図1は、本発明の一実施例であるハイブリッド自動車20の構成の概略を示す構成図である。実施例のハイブリッド自動車20は、図示するように、エンジン22と、エンジン22の出力軸としてのクランクシャフト26にダンパ28を介して接続された3軸式の動力分配統合機構30と、動力分配統合機構30に接続された発電可能なモータMG1と、動力分配統合機構30に接続された駆動軸としてのリングギヤ軸32aに取り付けられた減速ギヤ35と、この減速ギヤ35に接続されたモータMG2と、車両全体をコントロールするハイブリッド用電子制御ユニット70とを備える。
エンジン22は、例えばガソリンまたは軽油などの炭化水素系の燃料により動力を出力する内燃機関であり、エンジン用電子制御ユニット(以下、エンジンECUという)24により燃料噴射制御や点火制御,吸入空気量調節制御などの運転制御を受けている。エンジンECU24には、エンジン22の運転状態を検出する各種センサからの信号、例えば、エンジン22のクランクシャフト26のクランク角を検出する図示しないクランクポジションセンサからのクランクポジションなどが入力されている。エンジンECU24は、ハイブリッド用電子制御ユニット70と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット70からの制御信号によりエンジン22を運転制御すると共に必要に応じてエンジン22の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット70に出力する。なお、エンジンECU24は、図示しないクランクポジションセンサからのクランクポジションに基づいてクランクシャフト26の回転数、即ちエンジン22の回転数Neも演算している。
動力分配統合機構30は、外歯歯車のサンギヤ31と、このサンギヤ31と同心円上に配置された内歯歯車のリングギヤ32と、サンギヤ31に噛合すると共にリングギヤ32に噛合する複数のピニオンギヤ33と、複数のピニオンギヤ33を自転かつ公転自在に保持するキャリア34とを備え、サンギヤ31とリングギヤ32とキャリア34とを回転要素として差動作用を行なう遊星歯車機構として構成されている。動力分配統合機構30は、キャリア34にはエンジン22のクランクシャフト26が、サンギヤ31にはモータMG1が、リングギヤ32にはリングギヤ軸32aを介して減速ギヤ35がそれぞれ連結されており、モータMG1が発電機として機能するときにはキャリア34から入力されるエンジン22からの動力をサンギヤ31側とリングギヤ32側にそのギヤ比に応じて分配し、モータMG1が電動機として機能するときにはキャリア34から入力されるエンジン22からの動力とサンギヤ31から入力されるモータMG1からの動力を統合してリングギヤ32側に出力する。リングギヤ32に出力された動力は、リングギヤ軸32aからギヤ機構60およびデファレンシャルギヤ62を介して、最終的には車両の駆動輪63a,63bに出力される。
モータMG1およびモータMG2は、いずれも発電機として駆動することができると共に電動機として駆動できる周知の同期発電電動機として構成されており、インバータ41,42を介してバッテリ50と電力のやりとりを行なう。インバータ41,42とバッテリ50とを接続する電力ライン54は、各インバータ41,42が共用する正極母線および負極母線として構成されており、モータMG1,MG2のいずれかで発電される電力を他のモータで消費することができるようになっている。したがって、バッテリ50は、モータMG1,MG2のいずれかから生じた電力や不足する電力により充放電されることになる。なお、モータMG1,MG2により電力収支のバランスをとるものとすれば、バッテリ50は充放電されない。モータMG1,MG2は、いずれもモータ用電子制御ユニット(以下、モータECUという)40により駆動制御されている。モータECU40には、モータMG1,MG2を駆動制御するために必要な信号、例えばモータMG1,MG2の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ43,44からの信号や図示しない電流センサにより検出されるモータMG1,MG2に印加される相電流などが入力されており、モータECU40からは、インバータ41,42へのスイッチング制御信号が出力されている。モータECU40は、ハイブリッド用電子制御ユニット70と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット70からの制御信号によってモータMG1,MG2を駆動制御すると共に必要に応じてモータMG1,MG2の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット70に出力する。なお、モータECU40は、回転位置検出センサ43,44からの信号に基づいてモータMG1,MG2の回転数Nm1,Nm2も演算している。
バッテリ50は、バッテリ用電子制御ユニット(以下、バッテリECUという)52によって管理されている。バッテリECU52には、バッテリ50を管理するのに必要な信号、例えば、バッテリ50の端子間に設置された電圧センサ51aからの端子間電圧Vb,バッテリ50の出力端子に接続された電力ライン54に取り付けられた電流センサ51bからの充放電電流Ib,バッテリ50に取り付けられた温度センサ51cからの電池温度Tbなどが入力されており、必要に応じてバッテリ50の状態に関するデータを通信によりハイブリッド用電子制御ユニット70に出力する。また、バッテリECU52は、バッテリ50を管理するために電流センサ51bにより検出された充放電電流Ibの積算値に基づいて残容量(SOC)を演算したり、演算した残容量(SOC)と電池温度Tbとに基づいてバッテリ50を充放電してもよい最大許容電力である入出力制限Win,Woutを演算している。なお、バッテリ50の入出力制限Win,Woutは、電池温度Tbに基づいて入出力制限Win,Woutの基本値を設定し、バッテリ50の残容量(SOC)に基づいて出力制限用補正係数と入力制限用補正係数とを設定し、設定した入出力制限Win,Woutの基本値に補正係数を乗じることにより設定することができる。図2に電池温度Tbと入出力制限Win,Woutとの関係の一例を示し、図3にバッテリ50の残容量(SOC)と入出力制限Win,Woutの補正係数との関係の一例を示す。
電力ライン54には、駆動回路90を介して乗員室の空調装置におけるエアコンプレッサやモータMG1,MG2を冷却する冷却系の冷却媒体を循環する冷却ポンプなどの高電圧系の補機92が接続されている。
ハイブリッド用電子制御ユニット70は、CPU72を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPU72の他に処理プログラムを記憶するROM74と、データを一時的に記憶するRAM76と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。ハイブリッド用電子制御ユニット70には、イグニッションスイッチ80からのイグニッション信号,シフトレバー81の操作位置を検出するシフトポジションセンサ82からのシフトポジションSP,アクセルペダル83の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ84からのアクセル開度Acc,ブレーキペダル85の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ86からのブレーキペダルポジションBP,車速センサ88からの車速V,勾配センサ89からの路面勾配θなどが入力ポートを介して入力されている。ハイブリッド用電子制御ユニット70からは、高電圧系の補機92を駆動する駆動回路90への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。ハイブリッド用電子制御ユニット70は、前述したように、エンジンECU24やモータECU40,バッテリECU52と通信ポートを介して接続されており、エンジンECU24やモータECU40,バッテリECU52と各種制御信号やデータのやりとりを行なっている。
こうして構成された実施例のハイブリッド自動車20は、運転者によるアクセルペダル83の踏み込み量に対応するアクセル開度Accと車速Vとに基づいて駆動軸としてのリングギヤ軸32aに出力すべき要求トルクを計算し、この要求トルクに対応する要求動力がリングギヤ軸32aに出力されるように、エンジン22とモータMG1とモータMG2とが運転制御される。エンジン22とモータMG1とモータMG2の運転制御としては、要求動力に見合う動力がエンジン22から出力されるようにエンジン22を運転制御すると共にエンジン22から出力される動力のすべてが動力分配統合機構30とモータMG1とモータMG2とによってトルク変換されてリングギヤ軸32aに出力されるようモータMG1およびモータMG2を駆動制御するトルク変換運転モードや要求動力とバッテリ50の充放電に必要な電力との和に見合う動力がエンジン22から出力されるようにエンジン22を運転制御すると共にバッテリ50の充放電を伴ってエンジン22から出力される動力の全部またはその一部が動力分配統合機構30とモータMG1とモータMG2とによるトルク変換を伴って要求動力がリングギヤ軸32aに出力されるようモータMG1およびモータMG2を駆動制御する充放電運転モード、エンジン22の運転を停止してモータMG2からの要求動力に見合う動力をリングギヤ軸32aに出力するよう運転制御するモータ運転モードなどがある。なお、トルク変換運転モードと充放電運転モードは、いずれもエンジン22の運転を伴って要求動力がリングギヤ軸32aに出力されるようエンジン22とモータMG1,MG2とを制御するモードであり、実質的な制御における差異はないため、以下、両者を合わせてエンジン運転モードという。
次に、こうして構成された実施例のハイブリッド自動車20の動作、特に発進時の動作について説明する。図4はハイブリッド用電子制御ユニット70により実行される発進時制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、停車中にブレーキオフとされてから車速Vが所定車速Vref(例えば、5km/hや7km/h,10km/hなど)以上となるまで所定時間毎(例えば、数msec毎)に繰り返し実行される。なお、車速Vが所定車速Vref以上となった以降は、前述のエンジン運転モードやモータ運転モードにより走行する。
発進時制御ルーチンが実行されると、ハイブリッド用電子制御ユニット70のCPU72は、まず、アクセルペダルポジションセンサ84からのアクセル開度Accや車速センサ88からの車速V,エンジン22の回転数Ne,モータMG1,MG2の回転数Nm1,Nm2,モータMG2の駆動状態に起因するトルク制限Tlim,バッテリ50の端子間電圧Vb,バッテリ50の入力制限Win,勾配センサ89からの路面勾配θなど制御に必要なデータを入力する処理を実行する(ステップS100)。ここで、エンジン22の回転数Neは、図示しないクランクポジションセンサからの信号に基づいて演算されたものをエンジンECU24から通信により入力するものとした。また、モータMG1,MG2の回転数Nm1,Nm2は、回転位置検出センサ43,44により検出されたモータMG1,MG2の回転子の回転位置に基づいて演算されたものをモータECU40から通信により入力するものとした。さらに、トルク制限Tlimは、モータMG2が略回転停止した状態でインバータ42やモータMG2に熱的に不具合を生じさせることなくモータMG2から連続して出力することができるトルクの上限として設定され、予め実験などにより定められた値を用いることができる。バッテリ50の端子間電圧Vbは、電圧センサ51aにより検出されたものをバッテリECU52から通信により入力するものとした。バッテリ50の入力制限Winは、バッテリ50の電池温度Tbとバッテリ50の残容量(SOC)とに基づいて設定されたものをバッテリECU52から通信により入力するものとした。なお、入力制限Winは、バッテリ50に充電可能な電力が大きいほど小さくなる傾向(負の方向に大きくなる傾向)の値が設定されるものとした。
こうしてデータを入力すると、入力したアクセル開度Accと車速Vとに基づいて車両に要求されるトルクとして駆動輪63a,63bに連結された駆動軸としてのリングギヤ軸32aに出力すべき要求トルクTr*とエンジン22に要求される要求パワーPe*とを設定する(ステップS110)。要求トルクTr*は、実施例では、アクセル開度Accと車速Vと要求トルクTr*との関係を予め定めて要求トルク設定用マップとしてROM74に記憶しておき、アクセル開度Accと車速Vとが与えられると記憶したマップから対応する要求トルクTr*を導出して設定するものとした。図5に要求トルク設定用マップの一例を示す。要求パワーPe*は、設定した要求トルクTr*にリングギヤ軸32aの回転数Nrを乗じたものからバッテリ50が要求する充放電要求パワーPb*を減じてロスLossとの和として計算することができる。なお、リングギヤ軸32aの回転数Nrは、車速Vに換算係数kを乗じること(Nr=k・V)によって求めたり、モータMG2の回転数Nm2を減速ギヤ35のギヤ比Grで割ること(Nr=Nm2/Gr)によって求めることができる。
続いて、要求トルクTr*とトルク制限Tlimと動力分配統合機構30のギヤ比ρとを用いて次式(1)によりエンジン22の目標トルクTe*を設定すると共に設定した目標トルクTe*で要求パワーPe*を除することによりエンジン22の目標回転数Ne*を設定し(ステップS120)、設定した目標回転数Ne*と現在の回転数Neとエンジン22の目標トルクTe*と動力分配統合機構30のギヤ比ρとを用いて式(2)によりモータMG1のトルク指令Tm1*を計算する(ステップS130)。モータMG1による発電を伴うエンジン22からリングギヤ軸32aへのパワーの出力を伴って発進するときの動力分配統合機構30の回転要素における回転数とトルクとの力学的な関係を示す共線図の一例を図6に示す。図中、左のS軸はモータMG1の回転数Nm1であるサンギヤ31の回転数を示し、C軸はエンジン22の回転数Neであるキャリア34の回転数を示し、R軸はモータMG2の回転数Nm2を減速ギヤ35のギヤ比Grで除したリングギヤ32の回転数Nrを示す。なお、R軸上の2つの太線矢印は、モータMG1から出力されたトルクTm1がリングギヤ軸32aに作用するトルク(エンジン22から出力されて動力分配統合機構30を介してリングギヤ軸32aに作用するトルク)と、モータMG2から出力されるトルクTm2が減速ギヤ35を介してリングギヤ軸32aに作用するトルクとを示す。式(1)は、モータMG2から出力されるトルク(モータMG2の消費電力)を可能な範囲で大きくして要求トルクTr*を駆動軸としてのリングギヤ軸32aに出力するためにエンジン22の目標トルクTe*を計算する式であり、図6の共線図を用いれば容易に導くことができる。また、式(2)は、エンジン22を目標回転数Ne*で回転させるためのフィードバック制御における関係式であり、右辺第1項はフィードフォワード項であり、右辺第2項はフィードバック項における比例項、右辺第3項はフィードバックバック項における積分項である。式(2)中、右辺第1項は、図7の共線図を用いれば容易に導くことができる。また、式(2)中、右辺第2項の「k1」は比例項のゲインであり、右辺第3項の「k2」は積分項のゲインである。
Te*=(Tr*-Tlim)・(1+ρ) (1)
Tm1*=-ρ・Te*/(1+ρ)+k1・(Ne*-Ne)+k2・∫(Ne*-Ne)dt (2)
そして、要求トルクTr*にトルク指令Tm1*を動力分配統合機構30のギヤ比ρで除したものを加えて更に減速ギヤ35のギヤ比Grで除してモータMG2から出力すべきトルクの仮の値である仮トルクTm2tmpを次式(3)により計算すると共に(ステップS140)、計算した仮トルクTm2tmpを式(4)によりトルク制限Tlimで制限してモータMG2のトルク指令Tm2*を設定する(ステップS150)。ここで、式(3)は、図6の共線図から容易に導くことができる。
Tm2tmp=(Tr*+Tm1*/ρ)/Gr (3)
Tm2*=min(Tm2tmp,Tlim) (4)
次に、モータMG1のトルク指令Tm1*に現在のモータMG1の回転数Nm1を乗じて得られるモータMG1の消費電力とモータMG2のトルク指令Tm2*に現在のモータMG2の回転数Nm2を乗じて得られるモータMG2の消費電力Pm2との和としてのモタ電力Pmを計算すると共に(ステップS160)、計算したモータ電力Pmをバッテリ50の入力制限Winと比較する(ステップS170)。発進時には、車速V(モータMG2の回転数Nm2)が値0近傍であるため、トルク指令Tm1*,Tm2*でモータMG1,MG2を駆動すると、モータ電力Pmが負の値(モータMG1により発電される電力がモータMG2により消費される電力に比して大きい状態)となり、モータ電力Pmがバッテリ50に充電される。ステップS170のモータ電力Pmとバッテリ50の入力制限Winとの比較は、モータ電力Pmがバッテリ50を充電してもよい最大許容電力の範囲内であるか否かを判定する処理である。
モータ電力Pmがバッテリ50の入力制限Win以上のときには、モータ電力Pmがバッテリ50を充電してもよい最大許容電力の範囲内であると判断し、エンジン22の目標回転数Ne*と目標トルクTe*についてはエンジンECU24に、モータMG1,MG2のトルク指令Tm1*,Tm2*についてはモータECU40にそれぞれ送信し(ステップS220)、補機92(エアコンプレッサや冷却ポンプなど)を必要に応じて駆動して(ステップS230)、発進時制御ルーチンを終了する。目標回転数Ne*と目標トルクTe*とを受信したエンジンECU24は、エンジン22が目標回転数Ne*と目標トルクTe*とによって示される運転ポイントで運転されるようにエンジン22における吸入空気量制御や燃料噴射制御,点火制御などの制御を行なう。また、トルク指令Tm1*,Tm2*を受信したモータECU40は、トルク指令Tm1*でモータMG1が駆動されると共にトルク指令Tm2*でモータMG2が駆動されるようインバータ41,42のスイッチング素子のスイッチング制御を行なう。即ち、モータMG1の発電を伴うエンジン22から駆動軸としてのリングギヤ軸32aへのパワーの出力を伴って発進して走行するようエンジン22とモータMG1,MG2とを制御する発進時制御を実行するのである。こうした発進時制御の実行により、発進して走行することができる。なお、こうして発進時制御を実行して車速Vが所定車速Vref以上となったときには、エンジン運転モードやモータ運転モードにより、バッテリ50の入出力制限Win,Woutの範囲内で要求トルクTr*が駆動軸としてのリングギヤ軸32aに出力されるようエンジン22とモータMG1,MG2とを制御する。
ステップS170でモータ電力Pmがバッテリ50の入力制限Win未満のときには、モータ電力Pmがバッテリ50を充電してもよい最大許容電力の範囲内でないと判断し、発進時制御を実行する際に用いられるバッテリ50の端子間電圧Vbの条件である電圧条件が成立しているか否かを示す電圧条件成立フラグFの値を調べる(ステップS180)。ここで、電圧条件成立フラグFは,停車時に初期値として値0が設定され、後述の電圧条件が成立したときに値1が設定されるフラグである。
電圧条件成立フラグFが値0のときには、路面勾配θに基づいて、発進時制御を開始してから車速Vが所定車速Vref以上となるまでのバッテリ50の端子間電圧Vbの上昇の程度の予測値(以下、予測上昇電圧ΔVb)を設定する(ステップS190)。ここで、予測上昇電圧ΔVbは、実施例では、路面勾配θと予測上昇電圧Vbとの関係を予め実験などにより定めて予測上昇電圧設定用マップとしてROM74に記憶しておき、路面勾配θが与えられると記憶したマップから対応する予測上昇電圧ΔVbを導出して設定するものとした。予測上昇電圧設定用マップの一例を図7に示す。予測上昇電圧ΔVbは、図示するように、路面勾配θが登り勾配として大きいほど大きくなる傾向に設定するものとした。これは以下の理由による。前述したように、発進時には、モータ電力Pmが負の値(モータMG1により発電される電力がモータMG2により消費される電力に比して大きい状態)となり、モータ電力Pmがバッテリ50に充電されるため、バッテリ50の端子間電圧Vbが上昇する。また、通常、発進してから車速Vが所定車速Vref以上となるまでの時間は、同一のアクセル開度Accのときには路面勾配θが登り勾配として大きいほど長くなるから、バッテリ50の端子間電圧Vbの上昇の程度は路面勾配θが登り勾配として大きいほど大きくなると考えられる。こうした理由により、実施例では、路面勾配θが登り勾配として大きいほど大きくなる傾向に予測上昇電圧ΔVbを設定するものとした。
こうして予測上昇電圧ΔVbを設定すると、バッテリ50の端子間電圧Vbをバッテリ50に許容される許容上限電圧Vbmaxから所定電圧ΔVbを減じた電圧(Vbmax−ΔVb)と比較する(ステップS200)。この処理は、発進時制御を開始してから車速Vが所定車速Vref以上となるまでにバッテリ50の端子間電圧Vbが許容上限電圧Vbmaxを超える可能性が高い(現在、端子間電圧Vbが許容上電圧Vbmaxより高いときを含む)か否かを判定する処理である。ここで、許容上限電圧Vbmaxは、バッテリ50に通常印加可能な電圧範囲の上限電圧であり、バッテリ50の仕様などにより定められる。バッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)以下のときには、発進時制御を開始してから車速Vが所定車速Vref以上となるまでにバッテリ50の端子間電圧Vbが許容上限電圧Vbmaxを超える可能性は低いと判断し、電圧条件成立フラグFに値1を設定し(ステップS210)、エンジン22の目標回転数Ne*と目標トルクTe*についてはエンジンECU24に、モータMG1,MG2のトルク指令Tm1*,Tm2*についてはモータECU40にそれぞれ送信し(ステップS220)、補機92(エアコンプレッサや冷却ポンプなど)を必要に応じて駆動して(ステップS230)、発進時制御ルーチンを終了する。即ち、発進時制御を実行するのである。そして、次回以降にこのルーチンが実行されたときには、ステップS180で電圧条件成立フラグFが値1であるから、ステップS210〜S230の処理を実行して発進時制御ルーチンを終了する。この場合、モータ電力Pmがバッテリ50を充電してもよい最大許容電力の範囲内ではないが、発進時制御を実行する時間は比較的短時間であるため、バッテリ50の端子間電圧Vbが許容上限電圧Vbmax以下であれば、バッテリ50の劣化はそれほど促進されない。なお、こうして発進時制御を実行して車速Vが所定車速Vref以上となったときには、前述したように、エンジン運転モードやモータ運転モードにより、バッテリ50の入出力制限Win,Woutの範囲内で要求トルクTr*が駆動軸としてのリングギヤ軸32aに出力されるようエンジン22とモータMG1,MG2とを制御する。
ステップS200でバッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)より高いときには、発進時制御を開始してから車速Vが所定車速Vref以上となるまでにバッテリ50の端子間電圧Vbが許容上限電圧Vbmaxを超える可能性が高い(現在、端子間電圧Vbが許容上電圧Vbmaxより高いときを含む)と判断し、電圧条件成立フラグFに値0を設定し(ステップS240)、エンジン22の燃料カット指令をエンジンECU24に送信する(ステップS250)。燃料カット指令を受信したエンジンECU24は、エンジン22の燃料噴射を停止する。そして、ステップS120で設定したエンジン22の目標回転数Ne*と現在のエンジン22の回転数Neとを用いて次式(5)によりモータMG1のトルク指令Tm1*を再計算し(ステップS260)、前述のステップS140,S150の処理と同様にモータMG2のトルク指令Tm2*を再設定し(ステップS270,S280)、モータMG1,MG2のトルク指令Tm1*,Tm2*をモータECU40に送信し(ステップS290)、補機90(エアコンプレッサや冷却ポンプなど)を強制的に駆動(駆動停止を制限)して(ステップS300)、発進時制御ルーチンを終了する。なお、この場合、エンジン22の目標回転数Ne*は、ステップS120で設定した値に代えて、固定値を用いるものとしてもよい。式(5)は、前述の式(2)の右辺第1項(フィードフォワード項)を値0とした式である。この場合、燃料噴射を停止したエンジン22をモータMG1により強制的にモータリングしたり補機92を強制的に駆動したりすることにより、モータMG1や補機92で電力を消費をしてバッテリ50の端子間電圧Vbを低下させることができる。そして、バッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)以下となったときには(ステップS200)、電圧条件成立フラグFに値1を設定し(ステップS210)、ステップS220,S230の処理を実行して発進時制御ルーチンを終了し、次回以降にこのルーチンが実行されたときには、ステップS180で電圧条件成立フラグFが値1であるから、ステップS210〜S230の処理を実行して発進時制御ルーチンを終了する。このように停車中にブレーキオフとされて発進しようとするときにバッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)より高いときには、端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)以下となるまでモータMG1や補機92で電力を消費させてから発進時制御を実行するから、バッテリ50を保護しつつ発進性能を確保することができる。
Tm1*=k1・(Ne*-Ne)+k2・∫(Ne*-Ne)dt (5)
図8は、登坂路で発進時にモータ電力Pmがバッテリ50の入力制限Win未満のときの車速V,バッテリ50の端子間電圧Vb,エンジン22から出力されるトルクTe,モータMG1,MG2から出力されるトルクTm1,Tm2,駆動軸としてのリングギヤ軸32aに出力されるトルクTrの時間変化の様子の一例を示す説明図である。図示するように、運転者によりブレーキオフとされてアクセルオンとされた時刻t1にバッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)より高いときには、モータMG1によりエンジン22をモータリングしたり補機92を強制的に駆動したりしてバッテリ50の端子間電圧Vbを低下させ、バッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)以下となった時刻t2以降は、モータMG1による発電を伴ってエンジン22からリングギヤ軸32aに動力を出力すると共にモータMG2からリングギヤ軸32aに動力を出力することにより発進して走行を開始し、車速Vが所定車速Vref以上となった時刻t3以降は、前述のエンジン運転モードやモータ運転モードにより走行する。このように、バッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)以下となるまでモータMG1や補機92で電力を消費させてから発進して走行することにより、バッテリ50を保護しつつ発進性能を確保することができる。
以上説明した実施例のハイブリッド自動車20によれば、発進時にモータ電力Pmがバッテリ50の入力制限Win未満でバッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)より高いときには、燃料噴射を停止したエンジン22がモータMG1の電力の消費を伴ってモータMG1によりモータリングされるようエンジン22とモータMG1を制御すると共に補機92が強制的に駆動されるよう補機92を制御し、端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)以下となった以降に、モータMG1の発電を伴うエンジン22から駆動軸としてのリングギヤ軸32aへのパワーの出力を伴って発進して走行するようエンジン22とモータMG1,MG2とを制御する発進時制御を実行するから、バッテリ50を保護しつつ発進性能を確保することができる。
実施例のハイブリッド自動車20では、発進時にモータ電力Pmがバッテリ50の入力制限Win未満でバッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)より高いときに、燃料噴射を停止したエンジン22をモータMG1によりモータリングすると共に補機92を強制的に駆動するものとしたが、発進時には、モータ電力Pmがバッテリ50の入力制限Win未満であるか否かに拘わらず、バッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)より高いときに、燃料噴射を停止したエンジン22をモータMG1によりモータリングしたり補機92を強制的に駆動したりするものとしてもよい。即ち、図4の発進時制御ルーチンのうちステップS160,S170の処理を実行しないものとしてもよい。
実施例のハイブリッド自動車20では、発進時にモータ電力Pmがバッテリ50の入力制限Win未満でバッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)より高いときには、路面勾配θに基づいて予測上昇電圧ΔVbを設定するものとしたが、路面勾配θに代えて又は加えて、他のパラメータ、例えば、アクセル開度Accやモータ電力Pmなどを考慮して予測上昇電圧ΔVbを設定するものとしてもよい。また、固定値(例えば、比較的急峻な登り勾配における予測上昇電圧ΔVb)を予測上昇電圧ΔVbに設定するものとしてもよい。
実施例のハイブリッド自動車20では、予測上昇電圧ΔVbは、勾配センサ89からの路面勾配θに基づいて設定するものとしたが、予め定められている走行区間(例えば信号機間や交差点間など)毎の道路情報(例えば、距離情報や幅員情報,地域情報(市街地,郊外),種別情報(一般道路,高速道路),勾配情報,法定速度など)などが記憶されているナビゲーションシステムを備える場合にはナビゲーションシステムからの勾配情報を用いるものとしてもよい。
実施例のハイブリッド自動車20では、発進時にモータ電力Pmがバッテリ50の入力制限Win未満でバッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)より高いときには、端子間電圧Vbが許容上限電圧Vbmaxより高いか否かに拘わらず、バッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−Vb)以下となるまでモータMG1によりエンジン22をモータリングしたり補機92を強制的に駆動したりしてから発進時制御を実行するものとしたが、発進時にモータ電力Pmがバッテリ50の入力制限Win未満でも端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)より高く許容上限電圧(Vbmax−ΔVb)以下のときには、端子間電圧Vbが許容上限Vbmaxを超えるまでは発進時制御を実行し、端子間電圧Vbが許容上限電圧Vbmaxを超えてからはバッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−Vb)以下となるまでモータMG1によりエンジン22をモータリングしたり補機92を強制的に駆動したりし、端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)以下となってからは再び発進時制御を実行するものとしてもよい。
実施例のハイブリッド自動車20では、発進時にモータ電力Pmがバッテリ50の入力制限Win未満でバッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)より高いときには、バッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−Vb)以下となるまでモータMG1や補機92で電力を消費させるものとしたが、これに限られず、バッテリ50への充電がある程度許容されるようになるまで(例えば、端子間電圧Vbが、モータMG1や補機92で電力を消費させる前の端子間電圧Vbである初期電圧Vbsetより所定電圧Vb1だけ低い電圧(Vbset−Vb1)以下となるまで)モータMG1や補機92で電力を消費させるものとしてもよい。
実施例のハイブリッド自動車20では、発進時にモータ電力Pmがバッテリ50の入力制限Win未満でバッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)より高いときには、燃料噴射を停止したエンジン22をモータMG1によりモータリングすると共に補機92を強制的に駆動するものとしたが、補機92については必要に応じて駆動するものとしてもよい。なお、この場合、バッテリ50からの放電電力が小さくなるため、端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)以下となるまでの時間は長くなる。
実施例のハイブリッド自動車20では、発進時にモータ電力Pmがバッテリ50の入力制限Win未満のときには、バッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−Vb)以下のときに発進時制御を実行するものとしたが、バッテリ50の残容量SOCが所定残容量S1以下のときに発進時制御を実行するものとしてもよい。この場合、発進時にモータ電力Pmがバッテリ50の入力制限Win未満でバッテリ50の残容量SOCが所定残容量S1より大きいときには、残容量SOCが所定残容量S1以下となるまでモータMG1や補機92で電力を消費させてから発進時制御を実行すればよい。ここで、所定残容量S1は、発進時制御を開始してから車速Vが所定車速Vref以上となるまでのバッテリ50の残容量SOCの上昇の程度の予測値(以下、予測上昇残容量ΔSOC)を所定残容量Smax(例えば、80%や90%,100%)から減じた値(SOCmax−ΔSOC)を用いるものとしてもよい。この予測上昇残容量ΔSOCは、路面勾配θが登り勾配として大きいほど大きくなる傾向に設定されるものとしてもよいし、固定値を用いるものとしてもよい。
実施例のハイブリッド自動車20では、減速ギヤ35を介して駆動軸としてのリングギヤ軸32aにモータMG2を取り付けるものとしたが、リングギヤ軸32aにモータMG2を直接取り付けるものとしてもよいし、減速ギヤ35に代えて2段変速や3段変速,4段変速などの変速機を介してリングギヤ軸32aにモータMG2を取り付けるものとしても構わない。
実施例のハイブリッド自動車20では、モータMG2の動力を減速ギヤ35により変速してリングギヤ軸32aに出力するものとしたが、図9の変形例のハイブリッド自動車120に例示するように、モータMG2の動力をリングギヤ軸32aが接続された車軸(駆動輪63a,63bが接続された車軸)とは異なる車軸(図9における車輪64a,64bに接続された車軸)に出力するものとしてもよい。
また、こうした自動車に適用するものに限定されるものではなく、列車など自動車以外のハイブリッド車の形態としても構わない。さらに、こうしたハイブリッド車の制御方法の形態としてもよい。
実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、エンジン22が「内燃機関」に相当し、モータMG1が「発電機」に相当し、動力分配統合機構30が「3軸式動力入出力手段」に相当し、モータMG2が「電動機」に相当し、バッテリ50が「蓄電手段」に相当し、発進時にモータ電力Pmがバッテリ50の入力制限Win未満でバッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)より高いときには、燃料噴射を停止したエンジン22がモータMG1の電力の消費を伴ってモータMG1によりモータリングされるよう燃料カット指令をエンジンECU24に送信すると共にトルク指令Tm1*を設定してモータECU40に送信し、端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)以下となった以降に、モータMG1の発電を伴うエンジン22から駆動軸としてのリングギヤ軸32aへのパワーの出力を伴って発進して走行するようエンジン22の目標回転数Ne*および目標トルクTe*とモータMG1,MG2のトルク指令Tm1*,Tm2*を設定してエンジンECU24とモータECU40とに送信する図4の発進時制御ルーチンを実行するハイブリッド用電子制御ユニット70と、燃料カット指令を受信したときにエンジン22の燃料噴射を停止し目標回転数Ne*と目標トルクTe*とを受信したときに目標回転数Ne*と目標トルクTe*とに基づいてエンジン22を制御するエンジンECU24と、トルク指令Tm1*,Tm2*に基づいてモータMG1,MG2を制御するモータECU40と、が「制御手段」に相当する。また、エアコンプレッサや冷却ポンプなどの高電圧系の補機92が「補機」に相当し、発進時にモータ電力Pmがバッテリ50の入力制限Win未満でバッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)より高いときに、端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)以下となるまで補機92が強制的に駆動されるよう補機92を制御するハイブリッド用電子制御ユニット70も「制御手段」に相当する。
ここで、「内燃機関」としては、ガソリンまたは軽油などの炭化水素系の燃料により動力を出力する内燃機関に限定されるものではなく、水素エンジンなど如何なるタイプの内燃機関であっても構わない。「発電機」としては、同期発電電動機として構成されたモータMG1に限定されるものではなく、誘導電動機など、動力を入出力可能なものであれば如何なるタイプの発電機としても構わない。「3軸式動力入出力手段」としては、上述の動力分配統合機構30に限定されるものではなく、ダブルピニオン式の遊星歯車機構を用いるものや複数の遊星歯車機構を組み合わせて4以上の軸に接続されるものやデファレンシャルギヤのように遊星歯車とは異なる作動作用を有するものなど、駆動輪に連結された駆動軸と内燃機関の出力軸と発電機の回転軸との3軸に接続され3軸のうちのいずれか2軸に入出力される動力に基づいて残余の軸に動力を入出力するものであれば如何なるものとしても構わない。「電動機」としては、同期発電電動機として構成されたモータMG2に限定されるものではなく、誘導電動機など、駆動軸に動力を入出力可能なものであれば如何なるタイプの電動機であっても構わない。「蓄電手段」としては、二次電池としてのバッテリ50に限定されるものではなく、キャパシタなど、発電機や電動機と電力のやりとりが可能なものであれば如何なるものとしても構わない。「制御手段」としては、ハイブリッド用電子制御ユニット70とエンジンECU24とモータECU40とからなる組み合わせに限定されるものではなく単一の電子制御ユニットにより構成されるなどとしてもよい。また、「制御手段」としては、発進時にモータ電力Pmがバッテリ50の入力制限Win未満でバッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)より高いときには、燃料噴射を停止したエンジン22がモータMG1の電力の消費を伴ってモータMG1によりモータリングされるようエンジン22とモータMG1を制御し、端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)以下となった以降に、モータMG1の発電を伴うエンジン22から駆動軸としてのリングギヤ軸32aへのパワーの出力を伴って発進して走行するようエンジン22とモータMG1,MG2とを制御する発進時制御を実行するものに限定されるものではなく、発進時にはモータ電力Pmがバッテリ50の入力制限Win未満であるか否かに拘わらずバッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)より高いときにモータMG1によりエンジン22がモータリングされるようエンジン22とモータMG1,MG2とを制御するものとしたり、発進時にモータ電力Pmがバッテリ50の入力制限Win未満でバッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)より高く許容上限電圧(Vbmax−ΔVb)以下のときには、端子間電圧Vbが許容上限Vbmaxを超えるまでは発進時制御を実行し、端子間電圧Vbが許容上限電圧Vbmaxを超えてからはバッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−Vb)以下となるまでモータMG1によりエンジン22をモータリングしたり補機92を強制的に駆動したりし、端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)以下となってからは再び発進時制御を実行するものとしたり、発進時にモータ電力Pmがバッテリ50の入力制限Win未満でバッテリ50の端子間電圧Vbが電圧(Vbmax−ΔVb)より高いときにモータMG1によるエンジン22をモータリングすると共に補機92が強制的に駆動されるよう補機92を制御するものとするなど、発進時に蓄電手段への充電が許容されない所定の状態のとき、発電機による電力の消費を伴って内燃機関がモータリングされるよう内燃機関と発電機とを制御するモータリング制御を実行し、モータリング制御を実行した後に、発電機による発電を伴う内燃機関から駆動軸への動力の出力を伴って発進して走行するよう内燃機関と発電機と電動機とを制御する発進時制御を実行するものであれば如何なるものとしても構わない。「補機」としては、エアコンプレッサや冷却ポンプなどの高電圧系の補機92に限定されるものではなく、蓄電手段からの電力を用いて駆動するものであれば如何なるものとしても構わない。
なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための最良の形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
20,120 ハイブリッド自動車、22 エンジン、24 エンジン用電子制御ユニット(エンジンECU)、26 クランクシャフト、28 ダンパ、30 動力分配統合機構、31 サンギヤ、32 リングギヤ、32a リングギヤ軸、33 ピニオンギヤ、34 キャリア、35 減速ギヤ、40 モータ用電子制御ユニット(モータECU)、41,42 インバータ、43,44 回転位置検出センサ、50 バッテリ、51 温度センサ、52 バッテリ用電子制御ユニット(バッテリECU)、54 電力ライン、60 ギヤ機構、62 デファレンシャルギヤ、63a,63b 駆動輪、64a,64b 車輪、70 ハイブリッド用電子制御ユニット、72 CPU、74 ROM、76 RAM、80 イグニッションスイッチ、81 シフトレバー、82 シフトポジションセンサ、83 アクセルペダル、84 アクセルペダルポジションセンサ、85 ブレーキペダル、86 ブレーキペダルポジションセンサ、88 車速センサ、89 勾配センサ、MG1,MG2 モータ。