JP2002247701A

JP2002247701A - 補機駆動装置

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Publication number: JP2002247701A
Application number: JP2001046376A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Moriya; 一成守屋; Yukio Inaguma; 幸雄稲熊; Shoichi Sasaki; 正一佐々木; Sumikazu Shiyamoto; 純和社本; Tetsuhiro Ishikawa; 哲浩石川; Hiroshi Sugiura; 浩杉浦
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2001-02-22
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2002-08-30
Also published as: DE10207748A1; US20020153180A1; US6942048B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池車両の補機駆動系を簡略化する。【解決手段】燃料電池（ＦＣ）システム１０に補機ポ
ンプ２６を用いて燃料ガスを供給する。補機ポンプ２６
はプラネタリギヤ装置のリングギヤ２４に接続され、サ
ンギヤ２０にポンプモータ２２が接続され、ピニオンギ
ヤ１８には駆動モータ１２の動力の一部が入力される。
ポンプモータ２２だけでなく、駆動モータ１２の動力の
一部を利用することで、ポンプモータ２２を小型化する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は補機駆動装置、特に
動力源を駆動するための補機系の駆動機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平６-２２９４４７号公報には、エ
ンジンの回転駆動を変速してエンジンの補機に伝達する
エンジン補機駆動用変速装置が開示されている。この技
術では、補機の駆動軸に回転自在に支持され、外周面に
入力係合部を有し、内周面に遊星歯車が回転自在に取り
付けられた中空回転体と、駆動軸に固着され中空回転体
内で遊星歯車に噛み合う第１歯車と、駆動軸に回転自在
に取り付けられ中空回転体内で遊星歯車に噛み合う第２
歯車と、補機の固定部と第２歯車とを係合離脱し第２歯
車に制動力を与えるクラッチを有している。そして、ク
ラッチが開放状態にあるときには第２歯車の回転は拘束
されず中空回転体の回転は遊星歯車の公転のみとなり、
補機は中空回転体と同一回転速度で同一方向に回転する
が、クラッチが係合状態にあるときには第２歯車の回転
は拘束され、第１歯車は遊星歯車の公転と同一速度の回
転に遊星歯車の自転による回転が加えられた増速回転速
度で回転し、補機は増速されて回転することになる。し
たがって、クラッチの係合状態を適宜調整することで、
補機の回転速度を調整することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、補機の
駆動力をクラッチを用いて調整する構成では、クラッチ
が完全係合と完全開放の間にあるとき、いわゆるすべり
状態にあるときにはすべりによる損失が生じるため、補
機駆動の効率が低下する問題もある。

【０００４】また、補機駆動用の別の駆動源を搭載して
補機を駆動することも考えられるが、十分な動力を提供
するために駆動源が大型化し、コストも増大する問題も
ある。特に、最近では燃料電池車両の実用化が進められ
ているが、燃料電池用補機を駆動するために多数のモー
タやインバータが必要となってシステムが大型化、複雑
化しており、補機駆動系の簡略化が重要な課題となって
いる。

【０００５】本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑
みなされたものであり、その目的は、補機駆動系を簡略
化することができ、これによりシステムのコスト低減を
図ることができる装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の補機駆動装置は、動力源と、前記動力源を
駆動するための補機系と、前記補機系を駆動する補機駆
動源と、前記動力源からの動力の一部を前記補機系に伝
達する動力合成分配機構とを有し、前記動力源からの動
力の一部を用いて前記補機系を駆動することにより前記
補機駆動源の負荷を低減することを特徴とする。

【０００７】本発明において、前記動力合成分配機構と
して遊星歯車（プラネタリギヤ）装置を用いることがで
き、前記プラネタリギヤ装置のサンギアに前記補機駆動
源または前記補機系が接続され、前記プラネタリギヤ装
置のキャリアに前記動力源からの動力の一部が入力さ
れ、前記プラネタリギヤ装置のリングギヤに前記補機系
または前記補機駆動源が接続される。

【０００８】また、本発明において、前記動力源は燃料
電池車両の燃料電池及び駆動モータを含み、前記補機系
は前記燃料電池に燃料ガスを供給するポンプを含み、前
記補機駆動源は前記ポンプを駆動するモータを含み、前
記駆動モータの出力の一部が前記動力合成分配機構に入
力されることが好適である。

【０００９】さらに、本発明において、前記動力合成分
配機構は差動歯車とすることもできる。

【００１０】このように、本発明においては、動力源か
らの動力の一部を用いて補機系を駆動することにより補
機駆動源に要求されるパワーを低減するものであるが、
動力源からの動力の一部をプラネタリギヤ装置を巧みに
用いて伝達することで、動力伝達損失をなくして効率的
に補機系を駆動することができる。補機駆動源に要求さ
れるパワーが低減することで、補機駆動源を小型化ある
いは簡易化することができる。なお、補機駆動源は任意
であるが、その代表例はモータである。

【００１１】プラネタリギヤ装置において、定常状態で
は一般にキャリアトルク＞リングギアトルク＞サンギヤ
トルクが成立する。したがって、サンギヤに補機駆動源
を接続し、キャリアに動力源からの動力を入力すること
で補機駆動源のトルクを小さくすることができる。動力
源の動力は、車両においては走行用動力を用いることが
できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の実施
形態について、燃料電池車両を例にとり説明する。

【００１３】図１は、本実施形態に係る燃料電池車両の
要部構成図である。燃料電池（ＦＣ）システム１０が車
両に搭載され、走行に必要な電力を駆動モータ１２に供
給する。駆動モータ１２の出力軸は車輪１４に接続され
る一方、プラネタリギヤ装置のキャリア１６にも接続さ
れる。すなわち、駆動モータ１２の動力は車輪１４に伝
達される一方、プラネタリギヤ装置にも伝達される。

【００１４】プラネタリギヤ装置はキャリア１６上のピ
ニオンギヤ１８、サンギヤ２０及びリングギヤ２４を含
んで構成される。サンギヤ２０、ピニオンギヤ１８及び
リングギヤ２４は互いに噛合しており、サンギヤ２０は
中心軸回りに回転自在に軸支され、ピニオンギヤ１８は
サンギヤ２０の回りを公転しながら自転できるように支
持される。また、リングギヤ２４はサンギヤ２０と同一
中心軸の回りに回転自在に軸支される。

【００１５】プラネタリギヤ装置のピニオンギヤ１８に
は上述したように駆動モータ１２からの動力の一部が伝
達されるが、図２の詳細図に示されるように、プラネタ
リギヤ装置のサンギヤ２０には補機駆動源としてのポン
プモータ２２が接続される。また、プラネタリギヤ装置
のリングギヤ２４には燃料電池システム１０に燃料ガス
を供給するための補機ポンプ２６が接続されており、ポ
ンプモータ２２は補機電池２８からの電力で駆動され
る。

【００１６】本実施形態において、ポンプモータ２２を
駆動することでサンギヤ２０を駆動し、これによりピニ
オンギヤ１８さらにはリングギヤ２４を駆動して補機ポ
ンプ２６を作動させて補機動作を行うことが可能である
が、補機ポンプ２６に要求されるパワーを得るために駆
動源としてのポンプモータ２２が大型化する問題があ
る。

【００１７】そこで、本実施形態では、駆動モータ１２
の動力の一部をプラネタリギヤ装置のキャリア１６に供
給し、これによりポンプモータ２２のトルクアシストを
行ってポンプモータ２２の負荷低減を図っている。

【００１８】以下、本実施形態の動作について詳細に説
明する。

【００１９】補機ポンプ２６は、概ね車速に応じた運転
を行うので、車速を制御する駆動モータ１２の出力軸と
リンクさせておくことが可能となる。この事実が制御の
前提となる。以下のように記号を定めることとする。

【００２０】

【表１】定常状態であると仮定すると、

【数１】

【数２】が成立する。

【００２１】図３には、図２に示されたプラネタリギヤ
装置の回転数制限図が示されている。図において、横軸
Ｐは補機ポンプ（エアーポンプ）２６の速度、縦軸Ｍｔ
は駆動モータ（負荷モータ）１２の速度である。図中斜
線部分が、サンギヤ２０を駆動するポンプモータ（エア
ーポンプ）２２とピニオンギヤ１８を駆動する駆動モー
タ（負荷モータ）１２とリングギヤ２４に接続される補
機ポンプ２６それぞれの動作範囲で規定される、プラネ
タリギヤ装置としての作動範囲である。

【００２２】低常時のトルクの関係は、ギヤ比をρ＝
（サンギヤの歯数）／（リングギヤの歯数）とすると、

【数３】

【数４】となる。また、回転数の関係は、

【数５】となる。補機ポンプ２６の駆動トルクは、ポンプ回転数
に比例するとし、

【数６】とする。但し、τｐは補機ポンプ２６の負荷トルク（＜
０）、ωｐは補機ポンプ２６の回転数、αは比例係数
（＜０）とする。

【００２３】今、ポンプモータ（エアーポンプ駆動モー
タ）２２を駆動して補機ポンプ２６を任意に駆動する場
合を想定する。車速と必要なポンプパワーが与えられた
とすると（図示しない制御装置で計算することができ
る）、駆動モータ１２の角速度をωｃ１、ポンプパワー
をＰｐ１（Ｐｐ１＜０）とすると、（６）式より

【数７】すなわち、

【数８】となる。したがって、

【数９】

【数１０】となる。このとき、駆動モータ１２、ポンプモータ２２
のトルクはそれぞれ（３）式、（４）式より

【数１１】となる。さらに、これを用いると、

【数１２】となり、それぞれのトルクが定まることになる。

【００２４】一方、回転速度は、（５）式、（１０）式
より

【数１３】となる。この式と、（１２）式よりポンプモータ２２の
パワーを算出すると

【数１４】となる。ポンプモータ２２のパワーをＰｓとすると、

【数１５】となる。

【００２５】図４には、（１５）式を用いて算出され
た、駆動モータ１２の角速度とポンプモータ２２のパワ
ーの関係が補機ポンプ２６のパワーをパラメータとして
示されている。図において、横軸は駆動モータ１２の角
速度であり、縦軸はポンプモータ２２のパワーである。
ポンプモータ２２のパワーは、切片−Ｐｐ１、傾き−
（１＋ρ）（αＰｐ１）^0.5の直線で与えられることに
なり、Ｐｐ１を変えることにより切片と傾きがともに変
化することになる。駆動モータ１２の角速度が０の場合
（駆動モータ１２によるトルクアシストを行わない場合
と等価）とそうでない場合（例えば角速度が４００ｒａ
ｄ/ｓ）の場合とでは、同一ポンプパワーを得るのに必
要なポンプモータパワーは異なり、駆動モータ１２を駆
動させた角速度４００ｒａｄ/ｓの方が少なくて済むこ
とが分かる。

【００２６】図４において、ρとαを調整することによ
り、図５のような特性を実現することが可能となる。図
５では、図４よりも傾きが急峻となっており、駆動モー
タ１２の角速度が０の場合とそうでない場合のポンプモ
ータ２２のパワー差異が顕著となる。このことは、駆動
モータ１２のトルクアシストにより、ポンプモータ２２
に要求されるパワーがより少なくて済むことを示してい
る。なお、図５において、駆動モータ１２の角速度に対
する必要な補機ポンプ２６のパワーをプロットすること
で、ポンプモータ２２の定格パワーを一義的に決定する
ことができる。

【００２７】具体的な制御としては、駆動モータ１２に
は出力軸に必要なトルク（走行に必要なトルク）が与え
られるから、このトルクに（１１）式で定まるトルクを
加算したものを駆動モータ１２の目標トルクとして図示
しない制御装置でトルク制御を行う一方、ポンプモータ
２２は、（１３）式で定まる目標回転数となるようにト
ルク制御を行えばよい。

【００２８】このように、本実施形態では、燃料電池シ
ステム１０を駆動するために必要な補機ポンプ２６のパ
ワーに対し、ポンプモータ２２のパワーを低減すること
ができ、ポンプモータ２２並びにインバータを小型化す
ることができる。

【００２９】また、駆動モータ１２の動力の一部を補機
系に伝達する際に、クラッチではなくプラネタリギヤ装
置を用いているため、動力損失がほとんどなく、効率的
に補機ポンプ２６を駆動することができる。

【００３０】なお、本実施形態において、駆動モータ１
２は十分なトルクを有しているため、補機駆動分だけ余
分なトルクが必要となっても駆動モータ１２本体あるい
はインバータの容量増大はほとんど無視できる。

【００３１】また、本実施形態では、燃料電池車両を例
示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、動
力源を駆動するための補機系を備える任意のシステムに
適用することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば補
機駆動系を簡略でき、これによりコスト低減を図ること
ができる。

【００３３】また、本発明においては、すべりを伴うク
ラッチを用いるのではなく、プラネタリギヤ装置を用い
て動力を伝達しているため、効率良く補機系を駆動する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の構成図である。

【図２】図１におけるプラネタリギヤ装置の構成図で
ある。

【図３】プラネタリギヤ装置の作動範囲説明図であ
る。

【図４】駆動モータ角速度とポンプモータパワーとの
関係を示すグラフ図である。

【図５】駆動モータ角速度とポンプモータパワーとの
関係を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１０燃料電池（ＦＣ）システム、１２駆動モータ、
１４車輪、１６キャリア、１８ピニオンギヤ、２
０サンギヤ、２２ポンプモータ、２４リングギ
ヤ、２６補機ポンプ、２８補機電池。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者稲熊幸雄愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者佐々木正一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)発明者社本純和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)発明者石川哲浩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)発明者杉浦浩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） 3D035 AA06 3J027 FA19 FB01 GA01 GB03 GC13 GD03 GD07 GD09 5H115 PA00 PC06 PG04 PI18 PI29 PU01 QA10 RB11 SE03 SE06 SE08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】動力源と、前記動力源を駆動するための補機系と、前記補機系を駆動する補機駆動源と、前記動力源からの動力の一部を前記補機系に伝達する動
力合成分配機構と、を有し、前記動力源からの動力の一部を用いて前記補機
系を駆動することにより前記補機駆動源の負荷を低減す
ることを特徴とする補機駆動装置。
【請求項２】請求項１記載の装置において、前記動力合成分配機構は遊星歯車であり、前記遊星歯車装置のサンギアに前記補機駆動源または前
記補機系が接続され、前記遊星歯車装置のキャリアに前記動力源からの動力の
一部が入力され、前記遊星歯車装置のリングギヤに前記補機系または前記
補機駆動源が接続されることを特徴とする補機駆動装
置。
【請求項３】請求項１、２のいずれかに記載の装置に
おいて、前記動力源は燃料電池車両の燃料電池及び駆動モータを
含み、前記補機系は前記燃料電池に燃料ガスを供給するポンプ
を含み、前記補機駆動源は前記ポンプを駆動するモータを含み、前記駆動モータの出力の一部が前記動力合成分配機構に
入力されることを特徴とする補機駆動装置。