JP2019108014A - 航続距離推定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電動車両の航続距離を簡易的に高精度で推定すること。【解決手段】VCU7は、バッテリ4の充電量情報を取得する充電量情報取得部10と、モータ2のモータ特性情報を記憶するモータ情報記憶部11と、電動車両1の負荷特性情報を記憶する負荷特性情報記憶部12と、経路情報を取得する経路情報取得部13と、交通情報を取得する交通情報取得部14と、走行パターンを推定する走行パターン推定部15と、加算標準偏差σSUMを算出する標準偏差算出部17と、走行パターンの加重平均車速VWを算出する加重平均算出部18と、負荷特性情報から走行負荷Lを推定する走行負荷推定部19と、モータ特性情報からモータ使用効率ηEOUを算出するモータ効率算出部20と、走行負荷L、充電量情報、及びモータ使用効率ηEOUに基づいて航続距離を推定する航続距離推定部21と、を含む。【選択図】図1
Description
本発明は、電動車両の航続距離を推定する装置に関する。
内燃機関により駆動される車両の燃費を推定する方法として、車両の走行時に必要となる燃料の出力使用量を走行抵抗要因ごとに算出する方法が知られている。例えば、特許文献1には、当該出力使用量に起因する因子としての転がり出力成分、空力出力成分、加速度出力成分、及び道路勾配に関する因子に基づいて燃費が推定できることが記載されている。
一般的に、車両の燃費又は電費を推定するシステムは、上記のように車両の走行抵抗として、空気抵抗、転がり抵抗、加速抵抗、及び勾配抵抗の4つに起因する走行負荷、すなわち走行に必要となるエネルギー量を推定している。
上記のように、車両の走行に必要となるエネルギー量の推定値は、様々な装置・システムに活用することができるため、その推定の精度を高めることが求められている。特に、充電ステーションの数がガソリンスタンドの数よりも少ない社会インフラの環境下では、バッテリ駆動のモータにより走行する電動車両にとって、走行負荷をより正確に予測して航続可能距離を高精度に推定し、ドライバーが適切な充電スケジュールや走行計画を事前に想定することが重要となる。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電動車両の航続距離を簡易的に高精度で推定することができる航続距離推定装置を提供することにある。
上記した目的を達成するために、本発明に係る航続距離推定装置は、バッテリの供給電力により駆動されるモータで走行する電動車両の航続距離を推定する航続距離推定装置であって、前記バッテリの充電量情報を取得する充電量情報取得部と、前記モータのモータ特性情報を記憶するモータ情報記憶部と、前記電動車両の負荷特性情報を記憶する負荷特性情報記憶部と、前記電動車両が走行する走行経路の経路情報を取得する経路情報取得部と、前記走行経路の交通情報を取得する交通情報取得部と、前記経路情報及び前記交通情報に基づき、前記走行経路における走行パターンを推定する走行パターン推定部と、前記走行経路の勾配の標準偏差と前記走行パターンの加速度の標準偏差とを加算した加算標準偏差を算出する標準偏差算出部と、前記走行パターンの加重平均車速を算出する加重平均算出部と、前記負荷特性情報から前記加算標準偏差と前記加重平均車速とに基づいて前記走行パターンにおける走行負荷を推定する走行負荷推定部と、前記モータ特性情報から前記走行パターンと前記加算標準偏差とに基づいて前記モータの使用効率を算出するモータ効率算出部と、前記走行負荷、前記充電量情報、及び前記使用効率に基づいて航続距離を推定する航続距離推定部と、を含む航続距離推定装置である。
航続距離推定装置は、走行経路の経路情報と交通情報に基づき走行パターンを推定し、電動車両が当該走行パターンで走行する場合に生じる走行負荷とモータの使用効率とにより、走行距離あたりの消費エネルギー量を算出することができる。また、航続距離推定装置は、走行距離あたりの消費エネルギー量とバッテリの充電量情報に基づいて、走行可能な航続距離を推定する。
このとき、航続距離推定装置は、走行負荷の算出においては、電動車両の負荷特性情報を考慮すると共に、このうちの空気抵抗に対する推定精度の向上のため、走行条件の1つとして加重平均車速を算出している。さらに、航続距離推定装置は、走行経路を走行する場合の上記の消費エネルギー量の算出において、走行経路及び走行パターンに対応したモータ使用効率を算出することにより、モータ特性に係るエネルギー損失の影響を補正している。これにより、本発明に係る航続距離推定装置によれば、電動車両の航続距離を簡易的に高精度で推定することができる。
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施の形態の説明に用いる図面は、いずれも構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、または省略などを行っており、構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。
図1は、本発明に係る航続距離推定装置を搭載した電動車両1のブロック図である。電動車両1は、モータ2、インバータ3、バッテリ4、ナビゲーション装置5、通信装置6、及びVCU7を備える。また、電動車両1は、モータ2がインバータ3を介してバッテリ4の供給電力により駆動されることにより走行する電気自動車(EV)である。尚、電動車両1は、この他にも車輪や運転機構など一般的な車両が備える構成要素を備えているが、本実施形態の説明においては図示を含めその説明を省略している。
ナビゲーション装置5は、公知のカーナビゲーションシステムであり、内部の記憶領域に記憶されている地図データ、及びアンテナを介して受信されるGPS情報等に基づき、電動車両1の走行中に地図上の自車位置を特定する。また、ナビゲーション装置5は、例えば電動車両1のドライバーにより目的地が入力される他、ディスプレイにより走行経路を表示する情報の入出力インターフェースである。本実施形態においては、ナビゲーション装置5は、後述するようにVCU7の処理結果をドライバーに提示する処理結果提示手段としても機能する。
通信装置6は、路側に適宜設置されている路側通信システム、又はアンテナを介してデータセンタとの間で通信を行い、詳細を後述するように、VCU7における航続距離推定に必要な各種外部情報を電動車両1の外部から取得する。このとき、通信装置6は、電動車両1の運行スケジュールを外部のサーバ等から受信してもよい。
VCU7は、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置(ROM、RAMなど)、中央処理装置(CPU)、タイマカウンタなどを備え、電動車両1の全体を統合制御する電子制御ユニット(Electronic Control Unit)である。また、VCU7は、インバータ3の動作を制御することによりモータ2の回転数Neを制御し、これにより電動車両1の車速を制御する。そして、VCU7は、本発明における航続距離推定装置であり、詳細を後述するように、バッテリ4の充電量に対して航続可能な航続距離を推定する。
VCU7は、充電量情報取得部10、モータ情報記憶部11、負荷特性情報記憶部12、経路情報取得部13、交通情報取得部14、走行パターン推定部15、加速抵抗換算部16、標準偏差算出部17、加重平均算出部18、走行負荷推定部19、モータ効率算出部20、及び航続距離推定部21を含む。
充電量情報取得部10は、VCU7の起動中において、バッテリ4の充電状態(SOC:State Of Charge)としての充電量情報を継続的に取得する。
モータ情報記憶部11は、電動車両1が備えるモータ2のモータ特性情報を記憶する。ここで、モータ特性情報は、回転数とトルクとの組み合わせに対するモータ効率を示し、モータ2に固有の特性として予めモータ情報記憶部11に記憶されている。
負荷特性情報記憶部12は、詳細を後述するように、電動車両1の走行時に掛かる走行負荷、すなわち走行エネルギーを走行条件ごとに予め二次元データ配列として纏めた負荷特性情報を記憶する。ここで、負荷特性情報は、走行負荷についての電動車両1に固有の特性として予め負荷特性情報記憶部12に記憶されている。
経路情報取得部13は、航続距離を推定する制御を実行するタイミングで、電動車両1が走行する走行経路の経路情報を通信装置6を介して取得する。ここで、経路情報とは、例えば、電動車両1が走行を予定している走行経路において、現在地から目的地までの道のりに沿った路面勾配、すなわち勾配プロファイルである。
交通情報取得部14は、航続距離の推定を行うタイミングで、電動車両1が走行する走行経路の交通情報を通信装置6を介して取得する。ここで、交通情報とは、例えば、走行経路における渋滞情報、工事情報、事故情報、及び交差点や信号の有無など車両の走行速度に影響する走行条件を表す。
走行パターン推定部15は、経路情報取得部13が取得した経路情報、及び交通情報取得部14が取得した交通情報に基づいて、電動車両1が走行経路を走行する場合の走行地点ごとの車速、すなわち車速プロファイルを走行パターンとして推定する。尚、走行パターン推定部15は、車速プロファイルの推定において、例えば、電動車両1のドライバーによる現在位置までの運転パターンを考慮してもよく、現在位置から目的地までの走行経路を過去に走行したときの走行パターンが記憶されている場合には、当該過去の走行パターンを考慮してもよい。
加速抵抗換算部16は、走行パターン推定部15が推定した車速プロファイルを、エネルギー保存則に基づいて、走行パターンで走行した場合の走行エネルギー量が等価な仮想の勾配プロファイルに変換する。
標準偏差算出部17は、経路情報取得部13が取得した経路情報の勾配と、車速プロファイルを微分した加速度プロファイルからエネルギー的に等価な仮想の勾配プロファイルとを加算した加算勾配プロファイルから加算標準偏差を算出する。
加重平均算出部18は、走行パターン推定部15が推定した車速プロファイルの平均車速を求める場合に、走行する車速ごとの区間の距離によって重み付けされる加重平均車速を算出する。
走行負荷推定部19は、負荷特性情報記憶部12が記憶している負荷特性情報から、上記の加算標準偏差と加重平均車速とに基づいて、電動車両1が走行経路を走行する場合に生じる走行負荷を推定する。
モータ効率算出部20は、モータ情報記憶部11が記憶するモータ特性情報から、車速プロファイル、及び標準偏差算出部17が算出した加算標準偏差に基づいて、電動車両1が走行経路を走行するときのモータ2の使用効率を算出する。
航続距離推定部21は、走行負荷推定部19が推定した走行負荷とモータ効率算出部20が算出したモータ2の使用効率に基づき、電動車両1が走行経路を走行した場合の単位距離当たりの走行エネルギーを算出する。そして、航続距離推定部21は、充電量情報取得部10が取得する充電量情報と当該走行エネルギーとに基づいて、航続可能な距離を推定する。
次に、VCU7が実行する航続距離推定の動作について説明する、図2は、本発明に係る航続距離推定の処理手順を表すフローチャートである。VCU7は、電動車両1の走行中又は停車中における任意のタイミングで当該処理手順をスタートして航続距離を推定することができる。
航続距離推定がスタートすると、VCU7は、現在地及び目的地を確認すると共に、その走行経路を設定する(ステップS1)。ここで、現在地については、上記したようにナビゲーション装置5がGPSにより自車位置を特定することができる。また、目的地については、ドライバーによりナビゲーション装置5に入力された情報であってもよく、通信装置6により電動車両1の運行スケジュールを受信している場合にはその情報を用いてもよい。
電動車両1の走行経路が設定されると、経路情報取得部13は、設定された走行経路の経路情報として勾配プロファイルを通信装置6を介して取得する(ステップS2)。
交通情報取得部14は、設定された走行経路の交通情報を通信装置6を介して取得する(ステップS3)。
走行パターン推定部15は、設定された走行経路を電動車両1が走行するとした場合に、取得された交通情報の条件の下で予測される車速プロファイルを走行パターンとして推定する(ステップS4)。
図3は、車速プロファイルの一例を部分的に示す説明図である。図3において、横軸は、電動車両1の現在値P(0)から目的地P(D)までの走行地点P(x)を表し、縦軸は、それぞれの走行地点P(x)における電動車両1の車速V(x)を表す。走行パターン推定部15は、現在値P(0)から目的地P(D)までの走行経路において一定の時間間隔で走行地点P(x)とその時の車速V(x)を予測することにより図3のような車速プロファイルを推定することができる。
加速抵抗換算部16は、速度プロファイルに従った走行の加減速において生じる加速抵抗を評価するに際し、当該加速抵抗とエネルギー的に等価な勾配抵抗をもつ仮想の勾配プロファイルに換算する(ステップS5)。これにより、加速抵抗換算部16は、電動車両1が仮想の勾配プロファイルの走行経路を等速で走行するものとして扱うことで、勾配抵抗を評価するための真の勾配プロファイルと、加速抵抗を評価するための仮想の勾配プロファイルとを一元的に扱うことができる。
より具体的には、加速抵抗換算部16は、推定された速度プロファイルの微分により得られる加速度プロファイルを算出し、位置エネルギーと運動エネルギーとの和が一定であるとする下記の式(1)のエネルギー保存則に基づき、速度Vの変化(すなわち加速度)を路面標高hの変化(すなわち路面勾配)に換算する。ここで、Mは電動車両1の車両重量、gは重力加速度とする。
Mgh+1/2・MV2=const …(1)
Mgh+1/2・MV2=const …(1)
標準偏差算出部17は、経路情報取得部13で取得された走行経路の勾配プロファイルと、上記の仮想の勾配プロファイルを加算した,加算勾配プロファイルを算出する。そして、標準偏差算出部17は、加算勾配プロファイルを基に加算標準偏差σSUMを算出する(ステップS6)。
また、加重平均算出部18は、走行パターン推定部15が推定した車速プロファイルの平均車速を求める場合に、車速Vで走行する区間の距離によって重み付けされる加重平均車速VWを算出する(ステップS7)。より具体的には、加重平均車速VWは、図3に示すように走行地点P(x)における車速V(x)と、次に記録を行う走行地点P(x+1)における車速V(x+1)との平均車速Vm(x)に対し、走行地点P(x)から走行地点P(x+1)までの区間d(x)を重み付ける二乗平均平方根として、下記の式(2)のように算出することができる。尚、式(2)の平方根内の分母は、現在地P(0)から目的地P(D)までの距離である。
標準偏差算出部17により加算標準偏差σSUMが算出され、加重平均算出部18により加重平均車速VWが算出されると、走行負荷推定部19は、負荷特性情報記憶部12に記憶された負荷特性情報から、加算標準偏差σSUM及び加重平均車速VWの走行条件に対応する走行負荷を読み出すことにより、電動車両1が走行経路を走行する場合に生じる走行負荷Lを推定する(ステップS8)。
図4は、電動車両1の負荷特性情報を模式的に示す等高線図である。より詳しくは、図4は、横軸に示す標準偏差と縦軸に示す車速とにより走行条件を表し、電動車両1が各走行条件で100km走行した場合に掛かる走行負荷L[kWh/100km]の大きさを表している。すなわち、負荷特性情報は、電動車両1に固有の走行負荷特性を反映しているため、予め作成・記憶しておくことができる他、様々な走行条件に対して走行負荷Lを読み出すことができる。
より詳しくは、図4に示す負荷特性情報は、電動車両1の走行に伴う走行抵抗のうち、勾配抵抗及び加速抵抗による走行条件の違いを横軸において表現している。例えば、勾配の場合には標準偏差が大きい程、起伏が激しい走行経路を走行することを意味し、電動車両1に生じる勾配抵抗が増大する。また、加速度の場合には標準偏差が大きい程、走行時にgo/stopを頻繁に繰り返すなど加減速が激しいことを意味し、電動車両1に生じる加速抵抗が増大する。そして、負荷特性情報においては、勾配抵抗及び加速抵抗による負荷を纏めて加算標準偏差σSUMで表すことができる。
また、図4に示す負荷特性情報は、電動車両1の走行に伴う走行抵抗のうち、空気抵抗による走行条件の違いを縦軸において表現している。ここで、空気抵抗は、電動車両1の車速Vの二乗に比例して増大するため、走行負荷推定部19が負荷特性情報から走行負荷を読み出すときに、車速プロファイルにおける車速の算術平均ではなく、上記した加重平均車速VWが適用される。これにより、走行負荷推定部19は、車速Vの二乗に比例する空気抵抗を過小評価することなく、空気抵抗による走行負荷を精度よく推定することができる。
さらに、電動車両1の走行に伴う走行抵抗のうち、転がり抵抗については、電動車両1の車両重量Mに比例し、加算標準偏差σSUM及び加重平均車速VWに影響されないため、本実施形態においては負荷特性情報の各走行条件に対して一様な負荷成分として走行負荷Lに含まれている。尚、転がり抵抗は、予め負荷特性情報には含めず、走行負荷Lを推定するタイミングで別途算出して加算してもよく、この場合には、電動車両1の積載物による車両重量の増加を加味して走行負荷Lを推定できるため、走行負荷Lの推定精度がより向上する。
そして、例えば、算出された加算標準偏差σSUMの値がσm、加重平均車速VWの値がvmであった場合、図4においては、走行距離100km当りの電動車両1の走行負荷Lは、100kWhであると推定されることになる。
ステップS8において走行負荷Lが推定されると、モータ効率算出部20は、電動車両1が走行パターンに従って走行経路を走行した場合のモータ2の使用効率を算出する(ステップS9)。
図5は、モータ特性情報の概略を示す等高線図である。より詳しくは、図5は、電動車両1が備えるモータ2に固有の特性として、横軸で示す回転数Neと縦軸で示すトルクTとの組み合わせに対するモータ効率ηを表している。
ここで、モータ2の回転数Neは、電動車両1の車速Vに相関する。このため、モータ効率算出部20は、電動車両1が走行経路を走行するときの車速プロファイルによって、使用頻度の高い回転数領域(N1≦Ne≦N2)を特定することができる。また、モータ2のトルクTは、勾配抵抗や加速抵抗の発生に伴い上昇するため、勾配プロファイル及び加速度プロファイルと相関する。このため、モータ効率算出部20は、電動車両1が走行経路を走行するときの勾配プロファイル及び加速度プロファイルによって、使用頻度の高いトルク領域(T1≦T≦T2)を特定することができる。尚、加算標準偏差σSUMの値が大きい程、T1とT2との幅が広がることになる。
これにより、モータ効率算出部20は、モータ特性情報における上記の回転数領域及びトルク領域で定められる使用範囲Rにおけるモータ効率の平均値を、走行パターンに対するモータ使用効率ηEOUとして算出する。
そして、航続距離推定部21は、走行負荷推定部19が推定した走行負荷Lと、モータ使用効率ηEOUとにより、電動車両1が走行経路を走行する場合の走行距離100km当りの消費エネルギー量EをE=L/ηEOUとして算出する(ステップS10)。また、航続距離推定部21は、当該消費エネルギー量Eと、充電量情報取得部10が取得するバッテリ4の充電量情報に基づき、充電残量に対して走行可能な航続距離を推定する(ステップS11)。
さらに、VCU7は、推定された航続距離をナビゲーション装置5を介してドライバーに通知して航続距離推定を終了する(ステップS12)。これにより、電動車両1のドライバーは、走行中の充電残量で目的地まで走行することができるか、及び充電の要否を判断することができる。
以上のように、本発明に係る航続距離推定装置によれば、走行経路の経路情報と交通情報に基づき走行パターンを推定し、電動車両1が当該走行パターンで走行する場合に生じる走行負荷Lと、モータの使用効率ηEOUとを考慮した走行距離あたりの消費エネルギー量Eを算出する。また、航続距離推定装置は、走行距離あたりの消費エネルギー量Eとバッテリの充電量情報に基づいて、走行可能な航続距離を推定する。このとき、走行負荷の算出においては、各種走行抵抗によるそれぞれの抵抗成分を考慮すると共に、このうちの空気抵抗については加重平均車速VWに基づいて精度の高い推定を行うことができる。さらに、航続距離推定装置は、走行経路を走行する場合の消費エネルギー量Eの算出において、走行経路及び走行パターンに対応したモータ使用効率ηEOUにより、モータ特性に係るエネルギー損失の影響を補正している。以上のことから、本発明に係る航続距離推定装置によれば、電動車両の航続距離を高精度で推定することができる。
そして、本発明に係る航続距離推定装置によれば、航続距離の簡易的に高精度な推定によりバッテリ4の充電状態を正確に把握できるため、電動車両1の効率的な運行スケジュールを設定することができる。また、本発明に係る航続距離推定装置によれば、バッテリ4の無駄な充電を抑制することができるため、バッテリ4を繰り返し充放電することに伴う劣化を抑制することもできる。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の実施形態では、消費エネルギー量Eの算出において、モータ2のモータ使用効率ηEOUにより補正しているが、これに加えてインバータ3やバッテリ4等の他のコンポーネントの効率により補正することで、航続距離をより高精度で推定することができる。
また、上記の実施形態では推定した航続距離をドライバーに通知しているが、電動車両1の走行中における現在の走行状態が、負荷特性情報及びモータ特性情報においてどの状態に相当するかをVCU7が計算することもできるため、例えば、より電費効率が高くなるような運転操作をドライバーにアドバイスすることができる。より具体的には、例えば、モータ2の回転数領域及びトルク領域の使用範囲が図5における使用範囲Rであった場合には、回転数Neを上げるような走行パターンにすることでモータ使用効率を向上させることができる。
1 電動車両
2 モータ
4 バッテリ
7 VCU
10 充電量情報取得部
11 モータ情報記憶部
12 負荷特性情報記憶部
13 経路情報取得部
14 交通情報取得部
15 走行パターン推定部
17 標準偏差算出部
18 加重平均算出部
19 走行負荷推定部
20 モータ効率算出部
21 航続距離推定部
2 モータ
4 バッテリ
7 VCU
10 充電量情報取得部
11 モータ情報記憶部
12 負荷特性情報記憶部
13 経路情報取得部
14 交通情報取得部
15 走行パターン推定部
17 標準偏差算出部
18 加重平均算出部
19 走行負荷推定部
20 モータ効率算出部
21 航続距離推定部
Claims (1)
- バッテリの供給電力により駆動されるモータで走行する電動車両の航続距離を推定する航続距離推定装置であって、
前記バッテリの充電量情報を取得する充電量情報取得部と、
前記モータのモータ特性情報を記憶するモータ情報記憶部と、
前記電動車両の負荷特性情報を記憶する負荷特性情報記憶部と、
前記電動車両が走行する走行経路の経路情報を取得する経路情報取得部と、
前記走行経路の交通情報を取得する交通情報取得部と、
前記経路情報及び前記交通情報に基づき、前記走行経路における走行パターンを推定する走行パターン推定部と、
前記走行経路の勾配の標準偏差と前記走行パターンの加速度の標準偏差とを加算した加算標準偏差を算出する標準偏差算出部と、
前記走行パターンの加重平均車速を算出する加重平均算出部と、
前記負荷特性情報から前記加算標準偏差と前記加重平均車速とに基づいて前記走行パターンにおける走行負荷を推定する走行負荷推定部と、
前記モータ特性情報から前記走行パターンと前記加算標準偏差とに基づいて前記モータの使用効率を算出するモータ効率算出部と、
前記走行負荷、前記充電量情報、及び前記使用効率に基づいて航続距離を推定する航続距離推定部と、を含む航続距離推定装置。
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DE102023113530A1 (de) | 2022-05-25 | 2023-11-30 | Denso Corporation | Energieschätzgerät |
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