JP2009248767A - 動力出力装置および車両 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ハイブリッド自動車20は、動力を出力可能なエンジン22と、モータMG1およびMG2と、CVT40と、CVT40のセカンダリシャフト42に接続されるドライブギヤ55と、エンジン22やモータMG1,MG2、CVT40のプライマリシャフト41に接続されるキャリア54、ドライブギヤ55と連動して当該ドライブギヤ55とは同方向に回転可能なリングギヤ52および駆動軸としてのサンギヤ軸51aに接続されるサンギヤ51とを含む遊星歯車機構50と、CVT40のプライマリシャフト41と遊星歯車機構のキャリア54との接続および当該接続の解除を実行可能なクラッチC1,C2とを含む。
【選択図】図1
Description
駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、
動力を出力可能な動力発生源と、
入力軸に入力される動力を無段階に変速して出力軸に出力可能な無段変速装置と、
前記無段変速装置の前記出力軸に接続される回転要素と、
前記動力発生源に接続される第1の入力要素と、前記回転要素と連動して該回転要素と同方向に回転可能な第2の入力要素と、前記駆動軸に接続される出力要素とを含む遊星歯車機構と、
前記無段変速装置の前記入力軸と前記遊星歯車機構の前記第1の入力要素との接続および該接続の解除を実行可能な接続断接手段と、
前記無段変速装置の前記入力軸に少なくとも動力を出力可能な電動機と、
前記電動機と電力をやり取り可能な蓄電手段と、
を備えるものである。
駆動軸に連結された駆動輪を有する車両であって、
動力を出力可能な動力発生源と、
入力軸に入力される動力を無段階に変速して出力軸に出力可能な無段変速装置と、
前記無段変速装置の前記出力軸に接続される回転要素と、
前記動力発生源に接続される第1の入力要素と、前記回転要素と連動して該回転要素と同方向に回転可能な第2の入力要素と、前記駆動軸に接続される出力要素とを含む遊星歯車機構と、
前記無段変速装置の前記入力軸と前記遊星歯車機構の前記第1の入力要素との接続および該接続の解除を実行可能な接続断接手段と、
前記無段変速装置の前記入力軸に少なくとも動力を出力可能な電動機と、
前記電動機と電力をやり取り可能な蓄電手段と、
を備える車両。
Nd = 1/γ・Nc …(2)
Nd = Nr …(3)
Nc / Ns =ρ・γ/[γ・(1+ρ)-1] = α …(4)
ニュートラル状態のもとで運転者によりRポジションが設定されてアクセルペダル83が踏み込まれた場合、ハイブリッドECU70は、CVT40による変速比γが値1/(1+ρ)よりも小さくなるように、すなわちCVT40によってセカンダリシャフト42に接続されたドライブギヤ55と遊星歯車機構50のリングギヤ52とがより増速されるようにCVTECU49に制御信号を与える。CVTECU49は、ハイブリッドECU70からの制御信号に従ってCVT40のセカンダリプーリ44の溝幅が大きく(径が小さく)なったり、プライマリプーリ43の溝幅が小さく(径が大きく)なったりするように油圧回路48を制御する。これにより、図6において破線で示すように、ドライブギヤ55やリングギヤ52の回転速度Nd,Nrが高まり、遊星歯車機構50の出力要素であるサンギヤ51(サンギヤ軸51a)は、ドライブギヤ55やリングギヤ52の回転方向と逆方向に回転することになるので、駆動軸としてのサンギヤ軸51aを逆転させてハイブリッド自動車20を後進方向に走行させることが可能となる。そして、この際には、エンジン22等からキャリア54に出力されるトルクが増幅されて駆動軸としてのサンギヤ軸51aに出力されることになる。このように、実施例のハイブリッド自動車20では、その後進走行に際して、効率よくエンジン22を運転しながら駆動軸としてのサンギヤ軸51aに大きなトルクを出力することが可能となる。従って、実施例のハイブリッド自動車20では、後進走行時のエネルギ効率やトルク特性をより向上させることができる。もちろん、後進走行モードのもとでも、例えば運転者によりアクセルペダル83が大きく踏み込まれて大きなトルクが要求されたような場合等には、エンジン22をアシストするようにモータMG1およびMG2の少なくとも何れかに駆動トルクを出力させてもよい。
ニュートラル状態のもとで運転者によりDポジションが設定されてアクセルペダル83が踏み込まれた場合、ハイブリッドECU70は、CVT40による変速比γが値1/(1+ρ)よりも大きくなるように、すなわちCVT40によってセカンダリシャフト42に接続されたドライブギヤ55と遊星歯車機構50のリングギヤ52とがより減速されるようにCVTECU49に制御信号を与える。CVTECU49は、ハイブリッドECU70からの制御信号に従ってCVT40のセカンダリプーリ44の溝幅が小さく(径が大きく)なったり、プライマリプーリ43の溝幅が大きく(径が小さく)なったりするように(図5における白抜矢印参照)油圧回路48を制御する。これにより、図6において細い実線で示すように、ドライブギヤ55やリングギヤ52の回転速度Nd,Nrが低下する一方、遊星歯車機構50の出力要素であるサンギヤ51(サンギヤ軸51a)のドライブギヤ55やリングギヤ52と同方向における回転速度Nsが高まることになるので、駆動軸としてのサンギヤ軸51aを正転させてハイブリッド自動車20を前進方向に発進させることが可能となる。そして、この際には、エンジン22等からキャリア54に出力されるトルクが増幅されて駆動軸としてのサンギヤ軸51aに出力されることになる。このように、実施例のハイブリッド自動車20では、前進方向への発進に際して、効率よくエンジン22を運転しながら駆動軸としてのサンギヤ軸51aに大きなトルクを出力することが可能となる。従って、実施例のハイブリッド自動車20では、発進時のエネルギ効率やトルク特性をより向上させることができる。また、発進後には、変速比γがより大きくなるようにCVT40を制御することにより、駆動軸としてのサンギヤ軸51aに大きなトルクを出力しながらハイブリッド自動車20を前進方向に加速させていくことができる。更に、低速前進走行モードのもと、CVT40の変速比γを調整しつつエンジン22の運転ポイントを変更してエンジン22からのトルクを増加させたり、モータMG1およびMG2の少なくとも何れかにエンジン22をアシストするように駆動トルクを出力させたりすれば、低速前進走行モードにおけるトルク特性をより一層向上させることができる。このような低速前進走行モードは、例えばCVT40による変速比γが所定値まで低下したことを含む第1の移行条件が成立するまで継続され、当該移行条件が成立すると、ハイブリッド自動車20の運転モードは、低速前進走行モードから中速移行モードへと移行する。
運転者によるアクセルペダル83の操作等に応じて上記第1の移行条件が成立すると、ハイブリッドECU70は、モータMG1とキャリア54(第1キャリア軸54a)との接続が解除されるようにクラッチC2のアクチュエータに制御信号を与える。こうしてクラッチC2がオフされてモータMG1とキャリア54との接続が解除されれば、モータMG1によりプライマリシャフト41をキャリア54とは独立に回転させることが可能となり、ハイブリッドECU70は、CVT40による変速比γが上記所定値に保たれると共にモータMG1の回転速度Nm1(回転速度Ni)が低下し、かつ要求トルクに基づくトルクが駆動軸としてのサンギヤ軸51aに出力されるようにエンジン22の運転ポイントやモータMG1およびモータMG2のトルク指令、CVT40の目標変速比を設定する。また、エンジンECU24やモータECU30、CVTECU49は、それぞれハイブリッドECU70からの制御信号に従ってエンジン22やモータMG1およびMG2、CVT40を制御する。これにより、図7において破線で示すようにモータMG1の減速に伴って、CVT40を介してモータMG1に接続されたドライブギヤ55や遊星歯車機構50のリングギヤ52の回転速度Nd,Nrが低下していくことから、サンギヤ51(サンギヤ軸51a)の回転速度Ns(車速V)を正転側(前進側)に増加させながら、同図において実線で示すようにモータMG1を一旦停止させることによりCVT40のセカンダリシャフト42に接続されたドライブギヤ55や遊星歯車機構50のリングギヤ52の回転速度Nd,Nrを値0にすることができる。なお、かかる中速移行モードのもとでは、モータMG1は、図7において下向きのトルクを出力することから発電を実行し、モータMG1により発電された電力は、主にバッテリ35の充電に供され、必要に応じてモータMG2の駆動用に供される。また、中速移行モードのもとでハイブリッド自動車20を減速させる場合、ハイブリッドECU70は、CVT40による変速比γが上記所定値に保たれると共にモータMG1の回転速度Nm1(回転速度Ni)が高まり(加速され)、かつ要求トルクに基づくトルクが駆動軸としてのサンギヤ軸51aに出力されるようにエンジン22の運転ポイントやモータMG1およびモータMG2のトルク指令、CVT40の目標変速比を設定する。
上述の中速移行モードのもとで、CVT40のプライマリシャフト41に接続されたモータMG1が停止されると共にCVT40のセカンダリシャフト42に接続されたドライブギヤ55と遊星歯車機構50のリングギヤ52との回転が停止されると、図8に示すように、ブレーキB1をオンしてセカンダリシャフト42およびリングギヤ52を回転不能に固定すると共にCVT40をロックすることができる。そして、このように遊星歯車機構50のリングギヤ52を回転不能に固定すれば、図7において実線で示すように、CVT40を用いることなくエンジン22等によりキャリア54に出力されるトルクを遊星歯車機構50のサンギヤ51すなわち駆動軸としてのサンギヤ軸51aに伝達することが可能となる。このため、実施例のハイブリッド自動車20では、中速移行モードのもとでモータMG1の回転が停止される前の走行状態や運転者の要求(例えばアクセル開度Accやその変動度合等)が第2の移行条件を満たしている場合、モータMG1が停止されたままハイブリッドECU70によりブレーキB1がオンされてCVT40がロックされ、運転モードが中速移行モードから巡航移行モードへと移行する。かかる巡航移行モードのもとで、ハイブリッドECU70は、要求トルクに基づくトルクが駆動軸としてのサンギヤ軸51aに出力されるようにエンジン22の運転ポイントやモータMG2に対するトルク指令を設定し、エンジンECU24やモータECU30は、それぞれハイブリッドECU70からの制御信号に従ってエンジン22やモータMG2を制御する。これにより、巡航走行モードのもとでは、CVT40での損失を無くしながらエンジン22等によりキャリア54に出力される動力を比較的効率よく駆動軸としてのサンギヤ軸51aに伝達することができるので、エネルギ効率をより向上させることが可能となる。なお、かかる巡航走行モードでは、バッテリ35の残容量を確保する観点から、基本的にはエンジン22を効率よく運転可能な運転ポイントで運転して当該エンジン22のみに動力を出力させてもよく、必要に応じてエンジン22をアシストするようにモータMG2に駆動トルクを出力させてもよい。また、モータMG2にエンジン22からの動力の一部(あるいはすべて)を用いた発電を実行させてモータMG2により発電された電力でバッテリ35を充電してもよい。
上述の中速移行モードのもとでモータMG1が停止されると共に遊星歯車機構50のリングギヤ52の回転が停止された際に上記第2の移行条件とは異なる第3の移行条件が成立している場合や、巡航走行モードのもとで運転者により緩やかな加速要求がなされたような場合、ハイブリッド自動車20の運転モードは、中速移行モードまたは巡航走行モードから高速走行モードへと移行する。ハイブリッド自動車20の運転モードを高速走行モードへと移行させる場合、ハイブリッドECU70は、ブレーキB1がオンされていれば遊星歯車機構50のリングギヤ52やCVT40のロックが解除されるようにブレーキB1のアクチュエータに制御信号を与える。こうしてブレーキB1(およびクラッチC2)がオフされた状態で(図9参照)、ハイブリッドECU70は、モータMG1が上述の低速前進走行モード等の実行時とは逆方向すなわち遊星歯車機構50のキャリア54とは逆方向に回転すると共に要求トルクに基づくトルクが駆動軸としてのサンギヤ軸51aに出力されるようにエンジン22の運転ポイントやモータMG1およびMG2に対するトルク指令、CVT40の目標変速比を設定する。また、エンジンECU24やモータECU30、CVTECU49は、それぞれハイブリッドECU70からの制御信号に従ってエンジン22やモータMG1およびMG2、CVT40を制御する。すなわち、クラッチC2によりモータMG1とキャリア54との接続が解除されている状態では、モータMG1によりプライマリシャフト41をキャリア54とは逆方向に回転させることが可能であり、図10において実線で示すように、モータMG1の回転速度Nm1(回転速度Ni)をキャリア54とは逆方向(負側)に高くしていけば、CVT40のセカンダリシャフト42に接続されたドライブギヤ55および遊星歯車機構50のリングギヤ52をキャリア54とは逆方向に回転させると共にその回転速度NNd,Nr等を負側に高くしていくことができる。加えて、図9において白抜矢印で示すように、CVT40のプライマリプーリ43の溝幅を小さくしたり、セカンダリプーリ44の溝幅を大きくしたりしてCVT40による変速比γをより小さくしていけば、図10において二点鎖線で示すように、ドライブギヤ55や遊星歯車機構50のリングギヤ52の回転速度Nd,Nrをより一層負側に高くすることができる。そして、ドライブギヤ55や遊星歯車機構50のリングギヤ52のキャリア54とは逆方向における回転速度Nd,Nrが高くなればなるほど、遊星歯車機構50の第1の入力要素であるキャリア54と出力要素であるサンギヤ51すなわち駆動軸としてのサンギヤ軸51aとの間の変速比αをより小さく(増速比をより大きく)してサンギヤ軸51aの正転側における回転速度すなわち車速Vをより高くすることが可能となる。かかる高速走行モードのもとでは、特に非常に高い速度で巡航する場合のように駆動軸としてのサンギヤ軸51aに大きなトルクを出力する必要が少ないとき等に、バッテリ35の残容量を確保する観点から、モータMG2にエンジン22からの動力の一部(あるいはすべて)を用いた発電を実行させてモータMG2により発電された電力でモータMG1を駆動したり、バッテリ35を充電したりしてもよい。もちろん、高速走行モードのもとでも、バッテリ35の残容量に余裕があるような場合には、バッテリ35からの電力によりモータMG1を駆動すると共に、エンジン22を効率よく運転可能な運転ポイントで運転し、常時あるいは必要に応じてエンジン22をアシストするようにモータMG2に駆動トルクを出力させてもよい。
上述の中速移行モードのもとでモータMG1が停止されると共に遊星歯車機構50のリングギヤ52の回転が停止された際に上記第2および第3の移行条件とは異なる第4の移行条件が成立した場合や、巡航走行モードのもとで運転者により急峻な加速要求がなされたような場合、ハイブリッド自動車20の運転モードは、中速移行モードまたは巡航走行モードから高出力走行モードへと移行する。ハイブリッド自動車20の運転モードを高出力走行モードへと移行させる場合、ハイブリッドECU70は、要求トルクに基づくトルクが駆動軸としてのサンギヤ軸51aに出力されるようにエンジン22の運転ポイントやモータMG1およびMG2に対するトルク指令を設定しつつ、ブレーキB1がオンされていなければ遊星歯車機構50のリングギヤ52やCVT40がロックされるようにブレーキB1のアクチュエータに制御信号を与え、ブレーキB1がオンされた状態で更にモータMG1がCVT40から切り離されるようにクラッチC1に制御信号を与える。こうしてブレーキB1がオンされると共にクラッチC1がオフされると、ハイブリッドECU70は、モータMG1がキャリア54と回転同期すると共に要求トルクに基づくトルクが駆動軸としてのサンギヤ軸51aに出力されるようにエンジン22の運転ポイントやモータMG1およびMG2に対するトルク指令を設定する。そして、ハイブリッドECU70は、モータMG1がキャリア54と回転同期した段階でモータMG1の回転軸MS1と第1キャリア軸54aとが接続されるようにクラッチC2に制御信号を与え、図11に示すようにクラッチC2がオンされた後には、要求トルクに基づくトルクが駆動軸としてのサンギヤ軸51aに出力されるようにエンジン22の運転ポイントやモータMG1およびMG2に対するトルク指令を設定する。この間、エンジンECU24やモータECU30は、それぞれハイブリッドECU70からの制御信号に従ってエンジン22やモータMG1およびMG2を制御する。これにより、高出力走行モードのもとでは、CVT40での損失を無くしながらエンジン22とモータMG1およびMG2とのすべてからキャリア54に出力される動力を遊星歯車機構50を介して駆動軸としてのサンギヤ軸51aに伝達することができるので、ハイブリッド自動車20の高速走行時における加速性能をより向上させることが可能となる。なお、図11に示すようにクラッチC1がオフされると共にクラッチC2〜C4がオンされた状態では、上述のようにモータMG1およびMG2の双方にエンジン22をアシストするように駆動トルクを出力させる代わり、モータMG2にエンジン22からの動力の一部を用いた発電を実行させてモータMG2により発電された電力でモータMG1を駆動してもよい。
続いて、エンジン22を停止した状態で駆動軸としてのサンギヤ軸51aにモータMG1およびMG2の少なくとも何れか一方から動力を出力しながらハイブリッド自動車20を走行させるモータ走行モードについて説明する。
実施例のハイブリッド自動車20は、2体のモータMG1およびMG2を有するものであるから、走行中に運転者によりブレーキペダル85が踏み込まれたときには、モータMG1およびMG2の少なくとも何れかの回生により運動エネルギを電気エネルギに変換することで駆動軸としてのサンギヤ軸51aに制動力(制動トルク)を出力することができる。そして、少なくともクラッチC1〜C3がオンされた状態で運転者によりブレーキペダル85が踏み込まれたときにクラッチC2をオフしてモータMG1とキャリア54(第1キャリア軸54a)との接続を解除すれば、モータMG1とモータMG2とを独立に制御して両モータMG1およびMG2により効率よくエネルギを回収することが可能となる。すなわち、運転者によりブレーキペダル85が踏み込まれたときにクラッチC2をオフすると共にCVT40を用いてモータMG1の回転速度Nm1を高く保つことで、通常であれば回生制動が実行し得なくなる程度にまでサンギヤ軸51aの回転速度Nsすなわち車速Vが低下した時点においてもモータMG1によるエネルギ回収を続行し、それによりハイブリッド自動車20のエネルギ効率を向上させることが可能となる。なお、クラッチC4によりモータMG2とエンジン22のクランクシャフト23とが接続された状態で運転者によりブレーキペダル85が踏み込まれたときには、クラッチC4をオフしてモータMG2とエンジン22のクランクシャフト23との接続を解除してもよく、クラッチC4をオンしたままでエンジン22のフリクションによる制動トルク(エンジンブレーキ)を利用してもよい。
Claims (15)
- 駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、
動力を出力可能な動力発生源と、
入力軸に入力される動力を無段階に変速して出力軸に出力可能な無段変速装置と、
前記無段変速装置の前記出力軸に接続される回転要素と、
前記動力発生源に接続される第1の入力要素と、前記回転要素と連動して該回転要素と同方向に回転可能な第2の入力要素と、前記駆動軸に接続される出力要素とを含む遊星歯車機構と、
前記無段変速装置の前記入力軸と前記遊星歯車機構の前記第1の入力要素との接続および該接続の解除を実行可能な接続断接手段と、
前記無段変速装置の前記入力軸に少なくとも動力を出力可能な電動機と、
前記電動機と電力をやり取り可能な蓄電手段と、
を備える動力出力装置。 - 請求項1に記載の動力出力装置において、
前記遊星歯車機構は、前記動力発生源と前記無段変速装置との間に配置されており、
前記無段変速装置の前記入力軸、前記電動機の回転軸および前記接続断接手段は、それぞれ中空に形成されており、
前記駆動軸は、前記無段変速装置の前記入力軸と前記電動機の回転軸と前記接続断接手段とを貫通する動力出力装置。 - 請求項2に記載の動力出力装置において、
前記遊星歯車機構は、前記第1の入力要素としてのプラネタリキャリアと、前記プラネタリキャリアにより保持されたピニオンギヤと噛合する前記第2の入力要素としてのリングギヤと、前記ピニオンギヤまたは前記プラネタリキャリアにより保持された他のピニオンギヤと噛合する前記出力要素としてのサンギヤとを含む動力出力装置。 - 請求項1から3の何れか一項に記載の動力出力装置において、
前記遊星歯車機構の前記第1の入力要素に前記動力発生源と前記無段変速装置の前記入力軸とが接続されているときには、前記駆動軸に要求される要求駆動力に基づく動力が該駆動軸に出力されるように前記動力発生源と前記電動機と前記無段変速装置とを制御すると共に、前記遊星歯車機構の前記第1の入力要素に前記動力発生源が接続されると共に該第1の入力要素と前記無段変速装置の前記入力軸との接続が解除されているときには、前記電動機が減速するか、または前記電動機が前記遊星歯車機構の前記第1の入力要素とは逆方向に回転すると共に前記要求駆動力に基づく動力が前記駆動軸に出力されるように前記動力発生源と前記電動機と前記無段変速装置とを制御する制御手段を更に備える動力出力装置。 - 請求項1から4の何れか一項に記載の動力出力装置において、
前記遊星歯車機構の前記第2の入力要素を回転不能に固定可能な要素固定手段を更に備える動力出力装置。 - 請求項5に記載の動力出力装置において、
前記遊星歯車機構の前記第1の入力要素に前記動力発生源が接続され、該第1の入力要素と前記無段変速装置の前記入力軸との接続が解除され、かつ前記遊星歯車機構の前記第2の入力要素が回転不能に固定されているときに、前記駆動軸に要求される要求駆動力に基づく動力が該駆動軸に出力されるように前記動力発生源を制御する制御手段を更に備える動力出力装置。 - 請求項5または6に記載の動力出力装置において、
前記接続断接手段は、
前記無段変速装置の前記入力軸と前記電動機の回転軸との接続および該接続の解除を実行する第1の接続断接手段と、
前記電動機の回転軸と前記遊星歯車機構の前記第1の入力要素との接続および該接続の解除を実行する第2の接続断接手段とを含む動力出力装置。 - 請求項7に記載の動力出力装置において、
前記無段変速装置の前記入力軸と前記電動機の回転軸との接続が解除され、前記電動機の回転軸と前記遊星歯車機構の第1の入力要素とが接続され、かつ前記要素固定手段により前記遊星歯車機構の前記第2の入力要素が回転不能に固定されているときに、前記駆動軸に要求される要求駆動力に基づく動力が該駆動軸に出力されるように前記動力発生源と前記電動機との少なくとも何れか一方を制御する制御手段を更に備える動力出力装置。 - 請求項1から8の何れか一項に記載の動力出力装置において、
前記遊星歯車機構の前記第1の入力要素と前記動力発生源との接続および該接続の解除を実行する他の接続断接手段を更に備える動力出力装置。 - 請求項9に記載の動力出力装置において、
前記無段変速装置の前記入力軸と前記電動機とが前記遊星歯車機構の前記第1の入力要素に接続されると共に前記第1の入力要素と前記動力発生源との接続が解除されているときに、前記駆動軸に要求される要求駆動力に基づく動力が該駆動軸に出力されるように前記電動機と前記無段変速装置とを制御する制御手段を更に備える動力出力装置。 - 請求項1から10の何れか一項に記載の動力出力装置において、前記動力発生源は、前記電動機とは異なる第2の電動機である動力出力装置。
- 請求項1から10の何れか一項に記載の動力出力装置において、前記動力発生源は、内燃機関である動力出力装置。
- 請求項1から10の何れか一項に記載の動力出力装置において、前記動力発生源は、前記電動機とは異なる第2の電動機と内燃機関とからなる動力出力装置。
- 請求項13に記載の動力出力装置において、
前記第2の電動機と前記内燃機関との接続および該接続の解除を実行する機関用接続断接手段を更に備える動力出力装置。 - 駆動軸に連結された駆動輪を有する車両であって、
動力を出力可能な動力発生源と、
入力軸に入力される動力を無段階に変速して出力軸に出力可能な無段変速装置と、
前記無段変速装置の前記出力軸に接続される回転要素と、
前記動力発生源に接続される第1の入力要素と、前記回転要素と連動して該回転要素と同方向に回転可能な第2の入力要素と、前記駆動軸に接続される出力要素とを含む遊星歯車機構と、
前記無段変速装置の前記入力軸と前記遊星歯車機構の前記第1の入力要素との接続および該接続の解除を実行可能な接続断接手段と、
前記無段変速装置の前記入力軸に少なくとも動力を出力可能な電動機と、
前記電動機と電力をやり取り可能な蓄電手段と、
を備える車両。
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