JP4067000B2 - 動力出力装置およびこれを搭載する自動車並びに動力出力装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、駆動軸に動力を出力する動力出力装置およびこれを搭載し駆動軸が車軸に接続されて走行する自動車並びに動力出力装置の制御方法に関する。

従来、この種の動力出力装置としては、エンジンと、エンジンのクランクシャフトにキャリアが接続されると共に駆動軸にリングギヤが接続された遊星歯車機構と、遊星歯車機構のサンギヤに接続された第１モータと、駆動軸に動力を入出力する第２モータとを備えるハイブリッド自動車に搭載されたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、駆動軸に要求される要求トルクに基づく要求パワーがエンジンから効率よく出力される目標運転ポイントとしての目標回転数と目標トルクとを設定し、設定したエンジンの目標回転数から遊星歯車機構のギヤ比によって計算される第１モータの目標回転数と現在の回転数との偏差に基づいてフィードバック制御により第１モータのトルク指令を設定してエンジンと第１モータとを駆動制御し、遊星歯車機構を介してエンジン側から駆動軸に伝達されるトルクでは要求トルクに不足するトルクが第２モータから出力されるようトルク指令を設定して第２モータを駆動制御している。こうした駆動制御の最中に第１モータがゼロ付近の回転数で駆動される際には、エンジンの目標運転ポイントを変更することにより、第１モータがゼロ付近の回転数で駆動されることにより第１モータにおける特定の相のコイルに集中して電流が流れ第１モータを駆動するインバータが過熱するのを抑制している。
特開平１２−１８４５０６号公報

上述の動力出力装置では、運転者が予期しないトルクが駆動軸に出力される場合やバッテリに入出力制限を超える電力が入出力される場合がある。第２モータは、前述したように、基本的には、エンジン側から駆動軸に伝達されるトルクでは要求トルクに不足するトルクが出力されるように駆動制御されるが、バッテリの入出力制限を考慮すると要求トルクに対応できずに駆動軸に予期しないトルクが出力される場合も生じる。これに対して、エンジンの運転ポイントを変更して第１モータの発電を一時的に調整すれば、駆動軸に予期しないトルクが出力されるのを抑制しつつバッテリに入出力制限を超える電力が入出力されるのを防止できる。しかしながら、第１モータの発電を調整するためにエンジンの運転ポイントを変更している最中に第１モータがゼロ付近の回転数で駆動されるときに、単にこれを回避するためだけにエンジンの運転ポイントを変更すると、運転者が予期しないトルクが駆動軸に出力される場合やバッテリに入出力制限を超える電力が入出力される場合がある。

本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車並びに動力出力装置の制御方法は、電動機やその駆動装置の保護を図ると共に蓄電装置の入出力制限を考慮することを目的の一つとする。また、本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車並びに動力出力装置の制御方法は、運転者が予期しない駆動力が駆動軸に出力されるのを抑制することを目的の一つとする。

本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車並びに動力出力装置の制御方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

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た第１電動機を有し、該第１電動機による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第２電動機と、
前記第１電動機および前記第２電動機と電力をやり取り可能な蓄電手段と、
操作者の操作に基づいて前記駆動軸に要求される要求駆動力を設定する要求駆動力設定手段と、
前記要求駆動力と前記第１電動機を所定の回転数範囲外の回転数で駆動させるための前記内燃機関の第１回転数制限と前記蓄電手段の入出力制限とに基づいて前記要求駆動力に基づく駆動力を出力するための前記内燃機関の運転ポイントを設定し、該設定した運転ポイントで該内燃機関が運転されると共に前記要求駆動力に基づく駆動力が前記駆動軸に出力されるよう該内燃機関と前記第１電動機と前記第２電動機とを駆動制御する制御手段と
を備えることを要旨とする。

この本発明の動力出力装置では、要求駆動力と第１電動機を所定の回転数範囲外の回転数で駆動させるための内燃機関の第１回転数制限と蓄電手段の入出力制限とに基づいて要求駆動力に基づく駆動力を出力するための内燃機関の運転ポイントを設定し、設定した運転ポイントで内燃機関が運転されると共に要求駆動力に基づく駆動力が駆動軸に出力されるよう内燃機関と第１電動機と第２電動機とを駆動制御する。従って、蓄電手段の入出力制限を考慮しつつ第１電動機を所定回転数範囲外の回転数で駆動させることができる。この結果、第１電動機やその駆動装置の保護を図ると共に蓄電手段の入出力制限に対応することができる。また、要求駆動力に対応するから、運転者が予期しない駆動力が駆動軸に出力されるのを抑制することができる。ここで、「所定の回転数範囲」には、値０を含む回転数範囲が含まれる。

こうした本発明の動力出力装置において、前記制御手段は、前記要求駆動力と前記蓄電手段の入出力制限とから求められる第２回転数制限と前記第１回転数制限とを両立させる回転数を前記運転ポイントにおける目標回転数として設定する手段であるものとすることもできる。この場合、前記制御手段は、前記内燃機関を効率よく運転して前記要求駆動力に基づく駆動力を出力するための該内燃機関の運転ポイントにおける目標回転数を前記第１回転数制限と前記第２回転数制限とに基づいて変更して前記運転ポイントを設定する手段であるものとすることもできる。これらの態様の本発明の動力出力装置において、前記制御手段は、前記第１電動機から出力される動力に基づいて前記駆動軸に出力される第１駆動力と前記第２電動機から該駆動軸に出力される第２駆動力との和が前記要求駆動力に応じた駆動力範囲内となる関係と、前記第１電動機により入出力される第１電力と前記第２電動機により入出力される第２電力との和が前記蓄電手段の入出力制限の範囲内となる関係と、から求められる前記第１駆動力の範囲に基づいて前記第２回転数制限を設定して前記運転ポイントを設定する手段であるものとすることもできる。こうすれば、内燃機関の運転ポイントの設定により蓄電手段の入出力制限の範囲内で要求駆動力に応じた駆動力範囲内の駆動力を駆動軸に出力することができる。さらに、この態様の本発明の動力出力装置において、前記制御手段は、前記内燃機関の目標回転数が設定されたときに前記第１電動機を該設定された目標回転数を用いてフィードバック制御する際の該第１電動機から出力すべき目標駆動力の関係式に対して前記第１駆動力を該目標駆動力として用いて逆算により得られる前記目標回転数に基づいて前記第２回転数制限を設定して前記運転ポイントを設定する手段であるものとすることもできる。こうすれば、内燃機関を運転制御する際の第１電動機の駆動制御をより適切なものとすることができる。

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の回転軸の３軸に接続され該３軸のうちのいずれか２軸に入出力される動力に基づいて残余の１軸に動力を入出力させる３軸式の動力入出力手段と、前記第１電動機として前記第３の回転軸に動力を入出力可能な発電機とを備える手段であるものとすることもできるし、前記電力動力入出力手段は、前記第１電動機として前記内燃機関の出力軸に接続された第１の回転子と前記駆動軸に接続された第２の回転子とを有し該第１の回転子と該第２の回転子との電磁的な作用により両回転子を相対回転させて駆動する対回転子電動機を備える手段であるものとすることもできる。

本発明の自動車は、
上述した各態様のいずれか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た第１電動機を有し該第１電動機による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第２電動機と、前記第１電動機および前記第２電動機と電力をやり取り可能な蓄電手段と、操作者の操作に基づいて前記駆動軸に要求される要求駆動力を設定する要求駆動力設定手段と、前記要求駆動力と前記第１電動機を所定の回転数範囲外の回転数で駆動させるための前記内燃機関の第１回転数制限と前記蓄電手段の入出力制限とに基づいて前記要求駆動力に基づく駆動力を出力するための前記内燃機関の運転ポイントを設定し該設定した運転ポイントで該内燃機関が運転されると共に前記要求駆動力に基づく駆動力が前記駆動軸に出力されるよう該内燃機関と前記第１電動機と前記第２電動機とを駆動制御する制御手段とを備える動力出力装置を搭載し、前記駆動軸に車軸が接続されて走行する
ことを要旨とする。

この本発明の自動車では、上述した各態様のいずれかの本発明の動力出力装置を搭載するから、本発明の動力出力装置が奏する効果と同様の効果、例えば、第１電動機やその駆動装置の保護を図ると共に蓄電手段の入出力制限に対応することができる効果や運転者が予期しない駆動力が駆動軸に出力されるのを抑制することができる効果などを奏することができる。

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駆動軸とに接続された第１電動機を有し該第１電動機による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第２電動機と、前記第１電動機および前記第２電動機と電力をやり取り可能な蓄電手段と、を備える動力出力装置の制御方法であって、
（ａ）操作者の操作に基づいて前記駆動軸に要求される要求駆動力を設定し、
（ｂ）前記要求駆動力と前記第１電動機を所定の回転数範囲外の回転数で駆動させるための前記内燃機関の第１回転数制限と前記蓄電手段の入出力制限とに基づいて前記要求駆動力に基づく駆動力を出力するための前記内燃機関の運転ポイントを設定し、
（ｃ）該設定した運転ポイントで該内燃機関が運転されると共に前記要求駆動力に基づく駆動力が前記駆動軸に出力されるよう該内燃機関と前記第１電動機と前記第２電動機とを駆動制御する
ことを要旨とする。

この本発明の動力出力装置の制御方法によれば、要求駆動力と第１電動機を所定の回転数範囲外の回転数で駆動させるための内燃機関の第１回転数制限と蓄電手段の入出力制限とに基づいて要求駆動力に基づく駆動力を出力するための内燃機関の運転ポイントを設定し、設定した運転ポイントで内燃機関が運転されると共に要求駆動力に基づく駆動力が駆動軸に出力されるよう内燃機関と第１電動機と第２電動機とを駆動制御する。従って、蓄電手段の入出力制限を考慮しつつ第１電動機を所定回転数範囲外の回転数で駆動させることができる。この結果、第１電動機やその駆動装置の保護を図ると共に蓄電手段の入出力制限に対応することができる。また、要求駆動力に対応するから、運転者が予期しない駆動力が駆動軸に出力されるのを抑制することができる。ここで、「所定の回転数範囲」には、値０を含む回転数範囲が含まれる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態としての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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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の動作について説明する。図２は、実施例のハイブリッド自動車２０のハイブリッド用電子制御ユニット７０により実行される駆動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、所定時間毎（例えば、８ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。

駆動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，モータＭＧ１，ＭＧ２の回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２，バッテリ５０の残容量ＳＯＣ，バッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔなどのデータを入力する処理を実行する（ステップＳ１００）。ここで、モータＭＧ１，ＭＧ２の回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２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演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た。バッテリ５０の残容量ＳＯＣは、図示しない電流センサにより検出されたバッテリ５０の充放電電流に基づいて演算されたものをバッテリＥＣＵ５２から通信により入力するものとした。バッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔは、残容量ＳＯＣや電池温度などに基づいて設定することができる。

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＊とエンジン２２から出力すべき要求パワーＰｅ＊とを設定する（ステップＳ１１０）。ここで、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のマップの一例を示す。また、要求パワーＰｅ＊は、要求トルクＴｒ＊にリングギヤ軸３２ａの回転数Ｎｒを乗じたものとバッテリ５０の充放電要求パワーＰｂ＊と損失Ｌｏｓｓとの和により求めることができる。なお、リングギヤ軸３２ａの回転数Ｎｒは、車速Ｖに換算係数ｋを乗じることにより求めたり、モータＭＧ２の回転数Ｎｍ２を減速ギヤ３５のギヤ比Ｇｒ（＝モータＭＧ２の回転数Ｎｍ２／リングギヤ軸３２ａの回転数Ｎｒ）で割ることにより求めたりすることができる。バッテリ５０の充放電要求パワーＰｂ＊は、残容量ＳＯＣやアクセル開度Ａｃｃに基づいて設定することができる。

要求パワーＰｅ＊を設定すると、設定した要求パワーＰｅ＊とエンジン２２を効率よく動作させる動作ラインとに基づいてエンジン２２の運転ポイントとしての目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊を設定する（ステップＳ１２０）。エンジン２２の動作ラインの一例および目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊とを設定する様子を図４に示す。図示するように、目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊は、動作ラインと要求パワーＰｅ＊（Ｎｅ＊×Ｔｅ＊）が一定の曲線との交点により求めることができる。

こうして目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊とを設定すると、要求トルクＴｒ＊とバッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔとに基づいて図５に例示するエンジン回転数制限設定処理によりエンジン回転数制限Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎを設定すると共に（ステップＳ１３０）、次式（１）および式（２）によりモータＭＧ１がゼロ付近の回転数範囲（例えば、−１００〜１００ｒｐｍ）で駆動されないようにリングギヤ軸３２ａの回転数Ｎｒ（＝Ｎｍ２／Ｇｒ）に基づいてエンジン回転数制限Ｎｅｈ，Ｎｅｌを設定する（ステップＳ１４０）。式（１）および式（２）中の「ρ」は、動力分配統合機構３０のギヤ比（＝サンギヤ３１の歯数／リングギヤ３２の歯数）である。ここで、エンジン回転数制限Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎは、運転者が予期しないトルクがリングギヤ軸３２ａに出力されるのを抑制するためのトルク制限とバッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔとを両立させるためのものであり、その詳細は後述する。また、エンジン回転数制限Ｎｅｈ，Ｎｅｌは、モータＭＧ１がゼロ付近の回転数範囲で駆動されると、モータＭＧ１の各相コイルのうち特定の相にだけ集中して電流が印加され、この結果インバータ４１が過熱するから、これを回避するためのものである。以下、図２の駆動制御ルーチンの説明を中断し、図５のエンジン回転数制限設定処理について説明する。

Neh＝(ρ・100＋Nm2/Gr)/(1+ρ) …（１）
Nel＝(ρ・(-100)＋Nm2/Gr)/(1+ρ) …（２）

図５のエンジン回転数制限設定処理では、まず、次式（３）および式（４）を共に満足するモータＭＧ１の仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐの範囲としての上限値Ｔｍ１ｍａｘと下限値Ｔｍ１ｍｉｎとを設定する（ステップＳ３００）。ここで、式（３）はモータＭＧ１やモータＭＧ２により駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに出力されるトルクの総和が値０から要求トルクＴｒ＊までの範囲内となる関係であり、式（４）はモータＭＧ１とモータＭＧ２とにより入出力される電力の総和が入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔの範囲内となる関係である。仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐの上限値Ｔｍ１ｍａｘと下限値Ｔｍ１ｍｉｎの一例を示す説明図を図６に示す。上限値Ｔｍ１ｍａｘと下限値Ｔｍ１ｍｉｎは、図中斜線で示した領域内の仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐの最大値と最小値として求めることができる。

0≦−Tm1tmp/ρ＋Tm2tmp・Gr≦Tr* …（３）
Win≦Tm1tmp・Nm1＋Tm2tmp・Nm2≦Wout …（４）

そして、目標回転数Ｎｍ１＊が設定されたときにモータＭＧ１を目標回転数Ｎｍ１＊と現在の回転数Ｎｍ１との偏差に基づいて目標回転数Ｎｍ１＊で回転させるためのフィードバック制御におけるモータＭＧ１から出力すべきトルク指令Ｔｍ１＊を求める次式（５）に示す関係式に対して「トルク指令Ｔｍ１＊」に代えて仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐの「上限値Ｔｍ１ｍａｘ」と「下限値Ｔｍ１ｍｉｎ」とを用いた次式（６）および式（７）により逆算することによりモータＭＧ１の回転数の上限値Ｎｍ１ｍａｘと下限値Ｎｍ１ｍｉｎとを設定する（ステップＳ３１０）。なお、関数ＰＩＤはフィードバック制御における比例項や積分項あるいは微分項などにより構成されている。

Tm1*＝前回Tm1*＋PID(Nm1，Nm1*) …（５）
Tm1max＝前回Tm1*＋PID(Nm1，Nm1max) …（６）
Tm1min＝前回Tm1*＋PID(Nm1，Nm1min) …（７）

こうしてモータＭＧ１の回転数の上限値Ｎｍ１ｍａｘと下限値Ｎｍ１ｍｉｎとを設定すると、これらをリングギヤ軸３２ａの回転数Ｎｒに基づいて次式（８）および式（９）によりエンジン２２の回転数に換算することによりエンジン回転数制限Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎとして設定して（ステップＳ３２０）、処理を終了する。こうした図５のエンジン回転数制限設定処理は、駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに要求トルクＴｒ＊に基づく範囲（実施例では値０から要求トルクＴｒ＊までの範囲）内でトルクを出力するトルク制限とバッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔとを両立させるエンジン２２の回転数の範囲としてエンジン回転数制限Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎを設定する処理と言える。

Nemax＝(ρ・Nm1max＋Nm2/Gr)/(1+ρ) …（８）
Nemin＝(ρ・Nm1min＋Nm2/Gr)/(1+ρ) …（９）

図２の駆動制御ルーチンに戻って、こうして要求トルクＴｒ＊とバッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔとに基づくエンジン回転数制限Ｎｅｍａｘ，ＮｅｍｉｎとモータＭＧ１がゼロ付近の回転数で駆動されるのを抑制するためのエンジン回転数制限Ｎｅｈ，Ｎｅｌとを設定すると、ステップＳ１２０で設定した目標回転数Ｎｅ＊がエンジン回転数制限Ｎｅｍｉｎ以上でエンジン回転数制限Ｎｅｍａｘ以下の範囲内にあるか否かを判定し（ステップＳ１５０）、目標回転数Ｎｅ＊がエンジン回転数制限Ｎｅｍｉｎ以上でエンジン回転数制限Ｎｅｍａｘ以下の範囲内にあるときには、そのまま次の処理に進み、目標回転数Ｎｅ＊がエンジン回転数制限Ｎｅｍｉｎ未満のときには目標回転数Ｎｅ＊をエンジン回転数制限Ｎｅｍｉｎに設定し直し（ステップＳ１６０）、目標回転数Ｎｅ＊がエンジン回転数制限Ｎｅｍａｘよりも大きいときには目標回転数Ｎｅ＊をエンジン回転数制限Ｎｅｍａｘに設定し直す（ステップＳ１７０）。そして、目標回転数Ｎｅ＊がエンジン回転数制限Ｎｅｌよりも大きくエンジン回転数制限Ｎｅｈ未満の範囲内にあるか否かを判定し（ステップＳ１８０）、目標回転数Ｎｅ＊がエンジン回転数制限Ｎｅｌ以下かエンジン回転数制限Ｎｅｈ以上のときには、そのまま次の処理に進み、目標回転数Ｎｅ＊がエンジン回転数制限Ｎｅｌよりも大きくエンジン回転数制限Ｎｅｈ未満の範囲内にあるときには更にエンジン回転数制限Ｎｅｍａｘがエンジン回転数制限Ｎｅｌよりも大きくエンジン回転数制限Ｎｅｈ未満で且つエンジン回転数制限Ｎｅｍｉｎがエンジン回転数制限Ｎｅｌ未満であるか否かを判定し（ステップＳ１９０）、肯定的な判定がなされたときには目標回転数Ｎｅ＊をエンジン回転数制限Ｎｅｌに設定し直し（ステップＳ２００）、否定的な判定がなされたときには目標回転数Ｎｅ＊をエンジン回転数制限Ｎｅｈに設定し直す（ステップＳ２１０）。こうしたステップＳ１５０〜Ｓ２１０の処理は、エンジン２２を効率よく運転できる運転ポイントとしての目標回転数Ｎｅ＊を、要求トルクＴｒ＊とバッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔとに基づくエンジン回転数制限Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎの範囲内となると共にモータＭＧ１がゼロ付近の回転数で駆動されるのを抑制するためのエンジン回転数制限Ｎｅｈ，Ｎｅｌの範囲外となるよう変更する処理と言える。エンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊をエンジン回転数制限Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎとエンジン回転数制限Ｎｅｈ，Ｎｅｌとに基づいて変更する様子を示す説明図を図７に示す。なお、図７（ａ）は駆動制御ルーチンのステップＳ１６０により目標回転数Ｎｅ＊が変更される様子を示し、図７（ｂ）は駆動制御ルーチンのステップＳ２００により目標回転数Ｎｅ＊が変更される様子を示し、図７（ｃ）は駆動制御ルーチンのステップＳ２１０により目標回転数Ｎｅ＊が変更される様子を示す。

そして、要求パワーＰｅ＊を目標回転数Ｎｅ＊で割ってエンジン２２の目標トルクＴｅ＊を設定し直すと共に（ステップＳ２２０）、目標回転数Ｎｅ＊とリングギヤ３２の回転数Ｎｒ（＝Ｎｍ２／Ｇｒ）と動力分配統合機構３０のギヤ比ρとを用いて次式（１０）によりモータＭＧ１の目標回転数Ｎｍ１＊を設定すると共に設定した目標回転数Ｎｍ１＊と現在の回転数Ｎｍ１とに基づいて前述した式（５）によりモータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊を設定する（ステップＳ２３０）。動力分配統合機構３０の各回転要素における回転数とトルクの力学的な関係を示す共線図を図８に示す。図中、左のＳ軸はサンギヤ３１の回転数を示し、Ｃ軸はキャリア３４の回転数を示し、Ｒ軸はリングギヤ３２（リングギヤ軸３２ａ）の回転数Ｎｒを示す。前述したように、サンギヤ３１の回転数はモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１でありキャリア３４の回転数はエンジン２２の回転数Ｎｅであるから、モータＭＧ１の目標回転数Ｎｍ１＊はリングギヤ軸３２ａの回転数Ｎｒとエンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊と動力分配統合機構３０のギヤ比ρとに基づいて式（１０）により計算することができる。したがって、モータＭＧ１が目標回転数Ｎｍ１＊で回転するようトルク指令Ｔｍ１＊を設定してモータＭＧ１を駆動制御することにより、エンジン２２を目標回転数Ｎｅ＊で回転させることができる。なお、図８におけるＲ軸上の２つの太線矢印は、エンジン２２を目標回転数Ｎｅ＊および目標トルクＴｅ＊の運転ポイントで定常運転したときにエンジン２２から出力されるトルクＴｅ＊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＊がリングギヤ軸３２ａに作用するトルクとを示す。

Nm1*=(Ne*・(1+ρ)-Nm2/Gr)/ρ …（１０）

モータＭＧ１の目標回転数Ｎｍ１＊とトルク指令Ｔｍ１＊とを設定すると、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と減速ギヤ３５のギヤ比Ｇｒとに基づいて要求トルクＴｒ＊をリングギヤ軸３２ａに作用させるためにモータＭＧ２から出力すべきトルクとしての仮モータトルクＴｍ２ｔｍｐを図８の共線図のトルクの釣り合いから定まる次式（１１）により計算すると共に（ステップＳ２４０）、バッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，ＷｏｕｔとモータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊と現在のモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１とモータＭＧ２の回転数Ｎｍ２とに基づいて次式（１２）および次式（１３）によりモータＭＧ２から出力してもよいトルクの下限，上限としてのトルク制限Ｔｍ２ｍｉｎ，Ｔｍ２ｍａｘを計算し（ステップＳ２５０）、計算した仮モータトルクＴｍ２ｔｍｐと計算したトルク制限Ｔｍ２ｍａｘとのうち小さい方と計算したトルク制限Ｔｍ２ｍｉｎとを比較して両者のうち大きい方をモータＭＧ２のトルク指令Ｔｍ２＊に設定する（ステップＳ２６０）。これにより、モータＭＧ２のトルク指令Ｔｍ２＊を、バッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔ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。

Tm2tmp=(Tr*+Tm1*/ρ)/Gr …（１１）
Tm2min=(Win-Tm1*・Nm1)/Nm2 …（１２）
Tm2max=(Wout-Tm1*・Nm1)/Nm2 …（１３）

こうしてエンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊や目標トルクＴｅ＊，モータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊を設定すると、エンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊についてはエンジンＥＣＵ２４に、モータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊についてはモータＥＣＵ４０にそれぞれ送信して（ステップＳ２７０）、駆動制御ルーチンを終了する。目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊とを受信したエンジンＥＣＵ２４は、エンジン２２が目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊とによって示される運転ポイントで運転されるようにエンジン２２における燃料噴射制御や点火制御などの制御を行なう。また、トルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊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。

以上説明した実施例のハイブリッド自動車２０によれば、駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａへの要求トルクＴｒ＊に対して運転者が予期しないトルクが出力されるのを抑制するためのトルク制限とバッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔとを両立させるためのエンジン２２の回転数範囲（エンジン回転数制限Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎ）内で且つモータＭＧ１がゼロ付近の回転数で駆動されるのを抑制するためのエンジン２２の回転数範囲外（エンジン回転数制限Ｎｅｈ，Ｎｅｌ）のエンジン２２の回転数を目標回転数Ｎｅ＊として設定してエンジン２２やモータＭＧ１を制御するから、モータＭＧ１をゼロ付近の回転数で駆動されないようにしてモータＭＧ１やインバータ４１の保護を図ると共にバッテリ５０の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔにも対応することができる。もとより、運転者が予期しないトルクがリングギヤ軸３２ａに出力されるのを抑制することができる。

実施例のハイブリッド自動車２０では、エンジン回転数制限Ｎｅｈ，Ｎｅｌを計算する課程でＰＩＤ制御によるフィードバック制御の関係式に仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐの上限値Ｔｍ１ｍａｘと下限値Ｔｍ１ｍｉｎとを用いて逆算することによりモータＭＧ１の回転数の上限値Ｎｍ１ｍａｘと下限値Ｎｍ１ｍｉｎとを計算するものとしたが、フィードバック制御はＰＩＤ制御に限られず、例えば微分項のないＰＩ制御によるフィードバック制御としてもよく、さらに積分項のないＰ制御によるフィードバック制御としてもよい。

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９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９における車輪６４ａ，６４ｂに接続された車軸）に接続するものとしてもよい。

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１０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。

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。

本発明は、自動車産業に利用可能である。

本発明の一実施形態としての動力出力装置を搭載する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により実行される駆動制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 要求トルク設定用マップの一例を示す説明図である。 動作ラインの一例および目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊を設定する様子を示す説明図である。 エンジン回転数制限設定処理の一例を示すフローチャートである。 モータＭＧ１の仮モータトルクＴｍ１ｔｍｐの上限値Ｔｍ１ｍａｘと下限値Ｔｍ１ｍｉｎの一例を示す説明図である。 エンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊をエンジン回転数制限Ｎｅｍａｘ，Ｎｅｍｉｎとエンジン回転数制限Ｎｅｈ，Ｎｅｌとに基づいて変更する様子を示す説明図である。 動力分配統合機構３０の各回転要素における回転数とトルクの力学的な関係を示す共線図である。 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。 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 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 駆動輪、６４ａ，６４ｂ 車輪、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)

1. 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た第１電動機を有し、該第１電動機による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第２電動機と、
   前記第１電動機および前記第２電動機と電力をやり取り可能な蓄電手段と、
   操作者の操作に基づいて前記駆動軸に要求される要求駆動力を設定する要求駆動力設定手段と、
   前記要求駆動力と前記第１電動機を過熱から保護するための値０を含む所定の回転数範囲外の回転数で駆動させるための前記内燃機関の第１回転数制限と前記蓄電手段の入出力制限とに基づいて前記要求駆動力に基づく駆動力を出力するための前記内燃機関の運転ポイントを設定し、該設定した運転ポイントで該内燃機関が運転されると共に前記要求駆動力に基づく駆動力が前記駆動軸に出力されるよう該内燃機関と前記第１電動機と前記第２電動機とを駆動制御する制御手段と
   を備える動力出力装置。
   
2. 前記制御手段は、前記要求駆動力と前記蓄電手段の入出力制限とから求められる第２回転数制限と前記第１回転数制限とを両立させる回転数を前記運転ポイントにおける目標回転数として設定する手段である請求項１記載の動力出力装置。
3. 前記制御手段は、前記第１電動機から出力される動力に基づいて前記駆動軸に出力される第１駆動力と前記第２電動機から該駆動軸に出力される第２駆動力との和が前記要求駆動力に応じた駆動力範囲内となる関係と、前記第１電動機により入出力される第１電力と前記第２電動機により入出力される第２電力との和が前記蓄電手段の入出力制限の範囲内となる関係と、から求められる前記第１駆動力の範囲に基づいて前記第２回転数制限を設定して前記運転ポイントを設定する手段である請求項２記載の動力出力装置。
4. 前記制御手段は、前記内燃機関の目標回転数が設定されたときに前記第１電動機を該設定された目標回転数を用いてフィードバック制御する際の該第１電動機から出力すべき目標駆動力の関係式に対して前記第１駆動力を該目標駆動力として用いて逆算により得られる前記目標回転数に基づいて前記第２回転数制限を設定して前記運転ポイントを設定する手段である請求項３記載の動力出力装置。
5. 前記制御手段は、前記内燃機関を効率よく運転して前記要求駆動力に基づく駆動力を出力するための該内燃機関の運転ポイントにおける目標回転数を前記第１回転数制限と前記第２回転数制限とに基づいて変更して前記運転ポイントを設定する手段である請求項２ないし４いずれか記載の動力出力装置。
6. 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の回転軸の３軸に接続され該３軸のうちのいずれか２軸に入出力される動力に基づいて残余の１軸に動力を入出力させる３軸式の動力入出力手段と、前記第１電動機として前記第３の回転軸に動力を入出力可能な発電機とを備える手段である請求項１ないし５いずれか記載の動力出力装置。
7. 前記電力動力入出力手段は、前記第１電動機として前記内燃機関の出力軸に接続された第１の回転子と前記駆動軸に接続された第２の回転子とを有し該第１の回転子と該第２の回転子との電磁的な作用により両回転子を相対回転させて駆動する対回転子電動機を備える手段である請求項１ないし５いずれか記載の動力出力装置。
8. 請求項１ないし７いずれか記載の動力出力装置を搭載し、前記駆動軸に車軸が接続されて走行する自動車。
9. 内燃機関と、該内燃機関の出力軸と駆動軸とに接続された第１電動機を有し該第１電動機による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第２電動機と、前記第１電動機および前記第２電動機と電力をやり取り可能な蓄電手段と、を備える動力出力装置の制御方法であって、
   （ａ）操作者の操作に基づいて前記駆動軸に要求される要求駆動力を設定し、
   （ｂ）前記要求駆動力と前記第１電動機を過熱から保護するための値０を含む所定の回転数範囲外の回転数で駆動させるための前記内燃機関の第１回転数制限と前記蓄電手段の入出力制限とに基づいて前記要求駆動力に基づく駆動力を出力するための前記内燃機関の運転ポイントを設定し、
   （ｃ）該設定した運転ポイントで該内燃機関が運転されると共に前記要求駆動力に基づく駆動力が前記駆動軸に出力されるよう該内燃機関と前記第１電動機と前記第２電動機とを駆動制御する
   動力出力装置の制御方法。
   

Images