JP5345255B2

JP5345255B2 - ハイブリッド車両

Info

Publication number: JP5345255B2
Application number: JP2013061180A
Authority: JP
Inventors: 渡邉雅弘
Original assignee: 渡邉雅弘
Priority date: 2013-03-23
Filing date: 2013-03-23
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-03-23
Also published as: JP2013189192A

Description

本願発明は、第一の駆動力源と第二の駆動力源を有するハイブリッド車両において、前記第二の駆動力源の小型・簡易化、および減速時の運動エネルギー利用効率の向上、を可能にするハイブリッド車両およびその走行制御方法に関する。

車両の減速に際し、最も運動エネルギー利用効率の悪い走行方法は摩擦制動による走行であるのに対し、車両の有している運動エネルギーを最も有効に活用することができる走行方法は、特許文献３等に示されているごとく、惰性走行である。
しかし、運動エネルギーを最大限に生かした惰性走行では、通常の制動走行に比して減速走行距離が長大化してしまうという大きな問題がある。
この問題は、減速時車両の有している運動エネルギーを回収・蓄積して後の走行に生かす回生制動走行によって解決可能であるが、現状のＥＶあるいはＨＥＶに採用されている「発電機と大容量二次電池の組み合わせ」による回生制動方法では前記惰性走行に比べて運動エネルギー利用効率は大幅に低くなるという問題がある。

上記「発電機と大容量二次電池の組み合わせ」による回生制動方法で回生効率を低下させている最大の原因は、回生制動に際しての発電機から大容量二次電池への急速充電効率の悪さである。
実際のＨＥＶにおいては、急速充電における回生効率（二次電池の充電効率）の悪さへの対応策として、二次電池を通常充電時における必要容量に比べて大容量化して、発電機から個々の二次電池への充電電流を分散させ、見かけ上の急速充電効率を改善している。

しかしこのような大容量二次電池への急速充電による回生効率改善の方策を施したＨＥＶにおいても、その運動エネルギー利用効率（回生効率）は、惰性走行による運動エネルギー利用効率には及ばない。

上記二次電池を用いた大容量・低回生効率の回生制動方法に代えて、蓄エネルギー装置に高回生（蓄エネルギー）効率のもの、例えば、特許文献２に示されるごとく、電気二重層キャパシターの活用も考えられているが、この場合キャパシターの占有体積が大きくなり、また高価格になるという新たな問題が発生する。
また運動エネルギーの回収蓄積に、特許文献１あるいは非特許文献１に示されるごとく、「双方向ＣＶＴとフライホイールの組み合わせ」による機械エネルギーとしての蓄積・活用方法も考えられているが、蓄積したエネルギーの保持期間が短いこと、あるいは車両事故時の安全性等が問題であるといわれている。

特開２０１１−０３８６２１特開２０１０−２００５５１特開２０１１−０４６２７２

２０１２年９月４日日刊工業新聞記事「蘭大、車向けフライホイールエンジン開発」

本願発明は、車両の有する運動エネルギーを最大限惰性走行に活用することによる減速走行距離の長大化の解決策として、回生制動装置の高効率化、小容量化を図るとともに、前記高効率化・小容量化した回生制動装置のエネルギー回収蓄積能力に余る運動エネルギーは惰性走行への有効活用によって、運動エネルギーの利用効率の高い、かつ減速走行距離の短い、簡易で低価格なハイブリッド車両を実現しようとするものである。

第一の駆動力源と第二の駆動力源を有するハイブリッド車両を想定する。
前記ハイブリッド車両において、車両の駆動全般は基本的には第一の駆動力源により行い、第二の駆動力源は、減速時の運動エネルギーの回収・蓄積およびその後の発進・加速時における第一の駆動力源の補助駆動力源とする。
即ち第二の駆動力源は車両減速時の運動エネルギーを、効率的に回収・蓄積して、前記減速・停止に継続する加速走行の駆動エネルギーの一部とする回生制動装置で構成する。

第二の駆動力源を構成する回生制動装置においては、減速時の運動エネルギー回収・蓄積装置として、高効率蓄エネルギー装置を使用する。
高効率蓄エネルギー装置使用においては、上記の如く新たに発生する問題はあるが、例えば電気二重層キャパシターにおいての急速充電効率が向上した分、所定の運動エネルギー蓄積のための蓄エネルギー容量は小容量化することができる。

さらに、蓄エネルギー装置容量を小容量化する方策として、回生制動時に蓄えるべき運動エネルギー量を最小限に制限する。
例えば、現状のＨＥＶにおいては、回生すべき運動エネルギー量として、車両の通常走行時の速度ｖ0（例えばｖ0 ＝６０ｋｍ／ｈ）から停止までの間に変化する運動エネルギー量Ｅ0（Ｅ0 ＝ｍ・ｖ0²／２ｍ：車両質量）を想定しているが、これに代えて、一定の制動開始速度ｖr （例えばｖr ＝４０ｋｍ／ｈ）を設定し、車両の通常走行速度ｖ0状態（運動エネルギーＥ0 ）から前記制動開始速度ｖr（運動エネルギーＥr ＝ｍ・ｖr²／２）までの間は惰性走行を行い、惰性走行速度が前記制動開始速度ｖr に達した時点から停止までの間の運動エネルギー変化量Ｅr を回生制動装置によって回収・蓄積する。

即ち、従来の大容量二次電池を使用して運動エネルギーＥ0を回収蓄積する場合に必要な電池容量Ｅsは（数１）で示されるのに対し、高効率蓄エネルギー装置を用いて運動エネルギーＥ0 を回収・蓄積するに要する蓄エネルギー装置容量Ｅs’ は（数２）で、また同じく高効率蓄エネルギー装置を用いて運動エネルギーＥr を回収・蓄積するに要する蓄エネルギー装置容量Ｅs’’ は（数３）で各々あらわされる。
（数１）
Ｅs ＝η・Ｅ0
（数２）
Ｅs’＝η’・Ｅ0
（数３）
Ｅs’’＝η’・Ｅr

従って蓄エネルギー容量Ｅs 、Ｅs’ 、Ｅs’’の相互関係は、（数４）で示される関係になり、高効率蓄エネルギー装置において、車両減速時回生制動開始速度ｖr時の運動エネルギーＥr を蓄積するに必要な蓄エネルギー装置容量Ｅs’’ は、従来のＨＥＶにおける大容量二次電池を使用しての一定速度ｖ0（ｖ0 ＞ｖr ）時の運動エネルギー蓄積容量Ｅsに比べて、大幅に低減することが可能となる。
（数４）
Ｅs ＞Ｅs’ ＞Ｅs’’

一方、減速走行距離は、速度ｖ０
から惰性走行して目標停止点に達した場合は（数５）で、速度ｖ0から回生制動走行して目標停止点に達した場合は（数６）で、速度ｖｂ
から回生制動走行して目標停止点に達した場合は（数７）で、また、速度ｖ０
〜速度ｖb 間を惰性走行した場合は（数８）で各々表されることから、（数５）であらわされる惰性走行距離Ｌi に対して、（数６）であらわされる回生制動距離Ｌr 、惰性走行と回生制動の組み合わせによる減速走行距離（Ｌi’ ＋Ｌr’）の関係は（数９）であらわされることになる。
（数５）
Ｌi ＝ｖ0² ／（２・αi0 ）
（数６）
Ｌr ＝ｖ0²／｛２・（αr ＋αi0 ）｝
≒ｖ0²／（２・αr）
（数７）
Ｌr’ ＝ｖr²／｛２・（αr’ ＋αir ）｝
≒ｖr²／（２・αr’）
（数８）
Ｌi’ ＝（ｖ0² −ｖr²）／（２・αi0r ）
（数９）
Ｌi ＞（Ｌi’ ＋Ｌr’）＞Ｌr

即ち、上記惰性走行と回生制動走行の組み合わせによる減速走行においては、目標停止点までの距離（Ｌi’ ＋Ｌr’）の上流地点から惰性走行による減速を開始し、目標停止点までの距離Ｌr’ に到達した時点から（あるいは速度がｖr に達した時点から）回生制動走行に移行して目標停止点に到達するよう走行制御を行うことによって、惰性走行のみの運動エネルギー消費による走行距離の長大化、および回生制動のみによる運動エネルギー消費を行う場合の蓄エネルギー装置の低回生効率・大容量蓄エネルギー装置の必要性問題は各々低減され、小型で簡易な低価格ハイブリッド車両の構築が可能になる。

上記のごとき本願発明による第二の駆動力源を有するハイブリッド車両において、例えば、第二の駆動力源を発電機および電気二重層キャパシター主体で構成する場合、エネルギー蓄積容量を最小化することによってその占有面積、体積を最小化でき価格も最低限に抑えることができる。
また第二の駆動力源を、双方向ＣＶＴとフライホイールの組み合わせによる構成とする場合においては、フライホイールのエネルギー蓄積容量を最小化することができるとともに、エネルギー蓄積保持能力は（エネルギー回収・蓄積後の加速走行への利用までの時間は通常ごく短時間と想定できることから）長時間である必要はなくなり、前記フライホイール利用の問題点を低減できることになる。
即ち、本願発明によるハイブリッド車両は、第二の駆動力源としての「高回生効率の蓄エネルギー装置の採用」＋「回生制動開始速度の設定による蓄エネルギー装置容量の最小化」、および、
「前記回生制動に余る運動エネルギーの惰性走行への利用、即ち減速開始時から回生制動走行開始までの間の惰性走行」によって、従来のハイブリッド車両に比べて小型・軽量かつ低価格化が可能になり、将来の省エネルギー車両の本命としての発展が期待できる。
また、本願発明は、電気自動車あるいは燃料電池車の如く、第一の駆動力源により車両を駆動する駆動体（モータ）と同一の駆動体を第二の駆動力源によって駆動する場合にも適用が可能であることは言うまでもない。

本願発明によるハイブリッド車両の構成例概念図、図１に示すハイブリッド車構成例における走行状態変移に対応する運動エネルギーおよび駆動力変移の関係説明図（最初の発進・加速時、第二の駆動力源の蓄積エネルギーが０の場合）、図１に示すハイブリッド車構成例における走行状態変移に対応する運動エネルギーおよび駆動力変移の関係説明図（最初の発進・加速時、第二の駆動力源に残留蓄積エネルギーがある場合）、である。

本願発明におけるハイブリッド車において第一の駆動力源は、基本的には従来の単一駆動力源車両におけると同様な、走行全般における車両駆動を行う。一方第二の駆動力源は、予め設定されている車両の回生制動開始速度ｖr から停止までの減速走行を回生制動走行で行い、回生同走行開始時の運動エネルギーＥrから回生エネルギー（η’・Ｅr ）を回収・蓄積し、前記回生制動走行に継続する発進・加速走行に際して、前記回収・蓄積したエネルギーを加速走行駆動エネルギー（の一部）として利用すること、が基本となる。

すなわち、第二の駆動力源におけるエネルギー回生及び利用動作は、連続する減速・停止・発進・加速（および定速）走行一サイクルにおいて完結する回生制動動作であるといえる。
ただし上記に不足の加速駆動エネルギーは第一の駆動力源から供給される。
また、減速走行開始時車両の有する運動エネルギーが上記第二の駆動力源による回収・蓄積に余る場合は、回生制動に先立っての惰性走行によってこれを消費する。

図１に本願発明のハイブリッド車両において、第一の駆動力源をエンジン、第二の駆動力源のエネルギー蓄積機能をフライホイール、とした場合の基本構成例を、また図２、および図３に、前記図１に示す基本構成例における加速、定速、減速（惰性走行および回生制動走行）の走行状態変移に対応する運動エネルギー、駆動エネルギー変移の関係を示す。
図１において、
１１は、エンジン、
１２は、無段変速機、
１３は、前記エンジン１１と無段変速機１２によって構成される第一の駆動力源、
１４は、フライホイール、
１５は、双方向型無段変速機、
１６は、前記フライホイール１４と、双方向型無段変速機１５によって構成される第二の駆動力源、
１７は、駆動軸
１８は、駆動輪、である。

一方、図２において、
（Ａ）は、車両が発進後、加速走行、定速走行、減速走行（惰性走行および回生制動走行）、停止、停止後の発進、加速、定速走行、・・・した場合の車両の有する運動エネルギーレベルの変移を概念的に示す運動エネルギーレベル変移概念図である。本図より運動エネルギーは加速時増加し、定速走行に移行後は一定値Ｅ0 を保ち、減速時には減速度に対応して、即ち惰性走行時には惰性走行減速度αiに、回生制動時には回生制動減速度αrに、各々対応して減少することがわかる。

（Ｂ）は、車両が発進後、加速走行、減速走行（惰性走行および回生制動走行）、停止、停止後の（再度の）発進、加速、定速走行、・・・した場合の第一の駆動力源の駆動輪駆動力変移状態、であり、本図においては最初の発進後の加速（加速（１））は、長時間停車後の発進であるため第二の駆動力源のエネルギー蓄積はなく、したがって駆動力は得られないことから、第一の駆動力源からの駆動エネルギー供給が図に示す如く全面的に必要になる。
また、減速走行（惰性走行および回生制動走行）時には第一の駆動力源駆動力は０となる。この間は車両の運動エネルギーによる駆動輪駆動によって車両駆動が行われる。

（Ｃ）は、車両が発進後、加速走行、定速走行、減速走行（惰性走行および回生制動走行）、停止、再度の発進、加速、定速走行、・・・した場合の第二の駆動力源であるフライホイールが蓄積する機械エネルギーレベルの変移状態をしめしている。
回生制動走行時車両の有する運動エネルギーの一部（惰性走行減速度に対応するエネルギー）が前記車両駆動エネルギーとなり、その残り（車両の有する運動エネルギーの大部分）が本図に示すフライホイールへの蓄積エネルギーとなる。
（Ｄ）は、車両が発進後、加速走行、定速走行、減速走行（惰性走行および回生制動走行）、停止、再度の発進、加速、定速走行、・・・した場合、前記（Ｃ）において減速時フライホイールに蓄積されたエネルギーが加速時加速駆動力（の一部）として駆動輪に供給される。

上記のごとく、第二の駆動力源は、回生制動時車両の有している運動エネルギー（の大部分）をフライホイールに回生・蓄積し、前記回生制動・停止に継続する発進・加速時に前記蓄積されたエネルギーによる駆動輪への駆動力によって車両の発進・加速時の駆動力源の一部となる。

ただし、図３（Ｃ）に示す如く、最初の発進加速時において、第二の駆動力源となるフライホイールに蓄積エネルギーが残っていた場合には、図３（Ｄ）に示す前記蓄積エネルギーによる加速駆動力は図３（Ａ）に示す如く第一の駆動力源からの加速駆動力を残留エネルギーによる駆動力分だけ低減させることができる。

上記のごとき本願発明による第二の駆動力源は、小エネルギー蓄積容量の蓄エネルギー装置で構成されることから、従来のエンジン車両あるいはモータ駆動車両等の単一駆動力源の車両に、比較的容易に付加することができる。従って、第一の駆動力源形態を問わず、あらゆる車種・車両におけるハイブリッド車両の実現が可能となり、車両の省エネルギーかつ地球温暖化対策としての排出ガス量削減対策として有効であるといえる。

図１において、
１１：エンジン、
１２：無段変速機、
１３：前記エンジン１１と無段変速機１２によって構成される第一の駆動力源、
１４：フライホイール、
１５：双方向型無段変速機、
１６：前記フライホイール１４と、双方向型無段変速機１５によって構成される第二の駆動力源、
１７：駆動軸
１８：駆動輪、

（数１）〜（数９）において、
ｖ0 ：定速走行速度
ｖr ：回生制動開始速度
Ｅ0 ：速度ｖ0 での走行車両の有する運動エネルギー
＝ｍ・ｖ0²／２
Ｅr ：速度ｖr での走行車両の有する運動エネルギー
＝ｍ・ｖr²／２
η：大容量二次電池使用時の運動エネルギー回生効率
η‘：高効率蓄エネルギー装置使用時の運動エネルギー回生効率
Ｌr ：運動エネルギーＥ0を有する車両の回生制動距離、
Ｌr’ ：運動エネルギーＥr を有する車両の回生制動距離、
Ｌi ：運動エネルギーＥ0 が０まで減少する間の惰性走行距離（惰性走行可能距離）、
Ｌi’ ：運動エネルギーＥ0 がＥr まで減少する間の惰性走行距離
αr ：回生制動減速度、
αr’ ：回生制動減速度、
αi0 ：速度ｖ0〜速度０間の惰性走行減速度実効値
αir ：速度ｖr〜速度０間の惰性走行減速度実効値
αi0r ：速度ｖ0〜速度ｖr間の惰性走行減速度実効値
である。

Claims

車両の通常走行速度ｖ０状態からあらかじめ設定されている回生制動開始速度ｖｒまでの間の減速は惰性走行で、惰性走行速度が前記回生制動開始速度ｖｒに達した時点から停止までの間の減速は、前記回生制動開始速度ｖｒから停止までの間の車両運動エネルギー変化量Ｅｒを回収・蓄積するに必要十分な高効率かつ小容量のエネルギー蓄積装置を有する回生制動装置による回生制動走行によって、各々行うことを特徴とするハイブリッド車両。