JP2018130991A - 車両 - Google Patents

Abstract

【課題】燃費を向上でき、電力損失を低減可能な車両を提供する。
【解決手段】車両１０は、前輪Ｗｆを駆動するエンジンＥＮＧと、エンジンＥＮＧの動力で発電可能なモータ機能付発電機ＩＳＧと、モータ機能付発電機ＩＳＧに電気的に接続される低電圧バッテリＬＢＡＴ及び低電圧装置３１を有する低電圧システム３０と、後輪Ｗｒを駆動する電動機ＭＯＴと、電動機ＭＯＴと電力を授受可能な高電圧バッテリＨＢＡＴ及びインバータＩＶＴを有する高電圧システム４０と、を備える。高電圧バッテリＨＢＡＴは外部からの電力を受けて充電可能である。高電圧システム４０と低電圧システム３０とは、電気的に隔絶されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動源として内燃機関及び電動機を備える車両に関する。

従来より、駆動源として内燃機関及び電動機を備える車両が知られている。例えば、特許文献１に記載の車両では、前輪を駆動するエンジン、エンジン制御ユニット、及びオートマチックトランスミッションに対し、後輪を駆動するモータ、バッテリ、及びモータ制御ユニットを車両に対して着脱可能にして、四輪駆動化をオプション化、後付化することが記載されている。

特開２００２−３１６５４７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の車両では、後輪駆動用のモータ等が後付するものであるため、後輪駆動用の電動機によるＥＶ走行を行うことができず、燃費の低減、排気ガスへの対応という点で改善の余地があった。また、後輪駆動用のモータに接続されるバッテリは高電圧バッテリであるにもかかわらずモータ以外に電力を供給することができないため、エンジンを利用して発電した電力でモータ以外の車両に必要な全電力を賄わなければならず電力消費の効率化の点でも改善の余地があった。

さらに、エンジン制御装置と通信ラインで接続されるモータ制御装置も着脱可能であり、車両の制御に必要なステアリング制御、ブレーキ制御といった各制御装置からの複数の情報をエンジン制御装置で演算処理してモータ制御装置に送信するため、エンジン制御装置の処理が煩雑化してしまう虞がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、燃費を向上でき、電力損失を低減可能な車両を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
前輪（例えば、後述の実施形態の前輪Ｗｆ）及び後輪（例えば、後述の実施形態の後輪Ｗｒ）のいずれか一方を駆動する内燃機関（例えば、後述の実施形態のエンジンＥＮＧ）と、
該内燃機関の動力で発電可能な発電機（例えば、後述の実施形態のモータ機能付発電機ＩＳＧ）と、
該発電機に電気的に接続される低電圧バッテリ（例えば、後述の実施形態の低電圧バッテリＬＢＡＴ）及び該低電圧バッテリの電力で駆動する低電圧装置（例えば、後述の実施形態の低電圧装置３１）を有する低電圧システム（例えば、後述の実施形態の低電圧システム３０）と、
前記前輪及び前記後輪の他方を駆動する電動機（例えば、後述の実施形態の電動機ＭＯＴ）と、
前記電動機と電力を授受可能な高電圧バッテリ（例えば、後述の実施形態の高電圧バッテリＨＢＡＴ）及び該高電圧バッテリと前記電動機との電力伝達経路上に配置されるインバータ（例えば、後述の実施形態のインバータＩＶＴ）を有する高電圧システム（例えば、後述の実施形態の高電圧システム４０）と、を備える車両（例えば、後述の実施形態の車両１０）であって、
前記高電圧バッテリは外部からの電力を受けて充電可能であり、
前記高電圧システムと前記低電圧システムとは、電気的に隔絶されている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の車両であって、
前記高電圧システムは、前記高電圧バッテリの電力で駆動する高電圧装置（例えば、後述の実施形態の高電圧装置４１）を有する。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の車両であって、
前記発電機は、前記内燃機関の始動が可能なモータ機能付発電機であり、
前記内燃機関と前記発電機との動力伝達経路上には変速機（例えば、後述の実施形態の第１変速機ＴＭ１）と、解放又は締結により前記動力伝達経路を遮断又は接続する断接手段（例えば、後述の実施形態の奇数段クラッチ２３、偶数段クラッチ２４）と、を備える。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両であって、
前記内燃機関を制御する内燃機関制御装置（例えば、後述の実施形態のエンジン制御装置）と、前記電動機を制御する電動機制御装置（例えば、後述の実施形態のモータ制御装置）とは、同一の車載ネットワーク上で接続されている。

請求項１に記載の発明によれば、低電圧システムと高電圧システムとは電気的に隔絶されているので、前輪駆動装置と後輪駆動装置とを完全に分離して設計することができる。これにより、システムの煩雑化を防止でき、煩雑な協調制御を防止できる。
また、発電機は高電圧システムに接続されていないものの、基本的に前輪及び後輪のいずれか一方の車輪の回転運動をそのまま発電に使用することで、低電圧システムに必要な電力を十分に確保することができる。このように、高電圧システムから電力を受けなくても“走る・曲がる・止まる”に必要な制御装置に関しては低電圧システムで電力をまかなうことができる。一方、高電圧バッテリは外部からの電力を受けて充電できるので、内燃機関の動力を直接電力に変換することなく、電動機によりＥＶ走行を行うことができ、電力変換時の熱損失を無くすことができる。

請求項２に記載の発明によれば、エアコン、車載マルチメディア装置等の民生品機器、即ち、高電圧のまま使用可能な高電圧装置を高電圧システムからの電力で駆動することで、車両内に昇圧制御回路やＤＣ‐ＤＣコンバーター等の車載制御装置を搭載することによる電力変換時の熱損失を無くすことができる。また、それらの制御装置に供給する必要な電力を抑えることができるため低電圧バッテリや発電機の小型化を実現でき、コストを低減できる。

請求項３に記載の発明によれば、内燃機関の始動が可能なモータ機能付発電機、即ちＩＳＧ（integrated starter generator）が変速機及び断接手段を介して内燃機関に接続されているので、回生発電時に内燃機関を停止し断接手段を解放することで内燃機関のフリクションによる機械損失を抑制できる。また、変速機のギヤ段を変更することにより回転数を可変にすることができるため、内燃機関の始動時や発電時に最適なレシオにて回転を維持することができる。

請求項４に記載の発明によれば、内燃機関を制御する制御装置と電動機を制御する制御装置とが同一の車載ネットワーク上で接続されているので、電動機を制御する制御装置は、ステアリング制御装置やブレーキ制御装置等とエンジン制御装置とが送受信している車両の基本的な制御情報を参照することができる。そのため、従来のエンジン走行を制御する各制御装置がＥＶ制御装置に対し煩雑な処理を行う事なく、エンジン走行またはＥＶ走行を切り替えるのみで、電動機制御装置はアクセス操作状態やブレーキ操作状態を取得することができ、車両はＥＶ走行を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る車両の概略構成を示す概略構成図である。 図１の変速機のスケルトン図である。 走行選択のフローを示すフロー図である。 ＥＶ走行モードにおける各装置の駆動状態を示すタイミングチャートである。

以下、本発明に係る車両の一実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態の車両１０は、機械的に独立した前輪駆動装置１１と後輪駆動装置１２とを備える。なお、「機械的に独立した」とは、プロペラシャフト等により一方の動力が機械的に他方に伝達されないことを意味する。車両１０は、前輪駆動装置１１による前輪駆動走行（エンジン走行）と、後輪駆動装置１２による後輪駆動走行（ＥＶ走行）と、前輪駆動装置１１と後輪駆動装置１２とによる四輪駆動走行（ＥＶアシスト走行）と、が可能となっている。

前輪駆動装置１１は、前輪Ｗｆを駆動する動力を発生するエンジンＥＮＧと、エンジンＥＮＧと前輪Ｗｆとの動力伝達経路上に設けられる第１変速機ＴＭ１と、を備える。第１変速機ＴＭ１は、マニュアルトランスミッション（ＭＴ）でもよく、オートマティックトランスミッション（ＡＴ）でもよいが、本実施形態では、ＤＣＴ(Dual-clutch transmission)が例示される。

第１変速機ＴＭ１は、図２に示すように、全部で７速の変速段を有する奇数段ギヤ２１及び偶数段ギヤ２２と、解放又は締結により奇数段ギヤ２１とエンジンＥＮＧとの動力伝達経路を解放状態又は接続状態にする奇数段クラッチ２３と、解放又は締結により偶数段ギヤ２２とエンジンＥＮＧとの動力伝達経路を解放状態又は接続状態にする偶数段クラッチ２４と、奇数段ギヤ２１及び偶数段ギヤ２２と共に噛み合う複数の従動ギヤ２５と、従動ギヤ２５と一体に回転しディファレンシャル装置２６と噛み合う出力ギヤ２７と、を備える。

奇数段ギヤ２１及び偶数段ギヤ２２は、いずれも不図示のシフト装置によりいずれかのギヤが軸と結合可能に構成される。例えば、奇数段ギヤ２１のうち第１速ギヤがシフト装置により軸と結合された状態で、奇数段クラッチ２３が締結されると、エンジンＥＮＧの動力が第１速ギヤを介して前輪Ｗｆに伝達され、偶数段ギヤ２２のうち第２速ギヤがシフト装置により軸と結合された状態で、偶数段クラッチ２４が締結されると、エンジンＥＮＧの動力が第２速ギヤを介して前輪Ｗｆに伝達される。

また、偶数段クラッチ２４と偶数段ギヤ２２との動力伝達経路上に設けられたアイドルギヤ２８には、モータ機能付発電機ＩＳＧが接続される。したがって、エンジンＥＮＧが停止した状態で偶数段クラッチ２４を締結することで、エンジンＥＮＧを始動することができる。また、シフト装置により偶数段ギヤ２２のいずれかのギヤが軸と結合された状態では、前輪Ｗｆの回転動力によりモータ機能付発電機ＩＳＧで発電できる。なお、第１変速機ＴＭ１のギヤ段を変更することにより回転数を可変にすることができるため、発電時に最適なレシオにて回転を維持することができる。さらに、車両を減速するときの回生充電時には、偶数段クラッチ２４を解放することでエンジンＥＮＧの連れ回りを防止でき、エンジンＥＮＧのフリクションによる機械損失を抑制できる。

図１に戻って、前輪駆動装置１１は、低電圧システム３０に電気的に接続される。低電圧システム３０は、低電圧バッテリＬＢＡＴ（例えば、１２Ｖバッテリ）と、低電圧バッテリＬＢＡＴの電力で駆動する低電圧装置３１を有する。低電圧バッテリＬＢＡＴは、モータ機能付発電機ＩＳＧに接続され、モータ機能付発電機ＩＳＧがエンジンＥＮＧの動力若しくは前輪Ｗｆの回転動力により発電することで充電される。低電圧装置３１は、主として“走る・曲がる・止まる”に必要な制御装置であり、車体系制御装置、Ａｕｄｉｏ装置、各制御装置ＥＣＵ、ＥＰＳ、灯体等から構成される。低電圧装置３１の制御装置ＥＣＵにはエンジン制御装置が含まれている。

後輪駆動装置１２は、後輪Ｗｒを駆動する動力を発生する電動機ＭＯＴと、電動機ＭＯＴと後輪Ｗｒとの動力伝達経路上に設けられる第２変速機ＴＭ２と、を備える。第２変速機ＴＭ２も、第１変速機ＴＭ１と同様に、マニュアルトランスミッション（ＭＴ）でもよく、オートマティックトランスミッション（ＡＴ）でもよい。

後輪駆動装置１２の電動機ＭＯＴは、高電圧システム４０に電気的に接続される。高電圧システム４０は、電動機ＭＯＴと電力を授受可能な高電圧バッテリＨＢＡＴ（例えば、１００Ｖバッテリ、２００Ｖバッテリ）と、高電圧バッテリＨＢＡＴと電動機ＭＯＴとの電力伝達経路上に配置されるインバータＩＶＴと、高電圧装置４１と、を有する。高電圧バッテリＨＢＡＴは外部からの電力を受けて充電可能である。また、高電圧バッテリＨＢＡＴは、電動機ＭＯＴが後輪Ｗｒの回転動力により発電することでも充電される。

高電圧装置４１は、高電圧バッテリＨＢＡＴからの高電圧のままの電力で使用可能な装置である、エアコン、車載マルチメディア装置等の民生品機器、制御装置ＥＣＵから構成される。高電圧装置４１の制御装置ＥＣＵにはモータ制御装置が含まれている。

ここで、前輪駆動装置１１に接続される低電圧システム３０と、後輪駆動装置１２に接続される高電圧システム４０とは、電気的に隔絶されている。したがって、エンジンＥＮＧの動力で直接的に高電圧バッテリＨＢＡＴを充電することや、高電圧バッテリＨＢＡＴと低電圧バッテリＬＢＡＴ間で電力を授受することはできない。したがって、前輪駆動装置１１と後輪駆動装置１２とを完全に分離して設計することができる。これにより、システムの煩雑化を防止でき、煩雑な協調制御を防止できる。また、車両内に昇圧制御回路やＤＣ‐ＤＣコンバーター等の車載制御装置を搭載する必要がない。

ただし、低電圧システム３０の各制御装置ＥＣＵと高電圧システムの制御装置ＥＣＵとは車載ネットワークにより通信可能となっている。したがって、後輪駆動装置１２は、ステアリング制御装置やブレーキ制御装置等とエンジン制御装置とが送受信している車両の基本的な制御情報をモータ制御装置が参照することでＥＶ走行を実現することができる。なお、低電圧システム３０の各制御装置ＥＣＵと高電圧システムの制御装置ＥＣＵとは、車載ネットワークの他に、ＳＭＩ（System/Social Machine Interface）に接続されていてもよい。

次に、車両１０の走行モード切替制御について図３に基づいて説明する。
先ず、高電圧バッテリＨＢＡＴのバッテリ容量を算出する（Ｓ１）。続いて、高電圧バッテリＨＢＡＴのバッテリ容量が所定値以上、即ちＥＶ走行を行うのに十分なバッテリ容量を有しているかどうかを検出する（Ｓ２）。その結果、高電圧バッテリＨＢＡＴのバッテリ容量が所定値未満であれば、エンジン走行モードに移行し（Ｓ３）、ＥＶ走行制御を停止する（Ｓ４）。なお、ＥＶ走行制御が停止された状態においても、後輪駆動装置１２の電動機ＭＯＴで回生を行うことは許容される。

高電圧バッテリＨＢＡＴのバッテリ容量が所定以上であれば、車両の基本情報（例えば、ユーザー操作情報、車速情報、低電圧バッテリＬＢＡＴのバッテリ容量）を取得する（Ｓ５）。続いて、低電圧バッテリＬＢＡＴのバッテリ容量が所定以下か否か、及び所定時間以上走行していないかどうかを検出する（Ｓ６）。その結果、低電圧バッテリＬＢＡＴのバッテリ容量が所定以下であり、且つ停車状態で回生発電による低電圧バッテリＬＢＡＴの充電回復が見込めない場合に、エンジン走行に移行し（Ｓ３）、エンジンＥＮＧによる低電圧バッテリＬＢＡＴの充電を実施する。

また、低電圧バッテリＬＢＡＴのバッテリ容量が所定以下でなく、走行状態が継続しており回生発電による低電圧バッテリＬＢＡＴのバッテリ容量の充電が可能な場合はＥＶ走行モードに移行し（Ｓ７）、ＥＶ走行制御を実行する（Ｓ８）。

続いて、ＥＶ走行モードにおける各装置の駆動状態について図４を参照しながら説明する。

先ず、ＥＶ走行モードにおいて、車両１０の走行中、前輪駆動装置１１は、エンジンＥＮＧ（Ｅｎｇ）及び未使用デバイス、未使用センサの通電を停止するパワーセーブモード（休止モード）に制御される。また、第１変速機ＴＭ１（Ｍｉｓｓ）においては、奇数段クラッチ２３及び偶数段クラッチ２４を解放（クラッチＯＦＦ）して奇数段ギヤ２１及び偶数段ギヤ２２とエンジンＥＮＧとの動力伝達経路を解放状態にする（休止モード）。このようにＥＶ走行モードでは、エンジンシステムを休止し消費電力を削減する。

発進時、後輪駆動装置１２の電動機ＭＯＴを高トルクで駆動することで、車両１０は発進・加速する。

低速クルーズ時には、電動機ＭＯＴを低トルクで駆動することで、車両１０は一定車速で走行する。このとき、前輪駆動装置１１の第１変速機ＴＭ１のシフト装置で最適なギヤを選択することで、前輪Ｗｆの回転動力を利用してモータ機能付発電機ＩＳＧで発電し、低電圧バッテリＬＢＡＴを充電できる。

加速時、後輪駆動装置１２の電動機ＭＯＴを高トルクで駆動することで、車両１０は加速する。このときモータ機能付発電機ＩＳＧの発電を停止する。

中速クルーズ時、再び電動機ＭＯＴを低トルクで駆動することで、車両１０は一定車速で走行する。このときも、前輪駆動装置１１の第１変速機ＴＭ１のシフト装置で最適なギヤを選択することで、前輪Ｗｆの回転動力を利用してモータ機能付発電機ＩＳＧで発電し、低電圧バッテリＬＢＡＴを充電できる。

減速時、電動機ＭＯＴを回生駆動することで、車両１０は減速する。このとき、モータ機能付発電機ＩＳＧも回生駆動することで、電動機ＭＯＴ及びモータ機能付発電機ＩＳＧで車両１０に制動力を発生させることができるとともに、電動機ＭＯＴの発電により高電圧バッテリＨＢＡＴを充電できるとともに、モータ機能付発電機ＩＳＧの発電により低電圧バッテリＬＢＡＴも充電できる。

停車時、渋滞が予測される場合には、エンジンシステムを起動しモータ機能付発電機ＩＳＧでエンジンＥＮＧを始動する。車両１０の停車時には後輪駆動装置１２の電動機ＭＯＴは停止状態を維持する。また、渋滞時には、低電圧バッテリＬＢＡＴのバッテリ容量が低くなるため、エンジンＥＮＧの動力を利用してモータ機能付発電機ＩＳＧで発電することで低電圧バッテリＬＢＡＴを充電できる。なお、エンジン走行に比べてモータ機能付発電機ＩＳＧによる発電のためのエンジン駆動は駆動力が少なくてよいので、気筒休止制御をすることで燃費の悪化を防止できる。第１変速機ＴＭ１は、車両１０の発進に備えて、シフト装置を発進に適したギヤを選択しておく（インギア発進）ことで、発進要求に応じて奇数段クラッチ２３又は偶数段クラッチ２４を締結することで即座に車両１０を発進させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、低電圧システム３０と高電圧システム４０とは電気的に隔絶されているので、前輪駆動装置１１と後輪駆動装置１２とを完全に分離して設計することができる。これにより、システムの煩雑化を防止でき、煩雑な協調制御を防止できる。

また、モータ機能付発電機ＩＳＧは高電圧システム４０に接続されていないものの、基本的に前輪Ｗｆの回転運動をそのまま発電に使用することで、低電圧システム３０に必要な電力（例えば、２００Ｗ程度）を十分に確保することができる。このように、高電圧システム４０から電力を受けなくても“走る・曲がる・止まる”に必要な制御装置に関しては低電圧システム３０で電力をまかなうことができる。一方、高電圧バッテリＨＢＡＴは外部からの電力を受けて充電できるので、エンジンＥＮＧの動力を直接電力に変換することなく、電動機ＭＯＴによりＥＶ走行を行うことができ、電力変換時の熱損失を無くすことができる。

また、エアコン、車載マルチメディア装置等の民生品機器、即ち、高電圧のまま使用可能な高電圧装置４１を高電圧システム４０からの電力で駆動することで、車両内に昇圧制御回路やＤＣ‐ＤＣコンバーター等の車載制御装置を搭載することによる電力変換時の熱損失を無くすことができる。また、それらの制御装置に供給する必要な電力を抑えることができるため低電圧バッテリＬＢＡＴやモータ機能付発電機ＩＳＧの小型化を実現でき、コストを低減できる。

また、前輪駆動装置１１において、エンジンＥＮＧとモータ機能付発電機ＩＳＧとの動力伝達経路上には第１変速機ＴＭ１と、解放又は締結により動力伝達経路を遮断又は接続するクラッチ２３、２４と、が設けられている。即ち、エンジンＥＮＧの始動が可能なモータ機能付発電機ＩＳＧが第１変速機ＴＭ１及びクラッチ２３、２４を介してエンジンＥＮＧに接続されているので、回生発電時にエンジンＥＮＧを停止しクラッチ２３、２４を解放することでエンジンＥＮＧのフリクションによる機械損失を抑制できる。また、第１変速機ＴＭ１のギヤ段を変更することにより回転数を可変にすることができるため、エンジンＥＮＧの始動時や発電時に最適なレシオにて回転を維持することができる。

また、エンジンＥＮＧを制御するエンジン制御装置と電動機ＭＯＴを制御するモータ制御装置とが同一の車載ネットワーク上で接続されているので、電動機ＭＯＴを制御するモータ制御装置は、ステアリング制御装置やブレーキ制御装置等とエンジン制御装置とが送受信している車両の基本的な制御情報を参照することができる。そのため、従来のエンジン走行を制御する各制御装置がＥＶ制御装置に対し煩雑な処理を行う事なく、エンジン走行またはＥＶ走行を切り替えるのみで、電動機ＭＯＴのＥＣＵはアクセス操作状態やブレーキ操作状態を取得することができ、車両１０はＥＶ走行を実現することができる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
上記実施形態では、前輪駆動装置１１がエンジンＥＮＧを備え、後輪駆動装置１２が電動機ＭＯＴを備えるものであったが、前輪駆動装置１１が電動機ＭＯＴを備え、後輪駆動装置１２がエンジンＥＮＧを備えるものでもよい。

１０ 車両
２３ 奇数段クラッチ（断接手段）
２４ 偶数段クラッチ（断接手段）
３０ 低電圧システム
３１ 低電圧装置
４０ 高電圧システム
４１ 高電圧装置
ＥＣＵ 制御装置（内燃機関制御装置、電動機制御装置）
ＥＮＧ エンジン（内燃機関）
ＩＳＧ モータ機能付発電機（発電機）
ＩＶＴ インバータ
ＬＢＡＴ 低電圧バッテリ
ＨＢＡＴ 高電圧バッテリ
ＭＯＴ 電動機
ＴＭ１ 第１変速機（変速機）
Ｗｆ 前輪
Ｗｒ 後輪

Claims (4)

1. 前輪及び後輪のいずれか一方を駆動する内燃機関と、
   該内燃機関の動力で発電可能な発電機と、
   該発電機に電気的に接続される低電圧バッテリ及び該低電圧バッテリの電力で駆動する低電圧装置を有する低電圧システムと、
   前記前輪及び前記後輪の他方を駆動する電動機と、
   前記電動機と電力を授受可能な高電圧バッテリ及び該高電圧バッテリと前記電動機との電力伝達経路上に配置されるインバータを有する高電圧システムと、を備える車両であって、
   前記高電圧バッテリは外部からの電力を受けて充電可能であり、
   前記高電圧システムと前記低電圧システムとは、電気的に隔絶されている、車両。
2. 請求項１に記載の車両であって、
   前記高電圧システムは、前記高電圧バッテリの電力で駆動する高電圧装置を有する、車両。
3. 請求項１又は２に記載の車両であって、
   前記発電機は、前記内燃機関の始動が可能なモータ機能付発電機であり、
   前記内燃機関と前記発電機との動力伝達経路上には変速機と、解放又は締結により前記動力伝達経路を遮断又は接続する断接手段と、を備える、車両。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両であって、
   前記内燃機関を制御する内燃機関制御装置と、前記電動機を制御する電動機制御装置とは、同一の車載ネットワーク上で接続されている、車両。
   
   
   
   

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