2016 Fiscal Year Annual Research Report
制御技術が拓く新型電動モビリティの未来社会：ＥＶから電気飛行機へ
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26249061
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
藤本 博志 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (20313033)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西沢 啓 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 主任研究開発員 (00358665)
堀 洋一 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (50165578)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 電気自動車 / 電気飛行機 / モーションコントロール / ワイヤレス給電 / インホイールモータ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，新しい電動モビリティとその制御技術により未来社会の交通の基盤となる革新的技術開発を進めることを目的としている。まず，研究代表者がこれまでに数多くの論文を発表している，モータの高制御性を利用した電気自動車(EV)の運動制御技術をより発展させEVならではの自動運転技術を開発する。さらにこれらの技術を元に，電気飛行機(EA)の実現に向けた基盤技術を開発している。その駆動輪にモータを搭載し，離着陸距離を最小化させ，ひいては陸空両用の新型電動モビリティ（電動skycar）の実現に向けた基礎研究を進めている。
また未来社会において高速道路や滑走路にワイヤレス給電アンテナが埋設されることを想定し，EVやEAの駆動輪に直接給電をすることを可能とするワイヤレスインホイールモータ(WIWM)の研究開発を行っている。
より具体的に，3年目となる2016年度も大きく分けて３つのテーマに取り組んだ。まず第一に電気自動車の利点をいかした自動運転に関しては，モータ・走行抵抗・コーナリング抵抗の損失モデルを緻密に行い，旋回を含むより一般的な走行条件に航続距離延長制御システムを拡張した。勾配や信号・交通状況など実運転状況を考慮した台上試験を行い，さらには走行試験場にて実走行試験により，その有効性を検証した。またEVならではの応答性や高制御性をいかした衝突防止システムや，自動運転されているEVの信頼性を革新的に向上させる全く新しい制御技術を開発した。
第二に電気飛行機の安全性を向上させる制御技術をさらに発展させた。今年度は各翼の揚力と推力を複数プロペラにより独立に制御する基礎研究を風洞試験で行った。第三にワイヤレスインホイールモータに関しては，路面コイルからインホイールモータへの走行中直接給電に対応した第二次試作機を世界で初めて開発に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初計画していなかったが今年度に挙げた大きな成果としては，自動運転されているEVの信頼性を大幅に向上させる制御がある。将来的に完全自動運転が実現されたときには，運転者はハンドルを握っていないため，ステアリング用モータの万一の故障に対しての安全性確保が必要である。研究代表者は，インホイールモータ搭載車輪の設計を工夫した上で，各輪のモータトルクを適切に制御することにより，ステアリング用モータが故障しても自由に操舵が可能であることを示し，自動運転時の安全性が確保できることを実験により実証した。
次に電気飛行機に関しては，昨年までにプロペラ後流により揚力を直接正確に制御が可能であるという全く新しい利点を見出したが，揚力制御により推力が変化してしまう問題が存在した。この問題に対して，複数の電動プロペラを高速に協調制御させることにより，推力と揚力を独立に同時に制御することを可能とした。
ワイヤレスインホイールモータに関しては，昨年度に車体と車輪間をワイヤレス化した一輪あたり3.3kW第一次試作機によるEVの走行試験に成功して大きな反響を得たが，2016年度はこれのさらなる大容量化の研究を行い12kW/wheelの第二次試作機を開発に成功した。これは地上施設からインホイールモータへ直接無線給電する機能も搭載した世界初の成果である。さらにワイヤレスインホイールモータ内に，小型のエネルギー蓄電デバイスを搭載して，回生電力を充放電する機能をもたせ，そのエネルギーマネージメント技術を確立した。ベンチ試験を行った結果，定常状態において，変換回路を含めた総合効率で90.24%の高効率を達成した。
このような観点から，当初の計画以上に進展していると結論づけることができる。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度までも，大きく分けて３つのテーマに取り組んできたが，最終年である今年度もそれぞれのテーマを完了させる。まず第一に電気自動車ならではの自動運転技術をより発展させるため，交通流変化や他車の位置情報により速度や車間距離の制約が時々刻々変動するような複雑な環境への拡張を行う。すなわち，動的計画法や簡易モデルによる近似解放を用いて，その演算時間を大幅に短縮し，実世界での実装に耐えられるよう研究を昇華させ完成させる。
第二に電気飛行機の安全性を向上させる制御技術をさらに発展させる。本研究では，「墜ちない飛行機」「揺れない飛行機」を実現する制御技術を開発した。最終年度はこれをさらに発展させ，着陸時に大きく横風外乱が入力されたときに滑走路から逸脱することのないよう，左右駆動輪によりその走行を安定化させる研究を行う。
第三に12kWに大容量化したワイヤレスインホイールモータの第二次試作機の研究を継続し，地上からの直接給電に向けた研究を完成させる。具体的には車載バッテリから入ってくる電力，時々刻々変わりうる路面コイルからの走行中給電という２入力に対して，必要なモータ出力を得つつ電力をバランスさせ，さらに最適効率を得るために，車輪に搭載したキャパシタに電力を一時的に充放電して，そのパワーマネジメントを行う制御系を完成させる。
これらの成果を新型電動モビリティとしての多角的観点から最適な制御系構成を学術的に改めて考察し，研究をまとめる。
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[Presentation] Basic Study on Range Extension Autonomous Driving of Electric Vehicle Considering Velocity Constraint for Real-Time Implementation2017
Author(s)
Takuya Fukuda, Hiroshi Fujimoto, Yoichi Hori, Daisuke Kawano, Yuichi Goto, Yusuke Takeda, Koji Sato
Organizer
The 3rd IEEJ international workshop on Sensing, Actuation, Motion Control, and Optimization
Place of Presentation
Niigata, Nagaoka, Nagaoka University of Technology
Year and Date
2017-03-06 – 2017-03-08
Int'l Joint Research
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