JP2011240855A - ハイブリッド車の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速走行時における動力循環を防止し、かつエンジンの高効率回転領域を使用可能とするハイギヤ比を得ることが可能な、ハイブリッド車の駆動装置を提供する。
【解決手段】エンジン１と第１のモータジェネレータ２と第２のモータジェネレータ３と遊星ギヤユニット４とを備え、遊星ギヤユニットは第１のモータジェネレータのロータに接続されたサンギヤ４３と、駆動輪に接続されると共に第２のモータジェネレータのロータに接続されたリングギヤ４４と、サンギヤ及びリングギヤにかみ合う複数のピニオンギヤ４２を回転自在に支持し、かつエンジンの出力軸に接続されたキャリア４１とを有する。エンジン出力軸とサンギヤとの間に、エンジン出力軸の回転方向を逆転させ、かつキャリアを介さずに駆動力をサンギヤに伝達するバイパス伝達経路６を設け、バイパス伝達経路中に動力断続用クラッチ６３を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジン、２つのモータジェネレータ、及び遊星ギヤユニットを備えたハイブリッド車の駆動装置に関するものである。

近年、環境保護の意識が世界的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対策として、エンジン及びモータジェネレータを組み合わせたハイブリッド車が提案され、実用化されている。ハイブリッド車は、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蓄積すると共に、バッテリの電力により駆動モータを駆動して走行するシリーズ（直列）方式、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、さらにその中間的な方式として、エンジンと２つのモータジェネレータとが遊星ギヤユニットとを介して接続された方式とがある。

図４は、中間的方式を用いたハイブリッド車の駆動装置の概略構成を示す。この駆動装置は、前輪駆動方式の例であり、エンジン１と、第１のモータジェネレータ２と、第２のモータジェネレータ３と、遊星ギヤユニット４とを搭載している。モータジェネレータ２，３は、周知のように、電気エネルギーが与えられてモータとして作動するだけでなく、回転エネルギーが与えられて発電機としても作動することができる。

エンジン１の出力軸１１は、遊星ギヤユニット４のキャリア４１に連結されている。キャリア４１には、サンギヤ４３とリングギヤ４４とにかみ合う複数のピニオンギヤ４２が回転自在に支持されている。サンギヤ４３は第１モータジェネレータ２のロータ軸２１と連結されている。リングギヤ４４には出力ギヤ４５が連結されており、この出力ギヤ４５は減速ギヤ４６，４７を介してデファレンシャル装置５のデフリングギヤ５１とかみ合い、左右の駆動輪５２に動力を伝達している。減速ギヤ４６には第２モータジェネレータ３のロータ軸３１に連結されたギヤ３２もかみ合っている。つまり、第２モータジェネレータ３はリングギヤ４４と駆動輪５２とに接続されている。第１モータジェネレータ２及び第２モータジェネレータ３は図示しないバッテリと接続され、これらモータジェネレータにより発電した電気エネルギーをバッテリに蓄えると共に、バッテリの電力をモータジェネレータに供給することができる。

図５は、図４に示すハイブリッド車の動作を示す共線図であり、実線Ａはハイギヤ比、つまり高車速、低負荷走行時の状態を表している。図５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。リングギヤの回転数は車速（第２モータジェネレータ３の回転数）に比例し、キャリアの回転数はエンジン１の回転数に比例し、サンギヤの回転数は第１モータジェネレータ２の回転数に比例する。

基本的にハイブリッド車は、エンジンが最高効率領域で駆動できる回転数Ｎｅ１を維持するように、第１モータジェネレータ２の回転数を制御している。しかしながら、車速が一定値を越えて高速低負荷走行状態になると、エンジンを所定回転数Ｎｅ１に維持するには、サンギヤに接続された第１モータジェネレータ２を負方向に回転させる、つまり、第１モータジェネレータ２を逆転力行させなければならない。この第１モータジェネレータ２で消費される電力を賄うために、第２モータジェネレータ３は回生（発電）する必要がある。このような動作モードは動力循環と呼ばれ、効率が悪く、燃費が悪化する。

この問題に対処するため、特許文献１では、高速走行時にサンギヤの回転数を０に固定するためのブレーキを設けたものが提案されている。サンギヤの回転数を０に固定すれば、図５の破線Ｂのようになるので、第１モータジェネレータ２で電力が消費されず、動力循環を防止できる。

しかしながら、サンギヤの回転数を０に固定すると、動力循環時（実線Ａ）に比べてギヤ比が大きくなり、望ましいハイギヤ比を実現できない。そのため、所望の高車速を得るためには、エンジン回転数を最高効率領域より上昇させなければならず（回転数Ｎｅ２）、燃費が悪化する可能性がある。

特開平９−１１７０１０号公報

本発明の目的は、高速走行時における動力循環を防止し、かつエンジンの高効率回転領域を使用可能とするハイギヤ比を得ることが可能な、ハイブリッド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、エンジンと第１のモータジェネレータと第２のモータジェネレータと遊星ギヤユニットとを備え、前記遊星ギヤユニットは、前記第１のモータジェネレータのロータに接続されたサンギヤと、駆動輪に接続されると共に前記第２のモータジェネレータのロータに接続されたリングギヤと、前記サンギヤ及びリングギヤにかみ合う複数のピニオンギヤを回転自在に支持し、かつ前記エンジンの出力軸に接続されたキャリアとを有する、ハイブリッド車において、前記エンジンの出力軸と前記サンギヤとの間に、前記出力軸の回転方向を逆転させ、かつ前記キャリアを介さずに駆動力をサンギヤに伝達するバイパス伝達経路を設け、当該バイパス伝達経路中に動力断続用クラッチを設けたことを特徴とする、ハイブリッド車の駆動装置を提供する。

例えば、高速道路での走行時のように高速低負荷領域において、反転されたエンジンの出力をクラッチを介してサンギヤに入力することで、エンジン動力によってサンギヤを負回転させることができる。つまり、第１モータジェネレータを力行させずに（フリー状態で）負回転させることができるので、第１モータジェネレータが電力を消費せず、第２モータジェネレータが回生（発電）を行う必要がない。つまり、動力循環を防止できる。サンギヤを負回転状態で保持することで、エンジンを高効率回転数領域で保持しながら所望のハイギヤ比を達成でき、高速走行時の燃費を向上させることができる。

高速走行状態において、サンギヤの回転数を第１モータジェネレータによって設定ギヤ比（望ましくは最ハイギヤ比）に相当する回転数に同期させた状態でクラッチを係合させるのが望ましい。このクラッチの係合は、変速制御におけるクラッチ係合とは異なり、短時間で終了する必要がないので、クラッチ制御は簡単である。また、第１モータジェネレータで同期させた状態で係合させる場合には、係合ショックが発生しないので、湿式多板クラッチの他にも、乾式クラッチ、ドッグクラッチのような噛合式クラッチ等を用いることも可能である。

本発明によれば、エンジン出力を反転させてサンギヤに伝達するバイパス伝達経路を設け、このバイパス伝達経路中に動力断続用クラッチを設けたので、高速走行時にクラッチを係合させることにより、エンジン動力によってサンギヤを逆回転させることができる。そのため、第１モータジェネレータが電力を消費せず、動力循環を防止できる。第１モータジェネレータの駆動トルクを０にしながらサンギヤを負回転させることができるので、所望のハイギヤ比を得ることができ、高速走行時の燃費が向上する。

本発明に係るハイブリッド車の駆動装置の第１実施例のスケルトン図である。 本発明に係るハイブリッド車の駆動装置の第２実施例のスケルトン図である。 本発明に係るハイブリッド車の駆動装置の第３実施例のスケルトン図である。 従来のハイブリッド車の駆動装置のスケルトン図である。 従来のハイブリッド車の動作を示す共線図である。

−実施例１−
図１は本発明にかかるハイブリッド車の駆動装置の第１実施例を示す。本自動車の基本構成は、図４に示した従来の駆動装置と同様であり、図４と同一要素には同一符号を付して重複説明を省略する。

本ハイブリッド車は、エンジン１と、第１モータジェネレータ（ＭＧ１）２と、第２モータジェネレータ（ＭＧ２）３と、遊星ギヤユニット４とを搭載している。エンジン１の出力軸１１と第１モータジェネレータ２のロータ軸２１（又はサンギヤ４３）との間には、エンジン動力を遊星ギヤユニット４を経由せずにロータ軸２１へ、かつ回転方向を逆転させて伝達するバイパス伝達経路６が設けられている。この実施例のバイパス伝達経路６は、第１ギヤ６０、カウンタ軸６１、第２ギヤ６２、クラッチ６３、第１スプロケット６４、巻き掛け伝動体６５、第２スプロケット６６などで構成されている。すなわち、エンジン出力軸１１には第１ギヤ６０が固定されており、この第１ギヤ６０とかみ合う第２ギヤ６２がカウンタ軸６１の一端部に固定されている。カウンタ軸６１は、遊星ギヤユニット４の半径方向外側に、エンジン出力軸１１と平行に配置されている。カウンタ軸６１の中間には、高速走行時に締結される動力断続用クラッチ６３が設けられている。クラッチ６３としては、湿式多板クラッチ、乾式クラッチ、ドッグクラッチのような噛合式クラッチのいずれでもよい。カウンタ軸６１の他端部には第１スプロケット６４が固定され、第１モータジェネレータ２のロータ軸２１には第２スプロケット６６が固定され、第１スプロケット６４と第２スプロケット６６との間にチェーンやベルト等の巻き掛け伝動体６５が巻きかけられている。なお、巻き掛け伝動体６５に代えて例えば３個のギヤ列を用いてもよい。バイパス伝達経路６のギヤ比は、目標となる車速域でエンジンの高効率回転数領域が使用可能となるように設定されている。カウンタ軸６１の他端部側（クラッチ６３より第１モータジェネレータ側）には、カウンタ軸６１（換言すれば、サンギヤ４３）を固定部に対して締結／解放するブレーキ６８が設けられている。このブレーキ６８は必要に応じて設けられる。ブレーキ６８としては湿式ブレーキでもよいし、乾式ブレーキ又は噛合式ブレーキでもよい。

前記構成のハイブリッド車において、エンジン１を最高効率状態で回転させながら高速走行状態を実現しようとすると、第１モータジェネレータ２を負方向に回転させ、図５のＡのようなハイギヤ比とする必要がある。そのため、従来では第１モータジェネレータ２を逆転力行しなければならず、力行に必要な電力を賄うために第２モータジェネレータ３で発電を行う必要があり、動力循環になるという問題があったが、本発明ではエンジン動力をキャリア４１に直接伝達すると共に、バイパス伝達経路６を介してサンギヤ４３に伝達することで、動力循環を防止している。すなわち、エンジン１を最高効率状態で回転させながら第１モータジェネレータ２によりサンギヤ４３を逆回転させると、リングギヤ４４の回転数が上昇し、高速（ハイギヤ）走行状態となる。この状態でクラッチ６３を締結させ、第１モータジェネレータ２をフリー状態とすると、エンジン動力は、その回転方向が第１ギヤ６０と第２ギヤ６２とにより逆転されて、第１モータジェネレータ２のロータ軸２１、つまりサンギヤ４３へ伝達される。遊星ギヤユニット４のキャリア４１はエンジン１と同一方向に同一回転数で回転し、サンギヤ４３はエンジン１と逆方向に所定のギヤ比で回転する。その結果、図５のＡのように所望のハイギヤ比を達成できると同時に、第１モータジェネレータ２を逆転力行する必要がないので、動力循環を防止でき、燃費を向上させることができる。特に、図５のＡのように、エンジン回転数を最高効率状態となる回転数Ｎｅ１に保持できるので、燃費がさらに向上する。

本発明では、高速走行時にバイパス伝達経路６及びロータ軸２１を回転させるためにエンジン動力の一部が消費されるが、この消費量は動力循環に比べると著しく低い。なぜなら、クラッチ６３の締結時には第１モータジェネレータ２はフリー状態（力行も回生もしない状態）にあり、ロータ軸２１という慣性体を回すだけで済むからである。これに対し、動力循環状態では、第２モータジェネレータ３で発生した電気をインバータにより直流に変換し、これをバッテリに蓄え、さらに蓄えた電気をインバータにより交流に変換して第１モータジェネレータ２に供給し、第１モータジェネレータを駆動しなければならないため、それらの変換ロスによる大幅な効率低下を招くからである。よって、高速走行状態における燃費が従来に比べて格段に向上する。

前記説明ではクラッチ６３を締結（ブレーキ６８を解放）することにより、図５のＡに示すハイギヤ状態を達成したが、低速走行から高速低負荷走行へ移行する中間状態で、ブレーキ６８を締結（クラッチ６３を解放）してもよい。この場合は、エンジン動力はサンギヤ４３へ伝達されず、サンギヤ４３の回転数が０に固定されるので、図５のＢの状態を実現することができる。この場合は、Ａに比べてギヤ比は多少大きくなるが、動力循環は防止できる。

本発明において、低速走行状態から高速走行状態へ移行する際、第１モータジェネレータ２によってサンギヤ回転数を、エンジン回転数Ｎｅ１とギヤ比（最ハイギヤ比）とで与えられる回転数に同期させた後、クラッチ６３を係合させるのが望ましい。これによって、クラッチ６３の係合時にショックを発生させずに済む。クラッチ６３の制御は、半クラッチ制御のような複雑な制御を必要とせず、係合／解放の２段階で済むので、簡単である。同様に、ブレーキ６８の制御も簡単である。

−実施例２−
図２は本発明にかかるハイブリッド車の駆動装置の第２実施例を示す。図１と同一要素には同一符号を付して重複説明を省略する。本実施例では、エンジン出力軸１１と連結されたキャリア４１に第１ギヤ７０を連結し、この第１ギヤ７０を、第１モータジェネレータ２のロータ軸２１と平行に配置されたカウンタ軸７１の一端部に固定された第２ギヤ７２とかみ合わせてある。カウンタ軸７１の中間部にはクラッチ７３が設けられている。カウンタ軸７１の他端部には第１スプロケット７４が固定され、第１モータジェネレータ２のロータ軸２１には第２スプロケット７６が固定され、両スプロケット７４と第２スプロケット７６との間に巻き掛け伝動体７５が巻き掛けられている。カウンタ軸７１の他端部側（クラッチ７３より第１モータジェネレータ側）には、カウンタ軸７１を固定部に対して締結／解放するブレーキ７８が設けられている。ブレーキ７８も必要に応じて設けられる。

この実施例では、キャリア４１、第１ギヤ７０、カウンタ軸７１、第２ギヤ７２、クラッチ７３、第１スプロケット７４、第２スプロケット７６、巻き掛け伝動体７５によって、バイパス伝達経路７が構成される。本実施例ではキャリア４１がバイパス伝達経路７の一部を構成するため、遊星ギヤユニット４の半径方向外側にカウンタ軸７１を配置する必要がなく、しかもカウンタ軸７１を短くできるので、バイパス伝達経路７のスペースを縮小できるという利点がある。

−実施例３−
図３は本発明にかかるハイブリッド車の駆動装置の第３実施例を示す。図１と同一要素には同一符号を付して重複説明を省略する。本実施例では、エンジン出力軸１１が中空のロータ軸２１の中に回転自在に挿通され、エンジン出力軸１１の終端部に遊星ギヤユニット４のキャリア４１が連結されている。ロータ軸２１の終端部には遊星ギヤユニット４のサンギヤ４３が連結され、ロータ軸２１の中間部に第１モータジェネレータ２のロータ２２が固定されている。２３は第１モータジェネレータ２のステータである。遊星ギヤユニット４を間にして第１モータジェネレータ２と軸方向反対側には第２モータジェネレータ３が配置され、この第２モータジェネレータ３のロータ軸３１が遊星ギヤユニット４のリングギヤ４４と連結されている。３２は第２モータジェネレータ３のロータ、３３はステータである。この実施例では、第１モータジェネレータ２と第２モータジェネレータ３とがエンジン１と同一軸線上に配置されている。

エンジン出力軸１１には第１ギヤ８１が固定され、エンジン出力軸１１と平行に配置されたカウンタ軸８２上には、第１ギヤ８１と第２ギヤ８３を介してかみ合う第３ギヤ８４が固定されている。なお、ギヤ列８１、８３、８４に代えてベルトやチェーンを用いた巻き掛け伝動機構を用いてもよい。カウンタ軸８２には第４ギヤ８５が回転自在に支持され、第４ギヤ８５とかみ合う第５ギヤ８６がロータ軸２１の始端部（エンジン側端部）に固定されている。カウンタ軸８２上には軸方向にシフト可能なスリーブ８７が設けられており、このスリーブ８７が、カウンタ軸８２と第４ギヤ８５とを断接する噛合式クラッチ８７ａとしての機能と、第４ギヤ８５を固定部に対して締結／開放する噛合式ブレーキ８７ｂとしての機能とを有する。即ち、スリーブ８７を図３の左側へシフトすれば、カウンタ軸８２と第４ギヤ８５とが接続され、スリーブ８７を図３の右側へシフトすれば、第４ギヤ８５と固定部とが接続される。なお、スリーブ８７を中間位置とすれば、クラッチもブレーキも共に開放される。スリーブ８７を作動させるために、電動式又は油圧式のアクチュエータを使用してもよい。クラッチ及びブレーキとして、湿式クラッチ（ブレーキ）や乾式クラッチ（ブレーキ）を用いてもよい。上述のように、第１ギヤ８１、カウンタ軸８２、第２ギヤ８３、第３ギヤ８４、第４ギヤ８５、第５ギヤ８６及びクラッチ８７ａによって、エンジン動力を逆転させてロータ軸２１（サンギヤ４３）に伝達するバイパス伝達経路８が構成されている。

第１モータジェネレータ２によってサンギヤ４３の回転数をエンジン回転数とギヤ比（最ハイギヤ比）とで与えられる回転数に同期させた後、クラッチ８７ａを係合させる。これにより、エンジン動力が反転されてロータ軸２１に伝動され、サンギヤ４３をエンジン回転方向と逆方向に駆動できるので、図５の実線Ａで示すようにハイギヤ比で走行することができる。この場合も、クラッチ８７ａを係合した後は第１モータジェネレータ２はフリー状態であり、電力を消費しないため、動力循環が発生せず、効率のよい高速走行を実現できる。

本実施例では、エンジン１、第１モータジェネレータ２、第２モータジェネレータ３が同軸上に配置されるので、半径方向にコンパクトな駆動装置を構成できる。しかも、遊星ギヤユニット４の半径方向外側にバイパス伝達経路８を配置する必要がなく、バイパス伝達経路８の半径方向及び軸方向のスペースを縮小できるという利点がある。なお、第２モータジェネレータ３のロータ軸３１をそのまま出力軸として構成したが、図１、図２と同様に、デファレンシャル装置５のリングギヤに伝達することにより、ＦＦ駆動車として構成することもできる。

前記各実施例では、クラッチ６３、７３、８７ａをカウンタ軸６１、７１、８２上に設けたが、バイパス伝達経路上であればどの部位に設けてもよい。したがって、エンジン出力軸上に配置してもよいし、第１モータジェネレータのロータ軸上に配置してもよい。

１ エンジン
２ 第１モータジェネレータ（ＭＧ１）
２１ ロータ軸
３ 第２モータジェネレータ（ＭＧ２）
３１ ロータ軸
１１ エンジン出力軸
４ 遊星ギヤユニット
４１ キャリア
４２ ピニオンギヤ
４３ サンギヤ
４４ リングギヤ
５ デファレンシャル装置
５２ 駆動輪
６，７，８ バイパス伝達経路
６０，６２ ギヤ
６１ カウンタ軸
６３ 動力断続用クラッチ
６４，６６ スプロケット
６５ 巻き掛け伝動体
６８ ブレーキ

Claims (2)

1. エンジンと第１のモータジェネレータと第２のモータジェネレータと遊星ギヤユニットとを備え、
   前記遊星ギヤユニットは、前記第１のモータジェネレータのロータに接続されたサンギヤと、駆動輪に接続されると共に前記第２のモータジェネレータのロータに接続されたリングギヤと、前記サンギヤ及びリングギヤにかみ合う複数のピニオンギヤを回転自在に支持し、かつ前記エンジンの出力軸に接続されたキャリアとを有する、ハイブリッド車において、
   前記エンジンの出力軸と前記サンギヤとの間に、前記出力軸の回転方向を逆転させ、かつ前記キャリアを介さずに駆動力をサンギヤに伝達するバイパス伝達経路を設け、
   当該バイパス伝達経路中に動力断続用クラッチを設けたことを特徴とする、ハイブリッド車の駆動装置。
2. 前記動力断続用クラッチは、前記第１のモータジェネレータによってサンギヤ回転数を最ハイギヤ比に相当する回転数に同期させた状態で係合されることを特徴とする、請求項１に記載のハイブリッド車の駆動装置。

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