JP5338743B2 - ハイブリッド自動車 - Google Patents
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Description
シリーズ式ハイブリッド車が電動機により車輪を駆動するのに対し、パラレル式ハイブリッド車はエンジンの機械出力によって車輪を駆動するが、発進、加速、制動等の際には、要求出力に対するエンジンの機械出力の差をエンジンの軸上に設けた回転機により補うよう駆動できる。この場合、回転機を電動機として動作させることにより加速が、発電機として動作させることにより減速が実現され、その際、車載のバッテリは回転機(電動機)に電力を供給し、又は回転機(発電機)から電力を回生する。
ところで、シリーズパラレル式ハイブリッド車は、発電機と電動機の間がクラッチ等の機構にて断続可能に機械連結される。このシリーズパラレル式ハイブリッド車をシリーズ式ハイブリッド車として走行させる際には、クラッチを切って発電機と電動機の機械連結を切り離す。すると、エンジンにより駆動される発電機の発電出力が、バッテリを介して、電動機に供給される。この状態では、シリーズ式ハイブリッド車として走行できる。逆に、パラレル式ハイブリッド車として走行させる際には、クラッチを結合して発電機と電動機を機械連結させる。すると、エンジンの機械出力が発電機、クラッチ及び電動機を介して駆動輪に機械的に伝達される状態となり、また発電機や電動機を用いて加減速可能な状態となる。この状態ではパラレル式ハイブリッド車として走行できる。
この場合、エンジン側の駆動軸と駆動輪側である出力軸(モータ側出力軸)とは分離状態であったクラッチを接合状態に切換える。
前記モード選択手段は、前記残容量が所定の第1閾値以上の状況下で、前記車速検出手段により検出された速度が所定の第1速度より小さい所定の第4速度未満の場合において、前記検出された要求駆動力が所定の第1の駆動力境界以下の領域で前記第1走行モードを選択し、前記車速検出手段により検出された速度が所定の第4速度以上であって前記所定の第1速度未満の場合において、前記検出された要求駆動力が前記所定の第1の駆動力境界から前記車速が増加するにつれて減少する第2の駆動力境界以下の領域で前記第1走行モードを選択し、前記第2の駆動力境界より大きい領域で前記第2走行モードを選択する、ことを特徴とする。
この車両1はエンジン2とモータ4の両駆動源からの回転出力を伝達経路11を用いて駆動輪である後輪wrに伝達して走行するもので、モータ4のみで走行する第1走行モードと、シリーズ式ハイブリッドモード(以下第2走行モードと記す)と、パラレル式ハイブリッドモード(以下第3走行モードと記す)、との両モードでの走行を可能とする。
ここで、クラッチ6は接合力調整手段付602の湿式多板クラッチ6aである。
この湿式多板クラッチ6aは、クラッチオフ(切断)にあると(図2(a)参照)、エンジン側の出力軸J1の複数の回転板(不図示)に対する車輪側の駆動軸J2の複数の回転板(不図示)の相対回転を許容し、クラッチオン(接合)にあると(図2(b)参照)、両軸J1,J2’の相対回転を無くして、エンジン側の出力軸J1と駆動軸J2’、車輪wfを直結する。しかも、湿式多板クラッチ6aはその接合力を接合力調整手段602により調整する。接合力調整手段602は電磁ソレノイドの働きで両軸J1,J2’の各回転板相互の相対間隔を接離操作することで、切断状態より半クラッチ状態、直結状態へと段階的に接合の状態を切り換えでき、このクラッチ用ソレノイドは後述の制御手段であるECU9により駆動制御される。
ここでECU9に制御されるクラッチ6aはモード切換え時にクラッチを滑り接合から完全結合への切換えを行う。特に、第1走行モード(EV走行モード)での走行域EVや第2走行モード(シリーズモード)での走行域Msより、第3走行モード(パラレルモード)での走行域Mpへの切換えが開始された際に、車速Svが結合車速Scより所定量(たとえば、5%程度)増加するまでの間はクラッチを接合力調整手段602により半クラッチ接合に保持し、滑り接合から徐々に完全結合に切換え、結合車速が所定量増加するとクラッチを完全結合させるようクラッチ制御を行う。これによって、伝達経路11が固定変速比(固定比)を採用していても、中速以上での切換えにもかかわらず、モード切換え時のショックを緩和できる。
ECU9は内部にCPU、ROM、RAM等を有するマイクロコンピュータであり、ROMに記録されたプログラムに従いCPUがエンジン2の燃料噴射量その他の制御を実行する。
このようなECU9には、車両操縦者からの加速要求を示すアクセル開度θaを出力するアクセル開度センサ15、減速要求を示す踏力bp情報を出力するブレーキセンサ14、左右の前輪wfの各車速センサse1、左右後輪wrの各車速センサse2が接続される。ここで、ECU9は前後車輪速ssf、ssrの各情報よりそれらの単位時間ごとの平均値より車速Svを算出している。更に、ECU9には、発電機3の回転数Ngを出力する回転数センサ18、モータ4の回転数Ndを出力する回転数センサ19、バッテリ12の残容量Eqを出力するSOCセンサ(残容量検出手段)16、バッテリ12の電圧sbvを出力する電圧センサ21がそれぞれ接続される。
第1の特徴は、ECU9がモード選択手段A1としての機能を備える。
なお、ここで、車両1の運転域は、例えば、図3(a)に示すように、エンジンを停止して走行用モータの駆動により走行する第1走行モード(EVモード)域EVと、エンジンの駆動により前記発電機を作動させると共に走行用モータの駆動により走行する第2走行モード(シリーズ式ハイブリッドモード)域Msと、エンジンの駆動及び走行用モータの駆動により走行する第3走行モード(パラレル式ハイブリッドモード)域Mpとに区分され、設定され、これらいずれかのモード域で車両1は走行する。
ここで、走行モード域設定マップは、車載のエンジン2、モータ4及び発電機3の駆動特性に沿って予め設定されており、図中の曲線LIMは車両が走行可能な限界領域を示している。
要求駆動力検出手段A2はECU9内で走行時に車両操縦者からの加速要求を示すアクセル開度θa(アクセル開度センサ15が出力)から要求駆動力NmをECU9が算出し、得られた最新の要求駆動力Nmが所定の第1の駆動力境界R1のライン(図3中のR1ライン)以下の領域で第1走行モードEVを選択し、速度Svが所定の第4速度Sc4以上であって所定の第1速度Sc1未満の場合において、検出された要求駆動力が第1の駆動力境界R1から車速Svが増加するにつれて減少する第2の駆動力境界R2(図3中のR2のライン)以下の領域で第1走行モードEVを選択し、第2の駆動力境界R2より大きい領域で第2走行モードMsを選択する。
ここで結合車速Scは車載のバッテリ12の最大容量SOC(100%)に応じて予め設定する。即ち、基本的には車載されているバッテリ12の最大容量SOCが大きいほど、結合車速Scを大きな値に設定する。これによりバッテリ12の電力エネルギーによる第2走行モード(シリーズ式ハイブリッドモード)域Msでの走行域を拡大させ、環境保全に好ましい無公害走行域の拡大を図るようにしている。
この中速とは、クラッチ6aの接合時に出力軸J1に対する車輪側である駆動軸J2の回転が低すぎることによる接合ショックを防止できる下限値、たとえば40[km/h]以上の値とする。逆に、車輪側である駆動軸J2の回転速度が高すぎることによる接合ショックを防止できる上限値、たとえば60[km/h]以下の値が設定される。なお、この中速値は一例であり、車両に応じて予め設定され、ここでは、図3(a)に示すように、50[km/h]に設定され、この値が定常結合車速Sc1として設定される。
次に、車両が低車速での走行を続け、定常結合車速Sc1を上回る運転域が少なかった場合、残容量Eqが定常判定容量(第1閾値)Eq1(図4(b)参照)を所定量dq1下回って非常時判定容量Eq2との間に達する。
このように、低容量時結合車速Sc2を車両の中速度より低く比較的低速側にずらして設定することで、第2走行モード(シリーズ式ハイブリッドモード)域Msで低速走行が続く運転域であっても、低容量時結合車速Sc2を上回る場合が多くなり、この際クラッチ6aを接合させ、第3走行モード(パラレル式ハイブリッドモード)域Mpに切換え、エンジン2の駆動域を拡大させ、バッテリ12の残容量Eqを比較的早期に増加側に変移させることができる。
なお、図4(a)の低容量時走行用マップにおいて、エンジン非作動の第1走行モード域EVは、図3(a)の定常走行用マップに示す第1走行モード域EVよりも低速側に狭めて設定され、これによりバッテリ12の残容量Eqを早期に回復するようにしている。
そこで、図5(a)の非常時走行用マップに示すように、バッテリの残容量Eqが非常時判定容量Eq2を下回るような場合には、低容量時結合車速Sc2より所定量dv2低い値である非常時結合車速Sc5が設定される。
次に、バッテリ12の残容量Eqが過度に低下し、緊急時判定容量Eq3を下回ると、そのような残容量EqnではEV走行も行わず、停止車速Sc0(図6参照)の状態を判断して、クラッチを切って、残容量Eqnを使ってエンジン2を始動する。その上でクラッチを半クラッチ接合より完全接合に制御して発進し、すなわち、エンジン駆動の第3走行モード(パラレル式ハイブリッドモード)域Mpで発進し、発電不能等の故障状態を回避するメンテナンスを受ける工場等に速やかに走行移動する状態を確保する。
次に、車両1の駆動系の作動を図7の走行制御ルーチンと共に説明する。
図7は走行制御処理のフローチャートである。この処理が開始されると、ECU9はまず走行モード切換え処理を実行する(ステップa1)。走行モード切換え処理のフローチャートを図8に示す。
車速Svは4車軸wf、wrの車輪速ssr、ssfの平均値に応じて検出される。駆動力Nmは、アクセルペダルポジションセンサ15により検出されたアクセルペダルポジションθaと車速Svに基づいて算出することができる。バッテリ12の残容量Eqnは、SOC(残容量)センサ16により、バッテリ12の電圧sbvは電圧センサ21により検出される。
こうして検出された運転情報に基づき、予め設定された条件に従ってECU9は走行モードを順次切換える。
まず、走行モード切換えルーチンのステップs2に達すると、モード切換のため行うクラッチ6aをオンする結合車速Scの設定処理に入る。
ここで結合車速設定ルーチンを図9に示す。
このように、図9の結合車速設定ルーチンでは、バッテリ12の残容量Eqnが低下するほど低い値の結合車速Scが設定され、次いで、走行モード切換えルーチンのステップs3に進む。
第2走行モード域Ms継続中において、ステップs6に達するとする。ここで、第1走行モード域EVにない間は第2走行モード域Msを設定し、ステップs8に進む。
図8の走行モード切換えルーチンにおいて、エンジン始動中でなく、通常走行ではステップs7に進む。
ステップs12では、結合車速Sc(Sc1、Sc2、Sc4、Sc5)に達するのを待ち、達すると第3走行モード域Mpへの切換えに進む。
上述のステップs12での第2走行モード(シリーズ式ハイブリッドモード)域Msより第3走行モード域Mpへの切換えは結合車速Sc(Sc1、Sc2、Sc4、Sc5)の大小により切換え時点が異なる。
一方、バッテリの残容量Eqnが低速運転域が続き、バッテリの残容量Eqnが定常判定容量(第1閾値)Eq1を下回り、非常時判定容量Eq2との間に達した場合は、低容量時結合車速Sc2を定常時結合車速Sc1より低下させ、発電域を拡大し、バッテリの残容量Eqnが定常判定容量(第1閾値)Eq1を上回るようにする。
特に、発電回路系が故障で、バッテリの残容量Eqnが緊急時判定容量Eq3を下回る場合は、EV走行無しに、直接、クラッチ切断のままエンジン始動を行い、始動後にエンジン駆動により故障回避のメンテナンスを受ける工場への走行を可能とした。
次に、図8の走行制御ルーチンのステップa2に戻るとする。
ここで、図10に示すように、始動、停止処理ルーチンでは、始動及びEV走行、停止の運転時の出力制御を行う。ステップc1では、車速Scが所定値より小さく車両が停止しているとみなせる場合であると、電圧センサ21により検出されるバッテリ12の電圧sbvが所定値(始動可能な電圧)より大きい点と、始動指令が入力されていることを確認する。次いで、モータ4発進すべく,ECU9は、発進用の駆動出力Pdsを所定の発進出力マップ(不図示)より算出し、ステップc2でモータ4での発進制御をする。この発進の後,第1走行モード域EVにある間は、ステップc1、c2において、アクセル踏み込み量θaに基づき目標加速トルクTacを、ブレーキ踏力bpに基づき目標制動トルクTbpを、それぞれ演算する。更に、これら目標加速トルクTac、目標制動トルクTbpのトータルトルクTt=Tac+Tbpを求める。ここで、トータルトルクTtと駆動軸J2の目標回転数Ndの積より駆動出力Pd「kW」が定まる点より、予め設定されている図3の定常走行マップに沿い(バッテリ残容量Eqnによりその他の図4〜図6に示す走行マップを採用する)、車速Svあたりの駆動力Tv「Nm」を求める。この場合の駆動力Tv「Nm」は、アクセル踏み込み量θaに比例して適宜設定する。
図11に示すパラレル走行制御ルーチンでのステップd1においては、ステップc1の場合のように、アクセル踏み込み量θaに基づき目標加速トルクTacを、ブレーキ踏力bpに基づき目標制動トルクTbpを、それぞれ演算する。更に、これら目標加速トルクTac、目標制動トルクTbpのトータルトルクTt=Tac+Tbpを求める。ここで、トータルトルクTtと駆動軸J2の目標回転数Ndの積より駆動出力Pd「kW」が定まる点より、予め設定されている図3の定常走行マップに沿い(バッテリ残容量Eqnによりその他の図4〜図6に示す走行マップを採用する)、車速Svあたりの駆動力Tv「Nm」を求める。この場合の駆動力Tv「Nm」は、アクセル踏み込み量θaと図3の定常走行マップの値に沿い適宜設定する。
次に、ECU9は、こうして設定された要求駆動力POに基づいてエンジン2の運転ポイントを成すエンジン回転数Ne(Nea>Neb>Nec),エンジントルクTe(Tea>Teb>Tec)を予め設定されているエンジン2の運転マップ(図12)より設定する(ステッd5)。
エンジン2は図12に示す通り、回転数およびトルクに応じて、運転効率が大きく相違する。ここでは、エンジン回転数の上昇変化に応じて常に運転効率が高くなる各トルクの変化軌跡を、例えば、図12中の曲線Ln(回転数の変動域により相違する)として示した。このような、運転マップはECU9のROMに記憶される。
ここでは、クランク軸の回転数が目標とするエンジン回転数Neoに収束するように燃料供給量を制御する。この場合、エンジン2への燃料噴射量Qtは運転情報に応じた基準噴射量Qbと、これにエンジン回転数のずれに応じて増減する補正量(+dq,あるいは−dq)を加えて制御することで、実エンジン回転数を目標エンジン回転数Neoに収束させるように制御することとなる(ステップd6)。
この過渡運転時が検出されると、ECU9は予め設定された所定の駆動モードに沿って所定のモータ駆動力を発揮して、車両の運転域の変動に対する応答性の改善を図るよう制御することとなる。
このようにして駆動するハイブリッド自動車では、車速Svが低速側にあると第2走行モード域Msで、車速が所定の結合車速Scを上回り高速域側に達するとクラッチ6aを接合して第3走行モード域Mpへ切換え、そのモードの切換え制御時及びその後の高速域側で、固定変速比(固定比)を保持するので変速制御を行う必要がなく、走行制御が容易化される。特に、バッテリ12の残容量Eqが定常回復充電を繰り返す定常判定容量(第1閾値)Eq1以上にある場合は、クラッチ切換えが中速度近傍で行われるので、出力軸J1と駆動軸J2’との回転差が比較的小さくなり、変速ショックの発生を抑制できる。
更に、バッテリの残容量Eqが低くなるとモータの発生トルクが低下するため、エンジン駆動の第3走行モード域Mpへの切換えを早めるよう結合車速Scを低く、たとえば、定常時結合車速Sc1より低い低容量時結合車速Sc2や、低容量時結合車速Sc2より低い非常時結合車速Sc5や、停止車速Sc4=0を設定し、これらバッテリ12の残容量Eqに応じて設けた閾値となる結合車速を下回ると、発電機3の運転域を拡大してバッテリの残容量Eqの回復を早期に図ることができ、しかも、発電不能等の緊急状態を回避するメンテナンスを受ける場所に速やかにエンジン駆動により走行移動することができ、安定した走行を確保できる。
図1のハイブリッド自動車では、湿式多板クラッチ6aの接合力を接合力調整手段602により調整することで、モード切換え時にクラッチを滑り接合から完全結合への切換えを容易化できる。
上述のところにおいて、クラッチは湿式多板クラッチ6aとして説明したが、単板のクラッチを用いてもよく、流体クラッチを用いてもよく、いずれの場合も図1の湿式多板クラッチ6aに近い作用効果が得られる。
2 エンジン
3 発電機
4 モータ
501 インバータ
502 インバータ
6 クラッチ(摩擦契合手段)
6a 湿式多板クラッチ
602 接合力調整手段
8 デファレンシャルギア(減速機)
9 制御手段
11 伝達経路
12 バッテリ
13 燃料タンク
14 ブレーキセンサ
15 アクセル開度センサ
16 SOCセンサ(残容量検出手段)
17 制御ユニット
18 回転数センサ
19 回転数センサ
21 電圧センサ
22 シフト位置センサ
se1、se2 車速センサ(車速検出手段)
ssf 車輪速(前輪)
ssr 車輪速(後輪)
wf 車輪(前輪)
wr 車輪(後輪)
A1 モード選択手段
A2 要求駆動力検出手段
Eq 残容量
Eqn 残容量(現在値)
Eq1 定常判定容量(第1閾値)
Eq2 緊急判定容量(第2閾値)
Eq3 限界容量(第3閾値)
EV 第1走行モード(EVモード)域
J1 エンジン出力軸
J2 駆動軸(駆動輪側)
J2’ 駆動軸(モータ側)
Ms 第2走行モード(シリーズハイブリッドモード)域
Mp 第3走行モード(パラレルハイブリッドモード)域
Nen エンジン高効率運転域時の回転数
R1 第1の駆動境界線
R2 第2の駆動境界線
R3 第3の駆動境界線
Sc 結合車速
Sc1 第1速度
Sc2 第2速度
Sc3 第3速度
Sc4 第4速度
Sc5 第5速度
Sc0 停止速度
Sv 車速
SOC バッテリ容量
Claims (7)
- 車両に搭載されるエンジンと、走行用モータと、前記走行用モータに電力を供給するバッテリと、前記バッテリに電力を供給する発電機と、前記車両の速度を検出する車速検出手段と、前記バッテリの残容量を検出する残容量検出手段と、を具備し、前記エンジンを停止して前記走行用モータの駆動により走行する第1走行モードと、前記エンジンの駆動により前記発電機を作動させると共に前記走行用モータの駆動により走行する第2走行モードと、前記エンジンの駆動及び前記走行用モータの駆動により走行する第3走行モードとを有するハイブリッド自動車において、
前記残容量が所定の第1閾値以上の状況下では前記車速検出手段により検出された速度が所定の第1速度未満の場合に前記第1走行モード又は前記第2走行モードで走行し、前記所定の第1速度以上の場合に前記第3走行モードで走行するように走行モードを選択するモード選択手段を備え、前記モード選択手段は、前記残容量が前記所定の第1閾値未満の状況下では前記車速検出手段により検出された速度が前記所定の第1速度より小さい所定の第2速度以上の場合に前記第3走行モードを選択し、前記所定の第2速度未満の場合であって前記所定の第2速度より更に小さい所定の第3速度以上の場合に前記第2走行モードを選択し、前記所定の第3速度未満の場合に前記第1走行モード、第2走行モード又は第3走行モードを選択する、ことを特徴とするハイブリッド自動車。 - 前記車両の走行に要求される要求駆動力を検出する要求駆動力検出手段を更に備え、
前記モード選択手段は、前記残容量が所定の第1閾値以上の状況下で、前記車速検出手段により検出された速度が所定の第1速度より小さい所定の第4速度未満の場合において、前記検出された要求駆動力が所定の第1の駆動力境界以下の領域で前記第1走行モードを選択し、前記車速検出手段により検出された速度が所定の第4速度以上であって前記所定の第1速度未満の場合において、前記検出された要求駆動力が前記所定の第1の駆動力境界から前記車速が増加するにつれて減少する第2の駆動力境界以下の領域で前記第1走行モードを選択し、前記第2の駆動力境界より大きい領域で前記第2走行モードを選択する、ことを特徴とする請求項1記載のハイブリッド自動車。 - 前記モード選択手段は、前記残容量が所定の第1閾値未満の状況下で、前記車速検出手段により検出された速度が前記所定の第3速度未満の場合において、前記検出された要求駆動力が前記第1の駆動力境界より小さい第3の駆動力境界以下の領域で前記第1走行モードを選択し、前記第3の駆動力境界より大きい領域で前記第2走行モードを選択することを特徴とする請求項2に記載のハイブリッド自動車。
- 前記モード選択手段は、前記残容量が所定の第1閾値より小さい所定の第2閾値より更に小さい状況下では前記車速検出手段により検出された速度が前記所定の第3速度より小さい所定の第5速度より大きい場合に前記第3走行モードを選択し、前記所定の第5速度より小さい場合に前記第1走行モードを選択することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載のハイブリッド自動車。
- 前記モード選択手段は、前記残容量が前記所定の第2閾値より小さい所定の第3閾値より更に小さい状況下では前記第3走行モードを選択することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載のハイブリッド自動車。
- 前記車両は駆動輪が設けられた駆動軸と、前記エンジンの動力を前記駆動軸に伝達する伝達経路と、前記伝達経路を断接する摩擦契合手段とを備え、前記第1走行モード又は第2走行モードと第3走行モードとの切替えは、前記摩擦契合手段が前記伝達経路を断接することにより行われることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一つに記載のハイブリッド自動車。
- 前記第3走行モードにおける前記エンジンの駆動力は固定比の減速機により前記駆動輪に伝達されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一つに記載のハイブリッド自動車。
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