(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの出力とモータの出力とを併用して走行駆動源とするハイブリッド車において、
サンギヤと、このサンギヤに噛合するピニオンを回転自在に支持するキャリアと、上記ピニオンに噛合するリングギヤとを有するプラネタリギヤと、
上記エンジンの出力軸と上記プラネタリギヤのサンギヤとの間に連結され、駆動源あるいは発電機として切換え使用可能な第１のモータと、
上記プラネタリギヤのリングギヤに連結され、駆動源あるいは発電機として切換え使用可能な第２のモータと、
上記プラネタリギヤのキャリアに連結され、複数段あるいは無段階に切り換え可能なギヤ比に応じて上記プラネタリギヤと駆動輪との間で変速及びトルク増幅を行なう動力変換機構とを備えたことを特徴とするハイブリッド車。
【請求項２】
上記動力変換機構を、入力軸に軸支されるプライマリプーリと出力軸に軸支されるセカンダリプーリとの間に駆動ベルトを巻装してなるベルト式無段変速機とすることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンとモータとを併用するハイブリッド車に関し、より詳しくは比較的低出力の２つのモータを用いて駆動力の確保と動力エネルギーの回収効率を向上するハイブリッド車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車等の車両においては、低公害、省資源の観点からエンジンとモータとを併用するハイブリッド車が開発されており、このハイブリッド車では、発電用と動力源用との２つのモータを搭載することで動力エネルギーの回収効率向上と走行性能の確保とを図る技術が多く採用されている。
【０００３】
例えば、特開平９−４６８２１号公報には、ディファレンシャルギヤ等の差動分配機構による動力分配機構を用いてエンジンの動力を発電機とモータ（駆動用モータ）とに分配し、エンジンの動力の一部で発電しながらモータを駆動して走行するハイブリッド車が開示されており、また、特開平９−１００８５３号公報には、プラネタリギヤによってエンジンの動力を発電機とモータ（駆動用モータ）とに分配するハイブリッド車が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した各先行技術においては、低速時の駆動力の大半を駆動用モータに依存するため、駆動用に大容量の大型のモータが必要となるばかりでなく、駆動輪で必要とするトルクに対する増幅機能を電力に依存するため、バッテリー容量が十分でない場合にも一定の走行性能を維持することのできる発電容量をもった発電機が要求されることになり、コスト増の要因となる。
【０００５】
また、車両においてはモータ（発電機）の回転制御範囲を超えるような出力軸回転数の変化があるため、エンジン出力を発電機と駆動用モータとに分配するだけでは、駆動輪からの要求駆動力に対し、必ずしもエンジン及びモータの制御を十分に最適化できるとは限らない。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、比較的低出力の２つのモータを用いて駆動力の確保と動力エネルギーの回収効率向上を達成するとともに、駆動輪からの要求駆動力に対してエンジン及びモータ制御の最適化を実現することのできるハイブリッド車を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、エンジンの出力とモータの出力とを併用して走行駆動源とするハイブリッド車において、サンギヤと、このサンギヤに噛合するピニオンを回転自在に支持するキャリアと、上記ピニオンに噛合するリングギヤとを有するプラネタリギヤと、上記エンジンの出力軸と上記プラネタリギヤのサンギヤとの間に連結され、駆動源あるいは発電機として切換え使用可能な第１のモータと、上記プラネタリギヤのリングギヤに連結され、駆動源あるいは発電機として切換え使用可能な第２のモータと、上記プラネタリギヤのキャリアに連結され、複数段あるいは無段階に切り換え可能なギヤ比に応じて上記プラネタリギヤと駆動輪との間で変速及びトルク増幅を行なう動力変換機構とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、上記動力変換機構を、入力軸に軸支されるプライマリプーリと出力軸に軸支されるセカンダリプーリとの間に駆動ベルトを巻装してなるベルト式無段変速機とすることを特徴とする。すなわち、請求項１記載の発明では、エンジンの出力軸とプラネタリギヤのサンギヤとの間に第１のモータを連結するとともに、プラネタリギヤのリングギヤに第２のモータを連結し、プラネタリギヤのキャリアに複数段あるいは無段階にギヤ比を切り換え可能な動力変換機構を連結してプラネタリギヤと駆動輪との間で変速及びトルク増幅を行なう。
【０００９】
第１，第２のモータは、走行条件により、同時に駆動源あるいは発電機として、または、一方を駆動源、他方を発電機として使用することができる。
【００１０】
例えば、エンジン及び第１のモータのいずれか一方あるいは両方からプラネタリギヤのサンギヤに駆動力を供給し、第２のモータからプラネタリギヤのリングギヤに駆動力を供給する場合、プラネタリギヤで各駆動力が合成されてキャリアから出力され、動力変換機構を介して駆動輪に伝達される。
【００１１】
また、減速時や制動時等には、駆動輪側から動力変換機構を介してプラネタリギヤのキャリアに返還される駆動力が、サンギヤに連結される第１のモータ及びエンジン側と、リングギヤに連結される第２のモータ側とに分配され、第１，第２のモータを発電機として動力エネルギーを回収する、あるいは、第２のモータを発電機とし、第１のモータに電力を供給してエンジン及び第１のモータで駆動力を発生させることができる。
【００１２】
この場合、請求項２に記載したように、動力変換機構としては、入力軸に軸支されるプライマリプーリと出力軸に軸支されるセカンダリプーリとの間に駆動ベルトを巻装してなるベルト式無段変速機を用い、ギヤ比を無段階に切り換えて変速及びトルク増幅を行なうことが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図６は本発明の実施の一形態に係わり、図１は駆動系の基本構成を示す説明図、図２はエンジン及び第１，第２のモータによって走行する場合のトルク及び電気の流れを示す説明図、図３は第１のモータを発電機として使用する場合のトルク及び電気の流れを示す説明図、図４は第１，第２のモータを発電機として使用する場合のトルク及び電気の流れを示す説明図、図５は第２のモータを発電機として使用し、第１のモータで駆動力を発生させる場合のトルク及び電気の流れを示す説明図、図６は車両後退時のトルク及び電気の流れを示す説明図である。
【００１４】
本発明によるハイブリッド車は、エンジンとモータとを併用するパラレルハイブリッド式の車両であり、図１に示すように、エンジン１と、エンジン１の起動及び発電・動力アシストを担う第１のモータ２（以下、単にモータ２と呼称）と、エンジン１の出力軸１ａにモータ２を介して連結されるプラネタリギヤユニット３と、このプラネタリギヤユニット３の機能を制御し、発進・後進時の駆動力源になるとともに減速エネルギーの回収を担う第２のモータ４（以下、単にモータ４と呼称）と、変速及びトルク増幅を行なって走行時の動力変換機能を担う動力変換機構５とを基本構成とする駆動系を備えている。
【００１５】
上記プラネタリギヤユニット３は、サンギヤ３ａ、このサンギヤ３ａに噛合するピニオンを回転自在に支持するキャリア３ｂ、ピニオンと噛合するリングギヤ３ｃを有するシングルピニオン式のプラネタリギヤである。また、上記動力変換機構５としては、歯車列を組み合わせた変速機や流体トルクコンバータを用いた変速機等を用いることが可能であるが、入力軸５ａに軸支されるプライマリプーリ５ｂと出力軸５ｃに軸支されるセカンダリプーリ５ｄとの間に駆動ベルト５ｅを巻装してなるベルト式無段変速機（ＣＶＴ）を採用することが望ましく、本形態においては、以下、上記動力変換機構５をＣＶＴ５として説明する。
【００１６】
すなわち、本形態におけるハイブリッド車の駆動系では、エンジン１の出力軸１ａとＣＶＴ５の入力軸５ａとの間にプラネタリギヤユニット３が配置されており、このプラネタリギヤユニット３のサンギヤ３ａがエンジン１の出力軸１ａに一方のモータ２を介して結合されるとともに、キャリア３ｂがＣＶＴ５の入力軸５ａに結合され、リングギヤ３ｃに他方のモータ４が連結されている。そして、ＣＶＴ５の出力軸５ｃに減速歯車列６を介してデファレンシャル機構７が連設され、このデファレンシャル機構７に駆動軸８を介して前輪或いは後輪の駆動輪９が連設される。
【００１７】
また、上記エンジン１、２つのモータ２，４、ＣＶＴ５は、監視・制御システム１０によって集中制御される。この監視・制御システム１０には、アクセルペダルやブレーキペダルの踏み込み操作、ステアリングの操舵角等を検出してドライバの運転操作状況を判定するドライバ意志判定システム１１、ブレーキ操作状態、エンジン１やＡＢＳ（アンチスキッドブレーキシステム）等に対する各種制御量、灯火類やエアコン等の補機類の作動状態等から車両の制御状況を判定する車両制御状況判定システム１２、車速、登坂や降坂、路面状態等の現在の車両の走行状態の変化を判定する走行状況判定システム１３等が接続され、エンジン１、２つのモータ２，４、ＣＶＴ５の作動状態やバッテリ１４の状態を監視し、各システムからの情報に基づいて、エンジン１の制御、インバータ１５，１６を介してのモータ２，４の駆動及びバッテリの充電制御、ＣＶＴ５の変速比や供給油圧の制御等を行う。
【００１８】
以上の構成による駆動系では、前述したように、エンジン１及びモータ２をプラネタリギヤユニット３のサンギヤ３ａへ結合するとともにリングギヤ３ｃにモータ４を結合してキャリア３ｂから出力を得るようにし、さらに、キャリア３ｂからの出力をＣＶＴ５によって変速及びトルク増幅して駆動輪９に伝達するようにしているため、２つのモータ２，４は発電と駆動力供給との両方に使用することができ、比較的小出力のモータを使用することができる。
【００１９】
すなわち、サンギヤ３ａがエンジン１及びモータ２のいずれか一方あるいは両方から駆動される場合、例えば、図２に示すように、エンジン１とモータ２とによってサンギヤ３ａを駆動する場合について考えると、バッテリ１４からインバータ１５，１６を介して電気エネルギーがモータ２，４に供給され、モータ２で駆動力に変換されてエンジン１からの駆動力と合算されてサンギヤ３ａへの入力トルクＴｓとなり、モータ４で駆動力に変換されてリングギヤ３ｃへの入力トルクＴｒとなるわけであるが、プラネタリギヤの入出力特性から、サンギヤ３ａへの入力トルクＴｓ、リングギヤ３ｃへの入力トルクＴｒ、キャリア３ｂの出力トルクＴｃは、以下の(1)式で示すような関係となる。
Ｔｃ＝Ｔｓ＋Ｔｒ    …(1)
【００２０】
従って、プラネタリギヤユニット３でサンギヤ３ａへの入力トルクＴｓとリングギヤ３ｃへの入力トルクＴｒとが合成されてキャリア３ｂから出力され、エンジン１、モータ２，４のそれぞれの出力トルクが小さい場合であってもキャリア３ｂから大きなトルクを得ることができ、ＣＶＴ５を介して駆動輪９に伝達されて大きな車両駆動力を得ることができる。尚、図２及び以下に説明する図３〜図６において、二点鎖線は電気の流れを模式的に示し、一点鎖線はトルク伝達の流れを模式的に示す。
【００２１】
この場合、サンギヤ３ａの入力トルクＴｓとリングギヤ３ｃの入力トルクＴｒとは、それぞれが合成されてキャリア３ｂの出力トルクＴｃとなるためには互いに反力を受けなくてはならず、各入力トルクＴｓ，Ｔｒの関係は、サンギヤ３ａの歯数Ｚｓ、リングギヤ３ｃの歯数Ｚｒによって表されるギヤ比ｉ（ｉ＝Ｚｓ／Ｚｒ）を用いて表わされる以下の(2),(3)式に示す関係から、以下の(4)式を満足しなけらばならない。
Ｔｃ・ｉ／（１＋ｉ）＝Ｔｓ  …(2)
Ｔｃ・１／（１＋ｉ）＝Ｔｒ  …(3)
Ｔｓ＝ｉ・Ｔｒ              …(4)
【００２２】
一般的に、プラネタリギヤの構造上、Ｚｓ＜Ｚｒであるためギヤ比ｉはｉ＜１であり、上記(4)式から明らかなように、リングギヤ３ｃへの入力トルクＴｒはサンギヤ３ａへの入力トルクＴｓに対して１／ｉ（＞１）倍となる。従って、モータ２，４に電力を供給する場合、エンジン１の出力軸上のモータ２に比較してリングギヤ３ｃに結合されたモータ４の方が電力供給量が多くなるため、長時間の走行でバッテリ１４の充電量が不足するような事態が予測される場合には、モータ２を発電機として使用する。
【００２３】
すなわち、エンジン１の駆動力の一部でモータ２を発電機として駆動し、残りの駆動力をサンギヤ３ａへの入力トルクとしてサンギヤ３ａへの入力トルクを抑えることで、相対的にモータ４の必要電力を抑えることができ、図３に示すように、モータ２の発電により得られた電力でバッテリ１４に充電された電気を使用することなくモータ４を駆動することができる。この場合、モータ４を主としてリングギヤ３ｃの反力分担に使用し、エンジン１の駆動力のみによる走行が可能である。
【００２４】
このような状況で、バッテリ１４への充電が必要になったときには、モータ４の必要電力に対してモータ２の発電量が多くなるように制御する。また、主としてエンジン１の駆動力で走行中に、登坂や急加速等によってエンジン１の出力に対して負荷が大きくなり、モータ４のアシスト力を大きくする必要が生じた場合には、モータ２の発電量を抑えてサンギヤ３ａへのエンジン１からの入力トルクを大きくし、同時にモータ４の駆動力が大きくなるようにバッテリ１４から電力を供給することで、必要な駆動力を確保することができる。
【００２５】
一方、減速時や制動時等においては、駆動輪９からＣＶＴ５を介してプラネタリギヤユニット３のキャリア３ｂに伝達されるトルクＴｃが、図４に示すように、モータ２へのサンギヤ３ａからのトルクＴｓと、モータ４へのリングギヤ３ｃからのトルクＴｒとに分配され、各モータ２，４で電気エネルギーに変換されてバッテリ１４を充電する。このため、モータ２，４の発電でブレーキをかけるような状況において、モータ１つ当たりの発電量と、それによるブレーキ力が小さいにも拘らず、各モータ２，４の負担を少なくしつつ車両全体として大きな発電量とブレーキ力とが得られ、動力エネルギーの回収効率を大幅に向上することができる。
【００２６】
この場合においても、バッテリ１４に十分な充電が行われており、バッテリ１４への充電が必要ない場合には、図５に示すように、エンジン１が吸収可能な駆動力をモータ２に発生させ、そのための発電をモータ４で行わせることにより、バッテリ１４に充電することなしに十分なエンジンブレーキ力を得ることができる。また、バッテリ１４への充電が必要になった場合には、モータ４の発電量をそのままにしてモータ２への供給電力を低くするように制御することで、エンジンブレーキ性能を低下させることなくバッテリ１４への充電が可能となる。
【００２７】
さらに、車両が後退する場合には、一般にはエンジン回転は前進時と同一方向の回転であることから、エンジン１に直結しているモータ２をエンジン１が逆回転にならないように回転方向を制御し、モータ４の駆動力をキャリア３ｂに出力して後進する。この場合には、図６に示すように、バッテリ１４の充電量に応じ、バッテリ１４への充電なしの走行からモータ２の発電によるバッテリ１４への充電を併用しながらの後進が可能である。
【００２８】
すなわち、バッテリ１４の充電量が十分である場合には、エンジン１の出力を吸収することでモータ２を発電機として作動させ、発電した電力をモータ４へ供給するよう制御する。一方、バッテリ１４の充電量が不足した場合には、エンジン１の出力を上げる等してモータ４の必要電力に対してモータ２の発電量が多くなるように制御し、発電した電力でバッテリ１４を充電する。
【００２９】
尚、バッテリ１４の充電量が十分である場合、エンジン停止状態でモータ２，４に電力を供給し、モータ２によってサンギヤ３ａを固定するとともにモータ４からキャリア３ｂに駆動力を供給することで、車両を後退させることも可能である。
【００３０】
以上のプラネタリギヤユニット３を介してのエンジン１及びモータ２，４の回転は、ＣＶＴ５の使用によって適切に制御され、エンジン１及びモータ２，４の出力効率を最適化するとともに、駆動軸で必要とされる駆動力を確保することができる。
【００３１】
すなわち、プラネタリギヤにおいては、サンギヤ３ａの回転数をＮｓ、リングギヤ３ｃの回転数をＮｒ、キャリア３ｂの回転数をＮｃとすると、各回転数は以下の(5)式で示される関係となり、サンギヤ３ａの回転数Ｎｓ及びリングギヤ３ｃの回転数Ｎｒを制御することでキャリア３ｂの回転数Ｎｃを自由に設定することができる。尚、Ｎｓ＝Ｎｒのときには、Ｎｃ＝Ｎｒ＝Ｎｓとなり、全ての入出力回転数が一致する。
（１＋ｉ）・Ｎｃ＝Ｎｒ＋ｉ・Ｎｓ  …(5)
【００３２】
従って、前述したようにプラネタリギヤの入出力トルクの関係はギヤ比ｉで決まるため、各ギヤのトルクの関係を維持した上でモータ２，４の回転数を制御することにより、出力回転数を制御することも可能であるが、モータ２，４のどちらか一方の回転数を一定として出力回転数を高くしようとすると、片方のモータの回転数を必要とする出力回転数よりも高くしなければならない。
【００３３】
例えば、モータ２によって駆動されるサンギヤ３ａの回転数を一定とし、サンギヤ３ａを基準とするリングギヤ３ｃ及びキャリア３ｂの回転数について考えると、この場合は、サンギヤ３ａを固定した場合と同様であり、上記(5)式においてＮｓ＝０とおくことができることから、モータ４によって駆動されるリングギヤ３ｃの回転数（サンギヤ３ａに対する回転数差）はキャリア３ｂの回転数（同じく、サンギヤ３ａに対する回転数差）の（１＋ｉ）倍となる。
【００３４】
また、モータ４によって駆動されるリングギヤ３ｃの回転数を一定とし、リングギヤ３ｃを基準とするサンギヤ３ａ及びキャリア３ｂの回転数について考えると、リングギヤ３ｃを固定した場合と同様であることから、上記(5)式においてＮｒ＝０とおくことができ、モータ２によって駆動されるサンギヤ３ａの回転数（リングギヤ３ｃに対する回転数差）はキャリア３ｂの回転数（同じく、リングギヤ３ｃに対する回転数差）の（１＋ｉ）／ｉ倍となる。
【００３５】
結局、いずれの場合においても、サンギヤ３ａを駆動するモータ２あるいはリングギヤ３ｃを駆動するモータ４のどちらか一方の回転数を一定として出力回転数（キャリア回転数）を高くしようとすると、モータ２，４のいずれか一方が出力回転数（キャリア回転数）よりも高くなってしまう。
【００３６】
モータ回転数が高くなることは、効率及び信頼性の低下を招くことになるため、通常は、プラネタリギヤにおける各ギヤの回転差が小さくなるように使用し、モータ回転数を低く抑えることが望ましいが、車速が低い場合には、サンギヤ３ａあるいはリングギヤ３ｃのどちらかの回転数を相対的に高くすることで、他方の回転を止めたり、また、エンジンを回転させたまま出力軸回転数を逆転して後進させることが可能であるものの、車速が高くなると、出力軸回転数が高くなるため、２つのモータ２，４の回転数差を小さくしようとしても、結果的にエンジン１及びモータ２，４の回転数が高くなってしまう。
【００３７】
本来、エンジンは、燃焼効率の高い、排気ガスの清浄化を期待できる回転数域で使用されることが望ましく、一方、車両においては、モータの回転制御範囲を超えるような出力軸回転数の変化がある。従って、駆動輪９からの要求駆動力に対し、プラネタリギヤユニット３の出力軸に配置したＣＶＴ５のギヤ比を適切に制御することで、プラネタリギヤユニット３への入力トルクを低く抑えることが可能となり、プラネタリギヤユニット３の出力回転数を適切に制御することができる。
【００３８】
すなわち、必要な駆動軸の回転数と車両駆動力の変化に対し、ＣＶＴ５によってエンジン１とモータ２，４の使用条件を最適範囲に抑えることでエンジン性能を特化し、さらに、燃焼効率の高い、排気ガスエミッションの低い領域でエンジン１を使用する頻度を大幅に増やすことができ、走行性能を確保しつつ、燃費改善、低公害化を実現することができるのである。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、エンジンの出力軸とプラネタリギヤのサンギヤとの間に駆動源あるいは発電機として切換え使用可能な第１のモータを連結するとともに、プラネタリギヤのリングギヤに駆動源あるいは発電機として切換え使用可能な第２のモータを連結し、プラネタリギヤのキャリアに複数段あるいは無段階にギヤ比を切り換え可能な動力変換機構を連結してプラネタリギヤと駆動輪との間で変速及びトルク増幅を行なうため、エンジン及び第１のモータのいずれか一方あるいは両方から供給される駆動力と第２のモータから供給される駆動力とをプラネタリギヤで合成して出力し、また、駆動輪側から動力変換機構を介して逆に伝達される駆動力をプラネタリギヤで第１のモータ及び第２のモータに配分し、第１，第２のモータで動力エネルギーを電気エネルギーに変換して回収する、あるいは、第２のモータで発電し、第１のモータに電力を供給してエンジン及び第１のモータで制動力を発生させることができる。
【００４０】
従って、駆動輪からの要求駆動力に対し、比較的低出力の小型の２つのモータで駆動力の確保と動力エネルギーの回収効率向上を達成することができ、システムコストの低減、コンパクト化、軽量化を図ることができる。また、プラネタリギヤの出力軸に配置した動力変換機構のギヤ比を適切に制御することで、エンジン及び第１，第２のモータを最適に制御することが可能となる。
【００４１】
また、請求項２記載の発明では、請求項１記載の動力変換機構をベルト式無段変速機としてギヤ比を無段階で変化させて変速及びトルク増幅を行なうため、駆動輪からの要求駆動力に対してプラネタリギヤへの入出力トルク及び回転数を自由に制御することが可能となり、エンジン１及び第１，第２のモータの制御をより最適化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】駆動系の基本構成を示す説明図
【図２】エンジン及び第１，第２のモータによって走行する場合のトルク及び電気の流れを示す説明図
【図３】第１のモータを発電機として使用する場合のトルク及び電気の流れを示す説明図
【図４】第１，第２のモータを発電機として使用する場合のトルク及び電気の流れを示す説明図
【図５】第２のモータを発電機として使用し、第１のモータで駆動力を発生させる場合のトルク及び電気の流れを示す説明図
【図６】車両後進時のトルク及び電気の流れを示す説明図
【符号の説明】
１  …エンジン
２  …第１のモータ
３  …プラネタリギヤユニット
３ａ…サンギヤ
３ｂ…キャリア
３ｃ…リングギヤ
４  …第２のモータ
５  …ベルト式無段変速機（動力変換機構）
【図１】
0003648720.tif 000002
【図２】
0003648720.tif 000003
【図３】
0003648720.tif 000004
【図４】
0003648720.tif 000005
【図５】
0003648720.tif 000006
【図６】
0003648720.tif 000007