JP2014046830A - 四輪駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃費の向上を図ることができる四輪駆動装置を提供する。
【解決手段】四輪駆動装置１は、前輪２を回転駆動させるエンジン４と、エンジン４で発生した駆動力を受けて作動し、電力を発生させるオルタネータ９と、オルタネータ９と接続されたバッテリ１０と、バッテリ１０の電力により作動し、後輪３を回転駆動させるリヤモータ１１と、オルタネータ９を制御するコントローラとを備えている。コントローラは、前輪２または後輪３のスリップ率が閾値よりも大きい場合に、車両の車速が基準速度以上であるかどうかを判断し、車速が基準速度よりも低いときは、バッテリ１０を放電するようにオルタネータ９による発電を抑制し、車速が基準速度以上であるときは、バッテリ１０を充電するようにオルタネータ９による発電を促進させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載された前輪及び後輪を駆動する四輪駆動装置に関するものである。
従来の四輪駆動装置としては、例えば特許文献１に記載されているように、内燃エンジンからの回転力を受けて電圧を出力する発電機と、この発電機の電圧により駆動される電動機とを備え、内燃エンジンにより前輪を駆動すると共に、電動機により後輪を駆動するものが知られている。
特開平７−２３１５０８号公報
しかしながら、上記従来技術においては、車両の発進時のようなエンジン熱効率の低い動作域で、発電機により発電を行って電動機を駆動すると、燃費の悪化につながるという問題がある。
そこで本発明の目的は、燃費の向上を図ることができる四輪駆動装置を提供することである。
本発明は、車両に搭載された前輪及び後輪を駆動する四輪駆動装置において、前輪及び後輪の一方を回転駆動させるエンジンと、エンジンにより作動して電力を発生させるオルタネータと、オルタネータと接続されたバッテリと、バッテリの電力により作動し、前輪及び後輪の他方を回転駆動させるモータと、車両の車速を検出する車速検出手段と、車速検出手段により検出された車両の車速に基づいてオルタネータを制御する発電制御手段とを備え、発電制御手段は、車両の車速が所定範囲よりも低いときは、バッテリを放電するようにオルタネータを制御し、車両の車速が所定範囲よりも高いときは、バッテリを充電するようにオルタネータを制御することを特徴とするものである。
本発明の四輪駆動装置のように、バッテリの電力により作動するモータを用いて前輪または後輪を回転駆動させる場合、車両の発進時のように車速が低いときは、バッテリの電圧が低い状態でも、モータの駆動トルクを確保することができる。このため、車両の車速が低いときは、バッテリを放電しても影響は殆ど無い。一方、車両の車速が高いときは、バッテリの電圧が高くなるほどモータの駆動トルクが高くなるため、モータの駆動トルクを確保するためには、バッテリを充電する必要がある。
そこで本発明においては、車両の車速が所定範囲よりも低いときは、バッテリを放電するようにオルタネータを制御する、つまりオルタネータによる発電を抑制することにより、バッテリの電圧を低下させ、車両の車速が所定範囲よりも高いときは、バッテリを充電するようにオルタネータを制御する、つまりオルタネータによる発電を促進させることにより、バッテリの電圧を上昇させる。このように車両の車速が低いときは、エンジンにより作動するオルタネータによる発電が抑制されるため、燃費を向上させることができる。なお、オルタネータによる発電を抑制することには、オルタネータによる発電量をゼロとすることも含まれる。一方、車両の車速が高いときは、バッテリの電圧が高くなるため、モータの駆動トルクの不足を防止することができる。
好ましくは、前輪または後輪のスリップ率が所定値よりも高いかどうかを判定するスリップ率判定手段を更に備え、発電制御手段は、スリップ率判定手段により前輪または後輪のスリップ率が所定値よりも高いと判定された場合に、車両の車速に基づいてオルタネータを制御する。
車両が雪道や坂道等の低μ路を発進するときは、モータの最大駆動トルクを得るためにオルタネータによる発電量を増大させる必要があり、燃費の悪化が顕著になる。従って、前輪または後輪のスリップ率が所定値よりも高いと判定された場合に、上述したように車両の車速に基づいてオルタネータを制御するのが好適である。
また、好ましくは、発電制御手段は、車両の車速とバッテリの充放電タイミングとの関係を表す充放電マップを用いて、車両の車速に基づいてオルタネータを制御する。
この場合には、充放電マップに従い、車速検出手段により検出された車両の車速に応じてバッテリを放電または充電するようにオルタネータを制御するので、複雑な制御処理を実行しなくて済む。
このとき、好ましくは、バッテリの充電状態を検出する充電状態検出手段を更に備え、充放電マップは、バッテリの充電状態に応じて車両の車速に対するバッテリの充放電タイミングが異なるように複数用意されており、発電制御手段は、複数の充放電マップのうち、充電状態検出手段により検出されたバッテリの充電状態に対応する充放電マップを用いて、車両の車速に基づいてオルタネータを制御する。
バッテリの電圧が低い状態では、バッテリの電圧が高い状態に比べて、車両の車速がより低い段階でバッテリの充電を行う必要がある。そこで、バッテリの充電状態（電圧）に応じて車両の車速に対するバッテリの充放電タイミングが異なるような複数の充放電マップを用意しておき、複数の充放電マップのうち、充電状態検出手段により検出されたバッテリの状電状態に対応する充放電マップを用いて、上述したように車両の車速に基づいてオルタネータを制御することにより、オルタネータによる発電を促進させることで行われるバッテリの充電を、現在のバッテリの充電状態に応じた適切なタイミングで実施することができる。
本発明によれば、車両の発進時及び低速走行時にはオルタネータによる発電が抑制されるため、燃費の向上を図ることができる。
本発明に係る四輪駆動装置の一実施形態を概略的に示す構成図である。 図１に示した四輪駆動装置の制御系を示すブロック図である。 図１に示したリヤモータの回転数−駆動トルク（Ｎ−Ｔ）特性を示すグラフである。 図２に示したコントローラによるオルタネータ制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。 図４に示したオルタネータ制御処理で使用される高バッテリ電圧用の充放電マップ及び低バッテリ電圧用の充放電マップを示すグラフである。 図４に示したオルタネータ制御処理を実行することによる車速とバッテリ電圧との関係を示すグラフである。 インバータ電流とインバータ損失との関係を示すグラフである。
以下、本発明に係る四輪駆動装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る四輪駆動装置の一実施形態を概略的に示す構成図である。同図において、本実施形態の四輪駆動装置１は、車両に搭載された前輪２及び後輪３を駆動する装置である。
四輪駆動装置１は、エンジン４と、このエンジン４で発生した駆動力をディファレンシャルギア５及び車軸６を介して前輪２に伝達するトランスミッション７と、エンジン４で発生した駆動力をベルト８を介して受けることで作動（回転）し、直流電力を発生させるオルタネータ９と、このオルタネータ９と接続されたバッテリ１０とを備えている。オルタネータ９は、特に図示はしないが、交流発電機と、この交流発電機で発生した交流電力を直流電力に変換する整流器とから構成されている。
また、四輪駆動装置１は、バッテリ１０の電力により作動（回転）するリヤモータ１１と、このリヤモータ１１の回転速度を減速してディファレンシャルギア１２及び車軸１３を介して後輪３に伝達する減速機１４と、バッテリ１０の直流電力を交流電力に変換し、リヤモータ１１を駆動するインバータ１５と、バッテリ１０と接続されたエアコンやオーディオ等の補機１６とを備えている。
従って、前輪２は、エンジン４によってトランスミッション７、ディファレンシャルギア５及び車軸６を介して回転駆動される。後輪３は、リヤモータ１１によって減速機１４、ディファレンシャルギア１２及び車軸１３を介して回転駆動される。
さらに、四輪駆動装置１は、図２に示すように、バッテリ１０の充電状態（ＳＯＣ）としてバッテリ１０の電圧（バッテリ電圧）を検出するバッテリ電圧センサ（充電状態検出手段）１７と、車両の車速を検出する車速センサ（車速検出手段）１８と、前輪２の回転数を検出する前輪回転数センサ１９と、後輪３の回転数を検出する後輪回転数センサ２０と、コントローラ２１とを備えている。コントローラ２１は、センサ１７〜２０の検出値を入力し、所定の処理を行い、オルタネータ９を制御する。
図３は、リヤモータ１１の回転数−駆動トルク（Ｎ−Ｔ）特性を示すグラフである。図３から分かるように、リヤモータ１１の回転数（モータ回転数）が高くなるほど、リヤモータ１１の駆動トルク（モータトルク）が低くなる。このとき、車両の低速域つまりモータ回転数が所定値よりも低い領域では、バッテリ電圧に関わらずモータトルクが一定となるため、低いバッテリ電圧でも所望のモータトルクを出すことができる。一方、車両の中高速域つまりモータ回転数が所定値よりも高い領域では、バッテリ電圧が高くなるほどモータトルクが高くなる。
コントローラ２１は、そのようなリヤモータ１１のＮ−Ｔ特性を考慮して、オルタネータ９を制御する。図４は、コントローラ２１によるオルタネータ制御処理手順の詳細を示すフローチャートである。
同図において、まず前輪回転数センサ１９及び後輪回転数センサ２０の検出値に基づいて、前輪２または後輪３のスリップ率を計算する（手順Ｓ１０１）。スリップ率は、例えば前輪回転数センサ１９により検出された前輪２の回転数と後輪回転数センサ２０により検出された後輪３の回転数との差分から求めることができる。続いて、前輪２または後輪３のスリップ率が閾値よりも大きいかどうかを判断する（手順Ｓ１０２）。スリップ率が閾値以下であるときは、本処理を終了する。
スリップ率が閾値よりも大きいときは、２つの充放電マップのうち、バッテリ電圧センサ１７により検出されたバッテリ電圧に対応する充放電マップを読み込む（手順Ｓ１０３）。
充放電マップは、図５に示すように、車両の車速とバッテリ１０の充放電タイミングとの関係を表すマップであり、バッテリ電圧に応じた２つのものが予め用意されている。充放電マップは、車両の車速が基準速度Ｖ０以上になると、バッテリ１０を放電状態から充電状態に切り換えるように設定されている。図５（ａ）に示す充放電マップは、バッテリ電圧が所定電圧以上のときに使用される高バッテリ電圧用の充放電マップであり、図５（ｂ）に示す充放電マップは、バッテリ電圧が所定電圧よりも低いときに使用される低バッテリ電圧用の充放電マップである。
低バッテリ電圧用の充放電マップでは、高バッテリ電圧用の充放電マップに比べて、バッテリ１０を放電状態から充電状態に切り換えるタイミングとなる基準速度Ｖ０が低くなっている。つまり、低バッテリ電圧用の充放電マップでは、高バッテリ電圧用の充放電マップに比べて、車速がより低い段階でバッテリ１０を放電状態から充電状態に切り換えるように設定されている。なお、基準速度Ｖ０は、リヤモータ１１の特性及び減速機１４の減速比等によって設定されるものである。
従って、手順Ｓ１０３では、バッテリ電圧センサ１７により検出されたバッテリ電圧が所定電圧以上のときは、図５（ａ）に示す高バッテリ電圧用の充放電マップを選択し、バッテリ電圧センサ１７により検出されたバッテリ電圧が所定電圧よりも低いときは、図５（ｂ）に示す低バッテリ電圧用の充放電マップを選択する。
なお、使用する充放電マップとしては、特に２つには限られず、車速に対するバッテリ１０の充放電タイミングがバッテリ電圧に応じて異なるのであれば、３つ以上あっても良い。この場合には、バッテリ電圧センサ１７により検出されたバッテリ電圧に最も適した充放電マップを選択する。
続いて、車速センサ１８により検出された車速が手順Ｓ１０３で選択された充放電マップにおける基準速度Ｖ０以上であるかどうかを判断する（手順Ｓ１０４）。車速が基準速度Ｖ０よりも低いときは、バッテリ１０を放電するようにオルタネータ９を制御する（手順Ｓ１０５）。
具体的には、オルタネータ９の出力（発電量）が最小となるようにオルタネータ９を制御する。このとき、補機１６が使用されているときは、オルタネータ９の出力を補機１６の使用電圧分のみとし、補機１６が使用されていないときは、オルタネータ９の出力をゼロとする。なお、バッテリ１０の容量に余裕がある場合には、補機１６が使用されているときでも、オルタネータ９の出力をゼロにしても良い。このようにオルタネータ９の出力を最小とすることには、オルタネータ９の出力をゼロにする、つまりオルタネータ９で発電を行わないことも含まれる。以上により、バッテリ１０が放電されることになるため、バッテリ電圧が下がる。
一方、車速が基準速度Ｖ０以上であるときは、バッテリ１０を充電するようにオルタネータ９を制御する（手順Ｓ１０６）。具体的には、オルタネータ９の出力（発電量）が最大となるようにオルタネータ９を制御する。これにより、バッテリ１０が充電されることになるため、バッテリ電圧が上がる。
このとき、上述したように現在のバッテリ電圧に最も適した充放電マップを用いて、車両の車速に基づいたオルタネータ９の発電制御を行うので、バッテリ１０の充電を現在のバッテリ電圧に応じた適切なタイミングで実施することができる。
以上において、コントローラ２１は、車速検出手段１８により検出された車両の車速に基づいてオルタネータ９を制御する発電制御手段を構成する。前輪回転数センサ１９、後輪回転数センサ２０及びコントローラ２１は、前輪２または後輪３のスリップ率が所定値よりも高いかどうかを判定するスリップ率判定手段を構成する。このとき、コントローラ２１の上記手順Ｓ１０１，Ｓ１０２がスリップ率判定手段の一部として機能し、コントローラ２１の上記手順Ｓ１０３〜Ｓ１０６が発電制御手段として機能する。
以上のような四輪駆動装置１において、図６に示すように、車両の発進時を含む低速域では、オルタネータ９による発電が抑制されるため、バッテリ１０が放電され、バッテリ電圧が開放電圧（ＯＣＶ）よりも下がるようになる。このとき、上述したように、車両の低速域では、バッテリ電圧が低くても、モータトルクが確保される（図３参照）。従って、バッテリ電圧がＯＣＶよりも下がっても、リヤモータ１１の駆動力を十分に得ることができる。
一方、車両の中高速域では、オルタネータ９による発電が促進されるため、バッテリ１０が充電され、バッテリ電圧が上昇するようになる。このとき、上述したように、車両の中高速域では、バッテリ電圧が高くなるほどモータトルクが高くなる（図３参照）。従って、バッテリ電圧を上げることで、リヤモータ１１の駆動力を十分に得ることができる。
ところで、車両が雪道や坂道等の低μ路を発進するときは、エンジン４により前輪２のみを駆動するだけでは前輪２がスリップするため、リヤモータ１１により後輪３をアシスト駆動することで、駆動力を分配する。このとき、オルタネータ９で発生した電力を直接インバータ１５に供給してリヤモータ１１を回転させる場合には、車両の発進時というエンジン熱効率の低い動作域で、オルタネータ９による発電を行うと、燃費が悪化する。特に車両が低μ路を発進するときは、リヤモータ１１の最大駆動トルクを得るために必要な電圧以上の発電を行うことがあり、燃費が一層悪化する。
これに対し本実施形態では、車両の低速域においてオルタネータ９による発電を抑制し、バッテリ１０を放電状態となるようにしたので、エンジン熱効率の低い動作域で、オルタネータ９による発電を殆ど行わなくて済む。また、車両の低速域では、バッテリ１０の電力を利用してリヤモータ１１を回転させるので、オルタネータ９による発電を無駄に行うことが無い。以上により、燃費を向上させることができる。
さらに、車両の低速域では、オルタネータ９による発電を抑制することで、バッテリ電圧が下がるので、インバータ１５のスイッチの損失が低減され（図７参照）、インバータの効率向上に寄与することができるという効果もある。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、バッテリ１０の充電状態としてバッテリ電圧を検出するバッテリ電圧センサ１７を用いたが、バッテリ１０の充電状態を検出する手段としては、特にバッテリ電圧センサ１７には限られず、例えばバッテリ１０の電流（バッテリ電流）を検出するバッテリ電流センサを用い、バッテリ電流を積算してバッテリ１０の充電状態を検知しても良い。また、バッテリ１０の温度（バッテリ温度）を検出するバッテリ温度センサを更に設け、バッテリ電圧またはバッテリ電流だけでなくバッテリ温度も考慮してバッテリ１０の充電状態を検知しても良い。
また、上記実施形態では、前輪２または後輪３のスリップ率を求め、スリップ率が予め設定された閾値よりも大きいときに、車速に基づいたオルタネータ９の発電制御を行うようにしたが、これ以外にも、例えば前輪２または後輪３のスリップの発生が予測されるときに、車速に基づいたオルタネータ９の発電制御を行っても良い。
また、上記実施形態では、前輪２の回転数を前輪回転数センサ１９で検出し、後輪３の回転数を後輪回転数センサ２０で検出したが、前輪２及び後輪３の回転数を検出する手段としては、特にそれらに限られず、例えばエンジン４の回転数を検出するセンサから前輪２の回転数を得るようにし、リヤモータ１１の回転数を検出するセンサから後輪３の回転数を得るようにしても良い。
また、上記実施形態では、車速が充放電マップにおける基準速度Ｖ０よりも低いときは、バッテリ１０を放電するようにオルタネータ９を制御し、車速が充放電マップにおける基準速度Ｖ０以上であるときは、バッテリ１０を充電するようにオルタネータ９を制御するようにしたが、特にそれには限られず、バッテリ１０の充電も放電も行わない不感帯を設け、車速が不感帯（所定範囲）よりも低いときは、バッテリ１０を放電するようにオルタネータ９を制御し、車速が不感帯よりも高いときは、バッテリ１０を充電するようにオルタネータ９を制御しても良い。
さらに、上記実施形態では、車速に対するバッテリ１０の充放電タイミングがバッテリ電圧毎に異なる複数の充放電マップを用いて、車速に基づいたオルタネータ９の発電制御を行うようにしたが、特にそれには限られず、１つの充放電マップを用いて、車速に基づいたオルタネータ９の発電制御を行っても良い。
また、上記実施形態は、前輪２をエンジン４で駆動し、後輪３をリヤモータ１１で駆動するものであるが、本発明の四輪駆動装置は、後輪３をエンジンで駆動し、前輪２をモータで駆動するものにも適用可能である。
１…四輪駆動装置、２…前輪、３…後輪、４…エンジン、９…オルタネータ、１０…バッテリ、１１…リヤモータ、１７…バッテリ電圧センサ（充電状態検出手段）、１８…車速センサ（車速検出手段）、１９…前輪回転数センサ（スリップ率判定手段）、２０…後輪回転数センサ（スリップ率判定手段）、２１…コントローラ（発電制御手段、スリップ率判定手段）。

Claims (4)

  1. 車両に搭載された前輪及び後輪を駆動する四輪駆動装置において、
    前記前輪及び前記後輪の一方を回転駆動させるエンジンと、
    前記エンジンにより作動して電力を発生させるオルタネータと、
    前記オルタネータと接続されたバッテリと、
    前記バッテリの電力により作動し、前記前輪及び前記後輪の他方を回転駆動させるモータと、
    前記車両の車速を検出する車速検出手段と、
    前記車速検出手段により検出された前記車両の車速に基づいて前記オルタネータを制御する発電制御手段とを備え、
    前記発電制御手段は、前記車両の車速が所定範囲よりも低いときは、前記バッテリを放電するように前記オルタネータを制御し、前記車両の車速が前記所定範囲よりも高いときは、前記バッテリを充電するように前記オルタネータを制御することを特徴とする四輪駆動装置。
  2. 前記前輪または前記後輪のスリップ率が所定値よりも高いかどうかを判定するスリップ率判定手段を更に備え、
    前記発電制御手段は、前記スリップ率判定手段により前記前輪または前記後輪のスリップ率が前記所定値よりも高いと判定された場合に、前記車両の車速に基づいて前記オルタネータを制御することを特徴とする請求項１記載の四輪駆動装置。
  3. 前記発電制御手段は、前記車両の車速と前記バッテリの充放電タイミングとの関係を表す充放電マップを用いて、前記車両の車速に基づいて前記オルタネータを制御することを特徴とする請求項１または２記載の四輪駆動装置。
  4. 前記バッテリの充電状態を検出する充電状態検出手段を更に備え、
    前記充放電マップは、前記バッテリの充電状態に応じて前記車両の車速に対する前記バッテリの充放電タイミングが異なるように複数用意されており、
    前記発電制御手段は、前記複数の充放電マップのうち、前記充電状態検出手段により検出された前記バッテリの充電状態に対応する充放電マップを用いて、前記車両の車速に基づいて前記オルタネータを制御することを特徴とする請求項３記載の四輪駆動装置。
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