JP6197465B2 - ハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッドシステムの動力伝達方法 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッドシステムの動力伝達方法に関する。

内燃機関と電動発電機の両方を搭載するハイブリッド車両（ＨＥＶ）では、内燃機関の出力により電動発電機を駆動して発電して、この発電した電力をバッテリに充電したり、このバッテリに充電した電力で電動発電機を駆動して内燃機関の出力をアシストしたりしている。この内燃機関で電動発電機を駆動する場合には、内燃機関の駆動力を電動発電機に伝達する必要がある。

そのようなハイブリッド車両において、内燃機関のクランク軸と電動発電機との間の動力伝達を断接するためにクラッチなどの動力断接装置を設けた場合に、その動力断接装置を断状態から接状態にするときに、大きなショック（振動など）を発生したり、接続時間が長くなったりして、動力断接装置が劣化して寿命が短くなる、あるいは接状態になるまでの間の電動発電機の電気損失が多くなるという問題がある。

これに関して、クラッチ（動力断接装置）の接続状態への切り替え時にクラッチの回転伝達機構側の回転数を目標回転数として回転電機（電動発電機）の回転数制御を行う手段と、目標回転数とクラッチの回転伝達機構側の回転数との回転差が所定の許容範囲に入るのを待ってクラッチを接続状態へ切り替える装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記の装置では、動力断接装置を切り換えるときの電動発電機の回転数制御によって、電動発電機の発電効率又は駆動効率の高い回転領域を外れる可能性があり、電動発電機におけるエネルギー損失が一時的に大きくなり、燃費が悪化するという問題がある。一方、電動発電機の発電効率又は駆動効率の高い回転領域に収めるように電動発電機の回転数を制御しようとすると、今度は動力断接装置の切り替え時の回転差が所定の許容範囲に収まらないという問題がある。

特開２００３−２３７３８３号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その課題は、動力断接装置によりクランク軸と電動発電機との間の動力伝達を切断した状態から接続するときに、接続直後の電動発電機の電気的特性の効率を低減させずに、大きなショックを抑制することができると共に、接続に掛かる時間を短縮することができるハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッドシステムの動力伝達方法を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明のハイブリッドシステムは、内燃機関と電動発電機を有するハイブリッドシステムにおいて、前記内燃機関のクランク軸に直結して無段変速機構を設け、該無段変速機構に前記電動発電機を連結すると共に、前記クランク軸と前記電動発電機との間を断接する動力断接装置を設けて構成され、前記動力断接装置により前記クランク軸と前記電動発電機との間を断接する断接手段と、前記内燃機関の回転数と前記電動発電機の予め定めた高効率回転領域内に設定された目標回転数とに基づいて前記無段変速機構の変速比を前記電動発電機の回転数を前記高効率回転領域に限定する変速比に変化させる変速比変化手段と、前記電動発電機の回転数又は前記無段変速機構の変速比の少なくとも一方を変化させて、前記動力断接装置における前記クランク軸側から伝達された第１回転数に前記電動発電機側から伝達された第２回転数を近づけて、前記第１回転数及び前記第２回転数の回転数差を予め定めた接続許可値まで減少する回転数差減少手段とを有する制御装置を設け、前記内燃機関の運転中に、前記クランク軸と前記電動発電機との間を切断した状態から接続する場合に、前記制御装置は、前記電動発電機を前記目標回転数で駆動すると共に前記変速比変化手段が前記無段変速機構の変速比を前記クランク軸と前記電動発電機との間を接続したときの前記電動発電機の回転数を前記高効率回転領域に限定する変速比に変化させた後に、前記回転数差減少手段が前記電動発電機の回転数を前記高効率回転領域に維持しながら、前記回転数差を前記接続許可値まで減少した後に、前記断接手段で前記動力断接装置により前記クランク軸と前記電動発電機との間を接続する制御をすることを特徴とする。

この構成によれば、内燃機関の運転中に、予め電動発電機の回転数が高効率回転領域に限定されるように、無段変速機構の変速比を変化させておくと共に、動力断接装置におけるクランク軸側から伝達された第１回転数と、電動発電機側から伝達された第２回転数との回転数差を減少してから、動力断接装置を接状態にして、クランク軸と電動発電機との間を接続する。

これにより、動力伝達の接続直後の電動発電機の電気的特性の効率を低減させずに、クランク軸と電動発電機との間を切断した状態から接続する場合に発生する大きなショックを抑制することができると共に、接続に掛かる時間を短縮して応答性を向上することができる。結果、動力断接装置の劣化を防止して動力断接装置の寿命を延ばすことができると共に、電動発電機の電気損失を低減して燃費を向上することができる。

なお、上記の構成では、動力断接装置の配置場所については限定されず、内燃機関と無段変速機構との間、又は無段変速機構と電動発電機との間に配置してもよい。あるいは、電動発電機を複数設ける場合は、その複数の電動発電機の間に設けてもよい。

また、電動発電機の動力伝達に無段変速機構を介すことで、例えば、内燃機関と電動発電機の回転数比を連続的に変更できるレシオ可変機構として、ベルト（又はチェーン）式ＣＶＴ等の無段変速機構を用いて、内燃機関のクランク軸の動力を電動発電機に伝達するので、内燃機関のクランク軸の回転数の変動に依存することなく、電動発電機の回転軸の回転数を電動発電機の発電又は駆動に適した電気的特性の効率の高い高効率回転領域に限定するように制御することができる。

そのため、電動発電機における回転数の使用回転域が限定されることにより、電気的特性の効率が高い状態で電動発電機を使用することが可能となり、発電時及び電動駆動時のエネルギー効率を高めることができる。また、電動発電機側において、過大な回転数で使用できるように信頼性を確保するために必要とされる過剰な構成の軸受け構造及び高強度の構造体を採用する必要が無くなる。その結果、電動発電機及びハイブリッドシステムの小型化及び軽量化を図ることができる。

また、上記のハイブリッドシステムにおいて、前記回転数差減少手段に、前記電動発電機の回転数を予め定めた高効率回転領域に限定するように変化させて、前記第１回転数に近づけるように前記第２回転数を増加する回転数変化手段を設けて構成されると、電動発電機の動力を上げて電動発電機の回転数を高効率回転領域内で変化させて、第１回転数に近づけるように第２回転数を増加するので、電動発電機の電気的特性を効率の高い状態に維持しながら、容易に回転数差を減少することができる。

加えて、上記のハイブリッドシステムにおいて、前記回転数差減少手段に、前記電動発電機の回転数を前記高効率回転領域に維持しながら、前記回転数差を前記接続許可値まで
減少するように前記無段変速機構の変速比を変化させる回転数差減少変速比変化手段を設けて構成されることが望ましい。

この構成によれば、回転数差を減少するときに、電動発電機の回転数を駆動効率及び回生効率の高い高効率回転領域に維持しながら、無段変速機構の変速比を変化させることにより、第１回転数を減少する、あるいは第２回転数を増加することができるので、回転数差を減少すると共に、接続直後の電気損失を抑制することができる。

そして、上記の課題を解決するための本発明のハイブリッド車両は、上記のハイブリッドシステムを搭載して構成される。この構成によれば、内燃機関の運転中に、動力断接装置を断状態から接状態にしても、接続直後の電動発電機の電気的特性の効率を低減させずに、接続時の大きなショックを抑制すると共に接続に掛かる時間を短縮して運転性を向上させることができるハイブリッド車両を提供することができる。

そして、上記の課題を解決するための本発明のハイブリッドシステムの動力伝達方法は、無段変速機を介して内燃機関と電動発電機との動力伝達を行うハイブリッドシステムの動力伝達方法において、前記内燃機関の運転中に、前記内燃機関のクランク軸と前記電動発電機との間の動力を切断した状態から接続した場合に、前記電動発電機を予め定めた高効率回転領域内に設定された目標回転数で駆動して、前記内燃機関の回転数を検知して、検知した前記内燃機関の回転数と前記目標回転数とに基づいて前記無段変速機構の変速比を前記クランク軸と前記電動発電機との間の動力伝達を接続したときの前記電動発電機の回転数を前記高効率回転領域に限定する変速比に変化させて、前記無段変速機構の変速比を変化させた後に、前記電動発電機の回転数を前記高効率回転領域に維持しながら、前記電動発電機の回転数又は前記無段変速機構の変速比の少なくとも一方を変化させて、前記動力断接装置における前記クランク軸側から伝達された第１回転数に前記電動発電機側から伝達された第２回転数を近づけて、前記第１回転数と前記第２回転数との回転数差を予め定めた接続許可値まで減少し、前記回転数差が前記接続許可値まで減少したときに、前記クランク軸と前記電動発電機との間の動力伝達を行うことを特徴とする方法である。

この方法によれば、動力断接装置によりクランク軸と電動発電機との間を切断した状態から接続する場合に、接続直後の電動発電機の電気的特性の効率を低減させずに、無段変速機構の変速比の可変と電動発電機の回転数の可変の一方又は両方により、動力断接装置における回転数差を減少するので、接続したときに発生するショックを低減することができると共に、接続に掛かる時間を短縮することができる。

本発明のハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッドシステムの動力伝達方法によれば、動力断接装置によりクランク軸と前記電動発電機との間の動力伝達を切断した状態から接続するときに、内燃機関の運転中で、且つ内燃機関の運転状態が高負荷高回転領域であっても、予め接続直後の電動発電機の回転数を高効率回転領域に限定するように無段変速機構の変速比を変化させておくと共に、動力断接装置における第１回転数と第２回転数の回転数差を減少し、その回転数差が接続許可値まで減少してから、動力断接装置によりクランク軸と電動発電機との間を接続するので、接続直後の電動発電機の電気的特性の効率を低減させずに、接続時の大きなショックを抑制することができると共に、接続に掛かる時間を短縮することができる。

これにより、動力断接装置の劣化を防止して動力断接装置の寿命を延ばすことができると共に、電動発電機の電気損失を低減して燃費を向上することができる。

本発明に係る実施の形態のハイブリッドシステム及びハイブリッド車両の構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態のハイブリッドシステムの動力伝達方法を示すフローチャートである。 本発明に係る実施の形態のハイブリッドシステムの動力伝達方法の他の例を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る実施の形態のハイブリッドシステム、ハイブリッド車両、及びハイブリッドシステムの動力伝達方法について説明する。

図１に示すように、この実施の形態のハイブリッドシステム２は、エンジン（内燃機関）１０と電動発電機（Ｍ/Ｇ）２１を有するハイブリッドシステムである。なお、ここでは、このハイブリッドシステム２はハイブリッド車両（ＨＥＶ：以下車両とする）１に搭載されているものとして説明するが、必ずしも、車両に搭載されるものに限定されない。

図１の例に示すように、ハイブリッドシステム２は、エンジン１０にエンジン本体（ＥＮＧ）１１と排気通路１２とターボ過給器１３と、排気通路１２に設けられた排気ガス浄化装置（後処理装置）１４を備えている。

エンジン１０のクランク軸１５に直結してＣＶＴ（無段変速機構：レシオ可変機構）１６を設け、このＣＶＴ１６に電動発電機２１を連結する。つまり、エンジン１０のクランク軸１５にＣＶＴ１６の第１プーリー１６ａを設けると共に、電動発電機２１にＣＶＴ１６の第２プーリー１６ｂを設けて構成し、第１プーリー１６ａと第２プーリー１６ｂを介してクランク軸１５と電動発電機２１との間の動力伝達を行うように構成する。

この第１プーリー１６ａと第２プーリー１６ｂとの間には無端状のベルト又はチェーン（動力伝達部材）１６ｃが掛けられており、クランク軸１５から第１プーリー１６ａと動力伝達部材１６ｃと第２プーリー１６ｂを経由して電動発電機２１に、また逆に、電動発電機２１から第２プーリー１６ｂと動力伝達部材１６ｃと第１プーリー１６ａを経由してクランク軸１５に、動力が伝達される。

このＣＶＴ１６では、２個一組の第１プーリー１６ａと第２プーリー１６ｂに動力伝達部材１６ｃをかけ、個々のプーリー１６ａ、１６ｂの幅を変えることにより、プーリー１６ａ、１６ｂと動力伝達部材１６ｃの接する位置を変えるようにしており、動力伝達部材１６ｃの接する位置の直径が内側になれば小さくなり、逆に外側なれば大きくなるように構成されている。そして、電子制御による油圧又は電動機構（図示しない）で２個のプーリー１６ａ、１６ｂの幅の拡縮が互いに逆になるように変化させる制御をすることにより、動力伝達部材１６ｃをたるませることなく、変速を連続的に行うことができる。

このＣＶＴ１６を、エンジン１０において、クランク軸１５の一方に変速機３１が接続されており、クランク軸１５の他方にＣＶＴ１６が接続されているように構成すると、ＣＶＴ１６が、エンジン１０に関して、変速機３１とは反対側のクランク軸１５に設けられていることになる。これにより、エンジン１０と変速機３１の間にＣＶＴ１６を設ける必要がなくなる。そのため、ハイブリッドシステムを考慮していない、既存のエンジンと変速機との組み合わせ（パワートレイン）に対しても、電動発電機を容易に設けることができ、ハイブリッドシステムを搭載できるパワートレインの種類を拡大することが容易にできる。

なお、この場合、従来技術では、エンジンに関して、変速機とは反対側には、クランク軸から駆動力を得ている冷却ファンや冷却水ポンプや潤滑油ポンプ等の補機が配置されているので、これらの補機は電動化して、クランク軸から直接駆動力を得ることなく、電動発電機で発電した電力で駆動されるようにすることが好ましい。これにより、補機類のレイアウトに関して自由性が増し、更には状況に応じて補機による負荷損失のないエンジン出力を駆動力に活用できるというメリットが生じる。

また、クランク軸１５と第１プーリー１６ａとの間に、クランク軸１５と電動発電機２１との間の動力の伝達を断接するクランク軸用クラッチ１７を設けて構成する。

このクランク軸用クラッチ１７はハイブリッドシステム用制御装置４１により制御される。このクランク軸用クラッチ１７は、エンジン１０のクランク軸１５の動力で電動発電機２１を発電する場合や電動発電機２１の駆動力でエンジン１０の駆動力をアシストする場合には、接状態にして、クランク軸１５と電動発電機２１の間での動力の伝達を行う。

一方、電動発電機２１での発電が不要な場合にはクランク軸用クラッチ１７を断状態にして、エンジン１０と電動発電機２１間の動力伝達を切る。これにより、エンジン１０のクランク軸１５に電動発電機２１側及びＣＶＴ１６側のフリクションが加わることを回避することができるので、燃費を向上することができる。

そして、電力システム２０の一部である電動発電機２１は、発電機として、エンジン１０の駆動力を受けて発電をしたり、又は、車両１のブレーキ力等の回生力発生による回生発電をしたり、モータとして駆動して、その駆動力をエンジン１０のクランク軸１５に伝達して、エンジン１０の駆動力をアシストしたりする。

なお、発電して得た電力は、配線２２を経由してインバータ（ＩＮＶ）２３で変換して第１バッテリ（充電器：Ｂ１）２４Ａに充電される。また、電動発電機２１を駆動するときは、第１バッテリ２４Ａに充電された電力をインバータ２３で変換して電動発電機２１に供給する。

図１の構成では、更に、ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＣＯＮ）２５と第２バッテリ（Ｂ２）２４Ｂを第１バッテリ２４Ａに直列に設けて、第１バッテリ２４Ａの、例えば、一般的な１２Ｖや２４Ｖ以上の高い電圧の電力を、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５で、例えば、１２Ｖに電圧降下させて、第２バッテリ２４Ｂに充電して、この第２バッテリ２４Ｂから補機の冷却ファン２６Ａ、冷却水ポンプ２６Ｂ、潤滑油ポンプ２６Ｃ等に電力を供給するように構成している。

このハイブリッドシステム２を搭載したハイブリッド車両（以下車両）１においては、エンジン１０の動力は、動力伝達システム３０の変速機（トランスミッション）３１に伝達され、さらに、変速機３１より推進軸（プロペラシャフト）３２を介して作動装置（デファレンシャルギア）３３に伝達され、作動装置３３より駆動軸（ドライブシャフト）３４を介して車輪３５に伝達される。これにより、エンジン１０の動力が車輪３５に伝達され、車両１が走行する。

尚、エンジン１０の搭載方式によっては、エンジン本体１１から車輪３５の伝達経路は異なってもよい。

一方、電動発電機２１の動力に関しては、第１バッテリ２４Ａに充電された電力がインバータ２３を介して電動発電機２１に供給され、この電力により電動発電機２１が駆動され動力を発生する。この電動発電機２１の動力は、ＣＶＴ１６を介してクランク軸１５に伝達されて、エンジン１０の動力伝達経路を伝達して、車輪３５に伝達される。

これにより、電動発電機２１の動力がエンジン１０の動力と共に車輪３５に伝達され、車両１が走行する。なお、回生時には、逆の経路で、車輪３５の回生力、又はエンジン１０の回生力が電動発電機２１に伝達されて、電動発電機２１で発電が可能となる。

また、ハイブリッドシステム用制御装置４１が設けられ、エンジン１０の回転数Ｎｅや
負荷Ｑ等の運転状態や電動発電機２１の回転数Ｎｍ等の運転状態や第１バッテリ２４Ａ、第２バッテリ２４Ｂの充電量（ＳＯＣ）の状態をモニターしながら、ＣＶＴ１６や電動発電機２１、インバータ２３、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５等を制御する。このハイブリッドシステム用制御装置４１は、通常は、エンジン１０や車両１を制御する全体制御装置４０に組み込まれて構成される。この全体制御装置４０は、エンジン１０の制御では、シリンダ内燃焼やターボ過給器１３や排気ガス浄化装置１４や補機の冷却ファン２６Ａ、冷却水ポンプ２６Ｂ、潤滑油ポンプ２６Ｃなどを制御している。

そして、この実施の形態のハイブリッドシステム２は、クランク軸１５と電動発電機２１との間を断接するクランク軸用クラッチ１７を断状態から接状態にする場合に、接続直後の電動発電機２１の電気的特性の効率を低減させずに、接続のときの過大なショック（振動など）を抑制すると共に接続に要する時間を短縮するために、ハイブリッドシステム用制御装置４１が、断接手段Ｍ１と変速比変化手段Ｍ２と回転数差減少手段Ｍ３とを有して構成される。

断接手段Ｍ１は、クランク軸用クラッチ１７を接状態及び断状態にする手段である。この断接手段Ｍ１を実施することで、クランク軸用クラッチ１７を接状態にして、エンジン１０と電動発電機２１との間を接続し、一方、クランク軸用クラッチ１７を断状態にして、エンジン１０と電動発電機２１間を切断する。

変速比変化手段Ｍ２は、クランク軸用クラッチ１７を接状態にして、エンジン１０と電動発電機２１との間の動力伝達が行われた直後の電動発電機２１の回転数Ｎｍを、エンジン１０のクランク軸１５の回転数Ｎｅの変動に依存することなく、電動発電機２１の発電又は駆動に適した、つまり電気的特性の効率の高い高効率回転領域に限定するようにＣＶＴ１６のプーリー比（変速比）Ｒを変化させる手段である。

高効率回転領域は、電動発電機２１の回生効率及び駆動効率に基づいて、それらの電気的特性の効率が高くなるように最適化された回転領域であり、電動発電機２１の最大トルクや最大馬力などの特性によって定められる回転領域である。

この変速比変化手段Ｍ２は、まず、ハイブリッドシステム用制御装置４１に予め記憶された高効率回転領域内の目標回転数Ｎｍ’を設定する。次に、内燃機関回転数検知手段として、クランク角センサなどの回転数センサなどからエンジン回転数Ｎｅを検知する。次に、エンジン回転数Ｎｅと目標回転数Ｎｍ’に基づいて、ハイブリッドシステム用制御装置４１に予め記憶されたプーリー比制御マップを参照し、ＣＶＴ１６に設けた図示しないアクチュエータにより、第１プーリー１６ａと第２プーリー１６ｂのそれぞれ幅を拡縮して、それぞれのプーリー径を変化させて、プーリー比Ｒを変化させる。

この変速比変化手段Ｍ２は、特に、エンジン１０の運転領域が高負荷高回転領域になっている場合に、クランク軸用クラッチ１７を断状態から接状態に切り替えても、接続直後の電動発電機２１の回転数を高効率回転領域内に限定することができるので、電動発電機２１の回転数Ｎｍが電気的特性の効率が悪い高回転数になることを防止して、電動発電機２１のエネルギー損失が増加することを回避することができる。

回転数差減少手段Ｍ３は、クランク軸用クラッチ１７におけるエンジン１０のクランク軸１５から伝達される第１回転数Ｎ１と電動発電機２１からＣＶＴ１６を介して伝達される第２回転数Ｎ２の回転数差ΔＮを予め定めた接続許可値Ｎ’まで減少する手段である。

詳しくは、電動発電機２１の動力を上げて第２回転数Ｎ２を増加して、第２回転数Ｎ２を第１回転数Ｎ１に近づける、又はＣＶＴ１６のプーリー比Ｒを変化して、第２回転数Ｎ
２を増加して、第２回転数Ｎ２を第１回転数Ｎ１に近づける、又はその両方を行う手段である。これにより、第１回転数Ｎ１と第２回転数Ｎ２の回転数差ΔＮは接続許可値Ｎ’まで減少させることができる。

接続許可値Ｎ’は、クランク軸用クラッチ１７を断状態から接状態にしたときに、接続時の大きなショックが発生せず、且つ接続に掛かる時間を短縮できるように設定された値であり、ゼロあるいはゼロ近傍の値に設定される。特に、この接続許可値Ｎ’をゼロに設定すると、円滑にクランク軸用クラッチ１７を断状態から接状態することができる。

また、この回転数差減少手段Ｍ３は、回転数差ΔＮを算出する際に、クランク軸用クラッチ１７におけるクランク軸１５側から伝達される第１回転数Ｎ１と電動発電機２１側から伝達される第２回転数Ｎ２を検知する。第１回転数Ｎ１はエンジン回転数Ｎｅと等しく、一方、第２回転数Ｎ２は電動発電機回転数検知手段として設けられた回転数センサなどにより検知される電動発電機２１の回転数ＮｍとＣＶＴ１６のプーリー比Ｒから容易に算出できる。つまり、ハイブリッドシステム２を運用する上で必要となる数値を使用するため、クランク軸用クラッチ１７における第１回転数Ｎ１と第２回転数Ｎ２を検知するための部品点数の増加や、制御の複雑化を抑制することができる。

加えて、この回転数差減少手段Ｍ３は、電動発電機２１の回転数Ｎｍを高効率回転領域に維持しながら、第１回転数Ｎ１と第２回転数Ｎ２の回転数差ΔＮを減少する手段とすることが望ましい。

具体的な手段の一つは、回転数変化手段Ｍ４である。この回転数変化手段Ｍ４は、電動発電機２１の動力を上げて、電動発電機２１の回転数Ｎｍを高効率回転領域内で変化させて、第１回転数Ｎ１に近づけるように第２回転数Ｎ２を増加する手段である。これにより、電動発電機２１の電気的特性を効率の高い状態に維持しながら、容易に回転数差ΔＮを減少することができる。

具体的な手段のもう一つは、回転数差減少変速比変化手段Ｍ５である。この回転数差減少変速比変化手段Ｍ５は、上記の変速比変化手段Ｍ２とは異なる手段であり、電動発電機２１の回転数Ｎｍを高効率回転領域に維持しながら、第２回転数Ｎ２を増加するようにＣＶＴ１６のプーリー比Ｒを変化させて、回転数差ΔＮを減少する手段である。これにより、電動発電機２１の電気的特性を効率の高い状態に維持しながら、容易に回転数差ΔＮを減少することができる。

なお、回転数変化手段Ｍ４と回転数差減少変速比変化手段Ｍ５は、別々に実施してもよく、両方を同時に実施してもよい。

そして、この実施の形態におけるハイブリッドシステム２の動力伝達方法は、エンジン１０の運転中に、クランク軸用クラッチ１７によりエンジン１０のクランク軸１５と電動発電機２１との間を切断した状態から接続し、ＣＶＴ１６を介して、クランク軸１５と電動発電機２１との間の動力伝達を行う場合に、予めクランク軸用クラッチ１７によりクランク軸１５と電動発電機２１との間の動力伝達が行われたときの電動発電機２１の回転数Ｎｍが高効率回転領域に限定されるように、ＣＶＴ１６のプーリー比Ｒを変化させておくと共に、クランク軸用クラッチ１７における第１回転数Ｎ１と第２回転数Ｎ２との回転数差ΔＮを接続許可値Ｎ’まで減少してから、クランク軸用クラッチ１７によりクランク軸１５と電動発電機２１との間の動力伝達を行うことを特徴とする方法である。

この動力伝達方法の一例について、図２のフローチャートを参照しながら説明する。なお、以下で説明する動力伝達方法は、エンジン１０の運転中で、クランク軸用クラッチ１
７が断状態で、クランク軸１５と電動発電機２１との間の動力伝達が切断された状態から、クランク軸用クラッチ１７を接状態にする場合に行われる方法である。また、図２の例は、回転数差減少手段Ｍ３が、回転数変化手段Ｍ４を実施して、電動発電機２１の動力を上げて、電動発電機２１の回転数Ｎｍを高効率回転領域内で変化させて、第１回転数Ｎ１に近づけるように第２回転数Ｎ２を増加する例である。

まず、電動発電機２１の駆動を開始するステップＳ１０を行う。次に、変速比変化手段Ｍ２を実施して、予めクランク軸用クラッチ１７によりクランク軸１５と電動発電機２１との間の動力伝達が行われたときの電動発電機２１の回転数Ｎｍが高効率回転領域に限定されるように、ＣＶＴ１６のプーリー比Ｒを変化させておくステップＳ２０を行う。ＣＶＴ１６のプーリー比Ｒを変化させるためには、第１プーリー１６ａ及び第２プーリー１６ｂが回転する必要があるため、ステップＳ２０の前にステップＳ１０を行うことが必要である。

次に、回転数差減少手段Ｍ３を実施して、エンジン回転数Ｎｅを検知するステップＳ３０を行う。この実施の形態では、クランク軸用クラッチ１７は、エンジン１０とＣＶＴ１６との間にもうけられているため、クランク軸用クラッチ１７におけるエンジン１０側から伝達される第１回転数Ｎ１は、そのままエンジン回転数Ｎｅとなる。次に、ＣＶＴ１６のプーリー比Ｒと電動発電機２１の回転数Ｎｍを検知するステップＳ４０を行う。このステップＳ４０では、プーリー比Ｒと回転数Ｎｍから、クランク軸用クラッチ１７における電動発電機２１側から伝達される第２回転数Ｎ２を求めることができる。次に、第１回転数Ｎ１と第２回転数Ｎ２との回転数差ΔＮを算出するステップＳ５０を行う。次に、回転数差ΔＮが接続許可値Ｎ’以下か否かを判定するステップＳ６０を行う。

ステップＳ６０で回転数差ΔＮが接続許可値Ｎ’以下と判定されると、ステップＳ８０に進む。一方、ステップＳ６０で回転数差ΔＮが接続許可値Ｎ’よりも大きいと判定されると、次に、回転数変化手段Ｍ４を実施して、電動発電機２１の動力を上げて、電動発電機２１の回転数Ｎｍを高効率回転領域内で増加して、第２回転数Ｎ２を増加するステップＳ７０を行う。このステップＳ７０により第２回転数Ｎ２は増加して、回転数差ΔＮは減少する。

ステップＳ７０を行うと、再度ステップＳ３０に戻る。そして、ステップＳ６０で回転数差ΔＮが接続許可値Ｎ’以下になるまで、ステップＳ３０〜ステップＳ７０を繰り返し行う。

ステップＳ６０で回転数差ΔＮが接続許可値Ｎ’以下と判定されると、次に、断接手段Ｍ１を実施して、クランク軸用クラッチ１７を接状態にし、クランク軸用クラッチ１７によりクランク軸１５と電動発電機２１との間を接続するステップＳ８０を行って、この動力伝達方法は完了する。

次に、上記の回転数差減少手段Ｍ３が回転数差減少変速比変化手段Ｍ５を実施して、電動発電機２１の回転数Ｎｍを高効率回転領域内に維持したまま、ＣＶＴ１６のプーリー比Ｒを変化させて、第１回転数Ｎ１に近づけるように第２回転数N２を増加する例について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。

図３のフローチャートでは、ステップＳ６０で、回転数差ΔＮが接続許可値Ｎ’以下と判定されると、次に、ステップＳ７０の代わりに、回転数差減少変速比変化手段Ｍ５を実施して、電動発電機２１の回転数Ｎｍを高効率回転領域内に維持しながら、ＣＶＴ１６のプーリー比Ｒを変化して、第２回転数Ｎ２を増加するステップＳ９０を行う。このステップＳ９０により第２回転数Ｎ２は増加して、回転数差ΔＮは減少する。

ステップＳ９０を行うと、再度ステップＳ３０に戻る、そして、ステップＳ６０で回転数差ΔＮが接続許可値Ｎ’以下になるまで、ステップＳ３０〜ステップＳ６０及びステップＳ９０を繰り返し行う。

なお、回転数差ΔＮを接続許可値Ｎ’まで減少させる際に、回転数変化手段Ｍ４と回転数差減少変速比変化手段Ｍ５のどちらか一方でクランク軸用クラッチ１７における回転数差ΔＮを接続許可値Ｎ’まで減少できなければ、両方の手段を用いて、回転数差ΔＮを接続許可値Ｎ’まで減少させてもよい。

本発明の実施の形態のハイブリッドシステム２、ハイブリッド車両１、及びその動力伝達法によれば、エンジン１０の運転中で、エンジン１０の運転状態が高負荷高回転領域であっても、クランク軸用クラッチ１７を断状態から接状態にしたときの電動発電機２１の電気的特性の効率が接続直後から高くなるようにすると共に、クランク軸用クラッチ１７における第１回転数Ｎ１と第２回転数Ｎ２の回転数差ΔＮが接続許可値Ｎ’まで減少してから、クランク軸用クラッチ１７によりクランク軸１５と電動発電機２１との間の動力伝達を接続する。

これにより、接続直後の電動発電機２１の電気的特性の効率を低減させずに、クランク軸１５と電動発電機２１との間を切断した状態から接続する場合に発生する大きなショックを抑制することができると共に、接続に掛かる時間を短縮して応答性を向上することができる。結果、クランク軸用クラッチ１７の劣化を防止してクランク軸用クラッチ１７の寿命を延ばすことができると共に、電動発電機２１の電気損失を低減して燃費を向上することができる。

また、回転数差ΔＮを減少する際にも、電動発電機２１の回転数Ｎｍを高効率回転領域内に収めながら、回転数差ΔＮを接続許可値Ｎ’まで減少することができるので、電動発電機２１の電気損失を低減して燃費を向上することができる。

加えて、ＣＶＴ１６を用いて、エンジン１０のクランク軸１５の動力を電動発電機２１に伝達するので、エンジン１０のクランク軸１５の回転数Ｎｅの変動に依存することなく、電動発電機２１の回転軸の回転数Ｎｍを電動発電機２１の発電又は駆動に適した回転数に制御することができる。

そのため、電動発電機２１における回転数Ｎｍの使用回転域が限定されることにより、電気的特性の効率が高い状態で電動発電機２１を使用することが可能となり、発電時及び電動駆動時のエネルギー効率を高めることができる。

更に、電動発電機２１側において、過大な回転数で使用できるように信頼性を確保するために必要とされる過剰な構成の軸受け構造及び高強度の構造体を採用する必要が無くなり、その結果、電動発電機２１及びハイブリッドシステム２の小型化及び軽量化を図ることができる。

なお、上記の実施の形態のハイブリッドシステム２のエンジン１０は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンに適用することができ、その気筒数や配列は限定されない。

また、電動発電機２１は、一般的なスタータモータなどに用いられる高回転になるに従ってトルクが低下する直巻きＤＣモータとは異なり、力行運転により駆動力をアシストしたり、余剰な駆動力により回生運転されると、発電したりできるモータであって、ある回転までは一定のトルクを発生する誘導モータや同期モータが望ましい。

このような誘導モータや同期モータを電動発電機２１として用いる場合は、前述したように、変速比変化手段Ｍ２を実施して、ＣＶＴ１６のプーリー比Ｒを変化させることにより、電動発電機２１の回転数Ｎｍを電気的特性の効率の良い高効率回転領域に限定することで、エネルギー損失を低減して、常に電動発電機２１の駆動効率や回生効率を向上することができる。

加えて、上記のハイブリッドシステム２は、電動発電機２１に別の電動発電機を直列に配置して、電動発電機を複数設けるように構成することができる。複数の電動発電機を設けることで、設計の自由度が増加するので、多様な仕様に対応することができる。また、標準仕様で電動発電機２１の１個にした場合でも、オプションとして容易に、後から別の電動発電機を追加できるので、基本レイアウトを同一とすることができ、部品点数、重量、コストを削減することができる。

その場合は、複数の電動発電機の間に動力断接装置を設けるとよい。その動力断接装置を断状態から接状態にする方法の場合は、回転数差を減少させるときに、別の電動発電機の回転数を増加する他に、電動発電機２１の回転数Ｎｍを減少して、その動力断接装置における第１回転数Ｎ１を減少させる、あるいは、ＣＶＴ１６のプーリー比Ｒを可変して、第１回転数Ｎ１を減少させてもよい。

さらに、クランク軸用クラッチ１７は、エンジン１０のクランク軸１５と、電動発電機２１の駆動軸とを切り離すことが可能な装置であればよく、例えば、摩擦式クラッチ、電磁式クラッチ（パウダークラッチ）の他に、流体継手などを用いることができる。また、このクランク軸用クラッチ１７は、変速機３１に設けられ、エンジン１０と変速機３１との間の動力伝達を断接するクラッチとは別に設けられたものである。

更に、このクランク軸用クラッチ１７は、上記の実施の形態では、エンジン１０とＣＶＴ１６との間に設けられたが、本発明はこれに限定されずに、例えば、ＣＶＴ１６と電動発電機２１との間に設けることもできる。この場合には、接続するときの回転数差を減少するステップにおいて、ＣＶＴ１６のプーリー比Ｒを可変して、第１回転数Ｎ１を減少する手段を用いてもよい。

但し、エンジン１０とＣＶＴ１６との間にクランク軸用クラッチ１７を設けた方が、クランク軸１５と電動発電機２１との間の動力伝達を切断したときに、エンジン１０にＣＶＴ１６側のフリクションが加わることを回避できるため望ましい。

本発明のハイブリッドシステムとハイブリッドシステムの制御方法は、動力断接装置によりクランク軸と前記電動発電機との間を切断した状態から接続するときに、予め接続直後の電動発電機の回転数を高効率回転領域に限定するように、無段変速機構の変速比を変化させると共に、動力断接装置における第１回転数と第２回転数の回転数差を減少し、その回転数差が接続許可値まで減少してから、動力断接装置によりクランク軸と電動発電機との間を接続するので、接続直後の電動発電機の電気的特性の効率を低減させずに、接続時の大きなショックを抑制することができると共に、接続に掛かる時間を短縮することができる。

これにより、動力断接装置の劣化を防止して動力断接装置の寿命を延ばすことができると共に、電動発電機の電気損失を低減して燃費を向上することができるので、ディーゼルエンジンと電動発電機とを組み合わせたハイブリット車両に利用することができる。

１ 車両（ハイブリッド車両：ＨＥＶ）
２ ハイブリッドシステム
１０ エンジン（内燃機関）
１１ エンジン本体
１２ 排気通路
１３ ターボ過給器
１４ 排気ガス浄化装置
１５ クランク軸
１６ ＣＶＴ（無段変速機構）
１７ クランク軸用クラッチ（動力断接装置）
２０ 電力システム
２１ 電動発電機（Ｍ/Ｇ）
２２ 配線
２３ インバータ（ＩＮＶ）
２４Ａ 第１バッテリ（Ｂ）
２４Ｂ 第２バッテリ（Ｂ）
２５ ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＣＯＮ）
２６Ａ 冷却ファン（補機）
２６Ｂ 冷却水ポンプ（補機）
２６Ｃ 潤滑油ポンプ（補機）
３０ 動力伝達システム
３１ 変速機（トランスミッション）
３２ 推進軸（プロペラシャフト）
３３ 差動装置（デファレンシャルギア）
３４ 駆動軸（ドライブシャフト）
３５ 車輪
４０ 全体制御装置
４１ ハイブリッドシステム用制御装置

Claims (5)

1. 内燃機関と電動発電機を有するハイブリッドシステムにおいて、前記内燃機関のクランク軸に直結して無段変速機構を設け、該無段変速機構に前記電動発電機を連結すると共に、前記クランク軸と前記電動発電機との間を断接する動力断接装置を設けて構成され、
   前記動力断接装置により前記クランク軸と前記電動発電機との間を断接する断接手段と、前記内燃機関の回転数と前記電動発電機の予め定めた高効率回転領域内に設定された目標回転数とに基づいて前記無段変速機構の変速比を前記電動発電機の回転数を前記高効率回転領域に限定する変速比に変化させる変速比変化手段と、前記電動発電機の回転数又は前記無段変速機構の変速比の少なくとも一方を変化させて、前記動力断接装置における前記クランク軸側から伝達された第１回転数に前記電動発電機側から伝達された第２回転数を近づけて、前記第１回転数及び前記第２回転数の回転数差を予め定めた接続許可値まで減少する回転数差減少手段とを有する制御装置を設け、
   前記制御装置は、前記内燃機関の運転中に、前記クランク軸と前記電動発電機との間を切断した状態から接続する場合に、前記電動発電機を前記目標回転数で駆動すると共に前記変速比変化手段が前記無段変速機構の変速比を前記クランク軸と前記電動発電機との間を接続したときの前記電動発電機の回転数を前記高効率回転領域に限定する変速比に変化させた後に、前記回転数差減少手段が前記電動発電機の回転数を前記高効率回転領域に維持しながら、前記回転数差を前記接続許可値まで減少した後に、前記断接手段で前記動力断接装置により前記クランク軸と前記電動発電機との間を接続する制御をすることを特徴とするハイブリッドシステム。
2. 前記回転数差減少手段は、前記第１回転数に近づけるように前記第２回転数を増加することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドシステム。
3. 前記回転数差減少手段は、前記内燃機関の回転数、前記電動発電機の回転数、及び前記無段変速機構の変速比に基づいて、前記回転数差を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッドシステム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のハイブリッドシステムを搭載することを特徴とするハイブリッド車両。
5. 無段変速機を介して内燃機関と電動発電機との動力伝達を行うハイブリッドシステムの動力伝達方法において、
   前記内燃機関の運転中に、前記内燃機関のクランク軸と前記電動発電機との間の動力を切断した状態から接続した場合に、前記電動発電機を予め定めた高効率回転領域内に設定された目標回転数で駆動して、
   前記内燃機関の回転数を検知して、
   検知した前記内燃機関の回転数と前記目標回転数とに基づいて前記無段変速機構の変速比を前記クランク軸と前記電動発電機との間の動力伝達を接続したときの前記電動発電機の回転数を前記高効率回転領域に限定する変速比に変化させて、
   前記無段変速機構の変速比を変化させた後に、前記電動発電機の回転数を前記高効率回転領域に維持しながら、前記電動発電機の回転数又は前記無段変速機構の変速比の少なくとも一方を変化させて、前記動力断接装置における前記クランク軸側から伝達された第１回転数に前記電動発電機側から伝達された第２回転数を近づけて、前記第１回転数と前記第２回転数との回転数差を予め定めた接続許可値まで減少し、
   前記回転数差が前記接続許可値まで減少したときに、前記クランク軸と前記電動発電機との間の動力伝達を行うことを特徴とするハイブリッドシステムの動力伝達方法。

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