JP2007153253A - ハイブリッド自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッド自動車の補助動力源となる電池の充電量が低下したにもかかわらず、高速ギヤが選択されたままアクセル・ペダルが踏まれ、加速が命令入力される運転操作がおこなわれたときに、電気動力の分担を減らし内燃機関動力の分担を大きくするように、運転者に対して変速機をシフトダウンさせることを強力に促す。
【解決手段】電池の充電量が不足するにもかかわらず、なお高速ギヤによる加速が操作入力されたときには、補助動力装置である電動機に供給する電流を強制的に断続制御して、車両が擬似的にノッキングを起こした状態を作りだす。これにより車両が前後に振動し、運転者はギヤが高段に設定されていることに気付き、運転操作によりシフトダウンが実行される。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関動力と電気動力を併用するハイブリッド自動車に利用する。本発明は、ハイブリッド自動車の適正な運転操作を促すための改良に関する。さらに詳しくは、本発明は下記［特許文献１］（発明の名称、ハイブリッド動力装置）に本願出願人が開示した発明のさらなる改良に関する。

ハイブリッド自動車では、走行用動力源として内燃機関とともに電動機を併用する。このため車両に比較的規模の大きい電池を搭載し、車両を加速するあるいは車両が登坂する加速モードでは、その電池から電動機に電流を供給して内燃機関を補助加速する。車両を減速させるあるいは車両が降坂する減速モードでは、車軸の回転動力を発電機に連結し、その発電機から発生する電流により前記電池を充電する。この作用により、車両が減速されるときの制動エネルギをつぎに車両が加速されるときの加速エネルギとして利用できるようになり、単位容積あたりの燃料により車両が走行できる距離を大きくすることができる。上記電動機および発電機はそれぞれ個別に設ける設計もあるが、本願出願人が製造販売するハイブリッド自動車では、一つのハードウエアである回転機を電動発電機として車両に搭載し、これをその動作モードにしたがって電動機としてまたは発電機として利用するように構成されている。

さらに本願出願人が製造販売するハイブリッド自動車では、運転者がとくに意識して操作しなくとも、車速、内燃機関回転速度および内燃機関にかかる負荷の大きさから、電動発電機の動作モード、すなわち補助加速モードおよび補助制動モードを自動的に転換制御するソフトウエアを含む制御装置が搭載されている。このような制御形態では、車両の発進時あるいは登坂時などの内燃機関に対して電動発電機が補助的な加速を実行する必要があるときには、運転操作によるアクセル・ペダルの踏込み量にしたがって、電動発電機が自動的に電動機として作用する補助加速モードが設定される。このとき補助加速モードで電動機に供給される電気エネルギは車載の電池から供給される。また車両の減速時あるいは降坂時など、車両に対して電動発電機が補助的な制動減速を実行する状態では、電動発電機が自動的に発電機として作用する補助制動モードが設定されるようにその制御論理が設定されている。補助制動モードにより発生した電気エネルギは上記車載の電池を充電し回生利用される。

特許第３４２２４６１号（日野）

上記のように補助加速モードあるいは補助制動モードが設定される装置でも、その時点の電池の充電量にしたがってその最良な制御形態、すなわち内燃機関と電動発電機との動力分担は同一ではない。電池の充電量が大きいときには、電池から相応に電気エネルギを取出して有効に電気的な補助加速を実行することができるように設計される。しかし電池の残存充電量が小さくなると、とくに内燃機関（および電動発電機）の回転速度が小さい領域では、電動機モードで動作している電動発電機に加速に必要な電流を十分に供給することができなくなる。このときには、電気的な補助加速に比べて内燃機関の負荷分担が大きくなるように運転操作を行うべきである。すなわちこのようなときには、運転操作により変速機を早めにシフトダウンして、内燃機関の回転速度を大きくして、内燃機関の出力が大きくなる領域を利用し、電気的な補助加速による分担を軽減させて加速を実行することが望ましい。このようなときに、運転者がシフトダウンを実行することなくそのまま高速ギヤで走行を続けると、ハイブリッド用電池の充電量が限界を超えて小さくなってしまうことになる。

このような状況が予想されるときに、すなわち電池の残存充電量が相応に小さくなってきたときに、運転席に表示を点灯させる等により、運転者にシフトダウンを促すことも一つの方法であり、これは広く採用されている。たとえば特定の表示を点灯させて、電池の充電量が小さいので加速を行うなら変速機をシフトダウンしてから加速を実行するように、と運転者を促すことになる。これはいくつかの車種で実施されている。これは有効な考え方であるが、運転者が必ずしも運転席のランプに注意しているとは限らず見逃す可能性があり、ランプ等の点灯は採用しても補助的である。また、職業的な運転者ではない一般の運転者が、ランプが点灯したことがシフトダウンの実行を促すという意味を直ちに適正に理解するとは限らない。

なお、この［発明が解決しようとする課題］は上記［特許文献１］に記載された発明が解決しようとする課題と要部で同等のものであり、上記［特許文献１］に記載された解決手段により相応に解決することもできるがなお不十分である。とくに電池の充電量が小さくなったことを運転者が気付かずに、そのまま通常の走行をつづけていると、電池の充電量はますます小さくなり警報発生の限界に達してしまうこともあり得る。

本発明はこれを改良するものであって、補助加速のために電池の充電量が不十分であるときに、運転者がこれに気付かず、そのままアクセル・ペダルが踏み込まれて加速操作が命令入力されたときには、車両に擬似的なノッキング状態を発生させて車両を振動させ、運転者に変速レバーのシフトダウンを実行させるように促すことを最大の特徴とする。

すなわち本発明は、内燃機関と、この内燃機関とともに車軸に補助動力を与える電動機と、この電動機に電流を供給する電池と、前記内燃機関の回転速度、変速機ギヤ位置およびアクセル操作量を取込み、この内燃機関への燃料供給量および前記電動機への電流供給量を制御するプログラム制御手段とを備えたハイブリッド自動車において、前記電池の残存容量監視手段を備え、前記制御手段は、この監視手段の出力に得られる残存容量が設定値以下を示すときに前記電動機への供給電流をその車両が振動し運転者がそれに気付く程度に繰り返し増減させる手段を備えたことを特徴とする。

内燃機関を主動力源とする自動車では、変速機にトップ・ギヤまたはオーバトップ・ギヤなど高いギヤが選択設定されている状態で、しかも車速が十分でないときに、運転者がそのままアクセル・ペダルを踏み込むと、内燃機関からは加速に必要な出力が得られず機関が異音とともに振動する「ノッキング現象」が知られている。これはガソリン機関では、これはシリンダ内の点火プラグから離れた領域の混合気が自然発火し、燃焼室内の気体が瞬間的に燃焼する現象であるとされている。ディーゼル機関では、低温度あるいは低回転速度のときに噴射された燃料の発火が遅れて、シリンダ内の溜まっている燃料が一気に燃焼して圧力が急上昇する現象であると説明されている。このようなノッキング現象が発生すると車両が前後に振動を始めることから、運転者は、クラッチ・ペダルを踏む、ギヤを低速段に切換える、などの運転操作を行うことが必要である。一般に多くの運転者はそのような運転操作に習熟している。

本発明は、ハイブリッド自動車で、運転者がアクセル・ペダルを踏み込む加速時に、変速機が高速段に設定されていて、しかも電池の充電量が十分でないときには、このノッキング現象と同等の車両振動を強制的に発生させて、つまり擬似的なノッキング現象を車両に発生させて、運転者が変速機をシフトダウン操作するように促すものである。前記擬似的なノッキング現象は、運転者がアクセル・ペダルを踏み込むことにより、補助加速を実行するための電動機（電動機モードの電動発電機を含む）に供給する電流を強制的かつ自動的に、ノッキング現象とほぼ同等な周期で増減（または断続）させることにより発生させる。その周期は例示すると約０．２秒から約１秒程度（１〜５ヘルツ程度）が有効である。

電池の残存容量を監視する手段はさまざまに知られており、本発明の検出手段としてそれらの手段を利用することができる。最も簡単には電池の残存容量を監視する手段は、電池の端子電圧を監視する手段であるが、さらに有効な手段としては、電池がエネルギを放出する状態（放電中の状態）における電流電圧特性を監視し、電池の内部抵抗値が大きくなっていることを監視し評価する手法である。その他にも電池の充電状態を監視する装置あるいは方法はさまざまに知られていて、それらを適宜採用して本発明を実施することができる。

前記残存容量が前記所定の小さい値（電池からエネルギを取出して利用することができない値、またはそれよりやや大きく設定された値）を示すときに、運転席に変速機のシフトダウンを促す視覚的もしくは音響的な警報表示を発生させる手段を備えることが望ましい。これにより上記の擬似的なノッキング現象が発生する前に、あるいは発生した直後に、運転者はシフトダウン操作を促されていることを適正に認識することができる。

一つの回転機を電動機および発電機にそのモードを切換えて利用する電動発電機を備えた装置では、前記「電動機」との表現は、その動作モードが電動モードに制御された電動発電機を含むものと理解されたい。

本発明を実施した車両では、補助加速用の電池の充電量が十分でないにもかかわらず、運転者が変速レバーを高段に設定したまま加速走行を実行することを回避することができる。これにより、ハイブリッド自動車の補助加速用の電池を極限以下に放電させてしまうような運転操作を回避することができる。これにより、ハイブリッド自動車用の大型電池の寿命は長くなり、有効なハイブリッド運転操作を実行することができる。

図１は本発明実施例装置についてその内燃機関まわりを説明するためのブロック構成図である。内燃機関１は車両の主動力機関であり、この例ではディーゼル機関である。このディーゼル機関の出力軸には三相交流回転機２の回転軸（入力側）が固定的に連結されている。この三相交流回転機２の回転軸〔出力側〕にはクラッチ３を介して変速機５の入力軸が連結される。三相交流回転機２の電気巻線にはインバータ４から三相交流が供給され、回転軸まわりに回転磁界が発生される。インバータ４には電池９から直流電流が供給される。

インバータ４はプログラム制御手段１０により制御される。プログラム制御手段１０にはそれぞれインターフエイス回路１１を介して、電池の充電量、電池の充放電電流の検出出力、車速、変速機ギヤ位置、内燃機関の回転情報、アクセル・ペダルの踏込み量、その他が入力する。電池９は車体底部その他に配置された大容量の二次電池である。例示するとその全体の端子電圧は３６０Ｖである。多数のエレメントが直列接続された電池９の両端子はインバータ４の直流側端子に接続される。このインバータ４の直流側端子にはコンデンサ１９が並列的に接続され、インバータ４の直流側端子その他から電池の端子にスパイク状の電圧変動が入力することを防止する。電池９の両端子にはＤＣ−ＤＣコンバータ１８の入力回路が接続され、このＤＣ−ＤＣコンバータ１８からは車両各部の電装品（定格電圧２４Ｖ）に電流が供給される。

インバータ４が発生する三相交流は、プログラム制御手段１０によりその出力周波数、さらに詳しくはその出力回転位相が制御される。すなわち内燃機関１の回転情報は回転センサ７からインターフエイス回路１１を介してプログラム制御手段１０に取込まれる。三相交流回転機２の回転軸は内燃機関１の回転軸と直結されているから、この回転センサ７の出力にしたがって、三相交流回転機２の界磁巻線に供給する三相交流の位相回転速度が制御される。

この位相回転速度が内燃機関１の出力軸の回転速度と等しいときには、三相交流回転機２には負荷電流はいっさい発生せず空転状態となる。この位相回転速度が内燃機関１の出力軸の回転速度より大きくなると、この三相交流回転機２は電動機として作用して内燃機関１の出力軸に補助加速回転力を与える。そのとき三相交流回転機２は電池９から電流によりエネルギを受ける。この位相回転速度が内燃機関１の出力軸回転速度より小さいときには、三相交流回転機２は外部から供給される機械動力により強制的に回転させられることになり、三相交流回転機２は発電機として作用する。発生した電力はインバータ４により直流電流に変換され電池９を充電する。このようにして車両の走行中に、車両が加速するときには三相交流回転機２は電動機として補助動力を発生し、車両が減速するときには三相交流回転機２は発電機となり、走行エネルギを電気エネルギに変換して電池９に回生される。

電池９の充電量は充電量検出手段１６により検出され、インターフエイス回路１１を介してプログラム制御手段１０の放電状況判断マップに記録されている。これはこの電池９に負荷がかかったときの電池９の端子電圧変動その他から判定され常時保持されている。

ここで本発明の特徴とするところは、電池９の充電量が不足してきたときのこの装置の制御にある。図２に本発明実施例装置のプログラム制御をフローチャートにより示す。電池の充電量が十分でないにもかかわらず、運転操作にしたがって、変速機５が高速ギヤに設定されたままアクセル・ペダル１２が踏み込まれると、プログラム制御手段１０はインバータ４を制御して、三相交流回転機２に供給する電流を周期的に断続制御する。すなわち図２に示すように内燃機関の回転情報およびアクセルの開度情報を取込み、そのマップ上の制御点がハッチングを施した領域にあるときに、三相交流回転機２から発生するアシスト・トルクを周期的に断続させる。

この様子を図３に示す。図３は横軸に時間をとり電気動力によるアシスト・トルクが断続的に変化する様子を示す。この断続周期は例示すると毎秒１〜５回程度である。これにより運転者はこの周期により車両が前後に振動するように体感を受けることになる。これにより運転者は内燃機関がノッキングを起こしたものと了解し、設定されているギヤが高すぎることを認識して、シフト・レバーをシフト・ダウンするように操作することになる。

図４に内燃機関の回転速度に対する出力トルクの分担を例示する。すなわち図４に斜線を施して示す部分が、ハイブリッド電気動力によりアシストされる出力トルクである。上記のようにアシスト・トルクを周期的に断続することにより、内燃機関回転速度の広い範囲で出力トルクを大きく変動させることができる。これにより走行中の車両はこまかく前後に振動して、運転者は機関出力か不足していることを認識し、シフト・レバーを低速側にシフト操作することになる。

本発明実施例車両の動力系を説明するブロック構成図。 本発明実施例装置の要部制御フローチャート。 電池容量が不足しているときのアシスト・トルク発生状況タイムチャート。 本発明実施例装置のエンジン回転速度に対するアシスト・トルクの割合を説明する図。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 三相交流回転機
３ クラッチ
４ インバータ
５ 変速機
６ ギヤ位置センサ
７ 回転センサ
８ 車速センサ
９ 電池
１０ プログラム制御手段
１１ インターフエイス回路
１２ アクセル・ペダル
１３ アクセル・センサ
１４ 燃料噴射ポンプ
１５ 電子ガバナ
１６ 充電量検出手段
１７ 電流検出手段
１８ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１９ コンデンサ

Claims (3)

1. 内燃機関と、この内燃機関とともに車軸に動力を与える電動機と、この電動機に電流を供給する電池と、前記内燃機関の回転速度、変速機ギヤ位置およびアクセル操作量を取込み、この内燃機関への燃料供給量および前記電動機への電流供給量を制御するプログラム制御手段とを備えたハイブリッド自動車において、
   前記電池の残存容量監視手段を備え、
   前記制御手段は、この監視手段の出力に得られる残存容量が設定値以下を示すときに前記電動機への供給電流をその車両が振動し運転者がそれに気付く程度に繰り返し増減させる手段を備えたことを特徴とするハイブリッド自動車。
2. 前記残存容量が前記所定の小さい値を示すときに、運転席に変速機のシフトダウンを促す警報表示を発生させる手段を備えた請求項１記載のハイブリッド自動車。
3. 前記電動機はその動作モードが電動モードに制御された電動発電機を含む請求項１または２記載のハイブリッド自動車。

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