JP2004204852A - ハイブリッド車両の制御装置 - Google Patents

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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 (2)

  1. 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。
  2. 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。
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