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【発明の名称】 電気自動車用速度制御方法及び、これを用いた速度制御装置
【発明者】 【氏名】山本 潤

【氏名】太田 裕二
【要約】 【課題】電気自動車のバッテリ消費量を減少させるための電動機効率を考慮した速度制御方法及び速度制御装置を提供する。

【解決手段】電気自動車の速度制御において、アクセル操作に基づいて決定されるトルク指令に一定の巾を持たせ、その中で電動機効率が最も良くなるトルク指令を選択し、そのトルク指令で電動機を制御する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】アクセル操作に基づいたトルク指令により制御される電動機の駆動で走行する電気自動車の速度制御方法において、所定の方法により該アクセル操作の量に応じた一のトルク値を決定し、該トルク値を基準として一定の巾を持たせたトルク値の範囲において、該電動機の効率が最大となる場合のトルク値を該トルク指令の値とすることを特徴とする速度制御方法。
【請求項２】速度指令に基づいて制御される電動機の駆動により走行する電気自動車の速度制御方法において、該速度指令の速度を基準として一定の巾を持たせた速度の範囲で、該電動機の効率が最大となる場合の最適速度を選択し、該最適速度を出すために必要なトルク指令により該電動機を制御することを特徴とする速度制御方法。
【請求項３】請求項２において、前記最適速度の選択は、前記一定の巾を持たせた速度の範囲内にあり一定間隔の値を持った複数の修正速度のそれぞれに対して、該修正速度を出すために必要な修正トルクと該修正速度に応じた前記電動機の修正回転数を算出するステップと、該修正速度毎に、該算出された修正トルクと修正回転数から前記電動機の修正効率を算出するステップと、該算出された複数の修正効率の中から効率が最大となる最適効率を選択し、該最適効率に対する該修正速度を前記最適速度とするステップを有することを特徴とする速度制御方法。
【請求項４】アクセル操作に基づく電動機の駆動により走行する電気自動車の速度制御装置において、該アクセル操作の信号を入力とし、所定の方法により該アクセル操作の量に応じた一のトルク値を決定し、出力するトルク指令手段と、該トルク値を基準として一定の巾を持たせたトルク値の範囲において、該電動機の効率が最大となる場合のトルク値をもったトルク指令を該電動機へ出力する最適トルク指令手段を有することを特徴とする速度制御装置。
【請求項５】アクセル操作に基づく電動機の駆動により走行する電気自動車の速度制御装置において、該アクセル操作の信号を入力とし、所定の方法により速度指令を決定し、出力する速度指令手段と、該速度指令の速度を基準として一定の巾を持たせた速度の範囲において、該電動機の効率が最大となる場合の最適速度を選択し、該最適速度を出すために必要な最適トルク指令を該電動機へ出力する最適トルク指令手段を有することを特徴とする速度制御装置。
【請求項６】請求項５において、前記速度指令手段は、前記アクセル操作の量に応じて、事前に決定されているトルク指令を選択するトルク指令部と、該選択されたトルク指令により前記電動機を制御した場合の前記電気自動車の走行速度を算出し、該走行速度を前記速度指令とする速度算出部を有し、前記最適トルク指令手段は、前記一定の巾を持たせた速度の範囲内にあり一定間隔の値を持った複数の修正速度を設定し、該修正速度のそれぞれに対する前記電動機の修正回転数を算出する修正速度・修正回転数算出部と、該修正速度のそれぞれに対して、該修正速度を出すために必要な修正トルクを算出する修正トルク算出部と、該修正速度毎に、該算出された修正トルクと修正回転数から前記電動機の修正効率を算出する効率算出部と、該算出された複数の修正効率の中から効率が最大となる最適効率を選択し、該最適効率に対する該修正トルクを前記最適トルク指令とする最適効率選択部を有することを特徴とする速度制御装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気自動車のバッテリ消費量を減少させるための速度制御方法及びこれを用いた速度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、バッテリフォークリフトなどの各種作業車や乗用車として、電気自動車が広く使用されており、通常、それらの電気自動車は、操作者のペダル操作などに基づいた電動機の駆動により走行する。
【０００３】図６に従来の電気自動車における速度制御装置の一例を示す。操作者がアクセルペダル１を踏み込むとその角度がアクセル装置２において電気信号θeに変換される。トルク指令部３０は、θeを受けて、その値に応じたトルク指令τeを発生する。このとき、τeの値は、事前に用意されているθeとτeの対応テーブルから引用され、θeの値に対し固定の値として決定される。電動機制御装置４は、トルク指令τeを受けて、そのトルクを発生するために電動機５の電流、電圧を制御する。その電流、電圧に応じて電動機５が駆動し、電気自動車が走行する。
【０００４】この例で示した装置の場合、速度制御装置３で行われる制御は、アクセルの踏み込み角度に応じて、その角度に対して事前に設定されている固定のトルク値を発生するという単純な制御であり、その時点の電気自動車の速度や制御後の速度については考慮されていない。一方、電動機の効率は、速度とトルクの両方に影響を受けて変化する。したがって、この例のような従来制御方式においては、電動機の効率についてはあまり配慮されていなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】一般に、電気自動車の製品開発においては、バッテリ容量と電動機出力のバランスのとれた組合せが不可欠であり、バッテリ寿命を延ばすための技術開発が重要である。その一つの要素として、電気自動車の走行駆動における電動機の効率を向上させるという課題がある。
【０００６】しかしながら、従来技術で説明した例のような速度制御方法では、前述のとおり、電気自動車の速度とそのために必要なトルクに影響を受ける電動機の効率が考慮されておらず、操作者のアクセル操作によっては、電動機の効率の非常に悪い領域で運転が行われることもあり、この方法ではバッテリ寿命の延長は望めない。
【０００７】そこで、本発明の目的は、かかる問題を鑑み、電気自動車のバッテリ消費量を減少させるための電動機効率を考慮した速度制御方法及び速度制御装置を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するために、本発明の一つの側面は、電気自動車の速度制御において、アクセル操作に基づいて決定されるトルク指令に一定の巾を持たせ、その中で電動機効率が最も良くなるトルク指令を選択し、そのトルク指令で電動機を制御しようとするものである。従って、本発明によれば、バッテリ消費量を減少させることができる。
【０００９】上記の目的を達成するために、本発明の別の側面は、電気自動車の速度制御において、与えられた速度指令を一定の範囲内において変化させ、電動機効率が最も良くなる場合の速度指令を選択し、その速度指令に必要なトルク指令をもって電動機を制御しようとするものである。従って、本発明によれば、バッテリ消費量を減少させることができる。
【００１０】本発明の更なる目的及び、特徴は、以下に説明する発明の実施の形態から明らかになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。なお、図において、同一又は類似のものには同一の参照番号又は参照記号を付して説明する。
【００１２】図１は、本発明を適用した速度制御装置の一実施例を示す構成図である。図１に示すとおり、アクセルペダル１、アクセル装置２、速度制御装置３、電動機制御装置４、及び電動機５から構成されているという点では、従来技術で説明した図６に示す例と同様であるが、速度制御装置３で行われる制御において本発明の特徴を有している。
【００１３】かかる速度制御装置３は、図に示すとおり、トルク指令部３０、速度算出部３１、修正速度・修正回転数算出部３２、修正トルク算出部３３、効率算出部３４、及び最適効率選択部３５から構成されており、アクセル装置２からのアクセル指令θeに基づいて、所定の修正範囲内で電動機５の効率が最適となる速度とトルクを算出し、その最適トルクτsを電動機制御装置４へ伝達するという特徴を有している。
【００１４】図２は、本実施例における速度制御装置の制御フローを示した図である。以下、図１及び図２を用いて、速度制御装置３における制御の内容について説明する。操作者がアクセルペダル１を踏み込むと、アクセル装置２では、その踏み込み角を電気信号に変換し、アクセル指令θeとして速度制御装置３へ伝達する。トルク指令部３０は、固定トルク指令τeを出力する部分であり、入力されるアクセル指令θeの値に対応した固定トルク指令τeの値を、事前に用意された対応テーブルから引用し、出力する。（図２のステップS１）ここまでの処理に付いては、従来技術で説明した図６の例と同様である。
【００１５】次に、出力された固定トルク指令τeは、速度算出部３１に入力される。速度算出部３１は、固定トルク指令τeに対する速度指令Veを算出する部分である。言い換えれば、固定トルク指令τeを電動機制御装置４に出力することによって、制御対象である電気自動車の走行速度がいくつになるかを計算する部分である。このように、トルクとそのトルクに応じた速度を計算することにより、速度制御において電動機５の効率を把握することが可能となる。速度指令Veの算出は、下記数１に示す速度とトルクの関係式によって行われる。
【００１６】(数１)Prun ＝ Frun × Vτ ＝ Prun／ωただし、V ：電気自動車の走行速度 [m/s]τ ：必要なトルク [Nm]Prun ：走行パワー [W]Frun ：走行抵抗 [N]ω ：角速度 [rad/s]である。
【００１７】なお、上記数１に用いられている走行抵抗Frunと角速度ωは、下記数２及び数３に示す数式によって求められる。
【００１８】(数２)Frun ＝ Froll + Fair + FaccFroll ＝ μ × Wa × gFair ＝ 1／2 × ρ × Cd × V2 × AFacc ＝ Wr × aただし、Froll ：転がり摩擦抵抗 [N]Fair ：空気抵抗 [N]Facc ：加減速抵抗 [N]μ ：転がり摩擦係数Wa ：車体総重量 [kg]g ：重力加速度 [m/s2]ρ ：空気密度 [kg/m3]Cd ：空気抵抗係数A ：前面投影面積 [m2]Wr ：車体回転部相当重量 [kg]a ：車体加速度 [m/s2]である。
【００１９】(数３)ω ＝ V ／ rただし、r ：タイヤ半径 [m]である。
【００２０】以上、示した関係式のVに速度指令Veを、τに固定トルク指令τeを当てはめて、τの値を与えることによりVの値を求める計算を行う。但し、数２の数式に必要な車体加速度aについては既知の定数ではなく、aを求めるために、今回の制御を行う前の速度V'が必要となり、その値として、前回の制御結果の値、あるいは速度検出器からの実測値が用いられる。（図２のステップS２）この入力値により、同じアクセル指令θe、あるいは固定トルク指令τeであっても、制御前の状況に応じて異なる値の速度指令Veが出力されることとなる。
【００２１】次に、前記算出された速度指令Veを基準の速度として、所定の範囲内において、速度指令の値を順次所定の幅で変化させて行き、都度、その変化させた速度毎に対応するトルク、電動機５の回転数、及び電動機５の効率の算出を行い、それらの中から最も電動機５の効率が高くなる場合を選択するという処理を行う。換言すれば、速度指令Veの近辺で最も電動機５の効率が良くなるケースを探すという処理を行う。
【００２２】以下、この処理について説明するが、前記変化させた速度のことを修正速度Vr、それに対応したトルク、回転数、及び効率を、それぞれ修正トルクτr、修正回転数Nr、及び修正効率φrと呼ぶ。また、前記の変化させる所定の幅を修正幅Δδ[％]、標準となる速度指令Veからの変化量を修正量δ[％]、変化させる範囲を修正範囲と呼び、修正範囲は速度指令Veから±δmax[％]とする。さらに、その時点で最も電動機効率が高いケースのトルクを最適トルクτs、そのときの効率を最適効率φsとする。
【００２３】まず、制御の初期状態では、修正量δ＝―δmax、最適効率φs＝０に設定する。なお、ここで説明する修正（変化）のさせ方は、修正範囲の下限値から順次修正範囲の上限値まで増やしていく方法であるが、他の方法で行っても構わない。
【００２４】次に、修正速度・修正回転数算出部３２において、速度算出部３１から出力された速度指令Veを受け、その時点の修正量δに応じて、下記数４に記載の数式から修正速度Vr及び修正回転数Nrを算出する（図２のステップS３及びS４）。
【００２５】(数４)Vr ＝ Ve ×（１+δ／１００）
Nr ＝ Vr ×（６０／２πｒ）× Ｇただし、r ：タイヤ半径 [m]G ：ギヤ比である。
【００２６】続いて、修正トルク算出部３３において、前記算出された修正速度Vrに基づいて修正トルクτrが計算される。計算方法は、前記速度算出部３１において行った計算の逆算であり、前記数１、数２、及び数３に記載の数式において、Vを修正速度Vrに、τを修正トルクτrに当てはめ、Vの値を与えることでτの値を求める（図２のステップS５）。
【００２７】次に、効率算出部３４において、修正速度・修正回転数算出部３２で算出された修正回転数Nrと前記修正トルクτrから、そのケースでの電動機５の効率である修正効率φrを求める。電動機の効率は、図３にその一例を示すとおり、その電動機の特性として、トルクと回転数から電動機毎に決まってくる値である。ここでは、図３に示すようなグラフの表現をテーブル形式に直した効率テーブルというものを用意しておき、そこからテーブル参照する方法で効率を求める（図２のステップS６）。
【００２８】効率算出部３４からは、前記算出された修正効率φrと修正トルクτrが最適効率選択部３５へ出力され、ここで最終的な最適トルクτsの選択がなされる。まず、その時点の最適効率φsと送られた修正効率φrとの比較が行われ、修正効率φrの方が大きい場合には、最適効率φsを修正効率φrの値に、また最適トルクτsを修正トルクτrの値に置き換える処理を行う。（図２のステップS７）
次に、その時点の修正量δをδmaxと比較し、δの方が小さい場合（修正が修正範囲の上限に達していない場合）には、δ＝δ＋Δδとして、再度、前記修正速度・修正回転数算出部３２からの処理（図２のステップS３からの処理）を行う。この修正速度・修正回転数算出部３２から最適効率選択部３５までの処理（図２のステップS３〜S７）を、修正量δがδmaxに達するまで繰り返し行う（図２のステップS８）。
【００２９】最後に、修正量δがδmaxに達っした時点、換言すれば修正範囲内の全てのケースに対して処理が終了した時点の最適トルクτsを、本実施例における速度制御装置３の最終的な出力として、電動機制御装置４へ伝達する。電動機制御装置４は、その最適トルクτsに基づいて電動機５を制御し、結果として、対象とする電気自動車が電動機５の効率の高い領域で運転されることとなる。
【００３０】以上、説明したように、本実施例における速度制御装置は、アクセル装置からの指令に基づいて決定される基準の速度指令を中心とした所定の範囲内で、電動機の効率が最適となる速度を見つけ、その速度を出すために必要なトルクを持って電動機を制御することを特徴としている。したがって、電気自動車が常に電動機効率の高い領域で運転されることとなり、電気自動車のバッテリ消費量を減少させることが可能となる。
【００３１】図４及び図５は、従来装置（図６に示した装置）と本実施例における装置によるシミュレーション試験の結果を比較して表した図であり、図４は回転数パターンを、図５は累積エネルギー消費量を時系列に表現している。なお、この試験においては、前記の修正範囲を±１５％（δmax＝１５％）として実施した。
【００３２】図４において、本実施例における装置を用いた場合、回転数は１８００[rpm]付近で上昇を弱めている。これはこの付近においては、操作者のアクセル操作にそのまま追随して回転数とトルクを上昇させるよりも、上昇を弱めた方が電動機効率が良いからである。言い換えれば、上記で説明した制御において、修正範囲の下限側で最適効率となる場合である。また、図５においては、本実施例における装置を用いた場合、エネルギー消費量が減少していることがわかる。本シミュレーション試験においては、約１０.５％減少しており、本発明の効果が実証されている。なお、図中、累積エネルギー消費量が減少している部分があるが、これはブレーキ操作により蓄電が行われるからである。
【００３３】なお、以上説明した本実施例における装置では、まずアクセル指令θeに基づいた速度指令Veを算出し、それを基準として所定の範囲内で速度を修正させ、その各速度に対するトルクを算出して、最適となる速度とトルクの組合せを選出したが、その代わりとして、固定トルク指令τeを基準としてトルクを修正させ、その各トルクに対する速度を算出して、最適となる速度とトルクの組合せを選出する方法としてもよい。
【００３４】また、本実施例では、制御対象とする電気自動車が平地を走行する場合を想定しており、前記数２の数式では平地走行における抵抗の要素のみを考慮したが、傾斜のある面を走行する場合など他の走行抵抗を考慮する必要がある場合には、それらの抵抗要素を数２の数式に追加することで、同様の制御が可能であると考えられる。従って、本実施例において説明した数１乃至数３に基づく速度指令Veの算出方法は、一例であり、他の方法により速度指令Veを決定する装置としても良い。
【００３５】本発明の保護範囲は、上記の実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００３６】
【発明の効果】以上、添付図にしたがって説明したように、本発明では以下のような効果を有する。
【００３７】第一に、電気自動車の速度制御において、アクセル操作に基づいて決定されるトルク指令に一定の巾を持たせ、その中で電動機効率が最も良くなるトルク指令を選択し、そのトルク指令で電動機を制御することにより、電気自動車の走行におけるバッテリ消費量を減少させることができる。
【００３８】第二に、電気自動車の速度制御において、与えられた速度指令を一定の範囲内において変化させ、電動機効率が最も良くなる場合の速度指令を選択し、その速度指令に必要なトルク指令をもって電動機を制御する速度制御方法を用いることにより、電気自動車の走行におけるバッテリ消費量を減少させることができる。
【００３９】第三に、上記速度制御方法が、変化させた速度指令のそれぞれに対して必要な修正トルクと電動機の修正回転数を算出するステップと、算出された修正トルクと修正回転数から電動機の修正効率を算出するステップと、算出された複数の修正効率の中から効率が最大となる最適効率を選択し、その最適効率に対する速度指令を選択するステップを有することにより、電気自動車の走行におけるバッテリ消費量を減少させることができる。
【００４０】第四に、電気自動車の速度制御において、アクセル操作の量に応じたトルク指令を決定するトルク指令手段と、そのトルク指令に一定の巾を持たせ、その中で電動機効率が最も良くなるトルク指令を選択し、そのトルク指令を電動機へ出力する最適トルク指令手段を有する速度制御装置を用いることにより、電気自動車の走行におけるバッテリ消費量を減少させることができる。
【００４１】第五に、電気自動車の速度制御において、アクセル操作に基づいて速度指令を決定する速度指令手段と、その速度指令を一定の範囲内において変化させ、電動機効率が最も良くなる場合の速度指令を選択し、その速度指令に必要なトルク指令を電動機へ出力する最適トルク指令手段を有する速度制御装置を用いることにより、電気自動車の走行におけるバッテリ消費量を減少させることができる。
【００４２】第六に、上記の速度制御装置において、速度指令手段は、アクセル操作の量に応じてトルク指令を選択するトルク指令部と、その選択されたトルク指令に対する速度指令を算出する速度算出部を有し、最適トルク指令手段は、前記変化させたそれぞれの速度指令に対する電動機の修正回転数を算出する修正速度・修正回転数算出部と、前記変化させたそれぞれの速度指令に対する修正トルクを算出する修正トルク算出部と、算出された修正トルクと修正回転数から電動機の修正効率を算出する効率算出部と、算出された修正効率の中から効率が最大となる最適効率を選択し、その最適効率に対する修正トルクを電動機へ出力するトルク指令とする最適効率選択部を有する速度制御装置を用いることにより、電気自動車の走行におけるバッテリ消費量を減少させることができる。
【出願人】 【識別番号】０００００６２０８
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
【出願日】 平成１２年８月２４日（２０００．８．２４）
【代理人】 【識別番号】１０００９４５１４
【弁理士】
【氏名又は名称】林 恒徳 （外１名）
【公開番号】 特開２００２−７８１０９（Ｐ２００２−７８１０９Ａ）
【公開日】 平成１４年３月１５日（２００２．３．１５）
【出願番号】 特願２０００−２５３３６７（Ｐ２０００−２５３３６７）