JP5825200B2 - 車両の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載された内燃機関、変速機等の制御を行う車両の制御装置に関する。

車両駆動用の原動機として内燃機関と電動機を備えたハイブリッド車両が知られている。電動機は、車両の減速時に発電機として機能して車両が有する運動エネルギを電気エネルギに変換する回生機能を有する。車両には、内燃機関、電動機、変速機等の車両に搭載された機器を制御する制御装置が備えられる。制御装置は、搭載された機器を統合的に制御するものとでき、車両の走行状況に適した制御が実行される。

下記特許文献１には、原動機として内燃機関と電動機を備え、さらに原動機の出力を速度変換して駆動輪へ送出する変速機を備えたハイブリッド車両が示されている。原動機としての電動機に電力を供給するために、また電動機が発電した電力を蓄えるために二次電池が搭載されている。二次電池の蓄電量が少ないときには、変速機の変速点を変更し、変速比の大きな変速段、つまり低速変速段が選択されるように制御し、電動機の回転速度を高めて回生時の発電効率を高めている。これにより、二次電池の蓄電量が早期に回復する。

特開平９−９４１４号公報

ハイブリッド車両においては、内燃機関を始動するのに車両駆動用の電動機を使用する例が多い。発電効率を高くするために電動機の回転速度を高くしている際に内燃機関を始動しようとすると、電動機の高速時のトルクが低いために内燃機関を駆動するためのトルクが不足する場合がある。また、電動機の回転速度まで内燃機関の回転速度を高める必要があり、このために消費する電力が増加する。

本発明は、電動機による電力回生の効率を高くし、内燃機関の始動時の消費電力の増加を抑制することを目的とする。

本発明に係る車両は、車両駆動用の電動機とは別の内燃機関始動用の手段を備えている。本発明に係る車両の制御装置は、前記別の内燃機関始動用の手段により始動可能な状況においては、車両駆動用の電動機により始動する場合に比べて、減速時の変速機の変速点を高車速側とする。

本発明の制御装置が搭載される車両は、車両を駆動する内燃機関と、車両を駆動し、かつ内燃機関を始動する駆動用電動機と、内燃機関および駆動用電動機の出力を速度変換して駆動輪へと伝達する多段自動変速機と、駆動用電動機に代わって内燃機関を始動する代替始動手段と、を有するものとできる。この車両を制御する制御装置は、車両の走行状況が代替始動手段による始動が可能な状況である場合に、車両減速時における多段自動変速機の変速点を、駆動用電動機により始動する状況である場合に比べて高車速側とする。

車両は、内燃機関の出力軸と、駆動用電動機の出力軸を断接する出力軸クラッチを有する。この出力軸クラッチを切断することにより、駆動用電動機のみが駆動輪に接続され、内燃機関は、駆動輪とは切り離された状態とすることができる。制御装置は、出力軸クラッチが切断されており、車両の走行状況が代替始動手段による始動が可能な状況である場合に、変速点の高車速側へとする前記制御を行うようにできる。

本発明の好適な態様において、代替始動手段をスタータモータとすることができる。スタータモータは、内燃機関の出力軸を回転駆動する始動専用の電動機である。

本発明の他の態様において、代替始動手段を、内燃機関の気筒内に燃料を噴射し、且つ燃料に点火することで起こる爆発力により内燃機関を始動する手段とすることができる。

車両駆動用の電動機とは別の内燃機関始動用の手段により内燃機関の始動ができる場合には、減速時の変速点を高車速側とすることで、駆動用電動機を高い回転速度とし、回生効率を高くすることができる。駆動用電動機を高い回転速度としている場合に、駆動用電動機とは別の手段により内燃機関の始動を行うことで、始動時の消費電力が低減される。また、駆動用電動機により内燃機関を始動する場合には、減速時の変速点を低速側とすることで駆動用電動機の回転速度が低くなり、始動時の消費電力が低減される。

本実施形態に係る車両の要部構成図である。 減速時の変速パターンを示す図である。 変速点の選択に係る制御フローを示すチャートである。 本実施形態に係る他の車両の要部構成図である。 変速点の選択に係る制御フローを示すチャートである。 着火始動に係る制御フローを示すチャートである。 着火始動に係る他の制御フローを示すチャートである。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態に係る車両１０の要部構成を示す図である。車両１０は、内燃機関１２と電動機１４の二種の原動機を有する動力装置１６と、動力装置１６の出力を駆動輪１８に伝達する動力伝達系２０を備えている。動力伝達系２０は、多段自動変速機２２およびプロペラシャフト２４を含む。内燃機関１２は、オットー機関、ディーゼル機関等の往復ピストン型の内燃機関１２を採用することができる。電動機１４は、例えば三相同期電動機を採用することができる。電動機１４には、二次電池２６からの直流電力がインバータ（不図示）により三相交流電力に変換されて供給される。電動機１４は動力装置１６の一部であり、電動機１４の出力は、車両を駆動する駆動力となる。よって、電動機１４は駆動用電動機と称することができる。

内燃機関１２の出力軸２８（往復ピストン型の内燃機関であればクランク軸）と電動機１４の出力軸３０（ロータ軸）は、クラッチ３２を介して接続されている。クラッチ３２は、内燃機関１２および電動機１４の出力軸同士を断接、すなわち切断および接続する機能を有する。以下、クラッチ３２を出力軸クラッチ３２と記す。また、出力軸２８，３０をそれぞれクランク軸２８、ロータ軸３０と記す。出力軸クラッチ３２を接続することにより、内燃機関１２と電動機１４は同一の回転速度となる。また、出力軸クラッチ３２を切断すると、内燃機関１２と電動機１４は、別個に回転可能となる。後述するように、出力軸クラッチ３２を切断した状態では、内燃機関１２は、駆動輪１８に接続されず、これを駆動することはできず、一方、電動機１４は駆動輪１８の駆動が可能である。つまり、出力軸クラッチ３２を切断ことにより、動力装置１６の原動機のうち電動機のみが駆動輪に接続される。

多段自動変速機２２は、変速段を運転者が選択する必要がなく、装置が自動的に変速段を選択する変速機である。「自動」は、運転者ではなく装置が車両の走行状況に応じて自動的に変速段を選択することを意味し、「多段自動変速機」は、自動的に変速段の選択が行われる変速機全てを包括する概念を表す。このような多段自動変速機として最も広く普及しているのが、トルクコンバータと多段変速機構を組み合わせた変速機である。図１に示す多段自動変速機２２も、トルクコンバータ３４と多段変速機構３６を含む変速機である。しかし、この例に限らず、例えば、手動変速機の構造を有するが、クラッチ操作、シフト操作をアクチュエータにより自動的に行う変速機を採用することもできる。トルクコンバータは流体継手の一種であるが、この実施形態のトルクコンバータ３４は、流体を介さずに動力伝達するためのロックアップクラッチ３８を有する。多段変速機構３６は、複数の歯車を組み合わせることにより複数の変速比を実現することができる。個々の変速比を実現する歯車の組み合わせを変速段と記す。一つの変速段が選択されて、その変速段の変速比により速度変換されて動力装置１６からの出力が駆動輪１８に向けて送り出される。

内燃機関１２を始動する場合には、出力軸クラッチ３２を接続して電動機１４によりクランク軸２８を回転駆動する。この実施形態においては、電動機１４による始動に対して代替的にスタータモータ４０による始動も可能となっている。スタータモータ４０は内燃機関の始動専用の電動機である。スタータモータ４０はピニオンを有し、このピニオンをクランク軸２８と一体に回転する歯車、例えばフライホールの外周に設けられたリングギアに噛み合わせて、これを回転駆動する。スタータモータ４０には、補機用の二次電池４２から電力を供給することができる。補機用二次電池４２は、駆動用の電動機１４に電力を供給する二次電池２６とは別個に設けられ、車両の灯火類、音響機器、電子制御装置等の電装品に電力を供給する電池である。

内燃機関１２、電動機１４、多段自動変速機２２、出力軸クラッチ３２およびスタータモータ４０は、制御装置４４により制御される。制御装置４４は、運転者の操作する操作子や各種センサにより車両の走行状況を判断し、走行状況に合わせて内燃機関１２等の各装置を制御する。運転者の操作する操作子は、例えばアクセルペダル４６、ブレーキペダル４８である。アクセルペダル４６の操作量により運転者の加速要求を把握することができ、ブレーキペダル４８の操作量により運転者の減速要求を把握することができる。また、車速センサ５０により、現在の車両速度を把握することができる。クランク軸２８の近傍にはクランク角センサ５２が配置され、このセンサからの出力に基づき、クランク軸２８の角度位置および内燃機関１２の回転速度を把握することができる。

制御装置４４は、各操作子、各センサから取得した情報に基づき、車両の走行状況を判断し、あらかじめ定められた制御を実行する。通常走行時においては、出力軸クラッチ３２を接続し、内燃機関１２と電動機１４の二つの原動機により走行する。この状態を以降ＨＶ走行（ハイブリッド車両走行）と記す。減速時には、電動機１４により回生発電を行って、二次電池２６を充電する。回生発電を行う場合には、トルクコンバータ３４のすべりがない状態、例えばロックアップクラッチ３８を直結状態とすることが望ましい。また、二次電池２６の蓄電量が少ないときには、内燃機関１２の出力を用いて電動機１４を駆動して発電を行い、二次電池２６を充電するようにする。

前述のように、この動力装置１６においては、出力軸クラッチ３２を切断することで、内燃機関１２を駆動輪１８から切り離すことができる。この状態、つまり電動機１４のみ駆動輪１８に接続し、電動機１４の出力のみで車両を駆動する走行状態を、以降ＥＶ走行（電動車両走行）と記す。ＥＶ走行においては、内燃機関１２は停止される。制御装置４４は、車両の走行状況が、大きな駆動力を必要としない状況であり、また二次電池２６の蓄電量が十分である場合には、出力軸クラッチ３２を切断したＥＶ走行を実施する。ＥＶ走行からＨＶ走行に移行するには、内燃機関１２の始動と出力軸クラッチ３２の接続を実行する。内燃機関１２の始動は、この実施形態においては、二つの手段により実行可能である。一つは、車両駆動用の電動機１４によりクランク軸２８を回転駆動する手段である。出力軸クラッチ３２を徐々に接続し、内燃機関１２の回転速度を高くし、電動機１４の回転速度とほぼ一致したら点火プラグによる着火を行う。もう一つの手段は、スタータモータ４０によりクランク軸２８を回転駆動する手段である。スタータモータ４０のピニオンをリングギアに噛み合わせ、内燃機関１２を回転させ、点火プラグにより着火し始動する。このとき、出力軸クラッチ３２は切断した状態のままである。内燃機関１２が始動した後、回転速度を、電動機１４の回転速度と同じにして、またはこれに近い回転速度まで増速して、出力軸クラッチ３２を接続する。これにより、ＨＶ走行に移行される。

多段自動変速機２２の変速動作も、車両の走行状況に対応してあらかじめ定められており、これに従って制御装置４４は変速動作の制御を行う。あらかじめ定められた変速動作の一例が図２に示されている。

図２は、ＥＶ走行時の減速時の変速パターンの一例を示す図である。横軸に車速、縦軸にブレーキペダルの操作量がとられている。図２において、破線と実線は、ＥＶ走行中に停止している内燃機関１２の始動に用いる手段の違いによる変速点の相違を示している。破線は駆動用の電動機１４による始動が行われる場合、実線は駆動用の電動機１４に代えてスタータモータ４０により始動が行われる場合を示す。

電動機１４による内燃機関１２の始動が行われる走行状況においては、制御装置４４は、車速が減少し破線Ｔ4 に達すると、変速段を５速から４速に変速する制御を行う。車速が破線Ｔ3 ，Ｔ2 に達すると、それぞれ４速から３速、３速から２速に変速する制御を実行する。スタータモータ４０による始動が行われる走行状況においては、先の場合に比して高い車速で低速変速段への変速動作を行う。つまり、車速が、破線Ｔ4 より高い車速に設定された実線Ｓ4 に達すると、５速から４速への変速制御が実行される。同様に、実線Ｓ3 ，Ｓ2 に車速が達すると、それぞれ４速から３速、３速から２速への変速制御が実行される。

変速点を高く設定する、つまり図２の場合であれば、実線Ｓ4，Ｓ3，Ｓ2 を変速点とする場合には、同じ車速であっても電動機１４の回転速度が高くなるので、回生発電の効率を高くすることができ、有効にエネルギの回収を行うことができる。以降では、実線Ｓ4，Ｓ3，Ｓ2 を変速点とする変速パターンを「回生優先パターン」と記す。この回生優先パターンでは、内燃機関１２を始動し、ＨＶ走行としようとするときには、電動機１４の高くされた回転速度まで内燃機関１２の回転速度を高める必要がある。電動機１４は駆動輪１８に接続されており、ある変速段が選択された状態において、電動機１４の回転速度と車速は一対一の関係にある。したがって、滑らかにＨＶ走行に移行するためには、すみやかに内燃機関１２の回転速度を電動機１４の回転速度まで引き上げる必要がある。内燃機関１２を電動機１４により駆動しようとする場合、電動機は一般的に高い回転速度においては駆動トルクが小さいため、トルクが不足する場合がある。また、電動機１４のトルクが足りたとしても、電動機１４の回転速度に合わせて内燃機関１２をより高い回転速度とすることにより消費電力が増加する。したがって、電動機１４により内燃機関１２を始動することを考慮すれば、変速点を低く設定し、高速の変速段が選択される設定がなされていることが好ましい。この実施形態においては、電動機１４により内燃機関１２を始動する場合には、図２の破線Ｔ4，Ｔ3，Ｔ2 を変速点とする。以降において、この変速パターンを「始動時優先パターン」と記す。

このように、電力の回生効率の観点からは変速点を高く設定することが望ましいが、内燃機関１２の始動時のショック、電力消費の観点からは変速点を低く設定することが望ましい。この実施形態においては、内燃機関１２を駆動用の電動機１４の代わりにスタータモータ４０により始動することで、少なくとも始動時のショックの低減を図っている。また、スタータモータ４０による始動では、スタータモータ４０により回転させる際の内燃機関１２の回転速度は低くてよく（一般的にはアイドル回転速度よりも低い）、始動後、電動機１４の回転速度に一致させる際には、内燃機関１２が自力で（つまり燃料の有するエネルギを用いて）増速することができる。すなわち、内燃機関１２の始動後は、内燃機関１２を増速するために電力を消費せずに済む。よって、全体として、内燃機関１２を始動するための電力消費を抑制することができる。

現在の走行状況が、スタータモータ４０で内燃機関１２を始動可能な状況であることが判断された場合には回生優先パターンを採用して回生効率を高めている。一方、スタータモータ４０で始動ができない場合は始動時優先パターンを採用して始動時における内燃機関１２を駆動するためのトルクを確保している。また、始動時優先パターンでは、電動機１４の回転速度が低く、内燃機関をこの速度まで加速するのに要する電力が、回生優先パターンに比して少なくなる。

図３は、ＥＶ走行中の回生制動時における変速パターンの選択に係る制御フローを示す図である。ＥＶ走行においては、出力軸クラッチ３２が切断され、内燃機関１２は停止される。ＥＶ走行状態となると、またはＥＶ走行時、回生制動中になると、車両の走行状況がスタータモータによる始動が可能な状況かが判断される（Ｓ１００）。例えば、補機用二次電池４２の蓄電量が所定値以上のときには、スタータモータによる始動が可能と判断される。肯定的な判断がなされた場合には、回生優先パターンが選択され、低めの変速段が選択されるようになる（Ｓ１０２）。一方、肯定的な判断がなされなかった場合には、始動時優先パターンが選択され高めの変速段が選択されるようになる（Ｓ１０４）。

スタータモータによる始動が可能な走行状況かの判断は、車両走行中、常に実行されてもよい。また、前述のようにＥＶ走行中において実行されてよく、ＥＶ走行中であることは、例えば内燃機関１２が停止していることや、出力軸クラッチ３２が切断状態にあることに基づき判断することができる。

図４は、本発明に係る他の実施形態に係る車両６０の要部概略構成を示す図である。前述の車両１０と同様の構成は、同一の符号を付し、その説明を省略する。この実施形態においては、車両駆動用の電動機１４に代替して内燃機関１２を始動する代替始動手段が前述の車両１０のものと異なる。この車両６０における代替始動手段は、気筒内に燃料を直接噴射する直噴システムを利用しており、気筒内に燃料を直接噴射する噴射弁６２と、噴射された燃料を着火させるための点火プラグ６４を含む。この代替始動手段を以降「着火始動手段６６」と記し、この始動の手法を着火始動と記す。

着火始動手段６６による内燃機関１２の始動は以下のとおりである。内燃機関１２が停止中に、膨張行程、または膨張行程前期の所定範囲にある気筒を、クランク角センサ５２の出力に基づき検知しておく。この検知は、その気筒に対し燃料の噴射および燃料への点火を行うことにより着火始動が可能な気筒を検知するためのものである。内燃機関１２を始動する際には、この膨張行程または膨張行程の特定の範囲にある気筒に対し、噴射弁６２により燃料を噴射し、噴射された燃料に点火プラグ６４により点火を行う。点火により着火した燃料は爆発し、この爆発の力によってピストンが押し下げられクランク軸２８が回転を始める。膨張行程となった気筒に対し、順次燃料噴射、点火を行い、内燃機関１２を始動する。内燃機関１２の始動後は、車両１０の場合と同様、内燃機関１２の回転速度を、電動機１４の回転速度に一致するまで増速させ、出力軸クラッチ３２を接続して、ＨＶ走行に移行する。

着火始動により内燃機関１２を始動する場合には、内縁機関１２を回転させるために電力を消費せず、電力消費を抑えることができる。

図５は、ＥＶ走行中の回生制動時における変速パターンの選択に係る制御フローを示す図である。ＥＶ走行においては、出力軸クラッチ３２が切断され、内燃機関１２は停止される。ＥＶ走行状態となると、またはＥＶ走行時、回生制動中になると、車両の走行状況が着火始動手段による始動が可能な状況かが判断される（Ｓ２００）。例えば、ピストンが着火始動に適切な位置にある気筒が存在するか、内燃機関１２の温度（例えば冷却水温）が着火始動が可能な温度範囲かなどにより、着火始動が可能な状況かを判断する。肯定的な判断がなされた場合には、回生優先パターンが選択され、低めの変速段が選択されるようになる（Ｓ２０２）。一方、肯定的な判断がなされなかった場合には、始動時優先パターンが選択され高めの変速段が選択されるようになる（Ｓ２０４）。

図６は、内燃機関１２の始動に係る制御フローの一例を示すチャートである。内燃機関１２の始動要求がなされると（Ｓ３００）、着火始動が許可されているかが判断される（Ｓ３０２）。着火始動が許可されていれば、着火始動を実行する（Ｓ３０４）。着火始動の許可は、車両の走行状況が着火始動が可能な状況かの判断に基づきなされる。前述のように、着火始動に適切な位置にあるピストンが存在するか、温度が適切かなどの条件に基づき、着火始動が可能かが判断される。着火始動が許可されていない場合には、出力軸クラッチ３２を接続して、電動機１４により内燃機関１２を駆動して始動を行う（Ｓ３０６）。着火始動の実行後には、始動に成功したかが判断される（Ｓ３０８）。始動成功の判断は、例えば着火始動を実行してから所定時間経過後に、内燃機関１２の回転速度が所定速度、例えばアイドル回転速度に達しているかに基づき行うことができる。始動が成功していれば通常の制御が継続される。始動に失敗した場合は、ステップＳ３０６に移行し、電動機１４による始動を行う。

図７は、内燃機関１２の始動に係る制御フローの他の例を示すチャートである。この制御フローが実行される車両には、代替始動手段として、着火始動手段６６とスタータモータ４０の双方が備わっている。図６のチャートと同じステップには同一の符号を付して説明を省略する。この例では、着火始動を行わないとき、および着火始動に失敗したときに、スタータモータ４０により内燃機関１２の始動を行う（Ｓ３１０）。

本発明に係る好適な態様について以下に記す。
（１）車両を駆動する内燃機関と、
車両を駆動し、かつ内燃機関を始動する駆動用電動機と、
内燃機関および駆動用電動機の出力を速度変換して駆動輪へと伝達する多段自動変速機と、
内燃機関と駆動用電動機の出力軸同士を断接し、切断することにより駆動用電動機のみが駆動輪に接続された状態とする出力軸クラッチと、
駆動用電動機に代わって内燃機関を始動する代替始動手段と、
を備えた車両の制御を行う車両の制御装置であって、
出力軸クラッチが切断された状態において、車両の走行状況が代替始動手段による始動が可能な状況である場合に、減速時における多段自動変速機の変速点を、駆動用電動機による始動する状況である場合に比べて高車速側とする、
車両の制御装置。
（２）
上記（１）に記載の車両の制御装置であって、出力軸クラッチが切断され、かつ駆動用電動機による回生発電が実行され、かつ代替始動手段による始動が可能な走行状況である場合に、変速点を高車速側とする、車両の制御装置。

１０，６０ 車両、１２ 内燃機関、１４ 電動機（駆動用電動機）、２２ 多段自動変速機、２８ クランク軸（内燃機関の出力軸）、３０ ロータ軸（電動機の出力軸）、３２ 出力軸クラッチ、３６ 多段変速機構、４０ スタータモータ（代替始動手段）、４４ 制御装置、６２ 噴射弁、６４ 点火プラグ、６６ 着火始動手段（代替始動手段）。

Claims (4)

1. 車両を駆動する内燃機関と、
   車両を駆動し、かつ内燃機関を始動する単一の駆動用電動機と、
   内燃機関および駆動用電動機の出力を速度変換して駆動輪へと伝達する多段自動変速機と、
   駆動用電動機に代わって内燃機関を始動するための代替始動手段と、
   内燃機関と駆動用電動機のそれぞれの出力軸が接続され、これらの出力軸同士を断接する出力軸クラッチであって、当該出力軸クラッチを切断することにより駆動用電動機のみが駆動輪に接続される、出力軸クラッチと、
   を備えた車両の制御を行う車両の制御装置であって、
   車両の走行状況が代替始動手段による始動が可能な状況である場合に、減速時の多段自動変速機の変速点を、駆動用電動機により始動する状況である場合に比べて高車速側とする、
   車両の制御装置。
2. 請求項１に記載の車両の制御装置であって、
   当該車両の制御装置は、出力軸クラッチが切断され、車両の走行状況が代替始動手段による始動が可能な走行状況である場合に、変速点を高車速側とする前記制御を行う、
   車両の制御装置。
3. 請求項１または２に記載の車両の制御装置であって、代替始動手段がスタータモータであり、当該スタータモータには、駆動用電動機に電力を供給する二次電池とは別の補機用二次電池から電力が供給される、車両の制御装置。
4. 請求項１または２に記載の車両の制御装置であって、代替始動手段が内燃機関の気筒内に燃料を噴射し、且つ燃料に点火することで起こる爆発力によって内燃機関を始動する手段である、車両の制御装置。

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