JP2016120751A

JP2016120751A - ハイブリッド車両の制御装置

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Publication number: JP2016120751A
Application number: JP2014260246A
Authority: JP
Inventors: 鴛海　恭弘; Takahiro Oshiumi; 恭弘鴛海; 拓郎熊田; Takuro Kumada
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2016-07-07
Anticipated expiration: 2034-12-24
Also published as: JP6365295B2

Abstract

【課題】モータトルクの制限範囲を広げずに異音を抑えることができるハイブリッド車両の制御装置を提供する。
【解決手段】ＥＣＵ４０は、第２モータ・ジェネレータ５に対する要求モータトルクが０に近い場合に、第２モータ・ジェネレータ５が出力するモータトルクを、所定値を中心として正方向及び負方向のそれぞれに同一のトルク幅が設定された制限範囲内を回避するように制限し、第２モータ・ジェネレータ５の回転方向に応じて所定値を正方向又は負方向にオフセットする。
【選択図】図１

Description

本発明は、走行用駆動源として内燃機関と電動機とが設けられたハイブリッド車両に適用される制御装置に関する。

駆動輪にトルクを伝達するための出力軸に対して内燃機関のトルクが伝達されるとともに出力軸に対してギアを介して電動機が連結されたハイブリッド車両が周知である。このようなハイブリッド車両は、電動機に対する要求モータトルクが０に近い場合に出力軸と電動機との間に介在するギアの噛み合いが緩くなる結果、内燃機関のトルク変動が出力軸に伝達することによってギア噛み合い部のバックラッシ間で互いに衝突して歯打ち音やこもり音等の異音が発生する。

そこで、このようなハイブリッド車両に適用される制御装置として、電動機に対する要求モータトルクが０に近い場合に、電動機が出力するモータトルクを正の所定値以上に維持するか又は負の所定値未満に維持することにより異音を抑制するものが提案されている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２及び３が存在する。

特開２００５−３１８７２１号公報特開２０１４−１１３８６９号公報特開２０１３−１６９９５３号公報

特許文献１の制御装置では、ギアの噛み合いを強くして異音を確実に抑制するためにモータトルクの制限範囲である正の所定値から負の所定値までのトルク幅を広げると、電動機の要求モータトルクの符号が反転した際のトルク段差が大きくなる。そのため、要求モータトルクの符号反転時におけるショックが増加する可能性がある。

そこで、本発明は、モータトルクの制限範囲を広げずに異音を抑えることができるハイブリッド車両の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の制御装置は、駆動輪にトルクを伝達するための出力部を備え、前記出力部に対して内燃機関のトルクが伝達されるとともに、前記出力部に対してギアを介して電動機が連結されたハイブリッド車両に適用される制御装置において、前記電動機に対する要求モータトルクが０に近い場合に、前記電動機が出力するモータトルクを、所定値を中心として正方向及び負方向のそれぞれに同一のトルク幅が設定された制限範囲内を回避するように制限するトルク制限手段と、前記電動機の回転方向に応じて前記所定値を正方向又は負方向にオフセットする制限範囲変更手段と、を備えるものである。

この制御装置によれば、モータトルクの制限範囲の中心である所定値が電動機の回転方向に応じて正方向又は負方向にオフセットされるため制限範囲のトルク幅は維持される。したがって、制限範囲のトルク幅を広げずに異音を抑制できる。電動機の回転方向とオフセット方向との対応関係は、電動機が正回転の場合に所定値を正方向にオフセットし、電動機が負回転の場合に負方向にオフセットする関係でもよいし、これとは反対に、電動機が正回転の場合に所定値を負方向にオフセットし、電動機が負回転の場合に所定値を正方向にオフセットする関係でもよい。要するに、電動機に対する要求モータトルクが０に近い場合において、要求モータトルクの符号が電動機の回転方向が正転方向の場合と逆転方向の場合との間で偏りがある場合にその偏りに合わせて所定値をオフセットすることにより、制限範囲のトルク幅を広げずに異音を抑制できる。なお、制限範囲内を回避することには、この制限範囲の上限値又は下限値にモータトルクを制限することも含まれる。

本発明の一形態に係る出力制御装置が適用されたハイブリッド車両の全体構成を示した図。内燃機関の動作点及び騒音発生領域を示した図。正転方向の場合における制御内容を示した図。逆転方向の場合における制御内容を示した図。第１の形態に係る制御ルーチンの一例を示したフローチャート。トルク幅の決定方法の一例を説明する説明図。オフセット量を決定するために使用するマップの一例を示した図。トルク制限値の決定方法の他の例を示した図。第２の形態に係る制御内容を示した図。第２の形態に係る制御ルーチンの一例を示したフローチャート。

（第１の形態）
図１に示すように、車両１は複数の動力源を組み合わせたハイブリッド車両として構成されている。車両１は、内燃機関３と、２つのモータ・ジェネレータ４、５とを走行用の動力源として備えている。内燃機関３は３つの気筒１０を備えた直列３気筒型の火花内燃機関である。

内燃機関３と第１モータ・ジェネレータ４とは動力分割機構６に連結されている。第１モータ・ジェネレータ４は動力分割機構６にて分割された内燃機関３の動力を受けて発電する発電機として機能するとともに、交流電力にて駆動される電動機としても機能する。同様に、第２モータ・ジェネレータ５は電動機及び発電機としてそれぞれ機能する。各モータ・ジェネレータ４、５はモータ用制御装置１５を介してバッテリ１６に接続される。モータ用制御装置１５は各モータ・ジェネレータ４、５が発電した電力を直流変換してバッテリ１６に充電するとともにバッテリ１６の電力を交流変換して各モータ・ジェネレータ４、５に供給する。第２モータ・ジェネレータ５は本発明に係る電動機に相当する。

動力分割機構６はシングルピニオン型の遊星歯車機構として構成されている。動力分割機構６は、外歯歯車のサンギアＳと、サンギアＳと同軸に配置された内歯歯車のリングギアＲと、これらのギアＳ、Ｒに噛み合うピニオンＰを自転及び公転可能に保持するプラネタリキャリアＣとを有している。内燃機関３が出力するエンジントルクは動力分割機構６のプラネタリキャリアＣに伝達される。内燃機関３のクランク軸７とプラネタリキャリアＣとの間にはダンパ８が介在し、そのダンパ８は内燃機関３のトルク変動を緩和する。第１モータ・ジェネレータ４は動力分割機構６のサンギアＳに連結されている。動力分割機構６からリングギアＲを介して出力されたトルクは出力ギア列２０に伝達される。出力ギア列２０は駆動輪１８にトルクを伝達するための出力部として機能する。出力ギア列２０は動力分割機構６のリングギアＲと一体回転する出力ドライブギア２１と、出力ドライブギア２１に噛み合う出力ドリブンギア２２とを含む。出力ドライブギア２１には、第２モータ・ジェネレータ５がギア２３を介して連結されている。ギア２３は第２モータ・ジェネレータ５と一体回転する。出力ドリブンギア２２から出力されたトルクは差動装置２４を介して左右の駆動輪１８に分配される。

車両１の制御は電子制御装置（ＥＣＵ）４０にて制御される。ＥＣＵ４０は内燃機関３及び各モータ・ジェネレータ４、５に対して各種の制御を行う。以下、本発明に関連してＥＣＵ４０が行う主要な制御について説明する。ＥＣＵ４０には、多数のセンサの信号が入力されるが、本発明に関連するものとしては、不図示のアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）に応じた信号を出力するアクセル開度センサ４１、車両１の速度（車速）に応じた信号を出力する車速センサ４２、バッテリ１６の蓄電率に応じた信号を出力するＳＯＣセンサ４３、内燃機関３のエンジン回転数に応じた信号を出力するクランク角センサ４４、及び動力分割機構６やギア列２０等の駆動要素を潤滑する潤滑油（不図示）の潤滑油温に応じた信号を出力する温度センサ４５の各信号がＥＣＵ４０に入力される。

ＥＣＵ４０は、アクセル開度センサ４１の出力信号と車速センサ４２の出力信号とを参照して運転者が車両１に対して要求する要求出力を計算し、その要求出力に対するシステム効率が最適となるように各種のモードを切り替えながら車両１を制御する。例えば、内燃機関３の熱効率が低下する低負荷領域では内燃機関３の燃焼を停止して第２モータ・ジェネレータ５を駆動するＥＶモードが選択される。また、内燃機関３だけではトルクが不足する場合は、内燃機関３とともに第２モータ・ジェネレータ５を走行用駆動源とするハイブリッドモードが選択される。

ハイブリッドモードが選択された場合、車両１の全体に対する要求出力は内燃機関３のエンジン要求出力と第２モータ・ジェネレータ５のモータ要求出力との合計に等しい。つまり、車両１の全体に対する要求出力を内燃機関３の出力だけで賄えない場合には第２モータ・ジェネレータ５の出力でその不足分が補われる。要求出力に対するエンジン要求出力とモータ要求出力との配分はエンジン回転数とエンジントルクとで定義された内燃機関３の動作点の変化に応じて変化する。エンジン要求出力が特定されると、そのエンジン要求出力を実現できる内燃機関３の動作点が定められる。特別な条件が成立しない限り内燃機関３の動作点はあらかじめ設定された最適燃費線Ｌ（図２参照）上を移動するように制御される。最適燃費線Ｌは内燃機関３の熱効率が最適となるように、実機又はシミュレーション等を用いた適合によって定められる。

図２に示すように、内燃機関３の運転領域には、駆動系、特に第２モータ・ジェネレータ５のギア２３と出力ドライブギア２１とのバックラッシに起因するギアの歯打ち音やこもり音等の騒音が発生し易い騒音領域Ａが存在する。最適燃費線Ｌはこの騒音領域Ａを通るので、内燃機関３の動作点が騒音領域Ａに属する場合には、駆動系に所定条件が成立すると騒音が発生する可能性がある。本形態は内燃機関３の動作点が騒音発生領域Ａに属する場合に実施する制御に特徴がある。以下、本形態に係る制御の詳細を説明する。

上述したように車両１の全体に対する要求出力はエンジン要求出力と第２モータ・ジェネレータ５のモータ要求出力との合計として出力されるため、状況によっては要求出力の大部分を内燃機関３の出力で賄うことも可能である。しかし、内燃機関３のトルク変動が出力ギア列２０に伝達されるため、第２モータ・ジェネレータ５のモータトルクの大きさが小さいと、出力ギア列２０の出力ドライブギア２１とギア２３との間のバックラッシ間で、これらのギア２１、２３の歯部が互いに衝突して歯打ち音が発生する。そこで、この歯打ち音を抑制するため、ＥＣＵ４０は第２モータ・ジェネレータ５の要求モータトルクが０に近い場合、第２モータ・ジェネレータ５が出力するモータトルクを図３及び図４に示した制限範囲Ｒ内を回避するように制限する。

制限範囲Ｒは、図３及び図４に示したように第２モータ・ジェネレータ５の回転方向に応じて正方向に又は負方向にオフセットされる。制限範囲Ｒは、所定値Ｔａを中心として正方向及び負方向のそれぞれに同一のトルク幅Ｔｗが設定されている。制限範囲Ｒのオフセット量Ｆは後述するように内燃機関３の状態に応じて設定される。なお、第２モータ・ジェネレータ５の回転方向が正転方向の場合は車両１が前進し、逆転方向の場合は車両１が後退する。また、第２モータ・ジェネレータ５が出力するモータトルクが負の場合は、第２モータ・ジェネレータ５にトルクが入力されて発電機として機能する回生時であり、第２モータ・ジェネレータ５が出力するモータトルクが正の場合は、第２モータ・ジェネレータ５が電動機として機能する力行時である。

第２モータ・ジェネレータ５の回転方向が正転方向の場合は、図３に示したように制限範囲Ｒの中心値である所定値Ｔａが、０を基準としたオフセット量Ｆだけ正方向にオフセットされて制限範囲Ｒは正方向にシフトする。第２モータ・ジェネレータ５のモータトルクは実線の矢印で示すように変化し制限範囲Ｒ内を回避するように制限される。一方、第２モータ・ジェネレータ５の回転方向が逆転方向の場合は、図４に示したように、所定値Ｔａが、０を基準としたオフセット量Ｆだけ負方向にオフセットされて制限範囲Ｒは負方向にシフトする。第２モータ・ジェネレータ５のモータトルクは実線の矢印で示すように変化し制限範囲Ｒ内を回避するように制限される。図３及び図４の制限範囲Ｒ内に破線で示された部分は本形態の制御を実施しない場合に出力されるモータトルクである。これらの破線の場合はギア２３の押し付けが弱くなるため、歯打ち音等の異音が発生するおそれがある。

本形態では、第２モータ・ジェネレータ５の回転方向が正転方向の場合に制限範囲Ｒの中心値である所定値Ｔａが正方向に、逆転方向の場合に所定値Ｔａが負方向にそれぞれオフセットされている。第２モータ・ジェネレータ５の回転方向が正転方向の場合には負方向に、その回転方向が逆転方向の場合には正方向にフリクショントルクが発生する。第２モータ・ジェネレータ５が連結されたギア２３と出力ドライブギア２１との噛み合い部、換言すればバックラッシ部には第２モータ・ジェネレータ５のモータトルクと上記のフリクショントルクとの合力がかかる。つまり、第２モータ・ジェネレータ５が正転方向に回転してモータトルクが正の場合にはバックラッシ部のギアの押し付け力が弱まり、逆に、第２モータ・ジェネレータ５が逆転方向に回転してモータトルクが負の場合にはその押し付け力が強まる。したがって、押し付けトルクの幅（つまり、トルク幅Ｔｗ×２）を変えずに好適にバックラッシ部におけるギアの浮きを抑制するためには、本形態のように第２モータ・ジェネレータ５の回転方向が正転方向の場合に所定値Ｔａを正方向に、逆転方向の場合に所定値Ｔａを負方向にそれぞれオフセットすることが望ましい。

以上の制御を実現するため、ＥＣＵ４０は図５の制御ルーチンを実施する。図５の制御ルーチンのプログラムはＥＣＵ４０に記憶されており、適時に読み出されて所定間隔で繰り返し実行される。

ステップＳ１において、ＥＣＵ４０は、内燃機関３の動作点が騒音領域Ａ（図２参照）に属するか否かを判定する。動作点が騒音領域Ａに属する場合はステップＳ２に進み、そうでない場合は以後の処理をスキップして今回のルーチンを終了する。

ステップＳ２において、ＥＣＵ４０は、第２モータ・ジェネレータ５に対する要求モータトルクが０に近いか否かを判定する。要求モータトルクはアクセル開度や車速等の車両１の運転状態に基づいて周知の方法で計算される。要求モータトルクが０に近いか否かは０を含む所定範囲に基づいて判定される。要求モータトルクが０に近い場合はステップＳ３に進み、そうでない場合は以後の処理をスキップして今回のルーチンを終了する。

ステップＳ３において、ＥＣＵ４０は、モータトルクの制限範囲Ｒのトルク幅Ｔｗ（図３、図４参照）を決定する。トルク幅Ｔｗの決定は、例えば、図６に示したように、内燃機関３が出力するエンジントルクＴｅの時間変化を計算し、そのエンジントルクＴｅの時間変化に基づいて、動力分割機構６を経由して出力ドライブギア２１に伝達される伝達トルクＴｔの時間変化を特定する。そして、伝達トルクＴｔの変動幅Ｗをトルク幅Ｔｗとして決定することができる。

トルク幅Ｔｗは要求モータトルクの符号が反転した際のトルク段差が車両１に及ぼす加速度変化にも制約される。逆にいうと、車両１の加速度変化が許容され得るトルク幅が最大のトルク幅Ｔｗとなる。したがって、例えば、車両１の挙動によって制約されるトルク幅と、上記図６に示した方法で得たトルク幅とを比較し、いずれか小さいほうのトルク幅をステップＳ３で決定するトルク幅Ｔｗとすることもできる。

ステップＳ４において、ＥＣＵ４０は所定値Ｔａのオフセット量Ｆを決定する。オフセット量Ｆは、例えば、上述した潤滑油温及び第２モータ・ジェネレータ５のモータ回転数を変数としてオフセット量Ｆを与える算出マップ（図７）に基づいて決定する。図７の算出マップから明らかなように、オフセット量Ｆは潤滑油温が低いほど、モータ回転数が大きいほど、大きい値として決定される。

ステップＳ５において、ＥＣＵ４０はステップＳ４で決定したオフセット量Ｆだけ所定値Ｔａを正方向又は負方向にオフセットして制限範囲Ｒをシフトする。オフセットの方向は、第２モータ・ジェネレータ５の回転方向が正転方向の場合は正方向に、その回転方向が反転方向の場合は負方向にそれぞれ設定される。

ステップＳ６において、ＥＣＵ４０は第２モータ・ジェネレータ５が出力するモータトルクの制限値である制限トルクを決定する。この場合、要求モータトルクが正の場合は制限範囲Ｒの上限値を、要求モータトルクが負の場合は制限範囲の下限値を、制限トルクとして決定する。

もっとも、図８に示すように、制限トルクの正負が適時に反転するように制限トルクを決定してもよい。反転の時期ｔ１、ｔ２、ｔ３は、バッテリ１６の蓄電率やそれに準ずる情報、例えば電流積算値や、後述するステップＳ７で実施するトルク制限制御の実施後の経過時間等に基づいて実施することができる。なお、図８は第２モータ・ジェネレータ５の回転方向が正転方向の場合が示されている。図８のように制限トルクを決定した場合には、同図に示すように、バッテリ１６に対する充電と放電とが制限トルクの正負によって入れ替わりバッテリ１６の蓄電率の偏りが解消し、蓄電率の適正値Ｓの付近に維持される。これにより、蓄電率の偏りを原因としてトルク制限制御が禁止されることを防止できるとともに、内燃機関３の動作点が最適点から外れて燃費悪化することを防止できる。

ステップＳ７において、ＥＣＵ４０はステップＳ６で決定した制限トルクが第２モータ・ジェネレータ５から出力されるように第２モータ・ジェネレータ５を操作することにより、トルク制限制御を実施する。

以上の制御ルーチンによれば、モータトルクの制限範囲Ｒの中心である所定値Ｔａが第２モータ・ジェネレータ５の回転方向に応じて正方向又は負方向にオフセットされるため制限範囲Ｒのトルク幅は維持される。したがって、制限範囲Ｒのトルク幅を広げずに異音を抑制できる。ＥＣＵ４０は、図５の制御ルーチンのステップＳ４及びステップＳ５を実行することにより本発明に係る制限範囲変更手段として機能し、ステップＳ６及びステップＳ７を実行することにより本発明に係るトルク制限手段として機能する。

（第２の形態）
次に、図９及び図１０を参照しながら本発明の第２の形態について説明する。第２の形態は、制御内容の一部を除いて第１の形態と共通する。第２の形態の物理的構成については図１が参照され、以下に説明する第２の形態の制御は、図５の制御ルーチンとともに実施される。

図９に示すように、第２の形態の制御は上述したトルク制限値を決定する際に、トルク制限値の符号を定期的に反転させる。そして、トルク制限値のうち絶対値が小さい側の符号を選択する時間が、絶対値が大きい側の符号を選択する時間よりも長くなるようにトルク制限値を決定する。換言すれば、トルク制限値のうち絶対値が小さい側の符号を選択する頻度が、絶対値が大きい側の符号を選択する頻度よりも多くなるようにトルク制限値を決定する。

図９の例では、第２モータ・ジェネレータ５の回転方向が正転方向であるため、所定値Ｔａが正方向にオフセットされている。したがって、トルク制限値の絶対値が小さい側の符号は負であり、トルク制限値の絶対値が大きい側の符号は正である。そのため、本形態の制御を実施することによって、トルク制限値の符号として負が選択される時間ｔ１が、トルク制限値の符号として正が選択される時間ｔ２よりも長くなっている。

上述したトルク制限制御は、制限範囲Ｒのトルク幅を維持しながら所定値Ｔａを正方向又は負方向にオフセットするため、所定値Ｔａを０としてオフセットせずに正負均等に制限範囲Ｒが設定される場合と比べて、バッテリ１６の蓄電率の偏りを生じさせやすい。制限範囲Ｒが正方向又は負方向にシフトすることによって、トルク制限値の絶対値がアンバランスになって放電又は充電のいずれかに偏るためである。図９に示したように、本形態の制御によって蓄電率の変化率に差が生じ、バッテリ１６の放電量と充電量とが均衡するようになるので、バッテリ１６の蓄電率の偏りを低減できる。これにより、バッテリ１６の蓄電率及び内燃機関３の動作点のそれぞれの安定性を向上させることができ、ドライバビリティの向上及び燃費悪化の防止が期待できる。

以上の制御を実現するため、ＥＣＵ４０は図１０の制御ルーチンを実施する。図１０の制御ルーチンのプログラムはＥＣＵ４０に記憶されており、適時に読み出されて所定間隔で繰り返し実行される。

ステップＳ２１において、ＥＣＵ４０は、制限トルクの符号選択を円滑に実施するため内燃機関３のエンジンパワーに基づいて第２モータ・ジェネレータ５のモータトルクをフィードバック制御するエンジンパワーフィードバック制御を禁止する。ステップＳ２２において、ＥＣＵ４０はＳＯＣセンサ４３（図１）の出力信号を参照して、バッテリ１６の蓄電率を取得し、その蓄電率が適正値である所定値Ｓ以上であるか否かを判定する。蓄電率が所定値Ｓ以上である場合はステップＳ２３に進み、そうでない場合はステップＳ２４に進む。

ステップＳ２３において、ＥＣＵ４０はトルク制限値を決定する際に放電側の符号（正）を選択する。ステップＳ２４において、ＥＣＵ４０は蓄電率が所定値Ｓ以下か否かを判定し、蓄電率が所定値Ｓ以下の場合はステップＳ２５に進み、そうでない場合はルーチンを抜ける。ステップＳ２５において、ＥＣＵ４０はトルク制限値を決定する際に充電側の符号（負）を選択する。

以上の制御ルーチンによれば、バッテリ１６の放電量と充電量とが均衡するようになるので、バッテリ１６の蓄電率の偏りを低減できる。これにより、バッテリ１６の蓄電率及び内燃機関３の動作点のそれぞれの安定性を向上させることができ、ドライバビリティの向上及び燃費悪化の防止が期待できる。

本発明は上記各形態に限定されずに種々の形態にて実施できる。上記各形態の車両は２つのモータ・ジェネレータを備えたいわゆるシリーズパラレル型のハイブリッド車両であるが、本発明の制御装置の適用対象となり得る車両は上記各形態の車両に限定されない。内燃機関のトルクが伝達される出力部にギアを介して電動機が接続される形態である限り、例えば、単一の電動機を備えたパラレル型のハイブリッド車両に本発明の制御装置を適用することも可能である。

オフセットの対象となる制限範囲の中心値である所定値は任意であり、０でもその他の値でも構わない。

１車両
３エンジン（内燃機関）
５第２モータ・ジェネレータ（電動機）
４０ＥＣＵ（トルク制限手段、制限範囲変更手段）

Claims

駆動輪にトルクを伝達するための出力部を備え、前記出力部に対して内燃機関のトルクが伝達されるとともに、前記出力部に対してギアを介して電動機が連結されたハイブリッド車両に適用される制御装置において、
前記電動機に対する要求モータトルクが０に近い場合に、前記電動機が出力するモータトルクを、所定値を中心として正方向及び負方向のそれぞれに同一のトルク幅が設定された制限範囲内を回避するように制限するトルク制限手段と、
前記電動機の回転方向に応じて前記所定値を正方向又は負方向にオフセットする制限範囲変更手段と、
を備えることを特徴とするハイブリッド車両の制御装置。