JP2011046300A

JP2011046300A - ハイブリッド駆動車両

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Publication number: JP2011046300A
Application number: JP2009196965A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kawabata; 河端　　真一; Shohei Nakai; 章平仲井; Shigeki Hayashi; 繁樹林; Yoshiyuki Katayama; 良行片山; Masaaki Nishinaka; 正昭西中; Takeshi Takagi; 剛高木; Takayasu Kobayashi; 孝安小林
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2011-03-10

Abstract

【課題】トランスミッションの構造が複雑になることを回避しながらも、エンジンからの回転動力とモータからの回転動力との両方によって駆動車輪を駆動することができるハイブリッド駆動車両を提供する。
【解決手段】エンジン３からのエンジン回転動力を変速する静油圧式無段変速装置４と、モータ５と、蓄電装置Ｂからの電力を制御することによりモータ５のモータ回転動力を変速制御するモータコントローラユニット６と、静油圧式無段変速装置４からの第１変速動力またはモータ５からの第２変速動力あるいはそれら両方の変速動力によって駆動される駆動車輪１、２とを制動する制動装置９０とを備えるハイブリッド駆動車両。
【選択図】図４

Description

本発明は、エンジンからの回転動力とモータからの回転動力との両方によって駆動車輪を駆動することができるハイブリッド駆動車両に関する。

近年、エンジンとモータ（電動機）の両方を回転動力源として搭載したハイブリッド駆動車両が種々の形態で提案されている。例えば、シリーズハイブリッド車では、エンジンで発電機を回して作り出された電力をモータが利用し、このモータから出力された回転動力によって駆動車輪が駆動される。このようなシリーズハイブリッド車は構造が簡単であることから、ゴルフカートなどの小型の駆動車両に適用されている（例えば、特許文献１参照）。

これに対して、パラレルハイブリッド車では、エンジンとトランスミッションからなる従来から自動車で用いられていた回転動力と、モータ出力による回転動力を平行させて、必要な場合にこれらの回転動力を合流させて駆動車輪を駆動する。その際、モータ自体の変速性はエンジン自体の変速性に比べて優れているので、エンジン出力を変速するトランスミッションの出力側にモータ出力を合流させる構造がよく採用されている。このパラレルハイブリッド車は、シリーズハイブリッド車に比べて動力伝達系の構造が複雑となる傾向があるが、変速装置を工夫することで、小型車両にも適用されている（例えば、特許文献２）。

特開２００１−２０４１０３号公報（段落番号〔００２９〕、図５）特開２００４−３４３８２７号公報（段落番号〔００２６−００３３〕、図１）

パラレルハイブリッド車では、エンジンを走行駆動系から切り離せる構造を採用することにより、車両減速時に車輪側からのエネルギーを回収して蓄電装置を充電することが可能であることから、省エネルギー目的に適している。しかしながら、トランスミッションの構造が複雑になる傾向があるので、必要な変速性能を備えるとともに構造が簡単なトランスミッションを採用することが重要である。
本発明の目的は、トランスミッションの構造が複雑になることを回避しながらも、エンジンからの回転動力とモータからの回転動力との両方によって駆動車輪を駆動することができるハイブリッド駆動車両を提供することである。

本発明によるハイブリッド駆動車両は、エンジンと、前記エンジンからのエンジン回転動力を変速する静油圧式無段変速装置と、モータと、蓄電装置と、前記蓄電装置からの電力を制御することにより前記モータのモータ回転動力を変速制御するモータコントローラユニットと、前記静油圧式無段変速装置からの第１変速動力または前記モータからの第２変速動力あるいはそれら両方の変速動力によって駆動される駆動車輪と、前記駆動車輪に制動する制動装置とを備えている。

この構成によると、エンジンから出力される回転動力を変速するトランスミッションに静油圧式無段変速装置（Hydraulic Static Transmission＝HST）を採用しているので、ＨＳＴが有する無段変速性とモータが有する無段変速性とを組み合わせることで静油圧式無段変速装置からの第１変速動力と前記モータからの第２変速動力とによる最適な車両走行仕様を作り出すことができる。また、エンジンで駆動される油圧ポンプで発生した油圧を油圧モータに供給することで変速された回転動力を出力する静油圧式無段変速装置は、油圧ポンプと油圧モータの間の接続に自在性があるので、効率的なスペース利用が可能となる。

好適な実施形態の１つとして、前記制動装置による制動作用に応答して、前記静油圧式無段変速装置を中立位置に設定するように構成するなら、中立位置における静油圧式無段変速装置の強い制動力を利用することができる。これにより、一般的なハイブリッド車両においてモータを大型化することで確保していた制動力を静油圧式無段変速装置が肩代わりできるので、モータの小型化が可能となる。さらに、モータによる制動力は低速回転時には小さくなるが、中立位置における静油圧式無段変速装置は回転速度にかかわらず、大きな制動力が得られる利点もある。

もちろん、そのような制動力を、静油圧式無段変速装置を中立位置することだけによって得るのではなく、モータによる制動力も利用するために、前記制動装置による制動作用に応答して、前記モータを発電機として機能させることは好適である。これにより、制動装置に対する制動力仕様を低くすることができ、制動装置の低コスト化やコンパクト化を導くことができる。また、その際、モータを発電機として機能させてブレーキングのために用いるだけでなく、このモータ（発電機）を回生ブレーキとして機能させ、これによって得られた電力が前記蓄電装置に供給されることで、省エネルギー化が実現し、このハイブリッド駆動車両の燃費を向上させることなる。

本発明によるハイブリッド駆動車両が農作業用車両やオフロード用車両に適用される場合、前記駆動車輪は車両前部に配置された前輪と車両後部に配置された後輪を含み、前記第１変速動力を前記後輪に伝達する後輪動力伝達装置と前記第２変速動力を前記前輪に伝達する前輪動力伝達装置が備えられると好適である。駆動前輪が変速応答性に優れたモータによって駆動されるので、駆動挙動の自由度が高い四輪駆動車両が実現する。例えば、前輪を後輪より増速して駆動することで旋回性を向上させることや、前輪と後輪との速度に差をつけることで雪道や砂利道での走行安定性を改善することも可能となる。

特に、駆動前輪の駆動をモータに専任させる場合モータの駆動率が高くなるので、モータに電力を供給する蓄電装置に対する十分な充電を確保する必要がある。このため、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記エンジンから前記静油圧式無段変速装置への回転動力伝達経路に前記蓄電装置に電力を供給する発電機が備えられ、エンジンが回転している限り、この発電機でモータのための蓄電装置が充電される。また、その際に、このモータを回生ブレーキとして機能するように構成し、その回生電力で蓄電装置を充電すれば、さらに蓄電装置に対する充電能力が向上する。

本発明によるハイブリッド駆動車両における走行駆動系の第１構成パターンを示す模式図である。本発明によるハイブリッド駆動車両における走行駆動系の第２構成パターンを示す模式図である。本発明によるハイブリッド駆動車両における走行駆動系の第３構成パターンを示す模式図である。本発明によるハイブリッド駆動車両の実施形態としての多目的作業車の動力伝達ブロック図である。多目的作業車の全体側面図である。図５における多目的作業車の動力伝達構造を示す概略平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1から図３には、本発明によるハイブリッド駆動車両で採用可能な、いくつかの走行駆動系の構成パターンが模式的に示されている。このハイブリッド駆動車両は、前輪１と後輪２のいずれもが駆動可能な四輪駆動型である。その走行駆動系の機械的要素としては、エンジン３と、前記エンジン３からのエンジン回転動力を変速する静油圧式無段変速装置（以下単にＨＳＴと略称する）４と、変速された動力を左右一対の前輪１へ分配する前輪差動機構（以下単に前輪デフと称する）１Ｄと、変速された動力を左右一対の後輪２へ分配する後輪差動機構（以下単に後輪デフと称する）２Ｄとが含まれている。また、走行駆動系の電気的要素としては、前輪１または後輪２あるいはその両方を駆動するための回転動力を作り出すモータ５と、充電を行うことにより繰り返し使用可能な二次電池または場合によってはコンデンサでも可能である蓄電装置Ｂと、蓄電装置Ｂからの直流電力を交流電力に変換してモータ５を駆動制御するインバータを含むモータコントローラユニット６とが含まれている。なお、この車両の回転動力を入力として電力を生成して蓄電装置Ｂを充電する発電機７も場合によっては構成要素として追加される。なお、ここでのモータ５は、電力を供給することで回転する回転力生成機能と、逆に回転力を受けることで回生電力を生成する電力生成機能（発電機能）との両方の機能が利用されている。用語的な混乱を避ける必要がある場合にのみ、このモータ５は、特に発電機能を果たしている場合にのみモータ発電機５という語句が用いられることにする。

ここでは、ＨＳＴ４は、斜板式可変吐出型油圧ポンプ４１との油圧ポンプ４１からの供給油圧によって駆動する油圧モータ４２とから構成され、油圧ポンプ４１には入力軸としてのポンプ軸４３が接続しており、油圧モータ４２には変速出力軸としてのモータ軸４４が接続している。ポンプ軸４３はエンジン３とつながっており、さらにモータ軸４４は後輪デフ２Ｄにつながっている。

図１に示された構成パターンでは、ＨＳＴ４の変速出力軸４４は後輪デフ２Ｄにのみつながっており、ＨＳＴ４からの変速動力は後輪２の駆動のためにのみ用いられる。また、ＨＳＴ４のポンプ軸４３は一方ではエンジン３とつながっており、他方では、発電機７とつながっている。つまり、エンジン３の動力は、ＨＳＴ４によって変速されて後輪２を駆動するとともに、発電機７を回転させて、そこで作り出された電力は蓄電装置Ｂに蓄積される。この蓄電装置Ｂとモータコントローラユニット６を介して接続されているモータ５は前輪デフ１Ｄにつながっており、前輪１はモータ５の回転動力は前輪１の駆動のために用いられる。従って、この図１に示された構成パターンでは、後輪動力伝達系は、エンジン３、ＨＳＴ４、後輪デフ２Ｄから構成されている。なお、ＨＳＴ４と後輪デフ２Ｄとの間には、通常、ギヤ変速機構５３や伝動軸などが介装され、このようなギヤ変速機構５３、伝動軸、後輪デフ２Ｄが後輪動力伝達装置５２を構成する。また、前輪動力伝達系は、モータ５及び前輪デフ１Ｄから構成され、ここでの前輪動力伝達装置５１は、必要によっては介装されるギヤ変速装置、伝動軸、前輪デフ１Ｄで構成される。つまり、前輪動力伝達装置５１は、ＨＳＴ４などの動力伝達系と機械的に独立しており、例えば前輪デフ１Ｄと一体的に構成することも可能であり、四輪駆動であっても、前輪動力伝達装置５１の構造を簡単にすることが可能となる。また、前輪１の変速は、モータ５の変速によって実現するので、前輪１の周速と後輪２の周速とを車両の走行状態に応じて相異させる制御が簡単となり、例えば、前輪１を増速することによって急旋回を得るような制御が簡単化する。

前輪１の制動時や下り坂走行時などで、モータ５が前輪１から回転動力を受ける場合にはこのモータ５はモータ発電機として機能し、その発電電力はモータコントローラユニット６の充電制御の下で蓄電装置Ｂの充電のために用いられる。

図２に示された構成パターンは、図１に示された構成パターンに比べ、モータ５の回転動力が一旦後輪動力伝達装置５１に入力し、その後輪動力伝達装置５１からの分岐動力として前輪デフ１Ｄに入力されることで異なっている。つまり、この構成パターンでは、エンジン３とモータ５の合成出力が後輪２と前輪１の駆動のために用いられる。この構成では、エンジン出力ないしはＨＳＴ出力が不十分な場合にモータ５の出力がそのアシストとして利用できる。また、モータ５の出力だけで車両走行が十分な場合は、静寂な走行が要求される場合には、エンジン３を停止させ、モータ５だけで走行可能となる。ここでも、前輪１や後輪２の制動時や下り坂走行時などで、モータ５が前輪１や後輪２から回転動力を受ける場合にはこのモータ５はモータ発電機として機能し、その発電電力はモータコントローラユニット６の充電制御の下で蓄電装置Ｂの充電のために用いられる。

図３に示された構成パターンは、図２に示された構成パターンに類似しており、発電機７が省略されていることで異なっている。従って、この構成パターンでは、モータ５がモータ発電機として機能する場合にのみ蓄電装置Ｂは充電される。

いずれにせよ、本発明によるハイブリッド駆動車両で採用されている走行駆動系の上記３つの構成パターンでは、エンジン３の回転動力はＨＳＴ４に入力され、ＨＳＴ４によって変速され、モータ５の回転動力は、ＨＳＴ４には入力されず、モータコントローラユニット６による自在な回転制御によって効果的に変速される。

次に、図１による走行駆動系の構成パターンを採用した、本発明によるハイブリッド駆動車両を多目的作業車に適用した実施形態の一例を説明する。図４は、その多目的作業車の動力伝達ブロック図である。この多目的作業車の動力伝達系の制御は実質的にはメインコントローラ８によって管理されている。このメインコントローラ８には、モータコントローラユニット６やブレーキコントローラユニット９だけでなく、ブレーキペダル９１、アクセルペダル９２、シフトレバー９３などの車両運転操作具の操作値を検出する各種センサも接続されており、これらの車両運転操作具に対する運転者の人為操作に基づいて、エンジン３、ＨＳＴ４、モータ５、制動装置９０、さらには後輪動力伝達装置５２に組み込まれたギヤ変速機構５３などの操作を管理する。

例えば、メインコントローラ６は、ブレーキペダル９１の操作により制動装置９０が作動したことを検知すると、ＨＳＴ４の油圧ポンプ４１の斜板を中立に戻し、ＨＳＴ４を中立位置に設定する。これにより、中立位置におけるＨＳＴ４自体が有する制動力を車両の制動のために利用することができる。中立位置におけるＨＳＴ４の制動力は構造的にモータ５の制動力より優れているので、ＨＳＴ４を備えていないハイブリッド駆動車両に比べ、本発明によるハイブリッド駆動車両では、大きな制動力を確保するためにモータを大型化するという必要はない。また、制動装置９０の作動をトリガーとして、モータコントローラユニット６がモータ５を発電機として機能するように制御することで充電能力が向上するだけでなく、この回生制動により省エネルギーにも貢献する。

この多目的作業車は、前輪１はモータ５によるモータ動力によって駆動され、後輪２はＨＳＴ４及びギヤ変速機構５３を介してのエンジン３によるエンジン動力によって駆動される。モータ５の変速では、高い自在性と応答性が得られるので、前輪１の駆動及び駆動時の速度を多目的作業車の走行状態に応じて最適に選択して、実施することが可能となる。

次に、図５と図６を用いて、この多目的作業車の構造を説明する。図５は多目的作業車の全体側面を示し、図６は多目的作業車の動力伝達構造を示している。図５に示すように、この多目的作業車は、車体フレーム１０１の前部に、左右一対の前輪１、フロントフェンダ兼用の下部カバー１０３、および、ボンネット１０４、などが装備されている。車体フレーム１の前後中間部には、前輪操舵用のステアリングホイール１０５や長椅子型の座席１０６などを備えた搭乗空間１０７が形成されている。車体フレーム１０１の後部には、エンジン３、主変速装置としてのＨＳＴ４、副変速装置としてのギヤ変速機構５３、それらを支持する補助フレーム１０２、左右一対の後輪２、および、ダンプ揺動可能な荷台１１０、などが装備されている。

車体フレーム１０１は、実質的には車両前後方向に延びた左右一対の縦ビームとこれらを連結する複数のクロスビームとからなり、この車体フレーム１０１に搭乗空間１０７を保護するための保護フレーム１１１が連結されている。

図４及び図６から明らかなように、この多目的作業車においては、エンジン３からの動力がＨＳＴ４に伝達され、ＨＳＴ４による変速後の動力はギヤ変速機構５３に伝達され、ギヤ変速機構５３による変速後の動力が後輪駆動用の動力として後輪デフ２Ｄに伝達される。また、モータ５による動力は直接前輪デフ１Ｄに伝達されているが、必要の場合、モータ５と前輪デフ１Ｄとの間にギヤ変速機構を介在させてもよい。これらのモータ５及び前輪デフ１Ｄ、必要に応じて装備されるギヤ変速機構は一体化されたハウジングに組み込み可能であり、この前輪動力伝達系はコンパクトに構成することができる。従って、左右の前輪１の間の空間に収納することが可能である。同様に、エンジン３、ＨＳＴ４、ギヤ変速機構５３、後輪デフ２Ｄからなる後輪動力系も一体化されたハウジングに組み込み可能であり、ほぼ左右の後輪２の間の空間に収納することが可能である。通常のエンジンタイプの四輪駆動車とは異なり、ＨＳＴ４またはギヤ変速機構５３から分岐して前輪デフ１Ｄへ動力伝達するための動力伝達軸は不要であるため、前輪１と後輪２との間がフリースペースとなるので、搭乗空間１０７の下部領域を大きく形成することができる。

左右の前輪１は、車体フレーム１０１にフロントサスペンション１２５を介して独立懸架された前車軸ケース（図示せず）を介して支持されている。フロントサスペンション１２５には、ストラット式のインディペンデントサスペンションが採用されている。左右の各前車軸ケースの内部に前輪用の制動装置９０として湿式の多板ブレーキが装備されている。また、左右の後輪２は、後輪デフ２Ｄから左右側方に向けて延設された左右一対の後車軸に支持されている。左右の後車軸は、エンジン８、ＨＳＴ４、およびギヤ変速機構５３、などとともに補助フレーム１０２に支持されている。左右の各後車軸には、後輪用の制動装置９０としてディスクブレーキが装備されている。

ＨＳＴ４の油圧ポンプ４１は、その斜板が、搭乗空間１０７に備えられた中立復帰型のアクセルペダル９２に油圧サーボ機構（図示せず）を介して連係されている。油圧サーボ機構はメインコントローラ８と連係しており、アクセルペダル９２の踏み込み操作に基づいて、変速ペダルの踏み込み操作量に応じた角度まで油圧ポンプ４１の斜板を傾動させる。つまり、アクセルペダル９２の踏み込み操作を行うことにより、ＨＳＴ４の変速操作を行うことができる。

このハイブリッド駆動タイプの多目的作業車の最大の特徴は、制動時にＨＳＴ４とモータ５の制動力を合成することで大きな制動力が得られること、及び前輪１をモータ５が、後輪２をエンジン３＋ＨＳＴ４で、それぞれ独立して駆動することができるので、種々のパターンのトルク配分での四輪駆動場合によっては二輪駆動が可能であり、走行条件に適合する駆動状態を作り出すことができる。また、モータ５を独立して設けられた発電機７をエンジン３の出力軸に接続しているので、エンジン駆動時は常に発電が可能となる。また、発電目的でエンジン３を駆動することも可能である。

上述した実施の形態では、発電機７はＨＳＴ４の入力軸４３に接続していたが、これに代えてＨＳＴ４の出力軸４４に接続してもよい。エンジン回転数に依存せず、ＨＳＴ４によって決定された回転数で発電機７を動作させることができる。従って、アイドリング時のようなエンジン回転数が低い場合でも、ＨＳＴ４によって増速することにより、適正な回転数で発電機７を動作させることができる。

発電機７の構成に関しては、従来のハイブリッド車両では、必要な発電容量に適合する発電機を１台だけ搭載することが一般的である。しかしながら、要求される発電容量が大きいと、発電機の直径及び軸方向長さが大きくなり、収容スペースの問題が生じる。また、規格外の大きな容量の発電機の採用はコスト的にも不利である。このような問題を解決するために、複数の発電機を組み合わせることが提案される。その際、発電電気回路系の複雑化を避けるため、各発電機の電気角や極対数は一致させておくことが望ましい。このように小型の発電機を複数組み合わせて利用する場合の利点は、そのトータルの直径方向と軸方向の大きさが小さくなること、及び汎用的な発電機を利用することができるのでコスト的に有利となることである。

〔別実施形態〕
本発明によるハイブリッド駆動車両の動力伝達系は、上述した実施形態で説明した配置構成に限定されるわけではなく、それ以外の種々の配置構成を採用することができる。本発明の重要な特徴は、動力伝達系におけるＨＳＴ４とモータ５との配置である。従って、ＨＳＴ４またはモータ５あるいはその両方からの動力によって駆動される駆動輪は前輪または後輪のいずれかを作業車仕様に応じて決定して構成すればよい。例えば、前輪をＨＳＴ４の変速出力とモータ５の出力とを合成した動力で駆動し、後輪をＨＳＴ４の変速出力だけで駆動する形態や、前輪をＨＳＴ４の変速出力で駆動するとともに後輪をモータ５の出力でそれぞれ独立して駆動するような構成も可能である。

本発明によるハイブリッド駆動車両は、上述した実施形態で説明した多目的作業車以外に種々の車両に適用することができ、例えば、トラクタ、コンバイン、田植え機、ローダやバックホウなどの建設機械にも適用できる。

１：前輪（駆動車輪）
２：後輪（駆動車輪）
３：エンジン
４：静油圧式無段変速装置（ＨＳＴ）
５：モータ
６：モータコントローラユニット
５１：前輪動力伝達装置
５２：後輪動力伝達装置
９０：制動装置
Ｂ：蓄電装置

Claims

エンジンと、前記エンジンからのエンジン回転動力を変速する静油圧式無段変速装置と、モータと、蓄電装置と、前記蓄電装置からの電力を制御することにより前記モータのモータ回転動力を変速制御するモータコントローラユニットと、前記静油圧式無段変速装置からの第１変速動力または前記モータからの第２変速動力あるいはそれら両方の変速動力によって駆動される駆動車輪と、前記駆動車輪を制動する制動装置とを備えるハイブリッド駆動車両。
前記制動装置による制動作用に応答して、前記静油圧式無段変速装置を中立位置に設定する請求項１に記載のハイブリッド駆動車両。
前記制動装置による制動作用に応答して、前記モータを発電機として機能させる請求項１または２に記載のハイブリッド駆動車両。
前記モータが回生ブレーキとして機能し、これによって得られた電力が前記蓄電装置に供給される請求項３に記載のハイブリッド駆動車両。
前記駆動車輪は車両前部に配置された前輪と車両後部に配置された後輪を含み、前記第１変速動力を前記後輪に伝達する後輪動力伝達装置と前記第２変速動力を前記前輪に伝達する前輪動力伝達装置が備えられている請求項１から４のいずれか一項に記載のハイブリッド駆動車両。
前記エンジンから前記静油圧式無段変速装置への回転動力伝達経路に前記蓄電装置に電力を供給する発電機が備えられている請求項１から５のいずれか一項に記載のハイブリッド駆動車両。