説明

ハイブリッド電気自動車,及びその動作方法

【課題】 モータ/発電機の連れ回り損失を抑制でき,且つ,動力系を小型,軽量にすることができるハイブリッド電気自動車を提供する。
【解決手段】 本発明によるハイブリッド電気自動車1は,サンギア9,プラネタリギア10,及びリングギア11を含む遊星歯車装置5と,プラネタリギア10に接続されるエンジン2と,ロータ3aがサンギア9に接続され,モータ及び発電機の両方として機能する回転電機3と,リングギア11に接続される駆動輪4とを備えている。リングギア11には,駆動輪4を駆動するモータは接続されない。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は,ハイブリッド電気自動車,及びその動作方法に関し,特に,ハイブリッド電気自動車における動力の伝達及び電力の発生の最適化に関する。
【背景技術】
【0002】
駆動輪の駆動のためにエンジンとモータの両方を使用するハイブリッド電気自動車は,燃料消費の低減に優れているという利点から,広く使用され始めている。
【0003】
ハイブリッド電気自動車には,シリーズ方式,パラレル方式,及びシリーズパラレル併用方式の3種類がある。シリーズ方式は,エンジンを発電にのみ使用する方式であり,シリーズ方式を採用するハイブリッド電気自動車では,駆動輪がモータのみによって駆動される。パラレル方式は,エンジンのみによる駆動輪の駆動と,エンジンとモータとの両方による駆動とを選択的に行う方式である。シリーズパラレル併用方式は,エンジンのみによる駆動輪の駆動,モータのみによる駆動,及びエンジンとモータとの両方による駆動とのいずれをも行うことができる駆動方式である。総合的な性能の良さから,シリーズパラレル併用方式を採用するハイブリッド電気自動車が最も一般的である。
【0004】
シリーズパラレル併用方式を採用するハイブリッド電気自動車を実現するための重要な機構の一つが,遊星歯車装置である。遊星歯車装置は,エンジンとモータと発電機と駆動輪との間における動力の伝達及び分配を最適に行うことを可能にする。典型的なシリーズパラレル併用方式を採用するハイブリッド電気自動車では,遊星歯車装置のサンギアが発電機に,プラネタリギアがエンジンに,リングギアがモータ及び駆動輪に接続されている(例えば,特許文献1の従来の技術欄参照)。
【0005】
かかるハイブリッド電気自動車の一つの課題は,モータ及び発電機のロータの連れ回りに起因して,不所望な損失が発生することである。例えば,エンジンのみによって駆動輪が駆動される場合,プラネタリギアがエンジンによって駆動され,これにより,リングギアに接続された駆動輪が駆動される。しかし,プラネタリギアの回転によってサンギアが回転するため,発電機のロータも不必要に回転し,損失が発生する。加えて,リングギアの回転に伴ってモータのロータも不必要に回転するから,これによって損失が発生する。モータのみによって駆動輪が駆動される場合も同様に,サンギアの回転に伴って発電機のロータが回転し,これによって損失が発生する。
【0006】
特許文献2は,モータ/発電機の連れ回り損失を抑えるためのハイブリッド電気自動車の構造を開示している。公知のそのハイブリッド電気自動車は,内燃機関101と,ドッグクラッチ102とを備えている。内燃機関101のシャフト101aは,ドッグクラッチ102の入力軸に接続されている。ドッグクラッチ102の第1の出力軸は,歯車103,104を介して車両駆動軸105に接続されている。車両駆動軸105は,駆動輪106に接続され,更に,第1モータ107に接続されている。ドッグクラッチ102の第2の出力軸は,遊星歯車装置108のプラネタリギア108bに接続されている。遊星歯車装置108のサンギア108aは,第2モータ109に接続され,リングギア108cは,歯車110を介して車両駆動軸105に接続されている。第1モータ107及び第2モータ109は,動力の発生と,発電との両方に使用される。
【0007】
公知のそのハイブリッド電気自動車は,以下の動作により,モータ/発電機の連れ回り損失の抑制を達成する。第1モータ107のみによって駆動輪106が駆動される場合,ドッグクラッチ102は,中立状態にされる;即ち,内燃機関101のシャフトは,遊星歯車装置108及び車両駆動軸105のいずれにも機械的に接続されない。これにより,車両駆動軸105が回転しても,第2モータ109は回転しない。なぜなら,車両駆動軸105の回転によってリングギア108cが回転しても,トルクのバランスにより,プラネタリギア108bのみが回転し,サンギア108a及び第2モータ109のロータは殆ど回転しないからである。内燃機関101によって駆動輪106が駆動される場合には,ドッグクラッチ102は,内燃機関101のシャフト101aを,車両駆動軸105に機械的に接続する。この場合も,車両駆動軸105が回転しても,第2モータ109は回転しない。このように,当該ハイブリッド電気自動車は,内燃機関101及び第1モータ107から駆動輪に動力を伝達する経路が第2モータ109の不必要な回転を抑えるように設計され,第2モータ109の連れ回り損失を有効に抑制することができる。
【0008】
ハイブリッド電気自動車の設計では,モータ/発電機の連れ回り損失の抑制に加えて,動力系が小型,軽量に設計されることが重要である。動力系が小型,軽量であることは,ハイブリッド電気自動車の燃料消費を抑制する。加えて,動力系が小型,軽量であることは,更に,ハイブリッド電気自動車の居住性の向上のために好適である。このように,動力系が小型,軽量に設計されることは,ハイブリッド電気自動車の競争力の向上に重要である。
【0009】
このような背景から,モータ/発電機の連れ回り損失を抑制でき,且つ,動力系を小型,軽量にするための技術の提供が望まれている。
【特許文献1】特開平11−180173号公報
【特許文献2】特開2000−225862号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明の目的は,モータ/発電機の連れ回り損失を抑制でき,且つ,動力系を小型,軽量にすることができるハイブリッド電気自動車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記の目的を達成するために,本発明は,以下に述べられる手段を採用する。その手段に含まれる技術的事項の記述には,[特許請求の範囲]の記載と[発明を実施するための最良の形態]の記載との対応関係を明らかにするために,[発明を実施するための最良の形態]で使用される番号・符号が付加されている。但し,付加された番号・符号は,[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【0012】
本発明によるハイブリッド電気自動車(1)は,サンギア(9),プラネタリギア(10),及びリングギア(11)を含む遊星歯車装置(5)と,プラネタリギア(10)に接続されるエンジン(2)と,サンギア(9)とリングギア(11)とのうちの一方のギアにロータ(3a)が接続され,モータ及び発電機の両方として機能する回転電機(3)と,サンギア(9)とリングギア(11)とのうちの他方のギアに接続される駆動輪(4)とを備えている。該他方のギアには,駆動輪(4)を駆動するモータは接続されない。回転電機(3)が駆動輪(4)を駆動するモータ及び電力を発生する発電機の両方として機能し,且つリングギア(11)に駆動輪(4)を駆動するモータが接続されない,上記のハイブリッド電気自動車(1)の構成は,動力系に含まれる回転電機の数を一つにすることを可能にする。これは,連れ回り損失を有効に低減し,更に,動力系の小型,軽量化を好適に実現する。
【0013】
好適な構成では,上記の一方のギアはサンギア(9)であり,他方のギアはリングギア(11)である。
【0014】
当該ハイブリッド電気自動車(1)は,更に,制御装置(6)と,制御装置(6)からの制御信号に応答して該一方のギアの回転を機械的に停止させる回転停止機構(15)を備えることが好適である。
【0015】
その代りに,制御装置(6)からの制御信号に応答して,該一方のギアの自由な回転を許容する動作と,該一方のギアの第1方向の回転を許容しながら前記第1方向と反対の第2方向の回転を阻止する動作との一方を行う逆回転防止機構(15)を備えることも好適である。
【0016】
かかるハイブリッド電気自動車(1)は,下記の動作方法によって動作されることが好適である。好適なハイブリッド電気自動車(1)の動作方法は,
エンジン(2)が発生した動力を遊星歯車装置(5)を介して回転電機(3)に供給し,回転電機(3)によって電力を発生するステップと,
回転電機(3)が発生した動力を遊星歯車装置(5)を介して駆動輪(4)に伝えることによって駆動輪(4)を駆動するステップを備えている。単一の回転電機(3)によって駆動輪(4)の駆動と発電との両方を行う当該駆動方法は,動力系に含まれる回転電機(3)の数を減らし,連れ回り損失の低減と,動力系の小型,軽量化とを好適に実現する。
【0017】
他の好適なハイブリッド電気自動車(1)の動作方法は,
該一方のギアの回転を機械的に停止させながら,エンジン(2)により動力を発生するステップと,
エンジン(2)によって発生された動力を遊星歯車装置(5)を介して駆動輪(4)に伝えることによって駆動輪(4)を駆動するステップを備えている。かかる動作方法は,該一方のギアに接続された回転電機(3)のロータ(3a)の不所望な回転を防止し,連れ回り損失を有効に抑制する。
【0018】
他の好適なハイブリッド電気自動車(1)の動作方法は,
該一方のギアの一方方向の回転を許容し,前記一方方向と逆方向の回転を阻止しながら,エンジン(2)単独で,又は,エンジン(2)と回転電機(3)との両方によって動力を発生するステップと,
発生された動力を前記遊星歯車装置(5)を介して駆動輪(4)に伝えることによって駆動輪(4)を駆動するステップを備えている。このような動作方法は,連れ回り損失を有効に抑制しつつ,エンジン(2)単独での駆動輪(4)の駆動と,エンジン(2)と回転電機(3)との両方による駆動輪(4)の駆動とをスムーズに切り替えることを可能にする。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば,ハイブリッド電気自動車におけるモータ/発電機の連れ回り損失の発生を抑制し,更に,ハイブリッド電気自動車の動力系を小型,軽量にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
第1 ハイブリッド電気自動車の構成
本発明の実施の一形態のハイブリッド電気自動車1は,図2に示されているように,エンジン2と,回転電機3と,駆動輪4と,遊星歯車装置5と,制御装置6とを備えている。
【0021】
エンジン2は,燃料の供給を受けて動力を発生する。エンジン2としては,典型的には,レシプロエンジン,ロータリーエンジン等の内燃機関が使用される。
【0022】
回転電機3は,動力を発生するモータ,及び電力を発生する発電機の両方として使用される。回転電機3は,ロータ3aとステータ3bとを備えており,ステータ3bは,インバータ7を介してバッテリー8に接続されている。バッテリー8からインバータ7を介して電力が供給されると,回転電機3は,ロータ3aを回転させて動力を発生する。一方,回転電機3は,エンジン2,及び/又は,駆動輪4からの動力によってロータ3aが回転されると電力を発生する。回転電機3が発生した電力は,インバータ7を介してバッテリー8に蓄積される。回転電機3は,小型,且つ軽量であることが望ましく,かかる要求を満足するためには,回転電機3は,特開2002−153033号公報に開示されているような,ロータの表面のごく近傍に永久磁石が埋め込まれたIPM(internal permanent magnet)回転電機が使用されることが好適である。
【0023】
遊星歯車装置5は,エンジン2と,回転電機3と,駆動輪4との間で動力の分配を行うために使用される機構である。遊星歯車装置5は,サンギア9と,プラネタリギア10と,リングギア11とを備えている。図1に示されているように,サンギア9は,中空シャフト9aを介して,回転電機3のロータ3aに接続されている。プラネタリギア10は,図3に示されているように,サンギア9とリングギア11との間に介設されたピニオン10aと,ピニオン10aに結合されたプラネタリキャリア10bとを備えている。図1に示されているように,プラネタリキャリア10bは,エンジン2のシャフト2aに接続されている。リングギア11は,歯車機構12,プロペラシャフト13,及びディファレンシャルギア14を介して,駆動輪4に接続されている。
【0024】
遊星歯車装置5のサンギア9と回転電機3のロータ3aとを結合する中空シャフト9aは,回転阻止機構15に接続されている。回転阻止機構15は,制御装置6から送られる制御信号に応答して,サンギア9及びロータ3aを機械的に固定し,又は,サンギア9及びロータ3aの自由な回転を許容する。
【0025】
制御装置6は,エンジン2と,回転電機3と,駆動輪4との間の動力の分配を制御する機能を有している。具体的には、制御装置6は,エンジン2の出力,インバータ7の出力,及び回転阻止機構15を制御する。
【0026】
第2 本実施の形態のハイブリッド電気自動車の作用及び動作
1.概要
本実施の形態のハイブリッド電気自動車1は,回転電機3を駆動輪4の駆動と発電との両方に使用し,駆動輪4を駆動するモータが別途に設けられていない。本実施の形態のハイブリッド電気自動車1では,動力系に設けられる回転電機の数は一つである。
【0027】
このような構成は,以下に述べられる2つの点で有利である。第1に,回転電機の数が一つに減らされていることは,モータ/発電機の連れ回り損失を抑制するために有効である。通常のシリーズパラレル併用方式のハイブリッド電気自動車のように,モータと発電機との2つの回転電機を設けると,それぞれにおいて連れ回り損失が発生し,損失が増大する。一方,本実施の形態のハイブリッド電気自動車1では,連れ回り損失の発生源となる回転電機の数が一つに減らされている。これは,連れ回り損失の抑制に有効である。加えて,回転電機の数が一つに減らされている本実施の形態のハイブリッド電気自動車1は,モータと発電機との2つの回転電機を含むハイブリッド電気自動車と比較して,動力系を小型,軽量にするために有利である。
【0028】
加えて,本実施の形態のハイブリッド電気自動車1では,必要に応じて,回転電機3のロータ3aが回転阻止機構15によって固定される。これは,より一層に連れ回り損失の発生を抑制するために有効である。
【0029】
以下では,本実施の形態のハイブリッド電気自動車の動作が,詳細に説明される。
【0030】
2.本実施の形態のハイブリッド電気自動車の動作の詳細
本実施の形態のハイブリッド電気自動車1は,下記の5つの運転モード:
・エンジン始動モード
・エンジン単独走行モード
・モータアシスト走行モード
・走行中発電モード
・回生モード
で運転可能である。以下では,それぞれの運転モードにおけるハイブリッド電気自動車1の動作が説明される。
【0031】
(1) エンジン始動モード
エンジン始動モードでは,回転電機3がモータとして使用され,回転電機3が発生する動力により,エンジン2のシャフト2aが回転されてエンジン2が始動される。エンジン2の始動の間,遊星歯車装置5のリングギア11は固定され,駆動輪4は静止したままである。
【0032】
(2) エンジン単独走行モード
エンジン単独走行モードは,ハイブリッド電気自動車1が比較的に低速で運転され,且つ,加速が行われない場合に使用される運転モードである。エンジン単独走行モードでは,エンジン2が発生した動力は,プラネタリギア10及びリングギア11を介して駆動輪4に伝達され,エンジン2単独で駆動輪4が駆動される。
【0033】
エンジン単独走行モードでは,遊星歯車装置5のサンギア9は,回転阻止機構15によって機械的に固定される。これにより,サンギア9に結合されている回転電機3のロータ3aも機械的に固定される。ロータ3aがプラネタリギア10の回転に伴って不必要に回転されることはない。これは,回転電機3における連れ回り損失の発生を有効に抑制する。
【0034】
(3) モータアシスト走行モード
モータアシスト走行モードは,ハイブリッド電気自動車1が比較的に高速で運転される,又は,ハイブリッド電気自動車1の加速が行われる場合に使用される運転モードである。モータアシスト走行モードでは,エンジン2と回転電機3の両方によって動力が発生され,発生された動力は,リングギア11を介して駆動輪4に伝達されて駆動輪4が駆動される。モータアシスト走行モードでは,より大きな駆動トルクを駆動輪4に供給することができる。
【0035】
(4) 走行中発電モード
走行中発電モードは,ハイブリッド電気自動車1が走行している間に発電が行われ,バッテリー8の充電が行われる動作モードである。エンジン2によって発生された動力の一部は,リングギア11を介して駆動輪4に伝達されて駆動輪4が駆動される。エンジン2によって発生された動力の他の一部は,サンギア9を介して回転電機3に供給され,回転電機3のロータ3aが駆動される。ロータ3aが駆動されると,回転電機3は電力を発生し,インバータ7に供給する。インバータ7は,回転電機3から供給された電力により,バッテリー8を充電する。
【0036】
(5) 回生モード
回生モードは,駆動輪4を制動するときに,ハイブリッド電気自動車1の運動エネルギーを電力に変換する運転モードである。回生モードでは,駆動輪4からの動力が,リングギア11,プラネタリギア10,及びサンギア9を介して回転電機3に供給され,回転電機3のロータ3aが駆動される。ロータ3aが駆動されると,回転電機3は電力を発生し,インバータ7に供給する。これにより,運動エネルギーが電力に変換され,ハイブリッド電気自動車1は減速される。ハイブリッド電気自動車1の減速とともに,発生された電力は,バッテリー8に充電される。
【0037】
以上のいずれの運転モードにおいても,回転電機3の不所望な回転は抑制されていることに留意されたい。本実施の形態のハイブリッド電気自動車1は,連れ回り損失の発生の抑制に有効である。
【0038】
エンジン単独走行モードと,モータアシスト走行モードとの間の切り替えをスムーズに行うためには,回転阻止機構15は,制御装置6からの制御信号に応答して,サンギア9の一方の方向の回転を許容しながら,その反対の方向の回転を阻止するように動作可能に構成されていることが好適である。
【0039】
ハイブリッド電気自動車1がエンジン単独走行モード,又は,モータアシスト走行モードに設定されると,回転阻止機構15は,制御装置6からの制御信号による指示に従って,回転電機3のロータ3aの一方の方向の回転を許容し,その反対の方向の回転を阻止するように動作する。ハイブリッド電気自動車1がモータアシスト走行モードで動作し,回転電機3が充分に大きな動力を発生している場合には,サンギア9は,回転電機3から供給される動力によってある方向に回転する。その後,回転電機3が出力する動力が減少されると,サンギア9は,逆方向に回転しようとする。しかし,回転阻止機構15によってサンギア9の逆方向への回転は阻止され,サンギア9は固定される。即ち,回転電機3が出力する動力を減少させることにより,エンジン単独走行モードに自動的に移行する。逆に,回転電機3が出力する動力が増加された場合には,サンギア9は自動的に回転を始め,モータアシスト走行モードに自動的に移行する。このように,回転阻止機構15がサンギア9の一方の方向の回転を許容し,その反対の方向の回転を阻止するように動作することは,エンジン2単独での駆動輪4の駆動と,エンジン2と回転電機3の両方による駆動輪4の駆動との切り替えをスムーズにするために好適である。
【0040】
一方,エンジン単独走行モード及びモータアシスト走行モード以外の運転モードでは,回転阻止機構15は,制御装置6からの制御信号によるによる指示に従って,サンギア9の自由な回転を許容する。サンギア9が両方向に回転を許されると,エンジン2又は駆動輪4からの動力は回転電機3に伝わり,回転電機3はその動力から電力を発生することができる。
以上に説明されているように,本実施の形態のハイブリッド電気自動車1は,モータ/発電機の連れ回り損失を抑制でき,且つ,動力系を小型,軽量にすることができる。
【0041】
図4は、本発明によるハイブリッド電気自動車の他の実施の形態を示すブロック図である。実施の他の形態では,回転電機3のロータ3aに接続されているのは,サンギア9ではなくリングギア11であり,駆動輪4に接続されているのは,リングギア11ではなくサンギア9である。より詳細には,リングギア11は,中空シャフト11aを介して回転電機3のロータ3aに接続され,サンギア9は,歯車機構12,プロペラシャフト13,及びディファレンシャルギア14を介して駆動輪4に接続されている。回転阻止機構15は,中空シャフト11aに接続され,リングギア11及びロータ3aを機械的に固定し,又は,リングギア11及びロータ3aの自由な回転を許容する。
【0042】
図4に示されているハイブリッド電気自動車の動作は,サンギア9とリングギア11との役割が交代されている点以外,図1に示されているハイブリッド電気自動車の動作と同一である。図4に示されているハイブリッド電気自動車は,図1に示されているハイブリッド電気自動車と同様に,モータ/発電機の連れ回り損失を抑制でき,且つ,動力系を小型,軽量にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0043】
【図1】図1は,従来のハイブリッド電気自動車の構成を示すブロック図である。
【図2】図2は,本発明の実施の一形態のハイブリッド電気自動車の構成を示すブロック図である。
【図3】図3は,本実施の形態の遊星歯車装置の構成を示す図である。
【図4】図4は,本発明の実施の他の形態のハイブリッド電気自動車の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【0044】
1:ハイブリッド電気自動車
2:エンジン
2a:シャフト
3:回転電機
3a:ロータ
3b:ステータ
4:駆動輪
5:遊星歯車装置
6:制御装置
7:インバータ
8:バッテリー
9:サンギア
9a:中空シャフト
10:プラネタリギア
10a:ピニオン
10b:プラネタリキャリア
11:リングギア
12:歯車機構
13:プロペラシャフト
14:ディファレンシャルギア
15:回転阻止機構
101:内燃機関
101a:シャフト
102:ドッグクラッチ
103,104:歯車
105:車両駆動軸
106:駆動輪
107:第1モータ
108:遊星歯車装置
108a:サンギア
108b:プラネタリギア
108c:リングギア
109:第2モータ
110:歯車

【特許請求の範囲】
【請求項1】
サンギアと,プラネタリギアと,リングギアとを含む遊星歯車装置と,
前記プラネタリギアに接続されるエンジンと,
前記サンギアと前記リングギアとのうちの一方のギアに接続され,モータ及び発電機の両方として機能する回転電機と,
前記サンギアと前記リングギアとの他方のギアに接続される駆動輪
とを備え,
前記他方のギアには,前記駆動輪を駆動するモータは接続されない
ハイブリッド電気自動車。
【請求項2】
請求項1に記載のハイブリッド電気自動車であって,
更に,
制御装置と,
前記制御装置からの制御信号に応答して前記一方のギアの回転を機械的に停止させる回転停止機構
とを備える
ハイブリッド電気自動車。
【請求項3】
請求項1に記載のハイブリッド電気自動車であって,
更に,
制御装置と,
前記制御装置からの制御信号に応答して,前記一方のギアの自由な回転を許容する動作と,前記一方のギアの第1方向の回転を許容しながら前記第1方向と反対の第2方向の回転を阻止する動作との一方を行う逆回転防止機構
とを備える
ハイブリッド電気自動車。
【請求項4】
請求項1乃至請求項3に記載のハイブリッド自動車であって,
前記一方のギアは前記サンギアであり,
前記他方のギアは前記リングギアである
ハイブリッド電気自動車。
【請求項5】
請求項1に記載のハイブリッド電気自動車の動作方法であって,
前記エンジンが発生した動力を前記遊星歯車装置を介して前記回転電機に供給し,前記回転電機によって電力を発生するステップと,
前記回転電機が発生した動力を前記遊星歯車装置を介して前記駆動輪に伝えることによって前記駆動輪を駆動するステップ
とを備える
ハイブリッド電気自動車の動作方法。
【請求項6】
請求項1に記載のハイブリッド電気自動車の動作方法であって,
前記一方のギアの回転を機械的に停止させながら,前記エンジンにより動力を発生するステップと,
前記動力を前記遊星歯車装置を介して前記駆動輪に伝えることによって前記駆動輪を駆動するステップ
とを備える
ハイブリッド電気自動車の動作方法。
【請求項7】
請求項1に記載のハイブリッド電気自動車の動作方法であって,
前記一方のギアの一方方向の回転を許容し,前記一方方向と逆方向の回転を阻止しながら,前記エンジン単独で,又は,前記エンジンと前記回転電機との両方によって動力を発生するステップと,
前記動力を前記遊星歯車装置を介して前記駆動輪に伝えることによって前記駆動輪を駆動するステップ
とを備える
ハイブリッド電気自動車の動作方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2006−27413(P2006−27413A)
【公開日】平成18年2月2日(2006.2.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−208281(P2004−208281)
【出願日】平成16年7月15日(2004.7.15)
【出願人】(000006208)三菱重工業株式会社 (10,378)
【Fターム(参考)】