JP2003285657A - 変速装置及びそれを用いた車両並びに自転車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】入力エネルギーを最適な出力エネルギーに変換
するためのモータと差動機構を用いた変速装置におい
て、原動機及び変速装置を含めたシステム効率を常に高
効率にする。 【解決手段】入力軸と出力軸をそれぞれ共通の軸とする
複数の差動機構４，６を有し、該複数の差動機構のう
ち、少なくとも１つの差動機構は第１のモータ８により
入力軸と出力軸の回転数の差を制御し、同時に他の少な
くとも１つの差動機構は第２のモータ９によりトルク制
御する変速装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はモータと差動機構か
ら構成される変速装置と、それを用いた車両及び自転車
に関する。

【０００２】

【従来の技術】エンジンの低燃費化を図る駆動システム
として、モータの駆動力を利用するハイブリッド車があ
る。ハイブリッド車はシリーズ方式，パラレル方式な
ど、各種の方法が提案されているが、２つのモータと１
つの遊星歯車を用いたシリーズ−パラレルハイブリッド
方式が提案されている。例えば、特開平7−135701 号に
は、エンジンの駆動力を遊星歯車に入力し、遊星歯車の
出力軸から得られた駆動力により車両を駆動するように
発電機で制御される方式が記載されている。エンジンの
エネルギーの一部は発電機により発電しながら、出力軸
に連結したモータから駆動力をアシストすることで、常
にエンジンを効率の良い高トルク領域で駆動し、かつ、
変速機能を合わせ持たせることができる特徴を持ってい
る。また、特開昭49−112067号，特開昭58−191364号に
も同様の原理が記載されている。ここでは、これらの公
知例を第１の方法と呼ぶ。

【０００３】また、特開昭60−95238 号のように、エン
ジンの駆動力を左右の駆動輪に伝達する間にそれぞれモ
ータにより制御される遊星歯車を備えた方式も提案され
ている。これを第２の方法とする。

【０００４】第３の方法としては、特開昭57−47054 号
に記載された方法がある。複数の遊星歯車をそれぞれモ
ータにより駆動し、それらのいずれかを切り替えて出力
する構成になっているので、動作点に応じて常に最適な
モータ駆動を行うことができる特徴を持っている。

【０００５】さらに、第４の方法として、Alternative
Cars in the 21st Century −A NewPersonal Transport
ation Paradigm−, Robert Q. Riley, Published bySec
ietyof Automotive Engineers, Inc., 400 Commonwealt
h Drive Warrendale，PA15096−0001, U.S.A のP149−P
153 に記載されている無段変速機ＣＶＴと遊星歯車を併
用した変速装置が知られている。この方式は無段変速機
ＣＶＴの変速比を所定の値にすることで、クラッチなし
でエンジンを回転させながら車両を停止することができ
るので、無段変速機ＣＶＴの変速比を制御するだけで、
スムーズに発進できる特徴を持っている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、第１の方法は
変速機能を実現するためには、発電機で発電し、モータ
で駆動するため、電気的なエネルギー損失が発生する。
そのため、エンジンは常に効率の良い動作点で駆動でき
るにも関わらず、車両全体としての効率は電気のエネル
ギー損失分低下してしまうという問題点がある。

【０００７】第２の方法は左右の異なる出力軸に対して
それぞれ遊星歯車を用いる方法であり、通常のパラレル
ハイブリッド車の構成を左右輪に拡張したものであるの
で、変速に伴い、電気エネルギーの入出力を伴うので、
上記と同じ課題がある。

【０００８】第３の方法は第１の方法を拡張したもの
で、電気エネルギーの損失に関しては同様の問題点があ
る。

【０００９】第４の方法については、車両を駆動するた
めには、エンジンを常に回転しなければならず、停車時
を含めて、走行距離当たりの燃料消費量を低減すること
に対しては限界がある。

【００１０】上記問題点に鑑み、本発明の第１の目的
は、モータによる無段変速機能を実現し、かつ、電気の
エネルギー損失を最小にして効率の良い変速装置を提供
することである。

【００１１】本発明の第２の目的は、上記変速装置を用
いて、走行距離当たりの燃料消費量をより低減した車両
を提供することにある。

【００１２】本発明の第３の目的は、運転者の疲労がよ
り少ない自転車を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的は、入力
軸と出力軸をそれぞれ共通の軸とする複数の差動機構を
有し、該複数の差動機構のうち、少なくとも１つの差動
機構は第１のモータにより入力軸と出力軸の回転数の差
を制御し、同時に他の少なくとも１つの差動機構は第２
のモータによりトルク制御する変速装置により達成され
る。

【００１４】上記第２の目的は、車両を駆動する駆動エ
ネルギーを発生するエンジンと、サンギア，プラネタリ
ー及びリングギアから構成される第１及び第２の遊星歯
車と、サンギアをそれぞれ制御する第１及び第２のモー
タとを備え、前記第１及び第２の遊星歯車は、いずれも
プラネタリーとリングギアのうち一方が前記エンジンに
より駆動される入力軸に接続され、他方が車体を駆動す
る出力軸に接続されていることを特徴とする車両により
達成される。

【００１５】上記第３の目的は、自転車において、運転
者により駆動される入力軸、車輪を出力軸とする第１及
び第２の差動機構と、第１及び第２の差動機構をそれぞ
れ制御する第１及び第２のモータを備えることにより達
成される。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
により説明する。

【００１７】図１はエンジン１のエネルギーを用いて駆
動軸２を介してタイヤ３ａ，３ｂを回転し、車体を駆動
する自動車である。本発明の重要な構成要素である遊星
歯車Ａ４，遊星歯車Ｂ６はそれぞれサンギア４ｓ，６
ｓ，プラネタリー４ｐ，６ｐ，リングギア４ｒ，６ｒか
ら構成されており、サンギア４ｓ，６ｓは電力変換器１
０，１１で制御されたモータＡ８，モータＢ９によりそ
れぞれ駆動される。バッテリー１２はこれらのモータが
必要とするエネルギーを供給したり、モータで発電した
エネルギーを蓄電するために用いられる。また、プラネ
タリー４ｐ，６ｐは同一の入力軸で締結されており、エ
ンジン１の駆動トルクを遊星歯車Ａ４，遊星歯車Ｂ６に
分配する構成となっている。リングギアについては、出
力側にギア比が異なる歯車が配置されている。リングギ
ア４ｒにはギア比が大きい歯車５が、リングギア６ｒに
はギア比が小さい歯車７がそれぞれ設置されている。こ
れらの歯車５，７は共通の出力軸となっており、遊星歯
車Ａ４，遊星歯車Ｂ６から出力された出力トルクτｖ
ａ，τｖｂはここで合成されて、車両駆動トルクτｖと
なる。これによって、車両は運転者が意図した加減速を
得ることができる。また、電力変換器１０，１１によ
り、モータＡ８，モータＢ９のモータトルクτａ，τｂ
やモータ速度ωａ，ωｂを制御することで、サンギア４
ｓ，６ｓを駆動すれば、車両駆動トルクτｖやエンジン
速度ωｅを調整させることが可能である。

【００１８】次に、図１のエンジン１，モータＡ８，モ
ータＢ９の制御を行うための基本的な処理方法について
図２のフローチャートを用いて説明する。図２のステッ
プ１０１において、アクセル踏み込み量Ｘａ，ブレーキ
踏み込み量Ｘｂ，前後進・ニュートラルなどを指示する
切替信号Ｘｃなど、運転者が意図する運転指令を入力す
るとともに、車両速度ωｖ，バッテリー１２の充電状
態，各部の温度など、車両状態も入力する。ステップ１
０２では、これらの値に基づいて、車両の駆動力指令値
τｒを演算する。次に、ステップ１０３は車両駆動力指
令値τｒと車両速度ωｖにより、理想的な運転方法を示
す基準運転モードMref を決定する。

【００１９】例えば、図３に示すように、車両速度ωｖ
が低速のときや後進時には、エンジン１を停止して、モ
ータＡ８，モータＢ９だけで駆動するモータ駆動モード
とする。図３において、斜線で示されたモータ駆動モー
ド以外の領域はエンジン１を始動して、エンジン１の駆
動力を用いる１速モード，２速モード，ＣＶＴモードか
ら構成されている。１速モードは車両速度ωｖが低速
で、かつ、駆動力が必要な場合で、変速状態をローギア
相当に制御するための領域である。車両速度ωｖが中速
以上で、かつ、低トルク領域の場合には、エンジン効率
を向上できる２速モードと設定している。また、ＣＶＴ
モードは中速以上の車両速度ωｖで、かつ、高トルクが
必要な場合に設定するもので、モータの駆動トルクを加
算して高トルクの駆動力を得ることを主旨としている。
なお、駆動力指令値τｒが負の場合にはできるだけモー
タＡ８，モータＢ９を発電機として用いて回生エネルギ
ーをバッテリー１２に蓄電するために、ＣＶＴモードに
より制御される。

【００２０】ところで、図３の運転モードは固定されて
いるものではなく、バッテリー１２の充電状態やバッテ
リー温度などによって、適宜変更することが可能であ
る。また、実際の運転モードＭは現在までの運転モード
と上記方法により求められた基準運転モードMrefをもと
に決定される。例えば、モータ駆動モードで運転してい
た状態で、基準運転モードMrefが１速モードになった場
合でも、エンジン１を急に駆動することはできないの
で、エンジン１を始動する処理を行わなければならな
い。また、エンジン１の起動停止を必要以上に繰り返す
ことは逆に燃料消費量を増大させることになってしまう
ので、エンジン１が起動した場合や停止した場合には所
定時間は変更した運転モードを維持する処理を行う。こ
のようなことを考慮した演算がステップ１０３で行わ
れ、現在までの運転モードと基準運転モードMrefから運
転モードＭが決定される。

【００２１】ステップ１０４では、運転モードＭが図３
に示した通常モードか、運転モードを変更するための移
行モードかを判断する。その判断をもとにステップ１０
５の通常モード処理、または、ステップ１０６の移行モ
ード処理が行われる。

【００２２】図４に運転モードＭの状態遷移を表す状態
遷移図の一例を示す。通常モードはモータ駆動モード，
１速モード，２速モード，ＣＶＴモードであり、移行モ
ードはエンジン始動モード，締結装置Ｂ解除モードから
なる。キーオフモードはキーがオフされているときの状
態で、キーがオンすると、車両起動モードとなって各種
の制御装置が制御可能な状態に立ち上がる。すべての起
動処理が行われると、モータ駆動モードとなって、運転
者がアクセルを操作することによりモータＡ８，モータ
Ｂ９が回転し、車両を駆動することができる。車両速度
ωｖが中速以上になった場合や大きい駆動トルクが必要
になった場合には、１速モード，２速モード、または、
ＣＶＴモードにする必要が発生する。そのときには、エ
ンジンを始動するためのエンジン始動モードという移行
モードを介して、エンジンで駆動する所定の通常モード
に変更される。１速モード，２速モード，ＣＶＴモード
の間では、本来移行モードを介することなく、モード変
更を行うことができるが、後述する締結手法を採用する
本実施形態の場合には、２速モードから他のモードに変
更する際には、締結装置Ｂ解除モードという移行モード
の処理を行った後、他のモードに変更する方法を採用し
ている。なお、何らかのフェイルが生じた場合には、そ
れに対応したフェイルモードに移行し、適切な処理が行
われる。さらに、キーがオフした場合には、安全な停止
処理が行われた後、キーオフモードで制御を停止するよ
うになっている。

【００２３】次に、図２で示した通常モードの処理方法
について、その詳細を図５を用いて説明する。ここで、
説明を容易にするために、図１のシステム構成において
成り立つ数１から数１０までの等式を下記に示す。

【００２４】

【数１】ωｅ＝ｋｐωａ＋ｋａωｖ

【００２５】

【数２】ωｅ＝ｋｐωｂ＋ｋｂωｖ

【００２６】

【数３】τｅ＝τｅａ＋τｅｂ

【００２７】

【数４】τｖ＝τｖａ＋τｖｂ

【００２８】

【数５】τｅａ＝τａ／ｋｐ＝τｖａ／ｋａ

【００２９】

【数６】τｅｂ＝τｂ／ｋｐ＝τｖｂ／ｋｂ

【００３０】

【数７】Ｐｅ＝Ｐｅａ＋Ｐｅｂ

【００３１】

【数８】Ｐｖ＝Ｐｖａ＋Ｐｖｂ

【００３２】

【数９】Ｐｅａ＝Ｐａ＋Ｐｖａ

【００３３】

【数１０】Ｐｅｂ＝Ｐｂ＋Ｐｖｂ ただし、ωｅ，ωｖ，ωａ，ωｂはエンジン速度，車両
速度，モータＡ速度，モータＢ速度を、τｅ，τｅａ，
τｅｂ，τａ，τｂ，τｖ，τｖａ，τｖｂはエンジン
トルク，遊星歯車Ａ分担エンジントルク，遊星歯車Ｂ分
担エンジントルク，モータＡトルク，モータＢトルク，
車両トルク，遊星歯車Ａ分担車両トルク，遊星歯車Ｂ分
担車両トルクをそれぞれ表す。また、Ｐｅ，Ｐｅａ，Ｐ
ｅｂ，Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｖ，Ｐｖａ，Ｐｖｂはそれぞれエ
ンジンパワー，遊星歯車Ａ入力パワー，遊星歯車Ｂ入力
パワー，モータＡパワー，モータＢパワー，車両駆動パ
ワー，遊星歯車Ａ出力パワー，遊星歯車Ｂ出力パワーを
表す。さらに、ギア比の関係を示す定数ｋａとｋｂの関
係は次式のとおりとする。

【００３４】

【数１１】ｋａ＞ｋｂ つまり、遊星歯車Ａの入力と出力のギア比は遊星歯車Ｂ
のそれよりも大きくなるように構成しておく。

【００３５】通常モードは上述したように４つの動作モ
ードがあり、図５のステップ１１１で動作モードＭを判
断する。

【００３６】モータ駆動モードの場合には、ステップ１
１２からステップ１１４までの処理を行う。ステップ１
１２では、数２に従い、車両速度ωｖを基にモータＢ速
度ωｂを制御してエンジン速度ωｅが０となるように、
速度制御を行う。次のステップ１１３では、モータＡの
トルクτａを制御することにより、車両駆動トルクτｖ
を制御する。このとき、数３において、τｅ＝０となる
ように制御されながら、数４から数６までの式により車
両駆動トルクτｖが決定される。

【００３７】通常、τｖ＞０とするためには、数１１の
関係から、モータＡが力行状態，モータＢが発電状態で
車両が駆動されることになる。当然のことながら、エン
ジン制御は停止し続けるようにステップ１１４で処理が
行われる。

【００３８】１速モードでは、ステップ１１５でモータ
Ａ速度ωａを０とする速度制御を行うとともに、ステッ
プ１１６でモータＢの制御を停止する処理を行う。これ
により、モータＡは電気的にロック状態に、モータＢを
フリーラン状態にすることができる。この処理により、
入力と出力のギア比が大きい遊星歯車Ａ４がサンギア４
ｓを固定した状態で、エンジン１により駆動されること
になる。つまり、通常のマニュアル変速機をローギアに
設定したことと等価になるため、エンジントルクτｅを
増大させられる。従って、ステップ１１７においてエン
ジン制御を行うことにより、必要な車両駆動トルクを制
御することができる。しかも、モータＡ８，モータＢ９
ともにエネルギーの入出力を行わないので、電気的エネ
ルギー損失を最小にすることができる特徴を持ってい
る。

【００３９】ＣＶＴモードでは、ステップ１１８でモー
タＡトルクτａを制御し、ステップ１１９でモータＢ速
度ωｂを制御するとともに、ステップ１２０でエンジン
制御によりエンジン１のパワーを制御することで無段変
速機能を実現することができる。この詳細の説明につい
ては、図７から図９により後述する。

【００４０】２速モードについては、ステップ１２１か
らステップ１２６までの処理を行う。まず、ステップ１
２１において、モータＢ速度ωｂが０になったかを判断
し、モータＢが停止状態でない場合には、ステップ１２
２でモータＢ速度ωｂを０にする速度制御を行う。モー
タＡについては、ステップ１２３で制御を停止し、フリ
ーラン状態にする。この制御により、１速モードと反対
に入力と出力のギア比が小さい遊星歯車Ｂ６のサンギア
６ｓが固定されることになるので、通常のマニュアル変
速機のハイギアに切り替えたことと等価になる。この状
態で、ステップ１２４でエンジン制御を行えば、エンジ
ン１は常に高トルク領域で駆動することになるので、エ
ンジン１の高効率運転が可能になる。そのとき、１速モ
ードと同様に、モータＡ８，モータＢ９ともに、エネル
ギーの入出力を行わないので、電気的エネルギーの損失
も最小にすることが可能である。

【００４１】なお、ステップ１２１において、モータＢ
速度ωｂが０であると判断された場合には、ステップ１
２５にジャンプして、締結装置Ｂ１３をオンし、サンギ
ア６ｓを機械的にロック状態にする。次に、ステップ１
２６でモータＡ８，モータＢ９ともに制御を停止した
後、ステップ１２４のエンジン制御を行う。このように
すると、モータＢ９の電流で電気的にロック状態にした
場合に流れる電流により発生する損失を０とすることが
できるので、さらに、車両の低燃費化を図れる特徴が得
られる。エンジン１で駆動する場合、加速時を除いて、
長時間、２速モードで駆動されることになるので、２速
モードで電気的なエネルギーの損失を防止できることが
低燃費化に大きく貢献することになる。

【００４２】次に、図６を用いて、通常モードの間を移
行するための移行モードについて説明する。

【００４３】移行モードには、エンジン始動モードと締
結装置Ｂ解除モードがあるので、ステップ１３１でいず
れのモードかを判断し、エンジン始動モードの場合に
は、ステップ１３２からステップ１３５までの処理を、
締結装置Ｂ解除モードの場合には、ステップ１３６から
ステップ１３９までの処理をそれぞれ行う。

【００４４】エンジン始動モードの場合には、通常モー
ドのモータ駆動モードからの移行処理であり、はじめ
に、ステップ１３２でモータＡ８とモータＢ９の速度制
御をそれぞれ行う。数１，数２から

【００４５】

【数１２】ωｖ＝ｋｐ（ωａ−ωｂ）／（ｋａ−ｋｂ）

【００４６】

【数１３】 ωｅ＝ｋｐ（ｋａωｂ−ｋｂωａ）／（ｋａ−ｋｂ） という等式が得られるので、この式で車両速度ωｖを現
在の値で一定にする制御を行いながら、エンジン１を徐
々に加速するように、数１２，数１３に従って制御す
る。これにより、エンジン始動に伴う車両トルクの変動
を発生することなく、エンジン速度ωｅを所定のエンジ
ン始動速度まで上昇させることができる。数１２，数１
３からわかるように、この制御は車両速度ωｖの大きさ
に関係なく、停止状態でも、走行状態でも、エンジン１
を始動できることを意味している。このように、本実施
形態はクラッチレスであるにも関わらず、エンジン始動
に伴うショックを防止しながらいつでもエンジンを始
動，停止することができる。次に、ステップ１３３で
は、エンジン１が所定の始動速度に達したか、否かを判
断し、始動速度に達しない場合には、ステップ１３５で
エンジン制御を停止状態のままとしている。始動するの
に十分な始動速度に達した場合には、ステップ１３４で
エンジン制御を開始し、エンジン１を駆動制御する通常
モードに移行を完了する。

【００４７】締結装置Ｂ解除モードを行う場合とは、図
４の状態遷移図に示すように、２速モードから他のモー
ドに変更するときであり、はじめにステップ１３６で締
結装置Ｂをオフする。これにより、サンギア６ｓは機械
的なロック状態から開放される。次のステップ１３７に
おいて、モータＢ速度ωｂを０とする速度制御を行う。
これにより、締結装置Ｂをオフしたことによる車両駆動
トルクτｖの変動を防止することができる。ステップ１
３８では、モータＡの制御は停止状態のままにしておく
処理を行う。さらに、ステップ１３９でエンジン制御に
より車両の駆動トルクτｖを制御する。つまり、締結装
置Ｂは開放しながら、２速モードと同じ制御を行うこと
により、モード変更に伴うショックを防止することがで
きる。

【００４８】なお、移行モードを介しないで直接通常モ
ード間の変更を行う場合には、モータ制御の方法を変更
することもあるので、モード変更した場合には、制御の
初期値の設定を前モードの場合とあわせる方法を採用す
ることにより、モード変更に伴うトルク変動を防止する
ことができる。

【００４９】さて、先に説明したＣＶＴモードに関し
て、図１のシステム構成でなぜ無段変速機能を実現でき
るかについてわかりづらいので、図７，図８を用いてエ
ネルギーの流れを詳細に説明していく。これらの図面で
は、ｋａ＝２，ｋｂ＝０.５ とした場合の特性を示して
いる。従って、１速モード，２速モードでは、ギア比は
それぞれ２，０.５ となり、その中間領域において変速
比を任意に得るＣＶＴモードの動作を説明する。

【００５０】図７は変速比が０.５から１.０の間の場合
の動作を示したトルク−速度特性図である。図７（ａ）
に示すように、エンジンの動作点×に対して、駆動した
い車両の動作点○が低速、高トルク方向（図面で左上方
向）にある場合、遊星歯車Ａ４，遊星歯車Ｂ６にはそれ
ぞれ遊星歯車Ａ入力パワーＰｅａ、遊星歯車Ｂ入力パワ
ーＰｅｂがエンジンパワーＰｅを分配して入力される。
遊星歯車Ａ４，遊星歯車Ｂ６の入力軸の速度は同じであ
り、エンジントルクτｅを遊星歯車Ａ分担エンジントル
クτｅａ，遊星歯車Ｂ分担エンジントルクτｅｂに分割
することで、それぞれのパワーが決定される。なお、こ
の分担の割合については、すべてのエネルギー収支の関
係で決まるので、一方のモータの制御だけで決定される
ものではない。図７（ｂ）に示す遊星歯車Ａの入力側の
動作点□では、エンジンから入力された遊星歯車Ａ入力
パワーＰｅａにモータＡ８でサンギア４ｓを駆動するこ
とにより入力されるモータＡパワーＰａを加算すること
で決定される。遊星歯車は増速，減速することでエネル
ギーの入出力を行うことになるので、横軸の速度方向に
エネルギーが追加されることになる。図７（ｃ）につい
ては、遊星歯車Ａ４の出力側でギア比ｋａ＝２により減
速されるので、車両速度ωｖがｋａωｖに対して１／２
倍に、遊星歯車Ａ分担車両トルクτｖａが遊星歯車Ａ分
担エンジントルクτｅａに対して２倍になっている。つ
まり、動作点□から動作点△に動作点が変わることを示
している。

【００５１】同様に、図７（ｄ）は遊星歯車Ｂの入力側
の動作点□のエネルギーの流れを示したものである。遊
星歯車Ｂ入力パワーＰｅｂに対して、モータＢ９はサン
ギア６ｓにより出力側の速度を下げる方向に動作するた
め、発電状態となる。従って、モータＢパワーＰｂによ
り動作点□が図７（ｄ）の位置になる。遊星歯車Ｂ６の
出力側ではギア比ｋｂ＝０.５ により増速されることに
なるので、図７(ｅ)の動作点□と動作点△で示すよう
に、車両速度ωｖは２倍に増速、遊星歯車Ｂ分担車両ト
ルクτｖｂは半減する。遊星歯車Ａ分担車両トルクτｖ
ａと遊星歯車Ｂ分担車両トルクτｖｂを合計したトルク
が車両トルクτｖであり、図７（ａ）の動作点○の位置
で動作することになる。以上のような動作原理により、
エンジン１の動作点を低速で、かつ、高トルク領域に変
速することができる。各モータのパワーを制御すれば、
エンジン１の動作点を一定にしながら車両の動作点を任
意に制御することが可能であることがわかる。また、モ
ータＡで駆動するパワーＰａとモータＢで発電するパワ
ーＰｂの絶対値を一致させれば、バッテリー１２の充放
電動作を伴わないので、バッテリー容量を小さい値にす
ることができ、車両の重量低減に効果がある。なお、１
速モードとは、図７においてモータＡ速度ωａを０、モ
ータＢトルクτｂを０としたときのモードであり、ＣＶ
Ｔモードの特殊な場合であると考えることもできる。

【００５２】図８は変速比が１から２の間の場合の動作
を示したトルク−速度特性図である。図８（ａ）はエン
ジンの動作点×から駆動したい車両の動作点○に変速す
る場合の動作原理を示したもので、図８（ｂ)，(ｃ）に
示す遊星歯車Ａの入力と出力側の動作点は図７の場合よ
りもさらに高速，低トルク側に移動していることがわか
る。モータＡ８は高速回転しながら、低トルクで駆動す
ることになる。これに対して、図８（ｄ)，(ｅ）に示す
遊星歯車Ｂの入力及び出力側の動作点では、図７よりも
モータＢ速度ωｂが小さく、モータＢトルクτｂが大き
くなっている。２速モードの場合には、モータＡトルク
τａを０に、モータＢ速度ωｂを０にした場合であるの
で、１速モードから２速モードまでモータＡとモータＢ
を制御すれば、連続的に変速する無段変速機能を達成で
きる。以上のことから、通常の低トルク運転ではギア比
を最も小さくした制御をするため、エンジン１を高トル
クで、高効率な動作点で運転できる他、トルクが必要な
場合には、高速にＣＶＴモードに移行できるので、快適
な運転性を得られる特徴がある。

【００５３】図９は車両に搭載したバッテリー１２を有
効に用いてより高出力のハイブリッド車を実現するため
の制御方法を行ったときの動作点の変更を示したもので
ある。図９（ａ）は図７（ａ）のエンジン動作点×をＸ
の点からＹの点に移動したときの特性図である。車両の
動作点○が変化しないようにモータＡ，モータＢを制御
すると、エンジン１で発生したエネルギーが余剰となる
ため、駆動に必要なモータＡのパワーＰａは減少し、モ
ータＢの発電するパワーＰｂの絶対値は増加することに
なる。そのため、バッテリー１２にはエンジン１の高効
率駆動より得られた余剰エネルギーが充電される。

【００５４】図９（ｂ）はバッテリー１２に蓄電された
エネルギーを有効に利用しようとした場合の動作点の変
更例である。図８（ａ）の場合のエンジンの動作点×を
ＵからＶにエンジンの出力を低下させながら移動し、か
つ、車両の動作点○を一定にしたときの状態を示してい
る。このように動作点を設定するためには、モータＡ速
度ωａを増加させてモータＡパワーＰａを増やし、モー
タＢ速度ωｂを減速させることで発電パワーを低減する
ことになる。これにより、相対的にはモータの駆動力で
エンジンの駆動力をアシストすることになる。実際に
は、常にエンジンの燃費が良好な動作点で駆動するよう
にバッテリーの入出力パワーの制御をすることで、低燃
費化を図ることができる。

【００５５】図１０は２つのモータのいずれかが故障し
た場合の処理方法を示したフローチャートである。ステ
ップ１４１では、２つのモータのうち、制御して正常に
駆動可能なモータがあるか、２つのモータともに故障し
ているかを判断し、正常に動作可能なモータがある場合
にはステップ１４２に、ない場合にはステップ１４８の
処理を行う。１つでもモータが正常に制御可能な場合に
は、ステップ１４２において、エンジン１が回転中であ
るか、否かを判断する。エンジン１が回転していないと
きには、ステップ１４２からステップ１４５までの処理
により、エンジン１を始動した後、ステップ１４６から
ステップ１４７の処理によりエンジン１と正常に制御で
きるモータで車両を駆動するための制御を行う。なお、
ステップ１４２でエンジン１が回転していると判断した
場合には、ステップ１４６からの処理を行えばよい。

【００５６】ステップ１４３では、車両の走行状態を車
両速度ωｖから判断し、走行していないときには、ステ
ップ１４４で車両を停止状態のままにしておくために、
タイヤ３ａ，３ｂをロックする操作を行う。この操作
は、締結，開放が可能なブレーキ装置を備えておいて、
制御装置で自動的に制御する方法を採用することもでき
るし、運転者への報知手段を設けておいて、その指示に
従って運転者がブレーキを操作したことを判断する方法
を採用しても良い。次のステップ１４５では、正常に制
御できるモータを用いて、そのモータ速度を増加するこ
とによりエンジン１の始動速度までエンジン速度ωｅを
上昇させる。停車状態の時には、ステップ１４４で車両
をロック状態にしているので、反力で車両が後進するこ
とはない。また、車両が走行中は、車両速度ωｖに応じ
てモータ速度を上昇させることにより、エンジン１を始
動することができる。その際、エンジン１を始動する反
力でわずかに車両に負の駆動トルクが発生することにな
るが、エンジン１に対して、車体の慣性は非常に大きい
ので、運転性を低下させることにはならない。このよう
にして、エンジン速度ωｅが始動速度まで達したとき、
燃料噴射制御，スロットル制御などによりエンジン制御
を行えば、エンジン１を駆動することができる。このよ
うな状態で、ステップ１４６で正常に駆動できるモータ
の速度制御を行うことで、エンジン１のエンジン速度ω
ｅを所定の値に制御することができる。さらに、エンジ
ン制御を行うことにより、車両トルクτｖを制御できる
ので、１つのモータが故障した場合にも、車両を走行す
ることが可能である。なお、バッテリー１２に蓄電され
ているエネルギーにより、モータでアシストできる時間
やパワーが制限されるため、車両速度ωｖなどで制約さ
れた運転方法しかとれない場合もある。

【００５７】ステップ１４１で正常に制御できるモータ
がないと判断された場合には、ステップ１４８からステ
ップ１５１までの処理を行う。まず、ステップ１４８で
は、エンジン１が回転中であるかを確認する。エンジン
１が回転している場合には、ステップ１４９でエンジン
制御を行うとともに、ステップ１５０で締結装置Ｂ13の
オンオフ制御を行い、エンジン１が停止しないように制
御する。車両速度ωｖが中速以上のときのように、エン
ジン１が停止しないような場合には締結装置Ｂ１３はオ
ン状態にしてサンギア６ｓをロックすることが望まし
い。

【００５８】エンジン１が回転していない場合には、駆
動することができないので、ステップ１５１でフェイル
ランプを点灯する処理を行う。以上のような処理を行う
ことで、モータ故障時にも、ある程度車両を駆動するこ
とができるので、信頼性を向上することができる。

【００５９】本実施形態では、できるだけ電気のエネル
ギーの授受を行わないで、エンジン効率の最も良い領域
で常に運転することができるので、大幅な低燃費化を図
ることができる特徴を持っている。また、２つのモータ
を協調して制御することにより、無段変速機と同等の機
能を得ることができるので、変速ショックがない自動車
を提供できるなど、多くの特徴を持っている。

【００６０】図１１は図１とギアなどのシステムの構成
方法が異なるハイブリッド車の他の実施形態である。こ
のシステムでは、バッテリー１２の代わりにコンデンサ
１４を用いている。コンデンサ１４はバッテリー１２に
比べて重量当たりのパワーを大きくできるので、車両に
搭載する蓄電装置の重量を大幅に低減することができ
る。これにより、車重を低減できるので、燃料に対する
走行距離の割合をさらに延長できる。なお、エネルギー
密度はコンデンサのほうが小さいので、コンデンサ１４
のエネルギーの入出力は図１の実施形態よりは少なくな
るように制御する。

【００６１】また、締結装置１７，１８，１９をエンジ
ン１，モータＡ８，車両駆動軸の回転部に備えた点、遊
星歯車Ａ４と遊星歯車Ｂ６とのギア比を変えるための歯
車を図１の歯車５，７から歯車１５，１６に変更した点
も図１の実施形態と異なる。

【００６２】締結装置１７，１８，１９はそれぞれ次の
ような役割をする。まず、締結装置１７はエンジン１の
回転を停止するための装置で、エンジン１で駆動しない
場合に、締結装置１７をオンして締結する。このような
状態で、モータ駆動モードにより制御した場合、モータ
Ａ８とモータＢ９はエンジン速度ωｅが０となるような
協調速度制御を行う必要がないので、一方だけ、あるい
は、両方のモータで車両トルクτｖを制御すればよい。
つまり、モータの制御方法が非常に簡単になるという特
徴がある。また、図１の実施形態の場合、協調制御を行
うと、一方のモータが駆動、他方のモータが発電となる
ため、入出力する電気エネルギーが大きかったのに対し
て、本実施形態では、駆動に必要な最小限の電気エネル
ギーを用いればよい。そのため、さらに、損失を低減で
きる効果がある。

【００６３】なお、締結装置１７はワンウェイクラッチ
を用いても良い。ワンウェイクラッチを用いた場合に
は、エンジン１を停止しているときに、逆方向に回転さ
せるトルクが発生しても、自動的に停止状態を保持でき
るので、締結装置１７を制御する必要がない特徴があ
る。

【００６４】締結装置１８はモータＡ８をロックするた
めのもので、１速モードにおいて、モータＡ速度ωａを
０に制御した後にオンする。その後、モータＡ８の制御
を停止する。これにより、１速モードでも、モータで電
気エネルギーを使用せずにエンジン１を駆動することに
なるので、さらに、低燃費化を図ることができる。

【００６５】締結装置１９は車両をロックするために制
御できるので、図１０のステップ１４３で示した車両ロ
ック処理を制御装置で自動的に行える。そのため、運転
者に負担をかけることなく、モータ故障時のエンジン始
動を行える特徴がある。

【００６６】図１の歯車５，７から歯車１５，１６に変
更すると、機能的には同様の効果が得られるほか、遊星
歯車Ａ４，遊星歯車Ｂ６の出力から駆動軸２までの構成
が簡単になるため、モータＡ８，モータＢ９を含めて変
速装置部分を駆動軸まわりにコンパクトに配置すること
ができる。従って、ハイブリッド車であるにも関わら
ず、エンジンルーム内におけるエンジンの配置を自由に
設定することもできる。

【００６７】以上のように、本実施形態を用いれば、さ
らにシステムの高効率化を図ることができる特徴を持っ
ている。

【００６８】図１と異なる他の実施形態を示すシステム
としては、遊星歯車２０，２１の入力と出力のギア比を
同じに設定するものがある。ギア比を変えることにより
得られる１速モード，２速モードという特徴はないもの
の、本システムでは、パラレルハイブリッド車として、
新たな効果が得られる。つまり、バッテリー１２からの
エネルギーを用いて、エンジン１の駆動力をモータによ
りアシストするときを考える。そのアシストすべき駆動
トルクが小さい場合には、モータＡ８、あるいは、モー
タＢ９の一方だけを駆動することによりモータを効率の
良い動作点で制御することになる。また、アシストすべ
き駆動トルクが１つのモータ容量を超えるような場合に
は、両者のモータを用いることにより、対応することが
できるので、従来のパラレルハイブリッド車の場合より
もコンパクトにシステムを構成することができる。

【００６９】次に、図１２は本発明の変速装置を自転車
に適用した場合の実施形態である。自転車の車体２２に
取り付けられた変速装置２３は運転者がペダル２４ａ，
24ｂを踏むことにより得られる回転駆動力を変速する。
その変速した後の回転駆動力はチェーン３０を介して後
輪のタイヤ２５ｂに伝達されて自転車が前進することに
なる。変速装置２３は薄型のモータ２６，２７と、それ
らによって制御される遊星歯車２８，２９から構成され
ている。遊星歯車２８，２９の入力と出力のギア比は図
１の実施形態と同じように異なる値に設定することによ
り、１速モード，２速モード，ＣＶＴモードを実現する
ことができる。従って、記述していない変速指示装置に
より、運転者が希望する変速比となるようにモータ２
６，２７を制御する。これにより、運転者が最も楽に運
転できるので、快適な運転性を持つ自転車を提供でき
る。また、蓄電装置を搭載することにより、下り坂や平
坦路で徐々に充電したエネルギーを用いて上り坂を最適
な変速比で楽に登坂することができる。

【００７０】また、図１３は図１２とは変速装置の回転
方向を９０度換えたときの他の実施形態である。図１３
が図１２と異なる点は変速装置３１の配置方向が９０度
換わっている点、チェーン３０の代わりにシャフト３７
により駆動力をタイヤ２５ｂに伝達する点である。ペダ
ル２４ａ，２４ｂの回転駆動力は傘歯車を介して、シャ
フト３６に伝達されて、変速装置に入力される。この変
速装置３１はモータ３２，３３、遊星歯車３４，３５か
ら構成されており、他の実施形態を同様に変速動作を行
うことができるが、その回転方向が自転車の進行方向に
対して９０度異なる横方向である。変速した回転駆動力
はシャフト３７によりそのままタイヤ２５ｂまで伝達す
ることができるので、チェーンを用いる必要がない。そ
のため、簡単な構成で伝達効率の良い自転車を構成でき
る。また、図１２に比べて図１３の実施形態ではペダル
間に配置する変速装置の幅を小さくできるので、自転車
への搭載性にも優れている特徴を持っている。従って、
本実施形態によれば、運転者はより軽い力で自転車を踏
みながら走行することができる。なお、この変速装置を
回転軸が垂直方向になるように配置すれば、ジャイロ効
果を持たせることができるため、自転車の姿勢を安定化
させる効果を併せて持たせることができる。

【００７１】以上が、本発明の一実施形態であり、モー
タにより制御される２つの遊星歯車から構成される変速
装置とそれを用いたハイブリッド車，自転車について説
明した。遊星歯車は３つ以上の場合にも適用できるの
で、さらに多段の変速装置を構成することもできる。モ
ータは主に遊星歯車のサンギアを制御する方式を示した
が、他のギアを制御する方式とすることもできる。ま
た、例えば、一方の遊星歯車はサンギアを、他方の遊星
歯車はプラネタリーをそれぞれモータで制御するような
左右が対称とならない構成方法にも適用できる。差動機
構としては、遊星歯車の場合について述べているが、一
般的な差動ギアでも適用できるほか、静粛性を重視する
ためには、ハーモニックギアで実現しても良い。さら
に、自動車だけでなく、船舶，鉄道車両なども本発明を
適用できることはいうまでもない。

【００７２】

【発明の効果】本発明によれば、モータによる無段変速
機能を実現し、かつ、電気のエネルギー損失を最小にし
て効率の良い変速装置を提供することができる。

【００７３】また本発明によれば、加速時を除いてでき
るだけ電気エネルギーを用いないで、機械的な歯車によ
り駆動トルクを伝達する無段変速機能を構成でき、エン
ジンも常に高効率の動作点で駆動できるので、走行距離
当たりの燃料消費量をより低減した車両を提供すること
ができる。

【００７４】さらに本発明によれば、運転者の疲労がよ
り少ない自転車を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】モータによりサンギアを制御する遊星歯車を２
つ用いて、変速機能を実現するハイブリッド車に本発明
を適用したときの一実施形態を示す構成図である。

【図２】図１のハイブリッド車を駆動する制御方法の概
要を示すフローチャートである。

【図３】駆動状態に対して動作すべき理想モードを決定
する動作点の範囲を示す駆動力−車速特性である。

【図４】図１のハイブリッド車を運転するときの動作モ
ードの遷移方法を示す状態遷移図である。

【図５】図２の通常モード処理の制御方法を示すフロー
チャートである。

【図６】図２の移行モード処理の制御方法を示すフロー
チャートである。

【図７】ＣＶＴモードでギア比を上げて駆動するとき、
エンジン，モータ，遊星歯車についてエネルギーの流
れ，速度，トルクの関係を示すトルク−速度特性の１例
である。

【図８】ＣＶＴモードでギア比を下げて駆動するとき、
エンジン，モータ，遊星歯車についてエネルギーの流
れ，速度，トルクの関係を示すトルク−速度特性の１例
である。

【図９】ＣＶＴモードで駆動しながら、バッテリーに充
電したり、バッテリーのエネルギーでモータ駆動をアシ
ストするための動作点の変更方法を示すトルク−速度特
性図である。

【図１０】モータが故障した場合の処理方法を示すフロ
ーチャートである。

【図１１】歯車の構成方法が図１と異なるハイブリッド
車の一実施形態を示す構成図である。

【図１２】自転車に本発明を適用した場合の一実施形態
を示す構成図である。

【図１３】チェーンを用いないで駆動系を構成する自転
車に本発明を適用した場合の一実施形態を示す構成図で
ある。

【符号の説明】

１…エンジン、２…駆動軸、３ａ，３ｂ，２５ａ，２５
ｂ…タイヤ、４，６，２０，２１，２８，２９，３４，
３５…遊星歯車、５，７，１５，１６…歯車、８，９，
２６，２７，３２，３３…モータ、１０，１１…電力変
換器、１２…バッテリー、１３，１７，１８，１９…締
結装置、１４…コンデンサ、２２…自転車車体、２３，
３１…変速装置、２４ａ，２４ｂ…ペダル、３０…チェ
ーン、３６，３７…回転軸。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ６２Ｍ 23/02 Ｂ６２Ｍ 23/02 Ｊ Ｎ Ｆ１６Ｈ 3/44 Ｆ１６Ｈ 3/44 Ａ 3/72 3/72 Ａ Ｆターム(参考） 3D039 AA04 AB01 AB27 AC39 3J028 EA27 EB10 EB16 EB37 EB62 EB63 EB64 EB66 FA13 FB06 FB13 FC13 FC24 FC63 GA02 GA19 5H115 PA12 PC06 PG04 PG10 PI16 PI29 PO02 PO17 PU01 PU28 PV01 QE17 QE18 QN03 RB14 RE13 SE03 SE05 SE08 SE09 TB01 TI02

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力軸と出力軸をそれぞれ共通の軸とする
   複数の差動機構を有し、該複数の差動機構のうち、少な
   くとも１つの差動機構は第１のモータにより入力軸と出
   力軸の回転数の差を制御し、同時に他の少なくとも１つ
   の差動機構は第２のモータによりトルク制御する変速装
   置。
2. 【請求項２】エンジンと、サンギア，プラネタリー及び
   リングギアから構成される第１および第２の遊星ギア
   と、前記サンギアをそれぞれ制御する第１及び第２のモ
   ータとを有し、前記第１及び第２の遊星ギアは、いずれ
   もプラネタリーとリングギアのうち一方が前記エンジン
   により駆動される入力軸に接続され、他方が車体を駆動
   する出力軸に接続されている車両。
3. 【請求項３】エンジンと、前記エンジンの駆動力を入力
   とする複数の差動機構と、前記複数の差動機構の出力に
   より車両を駆動する駆動機構と、前記複数の差動機構に
   それぞれ接続された複数のモータと、エンジンの回転を
   停止する締結装置とを有する車両。
4. 【請求項４】運転者が発生する駆動力を入力、車輪を駆
   動する駆動力を出力とする第１及び第２の差動機構と、
   該第１及び第２の差動機構をそれぞれ制御する第１及び
   第２のモータを有する自転車。