JP2022501559A - 電気自動車用の連続可変トランスミッションを備えたパワートレインおよびかかるパワートレインを操作するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、完全な電気自動車用のパワートレインに関する。このパワートレインは、電気機械（１）と被動輪（２）とギア（３）とを有し、ギア（３）は、電気機械（１）と被動輪（２）との間に配置され、それらの間の駆動接続を提供する。このギア（３）は少なくとも、一定の第１の速度比をもたらす第１の減速段（３１）と、可変の速度比をもたらすバリエータユニット（４０）と、自身の入力歯車（３５）と出力歯車（３６）との間で一定の第２の速度比をもたらす第２の減速段（３２）とを含み、第２の減速段（３２）の入力歯車（３５）は、バリエータユニット（４０）の出力軸と一体となって回転する。本発明によれば、電気機械（１）と被動輪（２）との間でギア（３）によりもたらされる全体的な最大速度比は、少なくとも２０：１になる。

Description

本発明は、モータ／発電装置としても知られる電気機械（ＥＭ）と、１つまたは複数の被動輪と、電気機械を被動輪と駆動可能に接続する、すなわち回転可能に結合するギアとを備えた、電気自動車用のまたは電気自動車内の、特に乗用車用のまたは乗用車内の、パワートレインに関する。一般に上述のギアは、電気機械と被動輪との間に一定の速度（減速）比をもたらす。ギアによりもたらされるかかる速度比によって、一方では達成可能な最高自動車速度が決定され、他方では停止状態のときに被動輪において達成可能な最大トルクレベルが決定され、このトルクレベルによって、電気自動車の（いわゆる登坂能力を含む）発進性能が決定される。

ここで述べておくと、本開示のコンテキストにおいて電気自動車という用語は、純然たる電気自動車すなわちいわゆるハイブリッドエンジン自動車を除く電気自動車のことを指すと解されたい。換言すれば、ここで考察するパワートレインは、原動力として電気機械しか含まず、特に、電気機械に加えて、またはその代わりに、被動輪に接続された、または少なくとも接続可能な内燃機関を含むことはない。

電気機械は一般に、達成可能な回転速度の範囲が公知の内燃機関（ＩＣＥ）よりもかなり広いことから、上述のような一定の速度比のギアによって、電気自動車パワートレインに妥当なダイナミック性能をもたらすことができる。とは言うものの、最高自動車速度は、電気機械の最高回転速度によって制限される。かかる制限を克服するために従来技術において提案されていたのは、電気機械と被動輪との間でローギアまたはハイギアを選択できるよう、ギアに２速度トランスミッションを設けることである。かかる２速度トランスミッションによれば、（ローギアにおいて）自動車発進性能を損なうことなく、（ハイギアにおいて）達成可能な最高自動車速度が高まる。このことに加え、２速度トランスミッションによって、電気自動車パワートレインの操作効率を向上させることができる。その理由はこれによれば、自動車速度に関連させて２つの速度値のうちの一方で、特にパワートレインに高効率をもたらす一方の値で、電気機械が操作されることができるからである。

連続可変トランスミッション（ＣＶＴ）を含むマルチ速度（すなわち３つまたはそれよりも多くの速度の）トランスミッションは現在、公知の電気自動車パワートレインには適用されておらず、少なくとも市販されておらず、それというのもすでに２速度トランスミッションによって、停止状態のときに被動輪において十二分なトルクを生成することができる一方、慣用の内燃機関パワートレインと比べたとしても、それでもやはり通常の最高自動車速度を実現できるからである。

しかしながら本発明によれば、広く通用している上述の洞察および従来技術の設計考慮事項とは異なり、ＣＶＴまたはバリエータユニットとして知られているＣＶＴの少なくとも主要パーツ（すなわちＣＶＴの入力軸と出力軸との間の速度比を変化させるために最低限必要とされるパーツ）によって、電気自動車パワートレインに予期しない技術的利点をもたらすことができる。特に本発明によれば、電気自動車パワートレインのギアにバリエータユニットを設けることによって、電気機械をかなり小型化することができる。これに関して本発明は、電気機械のあまり知られていない特性に依拠しており、すなわち電気機械の最大トルクレベルすなわちピークトルクレベルによって、その物理的なサイズ、重量およびユニットのコストが概ね決まる一方、その電気機械のピーク出力レベルは、一般に二次的な要因であるにすぎない、ということに依拠している。したがって電気自動車パワートレインにバリエータユニットを設けることによって、少なくとも電気機械のピークトルクレベルの観点から、好ましくは電気機械のピーク出力を実質的に損なうことなく、すなわち好ましくは電気自動車の出力設計仕様および発進性能を実質的に損なうことなく、電気機械を小型化することができる。しかも電気機械の連続出力も、同様にかかる電気機械の連続出力によって大部分が決定される最高自動車速度も、少なくとも妥当な小型化率の範囲内では、かかる小型化によってもほとんど影響を受けないままにすることができる。

たとえば本発明によれば、電気自動車の操作中に電気機械により要求されるピークトルクを、一般的には、電気自動車パワートレイン内にバリエータユニットを設けることによって、好ましくは３分の１から３分の２に低減することができる。これに加え、操作中に電気機械により要求される最高回転速度を一般的には、好ましくはこれによって１５％から３５％だけ低減することができる。特に本発明によれば、かくして小型化された電気機械は好ましくは、電気機械の速度範囲の少なくとも大部分において、すなわち５０％よりも多くについて、電気機械の回転速度の関数として少なくとも実質的に一定の電気機械ピークトルクであることを特徴とする。ただし好ましくは、電気機械の速度範囲の少なくとも８０％について、より好ましくは少なくとも９０％について、または９５％についてさえ、電気機械のピークトルクは一定である。その結果、電気自動車の電気機械のピーク出力は、ほとんど損なわれない。好ましくは、電気機械はその速度範囲全体において、すなわち最大操作速度に至るまで、そのピークトルクを生成するように設計されている。

好ましくは、ギアは２つの減速段をさらに含み、各々が自身の上流側または入力側の歯車と下流側または出力側の歯車との間で一定の減速比をもたらし、これらの減速段のうち第１段は、電気機械とバリエータユニットとの間に組み込まれ、これらの減速段のうち第２段は、バリエータユニットと被動輪との間に組み込まれ、この第２段は通常、電気自動車の２つまたはそれよりも多くの被動輪の間で駆動力を分配するために、少なくとも１つのディファレンシャルギアを含む。ギアにより、すなわち上述の２つの減速段およびバリエータユニットによりもたらされる全体的な最大減速は、好ましくは少なくとも２０になり、より好ましくは３０またはそれよりも大きくなる。この全体的な最大減速は、バリエータユニットが設けられていない従来技術の電気自動車パワートレインにおいて一般的に適用されるものよりもかなり高く、この特徴はバリエータユニットによって実現され、これにより上述の電気機械の小型化が可能になる。

好ましくは、バリエータユニットの入力軸と出力軸との間における最大速度比と最小速度比との商によって規定されるバリエータユニットのレシオカバレッジは、３．５から４．５になり、好ましくは約４になり、したがってバリエータユニットをシフトすることによって、ギアの減速全体をギアの上述の最大値の約４分の１まで、連続的に低減することができる。慣用の内燃機関のパワートレイン用の従来技術によるＣＶＴのレシオカバレッジと比較すると、約４のレシオカバレッジは意外にも小さいけれども、その一方で、ここで考察する電気自動車パワートレインのためにはもっぱら適していることが見出された。

特に駆動ベルトおよびプーリの形式のバリエータユニットを含むたいていのバリエータユニットの設計の周知の特徴とは、これによって単位元の周囲で、すなわち１対１の速度比の周囲で、対称に上述の速度比範囲がもたらされることにある。たとえば４という上述のバリエータのレシオカバレッジのケースであれば、バリエータユニットの最大速度比は２：１になり、最小速度比は１：２になる。しかしながら本発明によれば、電気自動車パワートレインにおいてバリエータユニットは好ましくは、そうではなく非対称の速度比範囲をもたらし、この場合、バリエータユニットの上述の最大バリエータ速度比は、その最小バリエータ速度比の逆数値よりも著しく大きい。特に本発明によれば、最大バリエータ速度比は、その最小速度比の逆数値の少なくとも１２５％になり、好ましくは少なくとも１４０％になる。本発明によるバリエータユニットの具体的な実施形態の場合、その最大速度比は２．４：１になり、その最小速度比は１：１．６７になり、したがってこのバリエータユニットのレシオカバレッジは、（２．４：１）／（１：１．６７）＝４．０になる。

非対称のバリエータ速度比範囲の上述の特徴によれば、電気自動車パワートレインの操作効率を、所定のバリエータレシオカバレッジについて改善することができる。特に、（所定のバリエータレシオカバレッジについて）バリエータユニットの上述の最小速度比を大きくすることで、操作中、バリエータユニットの出力軸の回転速度を低減することにより、かかる出力速度に比例するバリエータユニットの内部出力損失も好ましくは同様に低減される。この点に関して述べておくと、バリエータユニットの後者の設計の特徴および効率最適化は、ここで考察する電気自動車パワートレインに固有のものである。これとは逆に、慣用の内燃機関パワートレインの操作効率は、できる限り最大の、それゆえ対称のバリエータ速度比範囲から最も恩恵を受けることが知られている。

本発明による電気的なパワートレインの操作効率に対するさらなる最適化の可能性は、上述の２つの減速段により個々にもたらされる減速比の選択にある。本発明によれば、第１の（「上流側の」）段の減速比は好ましくはできる限り大きく設定され、これは特にバリエータユニットの（最大）トルク伝達能力と電気機械のピークトルクとの数学的商によって決定される。第２の減速段の減速比を超える可能性すらある第１の減速段のこのような望ましい大きい減速比によって、ここで考察している電気機械の小型化がさらに後押しされる。この点に関して述べておくと、従来技術の電気自動車パワートレインも一般に２つの減速段を含むけれども、この場合、第２の（「下流側の」）段によりもたらされる減速比は、第１の（「上流側の」）段の減速比よりも著しく大きい。かかる従来技術の設計は、第２の減速段が、意図的に比較的大きい減速比をもたらすディファレンシャルギアのピニオンホイールおよびクラウンホイールを含むかまたはこれらによって実現されている、という状況に関係している。

非対称のバリエータ速度比範囲の第１の好ましい副次的効果は、特に上述のベルトおよびプーリの形式のバリエータユニットのケースにおいて、その出力軸にその入力軸よりも大きい直径を与えることができ、このことは、前述の非対称な範囲において最大バリエータ速度比の大きいトルク増幅に対処するために理想的に適している、ということである。上述のベルトおよびプーリの形式のバリエータユニットのケースにおいて、非対称のバリエータ速度比範囲の第２の好ましい副次的効果が生じる。つまりこの形式のバリエータユニットに関して、その入力プーリにその出力プーリよりも小さい外径を与えることができ、このことは、特に電気自動車の高さ方向において、もっぱら制限された組み込みスペースを要求するパワートレインの物理的配置にとって、理想的に適している。特にバリエータユニットは、下流方向で、すなわちその入力軸からその出力軸に至る方向で、上向きに配向されている。その結果、パワートレイン全体を、好ましくは自動車内の低い位置に、すなわち路面の（最も）近くに配置することができる。

本発明の非限定的かつ例示的な実施形態を用いて図面を参照しながら、本発明についてさらに詳しく説明する。

公知の電気自動車パワートレインの主要構成要素の機能的配置を概略的に示す図である。 本発明による新規の電気自動車パワートレインの主要構成要素の機能的配置を概略的に示す図である。 それぞれ異なる設計仕様の２つの電気機械のピークトルク対回転速度の特性を示すグラフである。

図１には、乗用車などの電気自動車用の公知のパワートレインの基本的な例が示されている。公知の電気自動車パワートレインは、モータ／発電装置としても知られている電気機械１（ＥＭ）と、電気自動車の２つの被動輪２と、電気機械１を被動輪２に駆動可能に接続するギア３とを有する。図１の実施形態の場合、公知のギア３は、２つの噛み合った歯車３３，３４；３５，３６から成り各々直列に配置された２つの減速段３１，３２によって構成されたギアトレインによって、電気機械１と被動輪２との間において一定の速度比をもたらす。第１の、すなわち上流側の減速段３１の上流側の歯車３３は、好ましくは電気機械１のロータ軸上に配置することにより、電気機械１によって直接駆動され、つまり電気機械１と一体となって回転する。第１の減速段３１の下流側の歯車３４は、一般に１つの共通の軸上に配置することにより、第２の、すなわち下流側の減速段３２の上流側の歯車３５と一体となって回転する。第２の減速段３２の下流側の歯車３６は、駆動軸３８を介して電気自動車の２つまたはそれよりも多くの被動輪２の間で駆動力を分配するために、ディファレンシャルギア３７を介して被動輪２を駆動する。実際には第２の減速段３２を、ディファレンシャルギア３７のピニオンホイールおよびクラウンホイールによって、すなわちディファレンシャルギア３７の一体部分として、具現化することができる。

ギア３によってもたらされる全体的な減速比によって、一方では電気自動車の達成可能な最高速度が決定され、他方では停止状態のときの電気自動車の被動輪２における達成可能な最大トルクレベルが決定される。この点に関して言えるのは、少なくとも理論的には、公知の電気自動車パワートレインに単一の減速段のみを適用することができる、ということである。ただし、電気機械１の最高回転速度が比較的高いことから、電気機械１と被動輪２との間で必要とされる減速比のためには、非実用的なサイズの歯車が必要となるであろう。特に、１０：１よりも大きい、一般におおよそ１２：１の減速比が、ギア３全体によって必要とされる。

図１による公知の電気自動車パワートレインに対する本発明による改善として、たとえば図２に示されている手法で、このパワートレインにバリエータユニット４０が設けられており、これはその入力軸と出力軸との間において連続可変速度比をもたらす。バリエータユニット４０それ自体は、特に駆動ベルト４１を有する形態でよく知られており、この駆動ベルト４１は、バリエータユニット４０の入力軸上の入力プーリ４２と、出力軸上の出力プーリ４３の双方の周囲に、それらと摩擦接触して巻回されている。駆動ベルト４１とプーリ４２，４３との間の摩擦接触の実効半径を、バリエータユニット４０の制御および作動システム（図示せず）によって、２つのプーリ４２，４３間で互いに逆方向に変化させることができ、そのようにすることでバリエータユニットの入力プーリ４２と出力プーリ４３との間において、バリエータユニットによりもたらされる速度比を、所定の範囲で連続的に変化させることができる。たとえば、かかるバリエータ速度比範囲内において最大の速度比の場合、駆動ベルト４１が入力プーリ４２には最小実効半径で、出力プーリ４３には最大実効半径で接触することによって、バリエータユニットの出力プーリ４３の回転速度は、バリエータユニットの入力プーリ４２の回転速度に対し相対的に最も大きく低減される。

見たところは、この後者の、電気自動車パワートレインおよびそのギア３の新規の配置は特に、バリエータユニット４０が設けられていない公知の配置よりも複雑である。しかしながら本発明によれば、この新規の配置によって好ましくは、電気機械１の小型化が可能になり、それによって新規のパワートレインの製造コスト全体および／または操作効率全体を、むしろ改善することができる。

図３のグラフには、新規のパワートレインによって達成可能な電気機械の小型化の具体例が呈示されている。特に図３の具体例の場合、電気機械１のピークトルクレベルが、公知のパワートレインにおける２２５Ｎｍから新規のパワートレインにおける１００Ｎｍに低減されている。しかも小型化された電気機械１のピークトルクレベルは、その回転速度にはほとんど関係していない。これに加え、図３の具体例の場合、電気機械１の最高操作速度は、公知のパワートレインにおける１６，０００ｒｐｍから新規のパワートレインにおける１２，５００ｒｐｍに低減されている。これとは逆に、新規のパワートレインにおける小型化された電気機械１のピーク出力は、１２０ｋＷにある公知のパワートレインのピーク出力と同じままであった。

図３に示されている電気機械の小型化を実現するために、ギア３は以下のような設計仕様とされている。すなわち、
・バリエータユニット４０の最大速度比は２．４である。
・バリエータユニット４０のレシオカバレッジは４である。
・第１の減速段３１の減速比は３．６に等しい。さらに
・第２の減速段３２の減速比は３．５に等しい。

本発明は、本明細書全体および添付の図面のあらゆる詳細な点に加え、添付の一連の請求項における特徴すべてにも関係し、それらも含む。請求項における括弧内の参照符号は、請求項の範囲を限定するものではなく、個々の特徴の非限定的な実施例として呈示されているにすぎない。別個に請求されている特徴を、所定の製品または場合によっては所定のプロセスに別個に適用することができるけれども、それらをかかる特徴の２つまたはそれよりも多くの任意の組み合わせとして、そこにおいて同時に適用することもできる。

本発明は、本明細書において明示的に言及された実施形態および／または実施例に限定されるものではなく、簡単な修正、変形およびそれらの実用的な応用、特に当業者の手に届く範囲内にあるもの、も包含している。

Claims (11)

1. 完全な電気自動車用のまたは該電気自動車内の、特に電気乗用車用のまたは該電気乗用車内の、パワートレインを操作するための方法であって、前記パワートレインは、電気機械（１）と被動輪（２）とギア（３）とを有し、前記ギア（３）は、前記電気機械（１）と前記被動輪（２）との間に配置されており、前記電気機械（１）と前記被動輪（２）との間の駆動接続を提供し、前記ギア（３）は、自身の入力歯車（３３）と出力歯車（３４）との間で一定の第１の速度比をもたらす第１の減速段（３１）を含み、該第１の減速段（３１）の前記入力歯車（３３）は、前記電気機械（１）と一体となって回転し、前記ギア（３）はさらに、自身の入力軸と出力軸との間で可変の速度比をもたらすバリエータユニット（４０）を含み、該バリエータユニット（４０）の前記入力軸は、前記第１の減速段（３１）の前記出力歯車（３４）と一体となって回転し、前記ギア（３）はさらにまた、自身の入力歯車（３５）と出力歯車（３６）との間で一定の第２の速度比をもたらす第２の減速段（３２）を含み、該第２の減速段（３２）の前記入力歯車（３５）は、前記バリエータユニット（４０）の前記出力軸と一体となって回転する、前記方法において、前記パワートレインの操作中、電気モータ（１）は、前記電気自動車の１つまたは複数の操作パラメータに依存して、ゼロトルクからピークトルクまでのトルクレベルを生成するように制御される、前記方法であって、
   前記ピークトルクは、前記電気モータ（１）の制御された最高回転速度の０％から少なくとも５０％の範囲内では、前記電気モータ（１）の制御された回転速度には依存しない、
   完全な電気自動車用または該電気自動車内のパワートレインを操作するための方法。
2. 前記ピークトルクは、前記電気モータ（１）の制御された最高回転速度の０％から少なくとも８０％、好ましくは少なくとも９０％、より好ましくは少なくとも９５％、の範囲内では、前記電気モータ（１）の制御された回転速度には依存しない、
   請求項１記載の完全な電気自動車用または該電気自動車内のパワートレインを操作するための方法。
3. 前記ピークトルクは、前記電気モータ（１）の操作速度範囲全体において生成される、または少なくとも生成可能である、
   請求項１記載の完全な電気自動車用または該電気自動車内のパワートレインを操作するための方法。
4. 完全な電気自動車用または該電気自動車内の、特に電気乗用車用または該電気乗用車内の、パワートレインであって、前記パワートレインは、電気機械（１）と被動輪（２）とギア（３）とを有し、前記ギア（３）は、前記電気機械（１）と前記被動輪（２）との間に配置されており、前記電気機械（１）と前記被動輪（２）との間の駆動接続を提供し、前記ギア（３）は少なくとも、自身の入力歯車（３３）と出力歯車（３４）との間で一定の第１の速度比をもたらす第１の減速段（３１）を含み、該第１の減速段（３１）の前記入力歯車（３３）は、前記電気機械（１）と一体となって回転し、前記ギア（３）はさらに、自身の入力軸と出力軸との間で可変の速度比をもたらすバリエータユニット（４０）を含み、該バリエータユニット（４０）の前記入力軸は、前記第１の減速段（３１）の前記出力歯車（３４）と一体となって回転し、前記ギア（３）はさらにまた、自身の入力歯車（３５）と出力歯車（３６）との間で一定の第２の速度比をもたらす第２の減速段（３２）を含み、該第２の減速段（３２）の前記入力歯車（３５）は、前記バリエータユニット（４０）の前記出力軸と一体となって回転する、前記パワートレインであって、
   前記電気機械（１）と前記被動輪（２）との間で前記ギア（３）によってもたらされる全体的な最大速度比は、少なくとも２０：１になり、好ましくは少なくとも３０：１になる、
   完全な電気自動車用または該電気自動車内のパワートレイン。
5. 前記第１の減速段（３１）によってもたらされる前記一定の第１の速度比は、３：１から４：１の範囲内に、好ましくは３．６：１に、設定されている、
   請求項４記載のパワートレイン。
6. 前記第１の減速段（３１）によってもたらされる前記一定の第１の速度比は、前記第２の減速段（３２）によってもたらされる好ましくは３．５：１に設定された前記一定の第２の速度比よりも大きい、
   請求項４または５記載のパワートレイン。
7. 前記バリエータユニット（４０）の最大速度比と最小速度比との数学的商によって規定される前記バリエータユニット（４０）のレシオカバレッジは、３．５から４．５になり、好ましくは約４になる、
   請求項４、５または６記載のパワートレイン。
8. 前記バリエータユニット（４０）の前記最大速度比は、前記バリエータユニット（４０）の前記最小速度比の逆数値よりも大きく、好ましくは前記最小速度比が１：１．６７に等しいときに２．４：１に等しい、
   請求項７記載のパワートレイン。
9. 前記バリエータユニット（４０）の前記出力軸の直径は、前記バリエータユニット（４０）の前記入力軸の直径よりも大きい、
   請求項８記載のパワートレイン。
10. 連続な前記バリエータ（４０）は、自身の入力軸上の入力プーリ（４２）と、自身の出力軸上の出力プーリ（４３）と、駆動ベルト（４１）とを有し、該駆動ベルトは、前記プーリ（４２、４３）の周囲に該プーリ（４２、４３）と摩擦接触して巻回されており、
    前記入力プーリ（４２）の外径は、前記出力プーリ（４３）の外径よりも小さい、
    請求項８記載のパワートレイン。
11. 当該パワートレインは、請求項１、２または３記載の完全な電気自動車用または該電気自動車内のパワートレインを操作するための方法に従って操作される、
    請求項４から１０までのいずれか１項記載のパワートレイン。

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