JP2007022309A - ハイブリッド電気自動車の補機駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッド電気自動車における補機駆動のエネルギ効率を改善し、引いてはエネルギの源泉となる内燃機関の燃費を改善する。
【解決手段】内燃機関１のクランクシャフト２ａ先端部に、機関駆動力が伝達される方向のみ係合するワンウェイクラッチ９を介して第１の補機駆動用プーリ７を設けると共に、該補機駆動用プーリ７に補機駆動用電動機１１およびパワーステアリング、ブレーキブースター、エアコンなど機関運転停止時にも要求に応じて駆動が必要とされる必須補機１２をベルト１０を介して連係し、前記必須補機１２を、機関１の運転時には機関駆動力で駆動し、機関１の運転停止時には補機駆動用電動機１１の電動駆動力で駆動するようにした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関と電動機とを組み合わせたハイブリッド原動機を駆動源とするハイブリッド電気自動車における補機駆動装置の改良技術に関する。

近年、上記ハイブリッド電気自動車として種々の構成のものが開発されており、例えば、本願出願人は、特許文献１に示すように、電動機出力を歯車式の有段変速機で調整して駆動輪に伝達するようにした構成の技術を開発してきた。
特開平１１−２５７４７２号公報

この種のハイブリッド車両では、内燃機関の運転を停止して、電動機のみで走行する場合もあることから、該内燃機関運転停止時でも要求に応じて駆動が必要とされる補機（以下必須補機という）、例えば、パワーステアリング、ブレーキブースター、エアコン等の駆動は、補機駆動用の電動機を設けて駆動している。
しかし、たとえ機関の運転が停止している場合に、これら必須機器を使用したとしても、その駆動源となる電力は、機関の発生する動力が源泉であり、これを電力に変換して蓄電池に蓄えたものを取り出して使用することとなる。

すなわち、機関から発生した動力を電力に変換し、さらに蓄電池内部の化学的エネルギに変換して蓄え、再び電力に変換した後、最後に必須機器の駆動力に変換して使用することになり、効率的ではなかった。このことは、熱力学の第二法則からエネルギ変換に伴うエントロピーの増加を考慮すると明白である。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、ハイブリッド電気自動車において、簡易な構成で複雑な制御を用いることなく、補機の駆動効率を改善し、引いてはエネルギの源泉となる内燃機関の燃費を改善することを目的とする。

このため、請求項１に係る発明は、
電動機と内燃機関を走行駆動源とするハイブリッド電気自動車の補機駆動装置において、
前記内燃機関の駆動軸先端部に、機関駆動力が伝達される方向のみ係合するワンウェイクラッチを介して補機駆動用プーリを設けると共に、該補機駆動用プーリに補機駆動用電動機および少なくとも所定の補機を連係し、前記所定の補機を機関運転時には機関駆動力で駆動し、機関運転停止時には前記補機駆動用電動機の駆動力で駆動するようにしたことを特徴とする。

ハイブリッド電気自動車においては、電動機単独運転時間より内燃機関との合体運転時間の方が事実上圧倒的に長い。このような「機関運転時間が結構長い」という実態に鑑みると、補機の駆動を常時電動駆動力によって行うという従来方法では、エンジンの有効利用の点で問題がある。
そこで、上記請求項１によれば、機関運転中は、機関発生動力の一部をそのまま所定の補機の駆動に充当するので、エネルギ変換に伴う損失を極小にできる。

また、機関運転停止中は、前記所定の補機を、ワンウェイクラッチの作用により一方向に回転自由な補機駆動用プーリを介して補機駆動用電動機によって駆動できるので、機関運転停止中も該所定の補機の駆動が可能となる。
また、請求項２に係る発明は、
前記補機駆動用電動機は、発電機能を有し、内燃機関の運転時に機関駆動力によって発電し、該発電した電力を充電することを特徴とする。

このようにすれば、機関運転停止中は、蓄電池に蓄えた電力を取り出して使用するが、この際、従来のオルタネーターに代え、電動機と発電機の機能を併せ持つ構成としたので、最小限の変更によって必要機能を充足し、エネルギ効率引いては内燃機関における燃費の改善効果がある。
また、請求項３に係る発明は、
前記補機駆動用電動機は、走行用電動機の駆動用高圧電源から電力によって駆動する電動機としてのみ機能し、前記走行用電動機の回生発電等で電力を得ることを特徴とする。

ハイブリッド電気自動車では、機関運転停止中の保安電源として、ＤＣ−ＤＣコンバーターにより、走行駆動用高圧電源から１２〜２４Ｖ程度に降圧して保安電源を得ている場合が通例であり、補機駆動用電動機の電源は、走行用電動機の回生発電によって得ることができる。
この場合、従来のオルタネーターに代え、補機駆動用電動機を電動機のみ機能するものを用いることができ、発電機能が不要となることにより、制御装置を簡略化できる。

また、請求項４に係る発明は、
前記所定の補機は、機関運転停止時にも要求に応じて駆動が必要とされる補機であることを特徴とする。
また、請求項５に係る発明は、
前記所定の補機は、パワーステアリング、ブレーキブースター、エアコンの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする。

これら請求項４，５によれば、パワーステアリング、ブレーキブースター、エアコンなど機関運転停止時にも要求に応じて駆動が必要とされる補機（必須補機）についてのみ、機関運転時は機関駆動、機関運転停止時は補機電動機駆動とし、冷却水ポンプ等機関運転停止時は駆動が必要ない補機は、ワンウェイクラッチを設けない別のプーリ等を介して機関運転時のみ駆動すればよい。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、第１の実施形態および後述する第２の実施形態の共通するハイブリッド電気自動車のパワートレインの構成を示す。
このものは、原動機を走行用電動機１と内燃機関２とを補助変速機３を介して連結した構成のハイブリッド原動機で構成し、該原動機の出力軸である走行用電動機１の出力軸を、主変速機４の入力軸に連結する。該主変速機４の出力軸である駆動軸５には、駆動輪６が連結されている。

前記主変速機４および補助変速機３は、複数の歯車と中立点を有し、複数の歯車の噛み合わせを切り換えることにより、車軸の回転速度を基準に走行用電動機１の回転速度を合わせて変速し、また、走行用電動機１の回転速度を基準に内燃機関２の回転速度を合わせて変速するように制御される構成となっている。
上記内燃機関２の駆動軸（クランクシャフト）２ａ先端部に、第１の補機駆動用プーリ７、第２の補機駆動用プーリ８が連結される。

ここで、前記第１の補機駆動用プーリ７は、クランクシャフト２ａに機関駆動力を伝達する方向のみ係合するワンウェイクラッチ９を介して連結される。
そして、図２に示すように、前記第１の補機駆動用プーリ７に、第１のベルト１０および従動側プーリを介して、補機駆動用電動機１１およびパワーステアリング、ブレーキブースター（油圧ポンプ、バキュームポンプ等）、エアコンなど、機関運転停止時にも要求に応じて駆動が必要とされる補機（必須機器）１２を連係する。

ここで、前記補機駆動用電動機１１は誘導電動機等で構成され、バッテリ１３から電力を供給されて駆動すると共に、発電機能を兼ね備え、発電時には、発電された電力を前記バッテリ１３に回収するように構成されている。
一方、前記第２の補機駆動用プーリ８は、クランクシャフト２ａに直結して常時同期回転し、該第２の補機駆動用プーリ８には、第２のベルト１４および従動側プーリを介して機関運転停止時は駆動が必要ない補機、例えば冷却水ポンプ１５を連係する。

前記走行用電動機１、内燃機関２、補助変速機３、主変速機４、補機駆動電動機１１の制御は、図示しないセンサ類からの検出信号に基づいて、制御装置１６からの制御信号によって実行される。
かかる構成において、内燃機関２を運転中は、前記ワンウェイクラッチ９が機関駆動力を伝達する方向に係合し、第１の補機駆動用プーリ７を介して補機駆動用電動機１１および必須補機１２が機関駆動力によって回転駆動される。

ここで、前記補機駆動用電動機１１は、発電機として機能してバッテリ１３に電力を回収し、前記必須補機１２は直接駆動され、あるいは、必要な油圧やバキューム圧などを発生したりする。
また、内燃機関２の運転停止中は、前記補機駆動用電動機１１を電動機として駆動させることにより、一方向に回転自由な補機駆動用プーリ７を介して必須補機１２を駆動することができる。このように、機関運転停止中も必須補機１２の駆動が可能となる。

一方、冷却用ポンプ１５など機関運転停止時には駆動する必要のない補機は、第２の補機駆動用プーリ８などを介して機関運転中のみ駆動される。
このように、従来のハイブリッド電気自動車では、機関運転停止中でも駆動する必要のある必須補機は常時電動で駆動されていたのを、本発明では、実質的に大きな運転時間割合を占める機関運転中は機関駆動し、機関運転停止中のみ電動駆動としたので、エネルギ変換に伴う損失を極小にでき、引いてはエネルギの源泉となる内燃機関１における燃費を改善できる。

また、補機駆動用電動機１１に発電機能を持たせたので、従来のオルタネーターに代えて補機駆動用電動機１１によって機関運転中に発電した電力を回収することができ、最小限の変更によって必要機能を充足することができる。
次に、第２の実施形態について説明する。
図３に示すように、ハイブリッド電気自動車の一般的な構成として、前記走行用電動機１に電力を供給する定格３００［Ｖ］程度の高電圧バッテリ（走行駆動用高圧電源）３１を備え、走行用電動機１を電動機として機能するときは、高電圧バッテリ３１の放電電力が、インバータ３２を介して３相交流電力に変換され、前記走行用電動機１に供給される。

一方、減速運転時等には、前記走行用電動機１を発電機として機能させることにより、該走行用電動機１から発生した３相交流電力が、前記インバータ３２により直流電力に変換された後、前記高電圧バッテリ３１に充電される。
また、前記高電圧バッテリ（走行駆動用高圧電源）３１の高電圧を、ＤＣ／ＤＣコンバーター３３を介して１２〜２４［Ｖ］程度に降圧した電圧を蓄える低電圧バッテリ３４が設けられ、該低電圧バッテリ３４は、車載電気負荷の電力源（保安電源）として一般的に用いられている。

前記低電圧バッテリ３４への充電は、前記減速運転時等に走行用電動機１で得た回生発電電力を、前記インバータ３２により直流電力に変換された後、ＤＣ／ＤＣコンバーター３３を介して行われる。
そこで、本実施形態では、前記高電圧バッテリ３１の高電圧を、小型インバータ３５を介して３相交流電動機で構成される補機駆動用電動機１１'に電力を供給することとする。

また、必須補機１２の要求駆動力がそれほど大きくない場合には、図４に示すように、前記保安電源としての低電圧バッテリ３４からの電力によって直流電動機で構成される補機駆動電動機１１”を駆動して必須補機１２を駆動する構成とすることもできる。
なお、本発明を適用できる電動機と内燃機関を組み合わせたハイブリッド原動機の構成は、上記実施形態で示したものに限らず、いわゆるシリーズ型、パラレル型、電動機を発進時の機関クランキングのみに用いる簡易型のものであってもよい。

これら第２、第３の実施形態のようにすれば、従来のオルタネーターの代わりに電動機のみの機能を有する補機駆動用電動機１１'、１１”を備えればよく、第１の実施形態のような発電機能を省略できることにより、制御装置を簡略化でき、かつ、ハイブリッド電気自動車の既存の構成を可及的に活かすことができるので、より低コストで実施できる。

第１、第２の実施形態に共通するハイブリッド自動車のパワートレインの構成を示す図。 第１の実施形態における補機駆動装置を示す図。 第２の実施形態における補機駆動装置を示す図。 第３の実施形態における補機駆動装置を示す図。

符号の説明

１ 走行用電動機
２ 内燃機関
２ａ クランクシャフト
３ 補助変速機
４ 主変速機
７ 第１の補機駆動用プーリ
９ ワンウェイクラッチ
１１ 補機駆動用電動機
１１' 補機駆動用電動機
１１” 補機駆動用電動機
１２ 必須補機
１３ バッテリ
１６ 制御装置
３１ 高電圧バッテリ
３２ インバータ
３３ ＤＣ／ＤＣコンバーター
３４ 低電圧バッテリ

Claims (5)

1. 電動機と内燃機関を走行駆動源とするハイブリッド電気自動車の補機駆動装置において、
   前記内燃機関の駆動軸先端部に、機関駆動力が伝達される方向のみ係合するワンウェイクラッチを介して補機駆動用プーリを設けると共に、該補機駆動用プーリに補機駆動用電動機および少なくとも所定の補機を連係し、前記所定の補機を、機関運転時には機関駆動力で駆動し、機関運転停止時には前記補機駆動用電動機の駆動力で駆動するようにしたことを特徴とするハイブリッド電気自動車の補機駆動装置。
2. 前記補機駆動用電動機は、発電機能を有し、内燃機関の運転時に機関駆動力によって発電し、該発電した電力を充電することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド電気自動車の補機駆動装置。
3. 前記補機駆動用電動機は、走行用電動機の駆動用高圧電源からの電力によって駆動する電動機としてのみ機能し、前記走行用電動機の回生発電等で電力を得ることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド電気自動車の補機駆動装置。
4. 前記所定の補機は、機関運転停止時にも要求に応じて駆動が必要とされる補機であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のハイブリッド電気自動車の駆動制御装置。
5. 前記所定の補機は、パワーステアリング、ブレーキブースター、エアコンの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のハイブリッド電気自動車の駆動制御装置。

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