JP5853800B2

JP5853800B2 - 車両用電動発電装置

Info

Publication number: JP5853800B2
Application number: JP2012065757A
Authority: JP
Inventors: 横山　亘; 亘横山; 和良高田
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2016-02-09
Anticipated expiration: 2032-03-22
Also published as: JP2013198373A

Description

この発明は、車両用電動発電装置に係り、特に、内燃機関の出力軸と発電電動機とが動力伝達可能に連結されたハイブリッド自動車用の電動発電装置に関する。

内燃機関であるエンジン及び発電電動機（モータジェネレータ）を動力源として備え、エンジンの出力軸と発電電動機の回転軸とが動力伝達可能に連結される構成のハイブリッド自動車が知られている。ハイブリッド自動車は、交差点等で停止しようとして減速する際には、車両の運動エネルギーをエンジンからの回生動力によって発電電動機が発電機として動作してバッテリへの充電が行われて、停止中はエンジンが停止する。そして、ハイブリッド自動車が再発進する際には、発電電動機が電動機として動作してエンジンによる車軸の駆動が補助される。

エンジンからの回生動力によって発電電動機が発電機として動作する場合、発電電動機の回生トルクを、ハイブリッド自動車を減速させるための制動力として使用することができる。発電電動機の回生トルクを、ハイブリッド自動車を減速させるための制動力として使用する技術が特許文献１に記載されている。

特開２０００−３４３９６５号公報

しかしながら特許文献１に記載の技術は、急制動時に発電電動機に回生発電をさせることにより発電電動機の回生トルクを使用するだけのものであり、発電電動機の回生トルクの制御については記載されていない。これでは、車両を停止するために必要とされる制動力が大きい場合には、車両を適切に停止させることができないといった問題点があった。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、急制動時に車両を適切に停止させることのできる車両用電動発電装置を提供することを目的とする。

この発明に係る車両用電動発電装置は、車両に搭載された内燃機関と、車両を減速するために車両に与えられる制動量を検出するための制動量検出手段と、内燃機関の出力軸とベルトによって動力伝達可能に連結された回転軸を有する発電電動機と、発電電動機によって発電された電力を充電するバッテリと、制御手段とを備え、制御手段は、制動量が、制御手段に予め設定された閾値よりも大きい場合には、制動量に対応する制動アシストトルクを決定し、発電電動機の回生トルクが制動アシストトルクに向かって上昇するように、発電電動機の発電量を制御し、制動アシストトルクが発電電動機の最大回生トルクを上回る場合には、制御手段は、最大回生トルクと制動アシストトルクとの差に相当するフリクショントルクが内燃機関から得られるように、内燃機関の回転数を制御する。

この発明によれば、車両を減速するために車両に加えられる制動量が、予め設定された制動量の閾値よりも大きい急制動時には、制御手段は、制動量に対応する制動アシストトルクを決定し、発電電動機の回生トルクが制動アシストトルクに向かって上昇するように、発電電動機の発電量を制御することにより、制動量及び回生トルクによって車両を減速するので、急制動時に車両を適切に停止させることができる。

この発明の実施の形態に係る車両用電動発電装置を備えたハイブリッド自動車の構成を示す図である。この実施の形態に係る車両用電動発電装置を備えたハイブリッド自動車を減速するときの制動アシストトルクのマップである。この実施の形態に係る車両用電動発電装置の動作を説明するためのフローチャートである。この実施の形態に係る車両用電動発電装置の発電電動機の回生トルクの変化を表す模式図である。この実施の形態に係る車両用電動発電装置の発電電動機の回生トルクの変形例を表す模式図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示されるように、ハイブリッド自動車１００は、ガソリン燃料を内部で燃焼させて動力を発生させるエンジン１と、電動機および発電機として動作可能な発電電動機（ＭＧ）２とを備えている。エンジン１の出力軸３の一端は、ベルト５およびプーリ６，７を介して発電電動機２の回転軸４に連結されている。また、エンジン１の出力軸３の他端は、トランスミッション８およびディファレンシャル９を介して車軸１０に連結されている。また、出力軸３の回転からエンジン１の回転数を検出する回転数センサ１６が設けられている。発電電動機２と、トランスミッション８と、回転数センサ１６とはそれぞれ、制御手段であるコントロールユニット（ＥＣＵ）１３に電気的に接続されている。

また、ハイブリッド自動車１００は、電力コンバータ１１とバッテリ１２とを備えている。車両の発進時等にバッテリ１２から出力される直流電力が電力コンバータ１１によって交流電力に変換されて発電電動機２に供給される際には、発電電動機２は電動機として動作して回転軸４を駆動させ、これにより発生する動力はベルト５およびプーリ６，７を介してエンジン１に伝達される。一方、車両の減速時等にエンジン１からの回生動力によって発電電動機２の回転軸４が駆動される際には、発電電動機２は発電機として動作して交流電力を発電し、この交流電力は電力コンバータ１１によって直流電力に変換されてバッテリ１２に充電される。

さらに、ハイブリッド自動車１００は、ハイブリッド自動車１００のブレーキペダル１４のストローク量を検出するブレーキストローク量センサ１５を備えている。ここで、ハイブリッド自動車１００を減速するためにドライバーがブレーキペダル１４を踏むことによってハイブリッド自動車１００に与えられ、ハイブリッド自動車１００の減速に使用される力の量を制動量と定義する。ブレーキストローク量センサ１５はＥＣＵ１３に電気的に接続されており、ＥＣＵ１３には、ドライバーがハイブリッド自動車１００を減速するときに、当該制動量に加えてハイブリッド自動車１００の減速をアシストするための制動アシストトルクのマップ（図２参照）が組み込まれている。尚、制動アシストトルクは、後述する動作で発電電動機２によって与えられ、必要に応じてさらにエンジン１によって与えられる。

図２に示されるように、このマップは、ドライバーがブレーキペダル１４を踏み始めてからの経過時間を横軸にとり、ブレーキペダル１４のストローク量、すなわちブレーキストローク量センサ１５による検出値を縦軸にとったものである。ハイブリッド自動車１００を緩やかに停止する場合には、ブレーキペダル１４のストローク量の変化が緩やかになるので、このマップ上では、傾きの小さな直線又は接線の傾きが小さな曲線が描かれることになる。一方、ハイブリッド自動車１００を急停止する場合には、ブレーキペダル１４のストローク量の変化が急激になるので、このマップ上では、傾きの大きな直線又は接線の傾きが大きな曲線が描かれることになる。

このマップには、ブレーキペダル１４のストローク量の経時変化の閾値として閾線Ｌが設定されている。閾線Ｌは、ハイブリッド自動車１００の性能やハイブリッド自動車１００が走行する環境等に基づいて任意に設定可能である。この実施の形態では、ブレーキペダル１４のストローク量の経時変化が閾線Ｌの下方の場合を「通常の制動」と定義すると共に閾線Ｌより上方の場合を「急制動」と定義する。さらに、このマップには、閾線Ｌより上方の領域、すなわち急制動の領域を、例えば２つの領域Ｚ１及びＺ２に分け、閾線Ｌを挟んで通常の制動の領域に隣接する領域Ｚ１の場合の制動アシストトルクをＴ１（Ｎｍ）とし、領域Ｚ１よりも上方にある領域Ｚ２の場合の制動アシストトルクをＴ２（Ｎｍ）としている（尚、Ｔ２＞Ｔ１である）。通常の制動の領域では、制動アシストトルクはゼロである。急制動の領域の分割方法（各領域の大きさや個数を含む）及び各領域の場合の制動アシストトルクの値についても、ハイブリッド自動車１００の性能やハイブリッド自動車１００が走行する環境等に基づいて任意に設定可能である。

次に、この発明の実施の形態に係る車両用電動発電装置の動作について説明する。
ハイブリッド自動車１００の走行中、ドライバーがブレーキペダル１４を踏むことにより、図３のフローチャートに示された制御が開始される。ブレーキストローク量センサ１５がブレーキペダル１４のストローク量を検出し、その検出値をＥＣＵ１３に伝送する。ＥＣＵ１３は、図２のマップ上でブレーキペダル１４のストローク量をプロットし、ブレーキペダル１４のストローク量の経時変化が閾線Ｌを超えるか否か、すなわち急制動か否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１において急制動でないと判定された場合には、ステップＳ１に再び戻り、急制動か否かの判定を繰り返す。この場合には、ドライバーがブレーキペダル１４を踏むことによってハイブリッド自動車１００に与えられる制動量のみで、ハイブリッド自動車１００が減速する。一方、ステップＳ１において急制動と判定されたら、ＥＣＵ１３は、図２のマップに基づいて、制動アシストトルクＴａを決定する（ステップＳ２）。具体的には、ブレーキペダル１４のストローク量の経時変化が領域Ｚ１内の場合、制動アシストトルクＴａはＴ１（Ｎｍ）であり、当該経時変化が領域Ｚ２内の場合、制動アシストトルクＴａはＴ２（Ｎｍ）である。

ＥＣＵ１３は、ステップＳ２において決定された制動アシストトルクＴａが発電電動機２の最大回生トルクＴｍａｘよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３）。尚、この実施の形態では、Ｔ１＜Ｔｍａｘ＜Ｔ２の関係があるものとする。ステップＳ３においてＴａ≦Ｔｍａｘと判定された場合、すなわち、Ｔａ＝Ｔ１の場合には、ＥＣＵ１３は、発電電動機２の回生トルクが制動アシストトルクＴ１に向かって上昇するように、発電電動機２の発電量を制御する（ステップＳ４）。

ステップＳ４の動作を図４に基づいて説明する。図４は、横軸にハイブリッド自動車１００の速度をとり、縦軸に発電電動機２が生じるトルクの大きさをとっている。ここで、発電電動機２が生じるトルクは、エンジン１の駆動をアシストする場合のトルクを正の値としているので、発電電動機２が生じる回生トルクは負の値となり、図４では、−Ｔ２＜−Ｔｍａｘ＜−Ｔ１の関係を有するものとして回生トルクが表わされている。

通常の制動の場合には、ドライバーがブレーキペダル１４を踏んだときのハイブリッド自動車１００の速度とブレーキペダル１４のストローク量とに対して決定される回生トルクを発電電動機２が生じ、通常の制動の場合に与えられるこの回生トルクは、図４の領域Ａの範囲内で決定される。しかし、ステップＳ４において必要とされる制動アシストトルクＴ１は、領域Ａを超えた、より大きな回生トルクであり、ステップＳ４の動作により、発電電動機２は、ブレーキペダル１４が踏まれる前の回生トルクを生じていない状態（点Ｂ）から制動アシストトルクＴ１に相当する回生トルクを生じる状態（点Ｂ’）となる。尚、最大回生トルクＴｍａｘは、点Ｂ’よりも下方となる。通常の制動による制動量とこの制動アシストトルクＴ１に相当する回生トルクとによってハイブリッド自動車１００が減速するので、急制動を行っても、ハイブリッド自動車１００は適切に停止する。

一方、ステップＳ３においてＴａ＞Ｔｍａｘと判定された場合、すなわち、Ｔａ＝Ｔ２の場合には、ＥＣＵ１３は、ΔＴ＝Ｔ２−Ｔｍａｘを算出する（ステップＳ５）。次に、ＥＣＵ１３は、発電電動機２の発電量が最大になるように制御することによって発電電動機２の回生トルクを最大回生トルクＴｍａｘまで上昇させる（ステップＳ６）。続いて、ＥＣＵ１３は、エンジン１からΔＴに相当するフリクショントルクが得られるように、トランスミッション８のギヤ比を上昇させ、回転数センサ１６による検出値に基づいて、ΔＴに相当するフリクショントルクを得られる回転数にエンジン１の回転数を制御する（ステップＳ７）。

ステップＳ６及びＳ７の動作を図４に基づいて説明する。制動アシストトルクＴ２は、最大回生トルクＴｍａｘよりも大きいので、発電電動機２だけからでは、Ｔｍａｘしか得られない。まずステップＳ６の動作により、発電電動機２は、ブレーキペダル１４が踏まれる前の回生トルクを生じていない状態（点Ｃ）から最大回生トルクＴｍａｘを生じる状態（点Ｃ’）となる。続いて、ステップＳ６の動作により、エンジン１から、ΔＴに相当するフリクショントルクが与えられることにより、ハイブリッド自動車１００には、回生トルク及びフリクショントルクを合わせて制動アシストトルクＴ２が与えられる状態となる。通常の制動による制動量とこの制動アシストトルクＴ２に相当する回生トルク及びフリクショントルクとによってハイブリッド自動車１００が減速するので、急制動を行っても、ハイブリッド自動車１００は適切に停止する。

このように、ハイブリッド自動車１００を減速するためにハイブリッド自動車１００に加えられる制動量が、予め設定された制動量の閾値よりも大きい急制動時には、ＥＣＵ１３は、当該制動量に対応する制動アシストトルクＴａを決定し、発電電動機２の回生トルクが制動アシストトルクＴａに向かって上昇するように、発電電動機２の発電量を制御することにより、当該制動量と制動アシストトルクＴａに相当する回生トルクとによってハイブリッド自動車１００を減速するので、急制動時にハイブリッド自動車１００を適切に停止させることができる。また、発電電動機２の回生トルクだけでは制動アシストトルクＴａが達成されない場合には、エンジン１の回転数を制御することによってエンジン１のフリクショントルクも加えて制動アシストトルクＴａを達成することができる。さらに、ハイブリッド自動車１００では、エンジン１の出力軸３と発電電動機２の回転軸４とがベルト５によって動力伝達可能に連結されているので、両者がクラッチやギアで連結されるような場合に比べて、急制動時に発生する音が小さくなる。

この実施の形態では、図４に示されるように、通常の制動時に生じる回生トルクが、ハイブリッド自動車１００の速度によらずブレーキペダル１４のストローク量ごとに一定となっているが、この形態に限定するものではない。ハイブリッド自動車１００の速度に依存して回生トルクが変化する形態であってもよい。例えば、図５に示されるように、ブレーキペダル１４のストローク量ごとに、ハイブリッド自動車１００の速度が大きくなるに伴い回生トルクが上昇する形態であってもよい。また、最大回生トルクＴｍａｘは、ハイブリッド自動車１００の速度がある一定値よりも大きくなると一般には低下するが、エンジン１及び発電電動機２の特性によっては低下しない場合もある。

この実施の形態では、ドライバーがブレーキペダル１４を踏むことによってハイブリッド自動車１００に与えられる制動量から制動アシストトルクを決定するために、マップ（図２参照）をＥＣＵ１３に組み込んでいたが、この形態に限定するものではない。制動アシストトルクを決定するための計算式をＥＣＵ１３に組み込んで、この計算式に基づいて制動アシストトルクを算出してもよい。

この実施の形態では、内燃機関は、ガソリン燃料を内部で燃焼させて動力を発生させるエンジン１であったが、ディーゼルエンジンであってもよい。

１エンジン（内燃機関）、２発電電動機、３出力軸、４回転軸、５ベルト、１２バッテリ、１３コントロールユニット（制御手段）、１５ブレーキストローク量センサ（制動量検出手段）、１００ハイブリッド自動車（車両）、Ｌ閾線（閾値）、Ｔａ制動アシストトルク、Ｔｍａｘ最大回生トルク。

Claims

車両に搭載された内燃機関と、
前記車両を減速するために該車両に与えられる制動量を検出するための制動量検出手段と、
該内燃機関の出力軸とベルトによって動力伝達可能に連結された回転軸を有する発電電動機と、
該発電電動機によって発電された電力を充電するバッテリと、
制御手段と
を備え、
該制御手段は、前記制動量が、前記制御手段に予め設定された閾値よりも大きい場合には、前記制動量に対応する制動アシストトルクを決定し、前記発電電動機の回生トルクが前記制動アシストトルクに向かって上昇するように、前記発電電動機の発電量を制御し、
前記制動アシストトルクが前記発電電動機の最大回生トルクを上回る場合には、前記制御手段は、前記最大回生トルクと前記制動アシストトルクとの差に相当するフリクショントルクが前記内燃機関から得られるように、前記内燃機関の回転数を制御する車両用電動発電装置。