JP2015036255A - ハイブリッド車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 ハイブリッド車両に適したタイプのモータを備えたハイブリッド車両を提供すること。
【解決手段】 本発明によるハイブリッド車両は、エンジンと、エンジンの出力軸に結合された無段変速機と、無段変速機の出力軸に結合されたクラッチと、クラッチの出力軸に結合された駆動輪と、駆動輪に機械的に結合された電動機と、電動機と電気的に結合されたバッテリと、を備え、電動機は、ランデル型同期電動機とした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、エンジンおよび電動モータを動力源として搭載し、電動モータのみにより走行する電気走行モード（EVモード）と、電動モータおよびエンジンにより走行するハイブリッド走行モード（HEVモード）とを選択可能なハイブリッド車両の制御装置に関する。

このようなハイブリッド車両として、例えば特許文献１に記載のようなものが知られている。このハイブリッド車両は、エンジンが無段変速機およびクラッチを順次介して駆動輪に切り離し可能に結合され、電動モータが駆動輪に常時結合されている。また、エンジンに駆動される機械式オイルポンプを備え、無段変速機やクラッチへ油を供給している。

このハイブリッド車両は、エンジンを停止すると共に上記のクラッチを解放することで電動モータのみによるEVモードでの電気走行（EV走行）が可能であり、エンジンを始動させると共に当該クラッチを締結することにより電動モータおよびエンジンによるHEVモードでのハイブリッド走行（HEV走行）が可能である。

なお、EV走行中にクラッチを解放することで、停止状態のエンジンや無段変速機が駆動輪から切り離されるため、EV走行中におけるエンジンや無段変速機のフリクションを低減することができ、その分のエネルギー損失を回避することでエネルギー効率を高めることができる。

特開２０００−１９９４４２号公報

ところで、電動モータのタイプとして同期モータと誘導モータとが知られている。そして、同期モータとしては、内部磁石埋め込み型（IPM型）、ランデル型、スイッチト・リラクタンス型（SR型）が知られている。従来技術では、電動モータのタイプとしていずれのタイプを選択すべきかについて特に言及されておらず、いずれのタイプを選択すべきかについて検討の余地を残していた。

本発明は上記課題に着目し、ハイブリッド車両に適したタイプの電動機を備えたハイブリッド車両を提供することを目的とする。

この目的のため、本発明によるハイブリッド車両では、同期電動機としてランデル型同期電動機を採用することとした。

すなわち、複数ある同期電動機のタイプとして、トルク密度と無負荷逆起電圧との両方の観点から、ランデル型同期電動機が最適であることを新たに発見した。これにより、ハイブリッド車両に適用する際に最適な電動機を選択できるようになった。

実施例１のハイブリッド車両の駆動系およびその全体制御システムを示す概略系統図である。 実施例１のハイブリッド車両において、 (a)は、当該ハイブリッド車両の駆動系およびその全体制御システムを示す概略系統図であり、 (b)は、当該ハイブリッド車両の駆動系におけるVベルト式無段変速機に内蔵された副変速機内におけるクラッチの締結論理図である。 電動機タイプ毎の評価結果である。

〔実施例１〕
図１は、実施例１のハイブリッド車両の駆動系およびその全体制御システムを示す概略系統図である。図１のハイブリッド車両は、エンジン1および電動モータ2を動力源として搭載され、エンジン1は、スタータモータ3により始動する。エンジン1は、Vベルト式の無段変速機4を介して駆動輪5に適宜切り離し可能に駆動結合する。

無段変速機4のバリエータCVTは、プライマリプーリ6と、セカンダリプーリ7と、これらプーリ6,7間に掛け渡したVベルト8（無端可撓部材）とからなるVベルト式無段変速機構である。尚、Vベルト8は複数のエレメントを無端ベルトによって束ねる構成を採用したが、チェーン方式等であってもよく特に限定しない。プライマリプーリ6はトルクコンバータT/Cを介してエンジン1のクランクシャフトに結合し、セカンダリプーリ7はクラッチCLおよびファイナルギヤ組9を順次介して駆動輪5に結合する。尚、本実施例にあっては、動力伝達経路を断接する要素（クラッチやブレーキ等）を総称してクラッチと記載する。図１は、動力伝達経路を概念的に示すものであり、後述する副変速機31内に設けられたハイクラッチH/C，リバースブレーキR/B及びローブレーキL/Bを、総称してクラッチCLと記載している。クラッチCLが締結状態のとき、エンジン1からの動力はトルクコンバータT/Cを経てプライマリプーリ6へ入力され、その後Vベルト8、セカンダリプーリ7、クラッチCLおよびファイナルギヤ組9を順次経て駆動輪5に達し、ハイブリッド車両の走行に供される。

エンジン動力伝達中、プライマリプーリ6のプーリＶ溝幅を小さくしつつ、セカンダリプーリ7のプーリＶ溝幅を大きくすることで、Vベルト8とプライマリプーリ6との巻き掛け円弧径を大きくすると同時にセカンダリプーリ7との巻き掛け円弧径を小さくする。これにより、バリエータCVTはHigh側プーリ比（High側変速比）へのアップシフトを行う。High側変速比へのアップシフトを限界まで行った場合、変速比は最高変速比に設定される。

逆にプライマリプーリ6のプーリＶ溝幅を大きくしつつ、セカンダリプーリ7のプーリＶ溝幅を小さくすることで、Vベルト8とプライマリプーリ6との巻き掛け円弧径を小さくすると同時にセカンダリプーリ7との巻き掛け円弧径を大きくする。これにより、バリエータCVTはLow側プーリ比（Low側変速比）へのダウンシフトを行う。Low側変速比へのダウンシフトを限界まで行った場合、変速は最低変速比に設定される。

バリエータCVTは、プライマリプーリ6の回転数を検出するプライマリ回転数センサ6aと、セカンダリプーリ7の回転数を検出するセカンダリ回転数センサ7aとを有し、これら両回転数センサにより検出された回転数に基づいて実変速比を算出し、この実変速比が目標変速比となるように各プーリの油圧制御等が行われる。

電動モータ2はファイナルギヤ組11を介して駆動輪5に常時結合され、この電動モータ2は、バッテリ12の電力によりインバータ13を介して駆動される。この電動モータ2はランデル型同期電動機が採用されており、詳細については後述する。
インバータ13は、バッテリ12の直流電力を交流電力に変換して電動モータ2へ供給すると共に、電動モータ2への供給電力を加減することにより、電動モータ2を駆動力制御および回転方向制御する。
なお電動モータ2は、上記のモータ駆動のほかに発電機としても機能し、回生制動の用にも供する。この回生制動時はインバータ13が、電動モータ2に回生制動力分の発電負荷をかけることにより、電動モータ2を発電機として作用させ、電動モータ2の発電電力をバッテリ12に蓄電する。

実施例１のハイブリッド車両は、クラッチCLを解放すると共にエンジン1を停止させた状態で電動モータ2を駆動することで、電動モータ2の動力のみがファイナルギヤ組11を経て駆動輪5に達し、電動モータ2のみによる電気走行モード（EVモード）で走行を行う。この間、クラッチCLを解放することで、停止状態のエンジン1及びバリエータCVTのフリクションを低減し、EV走行中の無駄な電力消費を抑制する。

上記のEVモードによる走行状態において、エンジン1をスタータモータ3により始動させると共にクラッチCLを締結させると、エンジン1からの動力がトルクコンバータT/C、プライマリプーリ6、Vベルト8、セカンダリプーリ7、クラッチCLおよびファイナルギヤ組9を順次経て駆動輪5に達するようになり、ハイブリッド車両はエンジン1および電動モータ2によるハイブリッド走行モード（HEVモード）で走行する。

ハイブリッド車両を上記の走行状態から停車させる、もしくは、この停車状態に保つに際しては、駆動輪5と共に回転するブレーキディスク14をキャリパ15により挟圧して制動することで目的を達する。キャリパ15は、運転者が踏み込むブレーキペダル16の踏力に応動する負圧式ブレーキブースタ17による倍力下で、ブレーキペダル踏力対応のブレーキ液圧を出力するマスタシリンダ18に接続されている。マスタシリンダ18により発生したブレーキ液圧によりキャリパ15を作動させてブレーキディスク14の制動を行う。ハイブリッド車両はEVモードおよびHEVモードのいずれにおいても、運転者がアクセルペダル19を踏み込んで指令する駆動力指令に応じたトルクで車輪5を駆動し、運転者の要求に応じた駆動力をもって走行する。

ハイブリッドコントローラ21は、ハイブリッド車両の走行モード選択と、エンジン1の出力制御と、電動モータ2の回転方向制御および出力制御と、バリエータCVTの変速制御と、副変速機31の変速制御及びクラッチCLの締結、解放制御と、バッテリ12の充放電制御とを実行する。このとき、ハイブリッドコントローラ21は、対応するエンジンコントローラ22、モータコントローラ23、変速機コントローラ24、およびバッテリコントローラ25を介してこれら制御を行う。

ハイブリッドコントローラ21には、ブレーキペダル16を踏み込む制動時にOFFからONに切り替わる常開スイッチであるブレーキスイッチ26からの信号と、アクセルペダル踏み込み量（アクセルペダル開度）APOを検出するアクセルペダル開度センサ27からの信号とが入力される。ハイブリッドコントローラ21は更に、エンジンコントローラ22、モータコントローラ23、変速機コントローラ24、およびバッテリコントローラ25との間で、内部情報のやり取りを行う。

エンジンコントローラ22は、ハイブリッドコントローラ21からの指令に応答して、エンジン1を出力制御し、モータコントローラ23は、ハイブリッドコントローラ21からの指令に応答してインバータ13を介し電動モータ2の回転方向制御および出力制御を行う。変速機コントローラ24は、ハイブリッドコントローラ21からの指令に応答し、エンジン駆動される機械式オイルポンプO/P（もしくはポンプ用モータに駆動される電動式オイルポンプEO/P）からのオイルを媒体として、バリエータCVT（Vベルト式無段変速機構CVT）の変速制御および副変速機31の変速制御及びクラッチCLの締結、解放制御を行う。バッテリコントローラ25は、ハイブリッドコントローラ21からの指令に応答し、バッテリ12の充放電制御を行う。

図2(a)は、実施例１のハイブリッド車両の駆動系およびその全体制御システムを示す概略系統図であり、図2(b)は、実施例１のハイブリッド車両の駆動系における無段変速機4に内蔵された副変速機31内におけるクラッチCL（具体的には、H/C, R/B, L/B）の締結論理図である。図2(a)に示すように、副変速機31は、複合サンギヤ31s-1および31s-2と、インナピニオン31pinと、アウタピニオン31poutと、リングギヤ31rと、ピニオン31pin, 31poutを回転自在に支持したキャリア31cとからなるラビニョオ型プラネタリギヤセットで構成する。

複合サンギヤ31s-1および31s-2のうち、サンギヤ31s-1は入力回転メンバとして作用するようセカンダリプーリ7に結合し、サンギヤ31s-2はセカンダリプーリ7に対し同軸に配置するが自由に回転し得るようにする。

サンギヤ31s-1にインナピニオン31pinを噛合させ、このインナピニオン31pinおよびサンギヤ31s-2をそれぞれアウタピニオン31poutに噛合させる。
アウタピニオン31poutはリングギヤ31rの内周に噛合させ、キャリア31cを出力回転メンバとして作用するようファイナルギヤ組9に結合する。
キャリア31cとリングギヤ31rとをクラッチCLであるハイクラッチH/Cにより適宜結合可能となし、リングギヤ31rをクラッチCLであるリバースブレーキR/Bにより適宜固定可能となし、サンギヤ31s-2をクラッチCLであるローブレーキL/Bにより適宜固定可能となす。

副変速機31は、ハイクラッチH/C、リバースブレーキR/BおよびローブレーキL/Bを、図2(b)に○印により示す組み合わせで締結させ、それ以外を図2(b)に×印で示すように解放させることにより前進第1速、第2速、後退の変速段を選択することができる。ハイクラッチH/C、リバースブレーキR/BおよびローブレーキL/Bを全て解放すると、副変速機31は動力伝達を行わない中立状態であり、この状態でローブレーキL/Bを締結すると、副変速機31は前進第1速選択（減速）状態となり、ハイクラッチH/Cを締結すると、副変速機31は前進第2速選択（直結）状態となり、リバースブレーキR/Bを締結すると、副変速機31は後退選択（逆転）状態となる。

図2(a)の無段変速機4は、全てのクラッチCL（H/C, R/B, L/B）を解放して副変速機31を中立状態にすることで、バリエータCVT（セカンダリプーリ7）と駆動輪5との間を切り離すことができる。

図2(a)の無段変速機4は、エンジン駆動される機械式オイルポンプO/Pもしくはポンプ用モータに駆動される電動式オイルポンプEO/Pからのオイルを作動媒体として制御されるもので、変速機コントローラ24がライン圧ソレノイド35、ロックアップソレノイド36、プライマリプーリ圧ソレノイド37-1、セカンダリプーリ圧ソレノイド37-2、ローブレーキ圧ソレノイド38、ハイクラッチ圧＆リバースブレーキ圧ソレノイド39およびスイッチバルブ41を介し、バリエータCVTの当該制御を以下のように制御する。尚、変速機コントローラ24には、図1につき前述した信号に加えて、車速VSPを検出する車速センサ32からの信号、および車両加減速度Gを検出する加速度センサ33からの信号を入力する。

ライン圧ソレノイド35は、変速機コントローラ24からの指令に応動し、機械式オイルポンプO/Pからのオイルを車両要求駆動力対応のライン圧PLに調圧する。また、機械式オイルポンプO/Pとライン圧ソレノイド35との間には電動式オイルポンプEO/Pが接続されており、変速機コントローラ24からの指令に応動してポンプ吐出圧を供給する。

ロックアップソレノイド36は、変速機コントローラ24からのロックアップ指令に応動し、ライン圧PLを適宜トルクコンバータT/Cに向かわせることで、トルクコンバータT/Cを所要に応じて入出力要素間が直結されたロックアップ状態にする。

プライマリプーリ圧ソレノイド37-1は、変速機コントローラ24からのCVT変速比指令に応動してライン圧PLをプライマリプーリ圧に調圧し、これをプライマリプーリ6へ供給することにより、プライマリプーリ6のV溝幅と、セカンダリプーリ7のV溝幅とを、CVT変速比が変速機コントローラ24からの指令に一致するよう制御して変速機コントローラ24からのCVT変速比指令を実現する。
セカンダリプーリ圧ソレノイド37-2は、変速機コントローラ24からのクランプ力指令に応じてライン圧PLをセカンダリプーリ圧に調圧し、これをセカンダリプーリ7に供給することにより、セカンダリプーリ7がVベルト8をスリップしないよう挟圧する。
ローブレーキ圧ソレノイド38は、変速機コントローラ24が副変速機31の第1速選択指令を発しているとき、ライン圧PLをローブレーキ圧としてローブレーキL/Bに供給することによりこれを締結させ、第1速選択指令を実現する。
ハイクラッチ圧＆リバースブレーキ圧ソレノイド39は、変速機コントローラ24が副変速機31の第2速選択指令または後退選択指令を発しているとき、ライン圧PLをハイクラッチ圧＆リバースブレーキ圧としてスイッチバルブ41に供給する。

実施例１の電動式オイルポンプEO/Pの最大吐出能力は、機械式オイルポンプO/Pに比べて小さく設定されており、バリエータCVTを変速させる程度の吐出能力は有しておらず、変速比を維持する程度の吐出能力、もしくは潤滑油を供給する程度の吐出能力を確保することで、電動式オイルポンプEO/Pのモータ及びポンプの小型化を図っている。

第2速選択指令時はスイッチバルブ41が、ソレノイド39からのライン圧PLをハイクラッチ圧としてハイクラッチH/Cに向かわせ、これを締結することで副変速機31の第2速選択指令を実現する。
後退選択指令時はスイッチバルブ41が、ソレノイド39からのライン圧PLをリバースブレーキ圧としてリバースブレーキR/Bに向かわせ、これを締結することで副変速機31の後退選択指令を実現する。

（電動モータの特性について）
次に、実施例１のハイブリッド車両における電動モータ2として採用される電動機の特性について、その効果とともに説明する。図３は電動機のタイプ毎の評価結果である。一般に、電動機タイプとしては、同期電動機と誘導電動機に分けることができ、同期電動機の中で更にIPM型、ランデル型及びSR型に分類できる。これら各タイプの無負荷時逆起電圧、トルク密度（サイズ）を評価し、両方を考慮した総合評価を○と×で示した。尚、「トルク密度（サイズ）」とは、要求されるトルク最大値を固定し、そのトルク最大値を出力可能なモータサイズを表す値であり、小さな値であるほど小型化が達成されている。言い換えると、トルク密度（サイズ）が小さな値であるほどトルク密度（トルク／電動機の質量：単位質量あたりに出力可能なトルク）が高い構成となる。以下、図３の評価を行った背景及び効果について説明する。

実施例１のハイブリッド車両の電動モータ2として採用される電動機にあっては、トルク密度が高いことが要求される。小型化を図ることで車両搭載性を向上できるからである。トルク密度が高い電動機としてIPM型同期電動機を選択した場合について考察する。
IPM型同期電動機を採用した場合、トルク密度（サイズ）は１であり、他のタイプの値（1.2や2.0）に比べて高いトルク密度を実現していると言える。とはいえ、車両レイアウト上、サイズには上限があり、小さいサイズでHEV走行時のアシストトルク（電動モータ2がエンジン1をアシストするトルク）やEV発進時の駆動軸トルクを確保するためには、駆動輪5に繋がる減速ギヤであるファイナルギヤ組11のギヤ比を大きくする必要がある（例えば、ギヤ比１０以上）。

ここで、駆動輪5に繋がるファイナルギヤ組11のギヤ比が大きいと、高速走行時に電動モータ2が高回転になってしまう（例えば、180km/hで18000rpm）。IPM型同期電動機を採用した場合、この電動機は永久磁石を有するため、回転数に比例した誘起電圧が発生する。上記のような高速走行時には、この誘起電圧が高くなり、電動モータ2が力行を行わず（無負荷状態）、駆動輪5に連れまわされる状態においては、発生した誘起電圧が制御回路（インバータ）の許容上限電圧を超える場面が想定され、回路に負荷がかかって耐久性が低下するという問題がある。この問題点を解消すべく、誘起電力を抑制するために、弱め界磁制御を行うことも考えられる。しかしながら、制御が複雑になる他、弱め界磁の度合いにも限界があるため万能なわけではない。また、弱め界磁制御のためにバッテリ12から電力が持ち出されることになり、電費（燃費）が悪くなるという問題が新たに生じる。

このような弱め界磁制御とは別の方法として、高速走行時に電動モータ2が回転しないよう、電動モータ2と駆動輪5との間に電動機用クラッチを設け、高速走行時に電動機用クラッチを解放して電動モータ2を駆動輪5から切り離すことが考えられる。しかしながら、電動機用クラッチを設けた分、制御が複雑化し、コストが増加するという別の問題が生じる。

以上の考察を踏まえると、実施例１のハイブリッド車両における電動モータ2の電動機としては、電動機のトルク密度が高いことに加え、永久磁石を有しない電動機（誘起電力を生じない電動機）を採用することが望ましいことが新たに理解された。
永久磁石を有さない電動機としては、ランデル型電動機や、スイッチト・リラクタンス型電動機（SR型電動機）、又は誘導電動機が挙げられる。ランデル型電動機、SR型電動機、誘導電動機は、いずれもが永久磁石を有していないため、無負荷時逆起電圧は発生せず、上記弱め界磁制御をおこなったり電動機用クラッチを設けたりする必要がない。
そこで、これらランデル型電動機、SR型電動機、誘導電動機のうち、いずれを選択した場合に最もトルク密度が高くなるか（サイズの小型化を図れるか）を、車両適用時の要求性能に基づき設計検討を行ったところ、図３に示すように、ランデル型が最もトルク密度が高いことが分かった。

すなわち、実施例１のハイブリッド車両に電動機を適用するに際し、複数ある電動機のタイプのうち、トルク密度と無負荷逆起電圧との両方の観点から、ランデル型同期電動機が最適であることが新たに理解された。これにより、車両適用の際に最適な電動機を選択できるようになった。

1 エンジン
2 電動モータ
3 スタータモータ
4 Vベルト式無段変速機
5 駆動輪
6 プライマリプーリ
7 セカンダリプーリ
8 Vベルト
9,11 ファイナルギヤ組
12 バッテリ
13 インバータ
21 ハイブリッドコントローラ
22 エンジンコントローラ
23 モータコントローラ
24 変速機コントローラ
31 副変速機
CVT バリエータ（無段変速機構）
T/C トルクコンバータ

Claims (1)

1. エンジンと、
   前記エンジンの出力軸に結合された無段変速機と、
   前記無段変速機の出力軸に結合されたクラッチと、
   前記クラッチの出力軸に結合された駆動輪と、
   前記駆動輪に機械的に結合された電動機と、
   前記電動機と電気的に結合されたバッテリと、
   を備え、
   前記電動機は、ランデル型同期電動機であることを特徴とするハイブリッド車両。

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