JP2006063891A - ハイブリッド車の駆動力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ドライバーからの駆動力要求に対応してパワーユニットの要求トルクを算出する際に、バッテリとパワーユニットとの間のエネルギーの入出力を考慮することにより制御を簡素化し、コスト低減、制御応答性の向上を図る。
【解決手段】アクセル開度ＡＣＣＲＴ及び車速ＳＰＤの条件に応じてエンジンとモータとバッテリとに共通するエネルギー単位系で表現した要求出力Ｐｖを関数ｆ１或いは関数ｆ２を用いて決定する（Ｓ４，Ｓ５）。そして、要求出力Ｐｖに発電要求出力Ｐｇを加えた車両全体の要求出力Ｐｈを補正タービン回転数ＮＴＤで除算して算出される要求タービントルクＴｔに、トルコントルク比を乗算してパワーユニット（Ｐ／Ｕ）の要求トルクＰｔを算出する（Ｓ１３）。これにより、バッテリとパワーユニットとの間のエネルギーの入出力を考慮した簡素な制御として、コスト低減、制御応答性の向上を図ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンと該エンジンに連結されるモータとを備えたパワーユニットからの駆動力を自動変速機を介して駆動輪に伝達するハイブリッド車の駆動力制御装置に関する。

近年、自動車等の車両においては、ガソリン等を燃料とするエンジンを動力源とするものに対し、低公害、省資源の促進を目的として、バッテリからの電力によって駆動力を発生するモータをエンジンに加えて搭載し、エンジンとモータとを併用するハイブリッド車が開発されている。

このようなハイブリッド車の中でも、特に、エンジンとモータとの何れも走行駆動源として使用可能なパラレルハイブリッド車においては、エンジン及びモータからなるパワーユニットの駆動トルクを適切に制御する必要があり、従来からエンジン及びモータの制御技術に関する種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１には、エンジン駆動モードとモータ駆動モードとの間に切換領域を設け、この切換領域におけるモータのトルク分配率を切換係数として発生させ、この切換係数に基づいてモータトルク指令値及びエンジントルク指令値を発生させる技術が開示されている。この特許文献１の技術によれば、エンジントルクとモータトルクを切換える際のショック発生を防止することができる。

また、特許文献２には、エンジンと、このエンジンの出力軸に連結された変速機と、この変速機の出力軸に連結された駆動輪に連結され、エンジンが発生するトルクを補助可能なモータとを有するハイブリッド車に関して、要求トルクからエンジンが発生するトルクを差し引いたトルクをモータから発生させる技術が開示されている。特許文献２の技術では、変速機のレシオ変更時の応答が悪く、エンジンが発生するトルクが要求されるトルクを下回った場合、不足分をモータから発生させることにより、ドライバーからの要求に対する駆動力の発生遅れを無くし、スムーズな加速性能を得ることができる。
特開平９−７４６０８号公報 特開２００１−１５７３０９号公報

ところで、ドライバーからの要求に対応してパワーユニットの要求トルクを算出する場合、ドライバーからの要求駆動力を駆動軸のトルクとして捉え、この駆動軸のトルクから変速機の変速比やトルク比を用いてパワーユニットの要求トルクを算出するのが一般的である。

例えば、前述の特許文献２においては、アクセルペダルの踏み込み量と車速との２つの量から自動車に要求されるトルクとしての要求トルクを算出し、この要求トルクと、ＣＶＴ（無段変速機）のレシオと伝達効率とから、エンジンに要求されるトルクを算出している。

しかしながら、ハイブリッド車においては、エンジンとモータとを搭載していることから、バッテリとパワーユニットとの間のエネルギーの入出力（バッテリからモータへの電力供給及びモータからバッテリへの充電）を考慮してパワーユニットの要求トルクを算出する必要がある。

このため、特許文献１や特許文献２に開示されているような一元的なトルク管理による駆動力制御では、変速機制御やバッテリの充放電制御との整合性を維持するために制御が複雑化し、システムコストの上昇を招くばかりでなく、制御応答性の低下を招くといった問題が発生する虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、ドライバーからの駆動力要求に対応してパワーユニットの要求トルクを算出する際に、バッテリとパワーユニットとの間のエネルギーの入出力を考慮することにより制御を簡素化し、コスト低減、制御応答性の向上を図ることのできるハイブリッド車の駆動力制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明によるハイブリッド車の駆動力制御装置は、エンジンと該エンジンに連結されるモータとを備えたパワーユニットからの駆動力を自動変速機を介して駆動輪に伝達するハイブリッド車の駆動力制御装置において、アクセル開度に基づく要求駆動力を、上記エンジン、上記モータ、及び上記モータに電力を供給すると共に上記モータで発電した電力によって充電されるバッテリに共通するエネルギー単位系で表現した要求出力として算出する要求出力算出手段と、上記要求出力算出手段で算出した要求出力に、上記バッテリに充電するための発電要求出力を上記要求出力と同じエネルギー単位系で表現して加算し、車両全体の車両要求出力として算出する車両要求出力算出手段と、上記車両要求出力算出手段で算出した車両要求出力から、上記自動変速機の回転数情報を用いて上記パワーユニットに対する要求トルクを算出する要求トルク算出手段とを備えたことを特徴とする。

その際、自動変速機がクリープ動作状態にあるときには、車両の発進に必要なクリープ出力を推定し、推定したクリープ出力に基づいて自動変速機の回転数情報を補正することが望ましく、クリープ出力は、路面及び走行条件を考慮して推定することが望ましい。

本発明のハイブリッド車の駆動力制御装置は、ドライバーからの駆動力要求を、エンジンとモータとバッテリとに共通するエネルギー単位系で表現した要求出力として算出し、この要求出力に同じエネルギー単位系で表現した発電要求出力を加算した車両全体の車両要求出力から、自動変速機の回転数情報を用いてパワーユニットに対する要求トルクを算出するので、バッテリとパワーユニットとの間のエネルギーの入出力を考慮した簡素な制御とすることができ、コスト低減、制御応答性の向上を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図４は本発明の実施の一形態に係わり、図１はハイブリッド車の全体構成図、図２は要求トルク算出処理のフローチャート、図３はアクセル開度に基づく要求出力の関数を示す特性図、図４は減速度を算出するための関数を示す特性図である。

図１は、主として走行駆動力を発生するエンジン１の出力軸に、発電及び駆動アシスト力発生用のモータ２が直接的に或いはギヤ等の動力伝達機能を介して連結されるパラレルハイブリッド車のシステム構成例を示し、モータ２の電力源としてバッテリ３が搭載されている。バッテリ３は、インバータ４を介してモータ２に接続され、バッテリ３の直流電圧がインバータ４によって交流電圧に変換され、モータ２がインバータ４からの交流電力によって駆動される。エンジン１及びモータ２からなるパワーユニットの駆動力は、トルクコンバータを有する自動変速機５を介して車軸に出力され、２輪駆動或いは４輪駆動として車輪６に伝達される。

エンジン１，モータ２，バッテリ３，自動変速機５は、それぞれ、エンジン制御ユニット（エンジンＥＣＵ）１０、モータ制御ユニット（モータＥＣＵ）２０、バッテリ管理ユニット（バッテリＥＣＵ）３０、トランスミッション制御ユニット（トランスミッションＥＣＵ）４０によって制御され、各ＥＣＵ１０，２０，３０，４０がシステム全体を統括する中央のハイブリッド制御ユニット（ハイブリッドＥＣＵ）５０に接続されている。ハイブリッドＥＣＵ５０を初めとする各ＥＣＵ１０，２０，３０，４０は、マイクロコンピュータを中心として各種インターフェースや周辺回路等を備えて構成され、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信ラインを介して双方向通信可能に接続され、制御情報や制御対象の動作状態に係わるセンシング情報を相互に通信する。

各ＥＣＵ１０，２０，３０，４０の機能について概略すると、エンジンＥＣＵ１０は、ハイブリッドＥＣＵ５０からの制御指令を受け、エンジン１に備えられたセンサ類からの信号に基づいて、スロットル開度、点火時期、燃料噴射量等のパラメータを演算する。そして、これらのパラメータの制御信号によってアクチュエータ類を駆動し、エンジン１の出力が制御指令値に一致するよう、エンジン１の運転状態を制御する。

モータＥＣＵ２０は、ハイブリッドＥＣＵ５０からの制御指令を受け、インバータ４を介してモータ２を制御するものであり、モータ２の回転数や電圧・電流等の情報に基づいて、インバータ４へ電流指令や電圧指令を出力し、モータ２の出力が制御指令値に一致するよう、モータ２を制御する。

バッテリＥＣＵ３０は、バッテリ３の充電状態(State of charge;SOC）で示される残存容量、バッテリ３における入出力可能な最大電力で示される入出力可能パワー量、バッテリ３の劣化度等によるバッテリ状態の把握、このバッテリ状態を把握した上でのバッテリ３の冷却や充電の制御、異常検出及び異常検出時の保護動作等を管理する。

トランスミッションＥＣＵ４０は、予め車速やエンジン１のスロットル開度等の運転状態に応じて設定されたシフトスケジュールに従って自動変速機５の変速段を制御する。本形態においては、自動変速機５は、走行駆動源としてエンジンのみを搭載する車両の自動変速機と同じ仕様の変速機を採用しており、トランスミッションＥＣＵ４０は、ハイブリッドＥＣＵ５０からの制御指令に依存することなく、自己の保有するシフトスケジュールに従って自動変速機５を実際の運転状態に応じた適切な変速段に切換える。

ＨＥＶシステム全体を統括するハイブリッドＥＣＵ５０は、図示しないアクセルペダルの踏込み量を検出するアクセルポジションセンサ（ＡＰＳ）７からのアクセル開度に基づいて、ドライバーの要求する駆動力を、ハイブリッド車の動力系に流れるエネルギー量で表現した要求出力として規定する。更に、このアクセル開度に基づくドライバーの要求出力に、バッテリ３の充放電エネルギー量を加算してハイブリッド車両全体の要求出力を算出し、この車両全体の要求出力をパワーユニットの要求トルクに変換する。そして、このパワーユニットの要求トルクを、エンジン１の駆動トルクとモータ２の駆動トルクとに分配し、その分配率に応じた制御指令をエンジンＥＣＵ１０及びモータＥＣＵ２０に出力する。

すなわち、一般に、パワーユニットの要求トルクを算出する場合には、ドライバーのアクセル操作による要求駆動力を駆動軸のトルクとして捉え、この駆動軸のトルクから自動変速機の変速比とトルクコンバータのトルク比とを用いてパワーユニットの要求トルクを算出している。しかしながら、ハイブリッド車においては、自動変速機のシフトスケジュールとパワーユニットにおけるエネルギーの入出力（バッテリからの電力供給及びバッテリへの充電）とを考慮した複雑な制御を行わなければならず、システムコストの上昇を招くばかりでなく、制御応答性の低下を招くといった問題が発生する虞がある。更には、ハイブリッドＥＣＵ５０から自動変速機５のシフトスケジュールを制御しなければならないことから、自動変速機５を制御するトランスミッションＥＣＵ４０を、エンジンのみの車両と共用化することが困難となり、新たな仕様のトランスミッションＥＣＵ４０を開発するための時間及びコストを要することになる。

従って、本形態においては、エンジン１，モータ２，バッテリ３に共通するエネルギー単位系で表現される出力［単位；ｋＷ］が回転数情報から容易にトルク[単位：Ｎｍ］に変換できることに着目し、ハイブリッドＥＣＵ５０は、要求出力算出手段としての機能により、ドライバーの要求駆動力をエンジン１とモータ２とバッテリ３とに共通するエネルギー単位系で表現した出力Ｐｖ［単位；ｋＷ］として、アクセル開度に基づいて規定する。そして、車両要求出力算出手段としての機能により、アクセル開度に基づく要求出力Ｐｖとバッテリ３に充電するための発電要求出力Ｐｇ［単位；ｋＷ］とを合わせた車両全体の要求出力Ｐｈを算出し、要求トルク算出手段としての機能により、車両全体の要求出力Ｐｈを、自動変速機５の回転数情報を用いてトルクに変換することにより、パワーユニットの要求トルクＰｔ［単位；Ｎｍ］を算出する。これにより、自動変速機の変速比を包括した制御が可能となり、トランスミッションＥＣＵ４０によって制御される自動変速機５のシフトスケジュールを変更することなく、車両の駆動力を制御することができる。

車両全体の要求出力（車両要求トルク）Ｐｈからパワーユニットの要求トルクＰｔを算出するには、トルクコンバータのタービントルクからパワーユニットのトルクが分かることから、基本的に、車両要求出力Ｐｈをトルクコンバータのタービン回転数ＮＴで除算して要求タービントルクＴｔに変換すれば良い。但し、車両停止時や、極低速、クリープ走行時には、タービン回転数ＮＴが低くなりすぎ、要求タービントルクＴｔの演算値がオーバーフローしたり、パワーユニットの最大定格を越えるといった事態が発生する。従って、車両停止時や、極低速、クリープ走行時には、タービン回転数ＮＴを補正した補正タービン回転数ＮＴＤを用いて要求タービントルクＴｔを算出し、この要求タービントルクＴｔからパワーユニットの要求トルクＰｔを算出する。

以下、ハイブリッドＥＣＵ５０によるパワーユニットの要求トルク算出処理の詳細について、図２のフローチャートを用いて説明する。

図２のフローチャートに示す要求トルク算出処理は、ハイブリッドＥＣＵ５０において所定時間毎に実行される処理である。この処理がスタートすると、最初のステップＳ１において、ＡＰＳ７からの信号に基づくアクセル開度ＡＣＣＲＴ（ＡＣＣＲＴ≧０）を読出し、次に、ステップＳ２，Ｓ３において、要求出力Ｐｖを決定する関数ｆ１，ｆ２を選択するための条件を、アクセル開度ＡＣＣＲＴと車速ＳＰＤに基づいて判断する。

関数ｆ１は、アイドル運転を含む通常走行での力行時に用いる関数、関数ｆ２は、減速時等の力行以外の時に用いる関数であり、以下の（ａ）に示す条件が成立するとき、関数ｆ１を選択し、以下の（ｂ）に示す条件が成立するとき、関数ｆ２を選択する。但し、ＫＣＳＰＤは、クリープを判定するための車速の閾値（例えば、５〜１０Ｋｍ／ｈ程度）である。
（ａ） ＡＣＣＲＴ＞０ ｏｒ ＳＰＤ≦ＫＣＳＰＤ
（ｂ） ＡＣＣＲＴ＝０ ａｎｄ ＳＰＤ＞ＫＣＳＰＤ

このため、ステップＳ１からステップＳ２へ進み、先ず、ＡＣＣＲＴ＞０か否か、すなわちアクセルペダルが踏まれているか開放されているかを判断する。その結果、ＡＣＣＲＴ＞０であり、アクセルペダルが踏まれている場合には、ステップＳ２からステップＳ４へ進み、以下の（１）式に示すように、関数ｆ１を用いて要求出力Ｐｖを決定する。
Ｐｖ＝ｆ１（ＡＣＣＲＴ）…（１）

関数ｆ１は、ドライバーのアクセル操作に対して、良好な走行性能と乗り心地が得られるよう、予めアクセル開度ＡＣＣＲＴを割付けて設定されており、予めシミュレーション或いは実験等により、例えば、図３に例示する特性に設定されている。図３の例では、アクセル開度０のとき、関数ｆ１によって安定且つ自然なクリープ出力Ｐｃが得られるように設定されている。

尚、関数ｆ１による要求出力Ｐｖは、現実的には、（１）式の関係をアクセル開度ＡＣＣＲＴをパラメータとするマップに格納しておき、このマップをアクセル開度ＡＣＣＲＴに基づいて参照して求めることが望ましい。

一方、ステップＳ２において、ＡＣＣＲＴ＝０であり、アクセルペダルが開放されている場合には、ステップＳ２からステップＳ３へ進み、車速ＳＰＤが閾値ＫＣＳＰＤを越えているか否かを調べる。そして、ＳＰＤ≦ＫＣＳＰＤの場合には、ステップＳ３から前述のステップＳ４へ進んで関数ｆ１を用いて要求出力Ｐｖを算出し、ＳＰＤ＞ＫＣＳＰＤの場合、ステップＳ３からステップＳ５へ進み、以下の（２）式に示すように、関数ｆ２を用いて要求出力Ｐｖを決定する（同様に、現実的には、関数ｆ２のマップを参照して要求出力Ｐｖを求める）。
Ｐｖ＝ｆ２（ＡＣＣＲＴ）…（２）

関数ｆ２は、減速時の減速度を考慮し、車両の運動方程式を用いて要求出力Ｐｖを算出するものであり、減速度ＤＥＣは、車速ＳＰＤをパラメータとする関数ｆ２-1によって設定される。関数ｆ２-1は、例えば、図４に例示するように、車速ＳＰＤが小さい低速域での減速度ＤＥＣを０として、車速ＳＰＤが大きくなる程、減速度ＤＥＣの値を大きくし、所定車速以上では、一定の減速度ＤＥＣとなる特性に設定されている。

その後、ステップＳ４或いはステップＳ５からステップＳ６へ進み、トランスミッションＥＣＵ４０を介して自動変速機５のトルクコンバータのタービン回転数ＮＴ［単位；ｒｐｍ］を読出す。そして、ステップＳ７で、タービン回転数ＮＴがクリープ回転数に相当する設定回転数ＣＲを越えているか否かを調べ、ＮＴ＞ＣＲの場合、ステップＳ７からステップＳ９へ進み、ＮＴ≦ＣＲの場合、ステップＳ７からステップＳ８で回転数補正係数ＫＮＴを算出した後、ステップＳ９へ進む。

ステップＳ８における回転数補正係数ＫＮＴは、クリープによる発進時に必要な最低限の要求出力と、そのときのタービントルクの推定値に基づいて算出される。クリープ時の必要最低限の要求出力は、関数ｆ１による車速ＳＰＤ＝０のときのクリープ出力Ｐｃとして求めることもできるが、例えば、以下の（ｃ）に示す路面条件及び（ｄ）に示す走行条件を考慮して車両の運動方程式を適用することにより、クリープ時の要求出力及びタービントルクを精密に推定することができる。
（ｃ）クリープ時の道路状況に応じた最大登坂角度（勾配）や路面摩擦係数
（ｄ）クリープ走行時の最大速度

そして、以下の（３）式に示すように、回転数補正係数ＫＮＴを、発進時のクリープ出力Ｐｃ及び推定タービントルクＴｔｄに基づいて算出される回転数と、実際のタービン回転数ＮＴとの差として算出する。但し、（３）式における係数Ｋ１は、回転数の単位換算の係数である。
ＫＮＴ＝（Ｋ１×Ｐｃ／Ｔｔｄ）−ＮＴ…（３）

次に、ステップＳ９では、以下の（４）式に示すように、タービン回転数ＮＴに回転数補正係数ＫＮＴを加算して補正タービン回転数ＮＴＤを算出する。但し、ステップＳ７において、ＮＴ＞ＣＲの条件が成立している場合には、ＫＮＴ＝０すなわちＮＴＤ＝ＮＴとする。
ＮＴＤ＝ＮＴ＋ＫＮＴ…（４）

ステップＳ９に続くステップＳ１０では、以下の（５）式に示すように、先にアクセル開度ＡＣＣＲＴに基づいて決定した要求出力Ｐｖに、バッテリＥＣＵ３０によって算出されたバッテリ３の残存容量等に基づく発電要求（充電要求）出力Ｐｇを加え、車両全体の要求出力Ｐｈを算出する。
Ｐｈ＝Ｐｖ＋Ｐｇ…（５）

そして、ステップＳ１０からステップＳ１１へ進み、以下の（６）式に示すように、車両全体の要求出力Ｐｈを補正タービン回転数ＮＴＤで除算することにより、要求タービントルクＴｔを算出する。
Ｔｔ＝Ｋ１×Ｐｈ／ＮＴＤ…（６）

次に、ステップＳ１２へ進み、トルクコンバータ（トルコン）の速度比によって定まるトルク比Ｔｒを読出し、ステップＳ１３で、以下の（７）式に示すように、要求タービントルクＴｔにトルコントルク比を乗算することにより、パワーユニット（Ｐ／Ｕ）の要求トルクＰｔを算出し、１サイクルの本処理を終了する。
Ｐｔ＝Ｔｔ×Ｔｒ…（７）

以上のように、本形態においては、バッテリとパワーユニットとの間のエネルギーの入出力を考慮し、ドライバーの要求する駆動力を、エンジン１，モータ２，バッテリ３に共通のエネルギー単位系で表現した要求出力として規定しており、この要求出力に同じエネルギー単位系で表現したバッテリ３への発電要求出力を加算した車両全体の車両要求出力から、自動変速機５の回転数情報を用いてパワーユニットに対する要求トルクを算出している。

従って、駆動力を一元的にトルクで管理する従来の駆動力制御に比較して、簡素な制御で変速機制御とバッテリの充放電制御とを容易に協調させることができ、コスト低減、制御応答性の向上を図ることができる。更には、変速機制御（トランスミッションＥＣＵ４０による自動変速機５のシフトスケジュールの制御）に左右されることなく、パワーユニットの要求トルクを算出することができるので、自動変速機５及びトランスミッションＥＣＵ４０を通常のエンジンのみの車両と共用化することができ、機能部品の共用化による大幅なコスト低減を可能とすることができる。

尚、以上の実施の形態では、パラレルハイブリッド車について説明したが、本発明は、パラレルハイブリッド車に限定されることなく、シリーズ・パラレルハイブリッド車におけるパラレル走行のモードにも適用可能である。

ハイブリッド車の全体構成図 要求トルク算出処理のフローチャート アクセル開度に基づく要求出力の関数を示す特性図 減速度を算出するための関数を示す特性図

符号の説明

１ エンジン
２ モータ
３ バッテリ
５ 自動変速機
５０ ハイブリッド制御ユニット（要求出力算出手段、車両要求出力算出手段、要求トルク算出手段）
ＡＣＣＲＴ アクセル開度
Ｐｖ 要求出力
Ｐｇ 発電要求出力
Ｐｈ 車両要求出力
Ｐｔ 要求トルク
Ｐｃ クリープ出力
ＮＴ タービン回転数
ＮＴＤ 補正タービン回転数
代理人 弁理士 伊 藤 進

Claims (3)

1. エンジンと該エンジンに連結されるモータとを備えたパワーユニットからの駆動力を自動変速機を介して駆動輪に伝達するハイブリッド車の駆動力制御装置において、
   アクセル開度に基づく要求駆動力を、上記エンジン、上記モータ、及び上記モータに電力を供給すると共に上記モータで発電した電力によって充電されるバッテリに共通するエネルギー単位系で表現した要求出力として算出する要求出力算出手段と、
   上記要求出力算出手段で算出した要求出力に、上記バッテリに充電するための発電要求出力を上記要求出力と同じエネルギー単位系で表現して加算し、車両全体の車両要求出力として算出する車両要求出力算出手段と、
   上記車両要求出力算出手段で算出した車両要求出力から、上記自動変速機の回転数情報を用いて上記パワーユニットに対する要求トルクを算出する要求トルク算出手段とを備えたことを特徴とするハイブリッド車の駆動力制御装置。
2. 上記要求トルク算出手段は、
   上記自動変速機がクリープ動作状態にあるとき、車両の発進に必要なクリープ出力を推定し、推定したクリープ出力に基づいて上記自動変速機の回転数情報を補正することを特徴とする請求項１記載のハイブリッド車の駆動力制御装置。
3. 上記要求トルク算出手段は、
   上記クリープ出力を、路面及び走行条件を考慮して推定することを特徴とする請求項２記載のハイブリッド車の駆動力制御装置。

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