JP2007182215A - ハイブリッド駆動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】効率を向上し、製造が安価かつ容易であるハイブリッド駆動車両の提供。
【解決手段】一対の駆動ホイール３と、駆動軸６を有する燃焼機関５と、燃焼機関５の駆動軸６に機械的に連結された第１の軸７を有する第１の電動発電機８と、第２の軸１０を有する第２の電動発電機１１と、２つの電動発電機８、１１に電気的に接続されかつ蓄電装置１５を有する電源装置１４と、を有し、第１の電動発電機８の第１の軸７が、一方の端部においては燃焼機関５の駆動軸６に連結され、反対側の端部においては、固定された調節不可能な速度比で駆動ホイール３に連結される。
【選択図】図１

Description

本発明はハイブリッド駆動車両に関する。

ハイブリッド駆動車両は、少なくとも１つの燃焼機関（通常は内燃機関）と少なくとも１つの電動機を有するものであり、通常、電動機のみを使用して（性能および持続性は低いが、汚染物質排出がゼロとなる）、燃焼機関のみを使用して（性能および持続性は高いが、汚染物質排出が重大となる）、または双方を使用して走行することができる。

「並列」モードで動作するハイブリッド車両は周知であり、このモードにおいて、内燃機関は、可逆式電気機械に機械的に連結され、また駆動ホイールに直接駆動トルクを伝達するように駆動ホイールに機械的に連結される。内燃機関が駆動トルクを駆動ホイールに直接伝達するとき、可逆式電気機械は、オフになることができ、また発電機として動作して蓄電装置を充電してもよく、または電動機として（短期間に）動作して高性能な加速（レーシングモードにおける最大性能）のためにさらなる動力を供給してもよい。

「並列」モードのハイブリッド車両は、しかしながら、燃焼機関と駆動ホイールとの間に機械的または電気機械的な速度比変動システムを必要とし、これによって、軸方向に寸法が増大し、構造が複雑になり、またギアをシフトするときに駆動ホイールへのトルク伝達が不連続になることがある。「並列」モードのハイブリッド車両は通常、燃焼機関を始動するために、付加的な電気機械をさらに必要とする。

「直列」モードで動作するハイブリッド車両もまた周知であり、このモードにおいて、内燃機関は第１の可逆式電気機械に機械的に連結され、駆動ホイールは、第１の可逆式電気機械に電気的に接続された第２の可逆式電気機械に機械的に連結される。実際の使用においては、燃焼機関は第１の可逆式電気機械を駆動し、この第１の可逆式電気機械が、電気エネルギーを生成して第２の可逆式電気機械を駆動し、そのようにして駆動トルクを駆動ホイールに伝達する。

この場合、燃焼機関と駆動ホイールは機械的に連結されていないため、燃焼機関と駆動ホイールとの間に速度比変動システムは不要である。これに反して、特定の動作点において、「直列」モードのハイブリッド車両の効率は、機械から電気へそして電気から機械へと二重に動力を変換することによって低下する。

ハイブリッド車両の一実施例が特許出願ＷＯ００６３０４１Ａ１に開示されており、そのハイブリッド駆動システムは、第１のクラッチを間に配置して自動変速機の入力軸に連結された駆動軸を有する内燃機関を備えており、第１の電動機の軸は自動変速機の入力軸に永久的に連結されており、また第２の電動機の軸は第２のクラッチを間に配置して駆動軸に連結されている。

ＵＳ６３８０６４０Ｂ１には、エンジン、駆動軸、第１および第２の電動機ならびに結合装置を有する動力出力装置を制御する方法が開示されている。ハイブリッド車両が静止状態から始動すると、ＥＣＵは、電動機の１つによってのみ車両をＥＶモードで走行させるように動作する。駆動軸の動作点が、アンダードライブ領域をオーバードライブ領域から分離する境界を通過し、オーバードライブ領域に入ると、エンジンを始動するためにエンジンへの燃料供給が開始され、第２の電動機の回転軸の連結が、回転軸が駆動軸に結合される第１の結合状態から回転軸がエンジンの出力軸に結合される第２の結合状態に切り換えられるように、結合装置が制御される。切り換えの後、ＥＣＵは、エンジンと第１および第２の電動機を利用して、車両をＨＶモードで走行させるように動作する。

（発明の開示）
本発明の目的は、上述の欠点を解決するように設計され、製造が安価かつ容易であるハイブリッド駆動車両を提供することである。

本発明によれば、添付の特許請求の範囲に記載されたハイブリッド駆動車両が提供される。

一例として、添付の図面を参照して本発明の非限定的実施形態について説明する。

図１の符号１は、駆動トルクを作用させるためのパワートレインシステム２を備えるハイブリッド駆動車両を全体として示しており、その駆動トルクは、差動装置４を介して２つの駆動ホイール３に作用する。

パワートレインシステム２は、燃焼機関５（特に、内燃機関すなわちＩＣＥ）を備えており、その燃焼機関５は、クラッチ（ＣＬ）９によって定められる解放システムを介して可逆式電動発電機（ＥＭＧ）８の軸７に機械的に連結されている。また、可逆式電動発電機８の軸７は、クラッチ１２によって定められる解放システムを介して可逆式電動発電機１１の軸１０に機械的に連結されている。すなわち、可逆式電動発電機８は、燃焼機関５と可逆式電動発電機１１との間に配置されており、可逆式電動発電機８の軸７は、一方の端部においてはクラッチ９に、反対側の端部においてはクラッチ１２に取り付けられている。

可逆式電動発電機１１の軸１０は、差動装置４の入力部に一定の速度比で永久的に連結されており、動力を駆動ホイール３に伝達する。より具体的には、可逆式電動発電機１１の軸１０は、縦列歯車（カスケードギア）１３によって差動装置４の入力部に連結されている。

図示しないが、ある実施形態においては、クラッチ９と１２のうちの一方が省かれる。すなわち、クラッチ９を省いてもよく、その場合、燃焼機関５の軸６は、可逆式電動発電機８の軸７に永久的に連結され、あるいは、クラッチ１２を省いてもよく、その場合、可逆式電動発電機８の軸７は可逆式電動発電機１１の軸１０に永久的に連結される。

代替実施形態においては、電動発電機８と１１のうちの一方は可逆的でない。すなわち、電動発電機８が非可逆式発電機であってもよく、または電動発電機１１が非可逆式電動機であってもよい。

パワートレインシステム２は、電気エネルギーを供給するための電源装置１４を備えており、この電源装置１４は電気エネルギー蓄電装置１５（一般に一組の蓄電池）を備えている。いくつかの実施形態においては、電源装置１４はさらに発電機を備えてもよい。可逆式電動発電機８は、電気エネルギー変換機１６によって電源装置１４に電気的に接続されており、また、可逆式電動発電機１１は、電気エネルギー変換機１７によって電源装置１４に電気的に接続されている。変換機１６および１７によって、電源装置１４を可逆式電動発電機８および１１に電気的に接続することが可能となる。

クラッチ９が係合しているとき、フライホイールの機能が可逆式電動発電機８のロータによってなされるため、燃焼機関５のフライホイールは、非常に小さくてもよく、または省いてもよいことに留意することは重要である。

図示しないが、ある代替実施形態においては、燃焼機関５および可逆式電動発電機８は、（たとえば前方の）駆動ホイール３に機械的に連結されており、可逆式電動発電機１１は、（たとえば後方の）駆動ホイールに機械的に連結されており、またクラッチ１２は明らかに省かれている。

車両１は、クラッチ９および１２の位置を調節すること、ならびに可逆式電動発電機８および１１を電動機または発電機として動作させることによって、パワートレインシステム２の様々な動作モードで走行することができる。

熱的動作モードにおいては、クラッチ９および１２が係合し、パワートレインシステム２が、燃焼機関５のみを用いて駆動ホイール３の駆動トルクを生成する一方で、可逆式電動発電機８および１１は、遮断されるか、または電源装置１４の蓄電装置１５を充電するための発電機として使用される。短い期間に可逆式電動発電機８、１１の少なくとも１つを電動機として使用してさらなる駆動トルクを供給してもよく、この駆動トルクは、高性能な加速（レーシングモードでの最大性能）のために、燃焼機関５によって生成された駆動トルクに加えられる。後者の場合、駆動ホイール３の駆動トルクが、燃焼機関５と可逆式電動発電機８および１１との双方によって供給されるとき、システムは「並列」ハイブリッドモードで動作する。

電気的動作モードにおいては、燃焼機関５が、オフにされ（停止され）、駆動ホイール３から分離され（クラッチ９および／またはクラッチ１２が解放）、駆動ホイール３の駆動トルクは、可逆式電動発電機８、１１の少なくとも１つによってのみ生成され、その可逆式電動発電機８、１１は、電源装置１４の蓄電装置１５に蓄えられた電気エネルギーによって電力を供給される。車両１の動作状態によって高い駆動トルクが必要となるとき（始動時など）、クラッチ９により、可逆式電動発電機８および１１の双方を使用して電気的モードにおける駆動ホイール３の駆動トルクを生成することが可能となることに留意することは重要である。

「直列」ハイブリッド動作モードにおいては、燃焼機関５が、オンにされ（作動させられ）、駆動ホイール３から分離され（クラッチ９は係合、クラッチ１２は解放）、可逆式電動発電機８を駆動し、この可逆式電動発動機８が発電機として機能し、また可逆式電動発電機８によって生成された電気エネルギーが、電源装置１４によって可逆式電動発電機１１に供給され、この可逆式電動発電機１１が、電動機として機能し、駆動ホイール３の駆動トルクを生成する。

「直列」ハイブリッド動作モードにおいては、燃焼機関５は、駆動ホイール３に機械的に連結されないことによって、実質的に一定の速度で動作しかつ「固定された最適点」に制御されるが、「並列」ハイブリッドおよび熱的動作モードにおいては、燃焼機関５は、駆動ホイール３に機械的に連結されることによって、可変速度で動作しかつ動的に制御される。実質的に一定の速度で燃焼機関５を動作させ、「固定された最適点」に制御すると、低駆動トルクの燃焼機関に特有の動的動作フローが除去される。

上記の動作モードすべてにおいて、減速時に、可逆式電動発電機８、１１を回生制動用の発電機として使用してもよいことは明らかである。すなわち、ブレーキトルクが可逆式電動発電機で使用されて電気エネルギーが生成され、その電気エネルギーは電源装置１４の蓄電装置１５に蓄積される。明らかに、回生制動は、電源装置１４の蓄電装置１５がまだ完全に充電されていない、すなわち電気エネルギーをさらに蓄積することができる場合にのみ可能である。

燃焼機関５は、一般に、クラッチ９を係合させ、クラッチ１２を解放し、可逆式電動発電機８を始動電動機として使用することによって始動される。燃焼機関５を始動するとき、車両１は、静止していてもよく、または可逆式電動発電機１１によって駆動されて移動していてもよい。

車両１の始動すなわち静止状態からの始動は通常、まず、電気的動作モードで実行され（可逆式電動発電機１１のみ、または可逆式電動発電機８および１１の双方を使用）、燃焼機関５による動力が必要または好都合となる動作状態まで車両１が加速され、この時点で、クラッチ９を係合させ、クラッチ１２を解放し、可逆式電動発電機８を始動電動機として使用することによって、燃焼機関５を始動させることができる。燃焼機関５を始動させるとき、可逆式電動発電機８によって生成される駆動トルクは、駆動ホイール３から遮断されるが、可逆式電動発電機１１に一時的に過負荷をかけることによって補償され得る。

上記の動作モードは、運転者の好みに従って（たとえば、運転者は、交通規制された歴史的な街の中心地をドライブするときには、電気的動作モードを選択することができる）、電源装置１４の蓄電装置１５の電荷に従って、また車両１の走行状態に従って選択される。明らかになことに、電源装置１４の蓄電装置１５が使い果たされた場合は、電気的動作モードを選択することができず、燃焼機関５を動作させることが必要であり、また、可逆式電動発電機８、１１の少なくとも１つを発電機として動作させて蓄電装置１５を充電することが必要である。

車両１の走行状態に従って動作モードを選択する一例が図２のグラフに示されており、ここでｙ軸は車両１の速度を、ｘ軸は駆動ホイール３における駆動トルクを示している。駆動ホイール３におけるトルク／車両１の速度の領域は、ＩからＩＶで示される４つの領域に分割され、領域Ｉは電気的動作モード、領域ＩＩは「直列」ハイブリッド動作モード、領域ＩＩＩは「並列」ハイブリッド動作モード、領域ＩＶは熱的動作モードに関連する。

すなわち、低出力では電気的動作モード（領域Ｉ）が好ましく、中低出力では「直列」ハイブリッド動作モード（領域ＩＩ）が好ましく、中高出力では「並列」ハイブリッド動作モード（領域ＩＩＩ）が好ましく、高出力では熱的動作モード（領域ＩＶ）が好ましい。

好ましい一実施形態において、領域ＩからＩＶの間の境界は、電源装置１４の蓄電装置１５の電荷などの複数のパラメータに従って変動し得る。

パワートレインシステム２のすべての動作モードが以下の表に要約されており、ここで、ＩＣＥは燃焼機関５を表し、ＣＬ９はクラッチ９を表し、ＣＬ１２はクラッチ１２を表し、ＥＭＧ８は可逆式電動発電機８を表し、ＥＭＧ１１は可逆式電動発電機１１を表している。燃焼機関５は、燃焼機関５がオフにされていることに対応する状態０、または燃焼機関５が動作していることに対応する状態１をとることができる。各クラッチ９、１２は、クラッチ９、１２が解放されていることに対応する状態０、またはクラッチ９、１２が係合していることに対応する状態１をとることができる。各可逆式電動発電機８、１１は、可逆式電動発電機８、１１が発電機として動作していることに対応する状態−１、可逆式電動発電機８、１１が停止していることに対応する状態０、可逆式電動発電機８、１１が電動機として公称状態で動作していることに対応する状態１、および可逆式電動発電機８、１１が電動機として過負荷状態で動作していること（これは短期間に強制される）に対応する状態２をとることができる。

上述した車両１は多数の利点を有している。パワートレインシステム２は、燃焼機関５に連結された機械的または電気機械的な速度比変動システムを有さず、それによってシステムを機械的に簡略化するだけでなく、速度比変動システムを制御する必要性を排除することにより、きわめて小型となっている。パワートレインシステム２の軸方向寸法を低減することが、横向きの燃焼機関５を有する車両の場合にきわめて重要であることは強調されるべきである。

さらに、パワートレインシステム２は異なるモードで動作することができ、そのモードは、あらゆる状態において性能および効率を最適化するように選択できる。たとえば、低中速および低中トルクにおいては、燃焼機関５は、車両１の速度とは無関係の一定の速度で、したがって高い効率および低水準な汚染物排出で動作し（「直列」動作モード）、高速および高トルクにおいては、燃焼機関５は、機械から電気へそして電気から機械へと二重に動力変換することなく、駆動トルクを直接駆動ホイール３に供給する。

要求される駆動トルクは、短時間の途切れもなく常に駆動ホイールに伝達され、それによって運転の快適性が大幅に向上する。これは、可逆式電動発電機１１が永久的に駆動ホイール３に連結可能であり、連続的な地面伝達トルクが維持されることにより達成される。特定の状態（たとえば燃焼機関５をオンにするとき）においては、可逆式電動発電機１１の過負荷能力も利用し得る。

２つの電動発電機８および１１を使用することで、他の燃焼機関５の点火システムが不要となり、運転の快適性への悪影響がなくなる。

図１は、本発明によるハイブリッド駆動車両の概略図を示す。 図２は、図１の車両パワートレインシステムの動作を駆動ホイールの駆動トルクの関数および車両速度の関数として示すグラフである。

Claims (14)

1. 少なくとも一対の駆動ホイール（３）と、
   駆動軸（６）を有する燃焼機関（５）と、
   第１の固定ステータおよび単一の回転する第１の軸（７）を有する第１の電気機械（８）であって、前記第１の軸（７）が、一方の端部では前記燃焼機関（５）の前記駆動軸（６）に連結されており、反対側の端部では、固定された調整不能な速度比で機械的連結手段（１３）によって前記駆動ホイール（３）に着脱可能に連結されている第１の電気機械（８）と、
   ２つの電気機械（８、１１）に電気的に接続されており、かつ蓄電装置（１５）を有する電源装置（１４）と、
   前記第１の電気機械（８）の前記第１の軸（７）を前記駆動ホイール（３）から分離するために、前記第１の電気機械（８）の前記第１の軸（７）と前記連結手段（１３）との間に挿入されており、前記第１の電気機械（８）の前記第１の軸（７）と前記連結手段（１３）との間に配置されている第１のクラッチ（１２）と、
   を備えるハイブリッド駆動車両（１）であって、
   固定された第２のステータと単一の回転する第２の軸（１０）とを有する第２の電気機械を備えており、前記第２の軸（１０）が、固定された調整不能な速度比で前記駆動ホイール（３）に永久的に連結されていることを特徴とするハイブリッド駆動車両（１）。
2. 前記２つの電気機械（８、１１）の少なくとも１つが、可逆式でありかつ電動機および発電機の双方として動作することができる、請求項１に記載のハイブリッド駆動車両（１）。
3. 前記電気機械（８、１１）の双方が、可逆式でありかつ電動機および発電機の双方として動作することができる、請求項１に記載のハイブリッド駆動車両（１）。
4. 前記第１の電気機械（８）の前記第１の軸（７）が、前記第１のクラッチ（１２）によって前記第２の電気機械（１１）の前記第２の軸（１０）に連結されており、前記連結手段（１３）が前記第２の電気機械（１１）の前記第２の軸（１０）に連結されている、請求項１、２または３に記載のハイブリッド駆動車両（１）。
5. 第２のクラッチ（９）が、前記第１の電気機械（８）の前記第１の軸（７）と前記燃焼機関（５）の前記駆動軸（６）との間に挿入されており、かつ前記第１の電気機械（８）と前記内燃機関（５）との間に配置されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のハイブリッド駆動車両（１）。
6. 前記燃焼機関（５）が、前記第２のクラッチ（９）を係合させ、前記第１のクラッチ（１２）を解放し、前記第１の電気機械（８）を始動電動機として使用することによって始動される、請求項５に記載のハイブリッド駆動車両（１）。
7. 標準状態において、前記車両（１）が、まず電気的動作モードを用いて前記車両（１）を前記燃焼機関（５）の速度に適合する速度へと加速させることによって、ならびに、前記車両（１）が前記燃焼機関（５）の前記速度に適合する速度に達したときにのみ前記燃焼機関（５）を始動することによって始動される、請求項５または６に記載のハイブリッド駆動車両（１）。
8. 前記燃焼機関（５）が、前記第２のクラッチ（９）を係合させ、前記第１のクラッチ（１２）を解放し、前記第１の電気機械（８）を始動電動機として使用することによって始動される、請求項７に記載のハイブリッド駆動車両（１）。
9. 前記燃焼機関（５）を始動するとき、前記第２の電気機械（１１）が、一時的に過負荷をかけられ、前記第１の電気機械（８）によって生成される駆動トルクの不足を補う、請求項８に記載のハイブリッド駆動車両（１）。
10. 前記２つのクラッチ（９、１２）が係合され、前記燃焼機関（５）が作動させられて前記駆動ホイール（３）の駆動トルクを生成する熱的動作モードと、
    前記２つのクラッチ（９、１２）が係合され、前記燃焼機関（５）が作動させられて前記駆動ホイール（３）の駆動トルクを生成し、且つ前記２つの電気機械（８、１１）の少なくとも１つが電動機または発電機として動作する「並列」ハイブリッド動作モードと、
    前記第２のクラッチ（９）が解放され、前記燃焼機関（５）が停止され、前記駆動ホイール（３）の駆動トルクが前記２つの電気機械（８、１１）の少なくとも１つによってのみ生成される電気的動作モードと、
    前記第２のクラッチ（９）が係合され、前記第１のクラッチ（１２）が解放され、前記燃焼機関（５）が作動させられ且つ前記第１の電気機械（８）を駆動し、前記第１の電気機械（８）が発電機として動作し、前記第２の電気機械（１１）が電動機として動作し且つ前記駆動ホイール（３）の駆動トルクを生成する「直列」ハイブリッド動作モードと、
    を備える、請求項５乃至９のいずれか一項に記載のハイブリッド駆動車両（１）。
11. 「直列」ハイブリッド動作モードにおいて、前記燃焼機関（５）が、実質的に一定の速度で動作しかつ「固定された点」に制御され、「並列」ハイブリッド動作モードおよび熱的動作モードにおいて、前記燃焼機関（５）が可変速度で動作しかつ動的に制御される、請求項１０に記載のハイブリッド駆動車両（１）。
12. 前記動作モードが、運転者の好みに従って、前記電源装置（１４）の前記蓄電装置（１５）の電荷に従って、および前記車両（１）の走行特性に従って選択される、請求項１０または１１に記載のハイブリッド駆動車両（１）。
13. 低出力において電気的動作モードが好ましく、中低出力において「直列」ハイブリッド動作モードが好ましく、中高出力において「並列」ハイブリッド動作モードが好ましく、高出力において熱的動作モードが好ましい、請求項１２に記載のハイブリッド駆動車両（１）。
14. 前記燃焼機関（５）および前記第１の電気機械（８）に機械的に連結された第１の一対の駆動ホイール（３）と、前記第２の電気機械（１１）に機械的に連結された第２の一対の駆動ホイールと、を備える、請求項１に記載のハイブリッド駆動車両（１）。

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