JP5069246B2 - 車両のためのハイブリッドドライブならびにハイブリッドドライブのための伝動装置を制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両のためのハイブリッドドライブに関する。

ＶＤＩニュース（ＶＤＩ−Ｎａｃｈｒｉｃｈｔｅｎ）の技術および経済の分野で、２００５年１月２１日付け（Ｎｏ．３）で、自動車産業のための内燃機関と電動モータとからなるミックスドライブ（ハイブリッドドライブ）について論議する報告書が公開された。記載されているのはガソリンエンジンと電動モータとからなるミックスドライブである。原動機の出力は通常運転中分岐される。一部の出力は直接遊星歯車伝動装置を介して伝わり、残りの出力はジェネレータおよび電動モータを介して流れる。この場合、再充電可能なバッテリが給電される。それぞれの出力分岐は、システム全体の最高で達成可能な効率を指向している。

ケムニッツ技術大学（ＴＵ Ｃｈｅｍｎｉｔｚ）の、インターネットで公開された報告書からは、電気機械式の出力分岐を有する無段式の車両伝動装置（ｓｔｕｆｅｎｌｏｓｅｓ Ｆａｈｒｚｅｕｇｇｅｔｒｉｅｂｅ ｍｉｔ ｅｌｅｋｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｓｃｈｅｒ Ｌｅｉｓｔｕｎｇｓｖｅｒｚｗｅｉｇｕｎｇ、略してＳＥＬ）が見て取れる。この報告書は冒頭で、先に述べたミックスドライブについて論議している。前述の伝動装置の重大な欠点として、被動トルクが、リングギヤおよび電動モータの被動側のトルクの合計よりも決して大きくはなり得ない点が挙げられる。リングギヤトルクはこのコンセプトでは、既に僅かな腕トルクもしくは最大１５０Ｎｍの内燃機関のトルクよりも常に小さい。高い加速および高い登坂能力のために、軽量の車両ですら、６００Ｎｍ以上の被動モーメントを必要とする。冒頭で挙げた駆動コンセプトでは、著しく大きな駆動機械が必要である。

やはりケムニッツ技術大学の報告書に記載されたＳＥＬコンセプトにより、欠点が取り除かれる第１原理が提案される。補足的に、高い被動トルクを形成するために、軸のリングギヤトルクが別の遊星歯車伝動装置段内で高い変速比で被動部に伝達されることが提案される。これにより、両遊星歯車伝動装置段は合計で高い変速比を達成し、１０００Ｎｍ超の駆動トルクが達成され得る。

ここで既に被動トルクに関して肯定的な発展が得られたとしても、ここでも、第２の遊星歯車伝動装置段が使用されなければならず、伝動装置を高価なものとしてしまうことは欠点である。

本発明の課題は、単独の遊星歯車伝動装置あるいは単独の遊星歯車伝動装置段の使用時に、比較的小さな電動モータとの作用結合下で、さらには明らかに減じられた切換手間を有して、それにもかかわらず車両のそれぞれの速度領域での最大の性能が考慮され得るように、背景技術を改良することである。

上記課題は、車両のためのハイブリッドドライブにおいて、少なくともメインモータ、特に内燃機関と、ジェネレータと、電動モータと、サンギヤ、リングギヤ、プラネットキャリアならびにプラネットギヤを有する遊星歯車伝動装置とを有しており、該遊星歯車伝動装置が少なくとも１つの被動軸を有しており、車両の第１の走行領域のために、トルクを加算するため、メインモータおよび電動モータの駆動軸が、遊星歯車伝動装置のサンギヤに連結されており、別の走行領域のために、両モータの一方が、回転数を機械的に加算するため、重畳原理（Ｕｅｂｅｒｌａｇｅｒｕｎｇｓｐｒｉｎｚｉｐ）に応じて力結合式（ｋｒａｆｔｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）に遊星歯車伝動装置のリングギヤに連結可能であるようにしたことにより解決される。

本発明の有利な構成は、装置発明に属する従属請求項から見て取れる。本発明の有利な構成では、遊星歯車伝動装置のリングギヤが、第１の走行領域のために、少なくとも１つのブレーキを介して固定可能である。本発明の別の有利な構成では、少なくとも１つの別のクラッチの切換動作の時間的な経過中、別の走行領域の達成のために、前記ブレーキが解除される。本発明のさらに別の有利な構成では、前記クラッチが、特に湿式の多板クラッチとして形成されている。本発明のさらに別の有利な構成では、前記ブレーキが、特に湿式の多板ブレーキとして形成されている。本発明のさらに別の有利な構成では、電動モータの駆動軸に配置され、遊星歯車伝動装置のリングギヤと係合する駆動部材が設けられている。本発明のさらに別の有利な構成では、電動モータの駆動軸と遊星歯車伝動装置との間に、少なくとも１つの別のクラッチが設けられている。

上記課題は、クラッチを介して互いに結合可能な少なくとも２つのモータと、少なくとも１つの被動軸を有し、リングギヤが少なくとも１つのブレーキを介して固定可能となっている少なくとも１つの遊星歯車伝動装置とを備えるハイブリッドドライブのための伝動装置を制御する方法において、モータを第１の走行領域ではトルクを加算するように接続し、モータの１つを、モータが別の走行領域では回転数を加算して運転されるように、少なくとも１つの別のクラッチを介して切り換えるようにすることによっても解決される。

本発明の有利な構成は、方法発明に属する従属請求項から見て取れる。本発明の有利な構成では、前記クラッチの切換の時間的な経過中、前記ブレーキを解除する。本発明の別の有利な構成では、ハイブリッドドライブを、モータマネージメントとして働く電子装置により、セレクタスイッチを介してハイブリッドドライブが燃費最適化されて運転されるように制御する。本発明のさらに別の有利な構成では、ハイブリッドドライブを、モータマネージメントとして働く電子装置により、セレクタスイッチを介してハイブリッドドライブが最大の加速力の運転状態で運転されるように制御する。

これにより、背景技術を有利に発展させ、単独の遊星歯車伝動装置もしくは単独の遊星歯車伝動装置段だけが、出力的に小さく設定された電動モータとの作用結合下で使用される。

必要ならば、本発明によるハイブリッドドライブは、自動変速機において一般的な従来慣用の、ロックアップクラッチを備えるハイドロダイナミック式のコンバータを装備することができる。その結果、一方では、良好なアイドリング特性が提供され、他方では、下側の（第１の）速度領域から上側の（別の）速度領域への、またはその逆方向での、ショックの少ない切換動作がもたらされることができる。

本発明では、内燃機関として形成されるメインモータ、つまり主原動機が、制御装置を介して常に最適な回転数領域に維持され得る。これにより、ハイブリッドドライブの、既に公知のポジティブな影響量の他、さらには燃料が節約され得る。

本発明によるハイブリッドドライブは、すべての車両で使用され得る。車両とは、とりわけ乗用車、貨物車、バス、商用車両、特別車両、農耕機またはこれに類するもののことを指す。内燃機関および電動モータの出力パラメータを相応に適合すれば、このハイブリッドドライブを船舶（レジャー用および貨物用の船）で使用する可能性も生じる。

本発明の実施例を図面に示し、以下に説明する。図中、
図１は、低速の第１の走行領域で運動可能な車両ハイブリッドドライブのための駆動回路の原理図であり、
図２は、より高速の第２の走行領域で運動可能な車両ハイブリッドドライブのための駆動回路の原理図であり、
図３は、内燃機関を介したジェネレータによるアキュムレータの充電時に電動モータによってのみ駆動される車両ハイブリッドドライブのための駆動回路の原理図であり、
図４は、電動モータによってのみ駆動、厳密に言えば内燃機関を停止した状態でのバッテリ運転で駆動される車両ハイブリッドドライブのための駆動回路の原理図であり、
表１は、従来型の４段式ドライブおよび本発明によるハイブリッドドライブの性能データの対比表である。

それぞれの図面は、車両、例えば乗用車のためのハイブリッドドライブの種々異なる運転状態を示す。図面は、ハイブリッドドライブの機能を示すにすぎず、具体的な構造を示すものではない。

図１は、原理図として、本発明によるハイブリッドドライブ１のための駆動スケマティック図を示す。以下の主要なコンポーネント、すなわち：
メインモータ（Ｈａｕｐｔｍｏｔｏｒ）、すなわち主原動機２として形成された内燃機関、例えばオットーエンジン、ディーゼルエンジンまたは天然ガスエンジンと、電気的なジェネレータ３と、制御装置４と、アキュムレータ５と、遊星歯車伝動装置６（負荷下で切換可能な伝動装置）と、電動モータ（Ｅｌｅｋｔｒｏｍｏｔｏｒ）７と、ハイドロダイナミック式のコンバータ８とが示されている。一般にこの種のハイブリッドドライブで使用されるハイドロダイナミック式のコンバータ８は、車両のアイドリング状態で駆動エネルギが車両の車輪に伝達され得ないことを保証する。ハイドロダイナミック式のコンバータ８はいわば別のクラッチを形成する。メインモータ２は、入力側の駆動軸９に作用し、電動モータ７は、入力側の駆動軸１０を駆動する。駆動軸９，１０はクラッチ１１を介して互いに作用技術的に結合可能である。歯車１２はジェネレータ３を駆動する。ハイブリッドドライブ１のその他の構成部分は、別のクラッチ１３と、ブレーキ１４と、遊星歯車伝動装置６の出力部にある１つの共通の被動軸１５とにより形成される。さらに、遊星歯車伝動装置６内には、リングギヤ１６、サンギヤ１７ならびにプラネットギヤ１８およびプラネットキャリア１９（腕）が配置されている。

図１に示される駆動スケマティック図は、車両、本例では乗用車の第１の走行領域での出力伝達経路を示す。この走行領域での出力伝達経路は、書き込まれた矢印により認識可能である。この場合、メインモータ２はその駆動軸９を介して直接遊星歯車伝動装置６のサンギヤ１７を駆動する。プラネットギヤ１８を介して、メインモータ２のトルクは、遊星歯車伝動装置６のプラネットキャリア１９に、ひいては、これに結合された、本例では唯一の被動軸１５に伝達される。電動モータ７はその駆動軸１０を介してやはりサンギヤ１７を駆動する。クラッチ１１はこの走行領域では閉鎖されている。これにより、両モータ、すなわちメインモータ２および電動モータ７のトルクは、駆動軸９，１０の領域で加算され、説明したようにサンギヤ１７、プラネットギヤ１８およびプラネットキャリア１９を介して遊星歯車伝動装置６の被動軸１５に伝達される。リングギヤ１６はこの走行領域ではブレーキ１４を介して固定されており、クラッチ１３は開放されている。すなわち、クラッチ１３は非作動状態にある。この下側の走行領域で、本発明の駆動調整に基づいて、例えば５０ｋｍ／hまでの走行速度が実現され得る。

この段での純粋に電気的な走行駆動のために、例えばメインモータ２が停止され、クラッチ１１が開放され得る。出力伝達経路はその他の点では図１と同じであり、すなわち、電動モータ７はその出力をその駆動軸１０ならびに遊星歯車伝動装置６を介して被動軸１５に伝達する。

図２は、図１に示されているのと同じ駆動スケマティック図を示す。その結果、同じ符合が通用する。ここでは、図示しない車両の第２の走行領域について説明する。図１と同様、図２でも、この第２の走行領域のための出力伝達経路が矢印で表示されている。メインモータ２の回転数は駆動軸９から、今度は閉鎖されたクラッチ１３を介して、ブレーキ１４の開放時に、直接リングギヤ１６およびプラネットギヤ１８を介してプラネットキャリア１９、ひいては被動軸１５に伝達される。電動モータ７の回転数は、クラッチ１１が今度は開放されているので、サンギヤ１７を介してプラネットギヤ１８に伝達され、ひいてはメインモータ２の回転数に加算されるように重畳される。プラネットギヤ１８を介して、モータ２，７の回転数は、プラネットキャリア１９、ひいては被動軸１５に伝達される。この図示でメインモータ２はジェネレータ３を駆動する。その結果、制御装置４を介してアキュムレータ５が充電され得る。この第２の走行領域は、別の切換動作なしに、５０ｋｍ／ｈを上回る、車両の最終速度までの車両速度のために使用可能である。

これにより、本例では第１の下側の走行領域で両モータ２，７により駆動され、このとき、モータ２，７により放出されるトルクが、駆動軸９，１０ならびに閉鎖されたクラッチ１１を介して加算され、総トルクとなる、車両のためのハイブリッドドライブ１が提供される。総トルクは遊星歯車伝動装置６を介して被動軸１５に導かれる。第２の上側の走行領域で、電動モータ７は、クラッチ１１が開放され、クラッチ１３が閉鎖され、かつブレーキ１４が解除されることにより、停止されるのではなく、切り換えられる。この期間中、システムは重畳伝動装置（Ｕｅｂｅｒｌａｇｅｒｕｎｇｓｇｅｔｒｉｅｂｅ）として働く。電動モータ７から導入される回転数は、遊星歯車伝動装置６のサンギヤ１７を介してプラネットキャリア１９に導かれ、メインモータ２の、リングギヤ１６を介して導入される回転数に重畳もしくは機械的に加算される。これにより、被動軸１５における高い出力回転数が生じ、その結果、上側の走行領域での高い走行速度が提供される。

背景技術に対する利点は、２つのモータ２，７および単独の遊星歯車伝動装置６により２つの走行領域が、第１の走行領域では両トルクが加法的に総トルクを高めるもしくは図示しない車両の牽引力を高めることによって、かつ別の走行領域では両回転数が総回転数もしくは車両の速度を加法的に高めることによって、実現され得る点にある。

図３は、図１および図２に示されているのと同じ駆動スケマティック図を示す。その結果、ここでも同じ構成部分には同じ符合が通用する。ハイブリッドドライブ１の純粋に電気的な走行運転が示されている。この運転状態ではクラッチ１１が開放されている。クラッチ１３は閉鎖されており、ブレーキ１４は開放されている。メインモータ２はジェネレータ３を駆動し、ジェネレータ３は制御装置４を介してアキュムレータ５を充電する。この実施形態のために、別のクラッチ２０，２１が設けられている。この運転状態で、クラッチ２０は開放され、サンギヤ１７は固定され、クラッチ２１は閉鎖されている。これにより、電動モータ７の回転数は直接リングギヤ１６に供給され、そこからプラネットギヤ１８を介してプラネットキャリア１９および被動軸１５に伝達される。この運転状態は凡そ上側の走行領域に相当する。

図４は、メインモータ２が運転されておらず、駆動出力が専ら、アキュムレータ５を介して電力供給される電動モータ７によって供給されるという点を除いて、図３に示すものに実質的に相当する。出力伝達経路は図３の出力伝達経路と同様である。

表１は、対比させる形で、従来型の４段式ドライブの性能データと、本発明によるハイブリッドドライブの性能データとを示す。従来型の４段式ドライブに対して、本発明によるハイブリッドドライブでは、単独の切換動作だけが必要である。低出力の電動モータを考慮すると、僅かな構成手間で、実質的に同じ最高速度および最大力が、例えば乗用車のために実現され得る。このことは、効率最適化された走行もしくは燃料消費の減少の観点での、ハイブリッドドライブを特徴付ける有利な調整可能性の利用により実現される。

低速の第１の走行領域で運動可能な車両ハイブリッドドライブのための駆動回路の原理図である。 より高速の第２の走行領域で運動可能な車両ハイブリッドドライブのための駆動回路の原理図である。 内燃機関を介したジェネレータによるアキュムレータの充電時に電動モータによってのみ駆動される車両ハイブリッドドライブのための駆動回路の原理図である。 電動モータによってのみ駆動、厳密に言えば内燃機関を停止した状態でのバッテリ運転で駆動される車両ハイブリッドドライブのための駆動回路の原理図である。

符号の説明

１ ハイブリッドドライブ
２ 走行駆動メインモータ
３ ジェネレータ
４ 制御装置
５ アキュムレータ
６ 遊星歯車伝動装置
７ 電動モータ
８ ハイドロダイナミック式のコンバータ（ロックアップクラッチ付き）
９ メインモータの駆動軸
１０ 電動モータの駆動軸
１１ クラッチ
１２ 歯車
１３ クラッチ
１４ ブレーキ
１５ 被動軸
１６ リングギヤ
１７ サンギヤ
１８ プラネットギヤ
１９ プラネットキャリア（腕）
２０ 別のクラッチ
２１ 別のクラッチ

Claims (5)

1. 車両のためのハイブリッドドライブにおいて、内燃機関（２）と、ジェネレータ（３）と、電動モータ（７）と、サンギヤ（１７）、リングギヤ（１６）、プラネットキャリア（１９）ならびにプラネットギヤ（１８）を有する遊星歯車伝動装置（６）とを有しており、該遊星歯車伝動装置（６）が少なくとも１つの被動軸（１５）を有しており、前記内燃機関（２）と前記遊星歯車伝動装置（６）との間に、第１のクラッチ（１１）を介して互いに連結可能な第１および第２の駆動軸（９，１０）が延在しており、該第１の駆動軸（９）は前記内燃機関（２）側に、該第２の駆動軸（１０）は前記遊星歯車伝動装置（６）側に配置されており、前記ジェネレータ（３）が前記第１の駆動軸（９）に、前記第１の駆動軸（９）により駆動可能であるように接続されており、前記電動モータ（７）が前記第２の駆動軸（１０）に、該第２の駆動軸（１０）を駆動可能であるように接続されており、前記第１の駆動軸（９）が、第２のクラッチ（１３）を介して前記遊星歯車伝動装置（６）の前記リングギヤ（１６）に接続可能であり、該リングギヤ（１６）が、少なくとも１つのブレーキ（１４）を介して固定可能であり、車両の第１の走行領域のために、前記被動軸（１５）の総トルクを増大させるため、前記ブレーキ（１４）を閉鎖し、前記第１のクラッチ（１１）を閉鎖しかつ前記第２のクラッチ（１３）を開放することにより、前記第１の駆動軸（９）および前記第２の駆動軸（１０）を連結して、内燃機関（２）および電動モータ（７）のトルクを、前記遊星歯車伝動装置（６）のサンギヤ（１７）に導入可能であり、別の走行領域のために、前記被動軸（１５）の総回転数を増大させるため、前記ブレーキ（１４）を開放し、前記第１のクラッチ（１１）を開放し、かつ前記第２のクラッチ（１３）を閉鎖することにより、前記内燃機関（２）の回転数を前記第２のクラッチ（１３）を介してリングギヤ（１６）に伝達し、かつ前記電動モータ（７）の回転数を前記遊星歯車伝動装置（６）のサンギヤ（１７）に伝達することを特徴とする、車両のためのハイブリッドドライブ。
2. 前記第２のクラッチ（１３）が、湿式の多板クラッチとして形成されている、請求項１記載のハイブリッドドライブ。
3. 前記ブレーキ（１４）が、湿式の多板ブレーキとして形成されている、請求項１記載のハイブリッドドライブ。
4. 前記第２の駆動軸（１０）が、遊星歯車伝動装置（６）のリングギヤ（１６）と係合する駆動部材を備え、前記第２の駆動軸（１０）が、前記駆動部材と前記遊星歯車伝動装置（６）との間に、第３のクラッチ（２０）を備え、前記駆動部材が、前記第２の駆動軸（１０）と前記遊星歯車伝動装置（６）のリングギヤ（１６）との間に、第４のクラッチ（２１）を備える、請求項１記載のハイブリッドドライブ。
5. 請求項１から４までのいずれか１項記載のハイブリッドドライブのための伝動装置を制御する方法において、前記内燃機関（２）および前記電動モータ（７）を第１の走行領域では前記被動軸（１５）の総トルクを増大させるように接続し、前記内燃機関（２）および前記電動モータ（７）を別の走行領域では前記被動軸（１５）の総回転数を増大させるように接続することを特徴とする、ハイブリッドドライブのための伝動装置を制御する方法。

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