JP2009247052A - 回転電機制御システム及び車両駆動システム - Google Patents

回転電機制御システム及び車両駆動システム Download PDF

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Abstract

【課題】電圧変換部の故障を検出した場合に、平滑コンデンサの保護を目的としてモータとして働く回転電機が発生するトルクを制限する回転電機制御システムにおいて、例えば発進時に所要のトルクを発生することが可能な回転電機制御システムを得る。
【解決手段】直流電源、回転電機、周波数変換部、電圧変換部、トルク制限部を備えた回転電機制御システムにおいて、電圧変換部の停止を必要とする異常を検出する異常検出部を備え、当該異常検出部が異常を検出した場合に、トルク制限部が前記回転電機の回転速度が0未満の回転速度下限閾値未満の領域で正トルクの発生を制限し、正トルクを発生する領域を回転速度下限閾値以上の領域に設定する。
【選択図】図7

Description

本発明は、車両を駆動するための回転電機と、直流電源と回転電機との間に介在され、回転電機が力行する際に直流電源の出力を交流に変換し、回転電機が回生する際に回転電機からの出力を直流に変換する周波数変換部と、直流電源と前記周波数変換部との間に介在され、前記回転電機に要求される要求トルクに応じて設定される昇圧指令値に基づいて前記直流電源の出力を昇圧する電圧変換部と、回転電機のトルクを制限するトルク制限部と、を備えた回転電機制御システムに関する。
このような回転電機制御システムは、電気自動車に備えられるモータ(回転電機の一例)の運転状態の制御に採用されるとともに、回転電機以外にエンジン等の他の駆動源を備え、回転電機と他の駆動源とから適宜、駆動力を得て走行する、いわゆる、ハイブリッド車両にも採用される。
特許文献1には、このような電気自動車あるいはハイブリッド車両に採用される電圧変換装置が提案されている。この文献では、図1に電気自動車の例が、図5等にハイブリッド車両の例が示されている。
この文献に開示の技術では、制御装置30は、電圧センサ10からの直流電圧Vbと、電圧センサ13からの出力電圧Vmと、NPNトランジスタQ1,Q2をスイッチング制御するときのデューティー比とに基づいて昇圧コンバータ12が故障されているか否かを検出する。そして、制御装置30は、昇圧コンバータ12の故障を検出すると、交流モータM1の回生発電を禁止するようにインバータ14および交流モータM1を制御する(〔0076〕〔0088〕)。結果、インバータの入力側に挿入される平滑コンデンサの耐電圧性能を向上させることなく、昇圧コンバータの故障処理が可能な電圧変換装置を得ることができる。ここで、回生の判断に関しては、〔0129〕の記載を参考にすると、アクセル開度およびモータ回転数(回転速度)に基づいて交流モータM1におけるエネルギーを演算し、演算したエネルギーに基づいて、交流モータM1が力行モードにあるか回生モードにあるかを判定するものと理解できる。
特開2004−222362号公報
しかし、上記文献に開示の技術では、力行と回生との判断をアクセル開度とモータ回転数に基づいてエネルギーを演算し、このエネルギーに基づいて力行と回生を判定しているため、エネルギーの正負に基づいて力行と回生を判定することとなり、エネルギーが負となる場合に回生を制限することとなる。回転電機における回転速度を横軸にトルクを縦軸に取った相関図(図7に示す図がこの相関図の一例である)を考えた場合、回生を制限する領域は、回転電機が正トルクを発生する状態では、回転電機の回転速度が0以下の第二象限の領域に、回転電機が負トルクを発生する状態では、回転電機の回転速度を0以上の第四象限の領域となる。しなしながら、このような手法を採用すると、上り坂での発進時、下り坂での発進時等に以下のような問題が発生することが判明した。
上り坂での発進の問題
上り坂での発進に際しては、いわゆる、ずり下がり(後進)が発生する場合がある。この状態では、モータとして働く回転電機(上記の特許文献1に記載の場合は交流モータM1)が負回転する状態で正トルク(前進トルク)を発生する必要があるが、上記の判定手法に従うと、モータ回転が負であることから、回生モードと判定され、前進方向にトルクを発生することができなくなり発進できない。
下り坂での発進の問題
下り坂での発進に際しては、いわゆる、ずり下がり(前進)が発生する場合がある。この状態では、モータとして働く回転電機が正回転する状態で負トルクである制動トルクを発生する必要があるが、上記の判定手法に従うと、制動方向にトルクを発生することができなくなり、発進初期に制動をかけながら発進するというスムーズな発進ができない。更には、下り坂で後進状態で発進する必要がある場合も同様に発進ができない。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、例えば、電圧変換部の故障を検出した場合に、平滑コンデンサの保護を目的としてモータとして働く回転電機が発生するトルクを制限する回転電機制御システムにおいて、例えば発進時に所要のトルクを発生することが可能な回転電機制御システムを得ることにある。
上記目的を達成するための本発明に係る、
車両を駆動するための回転電機と、
直流電源と前記回転電機との間に介在され、前記回転電機が力行する際に前記直流電源の出力を交流に変換し、前記回転電機が回生する際に前記回転電機からの出力を直流に変換する周波数変換部と、
前記直流電源と前記周波数変換部との間に介在され、前記回転電機に要求される要求トルクに応じて設定される昇圧指令値に基づいて前記直流電源の出力を昇圧する電圧変換部と、
前記回転電機のトルクを制限するトルク制限部と、を備えた回転電機制御システムの特徴構成は、
前記電圧変換部の停止を必要とする異常を検出する異常検出部を備え、当該異常検出部が異常を検出した場合に、
前記トルク制限部が前記回転電機の回転速度が0未満の回転速度下限閾値未満の領域で正トルクの発生を制限し、正トルクを発生する領域が前記回転速度下限閾値以上の領域に設定され、
前記トルク制限部が前記回転電機の回転速度が0より大きい回転速度上限閾値より大きい領域で負トルクの発生を制限し、負トルクを発生する領域が前記回転速度上限閾値以下の領域に設定されていることにある。
この回転電機制御システムでは、トルク制限が施されることなく、回転電機が正トルクを発生できる領域は0未満の回転速度下限閾値以上の領域とされ、負トルクを発生できる領域は0より大きい回転速度上限閾値以下の領域とされる。従って、回転速度が負となっている走行状態でも、回転速度下限閾値以上の領域で正トルクの発生が許容され、回転速度が正となっている走行状態でも、回転速度上限閾値以下の領域で負トルクの発生が許容される。即ち、回転速度が0である領域を含む、ある程度の領域で、回転電機の回生が許容される。結果、例えば、電圧変換部の故障を検出した場合にあっても、所要のトルクを発生することが可能となり、坂道発進の問題を解決できながら、平滑コンデンサとして特別な仕様のものを採用する必要のない回転電機制御システムを得ることができた。
回転速度下限閾値及び回転速度上限閾値の設定手法としては、電圧変換部が停止した状態で、回転電機から直流電源側に戻るべき電力が平滑コンデンサに蓄電された場合に、平滑コンデンサの電圧を耐圧電圧以下に維持できる閾値として、これらを設定できる。
この構成にあっては、回転電機が回生して、発生された電力の全部が平滑コンデンサに蓄電されたとしても、平滑コンデンサの電圧が耐圧電圧以下となるため、良好にこのコンデンサを守ることができる。
さらに、回転速度下限閾値及び回転速度上限閾値の設定手法としては、回転電機の回転によって発生する回転電機損失と周波数変換部における周波数変換によって発生する周波数変換損失との合算損失に見合う電力を、回生により、回転電機が発生する閾値として、これらを設定することが好ましい。
このように構成しておくと、回転電機の回生で発生された電力が全て損失として消費されるため、平滑コンデンサに蓄電されることはなく、良好にこのコンデンサを守ることができる。
これまで説明してきた、回転速度下限閾値及び回転速度上限閾値を固定値とすることができる。
閾値を固定値とすることで、これら閾値を予め求めて定めておくと、トルク制限を行う領域と、車両側からの要求に基づいて決定される回転電機の動作点で、回転電機をその動作点のまま動作させる非制限領域との判別を容易に実行することができる。
また、回転速度下限閾値及び回転速度上限閾値を設定するに、回転電機の回転によって発生する回転電機損失と周波数変換部における周波数変換によって発生する周波数変換損失との合算損失と、走行に要求される要求トルクとの関係に基づいて、これら閾値を可変設定することが好ましい。
先にも説明したように、本願に係る回生を許容する領域範囲は、回生により発生する電力の全てが損失として消費されれば問題は発生しない。一方、回転電機に要求される要求トルクは、坂道の傾斜度、アクセルの踏み込み量等によって変化する。そこで、これら閾値を要求トルクの値に依存して可変設定することで、平滑コンデンサを守りながら、適切なトルクを発生することが可能となる。
また、許容する側のトルクの範囲としては、
回転電機が正トルクを発生し、回転電機の回転速度が回転速度下限閾値以上の状態で、回転電機に0から正側最大トルクまでの出力が許容され、
回転電機が負トルクを発生し、回転電機の回転速度が回転速度上限閾値以下の状態で、回転電機に0から負側最大トルクまでの出力が許容される構成とすることが好ましい。このようにすることで、トルク制限を施さない領域では、電圧変換部が停止されていない状態での走行状態を、そのまま実現できる。
さて、これまで説明してきた回転電機制御システムは、車両駆動システムに採用できる。即ち、回転電機として、第1回転電機と第2回転電機とを備え、
これら第1回転電機および第2回転電機以外の駆動源から発生される駆動力を分配する動力分配機構を備え、動力分配機構により分配された一方の駆動力が車輪に、他方の駆動力が前記第1回転電機に伝達されるとともに、第2回転電機により発生される駆動力が前記車輪に伝達される車両駆動システムに採用できる。
所謂、スプリット形態のハイブリッド車両に本願の回転電機制御システムを採用することで、このハイブリッド車両で良好に坂道発進等を行うことができる。
また、動力分配機構が、回転速度の順に、第1回転要素、第2回転要素および第3回転要素を有する遊星歯車機構を含んで構成され、
第1回転電機が第1回転要素に接続され、回転電機以外の駆動源が第2回転要素に接続され、第2回転電機及び第3回転要素が車輪に接続されている構造を採用することが好ましい。
この構成の車両駆動システムとすることで、最も、シンプルな遊星歯車機構を使用して、ハイブリッド車両を実現できる。
さらに、このようなハイブリッド車両にあっては、発進を電動走行モード(EVモード)で行うこととなるが、第2回転電機の出力トルクでのみ走行するEVモードにおいて、異常検出部による異常の検出に伴って、トルク制限部によるトルク制限が実行される構成を採用することで、平滑コンデンサの保護を図りながら良好に発進を行える。
以下、本願に係る回転電機制御システムに関して、スプリット形式のハイブリッド駆動装置Hに採用する場合について、図面に基づいて説明する。
1.ハイブリッド駆動装置
図1は、ハイブリッド駆動装置Hの機械的構成を示すスケルトン図である。図2は、ハイブリッド車用駆動装置Hのシステム構成を示すブロック図である。なお、図2において、破線は電力の伝達経路を示し、実線矢印は各種情報の伝達経路を示している。図3は、当該ハイブリッド駆動装置Hの回転電機制御電気系の構成を示す説明図である。
図1に示すように、このハイブリッド駆動装置Hは、駆動力源としてエンジンE及び2個のモータ・ジェネレータMG1、MG2を備えるとともに、エンジンEの出力を、第一モータ・ジェネレータMG1側と、車輪及び第二モータ・ジェネレータMG2側とに分配する動力分配用の遊星歯車装置PGを備えた、いわゆる2モータスプリット方式のハイブリッド駆動装置Hとして構成されている。
すなわち、このハイブリッド駆動装置Hは、機械的な構成として、エンジンEに接続された入力軸Iと、第一モータ・ジェネレータMG1と、第二モータ・ジェネレータMG2と、動力分配用の遊星歯車装置PGと、カウンタギヤ機構Cと、複数の車輪Wに駆動力を分配するディファレンシャル装置Dと、を備えている。ここで、遊星歯車装置PGは、エンジンEの出力(駆動力)を第一モータ・ジェネレータMG1とカウンタドライブギヤOとに分配する。カウンタドライブギヤOは、カウンタギヤ機構C及びディファレンシャル装置Dを介して車輪Wに接続されている。第二モータ・ジェネレータMG2は、カウンタドライブギヤOからディファレンシャル装置Dまでの動力伝達系に出力トルクを伝達可能に接続されている。具体的には、第二モータ・ジェネレータMG2は、カウンタギヤ機構Cに接続されており、このカウンタギヤ機構Cを介してカウンタドライブギヤO及びディファレンシャル装置Dに接続されている。本実施形態においては、第一モータ・ジェネレータMG1が本発明における「第1回転電機」に相当し、第二モータ・ジェネレータMG2が本発明における「第2回転電機」に相当する。
また、このハイブリッド駆動装置Hは、電気的なシステム構成として、第一モータ・ジェネレータMG1を駆動制御するための第一インバータI1と、第二モータ・ジェネレータMG2を駆動制御するための第二インバータI2と、第一インバータI1又は第二インバータI2を介して第一モータ・ジェネレータMG1及び第二モータ・ジェネレータMG2に電力を供給するバッテリBと、ハイブリッド駆動装置Hの各部の制御を行う制御ユニット10と、を備えている。バッテリBが本発明における「直流電源」に相当する。
以下、このハイブリッド駆動装置Hの各部の構成について順に説明する。
1−1.機械的構成
まず、ハイブリッド駆動装置Hの機械的構成について説明する。図1に示すように、このハイブリッド駆動装置Hでは、エンジンEに接続された入力軸I、第一モータ・ジェネレータMG1、及び動力分配用の遊星歯車装置PGが同軸上に配置されている。そして、第二モータ・ジェネレータMG2、カウンタギヤ機構C、及びディファレンシャル装置Dが、それぞれ入力軸Iと平行な軸上に配置されている。ここで、エンジンEとしては、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の公知の各種の内燃機関を用いることができる。カウンタギヤ機構Cの軸(カウンタ軸)には、第一モータ・ジェネレータMG1及び第二モータ・ジェネレータMG2側から順に、第一カウンタドリブンギヤc1、第二カウンタドリブンギヤc2、及びデフピニオンギヤc3が固定されている。ここで、デフピニオンギヤc3は、ディファレンシャル装置Dのデフリングギヤdrに噛み合っており、カウンタギヤ機構Cの回転がディファレンシャル装置Dを介して車輪Wに伝達される構成となっている。ディファレンシャル装置Dは、一般的に用いられるものであり、例えば互いに噛み合う複数の傘歯車を用いた差動歯車機構を有して構成されている。
第一モータ・ジェネレータMG1は、図示しないケースに固定されたステータSt1と、このステータSt1の径方向内側に回転自在に支持されたロータRo1と、を有している。この第一モータ・ジェネレータMG1のロータRo1は、遊星歯車装置PGのサンギヤsと一体回転するように連結されている。また、第二モータ・ジェネレータMG2は図示しないケースに固定されたステータSt2と、このステータSt2の径方向内側に回転自在に支持されたロータRo2と、を有している。この第二モータ・ジェネレータMG2のロータRo2は、第二モータ・ジェネレータ出力ギヤd2(以下「MG2出力ギヤ」という)と一体回転するように連結されている。このMG2出力ギヤd2は、カウンタギヤ機構Cに固定された第一カウンタドリブンギヤc1と噛み合っており、第二モータ・ジェネレータMG2の回転がカウンタギヤ機構Cに伝達される構成となっている。これにより、第二モータ・ジェネレータMG2のロータRo2は、カウンタギヤ機構C及びカウンタドライブギヤOの回転速度に比例する回転速度で回転する。このハイブリッド駆動装置Hでは、第一モータ・ジェネレータMG1及び第二モータ・ジェネレータMG2は、交流モータであり、それぞれ第一インバータI1又は第二インバータI2により駆動制御される。
本例では、第一モータ・ジェネレータMG1は、主にサンギヤsを介して入力された駆動力により発電を行い、バッテリBを充電し、或いは第二モータ・ジェネレータMG2を駆動するための電力を供給するジェネレータとして機能する。ただし、車両の高速走行時やエンジンEの始動時等には第一モータ・ジェネレータMG1は力行して駆動力を出力するモータとして機能する場合もある。一方、第二モータ・ジェネレータMG2は、主に車両の走行用の駆動力を補助するモータとして機能する。ただし、車両の減速時等には第二モータ・ジェネレータMG2はジェネレータとして機能し、車両の慣性力を電気エネルギーとして回生するジェネレータとして機能する場合もある。これら第一モータ・ジェネレータMG1及び第二モータ・ジェネレータMG2の動作は、制御ユニット10からの制御指令に従って動作する第一インバータI1又は第二インバータI2により制御される。
本願が問題とする発進時には、この第二モータ・ジェネレータMG2がモータとして働く。従って、この第二モータ・ジェネレータMG2のトルク制御、引いては、回生許可が問題となる。
図1に示すように、遊星歯車装置PGは、入力軸Iと同軸状に配置されたシングルピニオン型の遊星歯車機構により構成されている。すなわち、遊星歯車装置PGは、複数のピニオンギヤを支持するキャリアcaと、前記ピニオンギヤにそれぞれ噛み合うサンギヤs及びリングギヤrとを回転要素として有している。サンギヤsは、第一モータ・ジェネレータMG1のロータRo1と一体回転するように接続されている。キャリアcaは、入力軸Iと一体回転するように接続されている。リングギヤrは、カウンタドライブギヤOと一体回転するように接続されている。このカウンタドライブギヤOは、カウンタギヤ機構Cに固定された第二カウンタドリブンギヤc2と噛み合っており、遊星歯車装置PGのリングギヤrの回転が、このカウンタギヤ機構Cに伝達される構成となっている。本実施形態においては、この遊星歯車装置PGのサンギヤs、キャリアca、及びリングギヤrが、それぞれ本発明における差動歯車装置の「第1回転要素」、「第2回転要素」、及び「第3回転要素」に相当する。
1−2.ハイブリッド駆動装置の基本的動作
次に、本実施形態に係るハイブリッド駆動装置Hの基本的な動作について説明する。図4、図5は、動力分配用の遊星歯車装置PGの動作状態を表す速度線図である。これらの速度線図において、並列配置された複数本の縦線のそれぞれが、遊星歯車装置PGの各回転要素に対応しており、各縦線の上側に記載されている「s」、「ca」、「r」はそれぞれサンギヤs、キャリアca、リングギヤrに対応している。そして、これらの縦軸上の位置は、各回転要素の回転速度に対応している。ここでは、横軸上は回転速度がゼロであり、上側が正、下側が負である。また、各回転要素に対応する縦線の間隔は、遊星歯車装置PGのギヤ比λ(サンギヤとリングギヤとの歯数比=〔サンギヤの歯数〕/〔リングギヤの歯数〕)に対応している。ここで、遊星歯車装置PGでは、キャリアcaがエンジンE及び入力軸Iと一体回転するように接続され、サンギヤsが第一モータ・ジェネレータMG1のロータRo1と一体回転するように接続され、リングギヤrが出力部材としてのカウンタドライブギヤOと一体回転するように接続されている。したがって、キャリアcaの回転速度はエンジンE及び入力軸Iの回転速度であるエンジン回転速度NEと一致し、サンギヤsの回転速度は第一モータ・ジェネレータMG1の回転速度であるMG1回転速度N1と一致し、リングギヤrの回転速度はカウンタドライブギヤOの回転速度である出力回転速度Noと一致する。よって、この遊星歯車装置PGのギヤ比λを用いると、エンジン回転速度NEと、MG1回転速度N1と、出力回転速度Noとの間には、次の回転速度関係式(式1)が成立する。
NE=(No+λ・N1)/(λ+1)・・・(式1)
図4、図5の速度線図上において、「△」はエンジン回転速度NE、「○」はMG1回転速度N1、「☆」は出力回転速度Noをそれぞれ示している。また、各回転要素に隣接して示す矢印は、キャリアcaに作用するエンジンEのトルクであるエンジントルクTE、サンギヤsに作用する第一モータ・ジェネレータMG1のトルクであるMG1トルクT1、リングギヤrに作用する第二モータ・ジェネレータMG2のトルクであるMG2トルクT2、及びリングギヤrに作用する車輪Wからのトルク(車両の走行に要するトルク)である走行トルクToをそれぞれ示している。なお、上向きの矢印は正方向のトルクを示し、下向きの矢印は負方向のトルクを示している。図示されるように、「☆」で示されるカウンタドライブギヤO(リングギヤr)には、車輪Wからディファレンシャル装置D及びカウンタギヤ機構Cを介して作用する走行トルクToだけではなく、カウンタギヤ機構Cを介して第二モータ・ジェネレータMG2の出力トルクも作用する。ここで、遊星歯車装置PGのギヤ比λを用いると、エンジントルクTEと、MG1トルクT1と、MG2トルクT2と、走行トルクToとの間には、次のトルク関係式(式2)が成立する。
TE:T1:(T2+To)=(1+λ):(−λ):(−1)・・・(式2)
図4は、エンジンEと2つのモータ・ジェネレータMG1、MG2の双方の出力トルクにより走行するハイブリッド走行モードでの速度線図を示している。このモードでは、エンジンEは、効率が高く排ガスの少ない状態に(一般に最適燃費特性に沿うよう)に維持されるよう制御されつつ車両側からの要求駆動力(後述する車両要求トルクTC及び車両要求出力PC)に応じた正方向のエンジントルクTEを出力し、このエンジントルクTEが入力軸Iを介してキャリアcaに伝達される。第一モータ・ジェネレータMG1は、負方向のMG1トルクT1を出力し、このMG1トルクT1がサンギヤsに伝達され、エンジントルクTEの反力を支持する反力受けとして機能する。これにより、遊星歯車装置PGは、エンジントルクTEを第一モータ・ジェネレータMG1と車輪W側となるカウンタドライブギヤOとに分配する。第二モータ・ジェネレータMG2は、要求駆動力や車両の走行状態等に応じて、カウンタドライブギヤOに分配された駆動力を補助すべく適宜正方向又は負方向のMG2トルクT2を出力する。
図5は、第二モータ・ジェネレータMG2の出力トルクのみにより走行するEV(電動)走行モードでの速度線図を示している。このモードでは、第二モータ・ジェネレータMG2は、車両側からの要求駆動力に応じたMG2トルクT2を出力する。すなわち、第二モータ・ジェネレータMG2は、車両を加速又は巡航させる方向の駆動力が要求されている場合には、図5に実線矢印で示すように、カウンタドライブギヤOに負方向に作用する走行抵抗に相当する走行トルクToに抗して車両を加速させるべく、正方向に回転しながら力行して正方向のMG2トルクT2を出力する。一方、第二モータ・ジェネレータMG2は、車両を減速させる方向の駆動力が要求されている場合には、図5に破線矢印で示すように、カウンタドライブギヤOに正方向に作用する車両の慣性力に相当する走行トルクToに抗して車両を減速させるべく、正方向に回転しながら回生(発電)して負方向のMG2トルクT2を出力する。発進時には、基本的に、この状態でハイブリッド駆動装置Hの動作が進行する。
このEV走行モードでは、第一モータ・ジェネレータMG1は、MG1トルクT1がゼロとなるように制御され、MG2トルクT2によるサンギヤsの回転を妨げず、自由に回転可能な状態とされている。これにより、第一モータ・ジェネレータMG1は、MG1回転速度N1が負となる(負方向に回転する)。また、エンジンEは、燃料供給が停止された停止状態とされ、更にエンジンEの内部の摩擦力によりエンジン回転速度NEもゼロとなっている。すなわち、EV走行モードでは、遊星歯車装置PGは、キャリアcaを支点としてカウンタドライブギヤO及び第二モータ・ジェネレータMG2が接続されたリングギヤrが正方向に回転(回転速度が正)し、第一モータ・ジェネレータMG1が接続されたサンギヤsが負方向に回転(回転速度が負)する。
1−3.システム構成
次に、ハイブリッド駆動装置Hのシステム構成について説明する。図2、図3に示すように、このハイブリッド駆動装置Hでは、第一モータ・ジェネレータMG1を駆動制御するための第一インバータI1(さらに詳細には、電圧変換部4と周波数変換部51(5))が、第一モータ・ジェネレータMG1のステータSt1のコイルに電気的に接続されている。また、第二モータ・ジェネレータMG2を駆動制御するための第二インバータI2(さらに詳細には、電圧変換部4と周波数変換部52(5))が、第二モータ・ジェネレータMG2のステータSt2のコイルに電気的に接続されている。第一インバータI1と第二インバータI2とは、互いに電気的に接続されるとともに、バッテリBに電気的に接続されている。そして、第一インバータI1は、バッテリBから供給される直流電力、又は第二モータ・ジェネレータMG2で発電されて第二インバータI2で直流に変換されて供給される直流電力を、交流電力に変換して第一モータ・ジェネレータMG1に供給する。また、第一インバータI1は、第一モータ・ジェネレータMG1で発電された電力を交流から直流に変換してバッテリB又は第二インバータI2に供給する。同様に、第二インバータI2は、バッテリBから供給される直流電力、又は第一モータ・ジェネレータMG1で発電されて第一インバータI1で直流に変換されて供給される直流電力を、交流電力に変換して第二モータ・ジェネレータMG2に供給する。また、第二インバータI2は、第二モータ・ジェネレータMG2で発電された電力を交流から直流に変換してバッテリB又は第一インバータI1に供給する。ここで、図2に示すように、第一インバータI1及び第二インバータI2には、電圧変換部4(コンバータ)が設けられており、各モータ・ジェネレータMG1、MG2に求められる回転数、トルクとの関係で、電圧変換部4での昇圧が必要な場合は、バッテリBからの電圧を昇圧して周波数変換部5(インバータ)側に供給するように構成されている。モータ・ジェネレータMG1、MG2が回生を行って、バッテリBに蓄電する場合は、逆に降圧することとなる。
第一インバータI1及び第二インバータI2は、制御ユニット10からの制御信号に従い、第一モータ・ジェネレータMG1及び第二モータ・ジェネレータMG2のそれぞれに供給する電流値、交流波形の周波数や位相等を制御する。これにより、第一インバータI1及び第二インバータI2は、制御ユニット10からの制御信号に応じた出力トルク及び回転数となるように、第一モータ・ジェネレータMG1及び第二モータ・ジェネレータMG2を駆動制御する。
電圧変換部4もまた、制御ユニット10からの制御信号に従って、バッテリBから周波数変換部5へ与える電圧値を制御する。この電圧値は、第一モータ・ジェネレータMG1及び第二モータ・ジェネレータMG2のそれぞれの動作点に関して、これら動作点での各モータ・ジェネレータMG1、MG2の動作を確保できる高い側の電圧値に、周波数変換部5へ与える電圧値を設定・制御する。
バッテリBは、第一インバータI1及び第二インバータI2に電気的に接続されている。バッテリBは、例えば、ニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池等で構成される。そして、バッテリBは、直流電力を第一インバータI1及び第二インバータI2に供給するとともに、第一モータ・ジェネレータMG1又は第二モータ・ジェネレータMG2により発電され、第一インバータI1又は第二インバータI2を介して供給される直流電力により充電される。ハイブリッド駆動装置Hは、バッテリBの状態を検出するバッテリ状態検出手段としてのバッテリ状態検出部30を備えている。ここでは、バッテリ状態検出部30は、バッテリBの正負極間電圧を検出する電圧センサSe7の他、電流センサや温度センサ等の各種センサを備え、バッテリ電圧及びバッテリ充電量(SOC:state of charge)を検出する。バッテリ状態検出部30による検出結果の情報は、制御ユニット10へ出力される。
また、ハイブリッド駆動装置Hは、第一モータ・ジェネレータ回転速度センサSe1(以下「MG1回転速度センサ」という)、第二モータ・ジェネレータ回転速度センサSe2(以下「MG2回転速度センサ」という)、エンジン回転速度センサSe3、及び車速センサSe4を備えている。さらに、第一インバータI1,第二インバータI2にそれぞれ電流センサSe5、Se6を、バッテリ状態検出部30に電圧センサSe7を、さらに、電圧変換部4に電圧センサSe8を備えている。
MG1回転速度センサSe1は、第一モータ・ジェネレータMG1のロータRo1の回転速度であるMG1回転速度N1を検出するセンサである。MG2回転速度センサSe2は、第二モータ・ジェネレータMG2のロータRo2の回転速度であるMG2回転速度N2を検出するセンサである。エンジン回転速度センサSe3は、エンジンEのクランクシャフト又は入力軸Iの回転速度であるエンジン回転速度NEを検出するセンサである。車速センサSe4は、車輪Wの回転速度すなわち車速を検出するセンサである。電流センサSe5、Se6は、それぞれ第一モータ・ジェネレータMG1、第二モータ・ジェネレータMG2に流れる電流を検出するセンサである。電圧センサSe7は、バッテリB両端子間の電圧Vbを検出するセンサである。電圧センサSe8は、平滑コンデンサ4fにかかる電圧Vcを検出するセンサである。これらの回転速度センサSe1〜Se4は、例えば、レゾルバやホールIC等で構成される。各センサSe1〜Se8による検出結果は、制御ユニット10へ出力される。
図3は、回転電機制御電気系の構成を模式的に示すブロック図である。
この回転電機制御電気系は、図2でも説明したように、バッテリB側から、電圧変換部4、周波数変換部5を備えている。本実施形態では周波数変換部5として、一対のモータ・ジェネレータMG1,MG2に対して、それぞれ周波数変換部51と52が個別に設けられている。周波数変換部5と各モータ・ジェネレータMG1,MG2との間には、モータ・ジェネレータを流れる電流を計測するための電流センサSe5,Se6が備えられている。尚、バッテリBは、モータ・ジェネレータMG1,MG2へ電力の供給が可能なものであるとともに、モータ・ジェネレータMG1,MG2から電力の供給を受けて蓄電可能なものである。
電圧変換部4は、リアクトル4a、フィルタコンデンサ4b、上下一対のスイッチング素子4c,4d、放電用抵抗器4e、平滑コンデンサ4fを有して構成されている。この平滑コンデンサ4fには、その端子間にかかる電圧を検出する電圧センサSe8が設けられている。スイッチング素子4c、4dとしては、IGBT(insulated gate bipolar transistor)や、MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)を適用すると好適である。本実施形態では、IGBTを用いて構成される場合を例として説明する。
電圧変換部4の上段のスイッチング素子4cのソースは下段のスイッチング素子4dのドレインに接続されるとともに、リアクトル4aを介してバッテリBのプラス側に接続されている。上段のスイッチング素子4cのドレインは、周波数変換部5の入力プラス側に接続される。下段のスイッチング素子4dのソースはバッテリBのマイナス側(グラウンド)に接続される。周波数変換部5の入力マイナス側もグラウンドであるので、下段のスイッチング素子4dのソースは周波数変換部5の入力マイナス側と接続される。
上段のスイッチング素子4c及び下段のスイッチチング素子4dのゲートは、ドライバ回路7(7C)を介して制御ユニット10に接続される。スイッチング素子4c、4dは、制御ユニット10により制御され、バッテリBからの電圧を昇圧して周波数変換部5に供給する。制御ユニット10は、モータ・ジェネレータに要求される要求トルクに応じて設定される昇圧指令値に基づいて、スイッチング素子4c、4dを制御する。具体的には、制御ユニット10は、上段のスイッチング素子4cをオフ状態にし、下段のスイッチング素子4dを例えばPWM制御することによってオン/オフを切り替えて、バッテリBの電圧を昇圧して出力する。一方、モータ・ジェネレータが回生運転する場合には、電圧変換部4は、モータ・ジェネレータにより発電された電力をバッテリBへ回生する。例えば、制御ユニット10は、下段のスイッチング素子4dをオフ状態にし、上段のスイッチング素子4cをオン状態に制御することによって、電圧変換部4を介して電力を回生させる。尚、モータ・ジェネレータにより発電された電力を降圧してバッテリBに回生させる場合には、上段のスイッチング素子4cがPWM制御されてもよい。
周波数変換部5は、ブリッジ回路により構成されている。周波数変換部5の入力プラス側と入力マイナス側との間に2つのスイッチング素子が直列に接続され、この直列回路が3回線並列接続される。つまり、モータ・ジェネレータMG1、MG2のステータコイルU相、V相、W相のそれぞれに一組の直列回路が対応したブリッジ回路が構成される。図3において、
符号8aは、U相の上段側スイッチング素子であり、
符号8bは、V相の上段側スイッチング素子であり、
符号8cは、W相の上段側スイッチング素子であり、
符号8dは、U相の下段側スイッチング素子であり、
符号8eは、V相の下段側スイッチング素子であり、
符号8fは、W相の下段側スイッチング素子である。尚、周波数変換部5のスイッチング素子8a〜8fについても、IGBTやMOSFETを適用すると好適である。本実施形態では、IGBTを用いる場合を例示している。
図3に示すように、各相の上段側スイッチング素子8a、8b、8cのドレインは電圧変換部4の出力プラス側(周波数変換部5の入力プラス側)に接続され、ソースは各相の下段側スイッチング素子8d、8e、8fのドレインに接続されている。また、各相の下段側スイッチング素子8d、8e、8fのソースは、電圧変換部4の出力マイナス側(周波数変換部5の入力マイナス側)、即ち、バッテリBのマイナス側(グラウンド)に接続されている。各スイッチング素子8a〜8fのゲートは、ドライバ回路7(7A、7B)を介して制御ユニット10に接続されており、それぞれ個別にスイッチング制御される。
対となる各相のスイッチング素子(8a,8d),(8b,8e),(8c,8f)による直列回路の中間点(スイッチング素子の接続点)9u、9v、9wは、モータ・ジェネレータMG1及びMG2のU相、V相、W相のステータ巻線にそれぞれ接続されている。各巻線へ供給される駆動電流は、電流センサSe5,Se6によって検出される。電流センサSe5,Se6による検出値は、制御ユニット10が受け取り、フィードバック制御に用いられる。
また、モータ・ジェネレータMG1、MG2には、回転検出部の一部として機能するレゾルバなどの回転速度センサSe1,Se2が備えられており、ロータRo1,Ro2の回転角(機械角)を検出する。回転速度センサSe1,Se2は、ロータRo1,Ro2の極数(極対数)に応じて設定されており、ロータRo1,Ro2の回転角を電気角θに変換し、電気角θに応じた信号を出力することも可能である。制御ユニット10は、この回転角に基づいてモータ・ジェネレータMG1及びMG2の回転数(角速度ω)や、周波数変換部5の各スイッチング素子8a〜8fの制御タイミングを演算する。
制御ユニット10は、これらスイッチング素子8a〜8fを、モータ・ジェネレータMG1及びMG2に対する制御動作点(制御の目標となる制御回転数および制御トルク)に基づいてPWM制御することで、各モータ・ジェネレータMG1、MG2に三相の交流駆動電流を供給する。これにより、各モータ・ジェネレータMG1,MG2は、目標となる回転数、トルクに応じて力行する。モータ・ジェネレータMG1及びMG2が発電機として働き、モータ・ジェネレータ側から電力を受ける場合は、制御ユニット10は、所定周波数の交流を直流に変換するように周波数変換部5を制御する。
1−4.制御ユニットの構成
図2に戻って、制御ユニット10は、ハイブリッド駆動装置Hの各部の動作制御を行う。本実施形態においては、制御ユニット10は、エンジン動作点決定部11、第一モータ・ジェネレータ動作点決定部12(以下「MG1動作点決定部」という)、第二モータ・ジェネレータ動作点決定部13(以下「MG2動作点決定部」という)、記憶部14、異常検出部15、トルク制限部16を備えている。
この制御ユニット10は、1又は2以上の演算処理装置、及びソフトウェア(プログラム)やデータ等を格納するためのRAMやROM等の記憶媒体等を備えて構成されている。そして、制御ユニット10の上記各機能部11〜16は、前記演算処理装置を中核部材として、入力されたデータに対して種々の処理を行うための機能部がハードウェア又はソフトウェア或いはその両方により実装されて構成されている。
また、この制御ユニット10は、エンジンEの動作制御を行うエンジン制御ユニット20と通信可能に接続されている。更に、上記のとおり、制御ユニット10には、バッテリ状態検出部30による検出結果の情報、及びその他の各センサSe1〜Se8による検出結果の情報が入力される構成となっている。
本実施形態においては、制御ユニット10には、車両側から車両要求トルクTC、車両要求出力PC、及び車両情報ICが入力される構成となっている。
ここで、車両要求トルクTCは、運転者の操作に応じて適切に車両を走行させるために車輪Wに伝達することが要求されるトルクである。したがって、この車両要求トルクTCは、車両のアクセルペダル及びブレーキペダルの操作量と車速センサSe4により検出される車速に応じて、予め定められたマップ等に従って決定される。
また、車両要求出力PCは、バッテリBの充電状態をも考慮してエンジンEが発生することを要求される出力(仕事率)である。したがって、この車両要求出力PCは、車両要求トルクTCと、車速センサSe4により検出される車速と、バッテリ状態検出部30により検出されるバッテリBの充電量とに応じて、予め定められたマップ等に従って決定される。本実施形態においては、これらの車両要求トルクTC及び車両要求出力PCは、ハイブリッド駆動装置Hの出力部材としてのカウンタドライブギヤOに伝達されるべきトルク又は出力として決定される。
車両情報ICは、車両の状態を示す各種情報であり、例えば、自動変速機のセレクトレバーにより選択されているレンジ(「P」、「D」、「R」等の各レンジ)、駐車ブレーキの作動状態、常用ブレーキの作動状態等を示す情報が含まれる。
エンジン動作点決定部11は、エンジンEの動作点であるエンジン動作点を決定する処理を行う。ここで、エンジン動作点は、エンジンEの制御動作点を表す制御指令値であって回転速度及びトルクにより定まる。また、エンジン動作点決定部11は、エンジンEを動作させるか停止させるかというエンジン動作・停止の決定も行う。このエンジン動作・停止の決定は、車両要求トルクTC及び車速センサSe4により検出される車速に応じて、予め定められたマップ等に従って行われる。そして、エンジンEを動作させることを決定した場合には、エンジン動作点決定部11はエンジン動作点を決定する。エンジン動作点決定部11は、決定したエンジン動作点の情報を、エンジン制御ユニット20へ出力する。エンジン制御ユニット20は、エンジン動作点に示されるトルク及び回転速度でエンジンEを動作させるように制御する。一方、エンジン動作点決定部11は、エンジンEを停止させることを決定した場合には、その指令をエンジン制御ユニット20へ出力する。なお、このエンジンEの停止指令は、エンジン回転速度指令値とエンジントルク指令値がともにゼロであるエンジン動作点の指令としてもよい。
エンジン動作点は、車両要求出力PCと最適燃費とを考慮して決定されるエンジンEの制御動作点を表す指令値であって、エンジン回転速度指令値とエンジントルク指令値により定まる。このエンジン動作点の決定は、エンジン動作点マップに基づいて行う。図6は、このエンジン動作点マップの一例を示す図である。このマップは、縦軸をエンジントルクTE、横軸をエンジン回転速度NEとしている。また、このマップにおいて、細実線は等燃費率線を表しており、外側へ向かうほど燃料消費率が高くなる(燃費が悪い)ことを表している。また、破線は等出力線PCi(i=1、2、3・・・)を表している。また、太実線は最適燃費線Leを表しており、等出力線PCi上において燃料消費率が最も低くなる(燃費が良い)点を結んだ線となっている。したがって、エンジン動作点決定部11は、車両要求出力PCと同じ出力を表す等出力線PCiと最適燃費線Leとの交点のエンジン回転速度NE及びエンジントルクTEを、エンジン動作点のエンジン回転速度指令値及びエンジントルク指令値として決定する。なお、図6においては、簡略化のために等出力線PCiを7本しか表していないが、実際のエンジン動作点マップには、より細かい間隔で多数の等出力線PCiが記録されると好適である。
MG1動作点決定部12は、第一モータ・ジェネレータMG1の動作点であるMG1動作点を決定する処理を行う。ここで、MG1動作点は、第一モータ・ジェネレータMG1の制御動作点を表す制御指令値であって回転速度及びトルクにより定まる。制御ユニット10は、MG1動作点決定部12により決定したMG1動作点に示されるトルク及び回転速度で第一モータ・ジェネレータMG1を動作させるように第一インバータI1を制御する。MG1動作点は、上記のように決定されたエンジン動作点と動力分配用の遊星歯車装置PGより車輪W側に接続された回転部材の回転速度とに基づいて決定される第一モータ・ジェネレータMG1の制御動作点を表す指令値であって、MG1回転速度指令値とMG1トルク指令値とにより定まる。
本例では、MG1動作点決定部12は、車速センサSe4により検出される車速と、カウンタドライブギヤOから車輪Wまでの間の回転部材のギヤ比とに基づいて、当該車速でのカウンタドライブギヤOの回転速度である出力回転速度Noを算出する。そして、MG1動作点決定部12は、エンジン動作点のエンジン回転速度指令値をエンジン回転速度NEとし、それと出力回転速度Noとを代入して、上記の回転速度関係式(式1)により算出されるMG1回転速度N1を、MG1回転速度指令値として決定する。また、MG1動作点決定部12は、決定されたMG1回転速度指令値と、MG1回転速度センサSe1により検出される第一モータ・ジェネレータMG1のMG1回転速度N1との回転速度の差に基づいて、比例積分制御(PI制御)等のフィードバック制御により、MG1トルク指令値とを決定する。このように決定されたMG1回転速度指令値及びMG1トルク指令値が、MG1動作点となる。図8、図11に示すフローでは、このようにMG1動作点決定部12で決まるMG1動作点を「決定動作点」と記載している。
MG2動作点決定部13は、第二モータ・ジェネレータMG2の動作点であるMG2動作点を決定する処理を行う。ここで、MG2動作点は、第二モータ・ジェネレータMG2の制御動作点を表す制御指令値であって回転速度及びトルクにより定まる。制御ユニット10は、MG2動作点決定部13により決定したMG2動作点に示されるトルク及び回転速度で第二モータ・ジェネレータMG2を動作させるように第二インバータI2を制御する。MG2動作点は、車両要求トルクTCとエンジン動作点とMG1動作点とに基づいて決定される第二モータ・ジェネレータMG2の制御動作点を表す制御指令値であって、MG2回転速度指令値とMG2トルク指令値とにより定まる。ところで、上記のトルク関係式(式2)を変形すると、以下のトルク関係式(式3)が導出される。
T2=−To−TE/(1+λ)・・・(式3)
そこで、MG2動作点決定部13は、この(式3)に、車両要求トルクTCを走行トルクToと反対方向のトルク「−To」とし、エンジン動作点のエンジントルク指令値をエンジントルクTEとして代入することにより算出されるMG2トルクT2を、MG2トルク指令値として決定する。これにより、エンジンEからカウンタドライブギヤOに伝達されるトルクの車両要求トルクTCに対する過不足を補うトルクを、第二モータ・ジェネレータMG2に発生させることができる。また、第二モータ・ジェネレータMG2の回転速度であるMG2回転速度N2は車速に常に比例するので、MG2回転速度指令値は、車速センサSe4により検出される車速に応じて自動的に決定される。このように決定されたMG2回転速度指令値及びMG2トルク指令値により、MG2動作点が定まる。なお、上記のとおり、MG2回転速度指令値は車速に応じて自動的に決定されるため、第二モータ・ジェネレータMG2は、基本的にMG2動作点のMG2トルク指令値に従ってトルク制御される。図8、図11に示すフローでは、このようにMG2動作点決定部13で決まるMG2動作点を「決定動作点」と記載している。
ところで、このハイブリッド駆動装置Hにおいては、第一モータ・ジェネレータMG1は、主にジェネレータとして機能する。すなわち、図4に示すように、エンジンEの動作中となるハイブリッド走行モードでは、第一モータ・ジェネレータMG1は、エンジントルクTEの反力を受けてリングギヤr及びカウンタドライブギヤOにエンジントルクTEを伝達するために、負方向のトルクを出力する。この際、MG1回転速度N1が正(正方向に回転)である場合には、第一モータ・ジェネレータMG1は回生(発電)してジェネレータとして機能し、MG1回転速度N1が負(負方向に回転)である場合には、第一モータ・ジェネレータMG1は力行してモータとして機能するが、いずれにしても、第一モータ・ジェネレータMG1は負方向のトルクを出力する。また、図5に示すように、エンジンEが停止状態とされるEV走行モードでは、第一モータ・ジェネレータMG1は、MG1トルクT1がゼロとなるように制御され、自由に回転可能な状態とされている。
記憶部14には、図7に示すような回転電機制御マップMap1,Map2が記憶されている。これら回転電機制御マップMap1,Map2は、モータ・ジェネレータの回転速度とトルクとの相関を示す相関マップであり、モータ・ジェネレータMG1,MG2の回転速度とその回転速度で出力することができるトルクとの相関を示したものであり、図7に示す実線の範囲内でモータ・ジェネレータMG1,MG2は動作可能である。これまで説明してきたモータ・ジェネレータMG1,MG2の動作点も、この範囲内に収まるようにハイブリッド駆動装置Hは構成されている。
ここで、図7(a)に示す回転電機制御マップMap1は、ハイブリッド駆動装置Hが正常に働いている状態で、モータ・ジェネレータMG1,MG2が動作可能な領域を示す制御マップである。図7(b)に示す回転電機制御マップMap2は、電圧変換部4に関して、何らかの異常が発生しており、この異常状態において、モータ・ジェネレータMG1,MG2が動作可能な領域を示す制御マップである。後者のマップMap2に関しては、後に詳述する。
回転電機制御マップMap1に戻って、正常状態に関してさらに説明する。
本願に係るハイブリッド駆動装置Hには、電圧変換部4が備えられており、モータ・ジェネレータMG1,MG2に駆動電力を供給するバッテリBの電圧を昇圧して、弱め界磁制御に移行する回転数をより高い回転数へと移行させることができる。本実施形態では、バッテリBの電圧を低い方からV2、V1に昇圧する。図7(a)中、V2のラインは、電圧変換部4により昇圧後の電圧をV2にする必要が生じる境界を示している。即ち、昇圧指令値として、V2が設定される境界を示している。同様に、V1のラインは、電圧変換部4により昇圧後の電圧をそれぞれV1にする必要が生じる境界を示している。従って、電圧変換部4及び周波数変換部5が正常に働く状態では、実線の領域内に、各モータ・ジェネレータMG1,MG2の制御動作点(回転速度及びトルク)が設定されて動作される。この時、昇圧制御において必要となる電圧値は、このマップに基づいて定められる。
図7(a)からも判明するように、モータ・ジェネレータMG1,MG2に許容される回転速度の下限値RSLから上限値RSHに至るまで、トルクは、負側最大トルクNTmaxから正側最大トルクPTmaxで可変である。力行、回生との関係で説明すると、第一象限、第三象限で力行し、第二象限、第四象限で回生する。
図2に戻り、異常検出部15は、先に説明した電圧変換部4の停止を必要とする異常を検出する。このような異常の代表例は、先に先行技術に関して述べたと同様に、電圧センサSe8 からの昇圧電圧Vcが、第一モータ・ジェネレータMG1,第二モータ・ジェネレータMG2の動作点との関係で求まる昇圧値(電圧センサSe7から得られるバッテリ電圧Vbに昇圧のためのPWM制御のデューティー比を乗算した値)に一致するか否かにより検出する。即ち、一致する場合は電圧変換部4は正常に働いており、一致しない場合は異常(故障)と検出する。このように異常検出部15により、電圧変換部4の異常が検出された場合は、電圧変換部4の動作は停止される。
以上の説明は、モータ・ジェネレータとしては、第一モータ・ジェネレータMG1,第二モータ・ジェネレータMG2両方に係る内容である。これに対して、本願が問題とするような発進時の問題は、例えばEVモードにおいてモータ発進しようとした場合に、第二モータ・ジェネレータMG2に関して発生する。そこで、以下の説明において、モータ・ジェネレータとして、問題となる第二モータ・ジェネレータMG2を中心に説明する。
トルク制限部16は、異常検出部15が、電圧変換部4の停止を必要とする異常を検出した場合に、モータ・ジェネレータMG2の出力トルクを制限する。具体的には、モータ・ジェネレータMG2の回転速度が0未満の回転速度下限閾値RSL1未満の領域で正トルクの発生を制限し、正トルクを発生する領域をこの回転速度下限閾値RSL1以上の領域に限る。一方、モータ・ジェネレータMG2の回転速度が0より大きい回転速度上限閾値RSH2より大きい領域で負トルクの発生を制限し、負トルクを発生する領域を前記回転速度上限閾値RSH2以下の領域に限る。換言すると、モータ・ジェネレータMG2の回転速度が、回転速度下限閾値RSL1未満の負値を取る領域では、正トルクの発生は禁止され、回生が禁止される。モータ・ジェネレータMG2の回転速度が、回転速度上限閾値RSH2より大きい正値を取る領域では、負トルクの発生は禁止され、同様に回生が禁止される。
図7(b)に示す、先に説明した回転電機制御マップMap2には、この回転速度下限閾値RSL1及び回転速度上限閾値RSH2が太破線で示されている。
この実施形態では、回転速度下限閾値RSL1及び回転速度上限閾値RSH2は共に固定値とされている。従って、モータ・ジェネレータMG2が正トルクを発生する状態で、回転速度は、回転速度下限閾値RSL1から回転速度の最大値RSHまで変化可能であり、この状態で、トルクは、0から正側最大トルクPTmaxまで許容される。一方、モータ・ジェネレータMG2が負トルクを発生する状態で、回転速度では、回転速度の最小値RSLから回転速度上限閾値RSH2まで変化可能であり、この状態で、トルクは0から負側最大トルクNTmaxまで許容される。
以下、上記の回転速度下限閾値RSL1及び回転速度上限閾値RSH2の意味に関して、モータ・ジェネレータMG2が回生動作を実行する場合を例にとって説明する。この状態は、下り坂での制動発進に対応する。本願構成にあっては、電圧変換部4と周波数変換部5との間に平滑コンデンサ4fが備えられている。そして、電圧変換部4の動作が停止された状態で、制動動作によりモータ・ジェネレータMG2からバッテリB側に戻るべき電力が平滑コンデンサ4fに蓄電された場合、平滑コンデンサ4fに蓄電される電力量が大きすぎると、平滑コンデンサ4fの電圧が耐圧電圧を越えてしまう可能性がある。そこで、この電圧を耐圧電圧以下に維持できる閾値として、先に説明した回転速度下限閾値RSL1及び回転速度上限閾値RSH2が設定されているのである。
具体的には、モータ・ジェネレータMG2が所定の回生動作を行って発電されている状態でも、モータ・ジェネレータMG2の回転によって発生する回転電機損失と周波数変換部5における周波数変換によって発生する周波数変換損失との合算損失は、その損失として消費され、平滑コンデンサ4fに回生電力が実質的に蓄電されることはない。従って、モータ・ジェネレータMG2の回転によって発生する回転電機損失と周波数変換部5における周波数変換によって発生する周波数変換損失との合算損失に見合う電力を、回生により、モータ・ジェネレータMG2が発生するように、回転速度下限閾値RSL1及び回転速度上限閾値RSH2を設定しておくことができる。
図7(b)にトルク制限がされる領域をALで、トルク制限がされない領域をAFで示している。後述する図10でも同様である。
例えば、合算損失を1KW程度とし、発進時に必要となるクリーピングトルクを60N・mとすると、上記の回転速度下限閾値RSL1を−150rpmに、回転速度上限閾値RSH2を+150rpmとすることができる。
制御ユニット10は、以上のように、異常検出部15が異常を検出している、電圧変換部4が実質的に停止されている状態では、トルク制限部16が、MG2動作点決定部13が決定したMG2動作点のMG2トルク指令値を制限する。したがって、上り坂道の前進発進時で車両がずり下がり(後進)を起こしても、実質的に回生を許容して、所定の正トルクの発生が可能であるため、良好に発進することができる。同様に、下り坂道で後進発進時にも良好に対処できる。
1−5.ハイブリッド駆動装置の制御方法
以下、本実施形態に係るハイブリッド駆動装置Hの制御方法について、図8のフローチャートに基づいて説明する。
このハイブリッド駆動装置Hの制御処理は、制御ユニット10の各機能部11〜16を構成するハードウェア又はソフトウェア(プログラム)或いはその両方により実行される。上記の各機能部がプログラムにより構成される場合には、制御ユニット10が有する演算処理装置が、上記の各機能部を構成するプログラムを実行するコンピュータとして動作する。
制御ユニット10は、まず、車両側から入力される車両要求トルクTC及び車両要求出力PCの情報を取得する(ステップ#01)。また、制御ユニット10は、車速センサSe4により検出される車速情報を取得する(ステップ#02)。その後、制御ユニット10は、エンジン動作点決定部11によりエンジン動作点を決定する(ステップ#03)。
また、制御ユニット10は、MG1動作点決定部12によりMG1動作点を決定し(ステップ#04)、MG2動作点決定部13によりMG2動作点を決定する(ステップ#05)。ここで、先にも説明したEVモードでの発進を行う場合、MG2動作点が有意な値となる。
次に、異常検出部15における検出状態がチェックされる(ステップ#06)。そして、異常検出部15において異常が検出されない正常状態にあっては(ステップ#06:No)、先に決定されている動作点である決定動作点がそのまま制御動作点とされる(ステップ#8−3)。即ち、モータ・ジェネレータMG2に対して正常状態で許容される全ての動作点が許容され、当然に回生も許容される。
一方、異常検出部15において異常が検出されている状態にあっては(ステップ#06:Yes)、決定動作点が、回転電機制御マップにおいてトルク制限領域AL内の動作点か否かが判断される(ステップ#07)。そして、決定動作点がトルク制限範囲AL内にある場合は(ステップ#07:Yes)、決定動作点に対してトルク制限がなされた(トルクが0とされた)制限動作点が制御動作点とされる(ステップ#8−2)。結果、モータとして働くモータ・ジェネレータMG2の回生が禁止されることとなる。
決定動作点がトルク制限範囲AL内にない場合は(ステップ#07:No)、先に決定されている決定動作点がそのまま制御動作点とされる(ステップ#8−1)。結果、モータとして働くモータ・ジェネレータMG2の回生が許容される。
これらの処理を終了した後、制御ユニット10は、上記のエンジン及びモータ・ジェネレータMG1,MG2に対して、求められた制御動作点で、制御が実行される。
以上のようにして、電圧変換部4に関係する部位に異常が発生し、実質的に電圧変換部4が停止されている状態にあっては、回転速度が極めて低い領域でのみ、第二モータ・ジェネレータMG2の回生を許容することで、坂道発進を良好に行える。
2.第二の実施形態
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。本実施形態に係るハイブリッド駆動装置Hにあっても、一定の条件下で、モータ・ジェネレータMG2の回生動作を許容する。図9に、この第二実施形態のハイブリッド車用駆動装置Hのシステム構成を示した。さらに、図10に、この第二実施形態のモータ・ジェネレータの回転速度とトルクとの相関を示すマップを、図11に、このハイブリッド車用駆動装置Hの制御方法のフローチャートを、それぞれ示した、これらの図面は、第一実施形態の図2、図7(b)、図8にそれぞれ相当する。
以下の説明では、第一実施形態に対する相違点を主に説明する。
第一実施形態にあっては、先に図7(b)等に基づいて説明したように、回転速度下限閾値RSL1と、回転速度上限閾値RSH2は、ともに、同一の固定値とされていた。即ち、モータ・ジェネレータMG2に要求されるトルクの大きさにかかわらず、所定の回転速度閾値として、正トルクを発生できる領域と、負トルクを発生する領域が決定されていた。
しかしながら、本願は、平滑コンデンサ4fにかかる電圧が耐圧を越えるのを防止するため、先に説明したように、モータ・ジェネレータが回生動作を行うことにより発電される発電量が、モータ・ジェネレータMG2の回転によって発生する回転電機損失と周波数変換部5における周波数変換によって発生する周波数変換損失との合算損失に見合っていれば、平滑コンデンサ4fの保護を図ることができる。一方、回生側を考えると、モータ・ジェネレータMG2では、回転速度とトルクとの積が電力量となる。従って、特定の動作状態で許容できる回生許可回転速度Nは、その時点で要求されている要求トルクT、さらに、合算損失をPとして、N=P/Tとして求めることができる。この場合、要求トルクが大きいほど回生許容回転速度は小さくなる。ここで、アクセルの踏み込み量、ブレーキの踏み込み量等によっては当然に要求トルクは異なるはずである。
そこで、当該、第二の実施形態では、回生許容回転速度を、予め判明している合算損失と要求トルクから求めるものとしている。
図9に示すように、本実施形態に係るハイブリッド駆動装置Hでは、制御ユニット10内に、第一実施形態の記憶部14に代えて、回生許可回転速度計算部14´が備えられている。この回生許可回転速度計算部14´は、モータ・ジェネレータMG2の回転によって発生する回転電機損失と周波数変換部5における周波数変換によって発生する周波数変換損失との合算損失Pと、要求トルクTに基づいて、回生許可回転速度Nを求める。ここで、合算損失Pは予め求められている値である。さらに、要求トルクTとしては、モータ・ジェネレータMG2に対する制御動作点として求まる指令値を使用して、回生許可回転速度Nを求めることができる。
制御ユニット10内に設けられる他の機能部11、12、13、15、16は先に説明したものと同様である。
上記のようにして求まる回生許可回転速度Nを、回転速度下限閾値RSL1、回転速度上限閾値RSH2として採用する場合のマップを模式的に同様に破線で図10に示した。結果、これら回転速度下限閾値RSL1、回転速度上限閾値RSH2は、トルクの絶対値が大きくなるに従って、0に近い値となる。
図11に、この構成を採用する場合のフローチャートを示した。このフローは、図8で説明したフローに対して、ステップ#7−1、#7−2が異なっている。ステップ#7−1では、回生許可回転速度計算部14´が要求トルクT、合算損失Pを使用して回生許容回転速度Nを求める。図11に示す例では、要求トルクTを「モータトルク指令」と記載し、合算損失を「モータインバータ損失」と記載している。このようにして求まる回生許可回転速度Nに対して、当該要求トルクに対応する低回転速度側の領域(要求トルクが正の場合)、高回転速度側の領域(要求トルクが負の場合)がトルク制限領域として決まることとなる。
そこで、ステップ#7−2では、このトルク制限領域内に動作点があるか、否かの判断を行って、良好な走行状態を実現できる。
3.その他の実施形態
(1)これまで説明してきた第一実施形態及び第二実施形態では、本願に係る回転電機制御システムの適用対象が、回転電機と他の駆動源(例えばエンジン)を備えたハイブリッド駆動装置である例を示した。
しかしながら、本願の構造は、直流電源と、車両を駆動するための回転電機と、直流電源と回転電機との間に介在され、回転電機が力行する際に直流電源の出力を交流に変換し、回転電機が回生する際に回転電機からの出力を直流に変換する周波数変換部と、直流電源と周波数変換部との間に介在され、回転電機に要求される要求トルクに応じて設定される昇圧指令値に基づいて直流電源の出力を昇圧する電圧変換部とを備えた装置に適用できる。代表的には電気自動車を挙げることができる。また、1モータパラレル方式や、シリーズ方式のハイブリッド車両にも採用することができる。
(2)上記の実施の形態にあっては、異常検出部が、昇圧指令に基づいて直流電源の電圧を昇圧して得られる昇圧電圧が、所望の電圧となっていない場合に、電圧変換部の停止が必要とされる異常として検出する場合を示したが、電圧変換部の停止は、周波数変換部の故障、昇圧制御用の制御ユニット内の処理部の故障、昇圧後の電圧を検出する電圧センサSe8を含む回路の異常、リアクトルの過熱、昇圧回路上アームの温度の異常等によって実行されるものとしてもよい。
(3)上記の実施形態にあっては、回生を許可する領域或いはトルクを制限する領域を予め保持されたマップに従って判断するものとしたが、回転速度上限閾値と回転速度下限閾値は、車両の状態に従った値となるため、予め求められた数値あるいは演算される数値として、これを得て、回生の許可、トルクの制限の用を果たす構成を採用してもよい。
一方、回転速度上限閾値と回転速度下限閾値とを、その絶対値が同一の値としたが、先に示したように、固定値と要求トルクに従って可変設定される値とすることも可能なことから、両閾値を異なる設定手法で設定するものとしてもよい。
(4)上記の実施形態では、差動歯車装置が、サンギヤs、キャリアca、及びリングギヤrの3つの回転要素を有するシングルピニオン型の遊星歯車機構である場合を例として説明した。しかし、本発明に係る差動歯車装置の構成はこれに限定されるものではない。したがって、例えば、差動歯車装置が、ダブルピニオン型の遊星歯車機構や互いに噛み合う複数の傘歯車を用いた差動歯車機構等のように、他の差動歯車機構を有して構成されていても好適である。また、差動歯車装置は、3つの回転要素を有するものに限定されるものではなく、4つ以上の回転要素を有する構成としても好適である。この場合においても、4つ以上の回転要素の中から選択される3つの回転要素について、回転速度の順に第1回転要素、第2回転要素、及び第3回転要素とし、第1回転要素に第1回転電機が接続され、第2回転要素に入力部材が接続され、第3回転要素に出力部材及び第2回転電機が接続された構成とする。なお、4つ以上の回転要素を有する差動歯車装置としては、例えば、2組以上の遊星歯車機構の一部の回転要素間を互いに連結した構成等を用いることができる。
(5)上記の実施形態では、図1に示すように、差動歯車装置の第3回転要素(遊星歯車装置PGのリングギヤr)と一体回転する出力部材としてのカウンタドライブギヤOが、カウンタギヤ機構C及びディファレンシャル装置Dを介して車輪Wに接続され、第二モータ・ジェネレータMG2がカウンタギヤ機構Cを介してカウンタドライブギヤO及びディファレンシャル装置Dに接続された構成のハイブリッド駆動装置Hを例として説明した。このような構成のハイブリッド駆動装置Hは、エンジンEに接続された入力軸Iの方向に短く構成することができるので、FF車両、MR車両、RR車両等に好適に用いられる。しかし、上記の実施形態に係るハイブリッド駆動装置Hの機械的構成は単なる一例であり、当然ながら、他の機械的構成を有するハイブリッド駆動装置Hにも、本発明は適用することができる。したがって、例えば、エンジンEに接続された入力軸I、第一モータ・ジェネレータMG1、差動歯車装置としての遊星歯車装置PG、及び第二モータ・ジェネレータMG2が、同軸上に配置された、FR車両に好適に用いられる配置構成のハイブリッド駆動装置にも、本発明は適用することができる。
本発明は、電気自動車、エンジンと第1回転電機と第2回転電機を駆動力源として備えるハイブリッド車両用の駆動装置に好適に利用することが可能である。
本発明の実施形態に係るハイブリッド駆動装置の機械的構成を示すスケルトン図 このハイブリッド車用駆動装置のシステム構成を示すブロック図 このハイブリッド車用駆動装置の電気系の構成を示すブロック図 このハイブリッド車用駆動装置のハイブリッド走行モードでの速度線図 このハイブリッド車用駆動装置のEV走行モードでの速度線図 エンジン動作点マップの一例を示す図 回転電機の回転速度とトルクとの相関を示すマップ((a):正常時のマップ、(b):異常時のマップ) このハイブリッド車用駆動装置の制御方法のフローチャート 第二実施形態のハイブリッド車用駆動装置のシステム構成を示すブロック図 第二実施形態の回転電機の回転速度とトルクとの相関を示すマップ このハイブリッド車用駆動装置の制御方法のフローチャート
符号の説明
H:ハイブリッド駆動装置
E:エンジン
I:入力軸(入力部材)
MG1:第一モータ・ジェネレータ(第1回転電機)
MG2:第二モータ・ジェネレータ(第2回転電機)
PG:遊星歯車装置(差動歯車装置)
s:サンギヤ(第1回転要素)
ca:キャリア(第2回転要素)
r:リングギヤ(第3回転要素)
O:カウンタドライブギヤ(出力部材)
D:ディファレンシャル装置
W:車輪
B:バッテリ(直流電源)
4:電圧変更部
5:周波数変更部
10:制御ユニット(制御手段)
15:異常検出部
16:トルク制限部
RSL1:回転速度下限閾値
RSH2:回転速度上限閾値

Claims (9)

  1. 車両を駆動するための回転電機と、
    直流電源と前記回転電機との間に介在され、前記回転電機が力行する際に前記直流電源の出力を交流に変換し、前記回転電機が回生する際に前記回転電機からの出力を直流に変換する周波数変換部と、
    前記直流電源と前記周波数変換部との間に介在され、前記回転電機に要求される要求トルクに応じて設定される昇圧指令値に基づいて前記直流電源の出力を昇圧する電圧変換部と、
    前記回転電機のトルクを制限するトルク制限部と、を備えた回転電機制御システムであって、
    前記電圧変換部の停止を必要とする異常を検出する異常検出部を備え、
    当該異常検出部が異常を検出した場合に、
    前記トルク制限部が前記回転電機の回転速度が0未満の回転速度下限閾値未満の領域で正トルクの発生を制限し、前記正トルクを発生する領域が前記回転速度下限閾値以上の領域に設定され、
    前記トルク制限部が前記回転電機の回転速度が0より大きい回転速度上限閾値より大きい領域で負トルクの発生を制限し、前記負トルクを発生する領域が前記回転速度上限閾値以下の領域に設定されている回転電機制御システム。
  2. 前記電圧変換部と前記周波数変換部との間に備えられる平滑コンデンサに関し、
    前記電圧変換部が停止した状態で、前記回転電機から前記直流電源側に戻るべき電力が前記平滑コンデンサに蓄電された場合に、前記平滑コンデンサの電圧を耐圧電圧以下に維持できる閾値として、前記回転速度下限閾値及び前記回転速度上限閾値が設定されている請求項1記載の回転電機制御システム。
  3. 前記回転電機の回転によって発生する回転電機損失と前記周波数変換部における周波数変換によって発生する周波数変換損失との合算損失に見合う電力を、回生により、前記回転電機が発生すべく、前記回転速度下限閾値及び前記回転速度上限閾値が設定されている請求項1又は2記載の回転電機制御システム。
  4. 前記回転速度下限閾値及び前記回転速度上限閾値が固定値である請求項1〜3のいずれか一項記載の回転電機制御システム。
  5. 前記回転電機の回転によって発生する回転電機損失と前記周波数変換部における周波数変換によって発生する周波数変換損失との合算損失と、前記要求トルクとの関係に基づいて、前記回転速度下限閾値及び前記回転速度上限閾値が可変設定される請求項1又は2記載の回転電機制御システム。
  6. 前記回転電機が正トルクを発生し、前記回転電機の回転速度が前記回転速度下限閾値以上の状態で、前記回転電機に0から正側最大トルクまでの出力が許容され、
    前記回転電機が負トルクを発生し、前記回転電機の回転速度が前記回転速度上限閾値以下の状態で、前記回転電機に0から負側最大トルクまでの出力が許容される請求項1〜5のいずれか一項記載の回転電機制御システム。
  7. 請求項1〜6の何れか一項に記載の回転電機制御システムを備えるとともに、
    前記回転電機として、第1回転電機と第2回転電機とを備え、
    前記第1回転電機および前記第2回転電機以外の駆動源から発生される駆動力を分配する動力分配機構を備え、前記動力分配機構により分配された一方の駆動力が車輪に、他方の駆動力が前記第1回転電機に伝達されるとともに、前記第2回転電機により発生される駆動力が前記車輪に伝達される車両駆動システム。
  8. 前記動力分配機構が、回転速度の順に、第1回転要素、第2回転要素および第3回転要素を有する遊星歯車機構を含んで構成され、
    前記第1回転電機が前記第1回転要素に接続され、前記回転電機以外の駆動源が前記第2回転要素に接続され、前記第2回転電機及び前記第3回転要素が車輪に接続されている請求項7に記載の車両駆動システム。
  9. 前記第2回転電機の出力トルクでのみ走行する電動走行モードにおいて、前記異常検出部による異常の検出に伴って、前記トルク制限部によるトルク制限が実行される請求項7又は8記載の車両駆動システム。
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