JP7027007B2 - ハイブリッドシステム - Google Patents

Description

本発明は、車両のハイブリッドシステムに関する。

近年、エンジンおよび駆動モータを駆動源として備えるハイブリッドシステムを搭載した車両、いわゆるハイブリッド車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）が急速に普及している。

従来のハイブリッドシステムでは、たとえば、エンジンの動力が発電機（発電用モータジェネレータ）で電力に変換され、発電機で発生する電力が電池に蓄えられて、駆動モータ（駆動用モータジェネレータ）の駆動に使用される。駆動モータの動力は、その回転軸に相対回転不能に支持されたモータギヤからデファレンシャルギヤに伝達され、デファレンシャルギヤからドライブシャフトを介して駆動輪に伝達される。これにより、ハイブリッドシステムを搭載した車両が走行する。

特開２００７－１８６０３８号公報

かかる構成では、小型の駆動モータを採用すると、駆動モータの出力が小さいために、低車速域での加速力（トルク）に不足が生じ、また、駆動モータの最高回転数が低いために、車両の最高車速が制限される。一方、大型の駆動モータを採用した場合には、ハイブリッドシステムのコストが上昇し、また、駆動モータのサイズおよび重量の増大により、駆動モータを含む駆動系のユニットのサイズおよび重量が増大する。

本発明の目的は、小型の駆動モータであっても、車両の低車速域での加速力および最高車速の向上を図ることができる、ハイブリッドシステムを提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係るハイブリッドシステムは、車両に搭載されるハイブリッドシステムであって、エンジンと、エンジンの動力を電力に変換する発電機と、発電機の発電電力を使用して駆動され、車両の走行のための動力を出力する駆動モータと、駆動モータに接続され、ハイギヤードとローギヤードとに選択的に設定される変速機とを含む。

この構成によれば、エンジンの動力が発電機で電力に変換され、発電機で発生する電力が駆動モータの駆動に使用される。駆動モータには、ローギヤードとハイギヤードとに選択的に設定される変速機が接続されている。変速機がローギヤードに設定されることにより、駆動モータの動力が減速されて、その減速された動力が車両のデファレンシャルギヤに伝達される。これにより、駆動モータのトルクが増大されてデファレンシャルギヤに伝達されるので、最大出力が小さい小型の駆動モータであっても、大きな加速力を得ることができる。一方、変速機がハイギヤードに設定されているときには、駆動モータの動力がローギヤードに設定されているときよりも小さい変速比で変速されるので、最高回転数が低い小型の駆動モータであっても、駆動輪を高速回転させることができる。

よって、小型の駆動モータであっても、ハイブリッドシステムが搭載された車両の低車速域での加速力および最高車速の向上を図ることができる。

また、高車速域での駆動モータの回転数を低減できるので、電力の消費を低減でき、ひいてはエンジンによる燃料の消費量を低減することができる。

本発明によれば、小型の駆動モータであっても、ハイブリッドシステムが搭載された車両の低車速域での加速力および最高車速の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るハイブリッドシステムの断面図である。 図１に示されるハイブリッドシステムの構成を示すスケルトン図である。 図１に示される遊星歯車機構のサンギヤ、キャリヤおよびリングギヤの回転数の関係を示す共線図である。 本発明の他の実施形態に係るハイブリッドシステムの断面図である。 図４に示されるハイブリッドシステムの構成を示すスケルトン図である。 図４に示されるステップドピニオン式遊星歯車機構のサンギヤ、キャリヤおよびリングギヤの回転数（回転速度）の関係を示す共線図である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜ハイブリッドシステムの構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係るハイブリッドシステム１の断面図である。図２は、ハイブリッドシステム１の構成を示すスケルトン図である。

ハイブリッドシステム１は、エンジン２（図２参照）、発電機３および駆動モータ４を含む。

エンジン２には、エンジン２の燃焼室への吸気量を調整するための電子スロットルバルブ、燃料を吸入空気に噴射するインジェクタ（燃料噴射装置）および燃焼室内に電気放電を生じさせる点火プラグなどが設けられている。

発電機３は、モータジェネレータ（ＭＧ１）からなる。発電機３には、インバータなどを内蔵する発電機コントローラが接続されている。発電機コントローラには、複数の二次電池を組み合わせた組電池からなる電池が接続されている。発電機３から出力される交流電力は、発電機コントローラにより直流電力に変換されて、その直流電力が電池に供給されることにより、電池が充電される。

駆動モータ４は、モータジェネレータ（ＭＧ２）からなる。駆動モータ４には、インバータなどを内蔵するモータコントローラが接続されている。モータコントローラには、電池が接続されている。電池から出力される直流電力がモータコントローラに供給され、その直流電力がモータコントローラにより交流電力に変換されて、交流電力が駆動モータ４に供給されることにより、駆動モータ４が駆動される。

エンジン２のクランクシャフト１１と一体回転するように、エンジンギヤ１２が設けられている。また、発電機３の回転軸１３と一体回転するように、発電機ギヤ１４が設けられている。エンジンギヤ１２と発電機ギヤ１４とは、噛合している。発電機ギヤ１４は、エンジンギヤ１２よりもギヤ径が小さい。そのため、エンジン２の動力は、エンジンギヤ１２から発電機ギヤ１４に増速して伝達される。

駆動モータ４の回転軸１５は、遊星歯車機構１６に接続されている。遊星歯車機構１６は、サンギヤ２１、キャリヤ２２およびリングギヤ２３を備えている。サンギヤ２１は、駆動モータ４の回転軸１５と一体回転するように設けられている。キャリヤ２２は、複数個のピニオンギヤ２４を回転可能に支持している。複数個のピニオンギヤ２４は、円周上に配置され、サンギヤ２１と噛合している。リングギヤ２３は、複数個のピニオンギヤ２４を一括して取り囲む円環状を有し、各ピニオンギヤ２４に回転径方向の外側から噛合している。

駆動モータ４の回転軸１５と同一軸線上に、キャリヤ軸２５が設けられている。駆動モータ４の回転軸１５の一端部には、その端面から凹む凹部が形成されており、キャリヤ軸２５の一端部は、その凹部内に挿入されて、回転軸１５に相対回転可能に保持されている。キャリヤ軸２５の他端部は、発電機３、駆動モータ４および遊星歯車機構１６を収容するアクスルケース２６に回転可能に保持されている。キャリヤ２２は、キャリヤ軸２５と一体回転するように設けられている。キャリヤ軸２５と一体回転するように、キャリヤギヤ２７が設けられている。

アクスルケース２６内にはさらに、カウンタ軸３１、カウンタギヤ３２およびデファレンシャルギヤ３３が収容されており、これらは、発電機３、駆動モータ４および遊星歯車機構１６とともにトランスアクスルを構成している。

カウンタ軸３１は、キャリヤ軸２５と平行に延びて、アクスルケース２６に回転可能に保持されている。カウンタギヤ３２は、カウンタ軸３１と一体回転するように設けられており、キャリヤギヤ２７と噛合している。また、カウンタ軸３１と一体回転するように、出力ギヤ３４が設けられている。出力ギヤ３４は、デファレンシャルギヤ３３のデフケース３５に結合されたリングギヤ３６と噛合している。

また、クラッチＣ１およびブレーキＢ１が設けられている。クラッチＣ１は、たとえば、油圧により、遊星歯車機構１６のサンギヤ２１とキャリヤ軸２５とを連結する係合状態と、その連結を解除する解放状態とに切り替えられる。ブレーキＢ１は、たとえば、油圧により、遊星歯車機構１６のリングギヤ２３を固定（制動）する係合状態と、その固定を解除し、リングギヤ２３の回転を許容する解放状態とに切り替えられる。

ハイブリッドシステム１では、エンジン２の動力がエンジンギヤ１２から発電機ギヤ１４に入力され、発電機３により、発電機ギヤ１４に入力されるエンジン２の動力が電力に変換される。

駆動モータ４の動力は、遊星歯車機構１６を介してキャリヤ軸２５に伝達される。キャリヤ軸２５に伝達された動力は、キャリヤギヤ２７、カウンタギヤ３２および出力ギヤ３４を介して、デファレンシャルギヤ３３のリングギヤ３６に伝達され、デファレンシャルギヤ３３からドライブシャフト３７を介して、ハイブリッドシステム１が搭載された車両の駆動輪３８に伝達される。これにより、駆動輪３８が回転し、車両が走行する。

また、アクスルケース２６内には、オイルポンプ４１が設けられている。オイルポンプ４１は、発電機３の回転軸１３と平行に延びるポンプ軸４２と、ポンプ軸４２に一体回転するように支持されたポンプギヤ４３とを備えている。ポンプギヤ４３は、発電機ギヤ１４と噛合している。発電機ギヤ１４が回転すると、ポンプギヤ４３が回転し、ポンプギヤ４３と一体にポンプ軸４２が回転する。ポンプ軸４２の回転により、オイルポンプ４１から油圧が出力され、その油圧がバルブボディ（図示せず）を介してクラッチＣ１およびブレーキＢ１などに供給される。

キャリヤ軸２５にはさらに、パーキングギヤ４４が相対回転不能に支持されている。パーキングギヤ４４の周囲には、パーキングポール４５が設けられている。車室内に設けられたシフトレバー（セレクトレバー）がＰ（パーキング）ポジション以外のポジションからＰポジションに操作されると、パーキングポール４５の所定部がパーキングギヤ４４の歯溝のいずれかに嵌まり、パーキングギヤ４４の回転が規制（パーキングロック）される。

＜Ｈｉ／Ｌｏ切替＞
図３は、遊星歯車機構１６のサンギヤ２１、キャリヤ２２およびリングギヤ２３の回転数（回転速度）の関係を示す共線図である。

ブレーキＢ１およびクラッチＣ１の係合状態と解放状態との切り替えにより、遊星歯車機構１６がローギヤードとハイギヤードとに選択的に設定される。

具体的には、クラッチＣ１が解放され、ブレーキＢ１が係合されることにより、遊星歯車機構１６がローギヤードに設定される。クラッチＣ１の解放により、遊星歯車機構１６のサンギヤ２１とキャリヤ軸２５、つまりキャリヤ２２とは相対回転可能である。ブレーキＢ１の係合により、遊星歯車機構１６のリングギヤ２３が回転不能に固定（制動）される。そのため、駆動モータ４の動力によるサンギヤ２１の回転は、サンギヤ２１の歯数とリングギヤ２３の歯数との和でサンギヤ２１の歯数を除して得られる除算値を変速比として、その変速比で減速されてキャリヤ２２に伝達される。

ハイブリッドシステム１を搭載した車両がローギヤードで走行している状態から、ブレーキＢ１が解放され、クラッチＣ１が係合されることにより、遊星歯車機構１６がローギヤードからハイギヤードに切り替わる。ブレーキＢ１の解放により、遊星歯車機構１６のリングギヤ２３が回転可能になる。その状態でクラッチＣ１の係合が開始されると、キャリヤ２２の回転数が上昇する。また、キャリヤ２２の回転数の上昇に伴って、リングギヤ２３の回転数が上昇する。そして、クラッチＣ１が完全係合すると、キャリヤ２２の回転数がサンギヤ２１の回転数と一致し、リングギヤ２３がサンギヤ２１およびキャリヤ２２と一体的に回転する。そのため、ブレーキＢ１が解放され、クラッチＣ１が係合された状態では、駆動モータ４の動力がローギヤードのときよりも小さい変速比で変速されて（具体的には、変速比１で変速されて、言い換えれば、変速されずに）キャリヤ２２に伝達される。

＜作用効果＞
以上のように、エンジン２の動力が発電機３で電力に変換され、発電機３で発生する電力が駆動モータ４の駆動に使用される。駆動モータ４には、ローギヤードとハイギヤードとに選択的に設定される遊星歯車機構１６が接続されている。遊星歯車機構１６がローギヤードに設定されることにより、駆動モータ４の動力が減速されて、その減速された動力が車両のデファレンシャルギヤ３３に伝達される。これにより、駆動モータ４のトルクが増大されてデファレンシャルギヤ３３に伝達されるので、最大出力が小さい小型の駆動モータ４であっても、大きな加速力を得ることができる。一方、遊星歯車機構１６がハイギヤードに設定されているときには、駆動モータ４の動力がローギヤードに設定されているときよりも小さい変速比で変速されるので、最高回転数が低い小型の駆動モータ４であっても、駆動輪３８を高速回転させることができる。

よって、小型の駆動モータ４であっても、ハイブリッドシステム１が搭載された車両の低車速域での加速力および最高車速の向上を図ることができる。

また、高車速域での駆動モータ４の回転数を低減できるので、電力の消費を低減でき、ひいてはエンジン２による燃料の消費量を低減することができる。

さらには、駆動モータ４の小型化により生じるスペースに遊星歯車機構１６を収めることができ、トランスアクスルのサイズの増大を抑制ないしはサイズの縮小を図ることができる。

＜ハイブリッドシステムの他の構成＞
図４は、他の実施形態に係るハイブリッドシステム１０１の断面図である。図５は、ハイブリッドシステム１０１の構成を示すスケルトン図である。図４および図５において、図１および図２に示される各部に相当する部分には、それらの各部と同一の参照符号が付されている。また、以下では、その同一の参照符号が付された部分の説明を省略し、ハイブリッドシステム１０１について、図１および図２に示されるハイブリッドシステム１との相違点のみを説明する。

ハイブリッドシステム１０１では、駆動モータ４の回転軸１５は、ステップドピニオン式遊星歯車機構１０２に接続されている。ステップドピニオン式遊星歯車機構１０２は、サンギヤ１１１、キャリヤ１１２およびリングギヤ１１３を備えている。サンギヤ１１１は、駆動モータ４の回転軸１５と一体回転するように設けられている。キャリヤ１１２は、サンギヤ１１１の周囲に円周上に配置される複数個のステップドピニオンギヤ１１４を回転可能に支持している。ステップドピニオンギヤ１１４は、スモールピニオン１１５およびラージピニオン１１６を一体に有している。ラージピニオン１１６は、スモールピニオン１１５よりもギヤ径が大きく歯数が多い。ラージピニオン１１６は、サンギヤ１１１と噛合している。リングギヤ１１３は、複数個のステップドピニオンギヤ１１４のスモールピニオン１１５を一括して取り囲む円環状のスモールリングギヤ１１７と、複数個のステップドピニオンギヤ１１４のラージピニオン１１６を一括して取り囲む円環状のラージリングギヤ１１８とを含む。スモールリングギヤ１１７は、各スモールピニオン１１５と噛合し、ラージリングギヤ１１８は、各ラージピニオン１１６と噛合している。

また、ハイブリッドシステム１０１では、図１および図２に示されるカウンタ軸３１およびカウンタギヤ３２が設けられておらず、キャリヤギヤ２７が出力ギヤとしてデファレンシャルギヤ３３のリングギヤ３６と噛合している。

そして、ハイブリッドシステム１０１には、ワンウェイクラッチ１２１およびブレーキＢ１が設けられている。ワンウェイクラッチ１２１は、スモールリングギヤ１１７の一方向の回転を許容し、他方向の回転を阻止する。ブレーキＢ１は、たとえば、油圧により、ラージリングギヤ１１８を固定（制動）する係合状態と、その固定を解除し、ラージリングギヤ１１８の回転を許容する解放状態とに切り替えられる。

また、ハイブリッドシステム１０１では、オイルポンプ１３１のポンプ駆動軸１３２がエンジンギヤ１２と一体に形成されている。ポンプ駆動軸１３２は、エンジンギヤ１２の回転中心線上を延び、その先端部には、ポンプギヤ１３３が一体回転するように支持されている。エンジンギヤ１２が回転すると、ポンプ駆動軸１３２が回転し、ポンプ駆動軸１３２と一体にポンプギヤ１３３が回転する。ポンプギヤ１３３の回転により、オイルポンプ１３１から油圧が出力され、その油圧がバルブボディ（図示せず）を介してブレーキＢ１などに供給される。

＜Ｈｉ／Ｌｏ切替＞
図６は、ステップドピニオン式遊星歯車機構１０２のサンギヤ１１１、キャリヤ１１２およびリングギヤ１１３の回転数（回転速度）の関係を示す共線図である。

ブレーキＢ１の係合状態と解放状態との切り替えにより、ステップドピニオン式遊星歯車機構１０２がハイギヤードとローギヤードとに選択的に設定される。

ブレーキＢ１の解放状態では、ステップドピニオン式遊星歯車機構１０２がローギヤードに設定される。このとき、ラージリングギヤ１１８が回転可能であり、ワンウェイクラッチ１２１の機能により、駆動モータ４の正転時のサンギヤ１１１と同方向の回転が阻止される。そのため、駆動モータ４の動力によるサンギヤ１１１の回転は、サンギヤ１１１の歯数とスモールリングギヤ１１７の歯数との和でサンギヤ１１１の歯数を除して得られる除算値を変速比として、その変速比で減速されてキャリヤ１１２に伝達される。

ハイブリッドシステム１を搭載した車両がローギヤードで走行している状態から、ブレーキＢ１が係合されると、ステップドピニオン式遊星歯車機構１０２のラージリングギヤ１１８が固定される。これにより、駆動モータ４の動力によるサンギヤ１１１の回転は、サンギヤ１１１の歯数とラージリングギヤ１１８の歯数との和でサンギヤ１１１の歯数を除して得られる除算値を変速比として、その変速比で減速されてキャリヤ１１２に伝達される。その結果、ブレーキＢ１が係合された状態では、駆動モータ４の動力がローギヤードのときよりも小さい変速比で変速されてキャリヤ１１２に伝達され、図６に破線で示されるように、キャリヤ１１２の回転数が上昇する。したがって、ブレーキＢ１の解放状態では、ステップドピニオン式遊星歯車機構１０２がハイギヤードに設定される。

＜作用効果＞
ハイブリッドシステム１０１の構成によっても、図１および図２に示されるハイブリッドシステム１の構成と同様の作用効果を奏することができる。

また、ステップドピニオン式遊星歯車機構１０２にワンウェイクラッチ１２１およびブレーキＢ１を組み合わせた簡素な構成かつブレーキＢ１の簡単な制御により、ハイギヤードとローギヤードとを切り替えることができる。

＜変形例＞
以上、本発明の２つの実施形態について説明したが、本発明は、さらに他の形態で実施することもできる。また、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１：ハイブリッドシステム
２：エンジン
３：発電機
４：駆動モータ
１６：遊星歯車機構（変速機）

Claims (1)

1. 車両に搭載されるハイブリッドシステムであって、
   エンジンと、
   前記エンジンの動力を電力に変換する発電機と、
   前記発電機の発電電力を使用して駆動され、前記車両の走行のための動力を出力する駆動モータと、
   前記駆動モータに接続され、ハイギヤードとローギヤードとに選択的に設定される変速機とを含み、
   前記変速機は、
   前記駆動モータの回転軸と一体回転するサンギヤと、
   複数個のステップドピニオンギヤを回転可能に支持するキャリヤと、
   リングギヤと、
   ワンウェイクラッチと、
   ブレーキとを備え、
   前記ステップドピニオンギヤは、スモールピニオンおよび前記スモールピニオンよりもギヤ径が大きく歯数が多いラージピニオンを一体に有し、
   前記リングギヤは、前記スモールピニオンを一括して取り囲み、前記スモールピニオンと噛合するスモールリングギヤと、前記ラージピニオンを一括して取り囲み、前記ラージピニオンと噛合するラージリングギヤとを含み、
   前記ワンウェイクラッチは、前記スモールリングギヤの一方向の回転を許容し、他方向の回転を阻止し、
   前記ブレーキは、前記ラージリングギヤの回転を固定する係合状態と、前記ラージリングギヤの回転を許容する解放状態に切り替えられる、ハイブリッドシステム。

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