JP3646963B2

JP3646963B2 - Hybrid car

Info

Publication number: JP3646963B2
Application number: JP675598A
Authority: JP
Inventors: 一柏瀬
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 1998-01-16
Filing date: 1998-01-16
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2018-01-16
Also published as: JPH11198669A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンとモータとを併用するハイブリッド車に関し、より詳しくは比較的低出力の２つのモータを用いて駆動力の確保と動力エネルギの回収効率を向上するハイブリッド車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車等の車両においては、低公害、省資源の観点からエンジンとモータとを併用するハイブリッド車が開発されており、このハイブリッド車では、発電用と動力源用との２つのモータを搭載することで動力エネルギの回収効率向上と走行性能の確保とを図る技術が多く採用されている。
【０００３】
例えば、特開平９−４６８２１号公報には、ディファレンシャルギヤ等の差動分配機構による動力分配機構を用いてエンジンの動力を発電機とモータ（駆動用モータ）とに分配し、エンジンの動力の一部で発電しながらモータを駆動して走行するハイブリッド車が開示されており、また、特開平９−１００８５３号公報には、プラネタリギヤによってエンジンの動力を発電機とモータ（駆動用モータ）とに分配するハイブリッド車が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した各先行技術においては、低速時の駆動力の大半を駆動用モータに依存するため、駆動用に大容量の大型のモータが必要となるばかりでなく、駆動輪で必要とするトルクに対する増幅機能を電力に依存するため、バッテリー容量が十分でない場合にも一定の走行性能を維持することのできる発電容量をもった発電機が要求されることになり、コスト増の要因となる。
【０００５】
また、車両においてはモータ（発電機）の回転制御範囲を超えるような出力軸回転数の変化があるため、エンジン出力を発電機と駆動用モータとに分配するだけでは、駆動輪からの要求駆動力に対し、必ずしもエンジン及びモータの制御を十分に最適化できるとは限らない。
【０００６】
また、ハイブリッド車では、各モータでの分担トルクは少ない方が、トルク−電力間で必要な変換効率等の影響を少なくできるため、車両全体のエネルギ効率を向上させる上で好ましい。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、エネルギ効率に優れ、比較的低出力の２つのモータを用いて駆動力の確保と動力エネルギの回収効率向上を達成するとともに、駆動輪からの要求駆動力に対してエンジン及びモータ制御の最適化を実現することのできるハイブリッド車を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、エンジンの出力とモータの出力とを併用して走行駆動源とするハイブリッド車において、サンギヤと、このサンギヤに噛合するピニオンを回転自在に支持するキャリアと、上記ピニオンに噛合するリングギヤとを有するプラネタリギヤと、上記エンジンの出力軸と上記プラネタリギヤのリングギヤとの間に連結され、駆動源あるいは発電機として切換え使用可能な第１のモータと、上記プラネタリギヤのサンギヤに連結され、駆動源あるいは発電機として切換え使用可能な第２のモータと、上記プラネタリギヤのキャリアに連結され、複数段あるいは無段階に切り換え可能な変速比に応じて上記プラネタリギヤと駆動輪との間で変速及びトルク増幅を行なう動力変換機構とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、上記動力変換機構を、入力軸に軸支されるプライマリプーリと出力軸に軸支されるセカンダリプーリとの間に駆動ベルトを巻装してなるベルト式無段変速機とすることを特徴とする。
【００１０】
すなわち、請求項１記載の発明では、エンジンの出力軸とプラネタリギヤのリングギヤとの間に第１のモータを連結するとともに、プラネタリギヤのサンギヤに第２のモータを連結し、プラネタリギヤのキャリアに複数段あるいは無段階に変速比を切り換え可能な動力変換機構を連結してプラネタリギヤと駆動輪との間で変速及びトルク増幅を行なう。
【００１１】
第１，第２のモータは、走行条件により、同時に駆動源あるいは発電機として、または、一方を駆動源、他方を発電機として使用することができる。
【００１２】
例えば、エンジン及び第１のモータのいずれか一方あるいは両方からプラネタリギヤのリングギヤに駆動力を供給し、第２のモータからプラネタリギヤのサンギヤに駆動力を供給する場合、プラネタリギヤで各駆動力が合成されてキャリアから出力され、動力変換機構を介して駆動輪に伝達される。
【００１３】
また、減速時や制動時等には、駆動輪側から動力変換機構を介してプラネタリギヤのキャリアに返還される駆動力が、リングギヤに連結される第１のモータ及びエンジン側と、サンギヤに連結される第２のモータ側とに分配され、第１，第２のモータを発電機として動力エネルギを回収する、あるいは、第２のモータを発電機とし、第１のモータに電力を供給してエンジン及び第１のモータで駆動力を発生させることができる。
【００１４】
この場合、請求項２に記載したように、動力変換機構としては、入力軸に軸支されるプライマリプーリと出力軸に軸支されるセカンダリプーリとの間に駆動ベルトを巻装してなるベルト式無段変速機を用い、変速比を無段階に切り換えて変速及びトルク増幅を行なうことが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図６は本発明の実施の一形態に係わり、図１は駆動系の基本構成を示す説明図、図２はエンジン及び第１，第２のモータによって走行する場合のトルク及び電気の流れを示す説明図、図３は第１のモータを発電機として使用する場合のトルク及び電気の流れを示す説明図、図４は第１，第２のモータを発電機として使用する場合のトルク及び電気の流れを示す説明図、図５は第２のモータを発電機として使用し、第１のモータで駆動力を発生させる場合のトルク及び電気の流れを示す説明図、図６は車両後退時のトルク及び電気の流れを示す説明図である。
【００１６】
本発明によるハイブリッド車は、エンジンとモータとを併用するパラレルハイブリッド式の車両であり、図１に示すように、エンジン１と、エンジン１の起動及び発電・動力アシストを担う第１のモータ２（以下、単にモータ２と呼称）と、エンジン１の出力軸１ａにモータ２を介して連結されるプラネタリギヤユニット３と、このプラネタリギヤユニット３の機能を制御し、発進・後進時の駆動力源になるとともに減速エネルギの回収を担う第２のモータ４（以下、単にモータ４と呼称）と、変速及びトルク増幅を行なって走行時の動力変換機能を担う動力変換機構５とを基本構成とする駆動系を備えている。
【００１７】
上記プラネタリギヤユニット３は、サンギヤ３ａ、このサンギヤ３ａに噛合するピニオンを回転自在に支持するキャリア３ｂ、ピニオンと噛合するリングギヤ３ｃを有するシングルピニオン式のプラネタリギヤである。また、上記動力変換機構５としては、歯車列を組み合わせた変速機や流体トルクコンバータを用いた変速機等を用いることが可能であるが、入力軸５ａに軸支されるプライマリプーリ５ｂと出力軸５ｃに軸支されるセカンダリプーリ５ｄとの間に駆動ベルト５ｅを巻装してなるベルト式無段変速機（ＣＶＴ）を採用することが望ましく、本形態においては、以下、上記動力変換機構５をＣＶＴ５として説明する。
【００１８】
すなわち、本形態におけるハイブリッド車の駆動系では、エンジン１の出力軸１ａとＣＶＴ５の入力軸５ａとの間にプラネタリギヤユニット３が配置されており、このプラネタリギヤユニット３のリングギヤ３ｃがエンジン１の出力軸１ａに一方のモータ２を介して結合されるとともに、キャリア３ｂがＣＶＴ５の入力軸５ａに結合され、サンギヤ３ａに他方のモータ４が連結されている。そして、ＣＶＴ５の出力軸５ｃに減速歯車列６を介してデファレンシャル機構７が連設され、このデファレンシャル機構７に駆動軸８を介して前輪或いは後輪の駆動輪９が連設される。
【００１９】
また、上記エンジン１、２つのモータ２，４、ＣＶＴ５は、監視・制御システム１０によって集中制御される。この監視・制御システム１０には、アクセルペダルやブレーキペダルの踏み込み操作、ステアリングの操舵角等を検出してドライバの運転操作状況を判定するドライバ意志判定システム１１、ブレーキ操作状態、エンジン１やＡＢＳ（アンチスキッドブレーキシステム）等に対する各種制御量、灯火類やエアコン等の補機類の作動状態等から車両の制御状況を判定する車両制御状況判定システム１２、車速、登坂や降坂、路面状態等の現在の車両の走行状態の変化を判定する走行状況判定システム１３等が接続され、エンジン１、２つのモータ２，４、ＣＶＴ５の作動状態やバッテリ１４の状態を監視し、各システムからの情報に基づいて、エンジン１の制御、インバータ１５，１６を介してのモータ２，４の駆動及びバッテリの充電制御、ＣＶＴ５の変速比や供給油圧の制御等を行う。
【００２０】
以上の構成による駆動系では、前述したように、エンジン１及びモータ２をプラネタリギヤユニット３のリングギヤ３ｃへ結合するとともにサンギヤ３ａにモータ４を結合してキャリア３ｂから出力を得るようにし、さらに、キャリア３ｂからの出力をＣＶＴ５によって変速及びトルク増幅して駆動輪９に伝達するようにしているため、２つのモータ２，４は発電と駆動力供給との両方に使用することができ、比較的小出力のモータを使用することができる。
【００２１】
すなわち、リングギヤ３ｃがエンジン１及びモータ２のいずれか一方あるいは両方から駆動される場合、例えば、図２に示すように、エンジン１とモータ２とによってリングギヤ３ｃを駆動する場合について考えると、バッテリ１４からインバータ１５，１６を介して電気エネルギがモータ２，４に供給され、モータ２で駆動力に変換されてエンジン１からの駆動力と合算されてリングギヤ３ｃへの入力トルクＴｒとなり、モータ４で駆動力に変換されてサンギヤ３ａへの入力トルクＴｓとなるわけであるが、プラネタリギヤの入出力特性から、サンギヤ３ａへの入力トルクＴｓ、リングギヤ３ｃへの入力トルクＴｒ、キャリア３ｂの出力トルクＴｃは、以下の（１）式で示すような関係となる。
Ｔｃ＝Ｔｓ＋Ｔｒ …（１）
【００２２】
従って、プラネタリギヤユニット３でサンギヤ３ａへの入力トルクＴｓとリングギヤ３ｃへの入力トルクＴｒとが合成されてキャリア３ｂから出力され、エンジン１、モータ２，４のそれぞれの出力トルクが小さい場合であってもキャリア３ｂから大きなトルクを得ることができ、ＣＶＴ５を介して駆動輪９に伝達されて大きな車両駆動力を得ることができる。尚、図２及び以下に説明する図３〜図６において、二点鎖線は電気の流れを模式的に示し、一点鎖線はトルク伝達の流れを模式的に示す。
【００２３】
この場合、サンギヤ３ａの入力トルクＴｓとリングギヤ３ｃの入力トルクＴｒとは、それぞれが合成されてキャリア３ｂの出力トルクＴｃとなるためには互いに反力を受けなくてはならず、各入力トルクＴｓ，Ｔｒの関係は、サンギヤ３ａの歯数Ｚｓ、リングギヤ３ｃの歯数Ｚｒによって表されるギヤ比ｉ（ｉ＝Ｚｓ／Ｚｒ）を用いて表わされる以下の（２），（３）式に示す関係から、以下の（４）式を満足しなけらばならない。
Ｔｃ・ｉ／（１＋ｉ）＝Ｔｓ …（２）
Ｔｃ・１／（１＋ｉ）＝Ｔｒ …（３）
Ｔｓ＝ｉ・Ｔｒ …（４）
【００２４】
一般的に、プラネタリギヤの構造上、Ｚｓ＜Ｚｒであるためギヤ比ｉはｉ＜１であり、上記（４）式から明らかなように、サンギヤ３ａへの入力トルクＴｓはリングギヤ３ｃへの入力トルクＴｒに対してｉ倍となる。
【００２５】
すなわち、エンジン１，モータ２をリングギヤ３ｃに結合し、モータ４をサンギヤ３ａに結合して構成するためサンギヤ３ａへの入力トルクＴｓは、小さい値（ｉ・Ｔｒ）で達成できる。
【００２６】
しかしながら、このサンギヤ３ａへの入力トルクＴｓはモータ４のみで得られるため、バッテリ１４からモータ４への電力供給が必要になり、長時間の走行でバッテリ１４の充電量が不足するような事態が予測される場合には、モータ２を発電機として使用する。
【００２７】
このように、エンジン１の駆動力の一部でモータ２を発電機として駆動し、残りの駆動力をリングギヤ３ｃへの入力トルクとしてリングギヤ３ｃへの入力トルクを抑えることで、相対的にモータ４の必要電力を抑えることができ、図３に示すように、モータ２の発電により得られた電力でバッテリ１４に充電された電気を使用することなくモータ４を駆動することができる。この場合、モータ４を主としてサンギヤ３ａの反力分担に使用し、エンジン１の駆動力のみによる走行が可能である。
【００２８】
ここで、エンジン１，モータ２をリングギヤ３ｃに結合し、モータ４をサンギヤ３ａに結合して構成するため、サンギヤ３ａへの入力トルクＴｓは小さな値に抑制することができ、モータ４の必要な駆動力は比較的小さいので、駆動力を得るための必要な電気エネルギは少なくてすむから、モータ４のトルクと電力の変換効率、インバータの制御効率等の影響を少なくすることが可能である。
【００２９】
このような状況で、バッテリ１４への充電が必要になったときには、モータ４の必要電力に対してモータ２の発電量が多くなるように制御する。また、主としてエンジン１の駆動力で走行中に、登坂や急加速等によってエンジン１の出力に対して負荷が大きくなり、モータ４のアシスト力を大きくする必要が生じた場合には、モータ２の発電量を抑えてリングギヤ３ｃへのエンジン１からの入力トルクを大きくし、同時にモータ４の駆動力が大きくなるようにバッテリ１４から電力を供給することで、必要な駆動力を確保することができる。
【００３０】
一方、減速時や制動時等においては、駆動輪９からＣＶＴ５を介してプラネタリギヤユニット３のキャリア３ｂに伝達されるトルクＴｃが、図４に示すように、モータ２へのリングギヤ３ｃからのトルクＴｒと、モータ４へのサンギヤ３ａからのトルクＴｓとに分配され、各モータ２，４で電気エネルギに変換されてバッテリ１４を充電する。このため、モータ２，４の発電でブレーキをかけるような状況において、モータ１つ当たりの発電量と、それによるブレーキ力が小さいにも拘らず、各モータ２，４の負担を少なくしつつ車両全体として大きな発電量とブレーキ力とが得られ、動力エネルギの回収効率を大幅に向上することができる。
【００３１】
この場合においても、バッテリ１４に十分な充電が行われており、バッテリ１４への充電が必要ない場合には、図５に示すように、エンジン１が吸収可能な駆動力をモータ２に発生させ、そのための発電をモータ４で行わせることにより、バッテリ１４に充電することなしに十分なエンジンブレーキ力を得ることができる。また、バッテリ１４への充電が必要になった場合には、モータ４の発電量をそのままにしてモータ２への供給電力を低くするように制御することで、エンジンブレーキ性能を低下させることなくバッテリ１４への充電が可能となる。
【００３２】
さらに、車両が後退する場合には、一般にはエンジン回転は前進時と同一方向の回転であることから、エンジン１に直結しているモータ２をエンジン１が逆回転にならないように回転方向を制御し、モータ４の駆動力をキャリア３ｂに出力して後進する。この場合には、図６に示すように、バッテリ１４の充電量に応じ、バッテリ１４への充電なしの走行からモータ２の発電によるバッテリ１４への充電を併用しながらの後進が可能である。
【００３３】
すなわち、バッテリ１４の充電量が十分である場合には、エンジン１の出力を吸収することでモータ２を発電機として作動させ、発電した電力をモータ４へ供給するよう制御する。一方、バッテリ１４の充電量が不足した場合には、エンジン１の出力を上げる等してモータ４の必要電力に対してモータ２の発電量が多くなるように制御し、発電した電力でバッテリ１４を充電する。
【００３４】
尚、バッテリ１４の充電量が十分である場合、エンジン停止状態でモータ２，４に電力を供給し、モータ２によってリングギヤ３ｃを固定するとともにモータ４からキャリア３ｂに駆動力を供給することで、車両を後退させることも可能である。
【００３５】
以上のプラネタリギヤユニット３を介してのエンジン１及びモータ２，４の回転は、ＣＶＴ５の使用によって適切に制御され、エンジン１及びモータ２，４の出力効率を最適化するとともに、駆動軸で必要とされる駆動力を確保することができる。
【００３６】
すなわち、プラネタリギヤにおいては、サンギヤ３ａの回転数をＮｓ、リングギヤ３ｃの回転数をＮｒ、キャリア３ｂの回転数をＮｃとすると、各回転数は以下の（５）式で示される関係となり、サンギヤ３ａの回転数Ｎｓ及びリングギヤ３ｃの回転数Ｎｒを制御することでキャリア３ｂの回転数Ｎｃを自由に設定することができる。尚、Ｎｓ＝Ｎｒのときには、Ｎｃ＝Ｎｒ＝Ｎｓとなり、全ての入出力回転数が一致する。
（１＋ｉ）・Ｎｃ＝Ｎｒ＋ｉ・Ｎｓ …（５）
【００３７】
従って、前述したようにプラネタリギヤの入出力トルクの関係はギヤ比ｉで決まるため、各ギヤのトルクの関係を維持した上でモータ２，４の回転数を制御することにより、出力回転数を制御することも可能であるが、モータ２，４のどちらか一方の回転数を一定として出力回転数を高くしようとすると、片方のモータの回転数を必要とする出力回転数よりも高くしなければならない。
【００３８】
例えば、モータ４によって駆動されるサンギヤ３ａの回転数を一定とし、サンギヤ３ａを基準とするリングギヤ３ｃ及びキャリア３ｂの回転数について考えると、この場合は、サンギヤ３ａを固定した場合と同様であり、上記（５）式においてＮｓ＝０とおくことができることから、モータ２によって駆動されるリングギヤ３ｃの回転数（サンギヤ３ａに対する回転数差）はキャリア３ｂの回転数（同じく、サンギヤ３ａに対する回転数差）の（１＋ｉ）倍となる。
【００３９】
また、モータ２によって駆動されるリングギヤ３ｃの回転数を一定とし、リングギヤ３ｃを基準とするサンギヤ３ａ及びキャリア３ｂの回転数について考えると、リングギヤ３ｃを固定した場合と同様であることから、上記（５）式においてＮｒ＝０とおくことができ、モータ４によって駆動されるサンギヤ３ａの回転数（リングギヤ３ｃに対する回転数差）はキャリア３ｂの回転数（同じく、リングギヤ３ｃに対する回転数差）の（１＋ｉ）／ｉ倍となる。
【００４０】
結局、いずれの場合においても、サンギヤ３ａを駆動するモータ４あるいはリングギヤ３ｃを駆動するモータ２のどちらか一方の回転数を一定として出力回転数（キャリア回転数）を高くしようとすると、モータ２，４のいずれか一方が出力回転数（キャリア回転数）よりも高くなってしまう。
【００４１】
モータ回転数が高くなることは、効率及び信頼性の低下を招くことになるため、通常は、プラネタリギヤにおける各ギヤの回転差が小さくなるように使用し、モータ回転数を低く抑えることが望ましいが、車速が低い場合には、サンギヤ３ａあるいはリングギヤ３ｃのどちらかの回転数を相対的に高くすることで、他方の回転を止めたり、また、エンジンを回転させたまま出力軸回転数を逆転して後進させることが可能であるものの、車速が高くなると、出力軸回転数が高くなるため、２つのモータ２，４の回転数差を小さくしようとしても、結果的にエンジン１及びモータ２，４の回転数が高くなってしまう。
【００４２】
本来、エンジンは、燃焼効率の高い、排気ガスの清浄化を期待できる回転数域で使用されることが望ましく、一方、車両においては、モータの回転制御範囲を超えるような出力軸回転数の変化がある。従って、駆動輪９からの要求駆動力に対し、プラネタリギヤユニット３の出力軸に配置したＣＶＴ５の変速比を適切に制御することで、プラネタリギヤユニット３への入力トルクを低く抑えることが可能となり、プラネタリギヤユニット３の出力回転数を適切に制御することができる。
【００４３】
すなわち、必要な駆動軸の回転数と車両駆動力の変化に対し、ＣＶＴ５によってエンジン１とモータ２，４の使用条件を最適範囲に抑えることでエンジン性能を特化し、さらに、燃焼効率の高い、排気ガスエミッションの低い領域でエンジン１を使用する頻度を大幅に増やすことができ、走行性能を確保しつつ、燃費改善、低公害化を実現することができるのである。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、エンジンの出力軸とプラネタリギヤのリングギヤとの間に駆動源あるいは発電機として切換え使用可能な第１のモータを連結するとともに、プラネタリギヤのサンギヤに駆動源あるいは発電機として切換え使用可能な第２のモータを連結し、プラネタリギヤのキャリアに複数段あるいは無段階に変速比を切り換え可能な動力変換機構を連結してプラネタリギヤと駆動輪との間で変速及びトルク増幅を行なうため、エンジン及び第１のモータのいずれか一方あるいは両方から供給される駆動力と第２のモータから供給される駆動力とをプラネタリギヤで合成して出力し、また、駆動輪側から動力変換機構を介して逆に伝達される駆動力をプラネタリギヤで第１のモータ及び第２のモータに配分し、第１，第２のモータで動力エネルギを電気エネルギに変換して回収する、あるいは、第２のモータで発電し、第１のモータに電力を供給してエンジン及び第１のモータで制動力を発生させることができる。
【００４５】
従って、駆動輪からの要求駆動力に対し、比較的低出力の小型の２つのモータで駆動力の確保と動力エネルギの回収効率向上を達成することができ、システムコストの低減、コンパクト化、軽量化を図ることができる。また、エンジン，第１のモータをプラネタリギヤのリングギヤに結合し、第２のモータをプラネタリギヤのサンギヤに結合して構成するため、第２のモータの分担トルクを低減することが可能になり、トルク−電力間で必要な変換効率等の影響を少なくでき、車両全体のエネルギ効率を向上させることができる。さらに、プラネタリギヤの出力軸に配置した動力変換機構の変速比を適切に制御することで、エンジン及び第１，第２のモータを最適に制御することが可能となる。
【００４６】
また、請求項２記載の発明では、請求項１記載の動力変換機構をベルト式無段変速機として変速比を無段階で変化させて変速及びトルク増幅を行なうため、駆動輪からの要求駆動力に対してプラネタリギヤへの入出力トルク及び回転数を自由に制御することが可能となり、エンジン及び第１，第２のモータの制御をより最適化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】駆動系の基本構成を示す説明図
【図２】エンジン及び第１，第２のモータによって走行する場合のトルク及び電気の流れを示す説明図
【図３】第１のモータを発電機として使用する場合のトルク及び電気の流れを示す説明図
【図４】第１，第２のモータを発電機として使用する場合のトルク及び電気の流れを示す説明図
【図５】第２のモータを発電機として使用し、第１のモータで駆動力を発生させる場合のトルク及び電気の流れを示す説明図
【図６】車両後進時のトルク及び電気の流れを示す説明図
【符号の説明】
１ …エンジン
２ …第１のモータ
３ …プラネタリギヤユニット
３ａ…サンギヤ
３ｂ…キャリア
３ｃ…リングギヤ
４ …第２のモータ
５ …ベルト式無段変速機（動力変換機構）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hybrid vehicle that uses both an engine and a motor, and more particularly, to a hybrid vehicle that uses two relatively low-power motors to secure driving force and improve recovery efficiency of power energy.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in vehicles such as automobiles, a hybrid vehicle using both an engine and a motor has been developed from the viewpoint of low pollution and resource saving. This hybrid vehicle is equipped with two motors for power generation and power source. As a result, many technologies for improving the recovery efficiency of motive energy and ensuring the running performance are employed.
[0003]
For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 9-46821, a power distribution mechanism using a differential distribution mechanism such as a differential gear is used to distribute engine power to a generator and a motor (drive motor). A hybrid vehicle that travels by driving a motor while generating electric power is disclosed, and Japanese Patent Laid-Open No. 9-100903 discloses that the power of an engine is distributed to a generator and a motor (drive motor) by a planetary gear. A hybrid vehicle is disclosed.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in each of the above-described prior arts, most of the driving force at low speed depends on the driving motor, so not only a large motor with a large capacity is required for driving, but also the torque required for the driving wheels. Since the amplification function depends on the electric power, a generator having a power generation capacity capable of maintaining a constant running performance even when the battery capacity is not sufficient is required, which causes an increase in cost.
[0005]
In addition, in a vehicle, there is a change in the rotational speed of the output shaft that exceeds the rotation control range of the motor (generator). Therefore, by simply distributing the engine output to the generator and the drive motor, the required drive from the drive wheels The engine and motor control cannot always be sufficiently optimized for the force.
[0006]
Further, in a hybrid vehicle, it is preferable to reduce the sharing torque of each motor because the influence of the conversion efficiency required between torque and electric power can be reduced, so that the energy efficiency of the entire vehicle is improved.
[0007]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and achieves securing of driving force and improvement of recovery efficiency of power energy by using two motors having excellent energy efficiency and relatively low output, and requests from driving wheels. It aims at providing the hybrid vehicle which can implement | achieve optimization of an engine and motor control with respect to a driving force.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, in a hybrid vehicle that uses a combination of engine output and motor output as a travel drive source, a sun gear, a carrier that rotatably supports a pinion that meshes with the sun gear, and the pinion A planetary gear having a meshing ring gear; a first motor that is connected between the output shaft of the engine and the ring gear of the planetary gear and can be used as a drive source or a generator; and is connected to the sun gear of the planetary gear; Shifting and torque between the planetary gear and the driving wheel according to a gear ratio that is connected to a second motor that can be switched as a drive source or a generator and the planetary gear carrier and can be switched in a plurality of stages or continuously. And a power conversion mechanism for performing amplification.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the power conversion mechanism is configured such that a drive belt is wound between a primary pulley pivotally supported by the input shaft and a secondary pulley pivotally supported by the output shaft. A belt type continuously variable transmission is formed.
[0010]
That is, in the first aspect of the invention, the first motor is connected between the engine output shaft and the planetary gear ring gear, the second motor is connected to the sun gear of the planetary gear, and the planetary gear carrier has a plurality of stages or A power conversion mechanism capable of switching the gear ratio steplessly is connected to perform speed change and torque amplification between the planetary gear and the drive wheel.
[0011]
The first and second motors can be used simultaneously as a drive source or a generator, or one can be used as a drive source and the other as a generator depending on running conditions.
[0012]
For example, when a driving force is supplied from one or both of the engine and the first motor to the planetary gear ring gear and a driving force is supplied from the second motor to the planetary gear sun gear, each driving force is synthesized by the planetary gear. It is output from the carrier and transmitted to the drive wheels via the power conversion mechanism.
[0013]
Further, at the time of deceleration or braking, the driving force returned from the driving wheel side to the planetary gear carrier via the power conversion mechanism is connected to the first motor and engine side connected to the ring gear and the sun gear. The first and second motors are used as generators to recover motive energy, or the second motor is used as a generator and power is supplied to the first motor to distribute the engine to the second motor side. The driving force can be generated by the first motor.
[0014]
In this case, as described in claim 2, as the power conversion mechanism, a belt formed by winding a drive belt between a primary pulley pivotally supported by the input shaft and a secondary pulley pivotally supported by the output shaft. It is desirable to use a continuously variable transmission and perform gear shifting and torque amplification by switching the gear ratio steplessly.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 6 relate to an embodiment of the present invention, FIG. 1 is an explanatory diagram showing a basic configuration of a drive system, and FIG. 2 is a diagram of torque and electricity when traveling by an engine and first and second motors. FIG. 3 is an explanatory diagram showing the flow of torque and electricity when the first motor is used as a generator, and FIG. 4 is a torque when using the first and second motors as a generator. FIG. 5 is an explanatory diagram showing the flow of electricity and torque, FIG. 5 is an explanatory diagram showing the flow of torque and electricity when the second motor is used as a generator and the first motor generates driving force, and FIG. It is explanatory drawing which shows the torque and the flow of electricity at the time.
[0016]
A hybrid vehicle according to the present invention is a parallel hybrid vehicle that uses both an engine and a motor. As shown in FIG. 1, the engine 1 and a first motor 2 that is responsible for starting the engine 1 and for generating and assisting power generation (power assist). Hereinafter, it is simply referred to as the motor 2), the planetary gear unit 3 connected to the output shaft 1 a of the engine 1 via the motor 2, and the functions of the planetary gear unit 3 are controlled to serve as a driving force source at the time of starting / reversing. In addition, a drive system having a basic configuration of a second motor 4 (hereinafter simply referred to as the motor 4) responsible for recovery of deceleration energy and a power conversion mechanism 5 that performs speed change and torque amplification to perform a power conversion function during traveling. It has.
[0017]
The planetary gear unit 3 is a single-pinion planetary gear having a sun gear 3a, a carrier 3b that rotatably supports a pinion that meshes with the sun gear 3a, and a ring gear 3c that meshes with the pinion. The power conversion mechanism 5 may be a transmission using a gear train, a transmission using a fluid torque converter, or the like. The primary pulley 5b and the output shaft supported by the input shaft 5a It is desirable to employ a belt type continuously variable transmission (CVT) in which a drive belt 5e is wound between the secondary pulley 5d and the secondary pulley 5d supported by the shaft 5c. Will be described as CVT5.
[0018]
That is, in the drive system of the hybrid vehicle in this embodiment, the planetary gear unit 3 is disposed between the output shaft 1a of the engine 1 and the input shaft 5a of the CVT 5, and the ring gear 3c of the planetary gear unit 3 is the output shaft of the engine 1. The carrier 3b is coupled to the input shaft 5a of the CVT 5 and the other motor 4 is coupled to the sun gear 3a. A differential mechanism 7 is connected to the output shaft 5 c of the CVT 5 via a reduction gear train 6, and a front wheel or a rear wheel drive wheel 9 is connected to the differential mechanism 7 via a drive shaft 8.
[0019]
The engine 1, the two motors 2, 4, and the CVT 5 are centrally controlled by the monitoring / control system 10. The monitoring / control system 10 includes a driver will determination system 11 that determines the driver's driving operation status by detecting the depression of the accelerator pedal and the brake pedal, the steering angle of the steering, etc., the brake operation state, the engine 1 and ABS ( Anti-skid brake system), etc., vehicle control status determination system 12 that determines the control status of the vehicle from the operating status of auxiliary equipment such as lights and air conditioners, vehicle speed, uphill and downhill, road surface conditions, etc. A driving condition determination system 13 for determining a change in the current driving condition of the vehicle is connected, and the engine 1, the two motors 2, 4, the operating state of the CVT 5 and the state of the battery 14 are monitored, and information from each system is displayed. Based on the control of the engine 1, the drive of the motors 2 and 4 through the inverters 15 and 16, and the charging control of the battery, VT5 performs control of the gear ratio and the oil pressure supplied.
[0020]
In the drive system configured as described above, as described above, the engine 1 and the motor 2 are coupled to the ring gear 3c of the planetary gear unit 3, and the motor 4 is coupled to the sun gear 3a to obtain an output from the carrier 3b. Since the output from 3b is shifted and amplified by the CVT 5 and transmitted to the drive wheels 9, the two motors 2 and 4 can be used for both power generation and drive power supply and are relatively small. An output motor can be used.
[0021]
That is, when the ring gear 3c is driven from one or both of the engine 1 and the motor 2, for example, as shown in FIG. 2, when the ring gear 3c is driven by the engine 1 and the motor 2, the battery 14 is considered. Is supplied to the motors 2 and 4 via the inverters 15 and 16, converted into driving force by the motor 2, and combined with the driving force from the engine 1 to become the input torque Tr to the ring gear 3 c. It is converted into driving force and becomes the input torque Ts to the sun gear 3a. From the input / output characteristics of the planetary gear, the input torque Ts to the sun gear 3a, the input torque Tr to the ring gear 3c, and the output torque Tc of the carrier 3b are The relationship is as shown by the following equation (1).
Tc = Ts + Tr (1)
[0022]
Therefore, in the planetary gear unit 3, the input torque Ts to the sun gear 3a and the input torque Tr to the ring gear 3c are combined and output from the carrier 3b, and the output torques of the engine 1 and the motors 2 and 4 are small. Also, a large torque can be obtained from the carrier 3b, and a large vehicle driving force can be obtained by being transmitted to the drive wheels 9 via the CVT 5. 2 and FIGS. 3 to 6 described below, the two-dot chain line schematically shows the flow of electricity, and the one-dot chain line schematically shows the flow of torque transmission.
[0023]
In this case, the input torque Ts of the sun gear 3a and the input torque Tr of the ring gear 3c must be subjected to a reaction force in order to be combined and become the output torque Tc of the carrier 3b. , Tr are expressed by the following equations (2) and (3) expressed using a gear ratio i (i = Zs / Zr) expressed by the number of teeth Zs of the sun gear 3a and the number of teeth Zr of the ring gear 3c. From the relationship, the following expression (4) must be satisfied.
Tc · i / (1 + i) = Ts (2)
Tc · 1 / (1 + i) = Tr (3)
Ts = i · Tr (4)
[0024]
Generally, because of the structure of the planetary gear, since Zs <Zr, the gear ratio i is i <1, and as is clear from the above equation (4), the input torque Ts to the sun gear 3a is the input torque to the ring gear 3c. It becomes i times with respect to Tr.
[0025]
That is, since the engine 1 and the motor 2 are coupled to the ring gear 3c and the motor 4 is coupled to the sun gear 3a, the input torque Ts to the sun gear 3a can be achieved with a small value (i · Tr).
[0026]
However, since the input torque Ts to the sun gear 3a is obtained only by the motor 4, it is necessary to supply power from the battery 14 to the motor 4, and there is a situation where the amount of charge of the battery 14 is insufficient during a long run. When predicted, the motor 2 is used as a generator.
[0027]
In this way, the motor 2 is driven as a generator with a part of the driving force of the engine 1, and the remaining driving force is used as the input torque to the ring gear 3c, so that the input torque to the ring gear 3c is suppressed. As shown in FIG. 3, the motor 4 can be driven without using the electricity charged in the battery 14 with the power obtained by the power generation of the motor 2. In this case, the motor 4 is mainly used for the reaction force sharing of the sun gear 3a, and traveling by only the driving force of the engine 1 is possible.
[0028]
Here, since the engine 1 and the motor 2 are coupled to the ring gear 3c and the motor 4 is coupled to the sun gear 3a, the input torque Ts to the sun gear 3a can be suppressed to a small value. Since the driving force is relatively small, less electrical energy is required to obtain the driving force, so that it is possible to reduce the influence of the torque and power conversion efficiency of the motor 4 and the control efficiency of the inverter.
[0029]
In such a situation, when the battery 14 needs to be charged, control is performed so that the power generation amount of the motor 2 is larger than the required power of the motor 4. In addition, when traveling with the driving force of the engine 1 mainly due to climbing or sudden acceleration, the load on the output of the engine 1 becomes large and it is necessary to increase the assisting force of the motor 4. The necessary driving force can be ensured by suppressing the amount of power generation and increasing the input torque from the engine 1 to the ring gear 3c and simultaneously supplying power from the battery 14 so that the driving force of the motor 4 is increased. .
[0030]
On the other hand, during deceleration or braking, the torque Tc transmitted from the drive wheel 9 to the carrier 3b of the planetary gear unit 3 via the CVT 5 is the torque Tr from the ring gear 3c to the motor 2 as shown in FIG. And the torque Ts from the sun gear 3a to the motor 4 is converted into electric energy by the motors 2 and 4, and the battery 14 is charged. For this reason, in a situation where braking is performed by the power generation of the motors 2 and 4, the vehicle while reducing the burden on the motors 2 and 4 even though the power generation amount per motor and the resulting braking force are small. As a whole, a large amount of power generation and braking force can be obtained, and the recovery efficiency of power energy can be greatly improved.
[0031]
Even in this case, when the battery 14 is sufficiently charged and charging to the battery 14 is not necessary, the motor 2 generates a driving force that can be absorbed by the engine 1 as shown in FIG. By causing the motor 4 to generate electricity for that purpose, a sufficient engine braking force can be obtained without charging the battery 14. Further, when the battery 14 needs to be charged, the battery 4 is controlled without reducing the engine braking performance by controlling the power supply amount to the motor 2 while keeping the power generation amount of the motor 4 as it is. 14 can be charged.
[0032]
Further, when the vehicle moves backward, the engine rotation is generally the same direction as when the vehicle is moving forward. Therefore, the rotation direction of the motor 2 directly connected to the engine 1 is controlled so that the engine 1 does not reversely rotate. Then, the driving force of the motor 4 is output to the carrier 3b to move backward. In this case, as shown in FIG. 6, depending on the amount of charge of the battery 14, it is possible to reverse travel from running without charging the battery 14 while simultaneously charging the battery 14 by power generation of the motor 2.
[0033]
That is, when the charge amount of the battery 14 is sufficient, the motor 2 is operated as a generator by absorbing the output of the engine 1, and the generated power is controlled to be supplied to the motor 4. On the other hand, when the charge amount of the battery 14 is insufficient, the output of the engine 1 is increased so that the power generation amount of the motor 2 is increased with respect to the required power of the motor 4. To charge.
[0034]
When the charge amount of the battery 14 is sufficient, power is supplied to the motors 2 and 4 while the engine is stopped, the ring gear 3c is fixed by the motor 2, and driving force is supplied from the motor 4 to the carrier 3b. It is also possible to reverse the vehicle.
[0035]
The rotation of the engine 1 and the motors 2 and 4 through the planetary gear unit 3 is appropriately controlled by the use of the CVT 5 to optimize the output efficiency of the engine 1 and the motors 2 and 4 and is necessary for the drive shaft. Driving force can be ensured.
[0036]
That is, in the planetary gear, when the rotational speed of the sun gear 3a is Ns, the rotational speed of the ring gear 3c is Nr, and the rotational speed of the carrier 3b is Nc, the rotational speeds are represented by the following equation (5), and the sun gear 3a The rotational speed Nc of the carrier 3b can be freely set by controlling the rotational speed Ns of the ring gear 3c and the rotational speed Nr of the ring gear 3c. When Ns = Nr, Nc = Nr = Ns, and all the input / output rotational speeds coincide.
(1 + i) · Nc = Nr + i · Ns (5)
[0037]
Accordingly, since the input / output torque relationship of the planetary gear is determined by the gear ratio i as described above, the output rotation speed is controlled by controlling the rotation speed of the motors 2 and 4 while maintaining the torque relationship of each gear. However, if one of the motors 2 and 4 is set at a constant rotation speed and the output rotation speed is increased, the rotation speed of one of the motors must be set higher than the required output rotation speed. Don't be.
[0038]
For example, when the rotational speed of the sun gear 3a driven by the motor 4 is constant and the rotational speeds of the ring gear 3c and the carrier 3b based on the sun gear 3a are considered, this case is the same as when the sun gear 3a is fixed. Since Ns = 0 in the above equation (5), the rotational speed of the ring gear 3c driven by the motor 2 (the rotational speed difference with respect to the sun gear 3a) is the rotational speed of the carrier 3b (also the rotational speed difference with respect to the sun gear 3a). ) Times (1 + i) times.
[0039]
Further, the rotation speed of the ring gear 3c driven by the motor 2 is constant, and the rotation speed of the sun gear 3a and the carrier 3b with reference to the ring gear 3c is the same as the case where the ring gear 3c is fixed. 5), Nr = 0, and the rotational speed of the sun gear 3a driven by the motor 4 (the rotational speed difference with respect to the ring gear 3c) is the rotational speed of the carrier 3b (also the rotational speed difference with respect to the ring gear 3c). 1 + i) / i times.
[0040]
Eventually, in either case, if either the motor 4 that drives the sun gear 3a or the motor 2 that drives the ring gear 3c is made constant and the output speed (carrier speed) is increased, the motor 2 Any one of 4 will become higher than output rotation speed (carrier rotation speed).
[0041]
Increasing the motor rotation speed leads to a reduction in efficiency and reliability. Therefore, it is usually desirable to use the planetary gear so that the rotation difference between the gears is small, and to keep the motor rotation speed low. When the vehicle speed is low, the rotational speed of either the sun gear 3a or the ring gear 3c is made relatively high so that the other rotation is stopped or the output shaft rotational speed is reversed while the engine is rotating. However, if the vehicle speed increases, the output shaft rotational speed increases. Therefore, even if an attempt is made to reduce the rotational speed difference between the two motors 2 and 4, the engine 1 and the motors 2 and 4 are consequently obtained. The number of revolutions will increase.
[0042]
Originally, it is desirable that the engine be used in a rotation speed range where combustion efficiency is high and exhaust gas purification can be expected. On the other hand, in a vehicle, the change in the output shaft rotation speed exceeds the rotation control range of the motor. There is. Therefore, the input torque to the planetary gear unit 3 can be kept low by appropriately controlling the transmission ratio of the CVT 5 disposed on the output shaft of the planetary gear unit 3 with respect to the required driving force from the drive wheels 9. The output rotation speed of the unit 3 can be appropriately controlled.
[0043]
In other words, the engine performance is specialized by suppressing the use conditions of the engine 1 and the motors 2 and 4 to the optimum range by the CVT 5 with respect to changes in the required rotational speed of the drive shaft and the vehicle driving force, and furthermore, high combustion efficiency The frequency of using the engine 1 in a region where exhaust gas emissions are low can be greatly increased, and fuel efficiency can be improved and pollution can be reduced while ensuring running performance.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the first motor that can be used as a drive source or a generator is connected between the output shaft of the engine and the ring gear of the planetary gear, and the sun gear of the planetary gear is connected. A second motor that can be used as a drive source or generator, and a planetary gear carrier connected to a planetary gear and drive wheels by connecting a power conversion mechanism that can change the gear ratio in multiple steps or continuously. In order to perform speed change and torque amplification, the driving force supplied from one or both of the engine and the first motor and the driving force supplied from the second motor are combined and output by the planetary gear. The driving force transmitted in reverse from the wheel side via the power conversion mechanism is distributed to the first motor and the second motor by the planetary gear. The first and second motors convert the motive energy into electrical energy and recover it, or the second motor generates power and supplies power to the first motor, which is controlled by the engine and the first motor. Power can be generated.
[0045]
Therefore, with respect to the required driving force from the driving wheel, two small motors with relatively low output can secure driving force and improve recovery efficiency of power energy, reducing system cost, making compact and lightweight. Can be achieved. In addition, since the engine and the first motor are coupled to the planetary gear ring gear and the second motor is coupled to the planetary gear sun gear, the torque shared by the second motor can be reduced. It is possible to reduce the influence of necessary conversion efficiency between electric powers and improve the energy efficiency of the entire vehicle. Furthermore, the engine and the first and second motors can be optimally controlled by appropriately controlling the speed ratio of the power conversion mechanism disposed on the output shaft of the planetary gear.
[0046]
In the invention according to claim 2, since the power conversion mechanism according to claim 1 is a belt type continuously variable transmission and the gear ratio is changed steplessly to perform speed change and torque amplification, the required driving force from the drive wheels On the other hand, the input / output torque to the planetary gear and the rotational speed can be freely controlled, and the control of the engine and the first and second motors can be further optimized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the basic configuration of a drive system. FIG. 2 is an explanatory diagram showing the flow of torque and electricity when traveling with an engine and first and second motors. FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram showing torque and electricity flow when used as a generator. FIG. 4 is an explanatory diagram showing torque and electricity flow when the first and second motors are used as a generator. Explanatory drawing showing the flow of torque and electricity when the motor is used as a generator and driving force is generated by the first motor. FIG. 6 is an explanatory drawing showing the torque and electric flow when the vehicle is moving backward. ]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Engine 2 ... 1st motor 3 ... Planetary gear unit 3a ... Sun gear 3b ... Carrier 3c ... Ring gear 4 ... 2nd motor 5 ... Belt type continuously variable transmission (power conversion mechanism)

Claims

In hybrid vehicles that use both engine output and motor output as a driving source,
A planetary gear having a sun gear, a carrier that rotatably supports a pinion that meshes with the sun gear, and a ring gear that meshes with the pinion;
A first motor connected between the output shaft of the engine and the ring gear of the planetary gear, which can be used as a drive source or a generator;
A second motor connected to the sun gear of the planetary gear and usable as a drive source or a generator;
A hybrid comprising a power conversion mechanism that is connected to the planetary gear carrier and performs gear shifting and torque amplification between the planetary gear and the drive wheel in accordance with a gear ratio that can be switched between a plurality of stages or continuously. car.

The power conversion mechanism is a belt-type continuously variable transmission in which a drive belt is wound between a primary pulley supported by an input shaft and a secondary pulley supported by an output shaft. The hybrid vehicle according to claim 1.