DE112014002723T5

DE112014002723T5 - Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE112014002723T5
Application number: DE112014002723.5T
Authority: DE
Inventors: Shinji Takahara; Mitsuhiro Muto; Tomoaki Saito
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2016-03-10
Also published as: US9616738B2; US20160114669A1; WO2014196508A1; CN205661306U; JP2014237374A

Abstract

Das Hybridfahrzeug umfasst einen Verbrennungsmotor; einen regenerativen E-Motor, der verwendet wird, wenn sich das Hybridfahrzeug bewegt. Dieser E-Motor weist derartige Eigenschaften auf, dass die Effizienz des Motors 90% oder mehr beträgt, wenn sich der Motor mit der 1,5-fachen Drehzahl derjenigen Geschwindigkeit dreht, bei der der Wirkungsgrad des Motors bei einer Motorlast von 10% der maximalen Motorlast oder mehr am größten ist; und ein Getriebe, das die Leistung des Motors auf eine Radantriebswelle überträgt. Der Motor ist mit der Radantriebswelle verbunden, aber nicht mit dem Getriebe.

Description

TECHNISCHES PROBLEM
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybridfahrzeug.
STAND DER TECHNIK
Herkömmlicherweise gibt es Parallel-Hybridfahrzeug, die mit einem Verbrennungsmotor und einem regenerativen E-Motor ausgestattet sind. Dabei wird der E-Motor entsprechend einer gewünschten Leistung angetrieben und die Räder werden im Wesentlichen über den Verbrennungsmotor angetrieben (siehe beispielsweise Patentliteratur 1). Das Hybridfahrzeug ist so gestaltet, dass in dem Betriebsbereich, in dem die erforderliche Leistung des Fahrzeugs niedrig und der spezifische Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors sehr hoch ist, der Verbrennungsmotor abgestellt wird und die Räder lediglich durch den E-Motor angetrieben werden; und in den anderen Betriebsbereichen, zum Beispiel in einem Betriebsbereich, in dem der spezifische Kraftstoffverbrauch niedrig ist, wird der Verbrennungsmotor angetrieben, so dass der Verbrennungsmotor und der E-Motor gemeinsam zur Verbesserung des spezifischen Treibstoffverbrauchs eingesetzt werden. Währenddessen ist das Hybridfahrzeug derart konfiguriert, dass kinetische Energie über einen regenerativen Bremsbetrieb des E-Motors in elektrische Energie (regenerative elektrische Energie) umgewandelt wird, wenn das Fahrzeug abgebremst wird, um so den Strom zu akkumulieren (zu sammeln). Somit wird elektrische Energie zum Antrieb des Motors sichergestellt.
Bei einem Hybridfahrzeug mit der obigen Konfiguration wird der E-Motor über ein Getriebe mit einer Antriebswelle, beispielsweise einer Kardanwelle, gekoppelt. Somit weist ein Hybridfahrzeug mit einem IPM-Motor(Innenpermanentmagnet-Synchron-)Motor, beispielsweise einem Drehstrominduktionsmotor, eine vorteilhafte Ausgestaltung auf. Insbesondere ist es für einen IPM-Motor schwierig, Drehmomente im hohen Drehzahlbereich zu erzeugen, weil der Aufbau des IPM-Motors eine entgegengesetzte elektromotorische Kraft erzeugt. Koppelt man hingegen wie oben beschrieben den IPM-Motor mit einem Getriebe, um den Drehzahlbereich des Motors zu begrenzen, kann man Drehmomente in einem großen Drehzahlbereich erzeugen. Mit anderen Worten wird es möglich, Leistung abzugeben und zu regenerieren.
Bei einem herkömmlichen Hybridfahrzeug, bei dem der Motor über ein Getriebe mit einer Antriebswelle verbunden ist, wird die elektrische Rückgewinnungsleistung des Motors bei einem Bremsvorgang in einem bestimmten Drehzahlbereich begrenzt, wenn sich das Fahrzeug mit hoher Geschwindigkeit bewegt, weil es ein Getriebe gibt. Es spielt dabei keine Rolle, dass die Räder mit einer hohen Geschwindigkeit gedreht werden. Mit anderen Worten kann die herkömmliche Technik die kinetische Energie der sich drehenden Räder nicht immer effektiv als regenerative elektrische Energie aufnehmen. Darüber hinaus wird die kinetische Energie in herkömmlichen Hybridfahrzeugen dem Motor über das Getriebe zugeführt. Dies kann zu Energieverlust führen. Somit ist es schwierig, kinetische Energie effizient als elektrische Rückgewinnungsleistung zu sammeln.
ENTGEGENHALTUNGEN
DRUCKSCHRIFTEN

Druckschrift 1: Ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2000-343965

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgegenstand ist ein Hybridfahrzeug, das während der Fahrt eines Fahrzeugs kinetische Energie als elektrische Rückgewinnungsleistung effizient sammeln kann.
Ein Parallel-Hybridfahrzeug gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst einen Verbrennungsmotor; einen regenerativen E-Motor, der verwendet wird, wenn sich das Hybridfahrzeug bewegt. Dieser E-Motor weist derartige Eigenschaften auf, dass die Effizienz des Motors 90% oder mehr beträgt, wenn sich der Motor mit der 1,5-fachen Drehzahl derjenigen Geschwindigkeit dreht, bei der der Wirkungsgrad des Motors bei einer Motorlast von 10% der maximalen Motorlast oder mehr am größten ist; und ein Getriebe, das die Leistung des Motors auf eine Radantriebswelle überträgt. Der Motor ist mit der Radantriebswelle verbunden, aber nicht mit dem Getriebe.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Hybridfahrzeugs gemäß der Erfindung;
2 ist eine grafische Darstellung der Eigenschaften (Eigenschaften des spezifischen Kraftstoffverbrauchs) eines Verbrennungsmotors, der in einem in 1 dargestellten Hybridfahrzeug verbaut ist;
3 ist ein Schaubild, das eine Ausgestaltung eines E-Motors und einen Umrichter (einen Leistungskreis) zeigt, die in einem in 1 dargestellten Hybridfahrzeug verbaut sind;
4 ist eine grafische Darstellung der Charakteristiken eines Motors, der in einem in 1 dargestellten Hybridfahrzeug verbaut ist;
5 ist eine schematische Schnittansicht eines Motors; und
6A und 6B sind Schaubilder, die eine veränderte Anordnung des Motors zeigen.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine schematische Darstellung eines Hybridfahrzeugs 1 gemäß der Erfindung. Wie in 1 dargestellt verfügt das Hybridfahrzeug 1 über Räder 10, eine Achse 12 (entsprechend einer Radantriebswelle der Erfindung), einen Verbrennungsmotor 14, ein Getriebe 16, ein Differentialgetriebe 17, einen E-Motor 18, einen Umrichter 20, eine Batterie 22 und eine Steuereinheit 24 (entsprechend den Steuerungsmitteln der Erfindung).
Das Hybridfahrzeug 1 ist ein sogenanntes Parallel-Hybridfahrzeug. Der Verbrennungsmotor 14 und der E-Motor 18 dienen im Hybridfahrzeug 1 als Antriebsquelle zum Ausgeben einer Antriebskraft. Das Hybridfahrzeug 1 ist so konfiguriert, dass das Fahrzeug 1 in Abhängigkeit vom Fahrzustand ausschließlich vom Verbrennungsmotor 14 oder ausschließlich vom E-Motor 18 angetrieben wird. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass das Hybridfahrzeug 1 nicht vom Verbrennungsmotor und gleichzeitig vom E-Motor angetrieben wird. Wie später noch zu beschreiben ist, wird der E-Motor 18 nur in dem Betriebsbereich betrieben, in dem die vom Fahrzeug verlangte Leistung niedrig ist, beispielsweise dann, wenn das Fahrzeug gestartet oder das Fahrzeug unmittelbar nach dem Start des Fahrzeugs mit niedriger Geschwindigkeit gefahren wird. Der E-Motor 18 wird nur in einem anderen als vorstehend beschriebenen Zustand zur Regeneration eingesetzt.
Der Verbrennungsmotor 14 ist ein 4-Zylinder-Reihen-Ottomotor und über das Getriebe 16 mit der Achse 12 verbunden.
Obwohl auf ein detailliertes Schaltbild verzichtet wurde, ist der Verbrennungsmotor 14 so ausgelegt, dass das geometrische Verdichtungsverhältnis E auf ein hohes Kompressionsverhältnis eingestellt ist, das mindestens 13 aber nicht mehr als 18 beträgt. Darüber hinaus verfügt der Verbrennungsmotor 14 einen Betriebsbereich, in dem zumindest in einem Teillastbereich ein mageres Kraftstoffgemisch (d. h. im mittleren Lastbereich und im niedrigen Lastbereich) zum Einsatz kommt. In dem oben erwähnten Betriebsbereich ist das Kraftstoff-Luft-Gemisch mager, indem das Luftüberschussverhältnis auf einen Wert nicht kleiner als 2 (vorzugsweise nicht kleiner als 2,5) und nicht größer als 8 oder indem G/F (ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, welches das Verhältnis von Kraftstoffmenge zu AGR-Gas-Menge und Frischluft anzeigt) auf einen Wert nicht kleiner als 30 und nicht größer als 120 eingestellt wird.
Darüber hinaus wird der Verbrennungsmotor 14 so konfiguriert, dass das effektive Expansionsverhältnis größer ist als das effektive Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors 14, indem der Öffnungszeitpunkt des Einlassventils am unteren Totpunkt im mittleren Lastbereich und im niedrigen Lastbereich um eine vorbestimmte Zeitspanne verzögert wird. Auf der anderen Seite führt der Verbrennungsmotor 14 die zuvor erwähnte Einlassventil-Steuerung im hohen Lastbereich nicht durch und das effektive Kompressionsverhältnis und das effektive Expansionsverhältnis sind im Wesentlichen identisch. Mit anderen Worten wird der Verbrennungsmotor 14 so konfiguriert, dass das Verhältnis zwischen effektivem Expansionsverhältnis zu effektivem Kompressionsverhältnis im niedrigen Lastbereich und im mittleren Lastbereich höher ist als im hohen Lastbereich.
Steht darüber hinaus das Luftüberschussverhältnis λ des Verbrennungsmotors 14 im hohen Lastbereich, auch bei Volllast im warmen Zustand des Verbrennungsmotors 14, auf 1, wird der Zündmodus auf Funkenzündmodus gestellt, bei dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch in einer Brennkammer durch Aktivierung einer Zündkerze gezündet wird; und der Zündmodus wird auf Kompressionszündmodus gestellt, bei dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch in einer Brennkammer in einem anderen als oben dargestellten Betriebsbereich komprimiert und gezündet wird (mit anderen Worten, im mittleren Lastbereich und im niedrigen Lastbereich), wenn das Luftüberschussverhältnis λ zwischen 2 und 8 (oder das G/F zwischen 30 und 120) liegt.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Aufbau wird der indizierte thermische Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 14 verbessert und die Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs merklich erhöht. 2 ist ein Schaubild, welches die Beziehung (den Verlauf des spezifischen Kraftstoffverbrauchs) zwischen der Leistung (kW) des Verbrennungsmotors 14 und dem spezifischen Kraftstoffverbrauch (g/kWh) zeigt. Wie in 2 dargestellt, verbessert sich der spezifische Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors 14, wenn die Leistung ansteigt. Der spezifische Kraftstoffverbrauch erreicht bei einer bestimmten Leistung den minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch F_MIN. Danach bleibt der spezifische Kraftstoffverbrauch in dem Betriebsbereich, in dem die Motorausgangsleistung eine spezifische Leistung überschreitet, im Wesentlichen flach. Somit wird der spezifische Kraftstoffverbrauch am minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch F_MIN oder nahe am minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch F_MIN aufrechterhalten. Beispielsweise beträgt die Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors 14 dann 10% der maximalen Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors 14, wenn der spezifische Kraftstoffverbrauch um 15% bis 20% (im Beispiel in 2 sind es 15%) über dem minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch F_MIN liegt. Somit wird in dem Betriebsbereich, in dem die Motorausgangsleistung die Ausgangsleistung (O_10) überschreitet, der spezifische Kraftstoffverbrauch am minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch F_MIN oder nahe am minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch F_MIN aufrechterhalten.
Bei einem Hybridfahrzeug 1 wird im niedrigen Lastbereich eine Ausgangsleistung von nicht mehr als 10% der maximalen Ausgangsleistung beispielsweise dann verlangt, wenn das Fahrzeug gestartet oder das Fahrzeug nach dem Start des Fahrzeugs mit niedriger Geschwindigkeit gefahren wird. Somit wird bei einem Hybridfahrzeug 1 im mittleren Lastbereich und im hohen Lastbereich zwischen dem minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch F_MIN und dem spezifischen Kraftstoffverbrauch ein niedriger spezifischer Kraftstoffverbrauch erreicht, der weniger als 15% über dem minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch F_MIN liegt.
Der E-Motor 18 ist mit der Achse 12 gekoppelt und über den Umrichter 20 mit der Batterie 22 verbunden. Die elektrische Energie der Batterie 14 wird dem E-Motor 18 zugeführt, nachdem die elektrische Energie durch den Umrichter 20 in Wechselstrom umgewandelt wurde. Der E-Motor 18 funktioniert durch die Zufuhr von elektrischer Energie als Elektromotor. Mit anderen Worten fährt das Fahrzeug aufgrund der Übertragung der Antriebskraft des E-Motors 18 über die Achse 12 an die linken und rechten Räder 10. Der E-Motor 18 arbeitet als Generator, wenn das Fahrzeug abgebremst wird. Der vom E-Motor 18 erzeugte Wechselstrom wird durch den Umrichter 20 zum Laden der Batterie 22 in Gleichstrom umgewandelt. Der E-Motor 18 wird weiter unten im Detail beschrieben.
Die Steuereinheit 24 steuert den Antrieb des Verbrennungsmotors 14 und den Antrieb des E-Motors 18, um für den Fahrer einen beabsichtigten Fahrzustand des Fahrzeugs zu erzielen. Sie steuert auch die Regeneration des E-Motors 18, um anhand der von verschiedenen Sensoren empfangenen Eingangssignale die erforderliche elektrische Energie zu sichern. Die Steuereinheit 24 ist eine Steuerung, die von einem bekannten Mikrocomputer gebildet wird. Die Steuereinheit 24 ist mit einer zentralen Recheneinheit (CPU) ausgestattet, die ein Programm ausführt, einem Speicher, der beispielsweise aus einem RAM oder einem ROM zum Speichern des Programms und von Daten besteht und einem Eingabe-/Ausgabe(I/O)-Bus zur Eingabe/Ausgabe von elektrischen Signalen. Die Steuereinheit 24 umfasst als Funktionselemente der Erfindung eine Hauptsteuereinheit 24a, eine Antriebssteuereinheit 24b, welche den Verbrennungsmotors 14 steuert und eine Motorsteuereinheit 24c (entsprechend den Motorsteuermitteln der Erfindung), welche den E-Motor 18 steuert. Jede der Steuereinheiten 24a bis 24c kann ein einzelner Regler sein oder die Steuereinheiten 24a bis 24c können gemeinsam einen Regler bilden.
Verschiedene Arten von Informationen werden von den verschiedenen im Fahrzeug vorgesehenen Sensoren der Steuereinheit 24 zugeführt. Soweit die Erfindung betroffen ist, ist das Fahrzeug 1 mit einem Öffnungswinkelsensor am Beschleuniger 30 ausgestattet, der den Öffnungswinkel des Beschleunigers erkennt und dem Ausmaß entspricht, wie stark das Gaspedal gedrückt wird, einem Bremssensor 32, der erkennt, wie stark das Bremspedal gedrückt wird und einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 34, der die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs erkennt. Die Signale der Sensoren 30, 32 und 34 werden der Steuereinheit 24 zugeführt.
Insbesondere die Hauptsteuereinheit 24a der Steuereinheit 24 berechnet den Fahrzustand, mit anderen Worten die erforderliche Ausgangsleistung (das Antriebsmoment) für das Fahrzeug aufgrund der Eingangssignale des Öffnungswinkelsensors am Beschleuniger 30 und des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors 34 und bestimmt, ob der Verbrennungsmotors 14 und der E-Motor 18 aufgrund der berechneten erforderlichen Ausgangsleistung angetrieben/gestoppt werden sollen. Die Hauptsteuereinheit 24a beurteilt, ob die berechnete erforderliche Ausgangsleistung des Fahrzeugs nicht größer ist als der vorbestimmte untere Grenzwert. Ist die berechnete erforderliche Ausgangsleistung nicht größer als der untere Grenzwert, veranlasst die Hauptsteuereinheit 24a den Verbrennungsmotors 14 zu stoppen, so dass die Räder 10 nur noch vom E-Motor 18 angetrieben werden. Ist die berechnete erforderliche Ausgangsleistung größer als der untere Grenzwert, regelt die Hauptsteuereinheit 24a den Verbrennungsmotors 14 so, dass die Räder 10 nur noch vom Verbrennungsmotor 14 angetrieben werden. In diesem Beispiel wird der untere Grenzwert auf einen Wert von 10% der maximalen Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors 14 festgelegt. Deshalb wird der Verbrennungsmotor 14 im Hybridfahrzeug 1 nur in dem Betriebsbereich angetrieben, in dem die Motorleistung den Wert von 10% der maximalen Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors 14 übersteigt (nämlich in einem anderen als dem schraffierten Bereich in 2). Auf der anderen Seite wird der E-Motor 18 nur in dem Betriebsbereich angetrieben, in dem die erforderliche Ausgangsleistung des Fahrzeugs nicht größer ist als der untere Grenzwert. Somit wird der E-Motor 18 in dem Betriebsbereich, in dem die erforderliche Ausgangsleistung des Fahrzeugs den unteren Grenzwert übersteigt, ausschließlich zur Regeneration eingesetzt.
Die Hauptsteuereinheit 24a gibt ein Befehlssignal zum Antrieb des Verbrennungsmotors an die Motorsteuereinheit 24b, wenn der Verbrennungsmotor angetrieben wird und gibt ein Befehlssignal zum Antrieb des E-Motors an die Motorsteuereinheit 24c aus, wenn der E-Motor angetrieben wird.
Die Motorsteuereinheit 24b setzt die erforderliche Ausgangsleistung auf die Zielausgangsleistung (das Zielantriebsmoment), wenn die erforderliche Ausgangsleistung des Fahrzeugs den unteren Grenzwert überschreitet. Darüber hinaus berechnet die Motorsteuereinheit 24b den Öffnungswinkel der Drosselklappe und den Kraftstoffeinspritztakt anhand des Zielantriebsmoments und gibt ein Steuersignal an die Drosselklappe und die Einspritzdüse.
Die Motorsteuereinheit 24c stellt die erforderliche Ausgangsleistung auf die Zielausgangsleistung (das Zielantriebsmoment), wenn die erforderliche Ausgangsleistung des Fahrzeugs nicht größer ist als der untere Grenzwert und gibt ein Steuersignal an den Umrichter 20 (der weiter unten beschriebene Leistungskreis 50) anhand des Zielantriebsmoments. Somit steuert die Motorsteuereinheit 24c den Antrieb des E-Motors 18. Wird darüber hinaus ein Signal vom Bremssensor 32 zugeführt, berechnet die Motorsteuereinheit 24c das gewünschte regenerative Drehmoment anhand des Signals und gibt ein Steuersignal an den Umrichter 20 (der weiter unten beschriebene Leistungskreis 50) anhand des gewünschten regenerativen Drehmoments. Somit steuert die Motorsteuereinheit 24c die Regeneration des E-Motors 18.
3 zeigt eine Konfiguration des E-Motors 18 und des Leistungskreises 50, der den E-Motors 18 mit elektrischer Energie versorgt.
In diesem Beispiel ist der E-Motor 18 ein (im Folgenden als SR-Motor bezeichneter) Schalt-Reluktanzmotor. Der E-Motor 18 verfügt über einen Anker 42 mit einer Vielzahl von radial nach außen ragenden, aus einem magnetischen Körper gebildeten Ankerelektroden 42a und einem Stator 44 mit einer Vielzahl von radial nach innen vorstehenden Stator-Elektroden 44a, die so ausgebildet sind, dass sie den Anker 42 umgeben. In diesem Beispiel ist der Anker 42 aus einem Eisenkern hergestellt und umfasst vier Ankerelektroden 42a. Darüber hinaus umfasst der Stator 44 sechs Stator-Elektroden 44a. Jeder der Stator-Elektroden 44a besteht aus einem gewickelten Draht. Sie bilden die Drehstrom-Erregerspulen Lu, Lv und Lw der U-Phase, V-Phase und W-Phase. Mit anderen Worten ist der E-Motor 18 so konfiguriert, dass jede der Erregerspulen Lu, Lv und Lw des Stators 44 nacheinander unter Spannung gesetzt wird, um die Ankerelektroden 42a magnetisch in Richtung der Stator-Elektroden 44a anzuziehen, wodurch im Anker 42 ein Antriebsmoment und ein regeneratives Drehmoment erzeugt werden.
Der Leistungskreis 50 liefert dem E-Motor 18 über eine PWM-Steuerung der Motorsteuereinheit 24c die elektrische Energie der Batterie 22. Mit anderen Worten speist der Leistungskreis 50 jeder der Erregerspulen Lu, Lv und Lw. Der Leistungskreis 50 ist im Umrichter 20 enthalten.
Der Leistungskreis 50 umfasst einen Kondensator 51; eine erste Schalteinheit mit IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) 52 und eine Diode 58, die miteinander in Reihe geschaltet sind; eine zweite Schalteinheit mit IGBT 53 und eine Diode 59, die miteinander in Reihe geschaltet sind; eine dritte Schalteinheit mit IGBT 54 und eine Diode 60, die miteinander in Reihe geschaltet sind; eine vierte Schalteinheit mit IGBT 55 und eine Diode 61, die miteinander in Reihe geschaltet sind; eine fünfte Schalteinheit mit IGBT 56 und eine Diode 62, die miteinander in Reihe geschaltet sind; und eine sechste Schalteinheit mit IGB 57 und eine Diode 63, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Der Kondensator 51 und die Schalteinheiten bilden jeweils eine Schaltungsanordnung, so dass jeder Kondensator 51 und die Schalteinheiten mit der Batterie 22 parallelgeschaltet sind. Ein Ende der Spule Lu des E-Motors 18 ist mit der Anschlussstelle zwischen IGBT 52 und Diode 58 der ersten Schalteinheit verbunden und das andere Ende der Spule Lu ist mit der Anschlussstelle zwischen IGBT 53 und Diode 59 der zweiten Schalteinheit verbunden. Darüber hinaus ist ein Ende der Spule Lv des E-Motors 18 mit der Anschlussstelle zwischen IGBT 54 und Diode 60 der dritten Schalteinheit verbunden und das andere Ende der Spule Lv ist mit der Anschlussstelle zwischen IGBT 55 und Diode 61 der vierten Schalteinheit verbunden. Darüber hinaus ist ein Ende der Spule Lw des E-Motors 18 mit der Anschlussstelle zwischen IGBT 56 und Diode 62 der fünften Schalteinheit verbunden und das andere Ende der Spule Lw ist mit der Anschlussstelle zwischen IGBT 57 und Diode 63 der sechsten Schalteinheit verbunden.
Wird der E-Motor 18 mit anderen Worten so gesteuert, dass er antreibt/regeneriert, gibt die Motorsteuereinheit 24c ein Steuersignal (ein PWM-Signal) mit einer relativen Einschaltdauer entsprechend dem Zielantriebsmoment/gewünschten regenerativen Drehmoment an die IGBT 52, 54 und 56 des Leistungskreises 50, wobei die IGBT 52, 54 und 56 ein- und ausgeschaltet werden. Darüber hinaus sendet die Motorsteuereinheit 24c ein Steuersignal zum Ein- und Ausschalten der IGBT 53, 55 und 57 an die IGBT 53, 55 und 57 anhand des Drehwinkels des Ankers 42, das von einem nicht dargestellten Drehwinkelsensor des E-Motors 18 ausgegeben wird.
Im Motor (ein SR-Motor) wird für Anker 42 und Stator 44 kein Dauermagnet verwendet. Daher wird keine elektromotorische Gegenkraft wie im IPM-Motor erzeugt. Somit behält der E-Motor 18 im Gegensatz zum IPM-Motor seinen hohen Wirkungsgrad des Motors bis zu einem hohen Drehzahlbereich. 4 zeigt die Beziehung zwischen Drehzahl und Drehmoment (einem Antriebsmoment/einem regenerativen Drehmoment) des E-Motors 18 (einem SR-Motor), wenn die Motorlast 10% oder mehr der maximalen Motorlast beträgt und die Beziehung zwischen Drehzahl und Drehmoment eines IPM-Motors. In 4 stellt die durchgezogene Linie Eigenschaften des E-Motors 18 (einem SR-Motor) dar, die Strichpunktlinie stellt Eigenschaften des IPM-Motors dar und die gestrichelte Linie stellt die entsprechende Leistungskurve dar.
Wird die Drehgeschwindigkeit S_IPM wie in 4 gezeigt erreicht, wird das Drehmoment des IPM-Motors deutlich vermindert und das Ausgangsdrehmoment weicht von der entsprechenden Leistungskurve ab. Auf der anderen Seite folgt das Drehmoment des Motors 18 (einem SR-Motor) der entsprechenden Leistungskurve selbst dann, wenn die Drehgeschwindigkeit größer wird als die Drehgeschwindigkeit S_IPM und das Drehmoment wird selbst dann nur mäßig reduziert, wenn die Drehmomenteigenschaften außerhalb der entsprechenden Leistungskurve liegen. Somit kann der E-Motor 18 bis zu einem hohen Drehzahlbereich ein großes Drehmoment aufnehmen. Insbesondere ist der E-Motor 18 in diesem Beispiel so beschaffen, dass der Wirkungsgrad des Motors, insbesondere das Verhältnis des erzeugten Drehmoments T_SR des E-Motors 18 zum theoretisch maximalen Abtriebsdrehmoment T_0 bei der Drehgeschwindigkeit S_X1.5 90% oder mehr beträgt. Dabei handelt es sich um das 1,5-fache der Drehgeschwindigkeit S_MSE, bei welcher der Wirkungsgrad des Motors dann am höchsten ist, wenn die Motorlast 10% der maximalen Motorlast oder mehr beträgt.
Wie in 1 gezeigt, ist das Hybridfahrzeug 1 so konfiguriert, dass der E-Motor 18 direkt mit der Achse 12 gekoppelt ist, ohne mit dem Getriebe 16 verbunden zu sein. Genauer gesagt und wie in 5 gezeigt, handelt es sich bei E-Motor 18 um einen Motor mit einer hohlen, röhrenförmigen Struktur (einen sogenannten Hohlwellenmotor). Beispielsweise ist der Stator 44 an der inneren Mantelfläche des rohrförmigen Gehäuses 18a befestigt und der Anker 42 ist im Stator 44 angeordnet. Der E-Motor 18 ist in Bezug auf die Achse 12 so angeordnet, dass die Achse 12 durch den Anker 42 und durch den Stator 44 verläuft und danach ist der Anker 42 an der Achse 12 befestigt. Gemäß dieser Konfiguration ist der E-Motor 18 gleichachsig auf der Achse 12 angebracht und der E-Motor 18 ist direkt mit der Achse 12 gekoppelt.
Gemäß dem Hybridfahrzeug 1 mit der oben erwähnten und oben beschriebenen Konfiguration wird der E-Motor 18 direkt auf der Achse 12 an einer Position zwischen dem Differentialgetriebe 17 und dem Rad 10 verbunden, ohne an das Getriebe 16 gekoppelt zu sein. Daher ist ein effizienter Antrieb der Räder 10 möglich und die regenerative elektrische Energie kann vom E-Motor 18 aufgenommen werden. Insbesondere dann, wenn der E-Motor 18 angetrieben wird, kann die Antriebskraft des E-Motors 18 direkt auf die Achse 12 übertragen werden, ohne dass Antriebskraft am Getriebe 16 oder einem ähnlichen Element verloren geht. Wenn der E-Motor 18 auf der anderen Seite regeneriert, kann die kinetische Energie aufgenommen werden, die bei einem Bremsvorgang von der Achse 12 auf den E-Motor 18 wirkt, ohne dabei kinetische Energie am Getriebe 16 oder einem ähnlichen Element zu verlieren. Darüber hinaus ist der E-Motor 18 im Hybridfahrzeug 1 ein SR-Motor mit solchen Eigenschaften, dass der Wirkungsgrad des Motors bei einer Drehzahl S_X1.5 90% oder mehr beträgt. Dabei handelt es sich um die 1,5-fache Drehzahl S_MSE, bei welcher der Wirkungsgrad des Motors am höchsten ist, wenn die Motorlast 10% der maximalen Motorlast oder mehr beträgt. Dadurch kann man während Hochgeschwindigkeitsfahrten effektiv kinetische Energie von einer sich schnell drehenden Achse 12 als regenerative elektrische Energie aufnehmen. Somit kann ein Hybridfahrzeug 1 im Gegensatz zu einem herkömmlichen Hybridfahrzeug, bei dem ein IPM-Motor über ein Getriebe mit einer Achse gekoppelt ist, die im E-Motor 18 erzeugte kinetische Energie effizient zum Antreiben des Hybridfahrzeugs 1 verwenden und die bei einem Bremsvorgang ausgeübte kinetische Energie als regenerative elektrische Energie aufnehmen.
Darüber hinaus ist das Hybridfahrzeug 1 mit einem Verbrennungsmotor 14 ausgestattet, der spezifische Kraftstoffverbrauchsmerkmale besitzt. Diese bestimmen, dass die Motorleistung bei einem spezifischen Kraftstoffverbrauch, der höher ist als der minimale spezifische Kraftstoffverbrauch, und zwar 15% über dem minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch, nur in dem Betriebsbereich liegt, in dem die Motorleistung nicht mehr als 10% der maximalen Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors beträgt. Das Hybridfahrzeug 1 ist so konfiguriert, dass in dem Betriebsbereich, in dem die erforderliche Ausgangsleistung des Fahrzeugs nicht mehr als 10% der maximalen Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors 14 beträgt (in dem Betriebsbereich, in dem der spezifische Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors 14 größer ist als der minimale spezifische Kraftstoffverbrauch F_MIN, und zwar um einen Betrag, der 15% oder mehr des minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauchs F_MIN entspricht) der Verbrennungsmotor 14 gestoppt und das Fahrzeug nur durch den E-Motor 18 angetrieben wird; und dass das Fahrzeug in dem Betriebsbereich, in dem die erforderliche Ausgangsleistung mehr als 10% der maximalen Ausgangsleistung beträgt (in dem Betriebsbereich, in dem der spezifische Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors 14 keinen Wert erreicht, der über dem minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch F_MIN liegt, und zwar um einen Betrag, der 15% des minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauchs F_MIN entspricht) ausschließlich vom E-Motor 14 angetrieben wird. Mit anderen Worten wird gemäß dem Hybridfahrzeug 1 der Verbrennungsmotor 14 nur in dem Betriebsbereich angetrieben, in dem der spezifische Kraftstoffverbrauch keinen Wert erreicht, der über dem minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch F_MIN liegt, und zwar um einen Betrag, der 15% des minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauchs F_MIN entspricht, und der E-Motor 18 nur im niedrigen Lastbereich angetrieben wird, beispielsweise dann, wenn das Fahrzeug gestartet oder das Fahrzeug nach dem Start des Fahrzeugs mit niedriger Geschwindigkeit gefahren wird.
Daher ist es möglich, einen kompakten Motor mit relativ niedriger Ausgangsleistung zu verwenden und gleichzeitig im gesamten Betriebsbereich einen geringen spezifischen Kraftstoffverbrauch aufrecht zu erhalten. Somit ist diese Ausführungsform vorteilhaft, um das Gewicht des Fahrzeugs zu reduzieren und damit den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu verbessern und die Fahrzeugkosten zu senken.
Darüber hinaus ist das Hybridfahrzeug 1 so konfiguriert, dass der E-Motor 18 direkt mit der Achse 12 gekoppelt ist, ohne mit dem Getriebe 16 verbunden zu sein. Dies macht es möglich, die Regelungslast der Steuereinheit 24 (der Motorsteuereinheit 24c) zu verringern. Insbesondere sind bei herkömmlichen Hybridfahrzeugen, bei denen der E-Motor über ein Getriebe mit der Achse verbunden ist, komplizierte Drehmomentsteuerungen erforderlich, damit der E-Motor das entsprechende Drehmoment (Antriebsmoment/regeneratives Drehmoment) erzeugt, wenn das Getriebe geschaltet wird. Anders als bei herkömmlichen Hybridfahrzeugen ist das Hybridfahrzeug 1 vorteilhaft bei der Verringerung der Regelungslast der Steuereinheit 24 (der Motorsteuereinheit 24c), weil diese komplizierten Drehmomentsteuerungen nicht mehr erforderlich sind.
Darüber hinaus ist im Hybridfahrzeug 1 der E-Motor 18 direkt mit der Achse 12 gekoppelt, ohne mit dem Getriebe 16 verbunden zu sein. Dies macht es möglich, den E-Motor 18 im Motorraum in einem relativ kleinen Raum hinter dem Verbrennungsmotor zu montieren. Insbesondere wird das Hybridfahrzeug 1 derart konfiguriert, dass der E-Motor 18 so gleichachsig auf der Achse 12 montiert wird, dass die Achse 12 durch den E-Motor 18 führt. Deshalb dürfen die Räume für den E-Motor 18 und die Achse 12 teilweise überlappen. Dies ist für die effiziente Montage des E-Motors 18 in einem engen Raum vorteilhaft.
Wie in 1 gezeigt, ist das Hybridfahrzeug 1 in der Ausführungsform derart konfiguriert, dass der E-Motor 18 zwischen dem Differentialgetriebe 17 und dem rechten Rad 10 mit der Achse 12 verbunden ist. Alternativ dazu kann man beispielsweise den E-Motor 18 zwischen dem Differentialgetriebe 17 und dem linken Rad 10 mit der Achse 12 verbinden.
Darüber hinaus kann man den E-Motor 18 wie in 6A gezeigt so einbauen, dass man die Ankerdrehachse und die Achse 12 aus Sicht der Achse 12 im hinteren Teil des Fahrzeugs parallel zueinander montieren kann. Danach kann man den E-Motor 18 über eine Zapfwelle 19 mit der Achse 12 verbinden. In diesem Fall kann man den E-Motor 18 wie in 6B gezeigt so einbauen, dass man die Ankerdrehachse und die Achse 12 rechtwinkelig zueinander montieren kann. Darüber hinaus kann man in diesem Fall, wie durch die Strichpunktlinie mit den zwei Punkten in 6B gezeigt, den E-Motor 18 so montieren, dass dabei ein relativ kleiner Raum zwischen Fahrersitz und Beifahrersitz genutzt wird.
Das Hybridfahrzeug 1 gemäß der Erfindung hat die oben beschriebene Konfiguration. Das Hybridfahrzeug 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hybridfahrzeugs. Der praktische Aufbau des Hybridfahrzeugs kann nach Bedarf geändert werden, sofern eine solche Änderung nicht von der Grundidee der Erfindung abweicht.
Nachfolgend findet sich eine Zusammenfassung der Ausführungsform der Erfindung.
Ein Aspekt der Erfindung ist auf ein Parallel-Hybridfahrzeug ausgerichtet. Das Hybridfahrzeug umfasst einen Verbrennungsmotor; einen regenerativen E-Motor, der verwendet wird, wenn sich das Hybridfahrzeug bewegt. Dieser E-Motor weist derartige Eigenschaften auf, dass die Effizienz des Motors 90% oder mehr beträgt, wenn sich der Motor mit der 1,5-fachen Drehzahl derjenigen Geschwindigkeit dreht, bei der der Wirkungsgrad des Motors bei einer Motorlast von 10% der maximalen Motorlast oder mehr am größten ist; und ein Getriebe, das die Leistung des Motors auf eine Radantriebswelle überträgt. Der Motor ist mit der Radantriebswelle verbunden, aber nicht mit dem Getriebe.
Das Hybridfahrzeug ist so konfiguriert, dass der E-Motor mit der Antriebswelle der Räder gekoppelt wird, ohne mit dem Getriebe verbunden zu sein. Dadurch kann die kinetische Energie aufgenommen werden, die bei einem Bremsvorgang auf den E-Motor, ohne dabei kinetische Energie am Getriebe zu verlieren. Darüber hinaus besitzt der E-Motor Eigenschaften, wonach der Wirkungsgrad des Motors bei der 1,5-fachen Drehzahl des Motors, bei welcher der Wirkungsgrad des Motors am höchsten ist, wenn die Motorlast 10% der maximalen Motorlast oder mehr ausmacht, 90% oder mehr beträgt. Dadurch kann selbst im Hochdrehzahlbereich ein effizientes regeneratives Drehmoment erzeugt werden, bei dem es für einen IPM-Motor schwierig sein kann, regeneratives Drehmoment zu erzeugen. Somit kann man die kinetische Energie schnelllaufender Räder effizient als regenerative elektrische Energie aufnehmen.
In der oben erwähnten bevorzugten Konfiguration kann es sich beim Motor des Hybridfahrzeugs um einen Schalt-Reluktanzmotor handeln. Dies ist deshalb möglich, weil der Schalt-Reluktanzmotor die zuvor beschriebenen Eigenschaften besitzt, wonach der Wirkungsgrad des Motors bei 75% der maximalen Drehzahl des Motors 90% oder mehr beträgt, wenn die Motorlast 10% der maximalen Motorlast oder mehr ausmacht.
Darüber hinaus ist das Hybridfahrzeug vorzugsweise mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet, der spezifische Kraftstoffverbrauchsmerkmale besitzt. Diese bestimmen, dass die Motorleistung bei einem spezifischen Kraftstoffverbrauch, der höher ist als der minimale spezifische Kraftstoffverbrauch, und zwar 15% bis 20% über dem minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch, nur in dem Betriebsbereich liegt, in dem die Motorleistung nicht mehr als 10% der maximalen Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors beträgt.
Entsprechend der vorgenannten Konfiguration kann der Verbrennungsmotor einen niedrigen spezifischen Kraftstoffverbrauch (Reduktion des spezifischen Treibstoffverbrauchs pro Ausgangsleistung) in dem Betriebsbereich ständig beibehalten, in dem die Motorleistung 10% der maximalen Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors überschreitet. Daher kann man das vom Verbrennungsmotor angetriebene Fahrzeug in einem größeren Betriebsbereich nutzen und den Betriebsbereich beschränken, in dem der Motor in einem Betriebsbereich betrieben werden musst, in dem die erforderliche Ausgangsleistung des Fahrzeugs extrem gering ist.
In der oben erwähnten bevorzugten Konfiguration kann das Hybridfahrzeug weitere Steuerungsmittel umfassen, die den Antrieb des Verbrennungsmotors und den Antrieb des E-Motors regeln. Die Steuerungsmittel berechnen die Zielausgangsleistung des Verbrennungsmotors entsprechend dem Betriebszustand des Hybridfahrzeugs. Sie lassen den Verbrennungsmotor anhalten und das Hybridfahrzeug in einem Betriebsbereich, in dem die Zielausgangsleistung nicht größer als 10% der maximalen Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors ist, vom E-Motor antreiben. Sie bewirken auch, dass das Hybridfahrzeug vom Verbrennungsmotor angetrieben wird und der E-Motor in anderen Betriebsbereichen, in denen die Zielausgangsleistung nicht größer ist als 10% der maximalen Ausgangsleistung, nur regenerative Funktionen ausführt.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Aufbau wird der E-Motor nur dann betrieben, wenn das Fahrzeug gestartet oder das Fahrzeug unmittelbar nach dem Start des Fahrzeugs mit niedriger Geschwindigkeit gefahren wird. Der E-Motor wird in einem anderen als dem oben erwähnten Betriebsbereich ausschließlich zur Regeneration (Erzeugung von Strom) verwendet. Daher kann man einen kompakten Motor mit relativ niedriger Ausgangsleistung als E-Motor für das Fahrzeug verwenden. Somit ist die oben erwähnte Konfiguration vorteilhaft, um das Gewicht des Fahrzeugs zu reduzieren und damit den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu verbessern und die Fahrzeugkosten zu senken.
Im Hybridfahrzeug hat der E-Motor vorzugsweise einen hohlen rohrförmigen Aufbau und der E-Motor kann im Verhältnis zur Radantriebswelle gleichachsig eingebaut sein und zwar so, dass die Radantriebswelle durch den Motor verläuft.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Aufbau ist es möglich, den Motor in kompakter Weise gleichachsig auf der Antriebswelle zu montieren. Dies ist vorteilhaft bei der Gestaltung des Layouts für den Motor.
Darüber hinaus kann im Hybridfahrzeug vorzugsweise der E-Motor mit der Radantriebswelle so gekoppelt werden, dass die Ankerdrehachse rechtwinkelig zur Radantriebswelle steht.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Aufbau kann man den E-Motor so montieren, dass der Raum zwischen Fahrersitz und Beifahrersitz genutzt wird. Dies ist bei der Montage des Motors vorteilhaft und gleichzeitig wird ein Leerraum im Fahrzeug wirksam genutzt.

Claims

Parallel-Hybridfahrzeug mit: einem Verbrennungsmotor; einen regenerativen E-Motor, der verwendet wird, wenn sich das Hybridfahrzeug bewegt. Dieser E-Motor weist derartige Eigenschaften auf, dass die Effizienz des Motors 90% oder mehr beträgt, wenn sich der Motor mit der 1,5-fachen Drehzahl derjenigen Geschwindigkeit dreht, bei der der Wirkungsgrad des Motors bei einer Motorlast von 10% der maximalen Motorlast oder mehr am größten ist; und ein Getriebe, das die Leistung des E-Motors auf eine Radantriebswelle überträgt, wobei der Motor mit der Radantriebswelle, aber nicht mit dem Getriebe verbunden ist.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Motor ein Schalt-Reluktanzmotor ist.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verbrennungsmotor spezifische Kraftstoffverbrauchsmerkmale besitzt. Diese bestimmen, dass die Motorleistung bei einem spezifischen Kraftstoffverbrauch, der höher ist als der minimale spezifische Kraftstoffverbrauch, und zwar 15% bis 20% über dem minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch, nur in einem Betriebsbereich liegen kann, in dem die Motorleistung nicht mehr als 10% der maximalen Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors beträgt.
Hybridfahrzeug nach Anspruch 3, das außerdem folgendes umfasst: Steuerungsmittel, die den Antrieb des Verbrennungsmotors und den Antrieb des E-Motors regeln, die Steuerungsmittel berechnen die Zielausgangsleistung des Verbrennungsmotors entsprechend dem Betriebszustand des Hybridfahrzeugs. Sie lassen den Verbrennungsmotor anhalten und das Hybridfahrzeug in einem Betriebsbereich, in dem die Zielausgangsleistung nicht größer als 10% der maximalen Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors ist, vom E-Motor antreiben. Sie bewirken auch, dass das Hybridfahrzeug vom Verbrennungsmotor angetrieben wird und der E-Motor in anderen Betriebsbereichen, in denen die Zielausgangsleistung nicht größer ist als 10% der maximalen Ausgangsleistung, nur regenerative Funktionen ausführt.
Hybridfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Motor einen hohlen, rohrförmigen Aufbau und der E-Motor kann im Verhältnis zur Radantriebswelle gleichachsig eingebaut sein und zwar so, dass die Radantriebswelle durch den Motor verläuft.
Hybridfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der E-Motor mit der Radantriebswelle so gekoppelt ist, dass die Ankerdrehachse rechtwinkelig zur Radantriebswelle steht.