JP4023030B2 - 動力出力装置およびそれを搭載したハイブリッド車両並びに動力出力装置の制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、動力源としてエンジンと電動機とを備える動力出力装置と、その動力出力装置を搭載したハイブリッド車両と、その動力出力装置の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エンジンと電動機とを動力源とする動力出力装置を搭載したハイブリッド車両が提案されている（例えば特開平９−４７０９４に記載の技術等）。ハイブリッド車両の一種としていわゆるパラレルハイブリッド車両がある。パラレルハイブリッド車両では、搭載した動力出力装置によって、エンジンから出力された動力は、一部が動力調整装置により駆動軸に伝達され、残余の動力が第１の電動発電機によって電力として回生される。この電力はバッテリに蓄電されたり、動力調整装置に設けられた第２の電動発電機を駆動するのに用いられる。このような動力出力装置は、上述の動力の伝達過程において、第２の電動発電機を回転駆動する力行状態に制御することによって、エンジンから出力された動力を任意の回転数およびトルクに増減して駆動軸に出力することができる。駆動軸から出力すべき要求出力に関わらず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ため、ハイブリッド車両はエンジンのみを駆動源とする従来の車両に比べて省資源性および排気浄化性に優れている。
【０００３】
上記のハイブリッド車両では、通常走行時に、前述したように、第２の電動発電機を力行状態で動作させて、エンジンから出力された動力をアシストした走行となるが、高速定常走行時になると、第２の電動発電機は高速走行による慣性によって連れ回された状態となり、第２の電動発電機によるアシストなしにエンジンから出力された動力のみの走行となる。このとき、第２の電動発電機は、電力を発生する回生状態として動作しており、この第２の電動発電機で発生した電力はバッテリに送られ、バッテリを充電する。
【０００４】
こうした高速定常走行時には、バッテリへの充電が継続すると、バッテリを過充電して性能劣化を引き起こすことがあった。そこで、高速定常走行時において、第２の電動発電機にｄ軸電流を流すことで、上記バッテリの過充電の問題を解消することが行なわれていた。ｄ軸電流を流して界磁を弱めることにより、第２の電動発電機の逆起電力を低くすることができ、この結果、バッテリの過充電が防止される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の技術では、ｄ軸電流を流すことにより、電力の損失が生じることから、エネルギ効率が悪いといった問題が発生した。
【０００６】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、エネルギ効率を悪化させることなしに、高速定常走行時におけるバッテリの過充電を防止することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題を解決するため、この発明の動力出力装置は、
動力を出力するための駆動軸と、出力軸を有するエンジンと、該エンジンの出力した動力の少なくとも一部を用いて発電し得る第１の電動発電機と、駆動軸に出力される動力が所望の動力となるように動力調整を行なう第２の電動発電機と、充放電可能な蓄電手段と、前記第１の電動発電機、第２の電動発電機および蓄電手段を電気的に接続する接続路と、を備えた動力出力装置において、
前記接続路に設けられ、外部からの指令に応じて、前記蓄電手段と前記第１および第２の電動発電機との間の接続、遮断を切り替える接続遮断切替手段と、
前記蓄電手段の状態を検出する蓄電状態検出手段と、
前記第２の電動発電機を、電力を発生する状態で動作させるとともに、前記第１の電動発電機を、電力を消費する状態で動作させる動作モードにあるか否かを判別する動作モード判別手段と、
前記動作モード判別手段により前記動作モードにあると判別されたときに、前記蓄電状態検出手段により検出された前記蓄電手段の状態が予め定めた蓄電量を超える状態にあるか否かを判別する蓄電量判別手段と、
該蓄電量判別手段により肯定判別されたときに、前記接続遮断切替手段に遮断を行なう旨の指令を出力するとともに、前記第１の電動発電機を電力消費量が増大するように動作させる制御手段と、
前記第２の電動発電機の発生電圧を検出する第１電圧検出手段と、
前記蓄電手段の出力電圧を検出する第２電圧検出手段と、
前記制御手段による動作の実行後、前記第１の電動発電機の動作を制御して、両電圧検出手段による検出電圧をほぼ等しい大きさに保持する電圧保持制御手段と、
前記制御手段による動作の実行後、前記動作モード判別手段により前記動作モードを離脱したと判別されたときに、前記接続遮断切替手段に接続を行なう旨の指令を出力する接続制御手段と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
この発明の動力出力装置では、第２の電動発電機を電力を発生する状態で動作させるとともに、第１の電動発電機を電力を消費する状態で動作させる動作モード時に、蓄電手段の状態が予め定めた蓄電量を超えると、蓄電手段と第１および第２の電動発電機との間の電気的な接続が遮断される。この結果、第２の電動発電機で発生した電力（逆起電力）は、蓄電手段に送られることなく、接続路によって第２の電動発電機と接続される第１の電動発電機に送られ、この第１の電動発電機によって消費される。しかも、このとき、第１の電動発電機は電力消費量が増大するように動作することから、第２の電動発電機で発生する電力は第１の電動発電機にて充分に消費される。
【０００９】
したがって、この発明の動力出力装置によれば、第２の電動発電機で発生した電力は蓄電手段に移されることがないことから、上記動作モード時における蓄電手段の過充電を防止することができる。このとき、電動発電機にｄ軸電流を流すような電力の損失がないことからエネルギ効率を悪化させることもない。さらには、第２の電動発電機で発生した電力は第１の電動発電機で充分に消費されることから、蓄電手段との接続を遮断したことによる第２の電動発電機の逆起電圧の上昇を抑えることができる。第２の電動発電機の逆起電圧が上昇して蓄電手段より高い電圧となると、接続遮断切替手段による電気的な接続を復帰させたときに、蓄電手段の電力を第２の電動発電機に送電することができず第２の電動発電機を直ちに力行状態（回転駆動を行なう状態）に移行することができない。このため、エンジンへのトルクのアシストを行なうまで時間が掛かったが、この発明によれば、第２の電動発電機の逆起電圧の上昇を抑えることができることから、上記エンジンへのトルクのアシストを時間遅れなくスムーズに行なうことができる。
【００１１】
この構成によれば、動作モード判別手段により上記動作モードを離脱した判別されたときに、蓄電手段と前記第１および第２の電動発電機との間の電気的な接続が接続制御手段により復帰される。
【００１３】
この構成によれば、接続遮断切替手段による遮断を行なった以後、第２の電動発電機の出力電圧（逆起電圧）は蓄電手段の出力電圧とほぼ等しい大きさに保持されることから、いかなるときに動作モードを離脱して接続遮断切替手段による電気的な接続が復帰されたとしても、第２の電動発電機を力行状態へ即座に移行することができる。したがって、上記復帰時に、エンジンへのトルクアシストを極めてスムーズに行なうことができる。
【００１４】
この発明のハイブリッド車両は、
上記動力出力装置を搭載したハイブリッド車両であって、
前記駆動軸に出力される動力によって車輪を駆動するとともに、
前記エンジンの出力軸と、前記駆動軸および前記第２の電動発電機の回転軸と、前記第１の電動発電機の回転軸とにそれぞれ結合された３軸を有するプラネタリギヤを備えることを要旨としている。
【００１５】
プラネタリギヤは、周知の通り、３軸のうち２軸の回転数およびトルクが決まると残余の回転軸の回転数およびトルクが決まる性質を有している。かかる性質に基づき、例えばエンジンの出力軸に結合された回転軸から入力された機械的な動力の一部を駆動軸に出力しつつ、残る回転軸に結合された第２の電動発電機に電力を供給することにより、エンジンから出力された動力を増大して駆動軸に伝達することができる。
【００１６】
この発明の動力出力装置の制御方法は、
動力を出力するための駆動軸と、出力軸を有するエンジンと、該エンジンの出力した動力の少なくとも一部を用いて発電し得る第１の電動発電機と、駆動軸に出力される動力が所望の動力となるように動力調整を行なう第２の電動発電機と、充放電可能な蓄電手段と、前記第１の電動発電機、第２の電動発電機および蓄電手段を電気的に接続する接続路と、を備えた動力出力装置の制御方法であって、
（ａ）前記蓄電手段の状態を検出する工程と、
（ｂ）前記第２の電動発電機を、電力を発生する状態で動作させるとともに、前記第１の電動発電機を、電力を消費する状態で動作させる動作モードにあるか否かを判別する工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）により前記動作モードにあると判別されたときに、前記工程（ａ）により検出された前記蓄電手段の状態が予め定めた蓄電量を超える状態にあるか否かを判別する工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）により肯定判別されたときに、前記接続路による前記蓄電手段と前記第１および第２の電動発電機との間の電気的な接続を遮断するとともに、前記第１の電動発電機を電力消費量が増大するように動作させる工程と、
（ｅ）前記第２の電動発電機の発生電圧を検出する工程と、
（ｆ）前記蓄電手段の出力電圧を検出する工程と、
（ｇ）前記工程（ｄ）の実行後、前記第１の電動発電機の動作を制御して、前記工程（ｅ）と工程（ｆ）による検出電圧をほぼ等しい大きさに保持する工程と、
（ｈ）前記工程（ｄ）の実行後、前記工程（ｂ）により前記動作モードを離脱したと判別されたときに、前記接続路による前記蓄電手段と前記第１および第２の電動発電機との間の電気的な接続を復帰する工程と
を備えることを要旨としている。
【００１７】
この発明の動力出力装置の制御方法によっても、この発明の動力出力装置と同様に、エネルギ効率を悪化させることなしに、上記動作モード時におけるバッテリの過充電を防止することができ、また、その動作モードの離脱時において、エンジンへのトルクアシストを時間遅れなくスムーズに行なうことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。はじめに、本発明の実施例としての動力出力装置を適用したハイブリッド車両の構成について図１を用いて説明する。このハイブリッド車両の動力系統は、次の構成から成っている。動力系統に備えられた原動機としてのエンジン１５０は通常のガソリンエンジンであり、クランクシャフト１５６を回転させる。エンジン１５０の運転はＥＦＩＥＣＵ１７０により制御されている。ＥＦＩＥＣＵ１７０は内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するワンチップ・マイクロコンピュータであり、ＣＰＵがＲＯＭに記録されたプログラムに従い、エンジン１５０の燃料噴射量や回転速度その他の制御を実行する。図示を省略したが、これらの制御を可能とするために、ＥＦＩＥＣＵ１７０にはエンジン１５０の運転状態を示す種々のセンサが接続されている。
【００１９】
動力系統には、他にモータＭＧ１，ＭＧ２が備えられている。モータＭＧ１，ＭＧ２は、同期電動発電機として構成され、外周面に複数個の永久磁石を有するロータ１３２，１４２と、回転磁界を形成する三相コイルが巻回されたステータ１３３，１４３とを備える。ステータ１３３，１４３はケース１１９に固定されている。モータＭＧ１，ＭＧ２のステータ１３３，１４３に巻回された三相コイルは、それぞれ駆動回路１９１，１９２を介してバッテリ１９４に接続されている。駆動回路１９１，１９２は、各相ごとにスイッチング素子としてのトランジスタを２つ１組で備えたトランジスタインバータである。駆動回路１９１，１９２は制御ユニット１９０に接続されている。制御ユニット１９０からの制御信号によって駆動回路１９１，１９２のトランジスタがスイッチングされるとバッテリ１９４とモータＭＧ１，ＭＧ２との間に電流が流れる。モータＭＧ１，ＭＧ２はバッテリ１９４からの電力の供給を受けて回転駆動する電動機として動作することもできるし（以下、この運転状態を力行と呼ぶ）、ロータ１３２，１４２が外力により回転している場合には三相コイルの両端に起電力を生じさせる発電機として機能してバッテリ１９４を充電することもできる（以下、この運転状態を回生と呼ぶ）。
【００２０】
エンジン１５０とモータＭＧ１，ＭＧ２はそれぞれプラネタリギヤ１２０を介して機械的に結合されている。プラネタリギヤ１２０は、遊星歯車とも呼ばれ、以下に示すそれぞれのギヤに結合された３つの回転軸を有している。プラネタリギヤ１２０を構成するギヤは、中心で回転するサンギヤ１２１、サンギヤの周辺を自転しながら公転するプラネタリピニオンギヤ１２３、さらにその外周で回転するリングギヤ１２２である。プラネタリピニオンギヤ１２３はプラネタリキャリア１２４に軸支されている。本実施例のハイブリッド車両では、エンジン１５０のクランクシャフト１５６はダンパ１３０を介してプラネタリキャリア軸１２７に結合されている。ダンパ１３０はクランクシャフト１５６に生じる捻り振動を吸収するために設けられている。モータＭＧ１のロータ１３２は、サンギヤ軸１２５に結合されている。モータＭＧ２のロータ１４２は、リングギヤ軸１２６に結合されている。リングギヤ１２２の回転は、チェーンベルト１２９を介して駆動軸１１２および車輪１１６Ｒ，１１６Ｌに伝達される。
【００２１】
かかるハイブリッド車両の基本的な動作を説明するために、まずプラネタリギヤ１２０の動作について説明する。プラネタリギヤ１２０は、上述した３つの回転軸のうち、２つの回転軸の回転数およびトルク（以下、両者をまとめて回転状態とよぶ）が決定されると残余の回転軸の回転状態が決まるという性質を有している。各回転軸の回転状態の関係は、機構学上周知の計算式によって求めることができるが、共線図と呼ばれる図により幾何学的に求めることもできる。
【００２２】
図２に共線図の一例を示す。縦軸が各回転軸の回転数を示している。横軸は、各ギヤのギヤ比を距離的な関係で示している。サンギヤ軸１２５（図中のＳ）とリングギヤ軸１２６（図中のＲ）を両端にとり、位置Ｓと位置Ｒの間を１：ρに内分する位置Ｃをプラネタリキャリア軸１２７の位置とする。ρはリングギヤ１２２の歯数に対するサンギヤ１２１の歯数の比である。こうして定義された位置Ｓ，Ｃ，Ｒにそれぞれのギヤの回転軸の回転数Ｎｓ，Ｎｃ，Ｎｒをプロットする。プラネタリギヤ１２０は、このようにプロットされた３点が必ず一直線に並ぶという性質を有している。この直線を動作共線と呼ぶ。動作共線は２点が決まれば一義的に決まる。従って、動作共線を用いることにより、３つの回転軸のうち２つの回転軸の回転数から残余の回転軸の回転数を求めることができる。
【００２３】
また、プラネタリギヤ１２０では、各回転軸のトルクを動作共線に働く力に置き換えて示したとき、動作共線が剛体として釣り合いが保たれるという性質を有している。具体例として、プラネタリキャリア軸１２７に作用するトルクをＴｅとする。このとき、図２に示す通り、トルクＴｅに相当する大きさの力を位置Ｃで動作共線に鉛直下から上に作用させる。作用させる方向はトルクＴｅの方向に応じて定まる。また、リングギヤ軸１２６から出力されるトルクＴｒを位置Ｒにおいて動作共線に、鉛直上から下に作用させる。図中のＴｅｓ，Ｔｅｒは剛体に作用する力の分配法則に基づいてトルクＴｅを等価な２つの力に分配したものである。「Ｔｅｓ＝ρ／（１＋ρ）×Ｔｅ」「Ｔｅｒ＝１／（１＋ρ）×Ｔｅ」なる関係がある。以上の力が作用した状態で、動作共線図が剛体として釣り合いがとれているという条件を考慮すれば、サンギヤ軸１２５に作用すべきトルクＴｍ１，リングギヤ軸に作用すべきトルクＴｍ２を求めることができる。トルクＴｍ１はトルクＴｅｓと等しくなり、トルクＴｍ２はトルクＴｒとトルクＴｅｒの差分に等しくなる。
【００２４】
プラネタリキャリア軸１２７に結合されたエンジン１５０が回転をしているとき、動作共線に関する上述の条件を満足する条件下で、サンギヤ１２１およびリングギヤ１２２は様々な回転状態で回転することができる。サンギヤ１２１が回転しているときは、その回転動力を利用してモータＭＧ１により発電することが可能である。リングギヤ１２２が回転しているときは、エンジン１５０から出力された動力を駆動軸１１２に伝達することが可能である。図１に示した構成を有するハイブリッド車両では、エンジン１５０から出力された動力を駆動軸に機械的に伝達される動力と、電力として回生される動力に分配し、さらに回生された電力を用いてモータＭＧ２を力行して動力のアシストを行なうことによって所望の動力を出力しながら走行することができる。こうした動作状態は、ハイブリッド車両の通常走行時に取り得る状態である。なお、全開加速時等の高負荷時には、バッテリ１９４からもモータＭＧ２に電力が供給され、駆動軸１１２に伝達する動力を増大している。
【００２５】
また、上述のハイブリッド車両では、モータＭＧ１またはＭＧ２の動力を駆動軸１１２から出力することができるため、これらのモータにより出力される動力のみを用いて走行することもできる。従って、車両が走行中であっても、エンジン１５０は停止していたり、いわゆるアイドル運転していたりすることがある。この動作状態は、発進時、低速走行時に取り得る状態である。
【００２６】
さらに、上述のハイブリッド車両では、エンジン１５０から出力された動力を２経路に分配するのではなく、駆動軸１１２側だけに伝達させることもできる。これは、高速定常走行時に取り得る動作状態であり、モータＭＧ２は高速走行による慣性によって連れ回された状態となり、モータＭＧ２によるアシストなしにエンジン１５０から出力された動力のみの走行となる。
【００２７】
図３は、この高速定常走行時の共線図を示している。図２に示す共線図ではサンギヤ軸１２５の回転数Ｎｓは正であったが、エンジン１５０の回転数Ｎｅとリングギヤ軸１２６の回転数Ｎｒとによって、図３に示す共線図のように負となる。このときには、モータＭＧ１では、回転の方向とトルクの作用する方向とが同じになるから、モータＭＧ１は電動機として動作し、トルクＴｍ１と回転数Ｎｓとの積で表わされる電気エネルギを消費する（逆転力行の状態）。一方、モータＭＧ２では、回転の方向とトルクの作用する方向とが逆になるから、モータＭＧ２は発電機として動作し、トルクＴｍ２と回転数Ｎｒとの積で表わされる電気エネルギをリングギヤ軸１２６から回生することになる。
【００２８】
このように、この実施例のハイブリッド車両は、プラネタリギヤ１２０の作用に基づいて種々の運転状態で走行することができる。
【００２９】
この実施例の動力出力装置の運転全体は制御ユニット１９０により制御されている。制御ユニット１９０は、ＥＦＩＥＣＵ１７０と同様、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するワンチップ・マイクロコンピュータである。制御ユニット１９０はＥＦＩＥＣＵ１７０と接続されており、両者は種々の情報を伝達し合うことが可能である。制御ユニット１９０は、エンジン１５０の制御に必要となるトルク指令値や回転数の指令値などの情報をＥＦＩＥＣＵ１７０に送信することにより、エンジン１５０の運転を間接的に制御することができる。制御ユニット１９０はこうして、動力出力装置全体の運転を制御しているのである。かかる制御を実現するために制御ユニット１９０には、種々のセンサ、例えば、駆動軸１１２の回転数を知るためのセンサ１４４などが設けられている。リングギヤ軸１２６と駆動軸１１２は機械的に結合されているため、本実施例では、駆動軸１１２の回転数を知るためのセンサ１４４をリングギヤ軸１２６に設け、モータＭＧ２の回転を制御するためのセンサと共通にしている。
【００３０】
上述したハイブリッド車両の動力系統に備えられる電気回路を図４を用いてさらに詳細に説明する。図示するように、バッテリ１９４に対して、インバータコンデンサ１９６と、モータＭＧ１に接続される駆動回路１９１と、モータＭＧ２に接続される駆動回路１９２とがそれぞれ並列に接続されている。
【００３１】
バッテリ１９４は、詳細には、電池モジュール部１９４ａと、システムメインリレー（以下、ＳＭＲと呼ぶ）１９４ｂと、電圧検出回路１９４ｃと、電流センサ１９４ｄ等を備える。ＳＭＲ１９４ｂは、制御ユニット１９０からの指令により高電圧回路の電源の接続・遮断を行なうもので、電池モジュール部１９４ａの＋−両極に配置された２個のリレーＲ１，Ｒ２から構成される。バッテリ１９４に２個のリレーＲ１，Ｒ２を設けたのは、電源の接続時には、まずリレーＲ２をオンし、続いてリレーＲ１をオンし、電源の遮断時には、まずリレーＲ１、続いてリレーＲ２をオフすることにより、確実な作動を行なうことを可能としている。電圧検出回路１９４ｃは、電池モジュール部１９４ａの総電圧値を検出する。電流センサ１９４ｄは、電池モジュール部１９４ａからの出力電流値を検出する。電圧検出回路１９４ｃおよび電流センサ１９４ｄの出力信号は、制御ユニット１９０に送信される。
【００３２】
駆動回路１９１，１９２は、バッテリの高電圧直流電流とモータＭＧ１，ＭＧ２用の交流電流の変換を行なう電力変換装置であり、詳細には、６個のパワートランジスタで構成される３相ブリッジ回路１９１ａ，１９２ａをそれぞれ備えており、この３相ブリッジ回路１９１ａ，１９２ａにより直流電流と３相交流電流との変換を行なっている。
【００３３】
さらに、駆動回路１９１，１９２には、電圧検出回路１９１ｂ，１９２ｂがそれぞれ設けられている。電圧検出回路１９１ｂ，１９２ｂは、モータＭＧ１，ＭＧ２の逆起電圧を検出する。３相ブリッジ回路１９１ａ，１９２ａの各パワートランジスタの駆動は制御ユニット１９０により制御されるとともに、駆動回路１９１，１９２から制御ユニット１９０に対し、電圧検出回路１９１ｂ，１９２ｂにて検出された電圧値や、３相ブリッジ回路１９１ａ，１９２ａとモータＭＧ１，ＭＧ２との間に設けられた図示しない電流センサにて検出された電流値など電流制御に必要な情報を送信している。
【００３４】
次に、制御ユニット１９０で実行されるトルク制御処理について説明する。トルク制御処理とは、エンジン１５０およびモータＭＧ１、ＭＧ２を制御して、要求されたトルクおよび回転数からなる動力を駆動軸１１２から出力する処理をいい、前述した図２および図３の共線図で示される動作状態など各種の動作状態を実現している。図５は、このトルク制御処理を示すフローチャートである。このルーチンは制御ユニット１９０内のＣＰＵ（以下、単にＣＰＵという）によって、タイマ割り込みにより所定時間毎に繰り返し実行される。
【００３５】
トルク制御処理ルーチンが開始されると、ＣＰＵは駆動軸１１２の目標回転数Ｎｄ＊、目標トルクＴｄ＊を設定する（ステップＳ２００）。目標回転数Ｎｄ＊およびトルクＴｄ＊は、現在の車速やアクセルの踏み込み量などに応じて設定される。フローチャートでは図示を省略したが、この処理においてＣＰＵはこれらの諸量を読み込んでいる。
【００３６】
次に、ＣＰＵはエンジン１５０の要求動力Ｐｅ＊を設定する（ステップＳ２１０）。エンジン１５０の要求動力Ｐｅ＊は、駆動軸１１２の目標回転数Ｎｄ＊、トルクＴｄ＊の積で求められる走行動力と、バッテリ１９４から充放電される電力と、補機の駆動に要する電力との総和により求められる。例えば、バッテリ１９４から余剰の電力を放電する必要がある場合には、エンジン１５０への要求動力Ｐｅ＊をその分減少させることができる。また、エアコンなどの補機を動作させる場合には、走行動力の他に補機用の電力に相当する動力をエンジン１５０から余分に出力する必要がある。
【００３７】
こうしてエンジン１５０への要求動力Ｐｅ＊が設定されるとＣＰＵはエンジン１５０の運転ポイント、即ち目標回転数Ｎｅ＊、目標トルクＴｅ＊を設定する（ステップＳ２２０）。エンジン１５０の運転ポイントは、基本的には運転効率が最もよくなる運転ポイントをマップから選択することにより設定される。
【００３８】
図６にエンジン１５０の運転ポイントと運転効率の関係を示す。図中の曲線Ｂは、エンジン１５０が運転可能な回転数およびトルクの限界値を示している。図６においてα１％、α２％等で示される曲線は、それぞれエンジン１５０の効率が一定となる等効率線であり、α１％、α２％の順に効率が低くなっていくことを示している。図６に示す通り、エンジン１５０は比較的限定された運転ポイントで効率が高く、その周囲の運転ポイントでは徐々に効率が低下していく。
【００３９】
図６中、Ｃ１−Ｃ１、Ｃ２−Ｃ２、およびＣ３−Ｃ３で示されている曲線は、エンジン１５０から出力される動力が一定の曲線であり、エンジン１５０の運転ポイントは要求動力に応じてこれらの曲線上で選択することになる。Ｃ１−Ｃ１、Ｃ２−Ｃ２、Ｃ３−Ｃ３の順に要求動力が低い状態を示している。例えば、エンジン１５０への要求動力Ｐｅ＊が曲線Ｃ１−Ｃ１で表される動力に相当する場合、エンジン１５０の運転ポイントは、曲線Ｃ１−Ｃ１上で運転効率が最も高くなるＡ１点に設定される。同様にＣ２−Ｃ２曲線上ではＡ２点に、Ｃ３−Ｃ３曲線上ではＡ３点で運転ポイントを選択する。曲線Ｃ１−Ｃ１，Ｃ２−Ｃ２，Ｃ３−Ｃ３上における、エンジン１５０の回転数と運転効率の関係を図７に示す。なお、図７中の曲線は、説明の便宜上、図６中の３本を例示しているが、要求出力に応じて無数に引くことができる曲線であり、エンジン１５０の運転ポイントＡ１点等も無数に選択することができるものである。このようにエンジン１５０の運転効率の高い点をつなぐことにより描いた曲線が図６中の曲線Ａであり、これを動作曲線と呼ぶ。
【００４０】
以上の処理により設定されたエンジン１５０の運転ポイントに基づいて、ＣＰＵはモータＭＧ１の目標回転数Ｎ１＊，トルクＴ１＊を設定する（ステップＳ２３０）。エンジン１５０、即ちプラネタリキャリア軸１２７の目標回転数Ｎ１＊と、駆動軸１１２つまりリングギヤ軸１２６の目標回転数Ｎｄ＊が設定されているため、前述した共線図によって、サンギヤ軸１２５つまりモータＭＧ１の目標回転数Ｎ１＊を設定することができる。もちろん、ステップＳ２３０では、共線図から導かれる所定の比例計算式によってモータＭＧ１の目標回転数Ｎ１＊を設定する。
【００４１】
モータＭＧ１の目標トルクＴ１＊は、いわゆる比例積分制御（ＰＩ制御）によって設定される。比例積分制御については、周知であるため、ここでは詳しい説明は省略するが、要は、モータＭＧ１の目標回転数Ｎ１＊と実際の回転数との偏差に所定の比例定数をかけて得られる比例項と、この偏差の時間積分値に所定の比例定数をかけて得られる積分項との和から目標トルクＴ１＊を算出する。
【００４２】
ＣＰＵは以上の処理で設定されたエンジン１５０の運転ポイントおよびモータＭＧ１の運転ポイントに基づいてモータＭＧ２の運転ポイント、つまり目標回転数Ｎ２＊、目標トルクＴ２＊を設定する（ステップＳ２４０）。モータＭＧ２の目標回転数は前述した共線図に基づいて設定される。つまり、目標回転数Ｎ２＊はリングギヤ軸１２６の目標回転数Ｎｄ＊と等しい。また、目標トルクＴ２＊はＰＩ制御により設定される。
【００４３】
こうして設定された運転ポイントに従って、ＣＰＵはモータＭＧ１，ＭＧ２およびエンジン１５０の運転を制御する（ステップＳ２５０）。モータＭＧ１，ＭＧ２の制御は設定された目標回転数と目標トルクとに応じて各モータの三相コイルに印加する電圧が設定され、現時点での印加電圧との偏差に応じて、駆動回路１９１，１９２のトランジスタのスイッチングを行うのである。同期モータを制御する方法については、周知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００４４】
エンジン１５０についても、設定された運転ポイントで運転するための制御処理は周知であるため、ここでは説明を省略する。但し、実際にエンジン１５０の制御を行うのはＥＦＩＥＣＵ１７０である。従って、トルク制御ルーチンでのステップＳ２２０における処理では、制御ユニット１９０からＥＦＩＥＣＵ１７０にエンジン１５０の運転ポイント等の必要な情報を送信する処理が行われる。かかる情報を送信することにより制御ユニット１９０のＣＰＵは間接的にエンジン１５０の運転を制御する。ステップＳ２５０の実行後、「ＲＥＴＵＲＮ」に抜けてこのトルク制御ルーチンを終了する。
【００４５】
次に、制御ユニット１９０で実行されるバッテリ過充電防止処理について説明する。バッテリ過充電防止処理とは、高速定常走行時にバッテリ１９４の過充電を防止する処理である。図８は、このバッテリ過充電防止処理を示すフローチャートである。このルーチンは制御ユニット１９０内のＣＰＵによって、タイマ割り込みにより所定時間毎に繰り返し実行される。
【００４６】
バッテリ過充電防止ルーチンが開始されると、ＣＰＵは、高速定常走行時であるか否かの判定を行なう（ステップＳ３００）。この判定は、図５で示したトルク制御ルーチンのステップＳ２５０において運転されるエンジン１５０、モータＭＧ１およびモータＭＧ２の回転数から、図３の共線図で示される動作モード、すなわち、モータＭＧ２が回生動作し、モータＭＧ１が逆転力行動作し、エンジン１５０が所定回転数より大きい回転数で動作する動作モードにあるか否かを判別することにより行なわれる。
【００４７】
ステップＳ３００で高速定常走行時であると判別されると、次いで、ＣＰＵはバッテリ１９４の充電容量（ＳＯＣ）が所定量Ｓ０より大きな値を保っているか否かを判別する（ステップＳ３１０）。バッテリ１９４のＳＯＣは、この実施例では、バッテリ１９４に内蔵される電流センサ１９４ｄの検出信号から求められる充電・放電の電流値の積算によって求めている。なお、この構成に替えて、バッテリ１９４の電解液の比重を測定することによりＳＯＣを検出する構成としてもよく、また、バッテリの端子間を瞬間的にショートさせて電流を流し内部抵抗を測ることによりＳＯＣを検出する構成としてもよい。
【００４８】
ステップＳ３１０で、バッテリ１９４のＳＯＣが所定量Ｓ０を越えていると判別されると、ＣＰＵはバッテリ１９４のＳＭＲ１９４ｂをオフする処理を行なう（ステップＳ３２０）。具体的には、ＣＰＵはバッテリ１９４のリレーＲ１，Ｒ２を順にオフする。
【００４９】
ステップＳ３２０でＳＭＲ１９４ｂがオフされると、次いで、ＣＰＵは、モータＭＧ１の運転を制御して、逆転力行の状態にあるモータＭＧ１のモータリングの回転数を所定の回転数だけ増大させる処理を行なう（ステップＳ３３０）。具体的には、図５のトルク制御ルーチンのステップＳ２３０で設定されるモータＭＧ１の目標回転数Ｎ１＊を、予め定めた所定回転数Ｎａｄだけ増大することにより、モータＭＧ１の運転の制御を行なう。
【００５０】
図９は、ステップＳ３３０の処理による前述した共線図の変化を示す説明図である。図９において一点鎖線Ｄは、ステップＳ３３０の処理前の動作共線であり、直線Ｅは、ステップＳ３３０の処理後の動作共線である。図示するように、ステップＳ３３０の処理後の動作共線は、処理前の動作共線と比べて、モータＭＧ２の回転数は一定であるが、モータＭＧ１の回転数は所定回転数Ｎａｄだけ増大していることが判る。このとき、プラネタリギヤ１２０の性質（前述した、３軸のうち２軸の運転ポイントが決まると残余の運転ポイントが決まる性質）から、エンジン１５０の運転ポイントは回転数が低下する方向に抑えられることになる。
【００５１】
なお、この実施例のステップＳ３３０では、モータＭＧ１のモータリングの回転数を直接制御していたが、この構成に替えて、エンジン１５０の回転数を低下させることで、プラネタリギヤ１２０の特性から間接的にモータＭＧ１の回転数を増大する構成とすることもできる。具体的には、制御ユニット１９０は、エンジン１５０の目標とする回転数の情報をＥＦＩＥＣＵ１７０に送信することにより、上記エンジン１５０の運転の制御をＥＦＩＥＣＵ１７０に行なわせるようにする。
【００５２】
上記ステップＳ３３０の処理によって、モータＭＧ１の回転数を増大させることで、モータＭＧ１の消費電力は増大される。一方、ステップＳ３２０でＳＭＲ１９４ｂがオフされて、バッテリ１９４とモータＭＧ１，ＭＧ２との間の電気的な接続が遮断された状態となっていることから、モータＭＧ２で発生した電力はモータＭＧ１に送られ、モータＭＧ１で消費される。これらの結果、モータＭＧ２で発生した電力はモータＭＧ１で充分に消費されることから、モータＭＧ２の逆起電圧Ｖａは小さくなる。
【００５３】
ステップＳ３３０でこうしたモータＭＧ１の制御が行なわれると、続いて、駆動回路１９２に内蔵される電圧検出回路１９２ｂにて検出されるモータＭＧ２の逆起電圧Ｖａを取り込むとともに（ステップＳ３４０）、バッテリ１９４の電圧検出回路１９４ｃにて検出されるバッテリ１９４の総電圧値Ｖｂを取り込む（ステップＳ３５０）。
【００５４】
その後、ＣＰＵは上記モータＭＧ２の逆起電圧Ｖａからバッテリ１９４の総電圧値を差し引くことにより両者の偏差ｄＶを算出する（ステップＳ３６０）。続いて、ＣＰＵはその偏差ｄＶが値０以下であるか否かを判別し（ステップＳ３７０）、ここで、偏差ｄＶが値０以下でないと判別されると、処理をステップＳ３３０に戻して、再度、モータＭＧ１の回転数を増大させる処理を行なうことで、モータＭＧ２の逆起電圧Ｖａをさらに小さくして、偏差ｄＶを値０に近づける。一方、ステップＳ３７０で、偏差ｄＶが値０以下となったと判別されると、「リターン」に抜けてこのルーチンを終了する。
【００５５】
また、ステップＳ３００で高速定常走行時でないと判別されたとき、または、ステップＳ３１０で、バッテリ１９４のＳＯＣが所定量Ｓ０以下であると判別されたときには、ステップＳ３８０に処理を進めて、ＳＭＲ１９４ｂをオンし、その後、「リターン」に抜けてこのルーチンを終了する。
【００５６】
なお、このルーチンでは、ステップＳ３２０におけるＳＭＲ１９４ｂのオフの処理、ステップＳ３８０におけるＳＭＲ１９４ｂのオンの処理は、処理前のＳＭＲ１９４ｂの状態に関わらず常にオフまたはオンする構成としていたが、これに替えて、処理前のＳＭＲ１９４ｂの状態が制御したい状態と異なるときに限り、ＳＭＲ１９４ｂを制御する構成とすることができる。すなわち、ステップＳ３２０では、処理前のＳＭＲ１９４ｂの状態を判別して、ＳＭＲ１９４ｂがオンの状態に限ってＳＭＲ１９４ｂに対してオフの制御指令を送信し、また、ステップＳ３８０では、処理前のＳＭＲ１９４ｂの状態を判別して、ＳＭＲ１９４ｂがオフの状態に限ってＳＭＲ１９４ｂに対してオンの制御指令を送信する構成とする。
【００５７】
以上のように構成されたバッテリ過充電防止ルーチンによれば、ハイブリッド車両の高速定常走行時において、バッテリ１９４のＳＯＣが予め定めた所定量Ｓ０以上となったときに、ＳＭＲ１９４ｂはオフ状態となって、駆動回路１９１，１９２はバッテリ１９４から電気的に遮断された状態となる。このため、モータＭＧ２で発生した電力がバッテリ１９４に移されることがないことから、高速定常走行時におけるバッテリ１９４の過充電を防止することができる。このとき、モータにｄ軸電流を流すような電力の損失がないことからエネルギ効率を悪化させることもない。したがって、この実施例では、高速定常走行時におけるバッテリの過充電の防止と、燃費の向上とを両立することができるという効果を奏する。
【００５８】
高速定常走行時においては、モータＭＧ２は発電状態にあり、モータＭＧ１は電力を消費する状態にあるが、さらにこの実施例では、モータＭＧ１の動作を制御してモータＭＧ１の消費電力を大きくしていることから、バッテリ１９４との接続を遮断したことによるモータＭＧ２の逆起電圧の上昇を抑えることができる。特にこの実施例では、モータＭＧ１の動作を制御することで、モータＭＧ２の逆起電圧Ｖａはバッテリ１９４の電圧値Ｖｂとほぼ同じレベルに保持されることから、車両が高速定常走行状態を脱してＳＭＲ１９４ｂがオン状態に復帰したときに、モータＭＧ２を直ちに力行状態に移行することができる。したがって、アシスト要求があったときに、上記エンジンへのトルクのアシストを時間遅れなく極めてスムーズに行なうことができるという効果も奏する。
【００５９】
なお、本発明を適用する動力出力装置の構成としては、図１に示した構成の他、種々の構成が可能である。図１では、モータＭＧ２がリングギヤ軸１２６に結合されているが、モータＭＧ２が、エンジン１５０のクランクシャフト１５６に直結したプラネタリキャリア軸１２７に結合された構成をとることもできる。第１の変形例としての構成を図１０に示す。図１０では、エンジン１５０，モータＭＧ１，ＭＧ２のプラネタリギヤ１２０に対する結合状態が図１の実施例と相違する。プラネタリギヤ１２０に関わるサンギヤ軸１２５にモータＭＧ１が結合され、プラネタリキャリア軸１２７にエンジン１５０のクランクシャフト１５６が結合されている点では図１と同じである。図１０では、モータＭＧ２がリングギヤ軸１２６ではなく、プラネタリキャリア軸１２７に結合されている点で図１の実施例と相違する。
【００６０】
かかる構成においても、例えば、モータＭＧ１により回生された電力を用いて、プラネタリキャリア軸１２７に結合されたモータＭＧ２を駆動することにより、クランクシャフト１５６に直結したプラネタリキャリア軸１２７にはさらなるトルクを付加することができ、このトルク付加は、駆動軸１１２に要求トルクが出力されるように行なわれる。従って、図１の実施例と同様に、モータＭＧ１およびＭＧ２を介して電力の形でやりとりされる動力を調整することにより、エンジン１５０から出力された動力を所望の回転数およびトルクとして駆動軸１１２から出力することができるので、エンジン１５０は、自由にその動作点を選択して運転することが可能である。従って、このような構成に対しても、本発明を適用することは可能である。
【００６１】
また、本発明は別の構成の動力出力装置に適用することもできる。第２の変形例としての構成を図１１に示す。上記した実施例や第１の変形例においては、エンジン１５０から出力された動力の一部を駆動軸１１２に伝達するための動力調整装置として、プラネタリギヤ１２０等を用いた機械分配型動力調整装置を用いていたのに対し、この第２の変形例では、動力調整装置として、対ロータ電動機等を用いた電気分配型動力調整装置を用いている。具体的には、この動力出力装置では、プラネタリギヤ１２０およびモータＭＧ１に代えて、クラッチモータＣＭを備える。クラッチモータとは、相対的に回転可能なインナロータ３０２およびアウタロータ３０４を備える対ロータ電動機である。図１１に示す通り、インナロータ３０２はエンジン１５０のクランクシャフト１５６に結合され、アウタロータ３０４は駆動軸１１２に結合されている。アウタロータ３０４には、スリップリング３０６を介して電力が供給される。アウタロータ３０４側の軸にはモータＭＧ２も結合されている。その他の構成は、図１で示した構成と同様である。
【００６２】
エンジン１５０から出力された動力は、クラッチモータＣＭを介して駆動軸１１２に伝達することができる。クラッチモータＣＭは、インナロータ３０２とアウタロータ３０４との間に電磁的な結合を介して動力を伝達する。この際、アウタロータ３０４の回転数がインナロータ３０２の回転数よりも低ければ、両者の滑りに応じた電力をクラッチモータＣＭで回生することができる。逆に、クラッチモータＣＭに電力を供給すれば、インナロータ３０２の回転数を増速して駆動軸１１２に出力することができる。エンジン１５０からクラッチモータＣＭを介して出力されたトルクが駆動軸１１２から出力すべき要求トルクと一致しない場合には、モータＭＧ２でトルクを補償することができる。
【００６３】
モータＭＧ２の役割は、図１に示した実施例の場合と同様である。従って、第２の変形例に対しても、本発明を適用することができる。
【００６４】
なお、本発明は上記した実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００６５】
（１）即ち、上記した実施例および変形例においては、パラレルハイブリッド方式の車両に本発明を適用した場合について説明したが、シリーズハイブリッド方式の車両に本発明を適用することも可能である。シリーズハイブリッド方式においても、２つの電動発電機を備え、一方の電動発電機で発電を行ない、他方の電動発電機で、駆動軸に出力される動力が所望の動力となるように動力調整を行なうことができるからである。要は、２つの電動発電機を備え、一方の電動発電機で発電を行ない、他方の電動発電機で、駆動軸に出力される動力が所望の動力となるように動力調整を行なうことができる動力出力装置を備える車両であれば、いずれの形態のハイブリッド方式の車両にも適用できる。
【００６６】
（２）また、上述した実施例の動力出力装置では、モータとして同期電動機を用いていたが、これに替えて誘導電動機、バーニアモータ、直流電動機、超伝導モータ、ステップモータなどを用いることができる。
【００６７】
（３）さらに、エンジン１５０としてガソリンにより運転されるガソリンエンジンを用いていたが、その他にディーゼルエンジンや、タービンエンジンや、ジェットエンジンなど各種の内燃あるいは外燃機関を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例としての動力出力装置を用いたハイブリッド車両の概略構成を示す構成図である。
【図２】実施例の動力出力装置の作動原理を説明する共線図である。
【図３】ハイブリッド車両が高速定常走行している場合の共線図である。
【図４】ハイブリッド車両の動力系統に備えられる電気回路を詳細に示す回路図である。
【図５】トルク制御ルーチンのフローチャートである。
【図６】エンジンの運転ポイントと運転効率との関係を示すグラフである。
【図７】 要求動力一定の場合の、エンジン回転数と運転効率との関係を示すグラフである。
【図８】バッテリ過充電防止ルーチンのフローチャートである。
【図９】高速定常走行時においてモータＭＧ１の回転数を増大した場合の共線図の変化を示す説明図である。
【図１０】本発明の第１の変形例としての動力出力装置を搭載したハイブリッド車両の概略構成を示す構成図である。
【図１１】本発明の第２の変形例としての動力出力装置を搭載したハイブリッド車両の概略構成を示す構成図である。
【符号の説明】
１１２…駆動軸
１１６Ｒ，１１６Ｌ…車輪
１１９…ケース
１２０…プラネタリギヤ
１２１…サンギヤ
１２２…リングギヤ
１２３…プラネタリピニオンギヤ
１２４…プラネタリキャリア
１２５…サンギヤ軸
１２６…リングギヤ軸
１２７…プラネタリキャリア軸
１２９…チェーンベルト
１３０…ダンパ
１３２，１４２…ロータ
１３３，１４３…ステータ
１４４…センサ
１５０…エンジン
１５６…クランクシャフト
１７０…ＥＦＩＥＣＵ
１９０…制御ユニット
１９１，１９２…駆動回路
１９１ｂ，１９２ｂ…電圧検出回路
１９４…バッテリ
１９４ａ…電池モジュール部
１９４ｂ…ＳＭＲ
１９４ｃ…電圧検出回路
１９４ｄ…電流センサ
１９６…インバータコンデンサ
３０２…インナロータ
３０４…アウタロータ
３０６…スリップリング

Claims (3)

1. 動力を出力するための駆動軸と、出力軸を有するエンジンと、該エンジンの出力した動力の少なくとも一部を用いて発電し得る第１の電動発電機と、駆動軸に出力される動力が所望の動力となるように動力調整を行なう第２の電動発電機と、充放電可能な蓄電手段と、前記第１の電動発電機、第２の電動発電機および蓄電手段を電気的に接続する接続路と、を備えた動力出力装置において、
   前記接続路に設けられ、外部からの指令に応じて、前記蓄電手段と前記第１および第２の電動発電機との間の接続、遮断を切り替える接続遮断切替手段と、
   前記蓄電手段の状態を検出する蓄電状態検出手段と、
   前記第２の電動発電機を、電力を発生する状態で動作させるとともに、前記第１の電動発電機を、電力を消費する状態で動作させる動作モードにあるか否かを判別する動作モード判別手段と、
   前記動作モード判別手段により前記動作モードにあると判別されたときに、前記蓄電状態検出手段により検出された前記蓄電手段の状態が予め定めた蓄電量を超える状態にあるか否かを判別する蓄電量判別手段と、
   該蓄電量判別手段により肯定判別されたときに、前記接続遮断切替手段に遮断を行なう旨の指令を出力するとともに、前記第１の電動発電機を電力消費量が増大するように動作させる制御手段と、
   前記第２の電動発電機の発生電圧を検出する第１電圧検出手段と、
   前記蓄電手段の出力電圧を検出する第２電圧検出手段と、
   前記制御手段による動作の実行後、前記第１の電動発電機の動作を制御して、両電圧検出手段による検出電圧をほぼ等しい大きさに保持する電圧保持制御手段と、
   前記制御手段による動作の実行後、前記動作モード判別手段により前記動作モードを離脱したと判別されたときに、前記接続遮断切替手段に接続を行なう旨の指令を出力する接続制御手段と
   を備えることを特徴とする動力出力装置。
2. 請求項１に記載の動力出力装置を搭載したハイブリッド車両であって、
   前記駆動軸に出力される動力によって車輪を駆動するとともに、
   前記エンジンの出力軸と、前記駆動軸および前記第２の電動発電機の回転軸と、前記第１の電動発電機の回転軸とにそれぞれ結合された３軸を有するプラネタリギヤを備えるハイブリッド車両。
3. 動力を出力するための駆動軸と、出力軸を有するエンジンと、該エンジンの出力した動力の少なくとも一部を用いて発電し得る第１の電動発電機と、駆動軸に出力される動力が所望の動力となるように動力調整を行なう第２の電動発電機と、充放電可能な蓄電手段と、前記第１の電動発電機、第２の電動発電機および蓄電手段を電気的に接続する接続路と、を備えた動力出力装置の制御方法であって、
   （ａ）前記蓄電手段の状態を検出する工程と、
   （ｂ）前記第２の電動発電機を、電力を発生する状態で動作させるとともに、前記第１の電動発電機を、電力を消費する状態で動作させる動作モードにあるか否かを判別する工程と、
   （ｃ）前記工程（ｂ）により前記動作モードにあると判別されたときに、前記工程（ａ）により検出された前記蓄電手段の状態が予め定めた蓄電量を超える状態にあるか否かを判別する工程と、
   （ｄ）前記工程（ｃ）により肯定判別されたときに、前記接続路による前記蓄電手段と前記第１および第２の電動発電機との間の電気的な接続を遮断するとともに、前記第１の電動発電機を電力消費量が増大するように動作させる工程と、
   （ｅ）前記第２の電動発電機の発生電圧を検出する工程と、
   （ｆ）前記蓄電手段の出力電圧を検出する工程と、
   （ｇ）前記工程（ｄ）の実行後、前記第１の電動発電機の動作を制御して、前記工程（ｅ ）と工程（ｆ）による検出電圧をほぼ等しい大きさに保持する工程と、
   （ｈ）前記工程（ｄ）の実行後、前記工程（ｂ）により前記動作モードを離脱したと判別されたときに、前記接続路による前記蓄電手段と前記第１および第２の電動発電機との間の電気的な接続を復帰する工程と
   を備える動力出力装置の制御方法。

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