JP4701081B2

JP4701081B2 - 自動車，自動車の発電機制御装置及び車両駆動装置

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Publication number: JP4701081B2
Application number: JP2005364196A
Authority: JP
Inventors: 進也井村; 則和松▲崎▼; 勝伊藤; 慎藤原; 立行山本
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2025-12-19
Also published as: EP1798129A3; US20070137910A1; CN1987074A; EP1798129A2; JP2007170181A; US8056660B2; CN100543285C

Description

本発明は、エンジンとエンジンによって駆動される発電機を備えた自動車，自動車の発電機制御装置及び車両駆動装置に関し、特に、発電機の負荷トルクが変動する時のエンジン及び発電機の制御方法に関する。

エンジンとエンジンによって駆動される発電機の制御方法としては、例えば、特許文献１に開示されている方式がある。この方式では、エンジンの出力トルクからエンジンが停止しない最小の許容トルクを差し引いた偏差トルクよりも、エンジンに対する発電機の負荷トルクの方が大きい時は、エンジンの出力トルクを増大させたり、発電機の負荷トルクを制限したりしている。

特開２００２−２３５５７６号公報

しかし、特許文献１に開示されている方式のように、発電機の現在の負荷トルクを基にエンジンの出力トルクを増大させる方法では、エンジンの出力トルクを増大させる操作を行ってから、実際にエンジンの出力トルクが増大するまでに時間がかかるので、一時的にエンジンの出力トルクが不足する場合があり、状況によってはエンジンストールする場合もある。また、発電機の負荷トルクを制限する方法は、本来必要な発電量が確保できなくなるので、なるべくなら行わない方が良い。

本発明の目的は、必要な発電量をできる限り確保しながら、エンジンの出力トルクが不足しないようにすることにある。

上記目的を達成するために、本発明の自動車は、複数の駆動機構を備えた内燃機関と、該内燃機関によって駆動される発電機と、前記複数の駆動機構の動作を制御する内燃機関制御装置と、前記発電機の発電を制御する発電機制御装置とを備え、前記発電機制御装置は、前記内燃機関に対する前記発電機の負荷トルクに関する信号を前記内燃機関制御装置に出力しており、前記内燃機関制御装置は、前記発電機制御装置から出力された信号を入力して、前記駆動機構を動作させるための信号を前記駆動機構に出力しており、前記発電機の出力変動に応じて前記負荷トルクが変動した場合、前記発電機の負荷トルクの予測値を基にスロットル開度を変更し、前記駆動機構の動作の変動を示す波形の時間軸に対する波高値のピーク値は、前記発電機から前記内燃機関に出力される前記負荷トルクの変動を示す波形の時間軸に対する波高値のピーク値よりも早く出現するものである。

また上記目的を達成するために、本発明の発電機制御装置は、内燃機関によって駆動される発電機の出力を制御する発電機制御装置であって、入力信号として、前記発電機の出力を制御するために必要な要求値と、前記発電機の出力を制御するために必要な前記発電機の複数の実効値とを入力し、前記発電機に対する出力信号として、前記発電機の負荷トルクの予測値を基に、前記発電機の出力を制御するために必要な指令値を出力し、内燃機関の駆動を制御する装置に対する出力信号として、内燃機関に対する前記発電機の負荷トルクに関する信号を、前記発電機の出力を制御するために必要な指令値の信号よりも早く出力するものである。

また上記目的を達成するために、本発明の車両駆動装置は、前後輪の一方を内燃機関で駆動し、前後輪の他方を電動力で駆動する四輪駆動車に設けられた車両駆動装置であって、前記電動力を発生する電動機と、内燃機関によって駆動されて前記電動機の駆動用電力を発生する発電機と、前記電動機及び前記発電機の駆動を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、車両からの駆動要求値と、前記発電機の出力を制御するために必要な前記発電機及び前記電動機の複数の実効値とを入力信号として入力し、前記発電機に対する出力信号として、前記発電機の出力を制御するために必要な界磁指令値を出力し、内燃機関の駆動を制御する装置に対する出力信号として、内燃機関に対する前記発電機の負荷トルクに関する信号を、前記発電機の負荷トルクの予測値を基に、前記界磁指令値の信号よりも早く出力するものである。

本発明によれば、エンジンに対する発電機の負荷トルクを予測して、その予測に基づいてエンジンを制御することで、必要な発電量をできる限り確保しながら、エンジンの出力トルクが不足しないようにすることができる。

図１に、本発明を適用する自動車の構成の一例を示す。なお、図１では手動変速機を備えたハイブリッド四輪駆動車の例を示しているが、本発明は、発電機を備えた自動車であれば、変速機の種類によらず、また、ハイブリッド自動車でなくても適用できる。

エンジン１が発生した動力は、変速機２および発電機３に伝えられる。変速機２に伝えられた動力は、左右に分配されて前輪４ａ，４ｂに伝えられる。発電機３は、エンジン１から伝えられた動力を用いて発電を行い、電力線５を介して、モータ６に電力を供給する。モータ６は、発電機３から供給された電力によって動力を発生する。モータ６で発生した動力は、リアディファレンシャル７に伝えられる。リアディファレンシャル７に伝えられた動力は、左右に分配されて後輪４ｃ，４ｄに伝えられる。

エンジン１と変速機２の間にはクラッチ８が設けられており、ドライバのクラッチペダル（図示しない）の操作に応じて、エンジン１と変速機２の動力の伝達を遮断したり、制限したりする。車両発進時は、ドライバがクラッチペダルを踏み込んだ位置から徐々に戻すことによって、エンジン１と変速機２の間の動力は遮断された状態から徐々に伝達される量が大きくなり、最終的にはクラッチ８は完全に締結される。

エンジン１には電子制御スロットル９が備えられており、ドライバのアクセルペダル
（図示しない）の操作とは独立してスロットル開度が変更できるようになっている。

制御装置１０は、制御演算を行い、発電機３やモータ６や電子制御スロットル９などを制御する。

エンジン１は、エンジン回転数やスロットル開度などに応じたトルクを出力する（以下、このトルクをエンジン出力トルクと呼ぶ）。よって、スロットル開度を変更することで、エンジン出力トルクを変更することができる。スロットル開度を変更してからエンジン出力トルクが変わるまでは、長い場合で数百ミリ秒かかる。このエンジン出力トルクから、クラッチ８を介した変速機２の入力軸のトルクや、エンジン１に対する発電機３の負荷トルクなどを引いたトルクによって、エンジン１の回転数が加速もしくは減速する。

発電機３は、発電機回転数や発電機界磁電流や電気負荷などに応じた電力を出力すると同時に、エンジン１に対する負荷トルクも発生する（以下、このトルクを発電機負荷トルクと呼ぶ）。発電機界磁電圧を変更することで、発電機界磁電流を変更し、出力する電力を変更することができ、これに伴い発電機負荷トルクも変動する。発電機界磁電圧を変更してから出力する電力や発電機負荷トルクが変わるまでは、長い場合で数百ミリ秒かかる。

モータ６は、モータ回転数やモータ界磁電流や発電機３から供給された電力などに応じたトルクを発生する。また、回転することによってモータ誘起電圧が発生し、発電機３の電気負荷となる。なお、電力線５の電気抵抗も、発電機３の電気負荷となる。

図２に、図１の構成の自動車に適用する本発明の制御の一例を示す。

ステップ１１では、発電機３が出力する電圧の目標値Ｖｇ^*もしくは電流の目標値Ｉｇ^*を決定する。この方法の一例を図３に示す。まず、アクセル開度ＴＶＯや前後輪の速度差などから、モータトルク目標値Ｔｍ^* を決定する。モータトルクＴｍは発電機出力電流
Ｉｇとモータ界磁電流Ｉｍｆによって決まるので、発電機出力電流目標値Ｉｇ^*は、モータトルク目標値Ｔｍ^*と、モータ界磁電圧Ｖｍｆもしくはモータ界磁電流目標値Ｉｍｆ^*から算出できる。モータ界磁電圧Ｖｍｆもしくはモータ界磁電流目標値Ｉｍｆ^* は、モータ回転数Ｎｍなどから決定する。発電機出力電圧目標値Ｖｇ^*は、発電機出力電流目標値
Ｉｇ^* と、モータ誘起電圧予測値Ｖｍ′から算出できる。モータ誘起電圧予測値Ｖｍ′は、モータ回転数Ｎｍと、モータ界磁電圧Ｖｍｆもしくはモータ界磁電流目標値Ｉｍｆ^* から算出できる。

また、発電機出力電圧目標値Ｖｇ^*や発電機出力電流目標値Ｉｇ^*は、アクセル開度，前後輪速度差，モータ回転数Ｎｍなどを用いて、あらかじめ設定したテーブルを参照して決定しても良い。

また、これらの計算には、モータ回転数Ｎｍの替わりに、モータ回転数Ｎｍの位相を位相進みフィルタなどで進ませた信号Ｎｍ′を使っても良い。

ステップ１２では、発電機３の出力が、ステップ１１で決定した目標値と一致するように発電機界磁電圧Ｖｇｆを変更する。発電機界磁電圧Ｖｇｆの変更は、発電機出力電流
Ｉｇをセンシングして発電機出力電流目標値Ｉｇ^* と一致するようにフィードバック制御することによって行っても良いし、発電機出力電圧Ｖｇをセンシングして発電機出力電圧目標値Ｖｇ^* と一致するようにフィードバック制御することによって行っても良い。また、発電機出力電圧Ｖｇは発電機回転数Ｎｇと発電機界磁電流Ｉｇｆによって決まるので、発電機界磁電流目標値Ｉｇｆ^* を、発電機出力電圧目標値Ｖｇ^* と発電機回転数Ｎｇから算出して、発電機界磁電流Ｉｇｆが目標値Ｉｇｆ^* と一致するように、発電機界磁電圧
Ｖｇｆを変更しても良い。また、以上に挙げた方法は併用しても良い。

ステップ１３では、発電機負荷トルクの予測値Ｔｇ′を算出する。発電機界磁電圧Ｖgfを変更してから発電機負荷トルクＴｇが変わるまでは、長い場合で数百ミリ秒かかるので、この時間分だけ後の発電機負荷トルクＴｇ′を、現在の発電機界磁電圧Ｖｇｆなどから予測する。この方法の一例を図４に示す。

まず、発電機界磁電圧Ｖｇｆから発電機界磁電流予測値Ｉｇｆ′を算出する。発電機界磁電流予測値Ｉｇｆ′は、Ｉｇｆ′＝Ｖｇｆ／Ｒｇｆ（Ｒｇｆは発電機界磁回路の電気抵抗）で求めても良いし、あらかじめ実験などから求めた発電機界磁電圧Ｖｇｆと発電機界磁電流定常値のテーブルを設定しておき、そのテーブルを参照して求めた発電機界磁電流定常値を発電機界磁電流予測値Ｉｇｆ′としても良い。また、発電機界磁電流予測値
Ｉｇｆ′の替わりに発電機界磁電流目標値Ｉｇｆ^*を使っても良い。

次に、発電機界磁電流予測値Ｉｇｆ′と発電機回転数Ｎｇから発電機出力電圧予測値
Ｖｇ′を算出する。発電機出力電圧予測値Ｖｇ′は、あらかじめ実験などから求めた発電機界磁電流Ｉｇｆと発電機回転数Ｎｇと発電機出力電圧Ｖｇの関係のテーブルを設定しておき、そのテーブルを参照して求める。また、発電機出力電圧予測値Ｖｇ′の替わりに発電機出力電圧目標値Ｖｇ^*を使っても良い。

次に、発電機出力電圧予測値Ｖｇ′とモータ誘起電圧予測値Ｖｍ′から発電機出力電流予測値Ｉｇ′を算出する。発電機出力電流予測値Ｉｇ′は、Ｉｇ′＝（Ｖｇ′−Ｖｍ′）／Ｒｍ（Ｒｍは電力線とモータの電気抵抗）で求めても良いし、あらかじめ実験などから求めた発電機出力電圧Ｖｇとモータ誘起電圧Ｖｍと発電機出力電流定常値の関係のテーブルを設定しておき、そのテーブルを参照して求めた発電機出力電流定常値を発電機出力電流予測値Ｉｇ′としても良い。また、発電機出力電流予測値Ｉｇ′の替わりに発電機出力電流目標値Ｉｇ^*を使っても良い。

そして、発電機出力電流予測値Ｉｇ′と発電機界磁電流予測値Ｉｇｆ′から発電機負荷トルク予測値Ｔｇ′を算出する。もしくは、図５に示すように、発電機出力電圧予測値
Ｖｇ′と発電機出力電流予測値Ｉｇ′と発電機回転数Ｎｇから、発電機負荷トルク予測値Ｔｇ′を算出しても良い。いずれの場合も、あらかじめ設定したテーブルを参照して求める。また、発電機出力電流予測値Ｉｇ′の替わりに発電機出力電流目標値Ｉｇ^*を使っても良い。

また、発電機負荷トルクの予測値Ｔｇ′は、発電機界磁電圧Ｖｇｆ，発電機回転数Ｎｇ，モータ誘起電圧予測値Ｖｍ′などを用いて、あらかじめ設定したテーブルを参照して決定しても良い。

また、これらの計算には、発電機回転数Ｎｇの替わりに、発電機回転数Ｎｇの位相を位相進みフィルタなどで進ませた信号Ｎｇ′を使っても良い。

また、発電機負荷トルク予測値Ｔｇ′は、現在の発電機負荷トルクＴｇの位相を位相進みフィルタなどで進めることで算出しても良い。

また、発電機負荷トルクの現在値Ｔｇを測定もしくは推定して、前に予測した値との誤差を求め、その誤差を一定時間平均化した値を発電機負荷トルク予測補正値として、上記で計算した発電機負荷トルク予測値Ｔｇ′に加算しても良い。

ステップ１４では、エンジン出力トルク目標値Ｔｅ^* を算出する。この方法の一例を図６に示す。まず、アクセル開度ＴＶＯとエンジン回転数Ｎｅから、ドライバが意図していると思われるエンジントルク要求値Ｔｄを算出する。このエンジントルク要求値Ｔｄに、ステップ１３で算出した発電機負荷トルク予測値Ｔｇ′を加えて、エンジン出力トルク目標値Ｔｅ^* とする。

また、図１のようなハイブリッド自動車の場合は、モータ６が出力する車両推進力の分だけ、変速機２が出力する車両推進力が小さくなるように、エンジントルク要求値Ｔｄを小さくしても良い。ただし、エンジントルク要求値Ｔｄの下限は、エンジンが停止しないだけのトルクとする。

また、算出したエンジン出力トルク目標値Ｔｅ^* が、その時のエンジン回転数Ｎｅにおける最大のエンジン出力トルクを超えている場合は、モータトルク目標値Ｔｍ^* 、もしくは発電機出力電流目標値Ｉｇ^*、もしくは発電機出力電圧目標値Ｖｇ^*、もしくは発電機界磁電流目標値Ｉｇｆ^* 、もしくは発電機界磁電圧Ｖｇｆを小さくしても良いし、エンジントルク要求値Ｔｄを小さくしても良い。ただし、エンジントルク要求値Ｔｄの下限は、エンジンが停止しないだけのトルクとする。

また、エンジン出力トルクＴｅの応答時間ｔｅと発電機負荷トルクＴｇの予測可能時間（発電機負荷トルクの応答時間）ｔｇを、その時のエンジン回転数Ｎｅなどを用いてあらかじめ設定したテーブルを参照することで推定し、発電機負荷トルク予測可能時間ｔｇがエンジン出力トルク応答時間ｔｅよりも長い場合は、発電機負荷トルク予測値Ｔｇ′を、（ｔｇ−ｔｅ）だけ遅らせても良い。発電機負荷トルク予測可能時間ｔｇがエンジン出力トルク応答時間ｔｅよりも短い場合は、同じくらいになるように、発電機負荷トルク予測値Ｔｇ′の位相を（ｔｅ−ｔｇ）だけ位相進みフィルタなどで進ませても良いし、モータトルク目標値Ｔｍ^*、もしくは発電機出力電流目標値Ｉｇ^*、もしくは発電機出力電圧目標値Ｖｇ^*、もしくは発電機界磁電流目標値Ｉｇｆ^*、もしくは発電機界磁電圧Ｖｇｆを小さくしても良い。

ステップ１５では、ステップ１４で決定したエンジン出力トルク目標値Ｔｅ^* に従ってエンジンを制御する。エンジン出力トルクの変更は、スロットル開度を変更することによって行っても良いし、燃料噴射量を変更することによって行っても良いし、点火タイミングを変更することによって行っても良い。一般的に、燃料噴射量や点火タイミングを変更する場合は、スロットル開度を変更する場合に比べて、エンジン出力トルクが変わるのに要する時間が短くて済む。しかし、燃料噴射量や点火タイミングは、エンジン出力トルクがほぼ最大になるように設定されている場合が多く、このままでは、燃料噴射量や点火タイミングを変更してもエンジン出力トルクを大きくする余地はあまりない。よって、燃料噴射量や点火タイミングを変更してエンジン出力トルクを大きくする制御を行う場合は、あらかじめ、燃料噴射量や点火タイミングを、エンジン出力トルクがあまり大きくならないように設定しておく必要がある。もしくは、車両発進時など、これからエンジン出力トルクを大きくする必要が生じると予測される時に、スロットル開度を大きくすると同時に、燃料噴射量や点火タイミングをトータルのエンジン出力トルクが同じになるようにずらしても良い。

図７と図８は、図１の構成の自動車で、車両発進後にモータトルク目標値Ｔｍ^*が変動した時の、発電機負荷トルクＴｇ，スロットル開度ＴＶＯ，エンジン出力トルクＴｅの一例である。図７は、本発明を適用せず、発電機負荷トルクの現在値Ｔｇを基にスロットル開度ＴＶＯを変更した場合の例で、図８は、本発明を適用して、発電機負荷トルクの予測値Ｔｇ^* を基にスロットル開度ＴＶＯを変更した場合の例である。

図７では、スロットル開度ＴＶＯのピークは、電子制御スロットルの応答時間分だけ、発電機負荷トルクＴｇのピークよりも遅れている。エンジン出力トルクＴｅのピークは、スロットル開度ＴＶＯのピークよりもさらに遅れるため、発電機負荷トルクＴｇのピークよりも大きく遅れている。よって、発電機負荷トルクＴｇを差し引いたエンジントルクが一時的に小さくなり、ドライバが意図したトルクが得られないばかりか、クラッチを締結した時などエンジン負荷が大きい時は、エンジンストールする危険性もある。

図８では、スロットル開度ＴＶＯのピークは、発電機負荷トルクＴｇのピークよりも進んでいる。そして、エンジン出力トルクＴｅのピークは、発電機負荷トルクＴｇのピークとほぼ一致している。よって、発電機負荷トルクＴｇを差し引いたエンジントルクはほぼ一定となる。

以上のように、本実施例によれば、発電機負荷トルクが変動しても、ドライバが意図したエンジントルクを確保することができ、特に、クラッチを締結した時などエンジン負荷が大きい時にエンジンストールする危険性を小さくすることができる。

本発明を適用する自動車の構成の一例である。図１の構成の自動車に適用する本発明の制御の一例である。図２のステップ１１の具体的方法の一例である。図２のステップ１３の具体的方法の一例である。図２のステップ１３の具体的方法の別の例である。図２のステップ１４の具体的方法の一例である。本発明を適用せず、発電機負荷トルクの現在値を基にスロットル開度を変更した場合の例を説明する図である。本発明を適用して、発電機負荷トルクの予測値を基にスロットル開度を変更した場合の例を説明する図である。

符号の説明

１…エンジン、２…変速機、３…発電機、４…車輪、５…電力線、６…モータ、７…リアディファレンシャル、８…クラッチ、９…電子制御スロットル、１０…制御装置。

Claims

複数の駆動機構を備えた内燃機関と、該内燃機関によって駆動される発電機と、前記複数の駆動機構の動作を制御する内燃機関制御装置と、前記発電機の発電を制御する発電機制御装置とを備え、
前記発電機制御装置は、前記内燃機関に対する前記発電機の負荷トルクに関する信号を前記内燃機関制御装置に出力しており、
前記内燃機関制御装置は、前記発電機制御装置から出力された信号を入力して、前記駆動機構を動作させるための信号を前記駆動機構に出力しており、
前記発電機の出力変動に応じて前記負荷トルクが変動した場合、
前記発電機の負荷トルクの予測値を基にスロットル開度を変更し、
前記駆動機構の動作の変動を示す波形の時間軸に対する波高値のピーク値は、前記発電機から前記内燃機関に出力される前記負荷トルクの変動を示す波形の時間軸に対する波高値のピーク値よりも早く出現することを特徴とする自動車。
内燃機関によって駆動される発電機の出力を制御する発電機制御装置であって、
入力信号として、前記発電機の出力を制御するために必要な要求値と、前記発電機の出力を制御するために必要な前記発電機の複数の実効値とを入力し、
前記発電機に対する出力信号として、前記発電機の負荷トルクの予測値を基に、前記発電機の出力を制御するために必要な指令値を出力し、
内燃機関の駆動を制御する装置に対する出力信号として、内燃機関に対する前記発電機の負荷トルクに関する信号を、前記発電機の出力を制御するために必要な指令値の信号よりも早く出力することを特徴とする自動車の発電機制御装置。
前後輪の一方を内燃機関で駆動し、前後輪の他方を電動力で駆動する四輪駆動車に設けられた車両駆動装置であって、
前記電動力を発生する電動機と、
内燃機関によって駆動されて前記電動機の駆動用電力を発生する発電機と、
前記電動機及び前記発電機の駆動を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、車両からの駆動要求値と、前記発電機の出力を制御するために必要な前記発電機及び前記電動機の複数の実効値とを入力信号として入力し、
前記発電機に対する出力信号として、前記発電機の出力を制御するために必要な界磁指令値を出力し、
内燃機関の駆動を制御する装置に対する出力信号として、内燃機関に対する前記発電機の負荷トルクに関する信号を、前記発電機の負荷トルクの予測値を基に、前記界磁指令値の信号よりも早く出力することを特徴とする車両駆動装置。