JP2013093955A - モータ駆動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】減速走行時の車両の運動エネルギーを効率的に回収でき、もって車両全体のエネルギー効率を向上できるモータ駆動車両を提供する。
【解決手段】車両の従動輪９の差動装置１１に第１クラッチ２６を介してフライホイール２４ａの入力軸２４ｂを連結し、フライホイール２４ａの出力軸２４ｃに第２クラッチ２７を介して発電機２８を連結し、車両の制動を要する減速走行時に第１クラッチ２６側を接続して、従動輪９の回転を第１クラッチ２６からフライホイール２４ａに伝達して増速回転させ、その後の車両加速などに際したモータの力行運転時には、第２クラッチ２７側を接続してフライホイール２４ａにより発電機２８を駆動し、その発電電力をモータ２に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明はモータ駆動車両に係り、詳しくは減速走行時の運動エネルギーをフライホイールに回収する機能を備えたモータ駆動車両に関する。

車両の減速走行時や降坂路など（以下、これらを減速走行時と総称する）には、速度調整のためにブレーキ（エンジンブレーキ、モータ回生、フットブレーキなど）による制動力を作用させる必要があり、車両の運動エネルギーがブレーキにより無駄に消費されることから、このときのエネルギー損失を抑制するための種々の対策が実施されている。その一例としては、減速走行時の車両の運動エネルギーをフライホイールに回収する技術を挙げることができる（例えば、特許文献１参照）。
当該特許文献１に記載されたハイブリッド車両では、減速走行時の車両の運動エネルギーをフライホイールに回転エネルギーとして蓄えておき、車両の加速走行や定速走行に際してモータを力行運転させるときに、フライホイールの回転エネルギーを遊星歯車機構を介して駆動輪側に伝達し、これによりバッテリの電力消費を低減している。

特開２０１０−２２１９０６号公報

しかしながら、駆動輪の回転速度は車速に応じて常に変化しているため、上記特許文献１の技術のようにフライホイールと駆動輪を機械的に連結して回転伝達する場合には、フライホイールと駆動輪との間に遊星歯車機構を設けて変速比を常に調整する必要が生じ、結果として伝達損失により効率が低下して車両の運動エネルギーを効率的に回収できなかった。よって、バッテリの電力消費の低減に役立てるには限界があり、従来からより抜本的な対策が望まれていた。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、減速走行時の車両の運動エネルギーを効率的に回収でき、もって車両全体のエネルギー効率を向上させることができるモータ駆動車両を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、バッテリから電力を供給される電動機により回転駆動されて回転力を駆動輪に伝達する車両の駆動軸と、車両の従動輪の回転力が伝達される従動軸と、従動軸に第１クラッチを介して入力軸が連結され、第１クラッチが接続されたときに従動軸の回転エネルギーが伝達されるフライホイールと、フライホイールの出力軸に第２クラッチを介して連結され、第２クラッチが接続されたときにフライホイールの回転エネルギーが伝達されて発電する発電機と、発電機から出力される発電電力を車両が力行運転するときの駆動電力として電動機に供給する電力制御手段とを備えたものである。

請求項２の発明は、請求項１において、第１クラッチ及び第２クラッチを制御するクラッチ制御手段を備え、クラッチ制御手段が、車両の走行中に制動を要するときに、第１クラッチを接続状態にすると共に、第２クラッチを切断状態にするものである。
請求項３の発明は、請求項１または２において、クラッチ制御手段が、発電機を力行運転させるときに、第１クラッチを切断状態にすると共に、第２クラッチを接続状態にするものである。

以上説明したように請求項１の発明のモータ駆動車両によれば、バッテリに蓄電された電力を電動機に供給して車両の駆動輪を駆動する一方、車両の従動軸に第１クラッチを介してフライホイールの入力軸を連結し、フライホイールの出力軸に第２クラッチを介して発電機を連結し、フライホイールの駆動により発電機から出力される発電電力を電動機に供給するようにした。従って、第２クラッチを切断状態のまま第１クラッチを接続状態にすると、従動軸の回転が第１クラッチを介してフライホイールに伝達され、フライホイールは増速回転されて運動エネルギーを蓄える。また、この状態から第１クラッチを切断して第２クラッチを接続状態にすると、フライホイールの回転は第２クラッチを介して発電機に伝達され、その発電電力が電動機に供給される。

よって、車両の運動エネルギーが一時的にフライホイールに蓄えられた後に発電機の駆動に用いられ、発電電力の供給分だけ電動機を運転するためのバッテリ消費を低減することができる。そして、フライホイールにより駆動される発電機は、フライホイール側から伝達される駆動力に応じて回転するだけであり、フライホイールと発電機との間で変速比を調整する（例えば特許文献１の技術）ような必要はない。よって、変速比調整のための伝達損失を未然に抑制でき、車両の運動エネルギーを効率的に回収して車両全体のエネルギー効率を向上させることができる。

請求項２の発明のモータ駆動車両によれば、請求項１に加えて、車両の走行中に制動を要するときに、クラッチ制御手段により第１クラッチを接続状態にすると共に第２クラッチを切断状態にするようにした。
従って、発電機を停止させたままフライホイールのみを回転させることができ、結果として発電機が負荷とならずに、効率的に従動軸の回転エネルギー（車両の運動エネルギー）をフライホイールに回収することができる。
請求項３の発明のモータ駆動車両によれば、請求項１または２に加えて、発電機を力行運転させるときに、クラッチ制御手段により第１クラッチを切断状態にすると共に第２クラッチを接続状態にするようにした。
従って、従動軸とは関係なくフライホイールにより発電機を駆動でき、結果として従動軸が負荷とならずに効率的に発電を行い、発電電力を電動機に供給することができる。

実施形態のハイブリッド車両を示す全体構成図である。

以下、本発明のモータ駆動車両をハイブリッド車両として具体化した一実施形態を説明する。
例えばハイブリッド車両はトラックとして構成されており、図１の全体構成図に示すように、走行用動力源としてディーゼルエンジン（以下、エンジンという）１、及び例えば永久磁石式同期電動機のように発電も可能なモータ２(電動機)が搭載されている。エンジン１の出力軸１ａにはクラッチ３の入力側が連結されており、クラッチ３の出力側にモータ２の回転軸を介して変速機４の入力軸が連結されている。変速機４の出力軸は、プロペラシャフト５、差動装置６及び左右の駆動軸７を介してそれぞれ駆動輪８に連結されている。

従って、クラッチ３の接続時には、エンジン１の出力軸１ａとモータ２の回転軸の両方が変速機４を介して駆動輪８と機械的に接続され、エンジン１の駆動力、或いはエンジン１及びモータ２の駆動力が変速機４による変速後に駆動輪８に伝達される。また、クラッチ３が切断されているときには、モータ２の回転軸のみが変速機４を介して駆動輪８と機械的に接続され、モータ２の駆動力が変速機４による変速後に駆動輪８に伝達される。
但し、車両の動力伝達系の構成はこれに限ることはなく、任意に変更可能である。例えばモータ２をエンジン１とクラッチ３との間に配置したり、或いはモータ２を変速機４の出力側に配置したりしてもよい。
本実施形態のトラックは、駆動輪８の後側に左右一対の従動輪９を備えた後２軸式として構成されている。これらの従動輪９は左右の従動軸１０（所謂リアデッド軸）にそれぞれ連結され、両従動軸１０の間には車両旋回時の内外回転差を吸収するための差動装置１１が設けられている。従って、従動輪９はエンジン１やモータ２により駆動力を発生することなく、専ら荷台に搭載される積載物の重量を負担する役割を果たす。

本実施形態では変速機４として、手動の機械式変速機をベースとしてアクチュエータにより変速段を切り換える自動変速機が採用され、それに伴いクラッチ３もアクチュエータにより自動的に断接操作されるようになっている。但し、変速機４及びクラッチ３の形式はこれに限定されることなく、例えばトルクコンバータ式の自動変速機や無段変速機（ＣＶＴ）、或いは手動式の変速機及びクラッチを用いてもよい。
エンジン１及びモータ２の運転、クラッチ３の断接操作、変速機４の変速操作などは、ＥＣＵ２１により統合制御される。このためにＥＣＵ２１には、エンジン１の図示しない燃料噴射弁や燃料噴射ポンプ、走行用のバッテリ２２、モータ２の力行運転や回生運転のためにモータ２とバッテリ２２との間で電力制御を行うインバータ２３、変速機４及びクラッチ３を操作するための図示しないアクチュエータ、及び各種センサ類などが接続されている。

ＥＣＵ２１は運転者のアクセル操作量や車速などから求めた要求トルクをエンジン１側及びモータ２側に割り当て、それぞれの要求トルクを達成すべくエンジン１及びモータ２を制御する。例えばアクセルオフによる車両の減速走行時には要求トルクに基づきモータ２を回生運転させ、駆動輪８側から伝達される駆動力によりモータ２を駆動して発電電力をバッテリ１２に充電し、これと並行して運転者によるフットブレーキ操作が必要に応じて行われる。
特許文献１の技術では、このような車両の減速走行時に車両の運動エネルギーをフライホイールに回転エネルギーとして蓄えておき、その後のモータの力行運転時に、フライホイールの回転エネルギーを駆動輪側に伝達してバッテリの消費電力低減を図っている。しかし、フライホイールと駆動輪を機械的に連結して回転伝達しているため、遊星歯車機構を設けて変速比を常に調整する必要が生じ、その伝達損失により効率が低下するという問題がある。
そこで、本実施形態では、フライホイールと駆動輪８とを機械的に連結することなく、フライホイールの回転エネルギーにより駆動輪８を駆動可能として上記不具合を解消しており、以下、当該対策について詳述する。

このような対策を実現するために、本実施形態では、従動軸１０の差動装置１１の後側にフライホイール装置２４を配設している。なお、差動装置１１の後側位置は一般的に燃料タンク等の装備類が搭載されることはほとんどなく、車体上の他の部位に比較して設置スペースを確保し易いことから、フライホイール装置２４の設置による弊害はない。
従動軸１０の差動装置１１には伝達軸２５が後方に突出するように設けられ、この伝達軸２５には第１クラッチ２６の入力側が連結されている。第１クラッチ２６の出力側にはフライホイール装置２４の入力軸２４ｂが連結され、入力軸２４ｂはフライホイール装置２４の内部において図示しない所定増速比の増速機構を介してフライホイール２４ａが連結されている。従って、車両走行時において従動輪９の回転は、第１クラッチ２６の切断時にはフライホイール２４ａ側に伝達されず、第１クラッチ２６の接続時には、第１クラッチ２６を介してフライホイール２４ａ側に伝達され、当該フライホイール２４ａを増速回転させる。

また、フライホイール装置２４の内部においてフライホイール２４ａには図示しない所定減速比の減速機構を介して出力軸２４ｃが連結され、出力軸２４ｃはフライホイール装置２４の右側面に突出している。出力軸２４ｃには第２クラッチ２７の入力側が連結され、第２クラッチ２７の出力側には発電機２８が連結されている。発電機２８はインバータ２３に電気的に接続され、発電機２８により発電された電力がインバータ２３を介してモータ２に供給されるようになっている。従って、第２クラッチ２７の切断時には、フライホイール２４ａの回転が発電機２８側に伝達されず、第２クラッチ２７の接続時には、フライホイール２４ａの回転が発電機２８側に伝達されて、発電電力がインバータ２３を介してモータ２に供給される。
これらの第１及び第２クラッチ２６，２７は図示しないアクチュエータにより断接操作される。各アクチュエータ及び上記発電機２８はＥＣＵ２１に接続され、ＥＣＵ２１からの駆動信号に基づき第１及び第２クラッチ２６，２７の断接操作、或いは発電機２８の発電制御が実行される（クラッチ制御手段）。
なお、フライホイール装置２４の増速機構は、限られたフライホイール質量の下で可能な限り大きな回転エネルギーを蓄えるための対策であり、減速機構は、発電効率の良好な回転域で発電機２８を作動させるための対策である。但し、これらの増速機構及び減速機構は必ずしも設ける必要はなく、これらの機構の両方或いは何れか一方を省略してもよい。

次に、以上のように構成されたハイブリッド車両の作用、特に車両の減速走行時及びその後の加速走行時や定速走行時の作用を説明する。
通常走行時において、ＥＣＵ２１は第１及び第２クラッチ２６，２７を切断状態に保持している。従って、フライホイール２４ａは従動輪９側から回転伝達されることなく、停止または前回増速時のエネルギー残存分により惰性回転している。また発電機２８はフライホイール２４ａ側から回転伝達されることなく停止し、その発電を中止している。
そして、車両の制動を要する減速走行時（減速走行に加えて降坂路なども含む）には、ＥＣＵ２１はモータ２を回生運転させて発電電流をバッテリ２２に充電する。このときのモータ２の回生量ひいては回生運転による制動力は、負側に設定された要求トルクを達成すべく駆動輪８のスリップを誘発しない範囲で制御される。

このために車両の減速走行が開始されると、ＥＣＵ２１はモータ２を回生運転させて発電電力をバッテリ２２に充電させる一方で、アクチュエータにより第２クラッチ２７を切断状態に保持し、第１クラッチ２６を接続状態に切り換える。従動輪９の回転は従動軸１０、差動装置１１、伝達軸２５、第１クラッチ２６、入力軸２４ｂ及び増速機構を介してフライホイール２４ａに伝達され、当該フライホイール２４ａを増速回転させる。このとき第２クラッチ２６が切断されているため、発電機２８を停止させたままフライホイール２４ａのみを回転でき、結果として発電機２８が負荷とならずに、効率的に従動輪９の回転エネルギー（車両の運動エネルギー）をフライホイール２４ａに回収できる。
そして、フライホイール２４ａの回転速度は第１クラッチ２６の半クラッチ中は増加し、クラッチ完接後は車速と共に変化する（減速時には回転低下）。そこで、ＥＣＵ２１は適切なタイミング、例えば第１クラッチ２６が半クラッチを経て完全に接続されたタイミングで第１クラッチ２６を切断状態に切り換える。これによりフライホイール２４ａは従動輪９側から切り離されて、第１クラッチ２６を完接した時点の回転速度をほぼ保ちながら惰性回転し続ける。

減速走行を終えて車両が加速走行或いは定速走行に移行し、モータ２を力行運転させる必要が生じたとき、ＥＣＵ２１はバッテリ２２の電力によりモータ２を力行運転させる一方で、アクチュエータにより第１クラッチ２６を切断状態に保持し、第２クラッチ２７を接続状態に切り換える。フライホイール２４ａの回転は減速機構、出力軸２４ｃ及び第２クラッチ２７を介して発電機２８に伝達され、当該発電機２８が駆動されてその発電電力が補助駆動電力としてインバータ２３を介してモータ２に供給される（電力制御手段）。このとき第１クラッチ２６が切断されているため、従動軸１０とは関係なくフライホイール２４ａにより発電機２８を駆動でき、従動軸１０が負荷とならずに効率的に発電を行うことができる。
モータ２の力行量ひいては力行運転による駆動力は、正側に設定された要求トルクを達成すべく制御されるが、本実施形態では要求トルク達成のために必要な全体の電力を確保しつつ、発電機２８の発電により供給される電力分だけバッテリ２２からの電力供給を減少させている。

そして、例えば車両の加速終了や車両をエンジン走行に切り換えるなどによりモータ２の力行運転が必要なくなったとき、ＥＣＵ２１は第２クラッチ２７を切断状態に切り換えて発電機２８の発電を中止させる。また、回転エネルギーの消費によりフライホイール２４ａが回転低下して発電機２８を駆動できなくなったときにも、ＥＣＵ２１は第２クラッチ２７を切断状態に切り換える。これによりフライホイール２４ａは発電機２８側から切り離され、上記した通常走行時の状態に復帰する。
以上のようにして車両の減速走行時の運動エネルギーを一時的にフライホイール２４ａに蓄え、その後の加速走行或いは定速走行によりモータを力行運転させる必要が生じたときに、フライホイール２４ａの回転エネルギーにより発電機２８を駆動して発電電力をモータ２に供給している。従って、発電機２８からの発電電力の供給分だけ、モータ２を力行運転させるときのバッテリ電力の消費を低減できる。この要因は、バッテリ充電のためのエンジン運転の頻度を低下させることにつながるため、結果としてエンジン１の燃料消費量やエミッション排出量を低減できるという効果が得られる。

そして、フライホイール２４ａにより駆動される発電機２８は、フライホイール２４ａ側から伝達される駆動力に応じて回転するだけであり、フライホイール２４ａと発電機２８との間の減速機構の減速比を調整する必要がないし、上記したように減速機構を省略してフライホイール２４ａと発電機２８とを直結しても何ら問題はない。
即ち、フライホイール２４ａと駆動輪８を機械的に連結して回転伝達する特許文献１の技術のように、車速変化に応じて常に遊星歯車機構の変速比を調整することにより伝達損失が増大してしまう虞は一切ない。よって、本実施形態のハイブリッド車両によれば、減速走行時の車両の運動エネルギーを効率的に回収でき、もって車両全体のエネルギー効率を向上させることができる。

また、フライホイール装置２４によるエネルギー回収を車両の駆動輪８からではなく従動輪９から行っており、これにより車両の減速走行時に一層大きな運動エネルギーを回収することができる。
即ち、車両の減速や降坂路の勾配が急になるほどモータ２の回生量を増加させて大きな回生発電量が得られるが、その上限はバッテリ２２の充電状態や駆動輪８のスリップにより制限されるため、減速走行時の車両の運動エネルギーの一部しか回収できない場合も多い。従動輪９側にフライホイール装置２４を設けて運動エネルギーを回収すれば、その分だけ駆動輪８側からのモータ回生量を減少できるため、結果としてモータ２の回生運転及びフライホイール２４ａのエネルギー回収による全体的な運動エネルギーの回収量を増加でき、もって車両のエネルギー効率を一層向上させることができる。

また、駆動輪８にスリップが生じない領域においても、フライホイール２４ａによるエネルギー回収は効率向上に貢献する。即ち、モータ２の回生運転によるエネルギー回収では、車両の減速走行時にバッテリ２２を充電させ、その後の加速走行時にはバッテリ２２を放電させるため、充電損失及び放電損失が生じる。これに対してフライホイール２４ａによるエネルギー回収では、フライホイール２４ａの回転に起因する回転損失及び発電機２８の発電による発電損失が生じる。
両者を比較した場合、一般に知られているようにバッテリ２２の充放電時の損失の方が大であるため、結果として運動エネルギーの回収を部分的にフライホイール２４ａで行えば、エネルギー回収時の損失を低減でき、もって全体のエネルギー効率を向上させることができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態ではエンジン１及びモータ２を備えたハイブリッド型トラックに具体化したが、走行用動力源としてモータ２を搭載していれば、エンジン１は必ずしも備える必要はない。よって、走行用動力源としてモータ２のみを備えた電気自動車に具体化してもよい。この場合でも重複する説明はしないが、フライホイール２４ａ及び発電機２８により上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、上記実施形態では車両を後２軸式のトラックとして構成し、駆動輪８の後側の従動輪９にフライホイール装置２４を設けたが、車両の種別はこれに限るものではなく、バスや作業車両、或いは乗用車などに適用してもよい。これらの場合でも車両の従動輪にフライホイール装置２４を設ければよく、例えば後輪駆動のバスでは前輪に、前輪駆動の乗用車では後輪にフライホイール装置２４を設ければよい。

１ エンジン
２ モータ
４ 変速機
７ 駆動軸
８ 駆動輪
９ 従動輪
１０ 従動軸
２１ ＥＣＵ（電力制御手段）
２２ バッテリ
２４ａ フライホイール
２４ｂ 入力軸
２４ｃ 出力軸
２６ 第１クラッチ
２７ 第２クラッチ
２８ 発電機

Claims (3)

1. バッテリから電力を供給される電動機により回転駆動されて回転力を駆動輪に伝達する車両の駆動軸と、
   上記車両の従動輪の回転力が伝達される従動軸と、
   上記従動軸に第１クラッチを介して入力軸が連結され、当該第１クラッチが接続されたときに上記従動軸の回転エネルギーが伝達されるフライホイールと、
   上記フライホイールの出力軸に第２クラッチを介して連結され、当該第２クラッチが接続されたときに上記フライホイールの回転エネルギーが伝達されて発電する発電機と、
   上記発電機から出力される発電電力を上記車両が力行運転するときの駆動電力として上記電動機に供給する電力制御手段と
   を備えたことを特徴とするモータ駆動車両。
2. 上記第１クラッチ及び上記第２クラッチを制御するクラッチ制御手段を備え、
   上記クラッチ制御手段は、上記車両の走行中に制動を要するときに、上記第１クラッチを接続状態にすると共に、上記第２クラッチを切断状態にすることを特徴とする請求項１記載のモータ駆動車両。
3. 上記クラッチ制御手段は、上記発電機を力行運転させるときに、上記第１クラッチを切断状態にすると共に、上記第２クラッチを接続状態にすることを特徴とする請求項１または２記載のモータ駆動車両。

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