JP4996688B2 - ハイブリッド駆動部を制御する方法 - Google Patents

Description

従来の技術
本発明は請求項１の上位概念に記載した車両のハイブリッド駆動部を制御する方法に関する。上記の形式のハイブリッド駆動部には、少なくとも１つの内燃機関と、少なくとも１つの電気機械と、上記の内燃機関と電気機械との間ならびに電気機械とこれに続く車両のパワートレインとの間の少なくとも１つずつのクラッチとが含まれている。消費最適化、放出低減および主観的な走行感覚の改善の点から、自動車分野における既存の駆動コンセプトを発展させるという枠内で、ハイブリッド駆動部はますます重要になってきている。ハイブリッド駆動部は、内燃機関の他にさらに、化石燃料によって作動されない少なくとも１つの別の駆動源を有している。適当な作動ストラテジにより、異なる駆動源の利点を最適に利用し、また欠点を補うことができる。ここで内燃機関と、択一的な駆動源としての電気機械との組み合わせは、自動車分野における優勢な変化形態である。一連の種々異なるハイブリッド車両が、量産設計でまたは量産に近い設計ですでに実施されている。全てに共通しているのは、ハイブリッド車両が、慣用の内燃機関によって駆動される車両に比べて燃料消費が少ないことである。消費の節約は、制動時にエネルギを回生できるというハイブリッドに特有の可能性ならびにスタートストップ機能の実現によるものである。ハイブリッド駆動部ではパラレル式ハイブリッドと、シリーズ式ハイブリッドと、スプリット式ハイブリッドとが区別される。全てに共通しているのは、２つのエネルギ蓄積器と、バッテリと、燃料タンクとを使用することである。バッテリに対する択一的手段として、エネルギ蓄積器としてのコンデンサも考えられる。ハイブリッド駆動部における別の相違点は、電気機械の性能である。ここではマイルドハイブリッド変化形態とフルハイブリッド変化形態とが区別され、いわゆるフルハイブリッドとは、少なくとも部分的に純粋な電気駆動装置によって走行可能な車両と理解される。いわゆるパワー分岐型のハイブリッド駆動部は、本発明では考慮されていない。なぜならこのパワー分岐型ではスタートプロセスの経過が異なるので、本発明の基礎となる問題が生じないからである。さらにいわゆるスタータジェネレータが公知である。しかしながらスタータジェネレータにおいては、電気機械は、車両のクランクシャフトと固定に結合されているので駆動における同期化の問題は生じないのである。

発明の開示内容
技術的な課題
本発明の課題は、パラレル式ハイブリッドとして構成されたハイブリッド駆動部を有する車両においてクラッチ過程を改善することである。

技術的な解決手段
この課題は、請求項１に特徴部分に記載された特徴的構成によって解決される。

有利な効果
本発明によれば、パラレル式ハイブリッドとして構成されたハイブリッド駆動部を有する車両においてクラッチ過程を改善することができる。ここでは内燃機関と電気機械との間に、プロポーショナルクラッチとして構成された付加的なクラッチが設けられている。このような構成により、この付加的なクラッチが開いた状態で電気機械を用いて車両を駆動することができる。この際の課題は、出力要求が比較的大きい場合またはバッテリの充電状態が低下しつつある場合に、パワートレインに障害を生じることなく内燃機関を始動しなければならないことである。この内燃機関の始動は、上記の付加的なクラッチを閉じることによって行われる。しかしながらこの際には一方ではこのクラッチを制御して十分なトルクを発生させて、内燃機関を始動の成功に必要な回転数にしてやらなければならない。また他方では内燃機関を加速させるために使用されるトルクは、できるだけ小さくすべきである。なぜならこのトルクは電気機械から付加的に調達され、予備として保持しておく必要があるからである。本発明により、上記のクラッチタイプが製品のばらつき、温度および経年変化の影響によって大きな許容差を有する場合であっても上記のようなクラッチ過程を最適化することができる。さらに温度および経年変化に依存する内燃機関のトルク変化も考慮することができる。

別の利点は、以下の説明、図面および従属請求項から得られる。

ハイブリッド駆動部を有する車両の概略図である。 回転数およびスリップトルクを時間の関数として示す線図である。 回転数およびスリップトルクを時間の関数として示す別の線図である。 回転数およびスリップトルクを時間の関数として示すさらに別の線図である。 回転数およびスリップトルクを時間の関数として示すさらに別の線図である。 回転数およびスリップトルクを時間の関数として示すさらに別の線図である。 回転数およびスリップトルクを時間の関数として示すさらに別の線図である。 特性マップである。

以下では図面を参照して本発明の実施形態を詳しく説明する。

本発明の実施形態
以下では図面を参照して本発明の実施形態を詳しく説明する。図１にはハイブリッド駆動部１を備える車両１００が概略図で示されている。ハイブリッド駆動部１は、従来形の内燃機関２と、電気機械４とを有する。電気機械４と、参照符号６で示しかつ略示したパワートレインとの間には第１クラッチ５が配置されている。内燃機関２と電気機械４との間には第２クラッチ３が配置されている。ここでこのクラッチは有利にはプロポーショナルクラッチである。車両１００の走行装置は、車輪７と、ディファレンシャルを備えるシャフトとによって示されている。参照符号８によってバッテリが示されており、このバッテリによって電気機械４にエネルギが供給される。車載電源系統の他のコンポーネントは図１には示されていない。図１に示したハイブリッド駆動部により、電気機械４を用いて車両１００を純粋に電気駆動することができる。ここでは内燃機関２と電気機械４との間に配置された第２クラッチ３は開いている。しかしながらバッテリ８の充電状態が大きく低下しているかまたは比較的大きな出力が必要である場合には、内燃機関２を始動する必要がある。この内燃機関の始動は、第２クラッチ３を閉じることによって可能となる。しかしながらこの始動が車両１００のパワートレイン６にできるだけ障害を発生させないようにしたい。このためにクラッチ３を所定のスリップトルクに制御する。このスリップトルクによって内燃機関２は、これが電気機械４と同じ回転数に達するまで加速される。つぎにクラッチ３が完全に閉じられて、内燃機関２は、車両１のパワートレイン６にトルクを伝達することができる。以下ではスリップトルクとも称されるこのスリップフェーズ中のこの付加的なトルクは、電気機械４によって供給しなければならない。この際には一方ではクラッチ３を制御して、このクラッチによって内燃機関２に伝達されるトルクを十分に大きくして、内燃機関２を始動の成功に必要な回転数にしてやらなければならない。他方では、内燃機関２を加速させるために必要なトルクはできるだけ小さくすべきである。なぜならこのトルクは電気機械４から付加的に調達されるため、予備として保持しておく必要があるからである。

上記のスリップトルクを正しく調整するために問題となるのは、使用するクラッチ方式が比較的大きな許容差を有することである。これには製品のばらつきも、温度および経年変化の影響も共にかかわっている。例えば摩擦係数は、クラッチ３の年数が経つにつて変化し得る。ふつうスリップトルクの設定は押圧力だけを介して行われる。それはスリップトルクの精確な測定およびこの測定に依存したその制御は実際上あまりに繁雑になるからである。付加的には内燃機関２の始動の成功に必要なトルクはさらに温度および寿命に依存して変化し得る。

以下では図２に示した線図を参照して、小さすぎるスリップトルクの不利な作用を説明する。図２の上側部分に示した線図には、クラッチトルクＭＫが時間ｔの関数として示されている。ここで曲線Ｋ３は、図１のクラッチ３のクラッチトルクを表している。図２の下側部分に示した線図には、回転数ＮＥ，ＮＶが時間ｔの関数として示されている。ここではＮＥで電気機械４の回転数を表し、またＮＶで内燃機関２の回転数を表す。曲線Ｋ２は内燃機関２の回転数を、また曲線Ｋ４は電気機械４の回転数を時間ｔの関数として示している。ここで前提としたのは、車両１００が時点ｔ１まで電気機械４だけで駆動されることである。この時点において確認されるのは、もはや電気機械４だけからでは調達することのできない比較的大きな出力が要求されたことである。この比較的大きな出力を内燃機関２から調達するため、この内燃機関を始動しなければならない。この始動はクラッチ３の制御によって開始される。クラッチ３を部分的に閉じることにより、スリップトルクＭＫ１が調整され、このスリップトルクは時点ｔ２に加えられる。スリップが発生しまた電気機械４は回転数Ｎ１で回転する（曲線Ｋ４を参照されたい）が、曲線Ｋ２によって示されるのは、内燃機関２が静止状態から動かずにいることである。すなわち調整したスリップトルクＭＫ１は、内燃機関２の振り離しトルク（Losreissmoment）に打ち勝つのに十分でないのである。ここで振り離しトルクとは、内燃機関２を圧縮させることができるのに必要なトルクのことである。この状況は、ハイブリッド駆動部１の制御システムにより、あらかじめ定めた時間区間Δｔの経過後、時点ｔ３において確認される。

これは、例えば、時点ｔ２にスリップトルクＭＫ１に到達した際に時定数Δｔでタイマをスタートさせることによって行われる。したがって時点ｔ３にスリップトルクをさらに値ＭＫ３まで上げ、この結果、曲線Ｋ２に示されているように内燃機関２は回転しはじめ、時点ｔ５に電気機械４の回転数Ｎ１に達する。ここで内燃機関２の始動が成功したとすることができる。ここでの欠点は、始動時間が長引いたこと、長引いたスリップフェーズに対してエネルギ消費が増大したことおよびクラッチの摩耗の増大である。

クラッチトルクＭＫを最小値までに上げ、内燃機関２が回転し始めるまでこのクラッチトルクをランプによってさらに増大させ、つぎに再度一定にすることを試みることができる。以下では図３に示した線図に基づいてこれを説明する。図３の上側部分に示した線図にはここでもクラッチトルクＭＫが時間ｔの関数として示されている。図３の下側部分に示した線図には、回転数Ｎが時間ｔの関数として示されている。曲線Ｋ２は内燃機関２の回転数を、また曲線Ｋ４は電気機械４の回転数を示している。ここで前提としたのは、車両１００が時点ｔ１まで電気機械４だけで駆動されることである。この時点において確認されるのは、もはや電気機械４だけからでは調達することのできない比較的大きな出力が要求されることである。この比較的大きな出力を内燃機関２から調達するため、この内燃機関を始動しなければならない。この始動はクラッチ３の制御によって開始される。クラッチ３を部分的に閉じることにより、スリップトルクＭＫ１が調整され、このスリップトルクは時点ｔ２に加えられる。内燃機関２はまだ動かないため、時点ｔ２にスリップトルクをさらに上げる。これは例えばランプ３０に沿って行うことができ、このランプはスリップトルクを直線的に増大させることができる。時点ｔ２’にスリップトルクは値ＭＫ２に達し、内燃機関２は回転し始める。スリップトルクＭＫ２は続いて一定に維持される。しかしながらすでに時点ｔ２″に内燃機関２の回転数は再度下がってしまい、この内燃機関は時点ｔ２^＊に再度停止してしまう。つまりこの始動の試みは失敗である。このことは、クランクシャフトの停止位置に依存して、内燃機関２は、最初は回転を開始することができたものの、圧縮が増大に伴ってこの回転が再度停止してしまったのが原因と考えることができる。図２と同様にタイマによって決定される時間区間Δｔが経過した後、スリップトルクが値ＭＫ３に上がってはじめて、内燃機関２を回転させることができる。時点ｔ５に内燃機関２はここでも電気機械４の回転数Ｎ１に達する。この時点になってはじめて内燃機関２の始動が成功したとすることができる。

ここでも始動時間が長引くことを甘受しなければならない。さらにここでは内燃機関２の回転開始が一層頻繁に行われ得る。しかしながらこの内燃機関は、その圧縮位置に達する前に再停止してしまうのである。

以下では、本発明にしたがいどのようにしてクラッチトルクを適合化させて、可能な限りに早く内燃機関を確実に始動できるかを説明する。ここではまずパワートレイン６が連結されていないケース、すなわちクラッチ５が離れているケースを考察する。自動変速装置ではこれはＰまたはＮポジションに相応する。電気機械４にはその他の負荷は作用していないため、ただ１つの可能性は、クラッチ３のクラッチトルクと、電気機械４のトルクとを調整することである。このため、電気機械４の停止時にまずクラッチ３を閉じる。引き続いて電気機械４と内燃機関２とを一緒に所定の回転数にする。上記の調整のため、始動過程を開始する前、始動に対して設けられる通常のスリップトルク以下の値になるようにクラッチ３の状態を変化させる。例えば90％にする。つぎに電気機械４を所定の回数数にする。ここで内燃機関２が始動した場合には将来の目標値を低減する。内燃機関２が始動しない場合、内燃機関２が始動するまで例えばランプに沿ってクラッチトルクを増大させる。これに必要なクラッチトルクを記憶し、また場合によって確実にするための上乗せ分だけ増大させてスリップトルクの新たな目標値として記憶する。同時に内燃機関２の始動に必要な電気機械４のトルクを記憶する。つぎにクラッチ３のクラッチトルクと、電気機械４のトルクとの比から補正ファクタを求め、この補正ファクタを回転数制御器の制御に使用する。始動時間をできる限り短くするために有利であるのは、上記のテストによって、クラッチ３のトルクの予想値よりもわずかに下で始めることである。これにより、都度わずかな補正だけしか行うことができないが、内燃機関２の始動を成功させるためにランプを長いこと動作させる必要はないのである。

車両１００の動作中に内燃機関２を再始動しなければならない場合、つぎの仕方が有利である。クラッチ３が上記のスリップトルクの目標値に到達するとただちにタイマをスタートさせる。このタイマによって設定される時間が経過した後、内燃機関２の回転がなお識別できない場合、つぎの始動の試みに対してスリップトルクをあらかじめ設定可能な値だけまたはあらかじめ設定な百分率だけインクリメントする。択一的には始動に成功したスリップトルクの実際値をつぎの目標値としてあらかじめ設定することができる。

またこの識別が行われた際には直ちにスリップトルクの目下の目標値をさらに増大させる。これはランプによってまたは目標値の付加的な跳躍によって選択的に行うことができる。以下ではこれを図４および図５を参照して説明する。図４においても２つの線図でクラッチトルクＭＫおよび回転数Ｎがそれぞれ時間ｔの関数として示されている。時点ｔ１まで車両１００は、電気機械４だけで駆動される。したがってクラッチ３（図１）は開いており、内燃機関２はハイブリッド駆動部１の残りのコンポーネントから切り離されている。時点ｔ１ではハイブリッド駆動部１から比較的大きな出力が要求され、この出力によって内燃機関２の始動が必要になる。このために時点ｔ１において目標値ＭＫＳ１に達するまでクラッチ３のスリップトルクを増大させる。時点ｔ１＋に目標値ＭＫＳ１に達した後、時間Δｔ２でタイマをスタートさせる。この時間が経過した後、すなわち時点ｔ２にいまなお内燃機関２の回転が確認されない場合、目標値ＭＫＳ１をインクリメントさせてより大きな目標値ＭＫＳ２を得る。この目標値ＭＫＳ２によって始動が成功する。というのは、内燃機関２は時点ｔ３に回転に成功し、時点ｔ４に電気機械４の回転数Ｎ１に到達するからである。図５を参照して、タイマによってあらかじめ設定した時間区間が経過する前にすでに内燃機関２が動きはじめて、始動の成功が予想されるケースを説明する。ここでも前提としたのは、車両１００が時点ｔ１までハイブリッド駆動部１の電気機械４だけで駆動されることである。時点ｔ１に比較的大きな出力が要求され、この出力によって内燃機関２の始動が必要になる。この結果、時点ｔ１からはじめて、クラッチ３のスリップトルクを増大させて、スリップトルクのあらかじめ設定した目標値ＭＫＳ１に到達させる。同時に時間区間Δｔ３を設定するタイマをスタートさせる。しかしながらここではすでに時点ｔ２において、すなわち時間区間Δｔ３が経過する前かつ目標値ＭＫＳ１に達する前に内燃機関２の動き始めが確認される。これに続いて時間区間Δｔ３が経過した後、すなわち時点ｔ３にスリップトルクの目標値は、比較的低い値ＭＫＳ３に設定される。内燃機関２はさらに加速されて時点ｔ４に電気機械２の回転数Ｎ１に達する。

以下では図６を参照して１変形実施例を説明する。ここではクラッチ３のスリップフェーズ中にまず連結された内燃機関２の回転が識別されるが、つぎのその回転数が再び低下する。図６でも２つの線図でクラッチトルクＭＫおよび回転数ＮＥ，ＮＶが時間ｔの関数として示されている。ここでも前提としたのは、車両１００が時点ｔ１までハイブリッド駆動部１の電気機械４だけで駆動されることである。時点ｔ１にハイブリッド駆動部１から比較的大きな出力が要求され、この出力により内燃機関２の始動が必要になる。したがってクラッチ３のスリップトルクはまず、あらかじめ設定可能な目標値ＭＫＳ１に増大され、この目標値には時点ｔ２に到達する。目標値ＭＫＳ１によってもなお内燃機関２が動き始めないため、時点ｔ２に目標値を一層大きな目標値ＭＫＳ２にインクリメントする。これにより、時点ｔ３に内燃機関２は動き始める。しかしながら内燃機関２の回転数は時点ｔ４に比較的小さい最大値Ｎ２に達し、つぎにはすぐに再び低下する。これは始動過程が成功しなかったことを示している。しかしながらこの特徴的な経過は、できる限り早い始動を成功させるために利用することができる。すなわちクラッチ３のスリップフェーズにおいてまず内燃機関２の回転の開始が識別されるが、この回転が比較的低いレベルにしか到達せず、すなわち電気機械２の回転数Ｎ１のはるか下に止まり、引き続いて再び低下する場合、このことは内燃機関２が始動できなかったことの確実な兆候である。この場合には直ちに一層大きなスリップトルクＭＫＳ４を調整して、できる限り早く確かに内燃機関２の始動できるようにする。

殊に有利であるのは、例えば温度、回転数、経年変化などの車両１００の動作パラメタに依存するスリップトルクの目標値を１つの特性マップまたは複数の特性マップに記憶することである。このようにすれば、これによって種々異なる動作点に対して相異なる学習点が得られる。このような特性マップの実施例が図８に示されている。この特性マップは、回転数Ｎおよび温度Ｔに依存してスリップトルクＭＫ１１，ＭＫ１２，…，ＭＫ４４の領域を示している。

例えば、回転数Ｎ３および温度Ｔ１ではスリップトルクＭＫ１３を選択する。例えば、回転数Ｎ３および温度Ｔ３ではスリップトルクＭＫ３３を選択する。

さらに推奨されるのは、学習時に長期の適合値をフィルタリングして、個々の極値が頻繁に誤った挙動に結び付くことを阻止することである。

さらに、上記の学習機能を特殊な状況において起動しない手段も有利である。このような状況が発生するのは例えば、内燃機関２がすでに運転している場合か、始動過程を開始しようとしている場合か、または内燃機関２がまだ止まっている場合である。

以下では図７を参照して最適な始動時に理想的なクラッチ過程をさらに説明する。図７においても２つの線図でクラッチトルクＭＫが時間ｔの関数として示されており（上側の線図）、また回転数ＮＥ，ＮＶが時間ｔの関数として示されている（下側の線図）。時点ｔ１まで車両１００は、ここでも電気機械４だけで駆動されるとする。つぎに比較的大きな出力が要求され、この出力は内燃機関２だけでしか調達できない出力である。この内燃機関を始動するため、時点ｔ２において目標値ＭＫＳ１に達するまでクラッチ３のスリップトルクを増大させる。内燃機関２は一定のスリップトルクＭＫＳ１で、これが時点ｔ３において電気機械の回転数Ｎ１に達するまで加速される。この時点にクラッチ３は完全に閉じられる。これで内燃機関２の始動が成功する。

Claims (3)

1. 少なくとも１つの内燃機関（２）と、少なくとも１つの電気機械（４）とを含む、車両（１００）のハイブリッド駆動部（１）を制御する方法であって、
   当該ハイブリッド駆動部（１）は、
   前記車両（１００）のパワートレイン（６）と電気機械（４）との間に配置された第１クラッチ（５）と、
   前記電気機械（４）と前記内燃機関（２）との間に配置された第２クラッチ（３）とを有する、車両（１００）のハイブリッド駆動部（１）を制御する方法において、
   − 動作中の前記電気機械（４）によって前記内燃機関（２）を始動するため、クラッチトルク目標値に達するまで前記第２クラッチ（３）のクラッチトルクを増大させ、
   − 前記内燃機関（２）の回転数（ＮＶ）を監視し、
   − 前記第２クラッチ（３）のクラッチトルクが前記クラッチトルク目標値に達した時点から、あらかじめ設定した時間（Δｔ）内に前記回転数（ＮＶ）があらかじめ設定した回転数に達したか否かに依存して、動作中の前記電気機械（４）による内燃機関（２）の次回のスタートに対するクラッチトルク目標値を設定し、ただし
   − 前記あらかじめ定めた期間（Δｔ）内に前記内燃機関（２）の前記回転数（ＮＶ）が所定の回転数に到達しなかった場合、前記クラッチトルク目標値を増大させ、
   前記あらかじめ定めた時間（Δｔ）内に前記内燃機関の回転数（ＮＶ）が前記所定の回転数に到達した場合、前記第２クラッチ（３）の前記クラッチトルク目標値を減少させることを特徴とする、
   車両（１００）のハイブリッド駆動部（１）を制御する方法。
2. 前記第１クラッチ（５）が閉じている条件の下で、前記動作中の電気機械（４）による前記内燃機関（２）の始動を行う、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記クラッチトルク目標値と前記車両（１００）の動作パラメタとの対応を特性マップに記憶する、
   請求項１または２に記載の方法。

Images