JP2008535468A - 電動車両の駆動システム及び駆動システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の多数の動作状態に対して、駆動システムのエネルギー管理の改善を可能にする電動車両の駆動システム及び駆動システムの制御方法を提供する。
【解決手段】制御デバイス（１４）は、車両速度（ｖ）の特性値の関数として中間回路の電圧に対する修正可能なセットポイント値（Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}）を設定し、中間回路の電圧（Ｕ_ＺＫ）及びセットポイント値（Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}）の関数として第１電力源回路（１）の電力出力を設定するようにされており、中間回路の電圧（Ｕ_ＺＫ）の閾値（Ｕ_Ｂｍａｘ）に到達するか下回るかに応じて、第３電力源回路（３）が中間回路（５）に電力を供給するように、第３電力源回路（３）を中間回路（５）に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は電動車両の駆動システムに関し、特にモータ及び発電機として動作する電気駆動ユニットと、電力の出力を制御可能な制御デバイスを具備した第１電力源回路と、駆動ユニットに並列に接続され、充放電可能な第２電力源回路と、第１電力源回路、第２電力源回路及び駆動ユニットに接続された電気中間回路とを具備した電動車両の駆動システムに関する。更に、本発明はこのような駆動システムの制御方法に関する。

電動車両は、特に電気ハイブリッド車として言及され、車両の電気駆動ユニットを制御するために、異なった電気供給回路から成る駆動システムを具備している。駆動するために必要な電力は、例えばハイブリッド車両の駆動システムに接続された燃料電池や、蓄電式のバッテリによって供給される。特に化学エネルギーキャリアから電気エネルギーを生成する燃料電池の使用は、電動車両の駆動システムにおいてますます重要になってきている。燃料電池は、特に化学物質に含まれるエネルギーを直接電気エネルギーに変換するため、例えば獲得したエネルギーで電動車両の駆動ユニットを駆動するのに適している。燃料電池の電気エネルギーは、一般的に駆動システムの供給回路に供給され、特に供給回路は燃料電池に接続することができる電気中間回路の形態になっている。１又はそれ以上の電動モータから構成される電動車両の駆動ユニットは、車両の駆動輪を駆動するために供給回路によって供給される。大部分の実用例において、駆動ユニットはエネルギーの回復を伴った電気ブレーキを実行できるようにもなっており、それによって駆動ユニットは電気エネルギーを供給回路にフィードバックするようにしている。このエネルギーは、供給回路に接続された他のデバイスによって消費することができる。例えば、エネルギーを蓄電式バッテリやはずみ車蓄電装置に蓄えることができる。更に、エネルギーの超過分を特に熱に変換することによって、吸収するように設計された制動アクチュエータの形態をした安全デバイスを備えている。その結果、それぞれの点で間に合うように、供給回路（例えば電気中間回路の形態をしている回路）は異なった電力の流れを安全デバイスに接続されているデバイスや構成要素と交換する。モータ車両の駆動システムの制御状態は短時間で変化するため、電力の流れは制御時間の間にかなり変化する。

例えば電気ハイブリッド車両の場合、蓄電式バッテリや２層キャパシタ（例えばスーパーコンデンサ）のような多数の電力源が用いられ、特に後者はより多くの電気エネルギーを蓄えることができる。その結果、例えばブレーキエネルギーを回復したり、蓄電装置（バッファ）からの最大稼動量を回復することができる。都市の中心部での少し進んでは止まるような交通状況では、高い最大稼動量をもった駆動プロセスと、エネルギーの回復に対応したブレーキプロセスとが頻繁に交互に起こるため、このような駆動システムは上記交通状況に特に適している。

例えば、主として都市の中心部の交通において運転される都市バス、タクシ、配達車両のような車両において、駆動システムに瞬間的な電力が要求されるのは、頻繁に起こるブレーキプロセスとアクセル（加速）プロセスである。このような状況において達成できる最高速度は法律によって制限されているので、こうような車両の効率は取り分け対応するアクセル力によって決まってくる。ブレーキエネルギーを小さな損失で吸収して蓄えることができるなら、エネルギー要求をかなり減少させることができる。

ＵＳ２００４／０１７２２０６ Ａ１（特許文献１）には、発電機として燃料電池を具備した電動車両の制御システムが開示されている。中間出力回路と駆動モータとから成る駆動ユニットは、モータ及び発電機として動作可能である。電気中間回路によって供給される駆動ユニットは、蓄電キャパシタを具備している。中間回路に供給するために燃料電池から生成する電流は、制御回路によって設定することができる。このような制御システムでは、駆動ユニットによって生成でき、例えば車両速度のようなものを基準にした瞬間的な動作状態において利用が可能である再生式の電力を、計算ユニットによって計算するようにしている。更に計算ユニットは、例えばキャパシタの検出電圧値を基準として、キャパシタに蓄えられている電力を計算する。キャパシタに蓄えることのできる電力が再生式の電力より小さい場合、燃料電池の出力電流は０になる。一方、キャパシタに蓄えることのできる電力が再生式の電力より大きい場合には、燃料電池の電力制限は再度取消される。従って、燃料電池の形式を有する電力源は、再生式電力の関数として及びキャパシタの状態の関数として回路に接続されたり、回路から分離されたりする。このように、エネルギー回復中の燃料電池駆動型の車両のエネルギー効率は改善させることができるが、ここでは駆動システムの他の動作状態は考慮に入れられていない。
ＵＳ２００４／０１７２２０６ Ａ１

本発明の目的は、車両の多数の動作状態に対して、駆動システムのエネルギー管理の改善を可能にする電動車両の駆動システム及び駆動システムの制御方法を特定することにある。

本発明の実施形態によると、電動車両の駆動システムは、最初に記載された構成要素に加えて、中間回路の電圧を検出する第１検出器と、車両の速度の特性値を検出する第２検出デバイスとから構成されている。第１検出器及び第２検出器は、第１電力源回路の制御デバイスに接続されている。制御デバイスは、車両の速度の特性値の関数として、中間回路の電圧の修正可能なセットポイント値を設定し、セットポイント値と中間回路の電圧の関数として、第１電力源回路の電力出力を設定する。その結果、中間回路の電圧と車両速度の特性値が、検出器を用いて検出される。セットポイント値は車両の速度の特性値の関数として設定され、その際に中間回路の電力が第１電力源回路の電力出力を対応するように設定することによって、セットポイント値に従うようにする。

このように本発明によれば、電動車両の駆動システムを、車両の異なった動作状態に対する最適なエネルギーの制御状態に概ね保つことができる。中間回路の電圧の高さは車両の速度によって影響され、その結果対応する電圧の値は、駆動ユニットに並列に接続される充放電可能な電力源回路に適用される。第２電力源回路が、例えば電荷を蓄える蓄電装置（特に１又はそれ以上の２層キャパシタ）から成る場合、キャパシタの充電電荷についてのセットポイント値は中間回路の電圧のセットポイント値を用いて設定される。これによって、第２電力源回路のエネルギーの大きさが車両の速度の関数となるようにすることができる。それゆえ、例えば異なった動作状態に対する「大きな加速」から「高いブレーキエネルギーの回復」への転換が可能となる。これによって、全ての動作状態に基本的に対応できるようになる。その結果、エネルギー管理は取り分け中間回路の電圧及び車両の速度に依存する。これらの値の関数として、制御装置は第１電力源回路によって出力される電力を調整する。ここで、第１電力源回路は、中間回路の電圧が相対的に高いときより、中間回路の電圧が低いときに、中間回路により高い電流を出力する。制御装置は各構成要素の電気的な配線からほぼ独立している。制御装置の制限値は、車両の速度に依存している。

本発明の実施形態によると、中間回路の電圧のセットポイント値は車両の速度が低下すると増加し、車両の速度が上昇すると減少する。従って、車両の速度が遅いときに、相対的に第２電力源回路において中間回路の電圧を高くすることを保証でき、その結果第２電力源回路におけるキャパシタが電気エネルギーを蓄えるために用いられる場合、そのキャパシタは車両の速度が遅いときには対応するように充電される。そして、その蓄積されたエネルギーは車両の加速プロセスにおいて利用可能である。一方、車両の速度が大きいときに、中間回路の電圧が低いときは、第２電力源回路内のキャパシタは対応して充電量は小さくなり、比較的大きなブレーキエネルギーを要することを保証できる。キャパシタはまた高い伝導容量を有しているので、バッファに蓄えられたエネルギー、或いは第２電力源内のバッファに蓄えられたエネルギーのみを使用して比較的強力な加速プロセスとブレーキプロセスを実施することができる。

本発明の実施形態では、制御デバイスは、中間回路の電圧に対するセットポイント値を、車両が定常状態にあるとき最大値に設定し、車両の速度が最大値にあるとき最小値に設定する。対応して、定常状態における車両の加速容量が増大して、最高速度におけるブレーキエネルギーの回復が改善される。

更に本発明の実施形態では、充放電可能な第３電力源回路が駆動システムに備えられており、この第３電力源回路は中間回路に接続されている。特に第３電源回路は、中間回路の電圧が閾値に達しているか閾値を下回っているかによって、中間回路に電力を供給するようにする。このような駆動装置は、第２電力源回路が少なくとも１つのキャパシタ、特に２層キャパシタから構成され、第３電力源回路が少なくとも１つのバッテリから構成される場合において特に有効である。中間回路の電圧が閾値に達しているか閾値を下回っているかによって、キャパシタは所謂秒蓄電装置（ｓｅｃｏｎｄ ｓｔｏｒｅ）として機能でき、或いはバッテリは所謂分蓄電装置（ｍｉｎｕｔｅ ｓｔｏｒｅ）として機能することができる。これによって第１電力源回路の電力出力を概ね均一にすることもでき、その結果、所謂駆動システムの基本負荷が、第１電力源回路によって利用可能となる。これは電気化学反応によって電力を生成する燃料電池が第１電力回路に用いられている場合に特に有効である。そのため、例えば特許文献１において実施されているように、燃料電池の動作状態が大きく不安定になるのを避けることができ、その結果、化学エネルギーキャリアの供給に対して、短い反応時間を有する複雑な制御装置を必要としない。

本発明の実施形態では、第３電力源回路の充電電力は、中間回路の電圧の関数として設定される。従って、第３電力源回路に設けられたバッテリの充電電力を、駆動システムの要求負荷の関数として設定することができる。それに加えて或いは選択的に、第３電力源回路の充電電力は、好ましくは充電状態の関数として設定される。これによって、大きな充電電流が流れる状況、例えば車両が止まったときや、大きな充電電流が燃料電池から第３電力源回路のバッテリに流れるような状況を防止することができる。このためバッテリの耐用年数が、大きな充電電流によって減少するのを防止することができる。

本発明の実施形態は、本発明による電気駆動システムを構成する電気ハイブリッド駆動を有する車両にも関連している。

本発明に係る電動車両の駆動システムは、電動車両の駆動システムを、車両の異なった動作状態に対する最適なエネルギーの動作状態に概ね保つことができる。

また、第３電力源回路の充電電力を、充電状態の関数として設定することによって、バッテリの耐用年数が、大きな充電電流によって減少するのを防止することができる

以下に、図面を参照して、本発明の実施形態をより詳細に説明する。

図１は、電気ハイブリッド車両として言及される電動車両に対する本発明の駆動システムの回路配置の一例を示している。中間回路５は、主として１又はそれ以上の電気モータから成る駆動ユニット４の供給回路としての役割を果たす。図１に示される駆動ユニット４の電気モータ４２は、電気モータ４２を駆動するために中間回路５の直流電圧を交流電圧に変換する変圧器４１によって駆動される。駆動モータとして、例えば回転磁界を形成するための３相電圧系のステータ巻線を備えた永久磁石型同期機が使用される。駆動機（電気モータ）４２の発電機モードとは逆の場合には、発電機によって生成された電力が、変圧器４１によって中間回路に供給される。駆動機（電気モータ）４２は、駆動機４２の発電機モードに駆動輪に印加される対応するブレーキ力と共に、車両の駆動輪を駆動する役割を果たす。多数の駆動機を使用する場合、例えば車両の車輪のハブに直接設置される。

以下に記述されるように、多数の電力源回路が駆動ユニット４に電気エネルギーを供給するのに用いられている。本実施形態では、第１電力源回路１は、多数の燃料電池１５１〜１５ｎを具備した燃料電池配置１５で構成されている。燃料電池は、連続的に供給される燃料と酸化剤との反応エネルギーを、使用可能な電気エネルギーに変換する電気化学電池である。基本的に燃料電池は２つの電極から構成され、それらは互いにダイアフラム又は電解液によって互いに分離されている。燃料はアノード（陽極）の周りに流れて、そこで酸化される。一方、酸化剤はカソード（陰極）の周りに流れて、そこで還元される。相対的に高い電圧を得るには、多数の電池が図１に示すような所謂スタックを形成するように直列に接続されるようにする。

第１電力源回路１は、燃料電池配置１５の電力出力の閉ループ制御が実行される制御デバイス１４を具備している。制御デバイス１４は、ダイオード１４３とスイッチ１４４が接続されている上段に、ＤＣ−ＤＣ変圧器１４１を備えている。燃料電池配置１５の電流Ｉ_ＢＺは、ＤＣ−ＤＣ変圧器１４１を用いて中間回路５に供給される。

更に駆動システムは、駆動ユニット４に並列に接続された充放電可能な第２電力源回路２を具備している。第２電力源回路２は、充電するための多数の蓄電装置、特に直列に接続された２層キャパシタ（スーパーコンデンサ）２１〜２ｎで構成されている。スーパーコンデンサは慣用的なコンデンサに比較して、相対的にエネルギー密度が大きいことによって区別される。バッテリや蓄電式のバッテリが電気エネルギーを化学的に生成し蓄えるのに対して、スーパーコンデンサの電極はエネルギーを静電エネルギーとして蓄える。必要（静電容量、絶縁耐性、端子電圧）に応じて、個々のキャパシタは直列及び／又は並列に接続される。適当な大きさの２層キャパシタが、性能やコストの面からここでの蓄電機能によく適合している。この構成要素に要求される耐用年数は、車両の少し進んでは止まるような交通状況に大変良く適合している。この電気的な性質によって、２層キャパシタは駆動システムにおいて、短時間の高電流を出力し蓄えるための所謂秒蓄電装置として用いることが可能である。

特に１又はそれ以上のバッテリ３４の配置を具備した第３電力源回路３は、特に車両の速度が最大になったときや上り坂において、燃料電池配置１５を補助する役割を有している。図１に示されるバッテリ３４は、閉ループ制御回路３２のＤＣ−ＤＣ変圧器３２１を通して中間回路５に接続されている。閉ループ制御回路３２は、特にバッテリ３４の充電電力を設定するために備えられている。ダイオード３３はバッテリ３４の電力源と中間回路５の間に順方向に接続されており、閉ループ制御回路３２はバッテリ３４と中間回路５の間のダイオード３３に並列に接続されている。バッテリ３４は、前述の動作状態において燃料電池を補助するために、所謂分蓄電装置としての役割を果たす。

図１によると、電動車両の駆動システムは利用可能になり、車両の異なった動作状態におけるエネルギー管理の見地から異なる要求を受けることができる。車両を駆動するために、駆動機（電気モータ）４２は前述のように駆動輪を駆動し、一方車両のブレーキが掛けられてブレーキモードで電力を発生する際に、発電機として作動する。ブレーキモードでの電力は、バッテリ３４或いはスーパーコンデンサ２１〜２ｎに充電容量に達するまで蓄えられる。ブレーキ電力の残余は、蓄電装置が一杯になった場合にのみ、制動アクチュエータ内で熱となって消滅する。この制動アクチュエータ６は、ブレーキ抵抗器６２と電力スイッチ６１を具備している。

また、本発明による駆動システムは、異なるパラメータに対する多数の検出器を具備している。測定センサの形態を有する第１検出器１１は、中間回路５の電圧Ｕ_ＺＫを検出する役割を果たし、同様に測定センサの形態を有する第２検出器１２は、車両の速度ｖの特性値を検出する役割を果たす。車両の速度ｖの特性値は異なる方法で得られ及び／又は異なる測定変数を表す。即ち、本実施形態によると、駆動機４２の回転速度信号が、車両の速度の特性値を検出するために処理される。他の実施形態では、車両の速度表示の信号（スピードメータの信号）を代わりに処理することが可能である。実行される制御機能に対して、移動速度で直接又は間接に結果を表した信号を処理すれば十分である。

第３検出器１３も備えられ、第３電力源回路３の充電状態、特にバッテリ３４の充電状態を検出する。充電状態は、鉛のバッテリでは無負荷電圧によって決定され、他のバッテリでは電流を測定することによって、又はバッテリに流れる電流とバッテリから流れる電流を比較評価することによって決定される。本実施形態では鉛のバッテリが用いられており、バッテリ３４の電圧Ｕ_Ｂがバッテリ３４から検出器１３に供給される。

検出器１１〜１３は、制御デバイス１４の測定変換器（ＭＵ）１４２に接続されている。測定変換器１４２は変圧器１４１を作動させる役割を果たす。更に、閉ループ制御回路３２の測定変換器３２２は、バッテリ３４の充電電力の開ループ制御を実行する変圧器３２１を作動させるために備えられている。閉ループ制御回路３２、特に測定変換器３２２は、中間回路５の電圧Ｕ_ＺＫを検出するために検出器３１に接続されており、検出器３１は分離した状態で配置されるか、又は検出器１１のユニット内に配置される。

制御デバイス１４は特に測定変換器１４２によって形成され、例えばマイクロプロセッサを含み、この制御デバイス１４と変圧器１４１は、車両の速度ｖの特性値の関数として中間回路５の電圧に対する修正可能なセットポイント値Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}を設定し、特に中間回路５のセットポイント値Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}と中間回路５の電圧Ｕ_ＺＫの関数として第１電力源回路１の電力出力、特に電流Ｉ_ＢＺを設定するようにされる。言い換えると、中間回路５の電圧Ｕ_ＺＫと車両の速度ｖの特性値が検出される際に、セットポイント値Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}は車両の速度ｖの特性値の関数として設定される。燃料電池配置１５の電力出力が対応するように設定されるので、中間回路５の電圧Ｕ_ＺＫはセットポイント値Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}に従うようになる。

中間電圧のセットポイント値と車両の速度の間の典型的な関係を図２に示す。ここで、中間回路５の電圧のセットポイント値Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}は、車両の速度の関数として線形の特性曲線に沿って設定されており、セットポイント値Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}は車両速度ｖが低下すると上昇し、車両速度ｖが上昇すると減少する。対応して、制御デバイス１４は、車両が定常状態にある場合、セットポイント値Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}を最大値Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ ｍａｘ}に設定し、車両速度が最大値（Ｖ_ｍａｘ）の場合は、セットポイント値Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}を最小値Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ ｍｉｎ}に設定する。セットポイント値Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}は、最大値と最小値の間では、車両速度の関数として線形特性曲線に沿って設定される。しかしながら、セットポイント値の他の側面は、例えば車両の重量の変更等の、異なった付加要求があるために、車両速度ｖの関数として考えることができる。

以下の記載は、実施例によって本発明の制御デバイス１４の制御特性と、駆動システムに関連した改良されたエネルギー管理とを説明している。

駆動機４２が電力を必要とする場合、スーパーコンデンサ２１〜２ｎの特性に応じてエネルギーを出力し、中間回路の電圧Ｕ_ＺＫはセットポイント値Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}以下に低下する。中間回路の電圧Ｕ_ＺＫが低くなるほど、燃料電池からより大きな電力が最大電流ｌ_{ＢＺ ｍａｘ}に達するまで放出される。制御装置は燃料電池から電力を放出し、中間回路の電圧Ｕ_ＺＫをセットポイント値に調整するために、電流ｌ_ＢＺが中間回路に流れる。このような状況は、平衡状態が確立するまで、或いは最大電流ｌ_{ＢＺ ｍａｘ}に達するまで継続する。Ｕ_ＺＫが下限閾値Ｕ_Ｂｍａｘまで更に低下した場合、バッテリ３４は作動すると共に、要求される電力に従ってエネルギーの不足分を供給する。その結果、中間回路の電圧Ｕ_ＺＫは、要求される電力の大きさとなる。中間回路の電圧Ｕ_ＺＫは、スーパーコンデンサ２１〜２ｎのエネルギー容量の大きさ、つまりキャパシタの充電エネルギー容量の大きさとなる。

本発明によると、異なる制御状態に対する駆動システムの制御装置は、最適なエネルギー管理システムを提供するように意図されたものである。このため、キャパシタの充電のセットポイント値、つまり中間回路の電圧は車両速度によって影響を受ける。その結果、異なる制御状態に対して、「大きな加速」から「大きなブレーキエネルギーの回復」に切り換えることができる。その間の全ての状態にも対応できる。これに関連して、図３は、中間回路の電圧のセットポイント値と車両速度との間の典型的な関係に対する各状態を示している。

図４は、本発明に係る駆動システムが動作している間の様々なパラメータの検出と計算に関するフローチャートを示している。先ず、中間回路の電圧Ｕ_ＺＫ、車両速度の特性値ｖ及びバッテリ電圧Ｕ_Ｂの各パラメータが読み込まれる。それから、予め定義されている制限値や特性曲線との比較がなされ、中間回路の新たなセットポイント値Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}が計算される。中間回路の電圧Ｕ_ＺＫはセットポイント値Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}に従うようにされ、この場合、燃料電池配置の電流ｌ_ＢＺは対応するように設定される。もしこれが十分でない場合、電流ｌ_Ｂが付加的にバッテリから中間回路に供給される。

図５は、図１に示す本発明の、駆動システムの各要素間の典型的な電力の流れを示すフローチャートである。上述の例では、バッテリ３４及びスーパーコンデンサ２１〜２ｎの充電が制御されていないと、大きな充電電流がブレーキが作動したときにはバッテリに流れるか、或いは大きな電流が燃料電池から流れる。しかし、大きな充電電流は、バッテリの耐用年数を減少させることになる。このため、閉ループ制御が、バッテリの充電状態の関数として、バッテリの充電電流について実行される。充電状態に従って、閉ループ制御回路３２は変圧器３２１を作動させる。充電電流は電流負荷要求、つまりＵ_ＺＫに依存している。Ｕ_ＺＫがＵ_{ＺＫｓｏｌｌ}に近い値になるほど、充電電流の可能な設定値は大きくなる。

従って、図１の実施形態による駆動システムのエネルギー管理は、測定によって得られる３つの変である中間回路の電圧Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}、自動車の速度ｖ（負荷要求）及びバッテリの充電状態にのみ依存する。制御装置は、燃料電池配置からの電力放出とバッテリの充電調整器からの電力放出の動作のみを積極的に行う。制御装置の制限値は、車両速度に依存する。

本発明による制御装置の原理は、第１電力源回路１の変圧器の電力が、キャパシタ或いは第２電力源回路２のキャパシタの放電量に正比例して増加するというものである。中間回路の電圧の最大値を与えると、燃料電池配置からの電力はバッテリの充電電力に対応する。エネルギーがキャパシタ蓄電装置から取り出される場合、中間回路の電圧はより小さくなり、バッテリが最大効率に達するまでバッテリの充電電力が減少すると同時に、燃料電池配置の電力は増加する。電力消費が無い若しくは小さいので、相対的に長い経路でゆるやかな負の勾配の場合に、キャパシタが再度完全に充電されることを防止するために、速度信号は、０％の中間回路の制限値と１００％の燃料電池の電力消費を下方にシフトする。その結果、相対的に長い下降経路の場合に、燃料電池配置が駆動システムにエネルギーを供給するのを防止される。さらに、電力出力がバッテリ３４の充電電荷の増加に正比例して減少するように、電力出力が制御デバイス１４によって設定される。従って、燃料電池配置の電力は、バッテリの充電の度合いに正比例して減少する。ここで、バッテリの充電状態の指標として、バッテリの負荷電圧は使用されない。

燃料電池のスイッチが入れられる前に、第２電力源回路２のキャパシタはバッテリ３４の定格電圧まで充電される。この充電レベルは、蓄電装置の低エネルギーのレベルに対応する。蓄電装置の電圧のレベルは、使用可能なエネルギー容量の特性を表す。媒体に供給するに十分な電力は、バッテリ或いはバッテリ配置から利用できるので、燃料電池配置は容易に始動される。燃料電池が作動すると、２層キャパシタは、格納された閉ループ制御の特性に対応する最大値に達するまで充電される。上述の例で説明されるように、ここでの基本的な目的は、加速プロセスに対する完全な補助を保証するために、車両の定常状態においてできる限り蓄電装置を充足しておくことである。自動車が最大速度に達すると、次のブレーキプロセスでエネルギーを取ることができるように、蓄電装置はバッテリ電圧と同じ分だけ空き容量が必要である。

図１に示される閉ループ制御回路３２の閉ループ制御の動作は、次のような特徴を有している。先ず、中間回路の電圧Ｕ_ＺＫは、バッテリの充電電力に対する閉ループ制御の変数としての役割を有する。ここで、変圧器３２１の電力がキャパシタの充電に正比例して増加するというのが基本原理となる。中間回路の電圧Ｕ_ＺＫを最大にすると、バッテリの充電電力は１００％になる。エネルギーが第２電力源回路２のキャパシタから取り出されると、中間回路の電圧は低下し、バッテリの充電電力は、例えば０になるまで線形に減少する。ここでは、バッテリの充電状態の影響が考慮に入れられている。最大充電電流は、バッテリの充電状態に対応してより低く設定される。これは、バッテリがより完全に充電されるほど、充電電流やバッテリ充電電力が低くなることを意味している。さらに、ガス発生電圧（鉛のバッテリが用いられる場合、１電池当たり２．４Ｖを超えることはない）の影響が考慮に入れられている。

本発明に係る駆動システムでは、異常発生時に次のような性質がある。即ち、欠陥のために燃料電池のスイッチがオフになった場合、残りの電気駆動システムは制限なしで利用を継続することができる。ブレーキエネルギーは依然として、キャパシタから取り出すことができる。しかし、バッテリ或いはバッテリ配置は、一層高い電力レベルで利用可能にする必要があり、結果として特に相対的に熱負荷が大きくなる。バッテリのエネルギー容量が制限されるため、車両の範囲はかなり限定される。

第２電力源回路２のキャパシタが、中間回路の電圧Ｕ_ＺＫがバッテリの定格電圧レベルに低下するまで放電した場合、使用可能なエネルギー全てが実質的に利用可能である（バッテリはシステムに電力を供給し、システムはバッテリ電圧に従う。更に、特にバッテリの無負荷電圧と完全負荷時のバッテリ電圧との差に従って、電力がキャパシタによって放出される）。この制御状態に達すると、燃料電池配置は最大効率になるように調整される。付加的な電力要求のそれぞれは、バッテリ３４によってダイオード３３を通して中間回路５に直接出力される。

キャパシタが完全に放電した場合（解放されたような状態、或いはバッテリが切断された長時間停止状態の後）、キャパシタ配置は、バッテリによって予備充電抵抗器を通してバッテリ電圧まで充電される。バッテリ３４の上段端子をキャパシタ配置２の上段端子に接続する予備充電抵抗器は、図を分かり易くするため図１には図示されていない。

更に、本発明の駆動システムには、以下に示すような利点が有る。燃料電池配置のスイッチがオフにされた後、例えばライトや方向指示器のような２次的な負荷に対して、十分なエネルギーが比較的長時間の停止に対して利用可能である。バッテリの電力は、霜に対する防御手段として、又燃料電池の過熱部品として使用でき、その結果駆動システムは０℃以上に保たれる。

図６に示す駆動システムの回路配置は、図１に示される回路配置の変形である。第３電力源回路３は、バッテリ３４と中間回路５との間に接続されている変圧器３２３を具備した充電電力のための閉ループ制御回路３２を具備している。駆動システムの残りの配線は、図１の回路配置に対応している。図を分かり易くするため、測定センサと測定変換器を具備し、変圧器１４１及び３２３を作動させる検出器は、図６には図示していない。閉ループ制御回路３２は、電流が第２電力源回路２の充電状態の関数として、バッテリ３４から中間回路５に供給されるように実施される。変圧器３２３は双方向方式で動作し、変圧器の効率はバッテリ３４からの電力出力の方向に対応して高くなる必要がある。図６に示される回路の更なる利点は、変圧器３２３の双方向制御を実行する可能性を具備した状態で、駆動システムのエネルギー管理に付加的な自由度が得られる点である。

図７は、駆動システムの回路配置の更なる変形を図１に示す回路配置と比較して示している。ここでは第１電力源回路１は、バッテリ３４とダイオード３３の間の接続ノードＫに接続されている。図を分かり易くするため、測定変換器を具備した検出器は図７には図示していない。同様に次の図８にも検出器を図示していない。キャパシタを具備した第２電力源回路２への燃料電池配置１５からのエネルギーの流れは、変圧器３２４を通過するようになっている。これに対して、バッテリ３４が燃料電池配置１５から充電される場合、変圧器３２４を通過する経路は必要ない。一般にこの配置を採った場合、燃料電池配置１５の大きさをより小さくすることができ、この場合にはバッテリ３４はより強力に動作する。また図６に示される実施例と同様に、変圧器３２４によってこのような動作モードを調整することによって、付加的な自由度を得ることができる。

図８は、駆動システムの回路配置の更なる変形を図６に示す回路配置と比較して示している。第１電力源回路１は、バッテリ３４と変圧器３２５を具備した閉ループ制御回路３２の間にある接続ノードに接続されている。変圧器３２５は双方向方式で動作する。燃料電池配置１５の中間回路５の方向へのエネルギーの流れは、この変圧器を通過する必要がある。これに対して、バッテリ３４が燃料電池配置によって充電されるとき、変圧器を通過する経路は必要ない。ここで、バッテリ３４から中間回路５への電流の供給は、第２電力源回路２のキャパシタの充電状態の関数として閉ループ制御される。バッテリ３４からの電力の出力方向への変圧器３２５の効率も、対応して高い必要がある。一般にこの配置を採った場合、燃料電池配置１５の大きさをより小さくすることができ、この場合バッテリ３４はより強力に動作する。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明に係る電動車両の駆動システムの回路配置を示す結線図である。 中間回路の電圧のセットポイント値と車両の速度の典型的な関係を示す特性図である。 中間回路の電圧のセットポイント値と車両の速度の典型的な関係を示す図表である。 本発明に係る駆動系の異なるパラメータの検出と計算について示すフローチャートである。 本発明に係る駆動システムの各要素間の典型的な電力の流れを示す電力図である。 本発明に係る駆動システムの更に別の実施形態を示す結線図である。 本発明に係る駆動システムの更に別の実施形態を示す結線図である。 本発明に係る駆動システムの更に別の実施形態を示す結線図である。

符号の説明

１ 第１電力源回路
２ 第２電力源回路
３ 第３電力源回路
４ 駆動ユニット
５ 中間回路
６ ブレーキ作動装置
１１ 第１検出器
１２ 第２検出器
１３ 第３検出器
１４ 制御デバイス
１５ 燃料電池の配置
２１、２２、２ｎ キャパシタ
３１ 検出デバイス
３２ 閉ループ制御回路
３３、１４３ ダイオード
３４ バッテリ
４１、１４１、３２１、３２３、３２４、３２５ 変圧器
４２ モータ
６１ 電力スイッチ
６２ ブレーキ抵抗器
１４２、３２２ 測定変換器
１４４ スイッチ
１５１、１５２、１５３、１５ｎ 燃料電池

Claims (21)

1. モータ及び発電機として動作する電気駆動ユニット（４）と、
   電力の出力を制御可能な制御デバイス（１４）を具備した第１電力源回路（１）と、
   前記駆動ユニット（４）に並列に接続された充放電可能な第２電力源回路（２）と、
   前記第１電力源回路（１）、前記第２電力源回路（２）及び前記駆動ユニット（４）に接続された電気中間回路（５）と、
   前記制御デバイス（１４）に接続され、前記中間回路の電圧（Ｕ_ＺＫ）を検出する第１検出器（１１）と、
   前記制御デバイス（１４）に接続され、前記車両速度（ｖ）の特性値を検出する第２検出器（１２）とを具備した電動車両の駆動システムであって、
   前記制御デバイス（１４）は、前記車両速度（ｖ）の前記特性値の関数として前記中間回路の電圧に対する修正可能なセットポイント値（Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}）を設定し、前記中間回路の前記電圧（Ｕ_ＺＫ）及び前記セットポイント値（Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}）の関数として前記第１電力源回路（１）の前記電力出力を設定するようにされていることを特徴とする電動車両の駆動システム。
2. 前記制御デバイス（１４）は、前記車両速度（ｖ）が低下したときに前記中間回路の前記電圧に対する前記セットポイント値（Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}）を増加させ、前記車両速度（ｖ）が上昇したときに前記セットポイント値（Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}）を減少させる請求項１に記載の電動車両の駆動システム。
3. 前記制御デバイス（１４）は、前記中間回路の前記電圧に対する前記セットポイント値（Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}）を、前記車両が定常状態のときに最大値（ｍａｘ）に設定し、前記車両の前記速度（ｖ）が最大値のときに最小値（ｍｉｎ）に設定する請求項１又は２に記載の電動車両の駆動システム。
4. 前記制御デバイス（１４）は、前記車両速度（ｖ）の特性値の関数としての線形特性曲線に沿って、前記最大値（ｍａｘ）と前記最小値（ｍｉｎ）の間にセットポイント値（Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}）を設定する請求項３に記載の電動車両の駆動システム。
5. 前記第１電力源回路（１）は、電気化学反応によって電力を生成する少なくとも１個の燃料電池（１５）から成り、
   前記第２電力源回路（２）は、電荷を蓄える蓄電装置から成る請求項１乃至４のいずれかに記載の電動車両の駆動システム。
6. 中間回路（５）に接続された、充放電可能な第３電力源回路（３）を具備した請求項１乃至５のいずれかに記載の電動車両の駆動システム。
7. 前記中間回路の前記電圧（Ｕ_ＺＫ）の閾値（Ｕ_Ｂｍａｘ）に到達するか下回るかに応じて、前記第３電力源回路（３）が前記中間回路（５）に電力を供給するように、前記第３電力源回路（３）を前記中間回路（５）に接続するようにした請求項６に記載の電動車両の駆動システム。
8. 前記第３電力源回路（３）の充電状態を検出して、前記制御装置（１４）に接続されている第３検出器（１３）を備え、
   前記制御デバイス（１４）は、前記第３電力源回路（３）の充電電荷のレベルに正比例して、前記電力出力を減少させるように前記電力出力を設定する請求項６又は７に記載の電動車両の駆動システム。
9. 前記第３電力源回路（３）は充電電力に対する閉ループ制御回路（３２）を具備し、前記閉ループ制御回路（３２）は前記第１検出器（１１，３１）に接続され、前記中間回路の前記電圧（Ｕ_ＺＫ）の関数として前記充電電力を設定する請求項６乃至８のいずれかに記載の電動車両の駆動システム。
10. 前記第３電力源回路（３）は、少なくとも１個のダイオード（３３）と充電電力に対する閉ループ制御回路（３２）とを具備し、
    前記ダイオード（３３）は、電力源（３４）と前記中間回路（５）の間に順方向に接続され、
    前記閉ループ制御回路（３２）は、前記電力源（３４）と前記中間回路（５）との間の前記ダイオード（３３）に並列に接続されている請求項６乃至９のいずれかに記載の電動車両の駆動システム。
11. 前記第１電力源回路（１）は、前記電力源（３４）と前記ダイオード（３３）の間の接続ノード（Ｋ）に接続されている請求項１０に記載の電動車両の駆動システム。
12. 前記第３電力源回路（３）は前記充電電力に対する閉ループ制御回路（３２）を具備し、前記閉ループ制御回路（３２）は電力源（３４）と前記中間回路（５）の間に接続されており、
    前記閉ループ制御回路（３２）は、前記第２電力源回路（２）の充電状態の関数としての閉ループ制御によって、前記電力源（３４）から前記中間回路（５）に電流を供給するようになっている請求項６乃至９のいずれかに記載の電動車両の駆動システム。
13. 前記第１電力源回路（１）は、前記電力源（３４）と前記閉ループ制御回路（３２）の間の前記接続ノード（Ｋ）に接続されている請求項１２に記載の電動車両の駆動システム。
14. 前記第２電力源回路（２）は少なくとも１つのキャパシタ、特に２層キャパシタを具備し、前記第３電力源回路（３）は少なくとも１つのバッテリ（３４）を具備している請求項６乃至１３のいずれかに記載の電動車両の駆動システム。
15. モータ及び発電機として動作する電気駆動ユニット（４）と、
    第１電力源回路（１）と、前記駆動ユニット（４）に並列に接続された充放電可能な第２電力源回路（２）と、
    前記第１電力源回路（１）、前記第２電力源回路（２）及び前記駆動ユニット（４）に接続された電気中間回路（５）とを具備した電動車両の駆動システムを制御する方法であって、
    前記中間回路の電圧（Ｕ_ＺＫ）及び前記車両速度（ｖ）の特性値を検出し、
    前記中間回路の電圧のセットポイント値（Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}）を前記車両速度（ｖ）の特性値の関数として設定し、
    前記中間回路の前記電圧（Ｕ_ＺＫ）を前記中間回路の前記電圧に対する前記セットポイント値（Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}）に従うようにし、前記第１電力源回路（１）の前記電力出力を対応するように設定することを特徴とする電動車両の駆動システムを制御する方法。
16. 前記中間回路の前記電圧に対する前記セットポイント値を、前記車両速度（ｖ）が低下するときに増加し、前記車両速度が上昇するときに減少する請求項１５に記載の電動車両の駆動システムを制御する方法。
17. 前記中間回路の前記電圧の前記セットポイント値（Ｕ_{ＺＫｓｏｌｌ}）を、前記車両速度（ｖ）の前記特性値の関数としての線形特性曲線に沿って設定する請求項１５又は１６に記載の電動車両の駆動システムを制御する方法。
18. 前記駆動システムは、前記中間回路（５）に接続された充放電可能な第３電力源回路（３）を具備し、前記中間回路の前記電圧（Ｕ_ＺＫ）の閾値（Ｕ_Ｂｍａｘ）に到達するか下回るかに応じて、前記第３電力源回路（３）が前記中間回路（５）に電力を供給するようになっている請求項１５乃至１７のいずれかに記載の電動車両の駆動システムを制御する方法。
19. 前記駆動システムは、前記中間回路（５）に接続された充放電可能な第３電力源回路（３）を具備し、前記第３電力源回路（３）の充電電力を前記中間回路の前記電圧（Ｕ_ＺＫ）の関数として設定する請求項１５乃至１８のいずれかに記載の電動車両の駆動システムを制御する方法。
20. 前記駆動システムは、前記中間回路（５）に接続された充放電可能な第３電力源回路（３）を具備し、前記第３電力源回路（３）の充電電力をその充電状態の関数として設定する請求項１５乃至１９のいずれかに記載の電動車両の駆動システムを制御する方法。
21. 請求項１乃至１４のいずれかに記載の電気駆動システムから成る電気ハイブリッド駆動を具備した車両。
    

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