WO2005014323A1 - 車両のハイブリッド駆動システム - Google Patents

Abstract

入力軸の回転を変速して出力軸から車輪へ伝達する変速機２と、エンジン１の出力軸と前記変速機２の入力軸との間で動力の伝達を断続する第１クラッチ３と、電動機と発電機を兼ねる回転電機４と、前記回転電機４と前記変速機２の入力軸との間で動力の伝達を断続する第２クラッチ３０と、前記回転電機４から供給される電力を蓄える蓄電要素９と、前記第２クラッチ３０の接続時に前記回転電機４の回転速度制御を行い、前記変速機側の回転速度との速度差が許容範囲に入ってから、前記第２クラッチ３０を接続する第２クラッチ制御装置とを備える。前記回転電機４の停止時には前記第２クラッチにより駆動系から切り離し、その慣性質量およびフリクションによる駆動損失を減少させ、前記エンジン１の燃費の改善を図る。

Description

明細書

車両のハイプリッド駆動システム 技術分野

この発明は、 車両の動力源にエンジンと回転電機 （モータジェネレータ） を備 えるハイブリッド駆動システムに関する。 背景技術

ハイプリッド駆動システムとして、 エンジンの出力を変速機を介して車輪に伝 達する経路と、 回転電機の出力を変速機に入力する経路とを備えるものが、 特開

2000-343965号公報に開示されている。

また、 車両を駆動する駆動モータと、 発電機を駆動するエンジンとを備えるハ イブリツド駆動システムであって、 発電機によるエンジンの始動時に、 トルク変 動を駆動モータで吸収するものが、 特開 2001-173479号公報に開示されている。

前記した特開 2000-343965号公報のシステムでは、 エンジンの出力のみで車 両を走行する場合、 回転電機は運転が停止状態に維持されるが、 回転電機は駆動 系に接続されたままのため、 回転電機の慣性質量およびフリクションは、 駆動損 失となり、 結果的にエンジンの燃費向上を阻害していた。 発明の開示

この発明は回転電機の非作動時の駆動損失を低減することを目的とする。 上記目的を達成するために本発明は、 車両のハイプリッド駆動システムにおい て、 入力軸の回転を変速して出力軸から車輪へ伝達する変速機と、 エンジンの出 力軸と前記変速機の前記入力軸との間で動力の伝達を断続する第 1クラッチと、 電動機と発電機を兼ねる回転電機と、 前記回転電機の入出力軸と前記変速機の前 記入力軸との間で動力の伝達を断続する第 2クラッチと、 前記回転電機から供給 される電力を蓄える蓄電要素と、 前記第 2クラッチの接続時に前記回転電機の回 転速度制御を行い、 前記回転電機の回転速度と前記変速機側の回転速度との速度 差が許容範囲に入ってから、 前記第 2クラッチを接続する第 2クラッチ制御装置 とを備える。

したがって本発明によれば、 第 2クラッチにより、 回転電機の非作動時には、 回転電機を駆動系から切り離すので、 回転電機の慣性質量ゃフリクシヨンのため に生じる駆動系の負荷が軽減され、 駆動損失が減少し、 エンジンの燃費を向上さ せられる。

また、 第 2クラッチは、 回転電機の回転速度制御により、 入出力回転速度差が 無くなつてから接続されるので、 接続がスムーズに行われる。 図面の簡単な説明

図 1はこの発明の実施形態を表すシステム概要図である。 .

図 2は駆動形態を示す説明図である。

図 3は他の駆動形態を示す説明図である。

図 4はさらに他の駆動形態を示す説明図である。

図 5はさらに他の駆動形態を示す説明図である。

図 6はさらに他の駆動形態を示す説明図である。

図 7はさらに他の駆動形態を示す説明図である。

図 8は制御内容を示すフローチャートである。 発明の最良の実施の形態

図 1において、 1はエンジン、 2は歯車式の変速機であり、 これらの間に摩擦 クラッチ 3 (第 1クラッチ) が介装される。

エンジン 1は、 ディーゼルエンジンまたは CNG エンジン （圧縮天然ガスを燃 料とするエンジン）が用いられる。 4は回転電機（モータジェネレータ） であり、 発電機及ぴモータとして機能する。 回転電機 4の入出力軸 4 aは、 ギヤボックス である回転伝達機構 5を介して変速機 2の入力軸 2 a側に連結される。

変速機 2には、 そのギヤシフトを制御するコントロールュニット 6が備えられ る。 コントロールユニット 6は、 チェンジレバー装置 7およびハイブリッド電子 制御ュニット 1 0 (ハイブリッド ECU) に接続され、 チェンジレバー装置 7が ギヤシフト指令を発生すると、 その指令に応じたギヤシフトとなるように、 ハイ プリッド ECU 1 0からの信号に従って変速機 2を制御する。 変速機 2の出力軸 2 bにはプロペラシャフト 3 2が接続され、 車輪に駆動力を伝達する。

第 1クラッチ 3は、 ハイブリッド ECU 1 0により、 クラッチァクチユエータ 8を介して制御され、 エンジン 1から変速機 2およびギヤボックス 5 (回転伝達 機構） への動力の伝達を接続したり、 遮断したりする。

エンジン 1の燃料供給量を制御するために、エンジン電子制御ュニット 1 5 (ェ ンジン ECU) が備えられる。

エンジン ECU 1 5は、 ハイブリッド ECU 1 0の要求に応じてエンジン 1の燃 料供給量を制御する。 エンジン 1の回転速度は、 エンジン 1の回転速度を検出す るエンジン回転センサ 1 6からの信号により、 目標回転速度となるように、 制御 される。

車輪に制動力を発生させるブレーキアクチユエータ 2 1は、 ブレーキ電子制御 ユニット 2 0 (ブレーキ ECU) により、 ハイブリッド ECU 1 0力、らの制動に関 する情報である回転電機 4の回生制動力、およぴブレーキペダル 2 2の踏み量（要 求制動力） に基づいて制御され、 前記回生制動力で不足する分の制動力をブレー キアクチユエータ 2 1で補うように制御される。 2 3はブレーキペダル 2 2の踏 み量を検出するブレーキセンサである。

前記回転電機 4は、 髙効率および小形軽量化の面から、 永久磁石型同期電動機 ( I P M同期モータ） が使用され、 蓄電要素 9にインパータ 1 1を介して接続さ れる。 蓄電要素 9には、 ブレーキエネルギを短時間で無駄なく高効率に回生する ため、 車両の電池許容質量に対して必要な出力密度を確保しやすい、 電気二重層 キャパシタが使用される。

インバータ 1 1は、 ハイプリッド ECU 1 0の要求に応じて回転電機 4を電動 モードまたは発電モードに制御する。ィンバータ 1 1は、電動モードにおいては、 蓄電要素 9の充電電力 （直流電力） を交流電力に変換して回転電機 4に供給し、 これにより回転電機 4はモータとして駆動力を発生し、 これに対して、 発電モー ドにおいては、 回転電機 4の発電する電力 （交流電力） を直流電力に変換して蓄 電要素 9を充電する。

前記ギヤボックス 5は、 回転電機 4の入出力軸 4 aに連結されるドライブギヤ 5 aと、 変速機 2の入力軸 2 aに連結されるドリブンギヤ 5 bと、 これらに嚙み 合うアイドラギヤ 5 cと、 から構成される。

回転電機 4の入出力軸 4 aの回転は、 ギヤボックス 5により減速され、 変速機 2の入力軸 2 aへ伝達される一方、 変速機 2の入力軸 2 aの回転は、 ギヤボック ス 5により増速され、 回転電機 4の入出力軸 4 aへ伝達さ'れる。 ' - 回転電機 4の入出力軸 4 aとドライブギヤ 5 aの回転軸との間に嚙合クラッチ 3 0 (第 2クラッチ) が介装される。 第 2クラッチ 3 0は、 ハイブリッド ECU 1 0によりクラッチァクチユエータ 3 1を介して制御され、 回転電機 4の運転中 は接続状態に維持され、 回転電機 4の運転停止時に切断状態へ切り替わる。

ハイブリッド ECU 1 0での制御に必要な運転情報を検出するために、 ァクセ ルペダル 1 2の踏み量 （アクセル要求量） を検出するアクセルセンサ 1 3と、 ク ラッチ 3の断続状態を検出するクラッチ位置センサ 1 4と、 変速機 2のギヤポジ シヨンを検出するギヤシフトポジションセンサ 1 7と、 変速機 2の出力側の回転 速度を検出する車速センサ 1 8 (変速機 2の出力回転センサ） と、 変速機 2の入 力側の回転速度として回転電機 4の入出力軸 4 aに連結するドライブギヤ 5 aの 回転速度を検出するギヤ回転センサ 1 9 (変速機 2の入力回転センサ） と、 回転 電機 4の回転速度 （回転数） を検出する回転センサ 2 4とが備えられる。

ハイブリッド ECU 1 0は、 これらの各種のセンサの検出信号および蓄電要素 9の SOC (State Of Chage) を含む各種情報 （エンジン ECU 1 5， ブレーキ ECU 2 0， 変速機 2のコントロールユニット 6， インバータ 1 1、 から得られる） に 基づいて、 前記第 1クラッチ 3のクラッチァクチユエータ 8， 回転電機 4のイン バータ 1 1， 第 2クラッチ 3 0のクラッチァクチユエータ 3 1を制御する一方、 エンジン ECU 1 5へのエンジン作動要求、 およびブレーキ ECU 2 0への制動要 求、 さらには変速機 2のコントロールユニット 6への命令（ギヤ抜き， ギヤ入れ） を送信する。

ハイプリッド ECU 1 0の制御に基づいて、種々に切り換えられる駆動形態を、 図 2力 ら図 7を参照して説明する。

図 2は回転電機 4の出力のみによる発進および走行を行う場合を示す。

アクセル要求量に応じた出力が回転電機 4から得られるように、 インパータ 1 1は電動モードに切り換えられる。 このとき、 第 2クラッチ 3 0は接続され、 第 1クラッチ 3は遮断される。

回転電機 4の出力は、 図 2の太線の矢印に示すように、 第 2クラッチ 3 0およ ぴギヤボックス 5を介して変速機 2の入力軸 2 a、 さらに変速ギヤを通して変速 機 2の出力軸 2 bからプロペラシャフト 3 2を介して車輪へ伝えられる。

図 3は、 エンジン 1の出力のみにより車両の走行を行う場合である。 ' エンジン 1の出力のみによる走行を行うときは、 ハイブリッド ECU 1 0は、 エンジン ECU 1 5へエンジン駆動要求を送信する。 エンジン ECU 1 5は、 ァク セルの要求量に応じた出力が得られるようにエンジン 1の燃料供給量を制御す る。 ハイプリッド ECU 1 0は、 同時に、 第 2クラッチ 3 0を切断し、 第 1クラ ツチ 3を接続した状態において、 回転電機 4の運転を停止する。

エンジン 1の出力は、 太線の矢印で示すように、 第 1クラッチ 3を介して変速 機 2の入力軸 2 a、 さらに変速ギヤを通して変速機 2の出力軸 2 bからプロペラ シャフト 3 2を介して車輪へ伝えられる。

図 4は、 車両の走行に回転電機 4の出力とエンジン 1の出力を併用する場合を 示す。

車両の要求駆動力が大きい走行状態、 例えば登坂走行時などでは、 エンジン 1 と回転電機 4の出力が合成される。

第 1クラッチ 3およぴ第 2クラッチ 3 0を接続した状態において、 エンジン ECU 1 5にエンジン 1の分担する駆動力を出力す ¾ように要求を送信する一方、 回転電機 4の分担する駆動力が得られるように、 インバータ 1 1を電動モードに 切り換制御する。

回転電機 2の出力は、 図の太線矢印のように、 第 2クラッチ 3 0およびギヤボ ックス 5を介して変速機 2の入力軸 2 aに伝えられる。 また、 エンジン 1の出力 が、 第 1クラッチ 3において合成され、 さらに変速ギヤを通して変速機 2の出力 軸 2 bからプロペラシャフト 3 2を介して車輪へ伝えられる。

図 5は、 回転電機 4によりエネルギ回生を行う場舍を示す。

車両のブレーキ制動を伴う減速走行状態におレ、ては、 蓄電要素 9への充電が可 能な限り、 回転電機 4を発電機として機能させ、 エネルギ回生を行う。 インバー タ 1 1を発電モードに切り換え、 ブレーキ操作量に応じた回生制動力が回転電機 4力 ら得られるように、 インパータ 1 1へのトルク指令値を出力する。

車輪の回転は、 図の太線矢印のように、 プロペラシャフト 3 2から変速機 2の 出力軸 2 bおよび変速ギヤを通して変速機 2の入力軸 2 a、 さらにギヤボックス 5およぴ第 2クラッチ 3 0を介して回転電機 4の入出力軸 4 aへ伝えられる。 こ れにより、 回転電機 2の回生発電が行われ、 その電力はインバータ 1 1を介して 蓄電要素 9に充電される。

制動時の車両の慣性エネルギは、 回転電機 4の発電により、 電気工ネルギに変 換して蓄電要素 9に回収される。 回転電機 4の発電だけでは、 ブレーキ要求量が 不足する場合には、 ブレーキ ECU 2 0への要求により、 車両のブレーキアクチ ユエータによる制動力で捕われる。

図 6は車両の停止時に蓄電要素 9を充電する場合を示す。

車両の停止時に蓄電要素 9への充電を行うときは、 変速機 2をニュートラル状 態にしておいて、 第 1クラッチ 3および第 2クラッチ 3 0を接続する一方、 イン パータ 1 1へのトルク指令値を発電モードに制御する。 そして、 エンジン 1を運 転すると、 その出力は、 図の太線矢印で示すように、 第 1クラッチ 3から変速機 2の入力軸 2 a、 さらにギヤボックス 5から第 2クラッチ 3 0を介して回転電機 4の入出力軸 4 aへ伝えられる。 回転電機 4は、 エンジン 1の出力により駆動さ れ、 発電を行い、 その発生電力が蓄電要素 9に充電'される。

図 Ίは車両の走行中に蓄電要素 9も同時に充電する場合を示す。

エンジン 1の出力のみによる走行状態 （図 3参照） において、 蓄電要素 9への 充電が必要となったときには、 第 2クラッチ 3 0を接続状態へ切り換える一方、 インバータ 1 1へのトルク指令値を発電モードに制御する。エンジン 1の出力は、 図の太線矢印で示すように、 変速機 2の入力軸 2 aから変速ギヤを通して変速機 2の出力軸 2 bを介してプロペラシャフト 3 2へ伝えられるほ力、 ギヤボックス' 5および第 2クラッチ 3 0を介して回転電機 4の入出力軸 4 aへ伝えられる。 こ れにより、回転電機 4が発電機として機能し、発電を行い、蓄電要素 9を充電し、 蓄電量を必要な値まで高める。

ところで、 前記第 2クラッチ 3 0は、 回転電機 4の運転が停止中は切断状態に 維持され、 回転電機 4の運転が必要になると接続状態へ切り換えられる （図 2， 図 4〜図 7参照）。 第 2クラッチ 3 0が、 遮断状態から接続状態に切り換えられ るときは、 その入力側と出力側の回転速度を一致させてから接続しないとスムー ズに接続ができない。

そこで、 本発明では、 第 2クラッチ 3 0を接続するときに、 回転電機 4をモー タとして機能させ、 変速機側の回転速度とほぼ一致させてから、 クラッチ接続を 行うようになっている。

図 8は、 第 2クラッチ 3 0の接続状態への切り換え時における、 ハイブリッド ECU 1 0の制御内容を説明するフローチャートである。

ステップ S1 においては、 回転電機 4の運転が必要になると、 第 2クラッチ 3 0の接続状態への切り換え要求を発生する。

S2 においては、 エンジン回転センサ 1 6の検出信号に基づいて回転電機 4の 目標回転速度 （第 2クラッチ 3 0のギヤボックス 5側の回転速度に相当する） を 求める。 目標回転速度は、 エンジン 1の回転速度 （回転速度） とギヤボックス 5 の変速比とから計算される。 そして、 回転電機 4に対するインパータ 1 1のトル ク制御を回転速度制御に切り換えると共に回転速度制御の指令値として第 2クラ ツチ 3 0のギヤボックス 5側の回転速度に相当する目標回転速度を出力する。

S3 においては、 回転電機 4の実際の回転速度 （第 2クラッチの回転電機側の 回転速度に相当する）を測定する回転速度センサ 2 4から、その信号を読み込む。 そして、 エンジン回転速度に基づく目標回転速度と回転電機 4の実際の回転速度 を比較し、 両者 （第 2クラッチ 3 0のギヤボックス 5側の回転速度と第 2クラッ チ 3 0の回転電機 4側の回転数と） の回転速度差が所定の許容回転速度 （たとえ ば、 0〜 1 0 0 RPM) 以下かどうかを判定する。

S3 の判定が no のときは、 S2ヘリターンし、 回転速度差が許容回転速度以下 になるのを待つ一方、 S3 の判定が yesになると、 S4へ進み、 第 2クラッチ 3 0 のクラッチァクチユエータへクラッチ接続要求を送信する。 S5 においては、 回 転電機 4に対するインバータ 1 1の回転速度制御をトルク制御へ切り換えると共 に必要な発電トルクまたはカ行トルクが回転電機 4から得られるようにィンバー タへのトルク指令値を制御するである。 なお、 S2 においては、 エンジン回転速度検出値とギヤボックスの変速比とか ら目標回転速度を計算するのでなく、 ギヤ回転センサ 1 5が回転電機 4の入出力 軸 4 aに連結するドライブギヤ 5 aの回転速度を検出するので、 その検出信号を 目標回転速度として読み込むのもよい。

図 3のように、 第 2クラッチ 3 0は、 回転電機 4の運転停止時は切断状態に維 持される。 回転電機 4は、 エンジン 1の出力のみで走行する場合、 ギヤボックス 5から切り離され、 その慣性質量およびフリクションが駆動系に影響を及ぼさな いため、 エンジン 1の燃費向上を促進できるようになる。

また、 第 2クラッチ 3 0は、 例えば図 4のように、 回転電機 4の運転が必要に なると接続状態へ切り換えられる。 その際、 回転電機 4は、 ハイブリッド ECU 1 0に基づく回転速度制御により、 目標回転速度 （第 2クラッチ 3 0のギヤボッ クス 5側の回転速度に相当する） へ速やかに収束され、 目標回転速度と回転電機 側の回転速度との回転速度差が所定の許容範囲に入ると、 第 2クラッチ 3 0が 接続状態へ切り換えられるのである。 そのため、 第 2クラッチ 3 0の接続状態へ の切り換えは、 短時間に無理なく円滑に処理される。 つまり、 第 2クラッチ 3 0 の接続時における、ショックゃ異音（嚙合時のギヤ泣きなど）の発生が防止され、 第 2クラッチ 3 0の信頼性や耐久性を良好に確保できる、という効果が得られる。 第 2クラッチ 3 0は、 図 1において、 ギヤボックス 5と回転電機 4との間でな く、 変速機 2とギヤボックス 5との間に介装することもできる。 その場合、 ドリ プン ャ 5 bの回転軸は変速機 2の入力軸 2 aと別に設け、 これらの間を連結す るもう 1組の歯車機構を備える。 そして、 第 2クラッチ 3 0は、 ドリブンギヤ 5 bの回転軸と前記別の歯車機構の回転軸 （ドリブンギヤの回転軸と同軸上に配置 される） との間に介装され、 変速機 2とギヤボックス 5との間で、 動力の伝達を 断続するように構成するのである。

このような第 2クラッチ 3 0の配置においても、 エンジン 1の出力のみで走行 する場合、 第 2クラッチ 3 0を切断状態に維持することにより、 回転電機 4に加 えてギヤボックス 5も駆動系から切り離されるので、 さらにフリクションロスが 小さくなり、 エンジン 1の燃費向上を促進できることになる。 産棄上の利用可能性

本発明のハイブリッド駆動システムは、 種々の車両の駆動システムとして適用 することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 車両のハイプリッド駆動システムにおいて、

入力軸の回転を変速して出力軸から車輪へ伝達する変速機 2と、

エンジン 1の出力軸と前記変速機 2の前記入力軸との間で動力の伝達を断続す る第 1クラッチ 3と、

電動機と発電機を兼ねる回転電機 4と、

前記回転電機 4の入出力軸と前記変速機 2の前記入力軸との間で動力の伝達を 断続する第 2クラッチ 3 0と、

前記回転電機 4から供給される電力を蓄える蓄電要素 9と、 ' 前記第 2クラッチ 3 0の接続時に前記回転電機 4の回転速度制御を行い、 前記 回転電機 4の回転速度と前記変速機側の回転速度との速度差が許容範囲に入つて から、 前記第 2クラッチ 3 0を接続する第 2クラッチ制御装置 1 0とを備える。

2 . 前記第 2クラツチ制御装置 1 0は、 前記第 2クラッチ 3 0を接続したら、 前記回転電機 4の回転速度制御をトルク制御に切り換える、 請求項 1に記載の車 両のハイブリッド駆動システム。

3 . 前記回転電機 4の前記入出力軸と前記変速機 2の前記入力軸との間に回転 伝達機構 5を配置し、 前記第 2クラッチ 3 0を前記回転電機 4と前記回転伝達機 構 5との間に配置する請求項 1に記載の車両のハイプリッド駆動システム。

4 . 前記回転電機 4の前記入出力軸と前記変速機 2の前記入力軸との間に回転 伝達機構 5を配置し、 前記第 2クラッチ 3 0を前記回転伝達機構 5と前記変速機 2の前記入力軸との間に配置する請求項 1に記載の車両のハイブリッド駆動シス テム _Q

5 . 前記蓄電要素は、 電気二重層キャパシタで構成される請求項 1に記載の車 両のハイプリッド駆動システム。