JP2018034798A - エンジン駆動車両に用いられる電動駆動装置、および、この電動駆動装置の制御ユニット - Google Patents

エンジン駆動車両に用いられる電動駆動装置、および、この電動駆動装置の制御ユニット Download PDF

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湯河　潤一
Junichi Yukawa
潤一 湯河
新居　良英
Yoshihide Arai
良英 新居
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    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
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    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/42—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by the architecture of the hybrid electric vehicle
    • B60K6/48—Parallel type
    • B60K2006/4833—Step up or reduction gearing driving generator, e.g. to operate generator in most efficient speed range
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    • B60K23/08—Arrangement or mounting of control devices for vehicle transmissions, or parts thereof, not otherwise provided for for changing number of driven wheels, for switching from driving one axle to driving two or more axles
    • B60K23/0808—Arrangement or mounting of control devices for vehicle transmissions, or parts thereof, not otherwise provided for for changing number of driven wheels, for switching from driving one axle to driving two or more axles for varying torque distribution between driven axles, e.g. by transfer clutch
    • B60K2023/0816—Arrangement or mounting of control devices for vehicle transmissions, or parts thereof, not otherwise provided for for changing number of driven wheels, for switching from driving one axle to driving two or more axles for varying torque distribution between driven axles, e.g. by transfer clutch for varying front-rear torque distribution with a central differential
    • B60K2023/0833—Arrangement or mounting of control devices for vehicle transmissions, or parts thereof, not otherwise provided for for changing number of driven wheels, for switching from driving one axle to driving two or more axles for varying torque distribution between driven axles, e.g. by transfer clutch for varying front-rear torque distribution with a central differential for adding torque to the rear wheels
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    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
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Abstract

【課題】小型モータと小容量電池を用いた電動駆動装置によって、エンジン駆動車両の燃費をより効果的に向上させる。【解決手段】電動駆動装置１０は、車両１を駆動するためのモータ１１と、モータ１１を回転させる電気エネルギーを蓄える電池１２と、電池１２の出力電力を交流化してモータ１１に与えるとともに、モータ１１の回生電力を直流化して電池１２にもどすインバータ１３と、インバータ１３の動作を制御する制御ユニット１５とを備える。制御ユニット１５は、モータ１１を動作させる車速の範囲において、同一車速におけるモータ１１の最大駆動力を、常に力行時において回生時と比べて制限するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、モータと電池とを用いた電動駆動装置に関するものであり、特に、エンジン駆動車両に用いられる電動駆動装置に関する。
近年、エンジンとモータを搭載したいわゆるハイブリッド車が普及している。モータには、エンジンと対比すると、トルク応答が早い、トルクを制御しやすい、エネルギー変換効率が高い、音と振動が小さい、といった長所がある。一方、エンジンには、石油燃料のエネルギー密度が高く航続距離が長い、といった長所がある。ハイブリッド車では、エンジンとモータを混成の動力源と捉えて、それぞれの長所を上手く組み合わせて利用するために、様々な技術開発が進んでいる。
ハイブリッド車には、モータとエンジンの連結方式によって、シリーズハイブリッド、パラレルハイブリッド、シリーズ・パラレルハイブリッド、といった種類がある。シリーズハイブリッドは、エンジンと車輪を機械的に切り離し、駆動用モータで走行する方式である。動力が、エンジン→発電用モータ→二次電池→駆動用モータ→車輪というように、直列に伝送される。パラレルハイブリッドは、駆動用モータとエンジンをそれぞれ機械的に車輪と接続して駆動する方式である。動力が、エンジン→変速機→車輪という流れと、二次電池→駆動用モータ→車輪という流れとの並列で伝達される。シリーズ・パラレルハイブリッドは、シリーズハイブリッドとパラレルハイブリッドを複合した方式である。クラッチ断続によって動力を切り替える方式や、遊星歯車で動力分割の割合を変えるパワースプリット方式がある。
特許文献１には、エンジンが前輪または後輪のいずれか一方を駆動し、モータが他方を駆動するパラレルハイブリッド車両において、モータの駆動力を車輪に伝達するモータ減速ギアが、スリーブとクラッチギアとを結合または解放状態とする切換機構を備えている構成が開示されている。
特開２０１１−２５５７６３号公報
車輪に対してエンジンからの動力とモータからの動力を並列に伝達するパラレルハイブリッドの場合、モータ駆動用の電力確保のために、二次電池として大容量の電池が必要であった。このため、コストアップにつながり、また充放電のロスの問題も生じていた。また電池を充電するために、駆動用モータを発電モードで頻繁に動作させる必要があるため、必ずしも十分な燃費改善効果が得られなかった。
また最近では、エンジン駆動車両の非駆動軸に、モータを搭載したアシスト用電動駆動装置を追加する構成も実現されている。この電動駆動装置は、発進加速時や低速時など、エンジンでは熱効率の低い領域を使わざるを得ない局面において、適切なアシストを加える。すなわち、常にエンジン駆動輪で走行する車両をモータ駆動輪でひと押しする程度のアシストを目的としているため、モータ出力はさほど大きくなくてもよい。ところがこのような構成において、ただ単に発進加速時や低速時にモータ駆動を利用するだけでは、燃費改善効果が必ずしも十分には得られないことが、本願発明者らの検討によって分かってきた。
本発明は、小型モータと小容量電池を用いた電動駆動装置によって、エンジン駆動車両の燃費をより効果的に向上させることを目的とする。
本発明の一態様では、エンジン駆動の車両に用いられる電動駆動装置は、当該車両を駆動するためのモータと、前記モータを回転させる電気エネルギーを蓄える電池と、前記電池の出力電力を交流化して前記モータに与えるとともに、前記モータの回生電力を直流化して前記電池にもどすインバータと、前記インバータの動作を制御する制御ユニットとを備え、前記制御ユニットは、前記モータを動作させる車速の範囲において、同一車速における前記モータの最大駆動力を、常に力行時において回生時と比べて制限するように構成されている。また、本発明の別の態様では、エンジン駆動の車両に用いられ、当該車両を駆動するためのモータと、前記モータを回転させる電気エネルギーを蓄える電池と、前記電池の出力電力を交流化して前記モータに与えるとともに、前記モータの回生電力を直流化して前記電池にもどすインバータと、を備える電動駆動装置において、制御ユニットは、前記インバータの動作を制御するものであり、前記モータを動作させる車速の範囲において、同一車速における前記モータの最大駆動力を、常に力行時において回生時と比べて制限するように構成されている。
また、前記制御ユニットは、力行時および回生時のうち少なくともいずれか一方において、前記モータの最大駆動力を、動的に調整可能に構成されていてもよい。
さらに、前記制御ユニットは、前記電池のＳＯＣ(State Of Charge)の情報に応じて、力行時および回生時のうち少なくともいずれか一方において、前記モータの最大駆動力を、動的に調整してもよい。
また、前記一態様の電動駆動装置において、前記モータの回転を、エンジン駆動とは独立した所定の変換比でもって当該車両の駆動軸に伝達する変換機構を備え、前記モータの回転数が最大であるとき、当該車両の速度が所定速度になるように、前記所定の変換比が設定されており、モータは定格出力が１５ｋＷ以下であり、電池は定格容量が５００Ｗｈ以下であり、前記所定速度は、６０ｋｍ／ｈより高く、１００ｋｍ／ｈより低い、としてもよい。
そして、前記所定速度は、８０ｋｍ／ｈであってもよい。
あるいは、前記所定速度は、エンジン駆動による最高速度の１／２以下であってもよい。
本発明によると、エンジン駆動の車両に、小型モータと小容量電池とを備えた電動駆動装置を用いることによって、車両の燃費をより効果的に向上させることができる。
実施形態に係る電動駆動装置の概略構成図 実施形態に係る電動駆動装置におけるモータ特性の例を示すグラフ 力行・回生条件を変えたときの燃費効果の変化を示すグラフ 力行条件を変えたときの電池のＳＯＣの変化を示すグラフ 実施形態に係る電動駆動装置におけるモータ特性のイメージ図 実施形態に係る電動駆動装置におけるタイヤから電池までの機械電気エネルギーの流れを示す模式図 実施形態に係る電動駆動装置におけるモータ特性の他の例を示すイメージ図 力行時における制御フローの例 回生時における制御フローの例 電池のＳＯＣに応じた力行・回生上限速度の制御の例 実施形態に係る電動駆動装置を適用した他の構成例 実施形態に係る電動駆動装置を適用した他の構成例
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は実施形態に係る電動駆動装置の概略構成を示す図である。本実施形態に係る電動駆動装置は、エンジン駆動車両に用いられる。図１では、車両１はＦＦ車であるものとし、その後輪側に本実施形態に係る電動駆動装置１０が設けられている。前輪側はエンジン４によって駆動される。電動駆動装置１０は、後輪の車軸２を駆動するためのモータ１１と、モータ１１を回転させる電気エネルギーを蓄える電池１２と、電池１２の出力電力を交流化してモータ１１に与えるとともに、モータ１１の回生電力を直流化して電池１２にもどすインバータ１３とを備えている。電動駆動装置１０は例えば４８Ｖで動作するものとする。電池１２は、例えば４８Ｖのリチイムイオン電池であるが、これに限られるものではない。電池１２に蓄えられた電気エネルギーは、車両１内のモータ１１以外の負荷にも供給される。
電動駆動装置１０はさらに、デファレンシャルギア１４と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６とを備えている。デファレンシャルギア１４は、モータ１１の回転を、所定の変換比でもって車軸２に伝達する変換機構としての機能を実現する。すなわち、モータ１１と車軸２との間では、エンジン駆動とは独立した変換比でもって、動力が伝達される。ＥＣＵ１５は、車速情報や電池１２のＳＯＣ（State Of Charge）情報等を入力とし、これらの情報を基にしてインバータ１３に制御信号を与える。ＥＣＵ１５は、エンジン側のＥＣＵ３と連携して動作する。インバータ１３はＥＣＵ１５からの制御信号に従ってモータ１１の動作を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、電池１２から出力される４８Ｖの電圧を、例えば１２Ｖに降圧する電圧変換を行う。なお、電動駆動装置１０の構成としては、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は必須ではない。
なお、ここでの説明では、モータ１１は永久磁石を用いた同期モータであり、定格出力が６ｋＷ、最大出力が８ｋＷ程度の小型モータであるものとする。また電池１２は、容量が０．２４ｋＷｈ程度であるものとする。なお、ここで示したモータ出力および電池容量は、本格的ハイブリッド車で用いられているモータおよび電池の１／１０程度の値である。
さらに、デファレンシャルギア１４はクラッチを有している。このクラッチの動作はＥＣＵ１５からの制御信号に従って制御され、クラッチを切ることによって、モータ１１と車軸２とを切り離すことができる。これは、高速域において、同期モータであるモータ１１の逆起電圧が高くなり過ぎることを防ぐためである。なお、モータ１１が誘導モータである場合は、クラッチは必ずしも必要ではない。
図２は本実施形態に係る電動駆動装置におけるモータ特性の例を示すグラフである。図２において、縦軸は駆動力［Ｎ］であり、横軸は車速［ｋｍ／ｈ］である。図２においてハッチを付した部分が本実施形態におけるモータ１１の特性を示している。また、図２では、エンジンの特性についても、変速比毎に（１ｓｔ，２ｎｄ，３ｒｄ、４ｔｈ，５ｔｈ）併せて示している。駆動力が正のときが力行時（駆動側）であり、駆動力が負のときが回生時（エンジンブレーキ側）である。なお、車速とモータ１１の回転数とは対応しているため、ハッチを付した部分はモータ１１のＮ−Ｔ特性（回転数と負荷トルクとの関係）に対応している。
図２に示すように、本実施形態ではモータ１１の利用可能領域を車速８０ｋｍ／ｈ以下に設定している。すなわち、モータ１１の回転数が最大のときに車速が８０ｋｍ／ｈになるように、デファレンシャルギア１４の変換比を設定している。この８０ｋｍ／ｈは、ＪＣ０８モードにおける最高速度に相当しており、本実施形態では、市街地走行の速度範囲においてモータ１１の駆動力を利用するようにしている。
ここで、ハイブリッドシステムの燃費向上メカニズムについて、簡単に説明する。ハイブリッドシステムにおける燃費向上効果は、主に、ａ）エンジンの高効率点追従制御と、ｂ）回生エネルギーの利用と、によって得られる。２個のモータを利用するハイブリッドシステムでは、ａ）＋ｂ）の効果によって燃費を向上させており、１個のモータを利用するハイブリッドシステムでは、主に、アイドリングストップ＋ｂ）の効果によって燃費を向上させている。そして近年では、エンジン技術の革新や改良によって、ａ）の効果はかなり得られるようになっており、また電動駆動装置によってａ）の効果を得ようとすると、大きなモータや発電機が必要になる。したがって、小型モータを用いた電動駆動装置では、ｂ）回生エネルギーの利用に重点をおいて燃費向上を図るのがよい。
また、８ｋＷ程度の小型モータをエンジンの最高速度近くまで利用した場合には、常用域においてトルク不足となり、効果が期待できない。また、高速域ではエンジンの熱効率が十分に高いため、ハイブリッド効果は出にくい。一方、発進加速時のアシスト効果を狙って、小型モータの使用領域を例えば３０ｋｍ／ｈ以下に制限する方法もあるが、これでは燃費削減の効果は必ずしも十分には得られないことが、本願発明者らによる検討やシミュレーションによって分かってきた。
このため本実施形態では、モータ１１の利用可能領域を、通常走行における上限速度程度の８０ｋｍ／ｈ以下に設定する。これによって、小型モータであっても低速のトルク（駆動力）を確保することができ、燃費向上を効果的に達成することが可能となる。
なお、ここでは、モータ１１の利用可能領域の上限速度を８０ｋｍ／ｈとしたが、これに限定されるものではなく、モータ１１を常用域で利用し、高速域では利用しないように設定するものであればよい。例えば、モータの定格出力が１５ｋＷ以下であり、電池の定格容量が５００Ｗｈ以下であるという条件において、モータ１１の利用可能領域の上限速度が、６０ｋｍ／ｈよりも高く、１００ｋｍ／ｈよりも低くなるように、変換機構の変換比を設定する。これによって、小型モータおよび小容量電池を備えた電動駆動装置をエンジン駆動車両に設けることによって、車両の燃費をより効果的に向上させることができる。
あるいは、モータ１１の利用可能領域の上限速度を、例えば、６０ｋｍ／ｈより高く、エンジン駆動による最高速度の１／２以下に設定するようにしてもよい。
また、本実施形態では、変換比によって定められた利用可能領域において、モータ１１を使用する上限速度を、力行時と回生時とにおいて、個別に設定するものとする。この設定は、ＥＣＵ１５によって行われる。
図３は力行・回生条件を変えたときの燃費効果の変化を示すグラフである。横軸が力行上限速度［ｋｍ／ｈ］、縦軸が燃費［ｋｍ／ｌ］であり、回生時の上限速度を４０，６０．８０［ｋｍ／ｈ］と変えたときのデータをプロットしている。また、図４は力行条件を変えたときの電池のＳＯＣの変化を示すグラフである。横軸が時間［ｓ］、縦軸がＳＯＣ［％］であり、力行時の上限速度を２０，４０，８０［ｋｍ／ｈ］と変えたときのデータをプロットしている。また、各時間における車速も併せてプロットしている。図３および図４は本願発明者らによるシミュレーションの結果であり、モータ出力が８ｋＷ、電池容量が２５０Ｗｈ、走行パターンはＪＣ０８モードである。なお、ベースとなるエンジン駆動車両（アイドリングストップ付き）の燃費は２５．３４ｋｍ／ｌとしている。
図３から分かるとおり、回生時の上限速度は、高い方が、エネルギーをより多く取り出すことができるため燃費が良くなる傾向にある。すなわち、回生時の上限速度を４０，６０，８０ｋｍ／ｈと上げるにつれて、燃費が良くなっている。一方、力行時の上限速度は、燃費効果の面で、高い方が好ましいとは必ずしもいえない。すなわち、回生時の上限速度が４０ｋｍ／ｈのときは、力行時の上限速度が３０ｋｍ／ｈ付近で燃費が最高となっており、回生時の上限速度が６０，８０ｋｍ／ｈのときは、力行時の上限速度が４０ｋｍ／ｈ付近で燃費が最高になっている。
このような力行時の上限速度と燃費との関係は、電池のＳＯＣと関連している。すなわち、図４から分かるように、力行時の上限速度が高すぎるとき、例えば８０ｋｍ／ｈのとき、電池のＳＯＣがすぐに下限禁止領域近くに低下してしまい、モータアシスト効果が十分に得られなくなる。これにより燃費がかえって悪化してしまう。このように、力行時の上限速度に関しては、電池のＳＯＣの観点からみて、高すぎず低すぎず、適切な範囲が存在する。例えば図３のグラフから、最も燃費効果が高いのは、回生時の上限速度が８０ｋｍ／ｈであり、力行時の上限速度が３６ｋｍ／ｈのときであることが分かる。
したがって、燃費効果をより高めるためには、モータ１１を使用する上限速度を、力行時と回生時とにおいて、個別に設定するのが好ましいと言える。例えば、回生時の上限速度は、変換比によって定められたモータ１１の利用可能領域の上限近くに設定し、力行時の上限速度は、回生時の上限速度よりも低く、かつ、市街地走行で頻度の高い速度に設定する。これにより、本実施形態に係る電動駆動装置を用いた場合に、燃費がより効果的に改善される。
図５は本実施形態に係る電動駆動装置におけるモータ特性の一例を示すイメージ図である。図５では、モータ１１を使用する上限速度は、力行時は速度ａに、回生時は速度ｂに設定されており、ａ＜ｂである。速度ａは例えば４０ｋｍ／ｈであり、速度ｂは例えば８０ｋｍ／ｈである。なお、モータを使用する上限速度を力行時と回生時とにおいて個別に設定することは、本実施形態で示したモータ１１の利用可能領域、モータ１１の出力、電池１２の容量等の条件に限定されるものではなく、その他の条件においても有効である。
図５の例では、ＥＣＵ１５は、力行時に車速が、設定された上限速度ａ（４０ｋｍ／ｈ）に達したら、モータ１１による車両の駆動を停止する。つまり、回生時における上限速度ｂよりも低い上限速度ａで、モータ１１はオフになる。これは、以下の理由による。
図６は実施形態に係る電動駆動装置における機械電気エネルギーの流れを示す模式図である。図６に示すようには、回生時には、タイヤ１９からの機械エネルギー（運動エネルギー）は、デファレンシャルギア１４を含むギア１８、モータ１１、インバータ１３、電池１２と伝達されるにつれ、各部における損失分だけエネルギーが低下する。本実施形態では、これら機械系と電気系の総合効率が例えば７０％である。回生により電池１２に蓄えられた電力は、力行時には、逆方向にタイヤ１９へと伝達される。このときの電気系と機械系の総合効率も例えば７０％となる。ゆえに、回生で得たエネルギーの４９％が力行時にタイヤ１９へ伝達される。したがって、損失が発生する分を考慮して、本実施形態では、力行時の上限速度ａが回生時の上限速度ｂに対しておよそ半分になるように個別に設定し、エネルギー収支の均衡を図っている。このような動作によって、高効率化を達成することができる。
なお、図５ではモータ１１を動作させる車速の上限を、力行時と回生時とにおいて個別に設定しているが、力行時と回生時とにおいて個別に設定する対象は、車速に限定されるものではない。例えば、モータ１１の最大駆動力（絶対値）を、力行時と回生時とにおいて個別に設定するようにしてもよい。
図７は本実施形態に係る電動駆動装置におけるモータ特性の他の例を示すイメージ図である。図７では、モータ１１の最大駆動力が、回生時は駆動力Ａに設定される一方、力行時は駆動力Ｂに制限されており、Ａ＞Ｂである。このように制限する理由は、図６を用いて説明したように、エネルギー収支の均衡を図るためである。このような動作によっても、高効率化を達成することができる。
なお、図５では、モータ１１を動作させる車速の上限を、力行時と回生時とで個別に設定する例を示し、図７では、モータ１１の最大駆動力を、力行時と回生時とで個別に設定する例を示した。これに加えて、モータ１１を動作させる車速の上限と、モータ１１の最大駆動力の両方を、力行時と回生時とで個別に設定するようにしてもかまわない。この場合も上で説明したようにエネルギー収支の均衡を図ることができるので、高効率化を達成できる。
図８は力行時における制御フローの例、図９は回生時における制御フローの例である。なお、図８および図９の制御フローは基本的にはＥＣＵ１５によって実行されるが、エンジンに関する制御はエンジン側のＥＣＵ３が行う。
図８を用いて力行時の制御について説明する。車両１の運転者がアクセルをＯＮし、ブレーキをＯＦＦにする（Ｓ１１）。すると、ＥＣＵ１５は車速情報を受けて、現在の車両１の速度Ｓを力行時におけるモータ１１の上限速度ａと比較する（Ｓ１２）。速度Ｓが上限速度ａを超えているときは、モータ１１による駆動を行わないため、ＥＣＵ１５はデファレンシャルギア１４のクラッチを切り、モータ１１のトルクをゼロにする（Ｓ１３）。そして、ＥＣＵ１５がスロットル開度、あるいはエンジン側へのパワー指令を決定し、エンジン側ＥＣＵ３に通知する（Ｓ１４）。
一方、速度Ｓが上限速度ａ以下であるときは、ＥＣＵ１５は、アクセル開度からモータ要求出力Ｐｒｅｆを求める（Ｓ１５）。ここでの計算は所定のマップに基づいて行われる。そして、デファレンシャルギア１４における変換比を用いて、速度Ｓをモータ１１の回転数に変換し、この回転数とモータ要求出力Ｐｒｅｆからトルク指令Ｔｒｅｆを求める（Ｓ１６）。
そして、ＥＣＵ１５は、このトルク指令Ｔｒｅｆとモータトルク最大値Ｔｍｍとを比較する（Ｓ１７）。トルク指令Ｔｒｅｆが最大値Ｔｍｍ以下であるときは、このトルク指令Ｔｒｅｆに従ってモータ１１による走行を行うので、ＥＣＵ１５はエンジン停止指令をＥＣＵ３に通知する（Ｓ１８）。一方、トルク指令Ｔｒｅｆが最大値Ｔｍｍを超えているときは、ＥＣＵ１５はモータ１１の出力を最大にする（Ｓ１９）。そして、ＥＣＵ１５は、モータ１１の出力分を減算してから、スロットル開度を決定する（Ｓ２０）。
図９を用いて回生時の制御について説明する。車両１の運転者がブレーキをＯＮし、アクセルをＯＦＦにする（Ｓ２１）。すると、ＥＣＵ１５は車速情報を受けて、現在の車両１の速度Ｓを回生時におけるモータ１１の上限速度ｂと比較する（Ｓ２２）。速度Ｓが上限速度ｂを超えているときは、モータ１１による回生動作を行わないため、ＥＣＵ１５はデファレンシャルギア１４のクラッチを切り、モータ１１のトルクをゼロにする（Ｓ２３）。
一方、速度Ｓが上限速度ｂ以下であるときは、ＥＣＵ１５は、ブレーキ踏力の情報を受けて、この情報から回生トルクＴｒｅｆを求める（Ｓ２４）。ブレーキ踏力の情報としては例えば、ブレーキ油圧、ブレーキストローク、ブレーキのＧセンサ値等がある。ここでの計算は所定のマップに基づいて行われる。そして、デファレンシャルギアにおける変換比を用いて、速度Ｓをモータ１１の回転数に変換し、この回転数における回生最大トルクＴｒｍを求める（Ｓ２５）。
そして、ＥＣＵ１５は、回生トルクＴｒｅｆと回生最大トルクＴｒｍとを比較する（Ｓ２６）。回生トルクＴｒｅｆが回生最大トルクＴｒｍを超えているときは、ＥＣＵ３は、回生最大トルクＴｒｍ分を差し引いたブレーキ油圧の設定を行う（Ｓ２７）。一方、回生トルクＴｒｅｆが回生最大トルクＴｒｍ以下であるときは、モータ１１は、回生最大トルクＴｒｍの回生出力を行う。
さらに、モータ１１を動作させる車速の上限を、所定の条件に従って動的に変更するようにしてもよい。この場合、力行時と回生時との両方において上限速度を変更してもよいし、力行時または回生時のいずれか一方において、上限速度を変更するようにしてもよい。
ここでは、モータ１１を使用する上限速度を、電池１２のＳＯＣに応じて動的に変更する例について説明する。図１０はＳＯＣに応じた上限速度の制御の例を示す。図１０の例では、電池１２のＳＯＣが通常状態にある場合には、モータ１１の力行時における上限速度ａは４０ｋｍ／ｈに設定されており、回生時における上限速度ｂは８０ｋｍ／ｈに設定されている。ＥＣＵ１５は、電池１２のＳＯＣ情報を受けており、ＳＯＣが上昇して７０％を超えると、力行時における上限速度ａを徐々に上げていく。これにより、電池１２に蓄積された電気エネルギーがより消費されるため、ＳＯＣの上昇が抑制される。またＳＯＣが７０％を超えると、回生時における上限速度ｂを徐々に下げていく。これにより、電池１２への電気エネルギーの蓄積が少なくなる。このように上限速度を動的に変更することによって、電池１２のＳＯＣが過度に上昇することを回避することができる。もちろん、力行時または回生時のいずれか一方において上限速度を変更するようにしてもよいし、上限速度を変更するＳＯＣの範囲や、上限速度の変更の仕方等はここで示したものに限られるものではない。
もちろん、電池１２のＳＯＣが下降した場合にも、同様の制御を行うことができる。例えば、ＳＯＣが３０％を下回った場合に、力行時における上限速度ａを下げていく、あるいは、回生時における上限速度ｂを上げていくといった制御を行えばよい。
また、電池１２のＳＯＣに応じて、トルク指令を制御するようにしてもかまわない。例えば、図８の力行時制御フローのＳ１６においてトルク指令Ｔｒｅｆを求めた後、ＥＣＵ１５は、電池１２のＳＯＣ情報を受ける。そして、ＳＯＣが例えば４０％を下回っているとき、トルク指令ＴｒｅｆにＳＯＣに応じた１より小さい係数を乗じる。これにより、ＳＯＣの過度の下降に制限を加えることができる。同様に、図９の回生時制御フローのＳ２４において回生トルクＴｒｅｆを求めた後、ＥＣＵ１５は、電池１２のＳＯＣ情報を受ける。そして、ＳＯＣが例えば７０％を超えているとき、回生トルクＴｒｅｆにＳＯＣに応じた１より小さい係数を乗じる。これによりＳＯＣの過度の上昇に制限を加えることができる。
なお、上で用いたＳＯＣの情報は、例えば、電池１２の充電放電電流量等から推定したものであればよい。
また、図７に示したようなモータ１１の最大駆動力を力行時と回生時とで個別に設定する構成において、ここで説明した上限速度の動的な調整と同様にして、モータ１１の最大駆動力を、例えば電池１２のＳＯＣの情報に応じて、動的に調整する構成としてもよい。この場合も、力行時と回生時との両方において最大駆動力を変更してもよいし、力行時または回生時のいずれか一方において、最大駆動力を変更するようにしてもよい。さらには、モータ１１を使用する上限速度とモータ１１の最大駆動力の両方を、力行時と回生時とで個別に設定する構成において、上限速度と最大駆動力の両方を、動的に調整する構成としてもよいし、上限速度または最大駆動力のいずれか一方を、動的に調整する構成としてもよい。これらの構成においても、上で説明した上限速度の動的な調整の場合と同様の効果が得られる。
なお、上述の実施形態では、本実施形態に係る電動駆動装置をＦＦ車である車両１の後輪側に設けるものとしたが、本実施形態に係る電動駆動装置の適用形態はこれに限られるものではない。例えば、ＦＲ車の前輪側に設けることも可能であるし、あるいは、エンジンの駆動輪に取り付けることも可能である。
図１１は本実施形態に係る電動駆動装置の他の適用例である。図１１の構成では、エンジン５により駆動される車軸６に、本実施形態に係る電動駆動装置２０が取り付けられている。電動駆動装置２０は、車軸６を駆動するためのモータ２１と、モータ２１を回転させる電気エネルギーを蓄える電池２２と、電池２２の出力電力を交流化してモータ２１に与えるとともに、モータ２１の回生電力を直流化して電池２２にもどすインバータ２３とを備えている。電動駆動装置２０はさらに、変速機２４と、ＥＣＵ２５とを備えている。変速機２４は、モータ２１の回転を、エンジン５の駆動とは独立した所定の変換比でもって車軸６に伝達する変換機構としての機能を実現する。ＥＣＵ２５は、車速情報や電池２２のＳＯＣ情報等を入力とし、これらの情報を基にしてインバータ２３に制御信号を与える。インバータ２３はＥＣＵ２５からの制御信号に従ってモータ２１の動作を制御する。
図１２は本実施形態に係る電動駆動装置の他の適用例である。図１２の構成では、車両１は、プロペラシャフト３１と前後輪回転数差に基づくトルク伝達手段３２とが、後輪側のデファレンシャルギア１４に機械的に接続されており、これにより全輪がエンジン４により駆動される構成を有する。具体的には、エンジン４の出力は分岐され、出力の一方は前輪デファレンシャルギア３３に入力され、前輪側の駆動軸６は直接エンジン駆動される。一方、エンジン４の出力の他方はプロペラシャフト３１に入力され、トルク伝達手段３２を介して後輪のデファレンシャルギア１４に伝達される。したがって、後輪側の駆動軸２は直接エンジン駆動されない。なお、後輪側の駆動軸２には、モータ１１も同様にデファレンシャルギア１４とクラッチ３５を介して機械的に接続される。したがって、モータ１１は、ほぼ直接的に後輪側の駆動軸２に接続されるとともに、エンジン４とはトルク伝達手段３２を介して接続される構成となる。すなわち、デファレンシャルギア１４は、モータ１１の回転を車両１の直接エンジン駆動されない駆動軸２に伝達するものであり、かつ、エンジン４の出力がプロペラシャフト３１およびトルク伝達手段３２を介して伝達されている。なお、モータ１１の電気的接続は図１と同じであるので、詳細な説明を省略する。
図１２の構成の動作について、特徴的な点を説明する。図１２の電動駆動装置１０では、ＥＣＵ１５は、車両１の発進時において、モータ１１の回転数がエンジン４の駆動の回転数と同期するよう、制御する。これにより、トルク伝達手段３２において、プロペラシャフト３１から入力されるトルクとモータ１１から入力されるトルクとが誤差範囲内で実質的に等しくなるので、エンジン４からのトルクは駆動軸２にほとんど伝達されない。これにより、特に滑りやすくない一般道での発進において、無駄に駆動軸２を駆動することがなく、エンジン４の負担が軽減される。この結果、車両１の燃費を向上させることができる。
また、滑りやすい路面での発進時に、エンジン４側の駆動軸６に結合された車輪が滑っても、モータ１１により駆動される駆動軸２に結合された車輪が車両１を駆動することができるので、路面の状態によらず車両発進時の燃費を向上させることができる。車両発進後は、例えば図５に示すように力行時における上限速度ａでモータ１１の駆動を停止することにより、以後はエンジン４のみによる機械的な四輪駆動が可能となる。
次に、他の特徴点として、車両１の雪道登坂時の動作について述べる。車両１の前後輪の回転数差などから前輪スリップを検出した際に、ＥＣＵ１５は、あえてモータ１１の力の方向をプロペラシャフト３１の回転方向とは逆になるように制御する。これにより、トルク伝達手段３２には大きな滑りが発生し、エンジン４のトルクが後輪の駆動軸２に積極的に伝達される。その結果、雪道登坂時でも大きなスリップを伴うことなく、高い走破性を発揮することが可能となる。
なお、一般に用いられる高粘度オイルのせん断抵抗を利用したトルク伝達手段３２を備えた全輪駆動車では、前後輪の回転数差に基づきトルク伝達を行うため、前輪側が大きく滑りながら後輪側へトルク伝達を行うことになり、車両安定性が不十分な場合があった。
さらに、エンジン４との機械的接続をもたず、純粋にモータ１１のみで後輪側を駆動する方式では、登坂に求められる大きな駆動力を確保するために、低速時に大きなトルクを必要とする。このため、中高速での回生エネルギーを利用した燃費向上と、登坂性能とを両立させるためには、大きなバッテリとモータを用いるか、別途モータに２段から３段の変速機を設ける必要があった。これらはいずれも大きなコストアップの要因になる。
これに対して図１２の構成では、これらの課題を解決することが可能である。すなわち、図１２の構成では、既存のトルク伝達手段３２を用いた全輪駆動方式に、小型のモータ１１を加えることによって、高い安定性、走破性、燃費性能、および低コストを兼ね備えた車両１を実現することができる。
その他、例えば、インホイール駆動方式にも、本実施形態に係る電動駆動装置は適用可能である。
１ 車両
２，６ 駆動軸
４，５ エンジン
１０ 電動駆動装置
１１ モータ
１２ 電池
１３ インバータ
１４ デファレンシャルギア（変換機構）
１５ ＥＣＵ（制御ユニット）
２０ 電動駆動装置
２１ モータ
２２ 電池
２３ インバータ
２４ 変速機（変換機構）
２５ ＥＣＵ（制御ユニット）
３１ プロペラシャフト
３２ トルク伝達手段

Claims (7)

  1. エンジン駆動の車両に用いられる電動駆動装置であって、
    当該車両を駆動するためのモータと、
    前記モータを回転させる電気エネルギーを蓄える電池と、
    前記電池の出力電力を交流化して前記モータに与えるとともに、前記モータの回生電力を直流化して前記電池にもどすインバータと、
    前記インバータの動作を制御する制御ユニットとを備え、
    前記制御ユニットは、前記モータを動作させる車速の範囲において、同一車速における前記モータの最大駆動力を、常に力行時において回生時と比べて制限するように構成されている
    ことを特徴とする電動駆動装置。
  2. 請求項１記載の電動駆動装置において、
    前記制御ユニットは、力行時および回生時のうち少なくともいずれか一方において、前記モータの最大駆動力を、動的に調整可能に構成されている
    ことを特徴とする電動駆動装置。
  3. 請求項２記載の電動駆動装置において、
    前記制御ユニットは、前記電池のＳＯＣ(State Of Charge)の情報に応じて、力行時および回生時のうち少なくともいずれか一方において、前記モータの最大駆動力を、動的に調整する
    ことを特徴とする電動駆動装置。
  4. 請求項１記載の電動駆動装置において、
    前記モータの回転を、エンジン駆動とは独立した所定の変換比でもって、当該車両の駆動軸に伝達する変換機構を備え、
    前記モータの回転数が最大であるとき、当該車両の速度が所定速度になるように、前記所定の変換比が設定されており、
    モータは、定格出力が１５ｋＷ以下であり、
    電池は、定格容量が５００Ｗｈ以下であり、
    前記所定速度は、６０ｋｍ／ｈより高く、１００ｋｍ／ｈより低い
    ことを特徴とする電動駆動装置。
  5. 請求項４記載の電動駆動装置において、
    前記所定速度は、８０ｋｍ／ｈである
    ことを特徴とする電動駆動装置。
  6. 請求項４記載の電動駆動装置において、
    前記所定速度は、エンジン駆動による最高速度の１／２以下である
    ことを特徴とする電動駆動装置。
  7. エンジン駆動の車両に用いられ、
    当該車両を駆動するためのモータと、
    前記モータを回転させる電気エネルギーを蓄える電池と、
    前記電池の出力電力を交流化して前記モータに与えるとともに、前記モータの回生電力を直流化して前記電池にもどすインバータと、を備える電動駆動装置において、
    前記インバータの動作を制御するものであり、
    前記モータを動作させる車速の範囲において、同一車速における前記モータの最大駆動力を、常に力行時において回生時と比べて制限するように構成されている
    ことを特徴とする電動駆動装置の制御ユニット。
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