JP5724970B2 - ハイブリッド車両用動力装置の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機を含む複数種類の原動機を備えたハイブリッド車両用動力装置の制御に関する。

駆動用の原動機として内燃機関と回転電機を備えたハイブリッド車両が知られている。本明細書において、「回転電機」は、電動機、発電機、さらに電動機と発電機どちらにも機能する電気機器の総称として用いる。回転電機は導線が巻回されたコイルを有する。コイルの導線は、表面に絶縁体の被覆層を有しており、この被覆層により導線間の絶縁が図られている。しかし、隣接導線間の電位差が被覆層の絶縁許容電圧を超えると、導線間の放電が開始される。

コイルの絶縁許容電圧、つまり放電開始電圧は、コイルの温度や周囲の気圧により変化する。下記特許文献１には、コイル温度および周囲の気圧に基づき回転電機へ供給する電力または回転電機が発電する電力を制御して、コイルの絶縁を確保する技術が記載されている。

特開２０１０−２５２５７２号公報

コイルの絶縁を確保するために、回転電機の出力を制限すると、車両の動力性能が低下する。

本発明は、ハイブリッド車両用の動力装置において、コイルの温度と周囲の気圧に基づき回転電機の出力を抑制してコイルの絶縁を確保するとともに、回転電機の出力を抑制した場合においても、動力装置全体の出力低下を抑制することを目的とする。

本発明のハイブリッド車両用動力装置は、遊星歯車機構を介して接続される２機の回転電機を有する。遊星歯車機構の３つの要素に対して、第１要素に第１回転電機が、第２要素に第２回転電機が接続され、第３要素は駆動輪に接続される。さらに、当該動力装置は、気圧と相関のある気圧指標の値を取得する気圧指標値取得手段と、第１回転電機のコイル温度を取得する第１コイル温度取得手段と、第２回転電機のコイル温度を取得する第２コイル温度取得手段を有する。制御装置は、取得されたコイル温度と気圧指標の値から放電開始電圧を求め、この放電開始電圧と取得されたコイル温度を、コイル温度ごとに定められた放電開始電圧と出力上限値の関係に適用して回転電機の出力上限値を求め、出力上限値により第１回転電機と第２回転電機の一方の出力が抑制された場合、他方の回転電機の出力を増加させる制御部を有する。

コイルの絶縁確保のために出力を制限された回転電機に対しもう一つの回転電機の出力を増加させることで、動力装置全体の出力低下を抑制する。

本発明に係るハイブリッド車両用動力装置の構成を示すブロック図である。 遊星歯車機構の３要素上の出力の関係を示す図である。 コイル温度、放電開始電圧および気圧指標（気圧、標高）の関係を示す図である。 放電開始電圧およびコイル温度に基づき設定される回転電機の負荷率を示す図である。 放電防止に係る制御処理の一例を示すフローチャートである。 コイル温度と気圧指標（気圧、標高）に基づき設定される回転電機の負荷率を示す図である。 放電防止に係る制御処理の他例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、ハイブリッド車両用の動力装置１０の概略構成を示すブロック図である。動力装置１０は３機の原動機を有し、１機が内燃機関１２、残りの２機が回転電機１４，１６である。内燃機関１２は、例えばオットー機関やディーゼル機関とすることができる。

２機の回転電機１４，１６は、誘導機、直流機、同期機など、どのような形式の回転電機であってもよいが、この実施形態においては、ロータに永久磁石を配置した永久磁石式回転電機が採用されている。この形式の回転電機は、ロータの永久磁石と相互作用する回転磁界を形成するステータを有する。ステータは、例えば、概略円筒または円環形状であり、ロータを囲むように配置される。ステータには、ロータの永久磁石に対向する面に、周方向に沿って配列された磁極を有する。個々の磁極には、導線が巻回されてコイルが形成されている。このコイルに所定の電力を供給することで、回転磁界が発生する。

２機の回転電機は、遊星歯車機構１８の３要素のうちの２要素にそれぞれ接続され、他の１要素は駆動輪に接続される。この実施形態においては、１機の回転電機１４が遊星歯車機構１８のリングギア２０に接続され、もう１機の回転電機１６がサンギア２２に接続される。以降、リングギア２０に接続される回転電機を第１回転電機１４、サンギア２２に接続される回転電機を第２回転電機１６と記す。キャリア２６、すなわちリングギア２０とサンギア２２に噛み合うプラネタリピニオン２４を回転可能に支持する遊星歯車機構１８の第３の要素が出力要素となる。例えば、キャリア２６に出力歯車２８が結合され、この出力歯車２８から歯車列、差動装置等を介して駆動輪に動力が伝達される。回生制動を行う場合には、キャリア２６からの入力が、２機の回転電機の少なくとも一方に伝えられて、発電が行われる。

内燃機関１２の出力軸（クランク軸）と第１回転電機１４の出力軸（ロータ軸）の間には、第１クラッチ３０が設けられている。第１クラッチ３０を接続することにより、内燃機関１２と第１回転電機１４のそれぞれの出力軸が一体に回転する。第１クラッチ３０を切断することにより、第１回転電機１４は、内燃機関１２とは独立して動作することができる。第１回転電機１４とリングギア２０の間には、第２クラッチ３２とブレーキ３４が設けられている。第２クラッチ３２を接続することにより、第１回転電機１４とリングギア２０は、一体に回転する。一方、第２クラッチ３２を切断すると、リングギア２０と第１回転電機１４を切り離すことができる。ブレーキ３４を係合することにより、リングギア２０を回転しないように固定することができる。

動力装置１０は、内燃機関１２、第１および第２回転電機１４，１６、第１および第２クラッチ３０，３２並びにブレーキ３４の動作を制御する制御部３６を有する。制御部３６は、運転者の要求、車両の走行状態、動力装置１０の運転状態を取得し、これらに基づき制御を行う。運転者の要求は、例えばアクセルペダル３８やブレーキペダル４０などの運転者が扱う操作子の操作または操作量に基づき取得することができる。車両の走行状態は、例えば、車両の走行速度を検出する車速センサ４２等により取得することができる。また、各車輪の回転速度を比較することにより滑りやすい路面を走行中であるなどの情報も取得することができる。動力装置１０の運転状態は、動力装置１０の所定部位に設けられた各種センサから取得することができる。センサの例としては、内燃機関１２や第１および第２回転電機１４，１６の冷却液温度を検出する温度センサ、内燃機関１２の吸気管内の圧力を検出するセンサ、排気中の酸素等の濃度を検出するセンサ等が挙げられる。また、２機の回転電機１４，１６に電力を供給する二次電池の蓄電量も、動力装置１０の運転状態を示す情報として取得される。これらの制御部３６に入力される情報を取得する手段と制御部３６により、動力装置１０の制御装置が構成される。

コイルの温度を取得するために、本実施形態においては、コイルに、すなわちコイルを形成する導線に接して温度センサが設けられている。第１回転電機１４に対応して設けられた温度センサを第１温度センサ４４、第２回転電機１６に対応して設けられた温度センサを第２温度センサ４６と記す。第１および第２温度センサ４４，４６で検出されたコイル温度は、制御部３６に送られる。

レイアウトの都合上、コイルに温度センサを直接接するように設けることができない場合がある。このような場合には、コイル温度と相関がとれる、回転電機の他の部分の温度、例えば回転電機を冷却する冷却液の温度に基づき、コイル温度を推定するようにできる。冷却液は、潤滑油と兼用されてもよい。冷却液の温度を検出するためのセンサを第１および第２回転電機１４，１６のそれぞれに設ける。これらのセンサで検出された温度と、そのときのコイル温度の対応関係が予め制御部３６に対応表データとして記憶されており、制御部３６は、検出された冷却液の温度と、記憶された対応関係からコイル温度を算出する。この明細書では、簡単のために「コイル温度」と表記するが、これにはコイル温度に加え、コイル温度と相関のある他の部位の温度も含まれる。

動力装置１０の制御装置は、更に周囲の気圧を検出する気圧センサ４８を有する。気圧は、後述するようにコイルの絶縁に影響を与える因子であり、制御部３６は、気圧と２機の回転電機１４，１６の温度に基づき、コイルの絶縁が確保されるように２機の回転電機１４，１６の出力の制御を行う。この実施形態では、気圧は、気圧センサ４８により直接取得されるが、気圧と相関がとれる指標、例えば標高を、気圧を代替する指標として採用することができる。標高は、ＧＰＳ（Global Positioning System）等の衛星測位システムを利用して得ることができる。また、標高を含む地図情報を予め記憶しておき、慣性航法等の自立航法を用いて、または衛星測位システムとの組み合わせにより車両の地図上の位置を取得することで、標高の情報を得ることができる。

動力装置１０は、第１および第２クラッチ３０，３２およびブレーキ３４の動作を制御することにより、様々な動作モードを実現することができる。動作モードの一つとして、動力装置１０をシリーズハイブリッドとして機能させるモードが挙げられる。第２クラッチ３２を切断することにより、内燃機関１２と第１回転電機１４を駆動輪から切り離した状態で動作させることができる。第１クラッチ３０を接続することにより、内燃機関１２によって第１回転電機１４を駆動し、第１回転電機１４を発電機として動作させることができる。発電された電力は不図示の二次電池に蓄えることができる。また、発電した電力により第２回転電機１６を駆動し、車両を走行させることができる。この際、ブレーキ３４を係合してリングギア２０を固定する。

動力装置１０をパラレルハイブリッドとして機能させるモードにおいては、第１および第２クラッチ３０，３２を接続し、ブレーキ３４を解放する。内燃機関１２は、第１回転電機１４を介してリングギア２０に接続され、内燃機関１２と、第１および第２回転電機１４，１６の一方または両方とにより車両を駆動することができる。このとき、第１回転電機１４を発電機として動作させて二次電池の充電を行うようにもできる。

さらに、動力装置１０を電動モードで動作させる場合は、第２クラッチ３２を切断し、ブレーキ３４を係合する。二次電池からの電力により第２回転電機１６を駆動して、車両を走行させる。また、第１および第２回転電機１４，１６により車両を駆動することもできる。この場合は、第１クラッチを切断し、第２クラッチ３２を接続し、ブレーキ３４を解放する。

図２は、遊星歯車機構１８の３要素上のそれぞれの出力の関係を示す図である。図２において、３要素上の出力が縦軸に示されている。図中左側のＳ軸上にはサンギア２２に接続される第２回転電機１６の出力が、中央のＣ軸上にはキャリア２６の出力が、右側のＲ軸にはリングギア２０に接続される第１回転電機１４および／または内燃機関１２の出力が示されている。Ｒ軸上の出力は、第１回転電機１４と内燃機関１２の出力の合計となるが、以降においては、簡単のために第１回転電機１４のみが出力する場合について説明する。

ある時点における３つの要素上の出力は、図２の各縦軸を横切る直線上に存在する。つまり、キャリア２６の出力をある値とするための第１および第２回転電機１４，１６の出力は、キャリア２６の出力のある値を示すＣ軸上の点（例えば点Ｃ１）を通過する直線（例えば直線ｍ１，ｍ３）と、Ｓ軸およびＲ軸の交点（例えば点Ｒ１，Ｓ１、Ｒ２，Ｓ３）により示される。したがって、キャリア２６の出力をある値とするための第１および第２回転電機１４，１６の出力の組み合わせは、無数に存在する。これを利用して、一方の回転電機の出力を抑制しなければならないときに、他方の回転電機の出力を増加させて、動力装置全体の出力を維持、または大きな低下が生じないようにすることができる。

回転電機の出力を抑制しなければならない状況として、コイルの温度が上昇してコイルの導線間の絶縁が確保できず、放電が発生する場合がある。以下、コイルの絶縁の確保（放電防止）と、動力装置１０の出力調整について述べる。

図３は、コイル温度と放電開始電圧の関係が、気圧の指標値（気圧または標高）の違いによりどのように変化するかを概略的に示す図である。以下においては、簡単のために気圧の指標値として気圧についてのみ説明する。放電開始電圧は、気圧が一定の場合には、コイル温度の上昇と共に低下する。図３には、気圧が高いときの放電開始電圧とコイル温度の関係が実線Ａ１で例示され、気圧が低いときの関係が実線Ａ２で例示されている。同じコイル温度であっても、気圧が低くなると放電開始電圧も低くなる。したがって、気圧が低いとき、例えば高地においては、放電が発生しやすくなる。実際の制御に用いる場合には、図３の実線Ａ１，Ａ２は、放電開始電圧より若干低い電圧を表す線とすることができ、放電開始電圧に近づいたときに、余裕をもって出力抑制の処理が行われるようにすることができる。

図４は、放電開始電圧と回転電機の出力の関係を概略的に示す図である。縦軸は、仕様上発生可能な出力に対する、コイル温度等により制限される出力の比（負荷率）を示している。図中の折れ線は、回転電機の放電開始電圧に対して設定される負荷率を示しており、これにより出力の上限値が決定される。負荷率１（＝１００％）のときには、仕様で定まる上限の出力まで発生可能であり、それ以下の場合には、仕様で定まる出力に負荷率を乗じた出力までが発生可能となる。つまり、回転電機は、仕様で定まる出力に負荷率を乗じた上限値以下の出力となるよう制御される。放電開始電圧が高いときには、仕様で定まる上限の出力で運転することができる。しかし、放電開始電圧が低くなると、放電の発生を防止するために（つまり絶縁を確保するために）、回転電機の出力を抑制してコイルに印加される電圧を低下させる必要が生じる。このため、出力の上限値は、放電開始電圧が低くなると低下するように設定されている。また、前述のように、放電開始電圧はコイル温度により変化するので、出力の上限値も、コイル温度ごとに定められてる。図４では、コイル温度が低いときの上限値を定める負荷率の一例が実線Ｂ１で示され、コイル温度が高いときの一例が実線Ｂ２で示されている。実際の制御に用いる場合には、図４の実線Ｂ１，Ｂ２は、放電が開始するコイル温度より若干低い温度に関する線とすることができ、コイル温度が放電開始条件に近づいたときに、余裕をもって出力抑制の処理が行われるようにすることができる。図３および図４に示す対応関係において、いずれか一方において、余裕をもった設定とすることで、放電開始条件に対して余裕を有する制御を行うことができる。

制御部３６は、図３に示すコイル温度、気圧および放電開始電圧の関係を対応表データとして予め記憶している。また、図４に示す放電開始電圧、コイル温度、負荷率で表される上限値の関係を対応表データとして予め記憶している。制御部３６は、第１および第２温度センサ４４，４６と、気圧センサ４８の検出値を取得し、これらを図３に示す対応表に適用して、第１および第２回転電機１４，１６ごとの放電開始電圧を算出する。例えば、コイル温度がＴ１、気圧が実線Ａ１で示されるとき、放電開始電圧はＶ１と算出される。この算出された放電開始電圧Ｖ１を図４に示す対応表に適用する。図４において、コイル温度Ｔ１のときの出力の上限値を、前述の実線Ｂ１で示されたものとする。コイル温度がＴ１、放電開始電圧がＶ１であるので、このときの負荷率は１であり、仕様上の出力まで発生することができる。

同様に、コイル温度がＴ２（＞Ｔ１）、気圧がＡ１で示される場合には、図３より放電開始電圧がＶ２、図４より負荷率が１未満のＱ２となる。よって、このときの回転電機の出力の上限値は、仕様上の出力にＱ２を乗じた値以下に制限される。また、コイル温度がＴ１であって、気圧が低いＡ２（＜Ａ１）であるとき、図３より放電開始電圧がＶ３、図４より負荷率が１未満のＱ３となる。

制御部３６は、第１および第２温度センサ４４，４６および気圧センサ４８の検出値に基づき、放電開始電圧を監視し、これらに応じた負荷率を算出し、そして負荷率に従った第１および第２の回転電機のそれぞれの出力上限値を設定する。

この動力装置１０においては、気圧およびコイル温度に基づいて一方の回転電機に出力の制限がかかった場合、他方の回転電機の出力を増加して、動力装置全体の出力を維持することができる。

図５は、回転電機のコイルの絶縁確保に係る処理のフローチャートである。初期において、遊星歯車機構１８の３要素の出力（Ｒ１，Ｃ１，Ｓ１）が直線ｍ１上に存在する（図２参照）。第１および第２温度センサ４４，４６により第１および第２回転電機１４，１６のコイル温度を取得する（Ｓ１００）。また、気圧センサ４８により気圧を取得する（Ｓ１００）。取得したコイル温度と気圧から、図３の対応表を適用して、そのときの放電開始電圧を第１および第２回転電機１４，１６のそれぞれについて求める（Ｓ１０２）。求めた放電開始電圧から負荷率を求め、そのとき発生できる出力の上限値を第１および第２回転電機のそれぞれについて求める（Ｓ１０４）。

運転者の要求等により算出された第１および第２回転電機１４，１６の出力が、求めた出力上限値を超えていないかを判断する（Ｓ１０６）。第１および第２回転電機１４，１６において、共に出力上限値を超えていない場合、このフローを終了する。また、第１および第２回転電機１４，１６において、共に出力上限値を超えている場合にも、このフローを終了する。第１，第２回転電機１４，１６のいずれか一方のみ、算出された出力が出力上限値を超え、出力が低減される場合、他方の回転電機の出力を増加する（Ｓ１０８）。例えば、第１回転電機１４の出力がＲ１からＲ２（図２参照）へ低減される場合、第２回転電機１６の出力をＳ１からＳ３に増加させる。第２回転電機１６の出力をＳ３に増加させることにより、キャリア２６の出力Ｃ１を維持するようにする。

図６は、回転電機の出力上限値の他の設定手法を説明するための図であり、コイル温度、負荷率、気圧の関係を示す図である。図３に関して説明したとおり、一定の気圧の下では、コイル温度が高くなると、放電開始電圧が低下する。放電を起こさないようにするために、コイル温度が高いときには、負荷率を下げて出力上限値を抑え、回転電機に印加される電圧を抑制する制御を行う。また、図３に関して説明したとおり、気圧が低くなると放電開始電圧が低下する。つまり、同じコイル温度であっても、気圧が低いとき負荷率が低くなるよう制御を行う。図６中、実線Ｄ１，Ｄ２は、回転電機のコイルにおいて放電が生じないようにする、つまり絶縁を確保するための出力上限値を定める負荷率を示している。実線Ｄ１は、気圧が高い時のコイル温度と負荷率の対応を示し、実線Ｄ２は気圧が低い時のコイル温度と負荷率の対応を示している。図６において、コイル温度がＴ４で気圧が高い（Ｄ１）場合には、負荷率が１であるが、気圧が低くなると負荷率がＱ４となり、回転電機の出力が抑制される。図６の負荷率は、図３，４の対応表と同様、放電の開始に対して余裕をもった値とすることができる。

図７は、回転電機のコイルの絶縁確保に係る処理のフローチャートの他の例である。この例においては、図６に示された対応表に基づき処理を行う。初期において、遊星歯車機構１８の３要素の出力（Ｒ１，Ｃ１，Ｓ１）が直線ｍ１上に存在する（図２参照）。第１および第２温度センサ４４，４６により第１および第２回転電機１４，１６のコイル温度を取得する（Ｓ２００）。また、気圧センサ４８により気圧を取得する（Ｓ２００）。取得したコイル温度と気圧から、図６の対応表を適用して、負荷率を求め、そのとき発生できる出力の上限値を第１および第２回転電機のそれぞれについて求める（Ｓ２０２）。

運転者の要求等により算出された第１および第２回転電機１４，１６の出力が、求めた出力上限値を超えていないかを判断する（Ｓ２０４）。第１および第２回転電機１４，１６において、共に出力上限値を超えていない場合、このフローを終了する。また、第１および第２回転電機１４，１６において、共に出力上限値を超えている場合にも、このフローを終了する。第１，第２回転電機１４，１６のいずれか一方のみ、算出された出力が出力上限値を超え、出力が低減される場合、他方の回転電機の出力を増加する（Ｓ２０６）。例えば、第１回転電機１４の出力がＲ１からＲ２（図２参照）へ低減される場合、第２回転電機１６の出力をＳ１からＳ３に増加させる。第２回転電機１６の出力をＳ３に増加させることにより、キャリア２６の出力Ｃ１を維持するようにする。

なお、２機の回転電機および駆動輪に、遊星歯車機構のどの要素を接続するかは、上述の実施形態に限定されず任意に定めることができる。
本発明に関連するハイブリッド車両用動力装置は、遊星歯車機構を介して接続される２機の回転電機を有する。遊星歯車機構の３つの要素に対して、第１要素に第１回転電機が、第２要素に第２回転電機が接続され、第３要素は駆動輪に接続される。さらに、当該動力装置は、気圧と相関のある気圧指標の値を取得する気圧指標値取得手段と、第１回転電機のコイル温度を取得する第１コイル温度取得手段と、第２回転電機のコイル温度を取得する第２コイル温度取得手段を有する。制御装置は、さらに取得されたコイル温度と気圧指標の値に基づき出力上限値を定め、出力上限値により第１回転電機と第２回転電機の一方の出力が抑制された場合、他方の回転電機の出力を増加させる制御部を有する。
前記制御部は、以下の制御部と代替することができる。この制御部は、取得されたコイル温度を、気圧指標の値ごとに定められたコイル温度と出力上限値の関係に適用して回転電機の出力上限値を求め、出力上限値により第１回転電機と第２回転電機の一方の出力が抑制された場合、他方の回転電機の出力を増加させる。

１０ 動力装置、１２ 内燃機関、１４ 第１回転電機、１６ 第２回転電機、１８ 遊星歯車機構、２０ リングギア、２２ サンギア、２６ キャリア、３６ 制御部、４４ 第１温度センサ、４６ 第２温度センサ、４８ 気圧センサ。

Claims (1)

1. 遊星歯車機構の第１要素に接続される第１回転電機と、第２要素に接続される第２回転電機と、第１回転電機に接続される内燃機関を有し、遊星歯車機構の第３要素が駆動輪に接続されるハイブリッド車両用動力装置の制御装置であって、
   気圧と相関のある気圧指標の値を取得する気圧指標値取得手段と、
   第１回転電機のコイル温度を取得する第１コイル温度取得手段と、
   第２回転電機のコイル温度を取得する第２コイル温度取得手段と、
   取得されたコイル温度と気圧指標の値から放電開始電圧を求め、この放電開始電圧と取得されたコイル温度を、コイル温度ごとに定められた放電開始電圧と出力上限値の関係に適用して回転電機の出力上限値を求め、出力上限値により第１回転電機と第２回転電機の一方の出力が抑制された場合、他方の回転電機の出力を増加させる、制御部と、
   を有する、ハイブリッド車両用動力装置の制御装置。

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