JP2006067665A - 電気自動車の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 変速を短い時間で確実に行うことができる電気自動車の制御装置を提供すること。
【解決手段】 車両の駆動力を出力する電動機１９と、電動機１９に供給する電力を蓄積するバッテリ２４と、前記電動機の出力トルクを目標トルクとするための必要電力を計算する必要電力計算手段３１と、前記電動機１９に発生するコギングトルクを予測するコギングトルク予測手段３２と、前記コギングトルク予測手段により予測されるコギングトルクを打ち消すように前記必要電力を補正する電力補正手段３３と、前記電力補正手段により補正された補正電力を前記電動機に供給する電力供給手段３４とを具備した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電気自動車の制御装置に関する。

図１に示すように被同期側にモータを搭載したパラレル式ハイブリッド電気自動車が知られている。このような電気自動車においては、シンクロを用いた変速動作は以下のようにして行われていた。つまり、クラッチを切って変速段をＮ（ニュートラル）とした後、モータ回転数が目標回転数付近となるようにモータの回転制御をし、モータ回転数が目標回転数付近となると、変速を行い、エンジン回転数が目標回転数付近になるとクラッチを接続して変速を終了するようにしている。

なお、急勾配の登坂路や降坂路を走行しているときにも確実に変速を行うことができる電気自動車の変速制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。さらに、微低速走行時においてコギングトルクによって生じるドライブフィーリングの悪化を防止するようにした電気自動車の駆動制御装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−２７８８１６号公報 特開平７−３３６８０８号公報

ところで、モータには、モータの磁石の影響により、回転変動(コギング)が起こる。ここで、コギングとは、モータの固定子と回転子間に働く磁気吸収力に基づいたトルクの回転角に対する変化のことをいい、いわゆるトルクむらである。このコギングによる影響により変速制御において以下の問題が生じる。

まず、モータの同期時において、モータ回転数が目標回転数付近となると、変速段をＮ(ニュートラル)から目標ギア段に変更するが、この際、モータのトルクはゼロにして行われる。しかし、ヒステリシス損やうず電流損が固体摩擦および粘性摩擦のように作用して、モータトルクがゼロにもかかわらず、モータ回転数が急激に落ちて目標回転数から遠ざかり、目標ギア段への変更時においても、コギングトルクによる影響により回転変動が生じてシンクロが目標ギア段に入るのを妨げるという問題がある。

また、モータ始動時においても、このコギングが静止摩擦のように作用して、モータの始動性を悪化させることもある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、その目的は、変速を短い時間で確実に行うことができる電気自動車の制御装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、車両の駆動力を出力する電動機と、前記電動機に供給する電力を蓄積するバッテリと、前記電動機の出力トルクを目標トルクとするための必要電力を計算する必要電力計算手段と、前記電動機に発生するコギングトルクを予測するコギングトルク予測手段と、前記コギングトルク予測手段により予測されるコギングトルクを打ち消すように前記必要電力を補正する電力補正手段と、前記電力補正手段により補正された補正電力を前記電動機に供給する電力供給手段とを具備したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載のコギングトルク予測手段は、前記電動機の回転角および回転数に基づいて行うことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１あるいは請求項２に記載の前記必要電力は、パルス電力であり、前記電力補正手段は、前記コギングトルク予測手段により前記電動機の回転と同方向に作用するコギングトルクが発生すると予測されるときは、前記パルス電力の周期が長くなるように補正し、前記コギングトルク予測手段により前記電動機の回転と逆方向に作用するコギングトルクが発生すると予測されるときは、前記パルス電力の周期が短くなるように補正することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の電動機と車輪に介装された変速機を備え、前記電力補正手段は、前記変速機の変速段がニュートラルであり、かつ、前記電動機に目標回転数が設定されているときにのみ発動することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１〜請求項４いずれか一項に記載の前記電力補正手段は、前記電動機の回転数が所定回転数以上のときは発動しないことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれに一項に記載の変速機を介して前記車輪に動力を伝達するエンジンと、前記エンジンおよび前記変速機の間に介装されるクラッチと、前記エンジンの回転数および前記クラッチの断接を制御するエンジン制御手段とを備え、前記エンジン制御手段は、前記変速機による変速開始前に前記クラッチを断ち、前記変速機の変速後の回転数に前記エンジンの回転数を同期させるとともに、前記変速および前記同期が完了すると前記クラッチを接続することを特徴とする。

請求項７記載の発明は、車両の駆動力を出力する電動機と、前記車両の車輪に介装された変速機とを備え、前記変速機の変速段がニュートラルであり、かつ、前記電動機の回転数が目標回転数付近で収束しているときは、前記電動機に生じるコギングトルクによる抵抗分のトルクを前記電動機に付与することを特徴とする。ここで、目標回転数付近とは、変速段をニュートラルから目標段に移行するのに十分な程度の回転数範囲をいう。

請求項１記載の発明によれば、コギングトルク予測手段により予測されたコギングトルクを打ち消すように必要電力を補正するようにしたので、電動機に発生するコギングトルクに起因する不具合を抑制することができる。従って、コギングトルクの影響を受けにくい大型の電動機や、磁石・コイルの数を増やした電動機を用いる必要がない。これは、電気自動車の省スペース化やコストダウンに繋がる。

請求項２記載の発明によれば、電動機の回転角および回転数に基づいてコギングトルク予測手段によりコギングトルクを予測するようにしたので、単純、迅速にコギングトルクを予測することができる。

請求項３記載の発明によれば、電力補正手段は、コギングトルクが発生すると予測される方向に応じて必要電力であるパルス電力の周期を変化させるようにしたので、単純なロジックでコギングトルクを低減することができる。

請求項４記載の発明によれば、低コストで電動機の同期時間を短縮でき、電気自動車としての運転性能を向上させることができる。

請求項５記載の発明によれば、電動機の回転数が所定回転数以上のとき、すなわち電動機に発生するコギングトルクの悪影響が比較的少ないときには、電力補正手段は発動しないので、必要最小限の補正に留め、無用な電力消費を抑えることができる。

請求項６記載の発明によれば、変速時のギア入れ時には、エンジン回転の慣性力が変速機に伝達されないため、ショックを低減することができ、クラッチ接続時にはエンジンが同期させられているため、より迅速に変速動作を完了させることができる。

請求項７記載の発明によれば、モータ回転数が目標回転数付近に達した後もヒステリシス損およびうず電流損による抵抗分のトルクを付与するため、モータ回転数が急激に低下することなく、良好に目標ギア段への変速が可能となる。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態の動作について説明する。図１は被同期側にモータを搭載した構造を有するパラレル式ハイブリッド電気自動車のシステム構成図である。図において、１１はエンジンである。このエンジン１１の燃料噴射量等の制御はＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）１２により行われる。このＥＣＵ１２にはエンジン１１の回転数Ｎeが入力されている。エンジン１１の出力軸は、クラッチ１３を介して変速機１４に伝達される。このクラッチ１３の断接制御はＣＣＵ(クラッチ・コントロール・ユニット)２７により行われる。

この変速機１４の変速制御はＴＣＵ（トランスミッション・コントロール・ユニット）１５により行われる。

この変速機１４は、Ｌギア１６、Ｈギア１７を備えている。この２つのギアの切替えはシンクロ１８により行われる。エンジン１１及びモータ１９の出力は、中間軸２０に嵌合されたギア２１，２２に伝達される。つまり、この中間軸２０はエンジン１１及びモータ１９により回転駆動される。

ところで、モータ１９は、インバータ２３により制御される。このインバータ２３には電源としてバッテリ２４が接続されている。インバータ２３はマイクロプロセッサを中心に構成されており、その詳細な制御ロジックについては図２を参照して後述する。

このインバータ２３はＭＣＵ（モータ・コントロール・ユニット）２５により制御される。

前述したＥＣＵ１２、ＣＣＵ２７、ＴＣＵ１５及びＭＣＵ２５はＨＥＶ（ハイブリッド電気自動車）コントローラ２６により制御される。

ところで、モータ１９の実モータ回転数Ｎm、実モータトルクＴ及びモータ回転軸の回転角θは、ＭＣＵ２５に入力される。

ＭＣＵ２５は、実モータ回転数Ｎm、実モータトルクＴ及びモータ回転軸の回転角θをＨＥＶコントローラ２６に出力する。

ＨＥＶコントローラ２６はＥＣＵ１２に対して目標エンジン回転数Ｎe(tar)、ＴＣＵ１５に対して目標ギア位置、ＭＣＵ２５に対して目標モータ回転数及び目標トルクを出力する。

ＭＣＵ２５はインバータ２３に対して目標モータ回転数、目標トルク、実モータ回転数Ｎm及びモータ回転軸の回転角θを出力する。

次に、図２を参照してインバータ２３の制御ロジックについて説明する。図２において、目標トルクは必要電力計算手段３１に入力される。この必要電力計算手段３１は、モータ１９の出力トルクが目標トルクとなるためのパルス電力である必要電力を計算する。

コギングトルク予測手段３２は入力される実モータ回転数Ｎm及び回転角θに基づいてモータ１９に発生するコギングトルクを予測する。ここで、モータ１９に発生するコギンクトルクの予測は、設計値または予め実験的に求めたモータ１９の実モータ回転数Ｎmおよび回転角θとコギングトルクとの関係を模式化あるいはマップ化したものに基づいて行う。

そして、電力補正手段３３は、コギングトルク予測手段３２で予測されたコギングトルクを打ち消すように必要電力計算手段３１で計算された必要電力を補正する。より具体的には、電力補正手段３３は、コギングトルク予測手段３２によりモータ１９の回転方向と同方向に作用するコギングトルクが発生すると予測されるときは、パルス電力の出力間隔が長くなるように(周期が長くなるように)補正し、コギングトルク予測手段３２によりモータ１９の回転方向と逆方向に作用するコギングトルクが発生すると予測されるときは、パルス電力の出力間隔が短くなるように(周期が短くなるように)補正する。電力供給手段３４は、電力補正手段３３により補正された補正電力をモータ１９に供給する。このようにコギングトルク予測手段３２は入力されるモータ回転数Ｎm及び回転角θに基づいてモータ１９に発生するコギングトルクを予測するようにしたので、単純、迅速にコギングトルクを予測することができる。

次に、図３のタイムチャートおよび図４のフローチャートを参照しながらパラレル式ハイブリッド電気自動車の変速動作について説明する。変速動作は主にＨＥＶコントローラ２６の制御により行われる。この図３のタイムチャートおよび図４のフローチャートは変速機のギアをＬギア１６からＨギア１７に切り換える処理を一例にとったものである。

図４において、まず、目標ギア段がＨ（ギア）であるかが判定される（ステップＳ１）。このステップＳ１の判定で「ＹＥＳ」と判定された場合には、ＥＣＵ１２を介してクラッチ１３を断つ指令が出力される（ステップＳ２）。このとき、図３に示す時刻ｔ０において、クラッチ１３を断つ指令が出力されるため、クラッチ１３の状態は、「接」状態から「断」状態に移動開始する。

次に、ＨＥＶコントローラ２６はＣＣＵ２７から出力される実クラッチ位置が「断」であるかを判定する（ステップＳ３）。

このステップＳ３の判定で「ＹＥＳ」と判定された場合（時刻ｔ１）には、変速段をＮ（ニュートラル）とする変速指示をＴＣＵ１５に出力する(ステップＳ４)。そして、変速段を「Ｎ（ニュートラル）」とする変速指示を受けたＴＣＵ１５は変速機１４の変速段をニュートラル方向に移動する。このとき併行してエンジン回転数の同期制御をＨＥＶコントローラ２６が開始し、エンジン回転数Ｎeが変速後のギア２１の回転数に見合う目標エンジン回転数Ｎｅ(tar)となるように燃料噴射量を求めてＥＣＵ１２に出力し、ＥＣＵ１２はエンジン状態を確認して燃料噴射を行う(ステップＳ５)。

次に、変速機１４の変速段が「Ｎ（ニュートラル）」であるかが判定される（ステップＳ６）。ここで、図３に示すように、時刻ｔ２で変速段はニュートラル（Ｎ）になると、ステップＳ５の判定で「ＹＥＳ」と判定されてモータ回転数同期制御が行われる（ステップＳ７）。

このモータ回転数同期制御は、ＨＥＶコントローラ２６からＭＣＵ２５を介して入力される目標モータ回転数及び目標トルク、モータ１９からＭＣＵ２５を介して入力される実モータ回転数Ｎm、実モータトルクＴ、モータ回転軸の回転角θを入力として、図２を参照して前述したインバータ２３の制御ロジックに基づき、行われる。

ここで、インバータ２３の制御ロジックのうち電力補正手段３３について図５及び図６を用いてより詳細に説明する。モータ１９に供給する三相交流電流は、図５の斜線で示す領域において、図６（Ａ）に示すようなパルス波を出力することで、図５の点線で示すような三相交流電流を模擬することができる。従来は、図６（Ａ）に示すように単一周期でバルス電力ｐ１〜ｐ４をモータ１９に供給していたので、コギングトルクの影響を受け、モータ１９に発生するトルクは図６（Ｃ）に示すように変動し、回転変動が発生していた。

しかし、本願発明では、予めコギングトルク予測手段３２により、図６（Ｂ）に示すようなトルク変動を予測しておき、モータ１９の回転方向と同方向に作用するコギングトルクが発生すると予測されるとき（図６（Ｃ）のq1）には、図６（Ｂ）に示すパルス電力ｐ２´のようにパルス電力の発生間隔が長く（周期が長く）なるように補正し、モータ１９の回転方向と逆方向に作用するコギングトルクが発生すると予測されるとき（図５（Ｃ）のｑ2）には、パルス電力ｐ３´のようにパルス電力の発生間隔が短く（周期が短く）なるように補正している。この結果、モータ１９に発生するトルクは図６（Ｄ）に示すように目標トルクＴに対する誤差（トルク変動）が減少するようになる。従って、コギングトルクによる回転変動を低減させることができる。なお、本実施例においては、単にパルス電力ｐ３´及びｐ４´の発生間隔を変化させているだけであるので、モータ１９に供給する総電力は変化させていない。

このようにしてコギングトルクによる回転変動を低減させながら、インバータ２３により実モータ回転数Ｎmが目標モータ回転数になるように制御される。一般にモータはエンジンに比べて応答性が良く、エンジン１１よりも早くモータ１９の回転数は目標値付近で収束する。このとき、収束後にはモータ１９に生じるコギングトルクによる抵抗に相当するトルクを付与し、モータ１９の回転数が低下するのを防止する。これにより、後のギア入れ時にモータ回転数が低下してギア入れに支障をきたすことを防止し、全体として変速時間を短縮することができる。

以上のようにして、ステップＳ７によるモータ回転数同期制御が行われると、時刻ｔ２以降、モータ１９の回転数は図３（Ａ）に示すように推移する。

そして、実モータ回転数と目標モータ回転数との差が所定値（たとえば２００rpm）以内となったかが判定される（ステップＳ８）。なお、実モータ回転数は、モータ１６の出力軸にセンサを設けて、そのセンサの出力値により判定しても良いし、他の方法でも構わない。

時刻ｔ３で、実モータ回転数と目標モータ回転数との差が前記所定値以内となると、ステップＳ８で「ＹＥＳ」と判定され、ＨＥＶコントローラ２６は、ＴＣＵ１５に対して変速指令＝Ｈ（ギア）を出力する（ステップＳ９）。この結果、図３（Ｃ）に示すように、変速機１４の変速段はＮ（ニュートラル）からＨ（高速段）方向に移動が開始される。このとき、前記した電力補正手段３３により、モータ１９のコギングによる回転変動が低減されるので、変速段の移動が迅速かつスムーズに行われる。これにより、低コストでモータ１９の同期時間を短縮でき、電気自動車としての運転性能を向上させることができる。

ところで、ステップＳ５によるエンジン回転数制御によりエンジン回転数Ｎｅは目標エンジン回転数となるように制御されている（図３（Ａ））。

ステップＳ１０では、実変速段＝Ｈで、かつ、実エンジン回転数と目標エンジン回転数との差が第２の所定値（例えば、１００ｒｐｍ）以内であるという条件を満たすかが判定される。

時刻ｔ４で、当該条件を満足すると、「ＹＥＳ」と判定されて、ＨＥＶコントローラ２６はＣＣＵ２７を介してクラッチを接続させる指令を出力する（ステップＳ１１）。この結果、図３（Ｂ）に示すようにクラッチ１３は時刻ｔ４から接続方向に移動する。そして、時刻ｔ５において、クラッチ１３が接続される。

そして、実変速段＝Ｈ（高速段）になったかが判定される（ステップＳ１２）。このステップＳ１２において「ＹＥＳ」と判定されると、変速が終了する。

なお、前述したステップＳ３、Ｓ６、Ｓ８、Ｓ１０において「ＮＯ」と判定された場合には、システム異常とされて例えば警報される。

なお、上記した実施の形態において、モータ１９として発電機一体型モータを用いても良い。

また、上記した実施の形態においては、本発明を被同期側にモータ１９を搭載した構造を有するパラレル式ハイブリッド電気自動車のシステムに適用した例について説明したが、シリーズ／パラレル式ハイブリッド電気自動車のシステムにも同様に適用することができる。

さらに、モータ１９が永久磁石を用いたものである場合には、コギングトルクは励磁をしなくても必ず発生するので、本発明によってコギングトルクを打ち消すようにすることは特に有効である。

さらに、本願発明の電力補正手段３３は、図６（Ａ）に示すようにパルス電力ｐ２によりモータ１９の回転方向と同方向に作用するコギングトルクが発生すると予測される場合には、パルス電力ｐ２´のようにパルス電力の発生間隔が長く（周期が長く）なるように補正したが、パルス電力ｐ２´の振幅を減少させる、あるいは出力しないようにしても良い。これによっても、コギングトルクを低減することができる。

さらに、上記した実施の形態において、電力補正手段３３はモータ１９の回転数が所定回転数以上のときは、必要電力の補正を行なわないようにしても良い。なぜなら、コギングは一般に、モータ１９の回転数が高い場合より低い方が顕著に現われるからである。このようにすることにより、必要電力の補正を最小限に留めることにより、無用な電力消費を抑えることができる。

本発明の一実施の形態に係る電気自動車のシステム構成図。 同実施の形態に係るインバータの制御ロジックを説明するためのブロック図。 同実施の形態に係る変速動作を説明するためのタイミングチャート。 同実施の形態に係るモータ同期制御を説明するためのフローチャート。 同実施の形態に係るモータに供給される三相交流電流波形図。 同実施の形態に係るインバータからモータに出力される波形図。

符号の説明

１１…エンジン、１２…ＥＣＵ、１３…クラッチ、１４…変速機、１５…ＴＣＵ、
１８…シンクロ、１９…モータ、２３…インバータ、２４…バッテリ、２５…ＭＣＵ、
２６…ＨＥＶコントローラ。

Claims (7)

1. 車両の駆動力を出力する電動機と、
   前記電動機に供給する電力を蓄積するバッテリと、
   前記電動機の出力トルクを目標トルクとするための必要電力を計算する必要電力計算手段と、
   前記電動機に発生するコギングトルクを予測するコギングトルク予測手段と、
   前記コギングトルク予測手段により予測されるコギングトルクを打ち消すように前記必要電力を補正する電力補正手段と、
   前記電力補正手段により補正された補正電力を前記電動機に供給する電力供給手段とを具備したことを特徴とする電気自動車の制御装置。
2. 前記コギングトルク予測手段は、前記電動機の回転角および回転数に基づいて行うことを特徴とする請求項１に記載の電気自動車の制御装置。
3. 前記必要電力は、パルス電力であり、
   前記電力補正手段は、前記コギングトルク予測手段により前記電動機の回転と同方向に作用するコギングトルクが発生すると予測されるときは、前記パルス電力の周期が長くなるように補正し、前記コギングトルク予測手段により前記電動機の回転と逆方向に作用するコギングトルクが発生すると予測されるときは、前記パルス電力の周期が短くなるように補正することを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の電気自動車の制御装置。
4. 前記電動機と車輪に介装された変速機を備え、
   前記電力補正手段は、前記変速機の変速段がニュートラルであり、かつ、前記電動機に目標モータ回転数が設定されているときにのみ発動することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の電気自動車の制御装置。
5. 前記電力補正手段は、前記電動機の回転数が所定回転数以上のときは発動しないことを特徴とする請求項１〜請求項４いずれか一項に記載の電気自動車の制御装置。
6. 前記変速機を介して前記車輪に動力を伝達するエンジンと、
   前記エンジンおよび前記変速機の間に介装されるクラッチと、
   前記エンジンの回転数および前記クラッチの断接を制御するエンジン制御手段とを備え、
   前記エンジン制御手段は、前記変速機による変速開始前に前記クラッチを断ち、前記変速機の変速後の回転数に前記エンジンの回転数を同期させるとともに、前記変速および前記同期が完了すると前記クラッチを接続することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれに一項に記載の電気自動車の制御装置。
7. 車両の駆動力を出力する電動機と、前記車両の車輪に介装された変速機とを備え、前記変速機の変速段がニュートラルであり、かつ、前記電動機の回転数が目標回転数付近で収束しているときは、前記電動機に生じるコギングトルクによる抵抗分のトルクを前記電動機に付与することを特徴とする電気自動車の制御装置。

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