複合電源EVの二重ファジィ制御でバッテリーを守る
電動化の潮流は、もはや単に内燃機関をモーターに置き換えること以上の進化を遂げている。今、自動車業界の真の焦点は、エネルギーの「知能的管理」にある。どのようにして電力を最適に配分し、性能を最大化し、特に高価で重要なバッテリーの寿命を延ばすか。この課題に取り組み、画期的な解決策を提案したのが、中国・西安建築科技大学機電工程学院の楊磊（ヤン・レイ）、白志峰（パイ・チーフォン）、王娟（ワン・ジュアン）、黄琳（フアン・リン）らの研究チームだ。彼らが提唱する「二重ファジィ制御」によるエネルギーマネジメント戦略は、ハイブリッド電源を搭載する電気自動車（EV）の設計に新たな地平を切り開く可能性を秘めている。
現代のEVにとって、リチウムイオンバッテリーはその心臓部であり、最も高価な部品である。その高いエネルギー密度のおかげで、長距離走行が可能になったが、同時に、過酷な条件下での劣化という宿命も抱えている。急激な加速や強力な回生ブレーキングの際に発生する高い電流は、バッテリー内部に大きな熱的・電気化学的なストレスを与え、サイクル寿命を著しく短縮する。この問題を解決する鍵は、バッテリーそのものを改良することよりも、むしろ、その使用方法を「賢く」することにある。
その最有力のアプローチが、「ハイブリッドエネルギー貯蔵システム（HESS）」の採用だ。これは、エネルギー密度の高いリチウムイオンバッテリーと、出力密度の極めて高いスーパーキャパシタを組み合わせたものである。バッテリーは巡航走行などの持続的なエネルギー供給を担当し、一方で、スーパーキャパシタは瞬間的な大電力の供給・回収に特化している。急加速時のピーク電力をスーパーキャパシタが肩代わりすることで、バッテリーは過度なストレスから守られ、長寿命化が実現する。しかし、この「分業」を成功させるには、両者の出力をリアルタイムで最適に割り振る「司令塔」、すなわちエネルギーマネジメントシステム（EMS）が不可欠である。
従来のEMSは大きく二つの流派に分けられる。一つは「ルールベース制御」で、シンプルでリアルタイム性が高く、実用性に優れている。しかし、走行状況の多様性に対応できず、適応性に欠ける。もう一つは「最適化ベース制御」で、動的計画法（DP）やモデル予測制御（MPC）など、理論上は最高のエネルギー効率を達成できるが、膨大な計算量が必要で、実際の車両に搭載するには現実的ではない。
このジレンマを打破するために、西安建築科技大学の研究チームは「ファジィ論理制御」というアプローチを採用し、それをさらに進化させた。ファジィ制御は、人間の直感的な判断を模倣するもので、「高い」「低い」「大きい」「小さい」といった曖昧な概念を扱うことができる。これにより、複雑で非線形な自動車の動態に柔軟に対応できる。しかし、一つのファジィコントローラーで全ての走行モード（低速巡航からフル加速まで）をカバーしようとすると、ルールが膨大になり、設計が複雑化し、逆に精度が落ちるという問題があった。
そこで彼らが考案したのが「二重ファジィ制御」という革新的な構造である。その核心は、車両の要求出力を三つの領域に細分化し、それぞれに専用のファジィコントローラーを割り当てることだ。
第一の領域は「低出力領域」（モーター定格出力の10％未満）。これは、高速道路での巡航や市街地での安定走行に相当する。この領域では、バッテリーが主に電力を供給し、スーパーキャパシタは充電状態（SOC）が低い場合はバッテリーから充電されるか、あるいは待機状態にある。この戦略により、限られた容量を持つスーパーキャパシタは、次の瞬間的な大電力需要に備えて、常に「満タン」に近い状態を維持できる。
第二の領域は「中出力領域」（定格出力の10～40％）。これは、信号からの発進や緩やかな加速に該当する。ここでは、第一のファジィコントローラーが作動する。このコントローラーの主な目的は、バッテリーの電流の「局部的なピーク」を滑らかにすること（フラット化）にある。バッテリーとスーパーキャパシタのSOC、および要求出力の三つの情報を入力として、スーパーキャパシタがどれだけの出力を分担すべきかを判断する。これにより、繰り返し発生する小さな電流の波がバッテリーに与える「疲労」を軽減し、長期的な劣化を防ぐ。
第三の領域、そして最も重要なのが「高出力領域」（定格出力の40％以上）である。これは、急発進や急勾配の登坂に相当し、バッテリーが最も過酷な電流ストレスにさらされる瞬間だ。ここで登場するのが第二のファジィコントローラーである。その唯一の使命は、「バッテリーを守ること」。要求出力が40％を超えると、このコントローラーが即座に作動し、瞬時に大電力を供給できるスーパーキャパシタに、出力の大部分を任せることで、バッテリーの電流を安全な範囲内に抑制する。研究チームのシミュレーション結果は、この戦略の有効性を雄弁に物語っている。FTP-75という動的な走行サイクルを用いたテストでは、従来の単一バッテリーシステムと比べ、バッテリーのピーク電流を59.4Aまで低下させることに成功した。これは、従来のルールベース制御（63.3A）や単一ファジィ制御（62.6A）をも上回る優れた結果であり、特に瞬間的な大電力要求に対する保護能力の高さを示している。
この「二重」構造の利点は、単に性能の向上にとどまらない。設計の複雑さを劇的に軽減する点にもある。一つのコントローラーで全てをカバーしようとする代わりに、二つの専門的なコントローラーにタスクを分割することで、それぞれのルールベースはシンプルかつ効率的に設計できる。これは、開発工数の削減だけでなく、実際の車載ECU（電子制御ユニット）への実装を容易にし、リアルタイム性と信頼性を高める。
さらに、このシステムは「ドライバーの意図認識」という知的な機能を備えている。単にアクセルの開度だけでなく、その「開度の変化率」（踏み込む速度）も監視する。ゆっくりとアクセルを踏み込むのか、それとも一気に踏み込むのか。この違いは、穏やかな運転か、スポーツ走行かというドライバーの意図を反映している。システムはこの情報を読み取り、意図的な加速と判断した場合、あらかじめスーパーキャパシタを充電しておくなど、先回りした制御を行う。これにより、加速レスポンスがより自然でダイレクトになり、同時にバッテリーの保護も強化される。
この高度な制御戦略の有効性は、産業界で広く使われる高精度なシミュレーションツールで検証された。研究チームは、AVL CRUISEというシステムレベルのシミュレーションソフトウェアで、質量1,650kgのEVの詳細なモデルを構築した。一方で、MATLAB/Simulinkで開発した制御アルゴリズムを、DLL（ダイナミックリンクライブラリ）という形式に変換し、CRUISE環境に統合した。この「共同シミュレーション」手法により、実際の車両に近い環境下で、制御戦略の性能をリアルタイムに評価することが可能になった。
シミュレーションは、新欧州走行サイクル（NEDC）と連邦試験手順75（FTP-75）という二つの標準的な走行パターンで実施された。結果は明確だった。二重ファジィ制御を採用した場合、走行終了時のバッテリーSOCは87.19%と、他のどの制御戦略よりも高かった。これは、エネルギーの無駄が最小限に抑えられ、より効率的にエネルギーが利用されていることを意味する。バッテリーを保護するだけでなく、航続距離の向上にも貢献する、まさに一石二鳥の成果である。
この研究の意義は、技術的な成果以上にある。それは、EVの未来は、より大きなバッテリーを搭載することではなく、既存の技術をいかに「賢く組み合わせるか」にある、という洞察を提供している点だ。リチウムイオンバッテリーとスーパーキャパシタという既存の技術を、二重ファジィ制御とドライバー意図認識というソフトウェアの知恵で融合させることで、システム全体の性能と耐久性を飛躍的に向上させたのである。
自動車メーカーにとって、これは非常に魅力的なソリューションだ。バッテリーの寿命が延びれば、保証コストの大幅な削減が可能になる。消費者にとっては、バッテリー交換の不安が軽減され、EVに対する信頼感が高まる。環境面でも、資源の集約的なバッテリーの交換サイクルが延びることは、EVのライフサイクル全体の環境負荷を低減する重要な一歩となる。
展望として、この研究はさらなる進化の可能性を示唆している。例えば、ナビゲーションシステムと連携し、前方に急な坂道があることを事前に把握して、その場でスーパーキャパシタを充電しておく「予知保全型」の制御。あるいは、AIを活用して、個々のドライバーの運転習慣を学習し、最適な制御パラメータを自動で調整する「自己学習型」EMSなど、無限の可能性が広がっている。
結論として、西安建築科技大学の研究チームが提唱した二重ファジィ制御戦略は、EVのエネルギーマネジメントにおける重要な一里塚となるだろう。それは、単なる技術の進歩ではなく、自動車という複雑なシステムを、ソフトウェアの力でよりスマートに、より持続可能に進化させるための、一つの明確な指針を示している。
複合電源EVの二重ファジィ制御でバッテリーを守る
楊磊、白志峰、王娟、黄琳、西安建築科技大学、機械科学と技術、DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20220238