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CN101115650B - 混合动力车辆以及混合动力车辆的控制方法 - Google Patents

混合动力车辆以及混合动力车辆的控制方法 Download PDF

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CN101115650B
CN101115650B CN2006800045580A CN200680004558A CN101115650B CN 101115650 B CN101115650 B CN 101115650B CN 2006800045580 A CN2006800045580 A CN 2006800045580A CN 200680004558 A CN200680004558 A CN 200680004558A CN 101115650 B CN101115650 B CN 101115650B
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渡边秀人
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Abstract

在装有与通过齿轮机构连接于车轴的驱动轴连接的发动机和电机的混合动力车辆中，在要求发动机启动时(步骤S130和S180)，在电机的输出扭矩(先前的Tm2*)不低于预定参考输出扭矩Tm2ref时(S190)，本发明的驱动控制启动发动机(S220)。在电机输出扭矩(先前的Tm2*)低于预定参考输出扭矩Tm2ref(S190)、扭矩指令Tr*低于预定参考扭矩值Tref(S200)及蓄电池充电状态SOC不低于预定参考充电值Sref(S210)条件下，该驱动控制与启动要求无关地将发动机保持于停止状态(S140)。该布置有效降低由发动机启动时施加到驱动轴的扭矩波动导致在齿轮机构中存在齿隙或齿轮打击声的可能。

Description

混合动力车辆以及混合动力车辆的控制方法
技术领域
本发明涉及混合动力车辆以及混合动力车辆的控制方法。
背景技术
在一种已提出的混合动力车辆中，内燃机和电机MG1通过行星齿轮单元连接于驱动轴，所述驱动轴通过齿轮机构连接于车轴，并且电机MG2连接于驱动轴，根据发动机的起动要求是否取决于驾驶员的意图而选择发动机的起动模式(例如，见日本专利公开公报No.2004-143957)。在根据驾驶员意图起动发动机的情况下，例如，响应于驾驶员对动力需求的需要，该提出的混合动力车辆以较大的起转(cranking)扭矩驱动并控制电机MG1。另一方面，在与驾驶员的意图无关的方式起动发动机的情况下，例如，响应于蓄电池的充电状态降低至预定值或降低得低于预定值，该提出的混合动力车辆以较小的起转扭矩驱动并控制电机MG1。在与驾驶员的意图无关地起动发动机时，这种控制减小了潜在的扭矩冲击。
发明内容
除减小发动机起动时的潜在扭矩冲击以外，混合动力车辆中的另一个重要挑战是减少发动机起动时出现齿轮机构中的齿隙(backlash，轮齿侧向间隙)或齿轮的咔嗒声的可能性。因此自然要求混合动力车辆要响应于驾驶员的需求。因此高度期望对混合动力车辆中这些要求的同步追求。
因此本发明的混合动力车辆以及混合动力车辆的控制方法目的在于减少内燃机起动时出现齿轮机构中的齿隙或齿轮的咔嗒声的可能性。本发明的混合动力车辆以及混合动力车辆的控制方法目的还在于响应驾驶员的需求。本发明的混合动力车辆以及混合动力车辆的控制方法目的还在于防止蓄电器单元被过度地放电。
为了实现上述和其他相关目的的至少部分，本发明的混合动力车辆以及混合动力车辆的控制方法具有以下方案。
本发明涉及一种安装有构成为向连接于车轴的驱动轴输出动力的内燃机、以及输入和输出动力的电机的混合动力车辆。
所述混合动力车辆包括：电力-机械动力输入输出机构，所述电力-机械动力输入输出机构连接到所述内燃机的输出轴并连接到所述驱动轴，并且通过电力和机械动力的输入和输出而将所述内燃机的输出动力的至少部分输出到所述驱动轴；齿轮式动力传输结构，所述齿轮式动力传输结构通过齿轮机构连接所述驱动轴与所述电机的旋转轴以使得能够在所述驱动轴与所述旋转轴之间传输动力；蓄电器单元，所述蓄电器单元能够从所述电机和所述电力-机械动力输入输出机构输入电力和向所述电机和所述电力-机械动力输入输出机构输出电力；要求驱动力设定组件，所述要求驱动力设定组件设定要输出到所述驱动轴的要求驱动力；停止-起动要求组件，所述停止-起动要求组件在满足预定运行停止条件的情况下给出所述内燃机的停止要求，以及在满足预定运行起动条件(运行开始条件)的情况下给出所述内燃机的起动要求；和控制组件，在由所述停止-起动要求组件给出所述起动要求时所述齿轮机构中的齿隙调节程度满足预定条件时，所述控制组件控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以起动所述内燃机并确保将相当于所设定的要求驱动力的驱动力输出到所述驱动轴，在给出所述起动要求时所述齿轮机构中的齿隙调节程度不满足所述预定条件时，所述控制组件控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以使得与所述起动要求无关地将所述内燃机保持在停止状态下并确保将相当于所设定的要求驱动力的驱动力输出到所述驱动轴。
在满足预定运行起动条件下给出起动要求时所述齿轮机构中的齿隙调节程度满足预定条件时，本发明的混合动力车辆控制内燃机、电力-机械动力输入输出机构和电机，以起动所述内燃机并确保将相当于要求驱动力的驱动力输出到所述驱动轴。在满足预定运行起动条件下给出起动要求时所述齿轮机构中的齿隙调节程度不满足所述预定条件时，本发明的混合动力车辆控制内燃机、电力-机械动力输入输出机构和电机，以使得与所述起动要求无关地将所述内燃机保持在停止状态下并确保将相当于所设定的要求驱动力的驱动力输出到所述驱动轴。这种布置有效地减少了内燃机起动时出现齿轮机构中的齿隙或齿轮的咔嗒声的可能性，从而保持良好的驾驶性能。
在本发明混合动力车辆的一个优选应用中，在给出所述起动要求时所述电机的输出扭矩不低于预定参考扭矩值时，所述控制组件确定所述齿轮机构中的齿隙调节程度满足所述预定条件，并控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机以起动所述内燃机。在给出所述起动要求时所述电机的输出扭矩低于所述预定参考扭矩值时，所述控制组件确定所述齿轮机构中的齿隙调节程度不满足所述预定条件，并控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机以将所述内燃机保持在停止状态下。这种布置确保适当地确定齿轮机构中的齿隙调节程度是否满足预定条件。
在本发明混合动力车辆的另一个优选应用中，在给出所述起动要求时所设定的要求驱动力不低于预定参考驱动力值时，所述控制组件控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以与所述齿轮机构中的齿隙调节程度无关地起动所述内燃机。这种布置有利地响应驾驶员的要求。
在本发明混合动力车辆的另一个优选应用中，在给出所述起动要求时所述蓄电器单元的充电状态低于预定参考充电量时，所述控制组件控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以与所述齿轮机构中的齿隙调节程度无关地起动所述内燃机。这种布置有利地防止所述蓄电器单元被过度地放电。在给出所述起动要求时所述蓄电器单元的充电状态不低于所述预定参考充电量并且所述齿轮机构中的齿隙调节程度不满足所述预定条件的情况下、处于将所述内燃机保持在停止状态下的控制下时，当所述蓄电器单元的充电状态降低得低于所述预定参考充电量时，所述控制组件可控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以与所述齿轮机构中的齿隙调节程度无关地起动所述内燃机。
在本发明的一个优选实施例中，所述混合动力车辆还包括：动力要求设定组件，所述动力要求设定组件基于所设定的要求驱动力设定所述驱动轴所需的要求动力。所述停止-起动要求组件设定参考动力值使其随着所述蓄电器单元的充电状态的降低而降低，并且当所设定的要求动力高于所述参考动力值时，确定满足所述预定运行起动条件以给出所述内燃机的起动要求。这种布置促进所述蓄电器单元的较低充电状态下的预定运行起动条件的满足(成立)。
在混合动力车辆的另一个优选应用中，所述电力-机械动力输入输出机构包括：三轴式动力输入输出组件，所述三轴式动力输入输出组件连接到三个轴，即所述内燃机的所述输出轴、所述驱动轴和所述电机的旋转轴，并基于从所述三个轴之中任意两个轴输入和向该任意两个轴输出的动力，而自动从剩下的一个轴输入和向该剩下的一个轴输出动力；和另一个电机，所述另一个电机能够从所述旋转轴输入动力和向所述旋转轴输出动力。所述电力-机械动力输入输出机构包括：双转子电机，所述双转子电机具有与所述内燃机的所述输出轴相连的第一转子和与所述驱动轴相连的第二转子，并通过所述第一转子与所述第二转子的相对旋转而被驱动旋转。
本发明涉及一种混合动力车辆的控制方法，所述混合动力车辆包括：内燃机；电力-机械动力输入输出机构，所述电力-机械动力输入输出机构连接到所述内燃机的输出轴并连接到驱动轴，并且通过电力和机械动力的输入和输出而将所述内燃机的输出动力的至少部分输出到所述驱动轴；电机，用于输入和输出动力；齿轮式动力传输结构，所述齿轮式动力传输结构通过齿轮机构连接所述驱动轴与所述电机的旋转轴以使得能够在所述驱动轴与所述旋转轴之间传输动力；以及蓄电器单元，所述蓄电器单元能够从所述电机和所述电力-机械动力输入输出机构输入电力和向所述电机和所述电力-机械动力输入输出机构输出电力。在满足预定运行起动条件的情况下给出所述内燃机的起动要求时所述齿轮机构中的齿隙调节程度满足预定条件时，所述控制方法控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以起动所述内燃机并确保将相当于预定的要求驱动力的驱动力输出到所述驱动轴。在给出所述起动要求时所述齿轮机构中的齿隙调节程度不满足所述预定条件时，所述控制方法控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以使得与所述起动要求无关地将所述内燃机保持在停止状态下并确保将相当于所述预定的要求驱动力的驱动力输出到所述驱动轴。
在满足预定运行起动条件下给出起动要求时所述齿轮机构中的齿隙调节程度满足预定条件时，本发明的控制方法控制内燃机、电力-机械动力输入输出机构和电机，以起动所述内燃机并确保将相当于要求驱动力的驱动力输出到所述驱动轴。在满足预定运行起动条件下给出起动要求时所述齿轮机构中的齿隙调节程度不满足所述预定条件时，本发明的控制方法控制内燃机、电力-机械动力输入输出机构和电机，以使得与所述起动要求无关地将所述内燃机保持在停止状态下并确保将相当于所设定的要求驱动力的驱动力输出到所述驱动轴。这种布置有效地减少了内燃机起动时出现齿轮机构中的齿隙或齿轮的咔嗒声的可能性，从而保持良好的驾驶性能。
在本发明的一个优选实施例中，在给出所述起动要求时所述电机的输出扭矩不低于预定参考扭矩值时，所述控制方法确定所述齿轮机构中的齿隙调节程度满足所述预定条件，并控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机以起动所述内燃机。在给出所述起动要求时所述电机的输出扭矩低于所述预定参考扭矩值时，所述控制方法确定所述齿轮机构中的齿隙调节程度不满足所述预定条件，并控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机以将所述内燃机保持在停止状态下。这种布置确保适当地确定齿轮机构中的齿隙调节程度是否满足预定条件。
在本发明的另一个优选实施例中，在给出所述起动要求时所设定的要求驱动力不低于预定参考驱动力值时，所述控制方法控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以与所述齿轮机构中的齿隙调节程度无关地起动所述内燃机。这种布置有利地响应驾驶员的指令。
在本发明的另一个优选实施例中，在给出所述起动要求时所述蓄电器单元的充电状态低于预定参考充电量时，所述控制方法控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以与所述齿轮机构中的齿隙调节程度无关地起动所述内燃机。这种布置有利地防止所述蓄电器单元被过度地放电。在给出所述起动要求时所述蓄电器单元的充电状态不低于所述预定参考充电量并且所述齿轮机构中的齿隙调节程度不满足所述预定条件的情况下、处于将所述内燃机保持在停止状态下的控制下时，当所述蓄电器单元的充电状态降低得低于所述预定参考充电量时，所述控制方法控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以与所述齿轮机构中的齿隙调节程度无关地起动所述内燃机。
附图说明
图1示意性地示出了本发明一个实施例中混合动力车辆的结构；
图2是流程图，示出了由包含在本实施例混合动力车辆中的混合电子控制单元执行的驱动控制程序(例程)；
图3示出了要求扭矩值设定图的一个示例；
图4是示出了参考动力值Pref相对于蓄电池的充电状态SOC的变化的图；
图5示出了用于设定目标转速Ne*和目标扭矩Te*的发动机有效工作曲线；
图6是示出了包含在本实施例混合动力车辆中的动力分配集中机构的各个转动元件的扭矩转速动力学关系的列线图；
图7示意性地示出了作为一个变形例的另一混合动力车辆的结构；和
图8示意性地示出了作为另一个变形例的另一混合动力车辆的结构。
具体实施方式
下面将作为一个优选实施例描述执行本发明的一个模式。图1示意性地示出了本发明一个实施例中混合动力车辆20的结构。如所示出的，该实施例的混合动力车辆20包括发动机22、通过缓冲器28与用作发动机22的输出轴的曲轴26相连接的三轴型动力分配集中机构30、与动力分配集中机构30相连接并且具有发电能力的电机MG1、通过减速器35连接于动力分配集中机构30的另一个电机MG2、以及控制整个动力输出装置的混合电子控制单元70。
发动机22是消耗碳氢燃料，诸如汽油或轻油，以输出动力的内燃机。发动机电子控制单元24(在下文中称之为发动机ECU24)接收来自于用于检测发动机22的运行状态的各种传感器的信号，并负责发动机22的运行控制，例如，燃料喷射控制、点火控制、以及吸入空气流量调节。发动机ECU24与混合电子控制单元70相通信以响应于从混合电子控制单元70中接收的控制信号控制发动机22的运行，同时根据要求向混合电子控制单元70输出与发动机22的运行状态相关的数据。
动力分配集中机构30具有作为外部齿轮的太阳齿轮31、作为内部齿轮并被布置得与太阳齿轮31同心的齿圈32、与太阳齿轮31以及与齿圈32相啮合的多个小齿轮33、以及以允许其自由旋转以及在相应轴上自由转动的这样一种方式支撑多个小齿轮33的行星架34。也就是说，动力分配集中机构30被构成为可供作为转动元件的太阳齿轮31、齿圈32以及行星架34的差速运动的行星齿轮机构。动力分配集中机构30中的行星架34、太阳齿轮31以及齿圈32分别与发动机22的曲轴26、与电机MG1、以及通过齿圈轴32a与减速器35相连接。当电机MG1用作发电机时，从发动机22中输出并通过行星架34输入的动力根据传动比被分配到太阳齿轮31和齿圈32中。另一方面，当电机MG1用作电动机时，从发动机22中输出并通过行星架34输入的动力与从电机MG1中输出并通过太阳齿轮31输入的动力相组合，并且所组合的动力被输出到齿圈32。因此输出到齿圈32的动力最终通过齿轮机构37、差速器38和车轴36从齿圈轴32a中被传输到驱动轮39a和39b。
电机MG1和电机MG2都被构成为可作为发电机以及可作为电动机被驱动的已知同步电动发电机。电机MG1和电机MG2通过逆变器41和42向蓄电池50中以及从蓄电池50中传输电力。将逆变器41和42与蓄电池50相连接的电力线54被构成为由逆变器41和42共用的正极总线和负极总线。这种设置能够使得电机MG1和电机MG2中之一所产生的电力可由另一个电机消耗。因此蓄电池50可被充以电机MG1或电机MG2中任一个所产生的剩余电力，以及放电以补充不足的电力。当实现电机MG1和电机MG2之间的电力输入和输出平衡时，蓄电池50既不充电也不放电。这两个电机MG1和MG2的运行都由电机电子控制单元40(在下文中称之为电机ECU40)控制。电机ECU40接收控制电机MG1和MG2的运行所需的各种信号，例如，来自于用于检测电机MG1和MG2中转子的转动位置的转动位置检测传感器43和44的信号以及施加于电机MG1和MG2并由电流传感器(未示出)测得的相电流。电机ECU40向逆变器41和42输出切换(开关)控制信号。电机ECU40执行转速计算程序(未示出)以从转动位置检测传感器43和44的输入信号计算电机MG1和MG2的各个转子的转速Nm1和Nm2。电机ECU40与混合电子控制单元70相通信以响应于从混合电子控制单元70中接收的控制信号控制电机MG1和MG2的运行，同时根据要求向混合电子控制单元70输出与电机MG1和MG2的运行状态相关的数据。
蓄电池50处于蓄电池电子控制单元(在下文中称之为蓄电池ECU)52的控制下。蓄电池ECU52接收用于蓄电池50的控制所需的各种信号，例如，由设置在蓄电池50的端子之间的电压传感器51a测量的端子间电压Vb、由连接于与蓄电池50的输出终端相连接的电力线54的电流传感器51b测量的充放电电流、以及由连接于蓄电池50的温度传感器51c测量的蓄电池温度Tb。蓄电池ECU52根据要求通过通信向混合电子控制单元70输出与蓄电池50的状态相关的数据。蓄电池ECU52基于电流传感器51b所测量的累积充放电电流Ib计算蓄电池50的充电状态(SOC)，用于蓄电池50的控制。
混合电子控制单元70被构成为包括CPU72、储存处理程序的ROM74、临时储存数据的RAM76、未示出的输入-输出端口、以及未示出的通信端口的微处理器。混合电子控制单元70通过输入端口接收各种输入：来自于点火开关80的点火信号、来自于用于检测变速杆81的当前位置的换档位置传感器82的换档位置SP、来自于测量加速器踏板83的踩踏量的加速器踏板位置传感器84的加速器开度Acc、来自于测量制动器踏板85的踩踏量的制动器踏板位置传感器86的制动器踏板位置BP、以及来自于车速传感器88的车速V。混合电子控制单元70通过通信端口与发动机ECU24、电机ECU40、以及蓄电池ECU52相通信以向发动机ECU24、电机ECU40、以及蓄电池ECU52中以及从发动机ECU24、电机ECU40、以及蓄电池ECU52中传输各种控制信号和数据，如前面所述的。
如此构成的本实施例的混合动力车辆20，基于车速V和相当于驾驶员的加速器踏板83的踩踏量的加速器开度Acc的观测值，计算将被输出到用作驱动轴的齿圈轴32a的要求扭矩。对发动机22和电机MG1和MG2进行运行控制以向齿圈轴32a输出与所计算的要求扭矩值相对应的要求动力值。发动机22和电机MG1和MG2的运行控制选择性地实现扭矩转换驱动模式、充放电驱动模式、以及电机驱动模式中的一个。扭矩转换驱动模式控制发动机22的运行以输出与要求动力值相当的动力量，同时驱动和控制电机MG1和MG2以使得从发动机22中输出的所有动力借助于动力分配集中机构30和电机MG1和MG2经受扭矩转变并输出到齿圈轴32a。充放电驱动模式控制发动机22的运行，以输出与要求动力值和通过为蓄电池50充电所消耗的或通过使得蓄电池50放电所供应的电力量的合计值相当的动力量，同时伴随蓄电池50的充电或放电，驱动和控制电机MG1和MG2以使得从发动机22中输出的所有或部分动力相当于借助于动力分配集中机构30和电机MG1和MG2经受扭矩转变并输出到齿圈轴32a的要求动力值。电机驱动模式停止发动机22的运行并驱动和控制电机MG2以向齿圈轴32a输出与要求动力值相当的动力量。
下面将针对具有上述结构的本实施例的混合动力车辆20的一系列控制操作进行描述。图2是示出了由混合电子控制单元70执行的驱动控制程序的流程图。在预定时间间隔，例如每数毫秒，重复地执行该驱动控制程序。
在该驱动控制程序中，混合电子控制单元70的CPU72首先输入控制所需的各种数据，即，来自于加速器踏板位置传感器84的加速器开度Acc、来自于车速传感器88的车速V、电机MG1和MG2的转速Nm1和Nm2、蓄电池50的充电状态SOC、待充入到蓄电池50中或待从蓄电池50中放出的充放电要求功率Pb＊以及蓄电池50的输出极限Wout(步骤S100)。电机MG1和MG2的转速Nm1和Nm2是从转动位置检测传感器43和44所检测的电机MG1和MG2中各个转子的转动位置计算出的，并通过通信从电机ECU40被接收。蓄电池50的充电状态SOC是从由电流传感器51b所检测的蓄电池50的累积充放电电流Ib计算出的，并且是通过通信从蓄电池ECU52中接收的。蓄电池50的充放电要求功率Pb＊是基于蓄电池50的充电状态SOC设定的并且是通过通信从蓄电池ECU52中接收的。蓄电池50的输出极限Wout是基于蓄电池温度Tb和充电状态SOC设定的并且是通过通信从蓄电池ECU52中接收的。
在数据输入之后，CPU72基于输入的加速器开度Acc和输入的车速V，设定待输出到齿圈轴32a或驱动轴的要求扭矩值Tr＊和发动机22所需的发动机要求动力Pe＊(要求功率)(步骤S110)。本实施例中设定要求扭矩值Tr＊的具体程序预先将要求扭矩值Tr＊相对于加速器开度Acc和车速V的变化作为要求扭矩值设定图储存在ROM74中，并且从该要求扭矩值设定图中读出与给定的加速器开度Acc和给定的车速V相对应的要求扭矩值Tr＊。在图3中示出了要求扭矩值设定图的一个示例。将发动机要求动力Pe＊计算为要求扭矩值Tr＊和齿圈轴32a的转速Nr的乘积、待充入到蓄电池50中或待从蓄电池50中放出的充放电要求功率Pb＊以及潜在损失的合计。通过用减速器35的传动比Gr除电机MG2的转速Nm2或通过用车速V乘以转换系数k获得齿圈轴32a的转速Nr。
之后CPU72基于蓄电池50的充电状态SOC设定参考动力值Pref(步骤S120)并在发动机要求动力Pe＊与参考动力值Pref之间进行比较以及在蓄电池50的充电状态SOC和预定参考充电值Sref之间进行比较(步骤S130)。这些比较的结果判定是要求还是不要求发动机22的运行。参考动力值Pref用作用于基于驾驶员的要求判定要求发动机22的运行或不要求其运行的标准。本实施例中设定参考动力值Pref的具体程序预先将参考动力值Pref相对于蓄电池50的充电状态SOC的变化作为图储存在ROM74中，并且从该图中读出与给定的充电状态SOC相对应的参考动力值Pref。图4的图作为实例示出了参考动力值Pref相对于蓄电池50的充电状态SOC的变化。在所示的图中，参考动力值Pref被设定为随着蓄电池50的充电状态SOC的降低而降低。较低蓄电池50的充电状态SOC导致将运行的发动机22保持在其运行状态中的较高可能性以及满足停止状态下的发动机22的启动要求的条件的较高可能性。稍后将描述这样设定参考动力值Pref的原因。参考充电值Sref用作用于基于蓄电池50的充电状态SOC判定要求发动机22的运行或不要求其运行的标准并取决于蓄电池50的特征。
当在步骤S130中发动机要求动力Pe＊不高于预定参考动力值Pref并且当蓄电池50的充电状态SOC不低于预定参考充电值Sref时，CPU72判定为要求发动机22停止。因此CPU72将发动机22的目标转速Ne*和目标扭矩Te*两者都设定为0(步骤S140)并将电机MG1的扭矩指令值设定为0(步骤S150)。之后CPU72用电机MG2的转速Nm2除蓄电池50的输出极限，以计算作为从电机MG2中输出的最大可能扭矩的扭矩上限Tmax(步骤S160)，并用减速器35的传动比Gr除扭矩指令值Tr＊以计算作为待从电机MG2中输出的扭矩的假定(tentative)电机扭矩Tm2tmp(步骤S170)。通过将所计算的假定电机扭矩Tm2tmp限制为扭矩上限Tmax而设定电机MG2的扭矩指令Tm2＊(步骤S270)。电机MG2的扭矩指令Tm2＊的所述设定将待输出到齿圈轴32a或驱动轴的扭矩指令Tr＊限制在蓄电池50的输出极限Wout的范围内。
在设定发动机22的目标转速Ne*和目标扭矩Te*以及电机MG1和MG2的扭矩指令Tm1＊和Tm2＊之后，CPU72将发动机22的目标转速Ne*和目标扭矩Te*输送到发动机ECU24，以及将电机MG1和MG2的扭矩指令Tm1＊和Tm2＊输送到电机ECU40(步骤S280)并从该驱动控制程序中退出。发动机ECU24接收都设定为0的目标转速Ne*和目标扭矩Te*并停止运行中的发动机22或将发动机22保持在停止状态下。电机ECU40接收扭矩指令Tm1＊和Tm2＊并执行包含在相应逆变器41和42中的切换元件的切换控制以用扭矩指令Tm1＊驱动电机MG1以及用扭矩指令Tm2＊驱动电机MG2。
另一方面，当在步骤S130中发动机要求动力Pe＊高于预定参考动力值Pref或当蓄电池50的充电状态SOC低于预定参考充电值Sref时，CPU72判定为要求发动机22运行。因此CPU72接着判断发动机22是否已停止(步骤S180)。当在步骤S180判定发动机22未停止而是运行时，CPU72将发动机22的目标转速Ne*和目标扭矩Te*设定得与发动机要求动力Pe＊相对应。根据确保发动机22的有效工作的有效工作曲线和发动机要求动力Pe＊的曲线确定发动机22的目标转速Ne*和目标扭矩Te*。图5示出了用于设定目标转速Ne＊和目标扭矩Te＊的发动机22的有效工作曲线。如图5中清楚示出的，目标转速Ne＊和目标扭矩Te＊作为有效工作曲线和恒定发动机要求动力Pe＊的曲线之间的交点(＝Ne＊×Te＊)被给出。
在设定发动机22的目标转速Ne*和目标扭矩Te*之后，CPU72根据下面给出的公式(1)从发动机22的目标转速Ne＊、齿圈轴32a的转速Nr(＝Nm2/Gr)、以及动力分配集中机构30的传动比ρ计算电机MG1的目标转速Nm1＊，同时根据下面给出的公式(2)从所计算的目标转速Nm1＊和电机MG1的当前转速Nm1计算电机MG1的扭矩指令Tm1＊(步骤S240)：
(1)Nm1＊＝Ne＊·(1+ρ)/ρ-Nm2/(Gr·ρ)
(2)Tm1＊＝先前的Tm1＊+k1(Nm1＊-Nm1)+k2∫(Nm1＊-Nm1)dt
公式(1)是包含在动力分配集中机构30中的转动元件的动力学关系式。图6是示出了包含在动力分配集中机构30中的各个转动元件的扭矩-转速动力学关系的列线图。左面的轴“S”表示与电机MG1的转速Nm1相当的太阳齿轮31的转速。中间的轴“C”表示与发动机22的转速Ne相当的行星架34的转速。右面的轴“R”表示齿圈32(齿圈轴32a)的转速Nr。根据该列线图的扭矩-转速动力学关系可容易地获得电机MG1的目标转速Nm1*。通过扭矩指令Tm1＊和目标转速Nm1＊的设定进行的电机MG1的驱动控制，能够使得发动机22在目标转速Ne*下转动。公式(2)是用于在目标转速Nm1＊下驱动并转动电机MG1的反馈控制的关系式。在以上给出的公式(2)中，右侧第二项中的“k1”和第三项中的“k2”分别表示比例项的增益和积分项的增益。图6中轴“R”上的两个向上的粗箭头分别示出了当从发动机22中输出扭矩Te*时直接传输到齿圈轴32a的扭矩，以及当从电机MG2中输出扭矩Tm2*时通过减速器35施加到齿圈轴32a的扭矩。
在电机MG1的目标转速Nm1＊和扭矩指令Tm1＊的计算之后，CPU72根据下面给出的公式(3)计算扭矩上限Tmax(步骤S250)。该计算，从蓄电池50的输出极限Wout中减去扭矩指令Tm1＊与表示电机MG1的功耗(发电)的电机MG1的当前转速Nm1的乘积得出差值，并用电机MG2的当前转速Nm2除该差值：
Tmax＝(Wout-Tm1＊·Nm1)/Nm2　     　　　(3)
之后CPU72根据下面给出的公式(4)从要求扭矩值Tr＊、电机MG1的扭矩指令Tm1＊、动力分配集中机构30的传动比ρ、以及减速器35的传动比Gr计算假定电机扭矩Tm2tmp(步骤S260)：
Tm2tmp＝(Tr＊+Tm1＊/ρ)/Gr　      　　　　(4)
通过将所计算的假定电机扭矩Tm2tmp限制于扭矩上限Tmax而设定电机MG2的扭矩指令Tm2＊(步骤S270)。可容易地从图6的列线图中引出公式(4)。
在设定发动机22的目标转速Ne*和目标扭矩Te*以及电机MG1和MG2的扭矩指令Tm1＊和Tm2＊之后，CPU72将发动机22的目标转速Ne＊和目标扭矩Te＊输送到发动机ECU24，将电机MG1和MG2的扭矩指令Tm1＊和Tm2＊输送到电机ECU40(步骤S280)，并从该驱动控制程序中退出。发动机ECU24接收目标转速Ne＊和目标扭矩Te＊并启动发动机22，同时执行燃料喷射控制和点火控制以在目标转速Ne＊和目标扭矩Te＊的指定驱动点下驱动发动机22。
另一方面，当在步骤S180判定发动机22已停止时，CPU27判定为要求启动发动机22并比较该驱动控制程序的先前循环中作为电机MG2的输出扭矩的电机MG2的扭矩指令Tm2＊的先前设定值(先前的Tm2＊)与预定参考输出扭矩Tm2ref(步骤S190)。参考输出扭矩Tm2ref用作判定齿轮机构37和差速器38是否具有齿隙调节，即，在齿轮机构37中或在差速器38中是否基本上不存在齿隙或齿轮的咔嗒声可能性的标准。在本实施例中，通过用减速器35的传动比Gr除实际上相当于发动机22启动时施加于齿圈轴32a或驱动轴的扭矩波动的最大值的扭矩或更大扭矩，来设定参考输出扭矩Tm2ref。在通过电机MG1拖动(motoring)发动机22以启动发动机22的处理中，由于活塞的往复运动或活塞在发动机22中的摩擦而产生的扭矩波动被施加于齿圈轴32a或驱动轴。当较低扭矩从电机MG2中被输出到齿圈轴32a时，扭矩波动可将输出至齿圈轴32a的正/负扭矩的正负符号颠倒。这可导致齿轮机构37中或差速器38中的齿隙或齿轮的咔嗒声。步骤S190的处理判定是否有齿轮机构37中或差速器38中的齿隙或齿轮的咔嗒声的可能性。当在步骤S190中电机MG2的输出扭矩(先前的Tm2＊)不低于预定参考输出扭矩Tm2ref时，CPU72确定齿轮机构37中或差速器38中具有齿隙调节并且在齿轮机构37中或在差速器38中基本上不存在齿隙或齿轮的咔嗒声的可能性。之后CPU启动发动机(步骤S220)并执行步骤S230以及其后的步骤的处理。
另一方面，当在步骤S190中电机MG2的输出扭矩(先前的Tm2＊)低于预定参考输出扭矩Tm2ref时，CPU72比较扭矩指令Tr＊与预定参考扭矩值Tref(步骤S200)。参考扭矩值Tref用作用于判定要求或不要求向齿圈轴32a或驱动轴输出较大扭矩的标准。例如，当驾驶员将加速器踏板83下压较大深度时，存在向齿圈轴32a输出较大扭矩的要求。参考扭矩值Tref取决于混合动力车辆22的特征。当在步骤S200扭矩指令Tr＊不低于预定参考扭矩值Tref时，CPU72判定要求向齿圈轴32a或驱动轴输出较大扭矩。之后CPU72启动发动机22(步骤S220)并执行步骤S230以及其后的步骤的后续处理。这对应于驾驶员的加速要求。在该状态下，在齿轮机构37中或差速器38中存在齿隙或齿轮的咔嗒声的一些可能性。然而，从驾驶员作出加速指令后允许可能的齿隙或齿轮的咔嗒声。另一方面，当在步骤S200扭矩指令Tr＊低于预定参考扭矩值Tref时，CPU72将蓄电池50的充电状态SOC与预定参考充电值Sref进行比较(步骤S210)。在步骤S210用作判断标准的参考充电值Sref与本实施例中在步骤S130的参考充电值Sref相同，尽管也可将不同值设定给参考充电值Sref。当在步骤S210时蓄电池50的充电状态SOC不低于预定参考充电值Sref时，驱动控制程序进行到步骤S140。在这种状态中，待输出到齿圈轴32a或驱动轴的所需扭矩不太高并且蓄电池50具有作为充电状态SOC的足够高的充电值，而在发动机22启动时在齿轮机构37中或差速器38中存在齿隙或齿轮的咔嗒声的一些可能性。之后CPU72将发动机22的目标转速Ne＊和目标扭矩Te＊都设定为0，以与发动机22的启动要求无关地将发动机22保持在停止状态下(步骤S140)，并执行步骤S150以及其后的步骤的后续处理。这种控制有效地降低了由于发动机22启动时施加到齿圈轴32a或驱动轴的扭矩波动所导致的在齿轮机构37中或差速器38中存在齿隙或齿轮的咔嗒声的可能性。另一方面，当在步骤210中蓄电池50的充电状态SOC低于预定参考充电值Sref时，CPU72启动发动机22(步骤S220)并执行步骤S230以及其后的步骤的后续处理。这有效地防止蓄电池50被过度放电。在电机MG2的输出扭矩(先前的Tm2＊)低于预定参考输出扭矩Tm2ref(步骤S190：是)、扭矩指令Tr＊低于预定参考扭矩值Tref(步骤S200：是)以及蓄电池50的充电状态SOC不低于预定参考充电值Sref(步骤S210：是)等条件下，在用于与发动机22的启动要求无关地将发动机22保持在停止状态下(步骤S140)的控制下，当蓄电池50的充电状态SOC降低得低于预定参考充电值Sref时，驱动控制程序与电机MG2的输出扭矩(先前的Tm2＊)和扭矩指令Tr＊无关地启动发动机22。在根据蓄电池50的充电状态SOC启动发动机22的情况下，在齿轮机构37中或差速器38中存在齿隙或齿轮的咔嗒声的一些可能性。为了更好的驾驶性能，最好使得根据蓄电池50的充电状态SOC启动发动机22的情况最少化。因此，在步骤S120，将参考动力值Pref设定得随蓄电池50的充电状态SOC的降低而降低。在蓄电池50的较低充电状态SOC下，参考动力值Pref的这种设定确保了将运行着的发动机22保持在其运行状态的更高可能性从而防止蓄电池50的充电状态SOC的进一步降低，同时确保停止状态下的发动机22的启动要求的条件成立的更高可能性，以减少根据蓄电池50的较低充电状态SOC启动发动机22的频率。
在上述实施例的混合动力车辆20中，在要求发动机22的启动时，当电机MG2的输出扭矩(先前的Tm2＊)不低于用作判定齿隙调节标准的预定参考输出扭矩Tm2ref的条件下，该驱动控制启动发动机22。在电机MG2的输出扭矩(先前的Tm2＊)低于预定参考输出扭矩Tm2ref的条件下，该驱动控制不启动发动机22。这种设置有效地降低了在齿轮机构37中或差速器38中存在齿隙或齿轮的咔嗒声的可能性。即使当电机MG2的输出扭矩(先前的Tm2＊)低于预定参考输出扭矩Tm2ref时，在扭矩指令Tr*不低于预定参考扭矩值Tref的条件下或者在蓄电池50的充电状态SOC低于预定参考充电值Sref的情况下，该驱动控制启动发动机22。在前一种条件下发动机22的启动有利地响应于驾驶员的加速指令，而在后一种条件下发动机22的启动有效地防止蓄电池50被过度放电。
在本实施例的混合动力车辆20中，用作用于判定要求发动机22的运行或不要求其运行的标准的参考动力值Pref，被设定得随蓄电池50的充电状态SOC的降低而降低。这种设定确保了在蓄电池50的充电状态SOC越低时，将运行着的发动机22保持在其运行状态的更高可能性以及在停止状态下的发动机22的启动要求条件成立的更高可能性。前一种情况有利地防止蓄电池50的充电状态SOC的进一步降低，后一种情况有利地减少根据蓄电池50的较低充电状态SOC启动发动机22的频率。
本实施例的混合动力车辆20执行图2的驱动控制程序，以响应于要求发动机22的启动的判定(步骤S130和S180)在步骤S190至S210的任何启动条件成立时而启动发动机22。该驱动控制程序的变形流程可响应于停止发动机22的要求的判定，根据成立的用以启动发动机22的启动条件(步骤S190至S210)，设定发动机22的停止条件。例如，当发动机22根据蓄电池22的充电状态SOC启动(步骤S210和S220)时，发动机22的停止条件为，蓄电池50的充电状态SOC增加至或超过预定充电值Sref2(例如53％或55％)，该预定充电值Sref2大于预定参考充电值Sref。当发动机22根据电机MG2的输出扭矩(先前的Tm2＊)(步骤S190和S220)或根据扭矩指令Tr＊(步骤S200和S220)启动时，发动机22的停止条件为，蓄电池50的充电状态SOC增加至或超过预定充电值Sref3(例如50％)，该预定充电值Sref3高于预定参考充电值Sref但低于预定充电值Sref2。与根据蓄电池50的充电状态SOC启动发动机22的情况相比较，与蓄电池50的充电状态SOC无关地启动发动机22能够使得发动机22在蓄电池50的较低充电状态SOC下停止。这有利地增强了能量效率。
在本实施例的混合动力车辆20中，参考动力值Pref被设定得随蓄电池50的充电状态SOC的降低而降低，如图4的图中所示的。参考动力值Pref可被设定为固定值，与蓄电池50的充电状态SOC无关。
在本实施例的混合动力车辆20中，响应于发动机22的启动要求，基于电机MG2的输出扭矩(先前的Tm2＊)，该驱动控制判定在齿轮机构37中或在差速器38中是否存在齿隙或齿轮的咔嗒声的可能性。然而，所述判定的对象不局限于电机MG2的输出扭矩(先前的Tm2＊)。任何适合量都可用作判定在齿轮机构37中或在差速器38中是否存在齿隙或齿轮的咔嗒声的可能性的对象。
在本实施例的混合动力车辆20中，在要求发动机22的启动时，即使是当电机MG2的输出扭矩(先前的Tm2＊)低于预定参考输出扭矩Tm2ref时，在扭矩指令Tr＊不低于预定参考扭矩值Tref的条件下，驱动控制启动发动机22。该驱动控制的一个可行变形，可在电机MG2的输出扭矩(先前的Tm2＊)低于预定参考输出扭矩Tm2ref时，与扭矩指令Tr＊无关地将发动机22保持在停止状态。
在本实施例的混合动力车辆20中，在要求发动机22的启动时，在蓄电池50的充电状态SOC低于预定参考充电值Sref的条件下，即使是当电机MG2的输出扭矩(先前的Tm2＊)低于预定参考输出扭矩Tm2ref时，该驱动控制启动发动机22。该驱动控制的一个可行变形，可当电机MG2的输出扭矩(先前的Tm2＊)低于预定参考输出扭矩Tm2ref时，与蓄电池50的充电状态SOC无关地将发动机22保持在停止状态。
在本实施例的混合动力车辆20中，电机MG2的动力被输出到齿圈轴32a或驱动轴。在示为图7的混合动力车辆120的一个可能变形中，电机MG2的动力可被输出到另一个车轴(即，与图7的车轮39a和39b相连的车轴36b)，该车轴不同于与齿圈轴32a连接的车轴(即，与车轮39a和39b相连的车轴)。
在本实施例的混合动力车辆20中，发动机22的动力通过动力分配集中机构30被输出到齿圈轴32a或与驱动轮39a和39b相连接的驱动轴。在图8的另一个可能变形中，混合动力车辆220可具有双转子电机230，所述双转子电机230具有连接于发动机22的曲轴26的内转子232和连接于用于向驱动轮39a和39b输出动力的驱动轴的外转子234，并且将从发动机22中输出的部分动力传输到驱动轴，同时将动力的剩余部分转化为电力。
应认为上述实施例在所有方面都是例示性的而不是限制性的。在不脱离本发明主要特征的范围和精神的前提下可存在许多变形、改变、和替换。本发明的范围和精神由所附权利要求表明，而不是由前面的描述表明。
工业实用性
本发明的技术优选应用于混合动力车辆的制造工业。

Claims (10)

1.一种安装有构成为向连接于车轴的驱动轴输出动力的内燃机以及输入和输出动力的电机的混合动力车辆，
所述混合动力车辆包括：
电力-机械动力输入输出机构，所述电力-机械动力输入输出机构连接到所述内燃机的输出轴并连接到所述驱动轴，并且通过电力和机械动力的输入和输出而将所述内燃机的输出动力的至少部分输出到所述驱动轴；
齿轮式动力传输结构，所述齿轮式动力传输结构通过齿轮机构连接所述驱动轴与所述电机的旋转轴以使得能够在所述驱动轴与所述旋转轴之间传输动力；
蓄电器单元，所述蓄电器单元能够从所述电机和所述电力-机械动力输入输出机构输入电力和向所述电机和所述电力-机械动力输入输出机构输出电力；
要求驱动力设定组件，所述要求驱动力设定组件设定要输出到所述驱动轴的要求驱动力；
停止-起动要求组件，所述停止-起动要求组件在满足预定运行停止条件的情况下给出所述内燃机的停止要求，以及在满足预定运行起动条件的情况下给出所述内燃机的起动要求；和
控制组件，在由所述停止-起动要求组件给出所述起动要求时所述电机的输出扭矩不低于预定参考扭矩值时，所述控制组件控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以起动所述内燃机并确保将相当于所设定的要求驱动力的驱动力输出到所述驱动轴，
在给出所述起动要求时所述电机的输出扭矩低于所述预定参考扭矩值时，所述控制组件控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以使得与所述起动要求无关地将所述内燃机保持在停止状态下并确保将相当于所设定的要求驱动力的驱动力输出到所述驱动轴。
2.根据权利要求1所述的混合动力车辆，其特征在于，在给出所述起动要求时所设定的要求驱动力不低于预定参考驱动力值时，所述控制组件控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以与所述电机的输出扭矩和所述要求驱动力无关地起动所述内燃机。
3.根据权利要求1所述的混合动力车辆，其特征在于，在给出所述起动要求时所述蓄电器单元的充电状态低于预定参考充电量时，所述控制组件控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以与所述电机的输出扭矩和所述要求驱动力无关地起动所述内燃机。
4.根据权利要求3所述的混合动力车辆，其特征在于，在给出所述起动要求时所述蓄电器单元的充电状态不低于所述预定参考充电量并且所述电机的输出扭矩低于所述预定参考扭矩值的情况下、处于将所述内燃机保持在停止状态下的控制下时，当所述蓄电器单元的充电状态降低得低于所述预定参考充电量时，所述控制组件控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以与所述电机的输出扭矩和所述要求驱动力无关地起动所述内燃机。
5根据权利要求1所述的混合动力车辆，其特征在于，所述车辆还包括：
动力要求设定组件，所述动力要求设定组件基于所设定的要求驱动力设定所述驱动轴所需的要求动力；
所述停止-起动要求组件设定参考动力值使其随着所述蓄电器单元的充电状态的降低而降低，并且当所设定的要求动力高于所述参考动力值时，确定满足所述预定运行起动条件以给出所述内燃机的起动要求。
6.根据权利要求1所述的混合动力车辆，其特征在于，所述电力-机械动力输入输出机构包括：
三轴式动力输入输出组件，所述三轴式动力输入输出组件连接到三个轴，即所述内燃机的所述输出轴、所述驱动轴和所述电机的旋转轴，并基于从所述三个轴之中任意两个轴输入的动力而自动向剩下的一个轴输出动力，并且基于向所述三个轴之中任意两个轴输出的动力而自动从剩下的一个轴输入动力；和
另一个电机，所述另一个电机能够从另一车轴输入动力和向所述另一车轴输出动力。
7.根据权利要求1所述的混合动力车辆，其特征在于，所述电力-机械动力输入输出机构包括：
双转子电机，所述双转子电机具有与所述内燃机的所述输出轴相连的第一转子和与所述驱动轴相连的第二转子，并通过所述第一转子与所述第二转子的相对旋转而被驱动。
8.一种混合动力车辆的控制方法，所述混合动力车辆包括：内燃机；电力-机械动力输入输出机构，所述电力-机械动力输入输出机构连接到所述内燃机的输出轴并连接到驱动轴，并且通过电力和机械动力的输入和输出而将所述内燃机的输出动力的至少部分输出到所述驱动轴；电机，用于输入和输出动力；齿轮式动力传输结构，所述齿轮式动力传输结构通过齿轮机构连接所述驱动轴与所述电机的旋转轴以使得能够在所述驱动轴与所述旋转轴之间传输动力；以及蓄电器单元，所述蓄电器单元能够从所述电机和所述电力-机械动力输入输出机构输入电力和向所述电机和所述电力-机械动力输入输出机构输出电力；
在满足预定运行起动条件的情况下给出所述内燃机的起动要求时所述电机的输出扭矩不低于预定参考扭矩值时，所述控制方法控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以起动所述内燃机并确保将相当于预定的要求驱动力的驱动力输出到所述驱动轴；
在给出所述起动要求时所述电机的输出扭矩低于所述预定参考扭矩值时，所述控制方法控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以使得与所述起动要求无关地将所述内燃机保持在停止状态下并确保将相当于所述预定的要求驱动力的驱动力输出到所述驱动轴。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，在给出所述起动要求时所设定的要求驱动力不低于预定参考驱动力值时，所述控制方法控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以与所述电机的输出扭矩和所述要求驱动力无关地起动所述内燃机。
10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，在给出所述起动要求时所述蓄电器单元的充电状态低于预定参考充电量时，所述控制方法控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以与所述电机的输出扭矩和所述要求驱动力无关地起动所述内燃机。
11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，在给出所述起动要求时所述蓄电器单元的充电状态不低于所述预定参考充电量并且所述电机的输出扭矩低于所述预定参考扭矩值的情况下、处于将所述内燃机保持在停止状态下的控制下时，当所述蓄电器单元的充电状态降低得低于所述预定参考充电量时，所述控制方法控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电机，以与所述电机的输出扭矩和所述要求驱动力无关地起动所述内燃机。
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