JP5373371B2 - ハイブリッド電気自動車の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド電気自動車の制御装置に関連する。

ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）は、内燃機関（エンジン）によって生成された機械的動力及び電気モーターによって生成された電気的動力を用いて動く。ＨＥＶは、一般的な自動車に比べて、燃料経済性を改善し得る。ＨＥＶにおいて燃料経済性を改善する技術の一つは、エンジンが自動車を駆動する必要がない状況において、エンジンを停止することにある。このような状況においては、電気モータが、自動車を駆動すべく電気的動力を供給する。エンジンは、その後、必要とされるときに始動する。自動車が電気モータによる電気的動力で駆動されているときに、エンジンを始動すると、自動車の動力伝達系に顕著なトルク変動が生じる場合がある。

自動車におけるエンジン始動を制御する種々の方法が知られている。特許文献１には、そのようなエンジン始動の制御方法の例が記載されている。特許文献１においては、エンジンがどの程度スムーズに始動する必要があるのかを判定するために、スムーズ度係数が算出される。エンジン動作変数（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｖａｒｉａｂｌｅ）が、選択された車両運転状態に適するように（算出された）スムーズ度係数に基づいて、エンジン始動イベントにおけるエンジン動作のスムーズ度を調節する。

また、特許文献２にも、そのようなエンジン始動の制御方法の例が記載されている。特許文献２においては、自動車は、モータ／ジェネレータと、エンジンとモータ／ジェネレータとの間に配置された切断クラッチと、モータ／ジェネレータと駆動輪との間に配置された変速機とを備える。その変速機は、モータ／ジェネレータと駆動輪との間でトルクを伝達すべく、選択的に締結可能な入力クラッチを含む。エンジン始動が要求されるとき、モータ／ジェネレータが作動され、そして多くの車両パラメータに基づいてエンジンの始動モードが決定される。エンジン始動時に駆動輪をエンジンから（トルク伝達に関して）少なくとも部分的に分離すべく、変速機の入力クラッチが半解放される。その後、切断クラッチが締結され、エンジンに燃料が供給されて、エンジンによるトルクが生成される。
米国特許第７，０１３，２１３号明細書 米国特許出願公開第２００６／１３７，９２１号明細書

特許文献１及び特許文献２は、各々エンジン制御又はクラッチ制御によってトルク変動を抑制しようとするものであるため、その制御応答性が劣り、トルク変動を有効に抑制することが不可能である。本発明は、このような問題に鑑みて、電動運転（モード）から（エンジン運転モードへ）の移行時に、駆動輪におけるトルク変動を有効に抑制し得る（すなわち、スムーズな移行を可能とし得る）ハイブリッド電気自動車の制御装置を提供することを目的とする。

ハイブリッド電気自動車を駆動すべく、機械的動力が用いられ得る。クランクシャフトの目標回転速度が設定され、電気機械は、エンジンのクランクシャフトがその目標回転速度にて回転するように作動する。クランクシャフトと駆動輪との間の機械的経路が、それらの間で変速機を介して機械的動力を伝達すべく、選択的に形成される。その後、機械的動力は、自動車を駆動するのに使用される。

ニュートラル状態に移行する、又は、ニュートラル状態から抜け出すときの、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の電気モータ及び変速機の制御ストラテジーが記載されている。１つの例において、エンジンの運転効率が悪い状態のときにはエンジンが停止される。電動アクスル駆動装置が、（前輪及び／又は後輪の）アクスルに連結され、トルクを直接的に駆動輪に供給し得る。エンジンが停止するときに、電動運転（エンジンを停止した上で、電動アクスル駆動装置のみによって自動車を駆動）しているときに回転損失及びポンプ損失が生じないように、変速機は、ドライブ・ギア（変速ギア）からニュートラル・ギアに移行（シフト）することになる。また、エンジンのクランクシャフトは所望の回転速度に回転させられると共に、変速機はニュートラル・ギアからシフト・スケジュールに基づく適切な変速ギアに移行（シフト）することになる。変速機の目標入力回転速度は、同期速度にオフセット値を加えた速度に指令される。このオフセット値は、プラスの値となる場合も、マイナスの値となる場合もある。これによって、電動運転から（エンジン運転へ）のスムーズな移行（離脱）を確実に行うことが可能になる。

図１に示す例示的な後輪駆動方式のＨＥＶシステム１０は、エンジン１２と、クランク一体型のスタータ／ジェネレータ（ＣＩＳＧ）１４と、変速機１６と、制御器３４とを備えている。それ以外の車両構成も実施可能である。一例として、前輪駆動方式のＨＥＶシステムが、エンジンと、ベルト一体型のスタータ／ジェネレータと、変速機とを含む場合もある。

エンジン１２は、クランクシャフト１８を有している。ＣＩＳＧ１４は、クランクシャフト１８に機械的に連結される。制御器３４は、詳しくは後述するが、自動車を駆動するのに電気的動力を使用し、且つ、自動車を駆動するのに機械的動力を使用すべく、クランクシャフト１８の目標回転速度を設定するように構成されている。

また、ＨＥＶシステム１０は、電動リア・アクスル駆動装置（ＥＲＡＤ）２０と、一対の駆動輪２２及び２４とを備えている。ＥＲＡＤ２０は、自動車を電動運転（エンジン１２を停止した上で、ＥＲＡＤ２０のみによって自動車を駆動）しているとき、及び、自動車を加速運転しているときに、トルクを駆動輪２２及び２４に供給する。また、ＥＲＡＤ２０は、回生制動を行ない、駆動輪２２及び２４からエネルギーを回収する。

変速機１６は、変速機入力部２５と、トルク・コンバータ（不図示）と、クラッチ入力軸２６と、出力軸２８とを含んでいる。クラッチ入力軸２６は、トルク・コンバータ、変速機入力部２５及びＣＩＳＧ１４を介して、エンジン１２に機械的に連結される。出力軸２８は、ＥＲＡＤ２０に機械的に連結される。また、変速機１６は、第１クラッチ３０と第２クラッチ３２とを含む。クラッチ３０及び３２は、選択的に締結され、変速機１６の変速状態を変更する。一例として、クラッチ３０及び３２が締結解除されて、変速機１６をニュートラル・ギアに変速する場合がある。別の例として、クラッチ３０及び３２は（協働して、又は、単独で）締結され、変速機１６を所望の変速ギアにシフトする場合もある。他の例においては、変速機１６は、単一のクラッチを含む場合があり、或いは、２つ以上のクラッチを含む場合もある。

１つ又は複数の制御器３４（例えば自動車システム制御器）が、エンジン１２、ＣＩＳＧ１４、変速機１６及びＥＲＡＤ２０と通信し、それらの動作を制御する。一例として、制御器３４が、変速機１６のクラッチ３０及び３２に、作動コマンドを送信する場合がある。別の例として、制御器３４が、ＥＲＡＤ２０のトルクを低減させると共にエンジンのトルクを増大させるコマンドを送信する場合もある。さらに別の例として、制御器３４が、車速、変速機１６の所望変速ギア及びオフセット値に基づいて、クランクシャフト１８の目標回転速度を決定して、ＥＲＡＤ２０からエンジン１２への動力源のスムーズな移行を達成する場合もある。

＜発進時のエンジンの回転始動＞
ＥＲＡＤ２０は、電気的動力を提供し得る。変速機１６は、自動車を電動運転しているときには、それに伴って生じる回転損失及びポンプ損失を回避すべく、ニュートラル・ギア（すなわち、ニュートラル状態）に設定されている。運転者がアクセル・ペダル（不図示）を踏んだときには、エンジン１２が運転者の動力要求を満たすのに必要とされるならば、エンジンの回転が始動され、エンジンの回転が上昇することになる。このとき、変速機１６は、ニュートラル・ギアから所望変速ギアにシフトすることが必要となる。自動車は、電動運転からのスムーズな移行を確実に行なうためには、略同一の加速度で加速し続ける必要がある。変速機入力部２５（及びクラッチ入力軸２６）の目標回転速度は、このスムーズな移行を達成すべく、同期速度よりもプラス方向にオフセットされる。

図２〜５を参照して、エンジン１２を始動した後、ＥＲＡＤ２０からエンジン１２に駆動輪トルクを伝達するストラテジー制御について説明する。発進時のエンジンの回転始動イベントは、四つの時間間隔Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、及びＴ_４に区分されている。Ｔ_１においては、自動車は、運転者の動力要求に応じて、僅かに加速している（図５参照）。変速機１６はニュートラル・ギアとされていて、これにより、クラッチ入力軸２６の回転速度は実質的にゼロとなっている（図２参照）。変速機１６及びクラッチ３０，３２に油圧を供給する油圧ライン（不図示）における圧力は低い（図３参照）。自動車がＥＲＡＤ２０によって電気的に駆動されるため、ＣＩＳＧ１４、エンジン１２及び出力軸２８から供給されるトルクは低いものの、ＥＲＡＤ２０から供給されるトルクは高い（図４参照）。

Ｔ_２においては、運転者による動力要求が、ＥＲＡＤ２０及び／又はバッテリ（不図示）の動力限界値を上回る。ＣＩＳＧ１４は、エンジン１２を速度制御しながら始動するように指令される（図４参照）。ＣＩＳＧ１４は、エンジン１２における静止摩擦力、慣性力、熱損失、及びポンプ損失に打ち勝つのに十分なトルクを生成する。クランクシャフト１８は、回転しているものの、如何なるプラス方向のトルクも伝達していないため、エンジン１２のトルクは、これらの静止摩擦力、慣性力、熱損失及びポンプ損失によって低下する。クラッチ入力軸２６の回転速度は、増加し始める（図２参照）。変速機１６及び／又は補助オイル・ポンプ（不図示）に入力されるＣＩＳＧ１４の回転によって、変速ギアの締結に備えて第１クラッチ３０の作動を開始すべく、油圧ラインに圧力が供給される（図３参照）。

Ｔ_３においては、エンジン１２はトルク制御され、エンジンのトルクは、Ｔ_３の初期段階においてＣＩＳＧ１４のトルク値まで増加する（図４参照）。エンジン１２はトルク制御され、エンジンのトルクがある変化率で増大する。ＣＩＳＧ１４は速度制御されているので、エンジンのトルクが増大する結果として、ＣＩＳＧ１４のトルクは（エンジン１２のトルクの変化率と）同様の変化率で低下する。そのため、エンジン始動は、ＣＩＳＧのトルク低下によって判定され得る。エンジン始動が判定されると、変速機入力部２５は速度制御され続け、変速機入力部２５（及びクラッチ入力軸２６）の回転速度が変速機１６の同期速度に対して正のオフセット値を加えた速度となるように指令される。同期速度は、アクセル・ペダルの入力値、車速及び変速機１６の変速比に基づいて決定される。変速機入力部２５（及びクラッチ入力軸２６）の回転速度を、目標変速ギアにおける同期速度に一致させることによって、ニュートラル・ギアから該目標変速ギアにシフトするときに、自動車のスムーズな加速が確実に達成され得る（図２参照）。正のオフセット値は、クラッチ３０，３２が締結するときに、動力伝達系におけるトルク反転を防止するように設定される。そのオフセット値は、自動車の設計検討に応じて変更される場合がある。

Ｔ_４においては、クラッチ３０，３２がロックされ、ニュートラル状態から締結状態への移行が完了する（図３参照）。クラッチ３０，３２の作動は、指令された変速ギアについてのシフト・スケジュールから判定される（図３参照）。エンジンのトルクは、変速機１６が完全に締結されるので、増加し得る（図４参照）。エンジンのトルクは、駆動輪２２，２４のトルクを一定に維持するために、ＥＲＡＤのトルクの低減と略等しい変化率で増大する。

＜減速時のエンジンの回転上昇＞
惰性運転等の減速状態においては、エンジン１２は停止され、回生制動によってエネルギーが回収され得る。ただし、バッテリ（不図示）の充電状態が高い場合には、バッテリの過充電を防止すべく、エンジンの回転を上昇させることになる。このとき、変速機１６は、ニュートラル・ギアから所望の変速ギアにシフトする必要がある。自動車は、エンジンの回転上昇へのスムーズな移行を確実に行なうために、略同一の減速度で減速し続ける必要がある。変速機入力部２５（及びクラッチ入力軸２６）の目標回転速度は、このスムーズな移行を達成すべく、同期速度よりもマイナス方向にオフセットされる。

図６〜図９を参照して、回生制動中にエンジン１２の回転を上昇させるストラテジー制御について説明する。減速時のエンジンの回転上昇イベントは、四つの時間間隔Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、及びＴ_４に区分されている。

Ｔ_１においては、自動車は減速し、ＥＲＡＤ２０は回生制動モードとなる（図９参照）。その結果として、ＥＲＡＤのトルクはマイナスの値となる（図８参照）。

Ｔ_２においては、ＣＩＳＧ１４は、エンジン１２の回転を速度制御しながら上昇させるように指令される（図８参照）。ＣＩＳＧ１４は、エンジン１２における静止摩擦力、慣性力、熱損失及びポンプ損失に打ち勝つのに十分なトルクを生成する。クランクシャフト１８は、回転しているものの、如何なるプラス方向のトルクも伝達していないため、エンジン１２のトルクは、これらの静止摩擦力、慣性力、熱損失及びポンプ損失によって低下する。クラッチ入力軸２６の回転速度は、増加し始める（図６参照）。変速機１６及び／又は補助オイル・ポンプ（不図示）に入力されるＣＩＳＧ１４の回転によって、変速ギアの締結に備えて第１クラッチ３０の作動を開始すべく、油圧ラインに圧力が供給される（図７参照）。

Ｔ_３においては、変速機入力部２５（及びクラッチ入力軸２６）の回転速度を、目標変速ギアにおける同期速度に一致させることによって、ニュートラル・ギアから該目標変速ギアにシフトするときに、自動車のスムーズな減速が確実に達成され得る（図６参照）。負のオフセット値は、クラッチ３０，３２の締結時における慣性効果に打ち勝つように設定される。ＣＩＳＧ１４への速度指令の（増加から減少への）変化のために、ＣＩＳＧ１４のトルクは低下する。

Ｔ_４においては、クラッチ３０，３２がロックされ、ニュートラル状態から締結状態への移行が完了する（図７参照）。クラッチ３０，３２の作動は、指令された変速ギアについてのシフト・スケジュールから判定される（図７参照）。第２クラッチ３２が締結した後に、ＣＩＳＧ１４はトルク制御に切換えられ、ＥＲＡＤ２０のトルクがゼロに上昇するとき（すなわち、ＥＲＡＤ２０が回生制動モードを終了するとき）に、ＣＩＳＧのトルクは略ゼロに維持される。

＜道路負荷に起因するエンジンの回転始動＞
ＥＲＡＤ２０は、道路負荷が存在しているときには、電気的動力を提供し得る。変速機１６は、自動車を電動運転しているときには、それに伴って生じる回転損失及びポンプ損失を回避すべく、ニュートラル・ギア（すなわちニュートラル状態）に設定されている。運転者がアクセル・ペダル（不図示）を軽く且つ絶えず踏んだときには、エンジン１２が運転者の動力要求を満たすのに必要とされるならば、エンジンの回転が始動され、エンジンの回転が上昇することになる。このとき、変速機１６は、ニュートラル・ギアから所望変速ギアにシフトすることが必要となる。自動車がエンジン始動前に一定速度で走行しているならば、自動車は、電動運転からのスムーズな移行を確実に行なうためには、ＥＲＡＤ２０からエンジン１２に動力源を変更するときに、一定速度で走行し続ける必要がある。変速機入力部２５（及びクラッチ入力軸２６）の目標回転速度は、このスムーズな移行を達成すべく、同期速度よりもプラス方向にオフセットされる。その移行の後に、アクセル・ペダルの入力値が依然として一定であるならば、エンジンのトルクは、電動運転時と同一の駆動輪トルクを維持するように制御されることになる。

図１０〜１３を参照して、エンジン１２の回転を始動させ且つその回転を上昇させ、その後に駆動輪へのトルク源をＥＲＡＤ２０からエンジン１２へ移行するストラテジー制御を説明する。道路負荷に起因するエンジンの回転始動イベントは、四つの時間間隔Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、及びＴ_４に区分されている。Ｔ_１においては、自動車は一定のアクセル・ペダル入力のもとで走行しており、ＥＲＡＤ２０はトルクを駆動輪２２，２４に供給している（図１２参照）。

Ｔ_２においては、エンジン１２は、例えばバッテリ（不図示）の低い充電状態のために、又は、他の動力要求によって、始動するように指令される。ＣＩＳＧ１４は、エンジン１２を速度制御しながら始動するように指令される（図１２参照）。ＣＩＳＧ１４は、エンジン１２における静止摩擦力、慣性力、熱損失及びポンプ損失に打ち勝つのに十分なトルクを生成する。クランクシャフト１８は、回転しているものの、如何なるプラス方向のトルクも伝達していないため、エンジン１２のトルクは、これらの静止摩擦力、慣性力、熱損失及びポンプ損失によって低下する。クラッチ入力軸２６の回転速度は、増加し始める（図１０参照）。変速機１６及び／又は補助オイル・ポンプ（不図示）に入力されるＣＩＳＧ１４の回転によって、変速ギアの締結に備えて第１クラッチ３０の作動を開始すべく、油圧ラインに圧力が供給される（図１１参照）。

Ｔ_３においては、エンジン１２はトルク制御され、エンジンのトルクは、Ｔ_３の初期段階においてＣＩＳＧ１４のトルク値まで増加する（図１２参照）。エンジン始動は、速度制御されているＣＩＳＧ１４のトルク低下によって判定され得る。エンジン始動が判定されると、変速機入力部２５は速度制御され続け、変速機入力部２５（及びクラッチ入力軸２６）の回転速度が変速機１６の同期速度に対して正のオフセット値を加えた速度となるように指令される。同期速度は、アクセル・ペダルの入力値、車速及び変速機１６の変速比に基づいて決定される。変速機入力部２５（及びクラッチ入力軸２６）の回転速度を、目標変速ギアにおける同期速度に一致させることによって、ニュートラル・ギアから該目標変速ギアにシフトするときに、自動車のスムーズな加速が確実に達成され得る（図１０参照）。正のオフセット値は、クラッチ３０，３２が締結するときに、動力伝達系におけるトルク反転を防止するように設定される。

Ｔ_４においては、エンジンのトルクは上昇させられ、ＣＩＳＧ１４によって生成されるマイナス方向の充電トルクを相殺する。エンジンのトルク及び充電トルクは、変速機１６からの出力トルクが一定に維持されるように調整される。

＜エンジンの回転上昇のストラテジー制御＞
制御器３４は、図１４に示されるように、ブロック５０において、エンジンの回転を上昇させる要求を受ける。この要求は、パワートレイン制御モジュールによって送信され得ると共に、バッテリの充電状態及び運転者による動力要求のような要因に基づき得る。ブロック５２において、クランクシャフトの目標回転速度が設定される。その目標回転速度は、車速、所望の変速ギア及びオフセット値等の要因に基づき得る。例えば、変速機の出力トルクが正の値であるならば、オフセット値も正の値である。その一方で、変速機の出力トルクが負の値であるならば、オフセット値も負の値である。ステップ５４において、変速機の第１クラッチを作動させて、変速機がトルクを伝達する準備を行なう。ブロック５６において、エンジン速度が、目標回転速度を達成するように制御される。ブロック５８において、変速機の第２クラッチを作動させて、変速機がトルクを伝達する準備を更に行なう。ブロック６０において、電動運転からの移行（離脱）が実行される。

図１５に示されるように、ブロック６２において、ＣＩＳＧがトルク制御にて調整される。ブロック６４において、駆動輪トルクを一定に維持するように、（ＥＲＡＤのトルクからエンジンのトルクへの）動力源の移行が調整される。

本発明の実施形態を示し、記述してきたが、これらの実施形態は、本発明の実行可能な形態の全てを示し、そして記述することを意図したものではない。また、明細書中で使用される単語は、限定というよりも寧ろ説明するためのものであり、本明細書の技術思想と範囲から逸脱することなく、種々の変更がなされ得ることを理解すべきである。

本発明の実施形態に係る例示的な後輪駆動方式のハイブリッド電気自動車の概略図である。 図１の自動車に関する、エンジン速度及びクラッチ入力軸の回転速度と、時間との関係を示す例示的なプロット図である。 図１の自動車に関する、油圧ラインの圧力及びクラッチの圧力と、時間との関係を示す例示的なプロット図である。 図１の自動車に関する、ＥＲＡＤのトルク、ＣＩＳＧのトルク、エンジンのトルク及び出力軸のトルクと、時間との関係を示す例示的なプロット図である。 図１の自動車に関する、車速と、時間との関係を示す例示的なプロット図である。 図１の自動車に関する、エンジン速度及びクラッチ入力軸の回転速度と、時間との関係を示す別の例示的なプロット図である。 図１の自動車に関する、油圧ラインの圧力及びクラッチの圧力と、時間との関係を示す別の例示的なプロット図である。 図１の自動車に関する、ＥＲＡＤのトルク、ＣＩＳＧのトルク、エンジンのトルク及び出力軸のトルクと、時間との関係を示す別の例示的なプロット図である。 図１の自動車に関する、車速と、時間との関係を示す別の例示的なプロット図である。 図１の自動車に関する、エンジン速度及びクラッチ入力軸の回転速度と、時間との関係を示すさらに別の例示的なプロット図である。 図１の自動車に関する、油圧ラインの圧力及びクラッチの圧力と、時間との関係を示すさらに別の例示的なプロット図である。 図１の自動車に関する、ＥＲＡＤのトルク、ＣＩＳＧのトルク、エンジンのトルク及び出力軸のトルクと、時間との関係を示すさらに別の例示的なプロット図である。 図１の自動車に関する、車速と、時間との関係を示すさらに別の例示的なプロット図である。 本発明の実施形態に係るハイブリッド電気自動車において、エンジンの回転上昇を行なう制御ストラテジーのフローチャートである。 本発明の実施形態に係る電動運転からの移行を行なう制御ストラテジーのフローチャートである。

符号の説明

１０ ＨＥＶシステム
１２ エンジン
１４ ＣＩＳＧ
１６ 変速機
１８ クランクシャフト
２０ ＥＲＡＤ
２２、２４ 駆動輪
３０ 第１クラッチ
３２ 第２クラッチ
３４ 制御器

Claims (7)

1. 駆動輪及びクランクシャフトを有するエンジンを備えたハイブリッド電気自動車の制御システムであって、
   機械的動力を生成又は消費すべく、上記クランクシャフトを目標回転速度にて回転させるように構成された第１電気機械と、
   ニュートラル状態から締結状態に選択的に移行することによって、上記クランクシャフトと上記駆動輪との間の機械的経路を選択的に形成し、該クランクシャフトと該駆動輪との間で該機械的経路を介して機械的動力を伝達するように構成された変速機と、
   自動車を駆動するための電気的動力を生成するように構成された第２電気機械と、
   機械的動力が上記駆動輪から上記クランクシャフトに伝達されるときには、上記変速機の同期速度に負のオフセット値を加えて上記目標回転速度を設定し、上記自動車を駆動するのに上記電気的動力を使用し、また、上記自動車を駆動するのに上記機械的動力を使用するように構成された少なくとも一つの制御器とを備える制御システム。
2. 上記変速機は、クラッチを有すると共に、ニュートラル状態から該クラッチが作動している締結状態に選択的に移行される、請求項１に記載の制御システム。
3. 上記機械的動力は、上記クランクシャフトから上記駆動輪に伝達される、請求項１又は２に記載の制御システム。
4. 上記機械的動力は、上記駆動輪から上記クランクシャフトに伝達される、請求項１乃至３の何れかに記載の制御システム。
5. 上記少なくとも一つの制御器は、上記自動車を駆動するのに使用される上記電気的動力を低減させるように構成されている、請求項１乃至４の何れかに記載の制御システム。
6. 上記少なくとも一つの制御器は、上記自動車を駆動するのに使用される上記電気的動力を第１変化率で低減させ、上記自動車を駆動するのに使用される上記機械的動力を第２変化率で増大させるように構成されており、
   上記第１変化率は、上記第２変化率と略等しい、請求項１乃至５の何れかに記載の制御システム。
7. 上記目標回転速度は、車速、変速機における所望変速ギア及びオフセット値に基づいている、請求項１乃至６の何れかに記載の制御システム。

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