JP2014525726A - 原動機付き車両を制動する方法および原動機付き車両 - Google Patents

Abstract

本発明は電気的なエネルギー貯蔵器（１４）と電気的に接続された少なくとも１つの電気機器（１２）の駆動トルクにより駆動される原動機付き車両（１０）を制動する方法に関するものであり、第１の動作モードでは、前記少なくとも１つの電気機器（１２）が発電機として動作して発電機制動トルクを発生させ、第２の動作モードでは、前記エネルギー貯蔵器（１４）から前記少なくとも１つの電気機器（１２）へ電気的なエネルギーを供給して、前記少なくとも１つの電気機器（１２）によって駆動トルクと逆向きの制動トルクを発生させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１つの電気機器の駆動トルクにより駆動される原動機付き車両を制動する方法に関するものである。また、本発明は、原動機付き車両にも関するものである。

少なくとも１つの電気機器によって駆動される電気自動車またはハイブリッド自動車において、ブレーキシステムについて新たな要求が生まれている。こうした原動機付き車両においては、電気機器を発電機として動作させて、原動機付き車両を制動することが可能である。こうしたいわゆる回生動作により、原動機付き車両の運動エネルギーの一部を、制動の過程において電気的なエネルギーとして回収することが可能である。

通常、電気機器の制動トルクは十分なものではないので、原動機付き車両の完全な制動を可能とするため、さらに摩擦ブレーキが設けられ、これにより必要な制動トルクを得ることができるようにされる。ただしエネルギー効率の観点からは、原動機付き車両の運動エネルギーのうち、できるだけ多くの部分を電気機器によって電気的なエネルギーに変換し、できるだけ少ない部分を摩擦ブレーキによって熱に変換するのが合理的である。

運転者が摩擦ブレーキのブレーキペダルを操作する際、ペダルはまず、摩擦ブレーキによる制動力が発生しない遊び量を越えねばならない。運動エネルギーのできるだけ大きな割合を電動モータまたは電気機器によって回収するためには、ブレーキペダルの遊びの時点で回生がなされるべきである。しかし、原動機付き車両のバッテリやその他のエネルギー貯蔵器が満充電であると、発電動作中の電気機器はバッテリにエネルギーを返却することができない。そのため電気機器による制動効果も生じ得ず、原動機付き車両に作用する制動力が変動する。こうした制動性能の変動は、運転者にとっては不測のことであり、動揺を引き起こしかねない。

このような制動性能に対する影響を抑えるために、電気自動車やハイブリッド自動車では、電気機器の制動トルクを少なく済ませる従来型のブレーキシステムが備えられる。しかしながら、その場合には回生電圧を完全には利用できなくなってしまう。なお、いわゆる混成機能ブレーキシステムが用いられていると、運転者によるブレーキペダルの操作とは独立に摩擦ブレーキが制御されて、できるだけ安定した制動を行うことができる。しかし、こうしたブレーキシステムは高価である。また、バッテリが満充電の場合には追加のオーム抵抗によって電気機器のエネルギーを熱に変換するという解決手法が用いられる。しかし、この手法には、追加の抵抗を組み込むために追加で必要な構造的スペースや追加のコストが生じてしまうという欠点がある。

特許文献１には、原動機付き車両、特に電気自動車やハイブリッド自動車のトルク制御のためのシステムであって、駆動系の制御装置が備えられたものが記載されている。これの場合、個々のトルク源から供給されるトルクが調整されるか、または例えばフライホイールや逆電流制動によってトルクが低減される。ここで、電気機器の作動パラメータやバッテリの充電状態が監視される。さらに、運転状況や運転者の運転スタイルに応じて、ペダルフィーリングやギアチェンジが調整されてもよい。

独国特許公開公報１０３３６７４３号明細書

本発明の目的は、少なくとも一つの電気機器で駆動される原動機付き車両を制動するための、特に有効な方法を提供することにある。

この目的は、本発明に係る請求項１の方法によって達成される。すなわち、第１の動作モードでは、少なくとも１つの電気機器が発電機として動作して発電機制動トルクを発生させるようにし、第２の動作モードでは、エネルギー貯蔵器から前記少なくとも１つの電気機器へ電気的なエネルギーを供給して、前記少なくとも１つの電気機器によって駆動トルクと逆向きの制動トルクを発生させるようにする。これによれば、電気機器の制動の挙動を、原動機付き車両のその時点での動作状態に、非常に柔軟に合わせることができる。

原動機付き車両、特に電気自動車またはハイブリッド車は、一つまたは複数の電気駆動原動機を備えたものであってもよい。本発明に係るこの電気モータまたは電気機器は、駆動のほかにも、原動機付き車両の制動のためにも用いられる。この目的のために、電気機器は発電機として動作させることができる。発電制動あるいは回生動作とも呼ばれる第１の動作モードにおいては、電気機器から相応の発電機制動トルクが発生し、こが原動機付き車両に作用する制動力をもたらす。この第１の動作モードにおいて、電気機器からは原動機付き車両のエネルギー貯蔵器へと送電することが可能な電気的エネルギーが発生する。さらに、第２の動作モードが用意されており、このモードでは、原動機付き車両の制動のために、エネルギー貯蔵器から電気機器へ電気的なエネルギーを供給して、電気機器によって駆動トルクと逆向きの制動トルクを発生させる。したがって、原動機付き車両の制動の際に、電気機器により電気的なエネルギーの生成あるいは消費のどちらかが行われる。

好ましくは、前記エネルギー貯蔵器の充電状態に応じて動作モードが設定される。こうしたエネルギー貯蔵器は、例えばバッテリ、蓄電池、あるいはコンデンサとすることができる。エネルギー貯蔵器が十分に充電されていなければ、電気機器を発電機として動作させる。これにより、エネルギー貯蔵装置を充電することができる。エネルギー貯蔵器が完全に充電されている場合は、制動するための電気的なエネルギーを電気機器に供給するとともに、エネルギー貯蔵器には放電を行わせる。電気機器は通常、例えば水冷式の適当な冷却手段を備えているので、作動中に発生する熱によって熱的負荷がかかることはない。これによれば、電気機器によって発生するエネルギーを熱に変換する追加の電気抵抗を、原動機付き車両に組み込まずともよい。そのため、スペースと追加コストの削減が可能となる。さらに、エネルギー貯蔵器の充電状態に関わらず、電気機器を原動機付き車両の制動のために利用することができる。

さらなる実施形態では、前記原動機付き車両の摩擦ブレーキ装置のブレーキペダルの状態に応じて、前記少なくとも１つの電気機器により発生する制動トルクが設定される。電気機器によりもたらされる制動トルクは通常、原動機付き車両の完全な制動を成すのに十分ではないので、補助的な摩擦ブレーキが原動機付き車両に搭載される。好ましくは、運転者が感じる制動挙動に影響が出ないよう、電気機器は、自身が発生する制動力と摩擦ブレーキの制動力との合計が成す制動力がペダル踏み込み量の全体にわたって実質的に一様に上昇していくように制御される。

好ましい実施形態では、前記ブレーキペダルのペダル踏み込み量の第１の範囲においては、前記少なくとも１つの電気機器によってのみ制動トルクが発生する。このブレーキペダルのペダル踏み込み量の第１の範囲は通常、ブレーキペダルの遊び量に対応する。この範囲では、制動力は電気機器のみによってもたらされる。この目的のために、電気機器は、第１の動作モードと第２の動作モードの両方で動作させることができる。好ましくは、運転者がブレーキペダルを操作した時点から、ブレーキペダルの遊び内ではペダル踏み込み量に応じて実質的に線形的に増加していくように、電気機器によって制動力が生成される。そのため、ブレーキペダルの遊びにおいて既に電気機器による制動力が生じ、それにより原動機付き車両が制動される。また、（電気機器が発電機として動作する場合には）前述の第１の範囲において電力を発生させることができ、特に有効である。

前記ブレーキペダルのペダル踏み込み量の第２の範囲においては、前記少なくとも１つの電気機器および前記摩擦ブレーキ装置によって制動トルクが発生するのが好ましい。ブレーキペダルの遊び量を越えた後には、摩擦ブレーキ装置による制動力も、電気機器による制動力も、どちらも発生する。このため、摩擦ブレーキの制動効果が生じてからも発電機モードの電気機器による電気的エネルギーの回生を行うことができる。

さらなる実施形態では、ペダル踏み込み量の前記第２の範囲においては、前記少なくとも１つの電気機器により発生する制動トルクが実質的に一定である。ブレーキペダルの遊び量を越えてからは、原動機付き車両の摩擦ブレーキにより、実質的に線形的に増加する制動力が発生する。この範囲においては、電気機器が発生する制動力は実質的に一定値に調整され、摩擦ブレーキの制動力と電気機器の制動力とから成る総和は、ペダル踏み込み量全体にわたって、実質的に線形の推移となる。これにより、原動機付き車両の制動挙動は運転者にとって馴染みのあるものとなる。よって、運転者が動揺することはない。このため、車両の乗員やその他の道路利用者の安全を保証することができる。

摩擦ブレーキのペダル踏み込み量に応じた電気機器および／または摩擦ブレーキの上記制御と同様に、摩擦ブレーキのブレーキペダルに及ぼされる踏力に応じて実行することもできる。

さらなる実施形態においては、前記電気的なエネルギー貯蔵器の充電状態の特性値が予め定められた第１の閾値を越えた際に、前記第１の動作モードから前記第２の動作モードへの移行が行われ、かつ／または、前記電気的なエネルギー貯蔵器の充電状態の特性値が予め定められた第２の閾値を下回った際に、前記第２の動作モードから前記第１の動作モードへの移行が行われるようになっており、前記第２の閾値は前記第１の閾値よりも小さくなっている。これによれば、エネルギー貯蔵器の充電状態に関わらず、電気機器による制動力を常に供給することができる。

電気機器は、第１の動作モードまたは第２の動作モードのいずれかにおけるエネルギー貯蔵器の充電状態に依存して制動力を発生するように制御される。両動作モード間の状態遷移は、例えば、ヒステリシスのような推移をたどる。エネルギー貯蔵器または原動機付き車両のバッテリが十分にあるいは完全に充電されていると、第１の動作モードから第２の動作モードへの移行が起こる。一方、エネルギー貯蔵器が適度に放電されている場合には、第２の動作モードから第１の動作モードへの移行が起こる。状態遷移がこのように定められていることにより、原動機付き車両の制動挙動に悪影響を及ぼし得る、両動作モード間の無制限な移行や急激な移行が防がれる。

少なくとも１つの電気機器は、前進動作中においても、あるいは例えば原動機付き車両の下り坂走行中でも、制動トルクを発生することができる。この際、電気機器は第１または第２の動作モードで動作させることができる。

さらなる実施形態では、制動トルクを発生させるため、前記少なくとも１つの電気機器の電気的接続部の極性を変化させる。直流機を使用する場合には、直流機が動作中の回転方向と比較して逆の回転方向で動くように、電気的接続部の極性を変更するとよい。電気機器が三相交流機として設計されているなら、例えば給電線の二相を交換するとよい。このように、電気機器によっていわゆる発電制動を簡単な方法で行うことができる。

さらなる実施形態においては、前記電気機器として交流機を用い、制動トルクを発生させるため、回転磁界機の固定子の回転磁界の周波数を変化させる。電気機器の例として非同期機が用いられる場合、固定子の回転磁界の周波数は、発電制動に必要な固定子と回転子との間のすべりが生じるように調整することができる。同期機を用いる場合、回転磁界の周波数を調整することで同期機の固定子と回転子との間の位相角ずれを適切に合わせることができる。

最後に、本発明によれば、原動機付き車両を制動するための上述の方法を実施する原動機付き車両が提供される。電気機器を第２の動作モードで動作させるために、原動機付き車両は、少なくとも１つの電気機器の電気的接続部の極性を切り替えるための相応の装置を備える。この目的のために、その装置は電力部品を含むものでもよい。

本発明に係る方法について説明した発展形態は、本発明に係る車両にも適用することができる。

添付の図面を参照して、より詳細に本発明を説明する。図面を以下に示す：
電気機器で駆動される原動機付き車両の概略図。 ペダル踏み込み量またはブレーキペダルに加えられる踏力に応じた、電気機器により生じる制動力および摩擦ブレーキの制動力を示すグラフ。 原動機付き車両の電気機器の第１の動作モードと第２の動作モードとの間の状態遷移を説明するための模式図。

以下にて詳細に示される実施例は、本発明の好ましい実施形態を表す。

図１は、平面視における原動機付き車両１０の概略図を示す。原動機付き車両１０は、好ましくは電気自動車またはハイブリッド車である。この原動機付き車両１０は少なくとも１つの電気機器１２を備え、これは原動機付き車両１０を駆動するための駆動トルクを発生させることができる。同様に、原動機付き車両１０は、複数の電気機器１２を備えることができ、例えば、それぞれの駆動輪用に電気機器１２を備えることができる。また、原動機付き車両１０は、電気機器１２に電気的に接続された電気的なエネルギー貯蔵器１４を備える。

電気機器１２は、原動機付き車両１０を駆動するためだけでなく、原動機付き車両１０を制動するためにも用いることができる。制動を行うために、電気機器１２は、適切な発電制動トルクを発生する発電機としての第１の動作モードで動作することができる。発電制動あるいは回生動作とも呼ばれるこの第１の動作モードにおいては、電気的なエネルギー貯蔵器１４に供給される電気的なエネルギーを電気機器１２によって生成することができる。

その一方で、電気機器１２は、原動機付き車両１０の制動のために第２の動作モードで動作することも可能である。この場合、電気機器１２によって駆動トルクと反対向きの制動トルクが発生するように、エネルギー貯蔵器１４から電気機器１２に電気的なエネルギーが供給される。電気機器１２はさらに、電気機器１２の熱的過負荷を防止するために、例えば空冷式や水冷式などの適当な冷却装置を備えていてもよい。

好ましくは、電気的なエネルギー貯蔵器１４の充電状態に応じて動作モードが設定される。この目的のために、原動機付き車両１０は、電気的なエネルギー貯蔵器１４の充電状態を、対応するセンサによって検出することが可能な、相応の制御装置１６を備える。バッテリの充電状態が上限閾値に達すると、発生した電気エネルギーを電気的なエネルギー貯蔵器１４が受容できなくなるので、電気機器１２はもはや発電機として動作することはできなくなる。この場合においては、原動機付き車両１０の制動のために、電気的なエネルギーがエネルギー貯蔵器１４から電気機器１２へと供給される。この目的のために、制御装置１６は、電気機器１２の接続部の極性を変化させることが可能な、原動機付き車両１０の装置１８に接続されている。ここで、装置１８は、電気機器１２の極性や電気機器１２の位相の変更を可能にするものであるとともに、トランジスタ、サイリスタ等の類の電力部品を備えていてもよい。これにより、いわゆる逆電流動作をする電気機器１２によって、電気機器１２の駆動トルクと逆向きの制動トルクが生成される。

また、装置１８は交流機の回転磁界を適度に調整するように構成されてもよい。電気機器１２として非同期機を用いる場合は、非同期機の固定子と回転子との間で適切なすべりが得られるように、固定子の回転磁界の周波数を装置１８によって調整することができる。電気機器１２として同期機を用いる場合は、固定子の回転磁界の周波数を適度に調整することにより、同期機の固定子と回転子との間での適切な位相角ずれを実現することができる。

電気機器１２によってもたらされる制動力は、原動機付き車両１０の摩擦ブレーキ装置のブレーキペダルの状態に応じて調整することができる。これのために、原動機付き車両１０は、ブレーキペダルの位置を検出可能な、相応の装置２０を備えている。ここで、この装置２０は、相応の位置センサや距離センサなどを備えているとよい。

図２のグラフ２２に、原動機付き車両１０に作用する制動力が、原動機付き車両１０の摩擦ブレーキ装置のブレーキペダルのペダル踏み込み量や、運転者がブレーキペダルにかける踏力に依存する様子を示す。横軸２６はペダル踏み込み量または踏力を表し、縦軸２４は原動機付き車両１０に作用する制動力を表す。ここで、点線３０は、電気機器１２によってもたらされる制動力の推移を、ペダル踏み込み量または踏力の関数として示している。破線２８は、原動機付き車両１０の摩擦ブレーキ装置によってもたらされる制動力を示している。実線３２は、電気機器１２の制動力と摩擦ブレーキの制動力との合計を示している。

矢印３４で示す第１の範囲においては、電気機器１２のみによって制動力がもたらされる。この第１の範囲は、摩擦ブレーキ装置のブレーキペダルの遊び量に対応している。電気機器１２が供給する制動力は、第１の範囲においてはペダル踏み込み量または踏力に応じて実質的に線形的に増加する。なお、電気機器１２による制動力は、（電気的なエネルギー貯蔵器１４の充電状態に応じた）第１の動作モードでも第２の動作モードでも供給することができる。

矢印３６で示す第２の範囲においては、原動機付き車両１０に作用する制動力は、電気機器１２と、原動機付き車両１０の摩擦ブレーキとによってもたらされる。ここで、電気機器１２は、ペダル踏み込みの間で実質的に一定の制動力を発生するように動作する。摩擦ブレーキ装置は、第２の範囲においては、ペダル踏み込み量または踏力に応じて実質的に線形的に増加する制動力を発生させる。よって、線３２によって示されている双方の制動力の合計は、ペダル踏み込み量の全体にわたって、または踏力の推移全体にわたって、全体として直線的な推移となる。そのため、原動機付き車両１０の制動挙動が運転者にとって違和感のあるものとなることはない。

図３のグラフ３８に、電気機器１２の動作モードが、電気的なエネルギー貯蔵器１４の充電状態に依存する様子を示す。グラフ３８において、横軸は電気機器１２の動作モードを表し、縦軸は電気的なエネルギー貯蔵器の充電状態を表す。ここで、第１の動作モードは、グラフ３８内の線４０によって表される。第１の動作モードにおいては、電気機器１２は発電機として動作する。第２の動作モードは、グラフ３８内の線４２によって表される。第２の動作モードにおいては、電気機器１２により、駆動トルクと逆向きの制動トルクが発生する。すなわち電気機器が逆電流動作で動かされる。エネルギー貯蔵器１４の充電状態が、線４４によって表される予め定められた第１の閾値を越えると、第１の動作モードから第２の動作モードへの移行が行われる。第２の動作モードでは、エネルギー貯蔵器１４が給電を行うことにより、電気的なエネルギー貯蔵器１４から電気機器１２によって電気的なエネルギーが取り出される。エネルギー貯蔵器１４の充電状態が、線４６によって表される予め定められた第２閾値を下回ると、今度は第２の動作モードから第１の動作モードへの移行が行われる。このようにして、グラフ３８に示すようなヒステリシス状の推移が得られる。これにより、制御下におかれた状態遷移が行われることになり、原動機付き車両１０の制動挙動への悪影響が防止される。

Claims (10)

1. 電気的なエネルギー貯蔵器（１４）と電気的に接続された少なくとも１つの電気機器（１２）の駆動トルクにより駆動される原動機付き車両（１０）を制動する方法であって、第１の動作モードでは、前記少なくとも１つの電気機器（１２）が発電機として動作して発電機制動トルクを発生させる、原動機付き車両を制動する方法において、
   第２の動作モードでは、前記エネルギー貯蔵器（１４）から前記少なくとも１つの電気機器（１２）へ電気的なエネルギーを供給して、前記少なくとも１つの電気機器（１２）によって駆動トルクと逆向きの制動トルクを発生させること
   を特徴とする原動機付き車両を制動する方法。
2. 前記エネルギー貯蔵器（１４）の充電状態に応じて動作モードが設定されること
   を特徴とする請求項１に記載の原動機付き車両を制動する方法。
3. 前記原動機付き車両（１０）の摩擦ブレーキ装置のブレーキペダルの状態に応じて、前記少なくとも１つの電気機器（１２）により発生する制動トルクが設定されること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の原動機付き車両を制動する方法。
4. 前記ブレーキペダルのペダル踏み込み量の第１の範囲においては、前記少なくとも１つの電気機器（１２）のみによって制動トルクが発生すること
   を特徴とする請求項３に記載の原動機付き車両を制動する方法。
5. 前記ブレーキペダルのペダル踏み込み量の第２の範囲においては、前記少なくとも１つの電気機器（１２）および前記摩擦ブレーキ装置による制動トルクが発生すること
   を特徴とする請求項３または請求項４に記載の原動機付き車両を制動する方法。
6. ペダル踏み込み量の前記第２の範囲においては、前記少なくとも１つの電気機器（１２）により発生する制動トルクが一定であること
   を特徴とする請求項５に記載の原動機付き車両を制動する方法。
7. 前記電気的なエネルギー貯蔵器（１４）の充電状態の特性値が予め定められた第１の閾値を越えた際に、前記第１の動作モードから前記第２の動作モードへの移行が行われ、
   かつ／または、前記電気的なエネルギー貯蔵器（１４）の充電状態の特性値が予め定められた第２の閾値を下回った際に、前記第２の動作モードから前記第１の動作モードへの移行が行われるようになっており、
   前記第２の閾値は前記第１の閾値よりも小さいこと
   を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の原動機付き車両を制動する方法。
8. 制動トルクを発生させるため、前記少なくとも１つの電気機器（１２）の電気的接続部の極性を変化させること
   を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の原動機付き車両を制動する方法。
9. 前記電気機器（１２）として交流機を用い、制動トルクを発生させるため、回転磁界機の固定子の回転磁界の周波数を変化させること
   を特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の原動機付き車両を制動する方法。
10. 原動機付き車両（１０）用の駆動トルクを発生させるための少なくとも１つの電気機器（１２）と、
    前記電気機器（１２)と電気的に接続された電気的なエネルギー貯蔵器（１４）と、
    第１の動作モードにおいて、前記原動機付き車両（１０）の制動のために、発電機制動トルクを発生させるように前記少なくとも１つの電気機器（１２）を発電機として動作させることが可能な制御装置（１６）と、
    を備えた原動機付き車両（１０）であって、
    前記少なくとも１つの電気機器（１２）の極性を変化させるための装置（１８）が備えられており、この装置は、第２の動作モードにおいて、前記原動機付き車両（１０）の制動のために、前記エネルギー貯蔵器（１４）から前記少なくとも１つの電気機器（１２）へ電気的なエネルギーを供給させることが可能で、前記少なくとも１つの電気機器（１２）によって駆動トルクと逆向きの制動トルクを発生させることが可能であること
    を特徴とする原動機付き車両。
    

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