JP2008195320A - 動力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動力循環の発生頻度を低減して動力伝達効率の向上を図るとともに、モータの小型軽量化を図った動力制御装置を提供する。
【解決手段】エンジン動力を発電機ＭＧ１とモータＭＧ２とに分配する第１差動機構１０と、発電機ＭＧ１の回転軸の動力とモータＭＧ２の回転軸の動力とを駆動軸に伝達する第２差動機構２０と、当該係合、解放を切り換えるクラッチＣ１と、を備える。そして、ハイブリッドＥＣＵ４０は、高速運転時にはクラッチＣ１を係合させて、発電機ＭＧ１およびモータＭＧ２の両方の回転軸からエンジン動力を駆動軸２に伝達させるように第２差動機構２０を機能させる高速駆動モードと、低速運転時にクラッチＣ１を解放させて、モータＭＧ２の回転数を減速して駆動軸２に伝達する減速機として第２差動機構２０を機能させる低速駆動モードと、に切り換える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの動力を駆動軸に速度比を変えて伝達するとともに電力変換によるトルク増幅を行う動力制御装置に関する。

従来、この種の動力制御装置は特許文献１〜３等に開示されており、以下、図１３に示す従来装置の構造を説明する。
この従来装置は、発電機ＭＧ１、モータＭＧ２および差動機構１０を備えている。発電機ＭＧ１は、エンジン１の動力により発電するとともにモータとしても作動可能なモータジェネレータである。モータＭＧ２は、駆動軸２に動力を出力してエンジン１の動力をアシストするとともに発電機としても作動可能なモータジェネレータである。そして、エンジン１の動力は、差動機構１０により発電機ＭＧ１の回転軸とモータＭＧ２の回転軸とに分配される。

特開２０００−３４６１８７号公報 特許第３２２０１１５号公報 特開２００５−１７０２２７号公報

しかしながら、上記従来構造では、特許文献１の明細書段落〔０００４〕〜〔０００７〕にも記載されている「動力循環」の問題を抱えている。
すなわち、モータＭＧ２によりエンジン１の動力をアシストするアシスト運転時には、本来であれば、発電機ＭＧ１は発電機として作動して、その回生により得られた電力をモータＭＧ２に供給するとともに、モータＭＧ２はモータとして作動する。しかし、駆動軸２の回転数がエンジン回転数よりも高速となる高速域になると、モータＭＧ２は発電機として回生作動させ、発電機ＭＧ１はモータとして作動させなければならない。その結果、発電機ＭＧ１のモータ作動により出力された機械的な回転出力の一部は、モータＭＧ２の回生作動により電力に変換され、その変換された電力は発電機ＭＧ１に戻され、再び発電機ＭＧ１のモータ作動により回転出力に変換される、といった動力循環が生じてしまう。
そして、このような動力循環が生じると、動力伝達効率が悪化し、ひいてはエンジンの燃費低下を招いてしまう。

また、特許文献１〜３等には、動力伝達効率を向上させる点についての記載はあるものの、モータＭＧ２を小型軽量化させる点については記載されておらず、モータＭＧ２自体の単体構造を改良して小型軽量化させるには限界がある。
そこで、本発明の目的は、動力循環の発生頻度を低減して動力伝達効率の向上を図るとともに、モータの小型軽量化を図った動力制御装置を提供することにある。

請求項１記載の発明では、エンジンの動力の一部により発電するとともにモータとしても作動可能な発電機（ＭＧ１）と、エンジンの動力に付勢するとともに発電機としても作動可能なモータ（ＭＧ２）と、エンジンの動力を発電機（ＭＧ１）の回転軸とモータ（ＭＧ２）の回転軸とに分配する第１差動機構（１０）と、発電機（ＭＧ１）の回転軸の動力とモータ（ＭＧ２）の回転軸の動力とを前記駆動軸に伝達する第２差動機構（２０）と、第２差動機構と発電機（ＭＧ１）の回転軸との係合、解放を切り換える第１クラッチ（Ｃ１）と、第１クラッチの作動を制御する制御手段と、を備える。そして、制御手段は、駆動軸が高速回転する高速運転時に、第１クラッチを係合させて、発電機（ＭＧ１）の回転軸およびモータ（ＭＧ２）の回転軸の両方からエンジンの動力を駆動軸に伝達させるように第２差動機構を機能させる高速域モードと、駆動軸が低速回転する低速運転時に、第１クラッチを解放させて、モータ（ＭＧ２）の回転出力を減速して駆動軸に伝達する減速機として第２差動機構を機能させる低速域モードと、に切り換える。

これによれば、高速運転時には、第１クラッチを係合させるためモータ（ＭＧ２）および発電機（ＭＧ１）の両方から機械的な回転出力が駆動軸に伝達される。すると、上述した動力循環がより高速域まで回避できることになるので、動力循環の発生頻度を低減して動力伝達効率の向上を図ることができる。
また、低速運転時には、第１クラッチを解放させるため第２差動機構がモータ（ＭＧ２）の減速機として機能することとなる。よって、低速運転時におけるモータ（ＭＧ２）の要求トルクを低減できるので、モータ（ＭＧ２）の小型軽量化を図ることができる。また、第１クラッチを解放させることは低速域での動力伝達効率悪化を抑制する効果もある。

請求項２記載の発明では、第２差動機構は第１遊星歯車機構であり、第１遊星歯車機構のサンギヤ、リングギヤおよびプラネタリキャリアのいずれかに対して係止、解放を切り換える第１ブレーキ（Ｂ１）を備え、制御手段は、高速域モード時に第１ブレーキを解放させ、低速域モード時に第１ブレーキを係止させる。
そのため、制御手段により高速域モードと低速域モードとに切り換えることを容易に実現できる。

請求項３記載の発明では、第２差動機構の回転出力を変速して駆動軸に伝達するとともに、複数の異なる変速比に切り換え可能な変速機構を備え、制御手段は、変速機構の変速比を切り換え制御する。
そのため、低速域モード時に変速機構の変速比を切り換え制御すれば、低速域モード時におけるエンジンおよびモータ（ＭＧ２）のトルクを２段階に切り換えることができるので、モータ（ＭＧ２）を小型化することができる。
また、高速域モード時に変速機構の変速比を切り換え制御すれば、モータおよび発電機の両方から動力を駆動軸に伝達させるにあたり、最大効率点を複数つくり、その一つを高速側に設定することにより、動力循環の発生頻度低減をより高速域まで実現でき、より一層の動力伝達効率向上を図ることができる。

請求項４記載の発明では、変速機構は、サンギヤ、リングギヤおよびプラネタリキャリアを有する第２遊星歯車機構であり、第２遊星歯車機構のサンギヤ、リングギヤおよびプラネタリキャリアのいずれかと駆動軸との係合、解放を切り換える第２クラッチ（Ｃ２）と、第２遊星歯車機構のサンギヤ、リングギヤおよびプラネタリキャリアのいずれかに対して係止、解放を切り換える第２ブレーキ（Ｂ２）と、を備え、制御手段は、第２クラッチおよび第２ブレーキの作動を切り換えることにより変速機構の変速比を切り換え制御する。
そのため、低速域モード時にエンジンおよびモータ（ＭＧ２）のトルクを２段階に切り換える制御、および高速域モード時にモータおよび発電機の両方から駆動軸に動力伝達させることにより、最大効率点を複数つくる制御を、容易に実現できる。また、最大効率点をさらに高速側に設定できるため、より高速域まで動力伝達効率を向上することができる。

ここで、図１３に示す従来の動力制御装置では、空調装置のコンプレッサ等の補機をアイドルストップ時に駆動させるにあたり、単純に発電機（ＭＧ１）をモータ作動させて補機を駆動させようとすると、発電機（ＭＧ１）の回転動力が第１差動機構（１０）を介して駆動軸（２）に伝達されてしまうため、アイドルストップ時の補機駆動として成立しない。因みに、補機専用のモータを設けて補機を駆動させようとすると、発電機（ＭＧ１）とは別に補機専用モータが必要となるため、動力制御装置の大型化を招く。
これに対し、請求項５記載の発明では、制御手段は、高速域モードと、低速域モードと、エンジンの停止時に、発電機（ＭＧ１）またはモータ（ＭＧ２）をモータとして作動させるとともに駆動軸に動力が出力されないように第１遊星歯車機構または第２遊星歯車機構を機能させるアイドルストップ補機駆動モードと、に切り換える。
これによれば、駆動軸に動力が出力されないように第１遊星歯車機構または第２遊星歯車機構を機能させるので、発電機（ＭＧ１）またはモータ（ＭＧ２）をモータ作動させて補機を駆動させるとともに、その回転動力が第１遊星歯車機構または第２遊星歯車機構を介して駆動軸に伝達されてしまうことを回避できる。よって、アイドルストップ時に発電機（ＭＧ１）またはモータ（ＭＧ２）をモータ作動させて補機を駆動させることを実現でき、補機専用のモータを不要にできる。

請求項６記載の発明では、第１差動機構のキャリア軸トルクのサンギヤへのトルク分配比α１が０．１〜０．２に設定されている。そのため、エンジントルクの発電機（ＭＧ１）の分配比が従来の約０．２８よりも低減される。したがって、発電機（ＭＧ１）を小型化することができる。

請求項７記載の発明では、第１遊星歯車機構のキャリア軸トルクのリングギヤへのトルク分配比α２は、第１差動機構のキャリア軸トルクのリングギヤへのトルク分配比α１（０．８〜０．９）よりわずかに小さい値（０．６５〜０．７５）に設定されている。そのため、高速域モードおいてエンジン動力に対し、第１差動機構および第２差動機構による発電機（ＭＧ１）およびモータ（ＭＧ２）のトルクの増幅が達成される（例えば図５の式２４参照）。したがって、エンジン動力に対するＭＧ１、ＭＧ２の出力比率が低減され、エンジン高出力領域でも動力伝達効率を高めることができる。

請求項８記載の発明では、第１遊星歯車機構、第２遊星歯車機構の低速モードにおける減速比（１／α２／α３）が２〜３に設定されている。そのため、モータ（ＭＧ２）のトルクが減速比に対応して増幅される。したがって、モータ（ＭＧ２）を小型化することができる。

請求項９記載の発明では、発電機（ＭＧ１）の回転数が零となる第１の最大効率点における速度比が０．４〜０．７に設定されている。そのため、第１の最大効率点より速度比が小さい低速域の動力伝達効率が向上する。また、モータ（ＭＧ２）の回転数が零となる第２の最大効率点における速度比が従来（１．３９）より高い１．５〜２に設定されているので、速度比が第１の最大効率点より大きい高速域において、より高速まで動力伝達効率が向上する。

請求項１０記載の発明では、発電機（ＭＧ１）の回転数が零となる第１の最大効率点および第２の最大効率点における速度比がそれぞれ０．３〜０．６および０．７〜０．９に設定され、モータ（ＭＧ２）の回転数が零となる第３の最大効率点および第４の最大効率点における速度比がそれぞれ１〜１．３および１．５〜２に設定されている。そのため、４つの最大効率点に近いモードに順次切り換えることにより、低速域から高速域の広範囲で動力伝達効率が向上する。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る動力制御装置を図１〜図５を用いて以下に説明する。本第１実施形態に係る動力制御装置はハイブリッド自動車に適用されたものであり、図１は、ハイブリッド自動車の構成の概略を示すブロック図である。
当該ハイブリッド自動車は、エンジン１と、エンジン１の出力軸としてのクランクシャフトに接続された第１差動機構１０と、第１差動機構１０に接続された発電機ＭＧ１およびモータＭＧ２と、発電機ＭＧ１の回転軸の動力とモータＭＧ２の回転軸の動力とを駆動軸２に伝達する第２差動機構２０と、車両の駆動系全体をコントロールする制御手段としてのハイブリッド用電子制御ユニット（以下、ハイブリッドＥＣＵという）４０と、を備える。

なお、発電機ＭＧ１は、エンジン１の動力により発電するとともにモータとしても作動可能なモータジェネレータであり、モータＭＧ２は、エンジン１の動力に付勢するするとともに発電機としても作動可能なモータジェネレータである。
また、特許請求の範囲に記載の「制御手段」はハイブリッドＥＣＵ４０に相当し、特許請求の範囲に記載の「動力制御装置」は、第１差動機構１０、第２差動機構２０、発電機ＭＧ１、モータＭＧ２、およびハイブリッドＥＣＵ４０等を備えて構成されている。

エンジン１は、例えばガソリンまたは軽油などの炭化水素系の燃料により動力を出力するエンジンであり、エンジン１の運転状態を検出する各種センサから信号を入力するエンジン用電子制御ユニット（以下、エンジンＥＣＵという）４１により燃料噴射制御や点火制御、吸入空気量調節制御などの運転制御を行う。エンジンＥＣＵ４１は、ハイブリッドＥＣＵ４０と通信しており、ハイブリッドＥＣＵ４０からの制御信号によりエンジン１を運転制御すると共に必要に応じてエンジン１の運転状態に関するデータをハイブリッドＥＣＵ４０に出力する。

第１差動機構１０は、外歯歯車のサンギヤ１２と、このサンギヤ１２と同心円上に配置された内歯歯車のリングギヤ１３と、サンギヤ１２に噛合すると共にリングギヤ１３に噛合する複数のピニオンギヤ（図示せず）と、複数のピニオンギヤを自転かつ公転自在に保持するキャリア１１とを備え、サンギヤ１２とリングギヤ１３とキャリア１１とを回転要素として差動作用を行なう遊星歯車機構として構成されている。
そして、キャリア１１にはエンジン１のクランクシャフトが、サンギヤ１２には発電機ＭＧ１の回転軸が、リングギヤ１３にはモータＭＧ２の回転軸がそれぞれ連結されている。

第２差動機構２０は、外歯歯車のサンギヤ２２と、このサンギヤ２２と同心円上に配置された内歯歯車のリングギヤ２３と、サンギヤ２２に噛合すると共にリングギヤ２３に噛合する複数のピニオンギヤ（図示せず）と、複数のピニオンギヤを自転かつ公転自在に保持するキャリア２１とを備え、サンギヤ２２とリングギヤ２３とキャリア２１とを回転要素として差動作用を行なう遊星歯車機構（特許請求の範囲に記載の第１遊星歯車機構に相当）として構成されている。
そして、キャリア２１には動力制御装置の出力軸としての駆動軸２が、サンギヤ２２には発電機ＭＧ１の回転軸が、リングギヤ２３にはモータＭＧ２の回転軸がそれぞれ連結されている。

また、発電機ＭＧ１の回転軸とサンギヤ２２との間にはクラッチＣ１（特許請求の範囲に記載の第１クラッチに相当）が設けられており、発電機ＭＧ１の回転軸とサンギヤ２２との係合、解放はクラッチＣ１により切り換えられる。また、サンギヤ２２は、ブレーキＢ１（特許請求の範囲に記載の第１ブレーキに相当）の作動により、回転停止する係止状態と回転可能な解放状態とに切り換えられる。これらのクラッチＣ１およびブレーキＢ１の作動はハイブリッドＥＣＵ４０により制御される。

発電機ＭＧ１およびモータＭＧ２は、共にモータジェネレータとして構成されており、インバータ３１、３２を介してバッテリ３３と電力のやりとりを行なう。インバータ３１、３２とバッテリ３３とを接続する電力ラインは、各インバータ３１、３２が共用する正極母線および負極母線として構成されており、発電機ＭＧ１およびモータＭＧ２の一方で発電される電力を他方で消費することができるようになっている。したがって、バッテリ３３は、発電機ＭＧ１およびモータＭＧ２から生じた電力や不足する電力により充放電されることになる。

発電機ＭＧ１およびモータＭＧ２は、共にモータ用電子制御ユニット（以下、モータＥＣＵという）４２により駆動制御されている。モータＥＣＵ４２には、発電機ＭＧ１およびモータＭＧ２を駆動制御するために必要な信号、例えば発電機ＭＧ１およびモータＭＧ２の回転子の回転位置信号や発電機ＭＧ１およびモータＭＧ２に印加される相電流信号などが入力される。また、モータＥＣＵ４２からは、インバータ３１、３２へのスイッチング制御信号が出力されている。
モータＥＣＵ４２は、ハイブリッドＥＣＵ４０と通信しており、ハイブリッドＥＣＵ４０からの制御信号によって発電機ＭＧ１およびモータＭＧ２を駆動制御すると共に、必要に応じて発電機ＭＧ１およびモータＭＧ２の運転状態に関するデータをハイブリッドＥＣＵ４０に出力する。

バッテリ３３は、バッテリ用電子制御ユニット（以下、バッテリＥＣＵという）４３によって管理されている。バッテリＥＣＵ４３には、バッテリ３３を管理するのに必要な信号、例えば、バッテリ３３の端子間に設置された図示しない電圧センサからの端子間電圧、バッテリ３３の出力端子に接続された電力ラインに取り付けられた図示しない電流センサからの充放電電流、バッテリ３３に取り付けられた図示しない温度センサからの電池温度などが入力されており、必要に応じてバッテリ３３の状態に関するデータを通信によりハイブリッドＥＣＵ４０に出力する。

ハイブリッドＥＣＵ４０は、マイクロプロセッサとして構成されており、図示しないＣＰＵ、処理プログラムを記憶するＲＯＭ、データを一時的に記憶するＲＡＭ、入出力ポートおよび通信ポート等を備える。
ハイブリッドＥＣＵ４０には、イグニッションスイッチからのイグニッション信号、シフトレバーの操作位置を示すシフトポジション信号、アクセルペダルの踏み込み量を示すアクセル開度信号、ブレーキペダルの踏み込み量を示すブレーキペダルポジション信号、車速センサからの車速信号などが入力ポートを介して入力されている。また、ハイブリッドＥＣＵ４０からは、クラッチＣ１およびブレーキＢ１等への駆動信号が出力ポートを介して出力されている。

上記構成によるハイブリッド自動車は、アクセル開度信号と車速信号とに基づいて駆動軸２に出力すべきトルクＴｑを計算し、このトルクＴｑに対応するパワーＰｗが駆動軸２に出力されるように、エンジン１、発電機ＭＧ１およびモータＭＧ２が運転制御されるとともに、クラッチＣ１およびブレーキＢ１の作動が制御される。
そして、当該ハイブリッド自動車は、ハイブリッドＥＣＵ４０の制御により、発進／中低速走行モード、通常走行モード、急加速モード、減速／制動モードおよびバッテリ充電モードに切り換えられる。

以下、各モードによる作動の概略を簡単に説明する。なお、通常走行モードおよび急加速モードにおけるクラッチＣ１およびブレーキＢ１の作動については、後に詳述する。
発進／中低速走行モードでは、発進時や中低速までの定常走行などエンジン効率の悪い領域において、エンジン１を停止させてモータＭＧ２のみで走行させる。

通常走行モードでは、エンジン１の動力を第１差動機構１０により発電機ＭＧ１とモータＭＧ２とに分配する。発電機ＭＧ１に分配された動力は、発電機ＭＧ１による回生により電力に変換され、その電力はモータＭＧ２に供給され、当該供給された電力によりモータＭＧ２を駆動する。一方、モータＭＧ２に分配された動力は、モータＭＧ２の回転軸および第２差動機構２０を介して駆動軸２に伝達される。

急加速モードでは、通常走行モードと同様にして、エンジン１の動力を第１差動機構１０により発電機ＭＧ１とモータＭＧ２とに分配する。また、通常走行モードではモータＭＧ２への電力供給を発電機ＭＧ１からのみとしているのに対し、当該急加速モードでは、発電機ＭＧ１からの電力供給に加え、バッテリ３３からもモータＭＧ２に電力供給している。

減速／制動モードでは、車輪と路面との間の摩擦により発生する回転力により、駆動軸２を回転させるとともにモータＭＧ２の回転軸を回転させ、モータＭＧ２を発電機として作動させて回生する。このように、モータＭＧ２を回生ブレーキとして作用させることにより自動車の運動エネルギーの一部を電力に変換し、当該電力によりバッテリ３３を充電する。

バッテリ充電モードでは、バッテリ３３が一定の充電状態を維持するように制御される。バッテリ３３の充電量が少なくなれば、エンジン１を始動させて発電機ＭＧ１を駆動させて充電を開始する。
なお、自動車の走行を停止させた停車時にはエンジン１を自動的に停止させる、所謂アイドルストップ運転を行う。また、エンジン１の始動時には、発電機ＭＧ１をモータ作動させてスタータモータとして機能させるようにしてもよい。

次に、通常走行モードおよび急加速モードにおける第２差動機構２０の作用について、図２〜図５を用いて以下に説明する。
ハイブリッドＥＣＵ４０は、図２に示すようにクラッチＣ１およびブレーキＢ１の作動を制御して、駆動軸２が低速回転する低速域モード(1)と、駆動軸２が高速回転する高速域モード(2)とに切り換える。駆動軸２の回転数ωｏとエンジン１のクランク軸の回転数ωｅとの比ωｏ／ωｅを速度比Ｘと呼び、当該速度比Ｘが所定値Ｘａ（図３参照）より大きくなったときを上記高速域モードとし、所定値Ｘａ以下になったときを上記低速域モードとして制御している。

低速域モード(1)では、クラッチＣ１を解放（オフ）させるとともにブレーキＢ１を係止（オン）させる。すると、第２差動機構２０は、モータＭＧ２の回転数を減速して駆動軸２に伝達する減速機として機能することとなる。
一方、高速域モード(2)では、クラッチＣ１を係合（オン）させるとともにブレーキＢ１を解放（オフ）させる。すると、第２差動機構２０は、発電機ＭＧ１の回転軸およびモータＭＧ２の回転軸の両方からエンジン１の動力を駆動軸２に伝達させるように機能することとなる。

第１差動機構１０は、キャリア１１から入力されるエンジン１からの動力をサンギヤ１２側とリングギヤ１３側にそのギヤ比に応じて分配する。

第２差動機構２０は、低速域モード(1)のときには、リングギヤ１３から入力されるモータＭＧ２からの動力を減速してキャリア２１から駆動軸２に出力する。一方、高速域モード(2)のときには、リングギヤ１３側に入力されるモータＭＧ２の回転軸からの動力と、サンギヤ１２側に入力される発電機ＭＧ１の回転軸からの動力とをキャリア２１から駆動軸２に出力する。

図３は、速度比ωｏ／ωｅと動力制御装置による動力伝達効率ηとの関係を示すグラフであり、図３中の実線は本第１実施形態による動力伝達効率ηを示し、点線は図１３に示す従来構造による動力伝達効率ηを示す。
図３に示すように動力伝達効率ηは符号Ｐ１、Ｐ２に示す点をピークとし、これらのピーク点Ｐ１、Ｐ２よりも高速域側であるほど動力伝達効率ηは低下する。この現象は、これらの点Ｐ１、Ｐ２より高速域側で動力循環が生じていることを意味する。そして、高速域モード(2)に切り換えられると、動力循環が生じる点がＰ１からＰ２にシフトし、上述した動力循環をより高速域側まで回避することができる。また、図３は機械系の効率ηｍを１００％として近似している（図３の効率に機械効率ηｍを積算した値が実際の効率ηである。）。

以下、このように動力循環が高速域側にシフトする理由等をより具体的に説明する。
図４は低速域モード(1)における共線図であり、低速域モード(1)時における動力制御装置の動力伝達効率ηは、図４中の式(11)〜(16)に基づき図３中の式(1)に示す一次関数で近似できる。また、従来構造による点Ｐ１より低速域側の動力伝達効率ηは、図３中の式(1a)に示す一次関数で近似できる。
図５は高速域モード(2)における共線図であり、高速域モード(2)時における動力制御装置の動力伝達効率ηは、図５中の式(21)〜(25)に基づき図３中の式(2)に示す一次関数で近似できる。また、従来構造による点Ｐ１より高速域側の動力伝達効率ηは、図３中の式(2a)に示す一次関数で近似できる。

ここで、式(1)、(2)、(11)〜(16)、(21)〜(25)中の各変数および定数は以下の如く定義、設定されている。
Ｔｅ、ωｅ：エンジン１のクランクシャフトから出力されるエンジントルク、およびその回転数、
Ｔｇ、ω１：発電機ＭＧ１の出力トルク、およびその回転数
Ｔｒ、ωｒ：リングギヤに伝達されるトルク、およびその回転数
Ｔｍ：モータＭＧ２により出力されるトルク
Ｔｏ：駆動軸２の出力トルク
ηｅ：電力系の動力変換効率であり、発電効率×モータ効率×インバータ効率に相当する。
ｉ＝１：第１差動機構１０、
ｉ＝２：第２差動機構２０、
Ｚｒi(i=1,2)：リングギヤ１３、２３の歯数、
Ｚｓi(i=1,2)：サンギヤ１２、２２の歯数、
αi(i=1,2)：キャリア１１、２１のトルクのリングギヤ１３、２３へのトルク分配比（＝歯数比：Ｚｒi／（Ｚｒi+Ｚｓi)に相当する）、
α３：駆動軸２に設けた図示しない固定ギヤによる速度比（逆数１／α３が減速比に相当）。
また、本第１実施形態では、α１＝０．８４、α２＝０．６６、α３＝０．７７となるように式(16)により歯数比を設定している。

式(1)に示す一次関数によれば、低速域モード(1)時の動力伝達効率ηは、速度比がＸ＝Ｘａ＝α２α３／α１＝０．６で最大値１となることが導き出される。一方、従来構造に係る式(1a)の一次関数によれば、動力伝達効率ηは、Ｘ＝１／α＝１．３９で最大値１となることが導き出される。従って、本第１実施形態によれば、速度比が小さい走行領域で動力伝達効率ηが向上することが導き出される。例えばＸ＝Ｘａ＝０．６の走行領域では動力伝達効率ηは０．８３から１に向上する。この第１の最大効率点（Ｘ＝０．６）は、発電機（ＭＧ１）の回転数が零の状態に対応する。

式(2)に示す関数によれば、高速域モード(2)時の動力伝達効率ηは、速度比がＸ＝Ｘａ＝α２α３／α１＝０．６、及びＸ＝Ｘｂ＝（１−α２）α３／（１−α１）＝１．６３の２点で最大値１となることが導き出される。第２の最大効率点（Ｘ＝１．６３）は、モータ（ＭＧ２）の回転数が零の状態に対応する一方、従来構造に係る式(2a)の一次関数によれば、動力伝達効率ηは、Ｘ＝１／α＝１．３９の１点で最大値１となることが導き出される。従って、本第１実施形態によれば、第１の最大効率点および第２の最大効率点（速度比＝Ｘａ、Ｘｂ）を持つことに起因して、Ｘａ≦Ｘ≦Ｘｂの範囲で高効率（例えばη＞０．９）となり、速度比が大きい走行領域で動力伝達効率ηが向上することが導き出される。例えばＸ＝Ｘｂ＝１．６３の走行領域では動力伝達効率ηは０．９３から１に向上し、Ｘ＝Ｘｂ＝２の走行領域では動力伝達効率ηは０．８１から０．９に向上する。
さらに、第１の最大効率点および第２の最大効率点（速度比＝Ｘａ、Ｘｂ）を持つことに起因して、上述した如く動力循環が生じる点が図３中のＰ１からＰ２にシフトして動力循環を高速域まで回避できることになるので、動力循環の発生頻度を低減して動力伝達効率の向上を図ることができる。

従来構造による駆動軸トルクＴｏは、Ｔｏ＝α１Ｔｅ＋Ｔｍとなるのに対し、本第１実施形態による駆動軸トルクＴｏは、式(13)に示すように減速比１／α２だけトルク増倍できる（駆動軸２に設けた図示しない固定ギヤによる減速比を含めた場合には減速比１／（α２α３）だけトルク増倍できる）。このように、低速域モード(1)では、第２差動機構２０が減速機として機能することにより、駆動軸トルクＴｏを増倍できるので、エンジン１の出力トルクＴｅとモータＭＧ２の出力トルクＴｍとの両方を増倍できる。よって、エンジンおよびモータの双方が最大トルクを必要とする発進、加速、登坂走行等において、減速機として機能する第２差動機構２０を持たない図１３に示す従来構造に対して、モータＭＧ２への要求トルクを低減でき、モータＭＧ２を小型化できる。因みに、例えば上述の如くα２＝０．６６、α３＝０．７７に設定した場合には、モータＭＧ２への要求トルクを約５０%低減できる。

また、本第１実施形態では、発電機ＭＧ１が負担するエンジントルク分配比Ｚｓ1／（Ｚｒ1＋Ｚｓ1）が１０〜２０％（より好ましくは約１６％）となるように、従来構造に比べて歯数比Ｚｓ1／Ｚｒ1を小さく設定している。なお、図１３に示す従来構造に係る分配比は約２８％である。これによれば、発電機ＭＧ１への要求トルクを約４０％低減させることができ、発電機ＭＧ１の小型軽量化を図ることができる。

さらに、本第１実施形態によれば、低速域モード(1)と高速域モード(2)とを切り換える時は、クラッチＣ１により係合／解放される第１差動機構１０および第２差動機構２０について、各々のサンギヤ１２、２２の回転数がシステム的に零に近い状態にある。そのため、両サンギヤ１２、２２の相対回転数も必然的に小さいので、係合状態を低速域モード(1)と高速域モード(2)との間で素早く切替えても係合ショックを小さく出来る。

以下、第２〜第４実施形態をそれぞれ図６〜図１２を用いて説明する。なお、第１実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る動力制御装置を、図６〜図８を用いて以下に説明する。
本第２実施形態では、上記第１実施形態の構成に加え、図６に示すように変速機構５０、クラッチＣ２（特許請求の範囲に記載の第２クラッチに相当）、およびブレーキＢ２（特許請求の範囲に記載の第２ブレーキに相当）を備えている。
変速機構５０は、第２差動機構２０の回転出力を変速して駆動軸２に伝達するとともに、ハイブリッドＥＣＵ４０により制御されて複数の異なる変速比に切り換えて変速するものである。

より具体的に説明すると、変速機構５０は、外歯歯車のサンギヤ５２と、このサンギヤ５２と同心円上に配置された内歯歯車のリングギヤ５３と、サンギヤ５２に噛合すると共にリングギヤ５３に噛合する複数のピニオンギヤ（図示せず）と、複数のピニオンギヤを自転かつ公転自在に保持するキャリア５１とを備え、サンギヤ５２とリングギヤ５３とキャリア５１とを回転要素として差動作用を行なう遊星歯車機構（特許請求の範囲に記載の第２遊星歯車機構に相当）として構成されている。
そして、キャリア５１には動力制御装置の出力軸としての駆動軸２が、サンギヤ５２にはブレーキＢ１が、リングギヤ５３には第２差動機構２０のキャリア２１がそれぞれ連結されている。また、遊星ギヤの歯数比は、α１＝０．８４、α２＝０．７、α３＝０．６となるよう設定されている。ここで、αｉ（ｉ＝１、２、３）は、キャリア１１、２１、５１のトルクのリングギヤ１３、２３、５３へのトルク分配比（＝歯数比：Ｚｒｉ／（Ｚｒｉ＋Ｚｓｉ）に相当する値）である。

また、駆動軸２とサンギヤ５２との間にはクラッチＣ２が設けられており、駆動軸２とサンギヤ５２との係合、解放はクラッチＣ２により切り換えられる。また、サンギヤ５２は、ブレーキＢ２の係止および解放により、回転停止状態と回転可能状態とに切り換えられる。これらのクラッチＣ２およびブレーキＢ２の作動はハイブリッドＥＣＵ４０により制御される。

ハイブリッドＥＣＵ４０は、図７に示すようにクラッチＣ１、Ｃ２およびブレーキＢ１、Ｂ２の作動を制御して、図２と同様の低速域モード(1)と高速域モード(2)とに切り換えることに加え、２段目低速モードＩと２段目高速モードIIとに切り換えることにより、図７に示すように４つのモードに切り換える。
２段目低速モードＩでは、クラッチＣ２を解放（オフ）させるとともにブレーキＢ２を係止（オン）させ、変速機構５０による変速比は、１／α３＝１．６７となる。
一方、２段目高速モードIIでは、クラッチＣ２を係合（オン）させるとともにブレーキＢ２を解放（オフ）させる。すると、変速機構５０による変速比は、１すなわち直結状態となる。
なお、これら４つのモードを切り換えるにあたり、図７に示す順番で１ステップずつ切り換えることに限らず、例えば２段目低速モードＩの高速域モード(2)から２段目高速モードIIの高速域モード(2)に切り換えるようにしてもよい。これによれば、加速要求が小さい場合のモード切換頻度を減らすことができ、変速ショックの低減と動力伝達効率の両立が図られる。

図８は、速度比ωｏ／ωｅと動力制御装置による動力伝達効率ηとの関係を示すグラフであり、図８中の実線は、２段目低速モードＩにおける低速域モード(1)および高速域モード(2)の動力伝達効率ηを示し、一点鎖線は、２段目高速モードIIにおける低速域モード(1)および高速域モード(2)の動力伝達効率ηを示し、点線は、図１３に示す従来構造による動力伝達効率ηを示す。

２段目低速モードＩおよび２段目高速モードIIのいずれの場合であっても、高速域モード(2)に切り換えられると、モータＭＧ２および発電機ＭＧ１の両方の回転軸からの動力が駆動軸２に伝達され、動力循環が生じる点が高速域側に移動する。図８は、２段目高速モードIIにて高速域モード(2)に切り換えると、動力循環が生じる点が従来構造に比べて高速域側にシフトすることを示している。

また、図８は、変速機構５０を追加したことで最大効率点が４つに増えることを表している。各点の速度比は、順にＸ１＝α２α３／α１＝０．５、Ｘ２＝α２／α１＝０．８３、Ｘ３＝（１−α２）α３／（１−α１）＝１．１３、Ｘ４＝（１−α２）／（１−α１）＝１．８８に設定している。ハイブリッドＥＣＵ４０の制御により図７に示す４つのモードを切り換えるにあたり、各々のモードにおける最大効率付近を順次選択して切り換えることで、低速から高速まで広い速度比範囲で動力伝達効率ηが向上する。
つまり、低速域モード(1)において２段目低速モードＩおよび２段目高速モードIIの２つのモードに切り換え制御するため、エンジンおよびモータＭＧ２のトルクを２段階に切り換え、モータ（ＭＧ２）を小型化することができる。
また、高速域モード(2)において２段目低速モードＩおよび２段目高速モードIIの２つのモードに切り換え制御するため、モータＭＧ２および発電機ＭＧ１の両方の動力を駆動軸２に伝達させるにあたり、最大効率点を複数つくり、その一つを高速側（速度比＝１．８８）に設定することにより、動力循環の発生頻度低減をより高速域まで実現でき、より一層の動力伝達効率ηの向上を図ることができる。

また、エンジントルクとモータＭＧ２のトルクの両方に対し、減速機として作動する第２差動機構２０によるトルク増倍効果に、２段目低速モードＩにおける変速機構５０のトルク増倍効果を相乗させることができる。そのため、モータＭＧ２への要求トルクを大幅に低減でき、モータＭＧ２をさらに小型軽量化できる。因みに、例えば上述の如くα２＝０．７、α３＝０．６に設定した場合には、その減速比１／（α２α３）の効果により、モータＭＧ２への要求トルクを約６０%低減できる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る動力制御装置を、図９および図１０を用いて以下に説明する。
本第３実施形態では、上記第１実施形態の構成に加え、図９に示すように補機としてのコンプレッサ６０および電磁クラッチ６１を備えている。コンプレッサ６０は、車両に搭載された空調装置の冷凍サイクルを構成する部品であり、冷媒を吸入、圧縮、吐出するものである。

また、図９に示すように、コンプレッサ６０は、発電機ＭＧ１と第１差動機構１０との連結軸に電磁クラッチ６１を介して連結されている。なお、コンプレッサ６０と連結軸との連結は、回転軸同士を連結させてもよいしベルトを介して連結させてもよい。
発電機ＭＧ１とコンプレッサ６０との連結、遮断は電磁クラッチ６１により切り換えられ、当該電磁クラッチ６１の作動はハイブリッドＥＣＵ４０により制御される。

ハイブリッドＥＣＵ４０は、図１０に示すようにクラッチＣ１、ブレーキＢ１および電磁クラッチ６１の作動を制御して、前述した低速域モード(1)および高速域モード(2)と、アイドルストップ補機駆動モード(3)と、に切り換える。
補機駆動モード(3)は、前述したアイドルストップ運転時にコンプレッサ６０を駆動させるためのモードであり、エンジン１の停止時に、発電機ＭＧ１をモータとして作動させる。そして、補機駆動モード(3)では、クラッチＣ１を解放（オフ）させるとともにブレーキＢ１を解放（オフ）させ、かつ、電磁クラッチ６１を係合（オン）させる。

このようにクラッチＣ１およびブレーキＢ１をオフさせることにより、第２差動機構２０のリングギヤ２３が回転するもののサンギヤ２２が空転することとなるため、モータ作動する発電機ＭＧ１の回転駆動力がキャリア２１から駆動軸２に伝達されることを回避できる。よって、アイドルストップ時に発電機ＭＧ１をモータ作動させてコンプレッサ６０を駆動させることを実現でき、コンプレッサ６０専用のモータを不要にできる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態に係る動力制御装置を、図１１および図１２を用いて以下に説明する。
上記第３実施形態は第１実施形態に補機駆動モード(3)を追加した構成であるのに対し、本第４実施形態は第２実施形態に補機駆動モード(3)を追加した構成であり、上記第２実施形態の構成に加え、図１１に示すように補機としてのコンプレッサ６０、電磁クラッチ６１、プーリ６２、６３およびベルト６４を備えている。そして、当該コンプレッサ６０は、第２差動機構２０と変速機構５０との連結軸に、プーリ６２、６３、ベルト６４および電磁クラッチ６１を介して連結されている。

ハイブリッドＥＣＵ４０は、図１２に示すようにクラッチＣ１、Ｃ２、ブレーキＢ１、Ｂ２および電磁クラッチ６１の作動を制御して、前述した低速域モード(1)、高速域モード(2)、２段目低速モードＩ、２段目高速モードII、およびアイドルストップ補機駆動モード(3)と、に切り換える。
補機駆動モード(3)では、クラッチＣ１、Ｃ２を解放（オフ）させるとともにブレーキＢ２を解放（オフ）させ、かつ、電磁クラッチ６１を係合（オン）させる。また、ブレーキＢ１を係止（オン）することにより、第２差動機構２０をモータＭＧ２の減速機として機能させる。

このようにクラッチＣ１、Ｃ２およびブレーキＢ２をオフさせることにより、変速機構５０のリングギヤ５３が回転するもののサンギヤ５２が空転することとなるため、モータＭＧ２の回転駆動力がキャリア５１から駆動軸２に伝達されることを回避できる。よって、アイドルストップ時にモータＭＧ２を作動させてコンプレッサ６０を駆動させることを実現でき、コンプレッサ６０専用のモータを不要にできる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、第１差動機構１０、第２差動機構２０および変速機構５０に遊星歯車機構を適用しているが、本発明は遊星歯車機構に限定されるものではない。また、上記各実施形態では、サンギヤとリングギヤを１列のピニオンギヤを介して連結する所謂シングルピニオンタイプの遊星歯車機構を採用しているが、例えば、２列のピニオンギヤを介して連結する所謂ダブルピニオンタイプの遊星歯車機構を採用してもよい。
また、上記第３および第４実施形態では、補機としてコンプレッサ６０を適用させているが、ウォータポンプ、オイルポンプ等の補機類を発電機ＭＧ１により駆動させるようにしてもよい。
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能であり、例えば、上記各実施形態の特徴的構造をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係る動力制御装置が搭載された、ハイブリッド自動車の構成の概略を示すブロック図。 第１実施形態に係るクラッチおよびブレーキの作動組み合わせを示す図。 第１実施形態に係る速度比と動力伝達効率との関係を示すグラフ。 第１実施形態に係る低速域モードによる共線図。 第１実施形態に係る高速域モードによる共線図。 本発明の第２実施形態に係る動力制御装置が搭載された、ハイブリッド自動車の構成の概略を示すブロック図。 第２実施形態に係るクラッチおよびブレーキの作動組み合わせを示す図。 第２実施形態に係る速度比と動力伝達効率との関係を示すグラフ。 本発明の第３実施形態に係る動力制御装置が搭載された、ハイブリッド自動車の構成の概略を示すブロック図。 第３実施形態に係るクラッチおよびブレーキの作動組み合わせを示す図。 本発明の第４実施形態に係る動力制御装置が搭載された、ハイブリッド自動車の構成の概略を示すブロック図。 第４実施形態に係るクラッチおよびブレーキの作動組み合わせを示す図。 従来の動力制御装置を示すブロック図。

符号の説明

１：エンジン、２：駆動軸、１０：第１差動機構、２０：第２差動機構、５０：変速機構、６０：コンプレッサ（補機）、６１：電磁クラッチ、Ｂ１：ブレーキ（第１ブレーキ）、Ｂ２：ブレーキ（第２ブレーキ）、Ｃ１：クラッチ（第１クラッチ）、Ｃ２：クラッチ（第２クラッチ）、４０：ハイブリッドＥＣＵ（制御手段）、ＭＧ１：発電機、ＭＧ２：モータ

Claims (10)

1. エンジンの動力を駆動軸に速度比を変えて伝達するとともに電力変換によるトルク増幅を行う動力制御装置であって、
   前記エンジンの動力の一部により発電するとともにモータとしても作動可能な発電機（ＭＧ１）と、
   前記エンジンの動力に付勢するとともに発電機としても作動可能なモータ（ＭＧ２）と、
   前記エンジンの動力を前記発電機（ＭＧ１）の回転軸と前記モータ（ＭＧ２）の回転軸とに分配する第１差動機構（１０）と、
   前記発電機（ＭＧ１）の回転軸の動力と前記モータ（ＭＧ２）の回転軸の動力とを前記駆動軸に伝達する第２差動機構（２０）と、
   前記第２差動機構と前記発電機（ＭＧ１）の回転軸との係合、解放を切り換える第１クラッチ（Ｃ１）と、
   前記第１クラッチの作動を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記駆動軸が高速回転する高速運転時に、前記第１クラッチを係合させて、前記発電機（ＭＧ１）の回転軸および前記モータ（ＭＧ２）の回転軸の両方から前記エンジンの動力を前記駆動軸に伝達させるように前記第２差動機構を機能させる高速域モードと、
   前記駆動軸が低速回転する低速運転時に、前記第１クラッチを解放させて、前記モータ（ＭＧ２）の回転軸を減速して前記駆動軸に動力伝達する減速機として前記第２差動機構を機能させる低速域モードと、
   に切り換えることを特徴とする動力制御装置。
2. 前記第２差動機構は、サンギヤ、リングギヤおよびプラネタリキャリアを有する第１遊星歯車機構であり、
   前記第１遊星歯車機構のサンギヤ、リングギヤおよびプラネタリキャリアのいずれかに対して係止、解放を切り換える第１ブレーキ（Ｂ１）を備え、
   前記制御手段は、前記高速域モード時に前記第１ブレーキを解放させ、前記低速域モード時に前記第１ブレーキを係止させる請求項１記載の動力制御装置。
3. 前記第２差動機構の回転出力を変速して前記駆動軸に伝達するとともに、複数の異なる変速比に切り換え可能な変速機構を備え、
   前記制御手段は、前記変速機構の変速比を切り換え制御する請求項１または２記載の動力制御装置。
4. 前記変速機構は、サンギヤ、リングギヤおよびプラネタリキャリアを有する第２遊星歯車機構であり、
   前記第２遊星歯車機構のサンギヤ、リングギヤおよびプラネタリキャリアのいずれかと前記駆動軸との係合、解放を切り換える第２クラッチ（Ｃ２）と、
   前記第２遊星歯車機構のサンギヤ、リングギヤおよびプラネタリキャリアのいずれかに対して係止、解放を切り換える第２ブレーキ（Ｂ２）と、を備え、
   前記制御手段は、前記第２クラッチおよび前記第２ブレーキの作動を切り換えることにより前記変速機構の変速比を切り換え制御する請求項３記載の動力制御装置。
5. 前記制御手段は、
   前記高速域モードと、
   前記低速域モードと、
   前記エンジンの停止時に、前記発電機（ＭＧ１）または前記モータ（ＭＧ２）をモータとして作動させるとともに前記駆動軸に動力が出力されないように前記第１遊星歯車機構または前記第２遊星歯車機構を機能させるアイドルストップ補機駆動モードと、
   に切り換える請求項４記載の動力制御装置。
6. 前記第１差動機構は、サンギヤ、リングギヤおよびプラネタリキャリアを有する遊星歯車機構であり、前記第１差動機構のキャリア軸トルクのリングギヤへのトルク分配比α１が、０．８〜０．９に設定されている請求項１から５のいずれか一項記載の動力制御装置。
7. 前記第１遊星歯車機構のキャリア軸トルクのリングギヤへのトルク分配比α２は、０．６５〜０．７５に設定されている請求項２から５のいずれか一項記載の動力制御装置。
8. 前記第１遊星歯車機構、および前記第２遊星歯車機構の低速モードにおける減速比（１／α２／α３）は、２〜３に設定されている請求項４記載の動力制御装置。
9. 前記発電機（ＭＧ１）の回転数が零となる第１の最大効率点における速度比が０．４〜０．７に設定され、前記モータ（ＭＧ２）の回転数が零となる第２の最大効率点における速度比が１．５〜２に設定されている請求項１から５のいずれか一項記載の動力制御装置。
10. 前記発電機（ＭＧ１）の回転数が零となる第１の最大効率点および第２の最大効率点における速度比がそれぞれ０．３〜０．６、０．７〜０．９に設定され、前記モータ（ＭＧ２）の回転数が零となる第３の最大効率点および第４の最大効率点における速度比がそれぞれ１〜１．３、１．５〜２に設定されている請求項３または４記載の動力制御装置。

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