JP2015214184A - ハイブリッド車両の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変速時のバッテリの電力収支を成立させることが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】エンジン、第１モータ・ジェネレータ及び第２モータ・ジェネレータを含む動力源と、各モータ・ジェネレータとの間で電力を授受可能なバッテリと、動力源の動力を出力軸に伝達する動力伝達経路に設けられる変速機と、を備えたハイブリッド車両の制御装置であって、変速機の変速による充放電電力の方向、及びバッテリの充放電能力に対して充放電電力が超過する電力超過量に基づいて、変速の進行にかかる時間を調整するように制御する（ステップＳ５）。【選択図】図４

Description

本発明は、エンジン、モータ・ジェネレータ、バッテリ及び変速機を備えたハイブリッド車両の制御装置に関する。

ハイブリッド車両の変速機において変速ショックを抑制する技術として、エンジンの動力が分配される第１電動機によりトルクを発生させることで変速を進行させる技術が知られている（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２〜４が存在する。

特開２０１２−２４０５５７号公報 特開２００９−００６７７８号公報 特開２００６−２１４４５４号公報 特開２０１３−１５９３１４号公報

特許文献１においては第１電動機よりも第２電動機の出力パワーが大きく、バッテリの出力制限側に偏る傾向がある。その出力制限値を超過する場合において、第２電動機の出力を所望の値に制御することができないために変速の進行にかかる時間の増加や電力収支の過不足が生じることがある。しかしながら、変速の種類に応じて電力収支の方向が放電側又は充電側に変化するので、バッテリの状態によっては変速時間を増加させても電力収支が成立せず、結果として過不足が生じるおそれがある。

そこで、本発明は変速時のバッテリの電力収支を成立させることが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。

本発明のハイブリッド車両の制御装置は、エンジン及びモータ・ジェネレータを含む動力源と、前記モータ・ジェネレータとの間で電力を授受可能なバッテリと、前記動力源の動力を走行用の出力部に伝達する動力伝達経路に設けられる変速機と、を備えたハイブリッド車両の制御装置であって、前記変速機の変速による充放電電力の方向、及び前記バッテリの充放電能力に対して前記充放電電力が超過する電力超過量に基づいて、変速の進行にかかる時間を調整するように制御する変速進行制御手段を備えたものである（請求項１）。

本発明によれば、充放電電力は、変速機による変速の種類（例えば、ダウンシフトやアップシフト）に応じて充電側又は放電側に方向が変化する。したがって、充放電電力の方向、及びその電力の超過量に基づいて変速の進行にかかる時間を調整することで、バッテリとの間で電力収支を成立させ、電力の過不足を防止できる。

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。 図１のハイブリッド車両に搭載される変速機の作動係合表を示した図。 図１のハイブリッド車両の制御系を示したブロック図。 ＨＶＥＣＵが実行する変速進行制御処理を示すフローチャート。 ハイブリッド車両の変速予測方法を示す変速線図。 変速における充放電電力予測量と充放電の方向との関係を示すグラフ。 電力超過予測量と変速の進行にかかる時間との関係を示すグラフ。 アクセルを踏み込んでダウンシフトが発生し、放電側に電力収支が超過したときの制御結果の一例を示すタイミングチャート。 アクセルを踏み込んでダウンシフトが発生し、充電側に電力収支が超過したときの制御結果の他の例を示すタイミングチャート。

図１は、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である。ハイブリッド車両（以下、車両という。）１は、走行用動力源としてエンジン２と、２つのモータ・ジェネレータ３、４とを備えている。エンジン２は、４つの気筒が一方向に並べられた直列４気筒型の火花点火型の内燃機関として構成されている。以下の形態においては、過給機付きのエンジン２として説明する。過給機として、周知のターボチャージャやスーパーチャージャを用いてよい。なお、エンジン２の詳細は省略する。エンジン２として公知技術を利用してよい。

エンジン２の出力軸２ａは遊星歯車機構５のキャリアＣｒに、第１モータ・ジェネレータ３は遊星歯車機構５のサンギアＳｎに、第２モータ・ジェネレータ４は遊星歯車機構５のリングギアＲｉにそれぞれ連結されている。そのため、第１モータ・ジェネレータ３又は第２モータ・ジェネレータ４は出力軸２ａのトルクに影響を与えることができる。車両１には、第１モータ・ジェネレータ３及び第２モータ・ジェネレータ４の各回転速度を検出するため、２つのレゾルバ７、８が設けられている。また、各モータ・ジェネレータ３、４は、電動機及び発電機としてそれぞれ機能し、不図示の電気回路を介してバッテリ９に電気的に接続されている。

なお、各モータ・ジェネレータ３、４は、周知の同期発電電動機として構成され、それぞれ不図示のインバータを介してバッテリ９と電力をやり取りする。インバータとバッテリとを接続する電力ラインはインバータが共用する正極母線及び負極母線として構成され、第１モータ・ジェネレータ３及び第２モータ・ジェネレータ４の一方により発電される電力を他方で消費可能とする。したがって、バッテリ９は各モータ・ジェネレータ３、４により発電又は消費される電力に応じて充放電されるとともに、各モータ・ジェネレータ３、４間で電力収支のバランスをとれば充放電されない。

第２モータ・ジェネレータ４よりも駆動輪側の動力伝達経路には変速機１０が設けられている。変速機１０は３つの入力軸１１、１２、１３を有する。これらの入力軸１１、１２、１３と、リングギアＲｉと一体回転する中間軸１５との間には３つのクラッチＣ１〜Ｃ３が設けられている。これらのクラッチＣ１〜Ｃ３を適宜操作することにより、３つの入力軸１１、１２、１３のなかから一の入力軸を中間軸１５と選択的に連結させることができる。変速機１０は、二組の遊星歯車機構２１、２２が組み合わされるとともに、２つのブレーキＢ１、Ｂ２と一方向クラッチＦ１とが設けられることにより構成されている。二組の遊星歯車機構２１、２２は、一方のキャリアＣｒ１と他方のリングギアＲｉ２とが連結されるとともに、一方のリングギアＲｉ１と他方のキャリアＣｒ２とが連結されることによって互いに組み合わされている。第１入力軸１１はサンギアＳｎ２に、第２入力軸１２はキャリアＣｒ１に、第３入力軸１３はサンギアＳｎ１にそれぞれ連結されている。キャリアＣｒ２は出力軸３０に連結される。

図２は、変速機１０の作動係合表を示した図である。なお、図中の「○」は、対応するクラッチＣ１〜Ｃ３、ブレーキＢ１、Ｂ２及び一方向クラッチＦ１が、係合することを意味し、「◎」は、有段時に係合し、無断時に開放することを意味する。車両１は、これらのクラッチＣ１〜Ｃ３、ブレーキＢ１、Ｂ２及び一方向クラッチＦ１の係合状態を適宜変化させることにより、前進４速及び後退１速からなる複数の変速段のなかから一の変速段を選択できる。

図３は、車両の制御系を示したブロック図である。車両１の各部の制御は、各種の電子制御装置（ＥＣＵ）にて制御される。ＨＶＥＣＵ４０には各種のセンサからの信号が入力される。例えば、ＨＶＥＣＵ４０には、車両１の車速に応じた信号を出力する車速センサ４１、不図示のアクセルペダルの踏み込み量に応じた信号を出力するアクセル開度センサ４２、第１モータ・ジェネレータ３の回転速度に応じた信号を出力するＭＧ１回転数センサ４３、第２モータ・ジェネレータ４の回転速度に応じた信号を出力するＭＧ２回転数センサ４４、変速機１０の出力軸３０の回転速度に応じた信号を出力する出力軸回転数センサ４５、バッテリ９の蓄電率に応じた信号を出力するＳＯＣセンサ４６、バッテリ９の温度に応じた信号を出力するバッテリ温度センサ４７等の出力信号が入力される。

ＨＶＥＣＵ４０は、各モータ・ジェネレータ３、４にそれぞれ発生させるトルクを算出し、発生させるトルクについてＭＧＥＣＵ５０に指令を出力する。また、ＨＶＥＣＵ４０は、エンジン２に発生させるトルクを算出し、発生させるトルクについてエンジンＥＣＵ５１に指令を出力する。さらに、ＨＶＥＣＵ４０は、変速機１０に供給される油圧を制御する不図示の油圧制御回路に設けられた電磁制御弁の出力圧の制御について、電磁制御弁に指令を出力する。ＭＧＥＣＵ５０は、ＨＶＥＣＵ４０から入力された指令に基づき、各モータ・ジェネレータ３、４にそれぞれ発生させるトルクに対応した電流を算出し、対応するモータ・ジェネレータ３、４に電流を出力する。エンジンＥＣＵ５１は、ＨＶＥＣＵ４０から入力された指令に基づき、エンジン２の吸気絞り弁５２、点火プラグ５３、ＥＧＲバルブ５４、ウェイストゲートバルブ５５、エアバイパスバルブ５６等のエンジン２の各部に対して各種の制御をする。

図４は、ＨＶＥＣＵ４０が実行する変速進行制御処理を示すフローチャートである。変速進行制御処理ルーチンは、変速機１０の変速時に、変速の種類に応じて変化する変速による充放電電力の方向及びその電力を予測し、その充放電電力に対する電力超過量に基づいて変速の進行を制御する処理である。まず、ＨＶＥＣＵ４０は、変速の発生が予測されると、バッテリ９の充放電に制約があるか否かを判別する（ステップＳ１）。バッテリ９は、バッテリの温度が低温（所定の下限値よりも低い温度）又は高温（所定の上限値よりも高い温度）である場合や、ＳＯＣが高い（所定の上限値よりも高い蓄電率）、又は低い（所定の下限値よりも低い蓄電率）場合に充電又は放電の制約がかかる。

なお、バッテリ９には、性能維持や劣化抑制といった観点から目標とする蓄電量の範囲（目標蓄電範囲）が設定されている。バッテリ９の蓄電量が目標蓄電範囲の上限値を超えると過充電状態となり、下限値を下回ると過放電状態となる。目標蓄電範囲は、性能維持や劣化抑制のために適した蓄電量の範囲に基づいて予め一定の範囲に設定しておけばよい。あるいは、バッテリ９の温度によっても目標蓄電範囲は変化するので、目標蓄電範囲をバッテリ９の温度に応じて可変としてもよい。ステップＳ１で充放電の制約がなく、バッテリ９の蓄電量が目標蓄電範囲内にある場合、ＨＶＥＣＵ４０は今回の処理を終了する。

バッテリの充放電に制約がある場合、ＨＶＥＣＵ４０は、変速機１０の変速による充放電電力の方向及びその電力を予測する（ステップＳ２）。変速による充放電電力は、変速の種類に応じて充電側又は放電側に方向が変化する。図５は、車両１の変速予測方法を示す変速線図である。変速機１０は４速なので、変速線は３本ある。車両１では、車速及びアクセル開度（アウトプットトルク要求量）に対応する変速線が予め設定されている。図中、実線はアップシフト線、一点鎖線はダウンシフト線をそれぞれ示している。具体的には、車速及びアクセル開度に応じて定まる座標が、変速線を跨ぐように変動する場合に、その変速線に応じた変速が実行されるように設定されている。これにより、車速及びアクセル開度の変動を予測できれば、変速の種類（例えば、１→２アップシフト、２→３アップシフト等）と、その変速の実行を予測することができる。また、図中、太線内（網掛けされている領域）は、モータ走行領域を示し、それ以外の領域はエンジン走行領域を示している。通常、例えばＳＯＣが十分高いとモータ走行となり、モータ走行できない場合はエンジン走行となる。エンジン走行領域とモータ走行領域とで使用する変速段は相違する。これは、エンジン走行時は比較的低回転高負荷領域でエンジン２を動作した方が効率よく、逆に、モータ走行時は比較的高回転低負荷領域で各モータ・ジェネレータ３、４を動作した方が効率がよいため、同じ車速やアクセル開度でも変速比を変更する。

図６は、変速における充放電電力予測量と充放電の方向との関係を示すグラフである。図６のグラフにおいて、横軸は充放電電力予測量ΔＷ、縦軸は充放電の方向をそれぞれ示している。充放電電力予測量ΔＷは、エンジンパワーＰ１とクラッチ伝達パワーＰ２と回転イナーシャ変化パワーＰ３とから算出される予測量で、以下の計算式で算出される。
ΔＷ＝Ｐ１−Ｐ２−Ｐ３

エンジンパワーＰ１は、エンジン２の出力であって、エンジントルク及びエンジン回転数から求められる。エンジントルクは実験的に求めた値で予め作成したマップから算出してもよいし、空気量や点火時期等から予測して算出してもよい。あるいは、各モータ・ジェネレータ３、４のトルクや回転数から予測される値を用いてもよい。クラッチ伝達パワーＰ２は、クラッチ伝達トルク及びクラッチＣ１〜Ｃ３の回転数から求められる。変速機１０の変速中は、クラッチ伝達トルクとしてトルク容量を代替利用してもよい。エンジントルク同様、各モータ・ジェネレータ３、４のトルクや回転数から予測される値を用いてもよい。変速時の回転イナーシャの変化に必要な回転イナーシャ変化パワーＰ３は、
（変速前後での各モータ・ジェネレータ３、４の主要な回転要素の運動エネルギーの変化量）／（ベース変速時間Ｔ１）
の計算式で算出される。ここで、回転要素の運動エネルギーは、
（１／２）×（回転イナーシャ）×（回転速度）^２
の計算式で算出される。ベース変速時間Ｔ１は、変速の進行にかかる時間を実験的に求めた値で予め作成したマップから算出される。また、算出された充放電電力予測量ΔＷの正負に応じて充放電方向が予測できる。図６に示すように、充放電電力予測量ΔＷが正ならば充電方向に、負であれば放電方向となる。

ＨＶＥＣＵ４０は、ステップＳ２で算出した充放電電力予測量ΔＷとバッテリ９の状態とを比較して、充放電電力予測量ΔＷに対してバッテリ９の充放電能力があるか否かを判別する（ステップＳ３）。現在のバッテリ９の蓄電量が、充放電電力予測量ΔＷを許容できるか否かを判別する。なお、充放電電力予測量ΔＷがバッテリ９の充放電能力内にある場合を電力収支が成立している場合として説明する。充放電電力予測量ΔＷがバッテリ９の充放電能力内にある場合、ＨＶＥＣＵ４０は、通常の変速制御を実行し（ステップＳ４）、今回の処理を終了する。通常の変速制御は、周知技術を利用してよい。

一方、ステップＳ３で充放電電力予測量ΔＷがバッテリ９の充放電能力を超える場合、ＨＶＥＣＵ４０は、変速進行制御を実行し（ステップＳ５）、今回の処理を終了する。図７は、電力超過予測量と、変速の進行にかかる時間（変速時間Ｔ２）との関係を示すグラフである。電力超過予測量は、ステップＳ２で算出した充放電電力予測量ΔＷが、現在のバッテリ９の蓄電量を基準として目標蓄電範囲から外れる量である。図７に示すように、電力超過予測量のパラメータである回転イナーシャ変化パワーＰ３は、変速時間Ｔ２に依存する。なお、変速時間Ｔ２は、ベース変速時間Ｔ１に対して、超過する電力量に必要な時間を調整した調整後の変速時間である。変速時間Ｔ２を増加させると回転イナーシャ変化パワーＰ３を減少でき、変速時間Ｔ２を減少させると回転イナーシャ変化パワーＰ３を増加できる。なお、図７は、アップシフトで充電電力を超過する予測がある場合を示している。エンジン２からエンジンパワーＰ１が供給（バッテリ充電方向）され、アップシフトで変速前後の回転要素の運動エネルギーが減少する（バッテリ充電方向）において、エンジンパワーＰ１及び回転イナーシャ変化パワーＰ３をバッテリ９に入力しなければならない。この場合において、変速時間Ｔ２を増加させることにより回転イナーシャ変化パワーＰ３を減少できるので、結果としてバッテリ９への入力を目標蓄電範囲内で収めるようにして変速することができる。ダウンシフトにおいても同様にすればよい。また、変速時間Ｔ２は、図７に示すようなマップで設定してもよいが、
（許可パワー＋電力超過予測量）／Ｔ１＝（許可パワー）／Ｔ２
となるように設定してもよい。なお、許可パワーは、目標蓄電範囲で使用可能な充放電の許可電力である。

図８は、アクセルを踏み込んでダウンシフトが発生し、放電側に電力収支が超過したときの制御結果の一例を示すタイミングチャートである。図８の制御結果は、図４のステップＳ５の変速進行制御の一例である。ダウンシフトが発生すると、バッテリ９の充放電能力に対し、変速による電力超過に余裕がない場合、又は電力超過する場合、変速の進行にかかる時間を遅くするように調整する。なお、図８は、過給圧を制限しなくても変速に必要なパワーが不足している例を示している。図８において、ＭＧ２トルク、ＭＧ２回転数及び電力収支のグラフで示される破線太線は過給圧を制限した場合、実線太線は過給圧を制限しない場合、一点鎖線太線は、過給圧を制限しない場合でかつ変速の進行にかかる時間（変速時間Ｔ２）を遅くするように調整した場合をそれぞれ示している。

エンジン２の過給圧を制限した場合、変速の進行を電力制御制限が広い場合の目標とするために第２モータ・ジェネレータ４に発生させるトルク（ＭＧ２トルク）を上昇させる。その結果、放電電力が大きくなり電力収支が放電電力制御制限値（充放電の許可電力）を超過する。エンジン２の過給圧を制限しない場合は、制限した場合と同様に、変速の進行を電力制御制限が広い場合の目標にするためにＭＧ２トルクを上昇させる。その結果、放電電力が大きくなり電力収支が放電電力制御制限値を超過する。過給圧を制限しない場合でかつ変速時間Ｔ２を遅くした場合、上記設定した目標よりも変速の進行にかかる時間を遅くすることによりＭＧ２トルクの上昇が抑制され、その結果、電力収支を放電電力制御制限値以下に抑えることが可能となる。変速時間Ｔ２を長くすることで、ＭＧ２回転数（ＡＴインプット回転数）を緩やかに変化させ、電力収支の絶対値が大きくなることを防止する。

図９は、アクセルを踏み込んでダウンシフトが発生し、充電側に電力収支が超過したときの制御結果の他の例を示すタイミングチャートである。図９の制御結果は、図４のステップＳ５の変速進行制御の一例である。ダウンシフトが発生すると、バッテリ９の充放電能力に対し、変速による電力超過に余裕がない場合、又は電力超過する場合、変速の進行にかかる時間を早めるように調整する。なお、図９は、過給圧を制限を停止すると変速に必要なパワーが過多となる例を示している。図９においても、図８と同様、ＭＧ２トルク、ＭＧ２回転数及び電力収支のグラフで示される破線太線は過給圧を制限した場合、実線太線は過給圧を制限しない場合をそれぞれ示している。また、図９において一点鎖線太線は、過給圧を制限しない場合でかつ変速の進行にかかる時間（変速時間Ｔ２）を早めるように調整した場合を示している。

エンジン２の過給圧を制限した場合、変速の進行を電力制御制限が広い場合の目標とするために第２モータ・ジェネレータ４に発生させるトルク（ＭＧ２トルク）を上昇させる。図８の場合と同様、充電電力が大きくなり電力収支が充電電力制御制限値（充放電の許可電力）を超過する。エンジン２の過給圧を制限しない場合は、制限した場合と同様に、変速の進行を電力制御制限が広い場合の目標にするためにＭＧ２トルクを上昇させる。その結果、充電電力が大きくなり電力収支が充電電力制御制限値を超過する。過給圧を制限しない場合でかつ変速時間Ｔ２を早めた場合、上記設定した目標よりも変速の進行にかかる時間を早めることによりＭＧ２トルクの低下が抑制され、その結果、電力収支を充電電力制御制限値以上に抑えることが可能となる。変速時間Ｔ２を短くすることで、ＭＧ２回転数を速やかに変化させ、電力収支の絶対値が大きくなることを防止する。

一方、アップシフトに関しては、上記ダウンシフトの場合とは逆に、放電側に電力収支が超過する場合は変速時間Ｔ２を早め、充電側に電力収支が超過する場合は変速時間Ｔ２を遅くすることで、電力収支の絶対値が大きくなることを防止できる。なお、上述した処理において、ＨＶＥＣＵ４０が実行するステップＳ５の処理が変速進行制御手段として機能する。以上、説明したように、過給機付きエンジンにおいては、過給圧を変更せずとも変速時間Ｔ２の調整により電力収支を成立させることができる。したがって、過給圧を変更する必要がないので、過給機付きエンジンにおいては特に有用である。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。本形態では過給機付きのエンジン２として説明したがこれに限られない。過給機がない自然吸気エンジンにも適用が可能である。また、本形態では、充放電電力の方向及びその電力は、各パワーＰ１、Ｐ２、Ｐ３に基づいて決定したが、これに限られない。例えば、損失パワーをさらに考慮してもよい。また、本形態では、２つのモータ・ジェネレータ３、４が搭載されている車両１で説明したが、これに限られない。単一のモータ・ジェネレータを搭載した車両で本発明を実施してもよい。

１ ハイブリッド車両
２ エンジン
３ 第１モータ・ジェネレータ（モータ・ジェネレータ）
４ 第２モータ・ジェネレータ（モータ・ジェネレータ）
９ バッテリ
１０ 変速機
３０ 出力軸（走行用の出力部）
４０ ＨＶＥＣＵ（変速進行制御手段）
Ｔ２ 変速時間（変速の進行にかかる時間）

Claims (1)

1. エンジン及びモータ・ジェネレータを含む動力源と、
   前記モータ・ジェネレータとの間で電力を授受可能なバッテリと、
   前記動力源の動力を走行用の出力部に伝達する動力伝達経路に設けられる変速機と、
   を備えたハイブリッド車両の制御装置であって、
   前記変速機の変速による充放電電力の方向、及び前記バッテリの充放電能力に対して前記充放電電力が超過する電力超過量に基づいて、変速の進行にかかる時間を調整するように制御する変速進行制御手段を備えたハイブリッド車両の制御装置。

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