JP2023115736A - 自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、自動車の振動が長時間続く場合はモータの出力上限値を下げるが一過性の振動の場合は出力上限値を下げないようにする。【解決手段】本明細書が開示する自動車は、車輪を駆動するモータと、モータを制御するコントローラを備える。コントローラは、モータの回転速度の時系列データから、モータを含む駆動系の共振周波数を含む所定周波数帯域の振動データを抽出する。コントローラは、振動データに含まれている現在から第１モニタ時間前までの間の振動振幅の時間積算値が積算値閾値を超え、かつ、現在から第２モニタ時間前までの間に前後車輪速差または車輪速の振動振幅が所定の閾値を超えることがあった場合、モータの出力上限値を通常上限値から保護上限値へ下げる。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、走行用のモータを備える自動車に関する。

自動車は走行中に振動する。特に、路面から受ける荷重の周波数が車体の共振周波数に近づくと車体の振動が大きくなる。車体が共振しているか否かを車輪の回転速度の振動振幅で判断する技術が例えば特許文献１、２に開示されている。特許文献１に開示された自動車は、回転速度の時系列データに対して車両の共振周波数領域を含むバンドパスフィルタを適用するフィルタ処理部と、フィルタ処理部からの所定数のフィルタ処理値のそれぞれの絶対値の積算値が第１閾値以上のときに共振が生じていると判断する判定部を備える。振動から車体の部品を保護するため、特許文献１、２に開示された自動車は、共振が生じていると判定されたときに駆動力を制限する。また、文献３、４には、駆動輪がスリップしたときに部品保護のためにモータの駆動力を下げる技術が開示されている。

特開２０１８－２４２７８号公報 特開２０２０－１７１０６７号公報 特開２００６－１１５６４４号公報 特開２０１１－０９７８２６号公報

波状路を走行しているときなどは、部品保護のためにモータの駆動力（出力トルク）を下げることが望ましい。しかし、一過性の大きな凹凸などを通過しただけの場合は、凹凸通過後にモータの駆動力を下げると乗員に違和感を与えるおそれがある。本明細書は、振動が長時間続く場合はモータの出力上限値を下げるが一過性の振動の場合は出力上限値を下げないようにする技術を提供する。

本明細書が開示する自動車は、車輪を駆動するモータと、モータを制御するコントローラを備える。コントローラは、モータの回転速度の時系列データから、モータを含む駆動系の共振周波数を含む所定周波数帯域の振動データを抽出する。コントローラは、振動データに含まれている現在から第１モニタ時間前までの間の振動振幅の時間積算値が積算値閾値を超え、かつ、現在から第２モニタ時間前までの間に前後車輪速差または一つの車輪速の振動振幅が所定の閾値を超えることがあった場合、モータの出力上限値を通常上限値から保護上限値へ下げる。

振動振幅の時間積算値が積算閾値を超えているが、前後車輪速差、または、車輪速の振動振幅が所定の閾値を超えることがなかった場合には、自動車が一過性の凹凸を通過したことで振動振幅の時間積算値が一時的に高くなった蓋然性が高い。そのような場合にはモータの出力上限値を下げないことで、乗員に違和感を与えない。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の自動車のブロック図である。 コントローラが実行する出力制限処理のフローチャートである。 回転速度の振動データ、時間積算値、前後車輪速差のタイムチャートの一例である（出力制限が適用される場合）。 回転速度の振動データ、時間積算値、前後車輪速差のタイムチャートの別の例である（出力制限が適用されない場合）。

図面を参照して実施例の自動車２を説明する。図１に、自動車２の駆動系のブロック図を示す。図１の点線矢印線は信号線を意味している。自動車２は、走行用の電気モータ（モータ３）を備える。モータ３は、前輪５を駆動する。モータ３の出力トルクは前輪デファレンシャルギア４と前輪車軸９を介して前輪５に伝達される。

自動車２は、モータ３のほか、インバータ６、バッテリ７、車輪速センサ１２ａ、１２ｂ、コントローラ１０を備える。バッテリ７の出力電力（直流電力）は、インバータ６で交流電力に変換され、モータ３に供給される。インバータ６はコントローラ１０によって制御される。モータ３にはその回転速度を計測する回転数センサ８が備えられている。また、インバータ６の交流端には不図示の電流センサが備えられている。車輪速センサ１２ａは前輪５の車輪速（車輪の周速）を計測し、車輪速センサ１２ｂは後輪１１の車輪速を計測する。コントローラ１０は、電流センサの計測値と回転数センサ８の計測値に基づき、モータ３の出力トルクが目標トルクに追従するようにインバータ６を制御する。車輪速センサ１２ａ、１２ｂの計測値もコントローラ１０に送られる。

コントローラ１０は、モータ３を含む駆動系の振動を抑える処理も行う。ここで、モータ３を含む駆動系とは、モータ３から前輪５（駆動輪）までの動力伝達経路（前輪デファレンシャルギア４と前輪車軸９）と、それらを支持する構造体を意味する。

自動車２が走行すると、路面の凹凸に応じて車体に様々な荷重（振動荷重）が加わる。走行中に路面から伝わる荷重には様々な周波数成分が含まれるが、路面の状態と車速によってはモータ３を含む駆動系の共振周波数に近い荷重周波数成分が大きくなることがある。車体に加わる荷重の周波数が駆動系の共振周波数に近くなると、駆動系の振動が大きくなり、駆動系の構造体に加わる負荷が大きくなるとともに、乗員に不快感を与えることになる。一方、自動車２が路面から受ける振動は、回転数センサ８の計測データに現れる。コントローラ１０は、回転数センサ８の計測データ（回転速度の時系列データ）からモータ３を含む駆動系の共振周波数を含む所定周波数帯域（共振帯域）の振動データを抽出する。別言すれば、コントローラ１０は、回転速度の時系列データから共振帯域以外の帯域の成分を除去し、共振帯域の振動データを抽出する。共振帯域の振動データは、回転速度の時系列データにバンドパスフィルタを適用することで得られる。バンドパスフィルタは、共振帯域の振動成分を通過させ、共振帯域以外の帯域の振動成分を除去するように設定されている。

路面から受ける振動の周波数がモータ３を含む駆動系の共振周波数に近づくと、振動データから得られる振動の大きさが増大する。コントローラ１０は、振動の大きさを評価するのに、振動データにおける最新の所定期間（現在から過去第１モニタ時間までの間の期間）の振幅の積算値を用いる。振動の大きさを測るのに所定期間の振幅の積算値を採用することで、振幅の経時的変化の傾向を正確に捉えることができる。「振幅」は、両振幅（peak to peak）で表されてもよいし、片振幅（zero to peak）で表されてもよい。

コントローラ１０は、振動データから得られる振動振幅の時間積算値が積算値閾値を超えたらモータ３の出力上限値を通常上限値から保護上限値へ下げる（保護上限値は通常上限値よりも低い）。ただし、コントローラ１０は、現在から過去第２モニタ時間までの間に、前後車輪速差が速差閾値を超えていない場合には、モータ３の出力上限値を下げない。前後車輪速差とは、前輪５の車輪速（車輪の周速）と後輪１１の車輪速の差を意味する。前輪５と後輪１１の車輪速は、車輪速センサ１２ａ、１２ｂで計測される。

前後車輪速差が速差閾値を超えるのは、自動車２が波状路を走行中であり、前輪５（または後輪１１）が浮いてしまって（あるいはスリップして）空転し、後輪１１（または前輪５）の車輪速との差が大きくなって生じる。それゆえ、振動振幅の積算値が積算値閾値を超えており、かつ、前後車輪速差が速差閾値を超えている場合には、自動車２が波状路を走行中であると判断できる。そのような場合にはコントローラ１０は、モータ３の出力上限値を通常上限値から保護上限値へ下げる。コントローラ１０は、モータ３が設定された出力上限値を超えないように、インバータ６の出力を制限する。モータ３の出力上限値を下げることで、モータ３を含む駆動系の振動の増大を抑えることができる。

一方、振動振幅の積算値が積算値閾値を超えていても、前後車輪速差が速差閾値を超えていない場合とは、自動車２が一過性の大きな凹凸を通過したことで振動振幅の時間積算値が一時的に大きくなった蓋然性が高い。一過性の大きな凹凸とは、例えば路面の段差などである。一過性の大きな凹凸を通過する瞬間は前後車輪速差が極めて大きくなるが、凹凸の後に平坦な路面が続く場合には、駆動系の構造体に加わる負荷も大きくない。そのような場合にはコントローラ１０がモータ３の出力上限値を下げないことで、乗員に違和感を与えない。

コントローラ１０が実行する処理（出力制限処理）のフローチャートを図２に示す。図２のフローチャートに沿ってコントローラ１０が実行するモータ出力制限処理を説明する。

コントローラ１０は、図２の処理を一定の周期で繰り返す。コントローラ１０は、まず、回転数センサ８からモータ３の回転速度を取得する（ステップＳ１１）。コントローラ１０は、過去に取得した回転速度も記憶している。すなわち、コントローラ１０は、回転速度の時系列データを取得する。ステップＳ１１を実行する毎に、回転速度の時系列データは最新のデータ列に更新される。コントローラ１０は、現在から第１モニタ時間前の間の回転速度の記憶している。

次にコントローラ１０は、前後車輪速差を取得する（ステップＳ１２）。車輪速センサ１２ａ、１２ｂがそれぞれ前輪５、後輪１１の車輪速を計測する。コントローラ１０は、車輪速センサ１２ａ、１２ｂの計測値の差分をとり、それを前後車輪速差として記憶する。コントローラ１０は、過去に取得した前後車輪速差も記憶している。すなわち、コントローラ１０は、前後車輪速差の時系列データも記憶している。ステップＳ１２を実行する毎に、前後車輪速差の時系列データは最新のデータ列に更新される。コントローラ１０は、現在から第２モニタ時間前までの間の前後車輪速差のデータを記憶している。

続いてコントローラ１０は、回転速度の最新の時系列データにバンドパスフィルタを適用する（ステップＳ１３）。バンドパスフィルタは、モータ３を含む駆動系の共振周波数を含む所定の周波数帯域（共振帯域）の振動成分を通過させ、共振帯域以外の周波数の振動成分を除去する。バンドパスフィルタを適用した後の回転速度の時系列データを振動データと称する。

続いてコントローラ１０は、現在から第１モニタ時間前までの間の振動データの時間積算値を計算する（ステップＳ１４）。先に述べたように、振動データが正負の符号付きの片振幅で表されている場合は、コントローラ１０は、現在から第１モニタ時間前までの期間の振幅データの絶対値を積算する。振動データの積算値が振動の大きさを測る指標となる。

続いてコントローラ１０は、積算値（時間積算値）を積算値閾値と比較する（ステップＳ１５）。積算値が積算値閾値を超えている場合（ステップＳ１５：ＹＥＳ）、コントローラ１０は、現在から第２モニタ時間前までの間に前後車輪速差が速差閾値を超えたことがあるか否かをチェックする（ステップＳ１６）。前後車輪速差が速差閾値を超えていた場合、コントローラ１０は、モータ３の出力上限値を通常上限値から保護上限値に変更する（ステップＳ１６：ＹＥＳ、ステップＳ１７）。保護上限値は通常上限値よりも低い値に設定されている。

一方、現在から第２モニタ時間前までの間に前後車輪速差が速差閾値を超えたことがなかった場合、コントローラ１０は、モータ３の出力上限値を変更せずに処理を終了する（ステップＳ１６：ＮＯ、リターン）。

ステップＳ１５にて、積算値が積算値閾値を超えていない場合、コントローラ１０は、積算値を回復閾値と比較する（ステップＳ１５：ＮＯ、Ｓ１８）。回復閾値は、保護閾値よりも小さい値に設定されている。積算値が回復閾値を下回っていた場合、コントローラ１０は、モータ３の出力上限値を通常上限値に設定する（ステップＳ１８：ＹＥＳ、Ｓ１９）。積算値が回復閾値を上回っていた場合、コントローラ１０は、モータ３の出力上限値を変更せずに処理を終了する（ステップＳ１８：ＮＯ、リターン）。

モータの回転数の振動が小さくなると積算値が徐々に小さくなり、ステップＳ１８の判断がＹＥＳとなる。ステップＳ１８、Ｓ１９の処理は、モータ３の出力上限値が通常上限値から保護上限値に引き下げられた後、振動の積算値が小さくなったときに出力上限値を元に戻すための処理である。

モータ３の出力上限値を下げるのに振動データの積算値に加えて前後車輪速差を参照することの利点を説明する。

現在から過去の第２モニタ時間前までの間に前後車輪速差が速差閾値を超えている場合は、直前まで波状路を走行している可能性がたかい。そのような場合には、振動振幅の時間積算値が積算閾値を超えていれば、駆動系の負荷を下げるためにモータ３の出力上限値を下げるのがよい。

一方、現在から過去の第２モニタ時間前までの間に前後車輪速差が速差閾値を超えていない場合とは、直前は滑らかな平坦路を走行している可能性が高い。そのようなときに積算値が大きくなる場合とは、第２モニタ時間よりも前に、一過性の大きな凹凸を走行し、極めて短時間だけモータの回転数が大きく変動した場合であると推定される。一過性の凹凸を通過してもその後に平坦路に戻ったならば、モータ３の出力上限値を下げる必要はない。ステップＳ１５の判断がＹＥＳとなり、ステップＳ１６の判断がＮＯとなる場合がそのようなケースに相当する。実施例の自動車２は、一過性の凹凸を通過した場合には、時間積算値が積算値閾値を超えていても、モータの出力上限値を下げない。モータの出路上限値を頻繁に下げると運転者に違和感を与える。実施例の自動車２は、運転者に違和感を与える頻度を小さくすることができる。

図３に、振動データと振幅積算値と前後車輪速差のタイムチャートの一例を示す。図３は、モータ３の出力制限が適用される例である。図３（Ａ）は、振動データのグラフである。別言すれば、図３（Ａ）のグラフは、回転速度の時系列データにバンドパスフィルタを適用した後のデータを示している。従って図３（Ａ）のグラフにはＤＣ成分は含まれず、振動はゼロを中心に上下に振れている。先に述べたように、バンドパスフィルタを適用した後の回転速度の時系列データ（振動データ）には、共振帯域の振動成分のみが含まれる。

図３（Ｂ）は、振動データにおける最新の所定期間の振幅の積算値（時間積算値）のグラフである。所定期間の積算値であるため、振幅が小さくなれば積算値も徐々に小さくなる。図３（Ｃ）は、前後車輪速差のタイムチャートである。なお、図３（Ｃ）では、前後車輪速差は絶対値で表されている。

時刻Ｔ１１からモータの回転数の変動が大きくなる。すなわち、振動データの振幅が大きくなる。時刻Ｔ１１以降、振動データの振幅は大きいまま続いている。すなわち、時刻Ｔ１１以降、自動車２は波状路を走行している。振動データの振幅が大きい状態が続くので、その時間積算値も時刻Ｔ１１以降、徐々に大きくなる。

また、波状路を走行している間、前後車輪速差も大きくなる。波状路では前輪または後輪が空転する頻度が高くなるからである。時刻Ｔ１２で振動振幅の時間積算値が積算値閾値を超える。コントローラ１０は、現在から過去第１モニタ時間前までの間（図３（Ｃ）の「第２モニタ時間」）に前後車輪速差が速差閾値を超えたか否かをチェックする。図３の例では、前後車輪速差が速差閾値を超えている。それゆえ、コントローラ１０は、時刻Ｔ１２でモータ３の出力上限値を通常上限値から保護上限値へ下げる。

時刻Ｔ１３でモータ３の回転速度の変動（図３（Ａ））と前後車輪速差（図３（Ｃ））がともに小さくなる。すなわち、時刻Ｔ１３に波状路が終わったと推定される。時刻Ｔ１３以後、振動データの振幅の時間積算値は徐々に小さくなる。時刻Ｔ１４に時間積算値が回復閾値を下回るので、コントローラ１０は、モータの出力上限値を保護上限値から通常上限値に戻す。

図４に、振動データと振幅積算値と前後車輪速差のタイムチャートの一例を示す。図４は、振動データの時間積算値が積算値閾値を超すがモータの出力制限が適用されない例である。図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に対応する。

図４の例では、時刻Ｔ２１に自動車２は一過性の大きな凹凸を通過する。従って、時刻Ｔ２１で振動データが極端に大きくなる（ポイントＰ１）。時刻Ｔ２１で前後車輪速差も極端に大きくなる（ポイントＰ３）。時刻Ｔ２１に振動データが極端に大きくなるので、時間積算値も時刻Ｔ２１から急激に立ち上がる（ポイントＰ２）。

一過性の凹凸を通過した後は平坦路に戻るので、振動データと前後車輪速差は小さくなる。しかし、振動データを積算する期間（現在から第１モニタ時間前までの間）にポイントＰ（振動データが極端に大きくなった瞬間）が含まれる間は、時間積算値が大きくなる。時刻Ｔ２２で時間積算値が積算値閾値を超える。しかしこのとき、現在から第２モニタ時間前までの間に前後車輪速差は速差閾値を超えていない。それゆえ、コントローラ１０は、モータの出力上限値を下げない。

なお、時刻Ｔ２３に、振動データを積算する期間（現在から第１モニタ時間前までの期間）からポイントＰが外れる。それゆえ、時刻Ｔ２３以降は、時間積算値は極端に小さくなる。

図４の例では、ポイントＰ１以降は、自動車２は平坦路を走行している。それゆえ、モータの出力上限値を下げる必要がない。コントローラ１０は図４の場合は出力上限値を下げないので、運転者に違和感を与えない。

また、仮に、モータの出力上限値を下げるのに前後車輪速差を考慮しない場合、図４の時刻Ｔ２２でモータの出力上限値が保護上限値に下げられる。しかし、直後の時刻Ｔ２３で時間積算値が急激に下がるから、モータの出力上限値は保護上限値から通常上限値に戻る。このように、前後車輪速差を考慮しない場合、モータの出力上限値は短期間だけ下げられる可能性がある。実施例の自動車２では、そのような現象を避けることができる。

この場合、第２モニタ時間は第１モニタ時間よりも短い値に設定される。そうすることで、現在から第１モニタ時間前までの期間に振動データの大きな変動が含まれていても、現在から第２モニタ時間前までの期間に前後車輪速差が速差閾値を下回る状況を作り出すことができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。前後車輪速差を参照するのに代えて、一つの車輪の周速（車輪速）の振動振幅を参照してもよい。すなわち、コントローラ１０は、振動データに含まれている現在から第１モニタ時間前までの間の振動振幅の時間積算値が積算値閾値を超え、かつ、現在から第２モニタ時間前までの間に車輪速の振動振幅が所定の閾値を超えることがあった場合、モータの出力上限値を通常上限値から保護上限値へ下げるようにしてもよい。この場合、図２～図４の「前後車輪速差」を「車輪速の振動振幅」と読み替えればよい。

振動データの周波数特性は、バンドパスフィルタを適用した後の回転速度の時系列データに高速フーリエ変換を適用すれば得られる。あるいは、振動データの周波数特性は、回転速度の時系列データに高速フーリエ変換を適用した後、共振帯域の周波数特性を抽出しても得られる。この場合、バンドパスフィルタが不要となる。

本明細書が開示する自動車は、車輪を駆動するモータを有していればよい。すなわち、本明細書における自動車には、車輪を駆動するモータと内燃機関を有するハイブリッド車と、燃料電池で発電したモータを駆動する燃料電池車が含まれる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：自動車 ３：モータ ４：前輪デファレンシャルギア ５：前輪 ６：インバータ ７：バッテリ ８：回転数センサ ９：前輪車軸 １０：コントローラ １１：後輪 １２ａ、１２ｂ：車輪センサ

Claims (1)

1. 車輪を駆動するモータと、
   前記モータを制御するコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、
   前記モータの回転速度の時系列データから、前記モータを含む駆動系の共振周波数を含む所定周波数帯域の振動データを抽出し、
   前記振動データに含まれている現在から第１モニタ時間前までの間の振動振幅の時間積算値が積算値閾値を超え、かつ、現在から第２モニタ時間前までの間に前後車輪速差または車輪速の振動振幅が所定の閾値を超えることがあった場合、前記モータの出力上限値を通常上限値から保護上限値へ下げる、自動車。

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