ある
いはドライバーの要求の急激な変化を許容すべきか（エ
ンジン接続）、を判断する方法を確立するものである。
この二状態の考え方が、図２に示されている。図２にお
いて、MOTOR DRIVE状態58が、切断クラッチが解放され
ている非回生状態の全てを表している。ENGINE DRIVE状
態48が、切断クラッチが締結されている非回生状態の全
てを表している。
【００２１】車両システム制御器（vehicle system con
troller略してVSC）40が回生制動を要求するとき（ドラ
イバーの要求と車両運転状態に基く）、VSC 40の前の状
態に応じて、REGEN HIGH VEL状態44又はREGEN LOW VEL
状態46のいずれかに進む。車両動作状態の変数には、各
種のものが考えられる。これらには、車速、エンジン20
が作動しているという状態、モーター／発電機22の故障
状態、バッテリー26の充電状態、バッテリー26のシンク
（sink）性能及び、変速段や変速切換などの動力伝達ユ
ニット28の構成部品の状態が、含まれ得る。バッテリー
のシンク性能とは、バッテリー26の余分な電荷を吸収す
る能力である。
【００２２】VSC 40がENGINE DRIVE48のうちの一つにあ
り、かつREGEN (ENGINE ON) 50により表される移行条件
を満足しているとき、VSC 40はREGEN HIGH VEL状態44へ
移行することになる。この状態において、切断クラッチ
24は閉じたままで、エンジン20をモーター／発電機22と
動力伝達ユニット28へ接続し続ける。この状態におい
て、VSC 40によりモーター／発電機22へ命令される回生
制動トルクが、エンジン20により動力伝達ユニット28へ
供給される制動トルクの分だけ、減少させられる。反対
に、VSC 40がMOTOR DRIVE状態58の一つにあり、かつREG
EN (ENGINE OFF) 52で表される過渡条件を満足している
場合には、VSC 40はREGEN LOW VEL状態46へ移行するこ
とになる。この状態で、切断クラッチ24は開いたままで
あり、エンジン20をモーター／発電機22及び動力伝達ユ
ニット28から分離された状態に保つ。要約すると、VSC
40が最初に回生制動モードに入る場合に、エンジンが切
断クラッチ24により駆動系へ接続されていれば、回生制
動モードに入るとき（当初）、接続されたままである。
【００２３】REGEN HIGH VEL状態44では、ドライバーの
要求の変化DRIVER DEMAND = DRIVE 54により要求される
ならば、VSC 40は、エンジン20に適切に燃料供給し、そ
してモーター／発電機22への回生制動トルク命令を無く
すことにより、ENGINE DRIVE状態48へ戻ることができ
る。これは、切断クラッチ24が既に閉じられていて、エ
ンジン20を駆動系へ接続した状態に維持しているので、
容易に行なうことが出来る。
【００２４】REGEN HIGH VEL状態44からREGEN LOW VEL
状態46への移行は、車速とモーター／発電機22の状態に
基く。移行（TRANSITION）56は、モーター／発電機22が
故障状態（エンジンを再始動するためにモーター／発電
機を用いることが出来ない）にないことが確認された状
態で、車速が校正可能な値未満に下がると、許容され
る。移行（TRANSITION）56のための方法には、ドライバ
ーが駆動系へのトルク要求を変化させる可能性を表示す
るものとして、車両のブレーキ・ペダルの圧力又は位置
を、組込むことにより、より洗練されたものとなる。
【００２５】この方法はまた、MOTOR DRIVE状態58との
間の移行も考慮する。車両がMOTOR DRIVE状態58にある
とき（つまり、エンジン20が接続されていない、つまり
動作していないとき）、直接入ることが出来るのはREGE
N LOW VELモード46だけである。REGEN LOW VEL状態46で
は、ドライバーが、車輪への比較的低いレベルの正トル
クを要求している場合（DRIVER DEMAND = DRIVE (LOW P
OWER) 60）に、MOTOR DRIVE状態58へ移行することが出
来る。車輪へのトルク要求が高いレベルの場合（DRIVER
DEMAND = DRIVE (HIGH POWER) 62）、移行条件DRIVER
DEMAND = DRIVE 64を満足していることを確認して、シ
ステムは、ENGINE START状態42を開始し、そしてENGINE
DRIVE状態48へ移行することになる。何れの場合にも、
REGEN LOW VEL状態46からREGEN HIGH VEL状態44への直
接の移行が、最初にエンジン20を始動することなしに許
容されることはない。VSC 40がENGINE START状態42にあ
るときにドライバーの要求が変化した場合には、REGEN
(ENGINE ON) 66からREGEN HIGH VEL状態44への移行は、
ENGINE START状態42が完了してから、許容されることに
なる。
【００２６】駆動源（モーター／発電機22）から利用可
能な制動トルク（減速力）の総量は、校正可能なテーブ
ルに記され、現在の変速比、車速、ブレーキ圧、モータ
ー／発電機22の性能及びモーター／発電機22の速度を含
む複数の因子に応じたものとなる。それぞれのレベル
は、減速中（制動中又は惰性走行中）の性能を目標に到
達させるために、校正される。REGEN HIGH VEL状態44
（切断クラッチ24が締結されている）において、モータ
ー／発電機22に命令される駆動源の制動トルクのレベル
は、エンジン20の摩擦損失とポンプ損失による負の駆動
源トルクの量だけ、減少させられなければならない。す
なわち、 (mot#cmd = (tot - (eng ここで、(mot#cmdはモーター／発電機22に命令される回
生制動トルク、(totは校正されたトルク（現在の車両運
転状態に応じて利用可能な総量）、そして(engはエンジ
ンの摩擦及びポンプ損失のトルクである。
【００２７】REGEN LOW VEL状態46において、出力命令
はより複雑である。最初にその状態に入るとき、切断ク
ラッチ24はまだ締結されており、それでエンジン20が摩
擦及びポンプ損失のトルクから未だ負のトルクを駆動系
へ供給している。この状態の中で、切断クラッチ24が開
く様に命令され、モーター／発電機22と動力伝達ユニッ
ト28（駆動系）への負のトルクを減少させる。駆動系の
動揺が感じられるのを避けるために、エンジン20の負の
トルクのこの減少は、移行中であっても、モーター／発
電機22からの回生制動トルクの等しい大きさの増大に代
えられる。これは、エンジン20から切断クラッチ24を介
して伝えられるトルクの予想減少量に従い、モーター／
発電機22に命令される負のトルクを増大させることによ
り、なされる。
【００２８】エンジン20からのトルク減少量を推定する
方法は、いくつかある。方法の一つは、クラッチ板の相
対位置を用いるものである。この方法に関してのモータ
ー／発電機22のトルク命令についての数式は、以下のと
おりである。 (mot#cmd = (tot - ((xc)(eng ここで、((xc)は切断クラッチ24の完全締結状態に対す
る割合であり、以下のとおり与えられる。 ((xc) = 1 - (xc - xfc) / (xfo - xfc) ここで、xcは切断クラッチ板の位置、xfcはクラッチ板
の完全締結位置、そしてxfoはクラッチ板の完全切断位
置である。上記式において、((xc)はxcの線形関数であ
る。一般的に言って、別の構成においては、他のより一
般的な非線形関数が、クラッチ板位置とクラッチを介し
て伝達されるトルク割合との関係を、より良く表すとい
うことも考えられる。上記アルゴリズムは、パワートレ
インに伝わるエンジンの摩擦及びポンプ損失トルクを判
定するために、クラッチ板位置を用いるものであるが、
別のアルゴリズムが、この値を判定するために、他の手
法を用いることも可能である。別の選択肢としてはま
ず、クラッチ24の締結圧を用いるものが考えられる。ク
ラッチ締結中、クラッチを通るトルクの量は、この値の
関数である。言い換えると、(cl = f(pcl)である。この
場合において、モーター／発電機22のトルク命令は、以
下の式に従い計算されることになる。 (mot#cmd = (tot - (cl ここで、(clはシリンダー圧力により計測される切断ク
ラッチ24からの信号である。
【００２９】
【発明の効果】以上述べた様に本発明によれば、駆動系
へのトルク供給がモーターからエンジンへ滑らかに移行
され、ドライバーへのいかなる動揺も回避することが出
来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るハイブリッド電気自動
車の主要構成部分を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係るハイブリッド電気自動
車の制御状態を示すフローチャートである。
【符号の説明】 20 エンジン 22 モーター 24 締結部 26 バッテリー 28 駆動系
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ６０Ｋ 41/02 Ｆ０２Ｄ 29/00 Ｈ Ｆ０２Ｄ 29/00 29/02 Ｄ 29/02 ３４１ ３４１ Ｂ６０Ｋ 9/00 Ｃ Ｆターム(参考） 3D041 AA01 AA66 AB01 AC01 AC06 AD00 AD01 AD10 AD17 AD18 AD31 AD41 AD51 AE02 AE16 3G093 AA07 AA16 BA15 BA33 DA06 DB10 DB11 DB15 EA01 EB01 EC01 FA04 5H115 PA11 PA12 PG04 PI16 PO17 PU01 PU25 PU26 QE10 QI04 RE03 SE04 SE05 SE06 TR04 TR19

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ドライバー要求及び車両運転状態の少な
    くとも一つである基本量に基き、目標制動トルクを判定
    する工程、 回収可能な回生制動エネルギーが増大される様に、エン
    ジンの車両駆動系への締結部を切断すべきか否かを判断
    する工程、及び駆動系の動揺を最小化するために、エン
    ジン切断途上において、結果として増大する回生制動ト
    ルクを制御する工程、 を有する、回生制動制御方法。
  2. 【請求項２】 上記ドライバー要求を判定する工程は、
    ブレーキ圧力位置を判定する工程、及びアクセル・ペダ
    ル位置を判定する工程、を有する、請求項１の回生制動
    制御方法。
  3. 【請求項３】 上記車両運転状態を判定する工程は、 エンジンの動作状態を判断する工程、 バッテリーの充電状態を判断する工程、 変速機の変速段を判断する工程、 変速機の切換状態を判断する工程、 バッテリーの電流シンク性能を判断する工程、 モーターの故障状態を判断する工程、及び車速を判定す
    る工程、 を有する、請求項１の回生制動制御方法。
  4. 【請求項４】 回収可能な回生制動エネルギーが増大さ
    れる様に、上記エンジンの車両駆動系への締結部を切断
    するべきか否かを判断する工程、及び駆動系の動揺を最
    小化するために、エンジンの再締結途上において、結果
    として増大する回生制動トルクを制御する工程、 を更に有する、請求項１の回生制動制御方法。
  5. 【請求項５】 上記エンジンの車両駆動系への締結部を
    切断するか否かを判定する工程は、 車速が所定値に到達しているか否か判定する工程、及び
    車両モーターが故障状態にないことを判断する工程、 を有する、請求項４の回生制動制御方法。
  6. 【請求項６】 上記エンジンの車両パワートレインとの
    締結部を切断する工程は、 上記車両パワートレインと上記エンジンの締結部との間
    の締結量を連続的に計測する工程、及び、 エンジン・トルクの量と締結量に従い、回生制動の量を
    連続的に修正する工程、 を有する、請求項５の回生制動制御方法。
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