(57)【要約】【解決手段】フライホイールを含む機械式バッテリー（４０）を備えるバッテリー装置が提供される。バッテリー装置は化学バッテリー（４２）をさらに備え、機械式バッテリーと化学バッテリー（４０、４２）が使用時に共通の負荷（４８）にエネルギーを供給するように構成される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フライホイールを含む機械式バッテリー（４０）を備え、化学バッテリー（４２）をさらに備えるバッテリー装置であって、
前記機械式バッテリー（４０）と化学バッテリー（４２）が使用時に共通の負荷にエネルギーを供給するように構成されることを特徴とするバッテリー装置。
【請求項２】
前記機械式バッテリー（４０）が前記化学バッテリー（４２）と並列に配置されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリー装置。
【請求項３】
前記機械式バッテリー（４０）が前記化学バッテリー（４２）および車両変速機と直列に配置されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリー装置。
【請求項４】
前記バッテリー装置におけるエネルギーの流れを制御するコントローラ（４４）をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のバッテリー装置。
【請求項５】
前記機械式バッテリー（４０）と化学バッテリー（４２）が、前記共通の負荷を備えるシステムの運転から回収されたエネルギーを用いて再充電可能であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のバッテリー装置。
【請求項６】
前記機械式バッテリー（４０）と化学バッテリー（４２）が互いを再充電可能であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のバッテリー装置。
【請求項７】
前記機械式バッテリー（４０）と化学バッテリー（４２）がエネルギーを供給する前記共通の負荷が電気機械（４６）であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のバッテリー装置。
【請求項８】
前記電気機械が、航続距離延長型電気自動車（ＲＥＥＶ）を含む電気自動車（ＥＶ）、および並列ハイブリッド電気自動車またはプラグインハイブリッド電気自動車を含むハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）のいずれかに含まれることを特徴とする請求項７に記載のバッテリー装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載のバッテリー装置を含む車両、エンジンまたは機械。
【請求項１０】
負荷を有するシステムにエネルギーを供給する方法であって、
フライホイールを含む機械式バッテリー（４０）と化学バッテリー（４２）とを備えるバッテリー装置を使用して、前記システムにエネルギーを供給することを含み、
供給される化学バッテリーのエネルギーと機械式バッテリーのエネルギーの組み合わせが瞬間的な運転条件にしたがって選択されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記システムの運転から回収したエネルギーを使用して、前記機械式バッテリー（４０）および前記化学バッテリー（４２）の少なくとも一方を再充電するステップをさらに含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記機械式バッテリー（４０）を用いて前記化学バッテリー（４２）を再充電するステップ、またはその逆のステップをさらに含む請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記瞬間的な運転条件が、システムの負荷の大きさ、相対的または絶対的なバッテリー充電、相対的または絶対的なバッテリーの容量、必要なエネルギー供給速度、必要なエネルギー供給量、および必要なエネルギータイプのいずれかを含むことを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
バッテリー装置（４０、４２）と負荷を含むシステム内のエネルギーの流れを制御する方法であって、
前記バッテリー装置は、フライホイールを含む機械式バッテリー（４０）と化学バッテリー（４２）とを備え、
瞬間的な運転条件にしたがって、前記負荷から前記バッテリー装置にエネルギーを流入させるべきか、または前記バッテリー装置から前記負荷へとエネルギーを流出させるべきかを検討し、
その後、前記瞬間的な運転条件にしたがって、前記機械式バッテリー（４０）と前記化学バッテリー（４２）の最適な組み合わせを再充電するか最適な組み合わせからエネルギーを引き出すことをさらに含む方法。
【請求項１５】
機械式バッテリーと化学バッテリーの運転の最適な組み合わせの選択が、前記機械式バッテリー（４０）内のフライホイールの瞬間的な蓄勢状態および／または前記化学バッテリー（４０）の瞬間的な充電状態を検討することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
機械式バッテリーと化学バッテリーの運転の最適な組み合わせの選択が、前記負荷の瞬間的な所要動力を検討することを含む、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
機械式バッテリーと化学バッテリーの運転の最適な組み合わせの選択が、前記システム内での瞬間的なエネルギーサイクル速度を検討することを含む、請求項１４ないし１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記システムの運転中に、前記機械式バッテリーおよび／または前記化学バッテリーにおける最小充電レベルを維持するステップをさらに含む、請求項１４ないし１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
システム運転期間の最後に、前記機械式バッテリーからエネルギーを引き出して貯蔵のために前記化学バッテリーに流すことをさらに含む、請求項１４ないし１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
本明細書で実質的に説明され、または添付の図面で実質的に図解された装置、方法または制御スキーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリー装置およびエネルギーの流れを制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギーの保全および最適な使用は、最近の車両および機械の製造と運転における主要な検討事項である。ユーザにとってできるだけ最小のコストで効率性と最適な出力を求めるユーザの要求が増大している。このコスト／出力間のバランスの考慮には、金銭的因子と環境的因子の両方が含まれる。加えて、車両および機械の動力および速度を向上する要求が存在する一方で、同時に快適さとユーザフレンドリーな感覚を提供するという要望も存在する。さらに、エンジン、モータおよび他の機器をさらにコンパクトかつスリム化するというトレンドが存在する。
【０００３】
上述のバランスに対処する多くの手法が知られている。例えば、環境に優しい車両に対するユーザの需要が伸び、炭素排出に対する規制が厳しくなっているので、ハイブリッド車両の人気がますます高まっている。当業者であれば既知のように、ハイブリッド車両は二つ以上の異なる動力源を組み合わせて車両または他の動力機械を動かしている。動力車の分野において最も一般的なハイブリッドは、内燃機関（ＩＣＥ）を一つ以上の電気モータと組み合わせるハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）である。任意の所与の時点における動力需要に応じて、ＩＣＥと電気モータの一方または両方が配備されて車両の出力に動力を提供する。電気モータとともに化学的エネルギー貯蔵システムが設けられており、車両の出力に動力を与えるために電気モータが使用されていない期間に、電気モータが発電機として作動して電気を作り出し後で使用するために化学的エネルギー貯蔵システムに貯蔵する。既知の化学的エネルギー貯蔵システムは、単一種類の化学電池から構成されてもよいし、または異なる化学組成を有する電池の任意の組み合わせであってもよい。このような化学的エネルギー貯蔵システムは全て、本明細書では化学「バッテリー」と呼ばれる。
【０００４】
典型的な車両使用状況中の例えば回生制動と回収によって引き起こされるハイブリッドバッテリーシステムの充電レベルの高サイクル周波数と、これらの動作に関連する高電力の流れは、バッテリーの状態の悪化を加速しシステム寿命を制限するので、既知のハイブリッドシステムには問題が存在する。従来のハイブリッドシステムではバッテリーに対する保証が制限されていることが多い。典型的に、化学バッテリーは、既知のハイブリッド電気自動車の耐用年数の間に二回交換する必要がある。さらに、パワーサプライの分配および／またはハイブリッドシステムにおける充電を制御する保護制御システムによって、バッテリーサイクルが制限されることがある。この保護的な制限の結果、対応するハイブリッドシステムのＣＯ２削減効果が損なわれる。
【０００５】
特にＩＣＥ駆動の動力車において、エネルギー供給および貯蔵された化学エネルギーからの変換を最適化するための別の既知の手法は、ターボチャージャーおよびスーパーチャージャーを用いることである。当業者であれば既知のように、ターボチャージャーは排気エネルギーを回収して圧縮機を駆動し、エンジンの吸入チャージ圧力を増大させる。スーパーチャージャー装置はエンジン伝達されたトルクを用いて圧縮機を駆動し、同じく吸入チャージ圧力をブーストする。しかしながら、これらの装置は両方とも実際には関連する欠点を有している。受動デバイスであるターボチャージャーは、ブーストシステムを駆動するのに十分な排気質量流があるときにしか動作できない。対照的に、スーパーチャージャーは通常クランク駆動でありその結果ターボチャージャーのような運転上の制限を受けないので、能動デバイスである。しかしながら、スーパーチャージャーはエンジン出力の寄生損失を導入し、これによって燃料消費量を低減する観点からは全体的な有効性が低下する。
【０００６】
既知の動力車用途が目標とするユーザの快適さおよびおよび感覚の一態様は、自動制御式マニュアル変速車でのギアシフトイベントによって生じる「トルク断続（torque-interrupt）」の感覚である。この変速機タイプは非常に効率的である一方、ギアシフト中のトルク断続の感覚によりユーザの快適なシフトと運転のしやすさとが損なわれている。既知の手法によると、電気モータを使用して自動制御式マニュアル変速機のシフト断続中のトルクを補充し、ユーザの運転の円滑さを改善することができる。しかしながら、この電気モータを駆動するために車両内に追加のエネルギー供給源が必要となり、また、電気エネルギーと運動エネルギーの間でのエネルギー変換ステージ中のエネルギー損失が不可避である。二重クラッチおよび自動変速装置はギアシフト中のトルク断続を限定するが、これらの変速機タイプは、駆動系にエネルギーを供給するときの関連損失のために、自動制御式マニュアル変速機よりも高価であり、および／または本質的に効率が低い。
【０００７】
上述のように、車両または機械において費用と出力のバランスを最適にするために、できるだけ多くの利用可能なエネルギーを活用し、エネルギーを例えば熱エネルギーとして単に放出することを防止するのが望ましい。
【０００８】
例えば車両で用いるために、運動エネルギーの形態でエネルギーを貯蔵するフライホイールが知られている。車両の減速時に他の方法では車両の制動システムで熱に変換されてしまうエネルギーをフライホイールを用いて貯蔵し、この貯蔵されたエネルギーを必要時に車両を加速するために利用することが知られている。しかしながら、既知のフライホイール実装には、フライホイールを最初におよびフライホイール内のエネルギーが低い時点で蓄勢（charge）する方法という問題が残されている。電気モータによるフライホイール蓄勢システムを使用することができる。しかしながら、車両内の電気的エネルギー貯蔵システムにエネルギー需要を追加導入することになるので、理想的な方法とは言えず、また車両からの廃棄エネルギーの放出を減少させないことが認められるだろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、車両および他の機械におけるエネルギーの使用を最適化しつつ、同時に快適さ、費用対効果、環境適合性などのユーザにとって重要な因子を損なわない装置および方法が継続的に必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は請求項において提示される。
【００１１】
バッテリー装置は、フライホイールを含む機械式バッテリーと化学バッテリーの両方を備えるので、機械式バッテリーと化学バッテリーの適切な組み合わせを使用して共通の負荷にエネルギーを供給することができる。機械式バッテリーと化学バッテリーを並列に提供することによって、負荷への供給のために両者の間でエネルギーを変換する必要がない。さらに、単一のコントローラで機械式バッテリーと化学バッテリーの両方を同時に制御して、瞬間的な運転要件にしたがってそれらの動作を操作し制御することができる。
【００１２】
機械式バッテリーと化学バッテリーは、運転中の他の時間ではエネルギーの供給先である負荷を含むシステムによって両方とも再充電可能であるため、システム全体の効率が改善される。多くの従来のシステムのように、負荷からのエネルギーが廃棄されたり消散したりせず、代わりに、将来の使用のためにエネルギーが機械式バッテリーおよび／または化学バッテリーで活用され貯蔵されることが保証される。また、機械式バッテリーと化学バッテリーは互いに再充電し合うように構成されるので、二つのバッテリーのより適切な方から運転中の負荷へと、または運転中の負荷から二つのバッテリーのより適切な方へとエネルギーを供給することができる。その結果、二つのバッテリーが不均衡になったりあるいは準最適な充電になった場合、負荷からのまたは負荷へのエネルギー供給に影響を与えることなく、バッテリー間でこれを是正することができる。さらに、例えば運転期間の最後でフライホイールを徐々に停止させて、単にエネルギーを消散させるのではなく、化学バッテリー内にエネルギーを長期間貯蔵することができる。
【００１３】
機械式バッテリーと化学バッテリーを使用して電気モータにエネルギーを供給することができるので、本バッテリー装置の有用かつ実用的な用途が提供される。さらに、電気モータをハイブリッド電気自動車に実装し、排気ガスの削減を含む利点を有する効率的なやり方でバッテリー装置が使用される。
【００１４】
機械式バッテリーと化学バッテリーとを含むバッテリー装置を有するシステムにおいて、エネルギーの流れを制御する適切な制御を行うことによって、対応システムの運転効率を最適化することができる。この制御方法は、瞬間的なバッテリー充電、システム負荷の所要動力、エネルギーサイクル速度、機械式バッテリーおよび／または化学バッテリーの最小充電閾値を含むいくつかの因子を考慮に入れることができる。したがって、知的で柔軟性があり効率の良い装置と、対応する制御スキームとが提供される。
【００１５】
以下、図面を参照して本出願に係る実施形態について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】既知のフライホイール装置を示す図である。
【図２】排気ガスエネルギーをフライホイールに供給する実現可能な構造を示す図である。
【図３】従来のターボチャージャー装置について、ブーストとエンジン負荷との関係を示す図である。
【図４】化学バッテリーと並列配置されたフライホイールバッテリーのデュアルモード運転の実現可能な配置を示す図である
【図５】図４の装置の例示的な制御フロー図である。
【図６ａ】負荷平準化（load levelling）または回生制動中の、図４の構成におけるエネルギーの流れを示す図である。
【図６ｂ】電気機械からＩＣＥへのパワーアシスト中の、図４の構成におけるエネルギーの流れを示す図である。
【図６ｃ】プラグインチャージ中の、図４の構成におけるエネルギーの流れを示す図である。
【図６ｄ】低充電メンテナンス中の、図４の構成におけるエネルギーの流れを示す図である。
【図６ｅ】低出力フライホイールのパワーメンテナンスおよび高出力電気機械運転中の、図４の構成におけるエネルギーの流れを示す図である。
【図７ａ】ハイブリッド車において独立して使用される化学バッテリーについて、車速と化学バッテリーの充電状態との関係を示す図である。
【図７ｂ】図４の構成において、車速と化学バッテリーの充電状態との関係を示す図である。
【図８ａ】フライホイールトルク補充のために実現可能であるエンジン構造を示す図である。
【図８ｂ】フライホイールトルク補充のための別の同様の構成を示す図である。
【図８ｃ】フライホイールトルク補充のためのさらなる同様の構成を示す図である。
【図８ｄ】フライホイールトルク補充のために実行可能な制御スキームを示す図である。
【図９ａ】ＩＣＥに接続された補助フライホイール装置の実現可能な構成を示す図である。
【図９ｂ】分離経路ＩＶＴ配置を使用した、ＩＣＥに接続される補助フライホイール装置の代替構成を示す図である。
【図１０ａ】メイン車両クラッチおよび変速機の上流でフライホイール装置がＩＣＥに接続された構成を示す図である。
【図１０ｂ】フライホイール装置が変速機の入力でＩＣＥに接続された構成を示す図である。
【図１０ｃ】フライホイールが自身の変速機出力でＩＣＥに接続された構成を示す図である。
【図１０ｄ】フライホイールが後車軸システムに接続された構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
概説
概説すると、化学バッテリーとともにフライホイール機械式バッテリーを使用して共通の負荷にエネルギーを供給する装置、方法および制御スキームが提供される。負荷は、例えばハイブリッド電気自動車に配置された電気モータであってもよい。しかしながら、任意の適切な負荷が、機械式フライホイールバッテリーと化学バッテリーとの組み合わせによって供給されるエネルギーをすることができる。
【００１８】
瞬間的な運転条件に応じて、具体的には任意の所与の時点での負荷に対する所要動力に応じて、機械式バッテリーと化学バッテリーの適切な組み合わせを用いてエネルギーを供給する。特に、機械式フライホイールバッテリーは、高動力、高速のエネルギーサイクルに適している。対照的に、化学バッテリーは、低電力運転、低速で長期間の充電またはエネルギー供給に対してより適している。化学バッテリーと異なり、フライホイールバッテリーは、高電力流または高サイクル周波数のために著しく劣化することはない。したがって、化学バッテリーの負荷を軽くし、化学バッテリーの経時による劣化を軽減するために、高動力、高サイクル周波数条件で機械式フライホイールバッテリーを支配的に使用することができる。
【００１９】
運転中の他の時間ではエネルギーを供給するように構成された負荷から回収されたエネルギーによって、フライホイールバッテリーを充電することができる。化学バッテリーも同様に負荷によって充電することができる。代替的にまたは追加的に、機械式バッテリーと化学バッテリーは互いを充電することができる。さらに、両方のバッテリーを他の外部電源によって充電してもよい。例えば、充電のために化学バッテリーをコンセントにつないでもよい。フライホイールは、最初におよび運転中の他の時間に、例えば排気ガスエネルギーである任意の適切なエネルギー源を用いて充電されてもよいし、および／または車両のドライブラインまたはパワートレインからの動力を用いて充電されてもよい。
【００２０】
負荷と化学バッテリーおよび機械式バッテリーとの間のエネルギーの流れを制御し操作するコントローラが設けられる。コントローラは、システム内の効率を最適にするよう動作し、二つのバッテリータイプのエネルギーサイクル特性の最良の形で使用する。好ましくは、コントローラは、低動力、低サイクル周波数の状況での使用では化学バッテリーを支配的に選択する一方で、高動力、高サイクル周波数の状況ではフライホイールを含む機械式バッテリーを支配的に選択する。コントローラは、システムに対して他の制限を課してもよい。例えば、各バッテリーが常に最少閾値の充電を維持するように運転を制御してもよい。さらに、その時点で利用可能な機械式バッテリーと化学バッテリーで、負荷からの瞬間的な所要動力を満足させることができない場合、コントローラは、エネルギーを供給する負荷の側に優先順位をつけることができ、および／または車両内の他のエネルギー源、エンジン装置、または機械式バッテリーと化学バッテリーが並列に設けられている装置からエネルギーを引き出してもよい。
【００２１】
詳細な説明
図１は、典型的な既存のフライホイール装置を示す。実質的に円形の中心金属支持区画１を、シャフト３などの中心支持部上へ軸方向に取り付けることができる。少なくとも一つの複合リング２が中心支持区画１に取り付けられる。図１に示すフライホイールでは、複合リング２は炭素繊維で編まれたフィラメントである。当業者には既知であり上述したように、図１に示すようなフライホイール装置を機械式バッテリーとして使用して、例えば動力車内で使用する運動エネルギーを貯蔵することができる。
【００２２】
排気駆動フライホイール
図２は、車両内のフライホイールにエネルギーを提供して貯蔵する実現可能な構成を示す。システム１０は、真空１４内に好ましくは配置されるフライホイール１２を備える。これは、空気抵抗により生じる摩擦を取り除くことでフライホイール１０の動作を最適化するためである。真空１４の外側には、フライホイール１２と接続されるクラッチ１６がある。採用されるクラッチ１６は、任意の適切な種類の単純なクラッチであってよく、磁気クラッチであってもよい。
【００２３】
フライホイール１２にエネルギーを提供して最初に駆動するために、および／またはフライホイールバッテリーシステムを蓄勢するために、クラッチ１６を介してフライホイール１２に入力１８が提供される。入力は、フライホイールシステム１０が設けられる車両の燃焼機関からフライホイール１２へと排気ガスエネルギーを導き、この排気ガスエネルギーをフライホイール１２に貯蔵できるようにする。この装置は、フライホイール１２への排気ガスエネルギーの供給を操作および制御可能とする、排気ガス用の適切な出力２０を備える。
【００２４】
従来、車両で発生する排気ガスの大半が大気に放出されていることは認められよう。これは、排気ガスを再使用せずに車両から放出することによって、排気ガス内のエネルギーを浪費している。したがって、その中で利用できるエネルギーをより多く作るように車両が動作しなければならず、そのため車両からさらに多くの排気ガスが排出されることになり、潜在的な環境問題が発生する。対照的に、本実施形態は、排気ガスの持つエネルギーを活用し、さらなる使用のためにエネルギーを貯蔵することができる。
【００２５】
排気エネルギーを回収しこれをフライホイール１２へと導くための任意の適切な装置が設けられてもよい。例えば、テスラタービン装置（図示せず）を採用して排気ガスを動力手段として使用し、そこから排気エネルギーを回収してもよい。
【００２６】
当業者には既知のように、テスラタービンまたはディスクタービンは、シャフトに固定されワッシャまたは他の適切な手段によってシャフトに沿って互いに軸方向に間隔を空けて配置された二枚以上のディスク形状の素子から構成される。使用時に、テスラタービン内の気体または流体の流れは放射方向であり、円形または螺旋形の経路を移動する。本実施形態では、テスラタービンのディスクの軸方向の間隔を変えることによって、クラッチ１６およびフライホイール１２への排気ガスの流れを制御して、テスラタービンを通してクラッチ１６に送られる単位時間あたりのガス容積を増減することができる。
【００２７】
図２に示す構成では、テスラタービンが存在しない。代わりに、可変容量（variable geometry）ターボチャージャー（ＶＧＴ）１７を介して、クラッチ１６およびフライホイール１２へと排気ガスが向けられる。ＶＧＴおよび他のターボチャージャー装置は、車両から排気ガスを回収し排気ガスを用いてエンジン吸気口の圧力をブーストするために広く使用されている。しかしながら、ターボチャージャーの直接駆動の性質のために、ターボチャージャーに提供される排気ガスからエネルギーを取り出しまたは貯蔵することはできない。本実施形態によると、ブーストされた空気をエンジンに提供する通常の機能を実行することに加えてまたはその代わりに、ＶＧＴを用いてフライホイール１２を経由する余分な排気ガスエネルギーを利用して、その中のエネルギーを将来の使用のために貯蔵しておくことができる。
【００２８】
図２に示すように、フライホイール１２と可変速度システム２２の間にクラッチ１６が設けられる。後述するように、可変速度システムは、無段変速機（ＣＶＴ）、変速比無限大変速機（ＩＶＴ）または対応する電気機械装置などのバリエータ（variator）装置を含んでもよい。図２の可変速度システム２２は車両のドライブラインにつながり、この結果フライホイール装置１２が車両の内燃機関（ＩＣＥ）に機械的に結合されて機械式ハイブリッド駆動システムを提供する。しかしながら、代替的にまたは追加的に、直接駆動、他のバッテリータイプの充電、および／またはドライブライン以外の車両出力の駆動を含む他の目的でフライホイール１２を使用する一方、なおも車両の排気ガス流によってフライホイールを充電できるように構成されてもよい。
【００２９】
図２に示す構成において、クラッチは、フライホイール１２の入力とタービン要素とを同期させるように係合可能でなければならない。したがって、クラッチは滑り状態で係合し消失するエネルギー量が小さくなければならない。
【００３０】
軽量、低慣性、乾式の単一プレートまたは円錐型のクラッチを、簡単な解決策として使用することができる。よりコンパクトな解決策は、ａ／ｃ圧縮機およびスーパーチャージャードライブで使用されるが通常は速度範囲がかなり低い電気機械式粒子クラッチまたはラップスプリングクラッチ装置を備えることである。ラップスプリングクラッチ装置は、一方向装置であってフライホイールにトルクを提供するのみであり、エンジンが「オンブースト」でないとき、タービンからのあらゆる引き摺り損失を防止する。
【００３１】
可変速度システム２２により同期されると、タービンはフライホイール速度で回転する。したがって、フライホイール速度、排気質量流量、排気マニホールド圧力を含む運転条件に基づき、可変インレット形状（variable inlet geometry）を使用してタービン効率を最適化することができる。
【００３２】
そこで、燃焼機関の排気ガスエネルギーを回収しそれを将来の使用のために貯蔵するメカニズムが設けられる。本実施形態に係るフライホイール１２は、蓄勢の開始または補給のために電気モータなどの追加エネルギー源を必要としないが、代わりに、従来の車両システムでは廃棄される現存の排気ガスエネルギーを利用することによるフライホイールシステムの連続補助充電が提供される。ターボチャージャーと異なり、フライホイールの性能はターボラグによって制限されない。さらに、フライホイール１２内のエネルギーを直ちに使用する必要はなく、車両内の様々な用途での将来の使用のために貯蔵しておくことができる。これについては以下の説明でさらに理解されるだろう。また、図２に示したメカニズムは、内部に運動エネルギーが存在する排気ガス流を使用し、それをフライホイール内に運動エネルギーとして貯蔵するので、エネルギー種類間の変換に起因する損失が低減される。
【００３３】
フライホイール補助ターボ過給
上述の態様の一実施形態によると、フライホイール１２をターボチャージャーのウェイストゲートループ内に配置することができる。当業者には周知であるように、ターボチャージャーは、車両またはエンジン内の排気ガス流内に配置される受動装置であり、その目的は、排気ガスエネルギーを圧縮機へと向けてその中の圧力を増加させることである。しかしながら、タービン自身を通る質量流が多すぎる場合、エンジンの排気マニホールド圧力を最適レベルよりも増大させる背圧を作り出し、エンジンの効率を低下させる。これを回避するために、ターボチャージャーは、余分なガスを放出するためのウェイストゲートを有しており、異なるシステム運転ポイントにおけるエンジンブースト圧力と排気マニホールド圧力の両方を最適化するのに役立つ。
【００３４】
従来の装置では、ターボチャージャーのウェイストゲートから放出される排気ガス内のエネルギーが利用されず、代わりに排気ガスが車両から放出されるので、エネルギーが失われる。本態様によると、排気ガスエネルギーのこの浪費が解決される。ターボチャージャーのウェイストゲートから排出される余分な排気ガス内のエネルギーはフライホイールへと向けられ、フライホイールへの入力となる。直ちにまたはしばらく経ってからのいずれかで、フライホイール１２を使用してターボチャージャーの圧縮機の駆動を補助することができる。したがって、ターボチャージャーとフライホイール１２とを組み合わせて用いることによって、排気ガスエネルギーを合理的に捕捉し活用してターボチャージャーの運転が補助される。これにより、図３から理解できるように、より効率的なターボチャージャーの運転が可能になる。
【００３５】
図３を見ると、従来のターボチャージャーに対するブーストと負荷の関係が図示されている。ターボチャージャーは、わずかな範囲のエンジン負荷に対してしか、関連する内燃機関の最適で理想的なブーストを生成することができないことが分かる。しかしながら、ターボチャージャータービンと組み合わせてフライホイール１２を使用しターボチャージャーの圧縮機を駆動すると、より広範囲の負荷に対してブーストが最適化され、図３に示した曲線がフラットになる。こうしてターボチャージャー効率が改善される。
【００３６】
フライホイール補助過給
ターボチャージャーとともに使用可能であるとともに、車両用のスーパーチャージャー装置を駆動するために本実施形態に係るフライホイールを使用してもよい。簡潔に上述したように、既知のスーパーチャージャー装置はエンジン動力を用いて作動し、スーパーチャージャーの圧縮機を駆動して車両内のチャージ圧力をブーストする。エンジン動力をこのように直接使用することで寄生損失が発生し、ゆえに運転中の車両のポテンシャル効率を低下させる。
【００３７】
本態様によると、エンジンから動力を直接受け取ることなく、フライホイール装置を使用してスーパーチャージャーなどのチャージブースト装置を駆動し、エンジンチャージ圧力をブーストするので、通常はスーパーチャージャーに関連して生じる寄生損失を回避できることが認められる。上述のように、排気ガスエネルギーを使用してフライホイールを蓄勢することができる。代替的に、例えば回生制動またはエンジン負荷平準化の間に、車両のドライブラインからエネルギーを回収し、補助フライホイール装置に貯蔵してスーパーチャージャーの駆動に使用してもよい。上述したバリエータなどの任意の適切な機械式リンク機構を通してパワートレインからエネルギーを回収してもよい。
【００３８】
運転時に、スーパーチャージャーは車両のドライブラインに接続される。フライホイールはスーパーチャージャーにトルクを供給する役割をし、フライホイールに貯蔵されたエネルギーを、ＩＣＥを介してドライブラインに間接的に供給することが可能である。フライホイールとスーパーチャージャーの間に用いられる機械式リンク機構は、排気で駆動されるフライホイール態様と関連して上述したクラッチを含んでもよい。代替として、オーバードライブクラッチを使用してもよい。これによって、期待通りの速度であるときにはタービンエネルギーを使用して従来の意味で圧縮機を直接駆動し、タービンのアイドル（すなわち、低エンジン速度）時にはフライホイールエネルギーのみが使用される。これには、一方向のみで駆動するオーバーランクラッチ、例えばラップスプリングクラッチが必要になる。これは、速度が一致する必要のない電磁式フライホイール構造にとって特に有効である。続いて、タービンが高エンジン速度でオーバーブーストしているとき、電気経路を介してタービンによりフライホイールが蓄勢される。フライホイールは電気経路を介して低エンジン速度で圧縮機を駆動する。
【００３９】
本態様によると、ドライブラインのエネルギーおよび／または排気ガスを用いてフライホイールが蓄勢されるので、従来のシステムでは廃棄されていたエネルギーが活用される。廃棄されていたエネルギーを活用することによって、車両の全体的な性能が改善される。具体的には、燃費および車両排気の両方について性能上の利点が与えられる。
【００４０】
この態様に係る補助フライホイール装置を、スーパーチャージャー用の唯一のエネルギー源として、あるいは既存のスーパーチャージャーエネルギー源に対する追加物として使用することができる。例えば、低いエンジン速度ではスーパーチャージャーにパワーブーストを提供することができるが、その点では過給目的のために直接エンジン動力を使用することは好ましくない。したがって、フライホイールはスーパーチャージャーへの動力供給を強化するように動作するので、スーパーチャージャーは、車両の運転エンジン速度にかかわらず、その時点でターボシステム（存在すれば）によって提供される任意の質量流れと同期して、理想的な入口圧力と質量流をＩＣＥ内に供給することができる。言い換えると、フライホイールで駆動されるスーパーチャージャーは、車両のエンジン運転マップのあらゆるポイントで最適なチャージブーストを提供することができる。これにより、プルアウェイ（pull away）などの駆動操作に対して特定の利益を与え、特に高度にブーストされたエンジンでは、エンジン排気の質量流が小さく動力が小さいとき、直近の短期間のエネルギーのサージから利益を得る。
【００４１】
フライホイールで駆動されるスーパーチャージャーの別の利点は、上述のプルアウェイなどの低排気質量流イベント中のエンジン動力密度が改善されるので、エンジンを小型化できることである。サイズを削減すると摩擦およびポンプ損失が減少するので、エンジン効率が改善される。エンジンのシリンダ内への質量流を全ての条件で最適値に動的に制御することによって、フライホイールで駆動されるスーパーチャージャーは、小型化さえすることなく、エンジンの燃料消費量を最大で３０％削減することができる。したがって、エンジンを小型化することで、潜在的な燃料消費量の利益が強化され、できるだけ小さくコンパクトで低コストのＩＣＥで最大の性能を実現するという増大しつつある消費者動向を満足させる。
【００４２】
フライホイールで駆動されるスーパーチャージャーの上述の利点は、圧縮膨張されるチャンバ内のガス質量がガソリンエンジンよりも通常は多いディーゼルエンジンでは特に顕著になる。当業者であれば理解するように、理想的な入口圧力はエンジンと車両の種類によって変化し、例えばその車両の設計ロードマップから導き出すことができる。
【００４３】
デュアルモードバッテリー
図４は、本出願の別の態様に係る、別のフライホイールを使用した実現可能な配置を示す。従来のプラグイン化学バッテリーシステムと並列に機械式フライホイールエネルギー貯蔵を用いる構成が示されている。例えば回生制動エネルギーの回収を扱うために、化学バッテリー４２を用いて実行されるこの機能の代わりに、フライホイールを備える機械式バッテリー４０を使用することができる。上述したように、ハイブリッド車または機械について、通常の車両使用状況で回生制動および回収を行うには、高電力および高周波数サイクルのバッテリーシステム充電レベルが必要になる傾向がある。このような高い周波数サイクルは、化学バッテリーに重大な悪影響を及ぼし、バッテリーの状態を悪化させシステム全体の寿命を制限する可能性がある。
【００４４】
本態様の例示的な実施形態によると、機械式フライホイールバッテリー４０が化学バッテリー４２と並列に動作し、電気機械４６のパワーエレクトロニクス４４に電力を供給する。代わって、電気機械４６が車両のハイブリッドドライブライン４８に電力を提供するように構成される。
【００４５】
図４に示す構成は、回生制動用のメインバッテリーとしてフライホイールを用いることに限定されない。車両使用中に急速にまたは短期間でエネルギー供給および／または回収を行うために、フライホイールバッテリー４０をメインバッテリーとして有利に使用することができる。一方、低い充電速度、すなわちより低速で長期間のエネルギー供給および回収を行うには化学バッテリー４２の方が適している。以下で述べる追加の図面から理解されるように、本態様に係る並列にされた化学バッテリー４２と機械式バッテリー４０は、任意の他のバッテリー構成と同様の検討にしたがって配置され運転されるべきである。すなわち、二つのバッテリーの利用可能エネルギー、電力および寿命を個別にかつ組み合わせたときについて検討しなければならない。図４は二つのバッテリーが並列に配置される実施形態を示しているが、化学バッテリー４２とエンジン変速機との間に機械式フライホイールバッテリー４０が配置される直列形態でも配置可能であることに注意すべきである。
【００４６】
化学バッテリー４２とともに機械式フライホイールバッテリー４０を使用することによって、電気機械用のバッテリー電源の全体コストを削減することができる。この理由は、機械式バッテリーのサポートなしで化学バッテリーをそのまま使用する場合と比較して、所与の所要電力に対して、機械式バッテリーとともにより小型の化学バッテリーの使用が必要となるからである。代替的に、化学バッテリーのサイクル周波数を小さくするか、および／または化学バッテリーに供給されるあるいは要求されるピーク電力を削減して、既存のバッテリーの寿命を延ばすことで、電源供給システムの生涯コストを削減することができる。
【００４７】
図５を参照すると、例示的な制御スキームを理解することができる。最初のステップ５１０で、特定の時点で、図４に示したもののような組み合わせ化学・機械式バッテリーシステムに電力が入っているかバッテリーシステムから電力が出て行っているかが検討される。その時点での車両ユーザの要求および運転条件にしたがって、バッテリーシステムから電力が流れ出て電気機械４６に電力を提供している場合（５１２）、ステップ５１４でフライホイールバッテリーの充電状態が検討される。フライホイールバッテリーの充電状態が高いと分かった場合（５１６）、フライホイールバッテリー４０からのエネルギーを使用して電気機械４６に電力を供給する。他方、フライホイールバッテリーの充電状態が低いと分かった場合（５１８）、代わりに化学バッテリー４２からのエネルギーが使用される。良くあるように、バッテリーシステムからの電力出力が必要とされる時点でフライホイールバッテリーの充電状態が中間であった場合、ステップ５２２で、その時点での所要電力が大きいか小さいかが検討される。所要電力が大きい場合、その要求を満たすエネルギーがフライホイールバッテリーから取られる（５２４）。しかしながら、所要電力が小さい場合、後に大幅な再充電サイクルが必要とならないように、所要電力を満たすエネルギーが化学バッテリー５２６から取られる（５２６）。
【００４８】
制御ステップ５１０に戻り、ステップ５２８で、バッテリーシステムに電力が入っていると決定された場合、例えばプラグイン充電または他の低速充電メンテナンス中にこの電力入力が低いサイクル電力で行われているか（５３０）、あるいは、例えば回生制動やエンジン負荷平準化中に電力入力が高いサイクル負荷または電力で行われているかが次に検討される。低サイクルの電力入力の場合、化学バッテリー４２にエネルギーが貯蔵される。しかしながら、高サイクルの負荷または電力の場合、代わりに機械式フライホイールバッテリー４０にエネルギーが貯蔵される。このようにして、それぞれのバッテリータイプのエネルギー貯蔵・回収サイクル特性を最適化するのと同時に、動的に変化するエンジンおよび車両の要求を処理するよう各バッテリーが十分充電されることを保証する制御システムが設けられる。
【００４９】
図６ａないし６ｅは、上で例示した制御ロジックをさらに図解する。図６ａは、負荷平準化または回生制動中のエネルギーの流れを示しており、この間は、短い時間間隔でエネルギーが回収され再使用される。図６ａに示すように、以前は運動エネルギーとして車両内に存在していたエネルギーがドライブラインを通してフライホイールバッテリーに回収されて、化学バッテリー充電のサイクル周波数（cycling frequency）を回避するとともに、有利なことに、エネルギーの消散につながりうるエネルギー種類間の変換を避けることができる。
【００５０】
図６ｂでは、電気機械を使用して、ハイブリッド車両内のＩＣＥからの電力供給をブーストする。化学バッテリー４２と機械式フライホイールバッテリー４０の両方を使用して、その時点での車両の出力要求を満たすように電気機械にエネルギーを供給する。このようにして、所与の時点での所要エネルギーおよび他の制御上の検討事項に応じて、二つのバッテリータイプを一緒にまたは個別に動作させることができることが分かるだろう。
【００５１】
図６ｃでは、プラグイン手段を介して化学バッテリーが充電されている。化学バッテリーは、後の使用のために、プラグイン電気幹線からの充電を長期間貯蔵する。
【００５２】
図６ｄでは、機械式バッテリー４０から化学バッテリー４２へとエネルギーを提供してもよいことが理解できる。図６ｄは、車両の車輪およびドライブラインから回収された高パワーのエネルギーがフライホイールバッテリー４０に向けられ、その後、化学形態での長期間の貯蔵のために、回収されたフライホイールエネルギーから化学バッテリー４２へと低電力の充電が供給される、低充電メンテナンスを図解している。このようにして、化学バッテリー４２へと流れる電流が最小化され、化学バッテリー４２内での熱による電力損失を最小化する。化学バッテリー内での電力損失を削減すると、システムの効率が改善され、またセル構造に対する有害な熱劣化効果の影響が低下するが、これについてはさらに後述する。
【００５３】
最後に、図６ｅは、電気機械４６を高出力で運転するためのエネルギーの流れを示す。化学形態でエネルギーを長期間貯蔵するために使用される化学バッテリー４２が、短期間の高出力用途にエネルギーを提供することができるようにフライホイール４０を充電する。上述したように、高出力用途でのエネルギー供給効率は、化学バッテリーから行うよりもフライホイールバッテリーからの方が優れている。そのため、電気機械から高出力を出すことが必要であるときには、フライホイールバッテリーを単独で使用して電気機械にエネルギーを提供することが好ましい。
【００５４】
図７ａおよび７ｂは、単独で動作する従来の化学バッテリーと、フライホイールバッテリーと一緒にデュアルモードで動作する化学バッテリーのそれぞれについて、車速に対する典型的な化学バッテリーの充電サイクルを示していいる。例えば大きな加速または減速期間中にフライホイールバッテリーからのエネルギーを使用して、化学バッテリーにおける高電力の流れおよび高サイクル周波数の充電を回避することによって、化学バッテリーの充電安定性が向上することが、これらの図から分かる。
【００５５】
さらなる例として、図４に示した構成で化学バッテリーを単独で使用する従来の車両では、電気モータ／発電機を介した化学バッテリーへの回生制動中のエネルギーの「ラウンドトリップ」（車輪→バッテリー→車輪）が、５０％〜６３％の効率であると予想される。対照的に、化学バッテリーをエネルギー貯蔵源とするのではなく機械式フライホイールバッテリーを使用して実行される同様の回生制動ルーチンでは、最大で約８４％の効率になると予想される。したがって、図４に示したようなデュアルモード構成により、化学バッテリーを維持する長期的な効果が得られるのと同時に、機械式フライホイールバッテリーを並列して使用することによる新規かつ有利な効率性効果が導入される。機械式フライホイールエネルギー貯蔵装置は本質的に短期間のエネルギー貯蔵に適しており、供給または受け取り可能な出力の基本的限界が存在しない。したがって、本態様は、好ましくは機械システムを短期間のエネルギー貯蔵のためにのみ使用することによって、機械システムの強度を利用している。しかしながら、例外的な状況では、長期間のエネルギー貯蔵を目的としてフライホイールバッテリーが化学バッテリーを補助することも予想される。
【００５６】
さらなる利点では、化学バッテリーとともにデュアルモードでフライホイールを使用すると、化学バッテリーへの高電力の流出入が回避され、これにより化学バッテリーにおける過度の温度上昇が防止される。当業者であれば理解するように、ある期間にわたって化学バッテリーの温度が上昇すると、バッテリー劣化の原因となる。さらに、化学バッテリーの内部温度が上昇すると、バッテリー温度の上昇と比例してインピーダンスが増加してサブコンポーネントにおける抵抗損が上昇するので、システムの非効率さの増加につながる。
【００５７】
機械式バッテリー／化学バッテリーのデュアルモード構成は、従来の化学バッテリーのみの構成と比較して、耐用年数が延びる。本明細書で説明したデュアルモード機械式バッテリー／化学バッテリーの動作は、従来のハイブリッドエンジンまたは電気自動車での使用に限定されない。代わりに、この原理は、エレベーター（lift）やクレーンを含む、他の車両機械および機器に広く適用することができる。
【００５８】
フライホールトルク補充システム
さらに別の態様によると、本実施形態に係るフライホイールを使用して、自動制御式マニュアル変速機車でのギアシフトイベントにより生じる「トルク断続」中に、車両の出力ドライブライントルクを「補充（fill-in）」することができる。以下の説明から理解されるように、補充配置および関連する制御方法が、ギアシフトイベント中の変速機出力をフライホイールエネルギーを用いて駆動または制動し、ユーザのトルク断続感覚を少なくとも低減しまたは潜在的に排除することによって、一部のユーザにとっては問題となりうる「トルク断続」の感覚に対処する。
【００５９】
図８ａは、貯蔵されたフライホイールエネルギーを使用してトルクを補充する実現可能な配置を示す。フライホイールモータ８０が適切な分離カップリング８１によってバリエータ８２に接続される。次に、変速機８６の下流側で、内燃機関８４の出力にバリエータ８２が機械的に結合される。このため、フライホイール８０とエンジン８４の両方が、車両のファイナルドライブ８８にエネルギーを提供することができる。
【００６０】
フライホイールによって提供または取り込まれる出力は、フライホイールが一定の慣性を有すると仮定すると、フライホイールの角加速度、すなわちフライホイール速度の変化率に比例する。したがって、バリエータ８２を介してフライホイール８０によって伝達されるトルクの変化率は、フライホイールの角加速度に反比例し、よってバリエータ８２を横切る速度変化率に反比例する。しかしながら、バリエータ８２を横切る速度のみを制御すると、本態様にしたがって要求される有効なフライホイールトルクの補充を制御的に十分に解決することができない。
【００６１】
当業者には知られているように、大抵のバリエータはそれを横切る速度比を制御するように設計されており、トルクを制御するようには本質的に設計されていない。速度のみが制御されるバリエータについて、バリエータを単独で使用して短期間にわたりトルクを制御すると、バリエータ要素の内部滑りに起因する潜在的な問題を生じさせ、バリエータの調節機構の反応を遅延させる可能性がある。したがって、本態様に係るフライホイール８０によってドライブラインに伝達またはドライブラインから取り込まれるトルクを十分に制御するために、バリエータ８２と、ドライブライン８８との最終機械的結合点８７との間に、調節カップリング手段８９が設けられる。
【００６２】
図８ａに示すように、速度トレイン（ratio train）内に適切に配置されたクラッチを含む調節カップリング８９をこのように使用すると、バリエータ８２を単独で使用する場合では不可能である高度なトルク制御が可能になる。図８ａに示す構成は、バリエータ８２の速度制御を使用してクラッチを横切る滑りを一貫的にしかし限定的に維持して滑りによる消散を最小化するが、フライホイール８０とファイナルドライブライン８８との間でトルク方向が一致することを保証する。これにより、コンパクトかつ費用効率の高いパッケージでトルク制御分解能の範囲を例えば０〜１００Ｎｍにすることができる。本態様に係る、バリエータ８２と調節カップリング８９とを備えるトルク制御装置は、１００ミリ秒未満の範囲の高速応答を提供し、必要なとき、特にギアシフトイベント中にドライブライン８８にトルクを補充するときのフライホイール８０の即時反応を可能にする。図８ａに示す構成はエネルギー消散を最小化し、経時的な車両の要求にしたがって、フライホイール８０内に貯蔵されたエネルギーの大部分が最終的に有効なトルク補充に変換されることを保証する。
【００６３】
運転時に、調節カップリング８９を構成するクラッチが、フライホイール８０からの制動トルクおよび加速トルクの両方を移動させ制御することができる。すなわち、フライホイール側の要素の速度がドライブライン側の要素の速度を下回る場合、クラッチ動作から制動トルクが生じる。反対に、フライホイール側の要素がドライブライン側の要素を上回る速度を有している場合、クラッチ動作から加速トルクが生じる。
【００６４】
クラッチを横切るスリップの大きさが、クラッチで消散するエネルギーの規模を増加させることは理解されるだろう。しかしながら、本実施形態によると、運転中のクラッチ装置内でのエネルギー消散が最小になり、バリエータの制御とともにスリップを制限する。これにより、独立伝達率車両（separate ratio transmission vehicle）の典型的な発進クラッチと比較して、調節カップリング８９内のクラッチユニットの小型化が可能になる。本実施形態に係る調節カップリング８９で使用されるクラッチは、磁気クラッチ、受動冷却乾式クラッチユニット、機械式駆動デバイスを有する受動冷却密封湿式クラッチユニット、内部受動ポンプデバイスを有する湿式クラッチプレート、またはマルチプレートクラッチを含む、任意の適切な種類のものであってよい。
【００６５】
フライホイールトルク補充の制御戦略は、図８ａの構成と、この態様にしたがった適切な構造を図解する図８ｂおよび８ｃとで理解することができる。制御ロジックは、所与のギアシフト操作中にエンジン出力がオンであるかオフであるかの検討と、シフトアップであるかシフトダウンであるかの検討とを含む。
【００６６】
「出力オン」でシフトアップの場合、フライホイール８０はドライブライン８８に加速トルクを提供する必要がある。これにより、シフト時間および車速を妥協することなく、ギアシフト中の車輪におけるトルク変化を完全なシフトにわたって分散させることができる。こうして、速度が変更される前の最初のトルクフェーズ中に車輪でのトルク変化を実施しなければならずユーザに断続の感覚を与えてしまう従来の出力シフト変速機に対する利点が得られる。
【００６７】
例として、図８ｄは、本態様に係るフライホイールトルク補充システム用の実現可能な制御フローを示す。使用されるフライホイールは、任意の適切な容量であってよい。例えば、フライホイールモータ８０は４００ＫＪの容量を有し、使用されるバリエータ８２は、１２０ＫＷの容量を有するＣＶＴであってもよい。このような構成では、４秒間にわたり、フライホイールがドライブラインに１００ＫＷを供給することができる。しかしながら、当業者であれば理解するように、典型的なギアシフトは約１／４秒しかかからない。したがって、フライホイール内の全てのエネルギーが任意の所与のギアシフト中に消散される必要はなく、および／または、ギアシフトの開始時および／または終了時に、フライホイールトルクの供給とエンジントルクの供給の間に重なりが存在してもよい。
【００６８】
図８ｄに示すように、例示の制御フローでは、ステップ８１０で、通常はクラッチペダルまたは他の車内クラッチ制御手段を使用して、最初にユーザがギアチェンジを開始する。ステップ８２０で、ＣＶＴが動作を始め、フライホイールから伝達された動力をギアチェンジ中にドライブラインに伝達する。この出力伝達が実施されると、ステップ８２０でエンジン内でギアチェンジが発生する。一旦ギアチェンジが完了すると、ステップ８４０でエンジンが出力伝達の責務を再開し、これと同時にまたはその後に、ステップ８５０でフライホイールとＣＶＴからの出力伝達が中断される。ステップ８４０および８５０で、フライホイールからエンジンへの出力伝達の推移の間に、エンジンがオーバーランし後の使用に備えてフライホイールへの充電を行うことができる。
【００６９】
出力オン、シフトダウン時についての検討事項および制御フローは同様である。従来の出力シフト変速機は、速度が変更された後のトルクフェーズで車輪においてトルク変更を実施しなければならない。しかしながら、フライホイール８０を使用して出力オンシフトダウン中の制動トルクに寄与することによって、シフト時間または速度を妥協することなく、シフト中の車輪におけるトルク変化を完全なシフトにわたって分散させることができる。さらに、上述したシフトアップ状況により、後の返還のために制動エネルギーがフライホイール内に集積される。
【００７０】
図８ａないし８ｃに示した構成を用いてパワーオフ時のシフトダウンまたはシフトアップ中に、車輪でのトルク変化を完全なコーストダウンにわたって分散させることができ、シフト感覚のない円滑な惰行（coasting）挙動を保証する。有利なことに、補充フライホイール装置は、車両の運転モードに応じて運動エネルギーを回収できるので、メインエンジンの変速機はさらなる運転に移る前に正のトルクを待つことができる。
【００７１】
こうして、本態様に係るフライホイール構造および制御方法は、ギアシフトイベント中に伝達されるトルクを制御して、ギアシフト期間にわたりユーザに改善された快適なシフト感覚を与える方法を提供する。フライホイールとドライブラインとの間のエネルギーが動力学的形態のままであるため、フライホイール補充システムは、エネルギーを貯蔵し回収する効率的な手段を提供する。したがって、車両および機械におけるエネルギー変換ステージに関連してしばしば生じるエネルギーの消散が防止される。
【００７２】
本態様によると、エネルギータイプ間で変換を行う必要がないので、効率が改善される。したがって、システム全体で利用できるエネルギーが多くなるので、トルク補充を行うための追加のエネルギー源は不要である。必要なときにドライブラインにエネルギーを提供し、また車両の使用サイクル中の他の時点でドライブラインからエネルギーを回収するように、フライホイールが構成されるので、車両に既に存在しているエネルギーを活用し、トルク補充機能を提供するためのエネルギー源が不要である。これにより、ドライブラインにトルクを提供するために追加のエネルギー源が必要となるか、または少なくともエネルギー変換ステージが必要である、例えば電気モータ補充システムに対して大きな利点が得られる。
【００７３】
十分なサイズの補助フライホイール装置を有する電気制御式自動制御式マニュアル変速機は、トルク補充と、本明細書で述べたハイブリッド構成に関連する追加のエネルギー効率の利点との両方を実現すると予想される。これは、同様の車両およびエンジン運転条件について、二重クラッチ変速機を用いる場合と比較して、燃料消費量を約２０％削減することができる。さらに、フライホイールトルク補充とともに自動制御式マニュアル変速機を用いることは、二重クラッチ変速機を用いる場合よりも高価にはならない。
【００７４】
フライホイールと、関連するバリエータと、必要に応じてカップリングとを、既存の自動制御式マニュアル変速機に組み込むことができる。これによって、簡単かつ比較的低いコストでその効率が改善され、ギアシフトイベント中のユーザの快適さが改善される。トルク補充を目的として本明細書で説明したフライホイールを既存システムに組み込むことによるパッケージへの影響は、そうするためにシステムを大きく再設計する必要がないので、非常に小さい。したがって、本態様は、既存の車両の他に将来の車両設計においても使用される可能性がある。
【００７５】
バリエータおよびデバイス構成のオプション
上述のフライホイール態様について、バリエータの種類およびデバイス配置または構成の選択は、本明細書で具体的に説明または図解したものに限られない。代わりに、特定の車両、エンジン、機械または他の装置について満足すべき要件にしたがって、任意の適切なデバイスの選択および配置を実現することができる。
【００７６】
バリエータデバイスの機能は、フライホイールの速度を、フライホイールがＩＣＥまたは他の出力手段の出力に結合される機械的結合点における速度に一致させることである。事実上、バリエータは動力変換器である。すなわち、上述のフライホイール実施形態における出力は、トルクと角速度との積に比例する。使用されるバリエータまたは他の動力変換器の機能は、動力変換器の一方の側における高トルク、低速度を、動力変換器の他方の側における低トルク、高速度に変換することである。
【００７７】
機械的結合点とバリエータ設計の両方の選択が、本明細書で説明した態様に係るフライホイール補助システムの機能に影響を及ぼす。バリエータが利用されるそれらの態様に対するバリエータの選択肢には、ベルトタイプの無段変速機（ＣＶＴ）、トラクションタイプのＣＶＴ、機械式分割経路変速比無限大変速機（ＩＶＴ）、電気式分割経路ＩＶＴ、静圧ＣＶＴ／ＩＶＴ、一つまたは複数の電気モータが含まれる。実際、システムは空気駆動式であってもよい。
【００７８】
図９ａは、例えばトルク補充を目的として使用される実現可能なフライホイールおよびバリエータの配置を示す。フライホイール９０は好ましくは真空９２内に配置される。フライホイール９０は任意の適切なカップリング手段によってカップリングクラッチ９４に接続する。カップリングクラッチ９４は、フライホイール９０とバリエータデバイス９６とを接続する。次に、バリエータデバイス９６は、内燃機関９７と変速機９９の間で、車両の変速機入力に機械的に結合される。
【００７９】
図９ｂは、分割経路ＩＶＴを備える代替的な配置を示す。再び、フライホイール９０が好ましくは真空９２内に設けられ、カップリングクラッチ９４と接続される。カップリングクラッチ９４はバリエータに接続する。この構成で使用されるバリエータデバイスは、遊星ステージ９６とインライントラクションバリエータ９８とを備える。ＩＶＴバリエータシステムを内包することで、フライホイール補助エンジンの潜在的機能が改善され、低速での回収範囲が増大し発進ブースト（launch boost）を可能にする。
【００８０】
図９ｂでは、バリエータデバイスがＩＣＥ９７の出力に機械的に結合されているが、図９ａに示す構成とは異なり、変速機９９の出力に結合されていることが分かるだろう。上述したように、機械的結合点をこのように選択すると、フライホイール補助システムの機能および関連する利点に影響を及ぼす。
【００８１】
図１０ａおよび１０ｂは、本明細書で説明した態様に係るフライホイール補助の可能性のあるカップリング構成をさらに示す。
【００８２】
図１０ａにおいて、メイン車両クラッチ１０４と変速機１０６の上流で、補助フライホイール装置１００がＩＣＥ１０２に結合される。この結合構造は、ＩＣＥ１０２との結合点における速度にフライホイール速度を一致させるために、ＩＣＥ１０２とフライホイール１００の間でバリエータデバイスを横切る比較的狭い速度範囲が必要とされるという点で有利である。すなわち、エンジンは車輪よりも高速で回転するので、フライホイールとエンジンの間の速度差は、フライホイールと車輪の間の速度差よりも小さい、また、フライホイールとＩＣＥの間での移行に必要な大型で強力なギアが変速機内に既に存在するが、下流には存在していない。
【００８３】
図１０ａの構成は、変速機のトルクアドバンテージを利用することによってバリエータのトルクを減少させる。しかしながら、フライホイールはクラッチ１０４の上流に結合されているので、車両ドライブライン１０８内のフライホイール１００からエネルギーを回収し再使用するためにはクラッチ１０４を閉鎖しなければならない。したがって、フライホイール１００からのエネルギー回収をギアシフトによって中断することができる。さらに、機械的にエネルギーを貯蔵するフライホイール装置を使用した連続駆動および回生制動を可能にするためには、この構成ではパワーシフト変速機が必要になる。
【００８４】
図１０ｂは、図９ａに示したものと同様の代替カップリング構成を示しており、クラッチ１０４と変速機１０６の間の変速機入力にフライホイール１００が結合されている。図１０ａの構成と同様に、図１０ｂの構成は、ＩＣＥ１０２とフライホイール１００の間の互換性のある伝達率によって使用可能範囲が改善される。また、バリエータトルクの低減も可能である。しかしながら、ギアシフト操作中にフライホイール１００からエネルギーを回収および／または再使用するためには、依然としてギアシフト中にカップリングの分離が必要となる。
【００８５】
図１０ｃは、フライホイール１００が変速機出力に結合される別の実現可能なカップリング構成を示す。この構成は、フライホイール１００からのエネルギー回収がギアシフトによって中断されないので有利である。さらに、フライホイールのみのモード、すなわちフライホイール１００が単独のエネルギー源でありＩＣＥ１０２からのエネルギーが来ないモードも可能である。これは、メインクラッチ１０４が開放されている限り行うことができる。しかしながら、図１０ａおよび１０ｂの構成と比較すると、図１０ｃの構成では全体の運転範囲が小さくなっており、バリエータ出力におけるカップリングトルクを増加させる必要がある。
【００８６】
図１０ｄは、エンジン１０２と後車軸１０９の間にフライホイール１００が設けられる後車軸システムを示す。図１０ｃに示す構成と同様に、フライホイールからのエネルギー回収がギアシフトによって中断されず、またメインクラッチが開いている限りフライホイールのみのモードが可能であるので、この構成は有利である。さらに、四輪駆動アシストまたはパートタイム四輪駆動機能にフライホイール１００を使用することができる。このように、フライホイール１００は、様々な運転条件に対し車両の安定性を多様化するのを助けることができる。しかしながら、図１０ｃに示す構成と同様に、図１０ａおよび１０ｂに示す構成と比較すると、図１０ｄの構成では全体の運転範囲が小さくなり、バリエータ出力におけるカップリングトルクを増加させる必要がある。
【００８７】
上述した適切な構成でのフライホイールのさらなる使用法は、発進のサポートである。車種およびエンジンロードマップに応じて、フライホイールが発進のための単独のトルク供給源であってもよいし、エンジントルクの供給とともに使用されてもよい。例えば、渋滞の列の中にいる場合のように、一定間隔で前に少しずつ進む状況にある比較的小型の車両について、車両を前に少しずつ進ませるためのトルクをフライホイールで十分に供給することができる。代替的に、より大型の車両や、または小型の車両をより長くまたはより高速で移動させるために、エンジン能力の一部とともに（例えば利用可能な４つのエンジンシリンダのうち二つのシリンダを用いて）フライホイールを使用することができる。車両因子および、特定の地域における排出規制などの潜在的な環境因子を考慮に入れて、任意の所与の時点でフライホイールとエンジンによるトルク供給の最適な組み合わせを使用するように、適切な制御戦略が導入される。
【００８８】
本明細書で説明した態様にしたがった特定のバリエータまたはカップリング構成の適合性における別の因子は、運転中のフライホイール自体の速度である。任意の所与の時点でフライホイール内に貯蔵されている運動エネルギーは、その速度の二乗に正比例する（Ｅ∝ω２）。したがって、例えば貯蔵エネルギーの半分が高速のフライホイールから引き出される場合、低速のフライホイールからエネルギーの半分を取り出す場合と比較して、高速フライホイールにおける速度低下の割合は小さくなる。その結果、フライホイールの速度を速くすると、フライホイールをＩＣＥに結合するために使用されるバリエータ装置の必要速度範囲を削減するのに役立つことになる。
【００８９】
変形例
本明細書で説明したフライホイール態様は、相互排他的ではなく、車両、機械または他の装置において任意に適切に組み合わせて実装できることが認められるだろう。例えば、エンジン配置は、スーパーチャージャーの駆動、化学バッテリーの充電、および車両の発進または停止イベント中にメイン動力源によって提供されるエネルギーに加えて補助的なエネルギーを供給または回収することのいずれかまたは全てを目的として使用される比較的小型のフライホイールを備えてもよい。同様のエンジン構成は、車輪のダイレクトドライブおよび／またはハイブリッド駆動で使用する比較的大型のフライホイールを含んでもよい。
【００９０】
上述の態様のいずれについても、車両または機器のスイッチオフ時に、フライホイールが徐々に止まりそのときに化学バッテリーまたは他の長期バッテリー貯蔵手段を充電するように、フライホイールを構成することが可能である。
【００９１】
満足すべき特定の要件または従うべき制約に応じて、製造中にフライホールをエンジンまたは機械に含めてもよいし、多数の異なる構成で製造後に既存のエンジンまたは機械にフライホイールを組み込んでもよい。
【００９２】
このように、複数の態様が本明細書で説明され、それぞれの態様でフライホイールがエンジン、車両、機械または装置内に実装され、利用可能なエネルギーを活用して全体の性能および出力を改善するためにエネルギーを使用する。フライホイールの駆動または蓄勢に必要な追加のエネルギー源は存在しないが、代わりに本態様によると、適切なフライホイール装置を使用して、従来のシステムでは消散するエネルギーを有効に捕捉し貯蔵し再使用することが認められる。さらに、本明細書のフライホイール装置を適切に操作および制御して、簡潔かつエネルギー効率の良い態様で、経時的に変化する運転条件およびユーザの要求を満足することができる。
【００９３】
本態様は、車両または機械内でエネルギーを動力学的形態で最も頻繁に回収することができ、フライホイールを使用してエネルギーを動力学的形態で貯蔵することによって、エネルギー変換ステージに起因するエネルギーの消散を減少または回避することが分かる。フライホイールは、長期間にわたりエネルギーを動力学的形態で貯蔵することができ、さらに、例えばエンジンの停止中の条件にしたがって、フライホイールを使用して動力学的形態または他の形態で他のエネルギー貯蔵デバイスにエネルギーを供給することができる。
【００９４】
本明細書で説明したフライホイール態様は、ユーザフレンドリーで、費用効率が高く、コンパクトかつ環境に優しい態様で効率および性能を高めることができるので、既知の構成に対してかなりの利点を提供する。フライホイール態様は、任意の適切な車両、エンジン、機械または装置内に実装され、従来の装置を用いては不可能である態様で出力性能を改善しユーザの要求を満足させることができる。
【図１】
2013508213.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
2013508213.tif 000012
【図７Ａ】
2013508213.tif 000013
【図７Ｂ】
2013508213.tif 000014
【図８Ａ】
2013508213.tif 000015
【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
2013508213.tif 000017
【図８Ｄ】
2013508213.tif 000018
【図９Ａ】
2013508213.tif 000019
【図９Ｂ】
2013508213.tif 000020
【図１０ａ】
2013508213.tif 000021
【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
2013508213.tif 000023
【図１０ｄ】
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【国際調査報告】
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