JP5104408B2 - ハイブリッド駆動電気車両のエンジン始動制御方法及びエンジン始動制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃エンジンと電動モータとを動力源とするハイブリッド駆動電気車両の、走行中の内燃エンジンの始動制御に関する。

内燃エンジンと電動モータとを動力源とするハイブリッド電気駆動車両において、エンジンの始動は電動モータの回転トルクを用いて行なわれる。車両の走行中に内燃エンジンの始動が必要になった場合には、電動モータとエンジンとを接続するクラッチを締結することでエンジンにクランキングのための回転トルクを作用させる。

このようなケースにおけるエンジンの始動制御に関して、特許文献１は始動操作中のエンジンの回転速度が目標回転速度に一致するようにクラッチ締結用の油圧を制御することを提案している。
特開２００６-２９８０７８号公報

クラッチ締結用の油圧が同一であっても、クラッチの摩耗などにより、電動モータからエンジンに実際に伝達されるトルクは必ずしも同一とはならない。また、クラッチの油圧のみを制御しても、エンジン始動時の電動モータの回転速度によってエンジンに作用するトルクは異なる。

このような理由から、従来技術によるエンジン始動方法では、回転速度の上昇パターンを常に一定に保つことは難しい。しかし、回転速度にばらつきが生じると、エンジンに供給される混合気の空燃比にもばらつきが生じ、排気エミッションを悪化させる要因となる。

この発明の課題は、したがって、ハイブリッド駆動電気車の走行中のエンジンの始動において、エンジン回転速度の上昇が常に一定のパターンで行なわれるようにすることである。

上記の課題を達成するために、この発明は、内燃エンジンと電動モータとを第１のクラッチを介して接続し、電動モータと駆動輪とを第２のクラッチを介して接続したハイブリッド駆動電気車両に適用され、車両の走行中に電動モータの回転トルクで内燃エンジンを始動するハイブリッド駆動電気車両のエンジン始動制御方法において、第２のクラッチを半クラッチ状態とし、第１のクラッチを所定圧力で締結し、第１のクラッチを締結した後のエンジン回転速度をあらかじめ設定された目標回転速度と比較し、第２のクラッチのスリップ率が限界値以下かどうかを判定し、エンジン回転速度が目標回転速度以下であってかつ第２のクラッチのスリップ率が限界値以下の場合に、電動モータの回転速度を増速し、始動中のエンジン回転速度が目標回転速度以下であってかつ第２のクラッチのスリップ率が限界値以下でない場合に、第１のクラッチの締結圧を増圧する、ようにしている。

この発明はまた、内燃エンジンと電動モータとを第１のクラッチを介して接続し、電動モータと駆動輪とを第２のクラッチを介して接続したハイブリッド駆動電気車両に適用され、車両の走行中に電動モータの回転トルクで内燃エンジンを始動するハイブリッド駆動電気車両のエンジン始動制御装置において、第２のクラッチを半クラッチ状態とする手段と、第１のクラッチを所定圧力で締結する手段と、第１のクラッチを締結した後のエンジン回転速度をあらかじめ設定された目標回転速度と比較する手段と、第２のクラッチのスリップ率が限界値以下かどうかを判定する手段と、エンジン回転速度が目標回転速度以下であってかつ第２のクラッチのスリップ率が限界値以下の場合に、電動モータの回転速度を増速する手段と、始動中のエンジン回転速度が目標回転速度以下であってかつ第２のクラッチのスリップ率が限界値以下でない場合に、第１のクラッチの締結圧を増圧する手段と、を備えている。

エンジン回転速度が目標回転速度以下であってかつ第２のクラッチがスリップ限界に達していない場合には、電動モータの回転速度を増速することで、エンジン回転速度を目標回転速度へと制御する。一方、エンジン回転速度が目標回転速度以下であって第２のクラッチがスリップ限界に達している場合には、第１のクラッチの締結圧を増圧することにより、電動モータの回転速度を増速せずに、内燃エンジンへの伝達トルクを増加させて、エンジン回転速度を目標回転速度へと制御する。

そのため、第１のクラッチの伝達トルクにばらつきがあっても、電動モータの回転速度と、第１のクラッチの締結圧とを、第２のクラッチのスリップ状況に応じて選択的に制御することで、エンジンの始動時の回転速度を常に所定の増速パターンに一致させることが可能となる。したがって、車両走行中のエンジン始動に伴う排気エミッションの悪化を防止できる。

図１はこの発明を適用するハイブリッド駆動電気車両の駆動システムの概略構成を示す。図２はこの発明によるコントローラが実行する車両走行中のエンジン始動ルーチンを示す。

図１の（ａ）を参照すると、ハイブリッド駆動電気車両は走行用動力源として内燃エンジン１と電動モータ２とを備える。

内燃エンジン１は第１のクラッチＣＬ１を介して電動モータ２に接続される。電動モータ２の出力は第２のクラッチＣＬ２を介して自動変速機３に入力される。自動変速機３の出力は減速稀４を介してハイブリッド駆動電気車両の駆動輪を駆動する。電動モータ３は車両が制動中または惰性走行している場合には、自動変速機３から入力される回転トルクによりジェネレータとして機能する。

図１の（ｂ）を参照すると、ハイブリッド駆動電気車両は、内燃エンジン１の運転、電動モータ２の運転、第１のクラッチの締結と解放、第２のクラッチの締結と解放とを制御するためのコントローラ５を備える。

コントローラ５は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏ インタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ５を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

この発明は以上のように構成されたハイブリッド駆動電気車両が、電動モータ２の動力で走行中、あるいは制動ないしは惰性走行により電動モータ２をジェネレータとして駆動しつつ走行している場合に、内燃エンジン１を始動する際の制御に関する。

この制御のために、コントローラ５には内燃エンジン１の回転速度を検出する速度センサ１１と、自動変速機３の出力回転速度を検出する回転速度センサ１３から、それぞれ検出信号が信号入力される。また、電動モータ２の運転を制御するインバータ１２から電動モータ２の回転速度が入力される。

図２を参照して、ハイブリッド駆動電気車両の走行中に、コントローラ５がこれらの入力信号に基づき実行する、内燃エンジン１の始動ルーチンを説明する。このルーチンは内燃エンジン１の始動要求に基づき実行される。

ステップＳ１で、コントローラ５は第２のクラッチＣＬ２を半クラッチ状態とする一方で、クラッチＣＬ２の伝達トルクの低下を補償すべく、電動モータ２の目標回転速度を上昇させる。

ステップＳ２では、第１のクラッチＣＬ１を所定の締結圧で締結する。これにより、電動モータ２の回転が内燃エンジン１に伝達され，内燃エンジン１のクランキングが開始される。ここで、所定の締結圧とは、第１のクラッチＣＬ１がある程度の滑りを許容した状態で締結するような締結圧を意味する。

ステップＳ１で第２のクラッチＣＬ２を半クラッチ状態とするのは、第１のクラッチＣＬ１の締結によるショックが自動変速機３に伝達されないようにするためである。なお、クランキングを開始した内燃エンジン１に対して、コントローラ５は別ルーチンにより燃料の供給と、混合気への点火を行なうことで、内燃エンジン１に混合気の燃焼を開始させる。

ステップＳ３では、内燃エンジン１の回転速度を所定の目標回転速度と比較する。目標回転速度はステップＳ２の実行からの経過時間に応じて予め設定された増速パターンに応じた値である。コントローラ５はステップＳ３の実行ごとに、ステップＳ２の実行からの経過時間に基づきあらかじめＲＯＭに格納されたマップを参照して、目標回転速度を求める。

内燃エンジン１の回転速度が目標回転速度以下の場合には、ステップＳ４の処理を行なう。内燃エンジン１の回転速度が目標回転速度を上回っている場合には、ステップＳ８の処理を行なう。

ステップＳ４では、内燃エンジン１の目標回転速度と実回転速度との差に基づき、電動モータ２の回転速度の補正値を計算する。具体的には、内燃エンジン１の目標回転速度と実回転速度との差が大きいほど電動モータ２の回転速度の補正値が大きくなるようにする。そのために、コントローラ５のＲＯＭには、あらかじめこれらの関係を規定するマップを格納しておき，コントローラ５は内燃エンジン１の目標回転速度と実回転速度との差に基づきマップを検索して電動モータ２の回転速度の補正値を求める。

ステップＳ５では、第２のクラッチＣＬ２のスリップ率を計算し、スリップ率がスリップ限界値に達したかどうかを判定する。

第２のクラッチＣＬ２のスリップ率がスリップ限界値以下の場合には、コントローラ５はステップＳ６で、電動モータ３の回転速度をステップＳ４で求めた補正値に基づき上昇させる。電動モータ３の回転速度の上昇は、内燃エンジン１の回転速度の上昇をもたらす。ステップＳ６の処理の後、コントローラ５はステップＳ８の処理を行なう。

第２のクラッチＣＬ２のスリップ率がスリップ限界値に達している場合には、コントローラ５はステップＳ７で、第１のクラッチの締結圧を増圧する。その結果、第１のクラッチの滑りが減少するので、電動モータ２の回転速度が同じままでも、内燃エンジン１の回転速度は上昇する。ステップＳ７の処理の後、コントローラ５はステップＳ８の処理を行なう。

ステップＳ８で、コントローラ５は内燃エンジン１の回転速度を所定の完爆速度と比較する。

内燃エンジン１の回転速度が完爆速度以下の場合には、ステップＳ３以降の処理を繰り返す。内燃エンジン１の回転速度が完爆速度を超えた場合には、コントローラ５はルーチンを終了する。

図３-図6を参照して、以上の制御がもたらす作用を説明する。

図３は上記のハイブリッド駆動電気車両に従来技術による内燃エンジン始動制御を適用した場合の始動パターンを示す。

この場合には、まず（ｅ）に示すように、第２のクラッチＣＬ２を半クラッチ状態とし、（ｄ）に示すように電動モータ２の目標回線速度を上昇させて、クラッチＣＬ２の伝達トルクの低下を補償する。この処理は図２のステップＳ１の処理と同一である。

従来技術は、この状態で第１のクラッチＣＬ１の締結を開始する。（ｂ）は第１のクラッチＣＬ１の伝達トルクを示す。図の実線に示すように，内燃エンジン１の始動時には第１のクラッチＣＬ１が２段階に渡って締結される。すなわち、内燃エンジン１が完爆に至るまではある程度の滑りを許容した第１段階の締結力のもとで締結し、内燃エンジン１が完爆した後に、完全な締結状態となる。

第１のクラッチＣＬ１が第１段階へと締結されるのに伴い、第１のクラッチＣＬ１を介した電動モータ２の回転トルクで内燃エンジン１のクランキングが行なわれ、（ａ）の実線に示すように内燃エンジン１の回転速度が上昇する。これに伴い、内燃エンジン１の吸入負圧が（ｃ）の実線に示すように低下する。なお、吸入負圧の低下は負圧の絶対値が大きくなることを意味する。また、（ｆ）の実線に示すように内燃エンジン１においては燃料噴射が行なわれる。この時の内燃エンジン１内で燃焼する混合気の空燃比Ａ／Ｆの変化は（ｇ）の実線に示される。始動はリッチ空燃比のもとで行なわれるため、始動時の燃料噴射量は（ｆ）の実線に示すように、完爆後の燃料噴射量より多く設定される。一方、完爆後は燃料噴射量は低下し、理論空燃比近傍の空燃比Ａ／Ｆで燃焼が行なわれるため、（ｇ）の実線は始動から完爆に至る混合気の空燃比Ａ／Ｆの変化を示す。

図４の（ａ）-（ｃ）、（ｆ）及び（ｇ）の各実線が示す変化は、第１のクラッチＣＬ１を介して電動モータ２から内燃エンジン１へ入力されるクランキングトルクが設計通りに推移する場合である。第１のクラッチＣＬ１が同じ締結圧のもとで常に同じ回転トルクを伝達するのであれば、内燃エンジン１はこの制御により常に一定の始動パターンで始動する。

現実には、第１のクラッチＣＬ１の締結圧が一定であっても、第１クラッチＣＬ１を構成している部材の摩耗や、第２のクラッチＣＬ２のトルク伝達状況により、第１のクラッチＣＬ１の伝達トルクの変化に（ｂ）の破線に示すような遅れを生じることがある。

第１のクラッチＣＬ１の伝達トルクの増大に（ｂ）の破線に示すような遅れが生じると、（a）の破線に示すように内燃エンジン１の回転速度の上昇にも遅れが生じる。その結果、（ｆ）の破線に示すように燃料噴射の開始に遅れが生じる。さらに、内燃エンジン１が完爆状態に達するまでの時間も長くなるので、（ｇ）の破線に示すようにリッチ空燃比による内燃エンジン１の運転期間が長くなる。リッチ空燃比による運転が長引くことは、内燃エンジン１の排気エミッションに好ましくない影響を与える。

図４-図６はこの発明によるハイブリッド駆動電気車両のエンジン始動制御装置のもとでの内燃エンジン１の始動パターンを示す。

図４を参照すると、車両が走行中に、内燃エンジン１の始動要求が発生すると、コントローラ５まず図２のステップＳ１の処理を行なう。すなわち、（ｅ）に示すように、第２のクラッチＣＬ２を半クラッチ状態とし、（ｄ）に示すように電動モータ２の目標回線速度を上昇させて、クラッチＣＬ２の伝達トルクの低下を補償する。

次にステップＳ２で、第１のクラッチＣＬ１を第１段階まで締結し、内燃エンジン１のクランキングを開始する。ここまでの処理は図３の従来技術と同じである。

内燃エンジン１がクランキングを開始した後、コントローラ５はステップＳ３で回転速度センサ１１が検出する内燃エンジン１の回転速度を所定の目標回転速度と比較する。ここで、所定の目標回転速度は、第１のクラッチＣＬ１の締結からの経過時間、すなわち内燃エンジン１のクランキング開始からの経過時間に応じた値として、あらかじめ定められ、マップとしてコントローラ５のＲＯＭに格納されている。ステップＳ３で、コントローラは、ステップＳ２の実行からの経過時間に基づきマップを検索して目標回転速度を求め、求めた目標回転速度と内燃エンジン１の回転速度を比較する。

ステップＳ３の判定の結果、内燃エンジン１の回転速度が所定の目標回転速度に達している場合には、ステップＳ８で内燃エンジン１が完爆したことを確認した後にルーチンを終了する。この場合の始動の様子は図の実線に示される。このように、第１のクラッチＣＬ１が想定された回転トルクを伝達する場合には、この発明によるエンジン始動制御は図３の従来技術による制御と同じ結果をもたらす。

この発明によるエンジン始動制御が従来技術による制御と異なる様相を示すのは、図４の（ｂ）の破線に示すように、第１のクラッチＣＬ１の伝達トルクにばらつきが生じる場合である。

この場合には、第１のクラッチＣＬ１に、図の実線と同じ締結圧を供給しているにも関わらず，第１のクラッチＣＬ１の伝達トルクはあまり上昇しない。したがって、第１のクラッチＣＬ１の伝達トルクでクランキングされる内燃エンジン１の回転速度の上昇も遅くなるはずである。

しかし、コントローラ５は、図２のステップＳ３でエンジン回転速度が目標回転速度以下であると判定すると、ステップS４でエンジン回転速度を目標とする回転速度の上昇パターンに追随させるべく、電動モータ２の回転速度の補正値を計算する。一方、ステップＳ５で第２のクラッチＣＬ２がスリップ限界に達していないかどうかを判定する。

図４は、ステップＳ５で第２のクラッチＣＬ２のスリップ率がスリップ限界値以下の場合、すなわち第２のクラッチＣＬ２がスリップ限界に達していない場合の始動パターンを示す。この場合には、コントローラ５はステップＳ６で電動モータ２の回転速度を補正値に基づき図の（ｄ）に示すように増速する。

その結果、図の（ｂ）の破線に示す第１のクラッチＣＬ１の伝達トルクの不足が補償され、（ｂ）の実線に示す伝達トルクが得られる。このようにして、第１のクラッチＣＬ１の伝達トルクが不足し、かつＣＬ２のスリップ率がスリップ限界値以下の場合には、駆動モータ２の回転速度の増速補正を行なうことで、内燃エンジン１の回転速度を所定の増速パターンに追随させることができる。

図５は、図３及び図４の破線と同ように，第１のクラッチＣＬ１の伝達トルクが不足し、かつステップＳ５の判定の結果、第２のクラッチＣＬ２のスリップ率が図５の（ｅ）に示すスリップ限界値に達している場合の始動パターンを示す。

この場合には、コントローラ５は電動モータの２の回転速度の増速補正を行なわず、代わりにステップＳ６で、第１のクラッチＣＬ１の締結圧を増圧する。具体的には図５の（ｃ）に示すように、目標伝達トルクを増大させることで、第１のクラッチＣＬ１の締結圧を増圧する。この処理により、図５の（ｂ）の破線に示すように不足していた第１のクラッチＣＬ１の伝達トルクは、図の実線の状態へと修正される。

このように、第１のクラッチＣＬ１の伝達トルクが不足し、かつ第２のクラッチＣＬ２のスリップ率がスリップ限界値に達している場合には、電動モータの２の回転速度の増速補正を行なわず、第１のクラッチＣＬ１の締結圧を増圧補正することで、内燃エンジン１の回転速度を所定の増速パターンに追随させることができる。

図６は、電動モータの２の回転速度の増速補正を行なった結果、始動制御の途中で第２のクラッチＣＬ２のスリップ率がスリップ限界値に達した場合の始動パターンを示す。

この場合には、ステップＳ３で内燃エンジン１の回転速度が所定の目標回転速度以下であると判定し。ステップＳ５で第２のクラッチＣＬ２のスリップ率がスリップ限界以下と判定すると、コントローラ５は図４のケースと同ようにステップＳ６で電動モータ２の回転速度を増速補正する。

その結果、図の（ｂ）の破線に示すように不足していた第１のクラッチＣＬ１の伝達トルクは、図の実線位置まで回復し，内燃エンジン１の回転速度も図の（ａ）に示すように、目標とする上昇パターンに追随する。

しかしながら、電動モータ２の回転速度を増速補正した結果、図の（ｅ）の破線に示すように、第２のクラッチＣＬ２のスリップ率が増大し、やがてスリップ限界に到達する。

これを、図２のフローチャートに即して説明すると、コントローラ５がステップＳ３-Ｓ８のプロセスを繰り返している間に、ステップＳ５の判定が肯定から否定に転じる。その結果、コントローラ５は電動モータ２の回転速度の増速補正を停止し、ステップＳ７で第１のクラッチＣＬ１の締結圧を増圧する。すなわち、図の（ｃ）の破線に示すように，目標伝達トルクを増大させることで、第１のクラッチＣＬ１の締結圧を増圧する。

この処理の結果、第１のクラッチＣＬ１の伝達トルクは図の（ｂ）の実線に示すようにさらに増大し、内燃エンジン１の回転速度も所定の増速パターン沿って増大し、完爆に至る。

以上のように、この発明によれば、第１のクラッチＣＬ１の伝達トルクにばらつきがあっても、第２のクラッチＣＬ２のスリップに応じた、電動モータ２の回転速度と、第１のクラッチＣＬ１の締結圧の選択的な制御により、常に一定した増速パターンのもとで内燃エンジン1の始動を行なうことができる。

したがって、燃料の噴射量、噴射タイミング、点火タイミングなど、内燃エンジン１の燃焼に関する制御も一定のパターンのもとで行なわれる。その結果、内燃エンジン１の始動は、排気エミッションの悪化を招くことなく、常に安定したプロセスで行なわれる。また、このように始動時の内燃エンジン１の増速パターンが一定化することで、内燃エンジン１の燃焼制御自体も容易になる。

この発明では、第２のクラッチＣＬ２のスリップ限界到達を境界として、電動モータ２の回転速度と、第１のクラッチＣＬ１の締結圧の制御という、内燃エンジン１の始動時の増速パターン維持のための２種類の制御を、選択的に適用している。したがって、いずれか一方のみで内燃エンジン１の増速パターンを維持する場合と比べて、より広い範囲の運転条件変化に対して、内燃エンジン１の始動時の増速パターンを維持することができる。

以上のように、この発明を特定の実施例を通じて説明して来たが、この発明は上記の実施例に限定されるものではない。当業者にとっては、特許請求の範囲内でこれらの実施例にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

この発明を適用するハイブリッド駆動電気車両の駆動システムの概略構成図である。 この発明によるコントローラが実行するエンジン始動ルーチンを説明するフローチャートである。 従来の内燃エンジン始動制御を適用した場合の内燃エンジンの始動パターンを示すタイミングチャートである。 この発明による電動モータの増速補正のもとでの内燃エンジンの始動パターンを示すタイミングチャートである。 この発明による第１のクラッチの締結圧の増圧補正のもとでの内燃エンジンの始動パターンを示すタイミングチャートである。 この発明による電動モータの増速補正と第１のクラッチの締結圧の増圧補正のもとでの内燃エンジンの始動パターンを示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ 内燃エンジン
２ 電動モータ
３ 自動変速機
５ コントローラ
１１，１３ 回転速度センサ
１２ インバータ
ＣＬ１ 第１のクラッチ
ＣＬ２ 第２のクラッチ

Claims (6)

1. 内燃エンジンと電動モータとを第１のクラッチを介して接続し、電動モータと駆動輪とを第２のクラッチを介して接続したハイブリッド駆動電気車両に適用され、車両の走行中に電動モータの回転トルクで内燃エンジンを始動するハイブリッド駆動電気車両のエンジン始動制御方法において、
   （ア）第２のクラッチを半クラッチ状態とし、
   （イ）第１のクラッチを所定圧力で締結し、
   （ウ）第１のクラッチを締結した後のエンジン回転速度をあらかじめ設定された目標回転速度と比較し、
   （エ）第２のクラッチのスリップ率が限界値以下かどうかを判定し、
   （オ）エンジン回転速度が目標回転速度以下であってかつ第２のクラッチのスリップ率が限界値以下の場合に、電動モータの回転速度を増速し、
   （カ）始動中のエンジン回転速度が目標回転速度以下であってかつ第２のクラッチのスリップ率が限界値以下でない場合に、第１のクラッチの締結圧を増圧する、
   ことを特徴とするハイブリッド駆動電気車両のエンジン始動制御方法。
2. 目標回転速度は、前記（イ）の第１のクラッチの締結からの経過時間に応じて予め設定された値である、ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド駆動電気車両のエンジン始動制御方法。
3. 第２のクラッチは自動変速機を介して駆動輪に接続される、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のハイブリッド駆動電気車両のエンジン始動制御方法。
4. 電動モータの回転速度を増速した結果、第２のクラッチがスリップ限界に達すると、電動モータの回転速度のそれ以上の増速を停止し、第１のクラッチの締結圧を増圧するようさらに構成された、ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のハイブリッド駆動電気車両のエンジン始動制御方法。
5. エンジンの回転速度が所定の完爆判定速度に達するまで、前記（ウ）から（カ）までの処理を繰り返し実行することを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のハイブリッド駆動電気車両のエンジン始動制御方法。
6. 内燃エンジンと電動モータとを第１のクラッチを介して接続し、電動モータと駆動輪とを第２のクラッチを介して接続したハイブリッド駆動電気車両に適用され、車両の走行中に電動モータの回転トルクで内燃エンジンを始動するハイブリッド駆動電気車両のエンジン始動制御装置において、
   第２のクラッチを半クラッチ状態とする手段と、
   第１のクラッチを所定圧力で締結する手段と、
   第１のクラッチを締結した後のエンジン回転速度をあらかじめ設定された目標回転速度と比較する手段と、
   第２のクラッチのスリップ率が限界値以下かどうかを判定する手段と、
   エンジン回転速度が目標回転速度以下であってかつ第２のクラッチのスリップ率が限界値以下の場合に、電動モータの回転速度を増速する手段と、
   エンジン回転速度が目標回転速度以下であってかつ第２のクラッチのスリップ率が限界値以下でない場合に、第１のクラッチの締結圧を増圧する手段と、
   を備えたことを特徴とするハイブリッド駆動電気車両のエンジン始動制御装置。

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