JP5273305B2 - クランキングトルク制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばハイブリッド自動車等のエンジン及びモータを備える車両において、モータによりエンジンがクランキングされる際におけるモータのクランキングトルクを制御するクランキングトルク制御装置の技術分野に関する。

この種の装置として、例えば、バッテリの過大な電力による充放電を抑制するために、バッテリに入出力される入出力電力からモータに入出力される想定電力を減じて計算した電力偏差に対してなまし処理を施し、該電力偏差と、バッテリの入出力制限都とに基づいて入出力許容制限を設定する装置が提案されている（特許文献１参照）。

或いは、ＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）走行モードからＨＶ（Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）走行モードへの切換え要求を受けると、エンジンをクランキングするようにモータ・ジェネレータを駆動する装置が提案されている。ここでは特に、バッテリの直流電圧が下限電圧を下回らないように放電許容電力を導出し、モータ・ジェネレータの消費パワーが放電許容電力を超えないようにトルク指令値を調整することが記載されている。また、ＨＶ走行モードへの切換え要求後の所定時間内に、アクセル開度が所定の基準値に達した場合には、下限電圧を一時的にかさ上げすることが記載されている（特許文献２参照）。

特開２００６−０９４６９１号公報 特開２００９−１６６５１３号公報

上述した背景技術では、例えばバッテリ残量が比較的少ない場合や、機関温度が比較的低い場合等に、バッテリ残量が下限制限値を下回ると、バッテリの保護が優先される結果、予期せぬエンジンストールを招く可能性があるという技術的問題点がある。

本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリの電圧が該バッテリの下限電圧を下回らないようにしつつ、予期しないエンジンストールの発生を抑制することができるクランキングトルク制御装置を提供することを課題とする。

本発明のクランキングトルク制御装置は、上記課題を解決するために、エンジンと、前記エンジンに連結されると共に、前記エンジンをクランキング可能なモータと、前記モータに電力を供給可能なバッテリと、を備えるハイブリッド車両に搭載され、前記モータが前記エンジンをクランキングする際に、前記エンジンの回転変動に起因する消費電力の変動量を予測し、前記予測された変動量に応じて、前記バッテリの出力可能電力の上限値を補正する補正手段を備える。

本発明のクランキングトルク制御装置によれば、当該クランキングトルク制御装置は、エンジンと、該エンジンに連結されると共に、該エンジンをクランキング可能なモータと、該モータに電力を供給可能なバッテリと、を備えるハイブリッド車両に搭載されている。ここで、「モータ」は、エンジン制御用のモータを意味するが、モータ・ジェネレータ（電動発動機）において実現されるモータであってもよい。即ち、モータとして機能し得る限りにおいて、モータ・ジェネレータを意味してもかまわない。

例えばメモリ、プロセッサ等を備えてなる補正手段は、モータがエンジンをクランキングする際に（即ち、エンジンの始動時に）、エンジンの回転変動に起因する消費電力の変動量を予測し、該予測された変動量に応じて、バッテリの出力可能電力の上限値を補正する。ここで、「エンジンの回転変動に起因する消費電力の変動量」は、主に、エンジンの回転数が共振回転数帯を通過する際の回転変動に起因する消費電力の変動量を意味する。

本願発明者の研究によれば、以下の事項が判明している。即ち、バッテリの電圧が、予め設定された下限電圧値を下回ってしまうと、バッテリの急速な劣化を招く可能性がある。このため、バッテリの電圧が下限電圧値を下回らないように、バッテリから出力される電力が制限されることが多い。すると、バッテリの出力電力が絞られることに起因して、モータのクランキングトルクが低下し、この結果、下支えトルクの減少に伴いエンジンの回転数が減少し、予期せぬエンジンストールに至る可能性がある。この可能性は、エンジンの回転数の変動が比較的大きくなる共振回転数帯において高くなる。

そこで本発明では、上述の如く、補正手段により、モータがエンジンをクランキングする際に、エンジンの回転変動に起因する消費電力の変動量が予測され、該予測された変動量に応じて、バッテリの出力可能電力の上限値が補正される。具体的には例えば、補正手段により、エンジンの回転変動に起因する消費電力の変動量に応じたマージンを持つように、バッテリの出力可能電力の上限値が補正される。

このため、例えば共振回転数帯に起因してエンジンの回転数に変動が生じたとしても、バッテリの電圧が下限電圧値を下回ることを防止することができると共に、予期しないエンジンストールの発生を抑制することができる。

本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。

本発明の実施形態に係るハイブリッド車両の構成を示す概略図である。 本発明の実施形態に係るクランキングトルク制御処理を示すフローチャートである。 （ａ）は、バッテリ残容量と、バッテリ温度と、出力可能電力との関係の一例であり、（ｂ）は、エンジン温度と要求クランキングトルクとの関係の一例である。 比較例に係るエンジン回転数等の時間変動の一例である。 本発明の実施形態に係るエンジン回転数等の時間変動の一例である。

以下、本発明に係るクランキングトルク制御装置の実施形態を、図面に基づいて説明する。

（車両の構成）
本実施形態に係るハイブリッド車両の構成について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るハイブリッド車両の構成を示す概略図である。尚、図１では、本発明と直接関連のある部材のみを示し、その他の部材については適宜省略している。

図１において、ハイブリッド車両１は、エンジン１１と、該エンジン１１の出力軸としてのクランク軸１２に、ダンパ１３を介して接続された３軸式の動力分配機構１４と、該動力分配機構１４に接続された発電可能なモータ・ジェネレータＭＧ１と、変速機１５を介して動力分配機構１４に接続されたモータ・ジェネレータＭＧ２と、モータ・ジェネレータＭＧ１及びＭＧ２各々に対して電力を供給可能、且つモータ・ジェネレータＭＧ１及びＭＧ２各々の回生電力により充電可能に構成されているバッテリ２１と、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：電子制御ユニット）２２と、を備えて構成されている。

エンジン１１は、例えばガソリン等の燃料により動力を出力する内燃機関である。該エンジン１１は、ＥＣＵ２２により、例えば燃料噴射制御、点火制御、吸入空気量調節制御、等の運転制御を受けている。

動力分配機構１４は、サンギヤ１４１と、該サンギヤ１４１と同心円上に配置されたリングギヤ１４４と、サンギヤ１４１に噛合すると共に、リングギヤ１４４にも噛合する複数のピニオンギヤ１４２と、該複数のピニオンギヤ１４３を自転且つ公転自在に保持するキャリア１４３とを備える。即ち、動力分配機構１４は、サンギヤ１４１、リングギヤ１４４及びキャリア１４３を回転要素として差動作用を行う遊星歯車機構として構成されている。

サンギヤ１４１には、モータ・ジェネレータＭＧ１が接続されている。キャリア１４３には、ダンパ１３を介してエンジン１１のクランク軸１２が接続されている。リングギヤ１４４には、リングギヤ軸１４４ａを介して変速機１５が接続されている。

モータ・ジェネレータＭＧ１が発電機として機能するときには、動力分配機構１４は、キャリア１４３から入力されるエンジン１１からの動力をサンギヤ１４１側とリングギヤ１４４側とに、そのギヤ比に応じて分配する。

他方、モータ・ジェネレータＭＧ１が電動機として機能するときには、動力分配機構１４は、キャリア１４３から入力されるエンジン１１からの動力と、サンギヤ１４１から入力されるモータ・ジェネレータＭＧ１からの動力と、を統合してリングギヤ１４４側に出力する。リングギヤ１４４に出力された動力は、リングギヤ軸１４４ａからギヤ機構１７、デファレンシャルギヤ１８を介して駆動輪１９に出力される。

変速機１５は、モータ・ジェネレータＭＧ２の回転軸１６とリングギヤ軸１４４ａとの接続及び該接続の解除を実行可能に構成されている。

尚、本実施形態に係る「モータ・ジェネレータＭＧ１」は、本発明に係る「モータ」の一例である。

（クランキングトルク制御装置）
以上のように構成されたハイブリッド車両１に搭載されるクランキングトルク制御装置１００は、モータ・ジェネレータＭＧ１がエンジン１１をクランキングする際に、該エンジン１１の回転変動に起因する消費電力の変動量を予測し、該予測された変動量に応じて、バッテリ２１の出力可能電力の上限値を補正するＥＣＵ２２を備えて構成されている。

クランキングトルク制御装置１００は、バッテリ２１の端子間電圧を検出する電圧センサ２３と、バッテリ２１に入出力される電流を検出する電流センサ２４と、バッテリ２１の温度を検出する温度センサ２５と、エンジン１１の温度を検出する温度センサ２６と、を更に備えて構成されている。

本実施形態に係る「ＥＣＵ２２」は、本発明に係る「補正手段」の一例である。つまり、本実施形態では、ハイブリッド車両１の各種電子制御用のＥＣＵ２２の機能の一部を、クランキングトルク制御装置１００の一部として利用している。

（クランキングトルク制御処理）
エンジン１１が始動される際（例えば、ＥＶ走行モードからＨＶ走行モードへ移行する際等）に、クランキングトルク制御装置１００が実行するクランキングトルク制御処理について、図２のフローチャートを参照して説明する。このクランキングトルク制御処理は、エンジン１１が始動される際に、所定時間毎（例えば、数ｍｓｅｃ（ミリ秒）毎）に繰り返し実行される。

図２において、先ず、クランキングトルク制御装置１００の一部としてのＥＣＵ２２は、電圧センサ２３により検出されたバッテリ２１の端子間電圧を取得する（ステップＳ１０１）。

続いて、ＥＣＵ２２は、バッテリ２１の状態に基づいて、入出力電力Ｗｉｎ、Ｗｏｕｔを算出する（ステップＳ１０２）。具体的には例えば、ＥＣＵ２２は、取得されたバッテリ２１の端子間電圧により特定されるバッテリ２１の残容量（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：ＳＯＣ）、温度センサ２５により検出されたバッテリ２１の温度等に基づいて、入出力電力Ｗｉｎ、Ｗｏｕｔを算出する。尚、バッテリ２１の残容量は、電流センサ２４により検出された電流値が積算されることによって特定されてもよい。

次に、ＥＣＵ２２は、バッテリ２１の出力可能電力に起因して、エンジン１１の回転数が比較的長い期間、共振帯に留まるか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ２２は、下記のステップＳ１０３乃至Ｓ１０５の判定処理を実行する。尚、ステップＳ１０３乃至Ｓ１０５の処理は、図２に記載されている順番に限らず、どの処理から実行されてもよい。

ＥＣＵ２２は、バッテリ２１の残容量が第１閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。ここで、「第１閾値」は、実験的若しくは経験的に、又はシミュレーションによって、例えば、バッテリの残容量と、エンジンの回転数が共振帯域を超えるために費やされる時間との関係を求め、該求められた関係に基づいて、共振帯域を超えるまでに費やされる時間が許容範囲の上限値となるようなバッテリの残容量として設定すればよい。

バッテリ２１の残容量が第１閾値以下であると判定された場合（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ２２は、バッテリ２１の温度が第２閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。ここで、「第２閾値」は、実験的若しくは経験的に、又はシミュレーションによって、例えば、（ｉ）バッテリの温度と、（ｉｉ）該バッテリが出力可能な電力と、（ｉｉｉ）エンジンの回転数が共振帯域を超えるために費やされる時間と、の関係を求め、該求められた関係に基づいて、共振帯域を超えるまでに費やされる時間が許容範囲の上限値となるような出力可能電力に対応するバッテリの温度として設定すればよい。

バッテリ２１の温度が第２閾値以下であると判定された場合（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ２２は、機関温度（ここでは、温度センサ２６により検出されたエンジン１１の温度）が第３閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。ここで、「第３閾値」は、実験的若しくは経験的に、又はシミュレーションによって、例えば、（ｉ）機関温度と、（ｉｉ）該機関に係るフリクションと、（ｉｉｉ）エンジンの回転数が共振帯域を超えるために費やされる時間と、の関係を求め、共振帯域を超えるまでに費やされる時間が許容範囲の上限値となるようなフリクションに対応する機関温度として設定すればよい。

機関温度が第３閾値以下であると判定された場合（即ち、ステップＳ１０３乃至ステップＳ１０５の判定処理の結果が全て“Ｙｅｓ”であった場合）（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ２２は、バッテリ２１の出力可能電力に起因して、エンジン１１の回転数が比較的長い期間、共振帯に留まると判定する。そして、ＥＣＵ２２は、エンジン１１の回転数が共振帯に滞留することに起因する、バッテリ２１の出力変動ｓｐｒｅｓｏを算出する（ステップＳ１０６）。

ここで、出力変動ｓｐｒｅｓｏの算出方法の一具体例について、図３を参照して説明する。図３（ａ）は、バッテリ残容量と、バッテリ温度と、出力可能電力との関係の一例であり、図３（ｂ）は、エンジン温度と要求クランキングトルクとの関係の一例である。尚、クランキングトルク制御装置１００の一部としてのＥＣＵ２２は、図３（ａ）及び（ｂ）に示した関係をマップとして予め格納している。

ＥＣＵ２２は、バッテリ２１の残容量と、バッテリ２１の温度とに基づいて、バッテリ２１の出力可能電力（モータ・ジェネレータＭＧ１の出力トルクに比例）を特定する。ＥＣＵ２２は、更に、エンジン１１の温度に基づいて、要求クランキングトルクを特定する。

次に、ＥＣＵ２２は、モータ・ジェネレータＭＧ１の出力トルクに対応する特定された出力可能電力と、特定された要求クランキングトルクとの釣り合いを考慮して、目標クランキング回転数を特定する。

特定された目標クランキング回転数が共振帯域に該当する場合、ＥＣＵ２２は、例えば下記式により、本発明に係る「エンジンの回転変動に起因する消費電力の変動量」の一例としての、出力変動ｓｐｒｅｓｏを算出する。
出力変動ｓｐｒｅｓｏ＝（変動上限回転数−変動下限回転数）×トルク×円周率×２
尚、「変動上限回転数」及び「変動下限回転数」は、ハイブリッド車両１の動力伝達系の構造に依存するため、設計段階において予測可能であることが、本願発明者の研究により判明している。

再び、図２に戻り、ＥＣＵ２２は、ステップＳ１０２の処理で算出された出力電力Ｗｏｕｔと、ステップＳ１０６の処理で算出された出力変動ｓｐｒｅｓｏとに基づいて、出力許容制限Ｗｏｕｔｆ´を算出する（ステップＳ１０７）。具体的には例えば、ＥＣＵ２２は、出力電力Ｗｏｕｔから出力変動ｓｐｒｅｓｏを差し引くことによって、出力許容制限Ｗｏｕｔｆ´を算出する。

次に、ＥＣＵ２２は、算出された出力許容制限Ｗｏｕｔｆ´に基づいて、上限出力トルク（即ち、出力許容制限Ｗｏｕｔｆ´に対応するトルク）と、下限出力トルクとを算出する（ステップＳ１０８）。続いて、ＥＣＵ２２は、上限出力トルク及び下限出力トルクの範囲内で目標トルクを算出する（ステップＳ１０９）。

他方、上述したステップＳ１０３乃至ステップＳ１０５の判定処理のいずれかの結果が“Ｎｏ”であった場合（即ち、（ｉ）バッテリ２１の残容量が第１閾値より大きい、（ｉｉ）バッテリ２１の温度が第２閾値より高い、又は（ｉｉｉ）機関温度が第３閾値より高い、と判定された場合）、ＥＣＵ２２は、エンジン１１の回転数が共振帯に滞留しないと判定する。そして、ＥＣＵ２２は、電力偏差（即ち、所定時間前における、モータ・ジェネレータＭＧ１のトルクと、エンジン１１の回転数と、に応じた消費電力）に基づいて入出力許容制限Ｗｉｎｆ、Ｗｏｕｔｆを算出する（ステップＳ１１０）。

尚、入出力許容制限Ｗｉｎｆ、Ｗｏｕｔｆの算出方法には、公知の各種態様を適用可能であるので、その詳細についてはここでは割愛する。

次に、ＥＣＵ２２は、算出された入出力許容制限Ｗｉｎｆ、Ｗｏｕｔｆに基づいて、上限出力トルク及び下限出力トルクを算出し（ステップＳ１０８）、目標トルクを算出する（ステップＳ１０９）。

次に、クランキングトルク制御装置１００の効果について、図４及び図５を参照して説明する。図４は、比較例に係るエンジン回転数等の時間変動の一例であり、図５は、本実施形態に係るエンジン回転数等の時間変動の一例である。

本実施形態の比較例に係るクランキングトルク制御装置の動作について、図４を参照して説明する。ここで、比較例に係るクランキングトルク制御装置は、電力偏差に基づいたバッテリ２１の出力制限のみを実行する。

図４において、時刻ｔ１に、例えば共振によりエンジン１１の回転数が上昇したとする（図４の最上段参照）。すると、時刻ｔ１から所定時間遅れた時刻ｔ２に、エンジン１１の回転数上昇に伴い、モータ・ジェネレータＭＧ１の回転数が上昇したことによって、バッテリ２１の端子間電圧が下限電圧を下回ってしまう（図４の上から２段目参照）。

このため、ＥＣＵ２２は、バッテリ２１保護の観点から、時刻ｔ３において、バッテリ２１の出力制限を厳しくする（図４の下から２段目参照）。すると、時刻ｔ３から所定時間遅れた時刻ｔ４に、モータ・ジェネレータＭＧ１のクランキングトルクが低下する（図４の最下段参照）。

この結果、モータ・ジェネレータＭＧ１による下支えトルクが減少するので、エンジン１１の回転数が低下してしまう（図４の最上段、時刻ｔ５参照）。モータ・ジェネレータＭＧ１のクランキングトルクが低下したことによって、バッテリ２１の端子間電圧が下限電圧よりも大きくなる（図４の上から２段目、時刻ｔ６参照）が、エンジン１１はストールしてしまう。

他方、本実施形態に係るクランキングトルク制御装置１００では、エンジン１１の始動時に、エンジン１１の回転数が共振帯域に滞留することが予測される場合、上述の如く、出力電力Ｗｏｕｔから出力変動ｓｐｒｅｓｏだけ差し引いた値（即ち、出力許容制限Ｗｏｕｔｆ´）が上限出力とされる。

つまり、本実施形態では、図５の下から２段目に示すように、本来の出力電力の上限値（図５の下から２段目における破線参照）から、共振等によるエンジン１１の回転変動に起因する電力の変動分である出力変動ｓｐｒｅｓｏだけ差し引かれた値が上限出力とされている（図５の下から２段目における実線参照）。

このため、エンジン１１の回転数が、共振帯域において変動したとしても（図５の最上段における実線参照）、バッテリ２１の端子間電圧が下限電圧を下回ることを防止することができる（図５の上から２段目における実線参照）。加えて、モータ・ジェネレータＭＧ１のクランキングトルクの変化を抑制することができる（図５の最下段における実線参照）。

この結果、本実施形態に係るクランキングトルク制御装置１００によれば、バッテリ２１の端子間電圧が該バッテリ２１の下限電圧を下回らないようにしつつ、予期しないエンジンストールの発生を抑制することができる。

尚、図５における破線は、比較例に係るエンジン回転数等の時間変動を示している。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うクランキングトルク制御装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１…ハイブリッド車両、１１…エンジン、１４…動力分配機構、１５…変速機、２１…バッテリ、２２…ＥＣＵ、ＭＧ１、ＭＧ２…モータ・ジェネレータ

Claims (1)

1. エンジンと、前記エンジンに連結されると共に、前記エンジンをクランキング可能なモータと、前記モータに電力を供給可能なバッテリと、を備えるハイブリッド車両に搭載され、
   前記モータが前記エンジンをクランキングする際に、前記ハイブリッド車両に係る共振帯域における前記エンジンの回転変動に起因する消費電力の変動量を予測し、前記予測された変動量に応じて、前記バッテリの出力可能電力の上限値を補正する補正手段を備える
   ことを特徴とするクランキングトルク制御装置。

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