JP2016217231A

JP2016217231A - ガスタービン式レンジエクステンダーによる回生電力吸収装置

Info

Publication number: JP2016217231A
Application number: JP2015102210A
Authority: JP
Inventors: 渡辺　厚; Atsushi Watanabe; 厚渡辺
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-05-19
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2016-12-22

Abstract

【課題】ガスタービンによる電動車輌用レンジエクステンダーを車輌の回生制動時にバッテリを充電する電力量を越えて発生した余剰回生電力を吸収する手段とするとき、回生電力をできるだけ有効に回収すべくバッテリが即充電されるようになっていると、バッテリのSOCが高いときガスタービンの駆動停止が頻繁になる。ガスタービンの軸受が空気軸受であると停止時には機械的接触状態となり、起動の初期には摩擦摺動が生じ、停止、起動の回数が増大すると、軸受の耐久性が損なわれる。この問題に対処する。
【解決手段】余剰回生電力の吸収が実行されている状態から吸収の必要がなくなったとき、ガスタービンを所定の猶予時間だけ電動駆動する。
【選択図】図４

Description

本発明は、電動車輌の回生制動時に発生した電力が蓄電池の充電に使用しきれない余剰電力となったときそれを吸収する回生電力吸収装置に係り、特に電動車輌がガスタービンをエンジンとするガスタービン式レンジエクステンダーを備えているとき、該ガスタービン式レンジエクステンダーにより余剰回生電力を吸収することに係る。

電動車輌の走行距離を延ばすレンジエクステンダーとしてレシプロエンジンを備えた電動車輌に於いて、長い下り坂等にて回生制動により発生した電力が蓄電池の充電に使用しきれない余剰電力となったとき、余剰回生電力によりレンジエクステンダーの発電機を電動機として作動させ、レシプロエンジンを摩擦抵抗に抗して駆動して該余剰回生電力を吸収することが、下記の特許文献１に記載されている。また下記の特許文献２には、ガスタービンをレンジエクステンダーのエンジンとすることが記載されている。

上記の技術背景から、電動車輌がガスタービンによるレンジエクステンダーを備えていれば、回生制動により発生した電力が蓄電池の充電に使用しきれない余剰電力となったとき、余剰回生電力によりガスタービンを駆動することが考えられるが、ガスタービンの圧縮機にて圧縮された給気をタービンからの排気により予熱する熱交換器が設けられている場合、該熱交換器が暖機状態にあると、ガスタービンで吸収できる電力量が低下し、余剰回生電力が十分に吸収できなくなる。しかし、一方、その後のレンジエクステンダーの作動に於ける熱効率向上のためには、上記の熱交換器は、敢えて冷却されるべきものではない。

特開２００２-２３８１０５号公報特開２０１２-１４９６２８号公報

上記の事情に着目し、レンジエクステンダー作動時のガスタービンの熱効率を損なうことなく、余剰回生電力吸収時のガスタービンによる余剰回生電力吸収能を高めるべく、本件出願人は、特願２０１５-０８９６８８号に於いて、圧縮機にて圧縮された給気をタービン排気にて予熱する熱交換器を備えたガスタービンにより発電機を駆動する電動車輌用レンジエクステンダーを車輌の回生制動時にバッテリを充電する電力量を越えて発生した余剰回生電力を吸収する手段とする余剰回生電力吸収装置にして、圧縮機にて圧縮された給気を前記熱交換器の手前にて適宜排出する給気排出弁が設けられていることを特徴とする余剰回生電力吸収装置を提案した。

電動車輌用レンジエクステンダーを車輌の回生制動時にバッテリを充電する電力量を越えて発生した余剰回生電力を吸収する手段とする場合、バッテリを充電する電力量を越える余剰回生電力の発生がなくなれば、レンジエクステンダーによる回生電力の吸収は直ちに停止されてよいが、車輌制動時の回生電力をできるだけ有効に回収するため、制動時回生電力によるバッテリの充電は、バッテリの充放電間に適度のヒステリシスを設けることなく、回生電力が発生し次第行われるので、バッテリのSOCがSOCmaxに近い状態にあると、一度SOCがSOCmaxに達し、レンジエクステンダーによる余剰回生電力の吸収が開始され、その後SOCがSOCmax以下に下がり、レンジエクステンダーによる余剰回生電力の吸収が停止されても、また直ぐSOCがSOCmaxに達し、レンジエクステンダーによる余剰回生電力の吸収が再開されがちとなる。ところが、ガスタービンの軸受が空気軸受の場合にはガスタービンの停止時には機械的接触を生じた状態となり、起動の初期には機械的接触状態での摩擦摺動が生じるので、ガスタービンによるレンジエクステンダーに於いては、ガスタービンの停止、起動の回数が増大すると、その軸受の耐久性が損なわれる。

本発明は、上記の事項に着目し、ガスタービンにより発電機を駆動する電動車輌用レンジエクステンダーを車輌の回生制動時にバッテリを充電する電力量を越えて発生した余剰回生電力を吸収する手段とする余剰回生電力吸収装置に於いて、ガスタービンの軸受の耐久性を確保することを課題としている。

上記の課題を解決すべく、本発明は、ガスタービンにより発電機を駆動する電動車輌用レンジエクステンダーを車輌の回生制動時にバッテリを充電する電力量を越えて発生した余剰回生電力を吸収する手段とする余剰回生電力吸収装置にして、前記余剰回生電力の吸収が実行されている状態から吸収の必要がなくなったとき、該ガスタービンは車輌の運転時間内にて所定の猶予時間だけ電動駆動されることを特徴とする余剰回生電力吸収装置を提案するものである。

上記の猶予時間に於けるガスタービンの電動駆動は、駆動電流を低減することにより回転数を落とした駆動とされてもよいが、前記ガスタービンが、圧縮機にて圧縮された給気をタービン排気にて予熱する熱交換器と、圧縮機にて圧縮された給気を前記熱交換器の手前にて適宜排出する給気排出弁とを備え、バッテリを充電する電力量を越える回生電力の発生中に前記給気排出弁が開かれていたときには、バッテリを充電する電力量を越える回生電力の発生がなくなったときの前記猶予時間だけの電動駆動は、前記給気排出弁を閉じることにより行われてよい。

上記の如く、ガスタービンにより発電機を駆動する電動車輌用レンジエクステンダーを車輌の回生制動時にバッテリを充電する電力量を越えて発生した余剰回生電力を吸収する手段とする余剰回生電力吸収装置に於いて、前記余剰回生電力の吸収が実行されている状態から吸収の必要がなくなったとき、該ガスタービンは車輌の運転時間内にて所定の猶予時間だけ電動駆動されるようになっていれば、前記猶予時間を適当に設定しておくことにより、余剰回生電力を吸収する必要がなくなっても、暫時ガスタービンを回転状態に維持し、バッテリのSOCがSOCmaxに近い状態にあり、SOCがSOCmax以下に下がってもまた直ぐSOCがSOCmaxとなり、ガスタービンの駆動再開が要求されたとき、ガスタービンの停止状態からの起動を回避して余剰回生電力吸収装置の作動を再開させることができる。

この場合、ガスタービンが、圧縮機にて圧縮された給気をタービン排気にて予熱する熱交換器と、圧縮機にて圧縮された給気を前記熱交換器の手前にて適宜排出する給気排出弁とを備え、バッテリを充電する電力量を越える回生電力の発生中に前記給気排出弁が開かれていたとき、余剰回生電力の吸収が実行されている状態から吸収の必要がなくなったときの前記猶予時間だけのガスタービンの電動駆動は、前記給気排出弁を閉じることにより行われれば、前記猶予時間だけのガスタービンの電動駆動は、駆動電流の低減により回転数を落とした駆動とされなくても、前記熱交換器の暖機によるガスタービンの動力発生を生かし、回転数を落とさず、有効な回生電力の無駄な消費を抑制して行える。

本発明による余剰回生電力吸収構造を含むガスタービンによるレンジエクステンダーを備えた電動車輌の駆動装置の構成を例示する概略図である。ガスタービンによるレンジエクステンダーを備えた電動車輌の回生制動時にバッテリを充電する電力量を越えて発生した余剰回生電力をガスタービンにより吸収する場合の問題点を示すグラフである。ガスタービンの冷温始動時の等価熱効率の時間的上昇特性を例示するグラフである。図１に示す電動車輌の駆動装置を余剰回生電力吸収装置として作動させる場合の作動要領を示すフローチャートである。車輌の走行に於ける高度変化と電動車輌の駆動装置の作動に伴うバッテリのSOCの変化の例を示すグラフである。

図１は、ガスタービンをエンジンとするレンジエクステンダーではあるが、車輌の回生制動時にバッテリで吸収しきれない余剰回生電力が生じたときそれを吸収する回生電力吸収装置としても作動する装置の構成を示す概略図であり、その構成には、特に上記の先行出願である特願２０１５-０８９６８８号にて提案された給気排出弁が組み込まれている。この図に於いて、１０はガスタービンであり、圧縮機(C)１２、タービン(T)１４、燃料燃焼器(CC)１６、圧縮機にて圧縮された給気をタービン排気にて予熱する熱交換器１８を含む従来の構成に加えて、上記の給気排出弁(CDP）２０を備えている。

ガスタービン１０は、レンジエクステンダーとして作動するときには、走行制御用電子制御装置(ECU.D)２２に連結されたガスタービン制御用電子制御装置(ECU.G)２４により制御される燃料制御弁(FMV)２６を経て燃料を供給され、電動発電機(M/G)２８を駆動し、インバータ／整流器(INV/R)３０を経てバッテリ(B)３２を充電する。そして更に、ガスタービン１０は、車輌の制動時に車輪に連結された電動発電機(M/G)３４が車輪の側から駆動されて発電した回生電力がインバータ／整流器(INV/R)３６を経てバッテリ３２を充電するとき、バッテリにて吸収しきれない余剰回生電力が生ずると、該余剰回生電力によりインバータ／整流器(INV/R)３０を経て電動発電機２８が駆動されることにより駆動されて余剰回生電力吸収装置として作動する。

ガスタービン１０は、それがレンジエクステンダーとして作動するときには、その出力は、図２に破線にて例示する如く、回転数の増大に応じて定格回転数（１００％）にて定格出力（１００％）になるよう増大する。一方、ガスタービン１０は、燃料を供給されることなく電動発電機２８により駆動されるとき、もしガスタービン１０が直前までレンジエクステンダーとして作動していて、熱交換器１８が暖機状態にあると、図２に一点鎖線にて例示する程度しか電力を吸収することができない。しかし、これは、一方では、ガスタービン１０が電力により駆動されるとき、電力をあまり消費せずに駆動されることを意味する。この場合、ガスタービン１０の余剰回生電力吸収装置としての作動が進行すれば、熱交換器１８は次第に冷却され、ガスタービン１０の電力吸収能は上昇してくるが、ガスタービンの熱効率は、ガスタービンが冷温始動されるときには、図３に例示する如くかなりの時間をかけて緩やかに上昇するので、ガスタービン１０が次にレンジエクステンダーとして作動することを考えると、余剰回生電力吸収作動時に熱交換器１８を冷却させないのが好ましい。

そこで、図１に示す如く圧縮機１２にて圧縮された給気を熱交換器１８に入る手前で排出できる給気排出弁(CDP)２０を設け、熱交換器１８が暖機状態にあってガスタービン１０を余剰回生電力吸収装置として作動させるときには、給気排出弁２０を開くようにする。かかる給気排出弁２０にて圧縮機１２により圧縮された給気を熱交換器１８に入る手前で排出することにより、ガスタービン１０にて吸収できる余剰回生電力量を図２に実線により示す如く増大させることができる。

図４は、図１に示す装置を作動させる要領を示すフローチャートである。制御が開始されると、ステップ（Ｓ）１０にて、バッテリ３２の充電状態SOCが満杯状態を示すSOCmaxに達していないか否かが判断される。SOCがSOCmaxに達し、答がNOになると、制御はステップ２０へ進み、ここでフラグNsocが１にセットされる。次いで、制御はステップ３０へ進み、ガスタービン１０に要求される電力PGが演算される。一方、SOCがSOCmaxに達しておらず、ステップ１０の答がYESであれば、制御はステップ４０へ進み、SOCがSOCmax−Δ以下であるか否かが判断される。Δはガスタービン１０を余剰回生電力吸収装置としてオンオフさせるに当たってのSOCで見たヒステリシスである。答がNOのときには、制御はステップ５０へ進み、フラグNsocが１であるか否かが判断される。制御がステップ１０にて一度NOに進んだときは、制御が後述のステップ１９０に至って０にリセットされるまでNsocは１であり、従って、制御がステップ１０にて一度NOに進み、ステップ３０以下のガスタービンを回生電力により駆動する制御が開始されたときには、バッテリ３２の充電状態がSOCmax−Δ以下に下がるまで制御はステップ５０よりステップ３０へ戻る。

ステップ６０に於いては、ガスタービン１０に求められている負の電力PGが-100%以下（絶対値で100%以上）であるか否かが判断される。答えがYESであれば、制御はステップ７０へ進み、給気排出弁CDP２０の開閉をハンチングさせないためのカウント値Ncdpが０にリセットされ、制御はステップ８０へ進み、給気排出弁CDP２０が開かれる。この場合、制御は給気排出弁CDP２０を開いた状態でステップ９０へ進み、バッテリ３２の充電状態SOCをSOCmaxに制限しつつ余剰回生電力に応じてガスタービン(GT)１０が電動発電機２８により駆動され、所要の負の値のPGが生成される。

ガスタービン１０に求められている負の電力PGが-100%以下でなく（絶対値で100%以下）、ステップ６０の答がNOであるときには、制御はステップ１００へ進み、タービン出口温度t1が所定の設定温度t1set以下であるか否かが判断される。答がNOであれば、制御はステップ７０へ進むが、答がYESであれば、制御はステップ１１０へ進み、熱交換器１８の出口の給気温度t2が所定の設定温度t2set以下であるか否かが判断される。答がNOであれば、制御はステップ７０へ進むが、答がYESであれば、制御はステップ１２０へ進み、カウント値Ncdpが制御開始時またはステップ７０にて0にリセットされた状態から始まって1だけカウントアップされる。ついで制御はステップ１３０へ進み、Ncdpが所定の設定値Nsetを越えたか否かが判断される。かかるフローチャートを巡る制御は数十ミリセカンドの周期にて繰り返されるので、Nsetの値を適当に定めておけば、ステップ１００および１１０の判定が落ち着いたところで、ステップ８０へ進むかステップ１４０へ進むかの判断を行うことができる。ステップ１３０の答がNOであれば、制御はステップ８０へ進むが、答がYESであれば、制御はステップ１４０へ進み、給気排出弁(CDP)２０が閉じられる。これは、タービン出口温度t1が高くなく且熱交換器１８の出口の給気温度t2が高くないときには、給気排出弁(CDP)２０より給気を逃がさなくてもガスタービン１０により電力吸収が可能であり、次のレンジエクステンディングのためにガスタービン１０の暖機度を保っておいた方がよいからである。尚、ステップ１４０へ進んだときには、カウント値NcdpはNset＋1に抑えられる。制御がステップ１４０を経てステップ９０へ進んだときには、給気排出弁CDP２０が閉じられた状態で、バッテリの充電状態SOCをSOCmaxに制限しつつ余剰回生電力に応じてガスタービン１０が電動発電機２８により駆動される。

ガスタービンを回生電力により駆動する制御が行われている間にバッテリ３２のSOCがSOCmax−Δ以下に下がったとき、またはガスタービン１０の電動駆動による余剰回生電力の吸収は行われていない状態（Nsoc＝０）にてバッテリ３２のSOCがSOCmax以下であるときには、制御はステップ１５０へ進み、給気排出弁CDP２０は閉じられ、或いは閉じられた状態に維持される。このときには、ステップ１６０にてフラグNsocが１であるか否かが判断される。制御がステップ２０を経てここに至っており、答がYESであるとき、即ち、それまでガスタービン１０の電動駆動による余剰回生電力の吸収が行われていたときには、制御はステップ１７０へ進み、時間Treが経過したか否かが判断され、時間Treが経過するまで制御はステップ１８０へ進み、ガスタービン１０(GT)が回転数Nrrにて電動駆動される。Nrrは、ガスタービン１０の軸受の浮動状態を維持するに必要な最低の回転数とされてよいが、特に給気排出弁(CDP)２０を備えた実施例では給気排出弁(CDP)２０はステップ１５０にて閉じられるので、熱交換器１８が暖機状態にあれば、ガスタービン１０の電動駆動による電力の吸収は図２にて一点鎖線により示されているように低く、Nrrはガスタービン１０の軸受の浮動状態を良好に維持するに十分な値とされてよい。時間Treが上記の猶予時間である。時間Treが経過すると、制御はステップ１９０へ進み、フラグNsocが０にリセットされる。尚、Treは車輌の運転に関与する制御装置に定められた時間であり、車輌の運転が停止されれば、車輌の運転に関与する制御装置の作動は停止するので、車輌の運転が停止されれば、Treの経過を待たずにガスタービン１０の電動駆動は停止される。猶予時間については、上り、下りが頻繁に発生するような山間での走行を想定した「山間モード」と、平地での走行を想定した「平地モード」とが用意され、ユーザによってそれらのモード間の切り替えが可能とされていてよい。「山間モード」での猶予時間は例えば３０分程度とされ、「平地モード」での猶予時間は例えば１０分程度とされてよい。

制御がステップ１９０を経てステップ２００に至ったとき、またはガスタービン１０の電動駆動が行われておらず、フラグNsocが０にリセットされていて、バッテリ３２のSOCがSOCmax以下であることにより制御がステップ１７０をバイパスしてステップ２００に至ったときには、レンジエクステンディングの要不要に応じてガスタービンGTは発電のために運転されるかまたは停止される。

今、車輌の走行に於ける高度変化が図５に例示する如く変化すると、バッテリ３２のSOCが当初図示のような比較的高い状態にあれば、時点T1にてSOC はSOCmaxとなり、ガスタービン１０による余剰回生電力の吸収が必要となる。時点T2にてSOC はSOCmax以下となり、ガスタービン１０による余剰回生電力の吸収は不要となるが、上記の実施例では、SOC がSOCmax-Δ以下に下がる時点T3にてガスタービン１０による回生電力の吸収が停止される。しかし、程なく時点T4にてSOC は再びSOCmaxとなり、ガスタービン１０による余剰回生電力の吸収が必要となる。このような場合に、上記の猶予時間Treが図示の如き値に設定されていると、時点T4にてガスタービン１０による余剰回生電力の吸収が必要となったとき、ガスタービン１０は軸受の浮動状態を維持した回転状態で余剰回生電力の吸収に復帰することができる。

以上に於いては本発明を一つの実施例について詳細に説明したが、かかる実施例について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

１０…ガスタービン、１２…圧縮機(C)、１４…タービン(T)、１６…燃料燃焼器(CC)、１８…熱交換器、２０…給気排出弁(CDP）、２２…走行制御用電子制御装置(ECU.D)、２４…ガスタービン制御用電子制御装置(ECU.G)、２６…燃料制御弁(FMV)、２８…電動発電機(M/G)、３０…インバータ／整流器(INV/R)、３２…バッテリ(B)、３４…電動発電機(M/G)、３６…インバータ／整流器(INV/R)

Claims

ガスタービンにより発電機を駆動する電動車輌用レンジエクステンダーを車輌の回生制動時にバッテリを充電する電力量を越えて発生した余剰回生電力を吸収する手段とする余剰回生電力吸収装置にして、前記余剰回生電力の吸収が実行されている状態から吸収の必要がなくなったとき、該ガスタービンは車輌の運転時間内にて所定の猶予時間だけ電動駆動されることを特徴とする余剰回生電力吸収装置。