JP3882749B2

JP3882749B2 - 自動車

Info

Publication number: JP3882749B2
Application number: JP2002374700A
Authority: JP
Inventors: 幸彦出塩
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: JP2004203208A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の自動車としては、車軸に接続された駆動軸に変速可能な変速機を介してエンジンおよび第１モータから出力された動力と、この駆動軸に直接第２モータから出力された動力とにより走行するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この自動車では、車両の運転状態に基づいて変速機の状態、即ち、変速比を変更する制御を行なっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１９８６７１号公報（第７項、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした自動車では、変速機の変速状態に応じてエンジンと第１モータとを制御すると共に第２モータを制御する必要があり制御が複雑なものとなる。また、第１モータと第２モータとについてはその使用に応じた特性のものを用いる必要もある。
【０００５】
本発明の自動車は、車両の必要な動特性を簡易な構成で得ることを目的の一つとする。また、本発明の自動車は、車両の必要な動特性を簡易な制御で得ることを目的の一つとする。さらに、本発明の自動車は、組み付け性の向上を図ることを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の自動車は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の自動車は、
第１の車軸に接続された第１の駆動軸に動力を出力可能な内燃機関と、
第２の車軸に接続された第２の駆動軸に第１のギヤ比をもって動力を出力可能な第１の電動機と、
前記第２の駆動軸に前記第１のギヤ比より大きな第２のギヤ比をもって動力を出力可能な第２の電動機と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明の自動車では、第２の駆動軸に異なるギヤ比をもって第１の電動機と第２の電動機とから動力を出力することができるから、第１の電動機と第２の電動機のうち第２の駆動軸の運転状態に対して効率よく動力を出力できる一方または双方の電動機を選択して駆動することができる。この結果、こうした二つの電動機からの動力と内燃機関からの動力とによって車両に必要な動特性を簡易な構成で効率よく得ることができる。しかも、第１の電動機と第２の電動機では、ギヤ比が異なるだけだから、一方の電動機が変速比を変更可能な変速機を介して駆動軸に接続されている場合に比して簡易な制御とすることができる。ここで、第１の電動機と第２の電動機については、双方とも直流電動機を用いるものとしたり、双方を同一機種の電動機とすることもできる。こうすれば、第１の電動機と第２の電動機の制御を簡易なものとしたり、電動機の取り付け間違いといった不都合を回避することができる。また、第１のギヤ比としては、２ないし１０の範囲のものを用いたり、第１のギヤ比と第２のギヤ比としては、その比を２ないし１０の範囲内のものを用いることもできる。
【０００９】
こうした本発明の自動車において、前記第１の電動機の回転軸および前記第２の電動機の回転軸のうちのいずれか一方と前記第２の駆動軸とを接続する第１のギヤ機構と、該第１のギヤ機構のいずれかの回転軸と前記第１の電動機の回転軸および前記第２の電動機の回転軸のうちの他方とを接続する第２のギヤ機構を備えるものとすることもできる。即ち、第１のギヤ機構を第１のギヤ比または第２のギヤ比の一方のギヤ比として構成し、第２のギヤ機構を第１のギヤ機構との接続を含めて第１のギヤ比または第２のギヤ比の他方として構成するのである。これにより、第１の電動機と第２の電動機とを別々のギヤ機構によって第２の駆動軸に接続する構成に比してコンパクトなものとすることができる。
【００１０】
また、本発明の自動車において、前記内燃機関からの動力を用いて発電すると共に該発電した電力を前記第１の電動機および／または前記第２の電動機に供給可能な発電機を備えるものとすることもできる。この態様の本発明の自動車において、運転者の要求に基づいて前記発電機を駆動制御する発電機制御手段を備えるものとすることもできる。この場合、前記発電機制御手段は、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量に基づいて前記第１の電動機および前記第２の電動機から出力しようとする動力を設定し、該設定した動力に見合う電力が出力されるよう前記発電機を駆動制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、発電機を制御することにより、第１の電動機と第２の電動機とにより消費される電力を賄うことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の自動車２０は、図示するように、エンジン２２を中心として構成される前輪用駆動部２０ａと、第１モータ４６および第２モータ４８を中心として構成される後輪用駆動部２０ｂと、車両全体をコントロールする電子制御ユニット７０とを備える。
【００１２】
前輪用駆動部２０ａは、フロントエンジンフロントドライブ（ＦＦ）型としてのガソリンエンジン車両の構成とほぼ同等の構成をしており、横置きされたエンジン２２と、図示しないトルクコンバータおよびトランスミッションにより構成される自動変速機３０とを備え、エンジン２２からの動力が自動変速機３０で変速され、デファレンシャルギヤ６４を介して前輪６６ａ，６６ｂに出力されるようになっている。また、エンジン２２のクランクシャフトにはベルト２８を介して発電機２６が取り付けられており、エンジン２２からの動力を用いて発電できるようになっている。エンジン２２および自動変速機３０は、前輪駆動用電子制御ユニット（以下、前輪駆動用ＥＣＵという）２９により制御されている。この前輪駆動用ＥＣＵ２９は、電子制御ユニット７０と通信しており、電子制御ユニット７０からの制御信号によりエンジン２２および自動変速機３０を運転制御すると共に必要に応じてエンジン２２および自動変速機３０の運転状態に関するデータを電子制御ユニット７０に出力する。なお、発電機２６は、電子制御ユニット７０により駆動制御されている。
【００１３】
前輪用駆動部２０ａは、フロントエンジンフロントドライブ（ＦＦ）型としてのガソリンエンジン車両の構成とほぼ同等の構成をしており、横置きされたエンジン２２と、図示しないトルクコンバータおよびトランスミッションにより構成される自動変速機３０とを備え、エンジン２２からの動力が自動変速機３０で変速され、デファレンシャルギヤ６４を介して前輪６６ａ，６６ｂに出力されるようになっている。また、エンジン２２のクランクシャフトにはベルト２８を介して発電機２６が取り付けられており、エンジン２２からの動力を用いて発電できるようになっている。エンジン２２および自動変速機３０は、前輪駆動用電子制御ユニット（以下、前輪駆動用ＥＣＵという）２９により制御されている。この前輪駆動用ＥＣＵ２９は、電子制御ユニット７０と通信しており、電子制御ユニット７０からの制御信号によりエンジン２２および自動変速機３０を運転制御すると共に必要に応じてエンジン２２および自動変速機３０の運転状態に関するデータを電子制御ユニット７０に出力する。なお、発電機２６は、電子制御ユニット７０により駆動制御されている。
【００１４】
後輪用駆動部２０ｂは、後輪９６ａ，９６ｂにデファレンシャルギヤ９４と第１ギヤ機構９０とを介して接続された第１モータ４６と、第１モータ４６の回転軸に第２ギヤ機構９２を介して接続された第２モータ４８とを備える。第１モータ４６および第２モータ４８は電力ラインにより発電機２６に接続されており、この電力ラインには切替スイッチＳ１，Ｓ２が設けられている。第１ギヤ機構９０および第２ギヤ機構９２は、そのギヤ比が２ないし１０好ましくは４ないし８（実施例では６）として構成することができる。したがって、実施例では、第１モータ４６は車軸に対して値６の減速比で回転することになり、第２モータ４８は車軸に対して値３６の減速比で回転することになる。以下、第１モータ４６の車軸に対する減速比をｉ１、第２モータ４８の車軸に対する減速比をｉ２と記す。なお、第１モータ４６および第２モータ４８は、共に例えばブラシレスの直流電動機として同一の機種を用いて構成されている。
【００１５】
電子制御ユニット７０は、ＣＰＵ７２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ７２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ７４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ７６と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。電子制御ユニット７０には、シフトレバー８０の操作位置を検出するシフトポジションセンサ８１からのシフトポジションＳＰ，アクセルペダル８２の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ８３からのアクセル開度Ａｃｃ，ブレーキペダル８４の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ８５からのブレーキペダルポジションＢＰ，車速センサ８６からの車速Ｖなどが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット７０からは、発電機２６への駆動制御信号や切替スイッチＳ１，Ｓ２へのスイッチ信号などが出力ポートを介して出力されている。また、電子制御ユニット７０は、前述したように、前輪駆動用ＥＣＵ２９と通信ポートを介して接続されており、前輪駆動用ＥＣＵ２９と各種制御信号やデータのやりとりを行なっている。
【００１６】
こうして構成された実施例の自動車２０では、前輪用駆動部２０ａのエンジン２２や自動変速機３０については、運転者によるアクセルペダル８２の踏み込み量、即ちアクセル開度Ａｃｃに基づいて通常の運転制御が行なわれ、後輪用駆動部２０ｂの第１モータ４６および第２モータ４８については、アクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づいて駆動制御されている。また、発電機２６については、第１モータ４６や第２モータ４８により消費される電力を賄うように駆動制御されている。これらの制御のうち、前輪用駆動部２０ａのエンジン２２や自動変速機３０の制御は本発明の中核をなさないから、その詳細な説明については省略する。以下、第１モータ４６や第２モータ４８，発電機２６の駆動制御について説明する。
【００１７】
図２は、実施例の電子制御ユニット７０により実行される駆動制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎（例えば、２０ｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。駆動制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２は、まず、アクセルペダルポジションセンサ８３からのアクセルペダル開度Ａｃｃや車速センサ８６からの車速Ｖを読み込み（ステップＳ１００）、読み込んだアクセル開度Ａｃｃに基づいてモータ要求トルクＴｍ＊を設定する（ステップＳ１０２）。ここで、モータ要求トルクＴｍ＊は、実施例では、アクセル開度Ａｃｃとモータ要求トルクとの関係を予め設定してモータ要求トルク設定マップとしてＲＯＭ７４に記憶しておき、アクセル開度Ａｃｃが与えられるとＲＯＭ７４に記憶されたモータ要求トルク設定マップから対応するモータ要求トルクを導出するものとした。要求トルク設定マップの一例を図３に示す。
【００１８】
モータ要求トルクＴｍ＊が設定されると、発電機２６の発生要求電圧Ｅ＊を、モータ要求トルクＴｍ＊と第２モータ４８の回転数Ｎｍ２と定数α，βとを用いて次式（１）により計算して設定する（ステップＳ１０４）。
【００１９】
【数１】
Ｅ＊＝α・Ｔｍ＊＋β・Ｎｍ２（１）
【００２０】
式（１）中の定数α，βは次のように求めることができる。式（２）から式（４）は直流電動機のトルクと電流との関係を表す関係式である。ここで、定数Ｋｔは電流をトルクに変換するトルク係数であり、Ｉｍ１，Ｉｍ２は第１モータ４６および第２モータ４８内に流れる電流値であり、定数Ｋｍはモータの回転数を逆起電圧に変換する逆起電圧定数であり、定数Ｒｍはモータの内部抵抗である。こうした式（２）から式（４）を発電機２６の発生要求電圧Ｅ＊で解けば式（５）となる。この式（５）中のモータ要求トルクＴｍ＊の係数部分が上式（１）の定数αであり、第２モータの回転数Ｎｍ２の係数部分が定数βである。
【００２１】
【数２】

【００２２】
こうして、発電機２６の発生要求電圧Ｅ＊が設定されると、車速Ｖと閾値Ｖｒｅｆ１および閾値Ｖｒｅｆ２とを比較する（ステップＳ１０６）。ここで、閾値Ｖｒｅｆ１は、発電機２６による発生電圧と第２モータ４８の逆起電圧とがほぼ等しくなる第２モータ４８の回転数を換算係数ｋｖ２（第２モータ４８の回転数を車速Ｖに換算する換算係数）で除した値として設定されるものであり、第２モータ４８の特性や第１ギヤ機構９０や第２ギヤ機構９２のギヤ比などにより設定することができる。また、閾値Ｖｒｅｆ２は、発電機２６による発生電圧Ｅ＊と第１モータ４６の逆起電圧とがほぼ等しくなる第１モータ４６の回転数を換算係数ｋｖ１（第１モータ４６の回転数を車速Ｖに換算する換算係数）で除した値として設定されるものであり、第１モータ４６の特性や第１ギヤ機構９０のギヤ比などにより設定することができる。車速Ｖが閾値Ｖｒｅｆ１より小さいときには、第１モータ４６および第２モータ４８に電力が供給されるよう切替スイッチＳ１および切替スイッチＳ２をオンとし（ステップＳ１０８）、車速Ｖが閾値Ｖｒｅｆ１以上閾値Ｖｒｅｆ２以下のときには、第１モータ４６のみに電力が供給され第２モータ４８には電力が供給されないよう切替スイッチＳ１をオンとすると共に切替スイッチＳ２をオフとし（ステップＳ１１０）、車速Ｖが閾値Ｖｒｅｆ２よりも大きいときには、第１モータ４６および第２モータ４８に電力が供給されないよう切替スイッチＳ１および切替スイッチＳ２をオフとする（ステップＳ１１２）。そして、こうした切替スイッチＳ１，Ｓ２の操作と同時に設定した発生要求電圧Ｅ＊となるよう発電機２６を駆動制御し（ステップＳ１１４）、本ルーチンを終了する。なお、発生要求電圧Ｅ＊で発電機２６が駆動制御されることにより、発電機２６による発電電力で第１モータ４６や第２モータ４８を駆動することができる。
【００２３】
図４は、アクセルペダル８２を一定量踏み込んで車速Ｖを一様に増加させたときの車速Ｖと、モータ回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２と、発電機２６による発生要求電圧Ｅ＊と、モータ逆起電圧Ｅｇと、後輪駆動軸に伝達されるトルクＴｒの時間変化を示す説明図である。ここで、図中の後輪駆動軸に伝達されるトルクＴｒの時間変化における破線Ａは第１モータ４６から出力され後輪駆動軸に伝達されるトルクであり、破線Ｂは第２モータ４８から出力され後輪駆動軸に伝達されるトルクであり、実線Ｃは第１モータ４６および第２モータ４８から出力され後輪駆動軸に伝達されるトルクの和である。車両の発進時では、第１モータ４６や第２モータ４８は回転していないから逆起電圧も発生していない。このため、アクセル開度Ａｃｃに基づいて設定されたモータ要求トルクＴｍ＊がそのまま各モータから出力される。車両が動き始めると、第１モータ４６および第２モータ４８には回転が生じるため逆起電圧が発生する。このためモータからはアクセル開度Ａｃｃに基づいて設定されたモータ要求トルクＴｍ＊から逆起電圧を考慮したトルクが出力されることになる。したがって、車速の増加に伴いモータから出力されるトルクは減少していく。車速Ｖが値Ｖｒｅｆ１に達する時間ｔ１では、第２モータ４８の逆起電圧が発電機２６による発生要求電圧と等しくなるため（値Ｅ１）、第２モータ４８からのトルクは値０となる。実施例では、この理由により切替スイッチＳ２をオフとして第２モータ４８への電力の供給を停止している。一方、第１モータ４６では、第２モータ４８に比して回転数が低いため、逆起電圧も低くなるからトルクは出力できる。したがって、車速Ｖが値Ｖｒｅｆ２に達する時間ｔ２までは第１モータ４６から出力されたトルクだけが後輪駆動軸に伝達される。車速Ｖが値Ｖｒｅｆ２に達した時間ｔ２では、第１モータ４６の逆起電圧と発電機２６による発生要求電圧とが等しくなるため（値Ｅ２）、第１モータ４６からのトルクも値０となる。実施例では、この理由により切替スイッチＳ１をオフとして第２モータ４８に加えて第１モータ４６も停止している。したがって、車速Ｖが値Ｖｒｅｆ２よりも大きくなる時間ｔ２以降は第１モータ４６からも第２モータ４８からもトルクの出力は行なわれない。なお、図示しないが前輪用駆動部２０ａではアクセルペダル８２の踏み込み量に応じてエンジン２２が駆動制御され、アクセルペダル８２の踏み込み量と車速Ｖとに応じて自動変速機３０の変速が制御されて、エンジン２２からの出力が変速機３０により変速されて前輪駆動軸に出力されている。
【００２４】
以上説明した実施例の自動車２０によれば、第１モータ４６と第２モータ４８とを異なるギヤ比をもって後輪９６ａ，９６ｂの駆動軸に接続したから、車速Ｖに応じて第１モータ４６および第２モータ４８を駆動することにより、広範な車速領域でモータからの動力を出力することができる。この結果、こうした二つのモータとエンジン２２とからの動力によって車両に必要な動特性を簡易な構成で得ることができる。しかも、発電機２６と切替スイッチＳ１、Ｓ２とを制御するだけだから、簡易な制御で車両に必要な動特性を得ることができる。また、第１モータ４６と第２モータ４８とを同一機種としたから、第１モータ４６を取り付ける回転軸に第２モータ４８を取り付けたり、これと逆の取り付けをしてしまうといった不都合を回避することができる。この結果、組み付け性を向上させることができる。さらに、第１モータ４６の回転軸に第２ギヤ機構９２を設けて第２モータ４８を接続したから、ギヤ機構の構成をコンパクトなものとすることができる。
【００２５】
実施例の自動車２０では、第１ギヤ機構９０および第２ギヤ機構９２が同じギヤ比、即ち、第１ギヤ機構９０と第２ギヤ機構９２とを含めたギヤ比が第１ギヤ機構９０のギヤ比の二乗となるものとして説明したが、第１ギヤ機構９０および第２ギヤ機構９２が異なるギヤ比としても構わない。また、第１ギヤ機構９０と第２ギヤ機構９２とを含めたギヤ比が第１ギヤ機構９０のギヤ比よりも大きなものとする必要はなく、第１ギヤ機構９０と第２ギヤ機構９２とを含めたギヤ比が第１ギヤ機構９０のギヤ比よりも小さなものとしても構わない。
【００２６】
実施例の自動車２０では、第２モータ４８を第１ギヤ機構９０および第２ギヤ機構９２を介して後輪駆動軸に接続するものとして説明したが、第１モータ４６と第２モータ４８とが異なるギヤ比でもって後輪駆動軸に接続されていればよいから、第２モータ４８を第２ギヤ機構９２を用いずに別のギヤ機構を用いて後輪駆動軸に直接接続するものとしても構わない。
【００２７】
実施例の自動車２０では、エンジン２２の動力の一部を発電機２６により電力変換した電力を直接用いて第１モータ４６および第２モータ４８を駆動するものとしたが、発電機２６と第１モータ４６と第２モータ４８とのそれぞれと電力のやり取りが可能なバッテリを備えるものとしてもよい。こうすれば、発電機２６の発電により得られる電力量にかかわらず第１モータ４６および第２モータ４８を駆動することができる。
【００２８】
実施例の自動車２０では、第１モータ４６および第２モータ４８として直流電動機を使用するものとしたが、第１モータ４６および第２モータ４８として三相交流を用いた同期電動機や誘導電動機などの種々の電動機を用いるものとしてもよい。
【００２９】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である自動車２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】電子制御ユニット７０により実行される駆動制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図３】モータ要求トルク設定マップの一例を示す説明図である。
【図４】アクセルペダル８２を一定量踏み込んで車速Ｖを一様に増加させたときの車速Ｖとモータ回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２と発電機２６による発生要求電圧Ｅ＊とモータ逆起電圧Ｅｇと後輪駆動軸に伝達されるトルクＴｒの時間変化を示す説明図である。
【符号の説明】
２０自動車、２２エンジン、２９前輪駆動用電子制御ユニット（前輪駆動用ＥＣＵ）、２６発電機、２８ベルト、３０自動変速機、４６第１モータ、４８第２モータ、６４デファレンシャルギヤ、６６ａ，６６ｂ前輪、７０電子制御ユニット、７２ＣＰＵ、７４ＲＯＭ、７６ＲＡＭ、８０シフトレバー、８１シフトポジションセンサ、８２アクセルペダル、８３アクセルペダルポジションセンサ、８４ブレーキペダル、８５ブレーキペダルポジションセンサ、８６車速センサ、９０第１ギヤ機構、９２第２ギヤ機構、９４デファレンシャルギヤ、９６ａ，９６ｂ後輪、Ｓ１，Ｓ２切替スイッチ。

Claims

第１の車軸に接続された第１の駆動軸に動力を出力可能な内燃機関と、
第２の車軸に接続された第２の駆動軸に第１のギヤ比をもって動力を出力可能な第１の電動機と、
前記第２の駆動軸に前記第１のギヤ比より大きな第２のギヤ比をもって動力を出力可能な第２の電動機と、
車速を検出する車速検出手段と、
前記検出された車速が前記第２の電動機の逆起電圧により該第２の電動機から動力を出力することができなくなる第１の所定車速に至るまでは前記内燃機関からの動力と前記第１の電動機からの動力と前記第２の電動機からの動力とを用いて走行するよう前記内燃機関と前記第１の電動機と前記第２の電動機とを制御し、前記検出された車速が前記第１の所定車速に至った以降は前記第２の電動機からの動力を用いることなく前記内燃機関からの動力と前記第１の電動機からの動力とを用いて走行するよう前記内燃機関と前記第１の電動機と前記第２の電動機とを制御する制御手段と、
を備える自動車。
前記第１のギヤ比と前記第２のギヤ比との比は２ないし１０の範囲内である請求項１記載の自動車。
前記第１のギヤ比は２ないし１０の範囲内である請求項１または２記載の自動車。
前記第１の電動機の回転軸および前記第２の電動機の回転軸のうちのいずれか一方と前記第２の駆動軸とを接続する第１のギヤ機構と、該第１のギヤ機構のいずれかの回転軸と前記第１の電動機の回転軸および前記第２の電動機の回転軸のうちの他方とを接続する第２のギヤ機構を備える請求項１ないし３いずれか記載の自動車。
前記第１の電動機と前記第２の電動機は、同一機種の電動機である請求項１ないし４いずれか記載の自動車。
前記第１の電動機と前記第２の電動機は、直流電動機である請求項１ないし５いずれか記載の自動車。
前記制御手段は、前記検出された車速が前記第１の所定車速より大きく前記第１の電動機の逆起電圧により該第１の電動機から動力を出力することができなくなる第２の所定車速に至った以降は前記第１の電動機からの動力を用いることなく前記内燃機関からの動力を用いて走行するよう前記内燃機関と前記第１の電動機と前記第２の電動機とを制御する手段である請求項１ないし６いずれか記載の自動車。
請求項１ないし７いずれか記載の自動車であって、
前記内燃機関からの動力を用いて発電すると共に該発電した電力を前記第１の電動機および／または前記第２の電動機に供給可能な発電機を備え、
前記制御手段は、運転者の要求に基づいて前記発電機を駆動制御する手段である
自動車。
前記制御手段は、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量に基づいて前記第１の電動機および前記第２の電動機から出力しようとする動力を設定し、該設定した動力に見合う電力が出力されるよう前記発電機を駆動制御する手段である請求項８記載の自動車。