JP7337443B2

JP7337443B2 - ハイブリッド車両の制御装置

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Publication number: JP7337443B2
Application number: JP2019035357A
Authority: JP
Inventors: 昌希畑谷; 聡司前田
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2023-09-04
Anticipated expiration: 2039-02-28
Also published as: JP2020138635A

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対する要求出力が大きい場合には、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、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。

特開２０１６－０６４７３５号公報

発電用モータジェネレータが発電していない状況から、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うためには、内燃機関が燃料を燃焼させて自立的に回転し必要な回転駆動力を出力できる状態となる必要がある。

既存のシステムでは、停止した内燃機関を始動して発電を実行するに際し、発電用モータジェネレータにより内燃機関をモータリングしてエンジン回転数を所要の回転数（例えば、６００ｒｐｍ）まで加速させた後、内燃機関の気筒に燃料を供給して内燃機関における燃料の着火燃焼を開始する。さらに、モータリングを続けてエンジン回転数を効率のよい回転数（例えば、２０００ｒｐｍ）まで上昇させてから、モータリングを終了、内燃機関により発電量モータジェネレータを駆動して発電を実行開始する。

つまり、既存のシステムでは、内燃機関が始動して自立回転を始めた後もなお、エンジン回転数が効率のよい領域に到達するまでは発電を行わない。このようなものであると、運転者がアクセルペダルを強く踏み込んで車両の加速を要求したときに、その要求に見合った加速レスポンス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の容量が小さい場合や、現在蓄電装置に蓄えている電荷の量が少ない場合、運転者による加速要求後発電用モータジェネレータが実際に発電を開始するまでの期間、走行用モータジェネレータに十分な大きさの電力を供給できない懸念が生じる。

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することを所期の目的としている。

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、停止した内燃機関を始動して発電を実行するに際し、モータリング用電動機により内燃機関をモータリングしつつ内燃機関に燃料を供給してこれを燃焼させ、その後モータリング用電動機の出力を低減しても内燃機関が自立的に回転すると判定したならば、エンジン回転数が最終的な目標回転数に到達する前に発電機による発電を開始し、発電開始後エンジン回転数が前記最終的な目標回転数に上昇するまでの間の期間中は、実測の回転数が当該期間中に前記最終的な目標回転数まで徐々に高まってゆく目標回転数を下回るときには前記発電機の発電電力または出力電圧若しくは出力電流を減少させ、実測の回転数が同目標回転数を上回るときには発電機の発電電力または出力電圧若しくは出力電流を増大させるフィードバック制御を実施する制御装置を構成した。なお、内燃機関が自立的に回転すると判定したとき、アクセル開度により示される運転者が要求する加速度が所定以上に大きい、及び／または、蓄電装置に現在蓄えている電荷の量が所定以下に減少している場合に限り、エンジン回転数が前記最終的な目標回転数に到達する前に発電機による発電を開始するようにしてもよい。

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することが可能となる。

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。同実施形態の制御装置が実施する制御における要求出力の区分を示す図。同実施形態の制御装置が実施する制御における処理の手順を示すフロー図。同実施形態の制御装置が実施する制御におけるエンジン回転数及び発電用モータジェネレータの出力のそれぞれの推移を例示するタイミング図。

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、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（ＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）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（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）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（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）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、運転者が操作するアクセル開度即ち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。

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に対して要求される出力が小さい場合、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に対して要求される出力が大きい場合には、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。

図２に、車両の運転者が要求する出力と、内燃機関１及び発電用モータジェネレータ２の運転の要否との関係を示している。要求出力は、運転者が操作するアクセル開度及び車速によって決まる。原則として、要求出力は、アクセル開度が大きくなるほど大きくなり、車速が高くなるほど大きくなる。図２上、右上方に向かうほど要求出力が大きいということになる。ＥＣＵ０は、駆動輪６２に与えるべき駆動力が比較的小さく、車速も比較的低い低出力領域Ｉでは、内燃機関１に燃料を供給せずにその運転を停止し、発電用モータジェネレータ２を発電機として稼働させない。低出力領域Ｉでは、走行用モータジェネレータ４が、蓄電装置３のみから電力供給を受けて、車両の走行のための駆動力を出力する。

対して、ＥＣＵ０は、駆動輪６２に与えるべき駆動力がある程度以上大きい、または車速がある程度以上高い中高出力領域II、IIIでは、内燃機関１に燃料を供給してこれを運転し、発電用モータジェネレータ２を発電機として稼働させる。要求出力が顕著に大きくない中出力領域IIでは、走行用モータジェネレータ４が、主として発電用モータジェネレータ２から電力供給を受けて、車両の走行のための駆動力を出力する。このとき、蓄電装置３からは、少量の電力供給を受けるか、あるいは全く電力供給を受けない。要求出力が顕著に大きい高出力領域IIIでは、走行用モータジェネレータ４が、発電用モータジェネレータ２及び蓄電装置３の双方から電力供給を受けて、車両の走行のための駆動力を出力する。

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を始動して発電用モータジェネレータ２による発電を実行しようとするためには、まず、発電用モータジェネレータ２を電動機として作動させ、これにより内燃機関１の始動のためのモータリングを行う。

具体的には、図３に示すように、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駆動するとともに（ステップＳ１）、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、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後、内燃機関の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ファイアリングを開始する（ステップＳ２）。内燃機関１のクランクシャフトの回転角度及び回転速度即ちエンジン回転数は、発電用モータジェネレータ２に付帯する既知のレゾルバを介して（発電機コントローラ０２において）検出することができ、内燃機関１に付帯する既知のクランク角センサを介して（エンジンコントローラ０１において）検出することもできる。

そして、内燃機関１が自立的に回転し発電のために必要な回転駆動力を出力可能な状態となったか否か、換言すれば発電用モータジェネレータ２の出力を低減させてもなおエンジン回転数が上昇傾向を維持できるか否かを判定する（ステップＳ３）。ステップＳ３では、図４に示すように、エンジン回転数が所要の回転数Ｔ１以上となった時点ｔ１後、電動機として作動させている発電用モータジェネレータ２の出力を低減させ、それでもなおエンジン回転数が低落せずに上昇するかどうかを確認する。回転数Ｔ１は、例えば、６００ｒｐｍないし８００ｒｐｍ程度の範囲内の適宜の値に設定する。発電用モータジェネレータ２の出力を低減させてもエンジン回転数が低落せずに上昇するならば、内燃機関１が自立的に回転する状態になったと判定する。あるいは、内燃機関１のファイアリング開始後、電動機として作動させている発電用モータジェネレータ２のコイルを流れる電流またはコイルに印加している電圧の大きさを監視し、その電流または電圧の大きさが単位時間あたり所定量以上低下したことを以て、内燃機関１が自立的に回転する状態になったと判定してもよい。発電用モータジェネレータ２のコイルへの印加電流または印加電圧の低下は、内燃機関１が回転駆動力を出力するようになった結果、発電用モータジェネレータ２に対する機械的な負荷が軽減したことを意味する。

内燃機関１が自立的に回転し必要な回転駆動力を出力可能な状態となったと判定したならば、図４に示しているように、電動機として作動させている発電用モータジェネレータ２の出力を０まで低減させてモータリングを終了し、今度は内燃機関１により発電用モータジェネレータ２を回転駆動する（ステップＳ４）。さらに、発電用モータジェネレータ２を発電機として作動させ、その発電電力を０から増大させる（ステップＳ５）。その上で、エンジン回転数を上記回転数Ｔ１から徐々に高まってゆく目標回転数に追従させるように、内燃機関１の気筒１に供給する吸気量及び燃料噴射量、並びに発電用モータジェネレータ２の発電電力を増減調整するフィードバック制御を実施する（ステップＳ６）。目標回転数は、最終的には、回転数Ｔ２まで上昇する。最終的な目標回転数Ｔ２は、内燃機関１を最適または最適に近い効率で運転でき燃料消費率にとって最も有利な回転数、例えば２０００ｒｐｍ程度の値に設定する。あるいは、最終的な目標回転数Ｔ２を、内燃機関１が最大トルク若しくは最大出力またはこれに近いトルク若しくは出力を達成できるような回転数に設定することもあり得る。最終的な目標回転数Ｔ２を何れとするかは、運転者が操作するアクセル開度の大きさ及び／またはアクセル開度の単位時間あたりの拡大量に応じて決定してよい。運転者が急加速を要求していると考えられるならば、最終的な目標回転数Ｔ２を後者のものとすることが考えられる。

エンジン回転数が上記回転数Ｔ１から最終的な目標回転数Ｔ２までの間にある（時点ｔ１から時点ｔ２までの）期間中は、内燃機関１の出力する回転駆動力の一部をエンジン回転数の加速に費やしながら、残部を発電用モータジェネレータ２による発電に充当する、要するに加速と発電とを同時並行で実施することになる。当該期間中のエンジン回転数のフィードバック制御において、レゾルバまたはクランク角センサを介して検出する実測の回転数が目標回転数を下回るときには、発電機として作動する発電用モータジェネレータ２の発電電力または出力電圧若しくは出力電流を減少させる。さすれば、内燃機関１に対する機械的負荷が軽減し、エンジン回転数の加速度をより高めることができる。逆に、実測のエンジン回転数が目標回転数を上回るときには、発電用モータジェネレータ２の発電電力または出力電圧若しくは出力電流を増大させる。さすれば、内燃機関１に対する機械的負荷が増加し、エンジン回転数の加速度を抑制することができる。

しかして、エンジン回転数が最終的な目標回転数Ｔ２に到達した時点ｔ２後（ステップＳ７）、エンジン回転数を当該回転数Ｔ２に維持しながら、発電用モータジェネレータ２による発電を続行する（ステップＳ８）。エンジン回転数が目標回転数Ｔ２に到達した時点ｔ２後は、それ以上エンジン回転数を加速する必要はなく、内燃機関１の出力する回転駆動力の大半を発電用モータジェネレータ２による発電に充当することができる。このときの発電用モータジェネレータ２の発電電力または出力電圧若しくは出力電流は、エンジン回転数が目標回転数Ｔ２に到達する時点ｔ２前の加速期間中における発電用モータジェネレータ２の発電電力または出力電圧若しくは出力電流よりも大きくなる。

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、停止した内燃機関１を始動して発電を実行するに際し、モータリング用電動機２により内燃機関１をモータリングしつつ内燃機関１に燃料を供給してこれを燃焼させ（ステップＳ１、Ｓ２）、その後モータリング用電動機２の出力を低減しても内燃機関１が自立的に回転すると判定したならば（ステップＳ３）、エンジン回転数が最終的な目標回転数Ｔ２に到達する前に速やかに内燃機関１により発電機２を駆動して当該発電機２による発電を開始する（ステップＳ４ないしＳ６）制御装置０を構成した。

従前のハイブリッド車両における制御では、内燃機関１がその自立回転のために最低限必要な所要回転数Ｔ１以上に加速してもなお、エンジン回転数が効率のよい回転数Ｔ２に到達するまでは、発電機２を無負荷運転し続け、当該発電機２による発電を開始しなかった。これに対し、本実施形態の制御では、内燃機関１が最低限必要な所要回転数Ｔ１以上に加速した後、即時に発電機２を負荷運転して、当該発電機２による発電を開始する。

本実施形態によれば、車速が低い、または走行用電動機４が出力する駆動力が小さい状況から、運転者がアクセルペダルを踏み込んで車両の加速を要求したときに、可及的速やかに発電機２の発電電力を走行用電動機４に供給することができる。そして、走行用電動機４が運転者の意思に合致した加速を達成するのに十分な駆動力を発生させて、駆動輪６２に入力することが可能となる。ひいては、遅れのない車両の加速を実現できる。

特に、本実施形態は、車両に搭載している蓄電装置３の容量が元来小さな場合や、蓄電装置３に現在蓄えている電荷の量が少ない場合において、必要十分な動力性能を発揮するために奏効する。これは、大形で大容量の蓄電装置３を搭載するスペースに乏しい小型車両において有益である。並びに、大形で大容量の蓄電装置３を搭載することに伴う重量化や高コスト化を避けるためにも有利である。

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、始動した内燃機関１のエンジン回転数が所要回転数Ｔ１まで加速した後、常に発電機２による発電を実行開始するのではなく、アクセル開度により示される運転者が要求する加速度が所定以上に大きい場合や、蓄電装置３に現在蓄えている電荷の量が所定以下に減少している場合に限り、即時に発電機２による発電を開始し、さもなくばエンジン回転数が最終的な目標回転数Ｔ２に到達するまで発電機２による発電を開始しないこととしてもよい。

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

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、
停止した内燃機関を始動して発電を実行するに際し、モータリング用電動機により内燃機関をモータリングしつつ内燃機関に燃料を供給してこれを燃焼させ、その後モータリング用電動機の出力を低減しても内燃機関が自立的に回転すると判定したならば、エンジン回転数が最終的な目標回転数に到達する前に発電機による発電を開始し、
発電開始後エンジン回転数が前記最終的な目標回転数に上昇するまでの間の期間中は、実測の回転数が当該期間中に前記最終的な目標回転数まで徐々に高まってゆく目標回転数を下回るときには前記発電機の発電電力または出力電圧若しくは出力電流を減少させ、実測の回転数が同目標回転数を上回るときには発電機の発電電力または出力電圧若しくは出力電流を増大させるフィードバック制御を実施する制御装置。
停止した前記内燃機関を始動して発電を実行するに際し、前記モータリング用電動機により内燃機関をモータリングしつつ内燃機関に燃料を供給してこれを燃焼させ、その後モータリング用電動機の出力を低減しても内燃機関が自立的に回転すると判定したとき、アクセル開度により示される運転者が要求する加速度が所定以上に大きい場合に限りエンジン回転数が前記最終的な目標回転数に到達する前に発電機による発電を開始する、または、蓄電装置に現在蓄えている電荷の量が所定以下に減少している場合に限りエンジン回転数が前記最終的な目標回転数に到達する前に発電機による発電を開始する、請求項１記載の制御装置。