JP2015077861A - ハイブリッドシステム、ハイブリッド車両及びハイブリッド車両の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関と電動発電機と有段変速機構を備えて、電動発電機によるエンジン回転数制御、エンジン回転変動抑制制御、エンジンの始動及び停止制御を行うことができると共に、有段変速機の変速動作中でも、電動発電機によるアシストと回生を行うことができるハイブリッドシステム等を提供する。
【解決手段】内燃機関１０と有段変速機２０の間に、内燃機関１０側より順に、電動発電機１１、直結ギア段用クラッチ２１ａと変速ギア段用クラッチ２１ｂを備えたデュアルクラッチ２１を配設し、直結ギア段用クラッチ２１ａの一方を内燃機関１０と電動発電機１１との出力軸に接続し、他方を有段変速機２０のメインシャフト２０ａの入力軸に接続すると共に、変速ギア段用クラッチ２１ｂの一方を内燃機関１０と電動発電機１１との出力軸に接続し、他方を有段変速機２０のカウンターシャフト２０ｂの入力軸に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関と電動発電機と有段変速機構を備えたハイブリッドシステム、ハイブリッド車両及びハイブリッド車両の制御方法に関する。

内燃機関と電動発電機と有段変速機構を備えたハイブリッドシステムを搭載して、内燃機関と電動発電機の動力を有段変速機構を介して車輪に伝達するハイブリッド車両では、車両減速時のエネルギーを回生して、車両加速時に使用することが、燃費向上に大きく貢献している。

このハイブリッド車両に関係しては、例えば、モータを変速機構よりエンジン側に搭載すると共に、変速機構にデュアルクラッチ式変速機を使用して、運転者の負側の要求トルク（抵抗トルク）に基づいて、エンジンブレーキ及び回生トルクを制御し、これにより駆動輪側に減速抵抗を付与すると共に、電動機が発電機として機能するようにしたハイブリッド電気自動車の変速制御の変速制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図２に示すように、１碁の電動発電機１１Ｘを有段変速機構２０Ｘよりも内燃機関側１０Ｘに搭載したハイブリッドシステム１Ｘでは、このハイブリッドシステム１Ｘを搭載した車両の走行中に車両速度が変化した場合には、最適な変速比を選択する必要が生じる。

この変速動作を有段変速機構１１Ｘがしている間は、電動発電機１１Ｘと内燃機関１０Ｘは接続したままなので、変速動作中であっても、電動発電機１１Ｘによる、エンジン回転数制御、エンジン回転変動抑制制御、エンジンの始動及び停止制御を行うことができる。しかしながら、変速動作中は、電動発電機１１Ｘが車輪側と切り離された状態になるため、電動発電機１１Ｘによるアシストや回生を行うことができないという問題がある。

この図２のハイブリッドシステムでは、車両減速時の有段変速機構１１Ｘでシフトダウンしている間やドライバー(運転者)がクラッチを切ってしまった場合には減速時のエネルギーを回生に使用することができず、燃費向上の効果が薄れてしまう。

一方、電動発電機を有段変速機構よりも車輪側に搭載した場合は、いかなる状態でも電動発電機によるアシストや回生を行うことができる反面、変速動作中における、電動発電機による、エンジン回転数制御、エンジン回転変動抑制制御、エンジンの始動及び停止制御を行うことができず、また、内燃機関の始動及び停止制御においても制約が多くなるという問題がある。

これらの相反する特徴を補うために、従来技術の乗用車用のハイブリッドシステムでは、無段変速機を使用するハイブリッドシステムや、２つの電動発電機を使用するハイブリッドシステムが多く採用されている。しかし、トルクが大きいトラック等のディーゼル商用車では無段変速機の採用は困難であり、また、２つの電動発電機を使用すると、重量の増加により積荷の積載量に影響してしまうという問題がある。

特開２０１１−７３５７４号公報

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関と電動発電機と有段変速機構を備え、電動発電機を有段変速機よりも内燃機関側に配置して、電動発電機によるエンジン回転数制御、エンジン回転変動抑制制御、エンジンの始動及び停止制御を行うことができると共に、有段変速機の変速動作中でも、電動発電機によるアシストと回生を行うことができるハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッド車両の制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明のハイブリッドシステムは、内燃機関と電動発電機と有段変速機構を備えたハイブリッドシステムにおいて、前記内燃機関と前記有段変速機の間に、前記内燃機関側より順に、前記電動発電機、デュアルクラッチを配設し、該デュアルクラッチは直結ギア段用クラッチと変速ギア段用クラッチを備え、前記直結ギア段用クラッチの一方を前記内燃機関と前記電動発電機との出力軸に接続し、前記直結ギア段用クラッチの他方を前記有段変速機のメインシャフトの入力軸に接続すると共に、前記変速ギア段用クラッチの一方を前記内燃機関と前記電動発電機との出力軸に接続し、前記変速ギア段用クラッチの他方を前記有段変速機のカウンターシャフトの入力軸に接続して構成される。

この構成によれば、ハイブリッドシステムの運転状態に応じて、直結ギア段用クラッチの断接と変速ギア段用クラッチの断接を適宜使い分けることで、最適なギア段を選択して走行することができるため、燃費を向上させることができる。

また、デュアルクラッチを採用し、従来技術の有段変速機構における直結ギア段をデュアルクラッチの片側に置き換えているため、クラッチを含む有段変速機構の全長が長くなることを抑えることができる。

また、上記のハイブリッドシステムにおいて、前記有段変速機の直結ギア段用クラッチを摩擦クラッチで構成すると、このクラッチの両側の回転数を完全に一致させることなく、極めて短い時間で直結ギア段を選択することができる。これにより、ハイブリッドシステムを搭載したハイブリッド車両が、直結ギア段以下のギアでクルージング走行している状態でも、瞬時に直結ギアを選択し、内燃機関の回転数を下げることができるため、燃費を向上できる。また、直結ギア段の選択中においては、ドライバー（運転者）の加速要求に備えて常に最適なギア段を選択しておくことが可能である。さらに、ハイブリッド車両の高速走行中には直結ギア段以上のギアを選択しておき、運転者の加減速操作に合わせて直結ギア段と使い分けることで、ハイブリッド車両の燃費を向上させることができる。

また、上記のハイブリッドシステムにおいて、前記有段変速機のメインシャフトの入力軸又はカウンターシャフトの入力軸にトルクリミッタを設けて構成すると、デュアルクラッチが失陥し両方のクラッチが締結してしまった場合でも、トルクリミッタにより一定トルク以上のトルクの伝達を回避できるので、メインシャフト、カウンターシャフトの破損を防止することができる。

また、上記のハイブリッドシステムにおいて、前記デュアルクラッチの制御失陥時に直結ギア段用クラッチと変速ギア段用クラッチの両方を断絶状態にするように構成すると、デュアルクラッチの制御やデュアルクラッチを作動させるアクチュエータが失陥した場合でも、直結ギア段用クラッチと変速ギア段用クラッチが接続状態となることを防ぐことができる。

また、上記のハイブリッドシステムにおいて、前記デュアルクラッチ、又は、前記有段変速機のメインシャフトの入力軸、又は、前記有段変速機のメインシャフトの出力軸に、回転数センサを設けて構成すると、ハイブリッドシステムの運転状態をより正確に把握することができ、デュアルクラッチの断接を最適に制御することができるため、燃費を向上させることができる。

上記の目的を達成するための本発明の車両は、上記のハイブリッドシステムを搭載して構成される。

上記のハイブリッド車両において、当該ハイブリッド車両の走行状態を検出する走行状態検出装置を備えると共に、前記直結ギア段用クラッチと前記変速ギア段用クラッチの断接を制御する制御装置を備え、該制御装置は、前記走行状態検出装置が前記ハイブリッド車両の加速又は減速を検出したときに、前記直結ギア段用クラッチを断絶状態にすると共に前記変速ギア段用クラッチを接続状態にする制御を行い、前記走行状態検出装置が前記ハイブリッド車両の一定走行、始動、あるいは停止を検出したときに、前記直結ギア段用クラッチと前記変速ギア段用クラッチの両方を断絶状態にする制御を行うように構成される。

この構成によれば、ハイブリッド車両の加速時又は減速時には、変速ギア段用クラッチのみを接続し、電動発電機によるアシストや回生を維持した状態で、ハイブリッド車両の走行状態に応じた最適なギア段を選択することができるため、燃費を向上させることができる。なお、ハイブリッド車両の加速時又は減速時においては、ハイブリッド車両の走行状態に応じて予め選択しておいた最適なギア段に切換えた後に、直結ギア段用クラッチを断絶状態にして、変速ギア段用クラッチを接続状態にすると、電動発電機によるアシストや回生がより滑らかになる。

また、ハイブリッド車両の一定走行時又は始動時又は停止時には、直結ギア段用クラッチと変速ギア段用クラッチの両方を断絶状態にして、内燃機関と電動発電機の側と車輪側の接続を解除することで、電動発電機によるエンジン回転数制御、エンジン回転変動抑制制御、エンジンの始動及び停止制御を行うことができる。

上記の目的を達成するための本発明のハイブリッド車両の制御方法は、上記のハイブリッド車両の制御方法において、前記ハイブリッド車両が加速又は減速するときは、前記直結ギア段用クラッチを断絶状態にすると共に、前記変速ギア段用クラッチを接続状態にし、前記ハイブリッド車両が一定走行又は始動又は停止するときは、前記直結ギア段用クラッチ及び前記変速ギア段用クラッチの両方を断絶状態にすることを特徴とする方法である。この方法によれば、上記のハイブリッド車両と同様な効果を奏することができる。

本発明のハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッド車両の制御方法によれば、ハイブリッドシステムの運転状態やハイブリッド車両の走行状態に応じて、直結ギア段用クラッチの断接と変速ギア段用クラッチの断接を適宜使い分けることで、最適なギア段を選択して走行することができるため、燃費を向上させることができる。

また、デュアルクラッチを採用し、従来技術の有段変速機構における直結ギア段をデュアルクラッチの片側に置き換えているため、デュアルクラッチを含む有段変速機構の全長が長くなることを抑えることができる。

従って、内燃機関と電動発電機と有段変速機構を備え、電動発電機を有段変速機よりも内燃機関側に配置して、電動発電機によるエンジン回転数制御、エンジン回転変動抑制制御、エンジンの始動及び停止制御を行うことができると共に、有段変速機の変速動作中でも、電動発電機によるアシストと回生を行うことができる。

本発明に係る実施の形態のハイブリッドシステムの構成を示す図である。 従来技術に係るハイブリッドシステムの構成を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態のハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッド車両の制御方法について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明に係る実施の形態のハイブリッドシステム１は、本発明に係る実施の形態のハイブリッド車両に搭載されるシステムであり、エンジン(内燃機関)１０と電動発電機１１と有段変速機２０を備えている。そして、エンジン１０と有段変速機２０の間に、エンジン１０側より順に、電動発電機１１、デュアルクラッチ２１を配設している。

この電動発電機１１は、順に、フライホイール１２、クラッチ１３、流体継手１４、デュアルクラッチ２１、有段変速機２０を介して車輪（図示しない）側と接続されている。そして、このクラッチ１３の断接を切り替えることで、エンジン１０の動力と電動発電機２０の動力をデュアルクラッチ２１と有段変速機２０を経由して車輪側へ伝達したり、切り離したりすることができる。なお、本発明においては、エンジン１０と電動発電機１１の間のクラッチ１３と流体継手１４は必ずしも必要ではない。また、有段変速機２０として図１では、代表的な手動変速機の模式図を使用しているが、本発明は、これに限定されない。

また、デュアルクラッチ２１は、直結ギア段用クラッチ２１ａと変速ギア段用クラッチ２１ｂを備えている。そして、直結ギア段用クラッチ２１ａの一方をエンジン１０及び電動発電機１１の出力軸に接続し、直結ギア段用クラッチ２１ａの他方を有段変速機２０のメインシャフト２０ａの入力軸に接続し、このメインシャフト２０ａの出力軸を車輪側に接続して構成される。それと共に、変速ギア段用クラッチ２１ｂの一方をエンジン１０及び電動発電機１１の出力軸に接続し、変速ギア段用クラッチ２１ｂの他方を有段変速機２０のカウンターシャフト２０ｂの入力軸に接続し、このカウンターシャフト２０ｂの出力軸を車輪側に接続して構成される。

すなわち、第１の駆動系統では、エンジン１０の動力と電動発電機１１の動力を、直結ギア段用クラッチ２１ａを介して、有段変速機２０のメインシャフト２０ａの入力軸に入力後、有段変速機２０のメインシャフト２０ａの出力軸に出力して、車輪側に伝達すると共に、第２の駆動系では、エンジン１０の動力と電動発電機１１の動力を、変速ギア段用クラッチ２１ｂを介して、有段変速機２０のカウンターシャフト２０ｂの入力軸に入力後、有段変速機２０の直結ギア段２０ｃを介して、有段変速機２０のメインシャフト２０ａの出力軸に出力して、車輪側に伝達する。これにより、エンジン１０の動力、又は、電動発電機１１の動力(又は回生力)、又は、両方の動力を、このハイブリッドシステム１を搭載したハイブリッド車両の車輪側に伝達することができ、ハイブリッド車両を走行させることができる。

そして、このハイブリッドシステム１では、有段変速機２０の変速動作中に直結ギア段用クラッチ２１ａの第１の駆動系統を切り、変速を行うが、このとき、変速ギア段用クラッチ２１ｂの第２の駆動系統を接続することで継続して、電動発電機１１によるアシスト又は回生が可能な状態となる。

また、デュアルクラッチを採用し、従来技術の有段変速機構における直結ギア段をデュアルクラッチの片側に置き換えているため、クラッチを含む有段変速機構の全長が長くなることを抑えることができる。

この構成によれば、ハイブリッドシステム１の運転状態やハイブリッド車両の走行状態に応じて、直結ギア段用クラッチ２１ａの断接と変速ギア段用クラッチ２１ｂの断接を適宜使い分けることで、その状態に応じた最適なギア段を選択して走行することができ、燃費を向上させることができる。

また、図２に示すような従来技術のハイブリッドシステム１Ｘの有段変速機２０Ｘにおける直結ギア段２０Ｘｃに相当する、図１に示す直結ギア段２０ｃを、デュアルクラッチ２１の片側に置き換えているため、デュアルククラッチ２１と有段変速機２０を含む変速機構の全長が長くなることを抑えることができる。

この有段変速機２０の直接ギア段用クラッチ２１ａを摩擦クラッチで構成する。これにより、デュアルクラッチ２１の両側の回転数を完全に一致させることなく、極めて短い時間で直結ギア段２０ｃを選択することができる。これにより、ハイブリッドシステム１を搭載したハイブリッド車両が、直結ギア段２０ｃ以下のギアでクルージング走行している状態でも、瞬時に直結ギアを選択し、エンジン回転数を下げることができるため、燃費を向上できる。また、直結ギア段２０ｃの直結ギアの選択中においては、ドライバー（運転者）の加速要求に備えて常に最適なギア段を選択しておくことが可能である。さらに、ハイブリッド車両の高速走行中には直結ギア段２０ｃ以上のギアを選択しておき、運転者の加減速操作に合わせて直結ギア段２０ｃと使い分けることで、ハイブリッド車両の燃費を向上させることができる。

また、有段変速機２０のメインシャフト２０ａの入力軸にトルクリミッタ２３ａを、又は、カウンターシャフト２０ｂの入力軸にトルクリミッタ２３ｂを設けて構成すると、デュアルクラッチ２１が失陥し両方のクラッチ２１ａ、２１ｂが締結してしまった場合でも、トルクリミッタ２３ａ、２３ｂにより一定トルク以上のトルクが伝達されるのを回避できるので、メインシャフト２０ａ、カウンターシャフト２０ｂの破損を防止することができる。

また、デュアルクラッチ２１の制御失陥時に直結ギア段用クラッチ２１ａと変速ギア段用クラッチ２１ｂの両方を断絶状態とするように構成すると、デュアルクラッチ２１の制御やデュアルクラッチ２１を作動させるアクチュエータ（図示しない）が失陥した場合でも、直結ギア段用クラッチ２１ａと変速ギア段用クラッチ２１ｂが接続状態となることを防ぐことができる。

また、デュアルクラッチ２１に回転数センサ３０ａを設けたり、又は、有段変速機２０のメインシャフト２０ａの入力軸に回転数センサ３０ｂを設けたり、又は、有段変速機２０のメインシャフト２０ａの出力軸に回転数センサ３０ｃを設けたりして構成する。これにより、ハイブリッドシステム１の運転状態をより正確に把握することができ、デュアルクラッチ２１の断接を最適に制御することができるようになるため、燃費をより向上させることができる。

そして、図１に示すように、直結ギア段用クラッチ２１ａと変速ギア段用クラッチ２１ｂの断接を制御する制御装置４１が設けられる。この制御装置４１は、通常は、エンジン１０の全般の制御やエンジン１０を搭載したハイブリッド車両１の全般の制御を行う全体システム制御装置４０に組み込まれて構成される。

そして、上記の構成のハイブリッドシステム１を搭載して構成されるハイブリッド車両において、このハイブリッド車両の走行状態を検出する走行状態検出装置を備えて構成する。回転数センサ３０ａ、３０ｂ、３０ｃをこの走行状態検出装置として使用することができる。

また、制御装置４１は、走行状態検出装置３０ａ、３０ｂ、３０ｃがハイブリッド車両の加速又は減速を検出したときに、直結ギア段用クラッチ２１ａを断絶状態にすると共に変速ギア段用クラッチ２１ｂを接続状態にする制御を行い、走行状態検出装置３０ａ、３０ｂ、３０ｃがハイブリッド車両の一定走行又は始動又は停止を検出したときに、直結ギア段用クラッチ２１ａと変速ギア段用クラッチ２１ｂの両方を断絶状態にする制御を行うように構成される。

これにより、ハイブリッド車両の加速時又は減速時には、変速ギア段用クラッチ２１ｂのみを接続し、第２の駆動系統のみで電動発電機１１によるアシストや回生を維持した状態で、ハイブリッド車両の走行状態に応じた最適なギア段を選択することができ、燃費を向上させることができる。なお、ハイブリッド車両の加速時又は減速時においては、ハイブリッド車両の走行状態に応じて予め選択しておいた最適なギア段に切換えた後に、直結ギア段用クラッチ２１ａの第１の駆動系統を断絶状態にして、変速ギア段用クラッチ２１ｂの第２の駆動系統を接続状態にすると、電動発電機１１によるアシストや回生がより滑らかになる。

また、ハイブリッド車両の一定走行時又は始動時又は停止時には、直結ギア段用クラッチ２１ａと変速ギア段用クラッチ２１ｂの両方を断絶状態にして、エンジン１０と電動発電機１１の側と車輪側の接続を全て解除することで、電動発電機１１によるエンジン回転数制御、エンジン回転変動抑制制御、エンジンの始動及び停止制御を効率よく行うことができる。

そして、本発明に係る実施の形態のハイブリッド車両の制御方法は、ハイブレッドシステム１を搭載したハイブリッド車両における制御方法であって、次のように構成される。

つまり、ハイブリッド車両が加速又は減速するときは、直結ギア段用クラッチ２１ａを断絶状態にすると共に、変速ギア段用クラッチ２１ｂを接続状態にし、ハイブリッド車両が一定走行又は始動又は停止するときは、直結ギア段用クラッチ２１ａ及び変速ギア段用クラッチ２１ｂの両方を断絶状態にする。このハイブリッド車両の制御方法によれば、上記のハイブリッド車両と同様な効果を奏することができる。

上記の構成のハイブリッドシステム１、ハイブリッド車両、及びハイブリッド車両の制御方法によれば、ハイブリッドシステム１の運転状態やハイブリッド車両の走行状態に応じて、直結ギア段用クラッチ２１ａの断接と変速ギア段用クラッチ２１ｂの断接を適宜使い分けることで、最適なギア段を選択して走行することができるため、燃費を向上させることができる。

また、デュアルクラッチ２１を採用し、従来技術の有段変速機構２０Ｘにおける直結ギア段をデュアルクラッチ２１の片側に置き換えているため、デュアルクラッチ２１と有段変速２０を含む有段変速機構の全長が長くなることを抑えることができる。

従って、エンジン１０と電動発電機１１と有段変速機２０を備え、電動発電機１１を有段変速機２０よりもエンジン１０側に配置して、電動発電機１１によるエンジン回転数制御、エンジン回転変動抑制制御、エンジンの始動及び停止制御を行うことができると共に、有段変速機２０の変速動作中でも、電動発電機１１によるアシストと回生を行うことができる。

１、１Ｘ ハイブリッドシステム
１０、１０Ｘ エンジン（内燃機関）
１１、１１Ｘ 電動発電機
１２ フライホイール
１３ クラッチ
１４ 流体継手
２０、２０Ｘ 有段変速機
２０ａ、２０Ｘａ メインシャフト
２０ｂ、２０Ｘｂ カウンターシャフト
２０ｃ、２０Ｘｃ 変速機構
２１ デュアルクラッチ
２１ａ 直結ギア段用クラッチ
２１ｂ 変速ギア段用クラッチ
２１Ｘ クラッチ
２２ 車輪
２３ａ、２３ｂ トルクリミッタ
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ 回転数センサ（走行状態検出装置）
４０ 全体システム制御装置
４１ 制御装置

Claims (8)

1. 内燃機関と電動発電機と有段変速機構を備えたハイブリッドシステムにおいて、
   前記内燃機関と前記有段変速機の間に、前記内燃機関側より順に、前記電動発電機、デュアルクラッチを配設し、
   該デュアルクラッチは直結ギア段用クラッチと変速ギア段用クラッチを備え、
   前記直結ギア段用クラッチの一方を前記内燃機関と前記電動発電機との出力軸に接続し、前記直結ギア段用クラッチの他方を前記有段変速機のメインシャフトの入力軸に接続すると共に、
   前記変速ギア段用クラッチの一方を前記内燃機関と前記電動発電機との出力軸に接続し、前記変速ギア段用クラッチの他方を前記有段変速機のカウンターシャフトの入力軸に接続したことを特徴とするハイブリッドシステム。
2. 前記有段変速機の直結ギア段用クラッチを摩擦クラッチで構成したことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドシステム。
3. 前記有段変速機のメインシャフトの入力軸又はカウンターシャフトの入力軸にトルクリミッタを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッドシステム。
4. 前記デュアルクラッチの制御失陥時に直結ギア段用クラッチと変速ギア段用クラッチの両方を断絶状態にするように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッドシステム。
5. 前記デュアルクラッチ、又は、前記有段変速機のメインシャフトの入力軸、又は、前記有段変速機のメインシャフトの出力軸に、回転数センサを設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のハイブリッドシステム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のハイブリッドシステムを搭載したことを特徴とするハイブリッド車両。
7. 当該ハイブリッド車両の走行状態を検出する走行状態検出装置を備えると共に、
   前記直結ギア段用クラッチと前記変速ギア段用クラッチの断接を制御する制御装置を備え、
   該制御装置は、
   前記走行状態検出装置が前記ハイブリッド車両の加速又は減速を検出したときに、前記直結ギア段用クラッチを断絶状態にすると共に前記変速ギア段用クラッチを接続状態にする制御を行い、
   前記走行状態検出装置が前記ハイブリッド車両の一定走行又は始動又は停止を検出したときに、前記直結ギア段用クラッチと前記変速ギア段用クラッチの両方を断絶状態にする制御を行うように構成されることを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド車両。
8. 請求項６に記載のハイブリッド車両の制御方法において、
   前記ハイブリッド車両が加速又は減速するときは、前記直結ギア段用クラッチを断絶状態にすると共に、前記変速ギア段用クラッチを接続状態にし、
   前記ハイブリッド車両が一定走行又は始動又は停止するときは、前記直結ギア段用クラッチ及び前記変速ギア段用クラッチの両方を断絶状態にすることを特徴とするハイブリッド車両の制御方法。

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