(57)【要約】【課題】  制動時にエネルギーを回収するためのスーパーコンデンサを備えた車両。【解決方法】  オルタネータ１１１を駆動するエンジン１０１を備え、オルタネータから供給された電気エネルギーは整流器１３１、電線路１２１およびインバータ２２１を介して駆動用電気モータ２３１に供給される。駆動用電気モータ２３１は車輪５１に機械的に連結されている。電線路１２１には電圧整合回路１４１を介してスーパーコンデンサ４１が接続されている。駆動伝達系での電気エネルギーの流れは車両の車輪に加わるトルクを制御するユニット２１が管理し、スーパーコンデンサ４１の放電を常に優先して、次の制動時に直ちにエネルギーを回収することができるようにする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドライバーが望む加速および減速の制御ＣＡを処理して所望の駆動トルクと所望の制動トルクとを計算する処理ユニット（２１１，２１２）と、車両の駆動に利用可能な電気エネルギー源と、制動トルクを駆動車輪に伝達し且つ電気エネルギーを電線路に蓄積することによってゼネレータとして動作可能な、少なくとも１つの駆動車輪に連結された少なくとも１つの電気機械（２３１，１１２）と、この電気機械と上記電気エネルギー源とを接続する電線路とを有し、上記電気機械は上記電線路で得られた電気エネルギーを吸収して駆動トルクを駆動車輪に伝達するモータとして動作する、車両の駆動用電気伝達系において、
電線路に接続された、1つ以上のスーパーコンデンサで構成される電気エネルギー蓄積装置（４１，４２）と、
エネルギー回収モードまたはエネルギー再生モードを選択する動作モード管理装置と、
車両車輪に加わるトルクを制御するユニット（２１，２２）とを備え、
駆動トルクが要求された場合には、電気エネルギー蓄積装置の充電量が最小でない限り、車両の駆動に必要なエネルギーを供給するために上記電気エネルギー源を使用するよりも、電気エネルギー蓄積装置に蓄積された電気エネルギーを消費することを優先することによって、上記電気機械をモータとして動作させ、
制動トルクが要求された場合には、電気エネルギー蓄積装置の充電量が最大でない限り、他の制動装置を使用するよりも、発生させた電気エネルギーを上記電気エネルギー蓄積装置の再充電に用いることを優先することによって、上記電気機械をゼネレータとして動作させる、
ことを特徴とする車両の駆動用電気伝達系。
【請求項２】
並列ハイブリッド車両用である請求項１に記載の伝達系。
【請求項３】
直列ハイブリッド車両用である請求項１に記載の伝達系。
【請求項４】
電気エネルギー蓄積装置が少なくとも７０ｋＪのエネルギーを蓄積することができる請求項１〜３のいずれか一項に記載の伝達系。
【請求項５】
電気エネルギー蓄積装置が少なくとも１５０ｋＪのエネルギーを蓄積することができる請求項１〜４のいずれか一項に記載の駆動伝達系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は推進力に電気を用いる路上モーター車両に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車には直列ハイブリッド車と並列ハイブリッド車の２つが知られている。いわゆる直列ハイブリッド型の駆動伝達系を有する車両ではエンジンがオルタネータを駆動してエンジンシャフトで得られる機械的エネルギーを電気的エネルギーへ変換する。この電気エネルギーが駆動用電気モータに供給されて、電気モータに機械的に連結された車両の駆動車輪が駆動される。エンジンは車輪に機械的には連結されていない。これに対して、いわゆる並列ハイブリッド型の駆動伝達系を有する車両では、エンジンおよび電気モータの両方が駆動車輪に機械的に連結され、両者の出すトルクが加えられて駆動車輪を駆動する。
【０００３】
いずれの場合も電気を蓄える蓄電池を備えていて、エンジンを切って電気モードのみで車両を駆動することができるようになっている。また、車両に制動をかけた時に運動エネルギーを熱として放散するのではなく、駆動用電気モータをゼネレータとして働かせることによってエネルギーの少なくとも一部を回収し、電気エネルギーに変換して蓄積することも周知である。
【０００４】
しかし、蓄電池の使用には種々の問題がある。先ず、蓄電池は蓄積される電気エネルギー量に比べて重量が重過ぎる。例えば、鉛蓄電池の蓄電量は約２０Ｗｈ／ｋｇであるが、鉛蓄電池を用いると車両の重量が大幅に重くなる。加速時あるいは減速時の運動エネルギーの電気エネルギーへの変換効率および電気エネルギーの運動エネルギーへの変換効率は１００％にならないので、これはエネルギー浪費の原因になる。しかも、重量車両の場合には思い鉛蓄電池に起因する車両の動的挙動の問題が重大になる。さらに、現在の電池は再充電を十分な強度の電流で行うことができないため簡単には大きな制動エネルギーを回収できない。すなわち、制動時に回収するエネルギーを大きくしたい場合には車両に設置する電池の重量を大きくしなければならず、そうすると加速時に消費されるエネルギーが大きくなる。エネルギーの変換効率が低ければ低いほど、制動時に回収されるエネルギーは小さくなり、電池に起因する余分な重量を加速のために使用しなければならなくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、制動時の電気エネルギーを十分に回収および蓄積して、全体としての効率を大幅に向上させる、換言すれば所定の仕事量に対する燃料消費量を減らすことができる装置を有するハイブリッド車両の駆動伝達系を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ドライバーが望む加速および減速の制御ＣＡ(acceleration control)を処理して所望の駆動トルクと所望の制動トルクとを計算する処理ユニットと、車両の駆動に利用可能な電気エネルギー源と、制動トルクを駆動車輪に伝達し且つ電気エネルギーを電線路に蓄積することによってゼネレータとして動作可能な、少なくとも１つの駆動車輪に連結された少なくとも１つの電気機械（２３１，１１２）と、この電気機械と上記電気エネルギー源とを接続する電線路とを有し、上記電気機械は上記電線路で得られた電気エネルギーを吸収して駆動トルクを駆動車輪に伝達するモータとして動作する、車両の駆動用電気伝達系において、
電線路に接続された、1つ以上のスーパーコンデンサで構成される電気エネルギー蓄積装置と、
エネルギー回収モードまたはエネルギー再生モードを選択する動作モード管理装置と、
車両車輪に加わるトルクを制御するユニットとを備え、
駆動トルクが要求された場合には、電気エネルギー蓄積装置の充電量が最小でない限り、車両の駆動に必要なエネルギーを供給するために上記電気エネルギー源を使用するよりも、電気エネルギー蓄積装置に蓄積された電気エネルギーを消費することを優先することによって、上記電気機械をモータとして動作させ、
制動トルクが要求された場合には、電気エネルギー蓄積装置の充電量が最大でない限り、他の制動装置を使用するよりも、発生させた電気エネルギーを上記電気エネルギー蓄積装置の再充電に用いることを優先することによって、上記電気機械をゼネレータとして動作させる、
ことを特徴とする車両の駆動用電気伝達系を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、ハイブリッド車のように電気エネルギー源がオルタネータを駆動するガソリンまたはディーゼル機関である場合と、電気エネルギー源が燃料電池または電気化学的電池である場合の両方に量可能なエネルギー管理装置を提供することにある。本発明のエネルギー管理は直列および並列の両方のハイブリッド車の構造に有効である。以下ではハイブリッド車の場合のみを説明するが、燃料電池または電気化学的電池を用いた車両の場合は直列ハイブリッド車の場合と同様であるということは理解できよう。
【０００８】
本発明では電気エネルギーを蓄積することができる特定の部品を使用する。すなわち「スーパーコンデンサ」、「ウルトラコンデンサ」または「二重層コンデンサ」とよばれる部品、例えばＭｏｎｔｅｎａ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ Ｓ，Ａ社からＢｏｏｓｔｃａｐ（登録商標）で市販のＣＨ−１７２８ＲＯＳＳＥＮＳを使用する。この部品は従来のコンデンサよりもはるかに多量の電気エネルギーを蓄積でき、電気化学的電池と同様に機能するが、電気化学的電池とは違って従来のコンデンサと同様に大きな電流を充放電（特に充電）できるという特徴がある。
吸収した電力密度（Ｗ／ｋｇ）をＸ軸に表し、蓄積した電気エネルギー密度（Ｗｈ／ｋｇ）をＹ軸に表したグラフで上記各電気部品の位置を示すると、スーパーコンデンサは電気化学的蓄電池の領域と従来のコンデンサの領域との間の中間領域を占める（ラゴン図）。
【０００９】
ドライバーが行う加速および減速を制御する制御装置ＣＡは、従来の車で一般的なアクセルペダルおよび制動ペダルの各ペダルの形にするか、単一のコントローラの形にすることができる。
【００１０】
先ず初めに、車両の種々の走行状態を見てみる。
山道での運転では、下り坂を走行時に車両を制動フェースで運転することが多いが、この場合は車両を制動または減速しなければならない時間が非常に多くなるため、全制動段階でエネルギーを回収しようとすると相当な蓄積容量が必要になる。しかし、車両に搭載可能な蓄積装置はどんな方法を用いたとしても重くなり過ぎ、使用不可能である。従って、制動時に電気エネルギーを回収して蓄積する手段を取付ける理由として山道での運転を挙げることはできない。
また、平坦な所での走行では、車両が制動期にある時間は短く、車両の通常の移動に使用される全エネルギーに比べて制動時に回収できるエネルギーは相対的少ない。
【００１１】
これに対して、都市での運転では比較的短い加速段階の後に比較的短い減速段階が続くことが多い。従って、電気エネルギー蓄積容量が大きくなくても、車両移動のために発生させなければならない全エネルギー量に比べて多量のエネルギーを回収することができる。すなわち、車両制動時にエネルギーを回収させる価値があるのは特に都市での運転であることは明らかである。事実、都市での走行では車両を加速するために発生させなければならないエネルギーの量に比べて車両を制動させるために発生させなければならないエネルギーの量が相当な比率になる。しかも、加速期と減速期とが交互に速く繰返されるのは都市での運転である。従って、この場合には蓄積容量の大きな蓄電池を備える必要がなく、備えなくてもエネルギーの実質的な部分を回収することができるということは明らかである。
【００１２】
本出願人の計算では、都市での運転で車両の減速によって発生するエネルギーは車両の加速によって発生するエネルギーの３０％〜４０％になると推定される。その実際の例を挙げると、１０００ｋｇの車両が５０ｋｍ／時で走行した場合、制動時に回収可能な潜在エネルギーは約８５ｋＪである。この車両を１０秒で停止させる場合に１０秒間に使われる制動力は平均約８．５ｋＷである。充電および放電の両方で上記の平均制動力の少なくとも２倍に等しいピーク電力は現在のスーパーコンデンサの技術を用いれば容易に蓄積できる。例えば、８５ｋＪの回収エネルギーに対するスーパーコンデンサを用いたエネルギー蓄積装置の重量は約１５ｋｇ、容積は約２０リットルである。
【００１３】
電気エネルギー蓄積装置として用いる方法とは関係に下記の寸法が提案できる。すなわち、車両１ｔ当たりの蓄積装置は少なくとも７０ｋＪ、好ましくは１５０ｋＪのエネルギーを蓄積できるのが有利である。
【００１４】
本発明のエネルギー管理原理は直列ハイブリッド車および並列ハイブリッド車の両方に適用でき、また、他の任意形式の電気駆動車両に適用できる。本発明原理では、容量が相対的に小さい電気エネルギー蓄積装置を選択することで車両の構造を相対的に軽くすることができる。ハイブリッド車に適用する場合、本発明は排気ガスゼロの車両構造を求めるものではなく、地方および都市の両方に適した広い用途の車両構造とし、都市での運転では車両の仕事量に応じて最適状態でエネルギーを利用できるようにするものである。
【００１５】
本発明の管理原理では、次回の制動時に直ちにエネルギーが回収できるようにするために、常に電気エネルギーの蓄積装置の放電を優先させる。本発明の管理原理を用いることによって、相対的に容量の小さい電気エネルギー蓄積装置を用いて統計的に大きな比率の制動エネルギーを回収することができる。なお、エネルギー蓄積装置の放電を常に優先するということは、ドライバーからの加速要求が大きい場合に電気エネルギー蓄積装置以外のエネルギー源から来るエネルギーを加速に用いる可能性を除外するものではない。
以下、添付図面を参照して本発明を説明する。
【実施例】
【００１６】
図１では、エンジン１０１がオルタネータ１１１を駆動する。このオルタネータから供給された電気エネルギーは整流器１３１、電線路１２１およびインバータ２２１を介して駆動用電気モータ２３１へ供給される。燃料電池を備えた車両の場合には、図１の要素１０１、１１１および１３１の代わりに電気エネルギー発生装置が使用される。
【００１７】
駆動用電気モータ２３１は車輪５１に機械的に連結されている。電線路１２１には動作モード管理装置１４１を介してスーパーコンデンサ４１が接続されている。スーパーコンデンサ４１および動作モード管理装置１４１からなる組立体は駆動用電気モータ２３１およびインバータ２２１からなる組立体と並列に接続されている。動作モードにはエネルギー「回収」モードとエネルギー「再生」モードの２種類がある。
【００１８】
駆動伝達系の電気エネルギーの流れは車両の車輪に加わるトルクを制御するユニット２１によって管理される。このユニット２１はドライバーが望む加速の制御量ＣＡの処理ユニット２１１から来る信号を受ける。
今、スーパーコンデンサ４１が放電されている場合を考えると、最初の減速が来た時には、車両の車輪に加わるトルクを制御するユニット２１は、ドライバーの望む減速度に対応する制動トルクレベルで電気モータ２３１をゼネレータとして駆動するようにインバータ２２１に命令を出し、それと同時に動作モード管理装置１４１に「回収モード」へ変るように命令を出して、スーパーコンデンサ４１を自動的に充電状態にする。この充電はスーパーコンデンサが最大充電量に達していない限り行う。最大充電量で、しかも、減速が引き続いて要求される場合には、車両の車輪に加わるトルクを制御するユニット２１が電気エネルギーを散逸抵抗器（図示せず）へ流すか、モータがゼネレータとしての動作することを中止させ、必要な場合には、車両の機械的ブレーキを自動的に駆動する。
【００１９】
そして、車両のドライバーから加速の要求が来た時には、スーパーコンデンサが最大許容充電量に達していない場合でも、ユニット２１は管理装置１４１に「再生」モードになるように命令を出し、それと同時に、スーパーコンデンサ４１を放電して適当な駆動トルクを供給するように電気モータ２３１を制御するようにインバータ２２１に命令を出す。エンジンには何のアクションもしない。
【００２０】
放電は所定の最小閾値になるまで続けるが、完全放電することはスーパーコンデンサの観点から望ましくない。すなわち、充電レベルが低くなるとスーパーコンデンサの電圧が極めて低くなる。また、充電レベルが低いため所定の電力を吸収するとより強い電流が加えられる。さらに、許容可能な電流にも当然制限があり、この電圧レベルでスーパーコンデンサに蓄積されるエネルギー量は駆動にさして影響しない。従って、一定の最小充電レベル（下側閾値）を維持するのが有利である。
【００２１】
また、スーパーコンデンサに蓄積された上記のエネルギー残量は駆動にはあまり関係はないが、エンジンが底負荷にあって十分な電力を即時に発生できない場合に、いくつかの電気要素に電力を供給するのにスーパーコンデンサに蓄積されたエネルギーは極めて有用である。当然ながら、スーパーコンデンサからエネルギーを取り出したため所定の最小充電レベル以下になった場合には、電気エネルギー源（ここでは電気機械に連結されたエンジン）からエネルギーを取り出して直ちに再充電するのが好ましい。
【００２２】
図２は、クラッチ１００を介して電気機械１１２にエンジン１０２が連結されている場合を示している。電気機械１１２によって吸収された（または供給される）電気エネルギーは管理装置１４２を介してスーパーコンデンサ４２から来る（またはスーパーコンデンサ４２に供給される）。電気機械１１２の出力シャフト５２０はギアボックス６２を介して車輪５２に機械的に連結されている。
【００２３】
駆動伝達系の電気エネルギーの流れは車両の車輪に加わるトルクを制御するユニット２２によって管理される。このユニット２２はドライバーが望む加速度の制御ＣＡの処理ユニット２１２から来る信号を受ける。今、スーパーコンデンサ４２が放電されている場合を考えると、最初の減速時に、車両の車輪に加わるトルクを制御するユニット２２は管理装置１４２に「回収」モードに切り替わるように命令を出すと同時に、ドライバーの望む減速度に対応した制動トルクレベルで電気機械１１２をゼネレータとして駆動するようにインバータ２２２に命令を出す。これによってスーパーコンデンサ４２の充電が自動的に行なわれる。この充電はスーパーコンデンサが最大充電量に達しない限り行なわれる。最大充電量で、しかも、さらに減速が要求された場合には、ユニット２２が電気エネルギーを散逸抵抗器（図示せず）へ流すか、電気機械のゼネレータとしての動作を中止させ、必要な場合には車両の機械的ブレーキを自動的に駆動する。
【００２４】
並列ハイブリッド、直列ハイブリッドあるいはその他の形式の車両でも、全ての走行ダイヤグラムで、ドライバーが加速を要求した時には、スーパーコンデンサが最大許容充電量に達していない場合でも、中央処理ユニット（２１または２２）が管理装置（１４１または１４２）に「再生」モードになるように命令を出し、電気機械（２３１または１１２）をモータとして駆動するようにインバータ（２２１または２２２）に命令を出す。すなわち、第1段階では電気エネルギー源には何のアクションもしないで、スーパーコンデンサの放電を優先して、必要な駆動トルクを供給する。
【００２５】
また、本発明ではスーパーコンデンサの放電を試みることを常に優先するが、全ての走行ダイヤグラムで、スーパーコンデンサの最大放電電流時で駆動用電気モータが十分なトルクを供給できないような駆動力が要求された時に、駆動モータに電気エネルギーを供給するための電気エネルギー源をさらに作動させる可能性を除外するものではない。
【００２６】
本発明では、車両を減速する要求が出された場合には、駆動伝達系を車両の他の形式のブレーキよりも優先して管理し、車輪に機械的に連結された電気機械をゼネレータとして作動させてスーパーコンデンサを最大充填状態まで再充電するが、当然、車両の運転上の安全は常に確保するようにする。そのためには従来の機械的ブレーキを用い、その時のエネルギーの回収量を全制動エネルギーに対して小さくするか、無視できる量にすることもできる。
【００２７】
さらに、全ての走行ダイヤグラムにおいて、上記の制動時にエネルギーを回収する管理モードだけでなく、加速度を即時に上げる（ブースターとしての）管理モードで作動させることもできるということは理解できよう。この場合には、加速段階でエンジン（より一般的には電気エネルギー源）を補助できるようにスーパーコンデンサを最大限に充電することを試みることを常に優先するような別のエネルギー管理モードに従って駆動伝達系の少なくとも一部を動作させる。エネルギーの回収に好ましい本発明のモード（下側充電閾値へ向かうことを常に優先する）と、ブースター型の動作に好ましい上記の別のモードとを自動的に切り替えるようにすることができる。本発明のモードはスーパーコンデンサ用の所定の最小充電レベルを自動的に求めることに特徴があり、これに対してブースタモードとよばれる上記の別のモードは車両に取付けたスーパーコンデンサ蓄積装置の許容最大充電レベルを求める点に特徴がある。一方のモードから他方のモードへ切り替えるだけでなく、これらの任意の中間充電レベルで自動的に動作させることもできる。既に述べたように、制動エネルギーをできるだけ回収するモードとブースタ型モードとの２つの動作モードの選択は手動で行うか、ドライバーの行動を分析する適当なプログラムを有する処理装置で制御することができる。このプログラムはルート検出用ＧＰＳ装置にリンクさせたドライバーの行動パラメータを取得して上記２つのモードの一方または任意の中間レベルを自動的に選択することができるものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の直列ハイブリッド車の駆動伝達系のブロック図。
【図２】本発明の並列ハイブリッド車の駆動伝達系のブロック図。
【図１】
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【図２】
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