JP2012149628A

JP2012149628A - レンジエクステンダ

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Publication number: JP2012149628A
Application number: JP2011010938A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Watanabe; 厚渡辺
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2031-01-21
Also published as: JP5779891B2

Abstract

【課題】コンバータやチョッパ等の電力制御装置を用いることなく発電機出力を制御するレンジエクステンダを提供する。
【解決手段】ガスタービンＧＴの駆動により発電機を作動させ、発電機の出力を車両の駆動系に供給するレンジエクステンダであって、予め設定された目標発電機出力ＰＤＣｓｅｔ、タービン回転数Ｎ１、大気温度Ｎ０、大気圧力Ｐ０、及び燃料流量Ｇｆとの関係を示すマップに基づいてガスタービンへ供給する燃料流量Ｇｆを決定するＥＣＵ１０を備える。
【選択図】図１１

Description

本発明は、車両等に搭載されるレンジエクステンダに関する。

従来のレンジエクステンダに関するものとして、例えば、特許文献１に記載のハイブリッド電気自動車が知られている。このハイブリッド電気自動車は、内燃機関により駆動される発電機と、大容量のコンデンサとを備えており、コンバータやチョッパ等の電力制御装置を用いて発電機出力を制御している。

特開平９−２３３６０８号公報

上述のような従来のガスタービン制御装置においては、発電機出力を調整するためにコンバータやチョッパ等の電力制御装置を設ける必要がある。このため、従来のガスタービン制御装置においては、構成が複雑になり、装置が高価なものとなってしまうという問題点がある。

本発明は、そのような事情に鑑みてなされたものであり、コンバータやチョッパ等の電力制御装置を用いることなく発電機出力を制御するレンジエクステンダを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るレンジエクステンダは、ガスタービンの駆動により発電機を作動させ、発電機の出力を車両の駆動系に供給するレンジエクステンダであって、予め設定された目標発電機出力、タービン回転数、大気温度、大気圧力、及び燃料流量との関係を示すマップに基づいてガスタービンへ供給する燃料流量を決定するガスタービン制御装置を備える。

本発明に係るレンジエクステンダにおいては、ガスタービン制御装置により予め設定された目標発電機出力、タービン回転数、大気温度、大気圧力、及び燃料流量との関係を示すマップに基づいてガスタービンへ供給する燃料流量が決定される。このように燃料流量が決定されることで車両の駆動系の出力に応じて発電機の出力を調整することができるので、コンバータやチョッパ等の電力制御装置を用いることなくガスタービンによる発電機出力を制御することができる。

また、本発明に係るレンジエクステンダは、ガスタービンが定常運転であるか否かを判定し、定常運転であると判定された場合には前記マップを補正してもよい。

このように構成することで、例えばガスタービン特性の劣化等によりマップの特性がずれた場合にも適切に発電機出力を制御することができる。

本発明によれば、コンバータやチョッパ等の電力制御装置を用いることなく発電機出力を制御するレンジエクステンダを提供することができる。

従来のレンジエクステンダを備える車両の概略を示す図である。本発明に係るレンジエクステンダを備える車両の概略を示す図である。従来のレンジエクステンダを備える車両の回路図の一例である。従来のレンジエクステンダを備える車両の回路図の一例である。従来のレンジエクステンダを備える車両の回路図の一例である。本発明に係るレンジエクステンダを備える車両の回路図の一例である。本発明に係るガスタービン制御装置を備えるレンジエクステンダの構成を示す図である。バッテリ特性の一例を示すグラフである。発電機の直流出力特性の一例を示すグラフである。従来のガスタービン制御装置の構成を示す図である。（ａ）は本発明に係るガスタービン制御装置の構成を示す図であり、（ｂ）は燃料流量算出マップの一例を示すグラフである。本発明に係るレンジエクステンダの動作を示すフローチャートである。燃料流量算出マップの補正方法を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、従来のレンジエクステンダを備える車両の構成図であり、図２は、本実施形態に係るレンジエクステンダを備える車両の構成図である。図１に示す従来のレンジエクステンダは、ガスタービンＧＴによる発電機Ｇの出力を整流器Ｒｅｃで直流に変換する。コンバータＣＯＮは、出力電力を制御してバッテリＢＡＴ又は駆動モータ入力電力を制御するインバータＩＮＶへ供給する。

図１の従来のレンジエクステンダを備える車両において、コンバータＣＯＮとして昇圧コンバータを用いた場合の回路例を図３に示す。また、図４は、図１の従来のレンジエクステンダを備える車両において、コンバータＣＯＮとしてチョッパを用いた回路例である。また、図５に示すように、整流器Ｒｅｃに昇圧コンバータを直列に接続せずに発電機出力電圧を制御することもある。

これに対して、図２に示す本実施形態に係るレンジエクステンダでは、コンバータＣＯＮは設けられず、整流器Ｒｅｃの出力を直接バッテリＢＡＴ又は駆動モータ入力電力を制御するインバータＩＮＶへ供給する。図２に示す本実施形態に係るレンジエクステンダを備える車両の回路例を図６に示す。図６に示す回路における発電機出力ＰＤＣ（単位：ｋＷ）は整流器端子電圧Ｖｄｃ（単位：Ｖ）×整流器出力電流Ｉｄｃ（単位：Ａ）／１０００として求められる。

図７は、本実施形態に係るレンジエクステンダ１の構成を示す図である。図７に示されるように、レンジエクステンダ１は、ガスタービンＧＴと、ガスタービンＧＴを制御するためのＥＣＵ（Electronic Control Unit：ガスタービン制御装置）１０を備えている。

ガスタービンＧＴは、空気を吸入して圧縮するコンプレッサＣと、コンプレッサＣからの圧縮空気と燃料とを混合させて燃焼する燃焼器ＣＣと、燃焼器ＣＣからの燃焼ガスによって回転駆動されるタービンＴと、吸気熱及び排気熱の熱交換を行う熱交換器Ｅとを有している。

コンプレッサＣとタービンＴとは回転軸Ａ１によって連結されており、コンプレッサＣは、その回転軸Ａ１の回転によって回転駆動して空気を吸入し、吸入した空気を圧縮する。そして、コンプレッサＣは、圧縮した空気を熱交換器Ｅを介して燃焼器ＣＣに供給する。

タービンＴは、燃焼器ＣＣから供給される燃焼ガスによって回転駆動して回転軸Ａ１を回転させると共に、出力軸Ａ２を回転させて燃焼ガスを熱交換器Ｅを介して排気する。出力軸Ａ２には発電機Ｇが連結されており、その発電機Ｇは、出力軸Ａ２の回転を利用して発電を行う。

また、燃焼器ＣＣには、電動ポンプＰが接続されており、燃焼器ＣＣには、電動ポンプＰを介して燃料が供給される。電動ポンプＰは、ＥＣＵ１０からの信号に応じた流量の燃料を燃焼器ＣＣに供給する。

ＥＣＵ１０は、ガスタービンＧＴについての種々の制御を行うと共に、燃焼器ＣＣへの燃料流量Ｇｆを制御する。ＥＣＵ１０には、ガスタービンＧＴの作動状態及びバッテリＢＡＴの情報を示す信号が入力される。

ＥＣＵ１０に入力されるガスタービンＧＴの作動状態としては、コンプレッサＣの前段において取得される大気温度Ｔ０（図示せず）、大気圧力Ｐ０（図示せず）、タービンＴにおいて取得されるタービン回転数Ｎ１及びタービン出口温度Ｔ６、整流器Ｒｅｃにおいて取得される発電機出力ＰＤＣ等が例示される。また、ＥＣＵ１０が取得するバッテリＢＡＴの情報としては、バッテリ端子電圧Ｖｂ、バッテリ電流Ｉｂ、バッテリの充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）等が例示される。

ＥＣＵ１０は、上述したようなガスタービンＧＴの作動状態やガスタービンＧＴの特性等に基づいて、ガスタービンＧＴへの燃料流量を算出する。ＥＣＵ１０は、ガスタービンＧＴへ供給する燃料流量Ｇｆをｆ（ＰＤＣ，Ｎ１，Ｔ０，Ｐ０）として算出する。なお、ｆは、それぞれ、発電機出力ＰＤＣ、タービン回転数Ｎ１、大気温度Ｔ０、及び大気圧力Ｐ０を変数とする関数である。

次に、本実施形態に係るレンジエクステンダ１の動作の例を示す。図８は、バッテリの充電状態ＳＯＣ、バッテリ電流Ｉｂ（単位：Ａ）とバッテリ端子電圧Ｖｂ（単位：Ｖ）との関係を示すバッテリ特性である。

図９は整流器端子電圧Ｖｄｃ、整流器出力電流Ｉｄｃ、タービン回転数Ｎ１及び発電機出力ＰＤＣの関係を示す発電機Ｇの直流出力特性である。

ＳＯＣが９０％である場合において、車両が停止中にバッテリ端子電圧Ｖｂ＝３７４Ｖ、バッテリ電流Ｉｂ＝１００Ａ、目標発電機出力ＰＤＣｓｅｔ＝３７．４ｋＷ（図８中ｊ点）でバッテリを充電しているとする。この場合、図９によれば、ガスタービンＧＴは、タービン回転数Ｎ１＝７４０００ｒｐｍ（図９中ｊ点）で運転していることが読み取れる。

上述の目標発電機出力ＰＤＣｓｅｔを維持した状態で、車両の加速によりインバータＩＮＶに２００Ａの電流が供給される場合、発電機Ｇでは１００Ａを供給しているため、バッテリＢＡＴからは約１００Ａが放電される（図８中ｍ点）。ここで、目標発電機出力ＰＤＣｓｅｔ＝３７．４ｋＷであるので、図９中ｍ点で動作する。なお、正確には図８中ｍ点では、図８中ｊ点と比較して電圧が低下するため、整流器端子電圧Ｖｄｃ＝３５１Ｖとなり、整流器出力電流Ｉｄｃ＝１０６．５Ａとなる。そのため、発電機出力は、発電機出力ＰＤＣ＝３５１Ｖ×１０６．５Ａ＝３７．４ｋＷとなり、目標発電機出力ＰＤＣｓｅｔと等しくなる。

同様に、インバータＩＮＶに１００Ａが供給される場合には、バッテリ電流Ｉｂ＝０となる（図８中ｋ点）。ここで、目標発電機出力ＰＤＣｓｅｔ＝３７．４ｋＷであるので、図９中ｋ点で動作する。なお、正確には、ｋ点ではｊ点より電圧が低下しているため、整流器出力電流Ｉｄｃが低下するためバッテリは３Ａで充電される。

図９を参照すると、目標発電機出力ＰＤＣｓｅｔ＝３７．４ｋＷである場合には、車両が停止中（図９中ｊ点）及び車両の加速によりインバータＩＮＶに２００Ａの電流を供給する場合（図９中ｍ点）では、タービン回転数Ｎ１がそれぞれ７４０００ｒｐｍ及び６９５００ｒｐｍとなる。

上述のように、本実施形態に係るレンジエクステンダ１では、図８，９に示すバッテリ特性及び発電機Ｇの直流出力特性を参照して、発電機出力ＰＤＣが目標発電機出力ＰＤＣｓｅｔを追従するように燃料流量Ｇｆを制御することにより、バッテリ状態に応じてタービン回転数Ｎ１及びタービン出口温度Ｔ６を変化させることができる。

次に、ＥＣＵ１０による燃料流量Ｇｆの制御について説明する。図１０は、従来のガスタービン制御装置のブロック図であり、図１１は、本実施形態のＥＣＵ１０のブロック図である。本実施系形態のＥＣＵ１０は、燃料流量Ｇｆを算出し、相当する燃料流量ＧｆをガスタービンＧＴに供給する。

本実施形態に係るＥＣＵ１０の動作について、図１１及び図１２を参照して説明する。図１２は、本実施形態に係るＥＣＵの動作を示すフローチャートである。図１２に示されるように、ＥＣＵは、まず、バッテリ状態（充電状態ＳＯＣ、バッテリ端子電圧Ｖｂ、バッテリ電流Ｉｂ等）及びガスタービンＧＴの作動状態（タービン回転数Ｎ１、タービン出口温度Ｔ６等）を取得する（Ｓ１１）。

その後、取得したバッテリ状態及びガスタービンＧＴの作動状態に基づいて目標発電機出力ＰＤＣｓｅｔを算出する（Ｓ１２）。続いて、ＥＣＵ１０は、目標発電機出力ＰＤＣｓｅｔ、タービン回転数Ｎ１、大気温度Ｔ０及び大気圧力Ｐ０に基づいて燃料流量Ｇｆｐを算出する（Ｓ１３）。具体的には、ＥＣＵ１０は、ＥＣＵ１０に保存されている図１１（ｂ）に示す目標発電機出力ＰＤＣｓｅｔ及びタービン回転数Ｎ１に対する燃料流量Ｇｆｐの関係を示す燃料流量算出マップ（マップ）を参照して燃料流量Ｇｆｐを算出する。

なお、図１１（ｂ）に示す燃料流量算出マップは、簡略化のために大気温度Ｔ０と大気圧力Ｐ０とを省略している。燃料流量Ｇｆｐの算出にあたり、大気温度Ｔ０が低下した場合にはガスタービンＧＴの効率が高くなるため、燃料流量Ｇｆｐを減少させる。また、大気圧力Ｐ０が上昇した場合には、ガスタービンＧＴの効率が高くなるため、燃料流量Ｇｆｐを減少させる。

燃料流量Ｇｆｐを算出すると、次に、タービン回転数Ｎ１と最大タービン回転数Ｎ１ｍａｘとをＰＩＤ制御することにより燃料流量Ｇｆｎを算出する（Ｓ１４）。すなわち、タービン回転数Ｎ１が最大タービン回転数Ｎ１ｍａｘを越えないように燃料流量を調整する。ここで、最大タービン回転数Ｎ１ｍａｘはタービンＴが許容する回転数であり、予めＥＣＵ１０に記憶されている設定値である。

次に、タービン出口温度Ｔ６と最大タービン出口温度Ｔ６ｍａｘとをＰＩＤ制御することにより燃料流量Ｇｆｔを演算する（Ｓ１５）。すなわち、タービン出口温度Ｔ６が最大タービン出口温度Ｔ６ｍａｘを越えないように燃料流量を調整する。ここで、最大タービン出口温度Ｔ６ｍａｘはタービンＴが許容する温度であり、予めＥＣＵ１０に記憶されている設定値である。

続いて、最小値選択ゲートＬＳＳにより燃料流量Ｇｆｐ、Ｇｆｎ、Ｇｆｔの最小値を燃料流量Ｇｆとして決定する（Ｓ１６）。

次に、発電機出力ＰＤＣ、タービン回転数Ｎ１及びタービン出口温度Ｔ６に基づいてガスタービンＧＴが定常運転中であり、かつ、発電機出力ＰＤＣが定格出力の５０％以上の出力であるか否かの判定を行う（Ｓ１７）。

ガスタービンＧＴが定常運転中であり、かつ、発電機出力ＰＤＣが定格出力の５０％以上の出力であると判定した場合には、燃料流量算出マップを補正するＳｍ信号をＭＡＰに出力する。

ＥＣＵ１０は、ＭＡＰにＳｍ信号が入力された場合には、燃料流量算出マップを修正するとともに、修正した燃料流量算出マップを記憶する（Ｓ１８）。図１３を参照し、燃料流量算出マップの修正方法を説明する。なお、簡略化のため、図１３に示す例では大気温度Ｔ０と大気圧力Ｐ０とを省略している。

図１３は、目標発電機出力ＰＤＣｓｅｔに対する燃料流量Ｇｆｐの修正前の特性Ｃ１及び修正後の特性Ｃ２を示す図である。図１３の修正前の特性Ｃ１は、例えばタービン回転数Ｎ１＝７５０００ｒｐｍでガスタービンＧＴが動作している場合における目標発電機出力ＰＤＣｓｅｔに対する燃料流量Ｇｆｐの特性を示している。この特性によれば、目標発電機出力ＰＤＣｓｅｔ１に対して燃料流量Ｇｆｐ１（図中Ａ点）が供給されることになるが、当該燃料流量Ｇｆｐ１に対する発電機出力ＰＤＣはＰＤＣ１（図中Ｂ点）であったとする。その場合には、図１３に示す特性のグラフを上方に移動させて修正する。

図１３に示す修正後の特性Ｃ２では、目標発電機出力ＰＤＣｓｅｔ１に対して燃料流量としてＧｆｐ２が決定され、実際の発電機出力ＰＤＣがＰＤＣｓｅｔ１に近づく。すなわち、ＥＣＵ１０は、ＭＡＰにＳｍ信号が入力されると、予め記憶されているＧｆｐ＝ｆ（ＰＤＣ，Ｎ１，Ｔ０，Ｐ０）で示される関数ｆを、発電機出力ＰＤＣ及び燃料流量Ｇｆｐに基づいて実際のタービンの特性に適合するようにＧｆｐ＝ｆ１（ＰＤＣ，Ｎ１，Ｔ０，Ｐ０）で示される関数ｆ１に修正する。

次に、ＥＣＵ１０は、電動ポンプＰに信号を送信することにより燃料流量Ｇｆに相当する燃料をガスタービンＧＴに供給する（Ｓ１９）。

なお、Ｓ１７の判定の結果、ガスタービンＧＴが定常運転中でなく、又は発電機出力ＰＤＣが定格出力の５０％以上の出力でない場合、ＥＣＵ１０の動作は、Ｓ１９に移行する。ＥＣＵ１０は、Ｓ１１〜Ｓ１９に示す一連の処理を所定間隔で繰り返し実行することで、燃料流量Ｇｆを制御する。

以上説明したように、本発明に係るレンジエクステンダ１においては、ＥＣＵ１０により予め設定された目標発電機出力ＰＤＣｓｅｔ、タービン回転数Ｎ１、大気温度Ｔ０、大気圧力Ｐ０、及び燃料流量との関係を示す燃料流量算出マップに基づいてタービンＴへ供給する燃料流量Ｇｆが決定される。このように燃料流量が決定されることで車両の駆動系の出力に応じて発電機の出力を調整することができるので、コンバータやチョッパ等の電力制御装置を用いることなく発電機出力ＰＤＣを制御することができる。

なお、本実施形態は本発明に係るレンジエクステンダの一例を示すものである。本発明に係るレンジエクステンダは、本実施形態に係るレンジエクステンダに限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、本実施形態に係るレンジエクステンダを変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

１…レンジエクステンダ、１０…ＥＣＵ、Ｇ…発電機、ＧＴ…ガスタービン、Ｇｆ，Ｇｆｎ，Ｇｆｐ，Ｇｆｔ…燃料流量、Ｎ１…タービン回転数、Ｐ０…大気圧力、ＰＤＣ…発電機出力、ＰＤＣｓｅｔ…目標発電機出力、Ｔ０…大気温度。

Claims

ガスタービンの駆動により発電機を作動させ、発電機の出力を車両の駆動系に供給するレンジエクステンダであって、
予め設定された目標発電機出力、タービン回転数、大気温度、大気圧力、及び燃料流量との関係を示すマップに基づいてガスタービンへ供給する燃料流量を決定するガスタービン制御装置を備える、レンジエクステンダ。
ガスタービンが定常運転であるか否かを判定し、定常運転であると判定された場合には前記マップを補正する請求項１に記載のレンジエクステンダ。