JP3675469B2

JP3675469B2 - ハイブリッド車両の制御装置

Info

Publication number: JP3675469B2
Application number: JP2004044793A
Authority: JP
Inventors: 有満　　稔; 一真大蔵; 晋小宮山; 淳庄司
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-20
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2019-03-11
Also published as: JP2004251452A

Description

本発明は車両の動力源としてエンジンと回転電機とを備えたハイブリッド車両の制御装置に関する。

車両の動力源としてエンジンとモータ（電動機と発電機とを兼ねる回転電機）とを併有し、いずれか一方または双方の駆動力により走行するようにしたハイブリッド車両が知られている（非特許文献１参照）。（例えば、参照）。

このようなパラレル方式のハイブリッド車両では、基本的に比較的負荷の小さい運転域ではモータのみで走行し、負荷が増大するとエンジンを起動して所要の駆動力を確保し、必要に応じてモータとエンジンを併用することにより最大の駆動力を発揮させる。また、車両減速時にはモータを発電機として作動させる回生運転を行い、減速エネルギーをバッテリ充電に利用する。
鉄道日本社発行「自動車工学」VOL.46 No.7 1997年6月号 39〜52頁

ところで、エンジンの出力は一般にパウダー式の電磁クラッチ（これを以下「パウダークラッチ」という。）を介して車両の駆動系統に伝達するようにしているが、従来このパウダークラッチの制御については、締結時の衝撃を緩和する目的で徐々に締結する等の伝達トルクの制御が中心に行われていたものの、減速途中でのエンジンの切り離しによりトルク段差が生じるなど運転性の点では十分な配慮がなされていなかった。

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、減速途中でのエンジンの切り離しにかかわらずトルク段差感を生じないようにするパウダークラッチの最適制御を目的としている。

本発明では、駆動または回生発電を行う回転電機を備えた駆動系統と、この駆動系統にエンジン回転を伝達するパウダークラッチと、車両運転状態に応じて前記パウダークラッチを制御する制御回路とを備えたハイブリッド車両において、
前記制御回路を、パウダークラッチ締結状態での減速時には、回転電機により所要の減速トルクが発生できる状態、かつ回転電機の回転数が所定の基準値以下であるときに限りパウダークラッチを開放し、前記減速トルクを発生させる構成とした。

本発明では、パウダークラッチ締結状態での減速時には、回転電機により所要の減速トルクが発生できる状態、かつ回転電機の回転数が所定の基準値以下であるときに限りパウダークラッチを開放し、前記減速トルクを発生させるようにしている。運転者が駆動力を要求していない減速時には一般にエンジンの内部摩擦を利用したエンジンブレーキにより十分な減速性能を持たせると共に回転電機を発電機として作動させ、減速エネルギの一部を利用した回生動作を行うことによりエネルギ効率を高めている。この減速状態のときに、途中でエンジンを切り離すとその分だけ運転者にエンジンブレーキとして感知される減速感が大きく変動してしまい好ましくない。本発明はこのような点に着目したもので、エンジンを使用して走行している状態からの減速時において、その当初から回転電機の発電により十分な減速トルクが発生できる場合には速やかにパウダークラッチを開放し回転電機のみにより所要の減速感を得るようにしている。また、回転電機のみによっては所要の減速トルクが得られないときにはパウダークラッチの開放は行わない。したがって、減速途中でのエンジンの切り離しによるトルク段差感の発生を避けることができる。なお、回転電機により所要の減速トルクが発生できるときとは、たとえば回転電機の最大発電負荷つまり最大減速トルクが、減速開始時の車速に対して適切な減速感を付与しうるトルクよりも大きいとき、またはそのときのバッテリ充電状態が、前記減速トルクに相当する発電量を受け入れ可能なときなどである。さらに本発明では、回転電機の回転数が所定の基準値以下であるときに限り前記の減速時のパウダークラッチの開放を行っている。これによりパウダークラッチの開放状態での内回しの回転数を規制して、その耐久性を高めるようにしている。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず図１〜図２に本願発明が適用可能なパラレル方式のハイブリッド車両の構成例を示す。図１において、この車両のパワートレインは、モータ１、エンジン２、パウダークラッチ（以下、単に「クラッチ」と言う。）３、モータ４（本発明の回転電機）、無段変速機５、減速装置６、差動装置７および駆動輪８から構成される。モータ１の出力軸、エンジン２の出力軸およびクラッチ３の入力軸は互いに連結されている。モータ１とエンジン２は所定の回転比を有する減速装置（図示せず）を介して相互駆動可能に連結されている。また、クラッチ３の出力軸、モータ４の出力軸および無段変速機５の入力軸が互いに連結されている。

クラッチ３締結時はエンジン２とモータ４が車両の推進源となり、クラッチ３開放時はモータ４のみが車両の推進源となる。エンジン２またはモータ４の駆動力は、無段変速機５、減速装置６および差動装置７を介して駆動輪８へ伝達される。無段変速機５には油圧装置９から圧油が供給され、ベルトのクランプと潤滑がなされる。

モータ１は主としてエンジン始動と発電に用いられ、モータ４は主として車両の力行と減速時の回生運転に用いられる。また、モータ１０は油圧装置９のオイルポンプ駆動用である。ただしクラッチ３締結時には、モータ１を車両の力行と制動に用いることもでき、モータ４をエンジン始動や発電に用いることもできる。

モータ１，４，１０はそれぞれ、インバータ１１，１２，１３により駆動される。なお、モータ１，４，１０に直流電動モータを用いる場合には、インバータの代わりにＤＣ／ＤＣコンバータを用いる。インバータ１１〜１３は共通のＤＣリンク１４を介して強電バッテリ１５に接続されており、強電バッテリ１５の直流電力を交流電力に変換してモータ１，４，１０へ供給するとともに、モータ１，４の交流発電電力を直流電力に変換して強電バッテリ１５を充電する。なお、インバータ１１〜１３は互いにＤＣリンク１４を介して接続されているので、回生運転中のモータにより発電された電力を強電バッテリ１５を介さずに直接、力行運転中のモータへ供給することができる。

１６は本発明の制御回路の機能を備えたコントローラであり、マイクロコンピュータとその周辺部品や各種アクチュエータなどを備え、クラッチ３の伝達トルク、モータ１，４，１０の回転数や出力トルク、無段変速機５の変速比、エンジン２の燃料噴射量・噴射時期、点火時期などを制御する。

コントローラ１６には、図２に示すように、キースイッチ２０、セレクトレバースイッチ２１、アクセルペダルセンサ２２、ブレーキスイッチ２３、車速センサ２４、バッテリ温度センサ２５、バッテリＳＯＣ検出装置２６、エンジン回転数センサ２７、スロットル開度センサ２８が接続される。セレクトレバースイッチ２１は、パーキングＰ、ニュートラルＮ、リバースＲおよびドライブＤの何れかのレンジに切り換えるセレクトレバー（図示せず）の設定位置に応じて、Ｐ，Ｎ，Ｒ，Ｄのいずれかのスイッチがオンする。

アクセルペダルセンサ２２はアクセルペダルの踏み込み量を検出し、ブレーキスイッチ２３はブレーキペダルの踏み込み状態を検出する。車速センサ２４は車両の走行速度を検出し、バッテリ温度センサ２５は強電バッテリ１５の温度を検出する。バッテリＳＯＣ検出装置２６は強電バッテリ１５の実容量の代表値であるＳＯＣ（State Of Charge）を検出する。また、エンジン回転数センサ２７はエンジン２の回転数を検出し、スロットル開度センサ２８はエンジン２のスロットルバルブ開度を検出する。

コントローラ１６にはさらに、エンジン２の燃料噴射装置３０、点火装置３１、可変動弁装置３２などが接続される。コントローラ１６は、燃料噴射装置３０を制御してエンジン２への燃料の供給と停止および燃料噴射量・噴射時期を調節するとともに、点火装置３１を駆動してエンジン２の点火時期制御を行う。また、コントローラ１６は可変動弁装置３２を制御してエンジン２の吸・排気弁の作動状態を調節する。なお、コントローラ１６には低圧の補助バッテリ３３から電源が供給される。

以上は本発明が適用可能なハイブリッド車両の基本的な構成例を示したものであり、本発明ではこうしたハイブリッド車両においてパウダークラッチ３の締結または開放動作を適切に制御することにより耐久性や燃費などの諸性能を改善するものである。以下にこのためのコントローラ１６の制御内容の実施形態につき図３以下の各図面を参照しながら説明する。

図３は、通常は中間容量によるすべり動作を禁止すべきクラッチ過熱時に、モータ４からエンジン２への動力切り換えを円滑に行うことを可能にするための制御の概要を示した流れ図、図４はこの制御による無段変速機の変速特性変化例を示す変速特性線図である。なお、図３以下に流れ図として示した各制御は、ハイブリッド車両の総合的な制御の一環として周期的に繰り返し実行される。

この制御では、当初にクラッチ３が開放状態か否か検出し、開放状態のときには次にクラッチ温度Ｔｃを検出する（ステップ３０１，３０２）。このクラッチ温度Ｔｃが予め定められている中間容量使用禁止温度Ｔｏｆｆよりも高いときには、図４に示したように無段変速機５の最Ｌｏｗ線を変速比が小さくなる方向、図では中間車速域にて入力側回転数（図中の「プライマリー回転数」）が最大でも２５００ｒｐｍ程度となるように規制する（ステップ３０３，３０４）。最Ｌｏｗ線はもともとエンジンが過回転しないように車速に応じて最大減速比を規制するように設定されているが、これをさらに高速側に再規制するのであり、その後にクラッチ即締結を許可する（ステップ３０５）。クラッチ即締結とは滑りを伴う中間容量を使用せずに、伝達トルクが最大となる締結状態へと速やかに作動させる制御である。このように最Ｌｏｗ線を規制することにより無段変速機５の入力側回転数すなわちクラッチ３の出力側回転数が再規制を行う前に比較して同一車速に対して低下するため、容易にエンジン２の回転数を制御してクラッチ３の入力側回転数と出力側回転数との同期をとることが可能であり、またクラッチ３を消耗することなくエンジン２へと円滑に動力切り換えを行うことが可能となる。一方、クラッチ温度Ｔｃの判定において、Ｔｃが基準温度Ｔｏｆｆ以下であるときには、最Ｌｏｗ線の規制を解除状態とすると共にクラッチ中間容量の使用を許可して、半クラッチを使用した締結作動を可能とする（ステップ３０６，３０７）。

次に、車速が上昇してゆく過程で実行されるクラッチ締結制御に関する他の実施形態の制御内容を図５に示す。この制御ではまず図２に示したようなセンサ類からの信号に基づき制御に必要な各種運転状態の検出を行った後にクラッチ３が締結可能な状態か否かの判定を行う（ステップ５０１，５０２）。クラッチ締結可否の判定とは、第１にはエンジンがクラッチ締結可能な状態にあるか否かの判定であり、たとえばエンジン始動に失敗したとき、始動クランキングが不能なとき、エンジンがシリーズ運転しており放電状態であることが検出されたときなどにはクラッチ締結要求を出さずに今回の制御ループを終了する（ステップ５１３）。また、第２には駆動系の制御状態としてクラッチ締結可能か否かの判定であり、たとえば現時点でクラッチ３に対して即締結モードでの締結要求がないこと、同じく中間容量を使用して締結するモードでの締結要求がないこと、クラッチ３が現在開放されていること、クラッチ３を強制開放状態とすべき温度状態でないこと、クラッチ３の非常時開放要求がないこと、無段変速機５が前進走行レンジ（ドライブレンジ、ローレンジなど）にあること、即モードでの締結禁止がなされていないことなどのすべての条件が成立したときには以下の制御に移行し、成立しなかったときには締結要求を出さない。

上記判定処理において締結可と判定されたときには、次に車両の目標駆動力をスロットル開度センサ２８や車速センサ２４等からの信号に基づいて演算した結果から、目標駆動力がゼロ以下、つまり減速状態にあるか否かの判定を行う（ステップ５０３）。ここで目標駆動力＞０つまり減速状態ではないことを判定したときには、モータ電力によるクラッチ３の目標締結車速ｃｎｖｓｐＰとモータ出力制限値によるクラッチ３の目標締結車速ｃｎｖｓｐＢとをそれぞれ次式により演算する（ステップ５０４，５０５）。なお、クラッチ３の目標締結車速を以下単に目標締結車速と呼ぶ。

ｃｎｖｓｐＰ
＝駆動系代表値・モータ４力行電力・モータ４代表効率／目標駆動力 …(1)
ｃｎｖｓｐＢ
＝駆動系代表値・モータ４基準電力・モータ４出力制限値／目標駆動力…(2)
上記(1)、(2)式において、駆動系代表値とは駆動系においてモータ４以降の駆動力に影響する車両諸元値であり、主としてその時点での総減速比とタイヤ有効半径である。また、モータ４の力行電力とは力行時の消費電力、代表効率とは最も使用頻度の高い運転領域でのモータ効率、基準電力とはモータ４の短時間定格電力、出力制限値とはバッテリ能力等により制限される出力値である。

このようにして演算した２つの目標締結車速のうち、大きい方を目標締結車速ｃｎｖｓｐとして設定し、さらにその値からマージン車速ｃｎｖｓｐＭを減じたものを新たな目標締結車速ｃｎｖｓｐとして再設定する（ステップ５０６，５０７）。マージン車速とはエンジン始動からクラッチ締結に至るまでの所要時間を考慮して実際の車速に対し早めにクラッチ締結を開始するための補正分に相当し、たとえば４km/h程度に設定する。

次に目標締結車速ｃｎｖｓｐが所定の上限値ｃｎｖｓｐｍａｘを超えているときにはｃｎｖｓｐｍａｘを、または下限値ｃｎｖｓｐｍｉｎを下回っているときにはｃｎｖｓｐｍｉｎを、最終的に目標締結車速ｃｎｖｓｐとして再設定する（ステップ５０８）。また、目標駆動力がゼロ以下の減速状態を判定したとき（ステップ５０３）には、目標締結車速を上限値ｃｎｖｓｐｍａｘに設定する（ステップ５１２）。前記上限値ｃｎｖｓｐｍａｘ、下限値ｃｎｖｓｐｍｉｎとしては、それぞれたとえば５０km/h、１０km/h程度である。

次に、実車速Ｖｓｐが目標締結車速ｃｎｖｓｐ以上であり、かつｃｎｖｓｐが下限値ｃｎｖｓｐｍｉｎに等しくない場合には、その状態が所定時間（たとえば１００ｍｓｅｃ）以上継続したことを条件としてクラッチ３に即締結要求を行い即座に締結させる（ステップ５０９〜５１１）。前記以外の場合にはクラッチ締結要求は出さない（ステップ５１３）。実車速Ｖｓｐが上限値ｃｎｖｓｐｍａｘを超えるときにはクラッチ３を締結して過度な内回しによるクラッチ摩耗を回避する一方、同じく下限値ｃｎｖｓｐｍｉｎを下回るときにはクラッチ３を開放して効率の悪い運転域でのエンジン使用を避けるようにしている。

図６に、車速が目標締結車速となってモータ４からエンジン２へと駆動力を切り換えるときのモータ１と４のトルク、エンジントルク、モータ４とエンジン２の回転数の制御例を示す。図示したように、前記動力切換時にはまずアイドルストップ状態にあるエンジン２をモータ１によりクランキングおよび始動完爆させ、その後のエンジン回転数とモータ４の回転数とを同期させたうえでクラッチ３に締結指令を出してエンジン２を駆動系に接続する。引き続き、モータ４とモータ１のトルクを調整しながら駆動系に付与するトルクをエンジントルクへと円滑に移行させる。このような駆動系への動力切換時に、上記制御によれば実車速が目標締結車速に達するよりも、マージン車速を与えた分だけ早期にクラッチ３が締結動作を開始するので、エンジン始動からトルク移行に至るまでの切換動作の時間を短縮することができ、それだけエンジン走行による効率のよい走行域を活用できることになるので燃費を改善することができる。

次に、車速が下降してゆく過程で実行されるクラッチ開放制御に関する実施形態の制御内容を図７に示す。この制御ではまず各種運転状態の検出を行った後にクラッチ３が開放可否の判定を行う（ステップ７０１，７０２）。クラッチ開放可否の判定では、クラッチ３の現在の締結状態と開放要求の有無を判定し、現在締結状態かつ開放要求なしのときにはクラッチ３に開放要求を出さずに今回の制御ループを終了する（ステップ７１３）。前記以外の場合にはステップ７０３以降の開放要求を行う制御に移行する。

上記判定処理において開放可と判定されたときには、次に車両の目標駆動力を演算した結果から車両が減速状態にあるか否かの判定を行う（ステップ７０３）。ここで目標駆動力＞０つまり減速状態ではないことを判定したときには、モータ電力予測値によるクラッチ３の目標開放車速ｃｎｖｓｐＰとモータ出力制限値によるクラッチ３の目標開放車速ｃｎｖｓｐＢとをそれぞれ次式により演算する（ステップ７０４，７０５）。なお、クラッチ３の目標開放車速を以下単に目標開放車速と呼ぶ。

ｃｎｖｓｐＰ
＝駆動系代表値・モータ４力行電力予測値・モータ４代表効率／目標駆動力
…(3)
ｃｎｖｓｐＢ
＝駆動系代表値・モータ４基準電力・モータ４出力制限値／目標駆動力
…(4)
上記(3)、(4)式において、駆動系代表値、モータ４の代表効率、基準電力、出力制限値については既述したとおりである。モータ４力行電力予測値とは、この場合車両の動力をエンジン２からモータ４へと切り換えてモータ４のみによる走行状態へと移行するので、その移行後の走行状態におけるモータ４の電力を車速、要求駆動力等に基づいて予測演算した結果である。

このようにして演算した２つの目標開放車速のうち、大きい方を目標開放車速ｃｎｖｓｐとして設定し、さらにその値からマージン車速ｃｎｖｓｐＭを減じたものを新たな目標締結車速ｃｎｖｓｐとして再設定する（ステップ７０６，７０７）。この場合のマージン車速ｃｎｖｓｐＭは、開放動作におけるクラッチ３の作動応答遅れを見込んで、実車速が目標開放車速に達するよりも少し早めにクラッチ開放動作を開始させるためのものである。

次に目標開放車速ｃｎｖｓｐが所定の上限値ｃｎｖｓｐｍａｘを超えているときにはｃｎｖｓｐｍａｘを、または下限値ｃｎｖｓｐｍｉｎを下回っているときにはｃｎｖｓｐｍｉｎを、最終的に目標開放車速ｃｎｖｓｐとして再設定する（ステップ７０８）。

次に、実車速Ｖｓｐが目標開放車速ｃｎｖｓｐ以下となったこと、無段変速機５の入力側回転数（すなわちモータ４の回転数）Ｎｐｒが所定の基準値Ｎｐｒｏ以下であること、目標駆動力がモータ４の出力可能トルク（その時点での電力等に応じて出力しうる最大トルクの予測値）以下であることのすべての条件が成立したときには、さらにこの条件成立が所定時間以上継続したことを条件としてクラッチ３に開放要求を出力して開放動作させる（ステップ７０９〜７１１）。前記以外の場合にはクラッチ開放要求は出さない（ステップ７１３）。ここでは、特に前記基準値Ｎｐｒｏによりクラッチ開放後の内回し回転数を規制することによりクラッチの耐久性を高めている。

一方、上記ステップ７０３にて目標駆動力がゼロ以下の減速状態を判定したときには、実車速Ｖｓｐが目標開放車速の上限値ｃｎｖｓｐｍａｘ以下であること、目標駆動力が回生可能トルク以上であること、無段変速機５の入力側回転数Ｎｐｒが基準値Ｎｐｒｏ以下であることのすべての条件が成立した状態が所定時間以上継続したときにクラッチ開放を行い（ステップ７１２，７１０，７１１）、前記条件が成立しなかったときにはクラッチ開放要求は行わない（ステップ７１３）。前記の目標駆動力とはこの場合は減速時のエンジンブレーキに相当する負のトルクを意味している。クラッチ締結状態では実際のエンジンブレーキ作用をそのまま利用するが、クラッチ開放したときには車両の慣性力によりモータ４を駆動して発電させる回生動作を原則として行い、このときの発電負荷（回生トルク）をエンジンブレーキのように利用する。ただし、もしも減速時にモータ４によって得られる回生トルクの最大値が、適度な減速性能を付与すべき目標駆動力に満たないとき、つまり回生動作によっては適度な減速を行えないときには、クラッチ開放を見合わせることにより減速感の変動を防止するようにしている。

、本発明が適用可能なハイブリッド車両の構成例を示す概略構成図。本発明の制御回路による制御の第一の実施形態の概要を示す流れ図。上記実施形態による動作例を示す変速特性線図。本発明の制御回路によるクラッチ締結制御に関する他の実施形態の概要を示す流れ図。上記クラッチ締結制御を適用する動力切換時の各部の回転数またはトルクの制御状態を示すタイミングチャート。本発明の制御回路によるクラッチ開放制御に関する他の実施形態の概要を示す流れ図。

符号の説明

１モータ
２エンジン
３パウダークラッチ
４モータ（回転電機）
５無段変速機
９油圧装置
１０油圧発生用モータ
１５バッテリ
１６コントローラ
１９ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０キースイッチ
２１セレクトレバースイッチ
２２アクセルペダルセンサ
２３ブレーキスイッチ
２４車速センサ
２５バッテリ温度センサ
２６バッテリＳＯＣ検出装置
２７エンジン回転数センサ
２８スロットル開度センサ

Claims

駆動または回生発電を行う回転電機を備えた駆動系統と、この駆動系統にエンジン回転を伝達するパウダークラッチと、車両運転状態に応じて前記パウダークラッチを制御する制御回路とを備えたハイブリッド車両において、
前記制御回路を、パウダークラッチ締結状態での減速時には、回転電機により所要の減速トルクが発生できる状態、かつ回転電機の回転数が所定の基準値以下であるときに限りパウダークラッチを開放し、前記減速トルクを発生させる構成としたハイブリッド車両の制御装置。