JP6646846B2 - 車両駆動装置および電気車両 - Google Patents

Description

この開示は、車両駆動装置および電気車両に関する。

従来、電気自動車が知られている。従来の電気自動車は、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１には、第１車輪に連結される誘導モータと、第２車輪に連結される同期モータと、誘導モータおよび同期モータに接続され誘導モータおよび同期モータに駆動電流を供給するモータ制御手段とを有する電気自動車が開示されている。この電気自動車では、走行時には主要な駆動源として同期モータが駆動され、発進時や加速時には補助的な駆動源として誘導モータが駆動されるようになっている。

特開２００８−７９４２０号公報

近年、駆動用のモータに加えて非常用の発電機とそれを駆動するための内燃機関とを備えた電気自動車（いわゆるレンジエクステンダ）が注目されてきている。レンジエクステンダでは、電気自動車の電池の残量が所定量を下回る場合に、内燃機関を駆動させて非常用の発電機を発電させ、その非常用の発電機において生成された電力を用いて駆動用のモータを駆動させる。これにより、電気自動車の航続距離を延ばすことができる。

この開示は、内燃機関を備えた電気車両の駆動輪を駆動する車両駆動装置に関し、この車両駆動装置は、シャフトと、第１モータと、第２モータと、動力伝達機構と、動力切換機構とを備えている。

第２モータは、シャフトと連結するように構成される。動力伝達機構は、シャフトの動力および第２モータの動力を駆動輪に伝達するように構成される。動力切換機構は、第１モータとシャフトと内燃機関とに接続され、第１状態と、第２状態と、第３状態とに切り換え可能に構成される。第１状態は、第１モータとシャフトとの間の動力伝達を許容する一方で第１モータと内燃機関との間の動力伝達を禁止する。第２状態は、第１モータとシャフトとの間の動力伝達を禁止するとともに第１モータと内燃機関との間の動力伝達を禁止する。第３状態は、第１モータと内燃機関との間の動力伝達を許容する一方で第１モータとシャフトとの間の動力伝達を禁止する。

この開示によれば、動力切換機構の状態を切り換えることにより、第１モータを駆動用と発電用との両方で利用することができる。よって２つの駆動用のモータに加えて発電用の発電機を設ける場合（すなわち３つの回転電気機械を設ける場合）よりも、車両駆動装置を小型化することができる。

実施形態による電気車両の概略構成図。 動力切換機構の第２状態について説明するための概略構成図。 動力切換機構の第３状態について説明するための概略構成図。 制御部について説明するためのブロック図。 第１モータの動力特性を例示するグラフ。 第１モータのトルク回転数特性および起電圧特性を例示するグラフ。 第２モータ（磁石レスモータ）の動力特性を例示するグラフ。 第１および第２モータの動力特性を例示するグラフ。 第２モータ（永久磁石モータ）の動力特性を例示するグラフ。 モータの比較例の動力特性を例示するグラフ。

本開示の実施の形態の説明に先立ち、従来の装置における問題点を簡単に説明する。特許文献１の電気自動車において、既設の２つの駆動用のモータに加えて、非常用の発電機とそれを駆動するための内燃機関とを設けることが考えられる。しかしながら、このように構成する場合、電気自動車に３つの回転電気機械（モータ／ジェネレータ）が設けられることになるので、電気自動車の車輪を駆動する装置（車両駆動装置）を小型化することが困難である。

以下、実施の形態を図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付しその説明は繰り返さない。

〔電気車両〕
図１は、実施形態による電気車両１の構成例を示している。電気車両１は、駆動輪２と内燃機関３と車両駆動装置１０とを備えている。車両駆動装置１０は、内燃機関３と機械的に接続され、駆動輪２を駆動するように構成されている。なお、電気車両１は、いわゆるレンジエクステンダを構成している。具体的には、車両駆動装置１０は、シャフト２０と、第１モータ３１と、第２モータ３２と、動力伝達機構４０と、動力切換機構５０と、制御部６０とを備えている。

〈内燃機関〉
内燃機関３は、熱エネルギを回転エネルギに変換するように構成されている。具体的には、内燃機関３のシリンダ（図示を省略）内で燃料を燃焼させると内燃機関３のピストン（図示を省略）が作動して内燃機関３の駆動軸が回転する。なお、内燃機関３の動力は、単独で駆動輪２を駆動させることができるように設定されていないが、単独で第１モータ３１を発電させることができるように設定されている。すなわち、内燃機関３は、単独で駆動輪２を駆動させることができる動力を発生させることができないが、単独で第１モータ３１を発電させることができる動力を発生させることができるように構成されている。したがって、内燃機関３が単独で駆動輪２を駆動させることができるように構成されている場合よりも、内燃機関３を小型に構成することができる。

〈第１モータ〉
第１モータ３１は、電気エネルギを回転エネルギに変換するように構成されている。また、第１モータ３１は、回転エネルギを電気エネルギに変換する機能（発電機の機能）も有している。すなわち、第１モータ３１は、電気エネルギを回転エネルギに変換する状態（駆動状態）と、回転エネルギを電気エネルギに変換する状態（発電状態）とに設定可能に構成されている。具体的には、第１モータ３１の固定子（図示を省略）に電力が供給されると第１モータ３１の回転子（図示を省略）が回転し、第１モータ３１の回転子に回転力が加えられると第１モータ３１の固定子に電力が発生する。

なお、第１モータ３１は、電気車両１の中低速低負荷走行に対応する動力を生成することができるように構成された低速モータである。具体的には、低速モータ（第１モータ３１）は、比較的に低出力に構成され、電気車両１が中低速低負荷走行を行うために必要となる動力（または必要となる動力よりもやや小さい動力）を生成することができるように構成されている。また、低速モータ（第１モータ３１）は、電気車両１の中低速低負荷走行に対応する低出力領域において比較的に高効率となるように構成されている。中低速低負荷走行や低出力領域については、後で詳しく説明する。

また、この例では、第１モータ３１は、永久磁石モータによって構成されている。

また、この例では、第１モータ３１は、その中央にシャフト２０が貫通するリング形状に形成されている。なお、第１モータ３１は、この形状に限定されるものではなく、円筒形状や円盤形状に形成されていてもよい。

〈第２モータ〉
第２モータ３２は、電気エネルギを回転エネルギに変換するように構成されている。また、第２モータ３２は、回転エネルギを電気エネルギに変換する機能（発電機の機能）も有している。すなわち、第２モータ３２は、電気エネルギを回転エネルギに変換する状態（駆動状態）と、回転エネルギを電気エネルギに変換する状態（発電状態）とに設定可能に構成されている。具体的には、第２モータ３２の固定子（図示を省略）に電力が供給されると第２モータ３２の回転子（図示を省略）が回転し、第２モータ３２の回転子に回転力が加えられると第２モータ３２の固定子に電力が発生する。

また、第２モータ３２は、シャフト２０と連結するように構成されている。この例では、第２モータ３２は、後述するギア４１（シャフト２０に連結されたギア４１）に動力を伝達するように構成されている。第２モータ３２が回転すると、第２モータ３２の回転力がギア４１（動力伝達機構４０の一部）を経由してシャフト２０に伝達される。また、シャフト２０が回転すると、シャフト２０の回転力がギア４１（動力伝達機構４０の一部）を経由して第２モータ３２に伝達される。

なお、第２モータ３２は、電気車両１の高速走行に対応する動力を生成することができるように構成された高速モータである。具体的には、高速モータ（第２モータ３２）は、比較的に高出力に構成され、電気車両１が高速走行を行うために必要となる動力を生成することができるように構成されている。また、高速モータ（第２モータ３２）は、電気車両１の高速走行に対応する高出力領域において比較的に高効率となるように構成されている。高速走行や高出力領域については、後で詳しく説明する。

また、この例では、第２モータ３２は、永久磁石を有さない磁石レスモータによって構成されている。磁石レスモータの例としては、誘導モータ，スイッチドリラクタンスモータ，同期リラクタンスモータなどが挙げられる。

また、この例では、第２モータ３２は、円盤形状に形成され、その外周にギア４１（動力伝達機構４０の一部）が配置されて第２モータ３２の動力がギア４１に伝達されるように構成されている。なお、第２モータ３２は、この形状に限定されるものではなく、円筒形状に形成されていてもよい。

〈動力伝達機構〉
動力伝達機構４０は、シャフト２０の動力および第２モータ３２の動力を駆動輪２に伝達するように構成されている。この例では、動力伝達機構４０は、ギア４１と、ディファレンシャル機構４２と、ドライブシャフト４３とを有している。ギア４１は、シャフト２０に連結されている。ディファレンシャル機構４２は、ドライブシャフト４３と機械的に接続され、ギア４１の動力をドライブシャフト４３に伝達するように構成されている。ドライブシャフト４３は、その両端が駆動輪２に連結されている。シャフト２０および第２モータ３２が回転すると、その回転力がギア４１とディファレンシャル機構４２とドライブシャフト４３とを順に経由して駆動輪２に伝達され、駆動輪２が回転する。また、駆動輪２が回転すると、その回転力がドライブシャフト４３とディファレンシャル機構４２とギア４１とを順に経由してシャフト２０および第２モータ３２に伝達される。すなわち、動力伝達機構４０は、シャフト２０および第２モータ３２と駆動輪２との間で動力を伝達するように構成されている。

また、この例では、ギア４１は、第２モータ３２の外周に配置されて第２モータ３２の動力が伝達されるように構成されている。なお、ギア４１は、この構成に限定されるものではなく、円筒形状に形成された第２モータ３２の駆動軸に連結されたギアと噛合するように構成されていてもよい。このような構成においても、第２モータ３２は、シャフト２０と連動することができ、動力伝達機構４０は、シャフト２０の動力および第２モータ３２の動力を駆動輪２に伝達することができる。

〈動力切換機構〉
動力切換機構５０は、第１モータ３１とシャフト２０と内燃機関３とに接続され、第１状態と第２状態と第３状態とに切り換え可能に構成されている。第１状態（図１に示した状態）では、動力切換機構５０は、第１モータ３１とシャフト２０との間の動力伝達を許容する一方で、第１モータ３１と内燃機関３との間の動力伝達を禁止する。第２状態（図２に示した状態）では、動力切換機構５０は、第１モータ３１とシャフト２０との間の動力伝達を禁止するとともに、第１モータ３１と内燃機関３との間の動力伝達を禁止する。第３状態（図３に示した状態）では、動力切換機構５０は、第１モータ３１と内燃機関３との間の動力伝達を許容する一方で、第１モータ３１とシャフト２０との間の動力伝達を禁止する。

この例では、動力切換機構５０は、第１クラッチ部材５１と、第２クラッチ部材５２と、第３クラッチ部材５３とを有している。第１クラッチ部材５１は、第１モータ３１に接続され、第２クラッチ部材５２は、シャフト２０に接続され、第３クラッチ部材５３は、内燃機関３の駆動軸に接続されている。そして、第１状態では、第１クラッチ部材５１は、第２クラッチ部材５２と係合する一方で第３クラッチ部材５３から切り離される。これにより、第１モータ３１とシャフト２０との間で動力が伝達されるようになる一方で、第１モータ３１と内燃機関３との間で動力が伝達されないようになる。第２状態では、第１クラッチ部材５１は、第２クラッチ部材５２および第３クラッチ部材５３の両方から切り離される。これにより、第１モータ３１とシャフト２０との間で動力が伝達されないようになるとともに、第１モータ３１と内燃機関３との間で動力が伝達されないようになる。第３状態では、第１クラッチ部材５１は、第３クラッチ部材５３と係合する一方で第２クラッチ部材５２から切り離される。これにより、第１モータ３１と内燃機関３との間で動力が伝達されるようになる一方で、第１モータ３１とシャフト２０との間で動力が伝達されないようになる。

〈制御部〉
制御部６０は、第１モータ３１と第２モータ３２と内燃機関３と動力切換機構５０とを制御するように構成されている。この例では、図４に示すように、制御部６０は、電池６１と、プラグ６２と、充電器６３と、第１インバータ７１と、第２インバータ７２と、コントローラ７３とを有している。

《電池とプラグと充電器》
電池６１は、電力を蓄積するように構成されている。また、電池６１と第１インバータ７１と第２インバータ７２が互いに電気的に接続されている。プラグ６２は、外部電源（図示を省略）に接続可能に構成されている。充電器６３は、電池６１およびプラグ６２と電気的に接続され、コントローラ７３による制御に応答して外部電源からプラグ６２を経由して供給された電力を電池６１に蓄積するように構成されている。

《第１インバータ》
第１インバータ７１は、第１モータ３１と電気的に接続されている。そして、第１インバータ７１は、第１インバータ７１に供給された電力（例えば電池６１の電力）をスイッチング動作により所望の第１出力電力に変換して第１出力電力を第１モータ３１に供給するように構成されている。なお、第１インバータ７１は、低速モータである第１モータ３１に適した第１出力電力を供給するように構成された低速モータ用インバータである。具体的には、第１インバータ７１（低速モータ用インバータ）は、比較的に低出力に構成され、電気車両１の中低速低負荷走行に対応する低出力領域において第１モータ３１（低速モータ）が駆動するように第１出力電力を供給する。

《第２インバータ》
第２インバータ７２は、第２モータ３２と電気的に接続されている。そして、第２インバータ７２は、第２インバータ７２に供給された電力（例えば電池６１の電力または第１モータ３１の電力）をスイッチング動作により所望の第２出力電力に変換して第２出力電力を第２モータ３２に供給するように構成されている。なお、第２インバータ７２は、高速モータである第２モータ３２に適した第２出力電力を供給するように構成された高速モータ用インバータである。具体的には、第２インバータ７２（高速モータ用インバータ）は、比較的に高出力に構成され、電気車両１の高速走行に対応する高出力領域において第２モータ３２（高速モータ）が駆動するように第２出力電力を供給する。

《コントローラ》
コントローラ７３は、電気車両１の各部に設けられた各種センサの検出値に基づいて、電気車両１の各部（具体的には、内燃機関３と充電器６３と第１インバータ７１と第２インバータ７２）を制御するように構成されている。この例では、コントローラ７３は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）によって構成され、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの演算処理部と、その演算処理部を動作させるためのプログラムや情報を格納するメモリ（記憶部）とを有している。各種センサは、例えば、駆動輪２や第１モータ３１や第２モータ３２や内燃機関３などの各部の回転数を検出するように構成された回転数センサや、第１モータ３１や第２モータ３２などの各部の電流値を検出するように構成された電流センサや、電池６１に蓄積された電力の残量を検出するように構成された電力センサなどである（いずれも図示を省略）。

〈制御部による動作〉
次に、制御部６０（コントローラ７３）による動作について説明する。制御部６０は、中低速低負荷走行、中低速高負荷走行、高速走行、非常時走行、および減速時回生走行の各々において以下の動作を行う。なお、中低速低負荷走行は、駆動輪２の回転数が予め定められた回転数閾値（例えば４０ｋｍ／ｈに対応する回転数）以下であり且つ駆動輪２の負荷が予め定められた負荷閾値（例えば第１モータ３１において生成することができる最大駆動力に相当する負荷の値）以下である走行状態（いわゆる市街地走行）のことである。中低速高負荷走行は、駆動輪２の回転数が回転数閾値以下であり且つ駆動輪２の負荷が負荷閾値を上回っている走行状態のことである。高速走行は、駆動輪２の回転数が回転数閾値を上回っている走行状態のことである。非常時走行は、電池６１に蓄積された電力の残量が予め定められた残量閾値（例えば最大蓄電容量の２０％）を下回るときに電気車両１を走行させる状態のことである。減速時回生走行は、電気車両１を減速させつつ駆動輪２の回転力を用いてモータ（第１モータ３１および第２モータ３２の少なくとも一方）を発電させてその発電により生成された電力を電池６１に蓄積する走行状態のことである。

《中低速低負荷走行》
制御部６０は、駆動輪２の回転数が回転数閾値以下であり且つ駆動輪２の負荷が負荷閾値以下である場合（すなわち中低速低負荷走行の場合）に、動力切換機構５０を第１状態（図１に示した状態）に設定し、第１モータ３１を駆動状態に設定し、第２モータ３２および内燃機関３を停止状態に設定するように構成されている。

具体的には、コントローラ７３は、電池６１から第１インバータ７１を経由して第１モータ３１に電力が供給されるように第１インバータ７１を制御することで第１モータ３１を駆動状態に設定する。また、コントローラ７３は、電池６１から第２インバータ７２を経由して第２モータ３２に電力が供給されることがないように第２インバータ７２を制御することで第２モータ３２を停止状態に設定する。

中低速低負荷走行の場合（すなわち駆動輪２の回転数が回転数閾値以下であり且つ駆動輪２の負荷が負荷閾値以下である走行状態）では、動力切換機構５０が第１状態に設定され、第１モータ３１が駆動状態に設定され、第２モータ３２および内燃機関３が停止状態に設定される。これにより、第１モータ３１の動力（回転力）が動力切換機構５０とシャフト２０と動力伝達機構４０とを順に経由して駆動輪２に伝達されて、第１モータ３１の動力により駆動輪２が駆動されて回転する。

このように、中低速低負荷走行では、第１モータ３１の動力を用いて駆動輪２を駆動することができる。

《中低速高負荷走行》
制御部６０は、駆動輪２の回転数が回転数閾値以下であり且つ駆動輪２の負荷が負荷閾値を上回る場合（すなわち中低速高負荷走行の場合）に、動力切換機構５０を第１状態（図１に示した状態）に設定し、第１モータ３１および第２モータ３２を駆動状態に設定し、内燃機関３を停止状態に設定するように構成されている。

具体的には、コントローラ７３は、電池６１から第１インバータ７１および第２インバータ７２を経由して第１モータ３１および第２モータ３２に電力が供給されるように第１インバータ７１および第２インバータ７２を制御する。これにより、第１モータ３１および第２モータ３２を駆動状態に設定する。

中低速高負荷走行の場合（すなわち駆動輪２の回転数が回転数閾値以下であり且つ駆動輪２の負荷が負荷閾値を上回っている走行状態）では、動力切換機構５０が第１状態に設定され、第１モータ３１および第２モータ３２が駆動状態に設定され、内燃機関３が停止状態に設定される。これにより、第１モータ３１の動力（回転力）が動力切換機構５０とシャフト２０と動力伝達機構４０とを順に経由して駆動輪２に伝達され、第１モータ３１の動力により駆動輪２が駆動されて回転する。また、第２モータ３２の動力（回転力）が動力伝達機構４０を経由して駆動輪２に伝達され、第２モータ３２の動力により駆動輪２の駆動が補助される。

このように、中低速高負荷走行では、第１モータ３１の動力を用いて駆動輪２を駆動することができるとともに、第２モータ３２の動力を用いて駆動輪２の駆動を補助することができる。

《高速走行》
制御部６０は、駆動輪２の回転数が回転数閾値を上回る場合（すなわち高速走行の場合）に、動力切換機構５０を第２状態（図２に示した状態）に設定し、第２モータ３２を駆動状態に設定し、第１モータ３１および内燃機関３を停止状態に設定するように構成されている。

具体的には、コントローラ７３は、電池６１から第２インバータ７２を経由して第２モータ３２に電力が供給されるように第２インバータ７２を制御することで第２モータ３２を駆動状態に設定する。また、コントローラ７３は、電池６１から第１インバータ７１を経由して第１モータ３１に電力が供給されることがないように第１インバータ７１を制御することで第１モータ３１を停止状態に設定する。

高速走行の場合（すなわち駆動輪２の回転数が回転数閾値を上回っている走行状態）では、動力切換機構５０が第２状態に設定され、第２モータ３２が駆動状態に設定され、第１モータ３１および内燃機関３が停止状態に設定される。これにより、第２モータ３２の動力（回転力）が動力伝達機構４０を経由して駆動輪２に伝達され、第２モータ３２の動力により駆動輪２が駆動されて回転する。

このように、高速走行では、第２モータ３２の動力を用いて駆動輪２を駆動することができる。

《非常時走行》
制御部６０は、電池６１に蓄積された電力の残量が残量閾値を下回る場合（すなわち非常時走行の場合）に、動力切換機構５０を第３状態（図３に示した状態）に設定し、内燃機関３を駆動状態に設定し、第１モータ３１において生成された電力を用いて第２モータ３２を駆動状態に設定するように構成されている。

具体的には、コントローラ７３は、まず、電池６１に蓄積された電力が第１インバータ７１を経由して第１モータ３１に供給されるように第１インバータ７１を制御することで第１モータ３１を駆動状態に設定する。次に、コントローラ７３は、第１モータ３１の動力により内燃機関３を起動させて内燃機関３を駆動状態に設定する。そして、内燃機関３が駆動状態に設定されると、コントローラ７３は、電池６１から第１モータ３１への電力供給が停止されるように第１インバータ７１を制御する。これにより、内燃機関３の動力により第１モータ３１が駆動されて発電する。次に、コントローラ７３は、第１モータ３１において生成された電力が第１インバータ７１と第２インバータ７２とを順に経由して第２モータ３２に供給されるように第１インバータ７１および第２インバータ７２を制御することで第２モータ３２を駆動状態に設定する。

なお、この例では、制御部６０は、第１モータ３１において発電された電力のうち第２モータ３２の駆動に用いられない余剰電力を電池６１に蓄積するように構成されている。具体的には、コントローラ７３は、第１モータ３１において生成された電力の一部が第１インバータ７１と第２インバータ７２とを順に経由して第２モータ３２に供給される一方で第１モータ３１において生成された電力の残部が第１インバータ７１を経由して電池６１に供給されるように第１インバータ７１および第２インバータ７２を制御する。これにより第２モータ３２を駆動状態に設定しつつ余剰電力を電池６１に蓄積する。

非常時走行の場合（すなわち電池６１に蓄積された電力の残量が残量閾値を下回るときに電気車両１を走行させる場合）では、動力切換機構５０が第３状態に設定され、内燃機関３が駆動状態に設定される。これにより、内燃機関３の動力（回転力）が動力切換機構５０を経由して第１モータ３１に伝達され、内燃機関３の動力により第１モータ３１が駆動されて第１モータ３１が発電する。そして、第１モータ３１において生成された電力を用いて第２モータ３２が駆動状態に設定される。すなわち、第１モータ３１の電力が第１インバータ７１と第２インバータ７２とを経由して第２モータ３２に供給され、第１モータ３１の電力により第２モータ３２が駆動されて回転する。そして、第２モータ３２の動力（回転力）が動力伝達機構４０を経由して駆動輪２に伝達され、第２モータ３２の動力により駆動輪２が駆動されて回転する。また、第１モータ３１の電力のうち第２モータ３２の駆動に用いられない余剰電力が電池６１に供給されて蓄積される。

このように、非常時走行では、第１モータ３１において生成された電力を用いて第２モータ３２を駆動することができ、第２モータ３２の動力を用いて駆動輪２を駆動させることができる。また、第１モータ３１において生成された電力のうち第２モータ３２の駆動に用いられない余剰電力を電池６１に蓄積することができる。

《減速時回生走行》
制御部６０は、電気車両１が減速する場合（すなわち減速時回生走行の場合）に、動力切換機構５０を第１状態（図１に示した状態）に設定し、第１モータ３１および第２モータ３２の少なくとも一方を発電状態に設定し、内燃機関３を停止状態に設定し、第１モータ３１および第２モータ３２の少なくとも一方において生成された回生電力を電池６１に蓄積するように構成されている。

具体的には、コントローラ７３は、駆動輪２の回転数の変化に基づいて電気車両１が減速中であるか否かを判定し、電気車両１が減速中であると判定すると動力切換機構５０を第１状態に設定する。そして、コントローラ７３は、電気車両１の減速度（具体的には、電気車両１のブレーキペダル（図示を省略）の踏み込み量）に応じて回生ブレーキ量を求める。コントローラ７３は、その回生ブレーキ量が得られるように第１インバータ７１および第２インバータ７２の少なくとも一方を制御して第１モータ３１および第２モータ３２の少なくとも一方を発電させる。なお、コントローラ７３は、駆動輪２の回転数の大きさや回生ブレーキ量の大きさに応じて、第１モータ３１および第２モータ３２のうちどのモータを発電させるのかを決定するように構成されていてもよい。

減速時回生走行の場合（すなわち電気車両１を発電させながら減速させる場合）では、動力切換機構５０が第１状態に設定され、第１モータ３１および第２モータ３２の少なくとも一方が発電状態に設定され、内燃機関３が停止状態に設定される。これにより、駆動輪２の回転力が動力伝達機構４０を経由してシャフト２０および第２モータ３２に伝達されて第２モータ３２が回転し、シャフト２０の動力が動力切換機構５０を経由して第１モータ３１に伝達されて第１モータ３１が回転する。そして、第１モータ３１および第２モータ３２のうち発電状態に設定されているモータが発電し、その発電により生成された電力（回生電力）が電池６１に蓄積される。

《非加速走行 その１》
制御部６０は、電気車両１が比較的に緩やかに減速する場合（すなわち非加速走行の場合）に、動力切換機構５０を第２状態（図２に示した状態）に設定し、第１モータ３１と第２モータ３２と内燃機関３とを停止状態に設定する。また、制御部６０は、電気車両１が比較的に急に減速する場合（例えば電気車両１のブレーキペダルが踏み込まれている場合）に、動力切換機構５０を第１状態（図１に示した状態）に設定し、第１モータ３１および第２モータ３２の少なくとも一方を発電状態に設定し、内燃機関３を停止状態に設定する。このようにして、第１モータ３１および第２モータ３２の少なくとも一方において生成された回生電力を電池６１に蓄積するように構成されていてもよい。非加速走行は、電気車両１が緩やかに減速している走行状態のことであり、具体的には、電気車両１のアクセルペダルおよびブレーキペダル（いずれも図示を省略）のいずれもが踏み込まれておらず且つ電気車両１の減速度が予め定められた減速度閾値を下回っている走行状態のことである。

以上のように構成することにより、電気車両１の非加速走行において、第１モータ３１および第２モータ３２における発電を抑制して電気車両１の慣性走行距離を延ばすことができる。

《非加速走行 その２》
また、制御部６０は、電気車両１が比較的に緩やかに減速する場合に、動力切換機構５０を第１状態（図１に示した状態）または第２状態（図２に示した状態）に設定し、第１モータ３１と第２モータ３２と内燃機関３とを停止状態に設定する。また、制御部６０は、電気車両１が比較的に急に減速する場合に、動力切換機構５０を第１状態（図１に示した状態）に設定し、第１モータ３１および第２モータ３２の少なくとも一方を発電状態に設定し、内燃機関３を停止状態に設定する。このようにして、第１モータ３１および第２モータ３２の少なくとも一方において生成された回生電力を電池６１に蓄積するように構成されていてもよい。

具体的には、制御部６０は、電気車両１の中低速走行（中低速低負荷走行または中低速高負荷走行）中に電気車両１のアクセルペダルの踏み込みが解除されて電気車両１が非加速走行（すなわち、電気車両１のアクセルペダルおよびブレーキペダルのいずれもが踏み込まれておらず且つ電気車両１の減速度が減速度閾値を下回っている走行状態）となった時点から予め定められた待機時間（例えば数秒間）が経過するまで第１非加速走行動作を行う。さらに、電気車両１の中低速走行中に電気車両１が非加速走行となった時点から待機時間が経過した後に第２非加速走行動作を行い、電気車両１が非加速走行となっているときに電気車両１のブレーキペダルが踏み込まれた場合に減速時回生走行動作を行うように構成されていてもよい。なお、第１非加速走行動作は、動力切換機構５０を第１状態（図１に示した状態）に設定し、第１モータ３１と第２モータ３２と内燃機関３とを停止状態に設定する動作のことである。第２非加速走行動作は、動力切換機構５０を第２状態（図２に示した状態）に設定し、第１モータ３１と第２モータ３２と内燃機関３とを停止状態に設定する動作のことである。減速時回生走行動作は、動力切換機構５０を第１状態に設定し、第１モータ３１および第２モータ３２の少なくとも一方を発電状態に設定し、内燃機関３を停止状態に設定し、第１モータ３１および第２モータ３２の少なくとも一方において生成された回生電力を電池６１に蓄積する動作のことである。

以上のように、電気車両１の非加速走行において第２非加速走行動作（動力切換機構５０を第２状態に設定し、第１モータ３１と第２モータ３２と内燃機関３とを停止状態に設定する動作）を行う。このことにより、第１モータ３１および第２モータ３２における発電を抑制して電気車両１の慣性走行距離を延ばすことができる。

なお、電気車両１の中低速走行（中低速低負荷走行または中低速高負荷走行）中にアクセルペダルからブレーキペダルへ踏み替えられると、短期間中に電気車両１が中低速走行と非加速走行と減速時回生走行とに順に切り換えられることになる。そのため、電気車両１の中低速走行中に電気車両１が非加速走行となった直後に第２非加速走行動作を行うように制御部６０が構成されている場合、電気車両１の中低速走行中にアクセルペダルからブレーキペダルへ踏み替えられると、短期間中に動力切換機構５０が第１状態から第２状態に切り換えられた後に第１状態に再び切り換えられることになる。このように動力切換機構５０が短期間中に頻繁に切り換えられると、電気車両１にショックが発生するおそれがある。

したがって、電気車両１の中低速走行中に電気車両１が非加速走行となった時点から待機時間（具体的には、アクセルペダルからブレーキペダルへの踏み替え動作に要する時間よりも長い時間）が経過するまで第１非加速走行動作を行い、電気車両１が非加速走行となった時点から待機時間が経過した後に第２非加速走行動作を行う。このことにより、動力切換機構５０の状態が頻繁に切り換わること（具体的には、電気車両１の中低速走行中のアクセルペダルからブレーキペダルへの踏み替え動作に起因して動力切換機構５０の状態が頻繁に切り換わること）を抑制することができる。

〔実施形態による効果〕
以上のように、この実施形態による車両駆動装置１０では、動力切換機構５０を第１状態（図１に示した状態）に設定することにより、第１モータ３１の動力および第２モータ３２の動力を用いて駆動輪２を駆動することができる。また、動力切換機構５０を第２状態（図２に示した状態）に設定することにより、第２モータ３２の動力を用いて駆動輪２を駆動することができる。そして、動力切換機構５０を第３状態（図３に示した状態）に設定することにより、内燃機関３の動力を用いて第１モータ３１を発電させることができる。このように、動力切換機構５０の状態を切り換えることにより、第１モータ３１を駆動用と発電用との両方で利用することができるので、２つの駆動用のモータに加えて発電用の発電機を設ける場合（すなわち３つの回転電気機械を設ける場合）よりも、車両駆動装置１０を小型化することができる。これにより、電気車両１の内部における車両駆動装置１０の占有空間を縮小することができるので、電気車両１の内部空間を有効に利用することができる。

〔第１モータの動力特性〕
次に、図５を参照して、第１モータ３１の動力特性について説明する。図５において、走行抵抗曲線Ｌ１は、電気車両１の走行抵抗に対応している。走行抵抗は、電気車両１の転がり抵抗と空気抵抗と勾配抵抗と加速抵抗とに基づいて決定される。図５では、走行抵抗曲線Ｌ１は、勾配がゼロであり且つ加速抵抗がゼロである場合（すなわち平坦な路面を一定速度で走行する場合）の走行抵抗に対応している。要求動力性能曲線Ｌ２は、走行抵抗曲線Ｌ１に基づいて決定される要求動力性能（電気車両１の走行のために車両駆動装置１０に要求される駆動力）に対応している。最大駆動力Ｐ１は、最大載積量で最大勾配から発進する場合に必要となる駆動力（駆動輪２を駆動させるための動力）に該当する。最高速度Ｖ１は、走行抵抗曲線Ｌ１と要求動力性能曲線Ｌ２との交点における電気車両１の速度に該当する。余裕駆動力Ｐ０は、走行抵抗と要求動力性能との差分（詳しくは共通の速度値に対応する走行抵抗曲線Ｌ１の走行抵抗値と要求動力性能曲線Ｌ２の要求動力性能値との差分）に該当し、電気車両１の加速性能を決定する要因となる。例えば、スポーツカーのような加速が比較的に鋭く最高速度が比較的に高い電気車両１では、要求動力性能が比較的に高くなる傾向にある。

第１動力特性曲線Ｌ３１は、第１モータ３１の動力特性（すなわち第１モータ３１において生成することができる駆動力）に対応している。なお、第１動力特性曲線Ｌ３１における駆動力および速度は、車両駆動装置１０におけるギア比や駆動輪２の径（タイヤ径）などに基づいて第１モータ３１のトルク回転数特性（図６参照）におけるトルクおよび回転数をそれぞれ換算することにより得られる。また、図中の百分率（９５％，８５％，７５％，６５％）は、第１モータ３１の総合効率を示している。第１モータ３１の総合効率には、第１モータ３１の銅損および鉄損と第１モータ３１に接続された第１インバータ７１の損失とが含まれている。

図５のハッチング領域Ｒ１で示すように、電気車両１の中低速低負荷走行では、駆動輪２の回転数が比較的に低く且つ駆動輪２の負荷が比較的に低くなっている。よって、電気車両１の動作点が低速低負荷領域（速度が比較的に低く且つ負荷が比較的に低い領域）に集中する傾向にある。なお、第１モータ３１（低速モータ）は、電気車両１の中低速低負荷走行に対応する低出力領域（回転数（速度）が予め定められた回転数閾値以下であり且つ負荷が予め定められた負荷閾値以下である出力領域）において比較的に高効率となるように構成されている。したがって、電気車両１の中低速低負荷走行において、第１モータ３１の動力を用いて駆動輪２を駆動させることにより、駆動輪２の駆動を効率良く行うことができる。

〔第１モータのトルク回転数特性および起電圧特性〕
次に、図６を参照して、第１モータ３１のトルク回転数特性および起電圧特性について説明する。この例では、第１モータ３１は、永久磁石モータによって構成されている。図６において、第１動力特性曲線Ｌ３１は、その駆動力および速度がトルクおよび回転数にそれぞれ換算されている。すなわち、図６では、第１動力特性曲線Ｌ３１は、第１モータ３１のトルク回転数特性に対応している。また、起電圧特性曲線Ｌ４１は、第１モータ３１の回転に起因する第１モータ３１の起電圧に対応している。

一般的に、永久磁石モータでは、回転子に設けられた永久磁石によりロータ界磁が形成されるので、ロータ界磁を電力により形成する場合よりも、駆動効率が良好である。しかしながら、図６に示すように、永久磁石モータでは、永久磁石モータの回転数が高くなるに連れて永久磁石モータにおいて発生する起電圧が高くなる傾向にある。そして、永久磁石モータの起電圧が電源（例えば電池６１）の電圧と等しくなると、電源からインバータを経由して永久磁石モータへ電力を供給することができなくなる。この場合、弱め界磁制御を行うことにより、永久磁石モータの永久磁石の界磁を弱めて永久磁石モータの起電圧を低減することができ、その結果、電源からインバータを経由して永久磁石モータへ電力を供給することができる。しかしながら、永久磁石の界磁を弱めることで永久磁石モータの効率が低下してしまう。

また、永久磁石モータでは、永久磁石モータの回転子（永久磁石を有する回転子）が回転すると、永久磁石モータの固定子に渦電流が発生して鉄損が発生する。そして、永久磁石モータの回転数が高くなるに連れて永久磁石モータに発生する渦電流が多くなる傾向にある。

なお、この実施形態による車両駆動装置１０では、低速モータである第１モータ３１が永久磁石モータによって構成され、高速モータである第２モータ３２が磁石レスモータ（誘導モータ，スイッチドリラクタンスモータ，同期リラクタンスモータなど）によって構成されている。したがって、中低速低負荷走行において、第２モータ３２がシャフト２０の回転に伴って回転したとしても、磁石レスモータによって構成された第２モータ３２には、起電圧や渦電流が発生しない。ゆえに、第２モータ３２における起電圧上昇や渦電流損失の発生を回避することができる。

〔磁石レスモータによって構成された第２モータの動力特性〕
次に、図７を参照して、磁石レスモータによって構成された第２モータ３２（高速モータ）の動力特性について説明する。図７において、第２動力特性曲線Ｌ３２は、第２モータ３２の動力特性（すなわち第２モータ３２において生成することが可能な駆動力）に対応している。また、上述のように、磁石レスモータによって構成された第２モータ３２には起電圧が発生しない。そのため、第２モータ３２（高速モータ）は、電気車両１の高速走行に対応する高出力領域（回転数（速度）が予め定められた回転数閾値を上回る出力領域）において比較的に高効率となるように構成されている。したがって、電気車両１の高速走行において、磁石レスモータにより構成された第２モータ３２の動力を用いて駆動輪２を駆動させることにより、駆動輪２の駆動力を効率良く行うことができる。

〔第１および第２モータの動力特性〕
次に、図８を参照して、第１モータ３１および第２モータ３２の動力特性について説明する。図８において、第２動力特性曲線Ｌ３２は、第２モータ３２の動力特性（すなわち第２モータ３２において生成することが可能な駆動力）に対応している。総合動力特性曲線Ｌ３３は、第１動力特性曲線Ｌ３１と第２動力特性曲線Ｌ３２とを合成して得られる曲線（すなわち第１モータ３１および第２モータ３２において生成することが可能な駆動力の総量）に対応している。

図８に示すように、第１モータ３１の動力特性と第２モータ３２の動力特性とを合成することにより、要求動力性能曲線Ｌ２を上回る総合動力特性曲線Ｌ３３を得ることができる。すなわち、電気車両１の中低速高負荷走行において、第１モータ３１の動力を用いて駆動輪２を駆動するとともに、第２モータ３２の動力を用いて駆動輪２の駆動を補助する。このことにより、電気車両１の中低速高負荷走行に対応する動力を得ることができる。

また、図７、図８より、第２モータ３２（高速モータ）は、電気車両１の高速走行に対応する高出力領域（回転数（速度）が予め定められた回転数閾値を上回る出力領域）において比較的に高効率となるように構成されている。したがって、電気車両１の高速走行において、第２モータ３２の動力を用いて駆動輪２を駆動させることにより、駆動輪２の駆動を効率良く行うことができる。

〔永久磁石モータによって構成された第２モータの動力特性〕
なお、以上の説明では、第２モータ３２が磁石レスモータによって構成されている場合を例に挙げたが、第２モータ３２は、高速仕様の永久磁石モータによって構成されていてもよい。

次に、図９を参照して、高速仕様の永久磁石モータによって構成された第２モータ３２（高速モータ）の動力特性について説明する。図９において、第２動力特性曲線Ｌ３２は、第２モータ３２の動力特性（すなわち第２モータ３２において生成することが可能な駆動力）に対応している。第２起電圧特性曲線Ｌ４２は、第２モータ３２の回転に起因する第２モータ３２の起電圧に対応している。

図９に示すように、高速仕様の永久磁石モータでは、第２起電圧特性曲線Ｌ４２の傾きが緩やかになるように第２モータ３２の動力特性が設定されている。これにより、第２モータ３２の回転数の増加に伴う第２モータの起電力の増加を抑制することができ、弱め界磁制御が行われる頻度を低減することができる。このように、第２モータ３２（高速モータ）は、電気車両１の高速走行に対応する高出力領域（回転数（速度）が予め定められた回転数閾値を上回る出力領域）において比較的に高効率となるように構成されている。したがって、電気車両１の高速走行において、第２モータ３２の動力を用いて駆動輪２を駆動させることにより、駆動輪２の駆動を効率良く行うことができる。

〔モータの比較例〕
次に、図１０を参照して、第１モータ３１および第２モータ３２の比較例について説明する。図１０は、１つのモータを用いて駆動輪２を駆動する例を示している。図１０において、動力特性曲線Ｌ９０は、モータの比較例の動力特性（すなわち１つのモータにおいて生成することが可能な駆動力）に対応している。

電気車両では、１つのモータの動力により要求動力性能を満足することができるように１つのモータの動力特性を設定することが一般的である。しかしながら、このように設定する場合、図１０のハッチング領域Ｒ１で示すように、中低速低負荷走行における電気車両の動作点がモータの低効率領域（モータの効率が比較的に低くなっている領域）に集中する傾向にある。

また、１つのモータを永久磁石モータにより構成する場合、高回転領域Ｒ２において、モータの起電圧を低減するために弱め界磁制御が行われる。この弱め界磁制御を行うことにより、永久磁石モータの永久磁石の界磁が弱められてモータの高速回転が可能となる。しかしながら、図１０に示したモータの比較例では、高回転領域Ｒ２において永久磁石の界磁を弱めることでモータ（永久磁石モータ）の効率を低下させることになる。

一方、この実施形態による車両駆動装置１０では、低速モータである第１モータ３１と高速モータである第２モータ３２とを併用することにより、低速から高速まで広範囲に亘って駆動輪２の駆動を効率良く行うことができる。

〔その他の実施形態〕
なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、この開示、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、この開示は、車両駆動装置に適用可能である。

１ 電気車両
２ 駆動輪
３ 内燃機関
１０ 車両駆動装置
２０ シャフト
３１ 第１モータ
３２ 第２モータ
４０ 動力伝達機構
４１ ギア
４２ ディファレンシャル機構
４３ ドライブシャフト
５０ 動力切換機構
５１ 第１クラッチ部材
５２ 第２クラッチ部材
５３ 第３クラッチ部材
６０ 制御部
６１ 電池
６２ プラグ
６３ 充電器
７１ 第１インバータ
７２ 第２インバータ
７３ コントローラ

Claims (12)

1. 内燃機関を備えた電気車両の駆動輪を駆動する車両駆動装置であって、
   シャフトと、
   第１モータと、
   前記シャフトと連結するように構成された第２モータと、
   前記シャフトの動力および前記第２モータの動力を前記駆動輪に伝達するように構成された動力伝達機構と、
   前記第１モータと前記シャフトと前記内燃機関とに接続され、前記第１モータと前記シャフトとの間の動力伝達を許容する一方で前記第１モータと前記内燃機関との間の動力伝達を禁止する第１状態と、前記第１モータと前記シャフトとの間の動力伝達を禁止するとともに前記第１モータと前記内燃機関との間の動力伝達を禁止する第２状態と、前記第１モータと前記内燃機関との間の動力伝達を許容する一方で前記第１モータと前記シャフトとの間の動力伝達を禁止する第３状態の、３つの状態のみを有し、前記第１状態、前記第２状態、および前記第３状態のうちのいずれか１つに切り換え可能に構成された動力切換機構とを備え、
   前記動力切換機構は、第１クラッチ部材と、第２クラッチ部材と、第３クラッチ部材とを有し、
   前記第１クラッチ部材は、前記第１モータに接続され、前記第２クラッチ部材は、前記シャフトに接続され、前記第３クラッチ部材は、前記内燃機関の駆動軸に接続され、
   前記第１状態では、前記第１クラッチ部材は、前記第２クラッチ部材と係合する一方で前記第３クラッチ部材から切り離され、
   前記第２状態では、前記第１クラッチ部材は、前記第２クラッチ部材および前記第３クラッチ部材の両方から切り離され、
   前記第３状態では、前記第１クラッチ部材は、前記第３クラッチ部材と係合する一方で前記第２クラッチ部材から切り離される車両駆動装置。
2. 請求項１において、
   前記第１モータは、低速モータであり、
   前記第２モータは、高速モータであり、
   前記高速モータの動力特性における速度範囲と駆動力範囲は、いずれも前記低速モータの動力特性における速度範囲と駆動力範囲より大きい
   車両駆動装置。
3. 請求項２において、
   前記第１モータは、永久磁石を有する永久磁石モータによって構成され、
   前記第２モータは、永久磁石を有さない磁石レスモータによって構成されている車両駆動装置。
4. 請求項１において、
   前記第１モータと前記第２モータと前記内燃機関と前記動力切換機構とを制御するように構成された制御部をさらに備えている車両駆動装置。
5. 請求項４において、
   前記制御部は、前記車両の走行時に、前記駆動輪の回転数が予め定められた回転数閾値以下であり且つ前記駆動輪の負荷が予め定められた負荷閾値以下である場合に、前記動力切換機構を前記第１状態に設定し、前記第１モータを駆動状態に設定し、前記第２モータおよび前記内燃機関を停止状態に設定するように構成されている車両駆動装置。
6. 請求項４において、
   前記制御部は、前記車両の走行時に、前記駆動輪の回転数が予め定められた回転数閾値以下であり且つ前記駆動輪の負荷が予め定められた負荷閾値を上回る場合に、前記動力切換機構を前記第１状態に設定し、前記第１モータおよび前記第２モータを駆動状態に設定し、前記内燃機関を停止状態に設定するように構成されている車両駆動装置。
7. 請求項４において、
   前記制御部は、前記駆動輪の回転数が予め定められた回転数閾値を上回る場合に、前記動力切換機構を前記第２状態に設定し、前記第２モータを駆動状態に設定し、前記第１モータおよび前記内燃機関を停止状態に設定するように構成されている車両駆動装置。
8. 請求項４において、
   前記制御部は、電力を蓄積するように構成された電池を有し、前記車両の走行時に、前記電池に蓄積された電力の残量が予め定められた残量閾値を下回る場合に、前記動力切換機構を前記第３状態に設定し、前記内燃機関を駆動状態に設定し、前記第１モータにおいて生成された電力を用いて前記第２モータを駆動状態に設定するように構成されている車両駆動装置。
9. 請求項８において、
   前記制御部は、前記第１モータにおいて発電された電力のうち前記第２モータの駆動に用いられない余剰電力を前記電池に蓄積するように構成されている車両駆動装置。
10. 請求項８において、
    前記制御部は、前記電気車両が減速する場合に、前記動力切換機構を前記第１状態に設定し、前記第１モータおよび前記第２モータの少なくとも一方を発電状態に設定し、前記内燃機関を停止状態に設定し、前記第１モータおよび前記第２モータの少なくとも一方において生成された回生電力を前記電池へ蓄積するように構成されている車両駆動装置。
11. 請求項４において、
    前記制御部は、前記電気車両のアクセルペダルおよびブレーキペダルのいずれもが踏み込まれておらず且つ前記電気車両の減速度が予め定められた減速度閾値を下回っている場合に、前記動力切換機構を前記第１状態または前記第２状態に設定し、前記第１モータと前記第２モータと前記内燃機関とを停止状態に設定するように構成されている車両駆動装置。
12. 駆動輪と、
    内燃機関と、
    前記内燃機関と機械的に接続され前記駆動輪を駆動する車両駆動装置とを備え、
    前記車両駆動装置は、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の車両駆動装置によって構成されている電気車両。

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