JP2013226040A - トルク制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の車輪が個々に動く車両において、１又は複数のインホイール電気モーターが要求トルク値を提供することを妨げる故障が発生する場合でも、車両を直線に進行させる車輪間におけるトルクバランスが崩れないようにする。
【解決手段】複数の車輪１０１を備える車両１００のトルク制御システムであって、車輪のうちの少なくとも2つは別々の電気モーターによって駆動するように配置され、電気モーターのうちの少なくとも1つが発生させるトルクを監視するように設定された主制御装置を備え、少なくとも1つの電気モーターによって生じるトルクが所定の状態の結果として低下しているという判定に応じて、少なくとも1つの電気モーターと他の電気モーターが発生させるトルクが実質的に同じになるように、主制御装置は少なくとも1つの電気モーター及び/又は他の電気モーターにおいて発生するトルクを調整するように設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、トルク制御システム、特に複数の車輪を備える車両のトルク制御システムに関するものであって、車輪のうちの少なくとも2つは別々の電気モーターによって駆動するように設定される。

環境に優しい車両に関する関心の高まりについては、おそらく驚くことではないが、それに応じて電気自動車の利用に関する関心についても高まっている。

大部分の市販の電気自動車は、2又は複数の車輪を駆動するために用いられる中央電気モーターを利用するが、評判が上々の代替案は、インホイール電気モーターを利用するものであって、個々の電気モーターがそれぞれの車輪を駆動するために用いられるものである。

しかしながら、複数の車輪が個々に動く車両に関しては、運転の安定性を維持するために、直線に運転する際には、異なる電気モーターが発生させるトルクが実質的に同じになるように電気モーターシステムが設計される。

しかしながら、1又は複数のインホイール電気モーターが要求トルク値を提供することを妨げる故障がインホイール電気モーターの1又は複数に発生する場合、車両を直線に進行させる場合には、車輪間におけるトルクバランスが崩れ、連続してステアリングを修正する動作を車両のユーザーに要求する。

この状況は、改善させることが望ましい。

本発明の態様に従って、添付の請求項に従うトルク制御システム及びトルク制御方法が提供される。

これによって、インホイール電気モーターの1つに故障が生じた場合、異なるインホイール電気モーター間におけるトルクバランスを保つことができる効果が提供される。

ここで添付の図面を参照して、本発明を一例として記載する。

図1は、本発明の実施形態による車両を図示する。 図2は、本発明の実施形態において用いられる電気モーターの分解図を図示する。 図3は、図2に示される電気モーターの他の角度からの分解図を図示する。 図4は、本発明の実施形態による三相モーターの例を概略的に示す。 図5は、本発明の実施形態による、インホイール電気モーターと主制御装置との間の通信インターフェースを図示する。

図1は、4つの車輪101を有する車両100(例えば車またはトラック)を図示し、2つの車輪は、それぞれ車両前方位置の手前側と奥側の位置に配置される。同様に、2つの更なる車輪は、それぞれ車両後方位置の手前側と奥側の位置に配置され、典型的には、従来型の自動車の構成のようである。しかしながら、当業者によって理解されるように、車両は任意の数の車輪を備えることができる。

以下に詳細に記載されている通り、各車輪101内に組み込まれるものは、インホイール電気モーターである。しかしながら、現在の実施形態には、各車輪101に付随するインホイール電気モーターを備える車両が記載されているが、当業者によって理解されている通り、車輪101のサブセットだけがインホイール電気モーターを備えてもよい。例えば、4輪自動車に関しては、2つの前輪だけがインホイールモーターを伴ってもよく、あるいは、2つの後輪だけがインホイールモーターを伴ってもよい。

各インホイール電気モーターは主制御装置102に接続する。主制御装置102の機能は以下で詳細に説明する。

図示のために、インホイール電気モーターは、ホイールに着設した一組の磁石を備えるローターによって放射状に囲まれる、車両へ着設したステーターの部品に一組のコイルを備えるタイプを示す。しかしながら、当業者によって理解されるように、本発明は他のタイプの電気モーターに応用できる。誤解を避けるため、本発明の様々な態様は、同じ配置の発電機に対して同様に応用する(例えば、発電機は回生制動中にトルクを発生させる)ことができる。典型的には、要求に応じて、インホイール電気モーターは駆動トルクと回生制動トルクの両方を提供するように構成される。

図2にて図示したように、インホイール電気モーター40は、アセンブリの筐体に関して最初の部品を形成しているリア部分230と、多重コイル及びコイルを駆動するための電子装置を含む放熱器及び駆動装置231と、を含むステーター252を備える。コイル駆動装置231はリア部分230に固定され、車両に固定可能ではあるが使用の際には回転しないステーター252を形成する。コイル自体は、駆動装置231及びリア部分230と共にステーター252を形成する歯様の層板構造上に形成される。

ローター240は、実質的にステーター252を囲むカバーを形成するフロント部分220及び円柱型部分221を備える。ローターは、円柱型部分221の内側周辺に配置される複数の磁石242を備える。したがって、アセンブリ231のコイルによって発生する磁場がローター240の円柱型部分221の内側周辺に配置される磁石242と協同するように、磁石はアセンブリ231上のコイルに非常に接近して、ローター240の回転を引き起こす。

ローター240は、ベアリングブロック223によってステーター252に取り付けられる。ベアリングブロック223は、このモーターアセンブリが適する車両において使用される基準ベアリングブロックとすることができる。ベアリングブロックは、2つの部品、ステーターに固定される第一部品と、ローターに固定される第二部品とを備える。ベアリングブロックは、ステーター252に関する壁230の中央部分233に固定され、ローター240に関する筐体壁220の中央部分225に固定される。したがって、ローター240は、ローター240の中央部分225でベアリングブロック223を介して、使用される車両に回転可能に固定する。これは、以下の有利な点を有する：ホイールリム及びタイヤは、通常の車輪ボルトを使用してローター240の中央部分225に固定することでホイールリムをローターの中央部分に固定することができ、その結果、ベアリングブロック223の回動可能面上へ確実に固定できる。車輪ボルトは、ローターの中央部分225を通ってベアリングブロック自体を通過して結合させてもよい

ローターは、位置検出のための焦点リング及び磁石227も含む。

図3は、リアステーター壁230とコイル及び電子回路アセンブリ231を含むステーター252を反対側から示す、図2と同じアセンブリの分解図を示す。ローター240は、外側ローター壁220と磁石242が円周方向に配置される環状壁221とを具備している。前述したように、ステーター252は、ローター及びステーター壁の中央部分でのベアリングブロックを介してローター240に連結される。

加えて、制御電子装置(モーター駆動制御装置としても知られる)を備える回路基板80が図2に示される。加えて、図2および3において、V型シール350は、ローターの環状壁221とステーター筐体230の外縁との間に設けられている。更に図3において、整流焦点リング及び複数の磁石を含む磁気リング227は、ステーターに対するローターの位置をステーター252のモーター駆動制御装置80に配置される一連のセンサーに示す目的で設けられている。

図2および3に示される電気モーター40は、3つのコイルセットを有する三相モーターである。本実施形態において、各コイルセットは8つのコイルサブセットを備える。しかしながら、当業者によって理解されるように、電気モーターは任意の数のコイルセット及びコイルサブセットを備えることができる。図4において、各コイルセットのコイルサブセットは、それぞれ44、46及び48とラベルされている。それに応じて、図4に図示される電気モーターは、合計24のコイルサブセット(すなわち、コイルセット当たりの8つのコイルサブセット)を備える。

一例として図4において、コイルサブセットのいくつかには、'*'によって強調されている。これらのコイルサブセットがパワーダウンした場合、性能は低下するがモーターはまだ作動可能だろう。このようにして、モーターのパワー出力は、所定の応用の要件に従って調節することができる。一例としてモーターが車両(例えば車)において用いられる場合、コイルサブセットのいくつかのパワーをダウンさせることを車の性能の調節に用いることができる。図4に示される例において、'*'によって示されるコイルサブセットの各々がパワーダウンした場合、モーターは各コイルセットのうち2が有効コイルサブセットである3つのコイルセットを備えているだろう。

コイルサブセットの1又は複数のパワーをダウンさせることは、コイルサブセットの1つが故障した場合に、適切な多面的操作に関するモーター周辺でバランスのよい磁場プロフィールを保持する方法によって、モーター40における他のコイルサブセットは、モーター40の連続操作というパワーダウンを起こすことできるという更なる利益がある。

モーター駆動制御装置80は、3つのコイルサブセットグループを駆動するために配置される。例えば、モーター駆動制御装置は、図4の最上位に位置する最初の3つのコイルサブセット44、46、48と関わりを持つことができる。他のモーター駆動制御装置80は、次の3つのコイルサブセット等と関わりを持つことができる。従って、インホイール電気モーターは、それぞれのコイルサブセットを駆動するために配置される8台のモーター駆動制御装置80を備え、インホイール電気モーターが発生させるトルクを制御するための複数のモーター駆動制御装置80を使用する分散内部モーター構造を形成する。

各モーター駆動制御装置80が三相電圧で3つのコイルサブセットグループを駆動させる分散型モーター駆動制御装置の構成は、論理的サブモーターのグループと見なすことができる。各論理的サブモーターは、三相モーターとして駆動されている各論理的サブモーターを有するインホイール電気モーターの中で他のサブモーターと独立して駆動できる。

モーター駆動制御装置80は、付随する論理的サブモーター用のインバーターとしての機能を果たすものであり、1又は複数の半導体装置を典型的に搭載可能なスイッチを多く備える。モーター駆動制御装置80は、多くの構成部品が搭載されているプリント回路基板を備える。回路基板は、電気モーター40中のモーター駆動制御装置80を、例えばそれぞれのモーター駆動制御装置が制御するコイルサブセットに隣接するように固定するための手段を備える。図の例では、これらの手段は、ネジ等が通過することができる開口部を備える。この例では、プリント回路基板は、実質的に楔形である。この形状は、複数のモーター駆動制御装置80がモーター内で互いに隣接して位置することができるためファンのような配列を形成する。

モーター駆動制御装置80のスイッチは、半導体装置(例えばMOSFETまたはIGBT)を備えることができる。本実施例では、スイッチは、IGBTを備える。しかしながら、モーター駆動制御装置80に付随するコイルサブセットのコイル内電流を制御するために、任意の適切な公知スイッチング回路を使用することができる。かかるスイッチング回路の周知例の1つは、H-ブリッジ回路である。

各モーター駆動制御装置80は、当業者にとって周知である、それぞれの論理的サブモーターのトルクを制御するためのパルス幅変調方式に従ってスイッチが作動するように設定されたプロセッサーも備える。プロセッサーは、CANインターフェースを介して主制御装置102からのトルク要求を受け取るように設定されているが、主制御装置102とそれぞれのモーター駆動制御装置80との間の通信リンクは任意のものを使用することができる。

要請されたトルクを示す、主制御装置102からの制御信号に応答して、各モーター駆動制御装置80は、三相H-ブリッジ回路を形成する半導体スイッチに印加されるシグナルを変調する幅をパルスするように設定され、電気モータートルクを発生させるために3つのコイルサブセットに印加される電圧を制御する。それらは当業者にとって周知である。

トルク要求は、車両の加速の増減を望んでいる、車両100のユーザーによって典型的に開始される。要求装置を介して車両のユーザーによって典型的に入力されるトルク要求は、主制御装置102によって判断され、インホイール電気モーター40に伝えられる。

図5は、CANバスを介して主制御装置102に接続するインホイール電気モーターにおける8台のモーター駆動制御装置80を図示する。上記のように、各モーター駆動制御装置80は、三相電圧源で3つのコイルサブセットを駆動するように設定されている。個々のモーター駆動制御装置80は、CANバスを介して主制御装置とインホイール電気モーター中の他のモーター駆動制御装置80の両方と通信することができる。

他のインホイール電気モーター40に付随したモーター駆動制御装置80もCANバスを介して主制御装置102に接続し、そしてCANバスを介して主制御装置102及びそれぞれのインホイール電気モーター中の他のモーター駆動制御装置80と通信することも可能である。

主制御装置102は、それぞれのモーター駆動制御装置80の動作を制御するために各々のインホイール電気モーター中の各々のモーター駆動制御装置80に制御信号を提供する。主制御装置102からモーター駆動制御装置80への制御信号の例としては、トルク要求、回転速度、トルクが加わる方向(即ち、時計回りか反時計回り)、特定のモーター駆動制御装置80が使用可能であるか否かに関する信号が挙げられる。

従って、主制御装置102は、インホイール電気モーター40中の各々のモーター駆動制御装置80の動作を制御することができ、それに応じてインホイール電気モーターの部品を形成するそれぞれの論理的サブモーターの動作を制御することができる。

従って、所定のインホイール電気モーター40中において、モーター制御装置102は、1若しくは複数のモーター駆動制御装置80を無効にすることができる、及び/又は1若しくは複数の論理的サブモーターのトルク発生を調節することができる。

モーター駆動制御装置80は、CANインターフェースを介して、モーター駆動制御装置ステータス情報を主制御装置102へ提供するデータ信号について主制御装置102へ出力ように設定されている。モーター駆動制御装置80によって主制御装置102に提供されるステータス情報の例としては、コイル電流、回転速度、過電流、過電圧、不足電圧、過温度、故障位置センサー及び故障電流センサーが挙げられる。しかしながら、他の故障データをモーター駆動制御装置80から主制御装置102に提供することは可能である。

受信データに応答して、主制御装置102は受信したデータからモーター駆動制御装置80ついて故障があるかどうかを決定する。故障状態は、動作範囲条件外(例えば過電流、過電圧、不足電圧又は過温度)によって示すことができる。あるいは、故障状態は、構成部品の故障によって示されてもよい。

例えば、論理的サブモーターの1つが故障した場合、故障状態はトルクの直接的な損失という結果になる可能性がある。その代わりに、主制御装置102は、モーター駆動制御装置80から受けた動作範囲条件外の受信(例えば、付随する論理的サブモーターの温度が推奨動作温度を越えていることに関する、モーター駆動制御装置80からの受信)に応じて、モーター駆動制御装置80に対するトルク要求を、他のモーター駆動制御装置80とは独立して下げることができる。動作範囲条件外を補償するために、特定のモーター駆動制御装置80に対するトルク要求を下げることができるか、モーター駆動制御装置80を無効にすることができる。

好ましくは、論理的サブモーターを対称的に配置しているインホイール電気モーター40において、電気モーターの負荷を最小にして電気モーターの円滑な運転を維持するために、1つの論理的サブモーターに関するトルク低下に応じて、主制御装置102は反対に位置する論理的サブモーターのトルクを低下させるように設定されている。

1又は複数のモーター駆動制御装置80の故障状態による車両インホイール電気モーター40、又は付随する論理的サブモーターのうちの1つのトルク低下に応じて、故障状態が確認されたインホイール電気モーター40及び少なくとも1つの他の車両インホイール電気モーター40において発生するトルクが実質的に同じになるように、主制御装置102は1又は複数の他の車両インホイール電気モーター40において発生するトルクを調節するように設定される。

これによって、異なるインホイール電気モーターの間でトルクバランスを維持する効果が得られるため、車両100のドライバーはインホイール電気モーター中で発生した故障を受けて連続してステアリングを修正する動作を行う必要性から逃れられる。

更なる例は、インホイール電気モーター40の故障状態がインホイール電気モーター40によって発生するトルクを低下させているという判定に応答して実行される、主制御装置102によるトルク制御についてここで記載する。

故障状態がインホイール電気モーター40によって発生するトルクを低下させている(トルクの低下はインホイール電気モーター40中の故障から生じたものであってもよく、又は主制御装置102が故障状態の結果としてトルクを低下させたものであってもよい)という主制御装置102による判定に応じて、インホイール電気モーター40の各々が発生させるトルクが実質的に同じになるように主制御装置102は他の全てのインホイール電気モーターに送信したトルク要求を下げる。

例えば、4台のインホイール電気モーター40を備える車両構成に基づくと、故障状態から生じたインホイール電気モーター40のうちの1つのトルク低下に応じて、インホイールモーター40の各々が発生させるトルクが実質的に同じになるように主制御装置102が他の3台のインホイール電気モーター40に対するトルク要求を下げる。同様に、2台のインホイール電気モーター40を備える車両構成に関しては、故障状態から生じたインホイール電気モーター40のうちの1つのトルク低下に応じて、主制御装置102が他のインホイール電気モーター40に対応するトルク低下を要請する。

故障状態がインホイール電気モーター40によって発生するトルクを低下させている(トルクの低下はインホイール電気モーター40中の故障から生じたものであってもよく、又は主制御装置102が故障状態の結果としてトルクを低下させたものであってもよい)という主制御装置102による判定に応じて、同じ横軸上のインホイール電気モーター40の各々が発生させるトルクが実質的に同じになるように主制御装置102は故障状態を示したインホイール電気モーター40と同じ横軸上に位置する車輪を駆動している電気モーター40に送信したトルク要求を低下させる。

例えば、4つのインホイール電気モーター40を有する車両構成に基づくと、故障状態から生じたインホイール電気モーター40のうちの1つのトルク低下に応じて、主制御装置102は故障状態を示したインホイール電気モーター40と同じ横軸上に位置する車輪を駆動している電気モーター40に対するトルク要求を低下させる。しかしながら、運転手の入力要求に関する要請が変更しない限り、その他の2つのインホイール電気モーター40に対するトルク要求に関する要請は変更されない。

故障状態がインホイール電気モーター40によって発生するトルクを低下させている(トルクの低下はインホイール電気モーター40中の故障から生じたものであってもよく、又は主制御装置102が故障状態の結果としてトルクを低下させたものであってもよい)という主制御装置102による判定に応じて、車両の両側上に複数のインホイール電気モーター40を有する車両構成に関しては、車両の一方の側の車輪を駆動している電気モーターの複合トルクが故障状態を示した電気モーター40のトルク低下に対応する量だけ実質的に低下するように、主制御装置102が少なくとも1つの電気モーターによって駆動される車輪に対して車両の反対側に位置する車輪を駆動している全ての電気モーター40に送られるトルク要求を下げるように設定されている。換言すれば、故障の電気モーター40から生じているトルク低下は、車両の反対側に位置している複数の電気モーター40に分配され、それによって車両の両側におけるトルクバランスが維持される。

例えば、車両の手前側及び奥側に置かれる2つのインホイール電気モーター40を備える4つのインホイール電気モーター40を備える車両構成に基づくと、故障状態から生じたインホイール電気モーター40のうちの1つのトルク低下に応じて、主制御装置102は故障しているインホイール電気モーター40のトルク低下と完全に同じ量だけ車両の反対側に位置する2つのインホイール電気モーター40に対するトルク要求を下げる。

故障状態がインホイール電気モーター40によって発生するトルクを低下させている(トルクの低下はインホイール電気モーター40中の故障から生じたものであってもよく、又は主制御装置102が故障状態の結果としてトルクを低下させたものであってもよい)という、主制御装置102による判定に応じて、故障状態がモーター駆動制御装置80のうちの1つの故障に対応する場合、主制御装置が他のモーター駆動制御装置80のうちの少なくとも1つに指示してそれらの個々のモーターコイルが発生させるトルクを増加させることができる。このように、インホイール電気モーターの論理的サブモーター(故障を示さず)が故障の論理的サブモーターから生じているトルク低下を補償するためにより大きなトルクを発生させることができるように、主制御装置は所定のインホイール電気モーター40のモーター駆動制御装置80を個々に制御するように設定することができる。従って、インホイール電気モーター40が発生させる全トルクは、同じままである。あるいは、故障を示さない論理的サブモーターが故障のモーター駆動制御装置80から生じているトルク低下を完全に補償することができない場合は、上記の通り、主制御装置102は他のインホイール電気モーター40のトルクを減らすように配置することができる。

上記記載にはインホイール電気モーターを駆動させるためにトルクを変化させることが記載されているが、同様のトルク調節は回生制動下でなされることもできる。しかしながら、制動力を最大にするために、他のインホイール電気モーターの故障状態の結果として、インホイールモーターの回生制動トルクを減らさないことが望ましいだろう。

Claims (14)

1. 複数の車輪を備える車両用のトルク制御システムであって、
   前記車輪のうちの少なくとも2つは、別々の電気モーターによって駆動されるように配置され、
   前記システムは、
   少なくとも1つの電気モーターと他の電気モーターが発生させるトルクを監視するように設定された主制御装置を備え、
   前記少なくとも1つの電気モーターによって生じるトルクが所定の状態の結果として低下しているという判定に応じて、
   前記少なくとも1つの電気モーターと前記他の電気モーターが発生させるトルクが所定の関係になるように前記主制御装置は前記少なくとも1つの電気モーター及び/又は前記他の電気モーターにおいて発生するトルクを調整するように設定される、トルク制御システム。
2. 前記所定のトルク関係は、前記少なくとも1つの電気モーターと前記他の電気モーターが発生させるトルクは実質的に同じということである、請求項１に記載のトルク制御システム。
3. 前記所定の状態は、故障状態である、請求項１又は２に記載のトルク制御システム。
4. 前記少なくとも1つの電気モーターによって生じるトルクが前記所定の状態の結果として低下しているという判定に応じて、
   前記主制御装置は、前記他の電気モーターのトルクを低下させるように設定される、請求項１から３のいずれかに記載のトルク制御システム。
5. 前記所定の状態は、過温度状態である、請求項１から４のいずれかに記載のトルク制御システム。
6. 各電気モーターは、
   それぞれの電気モーターの動作を制御するための複数のモーター駆動制御装置を備え、
   前記所定の状態は、モーター駆動制御装置の故障である、請求項１から４のいずれかに記載のトルク制御システム。
7. 前記車両の両側に少なくとも2つの車輪を備え、前記車輪の各々が別々の電気モーターによって駆動するように配置されている車両に関して、
   前記少なくとも1つの電気モーターによって生じるトルクが前記所定の状態の結果として低下しているという判定に応じて、
   前記主制御装置は、他の全ての電気モーターのトルクを低下させるように設定される、請求項１から６のいずれかに記載のトルク制御システム。
8. 前記車両の両側に少なくとも2つの車輪を備え、前記車輪の各々が別々の電気モーターによって駆動するように配置されている車両に関して、
   前記少なくとも1つの電気モーターによって生じるトルクが前記所定の状態の結果として低下しているという判定に応じて、
   前記主制御装置は、前記少なくとも1つの電気モーターによって駆動する前記車輪と同じ横軸上に位置する車輪を駆動している電気モーターのトルクを低下させるように設定される、請求項１から６のいずれかに記載のトルク制御システム。
9. 前記車両の両側に少なくとも2つの車輪を備え、前記車輪の各々が別々の電気モーターによって駆動するように配置されている車両に関して、
   前記少なくとも1つの電気モーターによって生じるトルクが前記所定の状態の結果として低下しているという判定に応じて、
   前記車両の一方の側の車輪を駆動している前記電気モーターの複合トルクが前記少なくとも1つの電気モーターのトルク低下に対応する量だけ実質的に低下するように、前記主制御装置は前記少なくとも1つの電気モーターによって駆動される前記車輪に対して車両の反対側に位置する前記車輪を駆動している全ての電気モーターのトルクを低下させるように設定される、請求項１から６のいずれかに記載のトルク制御システム。
10. 前記電気モーターは、インホイール電気モーターである、請求項１から９のいずれかに記載のトルク制御システム。
11. 別々のモーターコイルを駆動するように配置される複数のモーター駆動制御装置を備える電気モーターに関して、
    前記所定の状態が前記モーター駆動制御装置のうちの1つの故障に対応する場合、前記主制御装置は他のモーター駆動制御装置のうちの少なくとも1つにそれらの個々のモーターコイルが発生させるトルクを高めるように指示するように設定される、請求項１に記載のトルク制御システム。
12. 複数の車輪を備える車両のためのトルク制御方法であって、
    前記車輪のうちの少なくとも2つは、別々の電気モーターによって駆動するように配置され、
    前記電気モーターのうちの少なくとも1つと他の電気モーターが発生させるトルクを監視することと、
    前記少なくとも1つの電気モーターによって生じるトルクが所定の状態の結果として低下しているという判定に応じて、
    前記少なくとも1つの電気モーターと他の電気モーターが発生させるトルクに所定の関係があるように、前記少なくとも1つの電気モーター及び/又は前記他の電気モーターにおいて発生するトルクを調整すること、を含む、トルク制御方法。
13. 前記所定のトルク関係は、前記少なくとも1つの電気モーターと前記他の電気モーターが発生させるトルクは実質的に同じということである、請求項１２に記載のトルク制御方法。
14. 前記少なくとも1つの電気モーターによって生じるトルクは、前記所定の状態の結果として低下しているという判定に応じて、前記他の電気モーターのトルクを低下させることを更に含む、請求項１２又は１３に記載のトルク制御方法。