JP3903625B2

JP3903625B2 - Power output device

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Publication number: JP3903625B2
Application number: JP36273098A
Authority: JP
Inventors: 正一佐々木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1998-12-21
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2018-12-21
Also published as: JP2000188804A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンと電動機とを有するハイブリッドの動力出力装置に関し、特に発電機と電動機との運転効率の向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンと電動機とを組み合わせたハイブリッドの動力出力装置は、例えば、ハイブリッド型電気自動車に用いられている。そのハイブリッドの動力出力装置には、大きくパラレル方式とシリーズ方式とがある。いずれの方式のハイブリッド動力出力装置も、エンジンの動力エネルギーを受けて発電を行う発電機と、発電機により充電され電動機へ電力を供給する蓄電池とを有する。発電機の出力電力は必要分だけ電動機に供給され、余剰電力は蓄電池に蓄積される。一方、電動機は、発電機の出力電力だけでは不足である場合には、蓄電池からも電力供給を受けることができる。このような構成により、ハイブリッド動力出力装置は、エンジンに関しては例えば燃費が良好で排気ガスの少ない所定の条件範囲内で安定した駆動を行いながら、電動機を用いて幅広い動力出力を得ることができる。
【０００３】
図７は、従来のパラレル方式のハイブリッド動力出力装置を用いたハイブリッド型電気自動車の概略のシステム構成を示す模式図である。エンジン１０、発電機１２の各軸及び車輪駆動軸１４はそれぞれ、動力分割機構である遊星歯車機構１６の３軸に結合される。この遊星歯車機構によれば、その３軸のうちいずれか２軸へ入出力される動力を決定したとき、それら決定された動力に基づいて残りの１軸へ入出力される動力が決定される。この遊星歯車機構１６により、エンジン１０の出力動力は車輪駆動軸１４と発電機１２とに分割・伝達される。車輪駆動軸１４のトルクは、チェーンやギヤなどの動力伝達手段２０を介してディファレンシャル機構部２２に伝達され、駆動輪２４が駆動される。車輪駆動軸１４には電動機１８も接続され、高負荷時には車輪駆動軸１４はエンジン１０からの動力に加えて、電動機１８からの動力のアシストも受ける。
【０００４】
発電機１２、電動機１８にはそれぞれインバータ３０，３２が接続され、直流・交流の変換を行う。発電機１２のインバータ３０の出力端子、電動機１８のインバータ３２の入力端子、及び蓄電池３４の端子とは相互に接続される。
【０００５】
発電機１２、電動機１８の動作は制御部４０によって制御される。制御部４０はインバータ３０，３２におけるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を介して発電機１２及び電動機１８の動作を制御する。また制御部４０は、蓄電池３４からの電力供給を断続するシステムメインリレー（以下、ＳＭＲ）３６の開閉の制御も行う。
【０００６】
なお、インバータ３０の出力端子間及びインバータ３２の入力端子間、すなわち各インバータ３０，３２の蓄電池３４に接続される側の端子間には、平滑化コンデンサ４２が蓄電池３４と並列に接続される。このコンデンサは、ＳＭＲ３６のオン／オフにより蓄電池３４の高電圧が急激にインバータ３０，３２に印加されることを回避し、インバータに用いているパワー素子が破損されることを防止するものである。
【０００７】
さて、このような従来の動力出力装置は、動作時にはＳＭＲ３６はオン状態とされ、蓄電池３４が発電機部（発電機１２及びインバータ３０）及び電動機部（電動機１８及びインバータ３２）に接続される。蓄電池３４は発電機部で発生した電力のうち電動機部で消費されない余剰分を充電により吸収し、反対に電動機部での不足分を放電により補う。
【０００８】
図８は、この従来構成における発電機部及び電動機部の動作電圧の決定原理を説明する模式的なグラフである。グラフの横軸、縦軸はそれぞれ蓄電池３４の充放電電流Ｉb、端子間電圧Ｖbである。充放電電流Ｉbは、放電側を正、充電側を負に定めている。蓄電池３４は、電動機部で消費される電力Ｐmと発電機部から出力される電力Ｐgとの差ΔＰ≡（Ｐm−Ｐg）を充電又は放電によって調整・相殺する。各曲線５０はΔＰが一定となる曲線であり、ΔＰをパラメータとして表している。例えば曲線５０-2はΔＰ＝１０ｋＷの場合であり、曲線５０-3はΔＰ＝−１０ｋＷの場合である。また、曲線５２は、蓄電池３４のＶ−Ｉ特性曲線であり、Ｉb＝０の状態でＶb≡Ｖg（例えば３００Ｖ）であっても、放電時（Ｉb＞０）には内部抵抗による電圧降下によりＶb＜Ｖgとなり、充電時（Ｉb＜０）には内部抵抗に応じた逆起電力によりＶb＞Ｖgとなる様子が表されている。
【０００９】
蓄電池３４の動作点は、ΔＰに応じた曲線５０とＶ−Ｉ特性曲線である曲線５２との交点として定まり、発電機部、電動機部及び蓄電池３４が相互に接続された部分の端子間電圧は、その交点のＶbに定まる。つまり、発電機部、電動機部の動作電圧は、このように決定される蓄電池３４の動作電圧に応じて決定される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
さて、発電機部や電動機部のシステム効率はその動作電圧によって変化しうるものである。そして好適なシステム効率を与える動作電圧は発電機部、電動機部の運転条件によって異なるものである。しかし、従来のハイブリッド動力出力装置の発電機部及び電動機部の動作点は、上述のようにΔＰに応じて必然的に定まるものであり、そのため必ずしも発電機部、電動機部を好適なシステム効率を実現する動作電圧で動作させることができないという問題があった。
【００１１】
ちなみに、ここでシステム効率とはエネルギー変換効率のことであり、発電機部に関しては、入力の機械仕事に対する出力電力の比であり、電動機部に関しては、入力電力に対する出力機械仕事の比である。
【００１２】
本発明は上記問題点を解消するためになされたもので、発電機部、電動機部の動作のエネルギー効率を向上させ、燃費が向上したハイブリッド動力出力装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の動力出力装置は、発電機部及び電動機部を蓄電池と電気的に断続する電池断続手段と、前記電池断続手段の切断状態にて、前記発電機部及び前記電動機部の動作電圧が、前記発電機部及び前記電動機部におけるエネルギー変換効率に基づいて定められる目標電圧となるよう制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、電池断続手段を切断状態とすることにより、発電機部と電動機部とが蓄電池による電力及び電荷のバッファリングを受けることなく、相互に接続される。蓄電池のバッファリング機能を省略したことにより、発電機部と電動機部との間における端子間電圧は、発電機部と電動機部との間の電気容量に蓄積される電荷量に応じて定まることとなる。電力均衡手段は、発電機部の出力電力と電動機部の消費電力との収支をバランスさせ、発電機部と電動機部との間の電気容量に蓄積される電荷量を一定に保つことにより、発電機部と電動機部との間における端子間電圧を安定させる。一方、動作電圧制御手段は、発電機部の出力電力と電動機部の消費電力とが一時的にバランスしない状態を作り、発電機部と電動機部との間の電気容量に蓄積される電荷量を調整する。これらの手段を含めた制御手段によって、前記発電機部及び前記電動機部の動作電圧が、前記発電機部及び前記電動機部におけるエネルギー変換効率に基づいて定められる目標電圧となるよう制御される。この目標電圧は、発電機部又は電動機部のエネルギー変換効率、若しくは双方の総合のエネルギー変換効率を好適な値とする発電機部、電動機部の動作電圧に応じたものである。
【００１５】
本発明の好適な態様は、前記電池断続手段が、当該装置から出力される動力を前記エンジンの駆動エネルギーのみに基づいて発生することができる場合に切断状態とされるものや、さらに前記電池断続手段が、出力される前記動力を前記エンジンの駆動エネルギーのみに基づいて発生することができない場合、及び前記蓄電池に充電を行う場合に接続状態とされるものである。
【００１６】
また本発明の他の好適な態様は、前記エンジンと前記発電機部と前記電動機部とに各々結合される３軸を有し、当該３軸のうちいずれか２軸へ入出力される動力を決定したとき、当該決定された動力に基づいて残余の１軸へ入出力される動力が決定される動力分配機構を有し、当該装置から出力される前記動力は前記電動機部に接続された軸から取り出されるものである。例えば、動力分配機構は、従来技術で述べた機械分配式ハイブリッド自動車で用いられる遊星歯車機構や、電気分配式ハイブリッド自動車で用いられるような機構である。
【００１７】
本発明の動力出力装置は、前記電池断続手段の前記発電機部側に直列に接続されたインダクタを有し、前記電池断続手段は双方向の通電が可能であり、かつ前記蓄電池からの放電時においてはＰＷＭ動作を可能であることを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、蓄電池からの放電時には、電池断続手段がＰＷＭ動作される。ＰＷＭ動作で生じるパルスはインダクタで平滑化されるので、発電機部及び電動機部に急激な電圧が印加されることによりそれらが破壊されることが防止される。
【００１９】
本発明においては、発電機部や電動機部のエネルギー変換効率をリアルタイムで測定し、それに基づいて発電機部、電動機部のエネルギー変換効率が好適となるように制御を行うという構成も可能である。その一方で、発電機部又は電動機部、若しくはそれら双方の総合のエネルギー変換効率を最大にする最大効率電圧と発電機又は電動機の回転数及び出力トルクとの関係である変換効率特性を予め測定等により求め、特性記憶手段に格納しておき、当該動力出力装置の使用時においては、特性記憶手段から最大効率電圧を読み出しそれを目標電圧として設定するという構成も可能である。本発明のそのような好適な態様が、前記制御手段が、前記電動機部のエネルギー変換効率を最大にする前記入力電圧である最大効率電圧と電動機の回転数及び出力トルクとの関係である変換効率特性を記憶する特性記憶手段と、前記電動機部の動作状態における前記回転数及び出力トルクに応じた前記最大効率電圧を前記特性記憶手段から読み出し前記目標電圧として設定する目標電圧設定手段とを有するものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態であるパラレル方式のハイブリッド動力出力装置を用いたハイブリッド型電気自動車の概略のシステム構成を示す模式図である。本装置は、エンジン６０、発電機部６２、電動機部６４、蓄電池６６、遊星歯車機構６８、制御部７０を主要な構成要素として含んでいる。また、発電機部６２は発電機７２とインバータ７４とを含んでおり、電動機部６４は電動機７６とインバータ７８とを含んでいる。
【００２２】
エンジン６０、発電機７２の各軸及び本装置で発生された動力が出力される車輪駆動軸８０はそれぞれ遊星歯車機構６８の３軸に結合される。この遊星歯車機構は動力分割機構であり、エンジン６０の出力動力を車輪駆動軸８０と発電機７２とに分割し伝達する。車輪駆動軸８０に与えられたトルクは、チェーンやギヤなどの動力伝達手段８２を介してディファレンシャル機構部８４に伝達され、駆動輪８６が駆動される。車輪駆動軸８０には電動機７６も接続され、高負荷時には車輪駆動軸８０はエンジン６０からの動力に加えて、電動機７６からの動力のアシストも受ける。
【００２３】
発電機部６２のインバータ７４は発電機７２が発生した交流電流を直流に変換するものであり、その出力側には電動機部６４のインバータ７８及び蓄電池６６が接続される。電動機部６４のインバータ７８は、発電機部６２のインバータ７４が出力する直流電流又は蓄電池６６からの直流電流を、電動機７６を駆動するための交流電流に変換するものである。蓄電池６６はこれらインバータ７４，７８と電池スイッチ８８を介して接続される。
【００２４】
発電機部６２、電動機部６４、電池スイッチ８８の動作は制御部７０によって制御される。すなわち、制御部７０はインバータ７４におけるＰＷＭ制御を介して発電機７２の動作を制御し、同様にインバータ７８におけるＰＷＭ制御を介して電動機７６の動作を制御する。また制御部７０は、電池スイッチ８８の開閉操作を行い蓄電池６６からの電力供給を制御する。
【００２５】
なお、発電機部６２の出力端子間及び電動機部６４の入力端子間、すなわち各インバータ７４，７８の蓄電池６６に接続される側の端子間には、平滑化コンデンサ９０及びダイオード９２が蓄電池６６と並列に接続され、また電池スイッチ８８の蓄電池６６と反対側に、インダクタ９４が蓄電池６６と直列に接続される。この部分については後述するが、簡単にはコンデンサ９０、インダクタ９４は、電池スイッチ８８のオン／オフにより蓄電池６６の高電圧が急激にインバータ７４，７８に印加され、それらを構成するパワー素子が破損されることを防止するものである。また、ダイオード９２は蓄電池６６に印加される電圧の向きを一方向に限定し、蓄電池６６を保護するとともに、インダクタ９４に誘起されるフリーホイールダイオードとなっている。
【００２６】
ちなみに、遊星歯車機構６８はリングギヤ１００、プラネタリーキャリア１０２、サンギヤ１０４を含んで構成され、それらは同一の中心軸を有する。プラネタリーキャリア１０２には、リングギヤ１００の内周とサンギヤ１０４の外周との間隔に応じた直径を有したピニオンギヤ１０６の中心が取り付けられる。リングギヤ１００とピニオンギヤ１０６と、及びピニオンギヤ１０６とサンギヤ１０４とはそれぞれ互いに接し、互いに相関を有して回転する。これにより遊星歯車機構６８は、リングギヤ１００、プラネタリーキャリア１０２、サンギヤ１０４の３つの回転動力のうち２つの動力が決定されると残りの１つの動力が決定される性質を有している。上述したように、この遊星歯車機構６８を用いて、エンジン６０の出力は、発電機部６２に伝達される成分と車輪駆動軸８０に伝達される成分とに分割される。この分配の割合は、制御部７０が発電機部６２のインバータ７４におけるＰＷＭ制御を介して発電機７２の回転速度を制御することにより、エネルギーの分配比率が定まる。つまり、プラネタリーキャリア１０２の回転はエンジン６０に対応して定まり、一方、発電機７２に接続されたサンギヤ１０４の回転も定まることにより、車輪駆動軸８０に接続されるリングギヤ１００の回転も決定される。
【００２７】
次に本装置の動作を説明する。本装置の基本的特徴は、蓄電池６６を発電機部６２、電動機部６４から電気的に切り離して動力発生を行い、エネルギー効率の向上を図る点にある。図２は、この点を示す図であり、制御部７０における本装置制御の概要を表すフロー図である。制御部７０は、車速やアクセル開度に基づいて計算した車軸パワーを、エンジン出力のうち車軸に伝達される割合であるシステム効率で除して、エンジン出力として要求される値を算出する（Ｓ１５０）。
【００２８】
そのエンジン要求出力とエンジンの最大出力とを比較して、要求出力をエンジン出力で賄うことができない場合及び蓄電池６６が充電を必要とする状態である場合は（Ｓ１５２）、電池スイッチ８８をオン状態として（Ｓ１５４）、不足出力を蓄電池６６の電力で補うことや蓄電池６６の充電を可能とする。つまり、制御部７０はインバータ７８をＰＷＭ制御し、発電機部６２からの出力電力に加えて蓄電池６６からの出力電力を利用して電動機７６を駆動させ、車輪駆動軸８０の駆動をアシストしたり、制動時のエネルギーの回生等による蓄電池６６の充電を行うＥＶ走行を実現する（Ｓ１５６）。Ｓ１５６における動力発生等の処理を含んだＥＶ走行モードは、従来より行われているものと同様である。なお、この場合においては、発電機部６２、電動機部６４の動作電圧（以下、発電機部６２の出力端子間電圧及び電動機部６４の入力端子間電圧を指す）Ｖsysは、蓄電池６６の端子間電圧Ｖbに拘束される。
【００２９】
一方、エンジン要求出力がエンジン出力で全て賄われる場合には（Ｓ１５２）、制御部７０は電池スイッチ８８をオフ状態とし、蓄電池６６を発電機部６２及び電動機部６４から電気的に切り離し（Ｓ１５８）、蓄電池６６の電力を利用しない動力発生処理が実行される（Ｓ１６０）。この場合には、動作電圧Ｖsysは、蓄電池６６の電圧の拘束を受けない。発電機部６２、電動機部６４のシステム効率は、入出力トルク及び回転数と動作電圧とに応じて定まるが、上述のように動作電圧Ｖsysに対する束縛が解除されたことにより、他の所与の条件下でシステム効率を好適な値とするように動作電圧Ｖsysを設定することが可能となる。
【００３０】
制御部７０は、刻々と変化する自動車の走行状態に対応すべく、処理Ｓ１５０〜１６０を繰り返し実行し、適宜、電池スイッチ８８のオン／オフを切り替えることができる。
【００３１】
図３は、本装置の特徴的処理である処理Ｓ１６０をより詳しく説明するための、主として制御部７０における制御処理の機能ブロック図である。制御部７０は図示しないシフトポジションセンサ、アクセルペダル、車速センサからの出力を受けて、車軸駆動力の計算Ｂ２及び車軸パワーの計算Ｂ４を実行する。例えば計算Ｂ２においては、図４に一例を示すトルク指令値Ｔr*とリングギヤ１００の回転数Ｎr（これは車輪駆動軸８０の回転数に等しく車速Ｖに対応する）とのアクセルペダルポジションＡＰとの関係を示すマップが用いられる。このマップはシフトポジション毎に用意され、例えばＲＯＭなどに格納されている。制御部７０は、アクセルペダルポジションＡＰと車速センサから得られる車速Ｖに応じたＮrとに基づいて駆動要求トルクＴr*をマップから得る。駆動要求パワーＰrはＴr*・Ｎrで表されるので、これに基づいてＰrを算出することもできるが、ここでは、計算Ｂ２同様にＲＯＭに予めマップを用意し、それに基づいてＰrを求めることとしている。
【００３２】
エンジン出力の計算Ｂ６には、Ｂ４で算出された駆動要求パワーＰr、蓄電池６６の充電状態を監視するバッテリＥＣＵからの発電要求値、エアコンＥＣＵからの電力要求値が入力される。これらの各要求の和に基づいてエンジン要求出力が算定される。ここで、得られたエンジン要求出力とエンジン最大出力との比較処理Ｓ１５２が行われ、その結果に基づいて電池スイッチ８８のオン／オフの制御Ｓ１５４又はＳ１５８が行われる。
【００３３】
エンジン動作点の計算Ｂ８では、Ｂ６で算出されたエンジン要求出力を与えるトルクＴeと回転数Ｎeとの組のうち、燃費効率のよいものが動作点として決定される。燃費効率を最大にするトルクＴeと回転数Ｎeとの組は予め測定により求められ、ＲＯＭに格納されている。このＢ８で得られた動作点に対応するパワーに基づいてスロットル開度が決定され、スロットルアクチュエータへ出力される。一方、動作点の回転数はエンジン目標回転速度Ｎe*として発電機の目標回転速度の計算Ｂ１０へ渡される。
【００３４】
発電機の目標回転速度の計算Ｂ１０における計算内容は、遊星歯車機構６８の各ギヤ間の回転数の関係を表す動作共線図により理解される。図５は、動作共線の一例を示す図である。図において縦軸は遊星歯車機構６８の３軸の回転数を、そして横軸は３軸の座標軸の位置の比を表す。すなわち、サンギヤとリングギヤの座標軸Ｓ，Ｒを両端に採ったとき、プラネタリキャリアの座標軸Ｃは、軸Ｓと軸Ｒを１：ρに内分する軸として定められる。ここで、ρはリングギヤ１００の歯数に対するサンギヤ１０４の歯数の比、すなわち、（サンギヤの歯数／リングギヤの歯数）である。動作共線図を用いれば、エンジン６０のクランクシャフトが結合されるプラネタリーキャリア１０２の座標軸Ｃにエンジン６０の回転数Ｎeを、またリングギヤ１００の座標軸Ｒにリングギヤの回転数Ｎrをプロットし、それら両点を通る直線を描くことにより、この直線とサンギヤ１０４の座標軸Ｓとの交点に対応する回転数がサンギヤの回転数として求められる。Ｂ８の指令に基づき、エンジン６０の回転数をＮe*にする場合、車体という大きな慣性に結合されているリングギアの回転数Ｎrは直ちには変更されない。そこで、Ｎrは一定とみなして、発電機７２の目標回転速度Ｎg*が次式で計算される。
【００３５】
Ｎg*＝｛（１＋ρ）Ｎe*−Ｎm｝
なお、ここで、リングギヤには電動機７６が結合され、Ｎrは電動機７６の回転速度Ｎmに等しいことを利用した。
【００３６】
ブロックＢ１２では、発電機回転センサの出力に基づいて発電機７２の回転速度をＮg*とする速度制御が行われるとともに、発電機トルク指令値の計算が行われる。発電機トルク指令値は、エンジンで発生するトルクのうちサンギヤ１０４が分担する成分に相当し、エンジントルクを遊星歯車機構６８の動作特性に応じて分配することにより求められる。ここで求められた発電機トルクＴg^は発電機制御用マイコンに入力され、発電機部６２の制御に使用されると共に、ブロックＢ１４にも渡される。エンジン６０から車輪駆動軸８０への直行分の駆動力の計算Ｂ１４では、Ｂ１２の計算結果を受けて、エンジン６０からリングギヤを介して車輪駆動軸８０に分配・伝達されるトルクＴo^が計算される。ここで、Ｔg^とＴo^との比に対応する動作共線のレバー比ＳＣ：ＣＲが１：ρであることから、Ｔo^＝Ｔg^／ρと表される。
【００３７】
電動機トルク指令値の計算Ｂ１６は、基本的にはＢ２で計算された駆動要求トルクＴa*に対してエンジン直行分駆動力Ｔo^で足りない分を電動機７６で補うようにその発生トルクの指令値を算出する。なお、減速時には、電動機７６が車輪駆動軸８０からトルクを吸収し回生発電を行うため、それに応じて実質的な駆動要求トルクはＴa*とは相違することとなる。この変化のゲインをＧfとして、実質的な駆動要求トルクはＴa*／Ｇfと表され、電動機トルク指令値Ｔm*がＴm*＝Ｔa*／Ｇf−Ｔo^により求められる。
【００３８】
発電機部６２、電動機部６４のシステム効率は動作電圧、回転数、トルクの関数である。図６は、電動機部６４のシステム効率と動作電圧との関係の一例を示す模式図であり、同図（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ電動機７６の回転速度Ｎmが例えば１０００ｒｐｍ、３０００ｒｐｍ、５０００ｒｐｍの場合に対応する。横軸、縦軸はいずれもそれぞれ動作電圧、システム効率である。また各Ｎmに対応する図には、出力トルクＴmをパラメータとした複数の特性曲線が示されている。この図から読み取られるように、システム効率を最適とする動作電圧は、回転速度Ｎm、出力トルクＴmの双方に依存して変化する。例えば、この図では回転速度Ｎmが高いほど最適動作電圧Ｖpは高くなることが示されている。本装置では、この関係に基づいて電動機部６４のシステム効率が最適となるように動作電圧Ｖsysが制御される（Ｂ１８）。制御部７０はＮm，Ｔmの組とＶpとの対応関係を表すテーブルが予め格納された特性記憶手段として例えばＲＯＭを有し、ブロックＢ１８では上述の処理で得られたＮm，Ｔmに対応するＶpがＲＯＭから読み出され、Ｖsysの目標値として設定される。ここで制御部７０は目標電圧設定手段として機能している。さらに制御部７０は、動作電圧をＶsysの目標値に近づけるように制御を行う。
【００３９】
Ｖsysはコンデンサ９０に蓄積される電荷量Ｑを調節することにより制御される。つまり、コンデンサ９０の容量をＣとすると、Ｖsys＝Ｑ／Ｃという値となる。制御部７０はＶsysを制御する際には、発電機部６２からの出力電力と電動機部６４での消費電力との均衡をくずし、コンデンサ９０に蓄積される電荷量を変化させる。そして、所望のＶsysが達成されると発電機部６２と電動機部６４との電力の入出力を均衡させ、コンデンサ９０に蓄積される電荷量を一定に保つ。これが、Ｖsys制御の基本的な原理である。このように制御部７０は、図示しない電圧センサによりＶsysをモニタするとともに、発電機部６２と電動機部６４との電力バランスを図る電力均衡手段及びＶsysを制御する動作電圧制御手段として機能する。
【００４０】
この制御において、発電機部６２からの出力電力と電動機部６４での消費電力とのバランスを制御することが必要となるが、これはエンジン６０の出力の調整に基づいて実現される。つまり、例えばエンジン６０の出力を増大させると、エンジン目標回転速度Ｎe*が増加する（ブロックＢ８）。それに伴い、発電機部６２の目標回転速度Ｎg*が増加し（ブロックＢ１０）、発電機部６２からの出力電力Ｐgが増加する。またそれに伴い、エンジン６０から車輪駆動軸８０へ直行する駆動力Ｔo^が増加するので（ブロックＢ１０，Ｂ１２，Ｂ１４）、電動機７６が出力する車輪駆動軸８０をアシストするための駆動力を減少させることができる。つまり電動機トルク指令値Ｔm*が低減される。Ｔmの減少により電動機７６での消費エネルギーＰmが低減する。このように、エンジン６０の出力変化に応じて、発電機部６２の出力電力Ｐgと電動機部６４の消費電力Ｐmとは反対方向の変化をするので、エンジン６０の出力を調整することによりＰgとＰmとのバランスを操作することができる。
【００４１】
厳密には、上述したＰmとＰgのバランス調整を行うとＴmも変化し、それに応じて最適動作電圧Ｖpも変化し、目標Ｖsys自体が変化することとなる。よって、Ｖsysの制御は一般には、目標Ｖsysの変化をフィードバックして上述の操作を繰り返し、収束解を求める制御である。
【００４２】
なお、ここでは電動機部６４のシステム効率を最適とするように制御を行う例を説明したが、発電機部６２の効率を最適とするような態様や、発電機部６２と電動機部６４との総合の効率が最適とするような態様も可能である。
【００４３】
なお、本実施形態はパラレルハイブリッド自動車の動力出力装置に本発明を適用したものであったが、本発明はシリーズハイブリッド自動車にも適用することができる。
【００４４】
さて、図２に関して述べたように、電池スイッチ８８はエンジン要求出力がエンジン最大出力を超え、蓄電池６６からの放電を必要とすることとなる場合や、蓄電池６６への充電を行う場合にはオン状態とされる（Ｓ１５４）。つまり、本装置では、電池スイッチ８８のオン／オフ状態は判断Ｓ１５２に応じて切り替えられる。これにより、従来のＥＶ走行モードを可能と、発電機部６２、電動機部６４のシステム効率を好適とする上述の動作モードとを適宜使い分けることができる。
【００４５】
上述の動作モード、つまり電池スイッチ８８をオフ状態とし発電機部６２、電動機部６４との動作電圧をシステム効率が好適となるように設定することができるモードから、電池スイッチ８８をオン状態とするＥＶ走行モードに切り替えると、発電機部６２、電動機部６４の動作電圧も蓄電池６６の端子間電圧に拘束される電圧に切り替わることとなる。この電池スイッチ８８のオン／オフ前後の動作電圧の差が大きい場合、それが直接、発電機部６２、電動機部６４に印加されると、インバータ７４，７８のパワー素子の破壊を生じる等の悪影響が発生するおそれがある。
【００４６】
本装置では、この悪影響を回避するために、電池スイッチ８８をＰＷＭ制御可能な構成とし、またインダクタ９４及びコンデンサ９０を備えている。電池スイッチ８８は例えば、双方向の通電が可能なようにエミッタ、コレクタの向きを互いに反対に並列に接続した一対のパワートランジスタで構成される。蓄電池６６からの放電時に、電池スイッチ８８を構成する一対のトランジスタのうち放電電流の方向に応じた方のベースをＰＷＭ制御することにより、蓄電池６６からの放電電流を制御することができる。つまり、電池スイッチ８８のＰＷＭ制御により、コンデンサ９０を緩やかに充電できる。このとき、インダクタ９４は、ＰＷＭ制御で生じるパルスを鈍らせる働きをする。この構成により、電池スイッチ８８をオンし蓄電池６６から放電を開始する際における発電機部６２、電動機部６４への突入電流が防止される。よって、従来、突入電流を防止するためにＳＭＲと並列に設けられていた、突入電流制限抵抗を直列に接続されたリレーが不要になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態であるパラレル方式のハイブリッド動力出力装置を用いたハイブリッド型電気自動車の概略のシステム構成を示す模式図である。
【図２】制御部７０における本装置制御の概要を表すフロー図である。
【図３】本装置の特徴的処理をより詳しく説明するための、主として制御部７０における制御処理を表す機能ブロック図である。
【図４】トルク指令値Ｔr*、リングギヤ回転数Ｎr及びアクセルペダルポジションＡＰの関係の一例を示す模式的なグラフである。
【図５】本装置の制御を説明するための動作共線の一例を示す図である。
【図６】電動機部のシステム効率と動作電圧との関係の一例を示す模式図である。
【図７】従来のパラレル方式のハイブリッド動力出力装置を用いたハイブリッド型電気自動車の概略のシステム構成を示す模式図である。
【図８】従来構成における発電機部及び電動機部の動作電圧の決定原理を説明する模式的なグラフである。
【符号の説明】
６０エンジン、６２発電機部、６４電動機部、６６蓄電池、６８遊星歯車機構、７０制御部、７２発電機、７４，７８インバータ、７６電動機、８０車輪駆動軸、８８電池スイッチ、９０平滑化コンデンサ、９４インダクタ、１００リングギヤ、１０２プラネタリーキャリア、１０４サンギヤ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hybrid power output apparatus having an engine and an electric motor, and more particularly to improvement in operating efficiency of a generator and an electric motor.
[0002]
[Prior art]
A hybrid power output device combining an engine and an electric motor is used in, for example, a hybrid electric vehicle. The hybrid power output apparatus is roughly divided into a parallel system and a series system. Both types of hybrid power output devices include a generator that generates power by receiving the motive energy of the engine, and a storage battery that is charged by the generator and supplies electric power to the motor. The output power of the generator is supplied to the motor as much as necessary, and surplus power is stored in the storage battery. On the other hand, when the output power of the generator is insufficient, the electric motor can receive power from the storage battery. With such a configuration, the hybrid power output apparatus can obtain a wide range of power output using an electric motor while performing stable driving within a predetermined condition range in which, for example, the fuel efficiency is good and the exhaust gas is low with respect to the engine.
[0003]
FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic system configuration of a hybrid electric vehicle using a conventional parallel type hybrid power output apparatus. The shafts of the engine 10, the generator 12, and the wheel drive shaft 14 are respectively coupled to three axes of a planetary gear mechanism 16 that is a power split mechanism. According to this planetary gear mechanism, when the power to be input / output to any two of the three axes is determined, the power to be input / output to the remaining one axis is determined based on the determined power. . By this planetary gear mechanism 16, the output power of the engine 10 is divided and transmitted to the wheel drive shaft 14 and the generator 12. The torque of the wheel drive shaft 14 is transmitted to the differential mechanism portion 22 through power transmission means 20 such as a chain or gear, and the drive wheels 24 are driven. An electric motor 18 is also connected to the wheel drive shaft 14, and the wheel drive shaft 14 receives power assist from the motor 18 in addition to power from the engine 10 at a high load.
[0004]
Inverters 30 and 32 are connected to the generator 12 and the electric motor 18, respectively, and perform DC / AC conversion. The output terminal of the inverter 30 of the generator 12, the input terminal of the inverter 32 of the electric motor 18, and the terminal of the storage battery 34 are connected to each other.
[0005]
Operations of the generator 12 and the electric motor 18 are controlled by the control unit 40. The control unit 40 controls operations of the generator 12 and the electric motor 18 through PWM (Pulse Width Modulation) control in the inverters 30 and 32. The control unit 40 also controls opening and closing of a system main relay (hereinafter referred to as SMR) 36 that intermittently supplies power from the storage battery 34.
[0006]
A smoothing capacitor 42 is connected in parallel with the storage battery 34 between the output terminals of the inverter 30 and between the input terminals of the inverter 32, that is, between terminals connected to the storage battery 34 of the inverters 30 and 32. This capacitor prevents the high voltage of the storage battery 34 from being suddenly applied to the inverters 30 and 32 by turning on / off the SMR 36 and prevents the power elements used in the inverter from being damaged.
[0007]
In such a conventional power output apparatus, the SMR 36 is turned on during operation, and the storage battery 34 is connected to the generator section (the generator 12 and the inverter 30) and the motor section (the motor 18 and the inverter 32). The storage battery 34 absorbs, by charging, a surplus that is not consumed by the electric motor part of the electric power generated by the generator part, and conversely compensates the shortage of the electric motor part by discharging.
[0008]
FIG. 8 is a schematic graph for explaining the principle of determining the operating voltage of the generator unit and the motor unit in this conventional configuration. The horizontal and vertical axes of the graph are the charge / discharge current Ib and the inter-terminal voltage Vb of the storage battery 34, respectively. The charge / discharge current Ib is determined to be positive on the discharge side and negative on the charge side. The storage battery 34 adjusts / cancels the difference ΔP≡ (Pm−Pg) between the power Pm consumed in the motor unit and the power Pg output from the generator unit by charging or discharging. Each curve 50 is a curve in which ΔP is constant, and ΔP is represented as a parameter. For example, the curve 50-2 is for ΔP = 10 kW, and the curve 50-3 is for ΔP = −10 kW. A curve 52 is a VI characteristic curve of the storage battery 34, and even when Vb≡Vg (for example, 300 V) in the state of Ib = 0, during discharge (Ib> 0), due to a voltage drop due to internal resistance. Vb <Vg, and when charging (Ib <0), the state of Vb> Vg is represented by the back electromotive force according to the internal resistance.
[0009]
The operating point of the storage battery 34 is determined as the intersection of the curve 50 corresponding to ΔP and the curve 52 which is the VI characteristic curve, and the inter-terminal voltage of the portion where the generator unit, the motor unit and the storage battery 34 are connected to each other is , Vb at the intersection. That is, the operating voltage of the generator unit and the motor unit is determined according to the operating voltage of the storage battery 34 determined in this way.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
Now, the system efficiency of the generator section and the motor section can vary depending on the operating voltage. And the operating voltage which gives suitable system efficiency changes with the operating conditions of a generator part and a motor part. However, the operating points of the generator unit and the motor unit of the conventional hybrid power output apparatus are inevitably determined according to ΔP as described above. Therefore, the generator unit and the motor unit do not necessarily have a suitable system efficiency. There was a problem that it could not be operated at the realized operating voltage.
[0011]
Incidentally, here, the system efficiency is energy conversion efficiency, and for the generator part, it is the ratio of output power to input mechanical work, and for the motor part, it is the ratio of output mechanical work to input power.
[0012]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a hybrid power output device that improves the energy efficiency of the operation of the generator unit and the motor unit and improves the fuel consumption.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The power output device of the present invention is a battery in which the generator unit and the motor unit are electrically connected to the storage battery. Intermittent means And the battery Intermittent means In the disconnected state, The operating voltage of the generator unit and the motor unit is Target voltage determined based on energy conversion efficiency in the generator unit and the motor unit To be Control System It is characterized by having a means.
[0014]
According to the invention, the battery Intermittent means By making the state of being disconnected, the generator unit and the motor unit are connected to each other without receiving power and charge buffering by the storage battery. By omitting the buffering function of the storage battery, the inter-terminal voltage between the generator unit and the motor unit is determined according to the amount of charge accumulated in the electric capacity between the generator unit and the motor unit. Become. The power balancing means balances the balance between the output power of the generator unit and the power consumption of the motor unit, and keeps the amount of charge accumulated in the electric capacity between the generator unit and the motor unit constant, thereby generating power. Stabilizes the voltage between terminals between the machine part and the motor part. On the other hand, the operating voltage control means creates a state where the output power of the generator unit and the power consumption of the motor unit are not temporarily balanced, and the amount of charge accumulated in the electric capacity between the generator unit and the motor unit is calculated. adjust. Control means including these means By The operation voltage of the generator unit and the motor unit is controlled to be a target voltage determined based on the energy conversion efficiency in the generator unit and the motor unit. This target voltage is in accordance with the operating voltage of the generator unit and the motor unit that make the energy conversion efficiency of the generator unit or the motor unit, or the total energy conversion efficiency of both, a suitable value.
[0015]
According to a preferred aspect of the present invention, the battery Intermittent means However, when the power output from the device can be generated based only on the driving energy of the engine, the battery is disconnected, and further the battery Intermittent means However, when the output power cannot be generated only based on the driving energy of the engine, and when the storage battery is charged, the connected state is established.
[0016]
Moreover, the other suitable aspect of this invention has the 3 axis | shaft respectively couple | bonded with the said engine, the said generator part, and the said electric motor part, and the motive power input / output to either 2 axis | shafts is concerned among the said 3 axes A power distribution mechanism that, when determined, determines power to be input / output to the remaining one shaft based on the determined power, and the power output from the device is a shaft connected to the motor unit It is taken out from. For example, the power distribution mechanism is a mechanism used in a planetary gear mechanism used in a mechanical distribution type hybrid vehicle described in the prior art or an electric distribution type hybrid vehicle.
[0017]
The power output apparatus of the present invention is the battery Intermittent means An inductor connected in series on the generator side of the battery Intermittent means Is capable of bidirectional energization and is capable of PWM operation during discharge from the storage battery.
[0018]
According to the present invention, when discharging from the storage battery, the battery Intermittent means Are PWM-operated. Since pulses generated in the PWM operation are smoothed by the inductor, they are prevented from being destroyed by applying a rapid voltage to the generator unit and the motor unit.
[0019]
In this invention, the structure which measures the energy conversion efficiency of a generator part or an electric motor part in real time, and controls so that the energy conversion efficiency of a generator part and an electric motor part becomes suitable based on it is also possible. On the other hand, the conversion efficiency characteristic that is the relationship between the maximum efficiency voltage that maximizes the total energy conversion efficiency of the generator section and / or the motor section, or both, and the rotation speed and output torque of the generator or motor is measured in advance. The maximum efficiency voltage is read from the characteristic storage means and set as the target voltage when the power output apparatus is used. Such a preferred embodiment of the present invention is Notation A characteristic storage means for storing a conversion efficiency characteristic that is a relationship between the maximum efficiency voltage that is the input voltage that maximizes the energy conversion efficiency of the electric motor section, and the rotational speed and output torque of the electric motor; and the electric motor section Target voltage setting means for reading out the maximum efficiency voltage corresponding to the rotation speed and output torque in the operation state from the characteristic storage means and setting the target voltage as the target voltage.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0021]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic system configuration of a hybrid electric vehicle using a parallel hybrid power output apparatus according to an embodiment of the present invention. This apparatus includes an engine 60, a generator unit 62, an electric motor unit 64, a storage battery 66, a planetary gear mechanism 68, and a control unit 70 as main components. The generator unit 62 includes a generator 72 and an inverter 74, and the motor unit 64 includes an electric motor 76 and an inverter 78.
[0022]
The shafts of the engine 60 and the generator 72 and the wheel drive shaft 80 to which the power generated by this apparatus is output are coupled to the three shafts of the planetary gear mechanism 68, respectively. This planetary gear mechanism is a power split mechanism, and splits and transmits the output power of the engine 60 to the wheel drive shaft 80 and the generator 72. Torque applied to the wheel drive shaft 80 is transmitted to the differential mechanism 84 via power transmission means 82 such as a chain or gear, and the drive wheels 86 are driven. An electric motor 76 is also connected to the wheel drive shaft 80. When the load is high, the wheel drive shaft 80 receives power assist from the motor 76 in addition to power from the engine 60.
[0023]
The inverter 74 of the generator unit 62 converts an alternating current generated by the generator 72 into a direct current, and an inverter 78 and a storage battery 66 of the motor unit 64 are connected to the output side. The inverter 78 of the electric motor unit 64 converts the direct current output from the inverter 74 of the generator unit 62 or the direct current from the storage battery 66 into an alternating current for driving the electric motor 76. The storage battery 66 is connected to these inverters 74 and 78 via a battery switch 88.
[0024]
The operations of the generator unit 62, the motor unit 64, and the battery switch 88 are controlled by the control unit 70. That is, the control unit 70 controls the operation of the generator 72 through the PWM control in the inverter 74, and similarly controls the operation of the electric motor 76 through the PWM control in the inverter 78. The control unit 70 controls the power supply from the storage battery 66 by opening / closing the battery switch 88.
[0025]
A smoothing capacitor 90 and a diode 92 are connected to the storage battery 66 between the output terminals of the generator section 62 and between the input terminals of the motor section 64, that is, between the terminals connected to the storage battery 66 of each inverter 74, 78. An inductor 94 is connected in series with the storage battery 66 on the opposite side of the battery switch 88 from the storage battery 66. Although this part will be described later, for the sake of simplicity, in the capacitor 90 and the inductor 94, the high voltage of the storage battery 66 is suddenly applied to the inverters 74 and 78 by turning on / off the battery switch 88, and the power elements constituting them are damaged. This is to prevent this from happening. The diode 92 limits the direction of the voltage applied to the storage battery 66 to one direction, protects the storage battery 66, and is a free wheel diode induced by the inductor 94.
[0026]
Incidentally, the planetary gear mechanism 68 includes a ring gear 100, a planetary carrier 102, and a sun gear 104, which have the same central axis. The center of the pinion gear 106 having a diameter corresponding to the distance between the inner periphery of the ring gear 100 and the outer periphery of the sun gear 104 is attached to the planetary carrier 102. The ring gear 100 and the pinion gear 106, and the pinion gear 106 and the sun gear 104 are in contact with each other and rotate in correlation with each other. Thereby, the planetary gear mechanism 68 has a property that when two powers of the three rotational powers of the ring gear 100, the planetary carrier 102, and the sun gear 104 are determined, the remaining one power is determined. As described above, using the planetary gear mechanism 68, the output of the engine 60 is divided into a component transmitted to the generator unit 62 and a component transmitted to the wheel drive shaft 80. The distribution ratio is determined by the control unit 70 controlling the rotational speed of the generator 72 through PWM control in the inverter 74 of the generator unit 62. That is, the rotation of the planetary carrier 102 is determined corresponding to the engine 60, while the rotation of the sun gear 104 connected to the generator 72 is also determined, whereby the rotation of the ring gear 100 connected to the wheel drive shaft 80 is also determined. The
[0027]
Next, the operation of this apparatus will be described. The basic feature of this apparatus is that the storage battery 66 is electrically disconnected from the generator unit 62 and the motor unit 64 to generate power, thereby improving energy efficiency. FIG. 2 is a diagram showing this point, and is a flowchart showing an outline of the control of the apparatus in the control unit 70. The control unit 70 divides the axle power calculated based on the vehicle speed and the accelerator opening by the system efficiency that is the ratio of the engine output transmitted to the axle to calculate a value required as the engine output (S150). ).
[0028]
The engine request output is compared with the maximum engine output, and when the request output cannot be covered by the engine output or when the storage battery 66 is in a state of requiring charging (S152), the battery switch 88 is turned on. (S154), the shortage output can be supplemented with the electric power of the storage battery 66, and the storage battery 66 can be charged. That is, the control unit 70 performs PWM control of the inverter 78, drives the motor 76 using the output power from the storage battery 66 in addition to the output power from the generator unit 62, and assists the driving of the wheel drive shaft 80. Then, EV running is performed in which the storage battery 66 is charged by regeneration of energy during braking (S156). The EV travel mode including processing such as power generation in S156 is the same as that conventionally performed. In this case, the operating voltage of the generator unit 62 and the motor unit 64 (hereinafter, the voltage between the output terminals of the generator unit 62 and the voltage between the input terminals of the motor unit 64) Vsys is between the terminals of the storage battery 66. Restrained by voltage Vb.
[0029]
On the other hand, if the engine output is all covered by the engine output (S152), the control unit 70 turns off the battery switch 88 and electrically disconnects the storage battery 66 from the generator unit 62 and the motor unit 64 (S158). Then, a power generation process that does not use the power of the storage battery 66 is executed (S160). In this case, the operating voltage Vsys is not restricted by the voltage of the storage battery 66. The system efficiency of the generator unit 62 and the motor unit 64 is determined according to the input / output torque, the rotational speed, and the operating voltage. However, as described above, the constraint on the operating voltage Vsys is released, so that The operating voltage Vsys can be set so that the system efficiency becomes a suitable value under the conditions.
[0030]
The control unit 70 can repeatedly execute the processes S150 to S160 to switch the battery switch 88 on and off as appropriate in order to respond to the ever-changing driving state of the automobile.
[0031]
FIG. 3 is a functional block diagram of mainly control processing in the control unit 70 for explaining in more detail the processing S160 which is characteristic processing of the present apparatus. The control unit 70 receives outputs from a shift position sensor, an accelerator pedal, and a vehicle speed sensor (not shown), and executes an axle driving force calculation B2 and an axle power calculation B4. For example, in the calculation B2, the torque command value Tr * shown in FIG. 4 and the rotation speed Nr of the ring gear 100 (which is equal to the rotation speed of the wheel drive shaft 80 and corresponds to the vehicle speed V) A map showing the relationship is used. This map is prepared for each shift position and stored in, for example, a ROM. The control unit 70 obtains the drive request torque Tr * from the map based on the accelerator pedal position AP and Nr corresponding to the vehicle speed V obtained from the vehicle speed sensor. Since the required drive power Pr is expressed by Tr * · Nr, it is possible to calculate Pr based on this, but here, as with calculation B2, a map is prepared in advance in the ROM and Pr is determined based on it. It is said.
[0032]
In the engine output calculation B6, the drive request power Pr calculated in B4, the power generation request value from the battery ECU that monitors the state of charge of the storage battery 66, and the power request value from the air conditioner ECU are input. The engine demand output is calculated based on the sum of these demands. Here, a comparison process S152 between the obtained engine request output and the engine maximum output is performed, and on / off control S154 or S158 of the battery switch 88 is performed based on the result.
[0033]
In the engine operating point calculation B8, a fuel efficient fuel is determined as the operating point from the set of the torque Te and the rotational speed Ne that gives the engine required output calculated in B6. A set of the torque Te and the rotational speed Ne that maximizes the fuel efficiency is obtained in advance by measurement and stored in the ROM. The throttle opening is determined based on the power corresponding to the operating point obtained in B8, and is output to the throttle actuator. On the other hand, the rotational speed of the operating point is passed to the calculation B10 of the target rotational speed of the generator as the engine target rotational speed Ne *.
[0034]
The calculation contents in the calculation B10 of the target rotational speed of the generator can be understood from the operation collinear chart showing the rotational speed relationship between the gears of the planetary gear mechanism 68. FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an operation collinear line. In the figure, the vertical axis represents the rotation speed of the three axes of the planetary gear mechanism 68, and the horizontal axis represents the ratio of the positions of the three coordinate axes. That is, when the coordinate axes S and R of the sun gear and the ring gear are taken at both ends, the coordinate axis C of the planetary carrier is determined as an axis that internally divides the axes S and R into 1: ρ. Here, ρ is the ratio of the number of teeth of the sun gear 104 to the number of teeth of the ring gear 100, that is, (number of teeth of the sun gear / number of teeth of the ring gear). Using the operation alignment chart, the rotational speed Ne of the engine 60 is plotted on the coordinate axis C of the planetary carrier 102 to which the crankshaft of the engine 60 is coupled, and the rotational speed Nr of the ring gear is plotted on the coordinate axis R of the ring gear 100. By drawing a straight line passing through both points, the rotational speed corresponding to the intersection of this straight line and the coordinate axis S of the sun gear 104 is obtained as the rotational speed of the sun gear. When the rotational speed of the engine 60 is set to Ne * based on the command of B8, the rotational speed Nr of the ring gear coupled to the large inertia of the vehicle body is not changed immediately. Therefore, assuming that Nr is constant, the target rotational speed Ng * of the generator 72 is calculated by the following equation.
[0035]
Ng * = {(1 + ρ) Ne * −Nm}
Here, an electric motor 76 is coupled to the ring gear, and it is utilized that Nr is equal to the rotational speed Nm of the electric motor 76.
[0036]
In block B12, speed control is performed to set the rotation speed of the generator 72 to Ng * based on the output of the generator rotation sensor, and the generator torque command value is calculated. The generator torque command value corresponds to a component shared by the sun gear 104 in the torque generated by the engine, and is obtained by distributing the engine torque according to the operating characteristics of the planetary gear mechanism 68. The generator torque Tg ^ determined here is input to the generator control microcomputer, used for controlling the generator unit 62, and also passed to the block B14. In the calculation B14 of the direct drive force from the engine 60 to the wheel drive shaft 80, the torque To ^ distributed and transmitted from the engine 60 to the wheel drive shaft 80 via the ring gear is calculated in response to the calculation result of B12. The Here, since the lever ratio SC: CR of the operation collinear line corresponding to the ratio of Tg ^ and To ^ is 1: ρ, To ^ = Tg ^ / ρ.
[0037]
The calculation of the motor torque command value B16 is basically a command value of the generated torque so that the motor 76 compensates for the shortage of the direct engine driving force To ^ with respect to the drive request torque Ta * calculated in B2. Is calculated. At the time of deceleration, the electric motor 76 absorbs torque from the wheel drive shaft 80 and performs regenerative power generation, so that the actual drive request torque differs from Ta * accordingly. When the gain of this change is Gf, the actual required drive torque is expressed as Ta * / Gf, and the motor torque command value Tm * is obtained by Tm * = Ta * / Gf−To ^.
[0038]
The system efficiency of the generator unit 62 and the motor unit 64 is a function of the operating voltage, the rotational speed, and the torque. FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an example of the relationship between the system efficiency and the operating voltage of the electric motor unit 64. FIGS. 6A to 6C are diagrams in which the rotation speed Nm of the electric motor 76 is, for example, 1000 rpm, 3000 rpm, and 5000 rpm. Corresponds to the case. The horizontal axis and the vertical axis are the operating voltage and the system efficiency, respectively. Further, in the figure corresponding to each Nm, a plurality of characteristic curves using the output torque Tm as a parameter are shown. As can be seen from this figure, the operating voltage that optimizes the system efficiency varies depending on both the rotational speed Nm and the output torque Tm. For example, this figure shows that the optimum operating voltage Vp increases as the rotational speed Nm increases. In the present apparatus, based on this relationship, the operating voltage Vsys is controlled so that the system efficiency of the electric motor unit 64 is optimized (B18). The control unit 70 has, for example, a ROM as characteristic storage means in which a table representing the correspondence relationship between Nm and Tm and Vp is stored in advance. In block B18, Vp corresponding to Nm and Tm obtained by the above-described processing. Is read from the ROM and set as the target value of Vsys. Here, the control unit 70 functions as target voltage setting means. Furthermore, the control unit 70 performs control so that the operating voltage approaches the target value of Vsys.
[0039]
Vsys is controlled by adjusting the amount of charge Q accumulated in the capacitor 90. That is, if the capacitance of the capacitor 90 is C, the value is Vsys = Q / C. When the control unit 70 controls Vsys, the control unit 70 breaks the balance between the output power from the generator unit 62 and the power consumption of the motor unit 64 and changes the amount of charge accumulated in the capacitor 90. When the desired Vsys is achieved, the input / output of electric power between the generator unit 62 and the motor unit 64 is balanced, and the amount of electric charge accumulated in the capacitor 90 is kept constant. This is the basic principle of Vsys control. As described above, the control unit 70 functions as a power balancing unit that monitors the power balance between the generator unit 62 and the motor unit 64 and an operation voltage control unit that controls the Vsys while monitoring the Vsys by a voltage sensor (not shown).
[0040]
In this control, it is necessary to control the balance between the output power from the generator unit 62 and the power consumption in the motor unit 64, which is realized based on adjustment of the output of the engine 60. That is, for example, when the output of the engine 60 is increased, the engine target rotational speed Ne * increases (block B8). Accordingly, the target rotational speed Ng * of the generator unit 62 increases (block B10), and the output power Pg from the generator unit 62 increases. Along with this, the driving force To ^ that goes straight from the engine 60 to the wheel drive shaft 80 increases (blocks B10, B12, B14), so that the drive force for assisting the wheel drive shaft 80 output by the electric motor 76 is reduced. be able to. That is, the motor torque command value Tm * is reduced. Due to the decrease in Tm, the energy consumption Pm in the motor 76 is reduced. As described above, since the output power Pg of the generator unit 62 and the power consumption Pm of the motor unit 64 change in the opposite direction in accordance with the output change of the engine 60, by adjusting the output of the engine 60, Pg and The balance with Pm can be manipulated.
[0041]
Strictly speaking, when the above balance adjustment of Pm and Pg is performed, Tm also changes, and the optimum operating voltage Vp also changes accordingly, and the target Vsys itself changes. Therefore, the control of Vsys is generally control for obtaining a convergent solution by feeding back the change of the target Vsys and repeating the above operation.
[0042]
In addition, although the example which performs control to optimize the system efficiency of the electric motor unit 64 has been described here, an aspect in which the efficiency of the electric generator unit 62 is optimized, or between the electric generator unit 62 and the electric motor unit 64 A mode in which the overall efficiency is optimum is also possible.
[0043]
In addition, although this embodiment applied this invention to the power output apparatus of the parallel hybrid vehicle, this invention is applicable also to a series hybrid vehicle.
[0044]
As described with reference to FIG. 2, the battery switch 88 is turned on when the engine required output exceeds the engine maximum output and discharge from the storage battery 66 is required or when the storage battery 66 is charged. A state is set (S154). That is, in this apparatus, the on / off state of the battery switch 88 is switched according to the determination S152. Thereby, it is possible to appropriately use the above-described operation mode in which the conventional EV traveling mode is possible and the system efficiency of the generator unit 62 and the motor unit 64 is suitable.
[0045]
The battery switch 88 is turned on from the above-described operation mode, that is, the mode in which the battery switch 88 is turned off and the operating voltage between the generator unit 62 and the motor unit 64 can be set so that the system efficiency is suitable. When switching to the EV traveling mode, the operating voltage of the generator unit 62 and the motor unit 64 is also switched to a voltage constrained by the voltage between the terminals of the storage battery 66. When the difference in operating voltage before and after the battery switch 88 is turned on / off is large, if it is directly applied to the generator unit 62 and the motor unit 64, the power elements of the inverters 74 and 78 may be damaged. May occur.
[0046]
In this apparatus, in order to avoid this adverse effect, the battery switch 88 is configured to be capable of PWM control, and includes an inductor 94 and a capacitor 90. The battery switch 88 is constituted by, for example, a pair of power transistors in which the directions of the emitter and the collector are connected in parallel with each other so that bidirectional energization is possible. When discharging from the storage battery 66, the discharge current from the storage battery 66 can be controlled by PWM control of the base of the pair of transistors constituting the battery switch 88 according to the direction of the discharge current. That is, the capacitor 90 can be slowly charged by the PWM control of the battery switch 88. At this time, the inductor 94 functions to blunt the pulse generated by the PWM control. With this configuration, an inrush current to the generator unit 62 and the motor unit 64 when the battery switch 88 is turned on to start discharging from the storage battery 66 is prevented. Therefore, a relay in which an inrush current limiting resistor is connected in series, which has been conventionally provided in parallel with the SMR in order to prevent an inrush current, is not necessary.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic system configuration of a hybrid electric vehicle using a parallel hybrid power output apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing an outline of control of the apparatus in a control unit 70;
FIG. 3 is a functional block diagram mainly showing control processing in a control unit 70 for explaining in more detail characteristic processing of the apparatus.
FIG. 4 is a schematic graph showing an example of a relationship among a torque command value Tr *, a ring gear rotation speed Nr, and an accelerator pedal position AP.
FIG. 5 is a diagram showing an example of an operation collinear for explaining control of the apparatus.
FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of the relationship between system efficiency and operating voltage of an electric motor unit.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a schematic system configuration of a hybrid electric vehicle using a conventional parallel hybrid power output device.
FIG. 8 is a schematic graph illustrating the principle of determining the operating voltage of the generator unit and the motor unit in the conventional configuration.
[Explanation of symbols]
60 engine, 62 generator section, 64 motor section, 66 storage battery, 68 planetary gear mechanism, 70 control section, 72 generator, 74, 78 inverter, 76 motor, 80 wheel drive shaft, 88 battery switch, 90 smoothing capacitor, 94 inductor, 100 ring gear, 102 planetary carrier, 104 sun gear.

Claims

A generator unit that converts engine drive energy into a DC voltage, a storage battery that is charged by the generator unit, and an electric motor unit that is connected to the output of the generator unit and the storage battery and converts electrical energy into power. In the included power output device,
Battery interrupting means for electrically interrupting the generator part and the electric motor part with the storage battery;
At disconnection state of the battery and disconnecting means, the operating voltage of the generator unit and the motor unit, the generator unit and system that controls so that the target voltage determined based on energy conversion efficiency in the motor unit control Means,
A power output device comprising:

The power output apparatus according to claim 1, wherein
The battery interrupting means is in a disconnected state when the output power can be generated based only on the driving energy of the engine;
A power output device characterized by.

The power output apparatus according to claim 2, wherein
The battery intermittent means is in a connected state when the output power cannot be generated based only on the driving energy of the engine and when the storage battery is charged;
A power output device characterized by.

In the power output device according to any one of claims 1 to 3,
When the power input / output to / from any two of the three axes is determined based on the determined power, the engine, the generator unit, and the motor unit each have three shafts. A power distribution mechanism for determining the power input / output to / from the remaining one axis,
The power output apparatus, wherein the power output from the apparatus is taken out from a shaft connected to the electric motor unit.

In the power output device according to any one of claims 1 to 4,
Having an inductor connected in series on the generator side of the battery interrupting means ;
The battery interrupting means is capable of bidirectional energization and capable of PWM operation when discharging from the storage battery,
A power output device characterized by.

In the power output device according to any one of claims 1 to 5,
Before SL control means includes a maximum efficiency voltage and the motor characteristic storage means for storing a conversion efficiency characteristic is a relationship between the rotation speed and the output torque of which is the input voltage to maximize the energy conversion efficiency of the motor unit,
Target voltage setting means for reading out the maximum efficiency voltage corresponding to the rotation speed and output torque in the operating state of the motor section from the characteristic storage means and setting the target voltage as the target voltage;
A power output device comprising: