JP4427890B2 - ハイブリッド自動車の制動制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機を発電運転して回生制動力を得るハイブリッド自動車に係り、特に、エネルギ回生効率の高いハイブリッド自動車の制動制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリーズ型ハイブリッド自動車は、エンジンで発電機を回し、得られた電気エネルギで電動機を駆動して走行するようになっている。また、制動に際しては、液圧ブレーキ等の機械的ブレーキを用いると同時に、電動機を発電運転することで制動力を発生させ、得られた電力を充電しておき、この回生エネルギを再利用するようになっている。従来のシリーズ型ハイブリッド自動車は、エンジン、発電機、パワーユニット、電動機、蓄電池、液圧ブレーキ、液圧ポンプ、協調制御装置などからなる。
【０００３】
従来のシリーズ型ハイブリッド自動車は、電動機の発電運転による回生制動と液圧ブレーキによる機械的制動との協調制御を行う。協調制御の要点は、以下のとおりである。
【０００４】
▲１▼回生による制動力の限界値は、電動機の能力及び蓄電池の充電状態や速度などに左右される。
【０００５】
▲２▼液圧ブレーキによる機械的制動力は、従来のエンジン式の自動車と同じであり、ホイールブレーキによる機械的制動力である。
【０００６】
▲３▼総合制動力は、回生による制動力と機械的制動力とを加算したものである。
【０００７】
このような要点に鑑み、従来は、エネルギ回生効率を高める目的から、回生による制動力を優先的に発生させるようになっており、回生能力の限界を超える制動力が必要な場合に、機械的制動力を発生させるようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の協調制御を行う方式では、回生制動と機械的制動とを併用しているため、機械的制動に関してはエネルギを捨てていることになる。
【０００９】
従来の電動機の特性は、駆動時に必要な能力だけを考慮して決定されており、回生制動時に十分な能力を発揮することができない。このため、前記した協調制御でもって回生能力いっぱいに電動機を発電運転しても、機械的制動力のほうが主になり、エネルギの無駄が避けられない（図１０参照）。
【００１０】
また、液圧ブレーキによる機械的制動を行うために、液圧ポンプの搭載が必要であり、この液圧ポンプの運転にもエネルギが消費される。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、エネルギ回生効率の高いハイブリッド自動車の制動制御装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、エンジンで回転させる発電機の電力を電動機に与え、その電動機の駆動力で走行するハイブリッド自動車において、制動時に前記電動機を発電運転して得られた電力を蓄える蓄電手段と、前記蓄電手段からの放電電力で前記電動機を引き込み励磁する引き込み励磁手段とを設けたものである。
【００１３】
空車か積車かを判定する空積車判定手段と、この判定に応じて前記電動機発電運転による制動力を制御する制動力制御手段とを設けてもよい。
【００１４】
前記制動時に車輪のロックを検出するロック検出手段と、車輪ロック時に前記電動機にロック解除動作を行わせるロック解除手段とを設けてもよい。
【００１５】
前記発電機を電動機運転してエンジンを駆動することにより前記電動機の発電電力を消費する電力消費手段を設けてもよい。
【００１６】
前記電動機を前輪用と後輪用とに別々に設けてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１８】
図１に示されるように、本発明に係るハイブリッド自動車は、エンジン１、エンジンを制御するエンジンコントローラ２、通常はエンジンで回転されて発電を行うが、電動機運転されてエンジンを駆動することもある発電機３、発電機３の電力を直流化・変圧し、電動機運転時に発電機３の電源となるコンバータ／インバータ４、パーキングブレーキ・ブレーキペダル・アクセルペダル等の車載機器５、運転状態に応じて各部に指令を行うコントローラ６、直流電力を交流化・変圧して電動機８ｆ，８ｒに供給すると共に電動機８ｆ，８ｒの発電電力を直流化・変圧して蓄電手段１０・発電機３に供給するインバータ７ｆ，７ｒ、前輪用・後輪用に別々に設けられた電動機８ｆ，８ｒ、コンバータ／インバータ４・インバータ７ｆ，７ｒ・蓄電手段１０間の回路を切り替える切替装置９、蓄電手段としてのキャパシタ１０、前後４輪のそれぞれに設けられた車速センサ１１ｆｌ，１１ｆｒ，１１ｒｌ，１１ｒｒ、エンジン１の可変給排気バルブ（図示せず）などからなる。
【００１９】
エンジン１の出力は発電機３に接続されており、発電機３はコンバータ／インバータ４に接続されている。コンバータ／インバータ４、インバータ７ｆ，７ｒ、キャパシタ１０は切替手段９を介して相互に接続されている。各インバータ７ｆ，７ｒに電動機８ｆ，８ｒが接続されており、各電動機８ｆ，８ｒの出力はそれぞれ前輪・後輪に連結されている。電動機８ｆ，８ｒ及び発電機３は、ロータに永久磁石を用いた構造のもので、回転機の高効率化に適している。
【００２０】
図１のハイブリッド自動車は、液圧ブレーキ等の機械的ブレーキが廃止されていることに特徴がある。回生による制動力のみで減速停止を行うために、以下の構成を有している。
【００２１】
▲１▼電動機８ｆ，８ｒの特性は、駆動時に必要な能力だけでなく、回生制動時に必要な能力を考慮して決定されている。具体的には、図２に示されるように、制動能力で見ると、本発明のハイブリッド自動車における回生制動力２１が従来のハイブリッド自動車における回生制動力２２を大きく上回るように、電動機８ｆ，８ｒの特性が決定されている。これによって機械的ブレーキを不要にしている。また、図３に示されるように、モータ特性で見ると、本発明のハイブリッド自動車では、前輪用電動機８ｆのトルク３１が従来のハイブリッド自動車の電動機トルク３２を大きく上回り、さらに、後輪用電動機８ｒのトルク３３が加わるので、回生による制動力のみで減速停止を行うことができる。
【００２２】
▲２▼回生効率向上を図るために、電動機８ｆ，８ｒが前輪用と後輪用とに別々に設けられている。これによって、前輪用電動機８ｆによる回生制動力と後輪用電動機８ｒによる回生制動力とが独立して得られ、両者の和で制動を行うことができる。また、図３で見たように、両者のトルクは均等でなく、前輪用電動機８ｆのトルク３１が後輪用電動機８ｒのトルク３３より大きく設定されているが、この構成により後輪ロックを回避しやすくなっている。
【００２３】
▲３▼キャパシタ１０の充電状態によらず回生制動を行うために、キャパシタ１０が充電できない場合にはエンジンを負荷として使用することができる。
【００２４】
▲４▼停車時（特に坂路発進時）や停車に近い低速時には電動機８ｆ，８ｒが低回転であるため所望の回生制動力が得られないので、電動機８ｆ，８ｒを引き込み励磁することで、制動力を得るようになっている。図３に楕円で囲って示したように、電動機の回転速度がゼロに近い場合、従来技術では電動機のトルクがなくなってしまうが、本発明では引き込み励磁によってトルクを得ている。
【００２５】
▲５▼トラックなどでは、空車か積車かによって必要な制動力が異なるので、空車か積車かを検知して回生制動力を制御するようになっている。
【００２６】
本発明に係るハイブリッド自動車のブレーキ回収動作における主要な動作を説明する。
【００２７】
▲１▼基本動作
定速走行中は、切替装置９においてコンバータ／インバータ４・インバータ７ｆ，７ｒ間が導通され、キャパシタ１０は遮断されている。
【００２８】
ブレーキペダルが踏まれると、コントローラ６は、切替装置９に対しコンバータ／インバータ４・インバータ７ｆ，７ｒ間を遮断し、インバータ７ｆ，７ｒ・キャパシタ１０間を導通させるよう指令する。そして、コントローラ６は、インバータ７ｆ，７ｒに対し電動機８ｆ，８ｒを発電運転に切り替えるよう指令する。このとき、キャパシタ１０の電圧が電動機８ｆ，８ｒの発電電圧より高いと、充電を行うことができないので、電動機８ｆ，８ｒの発電電圧が高くなるように発電昇圧制御が行われる。このようにして電動機８ｆ，８ｒの発電電圧がキャパシタ１０の電圧より高い状態でキャパシタ１０への充電電流が制御される。このときのキャパシタ１０への充電電力は、回生制動のエネルギに等しいので、ブレーキペダルの踏み込み量に応じてキャパシタ１０への充電電流・電力を決定しておけば、運転者が所望した回生制動力を得ることができる。
【００２９】
▲２▼前輪・後輪の回生量制御及びロック解除動作
図３に示したように、前輪用電動機８ｆのトルク３１が後輪用電動機８ｒのトルク３３より大きく設定されており、後輪ロックを回避しやすくなっている。さらに、前輪・後輪への制動力の配分は、図４に示した理想制動力配分線に基づいてマップが設けられており、制動力の配分はマップを参照して実行される。図４に示されるように、横軸に前輪制動力、縦軸に後輪制動力をとり、最大の減速度を１．０ｇとして各減速度０．２ｇ〜１．０ｇにおける前輪・後輪の理想的な制動力を求めると、空車の場合でも積車の場合でも、配分は一定でない。この理想制動力配分線に近付くように所望の減速度に応じて制動力の配分を決定する。
【００３０】
車輪がロックした場合の解除動作のために、滑り発生判断を行う。各車輪にロック検出手段としての車速センサ１１ｆｌ，１１ｆｒ，１１ｒｌ，１１ｒｒが設けられているので、これらの車速センサから得られる値を用い、
前輪と後輪とで検出する車速にズレが発生した
車速が急に減速した
などの事象を滑り発生として判断する。滑りが発生した場合、車輪がロックしたと考えられるので、制動力を制御して解除動作を行う。特に後輪ロックをなくするために、後輪がロックしないよう制動力を制御する。
【００３１】
▲３▼空車と積車の判定
図４に示されるように、空車と積車とで理想制動力配分線が異なるので、それぞれのマップを選択するために、空車か積車かを判定する。空車か積車かの判定は、発進時に電動機８ｆ，８ｒに要した起動トルクにより行う。即ち、図５に示されるように、電動機８ｆ，８ｒに印加される電流は、起動の際にピークを有し、その後、いったん減少し、加速と共に増加するが、空車より積車の場合が全体的に高くなる。従って、例えば、ピーク電流に空車／積車を区別するしきい値を設定しておけば、発進時に空車か積車かを判定することができる。
【００３２】
また、坂路での発進時には、平坦路のときとは異なる起動トルクが発生するので、坂路での発進かどうかを判定し、坂路での発進であれば空車／積車を区別するしきい値を異ならせる。坂路発進の判定は、パーキングブレーキをオフしているときの引き込み励磁に要した電流により判定する。
【００３３】
従って、まず、パーキングブレーキをオフした状態の停車中に、引き込み励磁電流が大きければ坂路停車と判定し、引き込み励磁電流が小さければ平坦路停車と判定しておく。そして、発進時に、坂路発進か平坦路発進かにより異なるしきい値を用い、電動機ピーク電流により空車か積車かを判定する。これにより、その後の減速・停止時には、空車か積車かにより制動力配分のマップを選択することになる。
【００３４】
▲４▼引き込み励磁制御
従来のハイブリッド自動車では、減速・停止時に電動機は発電を行うのみであった。このため停止時または停止に近い低速において電動機による停止制御を行うことはできなかった。従って、機械的ブレーキを廃止することができなかった。本発明では、停止時または停止に近い低速において電動機を励磁して停止制御（引き込み励磁制御）を行うことにより停止トルクを得るので、機械的ブレーキは不要である。
【００３５】
引き込み励磁制御では、図６に示されるように、電動機の回転子の回転位置を検出する位置センサを設け、停止を指令する信号を受けたら、電動機が停止する位置を指令する。この位置指令に応じて電動機に印加する電流指示を行う。電流指示に応じてパルス幅変調した波形でインバータ７ｆ，７ｒを制御することにより、電動機が指令位置で停止する。電流指示は、図７により求める。即ち、指令位置とセンサ検出位置との偏差が一方向に所定値以上あるときは、位置偏差に比例して電流指示を例えば正に増大させ、位置偏差が反対方向に所定値以上あるときは、位置偏差に比例して電流指示を例えば負に増大させる。
【００３６】
このように、停止時または停止に近い低速において引き込み励磁制御を行うことにより、機械的ブレーキを廃止することができる。停車中に常時、引き込み励磁制御を行うと電力が無駄に消費されるので、停車中は、引き込み励磁とパーキングブレーキとの協調制御を行うことになる。例えば、引き込み励磁制御によって停止を行い、その後、パーキングブレーキがオンになれば、引き込み励磁制御をオフする。
【００３７】
ところで、機械的ブレーキを廃止すると、坂路での発進時にはアクセルペダルの操作とパーキングブレーキの操作とを行うことになるが、このような複合操作は簡単でない。そこで、本発明のハイブリッド自動車では、パーキングブレーキをオフしたときに車両が移動しないよう、引き込み励磁制御を行う。このようにして、パーキングブレーキをオフし、引き込み励磁制御を行った状態でアクセルペダルが踏み込まれると、発進トルク（電動機起動トルク）を発生させて発進を行う。具体的には、図８に示されるように、パーキングブレーキがオフされると、図６、７で説明した引き込み励磁制御により電動機８ｆ，８ｒには電流が印加される。この印加電流がほぼゼロであれば、車両は平坦路にあり、アクセルペダルを踏み込んだことで、ピーク電流が流れる。パーキングブレーキがオフされたときの印加電流が正の値であれば、車両は登坂路にあり、アクセルペダルを踏み込んだことで、より大きなピーク電流が流れる。パーキングブレーキがオフされたときの印加電流が負の値であれば、車両は降坂路にあり、アクセルペダルを踏み込んだときのピーク電流は小さくとも発進が達成される。このように、電動機８ｆ，８ｒを引き込み励磁制御から起動制御に移行させることで、坂路発進が容易になる。
【００３８】
▲５▼キャパシタが満充電の時の制御
回生制動にあっては電動機８ｆ，８ｒで発電を行い、その発電電力をキャパシタ１０に充電する。もし、キャパシタ１０が満充電の状態で充電不可能であれば、発電電力を何らかのかたちで消費しなければ、回生制動が成立しない。
【００３９】
本発明では、コントローラ６により常にキャパシタ１０の充電残容量を監視することは勿論であるが、それでもキャパシタ１０が満充電に近付いた場合のバックアップ動作として発電電力を消費する電力消費手段を備える。具体的には、電力消費手段は、発電機３を電動機運転してエンジンを駆動するものである。これにより、エンジン及びエンジンによる給排気が負荷となって発電電力を消費することができる。負荷量は、エンジン回転数と給排気バルブの開閉量とにより決まるので、所望の回生制動力を得るためには、エンジン回転数と給排気バルブの開閉量とを制御することになる。図９に示されるように、多くの気筒に給排気を行うこと、及びエンジンを高速で回転させることにより、相乗的に負荷量を増大させることができる。従って、大きな回生制動力を得るには、全気筒の給排気バルブを開き、エンジンを高速回転させ、小さな回生制動力を得るには、全気筒の給排気バルブを閉じ、エンジンを低速回転させればよい。なお、エンジン負荷による回生制動時に燃料噴射を停止することは言うまでもない。給排気バルブの開閉量制御は、順次１気筒づつ常時開または常時閉とし、常時開になった給排気バルブで開度を調節するとよい。
【００４０】
次に、本発明に係るハイブリッド自動車の発進動作における回路切替え動作を説明する。
【００４１】
既に説明したように、コントローラ６は、パーキングブレーキをオフしたとき引き込み励磁制御を行い、アクセルペダルが踏み込まれると、発進動作を開始する。コントローラ６は、キャパシタ１０からの放電により電動機８ｆ，８ｒを起動する。電動機８ｆ，８ｒへの投入電力はインバータ７ｆ，７ｒにより制御する。このとき、キャパシタ１０の電圧が所定値以下になった場合には、コントローラ６は、発電機３からの電力で電動機８ｆ，８ｒを駆動するよう、切替装置９に指令する。また、アクセルペダル操作により加速指示がなされているにもかかわらず、キャパシタ１０からの放電電流・電力が下降傾向にある場合には、コントローラ６は、発電機３からの電力で電動機８ｆ，８ｒを駆動するよう、切替装置９に指令する。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００４３】
（１）制動エネルギを全て電力で回収して制動を行うので、エネルギ回生効率が高い。
【００４４】
（２）液圧ブレーキが廃止されるので液圧ポンプの運転によるエネルギ消費がなくなり、この点でもエネルギ回生効率が高い。
【００４５】
（３）制動動作を全て電気系で制御することになるので、制御に対する高速応答が得られると共に、その制御はソフトウェアで実現できるので、複雑な制御が可能になる。例えば、ＡＢＳを導入する場合でも、ＡＢＳに必要なソフトウェアを導入するだけで、機械系や電気系の変更はしなくてよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すハイブリッド自動車の制御系構成図である。
【図２】車速対減速度で示した制動能力の図である。
【図３】回転速度対トルクで示したモータ特性の図である。
【図４】本発明の前後輪制動制御に用いる理想制動力配分線の図である。
【図５】本発明のハイブリッド自動車における空車・積車を考慮した発進時の電動機印加電流の時間波形図である。
【図６】本発明の引き込み励磁制御の制御ブロック図である。
【図７】本発明の引き込み励磁制御に用いる位置偏差対電流指示特性図である。
【図８】本発明のハイブリッド自動車における勾配を考慮した発進時の電動機印加電流の時間波形図である。
【図９】本発明のエンジン負荷による回生制動に用いる負荷特性図である。
【図１０】従来のハイブリッド自動車における機械的制動と回生制動とによる制動能力の図である。
【符号の説明】
１ エンジン
３ 発電機
４ コンバータ／インバータ
６ コントローラ
７ｆ，７ｒ インバータ
８ｆ，８ｒ 電動機
９ 切替装置
１０ キャパシタ
１１ｆｌ，１１ｆｒ，１１ｒｌ，１１ｒｒ 車速センサ

Claims (5)

1. エンジンで回転させる発電機の電力を電動機に与え、その電動機の駆動力で走行するハイブリッド自動車において、制動時に前記電動機を発電運転して得られた電力を蓄える蓄電手段と、前記蓄電手段からの放電電力で前記電動機を引き込み励磁する引き込み励磁手段とを設けたことを特徴とするハイブリッド自動車の制動制御装置。
2. 空車か積車かを判定する空積車判定手段と、この判定に応じて前記電動機発電運転による制動力を制御する制動力制御手段とを設けたことを特徴とする請求項１記載のハイブリッド自動車の制動制御装置。
3. 前記制動時に車輪のロックを検出するロック検出手段と、車輪ロック時に前記電動機にロック解除動作を行わせるロック解除手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のハイブリッド自動車の制動制御装置。
4. 前記発電機を電動機運転してエンジンを駆動することにより前記電動機の発電電力を消費する電力消費手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のハイブリッド自動車の制動制御装置。
5. 前記電動機を前輪用と後輪用とに別々に設けたことを特徴とする請求項１〜４いずれか記載のハイブリッド自動車の制動制御装置。

Images