JP2005033983A - ハイブリッド電気車両の動力伝達システム - Google Patents

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Abstract

【課題】変速性能が向上したハイブリッド電気車両の動力伝達システムを提供する。
【解決手段】エンジン；クラッチ；プライマリーモータ；クラッチを通じてエンジンに連結される自動変速機；セカンドリーモータ；及び差動ギヤ；変速時にこれらを制御するコントローラを含み、前記プライマリーモータは、前記クラッチの出力軸と前記自動変速機の入力軸との間に介在され、前記セカンドリーモータは、前記自動変速機の出力軸と前記差動ギヤの入力軸との間に結合される。前記コントローラは前記プライマリーモータとセカンドリーモータを制御して、前記自動化変速機の入力軸と前記差動ギヤの回転数を変速時のクラッチ結合に最適な回転数とする。
【選択図】図３

Description

本発明はハイブリッド電気車両の動力伝達システムに関する。
通常、ハイブリッド電気車両（Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ；ＨＥＶ）は、既存の内燃機関車両とは異なって、エンジンとモータとの２種類の動力源を使用するので、変速時に２つの動力源と変速装置を適切に制御して、基本的な変速機能及びスムーズな変速が実現できるように、ハイブリッド電気車両の動力伝達系専用の変速制御技法の開発が必要である。
図１に示すように、既存のハイブリッド電気車両の動力伝達システムとして広く採用されている方式は、エンジン１１０とモータ１２０との作動を分離することができないため、完全な電気車両モードを実施することができず、回生制動時にもエンジン１１０の慣性及び摩擦負荷がそのまま適用されるので、回生制動効率が低い（例えば、特許文献１参照）。
特に、クラッチ１３０にエンジン１１０とモータ１２０との動力が全て伝達されるので、クラッチ１３０に要求されるトルク容量が非常に大きくなる。従って、低速（低段）時のクラッチ１３０係合トルクの確保のためには、大きな容量の油圧ポンプが必要で、これは車両全体の効率を低くする主要因となる。
無段変速機のトルク容量が小さいという点を考慮すると、変速機１４０に無段変速機（ＣＶＴ）を採用する場合には、中型乗用車以上のレベルにこれを適用するのは非常にむずかしい。即ち、中型乗用車以上のレベルに無段変速機を採用すると、トルク過剰によるスリップが発生しやすいという問題があるからである。
上記問題を解決するために、自動変速機（ＡＳＧ；Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｓｈｉｆｔ Ｇｅａｒ）を変速装置として採用することが提案されている。しかし、自動変速機を採用したハイブリッド電気車両は、既存の手動変速機を採用した車両と同一な方式の変速アルゴリズムを適用しているので、変速中の動力断絶による乗車感の違和感が避けられないという問題がある。
図２は、既存の自動変速機が搭載されたハイブリッド電気車両の変速衝撃を示している。
変速が始まる時点では、全ての動力が駆動車輪と断絶されるので、車両の出力トルクが急激に０に下がるという状況が発生する。
また、シンクロナイザ係合時点（つまり、変速段係合時点）（図２において（１）で示された部分）とクラッチ係合時点とに、各々過度の変速衝撃（ｓｈｉｆｔ−ｓｈｏｃｋ）が発生することが分かる。
このような変速衝撃（ｓｈｉｆｔ−ｓｈｏｃｋ）は、既存の自動変速機を用いる限り構造上回避できないので、動力伝達システム及び変速アルゴリズムを根本的に変えないと、解決が困難な問題である。
特開２０００−２１９０５５号公報
本発明の目的は、変速性能が向上したハイブリッド電気車両の動力伝達システムを提供することにある。
前記のような目的を達成するために、本発明によるハイブリッド電気車両の動力伝達システムは、エンジン；クラッチ；プライマリーモータ；前記クラッチを通じて前記エンジンに連結される自動変速機；セカンドリーモータ；及び差動ギヤを含み、前記プライマリーモータは、前記クラッチの出力軸と前記自動変速機の入力軸との間に介在され、前記セカンドリーモータは、前記自動変速機の出力軸と差動ギヤの入力軸との間に結合され、変速時には前記プライマリーモータ及びセカンドリーモータの出力を調節することを特徴とする。
本発明によるハイブリッド電気車両の動力伝達システムは、前記エンジン、前記クラッチ、前記プライマリーモータ、前記自動変速機、及び前記セカンドリーモータを制御することによって変速を行うコントローラをさらに含むのが好ましく、この時、前記コントローラは、変速の過程中は、前記エンジン、前記プライマリーモータ、前記セカンドリーモータの出力を調節するのが好ましい。
前記コントローラは、変速を行う過程で、クラッチ分離モードを実行し、前記クラッチ分離モードにおいて、前記コントローラは、前記クラッチが解除される過程では、前記クラッチの設定されたトルク容量を越えないように、前記エンジンの出力トルクを制御し；前記クラッチが解除されてしまうと、前記クラッチの出力端の目標変速段での回転速度に同期化されるように、前記エンジンの回転数を制御し；要求動力が差動ギヤの入力軸に出力されるように、前記プライマリーモータと前記セカンドリーモータとを制御するのが好ましい。
前記コントローラは、変速を行う過程で、現在の変速段解除モードを実行し、前記現在の変速段解除モードにおいて、前記コントローラは、前記クラッチが解除された場合に、前記自動変速機の現在の変速段を解除し；現在の変速段が解除された場合には、目標変速段での回転速度に同期化されるように、前記プライマリーモータを利用して前記自動変速機の入力軸の回転速度を制御するのが好ましい。
前記コントローラは、変速を行う過程で、目標変速段係合モードを遂行し、前記目標変速段係合モードにおいて、前記コントローラは、前記自動変速機の入力軸の回転速度が前記目標変速段での回転速度に同期化された場合に、目標変速段を係合した後；要求動力が差動ギヤの入力軸に出力されるように、前記プライマリーモータと前記セカンドリーモータとを制御するのが好ましい。
前記コントローラは、変速を行う過程で、変速終了モードを遂行し、前記変速終了モードにおいて、前記コントローラは、目標変速段が係合されると同時に、前記クラッチの出力端の目標変速段での回転速度に前記エンジンの回転数が同期化された場合に、前記クラッチを係合するのが好ましい。
このような本発明のハイブリッド電気車両の動力伝達システムの変速アルゴリズムの長所は次の通りである。
２つのモータが全てクラッチ出力端より後に配置されるので、クラッチが負担するトルク容量を減らすことができる。
２つのモータを使用するので、目標変速段係合時の衝撃を減らすことができる。
変速時にクラッチが分離されてエンジンの動力が分離されても、プライマリーモータとセカンドリーモータとによって動力の出力を維持することができる。
変速中にエンジン、プライマリーモータの出力が全て遮断された状況でも、セカンドリーモータを利用して動力の出力を維持することができる。
以下、本発明の好ましい実施例を添付した図面を参照して詳細に説明する。
図３は、本発明に係るハイブリッド電気車両の変速アルゴリズムが適用されたハイブリッド電気車両の動力伝達システムの構造の実施例を示す。
本実施例によるハイブリッド電気車両の動力伝達システムの構造は、図３に示すように、エンジン３１０、クラッチ３２０、プライマリー（ｐｒｉｍａｒｙ）モータ３３０、自動変速機３４０（ＡＳＧ；Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｓｈｉｆｔ Ｇｅａｒ）、セカンドリー（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ）モータ３５０、差動ギヤ３６０を含む。
そして、前記エンジン３１０、前記クラッチ３２０、前記プライマリーモータ３３０、前記自動変速機３４０、及び前記セカンドリーモータ３５０を制御することによって変速を行うコントローラ３００をさらに含む。
前記コントローラ３００は、設定されたプログラムによって動作する１つ以上のマイクロプロセッサーで構成され、前記設定されたプログラムは、後述する変速アルゴリズムを実行するための一連の命令を出すことができる。
前記自動変速機３４０は、手動変速機を基礎にしたギヤメカニズムを備えて、コントローラによってギヤ係合／解除が制御される変速機であって、当業者に自明の通常の構造のものである。
前記自動変速機３４０は、前記クラッチ３２０を通じてエンジン３１０に連結される。プライマリーモータ３３０は、クラッチ３２０の出力軸と自動変速機３４０の入力軸との間に位置する。セカンドリーモータ３５０は、自動変速機３４０の出力軸と差動ギヤ３６０の入力軸との間に位置する。
プライマリーモータ３３０は、コントローラ３００の制御によって自動変速機３４０の入力軸にそのモータトルクを与えることができる。
また、セカンドリーモータ３５０は、コントローラ３００の制御によって自動変速機３４０の出力軸（つまり、差動ギヤ３６０の入力軸）にそのモータトルクを与えることができる。
本実施例による構造に適用される変速アルゴリズムは次の通りである。
まず、変速時点の判断は、既存の変速時点の判断と類似した方式で決定される。
即ち、運転者の加速ペダルの操作によるスロットルバルブ開度、車両の現在の車速、車両の現在の変速段などの３個の変数を基準にして、設定された変速パターンに従って、アップシフト／ダウンシフト時点が決定される。
この時、変速パターンは、モータの容量が小さい場合やディーゼルエンジンを搭載した構造では、通常の変速パターンをそのまま適用することができる。
モータの容量が大きい場合やガソリンエンジンを搭載した構造では、ロードレベリングを考慮した変速パターンが適用される。
次に、本実施例による変速アルゴリズムによる変速手順を説明する。
まず、アップシフト（またはダウンシフト）時点などの変速時点であると判断されると、コントローラ３００は変速を開始する。
変速の過程が始まると、まず、コントローラ３００は、クラッチ３２０を解除し、これと同時に、クラッチ３２０の設定されたトルク容量を越えないように、エンジン３１０の出力トルクを制御する。
そして、コントローラ３００は、運転者の要求動力が前記差動ギヤ３６０の入力軸に出力されるように、プライマリーモータ３３０及びセカンドリーモータ３５０を各々制御する。
クラッチ３２０が完全に解除されれば、コントローラ３００は、次の変速段（つまり、目標変速段）での回転速度に同期化されるように、エンジン３１０の出力制御を通じてエンジン３１０の回転数を制御する。つまり、クラッチ３２０の両端の回転速度が目標値以下になるようにエンジンの回転数を制御するのである。
そして、クラッチ３２０が完全に解除されれば、コントローラ３００は、現在の変速段を解除する。前記現在の変速段の解除は、一例として、シフトアクチュエータを使用して現在の変速段のシンクロナイザを分離することができる。
現在の変速段が完全に解除されれば、コントローラ３００は、目標変速段での回転速度に同期化されるように、前記プライマリーモータ３３０を用いて前記自動変速機３４０の入力軸の回転速度を制御する。
この時、コントローラ３００は、運転者の要求動力に最大限追従するようにセカンドリーモータ３５０を制御して、変速中の出力動力が０になるのを防ぐ。
現在の変速段の解除が完了して、自動変速機３４０の入力軸の回転速度が目標変速段での回転速度に同期化された後、コントローラ３００は、次の変速段（即ち、目標変速段）を係合する。前記目標変速段の係合は、一例として、シフトアクチュエータを使用して目標変速段のシンクロナイザを係合することができる。
この時、コントローラ３００は、エンジン３１０に関してその回転数を制御し続ける。
目標変速段が係合されると同時に、前記クラッチの出力端の目標変速段での回転速度に前記エンジンの回転数が同期化された場合に、コントローラ３００は、前記クラッチ３２０を係合する。
クラッチ３２０が完全に係合されることによって、変速は終了する。
上記で説明した変速手順は、１→２段アップシフトに関して、図４乃至図８までで説明されている。
他の段へのアップシフト及びダウンシフトも、図４及び図８を参照して以下で説明する１→２段アップシフトと同一の手順からなる。
図４を参照して、本発明の実施例による変速前の正常走行モードを説明する。
一般走行モードでは、エンジン３１０、プライマリーモータ３３０、セカンドリーモータ３５０の出力が全て利用される。
一般走行中にアップシフト（ダウンシフト）時点であると判定されると、コントローラ３００は変速を始める。
図５を参照して、本発明の実施例によるクラッチ分離モードを説明する。
変速が始まれば、コントローラ３００は、クラッチ３２０を解除する。
クラッチ３２０が解除される間に、コントローラ３００は、クラッチ３２０の設定されたトルク容量を越えないように、前記エンジン３１０の出力トルクを制御する。
クラッチ３２０の解除が完了した場合に、コントローラ３００は、クラッチ３２０の出力端の目標変速段での回転速度に同期化されるように、前記エンジン３１０の回転数を制御する。
そして、コントローラ３００は、運転者の要求動力が前記差動ギヤ３６０の入力軸に出力されるように、前記プライマリーモータ３３０と前記セカンドリーモータ３５０とを制御する。
図６を参照して、本発明の実施例による現在の変速段解除モードを説明する。
前記クラッチ３２０の解除が完了すれば、コントローラ３００は、前記自動変速機３４０の現在の変速段を解除する。したがって、運転者の要求動力はセカンドリーモータ３５０だけによって実行される。
現在の変速段が解除された場合に、コントローラ３００は、目標変速段での回転速度に同期化されるように、前記プライマリーモータ３３０を利用して前記自動変速機３４０の入力軸の回転速度を制御する。
この時、コントローラ３００は、エンジン３１０に関して、その回転数を制御し続ける。
図７を参照して、本発明の実施例による目標変速段係合モードを説明する。
前記自動変速機３４０の入力軸の回転速度が前記目標変速段での回転速度に同期化された場合に、コントローラ３００は、自動変速機３４０の目標変速段を係合する。
そして、コントローラ３００は、運転者の要求動力が差動ギヤ３６０の入力軸に出力されるように、前記プライマリーモータ３３０と前記セカンドリーモータ３５０とを制御する。
この時、コントローラ３００は、エンジン３１０に関して、その回転数を制御し続ける。
図８を参照して、本発明の実施例による変速終了モードを説明する。
目標変速段の係合が完了して、クラッチ３２０の両端の回転速度が同期化されれば、コントローラ３００は、クラッチ３２０を係合する。クラッチ３２０の係合中には、コントローラ３００は、プライマリーモータ３３０とセカンドリーモータ３５０とによって運転者の要求動力を差動ギヤ３６０の入力軸に出力する。
クラッチ３２０の係合が終われば、変速が終了し、その後、コントローラ３００は、エンジン３１０、プライマリーモータ３３０、セカンドリーモータ３５０を利用して運転者の要求動力を差動ギヤ３６０の入力軸に出力する。
以上、本発明に関する好ましい実施例を説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する全ての変更を含む。
従来の技術によるハイブリッド電気車両の動力伝達システムの構成を示した図面である。 自動変速機が適用されたハイブリッド電気車両の変速衝撃を示した図面である。 本発明の実施例によるハイブリッド電気車両の動力伝達システムの構成を示した図面である。 本発明の実施例によるハイブリッド電気車両の動力伝達システムの変速前の正常走行モードを説明するための図面である。 本発明の実施例によるハイブリッド電気車両の動力伝達システムのクラッチ分離モードを説明するための図面である。 本発明の実施例によるハイブリッド電気車両の動力伝達システムの現在の変速段解除モードを説明するための図面である。 本発明の実施例によるハイブリッド電気車両の動力伝達システムの目標変速段係合モードを説明するための図面である。 本発明の実施例によるハイブリッド電気車両の動力伝達システムの変速終了モードを説明するための図面である。
符号の説明
３００ コントローラ
３１０ エンジン
３２０ クラッチ
３３０ プライマリーモータ
３４０ 自動変速機
３５０ セカンドリーモータ
３６０ 差動ギア

Claims (6)

  1. ハイブリッド電気車両の動力伝達システムにおいて、
    エンジン；
    クラッチ；
    プライマリーモータ；
    前記クラッチを通じて前記エンジンに連結される自動変速機；
    セカンドリーモータ；及び
    差動ギヤを含み、
    前記プライマリーモータは、前記クラッチの出力軸と前記自動変速機の入力軸との間に介在され、
    前記セカンドリーモータは、前記自動変速機の出力軸と前記差動ギヤの入力軸との間に結合され、変速時には前記プライマリーモータ及びセカンドリーモータの出力を調節することを特徴とする、ハイブリッド電気車両の動力伝達システム。
  2. 前記エンジン、前記クラッチ、前記プライマリーモータ、前記自動変速機、及び前記セカンドリーモータを制御することによって変速を行うコントローラをさらに含み、
    前記コントローラは、前記変速の過程中は、前記エンジン、前記プライマリーモータ、前記セカンドリーモータの出力を調節することを特徴とする、請求項１に記載のハイブリッド電気車両の動力伝達システム。
  3. 前記コントローラは、前記変速を行う過程で、クラッチ分離モードを実行し、
    前記クラッチ分離モードにおいて、前記コントローラは、前記クラッチが解除される過程の間は、前記クラッチの設定されたトルク容量を越えないように、前記エンジンの出力トルクを制御し；
    前記クラッチが完全に解除されてしまうと、前記クラッチの出力端の目標変速段での回転速度に同期化されるように、前記エンジンの回転数を制御し；
    要求動力が前記差動ギヤの入力軸に出力されるように、前記プライマリーモータと前記セカンドリーモータとを制御することを特徴とする、請求項２に記載のハイブリッド電気車両の動力伝達システム。
  4. 前記コントローラは、前記変速を行う過程で、現在の変速段解除モードを実行し、
    前記現在の変速段解除モードにおいて、前記コントローラは、前記クラッチが解除された場合に、前記自動変速機の現在の変速段を解除し；
    現在の変速段が解除された場合には、目標変速段での回転速度に同期化されるように、前記プライマリーモータを利用して前記自動変速機の入力軸の回転速度を制御することを特徴とする、請求項３に記載のハイブリッド電気車両の動力伝達システム。
  5. 前記コントローラは、変速を行う過程で、目標変速段係合モードを実行し、
    前記目標変速段係合モードにおいて、前記コントローラは、前記自動変速機の入力軸の回転速度が前記目標変速段での回転速度に同期化された場合に、目標変速段を係合した後、要求動力が差動ギヤの入力軸に出力されるように、前記プライマリーモータと前記セカンドリーモータとを制御することを特徴とする、請求項４に記載のハイブリッド電気車両の動力伝達システム。
  6. 前記コントローラは、前記変速を行うのにあたって、変速終了モードを実行し、
    前記変速終了モードにおいて、前記コントローラは、目標変速段が係合されると同時に、前記クラッチの出力端の目標変速段での回転速度に前記エンジンの回転数が同期化された場合に、前記クラッチを係合することを特徴とする、請求項５に記載のハイブリッド電気車両の動力伝達システム。
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