JP2004204852A

JP2004204852A - ハイブリッド車両の制御装置

Info

Publication number: JP2004204852A
Application number: JP2004026635A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Itoyama; 浩之糸山; Yasuhiko Kitajima; 康彦北島; Yoshitaka Deguchi; 欣高出口
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2018-09-22
Also published as: JP3925498B2

Abstract

【課題】ハイブリッド車両において、回生効率を高めるために減速時にスロットルを全開にすると回生終了時に一時的に空気量および出力が要求値に対して過大となってトルク段差が発生する。
【解決手段】内燃機関と回転電機の何れか一方または双方の駆動力を車両の駆動系統に伝達するように構成されると共に、内燃機関のスロットル開度を運転状態に応じて制御するスロットル駆動装置と、エンジンブレーキが作用する減速時に前記回転電機を回生作動させる回生制御装置とを備えたハイブリッド車両において、前記スロットル駆動装置を、前記回生作動時に機関回転数に応じて常に必要最小限のスロットル開度に制御する。
【選択図】図７

Description

本発明はハイブリッド車両の制御装置に関する。

原動機として内燃機関と回転電機（発電機としても機能する電動機）とを併有し、いずれか一方または双方の駆動力により走行するようにしたハイブリッド車両が知られている。

このようないわゆるパラレル方式のハイブリッド車両では、基本的に比較的負荷の小さい運転域では電動機のみで走行し、負荷が増大すると内燃機関を起動して所要の駆動力を確保し、必要に応じて電動機と内燃機関を併用することにより最大の駆動力を発揮させられるようになっている。
鉄道日本社発行「自動車工学」VOL.46 No.7 1997年6月号 39〜52頁

ところで、運転者がアクセルペダルを戻した減速時には駆動系からの逆駆動力により電動機を駆動して発電させることによりバッテリを充電する回生動作というものが行われる。これは内燃機関の内部摩擦によるエンジンブレーキ作用に加えて電動機による発電時の負荷を利用して減速力を確保しつつエネルギ効率を高めようとするものである。この回生動作の効率をより高めるためにはエンジンブレーキの作用をできるだけ少なくしてその分だけ発電負荷を増やしたほうがよい。このような観点から、回生時には内燃機関への燃料供給を停止するとともにスロットル開度を最大にしてポンプロスによる摩擦損失を軽減するようにしたものがある。

しかしながら、このようにスロットルを全開にすると回生動作が終了して内燃機関への燃料供給を再開したときに、吸入空気量が大きい状態からの燃料供給再開となるので、その時点で運転者が要求する出力に対して出力過大となってトルク段差が発生し、乗員に不快感を与えるおそれがある。また、スロットル開度を制御するアクチュエータの作動遅れに原因して空気量がすぐには減少しないこともトルク段差の発生を助長する要因となる。

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、回生終了時のトルク段差の発生を抑制することを目的としている。

本発明は、内燃機関と回転電機の何れか一方または双方の駆動力を車両の駆動系統に伝達するように構成され、内燃機関のスロットル開度を運転状態に応じて制御するスロットル駆動装置と、減速時に駆動系統に連結した内燃機関への燃料供給を停止すると共に前記回転電機を回生作動させる回生制御装置とを備えたハイブリッド車両において、前記スロットル駆動装置を、前記回生作動時に吸気管負圧が予め定めた目標とする吸気管負圧となるように該吸気管負圧をフィードバックしてスロットル開度を制御するように構成する。

本発明において、所定の回生条件が成立したとき、一般には車両の駆動系と内燃機関とが連結され、機関回転数または車速が所定値以上の運転状態から運転者がアクセルペダルを戻す操作により減速が開始されたときには、内燃機関への燃料供給が停止されると共に回転電機の発電による回生動作が開始される。この回生動作の間のスロットル開度は一定ではなく、吸気管負圧をフィードバックして、所定の目標とする吸気管負圧が得られるように制御される。なおこのようなスロットル制御は、例えばアクセルセンサ、スロットルを駆動するアクチュエータ、アクチュエータを制御する制御装置等からなるスロットル駆動装置を基本としている。

本発明では、機関回転数にかかわらず目標とする吸気管負圧が得られるようにスロットル開度が制御されるので、ポンプロスの発生に強く相関する吸気管負圧に基づいて、回生効率を高めつつトルク段差を生じない好ましいスロットル開度により精度よく制御することができる。

回生の効率を高めるためには内燃機関のポンプロスを減らすためにスロットルを開いてその下流側の吸気管負圧を減じてやるのが望ましいことは上述した通りである。ただし、図５に示したように吸気管負圧は機関回転数Neに応じて変化し、同一スロットル開度であっても高速回転時ほど発達する。吸気管負圧を一定に保つものとすれば、低速時ほどスロットル開度は減少する。

したがって、基本的には低速回転時ほどスロットルを閉じ加減に制御することにより、スロットル開度を最小限にしつつ、ポンプロスを生じない吸気管負圧、例えば−100mmHg以下を維持して高い回生効率を確保できる。また、このようにしてスロットル開度を最小限に維持することにより、例えば運転者の制動操作等により回生動作が終了したときの機関吸入空気量を抑制すると共にスロットル開度を制御するアクチュエータの遅れを最小限にして、燃料供給再開時のトルク段差発生を抑えることができる。

なお、高圧縮比機関や吸気充填効率が増大する回転域を有する機関など、機関によっては特定の回転域である程度の吸気管負圧を発生させたほうがポンプロスが減少する場合がある。すなわち機関回転数の低下にしたがってスロットル開度を減らす上述の制御は一般に有効であるが、実際の機関回転数に対する最適スロットル開度の特性は個々の機関の性質に応じて異なったものとなりうる。

作用・効果作用・効果以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず図１〜図４に本願発明が適用可能なハイブリッド車両の構成例を示す。これらはいずれも走行条件に応じてエンジン（内燃機関）または電動モータ（回転電機）の何れか一方または双方の動力を用いて走行するパラレル方式のハイブリッド車両である。

図１において、太い実線は機械力の伝達経路を示し、太い破線は電力線を示す。また、細い実線は制御線を示し、二重線は油圧系統を示す。この車両のパワートレインは、モータ１、エンジン２、クラッチ３、モータ４、無段変速機５、減速装置６、差動装置７および駆動輪８から構成される。モータ１の出力軸、エンジン２の出力軸およびクラッチ３の入力軸は互いに連結されており、また、クラッチ３の出力軸、モータ４の出力軸および無段変速機５の入力軸は互いに連結されている。

クラッチ３締結時はエンジン２とモータ４が車両の推進源となり、クラッチ３解放時はモータ４のみが車両の推進源となる。エンジン２またはモータ４の駆動力は、無段変速機５、減速装置６および差動装置７を介して駆動輪８へ伝達される。無段変速機５には油圧装置９から圧油が供給され、ベルトのクランプと潤滑がなされる。油圧装置９のオイルポンプ（図示せず）はモータ１０により駆動される。

モータ１は主としてエンジン始動と発電に用いられ、モータ４は主として車両の推進（力行とも言う。）と制動に用いられる。また、モータ１０は油圧装置９のオイルポンプ駆動用である。また、クラッチ３締結時に、モータ１を車両の推進と制動に用いることもでき、モータ４をエンジン始動や発電に用いることもできる。クラッチ３はパウダークラッチであり、伝達トルクを調節することができる。無段変速機５はベルト式やトロイダル式などの無段変速機であり、変速比を無段階に調節することができる。

モータ１，４，１０はそれぞれ、インバータ１１，１２，１３により駆動される。なお、モータ１，４，１０に直流電動モータを用いる場合には、インバータの代わりにＤＣ／ＤＣコンバータを用いる。インバータ１１〜１３は共通のＤＣリンク１４を介してメインバッテリ１５に接続されており、メインバッテリ１５の直流充電電力を交流電力に変換してモータ１，４，１０へ供給するとともに、モータ１，４の交流発電電力を直流電力に変換してメインバッテリ１５を充電する。なお、インバータ１１〜１３は互いにＤＣリンク１４を介して接続されているので、回生運転中のモータにより発電された電力をメインバッテリ１５を介さずに直接、力行運転中のモータへ供給することができる。メインバッテリ１５には、リチウム・イオン電池、ニッケル・水素電池、鉛電池などの各種電池や、電機二重層キャパシターいわゆるパワーキャパシターが適用される。

コントローラ１６は本発明の回生制御装置としての機能を有するもので、マイクロコンピュータとその周辺部品や各種アクチュエータなどを備え、クラッチ３の伝達トルク、モータ１，４，１０の回転速度や出力トルク、無段変速機５の変速比、エンジン２の燃料噴射量・噴射時期、点火時期などを制御する機能を併有する。

コントローラ１６には、図２に示すように、キースイッチ２０、セレクトレバースイッチ２１、アクセルペダルセンサ２２、ブレーキスイッチ２３、車速センサ２４、バッテリ温度センサ２５、バッテリＳＯＣ検出装置２６、エンジン回転数センサ２７、スロットル開度センサ２８が接続される。キースイッチ２０は、車両のキーが０Ｎ位置またはＳＴＡＲＴ位置に設定されると閉路する（以下、スイッチの閉路をオンまたは０Ｎ、開路をオフまたはＯＦＦと呼ぷ）。セレクトレバースイッチ２１は、パーキングＰ、ニュートラルＮ、リバースＲおよびドライブＤの何れかのレンジに切り換えるセレクトレバー（図示せず）の設定位置に応じて、Ｐ，Ｎ，Ｒ，Ｄのいずれかのスイッチがオンする。

アクセルペダルセンサ２２はアクセルペダルの操作量を検出し、ブレーキスイッチ２３はブレーキペダルの踏み込み状態（この時、スイッチオン）を検出する。車速センサ２４は車両の走行速度を検出し、バッテリ温度センサ２５はメインバッテリ１５の温度を検出する。また、バッテリＳＯＣ検出装置２６はメインバッテリ１５の実容量の代表値であるＳＯＣ（State Of Charge）を検出する。さらに、エンジン回転数センサ２７はエンジン２の回転数を検出し、スロットル開度センサ２８はエンジン２のスロットルバルブ開度を検出する。

コントローラ１６には、エンジン２の燃料噴射装置３０、点火装置３１、可変動弁装置３２などが接続される。コントローラ１６は、燃料噴射装置３０を制御してエンジン２への燃料の供給と停止および燃料噴射量・噴射時期を調節するとともに、点火装置３１を駆動してエンジン２の点火時期制御を行う。また、コントローラ１６は可変動弁装置３２を制御してエンジン２の吸・排気弁の作動状態を調節するほか後述するスロットル駆動装置の制御装置として機能する。なお、コントローラ１６には低圧の補助バッテリ３３から電源が供給される。

図３または図４はパワートレインの配置例を示す図である。クラッチ３の入力側のモータ１とエンジン２の配置は、図３に示すようにモータ１をエンジン２の上流に配置してもよいし、図４に示すようにモータ１をエンジン２の下流に配置してもよい。図３に示す配置例では、エンジン２の出力軸をクラッチ３の入力軸と直結して１軸で構成するとともに、エンジン２の出力軸をモータ１の出力軸とベルトや歯車により連結する。また、図４に示す配置例では、エンジン２の出力軸をモータ１のローターを貫通してクラッチ３の入力軸と直結し、クラッチ３の入力側を１軸で構成する。

一方、クラッチ３の出力側のモータ４と無段変速機５の配置は、図３に示すようにモータ４を無段変速機５の上流に配置してもよいし、図４に示すようにモータ４を無段変速機５の下流に配置してもよい。図３に示す配置例では、クラッチ３の出力軸をモータ４のローターを貫通して無段変速機５の人力軸と直結し、クラッチ３の出力側を１軸で構成する。また、図４に示す配置例では、クラッチ３の出力軸を無段変速機５の入力軸を貫通してモータ４の出力軸と直結し、クラッチ３の出力側を１軸で構成する。いずれの場合でもモータ４を無段変速機５の入力軸に連結する。

パワートレインの配置は図３および図４に示す配置例に限定されず、クラッチ３の入力軸にエンジン２とモータ１を連結するとともに、クラッチ３の出力軸にモータ４と無段変速機５の入力軸を連結し、無段変速機５の出力軸から減速装置６および差動装置７を介して駆動輪８に動力を伝える推進機構であれば、各機器がどのような配置でも成立する。

以上は本発明が適用可能なハイブリッド車両の基本的な構成例を示したものであり、本発明ではこのようなハイブリッド車両の回生作動時に最適スロットル制御等を行い回生終了時のトルク段差の発生を回避することを主目的としている。次にこのためのスロットル駆動装置の概略構成例とコントローラ１６の制御動作例につき図面を参照しながら説明する。

図６に上述したエンジン２のスロットル開度を電子制御するスロットル駆動装置の構成例を示す。図中２２と２７はそれぞれ既述したアクセルペダルの操作量を検出するアクセルペダルセンサとエンジン回転数センサである。３４はエアフローメータであり、エンジン２への単位時間当たりの吸入空気量を検出する。３５は水温センサであり、エンジン冷却水温を検出する。３６は燃料噴射弁、３７は点火栓である。エンジン２の吸気通路３８にはスロットルバルブ３９が介装され、このスロットルバルブ３９を駆動するステップモータ等からなるアクチュエータ４０が設けられている。アクチュエータ４０は、アクセルセンサ２２からの信号に基づいて基本的にはアクセルペダルの操作量に応じて判定した出力要求に対してエンジンに要求される出力分のスロットル開度となるようにアクセル開度センサ２８（図２参照）により実開度を検出しながらコントローラ１６によりフィードバック制御される。ただし回生作動時にはエンジン回転数センサ２７からの信号に基づき所定のスロットル開度となるように補正制御される。また、図中４１はスロットルバルブ３９よりも下流側の吸気管圧力を検出する圧力センサであり、吸気管負圧が予め定めた所定値となるようにフィードバック制御してスロットルバルブ３９の開度を制御する場合に用いられる。

図７はこのスロットル制御の詳細を示したものである。この制御ではまずアクセルペダルの操作量から決定した目標トルクに対してモータ４の発生している駆動力およびエアコンの負荷トルク等のオフセット量ＴＥＯＦＳを加減算してエンジン２が発生すべき正味の目標トルクＴＴＩを算出する（図７のＡ部参照）。なおＫＴＥＨはオフセット量の学習補正量である。次に目標トルクＴＴＩとそのときのエンジン回転数ＮＥとに基づいてテーブル検索により１サイクル毎の必要吸入空気の体積流量ＴＧＡＤＮＶを求め、さらにこれからテーブル検索により吸気管の必要開口面積ＴＱＨＯＴＥを求める（同Ｂ〜Ｃ部参照）。このＴＱＨＯＴＥは単位量であるので、これにエンジン回転数とシリンダ容積を乗じてエンジンの総吸入空気量に相当する開口面積ＴＴＡＥＴＤを求め、これをテーブル検索によりスロットルバルブ開度ＴＧＴＶＯに変換する（同Ｄ〜Ｅ部参照）。前記ＴＧＴＶＯがアクセルペダルが踏み込まれている通常の運転状態での目標スロットル開度となるもので、これに安定動作のために変化速度リミッタによる開度変化速度の制限を施したうえで（同Ｆ部参照）、実開度を検出しながらアクチュエータ４０（図６参照）をフィードバック制御することにより所要のスロットル開度を得ている。

一方、燃料カットが行われる減速時には、エンジン回転数ＮＥからテーブル検索により求めた燃料カット時のスロットル開度値ＴＧＴＶＦＣを目標スロットル開度ＴＧＴＶＯとして出力する（同Ｇ部参照）。このときのスロットル開度は既述したように回生効率を高めつつトルク段差の発生を回避できる必要限度に設定されている。なおＴＶＢＣＶは吸気管負圧が過大とならないようにエンジン回転数ＮＥに応じてテーブルにより与えられるスロットル開度の下限値である（同Ｈ部参照）。

次に、上述した燃料カット時のスロットル開度制御についての実施形態を説明する。図８は第１の実施形態を示す制御特性線図であり、図７におけるＧ部のテーブルに相当する。この実施例は、図示したように基本的にはエンジン回転数が減少するに従いスロットル開度を減少させることによりスロットル開度を必要最小限にして回生効率を高めつつ燃料供給再開時のトルク段差の発生を回避するようにしているが、これに加えて目標回生量を検出してエンジン回転数毎の目標スロットル開度を補正するようにしたものである。これは、既述したように回生量が少ないときにはモータ１または４の発電負荷による減速作用が少なくなるので、その分だけスロットルを閉じてエンジンブレーキ効果による減速力を確保するようにしたものである。なお、目標回生量はバッテリＳＯＣ検出装置２６（図２）からの信号により算出する。また、エンジン回転数に応じて吸排気弁の作動角度やリフト量を可変制御する可変動弁装置を備えたエンジンにおいては、可変動弁装置の作動状態に応じてポンプロスが変化するので、この変化を考慮して所要の回生量ないし減速度が得られるように目標スロットル開度を補正するのが望ましい。

図９は第２の実施形態による減速中の制御動作を示す流れ図である。これは回生終了時の機関回転数と目標スロットル開度とに基づいてトルク段差の大きさを算出し、この段差分のトルクを回転電気を駆動して補償することによりトルク段差の発生を回避するようにしたものである。

この制御ではまず目標スロットル開度ＴＧＴＶＯを読み込んだのち燃料カット状態が継続しているか否かを判定し、燃料カット中であればそのときの車速に基づいて図１０に示したようなテーブルから定めた回生トルクとなるように目標回生量を決定して回生動作を行う（ステップ９０１〜９０４）。

減速過程でアクセルペダルの踏み込み操作等がなされると燃料供給が再開され回生動作は終了する。このとき、燃料カット直後であればトルク段差を解消する補償トルクを算出するための準備として、そのときの機関回転数ＮＥと目標スロットル開度ＴＧＴＶＯを読み込む（ステップ９０５〜９０６）。次にステップ９０１で読み込んである目標スロットル開度を前回値ＴＧＴＶＯｐとしてこれと今回の値ＴＧＴＶＯとの差からスロットル開度の変化量ｄＴＶＯを求め、これと回転数ＮＥとに基づき図１１に示したようなテーブルを検索して補償トルクＴｍｔａを設定し、この補償トルクが出力されるようにモータを駆動する（ステップ９０７〜９０８，９１２）。このようにして、燃料供給再開時のトルク段差に相当するトルクがモータにより補償されることでトルク段差の発生が回避される。

以降の制御ループではステップ９０５にて燃料供給再開直後ではないと判定されるので、ステップ９０９以下の処理に入る。これは補償トルクを徐々に減じることにより実トルクを目標スロットル開度に相当する出力へと徐々に変化させるための処理である。このためにはまず回転数ＮＥを読み込み、ＮＥに基づいて図１２に示したようなテーブルから補正時定数相当値Ｋｆｃ（ただしＫｆｃ＜１）を検索し、補償トルクの前回値ＴｍｔａｐにＫｆｃを乗じたものを新たな補償トルクＴｍｔａとしてモータを駆動する（ステップ９０９〜９１２）。これにより、トルク段差補償分のモータトルクが徐々に減じてゆくため、駆動系に入力するトルクを滑らかに変化させて良好な運転性を確保することができる。

本発明が適用可能なハイブリッド車両の構成例を示す第1の概略構成図。本発明が適用可能なハイブリッド車両の構成例を示す第２の概略構成図。本発明が適用可能なハイブリッド車両の構成例を示す第３の概略構成図。本発明が適用可能なハイブリッド車両の構成例を示す第４の概略構成図。スロットル開度、吸気管負圧、機関回転数Ｎｅの関係を示す特性図。スロットル駆動装置の構成例を示す概略構成図。スロットル駆動装置の制御動作の概略を示す制御概念図。本発明の制御動作の第１の実施形態によるスロットル開度の制御特性を示す特性線図。本発明の制御動作の第２の実施形態を示す流れ図。上記第２の実施形態の制御において車速から回生トルクを求めるためのテーブルの特性線図。上記第２の実施形態の制御においてエンジン回転数とスロットル開度とから補償トルクを求めるためのテーブルの特性線図。上記第２の実施形態の制御においてエンジン回転数から補正時定数相当値Ｋｆｃを求めるためのテーブルの特性線図。

符号の説明

１，４電動モータ
２エンジン
３クラッチ
５無段変速機
９油圧装置
１０油圧発生用モータ
１５バッテリ
１６コントローラ
２０キースイッチ
２１セレクトレバースイッチ
２２アクセルペダルセンサ
２３ブレーキスイッチ
２４車速センサ
２５バッテリ温度センサ
２６バッテリＳＯＣ検出装置（容量検出装置）
２７エンジン回転数センサ
２８スロットル開度センサ
３５水温センサ
３９スロットルバルブ
４０アクチュエータ
４１圧力センサ

Claims

内燃機関と回転電機の何れか一方または双方の駆動力を車両の駆動系統に伝達するように構成され、内燃機関のスロットル開度を運転状態に応じて制御するスロットル駆動装置と、減速時に駆動系統に連結した内燃機関への燃料供給を停止すると共に前記回転電機を回生作動させる回生制御装置とを備えたハイブリッド車両において、
前記スロットル駆動装置を、前記回生作動時に吸気管負圧が予め定めた目標とする吸気管負圧となるように該吸気管負圧をフィードバックしてスロットル開度を制御するように構成したハイブリッド車両の制御装置。
スロットル駆動装置は、アクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサと、スロットルバルブを駆動するアクチュエータと、アクセルセンサからの操作量信号に基づいて前記アクチュエータを駆動する制御装置とを備える請求項１に記載のハイブリッド車両の制御装置。