JP2010130775A - 電動車両のサウンド制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータを含む車両構成要素の振動を考慮した係数を用いてモータの各相電流を不均衡にすることにより車両から発生する可聴域サウンドを制御する電動車両のサウンド制御装置を提供する。
【解決手段】バッテリ１２から供給される直流電圧を交流電圧に変換してモータ１８に印加する電力変換器１４，１６と、この電圧変換器１４，１６に制御信号を送信して制御するとともにモータ１８の各相コイルに流れる交流電流を制御可能な制御部２０とを備える電動車両１のサウンド制御装置１０であって、制御部２０は、モータ１８の各相コイルにそれぞれ流れる各相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの振幅を、モータ１８を含む車両構成要素の振動特性を考慮した係数ａを用いて不均衡にすることにより、電動車両１から発生する可聴域サウンドを制御する制御構成を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動車両のサウンド制御装置に係り、特に、モータの電磁音（以下、騒音ともいう）および振動を調整することで車両から発生するサウンドを制御する装置に関する。

従来、電気自動車、ハイブリッド自動車等の電動車両において、走行用動力出力源として三相交流モータ（以下、単に「モータ」という）が用いられている。このような電動車両では、モータ動力だけで走行する際、エンジン動力のみで走行する通常の自動車とは異なり、モータ音が静粛であるがゆえにドライバーには車速が上がるにつれて大きくなるサウンドまたは騒音が聴こえないために快適なドライビング感覚が得られないことがある。

また、モータとモータ出力軸に連結されるギヤ列からなるトランスミッションとを含む駆動ユニットの固有振動や、この駆動ユニットが搭載される車両の構造によって決まってくる構造共振によって、特定の車速で急増する騒音・振動（以下、適宜に「ＮＶ（Noise and Vibration）」ともいう）現象が発生することによって、ドライバーが違和感を覚えることもある。

ここで、例えば、特許文献１には、電気自動車に搭載されたエンジン駆動発電機の制御装置であって、エンジンからの動力を受けて発電状態に駆動される発電機について車速に応じて界磁電流の周波数を増加させて騒音を大きくすることにより、騒音がドライバーのフィーリングに合ったものに制御することが記載されている。

また、特許文献２には、走行用動力を出力するモータを搭載した車両において、検出される車両起動、右左折、後退等の車両状態に応じて、モータに供給する駆動信号の周波数および電流値の少なくとも一方を変化させることにより、モータから発生する可聴電磁音を乗員や車両周囲の人への報知音として利用できることが記載されている。

さらに、特許文献３には、多相の交流回転電機の電気子に通電される多相交流電流の基本周波数成分を基準としてｎ＋１次（倍）の周波数の磁気騒音低減用高調波電流を多相交流電流に重畳することにより、交流回転電機の鉄心に径方向に発生する径方向磁気加振力のうち基本周波数成分のｎ倍の高調波成分を変更することで、交流回転電機の磁気騒音を目的に応じて変更する技術が記載されている。

特許第３０４７６７０号明細書 特開２００５−１３０６１４号公報 特開２００５−１１７８７６号公報

上記各特許文献、特に特許文献１に開示される技術では、加速時等の状況に応じてモータから発生する騒音を大きくする制御を実行して、ドライバーのフィーリングに合った騒音や車両接近を知らせる報知音を創出している。しかしながら、車両がモータ動力のみで駆動されている場合に車両から発生する騒音である可聴域サウンドの音量は、モータで生じる電磁音や振動だけでなく、モータが搭載されている車両の例えばトランスミッションやボディ等の他の構成要素の振動も影響することから、これらも考慮したうえでモータ制御を実行することが所望の騒音を創出するうえでより好ましいと言える。

本発明の目的は、モータを含む車両構成要素の振動を考慮した係数を用いてモータの各相電流を不均衡にすることにより車両から発生する可聴域サウンドを制御する電動車両のサウンド制御装置を提供することである。

本発明に係る電動車両のサウンド制御装置は、蓄電装置から供給される直流電圧を交流電圧に変換して走行動力出力用の発電可能な三相交流モータに印加する電力変換器と、この電圧変換器に制御信号を送信して前記直流交流間の変換動作を制御するとともに前記三相交流モータの各相コイルに流れる交流電流を制御可能な制御部とを備える電動車両のサウンド制御装置であって、

前記制御部は、前記各相コイルにそれぞれ流れる各相交流電流の振幅を、前記三相交流モータを含む車両構成要素の振動特性を考慮した係数を用いて不均衡にすることにより、電動車両から発生する可聴域サウンドを制御する制御構成を有することを特徴とする。

本発明に係る電動車両のサウンド制御装置において、前記制御部は、モータ回転数、車速またはアクセル開度に関連付けて予め記憶されている前記係数を用いて前記三相交流モータの各相電流を不均衡にするよう前記電圧変換器に対する制御信号を生成してもよい。

本発明に係る電動車両のサウンド制御装置によれば、三相交流モータの各相コイルにそれぞれ流れる各相交流電流の振幅を、三相交流モータを含む車両構成要素の振動特性を考慮した係数を用いて不均衡にすることにより電動車両から発生する可聴域サウンドを制御することで、車両の加減速時に見合って滑らかに増減する可聴域サウンドを創出することができる。これにより、ドライバーは、特定の車速で急変するモータ音を聴くことで違和感を覚えることがなくなり、また、モータ動力だけで走行する場合でも加速感のある快適なサウンドを体感できる。さらに、車両から発生する可聴域サウンドをドライバーだけでなく、車両周囲にいる人にも聴こえる程度の音量に調整することで車両の発進や接近を知らせることができ、安全性が向上する。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、本発明の一実施の形態であるサウンド制御装置１０を搭載した電動車両（以下、適宜に「車両」とだけいう）１の構成を概略的に示す。電動車両１は、蓄電装置としてのバッテリ１２、電圧変換器としてのコンバータ１４およびインバータ１６、走行用動力出力源としてのモータ１８、および、コンバータ１４とインバータ１６とに制御信号をそれぞれ送信してモータ１８の駆動を制御する制御部２０を備える。

なお、本実施形態では、モータ１８のみを走行用動力源として有するものとして説明するが、本実施形態のサウンド制御装置１０は、エンジンを走行用または発電機用の動力源として併せ持つハイブリッド車両にも適用可能である。

バッテリ１２は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の二次電池が好適に用いられる。ただし、これに代えて蓄電装置として、燃料電池やキャパシタが用いられてもよい。バッテリ１２には、図示しない各種センサが設けられており、これらのセンサによって検出されるバッテリ電圧Ｖｂ、バッテリ電流Ｉｂ、バッテリ温度Ｔｂ等のバッテリ情報が制御部２０へ送信されるようになっている。

バッテリ１２とコンバータとを電気的に接続する電力ライン２２および接地ライン２４間には、平滑コンデンサ２６が接続されている。この平滑コンデンサ２６を介してバッテリ１２とコンバータ１４とは直流電力の授受を行う。

コンバータ１４は、バッテリ１２から平滑コンデンサ２６を介して供給される直流電圧をインバータ１６供給用に昇圧するか、または、インバータ１６側から供給される回生電力をバッテリ充電用に降圧する機能を有する。コンバータ１４は、例えば１つのリアクトルと２つのパワースイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ）を含んで構成されることができ、制御部２０から送信される上記スイッチング素子のオンオフ制御信号Ｓ１，Ｓ２を受けて上記昇圧および降圧動作が制御されるようになっている。なお、本実施形態では、電圧変換器としてコンバータ１４を含むものとして説明するが、コンバータを省略してバッテリ１２から平滑コンデンサ２６を介してバッテリ電圧のままでインバータ１６に直流電圧が供給されてもよい。

コンバータ１４とインバータ１６とを電気的に接続する電力ライン２６および接地ライン２８間には平滑コンデンサ３０が接続されており、コンバータ１４とインバータ１６とは平滑コンデンサ３０を介して直流電力の授受を行う。

インバータ１６は、直流・交流変換機能を有する電力変換器であり、公知のどのような構成のものが用いられてもよい。一般に、入力された直流電圧を交流電圧に変換して三相交流モータ１８に印加するインバータ１６は、それぞれダイオードが逆並列に接続された２つのパワースイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）が電力ライン２６および接地ライン２８間に互いに並列接続されてなるＵ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームを含んで構成されることができ、各相アームの中間点がモータ１８のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相コイルの端子にそれぞれ接続されている。インバータ１６は、制御部２０から送信される各相アーム合計で６つのスイッチング素子に対応するオンオフ制御信号Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５、Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８を受けて作動制御される。これにより、モータ１８を駆動して走行用動力を出力させる力行時には、コンバータ１４から平滑コンデンサ３０を介して供給される直流電圧を三相交流電圧に変換してモータ１８に印加し、一方、モータ１８が発電機として機能する回生制動時には、モータ１８で発電される三相交流電圧を直流電圧に変換してコンバータ１４側に供給する。

インバータ１６とモータ１８とを電気的に接続する各相ラインのうち、Ｕ相ライン３１とＶ相ライン３２には電流センサ３４がそれぞれ設けられている。電流センサ３４によって検出されるモータ電流であるＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖは、制御部２０へ送信されるようになっている。なお、モータ電流のうちＷ相電流Ｉｗは、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０の関係にあることから、制御部２０は受信した検出電流Ｉｕ，ＩｗからＷ相電流Ｉｗを算出して求めることができる。

モータ１８の動力入出力軸である回転軸３６は、ディファレンシャルギヤ３８を介して車軸４０および車輪４２に動力伝達可能に接続されている。これにより、力行時にはモータ１８の回転軸３６から出力される走行用動力がディファレンシャルギヤ３８および車軸４０を介して車輪４２に伝達され、モータ動力による走行が可能になる。一方、車両の回生制動時には、車輪４２から車軸４０およびディファレンシャルギヤ３８を介して回転軸３６に動力が入力されることによってモータ１８は発電を行うことができる。

また、モータ１８には例えばレゾルバ等からなる回転角センサ４４が設けてある。この回転角センサ４４により検出されるモータ１８の回転子またはロータの回転角ωが制御部２０へ送信され、これを受けて制御部２０はモータ回転数Ｎｍを算出して得ることができる。

制御部２０は、受信するバッテリ情報に基づいてバッテリ１２の残容量（ＳＯＣ）を適正範囲内に維持するよう管理する機能を有する。また、制御部２０は、ドライバーによるアクセル踏み込み量を検出するアクセル開度センサ４６から入力されるアクセル開度信号Ａｃ等に基づいて、コンバータ１４およびインバータ１６へ車両の走行状態に応じた制御信号Ｓ１〜Ｓ８を送信し、モータ１８の力行作動または回生作動を制御する。

図２は、制御部２０の機能ブロック図である。制御部２０は、トルク指令生成部５０、電流指令生成部５２、電流指令変換部５４、係数設定部５６、電圧指令生成部５８、およびスイッチング信号生成部６０を含む。

トルク指令生成部５０は、アクセル開度センサ４６から入力されるアクセル開度信号Ａｃに基づいて、予め記憶されているマップまたはテーブルを参照することによって要求されるトルク指令τを生成し、電流指令生成部５２へ出力する機能を有する。

電流指令生成部５２は、要求トルク値であるトルク指令τをモータ１８で出力させるために必要なモータ電流指令Ｉｏを予め記憶されているマップまたはテーブルを参照することによって生成し、電流指令変換部５４へ出力する機能を有する。

係数設定部５６は、回転角センサ４４から入力されたロータ回転角情報ωから算出されるモータ回転数Ｎｍに基づいて、予め記憶されているテーブルまたはグラフを参照して係数ａを設定して、電流指令変換部５４へ出力する機能を有する。電流指令変換部５４は、係数設定部５６から入力される係数ａ（ａ＝０の場合を除く）を用いて、上記モータ電流指令Ｉｏを不平衡な各相電流指令Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを生成し、電圧指令生成部５８へ出力する機能を有する。なお、上記係数ａおよび電流指令変換部５４の処理については、後に詳述する。

電圧指令生成部５８は、モータ電流が電流指令変換部５４から入力された各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗになるような各相電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを生成し、スイッチング信号生成部６０へ出力する機能を有する。これを受けてスイッチング信号生成部６０は、コンバータ１４から平滑コンデンサ３０を介して入力される直流電圧を、各相アームのスイッチング素子のオンオフ制御によって上記各相電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに合致する各相電圧がモータ１８の各相コイルに印加されるようにスイッチング制御信号Ｓ３〜Ｓ８を生成して、インバータ１６へ出力する機能を有する。

続いて、図３，４を参照して、本実施形態におけるモータ１８の各相電流の不平衡制御について説明する。図３（ａ）は、車速（すなわちモータ回転数Ｎｍ）と車両１から発生する騒音の音圧レベルとの関係を示すグラフであり、図３（ｂ）は係数設定部５６において車速と関連付けられて予め記憶されている係数ａを示すグラフである。また、図４（ａ）は、モータ１８の各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが不平衡状態にある場合を示す波形図であり、図４（ｂ）はモータ１８の各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが平衡状態にある通常の場合を示す波形図である。なお、図４（ａ），（ｂ）において横軸は、電気角を表している。

図３（ａ）において点線７０で示すように、車両１がモータの動力（だけ）で走行する場合に車両１から発生する騒音の音圧レベルは、車速が上がるにつれて概して増加するが、特定の車速で突出したピークが現れて波打ったような上昇をする。このことは、モータ１８とモータ回転軸３６に連結されるギヤ列からなるトランスミッション（図示せず）とを含む駆動ユニットを車両ボディに搭載した状態で行った実験やシュミレーションから判明している。このような騒音の突出現象は、モータ１８およびトランスミッション含む駆動ユニットの固有振動や、この駆動ユニットが搭載される車両ボディ等の構造によって決まってくる構造共振に起因するものであり、ドライバーは加速感と一致しない突出した騒音に違和感を覚える原因となる。

そこで、本実施形態のサウンド制御装置１０では、図３中の実線７２で示すように、車速の増加とともに点線７０の音圧レベルの各ピークに接しながら滑らかに音圧レベルが増加するように、モータ１８の騒音および振動を大きくするためのモータ電流不平衡制御を実行する。上記係数ａは、実際の音圧レベル曲線７０について音圧レベルが低い領域７４，７６，７８を補完するように車両騒音を増大させるべく、モータ１８の騒音および振動を大きくする値として上記実験またはシュミレーションから導き出されるもので、モータ１８を含む車両構成要素の振動特性をも考慮した値である。図３（ｂ）に示すように、係数ａは、従来の音圧レベル曲線７０のピーク時には０に設定され、それ以外では車両騒音の補完増加量に応じた値に設定される変数である。

係数設定部５６により設定された係数ａを用いて、電流指令変換部５４は次の式により各相電流指令Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが不平衡となるよう処理する。なお、ここではＷ相電流Ｉｗを元の電流指令Ｉｏのままとしているが、ＩｕまたはＩｖがＩｏのままとする処理を行ってもよい。
（数１）
Ｉｕ＝Ｉｏ×（１−ａ）
Ｉｖ＝Ｉｏ×（１＋ａ）
Ｉｗ＝Ｉｏ

上記のように処理された電流指令Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗによってモータ１８に流れる各相電流は、図４（ａ）に示すように、Ｕ相電流ＩｕはＷ相電流Ｉｗよりも振幅が小さく、Ｖ相電流はＷ相電流よりも振幅が大きくなる。このようにモータ１８において各相電流が不平衡になることで、ロータに回転力を与える電磁力に変動成分が生じ、それがモータ１８の起振力となってモータ１８から生じる騒音が大きくなる。ここで、上記モータの起振力の大きさは、三相電流の不平衡量に比例するため、不平衡量すなわち係数ａの制御で出力性能を低下させることなく任意にモータ音を作り出すことができることになる。

このように、本実施形態のサウンド制御装置１０によれば、モータ１８の各相コイルにそれぞれ流れる各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの振幅を、モータ１８を含む車両構成要素の振動特性を考慮した係数ａを用いて不均衡にすることにより車両１から発生する騒音すなわち可聴域サウンドを制御することで、車両１の加減速時に見合って滑らかに増減する可聴域サウンドを創出することができる。これにより、ドライバーは、特定の車速で急変するモータ音を聴くことで違和感を覚えることがなくなり、また、モータ動力だけで走行する場合でも加速感のある快適なサウンドを体感できる。

なお、上記実施形態では、車両１から発生する騒音の音圧レベルが低い領域を補完するようにモータ１８の各相電流の不平衡制御を実行するものとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更や改良が可能である。

例えば、図５に示すように、上記係数ａを車速（モータ回転数）の増加に伴って一点鎖線８４で示す直線状に、または実線８２で示す曲線状に増加するように設定することで、図３中の一点鎖線８０に示すように、各相電流の不平衡制御を行わない場合の音圧レベル極性７０を超えて滑らかに増加する比較的大きな音圧レベルとなる騒音を創出してもよい。これにより、車両１から発生する騒音すなわち可聴域サウンドをドライバーだけでなく、車両周囲にいる人にも聴こえる程度の音量に調整することで、車両１の発進や接近を周囲の人に知らせることができ安全性が向上する。

また、上記において係数ａは、車速またはモータ回転数に関連付けられる変数としたが、アクセル開度に関連付けられた変数としてもよい。

本発明の一実施形態であるサウンド制御装置を搭載した電動車両の概略構成図である。 制御部の機能ブロック図である。 図３（ａ）は車速と車両から発生する騒音の音圧レベルとの関係を示すグラフであり、図３（ｂ）は車速と係数との関係を示すグラフである。 図４（ａ）はモータの各相電流が不平衡状態にある場合を示す波形図であり、図４（ｂ）はモータの各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが平衡状態にある通常の場合を示す波形図である。 車速と係数との別の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 電動車両、１０ サウンド制御装置、１２ バッテリ、１４ コンバータ、１６ インバータ、１８ 三相交流モータ、２０ 制御部、２２，２６ 電力ライン、２４，８ 接地ライン、２６，３０ 平滑コンデンサ、３１ Ｕ相ライン、３２ Ｖ相ライン、３４ 電流センサ、３６ 回転軸、３８ ディファレンシャルギヤ、４０ 車軸、４２ 車輪、４４ 回転角センサ、４６ アクセル開度センサ、５０ トルク指令生成部、５２ 電流指令生成部、５４ 電流指令変換部、５６ 係数設定部、５８ 電圧指令生成部、６０ スイッチング信号生成部、Ｉｏ モータ電流指令、Ｉｕ Ｕ相電流指令、Ｉｖ Ｖ相電流指令、Ｉｗ Ｗ相電流指令、Ｓ１〜Ｓ８ 制御信号、ω 回転角。

Claims (2)

1. 蓄電装置から供給される直流電圧を交流電圧に変換して走行動力出力用の発電可能な三相交流モータに印加する電力変換器と、この電圧変換器に制御信号を送信して前記直流交流間の変換動作を制御するとともに前記三相交流モータの各相コイルに流れる交流電流を制御可能な制御部とを備える電動車両のサウンド制御装置であって、
   前記制御部は、前記各相コイルにそれぞれ流れる各相交流電流の振幅を、前記三相交流モータを含む車両構成要素の振動特性を考慮した係数を用いて不均衡にすることにより、電動車両から発生する可聴域サウンドを制御する制御構成を有することを特徴とする電動車両のサウンド制御装置。
2. 請求項１に記載の電動車両のサウンド制御装置において、
   前記制御部は、モータ回転数、車速またはアクセル開度に関連付けて予め記憶されている前記係数を用いて前記三相交流モータの各相電流を不均衡にするよう前記電圧変換器に対する制御信号を生成することを特徴とする電動車両のサウンド制御装置。

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