JP5234396B2 - ハイブリッド電気車両のエンジン停止位置の制御方法 - Google Patents

ハイブリッド電気車両のエンジン停止位置の制御方法 Download PDF

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Description

本発明はハイブリッド電気車両のエンジン停止位置の制御方法に係り、更に詳しくは、エンジンを起動させることのできるモータを有するハイブリッド電気車両において、初期エンジン始動及び走行中のエンジン再始動時に吸気の圧縮、膨張過程で発生するトルク脈動を最小にし、また、エンジン起動時に発生する振動を最大限抑制するためにエンジン停止時にクランクシャフトの位置を一定に制御するための方法に関する。
一般に、広い意味のハイブリッド車両は、互いに異なる2種類以上の動力源を効率的に組み合わせて車両を駆動させることを意味するが、殆どの場合、燃料を使用するエンジンとバッテリーの電力により駆動される電気モータにより駆動力を得る車両を意味し、これをハイブリッド電気車両、即ち、HEV(Hybrid Electric Vehicle)と呼んでいる。
最近、燃費を改善して、環境に優しい製品を開発しなければならないという時代的要請に応じて、ハイブリッド電気車両の研究が活発に行われている。ハイブリッド電気車両は、エンジンと電気モータを動力源として多様な構造を形成することができるが、現在まで研究されている大部分の車両は、並列型や直列型のうち一つを採択している。
ハイブリッド電気車両には、基本的に車両全般の制御を担当する車両制御装置(Hybrid Control Unit、HCU)が搭載されており、また、システムを構成する各装置別に制御装置を備えている。例えば、エンジン作動の全般を制御するエンジン制御装置(Engine Control Unit、ECU)、電気モータ作動の全般を制御するモータ制御装置(Motor Control Unit、MCU)変速機を制御する変速機制御装置(Transmission Control Unit、TCU)、バッテリーの作動を制御するバッテリー管理システム(Battery Management System、BMS)、室内温度の制御を担当するエアコン制御装置(Full Auto Temperature Controller、FATC)などである。
このような制御装置はHCUを中心に高速CAN通信ライン(例、500kbps)にて連結され、制御装置相互間で情報を伝達し合いながら上位制御装置は下位制御装置に命令を伝達するようになっている。このように、ハイブリッド電気車両ではHCUを上位制御装置として複数個の制御装置が相互間で協調制御を行う。
HCUは、各制御装置とCAN通信を通して相互間の情報を交換し、また、下位制御装置を制御する際に、ECUとの間ではHCUがECUからエンジントルク及びエンジン回転数の情報、始動キー情報、スロットル/エンジン水温(冷却水温)情報などの伝達を受けるようになっており、また、HCUがECUに燃料噴射命令、エンジンストップ命令、燃料噴射禁止命令、電気モータ始動情報、アイドリングストップ情報などの伝達を受けるようになっている。
また、HCUは、MCUを通して電気モータの駆動を実質的に制御するが、この時、MCUは、上位制御装置であるHCUから印加される制御シグナルにより駆動源である電気モータの駆動トルクと駆動速度を制御して走行性を維持させる。このように、ハイブリッド電気車両では制御機関の協調制御が非常に重要であり、制御機関の協調制御は始動時から使用者が始動キーをオフにするまで全ての場合に行われている。
図1は、ハイブリッド電気車両の駆動部を示した概略図であり、電気モータ3がクラッチ2を媒介としてエンジン1と連結されており、電気モータ3の出力端が、変速機4に連結されて変速機4を通して駆動力を出力するようになっている。ISG5は、エンジン起動のためのスターター(Starter Motor)の機能とともにバッテリー充電のための発電機の機能を有する一体形スターター及び発電機(Integrated Starter Generator)を示す。
ISG5は、エンジンとベルトにより連結され、エンジンと同時に回転するようになっているため、その回転速度はエンジン速度とプーリー比によって決められ、始動時にエンジンを起動させる機能、走行時にエンジンの回転力によりバッテリー充電のために高電力を発生させる機能、エンジンオフ時にエンジン燃料が遮断(燃料噴射遮断)された状態でエンジンを停止させる機能などを有する。
このようにエンジンを起動させることのできるモータ、即ちISG5を有する通常のハイブリッド電気車両では、エンジン停止時にHCUがエンジンに供給される燃料を遮断(fuel cut)した状態でエンジン停止要請シグナルを出力し、これにISG用MCUが起動用モータであるISGを制御してエンジンを最終停止させる。しかし、エンジンを停止する度にピストン及びシャフトの位置(エンジンの停止位置)が異なるため、その後のエンジン始動のためにISGが一定の起動トルクをエンジンに提供するようになると、エンジンが停止した位置の差によりエンジンのトルク脈動及び振動が発生する。
即ち、エンジン停止位置の差により初期エンジン始動時や走行中のエンジン再始動時に吸気の圧縮、膨張過程でトルク脈動の偏差が発生し、それによりエンジン起動時に振動が発生する。従って、エンジンの振動発生を抑制するためにはエンジンの停止時に停止位置(ピストン及びクランクシャフトの位置)を常に一定に制御する必要がある。エンジン起動初期に発生するトルク脈動はピストンとシリンダー壁面の間に発生する摩擦力(friction force)とピストンの運動により発生するポンプ力により構成される。
摩擦力は表面摩擦係数と潤滑油の温度によって変化するが、エンジン起動のように低い回転領域ではその差が少ない反面、ポンプ力は図2に示すように、初期ピストン起動位置によって大きな差異が発生する。このような変化はエンジン振動を発生させるだけでなく衝撃により運転性を悪化させ、エンジンマウンティングの耐久性に悪影響を及ぼす。そのため、ハイブリッド電気車両でエンジン停止位置を一定に制御し、エンジン起動時に発生するトルク脈動及び振動発生を最小にできる方案が望まれていた。
特開2006−194234号公報 特開平07−075216号公報
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであって、エンジンを起動させることのできるモータを有するハイブリッド電気車両において、初期エンジン始動及び走行中のエンジン再始動時に吸気の圧縮、膨張過程で発生するトルク脈動を最小にし、また、エンジン起動時に発生する振動を最大限抑制するためにエンジン停止時にクランクシャフトの位置を一定に制御することのできる方法を提供することにその目的がある。
本発明は、エンジン速度の制御が可能なモータを有するハイブリッド電気車両のエンジン停止位置の制御方法において、(a)制御部によりエンジン停止時、エンジンに供給される燃料を遮断した状態でモータを通してエンジン速度をエンジン速度減少率1に従って減速制御する段階と、(b)エンジン速度が設定速度1まで減速されると、エンジン速度減少率を低く調整し、モータを通してエンジン速度をエンジン速度減少率2に従って減少制御すると同時に、クランクセンサーおよびカムセンサーのシグナルを処理してクランク位置をモニタリングし、現在のクランク位置が予め設定された目標エンジン停止位置と一致する回数をカウントする段階と、(c)一致する回数が予め設定された回数以上となりながらエンジン速度が設定速度2以下に減速された状態ならば、クランク位置が目標エンジン停止位置と一致する時点でモータを通してエンジンを停止させる段階と、を含むことを特徴とする。
前記(b)段階において、クランクセンサーとカムセンサーのシグナルからクランクセンサーの失歯(missing tooth)を検出し、失歯が検出されると失歯から前記クランクセンサーのシグナルのパルス下降エッジをカウントし、カウントされたパルス下降エッジの個数が目標エンジン停止位置として設定された下降エッジの設定個数になると、現在のクランク位置が目標エンジン停止位置と一致すると判断することが好ましい
前記失歯を検出する過程において、前記カムセンサーのシグナルの下降エッジが入力される時点から前記クランクセンサーのシグナルのパルス下降エッジをカウントし、カウントされた下降エッジの個数が予め設定された設定個数となると、失歯として検出することが好ましい
本発明によるエンジン停止位置の制御方法によると、エンジン停止時にHCUがエンジンに供給される燃料を遮断した状態でクランクセンサーおよびカムセンサーのシグナルを処理してクランク位置をモニタリングし、所定条件を満足するとクランク位置が定められた目標停止位置となる時点で起動用モータを通してエンジンを瞬間停止させることで、その後のエンジン起動時に停止位置の偏差によるトルク脈動およびエンジン振動発生を最大限抑制することができる効果を有する。
以下、本発明による好ましい実施形態としての一実施例について添付図面を参照して詳しく説明する。
実施例は、ハイブリッド電気車両のエンジン停止位置の制御方法に関するもので、エンジンを起動させることのできるモータを有するハイブリッド電気車両において、初期エンジン始動及び走行中のエンジン再始動時に、吸気の圧縮、膨張過程で発生するトルク脈動を最小にし、また、エンジン起動時に発生する振動を最大限抑制するためにエンジン停止時にクランクシャフトの位置を一定に制御するための方法である
従来は、エンジンが停止するごとにピストン及びクランクシャフトの位置(エンジン停止位置)が異なり、このような停止位置の差異により、その後のエンジン始動のためにISGが一定の起動トルクをエンジンに提供すると、エンジンのトルク脈動及び振動が発生する問題があった。従って、エンジンのトルク脈動及び振動の発生を最大限抑制するためには、エンジンが停止するごとにクランクシャフトの停止位置、即ちエンジン停止位置が常に一定の位置となるように制御することが必要であった。
実施例は、エンジンの停止時にクランクシャフトの位置をモニタリングし、所定条件を満足するとクランクシャフトの位置が定められた目標停止位置となる時点で起動用モータ(ISG)によりエンジンを瞬間停止させることで、クランクシャフトの停止位置を常に一定に制御する。図3は本実施例によるエンジン停止位置の制御方法を表した順序図であり、これは本実施例に基づき制御部のエンジン停止位置の制御モジュールが行う制御過程を表したものである。ここで、制御部はハイブリッド電気車両の車両制御装置、即ちHCUのことを言う。
まず、エンジン停止時にHCUがエンジンに供給される燃料を遮断(燃料噴射禁止命令出力、燃料噴射遮断)した状態でエンジンオフフラグ(Engine Off Flag)入力によりHCUの停止位置の制御モジュールが駆動し、エンジンオフ状態に進入すると、停止位置の制御モジュールは、MCU(モータ制御装置)を通して起動用モータ(ISG)を制御してエンジン速度(エンジン回転数、rpm)を予め設定されたエンジン速度減少率1により減少制御する。
その後、現在の実際エンジン速度(もしくはエンジンと連結された起動用モータの速度から計算された推定エンジン速度)が設定速度1と一致すると、即ち、減速制御を通してエンジン速度が設定速度1まで減速されると、停止位置の制御モジュールはクランクセンサー及びカムセンサーのシグナルを処理してクランクシャフトの位置(以下、クランク位置とする)をモニタリングする。
ここで、起動用モータによるエンジン速度減少率を、相対的に低く設定されたエンジン速度減少率2に調整するが、調整されたエンジン速度減少率2によりエンジン速度を起動用モータを通して減速制御し、減速制御が行われる間、クランク位置をモニタリングして現在のクランク位置が予め設定された目標エンジン停止位置と一致する回数をカウントする。
以後、停止位置の制御モジュールは目標エンジン停止位置と一致する回数が予め設定された回数以上であり、減速制御による現在の実際エンジン速度(もしくは起動用モータの速度から計算された推定エンジン速度)が設定速度2以下となると、現在のクランク位置が目標エンジン停止位置と同一となる時点でMCUにエンジン停止要請シグナルを出力する。MCUが起動用モータを制御してエンジンを瞬間停止させた後、エンジンは目標とする停止位置で停止(エンジン速度=0)する。ここで、設定速度2は、起動用モータ(ISG)がトルク脈動に勝ちながらエンジンを一定回転速度に規定することができるエンジン速度に設定されるが、これはHCU内のクランクシグナルの処理が可能な最小エンジン速度である。
上述のように、本実施例ではエンジンオフ時、起動用モータを通してクランク位置が目標エンジン停止位置となるように制御され、エンジンオフの度に記のような制御過程を行い、クランク位置(エンジン停止位置)を常に目標エンジン停止位置に一定に維持させる。
図4は、本実施例による制御過程でエンジン速度が制御される状態を表した概略図である。図4において、‘Eng_rpm’は実際のエンジン速度を、‘Est_Eng_rpm’は起動用モータの速度から計算されたエンジン速度を表し、‘Cntl_St_rpm’は設定速度1を、‘Eng_stp_rpm_min’は設定速度2を表す。エンジン速度を減速制御する間、クランク位置をモニタリングし、現在のクランク位置が目標エンジン停止位置と同一となる回数をカウントする過程については図5及び図6を参照して詳しく説明する。
実施例では、HCUがエンジンのクランクセンサーとカムセンサーのシグナルを利用してクランク位置、即ち、クランクシャフトの位置をモニタリングし、上述のように所定条件を満足するとクランク位置が定められた目標停止位置となる時点で起動用モータを利用してエンジンを停止させる。
図5はVVT(Variable Value Timing)エンジンでクランクセンサー及びカムセンサーのシグナルを表した図面であり、以下、これに関して説明する。一般に、クランクセンサー(クランクポジションセンサー、ckp sensor)のセンサーホイールには58個の歯が形成され、中間の2個の歯(以下、失歯という)は除去されている。エンジン1サイクルでセンサーホイールは2回転(720°)するため、図5に表されるようにクランクセンサーからは2個の失歯部分を除外した総118個のパルスシグナルが出力される。
そして、半月タイプのカムが適用されたエンジンにおいて、カムセンサーのシグナルは図5に示すように、1サイクルの間1回ずつ下降エッジおよび上昇エッジを有するシグナル形態となっている。通常、ECU(エンジン制御装置)では、クランクセンサーのシグナルから失歯を探し、カムセンサーのシグナル変化を利用してエンジンの1番シリンダーを探す過程(synchronization)が行われる。万一、ECUに適用している既存の複雑な過程を本実施例のエンジン停止位置の制御によりHCUにそのまま適用する場合、遂行時間が過多となる現象が発生する。
従って、本実施例ではHCUがエンジン停止位置を制御する際に、エンジン停止時に必要なエンジンの位置情報をクランクセンサーとカムセンサーのシグナルから簡単で迅速に得ることのできる新しい方式が適用される。VVTエンジンでのカム起動を見ると、エンジン停止時にはカムが最大遅角(Max. Retard)位置にあり、エンジン始動が完了しエンジン負荷が増加するに従ってカムの位置が進角(Advance)されて動く。
そして、エンジンが特定負荷条件でトルクを発生させ、車両走行モードがモータ走行モード(EVモード)に転換されると、HCUによりエンジンに供給される燃料がまず遮断され、起動用モータによりエンジンが停止する。エンジン停止時には、燃料噴射が遮断された状態でVVTエンジンのカム位置は図5に示すように、常に最大遅角位置に位置する《クランクセンサーシグナルの一定パルス個数(パルス下降エッジ個数)以前に常にカムセンサーシグナルの下降エッジが位置する》。
このように、オフ時に燃料が遮断されてエンジンでこれ以上トルクが発生しなくなると、カム位置が常に図5に示す最大遅角位置に位置するようになり、これを利用すると、HCUが容易に失歯を検出し、これをエンジン停止位置の制御に必要な同期(synchronization)シグナルとして利用することができる。本実施例では、HCU(停止位置の制御モジュール)が図5に示すようなクランクセンサーおよびカムセンサーのシグナルから失歯を検出するが、ここでHCUはカムセンサーシグナルの下降エッジ入力後、クランクセンサーシグナルのパルス下降エッジの個数をカウントしてカウントされた下降エッジの個数が設定個数1となると、その位置を失歯位置と判断する。
これは前述のとおり、エンジンに供給される燃料が遮断されてエンジンでそれ以上トルクが発生しなくなると、カムは常に最大遅角位置に位置するようになり、この時カムセンサーシグナルの下降エッジが失歯の位置からクランクセンサーシグナルの一定下降エッジの個数以前に常に位置することを利用するものである。HCUは、カムセンサーシグナルの下降エッジ時点からクランクセンサーシグナルの下降エッジの個数が設定個数1となると、失歯の位置と検出し、同期シグナルを発生させた後、クランクセンサーシグナルの下降エッジの個数を再びカウントする。
記設定個数1は予め設定されて入力される固有設定値であり、エンジン別に異なり、カムセンサーシグナルの下降エッジの入力時点からクランクセンサーシグナルの下降エッジ個数が設定個数1となる位置が常に失歯の位置となる。図5の例では、カムセンサーシグナルの下降エッジ以後、クランクセンサーシグナルの下降エッジ4個が入力されると失歯が検出される例であり、この時、設定個数1は4となる。即ち、カムセンサーの下降エッジ入力後、クランクセンサーシグナルの下降エッジ4個が入力されると失歯と判断される。
次に、上述のように失歯が検出されると、検出された失歯からクランクセンサーシグナルの下降エッジを再びカウントし、カウントされた下降エッジの個数が設定個数2となると現在のクランク位置が目標エンジン停止位置と一致すると判断する。ここで、設定個数2は、本発明の制御過程で目標エンジン停止位置を定義する設定値である。例えば設定個数2を10と設定した場合は、失歯検出後、クランクセンサーシグナルの下降エッジ10個が入力される位置が目標エンジン停止位置となり、下降エッジ10個が入力されるクランク位置でエンジンを停止させることを意味する。
また、実際にクランクセンサーのシグナルから下降エッジ10個がカウントされる時、現在のクランク位置が目標エンジン停止位置に到達したことを意味し、次に本実施例の制御過程で失歯検出後、クランクセンサーシグナルの下降エッジをカウントしてその個数が10個となると、現在のクランク位置と目標エンジン停止位置が一致すると判断し、現在のクランク位置が目標エンジン停止位置と一致する回数をカウントする。
そして、エンジン速度が設定速度1から減速制御される間、前述したとおりカウントした回数が予め設定された回数以上となり、エンジン速度(実際のエンジン速度もしくは起動用モータの速度から計算された推定エンジン速度)が設定速度2まで減速されると、即ちエンジン速度が設定速度2以下となると、HCUはクランク位置が目標エンジン停止位置と同一となる時点(失歯検出後、クランクセンサーシグナルの下降エッジが設定個数2となる時点)でMCUを通して起動用モータを制御してエンジンを停止させる。
本実施例では、制御部であるHCUが起動用モータを利用し、エンジン速度をエンジン速度減少率2に従って設定速度1から設定速度2まで減少制御する過程において、HCUは設定速度1から設定速度2までの区間でエンジン速度減少率2による目標エンジン速度を得るために、即ち、図4に表される設定速度1(Cntl_St_rpm)から設定速度2(Eng_stop_rpm_min)までの速度線度によるエンジン速度を得るために、PID制御を行い、この時、冷却水温度により速度の値をマッピングしたマップデータを利用することができる。即ち、HCUが水温センサーにより検出されて入力される現在のエンジン冷却水の温度による速度の値を予め入力されたマップデータから求めた後、これをエンジン速度減少率2に従ってエンジン速度をPID制御するのに利用する。
エンジン摩擦力はエンジン温度、即ち、冷却水の温度に依存する値であるため、HCUがエンジン速度をエンジン速度減少率2に従って設定速度1から設定速度2までPID制御を行う場合、冷却水の温度による速度の値を考慮してエンジン速度を制御すれば、減少制御の間の車両の乗り心地を向上させることができ、更に、最終エンジン停止位置の正確度を向上させることができる。
上記のとおり、本実施例のエンジン停止位置制御方法によると、エンジンが停止するごとにエンジンを常に決められた位置で一定に停止させるとともに、エンジン起動時に起動用モータが一定起動トルクを提供し、また発生していた従来のトルク脈動およびエンジン振動を最大限抑制することができる。以上の説明では、エンジンを停止させるモータを起動用モータとして説明したが、広い意味での前記モータは、エンジン速度を制御することができるモータであり、エンジン起動用モータであるISG、バッテリー充電のための発電機能を有しながらエンジン起動のためのモータとして使用される発電機の機能を有する。
図6は本実施例によるエンジン停止位置の制御方法を適用した際の実験結果を示す図である。太線はクランクセンサーの歯ナンバー(Y軸表示)を表すもので、歯ナンバー0は失歯を表し、この失歯から1サイクル2回転の間、累積カウントされる歯ナンバーが118となり、再び失歯である0になることが分かる。縦状の細線は設定された目標エンジン停止位置を表す。図6の例で、歯数は118個、目標エンジン停止位置を表す設定個数2は10に設定(失歯検出後、下降エッジ10個が入力されるクランク位置が目標エンジン停止位置に設定)されている。
これにより、クランクセンサーシグナルから歯ナンバー0の失歯検出後、下降エッジ10個の入力位置が目標エンジン停止位置と一致する回数、即ち、現在のクランク位置(太線)と目標エンジン停止位置(細線)の一致回数が8回となった時、目標エンジン停止位置(下降エッジ10個の入力位置)でエンジンが停止されることを示している。
ハイブリッド電気車両の駆動部を図示した概略図である。 エンジン停止位置による起動トルクの変化を表した図面である。 本発明によるエンジン停止位置の制御方法を表した順序図である。 本発明による制御過程において、エンジン速度が制御される状態を表した概略図である。 VVTエンジンにおいて、クランクセンサー及びカムセンサーのシグナルを表した図面である。 本発明によるエンジン停止位置の制御方法を適用した時の実験結果を示す図である。
1 エンジン
2 クラッチ
3 電気モータ
4 変速機
5 ISG

Claims (3)

  1. エンジン速度の制御が可能なモータを有するハイブリッド電気車両のエンジン停止位置の制御方法において、
    (a)制御部によりエンジン停止時、エンジンに供給される燃料を遮断した状態でモータを通してエンジン速度をエンジン速度減少率1に従って減速制御する段階と、
    (b)エンジン速度が設定速度1まで減速されると、エンジン速度減少率を低く調整し、モータを通してエンジン速度をエンジン速度減少率2に従って減少制御すると同時に、クランクセンサーおよびカムセンサーのシグナルを処理してクランク位置をモニタリングし、現在のクランク位置が予め設定された目標エンジン停止位置と一致する回数をカウントする段階と、
    (c)一致する回数が予め設定された回数以上となりながらエンジン速度が設定速度2以下に減速された状態ならば、クランク位置が目標エンジン停止位置と一致する時点でモータを通してエンジンを停止させる段階と、を含むことを特徴とするハイブリッド電気車両のエンジン停止位置の制御方法。
  2. 前記(b)段階において、クランクセンサーとカムセンサーのシグナルからクランクセンサーの失歯(missing tooth)を検出し、失歯が検出されると失歯から前記クランクセンサーのシグナルのパルス下降エッジをカウントし、カウントされたパルス下降エッジの個数が目標エンジン停止位置として設定された下降エッジの設定個数になると、現在のクランク位置が目標エンジン停止位置と一致すると判断することを特徴とする請求項1記載のハイブリッド電気車両のエンジン停止位置の制御方法。
  3. 前記失歯を検出する過程において、前記カムセンサーのシグナルの下降エッジが入力される時点から前記クランクセンサーのシグナルのパルス下降エッジをカウントし、カウントされた下降エッジの個数が予め設定された設定個数となると、失歯として検出することを特徴とする請求項2記載のハイブリッド電気車両のエンジン停止位置の制御方法。
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