(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと電動機とのいずれか一方の動力または両方の動力を用い、変速機を介して車輪を駆動するハイブリッド自動車であって、前記電動機が、車載の蓄電装置の電力を半導体電力変換器により変換して駆動されるハイブリッド自動車の駆動システムにおいて、
前記蓄電装置として使用される電気二重層キャパシタ電池の電圧低下に応じて前記変速機の変速比を小さくし、前記電動機の見かけ上の運転可能最大回転数を増加させることを特徴とするハイブリッド自動車の駆動システム。
【請求項２】
請求項１記載のハイブリッド自動車の駆動システムにおいて、
前記半導体電力変換器がインバータであり、かつ、前記電動機が交流電動機であることを特徴とするハイブリッド自動車の駆動システム。
【請求項３】
請求項２記載のハイブリッド自動車の駆動システムにおいて、
前記交流電動機が永久磁石形同期電動機であることを特徴とするハイブリッド自動車の駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンと電動機とを備えてそれらの一方または両方の動力により車輪を駆動するハイブリッド自動車の駆動システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、この種のハイブリッド自動車（パラレルハイブリッド自動車）の公知の駆動システムを示す構成図である。
図３において、１は内燃機関であるエンジン、２はクラッチ、３は電動機、４は変速機、５は電動機３を駆動する半導体電力変換器、６は車載の蓄電装置、７はデフギアー、８は車輪である。電動機３は、車両駆動用としては一般的に永久磁石形同期電動機が用いられ、半導体電力変換器５としては、直流電圧を変換して可変電圧、可変周波数の交流電圧を出力するインバータが用いられる。
【０００３】
また、９は自動車運転指令装置であり、運転手のキー操作やアクセルペダル踏込み信号、ブレーキペダル踏込み信号等から自動車の起動、加減速、制動等に関する運転指令を出力する。１０は自動車制御装置であり、自動車運転指令装置９からの運転指令を受けて、エンジン出力指令（エンジン１への燃料供給量指令）、変速機４の変速比指令、半導体電力変換器５の運転動作モード指令、インバータ出力指令を出力する。
【０００４】
図４は、図３の駆動システムによる駆動モードを示す図である。図４において、実線の矢印は動力の流れを示し、破線の矢印は電力の流れを示している。
【０００５】
図４（ａ）は、クラッチ２をつないでエンジン１の動力のみにより走行する運転モードである。このモードでは、必要に応じて電動機３を発電機動作させ、インバータ５を介して蓄電装置６を充電する。
【０００６】
図４（ｂ）は、クラッチ２を切ってエンジン１と電動機３を切り離し、電動機３のみにより走行する運転モードである。このモードにおいて、走行動力は蓄電装置６の直流電力によって供給される。また、このモードではエンジン１を停止することも可能である。
【０００７】
図４（ｃ）は、クラッチ２をつないでエンジン１と電動機３の両方の動力を用いて走行する運転モードである。このモードでは、エンジン１からの動力と電動機３からの動力とを加えた動力が駆動力となる。エンジン１の動力と電動機３の動力の割合は、運転状態や運転方法によって異なる。ここでは、その詳細な説明は省略する。
【０００８】
図４（ｄ）は、制動時の運転モードである。このモードでは電動機３を発電機動作させ、インバータ５を整流器動作させて制動エネルギーを蓄電装置６に回収する。なお、クラッチ２は切り離された状態にある。
【０００９】
図４において、（ａ）のエンジン駆動モードは一般のエンジン自動車の駆動システムと同じであるので、その説明は省略する。
ここでは、図４（ｂ）の電動機駆動モードにおける駆動について、図５を参照しつつ説明する。図５は、図４の電動機３として使用される永久磁石形同期電動機のトルク−回転数特性を示したものである。図５において、特性Ａは定トルク運転域、特性Ｂは定出力運転域である。また、回転数Ｎｂは基底回転数、Ｎｍａｘは運転可能最大回転数であり、この最大回転数Ｎｍａｘ以上では電動機を運転できないことを示している。
【００１０】
次に、図６は、図４（ｃ）のエンジン・電動機併用運転モードにおける変速機４の入力側でのトルク−回転数特性を示している。図６において、ａは電動機３の出力特性、ｂはエンジン１の出力特性、ｃはａとｂとを合成した特性である。
【００１１】
図６によると、回転数Ｎで運転している場合、電動機３は（ａ）のトルクを、エンジン１は（ｂ）のトルクを出力し、変速機４の入力軸には（ｃ）のトルクが加わっている。エンジン１と電動機３の出力トルクは、車両の走行速度等の走行状態、蓄電装置６の蓄電量等に応じて配分が決定されるが、その比率等に関しては本発明の本旨ではないため、説明を省略する。
なお、図６において、Ｎｉはエンジン１のアイドリング回転数である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
エンジン自動車のハイブリッド化の目的は排気ガスの低公害化であり、このための一つの手段として、燃費を向上させて排気ガスの総量を低減することが有効である。従って、エンジン及び電動機を備えたパラレルハイブリッド自動車の駆動システムでは、この燃費向上が大きな課題となっている。
【００１３】
燃費向上のためには、エンジンを始めとして機器そのものの作動効率向上は勿論のこと、駆動システム全体としての作動効率を向上させることが大きな課題である。特に、パラレルハイブリッド自動車における駆動システムでは、図４（ｄ）の制動モードにおいて、制動エネルギーをいかに回収して駆動時に再使用するかが効率向上の大きな鍵を握っている。
【００１４】
一方、ハイブリッド自動車を広く普及させる場合の問題点の一つに、蓄電装置の寿命がある。この問題点の解決策として、従来から使用されてきた化学電池から物理電池である電気二重層キャパシタ電池の実用化が進められている。
電気二重層キャパシタ電池は、化学電池に比べて寿命が大きく改善される利点があるが、化学電池との相違点として、蓄電量に応じて電池電圧が大きく変化することが挙げられる。
【００１５】
ここで、図７は、図５に示した永久磁石形同期電動機のトルク−回転数特性について、蓄電装置の電圧が低下した場合の特性変化を説明するためのものである。
電動機の運転可能最大回転数は、電力変換器すなわちインバータの入力電圧（蓄電装置の電圧）にほぼ比例して低下する。図７において、▲１▼は図５と同一の特性であり、▲２▼は▲１▼の状態に対してインバータ入力電圧が１／２に低下した場合の特性である。すなわち、インバータ入力電圧が十分に高ければ、電動機の運転可能最大回転数はＮｍａｘ１であるのに対し、電圧が１／２に低下すると、運転可能最大回転数はＮｍａｘ１の１／２のＮｍａｘ２まで低下してしまう。
なお、図７において、Ｎｂ１，Ｎｂ２はそれぞれ基底回転数である。
【００１６】
図８は、エンジン・電動機併用運転モードにおけるインバータの入力電圧低下時の、電動機の運転特性を示す図である。なお、この図は、電動機のトルク及び回転数を、変速機の出力軸側に変速機４の出力軸側に換算して表してある。
図８において、回転数Ｎは、車両走行速度に対応した変速機出力軸の回転数である。図７で説明したように、インバータ入力電圧が十分高ければ、同図▲１▼の特性で示すように、電動機の運転可能最大回転数が高く、回転数Ｎでの運転には支障ない。
【００１７】
しかしながら、インバータ入力電圧が低下すると電動機の出力も低下し、運転可能最大回転数も低下する。ここで、運転可能最大回転数が図８の▲２▼まで低下したとしても回転数Ｎ以上であり、出力は低下するものの運転は可能である。
しかし、インバータ入力電圧が更に低下して同図の▲３▼のような特性になると、電動機の運転による回転数Ｎの実現はもはや不可能になってしまう。
【００１８】
蓄電装置として電気二重層キャパシタ電池を採用したシステムでは、蓄電装置の電圧すなわちインバータ入力電圧が大きく変化するので、上述したように電動機の運転可能最大回転数が変動して車両走行速度に応じた回転数での運転が不可能になり、その結果、エンジン駆動に依存せざるを得ない場合が生じ得る。
このように蓄電装置として電気二重層キャパシタ電池を採用し、かつ電動機として永久磁石形同期電動機を用いたパラレルハイブリッド駆動システムは高効率な駆動システムであるが、蓄電装置の広範囲な電圧変動に対しても電動機の運転を可能にしてエンジンの負担を軽減し、ハイブリッド自動車の更なる燃費向上を図る駆動システムの実現が強く求められている。
【００１９】
なお、図９は、ハイブリッド自動車の他の駆動システムを示すもので、図３と同一構成要素は同一番号を付してある。
図９と図３との違いは、クラッチ２と変速機４との間に連結ギア４ａを挿入し、この連結ギア４ａを介して電動機３ａを連結した点にある。なお、図９の駆動特性は図３の駆動特性と等価であるので、その説明は省略する。
【００２０】
この駆動システムによれば、連結ギア４ａにより電動機３ａを増速できるため、電動機３ａを小型・軽量化することができる利点があるが、連結ギア４ａが車両の重量を増大させ、駆動システム全体が大型化するという問題がある。
【００２１】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、電気二重層キャパシタ電池のように蓄電量によって電圧が変化する蓄電装置を用いた場合にも、電動機の運転により所望の走行速度を得ることができ、ハイブリッド自動車の燃費を一層向上させるとともに、連結ギアを用いる場合に比べて車両の小型軽量化を可能にしたハイブリッド自動車の駆動システムを提供しようとするものである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、エンジンと電動機とのいずれか一方の動力または両方の動力を用い、変速機を介して車輪を駆動するハイブリッド自動車であって、前記電動機が、車載の蓄電装置の電力を半導体電力変換器により変換して駆動されるハイブリッド自動車の駆動システムにおいて、
前記蓄電装置として使用される電気二重層キャパシタ電池の電圧低下に応じて前記変速機の変速比を小さくし、前記電動機の見かけ上の運転可能最大回転数を増加させるものである。
ここで、上記変速比は、変速機の入力軸（電動機の出力軸）の回転数に対する出力軸（車輪軸）の回転数の比（入力軸回転数／出力軸回転数）であり、変速比が小さいほど出力軸回転数は増加する。
【００２３】
なお、請求項２，３に記載するように、電動機の駆動システムとしては、可変電圧、可変周波数の交流電圧を出力するインバータによって永久磁石形同期電動機を駆動するシステムとすることが好ましい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本実施形態を示す構成図であり、図３と同一構成要素には同一番号を付してある。
本実施形態と図３との主たる相違点は、以下に述べる運転モード制御装置１１を追加した点にある。この運転モード制御装置１１は、エンジン１，変速機４，半導体電力変換器（インバータ）５及び自動車制御装置１０との間で信号を授受し、電気二重層キャパシタ電池等の蓄電装置６からはその電圧を検出して取り込んでいる。
【００２５】
運転モード制御装置１１は、自動車制御装置１０からの運転制御指令を受け、運転モード指令、運転トルク指令、車速指令、蓄電装置６の電圧等から最適変速比を決定する。そして、エンジン１に対して出力指令を、変速機４に対して変速指令（通常の変速指令の他、後述する蓄電装置の電圧低下時における変速比の切替指令も含むものとする）を、電力変換器５に対して出力電圧、周波数等の制御指令を出力する。
【００２６】
図２は、図１に示した駆動システムの動作を説明するための、エンジン及び電動機の特性図である。
図２において、回転数Ｎは車両走行速度に対応した変速機出力軸の回転数である。ａ１，ａ２は電動機３のトルク−回転数特性、ｂ１，ｂ２はエンジン１のトルク−回転数特性であり、前述した図８と同様にそれぞれ変速機４の出力軸側に換算して（つまり変速比を含めた状態で）表してある。すなわち、エンジン１や電動機３の実際の出力トルクや回転数は、必ずしも図２に示す諸量と一致するものではない。
【００２７】
いま、蓄電装置６の電圧が低下して電動機３の運転可能最大回転数が低下し、その値がＮｍａｘ１であるとする。また、このときの変速機４の変速比をＲ１とし、対応する電動機３のトルク−回転数特性をａ１、エンジン１のトルク−回転数特性をｂ１とする。
この場合、車両走行速度に対応する回転数Ｎは運転可能最大回転数Ｎｍａｘ１以上であるから、電動機３の運転によってこの回転数Ｎを得ることはできない。
【００２８】
そこで、図１に示した運転モード制御装置１１は、変速機４に対して変速比をＲ１からＲ１より小さいＲ２へ切り替える切替指令を出力し、変速比をＲ２に変更する。
なお、上記変速比は、変速機４の入力軸の回転数に対する出力軸の回転数の比（入力軸回転数／出力軸回転数）であり、変速比が小さいほど出力軸回転数は増加するものである。
【００２９】
図２において、ａ２，ｂ２は変速機４の変速比がＲ２における特性であるとする。また、Ｎｍａｘ２はこの変速比Ｒ２における電動機３の運転可能最大回転数である。
変速比がＲ２に切り替わると、見かけ上は電動機３の運転可能最大回転数がＮｍａｘ２まで増加し、車両走行速度に対応する回転数Ｎ以上になる。従って、蓄電装置６の電圧が低下しているにも関わらず電動機３の運転を継続させて回転数Ｎで走行することが可能になり、エンジン１の併用によるハイブリッド運転も支障なく行うことができる。
【００３０】
運転モード制御装置１１の動作を述べると、この制御装置１１は、蓄電装置６から電圧を検出し、その電圧における電動機３の運転可能最大回転数（変速機４の出力軸側に換算した回転数）を演算する。そして、変速機４からの情報により検出した車速対応の回転数Ｎと上記運転可能最大回転数とを比較して変速比変更の要否を判断し、必要に応じて変速機４に対する変速比の切替指令を出力する。
なお、変速比は、連続的に切り替えても段階的に切り替えてもよい。
【００３１】
このように本実施形態によれば、電気二重層キャパシタ電池等からなる蓄電装置６の電圧が蓄電量に応じて低下しても、変速比を変えることで走行速度に対応した電動機回転数を得ることができる。従って、エンジン１による走行動力の負担を軽減することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、電気二重層キャパシタ電池等の蓄電装置の電池電圧低下に応じて変速機の変速比を可変にしたため、次のような効果が期待できる。
（１）電池電圧が低下していても変速比の切替によって所定の走行速度を維持できるため、蓄電装置の使用可能なエネルギーが増大することとなり、言い換えればハイブリッド自動車の燃費を一層向上させることができる。
（２）従来のように連結ギアを用いる方式とは異なるため、車両の重量増大や駆動システムの大型化を招くことがない。
（３）蓄電装置として電気二重層キャパシタ電池を使用する場合には電池寿命が伸びると共に電池交換等が不要となり、ハイブリッド自動車の保守軽減が可能である。
（４）上記（１）〜（３）から、実用的で汎用性の高いハイブリッド自動車を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す構成図である。
【図２】図１の動作を説明するためのエンジン及び電動機の特性図である。
【図３】パラレルハイブリッド自動車の公知の駆動システムの構成図である。
【図４】図３における動作モード説明図である。
【図５】図３における電動機の特性図である。
【図６】図３におけるエンジン・電動機併用運転モード（ハイブリッド運転モード）時のエンジン及び電動機の特性図である。
【図７】蓄電装置の電圧低下時における電動機の特性図である。
【図８】図３におけるインバータの入力電圧低下時の電動機の特性図である。
【図９】パラレルハイブリッド自動車の他の駆動システムの構成図である。
【符号の説明】
１      エンジン
２      クラッチ
３，３ａ      発電動機
４      変速機
４ａ    連結ギア
５      半導体電力変換器
６      蓄電装置
７      デフギア
８      車輪
９      自動車運転指令装置
１０    自動車運転制御装置
１１    運転モード制御装置
【図１】
0003871248.tif 000002
【図２】
0003871248.tif 000003
【図３】
0003871248.tif 000004
【図４】
0003871248.tif 000005
【図５】
0003871248.tif 000006
【図６】
0003871248.tif 000007
【図７】
0003871248.tif 000008
【図８】
0003871248.tif 000009
【図９】
0003871248.tif 000010