JP4736742B2 - 電気駆動車両 - Google Patents

Description

本発明は、機械ブレーキと回生ブレーキとを備えた電気駆動車両に関する。

従来技術の電気駆動車両のブレーキシステムについて説明する。回生制動可能な車両を停止させる場合は、電動機を回生動作させて車両速度を低下させ、所定の速度以下に達した時に機械ブレーキによるブレーキ動作を行って停止させている。特許文献１に、このような停止動作を行う車両が記載されている。特許文献１では、電動機と機械ブレーキが協調して制御され、機械ブレーキが動作する条件として車両の速度が停止直前の車速領域にあることが開示されている。これは車両の速度が残っている状態で機械ブレーキを動作させると、急ブレーキを掛けた場合と同様のショックを受けるためである。また、同時に機械ブレーキの磨耗も激しくなり、コスト増加に繋がるといえる。従って、機械ブレーキが動作する場合にはできるだけ車両の速度が低いことが望ましい。

特開２００２−３４５１０３号公報（(００５０)段落から(００５９)段落の記載内容。）

しかし、電動機の回生動作により車両の速度を低下させて、機械ブレーキを車両の速度が低い状態で動作させることは、以下のような理由で難しさが伴う。

第一に、車両の質量や路面の傾斜に応じて車両の減速特性が変化する。これは、重力の影響により路面と平行な方向に車両が受ける力が車両の質量と、路面の傾斜によって変化し、車両全体の受ける力が変化するためである。例えば、上り坂の路面を車両が走行している場合は車両は重力の影響で後方に力を受けるために減速が早くなり、逆に下り坂の路面を車両が走行している場合は前方に力を受けるために減速が遅くなる。すなわち、車両の質量や路面の傾斜に応じて車両の速度が低下するのに掛かる時間が変化するため、機械ブレーキを動作させるタイミングも同様に変化させる必要がある。

第二に、車両の速度が低い状態を維持することが困難である。これは、電動機の出力するトルクに応じて車両に発生する駆動力あるいは制動力が重力の影響により路面と平行な方向に車両が受ける力と通常は釣り合わないためである。すなわち、車両の質量や路面の傾斜に応じて、車両の速度が低い状態が維持される時間が変化する。そのために、条件によっては車両の速度が低い状態が短時間しか維持されないようなケースが生じ、そのような場合にはその短時間のうちに機械ブレーキを動作させる必要がある。

第三に、機械ブレーキを動作させる指令を出力するタイミングと実際に機械ブレーキが動作するタイミングには時間差が生じるために、その時間差を考慮した上で機械ブレーキを動作させる指令を出力する必要がある。

以上のように、車両の質量や路面の傾斜や機械ブレーキの応答速度の条件によっては、機械ブレーキを車両の速度の低い状態で動作させることには困難さを伴う。

本発明はこれらの条件に依存することなく、常に機械ブレーキを車両の速度の低い状態で動作させることを目的とする。

本発明の電気駆動車両では、車輪を駆動あるいは制動するための電動機と前記電動機を制御する電動機制御器を備え、走行中の車両を停止させる場合に車両の走行速度が所定の速度未満の領域になると前記電動機の出力するトルクが所定のレベルに向かって変化し、前記所定レベルが車両の質量と、車両が走行している路面の傾斜角度に応じて異なる。本発明の電気駆動車両では、重力の影響により車両が傾斜した路面と平行な方向に受ける力と釣り合うような駆動力あるいは制動力を車両に発生させる。

本発明によれば、車両の速度を低く保った状態を維持することが可能となり、機械ブレーキ投入時のショックや機械ブレーキの磨耗を抑制できる。

以下、本発明の詳細を図面を用いながら説明する。

以下、本実施例を図面に基づいて説明する。図１は、本実施例による電気駆動車両の制御装置の全体構成を示す。図１において、電動機２がギア３を介して車輪４を駆動し、車両を前進あるいは後進させる。電動機２は、電動機制御器３２によって制御され、電動機制御器３２が備えている電力変換器１で電動機２を駆動する。電流検出器５は電力変換器１と電動機２との間に配置されており、電力変換器１と電動機２との間に流れる電流を検出する。速度検出器６は電動機２に接続されており、電動機２の回転速度を検出することで車両の走行速度を検出する。なお、検出する車両の走行速度は速度検出器６を用いずに電動機２の回転速度の推定演算によって求めても良い。機械ブレーキ７は例えばディスクブレーキあるいはドラムブレーキであって、車輪４を制動して、車両を減速させる。

アクセル開度検出器８は、運転者のアクセル操作に応じたアクセルペダルの開度を検出し、ブレーキ開度検出器９は運転者のブレーキ操作に応じたブレーキペダルの開度を検出する。

要求トルク指令演算器１０は、アクセル開度検出器８が出力するアクセル開度検出値と、ブレーキ開度検出器９が出力するブレーキ開度検出値と、速度検出器６が出力する速度検出値とから決定されるトルク指令を、要求トルク指令として出力する。

停止トルク指令演算器１１は、トルク指令演算器１３が出力するトルク指令と、速度検出器６が出力する速度検出値と、質量検出器１２が出力する、積荷を含む車両全体の質量検出値とから、走行中の路面で車両を停止させる時に電動機２が出力すべきトルク指令を停止トルク指令として出力する。

トルク指令演算器１３は、要求トルク指令演算器１０が出力する要求トルク指令と、停止トルク指令演算器１１が出力する停止トルク指令と、速度検出器６が出力する速度検出値とから、トルク制御器１４へ与えるトルク指令と、車体を停止させる時に電動機２が出力するトルクの目標値とする目標トルク指令とを出力する。

トルク制御器１４は、トルク指令演算器１３が出力するトルク指令と、電流検出器５が出力する電流検出値と、速度検出器６が出力する速度検出値とから、電動機２が出力するトルクとトルク指令演算器１３の出力するトルク指令とが一致するように、ＰＷＭ制御により電力変換器１へのゲートパルス信号を出力する。電力変換器１はゲートパルス信号を受け、ＩＧＢＴ等の電力半導体スイッチング素子を高速にスイッチングさせて、高い応答速度でトルク制御を実現する。

機械ブレーキ制御器１５は、要求トルク指令演算器１０が出力する要求トルク指令と、トルク指令演算器１３が出力するトルク指令と、目標トルク指令とを入力し、機械ブレーキ７へ与える機械ブレーキ動作指令を出力する。機械ブレーキ７は、機械ブレーキ制御器１５が出力する機械ブレーキ動作指令に従って、車輪４を制動する。

要求トルク指令演算器１０の動作について説明する。図２に要求トルク指令演算器１０の出力特性を示す。図２に示すように要求トルク指令は、アクセル開度検出器８の出力するアクセル開度検出値と、ブレーキ開度検出器９の出力するブレーキ開度検出値と、速度検出器６の出力する速度検出値との関数で与えられる。アクセルペダルが操作される場合は、要求トルク指令は正の値として出力される。また、ブレーキペダルが操作される場合は、要求トルク指令は負の値として出力される。ただし、アクセルペダルとブレーキペダルの両方のペダルが操作される場合は、ブレーキペダルの操作が優先される。また、アクセル開度検出値あるいはブレーキ開度検出値が大きいほど、要求トルク指令の絶対値は大きくなり、速度検出値が大きいほど要求トルク指令の絶対値は小さくなる。

停止トルク指令演算器１１の動作について説明する。機械ブレーキ７をできるだけ車両の速度が低い状態で動作させるためには、電動機２が車両に発生させる駆動力あるいは制動力と、重力の影響により車両が路面と平行な方向に受ける力とが、できるだけ釣り合うようにしながら車両を停止させることが望ましい。そこで、本実施例では停止トルク指令演算器１１が、走行中の路面で車両が停止する場合に、電動機２が出力すべきトルクの推定演算を常時行う。図３に停止トルク指令演算器１１の構成例を示す。図３で、符号１６と１７はゲイン、１８は乗算器、１９は加算器、２０は減算器、２１はハイパスフィルタである。図３に示すように、トルク指令演算器１３が出力するトルク指令と、速度検出器６が出力する速度検出値と、質量検出器１２が出力する質量検出値を停止トルク指令演算器１１に入力し、予め定められた電動機２の慣性モーメントを用いて、走行中の路面で停止する場合に電動機２が出力すべきトルクを推定する。

速度検出器６が出力する速度検出値と、トルク制御器１４へ与えるトルク指令と、機械ブレーキ制御器１５の出力する機械ブレーキ動作指令との関係について説明する。図４にこれらの関係を表すタイムチャートを示す。速度検出器６の検出する速度検出値が設定値Ｖ^* 以上の領域では、トルク指令演算器１３は、要求トルク指令演算器１０が出力する要求トルク指令をそのままトルク指令として出力する。本実施例では、速度検出値の設定値Ｖ^*を、車両の速度が１km／ｈ〜０.１km／ｈ に相当する値、好ましくは０.７km／ｈ〜０.２km／ｈに相当する値に設定した。

一方、速度検出器６の検出する速度検出値が設定値Ｖ^* 未満の値になり、かつ要求トルク指令が負であれば、トルク指令演算器１３は車両を停止させる制御を開始する。まず、トルク指令演算器１３は、その時点における停止トルク指令演算器１１が出力する停止トルク指令Ｔ^**を、目標トルク指令として記録する。次に、トルク指令演算器１３は、その時点で出力しているトルク指令Ｔ^* から一定の時間ｔ₁ をかけて目標トルク指令Ｔ^**になるまで変化させる。トルク指令演算器１３の出力するトルク指令が、目標トルク指令Ｔ^**に到達すると、トルク指令演算器１３は、出力するトルク指令を目標トルク指令Ｔ^**で保持する。機械ブレーキ制御器１５は、トルク指令演算器１３の出力するトルク指令と目標トルク指令Ｔ^**とを比較し、トルク指令が目標トルク指令Ｔ^**に到達した時点で、機械ブレーキ動作指令をＯＦＦからＯＮに変更し、機械ブレーキ７を動作させる。トルク指令演算器１３は機械ブレーキ動作指令がＯＮになってから一定の時間ｔ₂ の間はトルク指令を目標トルク指令Ｔ^**で保持するが、その後目標トルク指令Ｔ^**から一定の時間ｔ₃ をかけて０になるまで低減する。

図４に示したタイムチャートを実現するためのトルク指令演算器１３の構成を、図５に示す。図５で、符号２２は停止制御判定値演算器、２３は停止制御状態判定器、２４は目標トルク指令演算器、２５はトルク指令調整器である。停止制御判定値演算器２２は、要求トルク指令演算器１０が出力する要求トルク指令と、停止トルク指令演算器１１が出力する停止トルク指令とから設定値Ｖ^* を出力する。設定値Ｖ^* はトルク指令演算器１３が出力するトルク指令を停止トルク指令まで一定レートで変化させた時に、車両速度が零になるような車両速度を、停止制御判定値演算器２２が常時演算することで設定される。

停止制御状態判定器２３は、速度検出器６の出力する速度検出値が、停止制御判定値演算器２２が出力する設定値Ｖ^* 未満であり、かつ要求トルク指令演算器１０が出力する要求トルク指令が負であれば、車両を停止させる制御を開始するために、停止制御状態判定器２３が出力する停止制御状態信号を、ＯＦＦからＯＮに変更する。停止制御状態信号の判定に要求トルク指令の符号を用いる理由は、要求トルク指令が正であれば運転者がアクセルペダルを踏んでいる状態であり、車両を停止させる制御を行う必要がないことによる。

目標トルク指令演算器２４は、停止制御状態判定器２３が出力する停止制御状態信号がＯＦＦからＯＮに変化した時に、停止トルク指令演算器１１が出力する停止トルク指令を保持し、その値を目標トルク指令として出力する。出力された目標トルク指令は、車両を停止させる制御を行う時にトルク指令演算器１３が出力するトルク指令の目標値となる。このように停止制御状態信号がＯＦＦからＯＮに変化した時の停止トルク指令を目標値とする理由は、できるだけ車両を停止させる制御を開始する直前に推定した停止トルク指令を目標値とすることで、車両が完全停止するまでに生じる路面の変化の影響を受けにくくするためである。

トルク指令調整器２５は、停止制御状態判定器２３が出力する停止制御状態信号に応じて、出力するトルク指令を調整する。停止制御状態信号がＯＦＦの時は、要求トルク指令演算器１０が出力する要求トルク指令をそのままトルク指令として出力するが、停止制御状態信号がＯＮになると、目標トルク指令演算器２４が出力する目標トルク指令に向かって一定レートで出力するトルク指令を変化させて、出力するトルク指令が目標トルク指令に到達するとその値を一定時間保持し、その後出力するトルク指令を０まで一定レートで変化させる。

本実施例では、以上のような構成により、車両を停止させる場合に、路面の傾斜などによる重力の影響によって車両が受ける力と釣り合うような駆動力あるいは制動力を、電動機２が車両に発生させることができ、車両の速度を低く保った状態を維持しながら機械ブレーキ７を動作させることが可能となる。その結果、機械ブレーキ投入時のショックや機械ブレーキの磨耗を抑制できる。

図６に、本実施例による電気駆動車両の制御装置の全体構成を示す。本実施例は、図６に示すように、電動機制御器３２が傾斜検出器２７を備え、質量検出器１２が出力する質量検出値と、傾斜検出器２７が出力する傾斜検出値とを停止トルク指令演算器２６に入力し、停止トルク指令演算器２６が停止トルク指令を出力すること以外は、実施例１と同じである。

図７に停止トルク指令演算器２６の構成例を示す。質量検出器１２が出力する質量検出値と、傾斜検出器２７が出力する傾斜検出値とが得られれば、車両に作用する傾斜路面に平行な方向の力を求めることができる。そこで、図７に示すように、例えば傾斜検出値が水平に対する傾斜角の値θを、ＳＩＮ演算器２８に入力して対応するsinθ を算出し、質量検出値を乗算器２９で乗算し、乗算した結果をゲイン３０を通して停止トルク指令とする。本実施例ではこのような構成で、走行中の路面に車両を停止させる場合に電動機２が出力すべきトルクを求める。

図８は本実施例による車両の全体構成を示す。図８において、後輪側は駆動輪であり、前輪側は従動輪となる。図８に示すように、電動機制御器３２に備えた電力変換器１で、車体３１の後輪側の左右の電動機２を駆動して、車両を前進あるいは後進させる。また、左右の電動機２はそれぞれ独立に制御することが可能であり、車両に発生させる駆動力あるいは制動力の左右の配分を運転者のハンドル操作に応じて調節することも可能である。また、機械ブレーキ７は全ての車輪４に備え付けられ、同時に制御される。

図８に示す本実施例の車両は、実施例１や実施例２に記載した電動機制御器３２を備えているので、乗客あるいは搭載する貨物を含めた車両の全質量や、路面の傾斜や、機械ブレーキの応答速度などの条件に依存することなく、常に機械ブレーキ７を車両の速度の低い状態で動作できる。

実施例１の電気駆動車両の制御装置の構成図。 実施例１の要求トルク指令演算器の出力特性図。 実施例１の停止トルク指令演算器の構成図。 実施例１の速度検出値とトルク指令と機械ブレーキ動作指令の関係の説明図。 実施例１のトルク指令演算器の構成図。 実施例２の電気駆動車両の制御装置の構成図。 実施例２の停止トルク指令演算器の構成図。 実施例３の電気駆動車両の構成図。

符号の説明

１…電力変換器、２…電動機、３…ギア、４…車輪、５…電流検出器、６…速度検出器、７…機械ブレーキ、８…アクセル開度検出器、９…ブレーキ開度検出器、１０…要求トルク指令演算器、１１、２６…停止トルク指令演算器、１２…質量検出器、１３…トルク指令演算器、１４…トルク制御器、１５…機械ブレーキ制御器、１６、１７、３０…ゲイン、１８、２９…乗算器、１９…加算器、２０…減算器、２１…ハイパスフィルタ、２２…停止制御判定値演算器、２３…停止制御状態判定器、２４…目標トルク指令演算器、２５…トルク指令調整器、２７…傾斜検出器、２８…ＳＩＮ演算器、３１…車体、３２…電動機制御器。

Claims (1)

1. 車輪を駆動あるいは制動する電動機と、該電動機を制御する電動機制御器と、前記車輪
   を制動する機械ブレーキと、該機械ブレーキの制御装置とを備えた電気駆動車両において
   、
   前記電動機制御器が、要求トルクを演算する要求トルク指令演算器と、停止トルク指令
   演算器と、前記要求トルクに基づいてトルク指令を演算するトルク指令演算器とを備え、
   前記電動機は前記トルク指令によって制御されるものであって、
   前記停止トルク指令演算器が、車両質量値，速度値及び前記トルク指令に基づいて前記電動機が車両停止時に出力すべき停止トルクである停止トルク指令を演算し、
   前記トルク指令演算器が、速度が所定値まで減速されたときの前記停止トルク指令演算器が出力する停止トルク指令を目標トルクとして記憶し、速度が前記所定値となった以後前記トルク指令を徐々に増加させ、前記トルク指令が前記目標トルクになった後の所定時間は前記トルク指令を前記目標トルクに維持し、前記所定時間の後に徐々に前記トルク指令を０になるまで増加させ、
   前記機械ブレーキの制御装置が、前記トルク指令が前記目標トルクになったときに、前記機械ブレーキの作動を開始させ、その後、機械ブレーキの作動を維持することを特徴と
   する電気駆動車両。

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