JP4192896B2

JP4192896B2 - ハイブリッド車両

Info

Publication number: JP4192896B2
Application number: JP2005020162A
Authority: JP
Inventors: 宏樹村田; 功松本; 元一村上; 正浩長江; 智幸小野; 太郎青山; 佳宜橋本; 晃山下; 寛真西岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2025-01-27
Also published as: JP2006207686A

Description

本発明は、エンジンと電気モータとを動力源として走行可能なハイブリッド車両に関するものである。

近年、燃料の燃焼によりトルクを出力するエンジンと、電力の供給によりトルクを出力する電気モータとを搭載し、このエンジンと電気モータのトルクを車輪に伝達することで走行可能とするハイブリッド車両が提案されている。このようなハイブリッド車両では、運転状態に応じてエンジン及び電気モータの駆動と停止を制御することにより、電気モータのトルクだけで車輪を駆動したり、エンジンと電気モータの両者のトルクにより車輪を駆動するようにしており、電気モータはバッテリに蓄積された電力により駆動することができ、このバッテリのエネルギが低下したときには、エンジンを駆動してバッテリの充電を行うようにしている。

即ち、ハイブリッド車両において、駆動力源としてエンジン及び電気モータが設けられると共に、エンジン及び電気モータの動力を合成して車輪に伝達するプラネタリギヤが設けられている。具体的には、エンジンの出力軸がプラネタリギヤのキャリヤに連結され、電気モータの出力軸がプラネタリギヤのリングギヤに連結されると共に、リングギヤに連結されたスプロケットから車輪に対して動力が伝達されるように構成されている。また、プラネタリギヤとエンジンとの間には発電機が設けられており、この発電機の回転軸がプラネタリギヤのサンギヤに連結されている。そのため、エンジンの動力がプラネタリギヤにより車輪及び発電機に分割されることとなり、発電機の回転速度を制御することにより、エンジンの回転速度を制御することができる。つまり、プラネタリギヤにより構成される動力分割機構は、エンジンの回転速度を変換する機能と、エンジンの動力を車輪及び発電機に分割する機能を有している。

このように構成されたハイブリッド車両にあって、定常走行では、主にエンジンで走行しており、効率を高めるために発電機による発電を最小限、つまり、回転数を低下させるようにしている。この場合、燃費を向上させるために発電機の回転をブレーキにより固定することが望ましい。ところが、このように発電機の回転を突然固定してしまうと、その衝撃が車両に伝達され、ドライバビリティが低下してしまう。このような問題を解決するものとして、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。

この特許文献１に記載されたハイブリッド車両は、ブレーキによって発電機を停止した非発電機モードと、ブレーキを解除した発電モードとに切換走行可能とし、発電機回転数をゼロに近づけてからブレーキを係合することで、係合時ショックの軽減を図るものである。

特開平９−１５６３８７号公報

上述した特許文献１のハイブリッド車両にあっては、アクセル開度が２０％以下であり、発電機の実際の回転数がブレーキを係合させることのできる回転数許容値より小さくなったとき、ブレーキを係合させるようにしている。即ち、ハイブリッド車両の走行状態に拘らず、発電機の実回転数が回転数許容値より小さくなったときは必ずブレーキを係合させている。ところで、ハイブリッド車両が加速と減速を繰り返す走行状態であっても、一時的に、アクセル開度が２０％以下で、発電機の実回転数が回転数許容値より小さくなることがあり、特許文献１では、この場合であってもブレーキを係合させる。しかし、このような走行状態では、直ぐにアクセル開度が２０％を越えたり、発電機の実回転数が回転数許容値以上となってブレーキを解除することとなり、ブレーキの係合と解除が頻繁に実施される。そのため、ブレーキの頻繁な作動による電力消費量の増大及び寿命の低下など問題が発生してしまう。

本発明は、このような問題を解決するためのものであって、動力分割機構における作動状態と非作動状態の頻繁な切換操作をなくして電力消費量の増大及び寿命の低下を抑制したハイブリッド車両を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のハイブリッド車両は、エンジンと、該エンジンの出力の少なくとも一部を用いて発電可能な発電機と、該発電機からの電力供給を受けて回転可能な電気モータと、前記エンジンの出力を駆動輪及び前記発電機に動力伝達すると共に前記電気モータの出力を前記駆動輪に動力伝達する動力分割機構と、該動力分割機構を作動状態と非作動状態に切換える切換手段と、ハイブリッド車両の出力の単位時間当たりの変化量を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段により前記ハイブリッド車両の単位時間当たりのエンジン要求出力または車速またはアクセル開度または前記発電機の実際の回転数の変化量が予め設定された所定値以下であるときに前記ハイブリッド車両が安定走行状態にあると判定して前記切換手段により前記動力分割機構を非作動状態に切換える制御手段とを具えたことを特徴とするものである。

本発明のハイブリッド車両によれば、動力分割機構によりエンジンの出力を駆動輪及び発電機に動力伝達すると共に電気モータの出力を駆動輪に動力伝達可能とし、また、この動力分割機構を切換手段により作動状態と非作動状態に切換可能とし、制御手段が運転状態検出手段の検出結果からハイブリッド車両の単位時間当たりのエンジン要求出力または車速またはアクセル開度または前記発電機の実際の回転数の変化量が予め設定された所定値以下であるときに前記ハイブリッド車両が安定走行状態にあると判定し、切換手段により動力分割機構を非作動状態に切換えるので、ハイブリッド車両が加速や減速を繰り返すことのない安定走行状態のときだけ動力分割機構を非作動状態とすることで、動力分割機構における作動状態と非作動状態の頻繁な切換操作がなくなり、切換手段の作動による電力消費量の増大を抑制することができると共に、切換手段の寿命を延長することができる。

以下に、本発明に係るハイブリッド車両の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施例に係るハイブリッド車両の概略構成図、図２は、ハイブリッド車両における発電機とエンジンと電気モータの駆動力を表す共線図、図３は、本実施例のハイブリッド車両による出力制御を表すフローチャートである。

本実施例のハイブリッド車両において、図１に示すように、車両には、動力源として、ディーゼルエンジン（ＤＥ）１１と電気モータとしてのモータジェネレータ（ＭＧ）１２が搭載されており、また、この車両には、ＤＥ１１の出力を受けて発電を行うモータジェネレータ（ＭＧ）１３も搭載されている。これらのＤＥ１１とＭＧ１２とＭＧ１３は、動力分割機構１４によって接続されている。この動力分割機構１４は、ＤＥ１１の出力をＭＧ１３と駆動輪１５とに振り分けると共に、ＭＧ１２からの出力を駆動輪１５に伝達したり、減速機１６及び駆動軸１７を介して駆動輪１５に伝達される駆動力に関する変速機として機能する。

ＭＧ１２は交流同期電動機であり、交流電力によって駆動する。インバータ１８は、バッテリ１９に蓄えられた電力を直流から交流に変換してＭＧ１２に供給すると共に、ＭＧ１３によって発電される電力を交流から直流に変換してバッテリ１９に蓄えるためのものである。ＭＧ１３も、基本的には上述したＭＧ１２とほぼ同様の構成を有しており、交流同期電動機としての構成を有している。この場合、ＭＧ１２が主として駆動力を出力するのに対し、ＭＧ１３は主としてＤＥ１１の出力を受けて発電するものである。

また、ＭＧ１２は主として駆動力を発生させるが、駆動輪１５の回転を利用して発電（回生発電）することもでき、発電機として機能することも可能である。このとき、駆動輪１５にはブレーキ（回生ブレーキ）が作用するので、これをフットブレーキやエンジンブレーキと併用することにより、車両を制動させることができる。一方、ＭＧ１３は主としてＤＥ１１の出力を受けて発電をするが、インバータ１８を介してバッテリ１９の電力を受けて駆動する電動機としても機能することができる。

ＤＥ１１のクランクシャフト２０には、ピストン位置及びエンジン回転数を検出するクランクポジションセンサ２１が設けられている。このクランクポジションセンサ２１は、エンジンＥＣＵ２２に接続され、検出結果を出力している。また、ＭＧ１２及びＭＧ１３の各駆動軸２３，２４には、それぞれの回転位置及び回転数を検出する回転数センサ２５，２６が設けられている。各回転数センサ２５，２６は、それぞれモータＥＣＵ２７に接続され、検出結果を出力している。

上述した動力分割機構１４は、プラネタリギヤユニットにより構成されている。即ち、この動力分割機構（プラネタリギヤユニット）１４は、サンギヤ４１と、このサンギヤ４１の周囲に配置された複数のプラネタリギヤ４２と、この各プラネタリギヤ４２を保持するギヤキャリア４３と、プラネタリギヤ４２のさらに外周に配置されたリングギヤ４４とから構成されている。そして、ＤＥ１１のクランクシャフト２０が中心軸４５を介してギヤキャリア４３に結合されており、ＤＥ１１の出力はプラネタリギヤユニット１４のギヤキャリア４３に入力される。また、ＭＧ１２は内部にステータ４６とロータ４７を有しており、このロータ４７が駆動軸２３を介してリングギヤ４４に結合され、ロータ４７及びリングギヤ４４は図示しないギヤユニットを介して減速機１６に結合されている。この減速機１６は、ＭＧ１２からプラネタリギヤユニット１４のリングギヤに入力された出力を駆動軸１７に伝達するものであり、ＭＧ１２は駆動軸１７と常時接続された状態となっている。

また、ＭＧ１３は、上述したＭＧ１２と同様に、内部にステータ４８とロータ４９を有しており、このロータ４９が駆動軸２４及び図示しないギヤユニットを介してサンギヤ４１に結合されている。つまり、ＤＥ１１の出力は、プラネタリギヤユニット１４で分割され、サンギヤ４１を介してＭＧ１３のロータ４９に入力される。また、ＤＥ１１の出力は、プラネタリギヤユニット１４で分割され、リングギヤ４４などを介して駆動軸１７にも伝達可能となっている。

そして、ＭＧ１３には、プラネタリギヤユニット１４を作動状態と非作動状態に切換える切換手段としてのロック機構５０が設けられている。このロック機構５０はモータＥＣＵにより作動可能であり、ＭＧ１３のロータ４８の回転を停止することで、プラネタリギヤユニット１４を非作動状態、つまり、ロック状態とし、ＭＧ１３の駆動による電力消費を低減することができる。なお、このロック機構は、摩擦式、爪またはピン結合式などでよく、あるいは、インバータ１８によりＭＧ１３の回転速度を制御するものであっても良い。

そして、ＭＧ１３の発電量を制御してサンギヤ４１の回転を制御することにより、プラネタリギヤユニット１４全体を無段変速機として用いることができる。即ち、ＤＥ１１またはＭＧ１２の出力は、プラネタリギヤユニット１４によって変速された後に駆動軸１７に出力される。また、ＭＧ１３の発電量（電気モータとして機能する場合は電力消費量）を制御してＤＥ１１の回転数を制御することもできる。なお、ＭＧ１２、ＭＧ１３の回転数を制御する場合は、回転センサ２５，２６の出力を参照してモータＥＣＵ２７がインバータ１８を制御することにより行われることとなり、これによりＤＥ１１の回転数も制御可能である。

上述した各種制御は、複数の電子制御ユニット（ＥＣＵ）によって制御される。ハイブリッド車両として特徴的なＤＥ１１による駆動とＭＧ１２及びＭＧ１３による駆動とは、メインＥＣＵ２８によって総合的に制御される。即ち、メインＥＣＵ２８によりＤＥ１１の出力とＭＧ１２及びＭＧ１３による出力の配分が決定され、ＤＥ１１、ＭＧ１２及びＭＧ１３を制御すべく、各制御指令がエンジンＥＣＵ２２及びモータＥＣＵ２７に出力される。

また、エンジンＥＣＵ２２及びモータＥＣＵ２７は、ＤＥ１１、ＭＧ１２及びＭＧ１３の情報をメインＥＣＵ２８にも出力している。このメインＥＣＵ２８には、バッテリ１９を制御するバッテリＥＣＵ２９やブレーキを制御するブレーキＥＣＵ３０にも接続されている。このバッテリＥＣＵ２９はバッテリ１９の充電状態を監視し、充電量が不足した場合には、メインＥＣＵ２８に対して充電要求指令を出力する。充電要求を受けたメインＥＣＵ２８はバッテリ１９に充電をするようにＭＧ１３を発電させる制御を行う。ブレーキＥＣＵ３０は車両の制動を司っており、メインＥＣＵ２８と共にＭＧ１２による回生ブレーキを制御する。

本実施例のハイブリッド車両は、上述したように構成されているので、ハイブリッド車両を運行している間に車両全体で要求される必要出力をＤＥ１１とＭＧ１２（ＭＧ１３）とに配分することにより、ＤＥ１１の運転状態を所望の運転状態に制御しつつ、車両全体で要求される出力をも満たすことが可能となっている。

即ち、ハイブリッド車両の加速走行では、図２に実線で示すように、メインＥＣＵ２８は、ＤＥ１１の回転数を上昇させると共に、発電機としてのＭＧ１３による発電を開始し、また、ＭＧ１３の発電電力及びバッテリ１９に蓄電された電力によりＭＧ１２を駆動して所定の駆動力が得られるように制御している。そして、このハイブリッド車両の加速走行から定常走行に移行すると、図２に二点鎖線で示すように、主に、ＤＥ１１で走行できるようにしており、効率を高めるために発電機としてのＭＧ１３による発電を最小限、つまり、回転数を低下してゼロになるように制御している。このとき、ロック機構５０によりＭＧ１３のロータ４８の回転をロックして停止することで、プラネタリギヤユニット１４を非作動状態（ロック状態）とし、ＭＧ１３の駆動による電力消費を低減することが望ましい。しかし、ＭＧ１３の回転を突然固定すると、その衝撃が車両に伝達されてドライバビリティが低下してしまう。また、ハイブリッド車両の走行状態によっては、ロック機構５０がＭＧ１３の回転をロックした後に、直ぐにロックを解除する必要性が生じて、ロック機構５０の頻繁な作動による電力消費量の増大及び寿命の低下など招くおそれがある。

そこで、本実施例では、ハイブリッド車両の運転状態を検出（運転状態検出手段）し、ハイブリッド車両が安定走行状態であると判定されたときに、モータＥＣＵ（切換手段）２７がロック機構５０によりＭＧ１３を固定することで、プラネタリギヤユニット（動力分割機構）１４を非作動状態に切換えるようにしている。この場合、運転状態検出手段としては、ハイブリッド車両の出力の単位時間当たりの変化量を検出するものであり、モータＥＣＵ２７は、このハイブリッド車両の単位時間当たりの出力の変化量が予め設定された所定値以下であるときに、ハイブリッド車両が安定走行状態にあると判定するようにしている。具体的には、エンジン要求出力Ｐｅ_(n)と車速Ｓｐｅｅｄ_(n)を用いているが、これに拘らず、アクセル開度、ＭＧ１３の実際の回転数などを使用しても良い。

ここで、本実施例のハイブリッド車両による出力制御を図３のフローチャートに基づいて説明する。

本実施例のハイブリッド車両による出力制御において、図３に示すように、ステップＳ１１にて、エンジン要求出力Ｐｅ_(n)を読込み、ステップＳ１２にて、車速Ｓｐｅｅｄ_(n)を読み込む。この場合、エンジン要求出力Ｐｅ_(n)はアクセルポジションセンサの検出信号に基づいて算出して使用し、車速Ｓｐｅｅｄ_(n)は車速センサの検出信号を使用する。

そして、ステップＳ１３では、現在の車速Ｓｐｅｅｄ_(n)がプラネタリギヤユニット（動力分割機構）１４のロック許可車速（例えば、６０km/h）より高いかどうかを判定する。ここで、現在の車速Ｓｐｅｅｄ_(n)がプラネタリギヤユニット１４のロック許可車速以下であれば、何もしないでこのルーチンを抜ける。一方、ステップＳ１３で、現在の車速Ｓｐｅｅｄ_(n)がプラネタリギヤユニット（動力分割機構）１４のロック許可車速（例えば、６０km/h）より高いときには、ステップＳ１４以降に移行し、ロック機構５０のロック及び解除の判定を実行する。

即ち、ステップＳ１４では、エンジン要求出力Ｐｅ_(n)の単位時間当たりの変化量ΔＰｅ_(n)を下記数式（１）から求め、ステップＳ１５では、車速Ｓｐｅｅｄ_(n)の単位時間当たりの変化量ΔＳｐｅｅｄ_(n)を下記数式（２）から求める。
ΔＰｅ_(n)＝Ｐｅ_(n)−Ｐｅ_(n-1)) ・・・（１）
ΔＳｐｅｅｄ_(n)＝Ｓｐｅｅｄ_(n)−Ｓｐｅｅｄ_(n-1)) ・・・（２）

そして、ステップＳ１６では、エンジン要求出力の変化量ΔＰｅ_(n)が予め設定されたエンジン要求出力の基準変化量ΔＰｅ_(base)より低いかどうか、または、車速の変化量ΔＳｐｅｅｄ_(n)が予め設定された車速の基準変化量ΔＳｐｅｅｄ_(base)より低いかどうかを判定する。このステップＳ１６で、エンジン要求出力の変化量ΔＰｅ_(n)が基準変化量ΔＰｅ_(base)より低いか、または、車速の変化量ΔＳｐｅｅｄ_(n)が基準変化量ΔＳｐｅｅｄ_(base)より低ければ、ステップＳ１７にて、ロック機構５０によるＭＧ１３、つまり、プラネタリギヤユニット１４のロックを実行する。一方、ステップＳ１６で、エンジン要求出力の変化量ΔＰｅ_(n)が基準変化量ΔＰｅ_(base)以上で、且つ、車速の変化量ΔＳｐｅｅｄ_(n)が基準変化量ΔＳｐｅｅｄ_(base)以上であれば、ステップＳ１８にて、ロック機構５０によるＭＧ１３、つまり、プラネタリギヤユニット１４のロック解除の実行、既に、ロックが解除状態であれば、その解除状態を維持する。

この場合、エンジン要求出力の基準変化量ΔＰｅ_(base)は、エンジン要求出力Ｐｅ_(n)が増加するに伴って増加、つまり、非作動状態の実行条件が緩和されるものである。また、車速の基準変化量ΔＳｐｅｅｄ_(base)は、車速Ｓｐｅｅｄ_(n)が増加するに伴って減少、つまり、非作動状態の実行条件が厳しくなるものである。

このように本実施例のハイブリッド車両にあっては、動力分割機構としてのプラネタリギヤユニット１４によりＤＥ１１の出力を駆動輪１５及び発電機としてのＭＧ１３に動力伝達すると共に、電気モータとしてのＭＧ１２の出力を駆動輪１５に動力伝達可能とし、また、ロック機構５０によりＭＧ１３の回転を固定してプラネタリギヤユニット１４を作動状態と非作動状態に切換可能とし、エンジン要求出力の変化量ΔＰｅ_(n)が基準変化量ΔＰｅ_(base)より低いか、または、車速の変化量ΔＳｐｅｅｄ_(n)が基準変化量ΔＳｐｅｅｄ_(base)より低いときに、ロック機構５０によるＭＧ１３のロックを実行し、プラネタリギヤユニット１４を非作動状態に切換えるようにしている。

従って、ハイブリッド車両が加速や減速を繰り返すことなく安定して走行している状態のときだけ、プラネタリギヤユニット１４を非作動状態とすることで、プラネタリギヤユニット１４における作動状態と非作動状態との頻繁な切換操作がなくなり、ロック機構５０の作動による電力消費量の増大を抑制することができると共に、ロック機構５０の寿命を延長することができる。

以上のように、本発明に係るハイブリッド車両は、ハイブリッド車両が安定走行状態であるときにだけ動力分割機構を非作動状態に切換えることで、頻繁な切換を防止するものであり、内燃機関と電気モータとを動力源として走行可能なハイブリッド車両に適用して有用である。

本発明の一実施例に係るハイブリッド車両の概略構成図である。ハイブリッド車両における発電機とエンジンと電気モータの駆動力を表す共線図である。本実施例のハイブリッド車両による出力制御を表すフローチャートである。

符号の説明

１１ディーゼルエンジン、ＤＥ
１２モータジェネレータ、ＭＧ（電気モータ）
１３モータジェネレータ、ＭＧ（発電機）
１４動力分配機構（プラネタリギヤユニット）
１８インバータ
１９バッテリ
２２エンジンＥＣＵ
２７モータＥＣＵ
２８メインＥＣＵ
２９バッテリＥＣＵ
４１サンギヤ
４２プラネタリギヤ
４３ギヤキャリア
４４リングギヤ
５０ロック機構

Claims

エンジンと、該エンジンの出力の少なくとも一部を用いて発電可能な発電機と、該発電機からの電力供給を受けて回転可能な電気モータと、前記エンジンの出力を駆動輪及び前記発電機に動力伝達すると共に前記電気モータの出力を前記駆動輪に動力伝達する動力分割機構と、該動力分割機構を作動状態と非作動状態に切換える切換手段と、ハイブリッド車両の出力の単位時間当たりの変化量を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段により前記ハイブリッド車両の単位時間当たりのエンジン要求出力または車速またはアクセル開度または前記発電機の実際の回転数の変化量が予め設定された所定値以下であるときに前記ハイブリッド車両が安定走行状態にあると判定して前記切換手段により前記動力分割機構を非作動状態に切換える制御手段とを具えたことを特徴とするハイブリッド車両。