JP2020102925A

JP2020102925A - 車両用変速機の制御装置

Info

Publication number: JP2020102925A
Application number: JP2018239038A
Authority: JP
Inventors: 熊沢　厚; Atsushi Kumazawa; 厚熊沢
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-07-02

Abstract

【課題】電動車両に搭載されるノンシンクロナイザー変速機構において、ショックトルクの発生を抑制し、機械的信頼性を担保することができる、車両用変速機の制御装置を提供すること。【解決手段】アクセルペダルのオフ状態を検出した後、車両を減速するためにモータの出力トルクを減少させる場合、モータ制御部は、モータの出力トルクを目標トルク値よりも大きい暫定目標トルク値まで所定の減少率で減少させて、所定時間前記暫定目標トルク値を維持した後、前記モータの出力トルクを前記目標トルク値まで所定の減少率で減少させること。【選択図】図３

Description

本発明は、車両用変速機の制御装置であって、特に電動車両に搭載されるノンシンクロナイザー変速機構の制御技術に関する。

電気自動車等のモータを駆動源とする車両において、モータと複数のギアからなる減速機構とを備え、駆動輪が連結されたディファレンシャルギアにモータの駆動力を伝達することができる車両用駆動装置が知られている（特許文献１）。

近年、車速ゼロからの登坂能力向上、最高速度性能、及び加減速でのモータ効率向上等の観点から、このような駆動装置において、減速機構に変えて変速機構を採用することが検討されている。

従来の変速機構においては、駆動ギアと受動ギアとの間にシンクロナイザーが設けられるが、電動車両においては駆動ギアの回転速度をモータの回転速度により制御可能となることから、ノンシンクロナイザーで変速機構が構成することができる。

このような変速機構においては、物理的にギアを同期させるシンクロナイザーを用いないため、ギアの噛み合わせの際にそれぞれのドグ歯の歯先同士が当接してしまう虞がある。したがって、ノンシンクロナイザー変速機構において確実に変速制御を実施するためには、ドグ歯間隔が比較的広いドグクラッチ機構が好適に選択される。

国際公開第２０１４／１４８４１０号

しかしながら、このようなドグクラッチ機構においては、ギア歯間隔が比較的広いことからギア接合後にバックラッシュ（ガタ）が生じる虞がある。

また、アクセルペダルがオフとなった場合、モータから出力される所定方向における正トルクを伝達していた駆動系構造に対し、制動力となる反対方向の負トルクを付与することになる。このようなモータトルク制御に伴い駆動系構造にねじれが発生するが、ねじれの開放が急速に行われると比較的大きなショックトルクが生じ、機械的な信頼性が低下する虞がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、電動車両に搭載されるノンシンクロナイザー変速機構において、ショックトルクの発生を抑制し、機械的信頼性を担保することができる、車両用変速機の制御装置を提供することにある。

本適用例に係る車両用変速機の制御装置は、車両に搭載されるモータにより駆動される駆動ギアと前記駆動ギアと係合することにより前記モータからの駆動力を駆動輪に伝達する複数の受動ギアとからなる係合要素を含み、前記複数の受動ギアの少なくとも１つを選択的に前記駆動ギアに係合させることにより変速比が異なる複数のギア段を成立させ、前記モータの回転速度を変速して前記車両の駆動輪に伝達する車両用変速機の制御装置において、前記係合要素を係合させる場合、前記モータの速度を制御することにより、前記駆動ギアと前記受動ギアとの回転数を同期させた後に、前記駆動ギアと前記受動ギアとを係合させる係合動作制御部と、前記係合動作制御部により前記係合要素の係合動作が完了した後、前記車両のアクセルペダルの操作に応じて前記モータの出力トルクを所定の目標トルク値に制御するモータ制御部と、を含み、前記アクセルペダルのオフ状態を検出した後、前記車両を減速するために前記モータの出力トルクを減少させる場合、前記モータ制御部は、前記モータの出力トルクを前記目標トルク値よりも大きい暫定目標トルク値まで所定の減少率で減少させて、所定時間前記暫定目標トルク値を維持した後、前記モータの出力トルクを前記目標トルク値まで所定の減少率で減少させる。

本適用例に係る車両用変速機の制御装置においては、アクセルペダルがオン状態からオフ状態となった場合に、駆動系構造に対して正トルクから負トルクを付与する際に、モータの出力トルクが暫定目標トルク値で維持されるため、正トルクに伴う正側のねじれが駆動系構造において解放され、その後に負トルクに伴う負側のねじれが駆動系構造に加わることになる。このため、アクセルペダルがオン状態からオフ状態となる場合であっても、ショックトルクの発生が低減され、電動車両における機械的な信頼性の低下を抑制することができる。

また、本適用例に係る車両用変速機の制御装置においては、駆動系構造に対して正トルクから負トルクを付与する際に、アクセルペダルの動きに追従させ、トルク値を正側から負側に瞬時に減少させず、トルク値を所定の減少率で減少させる。これにより、係合要素に対して急なトルク変化に伴う動きが発生することが減少し、駆動ギアと選択された受動ギアが係合している状況においても、ショックトルクが生じる可能性が低減されることになる。

以上のことから、上記適用例に係る車両用変速機の制御装置は、電動車両に搭載されるノンシンクロナイザー変速機構において、ショックトルクの発生を抑制し、機械的信頼性を担保することができる。

本発明の実施例に係る車両用変速機の制御装置を搭載した電動車両の全体構成を概略的に示す上面図である。本発明の実施例に係る車両用変速機の制御装置から構成されるトルク制御システムのブロック図である。本発明の実施例に係る車両用変速機の制御装置を搭載した電動車両における、アクセル開度変更に伴うトルク値及び駆動負荷の時間変化を示すグラフである。従来の電動車両における、アクセル開度変更に伴うトルク値及び駆動負荷の時間変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しつつその構成について詳細に説明する。

先ず、図１を参照しつつ、本実施例に係る車両用変速機の制御装置を搭載した電動車両１０の全体構成を説明する。ここで、図１は、電動車両１０の全体構成を概略的に示す上面図である。

図１に示すように、電動車両１０は、ラダーフレーム１１、キャブ１２、荷箱１３、車輪機構１４、駆動装置１５、バッテリパック１６、及び駆動電力供給部１７を備える電動トラック（電気トラック）である。なお、図１では、電動車両１０の上面からキャブ１２及び荷箱１３を透過するように見た場合の上面図として表している。

本実施例において、電動車両１０は、走行用駆動源としてモータ（電動機）を備える電気自動車として想定されているが、エンジンを更に備えるハイブリッド自動車であってもよい。また、電動車両１０は電動トラックに限定されることなく、車両を駆動するためのバッテリを備える他の商用車であってもよい。

ラダーフレーム１１は、左サイドレール２１Ｌ、右サイドレール２１Ｒ、及び複数のクロスメンバ２２を有する。左サイドレール２１Ｌ及び右サイドレール２１Ｒは、電動車両１０の車長方向Ａに延在し、互いに車幅方向Ｂに対して平行に配置される。複数のクロスメンバ２２は、左サイドレール２１Ｌと右サイドレール２１Ｒとを連結している。そして、ラダーフレーム１１は、キャブ１２、荷箱１３、駆動装置１５、バッテリパック１６、及び電動車両１０に搭載されるその他の重量物を支持する。以下において、左サイドレール２１Ｌ及び右サイドレール２１Ｒを総称して、単にサイドレール２１とも称する。

キャブ１２は、図示しない運転席を含む構造体であり、ラダーフレーム１１の前部上方に設けられている。一方、荷箱１３は、電動車両１０によって搬送される荷物等が積載される構造体であり、ラダーフレーム１１の後部上方に設けられている。

車両前方に位置する車輪機構１４は、本実施例において、車両前方に位置する左右の前輪２３、２つの前輪２３の車軸としてのフロントアクスル２４から構成される。また、車両後方に位置する車輪機構１４は、車両後方に位置し且つ左右に各２つ配置された後輪２５、これらの後輪２５の車軸としてのリアアクスル２６から構成される。そして、電動車両１０においては、後輪２５が駆動輪として機能するように駆動力が伝達され、電動車両１０が走行することになる。なお、車輪機構１４は、図示しないサスペンション機構を介してラダーフレーム１１に懸架され、電動車両１０の重量を支持する。

駆動装置１５は、モータユニット３１及びギアユニット３２を有する。モータユニット３１は、モータ、及び当該モータを収容するモータハウジングから構成される。一方、ギアユニット３２は、複数のギアからなる減速機構、当該減速機構から入力される動力を左右の後輪２５に対して振り分ける差動機構、並びにこれらの２つの機構を収容するギアハウジングから構成される。

また、駆動装置１５は、当該減速機構によって当該モータの駆動トルクを車両の走行に適した大きさに調整し、当該減速機構及び差動機構を介してリアアクスル２６に駆動力を伝達する。これにより駆動装置１５は、リアアクスル２６を介して後輪２５を回転させて電動車両１０を走行させることができる。ここで、駆動装置１５は、本実施例においては、左サイドレール２１Ｌ及び右サイドレール２１Ｒに対して車幅方向Ｂの内側（すなわち、サイドレール間のスペース）に配置され、図示しない支持部材によりラダーフレーム１１に支持されている。

バッテリパック１６は、電動車両１０を走行させるためのエネルギー源として駆動装置１５のモータに電力を供給するバッテリと、当該バッテリを収容するバッテリハウジングを有している。バッテリパック１６は、電動車両１０に必要とされる電力を蓄えるために比較的大型で大容量の二次電池である。本実施例において、バッテリパック１６は、車幅方向Ｂに対して左サイドレール２１Ｌと右サイドレール２１Ｒとの間、且つ駆動装置１５の車両前方に配置されるが、当該配置場所に限定されることはない。また、バッテリパック１６は、図示しない連結部材によりラダーフレーム１１に固定又は懸架されることになる。

駆動電力供給部１７は、いわゆるインバータであり、バッテリパック１６から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ５３へ供給する。そして、電動車両１０に対するアクセル操作に応じて、交流電力の供給量が制御され、モータ５３の回転速度が制御されることになる。なお、図１において、駆動電力供給部１７はギアユニット３２の車両後方に設けられているが、バッテリパック１６と駆動装置１５との間に設けられてもよい。

次に、図２乃至図４を参照しつつ、電動車両１０に搭載されるトルク制御システム４０の構成、本実施例に係る車両用変速機の制御装置（ＥＣＵ４１）、及び当該制御装置による具体的なトルク制御について説明する。ここで、図２は、電動車両１０に搭載されるトルク制御システム４０のブロック図である。また、図３は、本実施例に係るＥＣＵ４１を搭載した電動車両１０における、アクセル開度変更に伴うトルク値及び駆動負荷の時間変化を示すグラフである。更に、図４は、従来の電動車両における、アクセル開度変更に伴うトルク値及び駆動負荷の時間変化を示すグラフである。

図２に示すように、トルク制御システム４０は、ＥＣＵ４１、アクセルセンサ５１、アクセルペダル５２、モータ５３、係合要素６０、後輪２５を含んでいる。そして、本実施例におけるトルク制御システム４０は、特に、ドライバーがアクセルペダル５２から足を離間してアクセル操作を停止した際に、モータ５３から出力されるトルクを制御することになる。

ＥＣＵ４１は、モータ５３を制御するためのモータ制御部４２、並びにモータ５３及び係合要素６０を制御する係合動作制御部４３を含んでいる。ここで、ＥＣＵ４１は、電動車両１０を全体的に制御する装置であるが、本実施例においては、モータ５３のトルク制御に焦点を当てて説明する。

係合要素６０は、モータ５３に接続され、モータ５３により駆動される駆動ギア６１を有している。また、係合要素６０は、駆動ギア６１と係合することによりモータ５３からの駆動力を駆動輪である後輪２５に伝達する複数の受動ギア（第１受動ギア６２及び第２受動ギア６３）を有している。ここで、第１受動ギア６２と第２受動ギア６３とは寸法及び歯数が異なっており、第１受動ギア６２又は第２受動ギア６３の一方を選択して駆動ギア６１に係合させることにより、変速比が異なる複数のギア段が成立することになる。そして、係合要素６０は、モータ５３の回転速度を変速して電動車両１０の駆動輪である後輪２５に伝達することになる。

また、係合要素６０は、シンクロナイザーを備えないノンシンクロナイザー型のトランスミッションである。更に、係合要素６０は、係合動作制御部４３によって第１受動ギア６２又は第２受動ギア６３のいずれかが自動的に選択されるオートマチックトランスミッションでもある。

なお、本実施例においては、第１受動ギア６２が低速用のギアとし、第２受動ギア６３が高速用のギアとして用いることを想定しているが、これに限定されることなく、第１受動ギア６２を高速用のギアとし、第２受動ギア６３を低速用のギアとして用いてもよい。。また、係合要素６０は、他の変速比となる追加の受動ギアを更に有していてもよく、３段以上のギア段が成立してもよい。

ＥＣＵ４１の係合動作制御部４３は、電動車両１０の速度及びその他の状態に応じて、第１受動ギア６２又は第２受動ギア６３の一方を選択する。そして、係合動作制御部４３は、選択した受動ギアと駆動ギア６１とを係合させるために、モータ５３の速度を制御し、駆動ギア６１と選択した受動ギアとの回転数を同期させる。その後、係合動作制御部４３は、回転数が同期された状態において、駆動ギア６１と選択した受動ギアを係合させる。すなわち係合動作が行われる。これにより、両ギアの摩耗を防止することができる。

ＥＣＵ４１のモータ制御部４２には、アクセルセンサ５１が接続されており、ドライバーのアクセルペダル５２の操作量に関するセンサ信号が供給されることになる。そして、モータ制御部４２は、上記係合動作が完了している状況において、電動車両１０のアクセルペダル５２の操作量に応じ、モータ５３の出力トルクを所定の目標トルク値となるように制御する。具体的に、ドライバーがアクセルペダル５２を踏み込むと、当該踏込量に対応させ、踏込前の出力トルクよりも高い目標トルク値を設定し、モータ５３の出力トルクを当該高い目標トルク値となるようにモータ５３を制御する。

一方、図３の上グラフ（アクセル開度の時間変化のグラフ）に示すように、ドライバーがアクセルペダル５２の踏込みをやめ、アクセルペダル５２の開度が１００％から０％まで減少した場合（すなわち、オフ状態となった場合）、当該オフ状態を検出したモータ制御部４２は、電動車両１０を減速するためにモータ５３の出力トルクを減少させることになる。このような場合において、図３の中グラフ（トルク値の時間変化のグラフ）に示すように、モータ制御部４２は、アクセルペダル５２がオフ状態となる前の出力トルク（開始トルクＴ１）よりも低い目標トルク値Ｔ２を設定し、モータ５３の出力トルクを当該低い目標トルク値Ｔ２となるようにモータ５３を制御する。ここで、開始トルクＴ１は、電動車両１０を前進させるための正トルクであるが、目標トルク値Ｔ２は、電動車両１０に対して制動力を印加するようにするための負トルクとなる。

更に、図３の中グラフに示すように、当該低い目標トルク値Ｔ２となるようにモータ５３を制御する場合、モータ制御部４２は、モータ５３の出力トルクを当該低い目標トルク値Ｔ２よりも大きい暫定目標トルク値Ｔ３まで所定の減少率で減少させて、所定時間において暫定目標トルク値Ｔ３を維持する。本実施例において、当該暫定目標トルク値Ｔ３をゼロとしているが、ゼロ付近の負のトルク値であってもよい。

そして、図３の中グラフに示すように、モータ制御部４２は、暫定目標トルク値Ｔ３を所定時間維持した後、モータ５３の出力トルクを目標トルク値Ｔ２まで所定の減少率で減少させる。これにより、電動車両１０のアクセルペダル５２の操作量に応じた所望の出力トルクが、モータ５３から出力されることになる。

図３の下グラフ（駆動負荷の時間変化のグラフ）に示すように、モータ５３、係合要素６０、及びドライブシャフトからなる駆動系構造に加わる駆動負荷は、図３の中グラフであるトルク値の変化と同様に変化することになる。具体的には、出力トルクが開始トルクＴ１で維持されている間においては、当該駆動系構造に対しては、駆動負荷（開始負荷Ｌ１）が加わっている。その後、アクセル開度が１００％から０％に減少すると、トルク値の減少ととともに駆動負荷も減少し、トルク値が暫定目標トルク値Ｔ３（０Ｎ・ｍ）に到達すると、駆動負荷も０Ｎとなる。更に、暫定目標トルク値Ｔ３が維持されている間は、駆動負荷の値も０Ｎに維持される。その後、目標トルク値Ｔ２に向けてトルク値が減少するとともに駆動負荷も更に減少し、トルク値が目標トルク値Ｔ２に到達すると、駆動負荷も最終負荷Ｌ２に到達することになる。

すなわち、本実施例においては、アクセルペダル５２がオン状態からオフ状態となった場合に、モータ５３から出力される所定方向における正トルクを伝達していた駆動系構造に対し、制動力となる反対方向の負トルクを付与することになっても、駆動系構造には比較的に大きなショックトルクは生じないことになる。これは、駆動系構造に対して正トルクから負トルクを付与する際に、負荷の値が０Ｎ又はその近傍のマイナスの値となる暫定目標トルク値Ｔ３を所定時間維持するため、正トルクに伴う正側のねじれが駆動系構造において解放され、その後に負トルクに伴う負側のねじれが駆動系構造に加わることになるからである。このため、本実施例に係るトルク制御を行うことにより、アクセルペダル５２がオン状態からオフ状態となる場合であっても、ショックトルクの発生が低減され、電動車両１０における機械的な信頼性の低下を抑制することができる。

なお、暫定目標トルク値Ｔ３の維持時間については、アクセルペダル５２を踏み込んでいる際に駆動系構造に加わるねじれの大きさに応じて調整することが好ましく、特に当該ねじれが大きい場合には、当該維持時間を長くすることが重要となる。但し、暫定目標トルク値Ｔ３が維持され過ぎると、アクセルペダル５２を離したにもかかわらず、電動車両１０が減速しないというドライバーの違和感にもつながるため、例えば、０．５秒から１秒程度の間で調整されることになる。

また、本実施例においては、駆動系構造に対して正トルクから負トルクを付与する際に、アクセルペダル５２の動きに追従させ、トルク値を正側から負側に瞬時に減少させず、トルク値を所定の減少率で徐々に減少させている。これにより、係合要素６０に対して急なトルク変化に伴う動きが低減され、駆動ギア６１と選択された受動ギアが係合している状況においても、ショックトルクが生じる可能性を低減することができる。

以上のことから、車両用変速機の制御装置であるＥＣＵ４１は、電動車両１０に搭載されるノンシンクロナイザー変速機構において、ショックトルクの発生を抑制し、機械的信頼性を担保することができることになる。

これに対して、図４に示すように、アクセルペダル５２の動きに追従させ、トルク値を正側（開始トルクＴ１１）から負側（目標トルクＴ１２）に瞬時に減少させる従来の手法においては、駆動系構造に加わる駆動負荷が、開始負荷Ｌ１１から最終負荷Ｌ１２に変化する際に、駆動系構造にショックトルク（極大負荷Ｌ１３）が付与されることになる。このようなショックトルクが付与されると、駆動系構造には信頼性を損なうような故障が生じることになる。

また、図４に示すようなトルク制御においては、係合要素６０に対して急なトルク変化に伴う動きを低減できないため、係合要素６０にショックトルクが生じる場合もある。

１０電動車両
１１ラダーフレーム
１２キャブ
１３荷箱
１４車輪機構
１５駆動装置
１６バッテリパック
１７駆動電力供給部
２５後輪（駆動輪）
４０トルク制御システム
４１ＥＣＵ（車両用変速機の制御装置）
４２モータ制御部
４３係合動作制御部
５１アクセルセンサ
５２アクセルペダル
５３モータ
６０係合要素
６１駆動ギア
６２第１受動ギア
６３第２受動ギア
Ａ車長方向
Ｂ車幅方向

Claims

車両に搭載されるモータにより駆動される駆動ギアと前記駆動ギアと係合することにより前記モータからの駆動力を駆動輪に伝達する複数の受動ギアとからなる係合要素を含み、前記複数の受動ギアの少なくとも１つを選択的に前記駆動ギアに係合させることにより変速比が異なる複数のギア段を成立させ、前記モータの回転速度を変速して前記車両の駆動輪に伝達する車両用変速機の制御装置において、
前記係合要素を係合させる場合、前記モータの速度を制御することにより、前記駆動ギアと前記受動ギアとの回転数を同期させた後に、前記駆動ギアと前記受動ギアとを係合させる係合動作制御部と、
前記係合動作制御部により前記係合要素の係合動作が完了した後、前記車両のアクセルペダルの操作に応じて前記モータの出力トルクを所定の目標トルク値に制御するモータ制御部と、を含み、
前記アクセルペダルのオフ状態を検出した後、前記車両を減速するために前記モータの出力トルクを減少させる場合、前記モータ制御部は、前記モータの出力トルクを前記目標トルク値よりも大きい暫定目標トルク値まで所定の減少率で減少させて、所定時間前記暫定目標トルク値を維持した後、前記モータの出力トルクを前記目標トルク値まで所定の減少率で減少させる、車両用変速機の制御装置。