JP4088576B2 - 動力出力装置およびこれを搭載する自動車 - Google Patents

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、ダブルピニオン形式の第１プラネタリギヤのサンギヤ、リングギヤ、キャリアに第２モータ、出力軸、エンジンをそれぞれ接続し、シングルピニオン形式の第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モータ、第１プラネタリギヤのリングギヤ、第１プラネタリギヤのキャリアをそれぞれ接続し、さらに第１プラネタリギヤのサンギヤにブレーキが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）。
特開２００３−３２８０８号公報（図２８）

しかしながら、上述の動力出力装置では、装置の構成は記載されているものの制御については記載されていない。一般的に、４軸を回転要素とするいわゆる４要素タイプでは、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良くなるように設計されている。出力軸を高回転低トルクで運転したり低回転高トルクで運転したりすると、一方のモータが逆回転する場合が生じる。この場合、本来発電機として機能すべきモータが電動機として機能したり、本来電動機として機能すべきモータが発電機として機能したりすることにより、通常時に比してエネルギ効率が低下する。また、上述の動力出力装置では、ブレーキを作動させた場合、第２モータの回転数を値０に固定するため、発進時にはエンジンを運転することができず、第１モータからの駆動力のみで動力を出力しなければならない。この結果、駆動軸に十分なトルクを出力することができない。

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備える自動車は、電動機の小型化を図ることを目的の一つとする。さらに、本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車は、駆動軸の回転開始時に十分なトルクを出力す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、
前記駆動軸に連結された第１軸と前記内燃機関の出力軸に連結された第２軸と前記第１の電動機の回転軸に連結された第３軸と前記第２の電動機の回転軸に連結された第４軸とを有する４軸以上の複数軸に接続され、前記第１軸と前記第２軸と前記第３軸と前記第４軸の４軸のうちのいずれか２軸の回転数に基づいて残余の２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４軸に制動力を付与可能な制動手段と、
前記駆動軸に要求される要求動力に基づく制動力が前記第４軸に作用するよう前記制動手段を制御する制御手段と、
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、駆動軸に連結された第１軸と内燃機関の出力軸に連結された第２軸と第１の電動機の回転軸に連結された第３軸と第２の電動機の回転軸に連結された第４軸とを有する４軸以上の複数軸に接続され、第１軸ないし第４軸の４軸のうちのいずれか２軸の回転数に基づいて残余の２軸を回転させ、この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から、いわゆる４要素タイプとして駆動することができる。したがって、いわゆる３要素タイプに比して電動機の小型化を図ることができると共にエネルギ効率の向上を図ることができる。また、制動手段により第４軸に制動力を付与することができるから、第４軸に出力すべき動力を第２の電動機と制動手段とから出力することができる。この結果、第２の電動機の更なる小型化を図ることができる。さらに、駆動軸に要求される要求動力に基づく制動力が第４軸に作用するよう制動手段を制御するから、要求される要求動力に対してより適正な動力を第４軸に出力することができる。

こうした本発明の動力出力装置において、前記制御手段は、前記要求動力が所定動力範囲内のときに前記第４軸に制動力が作用するよう制御する手段であるものとすることもできる。ここで、前記所定動力範囲は、所定回転数未満で所定トルク以上の動力範囲であるものとすることもできる。こうすれば、要求動力が所定回転数未満で所定トルク以上のときに要求動力に対してより適正な動力を第４軸に出力することができる。なお、所定動力範囲には駆動軸の回転開始時が含まれるから、回転開始時に十分なトルクを出力することができる。

また、本発明の動力出力装置において、前記第４軸は、前記第１軸に対する回転比率が前記第３軸に比して小さい軸であるものとすることもできる。こうすれば、第４軸を固定したときに比較的高回転低トルクの運転領域で第３軸を運転することができるから、第１の電動機の小型化を図ることができる。

さらに、本発明の動力出力装置において、前記制動手段は、前記第４軸の回転を停止した状態で固定可能な手段であるものとすることもできる。こうすれば、内燃機関からの動力や第１の電動機からの動力を機械的に変速することにより駆動軸に直接出力することができる。したがって、動力―電力間のエネルギ変換による損失がなくなりエネルギ効率の向上を図ることができる。また、第２の電動機の運転に支障が生じたときであっても内燃機関と第１の電動機からの動力により要求動力を駆動軸に出力することができる。

或いは、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１軸と前記第２軸と前記第３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１軸と前記第２軸と前記第４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２の３軸式動力入出力手段と、を備える手段であるものとすることもできる。ここで、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。

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、該設定された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、を備え、前記制御手段は、前記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設定された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第１の電動機と前記第２の電動機とを制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、操作者の操作に基づく要求動力から設定された目標動力を内燃機関から出力すると共に要求動力を駆動軸に出力することができる。

この操作者の操作に基づく要求動力を駆動軸に出力す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とりが可能な蓄電手段と、前記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向上させることができる。

また、操作者の操作に基づく要求動力を駆動軸に出力する態様の本発明の動力出力装置において、前記制御手段は、前記制動手段による制動力を作用させないと前記第２の電動機から前記第４軸に出力すべきトルクを出力することができないときに前記制動手段による制動力を作用させる手段であるものとすることもできる。こうすれば、第２の電動機の定格トルク以上の制動トルクを第４軸に出力することができる。

さらに、操作者の操作に基づく要求動力を駆動軸に出力する態様の本発明の動力出力装置において、前記制御手段は、前記制動手段による制動力が所定の制動力となるよう制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、第４軸に出力すべき制動トルクから所定の制動トルクを減じて第２の電動機から出力すべきトルクを算出することができる。

或いは、操作者の操作に基づく要求動力を駆動軸に出力する態様の本発明の動力出力装置において、前記制御手段は、前記制動手段による制動力と前記第２の電動機から出力される駆動力との和が一定となるよう制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、第４軸に出力される動力は一定となるので、内燃機関や第１の電動機から出力される動力を制御することにより要求動力を駆動軸に出力することができる。

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、前記駆動軸に連結された第１軸と前記内燃機関の出力軸に連結された第２軸と前記第１の電動機の回転軸に連結された第３軸と前記第２の電動機の回転軸に連結された第４軸とを有する４軸以上の複数軸に接続され、前記第１軸と前記第２軸と前記第３軸と前記第４軸の４軸のうちのいずれか２軸の回転数に基づいて残余の２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４軸に制動力を付与可能な制動手段と、前記駆動軸に要求される要求動力に基づく制動力が前記第４軸に作用するよう前記制動手段を制御する制御手段と、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、４要素タイプとして駆動することに基づく電動機の小型化やエネルギ効率の向上を図ることができる効果、第４軸に出力すべき動力を第２の電動機と制動手段から出力することに基づく第２の電動機の更なる小型化を図ることができる効果、要求される要求動力に対してより適正な動力を第４軸に出力することができる効果などと同様の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。リングギヤ３２は、上述したようにギヤ機構６６に接続され、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。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には第１プラネタリギヤＰ１のリングギヤ３２（ギヤ機構６６）が、それぞれ接続されている。また、第２プラネタリギヤＰ２のリングギヤ３７は、ブレーキＢ１を介してケースに接続されている。ブレーキＢ１は、スリップ係合可能なブレーキとして構成されており、第２プラネタリギヤＰ２のリングギヤ３７の回転を停止することや抑制することができる。

こうして構成された動力分配統合機構３０は、第１プラネタリギヤＰ１のリングギヤ３２の回転軸であると共に第２プラネタリギヤＰ２のキャリア３９の回転軸である駆動軸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、ブレーキＢ１をスリップ係合することにより第２プラネタリギヤＰ２のリングギヤ３７に出力すべき制動トルクの一部をブレーキＢ１により作用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。図中、Ｒ２軸上の２つの太線矢印は、モータＭＧ２から出力されるトルクＴｍ２と、ブレーキＢ１をスリップ係合することにより作用する制動トルクＴｂとを示している。図示するように、モータＭＧ２が逆回転している状態で駆動軸６５に要求される要求動力が低回転高トルクのときには、Ｒ２軸に出力すべき制動トルクをモータＭＧ２とブレーキＢ１とにより作用させることができる。このように、Ｒ２軸に対して大きな制動力が要求されたときには、制動力の一部をブレーキＢ１から作用させると共に残余の制動力をモータＭＧ２から作用させることができる。したがって、モータＭＧ２の定格値を超える制動力が要求されたときであっても要求された制動力を作用させることができる。

さらに、動力分配統合機構３０は、ブレーキＢ１により第２プラネタリギヤＰ２のリングギヤ３７の回転を停止した状態で固定することもできる。この場合の共線図の一例を図４に示す。図中、実線で示すように、ブレーキＢ１によりＲ２軸の回転を停止させたときには、エンジン２２やモータＭＧ１からの動力を機械的に変速して駆動軸６５に直接出力することができる。したがって、エンジン２２からの動力を電力変換を伴ってトルク変換する場合に比してエネルギ効率の向上を図ることができる。また、エンジン２２やモータＭＧ１からの動力を減速して駆動軸６５に出力するから、駆動軸６５に要求される要求トルクに比してエンジン２２やモータＭＧ１からのトルクを小さくすることができる。この結果、モータＭＧ１の小型化を図ることができる。ここで、エンジン２２やモータＭＧ１，ＭＧ２からの動力を直接駆動軸６５に出力する手法としては、Ｒ２軸を固定する場合に代えてＳ１軸を固定することもできる（図中、破線参照）。この場合、駆動軸（Ｒ１，Ｃ２軸）に対するモータＭＧ２の回転軸（Ｒ２軸）の回転数の比は、実施例におけるモータＭＧ１の回転軸（Ｓ１軸）の回転数の比に比して小さくなる。このため、実施例と同じトルクを駆動軸６５に出力するためには、モータＭＧ２の回転軸（Ｒ２軸）を固定した場合に比して大きなトルクをモータＭＧ２から出力する必要がある。実施例では、モータの小型化やエネルギ効率の向上を図るために、モータＭＧ１の回転軸（Ｓ１軸）ではなく、モータＭＧ２の回転軸を固定するものとしている。図３の共線図の場合でも同様である。これらに加えて、モータＭＧ２が接続されているＲ２軸をブレーキＢ１により固定するから、モータＭＧ２に支障が生じたときであっても、エンジン２２やモータＭＧ１からの動力により要求動力を出力することができる。なお、こうしたブレーキＢ１の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。

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からは、ブレーキＢ１への制御信号などが出力ポートを介して出力されている。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５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、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Ｔｄ＊を導出して設定するものとした。図６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、今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７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、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のトルク指令値Ｔｍ１＊と第２プラネタリギヤＰ２のリングギヤ３７に出力すべき目標トルクＴｒ２＊とを計算する（ステップＳ１４０）。ここで、ステップＳ１４０で用いる関係式を以下に示す。

続いて、目標トルクＴｒ２＊が制動力であるか否か、目標トルクＴｒ２＊の絶対値がモータＭＧ２から出力可能なトルクＴｍ２ｍａｘより大きいか否かを判定する（ステップＳ１５０，Ｓ１６０）。目標トルクＴｒ２＊が制動力でないときや、目標トルクＴｒ２＊が制動力であってもその絶対値がモータＭＧ２から出力可能なトルクＴｍ２ｍａｘ以下のときには、ブレーキＢ１をオフにして（ステップＳ１７０）、モータＭＧ２のトルク指令Ｔｍ２＊に目標トルクＴｒ２＊を入力する（ステップＳ１８０）。即ち、図２の共線図に示すように、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に出力するのである。

一方、目標トルクＴｒ２＊が制動力であり、且つ、その絶対値がモータＭＧ２から出力可能なトルクＴｍ２ｍａｘより大きいときには、ブレーキＢ１をスリップ係合し（ステップＳ１９０）、目標トルクＴｒ２＊からブレーキＢ１のスリップ係合による制動トルクＴｂを減じたものをモータＭＧ２のトルク指令Ｔｍ２＊として設定する（ステップＳ２００）。ここで、実施例では、ブレーキＢ１の係合状態としては、Ｒ２軸に予め設定された制動トルクＴｂが作用するようブレーキＢ１のアクチュエータを作動させるスリップ係合と、Ｒ２軸を回転が完全に停止した状態で保持するためのトルクをＲ２軸に作用させるようブレーキＢ１のアクチュエータを作動させる固定係合とが設定されており、ステップＳ１９０の処理ではスリップ係合となるようブレーキＢ１のアクチュエータを作動させるのである。なお、ブレーキＢ１のアクチュエータとしては、油圧を用いるものや電磁的に作動するものを用いることができる。これにより、図３の共線図に示すように、モータＭＧ２の回転軸（Ｒ２軸）に出力すべき制動トルクに対してその一部をブレーキＢ１から作用させる（図中、制動トルクＴｂ）と共に残余の制動力をモータＭＧ２から作用させる（図中、制動トルクＴｍ２）ことができる。

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＊や目標トルク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ＥＣＵ５０にそれぞれ送信して（ステップＳ２１０）、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。

以上説明した実施例のハイブリッド自動車２０によれば、通常は４要素タイプの動力分配統合機構として機能する動力分配統合機構３０の第２プラネタリギヤＰ２のリングギヤ３７にスリップ係合可能なブレーキＢ１を設け、リングギヤ３７に大きな制動力が要求されたときには、制動力の一部をブレーキＢ１により作用させることができる。この結果、リングギヤ３７に取り付けられたモータＭＧ２にその定格値以上の制動力が要求されたときであってもブレーキＢ１をスリップ係合させることにより要求された制動力をリングギヤ３７に作用させることができる。また、ブレーキＢ１によりリングギヤ３７の回転を停止した状態で固定することにより、エンジン２２やモータＭＧ１からの動力を機械的に変速して駆動軸６５に直接出力することができる。したがって、エンジン２２の動力を電力変換を伴ってトルク変換する場合に比してエネルギ効率の向上を図ることができる。もとより、動力分配統合機構３０は、４要素タイプの動力分配統合機構として機能するから、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，ＭＧ２の小型化やエネルギ効率の向上を図ることができる。また、実施例のハイブリッド自動車２０によれば、運転者のアクセル操作に基づく要求動力をエンジン２２から出力し、動力分配統合機構３０と二つのモータＭＧ１，ＭＧ２とによりトルク変換して駆動軸６５に出力することができる。

実施例のハイブリッド自動車２０では、目標トルクＴｒ２＊が制動力であり、且つ、その絶対値がモータＭＧ２から出力可能なトルクＴｍ２ｍａｘより大きいときにブレーキＢ１をスリップ係合するものとしたが、目標トルクＴｒ２＊が制動力であればその絶対値に拘わらずブレーキＢ１をスリップ係合するものとしてもよい。この場合、ブレーキＢ１に作用させるトルクは予め設定した制動トルクＴｂでなくてもよい。

実施例のハイブリッド自動車２０では、目標トルクＴｒ２＊が制動力であり、且つ、その絶対値がモータＭＧ２から出力可能なトルクＴｍ２ｍａｘより大きいときにブレーキＢ１をスリップ係合するものとしたが、図４の共線図で示すように、ブレーキＢ１を固定係合することによりモータＭＧ２の回転軸（Ｒ２軸）の回転を停止するよう制御するものとしてもよい。

実施例のハイブリッド自動車２０では、ブレーキＢ１をスリップ係合させる際には、ブレーキＢ１から予め設定された制動トルクＴｂが作用するようそのアクチュエータを作動させるものとしたが、Ｒ２軸に作用させるべき目標トルクＴｒ＊の大きさに応じた制動トルクがブレーキＢ１から作用するようアクチュエータを作動させるものとしてもよい。この場合、ブレーキＢ１により作用するトルクとして多段階または無段階のトルクを予め設定しておき、目標トルクＴｒ＊に基づいて制動トルクを設定するものとしてもよい。

実施例のハイブリッド自動車２０では、ブレーキＢ１をスリップ係合させるときにはブレーキＢ１から制動トルクＴｂが作用するようアクチュエータを作動させるものとしたが、リングギヤ３７に一定の制動力が作用するようブレーキＢ１とモータＭＧ２とを制御するものとしてもよい。この場合、エンジン２２とモータＭＧ１とを駆動軸６５に駆動要求トルクＴｄ＊が出力されるよう制御すればよい。なお、この場合、リングギヤ３７に作用させる一定の制動力におけるブレーキＢ１とモータＭＧ２のトルクの内訳は如何なるものとしても差し支えない。

実施例のハイブリッド自動車２０では、目標トルクＴｒ２＊のみに基づいてブレーキＢ１をスリップ係合するか否かを判定するものとしたが、目標トルクＴｒ２＊に加えてバッテリ６０の残容量（ＳＯＣ）を考慮するものとしてもよい。例えば、バッテリ６０の残容量（ＳＯＣ）が８０％や９０％以上のときには、目標トルクＴｒ２＊の絶対値に拘わらずブレーキＢ１をスリップ係合するものとしてもよい。こうすれば、モータＭＧ２のトルク指令Ｔｍ２＊に基づく回生エネルギによるバッテリ６０の過充電を防止することができる。

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。

上述した各実施例やその変形例では、エンジン２２とモータＭＧ１とモータＭＧ２と動力分配統合機構３０，１３０，２３０とを備え駆動軸６５，１６５，２６５に動力を出力する動力出力装置を自動車に搭載するものとしたが、こうした動力出力装置を自動車以外の列車などの車両や船舶，航空機などの移動体に搭載するものとしてもよいし、建設機器などの移動しない設備の動力源として用い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。

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。 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。 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。

符号の説明

２０ 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 サンギヤ、３２，３７ リングギヤ、３３，３８ ピニオンギヤ、３４，３９ 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 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８８、Ｐ１，Ｐ２ プラネタリギヤ、ＭＧ１，ＭＧ２ モータ、Ｂ１ ブレーキ。

Claims (9)

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、
   前記駆動軸に連結された第１軸と前記内燃機関の出力軸に連結された第２軸と前記第１の電動機の回転軸に連結された第３軸と前記第２の電動機の回転軸に連結された第４軸とを有する４軸以上の複数軸に接続され、前記第１軸と前記第２軸と前記第３軸と前記第４軸の４軸のうちのいずれか２軸の回転数に基づいて残余の２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４軸に制動力を付与可能な制動手段と、
   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、
   該設定された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、
   前記制動手段による制動力を作用させなくても前記第２の電動機から前記第４軸に出力すべきトルクを出力することができるときには、前記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設定された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第１の電動機と前記第２の電動機とを制御し、前記制動手段による制動力を作用させないと前記第２の電動機から前記第４軸に出力すべきトルクを出力することができないときには、前記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制動手段による前記第４軸への制動力の作用を伴って前記設定された要求動力に基づく制動力が前記第４軸に作用し、前記設定された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第１の電動機と前記第２の電動機と前記制動手段とを制御する制御手段と、
   を備える動力出力装置。
2. 前記第４軸は、前記第１軸に対する回転比率が前記第３軸に比して小さい軸である請求項１記載の動力出力装置。
3. 前記制動手段は、前記第４軸の回転を停止した状態で固定可能な手段である請求項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軸と前記第３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１軸と前記第２軸と前記第４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２の３軸式動力入出力手段と、を備える手段である請求項１ないし３いずれか記載の動力出力装置。
5. 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記載の動力出力装置。
6. 請求項１ないし５いずれか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とりが可能な蓄電手段と、
   前記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。
7. 前記制御手段は、前記制動手段による制動力が所定の制動力となるよう制御する手段である請求項１ないし６いずれか記載の動力出力装置。
8. 前記制御手段は、前記制動手段による制動力と前記第２の電動機から出力される駆動力との和が一定となるよう制御する手段である請求項１ないし６いずれか記載の動力出力装置。
9. 請求項１ないし８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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