JP2004048866A - ハイブリッド車両のトルク制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】バッテリ５の出力が制限・禁止されているような場合に、車両推進トルクが不足することを解消する。
【解決手段】締結率を調整可能なクラッチ３の入力軸３ａにエンジン１及び発電機２を接続し、駆動輪側のクラッチ出力軸３ｂにモータ４及び変速機６を接続する。バッテリ５の出力が制限されているような所定のトルク分配条件では、エンジン１により発電機２を駆動して得られる発電電力をモータ４に供給してモータ４を力行運転し、かつ、車速に基づいてクラッチ３の締結率と発電トルクとを制御して、エンジントルクを、クラッチ３を経由して駆動輪側へ伝達されるクラッチ伝達トルクと、発電機２へ伝達される発電トルクと、に分配する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両推進源としてエンジンとモータとを併用するハイブリッド車両のトルク制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、主として燃費の向上を図るために、車両推進源としてエンジンとモータとを併用するハイブリッド車両が注目されている。特開平１１−３３２０１１号公報のハイブリッド車両では、エンジンと駆動輪との間にクラッチを介装し、このクラッチと駆動輪との間にモータを介装している。クラッチには、パウダークラッチや油圧多板クラッチのように、摩擦力を利用して動力を伝達する摩擦クラッチを用いている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
バッテリの蓄電量（ＳＯＣ）が十分に残されており、バッテリの出力が何ら制限されていない場合には、バッテリからの電力によりモータを力行運転し、このモータの駆動トルクをエンジントルクに上乗せすることにより、大きな車両推進トルクを得ることができる。しかしながら、バッテリの蓄電量が少なく、バッテリの出力が制限又は禁止されているような状況では、充分なモータトルクが得られないために、特に車速が低い始動時や低速走行時に、車両推進トルクが不足するおそれがある。
【０００４】
このようにバッテリの出力が制限・禁止された状況でのハイブリッド車両の発進方法として、以下の２パターンが考えられる。▲１▼クラッチを締結（又は半締結）状態にして、エンジントルクのみを車両推進トルクとして発進する。▲２▼クラッチを開放し、エンジンで発電機を駆動して得られる発電電力をモータに供給して、モータトルクのみを車両推進トルクとして発進する。しかしながら、これらの方法では以下のような問題がある。▲１▼クラッチの耐久性などから発進時のエンジン回転数が制限されることや、エンジンの特性上、モータに比して低速トルクが低いことなどから、特に低速時に車両推進トルクの不足を招くおそれがある。従って、急勾配での発進等が困難となり易い。▲２▼モータの特性上、低速トルクはエンジンに比して充分に大きいものの、高速トルクがエンジンに比して不足する傾向にある。従って、発進に必要な車両推進トルクは確保し易いものの、車速（モータ回転数）が上がると急速にモータトルクが低下するため、モータの定格出力が比較的小さいような場合には、発進後に車速を良好に上昇させていくことができない。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、クラッチを利用した簡素な構成で、充分な車両推進トルクを安定的に得ることができる新規なハイブリッド車両のトルク制御装置を提供することを主たる目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るハイブリッド車両のトルク制御装置は、締結率を調整可能なクラッチと、クラッチの入力軸に接続するエンジン及び発電機と、クラッチの出力軸に接続するモータと、を有し、クラッチの出力軸が駆動輪側へ接続されている。所定のトルク分配条件では、駆動輪側へ伝達される車両推進トルクを制御する。すなわち、所定のトルク分配条件では、エンジンにより発電機を駆動して得られる発電電力をモータに供給してモータの力行運転を行うとともに、少なくとも車速に基づいてクラッチの締結率と発電機の発電トルクとを制御して、エンジントルクを、クラッチを経由して駆動輪側へ伝達されるクラッチ伝達トルクと、発電機へ伝達される発電トルクと、に分配する。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、バッテリの出力が制限・禁止されているような場合でも、クラッチの締結率及び発電機の発電トルクを制御することにより、充分な車両推進トルクを安定的に確保することが可能となる。従って、エンジンや駆動モータの小型化・低出力化を図ることができ、燃費性能の向上やコストの低減化を図ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示実施例に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例に係るハイブリッド車両のトルク制御装置を示す概略構成図である。このハイブリッド車両は、締結率を連続的に（又は段階的に）調整可能なクラッチ３と、クラッチ３の入力軸３ａに接続するエンジン１及び発電機２と、クラッチ３の出力軸３ｂに接続するモータ４と、を有している。クラッチ３の出力軸３ｂと、一対の駆動輪１１を結ぶドライブシャフト１０と、の間の動力伝達経路には、上記のモータ４，変速機６，減速機（ファイナルギア）８及びディファレンシャルギヤ９が設けられている。
【０００９】
エンジン１は、ガソリンや軽油のような燃料を燃焼することにより駆動力を発生し、クランクシャフトと一体的に回転するクラッチ入力軸３ａを回転駆動する。発電機２とモータ４とは、共に電力を蓄わえるバッテリ５と周知のインバータ（図示省略）を介して接続され、バッテリ５と電力の授受を行う三相交流型のモータジェネレータであって、力行運転及び回生運転の双方を行うことができる。発電機２は、伝動ベルト７及びプーリ７ａ，７ｂを介してエンジン１のクランクシャフトに連繋されており、主としてエンジン１により駆動されて発電を行うとともに、アイドルストップからのエンジン再始動時等にはエンジン１をクランキングするエンジン始動用モータとしても機能する。なお、この発電機２とは別に、運転者のキー操作による初回のエンジン始動時にエンジンをクランキングするスタータを設けても良い。モータ４は、主としてバッテリ５から供給される電力により力行運転を行い、単独又はエンジン１と協動して車両推進トルクを供給する走行用モータとして機能するとともに、車両減速時や制動時には回生運転を行い、車両走行エネルギーを電力として回収する機能を兼用している。
【００１０】
自動変速機６は、エンジン１やモータ４からその入力軸に伝達される車両推進トルクを無段階・連続的に変速して駆動輪１１側へ伝達するベルト式の無段変速機である。なお、自動変速機６として、トロイダル式の無段変速機や周知の遊星歯車機構を利用した有段変速機を用いることもできる。
【００１１】
クラッチ３は、締結率（逆に言えば滑り率）を連続的・無段階に調整可能なものであり、ここでは油圧多板クラッチやパウダークラッチのような簡素な構造の摩擦クラッチを用いている。一般的に、エンジン走行時にはクラッチ３を締結し、アイドリングストップ中やモータ走行中にはクラッチ３を開放する。
【００１２】
制御装置１２は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ及び入出力インターフェースを備えた周知のマイクロコンピュータシステムであって、各種センサにより検出されるエンジン回転数、アクセル開度、バッテリ蓄電量（ＳＯＣ）等の入力情報に基づいて、エンジン１、発電機２、クラッチ３、モータ４，及び自動変速機６等へ制御信号を出力し、その動作を制御する。
【００１３】
この制御装置１２は、ＲＯＭ上に予め格納されているプログラムを実行することにより、それぞれの構成部品が得意とする機能，性能を活かして所定の機能を実現する。例えば、主として燃費の向上及び排気の浄化を図るために、交差点待ちのような車両の一時停止時にエンジンの自動停止すなわちアイドリングストップを行い、エンジン効率の良くないエンジン低速走行をモータ４のみを車両推進源とするモータ走行へ切り換え、自動変速機６によるエンジン作動点の高効率化を行い、更には車両減速時や制動時の車両運動エネルギーをモータ４により回生する。
【００１４】
図２（１）及び図３（１）に示すように、バッテリのＳＯＣが充分に高く、バッテリ出力が何ら制限されていない場合、バッテリ５から供給される電力によりモータ４を力行運転し、そのモータトルクをエンジントルクに上乗せすることにより、大きな車両推進力（トルク）を得ることができる。このため、モータ４による車両推進トルクのアシスト分、エンジン１の出力を抑制することができ、エンジン１の小型化・軽量化を図ることにより、更なる燃費向上が期待できる。しかしながら、バッテリ５のＳＯＣが低く、バッテリ５の出力が制限又は禁止されている場合に、例えば図２（２）及び図３（２）に示すように、エンジントルクのみを車両推進トルクとして用いると、車両発進時のように車速が低い条件では車両推進トルクが不足するおそれがある。あるいは図２（３）及び図３（３）に示すように、クラッチを完全に開放してエンジントルクで発電機を駆動し、その発電電力によりモータを力行運転することにより、車両推進トルクを得ることも考えられるが、この場合、車速の上昇に伴って車両推進トルクが不足するおそれがある。
【００１５】
本実施例では、バッテリ５からの出力が制限・禁止されているような場合にも、充分に大きな車両推進トルクが安定的に得られるように、この車両推進トルクを制御する（制御手段）。具体的には、車速に応じてクラッチ３の締結率と発電トルクとを調整・制御して、エンジン１の出力トルクを、クラッチ３を経由して駆動輪１１側へ伝達されるクラッチ伝達トルクと、発電機２を発電駆動するために発電機２へ伝達される発電トルクと、に分配する（トルク分配手段）。この発電トルクにより発電機から得られる発電電力を、バッテリ５を介することなく直接的にモータ４へ供給し、このモータ４を力行運転する。これにより、バッテリ５に蓄えられている電力を消費することなく、所望の車両推進トルクを確保することが可能となる。
【００１６】
図４は本実施例の概念を示した説明図である。クラッチ３の締結率を制御することにより、エンジン１から駆動輪１１側へ伝達されるクラッチ伝達トルクの大きさを調整・制御することができる。また、発電機２は、自身で発電トルクを制御することができる。従って、両者を制御することにより、エンジントルクをクラッチ伝達トルクと発電トルクとに良好に分配することが可能となる。発電機２で発電した電力は、バッテリ５に蓄電することなく、直接的に駆動モータ４ヘ配電する。この発電電力によって駆動モータ４の力行運転を行う。このモータ４から出力されるモータトルクと、上記のクラッチ伝達トルクとの和が、変速機６の入力軸へ伝達される車両推進トルクに相当する。
【００１７】
エンジントルクのトルク配分比（クラッチ伝達トルク：発電トルク）は、クラッチの摩擦損失等を無視すれば、クラッチ締結率を制御することにより、１００：０〜０：１００の間で変更することが可能である。好ましくは、以下のような関係式を利用して、車両推進トルクが最も大きくなるように、トルク配分比すなわちクラッチ締結率を設定する。
【００１８】
【数１】
Figure 2004048866
【００１９】
例えば、先ず図５（ａ）に示すように、エンジントルクに対する発電トルクの配分比Ｄｇｅｎ（あるいはエンジントルクに対するクラッチ伝達トルクの配分比Ｄｃｌｕｔｃｈ）に対し、車両推進トルクを車速毎に求める。次いで図５（ｂ）に示すように、車速に対して車両推進トルクが最大となる発電トルクの配分比をマップ（又はテーブルデータ）として作成しておく。このようなマップを用いて、車速をパラメータとして発電トルクの配分比を求めることができ、この配分比からクラッチ締結率や発電トルクを求めることができる。
【００２０】
図６（ａ）は、バッテリの出力が禁止されている状況で、車両推進トルクを最大にするための設定マップである。同図に示すように、低速域では駆動モータ４のモータトルクが大きいため、エンジントルクに対する発電トルクの配分比を相対的に高くすることにより、車両推進トルクを大きくとれる。車速が上がる（＝モータ回転数が上がる）に従って、モータトルクが低下するので、エンジントルクに対する発電トルクの配分比を低くし、クラッチ伝達トルクの配分比を高くした方が、車両推進トルクを大きく取れる。したがって、低速側では発電トルクの配分比率を高くし、車速の上昇に伴って、発電トルクの割合を小さくしていく。
【００２１】
図６（ｂ）に示すように、制御の簡素化・ＲＯＭ容量の削減化を図るために、車速の上昇に従って発電トルクの配分比率を一律に小さくするような簡易的な設定としても良い。
【００２２】
図６（ｃ）の破線ｃ−１に示すように、好ましくはクラッチの発熱度合いを適宜な温度センサ等を用いて検出するかクラッチ締結率等から推定し、このクラッチの発熱度合いに応じてクラッチ伝達トルクを制限・補正する。具体的には、クラッチの発熱が大きくなるほど、クラッチ伝達トルクの配分比率を小さくし、クラッチの発熱が所定の上限値を超えると、クラッチ伝達トルクを０、すなわちクラッチの締結率を０％として、クラッチを完全に開放する。
【００２３】
図６（ｃ）の一点鎖線ｃ−２に示すように、好ましくは発電機及び駆動モータの少なくとも一方の発熱度合いを、適宜な温度センサ等を用いて検出し、この発熱度合いに応じて、発電トルクを制限・補正する。具体的には、発電機やモータの発熱度合いが高くなるほど、発電トルクの配分比率を小さくし、その発熱が所定の上限値を超えると、発電トルクを０、クラッチの締結率を１００％として、クラッチを完全に締結する。
【００２４】
エンジントルクを発電機２で電気エネルギーに変換して駆動モータ４へ供給する場合、両者２，４の変換効率の損失分、エネルギーロスが増えてしまう。従って、好ましくは図６（ｄ）に示すように、バッテリの出力可能電力に基づいて、エンジントルクに対する発電トルクの配分比を変更・補正する。バッテリ出力が所定値以上あるときには、発電機の配分比率を０％とし、クラッチを完全に締結する。バッテリ出力制限が大きくなるに従って、エンジントルクに対する発電トルクの配分比率を大きくしていき、最終的にバッテリ出力が禁止される場合の設定（図６（ａ）参照）へと移行する。
【００２５】
図７は、本実施例の制御の流れを示すフローチャートである。Ｓ（ステップ）１では、車速、アクセルペダル開度、バッテリ容量（ＳＯＣ）もしくはバッテリ出力可能電力、エンジン回転数、クラッチ温度、発電出力等の入力情報を読み込む。Ｓ２では、上記の入力情報に基づいて、所定のトルク分配条件が成立するか否かを判定する。Ｓ２の判定が否定されればＳ３へ進み、通常のトルク制御を行う。バッテリの出力が制限又は禁止されており、かつ、車両発進時又は低速走行時（車速が所定値以下）の場合には、Ｓ２の判定が肯定されてＳ４以降へ進む。
【００２６】
Ｓ４では、図８（ａ）に示すようなマップを参照して、車速とアクセルペダル開度などに基づいて目標駆動力を設定する。Ｓ５では、この目標駆動力に基づいて変速機６の入力軸トルク、すなわち車両推進トルクを演算する。Ｓ６では、図８（ｂ）に示すようなマップを参照して、車速及びエンジン回転数に基づいて、エンジントルクに対する発電トルクの配分比を求める。なお、好ましくは図８（ｄ）に示すようなマップを参照して、クラッチ温度に基づいてエンジン回転数を補正する。Ｓ７では、図８（ｃ）に示すようなマップを参照して、発電トルクの配分比に基づいてクラッチ締結率を求める。同図に示すように、エンジントルクに対する発電トルクの配分比が大きくなるほど、クラッチ締結率を小さくする。Ｓ８では、エンジントルク、クラッチ締結率、発電機トルク、モータトルク等の指令信号を出力し、所望の車両推進トルクを実現する。
【００２７】
図９は車速に対する車両推進力（トルク）の特性を示しており、（１）はエンジントルクのみの場合、（２）はモータトルクのみの場合、（３）は本実施例に係るエンジントルクとモータトルクとの和による場合に対応している。（１）の場合、車速が０ｋｍ／ｈ付近すなわち発進及び極低速時の車両推進トルクが小さく、急勾配の上り坂などの発進性能が低下することがわかる。（２）の場合、車速が０ｋｍ／ｈ付近すなわち発進及び極低速時には、車両推進トルクが比較的大きいものの、車速が上がるに従って車両推進トルクが急速に低下するため、車速が上がり難いことがわかる。（３）の本実施例によれば、発進直後から車速が上昇していく低・中速域に至るまで、充分な車両推進トルクを確保できていることがわかる。
【００２８】
図１０は、車両発進直後のトルク特性を示している。同図に示すように、発進時はエンジントルクに対する発電トルクの配分比を大きくし、時間の経過と共に発電トルクの配分比を小さくして、クラッチ伝達トルクの配分比を増加させることにより、充分な車両推進トルクを安定的に確保することができる。
【００２９】
図１１は、クラッチ締結率に対するトルク特性を示している。同図に示すように、クラッチの締結率が中間的な値のときに、車両推進トルクが最大値となり、クラッチの締結率が０％や１００％のときよりも大きくなることが分かる。
【００３０】
図１２は、車速毎のクラッチ締結率と車両推進トルクとの関係を示している。同図に示すように、車両推進トルクが最大値となるクラッチ締結率は、車速に応じて変化しており、車速が高くなるに従って、クラッチ締結率を大きくしている。
【００３１】
参考として、図１３は、遊星歯車機構の３つの歯車要素２１，２２，２３に、それぞれエンジン２４，発電機２５，駆動輪側への出力軸２６及び駆動モータ２７を接続したハイブリッド車のトルク分配システムを示している。この場合、エンジントルクは、駆動輪側と発電機側とに常に一定の割合で分配されることになり、本実施例のようにクラッチ締結率を調整してトルク配分比を調整・制御することはできない。
【００３２】
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、発電機をエンジンとクラッチの入力軸との間に直列に配置する構成であっても良い。また、減速機を省略した構成であっても良い。更に、クラッチの出力軸と駆動輪との間の動力伝達経路に駆動モータと変速機とを並列に配置する構成であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るハイブリッド車両のトルク制御装置を簡略的に示す構成図。
【図２】（１）が高ＳＯＣ時、（２）が低ＳＯＣ時、（３）がモータトルクのみの場合の車両推進トルクを示す特性図。
【図３】図２の３つの車両推進トルクの出力形態を模式的に示す説明図。
【図４】本実施例に係るエンジントルクの分配の概念を示す説明図。
【図５】（ａ）が車速毎の発電トルク配分比に対する車両推進トルクを示す特性図、（ｂ）が車速に対する発電トルク配分比を示す特性図。
【図６】（ａ）がバッテリ出力禁止条件における車速−発電トルク配分比の設定マップ、（ｂ）がバッテリ出力禁止条件における車速−発電トルク配分比の簡易的な設定マップ、（ｃ）がクラッチや発電機・モータの発熱に基づく車速−発電トルク配分比の補正マップ、（ｄ）がバッテリの可能出力に基づく車速−発電トルク配分比の補正マップ。
【図７】本実施例の制御の流れを示すフローチャート。
【図８】図７のフローチャートで用いられる各種設定マップ。
【図９】車両推進力を示す特性図で、（１）がエンジントルクのみの場合、（２）がモータトルクのみの場合、（３）が本実施例に係るエンジントルクとモータトルクとの和による場合。
【図１０】車両始動直後のトルク特性を示す特性図。
【図１１】クラッチ締結率に対するトルク特性を示す説明図。
【図１２】車速毎のクラッチ締結率と車両推進トルクとの関係を示す図。
【図１３】遊星歯車機構を利用したトルク分配システムを簡略的に示す構成図。
【符号の説明】
１…エンジン
２…発電機
３…クラッチ
４…モータ
５…バッテリ
６…変速機
１１…駆動輪

Claims (7)

  1. 締結率を調整可能なクラッチと、クラッチの入力軸に接続するエンジン及び発電機と、クラッチの出力軸に接続するモータと、を有し、クラッチの出力軸が駆動輪側へ接続されたハイブリッド車両のトルク制御装置において、
    所定のトルク分配条件で、駆動輪側へ伝達される車両推進トルクを制御する制御手段を有し、
    この制御手段は、
    エンジンにより発電機を駆動して得られる発電電力をモータに供給してモータの力行運転を行う手段と、
    エンジントルクを、クラッチを経由して駆動輪側へ伝達されるクラッチ伝達トルクと、発電機へ伝達される発電トルクと、に分配するトルク分配手段と、を有し、
    このトルク分配手段は、少なくとも車速に基づいてクラッチの締結率と発電機の発電トルクとを制御することを特徴とするハイブリッド車両のトルク制御装置。
  2. 上記トルク分配手段は、車両推進トルクが最大となるように、クラッチの締結率と発電トルクとを制御することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド車両のトルク制御装置。
  3. 上記発電機及びモータと電力の授受を行うバッテリを有し、
    上記トルク分配条件が、バッテリの出力可能電力が制限又は禁止されていることを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド車両のトルク制御装置。
  4. 上記バッテリの出力可能電力に応じて、エンジントルクに対する発電トルクの配分比を補正することを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド車両のトルク制御装置。
  5. 上記トルク分配条件が、車両発進時又は低速走行時であることを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のハイブリッド車両のトルク制御装置。
  6. 上記車速が高くなるにしたがって、上記クラッチの締結率を大きくすることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のハイブリッド車両のトルク制御装置。
  7. 上記クラッチ・発電機・モータの少なくとも１つの発熱度合いに応じて、上記エンジントルクに対する発電トルクの配分比を補正することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のハイブリッド車両のトルク制御装置。
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