JP4187933B2 - 自動車用の切換え可能なクラッチを有するハイブリッド駆動システム - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、特許請求の範囲の請求項１の上位概念の中で、詳細に定義された方法に従う、自動車用ハイブリッド駆動システムに関する。
【０００２】
自動車用駆動システムは通常、少なくとも１個の電動機を備えており、当該電動機が、例えば駆動ユニットそれ自体であり得る。
【０００３】
バッテリーまたは車載燃料電池から電気エネルギーが供給される駆動モーターとしての電気モーターは、排気ガスのない、そしてほとんど騒音のない走行を可能にする。その際、これら電気モーターは、その構造においてコンパクトである。欠点は、電気のみで駆動される自動車の走行出力が、従来のバッテリーの使用可能な蓄電容量によって強く制限されていることで、電気自動車はこれまで特殊な領域においてしか使用されていない。
【０００４】
電気のみの駆動システムの他に、部分的電気駆動の自動車も知られており、これは実際には「ハイブリッド駆動システム」とも呼ばれている。当該部分的電気駆動システムは、駆動ユニットとして、主に内燃機関を備え、これによって当該自動車の高い走行性能及び長い航続距離が可能になる。補足的に、少なくとも一つの電動機が、内燃機関（エンジン）とトランスミッションとの間に、ドライブトレーン（動力伝達装置）に対して直列または並列に配置されている。そしてこの電気駆動の利点は、例えばブレーキエネルギーの回収及び排気ガスのない走行を提供することである。
【０００５】
直列ハイブリッドでは、ある一つの走行範囲で、限られた出力で電気だけで走行する。つまり、エンジン及び電動機は停止しており、このときは、必要な全エネルギーはバッテリーから供給される。第２の走行範囲ではエンジンで走行し、これが第２の、発電機として作動する電動機を駆動し、当該電動機がまた電気運転での走行モーター用エネルギーを供給する。この種の直列ハイブリッド駆動システムは、クラッチなしで常時摩擦接続で作動する。
【０００６】
並列ハイブリッドでは、トランスミッション入力軸と結合している電気モーターを使って、電気だけで発進される。その間、エンジンは停止しており、エンジンは摩擦クラッチによってトランスミッション入力軸から分離されている。大きな出力が必要な場合、例えば一定の速い車速から、エンジンがクラッチを締結することによって始動され、そこでエンジンは一次駆動源として使用される。そして電気モーターは、補助駆動源、ないしはブースター、または車両バッテリーに充電するための発電機として使用され得る。
【０００７】
エンジン、自動ギヤ変速装置、バッテリー、インバーター及び永久励磁の同期機を備えた種の並列ハイブリッドは、例えばドイツの出版物ＶＤＩ報告１３７８（１９９９年）、Ｍ．Ｌｅｈｎａ著の「アウディ デュオ、シティ・ロジスティック用ハイブリッド自動車」の６２３から６４７頁に記載されている。
【０００８】
しかしながら、これらの公知の並列ハイブリッドの場合、欠点は、クラッチを締結すると、出力に著しい牽引力の低下が発生することである。
【０００９】
スタータートルクがピニオンを介してエンジンのフライホイールに伝達されることによって、従来のスターターを使ってエンジンは始動回転数に上げられる。この公知のスターターは、それを介してエンジンを回転させるために、作動時にピニオンがフライホイール上のリングギヤに噛合うよう、エンジンブロックにフランジ接合されている。
【００１０】
この種のスターターでは、さらに、出力が不充分であり、その寿命は非常に限られているという欠点が明らかになっている。
【００１１】
この限られた寿命のために、当該スターターは、エンジンのスイッチのオン／オフに関係する「発進−停止−運転」には不適切となる。ただし、発進に電気モーターを使用する並列ハイブリッドは、基本的には燃料消費量を大幅に低下させる運転方法に適している。この場合、エンジンは、車両停止中はスイッチが切られており、エンジンが真に必要とされる時のみ、始動される。
【００１２】
出版物「欧州自動車デザイン」１９９８年４月版の２４頁に、もう一つのスターターが紹介されている。この装置の場合、エンジンとトランスミッションとの間に設置されている電気モーターは、エンジンのクランクシャフトに直接接続されており、さらにスターター機能のために、発電機機能を備えている。
【００１３】
しかしながら、この解決の場合も同様に、エンジンのクランクシャフトがトランスミッション入力軸と結合する際、必然的に牽引力の低下が生じる。
【００１４】
エンジンをその始動回転数ないしアイドル回転数に加速する、実践から公知のもう一つの方法は、電気モーターで発進される間に、エンジンをトランスミッション入力軸と結合させる前に、始動することである。ここではクラッチは、回転数差がゼロのときに、始めて締結される。
【００１５】
唯一のこのために使用できる電気モーターでは、車両停止時に、当該モーターがまずエンジンを始動しなければならない。そのとき、ギヤはニュートラル位置にあり、クラッチは締結している。この間、車両を駆動することはできない。エンジンが作動して初めて、エンジンと電動機との間にあるクラッチが開放され得て、キヤが第１速に入れられ得て、それから発進が始まることができる。
【００１６】
欠点となるのは、これによって、発進が明白な時間的遅れを伴って始まることである。
【００１７】
公知のハイブリッド駆動システムのもう一つの欠点は、例えばトランスミッション内に統合されているギヤの油圧ポンプが、シフトエレメントに圧力を供給するために発進時に必要な回転数にすることが困難なことにある。というのは、当該油圧ポンプは通常、エンジンによって駆動されるが、電気的発進時はエンジンは停止しているからである。
【００１８】
実際には、この問題は油圧ポンプの外部配置と独自のエネルギー源による駆動で解決されるが、非常に手間やコストがかかることが明らかになっている。
【００１９】
本発明は、自動車及びそのユニットの電源供給が効率よく、構造的に簡単な方法で、出力需要が少ない時は電気駆動で、より高い出力が要求されるときはエンジンへの切換えが可能であり、その切換え中の牽引力の低下が可能な限り回避される自動車用ハイブリッド駆動システムを創造すること、を課題とする。
【００２０】
本発明により、この課題は、特許請求の範囲の請求項１の特徴部分に従うハイブリッド駆動システムにより解決される。
【００２１】
本発明によるハイブリッド駆動システムにより、有利な方法で、発進時あるいは例えば停車−及び−発進−運転のような低速時または駐車場での車両の出し入れ時に、非常に経済的で環境負荷の少ない、純粋に電気による運転が可能になる。エンジンと電動機との間にある第２クラッチを締結することにより、すでに作動しているエンジンに切り換えられ、その結果、車両の全出力が使用できる。
【００２２】
本発明による電動機及び切換え可能クラッチの構成により、切換過程は、特筆すべき牽引力の低下もなく実現することができる。というのは、エンジンとトランスミッション入力軸との結合が少ない回転数差、最適にはゼロである、で行われ得るからである。
【００２３】
エンジンとトランスミッション入力軸あるいは第２電動機との間のドライブトレーンの中の本発明による組み入れにより、第１電動機は、有利なことに、多数の機能を引き受けることができる。それは、エンジンのスターターとして、または、電気システムの発電機として、つまり、バッテリーの充電または他の電装品への電気出力の供給のため、ならびに、車両トランスミッションの油圧ポンプの駆動部として、そして場合によっては、エアコンコンプレッサー、パワーステアリングポンプ、ブレーキブースターまたはウォーターポンプ等の補助ユニットの駆動部として、動作され得る。
【００２４】
これによって本発明は、従来のハイブリッド駆動システムなら重要なコスト要因になっていた、例えばスターター、発電機またはポンプ駆動機等、多数の電気構成部品が不要になるという利点を供する。
【００２５】
さらに本発明による解決で、改善された発進−停止−運転（発進と停車との繰り返し運転）が可能になった。というのは、エンジンは、電気のみによる発進過程の間、第１電動機で、当該駆動への反作用なしで、短時間のうちに始動され得るからである。
【００２６】
もう一つの利点は、高い牽引力が必要とされる発進時における反応の改善である。電気的発進時に、例えば上り坂（山）またはキック−ダウン−操作時等の突然高い牽引力の必要性が生じた時、エンジンは自動的に始動されなければならない。第２電動機で発進され得て、同時に、エンジンが第１電動機によって始動され、すべりクラッチを介して切り換えられ得る本発明による構成で、反応時間における明らかな改善が達成され得る。
【００２７】
この時、有利なことに、エンジンのトルク、第１電動機のトルク及び第２電動機のトルクからの総和である非常に高い牽引力の供給が生じる。
【００２８】
本発明は、特にオートマチックトランスミッションに適しているが、しかし、どの種類のトランスミッションにも使用できる。
【００２９】
本発明のその他の利点及びその他の構成は、下位請求項及び以下の図を基に原理的に説明された実施例から明らかになる。
【００３０】
図１は、電動機を並列ハイブリッドとして構成した自動車用ハイブリッド駆動システムの概略図である。
【００３１】
図２は、電動機を直列ハイブリッドとして構成した自動車用ハイブリッド駆動システムの概略図である。
【００３２】
図１及び図２に関して、自動車用ハイブリッド駆動システムが、ドライブトレーン１とともに極めて図式的に描写されている。当該ドライブトレーンは、エンジン２とオートマチック・トランスミッションを呈している複数ギヤのトランスミッション３との間に、第１電動機４と、トランスミッション入力軸５に直接及び常時結合されている第２電動機６と、を備えている。モーターとしてかつ発電機として各々作動可能である電動機４及び６とエンジン２との間には、それぞれ切換え可能なクラッチ７及び８が配置されている。
【００３３】
図１による仕様では、切換え可能な第１クラッチ７及び第１電動機４が、エンジン２と切換え可能な第２クラッチ８との間のドライブトレーン１から分岐する、並列のサイドトレーン９内に配置されており、並列ハイブリッドを形成している。これによって、第１電動機４は第１クラッチ７によって、第２電動機６は第２クラッチ８によって、エンジン２から切り離される。
【００３４】
これに対し、直列ハイブリッドを示す図２による仕様では、ドライブトレーン１内のトランスミッション３の方向に第１の切換え可能なクラッチ７及び第１電動機４が、そしてその後に第２の切換え可能なクラッチ８及び第２電動機６が直列に配置されている。
【００３５】
この二つの仕様では、第１電動機４はエンジン２を始動するために設けられており、その場合、第１クラッチ７は締結されているかまたは摺動している。
【００３６】
原理的に、スターター機能は、二つの電動機４及び６によって引き受けられ得る。エンジン２が例えば非常に冷えている時、第２電動機６より小さく設計されている第１電動機４は、エンジン２を始動するための十分なトルクを発揮しない場合があり、その結果、幾らか強力な第２電動機６が一定の温度の下でスイッチ投入される。この方法により、エンジン２を始動するために、常に十分なトルクが発揮される。
【００３７】
第２電動機６は、主にエンジン２の非結合時の電気的発進用に装備されている。
【００３８】
しかし、発進は、第２電動機６でも、接続されて回転しているエンジン２でも可能である。というのは、第１電動機４と第１クラッチ７を介して結合されているエンジン２は、発進過程の間、一定の限界を超える牽引力の要求があると、トランスミッション入力軸５及び第２電動機６と連結可能であるからである。このために、第２クラッチ８は摺動状態に切り換えられる。
【００３９】
このような連結で、トルクの増大が達成される。このとき、例えば追加のトルクピークを有するコンバーターよりもさらに大きな発進出力を可能にする非常に大きなトルクが自由に使える。
【００４０】
通常運転の場合は、図示された実施例の第２切換え可能クラッチ８は、回転数差がゼロで、エンジン２を始動することによる牽引力低下が生じないとき、エンジン２をトランスミッション入力軸５と結合する。
【００４１】
回転数差が小さいときの噛合い（結合）も、当然可能である。これを実施可能にするために、本実施例のクラッチ７、８は、摩擦接続クラッチとして完成しており、この場合、回転数差は、まず摩擦によって軽減される。
【００４２】
表示されたいずれの仕様でも、第１電動機４は、オートマチックトランスミッション３の油圧ポンプ１０と直接結合している。当該油圧ポンプ１０は、第１切換え可能クラッチ７と第１電動機４との間に配置されている。当該油圧ポンプは、電気的には第１電動機４で、または、機械的にはエンジン２で締結された第１クラッチ７を介して、駆動される。
【００４３】
当該油圧ポンプ１０が純粋に機械的に駆動される時、第１クラッチ７は締結されており、エンジン２と油圧ポンプ１０との間に動力流（摩擦接続）が存在し、電気的変換損失は何ら生じないし機械的損失もほとんど生じない。そのために、電気的駆動の場合よりも明らかに向上した効率が得られる。
【００４４】
さらに、図示された油圧ポンプ１０の配置は、その油圧ポンプがエンジン２の主要運転範囲に相当する狭い回転数域で運転され得るという利点を持つ。当該油圧ポンプ１０は、電気的に、制御弁なしに、より高い回転数に調整され得るので、その結果、必要な油量だけを送油し、そのために寸法をより小さく取ることも可能である。
【００４５】
油圧ポンプ１０が電気的にも機械的にも駆動され得ることによって、ポンプの設計をより低回転数域にすることが可能で、その場合、ポンプの損失がさらに少ない最適な運転が達成され得る。
【００４６】
図１及び図２から読み取ることができるように、電動機４，６は、パワーエレクトロニクス１１を介して、相互にそしてバッテリーである電源１２に、接続されている。
【００４７】
第１電動機４は、バッテリー１２からの電流で、またはパワーエレクトロニクス１１を介して第２電動機６の電流で、作動可能である。後者の場合、第２電動機６は発電機として作動し、第２クラッチ８は、開放または摺動状態に切り換えられる。
【００４８】
これに対するもう一つの可能性では、第１電動機４も発電機として運転され得て、その場合、第２クラッチ８は、締結または摺動状態に切り換えられている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電動機を並列ハイブリッドとして構成した自動車用ハイブリッド駆動システムの概略図である。
【図２】 電動機を直列ハイブリッドとして構成した自動車用ハイブリッド駆動システムの概略図である。

Claims (16)

1. エンジン（２）と可変ギヤを有するトランスミッション（３）との間に、第１電動機（４）と、第２電動機（６）と、を有し、各々がモーターとしてかつ発電機として作動可能である当該電動機（４、６）とエンジン（２）との間に、各々切換え可能なクラッチ（７、８）が配置されているドライブトレーン（１）を備えた自動車用ハイブリッド駆動システムであって、
   第２電動機（６）は、トランスミッション入力軸（５）と常時結合しており、
   第１電動機（４）は、トランスミッション（３）の油圧ポンプ（１０）と直接結合しており、
   油圧ポンプ（１０）は、第１切換え可能クラッチ（７）と第１電動機（４）との間に配置され、機械的にはエンジン（２）によって、電気的には第１電動機（４）によって、駆動可能である
   ことを特徴とするハイブリッド駆動システム。
2. ドライブトレーン（１）内で、下って第１の切換え可能なクラッチ（７）及び第１電動機（４）が、そしてその後に第２の切換え可能なクラッチ（８）及び第２電動機（６）が、直列に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド駆動システム。
3. 第１の切換え可能なクラッチ（７）及び第１電動機（４）が、エンジン（２）と第２の切換え可能なクラッチ（８）との間のドライブトレーン（１）から分岐する、並列のサイドトレーン（９）内に配置されており、
   第１電動機（４）は第１クラッチ（７）によって、第２電動機（６）は第２クラッチ（８）によって、エンジン（２）から切り離すことができるようになっている
   ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド駆動システム。
4. 第１電動機（４）は、エンジン（２）を始動するために備えられており、その際、第１クラッチ（７）は締結されているかまたは摺動している
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のハイブリッド駆動システム。
5. 第２電動機（６）は、電気的発進過程用に設けられている
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のハイブリッド駆動システム。
6. 第２の切換え可能なクラッチ（８）は、両者の回転数差が所定の限界値より小さい時、エンジン（２）をトランスミッション入力軸（５）と結合する
   ことを特徴とする請求項１乃至５に記載のハイブリッド駆動システム。
7. 第２の切換え可能なクラッチ（８）は、両者の回転数差が少なくともゼロに近い時、エンジン（２）をトランスミッション入力軸（５）と結合する
   ことを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド駆動システム。
8. 第１電動機（４）と第１クラッチ（７）を介して結合されているエンジン（２）は、一定の限界値を超える牽引力の要求があると、トランスミッション入力軸（５）及び第２電動機（６）と結合可能であり、その際、第２クラッチ（８）は摺動状態に切り換えられている
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のハイブリッド駆動システム。
9. 第２電動機（６）は、エンジン（２）の規定の温度の下では、スターターとして切り換え可能である
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のハイブリッド駆動システム。
10. 電動機（４、６）は、パワーエレクトロニクス（１１）を介して、相互に及び／または電源（１２）に接続されている
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のハイブリッド駆動システム。
11. 第１電動機（４）は、バッテリー（１２）であるエネルギー源からの電流で、または、パワーエレクトロニクス（１１）を介して第２電動機（６）の電流で、作動可能であり、その際、第２電動機（６）は発電機として作動し、第２クラッチ（８）は開放または摺動状態に切り換えられている
    ことを特徴とする請求項１０に記載のハイブリッド駆動システム。
12. 第１電動機（４）は発電機として作動しており、その際、第２クラッチ（８）は、締結または摺動状態に切り換えられている
    ことを特徴とする請求項１０に記載のハイブリッド駆動システム。
13. 第１クラッチ（７）及び／または第２クラッチ（８）として、各々摩擦接続クラッチが設けられている
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載のハイブリッド駆動システム。
14. 第１電動機（４）は、一つまたは複数の補助ユニットと、当該ユニットの駆動のために結合している
    ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載のハイブリッド駆動システム。
15. 第２電動機（６）は、第１電動機（４）よりも大きな出力を有している
    ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載のハイブリッド駆動システム。
16. トランスミッションは、オートマチックトランスミッション（３）として構成されている
    ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載のハイブリッド駆動システム。

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