JP2019081485A - ハイブリッドシステム - Google Patents

Abstract

【課題】低・中車速域での車両の走行中にエンジンの回転数を高く設定することができる、ハイブリッドシステムを提供する。【解決手段】ハイブリッドシステム１では、遊星歯車機構１１のキャリヤ１３と一体に回転するプラネタリギヤ１５が設けられ、そのプラネタリギヤ１５に噛合するカウンタギヤ２３と車両の駆動輪４２との間でデファレンシャルギヤ２７を介して動力が伝達される。カウンタギヤ２３には、駆動モータ４の回転軸２５に相対回転不能に支持されたモータギヤ２６が噛合している。また、リングギヤ１４にエンジン２のクランクシャフト１８が接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、車両のハイブリッドシステムに関する。

近年、エンジンおよび駆動モータ（モータジェネレータ）を走行用の駆動源として備えるハイブリッドシステムを搭載した車両、いわゆるハイブリッド車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）が急速に普及している。

図９は、従来のハイブリッドシステム１０１の構成を示すスケルトン図である。

ハイブリッドシステム１０１では、エンジン１０２の出力軸（クランクシャフト）が遊星歯車機構１０３のキャリヤ１０４に接続されている。また、発電機１０５の回転軸が遊星歯車機構１０３のサンギヤ１０６に接続されている。遊星歯車機構１０３のリングギヤ１０７には、ドライブギヤ１０８が一体に設けられている。ドライブギヤ１０８は、カウンタ軸１０９に相対回転不能に支持されたカウンタギヤ１１１と噛合している。また、カウンタギヤ１１１には、駆動モータ１１２の出力軸に相対回転不能に支持されたモータギヤ１１３が噛合している。さらに、カウンタ軸１０９には、出力ギヤ１１４が相対回転不能に支持されている。出力ギヤ１１４は、デファレンシャルギヤ１１５のリングギヤと噛合している。

かかる構成により、エンジン１０２の動力（回転）は、遊星歯車機構１０３で分割されて発電機１０５とデファレンシャルギヤ１１５とに伝達される。また、駆動モータ１１２の動力は、モータギヤ１１３からカウンタギヤ１１１に伝達され、カウンタギヤ１１１から出力ギヤ１１４を介してデファレンシャルギヤ１１５に伝達される。そのため、このハイブリッドシステム１０１が搭載されたハイブリッド車では、エンジン１０２からの動力および駆動モータ１１２からの動力を合成して駆動輪１１６に伝達することができる。また、エンジン１０２を停止して、駆動モータ１１２からの動力のみを駆動輪１１６に伝達することにより、いわゆるＥＶ走行が可能である。

特開２０１３−１６３４０６号公報

ところが、図１０に示される共線図から理解されるように、ハイブリッドシステム１０１が搭載されたハイブリッド車の車速が低い領域では、エンジン１０２の回転数を少し上げると、発電機１０５の回転数が上限に達し、エンジン１０２の回転数に制限が加わる。この制限により、エンジン１０２の回転数が低く抑えられて、ハイブリッドシステム１０１の出力を大きくできないため、ハイブリッドシステム１０１が搭載された車両では、低・中車速域での加速が遅い。駆動モータ１１２の最大出力を引き上げれば、低・中車速域でも大きな加速力を得ることができるが、駆動モータ１１２に電力を供給する電池の搭載量を増やす必要が生じる。

本発明の目的は、低・中車速域での車両の走行中にエンジンの回転数を高く設定することができる、ハイブリッドシステムを提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係るハイブリッドシステムは、車両に搭載されるハイブリッドシステムであって、エンジンと、発電機と、駆動モータと、サンギヤ、キャリヤ、リングギヤおよびキャリヤと一体に回転するプラネタリギヤを備える遊星歯車機構とを含み、そのハイブリッドシステムでは、リングギヤにエンジンのクランクシャフトが接続され、サンギヤに発電機の回転軸が接続され、プラネタリギヤと車両の駆動輪との間の動力伝達経路に駆動モータの動力が入力される。

この構成によれば、遊星歯車機構のキャリヤと一体に回転するプラネタリギヤが設けられ、そのプラネタリギヤと車両の駆動輪との間で動力が伝達される。

駆動モータの動力は、プラネタリギヤと駆動輪との間の動力伝達経路に入力される。車両が停車している状態から駆動モータが駆動されると、駆動モータの動力が駆動輪に動力が伝達される。これにより、車両が駆動モータの動力により発進および走行する。

遊星歯車機構のリングギヤにエンジンのクランクシャフトが接続されている。また、遊星歯車機構のサンギヤに発電機の回転軸が接続されている。たとえば、駆動モータの動力による車両の走行中に、発電機の回転数を低下させることにより、エンジンのクランクシャフトの回転数を始動最低回転数以上に引き上げることができ、エンジンを始動させることができる。

そして、エンジンの動作中、発電機の回転数を低下ないしは発電機を逆回転させることにより、車両が低・中車速域で走行中であっても、エンジンの回転数を引き上げることができ、エンジンの出力（動力）を増大させることができる。エンジンの出力の増大に伴って、エンジンからプラネタリギヤに伝達される出力（エンジン直達出力）が増大するので、駆動モータからプラネタリギヤに伝達される出力を低減させることができる。また、発電機の発電出力が増大して駆動モータに供給される電力が増大する。よって、駆動モータの駆動用の電力を蓄えておくための電池の搭載量を低減することができる。

ハイブリッドシステムは、プラネタリギヤと噛合するカウンタギヤをさらに含み、駆動モータの回転軸に相対回転不能に支持されたモータギヤがカウンタギヤに噛合していてもよい。

本発明によれば、低・中車速域での車両の走行中に、エンジンの回転数を高く設定することができる。エンジンの回転数が高く設定されることにより、エンジンの出力を増大させることができるので、駆動モータの駆動用の電力を蓄えておくための電池の搭載量を低減することができる。

本発明の一実施形態に係るハイブリッドシステムの構成を示す図である。 ハイブリッドシステムに含まれる遊星歯車機構の各回転要素の回転数の関係を示す共線図であり、ハイブリッドシステムが搭載された車両の発進時における回転数の関係を示す。 ハイブリッドシステムに含まれる遊星歯車機構の各回転要素の回転数の関係を示す共線図であり、ハイブリッドシステムが搭載された車両の走行中のエンジン始動時における回転数の関係を示す。 ハイブリッドシステムに含まれる遊星歯車機構の各回転要素の回転数の関係を示す共線図であり、ハイブリッドシステムが搭載された車両の停車中のエンジン始動時における回転数の関係を示す。 ハイブリッドシステムに含まれる遊星歯車機構の各回転要素の回転数の関係を示す共線図であり、ハイブリッドシステムが搭載された車両の加速時における回転数の関係を示す。 ハイブリッドシステムに含まれる遊星歯車機構の各回転要素の回転数の関係を示す共線図であり、ハイブリッドシステムが搭載された車両の減速時における回転数の関係を示す。 ハイブリッドシステムに含まれる遊星歯車機構の各回転要素の回転数の関係を示す共線図であり、ハイブリッドシステムが搭載された車両のエンジン定点運転での加速時における回転数の関係を示す。 ハイブリッドシステムに含まれる遊星歯車機構の各回転要素の回転数の関係を示す共線図であり、ハイブリッドシステムが搭載された車両のエンジン定点運転での定速走行時における回転数の関係を示す。 従来のハイブリッドシステムの構成を示すスケルトン図である。 従来のハイブリッドシステムに含まれる遊星歯車機構の各回転要素の回転数の関係を示す共線図である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜ハイブリッドシステムの構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るハイブリッドシステム１の構成を示す図である。

ハイブリッドシステム１は、エンジン２、発電機３および駆動モータ４を含む。

エンジン２には、エンジン２の燃焼室への吸気量を調整するための電子スロットルバルブ、燃料を吸入空気に噴射するインジェクタ（燃料噴射装置）および燃焼室内に電気放電を生じさせる点火プラグなどが設けられている。

発電機３は、モータジェネレータ（ＭＧ１）からなる。発電機３には、インバータなどを内蔵する発電機コントローラ５が接続されている。発電機コントローラ５には、電池６が接続されている。電池６は、たとえば、複数の二次電池を組み合わせた組電池からなる。発電機３から出力される交流電力は、発電機コントローラ５により直流電力に変換されて、その直流電力が電池６に供給されることにより、電池６が充電される。

なお、発電機３は、モータジェネレータに限らず、発電機能のみを有するものであってもよいが、発電機３にモータジェネレータを採用した構成では、発電機３をモータとして駆動することにより、その発電機３の動力をハイブリッドシステム１が搭載される車両の走行に利用することが可能となる。

駆動モータ４は、モータジェネレータ（ＭＧ２）からなる。駆動モータ４には、インバータなどを内蔵するモータコントローラ７が接続されている。モータコントローラ７には、電池６が接続されている。このモータコントローラ７に電池６を接続する回路と発電機３に電池６を接続する回路は、電池６に並列に接続されており、さらにコンデンサ８が電池６に並列に接続されている。電池６から出力される直流電力がモータコントローラ７に供給され、その直流電力がモータコントローラ７により交流電力に変換されて、交流電力が駆動モータ４に供給されることにより、駆動モータ４が駆動される。

また、ハイブリッドシステム１は、駆動伝達機構９を備えている。

駆動伝達機構９には、遊星歯車機構１１が含まれる。遊星歯車機構１１は、サンギヤ１２、キャリヤ１３、リングギヤ１４およびキャリヤ１３と一体に回転するプラネタリギヤ１５を備えている。サンギヤ１２の中心に、発電機３の回転軸１６が相対回転不能に接続されている。キャリヤ１３は、発電機３の回転軸１６に相対回転可能に外嵌されて、複数個のピニオンギヤ１７を回転可能に支持している。複数個のピニオンギヤ１７は、円周上に配置され、サンギヤ１２と噛合している。リングギヤ１４は、複数個のピニオンギヤ１７を一括して取り囲む円環状を有し、各ピニオンギヤ１７に回転径方向の外側から噛合している。リングギヤ１４の中心に、エンジン２のクランクシャフト１８が相対回転不能に接続されている。

また、駆動伝達機構９には、ブレーキ２１が含まれる。ブレーキ２１は、たとえば、油圧により、遊星歯車機構１１のキャリヤ１３を制動する係合状態と、キャリヤ１３の回転を許容する開放状態とに切り替えられる。

駆動伝達機構９にはさらに、カウンタ軸２２、カウンタギヤ２３および出力ギヤ２４が含まれる。カウンタ軸２２は、キャリヤ１３の回転軸線と平行に延びている。カウンタギヤ２３は、カウンタ軸２２に相対回転不能に支持されて、プラネタリギヤ１５と噛合している。プラネタリギヤ１５には、駆動モータ４の回転軸２５に相対回転不能に支持されたモータギヤ２６が噛合している。出力ギヤ２４は、カウンタ軸２２に相対回転不能に支持されて、デファレンシャルギヤ２７のデフケースに結合されたリングギヤ２８と噛合している。

また、ハイブリッドシステム１は、エンジン２を制御するためのエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）３１と、発電機３および駆動モータ４を制御するための制御装置３２とを備えている。エンジンＥＣＵ３１および制御装置３２は、いずれもマイコン（マイクロコントローラユニット）を含む構成であり、マイコンには、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ、データフラッシュ（フラッシュメモリ）などが内蔵されている。エンジンＥＣＵ３１と制御装置３２とは、ＣＡＮ（Controller Area Network）通信プロトコルによる双方向通信が可能に接続されている。

エンジンＥＣＵ３１には、制御に必要な各種センサが接続されている。その一例として、エンジンＥＣＵ３１には、エンジン２のクランクシャフト１８の回転角に同期したパルス信号を検出信号として出力するクランク角センサ３３が接続されている。エンジンＥＣＵ３１は、クランク角センサ３３の検出信号からエンジン２のクランクシャフト１８の回転数を取得し、その回転数を表す信号（回転数信号）を制御装置３２に送信する。また、エンジンＥＣＵ３１は、エンジン２の始動、停止および出力調整などのため、エンジン２に設けられた電子スロットルバルブ、インジェクタおよび点火プラグなど制御する。

制御装置３２は、エンジンＥＣＵ３１から受信する回転数信号などに基づいて、発電機３の回転数の目標値を設定し、その目標値に応じた回転数指令を発電機コントローラ５に入力する。発電機コントローラ５には、発電機３の回転軸１６の回転に同期したパルス信号を検出信号として出力する回転センサ３４が接続されている。発電機コントローラ５は、回転センサ３４の検出信号から発電機３の回転軸１６の回転数を取得し、その回転数が制御装置３２から入力される回転数指令に応じた値に一致するように、発電機３による発電を制御する。

また、モータコントローラ７には、駆動モータ４の回転に同期したパルス信号を検出信号として出力する回転センサ３５が接続されている。モータコントローラ７は、回転センサ３５の検出信号から駆動モータ４の回転数を取得し、その回転数を表す信号（回転数信号）を制御装置３２に入力する。制御装置３２は、車両のアクセルペダルおよびブレーキペダルの操作量に基づいて、駆動モータ４のトルクの目標値を設定し、その目標値に応じたトルク指令をモータコントローラ７に入力する。モータコントローラ７は、駆動モータ４のトルクが制御装置３２から入力されるトルク指令に応じた値に一致するように、駆動モータ４への給電を制御する。

＜発進時＞
ハイブリッドシステム１が搭載された車両（ハイブリッド車）の発進の際には、図２に示されるように、発電機３がフリー回転の状態で駆動モータ４が駆動される。駆動モータ４の動力は、モータギヤ２６を介してカウンタギヤ２３に伝達され、カウンタギヤ２３からカウンタ軸２２および出力ギヤ２４を介してデファレンシャルギヤ２７のリングギヤ２８に伝達される。デファレンシャルギヤ２７に伝達された動力は、ドライブシャフト４１を介して駆動輪４２に伝達される。これにより、車両が駆動モータ４の動力により発進および走行する。

＜走行中のエンジン始動時＞
駆動モータ４の動力による車両の走行中におけるエンジン２の始動の際には、図３に示されるように、発電機３の回転数の制御により、エンジン２のクランクシャフト１８の回転数（以下、単に「エンジン回転数」という。）が始動最低回転数以上に引き上げられる。そして、エンジン２のクランクシャフト１８が始動最低回転数以上の回転数で回転しているクランキング状態で、燃料が供給されて、点火プラグがスパークされる。これにより、エンジン２が始動する。

なお、エンジン２の未起動時には、駆動モータ４のトルクの一部がエンジン２のクランクシャフト１８の回転のために奪われ、また、エンジン２の起動後にはクランクシャフト１８にエンジン２のトルクが加わるため、駆動輪４２にそれらのトルク変動が伝わらないように、駆動モータ４のトルクを増減して補償してもよい。これにより、エンジン２の始動時に、トルク変動によるショックが発生することを抑制できる。

＜停車中のエンジン始動時＞
車両の停車中におけるエンジン２の始動の際には、ブレーキ２１が係合状態にされて、遊星歯車機構１１のキャリヤ１３が制動される。キャリヤ１３の制動により、プラネタリギヤ１５およびプラネタリギヤ１５と噛合するカウンタギヤ２３が制動される。この状態で、発電機３の回転数の制御により、図４に示されるように、エンジン回転数が始動最低回転数以上に引き上げられる。そして、エンジン２のクランクシャフト１８が始動最低回転数以上の回転数で回転しているクランキング状態で、燃料が供給されて、点火プラグがスパークされる。これにより、エンジン２が始動する。カウンタギヤ２３が制動されているので、エンジン２が始動しても、エンジン２のトルクが出力ギヤ２４に伝達されるおそれはない。

このとき、発電機３が発電動作するので、その発電による電力を車両の停車中にエアコンディショナのコンプレッサモータなどの電気負荷に供給することができる。

車両の走行開始時には、ブレーキ２１が係合状態から解放状態に切り替えられて、キャリヤ１３の制動が解除される。そして、駆動モータ４が駆動されることにより、車両がエンジン２の動力および駆動モータ４の動力により発進および走行する。

＜加速時＞
車両の走行中は、車両のアクセルペダルの操作量などに応じた目標回転数が設定されて、エンジン回転数が目標回転数に一致するように、発電機３の回転数が制御される。このとき、プラネタリギヤ１５には、次式に従って算出されるトルク（エンジン直達トルク）が伝達される。

エンジン直達トルク＝｛ρ／（１＋ρ）｝・エンジントルク

ここで、ρは、遊星歯車機構１１のサンギヤ１２とプラネタリギヤ１５とのギヤ比を１とした場合のプラネタリギヤ１５とリングギヤ１４とのギヤ比である。

車両の加速の際には、その車速と無関係に、発電機３の回転数の制御により、図５に示されるように、エンジン回転数が引き上げられる。そのため、低・中車速域においても、エンジン回転数を引き上げることができ、エンジン２からプラネタリギヤ１５に伝達されるエンジン直達トルクを増大させることができる。車両は、そのエンジン直達出力と駆動モータ４からプラネタリギヤ１５に伝達される出力との合計により加速される。よって、車両を速やかに加速させることができる。

＜減速時＞
車両の減速の際には、エンジン２に対する燃料の供給が停止（フューエルカット）されて、図６に示されるように、エンジン２にエンジンブレーキが発生するように、発電機３の回転数が制御される。また、車両の減速度に応じて、駆動モータ４が回生運転されてもよい。

＜エンジン定点運転での加速＞
ハイブリッドシステム１では、図７に示されるように、エンジン回転数を定点に保持したまま、車両を加速させることができる。

エンジン回転数の定点は、たとえば、エンジン２が効率よく動作する回転数に設定される。車両を加速させるために、駆動モータ４の出力が上げられると、エンジン回転数の定点を目標回転数としてエンジン２が制御されつつ、その目標回転数（定点）と駆動モータ４の回転数とから、発電機３の目標回転数が設定される。そして、発電機３の回転数が目標回転数に一致するように、発電機３が制御される。具体的には、発電機３の目標回転数に応じた回転数指令が制御装置３２からモータコントローラ７に入力され、モータコントローラ７により、発電機３の目標回転数が回転数指令に応じた値に一致するように、発電機３による発電が制御される。加速により車速が変化し、それに伴って駆動モータ４の回転数が変化するので、一定の制御周期にて、発電機３の目標回転数が設定されて、その目標回転数に応じた回転数指令が制御装置３２からモータコントローラ７に入力される。これにより、エンジン回転数が定点に保たれたまま、車両が加速する。

＜エンジン定点運転での定速走行＞
また、ハイブリッドシステム１では、図８に示されるように、エンジン回転数を定点に保持したまま、車両を一定車速で走行させることができる。

エンジン回転数の定点と一定車速に応じた駆動モータ４の回転数とから、発電機３の目標回転数が設定される。そして、発電機３の回転数が目標回転数に一致するように、発電機３が制御される。これにより、エンジン回転数が定点に保たれたまま、車両が一定車速で走行する。

このとき、定点１で運転されるエンジン２の出力が車両の車速を一定に保つのに必要なパワーよりも大きい場合、その余剰なパワーは、発電機３での発電により電池６に蓄積される。電池６のＳＯＣ（State Of Charge）が所定値Ａに達した場合、エンジン２の出力を低減させることが必要になる。そこで、エンジン回転数の定点が定点１から定点２に下げられて、エンジン２が定点２で運転されるように、制御装置３２からモータコントローラ７に入力される回転数指令が変更されて、発電機３が制御される。

エンジン回転数の定点が定点１から定点２に下げられることにより、発電機３の発電出力が低減ないし発電機３が力行に転じる。定点２で運転されるエンジン２の出力が車両の車速を一定に保つのに必要なパワーよりも小さければ、電池６のＳＯＣが減少する。エンジン２が定点で運転されながら車両の定速走行が継続し、電池６のＳＯＣが所定値Ｂ以下に低下すると、エンジン２が定点１で運転されるように、制御装置３２からモータコントローラ７に入力される回転数指令が変更されて、発電機３が制御される。

このように、エンジン回転数が２つの異なる定点１と定点２とに断続的に切り替えられて、エンジン２が運転されることにより、エンジン２の平均的な出力を調整しつつ、車両の定速走行を継続させることができる。

また、エンジン回転数を定点に保持して車両を走行させることにより、エンジン２を運転効率のよい回転数で運転することができるので、車両の走行燃費を向上させることができる。そのため、エンジン効率を改善するための機構、たとえば、可変バルブタイミング機構や排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）システムを不要にすることができ、車両のコストダウンを図ることができる。

＜作用効果＞
以上のように、ハイブリッドシステム１では、遊星歯車機構１１のキャリヤ１３と一体に回転するプラネタリギヤ１５が設けられ、そのプラネタリギヤ１５に噛合するカウンタギヤ２３と車両の駆動輪４２との間でデファレンシャルギヤ２７を介して動力が伝達される。

カウンタギヤ２３には、駆動モータ４の回転軸２５に相対回転不能に支持されたモータギヤ２６が噛合している。車両が停車している状態から駆動モータ４が駆動されると、駆動モータ４の動力がモータギヤ２６およびカウンタギヤ２３を介してデファレンシャルギヤ２７に伝達され、デファレンシャルギヤ２７からドライブシャフト４１を介して駆動輪４２に動力が伝達される。これにより、車両が駆動モータ４の動力により発進および走行する。

遊星歯車機構１１のリングギヤ１４にエンジン２のクランクシャフト１８が接続されている。また、遊星歯車機構１１のサンギヤ１２に発電機３の回転軸１６が接続されている。たとえば、駆動モータ４の動力による車両の走行中に、発電機３の回転数を低下させることにより、エンジン回転数を始動最低回転数以上に引き上げることができ、エンジン２を始動させることができる。

そして、エンジン２の動作中、発電機３の回転数を低下ないしは発電機３を逆回転させることにより、車両が低・中車速域で走行中であっても、エンジン２の回転数を引き上げることができ、エンジン２の出力（動力）を増大させることができる。エンジン２の出力の増大に伴って、エンジン２からプラネタリギヤ１５に伝達される出力（エンジン２の直達出力）が増大するので、駆動モータ４からプラネタリギヤ１５に伝達される出力を低減させることができる。また、発電機３の発電出力が増大して駆動モータ４に供給される電力が増大する。よって、駆動モータ４の駆動用の電力を蓄えておくための電池６の容量（二次電池の搭載量）を低減することができる。

＜変形例＞
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、前述の実施形態では、エンジン回転数が２つの異なる定点１と定点２とに断続的に切り替えられつつ、車両が定速で走行される場合を取り上げたが、エンジン回転数が３つ以上の異なる定点の間で断続的に切り替えられつつ、車両が定速で走行されてもよい。

また、たとえば、エンジン２のクランクシャフト１８とリングギヤ１４との間にフライホイールダンパを介装して、クランクシャフト１８とリングギヤ１４の位相ずれを過渡的に許容して、エンジン２のトルク脈動が駆動輪４２へ伝わりにくくしてもよい。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１：ハイブリッドシステム
２：エンジン
３：発電機
４：駆動モータ
１１：遊星歯車機構
１２：サンギヤ
１３：キャリヤ
１４：リングギヤ
１５：プラネタリギヤ
１６，２５：回転軸
１８：クランクシャフト
２７：デファレンシャルギヤ
４２：駆動輪

Claims (1)

1. 車両に搭載されるハイブリッドシステムであって、
   エンジンと、
   発電機と、
   駆動モータと、
   サンギヤ、キャリヤ、リングギヤおよび前記キャリヤと一体に回転するプラネタリギヤを備える遊星歯車機構と
   を含み、
   前記リングギヤに前記エンジンのクランクシャフトが接続され、
   前記サンギヤに前記発電機の回転軸が接続され、
   前記プラネタリギヤと前記車両の駆動輪との間の動力伝達経路に前記駆動モータの動力が入力される、ハイブリッドシステム。

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