(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力軸を有するエンジンと、動力を出力するための駆動軸と、前記出力軸側に結合された第１の回転軸と前記駆動軸側に結合された第２の回転軸とを有し動力と電力との変換を介して該第１の回転軸の回転数およびトルクを変換して該第２の回転軸に出力可能なトルク変換手段とを備えるハイブリッド車両であって、
前記エンジンから出力された動力が前記駆動軸に出力されるまでの経路中に介在し、所定の変速比で動力を伝達する変速機と、
前記駆動軸の目標動力を、目標回転数および目標トルクの組合せで設定する目標動力設定手段と、
前記目標動力に応じ、運転効率を優先して設定された回転数およびトルクで前記エンジンを運転するエンジン制御手段と、
前記変速機を制御して、前記第１の回転軸の入力回転数と第２の回転軸の出力回転数との差が、予め設定された所定範囲内となる変速比を実現する変速機制御手段とを備え、
前記変速機は、前記ハイブリッド車両の走行領域において、前記入力回転数と前記出力回転数との大小関係を、少なくとも、該トルク変換手段による変換効率が高い側の関係に維持可能な範囲で設定された変速比で動力を伝達する機構であり、
前記変速機制御手段は、該変速機を制御して、前記入力回転数と出力回転数の大小関係を、前記変換効率が高い側の関係に維持する手段である、ハイブリッド車両。
【請求項２】
請求項１記載のハイブリッド車両であって、
前記トルク変換手段は、
前記第１の回転軸および第２の回転軸に結合され、電力のやりとりによって、該第１の回転軸の動力を少なくとも回転数の異なる動力に調整して該第２の回転軸に伝達する動力調整装置と、
前記第２の回転軸に結合された電動機とを備える手段であり、
前記変換効率が高い側の関係は、前記入力回転数が前記出力回転数よりも大きい関係であるハイブリッド車両。
【請求項３】
請求項１記載のハイブリッド車両であって、
前記トルク変換手段は、
前記第１の回転軸および第２の回転軸に結合され、電力のやりとりによって、前記第１の回転軸の動力を少なくとも回転数の異なる動力に調整して第２の回転軸に伝達する動力調整装置と、
前記第１の回転軸に結合された電動機とを備える手段であり、
前記変換効率が高い側の関係は、前記入力回転数が前記出力回転数よりも小さい関係であるハイブリッド車両。
【請求項４】
前記変速機が、前記出力軸とトルク変換手段との間に設けられた請求項１記載のハイブリッド車両。
【請求項５】
前記変速機が、前記トルク変換手段と前記駆動軸との間に設けられた請求項１記載のハイブリッド車両。
【請求項６】
請求項１記載のハイブリッド車両であって、
前記変速機は、
３つの回転軸のうち、２つの回転軸が前記出力軸側および前記駆動軸側にそれぞれ結合されたプラネタリギヤと、
該プラネタリギヤの残余の回転軸について、選択的に回転および制止可能な制止手段と、
前記２つの回転軸同士を選択的に結合および解放可能な結合手段とを備える機構であるハイブリッド車両。
【請求項７】
請求項１記載のハイブリッド車両であって、
前記トルク変換手段は、
ロータ軸を有する発電機と、
３つの回転軸を有し、該回転軸が前記出力軸、駆動軸、およびロータ軸にそれぞれ結合されたプラネタリギヤと、
前記第１の回転軸または第２の回転軸の一方に結合された電動機とを備える手段であるハイブリッド車両。
【請求項８】
請求項１記載のハイブリッド車両であって、
前記トルク変換手段は、
前記第１の回転軸に結合された第１のロータと、前記第２の回転軸に結合された第２のロータとを有する対ロータ電動機と、
前記第１の回転軸または第２の回転軸の一方に結合された電動機とを備える手段であるハイブリッド車両。
【請求項９】
出力軸を有するエンジンと、動力を出力するための駆動軸と、前記出力軸側に結合された第１の回転軸と前記駆動軸側に結合された第２の回転軸とを有し動力と電力との変換を介して該第１の回転軸の回転数およびトルクを変換して該第２の回転軸に出力可能なトルク変換手段と、前記エンジンから出力された動力が前記駆動軸に出力されるまでの経路中に介在し、所定の変速比で動力を伝達する変速機とを備えるハイブリッド車両の運転を制御する制御方法であって、
前記変速機は、前記ハイブリッド車両の走行領域において、前記入力回転数と前記出力回転数との大小関係を、少なくとも、該トルク変換手段による変換効率が高い側の関係に維持可能な範囲で設定された変速比で動力を伝達する機構であり、
前記制御方法は、
（ａ）  前記駆動軸の目標動力を、目標回転数および目標トルクの組合せで設定する工程と、
（ｂ）  前記目標動力に応じ、運転効率を優先して設定された回転数およびトルクで前記エンジンを運転する工程と、
（ｃ）  前記第１の回転軸の入力回転数と第２の回転軸の出力回転数との差が、予め設定された所定範囲内となるよう、前記変速機の変速比を制御する工程とを備え、
前記工程（ｃ）は、前記変速機を制御して、前記入力回転数と出力回転数の大小関係を、前記変換効率が高い側の関係に維持する工程を含む、制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくともエンジンを動力源として走行可能なパラレルハイブリッド車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エンジンと電動機とを動力源とするハイブリッド車両が提案されている（例えば特開平９−４７０９４に記載の技術等）。ハイブリッド車両の一種としていわゆるパラレルハイブリッド車両がある。パラレルハイブリッド車両は、エンジンの回転数およびトルクを、トルク変換手段によって、動力と電力との変換を介して目標回転数および目標トルクに変換して駆動軸に出力し走行する。トルク変換手段には、電力のやりとりによって動力を調整しつつ伝達する動力調整装置と電動機とからなる構成が適用される。エンジンから出力された動力は、その一部が動力調整装置により駆動軸に伝達され、残余の動力が電力として回生される。この電力はバッテリに蓄電されたり、エンジン以外の動力源としての電動機を駆動するのに用いられる。パラレルハイブリッド車両は、エンジンから出力された動力を任意の回転数およびトルクで駆動軸に出力することができ、駆動軸から出力すべき要求動力に関わらずエンジンは運転効率の高い運転ポイントを選択して運転することができるため、燃費および排気浄化性に優れている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成のパラレルハイブリッド車両では、電力と動力との変換を通じてトルク変換を行う。電力と動力との変換には、所定の損失が伴うのが通常である。かかる損失に起因して、従来のパラレルハイブリッド車両では、走行可能な運転領域全般で十分に高い運転効率を維持することができなかった。例えば、高速運転領域や高トルクが要求される運転領域などでは、運転効率が低下することがあった。
【０００４】
また、従来のハイブリッド車両では、トルク変換時に動力の循環が発生して運転効率が低下することがあった。動力の循環について具体的に説明する。図２２は電動機を駆動軸に結合したハイブリッド車両の概略構成を示す説明図である。ここでは、動力調整装置として、プラネタリギヤＰＧと発電機Ｇとを適用した場合を示した。プラネタリギヤＰＧは遊星歯車とも呼ばれ、中心で回転するサンギヤ、その周囲を自転しながら公転するプラネタリピニオンギヤ、さらにその外周で回転するリングギヤから構成される。プラネタリピニオンギヤはプラネタリキャリアに軸支されている。プラネタリギヤＰＧは、周知の通り、サンギヤ、プラネタリキャリア、リングギヤの３者の要素うち、２者の要素の回転状態が決定されると残余の要素の回転状態が決定されるという機械的性質を有している。かかる性質に基づき、プラネタリギヤＰＧは、一つの要素に入力された動力を他の２つの要素に分配して伝達することができる。図２２に例示した構成では、サンギヤに発電機Ｇが結合され、プラネタリキャリアにエンジンＥＧが結合され、リングギヤに電動機ＡＭおよび駆動軸ＤＳが結合される。プラネタリギヤＰＧ、発電機Ｇ、および電動機ＡＭがトルク変換装置ＴＣを構成する。かかる構成では、エンジンの回転数よりも駆動軸の回転数が低いアンダードライブ走行時に運転効率が高くなる特性がある。
【０００５】
図２３は電動機を駆動軸に結合したハイブリッド車両において、エンジンの回転数が駆動軸の回転数よりも高い状態における動力の伝達の様子を示す説明図である。エンジンＥＧから出力される動力は、回転数を低減するとともにトルクを増大して駆動軸ＤＳから出力される。エンジンＥＧから出力された動力ＰＵ１は、プラネタリギヤＰＧによって２つに分配され、一部は回転数およびトルクが低減された動力ＰＵ２として伝達される。残余の部分は発電機Ｇに伝達される。この動力で発電機Ｇが駆動されると、発電が行われるため、エンジンＥＧから出力された動力の一部は電力ＥＵ１として回生される。この電力ＥＵ１によってアシストモータＡＭを力行し、不足分のトルクを補償することによって、要求された回転数およびトルクからなる動力ＰＵ３が駆動軸ＤＳに出力される。
【０００６】
図２４は電動機を駆動軸に結合したハイブリッド車両において、エンジンの回転数が駆動軸の回転数よりも低い状態における動力の伝達の様子を示す説明図である。エンジンＥＧから出力された動力ＰＵ１は、発電機Ｇを駆動することによって、増速された動力ＰＵ４としてプラネタリギヤＰＧから下流側に伝達される。次に、アシストモータＡＭで負荷を与えて、余剰のトルクを低減することによって、要求された回転数およびトルクからなる動力ＰＵ３が駆動軸ＤＳに出力される。アシストモータＡＭでは動力ＰＵ４の一部を電力ＥＵ２として回生することによって負荷を与える。この電力は発電機Ｇの力行に用いられる。
【０００７】
両者を比較すると、エンジンＥＧの回転数が駆動軸の回転数よりも高い場合（図２３）では、エンジンから出力された動力が駆動軸に伝達される経路において、上流側に位置する動力調整装置ＰＧ＋Ｇで回生された電力が下流側に位置するアシストモータＡＭに供給される。エンジンＥＧの回転数が駆動軸の回転数よりも低い場合（図２４）では、逆に、下流側に位置するアシストモータＡＭで回生された電力が上流側に位置する動力調整装置ＰＧ＋Ｇに供給される。動力調整装置ＰＧ＋Ｇに供給された電力は、再び機械的な動力として下流側に位置するアシストモータＡＭに供給される。この結果、図２４中に示す動力の循環γ１が生じる。動力の循環γ１が生じると、エンジンＥＧから出力された動力のうち、有効に駆動軸ＤＳに伝達される動力が低減するため、ハイブリッド車両の運転効率が低下する。
【０００８】
逆に、電動機を出力軸に結合した場合は、エンジン、電動機、動力調整装置の順に結合した構成となる。図２５は電動機を出力軸に結合したハイブリッド車両の概略構成を示す説明図である。図示する通り、エンジンＥＧの出力軸ＣＳに電動機ＡＭが結合され、駆動軸ＤＳに動力調整装置としてのプラネタリギヤＰＧおよび発電機Ｇが結合される。かかる構成では、逆に、エンジンの回転数よりも駆動軸の回転数が高いオーバードライブ走行時に運転効率が高くなる特性がある。
【０００９】
図２６は電動機を出力軸に結合したハイブリッド車両において、エンジンの回転数が駆動軸の回転数よりも高い状態における動力の伝達の様子を示す説明図である。図２７は電動機を出力軸に結合したハイブリッド車両において、エンジンの回転数が駆動軸の回転数よりも低い状態における動力の伝達の様子を示す説明図である。伝達される動力について、回転数の調整はプラネタリギヤＰＧでのみ可能であるため、電動機を出力軸に結合したハイブリッド車両では、駆動軸に結合した場合と逆の現象が起きる。エンジンＥＧの回転数が駆動軸の回転数よりも低い場合（図２６）では、下流側に位置する動力調整装置ＰＧ＋Ｇで回生された電力ＥＯ１が上流側に位置するアシストモータＡＭに供給される。逆に、エンジンＥＧの回転数が駆動軸の回転数よりも高い場合（図２７）では、上流側に位置するアシストモータＡＭにより回生されたＥＯ２が下流側に位置する動力調整装置ＰＧ＋Ｇに供給される。従って、電動機をエンジンの出力軸に結合した状態では、前者の場合に図２６に示す動力の循環γ２が生じ、ハイブリッド車両の運転効率が低下する。
【００１０】
このように従来のハイブリッド車両では、電動機ＡＭの結合先に応じて特定の走行領域において動力の循環が生じ運転効率が低下する。動力の循環を生じないよう、車両の運転状態に応じて電動機ＡＭの結合先をエンジンの出力軸ＣＳと駆動軸ＤＳとの間で切り換えることも可能ではある。しかしながら、かかる場合には、電動機ＡＭの結合先を切り換えを実現するため装置構成が複雑化したり、切り換え時にトルクショックが生じ、車両の乗り心地や応答性を低下させるなどの新たな課題を生じる。
【００１１】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、エンジンからの動力の一部を直接駆動軸に出力可能なパラレルハイブリッド車両において、広範な領域で高効率での運転を実現可能なハイブリッド車両を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の構成を採用した。
本発明のハイブリッド車両は、
出力軸を有するエンジンと、動力を出力するための駆動軸と、前記出力軸側に結合された第１の回転軸と前記駆動軸側に結合された第２の回転軸とを有し動力と電力との変換を介して該第１の回転軸の回転数およびトルクを変換して該第２の回転軸に出力可能なトルク変換手段とを備えるハイブリッド車両であって、
前記エンジンから出力された動力が前記駆動軸に出力されるまでの経路中に介在し、所定の変速比で動力を伝達する変速機を備えることを要旨とする。
【００１３】
ハイブリッド車両における損失は主にトルク変換手段で発生する。上記構成のハイブリッド車両では、電力と動力との変換を介してエンジンから出力された動力をトルク変換して駆動軸に出力することができる。電力と動力との変換には所定のエネルギ損失が生じるのが通常である。このエネルギ損失が大きくなれば、ハイブリッド車両の運転効率は低下する。
【００１４】
エンジンから駆動軸に機械的に伝達される動力（以下、直達動力と呼ぶ）の回転数およびトルクと駆動軸に出力すべき目標回転数および目標トルクとが一致する場合には、トルク変換の必要はない。この場合、電力と動力との変換はなされないから、運転効率は高い。これに対し、直達動力の回転数およびトルクが、駆動軸の目標回転数および目標トルクと異なる場合には、電力と動力との変換を介してトルク変換を行う。即ち、エンジンから出力される動力の一部を機械的な直達動力として駆動軸に出力しつつ、残余の動力を電力に一旦置換する。この電力を用いてトルク変換手段の内部に設けられた電動機を駆動し、直達動力と駆動軸の目標動力との差違を補償し、目標回転数および目標トルクからなる動力を駆動軸に出力する。直達動力と駆動軸の目標動力との差違が大きくなれば、電力と動力の変換量が大きくなるため、変換時に生じる損失も大きくなる。この結果、ハイブリッド車両の運転効率が低下する。
【００１５】
本発明のハイブリッド車両によれば、上記変速機の作用により、直達動力と駆動軸の目標動力との差違を抑制することができる。直達動力の回転数が目標動力の回転数よりも非常に小さく、トルク変換手段で増速が必要な走行状態を考える。かかる場合に、本発明のハイブリッド車両によれば、変速機を増速側に切り換えることにより、エンジンからの直達動力の回転数を増速することができる。トルク変換手段では、増速された直達動力と目標動力との差違を調整する変換を行えば済むため、電力と動力との変換量を低減することができる。換言すれば、駆動軸に出力される動力のうち、直達動力の割合を増大することができる。この結果、トルク変換装置で生じる損失を抑制でき、ハイブリッド車両の運転効率を向上することができる。
【００１６】
直達動力の回転数が目標動力の回転数よりも非常に高く、トルク変換手段で減速が必要な走行状態においても同様に運転効率を向上することができる。かかる場合は、換言すれば、直達動力のトルクが目標動力のトルクよりも非常に低く、トルク変換手段でトルク付加が必要な走行状態に相当する。本発明のハイブリッド車両によれば、かかる走行状態においては、変速比を減速側に切り換えることにより、エンジンからの直達動力のトルクを増大することができる。従って、トルク変換手段では、トルク付加された直達動力と目標動力との差違を調整する変換を行えば済むため、電力と動力との変換量を低減することができ、ハイブリッド車両の運転効率を向上することができる。
【００１７】
なお、上記変速機は、いわゆる無段階で変速可能な機構を用いることも可能ではあるが、予め設定された一定の変速比で変速可能な機構を用いることが望ましい。ハイブリッド車両では、トルク変換手段により、エンジンから出力される回転数を任意の回転数およびトルクに変更して出力可能であるから、更に無段階の変速機を設ける必要性は低い。無段階の変速機を設けることにより、却って、装置構成の複雑化、大型化などの新たな課題を招く可能性もある。これに対し、予め設定された一定の変速比の変速機は、簡易な構成であるため、装置の複雑化、大型化、製造コストの増大などの弊害少なく、組み込むことができる。また、トルク変換手段における電力と動力の変換を抑制するという目的は、一定の変速比で変速することにより十分達成することができる。かかる観点から、上記変速機は、予め設定された一定の変速比で変速可能な機構を用いることが望ましい。
【００１８】
変速機は、２以上の変速比を実現できるものであればよい。変速比は、必ずしも、減速側と増速側の双方を備えている必要はない。例えば、変速比の入力側と出力側とを直結した状態と、減速または増速のいずれか一方の状態とで切り換え可能な変速機を用いるものとしても構わない。当然、変速機が切り換え可能な変速比が多い程、より高い効率での運転を実現可能となることはいうまでもない。
【００１９】
本発明のハイブリッド車両においては、上記変速機の切り換えを手動で行うものとしても構わないが、
前記駆動軸の目標動力を、目標回転数および目標トルクの組合せで設定する目標動力設定手段と、
前記目標動力に応じ、運転効率を優先して設定された回転数およびトルクで前記エンジンを運転するエンジン制御手段と、
前記変速機を制御して、前記第１の回転軸の入力回転数と第２の回転軸の出力回転数との差が、予め設定された所定範囲内となる変速比を実現する変速機制御手段とを備えることが望ましい。
【００２０】
かかる構成によれば、変速機の変速比を自動制御することができ、ハイブリッド車両を高い効率で運転することができる。また、運転者に負担をかけることなく、変速機の切り換えを行うことができるため、ハイブリッド車両の利便性を向上することができる。なお、入力回転数と出力回転数との差について、上記制御の基準となる所定範囲は、ハイブリッド車両の走行領域、および目標とする運転効率などを考慮し、車両の構成に応じて種々適切な値を設定することができる。
【００２１】
また、本発明のハイブリッド車両において、
前記変速機は、前記ハイブリッド車両の走行領域において、前記入力回転数と前記出力回転数との大小関係を、少なくとも、該トルク変換手段による変換効率が高い側の関係に維持可能な範囲で設定された変速比で動力を伝達する機構であり、
前記変速機制御手段は、該変速機を制御して、前記入力回転数と出力回転数の大小関係を、前記変換効率が高い側の関係に維持する手段であるものとすることが望ましい。
【００２２】
ハイブリッド車両のトルク変換手段では、先に図２２〜図２７を用いて具体的に説明した通り、第１の回転軸の入力回転数と第２の回転軸の出力回転数との大小関係に応じて動力の循環が生じ、効率が低下する場合がある。動力の循環は、トルク変換手段の構成に応じて、入力回転数および出力回転数が所定の大小関係にある場合に生じる。上記ハイブリッド車両によれば、車両の走行領域のほぼ全般において入力回転数と出力回転数との大小関係をより効率が高い側に維持することができ、運転効率を向上することができる。なお、上記構成のハイブリッド車両は、トルク変換時における効率の低下を抑制するものである。従って、上記変速機制御手段は、トルク変換が行われる走行領域において上記大小関係を一定の状態に維持するものであればよい。トルク変換が必要とされない走行領域においてまで必ずしも上記大小関係を維持する必要はない。
【００２３】
入力回転数と出力回転数との大小関係を維持するハイブリッド車両について、より具体的には、次の態様が望ましい。
第１の態様は、
前記トルク変換手段が、
前記第１の回転軸および第２の回転軸に結合され、電力のやりとりによって、該第１の回転軸の動力を少なくとも回転数の異なる動力に調整して該第２の回転軸に伝達する動力調整装置と、
前記第２の回転軸に結合された電動機とを備える手段である場合には、
前記変換効率が高い側の関係は、前記入力回転数が前記出力回転数よりも大きい関係である。
【００２４】
第１の態様は、先に図２２に示した態様に相当する。図２２中のプラネタリギヤＰＧおよび発電機Ｇが上述の動力調整装置に相当し、アシストモータＡＭが上述の電動機に相当する。もちろん、このことは図２２の構成に限定されることを意味するものではない。既に図２３、図２４で説明した通り、電動機が駆動軸に結合された構成においては、入力回転数が出力回転数よりも低い場合に動力の循環が発生する。第１の態様では、入力回転数が出力回転数よりも高い状態を維持することができるため、高い効率でトルク変換を行うことができる。
【００２５】
第２の態様は、
前記トルク変換手段が、
前記第１の回転軸および第２の回転軸に結合され、電力のやりとりによって、前記第１の回転軸の動力を少なくとも回転数の異なる動力に調整して第２の回転軸に伝達する動力調整装置と、
前記第１の回転軸に結合された電動機とを備える手段である場合には、
前記変換効率が高い側の関係は、前記入力回転数が前記出力回転数よりも小さい関係である。
【００２６】
第２の態様は、先に図２５に示した態様に相当する。もちろん、このことは図２５の構成に限定されることを意味するものではない。既に図２６、図２７で説明した通り、電動機が駆動軸に結合された構成においては、入力回転数が出力回転数よりも高い場合に動力の循環が発生する。第２の態様では、入力回転数が出力回転数よりも低い状態を維持することができるため、高い効率でトルク変換を行うことができる。
【００２７】
本発明のハイブリッド車両において、前記変速機を設ける場所は、種々の選択が可能である。
例えば、前記変速機を、前記出力軸とトルク変換手段との間に設けることができる。
また、
前記変速機を、前記トルク変換手段と前記駆動軸との間に設けることもできる。もちろん、前記出力軸とトルク変換手段の間、およびトルク変換手段と駆動軸の間の双方に変速機をそれぞれ設けるものとしてもよい。
【００２８】
前者の態様、即ち、変速機をエンジンＥＧの出力軸とトルク変換手段との間に介在させるものとすれば、エンジンＥＧから出力される動力を変速してトルク変換手段に入力することができる。即ち、トルク変換手段の入力回転数側を変速することにより、入力回転数と出力回転数との差を所定の範囲内に制御することができる。
【００２９】
後者の態様、即ち、変速機をトルク変換手段と駆動軸の間に介在させるものとすれば、トルク変換手段からから出力される動力を変速して駆動軸に出力することができる。こうすることにより、駆動軸の目標回転数と出力回転数とを異なる値とすることができる。従って、後者の態様によれば、トルク変換手段の出力回転数側を変速することにより、入力回転数と出力回転数との差を所定の範囲内に制御することができる。
【００３０】
上述の２つの態様のうち、いずれを選択するものとしても構わない。エンジンＥＧから出力されるトルクおよび回転数の範囲、駆動軸に要求されるトルクおよび回転数の範囲、トルク変換手段に許容されるトルクおよび回転数の範囲を考慮して適宜選択することができる。例えば、エンジンから非常に大きなトルクの動力が出力される場合には、変速機をエンジンとトルク変換手段との間に介在させ、エンジンからのトルクを低減してトルク変換手段に入力することが望ましい。また、装置全体の構成の複雑化、大型化を回避するよう、変速機の結合部位を選択することも望ましい。
【００３１】
本発明のハイブリッド車両において、前記変速機も種々の構成を適用することができる。
例えば、前記変速機は、
３つの回転軸のうち、２つの回転軸が前記出力軸側および前記駆動軸側にそれぞれ結合されたプラネタリギヤと、
該プラネタリギヤの残余の回転軸について、選択的に回転および制止可能な制止手段と、
前記２つの回転軸同士を選択的に結合および解放可能な結合手段とを備える機構であるものとすることができる。
【００３２】
プラネタリギヤは、中心で回転するサンギヤ、サンギヤの外周を自転しながら公転するプラネタリピニオンギヤを備えるプラネタリキャリアと、更にその外周で回転するリングギヤとから構成される。上述の３つの回転軸とは、サンギヤ、プラネタリキャリア、リングギヤにそれぞれ結合された回転軸を意味する。出力軸側および駆動軸側に結合とは、必ずしも出力軸および駆動軸に直接結合されている必要はなく、トルク変換手段を介して出力軸または駆動軸に結合されている場合も含む意味である。周知の事実であるが、プラネタリギヤは、これらの３つの回転軸のうち２つの回転軸の回転状態が決まると残余の回転軸の回転状態が決まるという特性を有している。
【００３３】
上記構成の変速機の作用について説明する。上記２つの回転軸を解放し、上記制止手段によってプラネタリギヤの一つの回転軸の回転を制止した場合を考える。この結果、解放された２つの回転軸について、一方の回転状態が決まれば他方の回転状態も決まるため、両者はギヤで結合されたのと等価な状態になる。結合のギヤ比は、プラネタリギヤのギヤ比によって定まる。一方、上記２つの回転軸を結合するとともに、残余の回転軸を解放した場合を考える。このとき、結合された２つの回転軸は一体的に回転する。従って、出力軸側と駆動軸側の回転軸は直結された状態となる。このように上記構成の変速機によれば、結合手段および制止手段を操作することにより、２つの回転軸を所定の変速比で結合したり、直結したりすることができる。しかも、かかる作用を比較的小型の装置構成で実現することができる。なお、プラネタリギヤの３つの回転軸への結合状態については、種々の態様が選択可能である。
【００３４】
本発明のハイブリッド車両において、前記トルク変換手段も種々の構成を適用することができる。
例えば、前記トルク変換手段は、
ロータ軸を有する発電機と、
３つの回転軸を有し、該回転軸が前記出力軸、駆動軸、およびロータ軸にそれぞれ結合されたプラネタリギヤと、
前記第１の回転軸または第２の回転軸の一方に結合された電動機とを備える手段であるものとすることができる。
【００３５】
かかる構成によれば、プラネタリギヤの一般的な動作に基づいて、第１の回転軸の動力を駆動軸とロータ軸に分配して伝達することができる。従って、入力された動力の一部を目標回転数に調整しつつ第２の回転軸に伝達するとともに、ロータ軸に分配された動力を発電機によって電力として回生することができる。こうして伝達された動力は、トルクのみが駆動軸の目標トルクと相違する。上記電動機を力行運転または回生運転すれば、トルクの相違を補償することができる。上述の構成によれば、かかる作用によってトルク変換手段として機能することができる。
【００３６】
また、前記トルク変換手段は、
前記第１の回転軸に結合された第１のロータと、前記第２の回転軸に結合された第２のロータとを有する対ロータ電動機と、
前記第１の回転軸または第２の回転軸の一方に結合された電動機とを備える手段であるものとすることもできる。
【００３７】
対ロータ電動機によれば、第１のロータと第２のロータとの電磁的な結合により、入力された動力を目標回転数に調整しつつ第２の回転軸に伝達することができる。また、両者間の相対的な滑りによって動力の一部を電力として回生することも可能である。上記電動機を力行運転または回生運転すれば、伝達された動力のトルクと目標トルクとの相違を補償することができる。上述の構成によれば、かかる作用によってトルク変換手段として機能することができる。
【００３８】
本発明はハイブリッド車両の他、その制御方法として構成することもできる。
即ち、本発明の制御方法は、出力軸を有するエンジンと、動力を出力するための駆動軸と、前記出力軸側に結合された第１の回転軸と前記駆動軸側に結合された第２の回転軸とを有し動力と電力との変換を介して該第１の回転軸の回転数およびトルクを変換して該第２の回転軸に出力可能なトルク変換手段と、前記エンジンから出力された動力が前記駆動軸に出力されるまでの経路中に介在し、所定の変速比で動力を伝達する変速機とを備えるハイブリッド車両の運転を制御する制御方法であって、
（ａ）  前記駆動軸の目標動力を、目標回転数および目標トルクの組合せで設定する工程と、
（ｂ）  前記目標動力に応じ、運転効率を優先して設定された回転数およびトルクで前記エンジンを運転する工程と、
（ｃ）  前記第１の回転軸の入力回転数と第２の回転軸の出力回転数との差が、予め設定された所定範囲内となるよう、前記変速機の変速比を制御する工程とを備える制御方法である。
【００３９】
かかる制御方法によれば、先にハイブリッド車両で説明したのと同様の作用により、車両を広範な運転領域において高効率で運転することができる。なお、上記制御方法においても、先にハイブリッド車両で説明した種々の付加的要素を紙することができることは言うまでもない。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
（１）実施例の構成：
はじめに、実施例の構成について図１を用いて説明する。図１は本実施例のハイブリッド車両の概略構成を示す説明図である。このハイブリッド車両の動力系統は、次の構成から成っている。動力系統に備えられたエンジン１５０は通常のガソリンエンジンであり、クランクシャフト１５６を回転させる。エンジン１５０の運転はＥＦＩＥＣＵ１７０により制御されている。ＥＦＩＥＣＵ１７０は内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するワンチップ・マイクロコンピュータであり、ＲＯＭに記録されたプログラムに従いＣＰＵがエンジン１５０の燃料噴射料その他の制御を実行する。これらの制御を可能とするために、ＥＦＩＥＣＵ１７０にはエンジン１５０の運転状態を示す種々のセンサが接続されている。その一つとしてクランクシャフト１５６の回転数を検出する回転数センサ１５２がある。その他のセンサおよびスイッチなどの図示は省略した。なお、ＥＦＩＥＣＵ１７０は、制御ユニット１９０とも電気的に接続されており、制御ユニット１９０との間で種々の情報を、通信によってやりとりしている。ＥＦＩＥＣＵ１７０は、制御ユニット１９０からエンジン１５０の運転状態に関する種々の指令値を受けてエンジン１５０を制御している。
【００４１】
エンジン１５０は変速機構を構成するプラネタリギヤ２００に結合されている。プラネタリギヤ２００は、中心で回転するサンギヤ２０１、その周囲を自転しながら公転するプラネタリピニオンギヤ２０２、さらにその周囲で回転するリングギヤ２０４の３種類のギヤから構成されている。プラネタリピニオンギヤ２０２はプラネタリキャリア２０３に軸支されている。クランクシャフト１５６はプラネタリキャリア２０３に結合されている。変速機構を構成するため、プラネタリギヤ２００のサンギヤ２０１には、その回転を制止するためのブレーキ２２０が設けられている。また、プラネタリキャリア２０３とリングギヤとを結合したり解放したりするクラッチ２１０も設けられている。クラッチ２１０、ブレーキ２２０のオン・オフは制御ユニット１９０により制御される。変速機構の作用については後述する。リングギヤ２０４の回転軸たるリングギヤ軸２０５は、上流側に位置するエンジン１５０から出力された動力が伝達される経路において、さらに下流側に設けられ、動力調整装置を構成するプラネタリギヤ１２０に結合されている。
【００４２】
プラネタリギヤ１２０は、サンギヤ１２１、プラネタリピニオンギヤ１２２、リングギヤ１２４の３種類のギヤから構成されている。プラネタリピニオンギヤ１２２はプラネタリキャリア１２３に軸支されている。リングギヤ軸２０５は、プラネタリキャリア１２３に結合されている。サンギヤ２０１には、モータ１３０が結合されている。リングギヤ２０４は、アシストモータ１４０および駆動軸１１２に結合され、さらにディファレンシャルギヤ１１４を介して、駆動輪を備えた車軸１１６に結合されている。
【００４３】
モータ１３０は、同期電動発電機として構成されており、外周面に複数個の永久磁石を有するロータ１３２と、回転磁界を形成する三相コイルが巻回されたステータ１３３とを備える。モータ１３０はロータ１３２に備えられた永久磁石による磁界とステータ１３３に備えられた三相コイルによって形成される磁界との相互作用により回転駆動する電動機として動作し、場合によってはこれらの相互作用によりステータ１３３に巻回された三相コイルの両端に起電力を生じさせる発電機としても動作する。なお、モータ１３０は、ロータ１３２とステータ１３３との間の磁束密度が円周方向に正弦分布する正弦波着磁モータを適用することも可能であるが、本実施例では、比較的大きなトルクを出力可能な非正弦波着磁モータを採用した。
【００４４】
モータ１３０のステータ１３３は駆動回路１９１を介してバッテリ１９４に電気的に接続されている。駆動回路１９１は内部にスイッチング素子としてのトランジスタを複数備えたトランジスタインバータであり、制御ユニット１９０と電気的に接続されている。制御ユニット１９０が駆動回路１９１のトランジスタのオン・オフの時間をＰＷＭ制御するとバッテリ１９４を電源とする三相交流がモータ１３０のステータ１３３に流れる。この三相交流によりステータ１３３には回転磁界が形成されモータ１３０は回転する。
【００４５】
アシストモータ１４０も、モータ１３０と同様に同期電動発電機として構成され、外周面に複数個の永久磁石を有するロータ１４２と、回転磁界を形成する三相コイルが巻回されたステータ１４３とを備える。アシストモータ１４０は駆動回路１９２を介してバッテリ１９４に接続されている。駆動回路１９２もトランジスタインバータにより構成されており、制御ユニット１９０に電気的に接続されている。制御ユニット１９０の制御信号により駆動回路１９２のトランジスタをスイッチングすると、ステータ１４３に三相交流が流れて回転磁界を生じ、アシストモータ１４０は回転する。本実施例では、アシストモータ１４０として非正弦波着磁モータを適用した。
【００４６】
本実施例のハイブリッド車両の運転状態は制御ユニット１９０により制御されている。制御ユニット１９０もＥＦＩＥＣＵ１７０と同様、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するワンチップ・マイクロコンピュータであり、ＲＯＭに記録されたプログラムに従い、ＣＰＵが後述する種々の制御処理を行うよう構成されている。これらの制御を可能とするために、制御ユニット１９０には、各種のセンサおよびスイッチが電気的に接続されている。制御ユニット１９０に接続されているセンサおよびスイッチとしては、アクセルペダルの操作量を検出するためのアクセルペダルポジションセンサ１６５、車軸１１６の回転数を検出する回転数センサ１１７等が挙げられる。制御ユニット１９０は、ＥＦＩＥＣＵ１７０とも電気的に接続されており、ＥＦＩＥＣＵ１７０との間で種々の情報を、通信によってやりとりしている。制御ユニット１９０からエンジン１５０の制御に必要な情報をＥＦＩＥＣＵ１７０に出力することにより、エンジン１５０を間接的に制御することができる。逆にエンジン１５０の回転数などの情報をＥＦＩＥＣＵ１７０から入力することもできる。
【００４７】
本実施例のハイブリッド車両は、変速機構を構成するクラッチ２１０およびブレーキ２２０のオン・オフを変更すると、プラネタリギヤ２００の作用により、エンジン１５０をプラネタリギヤ１２０に結合する際の変速比を変更することができる。図２は変速機構の動作について示す説明図である。クラッチ２１０のオン・オフおよびブレーキ２２０のオン・オフで実現される４通りの組合せについて示した。なお、クラッチ２１０およびブレーキ２２０のオン・オフは制御ユニット１９０により制御される。
【００４８】
変速機構の動作を説明するため、まず、プラネタリギヤ２００の一般的な性質について説明する。プラネタリギヤ２００は、サンギヤ２０１，プラネタリキャリア２０３およびリングギヤ２０４のそれぞれに結合された回転軸の回転数およびトルクに以下の関係が成立することが機構学上よく知られている。即ち、上記３つの回転軸のうち、２つの回転軸の動力状態が決定されると、以下の関係式に基づいて残余の一つの回転軸の動力状態が決定される。
Ｎｓ＝（１＋ρ）／ρ×Ｎｃ−Ｎｒ／ρ；
Ｎｃ＝ρ／（１＋ρ）×Ｎｓ＋Ｎｒ／（１＋ρ）；
Ｎｒ＝（１＋ρ）Ｎｃ−ρＮｓ；
Ｔｓ＝Ｔｃ×ρ／（１＋ρ）＝ρＴｒ；
Ｔｒ＝Ｔｃ／（１＋ρ）；
ρ＝サンギヤ２０１の歯数／リングギヤ２０２の歯数          ・・・（１）；
【００４９】
ここで、
Ｎｓはサンギヤ２０１の回転数；
Ｔｓはサンギヤ２０１のトルク；
Ｎｃはプラネタリキャリア２０３の回転数；
Ｔｃはプラネタリキャリア２０３のトルク；
Ｎｒはリングギヤ２０４の回転数；
Ｔｒはリングギヤ２０４のトルク；
である。
【００５０】
変速機構は、プラネタリギヤ２００の上記性質に基づいて、以下に示す通り、変速比を切り替えることができる。図２の左上には、結合状態Ａとして、クラッチ２１０およびブレーキ２２０を共にオンにした場合の状態を示した。ブレーキ２２０がオンとなっているため、サンギヤ２０１の回転は制止され、回転数は０となる。また、クラッチ２１０がオンになっているため、リングギヤ２０４とプラネタリキャリア２０３とは結合され、両者は一体的に回転する。この結果、上式（１）のＮｓに値０を代入し、Ｎｃ＝Ｎｒを代入すれば明らかな通り、プラネタリギヤ２００は全てのギヤの回転数が値０となる。従って、結合状態Ａでは、走行することができない。
【００５１】
右上には、結合状態Ｂとして、クラッチ２１０をオフにし、ブレーキ２２０をオンにした場合の結合状態を示した。ブレーキ２２０がオンになっているため、サンギヤ２０１の回転数Ｎｓは値０である。一方、クラッチ２１０がオフになっているため、リングギヤ２０４とプラネタリキャリア２０３とは異なる回転数で回転可能である。上式（１）のＮｓに値０を代入すれば明らかな通り、リングギヤ２０４の回転数Ｎｒと、プラネタリキャリア２０３の回転数Ｎｃの関係は、「Ｎｒ＝（１＋ρ）Ｎｃ」で与えられる。即ち、エンジン１５０は１＋ρ倍の回転数に増速されてプラネタリギヤ１２０に結合されたのと等価な状態となる。
【００５２】
図３はクラッチ２１０をオフにし、ブレーキ２２０をオンにした場合と等価な結合状態を模式的に示す説明図である。等価な構成においては、図示する通り、エンジン１５０は固定の変速ギヤＴＧ１，ＴＧ２を介してプラネタリギヤ１２０に結合される。変速ギヤＴＧ１，ＴＧ２の変速比は「１／（１＋ρ）」である。即ち、エンジン１５０の回転数は、上述の通り、「１＋ρ」倍に増速されてプラネタリギヤ１２０に伝達される。逆にトルクは「１／（１＋ρ）」倍されてプラネタリギヤ１２０に伝達される。以下の説明では、結合状態Ｂを増速結合状態と称する。
【００５３】
図２の左下には、結合状態Ｃとして、クラッチ２１０をオンにし、ブレーキ２２０をオフにした場合の結合状態を示した。ブレーキ２２０がオフになっているため、サンギヤ２０１は自由に回転することができる。一方、クラッチ２１０がオンになっているため、リングギヤ２０４とプラネタリキャリア２０３とは一体的に回転する。結合状態Ａと異なり、サンギヤ２０１の回転が制止されていないため、リングギヤ２０４およびプラネタリキャリア２０３の回転は妨げられない。従って、結合状態Ｃは、エンジン１５０をプラネタリギヤ１２０に直結した状態に相当する。図４はクラッチ２１０をオンにし、ブレーキ２２０をオフにした場合と等価な結合状態を模式的に示す説明図である。等価な構成では、図示する通り、エンジン１５０はプラネタリギヤ１２０に直結される。以下の説明では、結合状態Ｃを直結状態と称する。
【００５４】
図２の右下には、結合状態Ｄとして、クラッチ２１０およびブレーキ２２０を共にオフとした場合の結合状態を示した。ブレーキ２２０がオフになっているため、サンギヤ２０１は自由に回転することができる。また、クラッチ２１０も解放されているため、プラネタリキャリア２０３とリングギヤ２０４も異なる回転数で回転可能である。かかる状態では、プラネタリキャリア２０３およびリングギヤ２０４のうち一方の回転状態が決定されても、他方の回転状態は決定されない。つまり、プラネタリキャリア２０３とリングギヤ２０４との間では動力を伝達することができない。これは、エンジン１５０がプラネタリギヤ１２０から切り離された状態に相当する。
【００５５】
変速機構は、上述の通り、クラッチ２１０およびブレーキ２２０のオン・オフによって４通りの結合状態をとり得る。但し、上述の通り、エンジン１５０からプラネタリギヤ１２０に動力を伝達可能なのは、結合状態Ｂ（増速結合状態）と結合状態Ｃ（直結状態）である。従って、本実施例では、これら２通りの結合状態を車両の走行状態に応じて使い分けている。
【００５６】
本実施例のハイブリッド車両は、プラネタリギヤ１２０の機構上の制限から、車速に応じてエンジン１５０が運転可能な範囲が制限されている。かかる制限を差速制限と呼ぶ。以下、差速制限が生じる理由およびその範囲について説明する。
【００５７】
図５はプラネタリギヤ１２０の回転状態を示す説明図である。共線図と呼ばれる図である。プラネタリギヤ１２０の各ギヤの回転数は先に示した式（１）で表される。式（１）から明らかな通り、各ギヤの回転数は比例関係にある。従って、横軸にサンギヤ１２１（Ｓ）、プラネタリキャリア１２３（Ｃ）、リングギヤ１２４（Ｒ）にそれぞれ対応する座標を、ＳＣ間の距離とＣＲ間の距離とが１：ρ１の関係になるようにとり、各座標においてそれぞれのギヤの回転数を縦軸にとれば、図５に示す通り、各ギヤの回転数は直線で表される。なお、ρ１はプラネタリギヤ１２０のギヤ比である。
【００５８】
例えば、サンギヤ１２１の回転数がＮｓ、プラネタリキャリア１２３の回転数がＮｅ、リングギヤ１２４の回転数がＮｒの場合を考える。サンギヤ１２１の回転状態は、図５の共線図中の点Ｐｓで示される。また、プラネタリキャリア１２３の回転状態は点Ｐｅ、リングギヤ１２４の回転状態は点Ｐｒでそれぞれ示される。点Ｐｓ，Ｐｅ，Ｐｒはそれぞれ動作共線と呼ばれる直線上に位置する。
【００５９】
ここで、プラネタリキャリア１２３の回転数、即ちエンジン１５０の回転数を一定に維持したまま、リングギヤ１２４の回転数、即ち車速が低下した場合を考える。かかる場合の動作共線を図５中に破線で示した。車速が低くなるため、リングギヤ１２４の回転状態は図５中の点Ｐｒ１で示される。プラネタリキャリア１２３の回転数は点Ｐｅのまま一定である。この結果、サンギヤ１２１の回転数は点Ｐｓ１で示される値まで増加する。
【００６０】
プラネタリギヤ１２０の各ギヤには、機械的に許容される回転数の上限がある。図５に示した通り、低速時においてエンジン１５０の回転数を高くすれば、サンギヤ１２１の回転数が非常に高くなり、許容される上限値を超える場合が生じる。サンギヤ１２１の回転数が上限値を超えないようにするためには、例えば、エンジン１５０の回転数を図５中の点Ｐｅ１に相当する値まで下げる必要がある。このように本実施例のハイブリッド車両では、プラネタリギヤ１２０の機械的制限に起因して、車速に応じてエンジン１５０の運転可能範囲が制限される。かかる制限が差速制限である。
【００６１】
図６は本実施例のハイブリッド車両における差速制限について示す説明図である。上述した通り、図中の使用可能領域で表された範囲内の車速およびエンジン回転数で運転が行われる。なお、図６中の実線で示した領域は、変速機を直結状態にした場合の使用可能領域を示している。変速機を増速状態とした場合、プラネタリギヤ１２０に入力される回転数はエンジンの実回転数よりも高くなるため、使用可能領域は図６中の破線で示した領域に移行する。
【００６２】
（２）一般的動作：
次に、本実施例のハイブリッド車両の一般的動作として、エンジン１５０から出力された動力を要求された回転数およびトルクに変換して車軸１１６に出力する動作について説明する。以下では、説明の容易のため、ディファレンシャルギヤ１１４のギヤ比は値１であるものとして説明する。つまり、車軸１１６の回転数およびトルクと駆動軸１１２の回転数およびトルクは等しいものとする。
【００６３】
図７は「車軸１１６の回転数Ｎｄ＜エンジン１５０の回転数Ｎｅ」の場合におけるトルク変換の様子を示す説明図である。横軸に回転数Ｎ、縦軸にトルクＴを採り、エンジン１５０の運転ポイントＰｅと車軸１１６の回転ポイントＰｄを示した。図７中の曲線Ｐは動力、つまり回転数とトルクの積が一定の曲線である。回転数Ｎｅ、トルクＴｅでエンジン１５０から出力された動力Ｐｅを、Ｎｅよりも低い回転数Ｎｄ、Ｔｅよりも高いトルクＴｄの動力Ｐｄに変換して車軸１１６から出力する場合を考える。なお、変速機構は直結状態であるものとする。
【００６４】
図７に示した変換を行う場合、車軸１１６の回転数Ｎｄはエンジン１５０の回転数Ｎｅよりも小さい。プラネタリキャリア１２３の回転数はエンジン１５０の回転数Ｎｅに等しく、リングギヤ１２４の回転数は車軸１１６の回転数Ｎｄに等しい。従って、先に示した式（１）から明らかな通り、サンギヤ１２１の回転数ＮｓおよびトルクＴｓはそれぞれ次式（２）で表される。
Ｎｓ＝（１＋ρ１）／ρ１×Ｎｅ−Ｎｄ／ρ１；
Ｔｓ＝Ｔｅ×ρ１／（１＋ρ１）；
ρ１＝サンギヤ１２１の歯数／リングギヤ１２４の歯数      ・・・（２）；
なお、エンジン１５０単体で回転数およびトルクを個別に制御することはできないから、実際には、モータ１３０を上述の回転数およびトルクで運転することにより、結果としてエンジン１５０が回転数Ｎｅ、トルクＴｅで運転されることになる。
【００６５】
エンジン１５０から出力された動力は、プラネタリギヤ１２０で２つに分配され、その一部は上記回転数およびトルクの動力としてモータ１３０に入力される。モータ１３０は回転数ＮｓとトルクＴｓの積に等しい動力を電力として回生する。上式（２）によれば、回生される電力ＧＵ１は、次式（３）で表される。この電力は、図７中の領域ＧＵ１の面積に相当する。
ＧＵ１＝Ｎｓ×Ｔｓ＝Ｎｅ×Ｔｅ−Ｎｄ×Ｔｅ／（１＋ρ１）  …（３）
【００６６】
エンジン１５０から出力された残余の動力は、リングギヤ１２４に伝達され、車軸１１６に機械的な動力として直接出力される。先に示した式（１）によれば、エンジン１５０から車軸１１６に出力されるトルクＴｒｅは、「Ｔｒｅ＝Ｔｅ／（１＋ρ１）」で与えられる。このトルクと車軸の目標トルクＴｄとの差分のトルク「Ｔｄ−Ｔｒｅ」をアシストモータ１４０から出力することにより、車軸１１６に回転数Ｎｄ、トルクＴｄの動力を出力することができる。この際、アシストモータ１４０は、差分のトルク×回転数Ｎｄの電力を消費する。消費される電力ＡＵ１は、次式（４）で表される。この電力は、図７中の領域ＡＵ１の面積に相当する。
ＡＵ１＝（Ｔｄ−Ｔｅ／（１＋ρ１））×Ｎｄ
＝Ｔｄ×Ｎｄ−Ｎｄ×Ｔｅ／（１＋ρ１）  …（４）
【００６７】
アシストモータ１４０には、モータ１３０で回生された電力が供給される。上式（３）、（４）の比較から明らかな通り、効率１００％で運転されている場合には、回生される電力ＧＵ１と消費される電力とは等しくなる。上式（３）、（４）の第２項同士は等しく、ＰｅとＰｄとが動力一定の曲線Ｐ上にあることを考慮すれば、第１項同士も等しいからである。つまり、「車軸１１６の回転数Ｎｄ＜エンジン１５０の回転数Ｎｅ」の場合には、図７中のハッチングを付した領域に相当する動力を一旦電力に変換することで、点Ｐｅから点Ｐｄへのトルク変換を行うことができる。なお、実際には運転効率が１００％になることはないため、バッテリ１９４からの電力の持ち出しを伴ったり、損失に相当する動力をエンジン１５０から余分に出力したりして、上記変換を実現する。説明の容易のため、以下では、運転効率を１００％として本実施例の動作について説明する。
【００６８】
図８は「車軸１１６の回転数Ｎｄ＞エンジン１５０の回転数Ｎｅ」の場合におけるトルク変換の様子を示す説明図である。図８に示した変換を行う場合、車軸１１６の回転数Ｎｄはエンジン１５０の回転数Ｎｅよりも大きい。従って、上式（２）から明らかな通り、サンギヤ１２１の回転数Ｎｓは負となり、逆転する。つまり、モータ１３０は電力の供給を受けて逆転方向に力行する。このとき、消費される電力は、上式（３）の絶対値に等しく、図８中のハッチングを施した領域ＡＵ２の面積に等しい。
【００６９】
一方、車軸１１６のトルクＴｄはエンジン１５０のトルクＴｅよりも小さい。従って、アシストモータ１４０は負のトルクで回生運転される。このとき回生される電力は、上式（４）の絶対値に等しく、図８中のハッチングを施した領域ＧＵ２の面積に等しい。両モータでの運転効率を１００％と仮定すれば、モータ１３０で回生される電力とアシストモータ１４０に供給される電力とが等しくなる。つまり、「車軸１１６の回転数Ｎｄ＞エンジン１５０の回転数Ｎｅ」の場合には、図８中のハッチングを付した領域に相当する動力を一旦電力に変換することで、点Ｐｅから点Ｐｄへのトルク変換を行うことができる。かかる変換では、下流側に位置するアシストモータ１４０から上流側に位置するモータ１３０に電力が供給されるため、動力の循環が生じる。図８中の領域ＧＵ２とＡＵ２の双方に共通の領域ＧＵ３が循環する動力に相当する。
【００７０】
以上で説明した通り、本実施例のハイブリッド車両は、エンジン１５０から出力された動力を要求された回転数およびトルクからなる動力に変換して、車軸１１６から出力することができる（以下、この運転モードを通常走行と呼ぶ）。この他、エンジン１５０を停止してアシストモータ１４０を動力源として走行することも可能である（以下、この運転モードをＥＶ走行とよぶ）。また、停車中にエンジン１５０の動力でモータ１３０を回生運転して発電することも可能である。
【００７１】
図８に示した通り、車軸１１６の回転数Ｎｄがエンジン１５０の回転数Ｎｅよりも大きい走行時には、動力の循環が生じ、車両の運転効率が低下する。上記説明では、変速機が直結状態の場合を例にとって説明したが、増速結合状態の場合も同様に動力の循環が生じる。上記説明においてエンジン１５０の回転数Ｎｅをプラネタリキャリア１２３の回転数Ｎｃに置換して考えればよい。なお、動力の循環はサンギヤ１２１が逆転するときに発生する。先に示した式（２）によれば、サンギヤ１２１の回転数は「（１＋ρ１）／ρ１×Ｎｃ−Ｎｄ／ρ１」で与えられるから、厳密には、「（１＋ρ１）／ρ１×Ｎｃ」の値が「Ｎｄ／ρ１」の値よりも小さい場合に動力の循環が生じる。以下の説明では、かかる条件を満足し動力の循環が生じる走行状態をオーバードライブ走行とよぶ。本実施例のハイブリッド車両は、動力の循環を極力抑え、運転効率を向上するよう、走行領域に応じて変速機構を制御して走行する。
【００７２】
図９は本実施例のハイブリッド車両における各種走行モードの使い分けの様子を示す説明図である。図中の曲線ＬＩＭはハイブリッド車両が走行可能な領域を示している。図示する通り、車速およびトルクが比較的低い領域では、ＥＶ走行を行う。車速およびトルクが所定値以上の領域では、通常走行を行う。図中の領域ＷＯＤでは原則として増速結合状態で走行し、領域ＵＥでは直結状態で走行する。例えば、図１０中の曲線ＤＤに沿って車両の走行状態が変化していく場合には、当初ＥＶ走行を行った後、増速結合状態での走行に移行することになる。
【００７３】
（３）運転制御処理：
次に、本実施例のハイブリッド車両の運転制御処理について説明する。先に説明した通り、本実施例のハイブリッド車両は、ＥＶ走行、通常走行など種々の運転モードにより走行することができる。制御ユニット１９０内のＣＰＵ（以下、単に「ＣＰＵ」という）は車両の走行状態に応じて運転モードを判定し、それぞれのモードについてエンジン１５０、モータ１３０、アシストモータ１４０、クラッチ２１０、ブレーキ２２０の制御を実行する。これらの制御は種々の制御処理ルーチンを周期的に実行することにより行われる。以下では、これらの運転モードのうち、通常走行モードについてトルク制御処理の内容を説明する。
【００７４】
図１０は通常走行時のトルク制御ルーチンのフローチャートである。この処理が開始されるとＣＰＵは駆動軸１１２から出力すべき動力Ｐｄを設定する（ステップＳ１０）。この動力は、アクセルペダルポジションセンサ１６５により検出されたアクセルの踏み込み量および車速に基づいて設定される。駆動軸から出力すべき動力Ｐｄは、駆動軸１１２の回転数Ｎｄ＊と目標トルクＴｄ＊の積で表される。回転数Ｎｄ＊は車速と等価なパラメータである。目標トルクＴｄ＊はアクセル開度および車速に応じたテーブルとして予め設定されている。
【００７５】
次に、充放電電力Ｐｂおよび補機駆動動力Ｐｈを算出する（ステップＳ１５，Ｓ２０）。充放電電力Ｐｂとは、バッテリ１９４の充放電に要する動力であり、バッテリ１９４を充電する必要がある場合には正の値、放電する必要がある場合には負の値を採る。補機駆動動力Ｐｈとは、エアコンなどの補機を駆動するために必要となる電力である。こうして算出された電力の総和が要求動力Ｐｅとなる（ステップＳ２５）。
【００７６】
次に、ＣＰＵは、こうして設定された要求動力Ｐｅに基づいてエンジン１５０の運転ポイントを設定する（ステップＳ３０）。運転ポイントとは、エンジン１５０の目標回転数Ｎｅと目標トルクＴｅの組み合わせをいう。エンジン１５０の運転ポイントは、予め定めたマップに従って、基本的にはエンジン１５０の運転効率を優先して設定する。
【００７７】
図１１はエンジンの運転ポイントと運転効率との関係について示す説明図である。回転数Ｎｅを横軸に、トルクＴｅを縦軸にとりエンジン１５０の運転状態を示している。図中の曲線Ｂはエンジン１５０の運転が可能な限界範囲を示している。曲線α１からα６まではエンジン１５０の運転効率が一定となる運転ポイントを示している。α１からα６の順に運転効率は低くなっていく。また、曲線Ｃ１からＣ３はそれぞれエンジン１５０から出力される動力（回転数×トルク）が一定となるラインを示している。
【００７８】
エンジン１５０は図示する通り、回転数およびトルクに応じて、運転効率が大きく相違する。エンジン１５０から曲線Ｃ１に相当する動力を出力する場合には、図中のＡ１点に相当する運転ポイント（回転数およびトルク）が最も高効率となる。同様に曲線Ｃ２およびＣ３に相当する動力を出力する場合には図中のＡ２点およびＡ３点で運転する場合が最も高効率となる。出力すべき動力ごとに最も運転効率が高くなる運転ポイントを選択すると、図中の曲線Ａが得られる。これを動作曲線と呼ぶ。
【００７９】
図１０のステップＳ３０における運転ポイントの設定では、予め実験的に求められた動作曲線Ａを制御ユニット１９０内のＲＯＭにマップとして記憶しておき、かかるマップから要求動力Ｐｅに応じた運転ポイントを読み込むことで、エンジン１５０の目標回転数Ｎｅおよび目標トルクＴｅを設定する。こうすることにより、エンジン１５０について効率の高い運転ポイントを設定することができる。
【００８０】
こうして設定されたエンジン１５０の運転ポイントに応じて、ＣＰＵは変速比切り替え制御処理を行う（ステップＳ１００）。この処理は、ハイブリッド車両の走行状態に応じて変速機構の結合状態を増速結合状態（図２の結合状態Ｂ）と直結状態（図２の結合状態Ｃ）とで切り替える処理である。処理内容の詳細は後述する。
【００８１】
次にＣＰＵは、ＣＰＵは変速機構が増速結合状態であるか否かを判断し（ステップＳ２００）、その結合状態に応じて、モータ１３０およびアシストモータ１４０のトルクおよび回転数の指令値を設定する（ステップＳ２０５，Ｓ２１０）。増速結合状態でない場合、即ち、直結状態の場合は次の通り指令値を設定する（ステップＳ２０５）。モータ１３０の目標回転数Ｎ１＊は、先に示した式（２）において、駆動軸１１２の目標回転数Ｎｄ＊、エンジン回転数Ｎｅ＊を代入することにより設定される。モータ１３０の目標トルクＴ１＊は式（２）において、駆動軸１１２の目標トルクＴｄ＊、エンジン目標トルクＴｅ＊を代入することで求めることも可能ではあるが、本実施例では、回転数を上記目標値に精度良く制御できるよう、目標回転数Ｎ１＊と実際の回転数Ｎ１との偏差に基づく比例積分制御によってモータ１３０の目標トルクＴ１＊を設定した。モータ１３０の目標回転数Ｎ１＊および目標トルクＴ１＊は次式（５）の通り設定される。
Ｎ１＊＝（１＋ρ１）／ρ１×Ｎｅ＊−Ｎｄ＊／ρ１；
Ｔ１＊＝Ｋ１×（Ｎ１＊−Ｎ１）＋Ｋ２×Σ（Ｎ１＊−Ｎ１）  ・・・（５）
【００８２】
ここで、ρ１はプラネタリギヤ１２０のギヤ比である。また、目標トルクＴ１＊の式におけるＫ１，Ｋ２は、それぞれ比例積分制御におけるゲインである。Ｋ１は回転数の偏差に対する比例項のゲイン、Ｋ２は回転数の偏差の積分項のゲインに相当する。これらのゲインは、制御の安定性、応答性を考慮して実験等により予め設定することができる。比例積分制御については周知の技術であるため、これ以上の詳細な説明を省略する。
【００８３】
アシストモータ１４０の運転ポイントは次の通り設定される。アシストモータ１４０の目標回転数Ｎ２＊は駆動軸１１２の目標回転数Ｎｄ＊に等しい。また、目標トルクＴ２＊は、エンジン１５０からプラネタリギヤ１２０を介して駆動軸１１２に伝達される直達トルクと、駆動軸１１２の目標トルクＴｄ＊との差を補償するよう設定される。なお、エンジン１５０からの直達トルクはモータ１３０のトルクＴ１＊によって変動するため、ここでは上式（５）で設定されたトルクＴ１＊を用いて直達トルクを求める。先に示した式（１）においてサンギヤのトルクＴｓにＴ１＊を代入すれば、直達トルクは「Ｔ１＊／ρ１」と求めることができる。以上より、アシストモータ１４０の目標回転数Ｎ２＊および目標トルクＴ２＊は次式（６）の通り設定される。
Ｎ２＊＝Ｎｄ＊；
Ｔ２＊＝Ｔｄ＊−Ｔ１＊／ρ１                    ・・・（６）
【００８４】
一方、増速結合状態の場合は次の通り指令値を設定する（ステップＳ２１０）。プラネタリギヤ２００のギヤ比をρとすれば、変速機構の作用によって、エンジン１５０の回転数は、「１＋ρ」倍されてプラネタリギヤ１２０に伝達される。従って、上式（５）および（６）において、エンジンの回転数Ｎｅ＊に代えて、「（１＋ρ）Ｎｅ＊」を代入することにより、モータ１３０およびアシストモータ１４０の運転ポイントが設定される。各運転ポイントは次式（７）の通り設定される。
Ｎ１＊＝（１＋ρ１）／ρ１×（１＋ρ）Ｎｅ＊−Ｎｄ＊／ρ１；
Ｔ１＊＝Ｋ１×（Ｎ１＊−Ｎ１）＋Ｋ２×Σ（Ｎ１＊−Ｎ１）；
Ｎ２＊＝Ｎｄ＊；
Ｔ２＊＝Ｔｄ＊−Ｔ１＊／ρ１            ・・・（７）
【００８５】
こうして設定されたトルク指令値および回転数指令値に基づいて、ＣＰＵはモータ１３０、アシストモータ１４０、エンジン１５０の運転を制御する（ステップＳ２１５）。モータの運転制御処理は、同期モータの制御として周知の処理を適用することができる。本実施例では、いわゆる比例積分制御による制御を実行している。つまり、各モータの現在のトルクを検出し、目標トルクとの偏差および目標回転数に基づいて、各相に印加する電圧指令値を設定する。印加される電圧値は上記偏差の比例項、積分項によって設定される。それぞれの項にかかるゲインは実験などにより適切な値が設定される。こうして設定された電圧は、駆動回路１９１，１９２を構成するトランジスタインバータのスイッチングのデューティに置換され、いわゆるＰＷＭ制御により各モータに印加される。
【００８６】
ＣＰＵは駆動回路１９１，１９２のスイッチングを制御することによって、上述の通り、モータ１３０およびアシストモータ１４０の運転を直接制御する。これに対し、エンジン１５０の運転は現実にはＥＦＩＥＣＵ１７０が実施する処理である。従って、制御ユニット１９０のＣＰＵはＥＦＩＥＣＵ１７０に対してエンジン１５０の運転ポイントの情報を出力することで、間接的にエンジン１５０の運転を制御する。
【００８７】
以上の処理を周期的に実行することにより、本実施例のハイブリッド車両は、エンジン１５０から出力された動力を所望の回転数およびトルクに変換して駆動軸から出力し、走行することができる。
【００８８】
次に、変速比切り替え制御処理について説明する。図１２は変速比切り換え制御ルーチンのフローチャートである。本ルーチンが開始されると、ＣＰＵは駆動軸１１２の目標運転ポイント、即ち目標回転数Ｎｄ＊および目標トルクＴｄ＊を読み込む（ステップＳ１０２）。次に、駆動軸１１２の目標運転ポイントに基づいて、ＣＰＵは変速比の切換が必要であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。判定は、車両の走行状態が先に図９で示した領域ＵＤおよび領域ＯＤのいずれに該当するかによって行われる。切り替えの判断について具体例で説明する。
【００８９】
図１３は直結状態から増速結合状態への切り替えの判断を示す説明図である。曲線ＤＵはハイブリッド車両の走行中における車速とトルクの変遷の一例を示している。かかる軌跡で走行する場合、車両は走行抵抗ＤＤよりも大きなトルクを出力して加速される。加速とともに出力トルクが低下し、やがて出力トルクと走行抵抗ＤＤとが釣り合った速度で定常的に走行する。直結状態から増速結合状態への切り替えは、例えばこうした加速の過程で生じる。車速の変化に伴って駆動軸１１２の回転状態が、図中の矢印で示されるように変化し、領域ＵＤと領域ＯＤとの境界点ＰＤ１に至ったとき、ＣＰＵは増速結合状態への切り換えを行うべきと判断する。
【００９０】
図１４は増速結合状態から直結状態への切り替えの判断を示す説明図である。曲線ＤＤは勾配のない道路を定常走行している状態での車速とトルクとの関係である。ある車速で定常走行している状態が図中の点ＰＯ０に相当する。この状態で走行中に運転者がアクセルを踏み込むと、車両の出力トルクは図中の曲線ＤＯに示すように増加し車両は加速する。増速結合状態から直結状態への切り替えは、例えばこうした過程で生じる。図中の矢印に従って駆動軸１１２の回転状態が変化し、領域ＯＤと領域ＵＤとの境界点ＰＯ１に至ったとき、ＣＰＵは直結状態への切り替えを行うべきと判断する。
【００９１】
このようにＣＰＵは車両の走行領域が領域ＵＤと領域ＯＤとの間で移行するか否かに基づいて切り替えの必要性を判断する。なお、本実施例では、変速比の切り替えが頻繁に行われるのを回避するため、切り替えの判断処理に一定のヒステリシスを持たせている。つまり、直結状態から増速結合状態への切り替えは、図１３中の領域ＯＤ内に設定された所定の境界線ＵＬに至った場合に切り替えが必要と判断する。増速結合状態から直結状態への切り替えば、図１４中の領域ＵＤ内に設定された所定の境界線ＨＬに至った場合に切り替えが必要と判断する。ヒステリシスの幅、即ち、曲線ＵＬ，ＨＬの位置は車両の運転効率や頻繁な切り替えによって生じる乗り心地の低下などを考慮して、任意に設定することができる。
【００９２】
ステップＳ１０４において、切り替えが必要と判断された場合には、切り替え処理が実行され（ステップＳ１０６）、切り替え不要と判断された場合には、この処理をスキップして変速比切り替え制御ルーチンを終了する。図２に示した通り、増速結合状態（結合状態Ｂ）は、クラッチ２１０をオフ、ブレーキ２２０をオンにした結合状態である。直結状態（結合状態Ｃ）は、クラッチ２１０をオン、ブレーキ２２０をオフにした結合状態である。両者間の切り替えは、いわゆる半クラッチ状態を経て行われる。増速結合状態から直結状態への切り替えは、ブレーキ２２０の油圧を徐々に低減しつつ、クラッチ２１０の油圧を徐々に増大させることによって行われる。直結状態から増速結合状態への切り替えは、逆に、ブレーキ２２０の油圧を徐々に増大させつつ、クラッチ２１０の油圧を徐々に低減させることによって行われる。もちろん、クラッチ２１０、ブレーキ２２０の双方を一旦オフにした状態（図２中の結合状態Ｄ）を経てから、いずれか一方をオンにする態様で切り替えを行うものとしても構わない。
【００９３】
以上で説明した本実施例のハイブリッド車両によれば、車両の運転状態に応じて変速比を切り換えることによって、高い効率でハイブリッド車両を運転することができる。以下、かかる効果について説明する。
【００９４】
図１５はオーバードライブ走行時のトルク変換の様子を示す説明図である。図８で説明したトルク変換に相当する。図８と同様、駆動軸から回転数Ｎｄ、トルクＴｄの動力を出力する場合を考える。図８では、エンジンが図１５中の点Ｐｅで運転される場合のトルク変換の様子を示した。ここでは、増速結合状態におけるトルク変換の様子を示す。エンジン１５０の運転ポイントは変速比に関わらず、要求動力と動作曲線Ａ（図１１参照）との交点で設定される。従って、増速結合状態でもエンジン１５０は点Ｐｅで運転される。但し、増速結合状態では、変速機で回転数が増速されるため、プラネタリギヤ１２０に入力される動力は図中の点Ｐｅ１に相当する動力となる。即ち、入力される動力の回転数Ｎｅ１は点Ｐｅの回転数Ｎｅよりも高く、トルクＴｅ１は点ＰｅのトルクＴｅよりも低くなる。
【００９５】
かかる動力が入力されると、ハイブリッド車両は図８で示したのと同じく、プラネタリギヤ１２０、モータ１３０およびアシストモータ１４０の作用によってトルク変換を行う。既に説明した通り、エンジン１５０から出力される動力のうち、図１５中の領域ＧＵ２’の面積に相当する動力は一旦電力に置換される。また、図中の領域ＡＵ２’の面積に相当する電力をモータ１３０で消費する。かかるトルク変換では、図１５中の領域ＧＵ３’の面積に相当する動力の循環が生じる。
【００９６】
ここで、図８と図１５とを比較する。図８は直結状態でトルク変換した場合に相当し、領域ＧＵ３の面積に相当する動力の循環が生じる。図１５は増速結合状態でトルク変換した場合に相当し、領域ＧＵ３’の面積に相当する動力の循環が生じる。両者の比較から明らかな通り、領域ＧＵ３’の方が領域ＧＵ３よりも面積が小さい。つまり、増速結合状態でトルク変換することにより、循環する動力を抑制することができる。
【００９７】
このように本実施例のハイブリッド車両は、オーバードライブ走行時に増速結合状態でトルク変換することにより、エンジン１５０からプラネタリギヤ１２０に入力される動力の回転数、トルクを駆動軸１１２の目標回転数Ｎｄ、目標トルクＴｄに近づけることができる。この結果、トルク変換で生じる動力の循環量を抑制することができ、車両の運転効率を向上することができる。
【００９８】
なお、変速比によっては、動力の循環の発生を回避することも可能である。増速時の変速比を大きくすれば、エンジン１５０の運転ポイントＰｅに対し、プラネタリギヤ１２０に入力される動力を図１５中の点Ｐｅ２に相当する回転数まで増速することができる。駆動軸１１２の回転数Ｎｄは点Ｐｅ２の回転数よりも低い。従って、かかる状態で行われるトルク変換は、先に図７で説明したのと同じ態様で行われることになり、動力の循環は生じない。このような変速比を設定すれば、オーバードライブ走行時にも動力の循環の発生を回避することができ、更に高い効率でハイブリッド車両を運転することができる。
【００９９】
本実施例のハイブリッド車両は、変速比の切り換えにより、オーバードライブ走行時のみならず、アンダードライブ走行時にも運転効率を向上することができる。図１６はアンダードライブ走行時のトルク変換の様子を示す説明図である。図７で説明したトルク変換に相当する。図７と同様、駆動軸から回転数Ｎｄ、トルクＴｄの動力を出力する場合を考える。図７では、エンジンが図１５中の点Ｐｅで運転される場合のトルク変換の様子を示した。ここでは、車両の走行状態に応じた変速比の切り換えを行わない場合、即ち、アンダードライブ走行時にも増速結合状態を維持した場合のトルク変換の様子を示す。増速結合状態では、変速機で回転数が増速されるため、プラネタリギヤ１２０に入力される動力は図中の点Ｐｅ３に相当する動力となる。
【０１００】
かかる動力に対し、ハイブリッド車両は図７で示したのと同じく、プラネタリギヤ１２０、モータ１３０およびアシストモータ１４０の作用によってトルク変換を行う。既に説明した通り、エンジン１５０から出力される動力のうち、図１６中の領域ＧＵ１’の面積に相当する動力は一旦電力に置換される。また、図中の領域ＡＵ１’の面積に相当する電力をモータ１３０で消費する。
【０１０１】
ここで、図７と図１６とを比較する。図７は直結状態でトルク変換した場合に相当し、一旦電力に置換されて伝達される動力は領域ＧＵ１の面積に相当する。図１６は増速結合状態でトルク変換した場合に相当し、一旦電力に置換されて伝達される動力は領域ＧＵ１’の面積に相当する。両者の比較から明らかな通り、領域ＧＵ１’の方が領域ＧＵ１よりも面積が大きくなる。つまり、アンダードライブ走行時には増速結合状態でトルク変換することにより、電力への変換を介して伝達される動力が増大する。一般に電力と機械的な動力との変換には損失が生じる。従って、電力への変換を介して伝達される動力が増大すれば、トルク変換時に生じる損失が増大する。
【０１０２】
本実施例のハイブリッド車両は、アンダードライブ走行時には直結状態でトルク変換を行う。従って、常に増速状態でトルク変換を行う場合（図１６中の点Ｐｅ３に相当）に対し、高い効率で車両を運転することができる。なお、アンダードライブ走行時にはエンジン１５０の動力を減速してプラネタリギヤ１２０に伝達するものとしてもよい。例えば、エンジン１５０の動力を図１６中の点Ｐｅ４に相当する回転数まで減速してプラネタリギヤ１２０に伝達するものとすれば、プラネタリギヤ１２０への入力回転数が、駆動軸１１２の回転状態Ｐｄに近づく。この結果、トルク変換時に一旦電力に置換される動力を直結状態よりも更に低減することができ、運転効率を更に向上することができる。
【０１０３】
本実施例のハイブリッド車両では、アンダードライブ結合時に直結状態とすることによって、以下に示す通り、高い動力を出力しやすくなるという利点も生じる。先に図６で説明した通り、本実施例のハイブリッド車両では差速制限が存在し、車速に応じてエンジン１５０の回転数の上限値が定められている。ここで、低速走行時、例えば、図６中の車速ＶＬで走行している場合を考える。増速結合状態には、図６中に破線で示した差速制限に基づき、エンジン１５０の上限回転数は点ＰＬ２に相当する回転数となる。直結状態では、図６中に実線で示した差速制限に基づき、エンジン１５０の上限回転数は点ＰＬ１に相当する回転数となる。図示する通り、直結状態における上限回転数の方が増速結合状態における上限回転数よりも高い。一般にエンジン１５０の出力は回転数が増大するにつれて増大する。従って、上記差速制限によって上限回転数が制限される結果、増速結合状態よりも直結状態の方が大きな動力を出力することができる。本実施例のハイブリッド車両では、図９に示す通り、高トルクが要求される走行領域において、直結状態で運転する。このように変速比を切り換えることによって、要求に応じた動力をエンジン１５０から出力することができ、バッテリ１９４の電力消費を抑えて車両を運転することができる。
【０１０４】
以上で説明した種々の作用によって、本実施例のハイブリッド車両は、車両の走行状態に応じて変速比を切り換えることにより、高い効率での運転を実現することができる。なお、高い効率での運転を実現するためには、例えば、以下に示す方法によって、変速比を適切に設定する必要がある。
【０１０５】
図１７は変速比の設定方法について示す説明図である。横軸にプラネタリギヤ１２０の入出力の回転数差ΔＮをとり、縦軸にトルク変換時の運転効率をとって示した。回転数差ΔＮとは、「プラネタリキャリア１２３の回転数−リングギヤ１２４の回転数」である。回転数差ΔＮが正の場合がアンダードライブ側に相当し、負の場合がオーバードライブ側に相当する。図１５で示した通り、オーバードライブ側では動力の循環が生じるため、運転効率が低くなる。回転数差ΔＮの絶対値が大きくなるにつれて動力の循環量が増大し、運転効率が徐々に低くなる。アンダードライブ側では動力の循環が生じないため、運転効率は比較的高い。しかしながら、回転数差が大きくなるにつれて、一旦電力への置換を介して伝達される動力が増えるから、トルク変換時の損失が増大し、運転効率が徐々に低下する。
【０１０６】
変速比は、運転効率と回転数差ΔＮとの関係を踏まえて設定される。まず、車両が実現する目標の運転効率を設定する。次に、目標運転効率を実現可能な回転数差ΔＮの範囲を設定する。図１７に示す通り、回転数差と運転効率との関係から、目標運転効率を設定すれば、実現すべき回転数差ΔＮの範囲は、ΔＮ２〜ΔＮ３の間と設定することができる。この範囲はハイブリッド車両の構成に応じて相違することはいうまでもない。
【０１０７】
ハイブリッド車両の走行領域において回転数差ΔＮが上述の目標範囲ΔＮ２〜ΔＮ３に納まるように変速比を設定すればよい。例えば、ハイブリッド車両が最大車速で走行している場合に、直結状態でトルク変換を行う場合の回転数差が図１７中のΔＮ１で表されるものとする。この回転数差がΔＮ２になる変速比を求めれば、増速側の変速比が設定される。アンダードライブ側も同様にして変速比を設定することができる。アンダードライブ側の走行領域で実現される回転数差がΔＮ３よりも小さい場合には、直結状態のみで十分な運転効率を確保可能となる。
【０１０８】
変速比はこのように運転効率と回転数差ΔＮとの関係に応じて設定することができる。実施例では、増速結合状態と直結状態の２段階で変速比を切り換える場合を示したが、変速比は、これに限らず種々の設定が可能である。減速状態と直結状態とで切り換える設定とすることもできるし、増速、減速、直結の３段階で切り換えることもできる。また、増速側、減速側に多段階の変速比で切り換えるものとしてもよい。
【０１０９】
上述のハイブリッド車両では、プラネタリギヤ２００を用いた変速機構によって変速比を切り替える場合を例示した。実施例では、プラネタリギヤ２００のサンギヤ２０１にブレーキ２２０、プラネタリキャリア２０３にエンジン１５０、リングギヤ２０４にプラネタリキャリア軸２０６を結合し、更にプラネタリキャリア２０３とリングギヤ２０４とを結合するクラッチ２１０を設けた場合を例示した。プラネタリギヤ２００と各要素の結合は、これに限らず種々の態様を採りうる。
【０１１０】
図１８は第１の変形例としてのハイブリッド車両の概略構成を示す説明図である。ここでは、動力をやりとりする要素についてのみ示した。制御ユニットや駆動回路等の電気系統は図示を省略した。実施例（図１）の構成に対し、プラネタリギヤ２００への各要素の結合が相違する。第１の変形例では、サンギヤ２０１にエンジン１５０、プラネタリキャリア２０３にプラネタリキャリア軸２０６、リングギヤ２０４にブレーキ２２０を結合する。また、プラネタリキャリア２０３とサンギヤ２０１とを結合するクラッチ２１０を設ける。その他の構成は、実施例と同じである。
【０１１１】
第１の変形例のハイブリッド車両では、クラッチ２１０をオフ、ブレーキ２２０をオンにすることにより、実施例と同様、エンジン１５０を所定の変速比でプラネタリギヤ１２０に結合することができる。先に示した式（１）によれば、「Ｎｃ＝ρ／（１＋ρ）×Ｎｓ」なる関係があるから、実現される変速比は、「（１＋ρ）／ρ」となる。従って、第１の変形例のハイブリッド車両では、プラネタリギヤ２００の変速比を変えることなく、実施例のハイブリッド車両と異なる変速比を実現することができる。図示を省略するが、プラネタリギヤ２００と各要素との結合は、実施例および第１の変形例に示した例に限らず、種々の組み合わせを採ることができる。
【０１１２】
実施例および第１の変形例では、プラネタリギヤ２００を用いた変速機構をエンジン１５０とプラネタリギヤ１２０との間に介在させた場合を例示した。変速機構は、プラネタリギヤ１２０の下流側に設けることも可能である。図１９は第２の変形例としてのハイブリッド車両の概略構成を示す説明図である。ここでは、動力をやりとりする要素についてのみ示した。制御ユニットや駆動回路等の電気系統は図示を省略した。実施例（図１）の構成に対し、プラネタリギヤ２００の結合箇所が相違する。即ち、第２の変形例では、変速機構を構成するプラネタリギヤ２００のプラネタリキャリア２０３を、動力調整装置を構成するプラネタリギヤ１２０のリングギヤ１２４に結合した。また、プラネタリギヤ２００のリングギヤ２０４を駆動軸１１２に結合した。その他の構成は、実施例と同じである。
【０１１３】
第２の変形例のハイブリッド車両は、プラネタリギヤ２００を動力調整装置と駆動軸１１２との間に介在させた構成に相当する。かかる構成において、変速比を切り換えると、動力調整装置を構成するプラネタリギヤ１２０のリングギヤ１２４に結合されたリングギヤ軸１２５と駆動軸１１２との間で変速を行うことができる。実施例では、変速することにより、トルク変換におけるプラネタリギヤ１２０の入力回転数を駆動軸１１２の目標回転数との差を低減し、運転効率の向上を実現した。これに対し、第２の変形例では、変速することにより、プラネタリギヤ１２０の出力回転数、即ち、リングギヤ軸１２５の目標回転数をエンジン１５０の目標回転数に近づけることにより、運転効率の向上を図ることができる。従って、第２の変形例によっても実施例と同様の効果を得ることができる。
【０１１４】
なお、第２の変形例においても、プラネタリギヤ２００への各要素の結合状態は、種々の態様を採りうることは言うまでもない。また、実施例と第２の変形例を組合せ、プラネタリギヤ１２０の上流側および下流側の双方に変速機構を設ける構成を採ることも可能である。
【０１１５】
トルク変換を行う装置の構成も種々の変形例を適用することができる。上記実施例および変形例では、プラネタリギヤ１２０のサンギヤ１２１をモータ１３０に結合し、プラネタリキャリア１２３をエンジン１５０側に結合し、リングギヤ１２４をモータ１４０および駆動軸１１２に結合した。既に説明した通り、かかる構成では、オーバードライブ走行時に動力の循環が生じる。これに対し、モータ１４０をエンジン１５０側に結合するものとしてもよい。かかる構成について第３の変形例として説明する。
【０１１６】
図２０は第３の変形例としてのハイブリッド車両の概略構成を示す説明図である。ここでは、動力をやりとりする要素についてのみ示した。制御ユニットや駆動回路等の電気系統は図示を省略した。実施例のハイブリッド車両に対し、アシストモータ１４０の結合先が相違する。即ち、第３の変形例のハイブリッド車両では、動力調整装置を構成するプラネタリギヤ１２０のプラネタリキャリア１２３にアシストモータ１４０を結合する。プラネタリギヤ１２０よいも上流側にアシストモータ１４０を結合することになる。
【０１１７】
かかる構成は、先に図２５を用いて説明した結合状態に対応する。従って、図２６、図２７で説明した通り、アンダードライブ走行時に動力の循環が生じる。第３の変形例でも、エンジン１５０から出力される動力の回転数を駆動軸１１２の目標回転数に近づけるように変速比を制御すれば、運転効率を向上することができる。なお、第３の変形例では、アンダードライブ走行時に動力の循環が生じるため、プラネタリギヤ１２０の入出力回転数がオーバードライブ走行に相当する関係を維持するように変速比を設定および制御すれば、更に運転効率の向上を図ることができる。第３の変形例においても、変速機構を構成するプラネタリギヤ２００への各要素の結合状態、およびプラネタリギヤ２００の結合箇所について種々の選択が可能である。
【０１１８】
上述の実施例等では、プラネタリギヤ１２０およびモータ１３０動力調整装置として用いたトルク変換装置を適用した場合を例示した。動力調整装置とは、エンジン１５０から入力された動力を、電力のやりとりによって少なくとも回転数の異なる動力に調整して伝達可能な装置をいう。実施例では、プラネタリギヤ１２０に結合されたモータ１３０を力行または回生運転して、その回転数を制御することによって、エンジン１５０から出力された動力の大きさを変更しつつ、リングギヤ１２４側に伝達することができる。動力調整装置は、かかる作用を奏する構成であれば、その他種々の装置を適用することができる。異なる構成の動力調整装置を適用した場合を第４の変形例として例示する。
【０１１９】
図２１は第４の変形例のハイブリッド車両の概略構成を示す説明図である。第２の変形例は、プラネタリギヤ１２０およびモータ１３０に代えて、クラッチモータ２３０が用いられる点で実施例と相違する。その他の構成は、第１実施例のハイブリッド車両（図１参照）と同じである。
【０１２０】
クラッチモータ２３０は、インナロータ２３２とアウタロータ２３４を備え、両者が相対的に回転可能な対ロータ電動機である。変速機構を構成するプラネタリギヤ２００の出力軸、即ちリングギヤ２０４に結合された回転軸は、インナロータ２３２に結合されている。アウタロータ２３４は駆動軸１１２に結合されている。駆動軸１１２には実施例と同様、アシストモータ１４０が結合されている。
【０１２１】
クラッチモータ２３０は、対ロータの同期電動発電機として構成されており、外周面に複数個の永久磁石を有するインナロータ２３２と、回転磁界を形成する三相コイルが巻回されたアウタロータ２３４とを備える。アウタロータ２３４とインナロータ２３２とは、共に相対的に回転可能に軸支されている。クラッチモータ２３０はインナロータ２３２に備えられた永久磁石による磁界とアウタロータ２３４に備えられた三相コイルによって形成される磁界との相互作用により両者が相対的に回転駆動する電動機として動作し、場合によってはこれらの相互作用によりアウタロータ２３４に巻回された三相コイルの両端に起電力を生じさせる発電機としても動作する。アウタロータ２３４との電力のやりとりは、スリップリング１１８および駆動回路１９１を介して行われる。
【０１２２】
クラッチモータ２３０はインナロータ２３２とアウタロータ２３４の双方が回転可能であるため、これらの一方から入力された動力を他方に伝達することができる。クラッチモータ２３０を電動機として力行運転すれば他方の軸に伝達される回転数を増すことができる。発電機として回生運転すれば動力の一部を電力の形で取り出しつつ回転数を低減して動力を伝達することができる。また、力行運転も回生運転も行わなければ、動力が伝達されない状態となる。この状態は機械的なクラッチを解放にした状態に相当する。作用・反作用の原理から明らかな通り、クラッチモータ２３０に入力されるトルクと出力されるトルクとは常に等しい。
【０１２３】
かかる構成のハイブリッド車両におけるトルク変換について説明する。まず、「インナロータ２３２の回転数＞駆動軸１１２の目標回転数Ｎｄ」の場合を考える。この場合は、クラッチモータ２３０を回生運転して、アウタロータ２３４の回転数が目標回転数Ｎｄになるよう、回転数を低減して動力を伝達する。クラッチモータ２３０で伝達されたトルクは駆動軸１１２の目標トルクＴｄよりも低いから、アシストモータ１４０を力行してトルクを付加する。アシストモータ１４０の力行には、クラッチモータで回生された電力が用いられる。「インナロータ２３２の回転数＞駆動軸１１２の目標回転数Ｎｄ」の場合には、上流側に位置するクラッチモータ２３０から下流側に位置するアシストモータ１４０に電力が供給されるため、動力の循環は生じない。
【０１２４】
次に、まず、「インナロータ２３２の回転数＜駆動軸１１２の目標回転数Ｎｄ」の場合を考える。この場合は、クラッチモータ２３０を力行運転して、アウタロータ２３４の回転数が目標回転数Ｎｄになるよう、回転数を増大して動力を伝達する。クラッチモータ２３０で伝達されたトルクは駆動軸１１２の目標トルクＴｄよりも高いから、アシストモータ１４０を回生運転して負荷をかける。アシストモータ１４０で得られた電力は、クラッチモータ２３０の力行に使用される。「インナロータ２３２の回転数＜駆動軸１１２の目標回転数Ｎｄ」の場合には、下流側に位置するアシストモータ１４０から上流側に位置するクラッチモータ２３０に電力が供給されるため、動力の循環が生じる。
【０１２５】
以上で説明した通り、第４の変形例のハイブリッド車両によれば、実施例のハイブリッド車両と同様、エンジン１５０から出力される動力を種々の回転数およびトルクからなる動力にトルク変換して駆動軸１１２に出力することができる。トルク変換の過程において、電力への変換を介して伝達される動力が存在する点も実施例と同様である。また、所定の走行状態においては、動力の循環が生じる点も同様である。従って、クラッチモータ２３０の入力回転数と出力回転数の差が近づくように走行状態に応じて変速比を制御すれば、実施例と同様の作用によりハイブリッド車両の運転効率を向上することができる。
【０１２６】
第４の変形例においても、プラネタリギヤ１２０を用いた動力調整装置において説明した変形例と同様、種々の結合状態を採ることができる。また、動力調整装置は、実施例および第４の変形例の構成に限らず、電力のやりとりを介して回転数を変更しつつ動力を伝達可能な種々の構成を適用できる。
【０１２７】
以上で示した実施例等では、プラネタリギヤ２００を用いた変速機構を適用した場合を例示した。かかる変速機構は、比較的簡易かつ小型の機構である利点がある。但し、本発明はかかる変速機構にのみ限定されるものではなく、種々の変速機構を適用することができる。
【０１２８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、更に種々なる形態で実施し得ることは勿論である。例えば、本実施例のハイブリッド車両では、エンジンとしてガソリンエンジン１５０を用いたが、ディーゼルエンジンその他の動力源となる装置を用いることができる。また、本実施例では、モータとして全て三相同期モータを適用したが、誘導モータその他の交流モータおよび直流モータを用いるものとしてもよい。また、本実施例では、種々の制御処理をＣＰＵがソフトウェアを実行することにより実現しているが、かかる制御処理をハード的に実現することもできる。更に、制御ユニット１９０により変速比の切替制御を行う場合を実施の形態として示したが、手動で切り換える態様、または自動での切り換えと手動での切り換えとを選択可能な態様で構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例のハイブリッド車両の概略構成を示す説明図である。
【図２】変速機構の動作について示す説明図である。
【図３】クラッチ２１０をオフにし、ブレーキ２２０をオンにした場合と等価な結合状態を模式的に示す説明図である。
【図４】クラッチ２１０をオンにし、ブレーキ２２０をオフにした場合と等価な結合状態を模式的に示す説明図である。
【図５】プラネタリギヤ１２０の回転状態を示す説明図である。
【図６】本実施例のハイブリッド車両における差速制限について示す説明図である。
【図７】「車軸１１６の回転数Ｎｄ＜エンジン１５０の回転数Ｎｅ」の場合におけるトルク変換の様子を示す説明図である。
【図８】「車軸１１６の回転数Ｎｄ＞エンジン１５０の回転数Ｎｅ」の場合におけるトルク変換の様子を示す説明図である。
【図９】本実施例のハイブリッド車両における各種走行モードの使い分けの様子を示す説明図である。
【図１０】通常走行時のトルク制御ルーチンのフローチャートである。
【図１１】エンジンの運転ポイントと運転効率との関係について示す説明図である。
【図１２】変速比切り換え制御ルーチンのフローチャートである。
【図１３】直結状態から増速結合状態への切り替えの判断を示す説明図である。
【図１４】増速結合状態から直結状態への切り替えの判断を示す説明図である。
【図１５】オーバードライブ走行時のトルク変換の様子を示す説明図である。
【図１６】アンダードライブ走行時のトルク変換の様子を示す説明図である。
【図１７】変速比の設定方法について示す説明図である。
【図１８】第１の変形例としてのハイブリッド車両の概略構成を示す説明図である。
【図１９】第２の変形例としてのハイブリッド車両の概略構成を示す説明図である。
【図２０】第３の変形例としてのハイブリッド車両の概略構成を示す説明図である。
【図２１】第４の変形例のハイブリッド車両の概略構成を示す説明図である。
【図２２】電動機を駆動軸に結合したハイブリッド車両の概略構成を示す説明図である。
【図２３】電動機を駆動軸に結合したハイブリッド車両において、エンジンの回転数が駆動軸の回転数よりも高い状態における動力の伝達の様子を示す説明図である。
【図２４】電動機を駆動軸に結合したハイブリッド車両において、エンジンの回転数が駆動軸の回転数よりも低い状態における動力の伝達の様子を示す説明図である。
【図２５】電動機を出力軸に結合したハイブリッド車両の概略構成を示す説明図である。
【図２６】電動機を出力軸に結合したハイブリッド車両において、エンジンの回転数が駆動軸の回転数よりも高い状態における動力の伝達の様子を示す説明図である。
【図２７】オーバードライブ結合において、エンジンの回転数が駆動軸の回転数よりも低い状態における動力の伝達の様子を示す説明図である。
【符号の説明】
１１２…駆動軸
１１４…ディファレンシャルギヤ
１１６Ｒ，１１６Ｌ…駆動輪
１１６…車軸
１１７…回転数センサ
１１８…スリップリング
１２０…プラネタリギヤ
１２１…サンギヤ
１２２…プラネタリピニオンギヤ
１２３…プラネタリキャリア
１２４…リングギヤ
１２５…リングギヤ軸
１３０…モータ
１３２…ロータ
１３３…ステータ
１４０…アシストモータ
１４２…ロータ
１４３…ステータ
１５０…エンジン
１５２…回転数センサ
１５６…クランクシャフト
１６５…アクセルペダルポジションセンサ
１９０…制御ユニット
１９１，１９２…駆動回路
１９４…バッテリ
２００…プラネタリギヤ
２０１…サンギヤ
２０２…プラネタリピニオンギヤ
２０３…プラネタリキャリア
２０４…リングギヤ
２０５…リングギヤ軸
２１０…クラッチ
２２０…ブレーキ
２３０…クラッチモータ
２３２…インナロータ
２３４…アウタロータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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