JP2010095066A - ハイブリッド自動車の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動力伝達効率や燃費を向上させることが可能なハイブリッド自動車の駆動装置を提供する。
【解決手段】ラビニヨウ型遊星ギヤユニット２０と、エンジン１の出力軸とリヤサンギヤとの間を断接するＣ２クラッチと、エンジン１の出力軸とキャリアとの間を断接するＣ３クラッチと、フロントサンギヤを固定部に対して断接するＢ１ブレーキと、フロントサンギヤに連結された発電機ＭＧ１と、リングギヤ及びモータＭＧ２と連結され、車輪を駆動する駆動軸とを備える。クラッチ及びブレーキの作動とＭＧ１，ＭＧ２の作動を切り替えることで、動力伝達効率に優れた走行を実現できる。
【選択図】 図２

Description

本発明はエンジン及びモータを併用して走行するハイブリッド自動車、特にパラレル方式のハイブリッド自動車の駆動装置に関するものである。

近年、地球環境保護の意識が世界的な規模で高まりを見せる中、自動車の排出ガス中の二酸化炭素量を低減するための具体策として、ガソリンエンジン及び走行モータを組み合わせたハイブリッド自動車が提案されている。この種のハイブリッド自動車は大別すると、エンジンにより発電機を駆動し、この発電機により得られる電力をバッテリに供給して充電し、更にこのバッテリの電力により駆動モータを駆動するようにしたシリーズ（直列）方式と、エンジン及びモータの両方で車両を駆動するパラレル（並列）方式とがある。

特許文献１には、パラレル方式のハイブリッド自動車の制御装置が開示されている。図５はパラレル方式のハイブリッド自動車の構成を示し、エンジン１００と、発電機１１０と、電動モータ１２０と、遊星ギヤユニット１３０とを搭載している。エンジン１００の出力軸１０１は、遊星ギヤユニット１３０のキャリア１３１に連結され、キャリア１３１には遊星ピニオンギヤ１３２が支持されている。遊星ピニオンギヤ１３２は発電機１１０の回転軸１１１に連結されたサンギヤ１３３にかみ合うと共に、リングギヤ１３４ともかみ合っている。リングギヤ１３４にはカウンタギヤ１３５が連結されており、このカウンタギヤ１３５は減速ギヤ１３６，１３７を介してデファレンシャル装置１４０のデフキヤ１４１とかみ合い、左右の駆動輪１４２に動力を伝達している。減速ギヤ１３６にはモータ１２０の回転軸１２１に連結されたギヤ１２２もかみ合っている。発電機１１０及びモータ１２０は図示しないバッテリと接続され、発電機１１０により発電した電気エネルギーをバッテリに充電すると共に、バッテリの電力をモータ１２０に供給してモータ１２０を駆動している。

図６は、図５に示すハイブリッド自動車の動作を示す共線図である。図６は、遊星ギヤユニットの３要素であるリングギヤ、キャリア、サンギヤの回転方向及び回転数を示したものであり、３本の縦軸の間隔がギヤ比を示し、縦軸の高さが回転数を表している。サンギヤとキャリアとの間のギヤ比を１としたとき、キャリアとリングギヤとのギヤ比はρ＝Ｚ_S ／Ｚ_R となる。ここで、Ｚ_S はサンギヤの歯数、Ｚ_R はリングギヤの歯数である。遊星ギヤユニットの特性上、リングギヤ、キャリア、サンギヤの回転数は直線上に並ぶ。リングギヤの回転数は車速に比例し、キャリアの回転数はエンジンの回転数に比例し、サンギヤの回転数は発電機の回転数に比例する。

図６の直線Ａはローギヤ比、直線Ｂは中間ギヤ比、直線Ｃはハイギヤ比を表している。図示するように、エンジン回転数を一定に保持したまま、ギヤ比を連続的に変化させることができるので、エンジン最良効率領域での運転が可能であるという利点がある反面、以下のような問題がある。
（１）ローギヤ比（Ａ）で運転する場合、発電機ＭＧ１の回転数が大きくなるため、発電機ＭＧ１で発電した電力が余剰となり、電気損失が大きくなる。
（２）ハイギヤ比（Ｃ）で運転する場合、発電機ＭＧ１は逆回転、負トルク（逆転力行）となり、電力収支を０にしようとすると、モータＭＧ２で発電する必要があり、動力循環になってしまう。
（３）中間ギヤ比（Ｂ）では、発電機ＭＧ１に電力を加えて停止させる必要があるため、発電機ＭＧ１の発熱による損失が問題になる。
特開２００１−８６６０３号公報

本発明の目的は、動力伝達効率や燃費を向上させることが可能なハイブリッド自動車の駆動装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、動力源としてエンジン及びモータを搭載し、バッテリの電力をモータに給電し、エンジン及びモータを併用して走行するハイブリッド自動車において、フロントサンギヤ、リヤサンギヤ、フロントサンギヤにかみ合うロングピニオン、リヤサンギヤとロングピニオンとにかみ合うショートピニオン、ロングピニオンとショートピニオンとを支持するキャリア、ロングピニオンにかみ合うリングギヤを含むラビニヨウ型遊星ギヤユニットと、前記エンジンの出力軸と前記リヤサンギヤとの間を断接するＣ２クラッチと、前記エンジンの出力軸と前記キャリアとの間を断接するＣ３クラッチと、前記フロントサンギヤを固定部に対して断接するＢ１ブレーキと、前記フロントサンギヤに回転軸が連結された発電機と、前記リングギヤ及び前記モータの回転軸と連結され、車輪を駆動する駆動軸と、を備えたことを特徴とするハイブリッド自動車の駆動装置を提供する。

本発明では、ラビニヨウ型遊星ギヤユニットを使用し、エンジン出力軸とリヤサンギヤとの間にＣ２クラッチを設け、エンジン出力軸とキャリアとの間にＣ３クラッチを設け、フロントサンギヤと固定部との間にＢ１ブレーキを設けてある。発電機の回転軸はフロントサンギヤに連結され、リングギヤはモータと共に車輪に連結されている。ローギヤ比で運転する場合にＣ２クラッチを係合させ、エンジン出力軸とリヤサンギヤとを連結するので、発電機の回転方向を逆転させることができ、発電機で発電した電力でモータを力行できる。そのため、発電量の余剰を少なくでき、電気損失を低く抑えることができる。また、ハイギヤ比で運転する場合には、Ｂ１ブレーキを係合してフロントサンギヤを固定するので、エンジントルクを１００％無駄なく車輪に伝えることができる。入力はキャリア入力となっているので、高いギヤ比をとることができ、燃費向上を実現できる。さらに、Ｃ２，Ｃ３クラッチの切り替えにより、エンジン入力が容易に切り替えられるので、バッテリの容量やエンジン性能などに応じて多様な走行を選択できる。

キャリアと固定部との間に、キャリアの正転のみを許容するワンウエイクラッチと、ワンウエイクラッチを固定部に対して断接するＢ２ブレーキとを、直列に設けるのが望ましい。Ｂ２ブレーキを開放すると、ワンウエイクラッチがフリーになるので、エンジン停止状態のままモータによって走行を開始する場合や、発電機によってエンジンを始動する場合に好適である。また、Ｂ２ブレーキを係合することで、ワンウエイクラッチの作用によりキャリアが正転のみを行うので、前進走行を行うことができる。

本発明によれば、ラビニヨウ型遊星ギヤユニットと複数の摩擦係合要素とを用いると共に、発電機の回転軸をフロントサンギヤに連結したので、ローギヤ比で運転する場合に、発電機の回転数を従来に比べて小さくでき、発電量の余剰を少なくでき、電気損失を低く抑えることができる。また、ハイギヤ比で運転する場合、Ｂ１ブレーキの働きによりフロントサンギヤを固定できるので、エンジントルクを１００％無駄なく車輪に伝えることができると共に、キャリア入力となっているので、高いギヤ比をとることができ、燃費向上を実現できる。

以下に、本発明の実施の形態を、実施例を参照して説明する。

図１は本発明にかかるハイブリッド自動車のシステムを示す。本自動車は、エンジン１と、変速機２と、発電機（ＭＧ１）３と、モータ（ＭＧ２）４と、バッテリ５とを備えている。エンジン１の出力軸１１は変速機２に接続され、変速機２の出力軸である駆動軸４２は車輪Ｔと接続されている。

変速機２は、図２に示すように、摩擦係合要素である３個のクラッチＣ１〜Ｃ３、２個のブレーキＢ１，Ｂ２、ワンウエイクラッチＯＷＣ、ラビニヨウ型遊星ギヤユニット２０、デファレンシャル装置４０などを備えている。遊星ギヤユニット２０は、フロントサンギヤ２１、リヤサンギヤ２２、フロントサンギヤ２１にかみ合うロングピニオン２３、リヤサンギヤ２２とロングピニオン２３とにかみ合うショートピニオン２４、ロングピニオン２３とショートピニオン２４とを支持するキャリア２５、ロングピニオン２３にかみ合うリングギヤ２６などを備えている。フロントサンギヤ２１はＣ１クラッチを介してエンジン出力軸１１と連結されており、リヤサンギヤ２２はＣ２クラッチを介してエンジン出力軸１１と連結されている。キャリヤ２５はＣ３クラッチを介してエンジン出力軸１１と連結されている。キャリア２５と固定部である変速機ケース２７との間には、キャリア２５の正転（エンジン回転方向の回転）のみを許容するワンウエイクラッチＯＷＣとＢ２ブレーキとが直列に設けられている。すなわち、ワンウエイクラッチＯＷＣの内輪がキャリア２５に連結され、外輪がＢ２ブレーキを介して変速機ケース２７と連結されている。フロントサンギヤ２１と変速機ケース２７との間にはＢ１ブレーキが設けられ、さらにフロントサンギヤ２１にはギヤ２８が設けられ、このギヤ２８はアイドラギヤ２９を介して発電機ＭＧ１の回転軸に固定された出力ギヤ５０と噛み合っている。そのため、Ｂ１ブレーキを解放した状態で発電機ＭＧ１を駆動することで、フロントサンギヤ２１を回転させることができる。リングギヤ２６はギヤ３０に結合されており、ギヤ３０はカウンタ軸３１に設けられたギヤ３２，３３を介してデファレンシャル装置４０のデフギヤ４１にかみ合っている。デファレンシャル装置４０に伝えられた動力は、駆動軸４２を介して車輪Ｔに伝えられる。さらに、デフギヤ４１には、モータＭＧ２の回転軸に固定された出力ギヤ５１がかみ合っている。

次表はクラッチＣ１〜Ｃ３及びブレーキＢ１，Ｂ２の各作動状態を示す。

前記実施例では、発電機ＭＧ１の出力ギヤ５０をアイドラギヤ２９を介してフロントサンギヤ２１と一体回転するギヤ２８と噛み合わせたが、アイドラギヤ２９を省略して出力ギヤ５０をギヤ２８と直接噛み合わせてもよいし、ギヤ２８をスプロケットに変更し、チェーンなどを介してフロントサンギヤ２１を発電機 （ＭＧ１）３により駆動してもよい。また、モータ（ＭＧ２）４の出力ギヤ５１とデフギヤ４１とが直接かみ合う必要はなく、出力ギヤ５１をカウンタギヤ３２又は３３とかみ合わせてもよいし、ギヤ３０とかみ合わせてもよい。

変速機２の各摩擦係合要素には、油圧回路６０から作動油圧が供給されている。油圧回路６０には、エンジン停止時でも油圧を発生できる電動オイルポンプや、各摩擦係合要素への油圧を調整するソレノイドバルブが内蔵されている。エンジン１はエンジン制御装置６１によって制御され、発電機ＭＧ１は発電機制御装置６２によって制御され、モータＭＧ２はモータ制御装置６３によって制御され、油圧回路６０は電子制御装置６４によって制御される。各制御装置６１〜６４はバス６５によって相互に接続されると共に、バッテリ５とも接続されている。バッテリ５は、エンジン１の点火装置や電子スロットル、発電機ＭＧ１、モータＭＧ２、油圧回路６０内の電動オイルポンプやソレノイドバルブなどを駆動するために電力を供給すると共に、発電機ＭＧ１及びモータＭＧ２で発生した回生エネルギーを充電する役割を持つ。

図３は、本ハイブリッド自動車の各変速段における共線図である。図３において、左端の縦軸はフロントサンギヤ、左端から２番目の縦軸はキャリア、左端から３番目の縦軸はリングギヤ、右端の縦軸はリヤサンギヤの各回転方向及び回転数を示す。フロントサンギヤとキャリアとの間のギヤ比を１としたとき、キャリアとリングギヤとのギヤ比はＺ_S1／Ｚ_R 、キャリアとリヤサンギヤとのギヤ比はＺ_S1／Ｚ_S2となる。ここで、Ｚ_S1はフロントサンギヤの歯数、Ｚ_S2はリヤサンギヤの歯数、Ｚ_R はリングギヤの歯数である。フロントサンギヤの回転数は発電機ＭＧ１の回転数に比例し、リングギヤの回転数はモータＭＧ２の回転数及び車速に比例する。キャリアとリヤサンギヤはエンジンと選択的に連結されるため、キャリア又はリヤサンギヤの一方の回転数がエンジンの回転数に比例する。

図３の直線Ａは１速ギヤ比、直線Ｂは２速ギヤ比、直線Ｃは４速ギヤ比、直線Ｄは直結（３速）ギヤ比を表している。
１速ギヤ比（Ａ）では、Ｃ２クラッチ及びＢ２ブレーキを係合し、Ｃ３クラッチ，Ｂ１ブレーキを解放する。エンジントルクはリヤサンギヤ２２に伝達され、Ｂ２ブレーキが係合するので、ワンウエイクラッチＯＷＣの働きにより、１速段（ＭＧ１はフリー）を形成する。発電機ＭＧ１で発電した電力をモータＭＧ２に供給し、モータＭＧ２を力行させることができる。
２速ギヤ比（Ｂ）では、Ｃ２クラッチ及びＢ１，Ｂ２ブレーキを係合し、Ｃ３クラッチを解放する。Ｂ１ブレーキを係合することで、フロントサンギヤ２１が固定され、発電機ＭＧ１も停止する。そのため、エンジントルクはリヤサンギヤ２２を介して、分配されずに１００％リングギヤ２６に伝達され、２速段で低速走行できる。発電機ＭＧ１はＢ１ブレーキにより停止するため、発電機ＭＧ１に電力を加えて停止させる必要がなく、電力損失がない。
３速（直結）ギヤ比（Ｄ）では、Ｃ２，Ｃ３クラッチ及びＢ２ブレーキを係合し、Ｂ１ブレーキを解放する。Ｃ３クラッチを係合することで、遊星ギヤユニット２０が直結状態（ギヤ比１）となり、エンジントルクはそのままリングギヤ２６に伝達される。
４速ギヤ比（Ｃ）では、Ｃ３クラッチ及びＢ１，Ｂ２ブレーキを係合し、Ｃ２クラッチを解放する。Ｂ１ブレーキを係合することで、フロントサンギヤ２１が固定され、発電機ＭＧ１も停止する。Ｃ２クラッチを解放するため、リヤサンギヤ２２がフリーになり、エンジントルクはキャリア２５を介してリングギヤ２６に無駄なく伝達される。キャリア入力となっているので、高いギヤ比をとることができる。４速ギヤ比では、発電機ＭＧ１が停止しているため、従来のような逆転力行とならず、モータＭＧ２で発電する必要がなく、電力損失がない。
このように、２〜４速においてエンジントルクをリングギヤ２６に無駄なく伝えることができるので、効率よく走行を行うことができる。

次に、本ハイブリッド自動車の動作を、図４Ａ〜図４Ｄを参照しながら説明する。
図４Ａの（ａ）は車両停止状態であり、Ｃ２クラッチを係合することで、エンジンはリヤサンギヤに結合されている。遊星ギヤユニットの全ての要素は停止している。なお、エンジンを停止したままＣ２クラッチを係合させるため、油圧回路６０に内蔵された電動オイルポンプを駆動し、油圧を発生させる必要がある。
図４Ａの（ｂ）はモータＭＧ２によって走行を開始する場合であり、エンジンは停止しており、発電機ＭＧ１は空転する。
図４Ａの（ｃ）は発電機ＭＧ１によってエンジンを始動する場合である。Ｃ２クラッチを係合することで、エンジンはリヤサンギヤに結合されている。リングギヤが停止状態であり、キャリアが解放されているため、発電機ＭＧ１が逆転力行すると、その反力を受けてエンジン回転が上昇する。つまり、発電機ＭＧ１をスタータモータとして利用できる。

図４Ｂの（ｄ）は、低速走行（始動〜１速相当）を開始する場合であり、ＥＣＶＴモードつまり無段変速モードで走行する場合である。エンジン回転の上昇に伴い、発電機ＭＧ１で発電した電力でモータＭＧ２が力行する。キャリアが正転状態になるまではＢ２ブレーキを解放状態としておく。
図４Ｂの（ｅ）は１速固定の状態であり、Ｂ２ブレーキを係合することで、ワンウエイクラッチＯＷＣの働きにより、１速段ギヤ比（ＭＧ１フリー）状態となる。この状態から発電機ＭＧ１の回生量を増やしていくと、破線で示すようにギヤ比がハイギヤ側へ次第に変化していく。
図４Ｂの（ｆ）は、２速固定の走行状態であり、Ｂ１ブレーキを係合することにより、フロントサンギヤが固定され、２速ギヤ比が構成される。エンジントルクはリヤサンギヤから無駄なくリングギヤに伝達され、電力パスを排除できる。

図４Ｃの（ｇ）は、２速〜３速相当の無段変速モードでの走行状態であり、発電機ＭＧ１が正転、力行し、モータＭＧ２は電流収支を０にするため、発電する必要がある。エンジン最良効率領域で運転できるので、トータル効率は高い。
図４Ｃの（ｈ）は、３速（直結）の走行状態であり、Ｃ３クラッチを係合することで、遊星ギヤユニットが直結状態（ギヤ比＝１）になり、エンジントルクは１００％リングギヤに伝達される。直結状態において、Ｃ２，Ｃ３クラッチの切り替えにより、入力を容易に切り替えることができる。

図４Ｄの（ｉ）は、３速〜４速相当の無段変速モードでの走行状態であり、Ｃ２クラッチを解放することで、エンジントルクはリヤサンギヤには伝達されず、キャリアにのみ伝達される。そして、徐々にＢ１ブレーキを係合させることで、ギヤ比がハイギヤ側へ変化する。その間、発電機ＭＧ１が正転、回生し、発電機ＭＧ１で発電した電力でモータＭＧ２をアシスト駆動できる。
図４Ｄの（ｊ）は、４速固定の走行状態であり、Ｂ１ブレーキを係合させることで、フロントサンギヤが固定され、エンジントルクはキャリアからリングギヤに効率よく伝達される。
図４Ｄの（ｋ）は、４速相当以上の走行状態であり、Ｂ１ブレーキを解放する。発電機ＭＧ１は逆転、力行し、電流収支を０にするためモータＭＧ２を発電する必要がある。なお、図４Ｄの（ｋ）での４速相当以上の走行状態は省略可能であり、最高ギヤ比を４速で固定してもよい。

前述のように、１〜４速の各変速段だけでなく、その中間の変速比を発電機ＭＧ１及びモータＭＧ２の制御により自在に得ることができるので、エンジンを最良効率領域で運転することが可能になる。そのため、運転性能の向上と燃費効率の向上とを実現することができる。

本発明に係るハイブリッド自動車のシステム図である。 図１に示すハイブリッド自動車の駆動装置のスケルトン図である。 本発明に係る駆動装置の動作を示す共線図である。 本発明に係る駆動装置の停止状態からエンジン始動状態までの動作を示す図である。 本発明に係る駆動装置のエンジン始動〜２速状態の動作を示す図である。 本発明に係る駆動装置の２速〜３速状態の動作を示す図である。 本発明に係る駆動装置の３速〜４速状態の動作を示す図である。 従来のハイブリッド自動車の一例のシステム図である。 従来のハイブリッド自動車の動作を示す共線図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 変速機
３ 発電機（ＭＧ１）
４ モータ（ＭＧ２）
５ バッテリ
１１ エンジン出力軸
２０ 遊星ギヤユニット
２１ フロントサンギヤ
２２ リヤサンギヤ
２３ ロングピニオン
２４ ショートピニオン
２５ キャリア
２６ リングギヤ
２７ 変速機ケース（固定部）
２８，２９ ギヤ
４０ デファレンシャル装置
４２ 駆動軸
Ｃ２，Ｃ３ クラッチ
Ｂ１，Ｂ２ ブレーキ
ＯＷＣ ワンウエイクラッチ
Ｔ 車輪

Claims (3)

1. 動力源としてエンジン及びモータを搭載し、バッテリの電力をモータに給電し、エンジン及びモータを併用して走行するハイブリッド自動車において、
   フロントサンギヤ、リヤサンギヤ、フロントサンギヤにかみ合うロングピニオン、リヤサンギヤとロングピニオンとにかみ合うショートピニオン、ロングピニオンとショートピニオンとを支持するキャリア、ロングピニオンにかみ合うリングギヤを含むラビニヨウ型遊星ギヤユニットと、
   前記エンジンの出力軸と前記リヤサンギヤとの間を断接するＣ２クラッチと、
   前記エンジンの出力軸と前記キャリアとの間を断接するＣ３クラッチと、
   前記フロントサンギヤを固定部に対して断接するＢ１ブレーキと、
   前記フロントサンギヤに回転軸が連結された発電機と、
   前記リングギヤ及び前記モータの回転軸と連結され、車輪を駆動する駆動軸と、
   を備えたことを特徴とするハイブリッド自動車の駆動装置。
2. 前記Ｃ２クラッチを締結し、前記Ｃ３クラッチ及びＢ１ブレーキを解放した第１速段と、
   前記Ｃ２クラッチ及びＢ１ブレーキを締結し、前記Ｃ３クラッチを解放した第２速段と、
   前記Ｃ２クラッチ及びＣ３クラッチを締結し、前記Ｂ１ブレーキを解放した第３速段（直結）と、
   前記Ｃ３クラッチ及びＢ１ブレーキを締結し、前記Ｃ２クラッチを解放した第４速段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド自動車の駆動装置。
3. 前記キャリアと固定部との間に、キャリアの正転のみを許容するワンウエイクラッチと、ワンウエイクラッチを固定部に対して断接するＢ２ブレーキとが、直列に設けら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自動車の駆動装置。

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