JP2014227140A - ハイブリッド車両の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッド車両において、バッテリへの充電が制限されているとき、制動時の車両の運動エネルギを有効に利用する。【解決手段】動力装置１２の暖機が必要かを、冷却水温を検出する水温センサ６６および潤滑油温を検出する油温センサ６８の検出値に基づき判断する。また、バッテリ４６への充電が制限されているかを判断する。暖機が必要であり、かつ充電が制限されている場合、車両の慣性によって第２回転電機１８を駆動して発電を行い、発電された電力で第１回転電機１６を駆動して内燃機関１４のモータリングを行う。回転電機の銅損および鉄損、内燃機関の摩擦等により動力装置１２が暖機される。【選択図】図１

Description

本発明は、車両を駆動するための原動機として内燃機関と２機の電動機を備えたハイブリッド車両に関し、特に原動機の制御に関する。

内燃機関と回転電機を車両駆動用の原動機として備えたハイブリッド車両が知られている。ここでは、「回転電機」は、電気エネルギを回転の運動エネルギに変換する電動機、回転の運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機、および電動機と発電機どちらにも機能する電気機器の総称として用いる。回転電機を電動機として機能させて車両を駆動することができる。また、回転電機により発電された電力は、車両に搭載された蓄電装置、例えば二次電池であるバッテリに蓄えられ、後に回転電機の駆動に用いられる。

ハイブリッド車両においては、制動時に車両の慣性により回転電機を駆動して発電を行い、発電された電力をバッテリに蓄える。いわゆる回生制動である。しかし、すでにバッテリの蓄電量が所定値以上となっている場合には、バッテリ保護のために充電が制限される。これにより回生制動力が抑えられ、制動力の減少分は摩擦制動により補われる。摩擦制動では、車両の持っていた運動エネルギは熱エネルギとなって大気に拡散し、後に利用することはできない。

下記特許文献１には、バッテリ蓄電量が所定値以上の場合でも一方の回転電機により発電を行い、発電された電力を他の回転電機に供給し、この回転電機により内燃機関を駆動して回転速度を高くする技術が開示されている。発電された電力は、内燃機関において熱となって拡散し、後に利用することはできないが、発電を行っていることから、バッテリに充電する通常の回生制動時とのブレーキ操作感の差が少ない。

また、下記特許文献２には、制動時に車両の慣性によって内燃機関をモータリングし、内燃機関の暖機を行うことが記載されている。なお、モータリングとは、内燃機関の出力軸であるクランク軸を、外部から駆動して、クランク軸に結合されている部品、例えば連接棒、ピストンと共に運動させることをいう。

特開２００８−０４９８６８号公報 特開平１０−２９９５２７号公報

前述のように、ハイブリッド車両の制動時において、バッテリの蓄電量が多い場合には、回生制動が制限され、車両が持っているエネルギを有効に利用することができない。

本発明は、バッテリの蓄電量が多い場合においても、エネルギを有効に利用することを目的とする。

本発明に係るハイブリッド車両の制御装置に関する。このハイブリッド車両は原動機として内燃機関と２機の回転電機を備えた動力装置を有し、前記２機の回転電機との間で電力の授受を行うバッテリを有する。前記制御装置は、動力装置の暖機が必要であるかを判断する手段と、バッテリへの充電が制限されているかを判断する手段と、動力装置の暖機が必要かつバッテリへの充電が制限されている場合に、制動時において、一方の回転電機で発電された電力を他方の回転電機に供給し、この他方の回転電機により内燃機関をモータリングする制御を行う手段と、を有する。

バッテリへの充電が制限されている場合において、発電された電力を用いて動力装置の暖機を行うことができる。

ハイブリッド車両の要部構成を示す図である。 トランスアクスルの潤滑油の流れを示す図である。 ３機の原動機の回転速度の関係を示す共線図である。 減速時のエネルギの流れを説明するための図である。 減速時の制御を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、ハイブリッド車両１０の要部構成を示すブロック図である。ハイブリッド車両１０の動力装置１２は、１機の内燃機関１４と２機の回転電機１６，１８の３機の原動機を車両駆動用に備えている。２機の回転電機１６，１８は、電動機と発電機のいずれにも動作可能である。３機の原動機１４，１６，１８は、それぞれ動力分割装置２０に結合されている。動力分割装置２０は遊星歯車機構を有し、この遊星歯車機構の３要素（キャリア要素、サン要素、リング要素）に原動機１４，１６，１８がそれぞれ接続されている。この動力装置１２においては、サン要素であるサンギア２２に一方の回転電機１６が接続され、リング要素であるリングギア２４に他方の回転電機１８が接続されている。以降、サンギア２２に接続された回転電機を第１回転電機１６、リングギア２４に接続された回転電機を第２回転電機１８と記す。キャリア要素であるプラネタリキャリア２６は、サンギア２２およびリングギア２４に噛み合うプラネタリピニオン２８を回動可能に支持している。このプラネタリキャリア２６に内燃機関１４が接続されている。３機の原動機と、これらが接続される遊星歯車機構の３要素との対応は、上記以外の組み合わせとしてもよい。

３機の原動機１４，１６，１８の回転速度は、遊星歯車機構のギア比により定まる所定の関係を有し、２機の回転速度を決めると残りの１機の回転速度が決定する。したがって、第１および第２回転電機１６，１８の回転速度を制御することにより、内燃機関１４と駆動輪の回転速度の比を変更することができる。つまり、これらの２機の回転電機１６，１８と動力分割装置２０は、変速機として機能する。また、第２回転電機１８とリングギア２４は、減速機構を介して接続することもできる。減速機構は、例えば遊星歯車機構を用いて構成することができる。

リングギア２４の外周には出力ギア３０が設けられ、出力ギア３０は減速歯車列３２を介して終減速機３４に接続され、終減速機３４はドライブシャフト３６を介して駆動輪３８に接続されている。終減速機３４は、終減速歯車と差動装置を含む。差動装置によって、左右の駆動輪３８の回転速度の差が吸収される。

動力装置１２において、第１および第２回転電機１６，１８と、動力分割装置２０と、減速歯車列３２と、終減速機３４は、ケース４０に収容される。前述のように、第１および第２回転電機１６，１８と動力分割装置２０は変速機として機能するから、ケース４０に収容された各装置は、変速機と終減速機を一体とした、いわゆるトランスアクスル４２を構成する。よって、この実施形態の動力装置１２は、内燃機関１４と２機の回転電機１６，１８を内蔵したトランスアクスル４２を含む。

内燃機関１４は、オットー機関またはディーゼル機関とすることができる。また、他の熱サイクルを利用した機関であってもよい。２機の回転電機１６，１８には、電力変換装置４４を介して二次電池であるバッテリ４６から電力が供給される。２機の回転電機１６，１８は、３相交流同期電動機とすることができ、バッテリ４６からの直流電力が電力変換装置４４により３相交流電力に変換されてこれらの回転電機に供給される。また、回転電機１６，１８が発電機として機能するときには、発電された交流電力が直流電力に変換されてバッテリ４６に供給され、蓄えられる。一方の回転電機、例えば第１回転電機１６を発電機として機能させ、他方の第２回転電機１８に電力を供給することもできる。

典型的な制動装置として、摩擦を利用した機械式制動装置（以下、摩擦制動装置と記す。）が知られている。この摩擦制動装置は、操作子を運転者がの操作することにより、車輪と共に回転する回転体に接触片を接触させ、接触片と回転体の摩擦により車両の制動を行う。車両の有する運動エネルギが摩擦熱となって消費され車両が減速する。ハイブリッド車両１０の摩擦制動装置は、運転者が操作するブレーキペダル４８、ブレーキペダル４８の操作量に応じた油圧を発生する油圧制御装置５０、配管を通して伝達された油圧により動作するブレーキ機構５２を含む。ブレーキ機構５２は、例えば、車輪共に回転するブレーキディスクと、ブレーキディスクに対して進退するブレーキパッドを含む。ブレーキパッドは、油圧制御装置５０により発生された油圧により進退し、油圧に応じた摩擦力が発生する。

ハイブリッド車両１０は、搭載した回転電機を利用した電気式制動装置を備える。電機式制動装置は、車両の慣性により回転電機を駆動し、回転電機を発電機として動作させて車両の運動エネルギを電気エネルギに変換することにより、車両の制動を行う装置である。発電された電力をバッテリに蓄え再利用可能とする場合、回生制動と呼ばれる。ハイブリッド車両１０においては、機械式制動装置と電気式制動装置による制動力の和が、運転者のペダル操作に対応するように、二つの制動装置による制動力が制御される。したがって、油圧制御装置５０は、ブレーキペダル４８の操作量だけでなく、電気式制動装置の制動力も加味した油圧を発生させる。

ハイブリッド車両１０は、動力装置１２および機械式制動装置を制御する制御装置５４を更に有する。制御装置５４は、車両全体の制御を司るハイブリッド車両電子制御装置（以下、ＨＶ−ＥＣＵと記す。）５６を有する。ＨＶ−ＥＣＵ５６は、運転者のアクセルペダル、ブレーキペダル等の操作から加速・減速要求を取得し、更に車両速度、各原動機１４，１６，１８の運転状態、バッテリ４６の蓄電量等の車両の運行状態を把握して、適切な車両の運行状態を決定する。この運行状態の決定に基づき、各機器の電子制御装置（ＥＣＵ）が対応する各機器を制御する。内燃機関ＥＣＵ５８は、内燃機関のスロットル開度、燃料噴射量、バルブタイミング等を制御することにより内燃機関が目標の回転速度、出力となるように制御する。電動機ＥＣＵ６０は、電力変換装置４４を制御して、第１および第２回転電機１６，１８が目標の回転速度、出力となるように制御する。バッテリＥＣＵ６２は、バッテリ４６の蓄電量を監視し、また蓄電量の上限値、下限値の設定を行う。ブレーキＥＣＵ６４は、油圧制御装置５０を制御して、駆動輪３８および従動輪（不図示）のブレーキ機構５２に供給する油圧を制御する。

車両の制動時、ＨＶ−ＥＣＵ５６は、ブレーキペダル４８のストローク量を取得し、これに対応する制動量が得られるよう、油圧制御装置５０および第１，第２回転電機１６，１８の制御を行う。回生制動は、主に第２回転電機１８を発電機として機能させることにより行われる。

一般的にバッテリは、蓄電量が低い状態、および高い状態が続くと劣化が進む。この劣化を防止するために、上限値、下限値を設定して蓄電量がある幅に収まるように制御を行う。蓄電量が上限値に達している場合、または上限値に達していないが近い場合における制動では、発電しても発電された電力を十分に受け入れることができない。したがって、発電を行わないか、または発電量を制限する。このため回生制動による制動力が減少するが、その分は、摩擦制動装置による制動力で補う。制御装置５４は、バッテリ４６の蓄電量、ブレーキペダル４８の操作量を取得し、そのときの状況に応じて、第２回転電機１８および油圧制御装置５０を制御して、運転者の要求した制動力を発生させる。

内燃機関１４の温度を検出するためのセンサが設けられている。このセンサは、例えば、内燃機関１４の冷却水の温度を検出するための水温センサ６６とすることができる。検出された水温の情報は内燃機関ＥＣＵ５８に送られる。また、トランスアクスル４２の温度を検出するセンサも設けられている。このセンサは、例えばトランスアクスル４２内の潤滑油の温度を検出する油温センサ６８とすることができる。検出された潤滑油の温度の上方も内燃機関ＥＣＵ５８に送られる。

図２は、トランスアクスル４２内部の潤滑油の流れを示す図である。トランスアクスルのケース４０は、主ケース７０、オイルポンプカバー７２およびエンドカバー７４から構成される。主ケース７０は、主に、動力分割装置２０、減速歯車列３２および終減速機等の動力伝達に係る要素と、２機の回転電機１６，１８を収めている。オイルポンプカバ−７２には、オイルポンプ７６、リリーフ弁７８、および潤滑油の送られる流路が形成されている。油温センサ６８は、この流路の途中に設けられている。エンドカバー７４は、トランスアクスル４２の端面を覆う。主ケース７０内の各要素の配置は、模式的に示されており、実際の配置とは必ずしも一致しない。主ケース７０内には、ストレーナ８０が配置される。また、ハイブリッド車両１０は、潤滑油を冷却するためのオイルクーラ８２を有している。オイルクーラ８２は、トランスアクスル４２と別に設けられてもよく、一体に設けられてもよい。また、オイルクーラ８２は、液冷と空冷のいずれであってもよく、液冷の場合、冷却液は内燃機関１４の冷却液と共用することができる。オイルポンプ７６は、例えば内燃機関１４に駆動される。また、オイルポンプ７６を駆動する電動機を別途備えてもよい。

主ケース７０内の潤滑油は、ストレーナ８０を介してオイルポンプ７６に吸引される。オイルポンプ７６により送出された潤滑油は、第１および第２回転電機１６，１８と、動力分割装置２０に送られ、これらの潤滑、冷却を行う。また、潤滑油の一部は、オイルクーラ８２へ送られ、冷却後、第１および第２回転電機１６，１８に送られる。オイルクーラ８２を経由した潤滑油は、例えば第１および第２回転電機１６，１８の上方から供給され、回転電機に沿って流れ落ちる際に、これらを冷却するようにできる。また、潤滑油の一部は、リリーフ弁７８を介して主ケース７０内に戻すようにできる。さらに、潤滑油は、減速歯車列３２の歯車の回転により跳ね上げられて、各要素に供給される。減速歯車列３２は、駆動輪３８が回転しているとき、つまり車両が動いているときには回転しているので、内燃機関１４が停止してオイルポンプ７６が動作していないときでも、潤滑を行うことができる。

図３は、内燃機関１４と第１および第２回転電機１６，１８の回転速度の関係を示す共線図である。縦軸が、３機の原動機１４，１６，１８の回転速度を示す。３機の原動機の回転速度は、３本の縦軸とこれに交差する１本の直線の交点で表される。つまり、２機の原動機の回転速度が決定すると、残りの原動機の回転速度は、先の２機の原動機の回転速度を結んだ直線と、残りの原動機の縦軸との交点となる。図３の破線は、内燃機関１４が回転していないときの３機の原動機１４，１６，１８の回転速度の関係を示す。実線は、破線で示す状態から第２回転電機１８の回転速度を維持した状態で、第１回転電機１６を増速し、内燃機関１４を回転させている状態を示している。

図４は、ハイブリッド車両１０の減速時のエネルギの流れを説明する図である。車両の慣性は、駆動輪３８に作用し、駆動輪３８を介して動力装置１２に入力される。駆動輪３８の回転は、終減速機３４、減速歯車列３２を介して第２回転電機１８の出力軸を回転させる。このとき第２回転電機１８を発電機として機能させることにより、運動エネルギを電気エネルギに変換してこれをバッテリ４６に蓄えることができる。このとき、車両の持つ運動エネルギは、電気エネルギに変換されて減少し、車両が減速する（回生制動）。また、ハイブリッド車両１０は摩擦制動装置を備えており、ブレーキ機構５２により車両の運動エネルギが熱エネルギに変換されて車両が減速する（摩擦制動）。回生制動の割合が大きい方が、エネルギ効率は高くなるが、バッテリ４６の蓄電量が多い状態であると、発電された電力を受け入れることができない。また、バッテリ４６の温度が低い場合等においてもバッテリ４６への充電が制限される。摩擦制動のみで、または摩擦制動の割合を大きくすることで、車両の減速を行う場合には、車両の運動エネルギを後に利用することができず、エネルギの損失となる。このハイブリッド車両１０においては、バッテリ４６への充電が十分に行えないとき、動力装置１２の暖機を行うことで、エネルギの有効利用を図っている。

このハイブリッド車両１０においては、バッテリ４６への充電が制限されている場合であっても、動力装置１２の暖機が必要な場合は、第２回転電機１８により発電を行う。この発電された電力に基づき第１回転電機１６を駆動する。そして、第１回転電機１６によって内燃機関１４のモータリングを行う。この制御は、制御装置５４が行い、より具体的には、ＨＶ−ＥＣＵ５６が内燃機関ＥＣＵ５８および電動機ＥＣＵ６０を介して各原動機１４，１６，１８を適切に動作させて実行される。第１回転電機１６の銅損、鉄損が増加し、第１回転電機１６が発熱する。第２回転電機１８も発熱しており、２機の回転電機１６，１８の発熱でトランスアクスル４２を暖機することができる。また、トランスアクスル４２内の終減速機３４，減速歯車列３２および動力分割装置２０に属する歯車が回転して噛み合うことにより生じる発熱によっても、トランスアクスル４２が暖機される。発熱した要素を潤滑油が冷却し、温められた潤滑油が図２に示されるようにトランスアクスル４２内を巡って、トランスアクスル４２全体が温められる。内燃機関１４をモータリングすることによって、内燃機関１４内部の摩擦熱、例えばシリンダブロックとピストンの摩擦熱により暖機が行われる。

前述の図３において、破線が、内燃機関１４のモータリングを行わない時の状態を示している。第１回転電機１６を動作させることにより内燃機関１４をモータリングすると、３機の原動機の回転速度が高くなり、各部の歯車の回転速度も増加する。これにより、歯車による損失も増加し、暖機が促進される。

図５は、制動時の制御フローを示す図である。運転者がブレーキペダル４８を操作したとき、回生制動を行うかが判断される（Ｓ１００）。基本的には、回生制動が実行されるが、車両の速度が所定値以下の場合、路面が滑りやすい場合などは、回生制動は行われない。回生制動の要求がある場合、内燃機関１４の冷却水温が低いかが判断される（Ｓ１０２）。この判断は、内燃機関１４の暖機が終了していないと判断できる冷却水温をあらかじめ設定しておき、この設定した水温と水温センサ６６で検出された水温との比較に基づき行われる。冷却水温が高かった場合には、次に潤滑油温が低いかが判断される（Ｓ１０４）。この判断は、トランスアクスル４２の暖機が終了していないと判断できる潤滑油温をあらかじめ設定しておき、この設定した油温と油温センサ６８により検出された油温との比較に基づき行われる。ステップＳ１０２とＳ１０４の順序は逆にすることもできる。

冷却水温と潤滑油温の少なくとも一方の温度が低いと判断された場合、動力装置１２が暖機を終えていないと判断できる。動力装置１２の暖機が終了していない場合、バッテリ４６への充電が制限されていないかが判断される（Ｓ１０６）。充電が制限されるのは、例えばバッテリ４６の蓄電量が、その上限値に達しているか、または近づいているときである。バッテリ４６は、蓄電量が多い状態で使用されると寿命が短くなり、これを回避するために、上限値は蓄電容量より十分小さい値、例えば７０％とされる。また、バッテリ４６の温度が低い場合も充電が制限される場合がある。充電が制限されている場合、摩擦制動により車両の運動エネルギを消費するだけではなく、動力装置１２を暖機運転することによっても運動エネルギを減少させ、車両１０を減速させる（Ｓ１０８）。暖機運転は、第２回転電機１８により発電を行い、発電された電力によって第１回転電機１６を駆動する。図３に示されるように、第１回転電機１６の回転速度を高めることにより、内燃機関１４の回転速度が上昇する。これにより、内燃機関１４がモータリングされて暖機が行われる。また、２機の回転電機１６，１８が動作すること、および歯車が回転することでトランスアクスル４２も暖機される。ステップＳ１００，Ｓ１０２，Ｓ１０４，Ｓ１０６で否定の判断がされた場合は、車両の運動エネルギを利用した暖機運転は行わない。

動力装置１２の暖機運転が必要であるかは、冷却水温と潤滑油温の一方のみに基づき判断するようにもできる。

上述の実施形態においては、３機の原動機１４，１６，１８が遊星歯車機構の３要素に各々接続された動力装置１２を示したが、他の構成を有する動力装置にも本発明を適用することができる。例えば、第２回転電機を上述の実施形態の減速歯車列３２の軸に直接接続するように設けることもできる。さらに、トランスアクスルに代えて、変速機と終減速機を別に構成し、この間を推進軸で接続した構成を採ることもできる。さらにまた、第１回転電機のみ内燃機関に結合し、第２回転電機は、内燃機関および第１回転電機と機械的には結合せず、電力の授受によりこれらの間のエネルギ伝達を行う構成の動力装置とすることができる。

１０ ハイブリッド車両、１２ 動力装置、１４ 内燃機関、１６ 第１回転電機、１８ 第２回転電機、２０ 動力分割装置、３２ 減速歯車列、３４ 終減速機、３８ 駆動輪、４２ トランスアクスル、４６ バッテリ、５４ 制御装置、６６ 水温センサ、６８ 油温センサ。

Claims (1)

1. 原動機として内燃機関と２機の回転電機を備えた動力装置と、前記２機の回転電機との間で電力の授受を行うバッテリとを有するハイブリッド車両の制御装置であって、
   動力装置の暖機が必要であるかを判断する手段と、
   バッテリへの充電が制限されているかを判断する手段と、
   動力装置の暖機が必要かつバッテリへの充電が制限されている場合に、制動時において、一方の回転電機で発電された電力を他方の回転電機に供給し、この他方の回転電機により内燃機関をモータリングする制御を行う手段と、
   を有する、ハイブリッド車両の制御装置。

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