JP5391719B2 - ハイブリッド車輌 - Google Patents

Description

本発明は、走行用のモータによってエンジンを始動させるハイブリッド車輌に関するものである。

モータの出力を低下させるときにモータの制御応答性を低下させることで、モータのみで走行可能な領域を広げて、燃費向上を図る技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００７−１５５１４号公報

走行用モータによってエンジンの始動も行う場合、エンジン始動用の余裕トルクを常時確保するため、モータのトルクを車輌走行のために十分に活用することができず、燃費を十分に向上することができない場合があるという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、燃費を向上することが可能なハイブリッド車輌を提供することである。

本発明は、内燃機関を始動する必要があると判断した際、モータの回転数とトルクに基づいて、モータ回転数−トルクマップ上において、クランキングトルク分を既に確保できている領域に属するか否かを判断し、その領域に属する場合は、モータにて内燃機関を始動し、その領域に属しない場合は、内燃機関を始動させる前に、モータの出力が等出力線上を移動するように、モータの回転数を上げると共に無段変速機の変速比を高減速比側に連続的に変化させた上で、モータにて内燃機関を始動することによって上記課題を解決する。

本発明によれば、内燃機関の始動前にモータの回転数を上げることで内燃機関始動用トルクを生み出すので、モータのみによる走行時に内燃機関始動用トルクを確保しておく必要がなく、燃費の向上を図ることができる。

図１は、本発明の実施形態におけるハイブリッド電気自動車の全体構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施形態におけるエンジン始動制御を示すフローチャートである。 図３は、本発明の実施形態におけるモータジェネレータの回転数−トルク特性を示すグラフである。 図４は、本発明の実施形態におけるエンジン始動制御における車速、アクセル開度、回転数、変速比、トルク、及びクラッチ伝達トルクの変化を示すタイムチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態におけるハイブリッド電気自動車の全体構成を示すブロック図である。

本発明の実施形態におけるハイブリッド電気自動車１は、複数の動力源を車輌の駆動に使用するパラレル方式の電気自動車である。このハイブリッド電気自動車１は、図１に示すように、エンジン１０、第１のクラッチ１５、モータジェネレータ（電動機・発電機）２０、第２のクラッチ２５、バッテリ３０、インバータ３５、自動変速機４０、プロペラシャフト５１、ディファレンシャルギアユニット５２、ドライブシャフト５３、左右の駆動輪５４、及び制御装置６０を備えている。

エンジン１０は、ガソリン又は軽油を燃料として作動する内燃機関であり、制御装置６０からの制御信号に基づいて、スロットルバルブのバルブ開度や燃料噴射量等が制御される。このエンジン１０には、クランク角を検出するクランク角センサ１１と、冷却水の温度を計測する水温センサ１２が取り付けられており、いずれも検出結果を制御装置６０に出力することが可能となっている。制御装置６０は、クランク角センサ１１から出力された単位角信号に基づいて、エンジン１０の回転数Ｎｅを算出する。

第１のクラッチ１５は、エンジン１０の出力軸とモータジェネレータ２０の回転軸との間に介装され、エンジン１０とモータジェネレータ２０との間の動力伝達を断続する。この第１のクラッチ１５の具体例としては、たとえば比例ソレノイドで油流量及び油圧を連続的に制御できる湿式多板クラッチなどを例示することができる。この第１のクラッチ１５は、制御装置６０からの制御信号に基づいて油圧ユニットの油圧を制御することで、クラッチ板を締結（スリップ状態も含む。）／解放させる。

モータジェネレータ２０は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルが巻きつけられた同期型モータジェネレータである。このモータジェネレータ２０には、ロータの回転角を検出するレゾルバ２１が設けられており、当該検出結果を制御装置６０に出力することが可能となっている。制御装置６０は、レゾルバ２１により検出されたロータ回転角に基づいて、モータジェネレータ２０の回転数Ｎｍを算出する。

このモータジェネレータ２０は、電動機としても機能するし発電機としても機能する。インバータ３５から三相交流電力が供給されている場合には、モータジェネレータ２０は回転駆動する（力行）。一方、外力によってロータが回転している場合には、モータジェネレータ２０は、ステータコイルの両端に起電力を生じさせることで交流電力を生成する（回生）。モータジェネレータ２０によって発電された交流電力は、インバータ３５によって直流電力に変換された後に、バッテリ３０に充電される。また、本実施形態では、このモータジェネレータ２０を用いて、エンジン１０のクランキングを行う。

バッテリ３０の具体例としては、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等を例示することができる。このバッテリ３０には電流・電圧センサが取り付けられており、当該検出結果を制御装置６０に出力することが可能となっている。制御装置６０は、電流・電圧センサにより検出された電流値及び電圧値に基づいて、バッテリ３０の充電状態（ＳＯＣ：State of Charge）を算出する。

第２のクラッチ２５は、モータジェネレータ２０の出力軸と自動変速機４０の入力軸との間に介装され、モータジェネレータ２０と自動変速機４０との間の動力伝達を断続する。この第２のクラッチ２５の具体例としては、上述の第１のクラッチ１５と同様に、たとえば湿式多板クラッチなどを例示することができる。この第２のクラッチ２５は、制御装置６０からの制御信号に基づいて油圧ユニットの油圧を制御することで、クラッチ板を締結（スリップ状態も含む。）／解放させる。また、この第２のクラッチ２５には、当該第２のクラッチ２５の出力軸の回転数Ｎｃを検出する出力軸回転数センサ２６が取り付けられており、当該検出結果を制御装置６０に出力することが可能となっている。

自動変速機４０は、変速比を自動的且つ連続的に変化させることが可能な無段変速機（ＣＶＴ：Continuously Variable Transmission）である。この自動変速機４０は、制御装置６０からの制御信号に基づいて変速比を変化させる。この無段変速機の具体例としては、たとえばベルトドライブ式やトロイダル式を例示することができる。なお、自動変速機４０として、変速比を前進５速、後退１速といった有段階で自動的に切り換えるものを用いてもよい。

自動変速機４０の出力軸は、プロペラシャフト５１、ディファレンシャルギアユニット５２、左右のドライブシャフト５３を介して、左右の駆動輪５４に連結されている。

制御装置６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器、入出力インタフェース等を備えたデジタルマイクロコンピュータであり、エンジン１０、第１のクラッチ１５、モータジェネレータ２０、第２のクラッチ２５、バッテリ３０、インバータ３５、及び自動変速機４０の制御や管理を行う。

この制御装置６０は、アクセルセンサ６１によって検出されたアクセルペダルの開度等から要求駆動力を演算し、この要求駆動力に基づいて、インバータ３５を介してモータジェネレータ２０を制御したり、エンジン１０のスロットル開度や燃料噴射量等を制御する。また、この制御装置６０は、アクセルセンサ６１によって検出されたアクセルペダルの開度や、車速センサ６２により検出された車速に応じて変速比を変化させるように自動変速機４０を制御する。

また、この制御装置６０は、第１及び第２のクラッチ１５，２５を制御することで、ハイブリッド電気自動車１を以下の３つの走行モードに切り替えることが可能となっている。

第１の走行モード（モータ使用走行モード）では、第１のクラッチ１５を解放させると共に第２のクラッチ２５を締結させて、モータジェネレータ２０の動力のみを動力源として走行する。

第２の走行モード（エンジン使用走行モード）では、第１のクラッチ１５及び第２のクラッチ２５をいずれも締結させて、エンジン１０を動力源に含みながら走行する。

第３の走行モード（エンジン使用スリップ走行モード）は、第１のクラッチ１５を締結させると共に、第２のクラッチ２５をスリップ状態として、エンジン１０を動力源に含みながら走行する。この第３の走行モードは、特にバッテリ３０のＳＯＣが低下している場合やエンジン１０の冷却水の温度が低い場合に、クリープ走行を達成するモードである。

さらに、上記の第２の走行モードは、エンジン走行モード、モータアシスト走行モード、及び走行発電モードの３つに細分化することができる。

エンジン走行モードでは、モータジェネレータ２０は駆動させずに、エンジン１０のみを動力源として駆動輪５４を動かす。

モータアシスト走行モードでは、エンジン１０とモータジェネレータ２０の両方を駆動させて、これら２つを動力源として駆動輪５４を動かす。

走行発電モードは、エンジン１０を動力源として駆動させて駆動輪５４を動かすと同時に、モータジェネレータ２０を発電機として機能させてバッテリ３０を充電する。

なお、以上に説明したモードの他に、車輌停止時において、エンジン１０の動力を利用してモータジェネレータ２０を発電機として機能させ、バッテリ３０を充電したり電装品へ電力を供給する発電モードを備えてもよい。

さらに、本実施形態の制御装置６０は、モータ使用走行モードからエンジン使用走行モードやエンジン使用スリップ走行モードに移行するために、モータジェネレータ２０を使ってエンジン１０を始動させるエンジン始動制御を行う。以下に、本実施形態におけるエンジン始動制御について、図２〜図４を参照しながら説明する。

図２は本実施形態におけるエンジン始動制御を示すフローチャート、図３は本実施形態におけるモータジェネレータの回転数−トルク特性を示すグラフ、並びに、図４は本実施形態におけるエンジン始動制御における車速、アクセル開度、回転数、変速比、トルク、及びクラッチ伝達トルクの変化を示すタイムチャートである。

ハイブリッド電気自動車１がモータ使用走行モードで走行している際に、先ず、制御装置６０は、図２のステップＳ１０においてエンジン１０を始動する必要があるか否か（すなわち、モータ使用走行モードを解除する必要があるか否か）を判断する。ここで、モータ使用走行モードの許可条件は、以下の(i)〜(v)の全ての条件が満たされることであるので、ステップＳ１０では、下記(i)〜(v)の条件のうちのいずれか一つでも満たさなくなった場合に、エンジン１０を始動する必要があると判断する。

(i)車速が所定値（例えば１００ｋｍ／ｈ）以下であること。
(ii)アクセル開度が所定値（例えば１／８）以下であること。
(iii)モータ回転数Ｎｍが所定値（例えば１６７０ｒｐｍ）以下であること。
(iv)エンジン１０の冷却水の温度が所定値（例えば３０℃）以上であること。
(v)バッテリ３０のＳＯＣが所定値（例えば６０％）以上であること。

ステップＳ１０においてエンジン１０を始動する必要がないと判断した場合（ステップＳ１０にてＮＯ）には、本フローを終了してモータ使用走行モードを継続する。

一方、ステップＳ１０においてエンジン１０を始動する必要があると判断した場合（ステップＳ１０にてＹＥＳ）には、ステップＳ２０に進む。たとえば、図４に示す例では、同図の（ｂ）に示すように、運転者がアクセルペダルを踏み増したことに起因して、上記の(ii)の条件を満たさなくなったため、制御装置６０は、ステップＳ１０においてエンジン１０を始動する必要があると判断する。

次いで、ステップＳ２０において、制御装置６０は、図３に示すようなモータ回転数−トルクマップを参照して、モータジェネレータ２０の回転数Ｎｍとトルクが図３に示す第１の領域ＡＲ１に属するか否かを判断する。図３における第１の領域ＡＲ１は、ステップＳ３０の処理を実行してもエンジン始動に必要な余裕トルク（クランキングトルク、例えば５０［Ｎ・ｍ］）を生み出すことが不可能な領域である。なお、モータジェネレータ２０のトルクは、モータジェネレータ２０を流れる電流に基づいて推定される。

ステップＳ２０において、モータジェネレータ２０の回転数Ｎｍとトルクが第１の領域ＡＲ１に属すると判断した場合（ステップＳ２０にてＹＥＳ）には、本フローを終了してモータ使用走行モードを継続する。

一方、モータジェネレータ２０の回転数Ｎｍとトルクが第１の領域ＡＲ１に属さないと判断した場合（ステップＳ２０にてＮＯ）には、ステップＳ３０において、制御装置６０は、図３において矢印で示すように、モータジェネレータ２０の出力が等出力線（図３にて一点鎖線で示す。）上を移動するように、エンジン１０の回転数を上昇させる（図４の（ｃ）参照）と共に、自動変速機４０の変速比を高減速比側に変化させる（図４の（ｄ）参照）。すなわち、制御装置６０は、直前（モータ使用走行時）のモータジェネレータ２０の出力を一定に維持したままで、モータジェネレータ２０の回転数とトルクを図３のＰ位置からＱ位置に等出力線に沿って移動させる。これにより、図３及び図４の（ｅ）に示すように、エンジン１０の始動に必要なクランキングトルクを生み出すことができる。また、モータジェネレータ２０の出力を等出力線に沿って移動させるので、乗員に違和感を与えることなくクランキングトルクを捻出することができる。

因みに、図３における第２の領域ＡＲ２は、ステップＳ３０の処理によってクランキングトルクを生み出すことが可能な領域である。また、同図において、第３の領域ＡＲ３は、ステップＳ３０の処理を行わなくてもトルクに余裕がある領域である。従って、モータジェネレータ２０の回転数Ｎｍとトルクが図３の第３の領域ＡＲ３に属している場合には、ステップＳ３０の処理をスキップしてもよい。なお、第３の領域ＡＲ３の外周をなす線（図３における点線）は、モータジェネレータ２０の定格出力を示す線（図３における太実線）を縦軸マイナス方向にクランキングトルク（例えば５０［Ｎ・ｍ］）分だけスライドさせたものである。

ステップＳ３０の処理が完了したら、ステップＳ４０において、制御装置６０は、図４の（ｃ）及び（ｆ）に示すように、第１のクラッチ１５をスリップ状態とすることで、モータジェネレータ２０によってエンジン１０をクランキングする。第１のクラッチ１５を完全に締結させずにスリップ状態とすることで、モータジェネレータ２０の回転数とエンジン１０の回転数の差を吸収することができる。また、このステップＳ４０において、制御装置６０は、第２のクラッチ２５もスリップ状態とする。

次いで、ステップＳ５０において、制御装置６０は、エンジン１０の燃焼室に燃料を供給して点火プラグを着火することで、エンジン１０を初爆させる。これにより、図４の（ｃ）に示すように、エンジン１０の回転数が上昇する。この際、第２のクラッチ２５がスリップ状態となっているので、エンジン１０の初爆時のトルク変動を吸収することができる。

次いで、ステップＳ６０において、制御装置６０は、エンジン回転数Ｎｅとモータ回転数Ｎｍとが同一となったか否かを判断する。このステップＳ６０において、エンジン回転数Ｎｅとモータ回転数Ｎｍとが同一とならない限り（ステップＳ６０にてＮＯ）、第１のクラッチ１５をスリップ状態のままにして、ステップＳ６０の処理を繰り返す。

ステップＳ６０においてエンジン回転数Ｎｅとモータ回転数Ｎｍとが同一（Ｎｅ＝Ｎｍ）となったら（ステップＳ６０にてＹＥＳ）、ステップＳ７０において、図４の（ｃ）及び（ｆ）に示すように、制御装置６０は第１のクラッチ１５を完全に締結させる。

次いで、ステップＳ８０において、制御装置６０は、エンジン回転数Ｎｅと第２のクラッチ２５の出力軸の回転数Ｎｃとが同一となったか否かを判断する。このステップＳ８０において、エンジン回転数Ｎｅと出力軸回転数Ｎｃとが同一とならない限り（ステップＳ８０にてＮＯ）、第２のクラッチ２５をスリップ状態のままにして、ステップＳ８０の処理を繰り返す。

ステップＳ８０においてエンジン回転数Ｎｅと出力軸回転数Ｎｃとが同一（Ｎｅ（＝Ｎｍ）＝Ｎｃ）となったら（ステップＳ８０にてＹＥＳ）、ステップＳ９０において、図４の（ｆ）に示すように、制御装置６０は第２のクラッチ２５を完全に締結させる。これにより、エンジン１０、モータジェネレータ２０、及び自動変速機４０が接続されたこととなり、図４の（ａ）及び（ｅ）に示すように、エンジン１０がトルクを発生させて車速が増加する。

以上のように、本実施形態では、エンジン１０の始動前にモータジェネレータ２０の回転数を上げることでクランキングトルクを生み出すことができるので、モータ使用走行モードにおいてクランキングトルクを確保する必要がなく、燃費向上を図ることができる。

また、本実施形態では、モータジェネレータ２０の回転数を上げる際に、モータジェネレータ２０の出力が等出力線上に沿って移動するように、自動変速機４０の変速比を高減速比側に変化させるので、乗員に違和感を与えることなくクランキングトルクを生み出すことができる。

さらに、本実施形態では、エンジン１０を始動させる際に、第１のクラッチ１５をスリップ状態としているので、エンジン回転数Ｎｅとモータ回転数Ｎｍの差を吸収することができる。また、エンジン１０を始動させる際に、第２のクラッチ２５をスリップ状態としているので、エンジン初爆時のトルク変動を吸収することができる。

なお、本実施形態におけるモータジェネレータ２０が本発明におけるモータの一例に相当し、本実施形態における制御装置６０が本発明における制御手段の一例に相当し、本実施形態におけるクランク角センサ１１が本発明における内燃機関回転数検出手段の一例に相当し、本実施形態におけるレゾルバ２１が本発明におけるモータ回転数検出手段の一例に相当し、本実施形態における出力軸回転数センサ２６が本発明における出力軸回転数検出手段の一例に相当する。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

たとえば、走行用モータによって内燃機関を始動させるものであれば、パラレル方式のハイブリッド電気自動車に限定されず、シリーズ方式やスプリット方式のハイブリッド電気自動車に本発明を適用することもできる。

１…ハイブリッド電気自動車
１０…エンジン
１１…クランク角センサ
１２…水温センサ
１５…第１のクラッチ
２０…モータジェネレータ
２１…レゾルバ
２５…第２のクラッチ
２６…出力回転数センサ
３０…バッテリ
３１…電圧・電流センサ
３５…インバータ
４０…自動変速機
５１…プロペラシャフト
５２…ディファレンシャルギアユニット
５３…ドライブシャフト
５４…駆動輪
６０…制御装置
６１…アクセルセンサ
６２…車速センサ

Claims (6)

1. 内燃機関と、
   モータと、
   前記モータと駆動輪との間に配置され、変速比を連続的に変化させることが可能な無段変速機と、
   前記内燃機関、前記モータ及び前記無段変速機を制御する制御手段と、を備えたハイブリッド車輌であって、
   前記制御手段が内燃機関を始動する必要があると判断した際、前記制御手段は、
   前記モータの回転数とトルクに基づいて、モータ回転数−トルクマップ上において、前記内燃機関を始動させるために必要なクランキングトルク分を既に確保できている領域に属するか否かを判断し、
   前記領域に属する場合は、前記モータにて前記内燃機関を始動する制御を行い、
   前記領域に属しない場合は、前記内燃機関を始動させる前に、前記モータの出力が等出力線上を移動するように、前記モータの回転数を上げると共に前記無段変速機の変速比を高減速比側に連続的に変化させた上で、前記モータにて前記内燃機関を始動する制御を行うことを特徴とするハイブリッド車輌。
2. 請求項１に記載のハイブリッド車輌であって、
   前記内燃機関と前記モータとの間の動力伝達を断続する第１のクラッチと、
   前記モータと前記変速機との間の動力伝達を断続する第２のクラッチと、を備えたことを特徴とするハイブリッド車輌。
3. 請求項２に記載のハイブリッド車輌であって、
   前記制御手段は、前記内燃機関を始動させる際に、前記第１のクラッチをスリップ状態とすると共に、前記第２のクラッチもスリップ状態とする制御を行うことを特徴とするハイブリッド車輌。
4. 請求項２又は３に記載のハイブリッド車輌であって、
   前記内燃機関の回転数を検出する内燃機関回転数検出手段と、
   前記モータの回転数を検出するモータ回転数検出手段と、を備えており、
   前記制御手段は、前記内燃機関の回転数と前記モータの回転数とが実質的に一致したら前記第１のクラッチを締結させる制御を行うことを特徴とするハイブリッド車輌。
5. 請求項２〜４の何れかに記載のハイブリッド車輌であって、
   前記第２のクラッチの出力軸の回転数を検出する出力軸回転数検出手段を備えており、
   前記制御手段は、前記内燃機関の回転数と前記第２のクラッチの出力軸の回転数とが実質的に一致したら、前記第２のクラッチを締結させる制御を行うことを特徴とするハイブリッド車輌。
6. 請求項１〜５の何れかに記載のハイブリッド車両であって、
   前記制御手段は、前記モータの回転数とトルクに基づいて、前記クランキングトルクを確保可能か否か判断し、前記クランキングトルクを確保できないと判断した場合には、前記モータによって前記内燃機関を始動させる制御を行わないことを特徴とするハイブリッド車輌。

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