JP7238486B2 - 制御装置およびハイブリッド車両 - Google Patents

Description

本開示は、発進時等に必要な原動機のトルクをモータによりアシストするハイブリッド車両の制御装置およびハイブリッド車両に関する。

モータジェネレータと内燃機関とを動力源として備えるハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ：Hybrid Electric Vehicle)が普及している。このようなＨＥＶには、エンジン等の内燃機関における効率が悪い回転領域（発進時や急加速時等の低回転領域）でモータジェネレータが動力をアシストするパラレル方式と呼ばれるものがある。

このようなパラレル方式のＨＥＶでは、内燃機関の発生する動力をモータジェネレータに入力し、モータジェネレータを発電機として動作させてバッテリの充電を行うことがある。例えば特許文献１には、停車時にバッテリ残存容量があらかじめ設定された容量未満であるとき、停車したままの状態で、エンジン駆動により電動機をジェネレータ作動させてバッテリの充電を行う技術が開示されている。

特開２０１２－１１６２７１号公報

特許文献１に開示された技術では、バッテリの残存容量が所定の判定値未満となった場合に停車したまま充電を行い、判定値以上まで充電されるとバッテリへの動力入力を切断して充電を停止する。すなわち、車両の状態にかかわらず、停車中に充電されるバッテリの残存容量の最大値は一定である。

ＨＥＶが停車状態から発進するとき、バッテリに充電された電力によりモータジェネレータが駆動され、発進時に必要なトルクをアシストする。例えば上り坂での発進時には、平地での発進時より多くの駆動力が必要となるため、モータジェネレータがアシストのために発生させるトルクを大きくする。これにより、車両の発進性が向上する。このような上り坂での発進時には、モータジェネレータが平地での発進時より大きな電力量を必要とするため、バッテリに大きな負荷が掛かって電圧が降下し、バッテリの充電量が小さい場合においてはアシストのために必要なトルクが得られないことがある。

このような事情に鑑み、本開示は、車両の状態に合わせて発進時に必要なトルクをアシストすることができる制御装置およびハイブリッド車両を提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る制御装置は、内燃機関、モータジェネレータ、およびバッテリを備え、停車中に前記内燃機関の発生する動力によって前記モータジェネレータに発電を行わせることで前記バッテリへの充電が可能なハイブリッド車両の制御装置であって、前記ハイブリッド車両が停車している地面の勾配に関する情報に基づいて、前記ハイブリッド車両が発進する際に前記内燃機関をアシストするトルクを前記モータジェネレータに発生させるために必要な第１電力量を導出するアシスト電力量導出部と、前記バッテリの現充電率および前記第１電力量に基づいて、前記バッテリの目標充電率を決定する目標充電率決定部と、前記ハイブリッド車両の停車中に前記バッテリを前記目標充電率まで充電するように前記モータジェネレータを発電させるモータジェネレータ制御部と、を有する。

本開示の一態様に係るハイブリッド車両は、上記制御装置を有する。

本開示によれば、車両の状態に合わせて発進時に必要なトルクをアシストすることができる。

本実施の形態におけるハイブリッド車両の構成例を示す図 制御装置における、アイドル充電に関する機能ブロックの一例を示す図 制御装置による、アイドル充電に関する処理について説明するためのフローチャート 必要アシスト電力量マップの作成に用いられる、ハイブリッドシステムの性能曲線を例示した図 所定の勾配および車重における、ハイブリッド車両の発進加速シミュレーションの結果の例を示す模式図

以下、本開示の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明、例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明等は省略する場合がある。

図１は、本実施の形態におけるハイブリッド車両１の構成例を示す図である。図１における点線は、電気信号の流れを模式的に示す線である。

図１に示すハイブリッド車両１は、普通乗用車、バス、トラック等を含む車両である。ハイブリッド車両１は、車両の運転状態に応じて複合的に制御されるエンジン１０及びモータジェネレータ１１を含むハイブリッドシステム２０を有する。

エンジン１０は、燃料を燃焼させて得られる熱エネルギーにより、クランクシャフト１２を回転駆動する。このエンジン１０には、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンが用いられる。エンジン１０の回転動力は、クランクシャフト１２の一端部に接続されているクラッチ１３（例えば、湿式多板クラッチ等）、およびトランスミッション１４を介して、図示しない駆動輪に伝達される。これにより、ハイブリッド車両１が走行する。

モータジェネレータ１１には、インバータ１５を介してバッテリ１６が接続されている。インバータ１５は、直流電流と交流電流とを相互に変換する。バッテリ１６は、充放電が可能な二次電池であり、例えばリチウムイオンバッテリやニッケル水素バッテリ等で構成される。

本実施の形態では説明を省略するが、バッテリ１６の電力を使用する他の構成として、低圧バッテリへ電力を供給するためのＤＣ／ＤＣコンバータ、もしくは車両電装品等がバッテリ１６に接続されていてもよい。車両電装品の例としては、例えば電動エアコンディショナ、電動油圧ポンプ等が挙げられる。

モータジェネレータ１１の出力軸には、エンジン１０のクランクシャフト１２の他端部（トランスミッション１４側とは反対側の端部）との間に、無端状のベルト状部材１７が掛け回されている。このベルト状部材１７により、モータジェネレータ１１とエンジン１０との間で動力が伝達される。

制御装置３０は、エンジン１０およびモータジェネレータ１１を含むハイブリッドシステム２０の動作を制御する。制御装置３０は、図示は省略するが、各種処理を行うＣＰＵ、その各種処理を行うために用いられるプログラムや処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェース等を有する。

以上、本実施の形態に係るハイブリッド車両１の構成について説明した。以下では、制御装置３０によるハイブリッドシステム２０の制御について説明する。

例えばハイブリッド車両１の発進時や加速時等において、制御装置３０は、モータジェネレータ１１を駆動させ、モータジェネレータ１１が発生する駆動力を用いて、エンジン１０をアシストするように制御する。これにより、特性上、低回転時には大きなトルクを得られないエンジン１０を、モータジェネレータ１１の駆動力を用いてアシストすることができるため、発進時や加速時等に必要なトルクが確保され、素早い発進や加速が可能となる。本実施の形態において、発進時にモータジェネレータ１１がアシストするトルクをアシストトルクと記載する。

また、制御装置３０は、ハイブリッド車両１の慣性走行時や制動時においては、モータジェネレータ１１による回生発電を行い、余剰の運動エネルギーを電力に変換してバッテリ１６を充電するように制御する。これにより、燃費（電費）を向上させることができる。

また、制御装置３０は、ハイブリッド車両１の停車時において、制御装置３０は、バッテリ１６の充電率（ＳＯＣ：State of Charge）に基づいて、エンジン１０を駆動させてモータジェネレータ１１を回転させ、バッテリ１３の充電を行わせる。以下の説明において、このような停車時にエンジン１０を駆動させて充電を行うことを、アイドル充電と記載する。

以下では、制御装置３０による、アイドル充電に関する制御について詳細に説明する。図２は、制御装置３０における、アイドル充電に関する機能ブロックの一例を示す図である。図２に示すように、制御装置３０は、充電可否判定部３１、アシスト電力量導出部３２、使用可能電力量導出部３３、目標ＳＯＣ（State of Charge）決定部３４、およびモータジェネレータ制御部３５を有する。

また、図３は、制御装置３０による、アイドル充電に関する処理について説明するためのフローチャートである。

ステップＳ１において、充電可否判定部３１は、図示しない車速センサ等から得られるハイブリッド車両１の車速情報等に基づいて、アイドル充電の可否について判定を行う。充電可否判定部３１は、例えば車速が０である（ハイブリッド車両１が停車している）場合にはアイドル充電が可能であると判定し、そうでない（ハイブリッド車両１が走行中である）場合にはアイドル充電は不可能であると判定する。アイドル充電が可能であると判定された場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、処理はステップＳ２に進み、そうでない場合（ステップＳ１：ＮＯ）、処理はステップＳ１を繰り返す。

ステップＳ２において、アシスト電力量導出部３２は、勾配情報および車重情報に基づいて、モータジェネレータ１１が必要なアシストを行うための電力量（以下、必要アシスト電力量）を導出する。なお、勾配情報とは、図示しない勾配センサ等から得られる、ハイブリッド車両１が現時点で停車している地面の勾配に関する情報である。また、車重情報とは、図示しない車重センサ等から得られる、ハイブリッド車両１の現時点での車重に関する情報である。なお、本実施の形態において、現時点とは、処理が行われている時点を意味する。

必要アシスト電力量とは、上記説明したアシストトルクを発生させるためにモータジェネレータ１１が必要とする電力量を意味する。アシスト電力量導出部３２は、あらかじめ作成された必要アシスト電力量マップを用いて、勾配情報および車重情報に基づき必要アシスト電力量を決定する。必要アシスト電力量マップは、勾配、車重、および必要アシスト電力量の関係を示すマップ（例えば、テーブル）であり、あらかじめ図示しないメモリ等に記憶されている。

必要アシスト電力量マップの作成方法としては、以下のような方法が挙げられる。まず、例えばハイブリッドシステム２０の性能曲線に基づいて、勾配毎、および車重毎にハイブリッド車両１の発進加速シミュレーションが行われ、必要アシストトルクの総量が導出される。そして、必要アシストトルクの総量に基づいて、勾配毎、および車重毎の必要アシスト電力量が導出される。このように導出された必要アシスト電力量が勾配毎、および車重毎にテーブル化されることで、必要アシスト電力量マップが作成される。なお、必要アシスト電力量マップの作成は、図示しないシミュレータ等によって行われればよい。

図４Ａは、必要アシスト電力量マップの作成に用いられる、ハイブリッドシステム２０の性能曲線を例示した図である。図４Ａの横軸はエンジン回転数、縦軸はトルクに対応している。図４Ａには、ハイブリッドシステム２０のトルクカーブ（回転数毎の最大トルク）４１と、エンジン回転数とモータジェネレータ１１によるアシストトルクとの関係を示す領域４２とが示されている。図４Ａの領域４２に示すように、ハイブリッドシステム２０では、モータジェネレータ１１によるアシストトルクの大きさは、エンジン回転数によって決まる。図４Ａに示す例では、所定のエンジン回転数Ｒ１を越えると、モータジェネレータ１１によるアシストトルクが０となる。なお、図４Ａに示すハイブリッドシステム２０の性能曲線は一例であり、本発明はこれに限定されない。

図４Ａに示す性能曲線に基づいて、所定の勾配および車重におけるハイブリッド車両１の車速の変化、および必要アシストトルクの変化がシミュレーションされる。図４Ｂは、所定の勾配および車重における、ハイブリッド車両１の発進加速シミュレーションの結果の例を示す模式図である。図４Ｂには、シミュレーションの結果得られるハイブリッド車両１の車速の変化を示す曲線４３、および必要アシストトルクの変化を示す線４４，４５，４６が模式的に示されている。なお、図４Ｂに示すシミュレーション結果の例では、ハイブリッド車両１の発進後も、所定の勾配が継続することが想定されている。図４Ｂの横軸は時間、縦軸は車速またはトルクに対応している。

図４Ｂでは、ハイブリッド車両１が車速０から発進して加速し、一定速度に達するまでモータジェネレータ１１によるアシストが行われている様子がシミュレートされている。線４４～４６は、それぞれ異なる変速段におけるアシストトルクを示しており、線４４が１速、線４５が２速、線４５が３速に、それぞれ対応している。線４４の立ち上がり開始時間（１速におけるアシスト開始時間）においてモータジェネレータ１１によるアシストが開始され、エンジン回転数が上昇するにつれて必要アシストトルクは次第に下降する（図４Ａ参照）。そして、エンジン回転数が図４Ａに示す回転数Ｒ１を越えると、必要アシストトルクは一旦０となる（線４４の立ち下がりと線４５の立ち上がりとの間の領域）。この状態で２速にシフトアップされることでエンジン回転数が低下し、回転数Ｒ１より小さくなると、線４５に示すように、再度モータジェネレータ１１によるアシストが開始される。さらに、エンジン回転数の上昇に伴い必要アシストトルクが再度０となる（線４５の立ち下がりと線４６の立ち上がりとの間の領域）。この状態で３速にシフトアップされることでエンジン回転数が低下し、線４６に示すように、再度モータジェネレータ１１によるアシストが開始される。

図４Ｂに示す必要アシストトルクの変化を時間で積分することで、必要アシストトルクの総量（図４Ｂにおける斜線を付した部分の面積の合計）が得られる。必要アシスト電力量は、必要アシストトルクの総量に対応しており、必要アシストトルクの総量が分かればシミュレーション上で導出することができる。このようにして、所定の勾配および車重での必要アシスト電力量が導出される。必要アシスト電力量マップは、勾配および車重を様々に変化させて上述のシミュレーションを行うことにより作成される。

図３の説明に戻る。ステップＳ３において、使用可能電力量導出部３３は、現時点でのバッテリ１６のＳＯＣ情報および他構成使用電力量情報に基づいて、現時点でモータジェネレータ１１によるアシストに使用できる電力量（使用可能電力量）を導出する。ＳＯＣ情報とは、現時点でのバッテリ１６の充電率に関する情報である。また、他構成使用電力量情報とは、バッテリ１６に接続されておりバッテリ１６の電力を使用する他の機器類の、現時点での使用電力量に関する情報である。ＳＯＣ情報および他構成使用電力量情報は、例えばバッテリ１６から取得される情報である。使用可能電力量導出部３３は、例えば現時点でのＳＯＣから他構成による使用電力量を減算することで、現時点で使用できる使用可能電力量を導出する。

ステップＳ４において、目標ＳＯＣ決定部３４は、現時点でのＳＯＣ（ＳＯＣ_{ｐｒｅｓｅｎｔ}）、必要アシスト電力量（Ｐ_{ａｓｓｉｓｔ}）、および使用可能電力量（Ｑ_{ａｖａｉｌａｂｌｅ}）に基づいて、目標ＳＯＣ（ＳＯＣ_{ｏｂｊｅｃｔ}）を決定する。目標ＳＯＣとは、アイドル充電によって充電されるバッテリ１６のＳＯＣの目標値である。

目標ＳＯＣ決定部３４は、例えば以下の数式（１）を用いて目標ＳＯＣを決定する。
ＳＯＣ_{ｏｂｊｅｃｔ}＝ＳＯＣ_{ｐｒｅｓｅｎｔ}＋（Ｑ_{ａｓｓｉｓｔ}－Ｑ_{ａｖａｉｌａｂｌｅ}）／Ｑ_{ｂａｔｔｅｒｙ} （１）

なお、Ｑ_{ｂａｔｔｅｒｙ}は、バッテリ１６の総容量の使用可能範囲分の電力量（以下、バッテリ総電力量と記載する）である。

具体例を挙げる。例えば、（必要アシスト電力量／バッテリ総電力量）がＳＯＣ１００％に対する２０％分であり、（使用可能電力量／バッテリ総電力量）が１５％分であり、現時点でのＳＯＣが５０％であるとすると、目標ＳＯＣは、５０％＋（２０％－１５％）＝５５％となる。なお、上述した目標ＳＯＣ決定部３４による目標ＳＯＣの決定方法は一例であり、本発明はこれに限定されない。

ステップＳ５において、モータジェネレータ制御部３５は、バッテリ１６を目標ＳＯＣまで充電させるように、モータジェネレータ１１を制御するモータジェネレータ制御信号を送信する。なお、アイドル充電処理において、エンジン１０は所定の回転数での回転を維持しており、モータジェネレータ１１はこのエンジンの回転により充電を行うことができる。モータジェネレータ制御部３５は、バッテリ１６のＳＯＣが目標ＳＯＣに達するまでモータジェネレータ１１に発電を行わせ、目標ＳＯＣに達した時点でモータジェネレータ１１の発電を停止させる。

以上説明した処理によって、ハイブリッド車両１が停車している地面の勾配に基づいて発進の際に必要なアシスト電力量を導出し、これに合わせてバッテリ１６が目標ＳＯＣまで充電される。このため、例えば上り坂等、大きなアシストトルクが必要な場所で停車した場合でも、大きなアシストトルクを出力するために十分なアシスト電力量をモータジェネレータ１１に供給できる。

＜作用・効果＞
以上説明したように、本開示の実施の形態に係る制御装置は、エンジン（内燃機関）１０、モータジェネレータ１１、およびバッテリ１６を有し、停車中にエンジン１０の発生する動力によってモータジェネレータ１１に発電を行わせることでバッテリ１６への充電が可能なハイブリッド車両１の制御装置３０であって、ハイブリッド車両１が停車している地面の勾配に関する情報に基づいて、ハイブリッド車両１が発進する際にエンジン１０をアシストするトルクをモータジェネレータ１１に発生させるために必要な必要アシスト電力量（第１電力量）を導出するアシスト電力量導出部３２と、バッテリの現充電率（ＳＯＣ）および必要アシスト電力量に基づいて、バッテリ１６の目標充電率を決定する目標ＳＯＣ決定部３４と、ハイブリッド車両１の停車中にバッテリ１６を目標充電率まで充電するようにモータジェネレータ１１を発電させるモータジェネレータ制御部３５と、を有する。

このような構成により、ハイブリッド車両１が停車している地面の勾配に合わせて、ハイブリッド車両１が発進する際に必要なアシスト電力量を十分に供給できるＳＯＣまでバッテリ１６を充電することができる。これにより、上り坂のように大きなアシスト電力量が必要な状況においては目標ＳＯＣが大きく設定されるため、ＳＯＣが十分でないため必要なアシスト電力量が供給されない事態を回避することができる。このため、ハイブリッド車両１の状態に合わせたトルクが常にモータジェネレータ１１によりアシストされるようになり、どのような勾配で停車している場合でもスムーズな発進や加速が可能となる。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

上記した実施の形態では、モータジェネレータ１１をバッテリ１６の電力により駆動させることにより、エンジン１０の駆動力をアシストする例について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えばバッテリの電力によりエンジンへの過給を行う電動過給機（電動ターボまたは電動スーパーチャージャ）を用いてエンジンの駆動力をアシストする構成としてもよい。また、モータジェネレータと電動過給機を両方有する構成としてもよい。電動過給機によりアシストを行う場合においても、上記説明した実施の形態と同様に、あらかじめ作成したマップ等を用いて、電動過給機によるアシストに必要な電力量を導出することにより、目標ＳＯＣを決定する構成とすればよい。

上記した実施の形態では、目標ＳＯＣまでハイブリッド車両１が停車し続ける場合について説明したが、目標ＳＯＣまで充電されていない状態で運転者によりハイブリッド車両１の発進操作が行われた場合には、充電を中断して適宜発進されればよい。なお、上り坂での発進の場合、かつ目標ＳＯＣまで充電されていない場合には、必要なアシスト電力量が不足する可能性がある。このため、上り坂での発進の場合、かつ目標ＳＯＣまで充電されていない場合には、モータジェネレータ１１によるアシスト量を目標ＳＯＣまで充電されている場合と比較して少なくしてもよい。

上述した実施の形態では、エンジン１０とモータジェネレータ１１とがベルト状部材１７によって接続されているベルト・オルタネータ・スタータ（ＢＡＳ：Belt Alternator Starter）方式のハイブリッドシステム２０を採用した例について説明した。しかしながら、本開示はこれに限定されず、モータがエンジンの駆動力をアシストするハイブリッドシステムであれば、他の方式のハイブリッドシステムが採用されてもよい。

本開示は、モータがエンジンの駆動力をアシストするハイブリッド車両に有用である。

１ ハイブリッド車両
１０ エンジン
１１ モータジェネレータ
１２ クランクシャフト
１３ クラッチ
１４ トランスミッション
１５ インバータ
１６ バッテリ
１７ ベルト状部材
２０ ハイブリッドシステム
３０ 制御装置
３１ 充電可否判定部
３２ アシスト電力量導出部
３３ 使用可能電力量導出部
３４ 目標ＳＯＣ決定部
３５ モータジェネレータ制御部

Claims (4)

1. 内燃機関、モータジェネレータ、およびバッテリを備え、停車中に前記内燃機関の発生する動力によって前記モータジェネレータに発電を行わせることで前記バッテリへの充電が可能なハイブリッド車両の制御装置であって、
   前記ハイブリッド車両が停車している地面の勾配に関する情報に基づいて、前記ハイブリッド車両が発進する際に前記内燃機関をアシストするトルクを前記モータジェネレータに発生させるために必要な第１電力量を導出するアシスト電力量導出部と、
   前記バッテリの現充電率および前記第１電力量に基づいて、前記バッテリの目標充電率を決定する目標充電率決定部と、
   前記ハイブリッド車両の停車中に前記バッテリを前記目標充電率まで充電するように前記モータジェネレータを発電させるモータジェネレータ制御部と、
   を有する、制御装置。
2. 前記アシスト電力量導出部は、勾配および前記ハイブリッド車両の重量と、前記第１電力量との関係を示すアシスト電力量マップを用いて、前記第１電力量を導出する、
   請求項１に記載の制御装置。
3. 前記ハイブリッド車両は、前記バッテリの電力を用いて前記内燃機関への過給を行う電動過給機をさらに備え、
   前記アシスト電力量導出部は、前記情報に基づいて、前記ハイブリッド車両が発進する際に前記内燃機関をアシストするトルクを前記モータジェネレータおよび／または前記電動過給機に発生させるために必要な第２電力量を導出し、
   前記目標充電率決定部は、前記バッテリの現充電率、並びに、前記第２電力量に基づいて、前記バッテリの前記目標充電率を決定する、
   請求項１または２に記載の制御装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の制御装置を有する、ハイブリッド車両。

Images