JP4144586B2 - トランスアクスル方式のハイブリッド車両 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンを車両前側、その変速機を車両後側に配置したトランスアクスル方式のハイブリッド車両に関する。

車両のパワートレインの方式として、エンジンを車両前側に配置し、変速機を車両後側に配置するトランスアクスル方式が知られている。この方式では、後軸荷重が増すので、駆動輪である後輪のスリップ限界が上昇し、路面に伝達可能な駆動力が増大するという利点がある。

ところで、動力性能を重視した車両では、エンジン等の駆動力源からの駆動力が大きくなるため、駆動力伝達に有利なトランスアクスル方式であっても、２輪駆動では駆動輪がスリップしやすくなる。このため、車両の性能を最大限に引き出すためには、４輪全てに駆動力を配分することが望ましい。

しかしながら、トランスアクスル方式では変速機が車両後側に配置されているので、変速機から前輪に駆動力を伝達するためには車両後側から車両前側へと延びる長いプロペラシャフトが必要となり、車両重量の増加、製造コストの増加、レイアウト性の悪化の原因となる。

この点に関し、特許文献１では、トルクコンバータの出力端から前輪に駆動力を伝達させるローギヤを設け、発進加速時のみ４輪駆動を実現する方式を提案している。
特開平６−１０７００５号公報

上記特許文献１に開示されている方式によれば、発進加速時はエンジンから前輪及び後輪に駆動力を伝達し、４輪駆動を実現することができるので、路面に伝達する駆動力が大きくなる発進加速時において駆動輪のスリップを効果的に抑えることが可能である。

しかしながら、この方式では、４輪駆動を実現可能なのは発進加速時のみであり、車両の走行安定性を向上させるために４輪駆動が要求される中高速走行時、低μ路走行時において４輪駆動を実現することができないという問題があった。

本発明は、このような技術的課題を鑑みてなされたもので、トランスアクスル方式のハイブリッド車両において、エンジンの駆動力を前輪に配分するための機構を小型化するとともに、発進加速時以外においても４輪駆動を実現し、車両の走行安定性を向上させることを目的とする。

本発明の第１の態様は、車両前側に配置されるエンジン及び前輪と、前記エンジンに接続されるエンジン出力軸と、車両後側に配置され、前記エンジン出力軸が接続されるエンジン変速機と、車両後側に配置され、前記エンジン出力軸と前記エンジン変速機を介して前記エンジンの駆動力が伝達される後輪と、第１のモータジェネレータと、少なくとも第１から第３の３軸を有する差動機構と、前記後輪に駆動力を伝達する第２のモータジェネレータと、前記第１及び第２のモータジェネレータに接続されるバッテリと、を備え、前記第１のモータジェネレータを力行させると前記前輪に配分される前記エンジンの駆動力が増大するように前記前記第１から第３の軸に前記第１のモータジェネレータ、前記エンジン出力軸、前記前輪をそれぞれ接続し、車両前進時、前記第１のモータジェネレータのトルクを制御することによって前記エンジンの駆動力の前記前輪、前記後輪への配分を変更し、前記バッテリから前記第１のモータジェネレータに電力を供給して前記エンジンの駆動力を前記前輪に配分する一方で前記バッテリから前記第２のモータジェネレータに電力を供給して前記第２のモータジェネレータで前記後輪を駆動する場合、前記バッテリからの電力を前記第２のモータジェネレータよりも前記第１のモータジェネレータに優先的に供給し、残った電力を前記前記第２のモータジェネレータに供給することを特徴とするハイブリッド車両である。
本発明の第２の態様は、車両前側に配置されるエンジン及び前輪と、前記エンジンに接続されるエンジン出力軸と、車両後側に配置され、前記エンジン出力軸が接続されるエンジン変速機と、車両後側に配置され、前記エンジン出力軸と前記エンジン変速機を介して前記エンジンの駆動力が伝達される後輪と、第１のモータジェネレータと、少なくとも第１から第４の４軸を有する差動機構と、を備え、前記第１から第３の軸に前記第１のモータジェネレータ、前記エンジン出力軸、前記前輪をそれぞれ接続し、車両前進時、前記第１のモータジェネレータのトルクを制御することによって前記エンジンの駆動力の前記前輪、前記後輪への配分を変更し、前記前輪の接続する軸を前記第３の軸から前記第４の軸に切り換える切換機構を備えたことを特徴とするハイブリッド車両である。

本発明の第１の態様によれば、第１のモータジェネレータを力行させると前輪に配分されるエンジンの駆動力が増大するように第１から第３の軸にモータジェネレータ、エンジン出力軸、前輪をそれぞれ接続したので、４輪駆動時にはモータジェネレータの駆動力が前輪、後輪に伝達される駆動力に上乗せされ、車両の有するパワー源を有効に活用することができる。
また、第１のモータジェネレータに加え、後輪に駆動力を伝達することができる第２のモータジェネレータを備えたことにより、第２のモータジェネレータの発電電力を第１のモータジェネレータに供給すれば、バッテリの電力を用いなくても第２のモータジェネレータを力行させてエンジンの駆動力を前輪に配分することができ、４輪駆動状態を実現することができる。
また、バッテリから第１のモータジェネレータに電力を供給してエンジンの駆動力を前輪に配分する一方で、バッテリから第２のモータジェネレータに電力を供給して第２のモータジェネレータで後輪を駆動する場合においては、バッテリからの電力を第２のモータジェネレータよりも第１のモータジェネレータ１７に優先的に供給し、残った電力をモータジェネレータに供給するようにした。これにより、第１のモータジェネレータへの供給電力が不足して４輪駆動状態が維持できなくなる事態を回避することができ、４輪駆動による安定な走行状態を維持したまま、駆動力配分が可能になる。
本発明の第２の態様によれば、差動機構を少なくとも第１から第４の４軸を有する差動機構とし、前輪の接続する軸を第３の軸から第４の軸に切り換える切換機構を備えたことにより、前輪変速段をローギヤ状態とハイギヤ状態とで切り替えることが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

第１の実施形態
図１は本発明の第１の実施形態に係るハイブリッド車両の概略構成を示している。

本発明に係るハイブリッド車両では、差動機構とモータジェネレータからなる動力伝達機構を用いて、前輪にエンジン駆動力を配分するハイブリッドシステムを構成することより、エンジンの駆動力を前輪に配分するための機構を小型化し、トランスアクスル本来の重量バランスの良さと、ハイブリッド機能とを両立させる。

エンジン１１はガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関で、車両前側に配置される。モータジェネレータ１７は三相交流式等の電動機であり、発電状態、力行状態を切り換えることができる。モータジェネレータ１７にはインバータ１９を介してバッテリ１９が接続され、バッテリ１９はモータジェネレータ１７への電力供給、充電受入などを行う。

車両後側に配置されるエンジン変速機１２は複数の変速段を有する有段変速機である。エンジン変速機１２は、エンジン出力軸３１を介して伝えられるエンジン１１の回転を変速し、後輪デファレンシャル１３を介して後輪１４へと伝達する。

遊星歯車２０は、リングギヤ２１、リングギヤ２１に噛み合う複数のピニオン２４、複数のピニオン２４に噛み合うサンギヤ２３、複数のピニオン２４をそれぞれ回転自在に支持するキャリア２２で構成される。遊星歯車２０は３軸の差動機構を構成し、第１の軸であるサンギヤ２３にはモータジェネレータ１７が接続され、第２の軸であるリングギヤ２１にはエンジン出力軸３１が接続され、第３の軸であるキャリア２２には前輪駆動軸３２、前輪デファレンシャル１５を介して前輪１６が接続される。

コントローラ５０はハイブリッドシステム全体を制御する統合コントローラである。コントローラ５０には、車輪速センサ５１、５２で検出される前輪１６、後輪１４の回転速度、アクセル操作量センサ５３で検出されるアクセルペダルの操作量等が運転状態を示す信号として入力される。コントローラ５０はこれら入力される信号に基づき、エンジン１１のトルク、モータジェネレータ１７のトルク及び回転速度、エンジン変速機１２の変速段等を制御し、必要に応じてエンジン１１の駆動力を前輪１６にも配分して４輪駆動を実現する。

ここで、遊星歯車２０のサンギヤ２３の歯数をＺｓ、リングギヤ２１の歯数をＺｒとし、サンギヤ２３とリングギヤ２１の歯数比を、

と定義すると、遊星歯車２０の３つの軸の回転速度とトルクの関係は以下のようになる。

添え字rはリングギヤ２１、cはキャリア２２、ｓはサンギヤ２３をそれぞれ表している。

さらに、駆動力の関係は、式（２）、（３）より、

となり、サンギヤ２３の駆動力とリングギヤ２１の駆動力が加算されてキャリア２２の駆動力となる。

図1においては、サンギヤ２３がモータジェネレータ１７に接続し、リングギヤ２１がエンジン１１の出力軸であるエンジン出力軸３１に接続している。したがって、モータジェネレータ１７とエンジン出力軸３１の回転方向が同一のとき、モータジェネレータ１７とエンジン１１の駆動力は合成されてキャリア２２から前輪１６へと伝達され、後輪駆動から４輪駆動に切り換えられる。

式（３）より、サンギヤ２３に流入するモータジェネレータ１７のトルクに比例してリングギヤ２１に流入するエンジン１１のトルクが決まるので、駆動力の前後配分はエンジン１１のトルクとモータジェネレータ１７のトルクを調整することで変更することができる。さらに、モータジェネレータ１７を発電ではなく、力行させることによって配分を変更するので、モータジェネレータ１７のトルクは前後輪に配分されるエンジン１１のトルクに上乗せされることになる。

図２は、２輪駆動で走行している状態からアクセルペダルが踏み込まれ、４輪駆動で加速する状態に切り換えるときのコントローラ５０の制御内容を示したものである。

これによると、まず、ステップＳ１１では、アクセル操作量（運転者の加速要求）に応じたトルク指令値に従いエンジン１１のトルクを増加させる。

ステップＳ１２では４輪駆動が必要か否かを判定する。４輪駆動が必要か否かは駆動力要求値、車速、舵角、ヨーレート、前後車輪速度差、外気温、および、ナビゲーションシステムからの情報などを考慮して判定する。４輪駆動が必要な場合はステップＳ１３へ移行し、不要な場合は処理を終了する。

ステップＳ１３ではモータジェネレータ１７のトルクを上昇させる。第１のモータジェネレータ１７のトルクを増大させれば前輪１６に配分されるエンジン１１の駆動力を増やして４輪駆動状態とし、かつ、前輪１６にエンジン１１とモータジェネレータ１７のトルクを伝達することができる。

したがって、本発明に係るハイブリッド車両では、トランスアクスル方式の車両に第１から第３の３軸を有する差動機構としての遊星歯車２０を組み合わせ、遊星歯車２０の第１から第３の軸にモータジェネレータ１７、エンジン出力軸３１、前輪１６をそれぞれ接続し、車両前進時、モータジェネレータ１７のトルクを制御することでエンジン１１の駆動力の前輪１６、後輪１４への配分が変更されるようにしたことにより、トランスアクスル車両でありながら、複数のプロペラシャフトを用いなくても全速度領域において前輪１６にエンジン１１の駆動力とモータジェネレータ１７の駆動力を伝達し、４輪駆動を実現できる。さらに、前輪１６への動力伝達機構がモータジェネレータ１７と差動機構からなるシンプルな構成であるので、前輪１６への動力伝達機構を小型化し、トランスアクスル方式の利点である最適な重量配分を損なうことがない。

また、モータジェネレータ１７を力行させると前輪１６に配分されるエンジン１１の駆動力が増大するように第１から第３の軸にモータジェネレータ１７、エンジン出力軸３１、前輪１６をそれぞれ接続したので、４輪駆動時にはモータジェネレータ１７の駆動力が前輪１６、後輪１４に伝達される駆動力に上乗せされ、車両の有するパワー源を有効に活用することができる。

第２の実施形態
図３は本発明の第２の実施形態を示す。第１の実施形態と同じ構成には同じ参照符号を付して説明を省略し、以下の説明では第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

図１の構成に対し、この第２の実施形態では、エンジン変速機１２と接続する第２のモータジェネレータ６１が追加されている。第２のモータジェネレータ６１は後輪１３に駆動力を伝達することができ、また、エンジン出力軸３１を介して伝達されるエンジン１１の駆動力を発電によって吸収することも可能である。第２のモータジェネレータ６１は第２のインバータ６２を介して第１のモータジェネレータ１７と同じバッテリ１９に接続される。

さらに、遊星歯車２０のキャリア２２の出力端には前輪変速段４０が追加されている。前輪変速段４０はローギヤ４１およびハイギヤ４２を有している。ローギヤ４１からハイギヤ４２への切換えは、第１のモータジェネレータ１７の回転速度が所定回転まで上昇したタイミングで行われる。ここでは、前輪変速段切換時の前輪のトルク変動を少なくするために、ローギヤ４１とハイギヤ４２を多板クラッチである第１のクラッチ４６、第２のクラッチ４７によりキャリア２２と接続しているが、電磁クラッチ、ドグクラッチ等の他のクラッチで代用しても構わない。

図４は車速と第１のモータジェネレータ１７の回転速度の関係を示したもので、実線は前輪変速段４０を有さない第１の実施形態のもの、破線は前輪変速段４０を備えた第２の実施形態のものである。車速ゼロでの両者における前輪配分駆動力は等しく設定されている。

これに示されるように、前輪変速段４０を有さない第１の実施形態の構成では、車速の増大に伴い第１のモータジェネレータ１７の回転速度も増大する。このため、第１の実施形態では第１のモータジェネレータ１７を高速回転に対応できるものにする必要がある。これに対し、前輪変速段４０を有する第２の実施形態の構成では、ローギヤ４１とハイギヤ４２を切換えることで、使用されるモータジェネレータ１７の回転範囲を狭めることができる。

この結果、前輪変速段４０を追加した第２の実施形態の構成では、第１のモータジェネレータ１７に要求される性能を第１の実施形態の構成よりも下げることができ、低コストのシステムとすることが可能である。

また、図５はエンジン変速機１２及び前輪変速段４０の変速タイミングと第１のモータジェネレータ１７の回転速度の関係を示している。

エンジン変速機１２と非同期で前輪変速段４０のローギヤ４１とハイギヤ４２を切換える場合について説明すると、図中一点鎖線で示すように、前輪変速段４０の切換タイミングが遅い場合、すなわち、エンジン変速機１２の変速ポイントよりも高車速で切換えを行うと、エンジン変速機１２の変速ポイントからハイギヤ４２へ変速するまでの間、第１のモータジェネレータ１７の回転速度は上昇し、過回転となる。

逆に、図中点線で示すように、切換タイミングが早い場合、すなわち、エンジン変速機１２の変速ポイントよりも低車速で切換えを行うと、第１のモータジェネレータ１７の回転方向を変えずに４輪駆動状態とするときに、第１のモータジェネレータ１７は発電状態となり、駆動力を加算することができない。この状態で、４輪駆動での加速指令が発せられた場合には、第１のモータジェネレータ１７の発電電力を第２のモータジェネレータ６１で消費する必要があるため、バッテリ１９のパワーを最大限に使えずに、加速性能が低下する。

そこで本発明に係るハイブリッド車両では、図中実線で示すように、エンジン変速機１２と同期して前輪変速段４０をローギヤからハイギヤに切換えるようにする。このタイミングで切り換えるようにすれば上記過回転等の問題が生じることがなく、安定した走行性能が得られる。

図６は、図３の構成のシステムにおいて、４輪駆動状態で前輪変速段４０の変速段を切り換える場合のコントローラ５０の制御内容を示したフローチャートであり、コントローラ５０において前輪変速段４０の変速指令が発せられるときに実行される。

ここで、前輪変速段４０をローギヤ４１からハイギヤ４２に切り換えるには、第１のクラッチ４６と第２のクラッチ４７を掛け換える必要がある。しかし、車両の走行状態によっては第２のクラッチ４７の入力側と出力側の回転速度差が大きく、クラッチの掛け換えだけでは変速が長期化、もしくは、ショックが発生する可能性がある。そこで、クラッチを掛け換える際には、第１のモータジェネレータ１７を利用して両者の回転速度を合わせるようにする。

まず、ステップＳ２１では、前輪変速段４０に変速指令が出されたことに合わせて、エンジン変速機１２にも変速指令が発せられる。これは上記の通り、エンジン変速機１２と同期して前輪変速段４０のローギヤとハイギヤを切換え、第１のモータジェネレータ１７の過回転等の問題を生じないようにするためである。

ステップＳ２２では第１のモータジェネレータ１７の電流値より第１のモータジェネレータ１７のトルクを推定し、これに基づき前輪駆動トルクを推定する。第１のモータジェネレータ１７の電流値はコントローラ５０からインバータ１８に出される指令値から求めることができる。式（３）で表されるように、前輪駆動トルクは第１のモータジェネレータ１７のトルクと比例関係にあるため、第１のモータジェネレータ１７のトルクから、前輪駆動トルクを推定できる。

ステップＳ２３では第１のクラッチ４６の締結力を低下させる。第１のクラッチ４６の締結力を低下させると、遊星歯車２０の回転速度拘束状態が解放され、第１のモータジェネレータ１７により各要素の回転状態を変更し易くなる。

ステップＳ２４では第１のクラッチ４６の締結力低下させるとともに第２のクラッチ４７の締結力を上昇させ、第１のクラッチ４６、第２のクラッチ４７の掛け換えを開始する。前輪１６への駆動トルク伝達経路は第１のクラッチ４６および第２のクラッチ４７であるので、これらクラッチ４６、４７の締結力の和が前輪伝達力となる。そこで、クラッチ４６、４７の締結力の和がステップＳ２２で推定した前輪駆動トルク相当の力となるように両クラッチの締結力を制御する。

ステップＳ２５では第１のモータジェネレータ１７を速度制御してキャリア２２の回転速度、すなわち、第２のクラッチ４７の入力側回転速度を制御し、これによってクラッチ４７の入力側と出力側の回転速度を近づける。具体的には、前輪１６の回転速度とハイギヤ４２の減速比から第２のクラッチ４７の現在の出力側回転速度を演算する。そしてキャリア２２の回転速度がこの第２のクラッチ４７の出力側回転速度となるように第１のモータジェネレータ１７の目標回転速度を設定し、設定された目標回転速度となるように第１のモータジェネレータ１７を回転速度制御する。

ステップＳ２６では、アクセル操作量、すなわち運転者からの加速要求に基づきエンジン１１および第２のモータジェネレータ６１のトルクを制御する。

ステップＳ２７では第１のモータジェネレータ１７の実回転速度と目標回転速度とを比較し、両者の回転速度差が以下であればステップＳ２８に移行する。しきい値はクラッチ４７を瞬時に締結してもイナーシャの変化に起因する駆動力変化が０．０５Ｇよりも大きな加速度を生じない回転速度差に設定される。これは、クラッチ締結時のショックによって運転者に違和感を与えないような範囲に対応する。

ステップＳ２８では第１のクラッチ４６を完全に解放するとともに第２のクラッチ４７を完全に締結し、クラッチの掛け換えを完了する。

ステップＳ２９では第１のモータジェネレータ１７を速度制御からトルク制御へ切換える。このときの目標値は必要とされる駆動力の前後配分、要求される駆動力に応じて設定される。

以上の切換制御によれば、前輪変速段４０の変速段の変更は前輪駆動力の変動を抑えつつ、クラッチ掛け換え時の駆動力変動を抑えながら行われ、変速ショックを生じることなく前輪変速段４０の変速段を変更することができる。

また、図７は走行状況に応じて２輪駆動から４輪駆動となるときのコントローラ５０の制御の内容を示したフローチャートである。このフローは、運転者がアクセルペダルを踏込み、加速要求が出されたときに実行される。

ステップＳ３１では、アクセル操作量（運転者の加速要求）に応じたトルク指令値に従い、エンジン１１のトルクを増加させる。

ステップＳ３２では４輪駆動が必要か否かを判定する。４輪駆動が必要かどうかは、駆動力要求値、車速、舵角、ヨーレート、前後車輪速度差、外気温、および、ナビゲーションシステムからの情報等を考慮して判定する。４輪駆動が必要な場合はステップＳ３３へ移行し、不要な場合は処理を終了する。

ステップＳ３３では第１のモータジェネレータ１７のトルクを上昇させる。第１のモータジェネレータ１７のトルクを増大させれば前輪１６に配分されるエンジン１１の駆動力を増やして４輪駆動状態とし、かつ、前輪１６にエンジン１１と第１のモータジェネレータ１７のトルクを伝達することができる。

ステップＳ３４ではアクセル操作量に応じた要求駆動力が第１のモータジェネレータ１７のアシストでは駆動力が不足するかを判定する。十分な場合はステップＳ３６に移行し、不足する場合はステップＳ３５へ移行する。

ステップＳ３５では、バッテリ１９から第２のモータジェネレータ６１に電力を供給し、第２のモータジェネレータ６１を力行させる。第２のモータジェネレータ６１を力行させて駆動力アシストを行うことで４輪駆動状態を維持したまま運転者の要求駆動力を満たすことができる。このとき、４輪駆動状態を維持するには第１のモータジェネレータ１７が力行状態にあることが必要であることから、バッテリ１９からの電力供給は第１のモータジェネレータ１７への電力供給を優先し、第２のモータジェネレータ６１には残った電力を供給するようにする。

ステップＳ３６では後輪１４がスリップ状態にあるかどうかを判定する。スリップ状態にあるかどうかは後輪１４の回転速度からスリップ率を求めることで判定することができる。後輪１４がスリップ状態（スリップ率が所定値以上）のときは、ステップＳ３７に進み、第１のモータジェネレータ１７とモータジェネレータ６１の電力配分を前輪１６に配分されるエンジン１１の駆動力が多くなるように再配分し、ステップＳ３５に戻ってモータジェネレータ６１による駆動力アシスト量を減らす。

したがって、上記加速制御によれば、４輪駆動が要求される場合にはエンジン１１の駆動力を前輪１６に配分して４輪駆動を実現することができ、また、エンジン１１及び第１のモータジェネレータ１７の駆動力だけでは要求駆動力を実現できないときは、第２のモータジェネレータ６１の駆動力で後輪１４を駆動力アシストすることができる。

さらに、後輪１４がスリップしたときは、第２のモータジェネレータ６１による駆動力アシスト量を減らし、かつ、前輪１６に配分されるエンジン１１の駆動力を多くするようにしたので、スリップを速やかに収束させることもできる。

また、図８は４輪駆動状態での巡航時のコントローラ５０の制御内容を示したフローチャートである。このフローは、運転者から４輪駆動での巡航要求が発令されたときに実行される。

４輪駆動状態での巡航は継続的に行われることから、バッテリ１９から電力が供給される状態が長時間継続するとバッテリ１９の充電状態がゼロになってしまう。そこで、モータジェネレータ１７、１８のトルク制御により、モータジェネレータ１７、１８の電力バランスを制御し、バッテリ１９からの電力供給が最小となるようにする。ここでは、要求駆動力が一定の状態で、４輪駆動要求が発せられた場合について述べる。

まず、ステップＳ４１ではエンジン１１のトルクを徐々に低下させる。これは、本発明のハイブリッド車両の駆動装置では第１のモータジェネレータ１７がアシスト状態となって４輪駆動状態を実現するため、４輪駆動状態ではエンジン１１の駆動力に第１のモータジェネレータ１７の駆動力が加算され、実際の駆動力が要求駆動力が大きくなってしまうためである。そこで、第１のモータジェネレータ１７に比べ応答性能遅いエンジン１１のトルクをまず低下させる。

ステップＳ４２では、第１のモータジェネレータ１７のトルクを上昇させ、４輪駆動状態とする。このときの実駆動力は要求駆動力に等しくなる。

ステップＳ４３では、第１のモータジェネレータ１７のトルク上昇に伴い、第１のモータジェネレータ１７で消費する電力を第２のモータジェネレータ６１で発電させる。

ステップＳ４４では、第２のモータジェネレータ６１の発電トルクの上昇に応じてエンジン１１の駆動力を増大させる。

ステップＳ４５は、バッテリ１９からの供給電力がしきい値以下であるかを判定する。バッテリ１９からの電力供給が続くとバッテリ１９の充電量が減少するため、巡航状態ではバッテリ１９からモータジェネレータ１７に供給する電力がほぼゼロとなるように制御する。

供給電力がしきい値を超えている場合はステップＳ４３に戻り、バッテリ１９から第１のモータジェネレータ１７へ駆動電流が流れないように、第２のモータジェネレータ６１の発電トルクを制御する。第２のモータジェネレータ６１の発電トルクを上昇させて、その発電電力を第１のモータジェネレータ１７に供給すれば、バッテリ１９からの駆動電流を少なくできる。同時に、第２のモータジェネレータ６１の発電トルクの上昇とともにエンジン１１のトルクを上げることで、車両駆動力の変化を抑える。このとき、エンジン１１のトルク応答性に応じた発電トルク応答とすることで、運転者に違和感を与えずに、制御を行うことができる。バッテリ１９には様々な電気負荷がつながっているため、巡航状態では第２のモータジェネレータ６１による微小な充電状態が望ましい。

したがって、この制御によれば、４輪巡航状態においてバッテリ１９からの供給電力をしきい値以下に下げることができ、４輪巡航状態を継続してもバッテリ１９の充電状態が低下してゼロになるのを防止できる。

この第２の実施形態では第１の実施形態の作用効果に加え、以下のような作用効果がある。

第１のモータジェネレータ１７に加え、後輪１４に駆動力を伝達することができる第２のモータジェネレータ６１を備えたことにより、第２のモータジェネレータ６１の発電電力を第１のモータジェネレータ１７に供給すれば、バッテリ１９の電力を用いなくても第２のモータジェネレータ１７を力行させてエンジン１１の駆動力を前輪１６に配分することができ、４輪駆動状態を実現することができる。図３に示した構成では、エンジン変速機１２と後輪デファレンシャル１３の間に第２のモータジェネレータ６１を接続しているが、後輪１４に駆動力を伝達できればこれ以外の接続態様、例えば、エンジン１あるいはエンジン出力軸３１に第２のモータジェネレータ６１を接続する構成であっても良く、後輪１４に直結する構成であっても構わない。

また、バッテリ１９から第１のモータジェネレータ１７に電力を供給してエンジン１１の駆動力を前輪１６に配分する一方で、バッテリ１９から第２のモータジェネレータ６１に電力を供給して第２のモータジェネレータ６１で後輪１４を駆動する場合においては、バッテリ１９からの電力をモータジェネレータ６１よりもモータジェネレータ１７に優先的に供給し、残った電力をモータジェネレータ６１に供給するようにした。これにより、第１のモータジェネレータ１７への供給電力が不足して４輪駆動状態が維持できなくなる事態を回避することができ、４輪駆動による安定な走行状態を維持したまま、駆動力配分が可能になる。

また、遊星歯車２０の第３の軸であるキャリア２２と前輪１６の間に少なくとも２つの変速段を有する前輪変速段４０を備えたことにより、第１のモータジェネレータ１７の使用される回転領域を狭めて要求される性能を下げることができ、第１のモータジェネレータ１７を小型化、低コスト化できる。

また、エンジン変速機１２の変速タイミングと前輪変速段４０の変速タイミングを同期させたことにより、第１のモータジェネレータ１７の過回転等を防止し、運転者に違和感を与えることなく第１のモータジェネレータ１７の運転点の変更が可能になる。

また、遊星歯車２０の第３の軸（キャリア２２）と前輪変速段４０の２つの変速段（ローギヤ４１、ハイギヤ４２）の間にはそれぞれクラッチ４６、４７が設けられており、２つの変速段を切り換えるときは第１のモータジェネレータ１７のトルクから前輪１６に配分される駆動トルクを推定し、２つのクラッチ４６、４７の締結力の和が推定された前輪１６に配分される駆動トルク相当の力となるようにクラッチ４６、４７の掛け換えを行うようにしたことにより、切換え時に前輪駆動力の変動を低減し、滑らかな切換えを実現することができる。

また、クラッチ４６、４７の掛け換えを行うとき、第１のクラッチ４６の締結力を減少させた後、第２のクラッチ４７の入力側と出力側の回転速度差が減少するように第１のモータジェネレータ１７を速度制御するようにしたことにより、切換え時のショックを抑えることができ、また、クラッチ締結時のショックを抑えるためにクラッチを徐々に締結する必要がなくなるので、切換えに要する時間を短縮することもできる。

また、バッテリ１９からモータジェネレータ１７、６１に供給される電力が所定値を超えるときはエンジン１１の出力を増大するようにしたので、バッテリ１９から持ち出される電力を所定値以下に抑えることができ、バッテリ１９の電力が消費され続けて空になるのを防止することができる。

第３の実施形態
図９は本発明の第３の実施形態を示す。第１、第２の実施形態と同じ構成には同じ参照符号を付して説明を省略し、以下の説明では第１、第２の実施形態との相違点を中心に説明する。

第３の実施形態では、図３に示した第２の実施形態における遊星歯車２０と変速段４０の機能をラビニオ式遊星歯車１２０で実現している点で第２の実施形態と相違する。ラビニオ式遊星歯車１２０はシングルピニオン遊星歯車とダブルピニオン遊星歯車を組み合わせて構成され、第１のサンギヤ１２１と、共通のキャリア１２２と、共通のリングギヤ１２３と、第２のサンギヤ１２４を有している。

ラビニオ式遊星歯車１２０は４軸の差動機構であり、第１の軸である第１のサンギヤ１２１は第１のモータジェネレータ１７に接続され、第２の軸であるリングギヤ１２３はエンジン出力軸３１に接続される。第３の軸であるキャリア１２２と第４の軸である第２のサンギヤ１２４はそれぞれ第１のクラッチ１４１と第２のクラッチ１４２を介して前輪出力軸３３、前輪駆動軸３２を介して前輪１６に接続される。

図１０はラビニオ式遊星歯車１２０の各要素の回転速度関係を示す共線図である。ラビニオ式遊星歯車１２０は上記の通り、２つのサンギヤ１２１、１２４と、キャリア１２２と、リングギヤ１２４の４入出力軸を有している。

ここで、第１のサンギヤ１２１の歯数をＺｓ１、第２のサンギヤ１２４の歯数をＺｓ２、リングギヤ１２３の歯数をＺｒとして、ラビニオ式遊星歯車１２０の特性値ρｓ、ρｄを以下のように定義する。

さらに、式（５）中のＺｓ１、Ｚｓ２、Ｚｒを共線図上の係数α、βに置き換えると、

となる。

式（６）の関係を用いて、第１のクラッチ１４１、第２のクラッチ１４２を締結した時の前輪１６へのエンジン１１および第１のモータジェネレータ１７の駆動力伝達状態について説明する。

ローギヤ状態は第１のクラッチ１４１に締結し、キャリア１２２を前輪１６に接続することで実現される。このとき、ラビニオ式遊星歯車１２０では、シングルピニオン状態となり、回転要素間の回転速度、トルクは以下のような関係となる。

添え字ｃ、ｓ１、ｒはそれぞれキャリア１２２、第１のサンギヤ１２１、リングギヤ１２３を表している。

一方、ハイギヤ状態は第２のクラッチ１４２を締結し、第２のサンギヤ１２４を前輪１６に接続することで実現される。キャリア１２２を共有しているので、エンジン１１と第１のモータジェネレータ１７のトルクはサンギヤ１２４を介して前輪１６へ伝達される。この状態での回転要素間の回転速度、トルクは以下のような関係となる。

添え字ｓ２は第２のサンギヤ１２４を示している。

遊星歯車の成立条件によりρｓは０．５以上となるので、βは１以上である。そのため、出力端である第２のサンギヤ１２４への第１のモータジェネレータ１７のトルク増幅率は式（８）よりも式（１０）のほうが小さくなり、第２のクラッチ１４２を締結することでハイギヤ状態となることが分かる。

なお、ローギヤ状態、ハイギヤ状態、いずれの状態でもエンジン１１に第１のモータジェネレータ１７のパワーが加算されて前輪１６に伝わるようにするために、ハイギヤ状態では第１のモータジェネレータ１７をエンジン出力軸３１と逆方向に回転させる。

図１１はラビニオ式遊星歯車１２０における各要素の回転速度と車速の関係を示す。

前輪１６の回転速度は車速の上昇とともに一定変化率で増加する。ローギヤ、ハイギヤの切換ポイント前後で第１のモータジェネレータ１７の回転速度が反転している。

上記したように、ラビニオ式遊星歯車を用いた構成では、ハイギヤ変更後に第１のモータジェネレータ１７の回転方向を反転させると、第１のモータジェネレータ１７のパワーも前輪に加算できるようになる。そのため、ハイギヤ変更後に第１のモータジェネレータ１７が反転し、且つ、最高速で第１のモータジェネレータ１７が過回転とならないようにラビニオ式遊星歯車１２０は設計される。

図１２は４輪駆動状態での前輪変速段の切換制御の内容を示したフローチャートである。このフローはコントローラ５０より車速の増大等を受けて前輪変速段の変速指令が発せられるときに実行される。

ローギヤ状態からハイギヤ状態へ移行するためには、第１のクラッチ１４１から第２のクラッチ１４２に掛け換える必要がある。しかし、車両の状態においては第２のクラッチ１４２の入力側と出力側の回転速度差、すなわち、第２のサンギヤ１２４と前輪出力軸３３の回転速度差が大きく、クラッチを掛け換えるだけでは変速が長期化したり、ショックが発生したりする可能性がある。そこで、この制御では以下に説明するように、第１のモータジェネレータ１７を回転速度制御して、クラッチ掛け換え時における第２のサンギヤ１２４と前輪出力軸３３の回転速度差を減少させる。

まず、ステップＳ５１では、エンジン変速機１２に変速指令が発せられる。これはエンジン変速機１２と同期して前輪変速段のローギヤとハイギヤを切換え、第１のモータジェネレータ１７の過回転等の問題を生じないようにするためである。

ステップＳ５２では第１のモータジェネレータ１７の電流値から第１のモータジェネレータ１７のトルクを推定し、これに基づき前輪駆動トルクを推定する。式（８）から、前輪駆動トルクは第１のモータジェネレータ１７のトルクと比例関係になるので、第１のモータジェネレータ１７のトルクから前輪駆動トルクを推定することができる。

ステップＳ５３では第１のクラッチ１４１の締結力を低下させる。第１のクラッチ１４１の締結力を低下させると、ラビニオ式遊星歯車１２０の回転速度拘束状態が解放され、第１のモータジェネレータ１７によって各要素の回転状態を変更し易くなる。

ステップＳ５４では第１のクラッチ１４１、第２のクラッチ１４２の掛け換え制御を行う。前輪１６への駆動トルク伝達経路は第１のクラッチ１４１および第２のクラッチ１４２であるので、これらのクラッチ１４１、１４２の締結力の和が前輪伝達力となる。そこで、ここではクラッチ１４１、１４２の締結力の和がステップＳ５２で推定した前輪駆動トルク相当の力となるように制御する。

ステップＳ５５では第１のモータジェネレータ１７を速度制御する。そのときの目標値ｔＮｍｇはエンジン１１の目標回転速度ｔＮｅｎｇと前輪回転速度の実値ｒＮｓ１から以下のように定義される。

この速度制御により、キャリア１２２の回転速度は前輪出力軸３３の回転速度から離れ、第２のサンギヤ１２４の回転速度は前輪出力軸３３の回転速度に近づけられる。

ステップＳ５６では、アクセル操作量、すなわち運転者からの加速要求に基づきエンジン１１および第２のモータジェネレータ６１のトルクを制御する。

ステップＳ５７では第１のモータジェネレータ１７の回転速度がステップＳ５５で設定した目標値ｔＮｍｇと略一致しているかを比較する。目標値との差がしきい値以内であれば、次のステップＳ５８に移行する。しきい値は第２のクラッチ１４２を瞬時に締結してもイナーシャの変化に起因する駆動力変化が０．０５Ｇよりも大きな加速度を生じない回転速度差に設定される。これは、クラッチ締結時のショックによって運転者に違和感を与えないような範囲に対応する。

ステップＳ５８では第１のクラッチ１４１を完全に解放するとともに第２のクラッチ１４２を完全に締結し、クラッチの掛け換えを終了する。

ステップＳ５９では第１のモータジェネレータ１７を速度制御からトルク制御へ切換える。このときの目標値は必要とされる駆動力の前後配分、要求される駆動力に応じて設定される。

以上の切換制御によれば、前輪変速段の変速制御は前輪駆動トルクの変動を抑えつつ、クラッチ掛け換え時のトルクを抑えながら変速段の変更が行われるので、変速ショックを生じることなく変速段の変更を終了させることができる。

なお、第３の実施形態における４輪加速時、４輪巡航時のコントローラ５０の制御内容は図７、図８に示した第２の実施形態のものと同じであるので説明を省略する。

この第３の実施形態によれば、第１、第２の実施形態の作用効果に加え、前輪側の動力伝達機構をラビニオ式遊星歯車１２０で構成したことにより、前輪側の動力伝達機構を小型化、軽量化し、トランスアクスル方式の利点をさらに享受することができる。

図１３は第３の実施形態の一部変形例であり、図９に示した構成に対してワンウェイクラッチ１５０が追加されている。

ワンウェイクラッチ１５０は第２のサンギヤ１２４に接続され、モータジェネレータ１７を用いてエンジン１１を始動させるときに作動する。ローギヤとハイギヤでモータジェネレータ１７の回転方向が反転するようにラビニオ式遊星歯車１２０を設計すると、第２のサンギヤ１２４は全ての速度域で回転方向が変化しないので、このようにワンウェイクラッチ１５０を配置することができる。

ワンウェイクラッチ１５０を作動させることで、ラビニオ式遊星歯車１２０は変速段として機能し、第１のモータジェネレータ１７のトルクは（１＋α＋β）／β倍されてエンジン１１の駆動軸に伝達されるので、エンジン１１をクランキングして始動させることが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記実施形態は本発明の技術的範囲をその構成に限定する趣旨ではない。本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本発明に係るハイブリッド車両の概略構成図である（第１の実施形態）。 ４輪加速制御の内容を示したフローチャートである。 本発明の第２の実施形態を示す。 車速とモータジェネレータの回転速度の関係を示した図で、実線は第１の実施形態のもの、破線は前輪変速段を追加した第２の実施形態のものを示す。 エンジン変速機及び前輪変速段の変速タイミングとモータジェネレータの回転速度の関係を示した図である。 前輪変速段の変速段切換制御の内容を示したフローチャートである。 ４輪加速制御の内容を示したフローチャートである。 ４輪巡航制御の内容を示したフローチャートである。 本発明の第３の実施形態を示す。 ラビニオ式遊星歯車の各要素の回転速度関係を示す共線図である。 ラビニオ式遊星歯車における各要素の回転速度と車速の関係を示した図である。 前輪変速段の変速段切換制御の内容を示したフローチャートである。 第３の実施形態の一部変更例である。

符号の説明

１１ エンジン
１２ エンジン変速機
１４ 後輪
１６ 前輪
１７ モータジェネレータ（第１のモータジェネレータ）
１９ バッテリ
２１ リングギヤ（第２の軸）
２２ キャリア（第３の軸）
２３ サンギヤ（第１の軸）
２０ 遊星歯車（差動機構）
３１ エンジン出力軸
４０ 前輪変速段
４１ ローギヤ
４２ ハイギヤ
４６、４７ クラッチ
６１ モータジェネレータ（第２のモータジェネレータ）
５０ コントローラ
１２０ ラビニオ式遊星歯車
１２１ 第１のサンギヤ（第１の軸）
１２２ キャリア（第３の軸）
１２３ リングギヤ（第２の軸）
１２４ 第２のサンギヤ（第４の軸）
１４１ クラッチ
１４２ クラッチ
１５０ ワンウェイクラッチ（回転制限機構）

Claims (11)

1. 車両前側に配置されるエンジン及び前輪と、
   前記エンジンに接続されるエンジン出力軸と、
   車両後側に配置され、前記エンジン出力軸が接続されるエンジン変速機と、
   車両後側に配置され、前記エンジン出力軸と前記エンジン変速機を介して前記エンジンの駆動力が伝達される後輪と、
   第１のモータジェネレータと、
   少なくとも第１から第３の３軸を有する差動機構と、
   前記後輪に駆動力を伝達する第２のモータジェネレータと、
   前記第１及び第２のモータジェネレータに接続されるバッテリと、
   を備え、
   前記第１のモータジェネレータを力行させると前記前輪に配分される前記エンジンの駆動力が増大するように前記前記第１から第３の軸に前記第１のモータジェネレータ、前記エンジン出力軸、前記前輪をそれぞれ接続し、車両前進時、前記第１のモータジェネレータのトルクを制御することによって前記エンジンの駆動力の前記前輪、前記後輪への配分を変更し、
   前記バッテリから前記第１のモータジェネレータに電力を供給して前記エンジンの駆動力を前記前輪に配分する一方で前記バッテリから前記第２のモータジェネレータに電力を供給して前記第２のモータジェネレータで前記後輪を駆動する場合、前記バッテリからの電力を前記第２のモータジェネレータよりも前記第１のモータジェネレータに優先的に供給し、残った電力を前記前記第２のモータジェネレータに供給することを特徴とするハイブリッド車両。
2. 前記第３の軸と前記前輪の間に少なくとも２つの変速段を有する前輪変速段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド車両。
3. 前記エンジン変速機の変速タイミングと前記前輪変速段の変速タイミングを同期させることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド車両。
4. 前記第３の軸と前記２つの変速段の間にはそれぞれクラッチが設けられており、
   前記クラッチを掛け換えて前記２つの変速段を切り換えるときは、前記第１のモータジェネレータのトルクから前記前輪に配分される駆動トルクを推定し、前記２つのクラッチの締結力の和が前記推定された前記前輪に配分される駆動トルク相当の力となるように前記第１及び第２のクラッチの締結力を制御することを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド車両。
5. 前記クラッチの掛け換えを行うとき、前記第１のクラッチの締結力を減少させた後、前記第２のクラッチの入力側と出力側の回転速度差が減少するように前記第１のモータジェネレータを回転速度制御することを特徴とする請求項４に記載のハイブリッド車両。
6. 車両前側に配置されるエンジン及び前輪と、
   前記エンジンに接続されるエンジン出力軸と、
   車両後側に配置され、前記エンジン出力軸が接続されるエンジン変速機と、
   車両後側に配置され、前記エンジン出力軸と前記エンジン変速機を介して前記エンジンの駆動力が伝達される後輪と、
   第１のモータジェネレータと、
   少なくとも第１から第４の４軸を有する差動機構と、
   を備え、
   前記第１から第３の軸に前記第１のモータジェネレータ、前記エンジン出力軸、前記前輪をそれぞれ接続し、車両前進時、前記第１のモータジェネレータのトルクを制御することによって前記エンジンの駆動力の前記前輪、前記後輪への配分を変更し、
   前記前輪の接続する軸を前記第３の軸から前記第４の軸に切り換える切換機構を備えたことを特徴とするハイブリッド車両。
7. 前記エンジン変速機の変速タイミングと前記切換機構が前記前輪の接続する軸を切り換えるタイミングとを同期させることを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド車両。
8. 前記前輪と第３の軸の間に第１のクラッチ、前記前輪と第４の軸の間に第２のクラッチが設けられており、
   前記クラッチを掛け換えて前記前輪の接続する軸を前記第３の軸から前記第４の軸に切り換えるときは、前記第１のモータジェネレータのトルクから前記前輪に配分される駆動トルクを推定し、前記２つのクラッチの締結力の和が前記推定された前記前輪に配分される駆動トルク相当の力となるように前記第１及び第２のクラッチの締結力を制御することを特徴とする請求項７に記載のハイブリッド車両。
9. 前記クラッチの掛け換えを行うとき、前記第１のクラッチの締結力を減少させた後、前記第２のクラッチの入力側と出力側の回転速度差が減少するように前記第１のモータジェネレータを回転速度制御することを特徴とする請求項８に記載のハイブリッド車両。
10. 前記バッテリから前記第１及び第２のモータジェネレータに供給される電力が所定値を超えるときは前記エンジンの出力を増大することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド車両。
11. 前記差動機構の４つの軸のうち、少なくとも１つの軸が車両前進時に常に同じ方向に回転する順回転軸となるように前記差動機構を構成し、かつ、前記順回転軸となる１つの軸の回転方向を制限する回転制限機構を備えたことを特徴とする請求項６から９のいずれかひとつに記載のハイブリッド車両。

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