電気自動車における旋回を考慮した速度軌道最適化による航続距離延長自動運転に関する研究

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2021年10月22日23:15:51 评论

要約
近年,地球温暖化や化石燃料の枯渇などの環境問題が顕在化しており,その解決策の一つとして環境
負荷の少ない電気自動車(Electric Vehicle: EV) が注目されている。EV は走行中に二酸化炭素を排出せ
ず,電気を動力源とし石油代替エネルギーの利用が可能であるため,前述の問題の解決策となり得る。
一方で,従来の内燃機関自動車と比較して一充電走行距離が短く,十分に普及していないのが現状で
ある。この問題を解決するためにハード面,ソフト面から様々な研究が行われている。
著者らの研究グループでは,この問題に対し,車両に変更を加えずに,制御のみによって航続距離を
延長する航続距離延長制御システム(Range Extension Control System: RECS) を提案してきた。RECS で
は運転者が速度を決定するという前提の下で消費電力を最小化することが可能である。直進走行のみを
考慮したRECS では,前後輪モータの効率特性の違いに着目し,効率が最大となるようにトルクを前後
輪に配分することで航続距離延長を実現する。また,旋回を考慮したRECS では左右の駆動力差モーメ
ントを利用することで,コーナリング時に生じる抵抗を削減し,航続距離延長を実現する。
しかし,今後は,高度道路交通システム(Intelligent Transport Systems: ITS) の進展と共に自動運転技
術が普及していくと考えられ,車両速度の決定権はドライバーからITS へと移行していくと考えられる。
これにより,車両の速度軌道を最適化することで移動時間を変化させることなく,航続距離を延長する
ことが可能となる。
このような前提に基づき,著者らの研究グループでは,直進走行のみを想定し,勾配や信号情報を考
慮して速度軌道を最適化する航続距離延長自動運転(Range Extension Autonomous Driving: READ) を提
案してきた。READ では,車両の運動,消費電力をモデル化した上で,最適制御問題を数値的に解くこ
とで最適な速度軌道を導出することが出来る。しかしながら,実際の道路への適用を考えると,直進走
行だけでなく,旋回も考慮する必要がある。そこで,本論文では旋回を考慮したREAD を提案する。旋
回時にはタイヤの横滑りによる抵抗や左右輪の車輪速差が生じるので,これらをモデル化した上で最適
制御問題を数値的に解くことで最適な速度軌道を求めることが出来る。また,インホイールモータ搭載
車両では左右輪の駆動力差を利用することが可能なので,速度軌道に加えて左右輪の駆動力配分を同時
に最適化する手法を提案する。本来であれば,速度と駆動力配分の2 次元の探索を行う必要があるが,
提案手法では制御入力の取り方を工夫することで,この問題を1 次元の最適化問題2 つに分離すること
が出来,速度軌道が定まれば左右の配分比が自動的に決定されるようにすることが出来る。これに加え,
車両追い越し時等の走行軌跡に自由度がある場合についても適用できるよう,速度,ヨーレート,横滑
り角の同時最適化手法を提案する。一般的な自動車の走行では,主にヨーレートを用いて車の軌道を変
更するが,前後輪アクティブステアの車両であれば,横滑り角を積極的に使用して走行することで,タ
イヤの横滑りによる抵抗を抑えつつ軌道を変更することができることを示す。これらの提案法の有効性
をシミュレーション及び実験で示した。
– 1 –
目次
1 序論1
1.1 電気自動車の特徴: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1
1.2 研究背景: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1
1.2.1 昇降圧チョッパの高効率化: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2
1.2.2 インバータの高効率化: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 3
1.2.3 前後駆動力配分による航続距離延長: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 4
1.2.4 左右駆動力配分による航続距離延長: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5
1.3 ITS を活用した消費エネルギー低減: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 6
1.4 研究目的: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 7
1.5 本論文の構成: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 8
2 実験車両と車両モデル9
2.1 実験車両: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 9
2.2 車両の運動モデル: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 11
2.2.1 車両の運動方程式: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 11
2.2.2 スリップ率: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 12
2.2.3 横力とコーナリング抵抗: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 13
2.3 入力電力モデル: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 14
2.4 損失分離: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 15
3 車両姿勢の制御系の設計17
3.1 速度制御系: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 17
3.2 ラテラルフォースオブザーバ: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 18
3.3 ヨーモーメントオブザーバ: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 18
3.4 車両のヨーレートと車体横滑り角の同時制御: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 18
4 旋回を考慮した速度軌道最適化による航続距離延長自動運転制御20
4.1 消費エネルギー最小速度軌道の導出: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 20
4.2 旋回を考慮した速度軌道最適化による航続距離延長自動運転制御の比較条件: : : : : : 21
4.3 旋回を考慮した速度軌道最適化による航続距離延長自動運転制御のシミュレーション: 22
4.4 旋回を考慮した速度軌道最適化による航続距離延長自動運転制御の実験: : : : : : : : : 25
– i –
5 旋回を考慮した速度軌道及び左右駆動力配分最適化による航続距離延長自動運転制御27
5.1 消費エネルギー最小速度軌道の導出: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 27
5.2 左右駆動力配分最適化による消費電力最小化: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 29
5.2.1 左右駆動力配分最適化法: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 29
5.2.2 駆動力差モーメントと消費電力の関係のシミュレーション: : : : : : : : : : : : 30
5.2.3 駆動力差モーメントと消費電力の関係の実験: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 30
5.3 速度軌道及び左右駆動力配分最適化による航続距離延長自動運転制御の比較条件: : : : 31
5.4 速度軌道及び左右駆動力配分最適化による航続距離延長自動運転制御のシミュレーション32
5.5 速度軌道及び左右駆動力配分最適化による航続距離延長自動運転制御の実験: : : : : : 34
6 速度軌道及び走行軌跡最適化による航続距離延長自動運転制御37
6.1 コーナリング抵抗の近似: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 37
6.2 消費エネルギー最初速度軌道の導出: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 38
6.3 速度軌道及び走行軌跡最適化による航続距離延長自動運転制御の比較条件: : : : : : : : 39
6.4 速度軌道及び走行軌跡最適化による航続距離延長自動運転制御のシミュレーション: : : 40
6.4.1 case A : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 40
6.4.2 case B : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 41
6.5 速度軌道及び走行軌跡最適化による航続距離延長自動運転制御の実験: : : : : : : : : : 43
7 結論44
7.1 本研究で得られた成果: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 44
7.2 今後の展望: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 45
謝辞46
参考文献47
発表文献50
A 消費エネルギー制約下での速度軌道最適化による最短時間自動運転制御52
A.1 移動時間最短速度軌道の導出: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 52
A.2 消費エネルギー制約下での速度軌道最適化による最短時間自動運転制御の比較条件: : : 53
A.3 消費エネルギー制約下での速度軌道最適化による最短時間自動運転制御のシミュレーション54
A.3.1 case A (Wlim = 250 kWs) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 54
A.3.2 case B (Wlim = 300 kWs) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 55
A.4 消費エネルギー制約下での速度軌道最適化による最短時間自動運転制御の実験: : : : : 58
B 実験環境60
B.1 走行試験場: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 60
B.2 Real Car Simulation Bench : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 60
– ii –
C 最適制御問題の数値解法62
C.1 オイラー・ラグランジュ方程式: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 62
C.2 勾配法: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 63
– iii –
図目次
1 High Efficient Energy Conversion System [10] : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2
2 ヒステリシス制御[10] : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2
3 HEV 用PMSM ドライブシステムの消費エネルギー[11] : : : : : : : : : : : : : : : : : : 4
4 配分比と消費エネルギーの関係[13] : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5
5 定常円旋回中の走行抵抗[15] : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 6
6 定常円旋回中の消費電力[15] : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 6
7 勾配を考慮した速度軌道最適化による航続距離延長自動運転制御の実験結果[22] : : : : 7
8 FPEV2-Kanon : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 9
9 インホイールモータの効率マップ: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 10
10 2 輪車両モデル: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 10
11 – 曲線[25] : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 12
12 コーナリング抵抗: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 14
13 PMSM のdq 軸等価回路[26] : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 15
14 車両姿勢制御系: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 19
15 旋回を考慮した速度軌道最適化による航続距離延長自動運転制御で想定する走行コース22
16 旋回を考慮した速度軌道最適化による航続距離延長自動運転制御のシミュレーション結果24
17 旋回を考慮した速度軌道最適化による航続距離延長自動運転制御の実験結果: : : : : : 26
18 駆動力差モーメントと駆動力,消費電力のシミュレーション結果: : : : : : : : : : : : : 30
19 駆動力差モーメントと駆動力,消費電力の実験結果: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 31
20 旋回を考慮した速度軌道及び左右駆動力配分最適化による航続距離延長自動運転制御で
想定する走行コース: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 31
21 速度軌道及び左右駆動力配分最適化による航続距離延長自動運転制御のシミュレーショ
ン結果: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 33
22 速度軌道及び左右駆動力配分最適化による航続距離延長自動運転制御の実験結果(測定値) 35
23 速度軌道及び左右駆動力配分最適化による航続距離延長自動運転制御の実験結果(計算値) 36
24 速度軌道及び走行軌跡最適化による航続距離延長自動運転制御で想定する走行: : : : : 40
25 速度軌道及び走行軌跡最適化による航続距離延長自動運転制御のシミュレーション結果
(case A) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 41
26 速度軌道及び走行軌跡最適化による航続距離延長自動運転制御のシミュレーション結果
(case B) : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 42
27 速度軌道及び走行軌跡最適化による航続距離延長自動運転制御の実験結果(case A) : : : 43
– iv –
28 最短時間自動運転のシミュレーション結果(case A: Wlim = 250 kWs) : : : : : : : : : : : 56
29 最短時間自動運転のシミュレーション結果(case B: Wlim = 300 kWs). : : : : : : : : : : 57
30 最短時間自動運転の実験結果(case A: Wlim = 250 kWs) : : : : : : : : : : : : : : : : : : 59
31 最短時間自動運転の実験結果(case B: Wlim = 300 kWs). : : : : : : : : : : : : : : : : : : 59
32 交通安全環境研究所自動車試験場: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 60
33 Real Car Simulation Bench : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 61
– v –
表目次
1 車輌諸元: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 10
2 インホイールモータ諸元: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 11
3 最短時間自動運転の比較条件: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 54
4 最短時間自動運転の移動時間: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 54
5 実装試験,RC-S,シャシダイナモの試験項目別対比表: : : : : : : : : : : : : : : : : : 61
– vi –
第1 章
序論
1.1 電気自動車の特徴
近年,地球温暖化や化石燃料の枯渇などの環境問題が顕在化しており,その解決策の一つとして環境
負荷の少ない電気自動車(Electric Vehicle: EV) が注目されている。EV は走行中に二酸化炭素を排出せ
ず,電気を動力源とし石油代替エネルギーの利用が可能であるため,前述の問題の解決策となり得る。
また,EV はモータを動力源として利用しているため,従来の内燃機関自動車と比較して以下の優位点
を持つ[1]。
1. 従来の内燃機関を有する自動車と比較してトルク応答が2 桁速い。
2. モータに流れる電流を測定することで,トルクを正確に把握できる。
3. 小型高出力であるため,分散配置が可能である。
4. 力行だけでなく回生が可能である。
これらの利点を活かし,EV の安全性や乗り心地を高めることを目的とした姿勢制御や運動制御に関す
る研究[2, 3, 4] が行われている。
1.2 研究背景
一方で,従来の内燃機関自動車と比較してEV は一充電走行距離が短く,十分に普及していないのが現
状である。この課題を解決するためにハード面,ソフト面から様々な研究が行われている。ハード面の
研究としては,路面から走行中のEV にワイヤレス電力伝送によって給電する研究[5, 6],モータの高効
率化に関する研究[7, 8],パワーエレクトロニクスを用いたシステムの高効率化に関する研究[9, 10, 11]
等が行われている。
ソフト面の研究としては,前後輪に効率マップの異なるモータを搭載した車両を想定し,運転者の任
意の駆動力を前後輪に最適に配分することで消費エネルギーを低減する研究[12, 13] や左右輪に駆動力
を配分することでコーナリングによる抵抗を削減しエネルギーを低減する研究[14, 15] が行われている。
– 1 –
1.2.1 昇降圧チョッパの高効率化
現在市販されているEV はバッテリ,DC-DC コンバータ,インバータ,モータで構成されている。DCDC
コンバータは,インバータの電流容量を小さくするために用いられるが,DC-DC コンバータの導通
損失によって全体の効率が悪くなる場合がある。また,駆動系全体の効率が良くなる場合においても,大
容量のDC-DC コンバータは重量が大きいため,航続距離が短くなる場合がある。文献[10] では,これら
の問題に対して,Dual Active Bridge (DAB) DC-DC コンバータを用いたHigh Efficient Energy Conversion
System (HEECS) を提案している。
HEECS の基本的な構成をFig. 1 に示す。ここで,Rout はインバータを模擬している。Fig. 1 のように
DAB コンバータをバッテリとインバータの間に挿入する構成には以下のような利点がある。
 非昇圧動作時にはDAB コンバータに電流が流れないので,高効率である。
 昇圧動作時には全電力の一部のみがDAB コンバータを通るので,高効率である。
 全電力の一部のみしかDAB コンバータを通らないので,比較的小容量のDAB コンバータを利用
できる。
低中出力時にはDAB コンバータはオフとなり,2 次側のスイッチのみがオンとなる一方,高出力時に
はDAB コンバータがオンとなり,出力電圧はバッテリ電圧E とDAB の出力Vc の和となる。そのため,

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