JP2010006306A - 車両用駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気自動車のエネルギ利用効率を向上させる。
【解決手段】駆動輪１９に連結されるハイブリッド機構１５には、ラビニョウ型の複合遊星歯車機構２０が組み込まれている。複合遊星歯車機構２０のサンギアＳ１にはモータジェネレータＭ１が連結されており、複合遊星歯車機構２０のサンギアＳ２にはモータジェネレータＭ２が連結されている。また、複合遊星歯車機構２０のキャリアＣには駆動輪１９が連結されており、複合遊星歯車機構２０のリングギアＲにはフライホイールＦＷが連結されている。モータジェネレータＭ１，Ｍ２のトルクを制御することにより、フライホイールＦＷを減速させながら駆動輪１９を加速させることができ、駆動輪１９を減速させながらフライホイールＦＷを加速させることが可能となる。これにより、エネルギの利用効率を向上させることが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、力行状態と発電状態とに切り換えられるモータジェネレータを備える車両用駆動装置に関する。

動力源としてモータジェネレータのみを備える電気自動車や、動力源としてエンジンおよびモータジェネレータを備えるハイブリッド型の電気自動車が開発されている(例えば、特許文献１参照)。このような電気自動車においては、車両加速時にモータジェネレータが電動機として用いられる一方、車両制動時にモータジェネレータが発電機として用いられる。車両制動時にモータジェネレータを発電機として用いることにより、車両の運動エネルギを電気エネルギに変換して回収することが可能となる。また、ハイブリッド型の電気自動車においては、車両加速時にモータジェネレータを電動機として用いることにより、エンジンの使用領域を限定することができ、エンジンの燃費を向上させることが可能となる。このように、走行状況に応じてモータジェネレータを適切に制御することにより、電気自動車のエネルギ利用効率を向上させることが可能となっている。
特開２００１−１６９４０４号公報

しかしながら、モータジェネレータのみを用いてエネルギ利用効率の更なる改善を図ることは困難となっていた。例えば、車両制動時に回生するエネルギ量を増大させるためには、モータジェネレータの高出力化を図るだけでなく、発電電力を蓄えるバッテリの高出力化を図る必要がある。しかしながら、バッテリの容量を確保しながら高出力化を図ることは困難であり、バッテリに対して大電流充電を施すことは困難となっていた。また、モータジェネレータを用いて運動エネルギを電気エネルギに変換する際の変換損失や、電気エネルギを出し入れする際におけるバッテリの充放電損失があるため、モータジェネレータのみを用いてエネルギ利用効率の改善を図ることは困難であった。

本発明の目的は、電気自動車のエネルギ利用効率を向上させることにある。

本発明の車両用駆動装置は、駆動輪に連結される入出力要素を備える複合遊星歯車機構と、前記複合遊星歯車機構のホイール連結要素に連結され、回転力を運動エネルギとして蓄えるフライホイールと、前記複合遊星歯車機構の第１モータ連結要素に連結され、力行状態と発電状態とに切り換えられる第１モータジェネレータと、前記複合遊星歯車機構の第２モータ連結要素に連結され、力行状態と発電状態とに切り換えられる第２モータジェネレータと、前記第１モータジェネレータと前記第２モータジェネレータとをそれぞれに制御するモータ制御手段とを有することを特徴とする。

本発明の車両用駆動装置は、前記モータ制御手段は、前記第１モータジェネレータと前記第２モータジェネレータとをそれぞれに制御することにより、前記入出力要素を加速させるときには前記フライホイールを減速させ、前記入出力要素を減速させるときには前記フライホイールを加速させることを特徴とする。

本発明の車両用駆動装置は、前記複合遊星歯車機構は、シングルピニオン遊星歯車機構とダブルピニオン遊星歯車機構とを組み合わせた複合遊星歯車機構であることを特徴とする。

本発明の車両用駆動装置は、前記入出力要素は、前記複合遊星歯車機構を構成するキャリアまたはリングギアの一方であり、前記ホイール連結要素は、前記複合遊星歯車機構を構成する前記キャリアまたは前記リングギアのうちの他方であり、前記第１モータ連結要素は、前記シングルピニオン遊星歯車機構を構成するサンギアであり、前記第２モータ連結要素は、前記ダブルピニオン遊星歯車機構を構成するサンギアであることを特徴とする。

本発明の車両用駆動装置は、前記複合遊星歯車機構は、第１シングルピニオン遊星歯車機構と第２シングルピニオン遊星歯車機構とを組み合わせた複合遊星歯車機構であることを特徴とする。

本発明の車両用駆動装置は、前記入出力要素は、前記第１シングルピニオン遊星歯車機構を構成するリングギアおよび前記第２シングルピニオン遊星歯車機構を構成するキャリアであり、前記ホイール連結要素は、前記第１シングルピニオン遊星歯車機構を構成するキャリアおよび前記第２シングルピニオン遊星歯車機構を構成するリングギアであり、前記第１モータ連結要素は、前記第１シングルピニオン遊星歯車機構を構成するサンギアであり、前記第２モータ連結要素は、前記第２シングルピニオン遊星歯車機構を構成するサンギアであることを特徴とする。

本発明の車両用駆動装置は、前記入出力要素に連結されるエンジンを有することを特徴とする。

本発明の車両用駆動装置は、前記エンジンと前記入出力要素との間に、締結状態と解放状態とに切り換えられる入力側クラッチ機構を有することを特徴とする。

本発明の車両用駆動装置は、前記入出力要素と前記駆動輪との間に、締結状態と解放状態とに切り換えられる出力側クラッチ機構を有することを特徴とする。

本発明によれば、複合遊星歯車機構の入出力要素に駆動輪を連結し、複合遊星歯車機構のホイール連結要素にフライホイールを連結し、複合遊星歯車機構の第１モータ連結要素に第１モータジェネレータを連結し、複合遊星歯車機構の第２モータ連結要素に第２モータジェネレータを連結するようにしたので、第１および第２モータジェネレータをそれぞれに制御することにより、駆動輪とフライホイールとの回転状態を自在に制御することが可能となる。

これにより、駆動輪を加速する際にはフライホイールを減速させることができるため、フライホイールから放出される運動エネルギを有効に利用して駆動輪を加速させることが可能となる。また、駆動輪を減速する際にはフライホイールを加速させることができるため、フライホイールに運動エネルギを回収させながら駆動輪を減速させることが可能となる。これにより、モータジェネレータを用いて回生制動を行うだけでなく、フライホイールをエネルギ回生要素として有効に利用することができるため、電気自動車のエネルギ利用効率を向上させることが可能となる。

しかも、第１モータジェネレータと第２モータジェネレータとを用いるようにしたので、駆動輪とフライホイールとの回転状態を制御する際に、第１モータジェネレータと第２モータジェネレータとを様々なトルクバランスで制御することができるため、モータジェネレータを制御する際の自由度を高めることが可能となる。これにより、エネルギ回収時やエネルギ放出時においては、第１モータジェネレータ、第２モータジェネレータ、フライホイールの利用バランスの適切化を図ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態である車両用駆動装置１０が組み込まれたハイブリッド型の電気自動車１１(以下、ハイブリッド車両という)の一部を示す概略図である。図１に示すように、ハイブリッド車両１１には、エンジン１２と変速機１３とによって構成されるパワーユニット１４が搭載されている。このパワーユニット１４には、後述するモータジェネレータや複合遊星歯車機構等によって構成されるハイブリッド機構１５が連結されている。また、ハイブリッド機構１５の出力軸１６にはプロペラシャフト１７が接続されており、プロペラシャフト１７にはデファレンシャル機構１８を介して駆動輪１９が連結されている。

図２はハイブリッド機構１５の構成を示すスケルトン図である。なお、図２において図１に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。図２に示すように、ハイブリッド機構１５には、いわゆるラビニョウ型の複合遊星歯車機構２０が組み込まれている。このラビニョウ型の複合遊星歯車機構２０は、シングルピニオン遊星歯車機構２１とダブルピニオン遊星歯車機構２２とを組み合わせるとともに、ピニオンギアＰ１の共用化を図るようにした複合遊星歯車機構である。シングルピニオン遊星歯車機構２１を構成するサンギア(第１モータ連結要素)Ｓ１には、第１モータジェネレータＭ１のロータ２３が連結されており、ダブルピニオン遊星歯車機構２２を構成するサンギア(第２モータ連結要素)Ｓ２には、第２モータジェネレータＭ２のロータ２４が連結されている。また、複合遊星歯車機構２０のピニオンギアＰ１，Ｐ２を支持するキャリア(入出力要素)Ｃには、パワーユニット１４の出力軸２５が連結されるとともに、ハイブリッド機構１５の出力軸１６が連結されている。すなわち、キャリアＣにはエンジン１２および駆動輪１９が連結されている。さらに、複合遊星歯車機構２０のリングギア(ホイール連結要素)Ｒには、回転力を運動エネルギとして蓄えるフライホイールＦＷが連結されている。なお、フライホイールＦＷの直径寸法や質量等は、ハイブリッド車両１１の走行特性に合わせて設計されるものである。

また、力行状態のモータジェネレータＭ１，Ｍ２に電力を供給するとともに、発電状態のモータジェネレータＭ１，Ｍ２から発電された電力を蓄えるため、モータジェネレータＭ１，Ｍ２には、リチウムイオンバッテリ等の高電圧バッテリ２８が接続されている。モータジェネレータＭ１，Ｍ２と高電圧バッテリ２８との間にはインバータ２９が設けられており、モータジェネレータＭ１，Ｍ２を力行状態で駆動する際には、高電圧バッテリ２８からの直流電流が、インバータ２９を介して交流電流に変換された後にモータジェネレータＭ１，Ｍ２に供給される。一方、モータジェネレータＭ１，Ｍ２を発電状態で駆動する際には、モータジェネレータＭ１，Ｍ２から発電された交流電流が、インバータ２９を介して直流電流に変換された後に高電圧バッテリ２８に供給されることになる。なお、一方のモータジェネレータＭ１(Ｍ２)が発電状態に制御され、他方のモータジェネレータＭ２(Ｍ１)が力行状態に制御される場合には、インバータ２９を介して発電電力と消費電力とが相殺され、高電圧バッテリ２８の充放電が抑制されるようになっている。

また、インバータ２９にはモータ制御手段として機能するハイブリッド制御ユニット３０が接続されており、ハイブリッド制御ユニット３０からインバータ２９に対して制御信号が出力されている。ハイブリッド制御ユニット３０からの制御信号に基づき、インバータ２９は交流電流の電流値や周波数を制御することにより、モータジェネレータＭ１，Ｍ２のトルク、回転方向、回転数等を制御することが可能となっている。

なお、図１に示すように、ハイブリッド車両１１には、エンジン１２の運転状態を制御するエンジン制御ユニット３１が設けられており、このエンジン制御ユニット３１から、図示しないスロットルバルブ、インジェクタ、イグナイタ等に対して制御信号が出力されている。また、ハイブリッド車両１１には、変速機１３の作動状態を制御するＡＴ制御ユニット３２が設けられており、このＡＴ制御ユニット３２から、変速機１３内の図示しないクラッチやブレーキに油圧を供給制御するバルブユニットに対して制御信号が出力されている。これらの制御ユニット３０〜３２は、制御信号等を演算するＣＰＵを備えるとともに、制御プログラム、演算式、マップデータ等を格納するＲＯＭや、一時的にデータを格納するＲＡＭを備えている。なお、制御ユニット３０〜３２は通信ネットワークを介して相互に接続されており、各制御ユニット３０〜３２は各種情報を共有するようになっている。

さらに、ハイブリッド制御ユニット３０には、車両の運転状態と停止状態とを切り換えるイグニッションスイッチ３３、アクセルペダルの操作状況を検出するアクセルペダルセンサ３４、ブレーキペダルの操作状況を検出するブレーキペダルセンサ３５、車速を検出する車速センサ３６、走行レンジを選択するセレクトレバーの操作位置を検出するインヒビタスイッチ３７等が接続されている。そして、ハイブリッド制御ユニット３０は、各種制御ユニット３１，３２やセンサ３３〜３７等から入力される各種情報に基づき車両状態を判定するとともに、インバータ２９、エンジン制御ユニット３１、ＡＴ制御ユニット３２等に対して制御信号を出力し、モータジェネレータＭ１，Ｍ２、エンジン１２、変速機１３等を互いに協調させながら制御することになる。

続いて、ハイブリッド機構１５の作動状態について説明する。図３(Ａ)は発進時におけるサンギアＳ１，Ｓ２、キャリアＣ、リングギアＲの回転状態およびトルク作用状態の一例を示す説明図であり、図３(Ｂ)は発進時におけるモータジェネレータＭ１，Ｍ２、駆動輪１９、フライホイールＦＷの回転数の推移の一例を示す線図である。また、図４(Ａ)および(Ｂ)は発進時における電力およびトルクの入出力状態の一例を示す説明図である。なお、以下の説明においては、ハイブリッド車両１１の前進時におけるキャリアＣの回転方向を正回転方向とし、各ギアＳ１，Ｓ２，ＲについてもキャリアＣの正回転方向と同一の回転方向を正回転方向とする。

図３(Ａ)に一点鎖線で示すように、ハイブリッド車両１１の停止状態においては、モータジェネレータＭ１，Ｍ２、駆動輪１９、フライホイールＦＷのそれぞれが停止した状態であり、サンギアＳ１，Ｓ２、キャリアＣ、リングギアＲについても停止した状態となっている。この停止状態からハイブリッド車両１１を発進させる際には、図３(Ａ)に実線で示すように、正トルクを発生させる力行状態にモータジェネレータＭ１を制御することにより、モータジェネレータＭ１に連結されるサンギアＳ１が正回転側に駆動されるため、キャリアＣおよびこれに連結される駆動輪１９を正回転側に駆動することが可能となる。このとき、モータジェネレータＭ２は逆回転側に駆動されるが、正トルクを発生させる発電状態にモータジェネレータＭ２を制御することにより、フライホイールＦＷに作用するトルクを０に調整してフライホイールＦＷの逆回転を防止するようにしている。後述するように、ハイブリッド機構１５はフライホイールＦＷを正回転させてエネルギを蓄える構成であるため、フライホイールＦＷの逆回転を規制することでエネルギの無駄な消費を抑制している。

なお、モータジェネレータＭ１，Ｍ２の正トルクとは、モータジェネレータＭ１，Ｍ２を正回転方向に加速させるトルクであり、図３(Ａ)においては白抜きの矢印を用いて示している。また、モータジェネレータＭ１，Ｍ２の負トルクとは、モータジェネレータＭ１，Ｍ２を逆回転方向に加速させるトルクであり、後述する図５(Ａ)および図７(Ａ)においては黒塗りの矢印を用いて示している。

また、モータジェネレータＭ１のトルクをＴｍ_１とし、モータジェネレータＭ２のトルクをＴｍ_２とし、シングルピニオン歯車機構のギア比をλ_１(リングギアＲの歯数Ｚｒ／サンギアＳ１の歯数Ｚｓ１)とし、ダブルピニオン歯車機構のギア比をλ_２(リングギアＲの歯数Ｚｒ／サンギアＳ２の歯数Ｚｓ２)とすると、キャリアＣから駆動輪１９に向けて出力されるトルクＴｏは以下の式(１)となり、フライホイールＦＷに作用するトルクＴｆｗは以下の式(２)となる。すなわち、ハイブリッド車両１１のフライホイールＦＷの回転数が０である発進時においては、トルクＴｆｗを０以上に保ちながら、運転者の操作状況に応じたトルクＴｏを出力するように、モータジェネレータＭ１，Ｍ２のトルクが制御されることになる。
Ｔｏ＝(λ_１＋１)Ｔｍ_１−λ_２Ｔｍ_２ ・・・(１)
Ｔｆｗ＝−λ_１Ｔｍ_１＋(λ_２＋１)Ｔｍ_２ ・・・(２)

このように、モータジェネレータＭ１，Ｍ２のトルクを制御することにより、図３(Ｂ)に示すように、モータジェネレータＭ１を正回転側に加速させるとともに、モータジェネレータＭ２を逆回転側に加速させながら、駆動輪１９を徐々に正回転側に加速させることが可能となり、ハイブリッド車両１１を発進させることが可能となる。また、図４(Ａ)に示すように、発電状態のモータジェネレータＭ２から発電された電力が、力行状態のモータジェネレータＭ１に供給されるため、高電圧バッテリ２８の充放電電力を抑制することができ、高電圧バッテリ２８での充放電損失を抑制することが可能となる。また、前述の説明では、モータジェネレータＭ１から出力されるモータトルクを用いてハイブリッド車両１１を発進させているが(ＥＶモード)、図４(Ｂ)に示すように、パワーユニット１４から出力されるエンジントルクを加えてハイブリッド車両１１を発進させても良い(パラレルモード)。このように、モータトルクとエンジントルクとを組み合わせてハイブリッド車両１１を発進させることにより、高電圧バッテリ２８の蓄電量が少ない場合や運転者が急加速を望む場合等であっても、ハイブリッド車両１１の加速性能を十分に確保することが可能となる。

また、高電圧バッテリ２８の蓄電量が十分に確保されている場合には、キャリアＣの回転停止状態を保持したまま、モータジェネレータＭ１に負トルクを発生させて逆回転側に駆動し、モータジェネレータＭ２に正トルクを発生させて正回転側に駆動することにより、発進前に予めフライホイールＦＷを加速させるようにしても良い。これにより、ハイブリッド車両１１の発進時にフライホイールＦＷに蓄えられた運動エネルギを利用して駆動輪１９を駆動することが可能となり、ハイブリッド車両１１の加速性能を更に向上させることが可能となる。

続いて、減速時におけるハイブリッド機構１５の作動状態について説明する。ここで、図５(Ａ)は減速時におけるサンギアＳ１，Ｓ２、キャリアＣ、リングギアＲの回転状態およびトルク作用状態の一例を示す説明図であり、図５(Ｂ)は減速時におけるモータジェネレータＭ１，Ｍ２、駆動輪１９、フライホイールＦＷの回転数の推移の一例を示す線図である。また、図６(Ａ)〜(Ｃ)は減速時における電力およびトルクの入出力状態の一例を示す説明図である。

図５(Ａ)に一点鎖線で示すように、ハイブリッド車両１１の走行状態においては、モータジェネレータＭ１および駆動輪１９が正回転側に回転し、モータジェネレータＭ２は逆回転側に回転した状態となる。すなわち、サンギアＳ１およびキャリアＣが正回転側に回転し、サンギアＳ２が逆回転側に回転した状態となっている。なお、フライホイールＦＷおよびこれに連結されるリングギアＲについては、回転停止若しくは正回転側に回転した状態となっている。このような走行状態からハイブリッド車両１１を減速させる際には、負トルクを発生させる発電状態にモータジェネレータＭ１を制御し、正トルクを発生させる発電状態にモータジェネレータＭ２を制御する。これにより、正回転側で回転するサンギアＳ１が減速されるとともに、逆回転側で回転するサンギアＳ２が減速されるため、リングギアＲおよびこれに連結されるフライホイールＦＷが加速される一方、キャリアＣおよびこれに連結される駆動輪１９が減速されることになる。このような減速状態Iにおいては、図６(Ａ)に示すように、駆動輪１９から入力されるハイブリッド車両１１の運動エネルギが、モータジェネレータＭ１，Ｍ２を介して電気エネルギに変換されて高電圧バッテリ２８に蓄えられるとともに、フライホイールＦＷに対して運動エネルギのまま蓄えられることになる。

続いて、図５(Ａ)に二点鎖線で示すように、モータジェネレータＭ１には負トルクが発生しているため、モータジェネレータＭ１およびこれに連結されるサンギアＳ１は停止状態に向けて減速される。また、モータジェネレータＭ２には正トルクが発生しているため、モータジェネレータＭ２およびこれに連結されるサンギアＳ２は停止状態を経て正回転側に駆動されることになる。このとき、モータジェネレータＭ２におけるトルクＴｍ_２の発生方向は一定であるが、ロータ回転が逆回転側から正回転側に切り換わるため、モータジェネレータＭ２の作動状態は発電状態から力行状態に切り換わることになる。このような減速状態IIにおいては、図６(Ｂ)に示すように、駆動輪１９から入力されるハイブリッド車両１１の運動エネルギが、モータジェネレータＭ１を介して電気エネルギに変換されて高電圧バッテリ２８に蓄えられるとともに、フライホイールＦＷに対して運動エネルギのまま蓄えられることになる。

続いて、図５(Ａ)に実線で示すように、モータジェネレータＭ１には負トルクが発生しているため、モータジェネレータＭ１およびこれに連結されるサンギアＳ１は停止状態を経て逆回転側に駆動されることになる。このとき、モータジェネレータＭ１におけるトルクＴｍ_１の発生方向は一定であるが、ロータ回転が正回転側から逆回転側に切り換わるため、モータジェネレータＭ１の作動状態は発電状態から力行状態に切り換わることになる。また、モータジェネレータＭ２には正トルクが発生しているため、モータジェネレータＭ２およびこれに連結されるサンギアＳ２は正回転側で加速される。このような減速状態IIIにおいては、図６(Ｃ)に示すように、駆動輪１９側から入力されるハイブリッド車両１１の運動エネルギが、フライホイールＦＷに対して運動エネルギのまま蓄えられることになる。

このように、モータジェネレータＭ１，Ｍ２のトルクを制御することにより、図５(Ｂ)に示すように、ハイブリッド車両１１の減速時には、モータジェネレータＭ１を正回転側から逆回転側に変化させ、モータジェネレータＭ２を逆回転側から正回転側に変化させ、フライホイールＦＷを加速させながら、駆動輪１９を減速させることが可能となり、ハイブリッド車両１１を減速させることが可能となる。すなわち、モータジェネレータＭ１，Ｍ２を回生制動させて運動エネルギを回収するだけでなく、フライホイールＦＷを加速させて運動エネルギを回収することが可能となる。これにより、モータジェネレータＭ１，Ｍ２の負荷を軽減することができるため、高電圧バッテリ２８に対する大電流充電を回避することができ、モータジェネレータＭ１，Ｍ２の回生制動によるエネルギの回収効率を向上させることができる。また、ハイブリッド車両１１の運動エネルギは、フライホイールＦＷによって運動エネルギのまま回収されるため、運動エネルギの高い回収効率を達成することが可能となる。これらの要因により、減速時におけるハイブリッド車両１１の運動エネルギの回収効率を飛躍的に向上させることが可能となる。

しかも、図５(Ａ)に示すように、２つのモータジェネレータＭ１，Ｍ２を用いるようにしたので、駆動輪１９とフライホイールＦＷとの回転状態を制御する際に、モータジェネレータＭ１，Ｍ２を様々なトルクバランスで制御することができるため、モータトルク制御の自由度を高めることが可能となる。すなわち、ハイブリッド車両１１を減速させる場合であっても、高電圧バッテリ２８の充電状態やフライホイールＦＷの回転状態に応じて、モータジェネレータＭ１やモータジェネレータＭ２を発電状態や力行状態に制御することが可能となる。例えば、高電圧バッテリ２８が満充電状態である場合には、フライホイールＦＷに対して多くの運動エネルギが蓄えられるように、モータジェネレータＭ１，Ｍ２を制御したり、フライホイールＦＷが高回転状態である場合には、高電圧バッテリ２８に対して多くの電気エネルギが蓄えられるように、モータジェネレータＭ１，Ｍ２を制御したりすることが可能となる。また、モータジェネレータＭ１，Ｍ２を発電状態に制御する場合であっても、発電効率の良い回転状態のモータジェネレータＭ１，Ｍ２を選択して制御することが可能となる。

なお、以下の不等式(３)または(４)を満足する範囲に、モータジェネレータＭ１，Ｍ２のトルクＴｍ_１，Ｔｍ_２を制御すれば、減速時にフライホイールＦＷを用いてハイブリッド車両１１の運動エネルギを蓄えることが可能となる。従って、高電圧バッテリ２８の充電状態とモータジェネレータＭ１，Ｍ２の回転数とに応じて、各モータジェネレータＭ１，Ｍ２のトルクＴｍ１、Tm２を制御することで、高電圧バッテリ２８に充電したり、高電圧バッテリ２８を放電させたりすることが可能となる。
Ｔｍ_１≧０ かつ Ｔｍ_２＞Ｔｍ_１・(λ_１＋１)／λ_２≦０ ・・・(３)
Ｔｍ_１＜０ かつ Ｔｍ_２＞Ｔｍ_１・λ_１／(λ_２＋１) ・・・(４)

また、前述の説明では、キャリアＣからパワーユニット１４を切り離した状態で減速させているが、これに限られることはなく、キャリアＣにパワーユニット１４を連結することにより、減速時にパワーユニット１４の負荷を利用しても良いことはいうまでもない。さらに、前述の説明ではモータジェネレータＭ１，Ｍ２のみを制御してハイブリッド車両１１を減速させているが、ハイブリッド車両１１には図示しないブレーキ機構が設けられており、このブレーキ機構から発生する制動力を用いて減速状態が制御されることはいうまでもない。

続いて、加速時におけるハイブリッド機構１５の作動状態について説明する。ここで、図７(Ａ)は加速時におけるサンギアＳ１，Ｓ２、キャリアＣ、リングギアＲの回転状態およびトルク作用状態の一例を示す説明図であり、図７(Ｂ)は加速時におけるモータジェネレータＭ１，Ｍ２、駆動輪１９、フライホイールＦＷの回転数の推移の一例を示す線図である。また、図８(Ａ)〜(Ｃ)は加速時における電力およびトルクの入出力状態の一例を示す説明図である。

図７(Ａ)に一点鎖線で示すように、ハイブリッド車両１１の低速走行状態においては、モータジェネレータＭ２および駆動輪１９が正回転側に回転し、モータジェネレータＭ１は逆回転側に回転した状態となる。すなわち、サンギアＳ２およびキャリアＣが正回転側に回転し、サンギアＳ１が逆回転側に回転した状態となっている。なお、フライホイールＦＷおよびこれに連結されるリングギアＲについては正回転側に回転した状態となっている。このような低速走行状態からハイブリッド車両１１を加速させる際には、正トルクを発生させる発電状態にモータジェネレータＭ１を制御し、負トルクを発生させる発電状態にモータジェネレータＭ２を制御する。これにより、逆回転側で回転するサンギアＳ１が減速されるとともに、正回転側で回転するサンギアＳ２が減速されるため、リングギアＲおよびこれに連結されるフライホイールＦＷが減速される一方、キャリアＣおよびこれに連結される駆動輪１９が加速されることになる。このような加速状態Iにおいては、図８(Ａ)に示すように、モータジェネレータＭ１，Ｍ２を発電状態に切り換えることにより、フライホイールＦＷから出力されるトルクが、リングギアＲからキャリアＣを介して駆動輪１９に伝達されることになる。なお、フライホイールＦＷから駆動輪１９に伝達されるトルクの大きさは、モータジェネレータＭ１，Ｍ２のトルク制御によって調整される。

続いて、図７(Ａ)に二点鎖線で示すように、モータジェネレータＭ１には正トルクが発生しているため、モータジェネレータＭ１およびこれに連結されるサンギアＳ１は停止状態を経て正回転側に駆動されることになる。このとき、モータジェネレータＭ１におけるトルクＴｍ_１の発生方向は一定であるが、ロータ回転が逆回転側から正回転側に切り換わるため、モータジェネレータＭ２の作動状態は発電状態から力行状態に切り換わることになる。また、モータジェネレータＭ２には負トルクが発生しているため、モータジェネレータＭ２およびこれに連結されるサンギアＳ２は停止状態に向けて減速される。このような加速状態IIにおいては、図８(Ｂ)に示すように、フライホイールＦＷおよびモータジェネレータＭ１から出力されるトルクが、リングギアＲおよびサンギアＳ１からキャリアＣを介して駆動輪１９に伝達されることになる。

続いて、図７(Ａ)に実線で示すように、モータジェネレータＭ１には正トルクが発生しているため、モータジェネレータＭ１およびこれに連結されるサンギアＳ１は正回転側で加速される。また、前述したように、モータジェネレータＭ２には負トルクが発生するため、モータジェネレータＭ２およびこれに連結されるサンギアＳ２は停止状態を経て逆回転側に駆動されることになるが、フライホイールＦＷが停止した場合には、フライホイールＦＷの逆回転を防止するため、モータジェネレータＭ２は正トルクを発生するように制御される。すなわち、加速時におけるモータジェネレータＭ１は、発電状態から力行状態に切り換えられた後に、再び発電状態に切り換えられてフライホイールＦＷの停止状態を保持するようになっている。このような加速状態IIIにおいては、図８(Ｃ)に示すように、モータジェネレータＭ１から出力されるトルクが、サンギアＳ１からキャリアＣを介して駆動輪１９に伝達されることになる。

このように、モータジェネレータＭ１，Ｍ２のトルクを制御することにより、図７(Ｂ)に示すように、ハイブリッド車両１１の加速時には、モータジェネレータＭ１を逆回転側から正回転側に変化させ、モータジェネレータＭ２を正回転側から逆回転側に変化させ、フライホイールＦＷを減速させながら、駆動輪１９を加速させることが可能となり、ハイブリッド車両１１を加速させることが可能となる。すなわち、モータジェネレータＭ１，Ｍ２を力行状態に制御するだけでなく、フライホイールＦＷに蓄えられた運動エネルギを放出してハイブリッド車両１１を加速させることが可能となる。これにより、モータジェネレータＭ１，Ｍ２の負荷を軽減することができるため、高電圧バッテリ２８からの大電流放電を回避することができ、高電圧バッテリ２８における放電損失を軽減することが可能となる。また、フライホイールＦＷから放出される運動エネルギが、そのままハイブリッド車両１１の加速に利用されるため、高いエネルギ利用効率によってハイブリッド車両１１を加速させることが可能となる。これらの要因により、加速時におけるハイブリッド車両１１のエネルギ利用効率を飛躍的に向上させることが可能となる。

しかも、図７(Ａ)に示すように、２つのモータジェネレータＭ１，Ｍ２を用いるようにしたので、駆動輪１９とフライホイールＦＷとの回転状態を制御する際に、モータジェネレータＭ１，Ｍ２を様々なトルクバランスで制御することができるため、モータトルク制御の自由度を高めることが可能となる。すなわち、ハイブリッド車両１１を加速させる場合であっても、高電圧バッテリ２８の充電状態やフライホイールＦＷの回転状態に応じて、モータジェネレータＭ１やモータジェネレータＭ２を発電状態や力行状態に制御することが可能となる。例えば、高電圧バッテリ２８が満充電状態である場合には、高電圧バッテリ２８から多くの電気エネルギが放出されるように、モータジェネレータＭ１，Ｍ２を制御したり、フライホイールＦＷが高回転状態である場合には、フライホイールＦＷから多くの運動エネルギが放出されるように、モータジェネレータＭ１，Ｍ２を制御したりすることが可能となる。また、モータジェネレータＭ１，Ｍ２を力行状態に制御する場合であっても、力行効率の良い回転状態のモータジェネレータＭ１，Ｍ２を選択して制御することが可能となる。

なお、以下の不等式(５)および(６)を満足する走行状況であれば、加速時に、フライホイールＦＷに蓄積されたエネルギを利用して加速することが可能となる。
(λ_１＋１)Ｔｍ_１−λ_２Ｔｍ_２＞０ ・・・(５)
λ_１Ｔｍ_１−（λ_２＋１）Ｔｍ_２＞０ ・・・(６)

また、前述の説明では、キャリアＣからパワーユニット１４を切り離した状態で加速させているが、これに限られることはなく、キャリアＣにパワーユニット１４を連結することにより、加速時にパワーユニット１４から出力されるエンジントルクを利用しても良いことはいうまでもない。

続いて、本発明の他の実施の形態である車両用駆動装置４０，５０，６０について説明する。図９〜図１１は本発明の他の実施の形態である車両用駆動装置４０，５０，６０を示すスケルトン図である。なお、図９〜図１１において図２に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図９に示すように、車両用駆動装置４０はエンジン１２と変速機１３との間にハイブリッド機構１５を有しており、エンジン１２とキャリアＣとの間には入力側クラッチ機構４１が設けられている。この入力側クラッチ機構４１を締結状態に切り換えることにより、エンジン１２とキャリアＣとは連結される一方、入力側クラッチ機構４１を解放状態に切り換えることにより、エンジン１２とキャリアＣとは切り離される。このように組み込まれた入力側クラッチ機構４１を解放させることにより、エンジン１２を用いることなくハイブリッド車両１１を走行させることができるため、エンジン１２の使用領域を限定することができ、エンジン１２の燃費性能を向上させることが可能となる。また、図示する場合には、ハイブリッド機構１５の出力側に変速機１３が設けられるため、幅広い走行領域においてモータジェネレータＭ１，Ｍ２を使用することが可能となる。なお、図９に示す車両用駆動装置４０においても、前述した車両用駆動装置１０と同様の効果を得ることが可能である。

続いて、図１０に示すように、車両用駆動装置５０はエンジン１２と変速機１３との間にハイブリッド機構１５を有しており、キャリアＣと変速機１３との間には出力側クラッチ機構５１が設けられている。すなわち、出力側クラッチ機構５１はキャリアＣと駆動輪１９との間に設けられている。この出力側クラッチ機構５１を締結状態に切り換えることにより、キャリアＣと駆動輪１９とは連結される一方、出力側クラッチ機構５１を解放状態に切り換えることにより、キャリアＣと駆動輪１９とは切り離される。このように組み込まれた出力側クラッチ機構５１を解放させることにより、モータジェネレータＭ１、モータジェネレータＭ２、あるいはフライホイールＦＷを用いてエンジン１２を始動することができるため、エンジン１２のスタータモータを削減することが可能となる。なお、図１０に示す車両用駆動装置５０においても、前述した車両用駆動装置１０と同様の効果を得ることが可能である。

続いて、図１１に示すように、車両用駆動装置６０には、エンジン１２と変速機１３とによって構成されるパワーユニット１４が横置きに搭載されている。このパワーユニット１４にはハイブリッド機構６１が連結されており、ハイブリッド機構６１の出力軸６２には減速歯車列６３およびデファレンシャル機構１８を介して駆動輪１９が連結されている。また、ハイブリッド機構６１には複合遊星歯車機構６４が組み込まれており、この複合遊星歯車機構６４は一対のシングルピニオン遊星歯車機構６５，６６によって構成されている。第１シングルピニオン遊星歯車機構６５のサンギア(第１モータ連結要素)Ｓａ１には、第１モータジェネレータＭ１のロータ２３が連結されており、第２シングルピニオン遊星歯車機構６６のサンギア(第２モータ連結要素)Ｓａ２には、第２モータジェネレータＭ２のロータ２４が連結されている。

また、シングルピニオン遊星歯車機構６６のピニオンギアＰａ２を支持するキャリア(入出力要素)Ｃ２と、シングルピニオン遊星歯車機構６５のリングギア(入出力要素)Ｒ１とには、パワーユニット１４の出力軸２５が連結されるとともに、ハイブリッド機構１５の出力軸６２が連結されている。すなわち、キャリアＣ２およびリングギアＲ１にはエンジン１２および駆動輪１９が連結されている。さらに、シングルピニオン遊星歯車機構６５のピニオンギアＰａ１を支持するキャリア(ホイール連結要素)Ｃ１と、シングルピニオン遊星歯車機構６６のリングギア(ホイール連結要素)Ｒ２とには、回転力を運動エネルギとして蓄えるフライホイールＦＷが連結されている。このような構成を有する車両用駆動装置６０であっても、前述した車両用駆動装置１０と同様の効果を得ることが可能である。

本発明は前記実施の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変更可能であることはいうまでもない。たとえば、図３〜図８には、各要素に対するトルク作用状態や回転状態の一例が示されているが、このトルク作用状態や回転状態に限られることはなく、走行状況に応じて様々なトルク作用状態や回転状態に制御しても良い。

また、ハイブリッド機構１５，６１に組み込まれる複合遊星歯車機構２０，６４としては、図示する各回転要素の連結パターンに限られることはなく、他の連結パターンによって各回転要素を連結するようにした複合遊星歯車機構であっても良い。たとえば、図示する複合遊星歯車機構２０においては、キャリアＣにエンジン１２および駆動輪１９が連結され、リングギアＲにフライホイールＦＷが連結されているが、これに限られることはなく、キャリアＣに対してフライホイールＦＷを連結し、リングギアＲに対してエンジン１２および駆動輪１９を連結しても良い。すなわち、キャリアＣをホイール連結要素として機能させ、リングギアＲを入出力要素として機能させても良い。

また、図示する車両はエンジン１２とモータジェネレータとを備えたハイブリッド車両１１であるが、これに限られることはなく、動力源としてモータジェネレータＭ１，Ｍ２のみを搭載し、動力源としてのエンジン１２を搭載しない電気自動車に対して本発明の車両用駆動装置１０を適用しても良い。なお、前述の説明では、高電圧バッテリ２８としてリチウムイオンバッテリを設けるようにしているが、他の形式のバッテリを設けるようにしても良い。また、高電圧バッテリ２８に代えて様々な形式のキャパシタを設けるようにしても良い。

本発明の一実施の形態である車両用駆動装置が組み込まれたハイブリッド車両の一部を示す概略図である。 ハイブリッド機構の構成を示すスケルトン図である。 (Ａ)は発進時におけるサンギア、キャリア、リングギアの回転状態およびトルク作用状態の一例を示す説明図であり、(Ｂ)は発進時におけるモータジェネレータ、駆動輪、フライホイールの回転数の推移の一例を示す線図である。 (Ａ)および(Ｂ)は発進時における電力およびトルクの入出力状態の一例を示す説明図である。 (Ａ)は減速時におけるサンギア、キャリア、リングギアの回転状態およびトルク作用状態の一例を示す説明図であり、(Ｂ)は減速時におけるモータジェネレータ、駆動輪、フライホイールの回転数の推移の一例を示す線図である。 (Ａ)〜(Ｃ)は減速時における電力およびトルクの入出力状態の一例を示す説明図である。 (Ａ)は加速時におけるサンギア、キャリア、リングギアの回転状態およびトルク作用状態の一例を示す説明図であり、(Ｂ)は加速時におけるモータジェネレータ、駆動輪、フライホイールの回転数の推移の一例を示す線図である。 (Ａ)〜(Ｃ)は加速時における電力およびトルクの入出力状態の一例を示す説明図である。 本発明の他の実施の形態である車両用駆動装置を示すスケルトン図である。 本発明の他の実施の形態である車両用駆動装置を示すスケルトン図である。 本発明の他の実施の形態である車両用駆動装置を示すスケルトン図である。

符号の説明

１０ 車両用駆動装置
１２ エンジン
１９ 駆動輪
２０ 複合遊星歯車機構
２１ シングルピニオン遊星歯車機構
２２ ダブルピニオン遊星歯車機構
３０ ハイブリッド制御ユニット(モータ制御手段)
４０ 車両用駆動装置
４１ 入力側クラッチ機構
５０ 車両用駆動装置
５１ 出力側クラッチ機構
６０ 車両用駆動装置
６４ 複合遊星歯車機構
６５ シングルピニオン遊星歯車機構(第１シングルピニオン遊星歯車機構)
６６ シングルピニオン遊星歯車機構(第２シングルピニオン遊星歯車機構)
Ｍ１ モータジェネレータ(第１モータジェネレータ)
Ｍ２ モータジェネレータ(第２モータジェネレータ)
ＦＷ フライホイール
Ｓ１ サンギア(第１モータ連結要素)
Ｓ２ サンギア(第２モータ連結要素)
Ｃ キャリア(入出力要素)
Ｒ リングギア(ホイール連結要素)
Ｓａ１ サンギア(第１モータ連結要素)
Ｓａ２ サンギア(第２モータ連結要素)
Ｃ１ キャリア(ホイール連結要素)
Ｃ２ キャリア(入出力要素)
Ｒ１ リングギア(入出力要素)
Ｒ２ リングギア(ホイール連結要素)

Claims (9)

1. 駆動輪に連結される入出力要素を備える複合遊星歯車機構と、
   前記複合遊星歯車機構のホイール連結要素に連結され、回転力を運動エネルギとして蓄えるフライホイールと、
   前記複合遊星歯車機構の第１モータ連結要素に連結され、力行状態と発電状態とに切り換えられる第１モータジェネレータと、
   前記複合遊星歯車機構の第２モータ連結要素に連結され、力行状態と発電状態とに切り換えられる第２モータジェネレータと、
   前記第１モータジェネレータと前記第２モータジェネレータとをそれぞれに制御するモータ制御手段とを有することを特徴とする車両用駆動装置。
2. 請求項１記載の車両用駆動装置において、
   前記モータ制御手段は、前記第１モータジェネレータと前記第２モータジェネレータとをそれぞれに制御することにより、前記入出力要素を加速させるときには前記フライホイールを減速させ、前記入出力要素を減速させるときには前記フライホイールを加速させることを特徴とする車両用駆動装置。
3. 請求項１または２記載の車両用駆動装置において、
   前記複合遊星歯車機構は、シングルピニオン遊星歯車機構とダブルピニオン遊星歯車機構とを組み合わせた複合遊星歯車機構であることを特徴とする車両用駆動装置。
4. 請求項３記載の車両用駆動装置において、
   前記入出力要素は、前記複合遊星歯車機構を構成するキャリアまたはリングギアの一方であり、
   前記ホイール連結要素は、前記複合遊星歯車機構を構成する前記キャリアまたは前記リングギアのうちの他方であり、
   前記第１モータ連結要素は、前記シングルピニオン遊星歯車機構を構成するサンギアであり、
   前記第２モータ連結要素は、前記ダブルピニオン遊星歯車機構を構成するサンギアであることを特徴とする車両用駆動装置。
5. 請求項１または２記載の車両用駆動装置において、
   前記複合遊星歯車機構は、第１シングルピニオン遊星歯車機構と第２シングルピニオン遊星歯車機構とを組み合わせた複合遊星歯車機構であることを特徴とする車両用駆動装置。
6. 請求項５記載の車両用駆動装置において、
   前記入出力要素は、前記第１シングルピニオン遊星歯車機構を構成するリングギアおよび前記第２シングルピニオン遊星歯車機構を構成するキャリアであり、
   前記ホイール連結要素は、前記第１シングルピニオン遊星歯車機構を構成するキャリアおよび前記第２シングルピニオン遊星歯車機構を構成するリングギアであり、
   前記第１モータ連結要素は、前記第１シングルピニオン遊星歯車機構を構成するサンギアであり、
   前記第２モータ連結要素は、前記第２シングルピニオン遊星歯車機構を構成するサンギアであることを特徴とする車両用駆動装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の車両用駆動装置において、
   前記入出力要素に連結されるエンジンを有することを特徴とする車両用駆動装置。
8. 請求項７記載の車両用駆動装置において、
   前記エンジンと前記入出力要素との間に、締結状態と解放状態とに切り換えられる入力側クラッチ機構を有することを特徴とする車両用駆動装置。
9. 請求項７または８記載の車両用駆動装置において、
   前記入出力要素と前記駆動輪との間に、締結状態と解放状態とに切り換えられる出力側クラッチ機構を有することを特徴とする車両用駆動装置。

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