JP2011121520A

JP2011121520A - ハイブリッド自動車

Info

Publication number: JP2011121520A
Application number: JP2009281929A
Authority: JP
Inventors: Takashi Amano; 貴士天野; Kuniaki Niimi; 国明新美
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2011-06-23

Abstract

【課題】排気を浄化する浄化触媒の暖機が必要とされると共に走行に要求される要求パワーをバッテリからの電力だけでは出力することができないときに要求パワーを出力して走行すると共にエミッションの悪化を抑制する。
【解決手段】浄化触媒３３の暖機が必要とされると共に走行用に要求される走行用パワーがバッテリ４８の出力制限に相当するパワーより大きいときには、バッテリ４８の蓄電割合（ＳＯＣ）が大きいほど遅く且つ浄化触媒３３の劣化の程度が大きいほど遅いタイミングでの点火を伴って走行用パワーから出力制限に相当するパワーを減じたパワーがエンジン３２から出力されると共に要求パワーにより走行するようエンジン３２とモータ４１，４２とを制御する。
【選択図】図１

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、排気を浄化する排気浄化触媒が排気管に取り付けられたエンジンと、車軸に動力を出力可能な電動モータと、を備え、排気浄化触媒の温度が活性化温度より低いときには、排気浄化触媒の暖機が促進されるように各気筒の点火時期を遅くした暖機運転状態でエンジンを運転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、暖機運転状態でエンジンを運転しているときに運転手によって走行用に大きなパワーが要求されたときには、エンジンから走行用のパワーを出力するために暖機運転状態を中止してエンジンを運転している。

特開平１１−１７３１７５号公報

しかしながら、上述のハイブリッド自動車では、排気浄化触媒が十分に活性化していないときに暖機運転状態を中止してエンジンから大きなパワーを出力するため、エミッションが悪化してしまう。また、こうしたハイブリッド自動車では、排気浄化触媒が劣化している場合には、排気浄化触媒が活性化するのに要する熱エネルギが大きくなり、その機能を十分に発揮することができるまでに要する時間が長くなるという問題もある。

本発明のハイブリッド自動車は、浄化触媒の暖機が完了するまでのエミッションの悪化を抑制すると共に浄化触媒をより迅速に暖機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、
排気を浄化する浄化触媒を有する排気浄化装置が排気系に取り付けられて走行用の動力を出力可能なエンジンと、走行用の動力を出力可能な電動機と、前記電動機と電力のやりとりが可能なバッテリと、前記バッテリに蓄えられている蓄電量の全容量に対する割合である蓄電割合が大きいほど大きくなる傾向に該バッテリから放電してもよい最大電力としての出力制限を設定する出力制限設定手段と、前記設定された出力制限の範囲内で走行に要求される要求パワーにより走行するよう前記エンジン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、前記浄化触媒の暖機が必要とされると共に前記要求パワーが前記設定された出力制限に相当するパワーより大きいときには、前記バッテリの蓄電割合が大きいほど遅くなる傾向で前記浄化触媒の劣化の程度が大きいほど遅くなる傾向のタイミングでの点火を伴って前記要求パワーから前記出力制限に相当するパワーを減じたパワーが前記エンジンから出力されると共に前記要求パワーにより走行するよう前記エンジンと前記電動機とを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、排気を浄化する浄化触媒の暖機が必要とされると共に走行に要求される要求パワーがバッテリから放電してもよい最大電力としての出力制限に相当するパワーより大きいときには、バッテリに蓄えられている蓄電量の全容量に対する割合である蓄電割合が大きいほど遅くなる傾向のタイミングで浄化触媒の劣化の程度が大きいほど遅くなる傾向のタイミングでの点火を伴って要求パワーから出力制限に相当するパワー（以下、「制限超過分パワー」という）を減じたパワーがエンジンから出力されると共に要求パワーにより走行するようエンジンと電動機とを制御する。このように制限超過分パワーをエンジンから出力することにより、エンジンから要求パワーを出力するものに比してエミッションが悪化するのを抑制することができる。また、バッテリの蓄電割合が大きいほど点火のタイミングを遅くしてエンジンを運転することにより、バッテリの蓄電割合に応じて燃費の悪化の抑制や浄化触媒の暖機の促進を図ることができる。即ち、バッテリの蓄電割合が大きいほどバッテリの出力制限が大きくなってエンジンから出力する制限超過分パワーが小さくなる傾向があることと、エンジンの点火のタイミングを遅くすると排気の温度が高くなって浄化触媒をより迅速に暖機することができるもののエンジンからの出力が小さくなって燃費が悪化することとを考慮して、エンジンから出力するパワーが大きいときには燃費を優先し、エンジンから出力するパワーが小さいときには浄化触媒の暖機を優先するのである。さらに、浄化触媒が劣化しているときには活性化するのに要する熱エネルギが大きくなるため、浄化触媒の劣化の程度が大きいほど点火のタイミングを遅くしてエンジンを運転することにより、浄化触媒が劣化している場合にも浄化触媒をより迅速に暖機することができる。したがって、こうした制御により、浄化触媒の暖機が完了するまでのエミッションの悪化を抑制することができると共に浄化触媒をより迅速に暖機することができる。

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。

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、エンジン３２と、エンジン３２を駆動制御するエンジン用電子制御ユニット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４６と、インバータ４３，４４を介してモータ４１，４２と電力をやりとりするバッテリ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，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５０と、を備える。ここで、エンジン３２は、ガソリンや軽油などを燃料とする周知のエンジンとして構成されており、スロットルバルブを介して吸入された空気に燃料噴射弁から燃料を噴射して空気と燃料とを混合させ、この混合気を吸気バルブを介して燃焼室に吸入し、点火プラグによる電気火花によって爆発燃焼させて、そのエネルギにより押し下げられるピストンの往復運動をクランクシャフト３４の回転運動に変換する。また、エンジン３２からの排気は、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ），窒素酸化物（ＮＯｘ）の有害成分を浄化する浄化触媒３３を有する浄化装置を介して外気へ排出される。

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って走行する。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からの車速とに応じて走行のために駆動軸２２に要求される要求トルクを設定すると共に設定した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を計算する。続いて、計算した走行用パワーからバッテリ４８に蓄えられている蓄電量の全容量に対する割合である蓄電割合（ＳＯＣ）に応じて得られるバッテリ４８を充放電するための補正パワー（バッテリ４８から放電するときが正の値）を減じてエンジン３２から出力すべきパワーとしてのエンジン指令パワーを設定する。なお、バッテリ４８の蓄電割合（ＳＯＣ）は、図示しない電流センサからのバッテリ４８に充放電される電流の積算値に基づいて演算するものとした。そして、設定したエンジン指令パワーをエンジン３２を始動するための始動用閾値やエンジン３２の運転を停止するための停止用閾値と比較し、エンジン３２の運転を停止しているときにエンジン指令パワーが始動用閾値を超えたときにはエンジン３２を始動し、エンジン３２を運転しているときにエンジン指令パワーが停止用閾値を下回ったときにはエンジン３２の運転を停止する。エンジン３２の運転を継続しているときやエンジン３２を始動した後は、エンジン指令パワー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）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し、バッテリ４８を充放電することができる最大電力としての入出力制限の範囲内で、エンジン３２の回転数が目標回転数となるようにするための回転数フィードバック制御によりモータ４１から出力すべきトルクとしてのトルク指令を設定すると共にモータ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する。そして、設定したエンジン３２の目標回転数と目標トルクと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。一方、エンジン３２の運転停止を継続しているときやエンジン３２の運転を停止した後は、モータ４１のトルク指令に値０を設定すると共にバッテリ４８の入出力制限の範囲内で要求トルクをモータ４２のトルク指令に設定し、設定したモータ４１，４２のトルク指令をモータ用電子制御ユニット４６に送信する。モータ４１，４２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。実施例のハイブリッド自動車２０は、こうした制御により、エンジン３２の間欠運転を伴ってバッテリ４８の入出力制限の範囲内でバッテリを充放電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。なお、バッテリ４８の入出力制限は、バッテリ４８の蓄電割合（ＳＯＣ）に基づいて設定するものとし、入力制限はバッテリ４８の蓄電割合（ＳＯＣ）が大きいほど制限が強く（充電してもよい最大電力が小さく）なるように設定され、出力制限はバッテリ４８の蓄電割合（ＳＯＣ）が小さいほど制限が強く（放電してもよい最大電力が小さく）なるように設定される。

また、実施例のハイブリッド自動車２０では、エンジン３２の排気を浄化する浄化触媒３３の暖機が必要とされるとき（例えば、車両がシステム起動された直後や浄化触媒３３の温度が予め定められた温度未満のときなど）には、エンジン３２を運転することにより浄化触媒３３の暖機を行なう。この場合、ハイブリッド用電子制御ユニット５０は、走行に要求される走行用パワーがバッテリ４８の出力制限より小さいときには、エンジン３２が自立運転するよう自立運転信号をエンジン用電子制御ユニット３６に送信し、モータ４１のトルク指令に値０を設定すると共に要求トルクをモータ４２のトルク指令に設定してモータ用電子制御ユニット４６に送信する。自立運転信号を受信したエンジン用電子制御ユニット３６は、エンジン３２からの排気によって浄化触媒３３が迅速に暖機されるように、浄化触媒３３の暖機が必要とされていない通常時に比して遅い予め定められたタイミングでの点火を伴ってエンジン３２が自立運転するように制御する。なお、浄化触媒３３の暖機が必要とされると共に走行用パワーがバッテリ４８の出力制限より大きくなるときの制御については後述する。浄化触媒の暖機の際には、エンジン用電子制御ユニット３６は、エンジン３２に吸入される吸入空気量と点火のタイミングとに基づいて算出される単位時間あたりの浄化触媒３３の温度上昇量を積算して浄化触媒３３の温度を推定すると共に推定した浄化触媒３３の温度を浄化触媒３３が活性化する温度である活性化温度と比較し、浄化触媒３３の温度が活性化温度に至ったときには、実際に浄化触媒３３が活性化して十分に機能しているか否かを判定する。ここで、浄化触媒３３が実際に活性化して十分に機能しているか否かの判定は、浄化触媒３３より下流側に取り付けられた図示しない酸素センサからの検出値に基づいて行なうことができ、例えば、エンジン３２への燃料噴射量を増減させて空燃比を理論空燃比よりリッチ側とリーン側とに変化させ、この空燃比の変化に対する酸素センサの検出値の変化の遅れを予め定められた閾値と比較することにより行なうことができる。そして、浄化触媒３３が十分に機能しているときには浄化触媒３３の暖機が完了したことを知らせる暖機完了信号をハイブリッド用電子制御ユニット５０に送信し、一方、活性化温度に至っているのにも拘わらず浄化触媒３３が十分に機能していないときには浄化触媒３３が劣化していると判断して浄化触媒３３の活性化温度を若干高い温度に更新し、浄化触媒３３の温度が更新した活性化温度に至ったときに暖機完了信号をハイブリッド用電子制御ユニット５０に送信する。暖機完了信号を受信したハイブリッド用電子制御ユニット５０は、その後はエンジン３２の間欠運転を伴って走行するように上述の駆動制御を実行する。なお、こうして更新される浄化触媒３３の活性化温度は、浄化触媒３３が劣化しているほど高い温度となり、浄化触媒３３の劣化の程度を示す指標となる。

次に、浄化触媒３３の暖機が必要とされているときにアクセルペダルが踏み込まれるなどして走行に要求される走行用パワーがバッテリ４８の出力制限に相当するパワーより大きくなったときの制御について説明する。この場合、ハイブリッド用電子制御ユニット５０は、走行用パワーからバッテリ４８の出力制限に相当するパワーを減じたパワー（以下、「制限超過分パワー」という）をエンジン指令パワーに設定し、上述の駆動制御と同様に、設定したエンジン指令パワーを用いてエンジン３２の目標パワーと目標トルクとを設定してエンジン用電子制御ユニット３６に送信し、エンジン３２の回転数を目標回転数とするためのトルクがモータ４１から出力されるようモータ４１のトルク指令を設定すると共に要求トルクにより走行するようモータ４２のトルク指令を設定してモータ用電子制御ユニット４６に送信する。即ち、浄化触媒３３の暖機が必要とされると共に走行用パワーがバッテリ４８の出力制限より大きくなったときには、走行用パワーからバッテリ４８の出力制限に相当するパワーを減じた制限超過分パワーをエンジン３２から出力すると共に出力制限に相当するパワーをバッテリ４８から出力して走行するのである。こうした制御により、浄化触媒３３が活性化しておらず十分に機能することができないときに、エンジン３２から走行用パワーが出力されるものに比してエミッションの悪化を抑制して走行することができる。

浄化触媒３３の暖機が必要とされると共に走行用パワーがバッテリ４８の出力制限に相当するパワーより大きくなったときには、エンジン用電子制御ユニット３６は、浄化触媒３３の暖機が必要とされていない通常時に比して遅いタイミングであってバッテリ４８の蓄電割合（ＳＯＣ）が大きいほど遅く且つ浄化触媒３３が劣化しているほど（浄化触媒３３の劣化の程度が大きいほど）遅いタイミングでエンジン３２の点火が行なわれるように点火プラグを制御する。具体的には、エンジン３２の点火時期は、浄化触媒３３の劣化の程度を示す活性化温度とバッテリ４８の蓄電割合（ＳＯＣ）と点火時期との関係を予め定めて図示しないマップとして記憶しておき、浄化触媒３３の活性化温度とバッテリ４８の蓄電割合（ＳＯＣ）とが与えられると記憶したマップから対応する点火時期を導出して設定するものとした。以下、バッテリ４８の蓄電割合（ＳＯＣ）が大きいほど遅く且つ浄化触媒３３が劣化の程度が大きいほど遅いタイミングでエンジン３２の点火を行なう理由について説明する。一般的に、エンジン３２の点火のタイミングを遅くすると、エンジン３２の排気の温度は高くなって浄化触媒３３をより迅速に暖機することができるが、エンジン３２から出力されるパワーは小さくなって燃費が悪化する。実施例では、バッテリ４８は蓄電割合（ＳＯＣ）が大きいほど出力制限が大きくなるから、同一の走行用パワーを出力する場合には、走行用パワーから出力制限に相当するパワーを減じたエンジン３２から出力する制限超過分パワーはバッテリ４８の蓄電割合（ＳＯＣ）が大きいほど小さくなる。このため、実施例では、バッテリ４８の蓄電割合（ＳＯＣ）が小さいほど（制限超過分パワーが大きいほど）燃費を優先してエンジン３２の点火タイミングを早くし、蓄電割合（ＳＯＣ）が大きいほど（制限超過分パワーが小さいほど）浄化触媒３３の暖機を優先してエンジン３２の点火のタイミングを遅くするのである。これにより、バッテリ４８の蓄電割合（ＳＯＣ）に応じて燃費の悪化の抑制や浄化触媒３３の暖機の促進を図ることができる。また、浄化触媒３３が劣化しているときには、浄化触媒３３が活性化して十分に機能するまでに要する熱エネルギが大きくなって暖機にかかる時間が長くなる。このため、浄化触媒３３の劣化の程度が大きいほど浄化触媒３３の暖機を優先してエンジン３２の点火のタイミングを遅くすることにより、浄化触媒３３が劣化している場合であっても浄化触媒３３をより迅速に活性化させることができる。

以上説明した実施例のハイブリッド自動車２０によれば、浄化触媒３３の暖機が必要とされると共に走行用に要求される走行用パワーがバッテリ４８の出力制限に相当するパワーより大きいときには、バッテリ４８の蓄電割合（ＳＯＣ）が大きいほど遅く且つ浄化触媒３３の劣化の程度が大きいほど遅いタイミングでの点火を伴って走行用パワーから出力制限に相当するパワーを減じたパワーがエンジン３２から出力されると共に走行に要求される要求トルクにより走行するようエンジン３２とモータ４１，４２とを制御するから、エンジン３２から走行用パワーを出力するものに比してエミッションの悪化を抑制することができると共にバッテリ４８の蓄電割合（ＳＯＣ）と浄化触媒３３の劣化の程度に応じて浄化触媒３３をより迅速に暖機することができる。

実施例では、プラネタリギヤ３８にエンジン３２とモータ４１と駆動軸２２とを接続すると共に駆動軸２２にモータ４２を接続したハイブリッド自動車２０に適用して本発明の内容を説明したが、本発明の内容は、排気を浄化する浄化触媒を有する排気浄化装置が排気系に取り付けられて走行用の動力を出力可能なエンジンと走行用の動力を出力可能な電動機とこの電動機と電力のやりとりが可能なバッテリとを備える自動車に適用するものとすればよく、例えばモータ４１を有さずに駆動軸２２にクラッチを介して接続されたエンジン３２と駆動軸２２に接続されたモータ４２とを備えるハイブリッド自動車に適用するものとしてもよい。

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、浄化触媒３３を有する浄化装置が取り付けられたエンジン３２が「エンジン」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、バッテリ４８の蓄電割合（ＳＯＣ）に基づいて蓄電割合（ＳＯＣ）が大きいほど放電してもよい最大電力が大きくなるようにバッテリ４８の出力制限を設定するハイブリッド用電子制御ユニット５０が「出力制限設定手段」に相当し、アクセル開度と車速とに応じて走行のために駆動軸２２に要求される要求トルクを設定すると共に設定した要求トルクに駆動軸２２の回転数を乗じて走行に要求される走行用パワーを計算し、浄化触媒３３の暖機が必要とされると共に走行用パワーがバッテリ４８の出力制限に相当するパワーより大きいときには、走行用パワーからバッテリ４８の出力制限に相当するパワーを減じたパワーをエンジン指令パワーに設定し、設定したエンジン指令パワーと動作ラインとを用いてエンジン３２の目標パワーと目標トルクとを設定し、エンジン３２の回転数が目標回転数となるようモータ４１のトルク指令を設定し、要求トルクからモータ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減じてモータ４２のトルク指令を設定し、設定した目標回転数と目標トルク，トルク指令を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に送信する処理を実行するハイブリッド用電子制御ユニット５０とバッテリ４８の蓄電割合（ＳＯＣ）が大きいほど遅く且つ浄化触媒３３の劣化の程度が大きいほど遅いタイミングでの点火を伴って目標回転数と目標トルクとによりエンジン３２が運転されるようエンジン３２を制御するエンジン用電子制御ユニット３６とトルク指令によりモータ４１，４２を制御するモータ用電子制御ユニット４６とが「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などに利用可能である。

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、３３浄化触媒、３４クランクシャフト、３６エンジン用電子制御ユニット、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、４８バッテリ、５０ハイブリッド用電子制御ユニット、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

排気を浄化する浄化触媒を有する排気浄化装置が排気系に取り付けられて走行用の動力を出力可能なエンジンと、走行用の動力を出力可能な電動機と、前記電動機と電力のやりとりが可能なバッテリと、前記バッテリに蓄えられている蓄電量の全容量に対する割合である蓄電割合が大きいほど大きくなる傾向に該バッテリから放電してもよい最大電力としての出力制限を設定する出力制限設定手段と、前記設定された出力制限の範囲内で走行に要求される要求パワーにより走行するよう前記エンジン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、前記浄化触媒の暖機が必要とされると共に前記要求パワーが前記設定された出力制限に相当するパワーより大きいときには、前記バッテリの蓄電割合が大きいほど遅くなる傾向で前記浄化触媒の劣化の程度が大きいほど遅くなる傾向のタイミングでの点火を伴って前記要求パワーから前記出力制限に相当するパワーを減じたパワーが前記エンジンから出力されると共に前記要求パワーにより走行するよう前記エンジンと前記電動機とを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。