JP3933125B2 - 車両の動力出力装置 - Google Patents

Description

この発明は、回生時に発電機として機能する電動機もしくは発電機を内燃機関と併せて搭載したハイブリッド車などの車両の動力出力装置に関するものである。

近年、燃料の燃焼によりトルクを出力するエンジンと、電力の供給によりトルクを出力するモータ・ジェネレータとを搭載し、エンジンおよびモータ・ジェネレータのトルクを車輪に伝達することのできるハイブリッド車が提案されている。このようなハイブリッド車においては、各種の条件に基づいて、エンジンおよびモータ・ジェネレータの駆動・停止を制御することにより、燃費の向上、騒音の低減、および排気ガスの低減を図ることができるものとされている。

上記のように、複数種類の駆動力源を搭載したハイブリッド車の一例が、特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載されたハイブリッド車においては、エンジンの出力軸がプラネタリギヤユニットのキャリヤに連結されているとともに、プラネタリギヤユニットのリングギヤには第１カウンタドライブギヤが連結されている。この第１カウンタドライブギヤの動力が、カウンタドリブンギヤ、デフピニオンギヤ、デフリングギヤを経由してデファレンシャル装置に伝達されるように構成されている。また、前記プラネタリギヤユニットのサンギヤには、発電機のロータが連結されているとともに、ロータの回転・停止を制御するブレーキが設けられている。さらに、電気モータが設けられており、電気モータのロータに第２カウンタドライブギヤが連結され、この第２カウンタドライブギヤと、カウンタドリブンギヤとが噛合されている。

上記の特許文献１に記載されたハイブリッド車においては、発電機によってエンジンを始動させることができるとともに、エンジンだけを駆動するエンジン駆動モード、電気モータだけを駆動するモータ駆動モード、エンジンおよび電気モータを駆動するエンジン・モータ駆動モードでハイブリッド車両を走行させることができるとされている。すなわち、エンジンによって発生したトルクをカウンタドリブンギヤに伝達することができるだけでなく、電気モータによって発生されたトルクを、カウンタドリブンギヤに伝達することができる。さらに、ブレーキを係合させて、発電機のロータを固定することができるとされている。

また、動力伝達系統に連結された電動機を搭載した四輪駆動式のハイブリッド車の一例が、特許文献２に記載されている。この動力出力装置は、前輪にエンジンと第１の電動機との動力が入出力され、後輪に第２の電動機の動力が入出力されるように構成されている。

さらに、四輪駆動式のハイブリッド車の一例が、特許文献３に記載されている。この特許文献３に記載されたハイブリッド車では、前輪と第１の電動機（クラッチモータ）および第２の電動機（アシストモータ）との間で動力が伝達され、また前輪と第３の電動機との間で動力が伝達されるように構成されている。
特開平９−１１７０１０号公報 特開２０００−３５８３０３号公報 特開２０００−１３９２２号公報

上述した従来のハイブリッド車は、エンジンの出力したトルクを出力側と発電機側とに分配し、その発電機によってエンジンの回転数を制御してエンジンを最適運転点もしくはその近傍で運転し、同時に、発電機によって得られた電力もしくはバッテリーの電力によって電気モータを駆動して必要十分な駆動トルクを得るようになっている。その電気モータは、駆動トルクを補助するためのモータとしての機能と減速時などにおける回生のための発電機としての機能とを備えることが望ましい。これに対して、車両の走行状態は高負荷・低速状態から低負荷・高速状態まで、様々である。そのため、上記の電気モータとしていずれかの走行状態に適する特性のものを採用すると、他の走行状態の場合には、効率の悪い状態でその電気モータを動作させることになる。具体的には、従来のハイブリッド駆動装置では、高速巡航時における動力損失が相対的に増大し、燃費の向上効果が低下もしくは制限される可能性があった。

また、上記の電気モータとして永久磁石型モータを使用することが可能であり、その種の電気モータを搭載したハイブリッド車が従来知られている。その永久磁石型モータはインバータを介して制御することになるが、インバータの少容量化・小型化を図る場合、低速走行状態を少電流で実現する必要があり、そうすると、永久磁石型の電気モータの逆起定数を高く設計しなければならない。しかしながら、逆起定数を高くすると、高速走行状態（高回転数状態）での起電力が比較的高くなり、これがインバータの耐圧補償や制動トルクの抑制などの点から制約されるので、結局は、逆起定数を高くすることに伴って、最高速度が制限されてしまう。

この発明は、上記の事情を背景にしてなされたものであり、駆動トルクを補助しかつ車両の有する慣性エネルギーを回生するように構成されたハイブリッド車や電気自動車などの車両の動力性能と燃費とを共に良好にし、かつ車載性に優れた動力出力装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、車輪に動力を伝達する動力伝達系統に対して連結され、かつ、該動力伝達系統にトルクを加減する力行回生機構を備えた車両の動力出力装置において、前記力行回生機構が、発電機能を有する永久磁石型モータと、永久磁石を備えていない磁石レスモータとからなり、必要駆動力に対して前記永久磁石型モータでは駆動力が不足する場合に前記永久磁石型モータと前記磁石レスモータとを駆動し、前記必要駆動力に対して前記永久磁石型モータで駆動力が不足しない場合には前記永久磁石型モータのみを駆動する選択手段を備えていることを特徴とする動力出力装置である。

請求項２の発明は、請求項１の発明における車両が、内燃機関と、該内燃機関の出力したトルクを発電機と出力部材とに分配する分配機構とからなるハイブリッド駆動装置を備え、前記永久磁石型モータと前記磁石レスモータとが前記出力部材との間でトルクを授受するように前記出力部材に連結されていることを特徴とする動力出力装置である。

請求項３の発明は、請求項１の発明における車両が、内燃機関と、該内燃機関の出力したトルクを発電機と出力部材とに分配する分配機構とからなるハイブリッド駆動装置を備え、前記永久磁石型モータと前記磁石レスモータとのいずれか一方のモータが、前記出力部材との間でトルクを授受するように前記出力部材に連結されるとともに、他方のモータが前記出力部材からトルクを受けない車輪との間でトルクを授受するように該車輪に連結されていることを特徴とする動力出力装置である。
請求項４の発明は、車輪に動力を伝達する動力伝達系統に対して連結され、かつ、該動力伝達系統にトルクを加減する力行回生機構を備えた車両の動力出力装置において、前記車両が、内燃機関と、該内燃機関の出力したトルクを発電機と前輪に動力を伝達する出力部材とに分配する分配機構とからなるハイブリッド駆動装置を備えるとともに、前記力行回生機構が、発電機能を有する永久磁石型モータと、永久磁石を備えていない磁石レスモータとからなり、前記永久磁石型モータが前記出力部材を介して前記前輪に連結されるとともに、前記磁石レスモータが後輪に連結され、さらに前記車両の走行状態に基づいて前記永久磁石型モータと前記磁石レスモータとを選択的に動作させる選択手段を備えていることを特徴とする動力出力装置である。

請求項１の発明によれば、永久磁石型モータの駆動力が必要駆動力に対して不足すれば永久磁石型モータと磁石レスモータとの両方が駆動され、また永久磁石型モータの駆動力が必要駆動力に対して不足しなければ永久磁石型モータのみが駆動される。例えば高負荷低車速の場合に、両方のモータを電動機として動作させることができ、したがって永久磁石型モータとして逆起定数の小さいものを使用しても必要十分な駆動力を得ることができ、同時に、低負荷高車速時の動力損失を抑制でき、その結果、動力性能を損なうことなく、燃費を向上させることができる。

請求項２の発明によれば、内燃機関からトルクを分配された発電機による電力でいずれかのモータを駆動できるので、内燃機関を効率の良い状態で運転できるとともに、必要十分な駆動力を得ることができ、また上記の請求項１の発明と同様に、動力性能を損なうことなく、燃費を向上させることができる。

請求項３の発明によれば、上記の請求項１の発明による効果と同様の効果に加え、四輪駆動車として構成することができ、さらにモータによって駆動力をアシストする構成であるから、四輪駆動状態と二輪駆動状態との切り替えが容易であり、その結果、走行状態に適した駆動形態の選択が容易になり、この点でも動力性能と燃費とを共に改善することが可能になる。
請求項４の発明によれば、車両の走行状態に応じて、永久磁石型モータのみが駆動されて前輪のみが駆動輪となり、あるいは永久磁石型モータと磁石レスモータとの両方が駆動されて前輪と後輪との両方が駆動輪となる。

つぎにこの発明を具体例に基づいて説明する。図１は、機械分配式ハイブリッド駆動装置を搭載した車両にこの発明を適用した例を模式的に示しており、内燃機関１の出力トルクを、遊星歯車機構からなる分配機構２によってモータ・ジェネレータ３と出力側とに分配するように構成されている。その内燃機関１は、具体的には、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンあるいはガスエンジンなどの燃料を燃焼させて動力を出力する動力装置である。また、モータ・ジェネレータ３は、発電機として機能して反力トルクを分配機構２に与え、あるいは電動機として機能して分配機構２に駆動トルクを与えるためのものであって、一例として永久磁石式交流同期電動機が使用される。

また、分配機構２は、図１に示す例では、シングルピニオン型遊星歯車機構によって構成されており、外歯歯車であるサンギヤ４と同心円上に内歯歯車であるリングギヤ５が配置され、これらサンギヤ４とリングギヤ５とに噛み合っているピニオンギヤ６がキャリヤ７によって自転かつ公転できるように保持されている。そのキャリヤ７に内燃機関１が連結され、したがってキャリヤ７が入力要素となっている。また、サンギヤ４にモータ・ジェネレータ３のロータが連結され、したがってサンギヤ４が反力要素（モータ・ジェネレータ３が停止している状態では固定要素）となっている。なお、モータ・ジェネレータ３のコイルを有するステータはケーシング（図示せず）などの所定の固定部に固定されている。そして、リングギヤ５が出力要素となっており、このリングギヤ５には出力ギヤ８が一体化されて設けられている。

その出力ギヤ８がカウンタドリブンギヤ９に噛み合っている。また、そのカウンタドリブンギヤ９と同軸上で一体化されたカウンタドライブギヤ１０がデファレンシャル１１のリングギヤ１２に噛み合っている。このデファレンシャル１１から左右の車輪１３にトルクを伝達するようになっている。

上記の内燃機関１および分配機構２から車輪１３に到る動力伝達系統に対してトルクを加減する力行回生機構が設けられている。図１に示す例では、その力行回生機構として二つのモータ１４，１５が設けられ、これらのモータ１４，１５がこの発明の出力部材に相当する前記リングギヤ５もしくは出力ギヤ８に連結されている。これらのモータ１４，１５は、駆動トルクを補助（アシスト）し、また車両の有する運動エネルギーを回生するためのものであって、一方のモータ１４は、例えば永久磁石式同期電動機（すなわちＰＭモータ）によって構成され、また他方のモータ１５は、永久磁石を備えていないいわゆる磁石レスモータによって構成されている。この磁石レスモータは、具体的には、誘導電動機や、ＳＲモータあるいはＳｙｎＲモータなどの可変リラクタンスタイプのモータである。

上記のＰＭモータ１４の特性は、例えば図２の（ａ）に示すように、低速域（低回転数状態）から高速域（高回転数状態）の全体に亘って比較的小さい所定のトルクが出力される特性である。これは、ＰＭモータ１４の逆起定数を下げたことが要因となっている。これに対して磁石レスモータ１５の特性は、例えば図２の（ｂ）に示すように、低速域では出力トルクが大きいが、高速域では出力トルクが急激に低下する特性となる。したがってこれらのモータ１４，１５の特性と、内燃機関１を最適燃費となる一定トルクで運転した場合の特性とを合成して車両全体としてのトルク特性を示すと、一例として図３のようになる。

なお、上記のモータ・ジェネレータ３および各モータ１４，１５はインバータ１６を介してバッテリー（すなわち蓄電装置）１７に接続されている。そして、インバータ１６を電子制御装置（ＥＣＵ）１８によって制御することにより、モータ・ジェネレータ３もしくはいずれかのモータ１４，１５をモータあるいは発電機として機能させるようになっている。

上記の図１に示す動力出力装置を有するハイブリッド車では、通常のハイブリッド走行およびエネルギー回生に加えて電気自動車走行（ＥＶ走行）が可能であり、その走行モードの選択および内燃機関１および各モータ１４，１５の駆動の選択は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）や車速に基づいて求まる必要駆動力Ｆの大小に応じておこなわれる。具体的には図４に示すとおりであり、図４において第１モータＭＯＴ１は前記ＰＭモータ１４であり、また第２モータＭＯＴ２は前記磁石レスモータ１５である。なお、図４に示す走行モードの選択は、前述した電子制御装置１８によっておこなわれ、したがってこの電子制御装置１８がこの発明の選択手段に相当する。

すなわちバッテリー１７に充分充電されているなどの条件が成立している状態で電気自動車として走行する場合、必要駆動力ＦがＰＭモータ１４による駆動力Ｆ_MOT1 以下であれば、ＰＭモータ１４を駆動して走行し、これに対して発進時や加速時のように必要駆動力ＦがＰＭモータ１４による駆動力Ｆ_MOT1 を超えていれば、ＰＭモータ１４と磁石レスモータ１５とを駆動して走行する。このようにＰＭモータ１４では駆動力が不足する場合に磁石レスモータ１５の駆動力で補助できる。これは、言い換えれば、ＰＭモータ１４の出力トルクが小さくてよいことにより、その逆起定数を小さくできることを意味する。

所定車速以上の巡航などの内燃機関（Ｅ／Ｇ）１を駆動する通常走行時において、必要駆動力ＦがＰＭモータ１４による駆動力Ｆ_MOT1 と内燃機関１による駆動力Ｆ_E/Gとを加えた駆動力以下であれば、内燃機関１のみを駆動して走行する。これに対して内燃機関１の駆動力のみでは不足する場合には、内燃機関１とＰＭモータ１４との両方を駆動して走行する。さらに、これら内燃機関１とＰＭモータ１４との駆動力でも不足する場合には、磁石レスモータ１５をも駆動して走行する。

なお、内燃機関１を駆動する場合、その出力トルクが分配機構２によってモータ・ジェネレータ３とリングギヤ５を介した出力側とに分配され、その際にモータ・ジェネレータ３が発電をおこなって反力トルクをサンギヤ４に与えるので、モータ・ジェネレータ３によって内燃機関１の回転数が、最適燃費となるように制御される。また、最適燃費で必要とするトルクを出力するようにスロットル開度などの負荷が制御される。その状態での内燃機関１の駆動力Ｆ_E/Gが必要駆動力Ｆと比較される。

また一方、減速時などにエネルギーの回生をおこなう場合には、必要駆動力Ｆ（この場合は制動力）がＰＭモータ１４の駆動力Ｆ_MOT1 （この場合は回生制動力）以下であれば、そのＰＭモータ１４を動作させてエネルギー回生をおこなう。これに対して必要駆動力Ｆ（この場合は制動力）がＰＭモータ１４の駆動力Ｆ_MOT1 （この場合は回生制動力）を超えていれば、ＰＭモータ１４と磁石レスモータ１５との両方を動作させてエネルギー回生をおこなう。

このように、磁石レスモータ１５は発進時などの大きい駆動力が要求される場合に限って動作させられ、その動作頻度が低くなる。言い換えれば、走行時には動作しないで空転状態となる場合が多いが、永久磁石を備えていないので、空転時に負トルク（すなわち無負荷鉄損）が生じず、その結果、車両の全体としての燃費が向上する。さらに、磁石レスモータ１５は、永久磁石を備えていないことにより熱減磁の心配がなく、したがって高温動作が可能となって小型化することができる。

上述した図１に示す構成は、内燃機関１を車幅方向に向けて搭載するいわゆるエンジン横置きタイプの車両すなわちフロントエンジン・フロントドライブタイプもしくはリアエンジン・リアドライブタイプの車両（ＦＦ車、ＦＲ車）に適する構成であるが、力行回生機構を構成する二つのモータを集中して搭載することになるので、車載性の点で改善の余地がある。図５に示す例は、その点に考慮し、磁石レスモータ１５をリアアクスル側に配置し、内燃機関１およびモータ・ジェネレータ３ならびにＰＭモータ１４などをフロントアクスル側に配置したものである。なお、磁石レスモータ１５を、減速ギヤユニット１９を介してリアデフ２０に連結した構成を図５に示してあるが、磁石レスモータ１５は直接リアデフ２０に連結してもよい。

したがって図５に示す構成では、四輪駆動車（４ＷＤ）となり、前後の四輪を駆動することができ、またこれらの車輪からエネルギー回生することができる。その結果、各車輪での駆動力の負担が分散されて一輪当たりのトルクが軽減されるので、発進性能や回生制動力が向上する。また、前輪と後輪との駆動力配分を適宜に制御することにより、車両の回頭性（旋回性能）を向上させることができる。さらに、回生機構を構成するＰＭモータ１４をフロントアクスル側に配置し、これを小型化できるので、この発明に係る動力出力装置の全体としての構成を車載性の良好なものとすることができる。

この発明の動力出力装置は、フロントエンジン・リアドライブタイプの車両（ＦＲ車）に適するように構成することができる。その例を図６に示してある。ここに示す例では、リアデフ２０に動力を出力する出力軸２１に前記リングギヤ５が連結され、その出力軸２１に各モータ１４，１５（より正確にはそれぞれのロータ）が連結されている。これらのモータ１４，１５は車両の前後方向に並んで配置されることになるが、各モータ１４，１５が前述したように小型化でき、しかもエンジン横置きタイプに比較して長手方向のスペースの余裕があるので、装置の全体としての車載性が向上する。また、前後方向での重量配分を適正化しやすくなる。

さらに、図７に示す例は、上記のＦＲ車をベースとして四輪駆動車として構成した例である。すなわち、力行回生機構を構成している磁石レスモータ１５がフロントアクスル側に配置され、減速ギヤユニット２２を介してフロントデフ１１に連結されている。またさらに、図８に示す例は、磁石レスモータ１５を二つ使用し、それぞれを左右の前輪１３に直接連結し、もしくは左右の前輪１３に内蔵したインホイール構造としたものである。これら図７あるいは図８に示す構成では、前述した図５に示す例と同様に四輪駆動車として機能し、したがって回頭性、回生性能、制動性などが向上し、また車載性も向上する。

なお、上述した各具体例では、内燃機関１および分配機構２を備えたハイブリッド車を例にとって説明したが、この発明は、電動機および発電機のみを動力源とした電気自動車用の動力出力装置にも適用することができる。

この発明の一例を模式的に示す駆動系統図である。 この発明で対象とする車両の永久磁石型モータおよび磁石レスモータの各駆動力特性を示す図である。 図１に示す例の全体としての駆動力特性を示す図である。 図１に示す動力出力装置による駆動モードを説明する図表である。 磁石レスモータをリアアクスル側に配置して四輪駆動車として構成した例を示す駆動系統図である。 ＦＲ車として構成した例を示す駆動系統図である。 ＦＲ車をベースとして磁石レスモータをフロントアクスル側に配置することにより四輪駆動車として構成した例を示す駆動系統図である。 二つの磁石レスモータを左右の前輪に直結して四輪駆動車として構成した例を示す駆動系統図である。

符号の説明

１…内燃機関、 ２…分配機構、 ３…モータ・ジェネレータ、 １４…永久磁石式同期電動機（ＰＭモータ）、 １５…磁石レスモータ、 １８…電子制御装置（ＥＣＵ）。

Claims (4)

1. 車輪に動力を伝達する動力伝達系統に対して連結され、かつ、該動力伝達系統にトルクを加減する力行回生機構を備えた車両の動力出力装置において、
   前記力行回生機構が、発電機能を有する永久磁石型モータと、永久磁石を備えていない磁石レスモータとからなり、
   必要駆動力に対して前記永久磁石型モータでは駆動力が不足する場合に前記永久磁石型モータと前記磁石レスモータとを駆動し、前記必要駆動力に対して前記永久磁石型モータで駆動力が不足しない場合には前記永久磁石型モータのみを駆動する選択手段を備えていることを特徴とする車両の動力出力装置。
2. 前記車両が、内燃機関と、該内燃機関の出力したトルクを発電機と出力部材とに分配する分配機構とからなるハイブリッド駆動装置を備え、前記永久磁石型モータと前記磁石レスモータとが前記出力部材との間でトルクを授受するように前記出力部材に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の車両の動力出力装置。
3. 前記車両が、内燃機関と、該内燃機関の出力したトルクを発電機と出力部材とに分配する分配機構とからなるハイブリッド駆動装置を備え、前記永久磁石型モータと前記磁石レスモータとのいずれか一方のモータが、前記出力部材との間でトルクを授受するように前記出力部材に連結されるとともに、他方のモータが前記出力部材からトルクを受けない車輪との間でトルクを授受するように該車輪に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の車両の動力出力装置。
4. 車輪に動力を伝達する動力伝達系統に対して連結され、かつ、該動力伝達系統にトルクを加減する力行回生機構を備えた車両の動力出力装置において、
   前記車両が、内燃機関と、該内燃機関の出力したトルクを発電機と前輪に動力を伝達する出力部材とに分配する分配機構とからなるハイブリッド駆動装置を備えるとともに、
   前記力行回生機構が、発電機能を有する永久磁石型モータと、永久磁石を備えていない磁石レスモータとからなり、
   前記永久磁石型モータが前記出力部材を介して前記前輪に連結されるとともに、前記磁石レスモータが後輪に連結され、
   さらに前記車両の走行状態に基づいて前記永久磁石型モータと前記磁石レスモータとを選択的に動作させる選択手段を備えていることを特徴とする車両の動力出力装置。

Images