JP3893395B2 - ハイブリッド電気自動車の駆動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関（以下エンジンという）と電動機（以下、モータという）とを組み合わせたハイブリッド原動機を駆動源とするハイブリッド電気自動車における変速要求時の制御技術に関する。

従来、回転力の伝達効率の点で歯車式変速機が流体式変速機や無段変速機に比較して格段に優れることから、本願出願人は、特許文献１に示すように、モータ出力を歯車式の有段変速機で調整して駆動輪に伝達するようにした構成の技術を開発してきた。その際、トルクコンバータ付ＡＴ車に慣れた運転者にとって、通常の機械式変速機の場合に必要となる変速操作が煩わしく、変速対象ギアの周速を同期させて自動的に変速する方法を採用した。
特開２０００―１６８４０４号公報

しかしながら、上記方式には、ギアの噛み合いを実行するためのアクチュエータとしてステッピングモータか油圧シリンダ、ソレノイドなどのいずれかを複数個加えて設置する必要があり、これまでの量産品とは異なる仕様が必要となる。これは、たちまちコストアップにつながり、試作段階では良くても、商品車の開発段階では問題となった。
そこで、従来から量産されているＡＴ車のトルクコンバータ部を取り除いて、電子制御される機械式油圧変速機をモータに直結して試したところ、変速機の周辺部には若干の改造が必要であるが、変速機本体は原形の量産品をそのまま利用でき、良い結果を得られた。

ただし、内燃機関（以下、エンジン）とモータを組み合わせて構成されるハイブリッド原動機を使用する場合、特定のシーケンスで制御することにより、上記変速時の同期制御を応答良くスムースに行えることが判明した。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、エンジンとモータで構成されるハイブリッド原動機を備え、電子制御される機械式の有段変速機を用いて変速を行うパワートレイン構造とする一方、エンジン、モータ、変速機などを特定のシーケンスで制御することにより、運転者の変速意志に対し、応答よくスムースに変速できるようにしたハイブリッド自動車の制御装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１に係る発明は、パワートレイン構造については、エンジンとモータの駆動軸相互を連結し、前記モータの駆動軸を、電子制御される有段変速機の入力軸に連結し、前記変速機の出力軸を車両駆動軸に連結する構成とした。
そして、前記エンジン、モータおよび変速機を制御する駆動制御手段を設け、
変速要求があったときは、エンジンの回転速度を変速前の回転速度に維持して無負荷運転する制御を開始した後、前記電動機の回転速度を、変速前の回転速度に維持して無負荷運転することにより前記変速機の出力軸回転速度に追随させる制御を開始し、変速機の変速制御を開始し、モータの回転速度を、変速後における変速機の入力軸回転速度に同期させ、エンジンを変速後の要求出力に制御し、モータを変速後の要求出力に制御するというシーケンスで、エンジン、モータおよび変速機を制御する構成とした。

このようにすれば、変速時におけるエンジン及びモータの同期制御において、制御応答の遅いエンジンの無負荷運転を、モータの無負荷運転に先立って開始させて、変速後の変速機入力軸回転速度に同期させ、変速ショックを抑制しつつ変速を行え、その後、速やかに、変速後の要求出力に回復させることができる。

また、請求項２に係る発明は、パワートレイン構造については、上記請求項１に係る発明の構成に追加して、エンジンとモータの駆動軸相互を駆動力の伝達／遮断切り換え自由なクラッチを介して連結した構成とする。
そして、エンジン、モータ、変速機およびクラッチを制御する駆動制御手段を設け、
変速要求があったときは、エンジンの回転速度を、変速前の回転速度に維持して無負荷運転する制御を開始した後、モータの回転速度を、変速前の回転速度に維持して無負荷運転することにより変速機の出力軸回転速度に追随させる制御を開始し、クラッチを遮断し、変速機の変速制御を開始し、モータの回転速度を、変速後における変速機の入力軸回転速度に同期させ、エンジンおよびモータを、それぞれ変速後の要求出力に制御し、エンジンおよびモータの回転速度が一致するタイミングでクラッチを接続するというシーケンスで、エンジン、モータ、変速機およびクラッチを制御する構成とした。

このようにすれば、変速時には、クラッチにより、エンジンとモータの駆動力伝達が切り離された後、エンジンの慣性モーメントのない状態でモータのみを同期制御して変速操作するので、可及的に速やかに同期制御を完了させて変速を完了でき、その後、エンジンおよびモータを要求出力に回復させ、回転速度が一致したときにクラッチを接続するのでショックを生じることなく駆動力を伝達できる。

また、請求項３に係る発明は、請求項２に係る発明において、前記クラッチとして、電磁クラッチを用いる構成としたため、可及的速やかに駆動力の伝達／遮断を切り換えることができる。
また、請求項４に係る発明は、前記有段変速機として、電子制御されるソレノイド弁により油圧回路を切り換えて油圧を制御することによって変速を行う変速機を用いる構成とした。

このようにすれば、一般のＡＴ車に搭載されるトルコン付き変速機からトルクコンバータを取り除いた量産品の変速機本体を使用することができ、低コスト化で信頼性の高い制御を確保できる。
また、請求項５に係る発明は、請求項４に係る発明において、前記変速機に、制御油圧を解放自由な電子制御式のリリーフ弁を設け、前記駆動制御手段は、モータの回転速度を変速前における前記変速機の出力軸回転速度に追随させる制御を行った後に、リリーフ弁を駆動して制御油圧を解放し、その後、モータの回転速度を変速後における変速機の入力軸回転速度に同期させる制御を行った後、リリーフ弁を閉じて制御油圧を回復させた後に、エンジンおよびモータの出力を回復する制御に移行するという手順を含むシーケンスで制御する構成とした。

このようにすれば、変速機の変速操作前に制御油圧が解放されるので、変速機が中立状態である時間を十分に確保でき、この間に、エンジンおよびモータ（請求項２のクラッチを有する場合はモータのみ）の回転同期制御を確実に完了させることができ、変速ショックを十分に回避することができる。
また、請求項６に係る発明は、リリーフ弁を駆動したときに解放されたオイルによって、前記モータの回転速度制御用のインバータを冷却する構成とした。

このようにすれば、上記リリーフ弁から解放されたオイルを利用して、簡易な構成で良好なインバータの冷却を行うことができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の図において、同一の機能を有するものには同一の符号を付して説明する。
図１は、最も基本的（簡易的）な、第１の実施形態を示す。
本実施形態では、エンジン１とモータ２との駆動軸相互が連結されてハイブリッド原動機が構成され、前記モータ２の出力側には、電子制御される機械式変速機３が連結され、該変速機３の出力軸３ａが車軸４と連結して駆動輪５を駆動する。

前記機械式変速機３は、一般のＡＴ車におけるトルクコンバータ付き変速機から、トルクコンバータを取り除いた変速機本体と同様の構造を有し、電子制御でソレノイド弁の開閉により油圧回路を切り換えることにより、噛み合う歯車の組み合わせを切り換えて変速するように構成されている。
変速制御などのため必要なセンサ類として、エンジン回転速度Ｎｅを検出するエンジン回転速度センサ１１、変速機出力軸の回転速度を検出する出力軸回転速度センサ１２が設けられ、これら検出信号は、コンピュータを内蔵したコントロールユニット６に入力される。

前記コントロールユニット６は、本発明に係るシーケンスにより、エンジン１およびモータ２の回転速度を、それぞれエンジン回転速度調節装置２１、モータ回転速度調節装置２２を介して制御し、前記変速機３の変速制御ソレノイド３１を制御して変速を行う。
図２は、上記変速制御のフローを示す。
ステップＳ１では、変速要求が発生したかを判定する。これは、運転者のシフト操作によって変速段毎に発生する変速要求信号、あるいは、通常のＡＴ車同様にドライブモードの中で車速乃至エンジン回転速度とスロットル開度などに基づいて発生するシフト要求のいずれにも適用できる。

ステップＳ２では、まず、エンジン１に対し、エンジン回転速度を、変速前の回転速度に維持して無負荷運転する制御を開始する。具体的には、後述するようにモータ２の回転速度を、変速前後において、変速機出力軸３ａの回転速度に追随するように制御するが、エンジン１は、モータ２に比較して応答が遅いので、エンジン１の方から先に、制御を開始する。

次いで、ステップＳ３では、少し時間遅れを持たせてモータ２の回転速度を、変速前（現在）の回転速度で変速機出力軸３ａの回転速度に追随する制御を開始する。すなわち、モータ２と変速機出力軸３ａが切り離された無負荷運転で、現在の回転速度Ｎｍを維持できる出力に制御する。

次いで、ステップＳ４では、変速機３の変速制御ソレノイド３１に、上記要求に応じた変速制御信号を出力する。これにより、変速油圧回路に介装されたソレノイド弁の開閉が切り換えられ、現在の変速段に対応する変速要素の締結が解放されると同時に、新たな変速段に対応する変速要素が締結されて変速操作される制御が開始される。
ここで、該変速機３の変速制御に先立ってエンジン１およびモータ２が変速前の回転速度で無負荷運転されるように制御されているので、変速前の変速要素の締結が解放されたときのショックを抑制できる。

次いで、ステップＳ５では、モータ２の回転速度を、変速後における変速機入力軸回転速度に同期するように制御する。
ここで、モータ２の制御応答は、油圧式の変速機３の制御応答より早いので、前記新たな変速段に対応する変速要素が締結される際には、該変速段での変速機入力軸回転速度に同期させておくことができる。また、エンジン１については、前記モータ２の変速後における変速機入力軸回転速度に同期する制御に先立って制御することにより、遅れなく変速後の変速機入力軸回転速度に同期させることができる。

これにより、変速後の変速要素が締結されるときのショックも抑制できる。
次いで、ステップＳ６では、エンジン１の出力を変速後の要求出力（目標トルク）に回復させる制御を開始する。
次いで、ステップＳ７では、モータ２の出力を変速後の要求出力（目標トルク）に回復させる制御を開始する。

要求出力に回復させる制御についても、エンジン１の方が応答が遅いので、エンジン１の方を先に行うことで、エンジン１とモータ２とを同期させながら出力を回復させることができ、回転変動の発生を抑制できる。
なお、変速前にエンジンが運転されていないときは、上記変速制御のうち、エンジンに関する制御を省略する。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
量産品の電子式油圧制御変速機（ＡＴ車用変速機の変速機本体）では、通常運転者が機械式変速機を手動で操作する場合とは異なり、上述したように、変速前の変速要素の解放操作と変速後の変速要素の締結操作とを同時に開始するので、ほとんど中立状態がない。ＡＴ車のように、トルクコンバータという柔軟性に富む流体を介して駆動力を伝達する機構との組み合わせでは中立は極めて短くてもよいのであるが、出力軸の回転速度を測定しつつギア比を斟酌した回転速度で入力軸側のモータの回転速度を制御し、クラッチレスで機械式歯車変速機の変速を実行しようとする制御方式では、中立状態が短すぎると、回転速度を同期させるのに十分な制御時間を確保することができないので、変速ショックを完全に解消することは難しい。

そこで、第２の実施形態では、変速制御時に、制御油圧を解放して中立状態とすることができるようにした。
量産型のＡＴ車用変速機には、制御油圧の調圧弁はあるが、制御油圧を無くしてしまうリリーフ弁は装着されていない。しかし、油圧回路の一部には必須仕様として制御油圧を整備工場などで測定するための盲蓋が取り付けられている。本実施形態では、図３に示すように、前記盲蓋が装着される逃し孔形成部分に、ソレノイドバルブによって構成される電子的に制御可能なリリーフ弁３２を設け、必要に応じて油圧を逃すことができるように構成した。これは、外部的な変更によって可能であり、量産品である変速機本体には手を加える必要がない。

図４は、第２の実施形態における変速制御のフローを示す。
ステップＳ１１〜Ｓ１３において、第１の実施形態同様にエンジン１とモータ２の回転速度制御を行った後、ステップＳ１４で前記リリーフ弁３２を開いて変速機３内の制御油圧を解放する。
次いで、ステップＳ１５で変速制御信号を出力する。ここで、上記のように制御油圧が解放されているので、変速油圧回路に介装された変速前後に対応するソレノイド弁の開閉が切り換えられるが、この段階では、新たな変速段に対応する変速要素への締結用油圧の供給は行われず締結作用は生じない。

次いで、ステップＳ１６で、前記リリーフ弁３２を閉じて変速機３内の制御油圧を回復する。
これにより、前記新たな変速段に対応する変速要素への締結用油圧の供給が開始され、変速が実行される。
次いで、ステップＳ１７、ステップＳ１８で、エンジン１およびモータ２の出力を、順次変速後の要求出力（目標トルク）に回復させる。

このようにすれば、変速機３での変速前に制御油圧が解放され、変速時に制御油圧が回復するまでの間を中立状態（回転駆動力が伝達されない状態）とすることができるので、この間に、エンジン１およびモータ２の回転速度を変速後の変速機入力軸回転速度に同期させることができ、もって、変速ショックを十分に抑制することができる。
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。

既述のように、エンジンの制御応答がモータに比較して遅いため、エンジン制御をモータ制御より早く開始させる構成としたが、エンジンの応答に合わせてモータ制御を遅らせることになるので、目標速度への収束に遅れを来たし、折角のモータの速やかな応答性能が生かされない。このため、変速時に目標速度に収束する前に車速の低下によって、変速の変更を余儀なくされ、制御が振り出しに戻ってやり直しとなってしまうような場合がありえる。このような事態は、特に、登坂時に発生しやすいと考えられる。

そこで、第３の実施形態では、変速制御時に、エンジンとモータ間にクラッチを設け、変速制御時に、エンジンとモータ間の回転力伝達・遮断を速やかに切り換えて、応答良く変速できるようにした。本実施形態では、上記第２の実施形態で示す構成に加えて、図５に示すように、エンジンとモータ間に電磁クラッチ７を設け、変速時に、以下のシーケンスで制御する。

図４は、第３の実施形態における変速制御のフローを示す。
ステップＳ２１で、エンジン１を、現状の回転速度を維持できる無負荷運転を行う。
ステップＳ２２で、電磁クラッチ７をＯＦＦとしてエンジン１の駆動力伝達を遮断する。
ステップＳ２３〜ステップＳ３０まで、第２の実施形態の図４のステップＳ１２〜ステップＳ１９と同様に制御する。

ステップＳ３１で、出力回復制御を行ったエンジン１の回転速度とモータ２の回転速度が略一致したかを判定し、一致するのを待って、ステップＳ３２で電磁クラッチ７を接続する。
このようにすれば、ステップＳ２２で電磁クラッチ７を遮断することにより、エンジン１の慣性モーメントが切り離され、モータ２のみによって素早く回転速度の同期制御が可能となり、変速制御を可及的に高速化できる。

なお、本実施形態のようにエンジン、モータ間にクラッチを設けて、変速時にエンジンの慣性モーメントを切り離す構成とすれば、通常ＡＴ車に使用されている油圧によって変速する方式の機械式油圧変速機ばかりでなく、変速対象の歯車の周速を一致させて変速する場合に、制御のための駆動装置が電動又は空気圧に関わらず、素早く同期状態に持ち込めるために有効である。

また、クラッチとしては、本実施形態で採用した電磁クラッチが最も素早い制御が可能であり、適合性がある。更に簡易に反応速度の速いクラッチが開発されれば、そのような機構も適合する。
上記シーケンスで、エンジンの出力回復制御とモータの出力回復制御との順序は逆であってもよく、同時であってもよい。すなわち、電磁クラッチ７を遮断後は、モータへの駆動力が伝達されないので、エンジン出力回復制御の開始を任意のタイミングで行うことが可能であり、特にエンジンの応答遅れが大きい場合には、変速機の変速途中など、より早いタイミングで開始することも可能である。ただし、必要以上に出力回復制御を開始することは、燃費を悪くするだけなので、予め、実験などで求めた応答遅れ分だけ早めたタイミングで開始するのが好ましい。

第３の実施形態では、第２の実施形態同様、制御油圧を解放するリリーフ弁を備えた構成としたため、第２の実施形態同様の効果が得られるが、リリーフ弁を備えないものにもクラッチを設けた構成を適用できることは勿論であり、その場合、図６の変速制御のシーケンスで、ステップＳ１４、ステップＳ１６が省略される。
一方、上記第２、第３の実施形態のようにリリーフ弁を設けて制御油圧を解放する構成とした場合、このリリーフ弁から解放されたオイルを冷却に利用することができる。

従来、モータの回転速度制御用に用いられるインバータの冷却には、専用の電動ポンプとラジエータを備え、インバータ内部の半導体素子の冷却に当てていた。
元来の変速機では、変速機内の調圧弁から戻される余剰のオイルは、オイルパンに直接落下させるか、ラジエータを通して冷却後、オイルパンに戻すこととしている。
そこで、本発明の第４の実施形態として、図７に示すように、上記、変速機３内部の調圧弁からのオイルに加えて、前記変速制御時にリリーフ弁３２から解放されるオイルを追加して、冷却ファン３３ａが一体化されたラジエータ３３およびインバータ（モータ制御調整装置）２２およびモータ２を経て変速機３内に戻す冷却油配管３４を設けて構成する。前記ラジエータ３３の容量は、従来の変速機冷却に必要な容量と、前記インバータ２２およびモータ２の冷却に必要な容量を加えた容量とする。

なお、モータ２の回転速度が高まれば、変速機に内蔵されている油圧ポンプの吐出量も増大し、インバータ２２に負荷がかかりがちな変速時にも冷却油量が増大するので、インバータ２２、モータ２冷却のための特別な制御を行うことなく、良好に適合する。
このようにすれば、インバータ冷却専用の電動ポンプおよびその制御システムを省略でき、また、風当たりの良い前部に設けたラジエータ３３と変速機３、およびラジエータ３３とインバータ２２間の冷却油配管を並列に設けることなく、ラジエータ３３、インバータ２２、変速機３間を直列に接続することで１系統に単純化でき、コスト、レイアウト的にも有利である。

また、第５の実施形態として、図８に示すように、ラジエータ３３から分岐弁３５を介してインバータ２２とモータ２とに冷却油配管３４Ａ，３４Ｂを並列接続し、オイルを分流して供給する構成としてもよい。ここで、分岐弁３５は、一定の分流比のものを用いるか、あるいは、分流比を可変なものを用い、インバータ２２とモータ２の温度をセンサで検出して、それぞれの温度に応じて分流比を可変に制御するような構成とすることもできる。

第１の実施形態のシステム構成図 第１の実施形態における変速制御を示すフローチャート 第２の実施形態のシステム構成図 第２の実施形態における変速制御を示すフローチャート 第３の実施形態のシステム構成図 第３の実施形態における変速制御を示すフローチャート 第４の実施形態のシステム構成図 第５の実施形態のシステム構成図

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
２ モータ（電動機）
３ 有段変速機
３ａ 変速機の出力軸
４ 車軸
６ コントロールユニット
７ 電磁クラッチ
１１ クラッチ
１２ 出力軸回転速度センサ
２１ エンジン回転速度調節装置
２２ モータ回転速度調節装置
３１ 変速用ソレノイド
３２ リリーフ弁
３３ ラジエータ
３４ 冷却油配管

Claims (9)

1. 内燃機関と電動機の駆動軸相互を連結し、前記電動機の駆動軸を、電子制御される有段変速機の入力軸に連結し、前記変速機の出力軸を車両駆動軸に連結する一方、
   変速要求があったときに、
   前記内燃機関の回転速度を、変速前の回転速度に維持して無負荷運転する制御を開始した後、
   前記電動機の回転速度を、変速前の回転速度に維持して無負荷運転することにより前記変速機の出力軸回転速度に追随させる制御を開始し、
   前記変速機の変速制御を開始し、
   前記電動機の回転速度を、変速後における前記変速機の入力軸回転速度に同期させ、
   前記内燃機関を変速後の要求出力に制御し、
   前記電動機を変速後の要求出力に制御する
   というシーケンスで、前記内燃機関、電動機および変速機を制御する駆動制御手段
   を設けたことを特徴とするハイブリッド電気自動車の駆動制御装置。
2. 内燃機関と電動機の駆動軸相互を駆動力の伝達／遮断切り換え自由なクラッチを介して連結し、前記電動機の駆動軸を、電子制御される有段変速機の入力軸に連結し、前記変速機の出力軸を車両駆動軸に連結する一方、
   変速要求があったときに、
   前記内燃機関の回転速度を、変速前の回転速度に維持して無負荷運転する制御を開始した後、
   前記電動機の回転速度を、変速前の回転速度に維持して無負荷運転することにより前記変速機の出力軸回転速度に追随させる制御を開始し、
   前記クラッチを遮断し、
   前記変速機の変速制御を開始し、
   前記電動機の回転速度を、変速後における前記変速機の入力軸回転速度に同期させ、
   前記内燃機関および電動機を、それぞれ変速後の要求出力に制御し、
   前記内燃機関および電動機の回転速度が一致するタイミングで前記クラッチを接続する
   というシーケンスで、前記内燃機関、電動機、変速機およびクラッチを制御する駆動制御手段
   を設けたことを特徴とするハイブリッド電気自動車の駆動制御装置。
3. 前記クラッチは、電磁クラッチであることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド電気自動車の駆動制御装置。
4. 前記有段変速機は、電子制御されるソレノイド弁により油圧回路を切り換えて油圧を制御することによって変速を行う変速機であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のハイブリッド電気自動車の駆動制御装置。
5. 前記変速機に、制御油圧を解放自由な電子制御式のリリーフ弁を設け、
   前記駆動制御手段は、前記電動機の回転速度を変速前における前記変速機の出力軸回転速度に追随させる制御を行った後に、前記リリーフ弁を駆動して制御油圧を解放し、その後、電動機の回転速度を変速後における前記変速機の入力軸回転速度に同期させる制御を行った後、前記リリーフ弁を閉じて制御油圧を回復させた後に、前記内燃機関および電動機の出力を回復する制御に移行するという手順を含むシーケンスで制御することを特徴とする請求項４に記載のハイブリッド車両の変速制御装置。
6. 前記リリーフ弁を駆動したときに解放されたオイルと前記変速機内部の調圧弁から戻される余剰のオイルによって、前記電動機の回転速度制御用のインバータおよび電動機の少なくとも一方を冷却することを特徴とする請求項５に記載のハイブリッド電気自動車の駆動制御装置。
7. 前記オイルを、ラジエータで冷却後、インバータおよびモータを直列に経由して変速機に戻す冷却油経路を備えたことを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド電気自動車の駆動制御装置。
8. 前記オイルを、ラジエータで冷却後、分岐弁を介してインバータとモータとに分流させた後、変速機に戻す冷却油経路を備えたことを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド電気自動車の駆動制御装置。
9. 前記分岐弁によるインバータとモータとの分流比を、インバータ温度とモータ温度の検出値に基づいて可変に制御することを特徴とする請求項８に記載のハイブリッド電気自動車の駆動制御装置。

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