JP5325120B2 - ハイブリッド車両のエネルギ管理方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン及びモータのいずれか一方又は両方により車両のトランスミッションを駆動させる、内燃エンジンと電気モータとを兼備したゴミ収集トラックなどの車両に関する。

ハイブリッド車両では一般的に、化学的エネルギ及び電気的エネルギの２タイプの蓄積エネルギを使用する。ハイブリッド車両の内燃エンジン（ＩＣＥ）では、燃焼室において化学エネルギが機械エネルギに変換される。ハイブリッド車両の電気モータでは、蓄積された電気エネルギが機械エネルギに変換される。

電気モータがＩＣＥを補助する、即ちＩＣＥを援助するために電気モータから駆動トルクが供給されるハイブリッド車両もある。かかるハイブリッド車両は、「並列式ハイブリッド車両」と称されることがある。また、電気モータにより駆動され、バッテリ又は他の電気エネルギ蓄積装置を充電するための発電機がＩＣＥを用いて駆動されるハイブリッド車両もある。かかるハイブリッド車両は、「直列式ハイブリッド車両」と称されることがある。

並列式ハイブリッド車両は通常、ＩＣＥ、電気モータ及びトランスミッション、駆動軸、車軸キャリヤ、車軸及び車輪を有する。これらは全て直列に配置され、トルクがＩＣＥ及びモータから車輪に伝達するようになっている。かかるハイブリッド車両は、エンジンのみによっても、モータのみによっても、エンジン及びモータを協働させることによっても動作可能である。電気モータをかかる車両の減速中に発電機として作動させ、これにより車両の運動エネルギの一部を回収するようにしてもよい。

例えばＴａｍａｇａｗａによる特許文献１に記載の一般的なハイブリッド車両では、ＩＣＥが平均的な出力要求量に適合する大きさに、電気モータが最大出力要求量に適合する大きさになっている。勿論、かかる構造は、全ての車両用途に最適ではなく、特に始動や停止が頻繁に行われる配達用途や収集用途には最適でない。このような用途においては、加速中の消費エネルギ及び減速中の回生エネルギを綿密に管理することが、車両効率の最適化に必要である。

Ｉｂａｒａｋｉによる特許文献２に、電気モータを発電機及び車両制動装置として使用するハイブリッド車両が開示されている。バッテリの充電状態を制御するために、回収エネルギが管理される。減速回生時、モータ／発電機の再生出力が最大になる最適回転速度が判定され、モータ／発電機の回転速度が算出された最適速度となるように、車両の変速ギヤ比が制御される。

Yano他による特許文献３には、エンジンの減速中に捕捉可能な、バッテリアレイの再充電制御に使用できる回生エネルギ量の算出方法が開示されている。この文献に開示の技術によると、
エンジン吸気弁を開くことでエンジン減速トルクを低減することにより、車両の減速から多くのエネルギを捕捉できるようになる。

Wakashiro他による特許文献４には、ハイブリッド車両用の制御装置が開示されている。この装置により、蓄積ユニット、特にキャパシタの放電深度を監視して、放電深度が閾値を上回った場合に回生制動力又はエンジン出力を用いてキャパシタを再充電することができる。

Tamai他による特許文献５には、ハイブリッド車両のバッテリの充電状態を監視し、ギヤ比を選択することにより、モータ／発電機において所望レベルの回生制動エネルギを発生させる方法が開示されている。

Vickersによる特許文献６には、ハイブリッド車両においてエンジンを調整する装置が開示されている。回路が車両から所定の目的地までの距離を算出して、蓄電セル内のエネルギ量を感知する。この回路では、目的地までの距離とエネルギ量の関数に基づいてエンジンが調整され、低充電状態で目的地に到着するか、電気出力により車両を充電するか、或いは、再充電時にエンジンを使用するか又は制動回生を使用するかを、車両の運転者が選択するようになっている。

Buschhausらによる特許文献８には、自動車用ハイブリッドパワートレインが開示されている。電気出力により車両を発進させている間、内燃エンジンが再始動し、電気モータ／発電機ユニットから漸次、推進力創出タスクが内燃エンジンに移行する。

米国特許第５，９８４，０３３号明細書 米国特許第５，９４２，８７９号明細書 米国特許第５，８７５，８６４号明細書 米国特許第６，５２３，６２６号明細書 米国特許第６，９４５，９０５号明細書 米国特許出願公開第２００４／０２０４７９７号明細書 国際公開第０８／１０３１７４号パンフレット 米国特許第５，７１３，４２５号明細書

ハイブリッド車両のエネルギ管理に対する上記及びその他の従来のアプローチには、配達用や収集用等、様々な車両用途において依然として欠点がある。

本発明の一実施形態において、電気モータ／発電機、ＩＣＥ及び電気エネルギ蓄積装置を搭載した並列式ハイブリッド車両を動作させる方法を開示する。本方法は、車両を停止状態又はほぼ停止状態から電気モータ／発電機のみを用いて加速させるステップと、ブレンドイン（ｂｌｅｎｄ−ｉｎ）速度を判定するステップと、車速がブレンドイン速度を上回る場合に電気モータ／発電機及びＩＣＥの両方で車両を所定の最高速度まで更に加速させるステップと、車両を停止状態又はほぼ停止状態まで減速させるステップと、車両の減速により電気エネルギを回生させるステップと、回生された電気エネルギを電気エネルギ蓄積装置に蓄積するステップとを含む。蓄積される電気エネルギ量は、車両の加速中に電気エネルギ蓄積装置から放出される電気エネルギ量とほぼ同じである。

本発明の他の実施形態において、電気モータ／発電機、ＩＣＥ、電気エネルギ蓄積装置、及び少なくとも１つの制御装置を有する並列式ハイブリッド車両を開示する。制御装置は、車両が停止状態又はほぼ停止状態から電気モータ／発電機のみを用いて加速し、電気モータ／発電機及びＩＣＥを用いてブレンドイン速度から最高速度まで加速し、その後、最高速度から停止状態又はほぼ停止状態まで減速するように、電気モータ／発電機及びＩＣＥを制御するよう構成されている。車両の減速中、車両の加速中に電気エネルギ蓄積装置から放出される電気エネルギ量とほぼ同量の電気エネルギが回生され、電気エネルギ蓄積装置に蓄積される。

本発明の目的、特徴及び利点は、図面と対応する以下の説明により理解されよう。

並列式ハイブリッド車両のブロック図である。 本発明に係る例示的なエネルギ管理方法のフローチャートである。 本発明に係る、収集／配達用途の負荷サイクルを、速度対充電状態の関係を用いて示すグラフである。

図１は、ＩＣＥ１０２、電気モータ／発電機１０４及びトランスミッション、駆動軸、車軸キャリヤ、車軸及び車輪１０６を備える典型的な並列式ハイブリッド車両１００のブロック図である。上記のように、構成要素１０２、１０４、１０６は直列に配置されており、これによりトルクがＩＣＥ及びモータからトランスミッション及び車輪に伝達される。また図１は、例えば燃料タンク等のＩＣＥ１０２用化学エネルギ蓄積装置１０８、例えば充電式バッテリ、キャパシタ、磁気又は誘導媒体、燃料電池、フライホイール、或いは、圧縮空気又は他の流体蓄積装置等の、モータ／発電機１０４用電気エネルギ蓄積装置１１０も示す。

ＩＣＥ１０２及びモータ／発電機１０４の動作はそれぞれ、適宜のプログラム可能な電子制御ユニット１１２、１１４によって制御されており、この電子制御ユニット１１２、１１４は、ＩＣＥ１０２及びモータ／発電機１０４の動作時に協働する。制御ユニット１１４はまた、図示のように、電気エネルギ蓄積装置１１０の動作を制御し、これにより蓄積装置１１０がモータ／発電機へのエネルギの送り出し及びモータ／発電機１０４からのエネルギの受け取りを適宜行う。より詳細に後述する目的により、制御装置１１４は、電気エネルギ蓄積装置１１０の充電状態の測定を行ったり、測定値を受け取ったりする。モータ／発電機１０４が創出するエネルギは、トランスミッション等１０６の運動エネルギによるものである。制御装置１１２、１１４は、図示においては別個の装置であるが、制御装置により実行される機能には多様な配置が可能であるので、図示の配置が必須ではないことは理解されよう。

図１に示す配置は、配達／収集用途、例えば郵便配達やゴミ収集を含む多くの用途に適用可能である。配達／収集用途の車両の負荷サイクルは一般的に、車両を停止状態又はほぼ停止状態から発進させること、例えば１２マイル毎時（ｍｐｈ）等の所定速度まで加速させること、及びそれから直ぐに、又はほぼ直ぐに停止状態又はほぼ停止状態まで減速させることを含む。例えば、一般的なゴミ収集トラックでは、ディーゼルエンジンを用いて、化学エネルギを機械エネルギに変換し、推進力を得ている。従来のゴミ収集トラックでは、機械エネルギが機械摩擦ブレーキで熱として消散するが、ハイブリッド式のゴミ収集トラックでは、機械エネルギが完全に消散するのではなく、電気エネルギが創出又は回生され、蓄積される。

本発明は、配達／収集用途のハイブリッド車両に、車両負荷サイクルに考えられる最も効率的なエネルギ使用を可能にするエネルギ管理ストラテジーを適用することで、利点を付与できるという概念に基づく。従って、特許文献２に記載のようなシステムとは逆に、車両の加速中にモータで使用するエネルギ量を、減速中に発電機から十分回収されると予測される分だけにすることが有利である。かかるエネルギ管理ストラテジーは、制御装置１１２、１１４の１つ又は複数をプログラミングすることによって容易に実行可能である。

プログラミングに従って、制御装置（複数可）は、図２のフローチャートに示すような方法のステップを実行する。ここでは、車両１００は電気的に、即ちＩＣＥ１０２の補助なく発進し、次にＩＣＥが「ブレンドイン（ｂｌｅｎｄ−ｉｎ）」される、即ち車両は、電気モータ１０４及びそのＩＣＥ１０２の両方によって、加速中に消費する電気エネルギが減速中に回生されると判定された速度において、推進される。

本方法は従って、電気モータを用いて車両を停止状態又はほぼ停止状態から加速させること（ステップ２０２）に始まる。より詳細に後述するようにブレンドイン速度を算出して（ステップ２０４）、車両が加速してブレンドイン速度を上回っている場合（ステップ２０６でＹｅｓ）、車両のＩＣＥが動作し、車両が電気モータ及びＩＣＥの両方により推進される（ステップ２０８）。車両が加速せずにブレンドイン速度を下回る場合（ステップ２０６でＮｏ）、車両は電気モータによって推進される。車両はその後減速し、停止状態又はほぼ停止状態になり（ステップ２１０）、電気モータを発電機として動作させることによって車両の運動エネルギの一部が回収されて、電気エネルギが車両の電気エネルギ蓄積装置内に蓄積される（ステップ２１２）。この方法は、車両の始動から停止までの（略して「始動−停止」と記載する）サイクル毎に繰り返される。

推進時にモータ及びＩＣＥが使用するエネルギの回生は、モータ／発電機の状態をモータステートから発電機ステートに切り替える従来の方法によって可能である。かかる状態の切り替えは、制御装置１１４を既知のように動作させることによって容易に可能である。上述のように、モータ／発電機が生じる電気エネルギにより、車両を低速化する制動トルクが車輪に付与され、車両を低速化するために運転者が必要とする任意の追加制動トルクは、車両の常用ブレーキから付与される。ハイブリッド車両の利点の１つは、回生プロセスによって、常用ブレーキで消散するエネルギ量を減少し、保全間隔が短くなることである。

図３は、車速（右側の縦軸）対時間（水平軸）の関係で示す電気エネルギ蓄積システム（ＥＳＳ）１１０の充電状態（左側の縦軸）のグラフである。充電状態はキロワット時（ｋＷｈ）単位、速度はｍｐｈ単位、時間は秒単位でそれぞれ示されている。

図３は、配達／収集用途において典型的な速度対時間曲線３０２である。速度は、ゼロ時点におけるゼロ又はほぼゼロｍｐｈから、７．３秒時点における約１２ｍｐｈの最高値まで直線的に増加した後、１１秒時点においてゼロ又はほぼゼロｍｐｈまで直線的に減少し、少なくとも１４秒時点までゼロｍｐｈのままである。最高値１２ｍｐｈは単なる一例であって、実際の最高速度は、次の配達／収集点までの距離、ギヤ比等の様々なファクタによって定まることは理解されよう。また、ここでは、車両がその最低ギヤの停止状態から始動すると仮定しているが、必ずしもその必要はない。例えば移載／荷下ろし場所への移動時等、上記の最高速度を上回る高速において、ＩＣＥのみによって車両に動力が供給されても良い。

図３はまた、本発明に係る改良型エネルギ管理方法の結果に基づく充電状態対時間曲線３０４を示す。蓄積されたエネルギは、ゼロ時点における任意値ゼロｋＷｈから、電気モータによる車両加速により３．５秒時点で約−０．００４ｋＷｈまで減少する。３．５秒時点での曲線３０４の曲がり点（ア）は、車両トランスミッションにおけるギヤシフトを示しており、ＩＣＥをブレンドインさせて車両を最高速度まで加速し続けるために有利な時点である。図３では、ＩＣＥの追加によりＥＳＳからのエネルギ放出率が減少し、７．３秒時点で車両速度が最高になる時に約０．０７ｋＷｈの最大放出量に達することが示されている。車両が最高速度からゼロまで減速する間、電気エネルギが回生されてＥＳＳ内に約０．０７ｋＷｈ蓄積され、ＥＳＳを１１秒時点で任意のゼロ充電状態に戻す。上述のようにＩＣＥは、加速中に消費する電気エネルギが減速中に回生されると判定された速度Ｖｂ（ブレンドイン速度）において、ブレンドインされる。

減速中に回生されて蓄積され得るエネルギ量を、例えば車両のエネルギ使用の目安として電気エネルギ蓄積装置の充電状態に基づき、適宜プログラムされた制御装置によって容易に算出することができる。エネルギ蓄積装置は、高エネルギ密度キャパシタである１つ又は複数のウルトラキャパシタであって良い。電圧は充電状態に比例しているので、制御装置によって、ウルトラキャパシタの電圧を測定し、この電圧に基づいて充電状態を判定することができる。ウルトラキャパシタは、例えば米国カリフォルニア州、サンディエゴのＭａｘｗｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．及び米国ロードアイランド州、イーストプロバンスのＥｖａｎ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｃｏ．をはじめ、多数の製造業者により市販されている。

ブレンドイン速度（Ｖｂ）の判定は、車両の運動エネルギの算出に基づいて可能である。ハイブリッド車両には、１つ又は複数の加速度計と、車輪速度を監視する装置とを搭載することができ、米国オハイオ州クリーブランドのＥａｔｏｎ Ｃｏｒｐ．及び米国ジョージア州ゲーンズビルのＺＦ ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｉｎｃ．から市販されているようなトランスミッションには多くの場合、エンジントルクを監視する装置が備わっている。制御装置によって、トルク及び加速度計測定値に基づいて車両質量を判定することができ、例えば全重量が６６，０００ポンドであって良い。

エネルギ蓄積装置は一般的に、所定の最大速度でエネルギを受け取り、通常の充電状態値に至る。例えば或るバッテリは、１０ワット／時以下の最大速度でのみ充電される。これにより、一部のハイブリッド車両構造において、減速中にＥＳＳに回収可能なエネルギ量が制限され、その結果、判定されるブレンドイン速度に影響が及ぶ可能性がある。エネルギ蓄積システムを重視した構造は確かに有用であるが、本発明では、電気モータ／発電機を重視する方がより有利であると考える。本発明は、全ての動作状態において十分な動力を提供し得るＩＣＥと、エネルギ回収及び発進補助に用いる電気モータ／発電機とを備えるハイブリッド車両において有用である。ハイブリッド車両は多くの場合、かかる構成を有していない。

ハイブリッド車両は典型的に、平均的な必要動力を創出するエンジンと、追加的に必要な過渡動力を創出するモータとを備える。このため、一般的なエネルギ蓄積ストラテジーでは、目標とするシステムの充電状態を通常値に維持しようとする。通常の充電状態を目標とすることにより、エネルギ蓄積システムは、所要量の過渡動力を創出するために利用するエネルギと、長時間の制動からエネルギを受け取ることができるだけの容量とを有する。エンジンでは、発電機によって電気エネルギに変換するために、化学エネルギを機械エネルギに変換し、これ用いて充電状態を目標値まで増加させる。エネルギ変換プロセスは本来、非効率的であり、エネルギ変換の度にエネルギが失われてしまう。本発明を適用した車両では、このような損失を最小限に抑えることができる。

車両の空気コンプレッサ、パワーステアリングシステムなどの電動補助機器が必要とするエネルギ量が、一般的な配達／収集サイクルでの車両の減速中に回収可能なエネルギ量を上回る場合、車両をＩＣＥ、又は発電機モードのモータ／発電機を用いて発進させて良い。車両が最終速度に達すると、ブレーキペダルを踏むことでエンジンをオフにし、車両が停止するまで、モータ／発電機を発電機モードとして良い。停止状態において、車両運転者により一定期間、車両負荷を追加することにより、又は、この車両停止期間中、補助機器を電気駆動させることにより、エネルギ蓄積システムの充電状態を引き下げても良い。このことは、本出願と同一日に出願された「ハイブリッド車補助機器のエネルギ管理（Hybrid Vehicle Auxiliary Equipment Energy Management）」と題するＪｅｒｗｉｃｋによる同時係属中の特許文献７（国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２００７／６２５７９）に記載されており、参照により本明細書に援用されている。

本発明は、例えばゴミ収集トラック等、様々な環境に適用可能である。上記手順は、必要に応じて繰り返し実行されて良いことは理解されよう。便宜上、ここでは、プログラム可能なコンピュータシステムの要素により実行される一連の動作を例として用いて、本発明の多くの実施形態を説明する。特化した回路（例えば、特定機能を実行するよう相互接続された離散論理ゲート又は用途を特定した集積回路）、１つ又は複数のプロセッサにより実行されるプログラム命令、又はその両方の組み合わせにより、様々な動作を実行可能であることが理解できよう。多くの車両において、プログラム可能なプロセッサ及び用途を特定した集積回路を用いて、本明細書に記載の算出及び判定を容易に実行することができる。

更に、本明細書に記載の発明は全て、コンピュータベースのシステム、プロセッサを搭載したシステム、媒体から命令を取り出して実行するその他のシステム、装置又は機構によって、或いは、それらと組み合わせた使用に適当な組み合わせの命令を格納した任意形式のコンピュータ可読記憶媒体において実施可能である。本明細書において、「コンピュータ可読媒体」には、命令実行システム、装置又は機構によって、又はそれと組み合わせて使用されるプログラムを保存、格納、通信、伝搬又は伝送できる任意手段が含まれる。コンピュータ可読媒体は、例えば電子、磁気、光学、電磁、赤外線又は半導体システム、装置、機構又は伝搬媒体であって良いが、これらに限定されない。コンピュータ可読媒体の具体例（ただしこれに限定されない）としては、１つ又は複数のワイヤを有する電気接続、ポータブルコンピュータディスケット、ＲＡＭ、ＲＯＭ、消去及びプログラム可能読取専用記憶装置（ＥＰＲＯＭ又はフラッシュメモリ）及び光ファイバ等が挙げられる。

このように、本発明は、多様な形態において実施可能であるが、以上の説明ではそれら全てを網羅しているわけではない。かかる実施形態は全て、本発明の範囲に含まれるものとする。本発明に係る様々な実施形態はいずれも、本明細書に記載の動作を実行するよう「構成された論理」、又は、動作を実行する「論理」と称されることがある。

本明細書において、「有する」「含む」等の用語は、あくまでも記載の特徴、整数、ステップ、又は構成要素の存在を示唆するためのものであって、１つ以上の更なる特徴、整数、ステップ、又は構成要素、又はそれらの組み合わせが存在すること、又は追加されることの可能性を排除するものではないことを理解されたい。

以上に記載の実施形態はあくまでも例示的なものであるので、本発明の実施形態はこれらに限定されることはない。本発明の意図するところは、添付の特許請求の範囲に記載されており、その改変形態及び等価の措置も特許請求の範囲に含まれるものとする。

Claims (5)

1. 車両を停止状態又はほぼ停止状態から発進して所定の最高速度まで加速させた後に停止状態又はほぼ停止状態まで減速させる車両の負荷サイクルが車両の始動−停止サイクル毎に設定されて走行する、配達／収集用途の電気モータ／発電機、内燃エンジン（ＩＣＥ）及び電気エネルギ蓄積装置を備える並列式ハイブリッド車両を動作させる方法であって、
   前記負荷サイクルに従って、電気モータ／発電機のみを用いて、車両を停止状態又はほぼ停止状態から加速させるステップと、
   前記加速させるステップの途中において所定の車両速度にて前記電気モータ／発電機に用いられる電気エネルギ量を減少させると共に前記ＩＣＥを用いて推進エネルギが付加されて車両を所定の最高速度まで更に加速させるステップと、
   車両を最高速度から停止状態又はほぼ停止状態まで減速させる間に電気エネルギを回生させるステップと、
   車両を所定最高速度まで加速させるために用いた前記電気モータ／発電機の電気エネルギ量と、前記回生される電気エネルギ量とが実質的に等しくなるように、前記ＩＣＥが用いられる時点の車両の速度であるブレンドイン（ｂｌｅｎｄ−ｉｎ）速度を判定するステップと、
   回生された電気エネルギを電気エネルギ蓄積装置に蓄積するステップと、
   蓄積される電気エネルギ量が、車両の加速中に前記電気エネルギ蓄積装置から電気モータ／発電機に放出されるステップとを含む、並列式ハイブリッド車両を動作させる方法。
2. 前記回生ステップが、前記電気モータ／発電機の状態をモータステートから発電機ステートに切り替えることを含む、請求項１に記載の方法。
3. 放出されるエネルギ量が、前記電気エネルギ蓄積装置の充電状態の判定に基づいて判定される、請求項１に記載の方法。
4. 車両を停止状態又はほぼ停止状態から発進して所定の最高速度まで加速させた後に停止状態又はほぼ停止状態まで減速させる車両の負荷サイクルが車両の始動−停止サイクル毎に設定されて走行する、配達／収集用途の電気モータ／発電機、内燃エンジン（ＩＣＥ）及び電気エネルギ蓄積装置を備える並列式ハイブリッド車両であって、
   電気モータ／発電機のみを用いて車両が停止状態又はほぼ停止状態から加速し、加速途中の所定車両速度にて前記ＩＣＥ及び前記電気モータ／発電機を用いて最高速度まで加速し、その後、最高速度から停止状態又はほぼ停止状態まで減速するように、前記電気モータ／発電機及び前記ＩＣＥを制御するよう構成された少なくとも１つの制御装置
   を搭載した並列式ハイブリッド車両であって、
   前記所定車両速度は車両を停止状態又はほぼ停止状態から最高速度まで加速させるために用いられる電気エネルギ量が、車両が最高速度から停止状態又はほぼ停止状態まで減速する間に回生される電気エネルギ量にほぼ等しくように、前記ＩＣＥが用いられる時点の車両の速度であるブレンドイン（ｂｌｅｎｄ−ｉｎ）速度であり、且つ、車両の減速中に回生される電気エネルギが、電気エネルギ蓄積装置に蓄積され、車両の加速中に電気エネルギ蓄積装置から前記電気モータ／発電機に供給される、並列式ハイブリッド車両。
5. 放出される電気エネルギ量が、前記電気エネルギ蓄積装置の充電状態から判定される、請求項４に記載の車両。

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