JP5010378B2 - ハイブリッド車両の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、原動機としてエンジンとモータを含むハイブリッド車両の制御装置、特にモータに供給する電力を蓄えるバッテリの充放電を制御する制御装置に関する。

原動機としてエンジンとモータを搭載し、これらの原動機の出力により走行するハイブリッド車両が知られている。ハイブリッド車両には、モータに供給する電力を蓄える蓄電装置としてバッテリが搭載されている。バッテリは、必要に応じてモータに電力を供給できるように、ある程度の電力を蓄えておく必要がある。一方、回生制動時には、モータが発電した電力を充電できるようにしておく必要がある。そのため、一般的に、バッテリの充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）が満充電の状態（１００％）と全く充電されていない状態（０％）との中間付近（５０〜６０％）になるように、バッテリの充放電が制御される。

なお、下記特許文献１には、バッテリの充電状態が、最低限、停車時から発進の際にモータを駆動できる程度の容量を必要とすることが記載されている。

特開２００１−１５７３０８号公報

ところで、車両が走行する様々な道路パターンにより、放電が頻繁に行なわれたり、逆に充電が頻繁に行なわれたりする。例えば、車両が高速で定常走行する高速道路などにおいては、通常、回生による充電が頻繁に行なわれる。つまり、車両が走行する予定の経路に高速道路を含むのであれば、そのときに充電が頻繁に行なわれることも分かる。しかしながら、予定の経路において充電が頻繁に行なわれることが分かったとしても、従来と同様にバッテリの充電状態が中間付近（５０〜６０％）になるように制御されていたのでは、道路パターンに即してバッテリを効率よく使用することができず、エネルギ効率が低下してしまう可能性がある。また、逆に、予定の経路において放電が行なわれることが分かったとしても、前述のようにバッテリの充電状態が中間付近（５０〜６０％）になるように制御されていたのでは、道路パターンに即してバッテリを効率よく使用することができず、エネルギ効率が低下してしまう可能性がある。

本発明の目的は、バッテリの充放電を制御する制御装置であって、道路パターンに応じてバッテリを効率よく使用し、エネルギ効率の向上を図ることができるハイブリッド車両の制御装置を提供することにある。

本発明は、原動機としてエンジンとモータを含むハイブリッド車両に搭載され、バッテリの充放電を制御するハイブリッド車両の制御装置において、車両が走行する予定の経路に含まれる道路パターンを判断する判断手段と、前記判断手段が判断した道路パターンに応じてエンジンとモータとの出力配分を制御してバッテリの充電状態を制御する制御手段と、を有し、前記判断手段が経路のなかに車両が高速で定常走行する高速定常走行の区間を含むと判断した場合、前記制御手段は、車両がその高速定常走行の区間にたどり着くまでに、通常走行時におけるエンジンとモータとの出力配分よりもモータ側の負担を大きくしてバッテリの放電量を多くし、高速定常走行の区間の距離に関連付けられたバッテリの放電量を放電してバッテリの充電状態を低下させ、前記制御手段が、さらに、判断手段により判断された目的地に到着するまでに、バッテリの充電状態が下限値になるように制御することを特徴とする。

また、ハイブリッド車両は、外部電源を用いてバッテリを充電する機能を備えることもできる。

また、前記制御手段は、車両がその高速定常走行の区間にたどり着くまでに、バッテリの充電状態が下限値になるように放電することもできる。

さらに、前記判断手段が経路のなかに車両が高速で定常走行する高速定常走行の区間を含むと判断した場合、高速定常走行の区間の終了地点から経路の目的地までの間におけるモータ駆動によるバッテリの放電量を予測する予測手段を有し、前記制御手段は、前記予測手段が予測した放電量に応じたバッテリの充電状態になるように、車両が高速定常走行の区間を走行している間にモータで発電して、バッテリの充電状態を増加させることができる。

本発明の目的は、バッテリの充放電を制御する制御装置であって、道路環境に即してバッテリを効率よく使用し、エネルギ効率の向上を図ることができるハイブリッド車両の制御装置を提供することにある。

以下、本発明に係るハイブリッド車両の制御装置の実施形態について、図面に従って説明する。

まず、ハイブリッド車両１０の構成について、図１を用いて説明する。ハイブリッド車両１０には、原動機としてエンジン１２と、第一の電動機（以降、第一ＭＧと記す）１４と、第二の電動機（以降、第二ＭＧと記す）１６とが搭載されている。これらの原動機の動力は、動力分配統合機構２０と減速機構２２から成る動力伝達機構１８を介して駆動輪２４に伝達され、車両が走行する。なお、第一及び第二ＭＧ１４，１６は、次に説明するように発電機として機能する。

第一及び第二ＭＧ１４，１６は、インバータ２６を介してバッテリ２８に接続される。バッテリ２８に蓄えられた電力は、インバータ２６により直流から交流に変換された後に、第一及び第二ＭＧ１４，１６に供給されて、これらＭＧ１４，１６を駆動する。また、第一及び第二ＭＧ１４，１６で発電された電力は、インバータ２６により交流から直流に変換された後に、バッテリ２８に送られて蓄えられる。

第一ＭＧ１４は、車両要求駆動力を満たすために必要なトルクがエンジン１２から効率よく出力されるようエンジン１２の回転数を制御する。このとき、第一ＭＧ１４はエンジン１２の出力に対して負のトルクを作用させる必要があり、この負のトルクの作用として発電し、発電された電力はバッテリ２８または第二ＭＧ１６に供給される。さらに、第一ＭＧ１４は、エンジン１２に対し正のトルクを作用させるスタータとしての機能を有する。一方、第二ＭＧ１６は、エンジン１２から出力されるトルクが車両要求駆動力に対して不足する分のトルクを出力する。さらに、第二ＭＧ１６は、車両減速時に発電機として車軸に対して負のトルクを作用させ、それにより発電された電力でバッテリ２８を充電するいわゆる回生ブレーキとしての機能を有する。

ハイブリッド車両１０は、走行状態に応じて各原動機１２，１４，１６の出力を制御するハイブリッドＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０を有している。なお、ハイブリッドＥＣＵ３０は、本発明に係る制御装置に対応する装置であり、これを以降、単に制御装置３０と記す。制御装置３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とメモリを有する。ＣＰＵは、入力されるデータおよびメモリに記憶されたデータを利用して、プログラムに従って演算を行なう。これにより、制御装置３０は、車両が所望の運転状態となるように、エンジン１２と第一及び第二ＭＧ１４，１６の出力を制御することになる。

制御装置３０には、アクセルペダル３２、ブレーキペダル３４、シフトレバー３６、車速センサ３８などの各種センサが接続されている。制御装置３０は、これらの各種センサからの信号に基づいて乗員の要求出力を算出する。また、制御装置３０には、バッテリ２８の電流を検出する電流計２８ａとバッテリ２８の電圧を検出する電圧計２８ｂとが接続されている。制御装置３０は、電流計２８ａと電圧計２８ｂが検出した信号に基づいてバッテリ２８の充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）を算出する。そして、制御装置３０は、乗員の要求出力とＳＯＣからエンジン１２と第一及び第二ＭＧ１４，１６の出力配分（以降、原動機の出力配分と記す）を求め、エンジン１２と第一及び第二ＭＧ１４，１６の出力を制御する。

制御装置３０は、図２（Ａ）に示す最適出力配分マップと、図２（Ｂ）に示す発電重視出力配分マップとのいずれかに基づき原動機の出力配分を決定する。これらのマップは、制御装置３０のメモリに記憶されている。ＳＯＣが中間付近（５０〜６０％）またはそれより高いときには、最適出力配分マップが用いられ、ＳＯＣが中間付近より低いときには、発電重視出力配分マップが用いられる。

最適出力配分マップにおいては、エンジン１２の燃料消費率が悪い低速域（マップの左側）において、第二ＭＧ１６のみを用いる（Ｍ）。これに対し、エンジン１２の燃料消費率が良好な中高速域（マップの右側）においては、原動機の出力配分が次の３つに分けられる。すなわち、乗員の要求出力が低いとき、エンジン１２の余剰出力により第一ＭＧ１４で発電を行ない（Ｅ＋Ｇ）、中高乗員の要求出力が中程度のとき、エンジン１２のみを用い（Ｅ）、そして、乗員の要求出力が大きいとき、エンジン１２に加えて第二ＭＧ１６にもトルク負担を負わせる（Ｅ＋Ｍ）。このように原動機の出力を配分することにより、エンジン１２を高効率の回転域でのみ用いることができ、エネルギ効率の良好な運転が可能となる。

一方、発電重視出力配分マップにおいては、中高速域のみでなく低速域においても、原動機の出力配分が次に３つに分けられる。すなわち、乗員の要求出力が低いとき、エンジン１２の余剰出力により第一ＭＧ１４で発電を行ない（Ｅ＋Ｇ）、乗員の要求出力が中程度のとき、エンジン１２のみを用い（Ｅ）、そして、乗員の要求出力が大きいとき、エンジン１２に加えて第二ＭＧ１６にもトルク負担を負わせる（Ｅ＋Ｍ）。このように原動機の出力配分を行なうことにより、バッテリ２８の消費を抑えつつ走行を継続することが可能になる。ただし、エンジン１２を低効率の回転域でも用いるので、先に述べた出力配分に比べエネルギ効率が悪化してしまう。

制御装置３０には、現在位置から目的地まで車両が走行する予定の経路を検索して案内を行なうカーナビゲーション４０が接続されている。カーナビゲーション４０は、ＣＰＵと、地図情報を記憶したメモリと、画面およびスピーカを含む表示装置とを有する。カーナビゲーション４０には、車速センサ３８と、ジャイロセンサ４２と、車両の現在位置を検知するＧＰＳ（Global Positioning System）とが接続されている。カーナビゲーション４０は、これらの機器からの信号に基づいて現在位置を算出し、その位置情報を含む地図情報を表示装置に表示する。また、カーナビゲーション４０は、乗員による目的地の情報の入力を受け、地図情報をもとに適切な経路を検索し、その経路の案内を行なう。地図情報には、道路パターンが含まれる。道路パターンは、例えば、車両が通常走行する一般道路、車両が高速で定常走行する高速道路、車両が勾配を走行する山岳道路を含む。現在位置と、道路パターンを含む経路の情報は、カーナビゲーション４０から制御装置３０に送られる。

本発明に係る制御装置３０は、車両が走行する予定の経路に含まれる道路パターンを判断し、その道路パターンに応じて原動機の出力配分を制御してＳＯＣを最適に制御する。一般的に、車両が走行する様々な道路パターンにより、放電が頻繁に行なわれたり、逆に充電が頻繁に行なわれたりする。制御装置３０は、これらの道路パターンに応じた充放電の傾向を把握し、その傾向を原動機の出力配分の制御に適用することで、ＳＯＣを最適に制御することが可能となる。この制御の詳細について次に説明する。

ＳＯＣを制御する制御装置３０の制御動作について図３を用いて具体的に説明する。図３は、経路とＳＯＣとの関係の一例を示す図である。縦軸はＳＯＣを示し、横軸は現在位置である出発地から目的地までの経路を示す。

まず、制御装置３０は、経路に含まれる道路パターンを判断する。本実施形態の経路に含まれる道路パターンは、図に示されるように、一般道路、高速道路、そして一般道路の順で並んでいる。

一般道路は、平坦な道や市街地など主に低速走行を行なう道路である。このような道路においては、車両要求駆動力が低いためエンジン１２の燃料消費率が悪い。そのため、ＳＯＣが中間付近またはそれより高ければ、第二ＭＧ１６を主に用いて走行する。よって、一般道路においては放電が頻繁に行なわれる傾向にある。これに対し、高速道路は、高速で定常走行する道路である。このような道路においては、車両要求駆動力が高いためエンジン１２の駆動力を必要とする。このとき、エンジン１２を効率よく動作させるためには、エンジン１２の回転数を制御する第一ＭＧ１４に負のトルクを作用させる必要がある。負のトルクの作用として第一ＭＧ１４で発電を行ない、その電力がバッテリ２８に充電される。よって、高速道路においては充電が頻繁に行なわれる傾向にある。なお、高速道路を走行しているときに、ＳＯＣが十分に高くなりこれ以上充電することができなくなると、前述の第一ＭＧ１４で発電した電力を熱として放出するか、エンジン１２を効率のよい動作点から外し、すなわち効率が悪化する動作点で動作させることになる。

このように、各道路により充放電の傾向が異なることから、制御装置３０は、道路パターンを判断することにより、充放電の傾向を把握することができる。

前述のように高速道路において充電が頻繁に行なわれる傾向にあるので、高速道路で多くの充電が期待できる。そこで、経路に高速道路が含まれると判断した制御装置３０は、高速道路にたどり着くまでに、バッテリ２８の放電を積極的に行なうようにする。具体的には、制御装置３０は、通常走行時における原動機の出力配分よりも第二ＭＧ１６側の負担を大きくしてバッテリ２８の放電を積極的に行なうようにする。第二ＭＧ１６側の負担を大きくするということは、乗員の要求出力のうちエンジン１２側の負担を小さくすることである。エンジン１２の負担を軽減することにより、高速道路にたどり着くまでの最初の一般道路におけるエンジン１２の燃料消費率を改善することができる。また、最初の一般道路においてＳＯＣが低下したとしても、次に高速道路を走行することにより充電が頻繁に行なわれるので、ＳＯＣの回復が可能となる。

制御装置３０は、最初の一般道路においてバッテリ２８の放電を行なうとき、高速道路で充電される予定の充電量に対応する放電量を放電する。これにより、最初の一般道路で低下したＳＯＣを高速道路で適切に回復させることが可能となる。高速道路で充電される予定の充電量は、高速道路の距離に応じて変化する。具体的には、高速道路の距離が長いほど充電量が多くなり、逆に高速道路の距離が短いほど充電量が少なくなる。よって、最初の一般道路における放電量は高速道路の距離に関連付けられる。なお、ＳＯＣに下限値（例えば２０％）が設定されている場合においては、高速道路にたどり着くまでにＳＯＣがその下限値になるように放電してもよい。下限値は、停車時から発進の際に第二ＭＧ１６を駆動できる最低限の容量とすることができる。

次に、制御装置３０は、高速道路の終了地点から目的地まで間、すなわち最後の一般道路におけるバッテリ２８の放電量を予測する。具体的には、制御装置３０が、最後の一般道路の距離と、予め記憶された一般道路における第二ＭＧ１６の負荷（駆動力）とに基づいて第二ＭＧ１６の駆動による放電量を予測する。そして、制御装置３０は、予測した放電量に対応可能なＳＯＣになるように、高速道路で充電してＳＯＣを増加させる。これにより、最後の一般道路の途中において、ＳＯＣが下限値まで低下してしまうことを抑制することができる。また、ＳＯＣの低下により、前述したようなエネルギ効率が悪い発電重視の原動機の出力配分になってしまうことを抑制することができる。結果として、バッテリ２８を有効に利用することができ、エネルギ効率の向上が可能となる。なお、目的地に到着するときにＳＯＣが下限値になるように、高速道路においてＳＯＣを増加させることが好適である。

本実施形態においては、第一及び第二ＭＧ１４，１６で発電してバッテリ２８を充電する機能を備えたハイブリッド車両１０に制御装置３０が搭載される場合について説明したが、出発地や目的地などに設置される外部電源を用いてバッテリ２８を充電する機能を備えたハイブリッド車両にも適用することができる。

本実施形態では、制御装置３０はカーナビゲーション４０の地図情報に基づいて経路の道路パターンを判断する場合について説明したが、制御装置３０が運転者の走行特性を学習して、経路の道路パターンを判断することもできる。例えば、毎日の通勤に用いる走行経路などにおいては、カーナビゲーション４０により経路が設定されていなくても、運転時刻や運転者のアクセル等の操作特性を制御装置３０が学習することにより経路の道路パターンを判断することができる。

本実施形態に係るハイブリッド車両の構成を示す図である。 （Ａ）は最適出力配分マップの内容を示す図であり、（Ｂ）は発電重視出力配分マップの内容を示す図である。 経路とバッテリの充電状態との関係の一例を示す図である。

符号の説明

１０ ハイブリッド車両、１２ エンジン、１４ 第一ＭＧ、１６ 第二ＭＧ、１８ 動力伝達機構、２４ 駆動輪、２８ バッテリ、３０ 制御装置、４０ カーナビゲーション。

Claims (4)

1. 原動機としてエンジンとモータを含むハイブリッド車両に搭載され、バッテリの充放電を制御するハイブリッド車両の制御装置において、
   車両が走行する予定の経路に含まれる道路パターンを判断する判断手段と、
   前記判断手段が判断した道路パターンに応じてエンジンとモータとの出力配分を制御してバッテリの充電状態を制御する制御手段と、
   を有し、
   前記判断手段が経路のなかに車両が高速で定常走行する高速定常走行の区間を含むと判断した場合、前記制御手段は、車両がその高速定常走行の区間にたどり着くまでに、通常走行時におけるエンジンとモータとの出力配分よりもモータ側の負担を大きくしてバッテリの放電量を多くし、高速定常走行の区間の距離に関連付けられたバッテリの放電量を放電してバッテリの充電状態を低下させ、
   前記制御手段が、さらに、判断手段により判断された目的地に到着するまでに、バッテリの充電状態が下限値になるように制御する、
   ことを特徴とするハイブリッド車両の制御装置。
2. 請求項１に記載のハイブリッド車両の制御装置において、
   ハイブリッド車両は、外部電源を用いてバッテリを充電する機能を備える、
   ことを特徴とするハイブリッド車両の制御装置。
3. 請求項１または２に記載のハイブリッド車両の制御装置において、
   前記制御手段は、車両がその高速定常走行の区間にたどり着くまでに、バッテリの充電状態が下限値になるように放電する、
   ことを特徴するハイブリッド車両の制御装置。
4. 請求項１に記載のハイブリッド車両の制御装置において、
   前記判断手段が経路のなかに車両が高速で定常走行する高速定常走行の区間を含むと判断した場合、高速定常走行の区間の終了地点から経路の目的地までの間におけるモータ駆動によるバッテリの放電量を予測する予測手段を有し、
   前記制御手段は、前記予測手段が予測した放電量に応じたバッテリの充電状態になるように、車両が高速定常走行の区間を走行している間にモータで発電して、バッテリの充電状態を増加させる、
   ことを特徴とするハイブリッド車両の制御装置。

Images