JP2004096932A - ハイブリッド車の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンが駆動するエンジン駆動輪と、エンジンの非駆動輪を駆動可能とするモータにより駆動するモータ駆動輪とを備える車両において、モータが駆動する車輪のホイールスピンを低減するハイブリッド車両用のモータ制御装置を提供する。
【解決手段】エンジン１１とエンジンによって駆動される前輪１２、エンジンに連結され駆動される発電機１５、概発電機に接続されエンジンの非駆動輪である後輪１４を駆動可能にする電動モータ１３、概電動モータの出力を制御する車両に搭載される制御装置２０において、エンジンが駆動するエンジン駆動輪の駆動トルクよりも電動モータにより駆動されるモータ駆動輪の駆動トルクが少なくなるように、制御装置２０が電動モータの界磁電流および発電機の界磁電流２０を制御する。これによりトラクションと車両の安定性が確保される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
エンジンによって前後輪のいずれか一方を駆動し、他方をモータによって駆動可能とした車輌に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エンジンにより駆動するエンジン駆動輪がスリップすると、エンジンに接続してある発電機の発電を増加することでエンジン駆動輪のスリップを低減する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】
特開２００１−６３３９２号公報（段落２１−２２、図４）
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では、バッテリやキャパシテータ等の電力を吸収する要素を使わずに、エンジンにより駆動される発電機の発電した電力を使って車輪駆動用のモータを直接駆動する、簡易的なハイブリッドシステムについては熟慮されていない。このような構成であると、エンジン駆動輪のスリップを低減するために発電機の発電する電力量を増やすと、モータの駆動電流も増えるため、モータのトルクが大きくなり、モータ駆動輪がホイールスピンする可能性を生じる。なお、ここでいうホイールスピンとは、車体速度に対し、車輪の周速が大きく、後程、（数２）で定義するスリップ率が−０．２５以下になることをいう。
ホイールスピンが生じると、トラクション、すなわち、車輪が路面に伝達するトルクが減るため、加速性能が劣化する。また、モータ駆動輪がホイールスピンをしている状態で、エンジン駆動輪のホイールスピンが収まると、車両がスピンする等、安定性が損なわれる恐れがある。この現象は、特に前輪をエンジンで駆動し、後輪をモータで駆動している簡易的なハイブリッドシステムを塔載する車両で発生しやすくなる。また、前後輪ともにホイールスピンが生じる場合には、車体の速度が検出しにくくなり、ＡＢＳ等、他の車両運動制御システムに影響を与える。その場合、車体の速度を検出するには、加速度センサ等、新たなセンサを設ける必要が生じ、システム自体が複雑になりコストアップにつながる。
【０００４】
本発明の目的は、モータが駆動する車輪のホイールスピンを低減し、トラクションと安定性を確保するハイブリッド車両用の制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
エンジンとエンジンによって駆動されるエンジン駆動輪、エンジンの非駆動輪を駆動可能にする電動モータ、電動モータによって駆動されるモータ駆動輪、エンジンと連結され概電動モータを直接駆動する発電機を備えた車両の制御装置であって、車両の運動状態に応じて概発電機の発電量を制限することを特徴とした車両の制御装置を用いれば良い。好ましくは、車両のエンジン駆動輪の路面に伝達しているトルクを検出し、そのトルクに応じて概発電機の発電量を制限するような制御装置を用いれば良い。簡便には、エンジン駆動輪の駆動トルクよりモータ駆動輪の駆動トルクを小さくする制御を行う制御装置を用いれば良い。さらに、トラクションと安定性の両者の確保を確実にするには、モータ駆動輪にホイールスピンが生じると、発電機の発電量を低減するような制御装置を用いれば良い。
【０００６】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態の一例として、図１に本発明を搭載したハイブリッド車を示す。図１の車両は、エンジン１１がトルクコンバータ付き変速機１７を介して前輪１２を駆動し、モータ１３がクラッチ付き減速機１８を介して後輪１４を駆動する。モータ１３は、エンジン１１の出力軸と機械的に連結されるモータ駆動用の専用の発電機１５から、電力供給用電線２１を介して直接電力を受ける。すなわち、発電機１５はモータ１３を直接駆動する。図示はしていないが、本車両には、エンジンの点火装置、灯火やエアコンのブロアモータ等の電気負荷用にモータ１３を駆動しない別の発電機も搭載されている。本車両の各々の車輪には、車輪速度を検出する車輪速センサ１６が設置されている。エンジン１１の出力や変速機１７のギア比は、エンジントレインコントローラ１９によって制御される。
モータ１３の出力、発電機１５の発電量、クラッチ付き減速機１８のクラッチの断続は、モータトレインコントローラ２０によって制御される。モータトレインコントローラ２０は、モータの界磁電流と発電機の発電機の界磁電流の両者を制御し、発電機の発電量やモータの出力を制御する。
【０００７】
ところで、エンジン駆動輪がホイールスピンするのは、エンジン駆動輪が路面へ伝達できるトルク以上のトルクを加わった場合である。以下、その理由を説明する。エンジン駆動輪が路面に伝達するトルクは、車輪と路面間の摩擦係数μと、車輪が路面の垂直方向に加える荷重Ｗ_ｚと、車輪の動いているときの半径Ｒ車輪　の積に依存する。このうち、摩擦係数μはスリップ率λに依存している。スリップ率λは、下記により定義される。
【０００８】
【数１】

ただし、分子が正のとき。
【０００９】
【数２】

ただし、分子が負のとき。
【００１０】
（数１）、（数２）のいずれの場合においても、スリップ率λ（λが負の場合は絶対値）と摩擦係数μは図２に示すような関係にあり、スリップ率λが０から０．０５〜０．２程度までの範囲では、摩擦係数μが単調増加するが、それ以上では摩擦係数μは一定もしくは減少する。摩擦係数μと車両に駆動輪が与える推力Ｆ車両推力、およびそのときの車輪のトルクＴ車両推力　は、車輪の路面への垂直な荷重をＷ_ｚとして、次の関係がある。
【００１１】
【数３】

【数４】

上記（数４）を含み、車輪に駆動トルクＴ車輪駆動　を加えたときのトルクバランスを考えた車輪の運動方程式は以下になる。
【００１２】
【数５】

左辺は、車輪を駆動する駆動トルクＴ車輪駆動　であり、右辺第１項は車輪から見た駆動系の回転の慣性モーメントＪ駆動系　と車輪速の情報を時間微分して得られる駆動輪の角加速度の積で、車輪の加速に使われるトルクをあらわす。第２項は（数４）にあるように、路面に伝達される車輪のトルクＴ車両推力　であり、車体の加速に寄与する。第３項は車輪を回転させるのに費やされる摩擦等により発生するトルクのロス（Ｔ伝達ロス）をあらわす。
【００１３】
先に図２を使って説明したように、車輪のトルクＴ車両推力（右辺第２項）には、摩擦係数μに依存し、上限値が存在する。そのため、車輪の駆動トルクＴ車輪駆動　が大きいと、右辺第１項の車輪の角加速度が大きくなる。そのため、車輪の速度が車体の速度より速くなり、ホイールスピンを生じる。
【００１４】
これを防止するには路面に伝達される車輪のトルクＴ車両推力　が、上限値に達しないようにすれば良いが、路面と車輪間の摩擦係数μは、路面の状態、車両の運動状態の両者によって常に変化するため、上限値は可変とせねばならない。
そこで、本実施例では、次のようにしてモータ駆動輪のスリップを防止している。
【００１５】
モータ駆動輪への駆動トルクを制御するモータトレインコントローラ２０は、図３に示すように信号の入出力および演算を実施する制御演算部３１、発電機の界磁コイルの電流を制御する発電機ドライバ３２、クラッチを動作するソレノイドを駆動するクラッチドライバ３３、モータの界磁コイルの電流を制御するモータドライバ３４を内包している。このようにモータトレインコントローラ２０は制御演算部とモータの駆動力を制御する機器のドライバ回路を内蔵しているため、車両搭載性が良くなっている。
【００１６】
制御演算部３１は、エンジン１１の回転数およびトルク、変速機１７の使用している変速比、車輪速センサ１６が検出した各車輪の速度の情報をエンジントレインコントローラ１９より得ている。また、発電機ドライバ１３に内蔵する電流センサが検出した発電機１５の界磁電流、モータドライバ３４に内蔵する電流センサが検出したモータ１３の界磁電流、別のセンサが検出するモータ１３を駆動する電力供給用電線１６に流れるモータ駆動電流の情報も得ている。これらを元に、制御演算部３１は、発電機１５の界磁電流指令値を発電機ドライバ３２へ、クラッチのソレノイドの断続指令値をクラッチドライバ３３へ、モータ１３の界磁電流指令値をモータドライバ３４へ送る。
【００１７】
図４に、制御演算部３１に含まれる制御ブロックを示す。車両の発進準備ができると、ブロック４１に進み、クラッチドライバ３３にクラッチを締結するように指令する。このようにすることで、クラッチの締結の遅れを補正し、すぐさまモータのトルクをモータ駆動輪に加えることができるようになる。クラッチが締結されると、ブロック４２に進む。
【００１８】
ブロック４２では、エンジン駆動輪に加えているトルクを求める。エンジン駆動輪の駆動トルクを検出するセンサが無い実施例のような車両においては、エンジン駆動輪に加えているトルクを推定する手段として、以下の方法がある。エンジン駆動輪の車輪速情報、変速機の現在のギア比の情報から、トルクコンバータの出力軸の回転速度を求め、これと、トルクコンバータの入力軸の回転速度と等しいエンジンの回転数情報から、予め記憶してあるトルクコンバータの駆動力伝達特性マップを検索してトルクコンバータの出力しているトルクを求める。次に、得たトルクに変速機のギア比、および記憶してあるディファレンシャルのギア比を掛けてエンジン駆動輪に加わっている駆動トルクＴ車輪駆動，１　を求める。
【００１９】
ブロック４３では、路面へ伝達しているトルクを求める。ここでは下記の式に基づいて計算している。
【００２０】
【数６】

添え字の１は、エンジン駆動輪をあらわす。左辺は車輪から路面に伝達されるトルク、右辺の第１項は先のブロックで求めたエンジン駆動輪に与えられているトルク、第２項は車輪の加速に使用されるトルクであり、予め記憶してある車輪を基準とした車輪からトルクコンバータの出力軸までの等価慣性モーメントと、エンジン駆動輪の車輪速センサの検出値を微分して得た車輪の角加速度との積である。第３項は駆動伝達ロスをあらわしており、予め設定してある。
【００２１】
ブロック４４では、路面とエンジン駆動輪間の摩擦係数μ_１を求めている。ここでは、得られたＴ車両推力，１　を使った下記式を用いている。もちろん、摩擦係数μを推定、検出する別の手段があれば、そちらを用いても良い。
【００２２】
【数７】

車輪が路面に垂直にかける荷重Ｗ_{ｚ ，１}は、車両の加速度や車両の積載物の重さに応じて変化するため検出もしくは推定できれば最良であるが、Ｔ車両推力，１　ほどの大きな変化は無いため、荷重Ｗ_{ｚ ，１}を一定としても実用上は差し支えない。
【００２３】
ブロック４５では、ホイールスピンせずに加えることができるモータ駆動輪の駆動トルクの上限を求める。ここでは、（数７）で得た摩擦係数μ_１を使い、その値を予測している。
モータ駆動輪の運動を考えると、以下の運動方程式が得られる。
【００２４】
【数８】

ただし、
【００２５】
【数９】

ここで、添え字２はモータ駆動輪をあらわしている。（数８）の左辺は、モータ駆動輪の駆動トルクである。右辺第１項はモータ駆動輪を基準としたモータ駆動系の等価慣性モーメントとモータ駆動輪の車輪速センサの情報を元に微分して得た角加速度の積である。第２項は（数９）により決定され、摩擦係数μ_１によって路面に伝達できるトルクを表わしている。Ｃは、車両試験により求める定数であり、車輪の駆動トルクによりスリップを回避するマージンを設定する。通常は１であるが、この値が小さくすれば、スリップしにくくなる。Ｗ_{ｚ ，２}は、モータ駆動輪の荷重である。Ｒ車輪　は車輪の動半径である。第３項のＴ伝達ロス，２　は、モータ駆動系のトルクの伝達ロスをあらわす。
【００２６】
（数８）は、（数５）と同様にモータ駆動輪に与える駆動トルクと、駆動トルクが消費されるファクタの関係を表している。右辺の第１項は車輪速センサの情報より、第２項は（数７）と（数９）より、第３項は実験的に定めることができるため、（数８）の左辺Ｔ車輪駆動，２　について求めることができる。
【００２７】
別の観点から見ると、路面に伝達できる第２項のトルクＴ車体推力，２　が定まっているため、ホイールスピンを発生しない車輪の駆動トルクＴ車輪駆動，２　も定まる。したがって、モータが駆動する車輪の駆動トルクを、（数８）にから得たＴ車輪駆動，２　以下とする制御により、ホイールスピンを最小にする効果が得られる。
【００２８】
ブロック４７では、ブロック４５で求めたモータ駆動輪の駆動トルクの上限（Ｔ車輪駆動，２）以下となるように、モータトルクの上限値Ｔモータ上限　を決める。
【００２９】
【数１０】

ここで、ＧＲモータ減速　は、モータに接続されるクラッチ付き減速機１８の減速比である。モータの駆動トルクは、モータ１３とモータ１３に電力を供給する発電機１５が直結されるため、発電機によって作られるモータの駆動電流と、モータの界磁電流の両者によって定まる。具体的には、予め記憶しておいたモータの界磁電流とモータのトルク定数のマップと現在の界磁電流を照合し、モータのトルク定数を求める。そして、モータトルクの上限値Ｔモータ上限　をトルク定数で除して、モータの駆動電流を求め、これを上限値とする。発電機ドライバ３２は、モータの駆動電流を上限値以下とするように、発電機の界磁電流を制御する。
【００３０】
ブロック４８では、モータ駆動輪のモータ駆動の要否を判定を受け、要であれば再びブロック４１に戻るようにする。モータ駆動が不要であれば、ブロック４９に進む。
【００３１】
ブロック４９では、モータ駆動輪へのモータのトルクを停止するため、モータのトルクを徐々に低減し、モータトルクが予め設定したしきい値より小さくなったときに、クラッチドライバ３３にクラッチの切断指令を送る。クラッチドライバは、切断指令を受けると、クラッチ駆動ソレノイドの電流を停止し、クラッチ付き変速機１８のクラッチを切り離す。
【００３２】
このように、ブロック４５で求めたモータトルクの上限値以下にモータのトルクを制御することにより、モータ駆動輪のホイールスピンを最小とすることができる。特に、発電機とモータが直結され、発電機の発電電力を吸収できない構成のハイブリッド車においては、発電機の発電量が直接モータに供給されるため、発電機の界磁電流量とモータの界磁電流量を制御し、モータトルクをブロック４５で定めた上限値以下に設定する、あるいは、ブロック４５で定めた発電機の界磁電流量を上限値として界磁電流がそれ以下となるように制御装置でもって制御することがモータ駆動輪のホイールスピンを防止する上で効果がある。
【００３３】
なお、上記の制御が制御演算部３１の演算能力を上回っている場合や車輪速センサからの車輪速度の情報に誤差が大きく車輪の角加速度が定まらない場合、または前後輪の荷重が近い場合、エンジン駆動系とモータ駆動系の慣性モーメント近い場合や、またエンジンやモータから車輪に伝わるトルクの伝達ロスが無視できる場合には、過渡性能は劣るが、次のような簡便な制御によりモータ駆動輪のホイールスピンを低減することができる。
【００３４】
上記の条件を加味すると、（数５）の運動方程式は簡略化される。
【００３５】
【数１１】

すると、エンジン駆動輪の摩擦係数μ_１は、以下になる。
【００３６】
【数１２】

よって、モータ駆動輪の路面に伝達できる上限のトルクは下式より求めることができる。
【００３７】
【数１３】

前輪の路面に対する荷重Ｗ_{ｚ ，１}と後輪の路面に対する荷重Ｗ_{ｚ ，２}が近い場合には、以下となる。
【００３８】
【数１４】

（数１４）と（数１１）を使って、モータ駆動輪の上限の駆動トルクを求めると、以下になる。
【００３９】
【数１５】

したがって、ホイールスピンが最小となるモータ駆動輪の駆動トルクとして、エンジン駆動輪の駆動トルク以下としても良く、この場合、車輪速のセンサから加速度等を求める必要がなくなり、演算が簡単になる。具体的にはモータのトルク上限を、下記の式が成立する範囲に設定すればよい。
【００４０】
【数１６】

上記を実現するための制御フローを図６に示す。図４を使って説明したフローと異なり、ブロック４２においてエンジン駆動輪を駆動しているトルクを求めた後、ブロック６２にて、エンジン駆動輪を駆動しているトルクをモータ駆動輪の駆動トルクの上限値として、モータのトルクの上限を定める。そして、モータの界磁電流からトルク定数を求め、上限とするモータの駆動電流を定める。そして、モータの駆動電流が求めた上限以下となるように、モータトレインコントローラが発電機の界磁電流量を制御する。
【００４１】
上記のように、発電機の電流、すなわち発電量を制限すれば、ホイールスピンを低減する事ができるが、より確実にホイールスピンを低減するのは、モータ駆動輪のホイールスピンを検出した場合、発電機の発電量を低減するようにしても良い。
【００４２】
図７に制御フローを示す。図４あるいは図６を使って既に説明したフローを実行するのと同時に、ブロック７１に示すようにホイールスピンを検出するブロックを設け、ホイールスピンが生じた場合には、ブロック７２において、ブロック４５で演算したモータ駆動輪の駆動トルク上限値を、ゼロ近傍、もしくは駆動しているトルクよりも少なく設定し、発電機の発電量を下げるようにする。このようにすると、モータ駆動輪のホイールスピンはさらに低減される。
【００４３】
図５に本発明の制御装置を使って車両を駆動した場合の効果を示す。図５には、エンジン駆動輪とモータ駆動輪の駆動トルクおよび路面に伝達しているトルク、モータ駆動輪とエンジン駆動輪の速度および車体の速度、各車輪のスリップ率、発電機の発電することにより流れる電流を縦軸に、時間を横軸に示してある。
エンジン駆動輪、モータ駆動輪とも各２輪づつあるが、それぞれで平均した値を示してある。なお、各輪において、路面に伝達しているトルクは直接測定できないため、各車輪の駆動トルクから、慣性モーメントと角加速度の積を引いて路面に伝達しているトルクを算出している。試験は、時間ゼロにおいて車両が静止している状態から、スロットルバルブを全開にして実施した。その結果、エンジン駆動輪はスリップ率が−０．２５以下となっており、すぐさまホイールスピンを開始している。同じことは、エンジン駆動輪の駆動トルクと路面に伝達されるトルクの関係からも読み取れ、路面に伝達されるトルクは駆動トルクの半分程度で飽和している。そのため残された駆動トルクは車輪を加速するのに使用され、車体の速度の上昇とより急激に速度が上昇している。
【００４４】
発電機が発生する電流には制限が加えられているため、モータ駆動輪の駆動トルクはエンジン駆動輪の駆動トルクより少なく、また、エンジンの駆動輪と比べてモータ駆動輪の路面への伝達トルクは小さくなっているため、モータ駆動輪のホイールスピンは生じていない。このことは、モータ駆動輪のスリップ率のプロットや、車体の速度のプロットと車輪の速度のプロットが一致していることや、モータ駆動輪の路面伝達トルクと、駆動トルクがほぼ一致していることからも確かめられる。
【００４５】
【発明の効果】
モータによって駆動される車輪の路面へ伝達する駆動力を、エンジンによって駆動される車輪の路面へ伝達する駆動力よりも少なくなるように発電機の出力、もしくはモータの出力を制限する事により、モータ駆動輪のホイールスピンが防止され、トラクションの確保、車両の安定性が増える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したハイブリッド車両を示す図である。
【図２】スリップ率と摩擦係数の関係を示す図である。
【図３】モータトレーンコントローラを示す図である。
【図４】モータトレーンコントローラの制御のフローを示す図である。
【図５】本発明を適用した場合の車両の走行状態を説明する図である。
【図６】簡略化したモータトレーンコントローラの制御のフローを示す図である。
【図７】ホイールスピンをさらに低減するモータトレーンコントローラの制御のフローを示す図である。
【符号の説明】
エンジン…１１、前輪…１２、モータ…１３、後輪…１４、発電機…１５、車輪速センサ…１６、変速機…１７、クラッチ付き減速機…１８、エンジントレインコントローラ…１９、モータトレインコントローラ…２０、制御演算部…３１、発電機ドライバ…３２、クラッチドライバ…３３、モータドライバ…３４。

Claims (4)

1. エンジンとエンジンによって駆動されるエンジン駆動輪、エンジンの非駆動輪を駆動可能にする電動モータ、電動モータによって駆動されるモータ駆動輪、エンジンと連結され概電動モータを直接駆動する発電機を備えた車両の制御装置であって、
   車両の運動状態に応じて概発電機の発電量に上限を設けることを特徴とした車両の制御装置。
2. エンジンとエンジンによって駆動されるエンジン駆動輪、エンジンの非駆動輪を駆動可能にする電動モータ、電動モータによって駆動されるモータ駆動輪、エンジンと連結され概電動モータを直接駆動する発電機を備えた車両の制御装置であって、
   エンジン駆動輪の路面に伝達するトルクに応じて概発電機概発電機の発電量に上限を設けることを特徴とした車両の制御装置。
3. エンジンとエンジンによって駆動されるエンジン駆動輪、エンジンの非駆動輪を駆動可能にする電動モータ、電動モータによって駆動されるモータ駆動輪、エンジンと連結され概電動モータを直接駆動する発電機を備えた車両の制御装置であって、
   エンジン駆動輪の駆動トルクよりもモータ駆動輪の駆動トルクを少なくするように、発電機の発電量を制御することを特徴とした、車両用の制御装置。
4. エンジンとエンジンによって駆動されるエンジン駆動輪、エンジンの非駆動輪を駆動可能にする電動モータ、電動モータによって駆動されるモータ駆動輪、エンジンと連結され概電動モータを直接駆動する発電機を備えた車両の制御装置であって、
   エンジン駆動輪にホイールスピンが発生すると、発電機の発電量を低減することを特徴とした、車両用の制御装置。

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