JP5520578B2 - 電気自動車の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、駆動輪に連結される電動モータを備える電気自動車の制御装置に関する。
エンジンおよび電動モータを動力源とするハイブリッド型の電気自動車や、電動モータのみを動力源とする電気自動車が開発されている。これらの電気自動車に搭載される電動モータは駆動輪に連結されており、電動モータの回転数は車速に連動することになっていた。すなわち、高車速領域においては電動モータの回転数が増大するため、電動モータから過大な誘起電圧が発生してしまうおそれがある。そこで、駆動輪と電動モータとの間にクラッチ機構を設けることにより、高車速時に駆動輪から電動モータを切り離すようにした電気自動車が提案されている(例えば、特許文献１および２参照)。これにより、電動モータの過回転を防止することが可能となり、過大な誘起電圧の発生を防止することが可能となる。
特開２００７−３３１６３２号公報 特開２００８−２３９０４１号公報
しかしながら、特許文献１および２に記載される電気自動車においては、高車速時に電動モータが停止することから発電が不可能となっていた。したがって、高速巡航時に長時間に渡ってクラッチ機構を解放してしまうと、放電が継続されてバッテリの電力が枯渇させてしまうおそれや、回生不足によって電気自動車のエネルギ効率を低下させてしまうおそれがある。
本発明の目的は、クラッチ機構が解放される高車速領域において電動モータによる発電を行うことにある。
本発明の電気自動車の制御装置は、駆動輪に連結される電動モータを備える電気自動車の制御装置であって、前記駆動輪と前記電動モータとの間に設けられ、高車速領域において前記駆動輪から前記電動モータを切り離すクラッチ機構と、高車速領域において前記電動モータを発電制御する際に、前記クラッチ機構をスリップ状態と解放状態とに交互に切り換えるクラッチ制御手段と、を有し、高車速領域において前記電動モータを発電制御する際に、モータ回転数を所定の上限回転数以下に抑えることを特徴とする。
本発明の電気自動車の制御装置は、前記電動モータの作動状態を制御するモータ制御手段を有し、前記モータ制御手段は、高車速領域において前記電動モータを発電制御する際に、モータ回転数を所定の目標回転数に保持する回転数制御を実行することを特徴とする。
本発明の電気自動車の制御装置は、前記モータ制御手段は、高車速領域において前記電動モータを発電制御する際に、通常時よりもフィードバック制御のゲイン定数を高めることを特徴とする。
本発明によれば、駆動輪から電動モータが切り離される高車速領域においてクラッチ機構をスリップ状態に制御するようにしたので、高車速領域においてもモータ回転数を上限回転数以下に抑えながら発電させることが可能となる。
ハイブリッド車両を示す概略図である。 ハイブリッド車両に搭載されるパワーユニットを示すスケルトン図である。 パワーユニットのクラッチ機構を拡大して示す断面図である。 高車速領域におけるモータジェネレータおよびクラッチ機構の作動状態を示す説明図である。 高車速領域におけるモータジェネレータおよびクラッチ機構の作動状態を示す説明図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１はハイブリッド車両１０を示す概略図である。このハイブリッド車両１０には本発明の一実施の形態である電気自動車の制御装置が設けられている。図１に示すように、車体にはパワーユニット１１が縦置きに搭載されている。このパワーユニット１１の一端部にはエンジン１２が組み付けられ、パワーユニット１１の他端部にはモータジェネレータ(電動モータ)１３が組み付けられている。パワーユニット１１内には、無段変速機１４やデファレンシャル機構１５等が組み込まれており、エンジン動力やモータ動力はデファレンシャル機構１５を介して駆動輪１６に伝達される。
モータジェネレータ１３に電力を供給するため、ハイブリッド車両１０には高電圧バッテリ(例えばリチウムイオンバッテリ)２０が搭載されている。高電圧バッテリ２０とモータジェネレータ１３との間にはインバータ２１が設けられており、このインバータ２１はスイッチング素子等によって構成されている。モータジェネレータ１３を電動機として用いる際には、高電圧バッテリ２０からの直流電力がインバータ２１を介してモータジェネレータ１３用の交流電力に変換される。一方、モータジェネレータ１３を発電機として用いる際には、モータジェネレータ１３からの交流電力がインバータ２１を介して高電圧バッテリ２０用の直流電力に変換される。また、高電圧バッテリ２０にはＤＣ／ＤＣコンバータ２２を介して低電圧バッテリ(例えば鉛蓄電池)２３が接続されており、低電圧バッテリ２３にはコンバータ２２を介して高電圧バッテリ２０から電力が供給されている。この低電圧バッテリ２３は、インバータ２１、コンバータ２２、後述する各種制御ユニット２４〜２６の電源として機能するとともに、図示しない空調機器やヘッドライト等の電源として機能している。
また、ハイブリッド車両１０を統括的に制御するため、ハイブリッド車両１０には車両制御ユニット２４が設けられている。車両制御ユニット２４には車速やアクセル開度等の各種情報が入力されており、これらの情報に基づいて車両制御ユニット２４はインバータ２１やコンバータ２２等に対して制御信号を出力する。また、高電圧バッテリ２０の充放電を制御するため、ハイブリッド車両１０にはバッテリ制御ユニット２５が設けられている。このバッテリ制御ユニット２５は、高電圧バッテリ２０の電圧や電流を制御するとともに、電圧、電流、温度等に基づいて高電圧バッテリ２０の電力残存量を表す充電状態ＳＯＣを算出する。さらに、エンジン回転数やエンジントルクを制御するため、ハイブリッド車両１０にはエンジン制御ユニット２６が設けられている。これらの制御ユニット２４〜２６は、マイクロコンピュータ等によって構成されるとともに、通信ネットワークを介して互いに接続されている。
図２はハイブリッド車両１０に搭載されるパワーユニット１１を示すスケルトン図である。図２に示すように、エンジン１２にはミッションケース３０が組み付けられており、このミッションケース３０には無段変速機１４が収容されている。無段変速機１４は、エンジン１２に駆動されるプライマリ軸３１と、これに平行となるセカンダリ軸３２とを有している。プライマリ軸３１にはプライマリプーリ３３が設けられており、このプライマリプーリ３３は固定シーブ３３ａと可動シーブ３３ｂとを備えている。可動シーブ３３ｂの背面側にはプライマリ油室３４ａ，３４ｂが区画されており、プライマリ油室３４ａ，３４ｂ内の圧力を調整してプーリ溝幅を変化させることが可能となる。また、セカンダリ軸３２にはセカンダリプーリ３５が設けられており、このセカンダリプーリ３５は固定シーブ３５ａと可動シーブ３５ｂとを備えている。可動シーブ３５ｂの背面側にはセカンダリ油室３６が区画されており、セカンダリ油室３６内の圧力を調整してプーリ溝幅を変化させることが可能となる。そして、プーリ３３，３５の溝幅を変化させて駆動チェーン３７の巻き付け径を変化させることにより、プライマリ軸３１からセカンダリ軸３２に対する無段変速が可能となる。
このような無段変速機１４にエンジン動力を伝達するため、クランク軸４０とプライマリ軸３１との間にはトルクコンバータ４１および前後進切換機構４２が設けられている。トルクコンバータ４１は、クランク軸４０に連結されるポンプインペラ４３と、このポンプインペラ４３に対向するとともにタービン軸４４に連結されるタービンランナ４５とを備えている。また、前後進切換機構４２は、ダブルピニオン式の遊星歯車列４６、前進クラッチ４７および後退ブレーキ４８を備えている。前進クラッチ４７や後退ブレーキ４８を制御することにより、エンジン動力の伝達径路を切り換えてプライマリ軸３１の回転方向を切り換えることが可能となる。さらに、ミッションケース３０内にはセカンダリ軸３２に平行となる変速出力軸４９が収容されており、変速出力軸４９とセカンダリ軸３２とは歯車列５０を介して連結されている。また、変速出力軸４９の端部にはピニオンギア５１が固定されており、このピニオンギア５１はデファレンシャル機構１５のリングギア５２に噛み合っている。このように、無段変速機１４とデファレンシャル機構１５とは変速出力軸４９を介して連結されており、無段変速機１４から出力されるエンジン動力は変速出力軸４９を介してデファレンシャル機構１５に伝達されている。
また、ミッションケース３０にはモータケース６０が組み付けられており、モータケース６０にはモータジェネレータ１３が収容されている。モータジェネレータ１３は、モータケース６０に固定されるステータ６１と、ステータ６１の内側に回転自在に設けられるロータ６２とを有している。図示するモータジェネレータ１３は永久磁石同期モータ(ＰＭモータ)であり、ステータ６１にはステータコイル６３が巻き付けられ、ロータ６２には永久磁石が組み付けられている。このようなモータジェネレータ１３を制御するため、モータ制御手段として機能する車両制御ユニット２４はアクセル開度やモータ回転数等に基づいて目標トルクを設定する。そして、車両制御ユニット２４は目標トルクに応じたパルス信号をインバータ２１に出力し、インバータ２１はステータコイル６３の各相ラインに対して交流電流を供給する。そして、車両制御ユニット２４は各相ラインに供給される電流値を検出してパルス信号をフィードバック制御し、モータジェネレータ１３は目標トルクを出力するように制御される。なお、モータジェネレータ１３のロータ６２にはレゾルバ等の回転位置センサ６４が設けられ、この回転位置センサ６４によってロータ６２の回転角度が検出される。この回転角度は三相固定座標系(ｕ−ｖ−ｗ)と回転座標系(ｄ−ｑ)との間で座標変換を行う際に用いられる。
また、モータジェネレータ１３と変速出力軸４９との間にはクラッチ機構６５および歯車列６６が設けられており、モータ動力はクラッチ機構６５および歯車列６６を経て変速出力軸４９に伝達されている。ここで、図３はパワーユニット１１のクラッチ機構６５を拡大して示す断面図である。図３に示すように、クラッチ機構６５は、ロータ６２から延びるモータ軸６７に固定されるクラッチハブ６８と、歯車列６６の駆動ギア６６ａに連結されるクラッチドラム６９とを有している。クラッチハブ６８には複数の摩擦プレート７０ａが取り付けられ、クラッチドラム６９には複数の摩擦プレート７０ｂが取り付けられている。また、クラッチドラム６９にはピストン７１が収容されており、クラッチドラム６９とピストン７１とによってクラッチ油室７２が区画されている。このクラッチ油室７２に対して作動油を供給することにより、ピストン７１は油圧によって押し出されるため、摩擦プレート７０ａ，７０ｂが互いに押し付けられてクラッチ機構６５は締結状態に切り換えられる。一方、クラッチ油室７２から作動油を排出することにより、ピストン７１はバネ部材７３によって押し戻されるため、摩擦プレート７０ａ，７０ｂの係合状態が解かれてクラッチ機構６５は解放状態に切り換えられる。なお、クラッチ油室７２に供給されるクラッチ圧を調整することにより、摩擦プレート７０ａ，７０ｂを滑らせながらトルクを伝達するスリップ状態に制御することも可能である。
クラッチ機構６５のクラッチ油室７２に作動油を供給制御するため、図２に示すように、パワーユニット１１にはエンジン１２に駆動されるオイルポンプ８０が設けられており、図１に示すように、オイルポンプ８０とクラッチ機構６５との間にはバルブユニット８１が設けられている。バルブユニット８１は、油路切換弁や圧力制御弁等の電磁制御弁によって構成されており、これら電磁制御弁の作動状態はクラッチ制御手段として機能する車両制御ユニット２４によって制御されている。モータ回転数が所定の上限回転数以下となる低中車速領域においては、車両制御ユニット２４によってクラッチ機構６５は締結状態に切り換えられ、モータジェネレータ１３は駆動輪１６に連結される。一方、モータ回転数が上限回転数を上回る高車速領域においては、車両制御ユニット２４によってクラッチ機構６５は解放状態に切り換えられ、モータジェネレータ１３は駆動輪１６から切り離される。なお、車両制御ユニット２４は、回転位置センサ６４からの信号に基づいてモータ回転数を算出している。
このように、高車速領域においては、高速回転する駆動輪１６からモータジェネレータ１３を切り離すようにしたので、モータジェネレータ１３の過回転を防止することができ、過大な誘起電圧の発生を防止することが可能となる。これにより、インバータ２１の耐電圧を低く抑えることができ、電力制御系のコストを引き下げることが可能となる。また、高車速時にモータジェネレータ１３を切り離すことにより、弱め界磁制御に伴う電力消費を抑制することができ、ハイブリッド車両１０の電力消費を抑制することが可能となる。さらに、高車速時にモータジェネレータ１３を切り離すことにより、ロータ６２の回転抵抗による動力損失を抑制することも可能となる。
続いて、モータジェネレータ１３の発電制御について説明する。前述したように、高車速領域においてはインバータ２１等を保護する観点から、駆動輪１６からモータジェネレータ１３を切り離すようにしている。しかしながら、モータジェネレータ１３は発電機として機能することから、高車速領域においてクラッチ機構６５を解放し続けることは、モータジェネレータ１３の発電動作を制限する要因であった。すなわち、高速巡航時等に長時間に渡ってクラッチ機構６５が解放され続けた場合には、放電状態が続いて高電圧バッテリ２０および低電圧バッテリ２３の電力が枯渇するおそれがあり、ハイブリッド車両１０の走行性能を維持することが困難となる。そこで、本発明の一実施の形態である電気自動車の制御装置は、高車速領域においてクラッチ機構６５をスリップ状態に制御することにより、モータジェネレータ１３の過回転を招くことなくモータジェネレータ１３の発電制御を行うようにしている。
図４は高車速領域におけるモータジェネレータ１３およびクラッチ機構６５の作動状態を示す説明図である。図４に示すように、低中速領域においてはクラッチ機構６５が締結されることから、車速に連動してモータ回転数が変化するようになっている。そして、ハイブリッド車両１０が高車速領域に差し掛かり、モータ回転数が所定の解放回転数Ｎｒを上回ると(符号ａ)、クラッチ機構６５は解放状態に切り換えられ、モータジェネレータ１３は駆動輪１６から切り離される。前述したように、クラッチ機構６５の解放状態においては、モータジェネレータ１３による発電が不可能となることから、高電圧バッテリ２０の充電状態ＳＯＣは徐々に低下することになる。
続いて、充電状態ＳＯＣが所定の下限値Ｓｍｉｎを下回ると(符号ｂ)、モータジェネレータ１３に対する回転数制御が実行され、モータ回転数は上限回転数Ｎｍａｘよりも低回転側の目標回転数Ｎｔに保持される。この回転数制御においては、低中車速領域における通常時のトルク制御よりも、フィードバック制御のゲイン定数が高く設定されている。さらに、クラッチ油室７２には予め設定された所定のクラッチ圧が供給され、クラッチ機構６５は解放状態からスリップ状態に切り換えられる。これにより、変速出力軸４９からモータジェネレータ１３に対して発電用トルクが制限されながら供給され、モータジェネレータ１３を回生状態に制御することが可能となる。このとき、モータジェネレータ１３に対して回転数制御が行われることから、モータ回転数が上限回転数Ｎｍａｘを超えることはない。しかも、回転数制御においてはフィードバック制御のゲイン定数が高く設定されるため、モータジェネレータ１３の応答性を高めることができ、モータジェネレータ１３の過回転を確実に防止することが可能となる。そして、発電に伴い上昇する充電状態ＳＯＣが所定の上限値Ｓｍａｘに達した場合には(符号ｃ)、モータジェネレータ１３による発電が不要となることから、モータジェネレータ１３に対する回転数制御が停止され、クラッチ機構６５は再び解放状態に切り換えられる。なお、モータジェネレータ１３の上限回転数Ｎｍａｘとは、許容されるモータ回転数の上限値であり、インバータ２１の耐電圧性能やロータ６２の機械的強度等に基づき設定される上限値である。
このように、高車速領域においてクラッチ機構６５をスリップ状態に制御するようにしたので、モータ回転数を抑制しながらモータジェネレータ１３を回生状態(発電状態)に制御することが可能となる。しかも、モータジェネレータ１３は目標回転数Ｎｔを保持するように制御されるため、モータジェネレータ１３の過回転を確実に防止することが可能となる。これにより、高車速領域においてもモータジェネレータ１３を回生状態に制御することができるため、高電圧バッテリ２０の充電状態ＳＯＣを適正範囲に保持することが可能となり、高車速領域におけるハイブリッド車両１０の走行性能を確保することが可能となる。さらに、高車速領域までモータジェネレータ１３の回生範囲を拡大することができるため、ハイブリッド車両１０の燃費性能を向上させることも可能となる。さらに、高電圧バッテリ２０の充電状態ＳＯＣが適正範囲に保たれることから、低電圧バッテリ２３を充電するためのオルタネータを省くことができ、低電圧系統の簡素化を図ることが可能となる。
前述の説明では、充電状態ＳＯＣが所定の上限値Ｓｍａｘに達したときに、クラッチ機構６５のスリップ制御を解除しているが、これに限られることはない。例えば、図４に破線で示すように、クラッチ締結時のモータ回転数が車速低下に伴って上限回転数Ｎｍａｘを下回る場合には(符号ｄ)、クラッチ機構６５のスリップ制御が解除され、クラッチ機構６５はスリップ状態から締結状態に切り換えられる。また、図４に示す場合には、解放回転数Ｎｒと目標回転数Ｎｔとが同一の回転数であるが、これに限られることはなく、それぞれに異なる回転数を設定しても良い。さらに、クラッチ機構６５のスリップ量を抑制して耐久性を向上させるため、モータジェネレータ１３の目標回転数Ｎｔは上限回転数Ｎｍａｘの近傍に設定することが望ましい。
また、図１および図２に示すように、パワーユニット１１には駆動ギア６６ａの回転数を検出する回転センサ８２が設けられており、この回転センサ８２によってクラッチ機構６５における駆動輪側の回転数を検出することが可能となる。車両制御ユニット２４は、クラッチ機構６５の駆動輪側の回転数から、クラッチ機構６５のモータ側の回転数(モータ回転数)を減算し、クラッチ機構６５のスリップ量を算出する。また、車両制御ユニット２４は、クラッチ油室７２に供給されるクラッチ圧に基づいてクラッチ機構６５の伝達トルクを算出する。さらに、車両制御ユニット２４は、スリップ量と伝達トルクとを乗算してクラッチ機構６５の発熱量を算出するとともに、スリップ制御における発熱量の積算値を算出する。そして、車両制御ユニット２４は、予め設定される上限値を発熱量が上回った場合や、予め設定される上限値を発熱量の積算値が上回った場合には、スリップ制御を解除してクラッチ機構６５を解放状態に切り換えるようにしている。これにより、クラッチ機構６５の焼き付きを未然に防止することができ、クラッチ機構６５の耐久性を向上させることが可能となる。
前述の説明では、高車速領域において充電状態ＳＯＣが低下した場合に、クラッチ機構６５をスリップ状態に保持した上でモータジェネレータ１３を回生状態に制御しているが、これに限られることはなく、クラッチ機構６５をスリップ状態と解放状態とに断続的に切り換えるようにしても良い。ここで、図５は高車速領域におけるモータジェネレータ１３およびクラッチ機構６５の作動状態を示す説明図である。図５に示すように、ハイブリッド車両１０が高車速領域に差し掛かり、モータ回転数が所定の解放回転数Ｎｒを上回ると(符号ａ)、クラッチ機構６５は解放状態に切り換えられ、モータジェネレータ１３は駆動輪１６から切り離される。このクラッチ機構６５の解放状態においては、モータジェネレータ１３による発電が不可能となることから、高電圧バッテリ２０の充電状態ＳＯＣは徐々に低下することになる。
続いて、充電状態ＳＯＣが所定の下限値Ｓｍｉｎを下回ると(符号ｂ)、モータジェネレータ１３に対する回転数制御が実行され、モータ回転数は上限回転数Ｎｍａｘよりも低回転側の目標回転数Ｎｔに保持される。この回転数制御においては低中車速領域における通常時のトルク制御よりも、フィードバック制御におけるゲイン定数が高く設定されている。さらに、クラッチ油室７２には予め設定された所定のクラッチ圧が供給され、クラッチ機構６５は解放状態からスリップ状態に切り換えられる。そして、クラッチ機構６５のスリップ状態が所定時間に渡って継続された後に、クラッチ機構６５の断続制御が実行される。このクラッチ機構６５の断続制御とは、クラッチ機構６５をスリップ状態と解放状態とに交互に切り換える制御である。
このように、クラッチ機構６５をスリップ状態と解放状態とに交互に切り換えた場合であっても、変速出力軸４９からモータジェネレータ１３に発電用のトルクが供給され、モータジェネレータ１３を回生状態に制御することが可能となる。しかも、クラッチ機構６５をスリップ状態と解放状態とに交互に切り換えることにより、クラッチ機構６５の過度な発熱を防止することができ、クラッチ機構６５の耐久性を向上させることが可能となる。また、断続制御においてスリップ状態や解放状態に保持する時間は、クラッチ機構６５の発熱量に基づいて設定される。例えば、発熱量が少ない場合にはスリップ状態の保持時間が長く設定され、発熱量が多い場合には解放状態の保持時間が長く設定される。なお、クラッチ機構６５の発熱量は、前述したように、クラッチ機構６５のスリップ量と伝達トルクとを乗じることで算出される。
なお、クラッチ機構６５がスリップ状態に切り換えられたときにだけモータジェネレータ１３を発電させても良く、クラッチ機構６５がスリップ状態と解放状態とに断続的に切り換えられる期間中にモータジェネレータ１３を発電させ続けても良い。また、充電状態ＳＯＣが所定の上限値Ｓｍａｘに達した場合や(符号ｃ)、クラッチ締結時のモータ回転数が車速低下に伴って上限回転数Ｎｍａｘを下回る場合には(符号ｄ)、前述したように、モータジェネレータ１３に対する回転数制御が停止され、クラッチ機構６５は再び解放状態に切り換えられる。
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。前述の説明では、ハイブリッド車両１０に対して本発明を適用しているが、動力源として電動モータのみを備える電気自動車に対して本発明を適用しても良い。また、電動モータとして永久磁石同期モータを挙げているが、これに限られることはなく、他の形式の同期モータであっても良く、誘導モータであっても良い。
１０ ハイブリッド車両(電気自動車)
１３ モータジェネレータ(電動モータ)
１６ 駆動輪
２４ 車両制御ユニット(クラッチ制御手段，モータ制御手段)
６５ クラッチ機構
Ｎｍａｘ 上限回転数
Ｎｔ 目標回転数

Claims (3)

  1. 駆動輪に連結される電動モータを備える電気自動車の制御装置であって、
    前記駆動輪と前記電動モータとの間に設けられ、高車速領域において前記駆動輪から前記電動モータを切り離すクラッチ機構と、
    高車速領域において前記電動モータを発電制御する際に、前記クラッチ機構をスリップ状態と解放状態とに交互に切り換えるクラッチ制御手段と、を有し、
    高車速領域において前記電動モータを発電制御する際に、モータ回転数を所定の上限回転数以下に抑えることを特徴とする電気自動車の制御装置。
  2. 請求項１記載の電気自動車の制御装置において、
    前記電動モータの作動状態を制御するモータ制御手段を有し、
    前記モータ制御手段は、高車速領域において前記電動モータを発電制御する際に、モータ回転数を所定の目標回転数に保持する回転数制御を実行することを特徴とする電気自動車の制御装置。
  3. 請求項２記載の電気自動車の制御装置において、
    前記モータ制御手段は、高車速領域において前記電動モータを発電制御する際に、通常時よりもフィードバック制御のゲイン定数を高めることを特徴とする電気自動車の制御装置。
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