JP5960656B2 - フライホイール回生システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、車両の運動エネルギーをフライホイールで回生するフライホイール回生技術に関する。

車両の燃費・電費を向上させるには、車両が減速する時に車両の運動エネルギーを電気的又は機械的に回生し、回生したエネルギーを発進時や加速時に利用するのが有効である。

特許文献１は、変速機の入力軸にクラッチ（以下、フライホイールクラッチ）によって断続可能なフライホイールを設け、車両が減速する時にフライホイールクラッチを締結して駆動輪から入力される回転でフライホイールを回転させ、車両の運動エネルギーをフライホイールの運動エネルギーに変換するフライホイール回生システムを開示している。

このようなフライホイール回生システムにおいては、フライホイールクラッチを解放すれば回生した運動エネルギーをフライホイールに保存することができ、また、発進時や加速時にフライホイールクラッチを締結すれば、フライホイールに保存された運動エネルギーを放出させ、車両の発進や加速に利用することができる。

特表２０１２−５１６４１７号公報

車両のパワートレインが、フライホイールクラッチと駆動輪との間に前進クラッチを有する構成の場合、発進時にはフライホイールクラッチと前進クラッチとを締結する必要がある。

しかしながら、これら２つのクラッチを同時に締結すると、フライホイールクラッチの発熱率［ｋＷ］（＝締結トルク容量×差回転）が大きくなり、発熱率が上限を超えて大きくなるとフライホイールクラッチの耐久性が低下する可能性がある（図４参照）。

フライホイールクラッチの締結完了後に前進クラッチの締結を開始するようにすれば、フライホイールクラッチの発熱を抑えることができるが、前進クラッチの締結が遅れる分、車両の発進応答性が悪くなる。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、発進時のフライホイールクラッチの発熱を抑えつつ車両の発進応答性の低下を抑えることのできるフライホイール回生システムを提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、フライホイールと、前記フライホイールから駆動輪に至るまでの動力伝達経路に設けられるフライホイールクラッチと、前記動力伝達経路の前記フライホイールクラッチと前記駆動輪との間に設けられる前進クラッチとを備え、車両減速中、前記フライホイールクラッチを締結して前記車両の運動エネルギーを回生するフライホイール回生システムであって、前記フライホイールクラッチ及び前記前進クラッチが解放された状態から前記フライホイールクラッチ及び前記前進クラッチを締結して前記車両を発進させる場合に、前記フライホイールクラッチ、前記前進クラッチの順に締結を開始し、前記前進クラッチの締結開始時期を前記フライホイールクラッチの発熱率が最大になる時以降かつ前記フライホイールクラッチが完全締結する時より前に設定する発進制御手段を備えたフライホイール回生システムが提供される。

また、本発明の別の態様によれば、上記フライホイール回生システムの制御方法が提供される。

これらの態様によれば、フライホイールクラッチの発熱を抑えて耐久性が低下するのを抑えつつ、発進応答性の低下を抑えることができる。

フライホイール回生システムを備えた車両の全体構成図である。 発進制御の内容を示したフローチャートである。 発進時の様子を示したタイムチャートである。 比較例の発進時の様子を示したタイムチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明において「発進」には、車速ゼロからの発進の他、車両が完全に停車しない状態からの再加速も含まれる。

図１は、本発明の実施形態に係るフライホイール回生システムを備えた車両１００の全体構成を示している。

車両１００は、動力源としてのエンジン１と、回生用のフライホイール２と、エンジン１の出力回転を無段階に変速する無段変速機（以下、ＣＶＴ）３と、ＣＶＴ３の出力回転を減速する終減速装置４と、差動装置５と、左右の駆動輪６と、油圧回路７と、コントローラ８とを備えている。

エンジン１とＣＶＴ３の入力軸３ｉｎとの間には、エンジンクラッチＣＬ１が設けられている。エンジンクラッチＣＬ１は、供給される油圧によって締結トルク容量を制御可能な油圧式クラッチである。

ＣＶＴ３と終減速装置４との間には、発進・前進時に締結され、ＣＶＴ３を介して入力されるエンジン１又はフライホイール２からの回転を終減速装置４に伝達する前進クラッチＣＬ２が設けられている。前進クラッチＣＬ２は、供給される油圧によって締結トルク容量を制御可能な油圧式クラッチである。前進クラッチＣＬ２は、図１では単独で設けられているが、詳細には、ＣＶＴ３と終減速装置４の間に設けられる有段変速機又は前後進切換機構において前進状態を実現するクラッチ（ブレーキ含む）の一つである。

ＣＶＴ３の入力軸３ｉｎには図示しないベルト、ギヤ等を介してオイルポンプ１０が接続されている。オイルポンプ１０は、ＣＶＴ３の入力軸３ｉｎが回転すると油圧を発生させるギヤポンプ式又はベーンポンプ式のオイルポンプである。オイルポンプ１０が発生した油圧は後述する油圧回路７へと送られ、油圧回路７からＣＶＴ３のプーリ、エンジンクラッチＣＬ１、前進クラッチＣＬ２に供給される。

ＣＶＴ３の入力軸３ｉｎには、さらに、一対の減速ギヤ列１１、１２を介してフライホイール２が接続されている。フライホイール２は、金属製の円筒体又は円盤であり、回転時の風損を低減するために真空又は減圧された容器内に収容されている。

減速ギヤ列１１と減速ギヤ列１２との間にはフライホイールクラッチＣＬｆｗが設けられている。フライホイールクラッチＣＬｆｗは、クラッチアクチュエータ１３によって締結・解放を切り換えることのできる電動クラッチである。クラッチアクチュエータ１３に代えて電動オイルポンプを設け、フライホイールクラッチＣＬｆｗを、電動オイルポンプで発生した油圧によって締結トルク容量を制御可能な油圧式クラッチとしてもよい。

油圧回路７は、後述するコントローラ８からの信号を受けて動作するソレノイド弁等で構成され、ＣＶＴ３、エンジンクラッチＣＬ１、前進クラッチＣＬ２及びオイルポンプ１０と油路を介して接続される。油圧回路７は、オイルポンプ１０で発生した油圧を元圧として、ＣＶＴ３のプーリ、エンジンクラッチＣＬ１及び前進クラッチＣＬ２で必要とされる油圧を生成し、生成した油圧をＣＶＴ３のプーリ、エンジンクラッチＣＬ１及び前進クラッチＣＬ２に供給する。

ブレーキ１４は、ブレーキペダル１５とマスターシリンダ１６とが機構的に独立している電子制御式ブレーキである。運転者がブレーキペダル１５を踏み込むと、ブレーキアクチュエータ１７がマスターシリンダ１６のピストンを変位させ、要求減速度（運転者が要求する減速度、以下同じ）に応じた油圧がブレーキ１４に供給され、制動力が発生する。なお、図示は省略するが、ブレーキ１４は従動輪にも設けられている。

コントローラ８は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、入出力インターフェース等で構成され、コントローラ８には、エンジン１の回転速度を検出する回転速度センサ２１、ＣＶＴ３の入力軸３ｉｎの回転速度Ｎｉｎを検出する回転速度センサ２２、フライホイール２の回転速度Ｎｆｗを検出する回転速度センサ２３、車速ＶＳＰを検出する車速センサ２４、アクセルペダル２５の開度ＡＰＯを検出するアクセル開度センサ２６、運転者によるブレーキペダル１５の踏み込み量及び踏み込み加速度を検出するブレーキセンサ２７等からの信号が入力される。

コントローラ８は、入力される信号に基づき各種演算を行い、ＣＶＴ３の変速、クラッチＣＬ１、ＣＬ２、ＣＬｆｗの締結・解放、ブレーキアクチュエータ１７を制御する。特に、運転者がブレーキペダル１５を踏み込み、車両１００が減速する時は、コントローラ８は、フライホイールクラッチＣＬｆｗ及び前進クラッチＣＬ２を締結し、駆動輪６から入力される回転でフライホイール２を回転させ、車両１００が持つ運動エネルギーをフライホイール２の運動エネルギーに変換することで、車両１００の運動エネルギーを回生する。

回生中、コントローラ８は、ブレーキセンサ２７で検出されるブレーキペダル１５の踏み込み量及び踏み込み加速度、車速ＶＳＰ等に基づき、所定のマップを参照して要求減速度を演算し、要求減速度に応じた制動力（回生ブレーキ）が得られるようフライホイールクラッチＣＬｆｗの締結トルク容量を制御する。フライホイールクラッチＣＬｆｗを締結する前で回生ブレーキを発生できない場合や回生ブレーキのみでは要求減速度を実現できない場合は、コントローラ８はブレーキアクチュエータ１７を動作させてブレーキ１４の制動力を増大させて要求減速度が実現されるようにする。

回生された運動エネルギーは、フライホイールクラッチＣＬｆｗを解放することによってフライホイール２に保存することができる。そして、フライホイール２に運動エネルギーが保存されている状態でフライホイールクラッチＣＬｆｗを締結すれば、フライホイール２に保存されている運動エネルギーを車両１００の発進や加速に利用することができる。

ところで、フライホイール２に保存されている運動エネルギーで車両１００を発進させる場合、フライホイールクラッチＣＬｆｗに加え、前進クラッチＣＬ２を締結する必要があるが、これら２つの摩擦要素を締結する順番はフライホイールクラッチＣＬｆｗ、前進クラッチＣＬ２の順である。

これは、フライホイールクラッチＣＬｆｗを先に締結しないとオイルポンプ１０が駆動されず、前進クラッチＣＬ２を締結させるのに必要な油圧を前進クラッチＣＬ２に供給することができないからである。

また、フライホイールクラッチＣＬｆｗの耐久性が低下するのを防止するためである。前進クラッチＣＬ２、フライホイールクラッチＣＬｆｗの順に締結すると、フライホイールクラッチＣＬｆｗ締結時のイナーシャはフライホイールクラッチＣＬｆｗの出力側要素から駆動輪６までの全部材となりフライホイールクラッチＣＬｆｗ締結時のフライホイールクラッチＣＬｆｗの負担が大きい。フライホイールクラッチＣＬｆｗを先に締結すれば、フライホイールクラッチＣＬｆｗ締結時のイナーシャが終減速装置４、差動装置５及び駆動輪６分小さくなるので、フライホイールクラッチＣＬｆｗ締結時のフライホイールクラッチＣＬｆｗの負担を下げることができる。

さらに、本実施形態では、以下に説明する発進制御を行うことにより、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱（特に、発熱率）を抑え、フライホイールクラッチＣＬｆｗの耐久性が低下するのを防止する。

図２は、コントローラ８が行う発進制御の内容を示したフローチャートである。

なお、この発進制御を行う前提として、フライホイール２に車両１００を発進させるのに必要な運動エネルギーが保存されている必要があり、フライホイール２の回転速度Ｎｆｗから車両１００を発進させることが可能と判断された場合に実行される。

これによると、まず、Ｓ１１では、コントローラ８は、車速センサ２４、アクセル開度センサ２６、ブレーキセンサ２７から入力される信号に基づき、車両１００の発進要求があるか判断する。発進要求は、車速ゼロの停車状態でブレーキペダル１５から足が離されて車両１００を発進させる場合の他、車両１００が停車する前にアクセルペダル２５が踏み込まれて車両１００を再加速させる場合にもありと判断される。発進要求ありと判断された場合は、フライホイールクラッチＣＬｆｗに保存されている運動エネルギーを利用して車両１００を発進させるべく、処理がＳ１２に進む。発進要求なしと判断された場合は、車両１００を発進させる必要がないので、処理が終了する。

Ｓ１２では、コントローラ８は、フライホイールクラッチＣＬｆｗの締結トルク容量を増大させる。これにより、締結トルク容量と入力側要素と出力側要素の差回転との積で決まるフライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率（仕事率）［ｋＷ］も増大する。

Ｓ１３では、コントローラ８は、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が最大になったかを、変化率が略ゼロになったかに基づき判断する。このような判断が可能なのは、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率は、フライホイールクラッチＣＬｆｗの締結トルク容量が増大するにつれて増大し、そのスリップ率が収束するにつれて減少する傾向があり、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が最大になるところではその変化率がゼロになるからである。

フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率の変化率（微少時間での変化量）が略ゼロでフライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が最大になったと判断された場合は処理がＳ１４に進む。そうでない場合は、処理がＳ１２に戻り、フライホイールクラッチＣＬｆｗの締結トルク容量をさらに増大させる。

Ｓ１４では、コントローラ８は、前進クラッチＣＬ２の締結トルク容量を増大させて前進クラッチＣＬ２の締結を開始する。

Ｓ１５では、コントローラ８は、フライホイールクラッチＣＬｆｗの締結トルク容量を制御する。具体的には、コントローラ８は、フライホイールクラッチＣＬｆｗの締結トルク容量が前進クラッチＣＬ２の締結トルク容量よりも大きくなるように、フライホイールクラッチＣＬｆｗの締結トルク容量を制御し、フライホイールクラッチＣＬｆｗが前進クラッチＣＬ２に負けてスリップしないようにする。

Ｓ１６では、コントローラ８は、フライホイールクラッチＣＬｆｗの締結が完了したか判断する。フライホイールクラッチＣＬｆｗの締結が完了していない場合は処理がＳ１７に進む。

Ｓ１７では、コントローラ８は、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が上限に達しているか判断される。上限はフライホイールクラッチＣＬｆｗが焼損する発熱率に対して若干低い値（＝焼損発熱率−余裕代）に設定される。

フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が上限に達している場合は、処理がＳ１８に進み、フライホイールクラッチＣＬｆｗ及び前進クラッチＣＬ２のそれぞれの締結トルク容量をそのときの値に維持し、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が上限値よりも小さくなるまでＳ１７、Ｓ１８の処理を繰り返して待機する。

フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が上限に達していない場合は処理がＳ１４に戻り、前進クラッチＣＬ２の締結トルク容量がさらに増大される。これにより、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が上限を超えない範囲で前進クラッチＣＬ２の締結トルク容量を最大限増やすことができる。

一方、Ｓ１６でフライホイールクラッチＣＬｆｗの締結が完了していると判断された場合は、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱を考慮する必要がなくなるので、処理がＳ１９に進んで、前進クラッチＣＬ２の締結が完了するまで前進クラッチＣＬ２の締結トルク容量の増大が繰り返され（Ｓ１９、Ｓ２０）、前進クラッチＣＬ２の締結が完了したら処理が終了する。

続いて、上記発進制御を行うことによる作用効果について説明する。

図３は、上記発進制御を行う場合の発進時の様子を示したタイムチャートである。

時刻ｔ１１では、フライホイールクラッチＣＬｆｗの締結が開始される。フライホイールクラッチＣＬｆｗが締結されることでオイルポンプ１０が駆動されて後に締結される前進クラッチＣＬ２で必要になる油圧を確保することができる。また、前進クラッチＣＬ２が解放されて終減速装置４、差動装置５及び駆動輪６が切り離されているので、フライホイールクラッチＣＬｆｗが締結することで回転を開始する部分のイナーシャが小さくなり、フライホイールクラッチＣＬｆｗの負担を抑えることができる。

フライホイールクラッチＣＬｆｗの締結トルク容量が増大するにつれてフライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が増大し、時刻ｔ１２で最大になると、前進クラッチＣＬ２の締結が開始される。

時刻ｔ１２以降、前進クラッチＣＬ２の締結トルク容量が増大するが、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が最大となる時期を過ぎており、かつ、前進クラッチＣＬ２の締結トルク容量の増大がフライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率の上限を超えないように行われるので、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が上限を超えることはない。

なお、時刻ｔ１２以降、フライホイールクラッチＣＬｆｗの締結トルク容量の増加速度が大きくなっているのは、フライホイールクラッチＣＬｆｗの締結トルク容量が前進クラッチＣＬ２の締結トルク容量を下回らないように制御されるからである。

フライホイールクラッチＣＬｆｗの締結が完了する前に前進クラッチＣＬ２の締結が開始され、また、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が上限に達しない間は前進クラッチＣＬ２の締結トルク容量の増大が繰り返されるので、フライホイールクラッチＣＬｆｗに対して前進クラッチＣＬ２の締結開始が遅れることによる発進応答性の低下は最小限に抑えられる。

時刻ｔ１３では、フライホイールクラッチＣＬｆｗの入力側回転速度と出力側回転速度とが一致し、フライホイールクラッチＣＬｆｗの締結が完了する。時刻ｔ１３以降は、前進クラッチＣＬ２が締結するまでその締結トルク容量が増大されるが、フライホイールクラッチＣＬｆｗは既に締結を完了しているので、その発熱が問題になることはない。

このように、本実施形態では、フライホイールクラッチＣＬｆｗ及び前進クラッチＣＬ２が解放された状態からフライホイールクラッチＣＬｆｗ及び前進クラッチＣＬ２を締結して車両１００を発進させる場合に、フライホイールクラッチＣＬｆｗ、前進クラッチＣＬ２の順に締結を開始し、前進クラッチＣＬ２の締結開始時期をフライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が最大になる時以降かつフライホイールクラッチＣＬｆｗが完全締結する時よりも前に設定した。これにより、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱を抑えて耐久性が低下するのを抑えつつ、発進応答性の低下を抑えることができる（請求項１、４に対応する効果）。

また、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率の変化率に基づきフライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が最大になったか判断するようにした。これにより、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が最大になる時を正確に判断し、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が最大になる時以降に前進クラッチＣＬ２の締結を開始させることができる（請求項２に対応する効果）。

なお、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が最大になったかはフライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率の変化率が略ゼロになったか判断し、好適には、ゼロになったかで判断する。

前進クラッチＣＬ２の締結を、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率の変化率がゼロになる前に開始すると、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が上限を超えてフライホイールクラッチＣＬｆｗの耐久性が低下し、ゼロになった後に開始すると、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が上限に対して余裕があるにも関わらず前進クラッチＣＬ２が締結されない期間があり、発進応答性が低下する。フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率の変化率がゼロになった時にライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が最大になったと判断して前進クラッチＣＬ２の締結を開始すれば、これらの問題を防止することができる。

また、フライホイールクラッチＣＬｆｗが完全締結するまでの間、フライホイールクラッチＣＬｆｗの発熱率が上限に達していないか判断し、上限に達していなければ前進クラッチＣｌ２の締結トルク容量の増大を繰り返すようにした。これにより、前進クラッチＣＬ２が締結を完了するまでの時間を短縮し、発進応答性の低下をさらに抑えることができる（請求項３に対応する効果）。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記実施形態では、車両１００は動力源としてエンジン１のみを備えているが、動力源としてエンジン１とモータとを備えていてもよいし、エンジン１に代えてモータのみを備えていてもよい。

また、車両１００は変速機としてＣＶＴ３を備えているが、変速機の種類はこれに限定されず、ＣＶＴ３に代えて有段変速機を備えていてもよい。

１ エンジン
２ フライホイール
３ ＣＶＴ（変速機）
３ｉｎ 入力軸
８ コントローラ（発進制御手段）
１０ オイルポンプ
ＣＬ１ エンジンクラッチ
ＣＬ２ 前進クラッチ
ＣＬｆｗ フライホイールクラッチ

Claims (4)

1. フライホイールと、前記フライホイールから駆動輪に至るまでの動力伝達経路に設けられるフライホイールクラッチと、前記動力伝達経路の前記フライホイールクラッチと前記駆動輪との間に設けられる前進クラッチとを備え、車両減速中、前記フライホイールクラッチを締結して前記車両の運動エネルギーを回生するフライホイール回生システムであって、
   前記フライホイールクラッチ及び前記前進クラッチが解放された状態から前記フライホイールクラッチ及び前記前進クラッチを締結して前記車両を発進させる場合に、前記フライホイールクラッチ、前記前進クラッチの順に締結を開始し、前記前進クラッチの締結開始時期を前記フライホイールクラッチの発熱率が最大になる時以降かつ前記フライホイールクラッチが完全締結する時より前に設定する発進制御手段、
   を備えたことを特徴とするフライホイール回生システム。
2. 請求項１に記載のフライホイール回生システムであって、
   前記発進制御手段は、前記フライホイールクラッチの発熱率の変化率に基づき前記フライホイールクラッチの発熱率が最大になったか判断する、
   ことを特徴とするフライホイール回生システム。
3. 請求項１又は２に記載のフライホイール回生システムであって、
   前記発進制御手段は、前記フライホイールクラッチが完全締結するまでの間、前記フライホイールクラッチの発熱率が上限に達していないか判断し、上限に達していなければ前記前進クラッチの締結トルク容量を増大する、
   ことを特徴とするフライホイール回生システム。
4. フライホイールと、前記フライホイールから駆動輪に至るまでの動力伝達経路に設けられるフライホイールクラッチと、前記動力伝達経路の前記フライホイールクラッチと前記駆動輪との間に設けられる前進クラッチとを備え、車両減速中、前記フライホイールクラッチを締結して前記車両の運動エネルギーを回生するフライホイール回生システムの制御方法であって、
   前記フライホイールクラッチ及び前記前進クラッチが解放された状態から前記フライホイールクラッチ及び前記前進クラッチを締結して前記車両を発進させる場合に、前記フライホイールクラッチ、前記前進クラッチの順に締結を開始し、前記前進クラッチの締結開始時期を前記フライホイールクラッチの発熱率が最大になる時以降かつ前記フライホイールクラッチが完全締結する時より前に設定する、
   ことを特徴とするフライホイール回生システムの制御方法。

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