JP5325370B2 - 電気駆動部を持つ車両を制動及び停止させる方法 - Google Patents

Description

本発明は、概略的には電気駆動システムを持つ車両に関し、より具体的には、電気駆動部を用いて車両を制動及び停止させる方法及び装置に関する。

電気自動車及びハイブリッド電気自動車の最近の構成の多くは、動作効率を高めるために、回生制動システムを用いている。通常は一つ又は複数の駆動輪を駆動する電気モーターが、制動中に発電機として動作するように切り換えられる。電気駆動モーターは、車両の運動量と運動エネルギーを用いて、バッテリーやウルトラ・キャパシターのような車載のエネルギー蓄積システム、電動アクセサリー又は他の車載電動補助システムを再充電するのに用いられる電力を発電する。

回生制動システムは特に、加減速が繰り返される走行パターンが一般的である市街走行中にエネルギーを回収するのに有効である。回生制動を採用する電気自動車は、従来の摩擦ブレーキを、この摩擦ブレーキと回生ブレーキとの２つの制動動作をドライバーが判らないように組み合わせて適切な制動能力を提供する車両制御システムと共に用いるのが一般的である。通常、そのような制御システムは、車両を完全に停止させるために摩擦ブレーキが徐々に作用し始める所定の一定速度に車両が減速するまで、回生制動を実行するように電気モーターのトルクを制御する。

上述の二つの制動を用いる方法は、ある種の電気駆動構成には最適でない場合があり、また、摩擦制動構成部品を完全に無くすことが望ましい構成には適切ではない場合がある。例えば、一軸の車輪のみに摩擦ブレーキを備える二軸車両においては、摩擦ブレーキを備えない車軸を完璧に制動するための電気手段を設けることが明らかに望ましい。ある種の構成においては、摩擦ブレーキの使用を完全に避けることが望ましく、それ故に、適切な制動力を得るのに電子的手段の使用を必要とする場合がある。全輪に摩擦ブレーキが備えられている構成においてさえも、摩擦ブレーキが何らかの理由で意図的又は偶発的に休止させられる場合には、各車軸に非摩擦式の電気制動を備えることが望ましい。

従って、この分野では、車両のモーター駆動部、車軸及び車輪の構成に関わらず、速度ゼロまでの全ての速度において車両に非摩擦式の制動を提供することのできる、電気駆動システムを持つ車両のための制動システムが必要である。本発明は、この必要性を満足することを目的としている。

摩擦ブレーキの必要がなく、又は少なくとも一つの車輪における摩擦ブレーキの必要性を低減させた、電気駆動システムを備えた車両を減速及び制動するシステムが提供される。制動による車両の減速は、車両に伝達され且つ速度をゼロまで減速させることができる負トルクを発生させるように電気駆動モーターを制御することによって達成される。傾斜面において車両の停止位置を維持するために、電気駆動モーターは、速度がゼロのときに、傾斜の方向に応じて、小さく且つ相殺される大きさの正又は負トルクを発生するように制御される。このシステムはまた、摩擦ブレーキを備えた車両のためのバックアップ制動システムとして、又は摩擦ブレーキを備えない車軸の補助制動を行なうために用いることもできる。

本発明の利点の一つは、従来の摩擦ブレーキに対する必要性を低減させた制動システムを用いることができるということである。別の利点は、本発明の制動システムが、車両を速度ゼロまで減速させることができ、また、電気駆動部の速度制御ループを用いて、傾斜面のような様々な走行条件の下で、車両を完全停止させた状態に維持することができるということにある。更なる本発明の利点は、従来の摩擦ブレーキに対する必要性を完全に無くすことができるということである。

本発明の第１実施形態によれば、電気モーターにより駆動される少なくとも一つの駆動輪を持つ車両を制動及び停止させる方法が提供される。車両の速度に関連する速度パラメーターを検出し、命令された制動率を検出し、検出された速度パラメーターと命令された制動率を用いてモーター制御信号を生成し、電動モーターを用いて負トルクを発生させ、負トルクを用いて駆動輪へ制動力を作用させ、そして、命令された制動率を得るためにモーター制御信号を用いて電気駆動モーターにより発生させられる負トルクの量を制御することによって制動及び停止が達成される。モーター制御信号には、トルク命令信号、速度命令信号又はこれら２つの信号の組み合わせが含まれ得る。トルク命令信号は、車両が予め選択された速度に減速するまで、モーターを制御するのに用いることができ、車両が予め選択された速度まで減速した後は、続いて、速度命令信号がモーター制御に用いられる。モーター制御信号は、車両のブレーキ・ペダルとアクセル・ペダルの位置により決定されるトルク命令に基づく。検出された速度パラメーターには、駆動モーターの速度、少なくとも一つの車輪の速度、又はこれら検出速度の組み合わせのいずれかが含まれ得る。

本発明の第２実施形態によれば、少なくとも一つの駆動輪を駆動する電気モーターによって車両を制動及び停止させるシステムが提供される。システムは、その速度命令が速度ゼロ信号である閉ループの速度制御ループを含む。この閉ループ・システムは、両極性のトルク限界信号対によって、このシステムから出力する制御信号（電気駆動部へのトルク命令信号）を補正することを特徴とする。限界信号対は、アクセル・ペダル及びブレーキ・ペダルを入力とする車両システム制御器により得られるトルク命令から直接導かれる。車両システム制御器のトルク命令は、より高速での駆動と減速に用いることができるが、トルクが制限された速度制御ループは車両を停止するために用いられる。

これらの限定するものではない特徴は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明の詳細を考慮することにより、本発明の他の利点と共に、より良く理解され得る。本明細書においては、図面への参照が頻繁になされる。

本発明は、電気モーターを含む電気駆動システムを備える車両を減速、制動及び停止させるための方法及び装置に関する。一般的な電気駆動システム10が図１に示されている。車両のシャシーに取り付けられた電気モーター12は、一つ又は複数の駆動輪20を持つ駆動軸18へデファレンシャル・ギア機構16を介して接続される出力ドライブシャフト14を有する。モーター12を駆動するエネルギーは、DC電力を供給する車載蓄電池22から導かれる。このDC電力は、インバーター24によってモーター12を駆動するのに用いられるAC電力へ変換される。尚、ここではACモーター12が開示されているものの、本発明は、様々なDCモーター及び複相ACモーターに適している。車両制御システム26は、エネルギー蓄積装置及び駆動装置の作動を調整及び制御し、充電、エンジン始動及び停止、そして回生制動のようなシステムの機能を管理する。車両制御システム26は、ソフトウェア及び、様々な車載センサー28から導かれる入力情報そしてアクセル・ペダル及びブレーキ・ペダルの位置情報30を用いて、様々な公知の制御を実行することができる。単一のモーター12のみを用いる駆動システム10が示されているものの、本発明は、複数の電気モーター、代替燃料源および少なくとも一つの電気駆動モーターを用いるハイブリッド構成を用いる駆動システムに用いることもできる。更に、モーター12は、車両の一つ又は複数の車輪に直接組み込まれる車輪モーターの形態とすることもできる。本発明を記載する上で、駆動輪へ作用される「負トルク」とは、車両の運動に対抗するトルクを意味し、駆動輪へ作用される「正トルク」は、車両の運動に沿うトルクを意味する。

車両制御システム26は、アクセル・ペダル及びブレーキ・ペダルの位置30に基づき、極性と大きさを持つトルク命令又は速度命令のいずれかをモーター12へ供給することができる。トルク命令は、所望の進行方向として選択されるドライブ・レンジとリバース・レンジの両方において、正又は負のいずれかとなり得、この分野で公知のように、正命令の場合は推進トルクとなり、負命令の場合は制動若しくは減速トルクとなる。ペダル位置の関数としてトルク命令と速度命令の両方を発生する態様の詳細は、特定の車両構成に応じて異なり、そしてこの分野で周知の各種制御方法に基づくことになる。制御システム26が発生するトルク又は速度命令が、インバーター24へ供給され、駆動軸18により駆動輪20へ伝達される正トルクをモーター12に発生させる。制御システム26は、アクセル・ペダルとブレーキ・ペダルの位置30に基づき、モーター12を回生モードへ切り換え、回生モードでは、モーター12が発電機として機能し、車両の運動エネルギーを、バッテリー22を再充電するのに用いられる電気エネルギーへと変換する。回生制動中、モーター12は、負トルクを発生する。

モーター12が発生する負トルクと、車両の摩擦ブレーキが発生する負トルクとの間の関係は、車速の関数としてモーター12のトルクを摩擦ブレーキのトルクと共に示す図２を参照することによって良く理解される。図２のグラフは、車両の少なくとも一つの電気駆動モーターにより行なわれる回生制動に加えて、少なくとも一つの車輪に摩擦ブレーキを備える一般的な車両に対応する。制動トルクの異なるモードが、それぞれ領域1、領域2及び領域3として示された3つの分割された領域において実行される。領域1に示されたより速い車速では、領域2の開始時点である摩擦ブレーキが作用して摩擦制動トルク34が発生する速度となるまで、回生制動による電気駆動トルク命令32が発せられる。摩擦制動トルク34が増大すると、制動トルクが摩擦ブレーキの結果とみによって生じる領域3に到達するまで、電気駆動トルク命令32は減少していく。領域3において、摩擦制動トルク34は、一定値に到達し、トルク命令32により発生させられる電気駆動トルクはゼロである。

本発明によれば、摩擦ブレーキにより供給される制動トルクを用いることなしに、モーター12により発生される負トルクを用いて、速度ゼロ（完全停止）となるまで車両を減速させることができる。

本発明の手法の一つによれば、車両制御システム26は、図３に示されるような負トルク32を命令する信号をモーター12へ出力する。これにより、予め選択された速度まで減速して、そこから負トルクがゼロへと減少していく。命令されたトルク信号32により発生される実際の電気駆動トルクは符号36により示され、命令されたトルク・カーブ32に近接して追従していくことがわかる。このように、この第１の手法によれば、車両を減速及び停止させるのにトルク制御のみが用いられる。この手法は、基本的に水平面上での車両動作に適したものである。上り坂又は下り坂となる標高変化又は勾配がある場合には、略停止した後で、車両が少しだけ動く可能性がある。そうすると、システムは、車両の速度に反応して減速させることになるが、ある程度以上の地面（標高又は勾配）の傾斜が存在するならば、この手法では速度ゼロに完全に保持することはできない。従って、この手法を用いる際には、車両を静止位置で確実に保持するために、手動で又は電子制御部を介して自動的に作動する、車両のパーキング・ブレーキを適用することが必要となる可能性がある。

別の手法によれば、前述のトルク制御モードを用いて、モーター12によって負トルクが発生し、予め選択された速度まで減速する。それに続いて、モーター12は、速度命令がゼロか、又はアクセル・ペダル及びブレーキ・ペダル位置の入力30により決まる別の速度命令を用いる速度制御モード12へと切り換えられる。図４は、第2の手法をより明示する、トルクと速度の関係のグラフである。トルク制御モード56を用いる高速においては、制御が速度制御モード58へと切り換えられる、予め選択された速度に減速するまで、実際の電気駆動トルク52は比較的一定である。速度制御の結果、実際の駆動トルク52は、切り換わり点54から車両が完全に停止する速度ゼロまで減少していく。この手法では、車両が比較的大きな勾配の傾斜上で停止する際に、速度がゼロ近くになったときには、この手法を実行するために用いられる速度制御ループが、その勾配に対抗するのに充分なトルクを発生するため、車両を適切に保持することができる。

望ましい場合には、モーター12は、減速及び停止過程の全体にわたり、ペダルの位置30に基づいて、速度ゼロ又は別の速度の速度命令を用いて速度制御モードで作動させることもできる。図５は、速度制御動作モードのみを用いて実行される減速及び停止過程中の実際の電気駆動トルクを示すグラフである。実際の負トルク60は、速度が減少するにつれて、より穏やかに減少することがわかる。さらに、実際のトルク60が、速度ゼロにおいて僅かに正になることがわかる。この速度ゼロにおける僅かな正のトルクは、車両が僅かに正又は上向きの勾配の傾斜上にある状況に対応する。残留する僅かな量の正トルクが車両を停止位置に維持し、傾斜を相殺する。同様に、車両が下向き勾配の傾斜に停止するときは、その傾斜上で車両の位置を維持するために、少量の負トルクが速度ゼロにおいて作用する。

用途及び車両構成によっては、アクセル・ペダル及びブレーキ・ペダルの入力30を速度命令に変換することは都合が悪い場合もある。この可能性に対処するために、本発明による更なる手法が提供され、それが図６のブロック図に示されている。アクセル・ペダル及びブレーキ・ペダルの位置62, 64が、トルク命令発生器66によってトルク命令へと変換される。このようなトルク命令は、車両の動作状態に応じて、負である場合と正である場合とがある。トルク命令は、両極性信号（二状態すなわち状態1と状態2）へと、両極性信号発生器68により変換される。両極性信号発生器68は、正の限界値70又は負の限界値72のいずれかを有して、電気駆動システム10を制御するために用いられるトルク命令信号74をさらに制御する両極性トルク・リミッターとして用いられる。

速度制御ループは、限界値70, 72により制限されたトルク命令信号74を電気駆動部10へ出力する動的補正器38を含む。電気駆動部10は、トルク50とモーター速度48を発生する。モーター速度48は、フィードバック・ループ46にフィードバックされ、比較器40において、モーター速度命令（通常は速度ゼロ）と比較され、その誤差情報が動的補正器38へと供給される。動的補正器38からは、限界値70, 72の影響を受けたトルク命令信号74が出力される。それゆえ、トルク命令信号74は上限、下限が制限されている場合がある。こうして生じたトルク命令信号74は、電気駆動部10に対する最終的なトルク命令信号である。速度制御ループの機能の一つは、閉ループ制御動作によりモーター12の速度をゼロまで低下させる機能を持つ電気駆動トルク命令を発生するということである。この速度制御ループの動作のために、前記のように、速度ゼロ及びその近くにおけるトルクは、車両の前進運動に対抗する勾配があるならば正（駆動方向に対応する）となる一方、車両の前進運動に沿う勾配があるならば負となる。図６からわかるように、トルク制御ループは、モーター速度48を命令されたモーター速度と組み合わせられるようにループ46へフィードバックする速度制御ループの中にある。命令されるモーター速度は、目標車両速度をギヤ機構16（図１）に関連する適切な変速比を掛けた値である。動的補正器38の初期状態は、トルク制御から速度制御への移行する直前のトルク命令値に設定されるべきである。ここで、ブレーキ・ペダルが充分な大きさ踏み込まれていないときは、トルク制限の大きさは小さいものとなり、そして発生される電気駆動トルクは、モーター速度と車速をゼロにするには充分なものとはならない。この場合において、車両ドライバーは、速度ゼロを得るために、ブレーキ・ペダルを更に踏み込むことになる。同様に、車両が急勾配で停止させられたとき、車両を完全に停止させ、そして／又は停止状態を維持するために、ブレーキを充分に、場合によっては完全に踏み込む必要がある。ペダル・センサーによる出力としてトルク命令が符号を変えるとき、速度ループは終了させられる。ここで、ドライバーが充分にブレーキ・ペダルを踏み込まず、かつ、上述のトルク制限機能が用いられなければ、車両は速度制御機能の使用のみにより勾配上に保持され得ることが理解されるはずである。言い換えると、図６の閉ループ・システムのトルク命令信号74が限界値70, 72によって制限されないならば、そのときは、ブレーキが充分に踏み込まれていないとしても、システムは勾配上で速度ゼロを達成し、維持することが可能となる。

上述の制御手法のそれぞれにおいては、電気駆動トルクの符号が負であるとしても、低速においては回生制動を行うことはできない。駆動システムにおける一定の損失のために、生成されるトルクが負であっても、バッテリーはゼロ近くの速度において電力を供給していることになる。更に、速度制御ループの作動のために、速度ゼロ及びその近くにおけるトルクは、車両の前進運動に対抗する勾配があるならば正（駆動方向に対応）となり、車両の前進方向に沿う勾配があるならば負となる。

車両と電気駆動構成によっては、ゼロ近くの速度において、モーター速度信号の少しだけ不正確となる場合がある。これは、部分的には、モーター速度エンコーダーの動作に起因するノイズと量子化効果により起こり得る。このため、用途によってはモーター速度の検出を改良することが望まれ、この点に関し、速度検出精度を向上するための手法が図７に示されている。複数の車輪速センサーWSS#1〜WSS#4が、制御過程で用いられる速度信号を生成するために、モーター速度センサー84と組み合わせて用いられる。車輪速センサー情報は、加算器76において組み合わせられそして平均化され、倍率器78においてモーター12と車輪20との間の減速比に関連する係数が掛けられる。平均化そして倍率化された車輪速度情報は、加算器80においてモーター速度84に加えられ、そしてブロック82において1/5の係数を掛けられる。その結果としての優れた精度を持つモーター速度値が、フィードバック信号ループ46（図６）において用いられる。

図８は、トルク制御システムが組み込まれている単純化された速度制御ループを示す。この実施形態において、トルク制御ループは、速度制御ループ内のループであり、モーター速度は計測されフィードバック信号として用いられる。命令されたモーター速度は、所望の車速に適切な変速比を掛けたものである。図８に示された速度制御ループが用いられる本発明の実施形態において、先に図７に示されたのと同じ手法を、モーター速度を得るために用いることができる。

先の説明から明らかなように、少なくとも一つの駆動輪を持つ車両を制動及び停止させる新規な方法が提供される。その方法は、車両の速度に関連した速度パラメーターを検出する工程、命令された制動率を検出する工程、検出された速度パラメーターと命令された制動率を用いてモーター制御信号を発生させる工程、電気モーターを用いて負トルクを発生させる工程、負トルクを用いて制動力を駆動輪へ作用させる工程、及び、命令された制動率を得るために、モーター制御信号を用いて電気モーターにより発生させられる負トルクの量を制御する工程、を含む。モーター制御信号は、動力命令信号又は力命令信号とすることができる。

今まで述べてきた特定の方法及び手法は、単に本発明の原理の応用を示すものに過ぎないことが理解されるはずである。例えば、モーターのトルク容量が限られているならば、本発明の方法は、小型化し得る場合とし得ない場合とがある摩擦ブレーキと組み合わせて利用することができる。更に、本発明は、少なくとも一つの車輪における摩擦ブレーキを無くすことを求めるものではない。本発明の真の思想及び範囲から逸脱することなしに、上述の方法及びシステムに対する多くの変更をなすことができる。

車両のための電気駆動システムのブロック図である。 電気制動システムと摩擦制動システムを組み合わせて備える車両において生成される制動トルクを速度の関数として示すグラフである。 本発明の実施形態の一つである電気制動システムを備えた車両における命令トルクと実際の電気駆動部制動トルクを速度の関数として示すグラフである。 本発明の別の実施形態により生成される実際の電気駆動制動トルクを速度の関数として示すグラフである。 本発明の更に別の実施形態により生成される実際の電気駆動制動トルクを速度の関数として示すグラフである。 本発明に係る、両極性信号と速度制御ループによるトルク制限を含む電気駆動車両を制動及び停止させるシステムのブロック図である。 平均化されたモーター速度を得るシステムのブロック図である。 本発明において用いられる、トルク制御システムが組み込まれた速度制御ループのブロック図である。

符号の説明

12 電気モーター
20 駆動輪
30 アクセル・ペダル及びブレーキ・ペダル

Claims (9)

1. 電気モーターにより駆動される駆動輪を少なくとも一つもつ車両を制動及び停止させる方法であって、
   上記車両の速度に関連する速度パラメーターを検出する工程と、
   命令された制動率を検出する工程と、
   所望の制動動作を得るためのモーター制御信号を発生させる工程と、
   上記電気モーターを用いて、負トルクを発生させる工程と、
   上記電気モーターにより発生させられた上記負トルクを用いて、上記駆動輪へ制動力を作用させる工程と、
   上記命令された制動率を得るために、上記モーター制御信号を用いて、上記電気モーターにより発生させられた上記負トルクの量を制御する工程とを含み、
   上記モーター制御信号を発生させる工程は、
   上記車両が予め選択された速度まで減速するまで、上記モーターを制御するために用いられるトルク命令信号を発生させる工程と、
   上記車両が上記予め選択された速度まで減速した後で、上記モーターを制御するために用いられる速度制御信号を発生させる工程とを含み、
   上記制動力を作用させる工程は、摩擦ブレーキにより供給される制動トルクを用いることなしに、上記電気モーターによる負トルクを用いて、車両を速度ゼロとなるまで減速させる方法。
2. 上記モーター制御信号は、検出された上記速度パラメーター及び命令された上記制動率を用いて発生させられる請求項１に記載の方法。
3. 上記制動力を作用させる工程は、上記車両が停止するまで継続される請求項１又は２に記載の方法。
4. 上記モーター制御信号を発生させる工程は、上記車両のブレーキ・ペダル及びアクセル・ペダルの位置に基づき、トルク制御信号を発生させる工程を含む請求項１乃至３のいずれか１つに記載の方法。
5. 上記モーター制御信号を発生させる工程は、
   上記検出させられた速度パラメーターが予め選択された値に到達するまで、上記電気モーターにより発生される負トルクの量を制御するための負トルク制御信号を発生させる工程と、
   上記検出された速度パラメーターが上記予め選択された値に到達した後で、上記電気モーターの速度を制御するために用いられる速度制御信号を発生させる工程とを含む請求項１の方法。
6. 上記速度パラメーターを検出する工程は、
   上記モーターの速度を検出する工程と、
   上記車両の少なくとも一つの車輪の速度を検出する工程とを含む請求項１乃至５のいずれか１つに記載の方法。
7. 上記命令された制動率を検出する工程は、ブレーキ・ペダルの作動に関するパラメーターを検出する工程を含む請求項１乃至６のいずれか１つに記載の方法。
8. 上記モーター制御信号を発生させる工程は、
   トルク命令信号を発生させる工程と、
   速度命令信号を発生させる工程と、
   上記トルク命令信号を用いて上記速度命令信号を補正する工程とを含む請求項１の方法。
9. 上記速度パラメーターを検出する工程は、上記電気モーターの速度を表わすモーター速度信号を発生させる工程を含み、
   上記モーター制御信号を発生させる工程は、モーター制御フィードバック・ループにおいて上記モーター速度信号をフィードバックする工程と、そのフィードバックされた信号及び上記補正された速度命令信号を用いて上記モーターを制御する工程とを含む請求項８の方法。
   
   

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