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【発明の名称】 ハイブリッド自動車
【発明者】 【氏名】小幡 篤臣

【氏名】山口 公一

【氏名】新野 典彦
【要約】 【課題】内燃機関と電動発電機との間、および電動発電機と変速機との間にそれぞれクラッチを設けるハイブリッド自動車であって、内燃機関から変速機までの機械的な長さＬの短い構造を提供する。６通りの動作モードで制御することができるハイブリッド自動車を提供する。

【解決手段】電動発電機のロータの内側に空間を設け、この空間に回転軸が貫通する環状構造または筒状構造の油圧シリンダを実装し、これにより第一のクラッチを油圧により開閉制御する構造とする。
【特許請求の範囲】
【請求項１】内燃機関と、第一のクラッチと、電動発電機と、第二のクラッチと、変速機とが前記の順にその回転駆動力が伝達されるように接続されたハイブリッド自動車において、前記第一のクラッチを開閉制御する油圧シリンダを備え、この油圧シリンダは、前記電動発電機のロータの内側に設けられた空間に収容された構造を特徴とするハイブリッド自動車。
【請求項２】前記電動発電機に接続された双方向性の変換回路と、前記内燃機関の回転情報、前記電動発電機の回転情報、車速情報、および運転操作情報を取込み前記変換回路を制御する第一の制御回路と、前記変換回路を介して前記電動発電機に接続された蓄電手段と、運転操作入力情報および前記第一の制御回路の動作モードにしたがって前記油圧シリンダを制御する第二の制御回路とを備えた請求項１記載のハイブリッド自動車。
【請求項３】前記第一および第二の制御回路は、１）前記第一のクラッチを開状態とし、前記第二のクラッチを接状態とし、前記電動発電機を電動機として動作させ車軸を駆動する電動走行モード、２）前記第一のクラッチおよび前記第二のクラッチをともに接状態とし、前記電動発電機を電動機として動作させ、前記内燃機関とともに共同して車軸を駆動するパラレル走行モード、３）前記第一のクラッチおよび前記第二のクラッチをともに接状態とし、前記電動発電機を空転させ前記内燃機関により車軸を駆動するエンジン走行モード、４）前記第一のクラッチおよび前記第二のクラッチをともに接状態とし、前記電動発電機を発電機として動作させ、前記内燃機関は車軸を駆動するとともに前記電動発電機を駆動回転させ、その電動発電機が発生する電気エネルギを蓄電手段に充電する走行充電モード、５）前記第一のクラッチを開状態とし、前記第二のクラッチを接状態とし、前記電動発電機を発電機として動作させ、車軸から伝達する回転駆動力を変速機を介して前記電動発電機に与えることにより車両を制動状態にし、その発生する電気エネルギを蓄電手段に充電する回生モード、６）前記第一のクラッチを接状態とし、前記第二のクラッチを開状態とし、前記電動発電機を発電機として動作させ、前記内燃機関によりその電動発電機を駆動してその発生する電気エネルギを蓄電手段に充電する停車充電モード、のいずれかを設定する手段を含む請求項２記載のハイブリッド自動車。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関および電動発電機を併用するハイブリッド自動車に関する。本発明は、動作モードにより電動機または発電機となる電動発電機を１個のみ搭載して、燃料消費量の小さいシリーズパラレル・ハイブリッド方式を実現するハイブリッド自動車に関する。本発明は、クラッチを動力伝達系に２個設けるハイブリッド自動車の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】図３に示すように、内燃機関１０の出力軸に第一のクラッチ１を介して電動発電機３を結合し、この電動発電機３の回転駆動力を第二のクラッチ２を介して駆動出力として変速機４に伝達し、変速機４の駆動出力をディファレンシャル・ギヤ５から駆動車軸６に伝達する構造のハイブリッド自動車は、旧くから知られている（ドイツ国特許第２９４３５５４号、権利者フォルクスワーゲン、同一の内容の英文は米国特許第４，５３３，０１１号にある）。
【０００３】この構造のハイブリッド自動車は、第一のクラッチ１および第二のクラッチ２を個別に開閉制御することにより、電動走行モード、パラレル走行モード、エンジン走行モード、走行充電モード、回生モード、および停車充電モードの６通りのモードで運転することができる。この構造のハイブリッド自動車は、電動発電機を１個のみ備えることにより、内燃機関および電動機がともに車両を駆動するパラレル走行モードと、蓄電手段を充電しながら走行する走行充電モードをとることができるから、いわゆるパラレル方式のハイブリッド自動車の利点、およびシリーズ方式のハイブリッド自動車の利点を兼ね備えることができるすぐれた構造である。
【０００４】基本的にこの構造を利用するハイブリッド自動車の改良として、本願出願人は一方向性クラッチを利用するハイブリッド自動車について特許出願した（特願2000-14715、本願出願時において未公開、以下「先願」という) 。この先願開示の装置は、図３に基づく上記説明の第一のクラッチ１を一方向性クラッチとする構造のものである。一方向性クラッチは、自転車の後輪に装備されているラチエット機構と同等の動作原理を有するクラッチであり、内燃機関１０から電動発電機３を駆動加速する方向にはクラッチが接状態となるが、電動発電機３の側から内燃機関１０を駆動しようとすると、つまり内燃機関１０の回転速度が電動発電機３の回転速度より小さくなると、クラッチ１が空転して回転駆動力が伝達されないように構成されたものである。そして、この一方向性クラッチはとくに制御機構を持たず、二つの回転軸の相対回転速度にしたがって自動的に開状態または接状態となる構造のものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記ドイツ国特許に開示されたハイブリッド自動車は、駆動回転軸に二つのクラッチ（１および２）が直列に設けられるから、機構上、内燃機関（１０）から変速機（４）までの距離Ｌが長くなってしまう欠点がある。すなわち、従来から自動車の構造として、内燃機関（１０）から変速機（４）までの機械装置は一体構造の装置として設計製造し、相応の車体に搭載するように設計されている。そしてこの距離Ｌが長い装置は、これまでの設計および製造について実績のある車体構造には搭載することが不可能になる。この距離Ｌの長い駆動装置を搭載するには、ホイールベースの長い車体を新たに設計することが必要になる。またホイールベースの長い車両は、回転半径が大きくなり運転性能が悪くなるとともに、同程度のエンジンが搭載された車両として比較すると、車体重量が大きくなり高価になることは避けられない。
【０００６】上記先願に開示した技術は、この二つのクラッチのうちの第一のクラッチ（１）を制御機構を持たない一方向性クラッチとすることにより、第一のクラッチ（１）の開閉制御機構を不要とし、内燃機関から変速機までの距離Ｌを実質的に長くすることなく、同様の６つのモードの走行を実現することができる装置として評価することができるものである。そして、上記先願に開示した技術は、一方向性クラッチを利用するために、電動発電機（３）から内燃機関（１０）を駆動することができないから、内燃機関に始動電動機を装備しなければならない欠点は免れることができない。
【０００７】本発明はこのような背景に行われたものであって、前記第一のクラッチを開閉制御する構造であっても、内燃機関から変速機までの距離Ｌを長くすることのないハイブリッド動力装置を提供することを目的とする。本発明は、ホイールベースの短い実績のある車体を利用することができるハイブリッド自動車を提供することを目的とする。本発明は、運転性能が優れ、安価に製造することができるハイブリッド自動車を提供することを目的とする。本発明は、内燃機関に始動電動機を装備する必要のないハイブリッド自動車を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の最大の特徴は、装置の全長Ｌを軸方向に長くする最大の原因である、第一のクラッチを開閉制御する油圧シリンダを電動発電機の回転軸まわりに設けた空間に収容するところにある。すなわち、上記説明の第一のクラッチは、開閉制御を行うことができれば十分であり、半クラッチ制御を行う必要がないから、薄いクラッチ板で構成することができる。そして、この第一のクラッチは、走行モードの転換に対応して運転操作によりあるいは自動的に、ひんぱんに切替制御されるものであるから、電気信号により制御される油圧制御クラッチが利用される。そうすると、この第一のクラッチを軸方向に大きくしなければならない最大の原因は油圧シリンダであり、これを電動発電機（３）のロータの内側の空間に収容して、上記軸方向の距離Ｌを小さくすることができたものである。
【０００９】すなわち本発明は、内燃機関（１０）と、第一のクラッチ（１）と、電動発電機（３）と、第二のクラッチ（２）と、変速機（４）とがこの順に回転駆動力が伝達されるように接続されたハイブリッド自動車において、前記第一のクラッチ（１）を開閉制御する油圧シリンダを備え、この油圧シリンダは、前記電動発電機（３）のロータの内側に設けられた空間に収容された構造を特徴とする。ロータの内側に空間を設けるための構造の一つの具体例は、第二のクラッチ（２）の固定側クラッチ板を支持する支持部材（２２）の裏面にロータ（３２）を取付ける構造である。
【００１０】この構造により、上述の内燃機関から変速機までの距離Ｌを実質的に長くすることなく、上述の６つの走行モードを切替設定することができるハイブリッド自動車を得ることができる。
【００１１】上記括弧内の数字は後から説明する実施例装置の図面参照数字である。これは発明を理解しやすいように付すものであって、発明を実施例に記載した構造に限定して理解するためのものではない。以下の説明においても同様である。
【００１２】この装置はさらに、前記電動発電機（３）に接続された双方向性のインバータ（７）と、前記内燃機関（１０）の回転情報、前記電動発電機（３）の回転情報、車速情報、および運転操作情報を取込み前記インバータ（７）を制御する第一の制御回路（８）と、前記インバータ（７）を介して前記電動発電機（３）に接続された蓄電手段（９、電池または大容量コンデンサ）と、運転操作入力情報および前記第一の制御回路（８）の動作モードにしたがって前記油圧シリンダを制御する第二の制御回路（１４）とを備えた構造とすることができる。
【００１３】この装置は、前記第一の制御回路（８）および前記第二の制御回路（１４）の制御により、１）前記第一のクラッチ（１）を開状態とし、前記第二のクラッチ（２）を接状態とし、前記電動発電機（３）を電動機として動作させ車軸を駆動する電動走行モード、２）前記第一のクラッチ（１）および前記第二のクラッチ（２）をともに接状態とし、前記電動発電機（３）を電動機として動作させ、前記内燃機関（１０）とともに共同して車軸を駆動するパラレル走行モード、３）前記第一のクラッチ（１）および前記第二のクラッチ（２）をともに接状態とし、前記電動発電機（３）を空転させ前記内燃機関（１０）により車軸を駆動するエンジン走行モード、４）前記第一のクラッチ（１）および前記第二のクラッチ（２）をともに接状態とし、前記電動発電機（３）を発電機として動作させ、前記内燃機関（１０）は車軸を駆動するとともに前記電動発電機（３）を駆動回転させ、その電動発電機（３）が発生する電気エネルギを蓄電手段（９）に充電する走行充電モード、５）前記第一のクラッチ（１）を開状態とし、前記第二のクラッチ（２）を接状態とし、前記電動発電機（３）を発電機として動作させ、車軸から伝達する回転駆動力を変速機（４）を介して前記電動発電機（３）に与えることにより車両を制動状態にし、その発生する電気エネルギを蓄電手段（９）に充電する回生モード、６）前記第一のクラッチ（１）を接状態とし、前記第二のクラッチ（２）を開状態とし、前記電動発電機（３）を発電機として動作させ、前記内燃機関（１０）によりその電動発電機（３）を駆動してその発生する電気エネルギを蓄電手段（９）に充電する停車充電モード、のいずれかを設定することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１は本発明実施例装置について、二つのクラッチの実装構造を説明するための要部断面構造図である。この図は、左側図外にある内燃機関１０の駆動出力軸が第一のクラッチ１の固定板に結合され、この第一のクラッチ１の可動板が電動発電機３のロータ３２に結合され、このロータ３２が第二のクラッチ２の固定側クラッチ板の支持部材２２に取付られ、この第二のクラッチ２の可動板は右側図外にある変速機４に連結される構造になっている。そしてこの図１の右上がりの斜線で示す部分が、第一のクラッチ１を開閉制御するための油圧シリンダ・ユニットである。この油圧シリンダ・ユニットは回転軸まわりに配置されているが、回転軸とともに回転することなく固定的な部分である。図の右下がりの斜線で示す部分は、電動発電機３のロータ３２とともに回転するベアリングの外筒である。
【００１５】図２はこの斜線部分の内部構造を示す拡大断面図である。すなわち、この構造は電動発電機３のロータ３２の内側に空間を設け、この空間に電動発電機３の枠体３３により支持された油圧シリンダ１１を設けたものである。この油圧シリンダ１１は、その断面を右上がりのハッチングにより示すように、その中心を回転軸２６が貫通する環状体もしくは筒状体の構造物である。油圧はプラグ１９の中心から矢印のように供給され、シリンダのバルク内に形成された細い管路２０を通って、シリンダ圧力室２４に達する。この圧力室２４も軸２６を中心とする環状構造である。この油圧シリンダに加わる油圧により、同じく環状構造のピストン２５が図の左方に移動し、ピストン２５に固着されたピストンロッド１７を図の左方に押し出すように作用する。
【００１６】図１に示するように油圧により第一のクラッチ１の可動側クラッチ板１２は、バネ圧により固定側クラッチ板１８に押圧されている。そして、図外の油圧制御回路から前記プラグ１９に供給される油圧により、ピストンロッド１７がこのバネ圧にさからって図の左方に変位すると、可動側クラッチ板１２は固定側クラッチ板１８から離れて第一のクラッチ１は開状態となる。この油圧シリンダ１１の内部機構はよく知られたものであるので詳しい説明は省略する。
【００１７】図３は本発明実施例装置（および従来例装置）について動力伝達機構を説明するためのブロック構成図である。図４は本発明実施例装置の制御系を説明するブロック構成図である。すなわち本発明実施例装置は、内燃機関１０の駆動出力軸が第一のクラッチ１を介して電動発電機３の回転軸に結合され、この電動発電機３の回転軸は第二のクラッチ２を介して変速機４に結合されている。そして、この電動発電機３にはインバータ７から三相交流電流が供給される。インバータ７の直流側端子は蓄電手段（ここでは電池）９に接続されている。インバータ７はプログラム制御回路により構成された第一の制御回路８により制御される。
【００１８】この第一の制御回路８の制御を簡単に説明すると、第一の制御回路８には入出力インターフェースを介して操作レバー４２による操作入力情報、アクセル（Ａ）、ブレーキ（Ｂ）およびクラッチ（Ｃ）の運転操作情報、各回転センサから送出される内燃機関１０、電動発電機３および変速機４（車速）の回転情報、および蓄電手段９の充電容量情報が入力する。そして電動発電機３の界磁巻線に供給する三相交流の位相を制御する。この界磁巻線の位相回転速度が電動発電機３のロータの回転速度より大きいと、電動発電機３は電動機として作用する。界磁巻線の位相回転速度がロータの回転速度より小さいと、電動発電機３は発電機として作用する。この位相回転速度はロータの回転速度のプラス・マイナス数パーセントの範囲でたくみに同期制御される。この制御技術は同期回転機の技術としてよく知られたものである。
【００１９】一方、第一のクラッチ１の油圧シリンダ１１には、油圧源１３から制御油圧が供給される。この油圧源１３が発生する油圧は第二の制御回路１４により制御される。第二の制御回路１４もプログラム制御回路である。第二のクラッチ２は、クラッチペダル４３により開閉制御される油圧クラッチであり、その油圧は油圧源２３から油圧シリンダ２１に供給される。第二のクラッチ２の油圧制御系の構造はよく知られているものを利用する。クラッチ制御回路には、アクセルペダル４１の運転操作情報、クラッチペダル４３の運転操作情報、および第一のクラッチ１の油圧源１３の油圧情報、および内燃機関１０の燃料供給情報が入出力インターフェースを介して入力する。
【００２０】インバータ７を制御する第一の制御回路８および第一のクラッチ１の油圧源１３を制御する第二の制御回路１４は、通信バス１５により相互に接続され、この通信バス１５により二つの制御回路の間に情報が常時交換されている。
【００２１】この装置の動作を説明すると、この装置はアクセルペダル４１、ブレーキペダル（図外）、クラッチペダル４３および操作レバー４２の運転操作にしたがって、つぎの６つの動作モードの一つをとる。この動作モードをひとつずつ説明する。
【００２２】１）第一の動作モードは、蓄電手段９の充電容量が十分に大きく、車両が定常走行または軽負荷走行をしている場合に選択される。騒音を軽減するために発進時も利用される。すなわち第一のクラッチ１を開状態とし、第二のクラッチ２を接状態とし、電動発電機３を電動機として動作させ車軸６を駆動する。これを電動走行モードとする。
【００２３】２）第二の動作モードは、車両が発進する状態にあるとき、加速する状態にあるときであり、第一のクラッチ１および第二のクラッチ２をともに接状態とし、電動発電機３を電動機として動作させ、内燃機関１０とともに共同して車軸６を駆動する。これをパラレル走行モードとする。
【００２４】３）第三の動作モードは、蓄電手段９の充電容量が不足して電動発電機３を電動機として利用できない場合であり、しかも車両を発進させるあるいは加速させる場合である。このときは第一のクラッチ１および第二のクラッチ２をともに接状態とし、電動発電機３を空転させ内燃機関１０により車軸６を駆動する。これをエンジン走行モードとする。
【００２５】４）第四の動作モードは、蓄電手段９の充電容量が不足し充電を必要とする場合であり、車両が定常走行または軽負荷走行の状態であって、内燃機関１０の出力トルクが走行に必要なトルクを越える出力トルクを発生することができる場合である。このときには、第一のクラッチ１および第二のクラッチ２をともに接状態とし、電動発電機３を発電機として動作させ、内燃機関１０は車軸を駆動するとともに電動発電機３を駆動回転させ、その電動発電機３が発生する電気エネルギを蓄電手段９に充電する。これを走行充電モードとする。
【００２６】５）第五の動作モードは、車両が走行中に操作レバー４２により電気制動が操作されたとき、または第一の制御回路８に制動情報が入力したときに選択される。第一のクラッチ１を開状態とし、第二のクラッチ２を接状態とし、電動発電機３を発電機として動作させ、車軸６から伝達する回転駆動力を変速機４を介して電動発電機３に与えることにより車両を制動状態にし、その発生する電気エネルギを蓄電手段に充電する。これを回生モードとする。
【００２７】６）第六の動作モードは、蓄電手段９の充電容量が不足して停車中にも充電を必要とする場合である。このときは、第一のクラッチ１を接状態とし、第二のクラッチ２を開状態とし（または変速機４をニュートラル位置に操作して）、電動発電機３を発電機として動作させ、内燃機関１０によりその電動発電機３を駆動してその発生する電気エネルギを蓄電手段に充電する。これを停車充電モードとする。
【００２８】つぎに内燃機関１０の始動について説明すると、図４には内燃機関の始動電動機１６を図示してあるが、本発明の装置では始動電動機１６は必ずしも必要ではない。すなわち、第一のクラッチ１を上記先願開示のように制御系を含まない一方向性クラッチとする場合には、電動発電機３の回転駆動力を内燃機関１０に伝達することができないから、内燃機関１０には始動電動機１６を装備することが必要である。これに対して、本発明の装置では、内燃機関１０を始動させるには、車両が停車中であっても、第二のクラッチ２を開状態とし第一のクラッチ１を接状態とし、電動発電機３を電動機として駆動回転することにより、電動発電機３から内燃機関１０に始動に必要な回転を与えることができる。また車両が走行中であって内燃機関１０が停止している状態にあり、これを始動されるときにも、同様に第二のクラッチ２を開状態にして電動発電機３により内燃機関１０に回転を与えることができる。またこのときには、第一のクラッチ１および第二のクラッチ２を接状態として、車両の走行慣性を利用して車軸６の回転を内燃機関１０に与えて、内燃機関１０を始動させるように運転することもできる。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明により、第一のクラッチを開閉制御する構造であっても、内燃機関から変速機までの距離Ｌを長くすることのないハイブリッド動力装置を提供することができる。これにより、ホイールベースの短い実績のある車体を利用することができるとともに、運転性能が優れ、安価に製造することができるハイブリッド自動車を提供することができる。この構造により上記６通りの動作モードでハイブリッド機関を制御することができる。
【出願人】 【識別番号】０００００５４６３
【氏名又は名称】日野自動車株式会社
【出願日】 平成１３年２月２８日（２００１．２．２８）
【代理人】 【識別番号】１０００７８２３７
【弁理士】
【氏名又は名称】井出 直孝 （外１名）
【公開番号】 特開２００２−２６２４０６（Ｐ２００２−２６２４０６Ａ）
【公開日】 平成１４年９月１３日（２００２．９．１３）
【出願番号】 特願２００１−５４７３２（Ｐ２００１−５４７３２）