JP2018057255A - 車両動力補助システムおよび車両従動輪回生システム - Google Patents

車両動力補助システムおよび車両従動輪回生システム Download PDF

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光生 川村
健太郎 西川
Kentaro Nishikawa
健太郎 西川
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Tomomi Ishikawa
智海 石河
康之 藤田
Yasuyuki Fujita
康之 藤田
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Abstract

【課題】従動輪での駆動アシスト、回生制動、発電が行えて、走行性能、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させることができ、かつ補助駆動力を得るための構造が簡易で済み、車両重量の増大も抑えることができる車両動力補助システムを提供する。
【解決手段】内燃機関等の主駆動源５と機械的に非連結である従動輪４を持つ車両に適用される。従動輪４が、走行補助用の電動発電機８が搭載された車輪用軸受３１で支持される。前記電動発電機８は、ロータが車輪用軸受３１の回転側輪に増減速手段を介することなく直固定される。電動発電機８が発電した回生電力を蓄電しその蓄電した電力を前記電動発電機８に給電する蓄電手段１９を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、前輪駆動または後輪駆動などの車両において、モータ、内燃機関、またはこれらを組合せたハイブリッド形式の主駆動源とは機械的に非連結である従動輪に動力補助および回生制動を行い、車両の走行性能、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させる車両動力補助システムおよび車両従動輪回生システムに関する。
従来、車両の前輪及び後輪の一方と機械的に接続される第１電動発電機と、他方と機械的に接続される第２電動発電機とを備えた車両用駆動装置が提案されている（例えば、特許文献１）。これによると、第１電動発電機と第２電動発電機とバッテリーとが制御装置を介して電気的に接続されているので、これらの間で相互にエネルギーの受け渡しが可能となっており、前輪及び後輪から制動時のエネルギーを回収することができる。そのため、エネルギー効率の改善が期待できる。
また、複雑な制御を行うことなくエネルギー効率をより改善できる補助動力システムとして、車両に搭載された電動発電機が、主動力システムによって駆動されない後輪リアホイールとの間でのみ動力を伝達可能とされ、電源装置が電動発電機にのみ駆動電力を供給しかつ電動発電機からの回生電力のみ蓄えるように構成された提案がある（例えば、特許文献２）。
特許第５８９９００９号公報 特開２０１６−２５７８９号公報
特許文献１に記載された構成では、例えば、車両の制動時に第１電動発電機と第２電動発電機とによって回生電力を発生させるところ、車両が異常な挙動を起こさず姿勢を安定させるために前後の回生ブレーキによる制動量を調整するので、制動中にそれぞれの回生電力が変動し、このような変動する回生電力を共通のバッテリーに蓄えるためには、制御が非常に複雑になってしまうという問題がある。
そこで、特許文献２では、従動輪との間でのみ動力を伝達可能に設けられた電動発電機にのみ駆動電力を供給し、かつ、電動発電機からの回生電力のみ蓄える電源装置を備えることによって、上記問題の解決を提案している。
しかし、特許文献２の構成によると、補助動力システムはバッテリーと電動発電機とが接続されており、前記電動発電機がクラッチ、動力配分機構、ドライブシャフトを介して従動輪（タイヤ）と動力伝達する機構となっている。そのため、補助動力システムを搭載することによって、上記の通り、４輪駆動車と同等な部品構成となり、構造が複雑化するとともに、車両重量も増加する。
また、電動発電機の不要時にはクラッチを切ることで従動輪と非結合になるが、動力配分機構やドライブシャフトと従動輪とが連結されているため、走行抵抗が増加してしまう。さらに、電動発電機専用のバッテリーを搭載するため、その分の重量が増加するとともに、バッテリーの充電状態によっては、燃費が悪化することが考えられる。
この発明の目的は、従動輪での駆動アシスト、回生制動、発電が行えて、走行性能、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させることができ、かつ補助駆動力を得るための構造が簡易で済み、車両重量の増大も抑えることができる車両動力補助システムを提供することである。
この発明の他の目的は、さらに、配線面および信頼性確保の面で優れるものとすることである。
この発明のさらに他の目的は、従動輪での回生制動、発電が行えて、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させることができ、かつ部品点数の低減を図って構造を簡易化し、車両重量の増大も抑えることができる車両従動輪回生システムを提供することである。
この発明の車両動力補助システムは、駆動輪の走行駆動を行う主駆動源と機械的に非連結である従動輪を持つ車両において、前記従動輪が、この従動輪の回転で発電を行いかつ給電されることによって前記従動輪を回転駆動可能な走行補助用の電動発電機が搭載された車輪用軸受で支持され、前記電動発電機は、ロータが前記車輪用軸受の回転側輪に増減速手段を介することなく固定され、前記電動発電機が発電した回生電力を蓄電しその蓄電した電力を前記電動発電機に給電する蓄電手段を備える。
なお、前記従動輪は前記電動発電機によって駆動されるが、補助的な駆動だけであり、また主駆動源と機械的に非連結である、従動輪と称した。
前記主駆動源は内燃機関のみ、または内燃機関と電動モータとの併用であっても良く、電動モータのみであっても良い。
この構成によると、従動輪の回転で発電を行う電動発電機を備えるため、今まで機械式ブレーキで熱変換していたエネルギーを、電動発電機を発電機として、前記バッテリーに回生電力を蓄えることにより、制動力を発生させることができる。機械式ブレーキと併用や使い分けで、制動性能も向上させることができる。
また、車両の車速や走行抵抗等の走行状態に併せて電動発電機を駆動させることで、主駆動源を効率が良くなる回転数・トルクとなるように駆動でき、走行性能を向上させることができる。例えば、加速時に電動発電機の駆動力補助を行い、また定速走行やクルージング状態で電動発電機の駆動力の付加もしくは発電作用させることで、主駆動源を効率良く駆動でき、また適切な回生電力が得られる。特に、前記主駆動源が内燃機関（ガソリンエンジンやディーゼルエンジン）の場合、回転数やトルクによる効率の違いが大きく、前記電動発電機の駆動力補助を行うことによる主駆動源の効率向上の効果が大きい。
前記電動発電機は、車輪用軸受に搭載され、そのロータが車輪用軸受の回転側輪に増減速手段を介することなく固定されたダイレクトドライブ形式であるため、クラッチ、動力配分機構、ドライブシャフト等が不要であり、補助動力を与えるための構成が簡易で済み、車両重量の増加も抑えられる。
このように、走行性能、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させることができるうえ、補助動力を与えるための構造が簡易で済む。
この発明において、前記車両が複数の従動輪に対して前記電動発電機を有し、各従動輪で個々に前記電動発電機を制御する複数の個別制御手段９を備えていても良い。
この構成の場合、走行レーンチェンジ等のための加速時や旋回時において、電動発電機を個々に制御することにより、より安定した走行が可能となる。
この構成の場合に、前記車両の統合制御を行う上位ＥＣＵ１０に、前記各電動発電機の前記各個別制御手段９に駆動および回生の制御を行わせる指令を出力する個別電動発電機指令手段１５を有していても良い。
上位ＥＣＵ１０に前記個別電動発電機指令手段１５を有することで、各電動発電機を個別に用いて上記走行レーンチェンジや旋回の支援をする制御が行い易い。
この発明において、前記車両が、この車両の統合制御を行う上位ＥＣＵ１０の電源となる低電圧バッテリー２０と、この低電圧バッテリー２０よりも蓄電電圧が高くてアクセサリー部品の電源として用いられる中電圧バッテリー１９とを備え、前記電動発電機８と接続された前記蓄電手段が前記中電圧バッテリー１９であっても良い。
車両のアクセサリー部品を駆動する場合、電圧が高い方が電流が小さくて済み、配線の太さや被覆等の面で配線上好ましい。しかし、上位ＥＣＵ１０等の基幹電気部品は、長年使用されている１２Ｖバッテリーを用いることが、信頼性の面から好ましい。また、バッテリーの電圧が高過ぎると、保守を行うときの感電の問題がある。このため、上位ＥＣＵ１０の電源となる１２Ｖの低電圧バッテリー２０とは別の中電圧バッテリー１９を備え、基幹電気部品以外の電装補機類の電源として用いることが、配線面、信頼性確保の両面から望ましい。このような中電圧バッテリー１９を備える場合、前記走行補助用の電動発電機８で回生発電や駆動に用いる電源は、前記中電圧バッテリー１９を用いることが、配線等の面で優れる。なお、この明細書で「アクセサリー部品」とは、車両の電装部品のうち、走行に必須となる部品である基幹部品を除く部品を言う。
この発明において、前記電動発電機が、前記車輪用軸受の前記回転輪に取付けられたブレーキロータの外周部に接するブレーキキャリパと前記車輪用軸受の外輪との間の径方向範囲に収まるようにしても良い。
走行補助用の電動発電機がブレーキキャリパと車輪用軸受間に収まる容積であると、ナックル部の改造のみで、従来形式の車両の従動輪に簡単に取付けることができ、また車種を問わず取付けることができる。
この発明の他の車両動力補助システムは、車両の動力を補助する車両動力補助システムであって、
低電圧負荷２２に給電を行う低電圧バッテリー２０と、
前記低電圧バッテリー２０よりも蓄電電圧が高く、前記低電圧負荷２２よりも高電圧の負荷である中電圧負荷２３に給電を行う中電圧バッテリー１９と、
前記低電圧バッテリー２２と前記中電圧バッテリー１９とを接続するコンバータ２１と、
前記車両の従動輪の車輪用軸受に設けられ、前記中電圧バッテリー１９と電気的に接続する電動発電機８とを備え、
前記電動発電機８は、前記従動輪の回転により回生を行い、前記中電圧バッテリー１９に給電を行うとともに、前記中電圧バッテリー１９からの給電により、前記従動輪を回転駆動することを特徴とする。
この構成によっても、前記と同様に、従動輪での駆動アシスト、回生制動、発電が行えて、走行性能、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させることができ、かつ補助駆動力を得るための構造が簡易で済み、車両重量の増大も抑えることができる。
また、この構成の場合、低電圧バッテリー２０とは別に中電圧バッテリー１９を備え、低電圧負荷２２は低電圧バッテリー２０より、中電圧負荷２３は中電圧バッテリー１９より給電するため、車両に搭載される部品に応じて低電圧の部品とするか中電圧部品とするかを使い分けることができ、前記と同様に、配線面、および信頼性確保の面で優れる。
この発明の車両従動輪回生システムは、駆動輪の走行駆動を行う主駆動源と機械的に非連結である従動輪を持つ車両従動輪回生システムにおいて、
前記従動輪が車輪用軸受で支持され、前記従動輪の回転で発電を行う発電機が前記車輪用軸受に搭載され、前記発電機は、ロータが前記車輪用軸受の回転側輪に増減速手段を介することなく固定され、前記発電機が発電した回生電力を蓄電する蓄電手段を備える。
前記主駆動源は内燃機関のみ、または内燃機関と電動モータとの併用であってもよく、電動モータのみであってもよい。
この構成によると、従動輪の回転で発電を行う発電機を備えるため、今まで捨てられていたエネルギーを回収することができる。すなわち発電機が発電した回生電力を蓄電手段に蓄えることにより、制動力を発生させることができる。機械式ブレーキと併用や使い分けで、制動性能も向上させることができる。
従動輪用の車輪用軸受に発電機が搭載されるため、発電機を搭載するスペースを確保し易く、既存の車輪用軸受を大きく設計変形することなく発電機を設けることができる。これにより、車両従動輪回生システムの汎用性を高めることができる。
前記発電機は、車輪用軸受に搭載され、そのロータが車輪用軸受の回転側輪に増減速手段を介することなく固定されたダイレクトドライブ形式であるため、クラッチ、動力配分機構、ドライブシャフト等が不要である。このため、部品点数の低減を図って構造を簡易化し、車両重量の増大も抑えることができる。構造を簡易化できるため、コスト低減を図れる。また車両重量の増大を抑えることができるため、燃料消費量を抑制し得る。
この発明の車両動力補助システムは、駆動輪の走行駆動を行う主駆動源と機械的に非連結である従動輪を持つ車両において、前記従動輪が、この従動輪の回転で発電を行いかつ給電されることによって前記従動輪を回転駆動可能な走行補助用の電動発電機が搭載された車輪用軸受で支持され、前記電動発電機は、ロータが前記車輪用軸受の回転側輪に増減速手段を介することなく固定され、前記電動発電機が発電した回生電力を蓄電しその蓄電した電力を前記電動発電機に給電する蓄電手段を備えるため、従動輪での駆動アシスト、回生制動、発電が行えて、走行性能、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させることができ、かつ補助駆動力を得るための構造が簡易で済み、車両重量の増大も抑えることができる。
この発明の他の車両動力補助システムは、車両の動力を補助する車両動力補助システムであって、低電圧負荷に給電を行う低電圧バッテリーと、前記低電圧バッテリーよりも蓄電電圧が高く、前記低電圧負荷よりも高電圧の負荷である中電圧負荷に給電を行う中電圧バッテリーと、前記低電圧バッテリーと前記中電圧バッテリーとを接続するコンバータと、前記車両の従動輪の車輪用軸受に設けられ、前記中電圧バッテリーと電気的に接続する電動発電機とを備え、前記電動発電機は、前記従動輪の回転により回生を行い、前記中電圧バッテリーに給電を行うとともに、前記中電圧バッテリーからの給電により、前記従動輪を回転駆動するため、従動輪での駆動アシスト、回生制動、発電が行えて、走行性能、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させることができ、かつ補助駆動力を得るための構造が簡易で済み、車両重量の増大も抑えることができ、さらに、配線面、および信頼性確保の面で優れる。
この発明の車両従動輪回生システムは、駆動輪の走行駆動を行う主駆動源と機械的に非連結である従動輪を持つ車両従動輪回生システムにおいて、前記従動輪が車輪用軸受で支持され、前記従動輪の回転で発電を行う発電機が前記車輪用軸受に搭載され、前記発電機は、ロータが前記車輪用軸受の回転側輪に増減速手段を介することなく固定され、前記発電機が発電した回生電力を蓄電する蓄電手段を備えるため、従動輪での回生制動、発電が行えて、制動性能、燃料消費量等の車両性能を向上させることができ、かつ部品点数の低減を図って構造を簡易化し、車両重量の増大も抑えることができる。
この発明の一実施形態に係る車両動力補助システムまたは車両従動輪回生システムの概念構成を示すブロック図である。 同車両動力補助システムまたは車両従動輪回生システムを搭載した車両の一例となる電源系統図である。 同車両動力補助システムまたは車両従動輪回生システムにおける電動発電機を搭載した従動輪およびその足回り部を示す断面図である。 同従動輪およびその足回り部を示す断面図である。 同発電機を軸方向に垂直な平面で切断して見た拡大断面図（図３のV-V線断面図）である。
この発明の一実施形態を図１〜図５と共に説明する。この車両動力補助システム１は、前輪駆動または後輪駆動などの非駆動輪である従動輪４を持つ車両２において、主駆動源５とは、機械的に非連結である従動輪４に対して搭載される。主駆動源５は、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジン等の内燃機関、または電動発電機（電動モータ）、または両者を組み合わせたハイブリッド型の駆動源である。なお、「電動発電機」は、回転付与による発電が可能な電動モータを称す。図示の例では、車両２は、前輪が駆動輪３、後輪が従動輪４となる前輪駆動車であって、主駆動源５が内燃機関５ａと駆動輪側の電動発電機５ｂとでなるハイブッリド車（以下、「ＨＥＶ」と称することがある）である。具体的には、駆動輪側の電動発電機５ｂが４８Ｖ等の中電圧で駆動されるマイルドハイブリッド形式である。ハイブリッドはストロングハイブリッドとマイルドハイブリッドとに大別されるが、マイルドハイブリッドは、主要駆動源が内燃機関であって、発進時や加速時等にモータで走行の補助を主に行う形式を言い、ＥＶ（電気自動車）モードでは通常の走行を暫くは行えても長時間行うことができないことでストロングハイブリッドと区別される。同図の例の内燃機関５ａは、クラッチ６および減速機７をして駆動輪３のドライブシャフトに接続され、前記減速機７に前記駆動輪側の電動発電機５ｂが接続されている。
車両動力補助システム１は、従動輪４の回転駆動を行う走行補助用の電動発電機８と、この電動発電機８の制御を行う個別制御手段９と、上位ＥＣＵ１０に設けられて前記個別制御手段９に駆動および回生の制御を行わせる指令を出力する個別電動発電機指令手段１５とを備える。前記電動発電機８は、蓄電手段に接続されている。この蓄電手段は、バッテリー（蓄電池）やキャパシタ、コンデンサ等を用いることができ、その形式や車両２への搭載位置は問わないが、この実施形態では、車両２に搭載された低電圧バッテリー２０および中電圧バッテリー１９のうちの中電圧バッテリー１９とされている。
従動輪用の電動発電機８は、変速機を用いないダイレクトドライブモータであり、電力を供給することで電動機として作用し、また車両２の運動エネルギーを電力に変換する発電機としても作用する。
図３、図４に前記電動発電機８を搭載した従動輪４を示す。前記電動発電機８は従動輪４を支持する車輪用軸受（ハブベアリングとも称される）３１とブレーキ３５のブレーキキャリパ３７との間に構成されている。車輪用軸受３１は、固定輪となる外輪３２とハブ輪となる内輪３３との間に複列の転動体３４を設けて成り、外輪３２はナックル等の足回りフレーム部品３９にボルトで締結されている。内輪３３はフランジ３３ａを有し、このフランジ３３ａに、従動輪４のホイール４ａと前記ブレーキ３５のブレーキロータ３６とが重ね合わせてボルト４０により取付けられている。ホイール４ａは、前記内輪３３に取付けられた円板状部分４ａａとその外周から車両内側へ延びるテーパ状の円筒状部４ａｂとを有し、この円筒状部４ａｂにタイヤ４ｂが取付けられている。前記車輪用軸受３１は、ホイール４ａの軸方向幅内に全体が収まっている。ブレーキロータ３６は、ディスク型であって、前記内輪３３に取付けられた円板状部分３６ａと、その外周縁から車輪用軸受３１の外周の一部を囲むように延びる中間円筒状部３６ｂと、その先端から外径側へ延びる外径側円板状部３６ｃとでなり、この外径側円板状部３６ｃが、前記ブレーキキャリパ３７により開閉される一対のブレーキパッド３７ａ，３７ｂで挟み付けられる。ブレーキキャリパ３７は、油圧式および機械式のいずれであっても良く、また電動モータ式であっても良い。ブレーキキャリパ３７は前記足回りフレーム部品３９に取付けられている。
図３〜図５に示すように、電動発電機８は、内周側の環状のステータ４１とその外周に位置する環状のロータ４２とでなり、ステータ４１は車輪用軸受３１の外輪３２に嵌合により、またはボルトによる締結により一体に固定されている。ステータ４１およびロータ４２は、簡略化して図示しているが、この例では、電動発電機８はＩＰＭモータ等の同期モータであり、ステータ４１はステータコア４１ａとステータコイル４１ｂとで構成される。ステータコア４１ａの各ティースに、ステータコイル４１ｂが巻回されている。ロータ４２は磁性体４２ａと永久磁石４２ｂとで構成される。ロータ４２はハブ輪である内輪３３のフランジ部３３ａに、軸方向の一端で取付部品４３によって嵌合または締結等により固定状態に取付けられている。ロータ４２は、その軸方向の一部がブレーキロータ３６の前記中間円筒状部３６ｂが収まっている。
前記電動発電機８は、ハブ輪である内輪３３にロータ４２が取付付けられているため、中電圧バッテリー１９から電動発電機８に電流を印加（給電）すると内輪３３が回転駆動され、逆に電力回生時には誘起電圧を負荷することで回生電力を得ることができ、中電圧バッテリー１９に給電を行うことが可能である。
前記電動発電機８は、車輪用軸受３１の外周とブレーキキャリパ３７との間、より具体的にはブレーキロータ３６の中間円筒状部３６ｂとの間に構成されるため、車両２に搭載する際には従動輪周辺の減衰装置などの構造の変更が必要ない。さらに、車輪用軸受３１についても、外輪３２以外の、内輪３３などの構成部品は既存品を流用できる。なお、図示の車輪用軸受３１は内輪回転タイプの第３世代型への適用例について示しているが、外輪回転タイプや第１、２世代型などの車軸用軸受であっても適用可能である。
また、図示の電動発電機８はアウターロータ式のＩＰＭモータであるが、インナーロータ式でもよい。また、電動発電機８は、ＳＰＭモータ、ＩＭ、ＳＲモータなど各種のモータとすることができる。コイルも、分布巻、集中巻のいずれでも良い。
前記車輪用軸受３１には、内輪３３のフランジ部３３ａと外輪３２との間に回転検出装置４５が設けられている。この回転検出装置４５は、内輪３３に設けられたエンコーダ部４５ａと外輪３２に取付けられて前記エンコーダ部４５ａを読み取るセンサ部４５ｂとでなる。この回転検出装置４５は、レゾルバ、ホール素子、光学式、磁気式など、形式および搭載位置を問わない。
図１と共に、車両２の制御系を説明する。上位ＥＣＵ１３は車両２の統合制御を行う手段であり、これに、アクセルペダル等のアクセル操作手段４６およびブレーキペダル等のブレーキ操作手段４７からそれぞれ入力される操作量の信号に従ってトルク指令を生成するトルク指令生成手段１３が設けられている。この車両２は、主駆動源５として内燃機関５ａおよび駆動輪側の電動発電機５ｂを備え、また２つの従動輪４，４をそれぞれ駆動する２つの電動発電機８，８を備えるため、前記トルク指令を前記各駆動源５ａ，５ｂ，８，８に定められた規則によって分配するトルク指令分配手段１４が前記上位ＥＣＵ１３設けられている。内燃機関５ａに対するトルク指令は内燃機関制御手段１７に伝達され、内燃機関制御手段１７によってバルブ開度制御等に用いられる。駆動輪側の電動発電機５ｂに対するトルク指令は駆動輪側電動発電機制御手段１８に伝達されて実行される。従動輪側の電動発電機８，８に対するトルク指令は、前記個別制御手段９，９に伝達される。前記トルク指令分配手段１４のうち、個別制御手段９，９へ出力する部分を個別電動発電機指令手段１５と称している。この個別電動発電機指令手段１５は、ブレーキ操作手段４７の操作量の信号に対して、電動発電機８が回生制動により制動を分担する制動力の指令となるトルク指令を個別制御手段９へ与える機能も備える。
個別制御手段９はインバータ装置であり、中電圧バッテリー１９の直流電力を３相の交流電圧に変換するインバータ１１と、前記トルク指令等により前記インバータ１１の出力をＰＷＭ制御等で制御する制御部１２とを有する。前記インバータ１１は、半導体スイッチング素子等によるブリッジ回路（図示せず）と、電動発電機８の回生電力を中電圧バッテリー１９に充電する充電回路（図示せず）とを備える。なお、個別制御手段９は、２つの電動発電機８，８に対して個別に設けられるが、一つの筐体内に収められ、制御部１２を両個別制御手段９，９で共有する構成であっても良い。
図２は、図１に示した（マイルド）ハイブリッド車の電気系統図である。同図の例では、バッテリーとして低電圧バッテリー２０と中電力バッテリー１９とが設けられ、両バッテリー１９，２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１を介して接続されている。電動発電機８は二つあるが、代表して一つで図示している。また、図１の駆動輪側の電動発電機５ｂは、図２では図示を省略しているが、従動輪側の電動発電機８と並列に中電力系統に接続されている。低電圧系統には低電圧負荷２２が接続され、中電圧系統には中電圧負荷２３が接続される。低電圧負荷２２および中電圧負荷２３は、それぞれ複数あるが、代表して一つで示している。
低電圧バッテリー２０は、制御系等の電源として各種の自動車一般に用いられているバッテリーであり、例えば１２Ｖまたは２４Ｖとされる。前記低電圧負荷２２としては、内燃機関５ａのスタータモータや、灯火類、上位ＥＣＵ１０やその他のＥＣＵ（図示せず）等の基幹部品がある。低電圧バッテリー２０は電装補機類用補助バッテリー、中電圧バッテリー１９は電動システム用補助バッテリー等と称しても良い。
中電圧バッテリー１９は、低電圧バッテリー２０よりも電圧が高く、かつストロングハイブリッド車等に用いられる高圧バッテリー（１００Ｖ以上、例えば２００〜４００Ｖ程度）よりも低く、かつ作業時に感電による人体への影響が問題とならない程度の電圧であり、近年マイルドハイブリッド車に用いられている４８Ｖバッテリーが好ましい。４８Ｖバッテリー等の中電圧バッテリー１９は、従来の内燃機関を搭載した車両に比較的容易に搭載することができ、マイルドハイブリッドシステムとして電力による動力アシストや回生により、燃費低減することができる。
前記４８Ｖ系統の中電圧負荷２３は前記アクセサリー部品であり、低電圧負荷２２よりも高電圧の負荷である。前記４８Ｖ系統の中電圧負荷２３は、前記駆動輪側の電動発電機５ｂである動力アシストモータや、この他に電動ポンプ、電動パワーステアリング、スーパーチャージャ、エアーコンプレッサなどである。アクセサリーによる負荷を４８Ｖ系統で構成することで、高電圧（１００Ｖ以上のストロングハイブリッド車など）よりも動力アシストの出力が低くなるものの、乗員やメンテナンス作業者への感電の危険性を低くすることができる。電線の絶縁被膜を薄くすることができるので、電線の重量や体積を減らすことができる。また、１２Ｖよりも小さな電流量で大きな電力量を入出力することができるため、電動機や発電機の体積を小さくすることができる。これらのことから、車両の燃費低減効果に寄与する。
この実施形態の車両動力補助システムは、こうしたマイルドハイブリッド車のアクセサリー部品に好適であり、動力アシストや電力回生部品として適用される。なお、従来よりマイルドハイブリッド車において、内燃機関とトランスミッション間やギアボックスとリアデフ間に電動発電機を搭載することや（ＣＭＧ、ＧＭＧと称す）、内燃機関に直接ベルト駆動式スタータモータを搭載する（いずれも図示せず）ことがあるが、これらはいずれも、内燃機関や動力装置に対して動力アシストや回生するため、伝達装置や減速機などの効率の影響を受ける。これに対してこの実施形態の車両動力補助システム１は従動輪４に対して搭載されるため、内燃機関５ｂや電動モータ（図示せず）等の主駆動源とは切り離されており、電力回生の際には、従動輪４の回転により回生を行うことで、車体１の運動エネルギーを直接利用することができる。また、内燃機関からタイヤまでの動力伝達部間に電動発電機を搭載する際には、車両２の設計段階から考慮して組み込む必要があり、後付けすることが難しいが、従動輪４内に収まるこの車両動力補助システム１の電動発電機８は、完成車であっても部品交換と同等の工数で取り付けることができ、内燃機関５ｂのみの完成車に対しても４８Ｖのシステムを構成することができる。また、この実施形態の車両動力補助システム１を搭載した車両に、図１の例のように別の電動発電機５ｂが搭載されていても構わない。その際は車両２に対する動力アシスト量や回生電力量を増加させることができ、さらに燃費低減に寄与する。
上記構成の車両動力補助システム１の動作及び作用効果を整理して次に示す。
(1) 制動時
今まで機械式ブレーキで熱変換していたエネルギーを、電動発電機８を発電機として、電動発電機８と電気的に接続している前記中電圧バッテリー１９に電力を蓄え、制動力を発生させることにより、今まで捨てられていたエネルギーを回収することができる。
(2) 加速、定常走行時
主駆動源５に内燃機関（エンジン）５ａを持つ車両２の場合、車両２の走行状態（車速、走行抵抗など）に併せて、エンジン効率が良くなる回転数・トルクとなるように電動発電機８を駆動させる。これにより、エンジン効率がよくなり、燃費改善に貢献できる。
例えば、加速時に電動発電機８の駆動力補助や定速走行やクルージング状態で駆動力付加もしくは発電作用させることができる。
(3) 走行性能の向上
レーンチェンジのための加速時や旋回時において、電動発電機８を個々に制御することにより、より安定した走行が可能となる。
(4) 低摩擦路面の走行
雨天時や雪道などの低摩擦路面での動き出しや停止の際、電動発電機８によりタイヤのトラクションを制御し、安定した走行が可能となる。路面に近いタイヤ４ｂ内に電動発電機８を備えるため、応答性の良い操作性となる。回転検出装置４５（図３参照）を備えており、車載のブレーキセンサなどを省略できる。
(5) 取付性
従来形式の一般的な内燃機関駆動の自動車において、足回りフレーム部品３９の簡単な変更程の設計変更により、足回りフレーム部品３９に取付けるだけの簡単な取付方法が採れる。
なお、前記実施形態は、ハイブリッド車に適用した例につき説明したが、この発明は、主駆動源５が内燃機関のみの車両や、主駆動源５が電動モータのみの車両にも適用することができる。
上述した実施形態においては、車両動力補助システム１が、電動発電機８を備え、電動発電機８は、従動輪４の回転で発電を行うとともに、給電により電動発電機８を回転駆動する例を示した。しかしながら、車両動力補助システム１の変形例として、発電を行う機能を有するが、給電による回転駆動をしない車両従動輪回生システム１としてもよい。
すなわち、図１〜図３に示すように、この車両従動輪回生システム１は、駆動輪３の走行駆動を行う主駆動源５と機械的に非連結である従動輪４を持つ車両２において、従動輪４が車輪用軸受３１で支持され、従動輪４の回転で発電を行う発電機８が車輪用軸受３１に搭載されている。この発電機８は、ロータ４２が車輪用軸受３１の内輪（回転側輪）３３に増減速手段を介することなく固定され、発電機８が発電した回生電力を蓄電する中電圧バッテリー（蓄電手段）１９を備える。
このような構成であっても、上述した実施形態と同様に、今まで捨てられていたエネルギーを回収することができる。すなわち発電機８が発電した回生電力を中電圧バッテリー１９に蓄えることにより、制動力を発生させることができる。機械式のブレーキ３５と併用や使い分けで、制動性能も向上させることができる。
従動輪用の車輪用軸受３１に発電機８が搭載されるため、発電機８を搭載するスペースを確保し易く、既存の車輪用軸受を大きく設計変形することなく発電機８を設けることができる。これにより、車両従動輪回生システム１の汎用性を高めることができる。
発電機８は、車輪用軸受３１に搭載され、そのロータ４２が車輪用軸受３１の内輪（回転側輪）３３に増減速手段を介することなく固定されたダイレクトドライブ形式であるため、クラッチ、動力配分機構、ドライブシャフト等が不要である。このため、部品点数の低減を図って構造を簡易化し、車両重量の増大も抑えることができる。構造を簡易化できるため、コスト低減を図れる。また車両重量の増大を抑えることができるため、燃料消費量を抑制し得る。
このように発電を行う機能に限定した場合、個別制御手段９はインバータ装置ではなく、AC/DCコンバータ装置（図示せず）として構成することができる。前記AC/DCコンバータ装置は、３相交流電圧を直流電圧に変換することで、発電機８の回生電力を中電圧バッテリー１９に充電する機能を備え、インバータと比較すると制御方法が容易であり、小型化が可能となる。尚、上述の実施形態の電動発電機８を発電にのみ使用しており、この場合、電動発電機８は発電機８と表記してもよい。
以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１…車両動力補助システム（車両従動輪回生システム）
２…車両
３…駆動輪
４…従動輪
４ａ…ホイール
５…主駆動源
５ａ…内燃機関
５ｂ…駆動輪側の電動発電機
８…従動輪側の電動発電機（発電機）
９…個別制御手段
１０…上位ＥＣＵ
１３…トルク指令手段
１４…トルク指令分配手段
１５…個別電動発電機指令手段
１９…中電圧バッテリー（蓄電手段）
２０…低電圧バッテリー
２１…ＤＣ／ＤＣコンバータ
２３…中電圧負荷（アクセサリー部品）
３１…車輪用軸受
３２…外輪
３３…内輪
３５…ブレーキ
３７…ブレーキキャリパ
３６…ブレーキロータ
３９…足回りフレーム部品
４１…ステータ
４２…ロータ
４５…回転検出装置

Claims (8)

  1. 駆動輪の走行駆動を行う主駆動源と機械的に非連結である従動輪を持つ車両において、前記従動輪が、この従動輪の回転で発電を行いかつ給電されることによって前記従動輪を回転駆動可能な走行補助用の電動発電機が搭載された車輪用軸受で支持され、前記電動発電機は、ロータが前記車輪用軸受の回転側輪に増減速手段を介することなく固定され、前記電動発電機が発電した回生電力を蓄電しその蓄電した電力を前記電動発電機に給電する蓄電手段を備える車両動力補助システム。
  2. 請求項１に記載の車両動力補助システムにおいて、前記主駆動源が内燃機関を含む車両動力補助システム。
  3. 請求項１または請求項２に記載の車両動力補助システムにおいて、前記車両が複数の従動輪に対して前記電動発電機を有し、各従動輪で個々に前記電動発電機を制御する複数の個別制御手段を備える車両動力補助システム。
  4. 請求項３に記載の車両動力補助システムにおいて、前記車両の統合制御を行う上位ＥＣＵに、前記各電動発電機の前記各個別制御手段に駆動および回生の制御を行わせる指令を出力する個別電動発電機指令手段を有する車両動力補助システム。
  5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の車両動力補助システムにおいて、前記車両が、この車両の統合制御を行う上位ＥＣＵの電源となる低電圧バッテリーと、この低電圧バッテリーよりも蓄電電圧が高くてアクセサリー部品の電源として用いられる中電圧バッテリーとを備え、前記電動発電機と接続された前記蓄電手段が前記中電圧バッテリーである車両動力補助システム。
  6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の車両動力補助システムにおいて、前記電動発電機が、前記車輪用軸受の前記回転輪に取付けられたブレーキロータの外周部に接するブレーキキャリパと前記車輪用軸受の外輪との間の径方向範囲に収まる車両動力補助システム。
  7. 車両の動力を補助する車両動力補助システムであって、
    低電圧負荷に給電を行う低電圧バッテリーと、
    前記低電圧バッテリーよりも蓄電電圧が高く、前記低電圧負荷よりも高電圧の負荷である中電圧負荷に給電を行う中電圧バッテリーと、
    前記低電圧バッテリーと前記中電圧バッテリーとを接続するコンバータと、
    前記車両の従動輪の車輪用軸受に設けられ、前記中電圧バッテリーと電気的に接続する電動発電機とを備え、
    前記電動発電機は、前記従動輪の回転により回生を行い、前記中電圧バッテリーに給電を行うとともに、前記中電圧バッテリーからの給電により、前記従動輪を回転駆動することを特徴とする車両動力補助システム。
  8. 駆動輪の走行駆動を行う主駆動源と機械的に非連結である従動輪を持つ車両従動輪回生システムにおいて、
    前記従動輪が車輪用軸受で支持され、前記従動輪の回転で発電を行う発電機が前記車輪用軸受に搭載され、前記発電機は、ロータが前記車輪用軸受の回転側輪に増減速手段を介することなく固定され、前記発電機が発電した回生電力を蓄電する蓄電手段を備える車両従動輪回生システム。
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