JP2008120233A - ハイブリッド駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速走行時の動力伝達効率が良好で、しかも小型化の容易なハイブリッド駆動装置を提供する。
【解決手段】少なくとも三つの回転要素によって差動作用を行いかつ入力された動力を第１電動機２と出力要素Ｒ4とに分配する動力分配機構４と、その動力分配機構４から出力部材に伝達される動力に対して動力を加減する第２電動機３と、内燃機関１が出力した動力を変速して前記動力分配機構４に入力する変速機２０とを備えたハイブリッド駆動装置において、前記変速機２０は一つの切替機構２１を備え、その切替機構２１によって前記変速機２０の変速比を切り換えるように構成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両の走行のための動力源として複数種類の動力装置を備えているハイブリッド駆動装置に関し、特に内燃機関が出力した動力を変速して動力分配機構に伝達するとともに第１の電動機と出力要素とに分配し、その動力分配機構から出力部材に伝達される動力に、第２の電動機の動力を加減するように構成されたハイブリッド駆動装置に関するものである。

車両用のハイブリッド駆動装置は、内燃機関と電動機もしくは発電機（以下、これらを合わせて電動発電機と記す）とを組み合わせ、これらを動力源とした駆動装置であるが、従来、電動発電機を単に駆動力の発生装置とせずに、内燃機関の回転数もしくは運転点の制御に使用することも行われている。その場合、内燃機関の回転数の制御に伴って電力が発生するので、これを他の電動発電機に供給し、これをモータとして動作させることにより、駆動力を発生させるようにしている。

その一例が特許文献１に記載されている。その基本的な構成を簡単に説明すると、特許文献１に記載されたハイブリッド駆動装置は、エンジンが出力した動力をそのまま出力する直結段と増速して出力する高速段とに切り換えられる遊星歯車機構からなる変速機構、およびその変速機構から出力された動力を第１電動機と出力側の部材とに分配する遊星歯車機構を主体とする動力分配機構とを備えている。また、その動力分配機構と出力軸との間に、モータとして機能する第２電動機が設けられている。そして、その第１電動機で発電した電力が第２電動機に供給されてその出力が出力軸に付加されるように構成されている。したがって、特許文献１に記載されたハイブリッド駆動装置では、高速走行時に変速機構を高速段に設定することにより、エンジンの回転数を相対的に低下させることができ、それに伴って高速走行時の動力損失を低減できる、とされている。

特開２０００−３４６１８７号公報

上述した特許文献１に記載されたハイブリッド駆動装置における変速機構は、遊星歯車機構におけるキャリヤとリングギヤとを連結して直結段を設定する摩擦式のクラッチと、サンギヤをケーシングなどの固定部に連結して固定する摩擦式のブレーキとを備えている。すなわち、複数の係合機構を設けた構成であるから、変速機構のみならずハイブリッド駆動装置の全体としての構成が大型化し、そのために車載性が低下する可能性がある。さらに、摩擦式の係合機構を係合状態に維持するためには油圧などの動力を必要とするので、その点での動力損失が増大する可能性がある。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、動力伝達効率や動力性能を損なうことなく、全体としての構成をコンパクト化することのできるハイブリッド駆動装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、少なくとも三つの回転要素によって差動作用を行いかつ入力された動力を第１電動機と出力要素とに分配する動力分配機構と、その動力分配機構から出力部材に伝達される動力に対して動力を加減する第２電動機と、内燃機関が出力した動力を変速して前記動力分配機構に入力する変速機とを備えたハイブリッド駆動装置において、前記変速機は一つの切替機構を備え、その切替機構によって前記変速機の変速比を切り換えるように構成されていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記切替機構は、歯が噛み合うことによりトルクを伝達する係合状態になる噛み合い式係合機構によって構成されていることを特徴とするハイブリッド駆動装置である。

請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記変速機は、ダブルピニオン型遊星歯車機構によって構成されていることを特徴とするハイブリッド駆動装置である。

請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかの発明において、前記内燃機関を停止した状態で第２電動機の動力を前記出力部材に伝達するＥＶ走行状態と前記内燃機関を停止した状態で前記第１電動機および第２電動機のうちの発電機能のある少なくともいずれか一方でエネルギ回生を行う回生状態とを設定する制御手段と、前記ＥＶ走行状態もしくは前記回生状態が設定されている状態で前記切替機構を切替動作させる変速制御手段とを更に備えていることを特徴とするハイブリッド駆動装置である。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記ＥＶ走行状態もしくは前記回生状態における前記出力部材の駆動状態を前記内燃機関を動作させて達成すると想定した場合の前記内燃機関の動作点を該内燃機関についての最適燃費線に基づいて求め、かつ求められた内燃機関の動作点に基づいて前記変速機の変速比を求める変速比算出手段と、その求められた変速比を前記ＥＶ走行状態中もしくは前記回生状態中に設定する変速比設定手段とを更に備えていることを特徴とするハイブリッド駆動装置である。

請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記変速比算出手段は、前記ＥＶ走行状態もしくは回生状態が設定される毎に前記変速比を求める手段を含み、前記変速比設定手段は、前記ＥＶ走行状態もしくは回生状態が設定される毎に前記変速比算出手段で求められた変速比を設定する手段を含むことを特徴とするハイブリッド駆動装置である。

請求項７の発明は、請求項５または６の発明において、前記変速比算出手段は、前記ＥＶ走行状態において動作していることが想定された前記内燃機関の動作点を、前記ハイブリッド駆動装置が搭載された車両に対する運転者の要求出力と前記各電動機が接続された蓄電装置の要求出力とに基づいて求める手段を含むことを特徴とするハイブリッド駆動装置である。

請求項８の発明は、請求項５ないし７のいずれかの発明において、前記変速比算出手段は、前記回生状態において動作していることが想定された前記内燃機関の動作点を、前記ハイブリッド駆動装置が搭載された車両が現車速で定常走行した場合のロードロードに基づいて前記内燃機関の出力を求め、その出力に基づいて求める手段を含むことを特徴とするハイブリッド駆動装置である。

請求項９の発明は、請求項４の発明において、前記ＥＶ走行状態もしくは回生状態において前記第１電動機によって前記内燃機関をモータリングするとともに、そのモータリングトルクを一時的に低下させるモータリング制御手段を更に備え、前記変速制御手段は、前記モータリングトルクが一時的に低下させられた際に前記切替機構を切替動作させる手段を含むことを特徴とするハイブリッド駆動装置である。

請求項１０の発明は、請求項９の発明において、前記モータリングトルクの一時的な低下に伴う前記出力部材のトルク変化分を前記第２電動機のトルクによって補償するトルク補償手段を更に備えていることを特徴とするハイブリッド駆動装置である。

請求項１の発明によれば、切替機構によって変速機の変速比を切り換えることにより、内燃機関から動力分配機構に入力されるトルクが変化し、また内燃機関の回転数が変化する。例えば、上記のハイブリッド駆動装置を搭載した車両の車速が高車速の場合に変速比を相対的に小さくすることにより、内燃機関の回転数を低下させることができる。そして、その変速機における変速は、一つの切替機構によって行うことができるので、構成部品の数が少なく、装置の全体としての構成を小型化することができる。

請求項２の発明によれば、切替機構がドグクラッチなどの噛み合い式の係合機構によって構成されているので、係合状態を維持するための油圧などの動力を特には必要としない。そのために動力損失を抑制もしくは低減することができる。

請求項３の発明によれば、変速機を構成する遊星歯車機構がダブルピニオン型であるから通常の構成の遊星歯車機構であっても所望の変速比を設定することができ、しかも一組の遊星歯車機構で構成できるので、ハイブリッド駆動装置の全体としての構成を小型化することができる。

請求項４の発明によれば、ＥＶ走行状態あるいは回生状態が設定されると、内燃機関が停止させられ、その状態で前記切替機構が切替動作させられる。したがって内燃機関と動力分配機構との間に配置されている変速機およびその切替機構には、ＥＶ走行状態あるいは回生状態でトルクが殆ど作用することがなく、そのため変速機での変速に伴う駆動トルクの変化あるいはそれに伴うショックを回避もしくは抑制することができる。また、ショックの発生を考慮した複雑な変速制御が不要であり、変速制御を簡素化することができる。

請求項５の発明によれば、ＥＶ走行状態あるいは回生状態では、内燃機関を停止させておくので、変速機が特に動力の伝達に関与することはないが、内燃機関が動作した場合の好ましい変速比が、ＥＶ走行状態あるいは回生状態で求められて設定される。そのため、内燃機関を動作させた場合に、直ちに内燃機関を燃費の良好な状態で運転することができる。

請求項６の発明によれば、ＥＶ走行状態あるいは回生状態から内燃機関を駆動する走行状態に切り替わる場合、その都度、燃費が良好になる変速比が求められ、かつ内燃機関を駆動する走行状態になる以前にその変速比が設定されるので、内燃機関を動作させた場合に、直ちに内燃機関を燃費の良好な状態で運転することができる。

請求項７の発明によれば、ＥＶ走行状態から内燃機関を駆動する走行状態に切り替わる場合、内燃機関の動作点が燃費の良好な点となる変速比が、ＥＶ走行状態で予め設定されるので、内燃機関での走行に切り替わった時点から燃費の良い運転あるいは動力伝達効率の良好な運転が可能になる。

請求項８の発明によれば、回生状態から内燃機関を駆動する走行状態に切り替わる場合、内燃機関を駆動して走行した場合に燃費が最適になる運転点およびその運転となる変速比を、回生状態でのロードロードに基づいて求めるから、内燃機関での走行に切り替わった時点から燃費の良い運転あるいは動力伝達効率の良好な運転が可能になる。

請求項９の発明によれば、回生状態もしくはＥＶ走行状態で内燃機関を始動するべくモータリングする場合、第１電動機によるモータリングトルクを一時的に低下し、その状態で切替機構を切替動作させるので、その切替動作に要する操作力が小さくてよく、その結果、切替機構を動作させるための機構を小型化でき、また変速比の変更を容易に行うことができる。

請求項１０の発明によれば、モータリングの際に第１電動機のトルクを一時的に低下させた場合、それに伴う出力部材のトルクの変化分を第２電動機で補うので、駆動トルクの変化やそれに起因するショックを防止もしくは抑制することができる。

つぎにこの発明を具体例に基づいて説明する。図１はこの発明の一具体例を示す図であって、ここに示す具体例では、原動機（エンジン：ＥＮＧ）１と、発電機あるいは電動機として二つのモータ・ジェネレータ（ＭＧ１、ＭＧ２）２，３とが動力装置として設けられている。その原動機１は、要は内燃機関であって、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン、あるいは天然ガスエンジンなどの燃料を燃焼して動力を出力する動力装置である。好ましくはスロットル開度などの負荷を電気的に制御でき、また所定の負荷に対して回転数を制御することにより燃費が最も良好な最適運転点に設定できる内燃機関である。以下の説明では、原動機１をエンジン１と記す。

このエンジン１が入力側変速機２０に連結されている。なお、エンジン１と入力側変速機２０との間に、発進用のクラッチやトルクコンバータ（ロックアップクラッチ付のトルクコンバータ）などの動力伝達機構を適宜に設けてもよいことは勿論である。この入力側変速機２０は、エンジン１の出力した動力を変速するためのものであって、少なくとも高低の二段に変速できるように構成されている。より具体的には、遊星歯車機構を主体として構成されており、図１にはダブルピニオン型遊星歯車機構を主体にして構成した例を示してある。すなわち、その入力側変速機２０は、外歯歯車であるサンギヤＳ20と、そのサンギヤＳ20に対して同心円上に配置された内歯歯車であるリングギヤＲ20と、サンギヤＳ20に噛み合っているピニオンギヤおよびこのピニオンギヤとリングギヤＲ20とに噛み合っている他のピニオンギヤを自転自在かつ公転自在に保持しているキャリヤＣ20とを回転要素として差動作用を行うように構成されている。

この入力側変速機２０における変速比を変更するため、すなわち変速を実行するための切替機構２１が設けられている。この切替機構２１は、入力側変速機２０における所定の回転要素に対して連結される相手部材を変更して入力側変速機２０における動力の伝達経路を切り替えることにより変速を実行するように構成されている。図１に示す例では、サンギヤＳ20に対してキャリヤＣ20と固定部とに切り替えて連結するように構成されている。

具体的には、切替機構２１は、ドグクラッチ機構などの歯の噛み合いにより係合状態となってトルクを伝達するように構成されており、前記サンギヤＳ20と一体のハブ２２を備え、このハブ２２にスリーブ２３がスプライン嵌合している。そのハブ２２を挟んだ両側に、可動ハブ２４と固定ハブ２５とが配置されている。この可動ハブ２４はキャリヤＣ20に一体化されており、また固定ハブ２５はケーシングなどの固定部２６に一体化されて固定されている。そして、これらの可動ハブ２４と固定ハブ２５との外周面にスプラインが形成されていて、前記スリーブ２３が選択的に係合するように構成されている。

上記のスリーブ２３の設定位置が、可動ハブ２４と固定ハブ２５とのいずれにも係合しない中立位置（ニュートラル位置）と、可動ハブ２４に係合して前記サンギヤＳ20とキャリヤＣ20とを連結する直結位置と、これとは反対側で固定ハブ２５に係合してサンギヤＳ20を固定する増速位置（ＯＤ位置）の三位置となるように構成されている。上記のスリーブ２３をこれらの位置に移動させるための機構は、手動で操作するように構成することができるが、好ましくは油圧アクチュエータや電動アクチュエータなどの適宜のアクチュエータ（図示せず）によって動作させるように構成する。

上記の入力側変速機２０におけるリングギヤＲ20に前記エンジン１が連結され、したがってリングギヤＲ20が入力要素になっている。また、キャリヤＣ20が出力要素となっており、入力側変速機２０に入力された動力がキャリヤＣ20から出力されるようになっている。したがって、前記スリーブ２３を可動ハブ２４側に移動させてこれに係合させることにより、サンギヤＳ20とキャリヤＣ20とが連結されるので、入力側変速機２０を構成している遊星歯車機構の全体が一体化される。そのため、このいわゆる直結状態では、エンジン１から入力されたトルクがそのままキャリヤＣ20から出力される。これに対して、スリーブ２３を固定ハブ２５側に移動させてこれに係合させると、サンギヤＳ20が固定される。この状態では出力要素であるキャリヤＣ20が入力要素であるリングギヤＲ20より高速回転し、いわゆるオーバードライブ状態となる。

上記の入力側変速機２０に動力分配機構４が直列に連結されている。この動力分配機構４は、入力側変速機２０から入力された動力を第１モータ・ジェネレータ２と出力側とに分配するための機構であって、三つの回転要素で差動作用をなす遊星歯車機構によって構成されている。具体的には、動力分配機構４は、シングルピニオン型遊星歯車機構やダブルピニオン型遊星歯車機構を用いて構成することができ、図１に示す例では、キャリヤＣ4を入力要素、サンギヤＳ4を反力要素、リングギヤＲ4を出力要素としたシングルピニオン型遊星歯車機構によって構成されている。すなわち、外歯歯車であるサンギヤＳ4の外周側に、内歯歯車であるリングギヤＲ4がサンギヤＳ4に対して同心円上に配置され、これらのサンギヤＳ4とリングギヤＲ4とに噛み合っているピニオンギヤがキャリヤＣ4によって自転自在および公転自在に保持されている。そして、そのキャリヤＣ4に入力側変速機２０における出力要素であるキャリヤＣ20が連結されている。

また、動力分配機構４のサンギヤＳ4にこの発明における第１電動機に相当する第１モータ・ジェネレータ（ＭＧ１）２が連結されている。この第１モータ・ジェネレータ２は、一例として、ロータに永久磁石を備えた同期電動機によって構成され、発電機および電動機として機能するように構成されている。そして、そのロータがサンギヤＳ4に連結され、ステータがケーシング（図示せず）などに固定されている。したがって、この発明の第１電動機は、電動機であってよく、あるいは発電機であってもよく、さらには両方の機能を備えたものであってもよい。

さらに、リングギヤＲ4が、この発明の出力部材に相当する出力軸５に連結されている。上記の第１モータ・ジェネレータ２および動力分配機構４は、エンジン１の回転中心軸線上にここに挙げた順序で配置されており、出力軸５はこれらエンジン１および第１モータ・ジェネレータ２ならびに動力分配機構４と同一軸線上に配置されている。

動力分配機構４を挟んで第１モータ・ジェネレータ２とは反対側に、この発明の第２電動機に相当する第２モータ・ジェネレータ３が、同一軸線上に配置されている。この第２モータ・ジェネレータ３は、主として、第１モータ・ジェネレータ２で発電した電力が供給されてモータとして機能することにより、いわゆるトルクアシストを行うためのものであり、要求される特性が前記第１モータ・ジェネレータ２とは異なるので、例えば第１モータ・ジェネレータ２よりも外径の小さい高回転数型のものが用いられている。また、第２モータ・ジェネレータ３は、前述した第１モータ・ジェネレータ２と同様にロータに永久磁石を備えた同期電動機によって構成されていて、発電機および電動機として機能するようになっており、そのロータが出力側変速機６の入力用の部材に連結され、かつステータがケーシング（図示せず）などに固定されている。したがって、この発明の第２電動機は、電動機であってよく、あるいは発電機であってもよく、さらには両方の機能を備えたものであってもよい。

上記の各モータ・ジェネレータ２，３は発電機および電動機として機能するようになっており、そのためにこれらのモータ・ジェネレータ２，３は図示しないインバータなどのコントローラを介してバッテリーなどの蓄電装置に接続されている。そして、一方のモータ・ジェネレータ２，３によって発電した電力を他方のモータ・ジェネレータ３，２に供給して該他方のモータ・ジェネレータ３，２をモータとして機能させることができるように構成されている。

出力側変速機６は、第２モータ・ジェネレータ３の出力した動力を減速もしくは増速して出力軸５に伝達するための機構であって、少なくとも高低の二つの変速比に切り替えることができるように構成されている。より好ましくは、少なくとも二つの変速比とトルクを伝達しないニュートラル状態とを設定できるように構成されている。したがって、出力側変速機６は、低速用ギヤ対および高速用ギヤ対からなる機構や、一組の遊星歯車機構とクラッチおよびブレーキからなる機構、二つ組の遊星歯車機構を組み合わせた複合遊星歯車機構とブレーキなどの係合装置とからなる機構などによって構成することができる。

上述した各変速機２０，６での変速や、各モータ・ジェネレータ２，３による回生・力行の制御を電気的に行うように構成されており、そのための電子制御装置（ＥＣＵ）１２が設けられている。この電子制御装置１２は、マイクロコンピュータを主体にして構成され、図示しないセンサによって検出されたデータや予め記憶しているデータを使用して演算を行い、その結果を制御指令信号として出力するように構成されている。

つぎに上述したハイブリッド駆動装置の作用について説明する。エンジン１の動力は、入力側変速機２０のリングギヤＲ20に伝達される。発進時を含む低速状態では、前記スリーブ２３は直結位置（図１の右側の位置）に移動させられて可動ハブ２４に係合している。したがって、入力側変速機２０は、そのサンギヤＳ20とキャリヤＣ20とが連結されるためにその全体が一体となって回転する。この状態を図２に共線図で示してあり、リングギヤＲ20およびキャリヤＣ20ならびにサンギヤＳ20の三者が同速度で回転するから、入力側変速機２０の動作状態は基線と平行な直線で表される。

したがってエンジン１の動力は、入力側変速機２０を介してそのまま動力分配機構４のキャリヤＣ4に伝達される。発進時や低車速状態では、キャリヤＣ4の回転数に対して、出力要素であるリングギヤＲ4の回転数が低回転数となっているので、図２に共線図で示すように、反力要素であるサンギヤＳ4およびこれに連結されている第１モータ・ジェネレータ２が、エンジン１およびキャリヤＣ4と同方向に、これらより高速で回転する。この状態で、第１モータ・ジェネレータ２を発電機として機能させると、サンギヤＳ4には発電に伴う反力トルクが作用する。これは、図２の共線図では下向きの力である。入力要素であるキャリヤＣ4にはエンジン１の出力トルクが作用しており、これは図２の共線図で上向きの力であるから、サンギヤＳ4に上記の反力トルクが作用することにより、出力要素であるリングギヤＲ4およびこれに連結されている出力軸５には、これを正回転方向（エンジン１の回転方向）に回転させるトルクが生じる。その場合、第１モータ・ジェネレータ２の回転数がエンジン回転数以上であれば、リングギヤＲ4および出力軸５の回転数がエンジン回転数以下となり、これは、アンダードライブ状態であって、エンジントルクが増幅されて出力軸５に伝達される。

また、第１モータ・ジェネレータ２で発電した電力は、第２モータ・ジェネレータ３に供給され、これが電動機として機能する。その第２モータ・ジェネレータ３の動力は、出力側変速機６を介して出力軸５に伝達され、動力分配機構４を経て伝達された動力と合わせて駆動力として図示しない駆動輪に伝達される。すなわち、機械的な動力伝達と電力変換を伴う動力伝達とが生じる。

車速が増大すると、エンジン１の運転点を最適燃費線上の運転点に維持するように、第１モータ・ジェネレータ２の回転数が低下する。このように車速の増大に伴って第１モータ・ジェネレータ２の回転数を低下させ、状況によっては負回転方向（エンジン１とは反対の回転方向）に力行させることになる。すなわち、第１モータ・ジェネレータ２をモータとして機能させることになる。

このような傾向は、車速が増大するほど顕著になる。これは、エンジン１の回転数の増大を抑制して、その運転点を最適燃費線上に維持するためである。そこで、この発明に係る上記のハイブリッド駆動装置では、高速巡航時に、前記入力側変速機２０の変速比が上述した直結段より小さい高速段に設定される。すなわち、前記スリーブ２３が増速位置（図１の左側の位置）に移動させられて、サンギヤＳ20が固定される。この状態を図３に共線図で示してあり、入力側変速機２０ではサンギヤＳ20を固定した状態でリングギヤＲ20にエンジン１の動力が入力されるから、出力要素であるキャリヤＣ20はエンジン１およびこれが連結されているリングギヤＲ20より高速で回転する。そのキャリヤＣ20が動力分配機構４におけるキャリヤＣ4に連結されているので、入力側変速機２０の変速比を上記のように小さくすることにより、あるいは入力側変速機２０をオーバードライブ状態とすることにより、エンジン回転数を増大させることなく動力分配機構４の入力回転数を増大させることができる。

高速巡航時に入力側変速機２０をオーバードライブ状態に設定した場合の動作状態を図３に共線図で示してあり、動力分配機構４における出力要素であるリングギヤＲ4の回転数が車速に応じて高くなっていても、入力要素であるキャリヤＣ4の回転数が相対的に高回転数になっているので、第１モータ・ジェネレータ２およびこれが連結されているサンギヤＳ4の回転数は、ゼロに近い低回転数になる。したがって、第１モータ・ジェネレータ２を発電機として機能させ、あるいはモータとして機能させるとしても、その電気的な容量すなわち発電量や出力が少なくなる。すなわち、電気的な負荷が少なくなるので、電力損失などの動力損失を少なくして、全体としての動力伝達効率を向上させることができる。

特に、第１モータ・ジェネレータ２をモータとして機能させて反転力行させる場合、第２モータ・ジェネレータ３が発電機として機能し、その電力が第１モータ・ジェネレータ２に供給されるので、動力循環が生じる。しかしながら、上記のように入力側変速機２０を高速段に設定して動力分配機構４の入力回転数を増大させると、第１モータ・ジェネレータ２を反転力行させるとしてもその回転数が低回転数であるから、ここで消費もしくは必要とする電力は少なく、その結果、動力循環が僅かになるので、全体としての動力の伝達効率の低下を抑制することができる。これを、入力側変速機２０の変速比を直結段に維持したままの場合と比較すると、図３に示すとおりである。すなわち、入力側変速機２０の変速比が大きいとその出力回転数であるリングギヤＲ20およびこれに連結されている動力分配機構４のキャリヤＣ4の回転数が相対的に低回転数になるので、動力分配機構４の動作状態は、図３に破線で示すようになる。そのため、反力要素であるサンギヤＳ4をこれに連結されている第１モータ・ジェネレータ２で相対的に高速で負回転させることになる。すなわち、第１モータ・ジェネレータ２を高速で逆転力行させることになるので、動力循環の程度が増大し、電力損失が増大したり、それに伴って動力伝達効率が低下する。

ところで上記の入力側変速機２０がダブルピニオン型遊星歯車機構で構成されているのは以下の理由による。サンギヤを固定した遊星歯車機構による増速比は、ギヤ比（サンギヤの歯数／リングギヤの歯数）をρとすると、ダブルピニオン型遊星歯車機構では（１−ρ）となり、シングルピニオン型遊星歯車機構では（１／（１＋ρ））となる。これに対して、上記の入力側変速機２０で設定する高速段側の変速比（すなわち増速比）は０．４程度が好ましく、そうするとシングルピニオン型遊星歯車機構ではρが０．６程度となり、目安とする０．３〜０．５程度を外れてしまい、強度あるいは搭載性の点で課題が大きくなってしまう。これに対してダブルピニオン型遊星歯車機構ではρが０．４程度になり、目安とする０．２〜０．４程度の範囲に入り、必要な増速比を設定することが可能になる。

上述したハイブリッド駆動装置の動力伝達効率を試算した結果を図４に示してある。図４で「ＬＯＷモード」は、入力側変速機２０の変速比を直結段に設定してある場合の動力伝達効率を示し、「ＨＩＧＨモード」は入力側変速機２０の変速比を高速段（増速比）に設定してある場合の動力伝達効率を示している。この図４に示すように、車両の全体としての変速比（トータルギヤ比）が２．０と３．０との間で、ＬＯＷモードでの動力伝達効率とＨＩＧＨモードでの動力伝達効率とが反転し、トータルギヤ比が小さい場合には、ＨＩＧＨモードでの動力伝達効率が高くなる。したがって、前述したスリーブ２３を移動させることによる変速比の切替は、動力伝達効率がこのように反転するトータルギヤ比もしくはその近傍で行う。その制御は、前述した電子制御装置１２から指令信号を出力させることにより行うことができる。なお、アップシフトとダウンシフトとのハンチングを防止するために、アップシフトとダウンシフトとを行うシフトポイントにヒステリシスを設定することが好ましい。

ところで上記のトータルギヤ比は、エンジン回転数と前記出力軸５もしくは図示しない駆動輪の回転数との比である。したがって、前述した第２モータ・ジェネレータ３の出力する動力で走行するＥＶ走行状態や車両の走行慣性エネルギを第２モータ・ジェネレータ３で回生している回生状態では、エンジン１を駆動していないので、エンジン１の回転数からはトータルギヤ比を求めることができず、したがって前記入力側変速機２０の変速比を決定することができない。そこでこの発明のハイブリッド駆動装置は、以下の制御を行うように構成されている。

図５は、その制御の一例を説明するためのフローチャートであり、先ず、ＥＶ走行状態あるいは回生状態か否かが判断される（ステップＳ１）。これは、電子制御装置１２による各モータ・ジェネレータ２，３の制御状態から判断することができる。このステップＳ１で否定的に判断された場合には、エンジン１が駆動して動力を出力しているので、特に制御を行うことなくこのルーチンを終了する。これに対してＥＶ走行状態あるいは回生状態であることによりステップＳ１で肯定的に判断された場合には、仮想エンジン動作点Ｎe*が算出される（ステップＳ２）。この仮想エンジン動作点Ｎe*は、例えば、その時点の車両の動作状態をエンジン１が出力する動力で維持すると仮定した場合のエンジン１の動作点であり、エンジントルクとエンジン回転数とによって決まる動作状態である。特に、その時点の出力と最適燃費線との交点として求めることのできる動作状態であり、その交点の回転数として求められる。

ついで、仮想ギヤ比（仮想変速比）がｉ*が算出される（ステップＳ３）。変速比は、出力軸５の回転数もしくは駆動輪の回転数とエンジン回転数との比であるから、仮想ギヤ比ｉ*もこれと同様にして算出することができる。具体的には、駆動輪回転数Ｎtireと前記仮想エンジン動作点Ｎe*との比（Ｎe*／Ｎtire）として求めることができる。

上記の仮想エンジン動作点Ｎe*および仮想ギヤ比ｉ*を算出する制御について更に具体的に説明すると、図６のとおりである。ＥＶ走行状態あるいは回生状態であることにより上記のステップＳ１で肯定的に判断された場合、車両の走行状態がＥＶ走行状態および回生状態のいずれであるかが判断される（ステップＳ２１）。これは、それぞれの走行状態でのエンジン要求出力の算出の仕方が異なるためである。ステップＳ２１でＥＶ走行状態であることが判断された場合には、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量や車速などに基づくドライバ要求出力Ｐacc、およびバッテリなどの蓄電装置による要求出力（バッテリ要求出力）Ｐbatからエンジン要求出力Ｐe*が算出される（ステップＳ２２）。このエンジン要求出力Ｐe*は、その時点の車両の運転状態における動力をエンジン１で賄うとした場合にエンジン１が出力するべき動力であり、したがって空調装置などの補機からの要求出力などの他の要求を加味してもよい。

ついで、上記のエンジン要求出力Ｐe*に基づいて仮想エンジン動作点Ｎe*が算出される（ステップＳ２）。この仮想エンジン動作点Ｎe*は、前述したように、最適燃費で前記エンジン要求出力Ｐe*を得ることのできる運転点であり、要求出力との関係を所定の関数として予め定めておくことができ、あるいはマップとして予め定めておくことができる。したがって、ステップＳ２の演算は、それらの関数もしくはマップに基づいて行うことができる。

一方、回生状態であることが上記のステップＳ２１で判断された場合には、道路勾配θなどのロードロードと車速velとから仮想ドライバ要求出力Ｐacc’が算出される（ステップＳ２３）。これは、予め設定した関数に基づいて行うことができる。この仮想ドライバ要求出力Ｐacc’と前述したバッテリ要求出力Ｐbatとから回生状態におけるエンジン要求出力Ｐe*が求められる（ステップＳ２４）。そして、上述したＥＶ走行状態の場合と同様に、エンジン要求出力Ｐe*から仮想エンジン動作点Ｎe*で求められる（ステップＳ２）。こうして算出された仮想エンジン動作点Ｎe*と出力軸５もしくは駆動輪の回転数Ｎtireとの比として、仮想ギヤ比ｉ*が算出される（ステップＳ３）。なお、上記の仮想エンジン動作点Ｎe*は、ＥＶ走行状態になる毎に、また回生状態になる毎に算出される。

上述のようにして仮想ギヤ比ｉ*が求められた後、ＬＯＷモードが設定されているか否かが判断される（ステップＳ４）。すなわち、入力側変速機２０の変速比が直結段になっているか否か、もしくはスリーブ２３が図１における右側の直結位置に移動させられているか否かが判断される。したがって、これは、電子制御装置１２による変速比の制御信号の出力状態で判断することができ、あるいはスリーブ２３のポジションを図示しない適宜のセンサが検出することにより判断することができる。

ＬＯＷモードが設定されていることによりステップＳ４で肯定的に判断された場合には、前記仮想ギヤ比ｉ*がＨＩＧＨモードへの切替基準値ｉ_hi(*i)より小さいか否かが判断される（ステップＳ５）。これとは反対にＨＩＧＨモードが設定されていることにより、すなわち入力側変速機２０の変速比が高速段に設定されていることにより、ステップＳ４で否定的に判断された場合には、前記仮想ギヤ比ｉ*がＬＯＷモードへの切替基準値ｉ_low(*i)より大きいか否かが判断される（ステップＳ６）。これらの各切替基準値ｉ_hi(*i)，ｉ_low(*i)は、入力側変速機２０の変速比を低速側から高速側、および高速側から低速側に切り替えるための判断の基準となる予め定めた変速比であって、例えば高速段に切り替えるための切替基準値ｉ_hi(*i)は、図４に示すＬＯＷモードでの動力伝達効率とＨＩＧＨモードでの動力伝達効率とがほぼ一致するトータルギヤ比と同じ値に設定される。これに対して、低速段（直結段）へ切り替える切替基準値ｉ_low(*i)は、相対的に大きい値（低速側のトータルギヤ比の値）に設定されている。これは、入力側変速機２０の変速比を切り替える制御のハンチングを防止するために、各切替基準値ｉ_hi(*i)，ｉ_low(*i)にヒステリシスを設定したことによるものである。

ステップＳ５で否定的に判断された場合には、特に制御を行うことなくこのルーチンを一旦終了する。すなわち、低速段である直結段が設定されている状態で、仮想ギヤ比ｉ*が高速段へ切り替える切替基準値ｉ_hi(*i)以上になっていて、直結段を維持できる状態であるからである。また、ステップＳ６で否定的に判断された場合には、特に制御を行うことなくこのルーチンを一旦終了する。すなわち、高速側の変速段が設定されている状態で、仮想ギヤ比ｉ*が低速側の直結段へ切り替える切替基準値ｉ_low(*i)以下になっていて、高速段を維持できる状態であるからである。

これに対してステップＳ５で肯定的に判断された場合、およびステップＳ６で肯定的に判断された場合には、入力側変速機２０の変速比を切り替えるべき状態であるから、前記切替機構２１を切り替え動作させるための制御が実行される。すなわち、先ず、エンジン１をモータリングしているか否かが判断される（ステップＳ７）。エンジン１のモータリングは、第１モータ・ジェネレータ２をモータとして駆動させ、そのトルクを動力分配機構４のキャリヤＣ4から入力側変速機２０を介してエンジン１に伝達することにより行われる。したがって、第１モータ・ジェネレータ２によるこのような制御が実行されているか否かによってステップＳ７の判断を行うことができる。

エンジン１のモータリングが行われていることによりステップＳ７で肯定的に判断された場合には、ドグクラッチ伝達トルク低減制御が実行される（ステップＳ８）。これは、前述した切替機構２１で伝達しているトルクを低下させる制御であり、可動ハブ２４もしくは固定ハブ２５との一方に対するスリーブ２３の噛み合いを外し、また他方に対して噛み合わせる際の摺動抵抗を低減するための制御である。

すなわち、第１モータ・ジェネレータ２でエンジン１をモータリングしている際にはスリーブ２３を可動ハブ２４もしくは固定ハブ２５に係合させることにより、第１モータ・ジェネレータ２のトルクをエンジン１に伝達している。その状態を、直結段を設定している状態を例に採って図７の（Ａ）に共線図で示してある。この状態では、入力側変速機２０のキャリヤＣ20とリングギヤＲ20とを一体的に連結するトルクが切替機構２１に作用しており、そのためにエンジン１が所定の回転数が回転させられている。これに対して第１モータ・ジェネレータ２の出力トルクを低下させて、例えばエンジン１の回転数がほぼゼロになるようにすれば、エンジン１と同様に入力側変速機２０の回転数がほぼゼロになって切替機構２１にはトルクが作用しない。その状態を図７の（Ｂ）に共線図で示してある。したがって、この状態でスリーブ２３を軸線方向に移動させれば、スプライン歯同士の間に生じる摩擦力が小さいことにより、スリーブ２３を容易に軸線方向に移動させることができる。言い換えれば、スリーブ２３を動作させるアクチュエータを小型化することができる。

上記のステップ８で切替機構２１に作用するトルクを低減した場合、およびエンジン１が既に自立回転していることによりステップＳ７で否定的に判断された場合、エンジン１の回転数合わせが行われる（ステップＳ９）。これは、切替機構２１を同期させる制御であり、サンギヤＳ20に一体化されているハブ２２の回転数と可動ハブ２４もしくは固定ハブ２５の回転数を一致させるようにエンジン回転数が第１モータ・ジェネレータ２によって制御される。なお、この制御には位相合わせも含まれる。

その後、切替機構２１が切替動作させられる（ステップＳ１０）。この制御は図５に「ドグ切替」と記載してあり、前記スリーブ２３が図１での右側の位置である直結位置から左側の増速位置に移動させられ、あるいはこれとは反対に移動させられる。その後、このルーチンを一旦終了する。このように、ＥＶ走行状態あるいは回生状態で上記の仮想ギヤ比ｉ*が算出され、かつ切替機構２１を動作させて入力側変速機２０の変速比が変更されるので、エンジン１で走行する状態になった時点で、直ちにエンジン１を最適燃費点もしくはそれに近い動作点で運転でき、その結果、燃費を向上させることができる。

上述した切替機構２１よる入力側変速機２０での変速は、スリーブ２３を直線的に移動させて行うことができる。すなわち、直結段および高速段を一つの切替機構２１によって設定できる。そのため、この発明に係る上述した構成のハイブリッド駆動装置によれば、変速を行うための切替機構２１を簡素化でき、それに伴いハイブリッド駆動装置の全体としての構成を小型化できる。

ところで、前述した図７の（Ｂ）に示すように、エンジン１のモータリングを一時的に停止した場合、慣性トルクが出力軸５に現れて駆動トルクが変化する可能性がある。このような駆動トルクの変化は、ショックとして体感されることがあるので、第１モータ・ジェネレータ２による反力トルクを一時的に低下させる場合、それに伴う出力軸５のトルクの変化を抑制する方向に第２モータ・ジェネレータ３のトルクを制御する。そのトルクは、車速や第１モータ・ジェネレータ２あるいはエンジン１の回転数変化量などに基づいて求めることができる。

ここで、上述した具体例とこの発明との関係を簡単に説明すると、エンジン１および各モータ・ジェネレータ２，３をＥＶ走行状態あるいは回生状態に制御する前記電子制御装置１２が、この発明における制御手段に相当し、また前記切替機構２１を切替動作させる前記電子制御装置１２が、この発明における変速制御手段に相当する。また、図５に示すステップＳ２およびステップＳ３、ならびに図６に示すステップＳ２２，Ｓ２３，Ｓ２４の制御を行う各機能的手段が、この発明における変速比算出手段に相当し、ステップＳ１０の機能的手段が、この発明の変速比設定手段に相当する。さらに、図５に示すステップＳ８の機能的手段が、この発明のモータリング制御手段に相当する。そして、モータリングを一時的に停止した際に第２モータ・ジェネレータ３のトルクを上記のように制御する機能的手段が、この発明におけるトルク補償手段に相当する。

なお、この発明は、上述した具体例に限定されないのであって、切替機構２１を切替動作させる際の伝達トルクの制御などの上記の制御は、エンジン１の動力で走行している場合にも同様に実行することができる。また、噛み合い式の切替機構は、上述したスリーブ２３を使用した構成以外に適宜の構成のものを使用することができる。

この発明に係るハイブリッド駆動装置の一例を模式的に示すスケルトン図である。 低速時の動作状態を説明するための入力側変速機および動力分配機構についての共線図である。 高速走行時の動作状態を説明するための入力側変速機および動力分配機構についての共線図である。 ＬＯＷモードおよびＨＩＧＨモードでの動力伝達効率を試算した結果を示す線図である。 ＥＶ走行状態および回生状態での制御例を説明するためのフローチャートである。 その仮想エンジン動作点および仮想ギヤ比を求める具体例を説明するためのフローチャートである。 モータリング時における切替機構の伝達トルクとモータリングを一時的に停止した場合の切替機構の伝達トルクとを説明するための共線図である。

符号の説明

１…内燃機関（エンジン）、 ２…第１モータ・ジェネレータ、 ３…第２モータ・ジェネレータ、 ４…動力分配機構、 ５…出力軸、 ６…出力側変速機、 １２…電子制御装置、 ２０…入力側変速機、 ２１…切替機構。

Claims (10)

1. 少なくとも三つの回転要素によって差動作用を行いかつ入力された動力を第１電動機と出力要素とに分配する動力分配機構と、その動力分配機構から出力部材に伝達される動力に対して動力を加減する第２電動機と、内燃機関が出力した動力を変速して前記動力分配機構に入力する変速機とを備えたハイブリッド駆動装置において、
   前記変速機は一つの切替機構を備え、その切替機構によって前記変速機の変速比を切り換えるように構成されていることを特徴とするハイブリッド駆動装置。
2. 前記切替機構は、歯が噛み合うことによりトルクを伝達する係合状態になる噛み合い式係合機構によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド駆動装置。
3. 前記変速機は、ダブルピニオン型遊星歯車機構によって構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のハイブリッド駆動装置。
4. 前記内燃機関を停止した状態で第２電動機の動力を前記出力部材に伝達するＥＶ走行状態と前記内燃機関を停止した状態で前記第１電動機および第２電動機のうちの発電機能のある少なくともいずれか一方でエネルギ回生を行う回生状態とを設定する制御手段と、
   前記ＥＶ走行状態もしくは前記回生状態が設定されている状態で前記切替機構を切替動作させる変速制御手段と
   を更に備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のハイブリッド駆動装置。
5. 前記ＥＶ走行状態もしくは前記回生状態における前記出力部材の駆動状態を前記内燃機関を動作させて達成すると想定した場合の前記内燃機関の動作点を該内燃機関についての最適燃費線に基づいて求め、かつ求められた内燃機関の動作点に基づいて前記変速機の変速比を求める変速比算出手段と、
   その求められた変速比を前記ＥＶ走行状態中もしくは前記回生状態中に設定する変速比設定手段と
   を更に備えていることを特徴とする請求項４に記載のハイブリッド駆動装置。
6. 前記変速比算出手段は、前記ＥＶ走行状態もしくは回生状態が設定される毎に前記変速比を求める手段を含み、
   前記変速比設定手段は、前記ＥＶ走行状態もしくは回生状態が設定される毎に前記変速比算出手段で求められた変速比を設定する手段を含む
   ことを特徴とする請求項５に記載のハイブリッド駆動装置。
7. 前記変速比算出手段は、前記ＥＶ走行状態において動作していることが想定された前記内燃機関の動作点を、前記ハイブリッド駆動装置が搭載された車両に対する運転者の要求出力と前記各電動機が接続された蓄電装置の要求出力とに基づいて求める手段を含むことを特徴とする請求項５または６に記載のハイブリッド駆動装置。
8. 前記変速比算出手段は、前記回生状態において動作していることが想定された前記内燃機関の動作点を、前記ハイブリッド駆動装置が搭載された車両が現車速で定常走行した場合のロードロードに基づいて前記内燃機関の出力を求め、その出力に基づいて求める手段を含むことを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載のハイブリッド駆動装置。
9. 前記ＥＶ走行状態もしくは回生状態において前記第１電動機によって前記内燃機関をモータリングするとともに、そのモータリングトルクを一時的に低下させるモータリング制御手段を更に備え、
   前記変速制御手段は、前記モータリングトルクが一時的に低下させられた際に前記切替機構を切替動作させる手段を含む
   ことを特徴とする請求項４に記載のハイブリッド駆動装置。
10. 前記モータリングトルクの一時的な低下に伴う前記出力部材のトルク変化分を前記第２電動機のトルクによって補償するトルク補償手段を更に備えていることを特徴とする請求項９に記載のハイブリッド駆動装置。

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