JP5333267B2

JP5333267B2 - 車両の駆動制御装置

Info

Publication number: JP5333267B2
Application number: JP2010018127A
Authority: JP
Inventors: 英明駒田; 弘章江渕; 岐宣鈴木; 弘達北畠
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2030-01-29
Also published as: JP2011156899A

Description

本発明は、内燃機関に加えて他の駆動源が設けられた駆動装置に適用される車両の駆動制御装置に関する。

動力分割機構のキャリアに内燃機関が、サンギアに第１モータ・ジェネレータが、リングギアに第２モータ・ジェネレータがそれぞれ連結されるとともに、第１モータ・ジェネレータと動力分割機構との間の動力伝達を断続するクラッチが設けられた車両の駆動装置に適用され、第１モータ・ジェネレータを利用して内燃機関を始動させるための始動閾値とその始動閾値よりも小さいクラッチ係合閾値とに基づいて電気走行モードとハイブリッド走行モードとを要求駆動力に応じて切り替える車両の駆動制御装置が知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜５が存在する。

特開２００９−２４８８０１号公報特開２００４−３２２７６１号公報特開２００９−２２７１９５号公報特開平８−２９０７２１号公報特開２００６−２１４５００号公報

電気走行モードとハイブリッド走行モードとを切り替える際に、バッテリの蓄電率を考慮してその蓄電率が高いほど電気走行モードが優先的に実行されるように制御する場合、バッテリの蓄電率が低い場合は蓄電率が高い場合に比べて電気走行モードとハイブリッド走行モードとの切り替え頻度が高くなる。その結果、バッテリの蓄電率が低い場合にクラッチの係合及びその解放が頻繁に行われることになるので、蓄電率が低い場合においてドライバビリティが低下するおそれがある。

そこで、本発明は、バッテリの蓄電率が低い場合におけるドライバビリティの低下を防止できる車両の駆動制御装置を提供することを目的とする。

本発明の車両の駆動制御装置は、内燃機関と、第１モータ・ジェネレータと、車両の駆動輪に動力を出力するための出力部と、前記内燃機関、前記第１モータ・ジェネレータ及び前記出力部のそれぞれが連結される動力分割機構と、前記出力部に連結される第２モータ・ジェネレータと、前記第１モータ・ジェネレータと前記動力分割機構との間の動力伝達を保持する係合状態とその動力伝達を遮断する解放状態との間で動作可能なクラッチと、前記第１モータ・ジェネレータ及び前記第２モータ・ジェネレータのそれぞれと電気的に接続されたバッテリと、を備えた駆動装置に適用される車両の駆動制御装置であって、前記内燃機関の動力を利用して前記第１モータ・ジェネレータに発電させつつ前記内燃機関及び前記第２モータ・ジェネレータの両者を駆動源とするハイブリッド走行モードと前記内燃機関を停止させた状態で前記第２モータ・ジェネレータを駆動源とする電気走行モードとを要求駆動力に応じて選択的に実行させ、かつ前記バッテリの蓄電率が高い場合は低い場合に比べて前記電気走行モードを優先的に実行させる走行モード制御手段と、前記クラッチが前記係合状態に操作された状態で前記ハイブリッド走行モードが実行され、かつ前記バッテリの蓄電率が所定値以上のときは前記クラッチが前記解放状態に、前記バッテリの蓄電率が前記所定値未満のときは前記クラッチが前記係合状態にそれぞれ操作された状態で前記電気走行モードが実行されるように、前記クラッチを制御するクラッチ制御手段と、を備えるものである（請求項１）。

この駆動制御装置によれば、バッテリの蓄電率が高い所定値以上の場合は電気走行モードの実行頻度が高まるが、その電気走行モード時にはクラッチが解放状態に操作されるので、電気走行モード時における引き摺り損失を第１モータ・ジェネレータの回転に要する分だけ低減でき電気走行モード時の駆動効率が向上する。一方、バッテリの蓄電率が低い所定値未満の場合にはクラッチが係合状態に操作されるため、電気走行モードからハイブリッド走行モードへ切り替える際にクラッチを操作することなく第１モータ・ジェネレータを利用して内燃機関を直ちに始動することができる。そのため、内燃機関の始動時におけるショックの発生を回避できるとともに始動応答性を向上できるから、バッテリの蓄電率が低い場合におけるドライバビリティの低下を防止できる。このように、バッテリの蓄電率に応じて変化する各走行モードの実行頻度に対応して、電気走行モード時におけるクラッチの動作状態が定められているので、電気走行モードの走行距離とドライバビリティとを両立できる。

本発明の駆動制御装置の一態様において、前記走行モード制御手段は、前記出力部を介して入力されるエネルギを利用して前記第２モータ・ジェネレータにて発電させる回生走行モードを実行させることができ、かつ前記クラッチ制御手段は、前記バッテリの蓄電率が前記所定値以上のときは前記クラッチが前記解放状態に、前記バッテリの蓄電率が前記所定値未満のときは前記クラッチが前記係合状態にそれぞれ操作された状態で前記回生走行モードが実行されるように、前記クラッチを制御してもよい（請求項２）。この態様によれば、バッテリの蓄電率が高い所定値以上の状態で回生走行モードが実行される場合において、第１モータ・ジェネレータの回転に要する分だけ引き摺り損失を低減できるので、エネルギの回収効率が向上する。また、バッテリの蓄電率が低い所定値未満の場合に回生走行モードからハイブリッド走行モードへ切り替える際にクラッチを操作することなく第１モータ・ジェネレータを利用して内燃機関を直ちに始動することができるので、内燃機関の始動時におけるショックの発生を回避できるとともに始動応答性を向上できる。

本発明の駆動制御装置の一態様において、前記クラッチは容量可変型の摩擦式クラッチとして構成されており、前記クラッチの滑りに基づいて前記クラッチのトルク容量を検出するトルク検出手段と、前記トルク検出手段の検出結果に基づいて前記クラッチのトルク容量を調整するトルク容量調整手段と、を更に備えてもよい（請求項３）。クラッチのトルク容量を一律に定める場合には個体差を考慮してトルク容量を高めに設定する必要があるため、クラッチ周辺各部（軸受、ギア、軸等）の必要強度も高めになる。この態様によれば、それぞれの製品について必要最低限のトルク容量に調整されるため、クラッチ周辺各部の必要強度をトルク容量を一律に定める場合に比べて低めに見積もることができる。従って、クラッチ周辺各部の体格、質量或いはコストを低減することができる。

本発明の駆動制御装置の一態様において、前記駆動装置は、外部電源を利用して前記バッテリを充電するための外部充電手段を更に備えていてもよい（請求項４）。この態様の場合、外部電源からバッテリに充電することができるので、こうした外部充電手段を有していない場合と比べて電気走行モードの実行頻度を高めることができる。そのため、バッテリの蓄電率が高い場合と低い場合との間で各走行モードの実行頻度のバランスが顕著に変化し得る。従って、この態様は、外部充電手段を有していない駆動装置に適用される場合に比べて、バッテリの蓄電率が高い場合における駆動効率の向上効果と、バッテリの蓄電率が低い場合におけるドライバビリティの低下防止効果とをより享受できる。

以上説明したように、本発明の駆動制御装置によれば、バッテリの蓄電率が低い所定値未満の場合にはクラッチが係合状態に操作されるため、電気走行モードからハイブリッド走行モードへ切り替える際にクラッチを操作することなく第１モータ・ジェネレータを利用して内燃機関を直ちに始動することができる。そのため、内燃機関の始動時におけるショックの発生を回避できるとともに始動応答性を向上できるから、バッテリの蓄電率が低い場合におけるドライバビリティの低下を防止できる。

第１の形態に係る駆動装置の全体構成を概略的に示した図。電気走行モード時における共線図を示した図。電気走行モードからハイブリッド走行モードへ切り替える際の共線図を示した図。図１に示した駆動装置の作動係合表を示した図。第２の形態に係る駆動装置の全体構成を概略的に示した図。参考例に係る駆動装置の全体構成を概略的に示した図。参考例に係る電気走行モード時における共線図を示した図。

（第１の形態）
図１は本発明の一形態に係る駆動装置が組み込まれた車両の全体構成を概略的に示している。車両１Ａはいわゆるハイブリッド車両として構成されている。周知のようにハイブリッド車両は、内燃機関を走行用の駆動力源として備えるとともに、電動機を他の走行用の駆動力源として備えた車両である。

駆動装置２Ａは、内燃機関３と、第１モータ・ジェネレータ４と、車両１Ａの駆動輪１０に動力を出力するための出力部５と、内燃機関３、第１モータ・ジェネレータ４及び出力部５のそれぞれが連結された動力分割機構６と、出力部５に連結される第２モータ・ジェネレータ７と、第１モータ・ジェネレータ４と動力分割機構６との間に設けられたクラッチＣと、各モータ・ジェネレータ４、７と電気的に接続されたバッテリ８とを備えている。

内燃機関３は、火花点火型の多気筒内燃機関として構成されており、その動力は入力軸１５を介して動力分割機構６に伝達される。入力軸１５は第１モータ・ジェネレータ４のロータ軸１６と同軸に配置されている。

各モータ・ジェネレータ４、７は同様の構成を持っていて電動機としての機能と発電機としての機能とを兼ね備えている。第１モータ・ジェネレータ４は、不図示のケースに固定されたステータ１８と、そのステータ１８の内周側に同軸に配置されたロータ１９とを備えている。ロータ１９はロータ軸１６に固定されている。第２モータ・ジェネレータ７も同様にケースに固定されたステータ２０と、そのステータ２０の内周側に同軸に配置されたロータ２１とを備えている。第２モータ・ジェネレータ７はロータ２１が固定されたロータ軸１７を有しており、そのロータ軸１７の端部にはドライブギア２３が固定されている。第２モータ・ジェネレータ７の動力はそのドライブギア２３を介して出力部５に入力される。

出力部５は複数のギア２５〜２７を含むギア列２４と、このギア列２４を経由して伝達される動力を左右の駆動輪１０に分配する差動装置３０とを有している。ギア列２４は動力分割機構６に連結されたドライブギア２５と、このドライブギア２５と第２モータ・ジェネレータ７側のドライブギア２３とが共通に噛み合うカウンタギア２６と、カウンタギア２６と共通のギア軸２８に固定された中間ギア２７とを含む。中間ギア２７は差動装置３０のケースに設けられたギア３１に噛み合っている。

動力分割機構６は、相互に差動回転可能な３つの回転要素を持つシングルピニオン型の遊星歯車機構として構成されており、外歯歯車であるサンギアＳと、そのサンギアＳに対して同軸的に配置された内歯歯車であるリングギアＲと、これらのギアＳ、Ｒに噛み合うピニオン３５を自転かつ公転自在に保持するキャリアＣｒとを備えている。この形態では、入力軸１５がキャリアＣｒに、第１モータ・ジェネレータ４がサンギアＳに、出力部５がリングギアＲにそれぞれ連結されている。

クラッチＣは油圧を利用して作動する周知の湿式多板型クラッチとして構成されている。クラッチＣは油圧の供給とその停止とを切り替える不図示の切替バルブを操作することにより、第１モータ・ジェネレータ４と動力分割機構６との間の動力伝達を保持する係合状態とその動力伝達を遮断する解放状態との間で動作できる。具体的には、クラッチＣが係合状態の場合は第１モータ・ジェネレータ４のロータ軸１６と動力分割機構６のサンギアＳとが結合され、クラッチＣが解放状態の場合はこれらロータ軸１６とサンギアＳとが切り離される。クラッチＣが摩擦式であるので、過大なトルクが入力された場合にはクラッチＣが滑ることができるため、クラッチＣをトルクリミッタとして機能させることができる。従って、クラッチＣに加えて動力伝達経路にトルクリミッタを設ける必要がないので部品点数を削減できる。また、トランスアクスル内部にクラッチＣが配置されるので、クラッチＣをトルクリミッタとして機能させた場合でも摩擦材の錆び付き等によるリミッタトルクのばらつきが生じ難い利点がある。

バッテリ８にはその充電状態、言い換えれば蓄電率を検出するためのＳＯＣセンサ３６が接続されている。駆動装置２Ａは車両１の所定位置に取り付けられた外部充電手段としての充電装置３７を有している。この充電装置３７と所定の施設に設置された外部電源（不図示）とをユーザが接続することにより、バッテリ８に対して充電が可能である。このような車両１Ａは外部電源による充電が予定されていないものと区別してプラグインハイブリッド車両と呼ばれることがある。

駆動装置２Ａには車両１Ａの運転を適正に制御するためのコンピュータとして構成された制御装置４０が設けられている。制御装置４０には上述したＳＯＣセンサ３６の他にアクセル開度センサ４１及び車速センサ４２等の運転状態を検出するための各種センサからの情報が入力される。制御装置４０は内部に保持した所定の制御プログラムを実行しつつ、各種センサからの入力情報を参照して駆動装置２Ａの各部の動作を制御している。

制御装置４０は、駆動装置２Ａにて発生させるべき要求駆動力に応じて複数の走行モードを選択的に実行させる。制御装置４０が走行モードを切り替える際には、主としてアクセル開度センサ４１から入力された情報に基づいて要求駆動力を演算し所定のプログラムに従って適正な走行モードを選択する。駆動装置２Ａが実行する複数の走行モードとしては、内燃機関３の動力を利用して第１モータ・ジェネレータ４に発電させつつ内燃機関３及び第２モータ・ジェネレータ７の両者を駆動源とするハイブリッド走行モードと内燃機関３を停止させた状態で第２モータ・ジェネレータ７を駆動源とする電気走行モードとがある。ハイブリッド走行モードは、制御装置４０によってクラッチＣを係合状態に操作しつつ内燃機関３及び第２モータ・ジェネレータ７を適正に運転させることにより実現される。電気走行モードは、制御装置４０によって内燃機関３を停止させつつ第２モータ・ジェネレータ７を適正に運転することにより実現される。また、制御装置４０は、ハイブリッド走行モード又電気走行モードの実行中に車両１Ａに減速要求等の所定条件が成立した場合、出力部５を介して入力されるエネルギを利用して第２モータ・ジェネレータ７にて発電を行う回生走行モードに適宜切り替える。

本形態の駆動装置２Ａはバッテリ８の充電状態に応じて制御内容を変化させる点に特徴がある。基本的な前提として、制御装置４０は二酸化炭素の排出量を削減するためバッテリ８の蓄電率が所定値以上の場合は所定値未満の場合に比べて同一の要求駆動力であっても電気走行モードが優先的に実行されるように制御される。そのため、バッテリ８の蓄電率が高い場合は低い場合に比べて電気走行モードの実行頻度が高くなり、各走行モード間の切り替え頻度は低下する。反対に、バッテリ８の蓄電率が低い場合は高い場合に比べて電気走行モードの実行頻度が低くなり、各走行モード間の切り替え頻度が高まる。つまり、各走行モードの実行頻度のバランスがバッテリ８の蓄電率の大きさによって顕著に変化し得る。

図２は電気走行モード時における共線図を示し、図３は電気走行モードからハイブリッド走行モードへ切り替える際の共線図を示している。これらの図において、「ＥＮＧ」は内燃機関３を、「ＭＧ１」は第１モータ・ジェネレータ４を、「ＭＧ２」は第２モータ・ジェネレータ７を、「ＯＵＴ」は出力部５をそれぞれ意味する。電気走行モードからハイブリッド走行モードへ切り替える場合、第１モータ・ジェネレータ４の動力を利用して内燃機関３を始動する必要があるため、図３に示すように内燃機関３の始動時にはクラッチＣが係合状態でなければならない。また、電気走行モード時における引き摺り損失を低減するには図２に示すようにクラッチＣを解放状態に操作して第１モータ・ジェネレータ４を切り離すことが有利である。電気走行モードからハイブリッド走行モードへ切り替える際に、クラッチＣを解放状態から係合状態に操作する場合にはサンギアＳと第１モータ・ジェネレータ４との間に回転速度差があるためその操作に伴うショックの発生及び始動応答性の悪化が生じてドライバビリティが低下するおそれがある。

こうした事情を考慮して、制御装置４０は図４に示すように蓄電率（ＳＯＣ）に閾値としての所定値を設定し、所定値以上と所定値未満との間でクラッチＣの作動状態を相違させている。図４は駆動装置２Ａの作動係合表を示し、図中の「○」は内燃機関３の運転及びクラッチＣの係合状態を意味し、図中の「×」は内燃機関３の停止及びクラッチＣの解放状態を意味する。

図４から明らかなように、制御装置４０は蓄電率が所定値以上の場合には各走行モード間の切り替え頻度が低く、かつ電気走行モードの実行頻度が高いため、電気走行モード時においてクラッチＣを解放状態に操作する。その一方で、蓄電率が所定値未満の条件には各走行モード間の切り替え頻度が高いため電気走行モード時においてクラッチＣを係合状態に操作している。これにより、バッテリ８の蓄電率が所定値以上の場合はクラッチＣが解放状態に操作されるため、電気走行モード時における引き摺り損失を第１モータ・ジェネレータ４の回転に要する分だけ低減でき電気走行モード時の駆動効率が向上する。一方、バッテリ８の蓄電率が所定値未満の場合にはクラッチＣが係合状態に操作されるため、電気走行モードからハイブリッド走行モードへ切り替える際にクラッチＣを操作することなく第１モータ・ジェネレータ４を利用して内燃機関３を直ちに始動することができる。そのため、内燃機関３の始動時におけるショックの発生を回避できるとともに始動応答性を向上できるから、バッテリ３の蓄電率が低い場合におけるドライバビリティの低下を防止できる。このように、本形態においてはバッテリ８の蓄電率に応じて変化する各走行モードの実行頻度に対応して、電気走行モード時におけるクラッチＣの動作状態が定められているので、電気走行モードの走行距離とドライバビリティとを両立できる。以上の電気走行モード時におけるクラッチＣに対する制御は回生走行モード時においても実施される。

制御装置４０が以上に説明した制御を実行することによって、制御装置４０は本発明に係る走行モード制御手段及びクラッチ制御手段としてそれぞれ機能する。

（第２の形態）
次に、本発明の第２の形態を図５を参照しながら説明する。第２の形態に係る駆動装置２Ｂはクラッチの配置等の物理的構成を除き第１の形態と共通する。以下、相違点のみを説明して共通部分については図面に第１の形態と同一の参照符号を付して説明を省略する。車両１Ｂに組み込まれた駆動装置２Ｂは、第１モータ・ジェネレータ４のロータ軸５０が中空構造に形成されている。ロータ軸５０の中空部分にサンギアＳと一体回転する軸５１が同軸的に挿入され、第１モータ・ジェネレータ４を挟んで動力分割機構６の反対側にクラッチＣがリアカバー５３に隣接して配置されている。駆動装置２Ｂによれば、クラッチＣよりも外径が大きい第１モータ・ジェネレータ４の位置を内燃機関３側に寄せることができる結果、リアカバー５３側の外径の拡大を防止できる。そのため、サイドメンバＳｍとの干渉を避けつつ駆動装置２ＢをサイドメンバＳｍ付近に配置できるので、車両搭載性が向上する。

（参考例）
次に、本発明に関連する駆動制御装置の参考例について、図６及び図７を参照しながら説明する。なお、この参考例において、上記各形態と共通する構成については図面に同一の参照符号を付して説明を省略する。図６に示したように、車両１Ｃに組み込まれた駆動装置２Ｃは入力軸１５上にクラッチＣが設けられており、そのクラッチＣによって内燃機関３と動力分割機構６との間の動力伝達を断続できるように構成されている。駆動装置２Ｃは上記各形態と同様にハイブリッド走行モード、電気走行モード及び回生走行モードを選択的に実行することができる。電気走行モード及び回生走行モードを実行する場合には、内燃機関３が停止されるとともに、クラッチＣが解放状態に操作されて内燃機関３と動力分割機構６との間の動力伝達が遮断される。これにより、電気走行モードからハイブリッド走行モードへ切り替える際の内燃機関３の始動時における制御性及び応答性を向上させることができる。図７は電気走行モード時における共線図を示している。この図７と第１の形態の図２とを対比すれば理解できるように、参考例に係る駆動装置２Ｃは、電気走行モード時において動力分割機構６の各回転要素間の差動回転数が第１の形態に比べて小さくて済むため、動力分割機構６の損失を低減することができる。

本発明は以上の各形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。上記形態では、バッテリの蓄電率に所定値を閾値として設定し、その所定値以上と所定値未満との場合で制御内容を変更しているが、例えば蓄電率の上昇時に制御内容を切り替えるための閾値と、蓄電率の降下時に制御内容を切り替えるための閾値とを別々に設けて制御することも可能である。

本発明はいわゆるプラグインハイブリッド車両の駆動装置に適用が限定されるものではなく、電気走行モードの実行頻度が蓄電率によって変化することを条件として外部充電手段を有さない形態で本発明を実施することもできる。例えば、蓄電率が高くなるに従って徐々に電気走行モードの実行頻度が高まるような走行モード制御を行う形態で本発明を実施することもできる。この場合、クラッチの制御内容を変更する蓄電率の閾値等を適宜に設定してよい。

クラッチは容量可変型の摩擦式クラッチとして構成することもできる。この場合、クラッチの滑りに基づいてトルク容量を検出するトルク検出手段としてトルクセンサを設け、そのトルクセンサの検出結果に基づいてクラッチのトルク容量を調整すればよい。この形態によれば、個体差が存在するそれぞれの製品について必要最低限のトルク容量に調整されるため、クラッチ周辺各部の必要強度をトルク容量を一律に定める場合に比べて低めに見積もることができる。従って、クラッチ周辺各部の体格、質量或いはコストを低減することができる。

１Ａ、１Ｂ車両
２Ａ、２Ｂ駆動装置
３内燃機関
４第１モータ・ジェネレータ
５出力部
６動力分割機構
７第２モータ・ジェネレータ
８バッテリ
１０駆動輪
３７充電装置（外部充電手段）
４０制御装置（走行モード制御手段、クラッチ制御手段）
Ｃクラッチ

Claims

内燃機関と、第１モータ・ジェネレータと、車両の駆動輪に動力を出力するための出力部と、前記内燃機関、前記第１モータ・ジェネレータ及び前記出力部のそれぞれが連結される動力分割機構と、前記出力部に連結される第２モータ・ジェネレータと、前記第１モータ・ジェネレータと前記動力分割機構との間の動力伝達を保持する係合状態とその動力伝達を遮断する解放状態との間で動作可能なクラッチと、前記第１モータ・ジェネレータ及び前記第２モータ・ジェネレータのそれぞれと電気的に接続されたバッテリと、を備えた駆動装置に適用される車両の駆動制御装置であって、
前記内燃機関の動力を利用して前記第１モータ・ジェネレータに発電させつつ前記内燃機関及び前記第２モータ・ジェネレータの両者を駆動源とするハイブリッド走行モードと前記内燃機関を停止させた状態で前記第２モータ・ジェネレータを駆動源とする電気走行モードとを要求駆動力に応じて選択的に実行させ、かつ前記バッテリの蓄電率が高い場合は低い場合に比べて前記電気走行モードを優先的に実行させる走行モード制御手段と、前記クラッチが前記係合状態に操作された状態で前記ハイブリッド走行モードが実行され、かつ前記バッテリの蓄電率が所定値以上のときは前記クラッチが前記解放状態に、前記バッテリの蓄電率が前記所定値未満のときは前記クラッチが前記係合状態にそれぞれ操作された状態で前記電気走行モードが実行されるように、前記クラッチを制御するクラッチ制御手段と、を備えることを特徴とする車両の駆動制御装置。
前記走行モード制御手段は、前記出力部を介して入力されるエネルギを利用して前記第２モータ・ジェネレータにて発電させる回生走行モードを実行させることができ、かつ前記クラッチ制御手段は、前記バッテリの蓄電率が前記所定値以上のときは前記クラッチが前記解放状態に、前記バッテリの蓄電率が前記所定値未満のときは前記クラッチが前記係合状態にそれぞれ操作された状態で前記回生走行モードが実行されるように、前記クラッチを制御する、請求項１に記載の駆動制御装置。
前記クラッチは容量可変型の摩擦式クラッチとして構成されており、
前記クラッチの滑りに基づいて前記クラッチのトルク容量を検出するトルク検出手段と、前記トルク検出手段の検出結果に基づいて前記クラッチのトルク容量を調整するトルク容量調整手段と、を更に備える、請求項１又は２に記載の駆動制御装置。
前記駆動装置は、外部電源を利用して前記バッテリを充電するための外部充電手段を更に備えている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の駆動制御装置。