(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回生エネルギ蓄積部と、無段変速機と、回転方向切り替え部と、制動トルクを検出する制動トルク計と、制御装置とを備え、
前記回生エネルギ蓄積部は、回生エネルギを位置エネルギとして蓄積する蓄積部本体と、該蓄積部本体の蓄積エネルギ量を検出して前記制御装置に出力する蓄積エネルギ量検出器と、エネルギの蓄積時と解放時とにおける回転駆動力の回転方向を同一とする駆動力変換機構とを有し、
前記無段変速機は、エンジンとの間に介装される第１のクラッチと、前記回転方向切り替え部との間に介装される第２のクラッチと、前記回生エネルギ蓄積部との間に介装される第３のクラッチとを有し、
前記回転方向切り替え部は、エネルギの蓄積時と解放時とにおける駆動輪の回転方向を同一とするよう構成され、
前記制御装置は、前記制動トルク計による制動トルク検出値と、前記蓄積エネルギ量検出器の蓄積エネルギ量検出値とに基づいて、回生エネルギの蓄積または解放を制御する
ことを特徴とする陸上移動体の回生制動装置。
【請求項２】
蓄積した回生エネルギを陸上移動体の加速に利用するよう構成されてなることを特徴とする請求項１記載の陸上移動体の回生制動装置。
【請求項３】
位置エネルギが弾性体に蓄積されるよう構成されてなることを特徴とする請求項１記載の陸上移動体の回生制動装置。
【請求項４】
位置エネルギが圧縮空気として蓄積されるよう構成されてなることを特徴とする請求項１記載の陸上移動体の回生制動装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の回生制動装置を備えてなることを特徴とする陸上移動体。
【請求項６】
陸上移動体が鉄道車両を含む車両とされてなることを特徴とする請求項５記載の陸上移動体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、陸上移動体の回生制動方法および回生制動装置に関する。さらに詳しくは、車両などの陸上移動体の制動時のエネルギを位置エネルギに変換して蓄積し、その蓄積されたエネルギを加速に利用する車両などの陸上移動体の回生制動方法および回生制動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題が社会的に重要視されるに伴って、各種交通機関の低燃費化、省エネルギー化、低公害化を促進するための技術が注目されるようになってきている。
【０００３】
このような技術の一つとして、例えば電気鉄道では、車両減速の際にモータを発電機として働かせることによって生ずる抵抗で車両を制動するとともに、発生した電力を電車線から送り返して他の列車に供給する回生制動が行われている。すなわち、この方法では、減速の際に放出される車両の運動エネルギの一部（摩擦等により失われるエネルギを除いたもの。以下、回生エネルギという）を電気エネルギに変換して利用するものとされている。
【０００４】
また、各種車両において、回生エネルギを力学的エネルギのまま蓄積するものとしては、フライホイルと無段変速機とからなるシステムによって減速エネルギを蓄積し、これを発進時に活用するようにした回生制動装置が知られている（特公昭５５−６７８５号公報および特開昭５７−１２７１５４号公報等参照）。この場合、無段変速機を介して車輪からフライホイルに伝達される回生エネルギをフライホイルの回転エネルギとして蓄積し、これを発車時等の加速の際に利用するものとされる。
【０００５】
このように、従来より、車両の減速エネルギを再加速の際等に利用する回生制動が行われている。しかしながら、前掲の電気鉄道で行われている従来の回生制動方法は、力学的エネルギを電気エネルギに変換するものであるため損失が大きく、したがって回生エネルギを十分に活用できないという問題がある。
【０００６】
また、フライホイルを用いて回生エネルギを蓄積する方法は、エネルギ変換に伴う損失は小さいものの、時間の経過とともに蓄積されたエネルギが減少するために回生エネルギを利用できる時間が制限されるという問題がある。
【０００７】
さらに、十分な加速エネルギを得ようとする場合、フライホイール自体もある程度重量のあるものを用いる必要があり、このような重量物を積載して走行することに伴うデメリットも大きい上、従来提案の各回生制動方法においては、いずれも回生エネルギを単純にフライホイールに蓄積するものとしているだけで、これによるブレーキの操作感等への影響を全く顧慮していないという問題もある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、簡易・軽量な機構で回生エネルギを効率よく蓄積できるとともに、回生制動を行うことによる車両のなどの陸上移動体の操作感覚に対する影響を排除することができる車両などの陸上移動体の回生制動方法および回生制動装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の陸上移動体の回生制動装置は、回生エネルギ蓄積部と、無段変速機と、回転方向切り替え部と、制動トルクを検出する制動トルク計と、制御装置とを備え、
前記回生エネルギ蓄積部は、回生エネルギを位置エネルギとして蓄積する蓄積部本体と、該蓄積部本体の蓄積エネルギ量を検出して前記制御装置に出力する蓄積エネルギ量検出器と、エネルギの蓄積時と解放時とにおける回転駆動力の回転方向を同一とする駆動力変換機構とを有し、
前記無段変速機は、エンジンとの間に介装される第１のクラッチと、前記回転方向切り替え部との間に介装される第２のクラッチと、前記回生エネルギ蓄積部との間に介装される第３のクラッチとを有し、
前記回転方向切り替え部は、エネルギの蓄積時と解放時とにおける駆動輪の回転方向を同一とするよう構成され、
前記制御装置は、前記制動トルク計による制動トルク検出値と、前記蓄積エネルギ量検出器の蓄積エネルギ量検出値とに基づいて、回生エネルギの蓄積または解放を制御する
ことを特徴とする。
【００１４】
本発明の陸上移動体の回生制動装置においては、蓄積した回生エネルギを陸上移動体の加速に利用するよう構成されてなるのが好ましい。
【００１６】
さらに、本発明の陸上移動体の回生制動装置においては、位置エネルギがバネなどの弾性体に蓄積されるよう構成されたり、圧縮空気として蓄積されるよう構成されたりするのが好ましい。
【００１７】
しかして、本発明の回生制動装置は、鉄道車両を含む車両などの陸上移動体に備えられる。
【００１８】
【作用】
本発明は、前記の如く構成されているので、簡易・軽量な構成により回生エネルギを蓄積することができる。そのため、回生制動装置を備えることに伴う重量増加を必要最小限に抑えることができる。
【００１９】
本発明の好ましい形態によれば、回生エネルギを車両などの陸上移動体の加速に利用しているので、加速時における外部から供給されるエネルギ量を低減できる。
【００２０】
また、本発明の別の好ましい形態によれば、ブレーキ量と回生エネルギ量との調整をしているので、車両などの陸上移動体の確実な停止を確保しながら回生エネルギの効率的な蓄積が図られる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【００２２】
図１に、本発明の一実施形態に係る回生制動方法が適用された回生制動装置の概略構成を示し、この回生制動装置は、例えば自動車に設けられ、自動車が減速する際に放出される車体の運動エネルギの一部（摩擦等により失われるエネルギを除いたもの。以下、回生エネルギという）を位置エネルギとして蓄積し、蓄積された位置エネルギを発車等の際の車体の加速に利用するよう動作するものとされる。
【００２３】
回生制動装置Ｋは、より具体的には、回生エネルギを位置エネルギとして蓄積する回生エネルギ蓄積部１０と、無段変速機（ＣＶＴ；ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ  ｖａｒｉａｂｌｅ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）２０と、回生制動装置Ｋ各部を制御するＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｕｎｉｔ；中央処理装置）３０と、制動トルク計３１とを主要構成要素として備えてなる。
【００２４】
回生エネルギ蓄積部１０は、例えばバネからなる蓄積部本体１１と、蓄積部本体１１に蓄積されている回生エネルギ量を検出しこの検出結果を表す信号（以下、蓄積エネルギ量信号という）をＣＰＵ３０に出力する蓄積エネルギ量検出器１２と、回生エネルギ蓄積および放出の際に回転駆動力を直線的駆動力に変換して蓄積部本体１１に入力する一方、回生エネルギ解放時に蓄積部本体１１による直線的駆動力を入力時とは逆回転の回転駆動力に変換して出力する駆動力変換機構１３とから構成されている。
【００２５】
蓄積部本体１１は、例えば材質をバネ用炭素鋼、高炭素鋼もしくはカーボンとし、弾性係数がバネ定数：２０ｋｇｆ／ｃｍ程度のコイルバネとされる。なお、蓄積部本体１１はコイルバネに限定されるものではなく、各種バネとすることができ、例えばねじりバネとすることも可能である。また、蓄積部本体１１は、位置エネルギとして回生エネルギを蓄積し得るものであればよく、例えばエアコンプレッサとすることも当然可能である。つまり、圧縮空気としても蓄積が可能である。
【００２６】
蓄積エネルギ量検出器１２は、具体的には、蓄積部本体１１の可動端の位置を検出する変位計とされる。
【００２７】
駆動力変換機構１３は、同軸上に設けられる大径ギア１３ａ、中径ギア１３ｂおよびバネ巻取用・巻出用プーリ１３ｃと、中径ギア１３ｂと噛み合うように平行軸上に設けられる小径ギア１３ｄと、大径ギア１３ａとの噛み合い位置Ｌ１と小径ギア１３ｃとの噛み合い位置Ｌ２との間で移動自在に設けられる移動ギア１３ｅとから構成される。ここで、大径ギア１３ａの径は、中径ギア１３ｂおよび小径ギア１３ｃの各径の和に等しいものとされる。このように、実施形態１において、後掲の回転方向切り替え部４０とは別に回転駆動力の回転方向の切替機構を設けるのは、エネルギ蓄積と開放時における回転方向を同一とするという理由による。
【００２８】
なお、この実施形態では、大径ギア１３ａの径は、中径ギア１３ｂおよび小径ギア１３ｃの各径の和に等しいものとされているが、大径ギア１３ａの径は、必ずしも中径ギア１３ｂおよび小径ギア１３ｃの各径の和に等しくされる必要はない。
【００２９】
次に、無段変速機２０を説明する。無段変速機２０は、例えば円錐状の２つのプーリにベルト等を掛け渡して構成される変速機本体２１と、入出力の回転比を連続的に変化させるように各プーリを変位させる駆動源としてのアクチュエータ２２と、エンジン１との間に介装される第１クラッチ２３と、駆動輪２（より具体的には、後掲の回転方向切り替え部４０）との間に介装される第２クラッチ２４と、回生エネルギ蓄積部１０との間に介装される第３クラッチ２５とから構成される。
【００３０】
ここで、エンジン１および回生エネルギ蓄積部１０は、第１クラッチ２３、第３クラッチ２５をそれぞれ介して一方のプーリの回転軸と接続され、駆動輪２は第２クラッチ２４を介して他方のプーリの回転軸と接続されている。
【００３１】
また、回生制動装置Ｋにおいては、駆動輪２と無段変速機２０との間に、回生エネルギの蓄積時および解放時において駆動輪２の回転方向を同一にするため、回転駆動力の回転方向を正逆切り替えるよう動作する切り替え部４０が設けられるものとされる。
【００３２】
回転方向切り替え部４０は、ブレーキディスク４が設けられる車軸２ａと平行で、かつ第２クラッチ２４と接続される１つの軸上に設けられる大径ギア４１および中径ギア４２と、中径ギア４２と噛み合うように平行軸上に設けられる小径ギア４３と、大径ギア４１との噛み合い位置Ｌ３と小径ギア４３との噛み合い位置Ｌ４との間で移動自在に設けられる移動ギア４４とから構成される。ここで、大径ギア４１の径は、中径ギア４２および小径ギア４３の各径の和に等しいものとされる。
【００３３】
また、ＣＰＵ３０は、蓄積エネルギ量検出器１２および制動トルク計３１の出力信号に基づいて、後掲の各制御を実施するための制御機能および演算機能を有するものとされる。
【００３４】
次に、図２および図３を参照して、かかる構成とされた回生制動装置Ｋの動作を説明する。
【００３５】
図２に、回生エネルギ蓄積時にＣＰＵ３０が実施する制御の流れをフローチャートで示す。この制御は、例えば自動車の走行時に実施される。
【００３６】
ステップＳ１：ブレーキ操作部５においてブレーキ操作が行われたか否かを判定する。ここで、ブレーキ操作が行われていない場合は、ブレーキ操作の実施が確認されるまでこの判定を繰り返し実施する。一方、ブレーキ操作が行われた場合はステップＳ２に進む。
【００３７】
ステップＳ２：蓄積エネルギ量検出器１２からの蓄積エネルギ量信号（蓄積部本体１１可動端の位置を示す信号）に基づいて、蓄積部本体１１に回生エネルギを蓄積する余裕が有るか否かを判定する。すなわち、蓄積部本体１１の可動端が予め設定される最大エネルギ蓄積位置まで到達しているか否かを判定する。
【００３８】
ここで、蓄積部本体１１に回生エネルギを蓄積する余裕がない場合は、ステップＳ４の通常ブレーキ処理に進み、ブレーキ操作部５における操作量に応じた強度でブレーキ３を車軸２ａに設けられたブレーキディスク４に噛み合わせて駆動輪２の回転を減速・停止させる。一方、蓄積部本体１１に回生エネルギを蓄積する余裕がある場合はステップＳ３に進む。
【００３９】
ステップＳ３：ブレーキ操作部５におけるブレーキの操作状態が解除されるまで下記エネルギ蓄積制御を実施し、ブレーキ操作が終了した時点にステップＳ１に戻る。
【００４０】
すなわち、蓄積エネルギ量信号に基づいて蓄積部本体１１に発生している弾性力を演算し、これを参照してブレーキ操作部５における操作量に応じた制動トルク（ブレーキ量）を得るように無段変速機２０の変速比を調節する。つまり、ブレーキ量と回生エネルギ量を調整する。ここで、制動トルク計３１の出力信号に基づいて、ブレーキ操作部５における操作量に応じた十分な制動トルクが得られているかいなかを判定し、十分な制動トルクが得られていない場合は、その不足分の制動トルクを補うようにブレーキ３を作動させる。
【００４１】
このとき、各クラッチ２３、２４、２５は、全て噛み合った状態（以下、接続状態という）とされる。なお、この実施形態では各クラッチ２３、２４、２５は、全て噛み合った状態とされているが、クラッチ２３は必ずしも噛み合っている必要はない。
【００４２】
次に、回生エネルギを利用する際の手順を説明する。
【００４３】
図３に、回生エネルギ解放時にＣＰＵ３０が実施する制御の流れをフローチャートで示す。この制御は、例えば自動車の停車時（発車時）に実施される。
【００４４】
ステップＳ１１：図示しないアクセル操作部において加速操作が行われたか否かを判定する。ここで、加速操作が行われていない場合は、加速操作の実施が確認されるまでこの判定を繰り返し実施する。一方、ブレーキ操作が行われた場合はステップＳ２に進む。
【００４５】
ステップＳ１２：蓄積エネルギ量検出器１２からの蓄積エネルギ量信号に基づいて、蓄積部本体１１に回生エネルギが蓄積されているか否かを判定する。すなわち、蓄積部本体１１の可動端が予め設定されるエネルギ蓄積零位置にあるか否かを判定する。
【００４６】
ここで、蓄積部本体１１に回生エネルギが蓄積されていない場合は、ステップＳ１４に進み、回生エネルギを利用しない通常の加速処理に進む。一方、蓄積部本体１１に回生エネルギが蓄積されている場合はステップＳ１３に進む。
【００４７】
ステップＳ１３：加速状態が継続されている間、蓄積部本体１１に蓄積されている回生エネルギが全て解放されるまで下記エネルギ解放制御を実施し、加速状態が終了した時点でステップＳ１１に戻る。
【００４８】
すなわち、自動車の加速開始と同時に第３クラッチ２５を接続状態としてエンジン１の発生トルクによる加速をアシストするような態様で回生エネルギを解放する。また、蓄積エネルギ量信号を参照して、全ての回生エネルギが解放された時点で第３クラッチ２５を切断状態とする。これによって、下り坂で発信するような感覚で自動車を発車させることが可能となる。
【００４９】
以上のように、この実施形態の回生制動装置Ｋによれば、ＣＰＵ３０が、ブレーキ操作量に応じた制動トルクを得るように蓄積エネルギ量信号に基づいて無段変速機２０における変速比を調節し、これにより十分な制動トルクを得られない場合は、その不足分を補うようにブレーキ３を作動させるので、運転者に回生動作を意識させずに回生エネルギを蓄積することが可能となる。
【００５０】
また、回生エネルギは、位置エネルギとして蓄積されるため、長時間に亘って回生エネルギを保持することが可能となる。さらに、蓄積部本体が例えばバネとされており機構を軽量化することが容易である。
【００５１】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、ギアの配置および数量、クラッチの配置および数量などは一例にすぎす、車両（鉄道車両を含む）の種類に応じて適宜変更できる。また、実施形態においては車両を例に採り説明されているが、本発明の適用は車両に限定されるものではなく、陸上における各種移動体に適用でき、滑走時の航空機においても適用が可能である。
【００５２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、簡易・軽量な構成により回生エネルギを蓄積することができるという優れた効果が得られる。そのため、回生制動装置を備えることに伴う重量増加を必要最小限に抑えることができるという優れた効果も得られる。
【００５３】
本発明の好ましい形態によれば、回生エネルギを車両などの陸上移動体の加速に利用しているので、加速時における外部から供給されるエネルギ量を低減できるという優れた効果も得られる。
【００５４】
また、本発明の別の好ましい形態によれば、ブレーキ量と回生エネルギ量との調整をしているので、車両などの陸上移動体の確実な停止を確保しながら回生エネルギの効率的な蓄積が図られるという優れた効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る回生制動方法が適用される回生制動装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】同装置の回生エネルギ蓄積時の動作を示す流れ図である。
【図３】同装置の回生エネルギ解放時の動作を示す流れ図である。
【符号の説明】
Ｋ    回生制動装置
１    エンジン
２    駆動輪
３    ブレーキ
５    ブレーキ操作部
１０    回生エネルギ蓄積部
１１    蓄積部本体、コイルバネ
２０    無段変速機
３０    ＣＰＵ
【図１】
0003616847.tif 000002
【図２】
0003616847.tif 000003
【図３】
0003616847.tif 000004