JP2013119383A - ハイブリッド自動車のトルク制御方法及びそのシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】 ハイブリッド自動車のトルク制御方法及びそのシステムを提供する。
【解決手段】 エンジン、少なくとも二つのモータ/ゼネレータが動力源として備えられ、前記モータ/ゼネレータに電力を供給するバッテリーを備えるハイブリッド自動車において、前記エンジンの運転点の最適トルク及び定常状態の最大トルク、前記モータ/ゼネレータの運転点の最適トルク及び定常状態の最大トルクを入力するステップと、前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの低減トルク比率をそれぞれ計算するステップと、前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの低減トルク比率を用いて、低減ファクターを設定するステップと、前記低減ファクターと、前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの最適トルクを用いてそれぞれの目標トルクを計算するステップと、前記それぞれの目標トルクに応じて前記エンジン及びモータ/ゼネレータのトルクを制御するステップと、を含むことを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明はハイブリッド自動車のトルク制御方法及びそのシステムに係り、より詳しくは、モータ/ゼネレータ及びエンジンのトルク制御を単純化することのできるハイブリッド自動車のトルク制御方法及びそのシステムに関する。
一般に、環境にやさしい自動車とは、既存の内燃機関に比べて相対的に効率が高く、しかも、排ガスが少ない新技術自動車のことをいう。この種の環境にやさしい自動車には、ハイブリッド自動車をはじめとして、プラグインハイブリッド自動車、クリーンディーゼル自動車、燃料電池自動車及び電気自動車などが含まれる。
ここで、ハイブリッド自動車(Hybrid Electric Vehicle)は、内燃機関自動車及び電気自動車(Electric Vehicle)の短所を補完するために、内燃機関自動車及び電気自動車の機能を併せ持つ車両である。このため、ハイブリッド自動車の運転者は、必要に応じて、内燃機関駆動モードと電気モーター/ゼネレータ駆動モードまたはこれらの複合モードを選択することができる。
また、ハイブリッド自動車は、車両の走行状況に対応してエンジン及びモータ/ゼネレータが最大の効率を発揮するように制御され、制動時及び減速時に運動エネルギーを電気エネルギーとして回収することにより、既存の内燃機関車両に比べて燃費向上を図ることができる。さらに、市内区間でエンジン始動をオフにした状態で走行することができて、無公害車両として使用できる。
かようなハイブリッド自動車は、バッテリーの管理と充電状態の予測、電流電圧の監視などを行ってバッテリーを最適な条件に維持するBMS(Battery Management System)と、エンジンを作動させ、ETC(electric throttle controller)を用いて空気吸入量を調節してエンジン出力を制御するECU(engine control unit)と、モータ/ゼネレータのトルク命令の出力、発電及びバッテリーが最適な充電状態を維持するように制御するMCU(Motor Control Unit)と、動力源のトルクに関する出力情報を伝達して変速比を制御し、回生制動量を決定するTCU(Torque Control Unit)及び上記の各制御ユニットと相互有機的に通信を行うことにより全般的な動作を総括的に制御するHCU(Hybrid Control Unit)を備える。
一方、ハイブリッド自動車のトルク制御において、最適な運転点における作動のためのエンジン及びモータ/ゼネレータの制限は変化することがある。(例えば特許文献1参照。)
例えば、バッテリーのパワー制限(constraint)は、SOC(state of charge)、バッテリー温度、バッテリーの電圧変化によって変化する。
エンジンのトルク制限は、大気温、大気圧、エンジン故障状況などに応じて変化する。
モータ/ゼネレータトルク制限は、モータ/ゼネレータ温度、インバータ入力部電圧、モータ/ゼネレータ故障状況などに応じて変化する。
エンジンとモータ/ゼネレータの速度制限は、エンジン、モータ/ゼネレータの故障状況などに応じて変化する。
従来のハイブリッド車両のトルク制御方法においては、エンジン及びモータ/ゼネレータの制限が変化する条件に応じて最適化の補正が個別的に行われるため、制御方法が複雑になる虞がある。
また、最適化マップをそれぞれの状況に応じて入力して、制御器のメモリが過剰に使用されるため、前記制限の変化による適切な最適化補正が行われない懸念もある。
ひいては、バッテリーの管理が別々に行われる場合に、バッテリーの管理性能が弱化することも懸念される。
特開2006−256607号公報
本発明は前記のような点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、モータ/ゼネレータ及びエンジンのトルク制御を単純化することのできるハイブリッド自動車のトルク制御方法及びそのシステムを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、モータ/ゼネレータ及びエンジンのトルクを制御することにより、バッテリーの制御が同時に行われるハイブリッド自動車のトルク制御方法及びそのシステムを提供することにある。
上記の目的を達成するための本発明の実施形態によるハイブリッド自動車のトルク制御方法は、エンジン、少なくとも二つのモータ/ゼネレータが動力源として備えられ、前記モータ/ゼネレータに電力を供給するバッテリーを備えるハイブリッド自動車において、前記エンジンの運転点の最適トルク及び定常状態の最大トルク、並びに、前記モータ/ゼネレータの運転点の最適トルク及び定常状態の最大トルクを入力するステップと、前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの低減トルク比率をそれぞれ計算するステップと、前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの低減トルク比率を用いて、低減ファクターを設定するステップと、前記低減ファクターと、前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの最適トルクを用いてそれぞれの目標トルクを計算するステップと、前記それぞれの目標トルクに応じて前記エンジン及びモータ/ゼネレータのトルクを制御するステップと、を含むことを特徴とする。
前記低減ファクターは、前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの低減トルク比率のうち最小値として決定することを特徴とする。
前記バッテリーのパワーは、前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの低減トルク比率のうち最小値に基づいて設定することを特徴とする。
前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの目標トルクは、前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの運転点の最適トルクと前記低減ファクターとを乗算して決定することを特徴とする。
本発明の実施形態によるハイブリッド自動車のトルク制御システムは、ホイールを駆動する動力源として作動するエンジンと、前記エンジンに動力を伝達して前記エンジンを始動させ、あるいは、前記ホイールを駆動する動力源として作動する第1モータ/ゼネレータと、前記ホイールを駆動する動力源として作動する第2モータ/ゼネレータと、前記第1モータ/ゼネレータ及び前記第2モータ/ゼネレータに電力を供給するバッテリーと、前記エンジン、前記第1モータ/ゼネレータ及び前記第2モータ/ゼネレータのトルクを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記エンジンの運転点の最適トルク及び定常状態の最大トルク、並びに、前記第1及び第2モータ/ゼネレータの運転点の最適トルク及び定常状態の最大トルクからそれぞれの低減トルク比率を計算し、前記それぞれの低減トルク比率から低減ファクターを計算し、前記エンジンの最適トルク、前記第1及び第2モータ/ゼネレータの最適トルク及び前記低減ファクターからそれぞれの目標トルクを計算し、前記それぞれの目標トルクに応じて前記エンジンと、前記第1及び第2モータ/ゼネレータを制御することを特徴とする。
前記低減ファクターは、前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの低減トルク比率のうち最小値として決定することを特徴とする。
前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの目標トルクは、前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの運転点の最適トルクに前記低減ファクターを乗算して決定することを特徴とする。
前記バッテリーのパワーは、前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの低減トルク比率のうち最小値に基づいて決定することを特徴とする。
本発明の実施形態によれば、一つのトルク低減比率により全ての動力源のトルクを低減することにより、モータ/ゼネレータ及びエンジンのトルク制御を単純化することができる。
また、前記トルク低減比率によってバッテリーのパワーを制御して安定した速度制御及びバッテリーの充放電制御が可能になる。
本発明の実施形態によるハイブリッド自動車のトルク制御方法が適用できるハイブリッドシステムの構成図。 本発明の実施形態によるハイブリッド自動車のトルク制御方法のフローチャート。
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態について詳述する。
図1は、本発明の実施形態によるハイブリッド自動車のトルク制御方法を適用するハイブリッドシステムの構成図である。
図1に示すように、本発明の実施形態によるハイブリッド自動車のトルク制御方法を適用するシステムは、動力伝達装置1と、制御部90と、を備える。
前記動力伝達装置1は、エンジン10と、第1モータ/ゼネレータ20と、第2モータ/ゼネレータ30と、遊星ギヤセット40及びバッテリー60を備える。前記動力伝達装置1のエンジン10と、第1モータ/ゼネレータ20及び第2モータ/ゼネレータ30は、それぞれ別々にまたは一緒に動力源として用いられる。
前記エンジン10の駆動軸は、遊星ギヤセット40のキャリア(Carrier)と連結される。
第1モータ/ゼネレータ20は、エンジン10に動力を伝達してエンジン10を始動する始動モータ/ゼネレータであってもよい。また、第1モータ/ゼネレータ20の駆動軸は、遊星ギヤセット40のサンギヤ(Sun gear)と連結する。
第2モータ/ゼネレータ30は、ホイール50を駆動する駆動モーター/ゼネレータであってもよい。また、第2モータ/ゼネレータ30とホイール50との間には減速ギヤ80を介装して第2モータ/ゼネレータ30の回転をホイール50に伝達してもよい。さらに、前記第2モータ/ゼネレータ30の駆動軸は、前記遊星ギヤセット40のリングギヤ(Ring gear)と連結する。
第2モータ/ゼネレータ30を停止して第1モータ/ゼネレータ20を駆動すると、遊星ギヤセット40の前記リングギヤが停止し、前記サンギヤが回転するに伴い、前記キャリアの回転力によってエンジン10が始動する。
エンジン10が始動した後、エンジン10の回転速度と第1モータ/ゼネレータ20の回転速度に応じて前記リングギヤの回転速度が決定され、前記リングギヤの回転は第2モータ/ゼネレータの駆動軸に伝達される。
上記3つの動力源10、20、30の回転によりホイール50に伝達される出力値が決定する動力伝達装置1の構成は、当該技術分野において通常の知識を有する者(以下、当業者)にとって自明であるため、それ以上の詳細な説明は省略する。
また、図1には一つの遊星ギヤセット40を示しているが、これに限定されるものではなく、動力伝達装置1には少なくとも1以上の遊星ギヤセットが適用可能である。
バッテリー60は、第1モータ/ゼネレータ20及び第2モータ/ゼネレータ30に電力を供給する。即ち、バッテリー60において発生した電力は、インバータ70を経て第1モータ/ゼネレータ20及び第2モータ/ゼネレータ30に供給される。
ここで、インバータ70は、直流電力を交流電力に変換する装置であり、ハイブリッド自動車の動力伝達装置1における機能は当業者にとって自明であるため、それ以上の説明は省略する。
制御部90は、エンジン10と、第1モータ/ゼネレータ20及び第2モータ/ゼネレータ30のトルクを制御し、バッテリー60のパワーを制御する。
また、前記制御部90は、エンジン10と、第1モータ/ゼネレータ20及び第2モータ/ゼネレータ30のトルクを制御するTCU(Torque Control Unit)であってもよい。
次の式は、本発明の実施形態による動力伝達装置1の定常状態における速度、トルク、パワーなどの関係を示す関係式である。ここで、システムの定常状態とは、様々な物理的な状態量が時間の経過にも変化しない状態をいい、時間に対する変化率が「0」であることを意味する。
Figure 2013119383
ここで、ωはエンジン10の角速度であり、ωm1は第1モータ/ジェネレータ20の角速度であり、ωm2は、第2モータ/ジェネレータ30の角速度または車両の速度である。
τはエンジン10のトルクであり、τm1は第1モータ/ジェネレータ20のトルクであり、τm2は第2モータ/ジェネレータ30のトルクであり、τdemは要求トルクである。
ηm1は 第1モータ/ジェネレータ20の効率であり、ηm2は第2モータ/ジェネレータ30の効率である。
Rは、サンギヤに対するリングギヤのギヤ比である。
batはバッテリー60のパワーである。
前記定常状態関係式は8個の変数のうち値が与えられる二つの変数から構成された4個の方程式である。このため、前記定常状態関係式は、2自由度(2 degree of freedom)を有する方程式である。ここで、自由度は、与えられた条件下で変化する変数をいう。また、前記値が与えられる二つの変数は、例えば、要求トルク(τdem)と車速(ωm2)であってもよい。
一方、前記値が与えられる二つの変数を除く6個の変数のうち2つの変数を設計変数として指定し、走行条件別に最適化過程を経てマップに貯蔵する。ここで、前記設計変数として指定される2つの変数は、例えば、エンジンの速度(ω)とバッテリーパワー(Pbat)あるいはエンジンの速度(ω)とエンジントルク(τ)などに設定可能である。
前記2自由度を活用すると、効率よい運転点を選択することができる。
ところが、前記8個の変数は動力伝達装置1の作動環境によって異なってくる。このため、前記マップはそれぞれの作動環境に合わせて作成されなければならない。
例えば、前記エンジン10が大気温の変化などによってエンジントルクが減少すると、適切な運転点の補正が必要である。しかしながら、例えば、第2モータ/ゼネレータ30のトルク補償がなければ、駆動力が不足したり、バッテリー60の過放電/過充電が発生したりする虞がある。なお、第2モータ/ゼネレータ30のトルク補償が適切ではなければ、バッテリー60の過放電が発生する虞がある。
さらに、例えば、第1モータ/ゼネレータ20のトルクが減少すると、エンジントルクに対する反力が形成できなくなって、エンジン速度が増加し過ぎる虞があり、エンジントルクが減少すると、バッテリー60の過充電/過放電が発生する虞がある。
例えば、第2モータ/ゼネレータ30のトルクが減少すると、PE(power electronics;電気系部品;バッテリー、インバータなど)のパワーの不釣り合いが発生してバッテリー60の過充電/過放電が発生する虞があり、第2モータ/ゼネレータ30の逆トルクが発生して駆動力が過多になる虞がある。
これらの駆動源のトルク制限に対応して、システムを安定的に制御できる目標トルクの補正が必要であり、特に、駆動力過多、エンジン速度の過度な増加、バッテリーの充電/放電傾向の逆転を回避する必要がある。
上述した運転点の最適化過程に適用されたそれぞれの変数は走行中に変化することがあるため、システムを安定的に制御できる各トルクの適切な補正が必要である。
一方、従来には、3つの動力源10、20、30に対する最適化をそれぞれ別々に行い、動力伝達装置1の作動環境に応じてそれぞれの動力源の最適化値をmapから得ることを余儀なくされていた。
各動力源の最適化過程においては、システム効率を最大化できる、または、燃料消耗率を最小化できる運転点を決定する。最適な運転点は、各動力源の最大/最小トルク、各動力源の最大/最小速度、バッテリーのパワー制限値内で最適な運転点を選定する。
しかしながら、最適化過程を車両制御器において行うことができず、各走行条件別に最適化値をマップの形で貯蔵して制御を行う。
しかるに、従来には、制御部のメモリが過多になり、mapの情報が不足する場合に、システムに過負荷が発生する懸念があった。
図2は、本発明の実施形態によるハイブリッド自動車のトルク制御方法のフローチャートである。
本発明の実施形態によるハイブリッド自動車のトルク制御方法は、図1のハイブリッドシステムを参照して説明するが、これに限定されるものではなく、異なる2以上の動力源を用いるハイブリッド車両のトルク制御に適用可能であるということはいうまでもない。
図2に示すように、前記動力源10、20、30のトルク制御が開始すると、前記エンジンの運転点における最適トルク(optimal torque)及び定常状態における最大トルク(Max.toque)、並びに、前記モータ/ゼネレータ20、30の運転点における最適トルク及び定常状態における最大トルクが前記制御部90に入力される(S110)。
次いで、前記制御部90は、入力された前記最適トルク及び前記最大トルクを用いて、各動力源10、20、30の低減トルク比率を計算し(S120)、前記低減トルク比率が最も小さな動力源の前記低減トルク比率を導き出す(S130)。
前記低減トルク比率は、運転点における最適トルク及び定常状態における最大トルクのうち小さな値を導き出して、これを運転点における最適トルクで除した値であってもよい。
前記低減トルク比率が最も小さな動力源は、トルクの低減量が最も大きな動力源となる。さらに、前記低減トルク比率が最も小さな動力源の前記低減トルク比率を低減ファクターとする。
一方、前記ステップS120及び前記ステップS130においては、前記最適トルクの絶対値に基づいて演算が行われてもよい。
前記ステップS120において、前記各動力源10、20、30の前記低減トルク比率を求める式は、次の通りである。
Figure 2013119383
また、前記ステップ130において、前記低減ファクターを求める式は、次の通りである。
Figure 2013119383
ここで、minは、( )内の値のうち小さな値を結果値として導き出す演算をいう。
次いで、前記制御部90は、前記低減トルク比率が最も小さな動力源の低減トルク比率(Rreduction)に前記全ての動力源10、20、30の前記最適トルクを掛けて目標トルク(target torque)を計算する(S140)。すなわち、それぞれの最適トルクにRreductionを適用して新たな前記目標トルクを求める。
前記ステップS140を式で表すと、次の通りである。
Figure 2013119383
次いで、制御部90は、エンジン10と、第1モータ/ゼネレータ20及び第2モータ/ゼネレータ30の前記目標トルクを応じて、前記エンジン10、第1モータ/ゼネレータ20及び第2モータ/ゼネレータ30のトルクを制御する(S150)。
前記制御部90は、入力された低減トルク比率(Rreduction)に関する情報を用いて、上記のようにバッテリー60を制御する。このようにバッテリー60のパワーを減少する過程を式で表すと、次の通りである。
Figure 2013119383
上述したように、本発明の実施形態によれば、一つの低減トルク比率により全ての動力源のトルクを低減させることにより、モータ/ゼネレータ及びエンジンのトルク制御を単純化することができる。このため、制御部に貯蔵するマップデータを低減することができて制御の遅延現象を防ぐことができ、過度なデータの利用による誤作動を防ぐことができる。
各動力源のトルクを定常状態の最大トルク以下に制御して各動力源の過負荷、または、バッテリーの過充電/過放電を防ぐことができる。
また、運転点の変化などによる駆動力の過度な増加を防ぐことができ、エンジン速度の過度な増加を防ぐことができる。
さらに、前記低減トルク比率によってバッテリーを制御することから、充/放電傾向が逆転する現象を防ぐことができる。
以上、本発明に関する好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の実施形態から当該発明が属する技術分野の当業者により技術的範囲内において容易に変更され得る。
本発明は、ハイブリッド自動車のモータ/ゼネレータ及びエンジンのトルク制御の分野に適用できる。
10:エンジン
20:第1モータ/ゼネレータ
30:第2モータ/ゼネレータ
40:遊星ギヤセット
50:ホイール
60:バッテリー
70:インバータ
80:減速ギヤ
90:制御部

Claims (8)

  1. エンジン、少なくとも二つのモータ/ゼネレータが動力源として備えられ、前記モータ/ゼネレータに電力を供給するバッテリーを備えるハイブリッド自動車において、
    前記エンジンの運転点の最適トルク及び定常状態の最大トルク、並びに、前記モータ/ゼネレータの運転点の最適トルク及び定常状態の最大トルクを入力するステップと、
    前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの低減トルク比率をそれぞれ計算するステップと、
    前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの低減トルク比率を用いて、低減ファクターを設定するステップと、
    前記低減ファクターと、前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの最適トルクを用いてそれぞれの目標トルクを計算するステップと、
    前記それぞれの目標トルクに応じて前記エンジン及びモータ/ゼネレータのトルクを制御するステップと、
    を含むことを特徴とするハイブリッド自動車のトルク制御方法。
  2. 前記低減ファクターは、前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの低減トルク比率のうち最小値として決定することを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド自動車のトルク制御方法。
  3. 前記バッテリーのパワーは、前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの低減トルク比率のうち最小値に基づいて設定することを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド自動車のトルク制御方法。
  4. 前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの目標トルクは、前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの運転点の最適トルクと前記低減ファクターとを乗算して決定することを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド自動車のトルク制御方法。
  5. ホイールを駆動する動力源として作動するエンジンと、
    前記エンジンに動力を伝達して前記エンジンを始動させるか、あるいは、前記ホイールを駆動する動力源として作動する第1モータ/ゼネレータと、
    前記ホイールを駆動する動力源として作動する第2モータ/ゼネレータと、
    前記第1モータ/ゼネレータ及び前記第2モータ/ゼネレータに電力を供給するバッテリーと、
    前記エンジン、前記第1モータ/ゼネレータ及び前記第2モータ/ゼネレータのトルクを制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記エンジンの運転点の最適トルク及び定常状態の最大トルク、並びに、前記第1及び第2モータ/ゼネレータの運転点の最適トルク及び定常状態の最大トルクからそれぞれの低減トルク比率を計算し、
    前記それぞれの低減トルク比率から低減ファクターを計算し、
    前記エンジンの最適トルク、前記第1及び第2モータ/ゼネレータの最適トルク及び前記低減ファクターからそれぞれの目標トルクを計算し、
    前記それぞれの目標トルクに応じて前記エンジンと、前記第1及び第2モータ/ゼネレータを制御することを特徴とするハイブリッド自動車のトルク制御システム。
  6. 前記低減ファクターは、前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの低減トルク比率のうち最小値として決定することを特徴とする請求項5に記載のハイブリッド自動車のトルク制御システム。
  7. 前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの目標トルクは、前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの運転点の最適トルクに前記低減ファクターを乗算して決定することを特徴とする請求項5に記載のハイブリッド自動車のトルク制御システム。
  8. 前記バッテリーのパワーは、前記エンジン及び前記モータ/ゼネレータの低減トルク比率のうち最小値に基づいて決定することを特徴とする請求項5に記載のハイブリッド自動車のトルク制御システム。
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