JP6426584B2 - ハイブリッド車両 - Google Patents

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Description

本発明はハイブリッド車両に関し、より特定的には、エンジンと回転電機との少なくとも一方の動力を用いて走行可能なハイブリッド車両に関する。
ハイブリッド車両において、エンジンと、第1および第2のモータジェネレータと、遊星歯車機構とを備える構成が知られている。遊星歯車機構は、第1のモータジェネレータに連結されたサンギヤと、第2のモータジェネレータに連結されたリングギヤと、エンジンに連結されたキャリアとを含む。このハイリッド車両の電気システムは、バッテリと、インバータとを備える。インバータは、バッテリと、第1のモータジェネレータと、第2のモータジェネレータとの間の電力を変換可能に構成される。
このような構成を有するハイブリッド車両において、インバータによる第1および第2のモータジェネレータの電気的な駆動を正常に行なうことができない場合には、機器を保護するために適切な処置を講ずることが必要となる。たとえば特開2013−203116号公報(特許文献1)は、インバータによる第1および第2のモータジェネレータの電気的な駆動を正常に行なうことができない場合に、インバータのゲート遮断を行なう制御を開示する。
特開2013−203116号公報
上述のようにインバータによる第1および第2のモータジェネレータの電気的な駆動を正常に行なうことができない場合に、インバータをゲート遮断状態にしつつエンジンを駆動して車両を退避走行させる制御を、本明細書では「インバータレス走行制御」と称する。インバータレス走行制御中においては、インバータをゲート遮断状態にしつつ、エンジンの回転力により第1のモータジェネレータを機械的に回転させることによって、第1のモータジェネレータに逆起電圧を発生させる。この際、第1のモータジェネレータは、第1のモータジェネレータの回転を妨げる方向に作用する制動トルク(逆起トルク)を発生する。この逆起トルクが第1のモータジェネレータからサンギヤに作用することによって、リングギヤには、逆起トルクの反力として正方向に作用する駆動トルクが発生する。この駆動トルクを用いることにより、退避走行が実現される。
たとえば特許文献1は、インバータレス走行制御中において、アクセル開度に応じてエンジン要求パワーを算出し、さらにエンジン要求パワーに基づいて定められたエンジン動作点でエンジンを駆動することを開示する。詳細は後述するが、エンジン回転速度を制御することによって、所望の駆動トルクを発生させることができる。
一般に機械的な制御は、電気的または電子的な制御と比べて応答性が低い場合が多い。エンジン動作点の変化(ここではエンジン回転速度の変化)は、エンジンの燃焼状態の変化を伴う機械的な制御によるものであるため、相対的に緩やかである。したがって、インバータレス走行制御中において、ユーザ操作に応じたアクセル開度から決められる駆動力(要求駆動力)が変化した際に、駆動トルクが要求駆動力に対応する値となるようにエンジン動作点を調整する場合には、十分な応答性が得られない可能性がある。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、インバータレス走行制御を実行可能に構成されたハイブリッド車両において、要求駆動力に対する応答性を向上させることである。
本発明のある局面に従うハイブリッド車両は、エンジンと、ロータに永久磁石を有する第1の回転電機と、駆動輪に接続された出力軸と、遊星歯車機構と、出力軸に接続された第2の回転電機と、バッテリと、コンバータと、インバータと、制御装置とを備える。遊星歯車機構は、エンジン、第1の回転電機、および出力軸を機械的に連結し、エンジン、第1の回転電機、および出力軸の間でトルクを伝達可能に構成される。コンバータは、バッテリから入力される電圧を昇圧した昇圧電圧を出力可能に構成される。インバータは、コンバータ、第1の回転電機、および第2の回転電機の間で電力を変換可能に構成される。制御装置は、インバータによる第1および第2の回転電機の駆動を正常に行なうことができない場合にインバータレス走行制御を実行可能に構成される。インバータレス走行制御は、インバータをゲート遮断状態にし、かつ、エンジンを駆動して第1の回転電機を機械的に回転させることによって、第1の回転電機の逆起電圧と昇圧電圧との差に対応する制動トルクを第1の回転電機に発生させ、制動トルクの反力として出力軸に作用する駆動トルクでハイブリッド車両を走行させる制御である。制御装置は、インバータレス走行制御中において、昇圧電圧を上昇または低下させることによって、駆動トルクがアクセル開度から決められる駆動力に対応する値となるようにする。
第1の回転電機では、逆起電圧と昇圧電圧との差に応じた電力(逆起電力)が発電され、その逆起電力に応じた制動トルク(逆起トルク)が発生する。そして、その逆起トルクの反力としての駆動トルクが出力軸に作用する。つまり、駆動トルクの大きさは、上記電圧差によって定まる。上記構成によれば、昇圧電圧を調整することで上記電圧差が調整されるので、駆動トルクの大きさを制御することができる。一般に、コンバータ等の電気的制御の応答性は、エンジン等の機械的制御の応答性よりも高い。したがって、コンバータ制御によって駆動トルクの大きさを制御することで、要求駆動力に対する応答性を向上させることができる。
好ましくは、制御装置は、エンジンを制御する第1の制御部と、コンバータを制御する第2の制御部とを含む。インバータレス走行制御中において、第1の制御部と第2の制御部との間の通信が正常である場合には、第2の制御部は、昇圧電圧を上昇または低下させることによって、駆動トルクがアクセル開度から決められる駆動力に対応する値となるようにする。一方で、上記通信が正常でない場合には、第1の制御部は、エンジンの動作点を調整することによって、駆動トルクが前記アクセル開度から決められる駆動力に対応する値となるようにする。
上記構成によれば、第1および第2の回転電機を正常に駆動できずインバータレス走行制御が行なわれる場合に、通信が正常であるか否かに応じて、駆動トルク制御が切り替えられる。すなわち、通信が正常である場合には、昇圧電圧の調整による駆動トルク制御が行なわれるので、要求駆動力に対する応答性を向上させることができる。一方で、第1の制御部では通信を行なわなくてもエンジンを制御可能であるので、通信が正常でない場合には、第1の制御部によってエンジンの回転速度の調整による駆動トルク制御が行なわれる。これにより、通信に異常が生じていてもインバータレス走行を継続することが可能になるので、より確実にユーザが希望する場所までハイブリッド車両を退避させることができる。
本発明によれば、インバータレス走行制御を実行可能に構成されたハイブリッド車両において、要求駆動力に対する応答性を向上させることができる。
実施の形態1に係るハイブリッド車両の全体構成を概略的に示すブロック図である。 ハイブリッド車両の電気システムの構成を説明するための回路ブロック図である。 インバータレス走行制御中における電気システムの構成を概略的に示す図である。 インバータレス走行制御中における各回転要素の挙動を説明するための共線図である。 逆起トルク特性のシステム電圧依存性を説明するための図である。 逆起トルクおよびそれによる駆動トルクの発生メカニズムをより詳細に説明するための図である。 エンジンの回転速度による駆動トルク制御を説明するための図である。 領域R1におけるシステム電圧による駆動トルク制御を説明するための図である。 実施の形態1に係るハイブリッド車両における走行制御を説明するためのフローチャートである。 領域R2におけるシステム電圧の調整による駆動トルク制御を説明するための図である。 実施の形態2に係るハイブリッド車両における走行制御を説明するためのフローチャートである。 実施の形態2の変形例におけるECUの構成例を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
[実施の形態1]
<ハイブリッド車両の全体構成>
図1は、本実施の形態に係るハイブリッド車両の全体構成を概略的に示すブロック図である。車両1は、エンジン100と、モータジェネレータ10,20と、遊星歯車機構30と、駆動輪50と、駆動輪50に接続された出力軸60と、バッテリ150と、システムメインリレー(SMR:System Main Relay)160と、電力制御ユニット(PCU:Power Control Unit)200と、電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)300と、アクセルペダル500とを備える。
車両1は、エンジン100とモータジェネレータ20との少なくとも一方の動力を用いて走行する。車両1は、後述する通常走行中において、エンジン100の動力を用いずにモータジェネレータ20の動力を用いる電気自動車走行(EV走行)と、エンジン100およびモータジェネレータ20の両方の動力を用いるハイブリッド自動車走行(HV走行)との間で車両1の走行態様を切り替えることができる。
エンジン100は、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジン等の内燃機関である。エンジン100は、ECU300からの制御信号に応じて車両1が走行するための動力を発生する。エンジン100により発生した動力は遊星歯車機構30に出力される。
エンジン100にはエンジン回転速度センサ410が設けられている。エンジン回転速度センサ410は、エンジン100の回転速度Neを検出し、その検出結果を示す信号をECU300に出力する。
モータジェネレータ10,20の各々は、たとえば三相交流永久磁石型同期モータである。モータジェネレータ(第1の回転電機)10は、エンジン100を始動させる際にはバッテリ150の電力を用いてエンジン100のクランクシャフト110を回転させる。また、モータジェネレータ10は、エンジン100の動力を用いて発電することも可能である。モータジェネレータ10によって発電された交流電力は、PCU200により直流電力に変換されてバッテリ150に充電される。また、モータジェネレータ10によって発電された交流電力がモータジェネレータ20に供給される場合もある。
モータジェネレータ(第2の回転電機)20のロータは、出力軸60に連結される。モータジェネレータ20は、バッテリ150からの供給電力およびモータジェネレータ10による発電電力のうちの少なくとも一方を用いて出力軸60を回転させる。また、モータジェネレータ20は、回生制動によって発電することも可能である。モータジェネレータ20によって発電された交流電力は、PCU200により直流電力に変換されてバッテリ150に充電される。
モータジェネレータ10にはレゾルバ421が設けられている。レゾルバ421は、モータジェネレータ10の回転速度Nm1を検出し、その検出結果を示す信号をECU300に出力する。同様に、モータジェネレータ20にはレゾルバ422が設けられている。レゾルバ422は、モータジェネレータ20の回転速度Nm2を検出し、その検出結果を示す信号をECU300に出力する。ECU300は、回転速度Nm2から車両1の速度(車速)Vを算出する。
遊星歯車機構30は、エンジン100、モータジェネレータ10および出力軸60を機械的に連結し、エンジン100、モータジェネレータ10および出力軸60の間でトルクを伝達可能に構成されている。具体的には、遊星歯車機構30は、回転要素としてサンギヤSと、リングギヤRと、キャリアCAと、ピニオンギヤPとを含む。サンギヤSは、モータジェネレータ10のロータに連結される。リングギヤRは、出力軸60に連結される。ピニオンギヤPは、サンギヤSとリングギヤRとに噛合する。キャリアCAは、エンジン100のクランクシャフト110に連結されるとともに、ピニオンギヤPが自転かつ公転できるようにピニオンギヤPを保持する。
バッテリ150は、再充電が可能に構成された蓄電装置である。バッテリ150は、代表的にはニッケル水素二次電池もしくはリチウムイオン二次電池などの二次電池、または電気二重層キャパシタなどのキャパシタを含んで構成される。
SMR160は、バッテリ150とPCU200とを結ぶ電力線に接続されている。SMR160は、ECU300からの制御信号に応じて開放または閉成される。これにより、バッテリ150とPCU200との電気的な接続状態および遮断状態が切り替えられる。
PCU200は、バッテリ150に蓄えられた直流電力を昇圧し、昇圧された電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ10およびモータジェネレータ20に供給する。また、PCU200は、モータジェネレータ10およびモータジェネレータ20により発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ150に供給する。PCU200の構成については図2にて詳細に説明する。
ECU300は、いずれも図示しないが、CPU(Central Processing Unit)と、メモリと、入出力バッファ等とを含んで構成される。ECU300は、各センサおよび機器からの信号、ならびにメモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、車両1が所望の走行状態となるように各機器を制御する。なお、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア(電子回路)により処理することも可能である。
アクセルペダル500にはアクセルポジションセンサ430が設けられている。アクセルポジションセンサ430は、ユーザ操作によるアクセルペダル500の操作量(アクセル開度)Accを検出して、その検出結果をECU300に出力する。ECU300は、アクセル開度Accおよび車速Vから車両1の要求駆動力を算出する。
<電気システムの構成>
図2は、車両1の電気システムの構成を説明するための回路ブロック図である。PCU200は、コンデンサC1と、コンバータ210と、コンデンサC2と、インバータ221,222と、電圧センサ230と、電流センサ241,242とを含む。ECU300は、HV−ECU310と、MG−ECU320とを含む。
バッテリ150には監視ユニット440が設けられている。監視ユニット440は、バッテリ150の電圧VB、バッテリ150の入出力電流IB、およびバッテリ150の温度TBを検出して、それらの検出結果を示す信号をHV−ECU310に出力する。
コンデンサC1は、バッテリ150に並列に接続されている。コンデンサC1は、バッテリ150の電圧VBを平滑化してコンバータ210に供給する。
コンバータ210は、リアクトルL1と、スイッチング素子Q1,Q2と、ダイオードD1,D2とを含む。スイッチング素子Q1,Q2および後述するスイッチング素子Q3〜Q14の各々は、たとえばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。スイッチング素子Q1,Q2は、コンバータ210とインバータ221とを結ぶ電力線PLと電力線NLとの間に互いに直列に接続されている。ダイオードD1,D2は、スイッチング素子Q1,Q2のコレクタ−エミッタ間に逆並列にそれぞれ接続されている。リアクトルL1の一方端は、バッテリ150の高電位側に接続されている。リアクトルL1の他方端は、スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2との中間点(スイッチング素子Q1のエミッタとスイッチング素子Q2のコレクタとの接続点)に接続されている。
コンバータ210は、スイッチング素子Q1,Q2の各々をスイッチング動作させるためのPWM(Pulse Width Modulation)方式の制御信号PWMCに応じて、バッテリ150の電圧VBを昇圧し、昇圧された電圧を電力線PL,NLに供給する。また、コンバータ210は、制御信号PWMCに応じて、インバータ221およびインバータ222の一方または両方から供給された電力線PL,NLの直流電圧を降圧してバッテリ150を充電する。
コンデンサC2は、コンバータ210に並列に接続されている。コンデンサC2は、コンバータ210から供給された直流電圧を平滑化してインバータ221,222に供給する。
電圧センサ230は、コンデンサC2の両端の電圧、すなわち電力線PLと電力線NLと間の電圧(以下「システム電圧」とも記載する)VHを検出し、その検出結果を示す信号をMG−ECU320に出力する。なお、システム電圧VHは、本発明に係る「昇圧電圧」に対応する。
インバータ221は、U相アーム1Uと、V相アーム1Vと、W相アーム1Wとを含む。各相アームは、電力線PLと電力線NLとの間に互いに並列に接続されている。U相アーム1Uは、互いに直列に接続されたスイッチング素子Q3,Q4を有する。V相アーム1Vは、互いに直列に接続されたスイッチング素子Q5,Q6を有する。W相アーム1Wは、互いに直列に接続されたスイッチング素子Q7,Q8を有する。各スイッチング素子Q3〜Q8のコレクタ−エミッタ間には、ダイオードD3〜D8が逆並列にそれぞれ接続されている。各相アームの中間点は、モータジェネレータ10の各相コイルに接続されている。すなわち、モータジェネレータ10のU相、V相およびW相の3つのコイルの一方端は、中性点に共通接続されている。U相コイルの他方端は、スイッチング素子Q3,Q4の中間点に接続されている。V相コイルの他端は、スイッチング素子Q5,Q6の中間点に接続されている。W相コイルの他方端は、スイッチング素子Q7,Q8の中間点に接続されている。
インバータ221は、システム電圧VHが供給されると、スイッチング素子Q3〜Q8の各々をスイッチング動作させるためのPWM方式の制御信号PWM1に応じて、直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ10を駆動する。これにより、モータジェネレータ10は、トルク指令値により指定されたトルクを発生するように駆動される。一方、インバータ221は、ゲート遮断信号SDN1を受けると、スイッチング素子Q3〜Q8の各々を非導通状態にする。これにより、インバータ221はゲート遮断状態になる。なお、インバータ222の構成はインバータ221の構成と同等であるため、説明は繰り返さない。
電流センサ241は、モータジェネレータ10を流れる電流(以下「モータ電流」とも記載する)IM1を検出し、その検出結果を示す信号をMG−ECU320に出力する。以下では、モータジェネレータ10からバッテリ150へと向かう方向をモータ電流IM1の正方向とする。電流センサ242は、電流センサ241と同様に、モータジェネレータ20を流れる電流IM2を検出し、その検出結果を示す信号をMG−ECU320に出力する。
HV−ECU310は、エンジン回転速度センサ410からの信号(Neで示す)、レゾルバ421,422からの信号(Nm1,Nm2でそれぞれ示す)、および、アクセルポジションセンサ430からの信号(Accで示す)を受ける。
HV−ECU310は、モータジェネレータ10,20の運転指令を生成し、MG−ECU320に出力する。この運転指令は、モータジェネレータ10,20各々の運転許可指令および運転禁止指令(すなわちインバータ221,222のゲート遮断指令)、モータジェネレータ10,20各々のトルク指令値、回転速度Nm1,Nm2の各指令値等を含む。また、HV−ECU310は、コンバータ210の出力電圧の目標値(以下「目標システム電圧」とも称する)VHtagを設定し、その値を示す信号をMG−ECU320に出力する。
さらに、HV−ECU310は、アクセル開度Accおよび車速Vから要求駆動力を算出し、要求駆動力からエンジン要求パワーPe*を決定する。さらに、エンジン要求パワーPe*に基づいて定められた動作点(エンジン100の目標回転速度Netagおよび目標トルク)でエンジン100が駆動されるように、エンジン100の燃料噴射、点火時期、バルブタイミング等を制御する。
MG−ECU320は、HV−ECU310からモータジェネレータ10,20の運転指令、および目標システム電圧VHtagを受ける。また、MG−ECU320は、電圧センサ230からの信号(VHで示す)、電流センサ241,242からの信号(IM1,IM2でそれぞれ示す)、およびレゾルバ421,422からの信号(Nm1,Nm2でそれぞれ示す)を受ける。
MG−ECU320は、上記した各指令値、目標システム電圧VHtagおよび各信号に基づいて、システム電圧VHが目標システム電圧VHtagに追従するようにコンバータ210を制御する。より具体的には、MG−ECU320は、制御信号PWMCによりコンバータ210の出力電圧のデューティを調整することによって、システム電圧VHを目標システム電圧VHtagに制御するフィードバック制御を実行する。コンバータ210の出力電圧のデューティは、コンバータ210のスイッチング素子Q1,Q2の動作タイミングを変化させることによって調整することができる。
また、MG−ECU320は、HV−ECU310から受けた運転指令に従ってモータジェネレータ10,20が動作するようにインバータ221,222を制御する。MG−ECU320は、HV−ECU310からモータジェネレータ10の運転許可指令を受けた場合には、システム電圧VH、モータ電流IM1およびトルク指令値に基づいて、制御信号PWM1を生成してインバータ221に出力する。一方、MG−ECU320は、HV−ECU310からインバータ221のゲート遮断指令を受けた場合には、ゲート遮断信号SDN1を生成してインバータ221に出力する。インバータ222の制御も同様であるため、説明は繰り返さない。
なお、図2に示す例では、ECU300が2つのユニット(HV−ECU310およびMG−ECU320)に分割された構成を示しているが、2つのユニットを1つに統合することも可能である。以下では、HV−ECU310とMG−ECU320とを区別しない場合には、単に「ECU300」と記載する。
<通常モードおよび退避モード>
ECU300は、通常モードと退避モードとのいずれかの制御モードで車両1を走行させることができる。通常モードは、EV走行とHV走行とを必要に応じて切り替えながら車両1を走行させるモードである。言い換えれば、通常モードは、インバータ221,222によるモータジェネレータ10,20の電気的な駆動が許容されるモードである。通常モードによる走行を「通常走行」と称する。
退避モードは、部品(たとえばレゾルバ421,422または電流センサ241,242)の故障などに起因して、インバータ221,222によるモータジェネレータ10,20の電気的な駆動を正常に行なうことができない場合に、インバータ221,222をゲート遮断状態にしつつ、エンジン100を駆動して車両1を退避走行させるモードである。言い換えれば、退避モードは、インバータ221,222によるモータジェネレータ10,20の電気的な駆動が禁止されるモードである。この退避モードによる走行を「インバータレス走行」と称し、インバータレス走行を行なうための制御を「インバータレス走行制御」と称する。
図3は、インバータレス走行制御中における電気システムの構成を概略的に示す図である。インバータレス走行制御中においては、ゲート遮断信号SDN1に応答して、インバータ221に含まれるすべてのスイッチング素子Q3〜Q8が非導通状態にされる。そのため、インバータ221に含まれるダイオードD3〜D8によって三相全波整流回路が構成される。同様に、図示しないが、ゲート遮断信号SDN2に応答して、インバータ222に含まれるすべてのスイッチング素子Q9〜Q14(図2参照)が非導通状態にされる。そのため、インバータ222に含まれるダイオードD9〜D14によって三相全波整流回路が構成される。一方、コンバータ210では、制御信号PWMCに応じたスイッチング素子Q1,Q2のスイッチング動作(PWM動作)が継続される。
インバータレス走行制御中においてはエンジン100が駆動されるため、エンジン100からエンジントルクTeが出力される。このエンジントルクTeによってモータジェネレータ10が機械的(力学的)に回転させられる。モータジェネレータ10は永久磁石型同期モータであるので、モータジェネレータ10のロータには永久磁石12が設けられている。このため、エンジントルクTeにより永久磁石12が回転させられることによって逆起電圧Vcが生じる。この逆起電圧Vcがシステム電圧VHよりも高くなると、モータジェネレータ10からバッテリ150へとモータ電流IM1が流れ、モータジェネレータ10による発電が行なわれる。この際に、モータジェネレータ10では、モータジェネレータ10の回転を妨げる方向に作用する逆起トルクTcが発生する。
図4は、インバータレス走行制御中における各回転要素の挙動を説明するための共線図である。遊星歯車機構30が図1にて説明したように構成されることによって、サンギヤSの回転速度(=回転速度Nm1)と、キャリアCAの回転速度(=回転速度Ne)と、リングギヤRの回転速度(=回転速度Nm2)とは、共線図上において直線で結ばれる関係を有する。
上述のように、インバータレス走行制御中にエンジントルクTeによってモータジェネレータ10が機械的に回転させられると、モータジェネレータ10は、モータジェネレータ10の回転を妨げる方向(負方向)に逆起トルクTcを発生する。逆起トルクTcがモータジェネレータ10からサンギヤSに作用することによって、リングギヤRには、逆起トルクTcの反力として正方向に作用する駆動トルクTepが発生する。この駆動トルクTepにより、車両1のインバータレス走行が実現される。
<逆起トルクTcのシステム電圧VH依存性>
図5は、逆起トルクTcのシステム電圧VH依存性を説明するための図である。図5および後述する図7〜図9において、横軸は回転速度Nm1を表し、縦軸は逆起トルクTcを表す。曲線L1は、システム電圧VH=V1における逆起トルクTcの特性を示す。曲線L2は、システム電圧VH=V2(V1<V2)における逆起トルクTcの特性を示す。曲線L3は、システム電圧VH=V3(V1<V2<V3)における逆起トルクTcの特性を示す。
曲線L1〜L3に示されるように、システム電圧VHが高くなるに従って、逆起トルクTcは回転速度Nm1の正方向にシフトする特性を有する。そして、いずれの曲線L1〜L3においても、回転速度Nm1が所定値よりも高い場合に、回転速度Nm1が上昇するに従って逆起トルクTcの絶対値が増加し、回転速度Nm1がある値に達すると、逆起トルクTcの絶対値は最大となる。回転速度Nm1がさらに上昇すると、回転速度Nm1が増加するに従って逆起トルクTcの絶対値は減少する。
以下の図6〜図8では、システム電圧VH=V2であり、かつ、図5の点Pに示すように、回転速度Nm1の上昇に伴い逆起トルクTcの絶対値が増加する領域R1にてモータジェネレータ10が動作する例について説明する。
図6は、逆起トルクTcおよびそれによる駆動トルクTepの発生メカニズムをより詳細に説明するための図である。図6において、横軸は回転速度Nm1を表わす。縦軸は、上から順に逆起電圧Vc、モータ電流IM1、逆起トルクTcおよび駆動トルクTepを表す。
図6に示されるように、逆起電圧Vcは、回転速度Nm1が高いほど高い値となる特性を有する。回転速度Nm1がNthよりも低い領域では、逆起電圧Vcがシステム電圧VH未満である。すなわち、逆起電圧Vcとシステム電圧VHとの電圧差をΔV(=Vc−VH)と表すと、電圧差ΔVは負である。この場合、モータ電流IM1は、モータジェネレータ10からバッテリ150へと流れず、モータジェネレータ10による発電は行なわれない。よって、逆起トルクTcも発生せず、逆起トルクTcを反力とする駆動トルクTepも発生しない。
一方、回転速度Nm1がNthよりも高い領域R1では、逆起電圧Vcがシステム電圧VHよりも高いので、電圧差ΔVは正となり、モータ電流IM1が流れる。電圧差ΔVが大きいほどモータ電流IM1は大きくなる。また、モータジェネレータ10では電圧差ΔVに応じた逆起トルクTcが発生するとともに、逆起トルクTcの反力としての駆動トルクTepが出力軸60に作用する。
このような逆起トルクTcの特性を用いると、インバータレス走行制御中にユーザのアクセル操作により車両1の要求駆動力が変化した場合に、以下に説明するように、エンジン100を制御して回転速度Neが変化させることによって駆動トルクTepを制御することができる。以下、この制御を「回転速度Neによる駆動トルク制御」とも称する。
図7は、回転速度Neによる駆動トルク制御を説明するための図である。モータジェネレータ20の回転速度Nm2(言い換えると車速V)は現在値から変化しないと仮定した場合に、エンジン100の回転速度Neを上昇させると、共線図の関係(図4参照)から、モータジェネレータ10の回転速度Nm1はN2からN4へと上昇する。そうすると、逆起トルクTcの絶対値がT2からT4へと増加する(逆起トルクTcが負方向に変化する)。その結果、逆起トルクTcを反力とする駆動トルクTepも増加することになる。なお、図7には回転速度Nm1を上昇させる例を示すが、逆に回転速度Nm1を低下させることによって駆動トルクTepを減少させることも可能である。
このように、インバータレス走行制御中に、ユーザのアクセル操作により車両1の要求駆動力が変化した場合には、エンジン100を制御することによって回転速度Neを変化させ、それにより回転速度Nm1を変化させることで、逆起トルクTcの大きさを調整することができる。その結果、逆起トルクTcを反力とする駆動トルクTepについても調整することができる。
ここで、一般に機械的制御は、電気的または電子的制御と比べて応答性が低い場合が多い。回転速度Neの変化は、エンジン100の燃焼状態の変化を伴う機械的制御によるものであるため相対的に緩やかである。したがって、インバータレス走行制御中において、ユーザのアクセル操作により車両1の要求駆動力が変化した際に、回転速度Neによる駆動トルク制御を行なう場合(すなわち駆動トルクTepが要求駆動力に対応する値となるように回転速度Neを調整する場合)には、十分な応答性が得られない可能性がある。
そこで、実施の形態1においては、コンバータ210を制御してシステム電圧VHを変化させることによって逆起トルクTcを調整し、それにより所望の駆動トルクTepを出力軸60に作用させる構成を採用する。以下、この制御を「システム電圧VHによる駆動トルク制御」と称する。
図8は、領域R1におけるシステム電圧VHによる駆動トルク制御を説明するための図である。たとえば回転速度Nm1がN2にて一定の場合に、コンバータ210を制御してシステム電圧VHをV2からV5(曲線L5参照)へと低下させると、逆起トルクTcの絶対値はT2からT5へと増加する。その結果、逆起トルクTcを反力とする駆動トルクTepについても増加させることができる。図示しないが、逆にシステム電圧VHを上昇させると、逆起トルクTcの絶対値は減少する(逆起トルクTcが正方向に変化する)。その結果、駆動トルクTepを減少させることができる。
このように、実施の形態1によれば、インバータレス走行制御中にユーザのアクセル操作により車両1の要求駆動力が変化した場合に、コンバータ210を制御することでシステム電圧VHを上昇または低下させることによって、逆起トルクTcの大きさを調整することができる。逆起トルクTcを調整すると、それに伴い駆動トルクTepも調整されるので、駆動トルクTepを要求駆動力に対応する値となるようにすることができる。この制御(システム電圧VHによる駆動トルク制御)は電気的制御であり、図6にて説明したようなエンジン100の機械的制御(回転速度Neによる駆動トルク制御)と比べて応答性が高いので、要求駆動力に対する応答性を向上させることができる。
図9は、実施の形態1に係る車両1における走行制御を説明するためのフローチャートである。図9および後述する図11に示すフローチャートは、所定の条件成立時あるいは所定の期間経過毎にメインルーチンから呼び出されて実行される。なお、このフローチャートの各ステップ(以下Sと略す)は、基本的にはECU300によるソフトウェア処理によって実現されるが、ECU300内に作製された電子回路を用いたハードウェア処理によって実現されてもよい。
S110において、ECU300は、インバータ221,222によるモータジェネレータ10,20の電気的な駆動を正常に行なうことができるか否かを判定する。より具体的には、ECU300は、レゾルバ421,422または電流センサ241,242等の部品の故障が起こっているか否かを判定する。モータジェネレータ10,20を正常に駆動できる場合(S110においてYES)、ECU300は、処理をS120に進め、制御モードを通常モードに設定して車両1の通常走行を行なう。その後、ECU300は、処理をメインルーチンへと戻す。
これに対し、モータジェネレータ10,20を正常に駆動できない場合(S110においてNO)、ECU300は、S130〜S180にて、制御モードを退避モードに設定して車両1のインバータレス走行を行なう。
S130において、ECU300は、ゲート遮断信号SDN1,SDN2を出力することによってインバータ221,222をゲート遮断状態にする(あるいはインバータ221,222がすでにゲート遮断状態の場合には、その状態を維持する)。これにより、インバータ221,222を保護することができる。
S140において、ECU300は、エンジン100を駆動する(あるいはエンジン100がすでに駆動状態の場合には、その状態を維持する)。なお、ここでは回転速度Neは、モータジェネレータ10の回転速度Nm1が一定になるように調整される。
S150において、ECU300は、アクセルポジションセンサ430からの信号に基づいてアクセル開度Accを取得する。
S160において、ECU300は、アクセル開度Accおよび車速Vに基づいて、車両1に対する要求駆動力を算出する。より具体的には、ECU300は、車速V毎にアクセル開度Accと要求駆動力との対応関係を示すマップ(または関数)を図示しないメモリに保持している。ECU300は、そのマップを参照することによってアクセル開度Accから要求駆動力を算出する。
S170において、ECU300は、S160にて算出された要求駆動力に基づいて、目標システム電圧VHtagを設定する。より具体的には、ECU300は、要求駆動力に応えるための駆動トルクTepを算出し、さらに、その駆動トルクTepを発生させるための逆起トルクTcの大きさを共線図の関係(図4参照)を用いて算出する。そして、ECU300は、その逆起トルクTcを発生させるために必要な目標システム電圧VHtagを、図8に示したような関係を用いて、システム電圧VHの現在値から算出する。
要求駆動力が0の場合、目標システム電圧VHtagは、逆起電圧Vcに等しい値に設定される。これにより、システム電圧VHが目標システム電圧VHtagに向けて制御されて逆起電圧Vcと等しくなると、電圧差ΔVが0になる。このため、逆起トルクTcは0になり、その反力としての駆動トルクTepも0となる。
領域R1にてモータジェネレータ10を動作させる場合には、要求駆動力が大きいほど目標システム電圧VHtagは低く設定される。これにより、たとえば、システム電圧VHが目標システム電圧VHtagに向けて制御される際にシステム電圧VHが低下すると、図8にて説明したように逆起トルクTcの絶対値が増加し、それにより駆動トルクTepも増加する。
このような関係をマップまたは関数としてECU300のメモリに予め格納しておくことで、ECU300は、要求駆動力に対応するシステム電圧VHを目標システム電圧VHtagとして算出することができる。
S180において、ECU300は、システム電圧VHが目標システム電圧VHtagに到達するようにコンバータ210を制御する。より具体的には、ECU300は、目標システム電圧VHtagに応じたデューティの制御信号PWMCを出力することによって、コンバータ210をPWM動作させる。S180の処理が終了すると、ECU300は処理をメインルーチンへと戻す。なお、S150〜S180の処理は、システム電圧VHによる駆動トルク制御に相当する。
以上のように、実施の形態1によれば、要求駆動力に対応する値となるように目標システム電圧VHtagを設定し、システム電圧VHが目標システム電圧VHtagに到達するようにコンバータ210を電気的に制御することによって、駆動トルクTepの大きさをアクセル開度Accに応じて可変に制御することができる。また、コンバータ210の制御によって駆動トルクTepを制御することで、エンジン100の制御によって駆動トルクTepを制御する場合(図7参照)と比べて、要求駆動力に対する応答性を向上させることができる。
なお、図6〜図8では、回転速度Nm1が上昇するに従って逆起トルクTcの絶対値が増加する領域R1(図5参照)を例に説明したが、回転速度Nm1が上昇するに従って逆起トルクTcの絶対値が減少する領域R2において、システム電圧VHによる駆動トルク制御を行なってもよい。
図10は、領域R2におけるシステム電圧VHによる駆動トルク制御を説明するための図である。ここでは、領域R1での説明(図8参照)と同様に、システム電圧VH=V2であるとする。領域R2においては、たとえば回転速度Nm1がN6にて一定の場合に、システム電圧VHをV2からV7へと上昇させると、逆起トルクTcの絶対値はT6からT7へと増加する。その結果、駆動トルクTepを増加させることができる。図示しないが、逆にシステム電圧VHを低下させると、逆起トルクTcの絶対値は減少するので、駆動トルクTepを減少させることができる。
このように、領域R2にてモータジェネレータ10を動作させる場合には、要求駆動力が大きいほど目標システム電圧VHtagは高く設定される。そのような関係をマップまたは関数としてECU300のメモリに予め格納しておくことで、ECU300は、要求駆動力に対応するシステム電圧VHを目標システム電圧VHtagとして算出することができる。
[実施の形態2]
実施の形態1では、図2に示したように、HV−ECU310からMG−ECU320へと目標システム電圧VHtagが伝達され、MG−ECU320によって、システム電圧VHが目標システム電圧VHtagに到達するようにコンバータ210が制御される構成を例に説明した。しかし、HV−ECU310とMG−ECU320との間の通信に異常が生じると、HV−ECU310からMG−ECU320へと目標システム電圧VHtagを伝達することができなくなる。
そこで、実施の形態2においては、モータジェネレータ10,20を正常に駆動できずインバータレス走行が行なわれている場合に、それが通信異常によるものなのか否かに応じて駆動トルク制御の内容を切り替える構成について説明する。なお、実施の形態2に係るハイブリッド車両の全体構成および電気システムの構成は、実施の形態1に係る車両1の全体構成および電気システムの構成(図1および図2参照)とそれぞれ同等であるため、説明は繰り返さない。
図11は、実施の形態2に係るハイブリッド車両における走行制御を説明するためのフローチャートである。S210,S220の処理は、実施の形態1におけるS110,S120の処理(図9参照)とそれぞれ同等であるため、説明は繰り返さない。
インバータ221,222によるモータジェネレータ10,20の駆動を正常に行なえない場合(S210においてNO)、HV−ECU310は、それがHV−ECU310とMG−ECU320との間の通信異常によるものなのか否かを判定する(S225)。
モータジェネレータ10,20の駆動を正常に行なえないものの、それが通信異常によるものではない場合、すなわちレゾルバ421,422または電流センサ241,242等の部品の故障によりインバータレス走行制御が行なわれている場合(S225においてNO)、HV−ECU310は、処理をS330に進める。S330〜S380においては、実施の形態1と同様に、システム電圧VHによる駆動トルク制御が実行される。
より具体的には、S330において、HV−ECU310は、ゲート遮断指令をMG−ECU320に出力する。MG−ECU320は、ゲート遮断指令に応答してゲート遮断信号SDN1,SDN2をインバータ221,222にそれぞれ出力することによって、インバータ221,222をゲート遮断状態にする(あるいはゲート遮断状態に維持する)。さらに、S340において、HV−ECU310は、エンジン100を駆動する(あるいは駆動状態に維持する)。
S350において、HV−ECU310は、アクセルポジションセンサ430からの信号に基づいてアクセル開度Accを取得する。さらに、HV−ECU310は、アクセル開度Accおよび車速Vに基づいて、車両1に対する要求駆動力を算出する(S360)。
S370において、HV−ECU310は、算出された要求駆動力に基づいて目標システム電圧VHtagを設定する。設定された目標システム電圧VHtagはMG−ECU320へと伝達される。MG−ECU320は、システム電圧VHの現在値が目標システム電圧VHtagに到達するようにコンバータ210を制御する(S380)。その後、処理はメインルーチンへと戻される。
これに対し、モータジェネレータ10,20の駆動を正常に行なえず、かつ、それが通信異常によるものである場合(S225においてYES)、HV−ECU310は、処理をS430に進める。S430〜S480においては、回転速度Neによる駆動トルク制御が実行される。なお、S225の処理において「YES」に進むのは、通信異常が発生したためインバータレス走行制御が開始される場合、および、レゾルバ421,422等の故障によるインバータレス走行制御中にさらに通信異常が発生した場合の両方を含む。
S430において、MG−ECU320は、通信異常が発生した場合にはHV−ECU310からゲート遮断指令を受けなくともゲート遮断信号SDN1,SDN2をインバータ221,222にそれぞれ出力することによって、インバータ221,222をゲート遮断状態にする(あるいはゲート遮断状態に維持する)。
S440において、MG−ECU320はコンバータ210を駆動する(あるいは駆動状態に維持する)。MG−ECU320は、HV−ECU310から目標システム電圧VHtagを受けることはできないものの、システム電圧VHを逆起電圧Vcよりも低い一定値に維持する。
S450において、HV−ECU310は、アクセルポジションセンサ430からの信号に基づいてアクセル開度Accを取得する。さらに、HV−ECU310は、アクセル開度Accおよび車速Vに基づいて、車両1に対する要求駆動力を算出する(S460)。
S470において、HV−ECU310は、S460にて算出された要求駆動力に基づいて、モータジェネレータ10の目標回転速度Nm1tagを設定する。より具体的には、HV−ECU310は、要求駆動力に応えるための駆動トルクTepを算出し、さらに、その駆動トルクTepを発生させるための逆起トルクTcの大きさを共線図の関係(図4参照)を用いて算出する。そして、ECU300は、その逆起トルクTcを発生させるために必要なモータジェネレータ10の回転速度Nm1を、たとえば図7に示したような関係を用いて算出する。
S480において、HV−ECU310は、共線図の関係を用いて、回転速度Nm1が目標回転速度Nm1tagになるようにエンジン100の動作点(より特定的には回転速度Ne)を制御する。
より詳細には、図5および図6にて説明したように、領域R1においては、モータジェネレータ10の目標回転速度Nm1tagが上昇するに従って(車速Vが一定の場合にはエンジン100の目標回転速度Netagが上昇するに従って)、逆起トルクTcの絶対値が増加するので、駆動トルクTepも増加する。逆に、領域R2においては、モータジェネレータ10の目標回転速度Nm1tagが上昇するに従って、逆起トルクTcの絶対値が減少するので、駆動トルクTepも減少する。
このような関係を、マップまたは関数としてHV−ECU310のメモリに予め格納しておくことで、HV−ECU310は、要求駆動力に対応する目標回転速度Nm1tagを算出することができる。
以上のように、実施の形態2によれば、モータジェネレータ10,20を正常に駆動できずインバータレス走行制御が行なわれる場合に、通信異常が生じているか否かに応じて、駆動トルク制御の内容が切り替えられる。すなわち、通信異常が生じていない場合には、システム電圧VHによる駆動トルク制御が実行されるので、要求駆動力に対する応答性を向上させることができる。一方で、通信異常が生じると、回転速度Neによる駆動トルク制御が実行される。これにより、通信異常が生じていてもインバータレス走行を継続することが可能になるので、実施の形態1と比べて、より確実にユーザが希望する場所まで車両を退避させることができる。
[実施の形態2の変形例]
図2ではECU300が2つのユニットを含む構成を示したが、この構成は一例に過ぎず、他の構成を採用することも可能である。実施の形態2の変形例では、エンジン100を制御するためのエンジンECUが別に設けられる構成について説明する。
図12は、実施の形態2の変形例におけるECUの構成例を示す図である。ECU300Aは、HV−ECU310Aと、MG−ECU320Aと、エンジンECU330Aとを含む。MG−ECU320Aは、実施の形態2におけるMG−ECU320と同等である。
HV−ECU310Aは、アクセル開度Accおよび車速Vに基づいて、車両1に対する要求駆動力を算出する。また、HV−ECU310Aは、要求駆動力からエンジン要求パワーPe*を決定し、その値を示す信号をエンジンECU330Aに出力する。
エンジンECU330Aは、エンジン回転速度センサ410から回転速度Neを受けて、その値をHV−ECU310Aに出力する。また、エンジンECU330Aは、HV−ECU310Aによって決定されたエンジン要求パワーPe*に基づいて定められた動作点でエンジン100が駆動されるように、エンジン100の燃料噴射、点火時期、バルブタイミング等を制御する。
以上のようにECU300Aが構成されている場合においても、図11に示したフローチャートと同様の処理を実行することによって、通信異常が生じた場合でもインバータレス走行を継続することができる。
なお、実施の形態2では、HV−ECU310が本発明に係る「第1の制御部」に対応し、MG−ECU320が本発明に係る「第2の制御部」に対応する。実施の形態2の変形例では、HV−ECU310AおよびエンジンECU330Aが本発明に係る「第1の制御部」に対応し、MG−ECU320Aが本発明に係る「第2の制御部」に対応する。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 車両、1U,1V,1W,2U,2V,2W アーム、10,20 モータジェネレータ、12 永久磁石、30 遊星歯車機構、S サンギヤ、R リングギヤ、CA キャリア、P ピニオンギヤ、50 駆動輪、60 出力軸、100 エンジン、110 クランクシャフト、150 バッテリ、160 SMR、200 PCU、210 コンバータ、221,222 インバータ、230 電圧センサ、241,242 電流センサ、300,300A ECU、310,310A HV−ECU、320,320A MG−ECU、330A エンジンECU、410 エンジン回転速度センサ、421,422 レゾルバ、430 アクセルポジションセンサ、440 監視ユニット、500 アクセルペダル、C1,C2 コンデンサ、Q1〜Q14 スイッチング素子、D1〜D14 ダイオード、L1 リアクトル、PL,NL 電力線。

Claims (2)

  1. ハイブリッド車両であって、
    エンジンと、
    ロータに永久磁石を有する第1の回転電機と、
    駆動輪に接続された出力軸と、
    前記エンジン、前記第1の回転電機、および前記出力軸を機械的に連結し、前記エンジン、前記第1の回転電機、および前記出力軸の間でトルクを伝達可能に構成された遊星歯車機構と、
    前記出力軸に接続された第2の回転電機と、
    バッテリと、
    前記バッテリから入力される電圧を昇圧した昇圧電圧を出力可能に構成されたコンバータと、
    前記コンバータ、前記第1の回転電機、および前記第2の回転電機の間で電力を変換可能に構成されたインバータと、
    前記インバータによる前記第1および第2の回転電機の駆動を正常に行なうことができない場合にインバータレス走行制御を実行可能に構成された制御装置とを備え、
    前記インバータレス走行制御は、前記インバータをゲート遮断状態にし、かつ、前記エンジンを駆動して前記第1の回転電機を機械的に回転させることによって、前記第1の回転電機の逆起電圧と前記昇圧電圧との差に対応する制動トルクを前記第1の回転電機に発生させ、前記制動トルクの反力として前記出力軸に作用する駆動トルクで前記ハイブリッド車両を走行させる制御であり、
    前記制御装置は、前記インバータレス走行制御中において、前記昇圧電圧を上昇または低下させることによって、前記駆動トルクがアクセル開度から決められる駆動力に対応する値となるようにする、ハイブリッド車両。
  2. 前記制御装置は、
    前記エンジンを制御する第1の制御部と、
    前記コンバータを制御する第2の制御部とを含み、
    前記インバータレス走行制御中において、
    前記第1の制御部と前記第2の制御部との間の通信が正常である場合には、前記第2の制御部は、前記昇圧電圧を上昇または低下させることによって、前記駆動トルクが前記アクセル開度から決められる駆動力に対応する値となるようにする一方で、
    前記通信が正常でない場合には、前記第1の制御部は、前記エンジンの動作点を調整することによって、前記駆動トルクが前記アクセル開度から決められる駆動力に対応する値となるようにする、請求項1に記載のハイブリッド車両。
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