JP5818965B2 - 車両の操作方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分に記載されている、少なくとも１つの操舵軸と少なくとも１つの駆動軸とを備え、少なくとも１つの駆動軸が各々の駆動輪に組み込まれた少なくとも２つの電気ホイールハブモータを有する車両を、電子式差動装置を形成するホイールハブモータ用電子制御装置を使用して、駆動プリセット値に対応するセンサ信号に基づいて操作する方法に関する。

これまで、通常、電気自動車の構造には、ガソリン車の構造で積極的に使用されている従来の経路が、選択されてきた。機械式差動装置と後車軸とを使用して後輪を駆動する１つの電気モータが、使用される。電気モータ自体はかなり有効であるが、電気駆動の効果は、全体としては機械力の損失が発生することにより低下するので、車両の性能さらに車両の移動距離が短くなる。これらの機械力損失を回避しようとするならば、最終結果として、三相の特殊形状のブラシレス直流モータ（ＢＬＤＣモータ）であるホイールハブモータにたどり着く。これらのモータは、例えば、二輪電動スクータの中に適切な制御装置と共に設置されるが、２つ以上の直接駆動される駆動輪を有する車両で使用するには問題がある。従来技術によれば、各々のモータに別個の制御装置が設置される必要があるので、同期化の問題が生じる。例えば、さまざまな地面で、もしくはコーナリングの際に、駆動輪に異なる負荷がかかるため、制御装置は、運転者の目標プリセット値だけでなく、それぞれ他の制御装置の状態に応じて対処しなければならない。もしこれが無視されれば、運転の状態が危険になり、車両が破損するなどの可能性があるので、もはや安全性が保証されなくなる。

ＢＬＣＤモータは、固定の環状配置のコイル（固定子）と、同様に環状配置の永久磁石であって、コイルの周囲で回転可能に取り付けられて回転する永久磁石（回転子）とで形成される（図１参照）。モータは、適切なコイルに電圧を印加することにより、生成された磁場で回転子がさらにわずかに引き摺られることにより作動することができる。ほとんどの場合、これらのモータは三相構造を有する。すなわち、３つのコイル群とさらに３つの端子とを備え、これらの端子は、モータの外へつながれ、Ｕ、Ｖ、およびＷで表される。これら３つの端子に電圧を供給する制御装置は、モータが正常運転されるようにどの時点でも適切な磁場が生成されるようにしなければならない。良いタイミングでこのスイッチングを実行して、それぞれ負荷変動に応じて対処することができるように、モータの位置情報を取得する必要がある。これらの情報は、通常、３つのホールセンサによって提供され、該ホールセンサの信号は、制御装置によって評価され、モータ端子のスイッチング時点を判断するのに役立つ。上述の原理に沿ったリニアモータの実現は、例えば、独国特許第１１ ２００４ ００２ ３６０（Ｔ５）号明細書に記載されている。

モータにそれぞれ使用される３つの端子Ｕ、Ｖ、およびＷは、いずれもパワー半導体のハーフブリッジ回路によって電圧源の陽極と陰極との両方に接続されてもよい（図２参照）。ハーフブリッジ回路の両方のトランジスタは、いつでも同時に開状態にならないようにしなければならない。それは、短絡やトランジスタの破壊につながるためである。モータの性能、それぞれの速度を変化させるために、基本的には、電圧を変更することができる。しかし、電圧源は、規定されており、スイッチング半導体を相応に制御することは、半導体の大きな損失につながるので、この方法は、実現不可能である。

しかし、電圧は、パルス状である、すなわち、電圧は、素早くオンとオフとに切り替わる。したがって、半導体は、完全なブロック状態または完全な開状態のいずれかになるので、半導体の電力損失は、最小限に抑えられる。このパルス幅変調（ＰＷＭ）方式により、モータ性能の微調整制御が可能になる。最適なスイッチング周波数は、使用される半導体および個々のモータの特性によって決まる。周波数が高すぎる場合には、スイッチング損失が増大する。周波数が低すぎる場合には、可聴振動が発生し、乗り心地の快適さを低下させる可能性がある。

ＢＬＤＣモータを制御する最も簡単な方法は、３つのモータ端子のうちの２つに電圧を印加することと、ホールセンサからの位置情報に従って論理的に電圧を高くすることとから成る。そのことにより、必要な電力に応じて、一定幅のパルスを使用したＰＷＭが実現される（図３参照）。ブロック制御と呼ばれるこの方法は、３つの位相間で起伏のあるスイッチングを行うために、比較的高い騒音が発生することになり、この騒音は、車両内では不愉快なほど大きく、またエネルギー損失の現れでもある。

回転モータの最適な制御は、正弦波変調信号によって実現される。個々の制御位相間の時間に関しては、厳密に区切る必要はない。３つの端子の各々は、正弦波信号を使用して（ＰＷＭにより）制御される。３つの信号は、互いに対して１２０°位相シフトされる（図４参照）。発生した磁場は、連続して回転するので、モータは、ブロック制御の場合に比べて、かなり円滑に動作する。さらに、ブロック操作に比べて、エネルギーは最高で１０％節約される。

このような正弦波信号の生成は、より複雑ではあるが、マイクロコントローラによって問題なく行うことができる。ホールセンサによって直接提供されるモータの現在位置に比べて、より正確な位置を知ることが必要である。したがって、正弦波信号の生成は、ホールセンサの信号と同期される必要がある。モータが動作し始めても、この同期化がまだ行われていない場合、まずブロック制御が適用される。ホールセンサからいくつかの信号を受信した後、十分に正確な位置がわかる場合、実正弦波制御への切り替えが生じる（図５のフロー図を参照）。モータの回転方向が変化する前は、まず確実にモータが停止状態である必要がある。

ＢＬＤＣ制御装置は、モータを動作状態にする信号が必要である。この信号は、最も簡単な場合、特性曲線に従ってモータに電力を供給するアナログ電圧で形成されてもよい。また、制御装置は、デジタルインターフェースを含んでもよい。さらに、制御装置は、それぞれ切り替えられる２つの異なるモードで操作されてもよい。１つのモードでは、制御装置は、モータ性能プリセット値が提供される。この場合、プリセット値は、正弦波信号の振幅、個々のＰＷＭ信号の幅、および出力される電力に直接影響を与えるが、回転速度は、モータの機械的負荷に対してほぼ相互に作用する。これは、運転者の運転経験に対応しており、自動車から分かる。例えば、道が上り坂であれば、より高い性能が必要であるので、速度を維持するためにアクセルペダルを絶えず踏み続ける必要がある。他のモードでは、制御装置は、モータ速度のプリセット値が提供され、内部調節によってこの速度を達成してこの速度を維持しようとする。

産業車両用の駆動装置は、独国特許第１０ ２００４ ０１４ ７７３（Ａ１）号明細書に記載の従来技術から周知であり、該駆動装置は、垂直軸を中心に回転可能な中央回転板と、中央回転板に平行にかつ垂直軸に対して鏡面対称に取り付けられる２つの駆動輪と、駆動輪間で軸方向に配置された駆動輪間の差動効果を発生させる装置とを備える。一実施形態によれば、各々の駆動輪は、ホイールハブモータとして設計された各々のモータに連結される。電気式差動装置を形成する電気モータが使用される場合、２つの駆動輪間の差動効果は、純粋に電気的に発生するので、機械式差動装置は、必要でなくなる。しかし、電気式または電子式差動装置の制御および構造に関する詳細は、独国特許第１０ ２００４ ０１４ ７７３（Ａ１）号明細書に記載されていない。また、追加モータおよびそれに付随する機械系が必要であることから、この解決策はより高いコストが必要であるが、この点に関しては、ここで説明する本発明によって完全に克服することができる。

したがって、上記に鑑み、本発明の目的は、少なくとも１つの操舵軸と少なくとも１つの駆動軸とを備え、少なくとも１つの駆動軸がそれぞれの駆動輪に組み込まれた少なくとも２つの電気ホイールハブモータを有する車両の、さらに改良された操作方法を提供することである。本発明によれば、電子式差動装置を形成するホイールハブモータのための簡単で信頼性の高い電子制御装置であって、この電子制御装置は、複数のホイールハブモータと直接駆動される駆動輪とを有する電気自動車を安全に運転することができるように実現されたものである。

本発明の目的の解決策は、請求項１の教示に記載の方法によって達成される。従属請求項は、少なくとも有用な実施形態とその展開を示している。

したがって、少なくとも１つの操舵軸と少なくとも１つの駆動軸とを備え、少なくとも１つの駆動軸は、それぞれの駆動輪に組み込まれた少なくとも２つのホイールハブモータを有する車両の、操作方法が提案される。さらに、ホイールハブモータの電子制御装置であって、電子式差動装置を形成する電子制御装置が提供される。本発明の方法によれば、それぞれの駆動プリセット値、特に、駆動速度に対応するセンサ信号が使用される。

本発明によれば、加速ペダルおよび操舵アームの位置のセンサ信号からホイールハブモータを制御するためのプリセット値の補正係数を決定して、その補正係数を関連するモータ制御装置（好ましくは、ＢＬＤＣ制御装置として構成された）に送るインターフェースモジュールが設けられる。

好適な実施形態では、プリセット値を決定するために、モータの個々の現在の回転速度値は、決定され、インターフェースモジュールに送られる、ことができる。

中心間距離および軸幅は、各々の車両に対して一度に決定され、補正係数を決定するために提供される。

本発明の一実施形態では、コーナリングでは、最大駆動速度が自動的に制限されるので、運転の安全性が向上する。

本発明の解決策の別の実施形態によれば、モータ制御装置のうちの１つの異常および／またはモータの破損が発生した場合には、インターフェースモジュールは、関連のある経路を動作不能にすることができ、車両の運転は、制御装置とモータとを備えた損傷のない車輪だけで継続することができる。

インターフェースモジュールは、モータ制御装置が始動時にブロック動作され、次の正常な駆動動作で正弦波動作される、ことを保証する。

各々の駆動輪のブロックまたはスピンが検出された場合、各軸の各駆動輪および他の駆動輪の両方に対して、電力適応が行われてもよい。

ここで説明されている本発明は、ホイールハブモータによって直接駆動される複数の駆動輪を有する電気自動車の上述の問題を解決するものである。デュアルモータ制御と呼ばれる方法は、２つのＢＬＤＣ制御装置と１つの中央インターフェースモジュールとを一つの装置に組み合わせる方法である。ＢＬＤＣ制御装置は、それぞれ１つのＢＬＤＣモータを操作する、すなわち、動力伝達段を介してＵ信号、Ｖ信号、およびＷ信号をモータに供給し、さらにモータからのホールセンサ信号を評価する。

目標プリセット値は、アクセルペダルなどによって直接制御装置に提供されるのではなく、インターフェースモジュールによって提供されるようになる。さらにインターフェースモジュールは、制御装置から送られる正確な回転速度、消費電力、さらに可能性のあるエラーメッセージに関するリターン情報を評価する。これらの制御装置からの情報は、インターフェースモジュールが運転者のプリセット値に基づいて制御装置用のプリセット値を生成する際に、組み込まれる。さらに、運転者が、アクセルペダル（またはアクセルスロットルなど）を介して事前に定義する所要電力の他に、特に、車両の操舵装置に連結される操舵角送信機によってデュアルモータ制御装置に提供される運転方向も、組み込まれる。他の全般的な状態データ、例えば、バッテリの充電状態も、組み込まれる。出力として得られるのは、速度計によってまたはディスプレイ上に表示される実際の現在の速度、および希望に応じてまたは必要に応じて、同様に評価される状態情報である。

インターフェースモジュールの１つのタスクは、電子式差動装置のタスクである。後軸および機械式差動装置の関係する構造を省略することによって、これらの機能は電子的方法で再現される。機械式差動装置を使用すると車輪に生じる摩擦力により補償されるが、デュアルモータ制御装置は、操舵角に基づいて補償量を計算して、これを異なるプリセット値として個々の制御装置に送る。また、この計算には、可変操舵角だけでなく、操作が開始される前に一度に制御装置においてプログラムされる必要がある他の定数も必要である。

この計算の基準は、車両の中心に対する特定の操舵角φにおけるカーブの半径である。図７からわかるように、別の数字として中心間距離ａが含まれる。ここで求めた結果は、

となる。

φ＝０における極に留意すべきであって、これは、以降では除外される。回転速度、個々の速度に対する補正係数は、軸の幅ｂを使用して、以下のようにして求められ、カーブの内側のモータに対して、

で求められ、それに応じて、カーブの外側のモータに対して、

で求められる。

回転速度、現在の速度プリセット値に必要なそれぞれの電力は、個々のモータに対してそれぞれｒｉ／ｒ、ｒａ／ｒが乗算されて、インターフェースモジュールによって対応する制御装置に送られる。最初の式では、商の形成によって、極は、除外される、すなわち、φ＝０は、ｔａｎ（φ）＝０であり、予想できるように、両方の補正係数の計算結果は、１となる。いずれにしても操舵角は、明らかに９０°未満であるので、数学的には問題はない。

永久的に励起されるモータは、惰行運転での発電機としての役割を果たすので、車両の運動エネルギーを電気エネルギーの形でバッテリに返すことができる。出力段は、使用されるトランジスタに組み込まれたダイオードを含む。あるいは、適切なダイオードが追加で出力段に組み込まれてもよい。これらのダイオードは、その配向から通常の動作ではブロックを行う。しかし、運転時にアクセルペダルが完全にまたは部分的に踏み込まれると、モータは、最初、プリセット値より速い速度で回転する。その結果、外部から供給される電圧より高い電圧がモータに誘起されて、リカバリ状態となる。このとき発電機として動作しているモータに電気負荷がかかることによって、モータ、ひいては車両は、車両の運動エネルギーが完全に熱に変換されずに減速される。運動エネルギーの少なくとも一部は、バッテリに返される、すなわち、いわゆる回生制動が実現される。

一実施形態および図面を参照して、本発明をより詳細に以下に説明する。

固定子として固定の環状配置のコイルと、回転子として同様に環状配置の永久磁石とで形成されるＢＬＤＣモータの基本構造、およびＵ相、Ｖ相、およびＷ相の端子へのコイルの相互接続を示した図である。 電力／電界効果トランジスタに基づいてＢＬＤＣモータを制御する回路図である。 ＢＬＤＣモータのブロック動作のＵ相、Ｖ相、およびＷ相のパラメータ位相を示した図である。 ＢＬＤＣモータの正弦波動作のＵ相、Ｖ相、およびＷ相を示した図である。 運転時に、始動時のブロック動作に基づいて、より緩やかな正弦波動作になるまで、モータを制御するためのフロー図である。 本発明の方法を実施するための本発明の装置の構造のブロック図である。 車両の中心に対する特定の操舵角におけるカーブの半径の計算基準を示す図である。 インターフェースモジュールの機能を説明するための本発明の方法のフロー図である。

図８に示されるように、インターフェースモジュールの最も重要な機能は、運転者によってプリセット（予め設定）された値を個々の制御装置に送ることである。

そのためには、加速ペダル、このタイプの個々のセンサ、および操舵角送信機に対して、頻繁に、準連続的または連続的に問い合わせが行われる。

その後、操舵角から駆動軸のモータの補正係数が、計算され、各々のモータの制御装置に渡される。

それにより、正常動作において、制御装置の電力プリセット値が得られる。インターフェースモジュールは、狭いカーブでの速度を制限して車両の横転を防ぐことができる。

しかし、時として、特別な対策が必要な場合がある。１つには、地面が凍結している／油で汚れている、もしくは滑りやすい地面である場合には、駆動輪はスピンする恐れがある。この場合、インターフェースモジュールは、急上昇した回転速度を記録して、他方の駆動輪、通常は、反対側の駆動輪の回転速度に基づいた回転速度プリセット値を使用して補正する。駆動輪に再びグリップ力が生じた場合は、それが電力消費の増加により検知され、再び電力の所定のプリセット値への切り替えが生じる。

一方、回生制動が生じた時に、駆動輪は、滑りやすい地面でグリップ力が生じない場合には電力の減少によりすぐに停止状態になり、車両により運動し続けることはできなくなる。この場合も同様に、十分な路面との密着性が検出されるまで、他の車輪に応じて回転速度プリセット値が実現される。

それぞれのＢＬＤＣ制御装置の１つのモータの異常が発生した場合には、インターフェースモジュールは、緊急動作に切り替わる。その後、残りの損傷のないモータのみを使用して、車両をさらに移動させることができる。したがって、車両を、例えば、道の端まで安全に移動させて、減少した電力で走行中の交通レーンから外すことができる。

機械式差動装置と同様に、電子式差動装置は、カーブの地面における車輪の不必要な摩擦を防ぐ。したがって、路面との密着性が改善されると同時に、２つの駆動輪の剛性連結を有する場合と同じように、どの車輪も全くスピンしなくなる。回生制動の場合も、同様の安定化効果が得られる。生成される電気エネルギー、ひいては制動効果は、少なくともほぼモータの速度に比例する。したがって、カーブで回生制動が生じた場合、外側の車輪の制動効果は、内側の車輪の制動効果より大きい。この挙動は、特に、カーブにおける制動の際の車両の方向安定性を改善する。

滑りやすい地面では、例えば、路面が氷または油で覆われている時に、１つの車輪が容易にスピンする、またはブロックされる可能性がある。このような場合、該当する車輪を正確な速度で維持させる。特定の状況下では、このことだけで密着性が回復される。密着性が回復されれば、車輪は、すでに所要速度になる。したがって、車両が破損することはなく、これは、例えば、車輪がブロックされた場合に言えることである。

要するに、デュアルモータ制御装置は、一つの装置として設計され、一方では、複数のモータを同期して制御する働きをして、他方では、車両に組み込むことで個々の制御を簡潔にすることができる。

個々に制御する場合に比べて、操舵角送信機のみがさらに必要である。複数のモータが円滑に協働するのに必要な全ての同期化は、デュアルモータ制御装置によって行われる。デュアルモータ制御装置を車両に組み込む際に、始動動作の前の中心間距離および軸幅から成るパラメータセットを一度にプログラムする必要がある。実際に、デュアルモータ制御装置は、１つまたは複数のマイクロコントローラに基づいて構成される。しかし、当然、上述の機能性は、原理上、アナログ回路を使用することでも実現可能である。個々のモジュール間の通信については、アナログ信号およびデジタル信号の両方を使用してもよい。

ここに示されている２つの駆動後輪を備えた二軸車の好適な実施形態は、全ての車輪で駆動される三輪車もしくは四輪車にも、容易に適用することができる。デュアルモータ制御装置に組み込まれるＢＬＤＣ制御装置の数は、３つ、４つ、またはそれ以上の数に容易に増やすことができる。４つの車輪を備えた従来の車両では、４つの制御装置および４つのモータを備えた代替形態は、車両の性能を向上させるのに理想的な形態である。それに応じて、個々の制御装置の補正係数を計算して実行する必要があり、これは容易に可能である。

デュアルモータ制御装置は、駆動動作時には、悪条件でも運転状態の安定性を実現して多数の快適な機能を提供するという一貫した安全コンセプトを特徴とする。

Claims (7)

1. 少なくとも１つの操舵軸と少なくとも１つの駆動軸とを備え、前記少なくとも１つの駆動軸が各々の駆動輪に組み込まれた少なくとも２つの電気ホイールハブモータを有する車両を、
   電子式差動装置を形成するホイールハブモータ用電子制御装置を使用して、駆動プリセット値に対応するセンサ信号に基づいて操作する方法であって、
   ホイールハブモータを制御するためのプリセット値の補正係数は、インターフェースモジュールを使用して、加速ペダルの位置のセンサ信号、速度プリセット値、モータの個々の現在の回転速度値および操舵角の個々のセンサ信号から決定されて、関連のあるモータ制御装置に送られ、
   インターフェースモジュールは、一方のモータの現在の回転速度値が急上昇した際に、他のモータの現在の回転速度値に基づいて、一方のモータを制御するためのプリセット値の補正係数を決定することを特徴とする方法。
2. ホイールハブモータを制御するためのプリセット値の補正係数は、インターフェースモジュールを使用して、加速ペダルの位置のセンサ信号、速度プリセット値、モータの個々の現在の回転速度値、モータの個々の現在の電力値および操舵角の個々のセンサ信号から決定されて、関連のあるモータ制御装置に送られ、
   インターフェースモジュールは、一方のモータの現在の回転速度値が急上昇した際に、他のモータの現在の回転速度値に基づいて、一方のモータを制御するためのプリセット値の補正係数を決定し、その後、一方のモータの電力が増加することにより、加速ペダルの位置のセンサ信号、速度プリセット値、操舵角の個々のセンサ信号から、一方のモータを制御するためのプリセット値の補正係数を決定するように切り替わることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 中心間距離および軸幅は、各々の車両に対して一度に決定され、補正係数を決定するために提供されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. コーナリングでは、最大駆動速度が自動的に制限されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. モータ制御装置のうちの１つの異常および／またはモータの破損が発生した場合には、インターフェースモジュールは、関連のある経路を動作不能にして、車両の運転が損傷のない経路だけで継続されるようにすることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. インターフェースモジュールは、モータ制御装置が始動時にブロック動作された後に正弦波動作される、ことを保証することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 各々の駆動輪のブロックまたはスピンが検出された場合、各軸の各駆動輪および他の駆動輪の両方に対して、電力適応が行われることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。

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