JP5164060B2

JP5164060B2 - ハイブリッド車両用動力発生機関の制御装置

Info

Publication number: JP5164060B2
Application number: JP2007263917A
Authority: JP
Inventors: 田圭司門
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2027-10-10
Also published as: JP2009090834A; KR100992777B1; KR20090037269A

Description

本発明は、ハイブリッド車両用動力発生機関の制御装置に係り、さらに詳しくは、目標とするハイブリッドシステムの動作状態を精度良く実現するための回転数の制御を高めた、ハイブリッド車両用動力発生機関の制御装置に関する。

エンジンと２つの電動発電機による動力を遊星歯車装置により合成して駆動軸に出力するシリーズパラレルハイブリッドシステムは、定常的に目的とする運転状態に制御するにあたり、従来、エンジンは目的とするトルク出力にオープンループ制御し、電動発電機は目的とする回転数になるように回転数フィードバック制御を行っていた。

しかし、エンジン出力トルクを増大させていくとき電動発電機が過回転に至ってしまう場合や、高負荷運転中にエンジン回転数を下げようとしても下がらないなど、電動発電機のトルク調整だけでは十分な応答性、収束性が得られないことがあった。

すなわち、当該システムに於ける各機器の回転数の関係についてみると、当該システムは、エンジンの駆動トルクを駆動輪に伝達するために、反力としての電動発電機の制動トルク（電動発電機が発電を行い負のトルクを発生させる）が無くては伝達する事が出来ない。

そのため、電動発電機の制動トルクの大きさとエンジン出力トルクの大きさとの関係が、当該システムの応答性の良し悪し、コントロール不能、等に大いに関わってくるものである。

エンジンの遊星歯車装置のサンギヤに対するトルクが電動発電機のサンギヤに対する最大（制動）トルクよりも小さい場合には、当該システムの応答性は良いが、両者のトルクが接近してくると応答性が悪くなり、トルクの大きさが逆転するとコントロール不能となる。

動力発生機関をある低出力な運転点から、電動発電機の出力限界に近い目標運転点に移行しようとしたとき、制御的オーバーシュートなどにより、電動発電機が出力できない領域に達してしまうと、電動発電機の出力調整限度を超えているため、電動発電機の出力調整だけでは目標運転点の回転数に戻すことができない。

また、逆にエンジン回転数を電動発電機の出力限界に近い運転点から低出力な運転点に下げようとしても、電動発電機の出力限度近くで運転している場合、トルク出力の余力が小さく、エンジン出力トルクに打ち勝ってエンジン回転数を下げるには時間が掛かり、応答が悪くなる。

応答性を良くするためにトルクの大きな電動発電機を搭載すれば問題は解決するが、そのためには電動発電機が大きくなり、コスト高、重量増となる問題がある。

特開平１１−１１７７８２

以上のように、シリーズパラレルハイブリッドシステムを従来の制御方法で制御すると、応答性が劣る場合や制御不能をカバーするために、電動発電機の能力（及び大きさ・重量）が大きい物が必要となると言う課題がある。

従って、本発明の目的は、ハイブリッド車両の応答性を向上させ、また電動発電機の能力（及び大きさ・重量）を減少させ、ひいては燃費・動力性能の向上および振動騒音の低減に寄与するハイブリッド車両用動力発生機関の制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明によるハイブリッド車両用動力発生機関の制御装置は、（１）エンジン、エンジン回転数計測手段、及びエンジン制御手段よりなるエンジンシステムと、（２）第１電動発電機、第１電動発電機回転数計測手段、第１電動発電機制御手段よりなる第１電動発電機システムと、（３）第２電動発電機、第２電動発電機回転数計測手段、第２電動発電機制御手段よりなる第２電動発電機システムと、（４）エンジン、第１電動発電機および第２電動発電機それぞれの発生動力を合成する遊星歯車機構と、（５）蓄電装置と、（６）これらを制御する制御装置と、を有して構成され、エンジンの出力軸が遊星歯車のキャリア軸に接続され、第１電動発電機の出力軸が遊星歯車のサンギア軸に接続され、第２電動発電機の出力軸が遊星歯車のリングギア軸に接続され、遊星歯車リングギア軸がディファレンシャルギアを介して車両の駆動輪にそれぞれ接続されたハイブリッド車両用動力発生機関の制御装置において、制御装置は、要求される動力を得るためにエネルギー効率を計算して目標運転点を選定し、エンジン目標回転数及びエンジン目標トルクを決定する目標運転点決定器を有し、第１電動発電機の実回転数とエンジン目標回転数及び第２電動発電機実回転数より求められる第１電動発電機の目標回転数との回転数差分を入力すると、エンジントルク指令が決定されるエンジンＰＩＤ補償器、及び第１電動発電機トルク指令が決定される第１電動発電機ＰＩＤ補償器、をさらに含むことを特徴とする。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明する。以下の実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明を限定するものではない。

図１は、本発明のハイブリッド車両における動力発生機関の概略を示す図である。図１に示すように、本発明におけるハイブリッド車両の動力発生機関１００は、燃料を燃焼して動力を出力するエンジン１、その回転数を計測するエンジン回転数計測手段、及びエンジンの出力を制御するエンジン制御手段（図示せず）と、キャリア２、遊星歯車３、サンギア４、及びリングギア５からなる遊星歯車機構１３と、第１電動発電機（ＭＧ１）６、その回転数を計測する第１電動発電機回転数計測手段、及びその出力を制御する第１電動発電機制御手段（図示せず）と、第２電動発電機（ＭＧ２）７、その回転数を計測する第２電動発電機回転数計測手段、及びその出力を制御する第２電動発電機制御手段（図示せず）と、インバータ８、９と、これらエンジン、電動発電機ＭＧ１、ＭＧ２の発生動力を遊星歯車機構１３を用いて合成する動力合成装置と、蓄電装置１０と、動力伝達機構１１、及び車軸１２と、これらを制御する制御装置１４と、を有して構成されている。

エンジン１の出力は、クランクシャフトを介した出力軸から遊星歯車のキャリア軸に接続され、第１電動発電機（ＭＧ１）６の出力は、その出力軸からサンギア軸に接続され、第２電動発電機（ＭＧ２）７の出力の出力は、その出力軸からリングギア軸に接続される。リングギア軸は第２電動発電機（ＭＧ２）７の出力軸だけでなく、ディファレンシャルギア等の動力伝達機構１１及び車軸を介して車両の駆動輪に接続され、サンギア軸は第１電動発電機（ＭＧ１）６のみに接続されている。

遊星歯車機構１３は、サンギア４とリングギア５からなる同軸の２つのギアと、サンギア４とリングギア５との間に配置されてサンギア４の外周を自転しながら公転する複数の遊星歯車３と、遊星歯車３の公転運動を拾うキャリア２と、を有して構成される。サンギア４は、キャリア軸に軸中心を貫通された中空のサンギア軸を介して第１電動発電機（ＭＧ１）６のロータに結合され、リングギア５は、リングギア軸を介して第２電動発電機（ＭＧ２）７のロータに結合されている。遊星歯車３は、その回転軸を軸支するキャリア２を介してキャリア軸に結合され、キャリア軸はエンジン１のクランクシャフトを介した出力軸に結合されている。

エンジン１は、エンジン回転数計測手段及びエンジン制御手段を有し、第１電動発電機（ＭＧ１）６は、第１電動発電機回転数計測手段及び第１電動発電機制御手段を有し、第２電動発電機（ＭＧ２）７は、第２電動発電機回転数計測手段及び第２電動発電機制御手段を有している。
それぞれの回転数は、それぞれ遊星歯車のキャリア軸、サンギア軸、リングギア軸の回転数センサにより求められる。エンジン制御手段は、制御装置１４から出力されるエンジントルク制御信号に従いスロットル開度等を制御してエンジン出力を制御し、電動発電機制御手段は、制御装置１４から出力される電動発電機トルク制御信号に従い、インバータを通じ電流を制御して電動発電機をトルク制御する。

図２及び図３は、本発明のハイブリッド車両における動力発生機関の制御装置１４におけるエンジントルク指令及び電動発電機トルク指令を決定する方法についての説明図である。

まず、目標運転点決定器でエンジン目標回転数Ｒｅｔ及びエンジン目標トルクＴｅｔが決定され、出力される。

目標運転点決定器では、一般的には、車速とアクセル開度から要求トルクが決定され、この要求トルクと車速に基づいて要求動力が決定され、その要求動力を得るのに最適な回転数とトルクの組合せとして目標運転点を決定している。

目標運転点は、エンジン効率の最も高い点を選択するものであり、ハイブリッド車両の場合は、さらに電動発電機からの電力を動力に変換する、又は電力を蓄積する、及び動力への再変換過程でのエネルギー損失等を考慮して、全体的な動力効率から決定することが望まれる。

この目標運転点決定方法として、考えられる運転状態を、エンジントルクとエンジン回転数の関数で示すマトリックスから運転可能範囲を決め、この運転可能範囲にある各運転点からハイブリッド車両の動力伝達系統全体のシステム効率を計算し、運転可能範囲に対応して計算されたシステム効率のなかで最高効率が計算される運転点を選定する。

この方法に関しては、本願の出願人により、特願２００７−１２６３８３の明細書に詳しく記載されている。

目標運転点決定器で決定されたエンジン目標回転数Ｒｅｔを、第２電動発電機ＭＧ２の実回転数Ｒｍｒを用い、計算式［１］により第１電動発電機ＭＧ１の目標回転数Ｒｇｔに換算する。

次に、この第１電動発電機ＭＧ１の目標回転数Ｒｇｔと第１電動発電機ＭＧ１実回転数Ｒｇｒとの差分を、エンジンＰＩＤ補償器と第１電動発電機ＰＩＤ補償器に入力し、それぞれエンジントルク指令と第１電動発電機トルク指令を決定する。

エンジントルク指令とエンジン目標トルクＴｅｔの和が、エンジントルク制御信号としてエンジンの制御手段に出力される。

一方、計算式［２］により、エンジン目標トルクＴｅｔから換算された第１電動発電機ＭＧ１目標トルクＴｇｔと第１電動発電機トルク指令の和は、第１電動発電機トルク制御信号として電動発電機の制御手段に出力される。

ここで、図３に示すように、エンジン出力トルクは、ＰＩＤ補償器により、回転数差分のＰＩＤ制御積分項出力（１／ｓ）が０より大きいとき、増加がないように制御されることが好ましい。

以上のように、本願発明のハイブリッド車両用動力発生機関の制御装置によりハイブリッドシステム構成要素の回転数制御性を高めた結果、エンジン出力トルクを増大させていくとき電動発電機が過回転に至ってしまうことや、高負荷運転中にエンジン回転数を下げようとしても下がらないなどといった応答性の悪さが解消され、電動発電機を大きくすることによるコスト高、重量増の問題もなく、逆に、電動発電機の大きさと重量を約２０％減少させ、燃費・動力性能の向上および振動騒音の低減に寄与することができる。これは、自動車工業に大きく寄与するものである。

本発明のハイブリッド車両における動力発生機関の概略を示す図である。本発明の動力発生機関の制御装置における制御のフローチャートである。本発明の動力発生機関の制御装置におけるエンジンＰＩＤ補償器の制御のフローチャートである。

符号の説明

１エンジン
２キャリア
３遊星歯車
４サンギア
５リングギア
６第１電動発電機（ＭＧ１）
７第２電動発電機（ＭＧ２）
８、９インバータ
１０蓄電装置
１１動力伝達機構
１２車軸
１３遊星歯車機構
１４制御装置
１００動力発生機関
Ｔｅｔエンジン目標トルク
Ｒｅｔエンジン目標回転数
Ｔｇｔ第１電動発電機目標トルク
Ｒｇｔ第１電動発電機目標回転数
Ｒｅｒエンジン実回転数
Ｒｇｒ第１電動発電機実回転数
Ｒｍｒ第２電動発電機実回転数

Claims

（１）エンジン、エンジン回転数計測手段、及びエンジン制御手段よりなるエンジンシステムと、
（２）第１電動発電機、第１電動発電機回転数計測手段、第１電動発電機制御手段よりなる第１電動発電機システムと、
（３）第２電動発電機、第２電動発電機回転数計測手段、第２電動発電機制御手段よりなる第２電動発電機システムと、
（４）前記エンジン、前記第１電動発電機および前記第２電動発電機それぞれの発生動力を合成する遊星歯車機構と、
（５）蓄電装置と、
（６）これらを制御する制御装置と、を有して構成され、
前記エンジンの出力軸が遊星歯車のキャリア軸に接続され、
前記第１電動発電機の出力軸が前記遊星歯車のサンギア軸に接続され、
前記第２電動発電機の出力軸が前記遊星歯車のリングギア軸に接続され、
前記遊星歯車リングギア軸がディファレンシャルギアを介して車両の駆動輪にそれぞれ接続されたハイブリッド車両用動力発生機関の制御装置において、
前記制御装置は、要求される動力を得るためにエネルギー効率を計算して目標運転点を選定し、エンジン目標回転数及びエンジン目標トルクを決定する目標運転点決定器を有し、
前記第１電動発電機の実回転数と前記エンジン目標回転数及び前記第２電動発電機実回転数より求められる前記第１電動発電機の目標回転数との回転数差分を入力すると、エンジントルク指令が決定されるエンジンＰＩＤ補償器、及び第１電動発電機トルク指令が決定される第１電動発電機ＰＩＤ補償器、をさらに含むことを特徴とするハイブリッド車両用動力発生機関の制御装置。