発電制御戦略、増程器の性能革新
電動車両（EV）の進化は、補助電源システム、特に増程器（レンジエクステンダー）の性能向上にますます高い要求を突きつけています。増程器は、内燃機関（ICE）と発電機を組み合わせたもので、充電インフラに依存せずに走行距離を延ばし、バッテリーの充電レベルを維持する役割を果たします。しかし、従来の増程器は、動的な電力制御において、応答遅れ、出力の不正確さ、過渡的なオーバーシュート（過渡応答）といった長年の課題に直面しており、これらは燃料効率、排出ガス性能、そして全体的な走行性能を損なっています。
この課題に光明をもたらしたのが、浙江大学の研究チームによる画期的な動的制御戦略です。同大学の動力機械・車両工学研究所に所属するYao Dongwei（姚棟偉）、Shen Junhao（沈俊昊）、Wu Feng（呉鋒）、Lu Xinwei（盧鑫威）らの研究者たちは、Chinese Internal Combustion Engine Engineering誌に発表した研究で、電力と回転速度の二重ループ制御フレームワークを基盤とする新しい制御戦略を提案しました。このアプローチは、ICEの応答の遅さと発電機の電磁応答の即応性との間に生じる本質的な不一致を克服し、従来の制御方法が抱える根本的な限界を解決します。
この研究の重要性は、電動化のグローバルな潮流の中での位置づけにあります。バッテリー電気自動車（BEV）が注目を集める中、増程器付き電気自動車（EREV）は、走行距離への不安というEV普及の大きな障壁を解消する現実的な橋渡しとして、特に中国市場で注目されています。EREVは、都市部での通常走行において高いエネルギー効率と低排出を維持しつつ、長距離走行のニーズにも応えるという、ユニークな利点を持っています。
しかし、EREVの真価は、その補助電源である増程器の性能に大きく左右されます。従来の制御戦略では、エンジンの出力トルクを制御するオープンループモデルと、発電機の回転速度を独立して制御する方法が一般的でした。この分離されたアプローチは、ICEの機械的慣性と発電機のほぼ瞬時の電磁応答の違いを考慮できていないため、大きな課題を抱えていました。例えば、車両が急加速を要求した際、発電機は目標回転数に即座に追従しようとしますが、エンジンが十分なトルクを発生するまでには時間がかかります。この時間差により、発電機は一時的に負荷を下げて回転数を上げようとするため、発電出力が目標値ではなく一時的に低下する「逆方向オーバーシュート」が生じるのです。同様に、出力が低下する際も、逆の現象が発生します。
Yao Dongwei氏らの研究チームは、これらの過渡的な不安定性の原因が、主に二つあることに着目しました。第一に、内燃機関に直接的なトルクセンサーがなく、出力トルクが推定モデルに依存しているため、そのモデルの誤差や経年変化による制御精度の低下。第二に、トルク指令と回転速度指令の間に動的な協調性が欠如していることです。これらの問題を解決するために、彼らは電力-回転速度のデカップリングに基づく、二重ループ制御アーキテクチャを構築しました。
この戦略の核心は、効率的な運転曲線にあります。研究チームは、エンジンの燃料消費特性と発電機の電気効率を詳細に測定し、各目標発電出力に対して最も効率的なエンジントルクと発電機回転数の組み合わせを定義した「効率運転曲線」を策定しました。この曲線を参照することで、システムは、単なる電力源ではなく、最適な効率で動作する統合された電源ユニットとして機能できるようになります。
まず、目標発電出力が与えられると、この効率運転曲線に基づいて、発電機の損失を考慮した上で必要な軸上の機械的出力が推定されます。次に、この機械的出力が、目標トルクと目標回転数に分解され、それぞれエンジンコントローラーと発電機コントローラーに指令として送られます。これにより、発電出力の制御が、エンジンのトルク制御と発電機の回転数制御に変換されます。
ここで革新をもたらすのが、二重ループ制御の導入です。第一のループは、発電出力のフィードバックループです。エンジンの出力トルクは直接測定できませんが、発電機の端子で測定できる実際の電力出力が、指令された電力と比較されます。この誤差信号を用いて、比例・積分（PI）制御器がリアルタイムで目標トルク指令を修正します。このフィードバック機構により、エンジンの実際の出力トルクが推定値からずれた場合でも、その差を補正し、発電出力の誤差を最小限に抑えることができます。実験結果では、定常状態での出力誤差が0.01kW未満という驚異的な精度を達成しています。
第二のループは、動的な協調性の確保です。従来、出力が増加する際、発電機はエンジンのトルクが十分に発生する前に回転数を上げようとし、結果として出力が一時的に低下していました。この問題を解決するため、研究チームは、目標回転数指令に一次フィルターを適用しました。このフィルターは、目標回転数の変化率を意図的に遅らせることで、発電機の回転数変化の速度を、エンジンのトルク発生の速度に近づけます。この同期化により、発電機が負荷を急激に変化させる必要がなくなり、出力の不安定性を大幅に低減します。
この制御戦略の有効性は、実際の試験台で検証されました。1.5リッターの自然吸気ガソリンエンジンと水冷式永久磁石同期発電機からなる増程器システムが使用されました。実験では、目標発電出力を5kWから20kWまで5kW刻みで段階的に増加させ、その後再び5kWまで段階的に減少させました。各ステップでは、システムの応答が記録されました。
その結果は顕著でした。出力の最大正のオーバーシュートは1.37kWに抑えられ、最大の逆方向オーバーシュート（出力低下時の一時的な出力増加）は1.89kWでした。出力上昇の応答時間は約2.5秒、出力低下の応答時間は約2.8秒と、従来の方法と比べて大幅な改善が見られました。何よりも重要なのは、これらの過渡状態においても、運転点が事前に定義された効率運転曲線の近くに保たれていたことです。これは、定常状態だけでなく、日常走行で頻繁に発生する動的運転時にも、システムが最適な効率を維持できることを意味しています。
研究チームは、トルク制御モデルの誤差が実際には平均8.5N・mにも及ぶことを詳細なデータ分析で明らかにしました。このような誤差が補正されなければ、顕著な出力誤差が生じるはずです。しかし、出力フィードバックによるトルク補正により、これらの偏差は効果的に補償され、ほぼ完璧な出力追従が実現されました。
この研究成果の意義は、実用性にあります。自動車メーカーにとって、この制御戦略は、既存のハードウェアを変更することなく、ソフトウェアのアップグレードによって実現できる現実的なソリューションです。PI制御器や一次フィルターといったアルゴリズムは、計算負荷が低く、リアルタイムの自動車用途に適しており、既存の電子制御ユニット（ECU）に容易に実装可能です。このアプローチは、特定のエンジン・発電機の組み合わせに限定されるものではなく、異なる車両要件に応じて微調整が可能です。例えば、静粛性と滑らかさを重視する高級車では、回転数フィルターの時定数を長くして過渡応答をさらに緩やかにできます。一方、スポーティーな走りを追求するモデルでは、応答性を優先するように調整できます。
また、本研究は、自動車工学におけるシステム思考の重要性を強調しています。個々の部品を分離して最適化するのではなく、増程器を一つの統合された動力ユニットとして捉えることで、サブシステム間の相互作用という、見過ごされがちな問題を特定し、解決することができました。これは、効率性と性能を追求する上で、「全体は部分の総和以上である」という真理を示しています。
より広い業界の文脈では、この研究は、電動化時代においても内燃機関技術が依然として重要な役割を果たすことを示しています。バッテリーEVが最終的な目標であっても、充電インフラが未発達な地域や、日次走行距離が長い商用車にとって、増程器は今後も重要なコンポーネントであり続けるでしょう。これらのシステムの効率と応答性を向上させることは、EREVの競争力を高めるだけでなく、輸送部門の二酸化炭素排出量の全体的な削減にも貢献します。
結論として、Yao Dongwei、Shen Junhao、Wu Feng、Lu Xinweiらが開発した動的制御戦略は、増程器技術における顕著な進歩を示しています。出力-回転速度のデカップリング、リアルタイムの出力フィードバック、動的なトルク-回転数の協調によって、過渡的な電力制御の根本的な課題を効果的に解決しています。実験結果は、精度、応答時間、効率の面で優れた性能を示しており、今後の量産車への実装に向けた強力な候補となっています。自動車産業が電動化の複雑な課題を乗り越えていく中で、このような革新は、次世代の持続可能な輸送ソリューションを形作る上で、極めて重要な役割を果たすでしょう。
Yao Dongwei, Shen Junhao, Wu Feng, Lu Xinwei, 浙江大学, Chinese Internal Combustion Engine Engineering, DOI: 10.13949/j.cnki.nrjgc.2024.01.008