JP4070401B2 - 車両のハイブリッドシステム - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両の動力源にエンジンと回転電機（モータジェネレータ）を備える、いわゆるパラレル方式のハイブリッドシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
パラレル方式のハイブリッドシステムとして、入力軸の回転を変速して出力軸から車輪へ伝達する変速機と、エンジンの出力軸と変速機の入力軸を断続するクラッチと、電動機と発電機を兼ねる回転電機と、回転電機の入出力軸と変速機の入力軸を連結する動力伝達機構と、回転電機から供給される電力を蓄える蓄電要素と、を備えるものが、特願平１１−１６０７５９号に提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような先願例においては、蓄電要素の蓄電量が十分にある場合、クラッチは切断され、回転電機の駆動力で発進および走行が行われるのである。回転電機の駆動運転に電力が消費され、蓄電要素の蓄電量が低下すると、回転電機から車両の要求駆動力（アクセル操作量）に相当する出力が得られなくなる。このため、蓄電要素の蓄電量が既定値以下に低下すると、クラッチが接続され、エンジンの駆動力で走行状態が継続されるようになる。これだと、回転電機の駆動運転は、発進時から低速走行時に制限され、エンジンの運転領域が大きくなり、燃費の向上や排出ガスの低減が十分に得られない。クラッチは、蓄電要素の蓄電量が既定値以下に低下すると、エンジンの出力軸の回転速度および変速機の入力軸の回転速度に関係なく、回転電機の運転停止後に接続されるが、前後（エンジン側と変速機側）の回転速度が合致しないため、クラッチ接続時にショックが発生しやすい。
【０００４】
この発明は、このようなハイブリッドシステムにおける、動力源の切り替えに伴う、解決すべき課題に対する、有効な対応手段の提供を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、入力軸の回転を変速して出力軸から車輪へ伝達する変速機と、エンジンの出力軸と変速機の入力軸を断続するクラッチと、電動機と発電機を兼ねる回転電機と、回転電機の入出力軸と変速機の入力軸を連結する動力伝達機構と、回転電機から供給される電力を蓄える蓄電要素と、を備える車両のハイブリッドシステムにおいて、蓄電要素の蓄電量に基づいて制御マップから蓄電要素の蓄電量に応じた回転電機の出力分担比とエンジンの出力分担比を設定する手段と、これらの分担比とアクセル要求量とから回転電機の分担出力とエンジンの分担出力を決める手段と、エンジンから分担出力が得られるようにエンジンを制御する手段と、回転電機から分担出力が得られるように回転電機を制御する手段と、を備えるものであって、前記制御マップに蓄電要素の蓄電量をパラメータとして設定される回転電機の出力分担比およびエンジンの出力分担比については、蓄電要素の蓄電量が既定値を超えると回転電機の出力分担比が１となり、既定値以下のときは蓄電要素の蓄電量の低下に伴って回転電機の出力分担比が１から次第に小さくなり、その分エンジンの出力分担比は０から大きくなる、ように設定する一方、クラッチの接続状態への切り替え要求が発生すると変速機の入力軸の回転速度を目標回転速度としてエンジンを制御する手段と、この目標回転速度とエンジンの回転速度との回転速度差が既定値以下になるまでの間はクラッチの接続を禁止する手段と、蓄電要素の蓄電量に基づいて蓄電量が既定値以下に低下するとクラッチの接続状態への切り替え要求を発生する手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の効果】
第１の発明においては、車両の走行（駆動力）に回転電機の分担出力とエンジンの分担出力を併用する運転領域が設定可能となる。このため、車両の要求駆動力（アクセル操作量）を確保しつつ、車両の駆動力に蓄電要素の蓄電量を最大限に活用できる。つまり、エンジンのみで車両を駆動（走行）する運転領域が縮小され、燃費の向上および排出ガスの低減を大いに促進できる。
【００１１】
蓄電要素の蓄電量が十分な場合（既定値を超えるとき）は、回転電機の出力分担比が１となり、回転電機の出力のみで車両の発進および走行が行われる。蓄電要素の蓄電量が既定値以下に低下すると、その低下に伴って回転電機の出力分担比が１から徐々に小さくなり、その分エンジンの出力分担比は０から大きくなり、車両の走行に回転電機の出力とエンジンの出力が併用され、アクセル操作量に応じた駆動力を維持しながら、車両の駆動力に蓄電要素の蓄電量を最大限（許容下限値になるまで）に活用できる。
【００１２】
また、蓄電要素の蓄電量が十分な場合は、回転電機の出力のみによる発進および走行が行われる。回転電機の駆動運転に電力が消費され、蓄電要素の蓄電量が既定値以下に低下すると、クラッチの接続状態への切り替え要求が発生するので、エンジンが変速機の入力軸の回転速度（目標回転速度）と一致するように制御され、目標回転速度とエンジンの出力軸の回転速度との回転速度差が既定値以下に低下するまでの間は、クラッチの接続が禁止される。つまり、クラッチは、エンジンの出力軸の回転速度と変速機の入力軸の回転速度が同期範囲に入るのを待って接続されるため、クラッチ接続時のショックを防止できる。そして、車両の走行は、エンジン１の分担出力と回転電機の分担出力との併用によって継続される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１のように、車両のパワートレインは、エンジン１とトランスミッション４（変速機）と、エンジン１の出力軸１２（クランクシャフト）とトランスミッション４の入力軸４１との間に介装されるクラッチ３と、を備える。エンジン１の出力は、クラッチ３を介してトランスミッション４の入力軸４１に伝えられ、車両の走行時にトランスミッション４の出力軸４２から、図示しないプロペラシャフト，デファレンシャルギヤ，ドライブシャフトを介して左右の車輪へ伝達される。
【００１６】
エンジン１は、ディーゼルエンジンまたはＣＮＧエンジン（圧縮天然ガスを燃料とする）であり、供給される燃料がシリンダで燃焼し、シリンダを往復動するピストンによってクランクシャフトを回転駆動する。エンジンＥＣＵ１０（エンジン電子制御ユニット）は、エンジン回転センサ１３の検出信号（エンジン回転速度）やハイブリッドＥＣＵ２０（ハイブリッド電子制御ユニット）からの要求信号に応じてエンジン１の燃料供給量を制御する。なお、エンジンＥＣＵ１０とハイブリッドＥＣＵ２０との間は、通信制御手段を介して双方向に接続され、後述のように各種の協調制御を行うようになっている。
【００１７】
クラッチ３には、これを断続するクラッチアクチュエータ３１（運転者のペダル操作またはハイブリッドＥＣＵ２０の制御信号に応じて作動する）、トランスミッション４には、その変速ギヤ（変速比）を切り替えるギヤシフトアクチュエータ４３、が設けられる。車両のパワートレインは、さらにモータジェネレータ２と、その入出力軸２１とトランスミッション４の入力軸４１を連結する動力伝達機構５と、が備えられる。
【００１８】
モータジェネレータ２は、高効率および小形軽量化の面から、永久磁石型同期電動機（ＩＰＭ同期モータ）が使用され、インバータ６を介して蓄電要素７に接続される。インバータ６は、蓄電要素７の充電電力（直流電力）を交流電力に変換してモータジェネレータ２を電動機として駆動すると共に、モータジェネレータ２の発電電力（交流電力）を直流電力に変換して蓄電要素７を充電する。蓄電要素７には、ブレーキエネルギを短時間で無駄なく高効率に回生するため、車両の電池許容質量に対して必要な出力密度を確保しやすい、電気二重層キャパシタが使用される。
【００１９】
動力伝達機構５は、モータジェネレータ２の入出力軸２１に連結されるドライブギヤ５１と、トランスミッション４の入力軸４１に連結されるドリブンギヤ５３と、これらに噛み合うアイドラギヤ５２と、から構成される。モータジェネレータ２の回転は、動力伝達機構５を介して減速してトランスミッション４の入力軸４１へ伝達され、同じく入力軸４１の回転は、動力伝達機構５を介して増速してモータジェネレータ２の入出力軸２１へ伝達される。
【００２０】
ハイブリッドＥＣＵ２０は、チェンジレバーの位置に対応するギア位置指令を発生するチェンジレバーユニット２３、アクセルペダルの踏み量（アクセル要求量）を検出するアクセル開度センサ２２、ブレーキの操作量（ブレーキ要求量）を検出するブレーキセンサ２６、トランスミッション４の出力回転センサ４４、動力伝達機構５のギヤ回転センサ５４（トランスミッション４の入力回転センサ）、クラッチ３の断続を検出するクラッチポジションセンサ２９、トランスミッション４のシフト位置を検出するギヤポジションセンサ、蓄電要素７の蓄電量（ＳＯＣ）を測定（検出）する残量計（図示せず）、などが備えられる。そして、これら各種信号およびエンジンＥＣＵ１０からの情報信号に基づいて、クラッチアクチュエータ３１、ギアシフトアクチュエータ４３、インバータ６、を制御すると共に、エンジンＥＣＵ１０へ要求信号を送信する。
【００２１】
モータジェネレータ２の出力のみによる発進および走行を行うときは、クラッチ３を切断した状態において、アクセル要求量に応じた出力がモータジェネレータ２から得られるようにインバータ６を制御する。モータジェネレータ２の出力は、図２のように動力伝達機構５を介してトランスミッション４の入力軸４１に伝えられ、そのときの変速ギヤを通してトランスミッション４の出力軸４２からプロペラシャフトへ伝えられる。
【００２２】
車両の走行状態において、制動時は、蓄電要素７への充電が可能な限り、ブレーキ操作量に応じた回生制動力がモータジェネレータ２から得られるようにインバータ６を制御する。車輪の回転は、図５のようにプロペラシャフトからトランスミッション４の出力軸４２およびそのときの変速ギヤを通してトランスミッション４の入力軸４１、さらに動力伝達機構５を介してモータジェネレータ２の入出力軸２１へ伝えられる。これにより、モータジェネレータ２の回生発電が行われ、その電力はインバータ６を介して蓄電要素７に充電される。すなわち、車両のブレーキエネルギは、モータジェネレータ２の発電により、電気エネルギに変換して蓄電要素７に回収される。ブレーキ要求量の不足分は、電子制御ブレーキ（図示せず）による制動力などで補われる。
【００２３】
エンジン１の出力のみによる走行を行うときは、エンジンＥＣＵ１０に要求信号を送信する（エンジンＥＣＵ１０は、アクセルの要求量に応じた出力が得られるようにエンジン１の燃料供給量を制御する）と共に、クラッチ３を接続して、モータジェネレータ２の運転を停止する。エンジン１の出力は、図３のようにクラッチ３を介してトランスミッション４の入力軸４１に伝えられ、そのときの変速ギヤを通してトランスミッション４の出力軸４２からプロペラシャフト４９へ伝えられる。
【００２４】
車両の停止時に蓄電要素７への充電を行うときは、トランスミッション４がニュートラルのときにクラッチ３を接続する。エンジン１の回転は、図６のようにクラッチ３からトランスミッション４の入力軸４１および動力伝達機構５およびモータジェネレータ２の入出力軸２１へ伝えられる。したがって、エンジン１の出力により、モータジェネレータ２の発電が行われ、その電力は蓄電要素７に充電される。
【００２５】
車両の走行にモータジェネレータ２の出力とエンジン１の出力を併用するときは、クラッチ３を接続した状態において、エンジンＥＣＵ１０に要求信号（エンジン１の分担する出力要求）を送信すると共に、モータジェネレータ２の分担する出力が得られるようにインバータ６を制御する。モータジェネレータ２の出力は、図４のように動力伝達機構５を介してトランスミッション４の入力軸４１に伝えられ、エンジン１からクラッチ３を介して伝わる出力と共に、そのときの変速ギヤを通してトランスミッション４の出力軸４２からプロペラシャフト４９へ伝えられる。
【００２６】
エンジン１の出力のみによる走行状態（図３、参照）において、蓄電要素７への充電を行うときは、モータジェネレータ２を発電機として作動させる。エンジン１の出力は、図７のようにトランスミッション４の入力軸４１からそのときの変速ギヤを通してトランスミッション４の出力軸４２を介してプロペラシャフト４９へ伝えられるほか、動力伝達機構５を介してモータジェネレータ２の入出力軸２１へ伝えられる。
【００２７】
車両の登坂走行などにおいて、エンジン１の出力をモータジェネレータ２の出力でアシストするときは、エンジンＥＣＵ１０に要求信号を送信すると共に、アシスト量（エンジン回転速度およびアクセル要求量から制御マップに基づいて求められる）に相当する出力がモータジェネレータ２から得られるようにインバータ６を制御する。モータジェネレータ２の出力は、図４のようにエンジン１からクラッチ３を介して伝わる出力と共に、そのときの変速ギヤを通してトランスミッション４の出力軸４２からプロペラシャフト４９へ伝えられる。
【００２８】
図８は、発進時および走行時における、制御フローであり、ハイブリッドＥＣＵ２０において、所定の制御周期ごとに実行される。ステップ１においては、蓄電量が所定値以下かどうかを判定する。この判定がｎｏのとき（蓄電量が十分にある場合）は、ステップ２へ進み、クラッチ３を切断した状態において、モータジェネレータ２の出力のみによる走行（アクセル要求量に相当する出力がモータジェネレータ２から得られるようにインバータ６を制御する）を行う。
【００２９】
ステップ１の判定がｙｅｓのときは、ステップ３〜ステップ６、ステップ７〜ステップ９、を順次に処理する。ステップ３においては、トランスミッション４の入力軸の回転速度（回転センサ５４の検出信号）を読み取る。ステップ４においては、トランスミッション４の入力軸４１の回転速度を目標回転速度としてエンジン１を制御する指令（要求信号）をエンジンＥＣＵ１０へ送信する。これにより、エンジン１の回転速度は、図９のように待機状態のアイドル回転からトランスミッション４の入力軸４１の回転速度へ上昇する。
【００３０】
ステップ５においては、エンジンの出力軸１２の回転速度（回転センサ１３の検出信号）を読み取り、トランスミッション４の入力軸４１の回転速度との回転速度差が既定値以下かどうかを判定する。この判定がｎｏのときは、ステップ３へリターンする一方、同じく判定がｙｅｓのときは、ステップ６へ進み、クラッチ３を接続するのである。
【００３１】
ハイブリッドＥＣＵ２０には、蓄電要素７の蓄電量（ＳＯＣ）をパラメータにエンジン１の出力とモータジェネレータ２の出力との分担比を設定する制御マップ（図１０、参照）が格納される。ステップ７およびステップ８においては、蓄電要素７の蓄電量に基づいて、図１０の制御マップからエンジン１の出力分担比とモータジェネレータ２の出力分担比を求め、これら分担比とアクセル要求量（要求駆動力）とからエンジン１の分担出力とモータジェネレータ２の分担出力を決定する。ステップ９においては、エンジンＥＣＵ１０にエンジン１の分担出力に相当する要求信号を送信すると共に、モータジェネレータ２の分担出力が得られるようにインバータ６を制御する。
【００３２】
蓄電要素７の蓄電量（ＳＯＣ）が十分な場合、既述のようにクラッチ３が切断され、モータジェネレータ２の出力のみによる発進および走行が行われる。モータジェネレータ２の駆動運転に電力が消費され、蓄電量が既定値以下に低下すると、クラッチ３の接続状態への切り替え要求（ステップ１の判定における、ステップ３〜ステップ６への処理要求）が発生するのであり、エンジン１がトランスミッション４の入力軸４１の回転速度と一致するように制御され、エンジン１の出力軸１２の回転速度とトランスミッション４の入力軸４１の回転速度との回転速度差が既定値以下になると、クラッチ３が接続される（ステップ３〜ステップ６）。つまり、クラッチ３は、エンジン１の制御により、エンジン１の出力軸１２の回転速度とトランスミッション４の入力軸４１の回転速度が同期範囲に入るのを待って接続されるため、クラッチ接続時のショックを防止できるのである。そして、車両の走行は、エンジン１の分担出力とモータジェネレータ２の分担出力との併用によって継続される。
【００３３】
図１０の制御マップにおいては、蓄電要素７の蓄電量が十分な場合（既定値を超えるとき）は、モータジェネレータ２の出力分担比が１となり、蓄電要素７の蓄電量が既定値以下に低下すると、その低下に伴ってモータジェネレータ２の出力分担比が１から０へ徐々に小さくなり、その分エンジン１の出力分担比は０から１へ大きくなり、蓄電量が許容下限値以下のときは、エンジン１の出力分担比が１となる、ように設定される。このため、車両の走行にモータジェネレータ２の出力とエンジン１の出力との併用（ステップ７〜ステップ９）により、アクセル操作量に応じた駆動力を維持しながら、車両の走行に蓄電要素７の蓄電量を最大限に活用できる。つまり、エンジン１のみで車両を駆動（走行）する運転領域が縮小され、燃費の向上および排出ガスの低減を大いに促進できるのである。
【００３４】
車速の上昇に応じて運転者の操作により車両の変速が行われる。たとえば、エンジン１の出力による走行中の変速制御については、チェンジレバー２３のギヤ位置指令が変化すると、クラッチ３を切断すると共に、トランスミッション４をニュートラルにセット（ギヤ抜き）する。その後、ギヤ位置指令段のメインギヤ回転（メインシャフト回転）がシンクロ領域に入ったときにギヤ入れを行うと共に、ギヤ入れの完了時にクラッチ３を接続する。
【００３５】
このような変速制御においても、図８のステップ３〜ステップ５を応用すると、クラッチをショックなく接続することが可能となる。すなわち、トランスミッション４のニュートラルセット後に目標変速段（ギヤ位置指令段）のギヤ比とトランスミッション４の出力軸４２の回転速度とから目標回転速度を求め、エンジン１をこの目標回転速度に制御する（図９、参照）。そして、トランスミッション４のギヤ入れが完了すると、エンジン１の出力軸１２の回転速度（回転センサ１３の検出信号）とトランスミッション４の入力軸４１の回転速度との回転速度差が既定値以下の同期範囲に入ったら、それまで切断状態に維持されるクラッチ３を接続する、ように制御フローを設定することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態を表すシステム概要図である。
【図２】同じくシステムの動作説明図である。
【図３】同じくシステムの動作説明図である。
【図４】同じくシステムの動作説明図である。
【図５】同じくシステムの動作説明図である。
【図６】同じくシステムの動作説明図である。
【図７】同じくシステムの動作説明図である。
【図８】同じく制御内容を説明するフローチャートである。
【図９】同じく制御内容の説明図である。
【図１０】同じく制御内容を説明する特性図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ モータジェネレータ
３ エンジンクラッチ
４ トランスミッション
５ 動力伝達機構
６ インバータ
７ 蓄電要素
１０ エンジン制御ユニット
１２ エンジンの出力軸
１３ エンジン回転センサ
２０ ハイブリッド制御ユニット
２１ モータジェネレータの入出力軸
２３ チェンジレバーユニット
２６ ブレーキセンサ
４１ トランスミッションの入力軸
４２ トランスミッションの出力軸
４４ トランスミッションの出力回転センサ
５４ トランスミッションの入力回転センサ

Claims (1)

  1. 入力軸の回転を変速して出力軸から車輪へ伝達する変速機と、エンジンの出力軸と変速機の入力軸を断続するクラッチと、電動機と発電機を兼ねる回転電機と、回転電機の入出力軸と変速機の入力軸を連結する動力伝達機構と、回転電機から供給される電力を蓄える蓄電要素と、を備える車両のハイブリッドシステムにおいて、蓄電要素の蓄電量に基づいて制御マップから蓄電要素の蓄電量に応じた回転電機の出力分担比とエンジンの出力分担比を設定する手段と、これらの分担比とアクセル要求量とから回転電機の分担出力とエンジンの分担出力を決める手段と、エンジンから分担出力が得られるようにエンジンを制御する手段と、回転電機から分担出力が得られるように回転電機を制御する手段と、を備えるものであって、前記制御マップに蓄電要素の蓄電量をパラメータとして設定される回転電機の出力分担比およびエンジンの出力分担比については、蓄電要素の蓄電量が既定値を超えると回転電機の出力分担比が１となり、既定値以下のときは蓄電要素の蓄電量の低下に伴って回転電機の出力分担比が１から次第に小さくなり、その分エンジンの出力分担比は０から大きくなる、ように設定する一方、クラッチの接続状態への切り替え要求が発生すると変速機の入力軸の回転速度を目標回転速度としてエンジンを制御する手段と、この目標回転速度とエンジンの回転速度との回転速度差が既定値以下になるまでの間はクラッチの接続を禁止する手段と、蓄電要素の蓄電量に基づいて蓄電量が既定値以下に低下するとクラッチの接続状態への切り替え要求を発生する手段と、を備えたことを特徴とする車両のハイブリッドシステム。
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