DE69635942T2

DE69635942T2 - Antriebsanordnung und Leistungssteuerung für ein Hybridfahrzeug

Info

Publication number: DE69635942T2
Application number: DE69635942T
Authority: DE
Inventors: Eiji Toyota-shi Aichi-ken Yamada; Takao Toyota-shi Aichi-ken Miyatani; Yasutomo Toyota-shi Aichi-ken Kawabata; Ryouji Toyota-shi Aichi-ken Mizutani; Yoshiaki Toyota-shi Aichi-ken Taga
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-05-19
Filing date: 1996-05-20
Publication date: 2006-12-07
Also published as: EP0743214A2; EP0743208B1; WO1996036507A1; CA2195434A1; US5988307A; EP0743208A2; EP0743209B1; EP0743216B1; EP0743214B1; KR100229340B1; EP0743209A2; DE69635942T8; EP0743209A3; KR970704590A; EP0743213A3; EP0743208A3; CA2195434C; EP0743216A3; DE69635942D1; EP0743213A2

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Energieausgabevorrichtung bzw. eine Leistungsausgabevorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung von dieser. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf eine Energieausgabevorrichtung zur Übermittelung oder Verwendung einer Energie bzw. Leistung, die durch einen Verbrennungsmotor erzeugt wird, mit einem hohen Wirkungsgrad sowie auf ein Verfahren zum Steuern einer solchen Energieausgabevorrichtung bzw. Leistungsausgabevorrichtung.
Beschreibung des Standes der Technik
Drehmomentwandler, die ein Fluid verwenden, werden im Allgemeinen eingesetzt, um ein Ausgabedrehmoment eines Verbrennungsmotors oder von ähnlichem in Energie umzuwandeln und die umgewandelte Energie bzw. Leistung zu übertragen. Bei den herkömmlichen fluidbasierten Drehmomentwandlern sind eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle in Bezug zueinander nicht vollständig festgestellt bzw. arretiert und es tritt dementsprechend ein Energieverlust auf, der einem zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle auftretendem Schlupf entspricht. Der Energieverlust, der als Wärme verbraucht wird, wird als das Produkt der Drehzahldifferenz zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle und des zu diesem Zeitpunkt übertragenen Drehmoments ausgedrückt. Bei Fahrzeugen, bei denen ein solcher Drehmomentwandler montiert ist, tritt ein großer Energieverlust in Übergangszuständen, wie z.B. zu einem Startzeitpunkt auf. Die Effizienz der Energieübertragung ist nicht 100%, selbst bei stationärem Antrieb. Im Vergleich zu manuellen Getrieben führen die Drehmomentwandler zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch.
Vorgeschlagene Energieausgabevorrichtungen verwenden im Unterschied zu herkömmlichen Drehmomentwandlern kein Fluid für die Drehmomentwandlung oder die Energieübertragung, sondern übertragen Energie durch eine mechanisch-elektrisch-mechanisch-Umwandlung. Beispielsweise koppelt eine Energieausgabevorrichtung, die in der japanischen Patentveröffentlichung „Japanese Patent Publication Gazette" Nr. 51-22132 offenbart ist, einen Abtrieb eines Verbrennungsmotors mit einer Energieübertragungseinrichtung, die eine elektromagnetische Kopplung und einen sich drehenden Anker aufweist, und setzt diese Energieausgabeeinrichtung ein Untersetzungsverhältnis (ein Verhältnis der Drehmomentwandlung) von 1 + P2/P1 um, wobei P1 bzw. P2 die Polzahl in dem sich drehenden Anker und die Polzahl in der elektromagnetischen Kopplung bezeichnen.
Eine weitere Energieausgabevorrichtung, die in der japanischen Patentveröffentlichung „Japanese Patent Laying-Open Gazette" Nr. 53-133814 offenbart ist, koppelt eine Abtriebswelle eines Verbrennungsmotors mit einer Drehwelle eines Gleichstrommotors über eine elektromagnetische Kopplung, damit die Drehwelle als eine Antriebswelle arbeitet. Der Verbrennungsmotor treibt einen Rotor an der Seite einer Gleichstromfeldwicklung der elektromagnetischen Kopplung, während der andere Rotor an der Seite einer Wechselstrom-Ankerwicklung die Drehwelle des Gleichstrommotors oder die Antriebswelle antreibt. Elektrische Energie, die durch einen Schlupf zwischen den zwei Rotoren der elektromagnetischen Kopplung erzeugt wird, wird von dem Rotor an der Seite der Wechselstrom-Ankerwicklung dem Gleichstrommotor über einen Gleichrichter zugeführt. Der Gleichstrommotor nimmt ebenfalls elektrische Energie von einer Batterie auf, um die Antriebswelle zu drehen.
Im Unterschied zu herkömmlichen fluidbasierten Drehmomentwandlern haben diese zwei vorgeschlagenen Energieausgabevorrichtungen keinen dem Schlupf entsprechende Energieverlust. Es ist daher möglich, den Energieverlust in der Energieübertragungsvorrichtung relativ klein zu gestalten, indem der Wirkungsgrad der elektromagnetischen Kopplung und des sich drehenden Ankers oder des Gleichstrommotors verbessert wird.
Die vorstehende Energieausgabevorrichtung hat jedoch ein festes Verhältnis der Drehmomentwandlung und ist somit nicht auf Fahrzeuge oder andere Mechanismen anwendbar, bei denen eine breite Änderung beim Umwandlungsverhältnis notwendig ist. Dieses System kann kein gewünschtes Umwandlungsverhältnis entsprechend den Antriebsbedingungen des Fahrzeugs und des Verbrennungsmotors umsetzen.
Die letztgenannte Energieausgabevorrichtung reguliert in einfacher Weise den Erregerstrom, der durch die Feldwicklung der elektromagnetischen Kopplung fließt, und führt keine genaue Steuerung aus. Dieses System ist somit für eine genaue Steuerung entsprechend den Antriebsbedingungen des Fahrzeugs und des Verbrennungsmotors nicht geeignet.
Entsprechend der vorstehenden Diskussion können fluidbasierte System nicht frei von Energieverlust, der dem Schlupf zwischen der Antriebswelle und der Abtriebswelle entspricht, sein.
Das Dokument US-A-3 789 281, das als nächstliegender Stand der Technik verwendet wird, beschreibt eine Energieausgabevorrichtung entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Das Dokument US-A-3 623 568 offenbart eine Erfassungseinrichtung für geladene Energie, d.h. eine Restbatteriekapazität-Messeinrichtung. Wenn der Generator Energie erzeugt, ist ein Motor in einen Halt gebracht oder ist dieser in Betrieb, wobei Energie verbraucht wird. Im Betriebszustand ohne Erzeugung, in dem keine Differenz zwischen der Felddrehung und dem Generatordrehung vorliegt, wird eine Kupplung zwischen Feld und Generator eingerückt, so dass während der Erzeugung durch den Motor eine Direktkopplung zwischen dem Verbrennungsmotor und der getriebenen Welle vorliegt.
Das Dokument AU-A-58401/73 bezieht sich auf ein Zwei-Modus-Fahrzeug, das auf herkömmlichen Straßen und auf elektrischen Straßen fahren kann und das eine Wärmekraftmaschine, einen Motor und einen Generator aufweist. Dieses Fahrzeug kann entweder nur elektrisch angetrieben werden oder mechanisch angetrieben werden, wobei ein Teil der mechanischen Energie in elektrische Energie und erneut in mechanische Energie umgewandelt wird.
Das Dokument DE-A-3025756 bezieht sich auf einen Drehmoment-Drehzahl-Wandler, der einen Hilfsmotor und einen Kupplungsmotor aufweist, wobei der Kupplungsmotor einen zusätzlichen Rotor hat, der sich zwischen dem mit der Abtriebswelle verbundenen Rotor des Verbrennungsmotors und dem mit der Antriebswelle verbundenen Rotor befindet.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Energieausgabevorrichtung vorzusehen, die eine Energie bzw. Leistung von einem Verbrennungsmotor mit hohem Wirkungsgrad übertragen oder nutzen kann und die ein Drehmoment in Rotationsrichtung einer Abtriebswelle des Verbrennungsmotors ausgeben kann, und ebenfalls ein Verfahren zum Steuern einer derartigen Energieausgabevorrichtung vorzusehen.
Diese Aufgabe wird durch eine Energieausgabevorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren entsprechend Anspruch 3 gelöst.
Es wird eine erste Energie- bzw. Leistungsausgabevorrichtung zum Ausgeben von Energie zu einer Antriebswelle vorgesehen.
Die erste Energieausgabevorrichtung weist auf: einen Verbrennungsmotor mit einer Abtriebswelle, einen ersten Motor, der einen mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors verbundenen ersten Rotor und einen mit der Antriebswelle verbundenen zweiten Rotor hat, wobei der zweite Rotor mit dem ersten Rotor koaxial verläuft und bezüglich diesem drehbar ist, wobei der erste und zweite Rotor miteinander elektromagnetisch gekoppelt sind, wodurch Energie zwischen der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors und der Antriebswelle über die elektromagnetische Kopplung des ersten und zweiten Rotors übertragen wird, eine Antriebseinrichtung für den ersten Motor zum Austauschen von elektrischen Strömen mit dem ersten Motor, um die elektromagnetische Kopplung des ersten Rotors mit dem zweiten Rotor zu ändern, einen zweiten Motor, der einen Stator und einen dritten Rotor aufweist, der entweder mit der Antriebswelle oder der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors verbunden ist, wobei der Stator mit dem dritten Rotor elektromagnetisch gekoppelt ist, eine Antriebseinrichtung für den zweiten Motor zum Austauschen von elektrischen Strömen mit dem zweiten Motor, zum Ändern der elektromagnetischen Kupplung des Stators mit dem dritten Rotor, und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Antriebseinrichtung für den ersten Motor, um zu ermöglichen, dass der erste Motor elektrische Energie regeneriert, und Steuern der Antriebseinrichtung für den zweiten Motor, um die regenerierte elektrische Energie dem zweiten Motor zuzuführen, um den zweiten Motor anzutreiben.
In der ersten Energieausgabevorrichtung geht elektrische Energie vom ersten Motor auf den zweiten Motor über, indem die durch den ersten Motor regenerierte Energie dem zweiten Motor zugeführt wird. Der zweite Motor legt dann ein zusätzliches Drehmoment an die Antriebswelle an. Diese Struktur bewirkt keinen Energieverlust, wenn der Verbrennungsmotor mit einer stationären Drehzahl angetrieben wird. Das Drehmomentumwandlungs-Prinzip der ersten Energieausgabevorrichtung setzt jeden wünschenswerten Drehmoment-Zustand um, von einer Ausgabe von hohem Drehmoment bei einer niedrigen Drehzahl zu einer Ausgabe von niedrigem Drehmoment bei einer hohen Drehzahl.
Bei der ersten Energieausgabevorrichtung wird ein Teil der durch den Verbrennungsmotor erzeugten Energie direkt als ein Drehmoment ausgegeben, während ein weiterer Teil, der im ersten Motor als ein Schlupf wirkt, in eine elektrische Energie umgewandelt wird. Der zweite Motor wird dann mit der regenerierten elektrischen Energie angetrieben. Die erste Energieausgabevorrichtung kann die Energie mit einem hohen Wirkungsgrad übertragen und eine gewünschte Drehmomentwandlung umsetzen.
Entsprechend einem Aspekt weist eine zweite Energieausgabevorrichtung zur Ausgabe von Energie zu einer Antriebswelle auf: einen Verbrennungsmotor mit einer Abtriebswelle, einen ersten Motor, der einen mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors verbundenen ersten Rotor und einen mit der Antriebswelle verbundenen zweiten Rotor hat, wobei der zweite Rotor zum ersten Rotor koaxial verläuft und bezüglich diesem drehbar ist, wobei der erste und zweite Rotor miteinander elektromagnetisch gekoppelt sind, wodurch zwischen der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors und der Antriebswelle über die elektromagnetische Kopplung des ersten und zweiten Rotors Energie übertragen wird, eine Antriebseinrichtung für den ersten Motor zum Austauschen von elektrischen Strömen mit dem ersten Motor zum Ändern der elektromagnetischen Kopplung des ersten Rotors mit dem zweiten Rotor, einen zweiten Motor mit einem Stator und einem dritten Rotor, der mit der Antriebswelle oder der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors verbunden ist, wobei der Stator mit dem dritten Rotor elektromagnetisch gekoppelt ist, eine Antriebseinrichtung für den zweiten Motor zum Austauschen von elektrischen Strömen mit dem zweiten Motor zum Ändern der elektromagnetischen Kopplung des Stators mit dem dritten Rotor und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Antriebseinrichtung für den ersten Motor, um zu ermöglichen, dass der erste Motor elektrische Energie regeneriert, und zum Steuern der Antriebseinrichtung für den zweiten Motor, um zu ermöglichen, dass der zweite Motor elektrische Energie regeneriert.
Die zweite Energieausgabevorrichtung kann eine Energie erzeugen, die größer als die Erzeugungskapazität des ersten Motors ist, und wird somit bevorzugt in Fällen eingesetzt, bei denen ein großer Betrag an elektrischer Energie erforderlich ist.
Entsprechend einem weiteren Aspekt weist eine dritte Energieausgabevorrichtung zum Ausgeben von mechanischer Leistung bzw. Energie als Energie zu einer Antriebswelle auf: einen Verbrennungsmotor, der mit einer Drehwelle verbunden ist, einen mit der Drehwelle verbundenen ersten Motor und einen mit der Antriebswelle verbundenen zweiten Motor, wobei der Verbrennungsmotor mechanische Energie erzeugt und die mechanische Energie zur Drehwelle überträgt, wobei der erste Motor einen Teil der über die Drehwelle übertragenen mechanischen Energie in elektrische Energie umwandelt und den Rest der mechanischen Energie zum zweiten Motor überträgt, und der zweite Motor einen Teil der verbleibenden mechanischen Energie, der vom ersten Motor übertragen wurde, in elektrische Energie umwandelt und den Rest der mechanischen Energie zur Antriebswelle ausgibt.
Die dritte Energieausgabevorrichtung kann die durch den Verbrennungsmotor erzeugte mechanische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad übertragen und verwenden und wird vorzugsweise in Fällen angewendet, bei denen ein großer Betrag an elektrischer Energie erforderlich ist.
Entsprechend einem noch weiteren Aspekt weist eine vierte Energieausgabevorrichtung zur Ausgabe von Energie zu einer Antriebswelle auf: einen Verbrennungsmotor mit einer Abtriebswelle, der das erste Drehmoment auf die Abtriebswelle aufbringt, einen Motor mit einem mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors verbundenen ersten Rotor und einem mit der Antriebswelle verbundenen zweiten Rotor, wobei der zweite Rotor zum ersten Rotor koaxial verläuft und bezüglich diesem drehbar ist, wobei der erste und zweite Rotor miteinander elektromagnetisch gekoppelt sind, wodurch Energie zwischen der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors und der Antriebswelle über die elektromagnetische Kopplung des ersten und zweiten Rotors übertragen wird, eine Motorantriebseinrichtung zum Austauschen von elektrischen Strömen mit dem ersten Motor, um die elektromagnetische Kopplung des ersten Rotors mit dem zweiten Rotor zu ändern, und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Motorantriebseinrichtung, um zu ermöglichen, dass der Motor an die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors ein zweites Drehmoment anlegt, das größer als das erste Drehmoment ist und entgegengesetzt zum ersten Drehmoment wirkt.
Bei der vierten Energieausgabevorrichtung steuert die Steuereinrichtung die Motorantriebseinrichtung, um zu ermöglichen, dass der Motor auf die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors ein zweites Drehmoment aufbringt, das größer als das erste Drehmoment, das durch den Verbrennungsmotor erzeugt wird, ist und entgegengesetzt zum ersten Drehmoment wirkt. Das dementsprechend auf die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors aufgebrachte Gesamtdrehmoment wirkt zur Rotation der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors entgegengesetzt. Dieses bedeutet, dass eine Beschleunigung umgekehrt zu ihrer Rotation (d.h. eine Verlangsamung) auf die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors aufgebracht wird. Die Drehzahl der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors verringert sich dementsprechend. Die Energie der Rotationsbewegung der Verbrennungsmotor-Abtriebswelle ist zum Quadrat der Drehzahl der Verbrennungsmotor-Abtriebswelle proportional und verringert sich somit mit der Verringerung der Drehzahl. Gemäß Vorbeschreibung wird der Motor gesteuert, um auf die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors ein zweites Drehmoment aufzubringen, das größer als das durch den Verbrennungsmotor erzeugte erste Drehmoment ist und entgegengesetzt zum ersten Drehmoment wirkt. Als eine Reaktion nimmt die mit dem zweiten Rotor des Motors verbundene Antriebswelle ein Drehmoment auf, das größer als das durch den Verbrennungsmotor erzeugte Drehmoment ist und das in die gleiche Richtung wie das Verbrennungsmotor-Drehmoment wirkt.
In der vorstehend beschriebenen Weise verwendet die vierte Energieausgabevorrichtung die Energie der Rotationsbewegung der Verbrennungsmotorabtriebswelle, um an der Antriebswelle ein Drehmoment zu erzeugen, das größer als das durch den Verbrennungsmotor erzeugte Drehmoment ist und das in die gleiche Richtung wie das Verbrennungsmotor-Drehmoment wirkt.
Entsprechend einem weitere Aspekt weist eine fünfte Energieausgabevorrichtung zum Ausgeben von Energie zu einer Antriebswelle auf: einen Verbrennungsmotor mit einer Abtriebswelle, der das erste Drehmoment auf die Abtriebswelle aufbringt, einen ersten Motor mit einem mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors verbundenen ersten Rotor und einem mit der Antriebswelle verbundenen zweiten Rotor, wobei der zweite Rotor zum ersten Rotor koaxial verläuft und bezüglich diesem drehbar ist, wobei der erste und zweite Rotor miteinander elektromagnetisch gekoppelt sind, wodurch zwischen der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors und der Antriebswelle über die elektromagnetische Kopplung des ersten und zweiten Rotors Energie übertragen wird, eine Motorantriebseinrichtung zum Austauschen von elektrischen Strömen mit dem ersten Motor, um die elektromagnetische Kopplung des ersten Rotors mit dem zweiten Rotor zu ändern, einen zweiten Motor mit einem Stator und einem dritten Rotor, der mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors verbunden ist, wobei der zweite Motor das zweite Drehmoment auf die Abtriebswelle aufbringt, und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Motorantriebseinrichtung, um zu ermöglichen, dass der erste Motor auf die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors ein drittes Drehmoment aufbringt, das größer als die Summe aus dem ersten Drehmoment und dem zweiten Drehmoment ist und das zum ersten Drehmoment entgegengesetzt wirkt.
Bei der fünften Energieausgabevorrichtung ist der dritte Rotor des zweiten Motors mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors verbunden. Die Steuereinrichtung steuert die Motorantriebseinrichtung, um zu ermöglichen, dass der erste Motor auf die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors ein drittes Drehmoment aufbringt, das größer als die Summe des durch den Verbrennungsmotor erzeugten ersten Drehmoment und des durch den zweiten Motor erzeugten zweiten Drehmoments ist und das zum ersten Drehmoment entgegengesetzt wirkt. Das dementsprechend auf die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors aufgebrachte Gesamtdrehmoment wirkt zur Rotation der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors entgegengesetzt. Eine Verlangsamung wird somit auf die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors aufgebracht, die die Drehzahl und dadurch die Energie der Rotationsbewegung der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors verringert. Wie zuvor beschrieben wird der erste Motor gesteuert, um auf die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors ein drittes Drehmoment aufzubringen, das größer als die Summe des durch den Verbrennungsmotor erzeugten ersten Drehmoments und des durch den zweiten Motor erzeugten zweiten Drehmoments ist und das zum ersten Drehmoment entgegengesetzt wirkt. Als eine Reaktion nimmt die Antriebswelle, die mit dem zweiten Rotor des ersten Motors verbunden ist, ein Drehmoment auf, das größer als die Summe der Drehmomente ist, die durch den Verbrennungsmotor und den zweiten Motor erzeugt werden und das in die gleiche Richtung wie das Verbrennungsmotordrehmoment wirkt.
In der vorstehend beschriebenen Weise verwendet die fünfte Energieausgabevorrichtung die Energie der Rotationsbewegung der Verbrennungsmotor-Abtriebswelle, um an der Antriebswelle ein Drehmoment zu erzeugen, das größer als die Summe der Drehmomente ist, die durch den Verbrennungsmotor und den zweiten Motor erzeugt werden, und das in die gleiche Richtung wie das Verbrennungsmotordrehmoment wirkt.
Entsprechend einem noch weitere Aspekt weist eine sechste Energieausgabevorrichtung zum Ausgeben von Energie zu einer Antriebswelle auf: einen Verbrennungsmotor mit einer Abtriebswelle, einen Motor, der einen mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors verbundenen ersten Rotor und einen mit der Antriebswelle verbundenen zweiten Rotor aufweist, wobei der zweite Rotor zum ersten Rotor koaxial verläuft und bezüglich diesem drehbar ist, wobei der erste und zweite Rotor miteinander elektromagnetisch gekoppelt sind, wodurch zwischen der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors und der Antriebswelle über die elektromagnetische Kopplung des ersten und zweiten Rotors Energie übertragen wird, eine Motorantriebseinrichtung zum Austauschen von elektrischen Strömen mit dem ersten Motor zum Ändern der elektromagnetischen Kopplung des ersten Rotors mit dem zweiten Rotor, und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Motorantriebseinrichtung, um zu ermöglichen, dass der Motor auf die Abtriebswelle ein Drehmoment aufbringt, um die Energie der Rotationsbewegung der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors zu verringern.
Die Antriebswelle nimmt folglich ein Drehmoment auf, das größer als das durch den Verbrennungsmotor erzeugte Drehmoment ist und das in die gleiche Richtung wie das Verbrennungsmotordrehmoment wirkt.
Wie die vorstehend diskutierte vierte Energieausgabevorrichtung verwendet die sechste Energieausgabevorrichtung der Erfindung die Energie der Rotationsbewegung der Verbrennungsmotorabtriebswelle, um an der Antriebswelle ein Drehmoment zu erzeugen, das größer als das durch den Verbrennungsmotor erzeugte Drehmoment ist und das in die gleiche Richtung wie das Verbrennungsmotordrehmoment wirkt.
Entsprechend einem noch weitere Aspekt weist eine siebente Energieausgabevorrichtung zur Ausgabe von Energie zu einer Antriebswelle auf: einen Verbrennungsmotor mit einer Abtriebswelle, einen Motor mit einem mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors verbundenen ersten Rotor und einem mit der Antriebswelle verbundenen zweiten Rotor, wobei der zweite Rotor zum ersten Rotor koaxial verläuft und bezüglich diesem drehbar ist, wobei der erste und zweite Rotor miteinander elektromagnetisch gekoppelt sind, wodurch zwischen der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors und der Antriebswelle über die elektromagnetische Kopplung des ersten und zweiten Rotors Energie übertragen wird, eine Motorantriebseinrichtung zum Austauschen von elektrischen Strömen mit dem ersten Motor zum Ändern der elektromagnetischen Kopplung des ersten Rotors mit dem zweiten Rotor und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Motorantriebseinrichtung zum Ermöglichen, dass der Motor auf die Abtriebswelle ein Drehmoment aufbringt, damit eine Summe der auf die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors aufgebrachten Drehmomente zur Rotation der Abtriebswelle entgegengesetzt wirken.
Diese Steuerung verringert dementsprechend die Drehzahl und dadurch die Energie der Rotationsbewegung der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors. Wie die vorstehend diskutierte vierte Energieausgabevorrichtung kann die siebente Energieausgabevorrichtung der Erfindung an der mit dem zweiten Rotor des Motors verbundenen Antriebswelle ebenfalls ein Drehmoment erzeugen, das größer als das durch den Verbrennungsmotor erzeugte Drehmoment ist und das in die gleiche Richtung wie das Verbrennungsmotordrehmoment wirkt.
Entsprechend einem weiteren Aspekt weist eine achte Energieausgabevorrichtung zum Ausgeben von Energie zu einer Antriebswelle auf: einen Verbrennungsmotor mit einer Abtriebswelle, einen Motor mit einem mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors verbundenen ersten Rotor und einem mit der Antriebswelle verbundenen zweiten Rotor, wobei der zweite Rotor zum ersten Rotor koaxial verläuft und bezüglich diesem drehbar ist, wobei der ersten und zweite Rotor miteinander elektromagnetisch gekoppelt sind, wodurch zwischen der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors und der Antriebswelle über die elektromagnetische Kopplung des ersten und zweiten Rotors Energie übertragen wird, eine Motor-Antriebseinrichtung zum Austauschen von elektrischen Strömen mit dem ersten Motor, um die elektromagnetische Kopplung des ersten Rotors mit dem zweiten Rotor zu ändern, und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Motorantriebseinrichtung, um zu ermöglichen, dass der Motor an die Abtriebswelle ein Drehmoment anlegt, um eine Drehzahl der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors zu verringern.
Diese Steuerung verringert dementsprechend die Energie der Rotationsbewegung der Verbrennungsmotor-Abtriebswelle. Wie die vorstehend diskutierte vierte Energieausgabevorrichtung kann die achte Energieausgabevorrichtung ebenfalls an der mit dem zweiten Rotor des Motors verbundenen Antriebswelle ebenfalls ein Drehmoment erzeugen, das größer als das durch den Verbrennungsmotor erzeugte Drehmoment ist und in die gleiche Richtung wie das Verbrennungsmotordrehmoment wirkt.
Der Hintergrund der Erfindung ist ebenfalls auf ein erstes Verfahren zur Steuerung einer Energieausgabevorrichtung zum Ausgeben von Energie zu einer Antriebswelle gerichtet.
Das erste Verfahren weist die Schritte auf: (a) Vorsehen eines Verbrennungsmotors mit einer Abtriebswelle, eines erste Motors mit einem mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors verbundenen ersten Rotor und einem mit der Antriebswelle verbundenen zweiten Rotor, wobei der zweite Rotor zum ersten Rotor koaxial verläuft und bezüglich diesem drehbar ist, wobei der erste und zweite Rotor miteinander elektromagnetisch gekoppelt sind, wodurch zwischen der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors und der Antriebselle über die elektromagnetische Kopplung des ersten und zweiten Rotors Energie übertragen wird, und eines zweiten Motors mit einem Stator und einem mit der Antriebswelle verbundenen dritten Rotor, wobei der Stator mit dem dritten Rotor elektromagnetisch gekoppelt ist, (b) Ermöglichen, dass der erste Motor elektrische Energie regeneriert, und (c) Zuführen der regenerierten elektrischen Energie zum zweiten Motor, um den zweiten Motor anzutreiben.
Der Hintergrund der Erfindung ist ferner auf ein zweites Verfahren gerichtet, das die Schritte aufweist: (a) Vorsehen eines Verbrennungsmotors mit einer Abtriebswelle, eines erste Motors mit einem mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors verbundenen ersten Rotor und einem mit der Antriebswelle verbundenen zweiten Rotor, wobei der zweite Rotor zum ersten Rotor koaxial verläuft und bezüglich diesem drehbar ist, wobei der erste und zweite Rotor miteinander elektromagnetisch gekoppelt sind, wodurch zwischen der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors und der Antriebswelle über die elektromagnetische Kopplung des ersten und zweiten Rotors Energie übertragen wird, und eines zweiten Motors mit einem Stator und einem mit der Antriebswelle verbundenen dritten Rotor, wobei der Stator mit dem dritten Rotor elektromagnetisch gekoppelt ist, (b) Ermöglichen, dass der erste Motor elektrische Energie regeneriert, und (c) Ermöglichen, dass der zweite Motor elektrische Energie regeneriert.
Der Hintergrund der Erfindung ist noch weiter auf ein drittes Verfahren gerichtet, dass die Schritte aufweist: (a) Vorsehen eines Verbrennungsmotors mit einer Abtriebswelle und Aufbringen des ersten Drehmoments auf die Abtriebswelle, und eines Motors mit einem mit der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors verbundenen ersten Rotor und einem mit der Antriebswelle verbundenen zweiten Rotor, wobei der zweite Rotor bezüglich des ersten Rotors koaxial verläuft und bezüglich diesem drehbar ist, wobei der erste Rotor und der zweite Rotor miteinander elektromagnetisch gekoppelt sind, wodurch zwischen der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors und der Antriebswelle über die elektromagnetische Kopplung des ersten und zweiten Rotors Energie übertragen wird, und (b) Ermöglichen, dass der Motor auf die Abtriebswelle des Verbrennungsmotors ein zweites Drehmoment aufbringt, das größer als das erste Drehmoment ist und zum ersten Drehmoment entgegengesetzt wirkt.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt schematisch die Struktur einer Energieausgabevorrichtung 20 als einen ersten Aspekt dar,
2 ist eine Querschnittsansicht, die detaillierte Strukturen eines Kupplungsmotors 30 und eines Hilfsmotors 40 darstellt, die in der Energieausgabevorrichtung 20 von 1 vorhanden sind,
3 ist eine schematische Ansicht, die die allgemeine Struktur eines Fahrzeugs darstellt, in der die Energieausgabevorrichtung 20 von 1 enthalten ist,
4 ist eine graphische Darstellung, die einen Betrag der Energie zeigt, der durch den Kupplungsmotor 30 regeneriert und durch den Hilfsmotor 40 verbraucht wird,
5 ist eine graphische Darstellung, die einen Betrag der Energie zeigt, der durch den Kupplungsmotor 30 verbraucht und durch den Hilfsmotor 40 regeneriert wurde,
6 ist ein Fließbild, das eine Drehmomentsteuerroutine zeigt, die durch die Steuer-CPU 90 im ersten Aspekt ausgeführt wird,
7 ist ein Fließbild, das wesentliche Schritte der Steuerung des Kupplungsmotors 30 zeigt, die im ersten Aspekt ausgeführt werden,
die 8 und 9 sind Fließbilder, die wesentliche Schritte des Steuerns des Hilfsmotors 40 zeigen, die im ersten Aspekt ausgeführt werden,
10 ist ein Fließbild, dass eine Energiehilfssteuerroutine zeigt, die in einem zweiten Aspekt ausgeführt wird,
11 ist ein Fließbild, das eine Steuerroutine zeigt, die in einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird,
12 zeigt eine Abbildung eines ladbaren Bereiches, die in dem dritten Ausführungsbeispiel verwendet wird,
13 ist eine graphische Darstellung, die die ladbare Energie über der Restkapazität der Batterie 94 im dritten Ausführungsbeispiel zeigt,
14 ist ein Fließbild, das eine Hilfsmotor-Steuerroutine zeigt, die im dritten Ausführungsbeispiel ausgeführt wird,
15 ist ein Fließbild, das eine Kupplungsmotor-Steuerroutine zeigt, die im dritten Ausführungsbeispiel ausgeführt wird,
16 ist ein Fließbild, das eine Benzinmotor-Steuerroutine zeigt, die im dritten Ausführungsbeispiel ausgeführt wird,
17 zeigt eine Zuordnung der Energie, die durch den Benzinmotor 50 im dritten Ausführungsbeispiel zugeführt wird,
18 zeigt einen Energiefluss zwischen dem Benzinmotor 50, dem Kupplungsmotor 30, dem Hilfsmotor 40 und der Batterie 94,
die 19 und 20 sind Fließbilder, die eine in einem vierten Aspekt ausgeführte Steuerroutine zeigen,
die 21(a) und 21(b) sind charakteristische Schaubilder, die Änderungen beim Drehmoment Te und bei der Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 und beim Drehmoment Tc des Kupplungsmotors 30 bezüglich der Zeit zeigen, wenn der Steuerprozess der 18 und 19 implementiert wird,
22 ist eine schematische Ansicht, die einen wesentlichen Teil einer weiteren Energieausgabevorrichtung 20A als eine Modifikation darstellt,
23 ist eine schematische Ansicht, die einen wesentlichen Teil einer noch weiteren Energieausgabevorrichtung 20B als eine weitere Modifikation darstellt,
24 ist eine graphische Darstellung, die einen Energiebetrag, der durch den Kupplungsmotor 30B regeneriert wird und der durch den Hilfsmotor 40B verbraucht wird, in der modifizierten Struktur von 23 schematisch zeigt,
25 ist eine schematische Ansicht, die einen wesentlichen Teil einer weiteren Energieausgabevorrichtung 20C als eine noch weitere Modifikation darstellt, und
26 ist eine schematische Ansicht, die einen wesentlichen Teil einer noch weiteren Energieausgabevorrichtung 20D als eine weitere Modifikation darstellt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
1 ist eine schematische Ansicht, die eine Struktur einer Energieausgabevorrichtung 20 als einen ersten Aspekt darstellt; 2 ist eine Querschnittsansicht, die detaillierte Strukturen eines Kupplungsmotors 30 und eines Hilfsmotors 40 darstellt, die in der Energieausgabevorrichtung 20 von 1 vorhanden sind, und 3 ist eine schematische Ansicht, die die allgemeine Struktur eines Fahrzeugs zeigt, in der die Energieausgabevorrichtung 20 von 1 enthalten ist. Die allgemeine Struktur des Fahrzeugs wird als Erstes aus Gründen der Zweckmäßigkeit beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 3 hat das Fahrzeug einen Benzinmotor 50, der durch Benzin angetrieben wird, als eine Energiequelle oder eine Antriebsmaschine. Die von einem Luftzuführsystem über ein Drosselventil 66 aufgenommene Luft wird mit Kraftstoff gemischt, d.h. in diesem Ausführungsbeispiel mit Benzin, das von einem Kraftstoffeinspritzventil 51 eingespritzt wird. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird einer Verbrennungskammer 52 zugeführt, um explosionsgezündet und verbrannt zu werden. Die lineare Bewegung eines Kolbens 54, der durch die Explosion des Luft-Kraftstoff-Gemischs niedergedrückt wird, wird in Rotationsbewegung einer Kurbelwelle 56 umgewandelt. Das Drosselventil 66 wird durch einen Motor 68 angetrieben, damit es sich öffnet und schließt. Eine Zündkerze 62 wandelt eine Hochspannung, die von einer Zündeinrichtung 58 über einen Verteiler 60 zugeführt wird, in einen Funken um, der eine Explosionszündung vornimmt und das Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrennt.
Der Betrieb des Benzinmotors 50 wird durch eine elektronische Steuereinheit 70 gesteuert (auf die sich nachfolgend als EFIECU bezogen wird). Die EFIECU 70 nimmt Informationen von zahlreichen Sensoren auf, die Betriebsbedingungen des Benzinmotors 50 erfassen. Diese Sensoren weisen einen Drosselpositionssensor 67 zum Erfassen der Ventilbewegung oder der Position des Drosselventils 66, einen Sammelleitung-Vakuumsensor 72 zum Messen einer Last, die auf den Benzinmotor 50 wirkt, einen Wassertemperatursensor 74 zum Messen der Temperatur des Kühlwassers im Benzinmotor 50 und einen Drehzahlsensor 76 und einen Winkelsensor 78, die am Verteiler 60 montiert sind, zum Messen der Drehzahl und des Rotationswinkels der Kurbelwelle 56 auf. Ein Anlasserschalter 79 zum Erfassen eines Zündzustands ST eines Anlassschlüssels (nicht gezeigt) ist ebenfalls mit der EFIECU 70 verbunden. Weitere Sensoren und Schalter, bei denen eine Verbindung mit der EFIECU 70 besteht, sind in den Zeichnungen weggelassen.
Die Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 ist mit einer Antriebswelle 22 über einen Kupplungsmotor 30 und einen Hilfsmotor 40 verbunden. Die Antriebswelle 22 ist ferner mit einem Differentialgetriebe 24 verbunden, das anschließend das von der Antriebswelle 22 ausgegebene Drehmoment zum linken und rechten Antriebsrad 26 und 28 überträgt. Der Kupplungsmotor 30 und der Hilfsmotor 40 werden durch eine Steuereinrichtung 80 angetrieben und gesteuert. Die Steuereinrichtung 80 weist eine interne Steuer-CPU auf und nimmt Eingänge von einem Gangschaltpositionssensor 84 auf, der an einer Gangschaltung 82 befestigt ist, und von einem Beschleunigungspositionssensor 65, der an einem Fahrpedal 64 befestigt ist, wie es später detailliert beschrieben wird. Die Steuereinrichtung 80 sendet und empfängt eine Vielzahl an Daten und Informationen bezüglich der EFIECU 70 über Kommunikation. Einzelheiten der Steuerprozedur einschließlich eines Kommunikationsprotokolls werden später beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 1 weist die Energieausgabevorrichtung 20 im Wesentlichen den Benzinmotor 50 zum Erzeugen von Energie, den Kupplungsmotor 30 mit einem äußeren Rotor 32 und einem inneren Rotor 34, den Hilfsmotor 40 mit einem Rotor 42 und die Steuereinrichtung 80 zum Antreiben und Steuern des Kupplungsmotors 30 und des Hilfsmotors 40 auf. Der äußere Rotor 32 des Kupplungsmotors 30 ist mit einem Endabschnitt der Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 mechanisch verbunden, während der Innenrotor 34 von diesem mit dem Rotor 42 des Hilfsmotors 40 mechanisch verbunden ist.
Wie es in 1 gezeigt ist, ist der Kupplungsmotor 30 als ein Synchronmotor aufgebaut, bei dem Dauermagneten 35 an einer Innenfläche des Außenrotors 32 befestigt sind und Dreiphasenwicklungen 36 auf Schlitze, die im Innenrotor 34 ausgebildet sind, gewickelt sind. Den Dreiphasenspulen 36 wird Energie über einen Drehtransformator 38 zugeführt. Ein dünnes, laminiertes Flachmaterial von nicht gerichtetem elektromagnetischem Stahl wird verwendet, um Zähne und Nuten für die Dreiphasenspulen 36 im Innenrotor 34 auszubilden. Ein Drehmelder 39 zum Messen eines Rotationswinkels θe der Kurbelwelle 56 ist an der Kurbelwelle 56 befestigt. Der Drehmelder 39 kann ebenfalls als der Winkelsensor 78, der am Ventil 60 montiert ist, dienen.
Der Hilfsmotor 40 ist ebenfalls als ein Synchronmotor mit Dreiphasenspulen 44 aufgebaut, die auf einen an einem Gehäuse 45 befestigten Stator 43 gewickelt sind, um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen. Der Stator 43 ist ebenfalls aus einem dünnen laminierten Flachmaterial aus nicht gerichtetem, elektromagnetischem Stahl gefertigt. Eine Vielzahl von Dauermagneten 46 ist an einer Außenfläche des Rotors 42 befestigt. Im Hilfsmotor 40 führte eine Wechselwirkung zwischen einem durch die Dauermagneten 46 gebildeten Magnetfeld und einem durch die Dreiphasenspulen 44 gebildeten rotierenden Magnetfeld zu einer Rotation des Rotors 42. Der Rotor 42 ist mit der Antriebswelle 22, die als die Drehmomentabtriebswelle der Energieausgabevorrichtung 20 arbeitet, mechanisch verbunden. Ein Drehmelder 48 zum Messen eines Rotationswinkels 8d der Antriebswelle 22 ist an der Antriebswelle 22, die ferner durch ein im Gehäuse 45 gehaltenes Lager 49 abgestützt ist, befestigt.
Der Innenrotor 34 des Kupplungsmotors 30 ist mit dem Rotor 42 des Hilfsmotors 40 und weiter mit der Antriebswelle 22 mechanisch verbunden. Wenn die Rotation und das axiale Drehmoment der Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 über den Außenrotor 32 zum Innenrotor 34 des Kupplungsmotors 30 überragen werden, werden die Rotation und das Drehmoment durch den Hilfsmotor 40 zur übertragenen Rotation und zum übertragenen Drehmoment addiert oder von diesem subtrahiert.
Während der Hilfsmotor 40 als ein herkömmlicher Dreiphasen-Synchronmotor vom Dauermagnet-Typ aufgebaut ist, weist der Kupplungsmotor 30 zwei Rotationselemente oder Rotoren auf, d.h. den Außenrotor 34 mit den Dauermagneten 35 und den Innenrotor 34 mit den Dreiphasenspulen 36. Die detaillierte Struktur des Kupplungsmotors 30 wird bezüglich der Querschnittsansicht von 2 beschrieben. Der Außenrotor 32 des Kupplungsmotors 30 ist an einem Umfangsende eines Rades 57, das um die Kurbelwelle 56 herum angeordnet ist, mittels eines Druckstiftes 59a und einer Schraube 59b befestigt. Ein mittlerer Abschnitt des Rades 57 steht vor, um ein wellenartiges Element zu bilden, an dem der Innenrotor 34 mittels Lagern 37A und 37B drehbar befestigt ist. Ein Endabschnitt der Antriebswelle 22 ist an dem Innenrotor 34 befestigt.
Eine Vielzahl von Dauermagneten 35, in diesem Ausführungsbeispiel vier, ist an der Innenfläche des Außenrotors 32 gemäß Vorbeschreibung befestigt. Die Dauermagneten 35 sind in die Richtung zum axialen Mittelpunkt des Kupplungsmotors 30 magnetisiert und haben Magnetpole von abwechselnd invertierten Richtungen. Die Dreiphasenwicklungen 36 des Innenrotors 34, die zu den Dauermagneten 35 über eine kleine Lücke weisen, sind auf insgesamt 24 Nuten (nicht gezeigt), die im Innenrotor ausgebildet sind, gewickelt. Die Zuführung von Elektrizität zu den jeweiligen Spulen bildet magnetische Flüsse, die durch die Zähne (nicht gezeigt) gehen, die die Nuten voneinander trennen. Die Zuführung von einem Dreiphasen-Wechselstrom zu den jeweiligen Spulen dreht dieses Magnetfeld. Die Dreiphasenspulen 36 sind verbunden, um elektrische Energie aufzunehmen, die von dem Drehtransformator 38 zugeführt wird. Der Drehtransformator 38 weist Primärwicklungen 38a, die am Gehäuse 45 befestigt sind, und Sekundärwicklungen 38b, die an der mit dem Innenrotor 34 gekoppelten Antriebswelle 22 befestigt ist, auf. Die elektromagnetische Induktion gestattet, dass elektrische Energie von den Primärwicklungen 38a zu den Sekundärwicklungen 38b oder umgekehrt übertragen werden. Der Drehtransformator 38 hat Wicklungen für drei Phasen, d.h. U-, V- und W-Phase, um eine Übertragung von elektrischen Dreiphasen-Strömen zu ermöglichen.
Die Wechselwirkung zwischen einem Magnetfeld, das durch ein benachbartes Paar von Dauermagneten 35 gebildet wird, und einem rotierenden Magnetfeld, das durch die Dreiphasenwicklungen 36 des Innenrotors 34 gebildet wird, führt zu einer Vielzahl von Verhaltensweisen des Außenrotors 32 und des Innenrotors 34. Die Frequenz des Dreiphasen-Wechselstroms, der den Dreiphasen-Spulen 36 zugeführt wird, ist im Allgemeinen gleich einer Differenz zwischen der Drehzahl (Umdrehungen je Sekunde) des Außenrotors 32, der direkt mit der Kurbelwelle 56 verbunden ist, und der Drehzahl des Innenrotors 34. Dieses ergibt einen Schlupf zwischen den Rotationen des Außenrotors 32 und des Innenrotors 34. Einzelheiten der Steuerprozeduren des Kupplungsmotors 30 und des Hilfsmotors 40 werden später auf der Grundlage der Fließbilder beschrieben.
Wie vorstehend genannt werden der Kupplungsmotor 30 und der Hilfsmotor 40 durch die Steuereinrichtung 80 angetrieben und gesteuert. Unter erneuter Bezugnahme auf 1 weist die Steuereinrichtung 80 eine erste Treiberschaltung 91 zum Antreiben des Kupplungsmotors 30, eine zweite Treiberschaltung 92 zum Antreiben des Hilfsmotors 40, eine Steuer-CPU 90 zum Steuern sowohl der ersten als auch der zweiten Treiberschaltung 91 und 29 und eine Batterie 94 mit einer Anzahl von Sekundärzellen auf. Die Steuer-CPU 90 ist ein Ein-Chip-Mikroprozessor mit einem RAM 90a, der als ein Arbeitsspeicher verwendet wird, einem ROM 90b, in dem zahlreiche Steuerprogramme gespeichert sind, einem Eingabe/Ausgabe-Anschluss (nicht gezeigt) und einem seriellen Kommunikationsanschluss (nicht gezeigt), durch den Daten zur EFIECU 70 gesendet und von dieser empfangen werden. Die Steuer-CPU 90 nimmt eine Vielzahl von Daten durch den Eingabe/Ausgabe-Anschluss auf. Die Eingabedaten weisen einen Rotationswinkel θe der Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 von dem Drehmelder 39, einen Rotationswinkel θd der Antriebswelle 22 vom Drehmelder 48, eine Fahrpedalposition AP (Trittbetrag des Fahrpedals 64) vom Fahrpedalpositionssensor 65, eine Gangschaltposition SP vom Gangschaltpositionssensor 84, Kupplungsmotorströme Iuc und Ivc von zwei Amperemetern 95 und 96 in der ersten Treiberschaltung 91, Hilfsmotorströme Iua und Iva von zwei Amperemetern 97 und 98 in der zweiten Treiberschaltung 92 und eine Restkapazität BRM der Batterie 94 von einer Restkapazitätsmesseinrichtung 99 auf. Die Restkapazitätsmesseinrichtung 99 kann die Restkapazität BRM der Batterie durch ein beliebiges bekanntes Verfahren bestimmen, beispielsweise durch das Messen der relativen Dichte der Elektrolytlösung in der Batterie oder des Gesamtgewichts der Batterie 94, durch das Berechnen der Ströme und der Zeit des Ladens und Entladens, oder durch das Bewirken eines sofortigen Kurzschlusses zwischen den Anschlüssen der Batterie 94 und das Messen eines Innenwiderstands über dem elektrischen Strom.
Die Steuer-CPU 90 gibt ein erstes Steuersignal SW1 zum Treiben von sechs Transistoren Tr1 bis Tr6, die als Schaltelemente der ersten Trieberschaltung arbeiten, und ein zweites Steuersignal SW2 zum Treiben von sechs Transistoren TR1 bis Tr16, die als Schaltelemente der zweiten Treiberschaltung 92 arbeiten, aus. Die sechs Transistoren Tr1 bis Tr6 in der ersten Treiberschaltung 91 bilden einen Transistorinverter und sind paarweise angeordnet, um als eine Quelle und eine Senke bezüglich eines Paares an Versorgungsleitungen P1 und P2 zu arbeiten. Die Dreiphasenspulen (U, V, W) 36 des Kupplungsmotors 30 sind über den Drehtransformator 38 mit den jeweiligen Kontakten der paarweise angeordneten Transistoren verbunden. Die Versorgungsleitungen P1 und P2 sind mit dem Plus- bzw. Minuspol der Batterie 94 verbunden. Das erste Steuersignal SW 1, das von der Steuer-CPU 90 ausgegeben wird, steuert aufeinanderfolgend die Einschaltzeit der paarweise angeordneten Transistoren Tr1 bis Tr6. Der elektrische Strom, der durch jede Spule 36 fließt, wird einer PWM (Pulsweitenmodulation) unterzogen, um eine quasi sinusförmige Welle zu erhalten, die ermöglicht, dass die Dreiphasenspulen 36 ein rotierendes Magnetfeld bilden.
Die sechs Transistoren Tr11 bis Tr16 in der zweiten Treiberschaltung 92 bilden ebenfalls einen Transistorinverter und sind in der gleichen Weise wie die Transistoren Tr1 bis Tr1 in der ersten Treiberschaltung 91 angeordnet. Die Dreiphasenspulen (U, V, W) 44 des Hilfsmotors 40 sind mit den jeweiligen Kontakten der paarweise angeordneten Transistoren verbunden. Das zweite Steuersignal SW2, das von der Steuer-CPU 90 ausgegeben wird, steuert aufeinanderfolgend die Einschaltzeit der paarweise angeordneten Transistoren Tr11 bis Tr16. Der elektrische Strom, der durch jede Spule 44 strömt, wird einer PWM unterzogen, um eine quasi sinusförmige Welle zu erhalten, die ermöglicht, dass die Dreiphasenspulen 44 ein rotierendes Magnetfeld erzeugen.
Die Energieausgabevorrichtung 20, die auf diese Weise aufgebaut ist, arbeitet entsprechend den nachstehend beschriebenen Betriebsprinzipien, insbesondere dem Prinzip der Drehmomentumwandlung. Beispielsweise wird angenommen, dass sich der durch die EFIECU 70 angetriebene Benzinmotor 50 mit einer vorbestimmten Drehzahl Ne dreht. Während sich die Transistoren Tr1 bis Tr6 in der ersten Treiberschaltung 91 in der Aus-Position befinden, führt die Steuereinrichtung 80 keinen Strom zu den Dreiphasenspulen 36 des Kupplungsmotors 30 über den Drehtransformator 38. Die fehlende Zuführung von elektrischem Strom bewirkt, dass der Außenrotor 32 des Kupplungsmotors 30 vom Innenrotor 34 elektromagnetisch getrennt wird. Daraus ergibt sich ein Durchdrehen der Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50. Unter der Bedingung, dass alle Transistoren Tr1 bis Tr6 in der Aus-Position sind, liegt keine Regenerierung von Energie von den Dreiphasenspulen 36 vor und der Benzinmotor 50 wird im Leerlauf belassen.
Wenn die Steuer-CPU 90 der Steuereinrichtung 80 das erste Steuersignal SW1 ausgibt, um die Transistoren Tr1 bis Tr6 in der ersten Treiberschaltung 91 ein und aus zu steuern, strömt ein konstanter elektrischer Strom durch die Dreiphasenspulen 36 des Kupplungsmotors 30 auf der Grundlage der Differenz zwischen einer Drehzahl Ne der Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 und einer Drehzahl Nd der Antriebswelle 22 (d.h. einer Differenz Nc (=Ne – Nd) zwischen der Drehzahl des Außenrotors 32 und der des Innenrotors 34 im Kupplungsmotor 30). Ein bestimmter Schlupf liegt dementsprechend zwischen dem Außenrotor 32 und dem Innenrotor 34 des Kupplungsmotors 30 vor. In diesem Moment dreht sich der Innenrotor 34 mit einer Drehzahl, die geringer als die des Außenrotors 32 ist. Dieses impliziert, dass die Drehzahl Nd der Antriebswelle 2 kleiner als die Drehzahl Ne der Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 (Nd < Ne) ist. In diesem Zustand funktioniert der Kupplungsmotor 30 als ein Generator und führt dieser den Regenerationsbetrieb aus, um einen elektrischen Strom über die erste Treiberschaltung 91 zu regenerieren. Um zu ermöglichen, dass der Hilfsmotor 40 Energie verbraucht, die mit der durch den Kupplungsmotor 30 regenerierten, elektrischen Energie identisch, ist, steuert die Steuer-CPU 90 die Transistoren Tr11 bis Tr16 in der zweiten Treiberschaltung 92 ein und aus. Die Ein-Aus-Steuerung der Transistoren Tr11 bis Tr16 ermöglicht, dass ein elektrischer Storm durch die Dreiphasenspulen 44 des Hilfsmotors 40 strömt und dass der Hilfsmotor 40 folglich den Energiebetrieb zum Erzeugen eines Drehmoments ausführt.
4 ist eine graphische Darstellung, die einen Energiebetrag, der durch den Kupplungsmotor 30 regeneriert wird, und einen, der durch den Hilfsmotor 40 verbraucht wird, darstellt. Während die Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 mit einer Drehzahl Ne und einem Drehmoment Te angetrieben wird, wird Energie in einem Bereich Gc durch den Kupplungsmotor 30 als elektrische Energie regeneriert. Die regenerierte Energie wird dem Hilfsmotor 40 zugeführt und in Energie in einem Bereich Ga umgewandelt, was ermöglicht, dass sich die Antriebswelle 22 mit einer Drehzahl Nd und einem Drehmoment Td dreht. Die Drehmomentumwandlung wird in der vorstehend diskutierten Weise ausgeführt und die Energie, die dem Schlupf im Kupplungsmotor 30 oder der Drehzahldifferenz (Ne – Nd) entspricht, wird folglich als ein Drehmoment zur Antriebswelle 22 ausgegeben.
Wenn die Drehzahl Nd der Antriebswelle 22 erhöht wurde, so dass diese höher als die Drehzahl Ne der Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 ist (Nd > Ne), fällt das Fahrzeug in den Schnellgang-Zustand. In diesem Moment startet der Innenrotor 34 mit einer Rotation mit einer Rotationsgeschwindigkeit, die höher als die des Außenrotors 32 im Kupplungsmotor 30 ist. Wenn die Steuer-CPU 90 der Steuereinrichtung 80 das erste Steuersignal SW1 ausgibt, um die Transistoren Tr1 bis Tr6 in der ersten Treiberschaltung 91 in Schnellgangzustand ein und aus zu steuern, funktioniert der Kupplungsmotor 30 als ein normaler Motor. Genauer gesagt führt der Kupplungsmotor 30 den Energiebetrieb aus, um die Rotationsgeschwindigkeit des Innenrotors 34 bezüglich des Außenrotors 32 zu verbessern. Daraus ergibt sich eine weitere Erhöhung der Drehzahl Nd der Antriebswelle 22. Während der Funktion als ein normaler Motor verbraucht der Kupplungsmotor 30 elektrische Energie.
Um zu ermöglichen, dass der Hilfsmotor 40 Energie regeneriert, die mit der elektrischen Energie, die durch den Kupplungsmotor 30 verbraucht wird, identisch ist, steuert die Steuer-CPU 90 die Transistoren Tr11 bis Tr16 in der zweiten Treiberschaltung 92 ein und aus. Die Ein-Aus-Steuerung der Transistoren Tr11 bis Tr16 ermöglicht, dass der Hilfsmotor 40 den regenerativen Betrieb ausführt. Ein elektrischer Storm fließt somit durch die Dreiphasenspulen 44 des Hilfsmotors 40 und die elektrische Energie wird folglich über die zweite Treiberschaltung 92 regeneriert. Die regenerierte Energie wird dem Kupplungsmotor 30 zugeführt, um die durch den Kupplungsmotor 30 verbrauchte elektrische Energie auszugleichen.
5 ist eine graphische Darstellung, die einen Energiebetrag, der durch den Kupplungsmotor 30 verbraucht wird, und einen, der durch den Hilfsmotor 40 regeneriert wird, schematisch darstellt. Beispielhaft wird angenommen, dass die Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 mit einer Drehzahl Ne und einem Drehmoment Te angetrieben wird und dass die Antriebswelle 22 mit einer Drehzahl Nd und einem Drehmoment Td rotiert. In diesem Zustand wird Energie in einem Bereich Ga als eine elektrische Energie durch den Hilfsmotor 40 regeneriert. Die regenerierte Energie wird dem Kupplungsmotor 30 zugeführt und in Energie in einem Bereich Gc umgewandelt, die anschließend durch den Kupplungsmotor 30 verbraucht wird. Mit einer Verringerung des Drehmoments Td der Antriebswelle 22 (d.h. des Abtriebsdrehmoments) gegenüber dem Drehmoment Te des Benzinmotors 50 erhöht sich die Drehzahl Nd der Antriebswelle 22 über der Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 (d.h. der Drehzahl der Kurbelwelle 56).
Im Unterschied zu zur Drehmomentwandlung und Drehzahlwandlung, die vorstehend diskutiert wurde, kann die Energieausgabevorrichtung 20 die Batterie 94 mit einem Überschuss an elektrischer Energie laden oder die Batterie 94 entladen, um die elektrische Energie zu ergänzen. Dieses wird implementiert durch die Steuerung der mechanischen Energie, die vom Benzinmotor 50 ausgegeben wird (d.h. des Produktes aus Drehmoment Te und Drehzahl Ne), der elektrischen Energie, die durch den Kupplungsmotor 30 regeneriert oder verbraucht wird, und der elektrischen Energie, die durch den Hilfsmotor 40 regeneriert oder verbraucht wird. Die ausgegebene Energie vom Benzinmotor 50 kann somit als Energie zur Antriebswelle 22 mit einem höheren Wirkungsgrad übertragen werden.
Die vorstehend diskutierte Drehmomentwandlung wird durch einen Drehmomentsteuerprozess implementiert, wie dieser im Fließbild von 6 gezeigt ist. Die Drehmomentsteuerroutine von 6 wird durch die Steuer-CPU 90 der Steuereinrichtung 80 ausgeführt. Wenn das Programm in die Routine eintritt, nimmt die Steuer-CPU 90 als erstes Daten der Drehzahl Nd der Antriebswelle 22 in Schritt S100 auf. Die Drehzahl Nd der Antriebswelle 22 kann aus dem Rotationswinkel θd der Antriebswelle, der aus dem Drehmelder 48 gelesen wird, berechnet werden. Im nachfolgenden Schritt S101 liest die Steuer-CPU 90 die Fahrpedalposition AP aus, die vom Fahrpedalpositionssensor 65 ausgegeben wird. Der Fahrer tritt auf das Fahrpedal 64, wenn dieser ein unzureichendes Abtriebsdrehmoment empfindet. Der Wert der Fahrpedalposition AP stellt dementsprechend das gewünschte Abtriebsdrehmoment dar (d.h. das gewünschte Drehmoment der Antrieswelle 22), das der Fahrer fordert. Das Programm geht dann zu Schritt S102, in dem die Steuer-CPU 90 ein Soll-Abtriebsdrehmoment Td* (der Antriebswelle 22) berechnet, das der eingegebenen Fahrpedalposition AP entspricht. Auf das Soll-Abtriebsdrehmoment Td* wird sich ebenfalls als der Abtriebsdrehmoment-Befehlswert bezogen. Der Abtriebsdrehmoment-Befehlswert Td* wurde zuvor für die jeweiligen Fahrpedalpositionen AP eingestellt. Im Ansprechen auf eine Eingabe der Fahrpedalposition AP wird der Abtriebsdrehmoment-Befehlswert Td* aus der Eingabe-Fahrpedal-Position AP extrahiert.
In Schritt S103 wird ein Betrag der Energie Pd, der von der Antriebswelle 22 auszugeben ist, entsprechend dem Ausdruck Pd = Td* × Nd berechnet, d.h. indem der extrahiert Abtriebsdrehmoment-Befehlswert Td* (der Antriebswelle 22) mit der eingegebenen Drehzahl Nd der Antriebswelle 22 multipliziert wird. Das Programm geht dann zu Schritt S104, in dem die Steuer-CPU 90 ein Soll-Verbrennungsmotordrehmoment Te* und eine Soll-Verbrennungsmotordrehzahl Ne* des Benzinmotors 50 auf der Grundlage der ausgegebenen Energie Pd, die somit erhalten wurde, einstellt. Hierbei wird angenommen, dass die gesamte Energie Pd die von der Antriebswelle 22 ausgeben wird, durch den Benzinmotor 50 zugeführt wird. Da die mechanische Energie, die vom Benzinmotor 50 zugeführt wird, gleich dem Produkt des Drehmoments Te und der Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 ist, kann die Beziehung zwischen der ausgegebenen Energie Pe, dem Soll-Verbrennungsmotorsdrehmoment Te* und der Soll-Verbrennungsmotordrehzahl Ne* als Pd = Te* × Ne* ausgedrückt werden. Es gibt jedoch zahlreiche Kombinationen des Soll-Verbrennungsmotordrehmoments Te* und der Soll-Verbrennungsmotordrehzahl Ne*, die dieser Beziehung genügen. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine optimale Kombination des Soll-Verbrennungsmotor-Drehmoments Te* und der Soll-Verbrennungsmotordrehzahl Ne* ausgewählt, um den Betrieb des Benzinmotors 50 mit der möglichen höchsten Effizienz umzusetzen.
Im nachfolgenden Schritt S106 bestimmt die Steuer-CPU 90 einen Drehmoment-Befehlswert Tc* des Kupplungsmotors 30 auf der Grundlage des Soll-Verbrennungsmotordrehmoment Te*, das in Schritt S104 eingestellt wurde. Um die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 auf einem im Wesentlichen konstanten Pegel zu halten, ist es erforderlich, dass das Drehmoment des Kupplungsmotors 30 das Drehmoment des Benzinmotors 50 ausgleicht. Die Verarbeitung in Schritt S106 setzt dementsprechend den Soll-Befehlswert Tc* des Kupplungsmotors 30 gleich dem Soll-Verbrennungsmotordrehmoment Te*.
Nach dem Einstellen des Drehmoment-Befehlswertes Tc* des Kupplungsmotors 30 in Schritt S106 geht das Programm zu den Schritten S108, S110 und S111, um den Kupplungsmotor 30, den Hilfsmotor 40 bzw. den Benzinmotor 50 zu steuern. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit der Darstellung sind die Steuervorgänge des Kupplungsmotors 30, des Hilfsmotors 40 und des Benzinmotors 50 als getrennte Schritte gezeigt. Bei der tatsächlichen Prozedur werden diese Steuervorgänge jedoch im Komplex ausgeführt. Beispielsweise steuert die Steuer-CPU 90 den Kupplungsmotor 30 und den Hilfsmotor 40 durch Unterbrechungsverarbeitung gleichzeitig, während ein Befehl zur EFIECU 70 durch Kommunikation übertragen wird, um den Benzinmotor 50 gleichzeitig zu steuern.
Die Steuerung des Kupplungsmotors 30 (Schritt S108 in 6) wird entsprechend einer Kupplungsmotorsteuerroutine, die im Fließbild von 7 gezeigt ist, implementiert. Wenn das Programm in die Kupplungsmotorsteuerroutine eintritt, liest die Steuer-CPU 90 der Steuereinrichtung 80 als erstes den Rotationswinkel θd der Antriebswelle 22 vom Drehmelder 48 in Schritt S112 und den Rotationswinkel 8e der Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 vom Drehmelder 39 in Schritt S114. Die Steuer-CPU berechnet dann einen Relativwinkel θc der Antriebswelle 22 und der Kurbelwelle 56 durch die Gleichung θc = θe – θd in Schritt S116.
Das Programm geht dann zu Schritt S118, in dem die Steuer-CPU 90 Daten der Kupplungsmotorströme Iuc und Ivc, die jeweils durch die U-Phase und die V-Phase der Dreiphasenspulen 36 im Kupplungsmotor strömen, von den Amperemetern 95 und 96 aufnimmt. Obwohl die Ströme natürlich durch alle drei Phasen U, V und W strömen, ist eine Messung nur für die Ströme erforderlich, die durch die zwei Phasen gehen, da die Summe der Ströme gleich Null ist. Im nachfolgenden Schritt S120 führt die Steuer-CPU 90 eine Koordinatentransformation (Transformation von drei Phasen in zwei Phasen) unter Verwendung der Werte der Ströme, die durch die drei Phasen Strömen, die in Schritt S118 erhalten wurden, aus. Die Umwandlung der Koordinaten bildet die Werte der Ströme, die durch den drei Phasen strömen, über den Werten der Ströme, die durch die d- und q-Achse des Dauermagnete-Synchronmotors strömen, ab und wird entsprechend der nachfolgenden Gleichung (1) ausgeführt:
Die Umwandlung der Koordinaten wird ausgeführt, da die Ströme, die durch die d- und q-Achse strömen, für die Drehmomentsteuerung in dem Dauermagnet-Synchronmotor wesentlich sind. Alternativ dazu kann die Drehmomentsteuerung direkt mit den Strömen ausgeführt werden, die durch die drei Phasen strömen. Nach der Umwandlung in die Ströme der zwei Achsen berechnet die Steuer-CPU 90 die Abweichungen der Ströme Idc und Iqc, die tatsächlich durch den d- und q-Achsen strömen von den Strombefehlwerten Idc* und Iqc* der jeweiligen Achsen, die aus dem Drehmomentbefehlswert Tc* des Kupplungsmotors 30 berechnet werden, und bestimmt diese Strombefehlswerte Vdc und Vqc für die d- und q-Achsen in Schritt S122. Entsprechend einer konkreten Prozedur führt die Steuer-CPU 90 Operationen aus, die den folgenden Gleichungen (2) und (3), die nachstehend wiedergegeben sind, folgen: ΔIdc = Idc * – Idc ΔIqc = Iqc * – Igc (2) Vdc = Kp1·ΔIdc + ΣKi1·ΔIdc Vqc = Kp2·ΔIgc + ΣKi2·ΔIgc (3)wobei Kp1, Kp2, Ki1 und Ki2 Koeffizienten darstellen, die eingestellt werden, um für die angewendeten Kennlinien des Motors geeignet zu sein.
Der Spannungsbefehlswert Vdc (Vqc) weist einen Teil proportional zur Abweichung ΔI von dem Stormbefehlswert I* (erster Term auf der rechten Seite in Gleichung (3)) und eine Summierung der historischern Daten der Abweichung ΔI für „i"-Zeiten (zweiter Term auf der rechten Seite) auf. Die Steuer-CPU 90 führt dann eine Neutransformierung der Koordinaten der Spannungsbefehlswerte, die somit erhalten wurden, (Transformation von zwei Phasen in drei Phasen) in Schritt S124 aus. Dieses entspricht einer Umkehrung der in Schritt S120 ausgeführten Transformation. Die inverse Transformation bestimmt Spannungen Vuc, Vvc und Vwc, die an die Dreiphasen-Spulen 36 tatsächlich angelegt werden, wie es nachstehend wiedergegeben ist:
Die tatsächliche Spannungssteuerung wird durch einen Ein-Aus-Betrieb der Transistoren Tr1 bis Tr6 in der ersten Treiberschaltung 91 vorgenommen. In Schritt S126 wird die Ein- und Aus-Zeit der Transistoren Tr1 bis Tr6 in der ersten Treiberschaltung 91 PWM-gesteuert (Pulsweitenmodulation), um die Spannungsbefehlswerte Vuc, Vvc und Vwc, die durch die vorstehende Gleichung (4) bestimmt wurden, zu erhalten. Dieser Prozess ermöglicht, dass der Kupplungsmotor 30 das Solldrehmoment zur Antriebswelle 22 mechanisch überträgt.
Die Steuerung des Hilfsmotors 40 (Schritt S110 in 6) wird entsprechend einer Hilfsmotor-Steuerroutine, die im Fließbild der 8 und 9 gezeigt ist, implementiert. Unter Bezugnahme auf das Fließbild von 8 nimmt die Steuer-CPU 90, wenn das Programm in die Hilfsmotorsteuerroutine eintritt, als Erstes Daten der Drehzahl Nd der Antriebswelle 22 in Schritt S131 auf. Die Drehzahl Nd der Antriebswelle 22 wird aus dem Drehwinkel θd der Antriebswelle, der vom Drehmelder gelesen wurde, berechnet. Die Steuer-CPU 90 nimmt dann Daten der Drehzahlzahl Ne des Benzinmotors 50 in Schritt S132 auf. Die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 kann aus dem Rotationswinkel θe der Kurbelwelle, der vom Drehmelder 39 gelesen wird, berechnet werden oder direkt durch den Drehzahlsensor 76, der am Verteiler 60 montiert ist, gemessen werden. Im letztgenannten Fall nimmt die Steuer-CPU 90 Daten der Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 durch Kommunikation mit der EFIECU 70 auf, die mit dem Drehzahlsensor 76 in Verbindung steht.
Eine Drehzahldifferenz Ne zwischen der eingegebenen Drehzahl Nd der Antriebswelle 22 und der eingegebenen Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 wird entsprechend der Gleichung Nc = Ne – Nd in Schritt S133 berechnet.
Im nachfolgenden Schritt S134 wird eine elektrische Leistung (Energie) Pc, die durch den Kupplungsmotor 30 regeneriert wird, entsprechend dem nachfolgenden Ausdruck berechnet Pc = Ksc × Nc × Tcwobei Ksc einen Wirkungsgrad des Regenerationsbetriebes im Kupplungsmotor 30 darstellt. Das Produkt Nc × Tc definiert eine Energie im Bereich Gc von 4, wobei Nc und Tc jeweils die Drehzahldifferenz und das tatsächliche Drehmoment, das durch den Kupplungsmotor 30 erzeugt wird, bezeichnen.
In Schritt S135 wird ein Drehmomentbefehlswert Ta* des Hilfsmotors 40 durch den nachfolgenden Ausdruck bestimmt: Ta* = ksa × Pc/Ndwobei ksa einen Wirkungsgrad des Energie- bzw. Leistungsbetriebes im Hilfsmotor 40 darstellt. Der Drehmomentbefehlswert Ta* des Hilfsmotors 40, der somit erhalten wurde, wird mit einem maximalen Drehmoment Tamax, das der Hilfsmotor 40 potentiell anlegen kann, in Schritt S136 verglichen. Wenn der Drehmomentbefehlswert Ta* das maximale Drehmoment Tamax überschreitet, geht das Programm zu Schritt S138, in dem der Drehmomentbefehlswert Ta* auf das maximale Drehmoment Tamax beschränkt wird.
Nachdem der Drehmomentbefehlswert Ta* gleich dem maximalen Drehmoment Tamax in Schritt S138 gesetzt wurde oder nachdem in Schritt S136 bestimmt wurde, dass der Drehmomentbefehlswert Ta* nicht das maximale Drehmoment Tamax überschreitet, liest die Steuer-CPU 90 in Schritt S140 den Rotationswinkel θd der Antriebswelle 22 aus dem Drehmelder 48 und nimmt diese in Schritt S142 Daten der Hilfsmotorströme Iua und Iva, die jeweils durch die U-Phase und V-Phase der Dreiphasenspulen 44 im Hilfsmotor 40 strömen, von den Amperemetern 97 und 98 auf. Unter Bezugnahme auf das Fließbild von 9 führt die Steuer-CPU 90 dann eine Umwandlung der Koordinaten für die Ströme der drei Phasen in Schritt S144 aus, berechnet diese die Spannungsbefehlswerte Vda und Vqa in Schritt S146 und führt diese die inverse Transformation der Koordinaten für die Spannungsbefehlswert in Schritt S148 aus. Im nachfolgenden Schritt S150 bestimmt die Steuer-CPU 90 die Ein- und Aus-Zeit der Transistoren Tr11 bis Tr16 in der zweiten Treiberschaltung 92 für die PWM-Steuerung (Pulsweitenmodulation). Die in den Schritten S144 bis S150 ausgeführte Verarbeitung ist ähnlich der in den Schritten S120 bis S126 der im Fließbild von 7 gezeigten Kupplungsmotorsteuerroutine.
Die Steuerung des Benzinmotors 50 (Schritt S111 in 6) wird in der folgenden Weise ausführt. Um ein stationäres Antreiben mit dem Soll-Verbrennungsmotordrehmoment Te* und der Soll-Verbrennungsmotordrehzahl Ne* (in Schritt S104 in 6 eingesellt) zu erhalten, reguliert die Steuer-CPU 90 das Drehmoment Te und die Drehzahl Ne des Benzinmtoros 50, damit sich diese an das Soll-Verbrennungsmotordrehmoment Te* bzw. die Soll-Verbrennungsmotordrehzahl Ne* anpassen. Entsprechend einer konkreten Prozedur sendet die Steuer-CPU 90 einen Befehl zur EFIECU 70 durch Kommunikation, um den Betrag an Kraftstoffeinspritzen oder die Drosselventilposition zu regulieren. Eine solche Regulierung ermöglicht, dass das Drehmoment Te und die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 sich anschließend an das Soll-Verbrennungsmotordrehmoment Te* und die Soll-Verbrennungsmotordrehzahl Ne* annähern.
Entsprechend dem vorstehend beschriebenen Prozess wandelt der Kupplungsmotor 30 das Drehmoment in elektrische Leistung mit dem vorbestimmten Wirkungsgrad Ksc um. Anders ausgerückt regeneriert der Kupplungsmotor 30 elektrische Energie proportional zur Differenz zwischen der Drehzahl der Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 und der Drehzahl des Innenrotors 34 des Kupplungsmotors 30. Der Hilfsmotor 40 nimmt die somit regenerierte elektrische Energie auf und legt ein entsprechendes Drehmoment an die Antriebswelle 2 an. Das durch den Hilfsmotor 40 an die Antriebswelle 22 angelegte Drehmoment fällt mit dem Drehmoment zusammen, das durch den Kupplungsmotor 30 in elektrische Energie umgewandelt wurde. In der graphischen Darstellung von 4 wird die Energie im Bereich Gc in die im Bereich Ga umgewandelt, um die Drehmomentwandlung zu implementieren.
Es gibt natürlich einen bestimmten Betrag an Energieverlust im Kupplungsmotor 30, Hilfsmotor 40, in der ersten Treiberschaltung 91 und der zweiten Treiberschaltung 92 Es ist dementsprechend selten, dass die Energie im Bereich Gc mit der Energie im Bereich Ga unter den tatsächlichen Umständen perfekt zusammenfällt. Der Energieverlust im Kupplungsmotor 30 und Hilfsmotor 40 ist relativ klein, da einige Synchronmotoren, die kürzlich entwickelte wurden, einen Wirkungsgrad sehr nahe 1 haben. Der Energieverlust in der ersten Treiberschaltung 91 und der zweiten Treiberschaltung 92 kann ebenfalls ausreichend klein sein, da der Ein-Zustand-Widerstand bekannter Transistoren, wie z.B. GTOs, die für Tr1 bis Tr16 anwendbar sind, äußerst klein ist. Der größte Teil der Drehzahldifferenz oder des Schlupfes zwischen den Rotationen der Antriebswelle 22 und der Kurbelwelle 56 wird somit in Energie zur Erzeugung durch die Dreiphasenspulen 36 umgewandelt und als ein Drehmoment durch den Hilfsmotor zur Antriebswelle 22 übertragen.
Die Energieausgabevorrichtung 20 des Aspektes kann eine zweite Anwendung haben, die als zweiter Aspekt ausgeführt ist. Beim ersten Aspekt wird der Hilfsmotor 40 gesteuert, um ein Hilfsdrehmoment zu erzeugen, das der Differenz (Ne – Nd) zwischen der Drehzahl Ne der Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 und der Drehzahl Nd des Innenrotors 34 des Kupplungsmotors 30 (oder der Antriebswelle 22, die am Innenrotor 34 befestigt ist) entspricht. Während der Hilfssteuerung wird der Benzinmotor 50 mit der möglichen höchsten Effizienz angetrieben und erzeugt der Hilfsmotor 40 ein Hilfsdrehmoment, das der Drehzahldifferenz entspricht, um das Drehmoment Td der Antriebswelle 22 zu erhöhen.
Wie es im ersten Aspekt beschrieben ist, wird der Hilfsmotor 40 durch elektrische Energie angetrieben, die durch den Kupplungsmotor 30 regeneriert wird, um das Drehmoment Td der Antriebswelle 22 zu erhöhen. In einigen Fällen kann jedoch die regenerierte Energie des Kupplungsmotors 30 nicht ausreichend sein, um das Drehmoment Td auf einen gewünschten Pegel zu erhöhen. Dieses tritt beispielsweise auf, wenn das Fahrzeug auf einer Neigung startet. Im zweiten Aspekt wird die in der Batterie 94 gespeicherte elektrische Energie für die Hilfssteuerung verwendet. Auf die Hilfssteuerung, die mit der Energie der Batterie 94 ausgeführt wird, wird sich nachfolgend als Energiehilfsteuerung bezogen:
10 ist ein Fließbild, das eine im zweiten Aspekt ausgeführte Hilfssteuerroutine zeigt. Wenn das Programm in die Routine eintritt, wird die Fahrpedalposition AP, die vom Fahrpedalpositionssensor 65 gelesen wird, mit einem Schwellwert APmax in Schritt S232 verglichen. Die Restkapazität BRM der Batterie 94, die durch die Restkapazitätsmessseinrichtung 99 gemessen wurde, wird mit einem vorbestimmten Referenzwert Bref in Schritt S234 verglichen. Die Energiehilfssteuerung wird nur ausgeführt, wenn beide Bedingungen erfüllt sind, d.h. wenn die Fahrpedalsposition Ap größer als der Schwellwert APmax ist und die Restkapazität BRM größer als der vorbestimmte Referenzwert Bref ist. Ein Solldrehmoment Tamax, das der Restkapazität BRM der Batterie 94 entspricht, wird in Schritt S236 eingestellt und der Hilfsmotor wird mit dem Solldrehmoment Tamax in Schritt S238 gesteuert. An die Steuerung des Hilfsmotors 40 in Schritt S238 schließen sich die vorstehend beschriebenen Schritte der 8 und 9 an.
Die Energiehilfssteuerung ermöglicht, dass die Antriebswelle 22 mit dem Drehmoment angetrieben wird, das größer als der Ausgang des Benzinmotors 50 ist. Die Größe des an die Antriebswelle 22 angelegten Hilfsmotordrehmoments ändert sich in Abhängigkeit von der Restkapazität BRM der Batterie 94. Diese Struktur stellt eine ausreichende Erhöhung des Drehmoments der Antriebswelle 22 unter der Bedingung einer ausreichenden Restkapazität der Batterie 94 sicher und verhindert wirksam, dass die Batterie unter der Bedingung einer geringeren Restkapazität übermäßig verbraucht wird.
Die Energieausgabevorrichtung 20 des ersten Aspektes kann eine noch weitere Anwendung haben, die als ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gegeben ist. Im vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel wird, wenn die regenerierte Energie des Kupplungsmotors 30 das Drehmoment der Antriebswelle 22 nicht ausreichend erhöhen kann, die Energiehilfssteuerung ausgeführt, um eine unzureichenden elektrische Energie, die in der Batterie 94 gespeichert ist, auszugleichen. Die Energiehilfssteuerung verbraucht jedoch die elektrische Energie, die in der Batterie 94 gespeichert ist und verringert dadurch die Restkapazität BRM der Batterie 94 auf ein kritisches Niveau. Es ist dementsprechend notwendig, die Batterie 94 zu laden, wenn sich die Restkapazität BRM der Batterie 94 auf ein vorbestimmtes gestattetes Minimum oder einen niedrigeren Wert verringert oder andernfalls immer wenn der Fahrer es fordert. In jedem Fall wird die Batterie 94 mit der durch den Motor regenerierten elektrischen Energie geladen. Wie im ersten Ausführungsbeispiel diskutiert arbeitet der Kupplungsmotor 30 im Prozess der Hilfssteuerung als ein Generator und regeneriert dieser eine elektrische Energie über die erste Treiberschaltung 91. Ein Teil der regenerierten Energie (d.h. der Teil, der nicht durch den Hilfsmotor 40 verwendet wird, um ein Hilfsdrehmoment zu erzeugen) kann verwendet werden, um die Batterie 94 zu laden. Die durch die Kupplungsmotor 30 regenerierte elektrische Energie ist jedoch für das schnelle Laden unzureichend. Im dritten Ausführungsbeispiel wird die Batterie 94 mit einer elektrische Energie, die durch den Hilfsmotor 40 erzeugt wird, sowie mit der, die durch den Kupplungsmotor 30 regeneriert wird, geladen.
11 ist ein Fließbild, das einen Steuerprozess zeigt, der im dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgeführt wird. Wenn das Programm in die Routine eintritt, nimmt die Steuer-CPU 90 der Steuereinrichtung 80 als Erstes Daten der Drehzahl Nd der Antriebswelle 22 in Schritt S300 auf und liest diese die Fahrpedalposition AP vom Fahrpedalpositionssensor 65 in Schritt S302 in der gleichen Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Die Steuer-CPU 90 berechnet dann den Abtriebsdrehmoment-(Drehmoment der Antriebswelle 22)-Befehlswert Td*, der der Eingabe-Fahrpedalposition AP entspricht, in Schritt S304.
In Schritt S306 wird bestimmt, ob der Ausgabedrehmoment-Befehlswert Td*, der somit berechnet wurde, und das Antriebsdrehmoment Nd der Antriebswelle 22 einen Punkt in einem ladbaren Bereich definieren. Entsprechend einer konkreten Prozedur befindet sich der Punkt, der durch den Ausgabedrehmoment-Befehlswert Td* und die Drehzahl Nd der Antriebswelle 22 definiert ist, in einer wie in 12 gezeigten Abbildung des ladbaren Bereiches. In der graphischen Darstellung von 12 ist das Drehmoment der Antriebswelle 22 als Ordinate aufgetragen und die Drehzahl der Antriebswelle 22 als Abszisse. In einem ladbaren Bereich Pe kann die Energie, die vom Benzinmotor 50 zugeführt wird, als eine elektrische Energie regeneriert werden. Der ladbare Bereich PE entspricht ebenfalls einem Betriebsbereich des Benzinmotors 50. In einem Energiehilfsbereich PA wird andrerseits die vorstehend beschriebene Energiehilfssteuerung ausgeführt, um ein unzureichendes Drehmoment mit der in der Batterie 94 gespeicherten elektrischen Energie auszugleichen. Die in der Batterie 94 gespeicherte elektrische Energie wird im Energiehilfsbereich PA verbraucht, der dementsprechend einen nicht ladbaren Bereich darstellt.
Wenn der definierte Punkt in Schritt S306 nicht im ladbaren Bereich ist, bestimmt das Programm in Schritt S330 einen nicht ladbaren Zustand und verlässt dieses die Steuerroutine. Wenn sich der definierte Punkt in Schritt S306 im ladbaren Bereich befindet, geht im Gegensatz dazu das Programm zu Schritt S308, in dem die Restkapazität BRM der Batterie 94, die durch die Restkapazitätsmesseinrichtung 99 gemessen wurde, mit einem vorbestimmten geeigneten Pegel Bpr verglichen wird. Wenn die Restkapazität BRM der Batterie 94 kleiner als der vorbestimmte geeignete Pegle Bpr ist, ist ein Laden der Batterie 94 erforderlich und geht das Programm zu Schritt S310. Wenn die Restkapazität BRM gleich dem vorbestimmten geeigneten Pegel Bpr oder größer als dieser ist, erfordert die Batterie 94 kein Laden und bestimmt das Programm in Schritt S330 den nicht ladbaren Zustand und verlässt dieses die Routine.
In Schritt S310 wird eine elektrische Energie W1, die durch den Kupplungsmotor 30 und den Hilfsmotor 40 regenerierbar ist, entsprechend der nachfolgenden Gleichung berechnet: W1 = P – (Td* × Nd)
Wobei P eine maximale Energie bezeichnet, die durch den Benzinmotor 50 in einem bestimmten Zustand zuführbar ist. Die elektrische Energie bzw. Leistung W1, die durch den Kupplungsmotor 30 und den Hilfsmotor 40 regenerierbar ist, entspricht einer Restenergie, die berechnet wird, indem die von der Antriebswelle 22 ausgegebenen Energie (d.h. Td* × Nd) von der maximalen Energie P, die durch den Benzinmotor 50 zuführbar ist, abgezogen wird.
Im nachfolgenden Schritt S312 wird eine ladbare Energie bzw. Leistung W2 in der Batterie aus der Restkapazität BRM der Batterie 94, die durch die Restkapazitätsmesseinrichtung 99 gemessen wurde, berechnet. Die graphische Darstellung von 13 zeigt die ladbare Energie W2 [W] in der Batterie 94 über der Restkapazität BRM [%] der Batterie 94. Die ladbare Energie W2 in der Batterie verringert sich mit einer Erhöhung der Restkapazität BRM der Batterie 94.
Im nachfolgenden Prozess vergleicht die Steuer-CPU 90 die elektrische Energie W1, die durch den Kupplungsmotor 30 und den Hilfsmotor 40 regenerierbar ist, mit der ladbaren Energie W2 in der Batterie 94 und wählt diese die niedrigere Energie als eine tatsächliche Ladeenergie W aus, mit der die Batterie 94 tatsächlich geladen wird. Die regenerierbare Energie W1 wird in Schritt S314 mit der ladbaren Energie W2 verglichen. Wenn die regenerierbare Energie W1 niedriger als die ladbare Energie W2 ist, wird die regenerierbare Energie W1 als die tatsächliche Ladeenergie W in Schritt S316 ausgewählt. Wenn die ladbare Energie W2 niedriger als die ladbare Energie W1 ist, wird im Gegensatz dazu die ladbare Energie W2 in Schritt S318 als die tatsächliche Ladeenergie W ausgewählt.
Die Steuer-CPU 90 bestimmt anschließend die Zuordnung der Ist-Ladeenergie W zum Kupplungsmotor 30 und Hilfsmotor 40. Entsprechend einer konkreten Prozedur wird in Schritt S320 die Ist-Ladeenergie W in zwei Teile, Wc und Wa unterteilt. Wc bezeichnet eine Energie, die durch den Kupplungsmotor 30 regeneriert werden soll (auf die sich im Folgenden als Regenerationsenergie des Kupplungsmotors 30 bezogen wird) und Wa bezeichnet eine Energie, die durch den Hilfsmotor 40 regeneriert werden soll (auf die sich nachfolgend als Regenerationsenergie des Hilfsmotors 40 bezogen wird). Die Steuer-CPU 90 spezifiziert in Schritt S322 die Regenerationsenergie Wc des Kupplungsmotors 30 und die Regenerationsenergie Wa des Hilfsmotors 40 auf der Grundlage der Zuordnung, um die Gleichung W = Wc + Wa zu erfüllen. Die Zuordnung der Energie W zum Kupplungsmotor 30 und Hilfsmotor 40 wird bestimmt, indem die Generationskapazität und der Generationswirkungsgrad von jedem Motor oder die Abweichung von einer gestatteten maximalen Temperatur von jedem Motor (d.h. die gestattete maximale Temperatur – der momentanen Temperatur) berücksichtigt wird.
Nach dem Berechnen der Regenerationsenergien des Kupplungsmotors 30 und des Hilfsmotors 40 in Schritt S322 geht das Programm zu den Schritten S324, S326 und S328, um den Hilfsmotor 40, den Kupplungsmotor 30 bzw. den Benzinmotor 50 zu steuern. Wie beim Fließbild von 6 sind aus Gründen der Zweckmäßigkeit der Darstellung die Steuervorgänge des Hilfsmotors 40, des Kupplungsmotors 30 und des Benzinmotors 50 als getrennte Schritte im Fließbild von 11 gezeigt. In der tatsächlichen Prozedur werden jedoch diese Steuerungsvorgänge im Komplex ausgeführt. Beispielsweise implementiert die Steuer-CPU 90 alle Steuervorgänge gleichzeitig durch die Verwendung des Unterbrechungsprozesses.
Die Steuerung des Hilfsmotors 40 (Schritt S324 in 11) wird entsprechend einer im Fließbild von 14 gezeigten Hilfsmotor-Steuerroutine implementiert. Wenn das Programm in die Routine eintritt, bestimmt die Steuer-CPU 90 der Steuereinrichtung 80 als Erstes den Drehmomentbefehlswert Ta* des Hilfsmotors 40 in Schritt S340 durch die Berechnung mit dem Ausdruck: Ta* = –{Wa/(Ksc × Nd )}
Der Drehmomentbefehlswert oder das Solldrehmoment Ta*, das durch den Hilfsmotor 40 erzeugt werden soll, wird bestimmt, indem die Regenerationsenergie Wa des Hilfsmotors 40 durch das Produkt aus Generations-(Regenerations-)Wirkungsgrad Ksa des Hilfsmotors 40 und Drehzahl Nd der Antriebswelle 22 geteilt wird. Im Unterschied zum ersten und zweiten Aspekt wird der Hilfsmotor 40 gesteuert, um nicht den Energiebetrieb, sondern den Regenerationsbetrieb im dritten Ausführungsbeispiel auszuführen. Das durch den Hilfsmotor 40 im dritten Ausführungsbeispiel erzeugte Drehmoment wirkt dementsprechend entgegengesetzt zum Drehmoment, das durch den Hilfsmotor 40 im ersten oder zweiten Aspekt erzeugt wird. Genauer gesagt wirkt das Drehmoment des Hilfsmotors 40 entgegengesetzt zur Rotation der Antriebswelle 22. Ein Minuszeichen wird somit dem rechten Term der vorstehenden Gleichung hinzugefügt.
Der Hilfsmotor 40 wird mit dem Drehmomentbefehlswert Ta*, der somit bestimmt wurde, gesteuert. Die Verarbeitung, die in den nachfolgenden Schritten S342 bis S352 ausgeführt wird, ist mit der in den Schritten S140 bis S150 in den Fließbildern der 8 und 9 des ersten Ausführungsbeispiels identisch. Gemäß Vorbeschreibung ist festzuhalten, dass das durch den Hilfsmotor 40 im dritten Ausführungsbeispiel erzeugte Drehmoment zu dem im ersten Aspekt erzeugten Drehmoment entgegengesetzt wirkt und dass der Drehmomentbefehlswert Ta* dadurch das Minuszeichen hat.
Die Steuerung des Kupplungsmotors 30 (Schritt S326 in 11) wird entsprechend einer Kupplungsmotorsteuerroutine, die im Fließbild von 15 gezeigt ist, implementiert. Wen das Programm in die Routine eintritt, bestimmt die Steuer-CPU 80 der Steuereinrichtung 80 als Erstes den Drehmomentbefehlswert Tc* des Kupplungsmotors 30 in Schritt S360 durch die Berechnung entsprechend dem Ausdruck Tc* = Td* – Ta*
Gemäß Vorbeschreibung ist das Abtriebsdrehmoment (Drehmoment der Antriebswelle 22) als die Summe der Drehmomente des Kupplungsmotors 30 und des Hilfsmotors 40 gegeben. Der Drehmomentbefehlswert Tc* des Kupplungsmotors 30 ist somit als die Differenz zwischen dem Abtriebsdrehmoment-Befehlswert Td* und dem Drehmomentbefehlswert Ta* des Hilfsmotors 40 gegeben. Hier ist ebenfalls festzuhalten, dass das durch den Hilfsmotor 40 erzeugte Drehmoment zur Rotation der Antriebswelle 22 entgegengesetzt wirkt und dass der Drehmomentbefehlswert Ta* des Hilfsmotors 40 dadurch das Minuszeichen hat.
Der Kupplungsmotor 30 wird mit dem somit bestimmten Drehmomentbefehlswert Tc* gesteuert. Die in den nachfolgenden Schritten S362 bis S376 ausgeführte Verarbeitung ist mit der in den Schritten S112 bis S126 im Fließbild von 7 des ersten Aspekts ausgeführten identisch.
Die Steuerung des Benzinmotors 50 (Schritt S328 in 11) wird entsprechend einer Verbrennungsmotorsteuerroutine, die im Fließbild von 16 gezeigt ist, implementiert. Wenn das Programm in die Routine eintritt, stellt die Steuer-CPU 90 der Steuereinrichtung 80 als erstes das Soll-Verbrennungsmotordrehmoment oder den Drehmomentbefehlswert Te* des Benzinmotors 50 auf der Grundlage des Drehmomentbefehlswertes Tc* des Kupplungsmotors 30 in Schritt S380 ein. Gemäß Vorbeschreibung ist es, um die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 auf einem im Wesentlichen konstanten Pegel zu halten, erforderlich, das Drehmoment des Kupplungsmotors 30 so zu gestalten, dass dieses das Drehmoment des Benzinmotors 50 ausgleicht. Der Drehmomentbefehlswert Te* des Benzinmotors 50 ist somit gleich dem Drehmomentbefehlswert Tc* des Kupplungsmotors 30 eingestellt.
In Schritt S382 wird dann die Soll-Verbrennungsmotordrehzahl oder die Drehzahlbefehlswert Ne* des Benzinmotors 50 durch die Berechnung entsprechend dem Ausdruck bestimmt: Ne* = Wc / (Ksc × Tc*) + Nd (5)
Die Drehzahl im Kupplungsmotor 30 ist als die Differenz zwischen der Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 (Drehzahl der Kurbelwelle 56) und der Drehzahl Nd der Antriebswelle 22 gegeben. Die Drehzahl im Kupplungsmotor 30 wird ebenfalls bestimmt, indem die Regenerationsenergie Wc der Kupplungsmotors durch das Produkt des Generations-(Regenerations-)Wirkungsgrades Ksc des Kupplungsmotors 30 und des Solldrehmoments oder des Drehmomentbefehlswertes Tc* des Kupplungsmotors 30 geteilt wird. Die Soll-Verbrennungsmotordrehzahl oder der Drehzahlbefehlswert Ne* des Benzinmotors 50 wird somit als die vorstehend angeführte Gleichung (5) ausgedrückt.
Nach dem Bestimmen des Drehmomentbefehlswertes Te* und des Drehzahlbefehlswertes Ne* des Benzinmotors 50 reguliert die Steuer-CPU 90 in Schritt S384 das Drehmoment Te und die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50, damit sich diese an die jeweiligen Befehlswerte bzw. Führungsgrößen Te* und Ne* annähern. Entsprechend einer konkreten Prozedur sendet die Steuer-CPU 90 einen Befehl zur EFIECU 70 durch Kommunikation, um den Betrag an Kraftstoffeinspritzen oder die Drosselventilposition zu regulieren. Eine solche Regelung ermöglicht, dass sich anschließend das Drehmoment Te und die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 an das Soll-Verbrennungsmotordrehmoment Te* und die Soll-Verbrennungsmotordrehzahl Ne* annähern.
Im dritten Ausführungsbeispiel werden sowohl der Kupplungsmotor 30 als auch der Hilfsmotor 40 gesteuert, um elektrische Energie zu regenerieren. Die Batterie 94 wird dementsprechend mit der Regenerationsenergie Wc des Kupplungsmotors 30 und der Regenerationsenergie Wa des Hilfsmotors 40 geladen. Diese Struktur ermöglicht, dass die Batterie 94 mit der elektrischen Energie geladen wird, die größer als die Erzeugungskapazität des Kupplungsmotors 30 ist.
17 zeigt eine Zuordnung der Energie, die durch den Benzinmotor 50 im dritten Ausführungsbeispiel zugeführt wird. In der graphischen Darstellung von 17 stellt Td das Abtriebsdrehmoment (Drehmoment der Antriebswelle 22), Nd die Drehzahl der Antriebswelle 22, Te das Drehmoment des Benzinmotors 50 (Verbrennungsmotordrehmoment), Ne die Drehzahl des Benzinmotors 50 (Verbrennungsmotordrehzahl), Tc das Drehmoment des Kupplungsmotors 30 und Ta des Drehmoment des Hilfsmotors 40 dar. Die durch den Benzinmotor 50 zugeführte Energie wird als (Te × Ne) ausgedrückt. Diese Energie wird in drei Teile Pd, Wc und Wa unterteilt. Pd stellt die Abtriebsenergie der Antriebswelle 22, Wc die durch den Kupplungsmotor 30 regenerierte und zum Laden der Batterie 94 verwendete elektrische Energie, Wa die durch den Hilfsmotor 40 regenerierte und zum Laden der Batterie 94 verwendete elektrische Energie dar.
18 zeigt einen Fluss von Energie zwischen dem Benzinmotor 50, dem Kupplungsmotor 30, dem Hilfsmotor 40 und der Batterie 94. Die durch den Benzinmotor 50 erzeugte mechanische Energie (Te × Ne) wird zum Kupplungsmotor 30 übertragen. Der Kupplungsmotor 30 wandelt einen Teil der vom Benzinmotor 50 übertragenen mechanischen Energie in elektrische Energie (Tc × Nc = Wc) um und führt die elektrische Energie (Tc × Nc = Wc) zur Batterie 94. Der Kupplungsmotor 30 überträgt gleichzeitig die restliche mechanische Energie (Tc × Nd) zum Hilfsmotor 40. Der Hilfsmotor 40 wandelt einen Teil der mechanischen Energie (Tc × Nd), der vom Kupplungsmotor 30 übertragen wurde, in elektrische Energie (Ta × Nd = Wd) um und führt die elektrische Energie (Ta × Nd = Wd) zur Batterie. 94. Der Hilfsmotor 40 gibt die restliche mechanische Energie (Td × Nd = Pd) zur Antriebswelle aus. Die Batterie 94 speichert dann die gesamte zugeführte elektrische Energie (Tc × Nc + Ta × Nd = Wc + Wd).
Die Energieausgabevorrichtung 20 des ersten Aspekts kann eine andere Anwendung haben, die als vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung gegeben ist. Im ersten Aspekt wird das Drehmoment des Kupplungsmotors 30 gesteuert, um mit dem Drehmoment des Benzinmotors 50 ausgeglichen zu sein, damit die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 auf einem im Wesentlichen konstanten Pegel gehalten wird. Der Kupplungsmotor 30 kann folglich kein Drehmoment, das größer als das Drehmoment des Benzinmotors 50 ist, erzeugen. Im vierten Aspekt wird der Kupplungsmotor 30 gesteuert, um ein Drehmoment zu erzeugen, das größer als das Drehmoment des Benzinmotors 50 ist, und dadurch das Abtriebsdrehmoment (Drehmoment der Antriebswelle 22) zu erhöhen. Anders ausgedrückt erhöht die Steuerung des vierten Aspektes das Drehmoment in Richtung der Rotation der Antriebswelle 22.
Der Außenrotor 32 des Kupplungsmotors 30, ein Schwungrad (nicht gezeigt) und andere in Beziehung stehende Elemente sind mit der Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 mechanisch verbunden. Wenn der Benzinmotor 50 angetrieben wird, um die Kurbelwelle 56 in Rotation zu versetzen, hat die Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 eine Energie Per der Rotationsbewegung, die ausgedrückt wird mit Per = (1 / 2) × Je × ωe2 α(1/2)Je × Ne2 (6)
Wobei Je das Gesamtträgheitsmoment der Kurbelwelle 56, des Schwungrades, des Außenrotors 32 und der anderen in Beziehung stehenden Elementen darstellt, ω die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle 56 bezeichnet und Ne die Drehzahl der Kurbelwelle 56 (Drehzahl des Benzinmotors 50) bezeichnet.
Die vorstehend angeführte Gleichung (6) zeigt deutlich, dass sich die Energie Per der Rotationsbewegung solange nicht ändert, wie die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 feststehend ist. Die Energie Per der Rotationsbewegung wird dementsprechend nicht im ersten Aspekt verbraucht, wo die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 auf einem im Wesentlichen konstanten Pegel gehalten wird.
Der vierte Aspekt verwendet die Energie Per der Rotationsbewegung, um ein Drehmoment, das größer als das Drehmoment des Benzinmotors 50 ist, an der Antriebswelle 22 zu erzeugen.
Die 18 und 19 sind Fließbilder, die wesentliche Schritte eines Steuerprozesses zeigen, der im vierten Aspekt der Erfindung ausgeführt wird. Wenn das Programm in die Steuerroutine von 19 eintritt, setzt die Steuer-CPU 90 der Steuereinrichtung 80 die Flags fr1 und fr2 in Schritt S400 null und liest diese in Schritt S402 die Fahrpedalposition AP vom Fahrpedalpositionssensor 65. Der Abtriebsdrehmoment-(Drehmoment der Antriebswelle 22) Befehlswert Td*, der der eingegebenen Fahrpedalposition AP entspricht, wird dann in Schritt S404 berechnet.
Der Abtriebsdrehmoment-Befehlswert Td*, der somit bestimmt wurde, wird mit einem voreingestellten Referenzwert Tdref in Schritt S406 verglichen. Wenn der Abtriebsdrehmoment-Befehlswert Td* den Referenzwert Tdref nicht überschreitet, geht das Programm zu Schritt S422, in dem bestimmt wird, ob das Flag fr1 gleich ,1' ist. Da das Flag in diesem Stadium gleich ,0' ist, geht das Programm zu Schritt S402 zurück. Die Schleife der Schritte S402 bis S406 und S422 wird wiederholt ausgeführt, bis der Fahrer auf das Fahrpedal 64 mit einer bestimmten Tiefe tritt und der Abtriebsdrehmoment-Befehlswert Td* den Referenzwert Tdref überschreitet.
Wenn der Abtriebsdrehmoment-Befehlswert Td* den Referenzwert Tdref in Schritt S406 überschreitet, geht das Programm zu Schritt S408, um den Wert ,1' in Flag fr1 zu setzen, und zu Schritt S410, um Daten der Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 (Verbrennungsmotordrehzahl) aufzunehmen. Das eingegebene Drehmoment Ne des Benzinmotors 50 wird in Gleichung (6) eingesetzt, die folglich die Energie der Rotationsbewegung des Benzinmotors 50 ausgibt.
Dann wird in Schritt S412 bestimmt, ob das Flag fr2 gleich ,0' ist. Da das Flag fr2 in diesem Stadium gleich ,0' ist, geht das Programm zu Schritt S414, in dem die eingegebene Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 mit einer vorbestimmten Referenzdrehzahl Neref verglichen wird. Dieser Prozess bestimmt, ob die Energie der Rotationsbewegung des Benzinmotors 50 in ausreichendem Maße größer als eine vorbestimmten Referenzenergie der Rotationsbewegung ist (d.h. die Energie der Rotationsbewegung, die aus der Referenzdrehzahl Neref entsprechend der vorstehend angegebenen Gleichung (6) berechnet wurde). Wenn die Energie der Rotationsbewegung des Benzinmotors 50 die vorbestimmte Referenzenergie der Rotationsbewegung noch nicht überschritten hat, wird der Benzinmotor 50 in Schritt S420 gesteuert, um seine Drehzahl Ne zu erhöhen. Entsprechend einer konkreten Prozedur sendet die Steuer-CPU 90 einen Befehl an die EFIECU 70 durch Kommunikation, um den Betrag des Kraftstoffeinspritzens oder die Drosselventilposition zu erhöhen, wodurch sich die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 erhöht. Ein weiteres anwendbares Verfahren steuert den Kupplungsmotor 30, um den Energiebetrieb mit der in der Batterie 94 gespeicherten elektrischen Energie auszuführen, wodurch sich die Drehzahl Ne der Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 verbessert. Nach der Erhöhung der Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 geht das Programm zu Schritt S410 zurück. Die Schleife der Schritte S410 bis S414 und S420 wird wiederholt ausgeführt, bis die Energie der Rotationsbewegung des Benzinmotors 50 die vorbestimmte Referenzenergie der Rotationsbewegung überschreitet.
Wenn die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 in Schritt S414 die Referenzdrehzahl Neref überschreitet (d.h., wenn die Energie der Rotationsbewegung des Benzinmotors 50 die Referenzenergie der Rotationsbewegung überschreitet), geht das Programm zu Schritt S416, um den Wert ,1' im Flag fr2 zu setzen. Die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 wird dann in Schritt S418 mit einer gestatteten minimalen Drehzahl Nemin verglichen. Wenn die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 in Schritt S418 die gestattete minimale Drehzahl Nemin überschreitet, geht das Programm im Fließbild von 19 zu Schritt S424.
Die Steuer-CPU 90 nimmt Daten der Energie Pe, die durch den Benzinmotor 50 (verbrennungsmotorbasierte Energie) erzeugt wurde, in Schritt S424 auf. Entsprechend einer konkreten Prozedur ergibt ein spezifischer Betrieb auf der Grundlage des Betrages an Kraftstoffeinspritzen je Zeiteinheit in den Benzinmotor 50 die verbrennungsmotorbasierte Energie Pe. Im nachfolgenden Schritt S426 wird das Drehmoment Te, das durch den Benzinmotor 50 erzeugt wird, (Verbrennungsmotordrehmoment) aus der verbrennungsmotorbasierten Energie Pe und der Verbrennungsmotordrehzahl Ne entsprechend der nachfolgenden Gleichung berechnet: Te = Pe/Ne
Diese zeigt das Drehmoment Te des Benzinmotors 50 im gegenwärtigen Moment.
Der Drehmomentbefehlswert Tc* des Kupplungsmotors wird in Schritt S428 mit dem somit bestimmten Verbrennungsmotor Te eingestellt. Um zu ermöglichen, dass der Kupplungsmotor 30 ein Drehmoment erzeugt, das größer als das Drehmoment des Benzinmotors 50 ist, ist es erforderlich, dass der Drehmomentbefehlswert Tc* des Kupplungsmotors 30 auf einen größeren Wert als das in Schritt S426 berechnete Drehmoment Te des Benzinmotors 50 eingestellt wird.
Nach dem Einstellen des Drehmomentbefehlswertes Tc* des Kupplungsmotors 30 in Schritt S428 geht das Programm zu Schritt S430, um den Kupplungsmotor 30 zu steuern, und geht dieses dann zu Schritt S432, um den Hilfsmotor 40 zu steuern. Wie das Fließbild von 6 sind aus Gründen der Zweckmäßigkeit der Darstellung die Steuervorgänge des Kupplungsmotors 30 und des Hilfsmotors 40 als getrennte Schritte im Fließbild von 19 gezeigt. In der tatsächlichen Prozedur werden jedoch diese Steuervorgänge im Komplex ausgeführt. Beispielsweise implementiert die Steuer-CPU 90, die Steuerung es Kupplungsmotors 60 und des Hilfsmotors 40 gleichzeitig unter Verwendung des Unterbrechprozesses. Die Steuerung des Kupplungsmotors 30 und des Hilfsmotors 40 folgt den Fließbildern der 7 bis 9, die vorstehend diskutiert wurden.
Die 20(a) und 20(b) sind charakteristische Diagramme, die Änderungen des Drehmoments Te und der Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 und des Drehmoments Tc des Kupplungsmotors 30 bezüglich der Zeit zeigen, wenn der Steuerprozess der 18 und 19 implementiert wird. 21(a) zeigt die Zeitverläufe des Verbrennungsmotordrehmoments Te und des Kupplungsmotorsdrehmoments Tc und 21(b) zeigt den Zeitverlauf des Verbrennungsmotordrehmoments Ne. Die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 verringert sich allmählich in einer spezifischen Zeitperiode t1–t2 (zwischen den Zeitpunkten t1 und t2), wenn der Kupplungsmotor 30 das Drehmoment Tc erzeugt, das größer als das Drehmoment Te des Benzinmotors 50 ist. In der spezifischen Zeitperiode t1–t2 wird die Energie Per der Rotationsbewegung des Benzinmotors 50 verbraucht, wie es deutlich durch die vorstehend diskutierte Gleichung (6) gezeigt ist.
Die Verringerung der Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 wird der Tatsache zugeschrieben, dass das Kupplungsmotordrehmoment Tc, das größer als das Verbrennungsmotordrehmoment Te ist, eine Beschleunigung entgegengesetzt zur Rotation der Kurbelwelle 56 (d.h. eine Verlangsamung) auf die Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 aufbringt.
Die Verringerung der Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 kann als eine Verringerung der Winkelgeschwindigkeit ωe der Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 ausgedrückt werden, die gegeben ist als:
wobei ωe0 eine Anfangswinkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 bezeichnet und Tfe ein Reibdrehmoment, das an die Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 angelegt wird. Es ist festzuhalten, dass bei der vorstehenden Diskussion auf der Grundlage der Zeichnungen der 18 bis 20 das Reibdrehmoment ignoriert wurde.
Wenn das Drehmoment Tc des Kupplungsmotors 30 den Ausdruck Te = Tc + Tfe erfüllt, wird der zweite Term auf der rechten Seite in Gleichung (7) gleich Null. Das bedeutet, dass ωe = ωe0 und die Winkelgeschwindigkeit ωe der Kurbelwelle 56 feststehend ist. Wenn das Drehmoment Tc des Kupplungsmotors 30 größer als das Drehmoment Te des Benzinmotors 50 ist und den Ausdruck Te < Tc + Tfe erfüllt, erhöht sich im Gegensatz dazu der zweiten Term auf der rechten Seite in Gleichung (7) mit der Zeit ,t' und verringert sich dadurch die Winkelgeschwindigkeit ωe des Kurbelwelle 56 allmählich.
Nach der Steuerung des Kupplungsmotors 30 und des Hilfsmotors 40 in den Schritten S430 und S432 im Fließbild von 19 geht das Programm zu Schritt S402 im Fließbild von 19 zurück, um die vorstehend beschriebene Verarbeitung zu wiederholen. Da der Wert ,1' bereits im Flag fr2 in Schritt S416 im vorherigen Zyklus gesetzt wurde, bewirkt die negative Antwort in Schritt S412, dass das Programm die Verarbeitung von Schritt S414 und die nachfolgenden Schritte überspringt und direkt zu Schritt S418 in diesem Zyklus geht. In diesem Zustand wird, selbst wenn die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 sich auf die Referenzdrehzahl Neref, wie es in 21(b) gezeigt ist, oder darunter verringert hat, die Verarbeitung von Schritt S420 nicht ausgeführt, um die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 zu erhöhen.
Wenn die Bearbeitung fortschreitet, verringert sich die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 allmählich auf die gestattete minimale Drehzahl Nemin. Wenn die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 gleich der gestatteten minimalen Drehzahl Nemin oder kleiner als diese wird, kann der Benzinmotor 50 nicht seine Rotation aufrechterhalten. In einem solchen Fall stoppt die negative Antwort in Schritt S418 die Verarbeitung sofort und ermöglicht diese, dass der Benzinmotor 50 seine Rotation fortsetzt. Die gestattete minimale Drehzahl Nemin ist beispielsweise eine Leerlaufdrehzahl. Wenn der Fahrer das Fahrpedal 64 freigibt, während sich die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 allmählich verringert, wird der Abtriebsdrehmoment-Befehlswert Td* gleich dem Referenzwert Tdref oder kleiner als dieser. Die negative Antwort in Schritt S406 ermöglicht, dass das Programm zu Schritt S422 geht. Da der Wert ,1' bereits im Flag fr1 in Schritt S408 im vorherigen Zyklus gesetzt wurde, bewirkt die negative Antwort in Schritt S422 nicht, dass das Programm zu Schritt S402 zurückgeht, sondern bewirkt diese eine Beendigung der Verarbeitung.
Mit einer allmählichen Verringerung der Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 verringert sich die Differenz zwischen der Motordrehzahl Ne und der Drehzahl Nd der Antriebswelle 22 allmählich auf Null. Danach überschreitet die Drehzahl Ne der Antriebswelle 22 die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50. Gemäß Vorbeschreibung ist die Differenz zwischen der Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 und der Drehzahl Nd der Antriebswelle 22 gleich der Drehzahl Nc des Kupplungsmotors 30. Die Änderung der Drehzahldifferenz ändert dementsprechend den Betriebszustand des Kupplungsmotors 30. Während des Prozesses der Verringerung der Drehzahl Ne des Benzinmotors 50, um die Drehzahldifferenz (Ne – Nd) gleich Null zu setzen, führt der Kupplungsmotors 30 den regenerativen Betrieb aus. Zu dem Zeitpunkt, zu dem die Drehzahldifferenz (Ne – Nd) gleich Null ist, befindet sich der Kupplungsmotor 30 in der überbrückten Position und stoppt dieser die Rotation als Motor. Wenn sich die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 weiter verringert, um die negative Drehzahldifferenz (Ne – Nd) zu erzeugen, fällt das Fahrzeug in den Schnellgang (Ne < Nd), wie es zuvor diskutiert wurde, und führt der Kupplungsmotor 30 den Energiebetrieb aus. Die elektrische Energie, die durch den regenerativen Betrieb des Kupplungsmotors 30 regeneriert wird, wird durch den Hilfsmotor 40 verbraucht oder in der Batterie 94 gespeichert. Die elektrische Energie, die für den Energiebetrieb des Kupplungsmotors 30 verbraucht wird, wird von der Batterie 94 oder mit der regenerierten Energie des Hilfsmotors 40 zugeführt.
Gemäß Vorbeschreibung ermöglicht die Struktur des vierten Aspektes, dass der Kupplungsmotor 30 ein Drehmoment erzeugt, das größer als das Drehmoment des Benzinmotors 50 ist. Diese kann wirksam das Abtriebsdrehmoment erhöhen (erhöht das Drehmoment in Richtung der Rotation der Antriebswelle 22) sowohl im Zustand der Hilfssteuerung als auch im Zustand der Energiehilfssteuerung.
Beim vierten Aspekt wird das Drehmoment Te, das durch den Benzinmotor 50 erzeugt wird, (Verbrennungsmotordrehmoment) berechnet, indem die verbrennungsmotorbasierte Energie Pe durch die Verbrennungsmotordrehzahl Ne geteilt wird. Der Kupplungsmotor 30 wird dann gesteuert, um das Drehmoment Tc zu erzeugen, das größer als das Drehmoment Te des Benzinmotors 50, das somit berechnet wurde, ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Prozedur beschränkt. Ein weiteres mögliches Verfahren liest nur die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 und steuert das Drehmoment Tc des Kupplungsmotors 30, um die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 zu verringern, d.h. um die Energie der Rotationsbewegung Per der Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 zu verringern. Ein noch weiteres anwendbares Verfahren erfasst das Gesamtdrehmoment, das an die Kurbellwelle 56 angelegt wird, mit einem Dehnungsmessgerät, das an der Kurbelwelle 56 befestigt ist, und steuert das Drehmoment Tc des Kupplungsmotors 30, um das Gesamtdrehmoment kleiner als Null zu gestalten. Das Gesamtdrehmoment entspricht der Differenz (Te – Tc) zwischen dem Drehmoment des Benzinmotors 50 und dem Drehmoment Tc des Kupplungsmotors 30.
Wie es deutlich in der vorstehend diskutierten Gleichung (6) gezeigt ist, ist die Energie der Rotationsbewegung Per der Kurbelwelle 56 zum Trägheitsmoment Je proportional. Die Energie der Rotationsbewegung Per der Kurbelwelle 56 kann somit verbessert werden, indem die Größe oder das Gewicht des Schwungrads oder des Außenrotors 32 mit der Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 mechanisch verbunden wird oder ein weiteres Gewicht zur Kurbelwelle 56 hinzugefügt wird, um das Trägheitsmoment Je zu erhöhen. Dieses dehnt die spezifische Zeitperiode t1–t2, die in 21(b) gezeigt ist, während der sich die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 allmählich auf die gestattete minimale Drehzahl Nemin verringert, aus.
Ein weiteres anwendbares Verfahren liest die Drehzahl Tc des Kupplungsmotors 30 oder die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 und informiert gelegentlich bzw. bei Gelegenheit den Fahrer über die Eingabedaten. Bei dieser Struktur bestimmt der Fahrer das Zeitverhalten des Drehmomenterhöhungsvorgangs, der das Drehmoment Tc des Kupplungsmotors 30 größer als das Drehmoment Te des Benzinmotors 50 macht.
Obwohl die Energieausgabevorrichtung 20 des ersten Aspektes auf den vierten Aspekt angewendet wird, können andere Energieausgabevorrichtungen mit unterschiedlichen Strukturen ebenfalls anwendbar sein. Der Prozess, das Drehmoment Tc des Kupplungsmotors 30 größer als das Drehmoment Te des Benzinmotors 50 zu gestalten, erfordert im Wesentlichen den Kupplungsmotor 30 und den Benzinmotor 50. Für diesen Prozess ist weder der Hilfsmotor 40 noch die Batterie 94 eine wesentliche Komponente. Der regenerative Betrieb des Kupplungsmotors 30 erfordert jedoch eine Einrichtung zum Absorbieren der regenerierten Energie und der Energiebetrieb des Kupplungsmotors 30 erfordert eine Einrichtung zum Zuführen von elektrischer Energie zum Kupplungsmotor 30. Die elektrische Ausrüstung (beispielsweise die Beleuchtungsanlage, Tonanlage und Kühlanlage), die am Fahrzeug montiert ist und die sich vom Hilfsmotor 40 und von der Batterie 94 unterscheidet, kann auf die Einrichtung zum Absorbieren der regenerierten Energie angewendet werden.
Es können zahlreiche andere Modifikationen, Änderung und Abwandlungen ohne ein Verlassen des Bereiches oder Geistes wesentlicher Eigenschaften der Erfindung vorgenommen werden. Es ist somit deutlich verständlich, dass die vorstehenden Aspekte und Ausführungsbeispiele nur illustrierend und in keiner Weise begrenzend sind. Einige Modifikationsbeispiele sind nachfolgend gegeben.
Bei der Struktur der in 1 gezeigten Energieausgabevorrichtung 20 sind der Kupplungsmotor 30 und der Hilfsmotor 40 an unterschiedlichen Positionen der Antriebswelle 22 getrennt befestigt. Wie eine modifizierte Energieausgabevorrichtung 20A, die in 21 dargestellt ist, können jedoch der Kupplungsmotor und der Hilfsmotor einstückig miteinander verbunden sein. Ein Kupplungsmotor 30A der Energieausgabevorrichtung 20A weist einen Innenrotor 34, der mit der Kurbelwelle 56 Verbindung herstellt, und einen Außenrotor 32A, der mit der Antriebswelle 22 verbunden ist, auf. Dreiphasenspulen 36 sind am Innenrotor 34 befestigt und Dauermagneten 35A sind am Außenrotor 32A in einer solchen Weise angeordnet, dass die Außenfläche und die Innenfläche von diesen unterschiedliche Magnetpole , haben. Ein Hilfsmotor 40A weist den Außenrotor 32A des Kupplungsmotors 30A und einen Stator 43 mit Dreiphasenspulen 44, die an diesem befestigt sind, auf. Bei dieser Struktur kann der Außenrotor 32A des Kupplungsmotor 30A ebenfalls als ein Rotor des Hilfsmotors 40A arbeiten. Da die Dreiphasenspulen 36 am Innenrotor 34 montiert sind, der Verbindung zur Kurbelwelle 56 herstellt, ist ein Drehtransformator 38 zum Zuführen von elektrischer Energie zu den Dreiphasenspulen 36 des Kupplungsmotors 30A an der Kurbelwelle 56 befestigt.
Bei der Energieausgabevorrichtung 20A wird die an die Dreiphasenspulen 36 am Innenrotor 34 angelegte Spannung gegen den Innenflächemagnetpol der Dauermagnete 35A gesteuert, die am Außenrotor 32A angeordnet sind. Dieses ermöglicht, dass der Kupplungsmotor 30A in der gleichen Weise wie der Kupplungsmotor 30 der in 1 gezeigten Energieausgabevorrichtung 20 arbeitet. Die an die Dreiphasenspulen 44 am Stator 43 angelegte Spannung wird gegen den Außenflächenmagnetpol der Dauermagneten 35A, die am Außenrotor 32A angeordnet sind, gesteuert. Dieses ermöglicht, dass der Hilfsmotor 40A in der gleichen Weise wie der Hilfsmotor 40 der Energieausgabevorrichtung 20 arbeitet. Die Steuerprozeduren, die als das erste bis dritte Ausführungsbeispiel vorstehend diskutiert sind, sind auf die in den 21 gezeigte Energieausgabevorrichtung 20A anwendbar, die dementsprechend die gleichen Wirkungen wie die der in 1 gezeigten Energieausgabevorrichtung 20 hat.
Bei der Energieausgabevorrichtung 20A von 21 sind der Kupplungsmotor 30A und der Hilfsmotor 40A einstückig miteinander verbunden, was die Länge der Energieausgabevorrichtung 20A entlang der Antriebswelle 22 verkürzt. Der Außenrotor 32A hat gleichzeitig die Funktion als einer der Rotoren im Kupplungsmotor 30A und als der Rotor des Hilfsmotors 40A, wodurch sich die Größe und das Gewicht der gesamten Energieausgabevorrichtung 20A wirksam verringern.
Die modifizierte Struktur, bei der der Außenrotor 32A als einer der Rotoren im Kupplungsmotor 30A und als der Rotor des Hilfsmotor 40A arbeitet, bewirkt, dass sich der Kupplungsmotor 30A und der Hilfsmotor 40A magnetisch beeinflussen bzw. interferieren und dadurch diesen negative Auswirkungen aufeinander haben. Um die große magnetische Interferenz zu verhindern, kann der Außenrotor 32A als eine Doppelzylinderstruktur mit zwei konzentrischen Zylindern aufgebaut sein. Einer der Zylinder ist dem Rotor des Kupplungsmotors 30A zugeordnet und der andere dem Rotor des Hilfsmotors 40A. Die zwei Zylinder, die einen vorbestimmten Abstand voneinander entfernt sind, sind mit der Antriebswelle 22 verbunden. Ein magnetisches Abschirmelement zum Blockieren der magnetischen Kraftlinien ist ebenfalls wirksam, um die magnetische Interferenz zu verhindern.
Obwohl in der Energieausgabevorrichtung 20 von 1 der Hilfsmotor 40 an der Antriebswelle 22 befestigt ist, kann der Hilfsmotor an der Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 wie eine andere, in 23 gezeigte Energieausgabevorrichtung 20B befestigt sein.
Die Energieausgabevorrichtung 20B von 23 hat eine ähnliche Struktur wie die Energieausgabevorrichtung 20 von 1 mit der Ausnahme, dass ein Hilfsmotor 40B an der Kurbelwelle 56 befestigt ist, die sich zwischen dem Benzinmotor 50 und einem Kupplungsmotor 30B befindet. In der Energieausgabevorrichtung 20B von 23 sind ähnliche Elemente wie die der Energieausgabevorrichtung 20B von 23 durch ähnliche Bezugszeichen und Symbole gezeigt und hier nicht erläutert. Die in der Beschreibung verwendeten Symbole haben ähnliche Bedeutung sofern es nicht anders spezifiziert ist.
Nachfolgend wird der Betrieb der in 23 gezeigten Energieausgabevorrichtung 20B beschrieben. Beispielhaft wird angenommen, dass der Benzinmotor 50 mit einem Drehmoment Te und mit einer Drehzahl Ne angetrieben wird. Wenn der Kurbelwelle 56 durch den Hilfsmotor 40B, der mit der Kurbelwelle 56 verbunden ist, ein Drehmoment Te zugeführt wird, wirkt folglich die Summe der Drehmomente (Te + Ta) auf die Kurbelwelle 56. Wenn der Kupplungsmotor 30B gesteuert wird, um das Drehmoment Tc, das gleich der Summe der Drehmoment (Te + Ta) ist, zu erzeugen, wird das Drehmoment Tc (=Te + Ta) zur Antriebswelle 22 übertragen.
Wenn die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 größer als die Drehzahl Nd der Antriebswelle 22 (Ne > nd) ist, regeneriert der Kupplungsmotor 30B eine elektrische Energie auf der Grundlage der Drehzahldifferenz Nc zwischen der Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 und der Drehzahl Nd der Antriebswelle 22. Die regenerierte Energie wird dem Hilfsmotor 40B über die erste und zweite Treiberschaltung 91 und 92 zugeführt, um den Hilfsmotor 40B zu aktivieren. Unter der Voraussetzung, dass das Drehmoment Ta des Hilfsmotors 40B zur elektrischen Energie, die durch den Kupplungsmotors 30B regeneriert wurde, im Wesentlichen äquivalent ist, ist eine freie Drehmomentwandlung für die Energie, die vom Benzinmotor 50 ausgegeben wurde, in einem Bereich, der die nachfolgend gegebene Beziehung der Gleichung (8) erfüllt, möglich. Da die Beziehung von Gleichung (8) den idealen Zustand mit einem Wirkungsgrad von 100% darstellt, ist (Tc × Nd) als (Te × Ne) im tatsächlichen Zustand etwas kleiner Te × Ne = Tc × Nd (8)
24 ist eine graphische Darstellung, die einen Energiebetrag, der durch den Kupplungsmotor 30B regeneriert wird, und den, der durch den Hilfsmotor 40B verbraucht wird, schematisch zeigt. Im Beispiel von 24 wird die Kurbelwelle 56 des Benzinmotors 50 mit einer Drehzahl Ne und einem Drehmoment Te angetrieben, während die Antriebswelle 22 mit einer Drehzahl Nd und einem Drehmoment Td gedreht wird. Der Kupplungsmotor 30B regeneriert elektrische Energie in einem Bereich Gc als eine elektrische Energie. Die regenerierte Energie wird dem Hilfsmotor 40B als elektrische Energie in einem Bereich Ga zugeführt, die durch den Hilfsmotor 40B verbraucht wird.
Wenn die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 niedriger als die Drehzahl Nd der Antriebswelle 22 ist (Ne < Nd), hat der Kupplungsmotor 30 die Funktion eines normalen Motors. Der Kupplungsmotor 30 verbessert dementsprechend die Rotationsgeschwindigkeit des Innenrotors 34 bezüglich des Außenrotors 32. Unter der Voraussetzung, dass das Drehmoment Ta des Hilfsmotors 40B auf einen negativen Wert gesetzt ist, um zu ermöglichen, dass der Hilfsmotor 40B eine Energie regeneriert, die zur durch den Kupplungsmotor 30B verbrauchten elektrischen Energie im Wesentlichen äquivalent ist, ist eine freie Drehmomentwandlung für die Energie, die vom Benzinmotor 50 ausgegeben wird, in den Bereich, der die vorstehend gegebene Beziehung von Gleichung (8) erfüllt, ebenfalls gestattet.
Mit nur einer geringen Abwandlung sind die Steuerprozeduren, die als der erste bis dritte Aspekt vorstehend diskutiert sind, ebenfalls auf die in 23 gezeigte Energieausgabevorrichtung 20 anwendbar, die dementsprechend die gleichen Wirkungen wie die der in 1 gezeigten Energieausgabevorrichtung 20 haben. Die erforderliche Modifikation der Steuerprozeduren wird kurz beschrieben.
Wenn die Steuerprozedur des ersten Aspekt durch die Energieausgabevorrichtung 20 von 1 ausgeführt wird, ist der Drehmomentbefehlswert Tc* des Kupplungsmotors 30 gleich dem Sollverbrennungsmotordrehmoment Te* in Schritt S106 im Fließbild von 6 gesetzt. In der Energieausgabevorrichtung 20B von 23 sollte jedoch der Drehmomentbefehlswert Tc* des Kupplungsmotors 30B gleich dem Ausgabedrehmoment-Befehlswert Td* in Schritt S106 gesetzt werden.
Wenn die Steuerprozedur des dritten Ausführungsbeispiels durch die Energieausgabevorrichtung 20 von 1 ausgeführt wird, wird der Drehmomentbefehlswert Ta* des Hilfsmotors 40 in Schritt S340 im Fließbild von 14 durch die Berechnung bestimmt, die ausgedrückt ist als Ta* = –{Wa/(Ksa × Nd)}
In der Energieausgabevorrichtung 20B von 23 sollte die Berechnung geändert werden zu: Ta* = –{Wa/(Ksa × Ne)}
Der Drehmomentbefehlswert Tc* des Kupplungsmotors 30 wird in Schritt S360 im Fließbild von 15 durch die Berechnung bestimmt, die ausgedrückt ist als Tc* = Td* – Ta*
In der Energieausgabevorrichtung 20B sollte jedoch der Drehmomentbefehlwert Tc* des Kupplungsmotors 30B gleich dem Abtriebsdrehmomentbefehlswert Td* gesetzt werden. Der Drehmomentbefehlwert Te* des Benzinmotors 50 ist gleich dem Drehmomentbefehlswert Tc* des Kupplungsmotors 30 im Schritt S380 im Fließbild von 16 gesetzt. Bei der Energieausgabevorrichtung 20B sollte jedoch der Drehmomentbefehlwert Te* des Benzinmotors 50 durch die Berechnung bestimmt werden, die ausgedrückt ist als Te* = Ta* + Tc*
Gemäß Vorbeschreibung setzt die Energieausgabevorrichtung 20B von 23 mit nur einer geringen Abwandlung der Steuerprozeduren die gleichen Vorgänge und Effekte wie die Energieausgabevorrichtung 20 von 1 um.
Die Steuerprozedur des vierten Aspektes kann in der folgenden Weise ausgeführt werden. Bei der Energieausgabevorrichtung 20B von 23 wird, um die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 auf im Wesentlichen konstantem Pegel zu halten, das Drehmoment Tc des Kupplungsmotors 30B gesteuert, so dass dieses gleich der Summe des Drehmoments Te des Benzinmotors 50 und des Drehmoments Ta des Hilfsmotors 40B ist. Wenn der vierte Aspekt durch die Energieausgabevorrichtung 20B umgesetzt wird, wird der Kupplungsmotors 30B gesteuert, um auf die Kurbelwelle 56 das Drehmoment Tc aufzubringen, das größer als die Summe des Drehmoments Te des Benzinmotors 50 und des Drehmoments Ta des Hilfsmotors 40B ist und entgegengesetzt zur Drehmoment Te des Benzinmotors 50 wirkt. Die Summe der Drehmomente, die auf die Kurbelwelle 56 aufgebracht werden, wirkt dementsprechend entgegengesetzt zur Drehung der Kurbelwelle 56. Dieses bringt die Verlangsamung auf die Kurbelwelle 56 auf und verringert dadurch die Drehzahl Ne des Benzinmotors 50 und die Energie Per der Rotationsbewegung der Kurbelwelle 56. Wenn der Kupplungsmotor 30B auf die Kurbelwelle 56 das Drehmoment Tc aufbringt, das größer als die Summe des Drehmoment Te des Benzinmotors 50 und des Drehmoments Ta des Hilfsmotors 40B ist, wird das Drehmoment, das größer als die Summe der Drehmomente Te und Ta ist, als eine Reaktion an der Antriebswelle 22 in Richtung des Drehmoments Te des Benzinmotors 50 erzeugt. Dieses verringert das Abtriebsdrehmoment (das Drehmoment der Antriebswelle 22) und setzt dementsprechend die gleiche Wirkung wie beim vierten Ausführungsbeispiel um.
Bei der Energieausgabevorrichtung 20B von 23 ist der Hilfsmotor 40B an der Kurbelwelle 56 befestigt, die sich zwischen dem Benzinmotor 50 und dem Kupplungsmotors 30B befindet. Wie eine weitere Energieausgabevorrichtung 20C, die in 25 dargestellt ist, kann jedoch der Benzinmotor 50 zwischen einen Kupplungsmotor 30C und einen Hilfsmotor 40C, der an der Kurbelwelle 56 befestigt ist, zwischengefügt sein. Die modifizierten Steuerprozeduren für die Energieausgabevorrichtung 20B von 23 sind auf die Energieausgabevorrichtung 20C anwendbar, die dementsprechend die gleichen Operationen und Wirkungen umsetzt.
In der Energieausgabevorrichtung 20B von 23 sind der Kupplungsmotor 30B und der Hilfsmotor 40B mit der Kurbelwelle 56 getrennt verbunden. Wie eine in 26 gezeigte Energieausgabevorrichtung 20D können jedoch ein Kupplungsmotor 30D und ein Hilfsmotor 40C miteinander einstückig verbunden sein. Der Kupplungsmotor 30D der Energieausgabevorrichtung 20D weist einen Außenrotor 32D, der mit der Kurbelwelle 56 verbunden ist, und einen Innenrotor 34, der mit der Antriebswelle 22 verbunden ist, auf. Dreiphasenspulen 36 sind am Innenrotor 34 befestigt und Dauermagneten 35D sind am Außenrotor 32D in einer solchen Weise angeordnet, dass die Außenfläche und die Innenfläche von diesen unterschiedliche Magnetpulen haben. Der Hilfsmotor 40D weist den Außenrotor 32D des Kupplungsmotors 30D und einen Stator 43 auf, an dem Dreiphasenspulen 44 montiert sind. Bei dieser Struktur arbeitet der Außenrotor 32D des Kupplungsmotor 30D ebenfalls als ein Rotor des Hilfsmotor 40D.
Bei der Energieausgabevorrichtung 20D wird die Spannung, die auf die Dreiphasenspulen 36 am Innenrotor 34 aufgebracht werden, gegen den Innenflächen-Magnetpol der Dauermagneten 35D, die an dem Außenrotor 32D angeordnet sind, gesteuert. Dieses ermöglicht, dass der Kupplungsmotor 30D in der gleichen Weise wie der Kupplungsmotor 30B der in 23 gezeigten Energieausgabevorrichtung 20B arbeitet. Die an die Dreiphasenspulen 44 am Stator 43 angelegte Spannung wird gegen den Außenflächen-Magnetpol der Dauermagneten 35D, die am Außenrotor 32D angeordnet sind, gesteuert. Dieses ermöglicht, dass der Hilfsmotor 40D in der gleichen Weise wie der Hilfsmotor 40B der Energieausgabevorrichtung 20B arbeitet. Die modifizierten Steuerprozeduren des ersten bis vierten Ausführungsbeispiels und der Aspekte, die vorstehend diskutiert wurden, sind auf die in 26 gezeigte Energieausgabevorrichtung 20D anwendbar, die dementsprechend die gleichen Wirkungen wie die der in 23 gezeigten Energieausgabevorrichtung 20B hat.
Wie die Energieausgabevorrichtung 20A von 22 sind bei der Energieausgabevorrichtung 20D von 26 der Kupplungsmotor 30D und der Hilfsmotor 40D einstückig miteinander verbunden, was die Länge der Energieausgabevorrichtung 20D entlang der Antriebswelle 22 verkürzt. Der Außenrotor 32D hat gleichzeitig die Funktion als einer der Rotoren im Kupplungsmotor 30D und als der Rotor des Hilfsmotors 40D, wodurch die Größe und das Gewicht der gesamten Energieausgabevorrichtung 20D wirksam verringert werden.
Der Benzinmotor 50, der durch Benzin angetrieben wird, wird als der Verbrennungsmotor in den vorstehenden Energieausgabevorrichtungen verwendet. Das Prinzip der Erfindung ist jedoch auf andere Motoren mit innerer Verbrennung und Motoren mit äußerer Verbrennung, wie z.B. Dieselmotoren, Turbinenmotoren und Strahltriebwerke anwendbar.
In den vorstehend beschriebenen Energieausgabevorrichtungen wurden Synchronmotoren vom Dauermagnettyp (PM-Typ) für den Kupplungsmotor 30 und den Hilfsmotor 40 verwendet. Andere Motoren wie z.B. Synchronmotoren mit änderbarer Reluktanz (VR), Feinstellmotoren, Gleichstrommotoren, Induktionsmotoren und Supraleitmotoren können sowohl für den regenerativen Betrieb als auch den Energiebetrieb verwendet werden, während Schrittmotoren nur für den Energiebetrieb anwendbar sind.
Bei der vorstehend beschriebenen Energieausgabevorrichtung ist der Außenrotor 32 des Kupplungsmotors 30 mit der Kurbelwelle 56 verbunden, während der Innenrotor 34 mit der Antriebswelle 22 verbunden ist. Alternativ dazu kann der Außenrotor 32 mit der Antriebswelle 22 verbunden sein und der Innenrotor 34 mit der Kurbelwelle 56. Scheibenrotoren, die zueinander weisen, können statt des Außenrotors 32 und des Innenrotors 34 verwendet werden.
Der Drehtransformator 38, das als eine Einrichtung zum Übertragen der elektrischen Energie zum Kupplungsmotor 30 verwendet wird, kann durch einen Gleitring-Bürsten-Kontakt, einen Gleitring-Quecksilber-Kontakt, eine Halbleiterkopplung mit magnetischer Energie oder ähnliches ersetzt werden.
In der vorstehend Energieausgabevorrichtung werden Transistorinverter für die erste und zweite Treiberschaltung 91 und 92 verwendet. Andere Beispiele, die für die Treiberschaltungen 91 und 92 anwendbar sind, weisen IGBT-Inverter (Bipolarmodus-Transistoren mit isoliertem Gate), Thyristor-Inverter, Spannungs-PWM(Pulsbreitenmodulation)-Inverter, Rechteckwelleninverter (Spannungsinverter und Strominverter) und Resanonanzinverter auf.
Die Batterie 94 kann Pb-Zellen, NiMH-Zellen, Li-Zellen oder ähnliche Zellen aufweisen. Ein Kondensator kann statt der Batterie 94 verwendet werden.
Obwohl die Energieausgabevorrichtung an dem Fahrzeug in den vorstehenden Ausführungsbeispielen montiert ist, kann diese an einer anderen Transporteinrichtung wie an Schiffen und Flugzeugen sowie an einer Vielzahl an Industriemaschinen montiert werden.
Der Bereich und der Geist der vorliegenden Erfindung werden nur durch den Schutzbereich der beiliegenden Ansprüche begrenzt.

Claims

Eine Energieausgabevorrichtung zum Ausgeben von Energie zu einer Antriebswelle (22), wobei die Energieausgabevorrichtung aufweist: einen Motor (50) mit einer Abtriebswelle (56), einen ersten Elektromotor (30), der einen mit der Abtriebswelle (56) des Motors verbundenen ersten Rotor und einen mit der Antriebswelle (22) verbundenen zweiten Rotor aufweist, wobei der zweite Rotor mit dem ersten Rotor koaxial verläuft und bezüglich diesem drehbar ist, wobei der erste und zweite Rotor miteinander elektromagnetisch gekoppelt sind, wodurch zwischen der Abtriebswelle (56) des Motors und der Antriebswelle (22) über die elektromagnetische Kopplung des ersten und zweiten Rotors Energie übertragen wird, einen ersten Inverter (91) zum Austauschen von elektrischen Strömen mit dem ersten Elektromotor (30) zum Ändern der elektromagnetischen Kopplung des ersten Rotors mit dem zweiten Rotor, einen zweiten Elektromotor (40) mit einem Stator und einem dritten Rotor, der mit der Antriebswelle (22) oder der Abtriebswelle (56) des Motors verbunden ist, wobei der Stator mit dem dritten Rotor elektromagnetisch gekoppelt ist, einen zweiten Inverter (92) zum Austauschen von elektrischen Strömen mit dem zweiten Elektromotor (40) zum Ändern der elektromagnetischen Kopplung des Stators mit dem dritten Rotor, eine Speichereinrichtung (94) zum Speichern von elektrischer Energie, gekennzeichnet durch eine Restkapazitätsmesseinrichtung (99) zum Messen einer Restkapazität der elektrischen Energie, die in der Speichereinrichtung gespeichert ist, und eine Steuereinrichtung (90) zum Steuern des ersten Inverters (91), um zu ermöglichen, dass der erste Elektromotor (30) elektrische Energie erzeugt, und zum Steuern des zweiten Inverters (92), um zu ermöglichen, dass der zweite Elektromotor (40) elektrische Energie erzeugt, um die Speichereinrichtung (94) mit zumindest einem Teil der erzeugten elektrischen Energie zu laden, wenn die durch die Restkapazitätsmesseinrichtung (99) gemessene Restkapazität kleiner als. der vorbestimmte Wert ist.
Eine Energieausgabevorrichtung nach Anspruch 1, wobei der dritte Rotor an dem mit der Antriebswelle (22) verbundenen zweiten Rotor oder an dem mit der Abtriebswelle (56) des Motors verbundenen ersten Rotor montiert ist.
Ein Verfahren zum Steuern einer Energieausgabevorrichtung zum Ausgeben von Energie zu einer Antriebswelle, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: (a) Vorsehen eines Motors (50) mit einer Abtriebswelle (56), eines Elektromotors (30) mit einem mit der Abtriebswelle (56) des Motors verbundenen ersten Rotor und einem mit der Antriebswelle (22) verbundenen zweiten Rotor, wobei der zweite Rotor zum ersten Rotor koaxial verläuft und bezüglich diesem drehbar ist, wobei der erste und zweite Rotor miteinander elektromagnetisch gekoppelt sind, wodurch zwischen der Abtriebswelle (56) des Motors und der Antriebswelle (22) über die elektromagnetische Kopplung des ersten und zweiten Rotors Energie übertragen wird, eines zweiten Elektromotors (40A, 40C) mit einem Stator und einem mit der Antriebswelle (22) verbundenen dritten Rotor, wobei der Stator mit dem dritten Rotor elektromagnetisch gekoppelt ist, einer Speichereinrichtung (94) zum Speichern von elektrischer Energie und einer Restkapazitäts-Messeinrichtung (99) zum Messen einer Restkapazität von in der Speichereinrichtung gespeicherter elektrischer Energie; (b) Ermöglichen, dass der erste Elektromotor (30) elektrische Energie erzeugt, und Ermöglichen, dass der zweite Elektromotor (40A, 40C) elektrische Energie erzeugt, um die Speichereinrichtung (94) mit zumindest einem Teil der erzeugten elektrischen Energie aufzuladen, wenn die durch die Restkapazitätsmesseinrichtung (99) gemessene Restkapazität kleiner als der vorbestimmte Wert ist.