JP4182837B2 - 動力出力装置及び自動車 - Google Patents

Description

本発明は、例えばハイブリッド自動車等に設けられる発電機及び電動機を含んでなる動力出力装置の技術分野に関し、特に、内燃機関で直接駆動されない車輪を電動機で適宜駆動する全輪駆動車に用いるのに適した動力出力装置及びこれを備えた自動車の技術分野に関する。

この種の動力出力装置は、例えば、２輪駆動時或いは通常走行時にはガソリンエンジンにより前輪駆動すると共に４輪駆動時には電動機による後輪駆動を加える型式である「ＦＦ電気式４輪駆動型」のハイブリッド自動車に取り付けられる。そして、２輪駆動から４輪駆動に切替えると、動力出力装置に含まれる発電機がエンジンにより駆動されて発電し、更にその出力電力がリレーを介して電動機に供給され、これにより電動機が駆動されるように構成されている。

このように構成された動力出力装置の始動は、例えば２輪駆動から４輪駆動へ切替える旨の要求（以下適宜、“切替要求”という）が発生した時に、発電機に界磁電圧を印加して発電機を始動し、これにより電動機を始動することで行われる。ここで、始動時の初期に電動機のリアクタンスが小さいと、発電機から電動機へと過大電流たる「突入電流」が発生しようとする。このため、例えば、特許文献１には、上述したＦＦ電気式４輪駆動型のハイブリッド自動車において、２輪駆動から４輪駆動への切替要求に応じた制御として、電動機の界磁電流を流してから一定時間後に、発電機の界磁電流を流すことで、突入電流の発生を防止する技術が開示されている。

特開２００１−３３３５０７号公報

しかしながら、上述した特許文献１等に開示された技術によれば、車両発進時にアクセルを踏むと同時に発生される切替要求に応じて、その直後に発電機の界磁電圧を発生させても、該界磁電圧を上昇させるには、ある程度の時間がかかる。従って、切替要求に対して、電動機の負荷電流或いは出力電力の発生が遅れるので、該負荷電流により駆動される電動機によるアシストトルクの発生が遅れるという技術的な問題点がある。具体的には、雪道等で瞬時発進すると、４輪駆動への切替は行われるものの、始動初期における電動機によるアシストトルク不足のために、一時的にスリップ状態となりかねないという技術的な問題点がある。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、例えばＦＦ電気式４輪駆動型のハイブリッド自動車に適用されると４輪駆動への切替要求に応じて良好な応答性でアシストトルクを発生可能であるなど、始動要求に対する応答性に優れた動力出力装置、及びこのような動力出力装置を備えており良好な応答性で発進或いは走行可能な自動車を提供することを課題とする。

本発明の第１の動力出力装置は上記課題を解決するために、前輪及び後輪のうち少なくとも一方を駆動する内燃機関を有すると共に２輪駆動と４輪駆動とに相互切替可能な型式の自動車に設けられる動力出力装置であって、前記内燃機関の駆動力を利用して発電を行うと共に界磁電流によって出力電力が制御される発電機と、該出力電力が供給されて回転すると共に前記内燃機関による駆動をアシストするか若しくはこれに代えて又は加えて前記前輪及び後輪のうち少なくとも一方を駆動する電動機と、当該自動車に対し前記２輪駆動から前記４輪駆動への切替である４駆切替を要求する旨の切替要求に応じて、前記４駆切替が行われる際に、前記出力電力の供給路を切断状態から接続状態へと切替えるリレーと、前記切替要求が発生するか否かを推定する推定手段と、該推定手段により前記切替要求が発生すると推定された場合に、前記４駆切替に先立って前記発電機に対して所定電圧値の待機電圧を界磁電圧として印加する待機電圧制御手段とを備え、前記推定手段は、(i)前記自動車に設けられている前記２輪駆動及び前記４輪駆動間の相互切替を行うための切替要求スイッチが前記４駆切替を要求していること、(ii)前記自動車が現時点で前記２輪駆動の状態にあること、並びに(iii)前記自動車の車速が所定速度以下であることの条件が満たされるか否かを判定することで、前記切替要求が発生するか否かを推定し、前記待機電圧が印加された後に、前記４駆切替が実際に行われる際に、前記電動機の界磁電流を、所定の目標値に制御する電動機界磁電流制御手段を更に備えており、前記リレーは、前記電動機の界磁電流が前記目標値に達した後に、前記出力電力の供給路を前記接続状態に切替える。
本発明の第２の動力出力装置は上記課題を解決するために、前輪及び後輪のうち少なくとも一方を駆動する内燃機関を有すると共に２輪駆動と４輪駆動とに相互切替可能な型式の自動車に設けられる動力出力装置であって、前記内燃機関の駆動力を利用して発電を行うと共に界磁電流によって出力電力が制御される発電機と、該出力電力が供給されて回転すると共に前記内燃機関による駆動をアシストするか若しくはこれに代えて又は加えて前記前輪及び後輪のうち少なくとも一方を駆動する電動機と、当該自動車に対し前記２輪駆動から前記４輪駆動への切替である４駆切替を要求する旨の切替要求に応じて、前記４駆切替が行われる際に、前記出力電力の供給路を切断状態から接続状態へと切替えるリレーと、前記切替要求が発生するか否かを推定する推定手段と、該推定手段により前記切替要求が発生すると推定された場合に、前記４駆切替に先立って前記発電機に対して所定電圧値の待機電圧を界磁電圧として印加する待機電圧制御手段とを備え、前記推定手段は、(i)前記自動車に設けられている前記２輪駆動及び前記４輪駆動間の相互切替を行うための切替要求スイッチが前記４駆切替を要求していること、(ii)前記自動車が現時点で前記２輪駆動の状態にあること、並びに(iii)前記自動車の車速が所定速度以下であることの条件が満たされるか否かを判定することで、前記切替要求が発生するか否かを推定し、前記待機電圧制御手段は、前記電動機の回転の有無又は大小に応じて、前記所定電圧値を可変設定する。
本発明の第３の動力出力装置は上記課題を解決するために、前輪及び後輪のうち少なくとも一方を駆動する内燃機関を有すると共に２輪駆動と４輪駆動とに相互切替可能な型式の自動車に設けられる動力出力装置であって、前記内燃機関の駆動力を利用して発電を行うと共に界磁電流によって出力電力が制御される発電機と、該出力電力が供給されて回転すると共に前記内燃機関による駆動をアシストするか若しくはこれに代えて又は加えて前記前輪及び後輪のうち少なくとも一方を駆動する電動機と、当該自動車に対し前記２輪駆動から前記４輪駆動への切替である４駆切替を要求する旨の切替要求に応じて、前記４駆切替が行われる際に、前記出力電力の供給路を切断状態から接続状態へと切替えるリレーと、前記切替要求が発生するか否かを推定する推定手段と、該推定手段により前記切替要求が発生すると推定された場合に、前記４駆切替に先立って前記発電機に対して所定電圧値の待機電圧を界磁電圧として印加する待機電圧制御手段とを備え、前記推定手段は、(i)前記自動車に設けられている前記２輪駆動及び前記４輪駆動間の相互切替を行うための切替要求スイッチが前記４駆切替を要求していること、(ii)前記自動車が現時点で前記２輪駆動の状態にあること、並びに(iii)前記自動車の車速が所定速度以下であることの条件が満たされるか否かを判定することで、前記切替要求が発生するか否かを推定し、前記待機電圧制御手段は、(i)前記電動機における目標負荷電流、(ii)前記電動機における目標トルク、並びに(iii)前記電動機における回転数と前記電動機における界磁電流との積のうち、少なくとも一つに応じて前記所定電圧値を可変設定する。

本発明の動力出力装置によれば、当該動力出力装置が搭載された自動車が２輪駆動で走行している最中には、発電機は発電せず、電動機は回転しない。このような走行中、推定手段によって、定期又は不定期に、４駆切替を要求する旨の切替要求が発生するか否かが推定される。例えば、後述の本発明の各種態様の如く、４輪駆動を要求するスイッチの動作状態や自動車が低速であることなどの諸条件に基づいて、係る推定が行われる。そして推定手段によって、４駆切替を要求する旨の切替要求が、例えば数分の一秒後、数秒後、十数秒後、数十秒後、数分後、数十分後などに発生すると推定された場合には、待機電圧制御手段によって先ず、実際の４駆切替に先立って、発電機に対して所定電圧値の待機電力が界磁電圧として印加される。この際、待機電圧の印加時における発電機での電力消費は殆ど生じないで済む。但し、発電機に多少の界磁電流が流れても構わない。

その後、実際に４駆切替が行われる際には、発電機によって、内燃機関の駆動力を利用しての発電が開始される。この際、発電機には界磁電圧として既に、待機電圧が印加されているので、出力電力の立ち上がりは迅速に行われる。このような発電開始と同時に又は相前後して、リレーによって、それまで切断状態とされていた出力電力の供給路が、接続状態へと切替られる。すると、発電機で発電された出力電圧は、リレーを介して電動機に供給されるので、電動機は回転し始める。この際特に、発電機による発電開始から迅速に、電動機における負荷電流の増大が行われ、よって電動機は、迅速に回転し始めることになる。他方、発電機における界磁電圧は、発電機の始動後には、例えば数ボルト程度である所定電圧値の待機電圧から、これよりも高圧である、例えば数十ボルト程度の通常動作時用の電圧値へと上げられ、電動機に対する出力電力の安定供給が行われる。

以上の結果、４駆切替の際に、非常に良好な応答性で、即ち非常に迅速に、電動機によるアシスト若しくは後輪又は前輪の駆動が開始される。従って、例えば、伝統的に雪道での瞬時発進時における４駆切替の際に発生しやすかった発進スリップなどを、良好な応答性によって効果的に防止できる。

尚、４輪駆動から２輪駆動へと切替えられる際には、リレー等の動作によって、発電機による発電は停止され、電動機の回転も停止される。そして、その後は、推定手段による推定が再び行われる。

本発明の動力出力装置の一態様では、前記待機電圧制御手段は、前記発電機の界磁コイルの電流路を切断状態から接続状態へと切替える界磁切替手段と、該界磁切替手段を、前記推定手段による推定結果に応じて切替える界磁制御手段とを備える。

この態様によれば、推定手段によって、４駆切替が将来的に行われると推定された場合には、界磁制御手段による制御下で、界磁切替手段によって、それまで切断状態にあった発電機の界磁コイルの電流路は、接続状態へと切替えられる。これにより、発電機に対して所定電圧値の待機電圧が界磁電圧として印加される。このように構成すれば、発電状態にない発電機の界磁コイルには界磁電流は殆ど流れないので、待機電圧の印加時における発電機での電力消費は殆ど生じないで済む。

本発明の動力出力装置の他の態様では、前記待機電圧が印加された後に、前記４駆切替が実際に行われる際に、前記電動機の界磁電流を、所定の目標値に制御する電動機界磁電流制御手段を更に備えており、前記リレーは、前記電動機の界磁電流が前記目標値に達した後に、前記出力電力の供給路を前記接続状態に切替える。

この態様によれば、４駆切替が実際に行われる際に、電動機界磁電流制御手段によって、電動機の界磁電流は、所定の目標値に制御される。その後、電動機の界磁電流が目標値に達した後に、リレーによって、出力電力の供給路が接続状態に切替えられて、発電機による発電及び出力電力の供給が開始される。すると、出力電力の供給に先立って、界磁電流が供給されている電動機では、発電機から供給される出力電力に対して、該界磁電流に起因した一種のリアクタンスが発生することになる。従って、電動機の始動時に、負荷電流として過大な突入電流が流れるのを未然防止できる。このように電動機の始動前に、電動機に界磁電流を流しておくことにより、負荷電流の立ち上がりを適度に調整することが可能となり、電動機における迅速且つ良好な始動が可能となる。

尚、電動機の界磁電流は、電動機の始動後には、目標値の付近で維持され、当該電動機による回転トルクの安定出力が行われる。

本発明の動力出力装置の他の態様では、前記電動機の界磁電流を制御することで前記電動機の回転トルクを制御するトルク制御手段を更に備える。

この態様によれば、電動機の始動後には、トルク制御手段によって、電動機の界磁電流は、目標値の付近で制御され、電動機の回転トルクが制御される。従って、４輪駆動の際には、トルク制御手段による制御下で、電動機によるアシスト力若しくは後輪又は前輪の駆動力の調整が可能となる。

本発明の動力出力装置の他の態様では、前記推定手段は、(i)前記自動車に設けられている前記２輪駆動及び前記４輪駆動間の相互切替を行うための切替要求スイッチが前記４駆切替を要求していること、(ii)前記自動車が現時点で前記２輪駆動の状態にあること、並びに(iii)前記自動車の車速が所定速度以下であることの条件が満たされるか否かを判定することで、前記切替要求が発生するか否かを推定する。

この態様によれば、切替要求スイッチの動作状態、自動車の駆動状態や車速などに係る諸条件が満たされるか否かで判定すればよいので、コンピュータによる条件判断の手法で、比較的簡単且つ迅速に推定手段による推定を実施できる。

本発明の動力出力装置の他の態様では、前記待機電圧制御手段は、前記電動機の回転の有無又は大小に応じて、前記所定電圧値を可変設定する。

この態様によれば、例えば、電動機が回転していなければ、電動機における逆起電力は発生していないので、待機電圧制御手段は、例えば１〜２ボルトなど、相対的に低い電圧の待機電圧を印加する。或いは、電動機が回転していれば、電動機における逆起電力は発生しているので、待機電圧制御手段は、例えば４〜６ボルトなど、相対的に高い電圧の待機電圧を印加する。更に、電動機が回転している場合には、その回転数が高ければ、発生している逆起電力が相対的に大きいので、待機電圧制御手段は、例えば６ボルトなどの待機電圧を印加し、その回転数が低ければ、発生している逆起電力が相対的に小さいので、待機電圧制御手段は、例えば４ボルトなどの待機電圧を印加する。このように、待機電圧制御手段が電動機の回転の有無又は大小に応じて、待機電圧の所定電圧値を可変設定するので、電動機の回転状態に適した出力電力の供給を、発電当初に行うことが可能となる。これにより、４駆切替の際の応答性を良くできると共に過剰な応答を未然防止できる。

或いは本発明の動力出力装置の他の態様では、前記待機電圧制御手段は、(i)前記電動機における目標負荷電流、(ii)前記電動機における目標トルク、並びに(iii)前記電動機における回転数と前記電動機における界磁電流との積のうち、少なくとも一つに応じて前記所定電圧値を可変設定する。

この態様によれば、目標負荷電流、目標トルク、或いは｛電動機における回転数×電動機における界磁電流｝などに応じて、所定電圧値を可変設定するので、自動車の状態や自動車からの要求に応じて逐次変化し得る、電動機の状態に適した出力電力の供給を、発電当初に行うことが可能となる。特に、自動車からの要求内容に応じて、発電機によって、電動機における逆起電力を相殺するレベルの出力電力を発電当初から適切に供給できるので、実践上非常に有利である。

但し、装置構成及び制御の簡素化を優先すれば、本発明においては、予め設定された或いは固定電圧値の待機電圧を常に用いるようにしても構わない。この場合にも、前述した本発明独自の作用効果は良好に得られる。

尚、本発明に係る「発電機」は、直流発電機であることが好ましいが、交流発電機であってもよい。また、本発明に係る「電動機」は、直流電動機であることが好ましいが、交流電動機であってもよい。いずれの場合にも４駆切替の際に、良好な応答性を得ることができる。

本発明の自動車は上記課題を解決するために、上述した本発明の動力出力装置（但し、その各種態様を含む）及び前記内燃機関を備えた前記自動車であって、前記２輪駆動の際に、前記内燃機関によって前記前輪が駆動され、前記４輪駆動の際に、前記内燃機関によって前記前輪が駆動されると共に前記電動機によって前記後輪が駆動される。

本発明の自動車によれば、上述した本発明の動力出力装置を備えているので、４駆切替の際に、非常に良好な応答性で、電動機による後輪の駆動が開始される。従って、例えば、伝統的に雪道での瞬時発進時における４駆切替の際に発生しやすかった発進スリップなどを、良好な応答性によって効果的に防止できる。

本発明の内燃機関の動力出力装置によれば、例えば４駆切替の際に、非常に良好な応答性で、即ち非常に迅速に、電動機によるアシスト若しくは後輪又は前輪の駆動が開始される。従って、例えば、伝統的に雪道での瞬時発進時における４駆切替の際に発生しやすかった発進スリップなどを、良好な応答性によって効果的に防止できる。

以下、本発明の動力出力装置を４輪駆動車両の駆動装置に適用した実施形態について、図面に沿って説明する。

（４輪駆動車両の全体構成）
先ず、本実施形態に係る４輪駆動車両の駆動装置の全体構成について図１を参照しながら詳細に説明する。ここに、図１は、本発明を適用した４輪駆動車両の全体構成を示す図式的ブロック図である。

図１において、本実施形態に係る４輪駆動車両１は、「ＦＦ電気式４輪駆動型」のハイブリッド自動車として、一対の前輪３及びこれらを駆動するためのガソリンエンジン等のエンジン２、並びに一対の後輪４及びこれらを駆動するためのＤＣ（Direct Current）モータ５を備える。４輪駆動車両１は更に、これらのうち主にエンジン系を制御するためのＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１９と、ＤＣモータ系を制御するための発電装置コントロールユニット１００と、発電装置コントロールユニット１００により制御されてＤＣモータ５に電源を供給する発電機９とを備えて構成されている。

エンジン２は、ＥＣＵ１９により制御される。エンジン２は、トランスミッション１６及びドライブシャフト１３Ａを介して、前輪３へ駆動力を伝えるように構成されている。

ＥＣＵ１９は、例えばマイクロコンピュータからなり、制御信号Ｓ６による電子制御スロットル１８の制御を行い、更にエンジン２の形式に応じて、例えばエンジン５の点火タイミングの制御、吸気弁や排気弁の開閉タイミングの制御、気筒内噴射のタイミング制御、トランスミッション１６の切替制御等のエンジン系に関する各種制御を行うように構成されている。尚、ＥＣＵ１９により制御される電子制御スロットル１８には、アクセル開度センサが設けられており、アクセル開度を検出する。電子制御スロットルの代わりにメカリンクのアクセルペダル及びスロットルを用いる場合には、アクセルペダルにアクセル開度センサを設けることができる。また、ＥＣＵ１９により制御されるトランスミッション１６は、オートマチックトランスミッションであり、セレクトレバーによって選択されたギヤ比となるように自動制御される。この際のセレクトレバーのポジションは、ギヤ位置検出センサによって検出される。なお、トランスミッション１６としては、マニュアルトランスミッションを用いるものであってもよい。

補助発電機７は、エンジンルーム内に設けられており、通常の車両電気負荷へ電力供給を行う。補助発電機７は、エンジン２によりベルト駆動され、補助発電機７の出力の一部がバッテリ８に蓄積されるように構成されている。

発電機９は、本発明に係る「動力出力装置」の一部として、エンジンルーム内の補助発電機７の近傍に設けられており、エンジン２によりベルト駆動される。発電機９は、後輪駆動用のＤＣモータ５にリレー２０を介して接続されており、４輪駆動時にその電力出力をＤＣモータ５に供給するように構成されている。

ＤＣモータ５は、本発明に係る「発電機」の一例を構成しており、発電装置コントロールユニット１００により制御される。ＤＣモータ５は、デファレンシャルギヤ１２及びクラッチ１１を介して後輪４のドライブシャフト１３Ｂに連結されている。ＥＣＵ１９や発電装置コントロールユニット１００などによる制御下で、デファレンシャルギヤ１２とクラッチ１１とが連結されると、ＤＣモータ５の出力シャフトがクラッチ１１を介してデファレンシャルギヤ１２に接続される。そして、クラッチ１１が外れると、ＤＣモータ５は、後輪４側から切り離されるように構成されている。

発電装置コントロールユニット１００は、本発明に係る「推定手段」、「待機電圧制御手段」、「界磁制御手段」及び「電動機界磁電流制御手段」の一例として、例えばマイクロコンピュータからなり、４輪駆動車両の回転電気機器、即ちＤＣモータ５、補助発電機７及び発電機９を統括制御する。また、前輪３及び後輪４の各車輪には、回転速度及び回転方向を検出する車輪センサ１５が設けられている。本実施形態では、発電装置コントロールユニット１００は、外部、即ちＤＣモータ５や発電機９の本体の外に設けられており、この発電装置コントロールユニット１００とＤＣモータ５や発電機９の本体に設けられた図示しないレギュレータなどの制御部とで、回転電気機器全体の制御装置を構成する。発電装置コントロールユニット１００は、リレー２０に制御信号Ｓ１を送ることにより、ＤＣモータ５と発電機９とを切断状態又は接続状態にする。更に、発電装置コントロールユニット１００は、各車輪センサ１５からの検出信号Ｓ２を受けて、後述の如き４輪駆動制御を可能ならしめるべく、ＤＣモータ５と発電機９とに対して、モータ制御信号Ｓ４及び発電制御信号Ｓ５を夫々出力する。即ち、発電装置コントロールユニット１００は、車速センサ１５からの検出信号Ｓ２の他、不図示のエンジン回転センサ、ギヤ位置センサ及びアクセル開度センサからの各種検出信号を受け、これらに基づく演算処理をして、その時の運転状態（例えば、目標トルクなど）に応じてモータ制御信号Ｓ４及び発電制御信号Ｓ５を生成出力することで、発電機９の界磁電流及び界磁電圧を制御したり、ＤＣモータ５の界磁電流を制御する。

発電装置コントロールユニット１００の制御対象となる、補助発電機７は、例えば、電圧１２Ｖ且つ電力２ｋＷ程度の出力の得られる一般的な発電機である。一方、発電機９は、補助発電機７に比べて高出力が得られる発電機であり、例えば、電圧６０Ｖ且つ電力６ｋＷ程度の出力の得られる発電機である。他方、ＤＣモータ５は、正転逆転の切替えが容易な直流分巻電動機、または他励直流電動機とするのが望ましい。本発明はトラックのような６輪以上の車両、トレーラのような、牽引車両の各車輪を電動機で個別に駆動する場合にも適用可能である。また、用途によっては、直流電動機に代えて交流電動機を用いてもよい。

尚、上述の如き各種制御を夫々行うＥＣＵ１９と発電装置コントロールユニット１００とは、例えば１個のマイクロコンピュータからなるなど、一体として構築されてもよい。但し、以下では、発電装置コントロールユニット１００は、専ら発電装置を制御するものとして、説明を続ける。

（4輪駆動車両の駆動系の電気機器部分の詳細構成）
次に、図２を参照しながら、図１に示した４輪駆動車両１の駆動系に含まれる、電気機器部分の詳細構成と共に概要動作について説明する。ここに、図２は、本実施形態に係る電気機器部分の全体構成を示す図式的ブロック図である。

図２において、電気機器部分は、発電機９、発電機界磁コイル９Ａ、本発明に係る「界磁切替手段」の一例を構成する界磁電流スイッチ９Ｂ、ＤＣモータ５、電動機界磁コイル５Ａ、界磁電流スイッチ５Ｂ、バッテリ８、リレー２０、電流センサ２１及び発電装置コントロールユニット１００を備えて構成されている。

発電機９は、ＤＣモータ５へ低電圧から高い電圧間での広範囲の電力を供給する可変電圧（高電圧系）発電システムとして構築されている。発電機９の出力は、駆動源としてリンクしているエンジン２（図１参照）の回転数と発電機界磁コイル９Ａに流れる界磁電流とによって決定される。発電機界磁コイル９Ａは、ダイオード等を介して自励電流源、即ち発電機９の出力側に接続されている。これにより、発電装置コントロールユニット１００による制御下で、界磁電流スイッチ９Ｂにより電流路が接続状態にされた後で、界磁電流が制御されることにより、発電機９から所定の出力電力が得られる。そして、４輪駆動時には、発電装置コントロールユニット１００による制御下で、発電機９に誘起された出力電力が電流センサ２１及びリレー２０を通して負荷であるＤＣモータ５に供給されるように構成されている。

ＤＣモータ５は、リレー２０を介して発電機９と直接結線されると共に、エンジン回転数に比例した低電圧から高電圧までの電力が最適効率で供給される。一方、電動機界磁コイル５Ａは、ダイオード等を介して低電圧側電流源としての即ち、他励電流源としての１２Ｖ用バッテリ８から電力が供給される。後述するように、発電装置コントロールユニット１００は、ＤＣモータ５の特性が要求値に適合するように、界磁電流スイッチ５Ｂにより電流路が接続状態にされた後で、電動機界磁コイル５Ａに流す界磁電流を制御する。

バッテリ８は１２Ｖ用バッテリであり、このバッテリ８と補助発電機７（図１参照）とで、既存の車両の電気負荷へ電力供給する低電圧系、換言すると１２Ｖ等の定電圧系の充電発電システムを構成している。尚、バッテリ８は、エンジン停止時に電力を供給するとともに、エンジン起動後は補助発電機７から充電される。そして、補助発電機７が発電している限り、通常の車両の電気負荷への電力供給は補助発電機７から行われる。

発電装置コントロールユニット１００は、各種の演算処理を行うために、例えばＩ／Ｏ（Input to Output）回路と、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換器と、演算処理用のＣＰＵ（Central Processor Unit）とを備えている。発電装置コントロールユニット１００は、さらに、電動機制御用のプログラムやデータを保持するメモリを備えており、入力した情報に基づいて、車速を算出し、発電機９の出力電力値を算出し、Ｉ／Ｏ回路から発電機９に供給され、発生する出力電力値を制御する。

発電装置コントロールユニット１００は、制御に必要な各センサ信号を、車載されている他の制御ユニット、例えば、ＥＣＵ１９（図１参照）やＡＢＳコントロールユニット等から車内ＬＡＮ経由で入手する。即ち、発電装置コントロールユニット１００には、車輪の回転速度及び回転方向の情報、アクセル開度の情報、及びギヤ位置の情報等が、ＥＣＵ１９などから車内ＬＡＮを介して入力される。発電装置コントロールユニット１００は、これらの情報に基づいて車両運転状態及び駆動要求量を算出し、ＤＣモータ５が必要トルク、及び回転数を得ることができるように、発電機９に対して出力電力の指令値を出力し、要求出力を発電させる。このように発電装置コントロールユニット１００は、発電機９の出力電力を制御することにより、ＤＣモータ５を制御する。更に前述のように、発電装置コントロールユニット１００は、本発明に係る「電動機界磁電流制御手段」として、電動機界磁コイル５Ａに流す界磁電流を制御する。例えば、本発明に係る「目標値」になるように界磁電流は制御される。

本実施形態では更に、発電装置コントロールユニット１００は、後述の如き４輪駆動への切替要求の可能性の有無についての判定を行い、その判定結果に基づいて界磁電流スイッチ９Ｂのオンオフ制御等を行うことで、４輪駆動への切替要求の発生時にその切替を迅速に行うように構成されている。

（4輪駆動切替制御方法）
以下、図３及び図４を参照して、本実施形態に係る発電装置コントロールユニット１００により制御される、４駆切替のための実行される４輪駆動切替制御ルーチンについて説明する。ここに、図３は、本実施形態に係る４輪駆動切替制御ルーチンを示すフローチャート図である。図４は、本実施形態に係る発電機待機電圧制御を示すフローチャート図である。この４輪駆動切替制御ルーチンは、予め発電装置コントロールユニット１００のＲＯＭに記憶されているルーチンであり、エンジン２の動作中に定期的又は不定期的に、主に発電装置コントロールユニット１００によって実行されるルーチンである。このルーチンは好ましくは、エンジンストロークに比べて十分に短い時間で（例えば数ｍｓｅｃ或いは数μｓｅｃのオーダで）、繰り返して実行される。

図３において先ず、発電装置コントロールユニット１００によって、４輪駆動を設定するための４輪駆動操作スイッチが、運転手によってＯｎされているか（即ち、４輪駆動が希望されているか）否かが判定される（ステップＳ１０１）。この判定は、４輪駆動への切替要求が発生する可能性があるか否かを推定するための、一連の推定処理の一環として行われる。即ち、４輪駆動操作スイッチがＯｆｆである限りは、近未来に４輪駆動への切替要求は発生しないものと推定される。

ステップＳ１０１の判定の結果、操作スイッチがＯｎの場合は（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、４輪駆動への切替要求が発生する可能性があるため、更に、４輪駆動で走行中であるか否かが判定される（ステップＳ１０２）。この判定は、４輪駆動への切替要求が発生する可能性があるか否か推定するための、一連の推定処理の一環として行われる。即ち、既に４輪駆動で走行中であれば、近未来に４輪駆動への切替要求は発生しないものと推定される。

ステップＳ１０２の判定の結果、４輪駆動で走行中ではない場合は（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、４輪駆動への切替要求が発生する可能性があるため、更に、４輪駆動への切替要求が実際に発生しているか否かが判定される（ステップＳ１０３）。

ステップＳ１０３の判定の結果、実際には４輪駆動への切替要求が発生していない場合は（ステップＳ１０３：Ｎｏ）、４輪駆動への切替要求が発生する可能性があるため、更に、車速度が所定速度、例えば時速３０ｋｍより小さいか否かが判定される（ステップＳ１０４）。この判定は、４輪駆動への切替要求が発生する可能性があるか否か推定するための、一連の推定処理の一環として行われる。即ち、車速がある程度以上に高ければ、近未来に４輪駆動への切替要求は発生しないものと推定される。

ステップＳ１０４の判定の結果、車速度が所定速度より低い場合は（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、近未来に４輪駆動への切替要求が発生する可能性が高いとの推定が可能である。このため、発電機９の待機電圧制御が行われる。具体的には、実際の４輪駆動への切替えに先立って、発電機９に対して所定電圧値の待機電圧が界磁電圧として印加される（ステップＳ１０５）。特に、この待機電圧の所定電圧値の具体例については、図４において後述される。そして、当該４輪駆動切替制御ルーチンの１サイクルを終了する。

尚、ステップＳ１０１、Ｓ１０２及びＳ１０４は、本発明に係る推定手段の一例を構成する発電装置コントロールユニット１００によって「４輪駆動への切替要求が発生する可能性があるか否か」を推定するために実行される。また、本実施形態における（２輪駆動から）４輪駆動への「切替要求」とは、車速、傾斜、アクセルの踏込量等についての各種条件が予め設定された４輪駆動が推奨される条件を満たす場合に、発電装置コントロールユニット１００又はＥＣＵ１９により発生され、実際に４輪駆動への切替えを実行すべきとの命令である。即ち、本実施形態では、汎用的なＦＦ電気式４輪駆動型のハイブリッド自動車と同様に、ステップＳ１０１の判定に係る４輪駆動操作スイッチのＯｎは、４輪駆動が必要或いは好ましい条件に遭遇した場合に、自動的に４輪駆動へ切替えることを設定するものであり、４輪駆動操作スイッチがＯｎされたからといって、無条件に或いは即座に４輪駆動への切替（ステップＳ１０６〜Ｓ１０８）が実行される訳ではない。このように本実施形態では、マイクロコンピュータ上で４輪駆動への切替要求が発生して初めて、ステップＳ１０３の判定処理を経て、ステップＳ１０６からＳ１０８における実際の切替動作が実行されることになる。

次のサイクル以降には、ステップＳ１０５を経て、発電機９に対して所定電圧値の待機電圧が界磁電圧として印加された状態が維持されることとなり、前述のステップＳ１０１からステップＳ１０４の判定が繰り返し行われることになる。

このような１回目又は通常は複数回目のルーチンサイクルにおけるステップＳ１０３の判定の結果、実際に２輪駆動から４輪駆動への切替要求が発生していれば（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、発電装置コントロールユニット１００の制御下で、ＤＣモータ５の界磁電流は、所定の目標値に制御される（ステップＳ１０６）。即ち、４輪駆動への実際の切替制御が開始される。

続いて、リレー２０によって、発電機９からＤＣモータ５への出力電力の供給路が接続状態に切替えられて、発電機９による発電及び出力電力の供給が開始される（ステップＳ１０７）。そして、発電機９の界磁電流及び電圧が、後輪４を駆動するために必要な目標トルクが得られるように制御される（ステップＳ１０８）。

以上のように、ステップＳ１０１からステップＳ１０４を経て、４輪駆動への切替要求が発生する可能性が高いと推定されれば、ステップＳ１０５にて待機電圧が発電機９の界磁電圧として予め印加されている。従って、その後の任意の時点において、ステップＳ１０３にて実際に切替要求が発生した際には、ステップＳ１０６からステップS１０８における実際の発電機９及びＤＣモータ５の始動時に、非常に迅速に発電を開始し且つ回転トルクを発生させることが可能となる。

その後、今度は、４輪駆動から２輪駆動への切替要求が発生しているか否かが判定される（ステップＳ１０９）。ここに本実施形態における（４輪駆動から）２輪駆動への「切替要求」とは、車速、傾斜、アクセルの踏込量等についての各種条件が予め設定された２輪駆動が推奨される条件を満たす場合に、発電装置コントロールユニット１００又はＥＣＵ１９により発生され、実際に２輪駆動への切替えを実行すべきとの命令である。ここで、４輪駆動から２輪駆動への切替要求が発生している場合は（ステップＳ１０９：Ｙｅｓ）、発電装置コントロールユニット１００の制御下で、４輪駆動から２輪駆動への切替えのために、リレー２０が切断状態とされ、発電機９の界磁電流及びＤＣモータ５の界磁電流は流れないように制御され、当該４輪駆動切替制御ルーチンの１サイクルを終了する。

他方、ステップＳ１０９の判定の結果、４輪駆動から２輪駆動への切替要求が発生していない場合は（ステップＳ１０９：Ｎｏ）、ステップＳ１０８に戻って、発電機９の界磁電流及び電圧に対する、後輪４をＤＣモータ５により駆動するための制御が継続され、ステップＳ１０９の判定が繰り返し実行される（ステップＳ１０８及びＳ１０９）。他方、ステップＳ１０２の判定の結果、４輪駆動で走行中の場合にも（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、同じく、後輪４をＤＣモータ５により駆動するための制御が継続される（ステップＳ１０８及びＳ１０９）。

他方、ステップＳ１０１の判定の結果、４輪駆動を要求するための操作スイッチがＯｎでない場合（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、又はステップＳ１０４の判定の結果、車速度が所定速度以上である場合は（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、４輪駆動への切替要求が発生する可能性がないと推定されるため、前述したように、発電装置コントロールユニット１００の制御下で、リレー２０は切断状態とされ、発電機９の界磁電流及びＤＣモータ５の界磁電流は流れないように制御される（ステップＳ１１１）。

次に、図４を参照して、図３で示したステップＳ１０５における発電機の待機電圧制御について詳細に説明する。

図４において先ず、ＤＣモータ５が、回転しているか否かが判定される（ステップＳ２０１）。ここで、ＤＣモータ５が、回転してない場合は（ステップＳ２０１：Ｎｏ）、ＤＣモータ５における逆起電力は発生していないので、発電機９に対して相対的に低い所定電圧値、例えば１〜２ボルトの待機電圧が界磁電圧として印加される（ステップＳ２０２）。

他方、ＤＣモータ５が、回転している場合は（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）、ＤＣモータ５における逆起電力は発生しているので、発電機９に対して相対的に高い所定電圧値、例えば４〜６ボルトの待機電圧が界磁電圧として印加される（ステップＳ２０３）。

（4輪駆動切替制御の各種信号、電流値及び電圧値の時間的特性）
次に、図５を参照して、本実施形態において、図３に示した４輪駆動切替制御ルーチンによって各種信号、電流値及び電圧値が時間進行に応じてどのように変化するかについて説明する。ここに、図５は、図３の４輪駆動切替制御ルーチンによって各種信号、電流値及び電圧値が時間経過とともにどのように変化するかを示すタイミングチャートである。尚、図５の上部に位置する番号は、本４輪駆動制御において、節目となるタイミングの順番を意味する。また、図５において、破線は、比較例における特性曲線を意味する。

図５において、グラフ（ａ）は、時間進行に応じた２輪駆動から４輪駆動への切替えが要求信号の変化を示し、グラフ（ｂ）は、時間進行に応じたＤＣモータ５の界磁電流の変化を示し、グラフ（ｃ）は時間進行に応じた発電機の界磁電圧の変化を示し、グラフ（ｄ）は、時間進行に応じたリレーを作動されるための信号の変化を示し、グラフ（ｅ）は、時間進行に応じたＤＣモータ５の負荷電流の変化を示す。

第１タイミング（図５の上部に位置する番号“１”で記されたタイミング）では、グラフ（ｃ）において、本発明に係る推定手段の一例を構成する発電装置コントロールユニット１００によって、発電機に対して所定電圧値の待機電圧が界磁電圧として印加される。これは、図３のステップＳ１０５における待機電圧の制御により印加されるものである。

第２タイミング（図５の上部に位置する番号“２”で記されたタイミング）では、グラフ（ａ）において、２輪駆動から４輪駆動への切替え要求信号が、Ｏｎに作動される。これは、図３のステップＳ１０３における切替要求が発生したことにより、Ｏｎに作動されるものである。これに応じて即座に、グラフ（ｂ）において、ＤＣモータ５の界磁電流が流れるように制御される。これは、図３のステップＳ１０６における制御である。

第３タイミング（図５の上部に位置する番号“３”で記されたタイミング）では、第２タイミング以降、ＤＣモータ５の界磁電流が目標値に達した後、グラフ（ｄ）において、リレー２０が作動され、発電機９の出力電圧がＤＣモータ５へ供給された接続状態へと切替えられる。これは、図３のステップＳ１０７におけるリレーの作動である。これと殆ど同時に、グラフ（ｅ）において、ＤＣモータ５の負荷電流は、急速に立ち上げられる。これは、第１タイミングにおいて、発電機９に対して所定電圧値の待機電圧が界磁電圧として印加されているからである。加えて、第２タイミングから第３タイミングの間にＤＣモータ４に対して界磁電流が与えられているので、リレー２０が作動される時点では、ＤＣモータ４に適度なリアクタンスが発生している。従って、発電機９からＤＣモータ５へ小さな突入電流が発生させられる。この比較的小さな突入電流によって、ＤＣモータ５の負荷電流の急速な立ち上げが実現され、グラフ（ｅ）の如き特性曲線が得られる。

その後、第３タイミングから第４タイミング（図５の上部に位置する番号“３”〜“４”で記されたタイミング）では、グラフ（ｃ）において、発電機９の界磁電圧が上昇させられるように制御される。これと並行して、グラフ（ｅ）において、この発電機９の界磁電圧の上昇に即応して、ＤＣモータ５に供給される負荷電流が短時間（グラフ（ｅ）中の“Ｔ１”を参照）に目標となる負荷電流に収束される。

図５において、比較例では、破線で示されるように、第３タイミングに至るまで、何らの待機電圧も印加されていない。このため、第３タイミングから第６タイミングでは、グラフ（ｃ）において、発電機９の界磁電圧がゼロボルトから上昇させられるように制御されても、グラフ（ｅ）において、この発電機９の界磁電圧の上昇に即応することはできず、第５タイミングまで、ＤＣモータ５の負荷電流の立ち上がりが大きく遅れた後、ＤＣモータ５の負荷電流が長時間、具体的には約１秒（グラフ（ｅ）中の“Ｔ２”を参照）経って、やっと目標となる負荷電流に収束される。よって、比較例では、応答性が遅く、ＤＣモータ５によるアシスト若しくは後輪又は前輪の駆動の迅速な開始は実現されない。

以上のように本実施形態によれば、比較例との比較からも明らかなように、非常に良好な応答性で、即ち非常に迅速に、ＤＣモータ５によるアシスト若しくは後輪又は前輪の駆動の迅速な開始が実現される。従って、例えば、伝統的に雪道での瞬時発進時における４駆切替の際に発生しやすかった発進スリップなどを、良好な応答性によって効果的に防止できる。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う動力出力装置及び自動車もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本発明の実施形態に係る４輪駆動車両の全体構成を示す図式的ブロック図である。 本発明の実施形態に係る４輪駆動車両の駆動系に含まれる、電気機器部分を示す図式的ブロック図である。 本発明の実施形態に係る４輪駆動切替制御ルーチンを示すフローチャート図である。 本発明の実施形態に係る発電機待機電圧制御サブルーチンを示すフローチャート図である。 本発明の実施形態に係る４駆駆動切替制御ルーチンによって各種信号、電流値及び電圧値が時間経過とともにどのように変化するかを示すタイミングチャートである。

符号の説明

１…４輪駆動車両
２…エンジン
３…前輪
４…後輪
５…ＤＣモータ
５Ａ…電動機界磁コイル
５Ｂ…界磁電流スイッチ
７…補助発電機
８…バッテリ
９…発電機、
９Ａ…発電機界磁コイル
９Ｂ…界磁電流スイッチ
１１…クラッチ
１２…デファレンシャルギヤ
１３Ａ、１３Ｂ…ドライブシャフト
１５…車速センサ
１７…ブレーキ
１８…電子制御スロットル
１９…ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）
２０…リレー
２１…電流センサ
１００…発電装置コントロールユニット

Claims (6)

1. 前輪及び後輪のうち少なくとも一方を駆動する内燃機関を有すると共に２輪駆動と４輪駆動とに相互切替可能な型式の自動車に設けられる動力出力装置であって、
   前記内燃機関の駆動力を利用して発電を行うと共に界磁電流によって出力電力が制御される発電機と、
   該出力電力が供給されて回転すると共に前記内燃機関による駆動をアシストするか若しくはこれに代えて又は加えて前記前輪及び後輪のうち少なくとも一方を駆動する電動機と、
   当該自動車に対し前記２輪駆動から前記４輪駆動への切替である４駆切替を要求する旨の切替要求に応じて、前記４駆切替が行われる際に、前記出力電力の供給路を切断状態から接続状態へと切替えるリレーと、
   前記切替要求が発生するか否かを推定する推定手段と、
   該推定手段により前記切替要求が発生すると推定された場合に、前記４駆切替に先立って前記発電機に対して所定電圧値の待機電圧を界磁電圧として印加する待機電圧制御手段と
   を備え、
   前記推定手段は、(i)前記自動車に設けられている前記２輪駆動及び前記４輪駆動間の相互切替を行うための切替要求スイッチが前記４駆切替を要求していること、(ii)前記自動車が現時点で前記２輪駆動の状態にあること、並びに(iii)前記自動車の車速が所定速度以下であることの条件が満たされるか否かを判定することで、前記切替要求が発生するか否かを推定し、
   前記待機電圧が印加された後に、前記４駆切替が実際に行われる際に、前記電動機の界磁電流を、所定の目標値に制御する電動機界磁電流制御手段を更に備えており、
   前記リレーは、前記電動機の界磁電流が前記目標値に達した後に、前記出力電力の供給路を前記接続状態に切替えることを特徴とする動力出力装置。
2. 前輪及び後輪のうち少なくとも一方を駆動する内燃機関を有すると共に２輪駆動と４輪駆動とに相互切替可能な型式の自動車に設けられる動力出力装置であって、
   前記内燃機関の駆動力を利用して発電を行うと共に界磁電流によって出力電力が制御される発電機と、
   該出力電力が供給されて回転すると共に前記内燃機関による駆動をアシストするか若しくはこれに代えて又は加えて前記前輪及び後輪のうち少なくとも一方を駆動する電動機と、
   当該自動車に対し前記２輪駆動から前記４輪駆動への切替である４駆切替を要求する旨の切替要求に応じて、前記４駆切替が行われる際に、前記出力電力の供給路を切断状態から接続状態へと切替えるリレーと、
   前記切替要求が発生するか否かを推定する推定手段と、
   該推定手段により前記切替要求が発生すると推定された場合に、前記４駆切替に先立って前記発電機に対して所定電圧値の待機電圧を界磁電圧として印加する待機電圧制御手段と
   を備え、
   前記推定手段は、(i)前記自動車に設けられている前記２輪駆動及び前記４輪駆動間の相互切替を行うための切替要求スイッチが前記４駆切替を要求していること、(ii)前記自動車が現時点で前記２輪駆動の状態にあること、並びに(iii)前記自動車の車速が所定速度以下であることの条件が満たされるか否かを判定することで、前記切替要求が発生するか否かを推定し、
   前記待機電圧制御手段は、前記電動機の回転の有無又は大小に応じて、前記所定電圧値を可変設定することを特徴とする動力出力装置。
3. 前輪及び後輪のうち少なくとも一方を駆動する内燃機関を有すると共に２輪駆動と４輪駆動とに相互切替可能な型式の自動車に設けられる動力出力装置であって、
   前記内燃機関の駆動力を利用して発電を行うと共に界磁電流によって出力電力が制御される発電機と、
   該出力電力が供給されて回転すると共に前記内燃機関による駆動をアシストするか若しくはこれに代えて又は加えて前記前輪及び後輪のうち少なくとも一方を駆動する電動機と、
   当該自動車に対し前記２輪駆動から前記４輪駆動への切替である４駆切替を要求する旨の切替要求に応じて、前記４駆切替が行われる際に、前記出力電力の供給路を切断状態から接続状態へと切替えるリレーと、
   前記切替要求が発生するか否かを推定する推定手段と、
   該推定手段により前記切替要求が発生すると推定された場合に、前記４駆切替に先立って前記発電機に対して所定電圧値の待機電圧を界磁電圧として印加する待機電圧制御手段と
   を備え、
   前記推定手段は、(i)前記自動車に設けられている前記２輪駆動及び前記４輪駆動間の相互切替を行うための切替要求スイッチが前記４駆切替を要求していること、(ii)前記自動車が現時点で前記２輪駆動の状態にあること、並びに(iii)前記自動車の車速が所定速度以下であることの条件が満たされるか否かを判定することで、前記切替要求が発生するか否かを推定し、
   前記待機電圧制御手段は、(i)前記電動機における目標負荷電流、(ii)前記電動機における目標トルク、並びに(iii)前記電動機における回転数と前記電動機における界磁電流との積のうち、少なくとも一つに応じて前記所定電圧値を可変設定することを特徴とする動力出力装置。
4. 前記待機電圧制御手段は、
   前記発電機の界磁コイルの電流路を切断状態から接続状態へと切替える界磁切替手段と、
   該界磁切替手段を、前記推定手段による推定結果に応じて切替える界磁制御手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載の動力出力装置。
5. 前記電動機の界磁電流を制御することで前記電動機の回転トルクを制御するトルク制御手段を更に備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の動力出力装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の動力出力装置及び前記内燃機関を備えた前記自動車であって、
   前記２輪駆動の際に、前記内燃機関によって前記前輪が駆動され、
   前記４輪駆動の際に、前記内燃機関によって前記前輪が駆動されると共に前記電動機によって前記後輪が駆動されることを特徴とする自動車。

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