JP5558630B2 - 電気車両駆動システム - Google Patents
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Description
それにも関わらず、PEVにはいまだ、望まれるべきことが多くある。
PEVの駆動機構は、現在でもまだモータ+ギアボックスモデルを採用しているが、ギアボックスは構造が複雑、組立てが困難、重量が多大かつ製造コストが高い、といった欠点を有し、よって車両の製造コストを大幅に高める。
さらに、バッテリの電気量が限定的でありかつモータ出力が限定的であることに起因して、従来のPEVは高燃費かつ低出力性能という際立った欠点も有し、これがPEV普及の主たる障害となっている。
遊星キャリア上の遊星歯車は、個々に歯車リングおよび太陽歯車と咬み合う。
第1のモータの出力軸は、歯車リングへ接続される。
速度調整モータの出力軸は、制動装置によって太陽歯車へ接続される。
さらに、速度調整モータの速度調整により、第1のモータは高効率の速度範囲で作動し、これにより、エネルギー利用率および耐久的走行可能距離が増大する。
本発明の前述の、かつ/または他の目的、特徴および優位点は、この説明から明らかとなるであろう。
さらに、本発明の明細書を通じて、同じ構成要素は同じ符号で表現される。
図1から図5において、点線は電気接続を示し、かつ実線は機械的接続を示すことは留意されるべきである。
図1に示されているように、本発明が提供する電気車両の駆動システムは、エネルギー貯蔵デバイス1と、エネルギー貯蔵デバイス1へ電気接続される第1のモータ2と、エネルギー貯蔵デバイス1へ電気接続される速度調整モータ3と、太陽歯車4、歯車リング5および遊星歯車7付き遊星キャリア6を含む単列遊星歯車機構とを含む。
遊星キャリア6上の遊星歯車7は、個々に歯車リング5および太陽歯車4と咬み合う。
第1のモータ2の出力軸は、歯車リング5へ接続される。
速度調整モータ3の出力軸は、制動装置8によって太陽歯車4へ接続される。
制動装置8は、速度調整モータ3と太陽歯車4との間の接続をロックし、かつ両者間の機械的エネルギーの伝達を防止するために使用される。
制動装置8は、制動効果を実現できる任意の制動装置であってもよい。
図2は、第1のモータ2の効率特性を示す図である。
第1のモータ2が低効率ゾーンにおいて作動すると、速度調整モータ3は、太陽歯車4の駆動を介して、歯車リング5へ接続される第1のモータ2が高効率ゾーンに対応する速度区間n1−n2で作動することを最大限に保証し、これにより、電気車両のエネルギー利用率および耐久的走行可能距離が増大される。
図3に示されているように、電気車両駆動システムは、遊星キャリア6の出力歯車および前軸差動装置10と咬み合う主減速器9も備え、前軸差動装置10は、前軸の出力軸11上へ配置されかつ主減速器9により伝達される動力を前軸差動装置10を介して前車軸の出力軸11へ出力するために主減速器9へ接続される。
ここでは、電気車両の前輪駆動システムが形成される。
図3における符号「12」は、前車軸の出力軸11上へ設置される車輪を表す。
以下、コントローラに関連する動作について詳述する。
前者の場合、運転者はアクセルを優しく踏むだけでよい。
後者の場合、運転者はアクセルを深く踏み込む必要がある。
この状況下では、制動装置8のロックが単列遊星歯車機構における太陽歯車4を固定する場合があり、これにより、第1のモータ2のみが歯車リング5の回転を駆動し、第1のモータ2と車両発進速度とが一定の比例関係を有して制御に貢献し(車両がギアボックスを用いて発進される際の第1のギアに等しい)、歯車リング5が遊星キャリア6と咬み合ってこれを回転させ、かつ遊星キャリア6が主減速器9および前軸差動装置10を駆動して望み通りの動力を前車軸の出力軸11へ伝達し、これにより車輪が駆動されて回転しかつ車両が駆動される。
この時点で、電気車両の動力は第1のモータ2および速度調整モータ3の双方によって提供され、これにより、アクセルを深く踏み込むという運転者の駆動モードへ適応される。
単列遊星歯車機構における構成部品の回転速度は一定の比例関係、すなわち(1+gRS)ωc=ωS+gRSωR(gRSは歯車リング5と太陽歯車4との間の歯車比であり、ωcは遊星キャリア6の回転速度、ωSは太陽歯車4の回転速度、およびωRは歯車リング5の回転速度である)を有することから、第1のモータ2の速度は、第1のモータ2が高効率の速度範囲、すなわち図2に示されているような[n1,n2]の速度範囲(すなわち、モータによって変わる高効率ゾーンの速度範囲、例えば[2000,2200])にあり、かつ第1のモータ2が高効率を有することを確実にするために速度調整モータ3によって調整されてもよく、これにより、電気車両の耐久的走行可能距離は増大される。
この時点で、電気車両は高い動力を必要とし、かつこの動力は、電気車両の要求トルクを満たすべく第1のモータ2および速度調整モータ3の双方によって提供される。
この時点では、前車軸の出力軸11の機械エネルギーが第1のモータ2を駆動して回転させ、これにより、第1のモータ2は、発生された電気エネルギーをエネルギー貯蔵デバイス1へ伝達する。
この時点では、制動装置8のロックは、前車軸の出力軸11の機械エネルギーが速度調整モータ3のアイドリングを駆動しないように防止する場合があり、これにより、機械エネルギーは第1のモータ2の回転を駆動するために最大限に使用され、さらに多くの電気エネルギーが発生される。
これは、電気車両が極めて短時間で望ましい発進/停止機能および完璧な発進を有することを可能にする。
センサから取得される信号によって動作モードを判断する方法は、当業者により、車両の実際の運転状態および技術上の常識に従って設定されてもよい。
この点に関しては、本発明の内容から外れることから、ここでは詳述しない。
図4に示されているように、電気車両駆動システムはさらに、エネルギー貯蔵デバイス1へ電気接続される第2のモータ14と、第2のモータ14の出力軸へ接続される後軸減速器15と、後軸差動装置16を介して後車軸の出力軸17へ伝達される後軸減速器15の動力を出力するために後車軸の出力軸17上へ配置されかつ後軸減速器15へ接続される後軸差動装置16とを備えてもよい。
ここでは、電気車両の前輪および後輪駆動システムが形成される。
図4における符号「12」は、前車軸の出力軸11および後車軸の出力軸17上へ設置される車輪を表す。
以下、このコントローラに関連する動作について詳述する。
この時点では、電気車両の要求動力が高くないことから、車両は前輪駆動形式で駆動されてもよい。
この状況下では、制動装置8のロックが単列遊星歯車機構における太陽歯車4を固定する場合があり、これにより、第1のモータ2のみが歯車リング5の回転を駆動し、第1のモータ2と車両発進速度とが一定の比例関係を有して制御に貢献し(車両がギアボックスを用いて発進される際の第1のギアに等しい)、歯車リング5が遊星キャリア6と咬み合ってこれを回転させ、かつ遊星キャリア6が主減速器9および前軸差動装置10を駆動して望み通りの動力を前車軸の出力軸11へ伝達し、これにより車輪が駆動されて回転しかつ車両が駆動される。
この時点で、EVの動力は第1のモータ2および第2のモータ14の双方によって提供されかつ車両は四輪駆動形式で発進され、これにより、アクセルを深く踏み込むという運転者の駆動モードへ適応される。
この時点では、電気車両の要求動力が高くないことから、車両は、第1のモータ2および速度調整モータ3により前輪駆動形式で駆動されてもよく、かつ第1のモータ2の速度は、第1のモータ2が高効率の速度範囲にあることを確実にすべく速度調整モータ3によって調整されてもよい。
この時点では、電気車両は高い動力を必要とし、よってこれらの3つが合同して電気車両へ動力を提供する。
これは、電気車両が極めて短時間で望ましい発進/停止機能および完璧な発進を有することを可能にする。
(1) 通常の運転状態(道路が平坦で、十分な密着性を提供できる)の下で、四輪駆動システムは見事な動力性能を提供する場合がある。
(2) 車両が高速で走行している場合には、風圧抵抗が高まる。四輪駆動システムは、走行安定性を強化する場合がある。
(3) 前輪駆動は、車両が加速しながらカーブを曲がろうとする際にアンダーステアリングの問題を有し、また後輪駆動は、車両が加速しながらカーブを曲がろうとする際にオーバーステアリングの問題を有するが、四輪駆動システムは、車両の走行状態に従って駆動力を前輪および後輪に分散する場合があり、よって車両の操舵性能を著しく向上させる。
(4) 田舎道および泥道および雪の降る日の滑りやすい道路といった状態下では、前輪が横滑りすると、四輪駆動システムは前輪のトルク出力を減らして後軸モータのトルク出力を開始し、後輪が横滑りすると、後軸モータのトルク出力を減らして前軸モータ駆動を採用する。これにより、車両の横滑りは防止される場合があり、車両の通過能力は向上される場合がある。
よって、ここでは詳述しない。
図5に示されているように、この電気車両駆動システムはさらに、車両の2つの後輪12上に存在する、エネルギー貯蔵デバイス1へ電気接続されかつ後輪12を直に駆動するために使用される2つのハブモータ18を備えてもよい。
ここでは、電気車両の前輪および後輪駆動システムが形成される。
実施形態2における前輪および後輪駆動システムとの相違は、これが後車軸の出力軸、後軸減速器15および後車軸の出力軸上へ位置決めされる後軸差動装置16を含まず、よって2つの後輪12が2つのハブモータ18によって独立して駆動されることにある。
以下、このコントローラに関連する動作について詳述する。
この時点では、電気車両の要求動力が高くないことから、車両は前輪駆動形式で駆動されてもよい。
この状況下では、制動装置8のロックが単列遊星歯車機構における太陽歯車4を固定する場合があり、これにより、第1のモータ2のみが歯車リング5の回転を駆動し、第1のモータ2と車両発進速度とが一定の比例関係を有して制御に貢献し(車両がギアボックスを用いて発進される際の第1のギアに等しい)、歯車リング5が遊星キャリア6と咬み合ってこれを回転させ、かつ遊星キャリア6が主減速器9および前軸差動装置10を駆動して望み通りの動力を前車軸の出力軸11へ伝達し、これにより車輪が駆動されて回転しかつ車両が駆動される。
この時点で、電気車両の動力は第1のモータ2および2つのハブモータ18により合同して提供され、これにより、アクセルを深く踏み込むという運転者の駆動モードへ適応される。
この時点では、電気車両の要求動力が高くないことから、車両は、第1のモータ2および速度調整モータ3により前輪駆動形式で駆動されてもよく、かつ第1のモータ2の速度は、第1のモータ2が高効率の速度範囲にあることを確実にすべく速度調整モータ3によって調整されてもよい。
この時点で、電気車両は高い動力を必要とし、よってこれらの4つは、電気車両の要求トルクを満たすべく合同して電気車両へ動力を提供する。
これは、電気車両が極めて短時間で望ましい発進/停止機能および完璧な発進を有することを可能にする。
(1) 制動は、ハブモータ18へ制動トルクを提供することによって実現され、これにより、従来の電気車両に使用されるABS、ESPおよび他の制動デバイスは省かれてもよい。
(2) アンダーステアリングまたはオーバーステアリングの場合、車両の安定性は、ハブモータ18から制動トルクまたは駆動トルクを提供することによって実現されてもよく、これにより、ESPと同様の機能が実現される。
よって、ここでは詳述しない。
欠陥は、様々な方法で検出されてもよい。
例えば、コントローラは、実際の速度と期待速度との差をリアルタイムで計算してもよい。
モータのこの差が長期的に既定値(例えば150〜600rpm)を超えれば、そのモータには欠陥があると結論づけられてもよい。
第1のモータ2の場合、その期待速度は(図2に示されているような)その高効率ゾーンに相当する速度ゾーンであり、速度調整モータ3に関しては、その期待速度と第1のモータの期待速度とが一定の比例関係を有する。
この比率は、単列遊星歯車機構によって決定される。
本明細書において言及される「モータ」が、機械エネルギーを電気エネルギーへ、かつ/または電気エネルギーを機械エネルギーへ変換する機械を指すことは留意されるべきである。
これまでに述べた実施形態においては、第1のモータ1は発電モードと電動機駆動モードとを有するモータであるが、他のモータは電動機駆動モードのみを有する。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、第1のモータ1が電動機駆動モードのみのモータであってもよく(この場合、電気車両制動の間にエネルギー貯蔵デバイス1を逆に荷電する機能は削除される)、かつ他のモータが発電モードおよび電動機駆動モードの双方を有するモータであってもよい(必要であれば、電気車両制動の間にエネルギー貯蔵デバイス1を逆に荷電する機能も実現されてもよい)。
エネルギー貯蔵デバイス1は、バッテリ19と、DC/DC変換器20とを備えてもよく、DC/DC変換器20は、バッテリ19へ電気接続されかつバッテリ19との間の入出力へのDC/DC変換を実行するために使用される。
DC/DC変換器20は、電気車両全体の電力消費要求を満たすために、バッテリ19から出力される電気エネルギーへの電圧増加または電圧低下変換を実行してもよい。
例えば、第1のモータ2、速度調整モータ3、第2のモータ14およびハブモータ18のような高電圧デバイスに対して、DC/DC変換器20は、これらの動作要件を満たすために、バッテリ19から出力される電気エネルギーの電圧を上げ、かつ電圧上昇の後にこの電気エネルギーをこれらの高電圧デバイスへ提供する必要がある。
バッテリ19は、リン酸鉄リチウム電池であっても、リチウムマンガン酸塩電池であってもよい。
キャパシタ21の容量が小さければ、制動中のバッテリ19による電気エネルギー回復効果が損なわれ、一方で容量が大きければ高コストとなる場合があり、よって好ましい容量は1500〜1600Fである。
これは、従来構造におけるギアボックスを放棄し、速度調整モータ3および単列遊星歯車機構を採用する。
その結果、パワーアッセンブリは単純かつコンパクトな構造、容易な組立て、軽量および低製造コストによって特徴づけられ、第1のモータ2の速度調整範囲は広がり、かつエネルギー利用率および耐久的走行可能距離は増大される。
電気車両が前輪駆動を採用する場合、速度調整モータ3は、第1のモータ2が最も高い効率の速度範囲で作動しかつ車両がバッテリ19の最大駆動走行可能距離を達成可能であることを確実にするように、第1のモータ2の速度を調整してもよい。
発進、追越し、加速および登坂の動作状態下では、最良の動力性能を提供するように四輪駆動方法が採用されてもよい。
前輪駆動用の第1のモータ2に欠陥があれば、後輪駆動方法を採用するために第2のモータ14またはハブモータが起動されてもよい。
減速または制動の間、速度調整モータ3と太陽歯車4との間の制動装置8はロックされ、第1のモータ2が発電機の機能を果たしてキャパシタ21を充電し、バッテリ19はキャパシタ21が完全に充電されたのちに初めて充電され、これにより、瞬間的な大電流によるバッテリ19への危害は低減され、かつバッテリ19の耐用寿命は延長される。
これらの実施形態に対しては、当業者により、本発明の精神を逸脱することなく様々な変更および修正が行われてもよい。
したがって、本発明の範囲は、添付の請求の範囲によってのみ限定されるべきものである。
Claims (10)
- 電気車両駆動システムであって、
エネルギー貯蔵デバイス(1)と、
前記エネルギー貯蔵デバイス(1)へ電気接続される第1のモータ(2)と、
前記エネルギー貯蔵デバイス(1)へ電気接続される速度調整モータ(3)と、
太陽歯車(4)と、歯車リング(5)と、遊星歯車(7)の付いた遊星キャリア(6)とを備える単列遊星歯車機構と、を備え、前記遊星キャリア(6)上の前記遊星歯車(7)は前記歯車リング(5)および前記太陽歯車(4)と個々に咬み合い、前記第1のモータ(2)の出力軸は前記歯車リング(5)へ接続され、かつ前記速度調整モータ(3)の出力軸は制動装置(8)によって前記太陽歯車(4)へ接続され、
前記遊星キャリア(6)の出力歯車と咬み合う主減速器(9)と、
前記主減速器(9)により伝達される動力を前軸差動装置(10)を介して前車軸の出力軸(11)へ出力するために、前記前車軸の前記出力軸(11)上へ配置されかつ前記主減速器(9)へ接続される前軸差動装置(10)とを備え、
前記駆動システムはさらにコントローラを備え、前記コントローラは前記第1のモータ(2)、前記速度調整モータ(3)および前記制動装置(8)へ電気接続され、かつ下記の動作、すなわち、
前記電気車両が平地発進の動作モードにある状態では、前記コントローラは、前記第1のモータ(2)が始動されかつ電動機駆動の動作モードにあり、前記速度調整モータ(3)が停止されかつ前記制動装置(8)がロックされることを確実にする動作と、
前記電気車両が坂道発進、走行、急加速、登坂または悪路状態の動作モードにある状態では、前記コントローラは、前記第1のモータ(2)および前記速度調整モータ(3)が始動されかつ電動機駆動の動作モードにあり、かつ前記制動装置(8)がロックされないことを確実にする動作と、
前記電気車両が減速または制動の動作モードにある状態では、前記コントローラは、前記第1のモータ(2)が始動されかつ発電の動作モードにあり、前記速度調整モータ(3)が停止されかつ前記制動装置(8)がロックされることを確実にする動作と、かつ/または、
前記電気車両が交通渋滞または交通信号で停止する動作モードにある状態では、前記コントローラは、前記第1のモータ(2)および前記速度調整モータ(3)が停止されかつ前記制動装置(8)がロックされないことを確実にする動作、を実行するように構成される、
電気車両駆動システム。 - 前記速度調整モータ(3)は、前記第1のモータ(2)よりも高い速度および低い動力を有する、
請求項1に記載の電気車両駆動システム。 - 前記駆動システムは、さらに、
前記エネルギー貯蔵デバイス(1)へ電気接続される第2のモータ(14)と、
前記第2のモータ(14)の出力軸へ接続される後軸減速器(15)と、
伝達される前記後軸減速器(15)の動力を後軸差動装置(16)を介して後車軸の出力軸(17)へ出力するために、前記後車軸の前記出力軸(17)上へ配置されかつ前記後軸減速器(15)へ接続される後軸差動装置(16)とを備える、
請求項1に記載の電気車両駆動システム。 - 前記コントローラはさらに、かつ下記の動作、すなわち、
前記電気車両が平地発進の動作モードにある状態では、前記コントローラは、前記第1のモータ(2)が始動されかつ電動機駆動の動作モードにあり、前記速度調整モータ(3)および前記第2のモータ(14)が停止されかつ前記制動装置(8)がロックされることを確実にする動作と、
前記電気車両が坂道発進の動作モードにある状態では、前記コントローラは、前記第1のモータ(2)および前記第2のモータ(14)が始動されかつ電動機駆動の動作モードにあり、前記速度調整モータ(3)が停止されかつ前記制動装置(8)がロックされることを確実にする動作と、
前記電気車両が走行動作モードにある状態では、前記コントローラは、前記第1のモータ(2)および前記速度調整モータ(3)が始動されかつ電動機駆動の動作モードにあり、前記第2のモータ(14)が停止されかつ前記制動装置(8)がロックされないことを確実にする動作と、
前記電気車両が急加速、登坂または悪路状態の動作モードにある状態では、前記コントローラは、前記第1のモータ(2)、前記第2のモータ(14)および前記速度調整モータ(3)が始動されかつ電動機駆動の動作モードにあり、かつ前記制動装置(8)がロックされないことを確実にする動作と、
前記電気車両が減速または制動の動作モードにある状態では、前記コントローラは、前記第1のモータ(2)が始動されかつ発電の動作モードにあり、前記速度調整モータ(3)および前記第2のモータ(14)が停止されかつ前記制動装置(8)がロックされることを確実にする動作と、かつ/または、
前記電気車両が交通渋滞または交通信号で停止する動作モードにある状態では、前記コントローラは、前記第1のモータ(2)、前記第2のモータ(14)および前記速度調整モータ(3)が停止されかつ前記制動装置(8)がロックされないことを確実にする動作、を実行するように構成される、
請求項3に記載の電気車両駆動システム。 - 前記駆動システムはさらに、
前記車両の2つの後輪(12)上に存在する、前記エネルギー貯蔵デバイス(1)へ電気接続されかつ前記後輪(12)を直に駆動するために使用される2つのハブモータ(18)を備える、
請求項1に記載の電気車両駆動システム。 - 前記コントローラはさらに、かつ下記の動作、すなわち、
前記電気車両が平地発進の動作モードにある状態では、前記コントローラは、前記第1のモータ(2)が始動されかつ電動機駆動の動作モードにあり、前記速度調整モータ(3)および前記2つのハブモータ(18)が停止されかつ前記制動装置(8)がロックされることを確実にする動作と、
前記電気車両が坂道発進の動作モードにある状態では、前記コントローラは、前記第1のモータ(2)および前記2つのハブモータ(18)が始動されかつ電動機駆動の動作モードにあり、前記速度調整モータ(3)が停止されかつ前記制動装置(8)がロックされることを確実にする動作と、
前記電気車両が走行動作モードにある状態では、前記コントローラは、前記第1のモータ(2)および前記速度調整モータ(3)が始動されかつ電動機駆動の動作モードにあり、前記2つのハブモータ(18)が停止されかつ前記制動装置(8)がロックされないことを確実にする動作と、
前記電気車両が急加速、登坂または悪路状態の動作モードにある状態では、前記コントローラは、前記第1のモータ(2)、前記2つのハブモータ(18)および前記速度調整モータ(3)が始動されかつ電動機駆動の動作モードにあり、かつ前記制動装置(8)がロックされないことを確実にする動作と、
前記電気車両が減速または制動の動作モードにある状態では、前記コントローラは、前記第1のモータ(2)が始動されかつ発電の動作モードにあり、前記速度調整モータ(3)および前記2つのハブモータ(18)が停止されかつ前記制動装置(8)がロックされることを確実にする動作と、かつ/または、
前記電気車両が交通渋滞または交通信号で停止する動作モードにある状態では、前記コントローラは、前記第1のモータ(2)、前記2つのハブモータ(18)および前記速度調整モータ(3)が停止されかつ前記制動装置(8)がロックされないことを確実にする動作、を実行するように構成される、
請求項5に記載の電気車両駆動システム。 - 前記コントローラはさらに、下記の動作、すなわち
前記コントローラへ接続されるモータの状態を検出する動作と、
欠陥のあるモータを停止しかつ欠陥のないモータを用いて駆動する動作、を実行するように構成される、
請求項1、4または6に記載の電気車両駆動システム。 - 前記エネルギー貯蔵デバイス(1)は、
バッテリ(19)と、
前記バッテリ(19)へ電気接続されかつ前記バッテリ(19)との間の入出力へのDC/DC変換を実行するために使用されるDC/DC変換器(20)とを備える、
請求項1に記載の電気車両駆動システム。 - 前記エネルギー貯蔵デバイス(1)はさらに、
前記DC/DC変換器(20)と前記バッテリ(19)との間に配置されるキャパシタ(21)を備える、
請求項8に記載の電気車両駆動システム。 - 前記エネルギー貯蔵デバイス(1)はさらに、
前記バッテリ(19)へ電気接続されかつ前記バッテリ(19)の充電、放電およびバランシングを管理するために使用されるバッテリ管理システム(22)を備える、
請求項8または9に記載の電気車両駆動システム。
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