JP4137031B2

JP4137031B2 - 電動車両の駆動装置

Info

Publication number: JP4137031B2
Application number: JP2004248994A
Authority: JP
Inventors: 健児中土
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2024-08-27
Also published as: JP2006062571A

Description

本発明は、モータ動力を用いて駆動輪を駆動するようにした電動車両の駆動装置に関する。

近年、モータ動力によって駆動輪を駆動するようにした電動車両が多く開発されている。この電動車両としては、動力源として電動モータのみを搭載するようにした電気自動車や、動力源として電動モータとエンジンとを搭載するようにしたハイブリッド車両がある。これらの電動車両を開発する際には、環境性能や燃費性能が重視されることになるが、四輪駆動化を図ることによって動力性能を向上させるようにした電動車両も開発されている。

このような電動車両として、車両前部にエンジンを搭載することにより、エンジン動力によって前輪を駆動する一方、車両後部に電動モータを搭載することにより、モータ動力によって後輪を駆動するようにしたハイブリッド車両が開発されている(たとえば、特許文献１参照)。また、電動モータと前輪とを直接的に連結する一方、電動モータと後輪とをトランスファ機構を介して連結することにより、走行状態に応じて前輪駆動と四輪駆動とを切り換えるようにした電動車両も開発されている。
特開平１０−２１７７７９号公報(第３−４頁、図２)

しかしながら、特許文献１に記載されたハイブリッド車両にあっては、前輪を駆動するための駆動源がエンジンであるのに対して、後輪を駆動するための駆動源が電動モータであるため、前輪と後輪とを同じ出力特性や応答特性で駆動することは困難であり、前後輪のトルク分配比を応答良く、かつ高精度に制御することは困難となっていた。しかも、後輪は電動モータのみによって駆動される構造であるため、バッテリの充電状態が低下したときには、四輪駆動車として走行させることが困難となっていた。

また、トランスファ機構を介してモータ動力を分配するようにした電動車両にあっては、急速に立ち上がる電動モータの出力トルクに追従させて、トランスファクラッチを締結させることは困難であった。たとえば、加速中に前後輪のトルク分配比を１００：０から５０：５０に制御しようとする場合には、トランスファクラッチのトルク容量に合わせて、出力トルクの立ち上がりを抑える必要があるため、トルク分配比を応答良く制御することが困難となっていた。

本発明の目的は、前後輪のトルク分配比を自在に設定するとともに、トルク分配比を制御する際の応答性と精度を高めることにある。

本発明の電動車両の駆動装置は、エンジンと、前輪の動力伝達経路に連結され、前記前輪に向けてモータ動力を出力する前輪駆動モータと、前記前輪駆動モータと同一ケース内に設けられ、後輪の動力伝達経路に連結され、前記後輪に向けてモータ動力を出力する後輪駆動モータと、前記エンジンと前記前輪の動力伝達経路との間に設けられ、前記エンジンのクランク軸に連結されるロータを備えるジェネレータと、前記ジェネレータと前記前輪の動力伝達経路との間に設けられ、エンジン動力を前記前輪の動力伝達経路に伝達する連結状態と、エンジン動力を前記前輪の動力伝達経路に伝達しない開放状態とに切り換えられる入力クラッチと、前記ケース内の前記前輪駆動モータと前記後輪駆動モータとの間に設けられ、前記駆動モータを相互に連結する締結状態と連結を解除する開放状態とに切り換えられるモータクラッチと、前記入力クラッチを開放してエンジン動力によって前記ジェネレータを発電駆動させながら、前記前輪駆動モータと前記後輪駆動モータとに制御信号を出力して前記前輪と前記後輪とのトルク分配比を制御する制御手段とを有することを特徴とする。

本発明の電動車両の駆動装置は、車両の前後方向に向けて前記前輪駆動モータと前記後輪駆動モータとを直列に配置し、前記後輪に動力を伝達するプロペラシャフトを前記後輪駆動モータに連結することを特徴とする。

本発明によれば、前輪を駆動する前輪駆動モータと、後輪を駆動する後輪駆動モータとを設けるようにしたので、前輪駆動モータと後輪駆動モータとを個々に制御することにより、前輪と後輪とのトルク分配比を自在に設定することができる。たとえば、前輪に対するトルク分配比を高めることにより、車両の直進安定性を向上させることができる一方、後輪に対するトルク分配比を高めることにより、旋回時の回頭性を向上させることができる。このように、相反する走行特性を得ることができるため、車両の走行性能を飛躍的に向上させることが可能となる。

しかも、前輪駆動モータによって前輪を直接的に駆動することができ、後輪駆動モータによって後輪を直接的に駆動することができるため、トルク分配比を制御する際の応答性を向上させることができ、トルク分配比を高精度に制御することができる。

また、前輪駆動モータと後輪駆動モータとの間にモータクラッチを設けるようにしたので、このモータクラッチを締結することにより、前輪駆動モータと後輪駆動モータとの回転差を無くすことができ、悪路における走破性を飛躍的に高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１はハイブリッド車両１０を示す概略図であり、図２は本発明の一実施の形態である駆動装置１１を概略的に示すスケルトン図である。

図１に示すように、電動車両であるハイブリッド車両１０には、複数の動力源を備える駆動装置１１が縦置きに搭載されており、駆動装置１１に組み込まれるフロントディファレンシャル機構１２から前輪１３に動力が伝達される一方、駆動装置１１の後端部に連結されるプロペラシャフト１４から、これに連結されるリヤディファレンシャル機構１５を介して後輪１６に動力が伝達されている。つまり、図示する駆動装置１１は四輪駆動(全輪駆動)のハイブリッド車両１０に適用される駆動装置１１となっている。

図２に示すように、駆動装置１１はエンジン２０とモータユニット２１とを動力源として備えており、エンジン２０は駆動装置１１の前部に組み付けられ、モータユニット２１は駆動装置１１の後部のモータケース(ケース)２２に組み込まれている。そして、図１に示すように、エンジン２０とモータケース２２との間には、ジェネレータ２３を収容するジェネレータケース２４が設けられるとともに、入力クラッチ２５、変速機２６およびフロントディファレンシャル機構１２を収容するギヤケース２７が設けられている。

図２に示すように、ジェネレータケース２４に組み込まれるジェネレータ２３は、ロータ２３ａとステータ２３ｂとを備えており、ステータ２３ｂはジェネレータケース２４に固定される一方、ロータ２３ａはステータ２３ｂの径方向内方に回転自在に組み込まれている。そして、ジェネレータ２３のロータ２３ａとエンジン２０のクランク軸２０ａとは連結されており、ジェネレータ２３は、エンジン動力によって発電できるだけでなく、スタータモータとしてエンジン２０を始動することができる。

また、ギヤケース２７に組み込まれる入力クラッチ２５は、ジェネレータ２３のロータ軸２３ｃに固定される図示しないクラッチハブと、変速機２６の変速入力軸３０に固定される図示しないクラッチドラムとを備えており、クラッチハブとクラッチドラムとの間には複数の摩擦プレートが設けられている。入力クラッチ２５は摩擦プレートを押圧する図示しない電磁コイルを備えており、この電磁コイルを励磁すると入力クラッチ２５は締結状態に切り換えられ、入力クラッチ２５を介して変速入力軸３０にエンジン動力が伝達される一方、電磁コイルの励磁を解除すると入力クラッチ２５は開放状態に切り換えられ、入力クラッチ２５を介してエンジン動力の伝達が遮断されることになる。

入力クラッチ２５を介してエンジン２０に連結される変速機２６は、変速入力軸３０に平行となる変速出力軸３１を有しており、変速入力軸３０には２つの駆動歯車３２ａ，３３ａが回転自在に設けられ、変速出力軸３１には駆動歯車３２ａ，３３ａに噛み合う２つの従動歯車３２ｂ，３３ｂが固定されている。また、相互に噛み合う駆動歯車３２ａ，３３ａと従動歯車３２ｂ，３３ｂとにより、低速側の変速歯車列３２と高速側の変速歯車列３３とが形成されており、変速入力軸３０には変速歯車列３２，３３のいずれかを動力伝達状態に切り換える切換機構３４が設けられている。さらに、変速出力軸３１の先端にはフロントディファレンシャル機構１２のリングギヤに噛み合うピニオンギヤ３５が固定されており、変速されたエンジン動力はフロントディファレンシャル機構１２を介して左右の前輪１３に分配されることになる。

なお、切換機構３４はシンクロメッシュ機構となっており、変速入力軸３０に固定されるシンクロハブ３４ａと、これに常時噛み合うシンクロスリーブ３４ｂとを備えている。図示しないアクチュエータによって、シンクロスリーブ３４ｂを駆動歯車３２ａに噛み合わせると、変速歯車列３２を介して変速されたエンジン動力が変速出力軸３１に伝達される一方、駆動歯車３３ａに噛み合わせると、変速歯車列３３を介して変速されたエンジン動力が変速出力軸３１に伝達されるようになっている。

また、モータケース２２に収容されるモータユニット２１は、モータケース２２内に直列に固定される２つのステータ４０ａ，４１ａと、それぞれのステータ４０ａ，４１ａの径方向内方に回転自在に組み込まれる２つのロータ４０ｂ，４１ｂとを備えており、車両前方側のロータ４０ｂとステータ４０ａとによって前輪駆動モータ４０が形成され、車両後方側のロータ４１ｂとステータ４１ａとにより後輪駆動モータ４１が形成されている。

前輪駆動モータ４０のロータ出力軸４０ｃは車両前方に向けて延びており、その先端には変速出力軸３１の端部に固定される伝達歯車４２に噛み合う伝達歯車４３が固定されている。つまり、伝達歯車４２，４３を介して変速出力軸３１にモータ動力を伝達することができるため、前輪１３はエンジン動力だけでなくモータ動力によっても駆動されることになる。一方、後輪駆動モータ４１のロータ出力軸４１ｃは車両後方に向けて延びており、その先端にはジョイント４４がスプライン結合されている。このジョイント４４には、車体のフロアトンネル内に配置されるプロペラシャフト１４が連結されており、後輪駆動モータ４１から出力されたモータ動力は、プロペラシャフト１４からリヤディファレンシャル機構１５を経て、左右の後輪１６に分配されることになる。

このように、変速出力軸３１やフロントディファレンシャル機構１２によって構成される前輪の動力伝達径路には、前輪駆動モータ４０のロータ出力軸４０ｃが連結されるようになっており、プロペラシャフト１４やリヤディファレンシャル機構１５によって構成される後輪の動力伝達径路には、後輪駆動モータ４１のロータ出力軸４１ｃが連結されるようになっている。なお、前輪駆動モータ４０と後輪駆動モータ４１とは同様の出力特性や応答特性を備えている。

さらに、図２に示すように、前輪駆動モータ４０と後輪駆動モータ４１との間には、ロータ４０ｂ，４１ｂを相互に連結する締結状態と、連結を解除する開放状態とに切り換えられるモータクラッチ４５が設けられている。このモータクラッチ４５は、ロータ４０ｂ，４１ｂの一方に連結される図示しないクラッチハブと、ロータ４０ｂ，４１ｂの他方に連結される図示しないクラッチドラムとを有しており、クラッチハブとクラッチドラムとの間には複数の摩擦プレートが設けられている。このモータクラッチ４５は、摩擦プレートを相互に押圧する図示しない電磁コイルを備えており、電磁コイルを励磁することによって、モータクラッチ４５は締結状態に切り換えられ、双方の駆動モータ４０，４１が一体となって回転する一方、電磁コイルの励磁を解くことによって、モータクラッチ４５は開放状態に切り換えられ、それぞれの駆動モータ４０，４１が独立して回転することになる。

以下、ハイブリッド車両１０の駆動制御について説明する。図２に示すように、駆動装置１１の各作動部に制御信号を出力する制御ユニット(制御手段)５０には、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ５１、運転者によるセレクトレバーの操作位置を検出するシフトポジションセンサ５２、そして車速を検出する車速センサ５３等が接続されており、これらのセンサ５１〜５３から制御ユニット５０に各種検出信号が出力されている。また、制御ユニット５０には、エンジン２０、ジェネレータ２３、モータユニット２１、入力クラッチ２５、モータクラッチ４５等の各作動部が接続されており、制御ユニット５０から各作動部に対して制御信号が出力されるとともに、各作動部から制御ユニット５０に対して作動状態を示す作動信号が出力されている。なお、制御ユニット５０は、検出信号や作動信号から制御信号を演算するＣＰＵを備えており、このＣＰＵにバスラインを介して接続されるＲＯＭやＲＡＭを備えている。ＲＯＭには制御プログラム、演算式、およびマップデータなどが格納され、ＲＡＭには一時的なデータが格納されている。

このハイブリッド車両１０は、モータ動力のみを前後輪１３，１６に伝達するシリーズ走行モード、エンジン動力のみを前後輪１３，１６に伝達するエンジン走行モード、モータ動力とエンジン動力との双方を前後輪１３，１６に伝達するパラレル走行モードを備えており、これらの走行モードは走行状態に応じて適宜切り換えられることになる。ここで、図３は走行モード切換特性の一例を示す特性線図である。図３に示すように、走行モードは、車速、勾配、負荷などに応じて設定されるようになっており、大きな駆動トルクが要求される低中速時にはシリーズ走行モードが設定され、高出力が要求される高車速時(たとえば、８０Ｋｍ／ｈ以上)にはエンジン走行モードが設定され、加速時や登坂時などの高負荷時にはパラレル走行モードが設定される。なお、車速、勾配、負荷などは、各種センサ５１〜５３からの検出信号に基づいて求められている。

続いて、前述した各走行モードにおけるエンジン動力やモータ動力の伝達状態について説明する。ここで、図４〜図６は各走行モードにおける動力伝達経路を示す説明図である。図４(Ａ)および(Ｂ)はシリーズ走行モードが選択されたときの状態を示し、図５(Ａ)および(Ｂ)はエンジン走行モードが選択されたときの状態を示し、図６(Ａ)および(Ｂ)はパラレル走行モードが選択されたときの状態を示している。

まず、制御ユニット５０によりシリーズ走行モードが選択されると、入力クラッチ２５が開放された状態のもとで、前輪駆動モータ４０や後輪駆動モータ４１が駆動制御されることになる。図４(Ａ)に示すように、モータクラッチ４５が開放状態に保持される場合には、前輪１３と後輪１６とが独立して駆動されるため、路面状況や車両状態に応じて駆動モータの出力トルクを制御することにより、前後輪１３，１６のトルク分配比を１００：０〜０：１００の範囲で自在に設定することができ、車両の走行性能を高めることが可能となる。また、図４(Ｂ)に示すように、モータクラッチ４５を締結させた場合には、前輪駆動モータ４０と後輪駆動モータ４１とを一体に回転させることができるため、前輪１３または後輪１６だけをスリップさせることがなく、走破性を高めることが可能となる。なお、モータユニット２１を駆動するシリーズ走行モードにおいて、図示しないバッテリの充電状態が低下したときには、始動されたエンジン２０によってジェネレータ２３が発電駆動されるようになっている。

続いて、制御ユニット５０によりエンジン走行モードが選択されると、入力クラッチ２５が締結状態に切り換えられ、エンジン動力が変速入力軸３０に伝達されることになる。図５(Ａ)に示すように、モータクラッチ４５が開放された場合には、前輪１３のみにエンジン動力が伝達されることになり、前後輪１３，１６のトルク分配比を１００：０に設定することが可能となる。一方、モータクラッチ４５が締結されると、変速出力軸３１からモータユニット２１を介して後輪１６にエンジン動力が伝達されるため、エンジン動力によって前輪１３と後輪１６とを駆動することができる。しかも、モータクラッチ４５の締結力を制御することにより、車両の走行状態に応じて前後輪１３，１６のトルク分配比を１００：０〜５０：５０の範囲で設定することが可能となる。また、エンジン走行モードにあっては、走行状態に応じて変速歯車列３２，３３を切り換えることにより、変速されたエンジン動力が駆動輪に対して出力されることになる。

次いで、制御ユニット５０によりパラレル走行モードが選択されると、図５に示すエンジン走行モードの状態から、前輪駆動モータ４０や後輪駆動モータ４１が駆動されることになる。図６(Ａ)に示すように、モータクラッチ４５が開放された場合には、前輪１３をエンジン動力とモータ動力とで駆動するのに対して、後輪１６はモータ動力のみによって駆動されることになる。これにより、前輪１３に対するトルク分配比を高めた状態での加速走行や登坂走行が可能となる。また、図６(Ｂ)に示すように、モータクラッチ４５が締結された場合には、前輪１３と後輪１６とにエンジン動力とモータ動力とを伝達することができ、前後輪１３，１６のトルク分配比を５０：５０に固定した状態での加速走行や登坂走行が可能となる。

これまで説明したように、前輪１３を駆動する前輪駆動モータ４０と、後輪１６を駆動する後輪駆動モータ４１とを別個に設けるようにしたので、前輪駆動モータ４０と後輪駆動モータ４１とを個々に制御することにより、前輪１３と後輪１６とのトルク分配比を自在に設定することができる。たとえば、前輪１３に対するトルク分配比を高めることにより、車両の直進安定性を向上させることができる一方、後輪１６に対するトルク分配比を高めることにより、旋回時の回頭性を向上させることができる。このように、相反する走行特性を得ることができるため、車両の走行性能を飛躍的に向上させることが可能となる。

しかも、前輪駆動モータ４０によって前輪１３を直接的に駆動することができ、後輪駆動モータ４１によって後輪１６を直接的に駆動することができるため、トルク分配比を制御する際の応答性を向上させることができ、トルク分配比を高精度に制御することができる。特に、駆動モータ４０，４１に装着されるレゾルバ等の角度センサを用いることにより、トルク分配比を制御する際の応答性や精度を飛躍的に向上させることが可能となる。更には、前輪１３と後輪１６とが別個に駆動されるため、前後輪１３，１６の回転差を吸収するセンターディファレンシャル機構や、前輪１３または後輪１６に動力を分配するトランスファ機構を削減することができ、四輪駆動車に適用される駆動装置１１の簡素化を図ることが可能となる上に、従来のトランスファ機構では実現できなかったトルク配分も可能となる。

また、前輪駆動モータ４０と後輪駆動モータ４１との間にモータクラッチ４５を設けるようにしたので、このモータクラッチ４５を締結することにより、前後輪１３，１６のトルク分配比を５０：５０に固定することができる。つまり、モータクラッチ４５を締結することにより、前輪１３と後輪１６との回転差を無くすことができるため、前輪１３または後輪１６だけをスリップさせてしまうことがなく、悪路での走破性を飛躍的に高めることができる。

さらに、前輪駆動モータ４０と後輪駆動モータ４１とを直列に配置するとともに、後輪駆動モータ４１にプロペラシャフト１４を連結するようにしたので、縦置きに搭載される従来のパワーユニットから形状を大きく変更することなく、四輪駆動用の電動車両に適用可能な駆動装置１１を得ることができる。つまり、縦置きのパワーユニットが搭載される車両にあっては、フロアトンネル等の車体形状を大きく変更することなく、本発明の駆動装置１１を搭載することが可能となるため、車両を電動化することが容易になるとともに開発コストを抑制することができる。

続いて、ハイブリッド車両１０の回生制動について説明する。ここで、図７は回生制動時における動力伝達経路を示す説明図であり、シリーズ走行モードから回生制動を行った状態を示している。図７に示すように、モータクラッチ４５を開放した状態のもとでは、前輪駆動モータ４０と後輪駆動モータ４１とを個々に発電制御することにより、前輪１３と後輪１６とに生じる制動力を制動状況に応じて個々に制御することが可能となる。これにより、車両の制動姿勢を安定させることができ、車両の安全性能を高めることができる。更には、横Ｇセンサや操舵角センサ等からの旋回信号に基づいて、前後輪１３，１６の制動力を個々に制御することにより、旋回時における制動姿勢を安定させるようにしても良い。

なお、図７に示す場合には、駆動モータ４０，４１の双方を発電制御するようにしているが、これに限られることはなく、駆動モータ４０，４１の一方を発電制御することにより、前輪１３または後輪１６の一方に制動力を生じさせるようにしても良い。また、モータクラッチ４５を締結することにより、前輪１３と後輪１６とに生じる制動力を一致させるようにしても良い。

さらに、図示する場合には、回生制動時に入力クラッチ２５を開放しているが、これに限られることはなく、入力クラッチ２５を締結した状態のもとでジェネレータ２３を発電制御することにより、前後輪１３，１６に生じる制動力を高めるようにしても良い。また、回生制動時にエンジン２０を駆動制御することにより、エンジンブレーキを生じさせても良いことは言うまでもない。

さらに、あらゆる路面にて走行安定性を保つ為に、制御ユニット５０が前輪駆動モータ４０、後輪駆動モータ４１，モータクラッチ４５を制御することにより、前後輪１３，１６へ自動的にトルク配分を行うだけでなく、運転者がより高い技術を求める場合においては、任意にトルク配分を選択できるようにしても良い。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。たとえば、図示する駆動装置１１は、駆動モータ４００，４１に加えてエンジン２０を搭載するようにしたハイブリッド車両１０の駆動装置１１であるが、これに限られることはなく、エンジン２０が搭載されることのない電気自動車に本発明の駆動装置を適用しても良い。

また、入力クラッチ２５やモータクラッチ４５としては、摩擦クラッチに限られることはなく、内輪と外輪との間にスプラグを噛み込ませるようにした噛合クラッチを採用しても良い。

ハイブリッド車両を示す概略図である。本発明の一実施の形態である駆動装置を概略的に示すスケルトン図である。走行モード切換特性の一例を示す特性線図である。シリーズ走行モードにおける動力伝達経路を示す説明図であり、(Ａ)はモータクラッチを開放した状態を示し、(Ｂ)はモータクラッチを締結した状態を示している。エンジン走行モードにおける動力伝達経路を示す説明図であり、(Ａ)はモータクラッチを開放した状態を示し、(Ｂ)はモータクラッチを締結した状態を示している。パラレル走行モードにおける動力伝達経路を示す説明図であり、(Ａ)はモータクラッチを開放した状態を示し、(Ｂ)はモータクラッチを締結した状態を示している。回生制動時における動力伝達経路を示す説明図である。

符号の説明

１０ハイブリッド車両(電動車両)
１１駆動装置
１３前輪
１４プロペラシャフト
１６後輪
２０エンジン
２５入力クラッチ
４０前輪駆動モータ
４１後輪駆動モータ
４５モータクラッチ

Claims

エンジンと、
前輪の動力伝達経路に連結され、前記前輪に向けてモータ動力を出力する前輪駆動モータと、
前記前輪駆動モータと同一ケース内に設けられ、後輪の動力伝達経路に連結され、前記後輪に向けてモータ動力を出力する後輪駆動モータと、
前記エンジンと前記前輪の動力伝達経路との間に設けられ、前記エンジンのクランク軸に連結されるロータを備えるジェネレータと、
前記ジェネレータと前記前輪の動力伝達経路との間に設けられ、エンジン動力を前記前輪の動力伝達経路に伝達する連結状態と、エンジン動力を前記前輪の動力伝達経路に伝達しない開放状態とに切り換えられる入力クラッチと、
前記ケース内の前記前輪駆動モータと前記後輪駆動モータとの間に設けられ、前記駆動モータを相互に連結する締結状態と連結を解除する開放状態とに切り換えられるモータクラッチと、
前記入力クラッチを開放してエンジン動力によって前記ジェネレータを発電駆動させながら、前記前輪駆動モータと前記後輪駆動モータとに制御信号を出力して前記前輪と前記後輪とのトルク分配比を制御する制御手段とを有することを特徴とする電動車両の駆動装置。
請求項１記載の電動車両の駆動装置において、車両の前後方向に向けて前記前輪駆動モータと前記後輪駆動モータとを直列に配置し、前記後輪に動力を伝達するプロペラシャフトを前記後輪駆動モータに連結することを特徴とする電動車両の駆動装置。