JP2012183997A - 車両の駆動システム - Google Patents
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Abstract
【課題】4輪駆動かつ無段変速が可能な車両駆動システムにおけるモータ数及び損失トルクの低減。
【解決手段】車両の駆動システムは、モータと、内燃機関と、発電機と、前記内燃機関の駆動力を駆動輪と前記発電機とに分割する動力分割機構と、前記モータ及び前記内燃機関を制御する電子制御部と、前記動力分割機構の出力要素を含み、前輪または後輪の一方によって構成された第1の駆動輪と接続された回転部材と、を備える。この車両の駆動システムの内燃機関が、前記動力分割機構を介して前記第1の駆動輪を駆動し、前記モータが、前記内燃機関によって駆動されない第2の駆動輪を駆動し、前記回転部材が、前記内燃機関によって駆動され、前記モータが逆転方向に力行状態となる後退加速時に、前記電子制御部は、エンジンの回転数を増大させ、かつ、前記第2の駆動輪の駆動力が前記第1の駆動輪の逆駆動力を上回るようエンジンの回転数を制御する。
【選択図】図1
【解決手段】車両の駆動システムは、モータと、内燃機関と、発電機と、前記内燃機関の駆動力を駆動輪と前記発電機とに分割する動力分割機構と、前記モータ及び前記内燃機関を制御する電子制御部と、前記動力分割機構の出力要素を含み、前輪または後輪の一方によって構成された第1の駆動輪と接続された回転部材と、を備える。この車両の駆動システムの内燃機関が、前記動力分割機構を介して前記第1の駆動輪を駆動し、前記モータが、前記内燃機関によって駆動されない第2の駆動輪を駆動し、前記回転部材が、前記内燃機関によって駆動され、前記モータが逆転方向に力行状態となる後退加速時に、前記電子制御部は、エンジンの回転数を増大させ、かつ、前記第2の駆動輪の駆動力が前記第1の駆動輪の逆駆動力を上回るようエンジンの回転数を制御する。
【選択図】図1
Description
本発明は、車両の駆動システムに関し、特に、内燃機関の駆動力とモータの駆動力とを用いて4輪駆動走行を可能とした車両の駆動システムに関する。
特開2005−178479号公報に、内燃機関の駆動力を駆動輪と発電機とに分割する動力分割機構を備えた車両の動力出力装置が開示されている。同公報記載の動力出力装置は、遊星歯車を用いた動力分割機構を備え、モータジェネレータのロータが連結されたサンギヤと同心円上に出力要素となるリングギヤが配置され、前記サンギヤとリングギヤとに噛み合っているピニオンギヤがエンジン出力軸が連結されたキャリアによって公転かつ自転できるようになっている。また、前記リングギヤには、永久磁石モータが連結され、駆動トルクをアシストすることが可能となっている。上記構成によれば、発電機によりエネルギー回生を行うとともに、内燃機関及びモータの回転数をそれぞれ変化させることにより無段変速が可能となっている。
しかしながら、上記した公報記載のようなトランスミッションを用いない車両構成での4輪駆動化を考えると、モータを2つ設ける必要があり、コスト、重量がそれぞれ増大し、スペース効率も良くなくなってしまうという問題点がある。
例えば、上記特許文献1の図5には、リアアクスル側に永久磁石を用いない磁石レスモータを配置して、4輪駆動車として構成した例が開示されているが、2台のモータと、1台のモータジェネレータ、これらに応じたインバータのセットが必要となっている。また同公報によれば、前輪側に配置されたモータは動力分割機構の出力要素であるリングギヤとトルク授受を行い、このときリングギヤは駆動ギヤとして機能する。また、後輪側の磁石レスモータは後輪との間でトルク授受を行うことを前提としたハイブリッドシステムとなっている。このようなクラッチなしで2台のモータが各駆動輪と連結されている構成では、不要なときにもロータが連れ回るため(例えば、同公報図4のF≦F_MOT1+F_E/Gのときに第1モータは「−」停止状態となっている。)、損失トルクも大きなものとなる。
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、上記した無段変速が可能な車両駆動システムを4輪駆動化した場合における、モータ数及び損失トルクを低減することのできる構成を提供することにある。
本発明の第1の視点によれば、モータと、内燃機関と、発電機と、前記内燃機関の駆動力を駆動輪と前記発電機とに分割する動力分割機構と、前記モータ及び前記内燃機関を制御する電子制御部と、前記動力分割機構の出力要素を含み、前輪または後輪の一方によって構成された第1の駆動輪と接続された回転部材と、を備えた車両の駆動システムであって、前記内燃機関が、前記動力分割機構を介して前記第1の駆動輪を駆動し、前記モータが、前記内燃機関によって駆動されない第2の駆動輪を駆動し、前記回転部材が、前記内燃機関によって駆動され、前記モータが逆転方向に力行状態となる後退加速時に、前記電子制御部は、エンジンの回転数を増大させ、かつ、前記第2の駆動輪の駆動力が前記第1の駆動輪の逆駆動力を上回るようエンジンの回転数を制御する車両の駆動システムが提供される。
本発明によれば、前記モータと発電機が各1つで4輪駆動走行を行うことが可能となり、損失トルクも低減させることが可能となる。その理由は、動力分割機構の出力要素以下を従動部材とし、前記動力分割機構と機械的に連結されていないモータのトルクを、路面を媒介として授受させる構成を採用したことにある。
続いて、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る車両の駆動システムの構成を表した図である。図1を参照すると、本実施形態に係る車両の駆動システムは、動力分割機構2を備えて、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ガスエンジン等の内燃機関1の出力トルクを、発電機として機能するモータジェネレータ3と、出力側とに分配することが可能となっている。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る車両の駆動システムの構成を表した図である。図1を参照すると、本実施形態に係る車両の駆動システムは、動力分割機構2を備えて、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ガスエンジン等の内燃機関1の出力トルクを、発電機として機能するモータジェネレータ3と、出力側とに分配することが可能となっている。
モータジェネレータ3は、例えば、永久磁石式交流同期電動機によって構成され、発電機として機能する場合は反力トルクを、電動機として機能する場合は駆動トルクを動力分割機構2に与えることとなる。なお、モータジェネレータ3のコイルを有するステータは図示省略するケーシング等によって固定されている。
動力分割機構2は、シングルピニオン型遊星歯車機構によって構成されており、外歯歯車であるサンギヤ4と同心円上に内歯歯車であるリングギヤ5が配置される。サンギヤ4とリングギヤ5とに噛み合っているピニオンギヤ6が、内燃機関1の出力軸に連結されたキャリヤ7によって自転かつ公転できるように保持されている。
サンギヤ4には、モータジェネレータ3のロータが連結され、反力要素(モータジェネレータ3が停止している状態では固定要素)となっている。一方、リングギヤ5には、出力ギヤ8が一体化されて設けられ、カウンタドリブンギヤ9に噛み合っている。更に、このカウンタドリブンギヤ9と同軸上で一体化されたカウンタドライブギヤ10がデファレンシャル11のリングギヤ12に噛み合っており、前輪13にトルクを伝達するようになっている。
更に、本実施形態に係る車両の駆動システムでは、上記した前輪側の動力伝達系統とは別に、力行回生機構としてリアアクスル側にモータジェネレータ14が設けられている。モータジェネレータ14の出力軸は、減速ギヤユニット19を介してリアデフ20に連結され後輪15を駆動することが可能となっている。なお、このモータジェネレータ14としては、モータジェネレータ3と同様に、永久磁石式同期電動機を用いることもできるし、永久磁石を備えていない所謂磁石レスモータを用いることもできる。
従って、内燃機関1及びモータジェネレータ14をそれぞれ駆動することで、前後の四輪を駆動することができる。このとき、前輪と後輪との駆動力配分を適宜に制御し、例えば、発進時には、リア寄りの出力とすることで、車両の発進加速性能を向上させることができる。また、定常走行や加速度が小さくなる高速域では、フロント側のトルク配分を増すことで、操縦安定性を向上させることができる。
なお、モータジェネレータ3、14は、インバータ16を介してバッテリー17に接続されている。電子制御装置(ECU)18によってインバータ16を制御することにより、モータジェネレータ3、14を力行状態(モータ)又は回生状態(発電機)に切り替えることが可能となっている。
以下、上記電子制御装置(ECU)18によって実現される各走行モードにおける上記内燃機関1、モータジェネレータ3、14の状態について説明する。以下、図2〜図4においては、内燃機関1を「エンジン」とし、モータジェネレータ3を「MG1」とし、モータジェネレータ14を「MG2」として説明する。
図2は、前進加速時のエンジン、MG1、MG2の各状態(上段)と、速度線図(下段)を表した図である。図2を参照すると、前進加速時は、MG2が力行状態となり、後輪15を前進方向に駆動する。後輪15のトルクは路面を介して前輪13に伝えられる。また、このとき、エンジンの回転数は、サンギヤ4に与えられる反力トルクを考慮して最適燃費となるように制御され、動力分割機構2を介して正転方向に回転するMG1よりエネルギー回生を行うことができる。
図3は、定速走行時のエンジン、MG1、MG2の各状態(上段)と、速度線図(下段)を表した図である。図3を参照すると、定速走行時は、出力はエンジン主体となる。MG2は回生状態となるが、前輪の駆動力FがMG2の逆駆動力をはるかに上回るようエンジン及びMG1の回転数が制御される。
図4は、後退加速時のエンジン、MG1、MG2の各状態(上段)と、速度線図(下段)を表した図である。図4を参照すると、後退加速時は、MG2が逆転方向に力行状態となり、後輪15を後退方向に駆動する。後輪15のトルクは路面を介して前輪13に伝えられるが、後輪の駆動力が前輪の逆駆動力をはるかに上回るようエンジンの回転数が制御される。またこのとき、エンジンの回転数を増大させることで、MG1よりエネルギー回生を行うことができる。
更に、図5に示すように、ブレーキ等により前後輪をロックした状態で、エンジンを運転することで、MG1にて発電を行う発電モードを実現することが可能である。また、前記ブレーキ等による前後輪のロック状態を、前輪に付加された駆動力と同等の逆駆動力を後輪に発生させるようMG2を制御することによっても実現することができる。
図6は、特許文献1の4輪駆動構成により前進加速後、定速走行に移り、その後、減速、停止、後退という走行パターンで走行させた場合の車両の各部状態の遷移を表した図である。図7は、本実施形態に係る車両の駆動システムを搭載した車両にて同一の走行パターンで走らせた場合の図であるが、モータが1台少ない軽量・簡素な構成でありながら、同等の走行性を得ることが可能となっている。
また、図8に表すように、特許文献1の4輪駆動車の構成では、2輪駆動選択時の前進加速から定速走行の期間に、動力分割機構の出力要素であるリングギヤに連結されたモータ(特許文献1の図5のPMモータ14)が連れ回ることによる損失トルクが発生するが、本実施形態の構成では、上記図2、図3の前進加速及び定速走行で説明したように、リングギヤ5を含む駆動輪側に、モータにより駆動される駆動ギヤが配置されておらず、走行時に該モータが不必要に連れ回ることがないため、燃費をより向上できる構成となっている。
[第2の実施形態]
続いて、上記第1の実施形態に変更を加えた本発明の第2の実施形態について説明する。図9は、本発明の第2の実施形態に係る車両の駆動システムの構成を表した図である。上記した第1の実施形態との相違点は、内燃機関1の出力軸側にブレーキ装置22を備え、内燃機関1の出力軸の回転を抑止できるようにした点であるので、以下、ブレーキ装置22により可能となる走行モードについて説明する。
続いて、上記第1の実施形態に変更を加えた本発明の第2の実施形態について説明する。図9は、本発明の第2の実施形態に係る車両の駆動システムの構成を表した図である。上記した第1の実施形態との相違点は、内燃機関1の出力軸側にブレーキ装置22を備え、内燃機関1の出力軸の回転を抑止できるようにした点であるので、以下、ブレーキ装置22により可能となる走行モードについて説明する。
図10は、減速走行(回生)時のエンジン、MG1、MG2の各状態(上段)と、速度線図(下段)を表した図である。図10を参照すると、減速走行(回生)時は、MG2によるエネルギー回生に加えて、ブレーキ装置22を作動させ、エンジンの出力軸を固定することで、MG1においても効率よくエネルギー回生を行うことが可能となる。
図11は、図6に示した特許文献1の4輪駆動構成の減速走行区間の車速、メカブレーキトルク、リア側(R側)トルクを同一グラフ上にプロットした図である。減速時の車両の運動エネルギーの一定量をリア側のMG2にて回生することが可能となっているが、それを上回る部分は、熱損失(メカブレーキトルク相当)となっている。
図12は、本実施形態に係る車両の駆動システムを搭載した車両にて図6と同一の走行パターンで走らせた場合の図であり、図13は、その減速走行区間におけるメカブレーキトルク、リア側(R側)トルクを同一グラフ上にプロットした図である。本実施形態の構成では、上記ブレーキ装置22を作動させる(図12の最下段の破線B1ブレーキ参照)ことにより、減速時の車両の運動エネルギーの全量をフロント側のMG1及びリア側のMG2にて回生することが可能となっている。
[第3の実施形態]
続いて、上記第2の実施形態と同等の構成にて更に可能となる走行モードを備えた本発明の第3の実施形態にて説明する。
続いて、上記第2の実施形態と同等の構成にて更に可能となる走行モードを備えた本発明の第3の実施形態にて説明する。
本実施形態の構成では、上記第2の実施形態にて説明したようにブレーキ装置22を備えるため、内燃機関1の駆動力を用いないモータ発進(MG発進)が可能となる。図14は、MG前進走行時のエンジン、MG1、MG2の各状態(上段)と、速度線図(下段)を表した図である。図14を参照すると、MG前進走行時は、MG1及びMG2の双方を力行状態とすることにより、前輪13及び後輪15をそれぞれ前進方向に駆動させることが可能となる。
図15は、本実施形態に係る車両の駆動システムを搭載した車両にて図6と同一の走行パターンで走らせた場合の図であり、図12と相違する点は、前進加速走行区間でも上記ブレーキ装置22を作動させるとともに(図15の最下段の破線B1ブレーキ参照)、MG1が力行状態となっている点である。
同様に、内燃機関1の駆動力を用いない後退発進も可能となる。図16は、MG後退走行時のエンジン、MG1、MG2の各状態(上段)と、速度線図(下段)を表した図である。図16を参照すると、上記図14のMG1及びMG2をそれぞれ逆方向に回転させることで、前輪13及び後輪15をそれぞれ後退方向に駆動させることが可能となる。
図17は、特許文献1の4輪駆動構成により前進加速走行区間における消費エネルギーを表した図である。図18は、本実施形態に係る車両の駆動システムを搭載した車両による前進加速走行区間における消費エネルギーを表した図である。両図を対比すれば明らかなとおり、本実施形態では、前進加速走行区間のエネルギーをバッテリ消費で賄えるため、燃費をより向上させることが可能となっている。
以上のように、内燃機関1の駆動力を用いないモータ発進(MG発進)を可能とする本発明の第3の実施形態によれば、前進加速走行区間における消費エネルギーを低減することが可能となる。
[第4の実施形態]
続いて、上記第2の実施形態に構成上の変更を加えた第4の実施形態について説明する。図19は、本発明の第4の実施形態に係る車両の駆動システムの構成を表した図である。上記した第2の実施形態との相違点は、内燃機関1の出力軸ではなく、キャリア7側にブレーキ装置21を配置し、キャリア7をロックできるようにした点である。
続いて、上記第2の実施形態に構成上の変更を加えた第4の実施形態について説明する。図19は、本発明の第4の実施形態に係る車両の駆動システムの構成を表した図である。上記した第2の実施形態との相違点は、内燃機関1の出力軸ではなく、キャリア7側にブレーキ装置21を配置し、キャリア7をロックできるようにした点である。
本実施形態の構成によっても、上記した第2、第3の実施形態と同様の走行モードを実現することが可能となる。また、本実施形態では、ブレーキ装置21をキャリア7内部に組み込むことも可能となり、構成をコンパクトにまとめることが可能となる。
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、動力分割機構及びその下流側(第1の駆動輪側)にモータを配置せずに、車両の走行状態及び他方の駆動輪側に配したモータの動作状態に応じて、前後の駆動輪間、更に一方の駆動輪に連結された動力分割機構との間で授受されるトルクを加味して内燃機関の制御を行うという基本的技術的思想を逸脱しない範囲で、更なる変形・置換・調整を加えることができる。
図20は、上記した第1の実施形態のリア側のモータジェネレータ14をインホイールモータ14a、14bに置き換えた例である。図21は、上記インホイールモータを用いて、6×6の多軸全輪駆動車とした例である、これらの構成によっても、上記した第1の実施形態と同様の制御を加えることで、優れた走行性と、燃費特性を得ることが可能である。また、本構成に、上記第2、第4の実施形態で説明したブレーキ装置を追加することも可能である。
図22は、本発明を、フロントエンジン・リアドライブタイプの車両(FR車)に適用した例である。図22の構成では、リアデフ20に連結された出力軸(プロペラシャフト)23にリングギヤ5を連結するとともに、減速ギヤユニット19を介して前輪13側にモータジェネレータ14が配置された構成となっている。図23は、図22の前輪側のモータジェネレータ14をインホイールモータ14a、14bに置き換えた例である。これらの構成においても、上記したように特許文献1の構成と比較してモータジェネレータの台数は少なくて済み、しかもエンジンを縦置とすることができるため、良好な車載性を持つ構成を得ることができる。
1 内燃機関
2 動力分割機構
3 モータジェネレータ
4 サンギヤ
5、12 リングギヤ
6 ピニオンギヤ
7 キャリア
8 出力ギヤ
9 カウンタドリブンギヤ
10 カウンタドライブギヤ
11 デファレンシャル
13 前輪
14 モータジェネレータ
14a、14b、14c、14d インホイールモータ
15 後輪
16 インバータ
17 バッテリー
18 ECU(電子制御ユニット)
19 減速ギヤユニット
20 リアデフ
21、22 ブレーキ装置
23 出力軸(プロペラシャフト)
2 動力分割機構
3 モータジェネレータ
4 サンギヤ
5、12 リングギヤ
6 ピニオンギヤ
7 キャリア
8 出力ギヤ
9 カウンタドリブンギヤ
10 カウンタドライブギヤ
11 デファレンシャル
13 前輪
14 モータジェネレータ
14a、14b、14c、14d インホイールモータ
15 後輪
16 インバータ
17 バッテリー
18 ECU(電子制御ユニット)
19 減速ギヤユニット
20 リアデフ
21、22 ブレーキ装置
23 出力軸(プロペラシャフト)
Claims (1)
- モータと、内燃機関と、発電機と、前記内燃機関の駆動力を駆動輪と前記発電機とに分割する動力分割機構と、前記モータ及び前記内燃機関を制御する電子制御部と、前記動力分割機構の出力要素を含み、前輪または後輪の一方によって構成された第1の駆動輪と接続された回転部材と、を備えた車両の駆動システムであって、
前記内燃機関が、前記動力分割機構を介して前記第1の駆動輪を駆動し、
前記モータが、前記内燃機関によって駆動されない第2の駆動輪を駆動し、
前記回転部材が、前記内燃機関によって駆動され、
前記モータが逆転方向に力行状態となる後退加速時に、前記電子制御部は、エンジンの回転数を増大させ、かつ、前記第2の駆動輪の駆動力が前記第1の駆動輪の逆駆動力を上回るようエンジンの回転数を制御すること、
を特徴とする車両の駆動システム。
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2012
- 2012-04-26 JP JP2012101310A patent/JP2012183997A/ja active Pending
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Legal Events
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