電気自動車の使い勝手に関する実証研究(第2報) *北原成倫1)

市野瀬和正2)

脇田喜之3)A Vehncation Smdy of the E挽ctive Dhving Condition of the EV in Daily Use (Pan 2)

Masanoh Kitahara KaLZumaSa lchinose Yoshiyuki Wakita

On the production EV, it is important that the regeneration brake increases a cruismg range･ Therefore, we smdy theopemtion condition of the cooperation RInCtion between針ction bmke md regeneration bmke･ In this paper, physicaldata of the cooperation brake system are measured during deceleration at different initial vehicle speed, difrerent brakepedal stroke･ As a result. We obtained that the regeneration brake operates魚111y below ‑0･24G of deceleration･
Additionally, lt is con斤med that the regeneration power duhng deceleration is directly propo血onal to a initial vehicle

speed of deceleration.

Key Words: Elecdc Vehicle, Cooperation Bmke System, Regeneration Bmke, Regeneration Power

2.実験車両の概要

1.はじめに地球環境が問題となっている近年,内燃機関に替わる次世本研究で実験に使用した車両は, 2010年12月に日本とア代自動車のパワーソースの候補として,電気モータとリチウ

メリカ, 2011年にヨーロッパや中国でも発売され, 2012年

ムイオンバッテリーとの組み合わせによるシステムが量産車までに全世界で販売予定である世界初の量産型電気自動車でとして登場している.しかしながら,現状の性能評価においある.よって今後開発される竃気自動車は,この車両を手本ては,航続距離の短さが指摘されており,充宙インフラの整とすることが予想され,本研究においても実験対象にふさわ備と併せて課題となっている.

しいと判断した.実験車両の諸元は表1に示す.

本研究では,市販の電気自動車を日常用途に使用した状況において,可能な限りカタログデータに近い航続距離が得ら

表1実験車両れるような走行条件を求めることを目的として,実証研究を車名型式行っている.

全長

既報では

諸元(1)〜(2)ｨ6(5H95､ﾒﾕ､T
鼎CCVﾖﾒ

電気自動車に風速計を搭載し,車速及び走行時全幅ss

風速に対する電費を計測した.その結果,竃費が良好となる

全席SCVﾖﾒ

上限速度がおよそ75km爪であることが分かった.

ホイールベースs

車両総重量

本稿では第2報として,航続距離を延伸させる手段の一つ

ﾖﾒ

ﾖﾒ

s天ｶr

として回生協調ブレーキシステムに着目し,より多くの電力駆動用バッテリ

ｨ6が回収できるようなブレーキ操作の方法について,実験と検総屯圧c

討を行った.さらに,通常走行における検証として,登坂･総馬力拉Fｵv

降坂走行における検証実験を行った.

前ブレーキ

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後ブレーキ

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ｸ6X686h4(5韭回生協調ブレーキ

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2･1.回生協調ブレーキについて(1)航続距離を延伸させる手段の一つとして､減速時にモータ★2012年8月7日受理.第44回全国自動車短期大学研究発表

による発馬によって電力を回収する回生ブレーキの活用が有会において発表.
1)･2)･3)新潟工業短期大学

効である.

自動車工業科(950‑2076新潟県

図1に示すブレーキシステムにより,従来の摩擦ブレーキで新潟市西区上新栄町5‑13‑7)の制動時における車両の運動エネルギーを熱エネルギーと‑

7‑

して消費させるのではなく,電気エネルギーとして回収する

匝動変換機構,直動変換機構によって動作するプライマリピことで再度両面を駆動させるためのエネルギーとして利用

ストン,およびペダル反力を牛戒する各バネから構成される.
ブレーキシステムの構成としては,ドライバーのブレーキすることでエネルギーロスを大きく減らすことができる.

操作人力を検出するストロークセンサ,ブレーキマスタシリ置後場尖筆ンダo)発色液圧を検出するマスタシリンダ液圧センサ,ドライバー操作や回生協調機能に応じたマスタシリンダ液圧を発坐,制御する電動型制御ブレーキュニットからなる.
作動原韓としては,インプットシャフトに対し,プライマリピストンの位置を電動モータによって任意に制御することで,摩擦ブレーキのみ使用時や回生協調ブレーキ時にマスタシリンダ液圧を増減させることが可能になっている.

回生ブレーキと協調させた場合,ドライバーのブレーキペダル操作入力によって決まる車両の目標減速度は 駆動モータの回生トルクによって生成される減速度と,摩擦ブレーキによって牛成される減速度の和によって実現される.回生ブ

図1エネルギーフロー(1)

レーキと協調されない場合と比較して,プライマリピストン
また,ドライバ一一がアクセルペダルから足を放している惰の位桂は,マスタシリンダ圧を減少させるためにペダル側に性走行時だけでなく,ドライバーのブレーキ操作による減速戻され,同状態を維持することによって目標減速度を実現す

時にもエネルギーを旧年することでることができる.

モータやインバータ,バッテリを最大限に利用することができる.

しかし,同年ブレーキだけでは車両を減速させるために十分な制動力を発生させることができないため,回生ブレーキ

2‑3.回佳ブレーキとモータ消発電力について(3)と並行して,従来の摩擦ブレーキも使う必要がある.このたモータの出力トルクとし可怯速度の関係を縦軸に回転速度,め,同位ブレーキと摩擦ブレーキを協調制御することが重要

横軸に出力トルクとし,図3に示す.前進する場合には速度となる.本車両では,電動型制御ブレーキがその役割を担っもトルクも止方向であり,モータでは電気エネルギーを機械エネルギーに変換し駆動している.前進減速の場合には,モータは機械エネルギーを電気エネルギーに変換して回生するている.

2‑2.電動聖制御ブレーキ(1)i(2)

後進加速･減速についても駆動運転と回生運転になる.この電動聖制御ブレーキユニットは,従来の負圧型ブースタとように,モータの回怯速度と出力トルクの両方が両極性となる運転を｢囲象限運抵｣と呼んでいる.

同等q)場所にレイアウトされており,ドライバーからの操作

本報告においては,モータ消費電力が正の値の時を電動前人力から摩擦ブレーキによる制動力と,駆動モータによる固進加速,負の値の時を固!缶前進減速として表すこととする.

生ブレーキを協調制御する.モータによりマスタシリンダ内のピストンを動かすことでアシストカを発生させる.また,油圧ユニットの内部構成は図2のように,ブレーキペダルから接続されたインプットロッド･｢シナ一子モータ消費重力 負 回生
速度:正正 章動

語気モータ,モータ回転の劔ニ:I辻簫粭停ﾒｸ5顰

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前進減速
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後退加速 佩9 靈 ﾂ ﾎ9
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速度:負88国璽副書
図2

図3

油圧ユニットの内部構造(2)‑8‑四象限運転(3)h6x8ｸ4罠

2

主となる測定データは3‑1回生協調ブレーキの制動実験と3.実験方法
本報告では同一であるが,追加データとしてバッテリ残量(kWh)を記

電費に強い影響を与える減速時の回生電力量録し,回生電力最の評価に用いた.に着目し,様々な制動条件における回生電力量の変化について実験を行った.まだ,回生協調ブレーキの使い勝手を検証するために,実際に麓と山頂の間を往復し,登坂時および降坂時における消賛竃力量の増減を計測した.本節では

4.実験結果その本実験で得られた大量の走行データは,各走行条件をよく方法の詳細を説明する.

反映しており非常に興味深いが,より良い議論のため,走行データは典型的なデータのみを掲載し,その傾向を議論する

3‑1,回生協調ブレーキ実験に留める.そして走行データから評価最を集計したデータにまず,制動時における摩擦ブレーキと回生ブレーキの協調ついて議論を行う.

動作の状態と,回生電力量の関係を調査するために,次のような実験を行った.

4‑1.回生協調ブレーキ実験

まず平坦路を一定速度で走行し,測定開始と同時に一定のペダルストロークでブレーキ操作を行い,停止するまでの走実験で得られた走行データを整理すると,そのすべてが3行状態を記録した.制動時の初速度は40km爪から10km几

種類の制動パターンに当てはまることが明らかとなった.制刻みで90km爪まで6段階の測定を行っている.ブレーキの動パターンは回生協調制御の作動で区別され, ①全制動時間操作量については強,中,弱の3段階に分けて測定を行い,に渡り制御が行われているケース, ②制御が途中で中断されその評価は実際の減速度によって表すこととした.

るケース, ③最初から制御が作動しないケースである.図5から図7にそれぞれの典型的な走行データを示す.

主となる測定データは, ①車速, ②ブレーキSWのONl0FF,③Gセンサによる減速度, ④マスタシリンダ圧(摩擦ブレーキの制動力) , ⑤モータ実トルク(回生ブレーキの制動力) ,⑥モータ消費電力(回生電力値)である.なお, 1回のブレーキ操作で得られる回生宙力量は極めて少なく,バッテリ残量(kWh)は全く変化しないため,回生電力量の評価は,千ータ消費電力の時間積によって算出した.そのため,バッテリの電力量はkWh (kW時)であるが,回佳電力晶はkW秒とした.

6‑

150ー

3‑2.登坂･降坂走行実験

次に,通常走行において,より効率的に回生を行うブレー

畠,+言宣示L̲+寸.i,..轟キ操作の方法を検証するために,次のような実験を行った.
麓をスタート/ゴール地点,山頂を折返し地点とし,この汁‑‑''.+‑三三:.*!.̲...b1.㌔'慌区間の登坂時と降坂時の各々で走行状態を記録した.図4にoL.マスタシル空く同一1500046810

時間(め)測定コースを示す. GPS情報による標高は,スタート/ゴー

図5

ル地点で133m,折返し地点で540mである.
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Vﾈﾔで+R(初速‑45.8km仇,最大Gニー0.19G)

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r雜ﾆb 自?ｩ(b｣｢･∴ ∴｣‑置き◆9) "謦 辻鰄皞 ･回生協調制御が行われている例

図5の回生協調制御が行われている例では,ブレーキペダ
ルを踏むと,まずマスタシリンダ圧を上げて速やかに摩擦ブレーキを作動させる.次に,遅れて回生ブレーキが作動を始2めたら(マイナスの実トルクが増大したら) ,マスタシリンダ圧を下げて摩擦ブレーキを開放する.理論的には,車速が低下すると回生ブレーキの起馬力も低下するため,バッテリ｢∴一回〇°ii 遁し地鳥‑/一十.‑‑三 一̀′ 一一一一二一二二一一‑‑‑‑‑一､‑‑‑‑‑イ一一一‑.一一一1.‑‑ rﾒﾘ耳爾簫ﾒ ﾘ耳耳vE[二二千二‑=二二一一一一‑‑二‑二二一一一一一､十一.一一一二…一一一一i一一一一一一‑ﾝxぼ(の充電可能限界を下回ると回生ブレーキが作動しなくなるこ

÷エ〇一一二一‑一 I 中書i I ,.̲̲I ∴子∴̲∴とが予想される.そこで,車速が15‑10km仙程度で,再び

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一一‥一一̀一… 一一一一‑ー 一一°""○! 漢: ○○SSSm:

マスタシリンダ圧を上げて摩擦ブレーキを作動させると同時
図4に,回生ブレーキの作動を停止させている.

登坂･降坂実験測定コース‑

9‑

していることから,電動型制御ブレーキのインプットロッドが直接マスタシリンダを押して,回生協調制御を行えない状態になっていると考えらえる.

なお, 3つの制動パターンが切り換わる制動力の闇値については次節の集計データにて報告する.

4‑2.回生協調ブレーキの効果が得られる条件

6‑｢｢150出る侏踞

;4 38 台2 tIl 佛(馼袙放)D"

全測定データを3種類の制動パターンに当てはめ,制動パ

耳耳 &ﾂ粫

ターン別に回生竃力量(kW秒)を評価した.
まず,前節の検討において,目標の減速度に対して実際の減速度が到達しているか否かが,制動パターンを決定するとの事から,最大減速度と回生竃力量の関係について集計を行った.図8にその結果を示す.

oL一一一一一一｣二一二一一,.150
ep46鴫同

図6810(め)回生協調制御が中断される例(初速‑56.8km爪,最大Gニー0.35G)

図6の同年協調制御が中断される例では

̲ー̲.●回生譲ー ▲回生協一

回生ブレーキがｶH* .や鵙

ⅵ ⅲ $ i&b ﾖｨ, Rﾃｲ○回生鍛1#Sﾘx爾 #茁ｲ ﾆ鉄 ﾝs｢B｢i

作動を開始しても,摩擦ブレーキのマスタシリンダ圧は上昇▲鳴を続けている.これは, Gセンサの減速度が緩やかに増加していることから,目標の減速度に対して実際の減速度が不足しているものと考えられる.すなわち,通勤型制御ブレーキ○○▲ 辻ﾒﾒ簫ﾒﾒﾒﾒﾒ

2ﾃｲ;●

1.0.8.0.6‑0.4.0.2のコントロールユニットが,回生ブレーキでは目標の減速度農大G(G)が得られないと判断し,マスタシリンダを倍力装証で加圧し続けると同時に, ABSの作動の可能性を踏まえて, ABS制御

図8

最大減速度と回生竃力晶の関係の妨げとなる回生ブレーキを停止していると考えられる.
この結果より,回生協調制御が中断される閥値は0.24Gか
100 00 照00 機00 20 0 免ﾂ絣

ﾒﾒﾒﾒﾒﾘ

ｬdﾅBﾒﾒﾘ耳爾ﾒﾒﾒｲ謦

優"ら‑3.OGまでの間であり,それ以上の減速度となる強いブレー

キ操作では,回生協調制御が中断されて回生竃力量が大幅に低下することも明らかとなった.一方,回生協調制御が行わ十一幸二二二埋草
し一一〇雪盲T.I:〝‡

れている減速度‑0.24G以下では最大減速度と回生竃力蛭は相関が低く,ブレーキ操作の程度と回生竃力量は無関係であることが分かった.

246810

そこで,回生電力盛を決定づける物理量は何であるかを検暗面(め)6.i 出る( *4.( ミ3三｢ニ ‡2∴ ( く り1,‑

"ﾘ "ﾒ x 籀 ﾉ^ 軍事ー韲 6x8ｸ4 ﾉ8( ｸ5 円ﾈ I￨ﾘ*ﾘ*ﾒ貳 B討するため,以下のような検討を行った.すなわち,発電機に入力される機械的エネルギーはトルクと回転数の積である
ことから,発竃効率が一定のもとでは,発生竃力は制動トルク(∝減速度)に比例すると考えらえる.よって,竃気的な関係式(発生竃力) × (制動時間) ‑ (回生竃力量)はio｣,ーﾘ5

ｸ8ｹLr卯4亡3力S

学的な関係式(減速度) × (制動時間) ‑ (制動時初速)に
0

鶴間

図7

ﾘ

回生協調制御が作動しない例

置き換えることができ 回生竃力量は制動時初速に比例すると結論付けられる.
そこで,制動時初速と回生電力晶の関係について集計を行(初速‑56.2km仇,最大G‑･0.76G)った.図9にその結果を示す.さらに,この結果の裏付けと図7の回生協調制御が作動しない例では,きわめて急なブして, ①制動時間と回生霹力塾の関係(最大減速度と同様にレーキ操作をしており, ‑0.76Gもの減速度が得られている.

相関が低い) , ②減速度と制動時間の積(以下GT積と呼ぶ)

この時,マスタシリンダ圧は極めて短時間で5MPaまで上昇と回生電力量の関係(制動時初速と同様に相関が高い)につ‑10‑.H‑3ｲいても検証を行った.その結果を図10,図11に示す.いずいことが重要であり,これはガソリン車の燃費向上で言われれも,回生竃力愚は制動時初速に比例することを裏付ける結ている制動距離を長く心がける事と,議論の途中経過は異な果が得られた.

るが,類似した結論につながる.
また,図9の線形近似直線を見ると,制動時初速30km仇で回生竃力量がOkW秒となることから, 30km爪以下の制動

800‑‑‑‑‑｢一一一一一一一一一一一一T‑一一一一一一一一一一一一‑｢一一一‑‑‑,一一一一一‑一一一､.‑‑‑‑I 〜

2的 ( 令ﾈhｺb8i

頒あり 綱中断一一一一一一一7‑

昌200 刷1的 竃,00 a 60 0ｨhｺi$)

Iﾂ竿聖ち,信号機が多数設置された市街地でのストップ･アンド･ゴーの走行パターンでは,最高速度が低くなるため,回生に(‑織杉回生繊細あのjl

Rﾈ*H

時にはバッテリ充竃を行えないことが明らかである.すなわ

よる航続距離の延伸の効果が期待できないことが予想される

凵｣‑‑i一一一一‑‑1‑‑‑‑‑‑‑‑‑;‑‑‑ ●i 書▲ i S○○81 宙 2 ﾂ 討ｲ

あるいは▲ ○

今後のEVの改良においてば回生が限界となる

制動時初速を30km爪より引き下げることが最も重要な技術的課題であるとも言える.
0204060801

初濃くbJか図94‑3.登坂･降坂走行実験

制動時初速と回生電力量の関係

前節の結論を検証し,回生ブレーキによる効率の良い電力回収の方法について検討を行う.そのため,登坂･降坂走行
850.‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑ナ｢一一一一一一一一一一.‑一一一..‑一丁,‑‑‑一一一 ‑‑'一 ｢一一‑ー 一一300 舎‑●回生脇鞠あり

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中断 なし

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実験では,降坂時のブレーキ操作について, 2パターンの操｢作を行った.

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第1に,大きなモータ消費電力を得ることを目的として,3200 〟 壷

H乏亜hｺi+(*.

直線区間はノーブレーキで速度を上げ カーブ直前で短時間

ｨ耳爾の強いブレーキ操作を行った.降坂時の走行データを図12に$150 哲l00 60 0

▲ ‑.A 亦一十 豫r示す.第2に,前節の結論に従い0.24Gを超えないブレーキ( ) ー操作を目的として,直線区間もカーブも,長時間の弱いブレーキ操作を行った.降坂時の走行データを図13に示す.なお,‑｢

0010152

ブレーキ作動時間のうち回生ブレーキが作動した時間を回生馴動鴫聞く秒)作動率として,図中に示した.また,この実験は竃力を大量
図10消費するため,走行回数は図に示した4回のみとなった.

制動時間と回生電力量の関係

この結果からば 残念ながらブレーキ操作と回収竃力の関連性について見出すことが出来なかった.その原因としては,以下の2つの理由が考えられる.

‑‑‑‑‑300･ltt 亦ll i‑ i で''ー ̀ーiー"ー'ー"一 一一一 一一 I ii

ﾈi+ i.

8i}Xﾉ (i&b 謀唯

50 ‑a.: 200昌: 〟;第‑には,ブレーキ操作以外の回生制御による影響が考えられる.すなわち,第1パターンのブレーキ操作では,降坂路の直線区間はノーブレーキで走行したが,この際も回生制●ii‑鱗形(回生捌あり ̲̲̲ー̲̲1̲｣▲ 唸i▲ I羇y$

纉#cx.

22150一 ,00信 田:

御がおこなわれており,回生ブレーキよりも長時間にわたって作動していた.このため,回生ブレーキ操作の影響がわずかとなってしまったと考えられる,○○▲▲○i○○ﾂ〇m剴S劔)

第二には,バッテリの充電状態(満充篭に対するバッテリ0｣.6‑3.2.6.2‑1,5.1.0.6

残量率, State of Charge,以下SOCと略す)による充電効

GT原率の変化の影響が考えられる.一般的にSOCが低下するにつれ,充電効率が向上すると言われている.すなわち,荊述の図11 GT積と回生竃力量の関係

回生協調ブレーキ実験では回収竃力が小さいため各測定で以上の結果より, EVにおいてより効果的に回生を行うブレ‑0.24Gを超えない減速を行うことであり,そSOCには差がなかったが,登坂･降坂走行実験ではバッテリーキ操作とはを大量消費するため, SOCが低く充竃効率が良い2往復目のの範囲内であればブレーキの強さは関係ないと言える.併せ走行で良い結果が得られたと考えられる.また,短時間の強て, ‑0.24Gを超えないための心がけとして,十分な車間距離いブレーキ操作と,長時間の弱いブレーキ操作の走行データと早めのブレーキ操作で,急ブレーキが必要な状況にならな

では一間一SOCが異なるため,単純な比較ができない.

は,各測定で車両状態,特にバッテリの充電状態を同一‑条件にし,アクセルオフ･ノーブレーキ時の回生も評価に含めることで,より効率の良い電力回収を行う運転操作について評
価検討を行う予定である.

5.まとめ

本稿では,航続距離を延伸させる手段の一つとして回生協(1) 1往復目の降坂時走行データ,速度平均値43.7km几

調ブレーキシステムに着日し,より多くの電力が回収できる(回生作動率62.6%,回収電力640Wh)

ようなブレーキ操作の方法について,実験と検討を行った.

その結果,強いブレーキ操作では回生協調制御が中断され
00｢‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑一一‑‑‑T4 霊草(h爪)̲̲̲Aるため,減速度が‑0.24Gより弱いブレーキ操作が好ましいことが明らかとなった.また,回生電力量は制動時初速に比例

墨壷壁土̲二一̲エ̲̲̲B二̲̲̲̲聖堂=隷To, 巾.20( 7日.JO:( ｸ5 Xﾎ87ﾘ5 (5h8ｨ98ﾍ竏ｫ刀(請):I+ﾈﾋ 棈‑b ﾆﾅ2Rし, ‑0.24G以内であればブレーキ操作の強さに関係なく宙力が回収されることが分かった.このことから,回生協調ブレーキシステムにおいても,十分な串間距離と早めのブレーキ持‑00宜し,i.‑,〃TiÌｨd辻‑一十操作が好ましいと結論付けられた.

0100200300400500600
時間(秒)さらに,実験結果では制動時初速が30km爪以下の場合は,(2) 2往復目の降坂時走行データ,速度平均値41.6km爪

回生による電力回収が期待できないことが分かった.今後の(回生作動率48.7%,回収穏力1040Wh)

図12

EVの発展においては,回生が限界となる制動時初速を引き下げる技術改良が重要課題であると結論付けられた.

短時間の強いブレーキ操作

また,通常走行において,より効率的に回生を行うブレー
キ操作の検討として,韓坂･降坂実験を行ったが,回生協調

50T‑‑‑‑一一一一‑‑一一一一一一一一一一一一一一㌢4

只00十咄軌'401

辻竃20To(.5ブレーキ以外の回生制御の影響や,各測定時における車両状･3崇態の違いなどにより,有意義な結果は得られなかった.

2.5)＼

ｸ5Xﾎ8*ﾘｭB‑2烹

今後は中一20 庵 的 標‑60 ‑00 剃定 8ｮﾊ(98ｿ8ﾋ hx ﾖﾈ Κ 2 I.5th l‡ 0.5 0

回生協調ブレーキ時の電力回収だけでなく,アクセルオフ･ノーブレーキ時の同位制御における電力回収の実験も行い,より航続距離を延伸させる運転方法について検討
1002003004005006

を行っていきたい.

暗面(紗)(1) 1往復目の降坂時走行データ,速度平均値39.0km仙(回生作動率75.5%,回収出力800Wh)

謝辞

本研究の遂行にあたり｢財団法人東京自動車技術普及協
80T一一一‑一一一一一‑一一一‑一一一一‑一一一一一一一‑一一一一一一‑‑一一一｢4会｣の助成金を頂きましたことに感謝の意を表します.併せ

講亡二三喜市｢云二二二三二古記3.5 豪eOi,当惑て,本研究の実験やデータ収集にあたり,ご協力を頂きまし

Toモ可網Jm力伽'

た本学教職員の皆様にも,この場をお借りしてお礼を申し上迄耳璽Rﾂ(ｹ母.20ill.5ttt

雷;告ターシー空言言l∴∴言,皿 免ﾅ2 薬絣

げます.

0100200300400500600
時間(秒)(2) 2往復目の降坂時走行データ,速度平均値35.0km几

参考

文

献

(1)中尾誠治ほか:ブレーキ回生と制動感を両立させる竃動型
ブレーキシステムの開発,日産技報No.69 ･ 70, p.56‑60(回生作動率80.8%,回収電力960Wh)(2012)

図13

長時間の弱いブレーキ操作(2)日産自動車株式会社編:新型車解説, LEAF ZEO型サービスマニュアル(CD‑鼠OM),東京,日産自動車株式会

なお,本実験で行った長時間の弱いブレーキ操作は,摩擦ブレーキのみを持つガソリン串では推奨できない操作である社, 2010(3)鹿田幸嗣ほか編:電気自動車工学,第4章駆動モータ,が,逆に,回生ブレーキを持つEV, HVには適した操作であ

東京,森北出版, 2011, p.76‑106

る.そして,その効果を究明することは燃費･電費の改善に繋がる重要なテーマであり,研究を継続していきたい.今後‑12‑