JP3925477B2 - ハイブリッド車両の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド車両の制御装置に関するものである。

近年、ガソリンエンジンなどのエンジンの燃費や排ガス浄化性能の向上を目的として駆動源としてエンジンとモータとを備えた、いわゆるハイブリッド車両が注目されている。ハイブリッド車両を大別すると、エンジンを発電機の駆動にのみ用いて発電した電力により運転するモータを駆動源として走行するシリーズハイブリッド方式と、車両の駆動源としてエンジンとモータとを備えたパラレルハイブリッド方式とに分けられる。

いずれの方式でも、エンジンから出力された動力を駆動軸に任意の回転速度及びトルクで出力することができることから、エンジンは運転効率の高い動作点を選択して運転することができる（特許文献１参照。）。

この従来技術について説明すると、アクセル開度に基づいて車両の駆動トルクを決定し、この駆動トルクに基づいてエンジンの目標運転状態（運転効率の高い動作点）を決定し、この目標運転状態に遅れ処理を施し、この遅れ処理後の目標運転状態を実現するようにエンジンのトルクと第１のモータの回転速度を制御する。このとき、駆動トルクの不足分を補うように第２のモータのトルクを制御する。また、遅れ処理の時定数を、モータを駆動するためのバッテリの蓄電量が大きいときには大きく設定し、少ないときには小さく設定するように制御する。
特開２００１−１６４９６０号公報

上記従来技術において駆動トルクの変化速度に対し遅れ処理の時定数が小さ過ぎると、駆動トルクが大きく増加したときに第１モータの消費電力が一時的に大きくなり、第２モータによるトルクアシストが制限されて所望の駆動トルクが得られなくなる場合がある（図７）。すなわち、エンジンの回転速度が目標回転速度近傍にあるときの第１モータのトルクは負（回生トルク）であるが、駆動トルクの増加に伴って目標回転速度が急上昇した場合、エンジン回転速度を目標回転速度へ到達させようとする回転速度制御の結果第１モータのトルクが正（力行トルク）になることがあり、目標回転速度の上昇速度が大きすぎると前述の問題が発生する。

また、駆動トルクの変化速度に対し遅れ処理の時定数が大き過ぎると、駆動トルクが大きく増加したときにエンジン出力の上昇が間に合わず、バッテリ電力をフルに使ってトルクアシストを行っても所望の駆動トルクが得られなくなる場合がある（図８）。すなわち、駆動トルクに見合うエンジン出力と実際のエンジン出力との差が大き過ぎると、第２モータによるトルクアシストでは駆動トルクの不足分を補い切れない。

このような問題は、バッテリの蓄電量に応じて遅れ処理の時定数を可変設定しても解決できない。

なお、ここで図７、図８は、エンジンと２つのモータとが遊星歯車に連結された変速システムを有するハイブリッド車両を想定し、この車両において一定速走行時からアクセルを踏み込んだ場合の駆動トルクとモータの消費電力の遷移を示す図である。

したがって、本発明においては、上記の技術的課題を鑑みて、運転者の要求する駆動トルクに対する過不足を抑制し、運転性を向上することを目的とするハイブリッド車両の制御装置を提供する。

本発明のハイブリッド車両は、駆動源としてのエンジンと、このエンジンの出力軸と接続し、駆動源として機能するとともに、エンジンの回転によって発電する第１モータと、前記駆動輪を駆動する第２モータと、前記第１、第２モータに電力を供給するとともに、第１モータが発電した電力を充電するバッテリとを備える。さらに本発明では、前記駆動輪へ伝達する駆動トルクの基本値を算出する基本駆動トルク算出手段と、算出した基本駆動トルクと車両の動特性を表す遅れ特性値とから目標駆動トルクを算出する目標駆動トルク算出手段と、前記基本駆動トルクに基づいて前記エンジンの回転速度の基本値を算出する基本回転速度算出手段と、前記目標駆動トルク算出手段の遅れ特性値に基づいて前記エンジンの制御応答速度を表す特性値を算出するエンジン制御応答速度特正値算出手段と、前記エンジンの基本回転速度と前記エンジンの制御応答速度特性値とから前記エンジンの目標回転速度を算出するエンジン目標回転速度算出手段とを備える。

本発明によれば、エンジンの出力を目標駆動トルクに過不足なく追従させることができ、駆動トルクの不足を生じることがなく、車両の運動性能を向上することができる。

図１は、本発明のハイブリッド車両のシステムを説明する構成図である。

この駆動システムは、駆動源としてのエンジン１と２つのモータ２、３とを備え、エンジン１と第１モータ２との間に遊星歯車機構１０が設置される。駆動源としてのエンジン１は通常のガソリンエンジンであり、またモータ２、３は三相同期電動機や三相誘導電動機等の力行運転及び回生運転可能な交流電動機である。またこれらモータ２、３の電力供給源としてバッテリ４が設置され、バッテリ４はニッケル水素電池あるいはリチウムイオン電池が用いられる。またバッテリはモータ２、３が発電した電力を蓄電することもできる。なお、モータ２、３は一方が発電し、他方がその発電した電力により駆動することもできる。この場合にはバッテリ４の電力を使用する必要はない。モータ２、３とバッテリ４との間にはインバータ６が設置され、モータ２、３が発電した交流電流を直流電流に変換してバッテリ４に蓄電し、また逆にバッテリ４の直流電流を交流電流に変換してモータ２、３に供給してモータを運転する。

この駆動システムの変速機構を構成する差動歯車機構としての遊星歯車機構１０は、中心に配置されるサンギア１１と、サンギア１１の周辺を自転しながら公転するピニオンギア１２と、ピニオンギア１２の周囲で回転するリングギア１３の３種類のギアと、ピニオンギア１２を軸支するキャリア１４とから構成される。サンギア１１と第１モータ２の回転軸とが同軸に連結され、またリングギア１３には第２モータ４の回転軸が接続され、さらにキャリア１４にエンジン１の出力軸が接続される。さらにリングギア１３は差動装置（デファレンシャルギア）１５を介して駆動輪１６に接続している。この駆動システムにおける変速制御、すなわちエンジン１の回転速度と車速との関係を変更する制御は、第１モータ２を制御することによって実施される。第２モータ３の回転速度は常に車速に比例した回転速度になる。

この駆動システムを統合制御するためのコントローラ５が設置される。コントローラ５は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ，ＲＡＭ等を有するマイクロコンピュータであり、ストロークセンサ２１により検出した運転者によるアクセルペダル踏み込み量や回転センサ２２により検出した従動輪１７の回転速度等を入力してエンジン１の燃料噴射量や第１、第２モータ２、３の電力供給の制御、モータ２、３に供給された電力量に基づく駆動トルクの演算、バッテリ４に設置された電流センサ２３の出力値を積算してバッテリ４の蓄電量の演算等を行う。さらにコントローラ５にはエンジン１の回転速度を検出する回転センサ２４、第１、第２モータ２、３の回転速度を検出する回転センサ２５、２６、駆動輪１６の回転速度を検出する回転センサ２７の出力が入力される。さらに第１、第２モータ２、３に流れる電流を検出する電流センサ２８、２９の出力が入力される。コントローラ５はこれらの入力値に基づいて、駆動システムを統合制御する。

次に変速機構の動作を説明するために、遊星歯車機構１０の一般的な性質について説明しておく。遊星歯車機構１０は、サンギヤ１１，キャリア１４及びリングギヤ１３のそれぞれに結合された回転軸の回転速度およびトルクに以下の式（１）〜式（６）の関係が成立することが機構学上知られている。即ち、遊星歯車の３要素のうち、２つの要素の動力状態が決定されると、式（１）〜式（６）の関係式に基づいて残余の要素の動力状態が決定される。

ここで、Ｎｓはサンギヤ１１の回転速度、Ｔｓはサンギヤ１１のトルク、Ｎｃはキャリア１４の回転速度、Ｔｃはキャリア１４のトルク、Ｎｒはリングギヤ１３の回転速度、Ｔｒはリングギヤ１３のトルクである。

次に制御内容について説明する。図２のフローチャートは図１に示すハイブリッド車両のコントローラ５によるエンジン１と第１、第２モータ２、３の駆動トルク配分制御を示すものである。

ステップＳ１では、ストロークセンサ２１により検出したアクセルペダル７の踏み込み量Ａｐと従動輪１７に設置した回転センサ２２で検出した車速Ｖｓｐに基づき車両の基本駆動トルクｂＴｄを図３に示すマップに従い設定する。なお車速Ｖｓｐは従動輪１７の回転速度に従動輪１７の直径を乗じた値とする。また、図３に示すマップは予め実験等により算出して、記憶しておく。

ステップＳ２では基本駆動トルクｂＴｄに車速Ｖｓｐを乗じた車両の目標駆動仕事率ｔＰｄを実現する運転ポイントであって、かつエンジン１について運転効率の高い運転ポイントをコントローラ５のＲＯＭにマップとして記憶してある図４の動作曲線Ａを基に設定する。

なお、この図４はエンジンの運転ポイントと運転効率との関係について示す説明図である。回転速度Ｎｅを横軸に、トルクＴｅを縦軸にとりエンジン１の運転状態を示し、図中の曲線Ｂはエンジン１の運転が可能な限界範囲を示している。曲線α１からα６まではエンジン１の運転効率が一定となる運転ポイントを示している。α１からα６の順に運転効率は低くなっていく。また、曲線Ｃ１からＣ３はそれぞれエンジン１から出力される動力（回転速度×トルク）が一定となるラインを示している。エンジン１は図示する通り、回転速度およびトルクに応じて、運転効率が大きく相違する。エンジン１から曲線Ｃ１に相当する動力を出力する場合には、図中のＡ１点に相当する運転ポイント（回転速度およびトルク）が最も高効率となる。同様に曲線Ｃ２およびＣ３に相当する動力を出力する場合には図中のＡ２点およびＡ３点で運転する場合が最も高効率となる。出力すべき動力ごとに最も運転効率が高くなる運転ポイントを選択すると、図中の曲線Ａが得られる。これを動作曲線と呼ぶ。

ステップＳ２における運転ポイントの設定では、予め実験的に求められた動作曲線Ａをコントローラ５のＲＯＭにマップとして記憶しておき、このマップから目標駆動仕事率ｔＰｄに応じた運転ポイントを読み込むことで、エンジン１の基本回転速度ｂＮｅおよび目標トルクｔＴｅを設定する。これにより、エンジン１について効率の高い運転ポイントを設定することができる。

ステップＳ３では、車両の基本駆動トルクｂＴｄと車速ｖｓｐとに基づいてなまし処理の係数ζ（但し、０＜ζ＜１）を算出する。具体的には、基本駆動トルクｂＴｄと車速Ｖｓｐとに対応させて係数ζをコントローラ５内のＲＯＭに記憶させてある制御マップから現在のｂＴｄ、Ｖｓｐに対応するζを読み出す。係数ζは、次のステップＳ４で実施されるなまし処理の特性を定める係数であり、ζが小さいほどなましの程度が大きく（車両の駆動トルクの出力応答が遅く）なる。係数ζの制御マップは、車両の動特性（駆動トルクの応答性）が適度なものとなるように、例えば事前にテストドライバーによる官能評価実験を行って作成される。なお、基本駆動トルクｂＴｄと車速Ｖｓｐとバッテリ４の蓄電量Ｂｓｏｃとに基づいて係数ζを算出しても良い。

ステップＳ４では、基本駆動トルクｂＴｄに下記式（７）で示すなまし処理を施して車両の目標駆動トルクｔＴｄを算出する。

但し、ｂＴｄ（ｎ）は基本駆動トルクｂＴｄの現在値、ｂＴｄ（ｎ−１）は基本駆動トルクｂＴｄの前回値である。

なお、（７）式のなまし処理に代えて基本駆動トルクｂＴｄの時系列データに対し、１次遅れフィルタ処理や２次遅れフィルタ処理を施すようにしても良く、その場合は、基本駆動トルクｂＴｄ、車速Ｖｓｐ、バッテリ４の蓄電量Ｂｓｏｃ等に基づいてフィルタの係数を設定すればよい。

ステップＳ５では、なまし処理の係数ζとバッテリ蓄電量Ｂｓｏｃとに基づいてなまし処理の係数δ（但し、０＜δ＜１）を算出する。具体的には、なまし処理の係数ζとバッテリ蓄電量Ｂｓｏｃとに対応させてδをコントローラ５内のＲＯＭに記憶させてある制御マップから現在のζ、Ｂｓｏｃに対応するδを読み出す。係数δは、次のステップＳ６で実施されるなまし処理の特性を定める係数であり、δが小さいほどなましの程度が大きく（エンジンの制御応答速度が遅く）なる。

係数ζと係数δの関係が適切でないと、基本駆動トルクが急増したときに駆動トルク不足が発生する場合がある。例えば、係数δが大き過ぎる場合、基本駆動トルク増加直後の第１モータ２の消費電力が非常に大きくなり、第２モータ３へ供給する電力が足りなくなって駆動トルクが一時的に大きく落ち込む可能性がある（図７）。反対に、係数δが小さ過ぎる場合、エンジン１の回転速度がゆっくりと上昇するためエンジン１の出力がなかなか大きくならず、十分な出力が得られるまでに時間がかかり駆動トルク不足が継続する可能性がある（図８）。

係数δの制御マップは、上記のような電力不足が発生しないδの範囲をシミュレーション或いは実験を行って確認し、得られた範囲内で適当な（例えば、バッテリの充放電量が最少となる）値を選択して作成する。また、車両の基本駆動トルクｂＴｄや車速Ｖｓｐを制御マップのパラメータに加えればより精度の高い制御を行うことができる。

ステップＳ６では、エンジン１の基本回転速度ｂＮｅに下記式（８）で示されるなまし処理を施してエンジン１の目標回転速度ｔＮｅを算出する。

但し、ｂＮｅ（ｎ）は基本回転速度ｂＮｅの現在値、ｂＮｅ（ｎ−１）は基本回転速度ｂＮｅの前回値である。

なお、（８）式のなまし処理に代えて基本回転速度ｂＮｅの時系列データに対し、１次遅れフィルタ処理や２次遅れフィルタ処理を施すようにしても良く、その場合は、なまし処理の係数ζとバッテリ蓄電量Ｂｓｏｃに基づいてフィルタの係数を設定すればよい。

ステップＳ７では式（１）と、エンジン１の目標回転速度ｔＮｅと、第２モータ３の回転速度Ｎｍから第１モータ２の目標回転速度ｔＮｇを下式（９）の通り設定する。

ステップＳ８では、第１モータ２の回転速度Ｎｇと目標回転速度ｔＮｇとの差ｓＴｇに応じてＮｇをｔＮｇに収束させるためのＰＩＤフィードバック制御に用いるフィードバック制御値（第１モータ２の目標トルク）ｔＴｇを演算する。この第１モータ２の目標トルクｔＴｇは、比例ゲインＰｅ、積分ゲインＩｅ、微分ゲインＤｅを設定して下記式（１０）により演算される。

また、ステップＳ８ではフィードバック制御値（トルク）ｔＴｇの演算に最適制御、スライディングモード制御等の制御方法を用いて演算しても良い。

ステップＳ９では式（４）と第１モータ２の目標トルクｔＴｇから第２モータ３の目標トルクｔＴｍを下式（１１）の通り設定する。

ステップＳ１０では、エンジン１の目標トルクｔＴｅに応じてエンジン１を制御し、第１モータ２の目標トルクｔＴｇに応じて第１モータ２を制御し、第２モータ３の目標トルクｔＴｍに応じて第２モータ３を制御する。

このように本発明では、アクセルペダル開度と車速とに基づき車両の基本駆動トルクｂＴｄを算出し、この基本駆動トルクｂＴｄからエンジン１の基本回転速度ｂＮｅを算出するとともに、基本駆動トルクと車両の動特性を設定する係数（遅れ特性値）ζとから車両の目標駆動トルクｔＴｄを算出する。さらに補正係数ζとバッテリ４の蓄電量Ｂｓｏｃとからエンジンの制御応答速度を設定する係数（エンジン制御応答速度特性値）σを算出する。またエンジン基本回転速度ｂＮｅと制御応答速度を設定する係数σとからエンジン目標回転速度ｔＮｅを算出する。

このような構成により、エンジン１の出力を車両の目標駆動トルクに過不足なく追従させることができ、駆動トルクの不足を生じることがなく、車両の運動性能を向上することができる。

また、第１モータ２の目標回転速度ｔＮｇをエンジン目標回転速度ｔＮｅと第２モータ３の回転速度Ｎｍから算出し、第１モータ２の目標トルクｔＴｇを第１モータ２の回転速度Ｎｇと目標回転速度ｔＮｇとの差ｓＴｇに応じて算出する。

さらに、第２モータ３の目標トルクｔＴｍをエンジン１の目標駆動トルクｔＴｄと第１モータ２の目標トルクｔＴｇとから算出する。

図５に示す第２の実施形態は、第１の実施形態に対して、遊星歯車機構１０を廃止し、第２モータ３０を差動機構１５に直結した構成である。なお、第１モータ２はエンジン１と直結状態となる。他の構成は第１の実施形態と同じである。

したがって、この実施形態では、第２モータ３０のみの駆動トルクにより車両は駆動することになり、エンジン１１は発電機としてのみ機能する第１モータ２を回転させ、車両の駆動は行わない。

次に制御内容について説明する。図６のフローチャートは図５に示すハイブリッド車両のコントローラ５による駆動トルク配分制御を示すものである。なお、ステップ６までは第１の実施形態のフローチャートと同じ制御を行うため、説明は省略する。

ステップＳ２１では、エンジン１の目標回転速度ｔＮｅをモータ２の目標回転速度ｔＮｇに設定する。

ステップＳ２２では、モータ２の回転速度Ｎｇと目標回転速度ｔＮｇとの差ｓＴｇに応じてＮｇをｔＮｇに収束させるためのＰＩＤフィードバック制御に用いるフィードバック制御値（第１モータ２の目標トルク）ｔＴｇを演算する。この第１モータ２の目標トルクｔＴｇは、比例ゲインＰｅ、積分ゲインＩｅ、微分ゲインＤｅを設定して下記式（１０）により演算される。

また、ステップＳ２２ではフィードバック制御値（トルク）ｔＴｇの演算に最適制御、スライディングモード制御等の制御方法を用いて演算しても良い。

ステップＳ２３では車両の目標駆動トルクｔＴｄを第２モータ３の目標トルクｔＴｍに設定する。

ステップＳ２４では、エンジン１の目標トルクｔＴｅに応じてエンジン１を制御し、モータ２の目標トルクｔＴｇに応じて第１モータ２を制御し、第２モータ３の目標トルクｔＴｍに応じて第１モータ２を制御する。

このように本実施形態では、第１の実施形態と同様に、アクセルペダル開度と車速とに基づき基本駆動トルクｂＴｄを算出し、この基本駆動トルクｂＴｄからエンジン１の基本回転速度ｂＮｅを算出するとともに、基本駆動トルクと車両の動特性を設定する係数（遅れ特性値）ζとから目標駆動トルクｔＴｄを算出する。さらに補正係数ζとバッテリ４の蓄電量Ｂｓｏｃとからエンジンの制御応答速度を設定する係数σを算出する。またエンジン基本回転速度ｂＮｅと制御応答速度を設定する係数σとからエンジン目標回転速度ｔＮｅを算出する。

このような構成により、エンジン１の出力を目標駆動トルクに過不足なく追従させることができ、駆動トルクの不足を生じることがなく、車両の運動性能を向上することができる。

また、本実施形態では、第１モータ２の目標回転速度ｔＮｇにエンジン目標回転速度ｔＮｅを設定し、第１モータ２の目標トルクｔＴｇを第１モータ２の回転速度Ｎｇと目標回転速度ｔＮｇとの差ｓＴｇに応じて算出する。

さらに、第２モータ３の目標トルクｔＴｍにエンジン１の目標駆動トルクｔＴｄを設定する。

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。

エンジンの出力を目標駆動トルクに過不足なく追従させることができ、駆動トルクの不足を生じることがなく、車両の運動性能を向上することができるので、ハイブリッド車両に有用である。

ハイブリッド車両の駆動トルク配分制御の一実施の形態の構成を示す図である。 一実施の形態における駆動トルク配分制御のフローチャートを示す図である。 アクセルペダルの踏み込み量と車体速に応じたドライバーの目標駆動トルクを表すマップである。 エンジンの運転ポイントと運転効率との関係について示す説明図である。 ハイブリッド車両の駆動トルク配分制御の一実施の形態の構成を示す図である。 一実施の形態における駆動トルク配分制御のフローチャートを示す図である。 従来例における変速制御の一例のタイムチャートを示す図である。 従来例における変速制御の一例のタイムチャートを示す図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 第１モータ
３ 第２モータ
４ バッテリ
５ コントローラ
６ インバータ
１０ 遊星歯車機構
１１ サンギア
１２ ピニオンギア
１３ リングギア
１４ キャリア
１５ 差動装置
１６ 駆動輪

Claims (6)

1. 駆動輪を駆動する駆動源としてのエンジンと、
   このエンジンの出力軸と接続し、駆動源として機能するとともに、エンジンの回転によって発電する第１モータと、
   前記駆動輪を駆動する第２モータと、
   前記第１、第２モータに電力を供給するとともに、第１モータが発電した電力を充電するバッテリとを備えたハイブリッド車両において、
   前記駆動輪へ伝達する駆動トルクの基本値を算出する基本駆動トルク算出手段と、
   算出した基本駆動トルクと車両の動特性を表す遅れ特性値とから目標駆動トルクを算出する目標駆動トルク算出手段と、
   前記基本駆動トルクに基づいて前記エンジンの回転速度の基本値を算出する基本回転速度算出手段と、
   前記目標駆動トルク算出手段の遅れ特性値に基づいて前記エンジンの制御応答速度を表す特性値を算出するエンジン制御応答速度特正値算出手段と、
   前記エンジンの基本回転速度と前記エンジンの制御応答速度特性値とから前記エンジンの目標回転速度を算出するエンジン目標回転速度算出手段と、
   を備えたことを特徴とするハイブリッド車両の制御装置。
2. 車速と前記基本駆動トルクとに応じて前記遅れ特性値を設定す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制御装置。
3. 前記エンジン目標回転速度に基づいて前記第１モータを制御する第１モータ制御手段と、
   前記目標駆動トルクに基づいて前記第２モータを制御する第２モータ制御手段とを備えた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制御装置。
4. 前記エンジンの出力軸と前記第１モータの出力軸と前記第２モータの出力軸とが、差動歯車機構を構成する３つの回転要素にそれぞれ接続することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のハイブリッド車両の制御装置。
5. 前記差動歯車機構は、サンギアとキャリアとリングギアとを回転要素とする遊星歯車機構であり、
   前記エンジン出力軸を前記キャリアに接続し、前記第１モータ回転軸を前記サンギアに接続し、前記第２モータの回転軸を前記リングギアに接続することを特徴とする請求項４に記載のハイブリッド車両の制御装置。
6. 前記エンジン制御応答速度特正値算出手段は、前記遅れ特性値と前記バッテリの蓄電量とから前記制御応答速度特性値を算出することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載のハイブリッド車両の制御装置。

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