JP5419186B2 - 省エネルギー走行車両の走行可能距離およびエネルギー消費量推定方法 - Google Patents
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Description
また、電気自動車では積載可能なバッテリーの容量制限から、走行可能距離が不十分であるという問題を抱えており、この対策として、バッテリー残エネルギーでの走行可能距離を知ることが必須となっている。
上記バッテリー残エネルギーでの走行可能距離推定方法として、ドライバーの運転状態(等速運転、通常運転、急加速、急減速、アイドリング、空ぶかし)等の運転挙動毎の燃料消費量割合から燃料消費量、あるいは走行可能距離、を求める方法(非特許文献3)、あるいは、車両側からバッテリー残量、車両の速度・加速度を取得し、あらかじめシステムに入力した車両重量等、から走行抵抗等を算出し、かつエネルギー回生効率等も考慮して、消費エネルギー量の推定を行う方法(非特許文献2)等が提案されている。
しかしこれらの方法には、あらかじめ採取しておくべきデータの種類の多さ、あるいはエネルギー消費量演算に入力すべきデータ量の多さ等、演算・処理が複雑かつその結果の精度が不十分さ等の問題がある。
および、燃料消費量あるいは走行可能距離推定方法に関し、従来の問題点を解決して、電気自動車のみならず、回生制動機能を付加したガソリンエンジン車、ディーゼルエンジン車等の車両にも適用できる、簡易でかつ高精度な推定方法に関する。
平坦路を走行する車両の走行抵抗は(数1)で示される。
(数1)
R=Rr +Ra +Ri
ここで、
R:走行抵抗
Rr :転がり抵抗
=μr・m・g
=K1
μr :転がり抵抗係数
m:車両質量(kg)
(乗員および車両積載物の質量を含む)
g:重力加速度(m/sec2)
m・g:車両重量(kg・m/sec2)
Ra :空気抵抗
=μa ・A・v2
=K2 ・v2
μa:空気抵抗係数(kg/m3)
A:車両前面投影面積(m2)
v:車速(m/sec)
Ri :加速抵抗
=(m+Δm)・α
=K3
・α
Δm:車両回転部分相当質量(kg)
α:加速度(m/sec2)
である。
・転がり抵抗Rr は、車両重量(m・g)に比例する、
・空気抵抗Raは、車両の前面投影面積と車速の二乗の積に比例する、
・加速抵抗はRi は、車両回転部分相当質量(Δm)を含む車両質量(m+Δm)と加速度αの積に比例する、
ことが分かる。
上記走行抵抗に対応しての走行に必要なエネルギーEは、走行抵抗の距離積分値に比例することから(数2)式で示される。
(数2)
E=Er +Ea +Ei
=E0・∫(K1+K2 ・v2 +K3 ・α)dl
= E0・∫{(K1+K2 ・v2 +K3 ・α)・v}dt
ここで、
E:走行エネルギー
Er :転がり抵抗対応走行エネルギー
Ea :空気抵抗対応走行エネルギー
Ei :加速抵抗対応走行エネルギー
E0:走行抵抗の走行エネルギー比例係数
l:車両走行距離(m)
=∫vdt
t:車両走行時間(sec)
である。
即ち、加速走行、定速走行、減速走行、およびこれらの複合走行形態における転がり抵抗、空気抵抗、および加速抵抗に対応しての走行に必要なエネルギーを定量化して、走行形態に対応した省エネルギー走行方法を明確化する。
αaでの加速走行について考える。
時刻t=t0 から時刻t=t1 までの間、加速度αaで加速走行した場合の走行に必要なエネルギーE01は、(数3)式の如く書くことができる。
ここで、
vc :定速走行速度(設定速度)
l1 :加速走行距離
=vc・(t1−t0 )/2
である。
・転がり抵抗(=K1)と、加速走行の結果到達した速度v=vcにおける空気抵抗
(=K2・vc2 )の1/2、即ち速度0時と速度vc時の空気抵抗平均値、の和と、加速走行距離l1の積と、
・加速走行の結果到達した速度v=vcにおける車両の保有する運動エネルギー
(=(K3・vc2 /2))の、
和に比例することが分かる。
時刻t=t1から時刻t=t2 までの間車速v=vcで定速走行した場合の消費エネルギーE12は、(数4)式の如く書くことができる。
ここで、
l2 :定速走行距離
=vc・(t2 −t1)
である。
・転がり抵抗(=K1)と空気抵抗(=K2・vc2)の和と、定速走行距離l2の積、に比例することが分かる。
(数5)
E1 =E0・[{K1 +(K2・vc2/2)}・D1 +(K3・vc2 /2)]
(数6)
E2 =E0・[{K1 +(K2・vc2/2)}・D2 +(K3・vc2 /2)]
+E0・[{K1 +(K2・vc2)}・D3
従って
(数7)
E2 −E1 =E0・(K2・vc2/2)・D3
上記事実より、加速走行は、許容できる範囲で、即ち交通流の安定・安全に支障を及ぼさない範囲で、最小加速度で行うことが省エネルギー走行のポイントであると言える。
但し、転がり抵抗に比して速度vc 時の空気抵抗値が小さい場合は、上記E1とE2 の差のE1 あるいはE2 に対する割合は小さくなる、即ち加速度による消費エネルギーへの影響は小さくなる。
時刻t=t2から時刻t=t3 までの間減速度αd (αd <0)で定減速度走行し、時刻t=t3 で停止(v=0)する場合の必要なエネルギーE23は、下記の如く書くことができる。
ここで、
K3’ =(m+Δm’)
Δm’ :減速時の車両回転部分相当質量、(Δm’
<Δm )、(kg)
vc =−αd ・(t3 −t2)
l3 :減速走行距離
={vc ・(t3 −t2)/2 }
である。
・転がり抵抗(=K1)と減速走行開始時の速度v=vcにおける空気抵抗(=K2・vc2 )の1/2 の和と、減速走行距離l3の積、と
・減速走行開始時の速度v=vcにおいて車両の保有していた運動エネルギー(=(K3’ /2)・vc2)
の差に、
比例することが分かる。
即ち、(数8)式に摩擦制動あるいは回生制動も含めると(数9)式の如く書き直すことができる。
(数9)
(K3’・vc 2 /2)]=E0・[{K1 +(K2・vc 2 /2)}・l3+Ef +Ers
ここで、
Ef :摩擦制動によって消費されるエネルギー
Ers :回生制動によって蓄積されるエネルギー
である。
(ここで上記惰性走行可能距離算出方法は、例えば、特許文献3、特許文献4に記載されているのでここでの惰性走行可能距離算出方法の説明は省略する。)
(数10)
(K3’・vc2 /2)=E0・[{K1 +(K2・vc2/2)}・D6+Ef’ +Ers’
となる。
従って、地点P3 〜P5 間の惰性走行によって消費されるエネルギーと、地点P4 〜地点P5 間の減速走行によって消費されるエネルギーは、ともに減速開始時の運動エネルギー(K3’・vc2 /2)となり、地点P3 〜P5 間の惰性走行によって消費されるエネルギーよりも地点P3 〜P4 間等速走行をした後地点P4 〜地点P5 間減速走行する場合の消費エネルギーは地点P3 〜P4 間等速走行に必要なエネルギー分{E0・(K1 +K2・vc2 )・D5 }だけ余分に必要となる。
但し、地点P4 〜地点P5 間の減速走行を、惰性走行に余るエネルギー分を摩擦制動に
よって消費せず、即ち(数10)式においてEf’ =0とし、高回生効率な回生制動走行によって、即ち(数10)式におけるErs’ として、回収することができれば、その回収エネルギー分は、減速走行終了後の走行(加速走行、あるいは定速走行)等に活用でき、摩擦制動の場合の如き大きなエネルギー損失とはならない。
・減速走行は、惰性走行による減速走行、従って、停止目標地点までの減速走行は目標地点の上流惰性走行可能距離地点から目標地点に向けて惰性走行を行うこと、が最も効率的な減速度走行である。
・上記惰性走行可能距離の一部区間を(例えば図2bの距離D5の間を)定速走行せざるを得ない場合は、その距離を極力短くすることが肝要である。
・また、停止目標地点への惰性走行減速度αi 以上の減速度αd (|αi |<|αd|)で減速走行を行う場合は、惰性走行に余るエネルギー分を(数11)式を満足する回生制動減速度αr による回生制動によって((数10)式に示すエネルギーErs’ として)吸収する。但し回生制動によって吸収不可能な場合は摩擦制動によって吸収する。
(数11)
αd =αi +αr
・転がり抵抗による消費エネルギーは、転がり抵抗値と走行距離の積に比例する。
・空気抵抗による消費エネルギーは、平均走行速度の二乗と走行距離の積に比例する。
・加速走行時の加速度と消費エネルギーの関係は、通常の加速度の範囲内であれば、可速度値に依存しない、即ち単位加速走行距離あたりの消費エネルギーは一定である。
・減速時、車両の有する運動エネルギーの最も有効な走行方法は惰性走行である。
言い換えれば、車両の有する運動エネルギーの最も非効率的な(損失の大きな)走行方法は摩擦制動による減速走行である。
従って、惰性走行による減速に余る運動エネルギーは、極力回生効率の高い回生制動によって吸収する。但し回生制動にも余る運動エネルギーは摩擦制動によって吸収する。
・加速走行時の加速度αa を許容できる範囲で極力低減する。
・減速は減速時車両の有している運動エネルギーを最大限惰性走行に利用して行う。即ち停止点までの減速走行は停止点上流の最大惰性走行可能距離地点からの惰性走行により行う。但し走行中減速度αdを惰性走行減速度αi以上(|αi |<|αd|)とする減速走行の必要があるときは差分の減速度(αd−αi )を回生効率の高い回生制動(減速度:αr )から得て減速度αd (=αi +αr )での減速走行を行う。
従って車両が惰性走行する際の減速度(惰性走行減速度αi )と車両の走行抵抗Rは比例関係にあると言える。
但し、減速走行を惰性走行減速度以上の減速度で行わなければならない状態、即ち制動を行わなければならない状態においては、上記理由により、回生制動、摩擦制動の優先順位で制動を行うものとする。言い換えれば、制動は、省エネルギー走行の観点からは、極力回生制動を主体で行い、運動エネルギーを摩擦熱に変換する、即ちエネルギー損失となる摩擦制動は緊急やむを得ない状態での安全対策として使用するものとする。
(数12)
Et =E0 ・[{K1 +(K2・vc2/2)}・l1 +(K1 +K2・vc2 )・l2
+{K1+(K2・vc2/2)}・l3]
=E0 ・{(K1 +K2・vc2 )・(l1+l2+l3)−(K2・vc2/2)・(l1+l3)}
ここで、
K1 >(K2・vc2/2)
かつ
l2 >l1+l3
の場合は、
(数13)
Et ≒E0 ・{(K1 +K2・vc2 )・(l1+l2+l3)}
となる。
・先ず車両走行の標準状態(標準走行速度vs 、標準走行抵抗Rs )を設定し、標準状態における単位走行距離当たりの消費エネルギーEsを事前に特定しておく。
・次に走行可能距離を推定すべき、車両状態(平均走行速度vab、走行抵抗R、残エネルギー量El )を特定する。
・(数14)式から走行可能距離Daを推定する。
Da=El /{(R/Rs )・Es }
ここで、
El :車両の有するガソリンあるいは蓄電量等のエネルギー残量
Es :標準状態における単位走行距離当たりの消費エネルギー
Rs :標準走行抵抗
=Rrs +Ras
Rrs :標準転がり抵抗(標準車両質量ms時の転がり抵抗)
Ras:標準空気抵抗(標準走行速度vs時の空気抵抗)
R:走行可能距離を推定すべき車両の走行抵抗
=Rr +Ra
Rr :走行可能距離を推定すべき車両の転がり抵抗(=(ms+Δma)・Rrs )
Ra :走行可能距離を推定すべき車両の空気抵抗(=(vab/vs)2 ・Ras )
vab :走行可能距離を推定すべき車輛の走行区間内平均走行速度
Δma:標準車両質量に付加される質量(乗員、荷物等の増加分)
である。
但し、特に電気自動車において走行以外、例えばエアコン、前照燈等にエネルギーを使用する場合は、それも考慮に入れる必要がある。
ここで、省エネルギー走行制御方法とは、前記の如く、下記状態での走行制御方法を言う。
・許容最下限加速度での加速走行、
・速度vc での定速走行、但し定速走行の間加速走行を行った場合は、前記加速走行による運動エネルギー増加分は惰性走行によって消費する。
・惰性走行による停止目標地点への惰性走行可能距離Diの減速走行、但し、惰性走行減速度に余る減速度での減速走行は、回生制動による減速走行とする。
即ち、(数14)式を変形した(数15)式より、走行予定距離Dp 走行に必要なエネルギー量Ed を求めることによって、大容量バッテリー残エネルギー量El 中から家庭用に給電可能なエネルギー量を正確に推定し、大容量バッテリー残エネルギーの家庭用等への効率的活用が可能になる。
(数15)
Ed =Dp ・{(R/Rs )・Es }
・加速走行は許容可能な範囲での最低加速度での走行とする、
・停止点までの減速走行は停止点上流惰性走行可能距離の地点から惰性走行によって行う、但し惰性走行減速度αi に余る減速度αd での減速が必要な場合は高効率な回生制動(回生減速度αr )により(αd −αi )分を吸収して行う。
ここで、惰性走行減速度αi 、減速度αd 、回生制動減速度αr の関係は
αd =αi +αr である。
上記走行によって、モータあるいはエンジン等の車両駆動形態にかかわらず、かつ、理論的に明確化された根拠・効果に基づく省エネルギー走行が可能となる。
この結果、電気自動車において、走行開始前のエネルギー残量による走行可能距離推定は勿論、走行途中における充電の必要有無、充電すべき場所(現在地からの距離)の特定、も正確に可能となる。
さらに、電気自動車は勿論、ガソリンエンジン・ディーゼルエンジン車両の運転者は、自己の運転状態のエコ走行度合いを、例えば定速走行中の制動頻度あるいは制動距離の低減、あるいは減速時の惰性走行可能距離走行の可否等によって定量的・具体的に知ることも可能となる。
また、電気自動車のバッテリーを家庭用電源に使用する場合においても、電気自動車の使用予定(走行予定距離)に対応した形でバッテリーへの充電あるいはバッテリーからの家庭用への給電量の制御を行うことも可能となる。
例えば、走行中、アクセルオフした場合は直ちに惰性走行状態に移行する、惰性走行で減速度が不足する場合、即ち制動が必要な場合、はブレーキを踏むことによって回生制動を効率的に行う、ただし回生制動で減速度に不足がある場合の緊急時には摩擦制動も含めての必要な制動力による制動を行う、ことができなければならない。
図3において、
301は、省エネルギー走行制御手順開始点、
302は、車両の走行開始を検知する走行開始検知処理、
303は、あらかじめ設定されている許容最小加速度での加速走行を行う加速走行処理、
305は、処理304で取り込んだ車両の現速度vで惰性走行を行った場合の惰性走行可能距離(惰性走行での到達可能距離)Diを算出する惰性走行可能距離算出処理、
306は、処理305で算出した惰性走行可能距離Di が、処理304で取り込んだ現地点−目標地点間距離Dに対して、Di ≧Dか否か、即ち現地点から惰性走行で目標地点に到達可能か否かを判定する、惰性走行可否判定処理、
307は、処理306で現地点から惰性走行で目標地点に到達は否と判定された場合、現走行速度vが定速走行設定速度vc 以上か否かを判定する速度判定処理、
308は、処理307で現走行速度vが設定速度vc 以上であると判定された場合は、速度vc での定速走行に移行する定速走行処理、但し、処理307で現走行速度vが設定速度vc 未満であると判定された場合は処理303に戻って加速走行処理を継続する。
310は、処理309で、目標地点に所定の速度で到達するためには、制動が必要ではない、即ち惰性走行減速度αi 以上の減速度での走行を必要とせず、と判定された場合惰性走行を行う惰性走行処理、
311は、処理309で、目標地点に所定の速度で到達するためには、制動が必要である、即ち惰性走行減速度αi 以上の減速度αd (但しαd =αi +αr )での減速走行を必要とする、と判定された場合惰性走行減速度αi に回生制動減速度αr を加えて回生制動減速度αr の調整により減速度αd での減速走行を行う回生制動走行処理、
313は、処理312で車両が目的地点に到達したと判定した場合は車両の停止を行う車両停止処理、
314は、省エネルギー走行制御手順終了点、
である。
以上の如く車両の加速、定速、および減速走行処理を行うことによって、車両は無駄な加速エネルギーを使わずに、又加速の結果として車両が蓄積した運動エネルギーを最大限車両の走行(惰性走行)に活用した走行、あるいは惰性走行に余る運動エネルギーは回生制動によって以後の走行に役立てるよう蓄積する走行、即ち省エネルギー走行が可能となる。
図4において、
401は、走行可能距離推定操作開始点、
402は、走行可能距離推定を行うべき車両の走行抵抗特定に必要な車両標準状態設定操作処理である。
ここで標準状態設定とは、車両の標準走行速度、車両運転者重量・積載荷重を含む標準車両質量等から定まる標準走行抵抗Rs、および前記標準走行抵抗Rsでの走行時の単位走行距離当たりのエネルギー消費量Es、設定を言う。
403は、走行可能距離推定を行うべき車両の残エネルギー量El設定および実走行抵抗特定に必要な実走行条件設定の操作処理、
ここで実走行抵抗特定に必要な実走行条件設定とは、実走行平均速度vab、車両乗員荷重・積載荷重を含む実車両質量等から定まる実走行抵抗の設定を言う。
405は、設定走行速度v=vc となるような走行開始処理、
406は、走行開始後の走行距離Dnの計測・表示および処理404で算出した走行可能距離Daの表示を行う走行距離計測・表示処理、
407は、走行開始後のエネルギー消費量Ecの計測・表示および走行開始前の残エネルギー量Erの表示を行うエネルギー消費量計測・表示処理、
409は、処理408で車両が目的地に到着したと判定した場合は走行停止する走行停止処理、
410は、上記一連の走行可能距離推定および走行支援処理を終了する処理終了点、
である。
図5において、
501は、電気自動車用大容量バッテリー充・給電制御処理手順の開始点、
502は、現時刻が夜間電力時間帯か否かを判定する夜間電力時間帯判定処理、
503は、処理502で現時刻が夜間電力時間帯であると判定した場合大容量バッテリーが満充電状態か否かを判定する充電終了判定処理、
504は処理503で大容量バッテリーがまだ満充電に達していないと判定した場合は充電を継続する充電制御処理、
506は、処理505で設定された走行予定距離Dpと、車両の走行条件(走行抵抗、走行速度等)から、前記(数14)式を用いて走行予定距離に対応する消費電力量Ed を算出する消費電力量算出処理。
507は、大容量バッテリーの現充電量即ち残電力量Elを確認する残電力量確認処理、
509は、処理508で算出した給電可能電力量(El −Ed )が正、即ち外部に給電可能であるか否かを判定する給電可否判定処理、
510は、処理509で給電可能と判定した場合給電対象に対して給電を行う給電処理、
511は、処理509において、給電否と判定された場合外部への給電を停止する給電停止処理、
512は、電気自動車用大容量バッテリー充・給電制御処理手順の終了点、
である。
上記電気自動車用大容量バッテリー充・給電制御によって、大容量バッテリー充電電力の、家庭用電気器具等電気自動車以外への給電を効果的・効率的に行うことができる。
また、本願発明による省エネルギー走行を実行した場合の、車両の有している残エネルギーによる走行可能距離の算出も可能となる。
Rr :転がり抵抗
=μr・m・g
=K1
μr :転がり抵抗係数
m:車両質量(kg)
(乗員および車両積載物の質量を含む)
g:重力加速度(m/sec2)
m・g:車両重量(kg・m/sec2)
Ra :空気抵抗
=μa ・A・v2
=K2 ・v2
μa:空気抵抗係数(kg/m3)
A:車両前面投影面積(m2)
v:車速(m/sec)
Ri :加速抵抗
=(m+Δm)・α
=K3
・α
Δm:車両回転部分相当質量(kg)
α:加速度(m/sec2)
Er :転がり抵抗対応走行エネルギー
Ea :空気抵抗対応走行エネルギー
Ei :加速抵抗対応走行エネルギー
E0:走行抵抗の走行エネルギー比例係数
l:車両走行距離(m)
=∫vdt
t:車両走行時間(sec)
K3’ =(m+Δm’)
Δm’ :減速時の車両回転部分相当質量、(Δm’
<Δm )、(kg)
Ef :減速走行時、摩擦制動によって消費されるエネルギー
Ers :減速走行時、回生制動によって蓄積されるエネルギー
El :車両の有するエネルギー残量
Es :標準状態における単位走行距離当たりの消費エネルギー
Ed :走行予定距離Dp 走行による消費エネルギー
=Rrs +Ras
Rrs :標準転がり抵抗(標準車両質量m時の転がり抵抗)
Ras:標準空気抵抗(標準走行速度vs時の空気抵抗)
R:走行可能距離を推定すべき車両の走行抵抗(但し平均走行速度vab時)
=Rr +Ra
Rr :走行可能距離を推定すべき転がり抵抗(=(m+Δm)・Rrs )
Ra :走行可能距離を推定すべき空気抵抗(=(vab/vs)2 ・Ras )
Di :惰性走行可能距離
Da :残エネルギーElによる走行可能距離
Dp :走行予定距離
Claims (2)
- 省エネルギー走行車両の走行可能距離Daを、下記算式により推定することを特徴とする、省エネルギー車両の走行可能距離推定方法。
Da=El /{(R/Rs)・Es }
ここで、
El :使用可能エネルギー残量
Es :車両が、標準走行条件で定速走行した場合の単位走行距離当たりの消費エネルギー量、
Rs :車両の標準走行条件(走行速度vs、車両質量ms )走行時の走行抵抗、
R:走行可能距離Daを推定すべき車両の(平均走行速度vab 、車両質量
(ms +Δma )での)、走行抵抗である。 - 大容量バッテリーを有する省エネルギー走行電気自動車が次の充電までの間に予定している走行距離Dp 走行に必要な電力量Edを、下記式より算出し、大容量バッテリー現充電電力量El から前記走行に必要な電力量Ed を差し引いた電力量(El−Ed )を大容量バッテリーの次の充電までの間の電気自動車以外への給電可能電力量とすることを特徴とする、省エネルギー走行車両のエネルギー消費量推定方法。
Ed ={(R/Rs)・Es }・Dp
ここで、
Es :車両が、標準走行条件で定速走行した場合の単位走行距離当たりの消費エネルギー量、
Rs :車両の標準走行条件(走行速度vs、車両質量ms )走行時の走行抵抗、
R:走行可能距離Daを推定すべき車両の走行抵抗(平均走行速度vab 、車両質量
(ms +Δma )での)走行抵抗、
Dp:電気自動車が次の充電までの間に予定している走行距離
である。
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