JP2009509831A - 自動車のハイブリッドパワートレイン - Google Patents

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Abstract

本発明は、燃焼エンジンと、主に発電機として動作可能な第一の電気機械と、主に電気モーターとして動作可能な第二の電気機械と、ファイナルドライブとが直列に配置された構成と、切換可能な導線及び電源回路を介して両方の電気機械と接続可能な走行動作用バッテリーと、電気機械と走行動作用バッテリー間のエネルギーフローを制御するための制御機器とを備えた自動車のハイブリッドパワートレインに関する。コンパクトなサイズと改善された効率を実現するために、両方の電気機械は、インプットシャフトと接続されるとともに、回転可能な形で軸支された駆動ローター（７）と、アウトプットシャフトと接続されるとともに、回転可能な形で軸支された被動ローター（８）と、筐体部材と回転しない形で接続されるとともに、軸方向にスライド可能な形で軸支された共通のステーター（９）とから成る電気磁気式トランシミッション（６）として統合されており、駆動ローター（７）と被動ローター（８）は、円筒形状で軸方向に隣接して配置されるとともに、それぞれ極性を交互にして円周側に分散された永久磁石を有し、ステーター（９）は、ローター（７，８）の永久磁石に対して半径方向に隣接して配置されるとともに、付属する電源回路（１３）と接続された少なくとも一つの短絡巻線を備えており、ステーター（９）をローター（７，８）に対して軸方向にスライドさせることによって実効的な変速比を設定することが可能であるものと規定する。

Description

本発明は、燃焼エンジンと、主に発電機として動作可能な第一の電気機械と、主に電気モーターとして動作可能な第二の電気機械と、ファイナルドライブとが直列に配置された構成と、切換可能な導線及び電源回路を介して両方の電気機械と接続可能な走行動作用バッテリーと、電気機械と走行動作用バッテリー間のエネルギーフローを制御するための制御機器とを備えた自動車のハイブリッドパワートレインに関する。
自動車のハイブリッドパワートレインとは、燃焼エンジンと電気モーターを組み合わせたものから構成された、搭載した走行動作用バッテリーと架線から成る集電体の何れか一方を介して電気モーターに電気を供給することができるハイブリッドドライブによる動力伝達系統であると解釈する。燃焼エンジンと電気モーターの駆動技術的な配置に応じて、ハイブリッドドライブは、直列式と並列式に分けられる。
例えば、特許文献１と２により周知の並列式ハイブリッドドライブでは、燃焼エンジンと電気モーターは、並列に配置された形でファイナルドライブ上に作用する、即ち、当該の自動車では、燃焼エンジン又は電気モーターによって直に駆動するか、或いは両方の駆動動力部によって共同して駆動するかを選択することが可能である。しかし、この構成では、燃焼エンジンによる発進と走行動作に関して、発進用クラッチと走行用トランシミッションが必要となり、そのため所要の構造空間が大きくなるとともに、パワートレインの重量が重くなるということが欠点である。
それに対して、直列式ハイブリッドドライブでは、燃焼エンジンが、走行動作用バッテリーと連携して、ファイナルドライブと接続された電気モーターに電気を供給する発電機を駆動する。そのため、自動車の直接的な駆動は、常に電気モーターによって行われるが、必要に応じて、例えば、排気ガスが制限されている市街区域での頻繁な発進・停止時には燃焼エンジンを停止することが可能であり、その結果そのような場合には、走行動作用バッテリーからのみ電気モーターに電気が供給されることとなる。この構成では、発進用クラッチと走行用トランシミッションが不必要となって削減することが可能であり、そのことにより、所要の構造空間が小さくなり、パワートレインの重量が軽くなることが有利である。しかし、この構成では、燃焼エンジン、発電機及び電気モーター間での機械から電気と電気から機械への二回のエネルギー変換が行われ、その結果効率が比較的悪くなることが欠点である。更に、走行速度が速い場合、電気モーターは、大抵不利な動作領域で稼動することとなる。
ドイツ特許公開第１０２４８７１５号明細書 ドイツ特許第１０１５８５３６号明細書 ドイツ特許第４４０８７１９号明細書 ドイツ特許公開第１０１６３２２６号明細書
以上のことから、本発明の課題は、サイズがコンパクトで効率が改善された冒頭に挙げた形式の自動車の直列式ハイブリッドパワートレインを提案することである。
更に、本発明によるパワートレインの制御方法を提示する。
この課題は、本発明にもとづき、請求項１の上位概念と関連して、両方の電気機械は、インプットシャフトと接続されるとともに、回転可能な形で軸支された駆動ローターと、アウトプットシャフトと接続されるとともに、回転可能な形で軸支された被動ローターと、筐体部材と回転しない形で接続されるとともに、軸方向にスライド可能な形で軸支された共通のステーターとから成る電気磁気式トランシミッションとして統合されており、駆動ローターと被動ローターは、円筒形状で軸方向に隣接して配置されるとともに、それぞれ極性を交互にして円周側に分散された永久磁石を有し、ローターの永久磁石に対して半径方向に隣接して配置されたステーターは、付属する電源回路と接続された少なくとも一つの短絡巻線を備えており、ステーターをローターに対して軸方向にスライドさせることによって実効的な変速比を設定することが可能であることによって解決される。
例えば、特許文献３と４により、従来から無段変速機として周知の電気磁気式トランシミッションを燃焼エンジン、走行動作用バッテリー及び電源回路と組み合わせることによって、高性能なハイブリッドパワートレインが構成され、その制御能力が周知の並列式ハイブリッドパワートレインと比べて増強されるために、その効率が改善されることとなる。本発明によるハイブリッドパワートレインでは、例えば、ブースト、回生、負荷点の上昇又は下降、発進・停止動作、周期的な加速と惰行、燃焼エンジンの電気による始動、電気での走行など、全ての周知のハイブリッド機能が、一方ではステーターの設定によって、他方では短絡巻線と走行動作用バッテリー間のエネルギーの供給又はエネルギーの排出によって実行される。
ここで使用する電気磁気式トランシミッションは、特許文献３と４により周知の通り、ステーターが半径方向に対して内側に配置され、短絡巻線がステーターの半径方向に対して外側に配置され、駆動ローターと被動ローターが半径方向に対して外側に配置され、永久磁石が短絡巻線の方を向いたローターの内側に配置された外部ローター形式として構成することができる。しかし、当該の電気磁気式トランシミッションは、ステーターが半径方向に対して外側に有り、ローターが半径方向に対して内側に有る内部ローター形式として構成することも可能であり、その場合短絡巻線は、ステーターの半径方向に対して内側に配置され、永久磁石は、ローターの短絡巻線の方を向いた半径方向に対して外側に配置される。
駆動回転数、即ち、燃焼エンジンの回転数とステーターの軸方向の位置に依存して、大きさとパルス繰返し数が異なる電圧及び電流が短絡巻線内に発生するので、制御可能な直流電圧変換器を介して、走行動作用バッテリーをステーターの短絡巻線と接続することは、本発明の目的に適うことである。
線路損と構造サイズを制限するために、走行動作用バッテリーの電圧レベルは、通常車内回路網よりも高く、車内回路用バッテリーの電圧レベルは、通常１２ボルトである。従って、制御可能な直流電圧変換器を介して、走行動作用バッテリーを車内回路網及び車内回路用バッテリーと接続するのが有利である。そうすることによって、車内回路用バッテリーは、必要に応じて走行動作用バッテリーから充電することが可能となり、車内回路網用の別個の発電機を節約することができる。
切換可能な全輪駆動を実現するために、必要に応じて走行動作用バッテリー及び／又はステーターの短絡巻線と接続することができる電気モーターが付属する更に別の駆動可能な車軸を配備することができる。この更に別の駆動軸の作動は、例えば、主駆動軸の牽引力に依存して実行することができる。
本発明によるハイブリッドパワートレインでは、車両の停止状態における燃焼エンジンの電気による始動は、ステーターを完全に駆動ローターの内又は上にスライドさせて、駆動ローターを短絡巻線と連携して電気モーターとして動作させることによって実行することができる。
車両の停止状態からの発進のためには、先ずはステーターを完全に駆動ローターの内又は上に設定し、次に被動ローターの方向にスライドさせて、駆動ローターを短絡巻線と連携して発電機として動作させるとともに、被動ローターを短絡巻線と連携して電気モーターとして動作させる。
燃焼エンジンのブースト又は負荷点の上昇のためには、走行動作用バッテリーから短絡巻線にエネルギーを送り込むとともに、それにより変化する電気磁気式トランシミッションの変速比を補償するために、ステーターを駆動ローターの方向にスライドさせることができる。
燃焼エンジンの回生又は負荷点の下降のためには、短絡巻線から走行動作用バッテリーにエネルギーを送り込むとともに、それにより変化する電気磁気式トランシミッションの変速比を補償するために、ステーターを被動ローターの方向にスライドさせることができる。
燃焼エンジンが停止している時の電気での走行のためには、ステーターを完全に被動ローターの内又は上にスライドさせて、次に被動ローターを短絡巻線と連携して電気モーターとして動作させる。
本発明の更なる詳細は、以下における本発明を例示する役割を果たす詳しい記述と添付図面により明らかとなる。
図１によるハイブリッドパワートレイン１は、直列式に配置された燃焼エンジン２、電気機械３及び駆動軸５のファイナルドライブ４を有する。電気機械３は、駆動ローター７、被動ローター８及び回転しない形でかつ軸方向にスライド可能な形で軸支されたステーター９を備えた電気磁気式トランシミッション６として構成されている。ローター７，８は、それぞれ極性を交互にして円周側に分散配置された永久磁石を備えている。ステーター９は、ローター７，８を回転させる際に永久磁石と電気磁気的な相互作用を引き起こす、軸方向及び円周側に延びる少なくとも一つの短絡巻線を備えている。従って、電気磁気式トランシミッション６は、発電機と電気モーターを組み合わせたものである。
ハイブリッドパワートレイン１の相異なる動作機能を制御するための制御機器１０等は、ステーター９の軸方向の位置を設定するために付属するアクチュエーター１１と接続されるとともに、走行動作用バッテリー１２の充電状態を検出するために走行動作用バッテリーと接続されている。走行動作用バッテリー１２自体は、電気配線と少なくとも一つの直流電圧変換器１４が付属する電源回路１３とを介して、ステーター９上に配置された短絡巻線と車内回路網１５又は車内回路用バッテリー１６の両方と接続されている。
走行動作用バッテリー１２を電気磁気式トランシミッション６の短絡巻線と全く任意に切換・制御可能な形で接続することによってエネルギーの切換を制御することにより、ブースト、回生及び燃焼エンジンの負荷点の上昇又は下降などの典型的なハイブリッド機能が可能となっている。従って、電気磁気式トランシミッション６と走行動作用バッテリー１２及び電源回路１３との組合せは、必要要件を全て満たしたハイブリッドドライブを構成するものである。
走行動作用バッテリー１２を車内回路網１５と接続することによって、車内回路用バッテリー１６は、発電機を追加すること無く必要に応じて充電することが可能となる。
本発明によるハイブリッドパワートレインの模式的な構造図

Claims (10)

  1. 燃焼エンジンと、主に発電機として動作可能な第一の電気機械と、主に電気モーターとして動作可能な第二の電気機械と、ファイナルドライブとが直列に配置された構成と、切換可能な導線及び電源回路を介して両方の電気機械と接続可能な走行動作用バッテリーと、電気機械と走行動作用バッテリー間のエネルギーフローを制御するための制御機器とを備えた自動車のハイブリッドパワートレインにおいて、
    両方の電気機械は、インプットシャフトと接続されるとともに、回転可能な形で軸支された駆動ローター（７）と、アウトプットシャフトと接続されるとともに、回転可能な形で軸支された被動ローター（８）と、筐体部材と回転しない形で接続されるとともに、軸方向にスライド可能な形で軸支された共通のステーター（９）とから成る電気磁気式トランシミッション（６）として統合されており、駆動ローター（７）と被動ローター（８）は、円筒形状で軸方向に隣接して配置されるとともに、それぞれ極性を交互にして円周側に分散された永久磁石を有し、ステーター（９）は、ローター（７，８）の永久磁石に対して半径方向に隣接して配置されるとともに、付属する電源回路（１３）と接続された少なくとも一つの短絡巻線を備えており、ステーター（９）をローター（７，８）に対して軸方向にスライドさせることによって実効的な変速比を設定することが可能であることを特徴とするハイブリッドパワートレイン。
  2. 走行動作用バッテリー（１２）が、制御可能な直流電圧変換器（１３）を介して、ステーター（９）の短絡巻線と接続されていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドパワートレイン。
  3. 走行動作用バッテリー（１２）が、制御可能な直流電圧変換器（１３）を介して、車内回路網（１５）及び車内回路用バッテリー（１６）と接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッドパワートレイン。
  4. 必要に応じて、走行動作用バッテリー（１２）及び／又はステーター（９）の短絡巻線と接続することが可能である、電気モーターが付属する更に別の駆動可能な車軸が配備されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載のハイブリッドパワートレイン。
  5. 請求項１から４までのいずれか一つに記載のハイブリッドパワートレインの制御方法において、
    車両の停止状態における燃焼エンジン（２）の電気による始動のために、ステーター（９）を完全に駆動ローター（７）の内又は上にスライドさせて、駆動ローター（７）を短絡巻線と連携して電気モーターとして動作させることを特徴とする方法。
  6. 車両の停止状態からの発進のために、先ずはステーター（９）を完全に駆動ローター（７）の内又は上に設定し、次に被動ローター（８）の方向にスライドさせて、駆動ローター（７）を短絡巻線と連携して発電機として動作させるとともに、被動ローター（８）を短絡巻線と連携して電気モーターとして動作させることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の方法。
  7. 燃焼エンジン（２）のブースト又は負荷点の上昇のために、走行動作用バッテリー（１２）から短絡巻線にエネルギーを送り込むことと、それにより変化する電気磁気式トランシミッション（６）の変速比を補償するために、ステーター（９）を駆動ローター（７）の方向にスライドさせることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の方法。
  8. 燃焼エンジン（２）の回生又は負荷点の下降のために、短絡巻線から走行動作用バッテリー（１２）にエネルギーを送り込むことと、それにより変化する電気磁気式トランシミッション（６）の変速比を補償するために、ステーター（９）を被動ローター（８）の方向にスライドさせることを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載の方法。
  9. 燃焼エンジン（２）が停止している時の電気での走行のために、ステーター（９）を完全に被動ローター（８）の内又は上にスライドさせ、次に被動ローター（８）を短絡巻線と連携して電気モーターとして動作させることを特徴とする請求項１から８までのいずれか一つに記載の方法。
  10. 必要に応じて、走行動作用バッテリー（１２）又はステーター（９）の短絡巻線から、付属する直流電圧変換器（１４）を介して、車内回路用バッテリー（１６）を充電することを特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の方法。
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