JP4082337B2 - 発電機を備えた車両の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、回生時に発電機として機能する電動機を走行のための動力源とした電気自動車や、この種の電動機もしくは発電機を内燃機関と併せて搭載したハイブリッド車などの車両を対象とする制御装置に関するものである。

内燃機関を動力源とした車両には、バッテリーの充電をおこなったり、電装品に対して電力を供給するためのオルタネータ（発電機）が搭載されているが、これは、内燃機関に直接連結されているのが一般的である。これに対して電気自動車における動力源としての電動機や上述したハイブリッド車における発電機は、走行のための動力を発生したり、車両の有する慣性エネルギーを電力として回生するなどのために使用され、したがってその容量も上記のオルタネータよりも大きい。

動力伝達系統に連結されたこの種の発電機を搭載した車両の一例として、特許文献１にハイブリッド車が記載されている。この特許文献１に記載された車両の駆動装置は、エンジンの出力トルクを、遊星歯車機構を主体として構成された分配装置によって第１モータ・ジェネレータと出力側とに分配するように構成されている。したがって第１モータ・ジェネレータによって反力を与えることにより、エンジン回転数を適宜に制御でき、またその際に第１モータ・ジェネレータが発電をおこなう。一方、分配装置から車輪に到る駆動系統に第２モータ・ジェネレータがクラッチを介して連結されており、そのクラッチを係合させた状態で、前記第１モータ・ジェネレータから第２モータ・ジェネレータに電力を供給してその第２モータ・ジェネレータをモータとして機能させることにより、駆動トルクを補助するようになっている。さらに、車速などの走行状態によっては、エンジンの動力を電力に変換することなく車輪に伝達する方が、燃費上、有利な場合があり、そのために、第１モータ・ジェネレータの回転を止めるブレーキが設けられ、そのブレーキを係合させるとともに前記クラッチを解放させるように構成されている。

また、特許文献２には、エンジンとモータ・ジェネレータとを動力源として備え、その動力源の出力側に、ロックアップクラッチ付のトルクコンバータを連結した車両を対象とした制御装置が記載されており、この特許文献２に記載された装置は、モータ・ジェネレータによって回生制動力を発生させる際に、トルクの変動によるショックを防止もしくは抑制するために、ロックアップクラッチを解放するように構成されている。
特開２００３−１０４０７２号公報 特開２０００−１３４７１３号公報

上記の特許文献１に記載されているように、駆動トルクの補助やエネルギー回生をおこなうモータ・ジェネレータを、動力伝達系統に対して選択的に非連結状態とすることのできる装置であれば、例えば低負荷・高車速状態などの所定の走行状態での動力損失を低減し、燃費を向上させたり排ガスを抑制したりすることができる。その動力伝達系統に対するモータ・ジェネレータのいわゆる切り離しもしくは遮断は、モータ・ジェネレータを電動機もしくは発電機として動作させている過程でおこない、これと同時にモータ・ジェネレータの電気的な制御を中止するために、その電気的な制御系統から遮断し、あるいはモータ・ジェネレータの制御電流を止める。しかしながら、モータ・ジェネレータの切り離しもしくは遮断をおこなった時点では、モータ・ジェネレータがそれ自体の慣性力で回転し続け、その後、軸受部分などでの摩擦や潤滑油の撹拌などによる抵抗力あるいは電気的な鉄損などで次第にその回転が止まる。すなわち、従来では、動力伝達系統から切り離されもしくは遮断されたモータ・ジェネレータの有するエネルギーが摩擦熱などとして無駄に消費されており、エネルギー効率を向上させる上で、改善の余地があった。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、動力損失を低減してエネルギー効率を更に向上させることのできる車両用の制御装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、固定子と回転子との相対回転によって起電力を生じる発電機が、車輪に動力を伝達する動力伝達系統に、前記動力伝達系統との間で選択的に動力を伝達・遮断できるように連結された車両の制御装置において、前記固定子と回転子との相対回転が生じている状態で前記発電機が前記動力伝達系統に対して遮断された場合にその発電機で生じる電力を所定の機器で受容する回生制御実行手段を具備し、前記動力伝達系統は、動力源としての内燃機関と、その内燃機関の出力トルクを他の発電機と出力軸とに分配する動力分配機構とを有し、前記発電機は、前記出力軸に対して選択的に連結・遮断される発電機能のある電動機によって構成され、前記車両が高速および／または低負荷状態のときに前記発電機能のある電動機を前記動力伝達系統に対して遮断する遮断制御手段を更に具備し、前記回生制御実行手段は、前記遮断制御手段によって前記動力伝達系統に対して遮断された前記電動機の回転数が所定の回転数以上の場合にその電動機で生じる電力を所定の機器で受容する手段を含むことを特徴とする制御装置である。なお、その発電機は、電動機としての機能を併せ持ったモータ・ジェネレータもしくはこれに類する装置であってもよい。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記固定子と回転子との相対回転が生じている状態で前記発電機が前記動力伝達系統に対して遮断された場合にその発電機で生じる電力を所定の機器で受容する条件の成立を判断する回生条件判断手段を更に具備し、前記回生制御実行手段はその回生条件判断手段による判断結果に基づいて前記発電機で生じた電力を所定の機器で受容する制御を実行する手段を含むことを特徴とする制御装置である。

請求項１の発明によれば、発電機を動力伝達系統に対して連結した状態で走行している際に、その発電機を動力伝達系統に対して遮断すると、発電機が自らの慣性力によって回転し続け、固定子と回転子との相対回転によって起電力が生じる。その電力がバッテリーやキャパシターあるいはその他の電気装置などの機器によって受容され、エネルギー回生がおこなわれるので、従来無駄に消費していたエネルギーを有効に利用してエネルギー効率を向上させることができる。また、内燃機関の出力トルクを出力軸と他の発電機（モータ・ジェネレータであってもよい）とに分配し、その出力軸に前記発電機によってトルクを加減するように構成したいわゆるハイブリッド駆動装置に適用でき、その場合、出力軸にトルクを付加している状態もしくは出力軸を介してエネルギーを回生している状態で、出力軸から発電機が遮断もしくは切り離されることにより、その時点の運動エネルギーが有効に回収され、エネルギー効率を向上させることができる。またさらに、高車速の場合あるいは車両に対する負荷が低負荷の場合に、発電機能のある電動機が出力軸に対して遮断もしくは切り離される。すなわち、出力軸に対するトルクの加減が不要になると、発電機能のある前記電動機が動力伝達系統に対して遮断されるので、ハイブリッド車の全体としてエネルギー効率もしくは燃費が向上し、またその時点で前記電動機の回転数が所定値以上の場合に電動機の有する運動エネルギーが回生されるので、エネルギーの無駄な消費が回避もしくは抑制されてエネルギー効率を更に向上させることができる。

また、請求項２の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果を得られることに加え、動力伝達系統に対して遮断もしくは切り離された発電機が回転していても、その運動エネルギーが回生し得るほどには大きくない場合や遮断もしくは切り離しの直後に再度、動力伝達系統に連結されることが予想される場合など、所定の条件が成立しない場合には、発電機によるエネルギー回生がおこなわれない。すなわち、無駄な回生制御が実行されたり、後続する制御を円滑に実行できなくなるなどの事態を未然に回避することができ、ひいては、エネルギー効率を向上させ、また車両の走行もしくはドライバビリティを良好なものとすることができる。

つぎにこの発明を具体例に基づいて説明する。先ず、図２はこの発明を適用することのできる車両における動力伝達系統を模式的に示しており、動力源である内燃機関（エンジン）１の出力側に、変速機２が連結されている。そのエンジン１は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン、ガスエンジンなどの内燃機関や電気をエネルギー源とするモータであってもよい。また、変速機２は、有段式あるいは無段式のいずれであってもよく、さらには手動変速機あるいは自動変速機のいずれであってもよい。その変速機２の出力軸３が終減速機すなわちデファレンシャルギヤ４に連結され、ここから左右の車輪５にトルクを伝達するように構成されている。

上記のエンジン１から車輪５に到る動力伝達系統に、この発明の発電機に相当するモータ・ジェネレータ６が、クラッチ７を介して連結されている。このモータ・ジェネレータ６は、例えばコイルを備えた固定子（ステータ）８と永久磁石を備えた回転子（ロータ）９とからなる永久磁石式同期電動機によって構成されており、したがってステータ８とロータ９との相対回転によって起電力が生じる。そのロータ９が前記クラッチ７に連結されており、したがってクラッチ７を係合させることによりモータ・ジェネレータ６と動力伝達系統との間でトルクが伝達され、またクラッチ７を解放することにより、モータ・ジェネレータ６が動力伝達系統に対して遮断もしくは切り離されるようになっている。これに対してステータ８は、ケースなどの所定の固定部もしくは他の適宜の部材（それぞれ図示せず）に固定され、あるいはクラッチ機構（図示せず）を介して選択的に固定されている。

上記モータ・ジェネレータ６にインバータ１０およびバッテリー１１が電気的に接続されている。そのバッテリー１１がこの発明における電力を受容する機器に相当し、図２に示す例では、モータ・ジェネレータ６で生じた電力をバッテリー１１に蓄電し、またバッテリー１１からモータ・ジェネレータ６に対して電力を供給してモータ・ジェネレータ６をモータとして機能させるようになっている。そして、このような電力の受容および供給を含むモータ・ジェネレータ６の制御をインバータ１０によっておこなうようになっている。

前記クラッチ７は、モータ・ジェネレータ６を出力軸３に対して機械的に連結し、またその連結を解くための機構であって、摩擦クラッチや噛み合いクラッチなどの適宜の形式のものを使用することができる。図２に示す例では、油圧式摩擦クラッチが使用されており、その係合・解放の制御や伝達トルク容量の制御をおこなうための油圧制御装置１２が設けられている。なお、この油圧制御装置１２は、複数の電磁弁（図示せず）を有し、油圧の給排および圧力などの制御を電気的におこなうように構成されている。

そして、前記インバータ１０の制御および油圧の制御をおこなうために電子制御装置（ＥＣＵ）１３が設けられている。この電子制御装置１３は、マイクロコンピュータを主体として構成され、入力されるデータおよび予め記憶しているデータならびに制御プログラムによって演算をおこない、前記インバータ１０や油圧制御装置１２に対して制御信号を出力するようになっている。この電子制御装置１３には、前記モータ・ジェネレータ６の回転数が入力されている。すなわち、モータ・ジェネレータ６の回転数を検出するセンサー１４が設けられ、その出力信号が電子制御装置１３に入力されている。そのセンサー１４としては、モータ・ジェネレータ６に付設されているレゾルバーを使用することができる。したがってモータ・ジェネレータ６の慣性質量もしくは慣性モーメントを予め知ることができるので、その回転数を検出することにより、モータ・ジェネレータ６の運動エネルギーを求められるようになっている。

上記の車両を対象としたこの発明の制御装置による制御例を図１を参照して説明する。図１のフローチャートで示されるルーチンは、所定の短時間毎に繰り返し実行され、先ず、前記クラッチ７が切れているか否か、すなわちモータ・ジェネレータ６が出力軸３に対して遮断もしくは切り離されているか否かが判断される（ステップＳ１）。このステップＳ１で否定的に判断された場合には、モータ・ジェネレータ６が出力軸３に連結されていて、電動機もしくは発電機として機能していることになるので、特に制御をおこなうことなくこのルーチンを一旦抜ける。

これに対してステップＳ１で肯定的に判断された場合には、回生条件が成立しているか否かが判断される（ステップＳ２）。この回生条件とは、モータ・ジェネレータ６が慣性力で回転している状態におけるその運動エネルギーを電力として回収するに値するか否かの条件であり、その一例は、出力軸３から切り離された時点にモータ・ジェネレータ６が有している運動エネルギーが所定値以上の条件である。これは、例えばモータ・ジェネレータ６の回転数Ｎが所定のしきい値Ｎ１を超えている（Ｎ＞Ｎ１）か否かによって判断することができる。モータ・ジェネレータ６の有する運動エネルギーは、その慣性モーメントと回転数とから求められるからである。なお、そのしきい値Ｎ１は、回生効率および回生した電力でモータ・ジェネレータ６を駆動する際の効率を考慮し、回生したエネルギーが、停止させたモータ・ジェネレータ６を現在の回転数まで加速するのに要するエネルギーより大きくなるような値とすることができる。

また、他の条件としては、現時点に対する直後の加速予測が成立していないことを採用することができる。加速の予測は、例えば道路情報を地図情報と合わせて備えているナビゲーションシステムによって得ることができ、あるいは道路上のサインポストからの道路情報あるいは信号機からのゴー・ストップ情報などに基づいて得ることができる。直後に加速することが予測されている場合には、モータ・ジェネレータ６の制動と駆動とを連続しておこなうことになり、エネルギー効率が低下する可能性があるとともに、過渡的な慣性力がショックや違和感の原因となることが考えられるので、回生条件が不成立とされる。さらに、バッテリー１１の充電状態（ＳＯＣ：State of Charge ）を回生条件とすることができる。すなわち、充電量が所定値以上の場合には、電力を受容できないので、モータ・ジェネレータ６を強制的に制動すると、エネルギー回生できないにも関わらず、その後の再加速のための電力が、必要以上の電力の消費となるからである。

回生条件が成立していないことによりステップＳ２で否定的に判断された場合には、特に制御をおこなうことなくこのルーチンを一旦抜ける。これとは反対に回生条件が成立していてステップＳ２で肯定的に判断された場合には、モータ・ジェネレータ６の回生制動（ＭＧ回生制動）が実行される（ステップＳ３）。すなわち、モータ・ジェネレータ６がその慣性力で回転していることにより発生する電力をインバータ１０を介してバッテリー１１に充電する。その結果、その電力を、モータ・ジェネレータ６を電動機として駆動する際のエネルギーとして再利用でき、エネルギーの無駄な消費を抑制してエネルギー効率を向上させることができる。ひいては車両の燃費を向上させ、また排ガスを削減することができる。

この発明を適用することのできる他の車両の例を図３に模式的に示してある。ここに示す例は、機械分配式２モータ・ハイブリッド車と称することのできる車両であって、エンジンとモータ・ジェネレータと動力分配装置とを動力源として備え、その動力分配装置から出力したトルクに、第２のモータ・ジェネレータによってトルクを加減するように構成されている。具体的に説明すると、動力分配装置２０は、三つの回転要素によって差動作用をなす機構であって、図３に示す例では、シングルピニオン型遊星歯車機構によって構成されている。そのキャリヤ２１にエンジン２２が連結されてキャリヤ２１が入力要素となっており、そのキャリヤ２１で保持しているピニオンギヤが噛み合っているサンギヤ２３に第１モータ・ジェネレータ２４が連結されていてそのサンギヤ２３が反力要素となっている。より正確には、第１モータ・ジェネレータ２４は、固定子（ステータ）と回転子（ロータ）との相対回転によって起電力を生じ、またステータのコイルに通電することにより、ロータが回転する動力装置であって、そのロータがサンギヤ２３に連結されている。また、ステータはケーシングなどの固定部分に固定されている。そして、サンギヤ２３と同心円上に配置されかつ前記ピニオンギヤが噛み合っているリングギヤ２５が出力軸２６に連結されていてこのリングギヤ２５が出力要素となっている。

さらに、キャリヤ２１とリングギヤ２５との間にクラッチ２７が設けられている。このクラッチ２７が係合することにより、動力分配装置２０における二つの回転要素が一体的に連結されるので、動力分配装置２０を構成している遊星歯車機構の全体が一体回転する。したがってクラッチ２７は、遊星歯車機構の全体を一体化させる一体化クラッチとなっている。

出力軸２６は、図２に示す例と同様に、終減速機すなわちデファレンシャルギヤ２８に連結され、ここから左右の車輪２９にトルクを伝達するように構成されている。この出力軸２６に対してトルクを加減する第２モータ・ジェネレータ３０が設けられている。この第２モータ・ジェネレータ３０がこの発明の発電機に相当し、第２モータ・ジェネレータ３０と出力軸２６との間に変速機３１が設けられている。

この変速機３１は、入力回転数に対して出力回転数を低下させる二つの減速比（すなわち変速比）と、入力側と出力側との間でのトルクの伝達を遮断するニュートラル状態とを設定できるように構成されている。具体的には、図３に示す例では、シングルピニオン型遊星歯車機構とダブルピニオン型遊星歯車機構とを組み合わせた構造のラビニョ型遊星歯車機構によって変速機が構成されている。すなわち歯数の少ない（小径の）第１サンギヤ３２と、これより歯数の多い（大径の）第２サンギヤ３３とが同一軸線上に隣接して配置され、これらのサンギヤ３２，３３に対して同心円上にリングギヤ３４が設けられている。第１サンギヤ３２にショートピニオンが噛み合うとともにそのシュートピニオンとリングギヤ３４とにロングピニオンが噛み合っている。そして、そのロングピニオンに第２サンギヤ３３が噛み合っている。そして、これらのピニオンがキャリヤ３５によって自転かつ公転自在に保持されている。

したがって上記の変速機３１では、各サンギヤ３２，３３と、リングギヤ３４と、キャリヤ３５との四つの回転要素を有することになり、その第２サンギヤ３３が第２モータ・ジェネレータ３０に連結されて入力要素となっており、またキャリヤ３５が出力軸２６に連結されて出力要素となっている。それに伴い第１サンギヤ３２とリングギヤ３４とが反力要素（もしくは固定要素）となっており、これらを実質的に反力要素とするために、第１サンギヤ３２を選択的に固定するための第１ブレーキ３６と、リングギヤ３４を選択的に固定するための第２ブレーキ３７とが設けられている。

上記の各モータ・ジェネレータ２４，３０がインバータ３８を介してバッテリー３９に電気的に接続されており、各モータ・ジェネレータ２４，３０をインバータ３８によって制御するようになっている。なお、各モータ・ジェネレータ２４，３０は互いに独立して個別に制御されるようになっており、したがってインバータが各モータ・ジェネレータ２４，３０ごとに設けられることもある。一方、上記のクラッチ２７およびブレーキ３６，３７は、一例として油圧によって係合・解放の制御が実行される係合装置であって、その制御をおこなう油圧制御装置４０が設けられている。この油圧制御装置４０は、図２に示す油圧制御装置１２と同様に、油圧の給排および圧力を電気的に制御できるように構成されている。そして、上記のインバータ３８および油圧制御装置４０に制御信号を出力する電子制御装置４１が設けられている。更に、第２モータ・ジェネレータ３０の回転数を検出して検出信号を制御データとして電子制御装置４１に送信する回転数センサー４２が設けられている。

図３に示す構成の車両では、エンジン２２を燃費の良好な状態で運転し、そのエンジン２２からキャリヤ２１に入力されるトルクに対して第１モータ・ジェネレータ２４によって反力トルクを与え、リングギヤ２５およびこれに連結されている出力軸２６を所定の回転数で回転させる。したがって、車速が高くなるに従って、あるいは車両に対する負荷が小さくなるに従って、第１モータ・ジェネレータ２４の回転数を低下させることになり、そのまま車速が増大したり負荷が低下すると、ついには第１モータ・ジェネレータ２４をエンジン２２とは反対の方向に回転させ、かつ力行させることになる。これは、第１モータ・ジェネレータ２４を電動機として動作させ、同時に第２モータ・ジェネレータ３０を発電機として機能させる状態であり、出力軸２６に伝達されたエンジントルクで第２モータ・ジェネレータ３０を駆動し、その電力を第１モータ・ジェネレータ２４に供給してそのトルクを動力分配装置２０を介して出力軸２６に伝達することになる。すなわち動力循環が生じ、動力損失が増大する。そこで、このような動力循環が生じると同時に、もしくはその直前にクラッチ２７を係合させてエンジントルクをそのまま出力軸２６に伝達する一方、各ブレーキ３６，３７を解放して変速機３１をニュートラル状態とすることにより、第２モータ・ジェネレータ３０を出力軸２６に対して遮断もしくは切り離す。

その場合、第２モータ・ジェネレータ３０の回転数が所定値以上であるなど、前述した回生条件が成立していると、第２モータ・ジェネレータ３０について回生制動制御が実行され、第２モータ・ジェネレータ３０の起電力がバッテリー３９で受容される。すなわち、エネルギー回生がおこなわれ、そのエネルギーが第２モータ・ジェネレータ３０を駆動するなどのために有効に利用される。したがって図３に示す構成の車両を対象とする場合であっても、エネルギー効率を向上させて燃費を改善し、また排ガスを削減することができる。

なお、上記の変速機３１の作用を簡単に説明すると、第２ブレーキ３７を係合させることによりリングギヤ３４を固定すると、変速比の大きい低速段が設定され、第２モータ・ジェネレータ３０の出力トルクをその変速比に応じて増大したトルクが出力軸２６に伝達される。また、第２ブレーキ３７に替えて第１ブレーキ３６を係合させると、低速段より変速比が幾分大きくかつ“１”未満の変速比となる高速段が設定される。

ここで、上記の具体例とこの発明との関係を簡単に説明すると、上記ステップＳ３の機能的手段や各インバータ１０，３８あるいはバッテリー１１，３９ならびに電子制御装置１３，４１が、この発明の回生制御実行手段に相当し、またステップＳ２の機能的手段や電子制御装置１３，４１が、この発明の回生条件判断手段に相当し、さらにクラッチ７やブレーキ３６，３７あるいは電子制御装置４１が、この発明の遮断制御手段に相当する。

以上述べたこの発明の具体例では、動力源として内燃機関を有する構成としたが、この発明は発電機能を有する電動機を走行のための動力源としたいわゆる電気自動車を対象として実施することもできる。その場合、その電動機を動力伝達系統から遮断して電動機がいわゆる空転している状態で、所定の条件が成立することにより、その電動機についての回生制動制御を実行することになる。

この発明に係る制御装置で実行される制御例を説明するためのフローチャートである。 この発明で対象とすることのできる車両の動力伝達系統の一例を模式的に示す図である。 この発明で対象とすることのできる車両の動力伝達系統の他の例を模式的に示す図である。

符号の説明

１…内燃機関（エンジン）、 ３，２６…出力軸、 ５，２９…車輪、 ６…モータ・ジェネレータ、 ７…クラッチ、 ８…固定子（ステータ）、 ９…回転子（ロータ）、 １１，３９…バッテリー、 ２０…動力分配装置、 ２４…第１モータ・ジェネレータ、 ３０…第２モータ・ジェネレータ、 ３１…変速機、 ３６…第１ブレーキ、 ３７…第２ブレーキ。

Claims (2)

1. 固定子と回転子との相対回転によって起電力を生じる発電機が、車輪に動力を伝達する動力伝達系統に、前記動力伝達系統との間で選択的に動力を伝達・遮断できるように連結された車両の制御装置において、
   前記固定子と回転子との相対回転が生じている状態で前記発電機が前記動力伝達系統に対して遮断された場合にその発電機で生じる電力を所定の機器で受容する回生制御実行手段を具備し、
   前記動力伝達系統は、動力源としての内燃機関と、その内燃機関の出力トルクを他の発電機と出力軸とに分配する動力分配機構とを有し、
   前記発電機は、前記出力軸に対して選択的に連結・遮断される発電機能のある電動機によって構成され、
   前記車両が高速および／または低負荷状態のときに前記発電機能のある電動機を前記動力伝達系統に対して遮断する遮断制御手段を更に具備し、
   前記回生制御実行手段は、前記遮断制御手段によって前記動力伝達系統に対して遮断された前記電動機の回転数が所定の回転数以上の場合にその電動機で生じる電力を所定の機器で受容する手段を含む
   ことを特徴とする車両の制御装置。
2. 前記固定子と回転子との相対回転が生じている状態で前記発電機が前記動力伝達系統に対して遮断された場合にその発電機で生じる電力を所定の機器で受容する条件の成立を判断する回生条件判断手段を更に具備し、前記回生制御実行手段はその回生条件判断手段による判断結果に基づいて、前記発電機で生じた電力を所定の機器で受容する制御を実行する手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の車両の制御装置。

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