JP6435789B2 - ハイブリッド駆動車両の出力制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関と電動モータとを動力源として走行するハイブリッド駆動車両の走路条件に応じた出力制御に関する。

内燃機関と電動モータとを動力源として走行するハイブリッド駆動車両では、電気自動車走行（ＥＶモード走行）とハイブリッド駆動走行（ＨＥＶモード走行）とを選択的に適用することが知られている。ＥＶモード走行では内燃機関の運転を停止して電動モータの動力のみで車両の走行を行なう。ＨＥＶモード走行では、内燃機関を運転して走行用動力の少なくとも一部を内燃機関から得るとともに、必要に応じて内燃機関の出力で電動モータをジェネレータとして運転し、電力供給源である蓄電装置への蓄電を行なう。こうしたハイブリッド駆動車両の走行制御に関して、特許文献１は蓄電装置への外部電源による充電を可能にした、いわゆるプラグイン式のハイブリッド駆動車両において、低温時における内燃機関の作動条件をＥＶモード走行時はＨＥＶモード走行時より限定することで、燃料消費の抑制を図ることを提案している。

特開２０１０−２８０３７９号公報

ところで、プラグイン式のハイブリッド駆動車両においては、車両の走行開始時点では蓄電装置がフル充電状態となっていることが多い。このような場合には、まずＥＶモード走行を行なうことで、蓄電装置の蓄電電力で車両を走行させる。これにより、短い距離であれば、蓄電装置の蓄電電力のみで車両を走行させることができ、内燃機関の燃料消費量をゼロに抑えることができる。

そして、ＥＶモード走行の結果、蓄電装置の蓄電量（ＳＯＣ）が低下すると、ＨＥＶモード走行を行なう。ＨＥＶモード走行では電動モータの出力で内燃機関の出力を補うモータアシスト走行と、内燃機関の出力で走行用動力をまかなうとともに、電動モータをジェネレータとして駆動して蓄電装置へ充電する充電走行と、を選択的に適用してＳＯＣが所定量に保たれるようにする。つまり、ＨＥＶモード走行ではＳＯＣに応じた出力制御が行なわれる。

一方、走路の標高が高い場合や、登坂路を多く含む高負荷条件では、必要な出力を満たすために走り始めからＨＥＶモード走行が行なわれる。この場合も、ＳＯＣに応じた電動モータの制御が行なわれる。すなわち、蓄電装置の蓄電電力ＳＯＣが所定量を大きく上回っていれば、電動モータによるアシスト力をフルに活用したモータアシスト走行を行ない、ＳＯＣの低下とともに電動モータによるアシスト力を低下させている。

このようなＳＯＣに依存した出力制御は、ＳＯＣに余裕がある限り電動モータの出力を優先的に用いるため、蓄電装置のＳＯＣが早期に低下することは避けられない。その結果、早い時期に電動モータの運転を止めて、充電走行に移行しなければならなくなる。

ところで、走路の標高が高いと吸気中の酸素濃度が低下するために内燃機関の出力が低下し、ドライバは走行に必要な出力を得るためにアクセルペダルをより深く踏み込むことになる。つまり、標高の高い走路でハイブリッド駆動車両を充電走行させると、内燃機関の運転は必然的に高負荷領域で行なわれる。内燃機関には固有の特性として燃料消費率が最も良好となる回転速度と出力トルクとの組み合わせが存在する。これを最適燃費分と称する。最適燃費点から逸脱した高負荷領域で内燃機関を運転すると燃費の悪化は避けられない。

つまり、ＳＯＣに依存したモータアシスト力の制御は、標高の高い区間を含む走路の走行においては、燃料消費量を却って増加させる可能性がある。

この発明は、以上の問題を解決すべくなされたもので、ハイブリッド駆動車両が標高の高い区間を含む走路を走行する際の燃料消費の増加を抑制することを目的とする。

以上の目的を達成すべく、この発明の実施形態は、蓄電装置の蓄電電力で運転される電動モータと内燃機関とを動力源として走行するとともに、内燃機関の出力を用いて蓄電装置に充電する機能を有するハイブリッド車両の出力制御装置を提供する。出力制御装置は車両の目的地までの走路について、標高を含む走路情報を取得する走路情報取得手段と、少なくとも電動モータの出力を用いて走行するモータアシスト走行区間と、内燃機関の出力のみで走行する充電走行区間とを、走路の標高に基づき設定する走行区間設定手段と、走行区間設定手段の設定した走行区間に基づき、電動モータと内燃機関の運転を制御する運転制御手段と、を備え、走行区間設定手段は、走路の標高の高い地点をモータアシスト走行区間に設定し、モータアシスト走行区間を設定した後、モータアシスト走行区間到着時の蓄電装置の充電量と、モータアシスト走行区間の消費電力とを計算し、充電量が消費電力を下回る場合には、走路の標高の低い区間から順にモータアシスト走行区間を短縮するよう構成される。

走路中の標高の高い地点では内燃機関の燃料効率が低下する。以上の構成により、走路中の標高の高い地点をモータアシスト走行区間に設定することで、走路の全区間を走行するのに要する内燃機関の燃料消費量を低減することができる。

この発明の実施形態によるプラグイン式のハイブリッド駆動車両と出力制御装置の概略構成図である。 出力制御装置が備えるコントローラが実行する走行区間設定ルーチンを説明するフローチャートである。 出力制御装置による制御の実行結果をＳＯＣに依存じた出力制御の実行結果と比較したタイミングチャートである。 出力制御装置による制御の別の実行結果をＳＯＣに依存じた出力制御の実行結果と比較したタイミングチャートである。

図１を参照すると、この発明を適用するハイブリッド駆動車両１は走行用動力として内燃機関で構成されたエンジン２と電動モータ３とを備える。エンジン２と電動モータ３の出力は変速機４を介して駆動輪７に伝達される。エンジン２と電動モータ３とは図示されないクラッチを介して結合される。クラッチはエンジン２と電動モータ３の出力をともに用いて走行するハイブリッド駆動走行（ＨＥＶモード走行）においては締結され、電動モータ３の出力のみで走行する電気自動車走行（ＥＶモード走行）においては開放される。

電動モータ３は蓄電装置としてのバッテリ６からインバータ５を介して供給される蓄電電力により駆動される。電動モータ３はまた、エンジン２に回転駆動されることで、あるいは減速中のハイブリッド駆動車両１の駆動輪から入力される回転エネルギーにより、ジェネレータとして機能する。ジェネレータとして電動モータ３が発電する電力はインバータ５を介してバッテリ６に充電される。ハイブリッド駆動車両１は外部からの供給電力を用いて充電可能な、いわゆるプラグイン方式のハイブリッド駆動車両であり、そのためにハイブリッド駆動車両１はバッテリ６に接続された外部充電プラグ８を備える。

ハイブリッド駆動車両１の出力制御装置はコントローラ１０とナビゲーションシステム１１と、を備える。この実施形態においては、コントローラ１０が走行区間設定手段と運転制御手段を構成し、ナビゲーションシステム１１が走路情報取得手段を構成する。

コントローラ１０は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ１０を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

ナビゲーションシステム１１はドライバが目的地を設定すると、現在位置から目的地に至る走路を決定する。また、決定した走路の情報をコントローラ１０に入力する。走路の情報には、走路の高度、起伏、信号位置、曲線位置などの情報が含まれる。さらに好ましくは走路中の渋滞区間を示す情報が入力される。

コントローラ１０はナビゲーションシステム１１から入力される走路の情報に基づき、ハイブリッド駆動車両１の走行計画を決定する。具体的には、どの区間でモータアシスト走行を行ない、どの区間で充電走行を行なうかを決定する。ここて、モータアシスト走行はＥＶモード走行と、ＨＥＶモード走行のうちエンジン２と電動モータ３の双方の出力を用いて行なう走行とを意味する。充電走行は、ＨＥＶモード走行のうち内燃機関２の出力のみによる走行を意味する。なお、減速に伴う回生エネルギーで電動モータ２をジェネレータとして駆動して発電を行なわせ、蓄電装置６に充電するケースも充電走行に含まれるものとする。言い換えれば、少なくとも電動モータ３の出力を用いて走行する場合がモータアシスト走行に相当し、電動モータ３の出力を用いずに走行する場合が充電走行に相当する。さらに、言い換えればモータアシスト走行は蓄電装置の充電状態（ＳＯＣ）を低下させる走行であり、充電走行はＳＯＣを増加ないし維持する走行である。

この実施形態によるハイブリッド駆動車両１の出力制御装置は、ナビゲーションシステム１１が取得した走路の高度及び起伏に基づき、モータアシスト走行区間を設定する。また、設定したモータアシスト走行区間以外の走路を充電走行区間に設定する。

図２を参照して、以上の制御のためにコントローラ１０が実行する走行区間設定ルーチンを説明する。このルーチンは、少なくともハイブリッド駆動車両１のドライバがナビゲーションシステム１１に目的地を設定した時点で実行される。

ステップＳ１で、コントローラ１０はナビゲーションシステム１１から現在地から目的地に至る走路情報を取得する。走路情報には走路の標高と勾配の情報に加えて、下り坂、信号、曲線などの減速箇所に関する情報や、走路途中の渋滞箇所の情報が含まれる。

ステップＳ２で、コントローラ１０は取得した走路情報から、走路の最高標高地点を含むモータアシスト走行区間を仮決定する。

図３（ｂ）を参照すると、モータアシスト区間は例えば最高標高地点と最高標高地点に至る登坂路を含む区間とする。

ステップＳ３でコントローラ１０はモータアシスト区間における電動モータ３の消費電力を計算する。モータアシスト区間における電動モータ３の出力はあらかじめ定めた一定値とする。モータアシスト区間の距離と走行速度から走行所要時間を算出し、電動モータ３の出力に乗じることで、電動モータ３のモータアシスト区間における消費エネルギーを消費電力として計算することができる。

ステップＳ４で、コントローラ１０はハイブリッド駆動車両１の走行開始からモータアシスト区間に至る間の回生エネルギーを走路情報から推定する。走路の下り坂、信号、曲線などの減速箇所では、コントローラ１０は走行中のハイブリッド駆動車両１の駆動輪の回転エネルギーで電動モータ３をジェネレータとして駆動して発電を行なわせ、蓄電装置６に充電する。回生エネルギーを用いた蓄電装置６の充電も充電走行の一部を構成する。

ステップＳ５で、コントローラ１０は走行開始からモータアシスト区間に至る間のエンジン２の動作点を予測する。具体的に説明すると、エンジン２には燃料消費率が最も良好となる回転速度と出力トルクとの組み合わせが存在する。この組み合わせをエンジン２の最適燃費点と称する。コントローラ１０は、最適燃費点のエンジン出力がハイブリッド駆動車両１の実際の走行に必要な出力より大きい場合には、その差分をエンジン２の余剰出力として計算する。

コントローラ１０は算出した余剰出力が一定量以上の場合には、余剰出力で電動モータ３をジェネレータとして駆動し、ジェネレータの発電電力で蓄電装置６への充電を行なう。余剰出力はハイブリッド駆動車両１の走行に必要な出力が小さい走行条件で発生する。例えば、渋滞中など低速での走行を余儀なくされる場合がこれに含まれる。

ステップＳ６で、コントローラ１０は、上乗せ運転を行った方がエンジン２の燃費効率が良いかどうかを、ステップＳ５で算出した余剰出力に基づき判定する。上乗せ発電とは、エンジン２の出力を走行に用いるだけでなく、エンジン２の出力の一部で電動モータ２をジェネレータとして駆動し、発電電力で蓄電装置６に充電を行なう走行状態を意味する。具体的には、ステップＳ６で、エンジン２に一定量以上の余剰出力があれば、コントローラ１０はステップＳ７で上乗せ発電を行なうことを決定する。一方、ステップＳ６でエンジン２に一定以上の余剰出力がない場合には、コントローラ１０はステップＳ８で上乗せ発電を実行しないことを決定する。上乗せ発電も充電走行の一部を構成する。

ステップＳ７またはＳ８の処理の後、コントローラ１０はステップＳ９で、ハイブリッド駆動車両１の走行開始時の蓄電装置６のＳＯＣと、ステップＳ４で推定した回生エネルギーと、ステップＳ７とＳ８で決定した上乗せ発電の有無とに基づき、ハイブリッド駆動車両１がモータアシスト区間に到達した時点におけるＳＯＣを予測する。

次のステップＳ１０で、コントローラ１０は予測したモータアシスト区間到達時のＳＯＣと、ステップＳ３で推定したモータアシスト区間の消費電力相当のＳＯＣとを比較する。そして、モータアシスト区間到達時のＳＯＣがモータアシスト区間の消費電力相当のＳＯＣ以上の場合には、ステップＳ２で仮決定したモータアシスト区間を、ステップＳ１２でモータアシスト区間として確定する。

一方、モータアシスト区間到達時のＳＯＣが、モータアシスト区間の消費電力相当のＳＯＣを下回る場合には、コントローラ１０はステップＳ１１でモータアシスト区間を一定距離短縮する。例えば、モータアシスト区間の開始位置を一定距離後ろにずらす。このようにしてモータアシスト区間を再設定した後、ステップＳ３からＳ１０の処理を再度行なう。このようにして、ステップＳ３−Ｓ１１の処理を、ステップＳ１０の判定が肯定的に転じるまで繰り返すことで、モータアシスト区間を精度良く設定することができ、ＳＯＣの低下によるモータアシスト区間走行中のアシスト切れを確実に防止できる。ステップＳ１２でモータアシスト区間を確定させた後、コントローラ１０はルーチンを終了する。

以上説明した図２のフローチャートは、コントローラ１０が実行する走行区間設定ルーチンの基本アルゴリズムを説明するフローチャートである。このフローチャートではモータアシスト区間は全走路の最大標高地点を含む１区間にしか設定されない。しかしながら、次のようにすることで走路に複数のモータアシスト区間を設定可能である。
（１）走行開始地点からモータアシスト区間（以下第１のモータアシスト区間と称する）に至る走路の途中に第２のモータアシスト区間を設ける場合
図２のルーチンのステップＳ１０で、第１のモータアシスト区間への到達時におけるＳＯＣが第１のモータアシスト区間の消費電力相当のＳＯＣを上回る場合には、第１のモータアシスト区間到達時のＳＯＣと第１のモータアシスト区間の消費電力相当のＳＯＣとの差をＳＯＣの余剰分として計算する。次に、走行開始地点と第１のモータアシスト区間との間の最高標高地点を含む第２のモータアシスト区間をＳＯＣの余剰分に基づき設定する。具体的には図２のルーチンのステップＳ２で第２のモータアシスト区間を仮決定し、第２のモータアシスト区間についてステップＳ３−Ｓ１１の処理を行なうことで、第２のモータアシスト区間を設定する。走行開始地点と第２のモータアシスト区間との間に第３のモータアシスト区間を設ける場合も同様のプロセスが適用される。
（２）第１のモータアシスト区間の終了後、目的地に至るまでの走路に第２のモータアシスト区間を設ける場合
走路のうち第１のモータアシスト区間より後ろの部分に関しては、第１のモータアシスト区間の終了点を第２の走行開始地点と見なし、第２の走行開始地点から目的地に至る走路について、図２のルーチンを実行することにより第２のモータアシスト区間を設定可能である。同様に第２のモータアシスト区間の終了点を第３の走行開始点と見なして、第３のモータアシスト区間を設定することができる。

コントローラ１０はこのようにして、目的地までの走路に少なくとも１個のモータアシスト区間を設定し、走路のその他の区間を充電走行区間に設定する。そして、モータアシスト区間ではモータアシスト走行を行ない、充電走行区間では充電走行を行なう。

図３（ｂ）はこのようにして、走路中の最高標高地点を含む第１のモータアシスト区間と、走路中の２番目の標高地点を含む第２のモータアシスト区間を設定したケースを示す。第２のモータアシスト区間は第１のモータアシスト区間の手前に設定されている。つまり、上記の（１）により第２のモータアシスト区間を設けたケースに相当する。以下の説明では、図２の走行区間設定ルーチンの実行により、走路にモータアシスト区間と充電走行区間を設定することを「走行計画あり」と称する。図３（ｂ）が「走行計画あり」の場合に相当する。

図３（ａ）は図３（ｂ）と同じ走路を走行する場合であって、走路情報に基づくモータアシスト区間と充電走行区間の設定を行なわず、ＳＯＣに余裕がある限り電動モータの出力でモータアシスト走行を優先的に行なう場合、言い換えれば「走行計画なし」の場合に相当する。図３（ａ）と図３（ｂ）とで、走行開始時点の蓄電装置６のＳＯＣは等しいものとする。

図３（ａ）では走行開始時点のＳＯＣに余裕があるため、走路の条件によらずにまずモータアシスト走行が行われる。そして、ＳＯＣが所定値へと低下する地点ｘ１以降に充電走行が行なわれる。充電走行と回生エネルギーによる蓄電装置６への充電の結果、ＳＯＣが満充電状態となる地点ｘ２以降に再びモータアシスト走行が開始され、ハイブリッド駆動車両１はモータアシスト走行のもとで目的地に至る。走行計画なしのこの出力制御では、走行区間の設定に走路条件を考慮していないので、図に示すように最高標高地点及び最高標高地点に至る登坂路において充電走行が行なわれることになる。最高標高地点を含む高標高の区間においては、空気が薄くなる分エンジン２の出力が低下する。出力低下を補うためにドライバがアクセルペダルを大きく踏み込むことでエンジン負荷は著しく増大する。エンジン負荷の著しい増大は燃料消費量の著しい増大をもたらす。最高標高地点に至る登坂路においても、上り勾配によるエンジン負荷の増大により同様の現象が生じる。

図３（ｂ）では走行開始に先立ち図２の走行区間設定ルーチンを実行することで、走路中の最高標高地点を含む第１のモータアシスト区間ｘ５−ｘ６と、走路中の２番目の標高地点を含む第２のモータアシスト区間ｘ３−ｘ４が設定されている。つまり、ハイブリッド駆動車両１は最高標高地点及び最高標高地点に至る登坂路を含む燃料消費の激しい区間ｘ５−ｘ６でモータアシスト走行を行なうことになる。モータアシストによりエンジン２の負荷は小さく抑えられ、エンジン２の燃料消費を抑制することができる。第２のモータアシスト区間ｘ３−ｘ４においても、同様にモータアシストによりエンジン２の燃料消費を抑制することができる。

また、図２の走行区間設定ルーチンのステップＳ４では、下り坂、信号、曲線などの減速箇所における回生エネルギーが計算される。回生エネルギーは蓄電装置６の充電に用いられるので、走路情報から得られる下り坂、信号、曲線などの情報により、蓄電装置６のＳＯＣを精度良く推定することができる。その結果、ステップＳ９で行なわれるモータアシスト区間に到達した時点におけるＳＯＣの推定と、ステップＳ１１で行なわれるモータアシスト区間の調整により、ＳＯＣに基づくモータアシスト区間の設定を過不足なくに行なうことができる。

さらに、図２の走行区間設定ルーチンによれば、充電走行中のエンジン２に一定以上の余剰出力がある場合には上乗せ発電を実行する。これにより、最適燃費点付近でのエンジン２の運転機会が増え、上乗せ発電により蓄電装置６のＳＯＣも増加する。したがって、エンジン２の運転を適燃費点付近で効率良く行えるとともに、増加したＳＯＣをモータアシスト走行に利用することで、モータアシスト区間におけるＳＯＣの低下によるアシスト切れを防止してエンジン２の燃料消費を抑えることができる。

図３のタイミングチャートは走行区間設定ルーチンにより区間計画を行なう場合のハイブリッド駆動車両１の走行パターンと、区間計画を行わない場合の走行パターンと、を模式的に示したものである。

実際の走行においては、例えば半径の小さな曲線部分の走行や、信号、あるいは下り坂などでは減速のために、走行中のハイブリッド駆動車両１の駆動輪の回転エネルギーで電動モータ３をジェネレータとして駆動し、発電された電力を蓄電装置６に充電するエネルギーの回生が行なわれる。

図４の（ｂ）に示されるように、「走行計画あり」の場合、ハイブリッド駆動車両１の減速区間ではエネルギー回生が行なわれる。そのため、実際の運転パターンは図３（ｂ）と比べて充電走行とモータアシスト走行とがより頻繁に繰り返される。しかしながら、この場合でも、図２の走行区間設定ルーチンを実行することで、回生エネルギーによる充電と上乗せ充電とにより、最高標高地点及び最高標高地点に至る登坂路をモータアシスト区間としてモータアシスト走行を行なうのに十分なＳＯＣを確保することができる。

一方、「走行計画なし」の場合には、図４（ａ）に示すように、ＳＯＣに余裕があればモータアシスト走行を優先して行なうため、ＳＯＣが低下すれば、最高標高地点及び最高標高地点に至る登坂路であっても充電走行を行なう必要が生じる。そのため、エンジン２の燃料消費量が図４（ｂ）の走行計画ありの場合と比較して増大することは避けられない。

以上のように、この実施形態による出力制御装置は走行区間設定ルーチンを実行することで、エンジン２の燃料消費量が増大する高標高地点及び最高標高地点に至る登坂路では確実にモータアシスト走行が適用される。

一方、エンジン２への要求出力の小さな走路区間では、エンジン２の余剰出力を用いて蓄電装置６への上乗せ充電を行なう。そのため、エンジン２の出力が不足しがちな高標高地点及び最高標高地点に至る登坂路でモータアシストによる十分な出力性能を発揮できるとともに、エンジン２の最適燃費点付近での運転機会が増えることで、エンジン２の消費燃料を少なく抑えることができる。

以上、この発明を特定の実施形態を通じて説明してきたが、この発明は上記の実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、特許請求の範囲で上記の実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。

例えば、走路情報取得手段はナビゲーションシステム１１に限定されない。走路情報取得手段を、外部から電波を介してハイブリッド駆動車両１に提供される情報の受信機で構成することも可能である。

１ハイブリッド駆動車両
２エンジン
３電動モータ
４変速機
５インバータ
６バッテリ
７駆動輪
８外部充電プラグ
１０コントローラ
１１ナビゲーションシステム

Claims (4)

1. 蓄電装置の蓄電電力で運転される電動モータと内燃機関とを動力源として走行するとともに、内燃機関の出力を用いて蓄電装置に充電する機能を有するハイブリッド駆動車両の出力制御装置において、
   車両の目的地までの走路について、標高を含む走路情報を取得する走路情報取得手段と、
   少なくとも電動モータの出力を用いて走行するモータアシスト走行区間と、内燃機関の出力のみで走行する充電走行区間とを、前記走路の標高に基づき設定する走行区間設定手段と、
   前記走行区間設定手段の設定した走行区間に基づき、前記電動モータと前記内燃機関の運転を制御する運転制御手段と、
   を備え、
   前記走行区間設定手段は、前記走路の標高の高い地点をモータアシスト走行区間に設定し、前記モータアシスト走行区間を設定した後、前記モータアシスト走行区間到着時の前記蓄電装置の充電量と、前記モータアシスト走行区間の消費電力とを計算し、前記充電量が前記消費電力を下回る場合には、前記走路の標高の低い区間から順に前記モータアシスト走行区間を短縮するよう構成されることを特徴とするハイブリッド駆動車両の出力制御装置。
2. 前記走行区間設定手段は、少なくとも走路中の標高の最も高い区間を前記モータアシスト走行区間に設定するよう構成される、請求項１に記載のハイブリッド駆動車両の出力制御装置。
3. 前記運転制御手段は、前記走路中の減速区間において回生エネルギーによる発電を行なって前記蓄電装置に充電するよう構成される一方、前記走行区間設定手段は前記モータアシスト走行区間への到達時の前記蓄電装置の充電量を前記回生エネルギーによる充電量を含めて計算するようさらに構成される、請求項１または２に記載のハイブリッド駆動車両の出力制御装置。
4. 前記運転制御手段は、前記充電走行区間において、燃料消費量に対する出力が最大となる最良燃費点で前記内燃機関を運転するとともに、前記最良燃費点における前記内燃機関の出力と、走路の走行に必要とされる出力との差分を用いて発電を行なって前記蓄電装置に充電するよう構成される一方、前記走行区間設定手段は前記モータアシスト走行区間への到達時の前記蓄電装置の充電量を前記差分を用いて発電を行って前記蓄電装置に充電される充電量を含めて計算するようさらに構成される、請求項１から３のいずれかに記載のハイブリッド駆動車両の出力制御装置。

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