JP2013514225A - 車両、特にハイブリッド自動車車両の車軸に対する電気機械の連結解除方法およびシステム - Google Patents

Abstract

噛合い爪（５１、５２）によって車両の車軸の車輪（４４）と連結された電気機械（４２）を連結解除するため、本方法は、連結解除要求が出された後、順次起動される２つのステップ、すなわち、電気機械（４２）のトルクによる第１の制御ステップであって、両噛合い爪（５１、５２）の間の作用トルクがゼロの状態を得るために目標トルク較正閾値（ｄ）に等しいトルク指令を前記電気機械（４２）に加えるステップと、電気機械（４２）のトルクによる第２の制御ステップであって、前記目標トルク較正閾値（ｄ）に始まって値ゼロで終わる勾配に沿ったトルク指令を電気機械（４２）に加えるステップとを含む。

Description

本発明は、走行中の車両、特にハイブリッド自動車車両の車軸に対する電気機械の連結解除方法およびシステムに関する。

この方法およびシステムは、熱機関を別途使用するハイブリッド車両に対して、電気機械を車両の駆動に寄与させるものとしてとりわけ適している。

仏国特許出願公開第２７２３５５３号は、電気的および熱的駆動ラインを別々に、または同時に動作させる選択的操作システムを備えた自動車車両などを開示している。

米国特許第５，４０３，２４４号は、クラッチディスク式摩擦板をベースにした同期手段を用いたトランスミッション直結車両の電気的駆動ラインを開示している。クラッチ式連結装置はエネルギー損失の発生源となる。

効率を高めるため、公知の最新技術は噛合い式結合装置の方向へと向かっている。そのため、文献ＦＲ２０９０５４３８は、２つの噛合い爪を使用する制御方法であって、噛合い爪の一方に対して、他方の噛合い爪に近づけるためにかけられる平行移動力が接近の各段階に応じて加減される制御方法を記述している。

走行車両の使用状況によっては、車両が定速走行中、加速中、減速中のどの条件にあるかにかかわらず、噛合い爪を素早くスムーズに脱離させることの困難さが明らかになる。

仏国特許出願公開第２７２３５５３号明細書 米国特許第５，４０３，２４４号明細書 ＦＲ２０９０５４３８

本発明の目的の１つは、平行移動力を加減する必要のない、クラッチなしの単純化された連結解除を、とりわけ車両の走行時に実現することにある。

この目的を達成するため、本発明は、噛合い爪によって車両の車軸の車輪と連結されている電気機械を連結解除する方法を対象とする。この方法は、連結解除要求が出された後、順次起動される２つのステップ、すなわち、
− 電気機械のトルクによる第１の制御ステップであって、両噛合い爪の間の作用トルクがゼロの状態を得るために目標トルク較正閾値（ｄ）に等しいトルク指令を電気機械に加えるステップと、
− 電気機械のトルクによる第２の制御ステップであって、前記目標トルク較正閾値に始まって値ゼロで終わる勾配に沿ったトルク指令を電気機械に加えるステップと
を含むことが注目される。

特に、電気機械のトルクによる第１の制御ステップにおいて、噛合い爪をできるだけ早く係合解除できるように噛合いアクチュエータを不作動にする。

より詳細には、第２の制御ステップで、噛合い爪を分離させるように前記アクチュエータを操作する。

有利には、前記目標トルク較正閾値はパラメータ調整が可能である。

本発明はまた、車両の走行時の電気機械と車両の車軸の車輪との連結システムであって、
− 電気機械に連動して回転する上流側噛合い爪、車輪に連動して回転する下流側噛合い爪、および共通の回転軸に沿ってその２つの噛合い爪を平行移動で接近させるように構成されたアクチュエータと、
− 連結解除要求を受け取り、両噛合い爪の間の作用トルクがゼロの状態が得られるようにする目標トルク較正閾値に等しいトルク指令を、次いで、前記目標トルク較正閾値に始まって値ゼロで終わる勾配に沿ったトルク指令を電気機械に加えることにより、電気機械をトルクで制御するように構成された電子装置と
を備える連結システムを対象とする。

とりわけ、連結システムは、両噛合い爪を分離することができる噛合いアクチュエータを備える。

有利には、前記目標トルク較正閾値はパラメータ調整が可能である。

本発明はさらに、本発明に基づくシステムを備える自動車車両を対象とする。

添付の概略図を参照しながら、もっぱら参考のための非限定的な例として示す、本発明の現に好ましい具体的な実施形態について、以下に行う説明的な記述を通して、本発明はよりよく理解され、本発明のその他の目的、特徴、詳細および利点もより明らかとなろう。

本発明による連結システムを備えるハイブリッド自動車車両の概略図である。 本発明による連結システムの概略図である。 本発明による連結方法の各ステップを説明するための時系列グラフである。

図１で、ハイブリッド型車両１０は、車両１０の２つの前車輪１４を駆動するように構成されたパワートレーン１１と、車両１０の同じ後車軸に属する２つの後車輪４４を駆動するように構成されたパワートレーン１２とを備える。パワートレーン（ＧＭＰ）１１は、ここではあくまでも例証として車両前部に位置する熱機関を自明な形で含む。パワートレーン１２は、連結機構４３によって車輪４４に接続される電気機械４２を備える。

図２は、図１のパワートレーン１２をさらに詳しく示したものである。図を簡単にして容易にその理解が得られるようにするため、電気機械４２の中心軸と車輪４４の中心軸は同一の中心線４６で図式的に折り返してあり、その中心線４６の上方に、電気機械４２、連結機構４３、および２つの車輪４４を象徴する合理的な１つのブロックがそれぞれ半分を単純に示している。

連結機構４３においては、噛合いシステムが上流側噛合い爪５１と下流側噛合い爪５２を備える。上流側噛合い爪５１は、電気機械４２の出力軸につながれた減速装置４５と連動して回転する。下流側噛合い爪５２は、後車軸の両車輪４４の間のトルクを、とりわけ、例えばカーブなどで両車輪が異なる速度で回るときに、自明の方法で均衡させるための差動機構を介して、両車輪４４と連動して回転する。

噛合い爪５１は、電気機械４２と噛合い爪５１の間の伝達損失に起因する効率係数を除いて、電気機械４２によって供給される出力を維持しながら、電気機械４２の回転速度に比例する、またはそれに等しい回転速度で中心軸４６の周りを回転し、電気機械４２によって発生するトルクに比例するトルクを伝達する。電気機械４２内および電気機械４２と噛合い爪５１の間の伝達損失は、噛合い爪５１の上流側部分の空転トルクによって表すことができる。

噛合い爪５２は、両輪４４の速度に応じた回転速度で中心軸４６の周りを回転する。噛合い爪５２に加えられたトルクは両車輪４４に伝達される。図２に示されるように、噛合い爪５２が噛合い爪５１から引き離されていると、車輪４４は電気機械４２の回転速度とは関係なく、回転することも、しないことも可能である。

連結機構４３は、噛合い爪５２を中心軸４６に沿って平行移動させるように構成されたアクチュエータ３４を備える。噛合い爪５１および５２のそれぞれの対向面には凸部と凹部が設けられている。噛合い爪の凸部は、もう一方の噛合い爪の凹部にはまり込むように設計されている。そのため、図２に示すように、噛合い爪５２の凸部が噛合い爪５１の凹に対向しているときは、アクチュエータ３４が噛合い爪５２を噛合い爪５１に噛み合わせ、噛合い爪５１および５２が中心軸４６の周りを連動して回転できるようにすることができる。連結機構４３にはオンオフ位置センサ３２が取り付けられ、噛合い爪５２が噛合い爪５１と完全な噛合い位置にあるかどうかを検出する。

電気機械が連結機構によって連結されているときは、噛合い爪５１および５２は連動して回転する。噛合い爪５２の凸部５２は、噛合い爪５１の凹部にはまり込む。電気機械４２が電動機モードで車輪４４に対してトルクを与えるときは、回転方向を向く法線を有する噛合い爪５１凹部の面は、対向する噛合い爪５２凸部の面に対して圧力を及ぼし、その凸部面はクーロンの摩擦法則に従う摩擦力を発生する。同様に、電気機械４２が発電機モードで、車輪４４からトルクを受けるときは、回転方向と逆向きの法線を有する噛合い爪５１凹部の面は、噛合い爪５２凸部の対向する面からの圧力にさらされ、その凸部面は、やはりクーロンの摩擦法則に従う摩擦力を発生する。トルクが高まるほどに大きくなる摩擦力は、噛合い爪５２を中心軸４６に沿って脱離の方向に平行移動させるアクチュエータ３４の動きを妨げる。トルクがかかった状態で脱離を容易にするのに好適な噛合い爪の形状を設計するという解決は、電気機械が電動機であるか発電機であるかによって反対の２つのトルクの向きがありうることに対応するための向きの問題を生じる。平行移動時の摩擦力に打ち勝つようにアクチュエータ３４に過剰な仕様を与えれば、噛合い爪の早すぎる損耗を招くという難点がある。損耗に打ち勝つことができる特別な表面処理を行うことには、製造コストの大幅な増大を招くという難点がある。噛合い爪５２が噛合い爪５１から離れるのに伴い、互いに重なり合うそれぞれの歯の接触面積は減少するが、それによってトルクに由来する圧力は増大傾向を示し、噛合い爪５２が噛合い爪５１から離れる瞬間に噛合い爪５２に対して噛合い爪５１が回転しながらスキッドを生ずるに至る。その場合、歯に生じる応力は摩耗、さらには微小割れのもう１つの原因となる。前記いくつかの現象は、車両が走行状態にあるときに、運転者から車両の電気機械の連結解除が要求され次第、両噛合い爪を素早くスムーズに係合解除しようとしたときに生じる困難を示すものである。後パワートレーンシステムの機械的構造は、クラッチを備えておらず、同期装置も備えていない。システムの唯一の動作は、アクチュエータ３４の作用または作動による両噛合い爪５１、５２の一方の平行移動である。

この問題に対処するため、後パワートレーンは、これから説明するように、噛合いアクチュエータ３４のシーケンシャル制御と組み合わせて電気機械４２のトルクを細かく制御することで迅速かつスムーズな噛合い離脱を達成することができる電子装置を含む。電子装置は、連結機構４３においてアクチュエータ３４およびセンサ３２と接続される。他方で、電子装置は、電流を調節される発電機によって電気機械４２に接続される。発電機は、たとえばバッテリ（図示せず）から既知の方法で給電を受ける。電子装置は、図３を参照しながらこれから説明する方法の各ステップを実行するように構成および／またはプログラムされたデジタルまたはアナログ処理電子回路をさらに備える。

方法の各ステップを説明するため、図３は様々な信号の状態を時間との関係で示している。

特に、曲線７は、車速５ｋｍ／ｈ以上または車速５ｋｍ／ｈのときの結合命令信号を示している。解離要求を受ける日ａまでは、方法は初期ステップにあり、その間は噛合い爪５１および５２は互いに係合した状態で、それによって電気機械４２は両車輪４４と連結されている。命令信号は、曲線７の高い値として表されており、その後、瞬間ａからは低い値となっている。高い値、低い値というのは、あくまでもここで定められただけのものであって、初期ステップは信号の低い値によって表し、その後ａからは高い値となるのであってもよい。

線ｄは、その値に達しなければ、噛合い離脱が可能な較正されたトルクＣ０のレベルまたは閾値を表す。トルクの値Ｃ０は、有利には、噛合い爪レベルのトルクを打ち消す値に較正できるようにパラメータ調整が可能である。典型的には、値Ｃ０のトルクは、減速装置の抗力および電気機械のトルクによる制御の不確かさを補償するトルクである。

曲線１は、噛合い爪５２レベルに現れる両車輪４４の回転数を表す。瞬間ａ以前の初期ステップでは、車両が走行中である場合、曲線１の上昇は、たとえば車両が加速段階にあることを表している。この方法のメリットは、噛合い離脱段階を通してどのような車速の変化があろうと、噛合い離脱が可能であることである。

曲線２は、噛合い爪５１レベルに現れる、すなわち減速装置４５の減速比（もしあれば）を考慮に入れた、電気機械４２の回転数を表している。瞬間ａ以前の初期ステップでは、両車輪に連結された電気機械４２は両車輪と同じ回転数を有する。

瞬間ａ以前の初期ステップでは、電気機械の制御は速度またはトルクによるフィードバック制御モードにある。

フィードバック制御モードによる電気機械４２の速度による制御は、電気機械の回転子の速度を調節する。周知のとおり、電気機械の速度によるフィードバック制御は、回転子の速度指令とフィードバックされる回転子の速度計測値との速度偏差を打ち消すように電気機械に加える電流指令を生成する第１の速度調節ステージを一般に含む。第１のステージで生成された電流指令は第２のステージの入力に加えられるが、そこで電流指令は、電気機械の電流吸収容量と、バッテリやスーパーキャパシタアセンブリのような電気エネルギー源の電流供給容量とのそれぞれとによる制限を受ける。第２のステージは、第１のステージから受け取った電流指令と、フィードバックされた電気機械における電流計測値との偏差を打ち消すように電気機械に加える電圧指令を生成することによって電気機械の電流調節を行う。電気機械に加えられた電圧信号は、電気エネルギー源から汲み取られた電圧を調整する出力電子ブリッジを直接制御する。電気機械を流れる電流はトルクを発生させるが、励磁が一定のとき、そのトルクが電流に比例することは周知のとおりである。電流が電流吸収容量および電流供給容量の制限に到達していない限りは、そうして生成されたトルクにより、指令に等しい回転速度を電気機械に強制することができる。電動機モードでは電流はプラス、発電機モードではマイナスである。

フィードバック制御モードによる電気機械４２のトルクによる制御は、電気機械の回転子によって与えられるトルクを調節する。周知のとおり、電気機械のトルクによるフィードバック制御も、回転子の速度指令とフィードバックされた回転子の速度計測値との速度偏差を打ち消すために電気機械に加える電流指令を生成する第１の速度調節ステージを一般に含む。ただし、この場合、速度指令は、電動機モードでは速度計測値の期待値よりもわずかに高く、発電機モードではわずかに低くされ、それによって、有効速度計測値が計測値の期待値に等しい限り、速度偏差は打ち消されないようにする。第１のステージで生成された電流指令は第２のステージの入力に加えられるが、そこで電流指令は、今度は、トルク指令に相当する電流制限を受ける。速度による制御の場合と同様、第２のステージは、第１のステージから受け取り、今度はトルク指令に相当する制限で飽和する電流指令と、フィードバックされた電気機械における電流計測値との偏差を打ち消すように、電気機械に加える電圧指令を生成することによって電気機械の電流調節を行う。前と同様、電気機械に加えられた電圧信号は、電気エネルギー源から汲み取られた電圧を調整する出力電子ブリッジを直接制御する。電気機械を流れる電流によってそのときに発生するトルクは、この場合、トルク指令に等しい。トルク指令がプラスまたはマイナスの場合にそれぞれわずかに速度超過またはわずかに速度未満である指令は、トルク指令に相当する制限で電流を飽和させることを可能にする。そのため、電気機械が偶発的に機械的な空転状態に置かれた場合であっても、その回転速度は、速度未満および速度超過の許容範囲から外れることなく、期待される速度計測値の近くに留まる。なぜなら、いずれかの許容範囲に達すれば、それによって速度偏差は打ち消される結果となり、それによって電流調節ループは当然、不飽和化されるためである。

曲線３は、位置センサ３２によって生成される信号を表す。前述したように、ａ以前の初期ステップでは、連結機構４３は噛合い状態にあり、それがここでは曲線３の信号の低い値によって示されている。

曲線４は、電気機械４２に対するトルク指令信号を表しており、これは、方法の初期ステップの間は、車両の動作状態によって要求されるものである。たとえば、図３に示す車両の加速の場合は、電気機械４２に対するトルク指令はプラスである。

曲線５は電気機械によって実際に生成されるトルクを示したものであるが、電気機械の調節ループの応答時間定数またはその他の要因によるなどして、そのトルクは指令とは著しく違ったものである可能性がある。

解離要求を受け取る日ａには、方法は、連結機構４３が結合状態か解離状態かを電子装置がチェックする監視ステップに入る。つまり、電子装置は、位置センサ３２が噛合い爪５１および５２の結合または解離位置を示しているかチェックする。連結機構をチェックして、連結機構が結合していれば、方法は、曲線４が示すように、トルク指令を値Ｃ０に持っていく。上に指摘したように、トルクの値Ｃ０は、噛合い爪５１上流側の抗力による損失を補償して、噛合い爪レベルのトルクが日ｂにおいてほぼゼロとなるようにする値である。

噛合い爪が連結している限り、曲線２が示す電気機械の回転数は曲線１に示された車輪の回転数に従う。

瞬間（ｂ）に目標トルク較正閾値（ｄ）に達すると直ちに、電気機械の電子制御装置は、出発点が目標トルク較正閾値（ｄ）に等しく、到達点が値ゼロである勾配に従う指令を生成する。電気機械のトルクによるこの第２の制御ステップでは、曲線３からわかるように、噛合い爪（５２）は噛合い爪（５１）から最初は徐々に離れ始め、最終的に瞬間（ｃ）に離れる。噛合い爪（５２）が噛合い爪（５１）から脱離した後は、電気機械によって発生するトルクはその駆動にはもはや不十分なものとなるため、曲線（２）からわかるように、基本的に自らの慣性によって駆動され、その回転速度は低下する。

瞬間ｃには、位置センサ３２が「噛合い爪脱離」の情報を送出する。図３の曲線（４、５および６）は、典型的には車両が加速する場合における電気機械（４２）の電動機トルクに相当する。当然のことながら、電動機運転時のプラスのトルクは、減速時など、発電機運転時にはマイナスのトルクに取って代わられる。その場合、それぞれの曲線は時間軸に関して対称形をなす。傾斜は、いずれの場合も瞬間（ｃ）における値ゼロで勾配が終わるように逆になる。

経済的な観点からは、オンオフの単純な方法で制御される単純化されたアクチュエータと組み合わせて、あらゆる動作状態でトルクによる電気機械の制御の可能性を利用することで、より複雑なシステムと比べて顕著にコストを削減することが可能となる。

本発明について具体的な実施形態と関連づけて説明してきたが、本発明はそれだけに限定されるわけではなく、その枠組みや精神から逸脱することなく、それに様々な変形や変更を加えることができることは明白である。とりわけ、電気式パワートレーンは、車両の前部にも後部にも、熱式パワートレーンが取り付けられているのと同じ車軸にも異なる車軸にも、取り付けることができる。図２には示していないが、前噛合い爪と車輪の間には減速装置を介在させることもできる。下流側噛合い爪の移動は、上流側噛合い爪の移動によって代替することができる。

Claims (8)

1. 噛合い爪（５１、５２）による車両の車軸の車輪（４４）に連結された電気機械（４２）の連結解除方法であって、連結解除要求が出された後、順次起動される２つのステップ、すなわち、
   − 前記電気機械（４２）のトルクによる第１の制御ステップであって、両前記噛合い爪（５１、５２）の間の作用トルクがゼロの状態を得るために目標トルク較正閾値（ｄ）に等しいトルク指令を前記電気機械（４２）に加えるステップと、
   − 前記電気機械（４２）のトルクによる第２の制御ステップであって、前記目標トルク較正閾値（ｄ）に始まって値ゼロで終わる勾配に沿ったトルク指令を前記電気機械（４２）に加えるステップと
   を含む連結解除方法。
2. 前記電気機械（４２）のトルクによる第１の制御ステップにおいて、前記噛合い爪をできるだけ早く係合解除できるように噛合いアクチュエータ（３４）を不作動にすることを特徴とする、請求項１に記載の連結解除方法。
3. 前記第２の制御ステップで、両前記噛合い爪（５１、５２）を分離させるように前記アクチュエータ（３４）を操作することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記目標トルク較正閾値（ｄ）のパラメータ調整が可能であることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の方法。
5. 車両の走行時に電気機械（４２）と車両の車軸の車輪（４４）との連結システムであって、
   − 前記電気機械（４２）に連動して回転する上流側噛合い爪（５１）、前記車輪（４４）に連動して回転する下流側噛合い爪（５２）、および共通の回転軸に沿ってその２つの前記噛合い爪を平行移動で接近させるように構成されたアクチュエータ（３４）と、
   − 連結解除要求を受け取り、両前記噛合い爪（５１、５２）の間の作用トルクがゼロの状態が得られるようにする目標トルク較正閾値（ｄ）に等しいトルク指令を、次いで、前記目標トルク較正閾値に始まって値ゼロで終わる勾配に沿ったトルク指令を前記電気機械に（４２）加えることにより、前記電気機械（４２）をトルクで制御するように構成された電子装置と
   を備える連結システム。
6. 両前記噛合い爪を分離することができる噛合いアクチュエータ（３４）を備えることを特徴とする、請求項５に記載の連結システム。
7. 前記目標トルク較正閾値（ｄ）のパラメータ調整が可能であることを特徴とする、請求項５または６に記載のシステム。
8. 本発明に基づくシステムを備える自動車車両。

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