JP2015218783A - ガスタービンレンジエクステンダを搭載した電気自動車等の車両 - Google Patents

Abstract

【課題】トルクベクタリングユニットとガスタービン式レンジエクステンダとが搭載された電気自動車等の車両に於いて、ガスタービンの作動の車両挙動制御に対する影響を考慮した構成を提供すること
【解決手段】本発明の車両１は、蓄電装置Ｂから電力を供給されて作動するモータと、蓄電装置Ｂに蓄電される電気エネルギーを発電する発電装置ＥＧと、発電装置を駆動するガスタービンＧＴと、モータによって駆動される左右駆動輪２ｒと、モータから該左右駆動輪へ伝達する駆動トルクの配分を調節するトルクベクタリングユニットＴＶとを備え、ガスタービンＧＴの作動の開始期間及び停止期間に於いては前記トルクベクタリングユニットＴＶの作動を停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車、ハイブリッド車等（以下、「電気自動車等」と称する。）の電力により駆動される車両に係り、より詳細には、電力を蓄えるための蓄電装置（バッテリ）を搭載し、更に、車両の航続距離を延長するためのレンジエクステンダを搭載した車両の構造に係る。

現在、環境問題や資源枯渇問題を背景に、自動車業界では環境対応車の開発が加速している。特に、欧州の自動車製造に関わる企業や研究機関では、次世代モビリティーとして、小型軽量の電気自動車に様々な新技術を織り交ぜたパッケージの開発研究が盛んになっている。そのような小型軽量の電気自動車又はハイブリッド車等の電力により駆動される車両に関して、その航続距離は、車両に搭載される蓄電装置の蓄電容量（一時に蓄電可能な電気エネルギー量）によって決定される。従って、航続距離の延長を図ろうとする場合には、蓄電容量の増大が試みられるが、蓄電容量の増大は、車両の小型軽量化に対する背反となってしまう。そこで、電気自動車等の車両の航続距離を延長するために、車両に発電機と発電用の内燃機関を搭載して発電を行って、その電気エネルギーによっても車両の駆動モータを駆動できるようにする「レンジエクステンダ技術」が提案されている。そして、かかる「レンジエクステンダ技術」のうち、ガスタービン式レンジエクステンダユニットは、重量・体積あたりの出力が大きくできる可能性や種々の燃料に対応可能な点で優位性があり、小型軽量の電気自動車等の車両レンジヱクステンダ技術として有力である。そのようなガスタービン式レンジエクステンダユニットを搭載する車両に関する技術は、例えば、特許文献１〜３に於いて言及されている。

特開２００４−２１５４５９ 特開２０１２−１０７５５４ 特開２０１２−１４９６２８

小型軽量の車両は、車両総重量が小さいことから、タイヤに於ける接地荷重が小さく、従って、前後力・横力が比較的小さくなる。また、ヨー方向慣性モーメント係数が小さいので、横風や路面凹凸などの外乱入力による安定性への影響が比較的大きい。そこで、車両挙動を安定化させるべく、例えば、駆動輪の駆動トルク配分を制御するトルクベクタリングユニットを搭載することが考えられる。しかしながら、そのようなトルクベクタリングユニットを搭載する小型軽量の車両に於いて、更に、上記の如きレンジエクステンダユニットとしてガスタービンを搭載する場合、ガスタービンは高効率出力を実現するために、高回転型(10万回転程度)になるので、かかる回転による無視できないレベルのジャイロ効果が生ずるところ、ジャイロ効果や振動が変化するガスタービンの作動のＯＮ／ＯＦＦ時に於いては、ガスタービンによる車両挙動に対する影響とトルクベクタリングユニットの動作とを協調することは困難である。即ち、ガスタービンの作動のＯＮ／ＯＦＦの際に、トルクベクタリングユニットが作動していると、制御タイミングのずれなどによって、車両挙動に好ましくない影響が現れる可能性がある。

かくして、本発明の一つの課題は、トルクベクタリングユニットが搭載された電気自動車等の車両に於いて、更に、ガスタービン式レンジエクステンダを搭載する場合に、ガスタービンの作動の車両挙動制御に対する影響を考慮した構成を提供することである。

本発明によれば、上記の課題は、蓄電装置と、蓄電装置から電気エネルギーを供給されて作動するモータと、蓄電装置に蓄電される電気エネルギーを発電する発電装置と、発電装置を駆動するガスタービンと、モータによって駆動される左右駆動輪と、モータから該左右駆動輪へ伝達する駆動トルクの配分を調節するトルクベクタリングユニットとを備えた車両であって、ガスタービンの作動の開始期間及び停止期間に於いては前記トルクベクタリングユニットの作動を停止する車両によって達成される。

上記の構成に於いて、「車両」は、電気自動車、ハイブリッド車等の、車両の走行駆動が電気エネルギーによって駆動されるモータによって為される車両である。モータに与えられる電気エネルギーは、蓄電装置に蓄電されるエネルギーであるところ、上記の車両に於いては、車両の航続距離を延長する「レンジエクステンダ」として、発電装置（発電機）とその発電装置を駆動するガスタービンとが搭載され、ガスタービンは、燃料を燃焼して発電装置を駆動して発電させ、これにより得られた電気エネルギーが蓄電装置に蓄電されることとなる。また、ガスタービンの作動の「開始期間」及び「停止期間」とは、それぞれ、ガスタービンが、停止した状態から所定の回転数に到達してその回転数にて安定的に動作するまで期間、及び、所定の回転数にて動作している状態から停止するまでの期間であり、典型的には、数秒から数十秒のオーダーの期間となる。そして、「トルクベクタリングユニット」は、例えば、車両のヨー方向の挙動を安定化させるべく、左右駆動輪へ伝達する駆動トルクの配分を調節する装置である。

上記の如く、本発明の車両に於いては、ガスタービンの「開始期間」及び「停止期間」に於いては、トルクベクタリングユニットの作動が停止される。既に触れた如く、ガスタービンの「開始期間」及び「停止期間」に於いては、ガスタービンのジャイロ効果及び振動が変化する過渡期であり、その期間に於ける車両挙動を適切にトルクベクタリングユニットによる駆動トルク配分制御で調節することは困難である。そこで、ガスタービンの「開始期間」及び「停止期間」には、トルクベクタリングユニットの作動を停止し、トルク配分の制御タイミングのずれなどによって、車両挙動に好ましくない影響の発生の防止が図られる。

ところで、小型軽量の車両の場合には、車両に搭載されるユニットの配置がヨー方向慣性モーメント係数や前後荷重配分比などに対し大きな影響を与えることとなる。従って、トルクベクタリングユニットに加えて、小型とはいえ、ガスタービンを更に搭載する場合には、蓄電装置、ガスタービン及びトルクベクタリングユニットの配置が車両の挙動をより安定化するように決定されることが好ましい。また、ガスタービンには排気管が必須部品になるところ、例えば、車両での利用が想定される１５ｋＷのガスタービンでは圧力損失等を考慮すると、５０φ程度の大きな排気口総面積が必要であり、小型軽量の車両の限られたスペース内での取り回しは非常に難しい。更に、ガスタービンの回転軸の向きは、重心位置が高くならないように向けられていることが好ましい。

そこで、上記の本発明の構成に於いては、ガスタービンの回転軸の向きは、好適には、水平面内、更に好適には、車両の前後方向又は横方向に向けられる。また、ガスタービンの排気管をできるだけ短くするために、ガスタービンは、車両の後方に、特に、アクスルシャフトの近傍に配置されることが好ましい。そして、ガスタービンが車両の後方のアクスルシャフトの近傍に配置することから、車両の前後方向のバランスを考慮して、バッテリは、車両の前方、特に、車体のホイールベースの中心よりも前方に配置されることが好ましい。

上記の如く、本発明の車両では、車両挙動を安定化させるためのトルクベクタリングユニットと、レンジエクステンダとしてガスタービンとの双方が搭載された車両に於いて、ガスタービンの作動開始時及び停止時に、トルクベクタリングの作動が停止される。これにより、トルクベクタリングの作動がガスタービンの回転状態の変化に適合できないことより、車両の挙動に影響がでてしまうことが回避される。

本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。

図１（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、本発明による車両に於ける蓄電装置Ｂ、ガスタービンＧＴ及びトルクベクタリングユニットＴＶの配置の例を表した車両の模式的な側面図と平面図である。 図２は、本発明の適用される車両に於けるパワーコントロールユニットのシステムの構成図である。 図３（Ａ）は、本発明による車両に於けるレンジエクステンダのガスタービンの作動タイミングを説明するタイムチャート図であり、図３（Ｂ）は、本発明による車両に於けるガスタービンの作動タイミングとトルクベクタリングの作動タイミングとを説明するタイムチャート図である。

１…車両
２ｆ、２ｒ…前輪、後輪
ＥＧ…発電機
ＧＴ…ガスタービン
Ｂ…蓄電装置
ＥＸＰ…排気管
ＴＶ…トルクベクタリング
ＡＳ…アクスルシャフト

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。

車両に於ける各ユニットの配置
図１を参照して、本発明の適用される電気自動車等の車両は、典型的には、小型軽量の車両であるところ、蓄電装置Ｂ、ガスタービンＧＴと発電機ＥＧとを含むレンジエクステンダユニット、及び、トルクベクタリングユニットＴＶとが搭載される。

上記の構成に於いて、レンジエクステンダユニット（ＧＴ、ＥＧ）が搭載されることで、蓄電装置に充電されていた電気エネルギーを使い切った後にも、蓄電装置Ｂへ追加的に電気エネルギーを蓄電でき、車両の航続距離の延長が達成できることとなり、これにより、車両に要求される航続距離に対して蓄電装置Ｂの容量を小さくでき、車両に搭載されるべき蓄電装置の小型化が可能となる。そして、蓄電装置の小型化されると、車両に搭載される各ユニットの配置に於いて、自由度が生まれ、ヨー方向慣性モーメント係数や前後荷重配分比を最適に設定することが可能となる。また、トルクベクタリングユニットＴＶは、左右駆動輪の駆動トルク配分（Ｆｌ、Ｆｒ）を調節することが可能な装置であり、これにより、ダイレクトヨーモーメント入力が可能となるため、車両に作用した外乱、例えば、横風や路面凹凸など、に起因する擾乱ヨーモーメントを相殺するように駆動トルク配分を調節することで、車両挙動の安定性を維持することが可能となる。更に、ガスタービンＧＴとして、高効率出力の実現のために、好適には、回転数が１０万回転程度の高回転型が採用されるところ、その場合、ガスタービンＧＴの回転による無視できないレベルのジャイロ効果や振動が発生し、これらが、車両挙動の安定性を乱し得ることとなる。従って、その場合にも、トルクベクタリングユニットＴＶが作動され、ガスタービンＧＴの回転によるジャイロ効果や振動を相殺するように、駆動トルク配分によるヨーモーメントが発生される。

上記の如き、蓄電装置ＢとガスタービンＧＴとトルクベクタリングユニットＴＶとが搭載される車両に於いては、それらの配置が車両挙動の安定性に影響するので、各ユニットは、かかる車両挙動の安定性を考慮して配置される。具体的には、まず、ガスタービンＧＴに於いては、「発明の概要」の欄に於いて触れた如く、圧力損失等を考慮して、５０φ程度の排気口総面積を有する排気管が必要となり、かかる排気管を車体内で引き回すことは避けるべきである。従って、ガスタービンＧＴは、図示の如く、車両の後方のアクスルシャフトの近傍に配置され、排気管をできるだけ短くし、圧力損失を低く抑制できるようになっていることが好ましい。また、ガスタービンＧＴの回転軸の向きについて、その重心は、できるだけ低い方が車両の安定性にとって有利であり、更に、後述の如く、回転によるジャイロ効果をトルクベクタリングユニットＴＶの駆動トルク配分調節によるヨーモーメントで相殺できるようにするために、ガスタービンＧＴは、その回転軸が車体の前後方向Ｌか横方向Ｗに向くように配置されることが好ましい。一方、トルクベクタリングユニットＴＶは、は、駆動用モータ、ディファレンシャルギヤ群、制御用モータ及び制御用ディファレンシャルギヤ群（図示せず）が一体化されてなるユニットであるところ、左右駆動輪に於ける駆動トルク配分を調節するものであるので、左右駆動輪のアクスルシャフトの中央部に配置されることとなる。

上記の如く、ガスタービンＧＴとトルクベクタリングユニットＴＶとが、車両の後方に配置される場合、車両の前後荷重配分比を最適にするために、図示の如く、蓄電装置Ｂは、車両の前方に配置されることが好ましい。この点に関し、蓄電装置Ｂの具体的な位置は、好適には、車両の前後荷重配分比が理想的な５０：５０となるように、車両の重心Ｇよりも前方の、例えば、床下部に配置される。また、蓄電装置Ｂが床下部に配置されることで、車両の重心Ｇの高さが低くなり、車両の安定性にとって有利である。

ガスタービンとトルクベクタリングユニットの作動制御
上記の如く、車両に搭載されたガスタービンＧＴとトルクベクタリングユニットＴＶは、典型的には、図２に模式的に描かれている如き、パワーコントロールユニットＰＣＵの制御下のシステムに於いて、作動が制御される。パワーコントロールユニットＰＣＵのシステムに於いては、概して述べれば、ガスタービンの作動制御のための専用のインバータとＥＣＵ、蓄電装置（バッテリ）の作動制御のための専用のインバータとＥＣＵ、トルクベクタリングユニットの作動制御のための専用のインバータとＥＣＵ及びその他の通常の車両に搭載される操舵、ブレーキ等の各ユニットの作動制御のための専用のインバータとＥＣＵが、それぞれ、図示の如く、パワーコントロールユニットＰＣＵに接続され、パワーコントロールユニットＰＣＵは、各ＥＣＵを統制制御する役割を担っている。

上記の一連のユニットの制御のうち、トルクベクタリングユニットの作動制御に於いて、トルクベクタリングユニットの駆動用モータ（図示せず）は、車両の運転者又はその他の任意の走行制御により要求される要求速度を実現すべく、出力が制御される。また、トルクベクタリングユニットの制御モータ（図示せず）は、車両のヨー方向の挙動を安定化させるべく、ヨーレートと車速とを参照して決定される目標ヨーレートを実現すべく、出力が制御される。

ガスタービン、即ち、レンジエクステンダユニットの作動制御は、概して述べれば、蓄電装置ＥＣＵで計測される充電状態（ＳＯＣ）を参照し、決定される。具体的には、図３（Ａ）に例示されている如く、蓄電装置Ｂの充電状態（例えば、端子電圧）が最小規定ＳＯＣまで低下すると、ガスタービンの作動が開始され、充電が開始される。その際、ガスタービンの出力ＧＴ（回転数）の急激な変化は、不用意なジャイロ効果を発生させ得るので、ガスタービンの出力は、図示の如く、停止状態Ｒｏから徐々に増大され、所定値Ｒｓに到達すると、その状態が維持される。そして、充電状態が基準ＳＯＣまで上昇すると、ガスタービンの停止が実行される。かかるガスタービンの停止の際にも、ガスタービンの出力ＧＴ（回転数）は、図示の如く、所定値Ｒｓから徐々に停止状態Ｒｏまで低減されることとなる。

上記の如く、ガスタービンが作動される場合、既に述べた如く、その回転数は、高速であり、また、車両が小型軽量であることから、車両挙動に影響し得るジャイロ効果と振動とが発生する。従って、かかるガスタービンの作動によるジャイロ効果と振動によって、車両挙動が影響を受ける場合には、トルクベクタリングユニットによる駆動トルク配分制御によって、ジャイロ効果と振動による車両挙動の擾乱の相殺が為される。特に、ジャイロ効果については、図１（Ｂ）に模式的に描かれている如く、ガスタービンの回転軸が、車体の前後方向又は横方向に向いているので、ジャイロ効果による作用は、車体のヨー方向に於いて、重心Ｇ周りのモーメントｇｙとして現れる（例えば、車両の旋回時に於いて、ジャイロ効果によって、車両のヨー方向の向きを元に戻す方向の力が作用することとなる。）。そこで、ジャイロ効果による作用ｇｙを相殺すべく、トルクベクタリングユニットによる駆動トルク配分によってヨー方向のモーメントの発生が為されることとなる。

しかしながら、トルクベクタリングユニットによる駆動トルク配分に関して、ガスタービンの状態が停止状態Ｒｏから所定値Ｒｓに到達するまでの開始期間と、所定値Ｒｓから停止状態Ｒｏに到達するまでの停止期間に於いては、そのジャイロ効果及び振動の作用の程度が変化し、その変化に対応して、駆動トルク配分を調節することは困難である。そこで、本発明に於いては、ガスタービンの開始期間と停止期間に於いては、トルクベクタリングユニットによる駆動トルク配分制御を中断させる。かくして、トルクベクタリングユニットの作動とガスタービンの作動との時間的な関係に於いて、図３（Ｂ）に示されている如く、ガスタービンがＯＦＦの状態にあるとき、及び、ＯＮの状態となって回転数が一定のときには、トルクベクタリングユニットの駆動トルク配分制御の作動は、適宜、実行される。しかしながら、ガスタービンの状態が切替時であるときには、トルクベクタリングユニットの駆動トルク配分制御の作動が禁止されることとなる（非作動状態とされる。）。これにより、トルクベクタリングの作動がガスタービンの回転状態の変化に適合できないことより、車両の挙動に影響がでてしまうことが回避されることが期待される。

以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。

Claims (1)

1. 蓄電装置と、蓄電装置から電力を供給されて作動するモータと、蓄電装置に蓄電される電気エネルギーを発電する発電装置と、発電装置を駆動するガスタービンと、前記モータによって駆動される左右駆動輪と、前記モータから該左右駆動輪へ伝達する駆動トルクの配分を調節するトルクベクタリングユニットとを備えた車両であって、前記ガスタービンの作動の開始期間及び停止期間に於いては前記トルクベクタリングユニットの作動を停止する車両。

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