JP3777164B2 - 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率を改善するための改良に関する。とくに、内燃機関をディーゼル機関とするハイブリッド自動車に実施して有効な方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から実用化されたハイブリッド自動車の多くは、ガソリンを燃料とする４サイクル機関と、電動発電機との組み合わせによるものである。ディーゼル機関と電動発電機とを組み合わせたハイブリッド自動車について、本願出願人もすでにいくつかの提案を行い、実用的な車両を製造販売した。しかし、ディーゼル機関を主たる動力とする形態で、きわめて多数のハイブリッド自動車が広く普及するにいたっていない。
【０００３】
その原因の主要な一つは、ディーゼル機関は大気汚染に有害な排気ガスを少なくすることがつねに重要な命題であり、燃料効率に重点をおいてハイブリッド自動車を設計しても、排気ガスの改善とはかならずしも両立しなかったことにある。近年、排気ガスの改善について、排気通路に設けるフィルタの改良その他の研究がすすみ、燃料効率に重点をおいても、ディーゼル機関によるハイブリッド自動車を設計することが可能になるとの見通しがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料効率に重点をおいて、内燃機関と電動発電機との組み合わせによるハイブリッド自動車を設計すると、通常の自動車の走行モードの中で、内燃機関から駆動トルクを供給することができる領域が狭くなる。これをさらに説明すると、図２は横軸に車軸を駆動するプロペラ軸の回転速度をとり、縦軸にプロペラ軸を介して供給される伝達トルクをとる車両のトルク特性図である。横軸のプロペラ軸回転速度は車速Ｖに対応する。縦軸のプロペラ軸伝達トルクは車両の駆動トルクＴに対応する。このトルク特性図は内燃機関とプロペラ軸との間に無段階変速手段、具体的には遊星歯車（プラネタリ・ギヤ）が介在する場合のものである。Ｖmax は車速最大値に対応するプロペラ軸回転速度最大値であり、Ｔmax は伝達トルクの許容最大値である。したがって曲線Ｄで囲まれた内側の領域が実用的な設計を行うことができる動作領域となる。
【０００５】
いま内燃機関としてディーゼル機関に着目し、この図２に一つのディーゼル機関についてその速度トルク特性を示すと、太い破線で示す曲線が、プロペラ軸回転速度、すなわち車速に対応する最小の燃料消費率（リットル／ｋｍ）を表す内燃機関の特性曲線になるものとする。このとき、燃料効率に重点をおいてハイブリッド自動車を設計すると、この最小燃料効率にきわめて近い領域として、斜線を施した領域を想定することができる。この領域でディーゼル機関から駆動トルクを取り出し、その他の領域ではディーゼル機関を利用せず、電動発電機を電動機として作用された状態でいわゆる電動走行することになる。
【０００６】
斜線を施した領域を狭く設定すると燃料効率は良くなり、斜線を施した領域を広く設計すると燃料効率は悪くなる。したがって燃料効率の良いハイブリッド自動車を設計すると、図２で斜線部分の面積が小さくなり、すなわち内燃機関を利用することができる範囲が小さくなる。このときには、車両走行速度に対して必要とする駆動トルクの広範囲の領域で電動走行をしなければならないことになる。
【０００７】
本発明はこのような背景に行われたものであって、内燃機関の燃料効率をきわめて高くすることに特化して設計したハイブリッド自動車を提供することを目的とする。本発明は、燃料効率に重点をおき、内燃機関の排ガスその他については、排気通路の浄化装置その他により所望の条件を達成するものとして、とくに考慮することなく設計されたハイブリッド自動車を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ハイブリッド自動車のその時点の走行速度に対して、発生する駆動トルクを燃料消費率（リットル／ｋｍ）が最小値になる、あるいは最小値に近い限られた領域になるように制御することを最大の特徴とする。この制御は、プログラム制御回路により行い、その制御論理は車速に対する駆動トルクのマップ上で燃料効率が最小になる限られた領域を設定し、この領域内で内燃機関が車軸に対して駆動力を発生するように制御することにより実現される。内燃機関の特性にしたがって、車両が加速する、登坂路面を走行するなど、大きい駆動トルクが必要とされるモードでは、内燃機関の駆動トルクが限られた範囲を越えないように燃料供給を制限するとともに、電動発電機を電動機モードとして制御し、電動発電機に供給する電流を大きくするように制御することになる。
【０００９】
このような制御を行うと、さまざまなモードを切り替えて走行する全体の走行モードのなかで、駆動力が不足する、あるいは燃料消費量が増大するなどのために、電池から大きい電流を取り出さなければならない時間が増大する。したがって車両に装備する電池の容量を大きくするとともに、電池に対する充電機能を大きくすることが必要になる。さらにこのような制御を行うと、電動発電機を電動機として駆動している状態では、その消費電流に対して効率のよいトルクを発生するように維持することが必要である。
【００１０】
この第一の対策（ｉ）は本発明の実施車両に電磁誘導充電装置（ＩＰＴ，Inductive Power Transfer) を装備することである。電磁誘導充電装置は、車両の基地や特定のポストに設けた充電装置であり、この充電装置と車両側の装置とは非接触により接続される。すなわち、固定装置から供給される電流は固定的な電磁誘導巻線に供給される。車両側には受電装置として電磁誘導巻線を備える。そして車両が固定装置である充電装置に接近し、二つの電磁誘導巻線は互いに非接触の状態で電磁結合する状態で、固定装置から車両の受電装置に充電エネルギを供給することができる。この固定装置を例えばバス停留所に設けることにより、停留所で乗客の乗降を行っている間に、車両の電池に充電電流を供給することができる。貨物車両については、貨物の集積所や貨物の積み下ろし場にこの非接触型の充電装置を設備し、貨物の積み下ろし作業中に特別な作業工数を必要とすることなく車両の電池を充電することができる。
【００１１】
この第二の対策（ii）は、車両の制動時あるいは車両の減速時に回生できる電気エネルギを多くするように設計することであり、具体的には、内燃機関とプロペラ軸との間に変速機（５２）を設け、この変速機を回生制動により発生する電気エネルギが最大になるように制御することである。すなわち本発明の構成では内燃機関（１）とプロペラ軸（４）との間にすでに無段階変速機（３）が装備され、これにより内燃機関の発生トルクを最適に制御することができるから、さらなる変速機を装備することは駆動力を最適化するためには必要ではない。しかし電動発電機（２）とプロペラ軸（４）との間にさらに別の変速機（５２）を設け、この変速機を車両が減速し回生制動を行うときに、電動発電機（２）が発電機として発生する電気エネルギが最大になるように、プログラム制御回路（９）により切替制御するものである。
【００１２】
さらに第三の対策（iii）は、これも車両の制動時あるいは車両の減速時に回生できる電気エネルギを多くするように設計することであり、具体的には前記電動発電機（２）のほかにさらに別の発電機（１２) を装備して、車両の制動時あるいは減速時にこの発電機が有効になるように制御して、回生電気エネルギを大きくするように設計することである。
【００１３】
上記第一の対策（ｉ）、第二の対策（ii）および第三の対策（iii）は、これらを併用することが最も望ましい形態であるが、その一部を装備することにより相応の効果があり、その一部を選択的にあるいは組み合わせて実施することができる。
【００１４】
すなわち本発明は、内燃機関（１）と、電動発電機（２）と、この電動発電機と前記内燃機関の出力軸とを連結する無段階変速機（３）と、この無段階変速機（３）の出力軸とプロペラ軸（４）との間に連結された動力伝達手段（５）とを備え、さらに電池（６）と、この電池（６）の出力を前記電動発電機（２）に供給する変換手段（７）と、前記内燃機関（１）の回転を検出する回転センサ（８）と、この回転センサ（８）の出力にしたがって前記変換手段を制御するとともに前記内燃機関（１）への燃料供給量を制御するプログラム制御回路（９）とを備えたハイブリッド自動車において、
このプログラム制御回路（９）は、車速に対する駆動トルクのマップ上で前記内燃機関の燃料消費率（例、リットル／ｋｍ）が最小になる狭い領域で前記内燃機関（１）の出力を有効とし、この狭い領域以外では前記電動発電機（２）の電動機としての出力を有効とするように前記電動発電機（２）に供給する駆動電流の位相を制御する手段を含むことを特徴とする。
【００１５】
前記無段階変速機（３）は具体的構成としては遊星歯車を利用することができる。本発明の内燃機関（１）は、広く内燃機関一般に適用実施できるが、ディーゼル機関について実施するときに本発明は有用である。
【００１６】
前記電動発電機を多相交流回転機（２）として、前記電池（６）の出力をその多相交流回転機に供給しその多相交流回転機の出力を充電電流として前記電池（６）に供給する変換手段は、直流の入出力端子が前記電池（６）に接続され多相交流の入出力端子が前記多相交流回転機（２）に接続されたインバータ（７）であり、前記プログラム制御回路はこのインバータ（７）の多相交流側の位相を制御する手段を含む構成とすることができる。
【００１７】
上記括弧内の数字はあとから説明する実施例装置の図面参照数字である。これは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装置に限定して理解するためのものではない。以下の説明においても同様である。
【００１８】
前記電池を充電するために、前記電池に対し外部から非接触で充電を行う手段を備えた構成とすることができる。具体的にはＩＰＴである。これは前記対策（ｉ）に相当する。
【００１９】
前記無段階変速機（３）のほかに別の変速機（５２）を設け、前記プログラム制御回路には、前記電動発電機（２）が発電機として作動する回転速度の広い範囲で有効な発電を行うことができるように前記変速機（５２）を選択制御する手段を含む構成とすることができる。これは前記対策（ii）に相当する。
【００２０】
前記電動発電機（２）のほかに別の発電機（１２）を設け、前記プログラム制御回路には、車両が減速するときにこの発電機（１２）を有効な状態に制御する手段を含む構成とすることができる。これは前記対策（iii）に相当する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
実施例図面を参照してさらに詳しく説明する。図１は本発明実施例装置のブロック構成図である。
【００２２】
内燃機関であるディーゼル機関１の出力軸は、無段階変速機である遊星歯車３を介して電動発電機２の駆動軸に連結される。遊星歯車３は、サンギヤ３１、プラネタリギヤ３２、およびリングギヤ３３を含む構造である。この遊星歯車３の構造は複雑であるが、無段階変速機としてよく知られている構造であるから、ここでは詳しい説明を省略する。この図１には、ディーゼル機関１と遊星歯車３との間にクラッチ１０を図示しているが、このクラッチ１０はこれを省くことができる。すなわち、ディーゼル機関１の出力軸と遊星歯車３の入力軸は直結しているとして理解することがよい。このクラッチ１０を挿入する場合については後から説明する。
【００２３】
遊星歯車３の出力軸は動力伝達手段５を介してプロペラ軸４に連結される。動力伝達手段５はクラッチ５１および変速機５２を含む。この変速機５２は内燃機関１のために装備するものではなく、電動発電機２のトルク変換のために装備するものである。すなわちこの変速機５２は、電動発電機２の回転速度に対するトルク特性が最適になるように切替制御される。クラッチ５１は変速機５２の切替時に一時的に切断状態に制御する。プロペラ軸４は差動歯車を介して車軸に連結される。
【００２４】
ここで変速機５２にはクラッチ１１を介して発電機１２が連結される。この構造は変速機に設けられたＰＴＯ（パワー・テイク・オフ）と同様の構造であり、車両の制動時に効率的な発電を行うためのものである。
【００２５】
この発電機１２の電気出力および電動発電機２の電気入出力はそれぞれ３相交流であり、インバータ７によりそれぞれの位相制御が行われる。インバータ７の直流側端子は電池６の端子に接続される。このインバータ７の位相制御はプログラム制御回路９により実行される。電池６の端子は電磁誘導充電装置（ＩＰＴ）１３に接続される。電磁誘導充電装置は、車両に設けられた誘導巻線と、固定的な充電装置（図外）に設けられた誘導巻線が非接触の状態で結合して、充電装置から供給される電力により車両の電池６が急速充電される。
【００２６】
プログラム制御回路９の入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）には、入力情報として、ディーゼル機関１の回転センサ８の出力、アクセル・ペダル１３の操作量、ブレーキ・ペダル１４の操作量、排気ブレーキ操作端１５の操作量、電池６の状態情報、車速センサ１６の出力情報その他が入力する。またプログラム制御回路９の入出力インターフェースから、制御出力として、インバータ７への位相制御信号、クラッチ５１および変速機５２の制御信号、クラッチ１１の制御信号、燃料ポンプ１７の制御信号その他が送出される。
【００２７】
この装置の動作を説明すると、このディーゼル機関１は図２に示すトルク特性図の中で斜線を施した帯状の狭い領域で有効なトルクを発生するように制御される。すなわち、図２は上でも説明したように、横軸にプロペラ軸回転速度をとり、縦軸にプロペラ軸伝達トルクをとった速度トルク特性を示す図である。この図２の横軸は車速Ｖに対応し、縦軸はその車速における駆動トルクを示す。そして図２に破線で示す曲線は、このディーゼル機関についての最小燃料消費率、すなわち１ｋｍを走行する燃料が最小になる状態（リットル／ｋｍ）、または燃料単位量（１００リットル）あたりで走行できる距離（ｋｍ）が最大になる状態を示すものである。この破線で示す曲線のごく近傍の斜線を付した領域にかぎり、ディーゼル機関１から必要なトルクを取り出すように制御する。そのほかの領域はディーゼル機関１を停止させ、あるいは停止させなくともディーゼル機関１からは駆動出力を取り出すことはせずに、電動発電機２を電動機として作動させて電気自動車として走行させるように制御する。
【００２８】
このような制御を行うと、燃料消費量は小さくなるが電池電流が大きくなり電池の消耗量が大きくなる。したがって電池６を大型に設計することになる。また電池６の充電電力を大きくすることが必要になる。このために本発明の装置は次の３つの対策を施すことにその特徴がある。この３つの対策は、（ｉ）電磁誘導充電装置１３を設けて簡便にかつひんぱんに充電を行う、（ii）別の変速機５２を設けて回生制動を有効に行う、および（iii）別の発電機１２を設けて回生制動を有効に行うことである。
【００２９】
これらの対策を説明すると、上記対策の（ｉ）は車両と非接触の充電装置を利用してひんぱんに電池６を充電することである。その概要は上で説明したとおりであるが、本発明の装置は主としてディーゼル機関を装備した車両に実施されるものである。その車両の一つの用途はバスであり、バスの基地ターミナル、路線バスであれば乗り降りする乗客の多い停留所などに固定装置を配置しておく。また貨物車両であるなら、車両基地、貨物の積み下ろし場、あるいは配達区域ごとに特定のポストを設けるなどして、固定装置を配置することができる。そしてその固定装置が配置された位置に車両を停車させ、固定装置の誘導巻線と車両に装備された電磁誘導充電装置１２の誘導巻線を電磁的に接続させることにより、非接触の状態で固定装置から車両側の装置に充電エネルギを供給することができる。
【００３０】
上記対策の（ii） は、別の変速機５２を設けることである。これは内燃機関１の出力を有効に利用するためのトルク変換装置としては、遊星歯車３がすでに設けられているが、これとは別に変速機５２を設けるものである。この変速機５２は内燃機関１のトルク変換に利用するのではなく、車両が減速するときあるいは停止するときに、車両走行による運動エネルギをできるだけ回生制動の状態で電池６に回生しようとするために設けられる。すなわち、電動発電機３が最も有効に回生制動を行うことができるように、車両が減速するモードで変速機５２が有効になるように選択制御される。さらに具体的には、通常の加速モードあるいは定常走行モードでは、変速機５２は直結（トップ）の状態となっている。車両が減速する状態になり、内燃機関１または電動発電機２から運動エネルギが出て行かなくなると、クラッチ５１を開閉しながら変速機５２の切り換えが実行される。そして、それぞれの車両速度で最適な回生制動が行われるように変速機５２の変速比が選択される。
【００３１】
上記対策の（iii）は、別の発電機１２を装備するものである。これはハイブリッド自動車としてすでに電動発電機２が設けられ、車両が制動状態にあるときあるいは減速するときに、その走行エネルギが電気エネルギとして回収されるように制御されている。しかしこの回生制動制御には限界がある。このため別の発電機１２およびクラッチ１１を設ける。そして車両が減速される状態になったときに、クラッチ１１を結合状態に制御するとともに、そのときの発電機１２の回転速度で最も大きい回生エネルギを取り出すことができるように、発電機１２に印加される界磁巻線用の交流位相を制御する。この構成により、車両減速時に運動エネルギが多く電気エネルギとして回生され、電池６に充電電流として供給されることになる。
【００３２】
つぎに内燃機関１の出力軸に設けたクラッチ１０について説明すると、このクラッチ１０は上記説明のように必ずしも必要なものではない。このクラッチ１０はつねに直結状態として不要な構成としてよい。しかし、この位置にクラッチ１０を設けてこれを走行モードにしたがって開閉制御することにより、内燃機関１のフリクションにより失う運動エネルギを小さくすることができる。たとえば車両が減速状態になったときに、内燃機関１をいわゆるエンジン・ブレーキの状態とするのではなく、このクラッチ１０を切断状態に制御して、電動発電機２および（または）発電機１２を有効な状態として、回生制動を行うことができる。またこのクラッチ１０については、さらに別の考え方として、本願出願人が先願（特許文献１）として開示した「一方向性のクラッチ」を利用することができる。これは回転力がエンジン１から無段階変速機３の方向には伝わるが、その逆方向にはスリップして回転力が伝わらないように設定したクラッチである。一方向性のクラッチのわかりやすい例示は自転車の後輪に装備されているラチエット機構である。このような構造をクラッチ１０として利用することにより、内燃機関１のフリクションによって失われる運動エネルギを小さくすることができる。
【００３３】
【特許文献１】
特開２００１−２０６０８４号公報
【００３４】
【発明の効果】
本発明により、内燃機関、とくにディーゼル機関の燃料効率をきわめて高くすることに特化して設計したハイブリッド自動車を提供することができる。本発明は、燃料効率に重点をおき、内燃機関の排ガスその他については、排気通路の浄化装置その他により所望の条件を達成するものとして、とくに考慮することなく設計されたハイブリッド自動車を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例装置のブロック構成図。
【図２】本発明について速度トルク特性を説明する図。
【符号の説明】
１ 内燃機関（ディーゼル機関）
２ 電動発電機
３ 無段階変速機（遊星歯車）
４ プロペラ軸
５ 動力伝達手段
６ 電池
７ インバータ
８ 回転センサ
９ プログラム制御回路
１０、１１ クラッチ
１２ 発電機
１３ 電磁誘導充電装置
１４ アクセル・ペダル
１５ ブレーキ・ペダル
１６ 排気ブレーキ操作端
１７ 車速センサ
１８ 燃料ポンプ
３１ サンギヤ
３２ プラネタリギヤ
３３ リングギヤ
５１ クラッチ
５２ 変速機

Claims (6)

1. 内燃機関と、電動発電機と、この電動発電機と前記内燃機関の出力軸とを連結する無段階変速機と、この無段階変速機の出力軸とプロペラ軸との間に連結された動力伝達手段とを備え、
   さらに電池と、この電池の出力電流を前記電動発電機に供給しその電動発電機の出力電流を充電電流として前記電池に供給する変換手段と、前記内燃機関の回転を検出する回転センサと、この回転センサの出力にしたがって前記変換手段を制御するとともに前記内燃機関への燃料供給量を制御するプログラム制御回路とを備えたハイブリッド自動車において、
   このプログラム制御回路は、車速と駆動トルクとの積が前記内燃機関の燃料消費率がほぼ最小になる狭い領域に入るときのみ前記内燃機関出力を有効とし、この狭い領域以外では前記電動発電機の電動機としての駆動力出力を有効とするように前記電動発電機に供給する駆動電流を制御する手段を含む
   ことを特徴とするハイブリッド自動車。
2. 前記無段階変速機は遊星歯車である請求項１記載のハイブリッド自動車。
3. 前記電動発電機は多相交流回転機であり、
   前記変換手段は、直流の入出力端子が前記電池に接続され多相交流の入出力端子が前記電動発電機に接続された双方向インバータであり、
   前記プログラム制御回路はこのインバータの多相交流の位相を制御する手段を含む
   請求項１記載のハイブリッド自動車。
4. 前記電池に対し外部から非接触で充電を行う手段を備えた請求項１記載のハイブリッド自動車。
5. 前記無段階変速機（３）のほかに別の変速機（５２）を設け、前記プログラム制御回路には、前記電動発電機（２）が発電機として作動する回転速度の広い範囲で有効な発電を行うことができるように前記変速機（５２）を選択制御する手段を含む請求項１記載のハイブリッド自動車。
6. 前記電動発電機（２）のほかに別の発電機（１２）を設け、前記プログラム制御回路には、車両が減速するときにこの発電機（１２）を有効な状態に制御する手段を含む請求項１記載のハイブリッド自動車。

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