JP2007038919A - ハイブリッド車両の駆動力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】段差乗り越しでの駆動力不足を、モータ大型化に頼らず、エンジンの回転上昇により蓄えたエネルギーによる発電量増大でモータトルクを増大させて補う。
【解決手段】駆動力を図示のように上昇させるべく、アクセル開度全開でエンジンおよびモータから最大トルクを発生させているのに車輪速Vwが上昇しないと判定する大負荷判定時t1以後、エンジン回転数Neを図示のごとく上昇させると共に、この上昇したエンジン回転数Neが波線で示すように実線図示の目標値に追従して低下するようジェネレータの発電負荷tTgを図示のごとく増大させる。かかる発電負荷tTgの増大によりジェネレータ発電量が増加してモータトルクが増し、駆動力を、最大駆動力よりも更にハッチングを付して示す分だけ大きくすることができ、車輪速Vwの増加方向変化から明らかなように段差乗り越しが可能となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、動力源としてエンジンとモータとを具え、モータを、エンジン動力の一部により作動されて発電負荷に応じた発電を行うジェネレータからの電力で駆動するようにしたハイブリッド車両の駆動力制御装置、特に、当該ハイブリッド車両の発進時を含む低車速時において段差を乗り越す場合などのように一時的に大きな駆動力が必要になった場合の駆動力制御技術に関するものである。

ハイブリッド車両に限らず車両は、発進時を含む低車速時において段差を乗り越す場合などのように一時的に大きな駆動力が必要になる場合がある。

特許文献1には、自動変速機搭載車にあって、エンジンおよび自動変速機間に介在させたトルクコンバータの入出力要素間における相対回転（スリップ回転）を操作することによりトルクコンバータのトルク増幅作用を制御する技術が開示されている。

前記のように一時的に大きな駆動力が必要になった場合の車両の駆動力制御に際しては、この特許文献1に記載の技術を応用し、トルクコンバータの入出力要素間における相対回転（スリップ回転）を増大させることによりトルクコンバータのトルク増幅作用を大きくして変速機出力トルクを増大させ、これにより、発進時を含む低車速時において段差を乗り越す場合などのように一時的に大きな駆動力が必要になった場合でも要求通りの大きな駆動力が得られるようにすることが考えられる。
特開平０８−２９６７３４号公報

しかし、かようにトルクコンバータのトルク増大機能を操作する駆動力制御は、当然ながらトルクコンバータの存在が前提となって初めて実現可能であり、トルクコンバータを伝動系に具えた自動変速機搭載車でしか採用することができない。

ところで、本発明が制御対象とするハイブリッド車両、つまり、動力源としてエンジンとモータとを具え、モータを、エンジン動力の一部により作動されて発電負荷に応じた発電を行うジェネレータからの電力で駆動するようにしたハイブリッド車両にあっては、高い伝動効率を狙って開発されたものであることから、伝動効率の低下を招くトルクコンバータを伝動系に用いないのが常套である。

このため上記した、トルクコンバータのトルク増大機能を操作する駆動力制御技術は、ハイブリッド車両に用いることができず、要求駆動力の増大分は主にモータにより補うしかない。
しかし駆動力の増大分をモータにより賄うのでは、一時的な要求駆動力の増大のために大型のモータを搭載しなければならず、コスト上および重量的に不利になるという問題を生ずる。

本発明は、上述の問題に鑑み、駆動力の増大分をモータにより賄うのにモータの大型化に頼るのではなく、エンジン動力の一部により作動されるジェネレータからモータへの電力の増大により、要求される一時的な駆動力の増大をモータにより実現し得るようにしたハイブリッド車両の駆動力制御装置を提案し、もって、上記したモータの大型化によるコスト上および重量上の不利益を解消することを目的とする。

この目的のため、本発明によるハイブリッド車両の駆動力制御装置は、請求項１に記載した以下の構成とする。
先ず、前提となるハイブリッド車両を説明するに、これは、
動力源としてエンジンとモータとを具え、エンジン動力の一部により作動されて発電負荷に応じた電力を発電するジェネレータからの電力で上記モータを駆動するようにしたものである。

本発明は、かかるハイブリッド車両に対し、以下のような大負荷検出手段および瞬時駆動力増大手段を設ける。
前者の大負荷検出手段は、エンジンおよびモータから得られる最大駆動力のもとでも走行不能となる大負荷状態を検出し、
この手段により上記の大負荷状態が検出されるとき、瞬時駆動力増大手段は、エンジン回転数を増大させると共に、この増大したエンジン回転数が低下されるよう前記発電負荷を増大させてモータへの電力を増し、これにより一時的に駆動力を増大させるものである。

上記した本発明によるハイブリッド車両の駆動力制御装置によれば、
エンジンおよびモータから得られる最大駆動力のもとでも走行不能となる大負荷状態であるとき、エンジン回転数を増大させると共に、この増大したエンジン回転数が低下されるようジェネレータの発電負荷を増大させてモータへの電力を増すように構成したため、
モータが電力増大分だけトルクを一時的に増大され、これに伴う一時的な駆動力増大で上記の走行不能を解消することができる。

しかも、かかる一時的な駆動力増大をモータの大型化に頼るのではなく、エンジン回転数を上昇させると共に、エンジン作動されるジェネレータの発電負荷を増大させて、エンジンの回転エネルギー分でジェネレータからモータへの電力を増大させることにより一時的な駆動力増大を実現するようにしたから、
モータの大型化を伴うことがなく、従ってコスト上および重量上の不利益を被ることなく、上記の走行不能解消効果を達成することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施例になる駆動力制御装置を具えたフロントエンジン・フロントホイールドライブ式（前輪駆動式）ハイブリッド車両のパワートレーンを、その制御系とともに示す。

このパワートレーンは、動力源としてエンジン1およびモータ2を具え、これらからの動力により左右前輪3を後述のごとくに駆動して車両を走行させるものとする。
これがため、単純遊星歯車組4を可とする差動装置を設け、単純遊星歯車組4はサンギヤ4sと、リングギヤ4rと、これらに噛合した複数個のピニオン4pを回転自在に支持するキャリア4cとで構成する。

キャリア4cに入力軸5を結合し、この入力軸5にエンジン1を結合して、キャリア4cにエンジン回転を入力する。
キャリア4cへのエンジン回転は、一方でサンギヤ4s、および、入力軸5上で回転する中空軸6を経てジェネレータ（発電機）7に伝達し、他方でリングギヤ4r、スプロケット8、チェーン9、終減速機10およびディファレンシャルギヤ装置11を経て左右前輪3に伝達するようになす。

リングギヤ4rには更に前記のモータ2を結合し、モータ2からの回転もリングギヤ4r、スプロケット8、チェーン9、終減速機10およびディファレンシャルギヤ装置11を経て左右前輪3に伝達するようになす。

上記の構成を共線図により示すと、図2(a),(b)に示すごとくに表され、差動装置が単純遊星歯車組4で構成された3要素、2自由度の差動装置であるため、車輪駆動系を結合される出力（Out）要素としてのリングギヤ4rにモータ2を直結し、エンジン1が結合された入力要素としてのキャリア4cを挟んで出力Outと反対の側に位置するサンギヤ4sにジェネレータ7を結合することとなる。

図2(a),(b)に示す共線図において、横軸は遊星歯車組4のギヤ比により決まる回転メンバ間の距離の比、つまりサンギヤ4sおよびキャリア4c間の距離を１とした時のサンギヤ4sおよびリングギヤ4r間の距離の比をαで示すものである。

また図2(a),(b)の縦軸は、各回転メンバの回転速度、つまりキャリア4cへのエンジン回転数Ne、サンギヤ4s（ジェネレータ7）の回転数N1、およびリングギヤ4r（モータ2）からの出力（Out）回転数Noを示し、2個の回転メンバの回転速度が決まれば他の１個の回転メンバの回転速度が決まる。
なお図2(a),(b)においては、回転速度0を基準にそれよりも上は前進回転速度を示し、下は後進回転速度を示す。

図1の構成になり、図2(a),(b)の共線図で表されるハイブリッド車両のパワートレーンにおいては、エンジン1の動力が入力軸5から、キャリア4c、リングギヤ4r、スプロケット8、チェーン9、終減速機10、およびディファレンシャルギヤ装置11を経て、また、モータ2の動力がリングギヤ4rから、スプロケット8、チェーン9、終減速機10、およびディファレンシャルギヤ装置11を経て左右前輪3に伝達され得て、エンジン1およびモータ2の協調により、或いは、その何れか一方により車両を走行させることができる。

この間ジェネレータ7は、エンジン動力の一部により作動されて発電負荷に応じた電力を発電し、この電力と、必要に応じ充当されるバッテリ12からの電力とでモータ2は駆動されるものとする。

エンジン1、モータ2、ジェネレータ7は統合コントローラ13により制御し、このため統合コントローラ13には、
エンジン1の要求負荷状態を表すアクセルペダル踏み込み量（アクセル開度APO）を検出するアクセル開度センサ14からの信号と、
エンジン回転数Neを検出するエンジン回転センサ15からの信号と、
車速VSPを検出する車速センサ16からの信号と、
バッテリ12の蓄電状態SOC（持ち出し可能電力）を検出する蓄電状態センサ17からの信号と、
前輪3の周速Vwを検出する車輪速センサ18からの信号とを入力する。

統合コントローラ13はこれら入力情報にもとづく周知の演算により、目標エンジントルクtTe、目標モータトルクtTm、および発電負荷tTgを決定する。
目標エンジントルクtTeはエンジンコントローラ19に供給され、このエンジンコントローラ19は、エンジントルクが目標エンジントルクtTeとなるようエンジン1を制御する。
そして、目標モータトルクtTmおよび発電負荷tTgはモータ/ジェネレータコントローラ20に供給される。

ここでモータ/ジェネレータコントローラ20は、一方で発電負荷tTgをジェネレータ7に与えてジェネレータ7が発電負荷tTgに応じた電力を発電するようにすると共にこの電力をインバータ21を介してモータ2に向かわせたりバッテリ12に蓄電するようにし、
他方でモータ2のトルクが目標モータトルクtTmとなるよう、ジェネレータ7からの電力および/またはバッテリ12からの電力をインバータ21を介してモータ2に供給する。

統合コントローラ13は、上記した通常の制御に加えて、図3に示す制御プログラムにより、本発明が狙いとする瞬時駆動力増大制御を以下のごとくに実行する。
先ず、本発明における大負荷検出手段に相当するステップＳ1において、アクセル開度APOが全開であり、且つ、図1のパワートレーンが最大トルク（最大駆動力）を発生している状態であるにもかかわらず車輪速Vwが上昇しないか否かを、つまり、エンジン1およびモータ2から得られる駆動力が最大であるのにもかかわらず、段差乗り越しなどのために走行不能な大負荷状態であるか否かを判定する。

かかる大負荷状態でなければ、制御をもとに戻してステップＳ1での判定を繰り返すことにより、大負荷状態になるまで待機する。
大負荷状態であれば、制御をステップＳ2に進めてエンジン1が運転中か否かをチェックする。
エンジン運転中でなければ、ステップＳ3でエンジン1の始動を行った後に、そして、エンジン運転中であればそのまま、制御をステップＳ4に進めて、エンジン回転数Neが例えばシステム許容限界まで上昇するよう（エンジンの回転エネルギーが増大するよう）エンジンコントローラ19を介してエンジン1を制御する。

次のステップＳ5においては、発電負荷tTgを大きくする発電負荷増大制御を開始してジェネレータ7の発電量を増大させる。
かようにジェネレータ7の発電量が増大されると、モータ2への供給電力も増大されてモータトルクが大きくなり、車輪の駆動力を大きくすることができる。

以下、上記のごとく発電負荷tTgを大きくすると車輪の駆動力も大きくなる根拠を、図2の共線図により説明する。
図2(a)は、リングギヤ4rに結合した出力（Out）系の回転数Noが0の停車状態で、キャリア4cに係わるエンジン回転数Neおよびサンギヤ4sに係わるジェネレータ回転数N1が図示のレベルとなるようにエンジン1およびジェネレータ7を作動させた最大駆動力での発進時における共線図である。
この最大駆動力によっても発進不能な大負荷状態のため、図2(b)に示すように発電負荷をΔtTgだけ増大させると、共線図上のレバーは、その慣性重心が慣性質量の最も大きな出力（Out）系の結合箇所、つまり、リングギヤ4rの近くに位置するため、ここを回動中止として、図2(a)と同じ状態を示す波線状態から実線状態へと回動する。

これによりジェネレータ7の回転数N1が図示のように低下され、それに伴ってエンジン回転数Neもレバー比に応じ低下される。
かかるレバーの回動中、エンジン回転数Neの時間変化割合dNe/dtに応じた回転エネルギー分の慣性力が出力（Out）系に対し、矢γで示すように前進回転速度上昇方向に作用して車輪の駆動力を増大させることができる。
発電負荷tTgを大きくすると車輪の駆動力も大きくなる根拠は以上の通りであるが、参考までに、図2の共線図における各回転メンバの運動方程式は次式により表される。
Ir(dNo/dt)＝Tr＋Tc＋Ts−Is(dN1/dt)−Ic(dNe/dt)
ただし、Ir：リングギヤ4rに係わるイナーシャ（車両を含む）
Ic：キャリア4cに係わるイナーシャ（主にエンジン1）
Is：サンギヤ4sに係わるイナーシャ（主にジェネレータ7）
Tr：リングギヤ4rの通過トルク（モータトルク＋走行抵抗）
Tc：キャリア4cの通過トルク（主にエンジントルク）
Ts：サンギヤ4sの通過トルク（主にジェネレータトルク）
No：リングギヤ4r（出力Out）の回転数
Ne：キャリア4c（エンジン1の）の回転数
N1：サンギヤ4s（ジェネレータ7）の回転数

上記したようにステップＳ4およびステップＳ5は、エンジン回転上昇制御および発電負荷増大制御を行うことから、本発明における瞬時駆動力増大手段に相当する。
ただし、ステップＳ5で発電負荷を増大してジェネレータ7の発電量を増大させるに際しては発電量が、バッテリ蓄電状態SOCから求め得るバッテリ12の充電許容上限値を超えることのないよう、発電負荷tTgの増大に制限を付するのは言うまでもない。

また発電負荷tTgの増大に当たっては、発電負荷の増大により低下させるエンジン回転数Neを規範にして、エンジン回転数が目標エンジン回転数に一致するようなフィードバック制御により発電負荷tTgを決定する。
この間における目標エンジン回転数は、段差乗り越し中などのため瞬時駆動力増大制御が行われている最中における車輪速Vwの変化をモニタしながら、車輪速Vwの増加割合が小さいほど駆動力増大要求量（段差）が大きいとの判断にもとづき、車輪速Vwの増加割合が小さいほどエンジン回転低下が大きくなるよう決定する。

次のステップＳ6においては、上記発電負荷tTgの増大（発電量の増大）に伴って低下するエンジン回転数Neが、エンジンの運転に支障を及ぼすような、若しくは、車体の共振を惹起するような設定回転数未満まで過低下したり、または、上記発電負荷tTgの増大（発電量の増大）に伴って大きくなるジェネレータ7のトルクが許容最大トルクに達したか否かをチェックする。
これら判定のいずれもNoであれば、制御をステップＳ5に戻して引き続き上記の瞬時駆動力増大制御を実行するが、何れかの判定がYesである場合、もはや上記の瞬時駆動力増大制御を実行することができる状態でないから、制御をステップＳ7に進めて瞬時駆動力増大制御の終了処理に移行する。

この終了処理に当たっては、先ずステップＳ7において、車輪速Vwの時間変化割合dVw/dtが進行方向側の設定値β以上か否かにより、段差乗り越しなどの大負荷領域を通過して瞬時駆動力増大要求がなくなったか否かを判定する。
未だ大負荷領域を通過しておらず瞬時駆動力増大要求がなくなっていないと判定する間は、制御をそのまま終了して上記の発電負荷増大制御を継続させる。

ステップＳ7でdVw/dt≧βと判定するときは、つまり、段差乗り越しなどの大負荷領域を通過して瞬時駆動力増大要求がなくなったと判定するときは、ステップＳ8において、前記のごとく増大させていた発電負荷tTgを低下させると共に前記のエンジン回転上昇制御を終了する。
そして、次のステップＳ9において、ステップＳ8での発電負荷低下処理により発電負荷tTgの増大量が0になって発電負荷tTgが本来の値に戻ったか否かを、または、アクセル開度APOが全開でなくなった（瞬時駆動力増大要求がなくなった）か否かを判定し、
これらの条件の一方でも成立すれば、瞬時駆動力増大制御を終了させるが、それまでは、制御をステップＳ8に戻してここでの上記処理を継続させる。

上記の駆動力制御をタイムチャートにより示すと、例えば図4に示すごとくになる。
駆動力を図示のように上昇させるべく、アクセル開度APOを全開にし、且つ、エンジン1およびモータ2から最大トルクが発生しているのに車輪速Vwが上昇しないと判定する瞬時t1（ステップＳ1）以後、ステップＳ4のエンジン回転上昇指令およびステップＳ5の発電負荷増大指令により、エンジン回転数Neが図示のように上昇されるようエンジン1を制御すると共に、この上昇したエンジン回転数Neが実線で示す目標値に追従して低下するようジェネレータ7の発電負荷tTgを図示のように増大させる。

ここでエンジン回転数Neの目標値は、段差乗り越し中などの瞬時駆動力増大要求中における車輪速Vwの変化をモニタしながら、車輪速Vwの増加割合が小さいほど駆動力増大要求量（段差）が大きいとの判断にもとづき、車輪速Vwの増加割合が小さいほどエンジン回転低下が大きくなるよう実線図示のごとくに決定する。
そして、この目標エンジン回転数にエンジン1の回転数Neが追従して低下するようジェネレータ7の発電負荷tTgをフィードバック制御下に増大させることで、実エンジン回転数Neは波線図示のように変化する。

上記ジェネレータ発電負荷tTgの増大によりジェネレータ7の発電量（モータ2への電力）が増加してモータ2のトルクが増し、駆動力を、アクセル開度APO=全開に対応した最大駆動力よりも更にハッチングを付して示す分だけ大きくすることができ、車輪速Vwの増加方向の変化から明らかなように段差乗り越しなどの瞬時駆動力増大要求を満足させて車両を走行可能にする。

車輪速Vwの時間変化割合dVw/dtが進行方向側の設定値β以上と判定する（ステップＳ7）瞬時t2以後は、段差乗り越しなどの大負荷領域を通過して瞬時駆動力増大要求がなくなっていることから、
増大させていた発電負荷tTgを図示のごとくに低下させると共にエンジン回転上昇制御を終了してエンジン回転数Neを図示のごとくに低下させて（ステップＳ8）、瞬時駆動力増大制御を終了させる。

図3および図4につき上記した瞬時駆動力増大制御によれば、
エンジン1およびモータ2から得られる最大駆動力のもとでも走破不能となる大負荷状態であるとき（図3のステップＳ1、図4の瞬時t1）、
エンジン回転数を増大させる（ステップＳ4）と共に、この増大したエンジン回転数が低下されるようジェネレータ7の発電負荷tTgを増大させて発電量を増し、エンジン回転低下分の回転エネルギーでモータ2への電力を増すよう構成したため、
モータ2が電力増大分だけトルクを一時的に増大され、これに伴う一時的な駆動力増大で上記の走破不能を解消することができる。

しかも、かかる一時的な駆動力増大をモータ2の大型化に頼るのではなく、エンジン回転数を上昇させると共に、エンジン作動されるジェネレータ7の発電負荷tTgを増大させて、これによるエンジン回転低下分の回転エネルギーでジェネレータ7からモータ2への電力を増大させることにより一時的な駆動力増大を実現するようにしたから、
モータ2の大型化を伴うことがなく、従ってコスト上および重量上の不利益を被ることなく、上記の走破不能解消効果を達成することができる。

また本実施例によれば、発電負荷tTgの増大（発電量の増大）に伴って低下するエンジン回転数Neが、エンジンの運転に支障を及ぼすような、若しくは、車体の共振を惹起するような設定回転数未満まで過低下したり、または、発電負荷tTgの増大（発電量の増大）に伴って大きくなるジェネレータ7のトルクが許容最大トルクに達したと判定するとき（図3のステップＳ6、図4の瞬時t2）、制御をステップＳ7以後に進めて瞬時駆動力増大制御を終了させることから、
上記のように最早瞬時駆動力増大制御を実行することができる状態でないにもかかわらず、瞬時駆動力増大制御が継続される弊害を回避することができる。

更に本実施例においては、アクセルペダルを最大限踏み込んでアクセル開度APOを全開にしている時のみ前記の大負荷状態を検出して、瞬時駆動力増大制御を行うか否かの判断を行うこととしたから、
パワートレーンが最大トルク（最大駆動力）を発生しても走破不能な状態のみを大負荷状態であると判定して、瞬時駆動力増大制御を本当に必要な場合にのみ実行させることができ、当該制御が無駄に実行される愚を避けることができる。

また本実施例では、発電負荷tTgの増大によりエンジン回転数Neを低下させる時の目標エンジン回転数を、瞬時駆動力増大制御中における車輪速Vwの増加割合が小さいほど駆動力増大要求量（段差）が大きいとの判断にもとづき、車輪速Vwの増加割合が小さいほどエンジン回転低下が大きくなるよう決定するから、
大負荷状態の程度に応じ発電負荷tTgの増大程度を変化させて、発電負荷tTgの増大によるエンジン回転数の低下量を大負荷状態の程度に対応させることとなり、大負荷状態の程度に応じた過不足のない適切な瞬時駆動力増大制御を行うことができる。

本発明の一実施例になる駆動力制御装置を具えたハイブリッド車両のパワートレーンを、その制御システムとともに示す線図的斜視図である。 同パワートレーンの共線図を示し、(a)は、大負荷発進時における共線図、(b)は、この大負荷発進時において発進を可能にするためジェネレータ発電負荷を増大させた状態を示す共線図である。 図1における制御システム内の統合コントローラが、大負荷状態のときに実行する瞬時駆動力増大制御プログラムを示すフローチャートである。 図3に示す瞬時駆動力増大制御プログラムを実行したときの動作タイムチャートである。

符号の説明

１ エンジン
２ モータ
３ 前輪（駆動輪）
４ 単純遊星歯車組
５ 入力軸
６ 中空軸
７ ジェネレータ
８ スプロケット
９ チェーン
10 終減速機
11 ディファレンシャルギヤ装置
12 バッテリ
13 統合コントローラ
14 アクセル開度センサ
15 エンジン回転センサ
16 車速センサ
17 バッテリ蓄電状態センサ
18 車輪速センサ
19 エンジンコントローラ
20 モータ/ジェネレータコントローラ
21 インバータ

Claims (4)

1. 動力源としてエンジンとモータとを具え、エンジン動力の一部により作動されて発電負荷に応じた電力を発電するジェネレータからの電力で前記モータを駆動するようにしたハイブリッド車両において、
   前記エンジンおよびモータから得られる最大駆動力のもとでも走行不能となる大負荷状態を検出する大負荷検出手段と、
   この手段により前記大負荷状態が検出されるとき、エンジン回転数を増大させると共に、この増大したエンジン回転数が低下されるよう前記発電負荷を増大させて、一時的に駆動力を増大させる瞬時駆動力増大手段とを設けたことを特徴とするハイブリッド車両の駆動力制御装置。
2. 請求項1に記載の駆動力制御装置において、
   前記瞬時駆動力増大手段は、前記低下中のエンジン回転数が設定回転数未満になるとき前記発電負荷の増大を終了するものであることを特徴とする、ハイブリッド車両の駆動力制御装置。
3. 請求項1または2に記載の駆動力制御装置において、
   前記大負荷検出手段は、前記エンジンのアクセルペダルを最大限踏み込んでいる時のみ前記大負荷状態を検出するものであることを特徴とする、ハイブリッド車両の駆動力制御装置。
4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の駆動力制御装置において、
   前記大負荷検出手段は、大負荷状態の程度を検出するものであり、
   前記瞬時駆動力増大手段は、この手段により検出した大負荷状態の程度に応じ前記発電負荷の増大程度を変化させて、前記エンジン回転数の低下量を大負荷状態の程度に対応させるものであることを特徴とするハイブリッド車両の駆動力制御装置。

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