JP4272734B2 - 電気自動車及び自動車用ヒルホールド方法 - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、動作することが望ましくないときにロータをロックする電気自動車制御装置に関し、より詳細には、電気駆動自動車のヒルホールド（坂道保持）に関する。
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
環境面から、電気作動自動車を利用するのが望ましくなってきている。このような自動車は、一つ以上のトラクションモータ（電動機）を自動車の原動又は駆動車輪に結合して含んでいる。トラクションモータには、一般的に蓄電池又は蓄電池群である電気源から電気エネルギーが供給される。トラクションモータに供給された電気エネルギーは、所望量の加速が得られるようにオペレータにより制御される。トラクションモータは、直流モータよりは交流モータが好ましい。これは、直流電圧モータはブラシ寿命が制限される傾向があり、整流子が限定されることから高速動作が困難であることによる。しかしながら、バッテリから交流モータを駆動するには、直流−交流インバータが蓄電池の直流電圧を、交流モータにより使用できる交流電圧に変換する必要がある。
交流モータをトラクションモータとして使用するとき、その回転速度ωｍは、そこに加えられる交流電圧の周波数に依存する。トラクションモータは車輪に、おそらくギヤ装置により、機械的に結合されているので、モータの速度を変更して自動車の速度を変更しなければならない。したがって、自動車の速度を変更するには、直流−交流インバータが、オペレータの制御により変更できる交流出力電圧を有する必要がある。周波数（ｆ）及び角速度（ω）は定数により関連付けられるので、本発明ではある程度相互交換して使用して、可変周波数モータを駆動するインバータについて、状況によりよく合うものを選択する。
【課題を解決するための手段】
本発明による電気自動車は、前記自動車を少なくとも駆動するための車輪と、前記車輪に機械的に結合され、通電されると前記車輪及び前記自動車を駆動するロータを含むモータとを含んでなる。この自動車は、電気エネルギー源備えている。オペレータの制御は、動作コマンド信号源としての役割りを果たす。制御ループが、前記動作コマンド信号源と、前記電気エネルギー源と、前記モータとに結合され、前記モータに加えられる電圧及び電流を制御して前記動作コマンド信号に応答して前記モータのトルクを発生させる。（ａ）前記自動車のゼロ動作を指令する動作コマンド信号と（ｂ）前記ロータのゼロ速度が同時発生したとき、前記制御ループが前記モータのトルクの代わりに前記ロータの角位置を制御するようにする、制御装置を設ける。この制御装置は、前記制御ループと前記動作コマンド信号源とに結合されている。
自動車用ヒルホールド方法は、モータを使用して自動車を推進する。自動車原動力コマンド信号発生器を、オペレータにより制御可能とし、自動車の動作が望ましくないときに特定の原動力コマンド信号を発生するようにする。制御可能電気駆動源を前記モータに結合して、前記制御可能電気駆動源が前記原動力コマンド信号に応答して電気駆動を制御可能に発生させて前記モータが前記自動車を制御可能に推進するための前記電気駆動に応答して選択されたトルクで回転するようにする。このように自動車を推進すると、前記原動力コマンド信号が無動作を指令するときに、前記制御可能電気駆動源が前記電気駆動を生ぜず且つ前記モータがトルクを生じない。もし前記自動車が坂道で停止したときに前記モータが何ら制動トルクを与えずに前記自動車のローリングを防止する。前記モータのロータの角位置を決定し、前記自動車の動作を表す動作信号を生成するようにする。（ａ）前記原動力コマンド信号が自動車の動作を指令しない期間と、（ｂ）前記自動車の前記動作がゼロである期間の両方の間、前記自動車の動作を防止するのに十分なトルクを前記モータに生じさせるように前記動作信号に基づいて前記制御可能電気駆動源に前記電気駆動を生じるように指令する。
【発明の実施の形態】
図１に示す電気自動車１０は、交流電圧電気トラクションモータ４０に接続した少なくとも一つの駆動車輪１２を含んでなる。本発明の一実施態様によれば、この交流電圧電気トラクションモータ４０は、ロータ４０ｒを含む三相交流モータである。モータ４０は、公知のように動作の運動エネルギーが発電制動中電気エネルギーに変換できるように電動発電機が好ましい。パワーコントローラ１４は、パワーハンドリングパスにより、トラクションモータ４０と、参照番号２０で示されているトラクションバッテリと、ブロック１６として示されている補助電気エネルギー源とに接続されている。ブロック１６として示されている補助源は、発電機２２を駆動するディーゼルエンジン１８等の内燃機関を含むか、燃料電池２４を含んでいてもよい。ブロック５０として示されているコマンドコントローラは、情報パスにより、パワーコントローラ１４と、補助源１６と、トラクションモータ４０とに接続され、適当な制御法則に準じて、パワーコントローラ１４、補助源１６及びトラクションモータ４０の動作を制御する。
比較的高電力を貯蔵できる最も一般的且つ最も安価な種類のバッテリに、普通鉛／Ｈ２ＳＯ４バッテリなどがある。この種のバッテリは、バッテリが完全充電状態にあるときに充電電流が流れるのを防止したり、電解質の発泡及び望ましくない発熱を防止するのに何らかの注意を払い、且つ硫酸化が回避できるならば、電気自動車に使用するのに適当である。
図１において、自動車１０のディスプレイとオペレータ制御は、ブロック３０として示されている。ブロック３０は、二方向データパス３１により、コマンドコントロールブロック５０に接続されているものとして示されており、駆動コマンドをコマンドコントローラ５０に加える。コマンドコントローラ５０は、次に、種々のパワー要素、例えば、パワーコントローラ１４、補助源１６及びトラクションモータ４０、への適当なコマンドに変換する。また、ブロック３０を、図示されているように、パス３２により、摩擦ブレーキ３６ａ及び３６ｂに接続して、摩擦ブレーキをブレーキペダルに接続した通常の油圧ブレーキ系により直接制御するようにしている。
図２は、図１のパワーコントローラ１４の要素の一部と、図１の他の要素との相互接続を示す。より詳細には、パワーコントローラ１４は、整流装置２６を補助源１６に接続して含んでなり、必要に応じて補助源１６の交流出力を直流電圧に変換するようになっている。また、パワーコントローラ１４は、二方向推進制御系を含んでなり、この二方向推進制御系は、さらに直流−交流インバータ２８を含んでなる。直流−交流インバータ２８は、パワー接続により、バッテリ２０と、整流装置２６と、トラクションモータ４０とに結合されている。インバータ２８、補助源１６及びトラクションモータ４０の動作は、上記したように、コマンドコントローラ５０により制御される。推進制御系は、直流−交流インバータ２８に加えて、電圧及び電流センサを含んでいて、モータ／発電機、バッテリ及び補助電源の種々の動作パラメータを検出するようになっている。
図１及び図２の装置の基本動作において、コマンドコントローラ５０は、選択された周波数及び大きさのおおよその交流電圧のトラクションモータ４０に結合されたインバータ２８のポート２８ｍで発生するパルス幅変調コマンドによりインバータ２８の個々のスイッチ（図示せず）を制御する。本発明の好ましい実施態様では、インバータはフィールド指向コマンド（ＦＯＣ）型であり、トラクションモータは同様にＦＯＣ誘導モータである。トラクションモータ４０に合わせた指令交流駆動の周波数及び大きさを選択して、選択されたトラクション電流で選択されたモータ速度によりモータを駆動する。一般的に、トラクションモータ４０は、モータ速度の増加とともに増加するバックＥＭＦを生じ、インバータは、コマンドコントローラ５０の制御下で、交流電圧周波数の増加とともに大きさが増加する交流電圧を生じて、同じトラクションモータ駆動電流を維持しなければならない。モータは、インバータ出力の指令周波数と一致する周波数で回転する。また、図１及び図２に示すような電気自動車の基本動作において、発電制動及び摩擦制動の両方を実施してよい。これらのうち、発電制動では、自動車のスピードを落とすと、発電機として動作するトラクションモータにより自動車の動作に固有の（運動）エネルギーが回復されるので、摩擦制動よりもずっと好ましい。発電制動が生じる間隔の間、二次又は再生方向に動作する図２の直流−交流インバータ２８は、トラクションモータ４０により生じた交流電圧をトラクションバッテリ２０を充電する直流電圧に変換する。さらに、電気自動車が、補助電源１６を有するハイブリッド電気自動車であるときには、補助源を、自動車の動作中に動作させて、コマンドコントローラ５０の指令に応じて、バッテリの補充及び／又はトラクションエネルギーの一部分の供給を行うことができる。図３は、本発明の一態様による図１のコントローラ５０の動作を説明した概略ブロック図である。図３において、ユーザコントロールブロック３０は、「ガスペダル」又は加速制御装置（電位計を含むものとして示されている）を含んでおり、これにユーザが通常の方法で指令を与えて、自動車の所望の動作を表すコマンド信号を生じさせる。これらのコマンド信号ＴＣＭＤは、モータ４０からの所望のトルクを表す。コマンド信号ＴＣＭＤを、信号パスを介して短極双投スイッチ３１４の端子３１４ａに加える。スイッチ３１４は機械スイッチ用の符号で示してあるが、当業者には、その対応電子スイッチを意味していることが明らかである。点線により示したスイッチ３１４の位置において、コマンド信号ＴＣＭＤは、コマンドコントローラ５０の一部分であるように示されているフィールド指向コントローラ（ＦＯＣ）３１６に結合されている。ＦＯＣコントローラ３１６は、当該技術分野において周知の通常の種類のモータコントローラである。ＦＯＣコントローラ３１６により生じるコマンド信号は、パルス幅変調インバータ駆動信号を含み、所望の周波数での所望の交流波形を発生させるパワーコントローラ１４に加えられる。コントローラ３１６により生成されるＦＯＣ信号は、モータ４０から指令トルクを発生するのに必要とされる電圧、電流及び周波数を表す。パワーコントローラ１４からの出力交流電圧を、トルクを生じるモータ４０に加える。上記したように、オペレータのトルクコマンドＴＣＭＤは、所望の加速度で自動車を推進するようにモータ４０を制御する。自動車を停止すべきとき、「ガスペダル」から足をはずすことにより、トルクコマンド信号をゼロに設定し、自動車を次に、好ましくは動的に又は摩擦ブレーキで、停止するまでブレーキをかける。内燃機関単独により推進される通常の自動車では、オートマティックトランスミッションにおけるトルクコンバータは、自動車が静止時にトルクを提供し続けることがあるので、オペレータは、坂道で自動車が動作するのを防止するのにブレーキをかけ続ける必要がないことがある。上記した電気自動車では、オペレータが動作を指令しないときには、トルクコマンドＴＣＭＤはゼロであるので、トラクションモータからトルクが得られない。坂道では、自動車は、モータはトルクを提供しないので、重力の運動力下で回転しやすいことがある。本発明の一態様によれば、トラクションモータ制御ループを、一定の状況下で、動作の「自動車走行」モードにおけるトルク又は電圧／電流制御から位置制御モードに変化する。特に、（ａ）ユーザ制御装置からのトルクコマンドＴＣＭＤがトルクゼロを示す値であることと、（ｂ）自動車又はモータ速度がゼロであることが同時に起きると、位置制御モードに入る。この装置の利点は、自動車の制御法則が、自動車が走行しているときには、モータを制御して必要なトルクを供給し、自動車を惰性走行して停止するようにするか意図的にブレーキをかけて停止するようにするときには、ゼロのトルクコマンド信号ＴＣＭＤが必要であるが、自動車はまだ走行していることである。自動車の速度がゼロに到達すると、制御法則は、位置制御に切り替わり、トルクゼロを表す指令トルク信号が位置変化ゼロを表す指令位置信号により置き換わる。これにより、実際には、制御法則が、トルクがモータロータを固定位置に保持するように再調整される。
図３において、ロータ角位置θは、ソフトウエアにより求めるか、そうでない場所には、シルエット３４０で示されているセンサにより求める。発生したロータ角位置θを表す信号は、信号パス３１８を介して、コマンドコントローラ５０に結合される。モータ４０のロータの角位置θを、ブロック３１２として示されている位置保持装置に結合する。位置保持装置３１２は、信号パス３１８からロータ回転位置信号θ及びブロック３１０から信号パス３１１を介して固定ゼロ速度ロータ位置信号を受ける。位置保持装置３１２は、位置制御信号を生成する。位置制御信号は、トルクコマンド信号の代わりにＦＯＣコントローラ３１６に加えられ、それにより自動車のパワー部１４用制御信号を生成し、有効モータトルクまで動作なしに自動車を所定の位置に保持できるようにする。図４は、本発明の一態様による、位置保持又はヒルホールディングのための制御スキームの一部を示す概略ブロック図である。図４において、任意に選択される指令ゼロ位置信号を、信号パス３１１を介してエラー信号発生器４１０として動作するサマーの非反転（＋）入力ポートに加えられる。サマー４１０は、非反転入力ポートに加えられたゼロ位置信号から、帰還信号パス３１８から信号パス４１８を介してサマーの反転（−）入力ポートに加えられる現在のロータ角位置θを表す信号を減じる。得られたロータ角位置エラー信号は、ロータの回転位置とともに変化する。ロータ角位置エラー信号は、加算回路４１０からブロック４１２に加えられる。ブロック４１２は、回転位置の再帰サイクルの、モータ４０のロータの複数の回転にわたる角度を表す長期ランプ位置への変換を表す。角位置情報は、当該技術分野において周知の比例積分（ＰＩ）ループフィルター又はコントローラに加えられ、そこから、トルクデマンド信号Ｔθが発生して図３のスイッチ３１４の端子Ｂに加えられる。
図５は、ヒルホールド機能の動作を制御するための自動車コントローラにおいて実施される論理を示す概略フローチャートである。図５において、論理は、開始ブロック５１０で開始し、決定ブロック５１２に進み、θＦＥＥＤＢＡＣＫとＴＣＭＤの両方がゼロかどうかを決定する。もしそうでないならば、自動車は、ヒルホールドが適当である状態になく、論理はＮＯ出力により決定ブロック５１４を出て、論理パス５１６を介してブロック５１８に進む。ブロック５１８は、可動スイッチ部材を端子Ａに接続するためのスイッチ３１４の動作を表す。これは、上記したように、「ガスペダル」トルクコマンドＴＣＭＤがモータトルクを制御する状態である。論理は、ブロック５１８を出て、論理パス５１９を介してさらなるブロック５２０に進む。ブロック５２０は、トルクコマンドＴＣＭＤの現在値を図３のＦＯＣコントローラ３１６に加えることを表す。ブロック５２０から、論理は、論理パス５２２を介して決定ブロック５１４に戻って、図５の論理を介して別の反復を開始する。自動車を意図的に停止させて、「ガスペダル」信号がトルクゼロを表し、自動車速度がゼロに到達するまで、論理の流れが上記した方法でループ周囲で継続する。自動車速度がゼロに到達するとすぐに、論理は、ＹＥＳ出力により決定ブロック５１４を出て、ブロック５２４に到達する。ブロック５２４は、論理変数θＣＭＤを、図４の信号θＦＥＥＤＢＡＣＫのこのときの値に等しく設定することを表す。図５のブロック５２４から、論理は、図４により表される機能の性能を表すブロック５２６に流れて、所望の位置θを維持するのに必要とする指令トルクＴθを生成する。ブロック５２６から、論理は、図３のスイッチ３１４をその代わりの位置に「接続すること（ｔｈｒｏｗｉｎｇ）」を表すさらなるブロック５２８に流れる。この位置で、可動部材が端子Ｂに接触する。この作用により、指令トルクＴθがＦＯＣコントローラ３１６に結合されて、モータ４０から所望のトルクを提供する。図５のブロック５２８から、論理は、論理パス５１９を介してブロック５２０に流れる。ブロック５２０は、ＦＯＣコントローラ３１６によりトルクコマンド信号Ｔθを使用することを表す。
本発明の他の実施態様は、当業者には明らかであろう。例えば、コマンド信号が「ゼロ」でよい場合では、ソフトウエアは、有限値を有する信号をゼロとして解釈することができる。
このように、本発明による電気自動車（１０）は、前記自動車（１０）を少なくとも駆動するための車輪（１２）と、前記車輪（１２）に機械的に結合され、通電されると前記車輪（１２）及び前記自動車（１０）を駆動するロータ（４０ｒ）を含むモータ（４０）とを含んでなる。この自動車（１０）は、電気エネルギー源（１６、２０）備えている。オペレータの制御装置（ガスペダル３０ｇ）は、動作コマンド信号（ＴＣＭＤ）源としての役割りを果たす。制御ループ（３１４、３１６、１４、４０、３１８、３２０）が、前記動作コマンド信号源（３０ｇ）と、前記電気エネルギー源（１６、２０）と、前記モータ（４０）とに結合され、前記モータ（４０）に加えられる電圧及び電流を制御して前記動作コマンド信号（ＴＣＭＤ）に応答して前記モータのトルクを発生させる。装置（３１０、３１２、３１４）では、（ａ）前記自動車のゼロ動作を指令する動作コマンド信号と（ｂ）前記ロータのゼロ速度が同時発生したとき、前記制御ループ（３１４、３１６、１４、４０、３１８、３２０）が前記モータのトルクの代わりに前記ロータの角位置を制御するようにする。
自動車（１０）用ヒルホールド方法は、モータ（４０）を使用して自動車（１０）を推進する。自動車（１０）原動力コマンド信号発生器（３０ｇ）は、原動力コマンド信号（ＴＣＭＤ）を発生し、オペレータにより制御可能である。原動力コマンド信号発生器（３０ｇ）は、自動車の動作が望ましくないときに、特定の原動力コマンド（ゼロ）信号を発生する。制御可能電気駆動源（１４、１６、２０、３１６）を前記モータ（４０）に結合して、前記制御可能電気駆動源が前記原動力コマンド信号に応答して電気駆動を制御可能に発生させて前記モータ（４０）が前記自動車を制御可能に推進するための前記電気駆動に応答して選択されたトルクで回転するようにする。このように自動車を推進すると、前記原動力コマンド信号が無動作を指令するときに、前記制御可能電気駆動源が前記電気駆動を生ぜず且つ前記モータがトルクを生じない。もし前記自動車が坂道で停止したときに前記モータが何ら制動トルクを与えずに前記自動車のローリングを防止する。位置決定装置（パス３１８を含む）を、ロータ（４０ｒ）と前記回転駆動装置（１４、３１６）との一方に結合し、前記ロータ（４０ｒ）の角位置を決定し、前記自動車の動作を表す動作信号を生成するようにする。処理装置（３１０、３１２、３１４、３１６）を、前記原動力コマンド信号発生器（３０ｇ）と、前記位置決定装置（３１６、３１８、（ソフトウエア又は３４０））と、前記制御可能電気駆動源（１４）とに結合し、（ａ）前記原動力コマンド信号が自動車の動作を指令しない期間と、（ｂ）前記自動車の前記動作がゼロである期間の両方の間、前記自動車の動作を防止するのに十分なトルクを前記モータに生じさせるように前記動作信号に基づいて前記制御可能電気駆動源に前記電気駆動を生じるように指令する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一態様による電気自動車の概略ブロック図である。
【図２】図１のパワーコントローラを多少詳細に示す概略ブロック図である。
【図３】本発明の一態様による図１のコントローラの一定部分を示す概略ブロック図である。
【図４】図３の装置の位置保持部の動作原理を示す概略ブロック図である。
【図５】ヒルホールド機能を実行するためのコマンドコントローラにおける論理動作を示す概略フローチャートである。
【符号の説明】
１０ 電気自動車
１２ 回転駆動装置
１４、４０、３１４、３１６、３１８、３２０ 制御ループ
１６、２０ 電気エネルギー源
３０ｇ 原動力コマンド信号発生器
４０ モータ
４０ｒ ロータ
ＴＣＭＤ 動作コマンド信号
３１０、３１２、３１４ 処理装置

Claims (2)

1. 電気自動車であって、
   前記自動車を少なくとも駆動するための車輪と、
   前記車輪に機械的に結合され、通電されると前記車輪及び前記自動車を駆動するロータを含むモータと、
   電気エネルギー源と、
   動作コマンド信号源と、
   前記動作コマンド信号源と、前記電気エネルギー源と、前記モータとに結合され、前記モータに加えられる電圧及び電流を制御して前記動作コマンド信号に応答して前記モータのトルクを発生させる、制御ループと、
   前記制御ループと前記動作コマンド信号源とに結合され、（ａ）前記自動車のゼロ動作を指令する動作コマンド信号と（ｂ）前記ロータのゼロ速度が同時発生したとき、前記制御ループが前記モータのトルクの代わりに前記ロータの角位置を制御するようにする、制御手段と、
   を含んでなることを特徴とする電気自動車。
2. 自動車用ヒルホールド方法であって、
   モータを使用して自動車を推進させる工程と、
   自動車の動作が望ましくないときに、原動力コマンド信号を発生する工程、
   前記モータに制御可能電気駆動源を結合する工程であって、前記制御可能電気駆動源が前記原動力コマンド信号に応答して電気駆動を制御可能に発生させて前記モータが前記自動車を制御可能に推進するための前記電気駆動に応答して選択されたトルクで回転するようにし、その結果、前記原動力コマンド信号が無動作を指令するときに、前記制御可能電気駆動源が前記電気駆動を生ぜず且つ前記モータがトルクを生ぜず、さらなる結果として、前記自動車が坂道で停止したときに前記モータが何ら制動トルクを与えずに前記自動車のローリングを防止する前記工程と、
   前記モータのロータの角位置を決定し、前記自動車の動作を表す動作信号を生成する工程と、
   （ａ）前記原動力コマンド信号が自動車の動作を指令しない期間と、（ｂ）前記自動車の前記動作がゼロである期間の両方の間、前記自動車の動作を防止するのに十分なトルクを前記モータに生じさせるように前記動作信号に基づいて前記制御可能電気駆動源に前記電気駆動を生じるように指令する工程と、
   を含んでなることを特徴とする自動車用ヒルホールド方法。

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