JP4088575B2 - 動力出力装置およびこれを搭載する自動車 - Google Patents

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Description

本発明は、動力出力装置およびこれを搭載する自動車に関し、詳しくは、駆動軸に動力を出力する動力出力装置およびこれを搭載すると共に駆動軸に車軸が機械的に連結されてなる自動車に関する。
従来、この種の動力出力装置としては、第1プラネタリギヤのサンギヤ,リングギヤ,キャリアに第1モータ,出力軸,エンジンをそれぞれ接続し、第2プラネタリギヤのサンギヤ,リングギヤ,キャリアに第1プラネタリギヤのキャリア,第2モータ,第1プラネタリギヤのリングギヤがそれぞれ接続されたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この装置では、エンジンから出力される動力をトルク変換して効率よく出力軸に出力することができる、とされている。
特開2002−281607号公報(図1)
上述の動力出力装置は、通常、第1モータは発電機として機能し、第2モータは電動機として機能するため、この状態のときにエネルギ効率がよくなるよう設計される。しかし、出力軸を高回転低トルクで運転する場合、第1モータが逆回転する状態が生じ、第1モータが電動機として機能すると共に第2モータが発電機として機能することにより、エネルギ効率が低下する。また、出力軸を低回転高トルクで運転する場合、第2モータが逆回転する状態が生じ、同様に第1モータが電動機として機能すると共に第2モータが発電機として機能することにより、エネルギ効率が低下する。
本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車は、エネルギ効率の向上を図ることを目的の一つとする。また、本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車は、電動機の小型化を図ることを目的の一つとする。
本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車は、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。
本発明の動力出力装置は、
駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、
内燃機関と、
発電可能な第1の電動機と、
発電可能な第2の電動機と、
前記第1の電動機の回転軸に連結された第1軸と前記内燃機関の出力軸に連結された第2軸と前記駆動軸に連結された第3軸と前記第2の電動機の回転軸に連結された第4軸とを含む複数軸を有し、前記第2軸と前記第3軸と前記第4軸の3軸のうちのいずれか2軸の回転数に基づいて残余の軸を回転させ、前記第2軸の回転数と前記第3軸の回転数とに基づく回転数により前記第1軸を回転させる第1関係比と前記第2軸の回転数に比例する回転数により前記第1軸を回転させる第2関係比とを切り替えて該第1軸を回転させ、前記複数軸に入出力される動力の収支をもって前記駆動軸に動力を出力可能な多軸式動力入出力手段と、
を備えることを要旨とする。
この本発明の動力出力装置では、多軸式動力入出力手段は、内燃機関の出力軸に連結された第2軸と駆動軸に連結された第3軸と第2の電動機の回転軸に連結された第4軸の3軸のうちのいずれか2軸の回転数に基づいて残余の軸を回転させ、第2軸の回転数と第3軸の回転数とに基づく回転数により第1の電動機の回転軸に連結された第1軸を回転させる第1関係比と第2軸の回転数に比例する回転数により第1軸を回転させる第2関係比とを切り替えてこの第1軸を回転させ、更に、第1ないし第4軸を含む複数軸に入出力される動力の収支をもって駆動軸に動力を出力する。ここで、第1関係比と第2関係比とを適当に設定すれば、第1関係比では第1の電動機が逆回転するときでも第2関係比とすることにより第1の電動機を正回転させることができる。したがって、第1関係比では第1の電動機が逆回転するときに第2関係比として第1の電動機を正回転させることにより、第1の電動機が逆回転することにより生じるエネルギ効率の低下を抑止することができる。即ち、装置のエネルギ効率の向上を図ることができる。また、このように関係比を切り替えることができるから、関係比を切り替えることができないものに比して、第1の電動機の小型化を図ることができる。
こうした本発明の動力出力装置において、前記第1関係比は前記第1軸の回転数と前記第2軸の回転数と前記第3軸の回転数とを所定の比の間隔の座標軸上にプロットしたときに直線上となる関係比であり、前記第2関係比は、前記第3軸の回転数を値0としたときに前記第1軸の回転数と前記第2軸の回転数と前記第3軸の回転数とを前記所定の比の間隔の座標軸上にプロットしたときに直線上となる関係比であるものとすることもできる。また、前記第2関係比は、前記第2軸の回転数より前記第1軸の回転数の方が大きくなる関係比であるものとすることもできる。
また、本発明の動力出力装置において、前記多軸式動力入出力手段は、前記第1軸と前記第2軸と第5軸の3軸に接続され該3軸のいずれかの2軸に入出力される動力に基づく動力を残余の軸に入出力する第1の3軸式動力入出力手段と、前記第2軸と前記第3軸と前記第4軸との3軸に接続され該3軸のいずれかの2軸に入出力される動力に基づく動力を残余の軸に入出力する第2の3軸式動力入出力手段と、前記第5軸と前記第3軸との連結および該連結の解除を行なう連結解除手段と、前記第5軸の回転の停止および該停止の解除を行なう停止解除手段と、を備えるものとすることもできる。この場合、第1の3軸式動力入出力手段や第2の3軸式動力入出力手段は、遊星歯車機構により構成されてなるものとすることもできる。
さらに、本発明の動力出力装置において、前記第1関係比は前記第1軸の回転数と前記第2軸の回転数と前記第3軸の回転数とを所定の比の間隔の座標軸上にプロットしたときに直線上となる関係比であり、前記第2関係比は前記第1軸の回転数と前記第2軸の回転数とが同一となる関係比であるものとすることもできる。
あるいは、本発明の動力出力装置において、前記多軸式動力入出力手段は、前記第2軸と前記第3軸と第5軸の3軸に接続され該3軸のいずれかの2軸に入出力される動力に基づく動力を残余の軸に入出力する第1の3軸式動力入出力手段と、前記第2軸と前記第3軸と前記第4軸との3軸に接続され該3軸のいずれかの2軸に入出力される動力に基づく動力を残余の軸に入出力する第2の3軸式動力入出力手段と、前記第4軸と前記第5軸との連結および該連結の解除を行なう第1連結解除手段と、前記第4軸と前記第2軸との連結および該連結の解除を行なう第2連結解除手段と、を備えるものとすることもできる。この場合、第1の3軸式動力入出力手段や第2の3軸式動力入出力手段は、遊星歯車機構により構成されてなるものとすることもできる。
また、本発明の動力出力装置において、前記第1関係比により前記第1軸を回転させると該第1軸が正の回転数で回転するときには該第1関係比により該第1軸が回転するよう前記多軸式動力入出力手段を切替制御し、前記第1関係比により前記第1軸を回転させると該第1軸が負の回転数で回転するときには前記第2関係比により該第1軸が回転するよう前記多軸式動力入出力手段を切替制御する切替制御手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、第1の電動機が逆回転することにより生じるエネルギ効率の低下を抑止することができ、装置のエネルギ効率を向上させることができる。
本発明の動力出力装置において、操作者の操作に基づいて前記駆動軸に出力すべき要求動力を設定する要求動力設定手段と、該要求動力に基づいて前記内燃機関から出力すべき目標動力を設定する目標動力設定手段と、該設定された目標動力が前記内燃機関から出力されると共に前記要求動力に基づく動力が前記駆動軸に出力されるよう前記内燃機関と前記多軸式動力入出力手段と前記第1の電動機と前記第2の電動機とを駆動制御する駆動制御手段と、を備えるものとすることもできる。こうすれば、操作者に操作に基づく動力を内燃機関から出力して駆動軸出力することができる。
この駆動制御手段を備える態様の本発明の動力出力装置において、前記第1の電動機および前記第2の電動機と電力のやり取りが可能な蓄電手段と、該蓄電手段の状態に基づいて該蓄電手段を充放電すべき要求電力を設定する要求電力設定手段と、を備え、前記目標動力設定手段は、前記設定された要求動力と前記設定された要求電力とに基づいて前記目標動力を設定する手段であるものとすることもできる。こうすれば、蓄電手段を効率よく用いることにより装置のエネルギ効率を更に向上させることができる。
本発明の自動車は、上述のいずれかの態様の本発明の動力出力装置、即ち、基本的には、駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、内燃機関と、発電可能な第1の電動機と、発電可能な第2の電動機と、前記第1の電動機の回転軸に連結された第1軸と前記内燃機関の出力軸に連結された第2軸と前記駆動軸に連結された第3軸と前記第2の電動機の回転軸に連結された第4軸とを含む複数軸を有し、前記第2軸と前記第3軸と前記第4軸の3軸のうちのいずれか2軸の回転数に基づいて残余の軸を回転させ、前記第2軸の回転数と前記第3軸の回転数とに基づく回転数により前記第1軸を回転させる第1関係比と前記第2軸の回転数に比例する回転数により前記第1軸を回転させる第2関係比とを切り替えて該第1軸を回転させ、前記複数軸に入出力される動力の収支をもって前記駆動軸に動力を出力可能な多軸式動力入出力手段と、を備える動力出力装置を搭載し、前記駆動軸に車軸が機械的に連結されてなることを要旨とする。
この本発明の自動車では、上述のいずれかの態様の本発明の動力出力装置を搭載するから、本発明の動力出力装置が奏する効果、例えば、第2の電動機が逆回転することにより生じるエネルギ効率の低下を抑止することができる効果や第2の電動機の小型化を図ることができる効果などと同様な効果を奏することができる。
次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。
図1は、本発明の第1実施例としての動力出力装置を搭載するハイブリッド自動車20の構成の概略を示す構成図である。実施例のハイブリッド自動車20は、図示するように、エンジン22と、エンジン22のクランクシャフト26にダンパ28を介して接続されると共に駆動輪69a,69bにデファレンシャルギヤ68とギヤ機構66とを介して接続された4軸式の動力分配統合機構30と、この動力分配統合機構30に接続された発電可能なモータMG1と、同じく動力分配統合機構30に接続された発電可能なモータMG2と、動力出力装置全体をコントロールするハイブリッド用電子制御ユニット70とを備える。
エンジン22は、ガソリンまたは軽油などの炭化水素系の燃料により動力を出力する内燃機関であり、エンジン22の運転状態を検出する各種センサから信号を入力するエンジン用電子制御ユニット(以下、エンジンECUという)24により燃料噴射制御や点火制御,吸入空気量調節制御などの運転制御を受けている。エンジンECU24は、ハイブリッド用電子制御ユニット70と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット70からの制御信号によりエンジン22を運転制御すると共に必要に応じてエンジン22の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット70に出力する。
動力分配統合機構30は、2つのプラネタリギヤP1,P2とクラッチC1とブレーキB1とにより構成されている。第1プラネタリギヤP1のサンギヤ31にはモータMG1が、リングギヤ32にはクラッチC1を介してギヤ機構66が、ピニオンギヤ33を連結するキャリア34にはエンジン22のクランクシャフト26が、それぞれ接続されている。また、第1プラネタリギヤP1のリングギヤ32は、ブレーキB1を介してケースに接続されている。第2プラネタリギヤP2のサンギヤ36には第1プラネタリギヤP1のキャリア34(エンジン22のクランクシャフト26)が、リングギヤ37にはモータMG2が、ピニオンギヤ38を連結するキャリア39にはギヤ機構66が、それぞれ接続されている。ギヤ機構66に接続された第2プラネタリギヤP2のキャリア39は、最終的には駆動輪69a,69bに接続されているから、その回転軸を説明の都合上、「駆動軸」65と呼ぶことにする。
こうして構成された動力分配統合機構30は、クラッチC1とブレーキB1とを共にオフとすることによりモータMG1を切り離すことができる。また、動力分配統合機構30は、クラッチC1をオンとすると共にブレーキB1をオフとすることにより、第1プラネタリギヤP1のリングギヤ32と第2プラネタリギヤP2のキャリア39とに接続された駆動軸65と、第1プラネタリギヤP1のキャリア34と第2プラネタリギヤP2のサンギヤ36とに接続されたエンジン22のクランクシャフト26と、第1プラネタリギヤP1のサンギヤ31に接続されたモータMG1の回転軸と、第2プラネタリギヤP2のリングギヤ37に接続されたモータMG2の回転軸と、の4軸を回転要素とするいわゆる4要素タイプの動力分配統合機構として機能させることができる。この4要素タイプの動力分配統合機構として機能する際の回転要素における回転数とトルクとの力学的な関係を示す共線図を図2に示す。図中、左のR2軸はモータMG2の回転数Nm2である第2プラネタリギヤP2のリングギヤ37の回転数を示し、R1,C2軸は駆動軸65の回転数Ndである第1プラネタリギヤP1のリングギヤ32の回転数を示すと共に第2プラネタリギヤP2のキャリア39の回転数を示す。また、C1,S2軸は、エンジン22のクランクシャフト26の回転数Ne(以下、エンジン22の回転数Neという)である第1プラネタリギヤP1のキャリア34の回転数を示すと共に第2プラネタリギヤP2のサンギヤ36の回転数を示す。右端のS1軸は、モータMG1の回転数Nm1である第1プラネタリギヤP1のサンギヤ31の回転数を示す。この共線図は、各回転要素(各軸)に作用するトルクを共線を梁に見立てたときにこの梁に作用する力と同一視することができるものである。したがって、各軸に作用するトルク或いは作用させるべきトルクを、同様の力が作用している梁の釣り合いを解くことにより計算することができる。なお、図中、ρ1は第1プラネタリギヤP1のギヤ比(サンギヤ31の歯数/リングギヤ32の歯数)であり、ρ2は第2プラネタリギヤP2のギヤ比(サンギヤ36の歯数/リングギヤ37の歯数)である。
また、動力分配統合機構30は、クラッチC1をオフとすると共にブレーキB1をオンとすることにより、上述した4要素タイプの動力分配統合機構における駆動軸65とエンジン22のクランクシャフト26とモータMG2の回転軸との接続関係はそのままに、モータMG1をエンジン22の回転数Neに対して{(1+ρ1)/ρ1}倍の回転数で回転させることができる。この場合の共線図の一例を図3に示す。図示するように、モータMG1の回転数は、動力統合分配機構30を4要素タイプとして機能させていれば負の値となるが、クラッチC1をオフとすると共にブレーキB1をオンとすれば正の値となる。即ち、動力統合分配機構30を4要素タイプとして機能させているときにモータMG1が逆回転する場合には、クラッチC1とブレーキB1を操作することにより、モータMG1を正回転させることができるのである。いま、動力分配統合機構30を4要素タイプとして機能させてモータMG1を逆回転させている状態(図3における破線の状態)を考える。このとき、共線図における釣り合いを考えれば、モータMG2は図中下向きのトルクを出力する駆動(発電機としての駆動)が必要となり、モータMG1は電力収支を考えればモータMG2による発電電力を消費するよう図中下向きのトルクを出力する駆動(電動機としての駆動)が必要となる。この状態は、通常、発電機として機能するモータMG1を電動機として機能させ、通常、電動機として機能するモータMG2を発電機として機能させることになるため、エネルギ効率が低下する。特に、実施例では、この状態は、エンジン22からの動力にモータMG1から動力を付加し、これをモータMG2により電力に変換してモータMG1に供給するという動力−電力−動力の循環(以下、動力循環という。)が生じる状態となり、こうした循環を生じない状態に比してエネルギ効率が低くなる。実施例の動力分配統合機構30では、こうしたモータMG2が逆回転して動力循環が生じるようなときには、クラッチC1をオフとすると共にブレーキB1をオンとすることにより、モータMG1を正回転させて動力循環が生じないようにすることができる。
さらに、動力分配統合機構30は、クラッチC1およびブレーキB1を共にオンとすることにより、駆動軸65をケースに固定することができる。そして、この状態でエンジン22を駆動すればモータMG2により発電することができる。即ち、停車状態で発電することができるのである。なお、これらのクラッチC1やブレーキB1のオンオフ制御はハイブリッド用電子制御ユニット70により行なわれる。
モータMG1およびモータMG2は、いずれも発電機として駆動することができると共に電動機として駆動できる周知の同期発電電動機として構成されており、インバータ51,52を介してバッテリ60と電力のやりとりを行なう。インバータ51,52とバッテリ60とを接続する電力ライン64は、各インバータ51,52が共用する正極母線および負極母線として構成されており、モータMG1,MG2のいずれかで発電される電力を他のモータで消費することができるようになっている。したがって、バッテリ60は、モータMG1,MG2のいずれかから生じた電力や不足する電力により充放電されることになる。なお、モータMG1,MG2により電力収支のバランスをとるものとすれば、バッテリ60は充放電されない。モータMG1,MG2は、いずれもモータ用電子制御ユニット(以下、モータECUという)50により駆動制御されている。モータECU50には、モータMG1,MG2を駆動制御するために必要な信号、例えばモータMG1,MG2の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ53,54からの信号や図示しない電流センサにより検出されるモータMG1,MG2に印加される相電流などが入力されており、モータECU50からは、インバータ51,52へのスイッチング制御信号が出力されている。モータECU50は、ハイブリッド用電子制御ユニット70と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット70からの制御信号によってモータMG1,MG2を駆動制御すると共に必要に応じてモータMG1,MG2の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット70に出力する。
バッテリ60は、バッテリ用電子制御ユニット(以下、バッテリECUという)62によって管理されている。バッテリECU62には、バッテリ60を管理するのに必要な信号、例えば,バッテリ60の端子間に設置された図示しない電圧センサからの端子間電圧,バッテリ60の出力端子に接続された電力ライン64に取り付けられた図示しない電流センサからの充放電電流,バッテリ60に取り付けられた図示しない温度センサからの電池温度などが入力されており、必要に応じてバッテリ60の状態に関するデータを通信によりハイブリッド用電子制御ユニット70に出力する。なお、バッテリECU62では、バッテリ60を管理するために電流センサにより検出された充放電電流の積算値に基づく残容量(SOC)やこの残容量(SOC)と電池温度とに基づく入出力制限Win,Woutなども演算または設定している。
ハイブリッド用電子制御ユニット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。ハイブリッド用電子制御ユニット70には、イグニッションスイッチ80からのイグニッション信号,シフトレバー81の操作位置を検出するシフトポジションセンサ82からのシフトポジションSP,アクセルペダル83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84からのアクセル開度Acc,ブレーキペダル85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86からのブレーキペダルポジションBP,車速センサ88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。ハイブリッド用電子制御ユニット70は、前述したように、エンジンECU24やモータECU50,バッテリECU62と通信ポートを介して接続されており、エンジンECU24やモータECU50,バッテリECU62と各種制御信号やデータのやりとりを行なっている。
こうして構成された実施例のハイブリッド自動車20は、運転者によるアクセルペダル83の踏み込み量に対応するアクセル開度Accと車速Vとに基づいて駆動軸65に出力すべき駆動要求トルクTd*を計算し、この駆動要求トルクTd*に対応する要求動力が駆動軸65に出力されるように、エンジン22とモータMG1とモータMG2とが運転制御される。エンジン22とモータMG1とモータMG2の運転制御としては、要求動力に見合う動力がエンジン22から出力されるようにエンジン22を運転制御すると共にエンジン22から出力される動力のすべてが動力分配統合機構30とモータMG1とモータMG2とによってトルク変換されて駆動軸65に出力されるようモータMG1およびモータMG2を駆動制御するトルク変換運転モードや要求動力とバッテリ60の充放電に必要な電力との和に見合う動力がエンジン22から出力されるようにエンジン22を運転制御すると共にバッテリ60の充放電を伴ってエンジン22から出力される動力の全部またはその一部が動力分配統合機構30とモータMG1とモータMG2とによるトルク変換を伴って要求動力が駆動軸65に出力されるようモータMG1およびモータMG2を駆動制御する充放電運転モード、エンジン22の運転を停止してモータMG1やモータMG2から要求動力に見合う動力を駆動軸65に出力するよう運転制御するモータ運転モードなどがある。なお、トルク変換運転モードと充放電運転モードはバッテリ60の充放電を行なうか否かの差があるだけで実質的な制御における差違はない。
次に、こうして構成された実施例のハイブリッド自動車20の動作、特にクラッチC1やブレーキB1の切り替えを含む基本的な動作について説明する。図4は、ハイブリッド用電子制御ユニット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8msec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、ハイブリッド用電子制御ユニット70のCPU72は、まず、アクセルペダルポジションセンサ84からのアクセル開度Accや車速センサ88からの車速V,モータMG1,MG2の回転数Nm1,Nm2,バッテリ60を充放電するための要求充放電パワーPb*など制御に必要なデータを入力する処理を実行する(ステップS100)。ここで、モータMG1,MG2の回転数Nm1,Nm2は、回転位置検出センサ53,54により検出されるモータMG1,MG2の回転子の回転位置に基づいて計算されたものをモータECU50から通信により入力するものとした。また、バッテリ60を充放電するための要求充放電パワーPb*は、残容量(SOC)に基づいて設定されたものをバッテリECU62から通信により入力するものとした。
こうしてデータを入力すると、入力したアクセル開度Accと車速Vとに基づいて車両に要求されるトルクとして駆動軸65に出力すべき駆動要求トルクTd*と車両に要求される車両要求パワーP*とを設定する(ステップS110)。駆動要求トルクTd*は、実施例では、アクセル開度Accと車速Vと駆動要求トルクTd*との関係を予め定めて要求トルク設定用マップとしてROM74に記憶しておき、アクセル開度Accと車速Vとが与えられると記憶したマップから対応する要求トルクTr*を導出して設定するものとした。図5に要求トルク設定用マップの一例を示す。車両要求パワーP*は、設定した駆動要求トルクTd*に駆動軸65の回転数Ndを乗じたものとバッテリ60が要求する要求充放電パワーPb*とロスLossとの和として計算することができる。なお、駆動軸65の回転数Ndは、車速Vに換算係数kを乗じることによって求めることができる。
こうして駆動要求トルクTd*と車両要求パワーP*とを設定すると、設定した車両要求パワーP*に基づいてエンジン22から出力すべきエンジン要求パワーPe*を設定する(ステップS120)。エンジン要求パワーPe*の設定は、エンジン22の応答性がモータMG1,MG2などに比して遅いことから、いままでにこのルーチンが実行されて設定されたエンジン要求パワーPe*と今回設定された車両要求パワーP*とを用いて車両要求パワーP*がいずれエンジン要求パワーPe*として設定されるようなまし処理やレート処理を用いてエンジン要求パワーPe*を設定する。これによりエンジン22は無理なくエンジン要求パワーPe*を出力することができる。
こうしてエンジン要求パワーPe*を設定すると、設定したエンジン要求パワーPe*に基づいてエンジン22の目標回転数Ne*と目標トルクTe*とを設定する(ステップS130)。この設定は、エンジン22を効率よく動作させる動作ラインとエンジン要求パワーPe*とに基づいて目標回転数Ne*と目標トルクTe*とを設定する。エンジン22の動作ラインの一例と目標回転数Ne*と目標トルクTe*とを設定する様子を図6に示す。図示するように、目標回転数Ne*と目標トルクTe*は、動作ラインとエンジン要求パワーPe*(Ne*×Te*)が一定の曲線との交点により求めることができる。
次に、車速Vと設定したエンジン22の目標回転数Ne*とに基づいて動力分配統合機構30を4要素タイプとして機能させているものとしたときのモータMG1の回転数Nm*を次式(1)により計算する(ステップS140)。ここで、式(1)は、図2に例示した共線図から容易に求めることができる。
Figure 0004088575
続いて、計算したモータMG1の回転数Nm*の値を調べる(ステップS150)。回転数Nm*が値0以上のときには、動力分配統合機構30が4要素タイプとして機能するようクラッチC1をオンとすると共にブレーキB1をオフとして(ステップS160)、駆動要求トルクTd*を駆動軸65に出力すると共にエンジン22を目標回転数Ne*および目標トルクTe*の運転ポイントで運転させるものとして4要素タイプにおける釣り合いの関係式を用いてモータMG1,MG2のトルク指令Tm1*,Tm2*を計算する(ステップS170)。一方、回転数Nm*が値0未満のときには、モータMG1が正回転するようクラッチC1をオフとすると共にブレーキB1をオンとして(ステップS180)、駆動要求トルクTd*を駆動軸65に出力すると共にエンジン22を目標回転数Ne*および目標トルクTe*の運転ポイントで運転させるものとして4要素タイプからモータMG1が接続された軸を除いた3要素タイプにおける釣り合いの関係式に第1プラネタリギヤP1のギヤ比ρ1を考慮した関係式を用いてモータMG1,MG2のトルク指令Tm1*,Tm2*を計算する(ステップS190)。ここで、クラッチC1およびブレーキB1における切替操作は、クラッチC1およびブレーキB1を一旦共にオフの状態にし、モータMG2の回転数を調整した後にクラッチC1またはブレーキB1のいずれかをオンとすることにより行なわれる。これにより、クラッチC1およびブレーキB1の切り替えをスムーズに行なうことができる。なお、ステップS170で用いる関係式(2),(3)およびステップS190で用いる関係式(4),(5)を以下に示す。
Figure 0004088575
こうしてエンジン22の目標回転数Ne*や目標トルクTe*,モータMG1,MG2のトルク指令Tm1*,Tm2*を設定すると、エンジン22の目標回転数Ne*と目標トルクTe*についてはエンジンECU24に、モータMG1,MG2のトルク指令Tm1*,Tm2*についてはモータECU40にそれぞれ送信して(ステップS200)、駆動制御ルーチンを終了する。目標回転数Ne*と目標トルクTe*とを受信したエンジンECU24は、エンジン22が目標回転数Ne*と目標トルクTe*とによって示される運転ポイントで運転されるようにエンジン22における燃料噴射制御や点火制御などの制御を行なう。また、トルク指令Tm1*,Tm2*を受信したモータECU50は、トルク指令Tm1*でモータMG1が駆動されると共にトルク指令Tm2*でモータMG2が駆動されるようインバータ51,52のスイッチング素子のスイッチング制御を行なう。
以上説明した第1実施例のハイブリッド自動車20によれば、クラッチC1をオフとすると共にブレーキB1をオンとすることにより動力分配統合機構30を4要素タイプの動力分配統合機構として機能させてエンジン22からの動力をトルク変換して駆動軸65に出力することができる。また、動力分配統合機構30を4要素タイプの動力分配統合機構として機能させるとモータMG1が逆回転するときには、クラッチC1をオフとすると共にブレーキB1をオンとすることにより、エンジン22や駆動軸65,モータMG2の回転数はそのままに、モータMG1を正回転させてエンジン22からの動力を駆動軸65に出力することができる。この結果、モータMG1を逆回転させることにより生じ得るエネルギ効率の低下を抑止することができる。即ち、車両のエネルギ効率を向上させることができる。また、基本的には、動力分配統合機構30を4要素タイプの動力分配統合機構として機能させるから、いわゆる3要素タイプの動力分配統合機構に比して、モータMG1やモータMG2として定格値の小さなものを用いることができる。この結果、車両のエネルギ効率を向上させることができると共に小型化を図ることができる。
第1実施例のハイブリッド自動車20では、第1プラネタリギヤP1のサンギヤ31にモータMG1を接続し、第1プラネタリギヤP1のキャリア34と第2プラネタリギヤP2のサンギヤ36とにエンジン22のクランクシャフト26を接続し、第2プラネタリギヤP2のキャリア39に駆動軸65を接続し、第2プラネタリギヤP2のリングギヤ37にモータMG2を接続したが、接続関係はこれに限定されるものではなく、例えば、第1プラネタリギヤP1のサンギヤ31の接続関係とリングギヤ32の接続関係とを入れ替えるものとしたり、第2プラネタリギヤP2のサンギヤ36の接続関係とリングギヤ37の接続関係とを入れ替えるものとしたり、駆動軸65の接続位置とエンジン22のクランクシャフト26の接続位置とを入れ替えるなど、種々の接続としてもよい。
第1実施例のハイブリッド自動車20では、動力分配統合機構30を4要素タイプとして機能させたときのモータMG1の回転数Nm*が値0以上であるか否かによりクラッチC1とブレーキB1とを操作するものとしたが、一般にモータは回転数が値0近傍では効率がよくないため、モータ回転数が値0近傍でのクラッチC1やブレーキB1の操作を回避するようにしてもよい。この場合、例えば、4要素タイプとして機能させたときのモータMG1の回転数Nm*が負の所定値以上であるか否かによりクラッチC1とブレーキB1とを操作するものとしてもよい。
図7は、本発明の第2実施例としての動力出力装置を搭載するハイブリッド自動車120の構成の概略を示す構成図である。第2実施例のハイブリッド自動車120は、図示するように、エンジン22と、エンジン22のクランクシャフト26にダンパ28を介して接続されると共に駆動輪69a,69bにデファレンシャルギヤ68とギヤ機構66とを介して接続された4軸式の動力分配統合機構130と、この動力分配統合機構130に接続された発電可能なモータMG1と、同じく動力分配統合機構130に接続された発電可能なモータMG2と、動力出力装置全体をコントロールするハイブリッド用電子制御ユニット70とを備え、動力分配統合機構130の構成が異なる点を除いて第1実施例のハイブリッド自動車20と同一の構成をしている。第2実施例のハイブリッド自動車120では、説明の容易のために、図1に例示した第1実施例のハイブリッド自動車20と同一の構成については同一の符号を付した。したがって、重複した説明を避けるため、同一の符号を付した構成についての詳細な説明は省略する。
第2実施例のハイブリッド自動車120が備える動力分配統合機構130は、2つのプラネタリギヤP3,P4と2つのクラッチC2,C3とにより構成されている。第3プラネタリギヤP3のサンギヤ131にはクラッチC2を介してモータMG1が、リングギヤ132にはギヤ機構66が、ピニオンギヤ133を連結するキャリア134にはエンジン22のクランクシャフト26が、それぞれ接続されている。また、第3プラネタリギヤP3のキャリア134にはクラッチC3を介してモータMG1が接続されている。第4プラネタリギヤP4のサンギヤ136には第3プラネタリギヤP3のキャリア134(エンジン22のクランクシャフト26)が、リングギヤ137にはモータMG2が、ピニオンギヤ138を連結するキャリア139にはギヤ機構66が、それぞれ接続されている。ギヤ機構66に接続された第3プラネタリギヤP3のリングギヤ132と第4プラネタリギヤP4のキャリア139は、最終的には駆動輪69a,69bに接続されているから、その回転軸を説明の都合上、「駆動軸」165と呼ぶことにする。
こうして構成された第2実施例の動力分配統合機構130は、2つのクラッチC2,C3を共にオフとすることによりモータMG1を切り離すことができる。また、動力分配統合機構130は、クラッチC2をオンとすると共にクラッチC3をオフとすることにより、第3プラネタリギヤP3のリングギヤ132と第4プラネタリギヤP4のキャリア39とに接続された駆動軸165と、第3プラネタリギヤP3のキャリア134と第4プラネタリギヤP4のサンギヤ136とに接続されたエンジン22のクランクシャフト26と、第3プラネタリギヤP3のサンギヤ131に接続されたモータMG1の回転軸と、第4プラネタリギヤP4のリングギヤ137に接続されたモータMG2の回転軸と、の4軸を回転要素とするいわゆる4要素タイプの動力分配統合機構として機能させることができる。この4要素タイプの動力分配統合機構として機能する際の回転要素における回転数とトルクとの力学的な関係を示す共線図を図8に示す。この図8は、図2における記号の「1」を「3」にすると共に「2」を「4」にしたものであり、同様に解釈することができる。したがって、第2実施例では、図8の共線図におけるこれ以上の説明は省略する。なお、図中、ρ3は第3プラネタリギヤP3のギヤ比(サンギヤ131の歯数/リングギヤ132の歯数)であり、ρ4は第4プラネタリギヤP4のギヤ比(サンギヤ136の歯数/リングギヤ137の歯数)である。
また、動力分配統合機構130は、クラッチC2をオフとすると共にクラッチC3をオンとすることにより、上述した4要素タイプの動力分配統合機構における駆動軸165とエンジン22のクランクシャフト26とモータMG2の回転軸との接続関係はそのままに、モータMG1をエンジン22のクランクシャフト26に取り付けることができる。この場合の共線図の一例を図9に示す。図示するように、モータMG1はエンジン22のクランクシャフト26が接続されたC3,S4軸に取り付けられるから、モータMG1から出力するトルクはエンジン22のクランクシャフト26に直接作用することになる。したがって、モータMG1の回転数は、動力統合分配機構30を4要素タイプとして機能させていれば負の値となるが、クラッチC2をオフとすると共にクラッチC3をオンとすることにより正の値となる。即ち、動力統合分配機構30を4要素タイプとして機能させているときにモータMG1が逆回転する場合には、クラッチC2,C3を操作することにより、モータMG1を正回転させることができるのである。いま、動力分配統合機構130を4要素タイプとして機能させてモータMG1を逆回転させている状態(図9における破線の状態)を考える。このとき、共線図における釣り合いを考えれば、モータMG2は図中下向きのトルクを出力する駆動(発電機としての駆動)が必要となり、モータMG1は電力収支を考えればモータMG2による発電電力を消費するよう図中下向きのトルクを出力する駆動(電動機としての駆動)が必要となる。この状態は、通常、発電機として機能するモータMG1を電動機として機能させ、通常、電動機として機能するモータMG2を発電機として機能させることになるため、エネルギ効率が低下する。また、第1実施例と同様に、この状態は、エンジン22からの動力にモータMG1から動力を付加し、これをモータMG2により電力に変換してモータMG1に供給するという動力−電力−動力の循環(動力循環)が生じる状態であり、こうした循環を生じない状態に比してエネルギ効率が低くなる。第2実施例の動力分配統合機構130では、こうしたモータMG1が逆回転して動力循環が生じるようなときには、クラッチC2をオフとすると共にクラッチC3をオンとすることにより、モータMG1を正回転させて動力循環が生じないようにすることができる。
更に、動力分配統合機構130は、クラッチC2,C3を共にオンとすることにより、エンジン22とモータMG1とモータMG2と駆動軸165とが一体の回転体として回転させることができる。なお、こうしたクラッチC2,C3のオンオフ制御はハイブリッド用電子制御ユニット70により行なわれている。
このように第2実施例の動力分配統合機構130は、クラッチC2をオンとすると共にクラッチC3をオフとすることにより動力分配統合機構130を4要素タイプの動力分配統合機構として機能させ、動力分配統合機構130を4要素タイプの動力分配統合機構として機能させるとモータMG1が逆回転するときには、クラッチC2をオフとすると共にクラッチC3をオンとすることにより、エンジン22や駆動軸165,モータMG2の回転数はそのままに、モータMG1をエンジン22のクランクシャフト26に接続して正回転させることができる。また、クラッチC2,C3を共にオンとすることにより、エンジン22とモータMG1とモータMG2と駆動軸165とが一体の回転体として回転させることができる。これらの動作のうち、モータMG1の回転に基づいてクラッチC2,C3を切り替えて動力分配統合機構130を4要素タイプの動力分配統合機構として機能させたり、モータMG1をエンジン22のクランクシャフト26に接続したりする動作について説明する。なお、エンジン22とモータMG1とモータMG2と駆動軸165とが一体の回転体として回転させる態様は、例えば、車両が高速巡航しているときなどに用いることができる。第2実施例のハイブリッド自動車120のハイブリッド用電子制御ユニット70で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を図10に示す。この駆動制御ルーチンにおけるステップS300〜S350の処理は図4に例示する駆動制御ルーチンにおけるステップS100〜S150の処理と同一である。したがって、この処理以降の処理について説明する。
ステップS350でモータMG1の回転数Nm*の値を調べ、回転数Nm*が値0以上のときには、動力分配統合機構130が4要素タイプとして機能するようクラッチC2をオンとすると共にクラッチC3をオフとして(ステップS360)、駆動要求トルクTd*を駆動軸165に出力すると共にエンジン22を目標回転数Ne*および目標トルクTe*の運転ポイントで運転させるものとして4要素タイプにおける釣り合いの関係式を用いてモータMG1,MG2のトルク指令Tm1*,Tm2*を計算する(ステップS370)。一方、モータMG1の回転数Nm*が値0未満のときには、モータMG1をエンジン22のクランクシャフト26に接続するようクラッチC2をオフとすると共にクラッチC3をオンとして(ステップS380)、駆動要求トルクTd*を駆動軸165に出力すると共にエンジン22を目標回転数Ne*および目標トルクTe*の運転ポイントで運転させるものとして3要素タイプにおける釣り合いの関係式に第3プラネタリギヤP3のギヤ比ρ3を考慮した関係式を用いてモータMG1,MG2のトルク指令Tm1*,Tm2*を計算する(ステップS390)。ここで、クラッチC2およびブレーキB2における切替操作は、第1実施例と同様に、クラッチC2,C3を一旦共にオフの状態にし、モータMG1の回転数を調整した後にクラッチC2,C3の一方をオンとすることにより行なわれる。これにより、クラッチC2,C3の切り替えをスムーズに行なうことができる。なお、ステップS370で用いる関係式は上述のステップS170で用いた関係式と同一である。ステップS390で用いる関係式(6),(7)を以下に示す。
Figure 0004088575
こうしてエンジン22の目標回転数Ne*や目標トルクTe*,モータMG1,MG2のトルク指令Tm1*,Tm2*を設定すると、エンジン22の目標回転数Ne*と目標トルクTe*についてはエンジンECU24に、モータMG1,MG2のトルク指令Tm1*,Tm2*についてはモータECU40にそれぞれ送信して(ステップS400)、駆動制御ルーチンを終了する。エンジンECU24とモータECU50における処理については説明した。
以上説明した第2実施例のハイブリッド自動車120によれば、クラッチC2をオンとすると共にクラッチC3をオフとすることにより動力分配統合機構130を4要素タイプの動力分配統合機構として機能させてエンジン22からの動力をトルク変換して駆動軸165に出力することができる。また、動力分配統合機構130を4要素タイプの動力分配統合機構として機能させるとモータMG1が逆回転するときには、クラッチC2をオフとすると共にクラッチC3をオンとすることにより、エンジン22や駆動軸165,モータMG2の回転数はそのままに、モータMG1をエンジン22のクランクシャフト26に接続して正回転させてエンジン22からの動力を駆動軸165に出力することができる。この結果、モータMG1を逆回転させることにより生じ得るエネルギ効率の低下を抑止することができる。即ち、車両のエネルギ効率を向上させることができる。また、基本的には、動力分配統合機構130を4要素タイプの動力分配統合機構として機能させるから、いわゆる3要素タイプの動力分配統合機構に比して、モータMG1やモータMG2として定格値の小さなものを用いることができる。この結果、車両のエネルギ効率を向上させることができると共に小型化を図ることができる。
第2実施例のハイブリッド自動車120では、第3プラネタリギヤP3のサンギヤ131にクラッチC1を介してモータMG1を接続し、第3プラネタリギヤP3のキャリア134と第4プラネタリギヤP4のサンギヤ136とにエンジン22のクランクシャフト26を接続し、第3プラネタリギヤP3のリングギヤ132と第4プラネタリギヤP4のキャリア139に駆動軸165を接続し、第4プラネタリギヤP4のリングギヤ137にモータMG2を接続したが、接続関係はこれに限定されるものではなく、例えば、第3プラネタリギヤP3のサンギヤ131の接続関係とリングギヤ132の接続関係とを入れ替えるものとしたり、第4プラネタリギヤP4のサンギヤ136の接続関係とリングギヤ137の接続関係とを入れ替えるものとしたり、駆動軸165の接続位置とエンジン22のクランクシャフト126の接続位置とを入れ替えるなど、種々の接続としてもよい。
第2実施例のハイブリッド自動車120では、動力分配統合機構130を4要素タイプとして機能させたときのモータMG1の回転数Nm*が値0以上であるか否かによりクラッチC2,C3を操作するものとしたが、一般にモータは回転数が値0近傍では効率がよくないため、モータ回転数が値0近傍でのクラッチC2,C3の操作を回避するようにしてもよい。この場合、例えば、4要素タイプとして機能させたときのモータMG1の回転数Nm*が負の所定値以上であるか否かによりクラッチC2,C3を操作するものとしてもよい。
第1実施例や第2実施例のハイブリッド自動車20,120では、動力分配統合機構30,130をそれぞれ2つのプラネタリギヤやクラッチ,ブレーキなどにより構成したが、異なる要素を用いて同様に構成するものとしても差し支えない。
第1実施例や第2実施例のハイブリッド自動車20,120では、4軸式の動力分配統合機構30,130を備えるものとしたが、動力分配統合機構30を4要素タイプの動力分配統合機構として機能させるとモータMG1が逆回転するときには、クラッチやブレーキを操作することにより、エンジン22や駆動軸65,165,モータMG2の回転数はそのままに、モータMG1を正回転させてエンジン22からの動力を駆動軸65,165に出力することができるものであれば、5軸式あるいはそれ以上の複数軸式の動力分配統合機構を備えるものとしてもよい。
以上、本発明を実施するための最良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。
本発明は、機械産業や自動車産業に利用可能である。
第1実施例としての動力出力装置を搭載するハイブリッド自動車20の構成の概略を示す構成図である。 動力分配統合機構30の回転要素を力学的に説明するための共線図の一例を示す説明図である。 動力分配統合機構30の回転要素を力学的に説明するための共線図の一例を示す説明図である。 第1実施例のハイブリッド用電子制御ユニット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。 要求トルク設定用マップの一例を示す説明図である。 エンジン22の動作ラインの一例と目標回転数Ne*および目標トルクTe*を設定する様子を示す説明図である。 第2実施例としての動力出力装置を搭載するハイブリッド自動車120の構成の概略を示す構成図である。 動力分配統合機構130の回転要素を力学的に説明するための共線図の一例を示す説明図である。 動力分配統合機構130の回転要素を力学的に説明するための共線図の一例を示す説明図である。 第2実施例のハイブリッド用電子制御ユニット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。
符号の説明
20,120 ハイブリッド自動車、22 エンジン、24 エンジン用電子制御ユニット(エンジンECU)、26 クランクシャフト、28 ダンパ、30 動力分配統合機構、31,36,131,136 サンギヤ、32,37,132,137 リングギヤ、33,38,133,138 ピニオンギヤ、34,39,134,139 キャリア、50 モータ用電子制御ユニット(モータECU)、51,52 インバータ、53,54 回転位置検出センサ、60 バッテリ、62 バッテリ用電子制御ユニット(バッテリECU)、64 電力ライン、65,165 駆動軸、66 ギヤ機構、68 デファレンシャルギヤ、69a,69b 駆動輪、70 ハイブリッド用電子制御ユニット、72 CPU、74 ROM、76 RAM、80 イグニッションスイッチ、81 シフトレバー、82 シフトポジションセンサ、83 アクセルペダル、84 アクセルペダルポジションセンサ、85 ブレーキペダル、86 ブレーキペダルポジションセンサ、88 車速センサ、P1〜P4 プラネタリギヤ、MG1,MG2 モータ、C1,C2,C3 クラッチ、B1 ブレーキ。

Claims (10)

  1. 駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、
    内燃機関と、
    発電可能な第1の電動機と、
    発電可能な第2の電動機と、
    前記第1の電動機の回転軸に連結された第1軸と前記内燃機関の出力軸に連結された第2軸と前記駆動軸に連結された第3軸と前記第2の電動機の回転軸に連結された第4軸とを含む複数軸を有し、前記第2軸と前記第3軸と前記第4軸の3軸のうちのいずれか2軸の回転数に基づいて残余の軸を回転させ、前記第2軸の回転数と前記第3軸の回転数とに基づく回転数により前記第1軸を回転させる第1関係比と前記第2軸の回転数に比例する回転数により前記第1軸を回転させる第2関係比とを切り替えて該第1軸を回転させ、前記複数軸に入出力される動力の収支をもって前記駆動軸に動力を出力可能な多軸式動力入出力手段と、
    前記第1関係比により前記第1軸を回転させると該第1軸が正の回転数で回転するときには該第1関係比により該第1軸が回転するよう前記多軸式動力入出力手段を切替制御し、前記第1関係比により前記第1軸を回転させると該第1軸が負の回転数で回転するときには前記第2関係比により該第1軸が回転するよう前記多軸式動力入出力手段を切替制御する切替制御手段と、
    を備える動力出力装置。
  2. 請求項1記載の動力出力装置であって、
    前記第1関係比は、前記第1軸の回転数と前記第2軸の回転数と前記第3軸の回転数とを所定の比の間隔の座標軸上にプロットしたときに直線上となる関係比であり、
    前記第2関係比は、前記第3軸の回転数を値0としたときに前記第1軸の回転数と前記第2軸の回転数と前記第3軸の回転数とを前記所定の比の間隔の座標軸上にプロットしたときに直線上となる関係比である
    動力出力装置。
  3. 前記第2関係比は、前記第2軸の回転数より前記第1軸の回転数の方が大きくなる関係比である請求項1または2記載の動力出力装置。
  4. 前記多軸式動力入出力手段は、前記第1軸と前記第2軸と第5軸の3軸に接続され該3軸のいずれかの2軸に入出力される動力に基づく動力を残余の軸に入出力する第1の3軸式動力入出力手段と、前記第2軸と前記第3軸と前記第4軸との3軸に接続され該3軸のいずれかの2軸に入出力される動力に基づく動力を残余の軸に入出力する第2の3軸式動力入出力手段と、前記第5軸と前記第3軸との連結および該連結の解除を行なう連結解除手段と、前記第5軸の回転の停止および該停止の解除を行なう停止解除手段と、を備える請求項1ないし3いずれか記載の動力出力装置。
  5. 請求項1記載の動力出力装置であって、
    前記第1関係比は、前記第1軸の回転数と前記第2軸の回転数と前記第3軸の回転数とを所定の比の間隔の座標軸上にプロットしたときに直線上となる関係比であり、
    前記第2関係比は、前記第1軸の回転数と前記第2軸の回転数とが同一となる関係比である
    動力出力装置。
  6. 前記多軸式動力入出力手段は、前記第2軸と前記第3軸と第5軸の3軸に接続され該3軸のいずれかの2軸に入出力される動力に基づく動力を残余の軸に入出力する第1の3軸式動力入出力手段と、前記第2軸と前記第3軸と前記第4軸との3軸に接続され該3軸のいずれかの2軸に入出力される動力に基づく動力を残余の軸に入出力する第2の3軸式動力入出力手段と、前記第4軸と前記第5軸との連結および該連結の解除を行なう第1連結解除手段と、前記第4軸と前記第2軸との連結および該連結の解除を行なう第2連結解除手段と、を備える請求項1または5記載の動力出力装置。
  7. 前記第1の3軸式動力入出力手段および/または前記第2の3軸式動力入出力手段は、遊星歯車機構により構成されてなる請求項4または6記載の動力出力装置。
  8. 請求項1ないし7いずれか記載の動力出力装置であって、
    操作者の操作に基づいて前記駆動軸に出力すべき要求動力を設定する要求動力設定手段と、
    該要求動力に基づいて前記内燃機関から出力すべき目標動力を設定する目標動力設定手段と、
    該設定された目標動力が前記内燃機関から出力されると共に前記要求動力に基づく動力が前記駆動軸に出力されるよう前記内燃機関と前記多軸式動力入出力手段と前記第1の電動機と前記第2の電動機とを駆動制御する駆動制御手段と、
    を備える動力出力装置。
  9. 請求項記載の動力出力装置であって、
    前記第1の電動機および前記第2の電動機と電力のやり取りが可能な蓄電手段と、
    該蓄電手段の状態に基づいて該蓄電手段を充放電すべき要求電力を設定する要求電力設定手段と、
    を備え、
    前記目標動力設定手段は、前記設定された要求動力と前記設定された要求電力とに基づいて前記目標動力を設定する手段である
    動力出力装置。
  10. 請求項1ないし9いずれか記載の動力出力装置を搭載し、前記駆動軸に車軸が機械的に連結されてなる自動車。


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