JP2011235694A - ハイブリッド自動車およびその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】モータの過回転を抑止する。
【解決手段】要求パワーＰｅ＊を効率良くエンジンから出力するための運転ポイント（仮目標回転数Ｎｅｔｍｐ，仮目標トルクＴｅｔｍｐ）でエンジンを運転させるためにモータＭＧ１から出力すべきトルク（仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐ）が、駆動軸に出力すべき要求トルクＴｒ＊とバッテリの入力制限Ｗｉｎとを両立させるエンジンの上限回転数Ｎｅｍａｘに基づくトルク制限（Ｓ１４０〜Ｓ１９０）や、モータの定格値（トルク制限Ｔｍ１ｌｉｍ）に基づくトルク制限（Ｓ２００）を受けてトルク指令Ｔｍ１＊が設定されたときには（Ｓ２１０，Ｓ２２０）、トルク指令Ｔｍ１＊と仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐとの偏差に基づいてエンジンから出力すべき要求パワーＰｅ＊を制限する（Ｓ２３０）。
【選択図】図４

Description

本発明は、駆動軸に動力を出力するハイブリッド自動車およびその制御方法に関する。
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のモータと、エンジンの出力軸と第１のモータの回転軸と駆動軸の３軸に３つの回転要素が接続された遊星歯車機構（動力分配統合機構）と、駆動軸に接続された第２のモータと、二つのモータと電力をやり取りするバッテリと、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、駆動軸に要求される要求トルクに基づいてエンジンから出力すべき要求パワーを設定し、設定した要求パワーをエンジンから効率良く出力するための目標回転数と目標トルクとからなるエンジンの運転ポイントを設定し、バッテリに充電される電力がその入力制限を超えないようにするための第１のモータのトルク制限を設定し、設定したトルク制限の範囲内でエンジンが目標回転数で運転されるよう第１のモータを制御し、バッテリの入出力制限の範囲内で駆動軸に要求される要求トルクが駆動軸に出力されるよう第２のモータを制御している。
特開２００７−１７６２９５号公報
上述したタイプのハイブリッド自動車では、通常、エンジンは効率の良い運転ポイント（目標回転数と目標トルク）で運転されることになるが、第１のモータのトルクがトルク制限によって制限を受けると、第１のモータのトルク不足によりエンジンの回転に吹き上がりが生じ、遊星歯車機構の機構上、第１のモータが過回転する場合が生じる。
本発明のハイブリッド自動車およびその制御方法は、発電機の過回転をより確実に抑止することを主目的とする。
本発明のハイブリッド自動車およびその制御方法は、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、
内燃機関と、
動力の入出力が可能な発電機と、
前記内燃機関の出力軸と前記発電機の回転軸と車軸に連結された駆動軸の３軸に３つの回転要素が接続された遊星歯車機構と、
前記駆動軸に動力の入出力が可能な電動機と、
前記発電機および前記電動機と電力のやり取りが可能な蓄電手段と、
走行に要求される要求トルクを設定する要求トルク設定手段と、
前記設定された要求トルクに基づいて前記内燃機関から出力すべき要求機関パワーを設定し、該設定した要求機関パワーに基づいて前記内燃機関が運転すべき目標回転数と目標トルクとからなる目標運転ポイントを設定し、該設定した目標回転数で前記内燃機関を運転させるための前記発電機の発電機トルクと前記発電機に課された発電機トルク制限との差分に基づいて前記要求機関パワーを制限した制限後機関パワーを設定し、該設定した制限後機関パワーが前記内燃機関から出力されると共に前記蓄電手段の入出力制限および前記発電機の発電機トルク制限の範囲内で前記設定された要求トルクにより走行するよう前記内燃機関と前記発電機と前記電動機とを制御する制御手段と
を備えることを要旨とする。
この本発明のハイブリッド自動車では、走行に要求される要求トルクに基づいて内燃機関から出力すべき要求機関パワーを設定し、設定した要求機関パワーに基づいて内燃機関が運転すべき目標回転数と目標トルクとからなる目標運転ポイントを設定し、設定した目標回転数で内燃機関を運転させるための発電機の発電機トルクと発電機に課された発電機トルク制限との差分に基づいて要求機関パワーを制限した制限後機関パワーを設定し、設定した制限後機関パワーが内燃機関から出力されると共に蓄電手段の入出力制限および発電機の発電機トルク制限の範囲内で要求トルクにより走行するよう内燃機関と発電機と電動機とを制御する。これにより、発電機トルクが制限されるものとしても、発電機の過回転を抑止することができる。
こうした本発明のハイブリッド自動車において、前記制御手段は、前記発電機の発電機トルクと前記発電機トルク制限との差分が打ち消される方向に前記制限後機関パワーを設定する手段であるものとすることもできる。こうすれば、より確実に発電機の過回転を抑止することができる。
また、本発明のハイブリッド自動車において、前記制御手段は、前記要求トルクと前記蓄電手段の入力制限とから求められる回転数制限により前記内燃機関の目標回転数を制限した制限後回転数を設定し、該設定した制限後回転数で前記内燃機関を運転するために前記発電機から出力すべきトルクを前記発電機トルク制限として用いて制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、要求トルクの出力と蓄電手段の入力制限の範囲内の充電とを両立させることができる。この態様の本発明のハイブリッド自動車において、前記制御手段は、前記発電機から出力されるトルクに基づいて前記駆動軸に出力される第１トルクと前記電動機から該駆動軸に出力される第２トルクとの和が前記要求トルクに応じたトルクとなる関係と、前記発電機により入出力される第１電力と前記電動機により入出力される第２電力との和が前記蓄電手段の入出力制限となる関係と、から求められる前記第１トルクに基づいて前記制限後回転数を設定する手段であるものとすることもできる。さらにこの態様の本発明のハイブリッド自動車において、前記制御手段は、前記内燃機関の目標回転数が設定されたときに、前記発電機の回転変化量に比例する慣性抵抗に関する慣性項と前記発電機を該設定された目標回転数でフィードバック制御する際の該発電機から出力すべき目標トルクに関する項であるフィードバック項とを含む関係式に対して前記第１トルクを該目標トルクとして用いて逆算により得られる前記回転変化量を許容回転変化量として前記制限後回転数を設定する手段であるものとすることもできる。
さらに、本発明のハイブリッド自動車において、前記制御手段は、前記発電機の定格値に基づいて前記発電機トルク制限を設定して制御する手段であるものとすることもできる。
本発明のハイブリッド自動車の制御方法は、
内燃機関と、動力の入出力が可能な発電機と、前記内燃機関の出力軸と前記発電機の回転軸と車軸に連結された駆動軸の３軸に３つの回転要素が接続された遊星歯車機構と、前記駆動軸に動力の入出力が可能な電動機と、前記発電機および前記電動機と電力のやり取りが可能な蓄電手段と、を備えるハイブリッド自動車の制御方法であって、
前記設定された要求トルクに基づいて前記内燃機関から出力すべき要求機関パワーを設定し、該設定した要求機関パワーに基づいて前記内燃機関が運転すべき目標回転数と目標トルクとからなる目標運転ポイントを設定し、該設定した目標回転数で前記内燃機関を運転させるための前記発電機の発電機トルクと前記発電機に課された発電機トルク制限との差分に基づいて前記要求機関パワーを制限した制限後機関パワーを設定し、該設定した制限後機関パワーが前記内燃機関から出力されると共に前記蓄電手段の入出力制限および前記発電機の発電機トルク制限の範囲内で前記設定された要求トルクにより走行するよう前記内燃機関と前記発電機と前記電動機とを制御する
ことを要旨とする。
この本発明のハイブリッド自動車の制御方法によれば、走行に要求される要求トルクに基づいて内燃機関から出力すべき要求機関パワーを設定し、設定した要求機関パワーに基づいて内燃機関が運転すべき目標回転数と目標トルクとからなる目標運転ポイントを設定し、設定した目標回転数で内燃機関を運転させるための発電機の発電機トルクと発電機に課された発電機トルク制限との差分に基づいて要求機関パワーを制限した制限後機関パワーを設定し、設定した制限後機関パワーが内燃機関から出力されると共に蓄電手段の入出力制限および発電機の発電機トルク制限の範囲内で要求トルクにより走行するよう内燃機関と発電機と電動機とを制御する。これにより、発電機トルクが制限されるものとしても、発電機の過回転を抑止することができる。
本発明の一実施形態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。 バッテリ５０における電池温度θｂと入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔとの関係の一例を示す説明図である。 バッテリ５０の残容量（ＳＯＣ）と入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔの補正係数との関係の一例を示す説明図である。 実施例のハイブリッド自動車２０のハイブリッド用電子制御ユニット７０により実行される駆動制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 要求トルク設定用マップの一例を示す説明図である。 動作ラインの一例および仮目標回転数Ｎｅｔｍｐと仮目標トルクＴｅｔｍｐを設定する様子を示す説明図である。 動力分配統合機構３０の各回転要素における回転数とトルクの力学的な関係を示す共線図である。 モータＭＧ１のトルクＴｍ１の上限値Ｔｍ１ｍａｘと下限値Ｔｍ１ｍｉｎの一例を示す説明図である。 トルク制限Ｔｍ１ｌｉｍと回転数Ｎｍ１との関係の一例を示す説明図である。 変形例のハイブリッド自動車１２０の構成の概略を示す構成図である。 変形例のハイブリッド自動車２２０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最良の形態を実施例を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態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２２と、エンジン２２の出力軸としてのクランクシャフト２６にダンパ２８を介して接続された３軸式の動力分配統合機構３０と、動力分配統合機構３０に接続された発電可能なモータＭＧ１と、動力分配統合機構３０に接続された駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに取り付けられた減速ギヤ３５と、この減速ギヤ３５に接続されたモータＭＧ２と、車両全体をコントロールするハイブリッド用電子制御ユニット７０とを備える。
エンジン２２は、ガソリンまたは軽油などの炭化水素系の燃料により動力を出力する内燃機関であり、エンジン２２のクランクシャフト２６に取り付けられたクランクポジションセンサなどのエンジン２２の運転状態を検出する各種センサから信号を入力するエンジン用電子制御ユニット（以下、エンジンＥＣＵという）２４により燃料噴射制御や点火制御，吸入空気量調節制御などの運転制御を受けている。エンジンＥＣＵ２４は、ハイブリッド用電子制御ユニット７０と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット７０からの制御信号によりエンジン２２を運転制御すると共に必要に応じてエンジン２２の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。
動力分配統合機構３０は、外歯歯車のサンギヤ３１と、このサンギヤ３１と同心円上に配置された内歯歯車のリングギヤ３２と、サンギヤ３１に噛合すると共にリングギヤ３２に噛合する複数のピニオンギヤ３３と、複数のピニオンギヤ３３を自転かつ公転自在に保持するキャリア３４とを備え、サンギヤ３１とリングギヤ３２とキャリア３４とを回転要素として差動作用を行なう遊星歯車機構として構成されている。動力分配統合機構３０は、キャリア３４にはエンジン２２のクランクシャフト２６が、サンギヤ３１にはモータＭＧ１が、リングギヤ３２にはリングギヤ軸３２ａを介して減速ギヤ３５がそれぞれ連結されており、モータＭＧ１が発電機として機能するときにはキャリア３４から入力されるエンジン２２からの動力をサンギヤ３１側とリングギヤ３２側にそのギヤ比に応じて分配し、モータＭＧ１が電動機として機能するときにはキャリア３４から入力されるエンジン２２からの動力とサンギヤ３１から入力されるモータＭＧ１からの動力を統合してリングギヤ３２側に出力する。リングギヤ３２に出力された動力は、リングギヤ軸３２ａからギヤ機構６０およびデファレンシャルギヤ６２を介して、最終的には車両の駆動輪６３ａ，６３ｂに出力される。
モータＭＧ１およびモータＭＧ２は、いずれも発電機として駆動することができると共に電動機として駆動できる周知の同期発電電動機として構成されており、インバータ４１，４２を介してバッテリ５０と電力のやりとりを行なう。インバータ４１，４２とバッテリ５０とを接続する電力ライン５４は、各インバータ４１，４２が共用する正極母線および負極母線として構成されており、モータＭＧ１，ＭＧ２のいずれかで発電される電力を他のモータで消費することができるようになっている。したがって、バッテリ５０は、モータＭＧ１，ＭＧ２のいずれかから生じた電力や不足する電力により充放電されることになる。なお、モータＭＧ１，ＭＧ２により電力収支のバランスをとるものとすれば、バッテリ５０は充放電されない。モータＭＧ１，ＭＧ２は、いずれもモータ用電子制御ユニット（以下、モータＥＣＵという）４０により駆動制御されている。モータＥＣＵ４０には、モータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御するために必要な信号、例えばモータＭＧ１，ＭＧ２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ４３，４４からの信号や図示しない電流センサにより検出されるモータＭＧ１，ＭＧ２に印加される相電流などが入力されており、モータＥＣＵ４０からは、インバータ４１，４２へのスイッチング制御信号が出力されている。モータＥＣＵ４０は、ハイブリッド用電子制御ユニット７０と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット７０からの制御信号によってモータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御すると共に必要に応じてモータＭＧ１，ＭＧ２の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。
バッテリ５０は、バッテリ用電子制御ユニット（以下、バッテリＥＣＵという）５２によって管理されている。バッテリＥＣＵ５２には、バッテリ５０を管理するのに必要な信号、例えば、バッテリ５０の端子間に設置された図示しない電圧センサからの端子間電圧，バッテリ５０の出力端子に接続された電力ライン５４に取り付けられた図示しない電流センサからの充放電電流，バッテリ５０に取り付けられた温度センサ５１からの電池温度Ｔｂなどが入力されており、必要に応じてバッテリ５０の状態に関するデータを通信によりハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。なお、バッテリＥＣＵ５２では、バッテリ５０を管理するために電流センサにより検出された充放電電流の積算値に基づいて残容量（ＳＯＣ）も演算したり、演算した残容量（ＳＯＣ）と電池温度θｂとに基づいてバッテリ５０を充放電してもよい最大許容電力である入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔを演算している。なお、バッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔは、電池温度θｂに基づいて入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔの基本値を設定し、バッテリ５０の残容量（ＳＯＣ）に基づいて出力制限用補正係数と入力制限用補正係数とを設定し、設定した入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔの基本値に補正係数を乗じることにより設定することができる。図２に電池温度θｂと入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔとの関係の一例を示し、図３にバッテリ５０の残容量（ＳＯＣ）と入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔの補正係数との関係の一例を示す。
ハイブリッド用電子制御ユニット７０は、ＣＰＵ７２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ７２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ７４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ７６と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。ハイブリッド用電子制御ユニット７０には、イグニッションスイッチ８０からのイグニッション信号，シフトレバー８１の操作位置を検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジションＳＰ，アクセルペダル８３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８４からのアクセル開度Ａｃｃ，ブレーキペダル８５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８６からのブレーキペダルポジションＢＰ，車速センサ８８からの車速Ｖなどが入力ポートを介して入力されている。ハイブリッド用電子制御ユニット７０は、前述したように、エンジンＥＣＵ２４やモータＥＣＵ４０，バッテリＥＣＵ５２と通信ポートを介して接続されており、エンジンＥＣＵ２４やモータＥＣＵ４０，バッテリＥＣＵ５２と各種制御信号やデータのやりとりを行なっている。
こうして構成された実施例のハイブリッド自動車２０は、運転者によるアクセルペダル８３の踏み込み量に対応するアクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づいて駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに出力すべき要求トルクを計算し、この要求トルクに対応する要求動力がリングギヤ軸３２ａに出力されるように、エンジン２２とモータＭＧ１とモータＭＧ２とが運転制御される。エンジン２２とモータＭＧ１とモータＭＧ２の運転制御としては、要求動力に見合う動力がエンジン２２から出力されるようにエンジン２２を運転制御すると共にエンジン２２から出力される動力のすべてが動力分配統合機構３０とモータＭＧ１とモータＭＧ２とによってトルク変換されてリングギヤ軸３２ａに出力されるようモータＭＧ１およびモータＭＧ２を駆動制御するトルク変換運転モードや要求動力とバッテリ５０の充放電に必要な電力との和に見合う動力がエンジン２２から出力されるようにエンジン２２を運転制御すると共にバッテリ５０の充放電を伴ってエンジン２２から出力される動力の全部またはその一部が動力分配統合機構３０とモータＭＧ１とモータＭＧ２とによるトルク変換を伴って要求動力がリングギヤ軸３２ａに出力されるようモータＭＧ１およびモータＭＧ２を駆動制御する充放電運転モード、エンジン２２の運転を停止してモータＭＧ２からの要求動力に見合う動力をリングギヤ軸３２ａに出力するよう運転制御するモータ運転モードなどがある。
次に、こうして構成された実施例のハイブリッド自動車２０の動作について説明する。図４は、実施例のハイブリッド自動車２０のハイブリッド用電子制御ユニット７０により実行される駆動制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎（例えば、数ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。
駆動制御ルーチンが実行されると、ハイブリッド用電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２は、まず、アクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度Ａｃｃや車速センサ８８からの車速Ｖ，エンジン２２の回転数Ｎｅ，モータＭＧ１，ＭＧ２の回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２，バッテリ５０の残容量ＳＯＣ，バッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔなどのデータを入力する処理を実行する（ステップＳ１００）。ここで、エンジン２２の回転数Ｎｅは、図示しないクランクポジションセンサにより検出されるクランク位置に基づいて演算されたものをエンジンＥＣＵ２４から通信により入力するものとした。また、モータＭＧ１，ＭＧ２の回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２は、回転位置検出センサ４３，４４により検出されるモータＭＧ１，ＭＧ２の回転子の回転位置に基づいて演算されたものをモータＥＣＵ４０から通信により入力するものとした。バッテリ５０の残容量ＳＯＣと入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔは、バッテリＥＣＵ５２により演算されたものを通信により入力するものとした。
こうしてデータを入力すると、入力したアクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づいて駆動輪６３ａ，６３ｂに連結された駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに出力すべき要求トルクＴｒ＊とエンジン２２から出力すべき要求パワーＰｅ＊とを設定する（ステップＳ１１０）。ここで、要求トルクＴｒ＊は、実施例では、アクセル開度Ａｃｃと車速Ｖと要求トルクＴｒ＊との関係を予め定めて要求トルク設定用マップとしてＲＯＭ７４に記憶しておき、アクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとが与えられると記憶したマップから対応する要求トルクＴｒ＊を導出して設定するものとした。図５に要求トルク設定用のマップの一例を示す。また、要求パワーＰｅ＊は、要求トルクＴｒ＊にリングギヤ軸３２ａの回転数Ｎｒを乗じたものとバッテリ５０の充放電要求パワーＰｂ＊と損失Ｌｏｓｓとの和により求めることができる。なお、リングギヤ軸３２ａの回転数Ｎｒは、車速Ｖに換算係数ｋを乗じることにより求めたり、モータＭＧ２の回転数Ｎｍ２を減速ギヤ３５のギヤ比Ｇｒ（＝モータＭＧ２の回転数Ｎｍ２／リングギヤ軸３２ａの回転数Ｎｒ）で割ることにより求めたりすることができる。バッテリ５０の充放電要求パワーＰｂ＊は、残容量ＳＯＣに基づいて設定することができる。
要求パワーＰｅ＊を設定すると、設定した要求パワーＰｅ＊とエンジン２２を効率よく動作させる動作ラインとに基づいてエンジン２２が運転すべき運転ポイントの仮の値である仮目標回転数Ｎｅｔｍｐと仮目標トルクＴｅｔｍｐを設定する（ステップＳ１２０）。エンジン２２の動作ラインの一例および仮目標回転数Ｎｅｔｍｐと仮目標トルクＴｅｔｍｐとを設定する様子を図６に示す。図示するように、仮目標回転数Ｎｅｔｍｐと仮目標トルクＴｅｔｍｐは、動作ラインと要求パワーＰｅ＊（Ｎｅｔｍｐ×Ｔｅｔｍｐ）が一定の曲線との交点により求めることができる。
こうして仮目標回転数Ｎｅｔｍｐと仮目標トルクＴｅｔｍｐとを設定すると、エンジン２２の仮目標回転数ＮｅｔｍｐとモータＭＧ２の回転数Ｎｍ２と動力分配統合機構３０のギヤ比ρとを用いて次式（１）によりモータＭＧ１の目標回転数の仮の値である仮目標回転数Ｎｍ１ｔｍｐを計算すると共に計算した仮目標回転数Ｎｍ１ｔｍｐと入力したモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１と設定したエンジン２２の仮目標トルクＴｅｔｍｐとに基づいて次式（２）によりモータＭＧ１から出力すべきトルクの仮の値である仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐを計算する（ステップＳ１３０）。ここで、式（１）は、動力分配統合機構３０の回転要素に対する力学的な関係式である。エンジン２２からパワーを出力している状態で走行しているときの動力分配統合機構３０の回転要素における回転数とトルクとの力学的な関係を示す共線図を図７に示す。図中、左のＳ軸はモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１であるサンギヤ３１の回転数を示し、Ｃ軸はエンジン２２の回転数Ｎｅであるキャリア３４の回転数を示し、Ｒ軸はモータＭＧ２の回転数Ｎｍ２を減速ギヤ３５のギヤ比Ｇｒで除したリングギヤ３２の回転数Ｎｒを示す。式（１）は、この共線図を用いれば容易に導くことができる。なお、Ｒ軸上の２つの太線矢印は、モータＭＧ１から出力されたトルクＴｍ１がリングギヤ軸３２ａに作用するトルクと、モータＭＧ２から出力されるトルクＴｍ２が減速ギヤ３５を介してリングギヤ軸３２ａに作用するトルクとを示す。また、式（２）は、モータＭＧ１を仮目標回転数Ｎｍ１ｔｍｐで回転させるためのフィードバック制御における関係式であり、式（２）中、右辺第３項の「ｋ１」は比例項のゲインであり、右辺第４項の「ｋ２」は積分項のゲインである。また、式（２）中、右辺第１項はサンギヤ３１に接続されたモータＭＧ１の回転子の回転運動（加速）によって生じる慣性抵抗に関する慣性項であり、「Ｉｍ」は慣性モーメントであり、「ΔＮｍ１」は本ルーチンの実行時間間隔におけるモータＭＧ１の今回入力した回転数Ｎｍ１と前回入力した回転数（前回Ｎｍ１）との偏差である。
Nm1tmp=Netmp・(1+ρ)/ρ-(Nm2/Gr)/ρ （１）
Tm1tmp=Im・ΔＮｍ１
-ρ・Tetmp/(1+ρ)+k1(Nm1tmp-Nm1)+k2∫(Nm1tmp-Nm1)dt （２）
続いて、次式（３）および次式（４）を共に満たすモータＭＧ１から出力してもよいトルクの上下限としてのトルク制限Ｔｍ１ｍｉｎ，Ｔｍ１ｍａｘを設定する（ステップＳ１４０）。ここで、式（３）はモータＭＧ１やモータＭＧ２によりリングギヤ軸３２ａに出力されるトルクの総和が値０から要求トルクＴｒ＊までの範囲内となる関係であり、式（４）はモータＭＧ１とモータＭＧ２とにより入出力される電力の総和が入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔの範囲内となる関係である。トルク制限Ｔｍ１ｍｉｎ，Ｔｍ１ｍａｘの一例を図８に示す。トルク制限Ｔｍ１ｍｉｎ，Ｔｍ１ｍａｘは、図中斜線で示した領域内のトルク指令Ｔｍ１＊の最大値と最小値として求めることができる。即ち、トルク制限Ｔｍ１ｍｉｎは、モータＭＧ１やモータＭＧ２によりリングギヤ軸３２ａに出力されるトルクの総和が要求トルクＴｒ＊となる関係と、モータＭＧ１とモータＭＧ２とにより入出力される電力の総和が入力制限Ｗｉｎとなる関係とを共に満たすときのモータＭＧ１のトルクとなり、トルク制限Ｔｍ１ｍａｘは、モータＭＧ１やモータＭＧ２によりリングギヤ軸３２ａに出力されるトルクの総和が値０となる関係と、モータＭＧ１とモータＭＧ２とにより入出力される電力の総和が出力制限Ｗｏｕｔとなる関係とを共に満たすときのモータＭＧ１のトルクとなる。
0≦−Tm1/ρ＋Tm2・Gr≦Tr* （３）
Win≦Tm1・Nm1＋Tm2・Nm2≦Wout （４）
そして、仮目標回転数Ｎｍ１ｔｍｐが設定されたときにモータＭＧ１を仮目標回転数Ｎｍ１ｔｍｐと入力した回転数Ｎｍ１との偏差に基づいて仮目標回転数Ｎｍ１ｔｍｐで回転させるためのフィードバック制御におけるモータＭＧ１から出力すべきトルクの仮の値である仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐを求める上述の式（２）に示す関係式に対して、「仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐ」に代えて「トルク制限Ｔｍ１ｍｉｎ」を用いた次式（５）により逆算することによりバッテリ５０に入力制限Ｗｉｎを超える電力が入力されないようにするために許容されるモータＭＧ１の回転数の変化量である許容回転変化量ΔＮｍ１ｌｉｍを設定する（ステップＳ１５０）。
ΔＮｍ１ｌｉｍ
=[Tm1min+ρ・Te*/(1+ρ)-k1(Nm1tmp-Nm1)-k2∫(Nm1tmp-Nm1)dt]/Im（５）
許容回転変化量ΔＮｍ１ｌｉｍを設定すると、前回このルーチンで入力したモータＭＧ１の回転数（前回Ｎｍ１）に、設定した許容回転変化量ΔＮｍ１ｌｉｍを加算したものをモータＭＧ１の上限回転数Ｎｍ１ｍａｘに設定し（ステップＳ１６０）、設定したモータＭＧ１の上限回転数Ｎｍ１ｍａｘを上限回転数Ｎｍ１ｍａｘとモータＭＧ２の回転数Ｎｍ２とに基づいて次式（６）によりエンジン２２の上限回転数Ｎｅｍａｘに換算し（ステップＳ１７０）、この上限回転数ＮｅｍａｘとステップＳ１３０で設定したエンジン２２の仮目標回転数Ｎｅｔｍｐとのうち小さい方をエンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊に設定する（ステップＳ１８０）。これにより、駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに要求される要求トルクＴｒ＊とバッテリ５０の入力制限Ｗｉｎとを両立させるエンジン２２の回転数の上限として上限回転数Ｎｅｍａｘを設定することができる。
Nemax=(ρ・Nm1max+(Nm2/Gr))/(1+ρ) （６）
エンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊を設定すると、エンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊とモータＭＧ２の回転数Ｎｍ２と動力分配統合機構３０のギヤ比ρとを用いて次式（７）によりモータＭＧ１の目標回転数Ｎｍ１＊を計算すると共に計算した目標回転数Ｎｍ１＊と入力したモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１とに基づいて次式（８）によりエンジン２２を目標回転数Ｎｅ＊で運転させるためにモータＭＧ１から出力すべきトルクの第２の仮の値である第２仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐ２を計算する（ステップＳ１９０）。ここで、式（７）は、式（１）の「仮目標回転数Ｎｅｔｍｐ」を「目標回転数Ｎｅ＊」に置き換えたものであり、式（８）は、式（２）の「仮モータトルクＮｍ１ｔｍｐ」を「トルク指令Ｎｍ１＊」に置き換えたものである。
Nm1*=Ne*・(1+ρ)/ρ-(Nm2/Gr)/ρ （７）
Tm1tmp2=Im・ΔNm1
-ρ・Tetmp/(1+ρ)+k1(Nm1*-Nm1)+k2∫(Nm1*-Nm1)dt （８）
そして、モータＭＧ１の回転数Ｎｍ１に基づいてトルク制限Ｔｍ１ｌｉｍを設定し（ステップＳ２００）、第２仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐ２とモータトルク制限Ｔｍ１ｌｉｍとのうち大きい方をモータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊に設定する（ステップＳ２１０）。ここで、トルク制限Ｔｍ１ｌｉｍは、モータＭＧ１の発電側の定格値やこの定格値より若干大きいトルク（絶対値としては小さいトルク）であり、実施例では、モータＭＧ１の回転数Ｎｍ１と対応するトルク制限Ｔｍ１ｌｉｍとの関係を予め定めてトルク制限設定用マップとしてＲＯＭ７４に記憶しておき、モータＭＧ１の回転数Ｎｍ１が与えられるとマップから対応するトルク制限Ｔｍ１ｌｉｍを導出することにより設定するものとした。トルク制限設定用マップの一例を図９に示す。
モータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊を設定すると、設定したトルク指令Ｔｍ１＊とエンジン２２から要求パワーＰｅ＊を効率良く出力（エンジン２２を仮目標回転数Ｎｅｔｍｐで運転）するためにモータＭＧ１から出力すべきトルクである前述した仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐとを比較し（ステップＳ２２０）、トルク指令Ｔｍ１＊が仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐよりも大きい（絶対値としてはトルク指令Ｔｍ１＊が仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐよりも小さい）ときには、トルク指令Ｔｍ１＊と仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐとに基づいて次式（９）によりエンジン２２のパワー制限量ΔＰｅを設定し（ステップＳ２３０）、ステップＳ１１０で設定したエンジン２２の要求パワーＰｅ＊から設定したパワー制限量ΔＰｅを減じたものを要求パワーＰｅ＊に再設定すると共に再設定した要求パワーＰｅ＊をステップＳ１８０で設定した目標回転数Ｎｅ＊で除してエンジン２２の目標トルクＴｅ＊を計算する（ステップＳ２４０）。こうした処理は、エンジン２２を効率の良い運転ポイント（仮目標回転数Ｎｅｔｍｐ，仮目標トルクＴｅｔｍｐ）で運転するためにモータＭＧ１から出力すべき仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐが要求トルクＴｒ＊とバッテリ５０の入力制限Ｗｉｎとに基づくモータ上限回転数Ｎｍ１ｍａｘによるトルク制限やモータＭＧ１の定格値に基づくトルク制限（トルク制限Ｔｍ１ｌｉｍ）を受けると、モータＭＧ１のトルクが不足してエンジン２２の回転が吹き上がり、モータＭＧ１が過回転するおそれがあるため、これを回避するためのものである。ここで、式（９）は、仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐに対して不足するモータＭＧ１のトルクの分だけエンジン２２の出力を低下させるためのフィードバックの関係式であり、「ｋ３」は、比例項におけるゲインを示す。なお、トルク指令Ｔｍ１＊が仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐ以下のとき（トルク指令Ｔｍ１＊と仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐとが一致するとき）には、モータＭＧ１が過回転するおそれはないと判断し、要求パワーＰｅ＊を再設定することなく、次の処理に進む。
ΔPe=k3・(Tm1tmp-Tm1*) （９）
そして、要求トルクＴｒ＊とトルク指令Ｔｍ１＊と動力分配統合機構３０のギヤ比ρと減速ギヤ３５のギヤ比Ｇｒとに基づいて要求トルクＴｒ＊をリングギヤ軸３２ａに作用させるためにモータＭＧ２から出力すべきトルクとしての仮モータトルクＴｍ２ｔｍｐを図７の共線図のトルクの釣り合いから定まる次式（１０）により計算すると共に（ステップＳ２５０）、バッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，ＷｏｕｔとモータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊と現在のモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１とモータＭＧ２の回転数Ｎｍ２とに基づいて次式（１１）および次式（１２）によりモータＭＧ２から出力してもよいトルクの下限，上限としてのトルク制限Ｔｍ２ｍｉｎ，Ｔｍ２ｍａｘを計算し（ステップＳ２６０）、計算した仮モータトルクＴｍ２ｔｍｐと計算したトルク制限Ｔｍ２ｍａｘとのうち小さい方と計算したトルク制限Ｔｍ２ｍｉｎとを比較して両者のうち大きい方をモータＭＧ２のトルク指令Ｔｍ２＊に設定する（ステップＳ２７０）。これにより、モータＭＧ２のトルク指令Ｔｍ２＊を、バッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔの範囲内で制限したトルクとして設定することができる。
Tm2tmp=(Tr*+Tm1*/ρ)/Gr （１０）
Tm2min=(Win-Tm1*・Nm1)/Nm2 （１１）
Tm2max=(Wout-Tm1*・Nm1)/Nm2 （１２）
こうしてエンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊や目標トルクＴｅ＊，モータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊を設定すると、エンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊についてはエンジンＥＣＵ２４に、モータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊についてはモータＥＣＵ４０にそれぞれ送信して（ステップＳ２８０）、駆動制御ルーチンを終了する。目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊とを受信したエンジンＥＣＵ２４は、エンジン２２が目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊とによって示される運転ポイントで運転されるようにエンジン２２における燃料噴射制御や点火制御などの制御を行なう。また、トルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊を受信したモータＥＣＵ４０は、トルク指令Ｔｍ１＊でモータＭＧ１が駆動されると共にトルク指令Ｔｍ２＊でモータＭＧ２が駆動されるようインバータ４１，４２のスイッチング素子のスイッチング制御を行なう。
以上説明した実施例のハイブリッド自動車２０によれば、要求パワーＰｅ＊を効率良くエンジン２２から出力する運転ポイント（仮目標回転数Ｎｅｔｍｐ，仮目標トルクＴｅｔｍｐ）でエンジン２２を運転させるためにモータＭＧ１から出力すべきトルク（仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐ）が、駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに出力すべき要求トルクＴｒ＊とバッテリ５０の入力制限Ｗｉｎとを両立させるモータＭＧ１の上限回転数Ｎｍ１ｍａｘ（エンジン２２の上限回転数Ｎｅｍａｘ）に基づくトルク制限やモータＭＧ１の定格値に基づくトルク制限（トルク制限Ｔｍ１ｌｉｍ）を受けたときに、仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐに対して不足するトルクに基づいてエンジン２２から出力すべき要求パワーＰｅ＊を制限するから、モータＭＧ１から出力するトルクが制限されるものとしても、モータＭＧ１の過回転をより確実に抑止することができる。
実施例のハイブリッド自動車２０では、エンジンパワー制限量ΔＰｅを、仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐとトルク指令Ｔｍ１＊との偏差（＝Ｔｍ１ｔｍｐ−Ｔｍ１＊）に比例ゲインｋ３を乗じたフィードバックの関係式を用いて設定するものとしたが、これに限られず、積分項のあるフィードバックの関係式を用いるものとしてもよいし、微分項のあるフィードバックの関係式を用いるものとしてもよい。
実施例のハイブリッド自動車２０では、エンジン上限回転数Ｎｅｍａｘを演算する過程で、ＰＩ制御によるフィードバック制御の関係式に仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐの下限値Ｔｍ１ｍｉｎを用いて逆算することによりモータＭＧ１の上限回転数Ｎｍ１ｍａｘを計算するものとしたが、フィードバック制御はＰＩ制御に限られず、例えば微分項のあるＰＩＤ制御によるフィードバック制御としてもよく、積分項のないＰ制御によるフィードバック制御としてもよい。
実施例のハイブリッド自動車２０では、モータＭＧ２の動力を減速ギヤ３５により変速してリングギヤ軸３２ａに出力するものとしたが、図１０の変形例のハイブリッド自動車１２０に例示するように、モータＭＧ２の動力をリングギヤ軸３２ａが接続された車軸（駆動輪６３ａ，６３ｂが接続された車軸）とは異なる車軸（図１０における車輪６４ａ，６４ｂに接続された車軸）に接続するものとしてもよい。
実施例のハイブリッド自動車２０では、エンジン２２の動力を動力分配統合機構３０を介して駆動輪６３ａ，６３ｂに接続された駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに出力するものとしたが、図１１の変形例のハイブリッド自動車２２０に例示するように、エンジン２２のクランクシャフト２６に接続されたインナーロータ２３２と駆動輪６３ａ，６３ｂに動力を出力する駆動軸に接続されたアウターロータ２３４とを有し、エンジン２２の動力の一部を駆動軸に伝達すると共に残余の動力を電力に変換する対ロータ電動機２３０を備えるものとしてもよい。
実施例では、ハイブリッド自動車２０として説明したが、こうしたハイブリッド自動車に適用するものに限定されるものではなく、ハイブリッド自動車の制御方法の形態としてもよい。
ここで、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２２が「内燃機関」に相当し、モータＭＧ１が「発電機」に相当し、動力分配統合機構３０が「遊星歯車機構」に相当し、モータＭＧ２が「電動機」に相当し、バッテリ５０が「蓄電手段」に相当し、図４の駆動制御ルーチンのステップＳ１００，Ｓ１１０の処理を実行するハイブリッド用電子制御ユニット７０が「要求トルク設定手段」に相当し、駆動制御ルーチンのステップＳ１２０〜Ｓ２７０の処理を実行するハイブリッド用電子制御ユニット７０が「制御手段」に相当する。
ここで、「内燃機関」としては、ガソリンまたは軽油などの炭化水素系の燃料により動力を出力する内燃機関に限定されるものではなく、水素エンジンなど如何なるタイプの内燃機関であっても構わない。「発電機」としては、同期発電電動機として構成されたモータＭＧ１に限定されるものではなく、誘導電動機など、動力を入出力可能なものであれば如何なるタイプの発電機としても構わない。「遊星歯車機構」としては、上述の動力分配統合機構３０に限定されるものではなく、ダブルピニオン式の遊星歯車機構を用いるものや複数の遊星歯車機構を組み合わせて４以上の軸に接続されるものなど、駆動軸と内燃機関の出力軸と発電機の回転軸との３軸に３つの回転要素が接続されたものであれば如何なるものとしても構わない。「電動機」としては、同期発電電動機として構成されたモータＭＧ２に限定されるものではなく、誘導電動機など、駆動軸に動力を入出力可能なものであれば如何なるタイプの電動機であっても構わない。「蓄電手段」としては、二次電池としてのバッテリ５０に限定されるものではなく、キャパシタなど、発電機や電動機と電力のやりとりが可能であれば如何なるものとしても構わない。「要求トルク設定手段」としては、アクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づいて要求トルクＴｒ＊を設定するものに限定されるものではなく、アクセル開度Ａｃｃだけに基づいて要求トルクを設定するものや走行経路が予め設定されているものにあっては走行経路における走行位置に基づいて要求トルクを設定するものなど、駆動軸に要求される要求トルクを設定するものであれば如何なるものとしても構わない。「制御手段」としては、ハイブリッド用電子制御ユニット７０とエンジンＥＣＵ２４とモータＥＣＵ４０とからなる組み合わせに限定されるものではなく単一の電子制御ユニットにより構成されるなどとしてもよい。なお、実施例の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要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための最良の形態を具体的に説明するための一例であることから、実施例の要素をもって課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
以上、本発明の実施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、自動車産業に利用可能である。
２０，１２０，２２０ ハイブリッド自動車、２２ エンジン、２４ エンジン用電子制御ユニット（エンジンＥＣＵ）、２６ クランクシャフト、２８ ダンパ、３０ 動力分配統合機構、３１ サンギヤ、３２ リングギヤ、３２ａ リングギヤ軸、３３ ピニオンギヤ、３４ キャリア、３５ 減速ギヤ、４０ モータ用電子制御ユニット（モータＥＣＵ）、４１，４２ インバータ、４３，４４ 回転位置検出センサ、５０ バッテリ、５１ 温度センサ、５２ バッテリ用電子制御ユニット（バッテリＥＣＵ）、５４ 電力ライン、６０ ギヤ機構、６２ デファレンシャルギヤ、６３ａ，６３ｂ 駆動輪、６４ａ，６４ｂ 車輪、７０ ハイブリッド用電子制御ユニット、７２ ＣＰＵ、７４ ＲＯＭ、７６ ＲＡＭ、８０ イグニッションスイッチ、８１ シフトレバー、８２ シフトポジションセンサ、８３ アクセルペダル、８４ アクセルペダルポジションセンサ、８５ ブレーキペダル、８６ ブレーキペダルポジションセンサ、８８ 車速センサ、２３０ 対ロータ電動機、２３２ インナーロータ ２３４ アウターロータ、ＭＧ１，ＭＧ２ モータ。

Claims (7)

  1. 内燃機関と、
    動力の入出力が可能な発電機と、
    前記内燃機関の出力軸と前記発電機の回転軸と車軸に連結された駆動軸の３軸に３つの回転要素が接続された遊星歯車機構と、
    前記駆動軸に動力の入出力が可能な電動機と、
    前記発電機および前記電動機と電力のやり取りが可能な蓄電手段と、
    走行に要求される要求トルクを設定する要求トルク設定手段と、
    前記設定された要求トルクに基づいて前記内燃機関から出力すべき要求機関パワーを設定し、該設定した要求機関パワーに基づいて前記内燃機関が運転すべき目標回転数と目標トルクとからなる目標運転ポイントを設定し、該設定した目標回転数で前記内燃機関を運転させるための前記発電機の発電機トルクと前記発電機に課された発電機トルク制限との差分に基づいて前記要求機関パワーを制限した制限後機関パワーを設定し、該設定した制限後機関パワーが前記内燃機関から出力されると共に前記蓄電手段の入出力制限および前記発電機の発電機トルク制限の範囲内で前記設定された要求トルクにより走行するよう前記内燃機関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。
  2. 請求項１記載のハイブリッド自動車であって、
    前記制御手段は、前記発電機の発電機トルクと前記発電機トルク制限との差分が打ち消される方向に前記制限後機関パワーを設定する手段である
    ハイブリッド自動車。
  3. 請求項１または２記載のハイブリッド自動車であって、
    前記制御手段は、前記要求トルクと前記蓄電手段の入力制限とから求められる回転数制限により前記内燃機関の目標回転数を制限した制限後回転数を設定し、該設定した制限後回転数で前記内燃機関を運転するために前記発電機から出力すべきトルクを前記発電機トルク制限として用いて制御する手段である
    ハイブリッド自動車。
  4. 請求項３記載のハイブリッド自動車であって、
    前記制御手段は、前記発電機から出力されるトルクに基づいて前記駆動軸に出力される第１トルクと前記電動機から該駆動軸に出力される第２トルクとの和が前記要求トルクに応じたトルクとなる関係と、前記発電機により入出力される第１電力と前記電動機により入出力される第２電力との和が前記蓄電手段の入出力制限となる関係と、から求められる前記第１トルクに基づいて前記制限後回転数を設定する手段である
    ハイブリッド自動車。
  5. 請求項４記載のハイブリッド自動車であって、
    前記制御手段は、前記内燃機関の目標回転数が設定されたときに、前記発電機の回転変化量に比例する慣性抵抗に関する慣性項と前記発電機を該設定された目標回転数でフィードバック制御する際の該発電機から出力すべき目標トルクに関する項であるフィードバック項とを含む関係式に対して前記第１トルクを該目標トルクとして用いて逆算により得られる前記回転変化量を許容回転変化量として前記制限後回転数を設定する手段である
    ハイブリッド自動車。
  6. 請求項１ないし５いずれか１項に記載のハイブリッド自動車であって、
    前記制御手段は、前記発電機の定格値に基づいて前記発電機トルク制限を設定して制御する手段である
    ハイブリッド自動車。
  7. 内燃機関と、動力の入出力が可能な発電機と、前記内燃機関の出力軸と前記発電機の回転軸と車軸に連結された駆動軸の３軸に３つの回転要素が接続された遊星歯車機構と、前記駆動軸に動力の入出力が可能な電動機と、前記発電機および前記電動機と電力のやり取りが可能な蓄電手段と、を備えるハイブリッド自動車の制御方法であって、
    前記設定された要求トルクに基づいて前記内燃機関から出力すべき要求機関パワーを設定し、該設定した要求機関パワーに基づいて前記内燃機関が運転すべき目標回転数と目標トルクとからなる目標運転ポイントを設定し、該設定した目標回転数で前記内燃機関を運転させるための前記発電機の発電機トルクと前記発電機に課された発電機トルク制限との差分に基づいて前記要求機関パワーを制限した制限後機関パワーを設定し、該設定した制限後機関パワーが前記内燃機関から出力されると共に前記蓄電手段の入出力制限および前記発電機の発電機トルク制限の範囲内で前記設定された要求トルクにより走行するよう前記内燃機関と前記発電機と前記電動機とを制御する
    ことを特徴とするハイブリッド自動車の制御方法。
JP2010107253A 2010-05-07 2010-05-07 ハイブリッド自動車およびその制御方法 Pending JP2011235694A (ja)

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