JP2004352042A - ハイブリッド自動車 - Google Patents
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Abstract
【課題】走行車両の速度、およびその時点で必要とされる牽引力または制動力の大きさにしたがって、多様なモードを選択することができるハイブリッド自動車を提供する。必要な場合にエンジン・ブレーキを有効に利用できる運転性能の優れたハイブリッド自動車を提供する。二つの電動発電機をコンパクトに収容できる形態を提供する。
【解決手段】一つの内燃機関と、二つの電動発電機とが、同軸構造の回転軸により連結される。電動発電機と内燃機関との間、各電動発電機の間、および減速ギヤとプロペラ軸との間にそれぞれ接断制御されるクラッチを設ける。車速および必要な牽引力にしたがって、プログラム制御回路が、これらのクラッチの接断、および電動発電機の位相速度を制御することにより、走行条件に適合する動作モードを選択設定する。
【選択図】 図１
【解決手段】一つの内燃機関と、二つの電動発電機とが、同軸構造の回転軸により連結される。電動発電機と内燃機関との間、各電動発電機の間、および減速ギヤとプロペラ軸との間にそれぞれ接断制御されるクラッチを設ける。車速および必要な牽引力にしたがって、プログラム制御回路が、これらのクラッチの接断、および電動発電機の位相速度を制御することにより、走行条件に適合する動作モードを選択設定する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関および電動発電機を備えた新しい形式のハイブリッド自動車に関する。本発明は、内燃機関の回転軸に機械的に直列に接続する二つの電動発電機を設け、制御モードにしたがって、シリーズ形またはパラレル形として作動するハイブリッド自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリッド自動車をシリーズ形とパラレル形に大別すると、シリーズ形ハイブリッド自動車は、内燃機関の出力回転軸に発電機を連結し、この発電機により発生する電気エネルギを電池に充電し、この電池から取り出す電気エネルギを車軸に連結された電動機に供給して車両を駆動走行させる形式である。車軸に連結された電動機は制動時には発電機として作用するように制御され、制動により発電された電気エネルギは車載の電池を充電する。これが回生制動である。
【０００３】
これに対してパラレル形ハイブリッド自動車は、内燃機関の出力回転動力は車軸に供給されるとともに、車軸または内燃機関の回転軸に電動発電機が機械的に連結されている。そして電動発電機の電気系はインバータを介して車載の電池に接続される。この形式では、内燃機関の駆動力が不足する発進加速時や登坂時に、電動発電機を電動機として作動させて、電池に蓄積された電気エネルギを供給する。降坂時や減速時には電動発電機を発電機として作動させて、車両に対して電気制動とし作用させるとともに、発電された電気エネルギを電池に回生する。上記のように車軸に電動発電機を連結する形式や、内燃機関に電動発電機を連結する形式についてもさまざまな構成が知られていて、それぞれその特性には長短がある。
【０００４】
内燃機関の出力軸に、クラッチを介して複数の電動発電機を接続するハイブリッド自動車については、特許文献１（出願人エクォス・リサーチ）、特許文献２（出願人、同上）に開示がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１４４０２０号公報
【特許文献２】
特開平７−１３５７０１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
シリーズ形ハイブリッド自動車と、パラレル形ハイブリッド自動車の得失は、きわめて多様であり、いずれが優れているかを単純に決めることはできない。シリーズ形ハイブリッド自動車では、内燃機関を最適回転速度で連続的に回転させることができるから、内燃機関の燃料消費率や、排ガスの環境に対する影響などについて有利である。おおむね定常走行のモードではシリーズ形が有利になる。しかしシリーズ形ハイブリッド自動車では、車両の発進時や登坂時に、内燃機関が発生する優れた瞬時出力を直接駆動力として利用することができないし、走行速度調節のためにいわゆるエンジン・ブレーキを利用することができない。したがって、運転性能や走行特性の点からはパラレル形ハイブリッド自動車が有利である。また全体のエネルギ効率を考えると、シリーズ形ハイブリッド自動車では、すべての走行駆動用のエネルギがいったん電気エネルギに変換されるから、機械エネルギと電気エネルギとの変換効率、および電池における電気エネルギと化学エネルギとの変換効率が、今後画期的に改善されないかぎり無駄になるエネルギの割合は小さくならない。
【０００７】
ハイブリッド自動車では、エネルギの効率的な回生のために、車両の制動時には可能なかぎり電気制動を行うことがよい。これには、発生する電気エネルギをできるだけ大きくし、これを車載の電池に回収することが望まれる。電池に回収された電気エネルギは、これを効率的に走行エネルギとして利用して燃料消費量を経済化しなければならない。
【０００８】
さらにハイブリッド自動車の制動については、走行中の速度調節のために行う制動をすべて電気制動による構成とすると、運転特性が一般の内燃機関を動力とする車両より劣ることになる。上述のように、内燃機関のフリクションを利用するいわゆるエンジン・ブレーキ、およびエンジン・ブレーキを効果的にする排気ブレーキは運転操作性を良くするために有用である。実用上は電気制動を多く利用できるように設計するとしても、走行条件の広い範囲にわたり、エンジン・ブレーキが有効であるように構成しなければならない。
【０００９】
本発明はこのような背景に行われたものであって、シリーズ形ハイブリッド自動車の利点、およびパラレル形ハイブリッド自動車の利点をともに利用することができる形態のハイブリッド自動車を提供することを目的とする。本発明は、動力装置として一つの内燃機関と、二つの電動発電機とを装備し、多様なモードを設定することを可能にするとともに、走行速度および必要な牽引力または制動力にしたがって、その多様なモードの一つを選択設定することにより、燃料消費が小さくしかも走行特性および制動特性の優れたハイブリッド自動車を提供することを目的とする。本発明は、その時点の車両速度および必要とされる牽引力または制動力に応じて、エネルギの流れを多様に転換することができるハイブリッド自動車を提供することを目的とする。さらに本発明は、車両の減速時あるいは降坂時に、その走行速度に応じて、制動により生じる電気エネルギを大きくして、回生効率の高いハイブリッド自動車を提供することを目的とする。本発明は、運転操作の中でエンジン・ブレーキを有効に作用させることが可能であり、運転特性の優れたハイブリッド自動車を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のハイブリッド自動車は、一つの内燃機関（１）と、二つの電動発電機（３および５）とを備え、内燃機関（１）と第一の電動発電機（３）との間、第一の電動発電機（３）と第二の電動発電機（５）との間にそれぞれクラッチ（２および４）を設け、第二の電動発電機（５）の出力軸に減速ギヤ（６）を介してプロペラ軸（８）に接続するとともに、内燃機関（１）の出力軸が第三のクラッチ（７）を介してプロペラ軸（８）に結合することができるように構成したところにその特徴がある。この構成は、上記特許文献に提示した二つの従来例技術とは異なる。すなわち本発明では、第一の電動発電機（３）および第二の電動発電機（５）の回転軸を同軸構造として、この二つの電動発電機（３および５）の回転子をそれぞれその同軸構造の外軸に連結することにより、独立して回転可能とし、この同軸構造の中心軸に内燃機関（１）の回転軸が貫通する構造とすることにより合理的に実現される。この構造により内燃機関（１）の出力軸に直列に二つの電動発電機（３および５）を機動的に結合することができる。回転軸を同軸構造とすることは望ましい構成であるが、同軸構造としなくとも、たとえば二軸構造とすることにより、実質的に上記回転軸の連結を実現することができる。
【００１１】
この構成により、二つの電動発電機（３および５）を内燃機関（１）の出力軸に沿ってコンパクトに配置することができるとともに、内燃機関（１）の回転軸をプロペラ軸（８）に直結する動作モードが可能になる。すなわち第三のクラッチ（７）を接合状態に制御することにより、パラレル・ハイブリッドが可能になり、第三のクラッチ（７）を開放状態にすることにより、シリーズ・ハイブリッドが可能になる。また第三のクラッチ（７）を接合状態に制御することにより、プロペラ軸（８）を内燃機関（１）の回転軸と直結させることができるから、走行中にエンジン・ブレーキを利用することができる。
【００１２】
上記括弧内の数字は、あとから説明する実施例図面の参照数字である。これは発明の構成を理解しやすいように付すものであって、発明を実施例に限定して理解するためのものではない。以下の説明においても同様である。
【００１３】
すなわち本発明は、内燃機関（１）と、この内燃機関の出力軸に連結された第一のクラッチ（２）と、この第一のクラッチの出力軸にその回転軸が連結された第一の電動発電機（３）と、この第一の電動発電機（３）の回転軸に連結された第二のクラッチ（４）と、この第二のクラッチの出力軸にその回転軸が連結された第二の電動発電機（５）と、この第二の電動発電機の出力軸にその入力軸が連結された減速ギヤ（６）と、この減速ギヤの出力軸がプロペラ軸（８）に固定的に連結されるとともに、前記内燃機関（１）の出力軸がその入力軸に連結されその出力軸に前記プロペラ軸（８）が連結された第三のクラッチ（７）とを備え、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）の各巻線に与える二つの多相交流を発生するインバータ（９）と、このインバータ（９）の直流端子に接続された電池（１０）とを備え、さらに、前記内燃機関（１）の回転情報、前記第一の電動発電機（３）の回転情報、前記第二の電動発電機（５）の回転情報、および前記プロペラ軸（８）の回転情報を取込み、前記インバータ（９）が発生する二つの多相交流の位相を制御する手段と、運転操作の情報にしたがって前記第一のクラッチ（２）、前記第二のクラッチ（４）および前記第三のクラッチ（７）を開閉制御する手段とを含むプログラム制御回路（１１）を備えたことを特徴とする。
【００１４】
前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）の回転軸はそれぞれ個別に回転可能な二重の同軸構造であり、その同軸構造の中心軸として前記内燃機関（１）の出力軸が貫通し、その同軸構造の外軸にそれぞれ前記第一の電動発電機（３）の回転軸および前記第二の電動発電機（５）の回転軸が連結された構造とすることが望ましい。前記減速ギヤ（６）は、プラネタリ・ギヤとすることができる。
【００１５】
前記第一のクラッチ（２）、前記第一の電動発電機（３）、前記第二のクラッチ（４）、前記第二の電動発電機（５）、前記減速ギヤ（６）、および前記第三のクラッチ（７）を含む部材を一つのユニット構造とすることが望ましい。
【００１６】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）、前記第二のクラッチ（４）および前記第三のクラッチ（７）をすべて開放させ、前記第二の電動発電機（５）を電動機として制御する第一の電動走行モードをその制御モードとして設定する手段を含む構成とすることができる（図３参照、請求項５に対応）。
【００１７】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）および前記第三のクラッチ（７）を開放させ、前記第二のクラッチ（４）を接合させ、前記第二の電動発電機（５）および前記第一の電動発電機（３）をそれぞれ電動機として制御する第二の電動走行モードをその制御モードとして設定する手段を含む構成とすることができる（図４参照、請求項６に対応）。
【００１８】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）を接合させ、前記第二のクラッチ（４）および前記第三のクラッチ（７）をそれぞれ開放させ、前記内燃機関（１）を回転状態に制御し、前記第一の電動発電機（３）を発電機として制御し、前記第二の電動発電機（５）を電動機として制御するシリーズ・ハイブリッド・モードをその制御モードとして設定することができる（図５参照、請求項７に対応）。
【００１９】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）を開放させ、前記第二のクラッチ（４）および前記第三のクラッチ（７）をそれぞれ接合させ、前記内燃機関（１）を回転状態に制御し、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機をともに電動機として制御する第一のパラレル・ハイブリッド・モードをその制御モードとして設定することができる（図６参照、請求項８に対応）。
【００２０】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）および第二のクラッチをともに開放させ、前記第三のクラッチ（７）を接合させ、前記内燃機関（１）を回転状態に制御し、前記第二の電動発電機（５）を電動機として制御する第二のパラレル・ハイブリッド・モードをその制御モードとして設定することができる（図７参照、請求項９に対応）。
【００２１】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）および前記第二のクラッチ（４）をそれぞれ接合させ、前記第三のクラッチ（７）を開放させ、前記内燃機関（１）を回転状態に制御し、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）をともに電動機として制御する第三のパラレル・ハイブリッド・モードをその制御モードとして設定することができる（図８参照、請求項１０に対応）。
【００２２】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）および前記第二のクラッチ（４）をそれぞれ接合させ、前記第三のクラッチ（７）を開放させ、前記内燃機関（１）を回転状態に制御し、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）のうちの一方を電動機として制御する第四のパラレル・ハイブリッド・モードをその制御モードとして設定することができる（図９および図１０参照、請求項１１に対応）。
【００２３】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）、前記第二のクラッチ（４）および前記第三のクラッチ（７）を開放させ、前記第二の電動発電機（５）を発電機として制御する第一の回生制動モードをその制御モードとして設定することができる（図１１参照、請求項１２に対応）。
【００２４】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）および前記第三のクラッチ（７）を開放させ、前記第二のクラッチ（４）を接合させ、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）をともに発電機として制御する第二の回生制動モードをその制御モードとして設定することができる（図１２参照、請求項１３に対応）。
【００２５】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）および前記第二のクラッチ（４）を接合させ、前記第三のクラッチ（７）を開放させ、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）をともに発電機として制御し、前記内燃機関（１）を回転状態に制御する第一の回生制動およびエンジン・ブレーキ・モードをその制御モードとして設定することができる（図１３参照、請求項１４に対応）。
【００２６】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）を開放状態に制御し、前記第二のクラッチ（４）および前記第三のクラッチ（７）を接合させ、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）をともに発電機として制御し、前記内燃機関（１）を回転状態に制御する第二の回生制動およびエンジン・ブレーキ・モードをその制御モードとして設定することができる（図１４参照、請求項１５に対応）。
【００２７】
【発明の実施の形態】
実施例図面を用いて本発明実施例についてさらに詳しく説明する。図１は本発明実施例装置の構成図である。内燃機関１の出力軸は、第一のクラッチ２のフライ・ホイール側に連結されるとともに、第三のクラッチ７を介してプロペラ軸８に連結される。第一のクラッチ２には第一の電動発電機３の回転軸が連結され、さらに第一の電動発電機３の回転軸は第二のクラッチ４に連結される。第二のクラッチ４は第二の電動発電機５の回転軸に連結され、この第二の電動発電機５の回転軸は減速ギヤ６を介してプロペラ軸８に連結される。減速ギヤ６はプラネタリ・ギヤにより構成されている。
【００２８】
ここで本発明装置の特徴として、第一の電動発電機３および第二の電動発電機５の回転軸はそれぞれ個別に回転可能な二重の同軸構造であり、その同軸構造の中心軸として前記内燃機関１の出力軸が貫通し、その同軸構造の外軸にそれぞれ第一の電動発電機３の回転軸および第二の電動発電機５の回転軸が連結された構造になっている。そして、この中心軸は第三のクラッチ７に連結され、第三のクラッチを閉じることにより、プロペラ軸８と内燃機関１の回転軸とが直結されるように構成される。この構造により、シリーズ形ハイブリッド自動車の構成と、パラレル形ハイブリッド自動車の構成とを切り換えて利用できるようになる。またこの構造により、第一のクラッチ２、第一の電動発電機３、第二のクラッチ４、第二の電動発電機５、減速ギヤ６、および第三のクラッチ７は、一つのユニットに収容された一体化構造となる。この一体化構造により、車両の内燃機関１とプロペラ軸８との間に動力装置がコンパクトに配置されることになる。
【００２９】
第一の電動発電機３および第二の電動発電機５は、いずれも一般に多相交流回転機である。この実施例では三相交流回転機である。その巻線にはインバータ９からそれぞれ独立の三相交流が供給される。このインバータ９の直流端子には電池１０が接続されている。このインバータ９の二つの三相交流の位相回転速度（すなわち交流周波数）はプログラム制御回路１１により個別に制御される。
【００３０】
このプログラム制御回路１１には制御入力として、入出力回路（Ｉ／Ｏ）を介して、内燃機関１の回転速度情報ａ、第一の電動発電機３の回転情報ｂ、第二の電動発電機５の回転情報ｃ、およびプロペラ軸８の回転情報ｄが入力する。また、このプログラム制御回路１１は、入出力回路（Ｉ／Ｏ）を介して三つのクラッチの開閉制御回路（図外）、および内燃機関１を制御するエンジンＥＣＵに連結されている。エンジンＥＣＵは内燃機関１の燃料ポンプ（Ｆ）を制御する。さらにこのプログラム制御回路１１には、入出力回路（Ｉ／Ｏ）を介してアクセル・ペダル１２の操作情報が入力する。アクセル・ペダル１２の操作情報は、運転者がさらに牽引力を必要としているのか否かの判定に利用される。
【００３１】
この実施例装置の三つのクラッチ２、４および７は、いずれも電磁クラッチであり、これらの電磁クラッチは、上記プログラム制御回路１１によりその開閉が制御される。すなわちプログラム制御回路１１の制御信号に応じて、これらクラッチ２、４、および７の開閉は個別に制御される。これらクラッチ制御のための電磁回路および電磁クラッチの構造については、よく知られた技術であり図面が複雑になるので、ここに記載することを省略する。
【００３２】
このような構成の装置では、二つの電動発電機３および５の界磁巻線にそれぞれ供給する三相交流の位相を制御することにより、二つの電動発電機３および５をそれぞれ電動機または発電機として作用させることができる。電動機として作動しているときには、電池１０から電気エネルギが電動発電機に供給される、発電機として作動しているときには、電池１０に電気エネルギが流れ込み電池１０が充電される。この制御および動作はよく知られているのでここではさらに詳しい説明を省略する。なおこの実施例ではクラッチは電磁クラッチを利用したが、電磁クラッチ以外の構造のものを利用することができる。
【００３３】
つぎにこの実施例装置の動作モードを説明する。図２は本発明実施例車両の動力特性図である。横軸に車速をとり縦軸に牽引力をとる。領域Ａ〜Ｄについて、その時点の車両の速度と、その時点で必要とされる牽引力にしたがって、本発明装置の動作モードが選択決定される。つぎにそのいくつかを例示して説明する。
【００３４】
図３は電動走行モードにおけるエネルギの流れを示す図である。図中の破線矢印はエネルギの流れを示す。インバータ９からエネルギが流れ出るときには対応する電動発電機は電動機として作用する。この第一のモードでは、第一のクラッチ２、第二のクラッチ４および第三のクラッチ７はすべて開放状態にある。以下の説明では、参照図面の中で開放状態にあるクラッチの記号（図３の例では「７」）にアンダーラインを付して表示する。
【００３５】
この電動走行モードは車速が低速度であり、必要とされる牽引力が比較的小さい状態であるとともに、電池１０の充電容量が十分にある状態である。必要とされる牽引力は上述のようにアクセル・ペダル１２の踏み込み量から判定される。電池１０の充電容量を計測する方法はさまざまに知られているが、ここでは電池に充電または放電が行われていない状態における電池端子電圧により計測する。この第一のモードは図２に示す特性図に対応させると、大略領域Ａで利用するモードである。これは、車速が小さくアクセル・ペダルが浅く踏まれている状態から、車速が大きくアクセル・ペダルがほとんど踏まれていない状態までである。このときには第二の電動発電機５を電動機として作動させるとともに、すべてのクラッチ２、４および７を開放状態にする。この第一のモードでは、電池１０から電気エネルギが供給され、これがインバータ９で三相交流に変換され、第二の電動発電機５を電動機として駆動し、機械エネルギとなって減速ギヤ６を経由してプロペラ軸８を駆動する。
【００３６】
上記電動走行モードの状態で、電池１０の充電容量に余裕がありさらに牽引力を必要とする状態では、二つの電動機がともにプロペラ軸８を駆動するように制御することができる。図４にその場合の電動走行モードを示す。すなわち、第二の電動発電機５を電動機として制御するとともに、第一の電動発電機３も電動機として制御し、第一の電動発電機３および第二の電動発電機５に駆動電流を供給する。そして第二のクラッチ４を閉じることにより、二つの電動機がともにプロペラ軸８を駆動するように制御することができる。この電動走行モードも図２に示す領域Ａ、Ｂで利用するモードであるが、図２の領域Ａ、Ｂのうち、アクセル・ペダルがやや深く踏み込まれた左上方にあり、しかも電池１０に十分な充電容量があるときに利用される。
【００３７】
図５はシリーズ・ハイブリッド・モードの状態のエネルギの流れを示す。このシリーズ・ハイブリッド・モードでは、第一の電動発電機３を発電機として制御し、第二の電動発電機５を電動機として制御する。このシリーズ・ハイブリッド・モードでは、内燃機関１により第一の電動発電機で電気エネルギを発電するとともに、この電気エネルギを利用して第二の電動発電機５により車両を駆動する。このモードは図２に示す特性図では、これも領域Ａで利用するに適しているが、このシリーズ・ハイブリッド・モードが利用されるのは電池１０の充電容量が比較的小さくなったときである。
【００３８】
図６は第一のパラレル・ハイブリッド・モードのエネルギの流れを示す図である。このパラレル・ハイブリッド・モードでは、第一の電動発電機３および第二の電動発電機５をともに電動機として制御するとともに、内燃機関１からも車両の機械的な駆動力を直接に取り出す。図６に示すパラレル・ハイブリッド・モードでは、第一のクラッチ２は開放され、第二のクラッチ４は接合、第三のクラッチ７も接合の状態である。このモードは図２に示す特性図では、主に領域Ｄで利用するに適しているが、同じく領域Ａあるいは領域Ｂで利用することもできる。
【００３９】
図７は第二のパラレル・ハイブリッド・モードにおけるエネルギの流れを示す。このパラレル・ハイブリッド・モードでは、上記図６に示すパラレル・ハイブリッド・モードとは第二のクラッチ４が開放されているところに特徴がある。第二のクラッチを開放することにより、第一の電動発電機３の利用を停止させ、第二の電動発電機５のみが有効になるように制御することができる。このモードも図２に示す特性図において、領域Ｂもしくはさらに牽引力を必要としない領域Ａで利用される。
【００４０】
図８は第三のパラレル・ハイブリッド・モードのエネルギの流れを示す図である。このパラレル・ハイブリッド・モードでも、第一の電動発電機３および第二の電動発電機５をともに電動機として制御するとともに、第一のクラッチ２および第二のクラッチ４を接合状態とし、第三のクラッチ７を開放状態とする。このモードは同じくパラレル・ハイブリッド・モードであっても、上記のモードとはクラッチの状態が異なることにより動力伝達の経路が異なる。すなわち内燃機関１の機械出力は第一のクラッチ２から、第二のクラッチ４を経由して、さらに減速ギヤ６を経由してプロペラ軸８を駆動する。減速ギヤ６を経由することにより、低速・高牽引力の領域で利用するに適する。すなわち図２に示す領域Ｃで利用するに適する。
【００４１】
図９は第四のパラレル・ハイブリッド・モードにおけるエネルギの流れを示す図である。図１０は第五のパラレル・ハイブリッド・モードにおけるエネルギの流れを示す図である。この二つのモードは、いずれも図８で説明した第三のパラレル・ハイブリッド・モードの変形モードである。すなわちこの二つのモードでは、第一の電動発電機３および第二の電動発電機５のうちのいずれか一方を空転状態に制御する。図９では第二の電動発電機５を空転状態として電気エネルギの出し入れのない状態に制御する。図１０では電動発電機３を空転状態として電気エネルギの出し入れのない状態に制御する。これは電動発電機の電動機としての効率は、一般にトルクの低い領域であまり良くないので、電動機としての出力トルクが小さいときには、二つの電動発電機を同時に回転駆動させるより、一方ずつたとえば交互に回転駆動するように制御することが合理的な場合があるからである。
【００４２】
図１１は第一の回生制動モードにおけるエネルギの流れを示す図である。このモードでは、三つのクラッチ２、４、および７はすべて開放し、プロペラ軸８の回転動力は、減速ギヤ６を介して第二の電動発電機５に供給される。さらに第二の電動発電機５が発電機として作用し、これにより発電された電気エネルギはインバータ９から電池１０に回生される。このモードは回生制動を行うあらゆる車速領域で、比較的小さい制動力を発生させる場合に有効である。
【００４３】
図１２は第二の回生制動モードのエネルギの流れを示す図である。この回生制動モードでは第二のクラッチ４を接合状態とし、第一のクラッチ２および第三のクラッチ７は開放する。そして二つの電動発電機３および５は発電機となるように制御する。これによりプロペラ軸８の回転動力は第二の電動発電機５および第一の電動発電機３を回転駆動することになり、発電された電気エネルギはインバータ９を介して電池１０を充電する。このモードも回生制動を行うあらゆる車速領域で利用できる。このモードは上記図１１で説明した回生制動モードに比べると、二つの発電機が作用することになるから制動力は大きくなるとともに、回生される充電電流も大きくなる。
【００４４】
図１３は回生制動と同時にエンジン・ブレーキを作用させる第一の回生制動およびエンジン・ブレーキ併用モードにおけるエネルギの流れを示す図である。このモードは回生制動とともにエンジン・ブレーキを利用するパラレル制動のモードである。上記図１２で説明した状態で、さらに第一のクラッチ２を接合状態に制御する。これにより、二つの電動発電機３および５を同時に発電機として制御するとともに、プロペラ軸８の回転力は二つの電動発電機３および５を経由してさらに内燃機関１の回転軸を駆動する。このモードでは第三のクラッチ７は開放状態にあるから、内燃機関１に加わる回転動力は減速ギヤ６を経由する。すなわちこのモードは低速度のときの回生制動として利用するに有利になる。図示されていないが、エンジン・ブレーキとともに、内燃機関の排気通路を閉塞する排気ブレーキを併用することもできる。
【００４５】
図１４は回生制動とともにエンジン・ブレーキを利用する第二の回生制動およびエンジンブレーキ併用モードにおけるエネルギの流れを示す図である。このモードの特徴は、第三のクラッチ７を接合状態に制御するとともに、第一のクラッチ２を開放する。これにより、プロペラ軸８の回転動力は、減速ギヤ６を経由することなく第三のクラッチ７から中心軸を経由して内燃機関１に達する。したがってこのモードは中速あるいは高速で、回生制動とともにエンジン・ブレーキを併用するときに利用される。例えば大きい荷重で急な下り坂を走行する場合に適している。このモードについても、エンジン・ブレーキとともに、排気ブレーキを併用することができる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明により、ハイブリッド自動車について多様なモードを切替え設定することが可能になり、シリーズ形ハイブリッド自動車の利点、およびパラレル形ハイブリッド自動車の利点を車両の走行状態に応じて有効に利用することができる。本発明により、燃料消費が小さくしかも走行特性および制動特性の優れたハイブリッド自動車が得られる。本発明により、その時点の車両速度および必要とされる牽引力または制動力に応じてエネルギの流れを多様に転換することができるので、回生効率が高く、燃料消費量の小さいハイブリッド自動車を実現することができる。本発明の方式では、エンジン・ブレーキを有効に利用することができるから、運転特性の優れたハイブリッド自動車を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例装置のブロック構成図。
【図２】車速に対する牽引力特性図。
【図３】電気走行モードにおけるエネルギの流れを説明する図。
【図４】電気走行モードにおけるエネルギの流れを説明する図。
【図５】シリーズ・ハイブリッド・モードにおけるエネルギの流れを説明する図。
【図６】第一のパラレル・ハイブリッド・モードにおけるエネルギの流れを説明する図。
【図７】第二のパラレル・ハイブリッドにおけるエネルギの流れを説明する図。
【図８】第三のパラレル・ハイブリッドにおけるエネルギの流れを説明する図。
【図９】第四のパラレル・ハイブリッドにおけるエネルギの流れを説明する図。
【図１０】第五のパラレル・ハイブリッドにおけるエネルギの流れを説明する図。
【図１１】第一の回生制動におけるエネルギの流れを説明する図。
【図１２】第二の回生制動におけるエネルギの流れを説明する図。
【図１３】第一の回生制動およびエンジン・ブレーキ併用のモードにおけるエネルギの流れを説明する図。
【図１４】第二の回生制動およびエンジン・ブレーキ併用モードにおけるエネルギの流れを説明する図。
【符号の説明】
１ 内燃機関
２ 第一のクラッチ
３ 第一の電動発電機
４ 第二のクラッチ
５ 第二の電動発電機
６ 減速ギヤ（プラネタリ・ギヤ）
７ 第三のクラッチ
８ プロペラ軸
９ インバータ
１０ 電池
１１ プログラム制御回路
１２ アクセル・ペダル
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関および電動発電機を備えた新しい形式のハイブリッド自動車に関する。本発明は、内燃機関の回転軸に機械的に直列に接続する二つの電動発電機を設け、制御モードにしたがって、シリーズ形またはパラレル形として作動するハイブリッド自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリッド自動車をシリーズ形とパラレル形に大別すると、シリーズ形ハイブリッド自動車は、内燃機関の出力回転軸に発電機を連結し、この発電機により発生する電気エネルギを電池に充電し、この電池から取り出す電気エネルギを車軸に連結された電動機に供給して車両を駆動走行させる形式である。車軸に連結された電動機は制動時には発電機として作用するように制御され、制動により発電された電気エネルギは車載の電池を充電する。これが回生制動である。
【０００３】
これに対してパラレル形ハイブリッド自動車は、内燃機関の出力回転動力は車軸に供給されるとともに、車軸または内燃機関の回転軸に電動発電機が機械的に連結されている。そして電動発電機の電気系はインバータを介して車載の電池に接続される。この形式では、内燃機関の駆動力が不足する発進加速時や登坂時に、電動発電機を電動機として作動させて、電池に蓄積された電気エネルギを供給する。降坂時や減速時には電動発電機を発電機として作動させて、車両に対して電気制動とし作用させるとともに、発電された電気エネルギを電池に回生する。上記のように車軸に電動発電機を連結する形式や、内燃機関に電動発電機を連結する形式についてもさまざまな構成が知られていて、それぞれその特性には長短がある。
【０００４】
内燃機関の出力軸に、クラッチを介して複数の電動発電機を接続するハイブリッド自動車については、特許文献１（出願人エクォス・リサーチ）、特許文献２（出願人、同上）に開示がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１４４０２０号公報
【特許文献２】
特開平７−１３５７０１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
シリーズ形ハイブリッド自動車と、パラレル形ハイブリッド自動車の得失は、きわめて多様であり、いずれが優れているかを単純に決めることはできない。シリーズ形ハイブリッド自動車では、内燃機関を最適回転速度で連続的に回転させることができるから、内燃機関の燃料消費率や、排ガスの環境に対する影響などについて有利である。おおむね定常走行のモードではシリーズ形が有利になる。しかしシリーズ形ハイブリッド自動車では、車両の発進時や登坂時に、内燃機関が発生する優れた瞬時出力を直接駆動力として利用することができないし、走行速度調節のためにいわゆるエンジン・ブレーキを利用することができない。したがって、運転性能や走行特性の点からはパラレル形ハイブリッド自動車が有利である。また全体のエネルギ効率を考えると、シリーズ形ハイブリッド自動車では、すべての走行駆動用のエネルギがいったん電気エネルギに変換されるから、機械エネルギと電気エネルギとの変換効率、および電池における電気エネルギと化学エネルギとの変換効率が、今後画期的に改善されないかぎり無駄になるエネルギの割合は小さくならない。
【０００７】
ハイブリッド自動車では、エネルギの効率的な回生のために、車両の制動時には可能なかぎり電気制動を行うことがよい。これには、発生する電気エネルギをできるだけ大きくし、これを車載の電池に回収することが望まれる。電池に回収された電気エネルギは、これを効率的に走行エネルギとして利用して燃料消費量を経済化しなければならない。
【０００８】
さらにハイブリッド自動車の制動については、走行中の速度調節のために行う制動をすべて電気制動による構成とすると、運転特性が一般の内燃機関を動力とする車両より劣ることになる。上述のように、内燃機関のフリクションを利用するいわゆるエンジン・ブレーキ、およびエンジン・ブレーキを効果的にする排気ブレーキは運転操作性を良くするために有用である。実用上は電気制動を多く利用できるように設計するとしても、走行条件の広い範囲にわたり、エンジン・ブレーキが有効であるように構成しなければならない。
【０００９】
本発明はこのような背景に行われたものであって、シリーズ形ハイブリッド自動車の利点、およびパラレル形ハイブリッド自動車の利点をともに利用することができる形態のハイブリッド自動車を提供することを目的とする。本発明は、動力装置として一つの内燃機関と、二つの電動発電機とを装備し、多様なモードを設定することを可能にするとともに、走行速度および必要な牽引力または制動力にしたがって、その多様なモードの一つを選択設定することにより、燃料消費が小さくしかも走行特性および制動特性の優れたハイブリッド自動車を提供することを目的とする。本発明は、その時点の車両速度および必要とされる牽引力または制動力に応じて、エネルギの流れを多様に転換することができるハイブリッド自動車を提供することを目的とする。さらに本発明は、車両の減速時あるいは降坂時に、その走行速度に応じて、制動により生じる電気エネルギを大きくして、回生効率の高いハイブリッド自動車を提供することを目的とする。本発明は、運転操作の中でエンジン・ブレーキを有効に作用させることが可能であり、運転特性の優れたハイブリッド自動車を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のハイブリッド自動車は、一つの内燃機関（１）と、二つの電動発電機（３および５）とを備え、内燃機関（１）と第一の電動発電機（３）との間、第一の電動発電機（３）と第二の電動発電機（５）との間にそれぞれクラッチ（２および４）を設け、第二の電動発電機（５）の出力軸に減速ギヤ（６）を介してプロペラ軸（８）に接続するとともに、内燃機関（１）の出力軸が第三のクラッチ（７）を介してプロペラ軸（８）に結合することができるように構成したところにその特徴がある。この構成は、上記特許文献に提示した二つの従来例技術とは異なる。すなわち本発明では、第一の電動発電機（３）および第二の電動発電機（５）の回転軸を同軸構造として、この二つの電動発電機（３および５）の回転子をそれぞれその同軸構造の外軸に連結することにより、独立して回転可能とし、この同軸構造の中心軸に内燃機関（１）の回転軸が貫通する構造とすることにより合理的に実現される。この構造により内燃機関（１）の出力軸に直列に二つの電動発電機（３および５）を機動的に結合することができる。回転軸を同軸構造とすることは望ましい構成であるが、同軸構造としなくとも、たとえば二軸構造とすることにより、実質的に上記回転軸の連結を実現することができる。
【００１１】
この構成により、二つの電動発電機（３および５）を内燃機関（１）の出力軸に沿ってコンパクトに配置することができるとともに、内燃機関（１）の回転軸をプロペラ軸（８）に直結する動作モードが可能になる。すなわち第三のクラッチ（７）を接合状態に制御することにより、パラレル・ハイブリッドが可能になり、第三のクラッチ（７）を開放状態にすることにより、シリーズ・ハイブリッドが可能になる。また第三のクラッチ（７）を接合状態に制御することにより、プロペラ軸（８）を内燃機関（１）の回転軸と直結させることができるから、走行中にエンジン・ブレーキを利用することができる。
【００１２】
上記括弧内の数字は、あとから説明する実施例図面の参照数字である。これは発明の構成を理解しやすいように付すものであって、発明を実施例に限定して理解するためのものではない。以下の説明においても同様である。
【００１３】
すなわち本発明は、内燃機関（１）と、この内燃機関の出力軸に連結された第一のクラッチ（２）と、この第一のクラッチの出力軸にその回転軸が連結された第一の電動発電機（３）と、この第一の電動発電機（３）の回転軸に連結された第二のクラッチ（４）と、この第二のクラッチの出力軸にその回転軸が連結された第二の電動発電機（５）と、この第二の電動発電機の出力軸にその入力軸が連結された減速ギヤ（６）と、この減速ギヤの出力軸がプロペラ軸（８）に固定的に連結されるとともに、前記内燃機関（１）の出力軸がその入力軸に連結されその出力軸に前記プロペラ軸（８）が連結された第三のクラッチ（７）とを備え、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）の各巻線に与える二つの多相交流を発生するインバータ（９）と、このインバータ（９）の直流端子に接続された電池（１０）とを備え、さらに、前記内燃機関（１）の回転情報、前記第一の電動発電機（３）の回転情報、前記第二の電動発電機（５）の回転情報、および前記プロペラ軸（８）の回転情報を取込み、前記インバータ（９）が発生する二つの多相交流の位相を制御する手段と、運転操作の情報にしたがって前記第一のクラッチ（２）、前記第二のクラッチ（４）および前記第三のクラッチ（７）を開閉制御する手段とを含むプログラム制御回路（１１）を備えたことを特徴とする。
【００１４】
前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）の回転軸はそれぞれ個別に回転可能な二重の同軸構造であり、その同軸構造の中心軸として前記内燃機関（１）の出力軸が貫通し、その同軸構造の外軸にそれぞれ前記第一の電動発電機（３）の回転軸および前記第二の電動発電機（５）の回転軸が連結された構造とすることが望ましい。前記減速ギヤ（６）は、プラネタリ・ギヤとすることができる。
【００１５】
前記第一のクラッチ（２）、前記第一の電動発電機（３）、前記第二のクラッチ（４）、前記第二の電動発電機（５）、前記減速ギヤ（６）、および前記第三のクラッチ（７）を含む部材を一つのユニット構造とすることが望ましい。
【００１６】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）、前記第二のクラッチ（４）および前記第三のクラッチ（７）をすべて開放させ、前記第二の電動発電機（５）を電動機として制御する第一の電動走行モードをその制御モードとして設定する手段を含む構成とすることができる（図３参照、請求項５に対応）。
【００１７】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）および前記第三のクラッチ（７）を開放させ、前記第二のクラッチ（４）を接合させ、前記第二の電動発電機（５）および前記第一の電動発電機（３）をそれぞれ電動機として制御する第二の電動走行モードをその制御モードとして設定する手段を含む構成とすることができる（図４参照、請求項６に対応）。
【００１８】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）を接合させ、前記第二のクラッチ（４）および前記第三のクラッチ（７）をそれぞれ開放させ、前記内燃機関（１）を回転状態に制御し、前記第一の電動発電機（３）を発電機として制御し、前記第二の電動発電機（５）を電動機として制御するシリーズ・ハイブリッド・モードをその制御モードとして設定することができる（図５参照、請求項７に対応）。
【００１９】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）を開放させ、前記第二のクラッチ（４）および前記第三のクラッチ（７）をそれぞれ接合させ、前記内燃機関（１）を回転状態に制御し、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機をともに電動機として制御する第一のパラレル・ハイブリッド・モードをその制御モードとして設定することができる（図６参照、請求項８に対応）。
【００２０】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）および第二のクラッチをともに開放させ、前記第三のクラッチ（７）を接合させ、前記内燃機関（１）を回転状態に制御し、前記第二の電動発電機（５）を電動機として制御する第二のパラレル・ハイブリッド・モードをその制御モードとして設定することができる（図７参照、請求項９に対応）。
【００２１】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）および前記第二のクラッチ（４）をそれぞれ接合させ、前記第三のクラッチ（７）を開放させ、前記内燃機関（１）を回転状態に制御し、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）をともに電動機として制御する第三のパラレル・ハイブリッド・モードをその制御モードとして設定することができる（図８参照、請求項１０に対応）。
【００２２】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）および前記第二のクラッチ（４）をそれぞれ接合させ、前記第三のクラッチ（７）を開放させ、前記内燃機関（１）を回転状態に制御し、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）のうちの一方を電動機として制御する第四のパラレル・ハイブリッド・モードをその制御モードとして設定することができる（図９および図１０参照、請求項１１に対応）。
【００２３】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）、前記第二のクラッチ（４）および前記第三のクラッチ（７）を開放させ、前記第二の電動発電機（５）を発電機として制御する第一の回生制動モードをその制御モードとして設定することができる（図１１参照、請求項１２に対応）。
【００２４】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）および前記第三のクラッチ（７）を開放させ、前記第二のクラッチ（４）を接合させ、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）をともに発電機として制御する第二の回生制動モードをその制御モードとして設定することができる（図１２参照、請求項１３に対応）。
【００２５】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）および前記第二のクラッチ（４）を接合させ、前記第三のクラッチ（７）を開放させ、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）をともに発電機として制御し、前記内燃機関（１）を回転状態に制御する第一の回生制動およびエンジン・ブレーキ・モードをその制御モードとして設定することができる（図１３参照、請求項１４に対応）。
【００２６】
前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）を開放状態に制御し、前記第二のクラッチ（４）および前記第三のクラッチ（７）を接合させ、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）をともに発電機として制御し、前記内燃機関（１）を回転状態に制御する第二の回生制動およびエンジン・ブレーキ・モードをその制御モードとして設定することができる（図１４参照、請求項１５に対応）。
【００２７】
【発明の実施の形態】
実施例図面を用いて本発明実施例についてさらに詳しく説明する。図１は本発明実施例装置の構成図である。内燃機関１の出力軸は、第一のクラッチ２のフライ・ホイール側に連結されるとともに、第三のクラッチ７を介してプロペラ軸８に連結される。第一のクラッチ２には第一の電動発電機３の回転軸が連結され、さらに第一の電動発電機３の回転軸は第二のクラッチ４に連結される。第二のクラッチ４は第二の電動発電機５の回転軸に連結され、この第二の電動発電機５の回転軸は減速ギヤ６を介してプロペラ軸８に連結される。減速ギヤ６はプラネタリ・ギヤにより構成されている。
【００２８】
ここで本発明装置の特徴として、第一の電動発電機３および第二の電動発電機５の回転軸はそれぞれ個別に回転可能な二重の同軸構造であり、その同軸構造の中心軸として前記内燃機関１の出力軸が貫通し、その同軸構造の外軸にそれぞれ第一の電動発電機３の回転軸および第二の電動発電機５の回転軸が連結された構造になっている。そして、この中心軸は第三のクラッチ７に連結され、第三のクラッチを閉じることにより、プロペラ軸８と内燃機関１の回転軸とが直結されるように構成される。この構造により、シリーズ形ハイブリッド自動車の構成と、パラレル形ハイブリッド自動車の構成とを切り換えて利用できるようになる。またこの構造により、第一のクラッチ２、第一の電動発電機３、第二のクラッチ４、第二の電動発電機５、減速ギヤ６、および第三のクラッチ７は、一つのユニットに収容された一体化構造となる。この一体化構造により、車両の内燃機関１とプロペラ軸８との間に動力装置がコンパクトに配置されることになる。
【００２９】
第一の電動発電機３および第二の電動発電機５は、いずれも一般に多相交流回転機である。この実施例では三相交流回転機である。その巻線にはインバータ９からそれぞれ独立の三相交流が供給される。このインバータ９の直流端子には電池１０が接続されている。このインバータ９の二つの三相交流の位相回転速度（すなわち交流周波数）はプログラム制御回路１１により個別に制御される。
【００３０】
このプログラム制御回路１１には制御入力として、入出力回路（Ｉ／Ｏ）を介して、内燃機関１の回転速度情報ａ、第一の電動発電機３の回転情報ｂ、第二の電動発電機５の回転情報ｃ、およびプロペラ軸８の回転情報ｄが入力する。また、このプログラム制御回路１１は、入出力回路（Ｉ／Ｏ）を介して三つのクラッチの開閉制御回路（図外）、および内燃機関１を制御するエンジンＥＣＵに連結されている。エンジンＥＣＵは内燃機関１の燃料ポンプ（Ｆ）を制御する。さらにこのプログラム制御回路１１には、入出力回路（Ｉ／Ｏ）を介してアクセル・ペダル１２の操作情報が入力する。アクセル・ペダル１２の操作情報は、運転者がさらに牽引力を必要としているのか否かの判定に利用される。
【００３１】
この実施例装置の三つのクラッチ２、４および７は、いずれも電磁クラッチであり、これらの電磁クラッチは、上記プログラム制御回路１１によりその開閉が制御される。すなわちプログラム制御回路１１の制御信号に応じて、これらクラッチ２、４、および７の開閉は個別に制御される。これらクラッチ制御のための電磁回路および電磁クラッチの構造については、よく知られた技術であり図面が複雑になるので、ここに記載することを省略する。
【００３２】
このような構成の装置では、二つの電動発電機３および５の界磁巻線にそれぞれ供給する三相交流の位相を制御することにより、二つの電動発電機３および５をそれぞれ電動機または発電機として作用させることができる。電動機として作動しているときには、電池１０から電気エネルギが電動発電機に供給される、発電機として作動しているときには、電池１０に電気エネルギが流れ込み電池１０が充電される。この制御および動作はよく知られているのでここではさらに詳しい説明を省略する。なおこの実施例ではクラッチは電磁クラッチを利用したが、電磁クラッチ以外の構造のものを利用することができる。
【００３３】
つぎにこの実施例装置の動作モードを説明する。図２は本発明実施例車両の動力特性図である。横軸に車速をとり縦軸に牽引力をとる。領域Ａ〜Ｄについて、その時点の車両の速度と、その時点で必要とされる牽引力にしたがって、本発明装置の動作モードが選択決定される。つぎにそのいくつかを例示して説明する。
【００３４】
図３は電動走行モードにおけるエネルギの流れを示す図である。図中の破線矢印はエネルギの流れを示す。インバータ９からエネルギが流れ出るときには対応する電動発電機は電動機として作用する。この第一のモードでは、第一のクラッチ２、第二のクラッチ４および第三のクラッチ７はすべて開放状態にある。以下の説明では、参照図面の中で開放状態にあるクラッチの記号（図３の例では「７」）にアンダーラインを付して表示する。
【００３５】
この電動走行モードは車速が低速度であり、必要とされる牽引力が比較的小さい状態であるとともに、電池１０の充電容量が十分にある状態である。必要とされる牽引力は上述のようにアクセル・ペダル１２の踏み込み量から判定される。電池１０の充電容量を計測する方法はさまざまに知られているが、ここでは電池に充電または放電が行われていない状態における電池端子電圧により計測する。この第一のモードは図２に示す特性図に対応させると、大略領域Ａで利用するモードである。これは、車速が小さくアクセル・ペダルが浅く踏まれている状態から、車速が大きくアクセル・ペダルがほとんど踏まれていない状態までである。このときには第二の電動発電機５を電動機として作動させるとともに、すべてのクラッチ２、４および７を開放状態にする。この第一のモードでは、電池１０から電気エネルギが供給され、これがインバータ９で三相交流に変換され、第二の電動発電機５を電動機として駆動し、機械エネルギとなって減速ギヤ６を経由してプロペラ軸８を駆動する。
【００３６】
上記電動走行モードの状態で、電池１０の充電容量に余裕がありさらに牽引力を必要とする状態では、二つの電動機がともにプロペラ軸８を駆動するように制御することができる。図４にその場合の電動走行モードを示す。すなわち、第二の電動発電機５を電動機として制御するとともに、第一の電動発電機３も電動機として制御し、第一の電動発電機３および第二の電動発電機５に駆動電流を供給する。そして第二のクラッチ４を閉じることにより、二つの電動機がともにプロペラ軸８を駆動するように制御することができる。この電動走行モードも図２に示す領域Ａ、Ｂで利用するモードであるが、図２の領域Ａ、Ｂのうち、アクセル・ペダルがやや深く踏み込まれた左上方にあり、しかも電池１０に十分な充電容量があるときに利用される。
【００３７】
図５はシリーズ・ハイブリッド・モードの状態のエネルギの流れを示す。このシリーズ・ハイブリッド・モードでは、第一の電動発電機３を発電機として制御し、第二の電動発電機５を電動機として制御する。このシリーズ・ハイブリッド・モードでは、内燃機関１により第一の電動発電機で電気エネルギを発電するとともに、この電気エネルギを利用して第二の電動発電機５により車両を駆動する。このモードは図２に示す特性図では、これも領域Ａで利用するに適しているが、このシリーズ・ハイブリッド・モードが利用されるのは電池１０の充電容量が比較的小さくなったときである。
【００３８】
図６は第一のパラレル・ハイブリッド・モードのエネルギの流れを示す図である。このパラレル・ハイブリッド・モードでは、第一の電動発電機３および第二の電動発電機５をともに電動機として制御するとともに、内燃機関１からも車両の機械的な駆動力を直接に取り出す。図６に示すパラレル・ハイブリッド・モードでは、第一のクラッチ２は開放され、第二のクラッチ４は接合、第三のクラッチ７も接合の状態である。このモードは図２に示す特性図では、主に領域Ｄで利用するに適しているが、同じく領域Ａあるいは領域Ｂで利用することもできる。
【００３９】
図７は第二のパラレル・ハイブリッド・モードにおけるエネルギの流れを示す。このパラレル・ハイブリッド・モードでは、上記図６に示すパラレル・ハイブリッド・モードとは第二のクラッチ４が開放されているところに特徴がある。第二のクラッチを開放することにより、第一の電動発電機３の利用を停止させ、第二の電動発電機５のみが有効になるように制御することができる。このモードも図２に示す特性図において、領域Ｂもしくはさらに牽引力を必要としない領域Ａで利用される。
【００４０】
図８は第三のパラレル・ハイブリッド・モードのエネルギの流れを示す図である。このパラレル・ハイブリッド・モードでも、第一の電動発電機３および第二の電動発電機５をともに電動機として制御するとともに、第一のクラッチ２および第二のクラッチ４を接合状態とし、第三のクラッチ７を開放状態とする。このモードは同じくパラレル・ハイブリッド・モードであっても、上記のモードとはクラッチの状態が異なることにより動力伝達の経路が異なる。すなわち内燃機関１の機械出力は第一のクラッチ２から、第二のクラッチ４を経由して、さらに減速ギヤ６を経由してプロペラ軸８を駆動する。減速ギヤ６を経由することにより、低速・高牽引力の領域で利用するに適する。すなわち図２に示す領域Ｃで利用するに適する。
【００４１】
図９は第四のパラレル・ハイブリッド・モードにおけるエネルギの流れを示す図である。図１０は第五のパラレル・ハイブリッド・モードにおけるエネルギの流れを示す図である。この二つのモードは、いずれも図８で説明した第三のパラレル・ハイブリッド・モードの変形モードである。すなわちこの二つのモードでは、第一の電動発電機３および第二の電動発電機５のうちのいずれか一方を空転状態に制御する。図９では第二の電動発電機５を空転状態として電気エネルギの出し入れのない状態に制御する。図１０では電動発電機３を空転状態として電気エネルギの出し入れのない状態に制御する。これは電動発電機の電動機としての効率は、一般にトルクの低い領域であまり良くないので、電動機としての出力トルクが小さいときには、二つの電動発電機を同時に回転駆動させるより、一方ずつたとえば交互に回転駆動するように制御することが合理的な場合があるからである。
【００４２】
図１１は第一の回生制動モードにおけるエネルギの流れを示す図である。このモードでは、三つのクラッチ２、４、および７はすべて開放し、プロペラ軸８の回転動力は、減速ギヤ６を介して第二の電動発電機５に供給される。さらに第二の電動発電機５が発電機として作用し、これにより発電された電気エネルギはインバータ９から電池１０に回生される。このモードは回生制動を行うあらゆる車速領域で、比較的小さい制動力を発生させる場合に有効である。
【００４３】
図１２は第二の回生制動モードのエネルギの流れを示す図である。この回生制動モードでは第二のクラッチ４を接合状態とし、第一のクラッチ２および第三のクラッチ７は開放する。そして二つの電動発電機３および５は発電機となるように制御する。これによりプロペラ軸８の回転動力は第二の電動発電機５および第一の電動発電機３を回転駆動することになり、発電された電気エネルギはインバータ９を介して電池１０を充電する。このモードも回生制動を行うあらゆる車速領域で利用できる。このモードは上記図１１で説明した回生制動モードに比べると、二つの発電機が作用することになるから制動力は大きくなるとともに、回生される充電電流も大きくなる。
【００４４】
図１３は回生制動と同時にエンジン・ブレーキを作用させる第一の回生制動およびエンジン・ブレーキ併用モードにおけるエネルギの流れを示す図である。このモードは回生制動とともにエンジン・ブレーキを利用するパラレル制動のモードである。上記図１２で説明した状態で、さらに第一のクラッチ２を接合状態に制御する。これにより、二つの電動発電機３および５を同時に発電機として制御するとともに、プロペラ軸８の回転力は二つの電動発電機３および５を経由してさらに内燃機関１の回転軸を駆動する。このモードでは第三のクラッチ７は開放状態にあるから、内燃機関１に加わる回転動力は減速ギヤ６を経由する。すなわちこのモードは低速度のときの回生制動として利用するに有利になる。図示されていないが、エンジン・ブレーキとともに、内燃機関の排気通路を閉塞する排気ブレーキを併用することもできる。
【００４５】
図１４は回生制動とともにエンジン・ブレーキを利用する第二の回生制動およびエンジンブレーキ併用モードにおけるエネルギの流れを示す図である。このモードの特徴は、第三のクラッチ７を接合状態に制御するとともに、第一のクラッチ２を開放する。これにより、プロペラ軸８の回転動力は、減速ギヤ６を経由することなく第三のクラッチ７から中心軸を経由して内燃機関１に達する。したがってこのモードは中速あるいは高速で、回生制動とともにエンジン・ブレーキを併用するときに利用される。例えば大きい荷重で急な下り坂を走行する場合に適している。このモードについても、エンジン・ブレーキとともに、排気ブレーキを併用することができる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明により、ハイブリッド自動車について多様なモードを切替え設定することが可能になり、シリーズ形ハイブリッド自動車の利点、およびパラレル形ハイブリッド自動車の利点を車両の走行状態に応じて有効に利用することができる。本発明により、燃料消費が小さくしかも走行特性および制動特性の優れたハイブリッド自動車が得られる。本発明により、その時点の車両速度および必要とされる牽引力または制動力に応じてエネルギの流れを多様に転換することができるので、回生効率が高く、燃料消費量の小さいハイブリッド自動車を実現することができる。本発明の方式では、エンジン・ブレーキを有効に利用することができるから、運転特性の優れたハイブリッド自動車を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例装置のブロック構成図。
【図２】車速に対する牽引力特性図。
【図３】電気走行モードにおけるエネルギの流れを説明する図。
【図４】電気走行モードにおけるエネルギの流れを説明する図。
【図５】シリーズ・ハイブリッド・モードにおけるエネルギの流れを説明する図。
【図６】第一のパラレル・ハイブリッド・モードにおけるエネルギの流れを説明する図。
【図７】第二のパラレル・ハイブリッドにおけるエネルギの流れを説明する図。
【図８】第三のパラレル・ハイブリッドにおけるエネルギの流れを説明する図。
【図９】第四のパラレル・ハイブリッドにおけるエネルギの流れを説明する図。
【図１０】第五のパラレル・ハイブリッドにおけるエネルギの流れを説明する図。
【図１１】第一の回生制動におけるエネルギの流れを説明する図。
【図１２】第二の回生制動におけるエネルギの流れを説明する図。
【図１３】第一の回生制動およびエンジン・ブレーキ併用のモードにおけるエネルギの流れを説明する図。
【図１４】第二の回生制動およびエンジン・ブレーキ併用モードにおけるエネルギの流れを説明する図。
【符号の説明】
１ 内燃機関
２ 第一のクラッチ
３ 第一の電動発電機
４ 第二のクラッチ
５ 第二の電動発電機
６ 減速ギヤ（プラネタリ・ギヤ）
７ 第三のクラッチ
８ プロペラ軸
９ インバータ
１０ 電池
１１ プログラム制御回路
１２ アクセル・ペダル
Claims (15)
- 内燃機関と、この内燃機関の出力軸に連結された第一のクラッチと、この第一のクラッチの出力軸にその回転軸が連結された第一の電動発電機と、この第一の電動発電機の回転軸に連結された第二のクラッチと、この第二のクラッチの出力軸にその回転軸が連結された第二の電動発電機と、この第二の電動発電機の出力軸にその入力軸が連結された減速ギヤと、この減速ギヤの出力軸がプロペラ軸に固定的に連結されるとともに、前記内燃機関の出力軸がその入力軸に連結されその出力軸に前記プロペラ軸が連結された第三のクラッチとを備え、前記第一の電動発電機および前記第二の電動発電機の各巻線に与える二つの多相交流を発生するインバータと、このインバータの直流端子に接続された電池とを備え、
さらに、前記内燃機関の回転情報、前記第一の電動発電機の回転情報、前記第二の電動発電機の回転情報、および前記プロペラ軸の回転情報を取込み、前記インバータが発生する二つの多相交流の位相を制御する手段と、運転操作の情報にしたがって前記第一のクラッチ、前記第二のクラッチおよび前記第三のクラッチを開閉制御する手段とを含むプログラム制御回路を備えた
ことを特徴とするハイブリッド自動車。 - 前記第一の電動発電機および前記第二の電動発電機の回転軸はそれぞれ個別に回転可能な二重の同軸構造であり、その同軸構造の中心軸として前記内燃機関の出力軸が貫通し、その同軸構造の外軸にはそれぞれ前記第一の電動発電機の回転軸および前記第二の電動発電機の回転軸が連結された請求項１記載のハイブリッド自動車。
- 前記減速ギヤは、プラネタリ・ギヤである請求項１記載のハイブリッド自動車。
- 前記第一のクラッチ（２）、前記第一の電動発電機（３）、前記第二のクラッチ（４）、前記第二の電動発電機（５）、前記減速ギヤ（６）、および前記第三のクラッチ（７）を含む部材を一つのユニット構造とする請求項１記載のハイブリッド自動車。
- 前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）、第二のクラッチ（４）および第三のクラッチ（７）をそれぞれ開放させ、前記第二の電動発電機（５）を電動機として制御する第一の電動走行モードをその制御モードとして設定する手段を含む請求項１記載のハイブリッド自動車。
- 前記プログラム制御回路（１１）は、第一のクラッチ（２）および前記第三のクラッチ（７）を開放させ、前記第二のクラッチ（４）を接合させ、前記第二の電動発電機（５）および前記第一の電動発電機（３）をそれぞれ電動機として制御する第二の電動走行モードをその制御モードとして設定する手段を含む請求項１記載のハイブリッド自動車。
- 前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）を接合させ、前記第二のクラッチ（４）および前記第三のクラッチ（７）をそれぞれ開放させ、前記内燃機関（１）を回転状態に制御し、前記第一の電動発電機（３）を発電機として制御し、前記第二の電動発電機を電動機として制御するシリーズ・ハイブリッド・モードをその制御モードとして設定する手段を含む請求項１記載のハイブリッド自動車。
- 前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）を開放させ、前記第二のクラッチ（４）および前記第三のクラッチ（７）をそれぞれ接合させ、前記内燃機関（１）を回転状態に制御し、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）をともに電動機として制御する第一のパラレル・ハイブリッド・モードをその制御モードとして設定する手段を含む請求項１記載のハイブリッド自動車。
- 前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）および前記第二のクラッチ（４）をそれぞれ開放させ、前記第三のクラッチ（７）を接合させ、前記内燃機関（１）を回転状態に制御し、前記第二の電動発電機（５）を電動機として制御する第二のパラレル・ハイブリッド・モードをその制御モードとして設定する手段を含む請求項１記載のハイブリッド自動車。
- 前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）および第二のクラッチ（４）をそれぞれ接合させ、前記第三のクラッチ（７）を開放させ、前記内燃機関（１）を回転状態に制御し、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）をともに電動機として制御する第三のパラレル・ハイブリッド・モードをその制御モードとして設定する手段を含む請求項１記載のハイブリッド自動車。
- 前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）および前記第二のクラッチ（４）をそれぞれ接合させ、前記第三のクラッチ（７）を開放させ、前記内燃機関（１）を回転状態に制御し、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）のうちの一方を電動機として制御する第四のパラレル・ハイブリッド・モードをその制御モードとして設定する手段を含む請求項１記載のハイブリッド自動車。
- 前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）、前記第二のクラッチ（４）および前記第三のクラッチ（７）を開放させ、前記第二の電動発電機（５）を発電機として制御する第一の回生制動モードをその制御モードとして設定する手段を含む請求項１記載のハイブリッド自動車。
- 前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）および前記第三のクラッチ（７）を開放させ、前記第二のクラッチ（４）を接合させ、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）をともに発電機として制御する第二の回生制動モードをその制御モードとして設定する手段を含む請求項１記載のハイブリッド自動車。
- 前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）および前記第二のクラッチ（４）を接合させ、前記第三のクラッチ（７）を開放させ、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）をともに発電機として制御し、前記内燃機関（１）を回転状態に制御する第三の回生制動モードをその制御モードとして設定する手段を含む請求項１記載のハイブリッド自動車。
- 前記プログラム制御回路（１１）は、前記第一のクラッチ（２）を開放状態に制御し、前記第二のクラッチ（４）および前記第三のクラッチ（７）を接合させ、前記第一の電動発電機（３）および前記第二の電動発電機（５）をともに発電機として制御し、前記内燃機関（１）を回転状態に制御する第四の回生制動モードをその制御モードとして設定する手段を含む請求項１記載のハイブリッド自動車。
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