JP3884743B2 - ハイブリッド車両の駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンと電動機を備えたハイブリッド車両の駆動装置に関し、特にエンジンを電動機により始動する電動機ユニットに関する。

従来、エンジンを電動機により始動する電動機ユニットとして、特許文献１に記載の技術が開示されている。この電動機ユニットは、エンジン出力軸と電動機がチェーン及びチェーンスプロケットを介して常時連結され、電動機の力行によってエンジンを始動している。
特開平１１−２７０６６８号公報（図３参照）。

しかしながら、上述の従来技術にあっては下記に示す課題があった。
(1) 電動機の力行によりエンジンを始動するに当たり、力行には大きなトルクが必要とされ、一方、回転速度はエンジンアイドリング程度でよい。よって、コスト低下を図るために電動機の能力を低く設定する場合には、チェーンを捲回するチェーンスプロケットの径比を調整することで減速比を大きくする（電動機の回転速度が大きいとき、エンジン側の回転速度が小さい）ことが考えられる。しかしながら、エンジンの回転数と電動機の回転数が比例関係にあるため、エンジン始動後にはエンジン側から電動機を見ると増速関係となる。よって、エンジン最高速度では電動機は更に高速回転となり、機械的強度を確保するために特殊なベアリングや特殊な潤滑方法を取る必要がある。また、フリクションによる効率低下や、振動増大の原因となる。
(2) 電動機を磁石式同期電動機（ブラシレスモータ）とした場合、インバータによって駆動することとなる。このとき、電動機の高回転時には、スイッチング周波数を上昇させる必要があり、スイッチング損失の増大（スイッチング回数が増大するため）による効率の低下を招くという問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、電動機の能力を上げることなくエンジン始動を達成し、エンジン始動後に電動機の回転数上昇を招くことがないハイブリッド車両の駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、エンジンの回転方向に対しエンジンの出力軸と機械的結合がなされた電動機が設けられ、前記電動機の力行によりエンジンを始動する電動機ユニットを備えたハイブリッド車両の駆動装置において、前記電動機ユニットは、少なくとも前記エンジンの出力軸と連結された第１回転要素と、前記電動機と連結された第２回転要素と、固定部材と第１ワンウェイクラッチを介して連結された第３回転要素と、からなる遊星歯車と、前記第１，第２，第３回転要素の内の２つの回転要素間に設けられ、前記遊星歯車を一体回転可能にする第２ワンウェイクラッチと、を有し、前記エンジン始動時には、前記電動機の力行により前記第１ワンウェイクラッチを締結させると共に、前記遊星歯車を差動動作により減速機として機能させ、少なくとも前記エンジンが所定回転数以上となる領域では、前記第２ワンウェイクラッチを締結させ前記遊星歯車を一体回転させ、前記エンジン駆動時、または前記電動機の回転速度が所定値以上のとき、または前記電動機の回転速度と前記エンジンの回転速度から算出される減速比が所定値以上のときは、前記電動機を発電機として作用させることを特徴とする。

よって、本願発明のハイブリッド車両の駆動装置にあっては、エンジン始動時には第１ワンウェイクラッチと遊星歯車の作用によって、電動機の回転を減速してエンジン出力軸に伝達するため十分なトルクを得ることができる。一方、エンジン始動後は、第２ワンウェイクラッチによって遊星歯車が一体となり、電動機の回転速度とエンジンの回転速度との関係を等速とすることが可能となり、電動機が不用に高回転となるのを防止できる。

以下、本発明のハイブリッド車両の駆動装置を実現する最良の形態を、図面に示す実施例に基づいて説明する。

図１は、実施例１のハイブリッド車両の駆動装置を表すスケルトン図である。エンジン出力軸であるクランクシャフト６の回転は、エンジントルク振動吸収装置８を介して入力軸７へ入力される。入力軸７には、発進クラッチ９のドライブ側回転要素９ａと、オイルポンプ１８と、遊星歯車２（キャリヤ２ｂ）が設けられている。

発進クラッチ９のドリブン側回転要素９ｂには、駆動モータ１０と、出力側チェーンスプロケット７ａが接続されている。発進クラッチ９が締結すると、エンジン及び駆動モータ１０の出力を出力側チェーンスプロケット７ａからチェーン１１を介して入力側チェーンスプロケット１２ａに伝達する。

遊星歯車２は、電動機１に接続されたサンギヤ２ａと、入力軸７に接続されたキャリヤ２ｂと、第１及び第２ワンウェイクラッチ３，４に接続されたリングギヤ２ｃが設けられている。第１ワンウェイクラッチ３はリングギヤ２ｃとケース５の間に設けられ、第２ワンウェイクラッチ４はリングギヤ２ｃとサンギヤ２ａとの間に設けられている。尚、遊星歯車２及び第１，第２ワンウェイクラッチ３，４の作用については後述する。

変速機入力軸１２には入力側チェーンスプロケット１２ａが設けられている。チェーン１１を介して入力側チェーンスプロケット１２ａに入力された回転は、変速機１３内に伝達され、所望の回転数に変速される。尚、変速機としては、例えば前進６段、後退１段を達成可能な変速装置である。変速機１３から出力された出力ギヤ１４の回転は、アイドラ軸１５及びデファレンシャルギヤ１６を介して駆動軸１７に伝達される。

図２は実施例１のハイブリッド車両の駆動装置の制御構成を表すブロック図である。コントローラ２０には、キャリヤ回転速度（エンジン回転速度に相当）検知手段２１からのキャリヤ回転速度信号、電動機回転速度（サンギヤの回転速度に相当）検知手段２２からのサンギヤ回転速度信号が入力される。また、コントローラ２０からの指令信号に基づいて、蓄電装置３０から電動機１へ供給する電力を制御する電動機駆動電気回路３１が設けられている。

図３はエンジン始動時の遊星歯車２の作用を表す共線図である。第１ワンウェイクラッチ３は、リングギヤ２ｃがエンジン回転方向と同方向に回転するようにセットされている。言い換えると、エンジン回転方向と逆方向にはケース５によって固定され、回転しないようにセットされている。電動機１を力行すると、第１ワンウェイクラッチ３を支点として電動機１の回転数が上昇する。

このとき、キャリヤ２ｂに接続された入力軸７は、電動機１の回転速度よりも減速された回転速度で回転する。入力軸７にはエンジンフリクション分の大きなトルクが作用するが、電動機１の回転速度よりも減速された回転速度であるため、電動機１に要求される力行トルクは遊星歯車のギヤ比分小さなトルクでエンジンフリクショントルクを発生することができる。すなわち、電動機１を力行させることでエンジンを始動する場合、遊星歯車２は減速機として機能する。

電動機１の発生する力行トルクをTm、エンジンフリクションによりエンジン回転を停止させる方向に作用するトルクをTeとすると、第１ワンウェイクラッチ３には反力トルクが発生する。遊星歯車２のサンギヤ歯数をZs，リングギヤ歯数をZrとし、遊星歯車２等のフリクションは無いものとすると、電動機１の力行トルクTmは
Tm＝Te×Zs/(Zr＋Zs)
と表される。仮にZr＝２×Zsとすると、電動機１の力行トルクTmはエンジンフリクションTeの1/3のトルクでエンジンを始動することができる。

図４はエンジン始動後であって、エンジン駆動時における遊星歯車２の作用を表す共線図である。第２ワンウェイクラッチ４は、リングギヤ２ｃの回転速度がサンギヤ２ａ（電動機１）の回転速度を上回らないようにセットされている。電動機１の駆動を停止すると、電動機１に接続されたサンギヤ２ａには、フリクショントルクがエンジントルクと逆方向に作用する。また、電動機１を発電機として使用すると、回生トルクがエンジントルクと逆方向に作用する。

エンジンの駆動によってキャリヤ２ｂに駆動トルクが発生し回転速度が上昇するとき、共線図は図４中時計回りと反対方向に回動し、サンギヤ２ａとリングギヤ２ｃの回転速度が一致したときに第２ワンウェイクラッチ４が締結されるため、遊星歯車２は一体に回転する。車両発進時には、遊星歯車２が一体回転した状態で発進クラッチ９を徐々に締結し、駆動力を伝達する。また、必要に応じて駆動モータ１０によりトルクを付与してもよいし、駆動モータ１０のみによっての走行も達成可能である。

（エンジン始動制御処理）
図５は実施例１におけるエンジン始動制御処理を表すフローチャートである。尚、本実施例１の構成にあっては、電動機１のフリクションが他のフリクションよりも大きく、電動機１の電力を０とすると、フリクションのバランスから自動的に第２ワンウェイクラッチ４が締結し、遊星歯車２が一体回転する場合に適用されるものとする。

ステップ１０１では、エンジン回転速度が停止状態かどうかを判断し、停止のときはステップ１０２へ進み、それ以外はエンジン始動処理を実行する必要がないため本制御フローを終了する。

ステップ１０２では、エンジン始動を開始するかどうかを判断し、開始と判断したときはステップ１０３へ進み、それ以外は本制御フローを終了する。尚、この開始判断は、例えばアイドルストップ車両等であれば、エンジンのアイドリング停止条件が成立していると、運転者の意図にかかわらずエンジンが停止する。このとき、運転者が発進を意図した場合や、バッテリ状態SOCが低下した場合等には自動的にエンジンを始動する構成を有する。また、通常の運転者のイグニッションスイッチ操作によるエンジン始動時においても同様である。そこで、これらエンジン始動条件を満たしているかどうかを判断する。

ステップ１０３では、電動機１に対し力行指令を出力する。

ステップ１０４では、エンジンが完爆したかどうかを判断し、完爆したときはステップ１０５へ進み、それ以外は電動機１の力行を継続する。

ステップ１０５では、電動機１の力行指令を解除する。

以上説明したように、エンジン始動時において、電動機１を力行すると、第１ワンウェイクラッチ３を支点として電動機１の回転数が上昇するため、エンジンを始動する場合、遊星歯車２は減速機として機能する。よって、小さな電動機１の力行トルクでエンジンを始動することができる。

また、エンジンの駆動後、電動機１の回転を停止すると、キャリヤ２ｂに駆動トルクが発生し回転速度が上昇する。すると、第１ワンウェイクラッチ３は自動的に解放され、リングギヤ２ｃの回転数が上昇し、電動機１の回転数と一致すると、自動的に第２ワンウェイクラッチ４が締結されるため、遊星歯車２は一体に回転する。よって、エンジン始動時以外は増減速を行わないため、電動機１が不用に高回転となることがない。

よって、少ない電力でエンジン始動を達成しつつ、電動機１の高回転を防止することが可能となり、電動機１を不要な高性能化や、効率の低下や振動の増大。また、第１ワンウェイクラッチ３及び第２ワンウェイクラッチ４によって、自動的に遊星歯車２の減速状態及び等速状態を達成することが可能となり、摩擦締結要素等を設ける必要が無く、また、制御ロジックの簡略化を図ることができる。

次に、実施例２について説明する。基本的な構成は実施例１と同様であるため、異なる点についてのみ説明する。図６は実施例２のエンジン始動制御処理を表すフローチャートである。尚、本実施例２の構成にあっては、電動機１の電力を０としても、第２ワンウェイクラッチの締結解放はフリクションのバランスから決まるものであるため、運転状況などに左右される可能性があり、必ずしも自動的に第２ワンウェイクラッチ４が締結するとは限らない。また、電動機１には駆動以外に発電機能も要求され、SOC等に応じた発電量指令が出力されるものに適用される。

ステップ２０１では、エンジン回転速度が停止状態かどうかを判断し、停止のときはステップ２０２へ進み、それ以外はエンジン始動処理を実行する必要がないため本制御フローを終了する。

ステップ２０２では、エンジン始動を開始するかどうかを判断し、開始と判断したときはステップ２０３へ進み、それ以外は本制御フローを終了する。

ステップ２０３では、電動機１に対し力行指令を出力する。

ステップ２０４では、エンジンが完爆したかどうかを判断し、完爆したときはステップ２０５へ進み、それ以外は電動機１の力行を継続する。

ステップ２０５では、電動機１の力行指令を解除する。

ステップ２０６では、電動機１の最低発電量を設定する。

ステップ２０７では、電動機１に対し要求される電動機要求発電量が電動機最低発電量よりも小さいかどうかを判断し、小さいときはステップ２０８へ進み、それ以外はステップ２０９へ進む。

ステップ２０８では、発電量指令値として最低発電量を設定する。

ステップ２０９では、発電量指令値として要求発電量を設定する。

ステップ２１０では、電動機１に対し設定された発電量を指令値として出力し、本制御フローを終了する。

エンジン始動時においては実施例１と同様であるため説明を省略する。エンジンの駆動後、電動機１の回転を停止すると、電動機１の発生するフリクショントルクが不十分の場合、キャリヤ２ｂに駆動トルクが発生し回転速度が上昇すると電動機１も増速する。よって、確実に電動機１の回転速度を押し下げるために電動機１の最低発電量を設定する。

電動機１に要求される発電量が最低発電量よりも小さいときは、最低発電量を設定することで、全ての状況において確実に電動機１の回転速度を押し下げることができる。また、要求される発電量が最低発電量よりも大きいときは、そのままの指令値を出力すればよい。

これにより、第１ワンウェイクラッチ３は自動的に解放され、リングギヤ２ｃの回転数が上昇し、電動機１の回転数と一致すると、自動的に第２ワンウェイクラッチ４が締結されるため、遊星歯車２は一体に回転する。よって、エンジン始動時以外は増減速を行わないため、電動機１が不用に高回転となることがない。

とくに、本実施例２では、運転状態や電動機のフリクショントルクに左右されず、確実に第２ワンウェイクラッチ４を締結させることができるという効果がある。

次に、実施例３について説明する。基本的な構成は実施例１と同様であるため、異なる点についてのみ説明する。図７は実施例３のエンジン始動制御処理を表すフローチャートである。尚、本実施例３の構成にあっては、電動機１の電力を０としても、第２ワンウェイクラッチの締結解放はフリクションのバランスから決まるものであるため、運転状況などに左右される可能性があり、必ずしも自動的に第２ワンウェイクラッチ４が締結するとは限らない。また、電動機１には駆動以外に発電機能も要求され、SOC等に応じた発電量指令が出力されるものに適用される。また、電動機１の回転速度を検出する回転センサが別途設けられている。

ステップ３０１では、エンジン回転速度が停止状態かどうかを判断し、停止のときはステップ３０２へ進み、それ以外はエンジン始動処理を実行する必要がないため本制御フローを終了する。

ステップ３０２では、エンジン始動を開始するかどうかを判断し、開始と判断したときはステップ３０３へ進み、それ以外は本制御フローを終了する。

ステップ３０３では、電動機１に対し力行指令を出力する。

ステップ３０４では、エンジンが完爆したかどうかを判断し、完爆したときはステップ３０５へ進み、それ以外は電動機１の力行を継続する。

ステップ３０５では、電動機１の力行指令を解除する。

ステップ３０６では、電動機１の上限回転速度を設定する。

ステップ３０７では、電動機１の回転速度が電動機上限回転速度よりも小さいかどうかを判断し、小さいときは本制御フローを終了し、それ以外はステップ３０８へ進む。

ステップ３０８では、発電量指令値として所定発電量を設定する。

ステップ３０９では、電動機１に対し設定された発電量を指令値として出力し、本制御フローを終了する。

エンジン始動時においては実施例１と同様であるため説明を省略する。エンジンの駆動後、電動機１の回転を停止すると、電動機１の発生するフリクショントルクが不十分の場合、キャリヤ２ｂに駆動トルクが発生し回転速度が上昇すると電動機１も増速する。ただし、電動機１の回転速度を抑制することを目的とした場合、必ずしもリングギヤ２ｃと電動機１の回転数の一致を要求するものではなく、電動機１が上限回転速度を超えていなければ、特に問題はない。

よって、電動機１の回転速度が上限回転速度を超えているかどうかを判断し、越えていなければ、特に発電指令を出力しなくとも問題はない。電動機１の回転速度が上限回転速度を超えたときは、確実に電動機１の回転速度を押し下げるために電動機１に対し所定発電量を設定する。これにより、確実に電動機１の回転速度を上限回転速度よりも低くすることが可能となり、電動機１が不用に高回転となることがない。

とくに、実施例２では常時発電機として作用させているため、電動機１からの発熱の恐れがあったが、本実施例３では電動機１からの発熱も抑制できる。

次に、実施例４について説明する。基本的な構成は実施例１と同様であるため、説明を省略する。図８は実施例４のエンジン始動制御処理を表すフローチャートである。尚、本実施例４の構成にあっては、電動機１の電力を０としても、第２ワンウェイクラッチの締結解放はフリクションのバランスから決まるものであるため、運転状況などに左右される可能性があり、必ずしも自動的に第２ワンウェイクラッチ４が締結するとは限らない。また、電動機１には駆動以外に発電機能も要求され、SOC等に応じた発電量指令が出力されるものに適用される。

ステップ４０１では、発電量指令値Ａを０に設定する。

ステップ４０２では、エンジン回転速度が停止状態かどうかを判断し、停止のときはステップ４０３へ進み、それ以外はエンジン始動処理を実行する必要がないため本制御フローを終了する。

ステップ４０３では、エンジン始動を開始するかどうかを判断し、開始と判断したときはステップ４０４へ進み、それ以外は本制御フローを終了する。

ステップ４０４では、電動機１に対し力行指令を出力する。

ステップ４０５では、エンジンが完爆したかどうかを判断し、完爆したときはステップ４０７へ進み、それ以外は電動機１の力行を継続する。

ステップ４０６では、電動機１の力行指令を解除する。

ステップ４０７では、電動機回転速度とエンジン回転速度（入力軸７の回転速度）との比率iを演算する。

ステップ４０８では、比率ｉが所定値未満かどうかを判断し、所定値未満のときはステップ４０９へ進み、それ以外はステップ４１０へ進む。

ステップ４０９では、発電量指令値ＡをＡ−ΔＡに設定する。

ステップ４１０では、発電量指令値ＡをＡ＋ΔＡに設定する。

ステップ４１１では、電動機１に対し設定された発電量Ａを指令値として出力し、本制御フローを終了する。

エンジン始動時においては実施例１と同様であるため説明を省略する。エンジンの駆動後、電動機１の回転を停止すると、電動機１の発生するフリクショントルクが不十分の場合、キャリヤ２ｂに駆動トルクが発生し回転速度が上昇すると電動機１も増速する。よって、確実に電動機１の回転速度を押し下げるために電動機１の発電量を設定する。このとき、比率ｉは１近傍になっているかどうかを判定し、比率ｉが１近傍にない、すなわち、歯車間の相対回転している状態のときにだけ、電動機１で発電させるようにしたので、実施例３と同様に、電動機１からの発熱を抑制することができる。さらに、比率ｉが１近傍にない場合における発電量は、この比率ｉが所定値（≒１）未満となるようにΔＡずつ徐々に変更することとした。これにより、実施例１の作用効果に加え、急激に第２ワンウェイクラッチ４がロックすることによるショックも防止できる。

実施例１のハイブリッド車両の駆動装置を表すスケルトン図である。 実施例１のハイブリッド車両の駆動装置の制御構成を表すブロック図である。 実施例１のハイブリッド車両の駆動装置において、エンジン始動時の遊星歯車の作用を表す共線図である。 実施例１のハイブリッド車両の駆動装置において、エンジン駆動時における遊星歯車の作用を表す共線図である。 実施例１におけるエンジン始動制御処理を表すフローチャートである。 実施例２におけるエンジン始動制御処理を表すフローチャートである。 実施例３におけるエンジン始動制御処理を表すフローチャートである。 実施例４におけるエンジン始動制御処理を表すフローチャートである。

符号の説明

１ 電動機
２ 遊星歯車
２ａ サンギヤ
２ｂ キャリヤ
２ｃ リングギヤ
３ 第１ワンウェイクラッチ
４ 第２ワンウェイクラッチ
５ ケース
６ クランクシャフト
７ 入力軸
７ａ 出力側チェーンスプロケット
８ エンジントルク振動吸収装置
９ 発進クラッチ
９ａ ドライブ側回転要素
９ｂ ドリブン側回転要素
１０ 駆動モータ
１１ チェーン
１２ 変速機入力軸
１３ 変速機
１４ 出力ギヤ
１５ アイドラ軸
１６ ディファレンシャル
１７ 駆動軸
１８ オイルポンプ

Claims (3)

1. エンジンの回転方向に対しエンジンの出力軸と機械的結合がなされた電動機が設けられ、前記電動機の力行によりエンジンを始動する電動機ユニットを備えたハイブリッド車両の駆動装置であって、
   前記電動機ユニットは、
   少なくとも前記エンジンの出力軸と連結された第１回転要素と、前記電動機と連結された第２回転要素と、固定部材と第１ワンウェイクラッチを介して連結された第３回転要素と、からなる遊星歯車と、
   前記第１，第２，第３回転要素の内の２つの回転要素間に設けられ、前記遊星歯車を一体回転可能にする第２ワンウェイクラッチと、
   を有し、
   前記エンジン始動時には、前記電動機の力行により前記第１ワンウェイクラッチを締結させると共に、前記遊星歯車を差動動作により減速機として機能させ、
   少なくとも前記エンジンが所定回転数以上となる領域では、前記第２ワンウェイクラッチを締結させ前記遊星歯車を一体回転させ、
   前記エンジン駆動時は、前記電動機を常時発電機として作用させることを特徴とするハイブリッド車両の駆動装置。
2. エンジンの回転方向に対しエンジンの出力軸と機械的結合がなされた電動機が設けられ、前記電動機の力行によりエンジンを始動する電動機ユニットを備えたハイブリッド車両の駆動装置であって、
   前記電動機ユニットは、
   少なくとも前記エンジンの出力軸と連結された第１回転要素と、前記電動機と連結された第２回転要素と、固定部材と第１ワンウェイクラッチを介して連結された第３回転要素と、からなる遊星歯車と、
   前記第１，第２，第３回転要素の内の２つの回転要素間に設けられ、前記遊星歯車を一体回転可能にする第２ワンウェイクラッチと、
   を有し、
   前記エンジン始動時には、前記電動機の力行により前記第１ワンウェイクラッチを締結させると共に、前記遊星歯車を差動動作により減速機として機能させ、
   少なくとも前記エンジンが所定回転数以上となる領域では、前記第２ワンウェイクラッチを締結させ前記遊星歯車を一体回転させ、
   前記電動機の回転速度が所定値以上のときは、前記電動機を発電機として作用させることを特徴とするハイブリッド車両の駆動装置。
3. エンジンの回転方向に対しエンジンの出力軸と機械的結合がなされた電動機が設けられ、前記電動機の力行によりエンジンを始動する電動機ユニットを備えたハイブリッド車両の駆動装置であって、
   前記電動機ユニットは、
   少なくとも前記エンジンの出力軸と連結された第１回転要素と、前記電動機と連結された第２回転要素と、固定部材と第１ワンウェイクラッチを介して連結された第３回転要素と、からなる遊星歯車と、
   前記第１，第２，第３回転要素の内の２つの回転要素間に設けられ、前記遊星歯車を一体回転可能にする第２ワンウェイクラッチと、
   を有し、
   前記エンジン始動時には、前記電動機の力行により前記第１ワンウェイクラッチを締結させると共に、前記遊星歯車を差動動作により減速機として機能させ、
   少なくとも前記エンジンが所定回転数以上となる領域では、前記第２ワンウェイクラッチを締結させ前記遊星歯車を一体回転させ、
   前記電動機の回転速度と前記エンジンの回転速度から算出される減速比が所定値以上のときは、前記電動機を発電機として作用させることを特徴とするハイブリッド車両の駆動装置。

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