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1モーター2クラッチパラレルフルハイブリッドシステムの開発

システム概要

図1 システム概要

エンジン始動時のモーター制御

図2 エンジン始動時のモーター制御

燃費性能・エンジン停止頻度

図3 燃費性能・エンジン停止頻度

1.概要

 本システムは,乗用車用フルハイブリッドとして最も軽量シンプルで燃費特性に優れており,更にセルモーターやトルクコンバーターも廃して極限まで効率を高めた世界初のシステムである.一方,走行中のエンジン停止・始動,発進時にクラッチを頻繁に切り替えるため,スムースさを実現することが難しく,一般に商品化は困難と認識されてきた.

 今回モーターとクラッチ制御技術,高応答・高出力リチウムイオンバッテリーなど多岐に渡る独自の技術開発によってスムースさの課題を解決した.これにより高車速・高頻度のEV(モーター)走行,3.5Lエンジンの高級車にも拘らず1.5Lクラス並み燃費性能,気持ちの良いドライビングフィールを実現した.

2.技術の内容

 開発したシステムの概要を図1に示す.既存の7速A/Tに対しトルクコンバータを廃し,走行中にエンジンを完全に切り離すクラッチ1,50kw同期モーター,補助電動オイルポンプを追加している.発進時スリップやエンジン始動時振動を遮断するクラッチ2は変速用湿式多板クラッチを活用した.またセルモーターを廃し,モーターとクラッチ制御によりエンジンを始動する.インバーターとラミネートセル型リチウムイオンバッテリーも,高応答・高出力型を独自開発した.

 前述の通り,高い燃費性能などのポテンシャルを有する一方,クラッチによる発進やエンジン始動を行う際のスムースさが最大の課題であった.これを解決するために以下の技術開発を行った.

・エンジン始動時の振動をクラッチ2のスリップで遮断
・始動による変動トルク下でも安定したクラッチ2のスリップを確保するため,モーターによる高速な回転数制御と油圧によるクラッチ伝達容量制御とに機能を分割
・クラッチ制御の高精度化のため,モーターをトルクセンサーとした学習機能
・モータートルクを数ms単位で正負にサージなく切り替え可能な高応答・高精度モーター制御
・モーター制御スピードに追従し,高い耐久信頼性のリチウムイオンバッテリー(ラミネートセル型)

 図2に走行中のエンジン始動時にもスムースさを保つモーター制御の例を示す.このシーンではエンジン始動による高速な変動トルクがスリップ制御中のクラッチ2にも作用するが,ロバストなモーター回転数制御により,スリップを安定的に持続しスムースな駆動力が実現可能となった.高応答なモーター制御は応答特性が振動的になりやすいが,外乱オブザーバーを併用した制御により高速且つ安定した応答特性を実現している.この制御速度に応える入出力速度を持つバッテリーもブレークスルーである.

 図3に達成した燃費性能とEV(モーター)走行の時間頻度例を示す.3.5Lエンジンの高級車にも拘らず1.5Lクラス並み19km/Lの燃費性能と気持ちの良いドライビングフィールを両立した.

 また,高効率化による高めたEV(モーター)走行性能では,今までにない高速走行や最大で60%にも達するエンジン停止頻度も実現した.

3.まとめ

 乗用車で世界初となるトルコンレスの1モーター2クラッチパラレルフルハイブリッドシステムを開発し,2010年末より量産を開始した.高級車の燃費基準を引き上げるだけでなく,走行性能も同時に向上させた事で,高い評価と高級車ハイブリッドのシェア拡大に貢献している.一方でEV(モーター)走行性能の拡大は,新たな運転の楽しみ方を生んでいるとも聞かれ,副次的な環境効果としても注目している.

 本研究の成果に対して、日本機械学会は、2012年、早崎康市(日産自動車(株))、安達和孝(同左)、中条桂介(同左)、山村吉典(同左)、大曽根竜也(ジヤトコ(株))に日本機械学会賞(技術)を贈った。

文献

[1] 土川晴久、早崎康市、菅章二、月館秀俊、吉田進、奥田正、「新パラレルフルハイブリッドシステムの開発」、自動車技術会春季学術講演会前刷集、419-20115373, 2011年5月.
[2] 本杉純、安達和孝、芦沢裕之、藤本覚、越智徳昌、「ハイブリッド車両におけるモーターとクラッチの統合制御によるスリップ制御技術の開発」、自動車技術会春季学術講演会前刷集、418-20115288, 2011年5月.
[3] 蒲原英明、安藤順一、平井敏郎、佐々木徹夫、宮本丈司、矢島和男、軍司憲一郎、「新型HEVへ搭載した高出力型リチウムイオンバッテリーの開発」、自動車技術会春季学術講演会前刷集、254-20115166, 2011年5月.
[4] 早崎康市、阿部達夫、谷嶋香織、中条桂介、「Development of a Parallel Hybrid System for RWD Vehicles」、SAE、2011-01-0884, 2011.
[5] 本杉純、安達和孝、芦沢裕之、藤本覚、越智徳昌、「Development of a Slip Control System for RWD Hybrid Vehicles using Integrated Motor-Clutch Control」、SAE、2011-01-0945, 2011.
[6] 新井健嗣、東和幸、飯山忠明、村井宏彰、石川茂明、大久保孝仁、「High Power Density Motor and Inverter for RWD Hybrid Vehicles」、SAE、2011-01-0351, 2011.

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キーワード

パラレルフルハイブリッドシステム、1モーター2クラッチ、リチウムイオンバッテリー、燃費性能、動力性能、高出力・高応答、EV走行、インバーター、エンジン、クラッチ制御
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