JP2015133799A - 電動車両の制御装置および電動車両の制御方法 - Google Patents

電動車両の制御装置および電動車両の制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】回生制動力で電動車両を停止させる際に、車体の前後方向に振動が発生するのを抑制する技術を提供する。
【解決手段】モータを走行駆動源とし、アクセル操作量が減少またはゼロになると、モータの回生制動力により減速する電動車両の制御装置は、モータトルク指令値を算出し、算出したモータトルク指令値を入力して、電動車両の駆動力伝達系の捻り振動を抑制する制振制御を施したモータトルク指令値を算出し、制振制御を施したモータトルク指令値に基づいて、モータを制御する。モータトルク指令値の算出では、アクセル操作量が減少またはゼロになり、かつ、電動車両が停車間際になると、電動車両の走行速度に比例する速度パラメータの低下とともにモータトルク指令値をゼロに収束させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、電動車両の制御装置および電動車両の制御方法に関する。
従来、電動機の回生制動力を任意に設定し得る設定手段を設け、設定手段によって設定された回生制動力で電動機の回生を行う電気自動車用回生ブレーキ制御装置が知られている(特許文献1参照)。
特開平8−79907号公報
しかしながら、設定手段によって設定された回生制動力が大きい場合には、設定された回生制動力で電気自動車が減速して速度が0になったときに、車体の前後方向に振動が発生するという問題が生じる。
本発明は、回生制動力で電動車両を停止させる際に、車体の前後方向に振動が発生するのを抑制する技術を提供することを目的とする。
本発明による電動車両の制御装置は、モータを走行駆動源とし、アクセル操作量が減少またはゼロになると、モータの回生制動力により減速する電動車両の制御装置であって、モータトルク指令値を算出し、算出したモータトルク指令値を入力して、電動車両の駆動力伝達系の捻り振動を抑制する制振制御を施したモータトルク指令値を算出し、制振制御を施したモータトルク指令値に基づいて、モータを制御する。モータトルク指令値の算出では、アクセル操作量が減少またはゼロになり、かつ、電動車両が停車間際になると、電動車両の走行速度に比例する速度パラメータの低下とともにモータトルク指令値をゼロに収束させる。
電動車両が停車間際になると、電動車両の走行速度に比例する速度パラメータの低下とともにモータトルク指令値をゼロに収束させる停止制御を、制振制御の後に行うと、制振制御内で考慮している制御対象のモデルと異なる応答となってしまい、想定しているモータ回転速度の応答と実際の応答の間にズレが生じ、制振制御の性能が悪化する可能性がある。本発明によれば、停止制御を制振制御の前に行うので、制振制御の効果に影響を与えることなく、停止制御を行うことができる。
図1は、第1の実施形態における電動車両の制御装置を備えた電気自動車の主要構成を示すブロック図である。 図2は、モータコントローラによって行われるモータ電流制御の処理の流れを示すフローチャートである。 図3は、アクセル開度−トルクテーブルの一例を示す図である。 図4は、車両の駆動力伝達系をモデル化した図である。 図5は、第1の実施形態における電動車両の制御装置において、図2のステップS203で行われる停止制御処理、および、ステップS204で行われる制振制御処理を実現するためのブロック図である。 図6は、モータ回転速度ωmに基づいて、モータ回転速度F/BトルクTωを算出する方法を説明するための図である。 図7は、モータ回転速度ωmとモータトルク目標値Tmに基づいて、外乱トルク推定値Tdを算出する方法を説明するためのブロック図である。 図8(a)は、停止制御処理を制振制御処理の後に行った場合の制御結果を示す図であり、図8(b)は、一実施の形態における電動車両の制御装置によって、停止制御処理を制振制御処理の前に行った場合の制御結果を示す図である。 図9は、停止制御処理および制振制御処理を含む処理の流れを示すブロック図である。 図10は、第1の実施形態における電動車両の制御装置において、モータ回転速度F/BトルクTωを第2のトルク目標値Tm2として設定する構成で、停止制御処理および制振制御処理を実現するためのブロック図である。 図11は、第2の実施形態における電動車両の制御装置において、図2のステップS203で行われる停止制御処理、および、ステップS204で行われる制振制御処理を実現するためのブロック図である。 図12は、モータ回転速度ωmとモータ回転速度目標値ωmに基づいて、速度制御トルクTωを算出する方法を説明するためのブロック図である。 図13は、モータ回転速度目標値ωmの設定方法を説明するためのブロック図である。 図14は、減衰率テーブルの一例を示す図である。 図15は、モータ回転速度ωmとモータトルク指令値Tmに基づいて、外乱トルク推定値Tdを算出する方法を説明するためのブロック図である。 図16は、フラグ設定器によって行われるフラグ設定の処理手順を示すフローチャートである。 図17は、第2のトルク目標値Tm2を算出するための別の構成例を示すブロック図である。 図18は、第2の実施形態における電動車両の制御装置において、速度制御トルクTωを第2のトルク目標値Tm2として設定する構成で、停止制御処理および制振制御を実現するためのブロック図である。
−第1の実施形態−
図1は、第1の実施形態における電動車両の制御装置を備えた電気自動車の主要構成を示すブロック図である。本発明の電動車両の制御装置は、車両の駆動源の一部または全部として電動モータを備え、電動モータの駆動力により走行可能な電動車両に適用可能である。電動車両には、電気自動車だけでなく、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車も含まれる。特に、本実施形態における電動車両の制御装置は、アクセルペダルの操作のみで車両の加減速や停止を制御することができる車両に適用することができる。この車両では、ドライバは、加速時にアクセルペダルを踏み込み、減速時や停止時には、踏み込んでいるアクセルペダルの踏み込み量を減らすか、または、アクセルペダルの踏み込み量をゼロとする。
モータコントローラ2は、車速V、アクセル開度AP、電動モータ(三相交流モータ)4の回転子位相α、電動モータ4の電流iu、iv、iw等の車両状態を示す信号をデジタル信号として入力し、入力された信号に基づいて、電動モータ4を制御するためのPWM信号を生成する。また、モータコントローラ2は、生成したPWM信号に応じてインバータ3の駆動信号を生成する。
インバータ3は、例えば、各相ごとに2個のスイッチング素子(例えば、IGBTやMOS−FET等のパワー半導体素子)を備え、駆動信号に応じてスイッチング素子をオン/オフすることにより、バッテリ1から供給される直流の電流を交流に変換し、電動モータ4に所望の電流を流す。
電動モータ4は、インバータ3から供給される交流電流により駆動力を発生し、減速機5およびドライブシャフト8を介して、左右の駆動輪9a、9bに駆動力を伝達する。また、電動モータ4は、車両の走行時に駆動輪9a、9bに連れ回されて回転するときに、回生駆動力を発生させることで、車両の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。この場合、インバータ3は、電動モータ4の回生運転時に発生する交流電流を直流電流に変換して、バッテリ1に供給する。
電流センサ7は、電動モータ4に流れる3相交流電流iu、iv、iwを検出する。ただし、3相交流電流iu、iv、iwの和は0であるため、任意の2相の電流を検出して、残りの1相の電流は演算により求めてもよい。
回転センサ6は、例えば、レゾルバやエンコーダであり、電動モータ4の回転子位相αを検出する。
図2は、モータコントローラ2によって行われるモータ電流制御の処理の流れを示すフローチャートである。
ステップS201では、車両状態を示す信号を入力する。ここでは、車速V(km/h)、アクセル開度AP(%)、電動モータ4の回転子位相α(rad)、電動モータ4の回転速度Nm(rpm)、電動モータ4に流れる三相交流電流iu、iv、iw、バッテリ1とインバータ3間の直流電圧値Vdc(V)を入力する。
車速V(km/h)は、図示しない車速センサや、他のコントローラより通信にて取得する。または、回転子機械角速度ωmにタイヤ動半径Rを乗算し、ファイナルギアのギア比で除算することにより車速v(m/s)を求め、3600/1000を乗算することにより単位変換して、車速V(km/h)を求める。
アクセル開度AP(%)は、図示しないアクセル開度センサから取得するか、図示しない車両コントローラ等の他のコントローラから通信にて取得する。
電動モータ4の回転子位相α(rad)は、回転センサ6から取得する。電動モータ4の回転速度Nm(rpm)は、回転子角速度ω(電気角)を電動モータ4の極対数pで除算して、電動モータ4の機械的な角速度であるモータ回転速度ωm(rad/s)を求め、求めたモータ回転速度ωmに60/(2π)を乗算することによって求める。回転子角速度ωは、回転子位相αを微分することによって求める。
電動モータ4に流れる電流iu、iv、iw(A)は、電流センサ7から取得する。
直流電圧値Vdc(V)は、バッテリ1とインバータ3間の直流電源ラインに設けられた電圧センサ(不図示)、または、バッテリコントローラ(不図示)から送信される電源電圧値から求める。
ステップS202では、第1のトルク目標値Tm1を設定する。具体的には、ステップS201で入力されたアクセル開度APおよびモータ回転速度ωmに基づいて、図3に示すアクセル開度−トルクテーブルを参照することにより、第1のトルク目標値Tm1を設定する。上述したように、本実施形態における電動車両の制御装置は、アクセルペダルの操作のみで車両の加減速や停止を制御することができる車両に適用可能であり、少なくともアクセルペダルの全閉によって車両を停止させることを可能とするために、図3に示すアクセル開度−トルクテーブルでは、アクセル開度が0(全閉)の時のモータ回生量が大きくなるように、モータトルクが設定されている。すなわち、モータ回転数が正の時であって、少なくともアクセル開度が0(全閉)の時には、回生制動力が働くように、負のモータトルクが設定されている。ただし、アクセル開度−トルクテーブルは、図3に示すものに限定されることはない。
ステップS203では、電動車両が停止するように制御する停止制御処理を行う。具体的には、電動車両の停車間際を判断し、停車間際以前は、ステップS202で算出した第1のトルク目標値Tm1を第3のトルク目標値Tm3に設定し、停車間際以降は、モータ回転速度の低下とともに外乱トルク推定値Tdに収束する第2のトルク目標値Tm2を第3のトルク目標値Tm3に設定する。この第2のトルク目標値Tm2は、登坂路では正トルク、降坂路では負トルク、平坦路では概ねゼロである。これにより、後述するように、路面の勾配に関わらず、停車状態を維持することができる。停止制御処理の詳細については、後述する。
ステップS204では、制振制御処理を行う。具体的には、ステップS203で算出した第3のトルク目標値Tm3とモータ回転速度ωmとを入力し、駆動軸トルクの応答を犠牲にすることなく、トルク伝達系の振動(ドライブシャフトの捻り振動等)を抑制するモータトルク指令値Tmを算出する。
ステップS205では、ステップS204で算出したモータトルク目標値Tm、モータ回転速度ωmおよび直流電圧値Vdcに基づいて、d軸電流目標値id、q軸電流目標値iqを求める。例えば、トルク指令値、モータ回転速度、および直流電圧値と、d軸電流目標値およびq軸電流目標値との関係を定めたテーブルを予め用意しておいて、このテーブルを参照することにより、d軸電流目標値id、q軸電流目標値iqを求める。
ステップS206では、d軸電流idおよびq軸電流iqをそれぞれ、ステップS205で求めたd軸電流目標値idおよびq軸電流目標値iqと一致させるための電流制御を行う。このため、まず初めに、ステップS201で入力された三相交流電流値iu、iv、iwと、電動モータ4の回転子位相αとに基づいて、d軸電流idおよびq軸電流iqを求める。続いて、d軸、q軸電流指令値id、iqと、d軸、q軸電流id、iqとの偏差から、d軸、q軸電圧指令値vd、vqを算出する。なお、算出したd軸、q軸電圧指令値vd、vqに対して、d−q直交座標軸間の干渉電圧を相殺するために必要な非干渉電圧を加算するようにしてもよい。
次に、d軸、q軸電圧指令値vd、vqと、電動モータ4の回転子位相αから、三相交流電圧指令値vu、vv、vwを求める。そして、求めた三相交流電圧指令値vu、vv、vwと直流電圧値Vdcから、PWM信号tu(%)、tv(%)、tw(%)を求める。このようにして求めたPWM信号tu、tv、twにより、インバータ3のスイッチング素子を開閉することによって、電動モータ4をトルク指令値Tmで指示された所望のトルクで駆動することができる。
ここで、ステップS203で行われる停止制御処理について説明する前に、本実施形態における電動車両の制御装置において、モータトルクTmからモータ回転速度ωmまでの伝達特性Gp(s)について説明する。
図4は、車両の駆動力伝達系をモデル化した図であり、同図における各パラメータは、以下に示すとおりである。
:電動モータのイナーシャ
:駆動輪のイナーシャ
M:車両の重量
:駆動系の捻り剛性
:タイヤと路面の摩擦に関する係数
N:オーバーオールギヤ比
r:タイヤの荷重半径
ω:電動モータの角速度
:トルク目標値
:駆動輪のトルク
F:車両に加えられる力
V:車両の速度
ω:駆動輪の角速度
そして、図4より、以下の運動方程式を導くことができる。ただし、式(1)〜(3)中の符号の右上に付されているアスタリスク()は、時間微分を表している。
式(1)〜(5)で示す運動方程式に基づいて、電動モータ4のトルク目標値Tmからモータ回転速度ωmまでの伝達特性Gp(s)を求めると、次式(6)で表される。
ただし、式(6)中の各パラメータは、次式(7)で表される。
式(6)に示す伝達関数の極と零点を調べると、次式(8)の伝達関数に近似することができ、1つの極と1つの零点は極めて近い値を示す。これは、次式(8)のαとβが極めて近い値を示すことに相当する。
従って、式(8)における極零相殺(α=βと近似する)を行うことにより、次式(9)に示すように、Gp(s)は、(2次)/(3次)の伝達特性を構成する。
式(9)は、次式(10)のように書き換えることができる。ただし、式(10)中のξ、ω、ξ、ωはそれぞれ、式(11)で表される。
ここで、本実施の形態における電動車両の制御装置では、上述したように、トルク伝達系の振動(ドライブシャフトの捻り振動等)を抑制するための制振制御を行う(図2のステップS204)ので、式(10)において、ξ=1とすることができる。従って、本実施形態では、車両モデルGp(s)の代わりに、車両モデルGp(s)および制振制御のアルゴリズムからGr(s)(次式(12)参照)を用いる。
なお、制振制御は、特開2001−45613号公報に記載の方法や、特開2002−152916号公報に記載の方法など、既知の方法で行うことができる。
図5は、図2のステップS203で行われる停止制御処理、および、ステップS204で行われる制振制御処理を実現するためのブロック図である。停止制御処理は、モータ回転速度F/Bトルク設定器501、外乱トルク推定器502、減算器503、および、トルク比較器504によって行われる。また、制振制御処理は、制振制御器505によって行われる。
モータ回転速度F/Bトルク設定器501は、検出されたモータ回転速度ωmに基づいて、モータ回転速度フィードバックトルク(以下、モータ回転速度F/Bトルクと呼ぶ)Tωを算出する。
図6は、モータ回転速度ωmに基づいて、モータ回転速度F/BトルクTωを算出する方法を説明するための図である。モータ回転速度F/Bトルク設定器501は、乗算器601を備え、モータ回転速度ωmにゲインKvrefを乗算することにより、モータ回転速度F/BトルクTωを算出する。ただし、Kvrefは、電動車両の停止間際に電動車両を停止させるのに必要な負(マイナス)の値であり、例えば、実験データ等により適宜設定される。モータ回転速度F/BトルクTωは、モータ回転速度ωmが大きいほど、大きい回生制動力が得られるトルクとして設定される。
なお、モータ回転速度F/Bトルク設定器501は、モータ回転速度ωmにゲインKvrefを乗算することにより、モータ回転速度F/BトルクTωを算出するものとして説明したが、モータ回転速度ωmに対する回生トルクを定めた回生トルクテーブルや、モータ回転速度ωmの減衰率を予め記憶した減衰率テーブル等を用いて、モータ回転速度F/BトルクTωを算出してもよい。
図5に戻って、外乱トルク推定器502は、検出されたモータ回転速度ωmとモータトルク指令値Tmに基づいて、外乱トルク推定値Tdを算出する。
図7は、モータ回転速度ωmとモータトルク指令値Tmに基づいて、外乱トルク推定値Tdを算出する方法を説明するためのブロック図である。外乱トルク推定器502は、制御ブロック701と、制御ブロック702と、減算器703とを備える。
制御ブロック701は、H(s)/Gr(s)なる伝達特性を有するフィルタとしての機能を担っており、モータ回転速度ωmを入力してフィルタリング処理を行うことにより、第1のモータトルク推定値を算出する。Gr(s)は、式(12)で表されるモデルであり、H(s)は、分母次数と分子次数との差分が、モデルGr(s)の分母次数と分子次数との差分以上となる伝達特性を有するローパスフィルタである。
制御ブロック702は、H(s)なる伝達特性を有するローパスフィルタとしての機能を担っており、モータトルク指令値Tmを入力してフィルタリング処理を行うことにより、第2のモータトルク推定値を算出する。
減算器703は、第1のモータトルク推定値から第2のモータトルク推定値を減算することにより、外乱トルク推定値Tdを算出する。
なお、本実施形態では、外乱トルクは、図7に示す通り、外乱オブザーバにより推定するが、車両前後Gセンサ等の計測器を使って推定してもよい。
ここで、外乱としては、空気抵抗、乗員数や積載量に起因する車両質量の変動によるモデル化誤差、タイヤの転がり抵抗、路面の勾配抵抗等が考えられるが、停車間際で支配的となる外乱要因は勾配抵抗である。外乱要因は運転条件により異なるが、外乱トルク推定器502は、モータトルク指令値Tmと、モータ回転速度ωmと、車両モデルGp(s)および制振制御のアルゴリズムから導かれるモデルGr(s)とに基づいて、外乱トルク推定値Tdを算出するので、上述した外乱要因を一括して推定することができる。これにより、いかなる運転条件においても、減速からの滑らかな停車を実現することができる。
図5に戻って説明を続ける。減算器503は、モータ回転速度F/Bトルク設定器501によって算出されたモータ回転速度F/BトルクTωと、外乱トルク推定器502によって算出された外乱トルク推定値Tdとの偏差を演算することによって、第2のトルク目標値Tm2を算出する。
トルク比較器504は、第1のトルク目標値Tm1と第2のトルク目標値Tm2の大きさを比較し、値が大きい方のトルク目標値を第3のトルク目標値Tm3に設定する。車両の走行中、第2のトルク目標値Tm2は第1のトルク目標値Tm1よりも小さく、車両が減速して停車間際(車速が所定車速以下)になると、第1のトルク目標値Tm1よりも大きくなる。従って、トルク比較器504は、第1のトルク目標値Tm1が第2のトルク目標値Tm2より大きければ、停車間際以前と判断して、第3のトルク目標値Tm3を第1のトルク目標値Tm1に設定する。また、トルク比較器504は、第2のトルク目標値Tm2が第1のトルク目標値Tm1より大きくなると、車両が停車間際と判断して、第3のトルク目標値Tm3を第1のトルク目標値Tm1から第2のトルク目標値Tm2に切り替える。なお、停車状態を維持するため、第2のトルク目標値Tm2は、登坂路では正トルク、降坂路では負トルク、平坦路では概ねゼロに収束する。
ここで、停止制御および制振制御ではいずれも、検出したモータ回転速度をフィードバックさせるフィードバック制御を行うため、フィードバック制御系が2つ存在することになり、安定性が低下する。従って、第2のトルク目標値Tm2が第1のトルク目標値Tm1より大きくなって、車両が停車間際と判断すると、制振制御におけるフィードバック制御のフィードバックゲインを小さくする。これにより、安定性の低下を抑制する。
制振制御器505は、第3のトルク目標値Tm3を入力し、駆動軸トルクの応答を犠牲にすることなく、トルク伝達系の振動(ドライブシャフトの捻り振動等)を抑制するモータトルク指令値Tmを算出する。
図8(a)は、停止制御処理を制振制御処理の後に行った場合の制御結果を示す図であり、図8(b)は、一実施の形態における電動車両の制御装置によって、停止制御処理を制振制御処理の前に行った場合の制御結果を示す図である。
時刻t1では、第2のトルク目標値Tm2が第1のトルク目標値Tm1より大きくなることにより、車両が停車間際と判断して、第3のトルク目標値Tm3を第1のトルク目標値Tm1に設定する。この停止制御処理により、モータ回転速度が漸近的にゼロに収束していく。
停止制御処理を制振制御処理の後に行う場合には、制振制御処理によって求められたモータトルク指令値が電動モータ4に対する指令値となるのではなく、停止制御処理によって求められたトルク指令値が電動モータ4に対する指令値となる。従って、停車間際以後、制振制御により駆動力伝達系の捻り振動が除去された車両モデルGr(s)ではなく、捻り振動が除去されていない車両モデルGp(s)に基づいて停止制御処理を行う必要があるため、制御系が著しく不安定になる。このため、停止制御処理を制振制御処理の後に行うと、図8(a)に示すように、モータトルク指令値が振動的になる。
これに対して、本実施形態では、停止制御処理を制振制御処理の前に行う。図9は、停止制御処理および制振制御処理を含む処理の流れを示すブロック図である。図9に示すように、停止制御を行う制御ブロック901は、制振制御を行う制御ブロック902の前に配置されており、また、制振制御を行う制御ブロック902の直後に電動モータ4を示すブロック903が配置されている。すなわち、制振制御処理によって求められたモータトルク指令値Tmが電動モータ4に対する指令値となるので、制振制御のアルゴリズムと車両モデルGp(s)から導かれる車両モデルGr(s)に基づいて、停止制御処理を行うことができる。これにより、制御系の安定性の低下を最小限に抑えることができる。また、車両が停車間際と判断すると、制振制御におけるフィードバック制御のフィードバックゲインを小さくするので、制振制御とともに停止制御を行うことによる制御系の安定性の低下分を補うことができる。これにより、図8(b)に示すように、滑らかに停車する停止制御の性能と、駆動力伝達系の捻り振動を抑制する制振制御の性能を両立させることができる。
ここで、上述した説明では、モータ回転速度F/BトルクTωから外乱トルク推定値Tdを減算することによって、第2のトルク目標値Tm2を算出したが、モータ回転速度F/BトルクTωを第2のトルク目標値Tm2として設定してもよい。図10は、モータ回転速度F/BトルクTωを第2のトルク目標値Tm2として設定する場合において、停止制御処理および制振制御処理を実現するためのブロック図である。図10において、図5に示す構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付している。
モータ回転速度F/BトルクTωを第2のトルク目標値Tm2として設定した場合も、第2のトルク目標値Tm2が第1のトルク目標値Tm1より大きくなって停車間際と判断されることにより、モータトルク指令値Tmが第1のトルク目標値Tm1から第2のトルク目標値Tm2に切り替わる。このとき、第2のトルク目標値Tm2は、モータ回転速度F/BトルクTωと同一値であるため、モータ回転速度ωmの低下に応じて、モータトルク指令値Tmはゼロに収束する。
以上、第1の実施形態における電動車両の制御装置は、電動モータ4を走行駆動源とし、アクセル操作量が減少またはゼロになると、電動モータ4の回生制動力により減速する電動車両の制御装置であって、停止制御におけるモータトルク指令値を算出し、算出したモータトルク指令値を入力して電動車両の駆動力伝達系の捻り振動を抑制する制振制御を施したモータトルク指令値を算出し、制振制御を施したモータトルク指令値に基づいて、電動モータ4を制御する。特に、アクセル操作量が減少またはゼロになり、かつ、電動車両が停車間際になると、モータ回転速度ωmの低下とともにモータトルク指令値をゼロに収束させる停止制御を行う。制振制御では、制御対象のモデルを想定し、むだ時間(制御演算遅れ、アクチュエータ応答遅れ、各種センサの検出遅れ等)を考慮して構成される。この場合、停止制御を制振制御の後に行うと、停止制御において、制振制御内で考慮している制御対象のモデルと異なる応答となってしまい、想定しているモータ回転速度ωmの応答と実際の応答の間にズレが生じる。このため、停止制御処理を制振制御処理の後で実施すると、制振制御の性能悪化につながる場合がある。また、モータ回転速度ωmにゲインKvrefを乗算することによって求められるモータ回転速度F/BトルクTωに基づいて、モータトルク指令値Tmを漸近的にゼロに収束させる構成において、停止制御を制振制御の後に行うと、停車間際以後、制振制御により駆動力伝達系の捻り振動が除去された車両モデルGr(s)ではなく、捻り振動が除去されていない車両モデルGp(s)に基づいて停止制御処理を行う必要があるため、制御系が著しく不安定になる。
これに対して、本実施形態における電動車両の制御装置によれば、停止制御を制振制御の前に行うので、制振制御内で考慮している制御対象のモデルと同じモデルを用いて停止制御を行うことができるので、制振制御の効果に影響を与えることなく、停止制御を行うことができる。
特に、第1の実施形態における電動車両の制御装置によれば、アクセル操作量が減少またはゼロになり、かつ、電動車両が停車間際になると、モータ回転速度ωmの低下とともにモータトルク指令値を外乱トルク推定値Tdに収束させる。これにより、登坂路、平坦路、降坂路によらず、前後方向における加速度振動のない滑らかな減速を停車間際で実現することができ、かつ、停車状態を保持することができる。なお、ここにいう外乱トルクとは、外乱トルクを相殺するのに必要なトルク値のことであり、図5中の外乱トルク推定器502で算出される推定値Tdに対して符号を反転させた値である。すなわち、モータ回転速度制御F/BトルクTωがゼロであるときの第2のトルク目標値Tm2のことである。
また、車両へのトルク入力とモータの回転速度の伝達特性のモデルGp(s)と、制振制御のアルゴリズムから導かれるモデルGr(s)に基づいて、電動車両が停車間際になった後のモータトルク指令値を算出する。制振制御により、車両のモデルをGr(s)とみなすことができるため、停止制御系をモデルGr(s)に基づいて設計することにより、モデル化誤差を小さくすることができる。
さらに、第1の実施形態における電動車両の制御装置によれば、車両情報に基づいて第1のトルク目標値Tm1を算出するとともに、モータ回転速度ωmの低下とともに外乱トルク推定値Tdに収束する第2のトルク目標値Tm2を算出し、第1のトルク目標値Tm1より第2のトルク目標値Tm2が大きくなると、電動車両が停車間際であると判断して、第2のトルク目標値Tm2をモータトルク指令値として設定するとともに、捻り振動を抑制するモータトルク指令値を算出する際に行うフィードバック制御(制振制御系におけるフィードバック制御)のフィードバックゲインを小さくする。停止制御および制振制御ではいずれも、検出したモータ回転速度をフィードバックさせるフィードバック制御を行うため、フィードバック制御系が2つ存在することになるが、制振制御のフィードバックゲインを小さくすることにより、安定性の低下を抑制することができる。
−第2の実施形態−
図11は、第2の実施形態における電動車両の制御装置において、図2のステップS203で行われる停止制御処理、および、ステップS204で行われる制振制御処理を実現するためのブロック図である。停止制御処理は、速度制御器1101、外乱トルク推定器1102、減算器1103、フラグ設定器1104、および、モータトルク指令値設定器1105によって行われる。また、制振制御処理は、制振制御器1106によって行われる。
速度制御器1101は、検出されたモータ回転速度ωmを、漸近的にゼロに収束するモータ回転速度目標値ωmに一致させるための速度制御トルクTωを算出する。
図12は、速度制御器1101で行われる処理、すなわち、モータ回転速度ωmとモータ回転速度目標値ωmに基づいて、速度制御トルクTωを算出する方法を説明するためのブロック図である。
モータ回転速度目標値設定器1201は、速度制御開始時点のモータ回転速度ωmにより一意に決まるモータ回転速度目標値ωmを設定する。モータ回転速度目標値ωmの設定方法について、図13を用いて説明する。
制御ブロック1301は、モータ回転速度目標値ωmにゲインKvrefを乗算することによって、規範トルクTrefを求める。ただし、ゲインKvrefは、電動車両を停止させるために必要な負(マイナス)の値であり、例えば、実験データ等により適宜設定される。これにより、規範トルクTrefは、モータ回転速度目標値ωmが大きいほど、大きい回生制動力が得られるトルクとして設定される。
制御ブロック1302は、制御ブロック1301によって求められた規範トルクTrefを、式(12)で表されるモデルGr(s)に入力することによって、モータ回転速度目標値ωmを求める。規範トルクTrefは、規範トルクTrefからモータ回転速度目標値ωmまでの動特性に対して粘性(ダンパ)要素として働くため、停車間際においてモータ回転速度目標値ωmは漸近的に滑らかにゼロに収束する。これにより、前後加速度にショックのない滑らかな停車を実現することができる。
ここで、後述するフラグ設定器1104によって設定されるフラグが0から1に変わる際に、モータ回転速度目標値ωmがモータ回転速度ωmとなるように、モデルGr(s)を初期化する。すなわち、制御ブロック1302は、フラグ設定器1104によって設定されるフラグが0から1に変わる際に、フラグが0から1に変わる際(モータ回転速度ωmが所定値以下となる際)のモータ回転速度ωmを、モータ回転速度目標値ωmとして出力する。
図12のモデルマッチング補償器1202は、R(s)/(Gr(s)・(1−R(s)))なる伝達特性を有するフィルタであり、モータ回転速度目標値ωmとモータ回転速度ωmとの差分に対してフィルタリング処理を行うことにより、モータ回転速度ωmとモータ回転速度目標値ωmが一致するための速度制御トルクTωを算出する。ここで、R(s)はローパスフィルタであり、時定数はシミュレーションや実験を予め行うことにより、適切な値を設定しておく。
なお、モータ回転速度目標値設定器1201は、図13に示すように、規範トルクTrefからモータ回転速度目標値ωmまでの動特性に対して粘性(ダンパ)要素を働かせることにより、ゼロへ漸近的に収束するモータ回転速度目標値ωmを算出しているが、モータ回転速度ωmに対する所定のトルクテーブルや、モータ回転速度ωmの減衰率を予め記憶した減衰率テーブル等を使って、制御開始からの時刻に応じたモータ回転速度目標値ωmを算出するようにしてもよい。
図14は、減衰率テーブルの一例を示す図である。図14に示すように、モータ回転速度目標値ωmは、初期値ωm_init から、時間の経過とともに漸近的にゼロへ収束するような値が設定されている。モータ回転速度目標値ωmの初期値ωm_init は、後述するフラグ設定器1104によって設定されるフラグが0から1に変わるときのモータ回転速度ωmとする。
図11に戻って説明を続ける。外乱トルク推定器1102は、検出されたモータ回転速度ωmとモータトルク指令値Tmに基づいて、外乱トルク推定値Tdを算出する。
図15は、外乱トルク推定器1102によって行われる処理、すなわち、モータ回転速度ωmとモータトルク指令値Tmに基づいて、外乱トルク推定値Tdを算出する方法を説明するためのブロック図である。
制御ブロック1501は、H(s)/Gr(s)なる伝達特性を有するフィルタとしての機能を担っており、モータ回転速度ωmを入力してフィルタリング処理を行うことにより、第1のモータトルク推定値を算出する。H(s)は、分母次数と分子次数との差分が、モデルGr(s)の分母次数と分子次数との差分以上となる伝達特性を有するローパスフィルタである。
制御ブロック1502は、H(s)なる伝達特性を有するローパスフィルタとしての機能を担っており、モータトルク指令値Tmを入力してフィルタリング処理を行うことにより、第2のモータトルク推定値を算出する。
減算器1503は、第1のモータトルク推定値から第2のモータトルク推定値を減算することによって、外乱トルク推定値Tdを算出する。
なお、外乱トルクは、図15に示す通り、外乱オブザーバにより推定するが、車両前後Gセンサ等の計測器を使って推定してもよい。
図11に戻って説明を続ける。減算器1103は、速度制御器1101によって算出された速度制御トルクTωと、外乱トルク推定器1102によって算出された外乱トルク推定値Tdとの偏差を演算することによって、第2のトルク目標値Tm2を算出する。
フラグ設定器1104は、外乱トルク推定値Td、モータ回転速度ωm、および、第1のトルク目標値Tm1に基づいて、モータトルク指令値Tmを、第1のトルク目標値Tm1と第2のトルク目標値Tm2のどちらに設定するのかを示すフラグを設定する。
図16は、フラグ設定器1104によって行われるフラグ設定の処理手順を示すフローチャートである。ステップS1601では、次式(13)の関係が成り立つか否かを判定する。
式(13)の関係が成り立つと判定すると、電動車両が停車間際(車速が所定車速以下)であると判断して、ステップS1602に進み、式(13)の関係が成り立たないと判定すると、モータ回転速度が所定値より高いと判断して、ステップS1603に進む。
ステップS1602では、フラグを1にセットする。
一方、ステップS1603では、フラグを0にセットする。
図11のモータトルク指令値設定器1105は、フラグが0にセットされている場合には、第1のトルク目標値Tm1を第3のトルク目標値Tm3として設定し、フラグが1にセットされている場合には、第2のトルク目標値Tm2を第3のトルク目標値Tm3として設定する。なお、停車状態を維持するため、第2のトルク目標値Tm2は、登坂路では正トルク、降坂路では負トルク、平坦路では概ねゼロに収束する。
ここで、停止制御および制振制御ではいずれも、モータ回転速度をフィードバックさせるフィードバック制御を行うため、フィードバック制御系が2つ存在することになり、安定性が低下する。従って、式(13)が成立して、車両が停車間際であると判断すると、制振制御におけるフィードバック制御のフィードバックゲインを小さくすることにより、安定性の低下を抑制する。
上述したように、本実施形態では、まず、モータ回転速度ωmとモータ回転速度目標値ωmとの差分をモデルマッチング補償器1202に入力して、フィルタリング処理を施すことにより、モータ回転速度ωmがモータ回転速度目標値ωmと一致するための速度制御トルクTωを算出している。続いて、モータトルク指令値Tmとモータ回転速度ωmに基づいて外乱オブザーバ(図15参照)により、外乱トルク推定値Tdを算出している。そして、速度制御トルクTωから外乱トルク推定値Tdを減算することによって算出された第2のトルク目標値Tm2を停車間際(モータ回転速度が所定値以下)のモータトルク指令値とすることで、モータトルクのみで、勾配に依らず、滑らかに停車して、停車状態を保持できる構成としている。
そのような構成とは別に、モータ回転速度ωmとモータ回転速度目標値ωmとの差分をPI制御などの積分動作を含む補償器にてフィルタリング処理することで得られた値をモータトルク指令値に設定する構成としても、同様の効果を得ることができる。この構成の詳細を図17に示す。
図17において、モータ回転速度目標値設定器1701は、図12に示すモータ回転速度目標値設定器1201が行う方法と同様の方法により、モータ回転速度目標値ωmを設定する。
制御ブロック1702は、モータ回転速度目標値ωmとモータ回転速度ωmとの差分に対して、積分動作が含まれる補償器にてフィルタリング処理を施すことにより、モータ回転速度ωmとモータ回転速度目標値ωmが一致し、かつ、外乱トルクを補償する第2のトルク目標値Tm2を算出する。制御ブロック1702内のkp、kiはそれぞれ、比例ゲイン、積分ゲインを表しており、シミュレーションや実験を予め行うことにより、適切な値を設定しておく。
図11の制振制御器1106は、モータトルク指令値設定器1105から出力される第3のトルク目標値Tm3を入力し、駆動軸トルクの応答を犠牲にすることなく、トルク伝達系の振動(ドライブシャフトの捻り振動等)を抑制するモータトルク指令値Tmを算出する。
ここで、上述した説明では、速度制御トルクTωから外乱トルク推定値Tdを減算することによって、第2のトルク目標値Tm2を算出したが、速度制御トルクTωを第2のトルク目標値Tm2として設定してもよい。図18は、速度制御トルクTωを第2のトルク目標値Tm2として設定する場合において、停止制御処理および制振制御を実現するためのブロック図である。図18において、図11に示す構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付している。
図11のフラグ設定器1104は、式(13)が成り立つか否かに基づいて、フラグを0か1にセットした。図18に示すフラグ設定器1104も式(13)が成り立つか否かに基づいて、フラグを0か1にセットするが、式(13)中の外乱トルク推定値Tdはゼロとして演算する。
図18のモータトルク指令値設定器1105は、フラグが0にセットされている場合には、第1のトルク目標値Tm1を第3のトルク目標値Tm3として設定し、フラグが0から1にセットされると、車両が停車間際であると判断して、第2のトルク目標値Tm2を第3のトルク目標値Tm3として設定する。このとき、第2のトルク目標値Tm2は、速度制御トルクTωと同一値であるため、モータ回転速度ωmの低下に応じて、モータトルク指令値Tmはゼロに収束する。
以上、第2の実施形態における電動車両の制御装置は、電動モータ4を走行駆動源とし、アクセル操作量が減少またはゼロになると、電動モータ4の回生制動力により減速する電動車両の制御装置であって、モータ回転速度ωmを漸近的にゼロに収束させるモータ回転速度目標値を設定し、アクセル操作量が減少またはゼロになった場合に、モータ回転速度ωmをモータ回転速度目標値に一致させるためのモータトルク指令値を算出する。そして、算出したモータトルク指令値を入力して、電動車両の駆動力伝達系の捻り振動を抑制する制振制御を施したモータトルク指令値を算出し、制振制御を施したモータトルク指令値に基づいて、電動モータ4を制御する。制振制御では、制御対象のモデルを想定し、むだ時間(制御演算遅れ、アクチュエータ応答遅れ、各種センサの検出遅れ等)を考慮して構成される。この場合、停止制御を制振制御の後に行うと、停止制御において、制振制御内で考慮している制御対象のモデルと異なる応答となってしまい、想定しているモータ回転速度ωmの応答と実際の応答の間にズレが生じる。このため、停止制御処理を制振制御処理の後で実施すると、制振制御の性能悪化につながる場合がある。また、停止制御を制振制御の後に行うと、停車間際以後、制振制御により駆動力伝達系の捻り振動が除去された車両モデルGr(s)ではなく、捻り振動が除去されていない車両モデルGp(s)に基づいて停止制御処理を行う必要があるため、制御系が著しく不安定になる。
これに対して、本実施形態における電動車両の制御装置によれば、停止制御を制振制御の前に行うので、制振制御内で考慮している制御対象のモデルと同じモデルを用いて停止制御を行うことができるので、制振制御の効果に影響を与えることなく、停止制御を行うことができる。
本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、上述した説明では、アクセル操作量が減少またはゼロになり、かつ、電動車両が停車間際になると、電動モータ4の回転速度の低下とともにモータトルク指令値Tmを外乱トルク推定値Td(またはゼロ)に収束させるものとして説明した。しかし、車輪速や車体速度、ドライブシャフトの回転速度などの速度パラメータは、電動モータ4の回転速度と比例関係にあるため、電動モータ4の回転速度に比例する速度パラメータの低下とともにモータトルク指令値Tmを外乱トルク推定値Td(またはゼロ)に収束させるようにしてもよい。
2…モータコントローラ(アクセル操作量検出手段、モータトルク指令値算出手段、制振制御手段、モータ制御手段、外乱トルク推定手段、第1のトルク目標値算出手段、第2のトルク目標値算出手段、トルク比較手段、速度パラメータ検出手段、速度パラメータ目標値設定手段、速度制御手段)
4…電動モータ
502…外乱トルク推定器(外乱トルク推定手段)
505…制振制御器(制振制御手段)
1101…速度制御器(速度制御手段)
1102…外乱トルク推定器(外乱トルク推定手段)
1105…制振制御器(制振制御手段)
図5は、図2のステップS203で行われる停止制御処理、および、ステップS204で行われる制振制御処理を実現するためのブロック図である。停止制御処理は、モータ回転速度F/Bトルク設定器501、外乱トルク推定器502、加算器503、および、トルク比較器504によって行われる。また、制振制御処理は、制振制御器505によって行われる。
減算器703は、第のモータトルク推定値から第のモータトルク推定値を減算することにより、外乱トルク推定値Tdを算出する。
図5に戻って説明を続ける。加算器503は、モータ回転速度F/Bトルク設定器501によって算出されたモータ回転速度F/BトルクTωと、外乱トルク推定器502によって算出された外乱トルク推定値Tdとを加算することによって、第2のトルク目標値Tm2*を算出する。
ここで、上述した説明では、モータ回転速度F/BトルクTω外乱トルク推定値Tdとを加算することによって、第2のトルク目標値Tm2*を算出したが、モータ回転速度F/BトルクTωを第2のトルク目標値Tm2*として設定してもよい。図10は、モータ回転速度F/BトルクTωを第2のトルク目標値Tm2*として設定する場合において、停止制御処理および制振制御処理を実現するためのブロック図である。図10において、図5に示す構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付している。
特に、第1の実施形態における電動車両の制御装置によれば、アクセル操作量が減少またはゼロになり、かつ、電動車両が停車間際になると、モータ回転速度ωmの低下とともにモータトルク指令値を外乱トルク推定値Tdに収束させる。これにより、登坂路、平坦路、降坂路によらず、前後方向における加速度振動のない滑らかな減速を停車間際で実現することができ、かつ、停車状態を保持することができる
図11は、第2の実施形態における電動車両の制御装置において、図2のステップS203で行われる停止制御処理、および、ステップS204で行われる制振制御処理を実現するためのブロック図である。停止制御処理は、速度制御器1101、外乱トルク推定器1102、加算器1103、フラグ設定器1104、および、モータトルク指令値設定器1105によって行われる。また、制振制御処理は、制振制御器1106によって行われる。
減算器1503は、第のモータトルク推定値から第のモータトルク推定値を減算することによって、外乱トルク推定値Tdを算出する。
図11に戻って説明を続ける。加算器1103は、速度制御器1101によって算出された速度制御トルクTωと、外乱トルク推定器1102によって算出された外乱トルク推定値Tdとを加算することによって、第2のトルク目標値Tm2*を算出する。
上述したように、本実施形態では、まず、モータ回転速度ωmとモータ回転速度目標値ωm*との差分をモデルマッチング補償器1202に入力して、フィルタリング処理を施すことにより、モータ回転速度ωmがモータ回転速度目標値ωm*と一致するための速度制御トルクTωを算出している。続いて、モータトルク指令値Tm*とモータ回転速度ωmに基づいて外乱オブザーバ(図15参照)により、外乱トルク推定値Tdを算出している。そして、速度制御トルクTω外乱トルク推定値Tdとを加算することによって算出された第2のトルク目標値Tm2*を停車間際(モータ回転速度が所定値以下)のモータトルク指令値とすることで、モータトルクのみで、勾配に依らず、滑らかに停車して、停車状態を保持できる構成としている。
ここで、上述した説明では、速度制御トルクTω外乱トルク推定値Tdとを加算することによって、第2のトルク目標値Tm2*を算出したが、速度制御トルクTωを第2のトルク目標値Tm2*として設定してもよい。図18は、速度制御トルクTωを第2のトルク目標値Tm2*として設定する場合において、停止制御処理および制振制御を実現するためのブロック図である。図18において、図11に示す構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付している。

Claims (7)

  1. モータを走行駆動源とし、アクセル操作量が減少またはゼロになると、前記モータの回生制動力により減速する電動車両の制御装置であって、
    前記アクセル操作量を検出するアクセル操作量検出手段と、
    モータトルク指令値を算出するモータトルク指令値算出手段と、
    前記モータトルク指令値算出手段によって算出されたモータトルク指令値を入力し、電動車両の駆動力伝達系の捻り振動を抑制する制振制御を施したモータトルク指令値を算出する制振制御手段と、
    前記制振制御を施したモータトルク指令値に基づいて、前記モータを制御するモータ制御手段と、
    を備え、
    前記モータトルク指令値算出手段は、前記アクセル操作量が減少またはゼロになり、かつ、電動車両が停車間際になると、電動車両の走行速度に比例する速度パラメータの低下とともに前記モータトルク指令値をゼロに収束させる、
    ことを特徴とする電動車両の制御装置。
  2. 請求項1に記載の電動車両の制御装置において、
    外乱トルクを推定する外乱トルク推定手段をさらに備え、
    前記モータトルク指令値算出手段は、前記アクセル操作量が減少またはゼロになり、かつ、電動車両が停車間際になると、前記速度パラメータの低下とともに前記モータトルク指令値を前記外乱トルクに収束させる、
    ことを特徴とする電動車両の制御装置。
  3. 請求項2に記載の電動車両の制御装置において、
    車両情報に基づいて第1のトルク目標値を算出する第1のトルク目標値算出手段と、
    前記速度パラメータの低下とともに前記外乱トルクに収束する第2のトルク目標値を算出する第2のトルク目標値算出手段と、
    前記第1のトルク目標値と前記第2のトルク目標値の大きさを比較するトルク比較手段と、
    をさらに備え、
    前記モータトルク指令値算出手段は、前記第1のトルク目標値より前記第2のトルク目標値が大きくなると、前記電動車両が停車間際であると判断して、前記第2のトルク目標値を前記モータトルク指令値として設定し、
    前記制振制御手段は、前記第1のトルク目標値より前記第2のトルク目標値が大きくなると、前記捻り振動を抑制するモータトルク指令値を算出する際に行うフィードバック制御のフィードバックゲインを小さくする、
    ことを特徴とする電動車両の制御装置。
  4. モータを走行駆動源とし、アクセル操作量が減少またはゼロになると、前記モータの回生制動力により減速する電動車両の制御装置であって、
    前記アクセル操作量を検出するアクセル操作量検出手段と、
    電動車両の走行速度に比例する速度パラメータを検出する速度パラメータ検出手段と、
    前記速度パラメータを漸近的にゼロに収束させる速度パラメータ目標値を設定する速度パラメータ目標値設定手段と、
    前記アクセル操作量が減少またはゼロになった場合に、前記速度パラメータを前記速度パラメータ目標値に一致させるためのモータトルク指令値を算出する速度制御手段と、
    前記モータトルク指令値を入力し、電動車両の駆動力伝達系の捻り振動を抑制する制振制御を施したモータトルク指令値を算出する制振制御手段と、
    前記制振制御を施したモータトルク指令値に基づいて、前記モータを制御するモータ制御手段と、
    を備える電動車両の制御装置。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の電動車両の制御装置において、
    車両へのトルク入力とモータの回転速度の伝達特性のモデルGp(s)と、前記制振制御のアルゴリズムから導かれるモデルGr(s)に基づいて、電動車両が停車間際になった後のモータトルク指令値を算出する、
    ことを特徴とする電動車両の制御装置。
  6. モータを走行駆動源とし、アクセル操作量が減少またはゼロになると、前記モータの回生制動力により減速する電動車両の制御方法であって、
    前記アクセル操作量を検出するステップと、
    モータトルク指令値を算出するステップと、
    前記モータトルク指令値を入力し、電動車両の駆動力伝達系の捻り振動を抑制する制振制御を施したモータトルク指令値を算出するステップと、
    前記制振制御を施したモータトルク指令値に基づいて、前記モータを制御するステップと、
    を備え、
    前記モータトルク指令値を算出するステップでは、前記アクセル操作量が減少またはゼロになり、かつ、電動車両が停車間際になると、電動車両の走行速度に比例する速度パラメータの低下とともに前記モータトルク指令値をゼロに収束させる、
    ことを特徴とする電動車両の制御方法。
  7. モータを走行駆動源とし、アクセル操作量が減少またはゼロになると、前記モータの回生制動力により減速する電動車両の制御方法であって、
    前記アクセル操作量を検出するステップと、
    電動車両の走行速度に比例する速度パラメータを検出するステップと、
    前記速度パラメータを漸近的にゼロに収束させる速度パラメータ目標値を設定するステップと、
    前記アクセル操作量が減少またはゼロになった場合に、前記速度パラメータを前記速度パラメータ目標値に一致させるためのモータトルク指令値を算出するステップと、
    前記モータトルク指令値を入力し、電動車両の駆動力伝達系の捻り振動を抑制する制振制御を施したモータトルク指令値を算出するステップと、
    前記制振制御を施したモータトルク指令値に基づいて、前記モータを制御するステップと、
    を備える電動車両の制御方法。
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