JP4745883B2 - ハイブリッド電気車両のパワートレイン - Google Patents

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Description

本発明は、ハイブリッド電気車両のパワートレインに関連し、具体的には、エンジンからの駆動力を補足すべくトラクション・モータが使用されるものに係る。
ハイブリッド電気車両（Hybrid electric vehicle）のパワートレインは、炭化水素燃料の燃費効率を改善し、且つ、望ましくない排気ガス（エミッション）を低減するため、最新の自動車用に開発されている。電気誘導モータ及びバッテリーからなるサブシステムは、誘導モータのロバスト性が高く、サイズが小さいことから、そのようなハイブリッド電気車両のパワートレインとして特に適している。さらに、誘導モータは、適度な効率を持ち、そして設計が容易である。それは、車両にトラクション・トルクを付与する際に、モータの最も効率的な作動範囲及びエンジンの最も効率的な作動範囲が使用されるように、既知の制御技術を使用して制御することができる。更に、回生制動も利用可能である。
この形式のパワートレインにおいては複数のモータを使用することが可能であり、それは普通のモータ制御器に加えて二つの電力変換器を必要とする。しかしながら、複数のモータを使用することは、製造コストを増加させるとともに、自動車のパワートレイン内におけるパッケージングの問題を引き起こす。また、各モータに個別の電力変換器が要求されることも、パワートレイン全体の設計において望ましくない複雑さを生じさせる。
特許文献１は、誘導モータがエンジンと多段変速機との間のトルク伝達経路内に設けられたハイブリッド電気車両において使用される、複数段に切換可能な動力伝動装置を開示する。モータ及びエンジンは、変速機のトルク入力側に対しパラレル（parallel）な動力伝達経路を規程する。動力伝動装置は、車両の駆動輪に至る複数のトルク伝達経路を形成するための複数のクラッチ及びブレーキを備えた遊星歯車装置を含む。エンジン・クラッチが、車両停止時或いはコースト時にエンジンをトルク伝達系路から切断するために使用される。車両が比較的低出力の駆動状態にあるとき、モータからのトルク伝達経路が独占的に使用され得る。車両がコースト・ブレーキ・モードにあるときには、コーストの間、エネルギーが回収され得る。アクセルペダルが大きく踏み込まれれば、モータからの付加トルクが、エンジンによって生み出されるトルクを増強する。
米国特許6,585,066号明細書
特許文献１に開示されたような種類のパワートレインにおいてエンジン・クラッチが開放されている（オフの）場合、モータが車両を駆動するために使用され得る。エンジン・クラッチが係合していれば（オン）トルク伝達経路は変速機の歯車列によって生成され、モータ及びエンジンが共に車両を駆動する。モータが車両を駆動し、そして、電力需要がエンジンの始動を要求するときには、モータは駆動輪において要求されるトルクレベルを維持するだけではなく、エンジンの摩擦及び、各シリンダー内の混合気を圧縮するのに必要なトルクに打ち勝たなければならない。この、エンジン始動サイクルの間に一時的に生ずる追加のトルク要求は、動力伝動装置においてトルクの急激な減少を引き起こす場合があり、これは、動力伝動装置内に望ましくない捩じれ振動を引き起こし得る。
そこで、本発明は、エンジンのローリング始動の間に生じる可能性のあるハイブリッド電気車両用の動力伝動装置内の捩じれ振動を低減することを目的とする。
本発明の誘導モータのローターは、単一のステーターに対応する二重構造のローター組立体を有する。特許文献１に開示されたモータの単一のローターが、本発明の設計においては、単一のステーター及び単一の変換器に対応する二つのローターによって置き換えられる。二つのローターは独立に作動することも、或いは、ローター・クラッチと呼ばれるクラッチによって機械的に結合されることもでき、このことで、エンジン始動の際の捩じれ力が動力伝動装置から機械的に分離され得る。二つのローターが独立に作動させられるとき、それらの相対速度は、各モータのトルク負荷に依存するであろう。
一つのローターは、エンジン温間時（例えば、エンジン水温が所定温度以上のとき）にエンジンを再始動する能力を持つように設計され、その大きさが決定される。エンジン始動サイクルが進行中のとき、もう一方のローターは車両を駆動し続ける。したがって、エンジン始動のためのトルク負荷に起因する捩じれ振動は、動力伝動装置から機械的に切断される。二つのローターの各々と共通のスターターとの間の個々の磁束フロー経路に起因して、該二つのローター間に生じ得る電気的結合は僅かである。
エンジンが（キーオンによって）始動するときには、両方のローターがトルクを発生するように、前記エンジン始動のためのローターがもう一方のローターに、ローター・クラッチによって機械的に結合される。また、車両のコールド・スタート用（例えば、エンジン水温が所定温度未満のとき）にも、それらのローターは一つに係合される。また、両方のローターによって制動エネルギーを回生することが必要な場合も、両ローターは一つに係合される。
本発明の代替実施形態の一つにおいて、二つのローターは共通のステーター内に軸方向に離間して配置される。別の実施形態において、二つのローターの一方が内側に他方が外側に入れ子状に重ねられ、それによってモーターの実装空間を低減する。別の代替実施形態において、ローター・クラッチの機能を発進クラッチ（launch clutch）と組み合わせることが望ましい場合は、車両の発進時にローターに相対的な滑りが生じるようになる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明するが、説明の便宜のために、まず、本発明と基本的な構成が同じ参考例について説明する。
図１において、エンジン10は概略的に示されている。エンジンは、ダンパー機構14を介して、エンジン・クラッチ12に結合される。クラッチ12のトルク出力側は、トラクション・モータ/ジェネレータ18のローター16に結合される。モータ/ジェネレータ18は、ローター16の周りにステーター20を有し、ローター16とステーター20との間には空隙22が設けられている。ステーター20は、動力変換器である電気変換器26（インバータ）を介してバッテリー24と電気的に接続されている。変換器26は、バッテリー24の電力出力28を、ステーター20に供給される三相交流電圧に変換する。三相交流電圧は符号30で示されている。
ローター16は、図２に示される動力伝動装置である多段変速装置（自動変速機）のトルク入力軸32に機械的に結合されている。
図２において符号34は、エンジンのクランク軸を示す。ローター16は、変速装置の入力軸32と共に回転し、次に、フォワード・クラッチ<FC>36によって第一遊星歯車装置40のサンギア<S1>38に結合される。この歯車装置40は、第二遊星歯車装置46のキャリア44に結合されるリングギア<R1>42を含む。キャリア44のプラネタリ・ピニオン<P2>が、サンギア<S2>72及びリングギア<R2>50に係合する。駆動チェーン52が、リングギア<R2>50に結合され、それは最終駆動遊星歯車装置58のサンギア<S3>54にトルクを伝える。遊星歯車装置58のリングギア<R3>56は、図示されているように固定される。遊星歯車装置58のキャリア60は、トルクを各トルク出力ハーフ軸に伝える出力ディファレンシャル機構62に結合されている。
第一遊星歯車装置40は、第二遊星歯車装置46のリングギア<R2>50に結合されるキャリア64を含む。第二遊星歯車装置46のキャリア44は、ロー・リバース・ブレーキ<L/R>66によって、ブレーキをかけられ得る。
変速装置の入力軸32は、ダイレクト・クラッチ<DC>68によってリングギア<R1>42に結合され得る。それは、リバース・クラッチ<RC>70によって、第二遊星歯車機構46のサンギア<S2>72に結合され得る。
図３に示されるように、図２の歯車装置の第一速(1st)は、フォワード・クラッチ36及びロー・リバース・ブレーキ66の係合によって得られる。第二速(2nd)は、ロー・リバース・ブレーキ66を解放し、サンギア72を固定するバンド・ブレーキ<2/4>74を作動させることによって得られる。第二速から第三速(3rd)への変速は、ダイレクト・クラッチを作動させることによって得られる。フォワード・クラッチ36は、第一速、第二速及び第三速の前進駆動動作の間、その係合状態を維持する。
オーバー・ドライブである第四速(4th)は、ブレーキ74を作動させると同時に、フォワード・クラッチ36を解放してダイレクト・クラッチを作動させることによって得られる。
後進（REV）は、リバース・クラッチ70及び、ロー・リバース・ブレーキを、他の摩擦要素を解放した状態で、作動させることによって得られる。
図４は、本発明の実施形態の全体のシステムブロック図である。図１に概略的に示した参考例とは異なり、図４に示す実施形態のものは、一つのステーター82の内側に置かれた二つのローター78，80を含む。各ローターは、符号84，86として示される空隙によって、ステーター82から離されている。ステーター82用の一つの変換器が符号88で示されている。変換器88は、バッテリ90と電気的に結合されている。
前記図２に概略的に示したような変速装置が、ブロック線92によって図４中に概略的に図示されている。図４のパワートレインのエンジンは符号94で示され、通常、エンジン制御モジュール（engine control module: ECM）と呼ばれるエンジン用の電気マイクロプロセッサ制御器が符号96で示される。
車両全体のシステム制御器（VSC）が、符号98で概略的に示される。それは、データー・リンク100によってエンジン制御モジュール96に結合され、そして、データー・リンク102によって変速装置制御モジュール（TCM）104に結合される。モジュール104は、図４のシステム図のブロック92内には具体的に図示されていないが、前記図３に概略的に示したようなクラッチ及びブレーキの作動と解放を制御する。
変換器88は、三相電圧回路105によってステーター82に電気的に結合される。車両システム制御器98は、符号106で模式的に示されているように、ステーター102に電気的に結合されている。
図４中に示されるローター・クラッチ108が係合されると、二つのローター78，80は互いに駆動可能に結合される。エンジン94は、エンジン・クラッチ110を切断することによって、トルク伝達系路の残りの部分から分離され得る。エンジン・クラッチ110が係合されているときでも、クラッチ110とエンジン94との間に介在するダンパー112によって捻り変動の減衰が図られる。
車両が発進するときに係合される発進クラッチ114は、変速装置92のトルク入力側に配設されている。
電気駆動モードにおいてローター・クラッチ108は解放され、車両に動力を供給すべくローター78（ローター2）が変速装置のトルク入力側に駆動トルクを伝えるようになる。この作動モードにおいて、ローター80（ローター１）は、温間再始動であれば係合されたエンジン・クラッチ110によってローター・トルクをエンジンに伝え、これを始動させる能力を持つ。ローター78において発生するトルクの全ては車両を駆動するために使用される。エンジン始動によって引き起こされる捻り変動はパワートレインの残りの部分から機械的に分離されているため、エンジン始動によって生じるトルク変動を見越した対応は必要ない。
図５は、種々の作動モードのクラッチ係合パターンの概要を示す。キー始動の際、発進クラッチ114は解放（オフ）され、ローター・クラッチは係合（オン）され、そしてエンジン・クラッチはその係合状態を制御される（制御）。車両の運転中でエンジンのローリング始動サイクルが実施されるとき、発進クラッチはオンされ、ローター・クラッチはオフされ、そしてエンジン・クラッチはその係合状態を制御される。車両がエンジン始動に続いて定常状態に達した後、発進クラッチはオンされ、ローター・クラッチはその係合状態を制御され、そしてエンジン・クラッチはオンされる。
回生ブレーキのときには発進クラッチ及びローター・クラッチがオンされ、エンジン・クラッチがオフされる。
図６は、ローター及びステーターが径方向に互いに入れ子状に重なるように配置された、本発明の別の実施形態を示す。この実施形態の要素を特定するために使用される参照数字は、ローター及びステーターがプライム記号を持つ番号によって特定されるものの、それら以外は、図４の実施形態の記載において使用された参照数字と同一である。図６のローター及びステーターの配置を採用することにより、トラクション・モーター全体の軸方向長さを短縮し得る。
図７の実施形態において、ローターは図４の実施形態の場合と同様に軸方向に並んで配列される。この実施形態において使用される参照数字は、図４の実施例の対応する要素の番号に対応してダブル・プライム記号を持つ。図７の実施形態においては、図４の実施形態におけるローター・クラッチが、その実施形態の発進クラッチの機能を併せ持つように構成されるか、或いはこれに代えて若しくはこれに加えて、ローター・クラッチが発進クラッチの機能を併せ持つように制御される。よって、図４の実施形態における発進クラッチは廃止され、コスト及び/又はレイアウトの面で有利になり得る。
本技術分野の当業者にとって、上述の実施形態の修正が、本発明の技術思想または適用範囲から逸脱することなくされ得ることは明らかであろう。そのような修正及びその等価物は、特許請求の範囲によって保護されることは企図されている。
参考例に係るハイブリッド電気自動車のパワートレインの概略図である。 同パワートレイン内で使用される変速装置の概略図である。 同変速装置のクラッチ及びブレーキの係合/解放パターンを示す表である。 本発明の実施形態に係るハイブリッド電気車両のパワートレインの概略図である。 同パワートレインの種々の駆動モードにおける各クラッチの係合/解放パターンを示す表である。 代替実施形態の概略図である。 別の代替実施形態の概略図である。
符号の説明
78 ローター
80 ローター
82 ステーター
88 変換器
92 変速装置
94 エンジン
96 エンジン制御モジュール
98 車両システム制御器
108 ローター・クラッチ
110 エンジン・クラッチ
114 発進クラッチ

Claims (5)

  1. エンジン及びトラクション・モータを共通の軸上に備えたハイブリッド電気車両のパワートレインであって、
    上記エンジン及び上記モータからの動力を車両駆動輪に伝えるための動力伝動装置と、
    上記モータに電気的に結合されたバッテリー・システムと、
    二つのローターと該二つのローターに共通の一つのステーターを有し、該二つのローターの夫々がステーターとの間に空隙を空けて該ステーターに隣接配置されたトラクション・モーターと、
    上記エンジンと上記二つのローターのうちのいずれか一方との間に介設されたエンジン・クラッチと、
    上記二つのローターのうちの他方と上記動力伝動装置との間に介設された発進クラッチと、
    上記二つのローター間に介設されて、一方のローターを他方のローターに結合可能なローター・クラッチと、
    上記各クラッチの係合／解放を制御する制御手段とを、備え、
    上記制御手段は、車両の運転中におけるエンジンのクランキング始動時においては、上記ローター・クラッチを解放状態に制御し且つ上記エンジン・クラッチを係合状態に制御するように構成され、
    上記二つのローターは、そのうち一方が上記ステーターの径方向内側に配設され、他方が該ステーターを取り囲むようにその径方向外側に配設されて、該ステーターを挟んで互いに径方向に離れて配設されているハイブリッド電気車両のパワートレイン。
  2. 上記エンジンと上記エンジン・クラッチとの間にはダンパが設けられている請求項１記載のパワートレイン。
  3. 上記二つのローターは、それらを取り囲む上記ステーターの内側において、上記ローター・クラッチの回転軸の周りに相互に回転可能に、軸方向に並んで配置されている
    請求項１又は２のいずれかに記載のパワートレイン。
  4. 上記発進クラッチ及び上記ローター・クラッチが、共通のトルク入力要素及びトルク出力要素を有する
    請求項１〜３のいずれか一つに記載のパワートレイン。
  5. 上記トラクション・モーターが三相誘導モーターであり、
    上記バッテリー・システムがバッテリー及び動力変換器を含み、
    上記動力変換器は、上記バッテリー及び上記ステーターに電気的に結合されていて、上記バッテリーから分配される電気エネルギーを三相電圧出力として上記ステーターに分配するように構成されている
    請求項１〜４のいずれか一つに記載のパワートレイン。
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