JP2002325311A - 制動時のエネルギーを回収するためのスーパーコンデンサを備えた車両 - Google Patents
制動時のエネルギーを回収するためのスーパーコンデンサを備えた車両Info
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Abstract
ーコンデンサを備えた車両。 【解決方法】 オルタネータ111を駆動するエンジン
101を備え、オルタネータから供給された電気エネル
ギーは整流器131、電線路121およびインバータ2
21を介して駆動用電気モータ231に供給される。駆
動用電気モータ231は車輪51に機械的に連結されて
いる。電線路121には電圧整合回路141を介してス
ーパーコンデンサ41が接続されている。駆動伝達系で
の電気エネルギーの流れは車両の車輪に加わるトルクを
制御するユニット21が管理し、スーパーコンデンサ4
1の放電を常に優先して、次の制動時に直ちにエネルギ
ーを回収することができるようにする。
Description
る路上モーター車両に関するものである。
と並列ハイブリッド車の2つが知られている。いわゆる
直列ハイブリッド型の駆動伝達系を有する車両ではエン
ジンがオルタネータを駆動してエンジンシャフトで得ら
れる機械的エネルギーを電気的エネルギーへ変換する。
この電気エネルギーが駆動用電気モータに供給されて、
電気モータに機械的に連結された車両の駆動車輪が駆動
される。エンジンは車輪に機械的には連結されていな
い。これに対して、いわゆる並列ハイブリッド型の駆動
伝達系を有する車両では、エンジンおよび電気モータの
両方が駆動車輪に機械的に連結され、両者の出すトルク
が加えられて駆動車輪を駆動する。
ていて、エンジンを切って電気モードのみで車両を駆動
することができるようになっている。また、車両に制動
をかけた時に運動エネルギーを熱として放散するのでは
なく、駆動用電気モータをゼネレータとして働かせるこ
とによってエネルギーの少なくとも一部を回収し、電気
エネルギーに変換して蓄積することも周知である。
る。先ず、蓄電池は蓄積される電気エネルギー量に比べ
て重量が重過ぎる。例えば、鉛蓄電池の蓄電量は約20
Wh/kgであるが、鉛蓄電池を用いると車両の重量が
大幅に重くなる。加速時あるいは減速時の運動エネルギ
ーの電気エネルギーへの変換効率および電気エネルギー
の運動エネルギーへの変換効率は100%にならないの
で、これはエネルギー浪費の原因になる。しかも、重量
車両の場合には思い鉛蓄電池に起因する車両の動的挙動
の問題が重大になる。さらに、現在の電池は再充電を十
分な強度の電流で行うことができないため簡単には大き
な制動エネルギーを回収できない。すなわち、制動時に
回収するエネルギーを大きくしたい場合には車両に設置
する電池の重量を大きくしなければならず、そうすると
加速時に消費されるエネルギーが大きくなる。エネルギ
ーの変換効率が低ければ低いほど、制動時に回収される
エネルギーは小さくなり、電池に起因する余分な重量を
加速のために使用しなければならなくなる。
する課題は、制動時の電気エネルギーを十分に回収およ
び蓄積して、全体としての効率を大幅に向上させる、換
言すれば所定の仕事量に対する燃料消費量を減らすこと
ができる装置を有するハイブリッド車両の駆動伝達系を
提供することにある。
望む加速および減速の制御CA(acceleration control)
を処理して所望の駆動トルクと所望の制動トルクとを計
算する処理ユニットと、車両の駆動に利用可能な電気エ
ネルギー源と、制動トルクを駆動車輪に伝達し且つ電気
エネルギーを電線路に蓄積することによってゼネレータ
として動作可能な、少なくとも1つの駆動車輪に連結さ
れた少なくとも1つの電気機械(231,112)と、
この電気機械と上記電気エネルギー源とを接続する電線
路とを有し、上記電気機械は上記電線路で得られた電気
エネルギーを吸収して駆動トルクを駆動車輪に伝達する
モータとして動作する、車両の駆動用電気伝達系におい
て、電線路に接続された、1つ以上のスーパーコンデン
サで構成される電気エネルギー蓄積装置と、エネルギー
回収モードまたはエネルギー再生モードを選択する動作
モード管理装置と、車両車輪に加わるトルクを制御する
ユニットとを備え、駆動トルクが要求された場合には、
電気エネルギー蓄積装置の充電量が最小でない限り、車
両の駆動に必要なエネルギーを供給するために上記電気
エネルギー源を使用するよりも、電気エネルギー蓄積装
置に蓄積された電気エネルギーを消費することを優先す
ることによって、上記電気機械をモータとして動作さ
せ、制動トルクが要求された場合には、電気エネルギー
蓄積装置の充電量が最大でない限り、他の制動装置を使
用するよりも、発生させた電気エネルギーを上記電気エ
ネルギー蓄積装置の再充電に用いることを優先すること
によっで、上記電気機械をゼネレータとして動作させ
る、ことを特徴とする車両の駆動用電気伝達系を提供す
る。
エネルギー源がオルタネータを駆動するガソリンまたは
ディーゼル機関である場合と、電気エネルギー源が燃料
電池または電気化学的電池である場合の両方に量可能な
エネルギー管理装置を提供することにある。本発明のエ
ネルギー管理は直列および並列の両方のハイブリッド車
の構造に有効である。以下ではハイブリッド車の場合の
みを説明するが、燃料電池または電気化学的電池を用い
た車両の場合は直列ハイブリッド車の場合と同様である
ということは理解できよう。
ができる特定の部品を使用する。すなわち「スーパーコ
ンデンサ」、「ウルトラコンデンサ」または「二重層コ
ンデンサ」とよばれる部品、例えばMontena C
omponents S,A社からBoostcap
(登録商標)で市販のCH−1728ROSSENSを
使用する。この部品は従来のコンデンサよりもはるかに
多量の電気エネルギーを蓄積でき、電気化学的電池と同
様に機能するが、電気化学的電池とは違って従来のコン
デンサと同様に大きな電流を充放電(特に充電)できる
という特徴がある。吸収した電力密度(W/kg)をX
軸に表し、蓄積した電気エネルギー密度(Wh/kg)
をY軸に表したグラフで上記各電気部品の位置を示する
と、スーパーコンデンサは電気化学的蓄電池の領域と従
来のコンデンサの領域との間の中間領域を占める(ラゴ
ン図)。
る制御装置CAは、従来の車で一般的なアクセルペダル
および制動ペダルの各ペダルの形にするか、単一のコン
トローラの形にすることができる。
みる。山道での運転では、下り坂を走行時に車両を制動
フェースで運転することが多いが、この場合は車両を制
動または減速しなければならない時間が非常に多くなる
ため、全制動段階でエネルギーを回収しようとすると相
当な蓄積容量が必要になる。しかし、車両に搭載可能な
蓄積装置はどんな方法を用いたとしても重くなり過ぎ、
使用不可能である。従って、制動時に電気エネルギーを
回収して蓄積する手段を取付ける理由として山道での運
転を挙げることはできない。また、平坦な所での走行で
は、車両が制動期にある時間は短く、車両の通常の移動
に使用される全エネルギーに比べて制動時に回収できる
エネルギーは相対的少ない。
い加速段階の後に比較的短い減速段階が続くことが多
い。従って、電気エネルギー蓄積容量が大きくなくて
も、車両移動のために発生させなければならない全エネ
ルギー量に比べて多量のエネルギーを回収することがで
きる。すなわち、車両制動時にエネルギーを回収させる
価値があるのは特に都市での運転であることは明らかで
ある。事実、都市での走行では車両を加速するために発
生させなければならないエネルギーの量に比べて車両を
制動させるために発生させなければならないエネルギー
の量が相当な比率になる。しかも、加速期と減速期とが
交互に速く繰返されるのは都市での運転である。従っ
て、この場合には蓄積容量の大きな蓄電池を備える必要
がなく、備えなくてもエネルギーの実質的な部分を回収
することができるということは明らかである。
の減速によって発生するエネルギーは車両の加速によっ
て発生するエネルギーの30%〜40%になると推定さ
れる。その実際の例を挙げると、1000kgの車両が
50km/時で走行した場合、制動時に回収可能な潜在
エネルギーは約85kJである。この車両を10秒で停
止させる場合に10秒間に使われる制動力は平均約8.
5kWである。充電および放電の両方で上記の平均制動
力の少なくとも2倍に等しいピーク電力は現在のスーパ
ーコンデンサの技術を用いれば容易に蓄積できる。例え
ば、85kJの回収エネルギーに対するスーパーコンデ
ンサを用いたエネルギー蓄積装置の重量は約15kg、
容積は約20リットルである。
とは関係に下記の寸法が提案できる。すなわち、車両1
t当たりの蓄積装置は少なくとも70kJ、好ましくは
150kJのエネルギーを蓄積できるのが有利である。
リッド車および並列ハイブリッド車の両方に適用でき、
また、他の任意形式の電気駆動車両に適用できる。本発
明原理では、容量が相対的に小さい電気エネルギー蓄積
装置を選択することで車両の構造を相対的に軽くするこ
とができる。ハイブリッド車に適用する場合、本発明は
排気ガスゼロの車両構造を求めるものではなく、地方お
よび都市の両方に適した広い用途の車両構造とし、都市
での運転では車両の仕事量に応じて最適状態でエネルギ
ーを利用できるようにするものである。
ちにエネルギーが回収できるようにするために、常に電
気エネルギーの蓄積装置の放電を優先させる。本発明の
管理原理を用いることによって、相対的に容量の小さい
電気エネルギー蓄積装置を用いて統計的に大きな比率の
制動エネルギーを回収することができる。なお、エネル
ギー蓄積装置の放電を常に優先するということは、ドラ
イバーからの加速要求が大きい場合に電気エネルギー蓄
積装置以外のエネルギー源から来るエネルギーを加速に
用いる可能性を除外するものではない。以下、添付図面
を参照して本発明を説明する。
11を駆動する。このオルタネータから供給された電気
エネルギーは整流器131、電線路121およびインバ
ータ221を介して駆動用電気モータ231へ供給され
る。燃料電池を備えた車両の場合には、図1の要素10
1、111および131の代わりに電気エネルギー発生
装置が使用される。
的に連結されている。電線路121には動作モード管理
装置141を介してスーパーコンデンサ41が接続され
ている。スーパーコンデンサ41および動作モード管理
装置141からなる組立体は駆動用電気モータ231お
よびインバータ221からなる組立体と並列に接続され
ている。動作モードにはエネルギー「回収」モードとエ
ネルギー「再生」モードの2種類がある。
の車輪に加わるトルクを制御するユニット21によって
管理される。このユニット21はドライバーが望む加速
の制御量CAの処理ユニット211から来る信号を受け
る。今、スーパーコンデンサ41が放電されている場合
を考えると、最初の減速が来た時には、車両の車輪に加
わるトルクを制御するユニット21は、ドライバーの望
む減速度に対応する制動トルクレベルで電気モータ23
1をゼネレータとして駆動するようにインバータ221
に命令を出し、それと同時に動作モード管理装置141
に「回収モード」へ変るように命令を出して、スーパー
コンデンサ41を自動的に充電状態にする。この充電は
スーパーコンデンサが最大充電量に達していない限り行
う。最大充電量で、しかも、減速が引き続いて要求され
る場合には、車両の車輪に加わるトルクを制御するユニ
ット21が電気エネルギーを散逸抵抗器(図示せず)へ
流すか、モータがゼネレータとしての動作することを中
止させ、必要な場合には、車両の機械的ブレーキを自動
的に駆動する。
が来た時には、スーパーコンデンサが最大許容充電量に
達していない場合でも、ユニット21は管理装置141
に「再生」モードになるように命令を出し、それと同時
に、スーパーコンデンサ41を放電して適当な駆動トル
クを供給するように電気モータ231を制御するように
インバータ221に命令を出す。エンジンには何のアク
ションもしない。
が、完全放電することはスーパーコンデンサの観点から
望ましくない。すなわち、充電レベルが低くなるとスー
パーコンデンサの電圧が極めて低くなる。また、充電レ
ベルが低いため所定の電力を吸収するとより強い電流が
加えられる。さらに、許容可能な電流にも当然制限があ
り、この電圧レベルでスーパーコンデンサに蓄積される
エネルギー量は駆動にさして影響しない。従って、一定
の最小充電レベル(下側閾値)を維持するのが有利であ
る。
記のエネルギー残量は駆動にはあまり関係はないが、エ
ンジンが底負荷にあって十分な電力を即時に発生できな
い場合に、いくつかの電気要素に電力を供給するのにス
ーパーコンデンサに蓄積されたエネルギーは極めて有用
である。当然ながら、スーパーコンデンサからエネルギ
ーを取り出したため所定の最小充電レベル以下になった
場合には、電気エネルギー源(ここでは電気機械に連結
されたエンジン)からエネルギーを取り出して直ちに再
充電するのが好ましい。
112にエンジン102が連結されている場合を示して
いる。電気機械112によって吸収された(または供給
される)電気エネルギーは管理装置142を介してスー
パーコンデンサ42から来る(またはスーパーコンデン
サ42に供給される)。電気機械112の出力シャフト
520はギアボックス62を介して車輪52に機械的に
連結されている。
の車輪に加わるトルクを制御するユニット22によって
管理される。このユニット22はドライバーが望む加速
度の制御CAの処理ユニット212から来る信号を受け
る。今、スーパーコンデンサ42が放電されている場合
を考えると、最初の減速時に、車両の車輪に加わるトル
クを制御するユニット22は管理装置142に「回収」
モードに切り替わるように命令を出すと同時に、ドライ
バーの望む減速度に対応した制動トルクレベルで電気機
械112をゼネレータとして駆動するようにインバータ
222に命令を出す。これによってスーパーコンデンサ
42の充電が自動的に行なわれる。この充電はスーパー
コンデンサが最大充電量に達しない限り行なわれる。最
大充電量で、しかも、さらに減速が要求された場合に
は、ユニット22が電気エネルギーを散逸抵抗器(図示
せず)へ流すか、電気機械のゼネレータとしての動作を
中止させ、必要な場合には車両の機械的ブレーキを自動
的に駆動する。
いはその他の形式の車両でも、全ての走行ダイヤグラム
で、ドライバーが加速を要求した時には、スーパーコン
デンサが最大許容充電量に達していない場合でも、中央
処理ユニット(21または22)が管理装置(141ま
たは142)に「再生」モードになるように命令を出
し、電気機械(231または112)をモータとして駆
動するようにインバータ(221または222)に命令
を出す。すなわち、第1段階では電気エネルギー源には
何のアクションもしないで、スーパーコンデンサの放電
を優先して、必要な駆動トルクを供給する。
電を試みることを常に優先するが、全ての走行ダイヤグ
ラムで、スーパーコンデンサの最大放電電流時で駆動用
電気モータが十分なトルクを供給できないような駆動力
が要求された時に、駆動モータに電気エネルギーを供給
するための電気エネルギー源をさらに作動させる可能性
を除外するものではない。
た場合には、駆動伝達系を車両の他の形式のブレーキよ
りも優先して管理し、車輪に機械的に連結された電気機
械をゼネレータとして作動させてスーパーコンデンサを
最大充填状態まで再充電するが、当然、車両の運転上の
安全は常に確保するようにする。そのためには従来の機
械的ブレーキを用い、その時のエネルギーの回収量を全
制動エネルギーに対して小さくするか、無視できる量に
することもできる。
て、上記の制動時にエネルギーを回収する管理モードだ
けでなく、加速度を即時に上げる(ブースターとして
の)管理モードで作動させることもできるということは
理解できよう。この場合には、加速段階でエンジン(よ
り一般的には電気エネルギー源)を補助できるようにス
ーパーコンデンサを最大限に充電することを試みること
を常に優先するような別のエネルギー管理モードに従っ
て駆動伝達系の少なくとも一部を動作させる。エネルギ
ーの回収に好ましい本発明のモード(下側充電閾値へ向
かうことを常に優先する)と、ブースター型の動作に好
ましい上記の別のモードとを自動的に切り替えるように
することができる。本発明のモードはスーパーコンデン
サ用の所定の最小充電レベルを自動的に求めることに特
徴があり、これに対してブースタモードとよばれる上記
の別のモードは車両に取付けたスーパーコンデンサ蓄積
装置の許容最大充電レベルを求める点に特徴がある。一
方のモードから他方のモードへ切り替えるだけでなく、
これらの任意の中間充電レベルで自動的に動作させるこ
ともできる。既に述べたように、制動エネルギーをでき
るだけ回収するモードとブースタ型モードとの2つの動
作モードの選択は手動で行うか、ドライバーの行動を分
析する適当なプログラムを有する処理装置で制御するこ
とができる。このプログラムはルート検出用GPS装置
にリンクさせたドライバーの行動パラメータを取得して
上記2つのモードの一方または任意の中間レベルを自動
的に選択することができるものにすることができる。
ブロック図。
ブロック図。
Claims (5)
- 【請求項1】 ドライバーが望む加速および減速の制御
CAを処理して所望の駆動トルクと所望の制動トルクと
を計算する処理ユニット(211,212)と、車両の
駆動に利用可能な電気エネルギー源と、制動トルクを駆
動車輪に伝達し且つ電気エネルギーを電線路に蓄積する
ことによってゼネレータとして動作可能な、少なくとも
1つの駆動車輪に連結された少なくとも1つの電気機械
(231,112)と、この電気機械と上記電気エネル
ギー源とを接続する電線路とを有し、上記電気機械は上
記電線路で得られた電気エネルギーを吸収して駆動トル
クを駆動車輪に伝達するモータとして動作する、車両の
駆動用電気伝達系において、 電線路に接続された、1つ以上のスーパーコンデンサで
構成される電気エネルギー蓄積装置(41,42)と、 エネルギー回収モードまたはエネルギー再生モードを選
択する動作モード管理装置と、 車両車輪に加わるトルクを制御するユニット(21,2
2)とを備え、 駆動トルクが要求された場合には、電気エネルギー蓄積
装置の充電量が最小でない限り、車両の駆動に必要なエ
ネルギーを供給するために上記電気エネルギー源を使用
するよりも、電気エネルギー蓄積装置に蓄積された電気
エネルギーを消費することを優先することによって、上
記電気機械をモータとして動作させ、 制動トルクが要求された場合には、電気エネルギー蓄積
装置の充電量が最大でない限り、他の制動装置を使用す
るよりも、発生させた電気エネルギーを上記電気エネル
ギー蓄積装置の再充電に用いることを優先することによ
っで、上記電気機械をゼネレータとして動作させる、こ
とを特徴とする車両の駆動用電気伝達系。 - 【請求項2】 並列ハイブリッド車両用である請求項1
に記載の伝達系。 - 【請求項3】 直列ハイブリッド車両用である請求項1
に記載の伝達系。 - 【請求項4】 電気エネルギー蓄積装置が少なくとも7
0kJのエネルギーを蓄積することができる請求項1〜
3のいずれか一項に記載の伝達系。 - 【請求項5】 電気エネルギー蓄積装置が少なくとも1
50kJのエネルギーを蓄積することができる請求項1
〜4のいずれか一項に記載の駆動伝達系。
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