JP4160022B2 - フライホイール蓄電装置 - Google Patents
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Description
尚、インバータ121は内部にスイッチング素子の切り替え用のゲート回路を含んでおり、制御装置111から出力される動作指示信号によって制御される。また、上述したインバータ121の交流出力端Toa側の回路において、「///」は、三相回路を示す。
先ず、ハイブリッドカーの加速時には、図6(a)におけるバッテリ104からM/G106への電力供給経路により、主たる電力が伝達される。すなわち、バッテリ104から出力された直流電力は回生コンバータ105によって交流電力に変換され、M/G106に供給される。この後、回生コンバータ105内部において、制御装置111の指示に基づいて、インバータ121が回生コンバータ105の交流側端子Tacにおける交流電圧より振幅が大きく、且つ、位相の進んだ電圧を交流出力端Toaに発生させることにより、インダクタンス122にかかる交流電圧と逆向きの電流が流れる。つまり、この後も、バッテリ104から出力された直流電力が回生コンバータ105によって交流電力に変換されて、M/G106への電力の供給が継続され、駆動輪Wが駆動される。
また、運転者により急加速が指示された場合、図6(a)における全てのM/G106への電力供給経路によって電力の伝達が行われる。すなわち、制御装置111の指示に基づいて、ECU112によって、エンジン101が始動して、発電機102によって交流電力が発電され、コンバータ103によって直流電力に変換される。そして、上述した動作により、コンバータ103から出力される直流電力と、前述したバッテリ104から出力される直流電力とが、回生コンバータ105によって交流電力に変換されて、M/G106へ供給され、駆動輪Wが駆動される。
以上の動作により、エンジンを効率よく使用でき、また、回生制動により制動時の運動エネルギーを回収して、次の加速時にリサイクルでき、燃費向上を図ることができる。
請求項1に係る発明は、内燃機関と共に電動機を駆動源とするハイブリッド自動車もしくはハイブリッド鉄道車両である移動体に搭載され、フライホイールと、前記フライホイールの回転軸に結合された電動発電機と、前記電動機と前記電動発電機との電力の授受の仲立ちをする電力伝達手段と、前記電力伝達手段を制御する制御手段と、を備えたフライホイール蓄電装置であって、前記制御手段が、前記移動体の停止中、または前記フライホイールの回転数が前記フライホイールの最低運転回転数を下回った場合に電力伝達手段から前記電動発電機へ電力を供給させる電力供給指示手段と、予め設定された所定の停車時間から発進時間を予測する第1の予測手段と、を備え、前記電力供給指示手段が、前記第1の予測手段により予測された発進時間迄に前記フライホイールの回転数が前記フライホイールの予め選定された最高運転回転数になるように前記電力伝達手段に指示を行うことを特徴とする。
この発明によれば、フライホイール蓄電装置が、移動体の停止中に電動発電機に電力が供給され、フライホイールに該エネルギーが蓄積されるため、移動体が次に発進する際に必要なエネルギーをフライホイールに用意しておくことができる。また、フライホイールの回転数が最低運転回転数を下回った場合に電動発電機に電力を供給して、該フライホイールを可能な限り低い回転数にて使用することができるので、回転数に比例して増大する定常損失を低減することができる。
この発明によれば、フライホイール蓄電装置が、移動体の停止中に電動発電機に電力が供給され、フライホイールに該エネルギーが蓄積されるため、移動体が次に発進する際に必要なエネルギーをフライホイールに用意しておくことができる。また、フライホイールの回転数が最低運転回転数を下回った場合に電動発電機に電力を供給して、該フライホイールを可能な限り低い回転数にて使用することができるので、回転数に比例して増大する定常損失を低減することができる。
また、この発明によれば、フライホイール蓄電装置が、第2の予測手段によって、停車時間を過去の実績の平均値から予測するので、該停車時間の予測の精度を向上させることができる。
この発明によれば、フライホイール蓄電装置が、ユーザが設定したハイブリッド車両の種々の運転モードに応じて、該車両の動力を補助するためのエネルギーの量を変更できるので、例えば、ユーザが力強い走りを実現するモードを設定したり、燃費を重視した走りを実現するモードを設定したりして、それらのモードに応じた動力の補助を行うことができる。
この発明によれば、上述した、各運転モードをユーザがスイッチ等により設定するのではなく、制御装置の運転回転数領域変更手段が車両のアクセル開度やフライホールの回転数に応じて設定するので、ユーザが、アクセルワークのみによって、どの運転モードにて運転を行いたいかを指示することができる。
また、本発明によれば、運転状況に応じてユーザが設定した各運転モードの設定に応じて最高運転回転数、最低運転回転数を変更し、また、アクセル開度やフライホイール回転数を下に自動的に切替えるようにしたので、あらゆる運転状況においても、定常損失を最小にすることができ、高いエネルギー効率が得られる効果がある。
図1(a)は本発明の一実施形態によるハイブリッドカーの構成を示す図である。この図において、ハイブリッドカーは、フライホイール蓄電装置1(以下、F/Wという)と、エンジン101と、動力伝達機構107と、M/G108(電動機)と、回生コンバータ109(電力伝達手段)と、オートマティックトランスミッション(以下、A/Tという)110と、ECU112と、アクセル113と、ブレーキ114と、制御装置115(制御手段)(電力供給指示手段)(第1の予測手段)(第2の予測手段)(運転回転数領域変更手段)と、駆動輪Wと、デフDとから構成される。動力伝達機構107は、例えば、摩擦クラッチや電磁クラッチからなる。M/G108は、例えば、誘導モータから構成され、M/G106と同等の動作を行う。A/T110は内部に図示しないクラッチを有している。
以上のように、このハイブリッドカーはFF(Front-Engine Front-Drive)形式のパワートレインを用いたパラレルハイブリッド形式の構成にF/Wが付加される構成になっている。
尚、インバータ121およびインバータ131は内部にスイッチング素子の切り替え用のゲート回路を含んでおり、制御装置115から出力される動作指示信号によって、それぞれ制御される。また、上述したインバータ121の交流出力端Toa側およびインバータ131の交流出力端Toaa側の回路において、「///」は、三相回路を示す。
尚、回転軸22は、F/Wが搭載される車両の車軸とは結合されず、両者は独立して回転する。
尚、回転検出装置48は、回転体18の回転数であるF/Wの回転数Nを外部に出力する。
以上より、制御装置115により行われる、回生コンバータ109の端子Taにおける電力の伝達の可否および伝達方向の制御に基づいて、F/Wは回生コンバータ109と電力の伝達を行うことになる。
尚、潤滑のために使用されるオイルの経路等については、図示を省略している。
先ず、ハイブリッドカーの加速時には、図1(a)に示すように、動力伝達機構107が接続され、一般の自動車と同様に、エンジン101がA/T110およびデフDを介して駆動輪Wを駆動する。このとき、F/W内の回転体18の回転エネルギーが電動機35によって電気エネルギーに変換され、巻線39から該電気エネルギーが取り出され、回生コンバータ109の端子Tbに出力される。
尚、M/G108は、界磁の励磁電流を停止し、回転子がフリーな状態にする。
以上のような定義より、基底回転数N2から最高回転数N3をF/Wの運転領域といい、これは、許容最低回転数N1から許容最高回転数N4の範囲内に選定すべきものとなる。
F/Wは、バッテリ等の電池とは異なり、前述したような定常損失が大きく、それがために、時間が経過するだけでも蓄積しているエネルギーが減っていくという性質がある。また、この定常損失は、F/Wの回転数Nに比例して増大するので、F/Wの充電を行ったら、すぐに、制御装置115により、回生コンバータ109を端子Tbから端子Taへ電力の伝達を行うように制御して、回生コンバータ109がF/Wから電力を入力するようにすることにより、回転体18に蓄積されたエネルギーを取り出し(以下、放電という)、F/Wから放電していないときは、できるだけF/Wの回転数Nを低く保つことが望ましい。
上記のように、できるだけF/Wの回転数Nを低く保つことによって、定常損失を低くすることができるとともに、エネルギー効率を高めることができる。そのため、F/Wにおいては、定常損失を極力小さくするような運転制御が行われることが望まれることになる。
先ず、ハイブリッドカーのキーによってエンジン101が始動される。ここで、発進直前までに、A/T110がニュートラルにされ、動力伝達機構107が接続されて、回生コンバータ109が端子Taから端子Tbに電力の伝達を行うように制御される。そして、エンジン101の出力回転によって、M/G108にて発電された電力が回生コンバータ109を介してF/W内の電動機35に供給されて、F/Wの回転数Nが、回転体18の最高回転数N3になるまで充電が行われる。以下、図4に示すフローチャートにより、F/Wの定常損失を低減する制御の動作が行われる。この動作は、制御装置に組み込まれたソフトウェアによって、所定のサンプリング周期にて定期的に呼び出されて、1サンプリング周期毎に「スタート」から開始して、「終了」にて終了する。そして、前述したサンプリング周期にて、該フローチャートによる動作が「スタート」から再び開始される。
一方、ステップS3における判断が「NO」であった場合、前述したように、回転体18の回転軸22の回転数が低いために、回転体18の軸受けである上軸受ユニット25および下軸受ユニット30を損傷させないために、回生コンバータ109内のインバータ121および131のスイッチング素子を全てOFFにして、回生コンバータ109の端子TaとTbとの間の電力の伝達を停止することにより、F/WからM/G108への放電が停止されて、該フローチャートによる動作が終了される。
尚、パターン走行とは、電車やバス等を想定した運転パターンによる走行である。すなわち、一定時間だけ決められた最高速度付近で走り、一定時間だけ停止することを繰り返すパターンによる走行である。この場合、走行時間、停車時間が在る程度決まっているため、加速時にF/Wの蓄積エネルギーの殆どを放電し、停止したら充電を開始し、発進までに充電を終了させるようにすることにより、F/Wの定常損失を最小にできる。
尚、市街地走行においては、等速走行、コーナリング時の減速、加速、および、信号待ちの停止等が想定される。
尚、郊外もしくは高速道路走行においては、加減速が殆どなく、F/Wは殆ど利用されず、基底回転数N2をキープするような制御が行われる。
この場合、上記の各運転モードにて、切替スイッチの状態に応じて、以下のようにF/Wの動作が行われる。
この場合、基底回転数N2が高めに設定されるので、追い越し加速の際にも十分なエネルギーを供給できるようになる。
このモードにおいては、あまりスピードを出さない運転が続く場合に、最初の加速が完了した後にF/Wに余分なエネルギーが残り、該エネルギーによるF/Wの回転数の増加による定常損失の増大を抑制することができるようになる。
例えば、F/Wの現状の回転における最低値を予め定められた時間間隔にてメモリに記憶しておき、基底回転数N2まで下がらない状態が続いた場合、最高回転数N3を自動的に下げることにより、エコノミーモードに移行する。逆に、アクセル間度が大きい運転が続いた場合、基底回転数N2および最高回転数N3の値を自動的に上げて、パワーモードに移行する。また、加減速頻度を観測し、該加減速頻度が低い場合、基底回転数N2を自動的に下げてハイウェイモードに移行する。
このモードにおいては、ハイブリッドカーが停止していて、F/Wによる動力の補助を全く必要としないときに、F/Wの回転を停止させて、ただF/Wが回転しているだけで失われるエネルギーである定常損失を減少させることができる。
尚、休止モードおよび自動休止モードのON/OFFは、ユーザが運転席に備えられた休止モードON/OFFスイッチおよび自動休止モードON/OFFスイッチによってなされるようになっている。
2 ケーシング
3 上側壁
4 上鏡板
5、8 軸受取付け用孔
6 下鏡板
7、32 連通孔
9 下側壁
10 底板
11 減圧室
12 オイル室
13 オイル
18 回転体
19 本体部
20 大径部
21 小径部
22 回転軸
23 上軸
24 下軸
25 上軸受ユニット
26、31 ベース
27、33 軸挿入用孔
28 ころ軸受
29 緊急タッチアップ用軸受
30 下軸受ユニット
34 アンギュラ玉軸受
35 電動機(電動発電機)
36 ステーター
37 支持軸
38 鉄心
39 巻線
40 上側コイル出部分
41 逃げ
42 ローター
43 永久磁石
47 荷重軽減装置
48 回転検出装置
101 エンジン(内燃機関)
102 発電機
103 コンバータ
104 バッテリ
105 回生コンバータ
106 モータ/ジェネレータ(M/G)
107 動力伝達機構
108 モータ/ジェネレータ(M/G)(電動機)
109 回生コンバータ(電力伝達手段)
110 オートマティックトランスミッション(A/T)
111 制御装置
112 ECU(Engine Control Unit)
113 アクセル
114 ブレーキ
115 制御装置(制御手段)(電力供給指示手段)(第1の予測手段)(第2の予測手段)(運転回転数領域変更手段)
121、131 インバータ
122、132 インダクタンス
W 駆動輪
D ディファレンシャルギヤ(デフ)
Claims (4)
- 内燃機関と共に電動機を駆動源とするハイブリッド自動車もしくはハイブリッド鉄道車両である移動体に搭載され、
フライホイールと、
前記フライホイールの回転軸に結合された電動発電機と、
前記電動機と前記電動発電機との電力の授受の仲立ちをする電力伝達手段と、
前記電力伝達手段を制御する制御手段と、
を備えたフライホイール蓄電装置であって、
前記制御手段が、
前記移動体の停止中、または前記フライホイールの回転数が前記フライホイールの最低運転回転数を下回った場合に電力伝達手段から前記電動発電機へ電力を供給させる電力供給指示手段と、
予め設定された所定の停車時間から発進時間を予測する第1の予測手段と、
を備え、
前記電力供給指示手段が、前記第1の予測手段により予測された発進時間迄に前記フライホイールの回転数が前記フライホイールの予め選定された最高運転回転数になるように前記電力伝達手段に指示を行うことを特徴とするフライホイール蓄電装置。 - 内燃機関と共に電動機を駆動源とするハイブリッド自動車もしくはハイブリッド鉄道車両である移動体に搭載され、
フライホイールと、
前記フライホイールの回転軸に結合された電動発電機と、
前記電動機と前記電動発電機との電力の授受の仲立ちをする電力伝達手段と、
前記電力伝達手段を制御する制御手段と、
を備えたフライホイール蓄電装置であって、
前記制御手段が、
前記移動体の停止中、または前記フライホイールの回転数が前記フライホイールの最低運転回転数を下回った場合に電力伝達手段から前記電動発電機へ電力を供給させる電力供給指示手段を備え、
前記制御手段が、過去の停車時間の実績の平均によって停車時間の予測を行う第2の予測手段と、前記第2の予測手段によって算出された停車時間から発進時間を予測する第1の予測手段とを備え、
前記電力供給指示手段が、前記第1の予測手段により予測された発進時間の直前に前記フライホイールの回転数が前記フライホイールの予め選定された最高運転回転数になるように前記電力伝達手段に指示を行うことを特徴とするフライホイール蓄電装置。 - 前記制御手段が、
運転状況に応じてユーザにより設定された車両の運転モードに応じて前記最高運転回転数および前記最低運転回転数を変更する運転回転数領域変更手段を、
備えたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のフライホイール蓄電装置。 - 前記運転回転数領域変更手段が、車両のアクセル開度や前記フライホールの回転数に応じて前記最高運転回転数および前記最低運転回転数を自動的に変更することを特徴とする請求項3に記載のフライホイール蓄電装置。
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