JP2011105158A - ハイブリッド車の動力伝達機構 - Google Patents

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Abstract

【課題】車両が定常走行する際に発電電動機を無駄に駆動することにより発生する損失を低減しかつ減速時に回生エネルギを有効利用して燃費を向上するとともに、加速時や減速時の制御性を向上したハイブリッド車の動力伝達機構を提供する。
【解決手段】動力を出力する内燃機関２と、動力が入力されて発電を行いまた動力を出力する発電電動機３と、内燃機関２及び発電電動機３を走行駆動源として選択制御する制御手段（ハイブリッドＥＣＵ６）とを備えるハイブリッド車の動力伝達機構１であって、動力を伝達する動力伝達経路と発電電動機３とを断続する動力断続機構４を備え、制御手段６は、道路状態に関する情報、交通状態に関する情報、及び車両状態に関する情報の少なくとも一つを参照して、動力断続機構４を断続制御する。さらに、制御手段６は、定常走行の持続が期待できる場合に、動力断続機構４を切り離し制御することが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動源として内燃機関及び発電電動機を搭載したハイブリッド車の動力伝達機構に関する。
駆動源として内燃機関及び発電電動機を搭載し、それぞれの長所を活かして燃費改善・高出力・環境保護を実現するハイブリッド車が実用化されている。この種のハイブリッド車では、内燃機関の効率が悪い発進時には発電電動機で駆動し、走行状態に移行した段階で効率が良好となる内燃機関に切り替えることが駆動源の選択制御の基本となっている。また、急峻な傾斜路では、内燃機関及び発電電動機の両方で駆動する場合もあり得る。一方、減速時には、車両の運動エネルギを発電電動機で電力に変換してバッテリを充電し、換言すればエネルギを回生して有効利用している。さらに、バッテリの充電状態が低下した場合には、走行状態において内燃機関から発電電動機を駆動して電力を発生させ、充電状態を改善している。以上のように、発電電動機は電動機及び発電機として作用するが、常時動作しているわけではなく、無駄に駆動されている状態がある。
発電電動機が動力を生成しない状態で動力伝達経路に継合されて無駄に駆動されていると、その分だけ損失が増加して燃費が低下する。例えば、ハイブリッド車用として回転子に永久磁石を埋め込んだ回転磁石形の発電電動機が多用されており、回転子が駆動されると固定子側のコイルに誘導起電力が発生する。この誘導起電力で生じる問題を、外部から逆向きの電圧を加える「弱め界磁制御」により緩和しているが、その分の電力消費により燃費が低下する。また、加速時や減速時には、発電電動機が有する慣性分を駆動する必要があり、切り離した場合と比較して制御性が低下する。これらに対する方策の一例を、本願出願人は特許文献１の動力伝達装置に開示している。この動力伝達装置は、有段変速機構の入力軸と回転電機のロータとの間に第１動力断続機構を有し、さらに、車輪に連なる回転電機側出力軸とロータとの間に第２動力断続機構を有している。これにより、回転電機のロータを動力伝達経路から切り離すことができるようになっている。
国際公開第２００９／０５１１４３号
ところで、特許文献１の動力伝達装置では、回転電機（発電電動機）のロータを動力伝達経路から切り離すことで無駄な駆動による損失を低減できるが、反面、運動エネルギの回生ができなくなる。つまり、発電電動機を切り離せば損失を低減できるがエネルギ回生の機会を失い、発電電動機を継合すれば機械的な損失は増加するがエネルギ回生の機会を得ることができる。したがって、発電電動機での駆動により発進した以降は、概ね一定速度の定常走行が持続する場合に発電電動機を動力伝達経路から切り離し、加減速が繰り返される場合に発電電動機を継合することが好ましい。しかしながら、定常走行が持続するか否かは、道路状態や交通状態に依存してケースバイケースとなるため、判断が難しい。
一方、発電電動機を切り離すべきか継合すべきかの判断は、車載のバッテリの充電状態によっても変化する。つまり、バッテリの充電状態が不足している場合には、発電電動機を継合して内燃機関からの駆動または減速時のエネルギ回生により充電状態を改善することが、損失の低減よりも重要になる。また、バッテリの充電状態が満充電に達している場合には、発電電動機を切り離して過充電を避けることが好ましい。
本発明は上記背景に鑑みてなされたものであり、車両が定常走行する際に発電電動機を無駄に駆動することにより発生する損失を低減しかつ減速時に回生エネルギを有効利用して燃費を向上するとともに、加速時や減速時の制御性を向上したハイブリッド車の動力伝達機構を提供することを課題とする。
本発明のハイブリッド車の動力伝達機構は、動力を出力する内燃機関と、動力が入力されて発電を行いまた動力を出力する発電電動機と、前記内燃機関及び前記発電電動機を走行駆動源として選択制御する制御手段とを備えるハイブリッド車の動力伝達機構であって、前記動力を伝達する動力伝達経路と前記発電電動機とを断続する動力断続機構を備え、前記制御手段は、道路状態に関する情報、交通状態に関する情報、及び車両状態に関する情報の少なくとも一つを参照して、前記動力断続機構を断続制御することを特徴とする。
さらに、前記制御手段は、前記道路状態に関する情報を車載のカーナビゲーション装置から得て、走行中の道路が高速道路または自動車専用道路であるかあるいは一般道路であっても交通信号が少なく定常走行の持続が期待できるという定常走行条件が満たされた場合に、前記動力断続機構を切り離し制御することが好ましい。
さらに、前記制御手段は、前記交通状態に関する情報を車載のカーナビゲーション装置から得て、前記定常走行条件が満たされていても交通状態が良好でなく前記定常走行が困難と予想される場合に、前記動力断続機構を継合制御することが好ましい。
また、走行中の道路が前記高速道路または前記自動車専用道路であって、定められている最低速度よりも車両走行速度が減少した場合に、前記制御手段は前記動力断続機構を継合制御するようにしてもよい。
さらに、前記制御手段は、前記車両状態に関する情報として前記発電電動機が充電する車載のバッテリの充電状態を示す充電状態値を得て、該充電状態値が不足充電規定値以下の場合に前記動力断続機構を継合制御し、前記充電状態値が満充電規定値以上でかつ車両走行中の場合に前記動力断続機構を切り離し制御することが好ましい。
また、前記発電電動機は回転子に永久磁石を有し、前記動力断続機構は前記動力伝達経路と前記回転子とを断続することでもよい。
さらに、前記動力断続機構は、前記動力伝達経路中の前記内燃機関と変速機との間、及び前記動力伝達経路中の前記変速機よりも下流側の少なくとも一方に、前記発電電動機を断続することが好ましい。
本発明のハイブリッド車の動力伝達機構では、制御手段が道路状態に関する情報、交通状態に関する情報、及び車両状態に関する情報の少なくとも一つを参照して動力断続機構を断続制御し、動力伝達経路と発電電動機とを切り離し及び継合する。したがって、適正な条件を設定して発電電動機を断続制御し、発電電動機を切り離すことにより無駄に駆動されて発生する損失を低減でき、かつ減速時に発電電動機を継合することにより回生エネルギを有効利用でき、総合的に燃費を向上できる。また、発電電動機を切り離したときには、切り離した分だけ慣性が減少して、加速時や減速時の制御性が向上する。
さらに、制御手段が道路状態に関する情報を車載のカーナビゲーション装置から得て、定常走行条件が満たされた場合に動力断続機構を切り離し制御する態様では、概ね一定速度の定常走行が持続すると期待できる場合に、発電電動機を無駄に駆動することがなくなって燃費を向上できる。
さらに、制御手段が交通状態に関する情報を車載のカーナビゲーション装置から得て、定常走行条件が満たされていても交通状態が良好でなく定常走行が困難と予想される場合に動力断続機構を継合制御する態様では、減速時に回生エネルギを有効利用して燃費を向上できる。
また、走行中の道路が前記高速道路または前記自動車専用道路であって、定められている最低速度よりも車両走行速度が減少した場合に、制御手段が動力断続機構を継合制御する態様では、定常走行が困難であると確実に予想でき、減速時に回生エネルギを有効利用して燃費を向上できる。
さらに、制御手段が車載のバッテリの充電状態値を得て、充電状態値が不足充電規定値以下の場合に動力断続機構を継合制御し、充電状態値が満充電規定値以上でかつ車両走行中の場合に動力断続機構を切り離し制御する態様では、不足する充電状態の改善を優先して行うとともに、過充電のおそれを回避できる。つまり、バッテリの充電状態の適正化に寄与できる。
また、発電電動機は回転子に永久磁石を有し、動力断続機構が動力伝達経路と回転子とを断続する態様では、回転磁石形の発電電動機において前述の各効果が発生する。
さらに、動力断続機構が動力伝達経路中の内燃機関と変速機との間、及び動力伝達経路中の変速機よりも下流側の少なくとも一方に発電電動機を断続する態様では、動力伝達経路の種々の構成に対して本発明を適用できる。
本発明の実施形態のハイブリッド車の動力伝達機構を説明するブロック図である。 図１の実施形態における、ハイブリッドＥＣＵによる動力断続機構の断続制御フローの図である。 動力断続機構を変速機よりも下流側に配置した第２実施形態のハイブリッド車の動力伝達機構を説明するブロック図である。 ２個の動力断続機構を備える第３実施形態のハイブリッド車の動力伝達機構を説明するブロック図である。
本発明を実施するための形態を、図１及び図２を参考にして説明する。図１は、本発明の実施形態のハイブリッド車の動力伝達機構１を説明するブロック図である。図中で、実線の矢印は動力またはエネルギの流れを示し、破線の矢印は情報または制御の流れを示している。実施形態の動力伝達機構１は、内燃機関２、発電電動機３、動力断続機構４、変速機５、ハイブリッドＥＣＵ６などにより構成されている。
内燃機関２は走行駆動源であり、そのクランク軸から出力された動力は図略のクラッチを介して変速機５に入力されている。発電電動機３の出力軸は、動力断続機構４を介して動力伝達経路に結合されている。発電電動機３の電気出力は、図略のインバータ装置を介してバッテリ９１に接続されている。発電電動機３は、あるときは内燃機関２または駆動輪からの動力が入力され発電機として作用することでバッテリ９１を充電し、またあるときはバッテリ９１から駆動電力が入力され電動機として作用することで走行駆動源となり動力を出力する。動力断続機構４は、発電電動機３の出力軸と、動力伝達経路中の内燃機関２及び変速機５の間とを断続するものである。動力断続機構４には、一般的なクラッチや同期装置を用いることができる。変速機５は、内燃機関２及び発電電動機３から出力された動力の回転速度を変換して出力するものである。変速機５から出力された動力は、最終的に駆動輪まで伝達されて車両を走行させる。
なお、本実施形態において、内燃機関２、発電電動機３、動力断続機構４、変速機５の構造や制御方法に特別な制約はなく、公知の各種装置・機器を適宜組み合わせて用いることができる。
ハイブリッドＥＣＵ６は、ハイブリッド車用のＥＣＵ（Ｅlectronic Ｃontrol Ｕnit）の意未で、内燃機関２及び発電電動機３を走行駆動源として選択制御する制御手段に相当する。ハイブリッドＥＣＵ６は、また動力断続機構４を断続制御し、さらに変速機５を変速制御する。ハイブリッドＥＣＵ６には、演算部、記憶部、入力部、出力部、などを備えてソフトウェアで動作する電子制御装置を用いることができる。また、内燃機関２や変速機５などを個別に制御する複数の下位ＥＣＵと、各下位ＥＣＵと情報を交換しつつ車両全体の管理制御を行う上位ＥＣＵとを組み合わせてハイブリッドＥＣＵを構成してもよい。
ハイブリッドＥＣＵ６は、車載のカーナビゲーション装置９２から道路状態に関する情報（以下では道路情報と略記）及び交通状態に関する情報（以下では交通情報と略記）を取り込むようになっている。道路情報とは、走行中の道路の特性を示す情報であり、（Ａ）道路が高速道路または自動車専用道路かあるいは一般道路か、（Ｂ）高速道路または自動車専用道路における最低速度ＶＬ、（Ｃ）一般道路における交通信号の配置や道路のカーブや道路勾配の有無、などの情報が該当する。
なお、カーナビゲーション装置９２は、一般的に、道路情報及び交通情報の一部を装置内部に保持し、一部を無線通信により外部から入手している。
ハイブリッドＥＣＵ６は、道路情報に基づいて定常走行条件が満たされているか否かを判定する。すなわち、高速道路または自動車専用道路であるとき、及び一般道路であっても交通信号が少なく定常走行の持続が期待できるときに、定常走行条件が満たされている場合と判定する。なお、一般道路においては、交通信号の配置に加え、カーブや道路勾配が連続するときに定常走行条件が満たされていないと判定するようにしてもよい。
また、交通情報とは、走行中の道路の交通状態を示す情報である。前述の道路情報は車両の走行位置により一義的に定まるが、交通情報は走行位置が定まっても時間的に変化し得るケースバイケースの情報である。交通情報には、交通渋滞、交通事故、道路工事、天候、及びこれらに起因する臨時の速度規制や車線規制などの情報が該当する。ハイブリッドＥＣＵ６は、交通情報に基づいて、定常走行条件が満たされている場合に実際に定常走行が可能か困難かを予想する。例えば、交通渋滞が発生している場合や、交通事故、道路工事や悪天候により臨時の速度規制が行われている場合には、交通状態が良好でなく定常走行が困難な場合と予想する。
さらに、ハイブリッドＥＣＵ６は、車両状態に関する情報（以下では車両情報と略記）として、バッテリ９１から充電電圧Ｅの情報を取り込み、動力伝達経路に設けられた車速センサ９３から車速Ｖ（車両走行速度Ｖ）の情報を取り込むようになっている。充電電圧Ｅは、バッテリ９１の充電状態を示す充電状態値に相当し、不足充電規定電圧ＥＬと満充電規定電圧ＥＨの間（ＥＬ＜Ｅ＜ＥＨ）が適正な充電状態となる。したがって、充電電圧Ｅが不足充電規定電圧ＥＬ以下の場合には極力バッテリ９１を充電して充電状態を改善し、充電電圧Ｅが満充電規定電圧ＥＨ以上の場合にはバッテリ９１を充電しないようにして過充電を避けることが好ましい。
ハイブリッドＥＣＵ６は、上述した道路情報、交通状態及び車両情報を得て、動力断続機構４を断続制御する。図２は、ハイブリッドＥＣＵ６による動力断続機構４の断続制御フローの図である。図示されるように、ハイブリッドＥＣＵ６が始動すると、ステップＳ１でまず車速Ｖを取り込み、ステップＳ２で車速Ｖを所定の微速Ｖ０と比較して発進時か走行中かを判定する。微速Ｖ０は、発進時に走行駆動源を発電電動機３から内燃機関２に切り換える際の目安となる速度である。車速Ｖが微速Ｖ０よりも小さいときは発進時であり、直ちにステップＳ１２に移行して動力断続機構４を継合制御し、発電電動機３により駆動できるようにする。
ステップＳ２で車速Ｖが微速Ｖ０以上のときは走行中であり、ステップＳ３でバッテリ９１から充電電圧Ｅの情報を取り込む。次に、ステップＳ４で充電電圧Ｅを不足充電規定電圧ＥＬと比較する。充電電圧Ｅが不足充電規定電圧ＥＬよりも小さい場合は、ステップＳ１２に移行して動力断続機構４を継合し、極力充電を行うことで充電状態を改善できるようにする。充電電圧Ｅが不足充電規定電圧ＥＬよりも大きいときには、ステップＳ５で充電電圧Ｅを満充電規定電圧ＥＨと比較する。充電電圧Ｅが満充電規定電圧ＥＨよりも大きい場合は、ステップＳ１１に移行して動力断続機構４を切り離し、バッテリ９１の現状以上の過充電を避ける。充電電圧Ｅが満充電規定電圧ＥＨよりも小さいきいときは、充電電圧Ｅが適正に保たれており、ステップＳ６に移行する。
次に、ステップＳ６でカーナビゲーション装置９２から道路情報を取り込み、ステップＳ７で定常走行条件が満たされているか否かを判定する。満たされていなければステップＳ１２に移行して動力断続機構４を継合し、満たされた場合はステップＳ８でカーナビゲーション装置９２から交通情報を取り込む。次に、ステップＳ９で実際に定常走行が可能か困難かを予想する。困難と予想した場合はステップＳ１２に移行して動力断続機構４を継合し、可能と予想したときにはステップＳ１０に移行する。ステップＳ１０では、最低速度ＶＬが定められた高速道路または自動車専用道路を走行中の場合に、車速Ｖを最低速度ＶＬと比較する。車速Ｖが最低速度ＶＬよりも大きいときにはステップＳ１１に移行し、車速Ｖが最低速度ＶＬよりも小さい場合はステップＳ１２に移行する。なお、最低速度ＶＬが定められていなければ、無条件でステップＳ１１に移行する。
かくして、最終的にステップＳ１１またはステップ１２のどちらかに移行する。ステップＳ１１では動力断続機構４を切り離し制御する。切り離し制御を行う場合を整理すると、バッテリ９１の充電電圧Ｅが満充電規定電圧ＥＨよりも大きく過充電を避ける場合、及び定常走行条件が満たされて実際に定常走行が可能と予想できさらに車速Ｖが最低速度ＶＬよりも大きい場合となる。一方、ステップＳ１２では動力断続機構４を継合制御する。継合制御を行う場合を整理すると、発進時の場合、バッテリ９１の充電電圧Ｅが不足充電規定電圧ＥＬよりも小さく極力充電を行いたい場合、及びバッテリ９１の充電状態が適正で定常走行が困難な場合となる。ステップＳ１１またはステップ１２により制御の１サイクルが終了し、ステップＳ１に戻る。
なお、ステップＳ１及びＳ２は発電電動機３の駆動により発進することを優先した処理であり、ステップＳ３〜Ｓ５はバッテリ９１の充電状態の改善を優先した処理となっている。そして、ステップＳ６〜Ｓ１０が、バッテリ９１の充電状態が適正に保たれた状態で燃費を向上するための処理となっている。
本実施形態のハイブリッド車の動力伝達機構１では、ハイブリッドＥＣＵ６がカーナビゲーション装置９２から道路情報及び交通情報を得るとともに、バッテリ９１の充電電圧Ｅ及び車速Ｖを参照して、動力断続機構４を断続制御する。したがって、概ね一定速度の定常走行が持続すると期待できる場合に発電電動機３を切り離すことにより無駄に駆動されて発生する損失を低減でき、定常走行が困難と予想される場合に発電電動機３を継合することにより減速時に回生エネルギを有効利用でき、総合的に燃費を向上できる。また、発電電動機３を切り離したときには、切り離した分だけ慣性が減少して、加速時や減速時の制御性が向上する。
さらに、ハイブリッドＥＣＵ６は、バッテリ９１の充電電圧Ｅを参照して動力断続機構４を断続制御することにより発電電動機３の充電動作を制御するので、バッテリ９１の充電状態の適正化に寄与できる。
次に、動力断続機構の配置を変更した別の実施形態について、図３及び図４を参考にして説明する。図３は、動力断続機構４０を変速機５よりも下流側に配置した第２実施形態のハイブリッド車の動力伝達機構１０を説明するブロック図である。また、図４は、２個の動力断続機構４１、４２を備える第３実施形態のハイブリッド車の動力伝達機構１１を説明するブロック図である。
図３に示される第２実施形態において、動力断続機構４０は、発電電動機３の出力軸と、動力伝達経路中の変速機５よりも下流側とを断続するようになっている。また、図４に示される第３実施形態において、第１動力断続機構４１は発電電動機３の出力軸と動力伝達経路中の内燃機関２及び変速機５の間とを断続し、第２動力断続機構４２は発電電動機３の出力軸と動力伝達経路中の変速機５よりも下流側とを断続するようになっている。第２および第３実施形態における機能、作用、および効果は、図１及び図２で説明した実施形態と概ね同様であるため省略する。
第２および第３実施形態では、発電電動機３により駆動する場合、変速機５を介さずに直接的に駆動輪を駆動でき、動力伝達効率が高い。
１、１０、１１：ハイブリッド車の動力伝達機構
２：内燃機関
３：発電電動機
４、４０、４１、４２：動力断続機構
５：変速機
６：ハイブリッドＥＣＵ（制御手段）
９１：バッテリ ９２：カーナビゲーション装置 ９３：車速センサ
Ｅ：充電電圧（充電状態値） ＥＬ：不足充電規定電圧 ＥＨ：満充電規定電圧
Ｖ：車速Ｖ（車両走行速度） Ｖ０：微速 ＶＬ：最低速度

Claims (7)

  1. 動力を出力する内燃機関と、動力が入力されて発電を行いまた動力を出力する発電電動機と、前記内燃機関及び前記発電電動機を走行駆動源として選択制御する制御手段とを備えるハイブリッド車の動力伝達機構であって、
    前記動力を伝達する動力伝達経路と前記発電電動機とを断続する動力断続機構を備え、
    前記制御手段は、道路状態に関する情報、交通状態に関する情報、及び車両状態に関する情報の少なくとも一つを参照して、前記動力断続機構を断続制御することを特徴とするハイブリッド車の動力伝達機構。
  2. 請求項１において、前記制御手段は、前記道路状態に関する情報を車載のカーナビゲーション装置から得て、走行中の道路が高速道路または自動車専用道路であるかあるいは一般道路であっても交通信号が少なく定常走行の持続が期待できるという定常走行条件が満たされた場合に、前記動力断続機構を切り離し制御するハイブリッド車の動力伝達機構。
  3. 請求項２において、前記制御手段は、前記交通状態に関する情報を車載のカーナビゲーション装置から得て、前記定常走行条件が満たされていても交通状態が良好でなく前記定常走行が困難と予想される場合に、前記動力断続機構を継合制御するハイブリッド車の動力伝達機構。
  4. 請求項２または３において、走行中の道路が前記高速道路または前記自動車専用道路であって、定められている最低速度よりも車両走行速度が減少した場合に、前記制御手段は前記動力断続機構を継合制御するハイブリッド車の動力伝達機構。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項において、前記制御手段は、前記車両状態に関する情報として前記発電電動機が充電する車載のバッテリの充電状態を示す充電状態値を得て、該充電状態値が不足充電規定値以下の場合に前記動力断続機構を継合制御し、前記充電状態値が満充電規定値以上でかつ車両走行中の場合に前記動力断続機構を切り離し制御するハイブリッド車の動力伝達機構。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項において、前記発電電動機は回転子に永久磁石を有し、前記動力断続機構は前記動力伝達経路と前記回転子とを断続するハイブリッド車の動力伝達機構。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項において、前記動力断続機構は、前記動力伝達経路中の前記内燃機関と変速機との間、及び前記動力伝達経路中の前記変速機よりも下流側の少なくとも一方に、前記発電電動機を断続するハイブリッド車の動力伝達機構。
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