JP3812570B2 - ハイブリッド車両の駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明はエンジンと回転電機によるハイブリッド車両に適した駆動装置に関し、より詳しくは遊星歯車機構等の差動装置を介してトルク伝達を制御可能な駆動装置の改良に関する。
この種の差動機構を用いた駆動装置としては、特許文献１に示されるように、遊星歯車機構を構成するサンギヤ、プラネタリキャリア、リングギヤの３要素に、それぞれ主に発電機として機能する第１モータジェネレータ、エンジン、主に力行用モータとして機能する第２モータジェネレータを連結した構成のハイブリッド車用駆動装置が知られている。この駆動装置によれば、歯車の差動機能を利用してエンジン出力の一部を発電用に配分し、発生電力をモータ出力として供給することで、無段変速および出力トルクの増減を行うことができる。
特開第３０４５０６３号公報
前記駆動装置には、装置に失陥を生じたときのフェイルセイフの機能として次のような問題点がある。
・第１モータジェネレータ失陥時
第１モータジェネレータが失陥した場合、前記の第１モータジェネレータとエンジンのトルクによる平衡状態を発生できなくなるため、第２モータジェネレータのみがリングギヤにトルクを伝達する「モータ走行」の状態となる。この状態で走行を継続した場合、バッテリの過放電を防止するためにモータ走行を継続できなくなる。
また、第１モータジェネレータが失陥した場合には、エンジンのトルクを第１モータジェネレータまたは第２モータジェネレータに伝達して発電をさせることができなくなるという問題も生じる。
さらに、アイドルストップ中やエンジン停止状態でのモータ走行中に第１モータジェネレータが失陥した場合、前記の第１モータジェネレータとエンジンのトルクによる平衡状態を発生できないため、エンジン始動のためのトルクを供給できず、エンジン始動ができなくなる。
・第２モータジェネレータ失陥時
第２モータジェネレータが失陥した場合、第１モータジェネレータがサンギヤに伝達するトルクとエンジンがキャリアに伝達するトルクの平衡状態により、リングギヤに伝達されるトルクのみで車両を走行させる「直行トルク走行」の状態になる。このとき、第１モータジェネレータがサンギヤにトルクを発生させるためには発電を行わなければならず、したがってバッテリの過充電を防止するために直行トルク走行を継続できなくなる。
・コントローラ失陥時
第１モータジェネレータおよび第２モータジェネレータを制御するコントローラに失陥を生じた場合には、それぞれが空転してしまいエンジンの出力トルクを駆動力として取り出すことができなくなるおそれが生じる。
本発明では、遊星歯車機構など共線図上に３個以上の入出力要素が配列される差動装置を備え、前記要素のうち共線図上の配列において両端に位置する要素よりも内側に位置する要素を含む２個の要素のうちの一方にエンジンを、他方にモータとしての機能を有する第１の回転電機および車両の駆動輪に至る駆動機構をそれぞれ連結する。差動装置の残りの要素には前記モータに電力を供給するバッテリを充電するための発電機としての機能を有する第２の回転電機を連結する。さらに、バッテリSOCおよび運転者の要求負荷に基づいて駆動電力および充電電力の供給を制御する機能を有するハイブリッド制御装置と、前記エンジンの出力トルクを運転者の要求負荷に基づいて制御する機能を有するエンジン制御装置と、前記ハイブリッド制御装置の失陥を検出する失陥検出装置と、前記第２の回転電機の回転を拘束する拘束装置と、前記ハイブリッド制御装置とは別に設けられ、該ハイブリッド制御装置の失陥を検出したときに前記拘束装置により第２の回転電機の回転を拘束し、前記エンジン制御装置により制御されたエンジン出力トルクにより駆動力を発生させる拘束制御装置とを設ける。
本発明によれば、ハイブリッド制御装置の失陥により第１の回転電機または第２の回転電機の何れか一方または両方が正常に機能しなくなったとしても、第２の回転電機の回転を拘束すると共にエンジン制御装置により制御されるエンジンの出力を車両駆動系統に伝達することができるので、エンジン出力に基づいて車両の走行を継続することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明によるハイブリッド車両の駆動装置の一実施形態であるトランスアクスルの構成を示している。図中1は作動装置としての遊星歯車機構であり、サンギヤS、キャリヤ（プラネットキャリヤ）C、リングギヤRの３要素からなっている。
2はエンジンであり、内燃機関等の燃焼機関である。3は主として力行用モータおよび回生発電機として機能するモータジェネレータであり、本発明との関係では第１の回転電機に相当する。4は主として発電機およびエンジンスタータモータとして機能するモータジェネレータであり、本発明との関係では第２の回転電機に相当する。以下、説明の便宜上第1の回転電気3をモータ3、第2の回転電気4を発電機4と呼称する。
この実施形態では遊星歯車機構1の各入出力要素と前記エンジン2およびモータ3、発電機4との結合関係は次の通りである。すなわちエンジン2の出力軸2sはキャリアCに、モータ3の出力軸3sはリングギヤRに、発電機4のロータ軸4sはサンギヤSにそれぞれ直結している。モータ3は、その出力軸3Sが減速機構5、差動歯車装置6、ドライブシャフト7を介して駆動輪8に至る車両駆動系統に連結しており、車両走行時は常に駆動輪8と共に回転する構成である。
発電機4には、そのロータ軸4sと、遊星歯車機構1等を収容するケース内の固定部分9との間に回転拘束装置としての電磁クラッチ11が介在しており、電磁クラッチ11に通電して締結状態とすることによりサンギヤSおよび発電機4の回転が拘束される。
図２は、前記結合関係（ただし電磁クラッチ11は開放状態）における各入出力要素の出力トルクの関係を表した共線図である。この共線図の横軸上に配列した縦軸S,C,Rはそれぞれ発電機4（サンギヤ）、エンジン2（キャリヤ）、モータ3（リングギヤ）の回転数または出力トルクを表し、各軸の間隔はそれぞれの歯数比となっている。図はエンジン１とモータ3が駆動力を発揮しつつその一部の出力トルクにより発電機4を駆動している状態を表しており、すなわちこの場合に車両の駆動力として出力される軸トルクは、キャリアCに負荷されるエンジントルクとサンギヤSに負荷される発電機駆動トルクの平衡によりリングギヤRに伝達される直行トルクと、リングギヤRに直接伝達されるモータ3によるトルクの和になる。
この実施形態での遊星歯車機構1の各入出力要素とエンジン2およびモータ3、発電機4との結合関係は前記の通りであるが、これに限られずモータ3をキャリヤCに連結し、エンジン2または発電機4の一方をサンギヤSに、他方をリングギヤRに連結した構成とすることもできる。
図３に前記駆動装置の制御系統の構成例を示す。図中21はハイブリッド制御装置、22はエンジン制御装置を示している。ハイブリッド制御装置21は、車両の運転状態を検出するセンサ23から出力される信号に基づいて運転状態を判定し、当該運転状態に対応する目標駆動力を設定すると共に、予め運転状態に応じて設定されたパターンにしたがって前記目標駆動力が得られるようにエンジン2およびモータ3の出力を制御する。前記運転状態としては代表的には車速およびアクセル開度であり、これにより運転者による要求負荷または要求駆動力を検出する。前記目標駆動力の算出にあたってはバッテリ24の充電状態を代表するSOCを検出し、充電が必要である場合にはそのための発電機4の駆動力を加味して所要駆動動力を求めるように構成されている。
エンジン制御装置22は、前記ハイブリッド制御装置21からの制御要求に従って例えば電子制御スロットル装置を介してエンジン2の出力を制御すると共に、ハイブリッド制御装置21、モータ3、発電機4が失陥したときにクラッチ11を締結して発電機4の回転を拘束する機能を有する。またハイブリッド制御装置21が失陥したときにはアクセルペダルセンサ23からの信号に基づいて目標駆動力を算出し、当該駆動力が得られるようにエンジン2を制御する機能をも有する。
図中の25,26はそれぞれインバータまたはコンバータ等からなるモータ制御部、発電機制御部であり、ハイブリッド制御装置21からの指令に基づいてバッテリ24からモータ3に供給する電力または発電機4からバッテリ24に供給する電力を制御する。
前記失陥の検出については種々の手法が知られており、例えばモータ3または発電機4の失陥は入出力電力と出力トルクまたは回転数との関係から失陥の有無を判定することができる。またハイブリッド制御装置21の失陥は、例えば内蔵した自己診断装置27の診断結果から知ることができ、その診断情報をエンジン制御装置22に出力することで前述したエンジン制御装置22によるフェイルセイフ制御を起動させることができる。
次に、装置が失陥した場合の前記制御系統による制御内容を、図4以下に示したフローチャートと共線図に沿って説明する。フローチャートの各ステップまたはステップ群の右側に示した共線図は該当するステップの処理結果として得られた駆動装置各要素の出力トルクを表している。このフローチャートに示した処理はハイブリッド車両の起動中は前記エンジン制御装置22により周期的に実行される。
まず力行用のモータ3が失陥した場合の制御内容につき図４−１，図４−２のステップに従って説明する。
（車両走行中の制御）
ステップI-(1)
通常走行時は、モータ3、発電機4、エンジン2のトルクの平衡によって出力軸にトルクを発生し走行制御を行なっている。
ステップI-(2)
モータ3に失陥が発生した場合、モータトルクが0となり、エンジン2と発電機4の出力トルクの平衡によって発生するリングギヤRのトルクのみで走行を行なう。
ステップI-(3)
エンジン2との平衡を維持するため、発電機4は発電を継続しなければならず、その結果、バッテリ24のSOCが高くなるとクラッチ11を拘束する制御を開始する。すなわちこのSOC判定においてYesの時、ステップI-(4)へ、Noの時、ステップI-(10)へ進む。
ステップI-(4)
バッテリSOCが高くなると、まず発電機4を制御してその回転数を0にする。
ステップI-(5)
ついで発電機回転数が0になったあと、クラッチ11を締結する。
ステップI-(6)
これによりサンギヤSが固定されるので、アクセル開度に応じたエンジントルク、回転数で車速を制御し、エンジン2のみの直行トルクで走行を行なう.
ステップI-(7)
減速から車両停止を行なう場合には、エンスト防止のためにクラッチ11を開放する必要がある。そこで減速から停止の条件を車速から判定し、Yesの時、ステップI-Aへ、Noの時、ステップI-(8)へ進む。
ステップI-(8)
電動パワーステアリング装置や電動エアコン等の電力消費に伴いバッテリSOCが低下した場合、発電を行なう必要がある。そこでSOC低下判定を行い、Yesの時、ステップI-(9)へ、Noの時、ステップI-(4)へ進む。
ステップI-(9)
発電を行なうために、発電機4を拘束しているクラッチ11を開放する。
ステップI-(10)
発電機4とエンジン2の直行トルクにて走行を行いバッテリ24に充電を行なう。
ステップI-(11)
減速から車両停止を行なう場合、エンスト防止のためのクラッチ制御を行う。この判定においてYesの時、ステップI-Aへ、Noの時、ステップI-(12)へ進む。
ステップI-(12)
発電機4とエンジン2の直行トルク走行の継続に伴いバッテリSOCが高くなった場合、発電機4を停止しエンジン2の出力のみにより走行を行う。
（車両停止、再発進時の制御）
ステップI-(13)
クラッチ11の締結中に減速し、リングギヤ回転数(車速)とエンジンアイドル回転数と発電機回転数Oの平衡が維持できなくなる、つまりエンストが発生する条件下ではクラッチ11を開放する必要がある。前記条件判定においてYesの時、ステップI-(14)へ、Noの時、ステップI-(15)へ進む。
ステップI-(14)
エンストを避けるためクラッチ11を開放する。
ステップI-(15)
発電機4の駆動トルクとエンジンブレーキにより減速を行なう。
ステップI-(16)
車両停止。
ステップI-(17)
発電機4及びエンジン2を停止する。
ステップI-(18)
再発進する場合はエンジン2を再始動する必要がある。再発進条件判定においてYesの時、ステップI-(19)へ、Noの時、終了する。
ステップI-(19)
再発進時、発電機4を力行させ始動クランキングのためにエンジン回転数を上昇させる。
ステップI-(20)
エンジン2を始動。
ステップI-(21)
発電機4で発電を行い直行トルクにて加速していく。ステップI-Bへ戻る。
この制御により、モータ2が失陥したときにはエンジン出力のみで走行を継続することが可能となり、その間の発電機拘束状態下でバッテリSOCが低下したときには臨時的に発電機4を駆動することでバッテリ24の過放電を防止することができる。
次に、発電機4が失陥した場合の制御内容につき図５−１，図５−２のステップに従って説明する。
（車両走行中の制御）
ステップII-(1)
通常走行時は、モータ3、発電機4、エンジン2のトルクの平衡によって出力軸のトルクを発生し走行制御を行なっている。
ステップII-(2)
発電機4に失陥が発生した場合、発電機トルクが0となり、エンジントルクと発電機トルクの平衡によって発生する直行トルクはリングギヤRに伝達できず、モータ3の出力トルクのみで走行を行なう。
ステップII-(3)
バッテリSOCが低下したときにはモータ4を駆動して発電を行なわせる。このSOC判定においてYesの時、ステップII-(4)へ、Noの時、ステップII-(10)へ進む。
ステップII-(4)
バッテリSOC低下時には、まずエンジン2の回転数を制御して発電機4の回転数を0にする。
ステップII-(5)
発電機回転数が0になったあと、クラッチ11を締結して発電機4の回転を拘束する。
ステップII-(6)
サンギヤSが固定されるので、アクセル開度に応じたエンジントルク、回転数で車速を制御し、エンジン2のみの直行トルクで車両の走行を行ない、エンジン2の駆動力を用いてモータ3に回生を行なわせてバッテリ24に充電を行なう。
ステップII-(7)
減速から車両停止を行なう場合、エンスト防止のためにクラッチを制御する。そこで減速から停止の条件を車速から判定し、Yesの時、ステップII-Aへ、Noの時、ステップII-(8)へ進む。
ステップII-(8)
モータ回生によりバッテリSOCが高くなった場合、通常のモータ走行を行なう。そこで、このSOC判定において、Yesの時、ステップII-(9)へ、Noの時、ステップII-(4)へ進む。
ステップII-(9)
発電機4を拘束しているクラッチ11を開放する。
ステップII-(10)
モータ3のみによるモータ走行を行なう。
ステップII-(11)
減速から車両停止を行なう場合、エンスト防止のためにクラッチを制御する。その条件判定においてYesの時、ステップII-Aへ、Noの時、ステップII-(12)へ進む。
ステップII-(12)
モータ走行によりバッテリSOCが低くなった場合、クラッチ11を用いたエンジン直行トルク走行を行なう。このSOC判定においてYesの時、ステップII-(4)へ、Noの時、ステップII-(10)へ進む。
（車両停止、再発進時の制御）
ステップII-(13)
クラッチ11の締結中に減速し、リングギヤ回転数(車速)とエンジンアイドル回転数と発電機回転数0の平衡が維持できなくなる、つまりエンストが発生する場合には、クラッチ11を開放する必要がある。この停止条件判定においてYesの時、ステップII-(14)へ、Noの時、ステップII-(15)へ進む。
ステップII-(14)
エンストを避けるためクラッチ11を開放する。
ステップII-(15)
モータ回生トルクにより減速を行なう。
ステップII-(16)
車両停止。
ステップII-(17)
エンジン2を停止。
ステップII-(18)
再発進する場合はエンジン2を再始動する必要がある。このときの再発進条件判定においてYesの時、ステップII-(19)へ、Noの時、終了する。
ステップII-(19)
エンジン2を始動クランキング可能とするためにクラッチ11を締結する。
ステップII-(20)
モータ3による発進および走行を開始する。
ステップII-(21)
モータ走行によりエンジン回転数が上昇したところでエンジンを始動させる。ステップII-Bへ戻る。
この制御により、発電機4が失陥したときにはモータ3およびエンジン出力で走行を継続可能とする一方で、発電機4の失陥に伴うバッテリSOCの低下に対応してはモータ3を回生作動させることでバッテリ24の充電を行うことができる。
図６はハイブリッド制御装置が失陥した場合の制御内容を示している。
ステップIII-(1)
通常走行時は、モータ3、発電機4、エンジン2のトルクの平衡によって出力軸のトルクを発生し走行制御を行なっている。
ステップIII-(2)
ハイブリッド制御装置21に失陥が発生した場合、発電機トルク、モータトルクが共に0となり、エンジントルクと発電機トルクの平衡によって発生する直行トルクはリングギヤRに伝達できず車両は駆動力を失う。
ステップIII-(3)
車両全体を統合制御するハイブリッド制御装置21が失陥したときには、車両の駆動制御をエンジン制御装置22に移管する。
ステップIII-(4)
図７に示すようなクラッチ制御を行い、滑らかにクラッチ11を締結する。
ステップIII-(5)
エンジントルクのみの直行トルク走行を行なう。
ステップIII-(6)
減速から車両停止を行なう場合、エンスト防止のためのクラッチ制御を行う。この車両停止条件判定においてYesの時、ステップIII-(7)へ、Noの時、ステップIII-(5)へ進む。
ステップIII-(7)
エンジンブレーキにより減速を行なう。
ステップIII-(8)
クラッチ11の締結中に減速しリングギヤ回転数(車速)とエンジンアイドル回転数と発電機回転数Oの平衡が維持できなくなる、つまりエンストが発生する場合には、図7に示すようなクラッチ制御を行い滑らかにクラッチ11を開放する。
ステップIII-(9)
車両停止するが、エンジン2はアイドル回転数を維持する。
ステップIII-(10)
再発進する場合はエンジントルクを増加させると共に図7に示すように滑らかにクラッチ11を締結する。この再発進判定においてYesの時、ステップIII-(4)へ進み、Noの時、終了する。
この制御により、ハイブリッド制御装置21が失陥を生じてモータ3または発電機4を正常に制御できなくなったときには、エンジン2の出力トルクのみで駆動力を発生して車両の走行が可能となる。この場合、エンジン2のみを動力源として走行するのでバッテリ24の状態を問わずに走行を継続することができる。
本発明の一実施形態の概略構成図。 前記実施形態の遊星歯車機構の共線図。 前記実施形態の制御系統の構成図。 前記実施形態のモータ失陥時のフェイルセイフ制御の動作内容を表す第１のフローチャート。 前記実施形態のモータ失陥時のフェイルセイフ制御の動作内容を表す第２のフローチャート。 前記実施形態の発電機失陥時のフェイルセイフ制御の動作内容を表す第１のフローチャート。 前記実施形態の発電機失陥時のフェイルセイフ制御の動作内容を表す第２のフローチャート。 前記実施形態のハイブリッド制御装置失陥時のフェイルセイフ制御の動作内容を表すフローチャート。 図６の制御結果を表すタイミングチャート。
符号の説明
１ 遊星歯車機構
２ エンジン
３ モータ（第１の回転電機）
４ 発電機（第２の回転電機）
１１ 電磁クラッチ
２１ ハイブリッド制御装置
２２ エンジン制御装置
２３ センサ
２４ バッテリ
２５ モータ制御部
２６ 発電機制御部
２７ 自己診断装置

Claims (4)

  1. 共線図上に３個以上の入出力要素が配列される差動装置を有し、前記要素のうち共線図上の配列において両端に位置する要素よりも内側に位置する要素を含む２個の要素のうちの一方にエンジンを、他方にモータとしての機能を有する第１の回転電機および車両の駆動輪に至る駆動機構をそれぞれ連結すると共に、残りの要素にバッテリ充電電力を発生する発電機としての機能を有する第２の回転電機を連結した駆動装置であって、
    バッテリSOCおよび運転者の要求負荷に基づいて駆動電力および充電電力の供給を制御する機能を有するハイブリッド制御装置と、
    前記エンジンの出力トルクを運転者の要求負荷に基づいて制御する機能を有するエンジン制御装置と、
    前記ハイブリッド制御装置の失陥を検出する失陥検出装置と、
    前記第２の回転電機の回転を拘束する拘束装置と、
    前記ハイブリッド制御装置とは別に設けられ、該ハイブリッド制御装置の失陥を検出したときに前記拘束装置により第２の回転電機の回転を拘束し、前記エンジン制御装置により制御されたエンジン出力トルクにより駆動力を発生させる拘束制御装置と、
    を備えたことを特徴とするハイブリッド車両の駆動装置。
  2. 前記拘束制御装置は、第２の回転電機の回転を拘束した状態での車両減速時には、車両停止に至るまでの間に前記拘束を解除するように構成した請求項１に記載のハイブリッド車両の駆動装置。
  3. 前記差動装置を、入出力要素としてサンギヤ、キャリア、リングギヤを有する遊星歯車機構により構成した請求項１または請求項２に記載のハイブリッド車両の駆動装置。
  4. 前記拘束装置は、前記第２の回転電機の回転軸と該回転軸を支持するケースとの間に介装され、前記第２の回転電機の回転に対して連続可変的に拘束力を及ぼすように構成された電磁クラッチからなる請求項１から請求項３の何れかに記載のハイブリッド車両の駆動装置。
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