JP3617467B2

JP3617467B2 - 車両用ハイブリッド・パワートレインの制御装置

Info

Publication number: JP3617467B2
Application number: JP2001088348A
Authority: JP
Inventors: 岩野　　浩; 大羽　　拓
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2021-03-26
Also published as: JP2002285880A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走行用のエンジンおよびモータ・ジェネレータと、前記モータ・ジェネレータとの間で充放電するバッテリとを含んで構成される車両用ハイブリッド・パワートレインの制御装置に関し、特に効率を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の車両用パワートレインの制御装置として、例えば特開平１１−２２９９１６号に開示されるようなハイブリッドの駆動制御装置がある。
これは、内燃機関（エンジン）及び電動機（モータ）ならびに蓄電装置（バッテリ）を備えたハイブリッド車の駆動制御装置であって、蓄電装置に蓄えられている電力を使用して走行すると仮定した場合の燃料消費量を、その電力を蓄電装置に充電した際の燃料消費量を含んで評価する第１の評価手段と、電力に替えて内燃機関で燃料を燃焼させた動力によって走行すると仮定した場合の燃料消費量を評価する第２の評価手段と、これら第１評価手段と第２評価手段との評価結果に基づいて電動機を使用した走行と内燃機関を使用した走行とのいずれか一方を選択する動力選択手段とを備えている。
【０００３】
パワートレインの制御装置の第２従来例としては、例えば特開２０００−３２６０８号に開示されるようなハイブリッド電気自動車の制御装置がある。これは、ハイブリッド機関（エンジン＋モータ）の全体効率に関連する燃費係数を算出し、この燃費係数が最良となるエンジン動作点を求め、エンジンを動作させる。従来のようにエンジン効率が最良となるようにエンジン動作点を設定するハイブリッド機関制御に比較して、全ての運転領域においてハイブリッド機関の全体効率を最良とするようにして、燃費の一層の向上を図ったものである。
【０００４】
パワートレインの制御装置の第３従来例としては、例えば特開２０００−２４０４８４号に開示されるようなハイブリッド電気自動車の制御装置がある。これは、放電許可モードにある場合には、モータ／ジェネレータをモータとして作動させエンジンの負荷を低減させ、もしくは停止させることにより、エンジンの燃費率を最良燃費領域に近づけるか、エンジンを停止させ、最良燃費領域に保って目標トルクを得るようにする。また、充電要求モードにある場合には、モータ・ジェネレータを発電機として作動させエンジンの負荷を増加させることにより、エンジンの燃費率を最良燃費領域に近づけ、エンジンの燃費領域を最良燃費領域に保った状態でバッテリの充電を行うと共に目標トルクを得るようにする。このようにして、機構を複雑にすることなく燃費を向上させることを狙っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のパワートレインの制御装置にあっては、ドライバの要求する出力が小さい場合には、エンジンもしくはパワートレイン全体の低効率点での運転を避けるため、以下のように駆動力の出力を操作している。
即ち、バッテリが放電許容範囲内の出力要求の場合には、エンジンを停止しモータ走行することとし、バッテリが充電要求の場合には、エンジンを要求出力以上の最良燃費点で運転し、余剰分を発電・充電に用いるように制御している。
【０００６】
しかしながら、このような従来の制御方式では、エンジンもしくはパワートレイン全体にとっては最大効率で運転できても、車両走行状態によっては必ずしも最良燃費［ｋｍ／Ｌ］にならない場合があり、実用上ハイブリッド・パワートレインのメリット
を十分活かしきれてないという問題点があった。
【０００７】
即ち、下記のように定速走行時と加速走行時の必要パワーと燃料消費を考える。

今、Ｖｓｐｌ＝Ｖｓｐ２となる瞬間を考えると、加速時の方が大きい出力を必要とするためＷ２＞Ｗ１であり、エンジンの効率も良くηｅ２〈ηｅｌであるが、Ｗ１→Ｗ２への増加率に比較してηｅ２の向上率は小さいため、（ηｅ２・Ｗ２）＞（ηｅｌ・Ｗ１）となる。その結果、Ｖｓｐ２／（ηｅ２・Ｗ２）＜Ｖｓｐ１／（ηｅｌ・Ｗｌ）となり、加速走行時の車両燃費は定速走行時に比較して悪くなるという問題点があった。
【０００８】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、車両用ハイブリッド・パワートレインにおいて、ドライバの要求加速も考慮して最良の効率が得られるように制御することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
走行用のエンジンおよびモータ・ジェネレータと、該モータ・ジェネレータとの間で充放電するバッテリと、を含んで構成される車両用ハイブリッド・パワートレインにおいて、アクセル操作量と車速とに基づいてドライバの要求に応じた目標駆動力と加速に必要な加速駆動力を算出し、
該目標駆動力および加速駆動力と前記バッテリの充電状態とに基づいて、エンジンとモータ・ジェネレータとを、それぞれの目標出力を算出しつつ制御し、
かつ、前記モータ・ジェネレータの目標出力の算出については、前記バッテリの充電状態に基づいて該バッテリの出力可能電力を演算するとともに、バッテリから取り出す電力の燃費率換算値を演算し、前記バッテリ出力可能電力と前記バッテリ電力燃費率換算値とに基づいて、前記加速駆動力を賄うモータの出力を演算することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に係る発明は、
走行用のエンジンおよびモータ・ジェネレータと、該モータ・ジェネレータとの間で充放電するバッテリと、を含んで構成される車両用ハイブリッド・パワートレインにおいて、
ドライバのアクセル操作量を検出する手段と、
車速を検出する手段と、
前記アクセル操作量と前記車速に基づいてドライバの要求する目標駆動力を演算する手段と、
前記車速に基づいて車両の走行抵抗を演算する手段と、
前記目標駆動力と前記走行抵抗とに基づいて加速に必要な加速駆動力を演算する手段と、
前記バッテリの充電状態を検出または推定する手段と、
前記加速駆動力と前記バッテリの充電状態とに基づいてエンジンとモータ・ジェネレータの出力を分担して、目標エンジン出力と目標モータ・ジェネレータ出力を演算し、かつ、前記モータ・ジェネレータの目標出力の演算については、前記バッテリの充電状態に基づいて該バッテリの出力可能電力を演算するとともに、バッテリから取り出す電力の燃費率換算値を演算し、前記バッテリ出力可能電力と前記バッテリ電力燃費率換算値とに基づいて、前記加速駆動力を賄うモータの出力を演算する手段と、
前記目標エンジン出力と目標モータ・ジェネレータ出力を実現するように、エンジンおよびモータ・ジェネレータを制御する手段と、
を含んで構成したことを特徴とする。
【００１１】
請求項１または請求項２に係る発明によると、
アクセル操作量と車速に基づいて、ドライバの要求に応じた加速性も満たすようにトータルの目標駆動力を算出するとともに、該目標駆動力から走行抵抗相当の駆動力を差し引いて要求加速を満たすのに必要なだけの加速駆動力を算出し、これら目標駆動力と加速駆動力とに基づいて、エンジンとモータ・ジェネレータとが最も効率良く運転されるように出力分担して、それぞれの目標出力を算出し、該目標出力を実現するように制御するので、燃費向上効果を最大限高めることができる。また、特に、バッテリの出力可能電力とバッテリ電力の燃費率換算値とに基づいて、加速駆動力を賄うモータ出力を算出することにより、バッテリから過放電することなく、効率の良い電力を取り申すことができる。
【００１２】
また、請求項３に係る発明は、
前記目標駆動力と前記加速駆動力との差である走行抵抗分の駆動力はエンジンが出力し、前記加速駆動力を可能な限りモータで出力することを特徴とする。
請求項３に係る発明によると、
定常走行に必要な走行抵抗分の駆動力をエンジンに賄わせ、要求に応じて変化する加速駆動力のみをモータに賄わせるように出力分担するため、エンジンは準定常状態で運転され、モータの出力は過渡分を補正するように出力される。この結果、バッテリから供給される効率の良い電力を車両燃費の悪化する条件で使用することができ、ハイブリッド・パワートレインの燃費向上効果を実現することができるので、燃費の良い走行と応答の良い駆動力が得られる。
【００１３】
また、請求項４に係る発明は、
前記バッテリの充電状態に基づいて該バッテリの出力可能電力を演算するとともに、バッテリから取り出す電力の燃費率換算値を演算し、前記バッテリ出力可能電力と前記バッテリ電力燃費率換算値とに基づいて、前記加速駆動力を賄うモータ出力を演算することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項４に係る発明は、
バッテリに充電する際に充電電力量とそれに要した燃料量を積算しておき、これら積算値に基づいてバッテリから電力を供給してモータを駆動するときの効率を算出して、エンジンを駆動するときの効率と比較し、前者の効率が良いときはバッテリからの電力供給によってモータを駆動し、後者の効率が良いときはモータの駆動力を０とし、エンジンのみで駆動力を得ることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に係る発明によると、
バッテリから電力を供給してモータを駆動する場合とエンジンを駆動する場合の効率を比較しつつ、駆動力の分担を切り換えることで、常に効率の良い駆動を選択することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態の制御ブロック図である。
アクセル操作量検出手段は、ドライバによって操作されるアクセル操作量（アクセルペダルの踏み込み量）を検出する。
車速検出手段は、ドライブシャフトに配設された回転速度センサなどによって車速を検出する。
【００１７】
目標駆動力演算手段は、前記検出されたアクセル操作量と車速に基づいて、ドライバの要求する目標駆動力を演算する。ここで、目標駆動力として、アクセル操作状態（操作変化量等）に応じたドライバの要求加速を満たすことができるトータルの目標駆動力が演算される。
走行抵抗演算手段は、前記検出された車速から車両の走行抵抗を演算する。
【００１８】
加速駆動力演算手段は、前記演算された目標駆動力と走行抵抗とに基づいて、前記要求加速を得るのに必要な加速駆動力を演算する。実質的には、目標駆動力から走行抵抗を差し引いた値が加速駆動力として演算される。
バッテリ状態検出手段は、バッテリの充電状態を検出または推定する。
エンジン／モータ分担演算手段は、前記加速駆動力とバッテリの充電状態からエンジンとモータ・ジェネレータの分担出力（目標エンジン出力および目標モータ・ジェネレータ出力）を演算する。
【００１９】
エンジン出力実現手段は、前記目標エンジン出力を実現するようにエンジン出力を制御する。
モータ・ジェネレータ出力実現手段は、前記目標モータ・ジェネレータ出力を実現するようにモータ・ジェネレータ出力を制御する。
図２は、本発明の一実施例のシステム構成を示す図である。
【００２０】
パワープラントとしてエンジン１の出力軸は、第１のモータ・ジェネレータ２を介して無段変速機（ＣＶＴ）３と連結され、変速比に応じて減速・増トルクされる。該無段変速機３の出力軸は、クラッチ４を介して第２のモータ／ジェネレータ５と連結され、さらに、ファイナル・ギア６を介して駆動軸７に連結されている。前記第１のモータ・ジェネレータ２は、エンジン始動（クランキング）時には、スタータとして機能する。バッテリ８は、前記第１のモータ・ジェネレータ２及び第２のモータ／ジェネレータ５との間で充放電を行う。
【００２１】
センサ類として、ドライバによって操作されるアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ９、車速を検出する車速センサ１０、エンジン水温を検出する水温センサ１１等が設けられ、これらセンサ類からの検出信号および前記バッテリ８の充電状態等の信号が、コントロールユニット１２へ入力される。
該コントロールユニット１２では、前記センサ類からの信号に基づいて検出される運転条件に応じて目標とする駆動力を演算し、走行状態やバッテリ状態に応じてエンジンとモータとの分担出力（目標エンジン出力および目標モータ・ジェネレータ出力）を演算する。また、コントロールユニット１２は、目標とする変速比となるように、前記ＣＶＴ３の制御も行う。前記第１のモータ・ジェネレータ４及び第２のモータ／ジェネレータ５は、モータとして機能するときは、駆動軸７に駆動力を伝達し、減速時等にはジェネレータとして機能して回転エネルギを電力に変換してバッテリ６を充電する。なお、以下の説明では、簡単のため、上記第１のモータ・ジェネレータ２と第２のモータ・ジェネレータ５とを合わせた出力（いずれかが空運転される場合を含む）を単にモータ出力と表現する。
【００２２】
図３は、本発明による加速駆動力演算ルーチンのフローチャートを示す。なお、本ルーチンは、後述する図９のステップ２１のサブルーチンに相当する。
ステップ１では、ドライバのアクセル操作量ＡＰＯと、車速ＶＳＰの検出値を読み込む。
ステップ２では、ドライバのアクセル操作量ＡＰＯ、車速ＶＳＰに基づいて、定常走行状態での静的目標駆動力Ｗｄｓを演算する。通常の駆動力特性は、エンジン、モータの出力特性及び変速機の変速特性などから決まり、図４に示すように車速とアクセル操作量で与えられる。
【００２３】
ステップ３では、ステップ２で求めた静的な目標駆動力Ｗｄｓ以外に、ドライバの要求する加速感を満足させる理想的な加速度を実現するために、動的に駆動力を操作する補正項Ｗｄｄを演算する。これは図５に示すような特性から、アクセル操作変化量と加速開始時車速ＶＳＰ０から駆動力補正初期値Ｗｄｄ０を求め、時間と共に減少する特性を与えて求める。以上の結果、目標駆動力Ｗｄは図６のように時間と共に変化するパターンで与えられる。
【００２４】
ステップ４では、走行抵抗分の駆動力Ｗｓを演算する。この値は車速を定常的に維持するために必要な駆動力Ｗｓであり、図７に示す通り、車毎の特性を車速ＶＳＰで検索するテーブルで与える。
ステップ５では、加速に必要な駆動力を演算する。ドライバの要求する目標駆動力Ｗｄと現時点での車速を維持するのに必要な走行抵抗分駆動力Ｗｓとの差が加速駆動力Ｗａとなる。即ち、
Ｗａ＝Ｗｄ−Ｗｓ
図８はバッテリの状態を演算するルーチン、即ち、バッテリ８から取り出せる電力と、その燃費率換算値を演算するルーチンのフローチャートを示す。なお、本ルーチンは、後述する図９のステップ２２のサブルーチンに相当する。
【００２５】
ステップ１１では、バッテリ８に充電された電気エネルギ量を演算する。ここで、瞬時瞬時の発電電力量をＷｇ［ｋＷ］、バッテリ８の充放電効率をηｂ［％］とすると、バッテリに充電した電気エネルギの総量Ｅｂ［ｋＪ］は以下の式で表せる。
Ｅｂ＝∫Ｗｇ・ηｂ／１００・ｄｔ
バッテリ８の充放電効率ηｂは、バッテリ状態（内部抵抗値に関する温度や、内部損失分に関する充放電電力等）で決まるため、これらの値により検索するマップで与える。
【００２６】
ステップ１２では、エンジン１の駆動によりバッテリ８の充電に要した燃料量を演算する。ここで、充電時のエンジン１の効率をηｅ［％］とすると、バッテリ８ヘの充電に要した燃料量の総量Ｇｆ［ｋｇ］は以下の式で表せる。
Ｇｆ＝∫Ａ・Ｗｇ／（ηｅ／１００）・ｄｔＡ：単位換算係数
エンジン効率ηｅは、エンジン運転条件（回転速度、負荷）で決まるため、これらの値から検索するマップで与える。
【００２７】
ステップ１３では、バッテリ８から取り出せる電力の燃費率換算値を演算する。バッテリ８の電気エネルギＥｂと充電に要した燃料量Ｇｆを用いて、燃費率換算値ηｂｆｃ［％］は以下の式で求められる。
ηｂｆｃ＝Ｂ・Ｅｂ／ＧｆＢ：単位換算係数
このバッテリ電力の燃費率換算値ηｂｆｃは、次の演算ルーチンで用いる。
【００２８】
ステップ１４では、バッテリ８から取り出せる電力量Ｗｂ＿ｍｘを求める。これはステップ１１で演算されたバッテリ８への充電電力エネルギ量Ｅｂと温度とでほぼ決まるため、これらの値により検索するマップで与える。
図９は本発明による目標駆動力を実現するためのエンジンとモータの出力分担を求める演算ルーチンのフローチャートを示す。
【００２９】
ステップ２１では、前記図３のサブルーチンで示したように、加速駆動力Ｗａ（＝Ｗｄ−Ｗｓ）を演算する。
ステップ２２は、前記図８のサブルーチンで示したように、バッテリ８から取り出せる電力量Ｗｂ＿ｍｘと、その燃費率換算値ηｂｆｃとを演算する。
ステップ２３では、モータ出力分の最大許容値Ｗｍｘを演算する。これはモータの最大出力Ｗｍ＿ｍａｘとバッテリ８から取り出せる電力Ｗｂ＿ｍｘのどちらか小さい方の値に制限される。即ち、
Ｗｍｘ＝Ｍｉｎ（Ｗｍ＿ｍａｘ、Ｗｂｍｘ）
ステップ２４では、前記加速駆動力Ｗａとモータ出力分の最大許容値Ｗｍｘとを比較し、加速駆動力Ｗａの方が大きい場合にはステップ２５へ、最大許容値Ｗｍｘが加速駆動力Ｗａ以上の場合にはステップ２６へ進む。
【００３０】
ステップ２５では、モータの出しうる出力よりも要求加速駆動力Ｗａの方が大きいため、モータ出力は最大限としておく。即ち、
Ｗｍ１＝Ｗｍ＿ｍａｘ
ステップ２６では、要求加速駆動力Ｗａをモータ出力で賄えるため、加速駆動力全てをモータ出力とする。即ち、
Ｗｍ１＝Ｗａ
ステップ２７では、モータ出力Ｗｍ１をバッテリ８から取り出した場合の効率ηｂｆｃと、エンジンがＷｍ１分を出力した場合の効率ηｅｎｇとを比較し、ηｅｎｇの方が大きい場合にはステップ２８へ、ηｂｆｃがηｅｎｇ以上である場合にはステップ２９へ進む。
【００３１】
尚、エンジンがＷｍ１分を出力した場合の効率ηｅｎｇは、前述のエンジン運転条件（回転速度、負荷）から検索するマップを基に、同一出力線上の最大効率値を用いる。
ステップ２８では、Ｗｍ１分をエンジン１で直接出力した方が効率が良い場合であるため、最終的な目標モータ出力Ｗｍ＝０とする。
【００３２】
ステップ２９では、Ｗｍ１分をバッテリ８から取り出した方が効率が良い場合であるため、最終的な目標モータ出力Ｗｍ＝Ｗｍ１とする。
ステップ３０では、エンジン出力分担を演算する。これは目標駆動力Ｗｄから目標モータ出力Ｗｍを引いた値となる。即ち、
Ｗｅ＝Ｗｄ−Ｗｍ
以上の演算により、目標エンジン出力Ｗｅと目標モータ出力Ｗｍを求め、夫々の出力を制御する実現手段に出力する。
【００３３】
図１０は、本発明によるドライバの要求する目標駆動力を、エンジン出力とモータ出力で分担する様子を示す。
ドライバのアクセル操作によって決まる目標駆動力に対して、バッテリ８から取り出す電力の方が効率が良い場合には、エンジン出力は瞬間瞬間の車速を維持するために必要な走行抵抗分の駆動力を出力し、モータは特に加速初期に加速のために必要な加速駆動力を出力する。この結果、エンジンは準定常状態で運転され、モータの出力は過渡分を補正するように出力される。この結果、バッテリ内にある効率の良い電力を車両燃費の悪化する条件で使用することができ、ハイブリッド・パワートレインの燃費向上効果を実現することができる。
【００３４】
バッテリから取り出す電力の効率が良くない場合には、エンジン出力のみで目標とする駆動力を実現することになる。
以上説明したように、本発明は、この結果、ドライバの要求する駆動力を、車両の走行状態に応じて最適効率になるようにエンジンとモータの出力配分を決めることができ、あらゆる加速パターンにおいて、駆動力の滑らかさ、駆動力応答性の良さ、加速度の大きさ等を理想的に操作でき、動力性能・運転性を大幅に改良できると同時に、車両燃費を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の機能構成を示すブロック図。
【図２】本発明の一実施形態のシステム構成を示す図。
【図３】同上実施形態の駆動力演算ルーチンのフローチャート。
【図４】同上実施の形態の静的駆動力算出用の特性を示す図。
【図５】同じく動的駆動力補正値算出用の特性を示す図。
【図６】同じく目標駆動力の変化特性を示す図。
【図７】同じく走行抵抗分の駆動力の特性を示す図。
【図８】同じくバッテリ状態演算ルーチンのフローチャート。
【図９】同じく出力分担演算ルーチンのフローチャート。
【図１０】同じく目標駆動力に対する出力分担例を示す図。
【符号の説明】
１エンジン
２第１のモータ・ジェネレータ
５第２のモータ・ジェネレータ
８バッテリ
９アクセル開度センサ
１０車速センサ
１２コントロールユニット

Claims

走行用のエンジンおよびモータ・ジェネレータと、該モータ・ジェネレータとの間で充放電するバッテリと、を含んで構成される車両用ハイブリッド・パワートレインにおいて、アクセル操作量と車速とに基づいてドライバの要求に応じた目標駆動力と加速に必要な加速駆動力を算出し、
該目標駆動力および加速駆動力と前記バッテリの充電状態とに基づいて、エンジンとモータ・ジェネレータとを、それぞれの目標出力を算出しつつ制御し、
かつ、前記モータ・ジェネレータの目標出力の算出については、前記バッテリの充電状態に基づいて該バッテリの出力可能電力を演算するとともに、バッテリから取り出す電力の燃費率換算値を演算し、前記バッテリ出力可能電力と前記バッテリ電力燃費率換算値とに基づいて、前記加速駆動力を賄うモータの出力を演算することを特徴とする車両用ハイブリッド・パワートレインの制御装置。
走行用のエンジンおよびモータ・ジェネレータと、該モータ・ジェネレータとの間で充放電するバッテリと、を含んで構成される車両用ハイブリッド・パワートレインにおいて、
ドライバのアクセル操作量を検出する手段と、
車速を検出する手段と、
前記アクセル操作量と前記車速に基づいてドライバの要求する目標駆動力を演算する手段と、
前記車速に基づいて車両の走行抵抗を演算する手段と、
前記目標駆動力と前記走行抵抗とに基づいて加速に必要な加速駆動力を演算する手段と、
前記バッテリの充電状態を検出または推定する手段と、
前記加速駆動力と前記バッテリの充電状態とに基づいてエンジンとモータ・ジェネレータの出力を分担して、目標エンジン出力と目標モータ・ジェネレータ出力を演算し、かつ、前記モータ・ジェネレータの目標出力の演算については、前記バッテリの充電状態に基づいて該バッテリの出力可能電力を演算するとともに、バッテリから取り出す電力の燃費率換算値を演算し、前記バッテリ出力可能電力と前記バッテリ電力燃費率換算値とに基づいて、前記加速駆動力を賄うモータの出力を演算する手段と、
前記目標エンジン出力と目標モータ・ジェネレータ出力を実現するように、エンジンおよびモータ・ジェネレータを制御する手段と、
を含んで構成したことを特徴とする車両用ハイブリッド・パワートレインの制御装置。
前記目標駆動力と前記加速駆動力との差である走行抵抗分の駆動力はエンジンが出力し、前記加速駆動力を可能な限りモータで出力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両用ハイブリッド・パワートレインの制御装置。
バッテリに充電する際に充電電力量とそれに要した燃料量を積算しておき、これら積算値に基づいてバッテリから電力を供給してモータを駆動するときの効率を算出して、エンジンを駆動するときの効率と比較し、前者の効率が良いときはバッテリからの電力供給によってモータを駆動し、後者の効率が良いときはモータの駆動力を０とし、エンジンのみで駆動力を得ることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の車両用ハイブリッド・パワートレインの制御装置。