(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気式車両の予め定められた走行パターンを達成するのに必要なモータの回転数、及び前記走行パターンを達成するのに必要な前記モータのトルクの集合を求める第１段階と、
前記モータの回転数及びトルクに対応するモータ効率を前記モータの特性マップから選択する第２段階と、
前記回転数及び前記トルクから仕事量を求め、前記仕事量を前記モータ効率で除算して消費電力を求める第３段階と、
前記第１段階と前記第２段階と前記第３段階とを前記電気式車両の全走行時間にわたって繰り返して前記消費電力の総和を求める第４段階と、
それぞれ異なる特性を有する複数のモータについて、前記消費電力の総和が小さいモータを、前記電気式車両のためのモータとして選定する第５段階と
を含むモータ選定方法。
【請求項２】
請求項１に記載のモータ選定方法により選定された特性を有するモータ。
【請求項３】
請求項１に記載のモータ選定方法により選定されたモータを備える電気式車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ選定方法、モータ、及び電気式車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、乗用車に続いて、大型自動車にもハイブリッドシステム等の電気動力式を導入する動きが強まっている。特に都市の路線バスは、旅客輸送の集約によるメリットが大きい一方で、加減速の頻度が極めて高く、立席乗車もある。そのため、モータで車両を駆動する電気動力式を採用することが、省エネルギー、加速性能、乗り心地等の様々な点から最適であると考えられる。
【０００３】
しかし、モータはエンジンと全く異なる特性を有するために、その動力性能やエネルギー効率の的確な評価手法を検討することにより、電気動力方式の普及を促進する必要がある。
【０００４】
従来、モータを制御して定格温度となるようにしたモータ設計方法、モータ設計方法により設計されたモータおよびモータを備えた電気式車両が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図８に示すように、特許文献１に記載のモータ設計方法、モータ設計方法により設計されたモータおよびモータを備えた電気式車両は、走行条件検出手段１０１で検出した走行条件に応じて必要出力演算手段１０２で走行必要出力を演算し、最大出力限定手段１０４が温度検出手段１０３で検出した各モータ１０８の温度に応じて各別に制限された最大出力を設定し、出力セット設定手段１０５がこの最大出力の範囲内で走行必要出力を各モータ１０８で分担する出力セットを複数設定し、消費電力演算手段１０６が出力セットごとの全消費電力を演算し、制御指令手段１０７により全消費電力が最小となる出力セットにしたがって各モータ１０８へ制御指令を出力する。
【０００６】
特許文献１に記載のモータ設計方法、モータ設計方法により設計されたモータおよびモータを備えた電気式車両は、各モータ１０８の温度を検出して所定以上に温度上昇したモータ１０８については、その出力を連続定格の範囲に限定した上で、全消費電力が最小となるように各モータ１０８の出力トルク指令を制御するようにした。
【０００７】
従って、特許文献１に記載のモータ設計方法、モータ設計方法により設計されたモータおよびモータを備えた電気式車両は、定格温度を考慮して、走行パターンに最適な定格温度になるようなモータ１０８が選択されるために、瞬間定格で連続的に運転されていたモータ１０８は連続定格までその出力を下げられて、焼付などによる破壊が未然に防止されて全体として最大効率で運転される。また、モータ１０８の出力を連続定格の範囲に制限することによって全体の最大出力トルクが走行必要トルクより小さくなる場合にも、その制限された範囲での最大トルクが出力されるから、同じくその状態における最大効率で運転が行なわれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−４６７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、前述した特許文献１に記載されたモータ設計方法、モータ設計方法により設計されたモータおよびモータを備えた電気式車両は、定格温度を考慮して、走行パターンに最適な定格温度になるようなモータ１０８が選択される。
従って、前述した特許文献１に記載されたモータ設計方法、モータ設計方法により設計されたモータおよびモータを備えた電気式車両は、仕事量等に基づいてモータの効率を最適化することができないので、電力消費量に改善の余地がある。
【００１０】
本発明の目的は、上述した課題を解決するモータ選定方法、モータ、及び電気式車両を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によると、モータ選定方法であって、電気式車両の予め定められた走行パターンを達成するのに必要なモータの回転数、及び走行パターンを達成するのに必要なモータのトルクの集合を求める第１段階と、モータの回転数及びトルクに対応するモータ効率をモータの特性マップから選択する第２段階と、回転数及びトルクから仕事量を求め、仕事量をモータ効率で除算して消費電力を求める第３段階と、第１段階と第２段階と第３段階とを電気式車両の全走行時間にわたって繰り返して消費電力の総和を求める第４段階と、それぞれ異なる特性を有する複数のモータについて、消費電力の総和が小さいモータを、電気式車両のためのモータとして選定する第５段階とを含む。
【００１２】
本発明の第２の形態によると、モータであって、上記モータ選定方法により選定された特性を有する。
【００１３】
本発明の第３の形態によると、電気式車両であって、上記モータ選定方法により選定されたモータを備える。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電力消費量を改善できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る一実施形態のモータを備えた電気式車両の透視外観図である。
【図２】本発明に係る一実施形態の電気式車両のブロック構成図である。
【図３】本発明に係る一実施形態の電気式車両の計装ライン図である。
【図４】本発明に係る一実施形態のモータ設計方法に適用される走行パターンの一例の速度プロファイルである。
【図５】本発明に係る一実施形態のモータ設計方法に適用される電気式車両の仕事量分布図である。
【図６】本発明に係る一実施形態のモータ設計方法に適用されるモータの効率マップである。
【図７】本発明に係る一実施形態のモータ設計方法に適用される設計フローチャートである。
【図８】従来のモータ設計方法のブロック構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る一実施形態のモータ設計方法、モータ設計方法により設計されたモータおよびモータを備えた電気式車両について図面を参照して説明する。
【００１７】
図１に示すように、本発明に係る一実施形態のモータ設計方法により設計されたモータ１１を備えた路線バス（電気式車両）１０は、後輪１２の車軸１３にモータ１１が結合されている。路線バス１０は、複数の座席１４が配列された床面１５の上方の天井面に空調装置１６を有する。路線バス１０は、天井の運転席１７側に固定型のリチウムイオン二次電池１８が装備されている。路線バス１０は、床面１５の下方の後部側に交換型のリチウムイオン二次電池パック１９とインバータ２０とが装備されている。なお、モータ１１は、インホイールモータ等であってもよい。
【００１８】
図２に示すように、路線バス１０は、固定型のリチウムイオン二次電池１８および交換型のリチウムイオン二次電池パック１９から与えられた電力がインバータ２０によりモータ１１の回転制御に適用される。モータ１１は、回転されることにより生ずる発電作用によりインバータ２０を通じて、その電力を固定型のリチウムイオン二次電池１８および交換型のリチウムイオン二次電池パック１９に充電させる。
【００１９】
図３に示すように、路線バス１０は、上位コントローラ２１をさらに備え、モータ１１とインバータ２０とから構成されるモータシステム２２を備える。
【００２０】
上位コントローラ２１は、路線バス１０の現在車速情報を常時モニタする。上位コントローラ２１は、インターロック機能および運転者が操作するアクセルペダル等の操作卓に電気的に接続される運転指令機能を有し、これらの電気信号をインバータ２０に与える。インバータ２０は、固定型のリチウムイオン二次電池１８および交換型のリチウムイオン二次電池パック１９から与えられた電力を制御してモータ１１への電流供給に伴いモータ１１の回転数を制御する。このとき、インバータ２０は、モータ１１の回転数を常時モニタしている。
【００２１】
次に、モータ設計方法に適用される走行パターンについて説明する。ここでは、路線バス１０として、大型車の代表的走行パターンとされるＭ１５モード等の計測値から抜粋したものを示す。
【００２２】
図４に示すように、路線バス１０は、時点ｔ１から時点ｔ３７までの１時間（３６００ｓｅｃ）内において、時点ｔ１から走行を開始し、加速、惰走、減速の後の時点ｔ２において停留所または信号に停止する。時点ｔ２から時点ｔ３までの時間停止し、時点ｔ３から走行を開始し、加速、惰走、減速の後の時点ｔ４において停留所または信号に停止する。時点ｔ４から時点ｔ５までの時間停止し、時点ｔ５から走行を開始し、加速、惰走、減速の後の時点ｔ６において停留所または信号に停止する。
【００２３】
時点ｔ６から時点ｔ７までの時間停止し、時点ｔ７から走行を開始し、加速、惰走、減速の後の時点ｔ８において停留所または信号に停止する。時点ｔ８から時点ｔ９までの時間停止し、時点ｔ９から走行を開始し、加速、惰走、減速の後の時点ｔ１０において停留所または信号に停止する。時点ｔ１０から時点ｔ１１までの時間停止し、時点ｔ１１から走行を開始し、加速、惰走、減速の後の時点ｔ１２において停留所または信号に停止する。時点ｔ１２から時点ｔ１３までの時間停止し、時点ｔ１３から走行を開始し、加速、惰走、減速の後の時点ｔ１４において停留所または信号に停止する。
【００２４】
時点ｔ１４から時点ｔ１５までの時間停止し、時点ｔ１５から走行を開始し、加速、惰走、減速の後の時点ｔ１６において停留所または信号に停止する。時点ｔ１６から時点ｔ１７までの時間停止し、時点ｔ１７から走行を開始し、加速、惰走、減速の後の時点ｔ１８において停留所または信号に停止する。時点ｔ１８から時点ｔ１９までの時間停止し、時点ｔ１９から走行を開始し、加速、惰走、減速の後の時点ｔ２０において停留所または信号に停止する。時点ｔ２０から時点ｔ２１までの時間停止し、時点ｔ２１から走行を開始し、加速、惰走、減速の後の時点ｔ２２において停留所または信号に停止する。
【００２５】
時点ｔ２２から時点ｔ２３までの時間停止し、時点ｔ２３から走行を開始し、加速、惰走、減速の後の時点ｔ２４において停留所または信号に停止する。時点ｔ２４から時点ｔ２５までの時間停止し、時点ｔ２５から走行を開始し、加速、惰走、減速の後の時点ｔ２６において停留所または信号に停止する。時点ｔ２６から時点ｔ２７までの時間停止し、時点ｔ２７から走行を開始し、加速、惰走、減速の後の時点ｔ２８において停留所または信号に停止する。時点ｔ２８から時点ｔ２９までの時間停止し、時点ｔ２９から走行を開始し、加速、惰走、減速の後の時点ｔ３０において停留所または信号に停止する。
【００２６】
時点ｔ３０から時点ｔ３１までの時間停止し、時点ｔ３１から走行を開始し、加速、惰走、減速の後の時点ｔ３２において停留所または信号に停止する。時点ｔ３２から時点ｔ３３までの時間停止し、時点ｔ３３から走行を開始し、加速、惰走、減速の後の時点ｔ３４において停留所または信号に停止する。時点ｔ３４から時点ｔ３５までの時間停止し、時点ｔ３５から走行を開始し、加速、惰走、減速の後の時点ｔ３６において停留所または信号に停止する。時点ｔ３６から時点ｔ３７までの時間停止し、時点ｔ３７からの走行中に１時間が経過する。
【００２７】
走行パターンの計測により、路線バス１０は、時点ｔ１から時点ｔ３７までの１時間内において、平均速度１４．２ｋｍ／ｈであり、最高速度４８．４ｋｍ／ｈであることが判明した。
【００２８】
次に、図４により得られた走行パターンにより計測された駆動要求エネルギーに基づき、ある駆動力（トルク）と車速（回転数）との二次元平面上の組み合わせにおいて、路線バス１０が必要とする仕事量（図５に高さ方向に示される。）について説明する。
【００２９】
図５に示すように、路線バス１０の回転数は車速によって一義的に決まり、トルクは、図４に示した走行パターンによって定まる運行状態に伴う加減速の状態によって決まる。
【００３０】
次に、あるトルクと回転数における効率について説明する。
図６に示すように、上部から下部に向けて、第１効率領域Ａ１、第２効率領域Ａ２、第３効率領域Ａ３、第４効率領域Ａ４、第５効率領域Ａ５、第６効率領域Ａ６、第７効率領域Ａ７の順に効率領域が設定される。
従って、あるトルクと回転数における効率は、第１効率領域Ａ１、第２効率領域Ａ２、第３効率領域Ａ３、第４効率領域Ａ４、第５効率領域Ａ５、第６効率領域Ａ６、第７効率領域Ａ７の順に下がる。
【００３１】
本発明に係る一実施形態のモータ設計方法は、図６に示した複数の特性を有するモータ１１について、図４に示した走行パターンの運行特性の各時点ｔ１〜ｔ３７（ｔ１〜ｔｎ）における仕事量を効率で割り、これを積算した値が小さいモータ１１が適切なモータ１１であることになる。
【００３２】
本発明に係る一実施形態のモータ設計方法は、予め定められた走行パターンを達成するのに必要な回転数（Ｎ）および予め定められた走行パターンを達成するのに必要なトルク（Ｔ）の集合を求める第１算出工程と、回転数（Ｎ）およびトルク（Ｔ）に対応するモータ効率（αｔ）をある一つのモータ特性曲線から選択する第２算出工程と、回転数（Ｎ）およびトルク（Ｔ）から仕事量（Ｗ）を求め、仕事量（Ｗ）をモータ効率（αｔ）で除算して消費電力を求める第３算出工程と、第１算出工程と第２算出工程と第３算出工程とを全走行時間にわたって繰り返して消費電力の総和を求める第４算出工程とからなる。
【００３３】
次に、モータ設定方法の算出手順について説明する。
図７に示すように、まず、予め定められた走行パターンを達成するのに必要な回転数（Ｎ）および予め定められた走行パターンを決定する（Ｓ１）。
【００３４】
次に、モータのトルクや各回転数における負荷に基づいてモータ負荷を算出する（Ｓ２）。
【００３５】
次に、モータのサイズや最高回転数や使用電圧等のモータ設計仕様制約条件を算出する（Ｓ３）。
【００３６】
そして、モータ設計仕様の選定を行う（Ｓ４）。
【００３７】
次に、選定されたモータ設計仕様に基づき、モータ効率（αｔ）×負荷の算出により特性値の算出を行う（Ｓ５）。
【００３８】
そして、特性値を設定する（Ｓ６）。
このとき、選定の設計仕様における特性値が最小でない場合、モータ設計仕様の選定および特性値の算出を繰り返し行う（Ｓ４→Ｓ５→Ｓ６）。
【００３９】
つまり、予め定められた時点ｔ〜ｔ＋Δｔでの路線バス１０の仕事量は以下の数式１により算出される。
【００４０】
【数１】
0005693137.tif 000002
【００４１】
そのときのモータ１１の回転数（Ｎ）とトルク（Ｔ）は、Ｎｔ，Ｔｔである。
従って、そのときの効率は、αｔである。
【００４２】
そのときの仕事量（Ｗ）は以下の数式２により算出される。
【００４３】
【数２】
0005693137.tif 000003
【００４４】
そして、これらを時間積分することにより、以下の数式３が算出される。
【００４５】
【数３】
0005693137.tif 000004
【００４６】
そして、時間積分が最小となるようなモータ１１の効率マップを設定し、第４算出工程において、第１算出工程と第２算出工程と第３算出工程とを全走行時間にわたって繰り返して消費電力の総和を求める。
【００４７】
以上、説明したように一実施形態のモータ設計方法によれば、走行パターンを分析し、仕事量（Ｗ）をモータ効率（αｔ）で除算した時間積分が最小となるようなモータ１１の効率マップを設定することにより電力消費量を改善できる。
【００４８】
一実施形態のモータ１１によれば、走行パターンを分析し、仕事量（Ｗ）をモータ効率（αｔ）で除算した時間積分が最小となるように設計できる。
【００４９】
一実施形態の路線バス１０によれば、走行パターンを分析し、仕事量（Ｗ）をモータ効率（αｔ）で除算した時間積分が最小となるようなモータ１１の効率マップを設定することにより電力消費量を改善することにより、モータ１１で車両を駆動する電気動力式を採用して、省エネルギー、加速性能、乗り心地等の様々な点から最適な電気式車両を提供できる。
【００５０】
なお、本発明では、仕事量をモータ効率で除算した時間積分が最小となるようなモータの効率マップを設定するが、実際には、無限量の情報から最小のものを選定するのは不可能であるため、例えば、限られた複数個のモータ効率マップのうち最小のものを選定したり、あるいは、コンピュータプログラム等を利用する場合には、ある閾値以下に収束した際のモータ効率マップを選定したりすることとする。
すなわち、本発明は、走行パターンから得られる仕事量をモータ効率で除算した時間積分がより小さくなるようなモータの設計方法を提供している。
【００５１】
また、本発明のモータ設計方法、モータ設計方法により設計されたモータ１１およびモータ１１を備えた路線バス１０において、空調装置１６、固定型のリチウムイオン二次電池１８、交換型のリチウムイオン二次電池パック１９、インバータ２０等は前述した一実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形や改良等が可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１０  路線バス（電気式車両）
１１  モータ
【図１】
0005693137.tif 000005
【図２】
0005693137.tif 000006
【図３】
0005693137.tif 000007
【図４】
0005693137.tif 000008
【図５】
0005693137.tif 000009
【図６】
0005693137.tif 000010
【図７】
0005693137.tif 000011
【図８】
0005693137.tif 000012