JP5978023B2 - ハイブリッド自動車のエンジン始動制御方法 - Google Patents

Description

本発明はハイブリッド自動車のエンジン始動制御方法に係り、より詳しくは、エンジンの停止後にスムースに始動することのできるハイブリッド自動車のエンジン始動制御方法に関する。

一般に、ハイブリッド自動車は、始動モーターと、駆動モーターと、エンジンと、少なくとも１以上の遊星ギヤセットと、複数の摩擦部材と、を備える。
また、ハイブリッド自動車は、遊星ギヤセット及び摩擦部材の連結構造によって複数の変速モードが実現される。ここで、始動モーターとは、クランク軸を回転させてエンジンの始動を行うモーターをいい、駆動モーターとは、直接自動車の走行を行うモーターをいう。このような始動モーター及び駆動モーターは、バッテリーから電気を供給されて作動し、駆動モーター及びエンジンの選択的な作動によって駆動軸（ｄｒｉｖｅ ｓｈａｆｔ）を回転する。

このようなパワートレーンを備えたハイブリッド自動車であって、変速機に動力切換装置がなく、エンジンと駆動軸とを切り離すことができない車両の場合、エンジンの停止時にエンジンの摩擦及び始動モーターのトルクによる振動が駆動軸に伝達される。また、エンジンの始動時に始動モーターのトルク値がエンジン摩擦よりも大き過ぎると、始動モーターの慣性トルクが駆動軸に伝達されて振動が発生する。

特開平１１−１１７８４０号公報 特開２０００−２３８５５５号公報 特開２０１０−０９５０５１号公報

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、エンジンの始動時に発生する振動を極力抑えることによりスムースに始動することのできるハイブリッド自動車のエンジン始動制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明の他の態様によるハイブリッド自動車のエンジン始動制御方法は、第１のサンギヤ、第１の遊星キャリア及び第１のリングギヤを有する第１の遊星ギヤセットと、第２のサンギヤ、第１のリングギヤ、出力軸と固定的に連結される第２の遊星キャリア及び第２のリングギヤを有する第２の遊星ギヤセットと、第１の遊星キャリアと固定的に連結され、第２のサンギヤと選択的に連結されるエンジンと、第１のサンギヤと固定的に連結される第１のモーター／ゼネレータと、第２のサンギヤと固定的に連結される第２のモーターゼネレータと、第１の遊星キャリア及び第２のリングギヤを選択的に連結する第１のクラッチと、エンジン及び第２のサンギヤを選択的に連結する第２のクラッチと、第１のサンギヤを変速機ハウジングに選択的に連結する第１のブレーキと、第２のリングギヤを変速機ハウジングに選択的に連結する第２のブレーキと、を備え、第１のモーターゼネレータは始動モーターとして作動し、第２のモーターゼネレータは駆動モーターとして作動するハイブリッド自動車のエンジン始動制御方法において、
停止後始動するエンジンの回転を加速させるステップと、エンジンの現在の速度が設定値よりも高いか否かを判断するステップと、エンジンの現在の速度が設定値よりも高ければ、エンジンの内部に燃料を噴射するステップと、エンジンの目標速度によって始動モーターのトルクを決めるステップと、決められた始動モーターのトルクによってエンジンの速度を制御するステップと、を含むことを特徴とする。

停止後始動するエンジンの回転を加速させるステップにおいて、始動モーターのトルクは、エンジン摩擦トルクによって決められることが好ましい。
エンジン摩擦トルクは、冷却水の温度及びエンジンの回転速度によるエンジンの作動状態によって決められることが好ましい。
エンジンの目標速度による始動モーターのトルクは、始動モーターの目標速度と実際速度との誤差、及びエンジン摩擦トルクに基づいて決められることが好ましい。

始動モーターの目標速度は、エンジンの目標速度によって決められることが好ましい。
エンジンの目標速度は、自動車の走行状況とは無関係に、予め設定された速度プロファイルを適用して決めることが好ましい。
エンジンの始動が完了した後、所定時間の間にエンジンの速度が一定に加速されるように制御され、エンジンを加速させる始動モーターのトルクは、予め設定された速度プロファイルが適用されるエンジンの目標速度によって決められることが好ましい。

本発明の実施形態によれば、エンジンの始動時に自動車の走行状態によって始動モーターの始動トルクを制御することにより、駆動軸及び車体に伝達される振動を極力抑えてスムースに始動することができる。

本発明の実施形態によるハイブリッド自動車のパワートレーン構成図である。 図１のパワートレーンにおける部位別の速度及びトルクの方向を示すレバー線図である。 本発明の実施形態による制御ユニットと構成要素との間の関係を示したブロック図である。 本発明の実施形態によるエンジン実際速度及びエンジン目標速度をステップ別に示すグラフである。 本発明の実施形態によるハイブリッド自動車のエンジン始動制御方法のフローチャートである。

以下、添付した図面に基づき、本発明の好適な実施形態について詳述する。
図１は、本発明の実施形態によるハイブリッド自動車のパワートレーン構成図である。
図１に示したとおり、本発明の実施形態によるハイブリッド自動車のパワートレーンは、エンジン１０と、始動モーター（ＭＧ１）２０と、駆動モーター（ＭＧ２）３０と、第１及び第２の入力軸ＩＳ１、ＩＳ２と、出力軸ＯＳと、第１及び第２の遊星ギヤセットＰＧ１、ＰＧ２と、を備える。

エンジン１０は、第１の入力軸ＩＳ１に動力を伝達する。
始動モーター２０は、エンジン１０に動力を伝達してエンジン１０を始動する。
駆動モーター３０は、第２の入力軸ＩＳ２に動力を伝達する。
始動モーター２０及び駆動モーター３０は、バッテリー４０から電気を供給されて作動し、動力を生成する。
ここで、始動モーター２０及び駆動モーター３０は、それぞれ第１及び第２のモーターゼネレータに求められる作動状態によって、モーターまたはゼネレータとして作動する。本発明の実施形態によるハイブリッド自動車のエンジン始動制御方法において、第１のモーターゼネレータ（ＭＧ１）２０は、エンジン１０を始動する役割を担うため、以下では始動モーター２０と呼び、第２のモーターゼネレータ（ＭＧ２）３０は、第２の入力軸ＩＳ２に動力を伝達する役割を担うため、駆動モーター３０と呼ぶ。しかしながら、第１及び第２のモーターゼネレータ２０、３０は、車両の駆動状態によって、エンジンの速度制御、出力トルクの制御などの機能もすることはいうまでもない。

第１の入力軸ＩＳ１は、エンジン１０の選択的な作動によって生成された動力を第１の遊星ギヤセットＰＧ１に伝達する。
第２の入力軸ＩＳ２は、駆動モーター３０の選択的な作動によって生成された動力を第２のサンギヤＳ２に伝達する。
出力軸ＯＳは、パワートレーンから第２の遊星ギヤセットＰＧ２の動力が伝達されて出力する。
第１の遊星ギヤセットＰＧ１は、第１のサンギヤＳ１と、第１の遊星キャリアＰＣ１及び第１のリングギヤＲ１を作動部材として有するシングルピニオン型の遊星ギヤセットである。

第２の遊星ギヤセットＰＧ２は、第２のサンギヤＳ２と、第２の遊星キャリアＰＣ２及び第２のリングギヤＲ２を作動部材として有するシングルピニオン型の遊星ギヤセットである。
第１の遊星ギヤセットＰＧ１及び第２の遊星ギヤセットＰＧ２は、同一軸線上に配置されることが好ましい。
第１のサンギヤＳ１は、始動モーター２０に固定的に連結され、変速機ハウジング５０に選択的に連結される。
第１の遊星キャリアＰＣ１は、エンジン１０に固定的に連結され、第２のリングギヤＲ２に選択的に連結される。
第１のリングギヤＲ１は、第２の遊星キャリアＰＣ２に固定的に連結される。
第２のサンギヤＳ２は、駆動モーター３０に固定的に連結され、エンジン１０に選択的に連結される。

第２の遊星キャリアＰＣ２は、出力軸ＯＳに固定的に連結される。
第２のリングギヤＲ２は、変速機ハウジング５０に選択的に連結される。
また、本発明の実施形態によるハイブリッド自動車のパワートレーンは、第１及び第２の遊星ギヤセットＰＧ１、ＰＧ２の各作動部材を選択的に互いに連結するか、あるいは、変速機ハウジング５０に連結する複数の摩擦部材ＣＬ１、ＣＬ２、ＢＫ１、ＢＫ２を備える。
第１のクラッチＣＬ１は、第１の遊星キャリアＰＣ１を第２のリングギヤＲ２に選択的に連結し、第２のクラッチＣＬ２は、第２のサンギヤＳ２をエンジン１０に選択的に連結する。
第１のブレーキＢＫ１は、第１のサンギヤＳ１を変速機ハウジング５０に選択的に連結し、第２のブレーキＢＫ２は、第２のリングギヤＲ２を変速機ハウジング５０に選択的に連結する。

図２は、図１のパワートレーンにおける部位別の速度及びトルクの方向を示すレバー線図である。
図２に示したとおり、始動モーター２０、エンジン１０及び出力軸ＯＳの回転速度は、それぞれ第１のサンギヤＳ１、第１の遊星キャリアＰＣ１及び第１のリングギヤＲ１の回転速度と同速である。ここで、図１に示したとおり、始動モーター２０、エンジン１０及び出力軸ＯＳは、それぞれ第１のサンギヤＳ１、第１の遊星キャリアＰＣ１及び第２の遊星キャリアＰＣ２と固定的に連結されており、第２の遊星キャリアＰＣ２は、第１のリングギヤＲ１と固定的に連結されている。すなわち、図２のレバー線図は、第１の遊星ギヤセットＰＧ１の作動部材のレバー線図であり、このレバー線図は、駆動モーター３０だけで走行中の自動車において始動モーター２０を用いてエンジン１０を始動させるときの状態を示している。

駆動モーター３０による自動車の走行は、第２のブレーキＢＫ２が作動し、駆動モーター３０が第２のサンギヤＳ２を回転させて、出力軸ＯＳと固定的に連結された第２の遊星キャリアＰＣ２がそれに相応する速度で回転することにより行われる。また、エンジン１０の始動は、始動モーター２０が第１のサンギヤＳ１を回転させ、第１のリングギヤＲ１が第２の遊星キャリアＰＣ２と同速にて回転して、エンジン１０と固定的に連結された第１の遊星キャリアＰＣ１がそれに相応する速度で回転することにより行われる。このとき、第２のブレーキＢＫ２は作動し、第１のクラッチＣＬ１と、第２のクラッチＣＬ２及び第１のブレーキＢＫ１は作動していない状態である。
エンジン１０の始動は、出力軸ＯＳが、回転トルク及びそれに相応する摩擦トルクによって比較的一定の速度にて回転するときに、始動モーター２０のトルクがエンジン１０を回転させることにより行われる。このとき、始動モーター２０のトルクを始動トルクという。なお、エンジン１０の回転に対する摩擦トルクが発生し、これをエンジン摩擦トルクという。

図２では、出力軸ＯＳの回転トルクと、摩擦トルクと、始動トルク、及びエンジン摩擦トルクの方向を矢印で示している。出力軸ＯＳにおいて、上方の矢印が回転トルクを示し、下方の矢印が摩擦トルクを示す。出力軸ＯＳの回転トルク及び摩擦トルクは、同一又は近似の値であることが好ましい。これにより、出力軸ＯＳは、比較的一定の速度で回転する。
始動トルクがエンジン摩擦トルクよりも大き過ぎると、エンジンの始動時に始動モーターの慣性トルクによって振動が発生することがある。このため、始動トルクを制御することにより、振動の発生を防止したり極力抑えることができる。

図３は、本発明の実施形態による制御ユニットと構成要素との間の関係を示すブロック図である。
図３に示したとおり、制御ユニット６０によって、エンジン１０と、変速機５５及び第１、第２のモーターゼネレータ２０、３０が制御される。また、制御ユニット６０は、各構成要素の作動状態信号を受信して、各構成要素の制御を行う。ここで、変速機５５は、図１の第１及び第２の遊星ギヤセットＰＧ１、ＰＧ２及び摩擦部材ＣＬ１、ＣＬ２、ＢＫ１、ＢＫ２からなる変速機である。

図４は、本発明の実施形態によるエンジン実際速度及びエンジン目標速度をステップ別に示したグラフである。
以下、図４に基づいて、始動トルクの制御値を決める方法について詳述する。始動トルクの制御は、制御ユニット６０によって行われる。
図４に示したとおり、本発明の実施形態によるエンジン始動は、燃料噴射及び始動完了を基準として、ステップ１、２、３に分けられる。
ステップ１は、始動モーター２０を駆動してエンジン１０を加速させる区間である。このとき、始動トルクは、エンジン摩擦トルクに相当するトルクであって、エンジン１０の摩擦力が静止摩擦力から運動摩擦力へと切り換わる区間において、高過ぎる始動トルクによる衝撃の発生を防止する。また、エンジン摩擦トルクに相当する始動トルクは、エンジン摩擦トルクのテーブル（ｔａｂｌｅ）を用いて決める。テーブルは、冷却水の温度及びエンジン１０の回転速度によるエンジン１０の摩擦力を試験的に得たデータである。すなわち、予測されたエンジン１０のエンジン摩擦トルクを適用して始動モーター２０のトルクを演算するフィードフォワードが行われる。

一方、始動モーター２０の速度の目標値と実際値との間の誤差（ｅｒｒｏｒ）が僅かであるステップ１においては、フィードフォワードだけが使用されていたが、ステップ１の後に、始動トルクを決めるときには、エンジン摩擦トルクを予測して始動モーターのトルクを決めるフィードフォワードと、始動モーター速度の目標値と実際値との間の誤差を用いて始動モーターのトルクを決めるフィードバックとが混用される。すなわち、「始動トルク＝フィードフォワード＋フィードバック」により演算され、フィードフォワード及びフィードバックの演算は、下記式によって行われる。
フィードフォワード＝−｛ｂ／（ａ＋ｂ）｝×エンジン摩擦トルク
フィードバック＝誤差×Ｐｇａｉｎ＋Ｉｇａｉｎ×∫（誤差）ｄｔ
誤差＝目標ＭＧ１速度−実際のＭＧ１速度
目標ＭＧ１速度＝｛（ａ＋ｂ）×エンジン速度プロファイル−ＭＧ２速度｝／ｂ

上記のとおり、フィードバックの演算は、比例積分制御（ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ）を用いて行う。また、演算式において、ａ及びｂは、図２に示したレバー線図の長さ比であり、第１のサンギヤＳ１の歯数及び第１のリングギヤＲ１の歯数によって決められる。このため、始動モーター２０、エンジン１０及び出力軸ＯＳの速度が変化しても、ａ及びｂの比は変化しない。さらに、Ｐｇａｉｎ及びＩｇａｉｎは、始動モーター速度の目標値と実際値との間の誤差の絶対量及び符号による関数である。ここで、設定されるＰｇａｉｎ及びＩｇａｉｎは、当該技術分野における通常の知識を持つ者にとって自明である。
ステップ２は、エンジン１０の始動完了前におけるエンジン速度追従制御区間である。ステップ１において、エンジン１０の速度が設定値よりも高い速度まで加速されると、燃料噴射が行われ、エンジン速度追従制御が開始される。ここで、設定値は、エンジン１０の摩擦力が静止摩擦力から運動摩擦力へと切り換わる時点のエンジン速度である。

エンジン速度追従制御とは、エンジン１０のエンジン速度プロファイルによって始動モーター２０速度の目標値を決め、始動モーター２０速度の目標値と実際値との間の誤差を演算した後、比例積分制御によってフィードバックを演算する過程をいう。すなわち、ステップ２においては、「始動トルク＝フィードフォワード＋フィードバック」により始動トルクが決められる。ここで、エンジン速度プロファイルは、エンジン１０の目標速度であり、走行状況とは無関係に、予め設定された同じエンジン速度プロファイルを適用することにより、スムースな始動が実現される。
ステップ３は、エンジン１０の始動完了後におけるエンジン速度安定化区間である。ステップ１及びステップ２を経てエンジン１０の始動が完了すると、所定時間の間に所定の勾配を有するようにエンジン１０の速度を上昇させてスムースな運転性を確保する。なお、ステップ３においても、エンジン１０を加速させる始動モーター２０のトルクが、「始動トルク＝フィードフォワード＋フィードバック」によって決められる。

図５は、本発明の実施形態によるハイブリッド自動車のエンジン始動制御方法のフローチャートである。
図５に示したとおり、駆動モーター３０の動力を用いた自動車の運行中に、エンジン１０の動力が必要であると判断されると、エンジン１０の始動が行われる。また、エンジン１０の始動は、始動モーター２０の駆動によってエンジン１０の速度が上昇することにより開始される（Ｓ１１０）。エンジン１０の速度を上昇させる始動モーター２０の始動トルクは、エンジン摩擦トルクを代入して得られるフィードフォワード演算式によって決められる。また、エンジン摩擦トルクは、冷却水温度及びエンジン１０の回転速度によって試験的に得たテーブルによる。
エンジン１０の始動が開始され、エンジン１０の速度が上昇すると、制御ユニット６０は、エンジン１０の現在の速度が設定値よりも高いか否かを判断する（Ｓ１２０）。ここで、設定値は、エンジン１０の摩擦力が静止摩擦力から運動摩擦力へと切り換わる時点のエンジン１０の速度である。
もし、エンジン１０の現在の速度が設定値よりも高くないと判断されると、エンジン１０の速度を上昇させ続ける（Ｓ１１０）。
もし、エンジン１０の速度が設定値よりも高いと判断されると、エンジン１０への燃料の噴射が開始される（Ｓ１３０）。

燃料の噴射が開始されると、始動モーター２０の始動トルクは、エンジン速度の追従制御によって決められる（Ｓ１４０）。エンジン速度の追従制御とは、始動モーター２０の速度の実際値とエンジン速度プロファイルによって決められた始動モーター２０の速度の目標値との間の誤差を演算した後、比例積分制御によってフィードバックを演算する過程をいう。ここで、始動トルクは、「始動トルク＝フィードフォワード＋フィードバック」によって決められる。
決められた始動トルクによってエンジン１０の速度が制御されることにより、エンジン１０の始動が完了する（Ｓ１５０）。これにより、エンジン１０の速度は、エンジン１０の目標速度により制御される。エンジン１０の始動が完了すると、エンジン１０の速度を所定時間の間に一定に加速させる（Ｓ１６０）。同様に、加速に用いられる始動モーター２０のトルクも「始動トルク＝フィードフォワード＋フィードバック」によって決められる。すなわち、ステップＳ１５０及びステップＳ１６０は、ステップＳ１４０において決められた始動モーター２０のトルクによってエンジン１０の速度を制御するステップである。

以上のとおり、本発明の実施形態によれば、エンジン１０の始動時に始動モーター２０の始動トルクをフィードフォワード及びフィードバックの演算によって決めることにより、始動トルクが自動車の走行状態によって制御可能となる。これにより、駆動軸及び車体に伝達される振動を極力抑えてスムースに始動することができる。
本発明の実施形態によるエンジン始動制御方法を説明するために、図１のハイブリッド車両のパワートレーンについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、始動モーター及び駆動モーターを備えてエンジンを始動するあらゆるハイブリッド車両に本発明の実施形態によるエンジン始動制御方法が適用可能である。

以上、本発明に関する好ましい実施例を説明したが、本発明の範囲は特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって解釈されなければならない。また、この技術分野で通常の知識を有する者なら、本発明の技術的範囲内で多くの修正と変形ができることはいうまでもない。

１０：エンジン
２０，ＭＧ１：始動モーター、第１のモーターゼネレータ
３０，ＭＧ２：駆動モーター、第１のモーターゼネレータ
４０：バッテリー
５０：変速機ハウジング
５５：変速機
６０：制御ユニット
ＢＫ１：第１のブレーキ
ＢＫ２：第２のブレーキ
ＣＬ１：第１のクラッチ
ＣＬ２：第２のクラッチ
ＩＳ１：第１の入力軸
ＩＳ２：第２の入力軸
ＯＳ：出力軸
ＰＣ１：第１の遊星キャリア
ＰＣ２：第２の遊星キャリア
ＰＧ１：第１の遊星ギヤセット
ＰＧ２：第２の遊星ギヤセット
Ｒ１：第１のリングギヤ
Ｒ２：第２のリングギヤ
Ｓ１：第１のサンギヤ
Ｓ２：第２のサンギヤ

Claims (7)

1. 第１のサンギヤ、第１の遊星キャリア及び第１のリングギヤを有する第１の遊星ギヤセ
   ットと、
   第２のサンギヤ、前記第１のリングギヤ、出力軸と固定的に連結される第２の遊星キャ
   リア及び第２のリングギヤを有する第２の遊星ギヤセットと、
   前記第１の遊星キャリアと固定的に連結され、前記第２のサンギヤと選択的に連結され
   るエンジンと、
   前記第１のサンギヤと固定的に連結される第１のモーターゼネレータと、
   前記第２のサンギヤと固定的に連結される第２のモーターゼネレータと、
   前記第１の遊星キャリア及び前記第２のリングギヤを選択的に連結する第１のクラッチと、
   前記エンジン及び前記第２のサンギヤを選択的に連結する第２のクラッチと、
   前記第１のサンギヤを変速機ハウジングに選択的に連結する第１のブレーキと、
   前記第２のリングギヤを前記変速機ハウジングに選択的に連結する第２のブレーキと、
   を備え、
   前記第１のモーターゼネレータは始動モーターとして作動し、前記第２のモーターゼネレータは駆動モーターとして作動するハイブリッド自動車のエンジン始動制御方法において、
   停止後始動する前記エンジンの回転を加速させるステップと、
   前記エンジンの現在の速度が設定値よりも高いか否かを判断するステップと、
   前記エンジンの現在の速度が設定値よりも高ければ、前記エンジンの内部に燃料を噴射
   するステップと、
   前記エンジンの目標速度によって前記始動モーターのトルクを決めるステップと、
   決められた前記始動モーターのトルクによって前記エンジンの速度を制御するステップ
   と、
   を含むことを特徴とするハイブリッド自動車のエンジン始動制御方法。
2. 前記停止後始動するエンジンの回転を加速させるステップにおいて、前記始動モーターのトルクは、前記エンジン摩擦トルクによって決められることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド自動車のエンジン始動制御方法。
3. 前記エンジン摩擦トルクは、冷却水の温度及び前記エンジンの回転速度による前記エンジンの作動状態によって決められることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド自動車のエンジン始動制御方法。
4. 前記エンジンの目標速度による前記始動モーターのトルクは、前記始動モーターの目標速度と実際速度との誤差、及び前記エンジン摩擦トルクに基づいて決められることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド自動車のエンジン始動制御方法。
5. 前記始動モーターの目標速度は、前記エンジンの目標速度によって決められることを特徴とする請求項４に記載のハイブリッド自動車のエンジン始動制御方法。
6. 前記エンジンの目標速度は、自動車の走行状況とは無関係に、予め設定された速度プロファイルを適用して決めることを特徴とする請求項５に記載のハイブリッド自動車のエンジン始動制御方法。
7. 前記エンジンの始動が完了した後、所定時間の間に前記エンジンの速度が一定に加速されるように制御され、
   前記エンジンを加速させる前記始動モーターのトルクは、予め設定された速度プロファイルが適用される前記エンジンの目標速度によって決められることを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド自動車のエンジン始動制御方法。

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