(57)【要約】【課題】  本発明は、構造が簡単で、低コストで、エネルギー消費及び排ガス排出を大幅に低下させることができる新型のハイブリッド動力車両の動力システムを提供するものである。【解決手段】  本発明は、燃料油及び電力の二種のエネルギーを動力源とする車両ハイブリッド動力システムに関する。本発明は、内燃機関、モータ、クラッチ、変速機、動力電池、ブレーキシステム及び全車制御システムを含み、ロータ軸が変速機の出力軸に接続された主モータと、ロータ軸が内燃機関のクランク軸に接続された補助モータと、機械有段変速機とをさらに含み、主モータと補助モータは、動力電池に電気的に接続されることを特徴とする。全車コントローラによって、全車ハイブリッド動力システムの純粋な電動運転モード、直列運転モード、並列運転モード、ハイブリッド運転モード、内燃機関アイドルストップモード、全車ブレーキエネルギー回収モード、内燃機関で独立に駆動する運転モード等の多種のモード、及び、シフト期間でモータ補助駆動機能を実現することができる。
2006514897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１）、クラッチ（３）、有段変速機（４）、動力伝達軸、ブレーキシステム及び駆動車輪（７）を含む二重モータのハイブリッド動力車両の動力システムにおいて、
ロータ軸が変速機（４）の出力軸に接続された主モータ（５）と、
ロータ軸が動力伝達機構を介して内燃機関（１）のクランク軸に接続された補助モータ（２）と、
全車コントローラと、をさらに含み、
前記主モータと補助モータは、動力電池（８）に電気的に接続され、
前記全車コントローラは、
１）低速度の運転状態において、内燃機関（１）を動作させずに、主モータ（５）のみで動力伝達軸を駆動する純粋な電動運転モード、または内燃機関が補助モータ（２）を駆動して発電し、動力電池（８）を介して主モータ（５）に伝達して動力伝達軸を駆動する直列運転モードと、
２）フルアクセル運転状態において、内燃機関（１）と主モータ（５）とで同時に車両を駆動する並列運転モードと、
３）ブレーキ減速状態において、主モータ（５）を制御してブレーキして、発電を行って動力電池（８）を充電するエネルギー回収モードと、
４）シフト期間において主モータ（５）で補助駆動を行う補助駆動モードと、
５）アイドル状態において内燃機関（１）をストップさせるアイドルストップモードと、
６）正常の運転状態において内燃機関で独立に駆動する運転モードと、
を自動的に実現することを特徴とする二重モータのハイブリッド動力車両の動力システム。
【請求項２】
前記主モータ（５）のロータ軸は、動力伝達機構を介して変速機（４）の出力軸に接続されることを特徴とする請求項１に記載の動力システム。
【請求項３】
前記動力伝達機構は、シャフトドライブ、ベルトドライブ、チェーンドライブ、ギヤドライブ、クラッチドライブまたはこれらの組合せを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の動力システム。
【請求項４】
前記主モータ及び補助モータは、コントローラ、管理素子、配電システムの電気回路を介して前記動力電池に接続されることを特徴とする請求項１に記載の動力システム。
【請求項５】
前記主モータ（５）は、左右の駆動輪と差動機との間にそれぞれ配置された二つのモータを含み、あるいは主モータが他の駆動軸に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の動力システム。
【請求項６】
前記全車コントローラは、車両の起動状態において主モータ（５）で駆動を行う運転モードを自動的に実現することを特徴とする請求項１に記載の動力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料油及び電力の二種のエネルギーを動力源とする車両ハイブリッド動力システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、環境の保護及びエネルギーの有効的、合理的な利用がますます重視されている。そのため、高効率で、エネルギー節約型で、環境を保護できるハイブリッド車両は、車両技術の発展の主要な流れになっている。ハイブリッド車両技術には、現在の車両、エネルギー、電子、コンピュータ及び制御などの分野での新型の技術が複数集積化される。国外において、ハイブリッド車両の研究及び開発に関して、十数年を経て、技術が成熟し産業化したものは、日本のトヨタ自動車及び本田技研工業だけである。国内では、政府をはじめとして、研究所、大学及び車両企業は、いずれもハイブリッド車両の研究及び開発を重視し、且つ展開し始めている。
【０００３】
ハイブリッド車両の駆動システムの構造は、直列と並列とハイブリッドとの三種の基本型があり、具体的な構造は複数の変形があり、それぞれ利点及び欠点がある。代表的なものは、トヨタ自動車のＰｒｉｕｓハイブリッドカーのＴＨＳハイブリッド動力システム及び本田技研工業のＩｎｓｉｇｈｔハイブリッドカーのＩＭＡ並列システムである。ＴＨＳシステムは、ハイブリッド構造式であり、遊星歯車を介して内燃機関、発電機及びモータを接続し、内燃機関の動力は、その一部が遊星歯車機構の遊星歯車キャリアと輪歯車を介して主減速機に伝達され、他の一部が遊星歯車機構の遊星歯車キャリアと太陽歯車を通じて発電機を駆動して、この発電機の電力によってモータを駆動し、この二つの動力が、主減速機及びプロペラ軸を介して動輪に伝達され、車両の駆動を達成する。同時に、内燃機関の残りエネルギーは、発電機によって動力電池に充電される。ここで、モータは車両の運転駆動を単独で行う純粋な電動運転モードを形成することができ、強い全車ブレーキエネルギーの回収能力を備える。ＩＭＡシステムは、並列構造式であり、内燃機関とクラッチとの間にモータ（モータ／発電機一体化）を配置することによって、内燃機関及び補助動力を起動する機能を果たす。当該モータが直接に内燃機関に繋がって、単独に車両を駆動して運転させることができないので、純粋な電動運転モードを有せず、全車ブレーキエネルギーの回収能力も低くなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
トヨタ自動車のＰｒｉｕｓのＴＨＳシステムは、複数の運転モードを備え、ハイブリッド動力が強いが、その動力合成機構が複雑で、モータの動力が大きく、コストも高い。また、内燃機関の動力の一部は、機械エネルギー−電気エネルギーと、電気エネルギー−機械エネルギーとの二回の転換を行う必要があるので、システム全体の動力伝達効率が低下する。本田技研工業のＩｎｓｉｇｈｔハイブリッドカーのＩＭＡシステムは、構造が簡単で、コストが低いが、運転モータが少なく、ハイブリッド動力が弱いので、エネルギーの節約及び排ガス放出の低下についての能力は、トヨタ自動車のＰｒｉｕｓハイブリッドカーのＴＨＳシステムよりも低い。
【０００５】
現在、国際的にハイブリッド車両動力システムについては、エネルギー節約余地が大きいが、従来の技術のシステムの構造が複雑で、コストが高く、あるいは構造が簡単でコストも低いが、エネルギー節約余地が小さいという問題がある。
【０００６】
本発明は、前記のような問題に鑑みたもので、構造が簡単で、コストが低く、車両の運転状態によって動力運転モードを自動的に改変可能で、エネルギー消費及び排ガスの放出を大幅に低下させることができる新型の二重モータのハイブリッド動力車両の動力システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を実現するために、本発明は、内燃機関、クラッチ、有段変速機、動力伝達軸、ブレーキシステム及び駆動車輪を含む二重モータのハイブリッド動力車両の動力システムにおいて、ロータ軸が動力伝達機構を介して変速機の出力軸に接続された主モータと、ロータ軸が動力伝達機構を介して内燃機関のクランク軸に接続された補助モータと、全車コントローラと、をさらに含み、前記主モータ及び補助モータが、動力電池に電気的に接続され、前記全車コントローラが、１）低速度の運転状態において、内燃機関を動作させずに、主モータで動力伝達軸を駆動する純粋な電動運転モード、または内燃機関が補助モータを駆動して発電し、動力電池を介して主モータに伝達して動力伝達軸を駆動する直列運転モードと、２）加速運転状態において、内燃機関と主モータとで同時に車両を駆動する並列運転モードと、３）ブレーキ減速状態において、主モータを制御してブレーキ、発電を行って動力電池を充電するエネルギー回収モードと、４）シフト期間において主モータで補助駆動を行う補助駆動モードと、５）アイドル状態において内燃機関をストップさせるアイドルストップモードと、６）正常の運転状態において内燃機関で独立に駆動する運転モードと、を自動的に実現することを特徴とする二重モータのハイブリッド動力車両の動力システムを提供する。
【０００８】
前記のように、本発明は、二重モータシステムを採用し、車両が多種の運転モードを備えるという利点がある。機械有段変速機（手動シフトＭＴまたは自動シフトＡＭＴ）と協動し、構造が簡単でコンパクトで、且つ軽量で、低コストであり、従来の車両の通常の動力システムに実施し易い。また、主モータ車両駆動輪の間に固定変速比で動力を伝達し、車両運転のシフト過程に、システム制御によって、主モータをクラッチが解放された状態で補助駆動して、変速シフトには動力の中断がないことを保証するので、車両への乗車の快適性が向上される。さらに、モータと車輪との間の動力伝達ラインが短いので、電動運転モードでも全車ブレーキエネルギー回収モードでも効率が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して実施例に基づいて本発明の構造をさらに詳しく説明する。
図１に示すように、本発明の動力システムは、内燃機関１、補助モータ２、クラッチ３、変速機４、主モータ５、主減速機及び差動機６、駆動車輪７から順次に接続してなり、補助モータ２と主モータ５はそれぞれ動力電池８に電気的に接続される。主モータ５が変速機４の近傍に設置され、主モータ５のロータ軸が変速機４の出力軸に直接に接続され、補助モータ２が内燃機関１とクラッチ３との間に設置され、補助モータ２のロータ軸が内燃機関１のクランク軸に接続される。
【００１０】
図２に示すように、図１の構造において、主モータ５が動力伝達機構９を介して変速機４に接続され、補助モータ２が動力伝達機構１２を介して内燃機関１のクランク軸に接続されてもよい。主モータ５と補助モータ２が動作しない場合に変速機４または内燃機関１との接続を断って必要でないエネルギー消費を減少するために、主モータ５と変速機４との間、及び補助モータ２と内燃機関１との間にクラッチ１０、１３を設置してもよい。補助モータ２は変速機１１を介して動力伝達機構１２に接続されてもよい。これらのうち、主モータの動力伝達機構９と補助モータの動力伝達機構１２は、その具体的な形式としてベルトドライブ、チェーンドライブまたはギヤドライブのいずれの方式を用いてもよい。前記のような主、補助モータの接続方式は、それぞれ一体になり、互いに独立であり、それらの変化形式の組合せにより、本発明の新型のハイブリッド動力システムの多種の進化構造の形式を構成することができる。
【００１１】
本発明の新型のハイブリッド動力システムの基本構造の形式と進化構造の形式は、それぞれの動作原理が実質的に同じである。以下、進化構造の形式の一種を例として新型の動力システムの動作原理を説明する。
図３を参照すると、同図において、１は内燃機関、２は補助モータ、３はクラッチ、４は変速機、５は主モータ、７は前輪（駆動輪）、８は動力電池、１２は動力伝達機構、１４は内燃機関制御素子、１５は予備スタータ、１６は右側駆動軸、１７は変速機コントローラ、１８は変速機動作スイッチ、１９は信号線、２０は点火スイッチ、２１は全車コントローラ、２２はブレーキ踏子、２３はアクセルペダル、２４は電池管理素子、２５は後輪、２６は後軸、２７は配電箱、２８は高圧直流線、２９はＤＣ／ＤＣコンバータ、３０は主モータコントローラ、３１は一般低圧電池、３２は補助モータコントローラ、３３は左側駆動軸、３４は低圧線、３５は高圧交流線である。
【００１２】
この構造において、主モータ５は、変速機４（ＡＭＴ型で、変速機、主減速機及び差動機は一体に集積される）の後端に配置され、モータのロータ軸は変速機の出力軸に直接に接続され、補助モータ２は内燃機関の片側に配置され、ベルトを介して内燃機関のクランク軸の前端に接続される。この構造における主／補助モータ３０／３２、自動シフト機械式変速機（ＡＭＴ）のコントローラ１７、全車コントローラ２１及び電池管理素子２４は、ハイブリッド動力システムのエネルギー管理及び自動制御に必要な電子装置であり、変速機動作スイッチ１８、点火スイッチ２０、ブレーキ踏子２２及びアクセルペダル２３は、運転手の運転指令を伝送する装置である。
【００１３】
車両が異なる運転状態にある時、本発明の全車コントローラ２１は、異なる運転状態及び各部材の状態パラメータに応じて、本発明の二重モータのハイブリッド動力車両の動力システムの運転モードを制御できる。以下、この概略を図４ａ〜４ｈを参照して説明する。
１）起動前の状態：変速機動作スイッチ１８がオンされた後、全車コントローラ２１は、先ず、各システムの状態が正常であるかどうかをチェックし、次に、車両を正常の起動状態にする。
２）起動状態：運転手が変速機動作スイッチ１８を駆動シフトにセットし、アクセルペダル２３を踏み込んだ後、全車コントローラ２１は、起動信号を受信して、主モータコントローラ３０に指令して主モータ５を動作し始め、電気エネルギーが、動力電池８から配電箱２７、主モータコントローラ３０を介して主モータに伝達されて、モータが動作しはじめ、動力が変速機４の出力軸、主減速機を介して主モータに達し、駆動軸１６／３３を介して駆動輪７に伝達されて、車両が運転される。
【００１４】
３）低速度の運転状態：図４に示すように、車両を起動した後、主モータ５によって車両を運転させる。この場合は純粋な電動運転モードである。動力電池８の電荷量が所定の数値より小さい時、全車コントローラ２１は、内燃機関制御素子１４及び補助モータコントローラ３２に指令を与えて内燃機関を起動させ、内燃機関が動作した後、補助モータコントローラ３２は補助モータシステムを発電状態に速やかに転換させ、動力は補助モータコントローラ３２、配電箱２７、主モータコントローラ３０、主モータ５、変速機４の出力軸、主減速機、駆動軸１６／３３を介して駆動輪７に伝達され、車両が運転される。この場合は、図４ｃに示すように、直列運転モードである。
４）正常の運転状態：この場合、内燃機関は高効率領域で動作し、車両は内燃機関１の出力動力のみによって運転され、残りの動力は発電機に用いられて動力電池８を充電する。この場合は、図４ｆ、４ｇに示すように、内燃機関のみで駆動する運転モードである。
【００１５】
５）フルアクセル状態：電力電池８の電荷が設定のＳＯＣ最低限より大きく、アクセルペダル２３が全部踏み込まれ、フルアクセルの必要がある場合、内燃機関１と主モータ５はそれぞれ最大の動力を出力し、変速機４の出力軸に動力を合成して車両を駆動してフルアクセルさせる。この場合は、図４ｄに示すように、並列運転モードである。
６）ブレーキ減速状態：ブレーキ減速の必要がある場合、運転手がブレーキペダルを踏み込むと、ブレーキペダルの位置センサーによってブレーキ信号が全車コントローラ２１に伝送され、全車コントローラ２１は、その時のハイブリッド動力システムの状態によってモータブレーキトルクを算出し、且つ、必要に応じて主モータを介してブレーキ、発電を行って動力電池８を充電することを主モータコントローラ３０に指令する。この場合は、図４ｈに示すように、全車ブレーキエネルギーの回収モードである。
【００１６】
７）アイドルストップ状態：車両がストップし内燃機関がアイドル状態にある場合、全車コントローラ２１は、その時のハイブリッド動力システムの状態により車両がアイドルストップの条件を満足するかどうかを判断する。満足する場合には、内燃機関制御素子１４にストップすることを指令し、この時は、図４ａに示すように、内燃機関アイドルストップモードである。そうでない場合には、アイドルストップの条件を満足するか、あるいは他の運転モードに転換するまで、内燃機関１をそのままアイドルさせる。
８）変速機シフト期間のモータ補助駆動：正常の運転状態で、クラッチ３が解放されて変速機シフトを行う場合、全車コントローラ２１は、モータコントローラ３０に主モータ５を動作させることを指令する。そのため、シフト期間で動力の中断がなく、車両への乗車の快適性が向上される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の基本的な構造を示す図である。
【図２】図２は、図１の構造に基づく変化構造を示す図である。
【図３】図３は、本発明の動力ハイブリッドの動作原理を示す図である。
【図４】図４ａ〜４ｈは、本発明で実現可能な運転モード及びそのエネルギーの流れ方向を示す図であり、図４ａはアイドルストップモード、図４ｂは純粋な電動運転モード、図４ｃは直列運転モード、図４ｄは並列運転モード、図４ｅはハイブリッド運転モード、図４ｆはエンジン駆動及び発電モード、図４ｇはエンジン駆動モード、図４ｈはブレーキエネルギー回収モードを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2006514897.tif 000009
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