JP4023444B2 - ハイブリッド車の駆動装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数の駆動力源を有するハイブリッド車の駆動装置に関するものである。

従来より、ハイブリッド車としては、例えば内燃機関に加えて電動機やモータ・ジェネレータを動力源として備えた車両が知られている。このハイブリッド車の例では、遊星歯車機構の差動作用を利用して、内燃機関を最適運転点で駆動させるように遊星歯車機構に接続された電動機もしくはモータ・ジェネレータで回転数制御をおこなう。一方、駆動力やエンジンブレーキ力の過不足を電動機もしくはモータ・ジェネレータで補い、さらには減速時にエネルギの回生をおこなうことにより、内燃機関による排ガスを低減し、同時に燃費の向上を図るように構成された車両が知られている。

ハイブリッド車の一例として、特許文献１に記載されたハイブリッド車の駆動装置が知られている。この駆動装置は、二つのモータを有し、一方のモータの回転軸を固定するようにブレーキが備えられており、また、他方のモータの回転軸と駆動軸とを係合・解放するクラッチが設けられている。そして、高車速低負荷時には、ブレーキを係合し、クラッチを解放することで、二つのモータの回転を停止させ、エンジンのみで駆動が行われる。したがって、高車速低負荷時には二つのモータを停止させることができるので、動力循環などが防止され、駆動装置全体の伝達効率を増大させることができる。

また、特許文献２には、ブレーキによって発電機を停止した非発電機モードとブレーキを解除した発電モードとが切換可能で、発電機の回転数を零に近づけてから切換を行うことで、切換時のショックを抑制するように構成されたハイブリッド車両が記載されている。
特開２００３−１０４０７２号公報 特開２００１ー１７７３号公報

特許文献１の発明では、低車速の時にはブレーキとクラッチとが係合状態となり、高車速の時には、ブレーキとクラッチとが解放状態となる。つまり、車速の状態により係合・解放状態を切換えている。しかし、エンジンの反力トルク等の車速以外の要因を考慮していないため、係合・解放時のエンジンの反力トルク等の車速以外の要因の変動がショックとして現れる可能性があった。

この発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであり、モータ・ジェネレータとエンジンとの切換をショックなく行う方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、この発明は駆動力源と内燃機関の切換をショックなくおこなう駆動装置を提供するものである。具体的には請求項１の発明は、相互に差動回転する第１ないし第３の回転要素を有する動力分配機構における前記第１回転要素に内燃機関が連結されるとともに第２回転要素に第１駆動力源が連結され、さらに第３回転要素に出力部材が連結され、前記第１駆動力源の回転を止めるブレーキ機構が設けられるとともに、第２駆動力源のトルクを出力部材に対して選択的に伝達するクラッチ機構が設けられているハイブリッド車の駆動装置において、前記内燃機関から前記第１回転要素にトルクを伝達しかつ前記第１駆動力源から前記第２回転要素に反力トルクを伝達して前記第３回転要素から前記出力部材にトルクを出力しさらにその出力部材に前記第２駆動力源からトルクを伝達している状態で前記ブレーキ機構の係合条件が成立した場合に第２駆動源の出力トルクが零となるように前記第２駆動力源と内燃機関の出力トルクを協調制御するトルク協調制御手段と、前記ブレーキ機構を係合させて前記内燃機関が出力したトルクを前記動力分配機構を介して前記出力部材に伝達している状態で前記ブレーキ機構の解放条件が成立した場合に前記ブレーキ機構が負担していたトルクを前記第１駆動力源が負担するように制御する駆動力源トルク制御手段とを備えていることを特徴とするハイブリッド車の駆動装置である。

また、請求項２の発明は、請求項１において、前記ブレーキ機構の係合条件が成立した場合に、第１駆動力源の回転を停止するように前記第１駆動力源と前記第２駆動力源とを協調制御する回転数協調制御手段を更に備えていることを特徴とする駆動装置である。

そして、請求項３の発明は、請求項１または２において、前記ブレーキ機構の解放条件が成立した場合に、一時的に第２駆動力源単独で駆動力を発生させる一時的駆動力発生手段を更に備えていることを特徴とする駆動装置である。

また、請求項４の発明は、請求項１から３のいずれかにおいて、前記ブレーキ機構またはクラッチ機構は噛み合い式であることを特徴とする駆動装置である。

請求項１の発明によれば、ブレーキ機構の係合条件が成立したときには、第２駆動力源の出力トルクが零となったのちにブレーキ機構が係合される。またブレーキ機構の解放条件が成立したときにはブレーキ機構が負担していたトルクを第１駆動力源が負担するように第１駆動力源が制御される。したがって、係合・解放時のショックを軽減することができる。

また、請求項２の発明によれば、ブレーキ機構の係合条件が成立したときには、第１駆動力源の回転を停止するように第１駆動力源と第２駆動力源が制御されたのち、ブレーキ機構が係合される。したがって、係合時のショックを軽減することができる。

そして、請求項３の発明によれば、駆動力源の切り換え時に一時的に第２駆動力源により駆動力が発生される。したがって、よりなめらかな切換をおこなうことができる。

また、請求項４の発明によれば、噛み合い式のクラッチやブレーキは、係合側と被係合側の回転を同期させる機構を備えている。つまり、係合時の同期等の制御を機械的におこなうことができる。したがって、制御のステップ数を減少させることができ、電子制御装置の負担を減少させることができる。

つぎにこの発明を具体例に基づいて説明する。図４はこの発明の対象とする車両のパワートレーンを概念的に示すスケルトン図である。本パワートレーンは、エンジン１と、第１モータ・ジェネレータ２と、このエンジン１の動力を第１モータ・ジェネレータ２および出力部材２０に分配する動力分配機構４と、第２モータ・ジェネレータ３と、その第２モータ・ジェネレータ３の動力を減速して出力部材２０に加減する変速機５とを主体として構成されている。

エンジン１は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの燃料を燃焼させて動力を出力する公知の動力装置であって、スロットル開度（吸気量）や燃料供給量、点火時期などの運転状態を電気的に制御できるように構成されている。そのエンジン１の制御は、例えば、マイクロコンピュータを主体とする電子制御装置（ＥＣＵ）１００によっておこなうように構成されている。

また、第１モータ・ジェネレータ２は、例えば同期電動機を用いることが可能であり、この第１モータ・ジェネレータ２は、電動機としての機能と発電機としての機能とを生じるように構成されている。さらに第１モータ・ジェネレータ２にはインバータ（図示せず）を介してバッテリー（図示せず）が電気的に接続されている。そして、前記インバータを電子制御装置１００により制御することにより、第１モータ・ジェネレータ２の出力トルクあるいは回生トルクを適宜に設定するようになっている。なお、第１モータ・ジェネレータ２のステータ６はケーシング（図示せず）に固定されており、回転しないようになっている。

動力分配機構４は、遊星歯車機構により構成されている。この遊星歯車機構は外歯歯車であるサンギヤ１２と、そのサンギヤ１２に対して同心円上に配置された内歯歯車であるリングギヤ１１と、これらサンギヤ１２とリングギヤ１１とに噛合しているピニオンギヤを自転かつ公転自在に保持しているキャリヤ１０とを三つの回転要素として差動作用を生じる公知の歯車機構である。前記エンジン１の出力軸が第１の回転要素であるキャリヤ１０に連結されている。言い換えれば、キャリヤ１０が入力要素となっている。

これに対して第２の回転要素であるサンギヤ１２に、第１モータ・ジェネレータ２のロータ７が連結されており、そのロータ７の回転を阻止するようにブレーキ機構Ｂ１が連結されている。したがってサンギヤ１２がエンジン１に対する反力要素となっており、また第３の回転要素であり、動力分配機構４の出力要素であるリングギヤ１１が出力部材２０に連結されている。なお、ブレーキ機構Ｂ１の係合・解放はブレーキ機構Ｂ１に連結されたモータ・アクチュエータ（図示せず）によりおこなわれる。

出力部材２０には第２モータ・ジェネレータ３のロータ９が変速機５を介して接続され、出力部材２０で伝達される伝達トルクに第２モータ・ジェネレータ３の出力トルクを加減するようになっている。さらに前記第２モータ・ジェネレータ３は、インバータ（図示せず）を経由してバッテリー（図示せず）に接続されている。そして、マイクロコンピュータを主体とする電子制御装置１００によってインバータ（図示せず）を制御することにより、第２モータ・ジェネレータ３の力行および回生ならびにそれぞれの場合におけるトルクおよび回転数を制御するように構成されている。なお、第２モータ・ジェネレータ３のステータ８はケーシング（図示せず）に固定されている。

変速機５は動力分配機構４と同様、遊星歯車機構により構成されている。そして、この遊星星歯車機構におけるサンギヤ１５に第２モータ・ジェネレータ（ＭＧ２）３のロータ９が連結されている。また、キャリヤ１３は固定されている。そして、リングギヤ１４が出力部材２０に連結されている。

エンジン１の最適燃費運転は、モータ・ジェネレータ２，３の回転数を高低に変化させることにより、エンジン１の回転数を連続的に（無段階に）変化させることでおこなわれる。すなわち、エンジン１の回転数を例えば燃費が最もよい回転数に設定する無段変速制御は、モータ・ジェネレータ２，３の回転数を制御することによっておこなうことができる。なお、このように遊星歯車機構により構成された動力分配機構を用いて動力を分配する方式のハイブリッド駆動装置は機械分配式ハイブリッド駆動装置と呼ばれる。

車両状態が高速・低負荷時の時のように第１モータ・ジェネレータ２が負回転・力行状態で、第２モータ・ジェネレータ３が正回転・発電状態の時には動力循環が発生する。これは、第１モータ・ジェネレータ２を駆動する動力を第２モータ・ジェネレータ３で発生させている状態であり、駆動装置全体の動力伝達効率が低下する。そこで、動力伝達効率の低下を回避するためにモータ・ジェネレータ２，３で駆動力を発生させている状態からエンジン１で駆動力を発生させる状態、すなわちエンジン直結状態への切り換えがおこなわれる。このとき、切換のショックを回避するための制御がおこなわれる。

図１は切換のショックを回避するための制御の一例である。車速が高速になった場合など、ブレーキ機構Ｂ１の係合条件が成立すると、第１モータ・ジェネレータ２の回転数Ｎmg1 が零となるように第１モータ・ジェネレータ２と第２モータ・ジェネレータ３とが協調制御される（ステップＳ１０１）。これにより、エンジン１の回転数はＮe からＮe'に変更される。

次にブレーキ機構Ｂ１を係合し、第１モータ・ジェネレータ２をロックする（ステップＳ１０２）。

そして、第２モータ・ジェネレータ３のトルクＴmg2 が零となるようにエンジントルクＴe を制御する（ステップＳ１０３）。このエンジントルク制御は、例えばエンジンの遅角制御等によりおこなうことができる。すなわち、第２モータ・ジェネレータ３とエンジン１との協調制御がおこなわれる。

その上で、第２モータ・ジェネレータ３のトルクＴmg2 が零になった時点でクラッチＣ１を解放し第２モータ・ジェネレータ３を出力部材２０から切り離す（ステップＳ１０４）。

一方、車速が低速になった場合など、ブレーキ機構Ｂ１の解放条件が成立すると、変速機５の出力回転数が出力部材２０の回転数と同じ回転数となるように、第２モータ・ジェネレータ３の回転数を増加させる（ステップＳ２０１）。そして、変速機５の出力回転数と出力部材２０の回転数とが等しくなると、クラッチＣ１を係合させる（ステップＳ２０２）。

その上で、第１モータ・ジェネレータ２をロックしているブレーキ機構Ｂ１のブレーキトルク、すなわち、ロックに必要とされるブレーキのトルクを、現在のエンジントルクと走行負荷の推定値から推定し、そのブレーキトルクの推定値に対応したトルク指令値を第１モータ・ジェネレータ２に出力する（ステップＳ２０３）。すなわち、この制御はフィードフォワード制御によりおこなわれる。

さらに、ブレーキ機構Ｂ１を係合・解放するためのモータ・アクチュエータに対して解放指令を出力し、ブレーキ機構Ｂ１の解放を開始する（ステップＳ２０４）。

ブレーキ機構Ｂ１の解放開始と同時に、第１モータ・ジェネレータ２のトルクを制御して第１モータ・ジェネレータ２のロックが解除される（ステップＳ２０５）。この制御はモータ・アクチュエータの回転数が所定の回転数になるように第１モータ・ジェネレータ２のトルクをフィードバック制御することによりおこなわれる。

図２はこの切換制御を実行した場合のクラッチおよびブレーキの係合表と共線図である。図２（ａ）によれば、高速軽負荷時すなわち動力循環が発生する場合には、第１モータ・ジェネレータ２の回転がブレーキＢ１によって阻止されるのでブレーキＢ１は係合状態とされる。そしてエンジン１だけが駆動力を発生し、トルクアシストは作動しない。したがって、第２モータ・ジェネレータ３は出力部材２０から切り離される。したがって、クラッチＣ１は解放される。

また、図２（ｂ）によれば、動力分配機構４のサンギア１２の回転数、すなわち第１モータ・ジェネレータ２の回転数が零とされた後、ブレーキ機構が係合され、第１モータ・ジェネレータ２がロックされる。このときエンジン回転数Ｎe は変動しＮe'となる。そして、第２モータ・ジェネレータ３のトルクが零となるように第２モータ・ジェネレータ３とエンジン１を制御して、第２モータ・ジェネレータ３が零となった時点で、クラッチＣ１を解放する。これらの制御により、第１モータ・ジェネレータ２および第２モータ・ジェネレータ３の動作が停止する。すなわち、エンジン１の出力トルクのみが駆動力となり、動力循環状態が回避される。

ブレーキ機構の係合条件が成立したときには、第２モータ・ジェネレータ３の出力トルクが零となったのちにブレーキ機構Ｂ１が係合される。またブレーキ機構Ｂ１の解放条件が成立したときには出力部材２０の落ち込みを第１モータ・ジェネレータ２により補完され、その後第１モータ・ジェネレータ２のトルクを徐々に減少させられる。したがって、係合・解放時のショックを軽減することができる。

また、ブレーキ機構Ｂ１の係合条件が成立したときには、第１モータ・ジェネレータ２の回転を停止するように第１モータ・ジェネレータ２と第２モータ・ジェネレータ３が制御されたのち、ブレーキ機構Ｂ１が係合される。したがって、係合時のショックを軽減することができる。

さらに、ブレーキ機構の解放条件が成立した場合に、ブレーキ機構Ｂ１の係合圧を調整するアクチュエータがフィードフォワード制御される。また前記アクチュエータの回転数が所定の回転数以上になるように前記第１モータ・ジェネレータ２の出力トルクがフィードバック制御される。つまり、ブレーキ機構Ｂ１の解放と第１モータ・ジェネレータ２の回転開始が同時におこなわれるので、解放時のショックを軽減することができる。

つぎに、この発明の対象となる他の制御例を以下に説明する。図７は、この発明の対象とする他の例の車両の駆動装置を概念的に示すスケルトン図であり、図４に示す例からクラッチＣ１を除いた例である。なお、図７の実施例において図４の構成と同じ構成については図４と同じ符号を付してある。また、図７に示す実施例は、図４に示す実施例の変形例であり、図４の構成と同じ部分について得られる作用・効果は同一である。

図３は図７に示す駆動装置に対応する切換制御の例である。図３に示す制御は図１に示す制御例から、クラッチＣ１の切換の係わる制御ステップを取り除いたものである。
また、図６についても、クラッチＣ１の切換に係わる記載を取り除いたものである。したがって、図１に記載の制御例と同様の作用・効果が得られるので説明を省略する。

なお、ブレーキ機構Ｂ１やクラッチＣ１は噛み合い式であってもよいし、ブレーキ機構Ｂ１解放時に一時的にＥＶ走行すなわち第２モータ・ジェネレータ３のみで駆動力を発生させるようにしてもよい。図５はその制御の例である。なお、ブレーキ係合条件成立時の制御は図３における制御例と同一であるので、説明を省略する。

ブレーキ解放条件が成立すると、第２モータ・ジェネレータ３のトルクを増大させ、第２モータ・ジェネレータ３のみで駆動力が発生させる（ステップＳ６０１）。このときエンジン１はアイドリング状態とし、ブレーキ機構Ｂ１に新たに加わるトルクを相殺するように運転される。

その後、噛み合いブレーキに備えられたシンクロナイザー（図示せず）を駆動するモータ・アクチュエータに指令を出力し、シンクロナイザーの噛み合いリングをシフトさせ、ブレーキ機構Ｂ１を解放する（ステップＳ６０２）。

したがって、駆動力源の切り換え時に一時的に第２モータ・ジェネレータ３により駆動力が発生される。したがって、よりなめらかな切換をおこなうことができる。

また、噛み合い式のブレーキ機構Ｂ１は、係合側と被係合側の回転を同期させるシンクロナイザーを備えている。つまり、これらの制御を機械的におこなうことができる。したがって、制御のステップ数を減少させることができ、電子制御装置１００の負担を減少させることができる。

ここで、上述した各具体例とこの発明との関係を簡単に説明すると、エンジン１が「内燃機関」に相当する。また、第１モータ・ジェネレータ２が「第１駆動力源」に相当し、第２モータ・ジェネレータ３が「第２駆動力源」に相当する。そして、クラッチＣ１が「クラッチ機構」に相当し、ブレーキ機構Ｂ１が「ブレーキ機構」に相当する。

さらにステップＳ１０３の機能的手段が「トルク協調制御手段」に相当し、ステップＳ２０３の機能的手段が「駆動力源トルク制御手段」に相当する。また、ステップＳ１０１およびＳ３０１およびステップＳ５０１の機能的手段が「回転数協調制御手段」に相当し、ステップＳ６０１の機能的手段が「一時的駆動力発生手段」に相当する。

また、クラッチＣ１，Ｃ２は油圧制御式、電磁制御式のいずれでもよい。また、この発明における「内燃機関」と「第１駆動力源」および「第２駆動力源」とは、駆動力の発生の原理が異なる。本実施例では「内燃機関」を使用して熱エネルギを運動エネルギに変換したが、内燃機関の他に外燃機関等を用いてもよい。要は、熱エネルギを運動エネルギに変換する装置であればよい。

モータ・ジェネレータを切り換える際における制御例を示すフローチャートである。 図１に示す制御例における共線図である。 モータ・ジェネレータを切り換える際における他の制御例を示すフローチャートである。 この発明が適用される例である車両を模式的に示すスケルトン図である。 モータ・ジェネレータを切り換える際における第３の制御例を示すフローチャートである。 図５に示す制御例についての共線図である。 図５に示す制御例が適用される車両を模式的に示すスケルトン図である。

符号の説明

１…エンジン、 ２…第１モータ・ジェネレータ、 ３…第２モータ・ジェネレータ、 ４…動力分配機構、 ５…変速機、 Ｃ１…クラッチ、 Ｂ１…ブレーキ機構、 １００…電子制御装置（ＥＣＵ）。

Claims (4)

1. 相互に差動回転する第１ないし第３の回転要素を有する動力分配機構における前記第１回転要素に内燃機関が連結されるとともに第２回転要素に第１駆動力源が連結され、さらに第３回転要素に出力部材が連結され、前記第１駆動力源の回転を止めるブレーキ機構が設けられるとともに、第２駆動力源のトルクを出力部材に対して選択的に伝達するクラッチ機構が設けられているハイブリッド車の駆動装置において、
   前記内燃機関から前記第１回転要素にトルクを伝達しかつ前記第１駆動力源から前記第２回転要素に反力トルクを伝達して前記第３回転要素から前記出力部材にトルクを出力しさらにその出力部材に前記第２駆動力源からトルクを伝達している状態で前記ブレーキ機構の係合条件が成立した場合に第２駆動源の出力トルクが零となるように前記第２駆動力源と内燃機関の出力トルクを協調制御するトルク協調制御手段と、
   前記ブレーキ機構を係合させて前記内燃機関が出力したトルクを前記動力分配機構を介して前記出力部材に伝達している状態で前記ブレーキ機構の解放条件が成立した場合に前記ブレーキ機構が負担していたトルクを前記第１駆動力源が負担するように制御する駆動力源トルク制御手段と
   を備えていることを特徴とするハイブリッド車の駆動装置。
2. 前記ブレーキ機構の係合条件が成立した場合に、第１駆動力源の回転を停止するように前記第１駆動力源と前記第２駆動力源とを協調制御する回転数協調制御手段を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド車の駆動装置。
3. 前記ブレーキ機構の解放条件が成立した場合に、一時的に第２駆動力源単独で駆動力を発生させる一時的駆動力発生手段を更に備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のハイブリッド車の駆動装置。
4. 前記ブレーキ機構またはクラッチ機構は噛み合い式であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のハイブリッド車の駆動装置。

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