JP3699404B2 - ハイブリッド自動車 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はハイブリッド自動車の燃料消費量および排気ガスの低減に関する。本発明は、一つの内燃機関によるエンジンと、二つの電動発電機と、この二つの電動発電機の間に設けた一つのトルク変換手段（具体例としてプラネタリギヤ）との組み合わせにより、車両の走行車軸を回転駆動し、またその走行車軸の回転駆動力により電池に電気エネルギを蓄積させるハイブリッド自動車の改良に関する。とくにエンジンがアイドリング速度に制御された状態での動作モードの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
はじめに、一つのエンジンと、二つの電動発電機と、一組のプラネタリギヤとの組み合わせによるハイブリッド自動車について、その構成および動作の概要を説明する。この構成は特開平７−１３５７０１号公報（出願人: エクォス・リサーチ）に開示された技術に関連するものである。
【０００３】
図１を参照して車両のシャシに取り付けられたエンジン１の出力軸は、プラネタリギヤ２のキャリア・ギヤＣに固定的に連結されている。このプラネタリギヤ２のサン・ギヤＳには、第一電動発電機１１の回転子が固定的に連結される。この第一電動発電機１１の界磁巻線は車両のシャシに固定されている。このプラネタリギヤ２のリング・ギヤＲには第二電動発電機１２の回転子が固定的に連結される。この第二電動発電機１２の界磁巻線は車両のシャシに固定されている。そして、この電動発電機１２の回転子がプロペラ軸３に固定的に連結され、差動歯車８を介して車輪９を駆動する。
【０００４】
第一電動発電機１１および第二電動発電機１２はいずれも三相の同期回転機であり、回転子はブラシレスである。この三相の同期回転機は、界磁巻線に供給される三相交流の位相回転速度と回転子の機械的な回転速度との関係にしたがって、電動機としてあるいは発電機としても作用する。二つの電動発電機の界磁巻線は、それぞれインバータ４の二つの交流端子に接続され、このインバータ４の直流端子は電池５に接続される。そしてこのインバータ４が、それぞれ二つの電動発電機１１および１２に供給する三相交流の位相回転速度はそれぞれ制御回路６により制御される。制御回路６は、エンジン１の出力軸（プラネタリギヤ２のキャリア・ギヤＣと同じ）の回転センサ、第一電動発電機１１の回転子（プラネタリギヤ２のサン・ギヤＳと同じ）の回転センサ、および第二電動発電機１２の回転子（プラネタリギヤ２のリング・ギヤＲと同じ）の回転センサの検出出力にしたがって、二つの電動発電機１１および１２の界磁巻線に供給する三相交流の位相をそれぞれ制御する。
【０００５】
二つの電動発電機１１および１２は、その回転子の機械的な回転速度が界磁巻線に供給される交流電流が形成する回転位相の回転速度より小さいとき、それぞれ電動機として作用する。このとき電気エネルギは電池５から電動機に流れる。二つの電動発電機１１および１２は、その回転子の機械的な回転速度が界磁巻線の回転位相の回転速度より大きいときには、それぞれ発電機として作用する。このとき電動発電機により電気エネルギが発電されて、インバータ４を介して電池５に流れ、電池５は充電される。すなわち、二つの電動発電機１１および１２は、それぞれ電動機として作用するときには車両を走行駆動させ、発電機として作用するときには電気制動の状態となり車両に対しては制動力を与え、発電により生じた電力を電池５に充電することにより、いわゆる回生制動の状態となる。二つの電動発電機１１および１２の一方が発電機として作用しているとき、その発電機から発生する電気エネルギを他方の電動発電機を電動機として作用させ、発電機で発生した電気エネルギを電動機として利用するように動作させることもできる。電動発電機の界磁巻線により発生する位相回転速度が回転子の機械的な回転速度とちょうど等しい状態になると、電動発電機はたんに空転している状態になり、その電動発電機ではエネルギの発生も消費もなくなる。
【０００６】
さらにエンジン１の燃料ポンプ７がエンジンに供給する燃料流量は、前記制御回路６からの信号に応じてエンジン制御回路１０により制御される。エンジンに負荷をかけると、その回転速度にしたがって発生する駆動力が変化し燃料消費量も変化する。エンジンに対する負荷を変化させてもエンジンの回転速度が一定になるように、そのエンジンに対する燃料供給量を調節制御すると、発生する駆動力に対して最も効率的に燃料を供給することができる駆動力の点がわかる。複数の回転速度について最も効率的に燃料を供給することができる駆動力の点が得られると、回転速度に対する駆動力の平面上に最も効率のよい最適動作曲線を描くことができる。そしてこの最適動作曲線の上で最も燃料効率のよい最適回転速度の点を知ることができる。
【０００７】
いま一例として車両が発進し加速するときの状態を考えると、エンジンは車速が大きくなるにしたがって回転速度が大きくなる。しかし図１に示す構成のハイブリッド自動車では、二つの電動発電機１１および１２を補助電動機として作用させることにより、エンジン１の回転速度を最適回転速度に維持させて加速を実行するように制御することができる。さらに車両が加速すると、最適回転速度で回転するエンジン１が発生する回転エネルギに余剰分が生じてくる。このとき第一電動発電機１１を発電機として作用させ、第二電動発電機１２が消費する電力の一部を補うように制御することが可能になる。このようにして、車両速度がしだいに上昇する加速時に、エンジン１の回転速度を連続的に最適回転速度に維持させるように制御することができる。
【０００８】
なお上記従来例技術として例示した特許公開公報との関連を説明すると、この公報には多数の実施例が記載されていて、上で説明した構成は、上記公報に第１６実施例として説明されている図３４に示される構成に関連が深い。この図３４の構成では、上で説明した構成とは、プラネタリギヤのリング・ギヤおよびキャリア・ギヤの結合が、入れ違いになっている構成として理解することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このような装置で、車両が減速する状態になると、エンジン１に対する燃料供給量はエンジン制御回路１０の制御により最小値に制限され、第二電動発電機１２を発電機として作用させて電気制動の状態となる。電気制動により発生した電気エネルギは電池５に充電される。多くの走行場面では、車両の制動時にはこのような電気制動のみでは減速度が不十分であり、ほかの制動系が利用されて制動により発生したエネルギは熱として捨てられる。
【００１０】
車両の制動状態では、第一電動発電機１１は空転状態としエンジン１はアイドル状態となる。このときエネルギの有効利用の観点からは、エンジン１は回転を停止させてしまうことがよい。しかしエンジン１には、パワーステアリング用の油圧ポンプ、冷房用の駆動ポンプ、ブレーキ用空気圧を供給する空気ポンプ、一般電力用のオルタネータ、その他が定常的に連結されていて、走行状態にかかわらずこれらを回転駆動することが必要であり、エンジン１の回転を停止させてしまうことができない。したがって、車両走行系ではエネルギが余剰になっているにもかかわらず、エンジン１への燃料供給は継続しなければならないから、アイドリング状態とはいえ燃料はひきつづき消費され、排ガスは発生しつづけることになる。
【００１１】
上記に例示するように、エンジン１の出力軸に連結されていて、エンジン１の回転がアイドリング状態になっても、駆動を継続しなければならない装置を総称してここでは「補機」ということにする。図１では多数の装置を一つのブロックで補機１３として表示する。補機１３は実用的にはエンジン１の出力軸にプーリとベルトまたは歯車により結合される。
【００１２】
本発明はこのような背景に行われたものであって、車両が制動状態にあり、あるいは車両が停車状態にあり、制動により発生した電気エネルギに余剰が生じている状態で、エンジンに供給する燃料を遮断する、またはきわめて小さくすることができる制御装置を提供することを目的とする。本発明は、ハイブリッド自動車のエネルギ効率および燃料効率をさらに高くすることを目的とする。本発明は、ハイブリッド自動車が発生する排ガスをさらに低減させることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、二つの電動発電機のうち、トルク変換手段（２）のエンジン側に連結されている第一電動発電機（１１）を電動機として作用させ、この第一電動発電機（１１）から発生する回転駆動力によりエンジンを外部から強制的に回転駆動するとともに、エンジンに対する燃料供給量を遮断もしくはきわめて小さく絞るように制御する制御モードを設けることを最大の特徴とする。この制御モードでは、エンジン（１）に定常的に連結されている補機（１３）は必要な回転速度で駆動される。エンジン（１）を外部から回転駆動させるために第一電動発電機（１１）に供給する電気エネルギは、このとき車両の制動中であれば、トルク変換手段（２）の車軸側に連結されている第二電動発電機（１２）が電気制動状態になって発生する電気エネルギを供給することができる。回生制動の状態により第二電動発電機（１２）が発生する電気エネルギが十分でなくなったときには、第一電動発電機（１１）に供給する電気エネルギは電池（５）から供給される。
【００１４】
このような構成および動作により、エンジン（１）が車両を駆動することが必要なくなったタイミングでは、エンジン（１）に供給する燃料を遮断して燃料消費量を小さくするとともに排ガスの発生をなくすることができる。このとき、車両が制動状態にあるなら、この制動状態で第二電動発電機（１２）で発生する電気エネルギを第一電動発電機（１１）に供給して、補機を駆動するエネルギとして利用することができる。
【００１５】
すなわち本発明は、エンジン（１）と、このエンジン（１）の出力軸に連結されたトルク変換手段（２）と、このトルク変換手段（２）のエンジン側の回転軸に結合された第一電動発電機（１１）と、このトルク変換手段（２）の駆動車軸側に結合された第二電動発電機（１２）と、電池（５）と、この電池（５）にその直流端子が接続され前記第一電動発電機（１１）および前記第二電動発電機（１２）にそれぞれ交流端子が接続されたインバータ（４）と、前記エンジン（１）の出力軸の回転情報および前記第一電動発電機（１１）の回転情報ならびに前記第二電動発電機（１２）の回転情報を取込み前記インバータ（４）が前記二つの電動発電機（１１、１２）の界磁巻線にそれぞれ供給する交流位相を制御する制御回路（６）とを備えたハイブリッド自動車において、前記制御回路（６）には、前記エンジン（１）がアイドリング状態になったときに、前記エンジン（１）に対する燃料供給を遮断もしくは補機を駆動できない程度まで制限するとともに、前記第一電動発電機（１１）を電動機として制御しこの第一電動発電機（１１）に前記電池（５）から電力を供給することにより、このエンジンの出力軸に連結された補機を駆動するために、このエンジンを必要な回転速度で回転駆動させる制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１６】
上記「アイドリング状態」とは、駆動車軸、前記第一および第二電動発電機のいずれをも駆動する必要がなくなり、エンジンに連結された補機のみを駆動する回転状態である。
【００１７】
上記括弧内の数字はあとから説明する実施例の図面参照数字である。これは、本発明の構成を理解しやすいように付すものであって、本発明の構成を実施例に限定して理解するためのものではない。以下に説明においても同様である。
【００１８】
前記トルク変換手段はプラネタリギヤ（２）であり、このプラネタリギヤ（２）のキャリア・ギヤ（Ｃ）に前記エンジンの出力軸が連結され、このプラネタリギヤのサン・ギヤ（Ｓ）に前記第一電動発電機（１）の回転子が連結され、このプラネタリギヤのリング・ギヤ（Ｒ）に前記第二電動発電機（１２）の回転子が連結された構成とすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明実施例装置のブロック構成図である。この装置は、エンジン１と、このエンジン１の出力軸に連結されたトルク変換手段としてのプラネタリギヤ２と、このプラネタリギヤ２のエンジン側の回転軸に結合された第一電動発電機１１と、このプラネタリギヤ２の駆動車軸側に結合された第二電動発電機１２と、電池５と、この電池５にその直流端子が接続され前記第一電動発電機１１および前記第二電動発電機１２にそれぞれ交流端子が接続されたインバータ４と、前記エンジン１の出力軸の回転情報および前記第一電動発電機１１の回転情報ならびに前記第二電動発電機１２の回転情報を取込み前記インバータ４が前記二つの電動発電機１１、１２の界磁巻線にそれぞれ供給する交流位相を制御する制御回路６とを備えた装置である。この装置のさらに詳しい構成は上記従来例装置の欄で説明したので、ここではその説明の繰り返しは回避する。補機１３は上でも説明したが、パワーステアリング用の油圧ポンプ、冷房用の駆動ポンプ、ブレーキ用空気圧を供給する空気ポンプ、一般電力用のオルタネータ、その他エンジン１の出力軸にプーリとベルトまたは歯車により定常的に連結されている装置であり、図１ではこれを一つのブロックで補機１３として表示する。
【００２０】
本発明の特徴は、前記制御回路６には、前記エンジン１がアイドリング状態になったとき、すなわち、走行用駆動力および前記第一および第二電動発電機を駆動していない状態になったときに、前記エンジン１に対する燃料供給を遮断し、もしくは補機を駆動できない程度まで制限するとともに、前記第一電動発電機１１を電動機として制御して、この第一電動発電機１１に前記電池５から電力を供給することにより、このエンジンの出力軸に連結された補機１３を駆動するために、このエンジンを必要な回転速度で回転駆動させる制御手段を備えたところにある。この制御手段は、具体的には制御回路６（およびまたはエンジン制御回路１０）にソフトウエアとして実装される。
【００２１】
図２にこのソフトウエアについて、その要部フローチャートを示す。すなわちこの装置を装備した車両の走行中に減速状態になると、第二電動発電機１２を回生制動の状態に制御し、エンジンの燃料供給を停止する。そして第一電動発電機１１を電動機に制御して、補機１３を継続的に維持するために必要な最小の回転速度で駆動する。この状態で第一電動発電機１１から供給される回転エネルギは、エンジン１のフリクションおよび補機１３により消費される。このとき、第二電動発電機１２は発電機として作動しているから、第一電動発電機１１で必要な電気エネルギは第二電動発電機１２から供給されることになる。
【００２２】
多くの走行モードでは、減速時に回生制動により電池５に回生させることができるエネルギは、減速により発生するエネルギの一部にすぎない。すなわち減速度は大きく、回生制動のための発電機の容量を大きくしても、電池５がいちどきに多量の電気エネルギを充電することができない。したがって、減速時にはほかの制動手段が併用されて走行エネルギは熱エネルギとなって放散され、あるいは電気エネルギに変換されても、抵抗器により熱放散されてしまう。これに対して本発明の構成では、エンジン１に対する燃料供給を停止することにより、この期間にわたりエンジン１で消費される燃料分は経済化される。
【００２３】
車両が減速したとき、そのまま停車状態になったときには、エンジンに燃料供給を行うことなくエンジンは回転を停止する。これはいわゆるアイドルストップ制御によりエンジン回転が停止した場合と同様の状態である。一例を説明すると、この状態では特定の運転操作、たとえば変速レバーをＮレンジからＤレンジに操作する、クラッチ・ペダルを所定以上に深く踏み込む、などの操作によりエンジンは再度始動する。アイドルストップ制御は、市街地を走行する定期バス用の車両その他に広く利用されている制限システムである。これは停留所で運転者がそのつどエンジン・スイッチの操作をしなくとも、一定の条件が成立すると自動的にエンジン回転を停止させ、運転者が特定の運転操作を行うことによりエンジンは再始動するように構成されている。アイドルストップ制御はよく知られた技術であり、この詳しい説明はここでは省略する。車両が上記説明の回生制動により減速したがなお走行中であり、運転操作により再びアクセル・ペダルが踏まれたときには、通常の走行状態における制御と同様であり、その時点の状態にしたがってエンジンに対する燃料供給が再開される。
【００２４】
第一電動発電機１１によりエンジン１が回転駆動されている状態では、燃料供給を遮断するように説明したが、これは燃料供給を完全に遮断するのではなく、再始動が円滑に実行されるように、きわめて小さい流量にしぼって運転を継続させるように構成することもできる。
【００２５】
上記説明では、車両が減速状態にあるときに、エンジン１への燃料供給を遮断またはきわめて小さくするように説明したが、電池５に十分なエネルギ蓄積があるときには、車両がすでに停車している状態でも本発明の制御モードを実行して、エンジン１への燃料供給を遮断またはきわめて小さくするように制御することができる。この場合にも、燃料消費量を経済化させ排ガスの発生を抑圧することができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明により、車両が制動状態にあり、あるいは車両が停車状態にあり、制動により発生した電気エネルギに余剰が生じている状態で、エンジンに供給する燃料を遮断する（またはきわめて小さくする）ことができる。本発明により、ハイブリッド自動車のエネルギ効率および燃料効率をさらに高くすることができる。本発明により、ハイブリッド自動車が発生する排ガスをさらに低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例装置のハードウエア・ブロック構成図。
【図２】本発明実施例装置の要部制御フローチャート。
【符号の説明】
１ エンジン
２ プラネタリギヤ
３ プロペラ軸
４ インバータ
５ 電池
６ 制御回路
７ 燃料ポンプ
８ 差動歯車
９ 車輪
１０ エンジン制御回路
１１ 第一電動発電機
１２ 第二電動発電機
１３ 補機

Claims (3)

1. エンジンと、このエンジンの出力軸に連結されたトルク変換手段と、このトルク変換手段のエンジン側の回転軸に結合された第一電動発電機と、このトルク変換手段の駆動車軸側に結合された第二電動発電機と、電池と、この電池にその直流端子が接続され前記第一電動発電機および前記第二電動発電機にそれぞれ交流端子が接続されたインバータと、前記エンジンの出力軸の回転情報および前記第一電動発電機の回転情報ならびに前記第二電動発電機の回転情報を取込み前記インバータが前記二つの電動発電機の界磁巻線にそれぞれ供給する交流位相を制御する制御回路とを備えたハイブリッド自動車において、
   前記制御回路には、車両の制動により前記エンジンがアイドリング状態になったときに、前記エンジンに対する燃料供給を遮断もしくは制限するとともに、前記第一電動発電機を電動機として制御し、前記第二電動発電機を制動回生用発電機として動作させてこの第二電動発電機が回生する電力を前記第一電動発電機に供給することにより前記エンジンを必要な回転速度で回転駆動させる制御手段を備えたことを特徴とするハイブリッド自動車。
2. 前記トルク変換手段はプラネタリギヤである請求項１記載のハイブリッド自動車。
3. 前記プラネタリギヤのキャリア・ギヤに前記エンジンの出力軸が連結され、このプラネタリギヤのサン・ギヤに前記第一電動発電機の回転子が連結され、このプラネタリギヤのリング・ギヤに前記第二電動発電機の回転子が連結された請求項２記載のハイブリッド自動車。

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