JP4046035B2

JP4046035B2 - ハイブリッド車の駆動装置

Info

Publication number: JP4046035B2
Application number: JP2003271078A
Authority: JP
Inventors: 弘淳遠藤; 竜哉尾関
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2023-07-04
Also published as: JP2005029027A

Description

この発明は、車両の走行のための動力源として複数種類の動力源を備えているハイブリッド駆動装置に関し、特に主動力源からトルクが伝達される出力部材に、変速機を介してアシスト動力源を連結したハイブリッド駆動装置に関するものである。

車両用のハイブリッド駆動装置は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関とモータもしくはモータ・ジェネレータなどの電動装置とを動力源とするものが一般的であるが、これらの内燃機関と電動装置との組合せの形態は多様であり、また電動装置の使用数も一台に限らず、複数台使用する例もある。その一例を挙げると、特許文献１には、エンジンと第１モータ・ジェネレータとを、シングルピニオン型遊星歯車機構からなる分配機構を介して相互に連結するとともに、その分配機構から出力部材にトルクを伝達し、さらにその出力部材に変速機構を介して第２モータ・ジェネレータを連結し、その第２モータ・ジェネレータの出力トルクを、いわゆるアシストトルクとして出力部材に付加するように構成されたハイブリッド駆動装置が記載されている。また、その変速機構が、直結状態と減速状態とに切り換えることのできる遊星歯車機構によって構成されており、直結状態では第２モータ・ジェネレータのトルクをそのまま出力部材に付加し、また減速状態では第２モータ・ジェネレータのトルクを増大させて出力部材に付加するように構成されている。

上記のハイブリッド駆動装置では、第２モータ・ジェネレータを力行状態あるいは回生状態に制御することにより、正トルクを出力部材に付加し、あるいは負トルクを出力部材に付加することができる。また、変速機構によって減速状態を設定できるので、第２モータ・ジェネレータを低トルク型化あるいは小型化することができる。

また、特許文献２には、エンジンの出力トルクをモータ・ジェネレータ側と出力軸側とに分配する遊星歯車装置を備えた機械分配式ハイブリッド駆動装置であって、その遊星歯車装置とエンジンとの間、あるいは遊星歯車装置と出力軸との間に変速機を設けた駆動装置が記載されている。さらに、特許文献３には、動力分割手段を複数組の遊星歯車機構を直列に接続して構成した機械分配式ハイブリッド駆動装置が記載されている。そして、この特許文献３の発明では、高車速時に出力軸の回転数をエンジンの回転数より大きくでき、したがって高車速時のエンジン回転数を低下させることができる、とされている。
特開２００２−２２５５７８号公報（段落（００２１）〜（００３４）、図１）特開２０００−３４６１８７号公報（図１、図１９）特開２０００−１６１０１号公報（段落（００２２）〜（００２３）、図２、図３）

上記の特許文献１に記載された装置によれば、エンジンおよび第１モータ・ジェネレータからなる主動力源から出力されたトルクを出力部材に伝達する一方、第２モータ・ジェネレータの出力したトルクを出力部材に伝達できるので、主動力源を構成しているエンジンを、燃費が最適になるように運転し、その状態で要求されている駆動力に対して不足しているトルクもしくは過剰なトルクを第２モータ・ジェネレータによって補うことができる。すなわち、通常の走行では、エンジンの出力トルクを分配機構によって第１モータ・ジェネレータ側と出力部材側に分配し、第１モータ・ジェネレータで得られた電力で第２モータ・ジェネレータを駆動することにより、その第２モータ・ジェネレータの出力トルクを出力部材に付加し、その結果、エンジンを効率の良い運転状態に維持しつつ、必要充分な駆動力を得ることができる。

一方、車両の走行状態は様々に変化し、道路の状況によっては、相対的にエンジン負荷が小さい状態で、エンジンを中高速回転させる走行状態が生じる。このようないわゆる高車速軽負荷状態は、出力の大きいエンジンを搭載している車両で生じやすい。上述したハイブリッド車におけるこのような走行状態では、主動力源を構成している第１モータ・ジェネレータによって反力トルクを生じさせる際に、第１モータ・ジェネレータを通常時とは反対方向に力行運転することになる。

その場合、駆動トルクが過大にならないように、すなわちエンジン側からのトルクを低減させるために、第２モータ・ジェネレータは回生状態に運転することになる。すなわち出力軸から第２モータ・ジェネレータにトルクを伝達して第２モータ・ジェネレータで発電をおこなうことになる。その第２モータ・ジェネレータの電力は、結局は、第１モータ・ジェネレータの負回転方向への力行に消費されるから、ここに動力の循環が生じ、その点でも動力の損失が増大し、排ガスや燃費が悪化する可能性がある。

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、高速走行時の効率を向上させることのできるハイブリッド車の駆動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、主動力源の出力したトルクが伝達される出力部材とアシスト動力源との間でトルクを伝達するように構成されたハイブリッド車の駆動装置において、前記主動力源が、内燃機関と、第１モータ・ジェネレータと、前記出力部材にトルクを伝達する出力要素と、前記内燃機関のトルクをこれら第１モータ・ジェネレータと出力要素とに分配する三つの回転要素によって差動作用をなす歯車機構とを有するとともに、前記アシスト動力源と前記出力部材との間に設けられ、これらアシスト動力源と出力部材との回転数比を三段階以上に変化させる第１の変速機構と、前記主動力源における前記出力要素と前記出力部材との間に設けられ、前記ハイブリッド車が高車速軽負荷の場合に前記内燃機関の回転数を前記出力部材の回転数より低回転数にするオーバードライブ状態に設定される第２の変速機構とを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２の発明は、請求項１の発明において、前記第１変速機構と前記第２変速機構とが、第１サンギヤと、この第１サンギヤと同一軸線上に隣接して配置された第２サンギヤと、これら第１サンギヤおよび第２サンギヤに対して同心円上に配置されたリングギヤと、前記第１サンギヤとリングギヤとの間に配置されてこれら第１サンギヤとリングギヤとでシングルピニオン型遊星歯車機構を構成するピニオンギヤを自転かつ公転自在に保持し、さらに前記第２サンギヤとリングギヤとの間に配置されてこれら第２サンギヤとリングギヤとでダブルピニオン型遊星歯車機構を構成する複数のピニオンギヤを自転かつ公転自在に保持するキャリヤと、前記キャリヤを前記主動力源における出力要素に選択的に連結する第１クラッチと、前記リングギヤを前記主動力源における出力要素に選択的に連結する第２クラッチと、前記第２サンギヤを選択的に固定する第１ブレーキと、前記リングギヤを選択的に固定する第２ブレーキとを有し、前記第１サンギヤが前記アシスト動力源に連結され、かつ前記キャリヤが出力部材に連結されていることを特徴とする駆動装置である。

さらに、請求項３の発明は、請求項２の発明における前記出力要素が前記各クラッチに連結され、前記アシスト動力源によって前記出力部材を後進走行する方向に回転させる場合に、前記第２クラッチによって前記出力要素と前記リングギヤとを連結した状態で前記第２ブレーキによってリングギヤおよび出力要素を固定し、かつ前記第１クラッチおよび第１ブレーキを解放状態とする制御手段が設けられていることを特徴とする駆動装置である。

またさらに、請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記第１モータ・ジェネレータからトルクを出力させて前記内燃機関を回転させる場合に前記出力要素の回転を阻止するブレーキ機構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５の発明は、請求項１の発明において、前記アシスト動力源によって前記出力部材を後進走行する方向に回転させる場合に、前記出力要素を固定し、もしくは前記出力部材に対して遮断する遮断機構を更に備えていることを特徴とする駆動装置である。
請求項６の発明は、主動力源の出力したトルクが伝達される出力部材とアシスト動力源との間でトルクを伝達するように構成されたハイブリッド車の駆動装置において、前記アシスト動力源と前記出力部材との間に設けられ、これらアシスト動力源と出力部材との回転数比を三段階以上に変化させる第１の変速機構と、前記主動力源と前記出力部材との間に設けられ、これら主動力源と出力部材との回転数比を変化させる第２の変速機構とを備え、前記第１変速機構と前記第２変速機構とが、第１サンギヤと、この第１サンギヤと同一軸線上に隣接して配置された第２サンギヤと、これら第１サンギヤおよび第２サンギヤに対して同心円上に配置されたリングギヤと、前記第１サンギヤとリングギヤとの間に配置されてこれら第１サンギヤとリングギヤとでシングルピニオン型遊星歯車機構を構成するピニオンギヤを自転かつ公転自在に保持し、さらに前記第２サンギヤとリングギヤとの間に配置されてこれら第２サンギヤとリングギヤとでダブルピニオン型遊星歯車機構を構成する複数のピニオンギヤを自転かつ公転自在に保持するキャリヤと、前記キャリヤを前記主動力源に選択的に連結する第１クラッチと、前記リングギヤを前記主動力源に選択的に連結する第２クラッチと、前記第２サンギヤを選択的に固定する第１ブレーキと、前記リングギヤを選択的に固定する第２ブレーキとを有し、前記第１サンギヤが前記アシスト動力源に連結され、かつ前記キャリヤが出力部材に連結され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。
請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記主動力源が、内燃機関と、第１モータ・ジェネレータと、出力要素と、前記内燃機関のトルクをこれら第１モータ・ジェネレータと出力要素とに分配する三つの回転要素によって差動作用をなす歯車機構とを備え、その出力要素が前記各クラッチに連結され、前記アシスト動力源によって前記出力部材を後進走行する方向に回転させる場合に、前記第２クラッチによって前記出力要素と前記リングギヤとを連結した状態で前記第２ブレーキによってリングギヤおよび出力要素を固定し、かつ前記第１クラッチおよび第１ブレーキを解放状態とする制御手段が設けられ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。

したがって請求項１の発明では、内燃機関および第１モータ・ジェネレータならびに出力要素および差動作用のある歯車機構を有する主動力源から出力されたトルクが第２の変速機構を介して出力部材に伝達され、またアシスト動力源の出力したトルクが第１の変速機構を介して出力部材に伝達される。その第１の変速機構は三段階以上に変速比を変化させることができるので、高速走行時には変速比を小さくしてアシスト動力源の回転数を低下させることが可能であり、その結果、高速走行時におけるアシスト動力源の動力損失が低減される。また、その場合、第２の変速機構による変速比を相対的に小さくすることにより主動力源を構成している内燃機関や第１モータ・ジェネレータの回転数を低下させることが可能であり、その結果、主動力源を効率の良い状態で運転することが可能になる。

また、請求項２の発明では、第１クラッチを係合させることにより、主動力源の出力要素と出力部材とが連結される。その状態で、第１ブレーキを係合させることにより、アシスト動力源と出力部材との間の変速比が最も大きくなり、また第１ブレーキに替えて第２ブレーキを係合させることにより、その変速比が小さくなり、そして、第１および第２のクラッチを共に係合させることにより、各変速機構の全体が一体化されて、いわゆる直結段となる。すなわち、アシスト動力源と出力部材との間の変速比が三段階に変化させられる。これに対して、第１クラッチに替えて第２クラッチを係合させることにより、主動力源の出力要素をリングギヤに連結し、かつ第１ブレーキによって第２サンギヤを固定すると、主動力源と出力部材との間の変速比が、直結状態より小さくなる。その結果、高速走行時に主動力源を構成している内燃機関や第１モータ・ジェネレータの回転数が低下させられる。

さらに、請求項３の発明では、内燃機関の出力したトルクが、歯車機構によって第１モータ・ジェネレータと出力要素とに分配され、第１モータ・ジェネレータで発電をおこない、また出力要素から出力部材に駆動トルクが付与される。これに対してアシスト動力源によって後進走行する場合、内燃機関を運転して第１モータ・ジェネレータで発電していても、主動力源における出力要素が固定されるので、後進走行とは反対方向のいわゆる正トルクが出力要素から出力部材に伝達されることがない。その結果、アシスト動力源による後進走行時の動力損失が防止もしくは抑制される。

さらにまた、請求項４の発明では、内燃機関を始動するために第１モータ・ジェネレータから前記歯車機構を介して内燃機関に始動トルクが伝達される。その場合、歯車機構における出力要素に第１モータ・ジェネレータからトルクが伝達されるが、その出力要素がブレーキ機構によって回転を止められる。その結果、出力要素から反力トルクを与えることになるので、内燃機関の始動が円滑におこなわれ、また出力要素から出力部材にトルクが伝達されることがないので、内燃機関の始動に伴うトルクが駆動トルクとして現れることがない。

そして、請求項５の発明では、内燃機関の出力したトルクが前記歯車機構によって第１モータ・ジェネレータ側と出力要素側とに分配され、その結果、第２モータ・ジェネレータで発電がおこなわれ、また出力要素にいわゆる正トルクが現れる。これに対してアシスト動力源で後進走行する場合、出力部材には前記正トルクによる回転方向とは反対の回転方向のトルクが現れる。そこで、この場合は、遮断機構によって出力要素と出力部材とが遮断され、もしくは出力要素が固定される。その結果、第１モータ・ジェネレータによる発電に対する反力トルクが確保されると同時に、後進走行のための駆動トルクに反するトルクが出力部材に特には作用しないので、動力損失が防止もしくは抑制される。
またさらに、請求項６の発明によれば、第１クラッチを係合させることにより、主動力源と出力部材とが連結される。その状態で、第１ブレーキを係合させることにより、アシスト動力源と出力部材との間の変速比が最も大きくなり、また第１ブレーキに替えて第２ブレーキを係合させることにより、その変速比が小さくなり、そして、第１および第２のクラッチを共に係合させることにより、各変速機構の全体が一体化されて、いわゆる直結段となる。すなわち、アシスト動力源と出力部材との間の変速比が三段階に変化させられる。これに対して、第１クラッチに替えて第２クラッチを係合させることにより、主動力源をリングギヤに連結し、かつ第１ブレーキによって第２サンギヤを固定すると、主動力源と出力部材との間の変速比が、直結状態より小さくなる。その結果、高速走行時に主動力源の回転数が低下させられる。
請求項７の発明では、内燃機関の出力したトルクが、歯車機構によって第１モータ・ジェネレータと出力要素とに分配され、第１モータ・ジェネレータで発電をおこない、また出力要素から出力部材に駆動トルクが付与される。これに対してアシスト動力源によって後進走行する場合、内燃機関を運転して第１モータ・ジェネレータで発電していても、主動力源における出力要素が固定されるので、後進走行とは反対方向のいわゆる正トルクが出力要素から出力部材に伝達されることがない。その結果、アシスト動力源による後進走行時の動力損失が防止もしくは抑制される。

つぎにこの発明を具体例に基づいて説明する。この発明は、前述した特許文献１に記載されている発明と同様に、内燃機関の出力トルクを発電機側と出力側とに分配し、かつアシスト動力源のトルクを出力部材に伝達するように構成したハイブリッド車に適用することができる。その一例を図１に示してある。ここに示す駆動装置における主動力源１は、内燃機関２と、主に発電機として機能する第１モータ・ジェネレータ３と、出力要素４と、内燃機関２の出力トルクを第１モータ・ジェネレータ３と出力要素４とに分配する歯車機構５とを主体として構成されている。

内燃機関２は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンがその代表的な例であり、要は、燃料を燃焼して動力を出力する熱機関であり、したがって天然ガスエンジンなどの他の形式のものであってもよい。なお、以下の説明では、この内燃機関２をエンジン２と記す。また、第１モータ・ジェネレータ３は、トルクや回転数を電気的に制御可能であって、かつ発電機としての機能と電動機としての機能とを奏するものであり、例えば永久磁石式の同期電動機が使用される。

さらに、歯車機構５は、エンジン２のトルクを第１モータ・ジェネレータ３と出力要素４とに分配するいわゆる分配機構を構成する機構であって、三つの回転要素によって差動作用をなす機構である。図１に示す例では、シングルピニオン型の遊星歯車機構が使用されている。すなわち、外歯歯車であるサンギヤ６と内歯歯車であるリングギヤ７とが同心円上に配置されており、これらのサンギヤ６とリングギヤ７とに噛み合っているピニオンギヤがキャリヤ８によって自転かつ公転自在に保持されている。そのサンギヤ６に第１モータ・ジェネレータ３が連結されている。また、キャリヤ８にエンジン２が連結されている。なお、エンジン２の出力側にダンパー（図示せず）を設けてもよい。そして、リングギヤ７に出力要素４が連結されている。図１に示す例における出力要素４は、リングギヤ７と一体もしくはスプライン嵌合させたコネクティングドラムもしくは中間軸であって、エンジン２の出力したトルクが機械的部材によって直接伝達される部材である。したがって以下の説明では、この出力要素４を、仮に直達軸４と記す。また、上記の歯車機構５を分配機構５と記す。

この直達軸４もしくはリングギヤ７とケーシングなどの固定部９との間に、ブレーキ機構が設けられている。このブレーキ機構は、直達軸４もしくはリングギヤ７の逆回転（エンジン２とは反対方向の回転）を阻止するためのものであって、図１の例では、一方向クラッチＦ0 によって構成されている。

上記の歯車機構５についての共線図を図２に示してある。図２において、ＭG1は第１モータ・ジェネレータ３を示し、ＥNGはエンジン２を示す。直達軸４は後述する出力軸を介して駆動輪に連結されているから、その回転数は車速に置き換えることができ、したがって図２に示すように、第１モータ・ジェネレータ３の回転数を、正逆いずれの方向にも大小に連続的に変化させれば、エンジン２の回転数が連続的に変化する。したがって上記の分配機構５は第１モータ・ジェネレータ３と共に無段変速機として機能を果たすように構成されている。

上記のエンジン２と直達軸４とは同一軸線上に配列されており、この直達軸４の延長線上に出力部材である出力軸１０が回転自在に配置されている。そして、その出力軸１０の外周側に、この発明の第１の変速機構と第２の変速機構とに相当する歯車機構および係合装置が配置されている。

すなわち、シングルピニオン型の第１遊星歯車機構１１とダブルピニオン型の第２遊星歯車機構１２とが隣接して配置されている。その第２遊星歯車機構１２のサンギヤ１３とリングギヤ１４とが同心円上に配置されており、そのサンギヤ１３にピニオンギヤ１５が噛み合い、そのピニオンギヤ１５とリングギヤ１４とに他のピニオンギヤ１６が噛み合っており、これらのピニオンギヤ１５，１６がキャリヤ１７によって自転かつ公転自在に保持されている。第１遊星歯車機構１１のサンギヤ１８は、第２遊星歯車機構１２のサンギヤ１３より大径であって、このサンギヤ１８に噛み合っているピニオンギヤ１９が、上記のキャリヤ１７によって自転かつ公転自在に保持されている。

したがって、これらの遊星歯車機構１１，１２においては、リングギヤ１４とキャリヤ１７とが共用されている。言い換えれば、第１遊星歯車機構１１が、サンギヤ１８と、ピニオンギヤ１９，１６を保持しているキャリヤ１７と、リングギヤ１４とによって構成され、また第２遊星歯車機構１２が、サンギヤ１３と、ピニオンギヤ１５，１６を保持しているキャリヤ１７と、リングギヤ１４とによって構成されている。したがってこれら第１および第２の遊星歯車機構１１，１２からなる歯車機構は、ラビニヨ型遊星歯車機構によって置き換えることもできる。

上記の第１および第２の遊星歯車機構１１，１２からなる歯車機構は、主動力源１と出力軸１０との間の変速比、およびアシスト動力源である第２モータ・ジェネレータ２０と出力軸１０との間の変速比を切り換える変速機であり、その変速比を設定するために、係合装置が以下のように設けられている。先ず、第１遊星歯車機構１１のサンギヤ１８に第２モータ・ジェネレータ２０が連結されている。また、キャリヤ１７と前記直達軸４とを選択的に連結する第１クラッチＣ1 と、前記リンクギヤ１４と直達軸４とを選択的に連結する第２クラッチＣ2 とが設けられている。さらに、第２遊星歯車機構１２のサンギヤ１３を選択的に固定する第１ブレーキＢ1 と、リングギヤ１４を選択的に固定する第２ブレーキＢ2 とが設けられている。これらクラッチＣ1 ，Ｃ2 およびブレーキＢ1 ，Ｂ2 としては、油圧によって動作させる湿式多板クラッチや湿式多板ブレーキが一般的に使用されるが、この発明では他の形式のものであってよく、例えば前記ブレーキＢ1 ，Ｂ2 は、バンド式のものであってもよい。これらのクラッチＣ1 ，Ｃ2 およびブレーキＢ1 ，Ｂ2 を適宜に係合および解放させることにより、主動力源１と出力軸１０との間の変速比を高低二段に切り換えて設定し、また第２モータ・ジェネレータ２０と出力軸１０との間の変速比を三段に切り換えるようになっている。その詳細は後述する。

上記の駆動装置を制御する制御手段としてのコントローラ２１が設けられている。このコントローラ２１は、エンジン２や各モータ・ジェネレータ３，２０、あるいは各係合装置Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｂ1 ，Ｂ2 のための電子制御装置を統合したもの、あるいは各電子制御装置に指示信号を出力するものであって、車速やアクセル開度、エンジン回転数、出力軸回転数、シフトポジションなどの各種のデータが入力され、その入力データに基づいて演算をおこなって指示信号を出力するように構成されている。

つぎに上記の駆動装置の作用について説明する。上記の主動力源１は、基本的には、エンジン２の燃費が可及的に良好になるように制御される。具体的には、エンジン２についての最適燃費ラインを予め求めておき、要求駆動力に基づく目標出力を最適燃費で達成するエンジントルクとエンジン回転数とが求められる。その燃費ラインの一例を図３に示してある。そのエンジントルクを達成するようにスロットル開度が制御され、またそのエンジン回転数を達成するように第１モータ・ジェネレータ３が制御される。前述した図２に示すように、分配機構５におけるサンギヤ６の回転数を第１モータ・ジェネレータ３によって連続的に変化させれば、キャリヤ８に連結されているエンジン２の回転数が無段階に変化するから、第１モータ・ジェネレータ３の回転数を制御することにより、エンジン２の回転数が最適燃費ライン上の回転数に設定される。

その場合、エンジン２の出力トルクが第１モータ・ジェネレータ３に伝達されて第１モータ・ジェネレータ３が駆動されるので、第１モータ・ジェネレータ３が発電をおこなう。また、エンジントルクが直達軸４から前記第１遊星歯車機構１１あるいは第２遊星歯車機構１２を介して出力軸１０に伝達される。これに加え、第１モータ・ジェネレータ３で発電された電力が第２モータ・ジェネレータ２０に供給されて第２モータ・ジェネレータ２０がトルクを出力し、これが出力軸１０に伝達される。したがって通常の走行状態では、エンジン２の出力したトルクの一部が、出力軸１０にいわゆる直達トルクとして伝達される一方、エンジン２の出力した動力の他の部分が、一旦電力に変化された後、第２モータ・ジェネレータ２０によるアシストトルクとして出力軸１０に伝達される。

その場合、発進直後の低速時などでは加速のための大きいアシストトルクが要求され、また高速での巡航状態では第２モータ・ジェネレータ２０の回転数を下げて摩擦などによる動力損失を低減することが好ましい。一方、要求されている駆動力に対して主動力源１の出力トルクが相対的に大きい場合には、主動力源１から出力されるトルクを低下させて出力軸１０に伝達する必要がある。このように、出力軸１０と第２モータ・ジェネレータ２０との間のトルクの伝達状態および出力軸１０と主動力源１との間のトルクの伝達状態は、エネルギー効率あるいは燃費の向上のために、車両の走行状態もしくは駆動力の要求状態に基づいて設定する必要がある。この発明に係る上記の駆動装置は、このような要求を満たすために、以下に説明するように制御されて動作する。

表１は、出力軸回転数やアクセル開度もしくはスロットル開度、シフトポジションなどのデータに基づいて判断される運転状況に応じた各係合装置の動作状態、および第１遊星歯車機構１１と第２遊星歯車機構１２との動作状態をまとめて示す作動表である。この表１において、〇印は係合状態、空欄は解放状態、「エンジン直達」の欄は主動力源１と出力軸１０との間の変速状態、「ＭG2変速段」の欄は第２モータ・ジェネレータ２０と出力軸１０との間の変速状態をそれぞれ示す。

表１に示す各運転状況での制御について説明すると、先ず、低車速の運転状態は、出力軸回転数などから判断される車速が予め設定したしきい値より遅い状態であり、この場合は、第１クラッチＣ1 と、第２ブレーキＢ2 とが係合させられ、他の係合装置は解放状態に制御される。したがって直達軸４と出力軸１０とが第１クラッチＣ1 によって直接連結されるので、主動力源１と出力軸１０とが直結状態（変速比が“１”の状態）になる。また、第２モータ・ジェネレータ２０と出力軸１０との間の関係は、前記リングギヤ１４が固定された状態で第１サンギヤ１８に第２モータ・ジェネレータ２０からのトルクが入力されるから、変速比が最も大きい第１速となる。このいわゆる低速ローモード状態を図４に共線図で示してある。

すなわち、エンジン２がトルクを出力しており、そのトルクが分配機構５によって第１モータ・ジェネレータ３と直達軸４とに分配されている。したがって第１モータ・ジェネレータ３はエンジン２より高速で正回転させられて発電をおこなっており、その発電に伴う反力トルクがサンギヤ６に作用し、その結果、直達軸４には、エンジン２の出力トルクを増幅したトルクが現れる。そして、直達軸４のトルクが第１クラッチＣ1 を介して出力軸１０に伝達される。

一方、第１および第２の遊星歯車機構１１，１２では、第１サンギヤ１８に第２モータ・ジェネレータ２０のトルクが入力され、かつリングギヤ１４が固定されているので、実質的は第１遊星歯車機構１１が減速作用をおこない、キャリヤ１７およびこれが連結されている出力軸１０には、第２モータ・ジェネレータ２０の出力トルクを変速比に応じて増幅したトルクが付加される。したがって主動力源１ではエンジン２を最適燃費で運転しつつ、出力軸１０には、エンジン２からの直達トルクと、第２モータ・ジェネレータ２０によるアシストトルクとが伝達され、要求に応じた大きい駆動トルクが得られる。また、エンジン２と出力軸１０との間の変速比は、“１”より大きいアンダードライブ状態となる。

中速域は、アクセルペダルがある程度踏み込まれ、かつ車速が所定値より速くなった状態である。この場合は、第２モータ・ジェネレータ２０と出力軸１０との間の変速比が低下させられ、第２速が設定される。すなわち、第１クラッチＣ1 が係合させられ、かつ第２ブレーキＢ2 に替えて第１ブレーキＢ1 が係合させられる。この場合、主動力源１では、直達軸４のトルクをある程度大きいトルクに維持しつつ、その回転数を高くするために、第１モータ・ジェネレータ３が負回転方向に制御され、発電をおこない、その反力トルクがサンギヤ６に作用する。その中速ハイモード状態を図５に共線図で示してある。したがって直達軸４がエンジン２より高速で回転し、またこの直達軸４のトルクが第１クラッチＣ1 を介して出力軸１０に伝達される。

これに対して第１および第２の遊星歯車機構１１，１２では、第２サンギヤ１３が第２ブレーキＢ2 によって固定された状態で第１サンギヤ１８に第２モータ・ジェネレータ２０からのトルクが入力されるので、キャリヤ１７およびこれに連結されている出力軸１０が第２モータ・ジェネレータ２０より低速で回転する。なお、その回転数は、第２サンギヤ１３が固定されていることにより、上記の低速ローモードの場合より速く、したがって第２モータ・ジェネレータ２０と出力軸１０との間の変速比は、上記の第１速より小さくなる。すなわち第１および第２の遊星歯車機構１１，１２によって第２速が設定される。

したがって中速ハイモードにおいても、エンジン２が最適燃費ラインに即して運転され、かつ第２モータ・ジェネレータ２０によるトルクアシストが実行されるので、駆動要求を満たしつつ燃費を向上させることができる。また、第２モータ・ジェネレータ２０と出力軸１０との間の変速比が、低速ローモードの場合より小さくなるので、第２モータ・ジェネレータ２０の回転数を相対的に低下させて摩擦などによる動力損失を防止もしくは抑制することができる。

つぎに高車速軽負荷運転（高速ＯＤモード）について説明する。これは、アクセル開度や車速などのデータに基づいて判断された運転状態であって、要求されている出力に対してエンジン出力が相対的に大きくなる状態である。したがってこの場合は、エンジン２の運転点が最適燃費ラインから大きく外れることを回避するために、エンジン２と出力軸１０との間の変速比が、上述した二つの運転状態での変速比より小さく設定される。具体的には、前記第１クラッチＣ1 に替えて第２クラッチＣ2 が係合させられ、また第１ブレーキＢ1 が係合させられる。また、第１モータ・ジェネレータ３が固定状態に制御される。これは、第１モータ・ジェネレータ３を電気的に停止状態に制御することにより達成してもよく、あるいは適宜の制動機構を動作させることによって達成してもよい。

この状態を図５に、上記の中速域での状態と併せて記載してある。第１および第２の遊星歯車機構１１，１２では、第２サンギヤ１３を第１ブレーキＢ1 で固定した状態で、第１サンギヤ１８に第２モータ・ジェネレータ２０のトルクを入力することになるので、キャリヤ１７と一体の出力軸１０に対してリングギヤ１４が低速で回転する。そして、主動力源１の出力軸である直達軸４が、前記リングギヤ１４に第２クラッチＣ2 によって連結されているので、エンジン２の回転数が出力軸１０の回転数よりも低回転数となり、変速比としてはいわゆるオーバードライブ状態となる。

したがってこの状態では、第１モータ・ジェネレータ３をモータとして機能させて負回転方向に動作（いわゆる逆回転力行）させる必要がないので、動力循環を防止もしくは抑制し、燃費を向上させることができる。

つぎに高車速高負荷での運転について説明すると、これは、アクセル開度がある程度大きく、かつ車速が速い状態である。したがって主動力源１の出力トルクを大きくする必要があるので、エンジン２および第１モータ・ジェネレータ３は、前述した低速ローモードの場合と同様に制御される。これを図６に共線図で示してある。これに対して第１および第２の遊星歯車機構１１，１２は、第１および第２のクラッチＣ1 ，Ｃ2 を係合させ、かつ他の係合装置を解放することにより、直結状態（いわゆる第３速）に制御される。この状態を図６に太い実線で示してある。したがって第２モータ・ジェネレータ２０の回転数が他の前進走行の場合に比較して低くなるので、第２モータ・ジェネレータ２０およびこれに関連する回転部材の回転数を相対的に低くして摩擦などによる動力損失が抑制され、燃費が向上する。

上述した図１に示す駆動装置を搭載したハイブリッド車では、エンジン２と第１モータ・ジェネレータ３とが分配機構５を介して連結されているので、第１モータ・ジェネレータ３をモータとして動作させれば、その第１モータ・ジェネレータ３のトルクによってエンジン２を回転（モータリングもしくはクランキング）させることができる。したがって停車中にエンジン２を自動停止した後、発進要求が検出された場合に、第１モータ・ジェネレータ３によってエンジン２を自動的に始動させるいわゆるエコラン（エコロジー走行もしくはエコノミー走行）制御をおこなうことができる。

このような第１モータ・ジェネレータ３によるエンジン２の始動の際には、以下のように動作する。図７は、その場合の動作状態を示す共線図であり、第１モータ・ジェネレータ３をモータとして機能させて正トルクを出力させると、分配機構５のサンギヤ６が正方向に回転する。これに対してキャリヤ８には、停止状態のエンジン２からの反力トルクが作用しているから、直達軸４が連結されているリングギヤ７には、これを逆回転方向に回転させるトルクが作用する。そのため、一方向クラッチＦ0 が係合し、直達軸４およびリングギヤ７にケーシングなどの固定部９から反力トルクが作用し、直達軸４およびリングギヤ７が固定される。

その結果、図７に示すように、キャリヤ８およびこれに連結されているエンジン２に対して正回転方向にトルクが作用し、エンジン２がモータリングもしくはクランキングされ、始動される。そして、直達軸４は固定されていて正逆いずれの方向にもトルクが現れないので、いずれのクラッチＣ1 ，Ｃ2 を係合させておいても、出力軸１０のトルク（すなわち駆動トルク）が変化しない。すなわちエンジン２を始動することによるショックを防止することができる。また、エンジン２を正回転させるための反力トルクを与える一方向クラッチＦ0 は、係合方向にトルクが作用することにより直ちに係合するので、その応答性は油圧式の係合装置よりも速く、したがって特に低温での始動応答性が良好になる。さらに、第１および第２の遊星歯車機構１１，１２における適宜の係合装置を係合させて出力軸１０にトルク伝達できる状態としておくことができるので、エンジン２の始動後の発進の遅れを防止することができる。

上述した図１に示す駆動装置は、直達軸４の逆回転を阻止する一方向クラッチＦ0 を備えているので、出力軸１０を逆回転させる後進走行は、第２モータ・ジェネレータ２０を使用しておこなうことになる。その場合の制御は、以下のとおりである。

先ず、第１モータ・ジェネレータ３による発電をおこなわない場合は、第２ブレーキＢ2 のみを係合させ、他の係合装置は解放状態に制御する。前記の低車速状態での制御で述べたように、第２ブレーキＢ2 を係合させると、第２モータ・ジェネレータ２０と出力軸１０との間の変速比は第１速状態となる。これに対して各クラッチＣ1 ，Ｃ2 が解放されているので、主動力源１と出力軸１０とは遮断される。また、第２モータ・ジェネレータ２０を後進走行のための動力源とするのであるから、エンジン２および第１モータ・ジェネレータ３は停止状態に維持される。この状態を図８に共線図で示してある。

したがって第１および第２の遊星歯車機構１１，１２では、リングギヤ１４を第２ブレーキＢ2 で固定した状態で第１サンギヤ１８に第２モータ・ジェネレータ２０から逆回転方向のトルクを入力することになる。その結果、キャリヤ１７およびこれに連結されている出力軸１０が、第２モータ・ジェネレータ２０より低速で逆回転方向に回転し、そのトルクが駆動輪（図示せず）に伝達されて車両が後進走行する。

その場合、第２クラッチＣ2 を係合させて直達軸４をリングギヤ１４に連結していても、その回転が第２ブレーキＢ2 によって阻止されているので、第１モータ・ジェネレータ３やエンジン２が回転させられることはない。すなわちこれらに第２モータ・ジェネレータ２０からのトルクが伝達されることはない。

第２モータ・ジェネレータ２０によって後進走行する際にエンジン２によって第１モータ・ジェネレータ３を駆動して発電をおこなうことができる。その状態を図９に共線図で示してある。この場合、第２モータ・ジェネレータ２０を動力源として後進走行するから、第１および第２の遊星歯車機構１１，１２の制御状態は、上記の発電をおこなわない場合と同じであって、第２ブレーキＢ2 でリングギヤ１４を固定した状態で第２サンギヤ１３に第２モータ・ジェネレータ２０から逆回転方向のトルクを入力する。

これに対して主動力源１では、第２クラッチＣ2 を係合させることにより第２ブレーキＢ2 によって直達軸４およびリングギヤ７を固定した状態で、エンジン２を動作させる。エンジン２の出力トルクは分配機構５によって第１モータ・ジェネレータ３側と直達軸４側とに分配されるが、直達軸４には第２ブレーキＢ2 を介してケーシングなどの固定部９から反力トルクが与えられて直達軸４およびリングギヤ７が固定されているので、第１モータ・ジェネレータ３が正回転方向に駆動されて発電をおこなう。なお、その電力は、第２モータ・ジェネレータ２０に供給され、あるいは図示しないバッテリーなどの蓄電装置に供給される。

エンジン２を上記のように駆動して発電をおこなう場合、直達軸４に正方向のトルクが分配されるが、第２ブレーキＢ2 によって反力トルクを与えるために、出力軸１０に発電に伴うトルクが現れることがない。すなわち、第２モータ・ジェネレータ２０による後進走行のためのトルク（いわゆる負トルク）を相殺もしくは低減する方向のトルクが生じないので、駆動力の低下や動力損失を防止することができる。

ところで上述した駆動装置は、エンジン２と出力軸１０との間の変速比を直結状態とオーバードライブ状態とに切り換えることができ、また第２モータ・ジェネレータ２０と出力軸１０との間の変速比を３段に切り換えることができる。これらの変速比の切り換えは、車両の走行状態に応じて実行することになるが、変速比の切り換えが重畳するいわゆる多重変速状態となると、ショックを生じさせないように変速を制御することが困難になるので、エンジン２と出力軸１０との間の変速比を切り換える変速点と、第２モータ・ジェネレータ２０と出力軸１０との間の変速比を切り換える変速点とを異ならせることが好ましい。例えば、前者の変速点を後者の変速点に対して高車速側に設定することが好ましい。

また、上記の図１に示す駆動装置では、中速域（中速ハイモード）から高車速軽負荷（高速ＯＤモード）に切り換える場合、第１クラッチＣ1 を解放し、かつ第２クラッチＣ2 を係合させることになる。これは、いわゆるクラッチ・ツウ・クラッチ変速であり、例えば図１０のタイムチャートに示すように変速が制御される。すなわち、変速の制御開始が判断されると、第１クラッチＣ1 の油圧が低下させられてそのトルクＴc1が次第に低下し、これと同時に第２クラッチＣ2 の油圧が増大させられてそのトルクＴc2が次第に上昇する。この変速制御の過程では、エンジン回転数およびエンジントルクならびに第１モータ・ジェネレータ３のトルク（負トルク）が変化しないものとしており、したがって第１クラッチＣ1 のトルクＴc1が低下することにより、直達軸４からのトルク（直達トルク）Ｔinが次第に低下する。また、直達トルクＴinの低下を補うように第２モータ・ジェネレータ２０の出力トルク（モータトルク）Ｔm が次第に増大させられ、その結果、出力軸トルクＴO が維持される。

すなわち、この発明に係る制御装置は、主動力源もしくはエンジン２側からのトルクを伝達するクラッチの係合・解放状態の切り換えに伴うトルク変化に応じてアシスト動力源である第２モータ・ジェネレータ２０の出力トルクを正負を含む大小に変化させる手段を備えている。これは、変速過渡時もしくはクラッチＣ1 ，Ｃ2 の切り換えに伴う駆動トルクの変動を防止もしくは抑制するための制御である。上述した例では、トルク相でのいわゆる直達トルクによるトルクの低下を補償するために、第２モータ・ジェネレータ２０の出力トルクを増大（負のトルクを低下）させ、イナーシャ相では所定の回転部材の回転変動に伴う慣性トルクが直達トルクとして作用するので、その慣性トルクによる増大分に対応して第２モータ・ジェネレータ２０の出力トルクを低下（負のトルクを増大）させる。

こうして第１クラッチＣ1 のトルクＴc1がほぼゼロ程度に低下すると、トルク相が終了してイナーシャ相が開始し、第２モータ・ジェネレータ２０の回転数Ｎg や直達軸４の回転数Ｎr が変化し始める。同時に、第２クラッチＣ2 のトルクＴc2の変化勾配が増大させられる。このイナーシャ相においては、直達軸４の回転数の低下すなわち第１モータ・ジェネレータ３の回転数の低下による慣性トルクが、駆動トルクを増大させる方向に生じる。そこで、これを相殺するように第２モータ・ジェネレータ２０が制御され、そのトルクＴm がイナーシャ相において低下させられる。その結果、出力軸トルクＴO の変化すなわちショックや振動を防止することができる。

なお、この発明は、上述した具体例に限定されないのであって、アシスト動力源と出力部材との間の第１の変速機構および主動力源と出力部材との間の第２の変速機構は、上述した実質的にラビニヨ型遊星歯車機構を構成する第１および第２の遊星歯車機構１１，１２以外の構成のものであってもよく、要は、アシスト動力源と出力部材との間の変速比を三段階以上に切り換えることのできる機構および主動力源と出力部材との間の変速比を高低に変化させることのできる機構であればよい。したがって主動力源と出力部材との間の変速機構は、変速比が“１”より小さいいわゆるオーバードライブ状態を設定できる機構でなくてもよく、いわゆるアンダードライブ状態での少なくとも二つの変速比もしくは直結状態とアンダードライブ段とを設定できる機構であってもよい。さらにこの発明では、上述した第１クラッチＣ1 を常時係合させ、もしくはこれを廃止して直達軸４と出力部材とを常時連結した構成としてもよい。その場合、前記一方向クラッチＦ0 は廃止することになる。

この発明で対象とするハイブリッド駆動装置の一例を模式的に示すブロック図である。その主動力源における分配機構についての共線図である。エンジンの最適燃費ラインの一例を模式的に示す図である。低速ローモードの運転状態を示す共線図である。中速ハイモードおよび高速ＯＤモードの各運転状態を示す共線図である。高車速高負荷直結モードの運転状態を示す共線図である。停車状態から第１モータ・ジェネレータによってエンジンを起動する場合の動作状態を示す共線図である。発電をおこなうことなく後進走行する動作状態を示す共線図である。発電をおこないつつ後進走行する動作状態を示す共線図である。中速ハイモードから高速ＯＤモードに変速する場合の回転数などの変化を示すタイムチャートである。

符号の説明

１…主動力源、２…エンジン、３…第１モータ・ジェネレータ、４…出力要素（直達軸）、５…歯車機構（分配機構）、１０…出力軸、１１…第１遊星歯車機構、１２…第２遊星歯車機構、１３…サンギヤ、１４…リングギヤ、１７…キャリヤ、１８…サンギヤ、２０…第２モータ・ジェネレータ、２１…コントローラ、Ｃ1 ，Ｃ2 …クラッチ、Ｂ1 ，Ｂ2 …ブレーキ、Ｆ0 …一方向クラッチ。

Claims

主動力源の出力したトルクが伝達される出力部材とアシスト動力源との間でトルクを伝達するように構成されたハイブリッド車の駆動装置において、
前記主動力源が、内燃機関と、第１モータ・ジェネレータと、前記出力部材にトルクを伝達する出力要素と、前記内燃機関のトルクをこれら第１モータ・ジェネレータと出力要素とに分配する三つの回転要素によって差動作用をなす歯車機構とを有するとともに、
前記アシスト動力源と前記出力部材との間に設けられ、これらアシスト動力源と出力部材との回転数比を三段階以上に変化させる第１の変速機構と、
前記主動力源における前記出力要素と前記出力部材との間に設けられ、前記ハイブリッド車が高車速軽負荷の場合に前記内燃機関の回転数を前記出力部材の回転数より低回転数にするオーバードライブ状態に設定される第２の変速機構と
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。
前記第１変速機構と前記第２変速機構とが、第１サンギヤと、この第１サンギヤと同一軸線上に隣接して配置された第２サンギヤと、これら第１サンギヤおよび第２サンギヤに対して同心円上に配置されたリングギヤと、前記第１サンギヤとリングギヤとの間に配置されてこれら第１サンギヤとリングギヤとでシングルピニオン型遊星歯車機構を構成するピニオンギヤを自転かつ公転自在に保持し、さらに前記第２サンギヤとリングギヤとの間に配置されてこれら第２サンギヤとリングギヤとでダブルピニオン型遊星歯車機構を構成する複数のピニオンギヤを自転かつ公転自在に保持するキャリヤと、前記キャリヤを前記主動力源における出力要素に選択的に連結する第１クラッチと、前記リングギヤを前記主動力源における出力要素に選択的に連結する第２クラッチと、前記第２サンギヤを選択的に固定する第１ブレーキと、前記リングギヤを選択的に固定する第２ブレーキとを有し、
前記第１サンギヤが前記アシスト動力源に連結され、かつ前記キャリヤが出力部材に連結されていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド車の駆動装置。
前記出力要素が前記各クラッチに連結され、
前記アシスト動力源によって前記出力部材を後進走行する方向に回転させる場合に、前記第２クラッチによって前記出力要素と前記リングギヤとを連結した状態で前記第２ブレーキによってリングギヤおよび出力要素を固定し、かつ前記第１クラッチおよび第１ブレーキを解放状態とする制御手段が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド車の駆動装置。
前記第１モータ・ジェネレータからトルクを出力させて前記内燃機関を回転させる場合に前記出力要素の回転を阻止するブレーキ機構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。
前記アシスト動力源によって前記出力部材を後進走行する方向に回転させる場合に、前記出力要素を固定し、もしくは前記出力部材に対して遮断する遮断機構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。
主動力源の出力したトルクが伝達される出力部材とアシスト動力源との間でトルクを伝達するように構成されたハイブリッド車の駆動装置において、
前記アシスト動力源と前記出力部材との間に設けられ、これらアシスト動力源と出力部材との回転数比を三段階以上に変化させる第１の変速機構と、
前記主動力源と前記出力部材との間に設けられ、これら主動力源と出力部材との回転数比を変化させる第２の変速機構と
を備え、
前記第１変速機構と前記第２変速機構とが、第１サンギヤと、この第１サンギヤと同一軸線上に隣接して配置された第２サンギヤと、これら第１サンギヤおよび第２サンギヤに対して同心円上に配置されたリングギヤと、前記第１サンギヤとリングギヤとの間に配置されてこれら第１サンギヤとリングギヤとでシングルピニオン型遊星歯車機構を構成するピニオンギヤを自転かつ公転自在に保持し、さらに前記第２サンギヤとリングギヤとの間に配置されてこれら第２サンギヤとリングギヤとでダブルピニオン型遊星歯車機構を構成する複数のピニオンギヤを自転かつ公転自在に保持するキャリヤと、前記キャリヤを前記主動力源に選択的に連結する第１クラッチと、前記リングギヤを前記主動力源に選択的に連結する第２クラッチと、前記第２サンギヤを選択的に固定する第１ブレーキと、前記リングギヤを選択的に固定する第２ブレーキとを有し、
前記第１サンギヤが前記アシスト動力源に連結され、かつ前記キャリヤが出力部材に連結されていることを特徴とするハイブリッド車の駆動装置。
前記主動力源が、内燃機関と、第１モータ・ジェネレータと、出力要素と、前記内燃機関のトルクをこれら第１モータ・ジェネレータと出力要素とに分配する三つの回転要素によって差動作用をなす歯車機構とを備え、
その出力要素が前記各クラッチに連結され、
前記アシスト動力源によって前記出力部材を後進走行する方向に回転させる場合に、前記第２クラッチによって前記出力要素と前記リングギヤとを連結した状態で前記第２ブレーキによってリングギヤおよび出力要素を固定し、かつ前記第１クラッチおよび第１ブレーキを解放状態とする制御手段が設けられていることを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド車の駆動装置。