JP4031769B2 - 動力出力装置およびこれを搭載する自動車並びに動力伝達装置 - Google Patents

Description

本発明は、動力出力装置およびこれを搭載する自動車に関し、詳しくは、駆動軸に動力を出力する動力出力装置およびこれを搭載する自動車に関する。

従来、この種の動力出力装置としては、自動車に搭載され、プラネタリギヤのサンギヤにエンジンと第２モータ、リングギヤに第１モータ、キャリアに出力軸を各々接続したものや、プラネタリギヤのサンギヤにエンジン、リングギヤに第１モータ、キャリアに第２モータと出力軸を各々接続したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。これらの接続関係は、エンジンから出力されたトルクを第１モータで受けることによって出力軸にトルクを出力することができるものとなっている。そして、この装置では、効率のよい運転ポイントで運転されたエンジンからの動力をプラネタリギヤと二つのモータによりトルク変換して出力軸に出力することができる、とされている。
特開平７−１３５７０１（図１，３４）

しかしながら、上述の前者の動力出力装置では、駆動軸に要求される動力が低回転高トルクの場合には、エンジンおよび第２モータからの高トルクを第１モータによってバランスをとる必要から、第１モータが大型化してしまう。一方、後者の動力出力装置では、駆動軸に要求される動力が高回転低トルクの場合には、エンジンと第１モータとから出力された動力の一部を第２モータによって発電して第１モータに供給するという動力−電力−動力のエネルギ循環（いわゆる動力循環）が生じ、装置全体のエネルギ効率を低下させる場合が生じる。

本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車並びに動力伝達装置は、小型の電動機を用いることにより装置の小型化を図ることを目的の一つとする。また、本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車並びに動力伝達装置は、内燃機関と二つの電動機とを有する装置やこれを搭載する自動車におけるエネルギ効率を向上させることを目的の一つとする。

本発明の動力出力装置およびこれを搭載する自動車は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

本発明の動力出力装置は、
駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、
内燃機関と、
発電可能な第１の電動機と、
発電可能な第２の電動機と、
前記第１の電動機が回転停止した状態のときに前記内燃機関から出力された動力をトルクを増幅して前記駆動軸に出力することができるよう前記内燃機関の出力軸と前記駆動軸と前記第１の電動機の回転軸とを連結すると共に前記第２の電動機の回転軸を前記内燃機関の出力軸と前記駆動軸とに切替可能に連結する連結手段と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の動力出力装置では、第１の電動機が回転停止した状態のときに内燃機関から出力された動力をトルクを増幅して駆動軸に出力することができるよう内燃機関の出力軸と駆動軸と第１の電動機の回転軸とを連結すると共に第２の電動機の回転軸を内燃機関の出力軸と駆動軸とに切替可能に連結する。したがって、駆動軸に必要な動力に応じて連結を切り替えることにより、装置全体のエネルギ効率を向上させることができる。また、このように連結を切り替えることにより、第１の電動機の小型化を図ることができ、これにより装置の小型化を図ることができる。

こうした本発明の動力出力装置において、前記連結手段は、前記駆動軸と前記内燃機関の出力軸とが一体として回転するよう連結可能な手段であるものとすることもできる。こうすれば、内燃機関から出力された動力を直接駆動軸へ出力することができると共に、これに加えて第１の電動機や第２の電動機からの動力を駆動軸に入出力することができる。

また、本発明の動力出力装置において、前記連結手段は、前記駆動軸と前記内燃機関の出力軸と前記第１の電動機の回転軸の３軸のうちいずれか２軸に入出力される動力に基づいて残余の１軸に動力を入出力する３軸式動力入出力手段を備えるものであるものとすることができる。こうすれば、内燃機関および第１の電動機から３軸式動力入出力手段に入力された動力を駆動軸に出力することができる。

本発明の動力出力装置において、前記連結手段は、共線図において順に並ぶ第１回転要素と第２回転要素と第３回転要素とを有し該第１回転要素が前記第１の電動機の回転軸に接続され該第２回転要素が前記駆動軸に接続され該第３回転要素が前記内燃機関の出力軸に接続された遊星歯車と、前記第２の電動機の回転軸と前記第２回転要素との接続および接続の解除を行なう第１接続解除手段と、前記第２の電動機の回転軸と前記第３回転要素との接続および接続の解除を行なう第２接続解除手段と、を備える手段であるものとすることもできる。こうすれば、第１接続解除手段と第２接続解除手段の一方を接続し他方を解除することによって第２の電動機の回転軸を駆動軸に連結したり内燃機関の出力軸に連結することができる。また、第１接続解除手段と第２接続解除手段の両方を接続することによって駆動軸と内燃機関の出力軸とを直接連結することができる。

また、本発明の動力出力装置において、操作者の操作に基づいて前記駆動軸に出力すべき要求動力を設定する要求動力設定手段と、該設定された要求動力に基づく動力が前記駆動軸に出力されるよう前記内燃機関と前記第１の電動機と前記第２の電動機と前記連結手段とを制御する制御手段と、を備えるものとすることもできる。こうすれば、操作者の操作に基づく要求動力に応じた動力を駆動軸に出力することができる。

この制御手段を備える態様の本発明の動力出力装置において、前記制御手段は、前記設定された要求動力が比較的低回転高トルクの領域として設定された低回転高トルク領域のときには前記第２の電動機の回転軸を前記駆動軸に連結するよう前記連結手段を制御する手段であるものとすることができる。こうすれば、内燃機関からのトルクと内燃機関の運転ポイントを調整する第１の電動機からのトルクに加えて第２の電動機からのトルクを直接駆動軸に出力することができる。また、前記制御手段は、前記設定された要求動力が比較的高回転低トルクの領域として設定された高回転低トルク領域のときには前記第２の電動機の回転軸を前記内燃機関の出力軸に連結するよう前記連結手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、駆動軸を高回転で運転するときに動力循環を低減でき、効率よく運転された内燃機関からの動力をトルク変換して駆動軸に出力することができる。

また、この制御手段を備える態様の本発明の動力出力装置において、前記制御手段は、前記内燃機関の同一のパワーを出力可能な運転ポイントのうち効率がよくなる傾向の運転ポイントで該内燃機関を運転制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、装置全体のエネルギ効率を向上させることができる。

本発明の自動車は、上述のいずれかの態様の本発明の動力出力装置、即ち、基本的には、駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、内燃機関と、発電可能な第１の電動機と、発電可能な第２の電動機と、前記第１の電動機が回転停止した状態のときに前記内燃機関から出力された動力をトルクを増幅して前記駆動軸に出力することができるよう前記内燃機関の出力軸と前記駆動軸と前記第１の電動機の回転軸とを連結すると共に前記第２の電動機の回転軸を前記内燃機関の出力軸と前記駆動軸とに切替可能に連結する連結手段と、を備える動力出力装置を搭載し、前記駆動軸に車軸が連結されてなることを要旨とする。

この本発明の自動車では、上述のいずれかの態様の本発明の動力出力装置を搭載するから、本発明の動力出力装置が奏する効果、例えば、駆動軸に必要な動力に応じて連結を切り替えることにより、装置全体のエネルギ効率を向上させることができる効果や第１の電動機の小型化を図ることができる効果などと同様の効果を奏することができる。

本発明の動力伝達装置は、
駆動軸と内燃機関の出力軸と発電可能な第１の電動機の回転軸と発電可能な第２の電動機の回転軸とに接続され、該内燃機関と該第１の電動機と該第２の電動機とから出力された動力をトルク変換して該駆動軸に伝達する動力伝達装置であって、
共線図において順に並ぶ第１回転要素と第２回転要素と第３回転要素とを有し該第１回転要素が前記第１の電動機の回転軸に接続され該第２回転要素が前記駆動軸に接続され該第３回転要素が前記内燃機関の出力軸に接続された遊星歯車と、前記第２の電動機の回転軸と前記第２回転要素との接続および接続の解除を行なう第１接続解除手段と、前記第２の電動機の回転軸と前記第３回転要素との接続および接続の解除を行なう第２接続解除手段と、を備えることを要旨とする。

この動力伝達装置では、第１接続解除手段と第２接続解除手段の一方を接続し他方を解除することによって第２の電動機の回転軸を駆動軸に連結したり内燃機関の出力軸に連結することができると共に第１接続解除手段および第２接続解除手段の両方を接続することによって駆動軸と内燃機関の出力軸を直接連結することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例としての動力出力装置を搭載するハイブリッド自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例のハイブリッド自動車２０は、図示するように、エンジン２２と、エンジン２２のクランクシャフト２６にダンパ２８を介して接続されると共に駆動輪６９ａ、６９ｂにデファレンシャルギヤ６８やギヤ機構６６，駆動軸６５を介して接続された動力分配統合機構３０と、この動力分配統合機構３０に接続された発電可能なモータＭＧ１と、同じく動力分配統合機構３０に接続された発電可能なモータＭＧ２と、動力出力装置全体をコントロールするハイブリッド用電子制御ユニット７０とを備える。

エンジン２２は、ガソリンまたは軽油などの炭化水素系の燃料により動力を出力する内燃機関であり、エンジン２２の運転状態を検出する各種センサから信号を入力するエンジン用電子制御ユニット（以下、エンジンＥＣＵという）２４により燃料噴射制御や点火制御、吸入空気量調節制御などの運転制御を受けている。エンジンＥＣＵ２４は、ハイブリッド用電子制御ユニット７０と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット７０からの制御信号によりエンジン２２を運転制御すると共に必要に応じてエンジン２２の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。

動力分配統合機構３０は、プラネタリギヤＰと２つのクラッチＣ１，Ｃ２とにより構成されている。プラネタリギヤＰのサンギヤ３１にはモータＭＧ１の回転軸が、リングギヤ３２にはエンジン２２のクランクシャフト２６が、ピニオンギヤ３３を連結するキャリア３４には駆動軸６５が、それぞれ接続されている。また、プラネタリギヤＰのキャリア３４はクラッチＣ１を介して、リングギヤ３２はクラッチＣ２を介してそれぞれＭＧ２に接続されている。駆動軸６５はギヤ機構６６およびデファレンシャルギヤ６８を介して駆動輪６９ａ，６９ｂに機械的に連結されているから、駆動軸６５に出力された動力は最終的には駆動輪６９ａ、６９ｂに出力されることになる。

この動力分配統合機構３０は、モータＭＧ１の回転を停止させた状態のときにエンジン２２からの動力をトルクを増幅して駆動軸６５から出力することができるようエンジン２２のクランクシャフト２６とモータＭＧ１の回転軸と駆動軸６５とを連結すると共にクラッチＣ１，Ｃ２のオン，オフ操作によりモータＭＧ２の回転軸を駆動軸６５に連結したりエンジン２２のクランクシャフト２６に連結するものとなる。以下にクラッチＣ１，Ｃ２の各状態における動力分配統合機構３０の動作について説明する。

クラッチＣ１をオンとすると共にクラッチＣ２をオフとしたとき、即ち、モータＭＧ２の回転軸を駆動軸６５に連結したときの動力分配統合機構３０の各回転要素における回転数とトルクとの力学的な関係を示す共線図の一例を図２に示す。図中、左端のＳ軸はモータＭＧ１の回転数Ｎｍ１であるプラネタリギヤＰのサンギヤ３１の回転数を示し、Ｃ軸は駆動軸６５の回転数ＮｄおよびモータＭＧ２の回転数Ｎｍ２であるプラネタリギヤＰのキャリア３４の回転数を示し、Ｒ軸はエンジン２２のクランクシャフト２６の回転数ＮｅであるプラネタリギヤＰのリングギヤ３２の回転数を示す。これらの共線図は、各要素（各軸）に作用するトルクを共線を梁に見立てたときにこの梁に作用する力と同一視することができるものである。したがって、各軸に作用するトルク或いは作用させるべきトルクを、同様の力が作用している梁の釣り合いを解くことにより計算することができる。なお、図中、ρはプラネタリギヤＰのギヤ比（サンギヤ３１の歯数／リングギヤ３２の歯数）である。この接続状態では、動力分配統合機構３０は、モータＭＧ１の回転を停止させた状態のときにエンジン２２からの動力をトルクを増幅して駆動軸６５から出力することができる連結状態における動力の駆動軸６５への出力、即ち、エンジン２２からのトルクとエンジン２２の運転ポイント（回転数とトルク）を調整するモータＭＧ１からのトルクとの和のトルクの駆動軸６５への出力に加えて、モータＭＧ２からのトルクの駆動軸６５への出力を行なうことができる。このように、この接続状態は、モータＭＧ２から駆動軸６５に直接動力を出力することができることやモータＭＧ１を回転停止に近い状態にすることによりエンジン２２からの動力をトルクを増幅して駆動軸６５に出力することができることから、駆動軸６５に低回転高トルクの動力を出力するときに有利なものとなる。

クラッチＣ１をオフとすると共にクラッチＣ２をオンとしたとき、即ち、モータＭＧ２の回転軸をエンジン２２のクランクシャフト２６に連結したときの動力分配統合機構３０の各回転要素における回転数とトルクとの力学的な関係を示す共線図の一例を図３に示す。この接続状態では、動力分配統合機構３０は、エンジン２２とモータＭＧ２とからのトルクとエンジン２２の運転ポイント（回転数とトルク）を調整するモータＭＧ１からのトルクとの和のトルクを駆動軸６５に出力する。この接続状態は、モータＭＧ２の回転軸がエンジン２２のクランクシャフト２６に接続されているから、モータＭＧ１の回転数Ｎｍ１が正の値で回転しているときには動力−電力−動力といったエネルギの循環（動力循環）を生じることはない。したがって、エンジン２２の回転数Ｎｅが駆動軸６５の回転数Ｎｒより小さいとき、即ち駆動軸６５に高回転低トルクの動力を出力するときには、モータＭＧ１は正の値で回転するから、動力循環を生じることなくエンジン２２から出力された動力をトルク変換して駆動軸６５に出力することができる。したがって、この接続状態は駆動軸６５に高回転低トルクの動力を出力するときに有利なものとなる。

クラッチＣ１とクラッチＣ２とを共にオンとしたとき、即ち、エンジン２２のクランクシャフト２６と駆動軸６５とモータＭＧ１，ＭＧ２の回転軸とを一体の回転体としたときの動力分配統合機構３０の各回転要素における回転数とトルクとの力学的な関係を示す共線図の一例を図４に示す。この接続状態では、エンジン２２のクランクシャフト２６と駆動軸６５とが一体の回転体として回転するから、エンジン２２を効率よく運転できる運転ポイントの動力を駆動軸６５に出力するときには、効率よく動力を駆動軸６５に出力することができる。したがって、この接続状態は、エンジン２２を効率よく運転できる運転ポイントの動力を駆動軸６５に出力することができるときに有利なものとなる。

モータＭＧ１およびモータＭＧ２は、いずれも発電機として駆動することができると共に電動機として駆動できる周知の同期発電電動機として構成されており、インバータ５１，５２を介してバッテリ６０と電力のやりとりを行なう。インバータ５１，５２とバッテリ６０とを接続する電力ライン６４は、各インバータ５１，５２が共用する正極母線および負極母線として構成されており、モータＭＧ１，ＭＧ２のいずれかで発電される電力を他のモータで消費することができるようになっている。したがって、バッテリ６０は、モータＭＧ１，ＭＧ２のいずれかから生じた電力や不足する電力により充放電されることになる。なお、モータＭＧ１，ＭＧ２により電力収支のバランスをとるものとすれば、バッテリ６０は充放電されない。モータＭＧ１，ＭＧ２は、いずれもモータ用電子制御ユニット（以下、モータＥＣＵという）５０により駆動制御されている。モータＥＣＵ５０には、モータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御するために必要な信号、例えばモータＭＧ１，ＭＧ２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ５３，５４からの信号や図示しない電流センサにより検出されるモータＭＧ１，ＭＧ２に印加される相電流などが入力されており、モータＥＣＵ５０からは、インバータ５１，５２へのスイッチング制御信号が出力されている。モータＥＣＵ５０は、ハイブリッド用電子制御ユニット７０と通信しており、ハイブリッド用電子制御ユニット７０からの制御信号によってモータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御すると共に必要に応じてモータＭＧ１，ＭＧ２の運転状態に関するデータをハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。

バッテリ６０は、バッテリ用電子制御ユニット（以下、バッテリＥＣＵという）６２によって管理されている。バッテリＥＣＵ６２には、バッテリ６０を管理するのに必要な信号、例えば，バッテリ６０の端子間に設置された図示しない電圧センサからの端子間電圧，バッテリ６０の出力端子に接続された電力ライン６４に取り付けられた図示しない電流センサからの充放電電流，バッテリ６０に取り付けられた図示しない温度センサからの電池温度などが入力されており、必要に応じてバッテリ６０の状態に関するデータを通信によりハイブリッド用電子制御ユニット７０に出力する。なお、バッテリＥＣＵ６２では、バッテリ６０を管理するために電流センサにより検出された充放電電流の積算値に基づく残容量（ＳＯＣ）やこの残容量（ＳＯＣ）と電池温度とに基づく入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔなども演算または設定している。

ハイブリッド用電子制御ユニット７０は、ＣＰＵ７２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ７２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ７４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ７６と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。ハイブリッド用電子制御ユニット７０には、イグニッションスイッチ８０からのイグニッション信号，シフトレバー８１の操作位置を検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジションＳＰ，アクセルペダル８３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度Ａｃｃ，ブレーキペダル８５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキペダルポジションＢＰ，車速センサ８８からの車速Ｖなどが入力ポートを介して入力されている。ハイブリッド用電子制御ユニット７０は、前述したように、エンジンＥＣＵ２４やモータＥＣＵ５０，バッテリＥＣＵ６２と通信ポートを介して接続されており、エンジンＥＣＵ２４やモータＥＣＵ５０，バッテリＥＣＵ６２と各種制御信号やデータのやりとりを行なっている。

こうして構成された実施例のハイブリッド自動車２０は、運転者によるアクセルペダル８３の踏み込み量に対応するアクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づいて駆動軸６５に出力すべき駆動要求トルクＴ＊を計算し、この駆動要求トルクＴ＊に対応する要求動力が駆動軸６５に出力されるように、エンジン２２とモータＭＧ１とモータＭＧ２とが運転制御される。エンジン２２とモータＭＧ１とモータＭＧ２の運転制御としては、要求動力に見合う動力がエンジン２２から出力されるようにエンジン２２を運転制御すると共にエンジン２２から出力される動力のすべてが動力分配統合機構３０とモータＭＧ１とモータＭＧ２とによってトルク変換されて駆動軸６５に出力されるようモータＭＧ１およびモータＭＧ２を駆動制御するトルク変換運転モードや要求動力とバッテリ６０の充放電に必要な電力との和に見合う動力がエンジン２２から出力されるようにエンジン２２を運転制御すると共にバッテリ６０の充放電を伴ってエンジン２２から出力される動力の全部またはその一部が動力分配統合機構３０とモータＭＧ１とモータＭＧ２とによるトルク変換を伴って要求動力が駆動軸６５に出力されるようモータＭＧ１およびモータＭＧ２を駆動制御する充放電運転モード、エンジン２２の運転を停止してモータＭＧ１やモータＭＧ２から要求動力に見合う動力を駆動軸６５に出力するよう運転制御するモータ運転モードなどがある。なお、トルク変換運転モードと充放電運転モードはバッテリ６０の充放電を行なうか否かの差があるだけで実質的な制御における差違はない。

次に、こうして構成された実施例のハイブリッド自動車２０の動作、特にクラッチＣ１やクラッチＣ２の切り替えを含む基本的な動作について説明する。図５は、ハイブリッド用電子制御ユニット７０により実行される駆動制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎（例えば８ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。

駆動制御ルーチンが実行されると、ハイブリッド用電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２は、まず、アクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度Ａｃｃや車速センサ８８からの車速Ｖ，エンジン２２の回転数Ｎｅ，モータＭＧ１，ＭＧ２の回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２，バッテリ６０を充放電するための要求充放電パワーＰｂ＊など制御に必要なデータを入力する処理を実行する（ステップＳ１００）。ここで、エンジン２２の回転数Ｎｅは、図示しないクランクポジションセンサにより検出されたクランクシャフト２６の回転位置に基づいて計算されたものをエンジンＥＣＵ２４から通信により入力するものとした。また、モータＭＧ１，ＭＧ２の回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２は、回転位置検出センサ５３，５４により検出されるモータＭＧ１，ＭＧ２の回転子の回転位置に基づいて計算されたものをモータＥＣＵ５０から通信により入力するものとした。また、バッテリ６０を充放電するための要求充放電パワーＰｂ＊は、残容量（ＳＯＣ）に基づいて設定されたものをバッテリＥＣＵ６２から通信により入力するものとした。

こうしてデータを入力すると、入力したアクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づいて車両に要求されるトルクとして駆動軸６５に出力すべき駆動要求トルクＴ＊と車両に要求される車両要求パワーＰ＊とを設定する（ステップＳ１１０）。駆動要求トルクＴ＊は、実施例では、アクセル開度Ａｃｃと車速Ｖと駆動要求トルクＴ＊との関係を予め定めて要求トルク設定用マップとしてＲＯＭ７４に記憶しておき、アクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとが与えられると記憶したマップから対応する要求トルクＴ＊を導出して設定するものとした。図６に要求トルク設定用マップの一例を示す。車両要求パワーＰ＊は、設定した駆動要求トルクＴ＊に駆動軸６５の回転数Ｎｄを乗じたものとバッテリ６０が要求する要求充放電パワーＰｂ＊とロスＬｏｓｓとの和として計算することができる。なお、駆動軸６５の回転数Ｎｄは、車速Ｖに換算係数ｋを乗じることによって求めることができる。

こうして駆動要求トルクＴ＊と車両要求パワーＰ＊とを設定すると、設定した車両要求パワーＰ＊に基づいてエンジン２２から出力すべきエンジン要求パワーＰｅ＊を設定する（ステップＳ１２０）。エンジン要求パワーＰｅ＊の設定は、エンジン２２の応答性がモータＭＧ１，ＭＧ２などに比して遅いことから、いままでにこのルーチンが実行されて設定されたエンジン要求パワーＰｅ＊と今回設定された車両要求パワーＰ＊とを用いて車両要求パワーＰ＊がいずれエンジン要求パワーＰｅ＊として設定されるようなまし処理やレート処理を用いてエンジン要求パワーＰｅ＊を設定する。続いて、設定したエンジン要求パワーＰｅ＊に基づいてエンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊とを設定する（ステップＳ１３０）。この設定は、エンジン２２を効率よく動作させる動作ラインとエンジン要求パワーＰｅ＊とに基づいて目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊とを設定する。エンジン２２の動作ラインの一例と目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊とを設定する様子を図７に示す。図示するように、目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊は、動作ラインとエンジン要求パワーＰｅ＊（Ｎｅ＊×Ｔｅ＊）が一定の曲線との交点により求めることができる。

次に、車速Ｖを閾値Ｖｒｅｆ１や閾値Ｖｒｅｆ２と比較する（ステップＳ１４０）。ここで、閾値Ｖｒｅｆ１や閾値Ｖｒｅｆ２は、車両全体の効率をよくするクラッチＣ１，Ｃ２の接続状態を決定するために用いるものであり、閾値Ｖｒｅｆ１は比較的低速（例えば３０ｋｍ／ｈや４０ｋｍ／ｈなど）に設定されており、閾値Ｖｒｅｆ２は比較的高速（例えば、８０ｋｍ／ｈや９０ｋｍ／ｈなど）に設定されている。車速Ｖが閾値Ｖｒｅｆ１以下のときには、クラッチＣ１をオンすると共にクラッチＣ２をオフとしてモータＭＧ２を駆動軸６５に連結し（ステップＳ１５０）、動力分配統合機構３０を低速で有利な図２の共線図に示す接続状態とする。そして、エンジン２２が目標回転数Ｎｅ＊で回転するようモータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊を次式（１）により計算して設定すると共に（ステップＳ１６０）、駆動要求トルクＴ＊が駆動軸６５に出力されるようモータＭＧ２のトルク指令Ｔｍ２＊を式（２）により計算して設定する（ステップＳ１７０）。ここで、式（１）は、エンジン２２を目標回転数Ｎｅ＊で回転させるようモータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊を計算するためのフィードバック制御における関係式であり、式（１）中、右辺第２項の「ｋ１」は比例項のゲインであり、右辺第３項の「ｋ２」は積分項のゲインである。また、式（２）は、上述した図２の共線図における力学的関係から、容易に求めることができる。

Tm1*＝前回Tm1*＋k1(Ne*−Ne)＋k2∫(Ne*−Ne)dt (1)
Tm2*＝T*−（1+1/ρ）Tm1* (2)

こうしてモータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊を設定すると、設定したエンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊についてはエンジンＥＣＵ２４に送信すると共にモータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊についてはモータＥＣＵ４０に送信して（ステップＳ２４０）、駆動制御ルーチンを終了する。目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊とを受信したエンジンＥＣＵ２４は、エンジン２２が目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊とによって示される運転ポイントで運転されるようにエンジン２２における燃料噴射制御や点火制御などの制御を行なう。また、トルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊を受信したモータＥＣＵ５０は、トルク指令Ｔｍ１＊でモータＭＧ１が駆動されると共にトルク指令Ｔｍ２＊でモータＭＧ２が駆動されるようインバータ５１，５２のスイッチング素子のスイッチング制御を行なう。こうした制御により、比較的低速におけるエネルギ効率を向上させることができる。

ステップＳ１４０で車速Ｖが閾値Ｖｒｅｆ１以上かつＶｒｅｆ２未満の比較的中速であると判断されると、クラッチＣ１，Ｃ２を共にオンして駆動軸６５とエンジン２２のクランクシャフト２６とを連結し（ステップＳ１８０）、動力分配統合機構３０を図４の共線図に示す接続状態とする。そして、エンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊に駆動軸６５の回転数Ｎｄ（ｋ・Ｖ）を設定すると共にエンジン要求パワーＰｅ＊を設定した目標回転数Ｎｅ＊で割って目標トルクＴｅ＊を設定し（ステップＳ１９０）、駆動軸６５に駆動要求トルクＴ＊が出力されるようモータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊を設定して（ステップＳ２００）、設定したエンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊についてはエンジンＥＣＵ２４に送信すると共にモータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊についてはモータＥＣＵ４０に送信して（ステップＳ２４０）、駆動制御ルーチンを終了する。ここで、モータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊は、目標トルクＴｅ＊とを含めた和が駆動要求トルクＴ＊となれば如何なる配分に設定してもよいが、このときに出力すべきトルクを効率よく出力できる側のモータからトルクを出力するよう制御する。こうした制御により、エンジン２２からの動力を直接駆動軸６５に出力することができるので、比較的中速時における車両のエネルギ効率を向上させることができる。

ステップＳ１４０で車速Ｖが閾値Ｖｒｅｆ２以上であると判定されると、クラッチＣ１をオフすると共にクラッチＣ２をオンしてモータＭＧ２をエンジン２２のクランクシャフト２６に連結し（ステップＳ２１０）、動力分配統合機構３０を高速で有利な図３の共線図に示す接続状態とする。エンジン２２が目標回転数Ｎｅ＊で回転するようモータＭＧ２のトルク指令Ｔｍ２＊を次式（３）により計算して設定すると共に（ステップＳ２２０）、駆動要求トルクＴ＊が駆動軸６５に出力されるようモータＭＧ１のトルク指令Ｔｍ１＊を式（４）により計算して設定する（ステップＳ２３０）。設定したエンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊と目標トルクＴｅ＊についてはエンジンＥＣＵ２４に送信すると共にモータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊についてはモータＥＣＵ４０に送信して（ステップＳ２４０）、駆動制御ルーチンを終了する。こうした制御により、動力循環は生じることがないから、車両のエネルギ効率を向上させることができる。なお、式（３）は、上式（１)のＴｍ１＊をＴｍ２＊に、ゲイン「ｋ１」，「ｋ２」をゲイン「ｋ３」，「ｋ４」に各々置き換えたものであり、式（４）は式（２）と同様、図３の共線図における力学的関係から、容易に求めることができる。

Tm2*＝前回Tm2*＋k3(Ne*−Ne)＋k4∫(Ne*−Ne)dt (3)
Tm1*＝ρ・T*/（1+ρ） (4)

以上説明した実施例のハイブリッド自動車２０によれば、走行状態に応じた接続状態に動力分配統合機構３０を切り替えて走行することができる。この結果、車両全体のエネルギ効率を向上させることができる。即ち、車速Ｖが閾値Ｖｒｅｆ１以下では動力分配統合機構３０を低速で有利な構成とするから、低速域におけるエネルギ効率を向上させることができる。車速Ｖが閾値Ｖｒｅｆ１以上かつＶｒｅｆ２未満では駆動軸６５とエンジン２２のクランクシャフト２６を直結して一体回転させ効率よく運転されたエンジン２２からの動力を直接駆動軸６５に出力するので中速域におけるエネルギ効率を向上させることができ、車速ＶがＶｒｅｆ２以上では動力分配統合機構３０を高速で有利な構成とするから、高速域におけるエネルギ効率を向上させることができる。

以上説明した実施例のハイブリッド自動車２０では、車速Ｖが閾値Ｖｒｅｆ１以上かつ閾値Ｖｒｅｆ２未満であるときには、クラッチＣ１，Ｃ２を共にオンして駆動軸６５およびエンジン２２のクランクシャフト２６を直結して一体回転するものとしたが、このような動作を行なわずクラッチＣ１，Ｃ２のうちのいずれか一方をオンとし他方をオフとする動作のみ行なうものとしてもよい。

また、実施例のハイブリッド自動車２０では、３軸式動力入出力手段としてプラネタリギヤＰを用いるものとしたが、他の３軸式のギヤ機構を用いるものとしてもよい。

さらに、実施例のハイブリッド自動車２０では、運転者のアクセルペダル８３の操作に基づいて要求動力を設定し、エンジン２２とモータＭＧ１とモータＭＧ２とを制御するものとしたが、運転者のような操作者が存在せず、自動で出力すべき動力を設定するもの、例えば自動運転する列車や船舶などのようなものとしてもよい。

実施例のハイブリッド自動車２０では、車速に基づいてクラッチＣ１，Ｃ２を切り替えるものとしたが、他のもの、例えば、エネルギ効率や要求トルクに基づいてクラッチＣ１，Ｃ２を切り替えるものとしてもよい。また、車速Ｖを閾値Ｖｒｅｆ１および閾値Ｖｒｅｆ２と比較し、車速を３段階に区分して動力分配統合機構３０の接続状態を切り替えるものとしたが、車速Ｖを４段階以上に区分して動力分配統合機構３０の接続状態を切り替えるものとしてもよい。

また、実施例のハイブリッド自動車２０では、エンジン２２を効率のよい運転ポイントで運転するものとしたが、これ以外の運転ポイントで運転するものとしてもよい。また、エンジン要求パワーＰｅ＊を設定する際なまし処理やレート処理を用いるものとしたが、これらのものを用いずにエンジン要求パワーＰｅ＊を設定するものとしてもよい。

また、上述した実施例のハイブリッド自動車２０では、動力分配統合機構３０の構成として、プラネタリギヤＰのサンギヤ３１にモータＭＧ１の回転軸を、リングギヤ３２に内燃機関２２のクランクシャフト２６を、キャリア３４に駆動軸６５を各々接続し、モータＭＧ２をクランクシャフト２６または駆動軸６５に接続するクラッチＣ１，Ｃ２を備えるものとしたが、一方の電動機が回転停止した状態のときに内燃機関から出力された動力をトルクを増幅して前記駆動軸に出力することができるよう内燃機関の出力軸と駆動軸と一方の電動機の回転軸とを連結すると共に他方の電動機の回転軸を内燃機関の出力軸と駆動軸とに切替可能なものであればいかなる構成としても構わない。

上述した実施例では、ハイブリッド自動車２０として説明したが、駆動軸６５までの動力出力装置として適用してもよいし、エンジン２２やモータＭＧ１やモータＭＧ２からの動力を駆動軸に伝達する動力伝達装置として適用してもよい。この場合、動力出力装置や動力伝達装置は、自動車以外の列車などの車両に搭載されるものとしてもよいし、船舶や航空機に搭載されるものとしてもよい。また、建設機械などに組み込まれるものとしても構わない。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例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、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明実施例としての動力出力装置を搭載するハイブリッド自動車２０の構成の概略を示す構成図である。 クラッチＣ１をオン、クラッチＣ２をオフとしてモータＭＧ２を駆動軸６５に連結した状態の動力分配統合機構３０の回転要素における回転数とトルクとの力学的な関係を示す共線図の一例を示す説明図である。 クラッチＣ１をオフ、クラッチＣ２をオンとしてモータＭＧ２をクランクシャフト２６に連結した状態の動力分配統合機構３０の回転要素における回転数とトルクとの力学的な関係を示す共線図の一例を示す説明図である。 クラッチＣ１，Ｃ２を共にオンとして駆動軸６５とクランクシャフト２６とを直結した状態の動力分配統合機構３０の回転要素における回転数とトルクとの力学的な関係を示す共線図の一例を示す説明図である。 本発明実施例のハイブリッド用電子制御ユニット７０により実行される駆動制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 要求トルク設定用マップの一例を示す説明図である。 エンジン２２の動作ラインの一例と目標回転数Ｎｅ＊および目標トルクＴｅ＊を設定する様子を示す説明図である。

符号の説明

２０ ハイブリッド自動車、２２ エンジン、２４ エンジン用電子制御ユニット（エンジンＥＣＵ）、２６ クランクシャフト、２８ ダンパ、３０ 動力分配統合機構、３１ サンギヤ、３２ リングギヤ、３３ ピニオンギヤ、３４ キャリア、５０ モータ用電子制御ユニット（モータＥＣＵ）、５１，５２ インバータ、５３，５４ 回転位置検出センサ、６０ バッテリ、６２ バッテリ用電子制御ユニット（バッテリＥＣＵ）、６４ 電力ライン、６５ 駆動軸、６８ デファレンシャルギヤ、６９ａ，６９ｂ 駆動輪、７０ ハイブリッド用電子制御ユニット、７２ ＣＰＵ、７４ ＲＯＭ、７６ ＲＡＭ、８０ イグニッションスイッチ、８１ シフトレバー、８２ シフトポジションセンサ、８３ アクセルペダル、８４ アクセルペダルポジションセンサ、８５ ブレーキペダル、８６ ブレーキペダルポジションセンサ、８８ 車速センサ、Ｐ プラネタリギヤ、ＭＧ１，ＭＧ２ モータ、Ｃ１，Ｃ２ クラッチ。

Claims (7)

1. 駆動軸に動力を出力する動力出力装置であって、
   内燃機関と、
   発電可能な第１の電動機と、
   発電可能な第２の電動機と、
   前記第１の電動機が回転停止した状態のときに前記内燃機関から出力された動力をトルクを増幅して前記駆動軸に出力することができるよう前記内燃機関の出力軸と前記駆動軸と前記第１の電動機の回転軸とを連結すると共に前記第２の電動機の回転軸を前記内燃機関の出力軸と前記駆動軸とに切替可能に連結する連結手段と、
   操作者の操作に基づいて前記駆動軸に出力すべき要求動力を設定する要求動力設定手段と、
   該設定された要求動力に基づく動力が前記駆動軸に出力されるよう前記内燃機関と前記第１の電動機と前記第２の電動機と前記連結手段とを制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記設定された要求動力が比較的低回転高トルクの領域として設定された低回転高トルク領域のときには前記第２の電動機の回転軸を前記駆動軸に連結するよう前記連結手段を制御する手段である、
   動力出力装置。
2. 前記連結手段は、前記駆動軸と前記内燃機関の出力軸とが一体として回転するよう連結可能な手段である請求項１記載の動力出力装置。
3. 前記連結手段は、前記駆動軸と前記内燃機関の出力軸と前記第１の電動機の回転軸の３軸のうちいずれか２軸に入出力される動力に基づいて残余の１軸に動力を入出力する３軸式動力入出力手段を備える手段である請求項１または２記載の動力出力装置。
4. 前記連結手段は、共線図において順に並ぶ第１回転要素と第２回転要素と第３回転要素とを有し該第１回転要素が前記第１の電動機の回転軸に接続され該第２回転要素が前記駆動軸に接続され該第３回転要素が前記内燃機関の出力軸に接続された遊星歯車と、前記第２の電動機の回転軸と前記第２回転要素との接続および接続の解除を行なう第１接続解除手段と、前記第２の電動機の回転軸と前記第３回転要素との接続および接続の解除を行なう第２接続解除手段と、を備える手段である請求項１ないし３いずれか記載の動力出力装置。
5. 前記制御手段は、前記設定された要求動力が比較的高回転低トルクの領域として設定された高回転低トルク領域のときには前記第２の電動機の回転軸を前記内燃機関の出力軸に連結するよう前記連結手段を制御する手段である請求項１ないし４いずれか記載の動力出力装置。
6. 前記制御手段は、前記内燃機関の同一のパワーを出力可能な運転ポイントのうち効率がよくなる傾向の運転ポイントで該内燃機関を運転制御する手段である請求項１ないし４いずれか記載の動力出力装置。
7. 請求項１ないし６いずれか記載の動力出力装置を搭載し、前記駆動軸に車軸が連結されてなる自動車。
   

Images