JP2015140035A - ハイブリッド車両の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過給応答遅れを原因とした駆動力の変動が大きくなることを抑制できるハイブリッド車両の制御装置を提供する。【解決手段】本発明の制御装置は、ターボチャージャ１５が設けられたエンジン３と、第１モータ・ジェネレータ４と、エンジン３及び第１モータ・ジェネレータ４が連結された動力分割機構６とを備えたハイブリッド車両１に適用され、エンジン回転数が目標回転数となるように第１モータ・ジェネレータ４をフィードバック制御する際に、タービン回転数が小さいほどフィードバックゲインが小さくなるように変更する。【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャが設けられたエンジンと、モータ・ジェネレータと、エンジン及びモータ・ジェネレータが連結された差動機構とを備えたハイブリッド車両に適用される制御装置に関する。

ハイブリッド車両の制御装置として、差動機構に連結されたモータ・ジェネレータを操作してエンジン回転数を目標回転数に制御する際に、フィードフォワード項に含まれるエンジントルクの推定値の計算に用いる無駄時間及び一次遅れの時定数をエンジンの過給応答遅れを見込んで設定することによって、制御精度の向上を図るものが知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２及び３が存在する。

特開２００９−１３７３５０号公報 特開２０００−２２０５０１号公報 特開２００７−２６３１２７号公報

エンジンの過給応答遅れが生じると、目標エンジントルクと実エンジントルクとの乖離が大きくなる。このような状況においてフィードバック制御を行う場合、フィードバック項が大きくなり駆動力の変動が大きくなるおそれがある。

そこで、本発明は、過給応答遅れを原因とした駆動力の変動が大きくなることを抑制できるハイブリッド車両の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の制御装置は、ターボチャージャが設けられたエンジンと、モータ・ジェネレータと、前記エンジン及び前記モータ・ジェネレータが連結された差動機構とを備えたハイブリッド車両に適用されるハイブリッド車両の制御装置において、エンジン回転数が目標回転数となるように前記モータ・ジェネレータをフィードバック制御するフィードバック制御手段と、前記ターボチャージャのタービン回転数又は前記エンジンの空燃比の少なくともいずれか一方に応じてフィードバックゲインを変更するゲイン変更手段と、を備え、前記ゲイン変更手段は、前記タービン回転数が小さいほど又は前記空燃比が大きいほど、前記フィードバックゲインが小さくなるように変更するものである（請求項１）。

この制御装置によれば、過給応答遅れが見込まれるタービン回転数が小さい時又は空燃比が大きい時にはフィードバックゲインが小さくなる。そのため、モータ・ジェネレータに与える制御量の変動が小さくなる結果、過給応答遅れを原因とした駆動力の変動が大きくなることを抑制できる。

本発明の一形態に係る制御装置が適用されたハイブリッド車両の全体構成を示した図。 本発明の一形態に係る制御ルーチンのメインルーチンの一例を示したフローチャート。 図２で定義されたフィードフォワード項を算出するためのサブルーチンの一例を示したフローチャート。 無駄時間及び時定数を算出するための算出マップの一例を示した図。 図２で定義されたフィードバック項を算出するためのサブルーチンの一例を示したフローチャート。 比例ゲインを算出するための算出マップの一例を示した図。 フィードバック項の時間的変化を比較例とともに示した図。 第２の形態に係るフィードフォワード項を算出するためのサブルーチンの一例を示したフローチャート。 無駄時間及び時定数を算出するための算出マップの一例を示した図。 第２の形態に係るフィードバック項を算出するためのサブルーチンの一例を示したフローチャート。 比例ゲインを算出するための算出マップの一例を示した図。

（第１の形態）
図１に示すように、車両１は複数の動力源を組み合わせたハイブリッド車両として構成されている。車両１は、エンジン３と、２つのモータ・ジェネレータ４、５とを走行用の動力源として備えている。エンジン３は４つの気筒１０を備えた直列４気筒型の内燃機関である。

エンジン３の各気筒１０には吸気通路１１と排気通路１２とがそれぞれ接続されている。吸気通路１１には各気筒１０に吸気を分配する吸気マニホールド１１ａが含まれ、排気通路１２には各気筒１０の排気を集合する排気マニホールド１２ａが含まれている。吸気通路１１には、空気濾過用のエアクリーナ１３、空気流量を調整可能なスロットルバルブ１４、ターボチャージャ１５のコンプレッサ１５ａ、及びインタークーラ１６がそれぞれ設けられている。排気通路１２には、ターボチャージャ１５のタービン１５ｂ、主に冷間時の排気浄化を行うスタート触媒１７、及び排気中の有害成分を浄化するＮＯｘ触媒１８がそれぞれ設けられている。ＮＯｘ触媒１８は周知の吸蔵還元型のＮＯｘ触媒である。

エンジン３には排気の一部を吸気系に還流するＥＧＲ装置２０が設けられている。ＥＧＲ装置２０は、排気通路１２と吸気通路１１とを結ぶＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１に導かれる排気を冷却するＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲバルブ２３とを備えている。ＥＧＲ通路２１は、その排気側の一端がスタート触媒１７とＮＯｘ触媒１８との間の排気通路１２に接続され、吸気側の一端がスロットルバルブ１４とターボチャージャ１５のコンプレッサ１５ａとの間の吸気通路１１に接続されている。

エンジン３と第１モータ・ジェネレータ４とは差動機構としての動力分割機構６に接続されている。動力分割機構６の出力は出力ギア３０に伝達される。出力ギア３０と第２モータ・ジェネレータ５とは互いに連結されていて一体回転する。出力ギア３０から出力した動力は減速装置３１及び差動装置３２を介して駆動輪３３に伝達される。第１モータ・ジェネレータ４はステータ４ａとロータ４ｂとを有する。第１モータ・ジェネレータ４は、動力分割機構６にて分割されたエンジン３の動力を受けて発電する発電機として機能するとともに、交流電力にて駆動される電動機としても機能する。同様に、第２モータ・ジェネレータ５はステータ５ａとロータ５ｂとを有し、電動機及び発電機としてそれぞれ機能する。各モータ・ジェネレータ４、５はモータ用制御装置３５を介してバッテリ３６に接続される。モータ用制御装置３５は各モータ・ジェネレータ４、５が発電した電力を直流変換してバッテリ３６に蓄電するとともにバッテリ３６の電力を交流変換して各モータ・ジェネレータ４、５に供給する。

動力分割機構６はシングルピニオン型の遊星歯車機構として構成されており、サンギアＳと、リングギアＲと、これらのギアＳ、Ｒに噛み合うピニオンＰを自転及び公転可能な状態で保持するプラネタリキャリアＣとを有している。サンギアＳは第１モータ・ジェネレータ４のロータ４ａに連結され、リングギアＲは出力ギア３０に連結され、プラネタリキャリアＣはエンジン３のクランク軸７に連結される。なお、クランク軸７とプラネタリキャリアＣとの間にはダンパ８が介在し、そのダンパ８はエンジン３のトルク変動を吸収する。

車両１の制御は電子制御装置（ＥＣＵ）４０にて制御される。ＥＣＵ４０はエンジン３及び各モータ・ジェネレータ４、５に対して各種の制御を行う。以下、本発明に関連してＥＣＵ４０が行う主要な制御について説明する。ＥＣＵ４０には、多数のセンサの信号が入力されるが、本発明に関連するものとしては、不図示のアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）に応じた信号を出力するアクセル開度センサ４１、車両１の速度（車速）に応じた信号を出力する車速センサ４２、バッテリ３６の蓄電率に応じた信号を出力するＳＯＣセンサ４３、第１モータ・ジェネレータ４のモータ回転数に応じた信号を出力する第１レゾルバ４４、第２モータ・ジェネレータ５のモータ回転数に応じた信号を出力する第２レゾルバ４５、エンジン３のエンジン回転数に応じた信号を出力するクランク角センサ４６、及びターボチャージャ１５のタービン回転数に応じた信号を出力するタービン回転数センサ４７の各信号がＥＣＵ４０に入力される。

ＥＣＵ４０は、アクセル開度センサ４１の出力信号と車速センサ４２の出力信号とを参照して運転者が要求する要求トルクを計算し、その要求トルクに対するシステム効率が最適となるように各種のモードを切り替えながら車両１を制御する。例えば、エンジン３の熱効率が低下する低負荷領域ではエンジン３の燃焼を停止して第２モータ・ジェネレータ５を駆動するＥＶモードが選択される。また、エンジン３だけではトルクが不足する場合は、エンジン３とともに第２モータ・ジェネレータ５を走行用駆動源とするハイブリッドモードが選択される。ハイブリッドモードが選択された場合、要求トルクはエンジン３のエンジントルクと、第２モータ・ジェネレータ５のモータトルクとの合算により出力される。すなわち、エンジントルクをＴｅ、モータトルクをＴｍとした場合、要求トルクＴｑは、Ｔｑ＝Ｔｅ×１／（１＋ρ）＋Ｔｍで定義される。なお、ρは動力分割機構６のプラネタリギア比である。要求トルクＴｑに対するエンジントルクＴｅとモータトルクＴｍとの配分は、エンジン回転数とエンジントルクとで定義されたエンジン３の動作点の変化とともに変化する。

本形態の制御は第１モータ・ジェネレータ４を操作してエンジン３のエンジン回転数を目標回転数に制御する際にエンジン３の過給応答遅れを考慮する点に特徴がある。以下、図２〜図７を参照しながら本形態に係る制御について説明する。

図２の制御ルーチンのプログラムは、ＥＣＵ４０に記憶されており適時に読み出されて所定間隔で繰り返し実行される。ステップＳ１において、ＥＣＵ４０はエンジン３からサンギアＳに伝達されるトルクを打ち消すためのフィードフォワード項Ｉｆｆを計算する。この処理の詳細を図３に示す。なお、第１モータ・ジェネレータ４に与える制御量はこのフィードフォワード項Ｉｆｆと後述のフィードバック項Ｉｆｂとを含む。つまり、本形態の制御ではフィードフォワード制御とフィードバック制御とが併用される。

図３に示すように、ステップＳ１１において、ＥＣＵ４０はターボチャージャ１５のタービン回転数Ｎｔｂをタービン回転数センサ４７の信号を参照することによって取得する。次に、ステップＳ１２において、ＥＣＵ４０はエンジン３の応答性を表すパラメータとして、エンジン３の無駄時間ｔｄ及び一次遅れの時定数ｔｃをステップＳ１１で取得したタービン回転数Ｎｔｂに基づいて算出する。ＥＣＵ４０は図４の算出マップＭ１に基づいて無駄時間ｔｄ及び時定数ｔｃをそれぞれ算出する。算出マップＭ１はタービン回転数Ｎｔｂを変数として無駄時間ｔｄ及び時定数ｔｃをそれぞれ与える。算出マップＭ１はタービン回転数Ｎｔｂが小さいほど無駄時間ｔｄ及び時定数ｔｃのそれぞれが大きくなるように設定されている。このことはタービン回転数Ｎｔｂが小さいほどエンジン３の応答性が低いことを意味する。

ステップＳ１３において、ＥＣＵ４０は予め設定された目標エンジントルクに無駄時間ｔｃ及び時定数ｔｃの一次遅れを加えることによって推定エンジントルクＴｅｓを算出する。次に、ステップＳ１４において、ＥＣＵ４０はフィードフォワード項Ｉｆｆを式１に基づいて算出し、図２のメインルーチンに戻る。

Ｉｆｆ＝−Ｔｅｓ×ρ／（１＋ρ） ………………１

図２のステップＳ２において、ＥＣＵ４０はエンジン３の現在のエンジン回転数と目標回転数との偏差を解消するためのフィードバック項Ｉｆｂを算出する。この処理の詳細を図５に示す。

図５に示すように、ステップＳ２１において、ＥＣＵ４０は、エンジン３の目標回転数Ｎｅｔから第１モータ・ジェネレータ４の目標回転数Ｎｍｔを式２に基づいて算出する。なお、式２において、Ｎｒは動力分割機構６のリングギアＲの回転数であり、第２レゾルバ４５の信号に基づいてＥＣＵ４０にて特定される。

Ｎｍｔ＝Ｎｅｔ×（１＋ρ）／ρ−Ｎｒ／ρ ………………２

ステップＳ２２において、ＥＣＵ４０は第１レゾルバ４４の信号に基づいて第１モータ・ジェネレータ４の実際のモータ回転数Ｎｍを取得し、そのモータ回転数ＮｍとステップＳ２１で算出した目標回転数Ｎｍｔとの偏差ΔＮｍｇを算出する。次に、ステップＳ２３において、ＥＣＵ４０はターボチャージャ１５のタービン回転数Ｎｔｂをタービン回転数センサ４７の信号を参照することによって取得する。

ステップＳ２４において、ＥＣＵ４０はフィードバック項Ｉｆｂに含まれる比例項の比例ゲインＫｐをステップＳ２３で取得したタービン回転数Ｎｔｂに基づいて算出する。ＥＣＵ４０は図６の算出マップＭ２に基づいてフィードバックゲインとしての比例ゲインＫｐを算出する。算出マップＭ２はタービン回転数Ｎｔｂを変数として比例ゲインＫｐを与え、タービン回転数Ｎｔｂが小さいほど比例ゲインＫｐが小さくなるように設定されている。

ステップＳ２５において、ＥＣＵ４０はフィードバック項Ｉｆｂを式３に基づいて算出して、図２のメインルーチンに戻る。式３において、ｆ（ΔＮｍｇ）は積分項である。すなわち、本形態ではフィードバック制御としてＰＩ制御が実施される。積分項に含まれる積分ゲインは所定の定数である。

Ｉｆｂ＝Ｋｐ×ΔＮｍｇ＋ｆ（ΔＮｍｇ） ………………３

図２のステップＳ３において、ＥＣＵ４０は第１モータ・ジェネレータ４に与える指令トルクＴｍｄを式４に基づいて算出する。

Ｔｍｄ＝Ｉｆｆ＋Ｉｆｂ ………………４

ステップＳ４において、ＥＣＵ４０はステップＳ３で算出した指令トルクＴｍｄで駆動するように、第１モータ・ジェネレータ４を制御する。これにより、エンジン３のエンジン回転数が目標回転数となるように制御される。そして、今回のルーチンを終了する。

以上の制御を実行することにより、エンジン３の過給応答遅れを原因とした駆動力の変動が大きくなることを抑制できる。図７に示したように、比例ゲインＫｐを一定値とした比較例と、本形態との間でフィードバック項Ｉｆｂの時間変化を比較すると、実線で示した本形態は破線で示した比較例よりもフィードバック項Ｉｆｂの変動が小さい。タービン回転数が小さい時、つまり過給応答遅れが大きい時には第１モータ・ジェネレータ４の実際の回転数と目標回転数との偏差が大きくなるが、本形態は比較例よりも小さな比例ゲインＫｐが設定されるため、比較例よりもフィードバック項Ｉｆｂの変動が小さくなる。これにより、過給応答遅れを原因とした駆動力の変動が大きくなることを抑制できる。

ＥＣＵ４０は、図２の制御ルーチンを実行することにより本発明に係るフィードバック制御手段及びフィードフォワード制御手段として機能し、図５のステップＳ２４を実行することにより本発明に係るゲイン変更手段として機能する。

（第２の形態）
次に、図８〜図１１を参照しながら本発明の第２の形態を説明する。第２の形態は基本的にはエンジン３の回転数の制御を除いて第１の形態と同一であり、車両の物理的構成については図１が参照される。但し、第２の形態の制御は、エンジン３の燃焼モードが理論空燃比又はその近辺の空燃比を目標とするストイキ燃焼モードと、ストイキ燃焼モードの空燃比の目標よりもリーン側に設定された空燃比を目標とするリーン燃焼モードとの間で切り替えられ、かつこれらの燃焼モードが切り替わる間に空燃比が過渡的に変化することを前提とする。リーン燃焼モードの場合はストイキ燃焼モードの場合に比べて排気エネルギーが小さくてタービン回転数が低下するため、エンジン３の過給の応答性が低下する。つまり、空燃比Ａ／Ｆが大きいほど過給応答遅れが大きくなる。本形態はこのようなエンジン３の過給応答特性を考慮した制御が実施される。

第２の形態の制御のメインルーチンは第１の形態の図２と共通するが、図２のステップＳ１及びステップＳ２のそれぞれのサブルーチンが第１の形態と異なる。図８の制御ルーチンは図２のステップＳ１のサブルーチンであり、図１０の制御ルーチンは図２のステップＳ２のサブルーチンである。

図８に示すように、ステップＳ２１１において、ＥＣＵ４０は、エンジン３の現在の燃焼モードがストイキ燃焼モードであるか、リーン燃焼モードであるかを特定する。ステップＳ２１２において、燃焼モードがリーン燃焼モードである場合はステップＳ２１３に進み、燃焼モードがストイキ燃焼モードである場合はステップＳ２１４に進む。

ステップＳ２１３において、ＥＣＵ４０はエンジン３の無駄時間ｔｄ及び一次遅れの時定数ｔｃをリーン燃焼モード用に設定する。すなわち、無駄時間ｔｄをリーン燃焼モード用の設定値ｔｄｌに、時定数ｔｃをリーン燃焼モード用の設定値ｔｃｌにそれぞれ設定する。一方、ステップＳ２１４において、ＥＣＵ４０はエンジン３の無駄時間ｔｄ及び一次遅れの時定数ｔｃをストイキ燃焼モード用に設定する。すなわち、無駄時間ｔｄをストイキ燃焼モード用の設定値ｔｄｓに、時定数ｔｃをストイキ燃焼モード用の設定値ｔｃｓにそれぞれ設定する。なお、これらの設定値には、ｔｄｌ＞ｔｄｓ、ｔｃｌ＞ｔｃｓの大小関係が成立している。

ステップＳ２１５及びステップＳ２１６の処理は、第１の形態の図３のステップＳ１３及びステップＳ１４の処理と同じである。すなわち、ステップＳ２１５において、ＥＣＵ４０は予め設定された目標エンジントルクにステップＳ２１３又はステップＳ２１４で設定した無駄時間ｔｄ及び時定数ｔｃの一次遅れを加えることによって推定エンジントルクＴｅｓを算出する。次に、ステップＳ２１６において、ＥＣＵ４０はフィードフォワード項Ｉｆｆを式１に基づいて算出し、図２のメインルーチンに戻る。

図８のルーチンでは、燃焼モードに応じて、無駄時間ｔｄ及び時定数ｔｃのそれぞれについて２つの設定値を切り替えているが、本形態の制御を、燃焼モードの切替え時の過渡的な空燃比の変化にも対応できるように、空燃比Ａ／Ｆを変数として無駄時間ｔｄ及び時定数ｔｃをそれぞれ与える図９の算出マップＭ３に基づいてこれらを設定するように変更することもできる。この算出マップＭ３は空燃比Ａ／Ｆが大きいほど無駄時間ｔｄ及び時定数ｔｃのそれぞれが大きくなるように設定されている。

図１０に示したように、ステップＳ２２１において、ＥＣＵ４０は、エンジン３の目標回転数Ｎｅｔから第１モータ・ジェネレータ４の目標回転数Ｎｍｔを式２に基づいて算出する。ステップＳ２２２において、ＥＣＵ４０は第１レゾルバ４４の信号に基づいて第１モータ・ジェネレータ４の実際のモータ回転数Ｎｍを取得し、そのモータ回転数ＮｍとステップＳ２１で算出した目標回転数Ｎｍｔとの偏差ΔＮｍｇを算出する。

次に、ステップＳ２２３において、ＥＣＵ４０はエンジン３の空燃比を不図示の空燃比センサの出力信号に基づいて取得する。ステップＳ２２４において、ＥＣＵ４０はフィードバック項Ｉｆｂに含まれる比例項の比例ゲインＫｐをステップＳ２２３で取得した空燃比Ａ／Ｆに基づいて算出する。ＥＣＵ４０は図１１の算出マップＭ４に基づいてフィードバックゲインとしての比例ゲインＫｐを算出する。算出マップＭ３はＡ／Ｆを変数として比例ゲインＫｐを与え、空燃比Ａ／Ｆが大きいほど比例ゲインＫｐが小さくなるように設定されている。

ステップＳ２２５において、ＥＣＵ４０はフィードバック項Ｉｆｂを式３に基づいて算出する。なお、第１の形態と同様に、積分項に含まれる積分ゲインは所定の定数である。その後、図２のメインルーチンに戻り、図２のステップＳ３及びステップＳ４をそれぞれ実行する。

以上の制御を実行することにより、第１の形態と同様に、エンジン３の過給応答遅れを原因とした駆動力の変動が大きくなることを抑制できる。空燃比Ａ／Ｆが大きい時（リーン燃焼モードの時）、つまり過給応答遅れが大きい時には第１モータ・ジェネレータ４の実際の回転数と目標回転数との偏差が大きくなるが、そのような時には空燃比Ａ／Ｆが小さい時（ストイキ燃焼モードの時）よりも小さな比例ゲインＫｐが設定される。このため、空燃比Ａ／Ｆが小さい時よりもフィードバック項Ｉｆｂの変動が小さくなる。これにより、過給応答遅れを原因とした駆動力の変動が大きくなることを抑制できる。

ＥＣＵ４０は、図２の制御ルーチンを実行することにより本発明に係るフィードバック制御手段及びフィードフォワード制御手段として機能し、図１０のステップＳ２２４を実行することにより本発明に係るゲイン変更手段として機能する。

ただし、本発明は上記各形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。上記各形態では、フィードバック制御の一例としてＰＩ制御を採用し、比例ゲインＫｐをタービン回転数Ｎｔｂ又は空燃比Ａ／Ｆに基づいて変更する一方で、積分ゲインは定数としたが、比例ゲインとともに積分ゲインもタービン回転数Ｎｔｂ又は空燃比Ａ／Ｆに基づいて変更する形態に変更することもできる。この場合には、比例ゲイン及び積分ゲインが本発明のフィードバックゲインに相当する。さらに、フィードバックゲインとしての積分ゲインのみをタービン回転数Ｎｔｂ又は空燃比Ａ／Ｆに基づいて変更する形態で本発明を実施することも可能である。

また、フィードバック制御として、ＰＩＤ制御を採用し、比例ゲイン、積分ゲイン及び微分ゲインの少なくとも一つをタービン回転数Ｎｔｂ又は空燃比Ａ／Ｆに基づいて変更する形態に変更することもできる。この形態では、これらのゲインのうち、タービン回転数Ｎｔｂ又は空燃比Ａ／Ｆに基づいて変更されるゲインがフィードバックゲインに相当する。さらに、フィードバック制御としてＰ制御を採用してフィードバックゲインとしての比例ゲインをタービン回転数Ｎｔｂ又は空燃比Ａ／Ｆに基づいて変更する形態に変更することもできる。

また、第１の形態の制御と第２の形態の制御とを組み合わせて、タービン回転数Ｎｔｂ及び空燃比Ａ／Ｆの両者に基づいてフィードバックゲインを変更してもよい。

上記各形態では、フィードバック制御とフィードフォワード制御とを併用しているが、これらを併用することは必須ではない。したがって、フィードフォワード制御を行わずにフィードバック制御を行う形態で本発明を実施することも可能である。

１ ハイブリッド車両
３ エンジン
４ 第１モータ・ジェネレータ（モータ・ジェネレータ）
６ 動力分割機構（差動機構）
１５ ターボチャージャ
４０ ＥＣＵ（フィードバック制御手段、ゲイン変更手段、フィードフォワード制御手段）

Claims (1)

1. ターボチャージャが設けられたエンジンと、モータ・ジェネレータと、前記エンジン及び前記モータ・ジェネレータが連結された差動機構とを備えたハイブリッド車両に適用されるハイブリッド車両の制御装置において、
   エンジン回転数が目標回転数となるように前記モータ・ジェネレータをフィードバック制御するフィードバック制御手段と、
   前記ターボチャージャのタービン回転数又は前記エンジンの空燃比の少なくともいずれか一方に応じてフィードバックゲインを変更するゲイン変更手段と、
   を備え、
   前記ゲイン変更手段は、前記タービン回転数が小さいほど又は前記空燃比が大きいほど、前記フィードバックゲインが小さくなるように変更する、
   ことを特徴とするハイブリッド車両の制御装置。

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