JP2006502912A - 自動車両用のハイブリッド駆動装置 - Google Patents

Abstract

本発明は自動車両用のハイブリッド駆動システムに関する。このシステムは、燃焼機関、可変ギヤボックス及び第１と第２の電気機械を含む変速機組立体を備え、電気機械は機関と発電機の形で使用することができ、各機械は固定子と回転子を備える。第２電気機械は電力連結部によってギヤボックスの入力部に永久的に連結されており、連結可能のクラッチが燃焼機関の駆動軸と各機械の間に配置されており、これらは電子電力制御器によって互いに又は電力源に連結することができる。上記２つの電気機械は、同じクラッチケース内に配置される。電気機械の固定子の１方は、電子電力制御器及び/又は他方の固定子と一緒に、共通の支持体上に配置されている。

Description

本発明は、燃焼機関と、可変歯車比をもつ車両変速機と、モータ及び発電機の両者として作動することができる第１と第２の電気機械とをもつ自動車両用のハイブリッド駆動装置であって、上記電気機械の各々が固定子及び回転子を含み、第２電気機械は車両変速機の入力部と永久的非確実連結をなしており、シフト可能の各クラッチが電気機械と燃焼機関の駆動軸との間に配置されており、かつ両電気機械が電子制御回路を介して互いに及び/又は電気エネルギー源と連結されて成る自動車両用のハイブリッド駆動装置に関するものである。

（背景技術）
バッテリー又は車内積載型燃料電池によって電気エネルギーを供給される自動車両用の駆動モータとしての電気モータは、小型構造であるが、排出物質無しのかつ殆ど音をたてない駆動を可能にする。しかし、純粋に電気的に駆動される車両の駆動性能は目下利用されているバッテリーの限定された蓄積容量に起因して、ひどく限定される。このことは電気車両が特定の区域内のみで利用されてきた理由である。

純粋に電気的な駆動システムは別として、部分的電気駆動装置が既知である。この駆動装置も“ハイブリッド駆動装置”と称されている。これらの部分的電気駆動システムは駆動ユニットとしての燃焼機関を本質的にもっており、このユニットによって自動車両の高性能と大きな巡航範囲が達成される。補足として、少なくとも１つの電気機械が燃焼機関と変速機の間に配置される。この電気機械は駆動列(drive train)と直列に又は並列に（燃焼機関と変速機の間に）配置されて、例えば、ブレーキエネルギー回収と排出物質無しの駆動の如き利益を提供する。

いわゆる、一連のハイブリッド駆動装置では、走行は、１駆動範囲内において限定された電力で純粋に電気的に行われる、すなわち、燃焼機関と２つの電気機械の内の１方は停止している。要求される全エネルギーはバッテリーから供給される。第２の駆動領域内では、走行は燃焼機関によって行われる。この燃焼機関は発電機として作動する第２電気機械を駆動し、この第２電気機械は順次、電気モードにある駆動モータ用のエネルギーを供給する。かかる一連のハイブリッド駆動装置はクラッチ無しで,永久的非確実連結状態で作動する。

いわゆる並列ハイブリッド駆動装置では、始動は変速機入力軸に連結されている電気モータによって純粋に電気的に行われる。その間、燃焼機関は停止しており、この機関は非確実クラッチによって変速機入力軸から離脱させられている。例えば、或る一定のより高い走行速度を越えるより高い電力要求時には、燃焼機関はクラッチの閉成によって始動され、その際燃焼機関は原動機として役立つ。電気モータはその際、追加の電力源として又は車両バッテリーを充電する発電機として使用することができる。

（発明が解決しようとする課題）
自動車両、特に乗用車内の設置スペースは非常に限定されている。本質的特徴は上記ハイブリッド駆動装置の単純な据え付け可能性と連続生産への適合性である。

本発明は安全操作、小型構造及び組み立ておよび試験の容易さを提供する自動車両用のハイブリッド駆動装置を創造することを目的とする。

（発明による解決法）
本発明によれば、上記目的は特許請求範囲の請求項１に記載の特徴構造を有するハイブリッド駆動装置によって解決される。その目的のために、２つの電気機械が1つの共通のハウジング内に配置され、電気機械の固定子の１つが電子制御回路及び/又は他の固定子と一緒に共通のキャリヤ上に収容される。

この設計により、固定子の機能と、これらの固定子の電気制御回路との協働を前以って試験できるスペース節約型のモジュール組立体の構成が可能になる。更に、その共通のキャリヤは、単数又は複数の固定子又は電子制御回路を冷却するための冷却手段を夫々含むとができる。

このことは、これらの電気機械は、特にそれらが代替分野の機械として形成されるときには、電子制御回路としていわゆる周波数コンバータによって作動されるので、ますます真実となる。これらの周波数コンバータは電気機械の位相の数に一致する幾つかのハーフブリッジ(half-bridge)配列を含み、それらの配列は作動電子機器から制御信号を供給され、その作動電子機器はまた、必要ならば、電子制御回路に合体されることができる。電気機械がモータとして作動されるか又は発電機として作動されるかに依存して、電力は再充電可能なエネルギー源から取られ、そして所望の速度又は所望のトルクの何れかのために電気機械に供給され、又は電力が電気機械から取られて、下流側負荷又は再充電可能なエネルギー源用の所要量又は位相位置に夫々変換される。従来既知の配列では、周波数コンバータは電気機械とは別に配置され、そして電気機械と多相電力ケーブルを経て、接続される。

電気機械用の電力電子機器のかかる形態の１例は、DE42 30 510A1に記載されている。ここでは、その概念は、電子機器を沸騰水冷却浴内に配置することと理解され、電流供給ライン、制御電子機器用の制御信号等はカプセルの底にある中心開口を経てこの圧力密封型のカプセル内包配列へ行くルートをたどる。

主に、電気機械と周波数コンバータ間のケーブルの故に必要となるケーブル布線及び電磁遮蔽は問題を含む。更に、周波数コンバータの側と電気機械の側の両方にかなりの量の電力コネクタが必要である。また、周波数コンバータの電力電子機器の冷却もまたかなりの出費を必要とする。もう１つの問題は、かかるカプセル内包型の周波数コンバータの修理は圧力密封型のカプセルを開くことなしには事実上不可能であることである。カプセルの密封はかなりの出費を要してのみなし得るものである。その結果、カプセル内包型の周波数コンバータの微細な欠陥であっても、その全体の取替えを結果として生じることになる。

本発明の解決策は、単数又は複数の電気機械又はその単数又は複数の固定子、及び作動電子機器を共通のキャリヤ上統合し、そしてそれらを共通の冷却手段によって冷却するという取り組み方を遂行することである。換言すれば、固定子と作動電子機器をその内壁とその外壁の両方に収容することができる負荷担持冷却ジャケットが設けられる。このことはスペースとコストのかなりの節約を可能とする。もし修理が必要になれば、作動電子機器全体を取り替えるよりも、むしろ１つ以上の欠陥のあるモジュールを取り替える方がずっと容易でありかつ僅かな費用で済むことになる。更に、本発明は、電磁放射インタフェースに対する遮蔽費用をかなり減少させることを可能にする。というのは、高周波数電力搬送ケーブルは通常の分離配列型(conventional-separate-arrangements)のものよりずっと短くなるからである。更に、機械側の従来の共通位相配電レール(common phase distribution rails）は省略できるので、配線費用はかなり減る。

（発明の有利な発展）
本発明の好適実施例では、キャリヤは実質的に中空の円筒形部分をもち、一方の固定子がその内壁に、他方の固定子がその外壁に配置されている。別法として、両方の固定子をその内壁又はその外壁に配置することができる。キャリヤの中空の円筒形部分は実質上円形又は多角形のリング形横断面をもつ。

好適実施例では、冷却手段は流体チャンネルと十字交差している。これらは電気機械を円形に又は螺旋状に取り囲むか、又は単数又は複数の電気機械の回転軸と実質上同軸に又はキャリヤの中心軸と実質上同軸に夫々延びている。

冷却手段は、その製造中に、早期にキャリヤ内に統合されることができる。このことは、比較的容易であり、例えば、キャリヤは圧力ダイカスト（アルミニウム）材料から作られる、というのは。その流体チャンネルをもつ冷却手段は簡単な手法でキャリヤの壁に形成することができるからである。１実施例では、冷却手段は少なくとも１つの開口をその外壁にもち、その開口は流体チャンネルの少なくとも１つまで延び、かつその開口内へ、電子制御回路のモジュールの１つに配置された冷却素子が突き出ている。これらの冷却素子は、例えば、リブ、ウエブ又はピンの形に設計することができる。

電気機械と電子制御回路のモジュールの両方からの熱放散を改善するために、流体チャンネル内へ突き出る冷却素子は、それらが流体チャンネル内を流れる流体に乱流を生ぜしめるように設計される。このことは、例えば、流体流に対して横に配置された衝撃ブレード、お互いの方に向けられた又はお互いから離れる向きに向けられた案内羽根等によって成し遂げられる。

良好な電気絶縁と、電子制御回路のモジュール内に配列された電力半導体（MOSFETs、IGBTs、Schottky diodes、etc.）の良好な熱結合とを同時に達成するために、流体チャンネル及び/又はモジュールのカバー内へ突き出る冷却素子は非鉄金属から、特に銅又はアルミニウムを含む材料から、又はセラミック材料から、好適には、アルミナ、窒化アルミニウム及び/又は炭化珪素を含む材料から作られる。

モジュール内に置かれる電子制御回路の成分を、できるだけ短い距離にわたって固定子及び/又は回転子コイルと接続するために、実質上径方向に向いたケーブルがキャリヤ内に配置され、そのケーブルは固定子及び/又は回転子コイルから電子制御回路の夫々のモジュールまで延びている。

更に、ケーブルはキャリヤ内に又はキャリヤに配置され、上記ケーブルは実質上周囲に沿う向きに向けられ、そして電子制御回路の夫々のモジュールを互いに接続する。このことは、一方では、制御信号のそして他方では、要求される電力の、モジュールへの（モータ動作において）又は個々のモジュールからのピックオフへの（発電機動作において）配電を可能にする。

キャリヤはまた、特に自動変速機又は駆動列内の他の液圧作動式組立体のために、液圧マニホルドプレートをその内壁に及び/又はその外壁に収容することができる。
本発明の他の利点及び発展は特許請求の範囲の従属請求項から、及び原則的に図面を参照してなされた以下に記載した実施例から、明らかになるだろう。

（現在好適な実施例の詳細な説明）
図１，２は駆動列１をもつ自動車両用のハイブリッド駆動装置の概略を示し、この駆動列は第１電気機械４と第２電気機械６を含み、この第２電気機械は、燃焼機関２と自動変速機の形をなす多ギヤ型車両変速機３間で、直接かつ永久的に変速機入力軸５と連結している。各々がモータとしてかつ発電機として作動し得る電気機械４および６と、燃焼機関２との間に、シフト可能のクラッチ７又は８が夫々配置されている。

図１に示す実施例では、第１のシフト可能のクラッチ７と第１の電気機械４は並列した側部列９内に配置されており、この側部列は燃焼機関２と第２のシフト可能のクラッチ８間で駆動列１から分岐しており、かつ並列したハイブリッド駆動装置を形成している。それ故、第１電気機械４は第１クラッチ７によって燃焼機関２から又はこの燃焼機関と、そして第２クラッチ８によって第２電気機械６から又はこの電気機械と、夫々離脱又は掛合させられるようになっている。

直列ハイブリッド駆動装置を示す図２の実施例では、第１のシフト可能のクラッチ７と、第２のシフト可能のクラッチ８及び第２の電気機械６に伴われている第１の電気機械４が、燃焼機関２から下流側へ車両変速機３に向かって、駆動列１内に直列に配置されている。

両引用例では、電気機械４は燃焼機関２を始動するよう準備されている。その目的で、第１クラッチ７は閉鎖させられるか又はスリップする。しかし原則として始動機の機能は２つの電気機械４と６によって成し遂げられることができる。

第２電気機械６は主に、燃焼機関２が離脱させられた状態で電気始動するために役立つ。しかし始動はまた、第２電気機械６とこれと連結された運転燃焼機関２とを用いても可能である。この場合、第２クラッチ８はスリップ状態にシフトされる。

２つの図示した実施例では、第１電気機械４は自動変速機３の液圧ポンプ１０と直接連結される。液圧ポンプ１０は第１のシフト可能のクラッチ７と第１の電気機械４の間に配置される。それは第１の電気機械４によって電気駆動されるか、又は閉鎖された第１クラッチ７によって燃焼機関2によって機械的に駆動される。

図１、２から分かるように、電気機械４，６は、電力作動制御器１１を介してお互いに、そして再充電可能のバッテリーの形をなす電気エネルギー源１２と電気接続されている。

第１の電気機械４はバッテリー１２からの電流で、又は電力作動制御器１１を経て第２電気機械９からの電流で作動することができる。後者の場合、第２の電気機械６は発電機として作動し、第２クラッチ８は開放状態に又はスリップ状態にシフトされる。

別法として、第１電気機械４はまた、発電機として作動されることができ、その際第２クラッチ８は閉鎖状態に又はスリップ状態にシフトされる。
駆動列１を回転の不規則性から保護するためのねじり振動ダンパ１３が燃焼機関２の出力軸と第１クラッチ７間に配置される。

図３は２つの電気機械４，６が実質上円錐形の管状形状を有している共通のハウジング２０内に配置される仕方を示す。丸い横断面をもつアルミニウムの圧力ダイカスト管がキャリヤ２２としてハウジング２０内に挿入され、その内壁２４は円形横断面をもち、その外壁２６は多角形横断面をもつ。その正面（図３の右側）の端に、キャリヤ２２は径方向内方に延びる支持フランジ２８をもち、このフランジは軸３２に対して軸受３０を介してもたれ掛かっている。キャリヤ２２の正面端で外壁上に、第１電気機械４の指示された固定子巻線３４aをもつ固定子３４が、回転しないよう固定配置されている。また、指示された回転子巻線３８aをもつ回転子３８は、空気間隙３７によって分離されていて、第１電気機械４の固定子３４の回りを回転する。第１クラッチ７への回転子３８の出力側はここでは詳述していない。

正面端から離れる方へ向いた第１電気機械４の側で、別の｛第２の）支持フランジ４０がキャリヤ２２の外壁から径方向外方へ延びており、このフランジはハウジング２０の内壁に固定されている。キャリヤ２２の後端には、第３の支持フランジ４２が形成されており、このフランジはハウジング２０の内壁まで径方向外方へ延びていて、その上に固定されている。

第２電気機械６は、キャリヤ２２の内壁２４に、事実上その全長に亘って収容されている。指示された固定子巻線４４aをもつ第２電気機械６の固定子４４はキャリヤ２２の内壁２４に回転しないよう固定取付けされている。指示された回転子巻線４８aをもつ回転子４８もまた、間隙４６によって分離されていて、第２電気機械６の固定子４４の回りを回転する。第２クラッチ８への回転子４８の出力側はここでは示されていない。

周囲に沿って分配された数個のモジュール３６を有する電子制御回路は第２と第３の支持フランジ４０、４２間においてキャリヤ２２の外壁２６に配置されている。電気機械の固定子巻線３４a、４４aはケーブル５８を経て電子制御回路のモジュール３６と接続されている。

冷却チャンネル５２はキャリヤ２２内に形成され、この中を水又は油が循環しており、その水又は油が電気機械２，４から、特にそれらの固定子３４と詳細に図示していない熱交換器内のモジュールとから、周囲へ熱エネルギーを放散させる。

図３に示す実施例では、冷却チャンネル５２は実質上同心状に又は螺旋状に経路を定められ、そしてキャリヤ２２の外壁２６に向かって閉鎖されている。電子制御回路のモジュール３６とキャリヤ２２間の熱結合は、モジュール３６の電気絶縁されたしかし熱伝導性の平らな底板３６aによってもたらされる。

図４の形態では、キャリヤ２２は平らな面積部分をもつその多角形外壁２６内に数個の開口５４をもち、それを通して電子制御回路のモジュール３６の冷却素子５８が突き出ている。電子制御回路のモジュール３６からの及び電気機械４，６からの熱放散を増すために、冷却素子５８は、それらが冷却チャンネル３２内を流れる水又は油に乱流を生ぜしめるように、設計されている。

ついでながら、図３，４の実施例は、図４ではキャリヤ２２の外壁に、外部回転子モータとしての１つの電気機械と電子制御回路とが配置されており、一方、キャリヤ２２の内壁には内部回転子モータとしての他方の電気機械が配置されている点で、互いに異なっている。しかし、図４では、電子制御回路のみがキャリヤの外壁に配置されており、そして２つの電気機械がキャリヤの内壁に内部回転子モータとして配置されている。また、図４はまた、キャリヤ２２の内壁２６にある２つの電気機械の間の（又は夫々の機械の外面の１つにもある）液圧マニホルドプレート７０が、径方向内方へ延びる仕方を示している。それ故液圧マニホルドプレート７０は、必要ならば、径方向内方に延びる第１の支持フランジ２８の機能をもつことができる。

電子制御回路のモジュール３６は利用可能のスペースに実質上適合する形状をもち、かつ電力半導体３６bを含む電子機器を含む。熱損失を生じる電力半導体３６bは冷却素子５８と熱結合される。

モジュール３６の底プレート３６aと、冷却素子５８は銅又はアルミニウムを含む材料から、アルミナ、窒化アルミニウム又は炭化珪素から作られる。

最後に、図面は本発明を原則的に図示しかつ説明するためのみに役立つものであり、本発明の実施例の実際の寸法と比率は図面のものとは異なっていることには注目すべきである。

自動車両用の並列ハイブリッド駆動装置の概略図である。 自動車両用の直列ハイブリッド駆動装置の概略図である。 第１実施例の発明によるハイブリッド駆動装置の縦断面図で示された概略部分図である。 第２実施例の発明によるハイブリッド駆動装置の縦断面図で示された概略部分図である。

Claims (17)

1. 駆動列（１）を有する自動車両用のハイブリッド駆動装置であって、
   ‐ 燃焼機関（２）および可変ギヤ比をもつ車両変速機（３）と、
   ‐ モータとして及び発電機としての両用途で作動可能の第１と第２の電気機械（４，６）であって、その各々が固定子（３４，４４）と回転子（３８，４８）を含んでいる第１と第２の電気機械と、
   ‐ 第２の電気機械（６）が車両変速機の入力部（５）と永久的非確実連結をなしていることと、
   ‐ シフト可能のクラッチ（７，８）の各々が電気機械（４，６）と 燃焼機関（２）の駆動軸との間に配置されていることと、
   ‐ 電気機械（４，６）がお互いに接続され及び/又は電力作動制御器（１１）を介して電気エネルギー源（１２）と接続されることと、
   を含むことを特徴とするハイブリッド駆動装置において、
   ‐ ２つの電気機械（４，６）が共通のハウジング（２０）内に配置されること、及び
   ‐ 電気機械（４，６）の固定子（３４，４４）のうちの１方が電力作動制御器（１１）及び/又は他方の回転子（４４）と一緒に、共通のキャリヤ（２２）に収容されること、
   を特徴とするハイブリッド駆動装置。
2. 共通のキャリヤ（２２）は固定子（３４、４４）又は電力作動制御器（１１）を冷却するための冷却手段（５２）を夫々含むことを特徴とする請求項１に記載の自動車両用のハイブリッド駆動装置。
3. キャリヤ（２２）は、実質上中空の円筒形部分をもち、一方の固定子はその内壁（２４）にそして他方の固定子はその外壁（２６）に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の自動車両用のハイブリッド駆動装置。
4. 両固定子は共通のキャリヤ（２２）の内壁又は外壁の何れかに配置されていることを特徴とす請求項１乃至３の何れか１項に記載の自動車両用のハイブリッド駆動装置。
5. キャリヤ（２２）の中空の円筒形部分は実質上円形又は多角形のリング形状の横断面をもつことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の自動車両用のハイブリッド駆動装置。
6. キャリヤ（２２）はその内壁（２４）及び/又はその外壁（２６）に液圧マニホルドプレート（７０）を収容していることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の自動車両用のハイブリッド駆動装置。
7. 第１のシフト可能のクラッチ（７）と第１の電気機械（４）および第２のシフト可能のクラッチ（８）と第２の電気機械（６）は燃焼機関（２）と車両変速機（３）の間の駆動列（１）内に直列に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の自動車両用のハイブリッド駆動装置。
8. 第１のシフト可能クラッチ（７）と第１の電気機械（４）は並列の側部列（９）内に配置され、上記側部列は燃焼機関（２）と第２のシフト可能クラッチ（８）間で駆動列（１）から分岐していて、第１の電気機械（４）が第１クラッチ（７）によって燃焼機関（２）からそして第２の電気機械（６）が第２クラッチ（８）によって離脱させられるようになっていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の自動車両用のハイブリッド駆動装置。
9. 第１の電気機械（４）が車両変速機（３）の液圧ポンプ（１０）と連結されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の自動車両用のハイブリッド駆動装置。
10. 第１の電気機械（４）は自動車両の１つ又は数個の補助ユニットと、自動車両を駆動するために連結されることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の自動車両用のハイブリッド駆動装置。
11. 第２の電気機械（６）は第１の電気機械（４）より高い電力消費／出力をもつことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の自動車両用のハイブリッド駆動装置。
12. 車両変速機は自動変速機（３）であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の自動車両用のハイブリッド駆動装置。
13. 電力作動制御器（１１）が数個のモジュール（３６）に分割され、その各々は少なくとも１つの固定子及び/又は回転子コイル（２２、２４）と電気接続され、上記モジュール（３６）は電気機械の周囲に分配配置されそしてキャリヤ（２２）の冷却手段と熱伝導方式で連結されていることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の自動車両用のハイブリッド駆動装置。
14. 電力作動制御器（１１）のモジュール（３６）は冷却手段の外側に径方向に配置されていることを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の自動車両用のハイブリッド駆動装置。
15. 冷却手段はキャリヤ（２２）と十字状に交差する流体チャンネル（３２）によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載の自動車両用のハイブリッド駆動装置。
16. キャリヤ（２２）は少なくとも１つの流体チャンネル（５２）へ通じる少なくとも１つの開口（５４）を含み、上記開口内へ冷却素子（５８）が突き出しており、上記冷却素子は電子制御回路のモジュールの１つに配置されていることを特徴とする請求項１乃至１５の何れか１項に記載の自動車両用のハイブリッド駆動装置。
17. 流体チャンネル（５２）及び/又は流体チャンネル（５２）の壁内へ突き出している冷却素子（５８）は、それらが流体チャンネル（５２）内を流れる流体に乱流を生ぜしめるように設計されていることを特徴とする請求項１から１６の何れか１項に記載の自動車両用のハイブリッド駆動装置。

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