JP2007022240A - 動力出力装置およびこれを搭載する自動車並びに動力出力装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 バッテリの劣化を抑制する。
【解決手段】 遊星歯車機構にエンジンとモータＭＧ１と駆動輪に連結された駆動軸とを接続すると共に駆動軸にモータＭＧ２を接続し、モータＭＧ１，ＭＧ２と電力をやりとりするバッテリを備える自動車において、エンジンの出力軸を含む回転系の回転数変化に基づくトルクを考慮してエンジンの上下限回転数Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎを設定し（Ｓ１３０〜Ｓ１６０）、設定した上下限回転数Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎで制限してエンジンの目標回転数Ｎｅ＊を設定して（Ｓ１７０）、エンジンやモータＭＧ１，ＭＧ２を制御する。これにより、回転系の回転数変化に基づくトルクを考慮しないものに比してエンジンやモータＭＧ１，ＭＧ２をより適正な範囲内で運転でき、バッテリに過大な電力が入出力されるのを抑制できる。この結果、バッテリの劣化をより抑制することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、動力出力装置およびこれを搭載する自動車並びに動力出力装置の制御方法に関する。

従来、この種の動力出力装置としては、プラネタリギヤにエンジンと第１モータジェネレータと駆動軸とを接続すると共に駆動軸に第２モータジェネレータを接続し、第１モータジェネレータおよび第２モータジェネレータと電力をやりとりする電池を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、電池の温度と電池の蓄電量とに基づいて充放電電力の上限値を設定すると共に電池に充放電される電力が設定した充放電電力の上限値を超えないよう第１モータジェネレータおよび第２モータジェネレータを制御することにより、電池に過大な電力が充放電されるのを抑制している。
特開平１１−１８７５７７号公報

一般に、こうした動力出力装置では、電池の小型化，低容量化を図ることを考えると、電池に過大な電力が入出力されることによる電池の劣化を抑制するために、第１，第２モータジェネレータをより適正に制御することが必要とされる。また、電池の容量を変化させずに第１，第２モータジェネレータの定格を大きくすることを考えた場合についても、同様に第１，第２モータジェネレータをより適正に制御することが必要とされる。さらに、こうした動力出力装置では、電池の容量や第１，第２モータジェネレータの定格を変化させない場合には、第１，第２モータジェネレータの性能をより発揮させることが望まれている。即ち、こうした動力出力装置では、電池の劣化を抑制することや装置に組み込まれた機器の性能をより発揮させることなどが課題として考えられているのである。

本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車並びに動力出力装置の制御方法は、蓄電装置の劣化を抑制することを目的の一つとする。また、本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車並びに動力出力装置の制御方法は、装置に組み込まれた機器の性能を十分に発揮させることを目的の一つとする。

本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車並びに動力出力装置の制御方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

本発明の動力出力装置は、
駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、
内燃機関と、
該内燃機関の出力軸と前記駆動軸とに接続され、電力と動力との入出力を伴って前記内燃機関からの動力の少なくとも一部を前記駆動軸に出力する電力動力入出力手段と、
前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、
前記電力動力入出力手段および前記電動機と電力をやりとり可能な蓄電手段と、
前記駆動軸に要求される要求駆動力を設定する要求駆動力設定手段と、
前記設定された要求駆動力と前記蓄電手段の入出力制限と前記内燃機関の出力軸を含む回転系の回転数変化とに基づいて前記内燃機関の運転状態の許容範囲を設定する許容範囲設定手段と、
前記設定された許容範囲内で前記内燃機関が運転されると共に前記設定された要求駆動力に基づく駆動力が前記駆動軸に出力されるよう該内燃機関と前記電力動力入出力手段と前記電動機とを制御する制御手段と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の動力出力装置では、駆動軸に要求される要求駆動力と蓄電手段の入出力制限と内燃機関の出力軸を含む回転系の回転数変化とに基づいて内燃機関の運転状態の許容範囲を設定し、設定した許容範囲内で内燃機関が運転されると共に要求駆動力に基づく駆動力が駆動軸に出力されるよう内燃機関と電力動力入出力手段と電動機とを制御する。したがって、回転系の回転数変化を考慮しないものに比して内燃機関の運転状態の許容範囲をより適正に設定できるから、内燃機関をより適正な範囲内で運転することができる。この結果、蓄電手段に過大な電力が入出力されるのをより抑制することができ、蓄電手段の劣化を抑制することができる。また、内燃機関をより適正な範囲内で運転することによって電力動力入出力手段や電動機もより適正な範囲内で運転できるから、電力動力入出力手段や電動機の性能を十分に発揮させることもできる。もとより、要求駆動力に基づく駆動力を駆動軸に出力することができる。

こうした本発明の動力出力装置において、前記許容範囲設定手段は、前記内燃機関の出力軸を含む回転系の回転数変化に基づく駆動力を含めて前記電力動力入出力手段を介して前記駆動軸に出力される駆動力と前記電動機から前記駆動軸に出力される駆動力の和が前記設定された要求駆動力以下となる第１の関係と、前記内燃機関の出力軸を含む回転系の回転数変化に基づく駆動力の入出力に要する電力を含めて前記電力動力入出力手段により入出力される電力と前記電動機により入出力される電力との和が前記蓄電手段の入出力制限の範囲内となる第２の関係と、が両立する範囲として前記許容範囲を設定する手段であるものとすることもできる。こうすれば、内燃機関の運転状態の許容範囲をより適正に設定することができる。この場合、前記許容範囲設定手段は、前記第１の関係と前記第２の関係とが両立する前記電力動力入出力手段の駆動範囲を演算し、該演算した駆動範囲から前記許容範囲を設定する手段であるものとすることもできる。

また、本発明の動力出力装置において、前記許容範囲設定手段は、前記内燃機関の運転状態としての回転数とトルクとの関係のうち所定の関係を用いて前記許容範囲として該内燃機関の許容回転数範囲を設定する手段であるものとすることもできる。こうすれば、内燃機関の許容回転数範囲をより適正に設定することができる。

さらに、本発明の動力出力装置において、前記制御手段は、前記設定された要求駆動力に基づいて前記内燃機関を運転すべき目標運転状態を設定すると共に該設定した目標運転状態を前記許容範囲で制限して実行運転状態を設定し、該設定した実行運転状態で前記内燃機関が運転されるよう制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、許容範囲内の実行運転状態で内燃機関を運転することができる。

或いは、本発明の動力出力装置において、前記電力動力入出力手段は、前記内燃機関の出力軸と前記駆動軸と第３の軸との３軸に接続され該３軸のうちいずれか２軸に入出力した動力に基づいて残余の軸に動力を入出力する３軸式動力入出力手段と、前記第３の軸に動力を入出力可能な発電機とを備える手段であるものとすることもできるし、前記内燃機関の出力軸に取り付けられた第１の回転子と前記駆動軸に取り付けられた第２の回転子とを備え、該第１の回転子と該第２の回転子との電磁作用による電力の入出力を伴って前記内燃機関からの動力の少なくとも一部を前記駆動軸に出力する対回転子電動機であるものとすることもできる。

本発明の自動車は、前述のいずれかの態様の本発明の動力出力装置、即ち、基本的には、駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、内燃機関と、該内燃機関の出力軸と前記駆動軸とに接続され電力と動力との入出力を伴って前記内燃機関からの動力の少なくとも一部を前記駆動軸に出力する電力動力入出力手段と、前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、前記電力動力入出力手段および前記電動機と電力をやりとり可能な蓄電手段と、前記駆動軸に要求される要求駆動力を設定する要求駆動力設定手段と、前記設定された要求駆動力と前記蓄電手段の入出力制限と前記内燃機関の出力軸を含む回転系の回転数変化とに基づいて前記内燃機関の運転状態の許容範囲を設定する許容範囲設定手段と、前記設定された許容範囲内で前記内燃機関が運転されると共に前記設定された要求駆動力に基づく駆動力が前記駆動軸に出力されるよう該内燃機関と前記電力動力入出力手段と前記電動機とを制御する制御手段と、を備える動力出力装置を搭載し、車軸が前記駆動軸に連結されてなることを要旨とする。

この本発明の自動車では、前述のいずれかの態様の本発明の動力出力装置を搭載するから、本発明の動力出力装置が奏する効果、例えば、蓄電手段の劣化を抑制することができる効果などと同様の効果を奏することができる。

本発明の動力出力装置の制御方法は、
内燃機関と、該内燃機関の出力軸と駆動軸とに接続され電力と動力との入出力を伴って前記内燃機関からの動力の少なくとも一部を前記駆動軸に出力する電力動力入出力手段と、前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、前記電力動力入出力手段および前記電動機と電力をやりとり可能な蓄電手段と、を備える動力出力装置の制御方法であって、
（ａ）前記駆動軸に要求される要求駆動力と前記蓄電手段の入出力制限と前記内燃機関の出力軸を含む回転系の回転数変化とに基づいて前記内燃機関の運転状態の許容範囲を設定し、
（ｂ）前記設定された内燃機関の運転状態の許容範囲内で前記内燃機関が運転されると共に前記要求駆動力に基づく駆動力が前記駆動軸に出力されるよう該内燃機関と前記電力動力入出力手段と前記電動機とを制御する
ことを要旨とする。

この本発明の動力出力装置の制御方法によれば、駆動軸に要求される要求駆動力と蓄電手段の入出力制限と内燃機関の出力軸を含む回転系の回転数変化とに基づいて内燃機関の運転状態の許容範囲を設定し、設定した許容範囲内で内燃機関が運転されると共に要求駆動力に基づく駆動力が駆動軸に出力されるよう内燃機関と電力動力入出力手段と電動機とを制御する。したがって、回転系の回転数変化を考慮しないものに比して内燃機関の運転状態の許容範囲をより適正に設定できるから、内燃機関をより適正な範囲内で運転することができる。この結果、蓄電手段に過大な電力が入出力されるのをより抑制することができ、蓄電手段の劣化を抑制することができる。また、内燃機関をより適正な範囲内で運転することによって電力動力入出力手段や電動機もより適正な範囲内で運転できるから、電力動力入出力手段や電動機の性能を十分に発揮させることもできる。もとより、要求駆動力に基づく駆動力を駆動軸に出力することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例である動力出力装置を搭載したハイブリッド自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例のハイブリッド自動車２０は、図示するように、エンジン２２と、エンジン２２の出力軸としてのクランクシャフト２６にダンパ２８を介して接続された３軸式の動力分配統合機構３０と、動力分配統合機構３０に接続された発電可能なモータＭＧ１と、動力分配統合機構３０に接続された駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに取り付けられた減速ギヤ３５と、この減速ギヤ３５に接続されたモータＭＧ２と、動力出力装置全体をコントロールするハイブリッド用電子制御ユニット７０とを備える。

エンジン２２は、ガソリンまたは軽油などの炭化水素系の燃料により動力を出力する内燃機関であり、エンジン２２の運転状態を検出する各種センサから信号を入力するエンジン用電子制御ユニット（以下、エンジンＥＣＵという）２４により燃料噴射制御や点火制御，吸入空気量調節制御などの運転制御を受けている。エンジンＥＣＵ２４は、ハイブリッド用電子制御ユニット７０と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット７０からの制御信号によりエンジン２２を運転制御すると共に必要に応じてエンジン２２の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。

動力分配統合機構３０は、外歯歯車のサンギヤ３１と、このサンギヤ３１と同心円上に配置された内歯歯車のリングギヤ３２と、サンギヤ３１に噛合すると共にリングギヤ３２に噛合する複数のピニオンギヤ３３と、複数のピニオンギヤ３３を自転かつ公転自在に保持するキャリア３４とを備え、サンギヤ３１とリングギヤ３２とキャリア３４とを回転要素として差動作用を行なう遊星歯車機構として構成されている。動力分配統合機構３０は、キャリア３４にはエンジン２２のクランクシャフト２６が、サンギヤ３１にはモータＭＧ１が、リングギヤ３２にはリングギヤ軸３２ａを介して減速ギヤ３５がそれぞれ連結されており、モータＭＧ１が発電機として機能するときにはキャリア３４から入力されるエンジン２２からの動力をサンギヤ３１側とリングギヤ３２側にそのギヤ比に応じて分配し、モータＭＧ１が電動機として機能するときにはキャリア３４から入力されるエンジン２２からの動力とサンギヤ３１から入力されるモータＭＧ１からの動力を統合してリングギヤ３２側に出力する。リングギヤ３２に出力された動力は、リングギヤ軸３２ａからギヤ機構６０およびデファレンシャルギヤ６２を介して、最終的には車両の駆動輪６３ａ，６３ｂに出力される。

モータＭＧ１およびモータＭＧ２は、いずれも発電機として駆動することができると共に電動機として駆動できる周知の同期発電電動機として構成されており、インバータ４１，４２を介してバッテリ５０と電力のやりとりを行なう。インバータ４１，４２とバッテリ５０とを接続する電力ライン５４は、各インバータ４１，４２が共用する正極母線および負極母線として構成されており、モータＭＧ１，ＭＧ２のいずれかで発電される電力を他のモータで消費することができるようになっている。したがって、バッテリ５０は、モータＭＧ１，ＭＧ２のいずれかから生じた電力や不足する電力により充放電されることになる。なお、モータＭＧ１，ＭＧ２により電力収支のバランスをとるものとすれば、バッテリ５０は充放電されない。モータＭＧ１，ＭＧ２は、いずれもモータ用電子制御ユニット（以下、モータＥＣＵという）４０により駆動制御されている。モータＥＣＵ４０には、モータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御するために必要な信号、例えばモータＭＧ１，ＭＧ２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ４３，４４からの信号や図示しない電流センサにより検出されるモータＭＧ１，ＭＧ２に印加される相電流などが入力されており、モータＥＣＵ４０からは、インバータ４１，４２へのスイッチング制御信号が出力されている。モータＥＣＵ４０は、ハイブリッド用電子制御ユニット７０と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット７０からの制御信号によってモータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御すると共に必要に応じてモータＭＧ１，ＭＧ２の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。

バッテリ５０は、バッテリ用電子制御ユニット（以下、バッテリＥＣＵという）５２によって管理されている。バッテリＥＣＵ５２には、バッテリ５０を管理するのに必要な信号、例えば、バッテリ５０の端子間に設置された図示しない電圧センサからの端子間電圧，バッテリ５０の出力端子に接続された電力ライン５４に取り付けられた図示しない電流センサからの充放電電流，バッテリ５０に取り付けられた温度センサ５１からの電池温度Ｔｂなどが入力されており、必要に応じてバッテリ５０の状態に関するデータを通信によりハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。なお、バッテリＥＣＵ５２では、バッテリ５０を管理するために電流センサにより検出された充放電電流の積算値に基づいて残容量（ＳＯＣ）も演算している。

ハイブリッド用電子制御ユニット７０は、ＣＰＵ７２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ７２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ７４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ７６と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。ハイブリッド用電子制御ユニット７０には、イグニッションスイッチ８０からのイグニッション信号，シフトレバー８１の操作位置を検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジションＳＰ，アクセルペダル８３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度Ａｃｃ，ブレーキペダル８５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキペダルポジションＢＰ，車速センサ８８からの車速Ｖなどが入力ポートを介して入力されている。ハイブリッド用電子制御ユニット７０は、前述したように、エンジンＥＣＵ２４やモータＥＣＵ４０，バッテリＥＣＵ５２と通信ポートを介して接続されており、エンジンＥＣＵ２４やモータＥＣＵ４０，バッテリＥＣＵ５２と各種制御信号やデータのやりとりを行なっている。

こうして構成された実施例のハイブリッド自動車２０は、運転者によるアクセルペダル８３の踏み込み量に対応するアクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づいて駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに出力すべき要求トルクを計算し、この要求トルクに対応する要求動力がリングギヤ軸３２ａに出力されるように、エンジン２２とモータＭＧ１とモータＭＧ２とが運転制御される。エンジン２２とモータＭＧ１とモータＭＧ２の運転制御としては、要求動力に見合う動力がエンジン２２から出力されるようにエンジン２２を運転制御すると共にエンジン２２から出力される動力のすべてが動力分配統合機構３０とモータＭＧ１とモータＭＧ２とによってトルク変換されてリングギヤ軸３２ａに出力されるようモータＭＧ１およびモータＭＧ２を駆動制御するトルク変換運転モードや要求動力とバッテリ５０の充放電に必要な電力との和に見合う動力がエンジン２２から出力されるようにエンジン２２を運転制御すると共にバッテリ５０の充放電を伴ってエンジン２２から出力される動力の全部またはその一部が動力分配統合機構３０とモータＭＧ１とモータＭＧ２とによるトルク変換を伴って要求動力がリングギヤ軸３２ａに出力されるようモータＭＧ１およびモータＭＧ２を駆動制御する充放電運転モード、エンジン２２の運転を停止してモータＭＧ２からの要求動力に見合う動力をリングギヤ軸３２ａに出力するよう運転制御するモータ運転モードなどがある。

次に、こうして構成された実施例のハイブリッド自動車２０の動作について説明する。図２は、ハイブリッド用電子制御ユニット７０により実行される駆動制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎（例えば数ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。

駆動制御ルーチンが実行されると、ハイブリッド用電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２は、まず、アクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度Ａｃｃや車速センサ８８からの車速Ｖ，モータＭＧ１，ＭＧ２の回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２，バッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔなど制御に必要なデータを入力する処理を実行する（ステップＳ１００）。ここで、モータＭＧ１，ＭＧ２の回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２は、回転位置検出センサ４３，４４により検出されるモータＭＧ１，ＭＧ２の回転子の回転位置に基づいて計算されたものをモータＥＣＵ４０から通信により入力するものとした。また、バッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔは、温度センサ５１により検出されたバッテリ５０の電池温度Ｔｂとバッテリ５０の残容量（ＳＯＣ）とに基づいて設定されたものをバッテリＥＣＵ５２から通信により入力するものとした。

こうしてデータを入力すると、入力したアクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づいて車両に要求されるトルクとして駆動輪６３ａ，６３ｂに連結された駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに出力すべき要求トルクＴｒ＊とエンジン２２に要求される要求パワーＰｅ＊とを設定する（ステップＳ１１０）。要求トルクＴｒ＊は、実施例では、アクセル開度Ａｃｃと車速Ｖと要求トルクＴｒ＊との関係を予め定めて要求トルク設定用マップとしてＲＯＭ７４に記憶しておき、アクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとが与えられると記憶したマップから対応する要求トルクＴｒ＊を導出して設定するものとした。図３に要求トルク設定用マップの一例を示す。要求パワーＰｅ＊は、設定した要求トルクＴｒ＊にリングギヤ軸３２ａの回転数Ｎｒを乗じたものとバッテリ５０が要求する充放電要求パワーＰｂ＊とロスＬｏｓｓとの和として計算することができる。なお、リングギヤ軸３２ａの回転数Ｎｒは、車速Ｖに換算係数ｋを乗じることによって求めたり、モータＭＧ２の回転数Ｎｍ２を減速ギヤ３５のギヤ比Ｇｒで割ることによって求めることができる。

続いて、設定した要求パワーＰｅ＊に基づいてエンジン２２の仮目標回転数Ｎｅｔｍｐと仮目標トルクＴｅｔｍｐとを設定する（ステップＳ１２０）。この設定は、エンジン２２を効率よく動作させる動作ラインと要求パワーＰｅ＊とに基づいて仮目標回転数Ｎｅｔｍｐと仮目標トルクＴｅｔｍｐとを設定する。エンジン２２の動作ラインの一例と仮目標回転数Ｎｅｔｍｐと仮目標トルクＴｅｔｍｐとを設定する様子を図４に示す。図示するように、仮目標回転数Ｎｅｔｍｐと仮目標トルクＴｅｔｍｐは、動作ラインと要求パワーＰｅ＊（Ｎｅｔｍｐ×Ｔｅｔｍｐ）が一定の曲線との交点により求めることができる。

次に、モータＭＧ１の今回の回転数Ｎｍ１と前回の回転数（前回Ｎｍ１）とこのルーチンの実行間隔（実施例では、数ｍｓｅｃ）Δｔとを用いて次式（１）によりモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１の時間変化率（ｄＮｍ１／ｄｔ）を計算する（ステップＳ１３０）。そして、モータＭＧ１から見たエンジン２２とモータＭＧ１とからなる慣性系の慣性モーメントＩと回転数Ｎｍ１の時間変化率（ｄＮｍ１／ｄｔ）とモータＭＧ１の仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐとモータＭＧ２の仮モータトルクＴｍ２ｔｍｐと動力分配統合機構３０のギヤ比ρと減速ギヤ３５のギヤ比Ｇｒと要求トルクＴｒ＊とバッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔとを用いて式（２）および式（３）を両立するモータＭＧ１の仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐの上下限値Ｔｍ１ｍａｘ，Ｔｍ１ｍｉｎを設定する（ステップＳ１４０）。ここで、式（２）は動力分配統合機構３０のサンギヤ３１を介して駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに出力されるトルクとモータＭＧ２からリングギヤ軸３２ａに出力されるトルクとの和が値０から要求トルクＴｒ＊までの範囲内となる関係であり、式（３）はモータＭＧ１により入出力される電力とモータＭＧ２により入出力される電力との総和がバッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔの範囲内となる関係である。式（２）および式（３）中、「Ｉ・ｄＮｍ１／ｄｔ」は、エンジン２２とモータＭＧ１とからなる慣性系（エンジン２２のクランクシャフト２６を含む回転系）の回転数変化に伴ってサンギヤ３１に入出力されるトルク（Ｉ・ｄＮｍ１／ｄｔ）を示す。したがって、式（２）中の中辺第１項は、慣性系の回転数変化に伴うトルク（Ｉ・ｄＮｍ１／ｄｔ）を含めてサンギヤ３１を介してリングギヤ軸３２ａに出力されるトルクを示し、式（３）中の中辺第１項は、慣性系の回転数変化に伴うトルク（Ｉ・ｄＮｍ１／ｄｔ）の入出力に要する電力を含めてモータＭＧ１により入出力される電力を示すことになる。動力分配統合機構３０の回転要素における回転数とトルクとの力学的な関係を示す共線図を図５に示す。図中、左のＳ軸はモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１であるサンギヤ３１の回転数を示し、Ｃ軸はエンジン２２の回転数Ｎｅであるキャリア３４の回転数を示し、Ｒ軸はモータＭＧ２の回転数Ｎｍ２を減速ギヤ３５のギヤ比Ｇｒで除したリングギヤ３２の回転数Ｎｒを示す。また、図中、Ｒ軸上の２つの太線矢印は、慣性系の回転数変化に伴うトルク（Ｉ・ｄＮｍ１／ｄｔ）を含めてサンギヤ３１を介してリングギヤ軸３２ａに出力されるトルクと、モータＭＧ２から出力されるトルクＴｍ２＊が減速ギヤ３５を介してリングギヤ軸３２ａに作用するトルクとを示す。式（２）は、この共線図のモータＭＧ１のトルク指令「Ｔｍ１＊」を仮モータトルク「Ｔｍ１ｔｍｐ」に、モータＭＧ２のトルク指令「Ｔｍ２＊」を仮モータトルク「Ｔｍ２ｔｍｐ」に置き換えれば容易に導くことができる。式（２）および式（３）を用いてモータＭＧ１の仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐの上下限値Ｔｍ１ｍａｘ，Ｔｍ１ｍｉｎを設定する様子の一例を図６に示す。上下限値Ｔｍ１ｍａｘ，Ｔｍ１ｍｉｎは、図中斜線で示した領域内の仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐの最大値と最小値として求めることができる。このように慣性系の回転数変化に伴うトルク（Ｉ・ｄＮｍ１／ｄｔ）を含めて仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐの上下限値Ｔｍ１ｍａｘ，Ｔｍ１ｍｉｎを設定することにより、上下限値Ｔｍ１ｍａｘ，Ｔｍ１ｍｉｎをより適正に設定することができる。

dNm1/dt=(Nm1-前回Nm1)/Δt (1)
0≦-(Tm1tmp-I・dNm1/dt)/ρ+Tm2tmp・Gr≦Tr* (2)
Win≦(Tm1tmp-I・dNm1/dt)・Nm1+Tm2tmp・Nm2≦Wout (3)

続いて、設定したモータＭＧ１の仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐの上下限値Ｔｍ１ｍａｘ，Ｔｍ１ｍｉｎとモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１とを用いてモータＭＧ１に許容される上下限回転数Ｎｍ１ｍａｘ，Ｎｍ１ｍｉｎを次式（４）のうち右辺第３項を用いないものにより、即ち式（５）および式（６）により計算する（ステップＳ１５０）。ここで、式（４）は、モータＭＧ１の目標回転数Ｎｍ１＊が設定されたときにモータＭＧ１を目標回転数Ｎｍ１＊で回転させるための関係式としてモータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊を求めるフィードバック制御の式であり、式（４）中、右辺第２項の「ｋ１」は比例項のゲインであり、右辺第３項の「ｋ２」は積分項のゲインである。式（５）および式（６）のように積分項を用いずに上下限回転数Ｎｍ１ｍａｘ，Ｎｍ１ｍｉｎを計算するのは、計算を容易に行なうためである。

Tm1*=前回Tm1*+k1(Nm1*-Nm1)+k2∫(Nm1*-Nm1)dt (4)
Tm1max=前回Tm1*+k1(Nm1max-Nm1) (5)
Tm1min=前回Tm1*+k1(Nm1min-Nm1) (6)

こうしてモータＭＧ１の上下限回転数Ｎｍ１ｍａｘ，Ｎｍ１ｍｉｎを計算すると、計算した上下限回転数Ｎｍ１ｍａｘ，Ｎｍ１ｍｉｎとリングギヤ軸３２ａの回転数Ｎｒ（＝Ｎｍ２／Ｇｒ）と動力分配統合機構３０のギヤ比ρとを用いて次式（７）および式（８）によりエンジン２２に許容される上下限回転数Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎを計算する（ステップＳ１６０）。ここで、式（７）および式（８）は、動力分配統合機構３０の回転要素に対する力学的な関係式である。式（７）および式（８）は、前述の図５の共線図の目標回転数「Ｎｍ１＊」に代えて上限回転数「Ｎｍ１ｍａｘ」と下限回転数「Ｎｍ１ｍｉｎ」とを用いれば容易に導くことができる。

Nemax=(ρ・Nm1max+Nm2/Gr)/(1+ρ) (7)
Nemin=(ρ・Nm1min+Nm2/Gr)/(1+ρ) (8)

そして、設定した上下限回転数Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎでエンジン２２の仮目標回転数Ｎｅｔｍｐを制限してエンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊を設定すると共に（ステップＳ１７０）、設定した目標回転数Ｎｅ＊で要求パワーＰｅ＊を除することによりエンジン２２の目標トルクＴｅ＊を設定する（ステップＳ１８０）。このステップＳ１３０〜Ｓ１８０の処理のように、慣性系の回転数変化に伴うトルク（Ｉ・ｄＮｍ１／ｄｔ）を考慮してモータＭＧ１の仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐの上下限値Ｔｍ１ｍａｘ，Ｔｍ１ｍｉｎを設定すると共に設定した上下限値Ｔｍ１ｍａｘ，Ｔｍ１ｍｉｎを用いてエンジン２２の上下限回転数Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎを設定し、設定した上下限回転数Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎの範囲内で目標回転数Ｎｅ＊を設定することにより、慣性系の回転数変化を考慮しないものに比してエンジン２２をより適正な範囲で運転することができる。なお、ステップＳ１７０でエンジン２２の仮目標回転数Ｎｅｔｍｐが上下限回転数Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎの範囲内のときには、エンジン２２の仮目標回転数Ｎｅｔｍｐと仮目標トルクＴｅｔｍｐと同一の値がエンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊とに設定されることになる。

次に、設定した目標回転数Ｎｅ＊とリングギヤ軸３２ａの回転数Ｎｒ（＝Ｎｍ２／Ｇｒ）と動力分配統合機構３０のギヤ比ρとを用いて次式（９）によりモータＭＧ１の目標回転数Ｎｍ１＊を計算すると共に計算した目標回転数Ｎｍ１＊と現在の回転数Ｎｍ１とに基づいて前述の式（４）によりモータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊を計算する（ステップＳ１９０）。そして、バッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔと計算したモータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊に現在のモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１を乗じて得られるモータＭＧ１の消費電力（発電電力）との偏差をモータＭＧ２の回転数Ｎｍ２で割ることによりモータＭＧ２から出力してもよいトルクの上下限としてのトルク制限Ｔｍ２ｍｉｎ，Ｔｍ２ｍａｘを次式（１０）および式（１１）により計算すると共に（ステップＳ２００）、要求トルクＴｒ＊とトルク指令Ｔｍ１＊と慣性系の回転数変化に伴うトルク（Ｉ・ｄＮｍ１／ｄｔ）と動力分配統合機構３０のギヤ比ρと減速ギヤ３５のギヤ比Ｇｒとを用いてモータＭＧ２から出力すべき仮モータトルクＴｍ２ｔｍｐ２を式（１２）により計算し（ステップＳ２１０）、計算したトルク制限Ｔｍ２ｍｉｎ，Ｔｍ２ｍａｘで仮モータトルクＴｍ２ｔｍｐ２を制限した値としてモータＭＧ２のトルク指令Ｔｍ２＊を設定する（ステップＳ２２０）。ここで、式（９）および式（１２）は、前述した図５の共線図から容易に導き出すことができる。前述したように、慣性系の回転数変化に伴うトルク（Ｉ・ｄＮｍ１／ｄｔ）を考慮することによってエンジン２２をより適正な範囲で運転することができるから、バッテリ５０の小型化，低容量化を考える場合やモータＭＧ１，ＭＧ２の高出力化を考える場合でもモータＭＧ１，ＭＧ２をより適正な範囲で制御することができ、バッテリ５０に過大な電力が入出力されるのを抑制することができる。この結果、モータＭＧ１，ＭＧ２の性能を十分に発揮させることができると共にバッテリ５０の劣化を抑制することができる。

Nm1*=Ne*・(1+ρ)/ρ-Nm2/(Gr・ρ) (9)
Tm2min=(Win-Tm1*・Nm1)/Nm2 (10)
Tm2max=(Wout-Tm1*・Nm1)/Nm2 (11)
Tm2*=(Tr*+(Tm1*-I・dNm1/dt)/ρ)/Gr (12)

こうしてエンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊や目標トルクＴｅ＊，モータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊を設定すると、エンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊についてはエンジンＥＣＵ２４に、モータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊についてはモータＥＣＵ４０にそれぞれ送信して（ステップＳ２３０）、駆動制御ルーチンを終了する。目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊とを受信したエンジンＥＣＵ２４は、エンジン２２が目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊とによって示される運転ポイントで運転されるようにエンジン２２における燃料噴射制御や点火制御などの制御を行なう。また、トルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊を受信したモータＥＣＵ４０は、トルク指令Ｔｍ１＊でモータＭＧ１が駆動されると共にトルク指令Ｔｍ２＊でモータＭＧ２が駆動されるようインバータ４１，４２のスイッチング素子のスイッチング制御を行なう。

以上説明した実施例のハイブリッド自動車２０によれば、駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに要求される要求トルクＴｒ＊とバッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔとエンジン２２とモータＭＧ１とからなる慣性系の回転数変化に伴うトルク（Ｉ・ｄＮｍ１／ｄｔ）とに基づいて設定されるモータＭＧ１の仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐの上下限値Ｔｍ１ｍａｘ，Ｔｍ１ｍｉｎを用いてエンジン２２の上下限回転数Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎを設定すると共に設定した上下限回転数Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎの範囲内でエンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊を設定してエンジン２２やモータＭＧ１，ＭＧ２を制御するから、慣性系の回転数変化に伴うトルクを考慮しないものに比してエンジン２２やモータＭＧ１，ＭＧ２をより適正な範囲内で制御することができる。この結果、バッテリ５０に過大な電力が入出力されるのを抑制できることによりバッテリ５０の劣化を抑制することができる。また、モータＭＧ１，ＭＧ２の性能を十分に発揮させることもできる。

実施例のハイブリッド自動車２０では、図２の駆動制御ルーチンのステップＳ１３０でモータＭＧ１の今回の回転数Ｎｍ１と前回の回転数（前回Ｎｍ１）とを用いてモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１の時間変化率（ｄＮｍ１／ｄｔ）を計算するものとしたが、回転位置検出センサ４３によるセンシング遅れや，モータＥＣＵ４０やハイブリッド用電子制御ユニット７０による演算遅れ，モータＥＣＵ４０とハイブリッド用電子制御ユニット７０との間の通信遅れなどを考慮してモータＭＧ１の現在の回転数Ｎｍ１ｅｓｔを推定すると共に推定した現在の回転数Ｎｍ１ｅｓｔを用いてモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１の時間変化率（）ｄＮｍ１／ｄｔ）を計算するものとしてもよい。こうすれば、回転数Ｎｍ１の時間変化率（ｄＮｍ１／ｄｔ）をより適正に求めることができる。

実施例のハイブリッド自動車２０では、図２の駆動制御ルーチンのステップＳ１５０でモータＭＧ１の上下限回転数Ｎｍ１ｍａｘ，Ｎｍ１ｍｉｎを計算する際には、比例制御によるフィードバック制御を用いるものとしたが、積分項を加えたＰＩ制御によるフィードバック制御を用いるものとしてもよいし、さらに微分項を加えたＰＩＤ制御によるフィードバック制御を用いるものとしてもよい。

実施例のハイブリッド自動車２０では、図２の駆動制御ルーチンのステップＳ１５０，Ｓ１６０でモータＭＧ１の仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐの上下限値Ｔｍ１ｍａｘ，Ｔｍ１ｍｉｎを用いてモータＭＧ１の上下限回転数Ｎｍ１ｍａｘ，Ｎｍ１ｍｉｎを計算すると共に計算した上下限回転数Ｎｍ１ｍａｘ，Ｎｍ１ｍｉｎを用いてエンジン２２の上下限回転数Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎを計算するものとしたが、これに代えて、仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐの上下限値Ｔｍ１ｍａｘ，Ｔｍ１ｍｉｎと前回のモータＭＧ１のトルク指令（前回Ｔｍ１＊）とエンジン２２の回転数Ｎｅとを用いて次式（１３）および式（１４）によりエンジン２２の上下限回転数Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎを設定するものとしてもよい。ここで、式（１３）および式（１４）中、「ｋ３」は比例項のゲインを示す。

Tm1max=前回Tm1*+k3(Nemax-Ne) (13)
Tm1min=前回Tm1*+k3(Nemin-Ne) (14)

実施例のハイブリッド自動車２０では、要求パワーＰｅ＊と動作ラインとに基づいてエンジン２２の仮目標回転数Ｎｅｔｍｐと仮目標トルクＴｅｔｍｐとを設定し、設定した仮目標回転数Ｎｅｔｍｐをエンジン２２の上下限回転数Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎで制限してエンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊を設定すると共に設定した目標回転数Ｎｅ＊で要求パワーＰｅ＊を除してエンジン２２の目標トルクＴｅ＊を設定するものとしたが、要求パワーＰｅ＊と動作ラインと上下限回転数Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎとを用いて目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊とを直接設定するものとしてもよい。

実施例のハイブリッド自動車２０では、モータＭＧ２の動力を減速ギヤ３５により変速してリングギヤ軸３２ａに出力するものとしたが、図７の変形例のハイブリッド自動車１２０に例示するように、モータＭＧ２の動力をリングギヤ軸３２ａが接続された車軸（駆動輪６３ａ，６３ｂが接続された車軸）とは異なる車軸（図７における車輪６４ａ，６４ｂに接続された車軸）に出力するものとしてもよい。

実施例のハイブリッド自動車２０では、エンジン２２の動力を動力分配統合機構３０を介して駆動輪６３ａ，６３ｂに接続された駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに出力するものとしたが、図８の変形例のハイブリッド自動車２２０に例示するように、エンジン２２のクランクシャフト２６に接続されたインナーロータ２３２と駆動輪６３ａ，６３ｂに動力を出力する駆動軸に接続されたアウターロータ２３４とを有し、エンジン２２の動力の一部を駆動軸に伝達すると共に残余の動力を電力に変換する対ロータ電動機２３０を備えるものとしてもよい。

実施例では、エンジン２２と動力分配統合機構３０とモータＭＧ１，ＭＧ２とバッテリ５０とを備える動力出力装置を搭載するハイブリッド自動車２０の形態として説明したが、動力出力装置は自動車に搭載されるものに限定されず、自動車以外の車両や船舶，航空機などの移動体に搭載してもよい。また、動力出力装置の形態や動力出力装置の制御方法の形態としても構わない。

以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の一実施例であるハイブリッド自動車２０の構成の概略を示す構成図である。 実施例のハイブリッド用電子制御ユニット７０により実行される駆動制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 要求トルク設定用マップの一例を示す説明図である。 エンジン２２の動作ラインの一例と目標回転数Ｎｅ＊および目標トルクＴｅ＊を設定する様子を示す説明図である。 動力分配統合機構３０の回転要素を力学的に説明するための共線図の一例を示す説明図である。 モータＭＧ１の仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐの上下限値Ｔｍ１ｍａｘ，Ｔｍ１ｍｉｎを設定する様子の一例を示す説明図である。 変形例のハイブリッド自動車１２０の構成の概略を示す構成図である。 変形例のハイブリッド自動車２２０の構成の概略を示す構成図である。

符号の説明

２０，１２０，２２０ ハイブリッド自動車、２２ エンジン、２４ エンジン用電子制御ユニット（エンジンＥＣＵ）、２６ クランクシャフト、２８ ダンパ、３０ 動力分配統合機構、３１ サンギヤ、３２ リングギヤ、３２ａ リングギヤ軸、３３ ピニオンギヤ、３４ キャリア、３５，減速ギヤ、４０ モータ用電子制御ユニット（モータＥＣＵ）、４１，４２ インバータ、４３，４４ 回転位置検出センサ、５０ バッテリ、５１ 温度センサ、５２ バッテリ用電子制御ユニット（バッテリＥＣＵ）、５４ 電力ライン、６０ ギヤ機構、６２ デファレンシャルギヤ、６３ａ，６３ｂ，６４ａ，６４ｂ 駆動輪、７０ ハイブリッド用電子制御ユニット、７２ ＣＰＵ、７４ ＲＯＭ、７６ ＲＡＭ、８０ イグニッションスイッチ、８１ シフトレバー、８２ シフトポジションセンサ、８３ アクセルペダル、８４ アクセルペダルポジションセンサ、８５ ブレーキペダル、８６ ブレーキペダルポジションセンサ、８８ 車速センサ、２３０ 対ロータ電動機、２３２ インナーロータ ２３４ アウターロータ、ＭＧ１，ＭＧ２ モータ。

Claims (9)

1. 駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、
   内燃機関と、
   該内燃機関の出力軸と前記駆動軸とに接続され、電力と動力との入出力を伴って前記内燃機関からの動力の少なくとも一部を前記駆動軸に出力する電力動力入出力手段と、
   前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、
   前記電力動力入出力手段および前記電動機と電力をやりとり可能な蓄電手段と、
   前記駆動軸に要求される要求駆動力を設定する要求駆動力設定手段と、
   前記設定された要求駆動力と前記蓄電手段の入出力制限と前記内燃機関の出力軸を含む回転系の回転数変化とに基づいて前記内燃機関の運転状態の許容範囲を設定する許容範囲設定手段と、
   前記設定された許容範囲内で前記内燃機関が運転されると共に前記設定された要求駆動力に基づく駆動力が前記駆動軸に出力されるよう該内燃機関と前記電力動力入出力手段と前記電動機とを制御する制御手段と、
   を備える動力出力装置。
2. 前記許容範囲設定手段は、前記内燃機関の出力軸を含む回転系の回転数変化に基づく駆動力を含めて前記電力動力入出力手段を介して前記駆動軸に出力される駆動力と前記電動機から前記駆動軸に出力される駆動力の和が前記設定された要求駆動力以下となる第１の関係と、前記内燃機関の出力軸を含む回転系の回転数変化に基づく駆動力の入出力に要する電力を含めて前記電力動力入出力手段により入出力される電力と前記電動機により入出力される電力との和が前記蓄電手段の入出力制限の範囲内となる第２の関係と、が両立する範囲として前記許容範囲を設定する手段である請求項１記載の動力出力装置。
3. 前記許容範囲設定手段は、前記第１の関係と前記第２の関係とが両立する前記電力動力入出力手段の駆動範囲を演算し、該演算した駆動範囲から前記許容範囲を設定する手段である請求項２記載の動力出力装置。
4. 前記許容範囲設定手段は、前記内燃機関の運転状態としての回転数とトルクとの関係のうち所定の関係を用いて前記許容範囲として該内燃機関の許容回転数範囲を設定する手段である請求項１ないし３いずれか記載の動力出力装置。
5. 前記制御手段は、前記設定された要求駆動力に基づいて前記内燃機関を運転すべき目標運転状態を設定すると共に該設定した目標運転状態を前記許容範囲で制限して実行運転状態を設定し、該設定した実行運転状態で前記内燃機関が運転されるよう制御する手段である請求項１ないし４いずれか記載の動力出力装置。
6. 前記電力動力入出力手段は、前記内燃機関の出力軸と前記駆動軸と第３の軸との３軸に接続され該３軸のうちいずれか２軸に入出力した動力に基づいて残余の軸に動力を入出力する３軸式動力入出力手段と、前記第３の軸に動力を入出力可能な発電機とを備える手段である請求項１ないし５いずれか記載の動力出力装置。
7. 前記電力動力入出力手段は、前記内燃機関の出力軸に取り付けられた第１の回転子と前記駆動軸に取り付けられた第２の回転子とを備え、該第１の回転子と該第２の回転子との電磁作用による電力の入出力を伴って前記内燃機関からの動力の少なくとも一部を前記駆動軸に出力する対回転子電動機である請求項１ないし５いずれか記載の動力出力装置。
8. 請求項１ないし７いずれか記載の動力出力装置を搭載し、車軸が前記駆動軸に連結されてなる自動車。
9. 内燃機関と、該内燃機関の出力軸と駆動軸とに接続され電力と動力との入出力を伴って前記内燃機関からの動力の少なくとも一部を前記駆動軸に出力する電力動力入出力手段と、前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、前記電力動力入出力手段および前記電動機と電力をやりとり可能な蓄電手段と、を備える動力出力装置の制御方法であって、
   （ａ）前記駆動軸に要求される要求駆動力と前記蓄電手段の入出力制限と前記内燃機関の出力軸を含む回転系の回転数変化とに基づいて前記内燃機関の運転状態の許容範囲を設定し、
   （ｂ）前記設定された内燃機関の運転状態の許容範囲内で前記内燃機関が運転されると共に前記要求駆動力に基づく駆動力が前記駆動軸に出力されるよう該内燃機関と前記電力動力入出力手段と前記電動機とを制御する
   動力出力装置の制御方法。

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