JP2006290010A - 電動式4輪駆動制御装置 - Google Patents

電動式4輪駆動制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 電動機に供給する発電機の発電電力が不足することを防ぎ、電動機が目標駆動トルクを発生させることができる電動式4輪駆動制御装置を提供する。
【解決手段】 本発明の4WDコントローラ17は、エンジン5により駆動される発電機15と、発電機15の発電電力が供給されて後輪3L、3Rを駆動するモータ7と、車両の走行状態に基づいてモータ7の目標モータトルクを演算する目標モータトルク演算部27と、モータ7が目標モータトルクを発生できるように、発電機15が発生する発電電力を制御する電力制御部28と、車両の加減速に伴う発電機15の回転速度変化を予測する発電機回転速度予測部30と、を有し、この電力制御部28は、発電機回転速度予測部30により算出された予測発電機回転速度Vgrに基づいて界磁電流指令値IfFを演算することにより発電電力を制御する。
【選択図】 図4

Description

本発明は、主駆動輪を駆動するエンジンで発電機を駆動し、その発電機の電力でモータを駆動する電動式4輪駆動制御装置に関するものである。
従来、内燃機関の駆動力を前輪(主駆動輪)に伝達し前輪を駆動する前輪駆動型車両の後輪(従駆動輪)に電動機を結合し、車両が4輪駆動走行可能となるように電動機を駆動制御する電動式4輪駆動制御装置がある(たとえば特許文献1参照)。
この電動式4輪駆動制御装置は、内燃機関により駆動される発電機の発電電力で電動機を駆動する。発電電力は、発電機の回転数および発電機のコイルに流す発電機界磁電流の大きさにより決定される。発電機の回転数および発電機界磁電流が共に大きくなると発電電力も大きくなり、共に小さくなると発電電力も小さくなる。発電機の回転数は、内燃機関の回転数により決まる。
したがって、電動式4輪駆動制御装置では、発電機の回転数を検出し、該回転数のときに所望の発電電力が得られる発電機界磁電流を演算している。
特開2001−239852号公報(第1図)
しかしながら、上記従来の電動式4輪駆動制御装置にあっては、現時点の発電機の回転数に合わせて発電機界磁電流を演算しているので、車両の減速時に、発電電力の不足が発生してしまう。これは、演算した発電機界磁電流を発電機のコイルに流そうとしても、該コイルの自己インダクタンスL分により、1秒弱の遅れが生じるからである。
たとえば、車両が急減速している場合、すなわち、発電機の回転速度が急減している場合、現時点の発電機の回転速度に合わせて発電機界磁電流を演算しても、1秒弱の発電機界磁電流の遅れの後には、発電機の回転速度が低下しており、低下した回転速度と選択した発電機界磁電流とでは、所望の発電電力が得られないことになる。
これでは、車両減速時に発電機により所望の発電電力を発生できず、結果として、電動機が目標駆動トルクを発生できないという問題がある。
そこで、本発明は、車両減速時でも発電機により所望の発電電力を発生でき、電動機に目標駆動トルクを発生させることができる電動式4輪駆動制御装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の電動式4輪駆動制御装置は、主駆動輪を駆動する内燃機関と、前記内燃機関により駆動され、発電する発電機と、前記発電機の発電電力が供給されて従駆動輪を駆動する電動機と、車両の走行状態に基づいて前記電動機の目標駆動力を演算する目標駆動力演算手段と、前記電動機が目標駆動力を発生できるように、前記発電機が発生する発電電力を制御する電力制御手段と、前記車両の加減速に伴う前記発電機の回転速度変化を予測する発電機回転速度予測手段と、を有し、前記電力制御手段は、前記発電機回転速度予測手段により算出された予測発電機回転速度に基づいて前記発電機の界磁電流を演算し、前記発電電力を制御することを特徴とするものである。するものである。
本発明によれば、電動機が目標駆動トルクを発生するために必要な電力を発電機が発電できるように、発電機回転速度予測手段により算出した予測発電機回転速度に基づいて発電機界磁電流を演算する。したがって、車両減速時で発電機回転速度が低下しているときであっても、発電機界磁電流は、将来の低下した発電機回転速度、すなわち、予測発電機回転速度に合わせて演算される。発電機のコイルの自己インダクタンスL分の遅れに関わらず、発電機が所望の発電電力を発生できる。結果として、電動機に供給する発電電力が不足することはなく、電動機が目標駆動トルクを発生することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図1は本発明を4輪駆動車両に適用した場合のシステム構成図、図2は車両の前後輪の車輪速度差とモータ駆動力との関係を示す図、図3はアクセル開度とモータ駆動力との関係を示す図である。
図1に示すように、本実施形態の車両は、左右前輪1R、1Lが、内燃機関であるエンジン5により駆動される主駆動輪であり、左右後輪3R、3Lが電動機であるモータ7によって駆動可能な従駆動輪である。
エンジンの出力トルクは、トランスミッション9及びデファレンスギヤ11を通じて左右前輪1R、1Lに伝達される。また、エンジン5の出力トルクの一部は、無端ベルト13を介して発電機15に伝達される。これにより発電機15は、エンジン5の回転数にプーリ比を乗じた回転数で回転する。
発電機15は、後述する電動式4輪駆動制御装置(4WDコントローラ17)によって制御される界磁電流に応じてエンジン5に対し負荷となり、その負荷トルクに応じた発電をする。この発電機15の発電電力の大きさは、回転数と界磁電流との大きさにより決定される。なお、発電機15の回転数は、エンジン5の回転数からプーリ比に基づき演算できる。
発電機15が発電した電力は、インバータ19を介してモータ7に供給可能となっている。発電機15から図示しない整流器を介して供給された直流の電力は、インバータ19内で三相交流に変換されて、モータ7の駆動に用いられる。
モータ7の駆動軸は、減速器21およびクラッチ23を介して後輪に接続可能となっている。なお、本実施形態におけるモータ7は交流モータである。
クラッチ23は、例えば湿式多板クラッチであって、4WDコントローラ17からの指令に応じて、モータ7の駆動軸および後輪の締結および開放を行う。なお、本実施形態においては、締結手段としてのクラッチを湿式多板クラッチとしたが、例えばパウダークラッチやポンプ式クラッチであってもよい。
各車輪1L、1R、3L、3Rには、車輪速センサ25FL、25FR、25RL、25RRが設けられている。各車輪速センサ25FL、25FR、25RL、25RRは、対応する車輪1L、1R、3L、3Rの回転速度に応じたパルス信号を、それぞれ車輪速検出値Vfl、Vfr、Vrl、Vrrとして4WDコントローラ17に出力する。
4WDコントローラ17は、例えばマイクロコンピュータ等の演算処理装置を備えて構成され、各車輪速センサ25FL、25FR、25RL、25RRで検出される車輪速度信号およびアクセルペダルの踏み込み量に相当するアクセル開度等が入力される。
この4WDコントローラ17は、目標モータトルク演算部27(目標駆動力演算手段)、電力制御部28(電力制御手段)、および発電機出力制御部29(発電機出力制御手段)を含む。
目標モータトルク演算部27は、図2および図3に示される前後輪の車輪速度差(スリップ量)とモータ駆動力との関係およびアクセル開度とモータ駆動力との関係に基づいて、モータトルク指令値Ttを算出する。図2および図3に示されるようにモータ駆動力は、スリップ量またはアクセル開度が大きくなるとともに比例的に大きく算出するように設定している。
電力制御部28は、図4の発電機15の界磁電流を演算するフローチャートに基づいて、最終的に界磁電流指令値IfF(目標界磁電流)を決定する。図5は発電機の出力特性MAPを示す図、図6は目標出力電力を達成できる電力一定線を示す図である。また電力制御部28は、発電機回転速度予測手段である発電機回転速度予測部30、および目標界磁電流演算手段である目標界磁電流演算部26を含む。
まず、ステップS11で次式(1)により、目標モータトルクを発生させるためのモータ7に必要な電力Pmを算出する。
Pm=Tt×Vm…式(1)
Ttは、目標モータトルク演算部27で算出されたモータトルク指令値である。
Vmは、モータ回転速度である。モータ回転速度センサの出力により求められる。
そして、ステップS12で、ステップS11で算出したモータ必要電力Pmに基づいて、補正手段として次式をもとに発電機が出力すべき発電機必要電力Pgを算出する。
Pg=Pm/Em…式(2)
Emは、モータ効率である。つまり、発電機必要電力Pgはモータ必要電力Pmよりモータ効率分多く出力しなければならないことになる。
ステップS13で、発電電力制限値PL1、PL2を算出する。発電電力制限値PL1は、発電電力が発電機を駆動するベルトの伝達可能トルクに応じて決まる電力を上回らないようにするための上限値であり、次式をもとに算出する。
PL1=Tb×Vg×Eg…式(3)
Tbはベルト伝達可能トルク、Vgは発電機の回転速度、Egは発電機効率であり、PL1はベルト伝達可能トルクがTbであるときに発電機が発電可能な最大発電量に相当する。
また発電電力制限値PL2は、発電電力が、エンジンの負荷過大によるエンストや運転性劣化を起こす可能性のある電力を上回らないようにするための上限値である。この制限値PL2は、図示しないエンジントルク制御コントローラ(ECM)から与えられる。
そして、ステップS14で、発電機必要電力Pgと発電電力制限値PL1、PL2との内、数値が低い方が選択され、いわゆるセレクトローされて、発電機の目標出力電力PGが算出される。
ステップS15で、発電機回転速度予測部30により予測発電機回転速度Vgrを演算する。この予測発電機回転速度Vgrの求め方の詳細については後述する。
ステップS16で、目標界磁電流演算部26により、図5に示す発電機出力特性MAPに基づいて、ステップS15で算出した予測発電機回転速度Vgrの発電機出力特性MAPを検索する。
図5に示す発電機出力特性MAPは、横軸に出力電流、縦軸に出力電圧をとり、所定の回転速度で界磁電流Ifgが一定のときに発電機が出力する電流と電圧とを示す図である。発電機出力特性MAPは、微小な回転速度毎(例えば、100rpm毎)に段階的に設定されている。したがって、ステップS16では、予測発電機回転速度Vgrに最も近い回転速度についての、界磁電流と出力電流および出力電圧との関係を示すMAPが選択される。なお、各マップにおいては、図中右にある曲線ほど、界磁電流が高い電力特性を示す。
ステップS17で、ステップS16において選択したMAPに基づいて、界磁電流指令値を決定する。ここでは、まず、予測発電機回転速度Vgrでの出力特性MAPが検索されると、図6に示すように、目標出力電力PGを達成できる電流・電圧値を示す電力一定線P1を決定する。そして、該電力一定線P1を参照して、余裕を持って目標出力電力PGを供給できる、すなわち、電力一定線P1を越える電力を達成できる界磁電流指令値IfFを算出する。
具体的には、電力一定線P1において目標出力電力PGを供給するのに効率の良い範囲P2を決定し、これを制御に使用する電圧・電流範囲とする。そして、この範囲をある程度の余裕を持ってカバーできる特性C3を選択する。つまり、目標出力電力PGを効率良く出力するための電圧および電流を、余裕を持って出力することができる界磁電流値が選択される。
次に界磁電流指令値IfFを目標界磁電流Iftとして出力する。なお、余裕が大きすぎる特性C4〜C6は、界磁電流増大による電力消費を生じる可能性があるため適切でない。
最後に、発電機出力制御部29(発電機出力制御手段)で、発電機15に設けた発電機電圧センサ31および発電機電流センサ33により検出した出力電圧Vdcおよび出力電流Idcを読み込み、出力電圧Vdcと出力電流Idcとを乗算することにより発電機実出力電力Pを求める。そして、ステップS14で算出した目標発電電力PGと発電機実出力電力Pとの偏差がゼロになるように、実際の発電機界磁電流(実界磁電流)Ifgを補正制御する。
なお、この発電機出力制御部29(発電機出力制御手段)は、上記の目標発電電力PGと発電機実出力電力Pとの偏差がゼロになるように実界磁電流を補正制御することに代えて、界磁電流検出手段としての界磁電流センサ35を設けて実際の実界磁電流Ifgを検出し、界磁電流センサ35により検出された実界磁電流Ifgと目標界磁電流Iftとの偏差ΔIfを求めて、偏差ΔIfがゼロとなるように実界磁電流Ifgをフィードバック制御するものであってもよい。
なお、上記の実施形態においては、電力制御部28で算出された界磁電流指令値IfFをそのまま目標界磁電流Iftとして出力する場合について説明したが、これに限定されるものではない。発電機特性のばらつきや温度変化等による特性変化を考慮し、図7に示すように、電力制御部28で算出された界磁電流指令値IfFをFF項とし、かつ実際に測定して得た実主力電力Pと目標出力電力PGとの偏差による修正を加えてもよい。
図7は、界磁電流制御回路のブロック図である。
この場合、図7に示すように、電力制御部の後にPID制御部を設け、このPID制御部で次式に示すフィードバック制御を施して、目標界磁電流Iftを出力する。
Ift=IfF+A×(PG−P)+B×∫(PG−P)…(5)
ここで実出力電力Pは、発電機電圧センサからの出力電圧Vdcと発電機電流センサからの出力電流Idcとを乗算することにより求める。
次に、図4のステップS15の予測発電機回転速度Vgrの演算について、図8および図9を用いて詳細に説明する。
図8は、発電機回転速度予測部30が行う演算の手順を示すフローチャート、図9は発電機回転速度の区間毎の平均速度を記憶する平均速度記憶装置を示す図である。
図8のステップS21で、発電機15に設けた発電機回転速度センサ37からのパルス信号を読み込む。
ステップS22で、ステップS21で読み込んだパルス信号から発電機回転速度Vgを演算する。
ステップS23で、発電機回転速度Vgから一定区間毎の発電機回転速度の平均速度Vgnを演算し、その値を図9に示す平均速度レジスタに記憶させる。図9におけるVg0は現在時刻を含む区間の平均速度、Vg5はTg秒前の区間の平均速度である。
ステップS24で、平均速度レジスタに記憶された平均速度Vg0およびVg5を読み込み、式(4)をもとに発電機回転加速度βを演算する。
β=(Vg0−Vg5)/Tg…式(4)
ステップS25で、式(5)をもとに発電機回転速度変化分ΔVgを演算する。
ΔVg=β×td…式(5)
tdは、設定時間であり、発電機のコイルの自己インダクタンスL分により生じる遅れ時間、すなわち、発電機に発電電力の目標値を与えてから実際の発電電力が目標値に到達するまでの時間とみなして設定された値である。
このように発電機回転加速度βに設定時間tdを乗算することにより、発電機回転速度変化分ΔVgが演算される。
そして、ステップS26で式(6)をもとに発電機の予測回転速度Vgrを演算する。
Vgr=Vg+ΔVg…式(4)
Vgは、現在時刻における発電機15の回転速度である。
ΔVgは、ステップS25で求めた発電機15の回転速度変化分である。
なお、発電機回転速度変化分は、車速信号の微分値、アクセル開度等からも求めることもできる。
このように予測発電機回転速度Vgrの演算が終了すると、上述したように図4のステップS16に進み、予測発電機回転速度Vgrに基づいた発電機出力特性MAPを選択し、界磁電流指令値を決定する。
次に本実施形態における作用について図10を用いて説明する。
図10は、本実施形態における各部の指令値等を示すタイムチャートである。
図10において、(a)はアクセル開度、(b)は車速信号、(c)はモータトルク指令値、(d)はモータ必要電力Pmと目標出力電力PGである。
アクセル開度が図10(a)に示すように変化すると、前輪速Vfr、Vflは図10(b)上側の実線に示すように変化し、後輪速Vrr、Vrlは図10(b)下側の実線に示すように変化する。結果として車速Vは、図10(b)の前輪速を示す実線と後輪速を示す実線の間に示される実線のように変化する。
図10(c)に示される実線は、目標モータトルク演算部27で前後輪回転速度差およびアクセル開度に基づいて算出されたモータトルク指令値Ttである。
このモータトルク指令値Ttに基づいて、電力制御部28でモータ必要電力Pmが算出されて、図10(d)下側の実線に示すようにモータ必要電力Pmの指令値が出力される。また、モータ必要電力Pmに基づいて発電機必要電力Pgが算出される。このとき発電電力制限値PL1およびPL2が発電機必要電力Pgより大きいものとすると、発電機の目標出力電力PGがPgとなって図10(d)上側の実線に示すようになる。
そして、目標出力電力PGに基づいて、電力制御部28で予測発電機回転速度Vgrの発電機出力特性MAPを選択して算出された界磁電流指令値IfFは、図10(e)下側の破線に示すようになる。図10(e)上側に示される破線は予測発電機回転速度Vgrである。
また、PID制御部で算出された目標界磁電流指令値Iftは、図10(f)の実線に示すように出力される。
このようにして算出された各信号に基づいて、図10(g)〜(i)に示す結果を得ることができる。
図10(g)は発電機出力電力Pを示している。この図からも明らかなように、発電機電力Pは図10(d)に示す目標出力電力PGにほぼ一致しており、発電機が出力すべき電力を遅れることなく、適切に出力していることがわかる。
また、図10(h)はモータ出力Pを示している。この図からも明らかなように、モータ出力Pは図10(d)下側に示すモータ必要電力Pmに一致しており、モータトルクTがモータトルク指令値Ttに一致するためにモータが必要とする電力を適切に出力していることがわかる。
さらに、図10(i)はモータが発生するモータトルクTを示している。この図からも明らかなように、モータトルクTは図10(c)に示すモータトルク指令値Ttにほぼ一致していることがわかる。
次に本実施形態における効果について説明する。
電力制御部28は、モータ7が目標モータトルクを発生するために必要な電力を、発電機回転速度予測部30により算出した予測発電機回転速度に基づいて界磁電流指令値IfFを演算する。したがって、発電機回転速度Vgrが低下しているときであっても、界磁電流指令値IfFは、将来の低下した発電機回転速度、すなわち予測発電機回転速度Vgrに基づいて演算された値となる。発電機15のコイルの自己インダクタンスL分の遅れに関わらず、発電機15が所望の発電電力を発生できる。結果として、モータ7に供給する発電電力が不足することはなく、モータ7が目標モータトルクを発生することができる。
さらに、電力制御部28は、発電機回転速度予測部30により発電機回転速度変化分ΔVgrを、車両加減速に伴う発電機回転加速度βと発電機15のコイルの自己インダクタンスL分による遅れ時間とみなして設定された設定時間tdとを乗算することにより求めたので、電力制御部28の演算量を少なくすることができる。
さらに、電力制御部28は、発電機15の回転速度をパラメータとし発電機15の発電電力と界磁電流Ifgの大きさとの関係を示す発電機出力特性MAPに基づいて、目標出力電力を上回る余裕発電電力を発電機が出力するように、予測発電機回転速度Vgrの発電機出力特性MAPを選択し、そのMAPに基づき界磁電流指令値IfFを算出したので、目標出力電力PGを効率良く出力するための電圧および電流を、余裕を持って出力することができる。また、発電機出力特性MAPから発電機15の電力が効率よく出力できるような界磁電流Ifgを選択するので、界磁電流Ifgが低すぎてトルクが出せなかったり、界磁電流が高すぎて電力消費が生じたりすることを確実に防止することができる。
発電機15の出力電圧と出力電流とから算出される実出力電力Pが目標出力電力PGとなるように発電機15の実界磁電流Ifgを補正制御するので、発電機15はモータ7が必要とする電力を適切に供給することができ、モータ7は適切にトルクを出力することができる。
システム構成を示す図である。 前後輪の車輪速度差とモータ駆動力との関係を示す図である。 アクセル開度とモータ駆動力との関係を示す図である。 発電機界磁電流の演算の手順を示す図である。 発電機の出力特性MAPを示す図である。 目標出力電力を達成できる電力一定線を示す図である。 界磁電流制御回路のブロック図を示す図である。 予測発電機回転速度の演算の手順を示すフローチャートである。 発電機回転速度の平均速度レジスタを示す図である。 各部の指令値等のタイムチャートを示す図である
符号の説明
1L、1R、3L、3R…車輪、
5…エンジン、
7…モータ、
9…トランスミッション、
11…デファレンスギヤ、
13…無端ベルト、
15…発電機、
17…4WDコントローラ
19…インバータ、
21…減速器、
23…クラッチ、
25FL…車輪速センサ、
26…目標界磁電流演算部、
27…目標モータトルク演算部、
28…電力制御部、
29…発電機出力制御部、
30…発電機回転速度予測部
31…発電機電圧センサ、
33…発電機電流センサ、
35…界磁電流センサ、
37…発電機回転速度センサ。

Claims (4)

  1. 主駆動輪を駆動する内燃機関と、
    前記内燃機関により駆動され、発電する発電機と、
    前記発電機の発電電力が供給されて従駆動輪を駆動する電動機と、
    車両の走行状態に基づいて前記電動機の目標駆動力を演算する目標駆動力演算手段と、
    前記電動機が目標駆動力を発生できるように、前記発電機が発生する発電電力を制御する電力制御手段と、
    前記車両の加減速に伴う前記発電機の回転速度変化を予測する発電機回転速度予測手段と、
    を有し、
    前記電力制御手段は、前記発電機回転速度予測手段により算出された予測発電機回転速度に基づいて前記発電機の界磁電流を演算し、前記発電電力を制御することを特徴とする電動式4輪駆動制御装置。
  2. 前記発電機回転速度予測手段は、前記車両の加減速に伴う前記発電機の回転速度変化と前記発電機が目標出力電力を実際に発電するまでの遅れ時間とみなした設定時間とを乗算することにより前記予測発電機回転速度を求めることを特徴とする請求項1に記載の電動式4輪駆動制御装置。
  3. 前記電力制御手段は、前記発電機の回転速度をパラメータとし、前記発電機の発電電力と界磁電流の大きさとの関係を示す発電機出力特性マップに基づいて、前記目標出力電力を上回る余裕発電電力を前記発電機が出力するように、前記発電機の目標界磁電流を演算する目標界磁電流演算手段を有し、
    前記目標界磁電流演算手段は、前記予測発電機回転速度に基づいて、前記発電機出力特性マップを選択することを特徴とする請求項2に記載の電動式4輪駆動制御手段。
  4. 実際の前記発電機の出力電圧及び出力電流を検出して、該発電機の実出力電力を演算し、該実出力電力が前記目標出力電力となるように、前記発電機の界磁電流を補正する発電機出力制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項3に記載の電動式4輪駆動制御装置。
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