JP2008302892A - 車両の駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】 ４輪駆動かつ無段変速が可能な車両駆動システムにおけるモータ数及び損失トルクの低減。
【解決手段】 車両の駆動システムは、モータ１４と、内燃機関１と、発電機３と、内燃機関１の駆動力を駆動輪と前記発電機とに分割する動力分割機構２と、モータ１４及び内燃機関１を制御する電子制御部１８と、を備える。内燃機関１が、動力分割機構２を介して第１の駆動輪１３を駆動し、モータ１４が、内燃機関１によって駆動されない第２の駆動輪１５を駆動するよう配設される。動力分割機構２の出力要素を含む第１の駆動輪１３側の各回転部材は従動部材であり、第２の駆動輪１５との間でトルク授受を行うともに、第１の駆動輪１３とも路面を介してトルク授受を行ない、電子制御部１８は、車両の走行状態と、第１、第２の駆動輪の間で授受されるトルクと、に基づいて、モータ１４及び内燃機関１を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両の駆動システムに関し、特に、内燃機関の駆動力とモータの駆動力とを用いて４輪駆動走行を可能とした車両の駆動システムに関する。

特開２００５−１７８４７９号公報に、内燃機関の駆動力を駆動輪と発電機とに分割する動力分割機構を備えた車両の動力出力装置が開示されている。同公報記載の動力出力装置は、遊星歯車を用いた動力分割機構を備え、モータジェネレータのロータが連結されたサンギヤと同心円上に出力要素となるリングギヤが配置され、前記サンギヤとリングギヤとに噛み合っているピニオンギヤがエンジン出力軸が連結されたキャリアによって公転かつ自転できるようになっている。また、前記リングギヤには、永久磁石モータが連結され、駆動トルクをアシストすることが可能となっている。上記構成によれば、発電機によりエネルギー回生を行うとともに、内燃機関及びモータの回転数をそれぞれ変化させることにより無段変速が可能となっている。
特開２００５−１７８４７９号公報、図５

しかしながら、上記した公報記載のようなトランスミッションを用いない車両構成での４輪駆動化を考えると、モータを２つ設ける必要があり、コスト、重量がそれぞれ増大し、スペース効率も良くなくなってしまうという問題点がある。

例えば、上記特許文献１の図５には、リアアクスル側に永久磁石を用いない磁石レスモータを配置して、４輪駆動車として構成した例が開示されているが、２台のモータと、１台のモータジェネレータ、これらに応じたインバータのセットが必要となっている。また同公報によれば、前輪側に配置されたモータは動力分割機構の出力要素であるリングギヤとトルク授受を行い、このときリングギヤは駆動ギヤとして機能する。また、後輪側の磁石レスモータは後輪との間でトルク授受を行うことを前提としたハイブリッドシステムとなっている。このようなクラッチなしで２台のモータが各駆動輪と連結されている構成では、不要なときにもロータが連れ回るため（例えば、同公報図４のＦ≦Ｆ＿_ＭＯＴ１+Ｆ＿_Ｅ／Ｇのときに第１モータは「−」停止状態となっている。）、損失トルクも大きなものとなる。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、上記した無段変速が可能な車両駆動システムを４輪駆動化した場合における、モータ数及び損失トルクを低減することのできる構成を提供することにある。

本発明の第１の視点によれば、モータと、内燃機関と、発電機と、前記内燃機関の駆動力を駆動輪と前記発電機とに分割する動力分割機構と、前記モータ及び前記内燃機関を制御する電子制御部と、による無段変速機構を備えた車両の駆動システムであって、前記内燃機関が、前記動力分割機構を介して前輪又は後輪のいずれか一方の第１の駆動輪を駆動し、前記モータが、前記内燃機関によって駆動されない第２の駆動輪を駆動するよう配設され、前記動力分割機構の出力要素を含む前記第１の駆動輪側の各駆動力伝達部材が従動部材であること、を特徴とする車両の駆動システムが提供される。前記モータは、前記第２の駆動輪との間でトルク授受を行うともに、前記第１の駆動輪とも路面を介してトルク授受を行ない、前記電子制御部は、車両の走行状態と、前記第１、第２の駆動輪の間で授受されるトルクと、に基づいて、前記モータ及び内燃機関を制御する。

本発明によれば、前記モータと発電機が各１つで４輪駆動走行を行うことが可能となり、損失トルクも低減させることが可能となる。その理由は、動力分割機構の出力要素以下を従動部材とし、前記動力分割機構と機械的に連結されていないモータのトルクを、路面を媒介として授受させる構成を採用したことにある。

続いて、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る車両の駆動システムの構成を表した図である。図１を参照すると、本実施形態に係る車両の駆動システムは、動力分割機構２を備えて、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ガスエンジン等の内燃機関１の出力トルクを、発電機として機能するモータジェネレータ３と、出力側とに分配することが可能となっている。

モータジェネレータ３は、例えば、永久磁石式交流同期電動機によって構成され、発電機として機能する場合は反力トルクを、電動機として機能する場合は駆動トルクを動力分割機構２に与えることとなる。なお、モータジェネレータ３のコイルを有するステータは図示省略するケーシング等によって固定されている。

動力分割機構２は、シングルピニオン型遊星歯車機構によって構成されており、外歯歯車であるサンギヤ４と同心円上に内歯歯車であるリングギヤ５が配置される。サンギヤ４とリングギヤ５とに噛み合っているピニオンギヤ６が、内燃機関１の出力軸に連結されたキャリヤ７によって自転かつ公転できるように保持されている。

サンギヤ４には、モータジェネレータ３のロータが連結され、反力要素（モータジェネレータ３が停止している状態では固定要素）となっている。一方、リングギヤ５には、出力ギヤ８が一体化されて設けられ、カウンタドリブンギヤ９に噛み合っている。更に、このカウンタドリブンギヤ９と同軸上で一体化されたカウンタドライブギヤ１０がデファレンシャル１１のリングギヤ１２に噛み合っており、前輪１３にトルクを伝達するようになっている。

更に、本実施形態に係る車両の駆動システムでは、上記した前輪側の動力伝達系統とは別に、力行回生機構としてリアアクスル側にモータジェネレータ１４が設けられている。モータジェネレータ１４の出力軸は、減速ギヤユニット１９を介してリアデフ２０に連結され後輪１５を駆動することが可能となっている。なお、このモータジェネレータ１４としては、モータジェネレータ３と同様に、永久磁石式同期電動機を用いることもできるし、永久磁石を備えていない所謂磁石レスモータを用いることもできる。

従って、内燃機関１及びモータジェネレータ１４をそれぞれ駆動することで、前後の四輪を駆動することができる。このとき、前輪と後輪との駆動力配分を適宜に制御し、例えば、発進時には、リア寄りの出力とすることで、車両の発進加速性能を向上させることができる。また、定常走行や加速度が小さくなる高速域では、フロント側のトルク配分を増すことで、操縦安定性を向上させることができる。

なお、モータジェネレータ３、１４は、インバータ１６を介してバッテリー１７に接続されている。電子制御装置（ＥＣＵ）１８によってインバータ１６を制御することにより、モータジェネレータ３、１４を力行状態（モータ）又は回生状態（発電機）に切り替えることが可能となっている。

以下、上記電子制御装置（ＥＣＵ）１８によって実現される各走行モードにおける上記内燃機関１、モータジェネレータ３、１４の状態について説明する。以下、図２〜図４においては、内燃機関１を「エンジン」とし、モータジェネレータ３を「ＭＧ１」とし、モータジェネレータ１４を「ＭＧ２」として説明する。

図２は、前進加速時のエンジン、ＭＧ１、ＭＧ２の各状態（上段）と、速度線図（下段）を表した図である。図２を参照すると、前進加速時は、ＭＧ２が力行状態となり、後輪１５を前進方向に駆動する。後輪１５のトルクは路面を介して前輪１３に伝えられる。また、このとき、エンジンの回転数は、サンギヤ４に与えられる反力トルクを考慮して最適燃費となるように制御され、動力分割機構２を介して正転方向に回転するＭＧ１よりエネルギー回生を行うことができる。

図３は、定速走行時のエンジン、ＭＧ１、ＭＧ２の各状態（上段）と、速度線図（下段）を表した図である。図３を参照すると、定速走行時は、出力はエンジン主体となる。ＭＧ２は回生状態となるが、前輪の駆動力ＦがＭＧ２の逆駆動力をはるかに上回るようエンジン及びＭＧ１の回転数が制御される。

図４は、後退加速時のエンジン、ＭＧ１、ＭＧ２の各状態（上段）と、速度線図（下段）を表した図である。図４を参照すると、後退加速時は、ＭＧ２が逆転方向に力行状態となり、後輪１５を後退方向に駆動する。後輪１５のトルクは路面を介して前輪１３に伝えられるが、後輪の駆動力が前輪の逆駆動力をはるかに上回るようエンジンの回転数が制御される。またこのとき、エンジンの回転数を増大させることで、ＭＧ１よりエネルギー回生を行うことができる。

更に、図５に示すように、ブレーキ等により前後輪をロックした状態で、エンジンを運転することで、ＭＧ１にて発電を行う発電モードを実現することが可能である。また、前記ブレーキ等による前後輪のロック状態を、前輪に付加された駆動力と同等の逆駆動力を後輪に発生させるようＭＧ２を制御することによっても実現することができる。

図６は、特許文献１の４輪駆動構成により前進加速後、定速走行に移り、その後、減速、停止、後退という走行パターンで走行させた場合の車両の各部状態の遷移を表した図である。図７は、本実施形態に係る車両の駆動システムを搭載した車両にて同一の走行パターンで走らせた場合の図であるが、モータが１台少ない軽量・簡素な構成でありながら、同等の走行性を得ることが可能となっている。

また、図８に表すように、特許文献１の４輪駆動車の構成では、２輪駆動選択時の前進加速から定速走行の期間に、動力分割機構の出力要素であるリングギヤに連結されたモータ（特許文献１の図５のＰＭモータ１４）が連れ回ることによる損失トルクが発生するが、本実施形態の構成では、上記図２、図３の前進加速及び定速走行で説明したように、リングギヤ５を含む駆動輪側に、モータにより駆動される駆動ギヤが配置されておらず、走行時に該モータが不必要に連れ回ることがないため、燃費をより向上できる構成となっている。

［第２の実施形態］
続いて、上記第１の実施形態に変更を加えた本発明の第２の実施形態について説明する。図９は、本発明の第２の実施形態に係る車両の駆動システムの構成を表した図である。上記した第１の実施形態との相違点は、内燃機関１の出力軸側にブレーキ装置２２を備え、内燃機関１の出力軸の回転を抑止できるようにした点であるので、以下、ブレーキ装置２２により可能となる走行モードについて説明する。

図１０は、減速走行（回生）時のエンジン、ＭＧ１、ＭＧ２の各状態（上段）と、速度線図（下段）を表した図である。図１０を参照すると、減速走行（回生）時は、ＭＧ２によるエネルギー回生に加えて、ブレーキ装置２２を作動させ、エンジンの出力軸を固定することで、ＭＧ１においても効率よくエネルギー回生を行うことが可能となる。

図１１は、図６に示した特許文献１の４輪駆動構成の減速走行区間の車速、メカブレーキトルク、リア側（Ｒ側）トルクを同一グラフ上にプロットした図である。減速時の車両の運動エネルギーの一定量をリア側のＭＧ２にて回生することが可能となっているが、それを上回る部分は、熱損失（メカブレーキトルク相当）となっている。

図１２は、本実施形態に係る車両の駆動システムを搭載した車両にて図６と同一の走行パターンで走らせた場合の図であり、図１３は、その減速走行区間におけるメカブレーキトルク、リア側（Ｒ側）トルクを同一グラフ上にプロットした図である。本実施形態の構成では、上記ブレーキ装置２２を作動させる（図１２の最下段の破線Ｂ１ブレーキ参照）ことにより、減速時の車両の運動エネルギーの全量をフロント側のＭＧ１及びリア側のＭＧ２にて回生することが可能となっている。

［第３の実施形態］
続いて、上記第２の実施形態と同等の構成にて更に可能となる走行モードを備えた本発明の第３の実施形態にて説明する。

本実施形態の構成では、上記第２の実施形態にて説明したようにブレーキ装置２２を備えるため、内燃機関１の駆動力を用いないモータ発進（ＭＧ発進）が可能となる。図１４は、ＭＧ前進走行時のエンジン、ＭＧ１、ＭＧ２の各状態（上段）と、速度線図（下段）を表した図である。図１４を参照すると、ＭＧ前進走行時は、ＭＧ１及びＭＧ２の双方を力行状態とすることにより、前輪１３及び後輪１５をそれぞれ前進方向に駆動させることが可能となる。

図１５は、本実施形態に係る車両の駆動システムを搭載した車両にて図６と同一の走行パターンで走らせた場合の図であり、図１２と相違する点は、前進加速走行区間でも上記ブレーキ装置２２を作動させるとともに（図１５の最下段の破線Ｂ１ブレーキ参照）、ＭＧ１が力行状態となっている点である。

同様に、内燃機関１の駆動力を用いない後退発進も可能となる。図１６は、ＭＧ後退走行時のエンジン、ＭＧ１、ＭＧ２の各状態（上段）と、速度線図（下段）を表した図である。図１６を参照すると、上記図１４のＭＧ１及びＭＧ２をそれぞれ逆方向に回転させることで、前輪１３及び後輪１５をそれぞれ後退方向に駆動させることが可能となる。

図１７は、特許文献１の４輪駆動構成により前進加速走行区間における消費エネルギーを表した図である。図１８は、本実施形態に係る車両の駆動システムを搭載した車両による前進加速走行区間における消費エネルギーを表した図である。両図を対比すれば明らかなとおり、本実施形態では、前進加速走行区間のエネルギーをバッテリ消費で賄えるため、燃費をより向上させることが可能となっている。

以上のように、内燃機関１の駆動力を用いないモータ発進（ＭＧ発進）を可能とする本発明の第３の実施形態によれば、前進加速走行区間における消費エネルギーを低減することが可能となる。

［第４の実施形態］
続いて、上記第２の実施形態に構成上の変更を加えた第４の実施形態について説明する。図１９は、本発明の第４の実施形態に係る車両の駆動システムの構成を表した図である。上記した第２の実施形態との相違点は、内燃機関１の出力軸ではなく、キャリア７側にブレーキ装置２１を配置し、キャリア７をロックできるようにした点である。

本実施形態の構成によっても、上記した第２、第３の実施形態と同様の走行モードを実現することが可能となる。また、本実施形態では、ブレーキ装置２１をキャリア７内部に組み込むことも可能となり、構成をコンパクトにまとめることが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、動力分割機構及びその下流側（第１の駆動輪側）にモータを配置せずに、車両の走行状態及び他方の駆動輪側に配したモータの動作状態に応じて、前後の駆動輪間、更に一方の駆動輪に連結された動力分割機構との間で授受されるトルクを加味して内燃機関の制御を行うという基本的技術的思想を逸脱しない範囲で、更なる変形・置換・調整を加えることができる。

図２０は、上記した第１の実施形態のリア側のモータジェネレータ１４をインホイールモータ１４ａ、１４ｂに置き換えた例である。図２１は、上記インホイールモータを用いて、６×６の多軸全輪駆動車とした例である、これらの構成によっても、上記した第１の実施形態と同様の制御を加えることで、優れた走行性と、燃費特性を得ることが可能である。また、本構成に、上記第２、第４の実施形態で説明したブレーキ装置を追加することも可能である。

図２２は、本発明を、フロントエンジン・リアドライブタイプの車両（ＦＲ車）に適用した例である。図２２の構成では、リアデフ２０に連結された出力軸（プロペラシャフト）２３にリングギヤ５を連結するとともに、減速ギヤユニット１９を介して前輪１３側にモータジェネレータ１４が配置された構成となっている。図２３は、図２２の前輪側のモータジェネレータ１４をインホイールモータ１４ａ、１４ｂに置き換えた例である。これらの構成においても、上記したように特許文献１の構成と比較してモータジェネレータの台数は少なくて済み、しかもエンジンを縦置とすることができるため、良好な車載性を持つ構成を得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る車両の駆動システムの構成を表した図である。 本発明の第１の実施形態に係る車両の駆動システムによる前進加速走行時の状態を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る車両の駆動システムによる定速走行時の状態を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る車両の駆動システムによる後退加速走行時の状態を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る車両の駆動システムによる発電時の状態を説明するための図である。 従来技術（特許文献１）の４輪駆動構成により所定の走行パターンを走行させた場合の車両の各部状態の遷移を表した図である。 本発明の第１の実施形態に係る車両の駆動システムにより所定の走行パターンを走行させた場合の車両の各部状態の遷移を表した図である。 従来技術（特許文献１）の４輪駆動構成における損失トルクを説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る車両の駆動システムの構成を表した図である。 本発明の第２の実施形態に係る車両の駆動システムによる減速走行（回生）時の状態を説明するための図である。 従来技術（特許文献１）の４輪駆動構成における減速時の回生量を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る車両の駆動システムによる減速時の回生量を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る車両の駆動システムにより所定の走行パターンを走行させた場合の車両の各部状態の遷移を表した図である。 本発明の第３の実施形態に係る車両の駆動システムによるＭＧ前進走行時の状態を説明するための図である。 本発明の第３の実施形態に係る車両の駆動システムによるＭＧ後退走行時の状態を説明するための図である。 本発明の第３の実施形態に係る車両の駆動システムにより所定の走行パターンを走行させた場合の車両の各部状態の遷移を表した図である。 従来技術（特許文献１）の４輪駆動構成における発進時の消費エネルギーを説明するための図である。 本発明の第３の実施形態に係る車両の駆動システムによる発進時の消費エネルギーを説明するための図である。 本発明の第４の実施形態に係る車両の駆動システムの構成を表した図である。 本発明に係る車両の駆動システムの変形構成例を表した図である。 本発明に係る車両の駆動システムの変形構成例を表した図である。 本発明に係る車両の駆動システムの変形構成例を表した図である。 本発明に係る車両の駆動システムの変形構成例を表した図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 動力分割機構
３ モータジェネレータ
４ サンギヤ
５、１２ リングギヤ
６ ピニオンギヤ
７ キャリア
８ 出力ギヤ
９ カウンタドリブンギヤ
１０ カウンタドライブギヤ
１１ デファレンシャル
１３ 前輪
１４ モータジェネレータ
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ インホイールモータ
１５ 後輪
１６ インバータ
１７ バッテリー
１８ ＥＣＵ（電子制御ユニット）
１９ 減速ギヤユニット
２０ リアデフ
２１、２２ ブレーキ装置
２３ 出力軸（プロペラシャフト）

Claims (5)

1. モータと、内燃機関と、発電機と、前記内燃機関の駆動力を駆動輪と前記発電機とに分割する動力分割機構と、前記モータ及び前記内燃機関を制御する電子制御部と、による無段変速機構を備えた車両の駆動システムであって、
   前記内燃機関が、前記動力分割機構を介して前輪又は後輪のいずれか一方の第１の駆動輪を駆動し、
   前記モータが、前記内燃機関によって駆動されない第２の駆動輪を駆動するよう配設され、
   前記動力分割機構の出力要素を含む前記第１の駆動輪側の各回転部材が従動部材であること、
   を特徴とする車両の駆動システム。
2. 前記動力分割機構は、前記発電機への入力要素とするサンギヤと、前記第１の駆動輪側の出力要素となるリングギヤと、前記内燃機関の出力軸が連結されたキャリヤによって自転かつ公転できるよう配設されたピニオンギヤと、を含む遊星歯車機構によって構成され、
   前記リングギヤ及び該リングギヤと前記第１の駆動輪との間の各ギヤが従動ギヤであること、
   を特徴とする請求項１に記載の車両の駆動システム。
3. 更に、前記内燃機関の出力軸の回転を抑止するブレーキ装置を有し、
   制動時に、前記ブレーキ装置を係合して、前記発電機の回転数を増大可能としたこと、 を特徴とする請求項１又は２に記載の車両の駆動システム。
4. 前記発電機が、モータジェネレータであり、
   前記ブレーキ装置を係合して、モータジェネレータを駆動させることにより、発進可能としたこと、
   を特徴とする請求項３に記載の車両の駆動システム。
5. 前記モータがインホイールモータであること、
   を特徴とする請求項１乃至４いずれか一に記載の車両の駆動システム。

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