JP5411708B2 - ハイブリッド車両または電気車両の電動機の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、駆動用に電動機を使用する車両に関し、とりわけ、電気車両および燃料電池装備車両がこれに含まれ、より詳細には、本発明はパラレルハイブリッド型車両に関する。

図１に概略的に示すように、パラレルハイブリッド車両は、熱機関１および電気機械ないし電動機２を備え、その組み合わせが、燃料消費の最適化および汚染防止を図りながら駆動を行うことを可能にする。

この種の車両は、熱機関、電動機のいずれか、またはその両方を用いて走行することができる。この種の車両は、熱機関と電動機の結合および分離を図るシステムを装備している。図１の例では、熱機関１と電動機２の間に挿入されたクラッチ３がこれに当たる。

これらの装置は一般にパワーユニット（ＧＭＰ）と呼ばれており、以下、この用語を使うことにする。

この種のパワーユニットでは、動力用バッテリ４により給電を受ける電動機２が、変速機６の入力軸ＡＰを直接駆動し、熱機関１はクラッチ３によってその入力軸ＡＰに結合される。

図１からわかるように、このパワーユニットは、熱機関の軸と剛結合したフライホール７をさらに備え、変速機６はその出力軸ＡＳを介して符号８で示す車輪を駆動する。

このパワーユニットの装置は、それぞれ専用の計算機によって操作されるが、その計算機も監視用計算機による制御を受けており、その監視用計算機が運転者の意図に応えるように決定を下し、命令を同期させる。これらの計算機については図示していない。

この監視装置はドライブトレインを操作し、走行モードについて決定を下し、移行段階の調整を行い、さらに、燃料消費の最適化および汚染防止を図るように動作ポイントの決定も行う。

図２および３には、入力軸ＡＰにかかるトルクの、ｔ＝１０秒の瞬間における不連続性が車両の加速度に及ぼす影響を示している。図２は、電気駆動のみのモードの場合に、入力軸で観測されるトルクの不連続性を示したものであり、図３は、熱機関と電動機による駆動モードの場合に観測される、トルクの不連続性を示したものである。

この不連続性は、ドライブトレインの回転速度、すなわち、車両の車輪に駆動力を伝達するドライブトレインの回転要素全体の回転速度に振動を生じる。

伝動要素の回転速度の振動は、車両の加速度の振動、すなわち車両のぎくしゃくした動きとなって現れ、搭乗者に不快を感じさせるものとなる。

図２および３の例では、そうした一連の振動がＣ１からＣ６までの曲線に現れているが、これらは、係合する変速段がそれぞれ１速、２速、３速、４速、５速および６速であるときの、ｔ＝１０秒の瞬間におけるトルクの不連続性による影響を示している。

これらの曲線が示すように、ドライブトレインの固有モードに対応する、これらの振動の周波数は、使用されるのが熱機関なのか電動機なのかによって異なるが、これは、クラッチがつながれているときの伝動装置の慣性が増大することによるものである。その周波数は、さらに変速機のどの変速段かによっても異なるが、これは減速比が変わることによるものである。

本発明の目的は、入力軸にかかるトルクの不連続性が、車両の加速度に及ぼす影響を減らすための解決策を提案することにある。

そのため、本発明は、車両、とりわけ自動車両の伝動軸を駆動する電動機の操作方法であって、その電動機が、その電動機に与えられるトルク指令値に相当する値をもつトルクを伝動軸に加える方法において、車両のドライブトレインの振動の、固有モードの周波数を含む周波数帯域で、帯域濾過型の処理を、伝動軸の瞬間回転速度を表す信号に適用することで得られる補正信号を減算することによって、トルク指令値が補正される方法を目的とする。

本発明は、さらに、上に定義するような方法において、濾過処理が、２つまたは３つの帯域フィルタをカスケード式に順次適用することを含む方法にも関する。

本発明は、さらに、上に定義するような方法において、補正信号の振幅が、係合する変速機の変速段に依存する方法にも関する。

本発明は、さらに、上に定義するような方法において、補正信号の振幅が、伝動軸に連結されたクラッチの入／切に依存する方法にも関する。

本発明は、さらに、上に定義するような方法において、濾過処理が、係合する変速段および／またはクラッチの入／切に依存する通過帯域をもつフィルタによって実施される方法にも関する。

本発明は、さらに、伝動軸を回転駆動する電動機と、上に定義する方法を実施する電動機の制御手段とを備える電気型車両にも関する。

本発明は、さらに、伝動軸を回転駆動する電動機と、熱機関および熱機関と伝動軸を結合または分離するためのクラッチと、伝動軸によって駆動される変速機と、上に定義する方法を実施するための制御手段とを備えるパラレルハイブリッド型車両にも関する。

以下では、本発明についてさらに詳しく、添付の図面を参照しながら説明する。

ハイブリッド車両のドライブトレインの概略図である。 入力軸にかかるトルクの不連続性が、車両の加速度に及ぼす影響を示すグラフである。 入力軸にかかるトルクの不連続性が、車両の加速度に及ぼす影響を示すグラフである。 図１のドライブトレインの機械的モデルを示す図である。 本発明による方法を実施するための、補正器の構成を示すブロック図である。 図５の補正器の帯域フィルタのボーデ線図である。 図５の補正器の通過帯域に満たない周波数の信号に対する、その補正器の効果を示す概略図である。 図５の補正器の通過帯域にある周波数の信号に対する、その補正器の効果を示す概略図である。 図５の補正器の通過帯域を超える周波数の信号に対する、その補正器の効果を示す概略図である。 不連続なトルクが加えられたときの、本発明による方法が実施された車両の加速度を示す図である。 図１０の状況で、電動機によって加えられる補正トルクを示すグラフである。

本発明の基本をなす考え方は、電動機の制御に手を加えることにより、パワーユニットなどによって生じる、トルクの不連続性による振動に対応するというものである。これは、電動機に与えられるトルク指令値を、リアルタイムに補正することによって行われる。ここでいうトルク指令値は、電動機によって入力軸ＡＰに加えられるトルクに対応するものである。

この補正は、車両がその加速度の振動を受ける場合、加速度が最大のときには電動機によって加えられるトルクを減らし、加速度が最小のときには増やすようにして行う。

本発明では、帯域フィルタとして機能する補正器によって処理される、入力軸の状態を表す信号から得られる補正信号を、トルク指令値から差し引くことによって行われる。

このフィルタの通過帯域は、所与の状況における車両のドライブトレインの振動に、固有モードの周波数が含まれるように選ばれる。それぞれの状況は、クラッチの入／切および変速機で係合する変速段によって規定されるものであり、決定された固有モードに対応する。

それぞれの固有モードの周波数は、図４に模式的に示したドライブトレインの機械的モデルに基づいて、以下のように決定される。

図４に記すように、以下の変数を定義する。すなわち、Ｃ_Ｍｔｈは熱機関によって加えられるトルクであり、Ｃ_ｍｅｌは電動機によって加えられるトルクであり、Ｃ_{Ｔｒａｎｓ}は伝動装置によって伝達されるトルクであり、Ｃ_Ｒｅｓは走行中の車両に与えられる抵抗トルクであり、Ｃ_Ｅｍｂはクラッチによって伝達されるトルクであり、Ｊ_Ｍｔｈは熱機関の慣性であり、Ｊ_ｍｅｌは電動機の慣性であり、Ｊ_Ｖｅｈは車両の慣性であり、ω_ａｐは入力軸の角速度であり、η_ｂｖは伝動装置の減速比である。トルクはＮ・ｍで、慣性はｋｇ・ｍ^２で、角周波数はｒａｄ／秒でそれぞれ表わされる。伝動装置だけは、車両のドライブトレインに沿って剛性をもつものと考えて、その剛性を表すＫ_{Ｔｒａｎｓ}と、Ｎ・ｍで表した伝動装置による減衰Ｆ_{Ｔｒａｎｓ}とをさらに定義する。

図４のモデルのパワーユニットのトルクの平衡から振動方程式（１）が導かれ、それについて、式（２）によって、固有モードの周波数が与えられる。すなわち、

次のように仮定すると、次式が得られる。

すると、

ドライブトレインの剛性定数がわかっていれば、固有モードの周波数は、等価慣性Ｊ_ｅｑに依存する。

Ｊ_ｅｑの式中の慣性Ｊ_ＧＭＰは走行モードに依存する。なぜなら、クラッチがつながっているときには、熱機関Ｊ_Ｍthの慣性が電動機Ｊ_melの慣性に加わるためである。また、Ｊ_ｅｑの式中にはη_ｂｖの項が入っていることから、Ｊ_ｅｑの値は係合する変速段にも依存する。

そのため、固有モードの周波数ｆ_ｎは基本的に、係合する変速機の変速段およびクラッチの入／切に依存し、したがって、取りうる固有角周波数の総数は、変速機の変速段の数の２倍となる。

そのため、係合するいずれかの変速段およびクラッチの入／切によって規定される、車両の所与の使用状況に関して、ドライブトレインによって伝達される速度は基本的に、係合する変速段およびクラッチの入切に依存する既知の周波数で振動すると想定される。

本発明では、入力軸ＡＰの状態を表す信号が補正器の入力端に入力されて、その補正器の出力端に補正信号が生成され、次いでその補正信号が電動機のトルク指令値から差し引かれる。

補正器は、中心周波数がドライブトレインの固有モードの周波数である周波数帯域をもつ帯域フィルタとして機能する。

入力軸の速度が、固有モードの周波数に近い周波数で振動するときは、補正信号は入力軸の瞬間状態を表す信号と同位相の振動信号である。

そのため、車両がその加速度の振動を受けるとき、補正信号は、加速度が最大のときには電動機によって加えられるトルクを減らし、加速度が最小のときにはそのトルクを増やし、そうすることで振動は速やかに減衰される。

車両が、ドライブトレインの固有モードの周波数から隔たった周波数、したがって補正器の通過帯域外の周波数をもつ加速度の振動を受けるときには、補正信号はゼロまたはほとんどゼロである。車両が加速度の振動を受けないときも同様である。

補正器は、好適には複数のカスケード式ブロックによって構成され、そのそれぞれが帯域フィルタとして機能する。ブロックがカスケード式に連続することで、遮断周波数、すなわち通過帯域に影響を生じることなく、濾過の次数（２次、４次など）、したがってボーデ線図の傾斜を変えることが可能となる。

しかし、過度な濾過は、処理すべき角周波数外での位相ずれを増大させ、狭い周波数帯で振幅を減少させることになる。さらに過度な濾過は、トルク指令値の状態のあらゆる変化に対して障害となるものであり、それによって電動機のトルク指令値の動力を損なうことにもなる。

２つまたは３つの連続するブロックであれば、濾過の精度とトルク指令値の反応時間基準の折り合いがつけられることがわかっている。ブロック２つまたは３つの、いずれの補正器とするかの選択は、較正段階を終えたところですることができる。

３つのブロックを備える、この種の補正器を図５に概略的に示す。この図では、３つのブロックにはそれぞれＤＴ１、ＤＴ２およびＤＴ３の符号が与えられており、補正器そのものにはＤＴの符号が与えられている。

入力軸ＡＰの瞬間状態を表す信号Ｖ_ＡＰは、クラッチが入または切のいずれであるかによって、Ａ_ｏまたはＡ_ｆの値をとる増幅係数ないし利得係数とともに、さらに、係合する変速機の変速段に依存する別の増幅係数ないし利得係数β_ｉとともに、第１のブロックＤＴ１の入力端に加えられる。これらの係数または利得の決定については下記に記す。

ブロックＤＴ２またはＤＴ３の出力端に供給される補正信号は、電動機のトルク指令値から差し引かれる補正トルクに比例する信号である。この信号は、伝動装置の回転速度の振動と同位相の振動信号である。

図に示す例で、ＤＴ１、ＤＴ２およびＤＴ３の各ブロックに選ばれているフィルタは、通過帯域外の周波数をもつ成分を排除するために２次である。この通過帯域は、ｆ_ｂと表記される下限遮断周波数と、ｆ_ｈと表記される上限遮断周波数とによって定められる。

このフィルタは図６に図示するボーデ線図をもっており、そのボーデ線図は、中心周波数と呼ばれる周波数レベルで最大利得と位相差ゼロを示す。他の次数をもつ他のフィルタも考えられる。

図７、８および９は、様々な正弦波入力信号に対する補正器の出力信号を示したものである。図７では、入力信号は通過帯域を周波数下限側に外れた周波数をもち、それによって、位相のずれた振幅の小さい出力信号を生じている。

図８では、入力信号は通過帯域に含まれる周波数をもち、それによって、入力信号に対して位相のずれのない振幅の大きな出力信号を生じている。

図９では、入力信号は通過帯域を周波数上限側に外れた周波数をもち、それによって、位相のずれた振幅の小さい出力信号を生じている。

上限遮断周波数はシャノンの定理によって決定され、下限遮断周波数は、減衰すべき固有モードの周波数ｆ_ｎで振幅補正が最大となり、位相差がゼロとなるように選択される。

シャノンの定理に従い、信号のサンプリング周波数は、アナログ形のその信号を情報の損失なしにデジタル形に変換するためには、その信号に含まれる最大周波数の２倍以上でなければならない。

したがって、帯域フィルタの上限遮断周波数は、シャノンの定理の逆が満たされるように、入力軸ＡＰの瞬間状態のサンプリング周波数Ｆ_ｅｃｈの半分以下、すなわち、

となるように選び、ラジアン毎秒で表した信号の角周波数をω＝２π＊ｆおよび

とし、標準化変量を

および

とすると、以下の伝達関数Ｈを得る。

これにより、利得Ｇを次式で表すことができる。

標準化変量ｕに対するこの関係式の偏差を見ると、αの値にかかわらずω＝ω_０で利得の最大値が得られること、さらに、この解では、フィルタによってもたらされる位相ずれも消されることがわかる。

フィルタの下限遮断周波数は、状況に応じて、すなわち、クラッチの入／切および係合する変速段によって選択し、それによって、減衰すべき固有モードの角周波数ω_ｎで最大の振幅補正と位相差ゼロが得られるようにする。すなわち、ここではω_０＝ω_ｎであり、

から、

が得られる。

振幅は次の微分方程式の解に基づいて選択される。

したがって、変速機の各変速段について、振動の振幅は、当該変速段の固有モードの角周波数、すなわちω_ｎの平方根に反比例する。

一方、伝動装置レベルで同じトルクを得るためには、電動機によって入力軸ＡＰに加えるトルクを係合する変速機の変速段に応じて適合しなければならない。そのため、ｉ速の変速段の場合に電動機によって加えられなければならないトルクＣ_ｉの式は

となり、式中、

であり、

は、係合する変速段が１速であるときに加えるべきトルクの振幅である。

そのため、使用されるのが熱機関であるときと、使用されるのが電動機だけであるときについて、変速機の１速の場合に加えるべきトルクの振幅を実験的に較正することができる。それにより、クラッチが切られているときに加えられるべき増幅係数ないし利得係数Ａ_Ｏと、クラッチが入っているときに加えられるべき増幅係数ないし利得係数Ａ_ｆが決定されることになる。

次いで、他の変速段のための加重係数β_ｉが適用され、それによって各変速段および車両の各動作モードに対する振幅を決定することが可能になる。係数β_ｉを決定することは、係合する変速段に応じて加えられるべき増幅係数または利得係数を決定することになる。

こうして決定された増幅係数ないし利得係数Ａｏ、Ａｆおよびβ_ｉは、図５の図のブロックＤＴ１の入力端に入力され、それによって補正器の出力信号が車両の使用状況に依存した振幅をもつようにする。

図１０のグラフは、ｔ＝１０秒に相当する瞬間に検出されるトルクの不連続性について、本発明による方法の効果を示したものである。

シミュレーションは、６つの変速段について実施されており、車両の加速度の値が、Ｒ１からＲ６までの符号を与えられ、それぞれ１速から６速までに対応する６つの曲線によって、時間の経過とともに表されている。

このグラフから見て分かるように、トルクの不連続性が検出されると、入力軸ＡＰの状態の振動は、振動の最初の周期の終わりにはほぼ完全に減衰している。

これと対応する形で、図１１は、電動機によって加えられる補正トルクの経時的変化を示したもので、それぞれ１速から６速までに対応する曲線Ｃ１からＣ６までによって補正トルクが示されている。

補正器の実施は、車両が熱機関モードにあろうと、電動機モードにあろうと、補正が有効となるように、電動機を操作する計算機で直接行うことが好ましい。

このような実施を選択することにより、一方で、監視用計算機と電動機専用計算機の間などの通信の遅れを回避して、できるだけ速やかに振動に対応することが可能になる。

また、計算機におけるこのような実施は、フィルタＤＴ１、ＤＴ２およびＤＴ３の通過帯域を車両の状況、すなわちクラッチの入／切および係合する変速段に容易に依存させることを可能にするものである。

好適には、計算機に数値テーブルを記憶させる。その数値テーブルは、係合する変速機のそれぞれの変速段およびクラッチの入／切について、ソフトウェアの形で実装される帯域フィルタが、離散時間で動作しなければならない下限遮断周波数を与えるものである。

本発明はとりわけ以下のような利点を有する。

帯域フィルタの実施に基づくものであるため、通過帯域外の周波数をもつ振動現象を増幅したり、保全したりするおそれがない。

そのため、本発明は、処理すべき固有モードの周波数で、入力信号に対して位相ずれがなく、最大の振幅をもつ補正をもたらすことで、ドライブトレインの固有モードの励起による振動を、可能な限り効率的に補償する。

シンプルなパラメータ化により、トルク指令値の応答時間の基準を守りながら、濾過の影響を増大させることが可能になる。

Claims (6)

1. 自動車両の伝動軸（ＡＰ）を駆動する電動機（２）の操作方法であって、前記電動機がその電動機（２）に与えられるトルク指令値に相当する値をもつトルクを、伝動軸（ＡＰ）に加える方法において、
   前記自動車両が、熱機関（１）と、前記熱機関（１）と前記伝動軸（ＡＰ）を結合または分離するためのクラッチ（３）と、前記伝動軸（ＡＰ）によって駆動され、出力軸（ＡＳ）を介して車輪（８）を駆動させる変速機（６）とを含み、
   車両のドライブトレインの振動の、固有モードの周波数を含む周波数帯域で、帯域濾過型の処理を、前記伝動軸（ＡＰ）の瞬間回転速度を表す信号に適用することで得られる、補正信号を減算することによってトルク指令値が補正され、
   前記濾過処理が、２つまたは３つの帯域フィルタ（ＴＤ１、ＴＤ２、ＴＤ３）を、カスケード式に順次適用することを含み、
   前記伝動軸（ＡＰ）に連結されたクラッチ（３）が切られているときの増幅係数ないし利得係数および係合している変速機（６）の変速段の加重係数、または前記クラッチ（３）が入っているときの増幅係数ないし利得係数および係合している変速機（６）の変速段の加重係数が、前記帯域フィルタの１つ（ＴＤ１）に入力される、方法。
2. 前記補正信号の振幅が、係合する変速機（６）の変速段に依存する、請求項１に記載の方法。
3. 前記補正信号の振幅が、前記伝動軸（ＡＰ）に連結されたクラッチ（３）の入／切に依存する、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記濾過処理が、前記係合する変速段および／または前記クラッチ（３）の入／切に依存する通過帯域をもつ、前記帯域フィルタ（ＴＤ１、ＴＤ２、ＴＤ３）によって実施される、請求項２または３に記載の方法。
5. 伝動軸（ＡＰ）を回転駆動する電動機（２）と、前記請求項１に記載の方法を実施する、前記電動機（２）の制御手段とを備える電気型車両。
6. 請求項１から４のいずれか一項に記載の方法を実施するための制御手段とを備えるパラレルハイブリッド型車両。

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