JP5512288B2 - ハイブリッド車両補助装備のエネルギー管理 - Google Patents

Description

本発明は、内燃エンジンと電動モータとを並列に有する、つまりエンジンとモータのいずれかまたは両方が車両のトランスミッションを駆動することのできるゴミ収集車などの車両に関連する。

ハイブリッド車両は一般的に、二種類の蓄積エネルギーつまり化学エネルギーと電気エネルギーとを使用する。ハイブリッド車両の内燃エンジン（ＩＣＥ）は、内燃室で化学エネルギーを機械エネルギーに変換する。ハイブリッド車両の電動モータは、蓄積された電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。

一部のハイブリッド車両では、電動モータがＩＣＥを補う、すなわち電動モータが駆動トルクを供給してＩＣＥを補助するのである。このようなハイブリッド車両は「パラレルハイブリッド」と呼ばれることがある。他のハイブリッド車両は電動モータにより駆動され、ＩＣＥは、バッテリまたは他の電気エネルギー蓄積装置を充電する発電機を駆動する。このようなハイブリッド車両は「シリーズハイブリッド」と呼ばれることがある。

ゆえにパラレルハイブリッド車両は、通常、ＩＣＥ、電動モータ、そしてトランスミッション、駆動シャフト、車軸キャリヤ、車軸、車輪を含み、ＩＣＥおよびモータから車輪へトルクを伝達するため、これらはすべて直列に配置されている。このようなハイブリッド車両は、エンジンのみ、モータのみ、エンジンとモータの両方のいずれかで作動する。このような車両の減速中には電動モータが発電機として作動して、車両の運動エネルギーの一部を回収する。

特許文献１に記載されたものなどの一般的なハイブリッド車両では、平均動力需要に合わせてＩＣＥを設計し、最高動力需要に合わせて電動モータを設計している。このような一般的ハイブリッド車両は、停車または略停車からＩＣＥにより発進し、補助トルクを提供するのに電動モータを使用する。電気エネルギー蓄積装置の充電状態に応じて、エンジンは発電機としてのモータを駆動し、モータは制動中に再生機として機能する。

特許文献２は、発電機および車両制動装置として電動モータを使用するハイブリッド車両を開示している。回収されたエネルギーは、バッテリの充電状態を制御するために管理される。減速再生中には、モータ／発電機の再生出力が最大となる最適回転速度が決定され、モータ／発電機の回転速度が計算された最適速度となるように、車両のトランスミッションギヤ比が制御される。

特許文献３は、バッテリアレイの再充電の制御に使用するため、エンジン減速中に獲得される再生エネルギーの量を計算することを開示している。同特許には、エンジン吸気バルブを開いてエンジン制動トルクを低下させ、車両の減速からより多くのエネルギーをモータ／発電機に獲得させることが述べられている。

特許文献４は、蓄積ユニット、特にコンデンサの放電の深度を監視し、放電深度が閾値を超えた時には再生制動またはエンジン出力を用いてコンデンサを再充電するハイブリッド車両のための制御装置を開示している。

特許文献５は、二つのバッテリ、つまりモータを駆動するための高電圧バッテリと、パワーステアリング装備、ブレーキなどの補助装備を駆動するための低電圧バッテリとを有するハイブリッド車両を開示している。低電圧バッテリは、エンジンが発電機を駆動することにより生じる過剰電圧により充電されて、エンジンなしでの補助装備の作動を可能にする。

特許文献６は、ハイブリッド車両のバッテリの充電状態を監視して、所望レベルの再生制動エネルギーをモータ／発電機が発生させるようにギヤ比を選択する方法を開示している。

特許文献７は、ハイブリッド車両でエンジンを調整するための機器を開示している。回路が車両から所定の目的地までの距離を計算し、充電池のエネルギー量を検知する。回路は距離およびエネルギー量と相関させてエンジンを調整し、低い充電量のまま到着して充電に電気コンセントを利用するか、再充電のため途中でエンジンまたは制動再生を用いるかの選択肢を車両ドライバに与える。

特許文献８は、トランスミッション構造を含む総和遊星歯車装置を介して結合されてエンジンおよび電動モータを車輪駆動装置または動力取り出し装置に選択的にリンクするための制御を行う内燃エンジンおよびモータ／発電機を有するパワートランスミッションに関する。

当然、あらゆる車両の用途、特に始動と停車が頻繁に行われる配達および収集の用途には、このような設計は最適ではない。こういった用途では、最適な車両効率のため、加速中に消費されるエネルギーと減速中に再生されるエネルギーとを慎重に管理することが必要である。ゆえに、ハイブリッド車両でのエネルギー管理に対する以上および他のアプローチでは、配達および収集の用途といった様々な車両用途において欠点が見られる。

米国特許第５，９８４，０３３号（Ｔａｍａｇａｗａ ｅｔ ａｌ．）明細書 米国特許第５，９４２，８７９号（Ｉｂａｒａｋｉ）明細書 米国特許第５，８７５，８６４号（Ｙａｎｏ ｅｔ ａｌ．）明細書 米国特許第６，５２３，６２６号（Ｗａｋａｓｈｉｒｏ ｅｔ ａｌ．）明細書 米国特許第６，５８７，６４９号（Ｓｈｉｍａｓａｋｉ ｅｔ ａｌ．）明細書 米国特許第６，９４５，９０５号（Ｔａｍａｉ ｅｔ ａｌ．）明細書 米国特許出願公開第２００４／０２０４７９７号（Ｖｉｃｋｅｒｓ）明細書 米国特許第５，６６９，８４２号（Ｓｃｈｍｉｄｔ）明細書 国際公開第０８／１０３１７３号パンフレット

本発明は、発電機を駆動するのに常に内燃エンジンを作動させる必要を無くすように、エアコンプレッサシステムおよびステアリングシステムなど、ハイブリッド車両の補助装備を電力で作動させるためのエネルギー管理戦略を提供することである。

本発明の態様によれば、電動モータ／発電機と内燃エンジン（ＩＣＥ）と電気エネルギー蓄積装置と電動補助装備とを有するパラレルハイブリッド車両を作動させる方法が提供される。この方法は、モータ／発電機を発電機モードにしてＩＣＥにより車両を停車または略停車から加速する段階と、ＩＣＥのみにより車両の速度を最終速度まで上昇する段階と、ＩＣＥが停止されてモータ／発電機が発電機モードにある状態で車両を最終速度から停車または略停車まで減速する段階と、車両の加速および減速中にモータ／発電機により発生された電気エネルギーを電気エネルギー蓄積装置に蓄積する段階と、車両が停車または略停車している間に蓄積電気エネルギーによって補助装備を作動させる段階とを含む。蓄積される電気エネルギーの量は、車両が停車または略停車している間に補助装備を作動させるのに使用される電気エネルギーの量とほぼ同じである。

本発明の別の態様によれば、電動モータ／発電機とＩＣＥと電気エネルギー蓄積装置と電動補助装備と少なくとも一つの制御装置とを含むパラレルハイブリッド車両が提供される。車両が、電動モータ／発電機が発電機モードにある状態でＩＣＥのみにより停車または略停車から最終速度まで加速し、ＩＣＥが停止されて電動モータ／発電機が発電機モードにある状態で最終速度から停車または略停車まで減速し、モータ／発電機により発生された電気エネルギーを電気エネルギー蓄積装置に蓄積するように、制御装置はＩＣＥと電動モータ／発電機とエネルギー蓄積装置とを制御する構成を持つ。モータ／発電機により発生されて電気エネルギー蓄積装置に蓄積される電気エネルギーの量は、車両が停車または略停車している間に電動補助装備により使用されるエネルギーの量とほぼ同じである。

本発明の目的、特徴、長所は、図面とともに説明を読むことにより理解されるだろう。
パラレルハイブリッド車両のブロック図である。 第１動作モードにおける車両の速度および充電状態を示す。 エネルギー管理方法の流れ図である。

図１は、ＩＣＥ１０２、電動モータ／発電機１０４、そしてトランスミッション、駆動シャフト、車軸キャリヤ、車軸、車輪１０６を含む一般的なパラレルハイブリッド車両１００のブロック図である。上述したように、構成部分１０２，１０４，１０６は、ＩＣＥおよびモータからトランスミッションおよび車輪へトルクを伝達するため直列に配置されている。やはり図１に示されているのは、ＩＣＥ１０２のための化学エネルギー蓄積装置１０８、例えば燃料タンクと、モータ／発電機１０４のための電気エネルギー蓄積装置１１０、例えば再充電バッテリ、コンデンサ、磁気または誘電媒体、燃料電池、フライホイール、または圧縮空気、あるいは他の流体蓄積装置である。

ＩＣＥ１０２とモータ／発電機１０４の動作は、ＩＣＥ１０２とモータ／発電機１０４を作動させる際に相互に協働するそれぞれの適当なプログラマブル電子制御ユニット１１２，１１４によって制御される。例えば、トランスミッション１０６は自動化マニュアルトランスミッションであり、トランスミッションギヤボックスのシフト中には、クラッチがＩＣＥ１０２を駆動列から切断し、電動モータ／発電機１０４はギヤシフトを同期化することができる。電子制御ユニットは、次に選択されたギヤのためのトランスミッションの対応シャフト速度が駆動輪のシャフト速度と同期化するように、このシャフト速度に適したモータ速度を決定する。

電気エネルギー蓄積装置１１０が適宜、モータ／発電機１０４へエネルギーを送り、モータ／発電機１０４からエネルギーを受け取るように、制御ユニット１１４は蓄積装置１１０の動作を制御するものとしても描かれている。後でさらに詳しく説明する理由から、制御装置１１４は、電気エネルギー蓄積装置１１０の充電状態を測定するか、測定値を受け取る。モータ／発電機１０４により発生されるエネルギーは、トランスミッションなど１０６の運動エネルギーに由来するものである。制御装置１１２，１１４は別々の装置として描かれているが、制御装置により実行される機能については多くの構成が可能であるので、これが単なる例として描かれていることは言うまでもない。

やはり図１に示されているのは、電気的に駆動されるエアコンプレッサシステム、車両ステアリングシステムなどの補助車両装備１１６である。本発明のいくつかの面によれば、発電機１０４を駆動するのにＩＣＥ１０２を常時作動させる必要性を無くす形で、補助装備１１６を作動させるエネルギー管理戦略が提供される。

図１に図示された構成は、郵便および小包配達とゴミ収集などの配達／収集用途を含む多くの用途に使用できる。例えば、一般的なゴミ収集車は、推進のため化学エネルギーを機械エネルギーに変換するのにディーゼルエンジンを使用する。従来のゴミ収集車では、機械エネルギーは機械的摩擦ブレーキにおいて熱の形で放散されるが、ハイブリッドゴミ収集車では、機械エネルギーは完全には放散されず、蓄積される電気エネルギーを発生または再生する。

配達／収集用途での車両１００の稼動サイクルは一般的に、ＩＣＥ１０２により停車または略停車から車両を発進させることと、発電機モードにおいてモータ／発電機１０４により、毎時１２マイル（ｍｐｈ）などの最終速度まで加速することとを包含する。車両１００が最終速度に到達すると、ブレーキペダルの使用に基づいてＩＣＥ１０２が切断され、車両１００が停車または略停車となるまでモータ／発電機１０４は発電モードのままとなる。車両１００が停車している間に、一般的に車両ドライバはある時間、車両積載物を追加する。この車両停車期間中には、車両の補助装備１１６は電気的に駆動され、エネルギー蓄積システム１１０の充電状態が低下する。次に車両１００はＩＣＥ１０２により停車状態から発進し、必要に応じてサイクルが繰り返される。これは、車両１００の第１動作モードと呼ばれる。

車両がこの第１動作モードにない場合には、自動化マニュアルトランスミッションにより車両は第２動作モードに移る。この第２動作モードは、最終積載物の収集から積み降ろしステーションまたは処分場での車両積載物の積み降ろしまでの車両動作に使用される。第２動作モードでは、エネルギー蓄積システム１１０の充電状態を維持するため、運転中に必要に応じて時々モータ／発電機１０４が発電機モードで作動する。

第１と第２のいずれかの動作モードでは、車両発進中にモータ／発電機１０４をモータとして作動させること、または車両停車中にＩＣＥ１０２を始動させてモータ／発電機１０４を発電機として作動させることにより、電気エネルギー蓄積システム１１０の充電状態が調節される。

エネルギー蓄積装置１１０のＳＯＣを監視することにより、ハイブリッド車両の電気系統でのエネルギーの使用が測定されると好都合である。推進時にモータ１０４およびＩＣＥ１０２により使用されるエネルギーの回収は、車両ブレーキでエネルギーを放散させるのでなく、モータ／発電機１０４の電気モードをモータから発電機へ変更することにより達成される。発電機１０４による車両制動プロセス中に機械エネルギーが電気エネルギーに変換され、充電状態が公称値に戻ったと判断されるまで、発生した電気エネルギーがエネルギー蓄積ユニット１１０に追加される。電気エネルギー発生により、車両を減速させる制動トルクが車輪に付与されることにより、車両の常用ブレーキによって放散されるエネルギーの量を減少させ、こうして制動システムの磨耗部品の修理時間を短縮する。モータ／発電機１０４により獲得されてエネルギー蓄積ユニット１１０に蓄積されるエネルギーは、車両を推進するためモータ／発電機により使用される。

補助装備１１６の電気エネルギー必要量が第１動作モードで車両の減速中に回収される電気エネルギーより大きい時には、慎重なエネルギー管理により、車両１００を第１動作モードで作動させるとともに、モータ／発電機１０４を駆動するのにＩＣＥ１０２を常時必要とせずに補助装備１１６を作動させられることを、発明者らは認識している。

電化補助装備１１６の存在により、このような装備を作動させるためにエンジン１０２を作動させる必要性が回避される。車両稼動サイクル中の内燃エンジンの停車が可能であることで、エネルギー利用および効率の向上が達成される。一般的なハイブリッド車両と異なり、本発明による車両は、モータ／発電機１０４から車輪へ補助トルクを提供せず、車輪へのトルクを減少させて、エネルギー蓄積システム１１０への蓄積のため、車両の要求が過剰であるＩＣＥ１０２から発電機１０４へエネルギーを迂回させる。こうすることで、第１動作モードのエンジン作動時間が約７５％も減少する。

エネルギー蓄積システム１１０の充電状態（ＳＯＣ）と車両の速度とを時間と相関させて示す図２に、エネルギー管理を伴う第１動作モードが図示されている。ｍｐｈによる速度と任意の尺度によるＳＯＣとが垂直軸に示され、秒による時間が水平目盛で示されている。図のように、車両はＩＣＥ１０２がオンの状態で始動し、約７秒後に速度は約１２ｍｐｈまで上昇し、この時点でＩＣＥ１０２は停車し（図２に描かれた残りの時間、停車状態にあり）、１２秒と１３秒の間に車両の速度は約ゼロまで低下する。車両速度が上昇するとＳＯＣは公称レベルから上昇を始め、発電機としてのモータ／発電機１０４の動作のため、車両が減速すると、車両速度が約ゼロまで低下するまでＳＯＣは上昇を続ける。次に、約２６秒でＳＯＣは公称レベルまで低下し、その間、ＩＣＥ１０２が停車した状態で補助装備１１６は作動している。上述したように、第１動作モードではこの作用が繰り返される。

図２に図示されたエネルギー管理は、一つ以上の制御装置１１２，１１４での適当なプログラミングによって容易に実行される。プログラミングを受けて、制御装置は、図３の流れ図に図示されたように方法の各ステップを実行し、車両１００はＩＣＥ１０２によって発進し、減速中に発生した電気エネルギーが車両の補助装備１１６に動力を提供するのに充分高くなるように決定された速度まで、モータ／発電機１０４からの補助なしで推進される。

したがって、エンジン１０２により車両を停車または略停車から加速することにより方法が開始する（ステップ３０２）。蓄積システムの充電状態と補助装備のエネルギー要件とに基づいて、制御装置により最終速度が計算され（ステップ３０４）、ＩＣＥ１０２の動作により車両速度は最終速度まで上昇する（ステップ３０６）。次にエンジン１０２が停止され（例えば切断され）（ステップ３０８）、車両速度は停車または略停車まで低下する（ステップ３１０）。減速中、車両の運動エネルギーの一部は、電動モータを発電機として作動させ続けることにより回収され、車両エネルギー蓄積装置に蓄積される（ステップ３１２）。それから、蓄積されたエネルギーにより車両の補助装備１１６が作動する（ステップ３１４）。この方法は、車両の各始動／停車サイクルで反復される。

推進時にモータおよびＩＣＥにより使用されるエネルギーは、モータ状態から発電機状態へモータ／発電機の状態を変化させることにより、従来の方法で再生される。このような状態変化は、制御装置１１４の動作により周知の方法で容易に達成される。上述したように、モータ／発電機による電気エネルギーの発生により、車両を減速する車輪の制動トルクが生じ、車両を減速するのにドライバによって必要とされる追加制動トルクは、車両の常用ブレーキによって供給される。ハイブリッド車両の長所の一つは、常用ブレーキによって放散されるエネルギーの量が再生プロセスによって減少し、これが保守時間を短縮することである。

補助装備１１６によって必要とされるエネルギーが、第１動作モードでの車両減速中に回収されるエネルギーより少ない場合、車両はモータモードでモータ／発電機により電気的に発進し、予想車両速度になるとエンジンが混合され、車両の減速時に回収される電気エネルギーのみをエネルギー蓄積システムからモータへ提供する。車両が最終速度に到達すると、ブレーキペダルの使用に基づいてエンジンが切断され、車両が停車するまでモータ／発電機は発電機モードとなる。これは、参考として取り入れられている「ハイブリッド車両のエネルギー管理方法および装置」について本出願と同日に出願されたＪｅｒｗｉｃｋによる同時係属中の特許文献９（国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０７／６２５７５号）に記載されている。

例えばゴミ収集車を含む多様な環境で本発明を実行できることが予想される。上述した手順が必要に応じて反復的に実行されることは認識されるだろう。理解を促すため、例えばプログラマブルコンピュータシステムの要素によって実施される一連の動作について本発明の多くの態様を説明する。専用回路（特殊機能を実施するため相互接続された個別の論理ゲートまたはアプリケーション固有の集積回路など）により、一つ以上のプロセッサによって実行されるプログラム命令により、または両者の組合せにより、様々な動作が実施されることは認められるだろう。多くの車両は、プログラマブルプロセッサおよびアプリケーション固有の集積回路により、上述した計算および決定を容易に実行できる。

さらに、コンピュータ利用システム、プロセッサ内包システム、媒体から命令を取り出して命令を実行する他のシステムなど、命令実行システム、機器、装置による、またはこれらに関連した使用のため、適切な命令集合が記憶されたコンピュータ読取可能記憶媒体の形で、ここに説明する発明の全体が具体化されると考えられる。ここで使用される際に「コンピュータ読取可能媒体」は、命令実行システム、機器、装置による、またはこれらと関連した使用のためプログラムを内包、記憶、通信、伝達、移動できる手段である。コンピュータ読取可能媒体は、電子、磁気、光学、電磁、赤外線、半導体のシステム、装備、機器、または伝達媒体を例とするがこれらに限定されるわけではない。コンピュータ読取可能媒体のさらに固有の例（非網羅的リスト）は、１本以上のケーブル、携帯用コンピュータディスケット、ＲＡＭ、ＲＯＭ、消去可能プログラマブル・リード・オンリ・メモリ（ＥＰＲＯＭまたはフラッシュメモリ）、光ファイバを有する電気接続を含む。

このように本発明は多くの異なる形で具体化できるが、そのすべてを上述したわけではなく、これらの形状すべてが本発明の範囲に包含されるものと考えられる。本発明の様々な態様の各々について、このような形状は、上述した動作を実施する「構成を持つ論理」、あるいは上述した動作を実施する「論理」と呼ばれる。

本出願で使用される時に“ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ”および“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”（包含する）の語は、記載された特徴、整数、ステップ、構成要素の存在を明記するものであって、他の特徴、整数、ステップ、構成要素、これらのまとまりの一つ以上の存在または追加を除外するものではないことを強調しておく。

上述した特定実施例は単に例示的なものであって、いかなる方法でも限定的であると考えられるべきではない。本発明の範囲は以下の請求項により決定され、請求項の範囲に含まれるすべての変形例と均等物が発明に包含されるものとする。

１００ パラレルハイブリッド車両

Claims (2)

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終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稼働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／収集用途の電動モータ／発電機と内燃エンジン（ＩＣＥ）と電気エネルギー蓄積装置と電動補助装備とを有するパラレルハイブリッド車両の作動方法であって、
   前記車両の稼動サイクル中、
   前記モータ／発電機が発電機モードにある間に、前記ＩＣＥにより前記車両を停車または略停車から最終速度まで加速する段階と、
   前記ＩＣＥが停止されて前記モータ／発電機が発電機モードにある状態で、前記車両を前記最終速度から停車または略停車まで減速する段階と、
   前記車両の加速および減速中に前記モータ／発電機により発生された電気エネルギーを前記電気エネルギー蓄積装置に蓄積する段階と、
   前記車両が停車または略停車にある間に、蓄積された電気エネルギーにより前記補助装備を作動させる段階と、
   を実行し、
   前記最終速度が、前記電気エネルギー蓄積装置の充電状態及び前記補助装備のエネルギー要件に基づいて算出され、
   前記エネルギー要件が、前記停車または略停車にある間に前記補助装備を作動させるのに要求される電気エネルギーの量とほぼ同じである、
   前記方法。
2. 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終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稼働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／収集用途のパラレルハイブリッド車両は、
   電動モータ／発電機と、
   内燃エンジン（ＩＣＥ）と、
   電気エネルギー蓄積装置と、
   電動補助装備と、
   前記車両の稼動サイクル中、前記車両が、前記電動モータ／発電機が発電機モードにある状態でＩＣＥにより停車または略停車から最終速度まで加速し、前記ＩＣＥが停止され前記電動モータ／発電機が発電機モードにある状態で前記最終速度から停車または略停車まで減速し、前記モータ／発電機により発生される電気エネルギーを前記電気エネルギー蓄積装置に蓄積するように、前記ＩＣＥと前記電動モータ／発電機と前記電気エネルギー蓄積装置とを制御する構成を持つ少なくとも一つの制御装置と、
   を包含し、
   前記最終速度が、前記電気エネルギー蓄積装置の充電状態及び前記補助装備のエネルギー要件に基づいて算出され、
   前記エネルギー要件が、前記停車または略停車にある間に前記補助装備を作動させるのに要求される電気エネルギーの量とほぼ同じである、
   パラレルハイブリッド車両。

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