JP2017056928A - ハイブリッド車両 - Google Patents

Abstract

【課題】市街地等での限定された使用を目的とした、省エネルギー・低排出ガス性能を有するモータ／エンジンハイブリッド車両の提供
【解決手段】加速走行は蓄電装置に蓄積された電気エネルギーおよびエンジンによって駆動される発電機出力による電気エネルギーでモータを駆動して、また、加速走行後の目標停止点までの減速走行は、原則的には加速走行の結果車両に蓄積された運動エネルギーによる惰性走行および制動走行で、各々行う。但し加速走行の結果目標停止点までの距離が惰性走行および制動走行に余る場合はエンジンによって駆動される発電機出力による電気エネルギーでモータを駆動して、定速走行する。
一方、蓄電装置への蓄電は、高効率な一定回転領域で駆動されるエンジンに接続された発電機出力をもって、惰性走行主体の減速走行の間に、行う。
【選択図】 図２

Description

本願発明は、その用途・仕様を、市街地走行用に限定した高エネルギー利用効率のハイブリッド車両に関する。

従来の各種ハイブリッド車両中、シリーズハイブリッド車両が市街地走行用として優れていると言われ、実用化されている。しかしこれら車両は、主たる用途として市街地走行を想定しているが都市間道路での走行にも耐えるような仕様になっていること等の理由から、特にそのモータ駆動用大容量バッテリーに関しその容量、重量、専有面積、エネルギー利用効率（回生効率、充放電効率）、寿命、コスト等多くの問題を抱えている。
これら問題解決策として、例えば、エネルギー利用効率向上に関し、回生制動方法の改良による燃費向上策（特許文献１）、あるいはモータ駆動領域の拡大による回生エネルギーの増大策（特許文献２）、等が考えられ、実行されている。
またエネルギー回生に代えての惰性走行の有効性も提案され、その実用化への取り組みもなされている。（特許文献３、４）

特開２００９−０２９３８８ 特開２００４−０２３９５９ 特開２０１１−０４６２７２ 特開２０１３−１７７１２６

本願発明は、前記従来のハイブリッド車両普及の主たる問題である大容量バッテリーに関し、車両の用途をより明確化するとともにエネルギー利用効率の向上を図ることによって、その容量値・重量・専有面積の低減、その結果としてのコスト削減につなげ、省エネルギー・低排出ガス車両としての普及促進を図ろうとするものである。

車両は、最高速度は５０〜６０Ｋｍ／ｈ等、その用途を市街地走行用に限定した車両を想定する。
車両駆動方法は、省エネルギー性能・低排出ガス性能に配慮して、モータ／エンジンによるハイブリッド車とし、エンジンはモータ駆動用電力の発電用に特化する、即ちシリーズハイブリッド構成とする。
モータ駆動用電力を蓄積する蓄電装置は、車両の用途に対応して、その重量・サイズ・価格を極小化するため、車両が停止状態から最高速度状態まで所定の（加速度を含む）走行条件下で加速するに必要・十分な電力を蓄積しモータに供給できる範囲でその容量を極小化した、例えば高充放電効率を有する電気二重層コンデンサー等で構成する。

また車両の単位走行区間（停止状態から次の停止状態までの走行区間）は市街地であるため平均１０００ｍ程度を想定し、この単位走行区間の走行は、基本的には、モータ駆動による必要最小距離の加速走行と、前記加速走行の結果車両に蓄積された運動エネルギーの最大限の有効利用による惰性走行および（摩擦）制動走行とする。
また蓄電装置への充電は、加速走行終了後の惰性走行および制動走行の間に行う。この結果蓄電装置への充電時間は（従来の回生制動による充電時間に比べて）長大化でき、充電効率の良い電気二重層コンデンサを使用しなくても、例えばリチュウムイオン電池等を蓄電装置に用いることによる充電効率の低下を軽減することができる。

単位走行区間走行開始に先立ち、走行開始地点−目標停止点（次の停止点）間距離Ｄｓの最適走行パターン（加速、定速、減速の各走行状態）を以下の如く特定する。
即ち、距離Ｄｓを最小エネルギーで走行するための走行パターン（加速走行、惰性走行、制動走行）を、（数１）を満足する走行条件から特定する。
（数１）
Ｄｓ＝Ｄａ＋Ｄｉ＋Ｄｂ
ここで加速走行による走行距離Ｄａは、
（数２）
Ｄａ＝ｖｓ^２／（２・αａ ）
上記加速走行によって車両に蓄積された運動エネルギーによる惰性走行距離Ｄｉは、
（数３）
Ｄｉ＝（ｖｓ^２−ｖｂ^２）／（２・αｉ ）
より算出する。
また制動距離Ｄｂは制動開始速度ｖｂに依らず一定値とする。

走行開始点−目標停止点間距離Ｄａ 、制動開始速度ｖｂ、加速走行加速度αａ、惰性走行減速度αｉ をあらかじめ特定しておくことによって、（数１）、（数２）、（数３）を満足する加速走行終了速度ｖｓが特定できる。
上記特定結果の加速走行終了速度ｖｓがｖｓ≦ｖｍの範囲内であれば、車両は単位走行区間走行開始点から加速度αａで速度ｖｓまでの間加速し、その後惰性走行減速度αｉでの惰性走行を距離Ｄｉ 、制動減速度αｂでの制動走行を距離Ｄｂ各々行うことによって目標停止点に到着できることになる。
即ち車両は上記走行パターンで加速、惰性および制動の各走行状態走行をすることによって、加速走行の結果得られた運動エネルギーを最大限有効に使った減速走行が可能、言い換えれば距離Ｄａを最小エネルギーで走行することが可能、となる。

但し、加速走行終了速度ｖｓがｖｓ＝ｖｍ（但しｖｍ：最高速度）において、即ち加速走行距離Ｄａｍ，惰性走行距離Ｄｉｍにおいて、走行開始地点−目標停止点間距離Ｄｓとの関係が、
（数４）
Ｄｓ＞Ｄａｍ＋Ｄｉｍ＋Ｄｂ
なる場合は、当該単位走行区間においては単位走行区間開始点から速度ｖｍになるまで加速走行し、速度ｖｍに達した後速度ｖｍの定速走行を距離ΔＤ行った後距離Ｄｉｍの惰性走行およびその後の距離Ｄｂの制動走行の結果目標停止点に到達する。
ここで定速走行距離ΔＤは、
（数５）
ΔＤ＝Ｄｓ−（Ｄａｍ＋Ｄｉｍ＋Ｄｂ）
である。

上記の如き最適走行パターンでの走行によって、車両は単位走行区間を最小のエネルギーで走行することができる。
即ち、車両は最小限の加速走行と、前記加速走行によって車両が獲得した運動エネルギーを最大限に利用した惰性走行および制動走行によって、単位走行区間を走行できることになる。
この結果モータの加速走行駆動に要する電力エネルギーは必要最小限に抑えられる、即ちモータ駆動電力蓄積用蓄電装置容量を極小化することができることになる。

一方、エンジンによる発電は、蓄電装置蓄電量が所定のレベル範囲内（過放電領域上限レベル〜過充電領域下限レベル）の間の充電可能領域間において、原則的には所定の（走行速度を含む）走行条件下での定速走行に必要な電力量の発電を、継続的に行う。

上記本願発明によって、市街地走行用に用途を限定した、また極小化された蓄電容量の蓄電装置を有する、省エネルギー・低排出ガス・低価格のハイブリッド車両の実現が可能となる。
ここで上記蓄電装置への充電に際しては、基本的には惰性走行および制動走行の間の比較的長時間で行うことができるため、従来の大容量バッテリーを使用した場合でかつ回生制動による充電を行う場合に比べて、その充電効率は向上し、蓄電装置の小容量化、および高速充電によるバッテリー寿命低下問題の改善、にも貢献できる。

本願発明によるシリーズハイブリッド車両の駆動源形態およびその制御系の説明図、 本願発明による、車両走行形態に対応した蓄電装置蓄電量、モータ駆動電力、およびエンジンによる発電制御の概念説明図である。

本願発明におけるハイブリッド形態は基本的にはシリーズハイブリッドである。
また本発明による走行を実施するには、車両は上記単位走行区間走行開始時点で、車両の加速走行、定速走行、惰性走行、および制動走行の各走行の走行距離あるいは走行速度を特定しその特定結果に基づいて単位走行区間終点までの各走行を行わなければならない。

図１に本願発明の駆動源形態を、また図２に図１に示す駆動源形態での車両走行状態に対応する蓄電装置の蓄電量の変移形態、モータの駆動形態、およびエンジンの発電形態を示す。
図１において、
１１は、エンジン
１２は、エンジン１１によって駆動される発電機、
１３は、発電機１２出力を直流変換して蓄電器に蓄積すると同時に、蓄電器出力を交流変換してモータ駆動電力とする蓄電装置、
１４は、蓄電装置出力で駆動されるモータ、
１５は、モータによって駆動される駆動輪、
１６は、車両のアクセル情報、速度情報、車両現位置情報（ＧＰＳ情報）、車両が次に停止すべき目標停止点位置情報、および蓄電装置１３からの蓄電器蓄電量情報を入力し、図２に示すエンジン駆動制御、モータ駆動制御、を行うための前記（数１）、（数２）、（数３）、（数４）、（数５）の演算を行いその結果に基づいて各種制御を行う、エンジン／モータ駆動制御部
である。

即ち、図２に示す如く、加速走行は蓄電装置内の蓄電エネルギー、およびエンジン駆動による発電電力エネルギー、を消費してモータ駆動を行い加速度αａ の加速走行を行う 。加速走行は車両速度が前記ｖｓあるいはｖｍに到達した時点で終了し、その後惰性走行、あるいは距離ΔＤの定速走行後惰性走行、に移行し、惰性走行速度が制動開始速度ｖｂに達した後制動走行に移行し目標停止点で停止する。

上記本願発明は、市街地走行への利用に特化した省エネルギー・低地球温暖化ガス排出車両として、小型車両だけでなく大型のバス、トラック等にも有効である。
また本願発明による加速・減速走行制御方法は、自動運転車用の加減速走行制御方法としても有効である。自動運転車は乗員の安全・運転負荷軽減だけでなく、省エネルギー・低排出ガス化もその大きな目的の一つであるが、本願発明はその目的達成のための制御方法として有効である。
特に本願発明に自動運転機能を付加した小型車両は、通常の車両利用に支障のある交通弱者用の小型移動手段として、その有効性は高く、また産業としてもその市場発展性は高い。

図１、図２、（数１）〜（数５）において、
１１：エンジン
１２：発電機
１３：蓄電装置（インバータ含む）
１４：モータ
１５：駆動輪
１６：エンジン／モータ コントローラ
Ｄｓ ：走行開始点−目標停止点間距離
Ｄａ ：加速走行距離
Ｄａｍ ：加速走行最大距離
Ｄｉ ：惰性走行距離
Ｄｉｍ ：惰性走行最大距離
Ｄｂ ：制動走行距離
ΔＤ ：定速走行距離

ｖｓ ：加速走行終了速度
ｖｍ：最高速度
αａ ：加速度
αｉ ：惰性走行減速度
αｂ ：制動減速度
Ｅｆ ：満蓄電レベル
Ｅｆ‘：領域を除く満充電レベル
Ｔａ、Ｔｅ、：加速開始時点
Ｔｂ：加速終了（惰性走行開始）時点
Ｔｃ、Ｔｉ：惰性走行終了（制動開始）時点
Ｔｄ、Ｔｊ：制動終了（停止）時点
Ｔｆ：加速終了かつ定速走行開始時点
Ｔｇ：定速走行終了かつ惰性走行開始時点
Ｔｈ：蓄電装置への蓄電停止（エンジン発電停止）時点
Ｔｋ：加速開始かつエンジン発電開始時点

本願発明は、前記従来のハイブリッド車両普及の主たる問題である大容量バッテリーに関し、車両の用途をより明確化するとともにエネルギー利用効率の向上を図ることによって、その容量値・重量・専有面積の低減、その結果としての車両コストの削減につなげ、省エネルギー・低排出ガス車両としての普及促進を図ろうとするものである。

車両は、最高速度は５０〜６０Ｋｍ／ｈ等、その用途を市街地走行用に限定した車両を想定する。
車両駆動方法は、省エネルギー性能・低排出ガス性能に配慮して、モータ／エンジンによるハイブリッド車とし、エンジンはモータ駆動用電力の発電用に特化する、即ちシリーズハイブリッド構成とする。
モータ駆動用電力を蓄積する蓄電装置は、車両の用途に対応して、その重量・サイズ・価格を極小化するため、車両が停止状態から最高速度状態まで所定の（加速度を含む）走行条件下で加速するに必要・十分な電力を蓄積しモータに供給・駆動できる範囲でその容量を極小化した、例えば高充放電効率を有する電気二重層コンデンサー等で構成する。

また車両の単位走行区間（停止状態から次の停止状態までの走行区間）は市街地であるため平均１０００ｍ程度を想定し、この単位走行区間の走行は、基本的には、モータ駆動による必要最小距離の加速走行と、前記加速走行の結果車両に蓄積された運動エネルギーの最大限の有効利用による惰性走行および（摩擦）制動走行とし、運動エネルギー回生制動走行は行わない。
また蓄電装置への充電は、惰性走行および制動走行による減速走行の間に行う。この結果蓄電装置への充電時間は（従来の回生制動による充電時間に比べて）伸長でき、充電効率の良い電気二重層コンデンサを使用しなくても、例えばリチュウムイオン電池等を蓄電装置に用いても、その充電効率を実用上問題ない程度の低下に軽減することができる。

走行開始点−目標停止点間距離Ｄａ 、制動開始速度ｖｂ、加速走行加速度αａ、惰性走行減速度αｉ をあらかじめ特定しておくことによって、（数１）、（数２）、（数３）を満足する加速走行終了速度ｖｓが特定できる。
上記特定結果の加速走行終了速度ｖｓがｖｓ≦ｖｍの範囲内であれば、車両は単位走行区間走行開始点から加速度αａで速度ｖｓまでの間加速し、その後惰性走行減速度αｉでの惰性走行を距離Ｄｉ 、制動減速度αｂでの制動走行を距離Ｄｂ各々行うことによって目標停止点に到着できることになる。
即ち車両は上記走行パターンで加速、惰性および制動の各走行状態走行をすることによって、最小限の加速走行と加速走行の結果得られた運動エネルギーを最大限有効に使った減速走行、が可能、言い換えれば距離Ｄａを最小エネルギーで走行することが可能、となる。

但し、加速走行終了速度ｖｓがｖｓ＝ｖｍ（但しｖｍ：最高速度）において、即ち加速走行距離Ｄａｍ（但し、Ｄａｍ＝ｖｍ ^２ ／（２・αａ））、惰性走行距離Ｄｉｍ（但し、
Ｄｉｍ＝（ｖｍ ^２ −ｖｂ ^２ ）／（２・αｉ））、において、走行開始地点−目標停止点間距離Ｄｓとの関係が、
（数４）
Ｄｓ＞Ｄａｍ＋Ｄｉｍ＋Ｄｂ
なる場合は、当該単位走行区間においては単位走行区間開始点から速度ｖｍになるまで加速走行し、速度ｖｍに達した後速度ｖｍの定速走行を距離ΔＤ行った後距離Ｄｉｍの惰性走行およびその後の距離Ｄｂの制動走行の結果目標停止点に到達する。
ここで定速走行距離ΔＤは、
（数５）
ΔＤ＝Ｄｓ−（Ｄａｍ＋Ｄｉｍ＋Ｄｂ）
である。

上記の如き最適走行パターンでの走行によって、車両は単位走行区間を最小のエネルギーで走行することができる。
即ち、車両は最小限の加速走行と、前記加速走行によって車両が獲得した運動エネルギーを最大限に利用した惰性走行および制動走行によって、単位走行区間を走行できることになる。
この結果モータの加速走行駆動に要する電力エネルギーは必要最小限に抑えられる、即ちモータ駆動電力蓄積用蓄電装置容量を極小化することができる。

一方、エンジンによる発電は、蓄電装置蓄電量が所定のレベル範囲内（過放電領域上限レベル〜過充電領域下限レベル）の間の充電可能領域間において、原則的には所定の（走行速度を含む）走行条件下での定速走行に必要・充分な電力量の発電を、継続的に行う。

本願発明におけるハイブリッド形態は基本的にはシリーズハイブリッドである。
また本発明による走行実施に際しては、車両は上記単位走行区間走行開始時点で、車両の加速走行、定速走行、惰性走行、および制動走行の各走行の走行距離あるいは走行速度を特定し、その特定結果に基づいて単位走行区間終点までの各走行を行なう。

図１に本願発明の駆動源形態を、また図２に図１に示す駆動源形態での車両走行状態に対応する蓄電装置の蓄電量の変移形態、モータの駆動形態、およびエンジンの発電形態を示す。
図１において、
１１は、一定回転領域で駆動されるエンジン
１２は、エンジン１１によって駆動される発電機、
１３は、発電機１２出力を直流変換して蓄電器に蓄積すると同時に、蓄電器出力を交流変換してモータ駆動電力とする蓄電装置、
１４は、蓄電装置出力で駆動されるモータ、
１５は、モータによって駆動される駆動輪、
１６は、車両のアクセル情報、速度情報、車両現位置情報（ＧＰＳ情報）、車両が次に停止すべき目標停止点位置情報、および蓄電装置１３からの蓄電器蓄電量情報を入力し、図２に示すエンジン駆動制御、モータ駆動制御、を行うための前記（数１）、（数２）、（数３）、（数４）、（数５）の各演算を行いその結果に基づいて各種制御を行う、エンジン／モータ駆動制御部
である。

上記本願発明は、市街地走行への利用に特化した省エネルギー・低地球温暖化ガス排出車両として、小型車両だけでなく大型のバス、トラック等にも有効である。
また本願発明による加速・減速走行制御方法は、乗員の安全・運転負荷軽減だけでなく、省エネルギー・低排出ガス化もその大きな目的の一つである自動運転車用の加減速走行制御方法としても有効である。
特に本願発明に自動運転機能を付加した小型車両は、通常の車両利用に支障のある交通弱者用の小型移動手段として、その有効性は高く、また産業としてもその市場発展性は高い。

ｖｓ：加速走行終了速度
ｖｍ：最高速度
αａ ：加速度
αｉ ：惰性走行減速度
αｂ ：制動走行減速度
Ｅｆ ：満蓄電レベル
Ｅｆ’：過充電領域を除く満充電レベル
Ｔａ、Ｔｅ：加速開始時点
Ｔｂ：加速終了（惰性走行開始）時点
Ｔｃ、Ｔｉ：惰性走行終了（制動開始）時点
Ｔｄ、Ｔｊ：制動終了（停止）時点
Ｔｆ：加速終了かつ定速走行開始時点
Ｔｇ：定速走行終了かつ惰性走行開始時点
Ｔｈ：蓄電装置への蓄電停止（エンジン発電停止）時点
Ｔｋ：加速開始かつエンジン発電開始時点

車両は、最高速度は５０〜６０Ｋｍ／ｈ等、その用途を市街地走行用に限定した車両を想定する。
車両駆動方法は、省エネルギー性能・低排出ガス性能に配慮して、モータ／エンジンによるハイブリッド車とし、エンジンはモータ駆動用電力の発電用に特化する、即ちシリーズハイブリッド構成とする。
モータ駆動用電力を蓄積する蓄電装置は、車両の用途に対応して、その重量・サイズ・価格を極小化するため、車両が停止状態から車両仕様による最高速度状態まで所定の（加速度を含む）走行条件下で加速するに必要・十分な電力を蓄積しモータに供給・駆動できる範囲でその容量を極小化した、例えば高充放電効率を有する電気二重層コンデンサー等で構成する。

また車両の単位走行区間（停止状態から次の停止状態までの走行区間）は市街地であるため平均１０００ｍ程度を想定し、この単位走行区間の走行は、基本的には、モータ駆動による必要最小距離の加速走行と、前記加速走行の結果車両に蓄積された運動エネルギーの最大限の有効利用による惰性走行および（摩擦）制動走行とし、運動エネルギー回生制動走行は行わない。
また蓄電装置への充電は、惰性走行主体の減速走行の間に行う。この結果蓄電装置への充電時間は（従来の回生制動による充電時間に比べて）伸長でき、充電効率の良い電気二重層コンデンサを使用しなくても、例えばリチュウムイオン電池等を蓄電装置に用いても、その充電効率を実用上問題ない程度の低下に軽減することができる。

単位走行区間走行開始に先立ち、走行開始地点−目標停止点（次の停止点）間距離Ｄｓの最適走行パターン（加速、定速、減速の各走行状態）を以下の如く特定する。
即ち、距離Ｄｓを最小エネルギーで走行するための走行パターン（加速走行、惰性走行、制動走行）を、（数１）を満足する走行条件から特定する。
（数１）
Ｄｓ＝Ｄａ＋Ｄｉ＋Ｄｂ
ここで加速走行による走行距離Ｄａは、
（数２）
Ｄａ＝ｖｓ^２／（２・αａ ）
上記加速走行によって車両に蓄積された運動エネルギーによる惰性走行距離Ｄｉは、
（数３）
Ｄｉ＝（ｖｓ^２−ｖｂ^２）／（２・αｉ ）
より算出する。
また制動距離Ｄｂは制動開始速度ｖｂに依らず一定値とする。
ここで、Ｄｉ》Ｄｂ である。

走行開始点−目標停止点間距離Ｄａ 、制動開始速度ｖｂ、加速走行加速度αａ、惰性走行減速度αｉ をあらかじめ特定しておくことによって、（数１）、（数２）、（数３）を満足する加速走行終了速度ｖｓが特定できる。
上記特定結果の加速走行終了速度ｖｓがｖｓ≦ｖｍの範囲内であれば、車両は単位走行区間走行開始点から加速度αａで速度ｖｓまでの間加速し、その後惰性走行減速度αｉでの惰性走行を距離Ｄｉ 、制動減速度αｂでの制動走行を距離Ｄｂ各々行うことによって目標停止点に到着できることになる。
即ち車両は上記走行パターンで加速、惰性および制動の各走行状態走行をすることによって、最小限の加速走行と加速走行の結果得られた運動エネルギーを最大限有効に使った減速走行、が可能、言い換えれば距離Ｄｓを最小エネルギーで走行することが可能、となる。

Claims (3)

1. モータ駆動電力用蓄電装置は、車両の停止状態から最高速度まで所定の加速度で加速駆動するに必要・充分な電気エネルギー量の蓄積・充放電能力を有することを特徴とするモータ／エンジンハイブリッド車両。
2. 停止状態から所定の速度までの加速走行を、蓄電装置に蓄積された電気エネルギーおよびエンジンによって駆動される発電機出力によるモータ駆動によって行った後の目標停止点までの走行は、加速走行の結果車両に蓄積された運動エネルギーを利用しての惰性走行および制動走行で行う、ことを特徴とするモータ／エンジンハイブリッド車両。
3. モータ駆動電力用蓄電装置への蓄電は、運動エネルギーの回生によっては行わず、エンジンによって定常的に駆動される発電機出力をもって惰性走行および制動走行の間に行うこと、を特徴とするモータ／エンジンハイブリッド車両。