フライホイール蓄電装置
【課題】 回転体の回転数を可能な限り低く制御して、定常損失を小さくすることができるフライホイール蓄電装置を提供する。
【解決手段】 車両が走行中か停止中かが判断される（ステップＳ１）。走行中の場合は加速中かが判断され（ステップＳ２）フライホイール蓄電装置（Ｆ／Ｗ）の回転数Ｎが許容最低回転数Ｎ1を上回る場合のみＦ／Ｗからの放電が行われる（ステップＳ３〜Ｓ４）。一方、加速中でないと判断された場合ブレーキが踏まれているか判断され（ステップＳ５）、「ＹＥＳ」の場合には電力回生制動が行われ（ステップＳ８）、「ＮＯ」の場合にはＦ／Ｗの回転数Ｎが基底回転数Ｎ2より上回るように充電される（ステップＳ６〜Ｓ７）。一方、車両の停止中に時間ｔが充電開始時間ｔ2だけ経過すると（ステップＳ９）Ｆ／Ｗの回転数が最高回転数Ｎ3になるまで充電が行われる（ステップＳ１０〜Ｓ１２）。
【解決手段】 車両が走行中か停止中かが判断される（ステップＳ１）。走行中の場合は加速中かが判断され（ステップＳ２）フライホイール蓄電装置（Ｆ／Ｗ）の回転数Ｎが許容最低回転数Ｎ1を上回る場合のみＦ／Ｗからの放電が行われる（ステップＳ３〜Ｓ４）。一方、加速中でないと判断された場合ブレーキが踏まれているか判断され（ステップＳ５）、「ＹＥＳ」の場合には電力回生制動が行われ（ステップＳ８）、「ＮＯ」の場合にはＦ／Ｗの回転数Ｎが基底回転数Ｎ2より上回るように充電される（ステップＳ６〜Ｓ７）。一方、車両の停止中に時間ｔが充電開始時間ｔ2だけ経過すると（ステップＳ９）Ｆ／Ｗの回転数が最高回転数Ｎ3になるまで充電が行われる（ステップＳ１０〜Ｓ１２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に自動車や鉄道車両といった移動体に搭載され、内燃機関動力と電気動力とを併用する、いわゆるハイブリッド動力装置に使用されるフライホイール蓄電装置に係り、特に動作に伴って発生する損失を最小限に抑える制御を行うフライホイール蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、環境保全および有限である石油資源の将来を配慮して、自動車の動力を内燃機関動力から電気動力に転換することが、自動車業界における今後の開発の動向であり、この開発は将来へ向けての長い道のりを辿ることと予想される。そのため、内燃機関動力を一挙に電気動力に転換することは、現状において、その見通しが小さく、その中間的な形態として、内燃機関動力と電気動力とを併用する、いわゆるハイブリッドカーが開発されている。
【０００３】
ここで、上述した、ハイブリッドカーの構成を図６（ａ）にて示す。この図において、ハイブリッドカーは、エンジン（内燃機関）１０１と、発電機１０２と、例えば、整流素子から構成され、交流から直流への整流を行うコンバータ１０３と、バッテリ１０４と、回生コンバータ１０５と、モータ／ジェネレータ（以下、Ｍ／Ｇという）１０６と、制御装置１１１と、エンジン制御を行うＥＣＵ（Engine Control Unit）１１２と、アクセル１１３と、ブレーキ１１４と、駆動輪Ｗと、ディファレンシャルギヤ（以下、デフという）Ｄとから構成される。Ｍ／Ｇ１０６は、電力端子から電力を供給されると通常のモータとして動作し、回転軸から動力を供給されると発電機（ジェネレータ）として動作する。また、Ｍ／Ｇ１０６は内部の図示しない回転計により車速信号を生成する。
【０００４】
エンジン１０１の出力回転軸が発電機１０２に結合される。発電機１０２の出力端がコンバータ１０３の入力端Ｔciに接続される。コンバータ１０３の出力端Ｔcoがバッテリ１０４のプラス側端子および回生コンバータ１０５の直流側端子Ｔdcと接続される。回生コンバータ１０５の交流側端子ＴacがＭ／Ｇ１０６の電力端子と接続される。Ｍ／Ｇ１０６の回転軸がデフＤを介して駆動輪Ｗに結合される。以上のように、このハイブリッドカーはシリーズハイブリッド形式の構成をなす。
【０００５】
制御装置１１１は、コンバータ１０３と、回生コンバータ１０５と、Ｍ／Ｇ１０６と、ＥＣＵ１１２と、アクセル１１３と、ブレーキ１１４とに接続されて、ハイブリッドカーの制御を行う。制御装置１１１はＭ／Ｇ１０６から車速信号を入力し、且つ、アクセル１１３およびブレーキ１１４から各々の踏み込み量を入力して、該データより現在の運転状況を判断し、回生コンバータ１０５に動作の指示を与えるための動作指示信号を出力する。また、制御装置１１１は、ＥＣＵ１１２を介してエンジン１０１に始動または停止の指示を行う。
【０００６】
回生コンバータ１０５は、図７に示すように、インバータ１２１と、インバータ１２１の直流入力端ＴidとＧｎｄ（グランド）との間に接続されるコンデンサＣ1と、インバータ１２１の交流出力端Ｔoaと直列に接続されるインダクタンス１２２とから構成される。
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。
【０００７】
回生コンバータ１０５は、直流側端子Ｔdcに、コンバータ１０３またはバッテリ１０４から直流電力を入力し、コンデンサＣ1に蓄積する。インバータ１２１は該直流電力を直流側端子Ｔdcから入力して交流電力に変換し、交流出力端Ｔoaから出力する。該交流電力はインダクタンス１２２を介して、回生コンバータ１０５の交流側端子Ｔacから出力される。
【０００８】
次に、上記構成によるハイブリッドカーの動作について図６および図７を参照して説明する。
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。
【０００９】
次に、ハイブリッドカーの速度がある程度上がり、定速走行が行われる時には、図６（ｂ）に示すように、エンジン１０１が効率のよい定回転数にて回転し、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、制御装置１１１の指示に基づいて、図示しない遮断器によって、バッテリ１０４のプラス側端子がコンバータ１０３の出力端Ｔcoおよび回生コンバータ１０５の直流側端子Ｔdcと遮断される。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のみが、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。
【００１０】
次に、ハイブリッドカーのブレーキが踏まれて、制動が行われる時には、図６（ｃ）に示すように、駆動輪Ｗからの駆動力がデフＤを介してＭ／Ｇ１０６に与えられる。Ｍ／Ｇ１０６は、該駆動力に応じた交流電力を発生して、回生コンバータ１０５に供給する。このとき、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、位相の遅れた電圧を交流出力端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同相の電流が流れる。つまり、この後は、Ｍ／Ｇ１０６から出力された電力が回生コンバータ１０５内のコンデンサＣ1によって蓄積されることとなる。そして、コンデンサＣ1がフルに充電され、余剰の電力がバッテリ１０４に供給される。このように、回生コンバータ１０５によって回生制動が行われ、バッテリ１０４に回生電力が回収される。尚、エンジン１０１はＥＣＵ１１２を介した制御装置１１１の制御によって停止する。また、コンバータ１０３は制御装置１１１の制御に基づいて、内部のスイッチによって、バッテリ１０４および回生コンバータ１０５との接続を遮断する。
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。
【００１１】
しかしながら、上述した、従来のハイブリッドカーには、以下のような問題がある。すなわち、ハイブリッドカーに使用されるリチウムイオン、ニッケル水素等の高性能なバッテリ１０４は、充放電回数によって寿命が決まるため、加減速頻度の高い鉄道やバス、配送車等の産業車両に適用するとすぐに寿命が来て交換が必要になる。バッテリ１０４の交換に伴うコストアップが、ハイブリッド化による燃費向上による経済効果を上回る為、現実には、ハイブリッドカーは使えば使うほど損をするという、不経済な装置になっている。また、気温が氷点下を下回る寒冷地においては、バッテリ１０４の性能が著しく低下し、また、夏場には温度が上昇してバッテリ１０４の性能や信頼性が著しく阻害される。この問題は、図６（ａ）に示すシリーズハイブリッド形式のみならず、パラレルハイブリッド形式等、バッテリを利用するハイブリッドカーにおいては、回避できないものである。また、この対策として、バッテリ１０４の充放電深度を浅くして、寿命を延ばすことが考えられるが、寿命を１０倍延ばすためには、充放電深度を１／１０にしなければならないため、同等の蓄電容量を確保するためにバッテリ１０４の容量を１０倍にする必要がある。これにより、バッテリ１０４のコストが１０倍になってしまう。
【００１２】
上述したように、ハイブリッドカーにおいては、バッテリ１０４の抱える問題がネックとなっており、これを解決するハイブリッドカーとして、例えば、特許文献1に、内燃機関の回転軸と同軸に設けられたモータ／発電機の電源回路に、高速回転するフライホイール（以下、回転体という）およびこの回転体を高速回転させることにより電力を回転エネルギーとして蓄積する装置を備えたフライホイール蓄電装置を付加して、該フライホイール蓄電装置により、減速時に運動エネルギーを蓄えて、次の加速時に該運動エネルギーを利用することができる内燃機関の制動および補助加速装置が記載されている。
【特許文献１】特開平１０−２９５００２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上述したフライホイール蓄電装置においては、以下のような問題があった。すなわち、フライホイール蓄電装置は、回転体の軸受けの摩擦損、回転時の風損（空気抵抗）、鉄心による鉄損および巻線による銅損（電気損）からなる定常損失を常に発生しており、定常損失は回転数に比例して増大するため、フライホイール蓄電装置の回転数をできる限り低くして使用することによって定常損失を減らすことができる。しかし、上述した内燃機関の制動および補助加速装置は、バッテリの寿命を延ばすためにバッテリによる充放電に代えてフライホイール蓄電装置による充放電を行うという技術的思想のものであり、フライホイール蓄電装置の回転数を低く抑えずにフライホイール蓄電装置の充放電を制御している。そのため、フライホイール蓄電装置の定常損失を小さくすることができないという問題があった。
【００１４】
また、上記のフライホイール蓄電装置は、例えば、走行時にはユーザのアクセル開度等に関係なく、一律に「走行モード」なるモードを設定されて制御されるため、ユーザが加速を望んだとしても、フライホイール蓄電装置はそれに対応して、蓄積し、そして、放出し得るエネルギーの量を変更することができない。そのため、フライホイール蓄電装置は、種々の運転状況に対応して、最大限のエネルギーを蓄積し、放出することができないという問題もあった。
【００１５】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、回転数を可能な限り低く制御して、定常損失を小さくすることができるフライホイール蓄電装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、種々の運転状況に対応して、最大限のエネルギーを蓄積し、放出することができるフライホイール蓄電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、この発明では、以下の手段を提案している。
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を備えたことを特徴とする。
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。
【００１７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のフライホイール蓄電装置であって、前記制御手段が、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、第１の予測手段によって、発進時間を予測し、該発信時間に間に合うようにフライホイールにエネルギーを蓄積するので、ただ時間が経過するだけでも、蓄積したエネルギーの喪失、つまり、定常損失が生じる性質を持つフライホイール蓄電装置において、定常損失を生じる時間を短縮して、エネルギーの蓄積を行うことができる。
【００１８】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載のフライホイール蓄電装置であって、前記制御手段が、前記停車時間を過去の平均によって予測を行う第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、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。
【００１９】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれかの項に記載のフライホイール蓄電装置であって、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。
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。
【００２０】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載のフライホイール蓄電装置であって、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。
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。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、フライホイール蓄電装置へのエネルギーの蓄積を停止中、および所定の基底回転数を下回った場合に限定するようにしたので、定常損失を最小にでき、高いエネルギー効率が得られる効果がある。
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
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。
【００２３】
エンジン１０１の出力回転軸が動力伝達機構１０７の入力回転軸に結合される。動力伝達機構１０７の出力回転軸がＭ／Ｇ１０８の回転軸に結合される。Ｍ／Ｇ１０８の回転軸がＡ／Ｔ１１０の入力回転軸に結合される。Ａ／Ｔ１１０の出力回転軸がデフＤを介して駆動輪Ｗに結合される。Ｍ／Ｇ１０８の電力端子が回生コンバータ１０９の端子Ｔaと接続される。回生コンバータ１０９の端子ＴbがＦ／Ｗの電力端子に接続される。
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。
【００２４】
制御装置１１５は、Ｆ／Ｗと、Ｍ／Ｇ１０８と、回生コンバータ１０９と、ＥＣＵ１１２と、アクセル１１３と、ブレーキ１１４とに接続されて、ハイブリッドカーの制御を行う。制御装置１１５はＥＣＵ１１２から車速信号を入力し、アクセル１１３およびブレーキ１１４から各々の踏み込み量を入力し、且つ、Ｆ／Ｗから、後述する回転体１８の回転数（以下、Ｆ／Ｗの回転数という）Ｎを入力する。そして、該データより現在の運転状況ならびに回転体１８の回転状況を判断し、回生コンバータ１０９に動作の指示を与えるための動作指示信号を出力する。
【００２５】
回生コンバータ１０９は、図２に示すように、インバータ１２１と、インバータ１２１の直流入力端ＴidとＧｎｄ（グランド）との間に接続されるコンデンサＣ1と、インバータ１２１の交流出力端Ｔoaと直列に接続されるインダクタンス１２２と、インバータ１３１と、インバータ１３１の交流出力端Ｔoaaと直列に接続されるインダクタンス１３２とから構成される。つまり、回生コンバータ１０９は、従来の回生コンバータ１０５の直流側端子Ｔdcにインバータ１３１の直流入力端Ｔidaが接続され、インバータ１３１の交流出力端Ｔoaaにインダクタンス１３２の一方の端が接続され、インダクタンス１３２の他方の端に端子Ｔaが接続される構成になっている。また、インダクタンス１２２には、端子Ｔacに代わり、端子Ｔbが接続される。
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。
【００２６】
回生コンバータ１０９内部において、コンデンサＣ1に直流電力を蓄積しており、インバータ１２１は該直流電力を直流入力端Ｔidから入力して、制御装置１１５の指示に基づいて、後述するように、インダクタンス１２２前後の交流電圧の振幅および位相の関係を制御して交流電力の変換を行うことにより、前述した回生コンバータ１０５と同様に、端子Ｔbにおいて、交流電力の授受を行う。また、インバータ１３１はコンデンサＣ1に蓄積されている直流電力を直流入力端Ｔidaから入力して、制御装置１１５の指示に基づいて、後述するように、インダクタンス１３２前後の交流電圧の振幅および位相の関係を制御して交流電力の変換を行うことにより、インバータ１２１と同様に、端子Ｔaにおいて、交流電力の授受を行う。
【００２７】
図３は、Ｆ／Ｗの構成を示す図である。このＦ／Ｗは、ケーシング２と、ケーシング２内に回転自在に設けられるフライホイールである回転体１８とを備えている。
【００２８】
ケーシング２は、筒状の上側壁３と、上側壁３の上端開口部を閉塞する円板状の上鏡板４と、上側壁３の下端開口部を閉塞するアルミ製の円板状の下鏡板６と、下鏡板６で上端開口部が閉塞される筒状の下側壁９と、下側壁９の下端開口部を閉塞する円板状の底板１０とから構成されている。
【００２９】
上鏡板４と上側壁３と下鏡板６とによって囲まれる部分には密閉された減圧室１１が形成され、この減圧室１１内に回転体１８が回転自在に設けられるようになっている。下側壁９と下鏡板６と底板１０とによって囲まれる部分には密閉されたオイル室１２が形成され、このオイル室１２内に油潤滑式軸受である上軸受ユニット２５及び下軸受ユニット３０を潤滑するためのオイル１３が充填されるようになっている。
【００３０】
減圧室１１とオイル室１２との間は下鏡板６に設けられている連通孔７を介して相互に連通し、この連通孔７を介して上軸受ユニット２５から排出されるオイル１３がオイル室１２内に戻されるようになっている。また、下軸受ユニット３０とオイル室１２との間は下軸受ユニット３０に設けられている連通孔３２を介して相互に連通し、この連通孔３２を介して下軸受ユニット３０から排出されるオイル１３がオイル室１２内に戻されるようになっている。また、減圧室１１及びオイル室１２は減圧ポンプ等から構成される減圧装置（図示せず）に接続され、この減圧装置の作動により０．２気圧前後に減圧保持されるようになっている。
【００３１】
回転体１８は、一般の鉄鋼材料で形成されるものであって、本体部１９と、本体部１９の中心部に一体に設けられる回転軸２２とから構成されている。回転体１８は、回転軸２２の上端部を上鏡板４の中央部に設けられる上軸受ユニット２５によって軸支され、回転軸２２の下端部を下鏡板６の中央部に設けられる後述する下軸受ユニット３０によって軸支されることで、減圧室１１内において回転自在となるものである。
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。
【００３２】
本体部１９は、上端が閉塞された筒状をなすものであって、その軸線上に回転軸２２が一体に設けられるようになっている。本体部１９の側板の内周面は大径部２０と小径部２１の２段に形成され、小径部２１に電動機３５（電動発電機）のローター４２を構成する筒状の永久磁石４３が取り付けられるようになっている。
【００３３】
回転軸２２は、本体部１９の上板の上面中央部に一体に設けられる上軸２３と、上板の下面中央部に一体に設けられるとともに、先端部が側板の下端よりも下方に突出する下軸２４とから構成されるようになっている。回転軸２２の上軸２３の上端部は後述する上軸受ユニット２５によって回転自在に軸支され、下軸２４の下端部は後述する下軸受ユニット３０によって回転自在に軸支されるようになっている。
【００３４】
上軸受ユニット２５は、上鏡板４の中央部に取り付けられるものであって、上鏡板４の中央部の軸受取付け用孔５内に嵌合されるベース２６と、ベース２６の軸挿入用孔２７内の入口部に装着されるころ軸受２８と、ベース２６の軸挿入用孔２７内の奥部に装着される動圧式スラスト軸受である緊急タッチアップ用軸受２９とから構成され、ころ軸受２８の内周側で回転軸２２の上軸２３を回転自在に軸支するようになっている。緊急タッチアップ軸受２９と回転軸２２の上軸２３の上端との間には所定の間隙が形成され、この間隙によって緊急タッチアップ軸受２９は通常は不作動の状態にあり、緊急タッチアップ軸受２９による損失が発生するのを防止している。
【００３５】
下軸受ユニット３０は、下鏡板６の中央部に取り付けられるものであって、下鏡板６の中央部の軸受取付け用孔８内に嵌合されるベース３１と、ベース３１の軸挿入用孔３３内の入口部に装着されるアンギュラ玉軸受３４とから構成され、アンギュラ玉軸受３４の内周側で回転軸２２の下軸２４を回転自在に軸支するようになっている。
【００３６】
下鏡板６の上面中央部にはアルミ製の筒状の支持軸３７が一体に立設され、この支持軸３７の中心部を回転体１８の回転軸２２の下軸２４が回転自在に挿通するようになっている。支持軸３７の周囲には鉄心３８が取り付けられるとともに、鉄心３８には巻線３９が取り付けられるようになっている。巻線３９の上側コイル出部分４０とこれに対向する回転体１８との間には、回転体１８の本体部１９の側板の大径部２０により所定の距離の逃げ４１が形成されるようになっている。
【００３７】
支持軸３７と鉄心３８と巻線３９とによってステーター３６が構成され、前述した永久磁石４３と回転体１８とによってローター４２が構成され、ステーター３６とローター４２とによって電動機３５が構成されるものである。
【００３８】
回転体１８の上面外周縁部に対向する上鏡板４の下面側の部分には永久磁石式の荷重軽減装置４７が設けられるようになっている。荷重軽減装置４７は、ボルトによって上鏡板４に固定されるようになっている。荷重軽減装置４７により回転体１８の自重の５０〜８０％が支持されるようになっている。
【００３９】
回転体１８の回転軸２２の上軸２３の上方には回転検出装置４８が設けられ、この回転検出装置４８により回転体２２の回転角度が検出されるようになっている。
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。
【００４０】
そして、回生コンバータ１０９が、制御装置１１５により、回生コンバータ１０９の端子ＴaからＦ／Ｗの電力端子へ交流電力の伝達を行うように制御されると、ステーター３６の巻線３９に電圧が印加されて、ローター４２である回転体１８が高速で回転し、回生コンバータ１０９から供給された電気エネルギーが回転エネルギーに変換されて蓄えられることになる。また、上記とは逆に、回生コンバータ１０９が、端子Taにおいて、Ｆ／Ｗの電力端子から交流電力の入力を行うように制御されると、回転体１８の回転により、ステーター３６の巻線３９に発生した電力が回生コンバータ１０９に供給される。つまり、回転体１８の回転エネルギーが電気エネルギーに変換され、外部の負荷に供給されることになる。また、回生コンバータ１０９内のインバータ１２１および１３１の全てのスイッチング素子をＯＦＦにするように制御されると、端子Ｔaにおける電力の伝達経路が遮断され、Ｆ／Ｗは回生コンバータ１０９と電力の伝達を行わないことになる。
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。
【００４１】
上記のように構成したＦ／Ｗにあっては、上軸受ユニット２５と下軸受ユニット３０とによって回転体１８の上下端部を支持しているので、揺動振動に対して支持が破綻するようなことはなく、ゴーストップ頻度の高い移動体（バス、乗用車、路面電車、鉄道等）で有効に利用することができることになる。
【００４２】
次に、本実施形態によるハイブリッドカーの動作の概要について説明する。
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。
【００４３】
そして、回生コンバータ１０９内部において、制御装置１１５の指示に基づいて、インバータ１２１が回生コンバータ１０９の端子Ｔbにおける交流電圧より振幅が大きく、且つ、位相の遅れた電圧を交流出力端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同相の電流が流れる。これにより、コンデンサＣ1に電力が蓄積される。そして、制御装置１１５の指示に基づいて、インバータ１３１が回生コンバータ１０９の端子Ｔa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Ｔoaaに発生させることにより、インダクタンス１３２にかかる交流電圧と逆向きの電流が流れる。これにより、回生コンバータ１０９の端子Ｔaから電力が放出されることになる。よって、以上の動作より、回生コンバータ１０９が端子Ｔbから端子Ｔaへ電力の伝達を継続的に行うことになる。そして、該電力はＭ／Ｇ１０８に供給され、駆動輪Ｗへの駆動力を補助する。それにより、一般の自動車と同等の加速を、少ない燃料消費にて得ることができる。
【００４４】
次に、ハイブリッドカーの速度がある程度上がり、定速走行が行われる時には、図１（ｂ）に示すように、エンジン１０１が効率のよい定回転数にて回転し、回生コンバータ１０９内部において、制御装置１１５の指示に基づいて、インバータ１２１および１３１の全てのスイッチング素子がＯＦＦにされ、端子Ｔaと端子Ｔbとの間の電力の伝達を停止し、Ｆ／Ｗ内の電動機３５からの電力の補助がなされることなく、駆動輪Ｗを駆動する。
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。
【００４５】
次に、ハイブリッドカーのブレーキが踏まれて、制動が行われる時には、図１（ｃ）に示すように、駆動輪Ｗからの駆動力がデフＤおよびＡ／Ｔ１１０を介してＭ／Ｇ１０８に与えられる。それにより、Ｍ／Ｇ１０８に交流電力が発生し、回生制動が動作し、回生コンバータ１０９の端子Ｔaに出力される。
【００４６】
そして、回生コンバータ１０９内部において、制御装置１１５の指示に基づいて、インバータ１３１が回生コンバータ１０９の端子Ｔaにおける交流電圧より振幅が大きく、且つ、位相の遅れた電圧を交流出力端Ｔoaaに発生させることにより、インダクタンス１３２にかかる交流電圧と同相の電流が流れる。これにより、コンデンサＣ1に電力が蓄積される。そして、制御装置１１５の指示に基づいて、インバータ１２１が回生コンバータ１０９の端子Ｔb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。これにより、回生コンバータ１０９の端子Ｔbから電力が放出されることになる。よって、以上の動作より、回生コンバータ１０９が端子Ｔaから端子Ｔbへ電力の伝達を継続的に行うことになる。
【００４７】
そして、該電力は、Ｆ／Ｗ内の電動機３５の巻線３９に供給され、電動機３５を回転させ、電気エネルギーを回転体１８の回転エネルギーに変換する。以上の動作により、該電力が、Ｆ／Ｗ内の回転体１８に、運動エネルギーの形により回収される。このとき、動力伝達機構１０７が開放され、エンジン１０１におけるエンジンブレーキにより、Ｆ／Ｗに蓄積すべきエネルギーのロスが発生することが回避される。そして、制動が終了すると、動力伝達機構１０７が接続されて、次の発進加速に備えられる。
【００４８】
また、制動が終了し、車両が停止しているときに、Ｆ／Ｗの回転数Ｎが、回転体１８の最低運転回転数（以下、基底回転数という）Ｎ2に満たないときは、Ａ／Ｔ１１０をニュートラルにして、エンジン１０１の出力回転によってＭ／Ｇ１０８に電力を発生させ、制御装置１１５により、回生コンバータ１０９を端子Ｔaから端子Ｔbへ電力の伝達を行うように制御して、該電力をＦ／Ｗ内の電動機３５に与えて、Ｆ／Ｗの回転数Ｎを上昇させて、回転体１８に与えられた電力に相当する運動エネルギーを蓄積させる。以下、回生コンバータ１０９を端子Ｔaから端子Ｔbへ電力の伝達を行うように制御して、Ｆ／Ｗに電力を与えて、回転体１８の運動エネルギーとして蓄積することを「Ｆ／Ｗを充電する」という。
【００４９】
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。
【００５０】
尚、基底回転数Ｎ2は、Ｆ／Ｗの上軸受ユニット２５および下軸受ユニットにおいて、Ｆ／Ｗの回転数Ｎが低くなって回転軸２２および上軸受ユニット２５および下軸受ユニットを損傷しないように、該損傷を引き起こさない最低の回転数である。これは、許容最低回転数Ｎ1と等しいか大きな値に選定する。
【００５１】
また、Ｆ／Ｗの上軸受ユニット２５および下軸受ユニットにおいて、Ｆ／Ｗの回転数Ｎが高くなって回転軸２２および上軸受ユニット２５および下軸受ユニットを損傷しないように、最高運転回転数（以下、最高回転数という）Ｎ3は、該損傷を引き起さない最高の回転数である許容最高回転数Ｎ4と等しいか小さな値に選定する。
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。
【００５２】
次に、Ｆ／Ｗを、定常損失を低減して使用する制御の概念について説明する。
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。
【００５３】
図４は、本実施形態において、制御装置１１５による、Ｆ／Ｗの定常損失を低減する制御を示すフローチャートである。以下、図面を参照して上記の動作を説明する。
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。
【００５４】
先ず、制御装置内の速度判定器によって、車両の車速信号が解析され、車両が「走行中」か「停止中」かが判断される（ステップＳ１）。判断が「走行中」であった場合、ステップＳ２に移行し、車両のアクセルがＯＮになっているか、つまり、ユーザが加速しようとして、アクセルが踏み込まれているかが判断される。判断が「ＹＥＳ」であった場合、ステップＳ３に移行し、Ｆ／Ｗの回転数Ｎが許容最低回転数Ｎ1より高いか否かが判断される。判断が「ＹＥＳ」であった場合、Ｆ／Ｗから回生コンバータ１０９を介してＭ／Ｇ１０８へ放電できる状態であり、ステップＳ４に移行し、Ｆ／ＷからＭ／Ｇ１０８へ放電が行われる。つまり、Ｆ／Ｗが、エンジン１０１の動力を補助することになる。そして、予め決められた時間が経過すると、該フローチャートによる動作が終了する。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。
【００５５】
一方、ステップＳ２における判断が「ＮＯ」であった場合は、ユーザが加速しようとしていない場合となり、具体的には、ブレーキをかけようとしているか、等速走行をしているかのいずれかとなる。次に、ステップＳ５に移行し、車両のブレーキがＯＮになっているかが判断される。判断が「ＮＯ」であった場合、ステップＳ６に移行し、Ｆ／Ｗの回転数Ｎが基底回転数Ｎ2を上回っているかが判断される。判断が「ＹＥＳ」であった場合、何もせずに該フローチャートによる動作を終了する。一方、判断が「ＮＯ」であった場合、ステップＳ７に移行し、Ｆ／ＷをＭ／Ｇ１０８によって充電し、Ｆ／Ｗの回転数Ｎを上昇させる。そして、ステップＳ６に戻り、Ｆ／Ｗの回転数Ｎが基底回転数Ｎ2を上回っているかが再び判断される。つまり、Ｆ／Ｗの回転数Ｎが基底回転数Ｎ2以上になるまで、ステップＳ６およびＳ７の動作が繰り返されることになる。これは、ステップＳ６およびＳ７において、車両が等速走行している場合となる。
【００５６】
また、ステップＳ１における判断が「停止中」であった場合、制御装置内の図示しないタイマが、以下のような動作を行う。すなわち、ステップＳ１における判断が一定時間以上「停止中」でなかった後に、初めて「停止中」となったときは、車両が停止した状態になったことを意味するので、そのときに、制御装置内の変数値ｔを「０」にリセットする。前述したように、本フローチャートは、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」にて終了し、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」から再び開始する動作をしている。このため、２回目以降の動作時に、ステップＳ１における判断が初めて「停止中」となった時刻からの経過時間を変数値ｔに取り込むことにより、変数値ｔをタイマとして使用することができる。この動作より、以下、変数値ｔをタイマの計時値ｔという。
【００５７】
次に、ステップＳ９に移行し、タイマの計時値ｔがｔ2と等しいかが判断される。つまり、車両が停止してからｔ2だけ時間が経過したかが判断される。判断が「ＮＯ」であった場合、何もせずに該フローチャートによる動作を終了する。一方、ステップＳ９における判断が「ＹＥＳ」であった場合、つまり、ステップＳ１にて車両が停止中と判明してから時間ｔ2が経過した場合、ステップＳ１０に移行し、動力伝達機構１０７が接続され、Ａ／Ｔ１１０がニュートラルにされて、エンジン１０１の出力回転によって、Ｆ／Ｗの充電が行われる。次に、ステップＳ１１に移行し、該充電によってＦ／Ｗの回転数Ｎが最高回転数Ｎ３になったか否かが判断される。判断が「ＮＯ」であった場合、つまり、Ｆ/Ｗの回転数がＮ3になるまで充電されていない場合はステップＳ１１に戻り、Ｆ／Ｗの回転数がＮ3になるまで、該動作が繰り返される。一方、判断が「ＹＥＳ」であった場合、つまり、Ｆ／Ｗが最高回転数Ｎ3まで充電された場合、ステップＳ１２に移行し、Ｆ／Ｗの充電が停止され、該フローチャートによる動作が終了する。
【００５８】
図５は、本実施形態におけるハイブリッドカーの各走行状態におけるＦ／Ｗの動作を示すグラフである。ここで、図５（ａ）は後述するパターン走行時の動作を示すグラフであり、図５（ｂ）は市街地走行時の動作を示すグラフであり、図５（ｃ）は郊外もしくは高速道路走行時の動作を示すグラフである。以下、図４と図５を参照して、各走行状態におけるＦ／Ｗの動作を説明する。
【００５９】
まず、ハイブリッドカーの走行状態が、図５（ａ）に示すパターン走行である場合のＦ／Ｗの定常損失を低減する制御の動作を説明する。
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。
【００６０】
先ず、図５（ａ）において、Ｆ／Ｗは、回転体１８の最高回転数Ｎ3になるまで充電が行われた時点からスタートしており、車両の発進時刻Ｔm1に至るまでに、高回転による定常損失のため、右下がりのカーブにてＦ／Ｗの回転数が低下する。次に、時刻Ｔm2まで車両が加速して、Ｆ／Ｗが図４のステップＳ３〜Ｓ４における放電動作を行い、Ｆ／Ｗの回転数が低下する。
【００６１】
次に、時刻Ｔm2から車両が等速走行し、ステップＳ６〜Ｓ７における動作を行う。すなわち、時刻Ｔm3まではＦ／Ｗの充放電は行われずに定常損失によりＦ／Ｗの回転数が下がってゆき、時刻Ｔm3において、Ｆ／Ｗの回転数が基底回転数Ｎ2を下回ろうとすると、ステップＳ７においてＦ／Ｗの充電が行われて基底回転数Ｎ2を上昇させる。以上のようにステップＳ６〜Ｓ7におけるループにより、Ｆ／Ｗの回転数が基底回転数Ｎ2に保たれる。
【００６２】
次に、時刻Ｔm4にブレーキが踏まれて、ステップＳ５における減速動作が行われると、予め決められた時間だけ遅れた時刻Ｔm5からＦ／Ｗに回生コンバータ１０９を介してＭ／Ｇ１０８からステップＳ８における電力回生が行われて、Ｆ／Ｗの回転数が上昇する。そして、時刻Ｔm6にて車両が停止する。
【００６３】
そして、次の発進に備えて、Ｆ／Ｗを最高回転数Ｎ3まで充電する。ここで、発進直前に該充電を完了させることにより、前述した定常損失を抑えることができる。そのため、本実施形態においては、時刻Ｔm6から停止時間ｔ1だけ経過した時刻Ｔm10まで車両が停車しているとして、ステップＳ９〜Ｓ１２の動作により、時刻Ｔm6から、充電を開始するまでの時間である充電開始時間ｔ2だけ経過した時刻Ｔm7にてＦ／Ｗの充電を開始し、時刻Ｔm8にて充電を終了し、予め決められた時間だけ遅れた時刻Ｔm9にてＦ／Ｗの回転数が最高回転数Ｎ3になるようにしている。このようにして、発進時刻Ｔm10までに十分近接した時刻Ｔm9にてＦ／Ｗの充電を完了するようにしている。
【００６４】
尚、充電開始時間ｔ2は、停止時間ｔ1からＦ／Ｗの充電を行う時間を引いた時間より短い時間であることが必要である。しかし、停止時間ｔ1にはバラツキがあるので、以下のような方法によって停止時間ｔ1を決定し、それにより、充電開始時間ｔ2を決定することが考えられる。すなわち、停止時間ｔ1を過去の実績の平均値から決定することが考えられる。また、鉄道のように、時刻がダイヤ（ダイヤグラム）によって正確に決まっている場合は、発進時間から逆算したり、停車時間を毎回自動計測して平均値を算出し、これに基づいてＦ／Ｗの充電時間を決める等の方法が考えられる。
【００６５】
また、停止したら、すぐにＦ／Ｗの充電を開始し、平均停車時間においてＦ／Ｗの充電が完了するように、該Ｆ／Ｗの回転数をできるだけ高くしないようにして、ゆっくりと時間をかけてＦ／Ｗを充電してもよい。このようにすることによっても、定常損失を低減することができる。
【００６６】
また、本実施形態においては、ステップＳ２において、アクセルＯＮか否かを判断する動作において、判断が「ＮＯ」であった後に、ステップＳ５にてブレーキＯＮでないという状態を、「等速走行をしている」としている。ここで、電気自動車においては、アクセルを緩めることにより、エンジン車のように、原動機のブレーキ（エンジンブレーキ）がかからないため、ステップＳ２における「アクセルＯＮでない状態」の定義は、「アクセルが緩められている状態」となる。
【００６７】
しかし、一般に、電気自動車のアクセルの設定として、エンジン車から乗り換えたユーザが違和感を持たないように、アクセルを緩めると、軽い回生制動を働かすことが多い。この設定により、アクセルを緩めることにより、原動機のブレーキが動作することになる。また、エンジン１０１とＭ／Ｇ１０８とが補い合いながら車両を駆動するハイブリッドカーにおいては、アクセルを緩めることにより、エンジン１０１のエンジンブレーキも作動するので、ステップＳ２における「アクセルＯＮでない状態」の定義は以下のようになる。すなわち、「アクセルＯＮでない状態」の定義は「アクセルを一定の開度にて保つ状態」となる。
【００６８】
次に、ハイブリッドカーの走行状態が、図５（ｂ）に示す市街地走行である場合のＦ／Ｗの定常損失を低減する制御の動作を説明する。
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。
【００６９】
先ず、図５（ｂ）において、グラフのスタート時点から時刻Ｔn1、Ｔn2を経た後の時刻Ｔn3までの動作は、図５（ａ）におけるグラフのスタート時点から時刻Ｔm1、Ｔm2、Ｔm3を経た後の時刻Ｔm4までの動作と同等である。つまり、発進、加速、等速走行においては図５（ａ）におけるグラフと同等の動作を行う。
【００７０】
次に、時刻Ｔn3からＴn4を経たＴn5において、交差点におけるコーナリングが行われる。このとき、減速が行われている時刻Ｔn3〜Ｔn4においては、Ｆ／Ｗにエネルギーが戻ってくるが、すぐ後の時刻Ｔn4〜Ｔn5において、加速が行われてＦ／Ｗに戻ってきたエネルギーが再利用されるので、Ｆ／Ｗの再充電はしない。
【００７１】
次に、時刻Ｔn5〜Ｔn6においては、時刻Ｔn1〜Ｔn2と同じく、等速走行を行う。また、時刻Ｔn6〜Ｔn10においては、図５（ａ）における時刻Ｔm5〜Ｔm10と類似したタイミングにて、同様にＦ／Ｗの充電動作を行う。このときの、停止した時刻Ｔn6から充電を開始する時刻Ｔn7までの充電時間時間ｔ2は信号待ちの停止時間の平均値を用いて決めている。こうすることにより、一時停止の度に充電が開始されるといった、煩雑なことが起こらなくなる。
【００７２】
次に、ハイブリッドカーの走行状態が、図５（ｃ）に示す郊外もしくは高速道路走行である場合のＦ／Ｗの定常損失を低減する制御の動作を説明する。
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。
【００７３】
先ず、図５（ｃ）において、グラフのスタート時点から時刻Ｔp1、Ｔp2を経た後の時刻Ｔp3までの動作は、図５（ａ）におけるグラフのスタート時点から時刻Ｔm1、Ｔm2、Ｔm3を経た後の時刻Ｔm4までの動作と同等である。つまり、発進、加速、等速走行においては図５（ａ）におけるグラフと同等の動作を行う。
【００７４】
次に、時刻Ｔp3から以後は、ステップＳ６〜Ｓ7におけるループによる動作により、Ｆ／Ｗの回転数を基底回転数Ｎ2に保つような制御が行われる。
【００７５】
以上、各走行状態におけるＦ／Ｗの基本的な動作について説明したが、ユーザによってアクセルの踏み方に差があることや、ユーザが状況に応じて省エネ性を重視した運転をするか、ドライブフィールを重視した運転をするかを選択できるよう、パワーモード、エコノミーモード、ハイウェイモードの３種類の切替スイッチを運転席に備え、それぞれの運転モードをユーザが自由に選択できるようにすることもできる。
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。
【００７６】
先ず、パワーモードにおいては、Ｆ／Ｗの制御における閾値である基底回転数Ｎ2および最高回転数Ｎ3の値が高めに設定されて、大きなエネルギーの出し入れが出来るような制御がおこなわれる。この場合、Ｆ／Ｗにて扱うエネルギーの全般的なレベルが大きくなるので、Ｆ／Ｗを高回転数にて使用するための定常損失の増大を度外視する。
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。
【００７７】
次に、エコノミーモードにおいては、基底回転数Ｎ2および最高回転数Ｎ3の値が低めに設定されて、Ｆ／Ｗの制御が行われる。
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。
【００７８】
次に、ハイウェイモードにおいては、基底回転数Ｎ2が必要最小値、つまり、許容最低回転数Ｎ1とほぼ同一回転数に設定され、ハイウェイ走行における定常損失が最小になるように、Ｆ／Ｗの制御が行われる
【００７９】
また、本実施形態においては、上述した、パワーモード、エコノミーモード、ハイウェイモードの３種類の運転モードを運転席に備えられた切替スイッチによらず制御装置が車両の運転状況を認識して切替える、ＡＵＴＯモードを設定することができるようにしている。尚、ＡＵＴＯモードのＯＮ／ＯＦＦは、ユーザが運転席に備えられたＡＵＴＯ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。
【００８０】
上述した、ＡＵＴＯモードにおいては、エネルギーの出し入れ量(回転数の変動幅)やアクセル開度を観測することにより、上記の各運転モードのうち、どの運転モードに移行させるのが最もよいかを自動的に判断して、移行する。
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。
【００８１】
尚、上述したＡＵＴＯモードは、公知のファジィ制御、適応制御、ニューラルネットワーク等を利用したインテリジェント制御により実現してもよい。
【００８２】
また、本実施形態においては、以下に示すような休止モードを設定することができるようにしている。すなわち、ハイブリッドカーに、例えば、バッテリといった、他の蓄電媒体（図示せず）を備えて、該ハイブリッドカーが、お昼休み、休憩時間、あるいは１日の終わり等、長い時間、停止した状態になることが予めわかっている場合に、Ｆ／Ｗに蓄積されたエネルギーを該蓄電媒体に回収し、Ｆ／Ｗの回転を停止させる運転モードである。
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。
【００８３】
また、本実施形態においては、ハイブリッドカーが、前述した信号待ち等による一時停止の時間より十分長い時間停止した場合、自動的に上述した休止モードに移行する、自動休止モードを備えている。これによって、上述した休止モードへの移行の機会が増加し、さらなるＦ／Ｗの定常損失の減少を図ることができる。
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。
【００８４】
尚、車両の始動当初には、Ｆ／Ｗに蓄積されているエネルギーが小さい場合が多く、また、Ｆ／Ｗの軸受の潤滑のために、Ｆ／Ｗを許容最低回転数Ｎ1以下にしないようにエネルギーを取り出している。そのため、車両の始動直後の加速時には、Ｆ／Ｗによる動力の補助が期待できない。そのため、本実施形態においては、車両の始動直後に、Ｆ／Ｗを最高回転数Ｎ3まで充電することを想定したが、この動作は必須のものではない。すなわち、車両が停止するときに、回生制動によってＦ／Ｗにエネルギーが蓄積されるため、次の発進時からＦ／Ｗによる動力の補助が期待できるようになるため、車両の始動当初のＦ／Ｗの充電を行わなくてもよい。これにより、さらに定常損失を低減することができる。
【００８５】
また、本実施形態においては、Ｆ／Ｗ内の電動機３５を同期電動機とし、制御装置１１５が、Ｆ／Ｗの回転数をＦ／Ｗに設けられた回転検出装置４８から入力する構成としたが、電動機３５を誘導電動機として、Ｆ／Ｗにレゾルバを設け、回生コンバータ１０９に該レゾルバから回転数の情報を出力して、制御装置１１５が、該情報を回生コンバータ１０９から入力してもよい。
【００８６】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での設計変更も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の一実施形態におけるハイブリッドカーの構成および該車両の加速時、定速走行時、制動時の電力およびエネルギーの流れを示す図である。
【図２】同実施形態における回生コンバータ１０９の構成を示す図である。
【図３】同実施形態におけるフライホイール蓄電装置１（Ｆ／Ｗ）の構成を示す図である。
【図４】同実施形態におけるフライホイール蓄電装置１（Ｆ／Ｗ）の定常損失を低減する制御を示すフローチャートである。
【図５】同実施形態におけるハイブリッドカーの各走行状態におけるフライホイール蓄電装置１（Ｆ／Ｗ）の動作を示すグラフである。
【図６】従来におけるハイブリッドカーの構成および該車両の加速時、定速走行時、制動時の電力およびエネルギーの流れを示す図である。
【図７】従来における回生コンバータ１０５の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００８８】
１ フライホイール蓄電装置（Ｆ／Ｗ）
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）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に自動車や鉄道車両といった移動体に搭載され、内燃機関動力と電気動力とを併用する、いわゆるハイブリッド動力装置に使用されるフライホイール蓄電装置に係り、特に動作に伴って発生する損失を最小限に抑える制御を行うフライホイール蓄電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、環境保全および有限である石油資源の将来を配慮して、自動車の動力を内燃機関動力から電気動力に転換することが、自動車業界における今後の開発の動向であり、この開発は将来へ向けての長い道のりを辿ることと予想される。そのため、内燃機関動力を一挙に電気動力に転換することは、現状において、その見通しが小さく、その中間的な形態として、内燃機関動力と電気動力とを併用する、いわゆるハイブリッドカーが開発されている。
【０００３】
ここで、上述した、ハイブリッドカーの構成を図６（ａ）にて示す。この図において、ハイブリッドカーは、エンジン（内燃機関）１０１と、発電機１０２と、例えば、整流素子から構成され、交流から直流への整流を行うコンバータ１０３と、バッテリ１０４と、回生コンバータ１０５と、モータ／ジェネレータ（以下、Ｍ／Ｇという）１０６と、制御装置１１１と、エンジン制御を行うＥＣＵ（Engine Control Unit）１１２と、アクセル１１３と、ブレーキ１１４と、駆動輪Ｗと、ディファレンシャルギヤ（以下、デフという）Ｄとから構成される。Ｍ／Ｇ１０６は、電力端子から電力を供給されると通常のモータとして動作し、回転軸から動力を供給されると発電機（ジェネレータ）として動作する。また、Ｍ／Ｇ１０６は内部の図示しない回転計により車速信号を生成する。
【０００４】
エンジン１０１の出力回転軸が発電機１０２に結合される。発電機１０２の出力端がコンバータ１０３の入力端Ｔciに接続される。コンバータ１０３の出力端Ｔcoがバッテリ１０４のプラス側端子および回生コンバータ１０５の直流側端子Ｔdcと接続される。回生コンバータ１０５の交流側端子ＴacがＭ／Ｇ１０６の電力端子と接続される。Ｍ／Ｇ１０６の回転軸がデフＤを介して駆動輪Ｗに結合される。以上のように、このハイブリッドカーはシリーズハイブリッド形式の構成をなす。
【０００５】
制御装置１１１は、コンバータ１０３と、回生コンバータ１０５と、Ｍ／Ｇ１０６と、ＥＣＵ１１２と、アクセル１１３と、ブレーキ１１４とに接続されて、ハイブリッドカーの制御を行う。制御装置１１１はＭ／Ｇ１０６から車速信号を入力し、且つ、アクセル１１３およびブレーキ１１４から各々の踏み込み量を入力して、該データより現在の運転状況を判断し、回生コンバータ１０５に動作の指示を与えるための動作指示信号を出力する。また、制御装置１１１は、ＥＣＵ１１２を介してエンジン１０１に始動または停止の指示を行う。
【０００６】
回生コンバータ１０５は、図７に示すように、インバータ１２１と、インバータ１２１の直流入力端ＴidとＧｎｄ（グランド）との間に接続されるコンデンサＣ1と、インバータ１２１の交流出力端Ｔoaと直列に接続されるインダクタンス１２２とから構成される。
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。
【０００７】
回生コンバータ１０５は、直流側端子Ｔdcに、コンバータ１０３またはバッテリ１０４から直流電力を入力し、コンデンサＣ1に蓄積する。インバータ１２１は該直流電力を直流側端子Ｔdcから入力して交流電力に変換し、交流出力端Ｔoaから出力する。該交流電力はインダクタンス１２２を介して、回生コンバータ１０５の交流側端子Ｔacから出力される。
【０００８】
次に、上記構成によるハイブリッドカーの動作について図６および図７を参照して説明する。
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。
【０００９】
次に、ハイブリッドカーの速度がある程度上がり、定速走行が行われる時には、図６（ｂ）に示すように、エンジン１０１が効率のよい定回転数にて回転し、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、制御装置１１１の指示に基づいて、図示しない遮断器によって、バッテリ１０４のプラス側端子がコンバータ１０３の出力端Ｔcoおよび回生コンバータ１０５の直流側端子Ｔdcと遮断される。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のみが、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。
【００１０】
次に、ハイブリッドカーのブレーキが踏まれて、制動が行われる時には、図６（ｃ）に示すように、駆動輪Ｗからの駆動力がデフＤを介してＭ／Ｇ１０６に与えられる。Ｍ／Ｇ１０６は、該駆動力に応じた交流電力を発生して、回生コンバータ１０５に供給する。このとき、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、位相の遅れた電圧を交流出力端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同相の電流が流れる。つまり、この後は、Ｍ／Ｇ１０６から出力された電力が回生コンバータ１０５内のコンデンサＣ1によって蓄積されることとなる。そして、コンデンサＣ1がフルに充電され、余剰の電力がバッテリ１０４に供給される。このように、回生コンバータ１０５によって回生制動が行われ、バッテリ１０４に回生電力が回収される。尚、エンジン１０１はＥＣＵ１１２を介した制御装置１１１の制御によって停止する。また、コンバータ１０３は制御装置１１１の制御に基づいて、内部のスイッチによって、バッテリ１０４および回生コンバータ１０５との接続を遮断する。
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。
【００１１】
しかしながら、上述した、従来のハイブリッドカーには、以下のような問題がある。すなわち、ハイブリッドカーに使用されるリチウムイオン、ニッケル水素等の高性能なバッテリ１０４は、充放電回数によって寿命が決まるため、加減速頻度の高い鉄道やバス、配送車等の産業車両に適用するとすぐに寿命が来て交換が必要になる。バッテリ１０４の交換に伴うコストアップが、ハイブリッド化による燃費向上による経済効果を上回る為、現実には、ハイブリッドカーは使えば使うほど損をするという、不経済な装置になっている。また、気温が氷点下を下回る寒冷地においては、バッテリ１０４の性能が著しく低下し、また、夏場には温度が上昇してバッテリ１０４の性能や信頼性が著しく阻害される。この問題は、図６（ａ）に示すシリーズハイブリッド形式のみならず、パラレルハイブリッド形式等、バッテリを利用するハイブリッドカーにおいては、回避できないものである。また、この対策として、バッテリ１０４の充放電深度を浅くして、寿命を延ばすことが考えられるが、寿命を１０倍延ばすためには、充放電深度を１／１０にしなければならないため、同等の蓄電容量を確保するためにバッテリ１０４の容量を１０倍にする必要がある。これにより、バッテリ１０４のコストが１０倍になってしまう。
【００１２】
上述したように、ハイブリッドカーにおいては、バッテリ１０４の抱える問題がネックとなっており、これを解決するハイブリッドカーとして、例えば、特許文献1に、内燃機関の回転軸と同軸に設けられたモータ／発電機の電源回路に、高速回転するフライホイール（以下、回転体という）およびこの回転体を高速回転させることにより電力を回転エネルギーとして蓄積する装置を備えたフライホイール蓄電装置を付加して、該フライホイール蓄電装置により、減速時に運動エネルギーを蓄えて、次の加速時に該運動エネルギーを利用することができる内燃機関の制動および補助加速装置が記載されている。
【特許文献１】特開平１０−２９５００２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上述したフライホイール蓄電装置においては、以下のような問題があった。すなわち、フライホイール蓄電装置は、回転体の軸受けの摩擦損、回転時の風損（空気抵抗）、鉄心による鉄損および巻線による銅損（電気損）からなる定常損失を常に発生しており、定常損失は回転数に比例して増大するため、フライホイール蓄電装置の回転数をできる限り低くして使用することによって定常損失を減らすことができる。しかし、上述した内燃機関の制動および補助加速装置は、バッテリの寿命を延ばすためにバッテリによる充放電に代えてフライホイール蓄電装置による充放電を行うという技術的思想のものであり、フライホイール蓄電装置の回転数を低く抑えずにフライホイール蓄電装置の充放電を制御している。そのため、フライホイール蓄電装置の定常損失を小さくすることができないという問題があった。
【００１４】
また、上記のフライホイール蓄電装置は、例えば、走行時にはユーザのアクセル開度等に関係なく、一律に「走行モード」なるモードを設定されて制御されるため、ユーザが加速を望んだとしても、フライホイール蓄電装置はそれに対応して、蓄積し、そして、放出し得るエネルギーの量を変更することができない。そのため、フライホイール蓄電装置は、種々の運転状況に対応して、最大限のエネルギーを蓄積し、放出することができないという問題もあった。
【００１５】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、回転数を可能な限り低く制御して、定常損失を小さくすることができるフライホイール蓄電装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、種々の運転状況に対応して、最大限のエネルギーを蓄積し、放出することができるフライホイール蓄電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、この発明では、以下の手段を提案している。
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を備えたことを特徴とする。
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。
【００１７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のフライホイール蓄電装置であって、前記制御手段が、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、第１の予測手段によって、発進時間を予測し、該発信時間に間に合うようにフライホイールにエネルギーを蓄積するので、ただ時間が経過するだけでも、蓄積したエネルギーの喪失、つまり、定常損失が生じる性質を持つフライホイール蓄電装置において、定常損失を生じる時間を短縮して、エネルギーの蓄積を行うことができる。
【００１８】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載のフライホイール蓄電装置であって、前記制御手段が、前記停車時間を過去の平均によって予測を行う第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、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。
【００１９】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれかの項に記載のフライホイール蓄電装置であって、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。
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。
【００２０】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載のフライホイール蓄電装置であって、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。
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。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、フライホイール蓄電装置へのエネルギーの蓄積を停止中、および所定の基底回転数を下回った場合に限定するようにしたので、定常損失を最小にでき、高いエネルギー効率が得られる効果がある。
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
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。
【００２３】
エンジン１０１の出力回転軸が動力伝達機構１０７の入力回転軸に結合される。動力伝達機構１０７の出力回転軸がＭ／Ｇ１０８の回転軸に結合される。Ｍ／Ｇ１０８の回転軸がＡ／Ｔ１１０の入力回転軸に結合される。Ａ／Ｔ１１０の出力回転軸がデフＤを介して駆動輪Ｗに結合される。Ｍ／Ｇ１０８の電力端子が回生コンバータ１０９の端子Ｔaと接続される。回生コンバータ１０９の端子ＴbがＦ／Ｗの電力端子に接続される。
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。
【００２４】
制御装置１１５は、Ｆ／Ｗと、Ｍ／Ｇ１０８と、回生コンバータ１０９と、ＥＣＵ１１２と、アクセル１１３と、ブレーキ１１４とに接続されて、ハイブリッドカーの制御を行う。制御装置１１５はＥＣＵ１１２から車速信号を入力し、アクセル１１３およびブレーキ１１４から各々の踏み込み量を入力し、且つ、Ｆ／Ｗから、後述する回転体１８の回転数（以下、Ｆ／Ｗの回転数という）Ｎを入力する。そして、該データより現在の運転状況ならびに回転体１８の回転状況を判断し、回生コンバータ１０９に動作の指示を与えるための動作指示信号を出力する。
【００２５】
回生コンバータ１０９は、図２に示すように、インバータ１２１と、インバータ１２１の直流入力端ＴidとＧｎｄ（グランド）との間に接続されるコンデンサＣ1と、インバータ１２１の交流出力端Ｔoaと直列に接続されるインダクタンス１２２と、インバータ１３１と、インバータ１３１の交流出力端Ｔoaaと直列に接続されるインダクタンス１３２とから構成される。つまり、回生コンバータ１０９は、従来の回生コンバータ１０５の直流側端子Ｔdcにインバータ１３１の直流入力端Ｔidaが接続され、インバータ１３１の交流出力端Ｔoaaにインダクタンス１３２の一方の端が接続され、インダクタンス１３２の他方の端に端子Ｔaが接続される構成になっている。また、インダクタンス１２２には、端子Ｔacに代わり、端子Ｔbが接続される。
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。
【００２６】
回生コンバータ１０９内部において、コンデンサＣ1に直流電力を蓄積しており、インバータ１２１は該直流電力を直流入力端Ｔidから入力して、制御装置１１５の指示に基づいて、後述するように、インダクタンス１２２前後の交流電圧の振幅および位相の関係を制御して交流電力の変換を行うことにより、前述した回生コンバータ１０５と同様に、端子Ｔbにおいて、交流電力の授受を行う。また、インバータ１３１はコンデンサＣ1に蓄積されている直流電力を直流入力端Ｔidaから入力して、制御装置１１５の指示に基づいて、後述するように、インダクタンス１３２前後の交流電圧の振幅および位相の関係を制御して交流電力の変換を行うことにより、インバータ１２１と同様に、端子Ｔaにおいて、交流電力の授受を行う。
【００２７】
図３は、Ｆ／Ｗの構成を示す図である。このＦ／Ｗは、ケーシング２と、ケーシング２内に回転自在に設けられるフライホイールである回転体１８とを備えている。
【００２８】
ケーシング２は、筒状の上側壁３と、上側壁３の上端開口部を閉塞する円板状の上鏡板４と、上側壁３の下端開口部を閉塞するアルミ製の円板状の下鏡板６と、下鏡板６で上端開口部が閉塞される筒状の下側壁９と、下側壁９の下端開口部を閉塞する円板状の底板１０とから構成されている。
【００２９】
上鏡板４と上側壁３と下鏡板６とによって囲まれる部分には密閉された減圧室１１が形成され、この減圧室１１内に回転体１８が回転自在に設けられるようになっている。下側壁９と下鏡板６と底板１０とによって囲まれる部分には密閉されたオイル室１２が形成され、このオイル室１２内に油潤滑式軸受である上軸受ユニット２５及び下軸受ユニット３０を潤滑するためのオイル１３が充填されるようになっている。
【００３０】
減圧室１１とオイル室１２との間は下鏡板６に設けられている連通孔７を介して相互に連通し、この連通孔７を介して上軸受ユニット２５から排出されるオイル１３がオイル室１２内に戻されるようになっている。また、下軸受ユニット３０とオイル室１２との間は下軸受ユニット３０に設けられている連通孔３２を介して相互に連通し、この連通孔３２を介して下軸受ユニット３０から排出されるオイル１３がオイル室１２内に戻されるようになっている。また、減圧室１１及びオイル室１２は減圧ポンプ等から構成される減圧装置（図示せず）に接続され、この減圧装置の作動により０．２気圧前後に減圧保持されるようになっている。
【００３１】
回転体１８は、一般の鉄鋼材料で形成されるものであって、本体部１９と、本体部１９の中心部に一体に設けられる回転軸２２とから構成されている。回転体１８は、回転軸２２の上端部を上鏡板４の中央部に設けられる上軸受ユニット２５によって軸支され、回転軸２２の下端部を下鏡板６の中央部に設けられる後述する下軸受ユニット３０によって軸支されることで、減圧室１１内において回転自在となるものである。
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。
【００３２】
本体部１９は、上端が閉塞された筒状をなすものであって、その軸線上に回転軸２２が一体に設けられるようになっている。本体部１９の側板の内周面は大径部２０と小径部２１の２段に形成され、小径部２１に電動機３５（電動発電機）のローター４２を構成する筒状の永久磁石４３が取り付けられるようになっている。
【００３３】
回転軸２２は、本体部１９の上板の上面中央部に一体に設けられる上軸２３と、上板の下面中央部に一体に設けられるとともに、先端部が側板の下端よりも下方に突出する下軸２４とから構成されるようになっている。回転軸２２の上軸２３の上端部は後述する上軸受ユニット２５によって回転自在に軸支され、下軸２４の下端部は後述する下軸受ユニット３０によって回転自在に軸支されるようになっている。
【００３４】
上軸受ユニット２５は、上鏡板４の中央部に取り付けられるものであって、上鏡板４の中央部の軸受取付け用孔５内に嵌合されるベース２６と、ベース２６の軸挿入用孔２７内の入口部に装着されるころ軸受２８と、ベース２６の軸挿入用孔２７内の奥部に装着される動圧式スラスト軸受である緊急タッチアップ用軸受２９とから構成され、ころ軸受２８の内周側で回転軸２２の上軸２３を回転自在に軸支するようになっている。緊急タッチアップ軸受２９と回転軸２２の上軸２３の上端との間には所定の間隙が形成され、この間隙によって緊急タッチアップ軸受２９は通常は不作動の状態にあり、緊急タッチアップ軸受２９による損失が発生するのを防止している。
【００３５】
下軸受ユニット３０は、下鏡板６の中央部に取り付けられるものであって、下鏡板６の中央部の軸受取付け用孔８内に嵌合されるベース３１と、ベース３１の軸挿入用孔３３内の入口部に装着されるアンギュラ玉軸受３４とから構成され、アンギュラ玉軸受３４の内周側で回転軸２２の下軸２４を回転自在に軸支するようになっている。
【００３６】
下鏡板６の上面中央部にはアルミ製の筒状の支持軸３７が一体に立設され、この支持軸３７の中心部を回転体１８の回転軸２２の下軸２４が回転自在に挿通するようになっている。支持軸３７の周囲には鉄心３８が取り付けられるとともに、鉄心３８には巻線３９が取り付けられるようになっている。巻線３９の上側コイル出部分４０とこれに対向する回転体１８との間には、回転体１８の本体部１９の側板の大径部２０により所定の距離の逃げ４１が形成されるようになっている。
【００３７】
支持軸３７と鉄心３８と巻線３９とによってステーター３６が構成され、前述した永久磁石４３と回転体１８とによってローター４２が構成され、ステーター３６とローター４２とによって電動機３５が構成されるものである。
【００３８】
回転体１８の上面外周縁部に対向する上鏡板４の下面側の部分には永久磁石式の荷重軽減装置４７が設けられるようになっている。荷重軽減装置４７は、ボルトによって上鏡板４に固定されるようになっている。荷重軽減装置４７により回転体１８の自重の５０〜８０％が支持されるようになっている。
【００３９】
回転体１８の回転軸２２の上軸２３の上方には回転検出装置４８が設けられ、この回転検出装置４８により回転体２２の回転角度が検出されるようになっている。
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。
【００４０】
そして、回生コンバータ１０９が、制御装置１１５により、回生コンバータ１０９の端子ＴaからＦ／Ｗの電力端子へ交流電力の伝達を行うように制御されると、ステーター３６の巻線３９に電圧が印加されて、ローター４２である回転体１８が高速で回転し、回生コンバータ１０９から供給された電気エネルギーが回転エネルギーに変換されて蓄えられることになる。また、上記とは逆に、回生コンバータ１０９が、端子Taにおいて、Ｆ／Ｗの電力端子から交流電力の入力を行うように制御されると、回転体１８の回転により、ステーター３６の巻線３９に発生した電力が回生コンバータ１０９に供給される。つまり、回転体１８の回転エネルギーが電気エネルギーに変換され、外部の負荷に供給されることになる。また、回生コンバータ１０９内のインバータ１２１および１３１の全てのスイッチング素子をＯＦＦにするように制御されると、端子Ｔaにおける電力の伝達経路が遮断され、Ｆ／Ｗは回生コンバータ１０９と電力の伝達を行わないことになる。
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。
【００４１】
上記のように構成したＦ／Ｗにあっては、上軸受ユニット２５と下軸受ユニット３０とによって回転体１８の上下端部を支持しているので、揺動振動に対して支持が破綻するようなことはなく、ゴーストップ頻度の高い移動体（バス、乗用車、路面電車、鉄道等）で有効に利用することができることになる。
【００４２】
次に、本実施形態によるハイブリッドカーの動作の概要について説明する。
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。
【００４３】
そして、回生コンバータ１０９内部において、制御装置１１５の指示に基づいて、インバータ１２１が回生コンバータ１０９の端子Ｔbにおける交流電圧より振幅が大きく、且つ、位相の遅れた電圧を交流出力端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同相の電流が流れる。これにより、コンデンサＣ1に電力が蓄積される。そして、制御装置１１５の指示に基づいて、インバータ１３１が回生コンバータ１０９の端子Ｔa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Ｔoaaに発生させることにより、インダクタンス１３２にかかる交流電圧と逆向きの電流が流れる。これにより、回生コンバータ１０９の端子Ｔaから電力が放出されることになる。よって、以上の動作より、回生コンバータ１０９が端子Ｔbから端子Ｔaへ電力の伝達を継続的に行うことになる。そして、該電力はＭ／Ｇ１０８に供給され、駆動輪Ｗへの駆動力を補助する。それにより、一般の自動車と同等の加速を、少ない燃料消費にて得ることができる。
【００４４】
次に、ハイブリッドカーの速度がある程度上がり、定速走行が行われる時には、図１（ｂ）に示すように、エンジン１０１が効率のよい定回転数にて回転し、回生コンバータ１０９内部において、制御装置１１５の指示に基づいて、インバータ１２１および１３１の全てのスイッチング素子がＯＦＦにされ、端子Ｔaと端子Ｔbとの間の電力の伝達を停止し、Ｆ／Ｗ内の電動機３５からの電力の補助がなされることなく、駆動輪Ｗを駆動する。
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。
【００４５】
次に、ハイブリッドカーのブレーキが踏まれて、制動が行われる時には、図１（ｃ）に示すように、駆動輪Ｗからの駆動力がデフＤおよびＡ／Ｔ１１０を介してＭ／Ｇ１０８に与えられる。それにより、Ｍ／Ｇ１０８に交流電力が発生し、回生制動が動作し、回生コンバータ１０９の端子Ｔaに出力される。
【００４６】
そして、回生コンバータ１０９内部において、制御装置１１５の指示に基づいて、インバータ１３１が回生コンバータ１０９の端子Ｔaにおける交流電圧より振幅が大きく、且つ、位相の遅れた電圧を交流出力端Ｔoaaに発生させることにより、インダクタンス１３２にかかる交流電圧と同相の電流が流れる。これにより、コンデンサＣ1に電力が蓄積される。そして、制御装置１１５の指示に基づいて、インバータ１２１が回生コンバータ１０９の端子Ｔb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。これにより、回生コンバータ１０９の端子Ｔbから電力が放出されることになる。よって、以上の動作より、回生コンバータ１０９が端子Ｔaから端子Ｔbへ電力の伝達を継続的に行うことになる。
【００４７】
そして、該電力は、Ｆ／Ｗ内の電動機３５の巻線３９に供給され、電動機３５を回転させ、電気エネルギーを回転体１８の回転エネルギーに変換する。以上の動作により、該電力が、Ｆ／Ｗ内の回転体１８に、運動エネルギーの形により回収される。このとき、動力伝達機構１０７が開放され、エンジン１０１におけるエンジンブレーキにより、Ｆ／Ｗに蓄積すべきエネルギーのロスが発生することが回避される。そして、制動が終了すると、動力伝達機構１０７が接続されて、次の発進加速に備えられる。
【００４８】
また、制動が終了し、車両が停止しているときに、Ｆ／Ｗの回転数Ｎが、回転体１８の最低運転回転数（以下、基底回転数という）Ｎ2に満たないときは、Ａ／Ｔ１１０をニュートラルにして、エンジン１０１の出力回転によってＭ／Ｇ１０８に電力を発生させ、制御装置１１５により、回生コンバータ１０９を端子Ｔaから端子Ｔbへ電力の伝達を行うように制御して、該電力をＦ／Ｗ内の電動機３５に与えて、Ｆ／Ｗの回転数Ｎを上昇させて、回転体１８に与えられた電力に相当する運動エネルギーを蓄積させる。以下、回生コンバータ１０９を端子Ｔaから端子Ｔbへ電力の伝達を行うように制御して、Ｆ／Ｗに電力を与えて、回転体１８の運動エネルギーとして蓄積することを「Ｆ／Ｗを充電する」という。
【００４９】
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。
【００５０】
尚、基底回転数Ｎ2は、Ｆ／Ｗの上軸受ユニット２５および下軸受ユニットにおいて、Ｆ／Ｗの回転数Ｎが低くなって回転軸２２および上軸受ユニット２５および下軸受ユニットを損傷しないように、該損傷を引き起こさない最低の回転数である。これは、許容最低回転数Ｎ1と等しいか大きな値に選定する。
【００５１】
また、Ｆ／Ｗの上軸受ユニット２５および下軸受ユニットにおいて、Ｆ／Ｗの回転数Ｎが高くなって回転軸２２および上軸受ユニット２５および下軸受ユニットを損傷しないように、最高運転回転数（以下、最高回転数という）Ｎ3は、該損傷を引き起さない最高の回転数である許容最高回転数Ｎ4と等しいか小さな値に選定する。
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。
【００５２】
次に、Ｆ／Ｗを、定常損失を低減して使用する制御の概念について説明する。
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。
【００５３】
図４は、本実施形態において、制御装置１１５による、Ｆ／Ｗの定常損失を低減する制御を示すフローチャートである。以下、図面を参照して上記の動作を説明する。
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。
【００５４】
先ず、制御装置内の速度判定器によって、車両の車速信号が解析され、車両が「走行中」か「停止中」かが判断される（ステップＳ１）。判断が「走行中」であった場合、ステップＳ２に移行し、車両のアクセルがＯＮになっているか、つまり、ユーザが加速しようとして、アクセルが踏み込まれているかが判断される。判断が「ＹＥＳ」であった場合、ステップＳ３に移行し、Ｆ／Ｗの回転数Ｎが許容最低回転数Ｎ1より高いか否かが判断される。判断が「ＹＥＳ」であった場合、Ｆ／Ｗから回生コンバータ１０９を介してＭ／Ｇ１０８へ放電できる状態であり、ステップＳ４に移行し、Ｆ／ＷからＭ／Ｇ１０８へ放電が行われる。つまり、Ｆ／Ｗが、エンジン１０１の動力を補助することになる。そして、予め決められた時間が経過すると、該フローチャートによる動作が終了する。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。
【００５５】
一方、ステップＳ２における判断が「ＮＯ」であった場合は、ユーザが加速しようとしていない場合となり、具体的には、ブレーキをかけようとしているか、等速走行をしているかのいずれかとなる。次に、ステップＳ５に移行し、車両のブレーキがＯＮになっているかが判断される。判断が「ＮＯ」であった場合、ステップＳ６に移行し、Ｆ／Ｗの回転数Ｎが基底回転数Ｎ2を上回っているかが判断される。判断が「ＹＥＳ」であった場合、何もせずに該フローチャートによる動作を終了する。一方、判断が「ＮＯ」であった場合、ステップＳ７に移行し、Ｆ／ＷをＭ／Ｇ１０８によって充電し、Ｆ／Ｗの回転数Ｎを上昇させる。そして、ステップＳ６に戻り、Ｆ／Ｗの回転数Ｎが基底回転数Ｎ2を上回っているかが再び判断される。つまり、Ｆ／Ｗの回転数Ｎが基底回転数Ｎ2以上になるまで、ステップＳ６およびＳ７の動作が繰り返されることになる。これは、ステップＳ６およびＳ７において、車両が等速走行している場合となる。
【００５６】
また、ステップＳ１における判断が「停止中」であった場合、制御装置内の図示しないタイマが、以下のような動作を行う。すなわち、ステップＳ１における判断が一定時間以上「停止中」でなかった後に、初めて「停止中」となったときは、車両が停止した状態になったことを意味するので、そのときに、制御装置内の変数値ｔを「０」にリセットする。前述したように、本フローチャートは、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」にて終了し、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」から再び開始する動作をしている。このため、２回目以降の動作時に、ステップＳ１における判断が初めて「停止中」となった時刻からの経過時間を変数値ｔに取り込むことにより、変数値ｔをタイマとして使用することができる。この動作より、以下、変数値ｔをタイマの計時値ｔという。
【００５７】
次に、ステップＳ９に移行し、タイマの計時値ｔがｔ2と等しいかが判断される。つまり、車両が停止してからｔ2だけ時間が経過したかが判断される。判断が「ＮＯ」であった場合、何もせずに該フローチャートによる動作を終了する。一方、ステップＳ９における判断が「ＹＥＳ」であった場合、つまり、ステップＳ１にて車両が停止中と判明してから時間ｔ2が経過した場合、ステップＳ１０に移行し、動力伝達機構１０７が接続され、Ａ／Ｔ１１０がニュートラルにされて、エンジン１０１の出力回転によって、Ｆ／Ｗの充電が行われる。次に、ステップＳ１１に移行し、該充電によってＦ／Ｗの回転数Ｎが最高回転数Ｎ３になったか否かが判断される。判断が「ＮＯ」であった場合、つまり、Ｆ/Ｗの回転数がＮ3になるまで充電されていない場合はステップＳ１１に戻り、Ｆ／Ｗの回転数がＮ3になるまで、該動作が繰り返される。一方、判断が「ＹＥＳ」であった場合、つまり、Ｆ／Ｗが最高回転数Ｎ3まで充電された場合、ステップＳ１２に移行し、Ｆ／Ｗの充電が停止され、該フローチャートによる動作が終了する。
【００５８】
図５は、本実施形態におけるハイブリッドカーの各走行状態におけるＦ／Ｗの動作を示すグラフである。ここで、図５（ａ）は後述するパターン走行時の動作を示すグラフであり、図５（ｂ）は市街地走行時の動作を示すグラフであり、図５（ｃ）は郊外もしくは高速道路走行時の動作を示すグラフである。以下、図４と図５を参照して、各走行状態におけるＦ／Ｗの動作を説明する。
【００５９】
まず、ハイブリッドカーの走行状態が、図５（ａ）に示すパターン走行である場合のＦ／Ｗの定常損失を低減する制御の動作を説明する。
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。
【００６０】
先ず、図５（ａ）において、Ｆ／Ｗは、回転体１８の最高回転数Ｎ3になるまで充電が行われた時点からスタートしており、車両の発進時刻Ｔm1に至るまでに、高回転による定常損失のため、右下がりのカーブにてＦ／Ｗの回転数が低下する。次に、時刻Ｔm2まで車両が加速して、Ｆ／Ｗが図４のステップＳ３〜Ｓ４における放電動作を行い、Ｆ／Ｗの回転数が低下する。
【００６１】
次に、時刻Ｔm2から車両が等速走行し、ステップＳ６〜Ｓ７における動作を行う。すなわち、時刻Ｔm3まではＦ／Ｗの充放電は行われずに定常損失によりＦ／Ｗの回転数が下がってゆき、時刻Ｔm3において、Ｆ／Ｗの回転数が基底回転数Ｎ2を下回ろうとすると、ステップＳ７においてＦ／Ｗの充電が行われて基底回転数Ｎ2を上昇させる。以上のようにステップＳ６〜Ｓ7におけるループにより、Ｆ／Ｗの回転数が基底回転数Ｎ2に保たれる。
【００６２】
次に、時刻Ｔm4にブレーキが踏まれて、ステップＳ５における減速動作が行われると、予め決められた時間だけ遅れた時刻Ｔm5からＦ／Ｗに回生コンバータ１０９を介してＭ／Ｇ１０８からステップＳ８における電力回生が行われて、Ｆ／Ｗの回転数が上昇する。そして、時刻Ｔm6にて車両が停止する。
【００６３】
そして、次の発進に備えて、Ｆ／Ｗを最高回転数Ｎ3まで充電する。ここで、発進直前に該充電を完了させることにより、前述した定常損失を抑えることができる。そのため、本実施形態においては、時刻Ｔm6から停止時間ｔ1だけ経過した時刻Ｔm10まで車両が停車しているとして、ステップＳ９〜Ｓ１２の動作により、時刻Ｔm6から、充電を開始するまでの時間である充電開始時間ｔ2だけ経過した時刻Ｔm7にてＦ／Ｗの充電を開始し、時刻Ｔm8にて充電を終了し、予め決められた時間だけ遅れた時刻Ｔm9にてＦ／Ｗの回転数が最高回転数Ｎ3になるようにしている。このようにして、発進時刻Ｔm10までに十分近接した時刻Ｔm9にてＦ／Ｗの充電を完了するようにしている。
【００６４】
尚、充電開始時間ｔ2は、停止時間ｔ1からＦ／Ｗの充電を行う時間を引いた時間より短い時間であることが必要である。しかし、停止時間ｔ1にはバラツキがあるので、以下のような方法によって停止時間ｔ1を決定し、それにより、充電開始時間ｔ2を決定することが考えられる。すなわち、停止時間ｔ1を過去の実績の平均値から決定することが考えられる。また、鉄道のように、時刻がダイヤ（ダイヤグラム）によって正確に決まっている場合は、発進時間から逆算したり、停車時間を毎回自動計測して平均値を算出し、これに基づいてＦ／Ｗの充電時間を決める等の方法が考えられる。
【００６５】
また、停止したら、すぐにＦ／Ｗの充電を開始し、平均停車時間においてＦ／Ｗの充電が完了するように、該Ｆ／Ｗの回転数をできるだけ高くしないようにして、ゆっくりと時間をかけてＦ／Ｗを充電してもよい。このようにすることによっても、定常損失を低減することができる。
【００６６】
また、本実施形態においては、ステップＳ２において、アクセルＯＮか否かを判断する動作において、判断が「ＮＯ」であった後に、ステップＳ５にてブレーキＯＮでないという状態を、「等速走行をしている」としている。ここで、電気自動車においては、アクセルを緩めることにより、エンジン車のように、原動機のブレーキ（エンジンブレーキ）がかからないため、ステップＳ２における「アクセルＯＮでない状態」の定義は、「アクセルが緩められている状態」となる。
【００６７】
しかし、一般に、電気自動車のアクセルの設定として、エンジン車から乗り換えたユーザが違和感を持たないように、アクセルを緩めると、軽い回生制動を働かすことが多い。この設定により、アクセルを緩めることにより、原動機のブレーキが動作することになる。また、エンジン１０１とＭ／Ｇ１０８とが補い合いながら車両を駆動するハイブリッドカーにおいては、アクセルを緩めることにより、エンジン１０１のエンジンブレーキも作動するので、ステップＳ２における「アクセルＯＮでない状態」の定義は以下のようになる。すなわち、「アクセルＯＮでない状態」の定義は「アクセルを一定の開度にて保つ状態」となる。
【００６８】
次に、ハイブリッドカーの走行状態が、図５（ｂ）に示す市街地走行である場合のＦ／Ｗの定常損失を低減する制御の動作を説明する。
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。
【００６９】
先ず、図５（ｂ）において、グラフのスタート時点から時刻Ｔn1、Ｔn2を経た後の時刻Ｔn3までの動作は、図５（ａ）におけるグラフのスタート時点から時刻Ｔm1、Ｔm2、Ｔm3を経た後の時刻Ｔm4までの動作と同等である。つまり、発進、加速、等速走行においては図５（ａ）におけるグラフと同等の動作を行う。
【００７０】
次に、時刻Ｔn3からＴn4を経たＴn5において、交差点におけるコーナリングが行われる。このとき、減速が行われている時刻Ｔn3〜Ｔn4においては、Ｆ／Ｗにエネルギーが戻ってくるが、すぐ後の時刻Ｔn4〜Ｔn5において、加速が行われてＦ／Ｗに戻ってきたエネルギーが再利用されるので、Ｆ／Ｗの再充電はしない。
【００７１】
次に、時刻Ｔn5〜Ｔn6においては、時刻Ｔn1〜Ｔn2と同じく、等速走行を行う。また、時刻Ｔn6〜Ｔn10においては、図５（ａ）における時刻Ｔm5〜Ｔm10と類似したタイミングにて、同様にＦ／Ｗの充電動作を行う。このときの、停止した時刻Ｔn6から充電を開始する時刻Ｔn7までの充電時間時間ｔ2は信号待ちの停止時間の平均値を用いて決めている。こうすることにより、一時停止の度に充電が開始されるといった、煩雑なことが起こらなくなる。
【００７２】
次に、ハイブリッドカーの走行状態が、図５（ｃ）に示す郊外もしくは高速道路走行である場合のＦ／Ｗの定常損失を低減する制御の動作を説明する。
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。
【００７３】
先ず、図５（ｃ）において、グラフのスタート時点から時刻Ｔp1、Ｔp2を経た後の時刻Ｔp3までの動作は、図５（ａ）におけるグラフのスタート時点から時刻Ｔm1、Ｔm2、Ｔm3を経た後の時刻Ｔm4までの動作と同等である。つまり、発進、加速、等速走行においては図５（ａ）におけるグラフと同等の動作を行う。
【００７４】
次に、時刻Ｔp3から以後は、ステップＳ６〜Ｓ7におけるループによる動作により、Ｆ／Ｗの回転数を基底回転数Ｎ2に保つような制御が行われる。
【００７５】
以上、各走行状態におけるＦ／Ｗの基本的な動作について説明したが、ユーザによってアクセルの踏み方に差があることや、ユーザが状況に応じて省エネ性を重視した運転をするか、ドライブフィールを重視した運転をするかを選択できるよう、パワーモード、エコノミーモード、ハイウェイモードの３種類の切替スイッチを運転席に備え、それぞれの運転モードをユーザが自由に選択できるようにすることもできる。
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。
【００７６】
先ず、パワーモードにおいては、Ｆ／Ｗの制御における閾値である基底回転数Ｎ2および最高回転数Ｎ3の値が高めに設定されて、大きなエネルギーの出し入れが出来るような制御がおこなわれる。この場合、Ｆ／Ｗにて扱うエネルギーの全般的なレベルが大きくなるので、Ｆ／Ｗを高回転数にて使用するための定常損失の増大を度外視する。
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。
【００７７】
次に、エコノミーモードにおいては、基底回転数Ｎ2および最高回転数Ｎ3の値が低めに設定されて、Ｆ／Ｗの制御が行われる。
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。
【００７８】
次に、ハイウェイモードにおいては、基底回転数Ｎ2が必要最小値、つまり、許容最低回転数Ｎ1とほぼ同一回転数に設定され、ハイウェイ走行における定常損失が最小になるように、Ｆ／Ｗの制御が行われる
【００７９】
また、本実施形態においては、上述した、パワーモード、エコノミーモード、ハイウェイモードの３種類の運転モードを運転席に備えられた切替スイッチによらず制御装置が車両の運転状況を認識して切替える、ＡＵＴＯモードを設定することができるようにしている。尚、ＡＵＴＯモードのＯＮ／ＯＦＦは、ユーザが運転席に備えられたＡＵＴＯ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。
【００８０】
上述した、ＡＵＴＯモードにおいては、エネルギーの出し入れ量(回転数の変動幅)やアクセル開度を観測することにより、上記の各運転モードのうち、どの運転モードに移行させるのが最もよいかを自動的に判断して、移行する。
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。
【００８１】
尚、上述したＡＵＴＯモードは、公知のファジィ制御、適応制御、ニューラルネットワーク等を利用したインテリジェント制御により実現してもよい。
【００８２】
また、本実施形態においては、以下に示すような休止モードを設定することができるようにしている。すなわち、ハイブリッドカーに、例えば、バッテリといった、他の蓄電媒体（図示せず）を備えて、該ハイブリッドカーが、お昼休み、休憩時間、あるいは１日の終わり等、長い時間、停止した状態になることが予めわかっている場合に、Ｆ／Ｗに蓄積されたエネルギーを該蓄電媒体に回収し、Ｆ／Ｗの回転を停止させる運転モードである。
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。
【００８３】
また、本実施形態においては、ハイブリッドカーが、前述した信号待ち等による一時停止の時間より十分長い時間停止した場合、自動的に上述した休止モードに移行する、自動休止モードを備えている。これによって、上述した休止モードへの移行の機会が増加し、さらなるＦ／Ｗの定常損失の減少を図ることができる。
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。
【００８４】
尚、車両の始動当初には、Ｆ／Ｗに蓄積されているエネルギーが小さい場合が多く、また、Ｆ／Ｗの軸受の潤滑のために、Ｆ／Ｗを許容最低回転数Ｎ1以下にしないようにエネルギーを取り出している。そのため、車両の始動直後の加速時には、Ｆ／Ｗによる動力の補助が期待できない。そのため、本実施形態においては、車両の始動直後に、Ｆ／Ｗを最高回転数Ｎ3まで充電することを想定したが、この動作は必須のものではない。すなわち、車両が停止するときに、回生制動によってＦ／Ｗにエネルギーが蓄積されるため、次の発進時からＦ／Ｗによる動力の補助が期待できるようになるため、車両の始動当初のＦ／Ｗの充電を行わなくてもよい。これにより、さらに定常損失を低減することができる。
【００８５】
また、本実施形態においては、Ｆ／Ｗ内の電動機３５を同期電動機とし、制御装置１１５が、Ｆ／Ｗの回転数をＦ／Ｗに設けられた回転検出装置４８から入力する構成としたが、電動機３５を誘導電動機として、Ｆ／Ｗにレゾルバを設け、回生コンバータ１０９に該レゾルバから回転数の情報を出力して、制御装置１１５が、該情報を回生コンバータ１０９から入力してもよい。
【００８６】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での設計変更も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の一実施形態におけるハイブリッドカーの構成および該車両の加速時、定速走行時、制動時の電力およびエネルギーの流れを示す図である。
【図２】同実施形態における回生コンバータ１０９の構成を示す図である。
【図３】同実施形態におけるフライホイール蓄電装置１（Ｆ／Ｗ）の構成を示す図である。
【図４】同実施形態におけるフライホイール蓄電装置１（Ｆ／Ｗ）の定常損失を低減する制御を示すフローチャートである。
【図５】同実施形態におけるハイブリッドカーの各走行状態におけるフライホイール蓄電装置１（Ｆ／Ｗ）の動作を示すグラフである。
【図６】従来におけるハイブリッドカーの構成および該車両の加速時、定速走行時、制動時の電力およびエネルギーの流れを示す図である。
【図７】従来における回生コンバータ１０５の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００８８】
１ フライホイール蓄電装置（Ｆ／Ｗ）
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）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
備えたことを特徴とするフライホイール蓄電装置。
【請求項２】
前記制御手段が、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請求項１に記載のフライホイール蓄電装置。
【請求項３】
前記制御手段が、前記停車時間を過去の平均によって予測を行う第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請求項１に記載のフライホイール蓄電装置。
【請求項４】
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〜請求項３のいずれかの項に記載のフライホイール蓄電装置。
【請求項５】
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４に記載のフライホイール蓄電装置。
【請求項１】
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、
備えたことを特徴とするフライホイール蓄電装置。
【請求項２】
前記制御手段が、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請求項１に記載のフライホイール蓄電装置。
【請求項３】
前記制御手段が、前記停車時間を過去の平均によって予測を行う第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請求項１に記載のフライホイール蓄電装置。
【請求項４】
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〜請求項３のいずれかの項に記載のフライホイール蓄電装置。
【請求項５】
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４に記載のフライホイール蓄電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−２５４８９（Ｐ２００６−２５４８９Ａ）
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１９９３６７（Ｐ２００４−１９９３６７）
【出願日】平成１６年７月６日（２００４．７．６）
【出願人】（０００１７３７８４）財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【出願人】（０００００２０５９）神鋼電機株式会社 (1,111)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月６日（２００４．７．６）
【出願人】（０００１７３７８４）財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【出願人】（０００００２０５９）神鋼電機株式会社 (1,111)
【Ｆターム（参考）】
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