JP7191468B2 - ハイブリッド車両の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、走行用の電動機及び内燃機関を搭載したハイブリッド車両を制御する制御装置に関する。

近時、電動機及び内燃機関の二種の動力源を備えるハイブリッド車両が一定の普及を見ている。シリーズ方式のハイブリッド車両（例えば、下記特許文献を参照）は、内燃機関により発電用モータジェネレータを駆動して発電を行い、発電した電力を蓄電装置（バッテリ及び／またはキャパシタ）に蓄えるとともに走行用モータジェネレータに供給する。そして、走行用モータジェネレータによって車両の車軸ひいては駆動輪を回転させて走行する。

発電用モータジェネレータのみならず、走行用モータジェネレータもまた、回生制動により発電を行い、発電した電力を蓄電装置に蓄えることができる。蓄電装置の容量一杯まで既に電荷が蓄えられている場合には、回生制動により得られる電力を敢えて発電用モータジェネレータに供給し、これを電動機として作動させて内燃機関を回転駆動することで、余剰の電力を消費する。

ハイブリッド車両では、内燃機関が燃料を燃焼させて回転駆動力を発生させなくとも、走行用モータジェネレータが出力する回転駆動力により車両を走行させることが可能である。故に、車両の運用中であっても、内燃機関の運転を停止している状態が継続することがある。

蓄電装置が現在蓄えている電荷の量が所定量を下回っている場合、または走行用モータジェネレータに要求される出力駆動力が極大である場合には、内燃機関を始動し気筒に燃料を供給してこれを燃焼させ、内燃機関の出力する回転駆動力を以て発電用モータジェネレータを駆動し、発電を実施して蓄電装置を充電し、または走行用モータジェネレータに供給する電力を増強する。

シリーズ方式のハイブリッド車両にあって、発電用モータジェネレータは、停止した内燃機関を始動する準備として内燃機関をモータリング（または、クランキング）する役割を兼ねる。モータリング時には、蓄電装置から必要な電力の供給を受ける。

内燃機関が燃料を燃焼させて自立的に回転できるようになるためには、内燃機関の各気筒の現在の行程またはピストンの位置を知得した上で、各気筒の行程に合わせて適切なタイミングで燃料を噴射し、かつ適切なタイミングで燃料を着火燃焼させる必要がある。

既存のシステムでは、内燃機関のクランクシャフトが所定角度（例えば、１０°ＣＡ（クランク角度））回転する都度パルス信号を発するクランク角センサの出力信号と、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトが所定角度（カムシャフトの一回転を気筒数で割った角度。三気筒エンジンであれば、１２０°（２４０°ＣＡ））回転する都度パルス信号を発するカム角センサの出力信号とを用いて、気筒判別を行っている。気筒判別を完了するには、停止していた内燃機関のクランクシャフトが二回転程度回転する必要がある。その分だけ、内燃機関の始動に時間を要することになる。

特開２０１６－０６４７３５号公報

本発明は、電動機及び内燃機関の二種の動力源を備えるハイブリッド車両にあって、速やかなる加速を要求する運転者の意思に合致したレスポンスを実現しながらも、エネルギ消費をできる限り抑制することを所期の目的とする。

本発明では、駆動輪に走行のための駆動力を供給できる走行用電動機と、走行用電動機に供給するべき電力を発電する発電機に発電のための駆動力を供給できる、または駆動輪に走行のための駆動力を供給できる、駆動輪とは独立して回転可能な内燃機関と、内燃機関に当該内燃機関を回転させるための駆動力を供給できるモータリング用電動機とを具備するハイブリッド車両を制御するものであって、ハイブリッド車両は、通常の走行モードと、通常の走行モードと比較して駆動輪に供給する駆動力を迅速に増大させるモードとを選択可能であり、通常の走行モードと比較して駆動輪に供給する駆動力を迅速に増大させるモードが選択されている場合において、運転者によるアクセルペダルの踏込量如何によらず内燃機関にて燃料を燃焼させずモータリング用電動機により予め内燃機関を回転駆動するモータリングを実行することとし、その際の内燃機関の回転速度を現在の車速に応じて増減させるハイブリッド車両の制御装置を構成した。

前記モータリングの実行中に、前記走行用電動機及び前記モータリング用電動機に電力を供給する蓄電装置が現在蓄えている電荷の量が閾値を下回ったならば、前記内燃機関にて燃料を燃焼させて当該内燃機関を運転し前記発電機による発電を行って蓄電装置を充電することが好ましい。

本発明によれば、ハイブリッド車両にあって、速やかなる加速を要求する運転者の意思に合致したレスポンスを実現しながらも、エネルギ消費をできる限り抑制することができる。

本発明の一実施形態におけるシリーズ方式のハイブリッド車両及び制御装置の概要を示す図。 同実施形態のハイブリッド車両の制御装置がプログラムに従い実行する処理の手順例を示すフロー図。 同実施形態のハイブリッド車両の制御装置によるモータリング中の内燃機関の回転速度と車速との関係を示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態におけるハイブリッド車両の主要システムの概略構成を示している。このハイブリッド車両は、内燃機関１と、内燃機関１により駆動されて発電を行う発電用モータジェネレータ２と、発電用モータジェネレータ２が発電した電力を蓄える蓄電装置３と、発電用モータジェネレータ２及び／または蓄電装置３から電力の供給を受けて車両の車軸ひいては駆動輪６２を駆動する走行用モータジェネレータ４とを備えている。

本実施形態のハイブリッド車両は、内燃機関１を発電にのみ使用するシリーズハイブリッド方式の電気自動車であり、車両の駆動輪６２には専ら走行用モータジェネレータ４から走行のための駆動力を供給する。内燃機関１と駆動輪６２との間は機械的に切り離されており、元来両者の間で回転駆動力の伝達がなされない。つまり、内燃機関１は、走行用モータジェネレータ４及び駆動輪６２から完全に独立して回転することが可能である。従って、イグニッションスイッチ（パワースイッチ、またはイグニッションキー）がＯＮに操作されている車両の運用中、換言すれば運転者がアクセルペダルを踏むことで車両が走行可能な状態にあっても、蓄電装置３が充分な電荷を蓄えている状況下では、燃料の燃焼を伴う内燃機関１の運転を実施しないことがある。

内燃機関１は、例えば複数の気筒を包有する４ストロークエンジンである。内燃機関１の回転軸であるクランクシャフトは、発電用モータジェネレータ２の回転軸と歯車機構を介して機械的に接続している。そして、内燃機関１が出力する回転駆動力を発電用モータジェネレータ２に入力することで、発電用モータジェネレータ２が発電する。発電した電力は、蓄電装置３に充電し、及び／または、走行用モータジェネレータ４に供給する。また、発電用モータジェネレータ２は、自らが回転駆動力を発生させて内燃機関１のクランクシャフトを回転駆動する電動機としても機能する。例えば、発電用モータジェネレータ２は、停止している内燃機関１を始動する準備としてのモータリング（クランキング）を実行する。

走行用モータジェネレータ４は、車両の走行のための駆動力を発生させ、その駆動力を減速機６１を介して駆動輪６２に入力する。また、走行用モータジェネレータ４は、駆動輪６２に連れ回されて回転することで発電し、車両の運動エネルギを電気エネルギとして回収する。この回生制動により発電した電力は、蓄電装置３に充電する。

但し、既に蓄電装置３の容量一杯まで電荷が蓄えられており、それ以上の充電が困難であるならば、走行用モータジェネレータ４が回生発電した電力を敢えて発電用モータジェネレータ２に供給し、発電用モータジェネレータ２を電動機として稼働させて内燃機関１を回転駆動する。これにより、車両の制動性能を維持しながら、余剰の電力を消尽する。また、このとき、内燃機関１の回転が保たれることから、内燃機関１の気筒への燃料供給を一時的に停止する燃料カットを実行することができる。

発電機インバータ２１は、発電用モータジェネレータ２が発電する交流電力を直流電力に変換する。そして、その直流電力を蓄電装置３または駆動機インバータ４１に入力する。並びに、発電機インバータ２１は、発電用モータジェネレータ２を電動機として作動させる際に、蓄電装置３及び／または駆動機インバータ４１から供給される直流電力を交流電力に変換した上で発電用モータジェネレータ２に入力する。

駆動機インバータ４１は、蓄電装置３及び／または発電機インバータ２１から供給される直流電力を交流電力に変換した上で走行用モータジェネレータ４に入力する。並びに、駆動機インバータ４１は、車両の回生制動を行うときに走行用モータジェネレータ４が発電する交流電力を直流電力に変換した上で蓄電装置３または発電機インバータ２１に入力する。

発電機インバータ２１及び駆動機インバータ４１は、ＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）の一部をなす。

蓄電装置３は、バッテリ及び／またはキャパシタ等である。蓄電装置３は、発電用モータジェネレータ２及び走行用モータジェネレータ４の各々が発電する電力を充電して蓄える。並びに、蓄電装置３は、発電用モータジェネレータ２及び走行用モータジェネレータ４の各々を電動機として作動させるための電力を放電し、それらモータジェネレータ２、４に必要な電力を供給する。

内燃機関１、発電用モータジェネレータ２、蓄電装置３、インバータ２１、４１及び走行用モータジェネレータ４の制御を司る制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。ＥＣＵ０は、複数基のＥＣＵ、即ち内燃機関１を制御するエンジンコントローラ０１、発電用モータジェネレータ２及び発電機インバータ２１を制御する発電機コントローラ０２、蓄電装置３を制御するバッテリコントローラ０３、走行用モータジェネレータ４及び駆動機インバータ４１を制御する駆動機コントローラ０４等が、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものである。

ＥＣＵ０は、センサを介してセンシングしている、運転者によるアクセルペダルの踏込量や、シフトポジション即ちシフトレバー若しくはセレクタレバーの位置またはスイッチのＯＮ／ＯＦＦ、現在の車両の車速、路面の勾配、蓄電装置３の蓄電量、発電用モータジェネレータ２の発電電力等に応じて、走行用モータジェネレータ４が出力する回転駆動力、内燃機関１が出力する回転駆動力、及び発電用モータジェネレータ２が発電する電力の大きさを増減制御する。

運転者は、シフトレバー若しくはセレクタレバーまたはスイッチの操作を通じて、車両の走行モードを複数の中から選択、変更することができる。走行モードには、通常の走行モードであるＤモードと、Ｄモードと比較して燃費性能が低下する可能性があるが駆動輪６２に供給する駆動力をより迅速に増大させることのできる加速性能重視の走行モードであるＳモード（スポーツモード、またはパワー優先モード）とが含まれる。

蓄電装置３が現在充分な電荷を蓄えており、走行用モータジェネレータ４に要求される出力駆動力が極大でない場合、内燃機関１への燃料の供給を遮断して内燃機関１を運転しない。翻って、蓄電装置３が現在蓄えている電荷の量が所定量を下回っている場合、または走行用モータジェネレータ４に要求される出力駆動力が極大である場合には、内燃機関１を始動し気筒に燃料を供給してこれを燃焼させ、内燃機関１の出力する回転駆動力を以て発電量モータジェネレータ２を駆動し、発電を実施して蓄電装置３を充電し、または走行用モータジェネレータ４に供給する電力を増強する。

内燃機関１の気筒に燃料を供給して内燃機関１を運転しておらず、走行用モータジェネレータ４により駆動輪６２を駆動して車両を走行させている最中に、内燃機関１を始動しようとするとき、発電用モータジェネレータ２が内燃機関１の始動のためのモータリングを行う。内燃機関１の始動のためのモータリングは、内燃機関１が燃料を燃焼させて自立的に回転できるようになるまで続行する。より具体的には、センシングしている内燃機関１のクランクシャフトの回転速度が始動に必要な最低限度の値以上に高まり、かつモータリングの開始から内燃機関１のクランクシャフトが所定回数以上または所定角度以上回転した時点で、モータリングを終了する。内燃機関１の始動が完了し、内燃機関１のモータリングを終了して以降は、発電用モータジェネレータ２への電力供給を０まで低下させる。

クランクシャフトが所定回数以上または所定角度以上回転した、という条件は、内燃機関１の各気筒の現在の行程またはピストンの位置を知得する気筒判別が完了した、と置き換えてもよい。当然ながら、各気筒の行程に合わせて適切なタイミングで燃料を噴射し、また適切なタイミングで燃料を着火燃焼させるためには、各気筒の現在の行程を知る必要がある。気筒判別は、内燃機関１のクランクシャフトが所定角度回転する都度パルス信号を発するクランク角センサと、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトが所定角度回転する都度パルス信号を発するカム角センサとを用いて行う。気筒判別の手法は周知であるので、ここではその説明を割愛する。

クランク角センサ及びカム角センサの短所として、内燃機関１のクランクシャフト及びカムシャフトの回転速度が著しく低下すると、信号対雑音比の高い信号を出力できなくなる点が挙げられる。内燃機関１が回転を停止したときの各気筒の行程またはピストンの位置は、内燃機関１の始動を開始する時点では分からない。ＥＣＵ０がクランク角信号及びカム角信号を参照して各気筒の行程を判別するためには、停止していた内燃機関１のクランクシャフトが二回転程度回転する必要がある。それもあって、停止した内燃機関１の始動を開始してから、発電用モータジェネレータ２が発電した電力を走行用モータジェネレータ４に供給し始めるまでには、ある程度の時間を要する。

運転者が強くアクセルペダルを踏み込んで車両の速やかなる加速を要求したときに、内燃機関１が停止していると、その運転者の意思に合致した迅速な加速を実現できない可能性がある。とりわけ、車両に搭載している蓄電装置３が小型軽量で小容量のものであり、蓄電装置３単独で走行用モータジェネレータ４に供給できる電力の大きさに制限があると、発電用モータジェネレータ２の発電電力を合わせて走行用モータジェネレータ４に供給しなければ、要求された加速度を達成するのに必要十分な駆動力を発生させて駆動輪６２に入力することができない。

そこで、図２に示すように、本実施形態のＥＣＵ０は、運転者が走行モードとしてＳモードを選択している場合（ステップＳ１）、運転者によるアクセルペダルの踏込量如何によらず（踏込量の多寡に関わりなく）発電用モータジェネレータ２により内燃機関１のクランクシャフトを回転させるモータリングを継続的に実行しておく（ステップＳ３）。このモータリング中は、内燃機関１の気筒に燃料を供給せず、気筒において燃料を燃焼させない。さらに、ＥＣＵ０は、このモータリング中に内燃機関１の気筒判別を完了し、各気筒の現在の行程を恒常的に把握している。

運転者による加速要求に先んじて予め内燃機関１をモータリングしておけば、加速要求があったときに（ステップＳ５）即時に燃料供給及び着火燃焼を開始して内燃機関１を始動し、内燃機関１により発電用モータジェネレータ２を駆動して発電を行い（ステップＳ６）、その発電した電力を走行用モータジェネレータ４に供給することができる。従って、運転者による加速要求に見合った駆動力を迅速に走行用モータジェネレータ４が出力し、これを駆動輪６２に入力して車速を適時に加速させることが可能となる。

Ｓモードでのモータリング中の内燃機関１及び発電用モータジェネレータ２の回転速度は、気筒に燃料を供給することで速やかに内燃機関１を始動し得る程度の速度に保っておく。走行用モータジェネレータ４により駆動輪６２を駆動して走行する車両は、その車速が約４０ｋｍ／ｈの状況から加速するときに最も大きな出力を必要とする。図３に示すように、ＥＣＵ０は、Ｓモードでのモータリングにおいて、現在の車速に応じて内燃機関１の回転速度を増減調整する。即ち、車速が約４０ｋｍ／ｈのときに、内燃機関１の回転速度を最も高く設定する。Ｓモードで具現するべき車速の最大加速度を約０．２Ｇと仮定すると、上述の最大出力点となる車速約４０ｋｍ／ｈにて内燃機関１を約５００ｒｐｍの回転数でモータリングしておくことになる。無論、これらの具体的な数値は、あくまでも一例である。

そして、図３に示しているように、ＥＣＵ０は、車速が約４０ｋｍ／ｈから低下するほど、モータリングによる内燃機関１の回転速度を低下させる。並びに、ＥＣＵ０は、車速が約４０ｋｍ／ｈから上昇するほど、僅かではあるがモータリングによる内燃機関１の回転速度を低下させる。モータリング中は蓄電装置３に蓄えた電力を発電用モータジェネレータ２において消費することとなるので、モータリングによる内燃機関１の回転速度をできるだけ低速化することでその消費電力量を低減する意図である。

但し、Ｓモードでのモータリング中に、蓄電装置３に蓄えている電荷の量が閾値を下回ったならば（ステップＳ２）、気筒１に燃料を供給して内燃機関１を始動し、内燃機関１により発電用モータジェネレータ２を駆動して発電を行い（ステップＳ４）、その発電した電力を蓄電装置３に充電する。

本実施形態では、駆動輪６２に走行のための駆動力を供給できる走行用電動機４と、走行用電動機４に供給するべき電力を発電する発電機２に発電のための駆動力を供給できる、駆動輪６２とは独立して回転可能な内燃機関１と、内燃機関１に当該内燃機関１を回転させるための駆動力を供給できるモータリング用電動機２とを具備するハイブリッド車両を制御するものであって、通常の走行モードと比較して駆動輪６２に供給する駆動力を迅速に増大させるＳモードにおいて、内燃機関１にて燃料を燃焼させずモータリング用電動機２により予め内燃機関１を回転駆動するモータリングを実行することとし、その際の内燃機関１の回転速度を現在の車速に応じて増減させるハイブリッド車両の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、Ｓモードにあって、運転者がアクセルペダルを踏み込んだときに速やかに内燃機関１を始動して発電機２による発電を開始し、走行用電動機４に供給する電力を増大させて、走行用電動機４が出力し車両の駆動輪６２に入力する駆動力を迅速に増強することが可能となる。従って、速やかなる加速を要求する運転者の意思に合致した加速レスポンスを実現できる。

その上で、Ｓモードでのモータリング中の内燃機関１の回転速度を、現在の車速に応じて調整することとし、車速が最大出力点である約４０ｋｍ／ｈから離れるほど内燃機関１の回転速度を低下させて、モータリング用電動機２によるエネルギ消費をできる限り抑制する。

加えて、前記モータリングの実行中に、前記走行用電動機４及び前記モータリング用電動機２に電力を供給する蓄電装置３が現在蓄えている電荷の量が閾値を下回ったならば、前記内燃機関１にて燃料を燃焼させて当該内燃機関１を運転し前記発電機２による発電を行って蓄電装置３を充電する。さすれば、モータリングによって蓄電装置３の蓄電量が欠乏することを適正に回避できる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、Ｓモードにあって、原則として（蓄電装置３が蓄えている電荷の量が閾値を下回らない限り）常に内燃機関１をモータリングすることとしていたが、蓄電装置３に蓄えている電荷の量が所定量を下回っている場合に限り、発電に備えて内燃機関１をモータリングすることとし、蓄電装置３が十分な量の蓄えている場合には内燃機関１をモータリングせずに停止させておくことも考えられる。

また、上記実施形態における車両はシリーズハイブリッド車両であり、内燃機関１が出力する駆動力を発電機２ではなく駆動輪６２に入力することは想定していなかった。だが、内燃機関が出力する駆動力を車両の走行のために駆動輪に供給し得る態様のハイブリッド車両に、本発明を適用することも可能である。その場合には、内燃機関と駆動輪との間に、両者の間で駆動力を伝達可能な状態と、両者の間で駆動力を伝達せず内燃機関が駆動輪から独立して回転可能な状態とを切換可能な動力伝達機構（断接切換可能なクラッチや、遊星歯車を利用した伝達機構等）を介設しておく。そして、Ｓモードにて、動力伝達機構を後者の状態として予め内燃機関のモータリングを行い、運転者がアクセルペダルを踏み込み加速を要求したときに気筒に燃料を供給して速やかに内燃機関を始動し、かつ動力伝達機構を前者の状態として内燃機関が出力する駆動力を駆動輪に供給できるようにする。

その他、各部の具体的な構成や処理の内容は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、ハイブリッド車両の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…内燃機関
２…発電機、モータリング用電動機（発電用モータジェネレータ）
４…走行用電動機（走行用モータジェネレータ）
３…蓄電装置
６２…駆動輪

Claims (2)

1. 駆動輪に走行のための駆動力を供給できる走行用電動機と、
   走行用電動機に供給するべき電力を発電する発電機に発電のための駆動力を供給できる、または駆動輪に走行のための駆動力を供給できる、駆動輪とは独立して回転可能な内燃機関と、
   内燃機関に当該内燃機関を回転させるための駆動力を供給できるモータリング用電動機とを具備するハイブリッド車両を制御するものであって、
   当該ハイブリッド車両は、通常の走行モードと、通常の走行モードと比較して駆動輪に供給する駆動力を迅速に増大させるモードとを選択可能であり、
   通常の走行モードと比較して駆動輪に供給する駆動力を迅速に増大させるモードが選択されている場合において、運転者によるアクセルペダルの踏込量如何によらず内燃機関にて燃料を燃焼させずモータリング用電動機により予め内燃機関を回転駆動するモータリングを実行することとし、その際の内燃機関の回転速度を現在の車速に応じて増減させるハイブリッド車両の制御装置。
2. 前記モータリングの実行中に、前記走行用電動機及び前記モータリング用電動機に電力を供給する蓄電装置が現在蓄えている電荷の量が閾値を下回ったならば、前記内燃機関にて燃料を燃焼させて当該内燃機関を運転し前記発電機による発電を行って蓄電装置を充電する請求項１記載のハイブリッド車両の制御装置。

Images