JP2006121784A

JP2006121784A - ハイブリッド車の制御装置

Info

Publication number: JP2006121784A
Application number: JP2004304605A
Authority: JP
Inventors: Shinya Miwa; 真也三輪
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2004-10-19
Filing date: 2004-10-19
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【課題】モータの回転位置をセンサを用いることなく推定して制御する際に、推定回転位置に誤りがあっても安全を確保し、システム全体の信頼性を向上する。
【解決手段】クランク角θの情報を正常に取得できている場合、エンジンＥＣＵから受信したクランク角センサによるクランク角θと、モータのロータ推定回転位置φとの差｜θ−φ｜が閾値Ａを越えているか否かを調べ（Ｓ２）、｜θ−φ｜＞Ａである場合、エンジンＥＣＵとモータＥＣＵとの間の通信時間の遅れを考慮した換算回転位置θ’をクランク角θから算出する（Ｓ４）。そして、回転センサレス制御におけるロータ推定回転位置φに換算回転位置θ’を代入して（Ｓ５）回転センサレス制御の破綻を防止する。これにより、モータの推定回転位置に誤りがあっても安全を確保し、システム全体の信頼性を向上することができる。
【選択図】図４

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有するハイブリッド車の制御装置に関する。

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においては、エンジンの制御に加えてモータの制御が重要なものとなり、例えば特許文献１に開示されているように、モータに配設されたレゾルバやエンコーダ等の回転センサによりモータの回転位置を検出し、モータの制御に用いている。

しかし、搭載位置や容積、コスト等の関係から使用するモータに制約が生じる場合がある。このような問題は、レゾルバやエンコーダ等の回転センサを備えないモータを用い、モータの回転位置を電流や電圧の観測情報等から推定する、いわゆる回転センサレス制御を採用することで解決することができる。
モータ回転センサレス制御は、モータの特性や電圧方程式を基にした理論的な制御方式であり、モータ電流、更にはモータ電圧を入力として高精度に磁極位置（回転位置）を推定できる。
特開２００１−３０４０３６号公報

しかしながら、ハイブリッド車にモータの回転センサレス制御を適用するには、フェールセーフとして、モータ回転位置の推定が破綻した場合の対策を考える必要がある。回転センサレス制御では、モータの推定回転位置と実際の回転位置と大きく違うときには、モータが脱調する虞があるためである。この脱調からの復帰には、三相交流モータの場合、三相交流をオープンループで通電することが知られているが、効率が悪いばかりでなく、オープンループのため安全を確保するには不十分である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、モータの回転位置をセンサを用いることなく推定して制御する際に、推定回転位置に誤りがあっても安全を確保し、システム全体の信頼性を向上することのできるハイブリッド車の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有するハイブリッド車の異常監視装置において、上記エンジンの出力軸の回転位置を検出する回転センサからの信号に基づくエンジン回転位置データに基づいて、上記エンジンの運転状態を制御するエンジン制御手段と、上記モータの電圧と電流との少なくとも一方に係わる情報に基づいて上記モータの回転位置を推定したモータ推定回転位置データを算出し、このモータ推定回転位置データを用いて上記モータの運転状態を制御するモータ制御手段と、上記エンジン制御手段から送信された上記エンジン回転位置データを受信して上記モータ推定回転位置データが正常か否かを判断し、上記モータ推定回転位置データが異常であると判断したとき、受信した上記エンジン回転位置データを、通信時間の遅れを考慮した回転位置データに変換し、この変換した回転位置データを上記モータ推定回転位置データとする回転位置変換手段とを備えたことを特徴とする。

その際、上記回転位置変換手段は、上記エンジン回転位置データを正常に取得できないとき、上記モータ推定回転位置データを上記エンジン回転位置データに変換して上記エンジン制御手段に送信することが望ましい。

本発明によるハイブリッド車の異常監視装置は、モータ制御手段で推定したモータ推定回転位置データが異常であると判断したとき、エンジン制御手段から受信したエンジン回転位置データを、通信時間の遅れを考慮した回転位置データに変換し、この変換した回転位置データをモータ推定回転位置データとするので、モータを脱調させることなく安全を確保し、システム全体の信頼性を向上することができる。

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り、図１はハイブリッド車のシステム全体を示す構成図、図２はエンジンの回転センサ系の構成を示す説明図、図３はエンジンの回転センサ位置とモータのロータ位置との関係を示す説明図、図４はモータの推定回転位置監視処理を示すフローチャートである。

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、高電圧バッテリ３からの電力によって駆動アシスト力を発生すると共に回生電力によって高電圧バッテリ３を充電するモータ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す。本形態においては、エンジン１とモータ２とは同軸上で直結され、エンジン１及びモータ２の駆動力はトランスミッション４を経て駆動輪５に伝達される。

エンジン１，モータ２を制御するＨＥＶ制御系は、エンジン制御手段としてのエンジン制御ユニット（エンジンＥＣＵ）１０、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）２０、モータ制御手段としてのモータ制御ユニット（モータＥＣＵ）３０、バッテリ管理ユニット（バッテリＥＣＵ）４０、ＨＥＶシステム全体を統括するハイブリッド制御ユニット（ＨＥＶ＿ＥＣＵ）５０を備えて構成される。ＨＥＶ＿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構成され、各種インターフェースや周辺回路等を備えている。

各ＥＣＵ１０，２０，３０，４０の機能について概略すると、エンジンＥＣＵ１０は、エンジン１のスロットル開度、点火時期、燃料噴射量等のパラメータを演算し、これらのパラメータの制御信号を、エンジン１のクランク角センサ６及びカム角センサ７からの情報に基づいて決定した制御タイミングで出力することにより、エンジン１の出力を制御する。トランスミッションＥＣＵ２０は、予め設定された変速スケジュールに従ってトランスミッション４の変速段を制御する。

また、モータＥＣＵ３０は、インバータ等からなるモータ駆動回路３１を介してモータ２を回転センサレスで制御する。すなわち、モータ２は、回転センサを有しないモータであり、モータＥＣＵ３０は、モータ２の電圧観測情報等に基づいてロータの回転位置を推定し、この回転位置の推定結果に基づいてモータ駆動回路３１へ電流指令や電圧指令を出力し、モータ２の出力を制御する。

モータ２は、永久磁石型ロータを有する同期モータ、或いは永久磁石無しの突極型ロータを有するレラクタンスモータとして構成され、回転磁界を形成する三相のステータコイルがモータ駆動回路３１から高圧リレー５２を経て高電圧バッテリ３に接続されている。そして、モータＥＣＵ３０からの制御信号によってモータ駆動回路３１の各相毎のスイッチング素子がＯＮ，ＯＦＦされ、高電圧バッテリ３から供給される電流によってモータ２の出力軸のロータが回転する（通常の力行動作）。また、モータ２は、外力によってロータを強制回転させることで、ステータコイルから起電力を発生する発電機としても動作し、高電圧バッテリ３を充電することができる（回生動作）。

尚、モータ２の回転センサレス制御としては、例えば、ロータの回転中に誘起される電圧を観測して位置を推定し、その電圧観測結果に基づく推定位置による制御や、特定の高周波電流を通電して３相電圧を観測し、３相電圧の観測結果に基づく推定位置による制御等を採用することができる。

更に、バッテリＥＣＵ４０は、高電圧バッテリ３の充電状態(State of charge;SOC）で示される残存容量、高電圧バッテリ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、高電圧バッテリ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高電圧バッテリ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。

ＨＥＶシステム全体を統括するＨＥＶ＿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）５１からの信号に基づく要求トルク（ドライバーの要求する車両駆動トルク）に対し、エンジン１で分担するトルクとモータ２で分担するトルクとの分配率を決定し、このトルク分配率に応じた制御制令をエンジンＥＣＵ１０及びモータＥＣＵ３０に出力する。また、ＨＥＶ＿ＥＣＵ５０は、高電圧バッテリ３とモータ駆動回路３１との間の電力ラインを開閉する高圧リレー５２を開閉制御する。

以上の各ＥＣＵ１０，２０，３０，４０，５０は、図１中に破線で示すように、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ており、互いの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している。特に、モータＥＣＵ３０は、エンジン１に備えられた回転センサとしてのクランク角センサ６及びカム角センサ７からの情報に基づいて、モータ２の回転センサレス制御におけるロータ推定回転位置の妥当性を判断し、外乱等によってロータ位置推定に誤りが発生した場合においても、エンジンＥＣＵ１０からの回転位置情報を用いて回転センサレス制御の破綻を回避するようにしており、モータ２の脱調を防止して安全を確保することができる。

ここで、エンジン１の回転センサ系の構成について説明する。図２に示すように、エンジン１は、燃焼室１１内の混合気を点火プラグ１２からのスパークによって着火・燃焼させ、この混合気の燃焼に伴うピストン１３の往復動をクランクシャフト１４の回転運動に変換する通常の火花点火式エンジンであり、出力軸であるクランクシャフト１４に、クランク角検出用のクランクロータ１５が軸着されている。

クランクロータ１５は、その外周に沿って複数の被検出部が所定間隔で形成されており、この被検出部と所定間隔をもってクランク角センサ６が対向配置されている。クランク角センサ６は、例えば電磁ピックアップ式のセンサであり、クランクロータ１５の回転に伴う被検出部の通過により、所定クランク角毎のパルス列（例えば、１０°ＣＡ毎のパルス列）がクランク角信号として出力される。

また、エンジン１の上部には、クランクシャフト１４に対して１／２回転し、吸気バルブ及び排気バルブを開閉駆動するためのカムシャフト１６が配置され、このカムシャフト１６に、カム角検出用のカムロータ１７が軸着されている。カムロータ１７は、その外周に沿って複数の被検出部が所定間隔で形成されており、この被検出部と所定間隔をもってカム角センサ７が対向配置されている。

カム角センサ７は、例えば電磁ピックアップ式のセンサであり、カムロータ１７の回転に伴う被検出部の通過により、クランク角信号に対して規定のタイミングのパルス列がカム角信号として出力される。このカム角信号は、特定気筒の圧縮上死点を含むパルス列（例えば、＃１気筒の０°ＣＡ，１２０°ＣＡ毎のパルス列）として出力され、エンジンＥＣＵ１０において、燃料噴射や点火の対象気筒を判別するための気筒判別信号として用いられる。

クランク角センサ６は、エンジン１に同軸上で直結されるモータ２に対して特定の位置を基準として取付けられている。例えば、モータ２が永久磁石式型ロータを有する場合には、図３（ａ）に示すように、クランク角センサ６の特定位置（例えば＃１気筒の圧縮上死点前１０°ＣＡ）と、モータ２のロータに配設された永久磁石２ＡのＮ極中心とを合わせて基準位置Ｒとし、この基準位置Ｒを共通として、クランク角センサ６の検出位置とモータ２の推定回転位置とを合わせる。また、モータ２が永久磁石無しの突極型ロータを有する場合には、図３（ｂ）に示すように、クランク角センサ６の特定位置（例えば＃１気筒の圧縮上死点前１０°ＣＡ）と、モータ２のロータの突極部２Ｂの中心とを合わせて基準位置Ｒとし、この基準位置Ｒを共通として、クランク角センサ６の検出位置とモータ２の推定回転位置とを合わせる。

これにより、クランク角センサ６からの回転位置情報とモータ２の推定回転位置情報とを同一基準の回転情報とすることができ、モータＥＣＵ３０における回転センサレス制御におけるロータ回転位置推定の妥当性を、エンジンＥＣＵ１０からの回転位置情報を用いて確認することが可能となる。このロータ回転位置推定の妥当性は、モータＥＣＵ３０の回転位置変換手段としての機能により、エンジンＥＣＵ１０からの回転位置情報をモータＥＣＵ３０で受信した時点の回転位置に換算した換算回転位置情報を用いて確認する。

すなわち、モータＥＣＵ３０がエンジンＥＣＵ１０から回転位置データを受信した時点での回転位置情報は、エンジンＥＣＵ１０とモータＥＣＵ３０との間の通信による遅れ時間があるため、直ちにロータ回転位置情報として用いることはできず、通信の遅れ時間を考慮した回転位置の換算が必要となる。エンジンＥＣＵ１０及びモータＥＣＵ３０同士の通信の時間間隔をＴ［単位；ｓｅｃ］、エンジンＥＣＵ１０側のエンジン回転位置データとしてのクランク角をθ、回転数をＮ［単位；ｒｐｍ］とすると、ＥＣＵ１０の送信から時間Ｔ経過後にモータＥＣＵ３０が受信した時点での換算回転位置θ’［単位；ｒａｄ］は、以下の（１）式によって与えられる。
θ’＝θ＋２πＮ／６０×Ｔ…（１）

モータＥＣＵ３０は、ロータ回転位置の推定に誤りがあった場合、（１）式による換算回転位置θ’を、モータＥＣＵ３０側のモータ推定回転位置データとしてのロータ推定回転位置φとして用いることにより、クランク角センサ６によるクランク角θの情報からモータ２のロータ回転位置を把握することができ、モータ２のフェール制御に迅速且つ円滑に移行し、外乱等による位置推定の破綻によるモータの脱調を防止して安全を確保することができる。

また、クランク角センサ６に異常が発生する等して、クランク角情報を正常に取得できない場合においても、モータＥＣＵ３０によるロータ推定回転位置φの情報からエンジン１のクランク角θを把握してエンジンＥＣＵ１０に送信することにより、エンジン１をフェール制御に迅速且つ円滑に移行させることができる。

次に、モータＥＣＵ３０におけるモータ２の推定回転位置監視処理について、図４のフローチャートを用いて説明する。

図４の処理がスタートすると、先ず、最初のステップＳ１で、クランク角センサ６によるクランク角θの情報をエンジンＥＣＵ１０から正常に受信できているか否かを調べる。その結果、クランク角θの情報を正常に取得できている場合には、ステップＳ１からステップＳ２へ進み、エンジンＥＣＵ１０から受信したクランク角センサ６によるクランク角θと、モータ２のロータ推定回転位置φとの差｜θ−φ｜が閾値Ａを越えているか否かを調べる。

閾値Ａは、本形態のようにエンジン１とモータ２とが同軸上で直結される場合や、エンジンと１とモータ２とがギヤ等の動力伝達機能を介して連結される場合等のように、互いに一定の関係を持って連結されている場合に、ロータ回転位置の推定が妥当であれば、取り得ない回転位置の差分に対する閾値である。そして、｜θ−φ｜≦Ａである場合には、ロータ推定回転位置φは正常であると判断してステップＳ２からステップＳ３へ進み、脱調フラグを“０”として出力してモータ２の回転センサレス制御が正常に実行されていることを示し、処理を抜ける。

また、ステップＳ２において、│θ−φ│＞Ａである場合には、ステップＳ２からステップＳ４へ進み、エンジンＥＣＵ１０とモータＥＣＵ３０との間の通信時間の遅れを考慮した換算回転位置θ’を、前述の（１）式に従ってクランク角θから算出する。そして、ステップＳ５へ進み、回転センサレス制御におけるロータ推定回転位置φに換算回転位置θ’を代入して（φ←θ’）、回転センサレス制御の破綻を防止し、ステップＳ６で、脱調フラグを“１”にセットして出力することにより、モータ２のロータ回転位置推定が外乱等によって異常であることを示してフェールセーフモードの制御に移行させ、処理を抜ける。

このとき、モータ２のロータ回転位置推定は継続して行い、一時的な外乱やノイズ等による誤推定からの復帰を図り、設定時間が経過してもロータ回転位置推定が正常に復帰しない場合には、フェールセーフモードの制御による修理工場に入庫する等の走行、リンプホームを確保した後、安全に車両を停止させる。

一方、ステップＳ１において、クランク角θの情報を正常に取得できない場合には、ステップＳ１からステップＳ７へ進み、回転センサレス制御におけるロータ推定回転位置φを用いてエンジン１のクランク角θを推定する。このロータ推定回転位置φによるクランク角θの推定は、前述した図３（ａ）或いは図３（ｂ）の共通の基準位置Ｒに基づいて行うことができる。

そして、ステップＳ８で、推定したクランク角θをエンジンＥＣＵ１０に送信してフェールセーフ制御に移行させ、処理を抜ける。このモータＥＣＵ３０によるクランク角θの推定値の送信は、修理工場に入庫する等の走行、リンプホームを確保して安全に停止するまで継続され、その間、エンジンＥＣＵ１０では、モータＥＣＵ３０から受信したクランク角θを、（１）式に適用して得られる換算回転位置θ’をエンジン１の制御に用いるクランク角θとして、エンジン１の運転をフェールセーフモード下で継続する。

以上のように、モータＥＣＵ３０におけるモータ２の回転センサレス制御において、モータの回転位置の指定に誤りが有っても、エンジンＥＣＵ１０から受信したクランク角情報を、通信時間を考慮して換算した換算回転位置情報を用いてモータ２の脱調を回避することができ、安全を確保してシステム全体としての信頼性を向上することができる。

しかも、モータ２の回転位置を、エンジン側のクランク角センサ６と共通の基準位置Ｒからの回転位置情報として推定しているため、クランク角センサ６に異常が発生した場合においても、モータ２の推定回転位置からクランク角を推定してエンジンＥＣＵ１０に送信することにより、安全を確保することができ、システム全体としての信頼性をより向上することができる。

ハイブリッド車のシステム全体を示す構成図エンジンの回転センサ系の構成を示す説明図エンジンの回転センサ位置とモータのロータ位置との関係を示す説明図モータの推定回転位置監視処理を示すフローチャート

符号の説明

１エンジン
２モータ
６クランク角センサ（回転センサ）
１０エンジン制御ユニット（エンジン制御手段）
３０モータ制御ユニット（モータ制御手段、回転位置変換手段）
θ クランク角（エンジン回転位置データ）
φ ロータ推定回転位置（モータ推定回転位置データ）
θ’ 換算回転位置
代理人弁理士伊藤進

Claims

エンジンと該エンジンに連結されるモータとを有するハイブリッド車の異常監視装置において、
上記エンジンの出力軸の回転位置を検出する回転センサからの信号に基づくエンジン回転位置データに基づいて、上記エンジンの運転状態を制御するエンジン制御手段と、
上記モータの電圧と電流との少なくとも一方に係わる情報に基づいて上記モータの回転位置を推定したモータ推定回転位置データを算出し、このモータ推定回転位置データを用いて上記モータの運転状態を制御するモータ制御手段と、
上記エンジン制御手段から送信された上記エンジン回転位置データを受信して上記モータ推定回転位置データが正常か否かを判断し、上記モータ推定回転位置データが異常であると判断したとき、受信した上記エンジン回転位置データを、通信時間の遅れを考慮した回転位置データに変換し、この変換した回転位置データを上記モータ推定回転位置データとする回転位置変換手段とを備えたことを特徴とするハイブリッド車の制御装置。
上記回転位置変換手段は、
上記エンジン回転位置データを正常に取得できないとき、上記モータ推定回転位置データを上記エンジン回転位置データに変換して上記エンジン制御手段に送信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制御装置。