車載用フライホイールのジャイロ機能に関する研究 Gyro

車載用フライホイールのジャイロ機能に関する研究
Gyro Function of Flywheel as Energy Storage System of Vehicles
フライホイール式エネルギ貯蔵装置
車載用フライホイールのエネルギ授受
車両加速時（エネルギ供給）
パワー密度[W /kg]
1 05
電気二重層キャパシタ
1 04
増大
減少
フライホイール
1 03
車両減速時（エネルギ回生）
1 02
二次電池
1 01
試験車両 in ロッテルダム
車載用エネルギ貯蔵装置の有力候補
フライホイール式エネルギ貯蔵装置は
エネルギ密度，出力密度，寿命，環境面
に優位性がある
エネルギ移動
エネルギ移動
10-1 10 0 101 102 103
エネルギ密度 [Wh/kg]
モータ
駆動機構
三相交流
モータ
駆動機構
三相交流
コンバータ
付加質量，車両への影響について課題
がある
橋桁上でフライホイールのみの動力源
車載フライホイール評価実験装置
ジャイロによる車両運動制御の提案
共同研究：ジェイテクト、CCM
400V3相交流電源
コンバータ
車両減速時のエネルギを回生し、回転エネルギとして保存
有効エネルギ量
4k Wh
最大出力
325 kW
定格出力
200 kW
原理
ジャイロモーメント
ジャイロの角運動量変化
★ 能動形式
AC /DC コンバータ
FWコンバータ
T
：入力トルク
ジャイロモーメント
L* O
回転数
11 00 0r pm
22 00 0r pm
放電抵抗
フライホイール電動機
ユニット質量
フライホイール(FW)
x 10
ang ular velo city [rpm ]
1.5
評価試験装置
真空容器内約3×1 0-4気圧
常用回転数14000rpm∼15000rpmにおいて
約 1.7kWの損失
4
外乱トルクの吸収効果
375 kg
トルクの増幅効果
r ot at io nal s peed
ロール軸
ヨー軸
ロール軸
1.48
スタビライザ
1.46
ダンパ
アクチュエータ
1.44
横転防止制御シ
ステム
1.42
1.4
短期貯蔵によるピークエネルギ平準化
0
100
200
300
tim e [sec]
400
鉄道車両の蛇行動現
象の安定化
ジャイロを用いた車
体傾斜システム
500
横転防止制御システム
ジャイロを用いた車体傾斜システム
鉄道における振子車両
MBD汎用ソフトSIMPACKで作成
ロールモーメント吸収
T
O ：フライホイール座標系の角速度ベクトル
L* ：フライホイール座標系における角運動量
外乱トルク
慣性による緩和曲線での振り遅れが課題
横転危険信号
空気圧シリンダなどによりアクティブ制御
ジャイロを用いた傾斜制御
外部ジンバル拘束
ジンバル軸まわりにジャイロを回動し，ジャイロモーメントを付加
ジャイロを用いて過渡特性の向上を図る
10.5t 大型車両モデル
車速 80km/h,ステップ実舵角 6deg
制御無し
yes
Y[m ]
内部ジンバル拘束
30
160
25
120
横転
40
横転
20
ジャイロモーメント
15
10
5
0
0
40
80
2自由度車両モデルによるシミュレーション
入口緩和曲線
ロール角
200
80
制御トルク
ジャイロ角運動量56 20 Nms
制御有り
走行軌跡
12 0
1 60
0
200
0
4
X[m]
8
12
ti me [se c]
16
over centrifug al acc.[G ]
no
rol l an g le [d eg ]
ジンバル角30deg
回転数，エネルギ量
J
-0.05
大型車の走行シミュレーション
My% Cy% Ky 0
T
y
v eloci t y[km/h]
20
2000
1000
6000
20
40
60
0
8
ti me[sec]
100
120
140
hig h-t ensi l steel
maragi ng steel
CFR P
1500
7000
10
00
2500
h igh- t ensil st eel
m ar agin gst eel
C FR P
8000
rot ati on speed[rad/ s]
30
0
20
40
60
80
ti me[s ec]
100
12 0
14 0
5000
20
40
5
60
80
ti me[s ec]
100
2 22
V
0
0
2 11
V
★ 減衰行列での連成
により安定化を図る
エネルギ量
9000
angul ar moment um[Nms]
40
L 56 20N ms
L 1400 0Nm s
y
横転防止制御とエネルギ貯蔵の両立が可能
角運動量
m 0
,C
0 I
M
12 0
14 0
y
2 22
V
C
T
0
0
l at era l di s pl a ce me n t [mm ]
10モード
0
本則速度
75km/h
10
鉄道車両の蛇行動現象の安定化
min
横転防止制御システム
車体傾斜システム
2
m in
R400m
非振子車両
自然振子車両
提案方式
共同研究：筑波大学藪野研究室
車両進行方向に回転軸を有するジャイロを設置
ジャイロによりヨーイングのスタビリティ向上を図る
★剛性行列での連成により不安定化
＞
1
J
2
定曲線 240m
0
t im e[sec]
y
2
ma x
緩和曲線80m
0.05
20
車両運動制御に必要な角運動量
1
J
2
出口緩和曲線
0.1
-0.1
フライホイールの下限回転数における角運動量
使用回転数域
定曲線区間
0.15
エネルギ特性とジャイロ機能の両立
両立の条件
100km/h走行
を想定
4
G yro 0 rpm
G yro 40 0 0rp m
2
,K
2
0
2 11
V
J
0
b
r0
11
2
22
0
0
J
0
理論領域：
不安定
安定
1/10スケール実験装置
0
-2
-4
0
実験結果
1
2
3
t im e [s e c]
」
4
5
実験v s理論

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