JP3461652B2 - ハイブリッド車両 - Google Patents

ハイブリッド車両

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    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
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    • B60K6/50—Architecture of the driveline characterised by arrangement or kind of transmission units
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    • B60K6/543—Transmission for changing ratio the transmission being a continuously variable transmission

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、動力源として内燃
機関のような熱機関と電動モータを組み合わせて使用す
るところの車両、即ちハイブリッド車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関と電動モータを併用するハイブ
リッド車両には、大きく分類して、内燃機関が発電機に
連結されて発電とバッテリーの充電のみを行い、車輪の
駆動は発電機及びバッテリーから電力の供給を受ける電
動モータ（ブレーキとしての発電機を兼ねることができ
る）が行う「ＳＨＶ方式」と呼ばれるものと、内燃機関
と電動モータ（ブレーキとしての発電機を兼ねることが
できる）がいずれも機械的に車輪に連結されていて、両
者が並列的に車輪を駆動し得るようになっている「ＰＨ
Ｖ方式」と呼ばれるものとの二種類があるが、ＳＨＶ方
式には内燃機関の動力を全て電力に変換した後に再び動
力に変換する際の変換ロスのために燃費が悪化するとい
う問題があり、ＰＨＶ方式には走行中に内燃機関の回転
数と出力トルクが変動するために排気エミッションが悪
化するという問題がある。
【０００３】そこでこれらの問題に対する解決策とし
て、例えば特開平７−１５８０５号公報に記載されてい
るように、内燃機関と電動モータ及び駆動軸を遊星歯車
機構、或いは差動歯車機構によって連結し、内燃機関に
よって車輪を駆動することによって変換ロスを減らすと
共に、内燃機関の回転数が一定となるように電動モータ
の方を制御することにより、排気エミッションの悪化を
防止しようとするシステムが提案されている。しかしな
がら、遊星歯車機構や差動歯車機構には伝達するトルク
を一定の割合で分割するという作用があるため、走行状
態に応じて車輪の駆動トルクが変動すると内燃機関が発
生すべき必要トルクも変化するので、排気エミッション
の悪化を防止するための手段としては十分ではない。
【０００４】また、それとは別のシステムとして、特開
平６−２３３４１１号公報に記載されているように、内
燃機関を車輪に連結してトルク一定の条件で運転する場
合には、内燃機関の一定のトルクは走行状態に応じて変
動する車輪の駆動トルクに対して過不足の状態になるの
で、その分を電動モータの制御によって調整しようとす
るシステムもあるが、この場合は内燃機関のトルクを一
定にすることができたとしても、車両の走行状態に応じ
て内燃機関の回転数を変化させることになるので、この
システムでは、やはり排気エミッションの悪化を十分に
防止することができない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術に
おける前述のような問題に対処して、内燃機関のような
熱機関を、トルク一定で且つ回転数も一定の最適運転条
件で運転することによって排気エミッションの悪化を防
止すると共に、車両の走行状態に応じて過不足となる車
輪を駆動するための動力を電動モータによって充足、調
整することができるような、改良されたハイブリッド車
両を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項
に記載されたハイブリッド車両を提供する。請求項１に
記載されたハイブリッド車両においては、駆動軸によっ
て伝達されるトルクを無段変速機からなるトルク分配器
を用いて熱機関の出力軸とモータの出力軸とに任意の比
率で配分すると共に、そのトルク配分の比率を自由に変
化させることができるので、熱機関が発生するトルクと
回転数の双方が、それぞれ任意の最適値となるように制
御すると共に、走行条件に応じて変化する必要な駆動ト
ルクと回転数を、モータの方を制御することによって充
足、調整することが可能になる。それによって、熱機関
を常に最適条件で運転することが可能になり、熱機関の
運転に伴う排気エミッションを十分に減少させることが
できる。
【０００７】より具体的に、請求項２に記載されたハイ
ブリッド車両においては、制御手段によってトルク分配
器を制御して、熱機関の出力軸のトルクが常に所定の一
定値となるように制御する。また、請求項３に記載され
たハイブリッド車両においては、モータの回転数を制御
する制御手段によってモータの出力軸の回転数を調整し
て、熱機関の出力軸の回転数が常に所定の一定値となる
ように制御する。これらの手段によって、熱機関を一定
のトルク及び一定の回転数において運転することが可能
になるので、熱機関にとって最適のトルク値と最適の回
転数からなる運転条件を実現することによって、排気エ
ミッションを十分に低減させることができる。
【０００８】請求項４に記載されたハイブリッド車両に
おいては、トルク分配器として具体的に遊星コーンを有
する可変速遊星ギヤユニットを用いる。この場合は、リ
ングを軸方向に摺動させて、遊星コーンのコーン部との
接触位置におけるコーン部の有効半径を変化させること
により、駆動軸に伝達されるトルクを熱機関の出力軸と
モータの出力軸とに配分する比率を無段階に円滑に変化
させることができるので、熱機関の出力軸を容易に一定
のトルク、一定の回転数による最適の運転条件となるよ
うに調整することが可能になる。それによって排気エミ
ッションを十分に低減することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図１に示す。
内燃機関１（例えばガソリン機関）の出力軸１１と電動
モータ２の出力軸２１は可変速遊星ギヤユニット３に接
続される。可変速遊星ギヤユニット３の出力軸である駆
動軸４は、ディファレンシャルギヤ５と一対の車輪の駆
動軸６を介して、左右の駆動輪６１に連結されている。
電動モータ２にはインバータ７とバッテリー８が電気的
に接続され、バッテリー８に蓄えられた電力によって電
動モータ２を駆動したり、或いは電動モータ２が発電機
となってバッテリー８を充電する。なお、９は電子式制
御装置（ＥＣＵ）、１０は内燃機関１の出力制御のため
のスロットルバルブを作動させるスロットルアクチュエ
ータである。
【００１０】可変速遊星ギヤユニット３の内部の構成を
図２に示す。可変速遊星ギヤユニット３は公知の遊星円
錐伝動型無段変速機を応用したもので、通常は回転しな
いように支持されている外側リング３２を回転可能とし
た点に構造的な特徴がある。外側リング３２に伝えられ
る駆動力は、それと一体の平歯車３２１と、ピニオン４
１、傘歯車４２，４３からなる歯車列を介して駆動軸４
へ伝達される。
【００１１】また、外側リング３２はリニアアクチュエ
ータ３６によって内燃機関１の出力軸１１と電動モータ
２の出力軸２１上を軸線方向に摺動することができる。
図中３６１は外側リング３２に摺動接触してそれを軸線
方向に移動させるためのスライダを示している。内燃機
関１の出力軸１１にはキャリヤ３３が取り付けられてお
り、キャリヤ３３には複数個の遊星コーン３４が回転自
在に支持されている。遊星コーン３４のコーン部３４１
は、外側リング３２に一体のものとして設けられたリン
グ状突出部３２２と摩擦接触している。。
【００１２】また、遊星コーン３４を構成するものとし
てコーン部３４１と同軸上で一体的に形成された傘歯車
部３４２は、内燃機関１の出力軸１１と同一軸線上に位
置する電動モータ２の出力軸２１に取り付けられた傘歯
車状のサンギヤ３５と噛み合っている。なお、可変速遊
星ギヤユニット３はハウジング３１の内部に構成されて
おり、内燃機関１と電動モータ２はハウジング３１に固
定されている。また、図には記載されていないが、内燃
機関１の出力軸１１、電動モータ２の出力軸２１、及び
駆動軸４又は車輪の駆動軸６にはそれぞれ、それらの軸
の回転数とトルクの大きさを検出する手段が設けられて
おり、それらの検出値が電子式制御装置（ＥＣＵ）９に
入力されており、電子式制御装置９はそれらの信号に基
づいてスロットルアクチュエータ１０や可変速遊星ギヤ
ユニット３のリニアアクチュエータ３６、或いはインバ
ータ７等を制御するようになっている。
【００１３】次に、この実施形態の作動を図２によって
説明する。内燃機関１の出力軸１１と電動モータ２の出
力軸２１が同時に回転すると、これら二つの軸１１，１
２の回転数の差によって遊星コーン３４が回転し、その
回転が、コーン部３４１と外側リング３２に設けられた
リング状突出部３２２との摩擦係合によって外側リング
３２の回転に変換され、外側リング３２の平歯車３２１
と噛み合っているピニオン４１から取り出される。
【００１４】外側リング３２の回転数は、仮に内燃機関
１の出力軸１１と電動モータ２の出力軸２１の回転数が
それぞれ変化しないときでも、リニアアクチュエータ３
６によって外側リング３２を軸方向に摺動させて遊星コ
ーン３４のコーン部３４１とリング状突出部３２２との
接触位置を変更することによって、無段階に変化させる
ことができる。また、遊星コーンを使用する周知の無段
変速機の作用から明らかなように、可変速遊星ギヤユニ
ット３は出力軸１１と出力軸２１との回転比を無段階に
変更することができる。従って、仮に出力軸１１の回転
数を一定に維持したとしても、出力軸２１の回転数を無
段階に変化させることによって、外側リング３２の回転
数を自由に変化させることができる。この関係は、伝達
されるトルクの大きさについても同様なことが言える。
そこでこの機構を用いて、車両の走行に従って変動する
駆動軸４のトルクＴd と回転数Ｎd に応じて、可変速遊
星ギヤユニット３におけるリニアアクチュエータ３６の
制御位置と、電動モータ２の発生トルクＴm と回転数Ｎ
m 、及び内燃機関１の発生トルクＴe と回転数Ｎeを、
それぞれどのように制御するかということを以下詳細に
説明する。
【００１５】ハイブリッド車両の燃費を向上させると共
に排気エミッションを減少させるためには、内燃機関１
の発生トルクＴe と回転数Ｎe を常にそれぞれの最適条
件である一定値に保つのがよい。ところが、内燃機関に
よって駆動される車両の通常の運転状態においては、走
行条件に応じて駆動トルクＴd と回転数Ｎd は絶えず大
幅に変動している。そこで、駆動軸４によって伝達され
ている駆動トルクＴdとその回転数Ｎd の変化とは無関
係に、内燃機関１が発生するトルクＴe と回転数Ｎe の
値が実質的に一定に維持されるように、電子式制御装置
（ＥＣＵ）９はリニアアクチュエータ３６によって外側
リング３２の位置を制御すると共に、電動モータ２の発
生トルクＴe 及び回転数Ｎe を、バッテリー８からの供
給電力をインバータ７によって調整することによって制
御する。
【００１６】図３に示すように、外側リング３２に設け
られたリング状突出部３２２の内径（半径）をＲ、コー
ン部３４１のリング状突出部３２２との接触点における
半径をｒとすると、内燃機関の発生トルクＴE と回転数
ＮE は、遊星歯車の関係式からそれぞれ次のように表す
ことができる。 ＴE ＝Ａ・Ｔd ｛１＋（Ｒ−２ｒ）／Ｒ｝…（１） 或いは、これを書き変えて ＴE ／Ｔd ＝Ａ｛１＋（Ｒ−２ｒ）／Ｒ｝…（１’） また、 ＮE ＝Ｂ｛Ｎm （Ｒ−２ｒ）＋Ｒ・Ｎd ｝／２（Ｒ−ｒ）…（２） 但し、Ａ，Ｂは歯車の減速比やコーン部の径等によって
決まる定数である。
【００１７】図示実施形態においては、走行状態に応じ
て変動しながら駆動軸に伝達される駆動軸トルクを、可
変速遊星ギヤユニット３を「分配器」として、内燃機関
の出力軸と電動モータの出力軸へ分配比率を絶えず変化
させながら分配することになるが、式（１）は内燃機関
のトルクＴE と電動モータのトルクＴe との関係、即
ち、走行状態に応じて変動する駆動軸トルクを両者にど
のような比率によって分配するかを決定するためのもの
であり、式（２）は内燃機関回転数ＮE に対する電動モ
ータ回転数Ｎm と駆動軸回転数Ｎd の関係を示すことか
ら、電動モータ回転数Ｎm を算出するために使用される
ものである。
【００１８】走行状態に応じて駆動軸トルクＴd の大き
さが大幅に変化するので、電子式制御装置（ＥＣＵ）９
は、内燃機関の発生トルクＴE が予め定められた一定の
値となるように、（１）の式によって可変速遊星ギヤユ
ニット３における遊星コーン３４のコーン部３４１の有
効半径ｒの値を決定し、ｒがその値となるようにリニア
アクチュエータ３６を制御する。
【００１９】次に、（２）の式を用いて、内燃機関回転
数ＮE が予め定められた一定の値となるように電動モー
タ回転数Ｎm を決定する。なお、電動モータ２の発生ト
ルクＴm は駆動軸トルクＴd と内燃機関１の発生トルク
ＴE との差となるため、トルクＴE がトルクＴm よりも
大きくなればトルクＴm は負の値となり、電動モータ２
は発電機として作動してバッテリー８を充電することに
なる。
【００２０】以上のように、電子式制御装置９の作動に
よって可変速遊星ギヤユニット３のリニアアクチュエー
タ３６の作動位置、即ち外側リング３２のリング状突出
部３２２の軸方向位置を変化させて、内燃機関１の出力
軸１１と電動モータ２の出力軸２１との回転比を変更す
ると共に、電動モータ２の回転数Ｎm をインバータ７の
ような手段によって変化させることにより、内燃機関１
の発生トルクと回転数を常にそれぞれ最適条件の一定の
値に保ったままで車両を自由に運転することが可能にな
るので、排気エミッションを十分に減少させることがで
きる。
【００２１】次に本発明の他の実施形態について説明す
る。前述の実施形態では、内燃機関１が、例えばガソリ
ン機関のようにスロットルアクチュエータ１０を備えて
いるものとしたが、本発明における内燃機関はスロット
ルアクチュエータ１０を備えている必要はないので、内
燃機関は例えばディーゼルエンジンであってもよい。図
１における内燃機関１がディーゼルエンジンであれば、
図中の１０は燃料噴射ポンプに対応することになる。ま
た、内燃機関１として特殊な形式のガソリン機関、例え
ばリーンバーンエンジンやアトキンソンサイクルエンジ
ン、或いは減筒エンジン等を用いたり、場合によっては
スターリングサイクルエンジンや、蒸気機関等を用いる
ことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す全体構成図である。
【図２】実施形態の要部を示す部分的縦断面図である。
【図３】図２の更に要部のみを取り出して示す概念図で
ある。
【符号の説明】
１…内燃機関 ２…電動モータ ３…可変速遊星ギヤユニット ４…駆動軸 ５…ディファレンシャルギヤ ６…車輪の駆動軸 ７…インバータ ８…バッテリー ９…電子式制御装置（ＥＣＵ） １０…スロットルアクチュエータ、或いは燃料噴射ポン
プ １１…内燃機関の出力軸 ２１…電動モータの出力軸 ３２…外側リング ３３…キャリヤ ３４…遊星コーン ３６…リニアアクチュエータ ３２２…リング状突出部 ３４１…コーン部 ３４２…傘歯車部 ３６１…スライダ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｂ６０Ｋ 6/04 ４００ Ｂ６０Ｋ 6/04 ４００ ５３０ ５３０ ７３１ ７３１ 17/04 17/04 Ｇ Ｆ１６Ｈ 3/72 Ｆ１６Ｈ 3/72 Ａ 61/02 61/02 (72)発明者 麻 弘知 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式 会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 稲垣 光夫 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式 会社日本自動車部品総合研究所内 (56)参考文献 特開 平３−273933（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−12185（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−135701（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−336810（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−117010（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−175203（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−193675（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−224303（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−222064（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−218430（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−8639（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−71601（ＪＰ，Ａ) 実開 昭51−81879（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭45−30246（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭45−21410（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭44−4063（ＪＰ，Ｂ１) 実公 昭46−24731（ＪＰ，Ｙ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B60K 6/02 - 6/06 F16H 3/00 - 3/78 B60K 17/04 B60L 11/02 - 11/14

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱エネルギによって駆動力を発生する熱
    機関と、内部に巻かれたコイルに電流を流すことによっ
    てロータを回転させることができるだけでなく、外部ト
    ルクにより前記ロータを回転させることによって発電を
    することもできるモータと、車両を走行させるために必
    要なトルクを車輪に伝達する駆動軸とを備えていると共
    に、前記駆動軸によって伝達されるトルクを前記熱機関
    の出力軸と前記モータの出力軸とに配分すると共に、そ
    のトルク配分の比率を変化させ得るトルク分配器として
    無段変速機を用いて、それを、前記駆動軸、前記熱機関
    の出力軸及び前記モータの出力軸の間に設けたことを特
    徴とするハイブリッド車両。
  2. 【請求項２】 前記トルク分配器において前記熱機関の
    出力軸及び前記モータの出力軸の間のトルク配分の比率
    を変化させることにより、前記熱機関の出力軸のトルク
    が常に所定の一定値となるように制御する制御手段を備
    えていることを特徴とする請求項１に記載されたハイブ
    リッド車両。
  3. 【請求項３】 前記熱機関の出力軸の回転数が常に所定
    の一定値となるように前記モータの出力軸の回転数を制
    御する制御手段を備えていることを特徴とする請求項２
    に記載されたハイブリッド車両。
  4. 【請求項４】 前記トルク分配器を、サンギヤと、前記
    サンギヤと噛み合う遊星歯車部と一体的に形成されたコ
    ーン部からなる遊星コーンと、前記サンギヤと同一の軸
    線上に配置されて前記遊星コーンを回転自在に支持する
    キャリヤと、前記遊星コーンの前記コーン部と接触する
    と共に前記サンギヤ及び前記キャリヤと同一の軸線上に
    おいて回転自在に支持され、且つ前記軸線方向に摺動自
    在であって、前記遊星コーンの前記コーン部との接触位
    置を可変とされたリングとよりなる可変速遊星ギヤユニ
    ットによって構成し、前記リングを前記駆動軸に接続す
    ると共に、前記サンギヤと前記キャリヤをそれぞれ前記
    モータの出力軸と前記熱機関の出力軸に接続し、前記リ
    ングの摺動位置を変化させることによって、前記駆動軸
    に伝達されるトルクを前記熱機関の出力軸と前記モータ
    の出力軸とに配分する比率を変化させ得るようにしたこ
    とを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載され
    たハイブリッド車両。
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