JP2015030281A - ハイブリッドシステム及びハイブリッド車両 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関のクランク軸の回転数の変動に依存することなく、電動発電機の回転軸の回転数を電動発電機の発電又は駆動に適した回転数に制御することができて、小型化及び軽量化を図ることができると共に、電動発電機の発電時及び電動駆動時のエネルギー効率を高めることができるハイブリッドシステム及びハイブリッド車両を提供する。
【解決手段】内燃機関１０と電動発電機２１を有するハイブリッドシステムにおいて、内燃機関１０のクランク軸１５に直結して無段変速機構１６を設け、この無段変速機構１６に電動発電機２１を連結して構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッドシステム及びハイブリッド車両に関し、より詳細には、電動発電機の発電時及び電動駆動時のエネルギー効率を高めることができると共に、電動発電機及びハイブリッドシステムの小型化及び軽量化を図ることができる、ハイブリッドシステム及びハイブリッド車両に関する。

内燃機関と電動発電機の両方を搭載するハイブリッド車両（ＨＥＶ）では、内燃機関の出力により電動発電機を駆動して発電して、この発電した電力をバッテリに充電したり、このバッテリに充電した電力で電動発電機を駆動して内燃機関の出力をアシストしたりしている。この内燃機関で電動発電機を駆動する場合には、内燃機関の駆動力を電動発電機に伝達する必要がある。

この動力伝達に関しては、いくつかの方法が提案されており、例えば、エンジン（内燃機関）と変速機との間に電動モータ（電動発電機）を設けて、この電動モータをエンジンの駆動軸（クランク軸）に連結したハイブリッド車両が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、この内燃機関のクランク軸に電動発電機を連結する構成では、電動発電機の回転軸の回転数が内燃機関のクランク軸の回転数と同じになってしまうので、内燃機関の回転数が電動モータの発電効率又は駆動効率の高い回転領域を外れると、電動発電機におけるエネルギー損失が大きくなり、燃費が悪化するという問題がある。

また、内燃機関の運転状態が高負荷高回転領域にあると、電動発電機の回転軸の回転数が非常に高くなるので、この高回転数でも使用できる軸受け構造及び高強度の構造体を電動発電機側で採用して、電動発電機に対する信頼性を確保する必要が生じる。その結果、電動発電機が大型化し、重量も増加するので、ハイブリッドシステム及びハイブリッド車両の小型化及び軽量化を図ることが難しくなるという問題がある。

特開２０１３−７５５４０号公報

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関のクランク軸の回転数の変動に依存することなく、電動発電機の回転軸の回転数を電動発電機の発電又は駆動に適した回転数に制御することができて、電動発電機の発電時及び電動駆動時のエネルギー効率を高めることができると共に、電動発電機及びハイブリッドシステムの小型化及び軽量化を図ることができる、ハイブリッドシステム及びハイブリッド車両の動力伝達方法を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明のハイブリッドシステムは、内燃機関と電動発電機を有するハイブリッドシステムにおいて、前記内燃機関のクランク軸に直結して無段変速機構を設け、該無段変速機構に前記電動発電機を連結して構成される。

この構成によれば、例えば、内燃機関と電動発電機の回転数比を連続的に変更できるレシオ可変機構として、ベルト式ＣＶＴ等の無段変速機構を用いて、内燃機関のクランク軸の動力を電動発電機に伝達するので、内燃機関のクランク軸の回転数の変動に依存することなく、電動発電機の回転軸の回転数を電動発電機の発電又は駆動に適した回転数に制御することができる。

そのため、電動発電機における回転数の使用回転域が限定されることにより、電気的特性の効率が高い状態で電動発電機を使用することが可能となり、発電時及び電動駆動時のエネルギー効率を高めることができる。また、電動発電機側において、過大な回転数で使用できるように信頼性を確保するために必要とされる過剰な構成の軸受け構造及び高強度の構造体を採用する必要が無くなる。その結果、電動発電機及びハイブリッドシステムの小型化及び軽量化を図ることができる。

上記のハイブリッドシステムにおいて、前記クランク軸の一方に変速機が接続されており、前記クランク軸の他方に前記無段変速機構が接続されているように、構成すると、無段変速機構が、変速機とは反対側のクランク軸に設けられているので、内燃機関と変速機の間に無段変速機構を設ける必要がなくなり、ハイブリッドシステムを考慮していない、既存の内燃機関と変速機との組み合わせ（パワートレイン）に対しても、無段変速機構と電動発電機を容易に設けることができ、ハイブリッドシステムを適用できるパワートレインの種類を拡大することが容易にできる。

なお、この場合、従来技術では、内燃機関の変速機とは反対側には、クランク軸から駆動力を得ている冷却ファンや冷却水ポンプや潤滑油ポンプ等の補機が配置されているので、これらの補機は電動化して、クランク軸から駆動力を得ることなく、電動発電機で発電した電力で駆動されるようにすることが好ましい。

上記のハイブリッドシステムにおいて、前記クランク軸と前記電動発電機との間にクランク軸用断接装置を設けて構成すると、電動発電機をモータとしても発電機としても使用しないときには、クランク軸用断接装置を断状態にして、電動発電機側のフリクションの影響なしに内燃機関を運転することができる。特に、クランク軸と無段変速機との間にクランク軸用断接装置を設けた場合には、電動発電機側に加えて無段変速機側のフリクションの影響なしに内燃機関を運転することができる。

つまり、必要駆動力（トルク）に対して内燃機関の出力が十分で、電動発電機からの駆動力の伝達が不要な場合や、電動発電機で発電された電力により充電されるバッテリの充電量（ＳＯＣ）が満充電状態で、電動発電機での発電が不要な場合等には、クランク軸用断接装置を断状態にして、内燃機関と電動発電機間の動力伝達を切ることができ、これにより、電動発電機、又は、電動発電機と無段変速機構を内燃機関で回転して、車両の運転に必要な駆動力に、電動発電機側、又は、電動発電機側と無段変速機構側のフリクションが加わることを回避して、電動発電機側、又は、電動発電機側と無段変速機構側に不要なフリクションが発生するのを抑制することができるので、燃費を向上することができる。

そして、上記の目的を達成するための本発明のハイブリッド車両は、内燃機関と電動発電機を有するハイブリッド車両において、前記内燃機関のクランク軸に直結して無段変速機構を設け、該無段変速機構に前記電動発電機を連結して構成される。

また、上記のハイブリッド車両において、前記クランク軸の一方に変速機が接続されており、前記クランク軸の他方に前記無段変速機構が接続されているように、構成する。

さらに、上記のハイブリッド車両において、前記クランク軸と前記電動発電機との間にクランク軸用断接装置を設けて構成する。

これらのハイブリッド車両は、上記のハイブリッドシステムとそれぞれ同様の効果を奏することができる。

なお、ハイブリッドシステムの動力伝達方法は、内燃機関と電動発電機を有するハイブリッドシステムの動力伝達方法において、前記内燃機関のクランク軸に直結して無段変速機構を介して、前記クランク軸と前記電動発電機との間の動力伝達を行うハイブリッドシステムの動力伝達方法によれば、無段変速機構を用いているので、内燃機関のクランク軸の回転数の変動に関係なく、電動発電機の回転数を発電又は駆動に適した回転数に制御することができる。そのため、電動発電機における回転数の使用回転域を限定することができるので、これにより、常に電気的特性の効率が高い状態で電動発電機を使用して、発電時及び電動駆動時のエネルギー効率を高めることができる。また、電動発電機側において、過大な回転数に対応させるための軸受け構造及び高強度の構造体を採用する必要が無くなり、電動発電機及びハイブリッドシステムの小型化及び軽量化を図ることができる。

本発明のハイブリッドシステム及びハイブリッド車両によれば、無段変速機構を用いて、内燃機関のクランク軸の動力を電動発電機に伝達するので、内燃機関のクランク軸の回転数の変動に依存することなく、電動発電機の回転軸の回転数を発電又は駆動に適した回転数に制御することができる。

そのため、電動発電機における回転数の使用回転域が限定されることにより、電気的特性の効率が高い状態で電動発電機を常時使用することが可能となり、発電時及び電動駆動時のエネルギー効率を高めることができる。

また、電動発電機側において、過大な回転数で使用できるように信頼性を確保するために必要とされる過剰な構成の軸受け構造及び高強度の構造体を採用する必要が無くなり、その結果、電動発電機の小型化及び軽量化を図ることができ、従って、ハイブリッドシステム及びハイブリッド車両の小型化及び軽量化を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態のハイブリッドシステム及びハイブリッド車両の構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態のハイブリッドシステム及びハイブリッド車両の構成を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態のハイブリッドシステム及びハイブリッド車両について説明する。

最初に、第１の実施の形態のハイブリッドシステム及びハイブリッド車両について図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、この第１の実施の形態のハイブリッドシステム２は、エンジン（内燃機関）１０と電動発電機（Ｍ/Ｇ）２１を有するハイブリッドシステムである。なお、ここでは、このハイブリッドシステム２はハイブリッド車両（ＨＥＶ：以下車両とする）１に搭載されるものとして説明するが、必ずしも、車両に搭載されるものに限定されない。

図１に示すように、この第１の実施の形態のハイブリッドシステム２のエンジン１０は、エンジン本体（ＥＮＧ）１１と排気通路１２とターボ過給器１３と、排気通路１２に設けられた排気ガス浄化装置（後処理装置）１４を備えている。この排気ガス浄化装置１４により、エンジン１０から排出される排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）、ＰＭ（微粒子状物質）等を浄化処理している。この浄化処理された排気ガスは、マフラー（図示しない）等を経由して大気中に放出される。

このエンジン１０のクランク軸１５に直結してベルト式ＣＶＴ（無段変速機構：レシオ可変機構）１６を設け、このベルト式ＣＶＴ１６に電動発電機２１を連結する。つまり、エンジン１０のクランク軸１５にベルト式ＣＶＴ１６の第１プーリー（第１動力伝達部）１６ａを設けると共に、電動発電機２１にベルト式ＣＶＴ１６の第２プーリー（第２動力伝達部）１６ｂを設けて構成し、第１プーリー１６ａと第２プーリー１６ｂを介してクランク軸１５と電動発電機２１との間の動力伝達を行うように構成する。この第１プーリー１６ａと第２プーリー１６ｂとの間にはベルト１６ｃが掛けられており、クランク軸１５から第１プーリー１６ａとベルト１６ｃと第２プーリー１６ｂを経由して電動発電機２１に、また逆に、電動発電機２１から第２プーリー１６ｂとベルト１６ｃと第１プーリー１６ａを経由してクランク軸１５に、動力が伝達される。

このベルト式ＣＶＴ１６では、２個一組の第１プーリー１６ａと第２プーリー１６ｂにＶ字形状のベルト１６ｃをかけ、個々のプーリー１６ａ、１６ｂの幅を変えることにより、プーリー１６ａ、１６ｂとベルト１６ｃの接する位置を変えるようにしており、幅が拡げられてベルト１６ｃの接する位置が内側に（軸に近く）なれば直径が小さくなり、逆に幅が狭められてベルト１６ｃの接する位置が外側なれば（外周側に移動すれば）直径が大きくなるように構成されている。そして、電子制御による油圧機構（図示しない）で２個のプーリー１６ａ、１６ｂの幅の拡縮が互いに逆になるように変化させる制御を行うことにより、ベルト１６ｃをたるませることなく、変速を連続的に行うことができる。

このベルト式ＣＶＴ１６を、エンジン１０においてのクランク軸１５の一方に変速機３１が接続されており、クランク軸１５の他方にベルト式ＣＶＴ１６が接続されているように構成すると、ベルト式ＣＶＴ１６が、変速機３１とは反対側のクランク軸１５に設けられていることになるので、これにより、エンジン１０と変速機３１の間にベルト式ＣＶＴ１６を設ける必要がなくなる。そのため、ハイブリッドシステムを考慮していない、既存のエンジンと変速機との組み合わせ（パワートレイン）に対しても、電動発電機を容易に設けることができ、ハイブリッドシステムを搭載できるパワートレインの種類を拡大することが容易にできる。

なお、この場合、配置される冷却ファンや冷却水ポンプや潤滑油ポンプ等の補機を電動化して、クランク軸から直接駆動力を得ることなく、電動発電機で発電した電力で駆動されるようにすることが好ましい。これにより、補機類のレイアウトに関して自由性が増すというメリットが生じる。

そして、電力システム２０の一部である電動発電機２１は、発電機として、エンジン１０の駆動力を受けて発電をしたり、又は、車両１のブレーキ力等の回生力発生による回生発電をしたりすると共に、モータとして駆動して、その駆動力をエンジン１０のクランク軸１５に伝達して、エンジン１０の駆動力（出力：トルク）をアシストしたりする。

なお、発電して得た電力は、配線２２を経由してインバータ（ＩＮＶ）２３で変換して第１バッテリ（充電器：Ｂ１）２４Ａに充電される。また、電動発電機２１を駆動するときは、第１バッテリ２４Ａに充電された電力をインバータ２３で変換して電動発電機２１に供給する。

図１の構成では、更に、ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＣＯＮ）２５と第２バッテリ（Ｂ２）２４Ｂを第１バッテリ２４Ａに直列に設けて、第１バッテリ２４Ａの、例えば、３６Ｖ〜１１５Ｖの電圧の電力を、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５で、例えば、１２Ｖに電圧降下させて、第２バッテリ２４Ｂに充電して、この第２バッテリ２４Ｂから補機の冷却ファン２６Ａ、冷却水ポンプ２６Ｂ、潤滑油ポンプ２６Ｃ等に電力を供給するように構成している。

このハイブリッドシステム２を搭載したハイブリッド車両（以下車両）１においては、エンジン１０の動力は、動力伝達システム３０の変速機（トランスミッション）３１に伝達され、さらに、変速機３１より推進軸（プロペラシャフト）３２を介して作動装置（デファレンシャルギア）３３に伝達され、作動装置３３より駆動軸（ドライブシャフト）３４を介して車輪３５に伝達される。これにより、エンジン１０の動力が車輪３５に伝達され、車両１が走行する。

一方、電動発電機２１の動力に関しては、第１バッテリ２４Ａに充電された電力がインバータ２３を介して電動発電機２１に供給され、この電力により電動発電機２１が駆動され動力を発生する。この電動発電機２１の動力は、ベルト式ＣＶＴ１６を介してクランク軸１５に伝達されて、エンジン１０の動力伝達経路を伝達して、車輪３５に伝達される。

これにより、電動発電機２１の動力がエンジン１０の動力と共に車輪３５に伝達され、車両１が走行する。なお、回生時には、逆の経路で、車輪３５の回生力、又はエンジン１０の回生力が電動発電機２１に伝達されて、電動発電機２１で発電が可能となる。

また、ハイブリッドシステム用制御装置４１が設けられ、エンジン１０の回転数Ｎｅや負荷Ｑ等の運転状態や電動発電機２１の回転数Ｎａ等の運転状態や第１バッテリ２４Ａ，第２バッテリ２４Ｂの充電量（ＳＯＣ）の状態をモニターしながら、ベルト式ＣＶＴ１６、電動発電機２１、インバータ２３、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５等を制御する。このハイブリッドシステム用制御装置４１は、通常は、エンジン１０や車両１を制御する全体制御装置４０に組み込まれて構成される。この全体制御装置４０は、エンジン１０の制御では、シリンダ内燃焼やターボ過給器１３や排気ガス浄化装置１４や補機の冷却ファン２６Ａ、冷却水ポンプ２６Ｂ、潤滑油ポンプ２６Ｃなどを制御している。

そして、この第１の実施の形態におけるハイブリッドシステム２の動力伝達方法は、エンジン１０と電動発電機２１を有するハイブリッドシステム２の動力伝達方法であり、この動力伝達方法において、エンジン１０のクランク軸１５に直結してベルト式ＣＶＴ１６を介してクランク軸１５と電動発電機２１との間の動力伝達を行うことを特徴とする方法である。

次に第２の実施の形態のハイブリッドシステム及びハイブリッド車両について説明する。図２に示すように、この第２の実施の形態のハイブリッドシステム２Ａ、及びハイブリッド車両１Ａは、クランク軸１５と電動発電機２１との間にクランク軸用断接装置１７を設けて構成する。これにより、電動発電機２１をモータとしても発電機としても使用しないときや電動発電機２１からの駆動力が不要な場合には、クランク軸用断接装置１７を断状態にして、電動発電機２１側のフリクションの影響なしにエンジン１０を運転することができる。

特に、クランク軸１５と第１プーリー１６ａとの間にクランク軸用断接装置１７を設けて構成すると、電動発電機２１側に加えてベルト式ＣＶＴ１６側のフリクションの影響なしにエンジン１０を運転することができる。

このクランク軸用断接装置１７を設ける以外は、第１の実施の形態のハイブリッドシステム２、及びハイブリッド車両１と同じである。

このクランク軸用断接装置１７はハイブリッドシステム用制御装置４１により制御される。このクランク軸用断接装置１７は、エンジン１０のクランク軸１５の動力で電動発電機２１を発電する場合や電動発電機２１の駆動力でエンジン１０の駆動力をアシストする場合には、接状態にして、クランク軸１５と電動発電機２１の間での動力の伝達を行う。

一方、電動発電機２１での発電が不要な場合や電動発電機２１からの駆動力が不要な場合にはクランク軸用断接装置１７を断状態にして、エンジン１０と電動発電機２１間の動力伝達を切る。これにより、エンジン１０のクランク軸１５に電動発電機２１側、又は、電動発電機２１側とベルト式ＣＶＴ１６側のフリクションが加わることを回避することができるので、燃費を向上することができる。

本発明の第１及び第２の実施の形態のハイブリッドシステム２、２Ａ及びハイブリッド車両１、１Ａによれば、ベルト式ＣＶＴ１６を用いて、エンジン１０のクランク軸１５の動力を電動発電機２１に伝達するので、エンジン１０のクランク軸１５の回転数Ｎｅの変動に依存することなく、電動発電機２１の回転軸の回転数Ｎａを電動発電機２１の発電又は駆動に適した回転数に制御することができる。

そのため、電動発電機２１における回転数Ｎｅの使用回転域が限定されることにより、電気的特性の効率が高い状態で電動発電機２１を使用することが可能となり、発電時及び電動駆動時のエネルギー効率を高めることができる。

更に、電動発電機２１側において、過大な回転数で使用できるように信頼性を確保するために必要とされる過剰な構成の軸受け構造及び高強度の構造体を採用する必要が無くなり、その結果、電動発電機２１及びハイブリッドシステム２、２Ａの小型化及び軽量化を図ることができる。

また、第２の実施の形態のハイブリッドシステム２Ａ及びハイブリッド車両１Ａによれば、クランク軸１５と電動発電機２１間にクランク軸用断接装置１７を設けているので、必要駆動力に対してエンジン１０の出力が十分で、電動発電機２１からの駆動力（トルク）の伝達が不要な場合や、電動発電機２１で発電された電力により充電される第１バッテリ２４Ａや第２バッテリ２４Ｂの充電量（ＳＯＣ）が満充電で、電動発電機２１での発電が不要な場合等には、クランク軸用断接装置１７を断状態にして、エンジン１０と電動発電機２１間の動力伝達を切ることができる。

これにより、電動発電機２１をモータとしても発電機としても使用しないときには、クランク軸用断接装置１７を断状態にして、電動発電機２１側、又は、電動発電機２１側とベルト式ＣＶＴ１６側のフリクションの影響なしにエンジン１０のみで運転することができる。従って、電動発電機２１、又は、電動発電機２１とベルト式ＣＶＴ１６をエンジン１０で回転して、車両１Ａの運転に必要な駆動力に電動発電機２１側、又は、電動発電機２１側とベルト式ＣＶＴ１６側のフリクションが加わることを回避でき、電動発電機２１側、又は、電動発電機２１側とベルト式ＣＶＴ１６側に不要なフリクションが発生するのを抑制することができ、燃費を向上することができる。

１、１Ａ 車両（ハイブリッド車両：ＨＥＶ）
２、２Ａ ハイブリッドシステム
１０ エンジン（内燃機関）
１１ エンジン本体
１２ 排気通路
１３ ターボ過給器
１４ 排気ガス浄化装置
１５ クランク軸
１６ ベルト式ＣＶＴ（無段変速機構）
１７ クランク軸用断接装置
２０ 電力システム
２１ 電動発電機（Ｍ/Ｇ）
２２ 配線
２３ インバータ（ＩＮＶ）
２４Ａ 第１バッテリ（Ｂ１）
２４Ｂ 第２バッテリ（Ｂ２）
２５ ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＣＯＮ）
２６Ａ 冷却ファン（補機）
２６Ｂ 冷却水ポンプ（補機）
２６Ｃ 潤滑油ポンプ（補機）
３０ 動力伝達システム
３１ 変速機（トランスミッション）
３２ 推進軸（プロペラシャフト）
３３ 差動装置（デファレンシャルギア）
３４ 駆動軸（ドライブシャフト）
３５ 車輪
４０ 全体制御装置
４１ ハイブリッドシステム用制御装置

Claims (6)

1. 内燃機関と電動発電機を有するハイブリッドシステムにおいて、前記内燃機関のクランク軸に直結して無段変速機構を設け、該無段変速機構に前記電動発電機を連結したことを特徴とするハイブリッドシステム。
2. 前記内燃機関において、前記クランク軸の一方に変速機が接続されており、前記クランク軸の他方に前記無段変速機構が接続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システム。
3. 前記クランク軸と前記電動発電機との間にクランク軸用断接装置を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッドシステム。
4. 内燃機関と電動発電機を有するハイブリッド車両において、前記内燃機関のクランク軸に直結して無段変速機構を設け、該無段変速機構に前記電動発電機を連結したことを特徴とするハイブリッド車両。
5. 前記内燃機関において、前記クランク軸の一方に変速機が接続されており、前記クランク軸の他方に前記無段変速機構が接続され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車両。
6. 前記クランク軸と前記電動発電機との間にクランク軸用断接装置を設けたことを特徴とする請求項４又は５に記載のハイブリッド車両。

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