JP2007192709A - 車載用フライホイール式電力貯蔵装置およびこれを用いた車両姿勢制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両の車体姿勢制御を行うに際し、角速度センサをなくすことが可能な車載用フライホイール式電力貯蔵装置およびこれを用いた車両姿勢制御方法を提供する。
【解決手段】 制御手段9は、コリオリの力と磁気軸受7,8の電磁石に作用する吸引力とを用いて車両に作用する角速度ωを求める角速度演算部23を有している。角速度ωは、次の式で求められている。
ω＝ｋＩ^２／（２ｍΩｘ^２）
【選択図】 図２

Description

この発明は、自動車等の車両に搭載される車載用フライホイール式電力貯蔵装置およびこれを用いた車両姿勢制御方法に関する。

電気自動車やハイブリッドカーなどの車両では、発電可能な電動モータによって回転数制御が行われるフライホイールを備えた電力貯蔵装置が使用されている。

特許文献１には、この車載用フライホイール式電力貯蔵装置において、フライホイール部の回転角を検出する回転角検出手段を設けることにより、回転体の慣性力が車両の車体挙動に悪影響を及ぼすのを防ぎつつ、車体の姿勢を制御することができる車載用フライホイール式電力貯蔵装置およびこれを用いた車両の車体姿勢制御システムが提案されている。
特開２００５−６５４１１号公報

上記特許文献１の車載用フライホイール式電力貯蔵装置では、電力貯蔵装置に車体姿勢制御機能を付与することで、車両の安全性を向上させることができるという利点を有しているが、車両の角速度を角速度センサで検知するものであるので、コストが増加するという問題があった。

この発明の目的は、車両の車体姿勢制御を行うに際し、角速度センサをなくすことが可能な車載用フライホイール式電力貯蔵装置およびこれを用いた車両姿勢制御方法を提供することにある。

この発明による車載用フライホイール式電力貯蔵装置は、回転軸と一体のフライホイールと、回転軸を非接触支持する磁気軸受と、車両を制御するデータを得るための制御手段とを備えている車載用フライホイール式電力貯蔵装置において、制御手段は、コリオリの力と磁気軸受の電磁石に作用する吸引力とを用いて車両に作用する角速度を求める角速度演算部を有していることを特徴とするものである。

車載用フライホイール式電力貯蔵装置は、充電時にはモータがフライホイールの回転数を上げることによって電気エネルギーをフライホイールの回転運動エネルギーに変換した状態で貯蔵し、また放電時にはモータを発電機として機能させることで装置外部に給電するためのものであり、この電力貯蔵装置に、車両を制御するデータを得るための制御手段が追加されている。

非接触で支持されているフライホイールは、ジャイロに用いられる機械式の回転ゴマと見なすことができる。したがって、このフライホイールの傾きを検出することにより、車両の姿勢計測を行うことが可能となる。

フライホイールは、通常、上下それぞれ２対のラジアル磁気軸受によってラジアル方向に支持されるとともに、１対のアキシアル磁気軸受によってアキシアル方向に支持される。回転軸は、各磁気軸受の電磁石に制御電流を供給することによって適正な位置に保持されて、高速回転させられる。車両の角速度は、ラジアル磁気軸受のデータを使用して求められる。

車両の角速度ωは、次の式で求めることができる。

ω＝ｋＩ^２／（２ｍΩｘ^２）
ただし、ｋ：電磁石の比例定数、Ｉ：電磁石に流れる電流、ｍ：回転体の質量、Ω：回転軸の角速度、ｘ：回転軸と電磁石とのギャップ。

ここで、回転体の質量は、回転軸およびフライホイールを含み、これらと一体となって回転するユニットの総質量を意味する。

この発明による車載用フライホイール式電力貯蔵装置を用いた車両姿勢制御方法は、回転軸と一体のフライホイールおよび回転軸を非接触支持する磁気軸受を備えている車載用フライホイール式電力貯蔵装置を使用して車両姿勢を制御する方法であって、磁気軸受における電磁石吸引力とコイル電流値との関係を求めるステップと、車両の姿勢変化に伴ってフライホイールに作用するコリオリの力と電磁石吸引力とが等しくなるように回転軸を制御するステップと、磁気軸受のコイル電流値、フライホイールの回転数、および電磁石と回転軸とのギャップから車両に加わっている角速度を求めるステップと、得られた角速度を車両制御装置に出力するステップとを備えているものである。

この発明の車載用フライホイール式電力貯蔵装置によると、電力貯蔵装置で得られているデータを使用することで、角速度センサを使用せずに姿勢計測が可能となるため、コストを抑えて、車両の安全性向上を図ることができる。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。

図１から図４までは、この発明による車載用フライホイール式電力貯蔵装置およびこれを用いた車両姿勢制御方法の１実施形態を示している。

フライホイール式電力貯蔵装置(1)は、電気自動車、ハイブリッドカー、自動走行車両などの車両の所定部（例えばエンジン室内）に搭載されるもので、図１に示すように、鉛直に配置されかつ上下に蓋が設けられた円筒状のコンテナ(2)と、コンテナ(2)内にこれと同心状に設けられた円筒状回転軸支持部(4)に回転可能に支持された鉛直状回転軸(3)と、回転軸(3)と一体に回転する円筒状フライホイール(5)と、回転軸(3)を非接触支持する複数の磁気軸受(6)(7)(8)を有する５軸制御型磁気軸受装置と、磁気軸受(6)(7)(8)の制御などを行う制御手段(9)（図２参照）とを備えている。

なお、以下の説明において、アキシアル方向（上下方向）の制御軸をｚ軸、ｚ軸に対して直交するとともに互いに直交する２つのラジアル方向（水平方向）の制御軸をそれぞれｘ軸およびｙ軸とする。

回転軸支持部(4)内には、回転軸(3)をｚ軸方向に非接触支持する制御型アキシアル磁気軸受(6)、回転軸(3)の上下２箇所をｘ軸およびｙ軸方向に非接触支持する上下２組の制御型ラジアル磁気軸受(7)(8)、回転軸(3)のアキシアル方向の位置を検出するためのアキシアルセンサユニット（図示略）、回転軸(3)の上下２箇所におけるｘ軸およびｙ軸方向の位置を検出するための上下２組のラジアルセンサユニット(10)(11)、フライホイール(5)と一体の周壁および回転軸(3)と一体の頂壁を有する円筒状ロータ(12)、ロータ(12)を高速回転させるモータのステータユニット(13)、回転軸(3)のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を制限して回転軸(3)を磁気軸受(6)(7)(8)で非接触支持できなくなったときなどに回転軸(3)を機械的に支持する上下２組のタッチダウン軸受(14)(15)、ならびに回転軸(3)の回転数および角速度を検出する回転センサ(16)が設けられている。

アキシアル磁気軸受(6)は、回転軸(3)の下端部に設けられたフランジ部(3a)をｚ軸方向の上方から臨むように配置されたアキシアル電磁石を備えており、各ラジアル磁気軸受(7)(8)は、それぞれ、回転軸(3)をｘ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石と、回転軸(3)をｙ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラジアル電磁石とを備えている。

上部および下部ラジアルセンサユニット(10)(11)は、回転軸(3)とのラジアル方向の隙間の大きさに対応した信号を出力し、これにより、回転軸(3)の上下部それぞれにおけるｘ軸方向の位置およびｙ軸方向の位置が検出される。回転軸(3)の傾きは、ラジアルセンサユニット(10)(11)で検出された回転軸(3)の上下部それぞれにおけるｘ軸方向の位置およびｙ軸方向の位置と、上部ラジアルセンサユニット(10)と下部ラジアルセンサユニット(11)との軸方向距離とから求めることができる。

上部タッチダウン軸受(14)は、回転軸(3)のラジアル方向の変位を制限しており、下部タッチダウン軸受(15)は、回転軸(3)のアキシアル方向およびラジアル方向の変位を制限している。

電力貯蔵装置が作動を停止しているときなど、回転軸(3)を磁気軸受(6)(7)(8)で非接触支持していないときには、回転軸(3)は、タッチダウン軸受(14)(15)によって機械的に支持される。そして、作動中は、アキシアルセンサユニットにより検出された回転軸(3)のｚ軸方向の位置、ならびにラジアルセンサユニット(10)(11)により検出された回転軸(3)のｘ軸およびｙ軸方向の位置に基づいて、各磁気軸受(6)(7)(8)を制御することにより、回転軸(3)がアキシアル方向およびラジアル方向の所定位置に非接触支持される。そして、このように回転軸(3)が磁気軸受(6)(7)(8)により非接触支持された状態で、モータのステータユニット(13)およびロータ(12)により回転軸(3)したがってこれと一体のフライホイール(5)が高速回転させられる。

ロータ(12)およびステータユニット(13)によって、フライホイール(5)の回転によって発電することが可能な電動モータが形成されている。電動モータには、これを電動機または発電機として切り換えるための切換装置（図示略）が接続されており、車両制御装置は、この切換装置を動作することにより、電力貯蔵装置の電力貯蔵機能を制御して車両のバッテリーシステムを管理するようになっている。そして、電力貯蔵装置(1)の充電時においては、電動モータが回転軸(3)およびフライホイール(5)を回転させることにより、モータに供給された電力（電気エネルギー）をフライホイール(5)の回転運動エネルギーに変換して蓄え、電力貯蔵装置(1)の放電時においては、回転運動エネルギーがモータにより電気エネルギー（回生電力）として取り出されて、電力貯蔵装置(1)が回生電力を車両の各部に供給するようになっている。

上記電力貯蔵装置(1)の構成は、下記に説明する制御手段(9)のソフトウェア部分以外は、従来と同じ構成となっている。

この発明による車載用フライホイール式電力貯蔵装置においては、図２に示すように、フライホイール式電力貯蔵装置(1)の制御手段(9)に、磁気軸受(6)(7)(8)を介してフライホイール(5)を制御するフライホイール制御部(21)と、電力貯蔵装置(1)内のデータを車両姿勢制御用信号としてＥＣＵ（車両制御装置）(23)に出力する車両姿勢制御部(22)とが設けられている。

ＥＣＵ(23)には、電力貯蔵装置(1)からのデータに加えて、車両に設けられた車速センサその他のセンサなどからの検出信号が適宜入力されており、ＥＣＵ(23)は、これらセンサ出力を用いてエンジン、ステアリングなどを制御するようになっている。

フライホイール制御部(21)は、回転軸(3)したがってフライホイール(5)を適正位置に保持するとともに、回転軸(3)の制御で使用されているデータを車両姿勢制御部(22)に出力している。出力されるデータには、各ラジアル磁気軸受(7)(8)の電磁石に流れる電流Ｉ、ラジアルセンサユニット(10)(11)で検出される回転軸(3)と各ラジアル磁気軸受(7)(8)の電磁石とのギャップｘ、および回転センサ(16)で検出される回転軸(3)の角速度Ωが少なくとも含まれている。

磁気軸受(6)(7)(8)によって非接触で支持されている回転軸(3)およびフライホイール(5)は、ジャイロに用いられる機械式の回転ゴマと見なすことができる。これに着目すると、フライホイール(5)の傾きを検出することで、車両の姿勢計測を行うことが可能となる。

すなわち、図３に示すように、車両が角速度ωでｚ軸回りに回転運動をするととともに、ロータ（ここでは、回転軸(3)、フライホイール(5)、モータのロータ(12)を含む「回転ユニット」を意味する。）が回転速度Ωでｚ軸回りに回転すると、ロータには、コリオリの力が作用する。コリオリの力の大きさＦは、ｍをロータの質量として、次式で表すことができる。

Ｆ＝２ｍωΩ … （１）
一方、磁気軸受(7)(8)の電磁石に作用する吸引力Ｆｃは、電磁石に流れる電流をＩ、電磁石の比例定数をｋ、回転軸(3)と電磁石とのギャップをｘとして、次式で表される。

Ｆｃ＝ｋ（Ｉ／ｘ）^２ … （２）
したがって、これらの力が釣り合う（Ｆ＝Ｆｃ）とすると、車両の角速度が次式で求まる。

ω＝ｋＩ^２／（２ｍΩｘ^２） … （３）
そこで、図２に示すように、車両姿勢制御部(22)には、電磁石の比例定数ｋおよびロータの質量ｍが設定可能な記憶部(24)が設けられているとともに、上記の式（３）を蓄えた角速度演算部(25)が設けられており、角速度演算部(25)において、式（３）により車両の角速度ωが求められている。得られた角速度ωは、ＥＣＵ(23)に送られて、車両姿勢制御用信号として利用される。

上記の制御手段(9)を備えた車載用フライホイール式電力貯蔵装置(1)を使用すると、車両の姿勢を次のようにして制御することができる。

図４に示すように、まず、ラジアル磁気軸受（図では「ラジアルＡＭＢ」と表す。）(7)(8)において、コイル電流値に対するラジアルＡＭＢ(7)(8)の吸引力を予め設定しておく（ステップ１(S1)）。次いで、車両が走行するのに伴って、回転軸(3)およびフライホイール(5)を駆動させる（ステップ２(S2)）。この状態で、車両の姿勢変化がセンサユニット(10)(11)によって検知されると（ステップ３(S3)）、ラジアルＡＭＢ(7)(8)のコイル電流を制御して、回転軸(3)およびフライホイール(5)を適正位置に保持する（ステップ４(S4)）。これと平行して、上記式（３）を用いて、車両の角速度ωを計算する（ステップ５(S5)）。次いで、得られた角速度を車両姿勢安定化信号としてＥＣＵ（車両制御装置）(23)に出力する（ステップ６(S6)）。こうして、ソフトウェア（演算部）の追加だけで、角速度センサを使用せずに、車両の車体姿勢制御を行うことができる。

なお、図１に示したフライホイール式電力貯蔵装置(1)は、一例であり、フライホイールの形状や磁気軸受装置の構成は、種々変更可能である。また、図２に示した制御手段(9)は、車両姿勢の制御に係る部分を抜き出したものであり、図示した以外の制御部を含んでよく、この制御部の構成も種々のものが可能である。

図１は、この発明による車載用フライホイール式電力貯蔵装置を概略的に示す垂直断面図である。 図２は、この発明による車載用フライホイール式電力貯蔵装置およびこれを用いた車両姿勢制御方法の要部を示すブロック図である。 図３は、この発明による車載用フライホイール式電力貯蔵装置およびこれを用いた車両姿勢制御方法で用いられている原理を模式的に示す図である。 図４は、この発明による車載用フライホイール式電力貯蔵装置を用いた車両姿勢制御方法の主な動作を示すフローチャートである。

符号の説明

(1) フライホイール式電力貯蔵装置
(3) 回転軸
(9) 制御手段
(6) アキシアル磁気軸受
(7)(8) ラジアル磁気軸受
(23) ＥＣＵ（車両制御装置）
(25) 角速度演算部

Claims (3)

1. 回転軸と一体のフライホイールと、回転軸を非接触支持する磁気軸受と、車両を制御するデータを得るための制御手段とを備えている車載用フライホイール式電力貯蔵装置において、制御手段は、コリオリの力と磁気軸受の電磁石に作用する吸引力とを用いて車両に作用する角速度を求める角速度演算部を有していることを特徴とする車載用フライホイール式電力貯蔵装置。
2. 角速度ωは、次の式で求められている請求項１の車載用フライホイール式電力貯蔵装置。
   ω＝ｋＩ^２／（２ｍΩｘ^２）
   ただし、ｋ：電磁石の比例定数、Ｉ：電磁石に流れる電流、ｍ：回転体（回転軸およびフライホイールを含む）の質量、Ω：回転軸の角速度、ｘ：回転軸と電磁石とのギャップ
3. 回転軸と一体のフライホイールおよび回転軸を非接触支持する磁気軸受を備えている車載用フライホイール式電力貯蔵装置を使用して車両姿勢を制御する方法であって、
   磁気軸受における電磁石吸引力とコイル電流値との関係を求めるステップと、車両の姿勢変化に伴ってフライホイールに作用するコリオリの力と電磁石吸引力とが等しくなるように回転軸を制御するステップと、磁気軸受のコイル電流値、フライホイールの回転数、および電磁石と回転軸とのギャップから車両に加わっている角速度を求めるステップと、得られた角速度を車両制御装置に出力するステップとを備えている、車載用フライホイール式電力貯蔵装置を用いた車両姿勢制御方法。

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