JP2009296716A - 車両の発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の駆動力を電力に変換する発電装置に関し、特に、回生効率を向上することができる車両の発電装置を供給する。
【解決手段】車両に搭載される内燃機関10と、内燃機関10の回転駆動力を、出力軸23aに連結される出力ギヤ23を介して駆動車軸41に伝達する変速機20と、を備え、車両の運動エネルギーを回生する車両の発電装置において、出力ギヤ23の回転駆動力によって発電を行う発電機31を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の駆動力を電力に変換する発電装置に関し、特に、回生効率を向上することができる車両の発電装置に関する。

内燃機関（エンジン）又はモータによって駆動される車両は、エンジン等の回転エネルギーを発電機に伝え、発電機（オルタネータ）によって発電された電力をバッテリ等に蓄えて利用することが一般に行われている。一般的に、オルタネータは、エンジンの回転軸に他の補機類と共にベルト掛けされて駆動されている。

また、車両の減速時の運動エネルギーを発電機を用いて電気エネルギーに変換することによってエネルギーを回生することも行われている。このような車両として、車両のリア部分にディファレンシャルギヤを設け、このディファレンシャルギヤを介して、電動発電機とエアコン用コンプレッサとからなる補機ユニットを駆動してエネルギーを回生する車両システム（特許文献１参照。）が知られている。
特開２００６−９６３２１号公報

前述の引用文献１に記載のように、車両のリア部分に電動発電機を設けた場合では、車両が減速したときにリアの荷重が減少するので、回生効率が下がり、減速時のエネルギーに対する回生量が十分でない場合があった。

特に、ＦＦ車両においては、これら電動発電機等の補機ユニットを配置するために、リアアスクルの強化、ディファレンシャルギヤやドライブシャフトの装備、高電圧ケーブルの延長等が必要となるので、車両の重量が増し、回生による燃費向上代が相殺されてしまう。

また、エンジンにベルト掛けされるオルタネータは、変速機、クランクシャフト、ピストン、ベルト等のフリクションによりエネルギーロスが発生するので、エネルギーの回生量が十分でない場合がある。

本願発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、回生効率を向上することができる車両の発電装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施態様によると、車両に搭載される内燃機関と、内燃機関の回転駆動力を、出力軸に連結される出力ギヤを介して駆動車軸に伝達する変速機と、を備え、車両の運動エネルギーを回生する車両の発電装置において、出力ギヤの回転駆動力によって発電を行う発電機を備えることを特徴とする。

本発明によると、駆動車軸と共に回転する出力ギヤの回転駆動力によって発電を行うことにより、内燃機関や変速機等のフリクションによるエネルギーの減衰を抑えることができるので、発電機による回生効率を向上することができる。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態の車両の発電装置１の構成ブロック図である。

この車両の発電装置１は、内燃機関（エンジン）１０と、エンジン１０の回転駆動力を変速して、駆動車軸４１により車輪４０に伝達する変速機２０と、変速機のファイナルギヤ（出力ギヤ）２６に接続され、変速機２０の回転駆動力によって発電を行う発電ユニット３０と、これらエンジン１０、変速機２０及び発電ユニット３０を制御する制御装置１００と、によって構成される。

この車両は、これらエンジン１０、変速機２０、発電ユニット３０、駆動車軸４１等のパワートレインを車両の前方側に配置した、いわゆるＦＦ車である。

変速機２０は、一組のプーリ（プライマリプーリ２２及びセカンダリプーリ２３）の間にベルト２４が掛け渡され、それぞれのプーリに対する巻付け径を変化させることによって変速比を無段階に変速するベルト式無段変速機によって構成されている。

また、変速機２０は、セカンダリプーリ２３の回転駆動力を差動ギヤ（ディファレンシャルギヤ）２７を介して駆動車軸４１に伝達するファイナルギヤ２６を備える。そして、このセカンダリプーリ２３の出力軸２３ａとファイナルギヤ２６との間に、フォワードクラッチ（第２のクラッチ）２５が介装されている。このフォワードクラッチ２５は、セカンダリプーリ２３とファイナルギヤ２６とを締結及び解放可能に構成されている。

制御装置１００は、アクセルペダル５０のアクセル開度センサ５０ａからアクセル開度を検出する。また、制御装置１００は、ブレーキペダル６０のブレーキスイッチ６０ａからブレーキペダルの踏み込みの有無を検出する。また、制御装置１００は、エンジン１０の回転数、変速機２０の入力回転数及び出力回転数を取得し、エンジン回転数、車速、変速機２０の変速比を検出する。

制御装置１００は、これら検出された情報に基づいて、次のような制御を行う。エンジン１０の始動／停止を制御する。トルクコンバータ２１のロックアップを制御するロックアップクラッチソレノイド（図示せず）の締結／開放及び締結力を制御する。変速機２０の油圧を制御して変速比を制御する。フォワードクラッチ２５の締結／解放を制御する。オルタネータ３１による発電の実行／停止を制御する。

エンジン１０の運転により発生する回転駆動力は、トルクコンバータ２１を介してプライマリプーリ２２に連結される入力軸２２ａに伝達される。プライマリプーリ２２とセカンダリプーリ２３とはベルト２４によって所定の変速比をもって伝達される。セカンダリプーリ２３の出力軸２３ａは、フォワードクラッチ２５の一側に連結されており、このフォワードクラッチ２５が締結状態のときに、セカンドプーリ２３の回転駆動力がフォワードクラッチ２５の他側に連結されているファイナルギヤ２６に伝達される。ファイナルギヤ２６はディファレンシャルギヤ２７を回転する。ディファレンシャルギヤ２７は駆動車軸４１を回転駆動して、車両を前進する。

また、ファイナルギヤ２６の回転軸には、発電ユニット３０の第１ギヤ３２が連結されている。ファイナルギヤ２６の回転駆動力は、第１ギヤ３２に対して所定の歯車比を有する第２ギヤ３３によってオルタネータ３１を回転する。この回転によってオルタネータ３１が発電を行う。発電された電力は、例えば図示しないバッテリ等を充電する。

なお、第１ギヤ及び第２ギヤの歯車比は、ファイナルギヤ２６における回転数とオルタネータ３１の定格回転数等により決定される。例えば、第１ギヤ及び第２ギヤの歯車比を３：１以上とすることにより、車速が十分に落ちるときまで安定した回生を行うことができる。このように、比較的回転速度が低い駆動車軸４１ではなく、比較的回転数が高いファイナルギヤ２６によりオルタネータ３１を回転させるので、オルタネータの発電効率を向上することができる。

また、ファイナルギヤ２６とオルタネータ３１とは、歯車ではなくベルトを掛け渡すことによって接続してもよい。この場合も、ベルト比を３：１以上とすることで、車速が十分に落ちるときまで安定した回生を行うことができる。

このように構成された第１の実施形態の車両の発電装置１において、次に作用を説明する。

図２は、第１の実施形態の車両の発電装置１におけるタイミングチャートである。

この図２に示すタイミングチャートは、縦軸にエンジン１０、変速機２０及び発電ユニット３０の各状態を示し、横軸に時間の経過を示す。

制御装置１００は、アクセル開度センサ５０ａによりアクセル開度が０であることを検出し、かつブレーキスイッチ６０ａによりブレーキの踏み込みを検出したか否かを判定している。これは、車両が減速されて停止に至る運転状態であるか否かを判定している。

アクセル開度が０であることを検出し、かつブレーキの踏み込みを検出した場合は、制御装置１００は、車両が減速されて停止に至る運転状態であると判定し、エンジン１０を制御し（例えば燃料の供給の停止、イグニッションへの電力の供給の停止等）、エンジン１０を停止させる。このとき同時に、変速機２０のトルクコンバータ２１のロックアップソレノイドを制御して、トルクコンバータ２１のロックアップを解放する。また同時に、変速機２０のフォワードクラッチ２５を制御して、フォワードクラッチ２５を解放し、出力軸２３ａとファイナルギヤ２６との連結を解放する。また同時に、変速機２０のプライマリプーリ２２及びセカンダリプーリ２３の油圧の供給をＯＦＦに制御する。

本発明の第１の実施形態では、このような制御により、エンジン１０と変速機２０の連結、及び、変速機２０とディファレンシャルギヤ２７との連結を解放するので、車両の減速による回転エネルギーのすべてを駆動車軸４１から発電ユニット３０へと伝えることができる。これにより、従来、エンジン１０や変速機２０等によるフリクションによって減衰されていたエネルギー分を含めて、車両の減速時の回転エネルギーを効率よく電気エネルギーに回生することができる。

また、エンジン１０を速やかに停止するので、燃料カットによる排気管への酸素過剰なガスが供給されることがない。これにより、触媒の酸素ストレージを最小限に抑えることができるので、エンジン１０の再始動時に、窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」と表記する）を還元するために燃料を過剰とする、いわゆるリッチスパイクを廃止又は最小限に抑えることができる。これによって、ＮＯｘの排出を低減することができると共に、リッチスパイクとエンジン１０の早期停止とにより、燃費を改善することができる。

また、エンジン１０、変速機２０及び発電ユニット３０を、駆動車軸４１と共に車両前方に配置したＦＦ方式としたので、車両の後方に発電機等を配置する場合と比較して、リアアスクルの強化、ディファレンシャルギヤやドライブシャフトの装備、高電圧ケーブルの延長等が必要なくなり、車両の重量を増すことなく、燃費を向上することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態の車両の発電装置１について説明する。

本発明の第２の実施形態の基本構成は、図１で前述した第１の実施形態と同一である。

そしてさらに、第２の実施の形態では、制御装置１００によって、発電ユニット３０のオルタネータ３１の界磁巻線に電流を通電させて励磁するか否かを制御可能に構成した。

これにより、制御装置１００によってオルタネータ３１の励磁を制御することで、オルタネータ３１による発電の実行及び停止を制御することができる。

図３は、第２の実施形態の車両の発電装置１におけるタイミングチャートである。

この図３に示すタイミングチャートは、前述の図２と同様に、縦軸にエンジン１０、変速機２０及び発電ユニット３０の各状態を示し、横軸に時間の経過を示す。

制御装置１００は、通常走行時、すなわち、エンジン１０が運転状態であり、フォワードクラッチ２５が締結状態である場合は、オルタネータ３１を励磁せず、オルタネータ３１による発電が行われないように制御する。

一方、アクセル開度が０であることを検出し、かつブレーキの踏み込みを検出した場合は、制御装置１００は、前述のように、エンジン１０を停止させ、トルクコンバータ２１のロックアップを解放し、変速機２０のフォワードクラッチ２５を解放し、出力軸２３ａとファイナルギヤ２６との連結を解放する。また同時に、変速機２０の油圧の供給をＯＦＦに制御する。

このとき同時に、制御装置１００は、オルタネータ３１を励磁することで界磁を発生させて、発電を開始するように制御する。これにより、発電ユニット３０において回転駆動されるオルタネータ３１によって発電が行われる。なお、車速が十分に低下したとき（例えば１０ｋｍ／ｈ以下となったとき）は、オルタネータ３１の励磁を停止し、発電を停止する。これにより、回生による減速がドライバビリティに悪影響を与えることを防止できる。

このように、制御装置１００がオルタネータ３１の励磁を制御することによって励磁手段が構成される。また、この制御装置１００によってオルタネータ３１の発電の実行及び停止を制御することによって、発電制御手段が構成される。

なお、制御装置１００は、アクセル開度が０であることを検出し、かつ、ブレーキの踏み込みを検出してから、所定の遅れ時間をもってオルタネータ３１を励磁するようにしてもよい。

以上のように、第２の実施形態では、前述の第１の実施形態の効果に加え、通常走行時には、オルタネータ３１の発電による負荷を低減することができ、燃費を向上することができる。また、減速時には、オルタネータ３１を励磁して発電を行うことで、前述の第１の実施形態と同様に、効率よくエネルギー回生を行うことができ、ＮＯｘの排出を低減することができると共に、燃費を改善することができる。

なお、本実施形態では、アクセル開度０及びブレーキ踏み込みによる減速時にのみ、オルタネータ３１による発電を行うように制御したが、通常走行時やコースト走行時に発電を行うように制御してもよい。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態の車両の発電装置１について説明する。

本発明の第３の実施形態の基本構成は、図１で前述した第１の実施形態と同一である。

そしてさらに、第３の実施の形態では、発電ユニット３０において、オルタネータ３１の回転軸にクラッチ機構（第１のクラッチ）を備える。このクラッチ機構により、オルタネータ３１の回転軸と、第２ギヤ３３の回転軸との連結／解放を切り換えることができるよう構成した。

これにより、制御装置１００によってオルタネータ３１のクラッチ機構を締結／解放を制御することで、オルタネータ３１による発電の実行及び停止を制御することができる。

なお、クラッチ機構は、例えば摩擦クラッチや電磁クラッチ等により構成される。

図４は、第３の実施形態の車両の発電装置１におけるタイミングチャートである。

この図４に示すタイミングチャートは、前述の図２と同様に、縦軸にエンジン１０、変速機２０及び発電ユニット３０の各状態を示し、横軸に時間の経過を示す。

制御装置１００は、通常走行時、すなわち、エンジン１０が運転状態であり、フォワードクラッチ２５が締結状態である場合は、オルタネータ３１のクラッチ機構を解放して、オルタネータ３１による発電が行われないように制御する。

一方、アクセル開度が０であることを検出し、かつブレーキの踏み込みを検出した場合は、制御装置１００は、前述のように、エンジン１０を停止させ、トルクコンバータ２１のロックアップを解放し、変速機２０のフォワードクラッチ２５を解放し、出力軸２３ａとファイナルギヤ２６との連結を解放する。また同時に、変速機２０の油圧の供給をＯＦＦに制御する。

このとき同時に、制御装置１００は、オルタネータ３１のクラッチ機構を締結して発電を開始するように制御する。これにより、発電ユニット３０において回転駆動されるオルタネータ３１によって発電が行われる。なお、車速が十分に低下したとき（例えば１０ｋｍ／ｈ以下となったとき）は、オルタネータ３１のクラッチ機構を解放し、発電を停止する。これにより、回生による減速がドライバビリティに悪影響を与えることを防止できる。

このように、制御装置１００がオルタネータ３１のクラッチ機構を制御してオルタネータ３１の発電の実行及び停止を制御することによって、発電制御手段が構成される。

なお、制御装置１００は、アクセル開度が０であることを検出し、かつ、ブレーキの踏み込みを検出してから、所定の遅れ時間をもってクラッチ機構を締結するようにしてもよい。

以上のように、第３の実施形態では、前述の第１の実施形態の効果に加え、通常走行時には、オルタネータ３１の回転による機械的な負荷を低減することができ、燃費を向上することができる。また、減速時にはオルタネータ３１のクラッチ機構を締結して発電を行うことで、前述の第１の実施形態と同様に、効率よくエネルギー回生を行うことができ、ＮＯｘの排出を低減することができると共に、燃費を改善することができる。

なお、本実施形態では、アクセル開度０及びブレーキ踏み込みによる減速時にのみ、オルタネータ３１による発電を行うように制御したが、通常走行時やコースト走行時に発電を行うように制御してもよい。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態の車両の発電装置１について説明する。

本発明の第４の実施形態の基本構成は、図１で前述した第１の実施形態と同一である。

そしてさらに、前述の第２の実施形態又は第３の実施形態で前述したように、制御装置１００によって、オルタネータ３１による発電を制御することができるように構成されている。

図５は、第４の実施形態の車両の発電装置１におけるタイミングチャートである。

この図５に示すタイミングチャートは、前述の図２と同様に、縦軸にエンジン１０、変速機２０及び発電ユニット３０の各状態を示し、横軸に時間の経過を示す。

制御装置１００は、通常走行時、すなわち、エンジン１０が運転状態であり、フォワードクラッチ２５が締結状態である場合は、オルタネータ３１の励磁をＯＦＦに、又はオルタネータ３１のクラッチを解放して、オルタネータ３１による発電が行われないように制御する。

一方、アクセル開度が０であることを検出した場合は、制御装置１００は、オルタネータ３１を励磁、又は、オルタネータ３１のクラッチ機構を締結して、発電を開始する。

そしてさらに、アクセル開度が０であることを検出し、かつブレーキの踏み込みを検出した場合は、制御装置１００は、前述のように、エンジン１０を停止させ、トルクコンバータ２１のロックアップを解放し、変速機２０のフォワードクラッチ２５を解放し、出力軸２３ａとファイナルギヤ２６との連結を解放する。また同時に、変速機２０の油圧の供給をＯＦＦに制御する。なお、車速が十分に低下したとき（例えば１０ｋｍ／ｈ以下となったとき）は、オルタネータ３１の発電を停止する。

以上のように、第４の実施形態では、前述の第１の実施形態の効果に加え、通常走行時では、オルタネータ３１の発電を行わないことで、オルタネータ３１による負荷を低減することができ、燃費を向上することができる。また、減速時には、アクセル開度が０となった時点でオルタネータ３１による発電を開始することで、前述の第１の実施の形態と比較して、さらにエネルギー回生の効率を高めることができ、ＮＯｘの排出を低減することができると共に、燃費を改善することができる。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５の実施形態の車両の発電装置１について説明する。

前述の第１から第４の実施形態では、アクセル開度が０であることを検出し、かつブレーキの踏み込みを検出した場合に、制御装置１００よってエンジン１０を停止させる。このとき、エンジン１０では、クランクシャフトやフライホイール等の慣性力によって、エンジン１０停止の制御を開始してからエンジン１０の回転が完全に停止するまでの間、若干の時間を要する。

これに対して、第５の実施形態では、エンジン１０に接続されている電動発電機（ＳＳＧ：Ｓｅｐａｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔａｒ／Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）によってエンジン１０を急速に停止させるよう構成した。

図６は、本発明の第５の実施形態の車両の発電装置１の構成ブロック図である。

図６に示すように、エンジン１０のクランクシャフト１１にはプーリ１２が接続されている。そして、このプーリ１２に架け渡されたベルト１３により回転されるプーリ８１に、電動発電機（ＳＳＧ）８０が接続されている。

ＳＳＧ８０は、制御装置１００の制御によって、エンジン１０の回転駆動力により発電を行い、図示しないバッテリ等を充電する。また、エンジン１０の始動時には、クランクシャフトを回転させるスタータモータとして機能する。

図７は、第５の実施形態の車両の発電装置１におけるタイミングチャートである。

この図７に示すタイミングチャートは、前述の図２と同様に、縦軸にエンジン１０、変速機２０及び発電ユニット３０の各状態を示し、横軸に時間の経過を示す。

制御装置１００は、アクセル開度が０であることを検出し、かつブレーキの踏み込みを検出した場合は、エンジン１０を停止させる。

このとき、制御装置１００は、ＳＳＧ８０を制御して、エンジン１０のクランクシャフト１１の回転を電力に回生するように制御する。これによって、エンジン１０の回転が電力に変換されて、エンジン１０の回転は急速に停止する。

このとき同時に、トルクコンバータ２１のロックアップを解放し、変速機２０のフォワードクラッチ２５を解放し、出力軸２３ａとファイナルギヤ２６との連結を解放する。また同時に、変速機２０の油圧の共有をＯＦＦに制御する。

以上のように、第５の実施形態では、前述の第１の実施形態の効果と同様に、車両の減速時の回転エネルギーを効率よく電気エネルギーに回生することができ、ＮＯｘの排出を低減することができると共に、燃費を改善することができる。

そしてさらに、第５の実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、より速やかにエンジン１０を停止することができるので、燃料カットによる排気管への酸素過剰なガスが供給されることがより少なくなり、リッチスパイクを廃止又は最小限に抑えることができる。これによって、第１の実施の形態と比較してよりＮＯｘの排出を低減することができると共に、より燃費を改善することができる。

なお、第５の実施の形態において、前述の第２、第３及び第４の実施形態を組み合わせて、オルタネータ３１による発電を制御してもよい。

以上説明した本発明の第１から第５の実施形態では、内燃機関であるエンジン１０とベルト式無段変速機である変速機２０とを例示したが、これらに限られない。例えば、モータとエンジンによって駆動されるハイブリッド自動車や、モータのみによって駆動される電気自動車に本発明を適用してもよい。また、変速機２０は有段変速機であってもよい。

本発明の第１の実施形態の車両の発電装置の構成ブロック図である。 本発明の第１の実施形態の車両の発電装置のタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態の車両の発電装置のタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態の車両の発電装置のタイミングチャートである。 本発明の第４の実施形態の車両の発電装置のタイミングチャートである。 本発明の第５の実施形態の車両の発電装置の構成ブロック図である。 本発明の第５の実施形態の車両の発電装置のタイミングチャートである。

符号の説明

１ 発電装置
１０ エンジン
２０ 変速機
２３ａ 出力軸
２５ フィワードクラッチ
２６ ファイナルギヤ
３０ 発電ユニット
３１ オルタネータ
４０ 車輪
４１ 駆動車軸
８０ 電動発電機（ＳＳＧ）
１００ 制御装置

Claims (7)

1. 車両に搭載される内燃機関と、前記内燃機関の回転駆動力を、出力軸に連結される出力ギヤを介して駆動車軸に伝達する変速機と、を備え、前記車両の運動エネルギーを回生する車両の発電装置において、
   前記出力ギヤの回転駆動力によって発電を行う発電機を備えることを特徴とする車両の発電装置。
2. 前記発電機の発電の実行及び停止を制御可能な発電制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の車両の発電装置。
3. 前記発電機を励磁する励磁手段を備え、
   前記発電制御手段は、前記励磁手段によって発電機を励磁して、前記出力ギヤの回転駆動力によって前記発電機を発電することを特徴とする請求項２に記載の車両の発電装置。
4. 前記発電機は、前記出力ギヤと前記発電機の回転軸との間に、締結及び解放が可能な第１のクラッチを備え、
   前記発電制御手段は、前記第１のクラッチを締結して、前記出力ギヤの回転駆動力によって前記発電機を発電することを特徴とする請求項２に記載の車両の発電装置。
5. 前記変速機は、前記出力軸と前記出力ギヤとの間に、締結及び解放が可能な第２のクラッチを備え、
   前記内燃機関の運転を停止すると共に、前記第２のクラッチを解放して、出力ギヤの回転駆動力によって前記発電機を発電することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の車両の発電装置。
6. 前記車両の減速時に、前記内燃機関の運転を停止すると共に、前記発電制御手段によって、前記出力ギヤの回転駆動力によって前記発電機を発電することを特徴とする請求項２から５のいずれか一つに記載の車両の発電装置。
7. 前記内燃機関、前記変速機、前記発電機及び前記駆動輪は、前記車両の前方に備えられることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の車両の発電装置。