专利名称：动力输出装置、控制动力输出装置的方法以及汽车的制作方法
技术领域：
本发明涉及动力输出装置和对应的方法以及汽车。更具体地，本发明涉及向驱动轴输出动力的动力输出装置和控制该动力输出装置的方法，以及安装有内燃机的汽车。
背景技术：
一种已提出的动力输出装置具有发动机、包括与发动机的曲轴相连的行星架和与机械连接到车轴的驱动轴相连的齿圈的行星齿轮装置、从行星齿轮装置的太阳齿轮输入动力和向该太阳齿轮输出动力的第一电机、从驱动轴输入动力和向驱动轴输出动力的第二电机以及向第一电机及第二电机提供电力和从第一电机及第二电机接收电力的蓄电池(例如，见日本专利公开公报No.11-187577)。该动力输出装置基于蓄电池的温度和充电状态设定蓄电池的输入限制和输出限制，并在输入限制和输出限制的设定范围内驱动和控制第一电机和第二电机。
在现有技术的驱动和控制第一电机以调节发动机的驱动状态的动力输出装置中，根据将输出至驱动轴的目标动力和将用于对蓄电池充电或将从蓄电池放电的目标充电-放电电力来设定发动机的目标驱动点。控制发动机、第一电机以及第二电机，以在目标驱动点下驱动发动机并将目标动力输出至驱动轴。可能需要改变发动机的目标驱动点，以在蓄电池的输入限制和输出限制的范围内驱动第一电机和第二电机。
本发明的动力输出装置包括通过电力的输入和输出来控制内燃机的运转的电力输入输出单元以及能够向驱动轴输出动力的电机。本发明的动力输出装置、控制动力输出装置的方法以及对应的汽车旨在基于蓄电装置例如二次电池的输出限制和输入限制控制内燃机、电力输入输出单元以及电机。本发明还旨在防止蓄电装置例如二次电池过充电或过放电。
发明内容
为实现上述目的的至少一部分，本发明的动力输出装置、控制动力输出装置的方法以及相应的汽车构造为如下。
本发明涉及一种向驱动轴输出动力的动力输出装置，该动力输出装置包括内燃机；与所述内燃机的输出轴和所述驱动轴相连、通过电力和机械动力的输入和输出保持或改变所述内燃机的驱动状态并将来自所述内燃机的动力的至少一部分输出至所述驱动轴的电力-机械动力输入输出单元；能够从所述驱动轴输入动力和向所述驱动轴输出动力的电机；能够向所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机提供电力和从所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机接收电力的蓄电器；以及控制器，该控制器包括设定所述蓄电器的输入限制和输出限制的输入-输出限制设定单元；基于所设定的输入限制和输出限制设定所述电力-机械动力输入输出单元的可驱动范围的可驱动范围设定单元；响应操作者的操作设定对所述驱动轴所要求的要求动力的要求动力设定单元；以及控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机以在所设定的可驱动范围内驱动所述电力-机械动力输入输出单元并将对应于所设定的要求动力的动力输出至所述驱动轴的驱动控制单元。
本发明的动力输出装置设定能够向所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机提供电力和从所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机接收电力的蓄电器的输入限制和输出限制，并基于所设定的输入限制和输出限制设定所述电力-机械动力输入输出单元的可驱动范围。该动力输出装置控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机，以在所设定的可驱动范围内驱动所述电力-机械动力输入输出单元并将对应于响应操作者的操作所设定的要求动力的动力输出至所述驱动轴。即，控制所述内燃机和所述电力-机械动力输入输出单元以在可驱动范围内驱动所述电力-机械动力输入输出单元，同时控制所述电机以将对应于要求动力的动力输出至所述驱动轴。因此，所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机的控制在蓄电器的输入限制和输出限制内。该布置能有效地防止向蓄电器输入的电力或从蓄电器输出的电力过量。
在本发明的动力输出装置的一个优选实施例中，所述可驱动范围设定单元基于所设定的输入限制和输出限制、将输入至所述电机和将从所述电机输出的电机要求电力、将从所述蓄电器供至辅机的辅机电力以及所述电力-机械动力输入输出单元的驱动状态设定可驱动范围。该布置确保了适当地设定可驱动范围。在该实施例中，所述可驱动范围设定单元可将由所述电力-机械动力输入输出单元限定的所述内燃机的可允许驱动范围设定为可驱动范围。因此，内燃机的驱动范围在蓄电器的输入限制和输出限制内。在该实施例的一个优选应用中，所述可驱动范围设定单元，基于所设定的输入限制和输出限制、电机要求电力以及辅机电力规定可输入至所述电力-机械动力输入输出单元和可从所述电力-机械动力输入输出单元输出的可允许输入-输出电力范围，根据所规定的可允许输入-输出电力范围和所述电力-机械动力输入输出单元的驱动状态计算可从所述电力-机械动力输入输出单元输出的可允许转矩范围，并基于所计算的可允许转矩范围设定所述内燃机的驱动范围。在该实施例的另一个优选应用中，可驱动范围设定单元将内燃机的输出轴的转速范围设定为可驱动范围。调节内燃机的输出轴的转速能够使内燃机的驱动范围在蓄电器的输入限制和输出限制内。
在本发明的动力输出装置的另一个优选实施例中，所述控制器还包括基于所设定的要求动力设定所述内燃机的目标驱动状态的目标驱动状态设定单元。所述驱动控制单元根据可驱动范围校正所设定的目标驱动状态，并控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机，以在所校正的目标驱动状态下驱动所述内燃机。该布置能有效地防止由于没有对内燃机的目标驱动状态校正而可能出现向蓄电器输入的电力或从蓄电器输出的电力过量。在该实施例的一个优选应用中，所述目标驱动状态设定单元至少将所述内燃机的目标转速设定为目标驱动状态。所述驱动控制单元根据可驱动范围校正所设定的目标转速，并控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机，以在所校正的目标转速下驱动所述内燃机。
在本发明的动力输出装置的又一优选实施例中，所述驱动控制单元控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机，以在输入限制和输出限制的设定范围内将对应于要求动力的动力输出至所述驱动轴。该布置能够在蓄电器的输入限制和输出限制的范围内将对应于要求动力的动力输出至所述驱动轴。
在本发明的动力输出装置中，所述电力-机械动力输入输出单元可包括三轴动力输入输出组件，该组件与三个轴即所述内燃机的所述输出轴、所述驱动轴以及第三轴相连，并基于从所述三个轴中的两个轴输入的动力和输出至所述两个轴的动力规定从所述三个轴中剩余的一个剩余轴输入的动力和输出至该剩余轴的动力；以及从所述第三轴输入动力和向所述第三轴输出动力的发电机。所述电力-机械动力输入输出单元可包括具有第一转子和第二转子的双转子发电机，该第一转子与所述内燃机的输出轴相连，该第二转子与所述驱动轴相连并相对于第一转子转动，所述双转子发电机通过第一转子与第二转子之间的电磁相互作用所产生的电力的输入和输出将来自所述内燃机的动力的至少一部分输出至所述驱动轴。
本发明还涉及一种安装有内燃机的汽车，该汽车包括与所述内燃机的输出轴相连并与和车轴机械连接的驱动轴相连、通过电力和机械动力的输入和输出保持或改变所述内燃机的驱动状态并将来自所述内燃机的动力的至少一部分输出至所述驱动轴的电力-机械动力输入输出单元；能够从所述驱动轴输入动力和向所述驱动轴输出动力的电机；能够向所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机提供电力和从所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机接收电力的蓄电器；以及控制器，该控制器包括设定所述蓄电器的输入限制和输出限制的输入-输出限制设定单元；基于所设定的输入限制和输出限制设定所述电力-机械动力输入输出单元的可驱动范围的可驱动范围设定单元；响应操作者的操作设定对所述驱动轴所要求的要求动力的要求动力设定单元；以及控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机以在所设定的可驱动范围内驱动所述电力-机械动力输入输出单元并将对应于所设定的要求动力的动力输出至所述驱动轴的驱动控制单元。
本发明的汽车设定能够向所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机提供电力和从所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机接收电力的蓄电器的输入限制和输出限制，并基于所设定的输入限制和输出限制设定所述电力-机械动力输入输出单元的可驱动范围。本发明的汽车还控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机，以在所设定的可驱动范围内驱动所述电力-机械动力输入输出单元并将对应于响应操作者的操作所设定的要求动力的动力输出至所述驱动轴。即，控制所述内燃机和所述电力-机械动力输入输出单元以在可驱动范围内驱动所述电力-机械动力输入输出单元，同时控制所述电机以将对应于要求动力的动力输出至所述驱动轴。因此，所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机的控制在蓄电器的输入限制和输出限制内。该布置能有效地防止向蓄电器输入的电力或从蓄电器输出的电力过量。
在本发明的汽车的一个优选实施例中，所述可驱动范围设定单元基于所设定的输入限制和输出限制、将输入至所述电机和将从所述电机输出的电机要求电力、将从所述蓄电器供至辅机的辅机电力以及所述电力-机械动力输入输出单元的驱动状态设定可驱动范围。该布置确保了适当地设定可驱动范围。在该实施例中，所述可驱动范围设定单元可将由所述电力-机械动力输入输出单元限定的所述内燃机的可允许驱动范围设定为可驱动范围。因此，内燃机的驱动范围在蓄电器的输入限制和输出限制内。在该实施例的一个优选应用中，所述可驱动范围设定单元基于所设定的输入限制和输出限制、电机要求电力以及辅机电力规定可输入至所述电力-机械动力输入输出单元和可从所述电力-机械动力输入输出单元输出的可允许输入-输出电力范围，根据所规定的可允许输入-输出电力范围和所述电力-机械动力输入输出单元的驱动状态计算可从所述电力-机械动力输入输出单元输出的可允许转矩范围，并基于所计算的可允许转矩范围设定所述内燃机的驱动范围。在该实施例的另一个优选应用中，可驱动范围设定单元将内燃机的输出轴的转速范围设定为可驱动范围。调节内燃机的输出轴的转速能够使内燃机的驱动范围在蓄电器的输入限制和输出限制内。
在本发明的汽车的另一个优选实施例中，所述控制器还包括基于所设定的要求动力设定所述内燃机的目标驱动状态的目标驱动状态设定单元。所述驱动控制单元根据可驱动范围校正所设定的目标驱动状态，并控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机，以在所校正的目标驱动状态下驱动所述内燃机。该布置能有效地防止由于没有对内燃机的目标驱动状态校正而可能出现向蓄电器输入的电力或从蓄电器输出的电力过量。在该实施例的一个优选应用中，所述目标驱动状态设定单元至少将所述内燃机的目标转速设定为目标驱动状态。所述驱动控制单元根据可驱动范围校正所设定的目标转速，并控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机，以在所校正的目标转速下驱动所述内燃机。
本发明还涉及一种控制动力输出装置的控制方法，所述动力输出装置包括内燃机；与所述内燃机的输出轴和驱动轴相连、通过电力和机械动力的输入和输出保持或改变所述内燃机的驱动状态并将来自所述内燃机的动力的至少一部分输出至所述驱动轴的电力-机械动力输入输出单元；能够从所述驱动轴输入动力和向所述驱动轴输出动力的电机；以及能够向所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机提供电力和从所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机接收电力的蓄电器，该控制方法包括以下步骤(a)设定所述蓄电器的输入限制和输出限制；(b)基于所设定的输入限制和输出限制、将输入至所述电机和将从所述电机输出的电机要求电力、将从所述蓄电器供至辅机的辅机电力以及所述电力-机械动力输入输出单元的驱动状态设定所述电力-机械动力输入输出单元的可驱动范围；(c)响应操作者的操作设定对所述驱动轴所要求的要求动力；以及(d)控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机，以在所设定的可驱动范围内驱动所述电力-机械动力输入输出单元，并将对应于所设定的要求动力的动力输出至所述驱动轴。
本发明的控制方法设定能够向所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机提供电力和从所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机接收电力的蓄电器的输入限制和输出限制，并基于所设定的输入限制和输出限制设定所述电力-机械动力输入输出单元的可驱动范围。该方法还控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机，以在所设定的可驱动范围内驱动所述电力-机械动力输入输出单元并将对应于响应操作者的操作所设定的要求动力的动力输出至所述驱动轴。即，控制所述内燃机和所述电力-机械动力输入输出单元以在可驱动范围内驱动所述电力-机械动力输入输出单元，同时控制所述电机以将对应于要求动力的动力输出至所述驱动轴。因此，所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机的控制在蓄电器的输入限制和输出限制内。该布置能有效地防止向蓄电器输入的电力或从蓄电器输出的电力过量。
在本发明的一个优选实施例中，所述控制方法在所述步骤(d)之前还包括基于所设定的要求动力设定所述内燃机的目标驱动状态的步骤。所述步骤(d)根据可驱动范围校正所设定的目标驱动状态，并控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机，以在所校正的目标驱动状态下驱动所述内燃机。
图1示意性示出一个实施例中的混合动力车辆20的构造；图2是示出由混合动力电子控制单元70执行的驱动控制例程的流程图；图3示出输入限制Win和输出限制Wout随蓄电池50的蓄电池温度Tb的变化；图4示出输出限制校正系数和输入限制校正系数随蓄电池50的充电状态(SOC)的变化；图5示出要求转矩设定图(map)的一个示例；
图6示出发动机22的驱动线(动作线，driving line)的一个示例以及设定目标转速Ne*和目标转矩Te*的过程；图7示出关于动力分配综合机构30(power distribution integrationmechanism)中转动部件的动力学关系的列线图；图8示意性示出一个变形例的结构中的混合动力车辆120的构造；图9示意性示出另一个变形例的结构中的混合动力车辆220的构造。
具体实施例方式
下面说明作为优选实施例实施本发明的一个模式。图1示意性示出本发明的一个实施例中的安装有动力输出装置的混合动力车辆20的构造。如所示出的，本实施例的混合动力车辆20包括发动机22，经由减振器28与用作发动机22的输出轴的曲轴26相连的三轴型动力分配综合机构30，与动力分配综合机构30相连并能够产生电力的电机MG1，连接到用作与动力分配综合机构30相连的驱动轴的齿圈轴32a的减速器35，与减速器35相连的另一个电机MG2，以及控制整个动力输出装置的混合动力电子控制单元70。
发动机22是消耗碳氢燃料例如汽油或轻油以输出动力的内燃机并受到发动机电子控制单元(下文称为发动机ECU)24的控制。发动机ECU 24从检测发动机22的运转状况的各种传感器接收输入信号并实施包括燃料喷射控制、点火控制以及进气量调节控制的操作控制。发动机ECU 24与混合动力电子控制单元70通信并接收来自混合动力电子控制单元70的控制信号以控制发动机22的运转，同时根据要求向混合动力电子控制单元70输出有关发动机22的运转状况的数据。
动力分配综合机构30具有为外齿轮的太阳齿轮31，为内齿轮并与太阳齿轮31同心地设置的齿圈32，多个与太阳齿轮31和齿圈32啮合的行星齿轮33，以及以允许行星齿轮33自由公转和在其各自的轴上自由自转的方式保持多个行星齿轮33的行星架34。即，动力分配综合机构30构造成允许作为转动部件的太阳齿轮31、齿圈32以及行星架34差动的行星齿轮机构。动力分配综合机构30中的行星架34、太阳齿轮31以及齿圈32分别连接到发动机22的曲轴26、电机MG1以及经由齿圈轴32a连接到减速器35。在电机MG1用作发电机时，从发动机22输出并通过行星架34输入的动力根据齿轮比分配给太阳齿轮31和齿圈32。另一方面，在电机MG1用作电动机时，从发动机22输出并通过行星架34输入的动力与从电机MG1输出并通过太阳齿轮31输入的动力结合，该结合的复合动力输出至齿圈32。输出至齿圈32的动力最终从齿圈轴32a经由齿轮机构60和差速器62传递到驱动轮63a、63b。
电机MG1和MG2都构造成公知的同步发电电动机，既可被驱动作为发电机，又可被驱动作为电动机。电机MG1和MG2经由逆变器41和42从蓄电池50传递电力并向蓄电池50传递电力。连接逆变器41和42与蓄电池50的电力线54包括这两个逆变器41和42共用的正极母线和负极母线。这种布置允许由电机MG1和MG2中的一个产生的电力被另一个电机消耗。蓄电池50用电机MG1或电机MG2的过量的电力充电，或者放电以补充电机MG1或电机MG2的不足的电力。当电机MG1和MG2的电力平衡时，蓄电池50既不充电也不放电。电机MG1和MG2都由电机电子控制单元(下文称为电机ECU)40驱动和控制。电机ECU 40接收驱动和控制电机MG1和MG2所需的信号，例如来自检测电机MG1和MG2中转子的转动位置的转动位置检测传感器43和44的信号以及提供给电机MG1和MG2并由未示出的电流传感器检测的相电流的值。电机ECU 40向逆变器41和42输出开关(切换)控制信号。电机ECU 40与混合动力电子控制单元70通信并响应来自混合动力电子控制单元70的控制信号驱动和控制电机MG1和MG2，同时根据要求向混合动力电子控制单元70输出有关电机MG1和MG2的运转状况的数据。
蓄电池50由蓄电池电子控制单元(下文称为蓄电池ECU)52控制。蓄电池ECU 52接收控制蓄电池50所需的信号，例如，由设置在蓄电池50的端子之间的未示出的电压传感器检测的端子之间间电压的值，由连接到与蓄电池50的输出端子相连的电力线54的未示出的电流传感器检测的充电放电电流的值，以及由连接到蓄电池50的未示出的温度传感器检测的蓄电池温度。蓄电池ECU 52根据要求经由通信向混合动力电子控制单元70输出有关蓄电池50的状况的数据。蓄电池ECU 52从由电流传感器检测的充电放电电流的累积值计算充电状态(SOC)，用于控制蓄电池50。
混合动力电子控制单元70构造成包括CPU 72、存储处理程序的ROM74、临时存储数据的RAM 76、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。混合动力电子控制单元70经由输入端口接收各种输入来自点火开关80的点火信号，来自检测换档杆81的当前位置的换档位置传感器82的换档位置SP，来自检测加速踏板83的踩下量的加速踏板位置传感器84的加速器开度Acc，来自检测制动踏板85的踩下量的制动踏板位置传感器86的制动踏板位置BP，以及来自车速传感器88的车速V。混合动力电子控制单元70经由通信端口与发动机ECU 24、电机ECU 40以及蓄电池ECU 52通信，以便如上文提及的那样向发动机ECU 24、电机ECU 40以及蓄电池ECU 52传递各种控制信号和数据并从发动机ECU 24、电机ECU 40以及蓄电池ECU 52传递各种控制信号和数据。
这样构造的实施例的混合动力车辆20，基于对应于驾驶员对加速踏板83的踩下量的加速器开度Acc和车速V，计算将输出至齿圈轴32a或驱动轴的要求转矩(所要求的转矩)。发动机22以及电机MG1和MG2处于运转控制下，以能够将对应于所计算的要求转矩的动力实际输出至齿圈轴32a。发动机22以及电机MG1和MG2的运转控制具有多种模式转矩转换驱动模式、充电-放电驱动模式以及电机驱动模式。在转矩转换驱动模式中，发动机22处于运转控制下，以输出等于要求动力(所要求的动力)的动力。电机MG1和MG2被驱动和控制，以使来自发动机22的总动力输出经受通过动力分配综合机构30以及电机MG1和MG2的转矩转换并输出至齿圈轴32a。在充电-放电驱动模式中，发动机22处于运转控制下，以输出等于要求动力与用于蓄电池50的充电和放电的电力之和的动力。电机MG1和MG2被驱动和控制，以随着蓄电池50的充电或放电使从发动机22输出的动力的全部或部分经受通过动力分配综合机构30以及电机MG1和MG2的转矩转换并作为要求动力输出至齿圈轴32a。在电机驱动模式中，发动机22的运转停止，而电机MG2被驱动和控制，以向齿圈轴32a输出等于要求动力的动力。
下面说明如上所述构造的实施例的混合动力车辆20的操作，尤其是在蓄电池50的输入限制和输出限制下的操作。图2是示出由混合动力电子控制单元70执行的驱动控制例程的流程图。该例程以预先设定的时间间隔(例如，每隔8毫秒)重复执行。
当驱动控制例程开始时，混合动力电子控制单元70的CPU 72首先输入用于控制的各种数据，即，来自加速踏板位置传感器84的加速器开度Acc，来自车速传感器88的车速V，电机MG1和MG2的转速Nm1和Nm2，蓄电池50的输入限制和输出限制Win、Wout，以及发动机22的转速Ne(步骤S100)。电机MG1、MG2的转速Nm1、Nm2由通过转动位置检测传感器43和44所检测出的电机MG1和MG2中转子的转动位置计算出，并经由通信从电机ECU 40输入。发动机22的转速Ne响应来自未示出的、连接到曲轴26上的曲轴位置传感器的信号计算出，并经由通信从发动机ECU 24输入。蓄电池50的输入限制和输出限制Win、Wout根据由温度传感器51所检测的蓄电池50的蓄电池温度Tb和蓄电池50的充电状态(SOC)而设定，并经由通信从蓄电池ECU 52输入。一个具体的程序基于所观测的蓄电池温度Tb规定输入限制和输出限制Win、Wout的基准值，基于蓄电池50的充电状态(SOC)确定输出限制校正系数和输入限制校正系数，并将所规定的输入限制和输出限制Win、Wout的基准值乘以各自的校正系数，以设定蓄电池50的输入限制和输出限制Win、Wout。图3示出输入限制和输出限制Win、Wout随蓄电池温度Tb的变化。图4示出输出限制校正系数和输入限制校正系数随蓄电池50的充电状态(SOC)的变化。
在输入这些数据之后，CPU 72基于加速器开度Acc和车速V的输入，设定将作为车辆所需的转矩输出至齿圈轴32a或与驱动轮63a和63b相连的驱动轴的要求转矩Tr*和将从发动机22输出的要求动力Pe*(步骤S110)。在此实施例的结构中，要求转矩Tr*随加速器开度Acc和车速V的变化被预先规定并作为要求转矩设定图存储于ROM 74中。本实施例的程序对应于给定的加速器开度Acc和给定的车速V从所存储的要求转矩设定图读取并设定要求转矩Tr*。图5示出要求转矩设定图的示例。要求动力Pe*被计算为所设定的要求转矩Tr*与齿圈轴32a的转速Nr的乘积、蓄电池50的充电-放电要求电力Pb*以及潜在的损失“Loss”之和。齿圈轴32a的转速Nr可通过车速V乘以转换系数k或通过减速器35的传动比Gr除电机MG2的转速Nm2获得。
然后，CPU 72基于所设定的要求动力Pe*设定发动机22的目标转速Ne*和目标转矩Te*(步骤S120)。此处，目标转速Ne*和目标转矩Te*根据用于有效地驱动发动机22的驱动线和所设定的要求动力Pe*而设定。图6示出发动机22的驱动线的一个示例以及设定目标转速Ne*和目标转矩Te*的过程(处理)。如图所示，目标转速Ne*和目标转矩Te*作为驱动线与恒定发动机要求动力(功率)Pe*(＝Ne*×Te*)的曲线的交点而获得。
然后CPU 72设定作为从电机MG2输出最小所需水平的机械力所要求的电力的电机要求电力Pm2，以及作为致动从蓄电池50接收电力供给的辅机(即，安装在车辆上的辅机，如空气压缩机)所要求的电力的辅机要求电力Pcsm(步骤S130和S140)。电机要求电力Pm2设定为将从电机MG2输出的必要转矩，例如作为在起动发动机22的过程中响应从电机MG1的转矩输出，齿圈轴32a或驱动轴所需的反作用力的转矩。辅机要求电力Pcsm根据辅机的开关状态和负荷状态而设定。
在设定电机要求电力Pm2和辅机要求电力Pcsm之后，基于输入限制和输出限制Win、Wout、电机要求电力Pm2、辅机要求电力Pcsm、潜在的损失Ploss以及电机MG1的转速Nm1，设定作为从电机MG1输出的转矩的上限和下限的上限转矩Tm1max和下限转矩Tm1min(步骤S150)。该具体的程序将电机MG1的电力(功率)Pm1(＝转矩×转速Nm1)代入下面给出的方程式(1)并从方程式(1)推出下面给出的方程式(2)和(3)，以计算上限转矩Tm1max和下限转矩Tm1min
Win≤Pm2+Pm1+P1oss+Pcsm≤Wout...(1)Tm1min＝{Win-(Pm2+Ploss+Pesm)}/Nm1...(2)Tm1max＝{Wout-(Pm2+Ploss+Pcsm)}/Nm1...(3)然后，CPU 72根据下面给出的用于电机MG1的反馈控制的方程式(4)计算目标转速Ne*相对于发动机转速Ne的变化的上限ΔNemax和下限ΔNemin(上限变化和下限变化)，以便当发动机22当前在相对于所设定的上限转矩Tm1max和下限转矩Tm1min的转速Ne下被驱动时在目标转速Ne*下驱动发动机22(步骤S160)。在方程式(4)中，右侧第一项中的Tbs、第二项中的k1以及第三项中的k2分别表示基项、比例项的增益以及积分项的增益。ΔNe表示目标转速Ne*与当前转速Ne之间的差(Ne*-Ne)。比例项立即响应目标转速Ne*与当前转速Ne之间的差，而积分项在每个循环中仅有很小的变化。因此，本实施例的处理将基项和积分项作为固定值，并根据下面给出的方程式(5)和(6)计算上限变化ΔNemax和下限变化ΔNeminTm1＝Tbs+k1·ΔNe+k2·∫ΔNedt...(4)ΔNemin＝(Tm1min-Tbs-k2·∫ΔNedt)/k1...(5)ΔNemax＝(Tm1max-Tbs-k2·∫ΔNedt)/k1...(6)然后，CPU 72从目标转速Ne*减去当前转速Ne以计算目标转速变化ΔNe*(步骤S170)，并将所计算的目标转速变化ΔNe*与上限变化ΔNemax和下限变化ΔNemin进行比较(步骤S180)。当目标转速变化ΔNe*小于下限变化ΔNemin时，将当前转速Ne与下限变化ΔNemin之和设定为目标转速Ne*(步骤S190)。当目标转速变化ΔNe*大于上限变化ΔNemax时，将当前转速Ne与上限变化ΔNemax之和设定为目标转速Ne*(步骤S200)。当目标转速变化ΔNe*不小于下限变化ΔNemin且不大于上限变化ΔNemax时，不执行目标转速Ne*的重新设定。目标转速Ne*的这种重新设定使得为将发动机22的转速从当前转速Ne改变为目标转速Ne*所需的电机MG1的输出转矩在下限转矩Tm1min到上限转矩Tm1max的范围内。
CPU 72根据上面给出的方程式(4)由发动机22的预设定或重新设定的目标转速Ne*与当前转速Ne之间的差计算电机MG1的转矩指令Tm1*(步骤S210)。然后，CPU 72根据下面给出的方程式(7)，用电机MG2的当前转速Nm2除蓄电池50的输出限制Wout与电机MG1的电力消耗(发生的电力)之差，以计算作为从电机MG2输出的上限转矩的转矩限制Tmax(步骤S220)，其中电机MG1的电力消耗为计算出的电机MG1的转矩指令Tm1*与电机MG1的当前转速Nm1的乘积。CPU 72还根据下面给出的方程式(8)，由要求转矩Tr*、转矩指令Tm1*以及动力分配综合机构30的传动比ρ，计算作为将从电机MG2输出的转矩的假定电机转矩Tm2tmp(步骤S230)，并将计算出的转矩限制Tmax与计算出的假定电机转矩Tm2tmp中较小的一个设定为电机MG2的转矩指令Tm2*(步骤S240)。方程式(8)示出动力分配综合机构30中的转动部件的动力学关系。图7是示出关于动力分配综合机构30中的转动部件的转速与转矩之间的动力学关系的列线图。轴线S示出等于电机MG1的转速Nm1的太阳齿轮31的转速。轴线C示出等于发动机22的转速Ne的行星架34的转速。轴线R示出由电机MG2的转速Nm2乘以减速器35的传动比Gr所得的齿圈32的转速Nr。从此列线图可以容易地推出方程式(8)。轴线R上的两个粗箭头分别表示当发动机22在由目标转矩Te*和目标转速Ne*限定的具体驱动点稳定地驱动时由于从发动机22输出的转矩Te*经由动力分配综合机构30传递而作用在齿圈轴32a上的转矩，以及由于从电机MG2输出的转矩Tm2*经由减速器35传递而作用在齿圈轴32a上的转矩。以这种方式设定电机MG2的转矩指令Tm2*使得将输出至齿圈轴32a或驱动轴的要求转矩Tr*被设定为在蓄电池50的输出限制范围之内的受限制转矩。
Tmax＝(Wout-Tm1*·Nm1)/Nm2...(7)Tm2tmp＝(Tr*+Tm1*/ρ)/Gr...(8)在设定发动机22的目标转速Ne*和目标转矩Te*以及电机MG1和MG2的转矩指令Tm1*和Tm2*之后，CPU72将发动机22的目标转速Ne*和目标转矩Te*发送到发动机ECU 24，并将电机MG1和MG2的转矩指令Tm1*和Tm2*发送到电机ECU 40(步骤S250)，然后退出此驱动控制例程。发动机ECU 24接收目标转速Ne*和目标转矩Te*并执行发动机22的燃料喷射控制和点火控制，以在由目标转速Ne*和目标转矩Te*限定的驱动点处驱动发动机22。电机ECU 40接收转矩指令Tm1*和Tm2*并执行逆变器41和42中的开关元件的开关控制，以利用转矩指令Tm1*驱动电机MG1并利用转矩指令Tm2*驱动电机MG2。
如上所述，本实施例的混合动力车辆20基于蓄电池50的输入限制和输出限制Win、Wout、电机MG2的电机要求电力Pm2、辅机要求电力Pcms、潜在的损失Ploss以及电机MG1的转速Nm1，设定从电机MG1输出的上限转矩Tm1max和下限转矩Tm1min。混合动力车辆20重新设定发动机22的目标转速Ne*，以使得电机MG1的输出转矩在下限转矩Tm1min到上限转矩Tm1max的范围内，并驱动发动机22，同时致动电机MG1和MG2。从而，发动机22的驱动和电机MG1和MG2的致动都在蓄电池50的输入限制和输出限制Win、Wout下。此布置有效地防止了蓄电池50过充电或过放电。驾驶员所要求的要求转矩Tr*作为在蓄电池50的输入限制和输出限制Win、Wout范围内的受限制转矩输出至齿圈轴32a或驱动轴。因此，本实施例的布置可在有效地防止蓄电池50过充电或过放电的同时，确保对应于驾驶员所需水平的转矩输出。
在本实施例的混合动力车辆20中，基于蓄电池50的输入限制和输出限制Win、Wout、电机MG2的电机要求电力Pm2、辅机要求电力Pcms、潜在的损失Ploss以及电机MG1的转速Nm1，设定从电机MG1输出的上限转矩Tm1max和下限转矩Tm1min。将电机要求电力Pm2计算作为从电机MG2输出最小所需水平的机械动力所要求的电力不是必须的。电机要求电力Pm2可由从电机MG2输出最小所需水平的机械动力所要求的最小要求电力计算出，例如通过将最小要求电力加上校正电力，或通过将最小要求电力乘以校正系数而计算出。电机要求电力Pm2也可通过任何其它技术设定，例如设定为等于电机MG2的当前电力消耗或通过将当前电力消耗乘以校正系数而计算出。
本实施例的混合动力车辆20基于蓄电池50的输入限制和输出限制Win、Wout设定从电机MG1输出的上限转矩Tm1max和下限转矩Tm1min，并重新设定发动机22的目标转速Ne*，以使电机MG1的输出转矩在下限转矩Tm1min到上限转矩Tm1max的范围内。一个变形例的程序可基于蓄电池50的输入限制和输出限制Win、Wout直接设定发动机22的目标转速Ne*，而不规定上限转矩Tm1max和下限转矩Tm1min。
本实施例的混合动力车辆20使用所观测的电机MG1的转速Nm1以基于蓄电池50的输入限制和输出限制Win、Wout设定从电机MG1输出的上限转矩Tm1max和下限转矩Tm1min。一个变形例的程序可估计在以上讨论的驱动控制例程的致动间隔或接近该致动间隔的时间段之后预期的电机MG1的将来转速，并使用所估计的将来转速以设定上限转矩Tm1max和下限转矩Tm1min。
本实施例的混合动力车辆20，使用作为包括基项、比例项以及积分项的反馈控制的关系表达式的方程式(4)，以由上限转矩Tm1max和下限转矩Tm1min计算上限变化ΔNemax和下限变化ΔNemin，或由目标转速Ne*和所观测的转速Ne设定转矩指令Tm1*。也可为相同的目的使用其它各种反馈控制关系表达式例如，不包括积分项而仅包括基项和比例项的关系表达式，不包括基项而仅包括比例项和积分项的关系表达式，或除了基项、比例项和积分项之外还包括微分项的关系表达式。也可为相同的目的使用除反馈控制之外的任何其它合适的控制的关系表达式。
在本实施例的混合动力车辆20中，电机MG2的动力经受减速器35变速并输出至齿圈轴32a。在示出为图8的混合动力车辆120的一个可能的变形例中，电机MG2的动力可输出至不同于与齿圈轴32a相连的车轴(即，与车轮63a和63b相连的车轴)的另一车轴(即，与车轮64a和64b相连的车轴)。
在本实施例的混合动力车辆20中，发动机22的动力经由动力分配综合机构30输出至用作与驱动轮63a和63b相连的驱动轴的齿圈轴32a。在图9的另一可能的变形例中，混合动力车辆220可具有双转子电机230，该双转子电机具有与发动机22的曲轴26相连的内转子232和与用于将动力输出至驱动轮63a、63b的驱动轴相连的外转子234，并将从发动机22输出的动力的一部分传递至驱动轴，而将动力的剩余部分转换为电力。
以上讨论的实施例在所有方面都应认为是示例性的而不是限制性的。在不脱离本发明的主要特征的精神和范围的条件下可存在很多变形、改变和变化。本发明的精神和范围由所附权利要求而不是上述说明指出。
工业应用性本发明的技术可应用于动力输出装置和汽车的制造工业。
权利要求
1.一种向驱动轴输出动力的动力输出装置，所述动力输出装置包括内燃机；与所述内燃机的输出轴和所述驱动轴相连、通过电力和机械动力的输入和输出保持或改变所述内燃机的驱动状态并将来自所述内燃机的动力的至少一部分输出至所述驱动轴的电力-机械动力输入输出单元；能够从所述驱动轴输入动力和向所述驱动轴输出动力的电机；能够向所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机提供电力和从所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机接收电力的蓄电器；以及控制器，该控制器包括设定所述蓄电器的输入限制和输出限制的输入-输出限制设定单元；基于所设定的输入限制和输出限制设定所述电力-机械动力输入输出单元的可驱动范围的可驱动范围设定单元；响应操作者的操作设定对所述驱动轴所要求的要求动力的要求动力设定单元；以及控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机以在所设定的可驱动范围内驱动所述电力-机械动力输入输出单元并将对应于所设定的要求动力的动力输出至所述驱动轴的驱动控制单元。
2.根据权利要求1所述的动力输出装置，其特征在于，所述可驱动范围设定单元基于所设定的输入限制和输出限制、将输入至所述电机和将从所述电机输出的电机要求电力、将从所述蓄电器供给至辅机的辅机电力以及所述电力-机械动力输入输出单元的驱动状态设定可驱动范围。
3.根据权利要求2所述的动力输出装置，其特征在于，所述可驱动范围设定单元将由所述电力-机械动力输入输出单元限定的所述内燃机的可允许驱动范围设定为可驱动范围。
4.根据权利要求3所述的动力输出装置，其特征在于，所述可驱动范围设定单元基于所设定的输入限制和输出限制、电机要求电力以及辅机电力规定可输入至所述电力-机械动力输入输出单元和从所述电力-机械动力输入输出单元输出的可允许输入-输出电力范围，根据所规定的可允许输入-输出电力范围和所述电力-机械动力输入输出单元的驱动状态计算可从所述电力-机械动力输入输出单元输出的可允许转矩范围，并基于所计算的可允许转矩范围设定所述内燃机的驱动范围。
5.根据权利要求3所述的动力输出装置，其特征在于，所述可驱动范围设定单元将所述内燃机的所述输出轴的转速范围设定为可驱动范围。
6.根据权利要求1所述的动力输出装置，其特征在于，所述控制器还包括基于所设定的要求动力设定所述内燃机的目标驱动状态的目标驱动状态设定单元，以及所述驱动控制单元根据可驱动范围校正所设定的目标驱动状态，并控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机，以在所校正的目标驱动状态下驱动所述内燃机。
7.根据权利要求6所述的动力输出装置，其特征在于，所述目标驱动状态设定单元至少将所述内燃机的目标转速设定为目标驱动状态，以及所述驱动控制单元根据可驱动范围校正所设定的目标转速，并控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机，以在所校正的目标转速下驱动所述内燃机。
8.根据权利要求1所述的动力输出装置，其特征在于，所述驱动控制单元控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机，以在输入限制和输出限制的设定范围内将对应于要求动力的动力输出至所述驱动轴。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的动力输出装置，其特征在于，所述电力-机械动力输入输出单元包括三轴动力输入输出组件，该组件与三个轴即所述内燃机的所述输出轴、所述驱动轴以及第三轴相连，并基于从所述三个轴中的两个轴输入的动力和输出至所述两个轴的动力规定从所述三个轴中剩余的一个剩余轴输入的动力和输出至该剩余轴的动力；以及从所述第三轴输入动力和向所述第三轴输出动力的发电机。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的动力输出装置，其特征在于，所述电力-机械动力输入输出单元包括具有第一转子和第二转子的双转子发电机，该第一转子与所述内燃机的输出轴相连，该第二转子与所述驱动轴相连并相对于第一转子转动，所述双转子发电机通过第一转子与第二转子之间的电磁相互作用所产生的电力的输入和输出将来自所述内燃机的动力的至少一部分输出至所述驱动轴。
11.一种安装有内燃机的汽车，所述汽车包括与所述内燃机的输出轴相连并与和车轴机械连接的驱动轴相连、通过电力和机械动力的输入和输出保持或改变所述内燃机的驱动状态并将来自所述内燃机的动力的至少一部分输出至所述驱动轴的电力-机械动力输入输出单元；能够从所述驱动轴输入动力和向所述驱动轴输出动力的电机；能够向所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机提供电力和从所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机接收电力的蓄电器；以及控制器，该控制器包括设定所述蓄电器的输入限制和输出限制的输入-输出限制设定单元；基于所设定的输入限制和输出限制设定所述电力-机械动力输入输出单元的可驱动范围的可驱动范围设定单元；响应操作者的操作设定对所述驱动轴所要求的要求动力的要求动力设定单元；以及控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机以在所设定的可驱动范围内驱动所述电力-机械动力输入输出单元并将对应于所设定的要求动力的动力输出至所述驱动轴的驱动控制单元。
12.根据权利要求11所述的汽车，其特征在于，所述可驱动范围设定单元基于所设定的输入限制和输出限制、将输入至所述电机和将从所述电机输出的电机要求电力、将从所述蓄电器供至辅机的辅机电力以及所述电力-机械动力输入输出单元的驱动状态设定可驱动范围。
13.根据权利要求12所述的汽车，其特征在于，所述可驱动范围设定单元将由所述电力-机械动力输入输出单元限定的所述内燃机的可允许驱动范围设定为可驱动范围。
14.根据权利要求13所述的汽车，其特征在于，所述可驱动范围设定单元基于所设定的输入限制和输出限制、电机要求电力以及辅机电力规定可输入至所述电力-机械动力输入输出单元和从所述电力-机械动力输入输出单元输出的可允许输入-输出电力范围，根据所规定的可允许输入-输出电力范围和所述电力-机械动力输入输出单元的驱动状态计算可从所述电力-机械动力输入输出单元输出的可允许转矩范围，并基于所计算的可允许转矩范围设定所述内燃机的驱动范围。
15.根据权利要求13所述的汽车，其特征在于，所述可驱动范围设定单元将所述内燃机的所述输出轴的转速范围设定为可驱动范围。
16.根据权利要求11所述的汽车，所述控制器还包括基于所设定的要求动力设定所述内燃机的目标驱动状态的目标驱动状态设定单元，以及所述驱动控制单元根据可驱动范围校正所设定的目标驱动状态，并控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机，以在所校正的目标驱动状态下驱动所述内燃机。
17.根据权利要求6所述的汽车，其特征在于，所述目标驱动状态设定单元至少将所述内燃机的目标转速设定为目标驱动状态，以及所述驱动控制单元根据可驱动范围校正所设定的目标转速，并控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机，以在所校正的目标转速下驱动所述内燃机。
18.一种控制动力输出装置的控制方法，所述动力输出装置包括内燃机；与所述内燃机的输出轴和驱动轴相连、通过电力和机械动力的输入和输出保持或改变所述内燃机的驱动状态并将来自所述内燃机的动力的至少一部分输出至所述驱动轴的电力-机械动力输入输出单元；能够从所述驱动轴输入动力和向所述驱动轴输出动力的电机；以及能够向所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机提供电力和从所述电力-机械动力输入输出单元及所述电机接收电力的蓄电器；所述控制方法包括以下步骤(a)设定所述蓄电器的输入限制和输出限制；(b)基于所设定的输入限制和输出限制、将输入至所述电机和将从所述电机输出的电机要求电力、将从所述蓄电器供至辅机的辅机电力以及所述电力-机械动力输入输出单元的驱动状态，设定所述电力-机械动力输入输出单元的可驱动范围；(c)响应操作者的操作设定对所述驱动轴所要求的要求动力；以及(d)控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机，以在所设定的可驱动范围内驱动所述电力-机械动力输入输出单元，并将对应于所设定的要求动力的动力输出至所述驱动轴。
19.根据权利要求18所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法在所述步骤(d)之前还包括基于所设定的要求动力设定所述内燃机的目标驱动状态的步骤，其中，所述步骤(d)根据可驱动范围校正所设定的目标驱动状态，并控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出单元以及所述电机，以在所校正的目标驱动状态下驱动所述内燃机。
全文摘要
本发明的技术基于蓄电池的输入限制和输出限制Win、Wout、电机要求电力Pm2、辅机要求电力Pcsm以及潜在的损失Ploss，设定从电动发电机输出的上限转矩Tm1max和下限转矩Tm1min(步骤S150)。然后，该技术限制发动机的目标转速Ne
文档编号B60L11/18GK1819933SQ20048001966
公开日2006年8月16日 申请日期2004年6月15日 优先权日2003年7月15日
发明者干场健, 滩光博 申请人:丰田自动车株式会社