JP3925462B2 - 動力出力装置およびその制御方法並びに自動車 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動力出力装置およびその制御方法並びに自動車に関し、詳しくは、駆動軸に動力を出力する動力出力装置およびその制御方法並びにこうした動力出力装置を備える自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の動力出力装置としては、エンジンと、このエンジンのクランクシャフトをキャリアに接続すると共に車軸に機械的に連結された駆動軸にリングギヤを接続したプラネタリギヤと、このプラネタリギヤのサンギヤに動力を入出力する第１モータと、駆動軸に動力を入出力する第２モータとを搭載したハイブリッド自動車が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このハイブリッド自動車では、エンジンを停止して第２モータからの動力により走行している最中にエンジンの始動指示がなされたときには、要求パワーやバッテリの残容量（ＳＯＣ）に基づいてエンジンの運転ポイントを設定し、その運転ポイントでエンジンを運転するのに必要なトルクを第１モータから出力すると共にこの出力に同期して駆動軸に要求されるトルクと第１モータから出力するトルクの反力としてのトルクの和を第２モータから出力してエンジンをクランキングする。そして、エンジンが設定された運転ポイントにおける回転数近傍に至ったときに燃料噴射と点火とを介してエンジンを始動する。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２１２９８３号公報（図８）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
こうした自動車などに搭載される動力出力装置では、限られたスペースに搭載することから、その小型化が望まれ、装置を構成する機器についても小型化を図ることは課題の一つとして考えられている。例えば、ハイブリッド自動車に搭載される二次電池などの蓄電装置は、体格も重量も大きいため、できる限り小さい方が好ましい。このように小さな蓄電装置を搭載するものとすると、それに伴って蓄電装置の容量や定格出力電力も小さくなるため、装置の電力収支や電力バランスを考慮すると共に装置を構成する機器の使用効率を高めることが課題として考えられるようになる。
【０００５】
本発明の動力出力装置およびその制御方法並びに自動車は、電力収支や電力バランスを考慮すると共に構成機器の使用効率を向上させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の動力出力装置およびその制御方法並びに自動車は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の動力出力装置は、
駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、
内燃機関と、
該内燃機関の出力軸と前記駆動軸とに接続され、電力と動力の入出力を伴って該内燃機関からの動力の少なくとも一部を該駆動軸に出力する電力動力入出力手段と、
前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、
前記電力動力入出力手段および前記電動機と電力のやりとりが可能な蓄電手段と、
前記内燃機関の運転を停止した状態で前記電動機から正回転している前記駆動軸に動力を出力している最中に該内燃機関の始動指示がなされたとき、前記電力動力入出力手段と前記電動機とにより前記内燃機関がクランキングされると共に前記電動機により前記蓄電手段の出力制限電力と前記内燃機関のクランキングに伴って前記電力動力入出力手段により入出力される電力との和としての使用可能電力の範囲内の電力を用いて前記駆動軸に要求される要求動力に対応する動力が該駆動軸に出力されるよう前記内燃機関と前記電力動力入出力手段と前記電動機とを制御する始動時制御を行なう始動時制御手段と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明の動力出力装置では、内燃機関の運転を停止した状態で電動機から正回転している駆動軸に動力を出力している最中に内燃機関の始動指示がなされたときには、電力と動力の入出力を伴って内燃機関からの動力の少なくとも一部を駆動軸に出力する電力動力入出力手段と駆動軸に動力を出力する電動機とにより内燃機関がクランキングされると共に電動機により蓄電手段の出力制限電力と内燃機関のクランキングに伴って電力動力入出力手段により入出力される電力との和としての使用可能電力の範囲内の電力を用いて駆動軸に要求される要求動力に対応する動力が駆動軸に出力されるよう内燃機関と電力動力入出力手段と電動機とを制御する。即ち、内燃機関をクランキングする際に、装置で消費される電力や発電される電力，蓄電手段の出力制限を考慮して電力動力入出力手段と電動機とを駆動するのである。この結果、蓄電手段や電力動力入出力手段，第２の電動機の使用効率を向上させることができる。
【０００９】
こうした本発明の動力出力装置において、前記電力動力入出力手段は、前記内燃機関の出力軸の回転を停止して前記駆動軸を正回転させている状態で該内燃機関をクランキングするときには電力の出力を伴う手段であるものとすることもできる。こうすれば、電力動力入出力手段は発電機として機能するから、その発電電力と蓄電手段の出力制限電力の和の範囲内で電動機を駆動することができる。この態様の本発明の動力出力装置において、前記クランキングにより前記内燃機関の回転数が始動開始回転数に至ったときに該内燃機関の燃料噴射と点火とを含む運転制御を開始する内燃機関運転手段と、前記駆動軸の回転数を検出する回転数検出手段と、を備え、前記始動時制御手段は、前記回転数検出手段が前記クランキングにより前記内燃機関が始動開始回転数に至ったときに前記電力動力入出力手段による電力または動力の入出力が略値０となる前記駆動軸の回転数である制御用回転数以上の回転数を検出したときに前記始動時制御を行なう手段であるものとすることもできる。即ち、内燃機関の始動が完了するまでの間に亘って電力動力入出力手段が発電機として機能するときに始動時制御を行なうのである。したがって、内燃機関を始動している最中は、電力動力入出力手段による発電電力と蓄電手段の出力制限電力の和の範囲内で電動機を駆動することができる。
【００１０】
また、本発明の動力出力装置において、前記電力動力入出力手段は、前記内燃機関の出力軸と前記駆動軸と第３の軸の３軸に接続され該３軸のうちのいずれか２軸に入出力した動力に基づいて残余の軸に動力を入出力する３軸式動力入出力手段と、前記第３の軸に動力を入出力する発電機とを備える手段であるものとすることもできる。この態様の本発明の動力出力装置において、前記３軸式動力入出力手段は、前記内燃機関の出力軸がキャリアに接続され、前記駆動軸がリングギヤに接続され、前記第３の軸がサンギヤに接続されたプラネタリギヤであるものとすることもできる。
【００１１】
さらに、本発明の動力出力装置において、前記電力動力入出力手段は、前記内燃機関の出力軸に取り付けられた第１の回転子と前記駆動軸に取り付けられた第２の回転子とを有し該第１の回転子と該第２の回転子との電磁作用による電力の入出力を伴って該内燃機関からの動力の少なくとも一部を該駆動軸に出力する対回転子電動機であるものとすることもできる。
【００１２】
本発明の自動車は、上述のいずれかの態様の本発明の動力出力装置、即ち、基本的には、駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、内燃機関と、該内燃機関の出力軸と前記駆動軸とに接続され、電力と動力の入出力を伴って該内燃機関からの動力の少なくとも一部を該駆動軸に出力する電力動力入出力手段と、前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、前記電力動力入出力手段および前記電動機と電力のやりとりが可能な蓄電手段と、前記内燃機関の運転を停止した状態で前記電動機から正回転している前記駆動軸に動力を出力している最中に該内燃機関の始動指示がなされたとき、前記電力動力入出力手段と前記電動機とにより前記内燃機関がクランキングされると共に前記電動機により前記蓄電手段の出力制限電力と前記内燃機関のクランキングに伴って前記電力動力入出力手段により入出力される電力との和としての使用可能電力の範囲内の電力を用いて前記駆動軸に要求される要求動力に対応する動力が該駆動軸に出力されるよう前記内燃機関と前記電力動力入出力手段と前記電動機とを制御する始動時制御を行なう始動時制御手段と、を備える動力出力装置を搭載し、前記駆動軸が機械的に車軸に接続されて走行することを要旨とする。
【００１３】
この本発明の自動車によれば、上述のいずれかの態様の本発明の動力出力装置を備えるから、本発明の動力出力装置が奏する効果、例えば、蓄電手段や電力動力入出力手段，第２の電動機の使用効率を向上させることができる効果などと同様な効果を奏することができる。
【００１４】
駆動軸が制御用回転数以上のときに始動時制御を行なう態様の動力出力装置を搭載する本発明の自動車において、前記回転数検出手段に代えて車速を検出する車速検出手段を備え、前記始動時制御手段は、前記車速検出手段が前記クランキングにより前記内燃機関が始動開始回転数に至ったときに前記電力動力入出力手段による電力または動力の入出力が略値０となる前記駆動軸の回転数に対応する制御用車速以上の車速を検出したときに前記始動時制御を行なう手段であるものとすることもできる。
【００１５】
本発明の動力出力装置の制御方法は、
内燃機関と、該内燃機関の出力軸と前記駆動軸とに接続され、電力と動力の入出力を伴って該内燃機関からの動力の少なくとも一部を該駆動軸に出力する電力動力入出力手段と、前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、前記電力動力入出力手段および前記電動機と電力のやりとりが可能な蓄電手段と、を備える動力出力装置における、前記内燃機関の運転を停止した状態で前記電動機から正回転している前記駆動軸に動力を出力している最中に該内燃機関の始動指示がなされたときの制御方法であって、
前記電力動力入出力手段と前記電動機とにより前記内燃機関がクランキングされると共に前記電動機により前記蓄電手段の出力制限電力と前記内燃機関のクランキングに伴って前記電力動力入出力手段により入出力される電力との和としての使用可能電力の範囲内の電力を用いて前記駆動軸に要求される要求動力に対応する動力が該駆動軸に出力されるよう前記内燃機関と前記電力動力入出力手段と前記電動機とを制御する
ことを要旨とする。
【００１６】
この本発明の動力出力装置の制御方法によれば、内燃機関の運転を停止した状態で電動機から正回転している駆動軸に動力を出力している最中に内燃機関の始動指示がなされたときには、電力と動力の入出力を伴って内燃機関からの動力の少なくとも一部を駆動軸に出力する電力動力入出力手段と駆動軸に動力を出力する電動機とにより内燃機関がクランキングされると共に電動機により蓄電手段の出力制限電力と内燃機関のクランキングに伴って電力動力入出力手段により入出力される電力との和としての使用可能電力の範囲内の電力を用いて駆動軸に要求される要求動力に対応する動力が駆動軸に出力されるよう内燃機関と電力動力入出力手段と電動機とを制御するから、即ち、内燃機関をクランキングする際に装置で消費される電力や発電される電力，蓄電手段の出力制限を考慮して電力動力入出力手段と電動機とを駆動するから、蓄電手段や電力動力入出力手段，第２の電動機の使用効率を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である動力出力装置を搭載したハイブリッド自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例のハイブリッド自動車２０は、図示するように、エンジン２２と、エンジン２２の出力軸としてのクランクシャフト２６にダンパ２８を介して接続された３軸式の動力分配統合機構３０と、動力分配統合機構３０に接続された発電可能なモータＭＧ１と、動力分配統合機構３０に接続された駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに取り付けられた減速ギヤ３５と、この減速ギヤ３５に接続されたモータＭＧ２と、動力出力装置全体をコントロールするハイブリッド用電子制御ユニット７０とを備える。
【００１８】
エンジン２２は、ガソリンまたは軽油などの炭化水素系の燃料により動力を出力する内燃機関であり、エンジン２２の運転状態を検出する各種センサから信号を入力するエンジン用電子制御ユニット（以下、エンジンＥＣＵという）２４により燃料噴射制御や点火制御，吸入空気量調節制御などの運転制御を受けている。エンジンＥＣＵ２４は、ハイブリッド用電子制御ユニット７０と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット７０からの制御信号によりエンジン２２を運転制御すると共に必要に応じてエンジン２２の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。
【００１９】
動力分配統合機構３０は、外歯歯車のサンギヤ３１と、このサンギヤ３１と同心円上に配置された内歯歯車のリングギヤ３２と、サンギヤ３１に噛合すると共にリングギヤ３２に噛合する複数のピニオンギヤ３３と、複数のピニオンギヤ３３を自転かつ公転自在に保持するキャリア３４とを備え、サンギヤ３１とリングギヤ３２とキャリア３４とを回転要素として差動作用を行なう遊星歯車機構として構成されている。動力分配統合機構３０は、キャリア３４にはエンジン２２のクランクシャフト２６が、サンギヤ３１にはモータＭＧ１が、リングギヤ３２にはリングギヤ軸３２ａを介して減速ギヤ３５がそれぞれ連結されており、モータＭＧ１が発電機として機能するときにはキャリア３４から入力されるエンジン２２からの動力をサンギヤ３１側とリングギヤ３２側にそのギヤ比に応じて分配し、モータＭＧ１が電動機として機能するときにはキャリア３４から入力されるエンジン２２からの動力とサンギヤ３１から入力されるモータＭＧ１からの動力を統合してリングギヤ３２側に出力する。リングギヤ３２に出力された動力は、リングギヤ軸３２ａからギヤ機構６０およびデファレンシャルギヤ６２を介して、最終的には車両の駆動輪６３ａ，６３ｂに出力される。
【００２０】
モータＭＧ１およびモータＭＧ２は、いずれも発電機として駆動することができると共に電動機として駆動できる周知の同期発電電動機として構成されており、インバータ４１，４２を介してバッテリ５０と電力のやりとりを行なう。インバータ４１，４２とバッテリ５０とを接続する電力ライン５４は、各インバータ４１，４２が共用する正極母線および負極母線として構成されており、モータＭＧ１，ＭＧ２のいずれかで発電される電力を他のモータで消費することができるようになっている。したがって、バッテリ５０は、モータＭＧ１，ＭＧ２のいずれかから生じた電力や不足する電力により充放電されることになる。なお、モータＭＧ１，ＭＧ２により電力収支のバランスをとるものとすれば、バッテリ５０は充放電されない。モータＭＧ１，ＭＧ２は、いずれもモータ用電子制御ユニット（以下、モータＥＣＵという）４０により駆動制御されている。モータＥＣＵ４０には、モータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御するために必要な信号、例えばモータＭＧ１，ＭＧ２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ４３，４４からの信号や図示しない電流センサにより検出されるモータＭＧ１，ＭＧ２に印加される相電流などが入力されており、モータＥＣＵ４０からは、インバータ４１，４２へのスイッチング制御信号が出力されている。モータＥＣＵ４０は、ハイブリッド用電子制御ユニット７０と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット７０からの制御信号によってモータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御すると共に必要に応じてモータＭＧ１，ＭＧ２の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。
【００２１】
バッテリ５０は、バッテリ用電子制御ユニット（以下、バッテリＥＣＵという）５２によって管理されている。バッテリＥＣＵ５２には、バッテリ５０を管理するのに必要な信号、例えば，バッテリ５０の端子間に設置された図示しない電圧センサからの端子間電圧，バッテリ５０の出力端子に接続された電力ライン５４に取り付けられた図示しない電流センサからの充放電電流，バッテリ５０に取り付けられた温度センサ５１からの電池温度Ｔｂなどが入力されており、必要に応じてバッテリ５０の状態に関するデータを通信によりハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。なお、バッテリＥＣＵ５２では、バッテリ５０を管理するために電流センサにより検出された充放電電流の積算値に基づいて残容量（ＳＯＣ）も演算している。
【００２２】
ハイブリッド用電子制御ユニット７０は、ＣＰＵ７２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ７２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ７４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ７６と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。ハイブリッド用電子制御ユニット７０には、イグニッションスイッチ８０からのイグニッション信号，シフトレバー８１の操作位置を検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジションＳＰ，アクセルペダル８３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度Ａｃｃ，ブレーキペダル８５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキペダルポジションＢＰ，車速センサ８８からの車速Ｖなどが入力ポートを介して入力されている。ハイブリッド用電子制御ユニット７０は、前述したように、エンジンＥＣＵ２４やモータＥＣＵ４０，バッテリＥＣＵ５２と通信ポートを介して接続されており、エンジンＥＣＵ２４やモータＥＣＵ４０，バッテリＥＣＵ５２と各種制御信号やデータのやりとりを行なっている。
【００２３】
こうして構成された実施例のハイブリッド自動車２０は、運転者によるアクセルペダル８３の踏み込み量に対応するアクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づいて駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに出力すべき要求トルクを計算し、この要求トルクに対応する要求動力がリングギヤ軸３２ａに出力されるように、エンジン２２とモータＭＧ１とモータＭＧ２とが運転制御される。エンジン２２とモータＭＧ１とモータＭＧ２の運転制御としては、要求動力に見合う動力がエンジン２２から出力されるようにエンジン２２を運転制御すると共にエンジン２２から出力される動力のすべてが動力分配統合機構３０とモータＭＧ１とモータＭＧ２とによってトルク変換されてリングギヤ軸３２ａに出力されるようモータＭＧ１およびモータＭＧ２を駆動制御するトルク変換運転モードや要求動力とバッテリ５０の充放電に必要な電力との和に見合う動力がエンジン２２から出力されるようにエンジン２２を運転制御すると共にバッテリ５０の充放電を伴ってエンジン２２から出力される動力の全部またはその一部が動力分配統合機構３０とモータＭＧ１とモータＭＧ２とによるトルク変換を伴って要求動力がリングギヤ軸３２ａに出力されるようモータＭＧ１およびモータＭＧ２を駆動制御する充放電運転モード、エンジン２２の運転を停止してモータＭＧ２からの要求動力に見合う動力をリングギヤ軸３２ａに出力するよう運転制御するモータ運転モードなどがある。
【００２４】
次に、こうして構成された実施例のハイブリッド自動車２０の動作、特にモータ運転モードにより走行している最中にエンジン２２を始動する際の動作について説明する。図２は、ハイブリッド用電子制御ユニット７０により実行される始動時制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、モータ運転モードにより走行している最中にエンジン２２の始動指示がなされてからエンジン２２の運転制御が開始される間、所定時間毎（例えば８ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。
【００２５】
始動時制御ルーチンが実行されると、ハイブリッド用電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２は、まず、アクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度Ａｃｃや車速センサ８８からの車速Ｖ，エンジン２２の回転数Ｎｅ，バッテリ５０の出力制限Ｗｏｕｔ，モータＭＧ１，ＭＧ２の回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２など制御に必要なデータを入力する処理を実行する（ステップＳ１００）。ここで、エンジン２２の回転数Ｎｅについては図示しないクランクポジションセンサからの信号に基づいてエンジンＥＣＵ２４により演算されたものを通信により入力するものとし、モータＭＧ１，ＭＧ２の回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２については回転位置検出センサ４３，４４により検出されるモータＭＧ１，ＭＧ２の回転子の回転位置に基づいて計算されたものをモータＥＣＵ４０から通信により入力するものとし、バッテリ５０の出力制限Ｗｏｕｔについてはバッテリ５０の温度Ｔｂや残容量（ＳＯＣ）などから求めたものをバッテリＥＣＵ５２から通信により入力するものとした。
【００２６】
こうしてデータを入力すると、入力したアクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づいて車両に要求されるトルクとして駆動輪６３ａ，６３ｂに連結された駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに出力すべき要求トルクＴｒ＊を設定する（ステップＳ１１０）。要求トルクＴｒ＊は、実施例では、アクセル開度Ａｃｃと車速Ｖと要求トルクＴｒ＊との関係を予め定めて要求トルク設定用マップとしてＲＯＭ７４に記憶しておき、アクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとが与えられると記憶したマップから対応する要求トルクＴｒ＊を導出して設定するものとした。図３に要求トルク設定用マップの一例を示す。
【００２７】
続いて、モータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊にクランキングトルクＴｓｔａｒｔを設定する（ステップＳ１２０）。ここで、クランキングトルクＴｓｔａｒｔは、エンジン２２を制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔまで比較的迅速に回転させるトルクとして設定されるものであり、エンジン２２の性能やモータＭＧ１およびモータＭＧ２の性能によって設定することができる。そして、次式（１）に示すように、バッテリ５０の出力制限ＷｏｕｔからモータＭＧ１の消費電力または発電電力を減じてモータＭＧ２に供給することができる電力の最大値（以下、使用可能電力という）Ｐｖを計算する（ステップＳ１３０）。
【００２８】
【数１】
Pv=Wout-(2π/60)×Nm1×Tm1* …（１）
【００２９】
そして、計算した使用可能電力ＰｖをモータＭＧ２の回転数Ｎｍ２で除してモータＭＧ２から出力してもよいトルクの上限としてのトルク制限Ｔｍａｘを計算すると共に（ステップＳ１４０）、要求トルクＴｒ＊とトルク指令Ｔｍ１＊と動力分配統合機構３０のギヤ比ρを用いてモータＭＧ２から出力すべきトルクとしての仮モータトルクＴｍ２ｔｍｐを式（２）により計算し（ステップＳ１５０）、計算したトルク制限Ｔｍａｘと仮モータトルクＴｍ２ｔｍｐとを比較して小さい方をモータＭＧ２のトルク指令Ｔｍ２＊として設定する（ステップＳ１６０）。エンジン２２の始動時における動力分配統合機構３０の回転要素とトルクとを力学的に説明する共線図の一例を図４に示す。図中、左のＳ軸はモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１であるサンギヤ３１の回転数を示し、Ｃ軸はエンジン２２の回転数Ｎｅであるキャリア３４の回転数を示し、Ｒ軸はモータＭＧ２の回転数Ｎｍ２に減速ギヤ３５のギヤ比Ｇｒを乗じたリングギヤ３２の回転数Ｎｒを示す。また、図中、実線はモータ運転モードで走行している最中にエンジン２２の始動指示がなされてエンジン２２のクランキングが開始されるときの共線図であり、破線はエンジン２２の燃料噴射制御や点火制御が開始される際の共線図である。Ｒ軸上の２つの太線矢印は、モータＭＧ１でエンジン２２をクランキングを開始したときにモータＭＧ１から出力されるトルクがリングギヤ軸３２ａに伝達されるトルクと、モータＭＧ２から出力されるトルクＴｍ２＊が減速ギヤ３５を介してリングギヤ軸３２ａに作用するトルクとを示す。式（２）は、この図４の共線図から容易に導き出すことができる。このようにモータＭＧ２のトルク指令Ｔｍ２＊を設定することにより、駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに出力する要求トルクＴｒ＊を、バッテリ５０の出力制限を考慮してモータＭＧ２に供給できる使用可能電力Ｐｖの範囲内で制限したトルクとして設定することができる。
【００３０】
Tm2tmp＝(Tr*＋Tm1*/ρ)/Gr …（２）
【００３１】
こうしてモータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊とモータＭＧ２のトルク指令Ｔｍ２＊とを設定すると、設定したトルク指令Ｔｍ１＊とトルク指令Ｔｍ２＊とをモータＥＣＵ４０に送信する（ステップＳ１７０）。トルク指令Ｔｍ１＊とトルク指令Ｔｍ２＊とを受信したモータＥＣＵ４０は、トルク指令Ｔｍ１＊でモータＭＧ１が駆動されると共にトルク指令Ｔｍ２＊でモータＭＧ２が駆動されるようインバータ４１，４２のスイッチング素子のスイッチング制御を行なう。即ち、図４の共線図に示すように、キャリア３４にクランクシャフト２６が接続されたエンジン２２の回転数Ｎｅが制御開始回転数ＮｓｔａｒｔになるようにモータＭＧ１をクランキングトルクＴｓｔａｒｔで駆動し、バッテリ５０の出力制限Ｗｏｕｔを考慮した使用可能電力Ｐｖの範囲内でモータＭＧ１によるクランキングトルクＴｓｔａｒｔの反力をとると共にリングギヤ軸３２ａに要求トルクＴｒ＊を出力するようモータＭＧ２を駆動するのである。
【００３２】
そして、エンジン２２の回転数Ｎｅが制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔに至ったか否かを判定し（ステップＳ１８０）、制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔに至っていないときにはそのまま始動時制御ルーチンを終了し、制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔに至ったときにはエンジン２２の燃料噴射制御や点火制御の開始指示をエンジンＥＣＵ２４に送信して（ステップＳ１９０）、始動時制御ルーチンを終了する。燃料噴射制御や点火制御の開始指示を受信したエンジンＥＣＵ２４は、制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔで回転しているエンジン２２に対して燃料噴射制御と点火制御を開始してエンジン２２の始動を完了する。こうしてエンジン２２の始動が完了すると、始動時制御ルーチンの繰り返しの実行は停止され、トルク変換運転モードや充放電運転モードの際に繰り返し実行される図示しない駆動制御ルーチンによりエンジン２２やモータＭＧ１，モータＭＧ２は制御されるようになる。
【００３３】
図４に示す共線図の状態でエンジン２２を始動すると、エンジン２２の回転数Ｎｅが制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔに至るまではモータＭＧ１は負回転しているから、モータＭＧ１は発電機として機能する。したがって、使用可能電力Ｐｖを計算する式（１）の右辺第２項は負の値であるから、使用可能電力Ｐｖは出力制限ＷｏｕｔにモータＭＧ１の発電電力を加えた値となる。このように、エンジン２２の始動を完了するまでモータＭＧ１を発電機として機能させるためには、エンジン２２が制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔで回転したときにモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１が値０以下（負の値）となる条件を満たせばよいことになる。エンジン２２が制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔで回転したときにモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１が値０となるときの共線図を図５に示す。このときのリングギヤ軸３２ａの回転数を発電始動回転数Ｎｓｅｔとし、これを車速Ｖに換算した値を発電始動車速Ｖｓｅｔする。図６にクランキング開始時およびクランキング終了時のモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１と車速Ｖとの関係を示す。図示するように、車速Ｖがこの発電始動車速Ｖｓｅｔ以上のときにエンジン２２を始動すれば、モータＭＧ１はエンジン２２の始動が完了するまで負回転するから、モータＭＧ２に供給することができる使用可能電力Ｐｖを出力制限Ｗｏｕｔより大きくすることができる。実施例では、他の条件にもよるが、基本的には、エンジン２２の始動指示を車速Ｖが発電始動車速Ｖｓｅｔ以上のときに行なうものとし、エンジン２２の始動時におけるバッテリ５０やモータＭＧ１およびモータＭＧ２を効率よく使用することができるようにしているのである。
【００３４】
以上説明した実施例のハイブリッド自動車２０によれば、モータ運転モードで走行しているときにはエンジン２２の始動指示を車速Ｖが発電始動車速Ｖｓｅｔ以上のときに行ない、モータＭＧ２に供給することができる使用可能電力Ｐｖをバッテリ５０の出力制限ＷｏｕｔにモータＭＧ１で発電した電力を加えたものとして設定し、この使用可能電力Ｐｖの範囲内でモータＭＧ２を駆動するから、エンジン２２の始動時における電力収支や電力バランスを考慮したものとなり、エンジン２２の始動時におけるバッテリ５０やモータＭＧ１，モータＭＧ２を効率よく使用することができる。しかも、バッテリ５０の出力制限Ｗｏｕｔを考慮しているから、バッテリ５０が過放電されるのを抑止することができる。もとより、運転者が要求する要求トルクＴｒ＊に応じたトルクを出力することができる。
【００３５】
実施例のハイブリッド自動車２０では、エンジン２２をクランキングする際にモータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊にクランキングトルクＴｓｔａｒｔを設定するものとしたが、エンジン２２を制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔ以上で回転させることができるトルクであれば如何なるトルクをトルク指令Ｔｍ１＊に設定するものとしてもよい。
【００３６】
実施例のハイブリッド自動車２０では、モータ運転モードで走行しているときには、基本的には、エンジン２２の始動指示を車速Ｖが発電始動車速Ｖｓｅｔ以上のときに行なうものとしたが、前述したように、他の要求、例えば急加速の要求やバッテリ５０の充電要求などがなされているときには車速Ｖが発電始動車速Ｖｓｅｔ未満であってもエンジン２２の始動指示を行なうことができるのは勿論である。
【００３７】
実施例のハイブリッド自動車２０では、モータＭＧ２の動力を減速ギヤ３５により変速してリングギヤ軸３２ａに出力するものとしたが、図７の変形例のハイブリッド自動車１２０に例示するように、モータＭＧ２の動力をリングギヤ軸３２ａが接続された車軸（駆動輪６３ａ，６３ｂが接続された車軸）とは異なる車軸（図７における車輪６４ａ，６４ｂに接続された車軸）に出力するものとしてもよい。
【００３８】
実施例のハイブリッド自動車２０では、エンジン２２の動力を動力分配統合機構３０を介して駆動輪６３ａ，６３ｂに接続された駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに出力するものとしたが、図８の変形例のハイブリッド自動車２２０に例示するように、エンジン２２のクランクシャフト２６に接続されたインナーロータ２３２と駆動輪６３ａ，６３ｂに動力を出力する駆動軸に接続されたアウターロータ２３４とを有し、エンジン２２の動力の一部を駆動軸に伝達すると共に残余の動力を電力に変換する対ロータ電動機２３０を備えるものとしてもよい。
【００３９】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である動力出力装置を搭載したハイブリッド自動車２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】 実施例のハイブリッド用電子制御ユニット７０により実行される始動時制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図３】 要求トルク設定用マップの一例を示す説明図である。
【図４】 エンジン２２の始動時の動力分配統合機構３０の回転要素を力学的に説明するための共線図の一例を示す説明図である。
【図５】 エンジン２２の始動時の動力分配統合機構３０の回転要素を力学的に説明するための共線図の一例を示す説明図である。
【図６】 クランキング開始時およびクランキング終了時のモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１と車速Ｖとの関係を示す説明図である。
【図７】 変形例のハイブリッド自動車１２０の構成の概略を示す構成図である。
【図８】 変形例のハイブリッド自動車２２０の構成の概略を示す構成図である。
【符号の説明】
２０，１２０，２２０ ハイブリッド自動車、２２ エンジン、２４ エンジン用電子制御ユニット（エンジンＥＣＵ）、２６ クランクシャフト、２８ ダンパ、３０ 動力分配統合機構、３１ サンギヤ、３２ リングギヤ、３２ａ リングギヤ軸、３３ ピニオンギヤ、３４ キャリア、３５，１３５ 減速ギヤ、４０ モータ用電子制御ユニット（モータＥＣＵ）、４１，４２ インバータ、４３，４４ 回転位置検出センサ、５０ バッテリ、５１ 温度センサ、５２バッテリ用電子制御ユニット（バッテリＥＣＵ）、５４ 電力ライン、６０ ギヤ機構、６２ デファレンシャルギヤ、６３ａ，６３ｂ，６４ａ，６４ｂ 駆動輪、７０ ハイブリッド用電子制御ユニット、７２ ＣＰＵ、７４ ＲＯＭ、７６ ＲＡＭ、８０ イグニッションスイッチ、８１ シフトレバー、８２ シフトポジションセンサ、８３ アクセルペダル、８４ アクセルペダルポジションセンサ、８５ ブレーキペダル、８６ ブレーキペダルポジションセンサ、８８ 車速センサ、２３０ 対ロータ電動機、２３２ インナーロータ ２３４ アウターロータ、ＭＧ１，ＭＧ２ モータ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、動力出力装置およびその制御方法並びに自動車に関し、詳しくは、駆動軸に動力を出力する動力出力装置およびその制御方法並びにこうした動力出力装置を備える自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の動力出力装置としては、エンジンと、このエンジンのクランクシャフトをキャリアに接続すると共に車軸に機械的に連結された駆動軸にリングギヤを接続したプラネタリギヤと、このプラネタリギヤのサンギヤに動力を入出力する第１モータと、駆動軸に動力を入出力する第２モータとを搭載したハイブリッド自動車が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このハイブリッド自動車では、エンジンを停止して第２モータからの動力により走行している最中にエンジンの始動指示がなされたときには、要求パワーやバッテリの残容量（ＳＯＣ）に基づいてエンジンの運転ポイントを設定し、その運転ポイントでエンジンを運転するのに必要なトルクを第１モータから出力すると共にこの出力に同期して駆動軸に要求されるトルクと第１モータから出力するトルクの反力としてのトルクの和を第２モータから出力してエンジンをクランキングする。そして、エンジンが設定された運転ポイントにおける回転数近傍に至ったときに燃料噴射と点火とを介してエンジンを始動する。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２１２９８３号公報（図８）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
こうした自動車などに搭載される動力出力装置では、限られたスペースに搭載することから、その小型化が望まれ、装置を構成する機器についても小型化を図ることは課題の一つとして考えられている。例えば、ハイブリッド自動車に搭載される二次電池などの蓄電装置は、体格も重量も大きいため、できる限り小さい方が好ましい。このように小さな蓄電装置を搭載するものとすると、それに伴って蓄電装置の容量や定格出力電力も小さくなるため、装置の電力収支や電力バランスを考慮すると共に装置を構成する機器の使用効率を高めることが課題として考えられるようになる。
【０００５】
本発明の動力出力装置およびその制御方法並びに自動車は、電力収支や電力バランスを考慮すると共に構成機器の使用効率を向上させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の動力出力装置およびその制御方法並びに自動車は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の動力出力装置は、
駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、
内燃機関と、
該内燃機関の出力軸と前記駆動軸とに接続され、電力と動力の入出力を伴って該内燃機関からの動力の少なくとも一部を該駆動軸に出力する電力動力入出力手段と、
前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、
前記電力動力入出力手段および前記電動機と電力のやりとりが可能な蓄電手段と、
前記内燃機関の運転を停止した状態で前記電動機から正回転している前記駆動軸に動力を出力している最中に該内燃機関の始動指示がなされたとき、前記電力動力入出力手段と前記電動機とにより前記内燃機関がクランキングされると共に前記電動機により前記蓄電手段の出力制限電力と前記内燃機関のクランキングに伴って前記電力動力入出力手段により入出力される電力との和としての使用可能電力の範囲内の電力を用いて前記駆動軸に要求される要求動力に対応する動力が該駆動軸に出力されるよう前記内燃機関と前記電力動力入出力手段と前記電動機とを制御する始動時制御を行なう始動時制御手段と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明の動力出力装置では、内燃機関の運転を停止した状態で電動機から正回転している駆動軸に動力を出力している最中に内燃機関の始動指示がなされたときには、電力と動力の入出力を伴って内燃機関からの動力の少なくとも一部を駆動軸に出力する電力動力入出力手段と駆動軸に動力を出力する電動機とにより内燃機関がクランキングされると共に電動機により蓄電手段の出力制限電力と内燃機関のクランキングに伴って電力動力入出力手段により入出力される電力との和としての使用可能電力の範囲内の電力を用いて駆動軸に要求される要求動力に対応する動力が駆動軸に出力されるよう内燃機関と電力動力入出力手段と電動機とを制御する。即ち、内燃機関をクランキングする際に、装置で消費される電力や発電される電力，蓄電手段の出力制限を考慮して電力動力入出力手段と電動機とを駆動するのである。この結果、蓄電手段や電力動力入出力手段，第２の電動機の使用効率を向上させることができる。
【０００９】
こうした本発明の動力出力装置において、前記電力動力入出力手段は、前記内燃機関の出力軸の回転を停止して前記駆動軸を正回転させている状態で該内燃機関をクランキングするときには電力の出力を伴う手段であるものとすることもできる。こうすれば、電力動力入出力手段は発電機として機能するから、その発電電力と蓄電手段の出力制限電力の和の範囲内で電動機を駆動することができる。この態様の本発明の動力出力装置において、前記クランキングにより前記内燃機関の回転数が始動開始回転数に至ったときに該内燃機関の燃料噴射と点火とを含む運転制御を開始する内燃機関運転手段と、前記駆動軸の回転数を検出する回転数検出手段と、を備え、前記始動時制御手段は、前記回転数検出手段が前記クランキングにより前記内燃機関が始動開始回転数に至ったときに前記電力動力入出力手段による電力または動力の入出力が略値０となる前記駆動軸の回転数である制御用回転数以上の回転数を検出したときに前記始動時制御を行なう手段であるものとすることもできる。即ち、内燃機関の始動が完了するまでの間に亘って電力動力入出力手段が発電機として機能するときに始動時制御を行なうのである。したがって、内燃機関を始動している最中は、電力動力入出力手段による発電電力と蓄電手段の出力制限電力の和の範囲内で電動機を駆動することができる。
【００１０】
また、本発明の動力出力装置において、前記電力動力入出力手段は、前記内燃機関の出力軸と前記駆動軸と第３の軸の３軸に接続され該３軸のうちのいずれか２軸に入出力した動力に基づいて残余の軸に動力を入出力する３軸式動力入出力手段と、前記第３の軸に動力を入出力する発電機とを備える手段であるものとすることもできる。この態様の本発明の動力出力装置において、前記３軸式動力入出力手段は、前記内燃機関の出力軸がキャリアに接続され、前記駆動軸がリングギヤに接続され、前記第３の軸がサンギヤに接続されたプラネタリギヤであるものとすることもできる。
【００１１】
さらに、本発明の動力出力装置において、前記電力動力入出力手段は、前記内燃機関の出力軸に取り付けられた第１の回転子と前記駆動軸に取り付けられた第２の回転子とを有し該第１の回転子と該第２の回転子との電磁作用による電力の入出力を伴って該内燃機関からの動力の少なくとも一部を該駆動軸に出力する対回転子電動機であるものとすることもできる。
【００１２】
本発明の自動車は、上述のいずれかの態様の本発明の動力出力装置、即ち、基本的には、駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、内燃機関と、該内燃機関の出力軸と前記駆動軸とに接続され、電力と動力の入出力を伴って該内燃機関からの動力の少なくとも一部を該駆動軸に出力する電力動力入出力手段と、前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、前記電力動力入出力手段および前記電動機と電力のやりとりが可能な蓄電手段と、前記内燃機関の運転を停止した状態で前記電動機から正回転している前記駆動軸に動力を出力している最中に該内燃機関の始動指示がなされたとき、前記電力動力入出力手段と前記電動機とにより前記内燃機関がクランキングされると共に前記電動機により前記蓄電手段の出力制限電力と前記内燃機関のクランキングに伴って前記電力動力入出力手段により入出力される電力との和としての使用可能電力の範囲内の電力を用いて前記駆動軸に要求される要求動力に対応する動力が該駆動軸に出力されるよう前記内燃機関と前記電力動力入出力手段と前記電動機とを制御する始動時制御を行なう始動時制御手段と、を備える動力出力装置を搭載し、前記駆動軸が機械的に車軸に接続されて走行することを要旨とする。
【００１３】
この本発明の自動車によれば、上述のいずれかの態様の本発明の動力出力装置を備えるから、本発明の動力出力装置が奏する効果、例えば、蓄電手段や電力動力入出力手段，第２の電動機の使用効率を向上させることができる効果などと同様な効果を奏することができる。
【００１４】
駆動軸が制御用回転数以上のときに始動時制御を行なう態様の動力出力装置を搭載する本発明の自動車において、前記回転数検出手段に代えて車速を検出する車速検出手段を備え、前記始動時制御手段は、前記車速検出手段が前記クランキングにより前記内燃機関が始動開始回転数に至ったときに前記電力動力入出力手段による電力または動力の入出力が略値０となる前記駆動軸の回転数に対応する制御用車速以上の車速を検出したときに前記始動時制御を行なう手段であるものとすることもできる。
【００１５】
本発明の動力出力装置の制御方法は、
内燃機関と、該内燃機関の出力軸と前記駆動軸とに接続され、電力と動力の入出力を伴って該内燃機関からの動力の少なくとも一部を該駆動軸に出力する電力動力入出力手段と、前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、前記電力動力入出力手段および前記電動機と電力のやりとりが可能な蓄電手段と、を備える動力出力装置における、前記内燃機関の運転を停止した状態で前記電動機から正回転している前記駆動軸に動力を出力している最中に該内燃機関の始動指示がなされたときの制御方法であって、
前記電力動力入出力手段と前記電動機とにより前記内燃機関がクランキングされると共に前記電動機により前記蓄電手段の出力制限電力と前記内燃機関のクランキングに伴って前記電力動力入出力手段により入出力される電力との和としての使用可能電力の範囲内の電力を用いて前記駆動軸に要求される要求動力に対応する動力が該駆動軸に出力されるよう前記内燃機関と前記電力動力入出力手段と前記電動機とを制御する
ことを要旨とする。
【００１６】
この本発明の動力出力装置の制御方法によれば、内燃機関の運転を停止した状態で電動機から正回転している駆動軸に動力を出力している最中に内燃機関の始動指示がなされたときには、電力と動力の入出力を伴って内燃機関からの動力の少なくとも一部を駆動軸に出力する電力動力入出力手段と駆動軸に動力を出力する電動機とにより内燃機関がクランキングされると共に電動機により蓄電手段の出力制限電力と内燃機関のクランキングに伴って電力動力入出力手段により入出力される電力との和としての使用可能電力の範囲内の電力を用いて駆動軸に要求される要求動力に対応する動力が駆動軸に出力されるよう内燃機関と電力動力入出力手段と電動機とを制御するから、即ち、内燃機関をクランキングする際に装置で消費される電力や発電される電力，蓄電手段の出力制限を考慮して電力動力入出力手段と電動機とを駆動するから、蓄電手段や電力動力入出力手段，第２の電動機の使用効率を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である動力出力装置を搭載したハイブリッド自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例のハイブリッド自動車２０は、図示するように、エンジン２２と、エンジン２２の出力軸としてのクランクシャフト２６にダンパ２８を介して接続された３軸式の動力分配統合機構３０と、動力分配統合機構３０に接続された発電可能なモータＭＧ１と、動力分配統合機構３０に接続された駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに取り付けられた減速ギヤ３５と、この減速ギヤ３５に接続されたモータＭＧ２と、動力出力装置全体をコントロールするハイブリッド用電子制御ユニット７０とを備える。
【００１８】
エンジン２２は、ガソリンまたは軽油などの炭化水素系の燃料により動力を出力する内燃機関であり、エンジン２２の運転状態を検出する各種センサから信号を入力するエンジン用電子制御ユニット（以下、エンジンＥＣＵという）２４により燃料噴射制御や点火制御，吸入空気量調節制御などの運転制御を受けている。エンジンＥＣＵ２４は、ハイブリッド用電子制御ユニット７０と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット７０からの制御信号によりエンジン２２を運転制御すると共に必要に応じてエンジン２２の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。
【００１９】
動力分配統合機構３０は、外歯歯車のサンギヤ３１と、このサンギヤ３１と同心円上に配置された内歯歯車のリングギヤ３２と、サンギヤ３１に噛合すると共にリングギヤ３２に噛合する複数のピニオンギヤ３３と、複数のピニオンギヤ３３を自転かつ公転自在に保持するキャリア３４とを備え、サンギヤ３１とリングギヤ３２とキャリア３４とを回転要素として差動作用を行なう遊星歯車機構として構成されている。動力分配統合機構３０は、キャリア３４にはエンジン２２のクランクシャフト２６が、サンギヤ３１にはモータＭＧ１が、リングギヤ３２にはリングギヤ軸３２ａを介して減速ギヤ３５がそれぞれ連結されており、モータＭＧ１が発電機として機能するときにはキャリア３４から入力されるエンジン２２からの動力をサンギヤ３１側とリングギヤ３２側にそのギヤ比に応じて分配し、モータＭＧ１が電動機として機能するときにはキャリア３４から入力されるエンジン２２からの動力とサンギヤ３１から入力されるモータＭＧ１からの動力を統合してリングギヤ３２側に出力する。リングギヤ３２に出力された動力は、リングギヤ軸３２ａからギヤ機構６０およびデファレンシャルギヤ６２を介して、最終的には車両の駆動輪６３ａ，６３ｂに出力される。
【００２０】
モータＭＧ１およびモータＭＧ２は、いずれも発電機として駆動することができると共に電動機として駆動できる周知の同期発電電動機として構成されており、インバータ４１，４２を介してバッテリ５０と電力のやりとりを行なう。インバータ４１，４２とバッテリ５０とを接続する電力ライン５４は、各インバータ４１，４２が共用する正極母線および負極母線として構成されており、モータＭＧ１，ＭＧ２のいずれかで発電される電力を他のモータで消費することができるようになっている。したがって、バッテリ５０は、モータＭＧ１，ＭＧ２のいずれかから生じた電力や不足する電力により充放電されることになる。なお、モータＭＧ１，ＭＧ２により電力収支のバランスをとるものとすれば、バッテリ５０は充放電されない。モータＭＧ１，ＭＧ２は、いずれもモータ用電子制御ユニット（以下、モータＥＣＵという）４０により駆動制御されている。モータＥＣＵ４０には、モータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御するために必要な信号、例えばモータＭＧ１，ＭＧ２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ４３，４４からの信号や図示しない電流センサにより検出されるモータＭＧ１，ＭＧ２に印加される相電流などが入力されており、モータＥＣＵ４０からは、インバータ４１，４２へのスイッチング制御信号が出力されている。モータＥＣＵ４０は、ハイブリッド用電子制御ユニット７０と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット７０からの制御信号によってモータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御すると共に必要に応じてモータＭＧ１，ＭＧ２の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。
【００２１】
バッテリ５０は、バッテリ用電子制御ユニット（以下、バッテリＥＣＵという）５２によって管理されている。バッテリＥＣＵ５２には、バッテリ５０を管理するのに必要な信号、例えば，バッテリ５０の端子間に設置された図示しない電圧センサからの端子間電圧，バッテリ５０の出力端子に接続された電力ライン５４に取り付けられた図示しない電流センサからの充放電電流，バッテリ５０に取り付けられた温度センサ５１からの電池温度Ｔｂなどが入力されており、必要に応じてバッテリ５０の状態に関するデータを通信によりハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。なお、バッテリＥＣＵ５２では、バッテリ５０を管理するために電流センサにより検出された充放電電流の積算値に基づいて残容量（ＳＯＣ）も演算している。
【００２２】
ハイブリッド用電子制御ユニット７０は、ＣＰＵ７２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ７２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ７４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ７６と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。ハイブリッド用電子制御ユニット７０には、イグニッションスイッチ８０からのイグニッション信号，シフトレバー８１の操作位置を検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジションＳＰ，アクセルペダル８３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度Ａｃｃ，ブレーキペダル８５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキペダルポジションＢＰ，車速センサ８８からの車速Ｖなどが入力ポートを介して入力されている。ハイブリッド用電子制御ユニット７０は、前述したように、エンジンＥＣＵ２４やモータＥＣＵ４０，バッテリＥＣＵ５２と通信ポートを介して接続されており、エンジンＥＣＵ２４やモータＥＣＵ４０，バッテリＥＣＵ５２と各種制御信号やデータのやりとりを行なっている。
【００２３】
こうして構成された実施例のハイブリッド自動車２０は、運転者によるアクセルペダル８３の踏み込み量に対応するアクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づいて駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに出力すべき要求トルクを計算し、この要求トルクに対応する要求動力がリングギヤ軸３２ａに出力されるように、エンジン２２とモータＭＧ１とモータＭＧ２とが運転制御される。エンジン２２とモータＭＧ１とモータＭＧ２の運転制御としては、要求動力に見合う動力がエンジン２２から出力されるようにエンジン２２を運転制御すると共にエンジン２２から出力される動力のすべてが動力分配統合機構３０とモータＭＧ１とモータＭＧ２とによってトルク変換されてリングギヤ軸３２ａに出力されるようモータＭＧ１およびモータＭＧ２を駆動制御するトルク変換運転モードや要求動力とバッテリ５０の充放電に必要な電力との和に見合う動力がエンジン２２から出力されるようにエンジン２２を運転制御すると共にバッテリ５０の充放電を伴ってエンジン２２から出力される動力の全部またはその一部が動力分配統合機構３０とモータＭＧ１とモータＭＧ２とによるトルク変換を伴って要求動力がリングギヤ軸３２ａに出力されるようモータＭＧ１およびモータＭＧ２を駆動制御する充放電運転モード、エンジン２２の運転を停止してモータＭＧ２からの要求動力に見合う動力をリングギヤ軸３２ａに出力するよう運転制御するモータ運転モードなどがある。
【００２４】
次に、こうして構成された実施例のハイブリッド自動車２０の動作、特にモータ運転モードにより走行している最中にエンジン２２を始動する際の動作について説明する。図２は、ハイブリッド用電子制御ユニット７０により実行される始動時制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、モータ運転モードにより走行している最中にエンジン２２の始動指示がなされてからエンジン２２の運転制御が開始される間、所定時間毎（例えば８ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。
【００２５】
始動時制御ルーチンが実行されると、ハイブリッド用電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２は、まず、アクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度Ａｃｃや車速センサ８８からの車速Ｖ，エンジン２２の回転数Ｎｅ，バッテリ５０の出力制限Ｗｏｕｔ，モータＭＧ１，ＭＧ２の回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２など制御に必要なデータを入力する処理を実行する（ステップＳ１００）。ここで、エンジン２２の回転数Ｎｅについては図示しないクランクポジションセンサからの信号に基づいてエンジンＥＣＵ２４により演算されたものを通信により入力するものとし、モータＭＧ１，ＭＧ２の回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２については回転位置検出センサ４３，４４により検出されるモータＭＧ１，ＭＧ２の回転子の回転位置に基づいて計算されたものをモータＥＣＵ４０から通信により入力するものとし、バッテリ５０の出力制限Ｗｏｕｔについてはバッテリ５０の温度Ｔｂや残容量（ＳＯＣ）などから求めたものをバッテリＥＣＵ５２から通信により入力するものとした。
【００２６】
こうしてデータを入力すると、入力したアクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づいて車両に要求されるトルクとして駆動輪６３ａ，６３ｂに連結された駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに出力すべき要求トルクＴｒ＊を設定する（ステップＳ１１０）。要求トルクＴｒ＊は、実施例では、アクセル開度Ａｃｃと車速Ｖと要求トルクＴｒ＊との関係を予め定めて要求トルク設定用マップとしてＲＯＭ７４に記憶しておき、アクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとが与えられると記憶したマップから対応する要求トルクＴｒ＊を導出して設定するものとした。図３に要求トルク設定用マップの一例を示す。
【００２７】
続いて、モータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊にクランキングトルクＴｓｔａｒｔを設定する（ステップＳ１２０）。ここで、クランキングトルクＴｓｔａｒｔは、エンジン２２を制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔまで比較的迅速に回転させるトルクとして設定されるものであり、エンジン２２の性能やモータＭＧ１およびモータＭＧ２の性能によって設定することができる。そして、次式（１）に示すように、バッテリ５０の出力制限ＷｏｕｔからモータＭＧ１の消費電力または発電電力を減じてモータＭＧ２に供給することができる電力の最大値（以下、使用可能電力という）Ｐｖを計算する（ステップＳ１３０）。
【００２８】
【数１】
Pv=Wout-(2π/60)×Nm1×Tm1* …（１）
【００２９】
そして、計算した使用可能電力ＰｖをモータＭＧ２の回転数Ｎｍ２で除してモータＭＧ２から出力してもよいトルクの上限としてのトルク制限Ｔｍａｘを計算すると共に（ステップＳ１４０）、要求トルクＴｒ＊とトルク指令Ｔｍ１＊と動力分配統合機構３０のギヤ比ρを用いてモータＭＧ２から出力すべきトルクとしての仮モータトルクＴｍ２ｔｍｐを式（２）により計算し（ステップＳ１５０）、計算したトルク制限Ｔｍａｘと仮モータトルクＴｍ２ｔｍｐとを比較して小さい方をモータＭＧ２のトルク指令Ｔｍ２＊として設定する（ステップＳ１６０）。エンジン２２の始動時における動力分配統合機構３０の回転要素とトルクとを力学的に説明する共線図の一例を図４に示す。図中、左のＳ軸はモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１であるサンギヤ３１の回転数を示し、Ｃ軸はエンジン２２の回転数Ｎｅであるキャリア３４の回転数を示し、Ｒ軸はモータＭＧ２の回転数Ｎｍ２に減速ギヤ３５のギヤ比Ｇｒを乗じたリングギヤ３２の回転数Ｎｒを示す。また、図中、実線はモータ運転モードで走行している最中にエンジン２２の始動指示がなされてエンジン２２のクランキングが開始されるときの共線図であり、破線はエンジン２２の燃料噴射制御や点火制御が開始される際の共線図である。Ｒ軸上の２つの太線矢印は、モータＭＧ１でエンジン２２をクランキングを開始したときにモータＭＧ１から出力されるトルクがリングギヤ軸３２ａに伝達されるトルクと、モータＭＧ２から出力されるトルクＴｍ２＊が減速ギヤ３５を介してリングギヤ軸３２ａに作用するトルクとを示す。式（２）は、この図４の共線図から容易に導き出すことができる。このようにモータＭＧ２のトルク指令Ｔｍ２＊を設定することにより、駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに出力する要求トルクＴｒ＊を、バッテリ５０の出力制限を考慮してモータＭＧ２に供給できる使用可能電力Ｐｖの範囲内で制限したトルクとして設定することができる。
【００３０】
Tm2tmp＝(Tr*＋Tm1*/ρ)/Gr …（２）
【００３１】
こうしてモータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊とモータＭＧ２のトルク指令Ｔｍ２＊とを設定すると、設定したトルク指令Ｔｍ１＊とトルク指令Ｔｍ２＊とをモータＥＣＵ４０に送信する（ステップＳ１７０）。トルク指令Ｔｍ１＊とトルク指令Ｔｍ２＊とを受信したモータＥＣＵ４０は、トルク指令Ｔｍ１＊でモータＭＧ１が駆動されると共にトルク指令Ｔｍ２＊でモータＭＧ２が駆動されるようインバータ４１，４２のスイッチング素子のスイッチング制御を行なう。即ち、図４の共線図に示すように、キャリア３４にクランクシャフト２６が接続されたエンジン２２の回転数Ｎｅが制御開始回転数ＮｓｔａｒｔになるようにモータＭＧ１をクランキングトルクＴｓｔａｒｔで駆動し、バッテリ５０の出力制限Ｗｏｕｔを考慮した使用可能電力Ｐｖの範囲内でモータＭＧ１によるクランキングトルクＴｓｔａｒｔの反力をとると共にリングギヤ軸３２ａに要求トルクＴｒ＊を出力するようモータＭＧ２を駆動するのである。
【００３２】
そして、エンジン２２の回転数Ｎｅが制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔに至ったか否かを判定し（ステップＳ１８０）、制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔに至っていないときにはそのまま始動時制御ルーチンを終了し、制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔに至ったときにはエンジン２２の燃料噴射制御や点火制御の開始指示をエンジンＥＣＵ２４に送信して（ステップＳ１９０）、始動時制御ルーチンを終了する。燃料噴射制御や点火制御の開始指示を受信したエンジンＥＣＵ２４は、制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔで回転しているエンジン２２に対して燃料噴射制御と点火制御を開始してエンジン２２の始動を完了する。こうしてエンジン２２の始動が完了すると、始動時制御ルーチンの繰り返しの実行は停止され、トルク変換運転モードや充放電運転モードの際に繰り返し実行される図示しない駆動制御ルーチンによりエンジン２２やモータＭＧ１，モータＭＧ２は制御されるようになる。
【００３３】
図４に示す共線図の状態でエンジン２２を始動すると、エンジン２２の回転数Ｎｅが制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔに至るまではモータＭＧ１は負回転しているから、モータＭＧ１は発電機として機能する。したがって、使用可能電力Ｐｖを計算する式（１）の右辺第２項は負の値であるから、使用可能電力Ｐｖは出力制限ＷｏｕｔにモータＭＧ１の発電電力を加えた値となる。このように、エンジン２２の始動を完了するまでモータＭＧ１を発電機として機能させるためには、エンジン２２が制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔで回転したときにモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１が値０以下（負の値）となる条件を満たせばよいことになる。エンジン２２が制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔで回転したときにモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１が値０となるときの共線図を図５に示す。このときのリングギヤ軸３２ａの回転数を発電始動回転数Ｎｓｅｔとし、これを車速Ｖに換算した値を発電始動車速Ｖｓｅｔする。図６にクランキング開始時およびクランキング終了時のモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１と車速Ｖとの関係を示す。図示するように、車速Ｖがこの発電始動車速Ｖｓｅｔ以上のときにエンジン２２を始動すれば、モータＭＧ１はエンジン２２の始動が完了するまで負回転するから、モータＭＧ２に供給することができる使用可能電力Ｐｖを出力制限Ｗｏｕｔより大きくすることができる。実施例では、他の条件にもよるが、基本的には、エンジン２２の始動指示を車速Ｖが発電始動車速Ｖｓｅｔ以上のときに行なうものとし、エンジン２２の始動時におけるバッテリ５０やモータＭＧ１およびモータＭＧ２を効率よく使用することができるようにしているのである。
【００３４】
以上説明した実施例のハイブリッド自動車２０によれば、モータ運転モードで走行しているときにはエンジン２２の始動指示を車速Ｖが発電始動車速Ｖｓｅｔ以上のときに行ない、モータＭＧ２に供給することができる使用可能電力Ｐｖをバッテリ５０の出力制限ＷｏｕｔにモータＭＧ１で発電した電力を加えたものとして設定し、この使用可能電力Ｐｖの範囲内でモータＭＧ２を駆動するから、エンジン２２の始動時における電力収支や電力バランスを考慮したものとなり、エンジン２２の始動時におけるバッテリ５０やモータＭＧ１，モータＭＧ２を効率よく使用することができる。しかも、バッテリ５０の出力制限Ｗｏｕｔを考慮しているから、バッテリ５０が過放電されるのを抑止することができる。もとより、運転者が要求する要求トルクＴｒ＊に応じたトルクを出力することができる。
【００３５】
実施例のハイブリッド自動車２０では、エンジン２２をクランキングする際にモータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊にクランキングトルクＴｓｔａｒｔを設定するものとしたが、エンジン２２を制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔ以上で回転させることができるトルクであれば如何なるトルクをトルク指令Ｔｍ１＊に設定するものとしてもよい。
【００３６】
実施例のハイブリッド自動車２０では、モータ運転モードで走行しているときには、基本的には、エンジン２２の始動指示を車速Ｖが発電始動車速Ｖｓｅｔ以上のときに行なうものとしたが、前述したように、他の要求、例えば急加速の要求やバッテリ５０の充電要求などがなされているときには車速Ｖが発電始動車速Ｖｓｅｔ未満であってもエンジン２２の始動指示を行なうことができるのは勿論である。
【００３７】
実施例のハイブリッド自動車２０では、モータＭＧ２の動力を減速ギヤ３５により変速してリングギヤ軸３２ａに出力するものとしたが、図７の変形例のハイブリッド自動車１２０に例示するように、モータＭＧ２の動力をリングギヤ軸３２ａが接続された車軸（駆動輪６３ａ，６３ｂが接続された車軸）とは異なる車軸（図７における車輪６４ａ，６４ｂに接続された車軸）に出力するものとしてもよい。
【００３８】
実施例のハイブリッド自動車２０では、エンジン２２の動力を動力分配統合機構３０を介して駆動輪６３ａ，６３ｂに接続された駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに出力するものとしたが、図８の変形例のハイブリッド自動車２２０に例示するように、エンジン２２のクランクシャフト２６に接続されたインナーロータ２３２と駆動輪６３ａ，６３ｂに動力を出力する駆動軸に接続されたアウターロータ２３４とを有し、エンジン２２の動力の一部を駆動軸に伝達すると共に残余の動力を電力に変換する対ロータ電動機２３０を備えるものとしてもよい。
【００３９】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である動力出力装置を搭載したハイブリッド自動車２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】 実施例のハイブリッド用電子制御ユニット７０により実行される始動時制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図３】 要求トルク設定用マップの一例を示す説明図である。
【図４】 エンジン２２の始動時の動力分配統合機構３０の回転要素を力学的に説明するための共線図の一例を示す説明図である。
【図５】 エンジン２２の始動時の動力分配統合機構３０の回転要素を力学的に説明するための共線図の一例を示す説明図である。
【図６】 クランキング開始時およびクランキング終了時のモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１と車速Ｖとの関係を示す説明図である。
【図７】 変形例のハイブリッド自動車１２０の構成の概略を示す構成図である。
【図８】 変形例のハイブリッド自動車２２０の構成の概略を示す構成図である。
【符号の説明】
２０，１２０，２２０ ハイブリッド自動車、２２ エンジン、２４ エンジン用電子制御ユニット（エンジンＥＣＵ）、２６ クランクシャフト、２８ ダンパ、３０ 動力分配統合機構、３１ サンギヤ、３２ リングギヤ、３２ａ リングギヤ軸、３３ ピニオンギヤ、３４ キャリア、３５，１３５ 減速ギヤ、４０ モータ用電子制御ユニット（モータＥＣＵ）、４１，４２ インバータ、４３，４４ 回転位置検出センサ、５０ バッテリ、５１ 温度センサ、５２バッテリ用電子制御ユニット（バッテリＥＣＵ）、５４ 電力ライン、６０ ギヤ機構、６２ デファレンシャルギヤ、６３ａ，６３ｂ，６４ａ，６４ｂ 駆動輪、７０ ハイブリッド用電子制御ユニット、７２ ＣＰＵ、７４ ＲＯＭ、７６ ＲＡＭ、８０ イグニッションスイッチ、８１ シフトレバー、８２ シフトポジションセンサ、８３ アクセルペダル、８４ アクセルペダルポジションセンサ、８５ ブレーキペダル、８６ ブレーキペダルポジションセンサ、８８ 車速センサ、２３０ 対ロータ電動機、２３２ インナーロータ ２３４ アウターロータ、ＭＧ１，ＭＧ２ モータ。
Claims (9)
- 駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、
内燃機関と、
該内燃機関の出力軸と前記駆動軸とに接続され、電力と動力の入出力を伴って該内燃機関からの動力の少なくとも一部を該駆動軸に出力する電力動力入出力手段と、
前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、
前記電力動力入出力手段および前記電動機と電力のやりとりが可能な蓄電手段と、
前記内燃機関の運転を停止した状態で前記電動機から正回転している前記駆動軸に動力を出力している最中に該内燃機関の始動指示がなされたとき、前記電力動力入出力手段と前記電動機とにより前記内燃機関がクランキングされると共に前記電動機により前記蓄電手段の出力制限電力と前記内燃機関のクランキングに伴って前記電力動力入出力手段により入出力される電力との和としての使用可能電力の範囲内の電力を用いて前記駆動軸に要求される要求動力に対応する動力が該駆動軸に出力されるよう前記内燃機関と前記電力動力入出力手段と前記電動機とを制御する始動時制御を行なう始動時制御手段と、
を備える動力出力装置。 - 前記電力動力入出力手段は、前記内燃機関の出力軸の回転を停止して前記駆動軸を正回転させている状態で該内燃機関をクランキングするときには電力の出力を伴う手段である請求項１記載の動力出力装置。
- 請求項２記載の動力出力装置であって、
前記クランキングにより前記内燃機関の回転数が始動開始回転数に至ったときに該内燃機関の燃料噴射と点火とを含む運転制御を開始する内燃機関運転手段と、
前記駆動軸の回転数を検出する回転数検出手段と、
を備え、
前記始動時制御手段は、前記回転数検出手段が前記クランキングにより前記内燃機関が始動開始回転数に至ったときに前記電力動力入出力手段による電力または動力の入出力が略値０となる前記駆動軸の回転数である制御用回転数以上の回転数を検出したときに前記始動時制御を行なう手段である
動力出力装置。 - 前記電力動力入出力手段は、前記内燃機関の出力軸と前記駆動軸と第３の軸の３軸に接続され該３軸のうちのいずれか２軸に入出力した動力に基づいて残余の軸に動力を入出力する３軸式動力入出力手段と、前記第３の軸に動力を入出力する発電機とを備える手段である請求項１ないし３いずれか記載の動力出力装置。
- 前記３軸式動力入出力手段は、前記内燃機関の出力軸がキャリアに接続され、前記駆動軸がリングギヤに接続され、前記第３の軸がサンギヤに接続されたプラネタリギヤである請求項４記載の動力出力装置。
- 前記電力動力入出力手段は、前記内燃機関の出力軸に取り付けられた第１の回転子と前記駆動軸に取り付けられた第２の回転子とを有し該第１の回転子と該第２の回転子との電磁作用による電力の入出力を伴って該内燃機関からの動力の少なくとも一部を該駆動軸に出力する対回転子電動機である請求項１ないし３いずれか記載の動力出力装置。
- 請求項１ないし６いずれか記載の動力出力装置を搭載し、前記駆動軸が機械的に車軸に接続されて走行する自動車。
- 請求項３記載の動力出力装置を搭載し、前記駆動軸が機械的に車軸に接続されて走行す る自動車であって、
前記回転数検出手段に代えて車速を検出する車速検出手段を備え、
前記始動時制御手段は、前記車速検出手段が前記クランキングにより前記内燃機関が始動開始回転数に至ったときに前記電力動力入出力手段による電力または動力の入出力が略値０となる前記駆動軸の回転数に対応する制御用車速以上の車速を検出したときに前記始動時制御を行なう手段である
自動車。 - 内燃機関と、該内燃機関の出力軸と前記駆動軸とに接続され、電力と動力の入出力を伴って該内燃機関からの動力の少なくとも一部を該駆動軸に出力する電力動力入出力手段と、前記駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、前記電力動力入出力手段および前記電動機と電力のやりとりが可能な蓄電手段と、を備える動力出力装置における、前記内燃機関の運転を停止した状態で前記電動機から正回転している前記駆動軸に動力を出力している最中に該内燃機関の始動指示がなされたときの制御方法であって、
前記電力動力入出力手段と前記電動機とにより前記内燃機関がクランキングされると共に前記電動機により前記蓄電手段の出力制限電力と前記内燃機関のクランキングに伴って前記電力動力入出力手段により入出力される電力との和としての使用可能電力の範囲内の電力を用いて前記駆動軸に要求される要求動力に対応する動力が該駆動軸に出力されるよう前記内燃機関と前記電力動力入出力手段と前記電動機とを制御する
動力出力装置の制御方法。
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