| 【発明の名称】 |
ハイブリッド車両 |
| 【発明者】 |
【氏名】山口 幸蔵
【氏名】久田 秀樹
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| 【要約】 |
【課題】ハイブリッド車両の電力効率の向上と、エンジンの駆動効率の向上を図る。
【解決手段】エンジン１１と、発電機１６と、出力軸１４とをプラネタリギヤユニット１３を介して連結し、出力軸１４に電気モータ２５のトルクを出力する構成において、エンジン回転数制御手段は、エンジン１１が最高効率領域で駆動するように回転数を制御し、発電機制御手段は、ブレーキ２８によって発電機を停止させて電力効率を向上させる。また、係合時回転数演算手段によって、ブレーキ係合時のエンジン回転数を演算し、発電機回転数の制御を容易とする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 内燃エンジンと、回転数制御可能な発電機と、前記発電機と連結された第１の歯車要素と、出力軸と連結された第２の歯車要素と、前記内燃エンジンと連結された第３の歯車要素とを備えた差動歯車装置と、前記出力軸と一体的に回転する電気モータと、バッテリ残量、アクセル開度、車速のうち少なくともひとつの要素に基づいて、前記内燃エンジンの回転数を予め定められた範囲内に制御するエンジン回転数制御手段と、該エンジン回転数制御手段により制御された回転数に応じて前記発電機の回転数を制御する発電機制御手段とを備え、前記発電機制御手段は、前記発電機の回転を停止させるブレーキを含み、前記エンジン回転数制御手段は、車速から前記ブレーキ係合時のエンジン回転数を演算する係合時回転数演算手段を含むことを特徴とするハイブリッド車両。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気モータが連結された出力軸に、差動歯車装置を介してエンジンと発電機が連結された駆動系を有するハイブリッド車両にかかり、詳しくは、発電機をモータとしても回転数制御し得るハイブリッド車両に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、低公害、低燃費を実現するために、エンジンとモータとを併用した駆動装置を有するハイブリッド車両が提供されている。この種のハイブリッド車両は各種提供されており、例えば、エンジンを駆動することによって発生させられた回転を発電機に伝達して発電機を駆動し、該発電機によって得られた電力をバッテリに送って充電し、さらに該バッテリの電力により駆動モータを駆動するようにしたシリーズ（直列）式のハイブリッド車両や、エンジンと駆動モータの駆動力を出力軸に伝達して車両を走行させ、主として駆動モータの出力を制御して増減速を行うパラレル（並列）式のハイブリッド車両などがある。
【０００３】前述のパラレル式のハイブリッド車両においては、差動歯車装置を介して、エンジンと発電機と駆動出力軸とを連結し、駆動出力軸には駆動モータを接続した構造のハイブリッド車両が提案されている（米国特許登録第３，５６６，７１７号）。エンジン出力の一部で発電機は駆動し、その回生電力はバッテリーへ供給される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】一方、上記差動歯車装置を有するパラレル式のハイブリッド車両においては、次のような問題がある。バッテリーへの充電は、発電機からの発生電力と、制動時の駆動モータからの回生電力により賄われるが、バッテリーには許容充電量があり、バッテリーの許容充電量を越えた場合には、過充電となるため十分な回生制動ができない場合がある。
【０００５】また、アクセルペダルをオフ状態とし、または車両を制動状態とした時に、電気モータによる回生を優先するためにエンジンを停止する制御を行うと、上記のような差動歯車装置を有する方式の車両では、発電機が差動歯車装置を介して出力軸に連結されているので、高速走行時には発電機の回転数が最高許容回転数を越える場合があり、発電機が制御不能となる恐れがある。
【０００６】さらに、高速走行状態では、エンジンの回転数もある程度上げる必要があり、高速走行のために十分なエンジントルクを得るためには、図１３に示されているような最高効率領域（イ）を外れた領域でエンジンを駆動させなければならず、低燃費を実現することが困難となる。
【０００７】本発明の目的は、回生効率が向上し、エンジンの駆動効率が向上したハイブリッド車両を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】このような目的は、以下の発明により達成される。
【０００９】（１） 内燃エンジンと、回転数制御可能な発電機と、前記発電機と連結された第１の歯車要素と、出力軸と連結された第２の歯車要素と、前記内燃エンジンと連結された第３の歯車要素とを備えた差動歯車装置と、前記出力軸と一体的に回転する電気モータと、バッテリ残量、アクセル開度、車速のうち少なくともひとつの要素に基づいて、前記内燃エンジンの回転数を予め定められた範囲内に制御するエンジン回転数制御手段と、該エンジン回転数制御手段により制御された回転数に応じて前記発電機の回転数を制御する発電機制御手段とを備え、前記発電機制御手段は、前記発電機の回転を停止させるブレーキを含み、前記エンジン回転数制御手段は、車速から前記ブレーキ係合時のエンジン回転数を演算する係合時回転数演算手段を含むことを特徴とするハイブリッド車両。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明のハイブリッド車両の第１実施形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態のハイブリッド車両の駆動装置を示す概念図である。図において、第１軸線上には、エンジン１１と、エンジン１１を駆動させることによって発生する回転を出力するエンジン出力軸１２と、該エンジン出力軸１２を介して入力された回転に対して変速を行う差動歯車装置であるプラネタリギヤユニット１３と、該プラネタリギヤユニット１３における変速後の回転が出力されるユニット出力軸１４と、該ユニット出力軸１４に固定された第１カウンタドライブギヤ１５と、通常走行状態では主として発電機として作用する発電機１６と、該発電機１６とプラネタリギヤユニット１３とを連結する伝達軸１７とが配置されている。ユニット出力軸１４は、スリーブ形状を有し、エンジン出力軸１２を包囲して配設されている。また、第１カウンタドライブギヤ１５は、プラネタリギヤユニット１３よりエンジン１１側に配設されている。
【００１１】プラネタリギヤユニット１３は、第１の歯車要素であるサンギヤＳと、サンギヤＳと噛合するピニオンＰと、該ピニオンＰと噛合する第２の歯車要素であるリングギヤＲと、ピニオンＰを回転自在に支持する第３の歯車要素であるキャリヤＣＲとを備えている。サンギヤＳは、伝達軸１７を介して発電機１６と連結され、リングギヤＲは、ユニット出力軸１４を介して第１カウンタドライブギヤ１５と連結され、キャリヤＣＲは、エンジン出力軸１２を介してエンジン１１と連結されている。
【００１２】さらに、発電機１６は伝達軸１７に固定され、回転自在に配設されたロータ２１と、該ロータ２１の周囲に配設されたステータ２２と、該ステータ２２に巻装されたコイル２３とを備えている。発電機１６は、伝達軸１７を介して伝達される回転によって電力を発生させる。前記コイル２３は図２に示されている蓄電手段であるバッテリ１９に接続され、該バッテリ１９に電力を供給して充電する。
【００１３】発電機１６には、伝達軸１７の他端側に、ブレーキ２８が接続されており、このブレーキ２８を係合状態とすることで、ロータ２１が固定され、発電機１６の回転およびサンギヤＳの回転が停止されるようになっている。
【００１４】第１軸線と平行な第２軸線上には、電気モータ２５と、電気モータ２５の回転が出力されるモータ出力軸２６と、モータ出力軸２６に固定された第２カウンタドライブギヤ２７とが配置されている。
【００１５】電気モータ２５は、モータ出力軸２６に固定され、回転自在に配設されたロータ３７と、該ロータ３７の周囲に配設されたステータ３８と、該ステータ３８に巻装されたコイル３９とを備えている。電気モータ２５は、コイル３９に供給される電流によってトルクを発生させる。そのために、コイル３９は上記バッテリ１９に接続され、該バッテリ１９から電流が供給されるように構成されている。本発明のハイブリッド車両が減速状態において、電気モータ２５は、図示しない駆動輪から回転を受けて回生電力を発生させ、該回生電力をバッテリ１９に供給して充電する。
【００１６】そして、前記エンジン１１の回転と同じ方向に図示しない駆動輪を回転させるために、第１軸線及び第２軸線と平行な第３軸線上には、駆動出力軸としてカウンタシャフト３１が配設されている。該カウンタシャフト３１にはカウンタドリブンギヤ３２が固定されている。また、該カウンタドリブンギヤ３２と第１カウンタドライブギヤ１５とが、及びカウンタドリブンギヤ３２と第２カウンタドライブギヤ２７とが噛合させられ、第１カウンタドライブギヤ１５の回転及び第２カウンタドライブギヤ２７の回転が反転されてカウンタドリブンギヤ３２に伝達されるようになっている。
【００１７】さらに、カウンタシャフト３１には、カウンタドリブンギヤ３２より歯数が小さなデフピニオンギヤ３３が固定される。そして、第１軸線、第２軸線及び第３軸線に平行な第４軸線上にデフリングギヤ３５が配設され、該デフリングギヤ３５と前記デフピニオンギヤ３３とが噛合させられる。また、前記デフリングギヤ３５にディファレンシャル装置３６が固定され、デフリングギヤ３５に伝達された回転が前記ディファレンシャル装置３６によって差動させられ、駆動輪に伝達される。上記構成において、駆動出力系は、プラネタリギヤユニット１３と、発電機１６と、第１カウンタドライブギヤ１５と、カウンタドリブンギヤ３２と、第２カウンタドライブギヤ２７と、カウンタシャフト３１と、デフピニオンギヤ３３と、デフリングギヤ３５と、ディファレンシャル装置３６とによって構成されている。
【００１８】このように、エンジン１１によって発生させられた回転をカウンタドリブンギヤ３２に伝達することができるだけでなく、電気モータ２５によって発生させられた回転をカウンタドリブンギヤ３２に伝達することができるので、エンジン１１だけを駆動するエンジン駆動モード、電気モータ２５だけを駆動するモータ駆動モード、並びにエンジン１１及び電気モータ２５を駆動するエンジン・モータ駆動モードでハイブリッド型車両を走行させることができる。また、発電機１６において発生させられる電力を制御することによって、前記伝達軸１７の回転数を制御することができる。さらに、発電機１６によってエンジン１１を始動させることもできる。また、発電機の回転を停止させる場合には、ブレーキ２８を係合せさて発電機１６のロータ２１を固定することができる。
【００１９】次に、本発明のハイブリッド車両の制御系について、図２のブロック図に基づいて詳細に説明する。本実施形態の制御系は、車両制御装置４１と、エンジン制御装置４２と、モータ制御装置４３と、発電機制御装置４４とを有している。これらの制御装置４１、４２、４３、４４は、例えばＣＰＵ（中央処理装置）、各種プログラムやデータが格納されたＲＯＭ（リード・オン・メモリ）、ワーキングエリアとして使用されるＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）等を備えたマイクロコンピュータによって構成することができる。
【００２０】ここで、エンジン回転数制御手段は、バッテリ残量、アクセル開度、車速のうち少なくともひとつの要素に基づいて、エンジン回転数を制御する。発電機制御手段は、発電機の回転を停止させるブレーキを含み、エンジン回転数制御手段は、車速から前記ブレーキ係合時のエンジン回転数を演算する係合時回転数演算手段を含む。
【００２１】即ち、エンジン回転数制御手段は、車両制御装置４１とエンジン制御装置４２とによって、発電機制御手段は、車両制御装置４１と発電機制御装置４４とブレーキ２８とによって、係合時回転数演算手段は、車両制御装置４１によってそれぞれ構成されている。
【００２２】さらに、この制御系は、アクセル開度αを検出するアクセルセンサ４５と、車速Ｖを検出する車速センサ４６と、ブレーキ踏み量βを検出する減速操作検出手段であるブレーキセンサ４７と、バッテリ１９の充電残量ＳＯＣを検出する充電容量検出手段であるバッテリセンサ４８とを備えている。それぞれのセンサ４５、４６、４７、４８で検出された検出値は車両制御装置４１へ供給される。車速センサ４６は、実際に車軸の回転数を検出し、車両制御装置４１へ検出した回転数を供給する。車両制御装置４１は、車速センサ４６から供給された回転数に基づいて車速Ｖを算出する。
【００２３】車両制御装置４１は、ハイブリッド車両の全体を制御するもので、アクセルセンサ４５からのアクセル開度αと、車速センサ４６からの車速Ｖに応じたトルクＴＭ* を決定して、これをモータ制御装置４３へ供給する。
【００２４】また、車両制御装置４１は、エンジン制御装置４２に対してエンジンＯＮ／ＯＦＦ信号を供給する。具体的には、例えば、ブレーキが踏み込まれて、ブレーキセンサ４７からブレーキ踏み込み量βが供給されると、エンジン１１を非駆動状態とするエンジンＯＦＦ信号を供給し、ブレーキが解除されるとエンジン１１を駆動状態とするエンジンＯＮ信号を供給する。このエンジンＯＮ／ＯＦＦ信号は、アクセルのＯＮ／ＯＦＦによって信号が切り換わる構成としてもよい。
【００２５】エンジン制御装置４２は、車両制御装置４１から入力されるＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて、エンジン１１を、エンジントルクを出力している駆動状態（ＯＮ状態）と、エンジントルクを発生させていない非駆動状態（ＯＦＦ状態）とに切換えるとともに、エンジン回転数センサから入力されたエンジン回転数ＮＥに応じてエンジン１１のスロットル開度θを制御することで、エンジン１１の出力を制御するようになっている。また、このエンジン制御装置４２によって、エンジン１１は常時最高効率領域で運転されるように制御されている。
【００２６】さらに、車両制御装置４１は、発電機ブレーキ２８を動作させる電磁バルブ５４へソレノイドＯＮ／ＯＦＦ信号を供給する。電磁バルブ５４は、供給されるＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて電磁バルブ５４に内蔵されているソレノイドが作動し、例えばＯＮ信号の場合には、ソレノイドが作動してバルブが開放され、オイルポンプからの圧油を発電機ブレーキ２８へ供給して発電機ブレーキ２８を係合状態とし、ＯＦＦ信号の場合には、バルブが閉鎖されて発電機ブレーキ２８の係合を解除する。
【００２７】発電機制御装置４４は、発電機１６の回転数ＮＧを制御し、車両制御装置４１から供給された目標回転数ＮＧ* となるように、電流（トルク）ＩＧを制御する。発電機制御装置４４は、電流（トルク）ＩＧによって、発電機１６をモータとして駆動させることもできる。
【００２８】モータ制御装置４３は、供給されたトルクＴＭ* が電気モータ２５から出力されるように電気モータ２５の電流（トルク）ＩＭを制御する。
【００２９】次に、上記構成のハイブリッド車両の動作について説明する。図３（Ａ）は、本発明の第１実施形態のプラネタリギヤユニット１３（図１）の概念図、図３（Ｂ）は、本発明の第１実施形態におけるプラネタリギヤユニット１３の通常走行時の速度線図である。
【００３０】本実施形態においては、図３（Ａ）に示されているように、プラネタリギヤユニット１３のリングギヤＲの歯数がサンギヤＳの歯数の２倍となっている。従って、リングギヤＲに接続されるユニット出力軸１４の回転数（以下「リングギヤ回転数」という。）をＮＲとし、キャリヤＣＲに接続されるエンジン出力軸１２の回転数（以下「エンジン回転数」という。）をＮＥとし、サンギヤＳに接続される伝達軸１７の回転数（以下「発電機回転数」という。）をＮＧとした時、ＮＲ、ＮＥ、ＮＧの関係は、図３（Ｂ）に示されているように、【００３１】ＮＧ＝３・ＮＥ−２・ＮＲとなる。
【００３２】そして、ハイブリッド車両の通常走行時においては、リングギヤＲ、キャリヤＣＲおよびサンギヤＳは、いずれも正方向に回転させられ、図３（Ｂ）に示されるように、リングギヤ回転数ＮＲ、エンジンの回転数ＮＥ、発電機回転数ＮＧは、いずれも正の値を採る。
【００３３】次に、車両制御装置４１の制御動作について、図４、図９、図１０および図１２のフローチャート並びに図５、図６、図７、図８及び図１１のマップに基づき詳細に説明する。アクセルセンサ４５からアクセル開度αが車両制御装置４１に入力され（ステップＳ１０１）、ブレーキセンサ４７からブレーキ踏み量βが入力され（ステップＳ１０２）、車速センサ４６から車速Ｖが入力され（ステップＳ１０３）、またバッテリセンサ４８からバッテリ残量ＳＯＣが入力される（ステップＳ１０４）。
【００３４】入力されたアクセル開度αと、車速Ｖと、バッテリ残量ＳＯＣとから、図５〜図７に示されているマップに基づいてエンジン増速回転数ΔＮｅｉを演算する（ステップＳ１０５）。このマップは、車両制御装置４１内に予め記憶されており、車速が３０ｋｍ／ｈ以下である低速域でのマップ（図５）と、３０〜６０ｋｍ／ｈの範囲である中速域でのマップ（図６）と、６０ｋｍ／ｈ以上である高速域でのマップ（図７）に別れている。
【００３５】各マップは、アクセル開度αが大きい程、エンジン増速回転数ΔＮｅｉが大きく、かつバッテリ残量ＳＯＣが小さいほど、エンジン増速回転数ΔＮｅｉが大きくなるように設定されている。最初に、車速Ｖによって、３つのマップの内のいずれかが選択され、その後、アクセル開度αとバッテリ残量ＳＯＣから、縦軸のエンジン増速回転数ΔＮｅｉが決定される。なお、各マップにおいて、電力を節約するため、増減速が５００ｒｐｍ以上１５００ｒｐｍ以下の範囲でエンジン増速回転数ΔＮｅｉが求められる。
【００３６】次に、図８に示されているマップに基づき、ブレーキ踏み量βからエンジン減速回転数ΔＮｅｄを演算する（ステップＳ１０６）。図９のフローチャートに示されているように、エンジン増速回転数ΔＮｅｉとエンジン減速回転数ΔＮｅｄから、エンジン回転数増分ΔＮｅを求める（ΔＮｅ＝ΔＮｅｉ−ΔＮｅｄ）（ステップＳ１０７）。
【００３７】求められたエンジン回転数増分ΔＮｅの値が、−５００〜５００ｒｐｍの範囲であるか否かを判断する（ステップＳ１０８）。この範囲内である場合には、エンジン回転数増分ΔＮｅの値を０とする（ステップＳ１０９）。この範囲外である場合には、次のステップを実行する。
【００３８】エンジン回転数増分ΔＮｅの値が、１５００ｒｐｍより大きいか否かを判断する（ステップＳ１１０）。大きい場合には、エンジン回転数増分ΔＮｅの値を１５００とする（ステップＳ１１１）。小さい場合には、次のステップを実行する。
【００３９】図１０のフローチャートに示されているように、エンジン回転数増分ΔＮｅの値が、−１５００ｒｐｍより小さいか否かを判断する（ステップＳ１１２）。小さい場合には、エンジン回転数増分ΔＮｅの値を−１５００とする（ステップＳ１１３）。大きい場合には、次のステップを実行する。以上のように、エンジン回転数増分ΔＮｅの値を−１５００〜１５００ｒｐｍの範囲に制限したのは、発電機１６の最大出力を考慮したためである。
【００４０】図１１に示されているマップに基づき、発電機ブレーキ２８を係合して、発電機１６を固定した時のエンジン回転数（ブレーキオンエンジン回転数）Ｎｅｂを求める（ステップＳ１１４）。ブレーキオンエンジン回転数Ｎｅｂは、図１１のマップ中の直線ｃによって、横軸の車速から縦軸のエンジン回転数を求めることによって得られる。求められるエンジン回転数は、エンジンのアイドリングを保証するため、最低値を１０００ｒｐｍとしている。
【００４１】次に、ブレーキオンエンジン回転数Ｎｅｂとエンジン回転数増分ΔＮｅからエンジン回転数指令値Ｎｅｃを求める（Ｎｅｃ＝Ｎｅｂ＋ΔＮｅ）（ステップＳ１１５）。この回転数指令値Ｎｅｃは、車両制御装置４１からエンジン制御装置４２へ供給される。図１２に示されているように、エンジン回転数指令値Ｎｅｃが１０００ｒｐｍより大きいか否かを判断する（ステップＳ１１６）。小さい場合には、発電機１６を空転させて（ステップＳ１１７）エンジン１１のアイドリングを保証する。
【００４２】大きい場合には、エンジン回転数増分ΔＮｅが０であるか否かを判断し（ステップＳ１１８）、０である場合には、発電機ブレーキ２８を係合するためのＯＮ信号を電磁バルブ５４に出力する（ステップＳ１１９）。このブレーキ２８の係合によって、発電機を停止状態で保持するための電力エネルギを節約できる。
【００４３】エンジン回転数増分ΔＮｅが０でない場合には、エンジン回転数増分ΔＮｅの３倍の値を発電機回転数指令値とし（ステップＳ１２０）、発電機１６に該指令値を出力する。ここで、エンジン回転数増分ΔＮｅが正の値である場合には、発電機１６は発電をする。また、エンジン回転数増分ΔＮｅが負の値である場合には、発電機１６はモータとして駆動し、放電することとなる。
【００４４】上記制御動作において、エンジン増速回転数ΔＮｅｉを決定するマップ（図５〜図７）では、バッテリ残量ＳＯＣが大きい程、エンジン増速回転数ΔＮｅｉの値は小さく設定されるので、エンジン回転数増分ΔＮｅの値もバッテリ残量ＳＯＣが大きい程小さくなり、結果としてエンジン回転数増分ΔＮｅが負の値となれば、発電機１６はモータとして駆動し充電量を消費するように制御される。このため、ブレーキ踏み込み時には、効率良く回生制動することができる。
【００４５】また、高車速時の場合も同様で、図７に示されているように、バッテリ残量が大きいほど、エンジン増速回転数ΔＮｅｉは負の値を取ることとなり、結果としてエンジン回転数増分ΔＮｅが負の値となって、発電機１６はモータとして駆動する。図１３のエンジン最良燃費曲線図で説明すると、図中線ａは、最良燃費曲線であり、線ｂは、等燃料消費率曲線である。エンジン１１は、エンジン制御装置４２によって、最良燃費曲線に添って駆動するように制御され、特に通常走行時には、等燃料消費率曲線のなかで最も燃費の良い領域（イ）内で駆動するように制御される。
【００４６】車速が高速となると、エンジン回転数を上げる必要があるが、本発明では、上記のように発電機をモータとして駆動させることによって、発電機に回転数の増加分を負担させることができ、エンジン１１を最良燃費領域（イ）で駆動させることが可能となる。
【００４７】
【発明の効果】以上に説明したように、請求項１に記載の発明は、エンジンの回転数を最適効率領域で駆動させ、その際に生ずる出力不足を、発電機の回転数を制御することによって補うことができるので、高い燃料消費効率を維持することが可能となり、また発電機をモータとして駆動させると、蓄電手段の蓄電量を任意に減らすことができるので、蓄電手段の蓄電量を所望の量に制御することが可能となる。
【００４８】そして、バッテリ残量、アクセル開度、車速に基づき、エンジン回転数を制御することで、走行状態に合わせてエンジン回転数制御および発電機制御が可能となり、より効率の良いハイブリッド車両とすることができるとともに、発電機の回転を停止させるブレーキを設けることで、発電機の回転を０とする制御を行うための電力を消費する必要がなく、電力効率をさらに向上させることができる。
【００４９】この際、ブレーキを係合した時のエンジンの回転数を演算することによって、エンジン回転数制御手段により制御された回転数に応じて行う発電機回転数の制御が容易となる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】５９１２６１５０９
【氏名又は名称】株式会社エクォス・リサーチ
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| 【出願日】 |
平成７年（１９９５）１０月１４日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】堀 弘
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| 【公開番号】 |
特開平１１−３３２０２２ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１１月３０日 |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１０５８４５ |
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