JP2005188612A

JP2005188612A - 車両用駆動装置

Info

Publication number: JP2005188612A
Application number: JP2003430146A
Authority: JP
Inventors: Tsuneaki Harada; 秩章巨原田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-12-25
Also published as: JP3826935B2

Abstract

【課題】電動機と、動力伝達機構に供給される潤滑油とを適切な温度に調整し、電動機の出力低下や寿命低下を抑制する。
【解決手段】ケーシング１４内部に貯留された潤滑油が通流されるときに、この潤滑油とインバータ９及び電動モータ３との熱交換が行われるインバータ通路１８及びモータ通路１９を設け、これらインバータ通路１８及びモータ通路１９へ潤滑油を循環させるオイルポンプ１５を電動モータ３で駆動する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動機によって車輪を駆動可能な車両用駆動装置に関するものである。

従来、例えば前輪をエンジンで駆動し、後輪をクラッチ等の動力伝達機構を介した電動モータによって駆動できるスタンバイ型の４輪駆動車両があった（特許文献１参照）。
特開２００３−１５９９５３号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載された従来例のように、電動モータで車輪を駆動する場合、ロータの温度上昇に伴う磁束密度の低下によってモータ出力が低下したり、モータを駆動するインバータの過熱によって内蔵されたスイッチング素子の寿命が低下したりするという問題がある。
また、外気温が低いほど、動力伝達機構に供給される潤滑油の粘度が高くなり、電動モータの回転抵抗が大きくなるので、特にモータ駆動を開始したとき等に電動モータやインバータの過熱が助長されてしまう。
そこで、本発明は上記の問題に着目してなされたものであり、電動機と、動力伝達機構に供給される潤滑油とを適切な温度に調整し、電動機の出力低下や寿命低下を抑制できる車両用駆動装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る車両用駆動装置は、動力伝達機構のための潤滑油が通流されるときに、この潤滑油と電動機との熱交換が行われる熱交換通路を設け、この熱交換通路へ潤滑油を循環させるポンプを前記電動機で駆動することを特徴としている。

本発明によれば、電動機を駆動すると、ポンプによって動力伝達機構の潤滑油が熱交換通路に通流されて潤滑油と電動機との熱交換が行われることにより、電動機を冷却すると共に潤滑油を温めることができるので、電動機と潤滑油とを適切な温度に調整し、電動機の出力低下や寿命低下を抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す概略構成図であり、前輪１ＦＬ・１ＦＲをエンジン２で駆動する主駆動輪とし、後輪１ＲＬ・１ＲＲを電動モータ３で駆動可能な補助駆動輪とするスタンバイ型の４輪駆動車両である。
エンジン２の動力は、トルクコンバータを有する自動変速機４、及びファイナルドライブギヤ５を順に介して前輪１ＦＬ・１ＦＲに伝達されると共に、Ｖベルト６を介してジェネレータ７にも伝達される。ジェネレータ７は、エンジン２からの動力によって発電を行うことができ、発電された電力はパワーケーブル８で送電され、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）方式のインバータ９で直流を交流に変換してから電動モータ３に供給される。電動モータ３の動力は、二段減速機１０と、湿式多板型の電磁クラッチ１１と、ディファレンシャルギヤ１２と、ドライブシャフト１３Ｌ・１３Ｒとを順に介して後輪１ＲＬ・１ＲＲに伝達される。

これら二段減速機１０、電磁クラッチ１１、及びディファレンシャルギヤ１２は、密閉型のケーシング１４に収容されており、ケーシング１４内部に貯留された潤滑油によって油浴給油される。
また、電動モータ３の動力は、図２に示すように、回転軸３ａに連結されたオイルポンプ１５にも伝達され、オイルポンプ１５は、吸入ポート１５ａからオイルストレーナ１６を介してケーシング１４内部の潤滑油を吸入し、吐出ポート１５ｂから吐出する。吐出された潤滑油は、潤滑油を冷却する水冷式のオイルクーラ１７、インバータ９におけるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子近傍を通過するインバータ通路１８と、電動モータ３の例えばステータ及びモータハウジング間を通過するモータ通路１９とを経由して再びケーシング１４に戻される。

そして、エンジン２の出力はエンジンコントローラ２４によって制御され、このエンジンコントローラ２４は、アクセルセンサ２１で検出するアクセル開度Ａｃｃに応じてスロットルモータ２２の回転角を制御することにより、スロットルバルブ２３の開度を調節してエンジン２の出力を制御する。
また、ジェネレータ７は、トランジスタ式のレギュレータを内蔵しており、このレギュレータが４ＷＤコントローラ２４からの発電制御指令に応じて界磁電流Ｉｇを調整することによりジェネレータ７の発電電圧が制御される。

また、インバータ９は、４ＷＤコントローラ２４からのモータ制御指令に応じてスイッチング素子のデューティ比を制御することにより、電動モータ３を駆動制御する。
また、電磁クラッチ１１は、励磁電流の通電時に締結状態となる励磁動作型のクラッチであり、４ＷＤコントローラ２４からのクラッチ制御指令に応じて励磁電流が調整されることにより、電動モータ３から後輪１ＲＬ・１ＲＲへの動力伝達が制御される。

４ＤＷコントローラ２４には、運転者によって操作される４ＷＤスイッチ２５のＯＮ／ＯＦＦと、車輪回転センサ２６で検出する車輪速Ｖｗ_FL〜Ｖｗ_RRと、インヒビタスイッチ２７で検出するシフトポジションと、モータ回転センサ２８で検出する電動モータ３の回転数Ｎｍと、電流センサ２９で検出する電動モータ３の電流Ｉｍと、温度センサ３０で検出するインバータ９の温度Ｔと、エンジンコントローラ２０からのアクセル開度Ａｃｃと、が入力される。

次に、４ＷＤコントローラ２４で実行される４ＷＤ制御処理を、図３のフローチャートに従って説明する。
この４ＷＤ制御処理は、電源投入時に起動され、ステップＳ１で低温フラグＦ_Lと高温フラグＦ_Hとを共に“０”にリセットする。
続くステップＳ２では、各種データを読込む。具体的には、４ＷＤスイッチ２５のＯＮ／ＯＦＦ、車輪速Ｖｗ_FL〜Ｖｗ_RR、シフトポジション、モータ回転数Ｎｍ、モータ電流Ｉｍ、インバータ温度Ｔ、及びアクセル開度Ａｃｃである。

続くステップＳ３では、４ＷＤ制御を実行するか否かを判断する。ここでは、４ＷＤスイッチ２５がＯＮの状態で車両が発進し、所定車速（例えば３０ｋｍ／ｈ）に到達するまでの間、４ＷＤ制御を実行するためにステップＳ４に移行し、それ以外のときには後述するステップＳ１０に移行する。
ステップＳ４では、アクセル開度Ａｃｃに応じて目標モータトルクＴｍ^*を算出する。

続くステップＳ５では、目標モータトルクＴｍ^*とモータ回転数Ｎｍと電流値Ｉｍとに基づいて、電動モータ３に供給する目標モータ電流Ｉｍ^*を算出すると共に、この目標モータ電流Ｉｍ^*に基づいてジェネレータ７で発電する目標電力Ｐ^*を算出する。
続くステップＳ６では、目標モータトルクＴｍ^*に応じて電磁クラッチ１１の締結トルクＴｃを算出する。

続くステップＳ７では、ジェネレータ７が目標電力Ｐ^*を発電するのに必要なエンジン出力を算出し、エンジンコントローラ２０へ出力する。
続くステップＳ８では、ジェネレータ７で発電する電力が目標電力Ｐ^*と一致するような目標界磁電流Ｉｇ^*を算出し、この目標界磁電流Ｉｇ^*に応じた発電制御指令を出力してジェネレータ７を駆動制御する。また、目標モータ電流Ｉｍ^*に基づいてインバータ９のスイッチング素子のデューティ比を算出し、このデューティ比に応じたモータ制御指令をインバータ９に出力して電動モータ３を駆動制御する。

続くステップＳ９では、締結トルクＴｃに応じたクラッチ制御指令を出力して電磁クラッチ１１を駆動制御してから前記ステップＳ２に戻る。
一方、ステップＳ１０では、電磁クラッチ１１を切断し、電動モータ３から後輪１ＲＬ・１ＲＲへの伝達動力を遮断した状態にする。
続くステップＳ１１では、インバータ温度Ｔが高温側の所定値Ｔ₁未満であるか否かを判定する。この判定結果がＴ＜Ｔ₁であるときには、インバータ９は過熱していないと判断してステップＳ１２に移行する。

ステップＳ１２では、低温フラグＦ_Lが“１”にセットされているか否かを判定する。この判定結果がＦ_L＝１であるときには、ステップＳ１３に移行して電動モータ３の駆動を停止状態にしてから前記ステップＳ２に戻る。
一方、前記ステップＳ１１の判定結果がＴ≧Ｔ₁であるときには、インバータ９が過熱傾向にあると判断し、ステップＳ１４に移行して高温フラグＦ_Hを“１”にセットしてからステップＳ１５に移行する。また、前記ステップＳ１２の判定結果がＦ_L＝０であるときには、そのままステップＳ１５に移行する。

ステップＳ１５では、電動モータ３を所定回転数Ｎｍ₁で回転させる。具体的には、実際のモータ回転数Ｎｍと所定回転数Ｎｍ₁との偏差に応じて目標モータ電流Ｉｍ^*を算出し、この目標モータ電流Ｉｍ^*に基づいてインバータ９のスイッチング素子のデューティ比を算出し、このデューティ比に応じたモータ制御指令をインバータ９に出力して電動モータ３を駆動制御する。

続くステップＳ１６では、高温フラグＦ_Hが“１”にセットされているか否かを判定し、この判定結果がＦ_H＝０であるときにはステップＳ１７に移行する。
ステップＳ１７では、インバータ温度Ｔが低温側の所定値Ｔ₃以上であるか否かを判定する。この判定結果がＴ≧Ｔ₃であるときには、潤滑油の温度も適切な範囲にあると判断し、ステップＳ１８に移行して低温フラグＦ_Lを“１”にセットしてから前記ステップＳ２に戻る。一方、判定結果がＴ＜Ｔ₃であるときには、潤滑油が高粘度になるほど温度が低下していると判断し、そのままステップＳ２に戻る。

一方、前記ステップＳ１６の判定結果がＦ_H＝１であるときには、ステップＳ１９に移行して電動モータ３の駆動トルクが所定値以上であるか否かを判定する。ここで、モータ駆動トルクは、目標モータ電流Ｉｍ^*に応じて算出したり、電動モータ３の回転軸３ａにトルクセンサを設けて検出したりすればよい。そして、駆動トルクが所定値以上であるときには、潤滑油の粘度が高いために電動モータ３の回転抵抗が大きくなっていると判断して前記ステップＳ２に戻る。一方、駆動トルクが所定値未満であるときにはステップＳ２０に移行する。

ステップＳ２０では、インバータ温度Ｔが高温側の所定値Ｔ₁よりも小さなＴ₂以下であるか否かを判定する。ここで、所定値Ｔ₂を所定値Ｔ₁より小さい値に設定したのは、高温フラグ設定のハンチングを回避するためである。したがって、所定温度Ｔ₂はＴ₁よりも低いがインバータ９を更に冷却することが望ましい温度に設定される。そして、判定結果がＴ≦Ｔ₂であるときには、インバータ９の温度が適切な範囲に復帰したと判断し、ステップＳ２１に移行して低温フラグＦ_Lを“１”にセットすると共に、高温フラグＦ_Hを“０”にリセットしてから前記ステップＳ２に戻る。一方、判定結果がＴ＞Ｔ₂であるときには、インバータ９が未だ過熱傾向にあると判断してそのまま前記ステップＳ２に戻る。

以上、インバータ９と電動モータ３とが電動機に対応し、二段減速機１０と電磁クラッチ１１とディファレンシャルギヤ１２とが動力伝達機構に対応し、インバータ通路１８とモータ通路１９とが熱交換通路に対応している。また、電磁クラッチ１１が断続手段に対応し、温度センサ３０が温度検出手段に対応し、ステップＳ１７・Ｓ１９の処理が粘度検出手段に対応し、ステップＳ１１〜Ｓ２１の処理が駆動制御手段に対応している。

次に、上記一実施形態の動作や作用効果について説明する。
今、４ＷＤスイッチ２５がＯＮの状態で車両が発進したとする。このとき、アクセル開度Ａｃｃに応じた目標モータトルクＴｍ^*で電動モータ３が駆動され、この動力が後輪１ＲＬ・１ＲＲに伝達されることにより（ステップＳ４〜Ｓ９）、４輪駆動で走行しスムーズで安定した発進性能、及び走行性能を発揮することができる。

また、電動モータ３の動力はオイルポンプ１５にも伝達されているので、電動モータ３が駆動されると、オイルポンプ１５によってケーシング１４内部の潤滑油が、オイルクーラ１７、インバータ通路１８、及びモータ通路１９を循環する。このとき、オイルクーラ１５で冷却された潤滑油は、インバータ通路１８やモータ通路１９に通流されるときに、インバータ９や電動モータ３と熱交換される。すなわち、インバータ９及び電動モータ３は、潤滑油によって冷却され適切な温度に調整されるので、ロータの温度上昇に伴う磁束密度の低下によってモータ出力が低下したり、インバータ９の過熱によってスイッチング素子の寿命が低下したりすることを抑制できる。

この状態から、４ＷＤスイッチ２５がＯＦＦにされたり所定車速に到達したりして、４ＷＤ制御を終了するときには、電磁クラッチ１１を切断することにより（ステップＳ１０）、２輪駆動で走行するときのフリクション損失を小さい状態に保って燃費の悪化を防ぐ。
そして、後輪１ＲＬ・１ＲＲの駆動を停止した後に、インバータ温度Ｔが所定値Ｔ₁以上であるときには（ステップＳ１１の判定が“No”）、インバータ９が過熱傾向にあるため高温フラグＦ_Hを“１”にセットし、電動モータ３を所定回転数Ｎｍ₁で回転させる（ステップＳ１５）。これにより、２輪駆動のまま電動モータ３でオイルポンプ１５を駆動し、前述したように潤滑油を循環させることによってインバータ９及び電動モータ３を冷却することができる。このときは、４輪駆動で走行しているときよりも、後輪１ＲＬ・１ＲＲの駆動を停止している分、負荷が少ないためインバータ９及び電動モータ３の冷却効果が向上する。

ところで、インバータ９の過熱は、潤滑油の粘度が高く電動モータ３の回転抵抗が増大したことによって助長されている可能性がある。そこで、電動モータ３の駆動トルクが所定値未満となり（ステップＳ１９の判定が“No”）、且つインバータ温度Ｔが所定値Ｔ₂以下となる（ステップＳ２０の判定が“Yes”）までは、高温フラグＦ_Hを“１”にセットし続けて電動モータ３の駆動を維持する。
これにより、寒冷時に粘度が高まった潤滑油も、インバータ９及び電動モータ３との熱交換と、二段減速機１０による攪拌とによって温められて粘度が低下するので、電動モータ３の駆動トルクも低下し、インバータ９及び電動モータ３の冷却効果が向上する。

次に、電源投入直後に４ＷＤスイッチ２５がＯＦＦの状態だった場合について説明する。このときは、初期設定で低温フラグＦ_Lが“０”にリセットされているので、インバータ温度Ｔが所定値Ｔ₁未満であっても、電動モータ３を所定回転数Ｎｍ₁で回転させる。そして、インバータ温度Ｔが所定値Ｔ₃以上となる（ステップＳ１７の判定が“Yes”）までは、低温フラグＦ_Lを“０”にリセットし続けて電動モータ３の駆動を維持する。

これにより、インバータ温度Ｔが所定値Ｔ₃未満となるような寒冷時に、予め潤滑油を温めてその粘度を低下させておくことができるので、４輪駆動を開始するときのトルク損失を抑制することができる。
このように、上記の一実施形態によれば、電動モータ３を駆動すると、オイルポンプ１５によって潤滑油がインバータ通路１８及びモータ通路１９に通流されて、インバータ９及び電動モータ３と潤滑油との熱交換が行われることにより、これらインバータ９及び電動モータ３を冷却すると共に、潤滑油を温めることができるので、インバータ９及び電動モータ３と潤滑油とを夫々適切な温度に調整し、電動モータ３の出力低下やインバータ９に内蔵されたスイッチング素子の寿命低下を抑制することができる。

なお、上記の一実施形態では、インバータ通路１８及びモータ通路１９に通流される前に潤滑油をオイルクーラ１７で冷却しているが、ステップＳ１７の処理で、潤滑油が高粘度になるほど温度が低下していると判断された場合には、潤滑油を更に冷却する必要はない。そこで、図４に示すように、オイルクーラ１５を迂回してインバータ通路１８及びモータ通路１９に潤滑油を通流させる迂回通路３１と、潤滑油の循環路をオイルクーラ１５へ続く通路、又は迂回通路３１の何れかに切換える切換制御弁３２とを設け、寒冷時に潤滑油の粘度が高くなったときに、潤滑油の循環路を迂回通路３１に切換えれば、潤滑油を速やかに温めることができる。一方、インバータ９及び電動モータ３の温度が高くなったときに、潤滑油の循環路をオイルクーラ１５へ続く通路に切換えれば、インバータ９及び電動モータ３を速やかに冷却することができる。

また、上記の一実施形態では、二段減速機１０等をケーシング１４内部に貯留した潤滑油に浸すことによって潤滑油を循環使用しているが、これに限定されるものではない。その他にも、リザーバに貯留した潤滑油を二段減速機１０の歯面に噴霧したり滴下したりして一方的に供給する全損式の潤滑方法をとってもよく、この場合には、リザーバに貯留した潤滑油をオイルポンプ１５によってインバータ通路１８及びモータ通路１９に循環させればよい。

また、上記の一実施形態において、ステップＳ１９の処理では電動モータ３の駆動トルクに応じて潤滑油の粘度を検知し、ステップＳ１７の処理ではインバータ９の温度に応じて潤滑油の粘度を検知しているが、これに限定されるものではない。その他にも、例えば電磁クラッチ等に設けた温度センサで検出する潤滑油の温度に応じて、この潤滑油の粘度を検知してもよく、要は、電動モータ３の出力トルク、インバータ９や電動モータ３の温度、及び潤滑油の温度のうち、少なくとも一つに応じて潤滑油の粘度を検知すればよい。

さらに、上記の一実施形態では、４ＷＤスイッチ２５がＯＮの状態で車両が発進し、所定車速（例えば、３０ｋｍ／ｈ）に到達するまでの間だけ、４ＷＤ制御を実行する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、エンジン２で駆動する前輪１ＦＬ・１ＦＲのスリップを検知したときに４ＷＤ制御を実行してもよい。
さらに、上記の一実施形態では、電動モータ３と後輪１ＲＬ・１ＲＲとの間に電磁クラッチ５介装したが、これに限定されるものではない。要は、電動モータ３から後輪１ＲＬ・１ＲＲへの伝達動力を断続できればよいので、機械的なかみ合いによってトルク伝達を確実に行う確動クラッチ（ポジティブクラッチ）等、任意の断続機構を用いればよい。

さらに、上記の一実施形態では、ジェネレータ７で発電した電力を電動モータ３のみに供給しているが、これに限定されるものでなく、バッテリ、点火装置、始動装置、エアコンディショナ等の電装品に供給してもよい。
また、上記の一実施形態では、前輪１ＦＬ・１ＦＲをエンジン２で駆動する主駆動輪とし、後輪１ＲＬ・１ＲＲを電動モータ３で駆動可能な補助駆動輪としているが、これに限定されるものではなく、後輪１ＲＬ・１ＲＲを主駆動輪とし、前輪１ＦＬ・１ＦＲを補助駆動輪としてもよい。
さらに、上記の一実施形態では、本発明を４輪車両に適用しているが、２輪車両や３輪車両、或いは５輪以上の車両に適用してもよい。

本発明の概略構成図である。動力伝達部分の詳細図である。４ＷＤ制御処理を示すフローチャートである。動力伝達部分の詳細図である。

符号の説明

１ＦＬ・１ＦＲ前輪
１ＲＬ・１ＲＲ後輪
２エンジン
３電動モータ
７ジェネレータ
９インバータ
１０二段減速機
１１電磁クラッチ
１４ケーシング
１５オイルポンプ
１７オイルクーラ
１８インバータ通路
１９モータ通路
２４４ＷＤコントローラ
２５４ＷＤスイッチ
３０温度センサ

Claims

電動機と、該電動機の動力を車輪へ伝達可能な動力伝達機構と、該動力伝達機構のための潤滑油と、該潤滑油が通流されるときに当該潤滑油と前記電動機との熱交換を行う熱交換通路と、前記電動機によって駆動され前記熱交換通路へ前記潤滑油を循環させるポンプと、を備えることを特徴とする車両用駆動装置。
前記動力伝達機構が有し前記電動機から前記車輪への伝達動力を断続する断続機構と、前記電動機の温度を検出する温度検出手段と、前記断続機構が前記電動機から前記車輪への伝達動力を遮断している状態で、前記温度検出手段で検出した前記電動機の温度が所定温度を上回っているときに、前記電動機で前記ポンプを駆動する駆動制御手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の車両用駆動装置。
前記動力伝達機構が有し前記電動機から前記車輪への伝達動力を断続する断続機構と、前記潤滑油の粘度を検知する粘度検知手段と、前記断続機構が前記電動機から前記車輪への伝達動力を遮断している状態で、前記粘度検出手段で検出した前記潤滑油の粘度が所定粘度を下回っているときに、前記電動機で前記ポンプを駆動する駆動制御手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の車両用駆動装置。
前記動力伝達機構が有し前記電動機から前記車輪への伝達動力を断続する断続機構と、前記電動機の温度を検出する温度検出手段と、前記潤滑油の粘度を検知する粘度検知手段と、前記断続機構が前記電動機から前記車輪への伝達動力を遮断している状態で、前記温度検出手段で検出した前記電動機の温度が所定温度を上回っているとき、又は前記粘度検出手段で検知した前記潤滑油の粘度が所定粘度を下回っているときに、前記電動機で前記ポンプを駆動する駆動制御手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の車両用駆動装置。
前記粘度検知手段は、前記電動機を所定回転数で回転させたときの出力トルク、前記電動機の温度、及び前記潤滑油の温度のうち、少なくとも一つに応じて前記潤滑油の粘度を検知することを特徴とする請求項３又は４に記載の車両用駆動装置。
前記熱交換通路に通流される前に前記潤滑油を冷却する冷却通路と、該冷却通路を迂回して前記熱交換通路に前記潤滑油を通流させる迂回通路と、前記温度検出手段で検出した前記電動機の温度が所定温度を上回っているときに前記潤滑油の循環路を前記冷却通路に切換え、前記粘度検出手段で検知した前記潤滑油の粘度が所定粘度を下回っているときに前記潤滑油の循環路を前記迂回通路に切換える切換制御手段と、を備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の車両用駆動装置。