JP3800218B2 - ハイブリッド車両の変速制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジン及びモータを搭載するハイブリッド車両の変速制御装置に関するものである。
従来より、ハイブリッド車両において無駄なエネルギー消費を抑える手法が種々提案されている。例えば特許文献１では、要求駆動力が増大する過渡時においては変速速度を遅らせることで運転状態が頻繁に切り替わることを抑制し、エネルギーの無駄な消費を抑えている。すなわち、速いアクセル踏み増し＆戻し操作が頻繁に行われた場合に変速速度が速いとエンジンの慣性でエネルギーを消費してしまうので、このような場合には変速速度を遅くすることでエネルギーの無駄な消費を抑制することができる。なお、バッテリの出力電力が小さいときは駆動力を確保するために変速を遅くすることができないが、バッテリの出力電力が大きければ駆動力を確保する余裕があるので、バッテリの出力電力が大きいときほど変速速度を遅らせている。
特開２００１−１６４９６０号公報
しかし、車両全体の効率（損失）の観点から考えると、必ずしも変速速度を遅くしたほうがよいとは限らない。すなわち、変速速度を遅くすれば、駆動力の不足分をバッテリから補うことになるので、その分の充放電損失が新たに発生してしまう。またエンジン動作点の燃費率が著しく悪い所から最良点に変速する場合などは、速く変速したほうがガソリン消費量を抑制することができる。
このように車両の燃費はユニット全体の効率（損失）が複雑に絡み合って決まるので、上述したように変速速度を遅らせるだけでは、燃費が必ずしも向上するとは限らない。
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、燃費特性に優れたハイブリッド車両の変速制御装置を提供することを目的としている。
本発明は以下のような解決手段により前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
本発明は、エンジン（１）と、少なくとも、前記エンジンの出力で発電を行う発電モータ（２）と、駆動軸（４ａ）と、少なくとも３個の歯車要素を備え、各歯車要素に前記エンジン、発電モータ及び駆動軸をそれぞれ連結する差動歯車式変速装置（１３）と、を有するハイブリッド車両において、アクセルペダルの踏み込み位置を検出するアクセル開度センサ（１５）と、アクセル開度に応じて目標駆動力を演算する目標駆動力演算手段（１６，１７）と、前記目標駆動力に応じてエンジン出力とその動作点を決定する目標エンジン動作点設定手段（１８〜２０）と、前記目標エンジン動作点に従ってエンジン動作点を制御するエンジン動作点制御手段（７，８，２２〜２５）と、前記エンジン動作点の変化速度を、速く又は遅くに切り替える切替手段（２１）と、を備え、前記エンジン動作点制御手段は、エンジン回転速度が上昇する場合であって前記目標エンジン動作点におけるシステム全体の効率が上昇する方向への遷移のときには、前記エンジン動作点の変化速度を速くする、ことを特徴とする。
本発明によれば、エンジン回転速度が上昇する場合であって、目標エンジン動作点におけるシステム全体の効率が上昇する方向への遷移のときには、エンジン動作点の変化速度を速くする。そのため、変速の際に生じる損失をシステムトータルとして減少することができるので、燃費の向上を図ることができる。
以下、図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は本発明によるハイブリッド車両の変速制御装置の第１実施形態の構成を示す図である。図２は本実施形態で使用する遊星歯車について説明する図である。
なお、本実施形態では、遊星歯車を使用するパラレルハイブリッド車両を例示して説明する。
パワートレインはエンジン１と発電モータ２と駆動モータ３とから構成され、これらはすべて遊星歯車１３に機械的に接続されている。
図２に示すように、遊星歯車１３は、サンギア１３ｓと、リングギア１３ｒと、キャリア１３ｃとを有する。エンジン１はキャリア１３ｃに接続され、発電モータ２はサンギア１３ｓに接続され、駆動モータ３はリングギア１３ｒに接続されており、さらにリングギア１３ｒはファイナルギア４、駆動軸４ａを介してタイヤ５に接続されている。
エンジン１のトルクは、統合コントローラ９から出力されるエンジントルク指令値に基づいてエンジンコントローラ７がスロットル開度を調整して制御する。またエンジン１、発電モータ２、駆動モータ３の回転速度の関係は、図３の共線図で示される。エンジン１の回転速度は、図３の関係にしたがって発電モータ２の回転速度によって制御される。なお図３のα、βはそれぞれサンギア１３ｓのギア比、リングギア１３ｒのギア比である。バッテリコントローラ１０はバッテリ６の電圧・電流を検出し、ＳＯＣ(State of Charge;蓄電状態)、入出力可能電力を演算し統合コントローラ９に出力する。また駆動モータコントローラ１１は、統合コントローラ９の駆動モータトルク指令値に基づき駆動モータ３のトルクをベクトル制御する。さらに統合コントローラ９には、アクセルペダル１２の踏み込み位置(APS)を検出するアクセル開度センサ１５の信号及び車速を検出する車速センサ１４の信号が入力される。
図４は統合コントローラ９の制御ブロック図である。なお本制御は一定時間（例えば１０msec）毎にすべて演算するものとする。
アクセルペダル１２のアクセル開度センサ１５から検出した信号(APS)と、車速センサ１４から検出した信号とに基づいて、目標車軸駆動トルク算出部１６で車軸駆動トルクマップ（１６）を参照して目標車軸駆動トルクTpdを求める。車軸駆動トルクマップには予めアクセル開度と車速ごとに決まる目標駆動力にタイヤ５の半径を乗じて車軸駆動トルクに変換した値を入れておく。目標駆動パワー算出部１７で目標車軸駆動トルクTpdに車速センサ１４の信号から求まる車軸回転速度を乗じて目標駆動パワーPpdを求める。このように、目標車軸駆動トルク算出部１６及び目標駆動パワー算出部１７は、車速センサ１４の信号及びアクセル開度センサ１５の信号(APS)に基づいて目標駆動力を演算する手段である。
目標エンジン出力算出部１８ではバッテリコントローラ１０で求めたバッテリ６の蓄電状態（ＳＯＣ）と目標駆動パワーPpdに基づいて目標エンジン出力マップ（１８）を参照して目標エンジン出力Peng及びエンジン燃料カットフラグfengを求める。基本的には目標エンジン出力マップからバッテリ６の電力を使わないで目標駆動パワーPpdを実現できるエンジン出力を求めることになるが、それには発電モータ２や駆動モータ３で発生する損失分を考慮する必要があり、目標エンジン出力Pengは次式となる。
[目標エンジン出力Peng]＝[目標駆動パワーPpd]＋[発電モータ２で発生する損失]＋[駆動モータ３で発生する損失]
なお発電モータ２及び駆動モータ３で発生する損失は、図３の関係からエンジン動作点及び車速によって決まり、またエンジン動作点は目標駆動パワーPpdを実現する全エンジン動作点の中から発電モータ２及び駆動モータ３で発生する損失を含め、最も効率の高い（燃費の良い）動作点をあらかじめ収束計算等によって求めておく。以上のようにして求まる目標エンジン出力は基本的にはバッテリ６の電力を使わないで目標駆動パワーを実現できるが、エンジン及びモータの応答速度の違いやエンジン出力及びモータ損失等で発生する誤差により、多少はバッテリ６の電力を使ってしまう。そのため目標エンジン出力にはバッテリ６のＳＯＣに応じて充放電電力を加算する必要があり、ＳＯＣが下がればバッテリ６を充電するように目標エンジン出力を増加させ、ＳＯＣが上がればバッテリ６を放電するように目標エンジン出力を減少させる。このようにして目標駆動パワーPpdとＳＯＣから求まる目標エンジン出力マップを作成することができる。またエンジン燃料カットフラグfengは目標エンジン出力Pengに応じてPeng≧０なら０（燃料噴射）、Peng＜０なら１（燃料カット）を出力する。
このようにして求めた目標エンジン出力Pengは、エンジントルク指令値出力部１９においてエンジンコントローラ７で検出したエンジン１の実エンジン回転速度で除算し、エンジントルク指令値Ｔｅを求める。エンジントルク指令値Tｅはエンジン燃料カットフラグfengとともにエンジンコントローラ７に送られ、それら値に基づきエンジン１のスロット開度と燃料噴射量およびそのタイミングを制御してトルクを制御する。
エンジン回転速度指令値出力部２０では最良燃費線テーブルから目標エンジン出力Pengを出力する全動作点の中から最も燃費のよい回転速度を求め、それをエンジン回転速度指令値Ｎeとする。このように、目標エンジン出力算出部１８、エンジントルク指令値出力部１９及びエンジン回転速度指令値出力部２０は、目標駆動力に応じてエンジン出力とその動作点を決定する手段である。
エンジン回転速度指令値Ｎeはフィルタ２２で処理を施されるが、そのフィルタ２２の時定数τを時定数出力部２１で求めている。時定数出力部２１は、条件に応じて、遅い応答を実現する時定数Ａと、早い応答を実現する時定数Ｂとを切り替えている。図４では実発電モータ回転速度sNgが正なら遅い応答を実現する時定数Ａを、負なら早い応答を実現する時定数Ｂを求めている。
次にこのようにすることで燃費が向上する理由について説明する。
図４ではフィルタの時定数を発電モータの実回転速度sNgから決定しているが、図２に示すシステムではエンジン回転速度を所望の値にするためには、発電モータ２でエンジントルクを抑えるトルクを出力する必要がある。そのため常に発電モータ２では損失が発生する。発電モータ２の損失の大きさは、発電モータ２の発電および力行電力の大きさに比例するので、発電および力行電力の大きさが最も小さくなるのは発電モータの回転速度が０のときである。したがって、発電モータ２の回転速度が正の場合にエンジン回転速度を上げると図５（Ａ）のように損失も増加するので、ゆっくりと上げたほうが損失は小さくなる。逆に発電モータの回転速度が負の場合にエンジン回転速度を上げると図５（Ｂ）のように損失は減少するので、発電モータの回転速度が早く０になるようにしたほうが損失は小さい。
再び図４に戻り、制御ブロック図の説明を続ける。
発電モータ回転速度換算部２３ではフィルタ２２で処理されたエンジン回転速度指令値Ｎeを図３の共線図で示すα及びβの関係と駆動モータ３の実回転速度Ｎm（∝車速）から発電モータ２の回転速度に変換し、発電モータ回転速度指令値Ｎgを求める。すなわちＮg＝-｛α・Ｎm−（α＋β）・Ｎe｝/βとなる。そして演算部２４において発電モータ回転速度指令値Ｎgと実発電モータ回転速度sＮgとの差を求め、発電モータトルク演算部２５で実発電モータ回転速度sＮgが発電モータ回転速度指令値Ｎgと等しくなるような発電モータトルク指令値Tgを求める。発電モータトルク指令値Tgは発電モータコントローラ８に送られ、発電モータ２のトルクをベクトル制御する。なお発電モータトルク指令値Tgの具体的な求め方としては発電モータ回転速度換算部２３で算出した発電モータ回転速度指令値Ｎgと実発電モータ回転速度sＮgとの差をPID制御する方法がある。このように、エンジンコントローラ７、発電モータコントローラ８、フィルタ２２、発電モータ回転速度換算部２３、演算部２４及び発電モータトルク演算部２５は、エンジン動作点を制御する手段である。
一方、除算部２６では目標車軸駆動トルクTpdをファイナルギア４のファイナルギア比Gfで除算し、駆動モータ軸上での目標駆動トルク指令値Tmdを求める。駆動モータトルク演算部２７では発電モータトルク指令値Tgと目標駆動トルク指令値Tmdから図３の共線図におけるトルクのバランスを考慮して、駆動モータトルク指令値Tmを求める。すなわちTm＝Tmd−(α/β)・Tgとなる。
なお、発電モータトルク指令値Tgの代わりに発電モータ２の推定トルクを用いたり、エンジン１の推定トルクを用いてもよい。例えば、エンジン１の推定トルクを用いる場合は推定トルクをTe'とすると、Tm＝Tmd−α/(α+β)・Te'となる。なお駆動モータトルク指令値Tmは駆動モータコントローラ１１に送られ、駆動モータ３のトルクをベクトル制御する。このように、駆動モータコントローラ１１、除算部２６、駆動モータトルク演算部２７は、駆動モータ３を制御する手段である。
このように、本実施形態によれば、エンジン回転速度が上昇する場合であって目標エンジン動作点におけるシステム全体の効率が上昇する方向への遷移のときには、エンジン動作点の変化速度を速くするようにしたので、変速の際に生じるシステム全体の損失を確実に減少させ、燃費を向上させることができる。
また、モータ損失の増加減をモータ回転方向から判断して変速速度を決定できるので、モータ損失を計算する必要がなくなる。
（第２実施形態）
図６は本発明によるハイブリッド車両の変速制御装置の第２実施形態の構成を示す図である。
なお以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
本実施形態では、第１実施形態の図４の破線で囲んだ部分を図６のようにした。すなわち、最大効率パワー算出部２８で車速に応じて決まるシステム全体の効率が最大となる動作点を求め、その動作点におけるエンジン出力を最大効率パワーＰｅｆｆとする。そして、大小判定部２９で目標エンジン出力Ｐｅｎｇと最大効率パワーＰｅｆｆを比較して、目標エンジン出力Ｐｅｎｇが最大効率パワーＰｅｆｆ以上の場合には遅い応答を実現する時定数Ａを、未満の場合は早い応答を実現する時定数Ｂを設定する。
発電モータ２の損失以外に、エンジン１の燃費率、駆動モータの損失等、システム内で発生する全損失を考慮して、システム効率が最も高い（全損失が小さい）動作点に向かうときは時定数Ｂを設定することで損失を減らし、逆に離れるときは時定数Ａを設定することで損失を減らすことができる。実際のシステムで各動作点ごとのシステム効率を計算してみると、図３のような車速をパラメータとした関数となり、システム効率の支配的な要因は発電モータ２の損失であった。発電モータ２の損失がシステム効率の支配的要因となる理由は、上述の通り図２に示すシステムではエンジンの動作点を決定するのに必ず発電モータ２を駆動する必要があり、実際に使う動作点付近では、図３からもわかるように動作点が変化することによる発電モータ回転速度（∝損失）の変化量が、エンジン１の回転速度（燃費率）の変化量や駆動モータ３の回転速度（損失）の変化量より感度が高いためである。
このようにしたので、本実施形態によれば、変速の際に生じるシステム全体の損失を確実に減少させ、燃費を向上させることができた。
（第３実施形態）
図７は本発明によるハイブリッド車両の変速制御装置の第３実施形態の構成を示す図である。
上述の第１実施形態では、発電モータ回転速度によって時定数の切り替えを行っているが、本実施形態では、発電モータ２の損失を直接求めて時定数を設定するようにした。すなわち、本実施形態では図７のようにして時定数を切り替える。まず、最小損失パワー算出部３０で車速に応じて決まる発電モータ２の損失が最小となる動作点を求め、その動作点におけるエンジン１の出力を最小損失パワーPlossとする。そして、大小判定部３１で目標エンジン出力Pengと最小損失パワーPlossとを比較して、目標エンジン出力Pengが最小損失パワーPloss以上の場合は遅い応答を実現する時定数Ａを、未満の場合は早い応答を実現する時定数Ｂを設定する。
このようにしたので、本実施形態によれば、システム全体の損失の最も支配的な発電モータ２の損失のみで変速速度を決定できるので、オンラインで複雑なシステム全体の損失を計算する必要がなくなる。
（第４実施形態）
図８は本発明によるハイブリッド車両の変速制御装置の第４実施形態の構成を示す図である。
本実施形態では、図８のようにして時定数を切り替える。すなわち、時定数出力部２１で時定数τを決定した後、３２でエンジン始動時なら早い時定数Ｂと異なる早い時定数Ｂ’を設定する。なおＢ’はＢと同じでもよい。
このようにしたので、本実施形態によれば、エンジン始動時に燃費率の著しく悪い動作点に長く留まることを確実に防止して、燃費を向上させることができる。
（第５実施形態）
図９は本発明によるハイブリッド車両の変速制御装置の第５実施形態の構成を示す図である。
本実施形態では、図９のようにして時定数を切り替える。すなわち、時定数出力部２１で時定数τが決定した後、３３で目標エンジン出力が増加中か減少中かを判断して、増加中であれば２１の出力を選択し、減少中なら早い時定数Ｂと異なる早い時定数Ｂ’を設定する。なおＢ’はＢと同じでもよい。
このようにしたので、本実施形態によれば、エンジン回転速度が減少する場合に燃費率の著しく悪い動作点に長く留まることを確実に防止して、燃費を向上させることができる。
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
例えば、第１実施形態において、図１のシステムを簡素化して出力軸（リングギア）に接続された駆動モータを省略したシステムや、図１０に示す複数の遊星歯車を組み合わせたシステムにも適用することができる。
ただし図１０に示すシステムに適用する場合、発電モータ２が基本的に図１０のモータ１に相当するが、α、βの値によってはモータ２に相当する場合もある。
本発明によるハイブリッド車両の変速制御装置の第１実施形態の構成を示す図である。 第１実施形態で使用する遊星歯車について説明する図である。 エンジン、発電モータ及び駆動モータ３の回転速度の関係を示す共線図である。 統合コントローラの制御ブロック図である。 発電モータの損失を説明する図である。 本発明によるハイブリッド車両の変速制御装置の第２実施形態の構成を示す図である。 本発明によるハイブリッド車両の変速制御装置の第３実施形態の構成を示す図である。 本発明によるハイブリッド車両の変速制御装置の第４実施形態の構成を示す図である。 本発明によるハイブリッド車両の変速制御装置の第５実施形態の構成を示す図である。 複数の遊星歯車を組み合わせたシステムへの適用形態を示す図である。
符号の説明
１ エンジン
２ 発電モータ
３ 駆動モータ
４ ファイナルギア
５ タイヤ
７ エンジンコントローラ
８ 発電モータコントローラ
９ 統合コントローラ
１１ 駆動モータコントローラ
１２ アクセルペダル
１３ 遊星歯車
１４ 車速センサ
１５ アクセル開度センサ
１６ 目標車軸駆動トルク算出部
１７ 目標駆動パワー算出部
１８ 目標エンジン出力算出部
１９ エンジントルク指令値出力部
２０ エンジン回転速度指令値出力部
２１ 時定数出力部
２２ フィルタ
２３ 発電モータ回転速度換算部
２４ 演算部
２５ 発電モータトルク演算部
２６ 除算部
２７ 駆動モータトルク演算部

Claims (6)

  1. エンジンと、
    少なくとも、前記エンジンの出力で発電を行う発電モータと、
    駆動軸と、
    少なくとも３個の歯車要素を備え、各歯車要素に前記エンジン、発電モータ及び駆動軸をそれぞれ連結する差動歯車式変速装置と、
    を有するハイブリッド車両において、
    アクセルペダルの踏み込み位置を検出するアクセル開度センサと、
    アクセル開度に応じて目標駆動力を演算する目標駆動力演算手段と、
    前記目標駆動力に応じてエンジン出力とその動作点を決定する目標エンジン動作点設定手段と、
    前記目標エンジン動作点に従ってエンジン動作点を制御するエンジン動作点制御手段と、
    前記エンジン動作点の変化速度を、速く又は遅くに切り替える切替手段と、
    を備え、
    前記エンジン動作点制御手段は、エンジン回転速度が上昇する場合であって前記目標エンジン動作点におけるシステム全体の効率が上昇する方向への遷移のときには、前記エンジン動作点の変化速度を速くする、
    ことを特徴とするハイブリッド車両の変速制御装置。
  2. 前記駆動軸に連結された駆動モータを有し、
    前記差動歯車式変速装置は、各歯車要素に前記エンジン、発電モータ及び駆動モータをそれぞれ連結し、
    前記駆動モータの出力を、前記目標駆動力及びエンジン動作点に基づいて制御する駆動モータ制御手段をさらに備える、
    ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド車両の変速制御装置。
  3. 前記エンジン動作点制御手段は、エンジン回転速度が上昇する場合には、エンジン動作点変化速度を、前記目標エンジン動作点における前記発電モータの損失に応じて制御する、
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のハイブリッド車両の変速制御装置。
  4. 前記エンジン動作点制御手段は、エンジン回転速度が上昇する場合には、エンジン動作点変化速度を前記発電モータの回転方向に応じて制御する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のハイブリッド車両の変速制御装置。
  5. 前記エンジン動作点制御手段は、前記エンジンの始動時には、エンジン動作点変化速度を速くする、
    ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のハイブリッド車両の変速制御装置。
  6. 前記エンジン動作点制御手段は、エンジン回転速度が上昇する場合であって前記目標エンジン動作点におけるシステム全体の効率が下降する方向への遷移のときには、エンジン動作点変化速度を遅くする、
    ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のハイブリッド車両の変速制御装置。
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