JP5832868B2

JP5832868B2 - 電気自動車

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Publication number: JP5832868B2
Application number: JP2011254570A
Authority: JP
Inventors: 尾崎　孝美; 孝美尾崎
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2031-11-22
Also published as: CN103946053B; EP2783895A4; WO2013077376A1; EP2783895A1; JP2013110875A; CN103946053A; US20140303824A1; US9126501B2

Description

この発明は、車輪を駆動するモータを備えたバッテリ駆動、燃料電池駆動等のインホイールモータ車両等となる電気自動車に関する。

電気自動車では、限られたバッテリ容量下で航続距離を向上させるため、ＩＰＭ型のモータ（埋込磁石型同期モータ）が利用されることが多い。このモータの特徴は、容易に回生ブレーキを作用させられる点にあり、航続距離が重要な場合では、可能な限りこの回生ブレーキを利用したい。

特開２０１０−３２０３８号公報

回生ブレーキは、車輪を直接に制動するため、摩擦ブレーキに比べ、掛け過ぎるとタイヤがスリップすることがあり、適切な利かせ方が課題となっている。特に、インホイールモータ駆動装置では、その制動トルクが直に各車輪に伝達されるため、他の車輪間とのトルク配分ができず、そのためタイヤのスリップは極力避けることが必要である。
回生ブレーキを、スリップが生じないように適切に利かせるにつき、モータの駆動トルクや車輪回転速度の検出値から、機械式ブレーキと回生ブレーキとのうちの、回生ブレーキ配分を制御することは可能である。しかし、走行中に車輪が路面に対して瞬間的に浮いているような場合も多く、また路面状態によってタイヤと路面間の摩擦係数も変わる。そのため、モータの駆動トルクや車輪回転速度の検出値のみでは、回生ブレーキの適切な制御が難しい。

この発明の目的は、可能な限り回生ブレーキを使用し、かつ回生ブレーキの掛け過ぎによるタイヤのスリップを防止できる電気自動車を提供することである。

この発明の電気自動車は、車輪２を駆動するモータ６と、このモータ６を制御するモータコントロール部２９と、このモータコントロール部２９に設けられ前記モータ６の発電により前記車輪２に回生制動力を与える回生ブレーキ３４と、前記車輪２に機械的に制動力を与える機械式ブレーキ９とを備えた電気自動車において、
前記車輪２を支持する車輪用軸受４に、路面・タイヤ間に作用する車両進行方向の荷重を検出する荷重センサ４１を設け、この荷重センサ４１の出力が設定値に達したときに、前記回生ブレーキ３４の制動トルクを減じる荷重対応回生ブレーキ制限手段３６を設けたことを特徴とする。

この構成によると、荷重対応回生ブレーキ制限手段３６は、路面・タイヤ間に作用する車両進行方向の荷重が設定値に達したときに、回生ブレーキ３４の制動トルクを減じる。このように、路面・タイヤ間に作用する荷重に応じて回生ブレーキ３４の制動トルクを減じるため、回生ブレーキ３４の掛け過ぎによるタイヤのスリップを防止することができる。特に、実際に作用している路面・タイヤ間の荷重に応じて回生ブレーキ３４の利きを制限するため、モータ６の駆動トルクや車輪回転速度の検出値から制限する場合と異なり、路面状態の違いやタイヤの路面からの浮き上がり等に対して、適切な制御を迅速に行える。したがって、可能な限り回生ブレーキ３４を使用するようにしても、回生ブレーキ３４の掛け過ぎによるタイヤのスリップを防止することができる。

前記荷重対応回生ブレーキ制限手段３６は、前記荷重センサ４１の出力が設定値に達して回生ブレーキ３４の制動トルクを減じた後、荷重センサ４１の出力が前記設定値よりも低い復帰用の設定値以下になったときに、前記回生ブレーキ３４の制動トルクを減じる制御を解除するのが良い。
路面・タイヤ間の進行方向荷重が低下したときは、回生ブレーキ３４による制動トルクを減じる必要がなく、その減じる制御を解除することで、回生ブレーキ３４をできるだけ多く使用してエネルギ回収が行える。

ブレーキ操作手段１７から、車両全般を制御する電気制御ユニットであるＥＣＵ２１を介して前記モータコントロール部２９に回生制動トルク指令が与えられたときに、定められた規則に従い、車輪２の回転数とバッテリ１９の充電状態から前記回生ブレーキ３４の可能最大回生制動トルクを計算し、その可能最大回生制動トルクが前記回生制動トルク指令未満であれば、前記回生制動トルク指令に対して前記回生ブレーキ３４の制動トルクを最大に作動させる最大作動手段３５を前記モータコントロール部２９に設け、前記荷重対応回生ブレーキ制限手段３６は、前記最大作動手段３５の制御に優先して前記回生ブレーキ３４の制動トルクを減じる機能を生じさせる。
回生ブレーキ３４は、バッテリ１９の充電率が高い場合や、充電可能な残容量が少ない場合、効果的に制動が行えないが、前記最大作動手段３５は、可能最大回生制動トルクを計算し、その範囲で回生ブレーキ３４の制動トルクを最大に作動させる。このため、回生ブレーキ３４による制動トルクの不足の問題を生じることなく、可能な限り回生ブレーキ３４を使用することができる。このように、バッテリ１９の充電状況を監視しながら、可能な限り回生ブレーキ３４を使用し、その上で、前記荷重対応回生ブレーキ制限手段３６による回生ブレーキ３４の利き過ぎによるスリップ防止を行うため、スリップ防止を確実にしながら、より一層、回生ブレーキ３４の使用を高めることができる。

この発明において、前記モータコントロール部２９に、前記回生ブレーキ３４が機能する回生制動トルクの値を前記ＥＣＵ２１に報告する報告手段３７を設け、前記ＥＣＵ２１に、前記報告手段３７から報告された回生制動トルクの値と前記モータコントロール部２９に与えた回生制動トルク指令との差分となる制動トルクを前記機械式ブレーキ９に加えさせる制動力配分手段３８を設けるのが良い。
荷重対応回生ブレーキ制限手段３６による回生トルクの低減を行った場合や、最大作動手段３５の計算した可能最大回生制動トルクから、回生ブレーキ３４が回生トルク指令の回生制動トルクを得ることができない場合等は、車両全般を制御する電気制御ユニットであるＥＣＵ２１に報告することで、ＥＣＵ２１による各種の制御を適切に行える。特に、制動力配分手段３８により、低減後の回生制動トルクの値と回生制動トルク指令との差分となる制動トルクを機械式ブレーキ９に与えることで、回生制動トルクを低減させても、車両の総制動トルクを確保することができる。

この発明において、前記荷重センサ４１は、前記車両進行方向の荷重に加えて、路面・タイヤ間に作用する車幅方向の荷重を検出する機能を有するものとし、前記荷重対応回生ブレーキ制限手段３６は、前記荷重センサ４１の出力する前記車両進行方向の荷重と車幅方向の荷重とから、設定規則により演算された値が設定値に達した場合に、前記回生ブレーキ３４の制動トルクを減じるものとしても良い。
車両が曲線路を走行するときは、左右の車輪２における車両進行方向の路面・タイヤ間の荷重が異なり、また路面・タイヤ間に車幅方向の荷重が作用する。このため、車幅方向の荷重と車両進行方向の荷重との両方を用いて荷重対応回生ブレーキ制限手段３６による回生制動トルクの低減可否を判定させることで、より確実に、可能な限り回生ブレーキ３４を使用し、かつ回生ブレーキ３４の掛け過ぎによるタイヤのスリップを防止することができる。

この発明において、前記モータ６は、一部または全体が車輪２内に配置されて前記モータ６と車輪用軸受４を含むインホイールモータ駆動装置８を構成するものであっても良い。このインホイールモータ駆動装置８は、前記モータ６の回転を減速して車輪に伝える減速機７を含むものであっても良い。
インホイールモータ駆動装置８では、回生ブレーキ３４の制動トルクが直に車輪２に伝達されるために、他の車輪２，３間とのトルク配分ができず、そのためタイヤのスリップは極力避けることが必要である。そのため、この発明によるスリップ防止の効果がより一層効果的である。

インホイールモータ駆動装置８を用いる場合に、インバータ装置２２と前記インホイールモータ駆動装置８とでインホイールモータユニット３０を構成し、前記インバータ装置２２は、前記モータコントロール部２９、およびこのモータコントロール部２９により制御されて前記モータ６に駆動電流を流すパワー回路部２８を含み、前記モータコントロール部２９に前記荷重対応回生ブレーキ制限手段３６を設けても良い。
このように、インホイールモータユニット３０に備えられたインバータ装置２２のモータコントロール部２９に前記荷重対応回生ブレーキ制限手段３６を設けることで、車両全体を制御するＥＣＵ２１の構成や制御の簡素が図れる。例えば、インホイールモータ駆動装置８の設計変更等を行った場合も、ＥＣＵ２１の設計変更を不要とするか、あるいは僅かで済むようにできる。

この発明の電気自動車は、車輪を駆動するモータと、このモータを制御するモータコントロール部と、このモータコントロール部に設けられ前記モータの発電により前記車輪に回生制動力を与える回生ブレーキと、前記車輪に機械的に制動力を与える機械式ブレーキとを備えた電気自動車において、前記車輪を支持する車輪用軸受に、路面・タイヤ間に作用する車両進行方向の荷重を検出する荷重センサを設け、この荷重センサの出力が設定値に達したときに、前記回生ブレーキの制動トルクを減じる荷重対応回生ブレーキ制限手段を設け、ブレーキ操作手段から、車両全般を制御する電気制御ユニットであるＥＣＵを介して前記モータコントロール部に回生制動トルク指令が与えられたときに、定められた規則に従い、車輪の回転数とバッテリの充電状態から前記回生ブレーキの可能最大回生制動トルクを計算し、その可能最大回生制動トルクが前記回生制動トルク指令未満であれば、前記回生制動トルク指令に対して前記回生ブレーキの制動トルクを最大に作動させる最大作動手段を前記モータコントロール部に設け、前記荷重対応回生ブレーキ制限手段は、前記最大作動手段の制御に優先して前記回生ブレーキの制動トルクを減じる機能を生じさせるため、可能な限り回生ブレーキを使用し、かつ回生ブレーキの掛け過ぎによるタイヤのスリップを防止することができる。

この発明の一実施形態に係る電気自動車を平面図で示す概念構成のブロック図である。同電気自動車のインホイールモータユニットの概念構成を示すブロック図である。同電気自動車におけるＥＣＵの制動力配分とインホイールモータユニットによる回生ブレーキの制御の過程を示す流れ図である。同電気自動車のバッテリ充電可能量と回生制動トルク、機械式制動トルクの関係を示すグラフである。同電気自動車におけるインホイールモータ駆動装置の破断正面図である。図５のVI-VI 線断面図である。図６の部分拡大断面図である。同電気自動車における車輪用軸受の外方部材の側面図と荷重検出用の信号処理ユニットとを組み合わせた図である。同電気自動車におけるセンサユニットの拡大平面図である。同センサユニットの断面図である。同電気自動車における回転検出器の一例の断面図である。

この発明の一実施形態を図１ないし図１１と共に説明する。この電気自動車は、車体１の左右の後輪となる車輪２が駆動輪とされ、左右の前輪となる車輪３が従動輪の操舵輪とされた４輪の自動車である。駆動輪および従動輪となる車輪２，３は、いずれもタイヤを有し、それぞれ車輪用軸受４，５を介して車体１に支持されている。車輪用軸受４，５は、図１ではハブベアリングの略称「Ｈ／Ｂ」を付してある。駆動輪となる左右の車輪２，２は、それぞれ独立の走行用のモータ６，６により駆動される。モータ６の回転は、減速機７および車輪用軸受４を介して車輪２に伝達される。これらモータ６、減速機７、および車輪用軸受４は、互いに一つの組立部品であるインホイールモータ駆動装置８を構成しており、インホイールモータ駆動装置８は、一部または全体が車輪２内に配置される。モータ６は、減速機７を介さずに直接に車輪２を回転駆動するものであっても良い。各インホイールモータ駆動装置８は、後述のインバータ装置２２と共に、インホイールモータユニット３０を構成する。各車輪２，３には、電動式等の摩擦ブレーキである機械式のブレーキ９，１０が設けられている。

左右の前輪となる操舵輪である車輪３，３は、転舵機構１１を介して転舵可能であり、操舵機構１２により操舵される。転舵機構１１は、タイロッド１１ａを左右移動させることで、車輪用軸受５を保持した左右のナックルアーム１１ｂの角度を変える機構であり、ＥＰＳ（電動パワーステアリング）モータ１３により、回転・直線運動変換機構（図示せず）を介して左右移動させられる。操舵機構１２は、タイロッド１１ａと機械的に連結されていないステアリングホイール１４の操舵角を操舵角センサ１５で検出し、その検出した操舵角である旋回指令によりＥＰＳモータ１３に駆動指令を与えられるステアバイワイヤ式とされている。

制御系を説明する。自動車全般の制御を行う電気制御ユニットであるメインのＥＣＵ２１と、このＥＣＵ２１の指令に従って走行用のモータ６の制御を行うインバータ装置２２と、ブレーキコントローラ２３とが、車体１に搭載されている。ＥＣＵ２１は、コンピュータとこれに実行されるプログラム、並びに各種の電子回路等で構成される。

ＥＣＵ２１は、機能別に大別すると駆動制御部２１ａと一般制御部２１ｂとに分けられる。駆動制御部２１ａは、アクセル操作部１６の出力する加速指令と、ブレーキ操作部１７の出力する減速指令と、操舵角センサ１５の出力する旋回指令とから、左右輪の走行用モータ６，６に与える加速・減速指令を生成し、インバータ装置２２へ出力する。駆動制御部２１ａは、上記の他に、出力する加速・減速指令を、各車輪２，３の車輪用軸受４，５に設けられた回転センサ２４から得られるタイヤ回転数の情報や、車載の各センサの情報を用いて補正する機能を有していても良い。アクセル操作部１６は、アクセルペダルとその踏み込み量を検出して前記加速指令を出力するセンサ１６ａとでなる。ブレーキ操作部１７は、ブレーキペダルとその踏み込み量を検出して前記減速指令を出力するセンサ１７ａとでなる。

ＥＣＵ２１の一般制御部２１ｂは、各種の補機システム２５を制御する機能、コンソールの操作パネル２６からの入力指令を処理する機能、表示手段２７に表示を行う機能などを有する。前記補機システム２５は、例えば、エアコン、ライト、ワイパー、ＧＰＳ、エアバッグ等であり、ここでは代表して一つのブロックとして示す。

ブレーキコントローラ２３は、ＥＣＵ２１から出力される制動指令に従って、各車輪２，３の機械式のブレーキ９，１０に制動指令を与える手段であり、制動専用のＥＣＵとなる電子回路やマイコン等により構成される。メインのＥＣＵ２１から出力される制動指令には、ブレーキ操作部１７の出力する減速指令によって生成される指令の他に、ＥＣＵ２１の持つ安全性向上のための手段によって生成される指令がある。ブレーキコントローラ２３は、この他にアンチロックブレーキシステムを備える。

インバータ装置２２は、各モータ６に対して設けられたパワー回路部２８と、このパワー回路部２８を制御するモータコントロール部２９とで構成される。モータコントロール部２９は、各パワー回路部２８に対して共通して設けられていても、別々に設けられていても良いが、共通して設けられた場合であっても、各パワー回路部２８を、例えば互いにモータトルクが異なるように独立して制御可能なものとされる。モータコントロール部２９は、このモータコントロール部２９が持つインホイールモータ８に関する各検出値や制御値等の各情報（「ＩＷＭシステム情報」と称す）をＥＣＵ２１に出力する機能を有する。
この実施形態では、モータコントロール部２９は、各パワー回路部２８に対して別々に設けられ、これらパワー回路部２８とモータコントロール部２９とでなるインバータ装置２２と、その制御対象のモータ６を含むインホイールモータ駆動装置８とで、前述のようにインホイールモータユニット３０が構成される。

図２は、インホイールモータユニット３０の概念構成を示すブロック図である。インバータ装置２２のパワー回路部２８は、バッテリ１９の直流電力をモータ６の駆動に用いる３相の交流電力に変換するインバータ３１と、このインバータ３１を制御するＰＷＭドライバ３２とで構成される。モータ６は３相の同期モータ、例えばＩＰＭ型（埋込磁石型）同期モータ等からなる。インバータ３１は、複数の半導体スイッチング素子（図示せず）で構成され、ＰＷＭドライバ３２は、入力された電流指令をパルス幅変調し、前記各半導体スイッチング素子にオンオフ指令を与える。

モータコントロール部２９は、コンピュータとこれに実行されるプログラム、および電子回路により構成され、その基本となる制御部として基本駆動制御部３３を有している。基本駆動制御部３３は、上位制御手段であるＥＣＵ２１から与えられるトルク指令等による加速・減速指令に従い、電流指令に変換して、パワー回路部２８のＰＷＭドライバ３２に電流指令を与える手段である。基本駆動制御部３３は、インバータ３１からモータ６に流すモータ電流値を電流検出手段３９から得て、電流フィードバック制御を行う。また、モータ駆動制御部３３は、モータ６のロータの回転角を角度センサ４２から得て、ベクトル制御等の回転角に応じた制御を行う。

この実施形態では、モータコントロール部２９に、次の回生ブレーキ３４、最大作動手段３５、荷重対応回生ブレーキ制限手段３６、および報告手段３７を設け、かつＥＣＵ２１に制動力配分手段３８を設けている。

回生ブレーキ３４は、モータ６の発電により車輪２に回生制動力を与える手段であり、ＥＣＵ２１の制動力配分手段３８から与えられた回生制動トルク指令により、基本駆動制御部３３で出力する駆動トルクを減じさせる制御を行う。また、回生ブレーキ３４は、モータ６の発電した電力を、インバータ３１を介してバッテリ１９に充電させる機能を有する。

最大作動手段３５は、ブレーキ操作手段１７から、ＥＣＵ２１の制動力配分手段３８を介してモータコントロール部２９に回生制動トルク指令が与えられたときに、数式等で定められた規則に従い、車輪２の回転数とバッテリ１９の充電状態から、回生ブレーキ３４の可能最大回生制動トルクを計算し、その可能最大回生制動トルクが前記回生制動トルク指令未満であれば、前記回生制動トルク指令に対して回生ブレーキ３４の制動トルクを最大に作動させる手段である。最大作動手段３５において、車輪２の回転数は、例えば、車輪用軸受４に設けられた回転センサ２４の出力を用いて認識し、またバッテリ１９の充電状態は、バッテリ１９に設けられた充電状態検出手段（図示せず）の出力によって認識する。ここで言うバッテリ１９の充電状態は、充電率であっても、残りの充電可能容量であっても良い。

荷重対応回生ブレーキ制限手段３６は、荷重センサ４１で検出される、路面・タイヤ間に作用する車両進行方向の荷重Ｆ_x の値が制限用の設定値に達したときに、回生ブレーキ３４の制動トルクを減じる手段である。荷重対応回生ブレーキ制限手段３６は、前記最大作動手段３５の制御に優先して回生ブレーキ３４の制動トルクを減じる機能を生じさせる。また、荷重対応回生ブレーキ制限手段３６は、荷重センサ４１の出力が前記制限用の設定値に達して回生ブレーキ３４の制動トルクを減じた後、前記設定値よりも低い復帰用の設定値に達したときに、回生ブレーキ３４の制動トルクを減じる制御を解除する。
前記設定値、および回生ブレーキ３４の制動トルクをどの程度に減じるかについては、シミュレーション等により適宜考察して設定される。荷重センサ４１は、後に具体例を示すように、車輪用軸受４に設けられる。

荷重対応回生ブレーキ制限手段３６は、荷重センサ４１の出力する前記車両進行方向の荷重Ｆ_x に対応する制御に加え、荷重センサ４１の出力する車両進行方向の荷重Ｆ_x と車幅方向の荷重Ｆ_y とから、設定規則により演算された値が設定値に達した場合に、前記回生ブレーキの制動トルクを減じるものとしても良い。この場合、荷重センサ４１は、車両進行方向の荷重Ｆ_x に加えて、路面・タイヤ間に作用する車幅方向の荷重Ｆ_y を検出する機能を有するものとするか、または車幅方向の荷重Ｆ_y を検出する別の荷重センサ（図示せず）を設ける。

報告手段３７は、回生ブレーキ３４が機能する回生制動トルクの値をＥＣＵ２１に報告する手段である。

ＥＣＵ２１の制動力配分手段３８は、ブレーキ操作手段１７から減速指令として与えられる全制動トルクの指令を、回生ブレーキ３４による回生制動トルク指令と、機械式ブレーキ９，１０に対する制動トルク指令とに分配する手段である。
この制動力配分手段３８は、報告手段３７から報告された回生制動トルクの値と前記モータコントロール部２９に与えた回生制動トルク指令との差分となる制動トルクを、機械式ブレーキ９，１０に与える制動トルクに加える制御を行う。制動力配分手段３８により機械式ブレーキ９，１０に与える制動トルクの指令は、ブレーキコントローラ２３を介して機械式ブレーキ９，１０に与えられる。

次に、上記構成による制動動作と上記各手段３５〜３８の機能の詳細とを説明する。
図３（Ａ）は、ＥＣＵ２１の制動力配分手段３８の制御を示し、同図（Ｂ）は、最大作動手段３５および荷重対応回生ブレーキ制限手段３６の制御を示す。
図３（Ａ）において、ブレーキ操作手段１７の減速指令が制動トルク指令としてＥＣＵ２１に入力されると（ステップＳ１）、制動力配分手段３８は前記制動トルク指令を、各車輪２のモータ６のモータコントール部９に分配して出力する（Ｓ２）。このとき、制動力配分手段３８は、急ブレーキ等を除く定められた通常範囲の制動トルクの場合は、ブレーキ操作手段１７の制動トルク指令を、全て回生制動トルク指令として出力し、機械式ブレーキ９，１０には制動トルク指令を与えない。
この後、制動力配分手段３８は、各回生ブレーキ３４の報告手段３７からの報告を待つ（Ｓ３）。

モータコントロール部２９の最大作動手段３５は、制動力配分手段３８からの回生制動トルク指令が入力されると（図３（Ｂ）ステップＲ１）、車輪２の回転数とバッテリ１９の充電状態から、回生ブレーキ３４の可能最大回生制動トルクを計算する（Ｒ２）。この計算は、数式等で定められた規則に従って行われる。

図４に示すように、可能最大回生制動トルクτ_BRM は、ある程度の以上のバッテリ充電可能量の場合は、バッテリ充電可能量に比例して大きくなる。
この計算の後、最大作動手段３５は、可能最大回生制動トルクτ_BRM と回生制動トルク指令τ_BRO とを比較し（Ｒ３）、可能最大回生制動トルクτ_BRM が回生制動トルク指令τ_BRO 未満であれば、回生制動トルク指令τ_BRO に対して回生ブレーキ３４の制動トルクを最大に作動させる（Ｒ４）。不足分は機械式ブレーキ２，３を動作させることになる。すなわち、必要な制動トルクτ_BRを、回生制動トルクτ_BRと機械式ブレーキ２，３の制動トルクτ_BRS とで分担する。
可能最大回生制動トルクτ_BRM が回生制動トルク指令τ_BRO 以上であれば、回生制動トルク指令τ_BRO 分の回生制動トルクを回生ブレーキ３４により発生させる（Ｒ５）。

また、荷重対応回生ブレーキ制限手段３６は、モータコントロール部２９に回生制動トルク指令が入力されると、荷重センサ４１で検出される、路面・タイヤ間に作用する車両進行方向の荷重Ｆ_x の値と制限用の設定値とを比較し、車両進行方向の荷重Ｆ_x が設定値に達したときは、回生ブレーキ３４の制動トルクを減じる（Ｒ６）。この制動トルクを減じる制御は、最大作動手段３５の制御に優先して行う。
この後、報告手段３７は、回生ブレーキ３４が機能する回生制動トルクの値をＥＣＵ２１に報告する（Ｒ７）。

ＥＣＵ２１の制動力配分手段３８は、報告手段３７から報告された回生制動トルクの値とモータコントロール部２９に与えた回生制動トルク指令との差分となる制動トルクを、ブレーキコントローラ２３を介して機械式ブレーキ９，１０に与える（Ｓ４）。ブレーキコントローラ２３は、原則的には、回生制動トルクを減じた車輪２の機械式ブレーキ９に、その減じた分の制動トルクを加えるように制御するが、他の機械式ブレーキ９，１０にも、前記の回生制動トルクを減じた分の制動トルクを分配しても良い。

なお、図３の流れ図では図示を省略したが、荷重対応回生ブレーキ制限手段３６は、荷重センサ４１の出力が前記制限用の設定値に達して回生ブレーキ３４の制動トルクを減じた後、荷重センサ４１の出力が前記設定値よりも低い復帰用の設定値以下になったときは、回生ブレーキ３４の制動トルクを減じる制御を解除する。

この構成の電気自動車によると、上記のように、路面・タイヤ間に作用する荷重に応じて回生ブレーキ３４の制動トルクを減じるため、回生ブレーキ３４の掛け過ぎによるタイヤのスリップを防止することができる。特に、実際に作用している路面・タイヤ間の荷重に応じて回生ブレーキ３４の利きを制限するため、モータ６の駆動トルクや車輪回転速度の検出値から制限する場合と異なり、路面状態の違いやタイヤの路面からの浮き上がり等に対して、適切な制御を迅速に行える。したがって、可能な限り回生ブレーキ３４を使用するようにしても、回生ブレーキ３４の掛け過ぎによるタイヤのスリップを防止することができる。
この実施形態では、インホイールモータ駆動装置８に適用しており、インホイールモータ駆動装置８では、その制動トルクが直に各車輪２に伝達されるため、他の車輪２，３間とのトルク配分ができず、そのためタイヤのスリップは極力避けることが必要である。このため、上記の荷重対応回生ブレーキ制限手段３６を設けたことによるスリップ防止作用が、より効果的である。

また、荷重対応回生ブレーキ制限手段３６は、荷重センサ４１の出力が設定値に達して回生ブレーキ３４の制動トルクを減じた後、荷重センサ４１の出力が前記設定値よりも低い復帰用の設定値以下になったときは、前記回生ブレーキの制動トルクを減じる制御を解除する。路面・タイヤ間の進行方向荷重が低下したときは、回生ブレーキ３４による制動トルクを減じる必要がなく、その減じる制御を解除することで、回生ブレーキをできるだけ多く使用してエネルギ回収が行える。

さらに、最大作動手段３５により、次の効果が得られる。回生ブレーキ３４は、バッテリ１９の充電率が高い場合や、充電可能な残容量が少ない場合、効果的に制動が行えないが、最大作動手段３５は可能最大回生制動トルクτ_BRM を計算し、その範囲で回生ブレーキ３４の制動トルクを最大に作動させる。このため、回生ブレーキ３４による制動トルクの不足の問題を生じることなく、可能な限り回生ブレーキ３４を使用することができる。このように、バッテリの充電状況を監視しながら、可能な限り回生ブレーキ３４を使用し、その上で、荷重対応回生ブレーキ制限手段３６による回生ブレーキ３６の利き過ぎによるスリップ防止を行うため、スリップ防止を確実にしながら、より一層、回生ブレーキの使用を高めることができる。

次に、図５〜図７と共に、前記インホイールモータ駆動装置８の具体例を示す。このインホイールモータ駆動装置８は、車輪用軸受４とモータ６との間に減速機７を介在させ、車輪用軸受４で支持される駆動輪である車輪２のハブとモータ６の回転出力軸７４とを同軸心上で連結してある。減速機７は、サイクロイド減速機であって、モータ６の回転出力軸７４に同軸に連結される回転入力軸８２に偏心部８２ａ，８２ｂを形成し、偏心部８２ａ，８２ｂにそれぞれ軸受８５を介して曲線板８４ａ，８４ｂを装着し、曲線板８４ａ，８４ｂの偏心運動を車輪用軸受４へ回転運動として伝達する構成である。なお、この明細書において、車両に取り付けた状態で車両の車幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側と呼び、車両の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。

車輪用軸受４は、内周に複列の転走面５３を形成した外方部材５１と、これら各転走面５３に対向する転走面５４を外周に形成した内方部材５２と、これら外方部材５１および内方部材５２の転走面５３，５４間に介在した複列の転動体５５とで構成される。内方部材５２は、駆動輪を取り付けるハブを兼用する。この車輪用軸受４は、複列のアンギュラ玉軸受とされていて、転動体５５はボールからなり、各列毎に保持器５６で保持されている。上記転走面５３，５４は断面円弧状であり、各転走面５３，５４は接触角が背面合わせとなるように形成されている。外方部材５１と内方部材５２との間の軸受空間のアウトボード側端は、シール部材５７でシールされている。

外方部材５１は静止側軌道輪となるものであって、減速機７のアウトボード側のハウジング８３ｂに取り付けるフランジ５１ａを有し、全体が一体の部品とされている。フランジ５１ａには、周方向の複数箇所にボルト挿通孔６４が設けられている。また、ハウジング８３ｂには，ボルト挿通孔６４に対応する位置に、内周にねじが切られたボルト螺着孔９４が設けられている。ボルト挿通孔９４に挿通した取付ボルト６５をボルト螺着孔９４に螺着させることにより、外方部材５１がハウジング８３ｂに取り付けられる。

内方部材５２は回転側軌道輪となるものであって、車輪取付用のハブフランジ５９ａを有するアウトボード側材５９と、このアウトボード側材５９の内周にアウトボード側が嵌合して加締めによってアウトボード側材５９に一体化されたインボード側材６０とでなる。これらアウトボード側材５９およびインボード側材６０に、前記各列の転走面５４が形成されている。インボード側材６０の中心には貫通孔６１が設けられている。ハブフランジ５９ａには、周方向複数箇所にハブボルト６６の圧入孔６７が設けられている。アウトボード側材５９のハブフランジ５９ａの根元部付近には、駆動輪および制動部品（図示せず）を案内する円筒状のパイロット部６３がアウトボード側に突出している。このパイロット部６３の内周には、前記貫通孔６１のアウトボード側端を塞ぐキャップ６８が取り付けられている。

減速機７は、上記したようにサイクロイド減速機であり、図６のように外形がなだらかな波状のトロコイド曲線で形成された２枚の曲線板８４ａ，８４ｂが、それぞれ軸受８５を介して回転入力軸８２の各偏心部８２ａ，８２ｂに装着してある。これら各曲線板８４ａ，８４ｂの偏心運動を外周側で案内する複数の外ピン８６を、それぞれハウジング８３ｂに差し渡して設け、内方部材２のインボード側材６０に取り付けた複数の内ピン８８を、各曲線板８４ａ，８４ｂの内部に設けられた複数の円形の貫通孔８９に挿入状態に係合させてある。回転入力軸８２は、モータ６の回転出力軸７４とスプライン結合されて一体に回転する。なお、回転入力軸８２はインボード側のハウジング８３ａと内方部材５２のインボード側材６０の内径面とに２つの軸受９０で両持ち支持されている。

モータ６の回転出力軸７４が回転すると、これと一体回転する回転入力軸８２に取り付けられた各曲線板８４ａ，８４ｂが偏心運動を行う。この各曲線板８４ａ，８４ｂの偏心運動が、内ピン８８と貫通孔８９との係合によって、内方部材５２に回転運動として伝達される。回転出力軸７４の回転に対して内方部材５２の回転は減速されたものとなる。例えば、１段のサイクロイド減速機で１／１０以上の減速比を得ることができる。

前記２枚の曲線板８４ａ，８４ｂは、互いに偏心運動が打ち消されるように１８０°位相をずらして回転入力軸８２の各偏心部８２ａ，８２ｂに装着され、各偏心部８２ａ，８２ｂの両側には、各曲線板８４ａ，８４ｂの偏心運動による振動を打ち消すように、各偏心部８２ａ，８２ｂの偏心方向と逆方向へ偏心させたカウンターウエイト９１が装着されている。

図７に拡大して示すように、前記各外ピン８６と内ピン８８には軸受９２，９３が装着され、これらの軸受９２，９３の外輪９２ａ，９３ａが、それぞれ各曲線板８４ａ，８４ｂの外周と各貫通孔８９の内周とに転接するようになっている。したがって、外ピン８６と各曲線板８４ａ，８４ｂの外周との接触抵抗、および内ピン８８と各貫通孔８９の内周との接触抵抗を低減し、各曲線板８４ａ，８４ｂの偏心運動をスムーズに内方部材５２に回転運動として伝達することができる。

図５において、モータ６は、円筒状のモータハウジング７２に固定したモータステータ７３と、回転出力軸７４に取り付けたモータロータ７５との間にラジアルギャップを設けたラジアルギャップ型のＩＰＭモータである。回転出力軸７４は、減速機７のインボード側のハウジング８３ａの筒部に２つの軸受７６で片持ち支持されている。

モータステータ７３は、軟質磁性体からなるステータコア部７７とコイル７８とでなる。ステータコア部７７は、その外周面がモータハウジング７２の内周面に嵌合して、モータハウジング７２に保持されている。モータロータ７５は、モータステータ７３と同心に回転出力軸７４に外嵌するロータコア部７９と、このロータコア部７９に内蔵される複数の永久磁石８０とでなる。

モータ６には、モータステータ７３とモータロータ７５の間の相対回転角度を検出する角度センサ４２が設けられる。角度センサ４２は、モータステータ７３とモータロータ７５の間の相対回転角度を表す信号を検出して出力する角度センサ本体７０と、この角度センサ本体７０の出力する信号から角度を演算する角度演算回路７１とを有する。角度センサ本体７０は、回転出力軸７４の外周面に設けられる被検出部７０ａと、モータハウジング７２に設けられ前記被検出部７０ａに例えば径方向に対向して近接配置される検出部７０ｂとでなる。被検出部７０ａと検出部７０ｂは軸方向に対向して近接配置されるものであっても良い。ここでは、各角度センサ４２として、磁気エンコーダまたはレゾルバが用いられる。モータ６の回転制御は上記モータコントロール部２９（図１，２）により行われる。このモータ６では、その効率を最大にするため、角度センサ４２の検出するモータステータ７３とモータロータ７５の間の相対回転角度に基づき、モータステータ７３のコイル７８へ流す交流電流の各波の各相の印加タイミングを、モータコントロール部２９のモータ駆動制御部３３によってコントロールするようにされている。
なお、インホイールモータ駆動装置８のモータ電流の配線や各種センサ系，指令系の配線は、モータハウジング７２等に設けられたコネクタ９９により纏めて行われる。

図２に示す前記荷重センサ２４は、例えば図８に示す複数のセンサユニット１２０と、これらセンサユニット１２０の出力信号を処理する信号処理ユニット１３０とで構成される。センサユニット１２０は、車輪用軸受４における静止側軌道輪である外方部材５１の外径面の４か所に設けられる。図８は、外方部材１をアウトボード側から見た正面図を示す。ここでは、これらのセンサユニット１２０が、タイヤ接地面に対して上下位置および左右位置となる外方部材５１における外径面の上面部、下面部、右面部、および左面部に設けられている。信号処理ユニット１３０は、外方部材５１に設けられていても良く、インバータ装置２２のモータコントロール部２９に設けられていても良い。

信号処理ユニット１３０は、上記４箇所のセンサユニット１２０の出力を比較し、定められた演算式に従って、車輪用軸受４に作用する各荷重、具体的には、車輪２の路面・タイヤ間で作用荷重となる直方向荷重Ｆ_z 、駆動力や制動力となる車両進行方向荷重Ｆ_x 、および軸方向荷重Ｆ_y を演算し、出力する。前記センサユニット１２０を４つ設け、各センサユニット１２０を、タイヤ接地面に対して上下位置および左右位置となる外方部材５１の外径面の上面部、下面部、右面部、および左面部に円周方向９０度の位相差で等配しているので、車輪用軸受４に作用する垂直方向荷重Ｆ_z 、車両進行方向荷重Ｆ_x 、軸方向荷重Ｆ_y を精度良く推定することができる。垂直方向荷重Ｆ_z は、上下２つのセンサユニット１２０の出力を比較することで得られ、車両進行方向荷重Ｆ_x は、前後２つのセンサユニット１２０の出力を比較することで得られる。軸方向荷重Ｆ_y は、４つのセンサユニット１２０の出力を比較することで得られる。信号処理ユニット１３０による上記各荷重Ｆ_x ，Ｆ_y ，Ｆ_z の演算は、試験やシミュレーションで求められた値を基に、演算式やパラメータを設定しておくことで、精度良く行うことができる。なお、より具体的には、上記の演算には各種の補正を行うが、補正については説明を省略する。

上記各センサユニット１２０は、例えば、図９および図１０に拡大平面図および拡大断面図で示すように、歪み発生部材１２１と、この歪み発生部材１２１に取り付けられて歪み発生部材１２１の歪みを検出する歪みセンサ１２２とでなる。歪み発生部材１２１は、鋼材等の弾性変形可能な金属製の厚さ３ｍｍ以下の薄板材からなり、平面概形が全長にわたり均一幅の帯状で中央の両側辺部に切欠き部１２１ｂを有する。また、歪み発生部材１２１は、外輪１の外径面にスペーサ１２３を介して接触固定される２つの接触固定部１２１ａを両端部に有する。歪みセンサ１２２は、歪み発生部材１２１における各方向の荷重に対して歪みが大きくなる箇所に貼り付けられる。ここでは、その箇所として、歪み発生部材１２１の外面側で両側辺部の切欠き部１２１ｂで挟まれる中央部位が選ばれており、歪みセンサ１２２は切欠き部１２１ｂの周辺の周方向の歪みを検出する。

前記センサユニット１２０は、その歪み発生部材１２１の２つの接触固定部１２１ａが、外輪１の軸方向に同寸法の位置で、かつ両接触固定部１２１ａが互いに円周方向に離れた位置に来るように配置され、これら接触固定部１２１ａがそれぞれスペーサ１２３を介してボルト１２４により外輪１の外径面に固定される。前記各ボルト１２４は、それぞれ接触固定部１２１ａに設けられた径方向に貫通するボルト挿通孔１２５からスペーサ１２３のボルト挿通孔１２６に挿通し、外方部材５１の外周部に設けられたねじ孔１２７に螺合させる。このように、スペーサ１２３を介して外方部材５１の外径面に接触固定部１２１ａを固定することにより、薄板状である歪み発生部材１２１における切欠き部１２１ｂを有する中央部位が外輪１の外径面から離れた状態となり、切欠き部１２１ｂの周辺の歪み変形が容易となる。接触固定部１２１ａが配置される軸方向位置として、ここでは外方部材５１のアウトボード側列の転走面５３の周辺となる軸方向位置が選ばれる。ここでいうアウトボード側列の転走面５３の周辺とは、インボード側列およびアウトボード側列の転走面５３の中間位置からアウトボード側列の転走面５３の形成部までの範囲である。外方部材５１の外径面における前記スペーサ１２３が接触固定される箇所には平坦部１ｂが形成される。

歪みセンサ１２２としては、種々のものを使用することができる。例えば、歪みセンサ１２２を金属箔ストレインゲージで構成することができる。その場合、通常、歪み発生部材１２１に対しては接着による固定が行われる。また、歪みセンサ１２２を歪み発生部材１２１上に厚膜抵抗体にて形成することができる。

図１１は、図１，図２の回転センサ２４の一例を示す。この回転センサ２４は、車輪用軸受４における内方部材５２の外周に設けられた磁気エンコーダ２４ａと、この磁気エンコーダ２４ａに対向して外方部材５１に設けられた磁気センサ２４ｂとでなる。磁気エンーダ２４ａは、円周方向に磁極Ｎ，Ｓを交互に着磁したリング状の部材である。この例では、回転センサ２４は両列の転動体５５，５５間に配置しているが、車輪用軸受４の端部に設置しても良い。

１…車体
２，３…車輪
４，５…車輪用軸受
６…モータ
７…減速機
８…インホイールモータ駆動装置
９，１０…電動式のブレーキ
１１…転舵機構
１２…操舵機構
１９…バッテリ
２１…ＥＣＵ
２２…インバータ装置
２４…回転センサ
２８…パワー回路部
２９…モータコントロール部
３０…インホイールモータユニット
３１…インバータ
３２…ＰＷＭドライバ
３３…モータ駆動制御部
３４…回生ブレーキ
３５…最大作動手段
３６…荷重対応回生ブレーキ制限手段
３７…報告手段
３８…制動力配分手段
３９…電流検出手段
４１…荷重センサ
４２…角度センサ

Claims

車輪を駆動するモータと、このモータを制御するモータコントロール部と、このモータコントロール部に設けられ前記モータの発電により前記車輪に回生制動力を与える回生ブレーキと、前記車輪に機械的に制動力を与える機械式ブレーキとを備えた電気自動車において、
前記車輪を支持する車輪用軸受に、路面・タイヤ間に作用する車両進行方向の荷重を検出する荷重センサを設け、この荷重センサの出力が設定値に達したときに、前記回生ブレーキの制動トルクを減じる荷重対応回生ブレーキ制限手段を設け、
ブレーキ操作手段から、車両全般を制御する電気制御ユニットであるＥＣＵを介して前記モータコントロール部に回生制動トルク指令が与えられたときに、定められた規則に従い、車輪の回転数とバッテリの充電状態から前記回生ブレーキの可能最大回生制動トルクを計算し、その可能最大回生制動トルクが前記回生制動トルク指令未満であれば、前記回生制動トルク指令に対して前記回生ブレーキの制動トルクを最大に作動させる最大作動手段を前記モータコントロール部に設け、前記荷重対応回生ブレーキ制限手段は、前記最大作動手段の制御に優先して前記回生ブレーキの制動トルクを減じる機能を生じさせることを特徴とする電気自動車。
請求項１において、前記荷重対応回生ブレーキ制限手段は、前記荷重センサの出力が設定値に達して回生ブレーキの制動トルクを減じた後、荷重センサの出力が前記設定値よりも低い復帰用の設定値以下になったときに、前記回生ブレーキの制動トルクを減じる制御を解除する電気自動車。
請求項１または請求項２において、前記モータコントロール部に、前記回生ブレーキが機能する回生制動トルクの値を前記ＥＣＵに報告する報告手段を設け、前記ＥＣＵに、前記報告手段から報告された回生制動トルクの値と前記モータコントロール部に与えた回生制動トルク指令との差分となる制動トルクを前記機械式ブレーキに加えさせる制動力配分手段を設けた電気自動車。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記荷重センサは、前記車両進行方向の荷重に加えて、路面・タイヤ間に作用する車幅方向の荷重を検出する機能を有するものとし、前記荷重対応回生ブレーキ制限手段は、前記荷重センサの出力する前記車両進行方向の荷重と車幅方向の荷重とから演算された値が設定値に達した場合に、前記回生ブレーキの制動トルクを減じるものとした電気自動車。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記モータは、一部または全体が車輪内に配置されて前記モータと車輪用軸受を含むインホイールモータ駆動装置を構成する電気自動車。
請求項５において、前記インホイールモータ駆動装置は、前記モータの回転を減速して車輪に伝える減速機を含む電気自動車。
請求項５または請求項６において、インバータ装置と前記インホイールモータ駆動装置とでインホイールモータユニットを構成し、前記インバータ装置は、前記モータコントロール部、およびこのモータコントロール部により制御されて前記モータに駆動電流を流すパワー回路部を含み、前記モータコントロール部に前記荷重対応回生ブレーキ制限手段を設けた電気自動車。