JP2010215016A

JP2010215016A - ハイブリッド自動車

Info

Publication number: JP2010215016A
Application number: JP2009061532A
Authority: JP
Inventors: Daigo Ando; 大吾安藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2010-09-30

Abstract

【課題】エンジンを最低回転数で運転するときの車両全体の効率をより良好なものとする。
【解決手段】エンジンの目標回転数が最低回転数Ｎｍｉｎに等しくなるときには、最低回転数Ｎｍｉｎでエンジンから走行用パワーとロスＬｏｓｓと燃費向上用充電量Ｐｂｃｈとの和のパワーを出力したときのエンジンの効率とバッテリの充電効率とを足して得られるシステム全体の効率が最も良好となるよう最低回転数Ｎｍｉｎと走行用パワーＰｒと燃費向上用充電量Ｐｂｃｈとの関係を予め定めた燃費向上用充電量設定用マップに基づいて燃費向上用充電量Ｐｂｃｈを設定し、エンジンから走行用パワーＰｒとロスＬｏｓｓと燃費向上用充電量Ｐｂｃｈとの和のパワーを出力するよう目標トルクを補正してなる運転ポイントでエンジンを運転するよう制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ハイブリッド自動車に関する。

従来、この種のハイブリッド自動車としては、エンジンと、第１モータジェネレータと、エンジンのクランクシャフトと第１モータジェネレータの出力軸と直達軸とが接続された遊星歯車機構としての動力分割機構と、第２モータジェネレータと、直達軸と車輪が連結された車軸との接続および接続の解除を行なうと共に第２モータジェネレータの動力を変速して車軸に伝達可能なリダクション機構と、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のやり取りが可能なバッテリと、を備え、一定の車速で巡航している状態等を含む所定条件が成立したときには、第２モータジェネレータの駆動を停止すると共に走行用の動力が車軸に出力されるようにエンジンと第１モータジェネレータとを制御するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このハイブリッド自動車では、エンジンの効率が比較的良好ではない低トルクの運転ポイントが選択されるときには、第２モータジェネレータの駆動を停止し、走行用の動力を出力して走行するのにエンジンから出力すべきトルクを大きくしてエンジンをより効率が良好となる運転ポイントで運転し、エンジンから出力された走行用の動力を超える余剰の動力については第１モータジェネレータでの発電により電力に変換してバッテリに充電することで燃費の向上を図っている。

特開２００８−１０５６３９号公報

しかしながら、上述のハイブリッド自動車では、エンジンから出力すべきトルクを大きくしてエンジンをより効率が良好な運転ポイントで運転することができるが、走行用の動力を超えた余剰の動力が大きい程バッテリを充電するときの充電効率が低下するため、エンジンから出力されるトルクの大きさによっては車両全体の効率が良好にならない場合がある。また、エンジンを運転する際の制約としての最低回転数が変わればエンジンの効率も変わるため、車両全体の効率に影響を与えてしまう。

本発明のハイブリッド自動車は、エンジンを最低回転数で運転するときの車両全体の効率をより良好なものとすることを主目的とする。

本発明のハイブリッド自動車は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のハイブリッド自動車は、
エンジンと、動力を入出力可能な発電機と、前記エンジンの出力軸と前記発電機の回転軸と駆動輪に連結された駆動軸との３軸に３つの回転要素が接続された遊星歯車機構と、前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、前記発電機および前記電動機と電力のやりとりが可能なバッテリと、アクセル操作に基づく走行用パワーと前記バッテリを充放電するための充放電パワーと車両に生じる損失との和のパワーに対して前記エンジンを所定の要求に基づく最低回転数以上の回転数で効率よく運転するよう該エンジンの回転数とトルクとに課す制約としての動作ラインを適用して得られる目標回転数と目標トルクとからなる運転ポイントで前記エンジンを運転すると共にアクセル操作に基づく駆動トルクにより走行するよう前記エンジンと前記発電機と前記電動機とを制御する制御手段と、を備えるハイブリッド自動車において、
前記制御手段は、前記目標回転数が前記最低回転数に等しくなるときには、該最低回転数で前記エンジンから前記走行用パワーを超えるパワーを出力したときの該エンジンの効率と該エンジンから出力されたパワーのうち前記走行用パワーを超えた分のパワーを用いて前記バッテリを充電したときの充電効率とを足して得られる効率が最も良好となるように前記目標トルクを補正してなる運転ポイントで前記エンジンを運転するよう制御する手段である、
ことを特徴とする。

この本発明のハイブリッド自動車では、アクセル操作に基づく走行用パワーとバッテリを充放電するための充放電パワーと車両に生じる損失との和のパワーに対してエンジンを所定の要求に基づく最低回転数以上の回転数で効率よく運転するようエンジンの回転数とトルクとに課す制約としての動作ラインを適用して得られる目標回転数と目標トルクとからなる運転ポイントでエンジンを運転すると共にアクセル操作に基づく駆動トルクにより走行するようエンジンと発電機と電動機とを制御し、目標回転数が最低回転数に等しくなるときには、最低回転数でエンジンから走行用パワーを超えるパワーを出力したときのエンジンの効率とエンジンから出力されたパワーのうち走行用パワーを超えた分のパワーを用いてバッテリを充電したときの充電効率とを足して得られる効率が最も良好となるように目標トルクを補正してなる運転ポイントでエンジンを運転するよう制御する。これにより、エンジンを最低回転数で運転するときの車両全体の効率をより良好なものとすることができる。

本発明の一実施例としての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。ハイブリッド用電子制御ユニット５０により実行される燃費向上用充電量設定処理の一例を示すフローチャートである。エンジン指令パワーＰｅ＊に対するエンジン３２を最低回転数Ｎｍｉｎでエンジン指令パワーＰｅ＊を出力して運転したときのエンジンの効率と、エンジン指令パワーＰｅ＊のうち走行用パワーＰｒとロスＬｏｓｓとの和のパワーを超えるパワーでバッテリ４８を充電したときの充電効率と、エンジン３２の効率にバッテリ４８の充電効率を加えて得られるシステム全体の効率との関係を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての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、ガソリンなどを燃料とするエンジン３２と、エンジン３２を制御するエンジン用電子制御ユニット（エンジンＥＣＵ）３６と、エンジン３２のクランクシャフト３４にキャリアが接続されると共に駆動輪２６ａ，２６ｂにデファレンシャルギヤ２４を介して連結された駆動軸２２にリングギヤが接続されたプラネタリギヤ３８と、例えば同期発電電動機として構成されて回転子がプラネタリギヤ３８のサンギヤに接続されたモータ４１と、例えば同期発電電動機として構成されて回転子が駆動軸２２に接続されたモータ４２と、モータ４１，４２を駆動するためのインバータ４３，４４と、インバータ４３，４４の図示しないスイッチング素子をスイッチング制御することによってモータ４１，４２を駆動制御するモータ用電子制御ユニット（モータＥＣＵ）４６と、インバータ４３，４４を介してモータ４１，４２と電力をやり取りするバッテリ４８と、シフトレバーのポジションを検出するシフトポジションセンサ５２からのシフトポジションやアクセルペダル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５４からのアクセル開度，ブレーキペダル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５６からのブレーキポジション，車速センサ５８からの車速を入力すると共にエンジン用電子制御ユニット３６やモータ用電子制御ユニット４６と通信して車両全体を制御するハイブリッド用電子制御ユニット（ＨＶＥＣＵ）５０と、を備える。

実施例のハイブリッド自動車２０は、基本的にはハイブリッド用電子制御ユニット５０によって実行される以下に説明する駆動制御により走行している。ハイブリッド用電子制御ユニット５０では、まず、アクセルペダルポジションセンサ５４からのアクセル開度と車速センサ５８からの車速とに基づいて走行のために駆動軸２２に出力すべき要求トルクを設定し、要求トルクに駆動軸２２の回転数（例えば、モータ４２の回転数や車速に換算係数を乗じて得られる回転数）を乗じて走行に要求される走行用パワーＰｒを計算すると共に計算した走行用パワーＰｒとバッテリ４８の充電容量の割合（ＳＯＣ）に応じて得られるバッテリ４８の充放電に要求される充放電要求パワーＰｂ＊（バッテリ４８に充電するときが正の値）とロスＬｏｓｓとを足してエンジン３２から出力すべきパワーとしてのエンジン指令パワーＰｅ＊を設定する。続いて、エンジン指令パワーＰｅ＊を効率よくエンジン３２から出力することができるエンジン３２の回転数とトルクとの関係としての動作ライン（例えば、燃費最適動作ライン）およびエンジン３２を所定の回転数以上で運転するための回転数の制約としての最低回転数Ｎｍｉｎを用いてエンジン３２の目標回転数と目標トルクとを設定する。ここで、最低回転数Ｎｍｉｎとしては、実施例では、通常時にはエンジン３２を安定して運転できる回転数Ｎ１（例えば、１０００ｒｐｍ）が用いられ、エンジン３２の暖機を促進するための暖機要求や室内の暖房を促進するための暖房要求があるときには回転数Ｎ１より大きい回転数Ｎ２（例えば、１３００ｒｐｍなど）が用いられる。そして、エンジン３２の回転数が目標回転数になるように回転数フィードバック制御によりモータ４１のトルク指令を設定し、モータ４１をトルク指令で駆動したときにプラネタリギヤ３８を介して駆動軸２２に作用するトルクを要求トルクから減じて得られるトルクをモータ４２のトルク指令として設定し、エンジン３２の目標回転数と目標トルクについてはエンジン用電子制御ユニット３６に送信し、モータ４１，４２のそれぞれのトルク指令についてはモータ用電子制御ユニット４６に送信する。目標回転数と目標トルクとを受信したエンジン用電子制御ユニット３６は、目標回転数と目標トルクとによってエンジン３２が運転されるようエンジン３２の吸入空気量制御や燃料噴射制御，点火制御などを実行し、モータ４１，４２のそれぞれのトルク指令を受信したモータ用電子制御ユニット４６は、モータ４１，４２がそれぞれのトルク指令で駆動されるようインバータ４３，４４のスイッチング素子をスイッチング制御する。実施例のバイブリッド自動車２０は、こうした制御により、エンジン３２をできるだけ効率よく運転しながらアクセル開度に応じた要求トルクを駆動軸２２に出力して走行することができる。

こうした駆動制御により走行する実施例のハイブリッド自動車２０は、エンジン指令パワーＰｅ＊が比較的小さいときには、目標回転数が最低回転数Ｎｍｉｎと等しい値に設定されると共に目標トルクが比較的小さい値に設定されるため、エンジン３２を効率よく運転できなくなる。このため、目標回転数が最低回転数Ｎｍｉｎに等しいと共にバッテリ４８の蓄電量が所定蓄電量未満であるなどの所定条件を満たすときには、バッテリ４８が充放電要求パワーＰｂ＊に代えてシステム全体の効率を良好にするための燃費向上用充電量Ｐｂｃｈで充電されるように、走行用パワーＰｒと燃費向上用充電量ＰｂｃｈとロスＬｏｓｓとの和のパワーをエンジン指令パワーＰｅ＊として再設定し、エンジン３２から再設定後のエンジン指令パワーＰｅ＊が出力されるように目標トルクを再設定して、エンジン３２をより効率よく運転すると共にシステム全体の効率が良好になるように走行している。

次に、燃費向上用充電量Ｐｂｃｈを設定する際の処理について説明する。図２は、ハイブリッド用電子制御ユニット５０により実行される燃費向上用充電量設定処理の一例を示すフローチャートである。燃費向上用充電量設定処理が実行されると、ハイブリッド用電子制御ユニット５０は、走行用パワーＰｒと最低回転数Ｎｍｉｎと燃費向上用充電量設定用マップとに基づいて燃費向上用充電量Ｐｂｃｈを設定し（ステップＳ１００）、燃費向上用充電量設定処理を終了する。燃費向上用充電量Ｐｂｃｈは、実施例では、走行用パワーＰｒと最低回転数Ｎｍｉｎと燃費向上用充電量Ｐｂｃｈとの関係を予め定めて燃費向上用充電量設定用マップとしてハイブリッド用電子制御ユニット５０の図示しないＲＯＭに記憶しておき、走行用パワーＰｒと最低回転数Ｎｍｉｎとが与えられると記憶したマップから対応する燃費向上用充電量Ｐｂｃｈを導出して設定するものとした。ここで、燃費向上用充電量設定用マップは、エンジン３２を最低回転数Ｎｍｉｎで運転しながらエンジン指令パワーＰｅ＊を出力したときのエンジン３２の効率とエンジン３２から出力されるエンジン指令パワーのうち走行用パワーＰｒとロスＬｏｓｓとの和のパワーを超えるパワーでバッテリ４８を充電したときの充電効率とを足して得られるシステム全体の効率が最小となるように走行用パワーＰｒと最低回転数Ｎｍｉｎと燃費向上用充電量Ｐｂｃｈとの関係が定められている。

続いて、燃費向上用充電量設定用マップとして走行用パワーＰｒと最低回転数Ｎｍｉｎと燃費向上用充電量Ｐｂｃｈとの関係を定める手法について説明する。図３は、エンジン指令パワーＰｅ＊に対するエンジン３２を最低回転数Ｎｍｉｎでエンジン指令パワーＰｅ＊を出力して運転したときのエンジンの効率と、エンジン指令パワーＰｅ＊のうち走行用パワーＰｒとロスＬｏｓｓとの和のパワーを超えるパワーでバッテリ４８を充電したときの充電効率と、エンジン３２の効率にバッテリ４８の充電効率を加えて得られるシステム全体の効率との関係を示す説明図である。図中の実線は最低回転数Ｎｍｉｎが回転数Ｎ１のときの効率を示し、破線は最低回転数Ｎｍｉｎが回転数Ｎ２のときの効率を示す。エンジン３２の効率は、エンジン指令パワーＰｅ＊が小さいほど悪化する傾向があり、エンジン指令パワーＰｅ＊が比較的低い領域では最低回転数Ｎｍｉｎが回転数Ｎ１のときよりも回転数Ｎ２（Ｎ１＜Ｎ２）のときの方が悪化する傾向がある。こうした傾向になるのは、エンジン指令パワーＰｅ＊が同じときには、最低回転数Ｎｍｉｎが回転数Ｎ１のときよりも回転数Ｎ２のときの方がエンジン３２がより高回転低トルクで運転されるからである。バッテリ４８を充電したときの充電効率は、最低回転数Ｎｍｉｎに拘わらず、バッテリ４８に充電される充電量が多いほど損失が増加するため、走行用パワーを超える分のエンジン指令パワーＰｅ＊が大きくなるほど充電効率が悪化する傾向がある。そして、エンジン指令パワーＰｅ＊とエンジン３２の効率に充電効率を加えて得られるシステム全体の効率は、あるエンジン指令パワーＰｅ＊のときに最も良好になる傾向がある。即ち、実施例では、図示するように、ある走行用パワーＰｒのときにエンジン３２の最低回転数Ｎｍｉｎが回転数Ｎ１のときにはエンジン指令パワーＰｅ＊がパワーＰ１のときにシステム全体の効率が最も良好になり、ある走行用パワＰｒのときにエンジン３２の最低回転数Ｎｍｉｎが回転数Ｎ２のときにはエンジン指令パワーＰｅ＊がパワーＰ２のときにシステム全体の効率が最も良好になる。したがって、このパワーＰ１，Ｐ２から走行用パワーＰｒとロスＬｏｓｓとを減じて得られるパワーＰｂｃｈ１，Ｐｂｃｈ２をそれぞれ燃費向上用充電量Ｐｂｃｈとして定めることができ、このときの最低回転数Ｎｍｉｎと走行用パワーＰｒと燃費向上用充電量Ｐｂｃｈとの関係を燃費向上用充電量設定用マップとして定めることができる。そして、エンジン３２の目標回転数が最低回転数Ｎｍｉｎに等しくなるときには、こうして定められた燃費向上用充電量設定用マップに基づいて燃費向上用充電量Ｐｂｃｈを設定し、エンジン３２から走行用パワーＰｒとロスＬｏｓｓと燃費向上用充電量Ｐｂｃｈとの和のパワーを出力するよう目標トルクを補正してなる運転ポイントでエンジン３２を運転するよう制御するのである。これにより、エンジン３２を最低回転数Ｎｍｉｎで運転するときのシステム全体の効率をより良好なものとすることができる。

以上説明した実施例のハイブリッド自動車２０によれば、エンジン３２の目標回転数が最低回転数Ｎｍｉｎに等しくなるときには、最低回転数Ｎｍｉｎでエンジン３２から走行用パワーとロスＬｏｓｓと燃費向上用充電量Ｐｂｃｈとの和のパワーを出力したときのエンジン３２の効率とバッテリ４８の充電効率とを足して得られるシステム全体の効率が最も良好となるよう最低回転数Ｎｍｉｎと走行用パワーＰｒと燃費向上用充電量Ｐｂｃｈとの関係を予め定めた燃費向上用充電量設定用マップに基づいて燃費向上用充電量Ｐｂｃｈを設定し、エンジン３２から走行用パワーＰｒとロスＬｏｓｓと燃費向上用充電量Ｐｂｃｈとの和のパワーを出力するよう目標トルクを補正してなる運転ポイントでエンジン３２を運転するよう制御するから、エンジン３２を最低回転数Ｎｍｉｎで運転するときのシステム全体の効率をより良好なものとすることができる。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、エンジン３２が「エンジン」に相当し、モータ４１が「発電機」に相当し、プラネタリギヤ３８が「遊星歯車機構」に相当し、モータ４２が「電動機」に相当し、バッテリ４８が「バッテリ」に相当し、走行に要求される走行用パワーＰｒとバッテリ４８の充放電に要求される充放電要求パワーＰｂ＊とロスＬｏｓｓとの和のパワーに対してエンジン３２を最低回転数Ｎｍｉｎ以上の回転数でエンジン指令パワーＰｅ＊を効率よくエンジン３２から出力することができるエンジン３２の回転数とトルクとの関係としての動作ラインを適用して得られる目標回転数と目標トルクとからなる運転ポイントでエンジン３２を運転すると共に駆動軸２２に要求トルクを出力して走行するようエンジン３２とモータ４１，４２とを制御し、エンジン３２の目標回転数が最低回転数Ｎｍｉｎに等しくなるときには、最低回転数Ｎｍｉｎでエンジン３２から走行用パワーとロスＬｏｓｓと燃費向上用充電量Ｐｂｃｈとの和のパワーを出力したときのエンジン３２の効率とバッテリ４８の充電効率とを足して得られるシステム全体の効率が最も良好となるよう最低回転数Ｎｍｉｎと走行用パワーＰｒと燃費向上用充電量Ｐｂｃｈとの関係を予め定めた燃費向上用充電量設定用マップに基づいて燃費向上用充電量Ｐｂｃｈを設定し、エンジン３２から走行用パワーＰｒとロスＬｏｓｓと燃費向上用充電量Ｐｂｃｈとの和のパワーを出力するよう目標トルクを補正してなる運転ポイントでエンジン３２を運転するよう制御するハイブリッド用電子制御ユニット５０が「制御手段」に相当する。

以上、本発明を実施するため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。

本発明は、ハイブリッド自動車の製造産業等に利用可能である。

２０ハイブリッド自動車、２２駆動軸２４デファレンシャルギヤ、２６ａ，２６ｂ駆動輪、３２エンジン、３４クランクシャフト、３６エンジン用電子制御ユニット（エンジンＥＣＵ）、３８プラネタリギヤ、４１，４２モータ、４３，４４インバータ、４６モータ用電子制御ユニット（モータＥＣＵ）、４８バッテリ、５０ハイブリッド用電子制御ユニット（ＨＶＥＣＵ）、５２シフトポジションセンサ、５４アクセルペダルポジションセンサ、５６ブレーキペダルポジションセンサ、５８車速センサ。

Claims

エンジンと、動力を入出力可能な発電機と、前記エンジンの出力軸と前記発電機の回転軸と駆動輪に連結された駆動軸との３軸に３つの回転要素が接続された遊星歯車機構と、前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、前記発電機および前記電動機と電力のやりとりが可能なバッテリと、アクセル操作に基づく走行用パワーと前記バッテリを充放電するための充放電パワーと車両に生じる損失との和のパワーに対して前記エンジンを所定の要求に基づく最低回転数以上の回転数で効率よく運転するよう該エンジンの回転数とトルクとに課す制約としての動作ラインを適用して得られる目標回転数と目標トルクとからなる運転ポイントで前記エンジンを運転すると共にアクセル操作に基づく駆動トルクにより走行するよう前記エンジンと前記発電機と前記電動機とを制御する制御手段と、を備えるハイブリッド自動車において、
前記制御手段は、前記目標回転数が前記最低回転数に等しくなるときには、該最低回転数で前記エンジンから前記走行用パワーを超えるパワーを出力したときの該エンジンの効率と該エンジンから出力されたパワーのうち前記走行用パワーを超えた分のパワーを用いて前記バッテリを充電したときの充電効率とを足して得られる効率が最も良好となるように前記目標トルクを補正してなる運転ポイントで前記エンジンを運転するよう制御する手段である、
ことを特徴とするハイブリッド自動車。