JP2000308206A

JP2000308206A - 車両用パワープラント

Info

Publication number: JP2000308206A
Application number: JP11110597A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Murata; 宏樹村田; Shizuo Sasaki; 静夫佐々木; Katsuhiko Hirose; 雄彦広瀬; Toshibumi Takaoka; 俊文高岡; Takashi Suzuki; 孝鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-04-19
Filing date: 1999-04-19
Publication date: 2000-11-02

Abstract

(57)【要約】【課題】有限数の変速比を有する変速機を備えたパワ
ープラントにおいて、変速時の車両駆動力の変動に起因
するショックを低減する。【解決手段】変速機の下流にモータジェネレータを配
置する。変速機の変速動作時、すなわちエンジンの出力
が伝達されないときに、生じる車両駆動力の落ち込み分
（例えば領域Ｂ₁₂に相当）を、モータジェネレータの発
生する動力により補う。また、変速比の切り替えの前後
における車両駆動力の差分（例えば領域Ａ₁₂に相当）
を、モータジェネレータの発生する動力により補う。こ
れらのモータジェネレータによる車両駆動力の増加によ
り、車両駆動力の曲線をなめらかにし、変速動作時に生
じるショックを低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱機関と回転電機
の動力によって車両を駆動する車両用パワープラントに
関し、特にパワープラントの動力の制御に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガソリンエンジンなどの熱機関と、電動
機などの回転電機の双方の原動機を備え、さらに前記原
動機の少なくとも一方の出力回転速度を減速または増速
して下流に送出する変速機を備えた車両用パワープラン
トが知られている。前述のような２種類の原動機を備え
た車両は、ハイブリッド車と呼ばれ、熱機関と回転電機
の各々の特性を生かして、エネルギ効率を高めることを
目的としている。具体的には、熱機関を備えることによ
って、高い出力を得て、またガソリンスタンドなど既存
の社会的設備を利用でき、一方回転電機を備えることに
よって、熱機関の効率が悪い運転領域をこれで補い、ま
た制動時に回転電機を発電機として用い運動エネルギを
電気エネルギとして回収し、エネルギ効率を高めてい
る。

【０００３】このようなパワープラントにおいて、有限
の数の変速比を有する変速機を備えたものが知られてい
る。前記変速機とは、例えば、従来の手動式のもの、構
造は手動式のものであって変速比の選択動作は運転者の
シフトレバー操作に代わって油圧アクチュエータなどで
行うもの、従来の自動式のものなどがある。さらに説明
すれば、手動式の構造を有し、変速比の選択動作を油圧
アクチュエータなどで行うものとは、常時噛み合い式ま
たは同期噛み合い式の歯車機構を有し、クラッチの切断
・接続動作と変速比の選択を行うシフトフォークの摺動
動作を油圧アクチュエータにより行う変速機である。こ
の変速機は、運転者にとっては、従来の、トルクコンバ
ータを備えた自動変速機と同様の操作で運転ができ、運
転者の負荷が軽減される。また、流体を介した継手機構
を有さないために、これにまつわるエネルギ損失がない
ため、効率も向上する。

【０００４】これらの変速機の場合、変速比は、あらか
じめ設定された不連続の値のものの中から選択すること
となる。これに対して、連続可変比変速機（ＣＶＴ）
は、変速比を連続的な値の中から選ぶことができる。自
動変速機を備えたハイブリッド車のパワープラントが、
例えば特開平１０−２４３５０２号に記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述のように有限の数
の変速比しか持たないパワープラントの場合、選択でき
る変速比が不連続であるので、変速動作の前後で駆動輪
に送り出す動力が不連続となり、乗員に不快感を与える
場合があるという問題があった。また、変速比の選択動
作時の、熱機関の動力が駆動軸に伝わらない、ニュート
ラル状態においては、加速感が突然なくなり、乗員に不
快感を与える場合があるという問題があった。

【０００６】本発明は、前述の問題点を考慮してなされ
たものであり、変速比の選択動作時およびこの前後にお
いて加速度の変動による乗員の不快感を低減することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、本発明にかかる車両用パワープラントは、熱機関
制御装置によって制御される熱機関と、前記熱機関の出
力回転速度を変速して、駆動輪へと前記熱機関の動力を
伝達する動力伝達軸に、前記熱機関の動力を送り出す変
速機と、前記動力伝達軸に対し、さらに動力を付加する
回転電機と、前記回転電機を制御する回転電機制御装置
と、を有し、前記変速機の変速比は、複数で有限数が設
定され、これらを選択的に使用可能なものであり、さら
に前記回転電機制御装置は、前記変速機の変速比の切り
替え動作中における前記熱機関から駆動輪へと伝達され
る動力の低下の少なくとも一部を補うように回転電機の
動力を制御するものである。

【０００８】さらに、前記回転電機を前記動力伝達軸か
ら動力を吸収することができるものとし、前記熱機関制
御装置と前記回転電機制御装置の少なくとも一方は、車
両運転者からの駆動輪動力値要求と、車速とに基づきあ
らかじめ定められている駆動輪動力を達成するように、
各々対応する前記熱機関および前記回転電機を制御し、
駆動輪が車両を駆動する力がなめらかに連続するように
するものとすることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以下
実施形態という）を、図面に従って説明する。図１に
は、本実施形態の車両用パワープラントのシステムの概
略構成が示されている。本実施形態のシステムは、熱機
関の一つである往復ピストンエンジン（以下単にエンジ
ンと記す）１０と、回転電機（以下モータジェネレー
タ）２２を有する。周知のように、往復ピストンエンジ
ンと電動機の基本的な動力特性は大きく異なり、前者は
回転速度に対しほぼ一定のトルクを発生する特性を有
し、後者は回転速度に対しほぼ一定の動力を発生する特
性を有する。もちろん、ここでいう動力特性は、ある回
転速度における最大値の特性のことであり、これ以下の
動力を発生することは可能である。すなわち、往復ピス
トンエンジンにおいても、スロットルバルブ開度を制御
することによって、回転速度に対し発生動力を一定にな
るように制御することは可能である。しかし、この値は
そのエンジンの最大動力とはなり得ない。

【００１０】往復ピストンエンジンがトルク一定型の特
性を有する点に言及すれば、これは、この種のエンジン
の発生するトルクが、シリンダ内に吸入される空気量で
ほぼ決定するためである。シリンダ容積は変えることが
できず、過給を行わないのであれば、吸気慣性効果、吸
排気脈動効果を利用しても、吸入空気量の大幅な増加は
望めないので、自ずと回転速度に対するトルクはほぼ一
定となる。動力は、回転速度とトルクの積であるから、
この種のエンジンの動力は、回転速度が増加するにつれ
て増加する。

【００１１】一方、車両を駆動する原動機は、動力一
定、言い換えれば、低速における車両を駆動する力が大
きい動力特性が望ましく、この面から見れば、往復ピス
トンエンジンはきわめて不利であることが理解できる。
特に、往復ピストンエンジンは、静止状態から自力で始
動することすらできない。これらの特性のために、この
種のエンジンを車両に搭載するためには、クラッチ機
構、変速機などを合わせ、パワープラントを構成し、こ
れを搭載することがなされている。変速機を用いること
によって動力特性を疑似的に動力一定の特性に近づけ、
車両用原動機として望ましいパワープラントとすること
ができる。

【００１２】なお、前述のように往復ピストンエンジン
は、概略トルク一定の特性を有するが、吸気慣性効果、
吸排気脈動効果などを利用することで、ある回転速度に
おいてトルクが最大値となるようにチューニングするこ
とが可能であり、この場合、トルク曲線は山形となる。

【００１３】エンジン１０は、運転者のアクセルやブレ
ーキの操作ペダル１２などの操作、車輪１４の回転速度
（車速に略相当する）、エンジン１０の水温、吸入空気
量、吸気管圧力などの値に基づき制御部１６によって制
御される。前述のように、エンジン１０の動力特性は、
回転速度に対して概略トルクが一定となる。そして、車
両に搭載される場合、低い車速で十分なトルクを得るた
めに、変速機と組み合わせて使用される。一方、電動機
は動力が一定となる原動機であり、車両のように使用速
度域が静止または低速から、高速まで広い場合には、こ
の特性が好ましいことは前にも述べた。

【００１４】本実施形態の変速機１８は、同期噛み合い
式の構造を有し、複数の変速比が選択可能であり、低い
車速では、大きな減速比が、また高い車速では小さい減
速比または増速比が選択できる。これによって、エンジ
ンのトルク一定の特性を、動力一定の特性に近づけ、走
行しやすいものとしている。変速機１８は、本実施形態
においては、五つのギア組を有し、このギア組を選定す
ることによって、変速比の選択が可能となっている。ま
た、ギア組の選定は、走行状況に応じて制御部１６によ
り制御される油圧アクチュエータにより実行される。す
なわち、従来の手動変速機の場合における運転者のクラ
ッチペダルやシフトレバーの操作に代えて、油圧アクチ
ュエータによる操作を行い、変速比の選択動作を行って
いる。

【００１５】変速機１８からのアウトプットは、プロペ
ラシャフト、ドライブシャフトなどの動力伝達軸２０を
介して車輪１４に伝達され、車両を駆動する。本実施形
態においては、変速機１８の送り出す動力に対してモー
タジェネレータ２２の発生する動力が付加される。モー
タジェネレータ２２は、インバータ２４を介してバッテ
リ２６と接続され、このバッテリ２６との間で電力のや
りとりを行っている。具体的には、エンジン１０の発生
する動力が足りないとき、またはエンジン１０の効率が
比較的低くなる運転領域において、モータジェネレータ
２２は電動機として機能し、バッテリからの電力供給を
受け発生した動力を駆動軸２０に対して付加する。ま
た、バッテリに充電を行う必要があるときや、制動時に
おいて、モータジェネレータ２２は発電機として機能
し、バッテリへの充電を行う。

【００１６】前述のように、往復ピストンエンジンは基
本的にトルク一定型の機関であるが、吸排気系の設定な
どによりトルク曲線は山形となる。また、運転可能な回
転速度の範囲も比較的限られている。このような特性を
有するために、この形式のエンジンは、車両に搭載され
る場合、変速機と組み合わせられることが多い。

【００１７】図２は、５速変速機を組み合わせた場合
の、ある車速における車両を駆動する最大の力を示して
いる。縦軸は、車両を駆動する力（以下、車両駆動力と
記す）、横軸は車速、すなわち車両の走行速度である。
実線で示される５つの曲線は、５つのギア組のうち一つ
を選択した場合の車両駆動力を示している。「１速」で
示される曲線は、最も大きな減速比のギア組を選択した
場合の車両駆動力を示しており、「２速」「３速」とな
るに従って小さな減速比のギア組の場合を示している。
前述するようにエンジン本体のアウトプットトルクが山
形となるので、１速〜５速の各ギア組において、やや山
形の曲線を描いている。そして、各曲線の概略の包絡線
を取ると、破線で示すような略動力一定の曲線になって
いる。

【００１８】図２に示すような特性を有するパワープラ
ントにおいて、車速を増加すると、図３の実線で示すよ
うに、選択されるギア組が切り替わるときには、クラッ
チが切られ、いずれのギア組も選択されていない状態
（ニュートラル状態）となるために、この間車両駆動力
が全くなくなる。その後、他のギア組の曲線に移行す
る。具体的に、最大の車両駆動力で加速している際に、
１速ギア組から２速ギア組にシフトアップする場合につ
いて説明する。１速ギア組での車両駆動力は、図中曲線
Ｔ₁で示されている。ある車速Ｖ₁₂またはエンジン回転
速度になると、２速ギア組に移行するために、クラッチ
が切られ、１速ギア組の噛み合いクラッチが切断され
る。このため車両駆動力は、一瞬０になる。その後、２
速ギア組の噛み合いクラッチが接続されると、２速ギア
の駆動力曲線Ｔ₂に沿って、加速が行われる。このよう
に、変速比（ギア）を切り替えるとき、クラッチが切断
されること、および変速比切り替えの前後の車両駆動力
曲線が不連続となっていることにより、加速度が不連続
となり、搭乗者に不快感を与える場合があった。

【００１９】図４には、運転者がそれほど大きな加速度
を要求していない場合、すなわちアクセルペダルの踏み
込み量が比較的小さい場合の車両駆動力の例が示されて
いる。エンジンの発生する動力に余裕があるので、車両
駆動力は、動力一定の曲線にほぼ沿うように制御可能で
ある。しかし、選択されるギア組を切り替えるときに
は、クラッチが切れるための駆動力の落ち込みが発生す
る。すなわち、１速のギア組の駆動力曲線Ｓ₁から２速
ギアの駆動力曲線Ｓ₂へ移行する車速Ｕ₁₂においては、
一瞬駆動力が０となる。

【００２０】このようなギア組の切り替え時のクラッチ
切断動作および切り替え前後の車両駆動力の差によって
生じる車両駆動力の不連続を解消するために、本実施形
態においては、モータジェネレータ２２の発生する動力
を、変速機１８より下流にある動力伝達軸２０に付加し
ている。

【００２１】すなわち、ギア組切り変え動作と同調し
て、モータジェネレータ２２は、切り替え前後の車両駆
動力の差を埋め、またクラッチが切れているときの車両
駆動力を補うように制御される。そして、車両駆動力が
動力一定の曲線（図３において一点鎖線で示す）に、概
略沿うように制御される。具体的には、例えば、１速ギ
ア組から２速ギア組に切り替える際に、これらのギアに
おける駆動力の差の部分Ａ₁₂（図３に斜線を施した部
分）、およびクラッチが切れることにより伝達されない
駆動力に相当する部分Ｂ₁₂（図３に二重斜線を施した部
分）に相当する動力をモータジェネレータ２２により発
生し、車両を駆動する。２速から３速ギア組、３速から
４速ギア組、４速から５速ギア組に切り替える場合も同
様である。

【００２２】また、本実施形態においては、１速ギア組
における極低速時についても、モータジェネレータ２２
の発生動力を付加し、車両駆動力を増加させる。この増
加した駆動力は、図３において、符号Ａ₀にて示される
部分に相当する。

【００２３】また、図４に示す場合のように運転者の要
求する車両駆動力が比較的低いときにおいては、クラッ
チが切れている間の車両駆動力を補うように、モータジ
ェネレータ２２により車両駆動力を付加する。図４にお
いて、二重斜線を施した部分が、この付加された駆動力
に相当する。

【００２４】なお、制御の目標となる車両駆動力は、必
ずしも動力一定の曲線ではなく、あるアクセルペダル操
作量またはあるスロットルバルブ開度に対して定められ
ている所定の車両駆動力とすることができる。例えば、
アクセルペダル操作量を一定にしておけば、多くの運転
者が望むような加速感が得られるような曲線をあらかじ
めテストにより定めておくことができる。

【００２５】図５には、モータジェネレータ２２により
付加される車両駆動力の他の例が示されている。この例
においては、ギア組の切り替え前後に生じる車両駆動力
の減少を補うこと（図中の一点鎖線に相当する）に加え
て、全車速域において、車両駆動力の付加を行ってい
る。そして、図５において、二点鎖線により表される車
両駆動力を得ている。

【００２６】さらに、図５中破線で示されるような車両
駆動力を実現するために、モータジェネレータ２２を発
電機として機能するよう制御し、エンジン１０の出力の
一部を吸収するようにすることもできる。このときにお
いても、クラッチが切断されているときにおいても所定
の車両駆動力を得るために、このときだけモータジェネ
レータ２２を電動機として機能するよう制御する。

【００２７】以上のように、本実施形態においては、エ
ンジン１０とモータジェネレータ２２のそれぞれの発生
する動力により、図５の破線、一点鎖線および二点鎖線
で示すような滑らかに連続する車両駆動力曲線を得るこ
とができる。すなわち、有限数（本実施形態では５個）
の変速比しか実現できない変速機を用いた場合であって
も、所望の車両駆動力を得ることができる。特に、図３
に示す場合のように、運転者の要求する車両駆動力が最
大値またはそれに近いときは、変速比が連続的な値を取
ることができないために生じる、ギア組の切り替え前後
での車両駆動力の不連続性を、モータジェネレータ２２
の発生する動力（図３の領域Ａ₁₂，Ｂ₁₂）により補うこ
とで、所望の連続的な車両駆動力特性を得ることができ
る。

【００２８】なお、前述した実施形態においては、各ギ
ア組の切り替え時全てにおいて、モータジェネレータ２
２による車両駆動力の付加を行う例を示したが、特に切
り替えの前後で車両駆動力の差が大きいギア組について
のみ、モータジェネレータ２２による車両駆動力の付加
を行うことも可能である。例えば、１速と２速のギア組
の間の切り替え時のみ車両駆動力の付加をするようにで
きる。

【００２９】また、モータジェネレータ２２の発生する
動力が、望まれる車両駆動力を達成するために必要な動
力に満たないときは、望まれる車両駆動力の一部でも補
うように制御することが好ましい。この場合、モータジ
ェネレータ２２においては、最大の動力を発生すること
が最も好ましい。

【００３０】また、減速時、クラッチが切断されたと
き、急激に低下するエンジンブレーキを補うように、モ
ータジェネレータ２２を動作させることも可能である。
すなわち、モータジェネレータ２２を発電機として機能
させ、エンジンブレーキに相当する回生ブレーキなどの
電気ブレーキを発生させることができる。

【００３１】また、モータジェネレータ２２は、変速機
の下流であれば、いずれ部分にも設置可能である。よっ
て、ホイール内に納める、いわゆるホイールインモータ
の構成を採ることも可能である。

【００３２】さらに、従来の自動変速機、および通常の
手動変速機など、有限数の変速比しか持たない変速機を
有するパワープラントに、本実施形態は転用することが
でき、より連続的な加速感を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態のパワープラントの構成の概要を
示すブロック図である。

【図２】一般的な往復ピストンエンジンを有するパワ
ープラントにより駆動される車両の駆動力を説明するた
めの図である。

【図３】本実施形態のパワープラントの駆動力の一例
を示す図である。

【図４】本実施形態のパワープラントの駆動力の他の
例を示す図である。

【図５】パワープラントの駆動力のさらに他の例を示
す図である。

【符号の説明】

１０エンジン、１２操作ペダル、１４車輪、１６
制御部、１８変速機、２０駆動軸、２２モータ
ジェネレータ、２４インバータ、２６バッテリ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｄ 29/06 Ｂ６０Ｋ 9/00 ＺＦ１６Ｈ 61/00 (72)発明者広瀬雄彦愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者高岡俊文愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者鈴木孝愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3D041 AA32 AA33 AA53 AB01 AC15 AC18 AD00 AD01 AD04 AD10 AD51 AE02 AE04 AE31 3G093 AA05 AA07 AA16 BA03 CB06 CB07 DA06 DB05 EA09 EB03 EC01 FA10 FB01 3J052 AA01 EA04 EA10 FB33 GC13 GC23 GC46 HA01 LA01 LA20 5H115 PA01 PG04 PI16 PO17 PU01 PU22 PU25 QE10 QI04 QI09 RB08 RE03 RE12 SE04 SE05 SE08 SJ12 SJ13 TB01 TE06 TE08 TO21 TO23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】車両を駆動する車両用パワープラントで
あって、熱機関制御装置によって制御される熱機関と、前記熱機関の出力回転速度を変速して、駆動輪へと前記
熱機関の動力を伝達する動力伝達軸に、前記熱機関の動
力を送り出す変速機であって、当該変速機の変速比は、
複数で有限数が設定され、これらを選択的に使用可能な
変速機と、前記動力伝達軸に対し、さらに動力を付加する回転電機
と、前記回転電機を制御する回転電機制御装置と、を有し、前記回転電機制御装置は、前記変速機の変速比の切り替
え動作中における前記熱機関からの駆動輪へと伝達され
る動力の低下の少なくとも一部を補うように回転電機の
動力を制御する、車両用パワープラント。
【請求項２】請求項１に記載の車両用パワープラント
において、前記回転電機は、前記動力伝達軸から動力を吸収するこ
とが可能であり、前記熱機関制御装置と前記回転電機制御装置の少なくと
も一方は、車両運転者からの駆動輪動力の要求値と車速
とに基づきあらかじめ定められている駆動輪動力を達成
するように、各々対応する前記熱機関および前記回転電
機を制御し、駆動輪が車両を駆動する力がなめらかに連
続するようにする、車両用パワープラント。