JP6042163B2 - モータ搭載自動車の低温時駆動制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、走行用のモータと減速機とを備え、減速機の潤滑油とモータの冷却油とを共用する電気自動車やハイブリッド車等のモータ搭載自動車において、寒冷地で使用される場合の駆動制御を行うモータ搭載自動車の低温時駆動制御装置に関する。

電気自動車において、走行用のモータとその減速を行う減速機とを備え、減速機の潤滑油とモータの冷却油とを共用するものがある。このような電気自動車を寒冷地で走行させる場合、外気温が極めて低いときに、油の粘度が低温のために上がり、回転抵抗が増加して走行できない場合がある。低速であっても、ある程度以上の速度で走行可能であれば、走行するうちに油温が上がり、正常な走行が可能になるが、低温過ぎると始動も行えず、走行によって油温を上げることができない。また、微低速で走行できたとしても、微低速で走行させる程度では、油温が十分に上がるまでに時間がかかり過ぎる。
油加熱用の専用のヒータを設けることが考えられるが、その場合、ヒータによって車両の部品点数の増大、重量増による燃費低下の問題が発生する。

電気自動車において、専用のヒータを用いずに油温を上昇させる方法としては、パーキング機構が動作して車輪の回転が防止されていることを条件に、モータコイルに通電し、コイルの発熱で油温を上げることが提案されている（例えば、特許文献１）。
この他に、モータの始動前に、Ｏトルクとなる電流進角での第１電流と、この第１電流とは異なる方向に磁束を発生させる電流進角での第２電流とを交互にモータコイルに通電させることで、コイルの銅損とコアの鉄損による発熱効果で油を温める方法が提案されている（例えば、特許文献２）。

特許３９１８６３１号公報 特開２０１１−８９６２５号公報

特許文献１のようにパーキング機構で車輪の回転を止めておいてモータを回転させる方法は、パーキング機構により車両を静止させることが確実な範囲でしかモータ電流を付与することができず、モータ電流が小さいために油温の上昇効果が低い。また、車両が走行するときに油温の上昇を促進させることはできない。
特許文献２の電流進角を変えた第１電流と第２電流を交互に与える方法の場合も、停車時にしか提案する制御ができず、車両が走行するときに油温の上昇を促進させることはできない。したがって、動き出すまでの時間が短い場合は、温めるのが不十分となる。また、同期モータでしか実現不可能であり、ＤＣモータやインダクションモータでは適用できない。

この発明の目的は、寒冷時における極低温時の停車時や、走行時に、潤滑および冷却用の油を、専用のヒータを用いることなく十分に温めることができ、かつ車両が不測の動作を行うことのないモータ搭載自動車の低温時駆動制御装置を提供することである。

この発明のモータ搭載自動車の低温時駆動制御装置は、複数台の走行用のモータ５と、これら各モータ５の駆動を減速して車輪に伝達する減速機７とを備え、前記減速機７の潤滑油とモータ５の冷却油とを兼用する油を循環させる油循環機構２１を有し、前記複数のモータ５を個別に制御可能なモータ搭載自動車において、前記複数台のモータに、互いに車輪回転方向が逆方向の付加トルク指令を前記油循環機構２１の油の加熱用として付加する油加熱用トルク付加手段３５を有することを基本構成とする。

この構成によると、油加熱用トルク付加手段３５により、複数台のモータ５に、互いに車輪回転方向が逆方向の付加トルク指令を油の加熱用として付加する。通常のモータ５の駆動を行う場合のトルク指令に、前記付加トルク指令を加えることにより、モータ５を流れる電流が増える。車輪回転方向が車両の走行方向と逆となるモータ５は、発電し、発電電力が回生されることになるが、その発電に伴う銅損や鉄損による発熱量が増大する。このモータ５の発熱により前記油が加熱され、その加熱された油が減速機７に入って潤滑を行う。そのため減速機を流れる油の粘度が低下し、円滑な潤滑が行える。
付加トルク指令によってモータ５を流れる電流が大きくなるが、複数のモータ５に与える付加トルク指令は車輪回転方向が互いに逆方向の指令であるため、これら複数のモータ５の駆動力の増減が打ち消し合って、自動車の走行または停止状態に影響を与えることが回避され、車両が不測の動作を行うことがない。そのため、パーキング機構で車輪の回転を止めることの出来る範囲でモータ電流を与えるものと異なり、大きな電流を流すことができて、油温の上昇を早くでき、かつ車両の走行中にも適用することができる。
また、前記モータ５が、同期モータ、ＤＣモータ、インダクションモータなど、いずれの形式のモータであっても適用できる。

具体的には、前記自動車は、アクセル入力に応答して指令トルクを演算しこの指令トルクを各モータ５に分配して指令するモータ制御手段３１を前記自動車に有し、前記油加熱用トルク付加手段３５は、前記分配する指令に前記付加トルク指令を付加するものであって、前記各モータ５で駆動される各車輪の合計トルクが、前記アクセル入力から演算される前記指令トルクと一致するように前記付加トルク指令を与える。
このように、各車輪の合計トルクが、アクセル入力から演算される指令トルクと一致するように前記付加トルク指令を与えることにより、各モータ５のトルク指令値を変えても、走行や停止状態に影響することが回避される。

前記自動車は、前記モータ５の発電電力をバッテリー８に蓄電する回生ブレーキ１１を有することが好ましい。
走行時に逆トルクをかけることは、回生ブレーキ１１をかけながら走行することになり、余分にかけたトルクは、損失分を除いてバッテリー８に充電される。そのため、電力消費は損失分のみとなる。

上記基本構成において、前記油循環機構２１の油温を直接または間接的に測定する油温測定手段３８を有し、前記油加熱用トルク付加手段３５は、前記温度測定手段３８で測定された温度が設定温度よりも低いときのみ機能するようにしても良い。
前記油の温度がある程度高い場合は、油の加熱が不要であるため、前記油の温度が設定温度よりも低いときのみ、前記油循環路機構３５を機能させることにより、無駄な電力消費が避けられる。
なお、前記「温度検出手段３８」は、油の温度を直接に測定する手段に限らず、間接的に推定する手段であっても良い。例えば、モータ５のステータやケース等の温度を検出し、その検出温度から油の温度を推定するものであっても良い。

この発明のモータ搭載自動車の低温時駆動制御装置は、上記基本構成において、前記の互いに車輪回転方向が逆方向の付加トルク指令を与える形態としては、次の形態を採る。 前記モータ搭載自動車が２台のモータ５で左右の車輪をそれぞれ駆動する２輪駆動である場合に適用され、前記油加熱用トルク付加手段３５は、自動車の直進時のみ前記付加トルク指令を付加する。旋回走行時は油加熱用トルク付加手段３５で左右の車輪の駆動力を、絶対値が同じトルクだけ互いに逆方向に付加した場合、自動車の旋回半径に影響する可能性があり、旋回半径に影響しないようにするには制御が複雑になる。そのため、直進時のみ前記付加トルク指令を付加するようにすることで、制御プログラムの複雑化を抑えて油加熱の制御が行える。

参考提案例として示すと、前記モータ搭載自動車が、前後の車輪をそれぞれ駆動するモータ５を備えた４輪駆動である場合、前記油加熱用トルク付加手段３５は、前輪の駆動用のモータ５と後輪の駆動用のモータ５とに、前後の車輪の相互間で互いに逆方向となるように前記付加トルク指令を与えるものとしても良い。この場合、左右の車輪のトルクを互いに逆にする場合と異なり、逆トルクをかけることによって走行方向に影響が生じることがより確実に回避できる。

この発明のモータ搭載自動車の暖房制御装置は、上記基本構成において、前記モータ搭載自動車が、前後の左右の車輪をそれぞれ個別に駆動するモータ５を備えた４輪駆動である場合に適用され、前記油加熱用トルク付加手段３５は、対角位置にある車輪を駆動するモータ５の相互間では同じ方向となり、かつ左右の車輪の相互間で逆方向になるように前記付加トルク指令を与える。この場合も、走行への影響を抑えて油加熱用トルク付加手段３５による油加熱の制御が行える。

前記油加熱用トルク付加手段３５は、自動車の旋回走行時に、旋回の内側となる車輪に走行方向に対して逆方向となるように前記付加トルク指令を与えるものであっても良い。 走行方向に対して逆方向となるトルクを車輪に与えると、制動力が発生するため、旋回の外側となる車輪に走行方向と逆方向のトルクを与えると、旋回性が低下することがある。旋回の内側となる車輪に走行方向と逆方向のトルクを与えると、旋回半径が小さくなるため、旋回性を低下させずに、油加熱の制御が行える。

この発明のモータ搭載自動車の低温時駆動制御装置は、複数台の走行用のモータと、これら各モータの駆動を減速して車輪に伝達する減速機とを備え、前記減速機の潤滑油とモータの冷却油とを兼用する油を循環させる油循環機構を有し、前記複数のモータを個別に制御可能なモータ搭載自動車において、前記複数台のモータに、互いに車輪回転方向が逆方向の付加トルク指令を前記油循環機構の油の加熱用として付加して与える油加熱用トルク付加手段を設けたため、寒冷時における極低温時の停車時や、走行時に、潤滑および冷却用の油を、専用のヒータを用いることなく十分に温めることができ、かつ車両が不測の動作を行うことのないという効果が得られる。
この発明の低温時駆動制御装置は、上記基本構成を備え、さらに前記モータ搭載自動車は、２台のモータで左右の車輪をそれぞれ駆動する２輪駆動であって、前記油加熱用トルク付加手段は、自動車の直進時のみ前記付加トルク指令を付加するため、制御プログラムの複雑化を抑えて油加熱の制御が行える。
この発明の暖房制御装置は、上記基本構成の低温時駆動制御装置において、さらに前記モータ搭載自動車は、前後の左右の車輪をそれぞれ個別に駆動するモータを備えた４輪駆動であり、前記油加熱用トルク付加手段は、対角位置にある車輪を駆動するモータの相互間では同じ方向となり、かつ左右の車輪の相互間で逆方向になるように前記付加トルク指令を与えるため、走行への影響を抑えて前記油加熱用トルク付加手段による油加熱の制御が行える。

この発明の一実施形態に係るモータ搭載自動車の低温時駆動制御装置の概念構成を示す説明図である。 そのモータおよび減速機を含むインホイールモータ駆動装置の一例の断面図である。 （Ａ），（Ｂ）は、それぞれ同モータ搭載自動車の停車時および走行時における暖房時のモータ駆動例を示す説明図である。 同モータ搭載自動車の旋回走行時における油加熱時のモータ駆動例を示す説明図である。 （Ａ），（Ｂ）は、それぞれ参考提案例における同モータ搭載自動車の停車時および走行時における油加熱時のモータ駆動例を示す説明図である。 この発明のさらに他の実施形態における同モータ搭載自動車の停車時および走行時における油加熱時のモータ駆動例を示す説明図である。

この発明の一実施形態を図１〜図４と共に説明する。図１は、この低温時駆動制御装置を備えたモータ搭載自動車の概念図である。このモータ搭載自動車は、後輪となる左右の車輪１，１がそれぞれモータ５により駆動され、前輪となる車輪２，２が転舵輪とされた２輪駆動の電気自動車である。モータ５は、車輪１を支持する車輪用軸受６と、モータ５の回転を前記車輪用軸受６のハブ兼用の回転側輪となる内輪に減速して伝達する減速機７と共に、インホイールモータ駆動装置４を構成する。

図２は、インホイールモータ駆動装置４の一例を示す。車輪用軸受６は、固定輪となる外方部材１１と、回転輪となる内方部材１２との間に複列の転動体１３を介在させたものであり、内方部材１２に設けられた車輪取付用フランジ１２ａに、ホイール１４とブレーキディスク１５とが取付けられている。モータ５は、ステータ１６にロータ１７のロータ軸１７ａが軸受１８を介して回転自在に設置され、ステータ１６にコイル１９が、ロータ１７に永久磁石２０がそれぞれ設けられた同期モータ等の交流モータからなる。なお、モータ５は、インダクションモータやＤＣモータであっても良い。減速機７は、モータ５のロータ軸１７ａの回転を減速して車輪用軸受６の内方部材１２に伝えるサイクロイド減速機やその他のギヤ列等からなる。

油循環機構２１は、減速機７の潤滑油とモータ５の冷却油とを兼用する油を循環させる機構であり、減速機７のケースに設けられたオイルタンク２２の潤滑油を、ステータ１６内の各部のステータ内油路部２３ａ→ロータ内油路部２３ｂ、および吐出口２３ｃを介して減速機７のギヤ列配置空間２４に送り、ギヤ列配置空間２４からオイルタンク２２へ戻す戻し油路部２３ｄを有する油路２３と、油圧ポンプ（図示せず）とを備えている。

図１において、電源系および制御系を説明する。各モータ５は、バッテリー８の電力によりインバータ装置９を介して回転駆動される。インバータ装置９は、スイッチング素子からなる複数のパワー素子で構成されてバッテリー８の直流電力を３相の交流電力に変換するインバータ９ａと、このインバータ９ａを制御する駆動制御回路であるモータコントロール部９ｂとで構成される。このモータコントロール部９ｂは、上位制御手段となるＥＣＵ（電子制御ユニット）１０から与えられた各モータ５に対する駆動指令に応じてインバータ９ａをＰＷＭ制御等によって出力制御する。なお、インバータ装置９は、１台で２つのモータ５，５を駆動するものであっても良い。

インバータ装置９には、制動時のモータ５の発電電力をバーテリ８に充電する充電装置からなる回生ブレーキ１１が設けられている。インバータ装置９は、ＥＣＵ１０から負の指令トルクが与えられたときは、回生ブレーキ１１を機能させる。

ＥＣＵ１０は、自動車全体の統括制御，協調制御を行う手段であって、マイクロコンピュータとその制御プログラム、および電子回路等で構成されている。このＥＣＵ１０に、前記モータ５を制御するモータ制御手段３１が設けられている。モータ制御手段３１は、アクセル３２の踏み込み量の信号であるアクセル入力に応答して指令トルクを演算する指令トルク演算部３１ａと、この指令トルクを各モータ５に分配して指令する分配部３１ｂとを有する。指令トルク演算部３１ａは、より詳しくは、アクセル入力の他に、ブレーキペダル等のブレーキ操作手段３３の減速入力をアクセル入力に加味して前記指令トルクを演算する。前記分配部３１ｂは、ステアリング３４の操舵角入力により、左右のモータ５，５に対する前記指令トルクの分配量を計算して出力する。分配部３１ｂから出力されたモータ別指令トルクは、インバータ９に入力され、インバータ９で各モータ５の駆動電流に変換される。

このモータ搭載自動車の低温時駆動制御装置は、上記構成の潤滑と冷却とを兼用する油を循環させる油循環機構２１を有し、各モータ５を個別に制御可能なモータ搭載自動車において、次の油加熱用トルク付加手段３５を設けたものである。油加熱用トルク付加手段３５は、前記複数台のモータ５，５に、互いに車輪回転方向が逆方向の付加トルク指令を前記油循環機構２１の油の加熱用として付加して与える手段である。

油加熱用トルク付加手段３５は、具体的には、モータ制御手段３１の分配部３１ｂから分配して出力された指令であるモータ別指令トルクに、前記付加トルク指令を付加するものであって、前記各モータ５で駆動される各車輪１，１の合計トルクが、前記アクセル入力から指令トルク演算部３１ａで演算される前記指令トルクと一致するように前記付加トルク指令を与える。なお、ブレーキ操作手段３３からの減速入力がある場合は、前記アクセル入力と減速入力とから演算される演算される前記指令トルクと一致するように前記付加トルク指令を与える。付加トルク指令の与え方の具体例は、後に図３，４と共に説明する。

前記油循環機構２１の油の温度を直接または間接的に測定する油温測定手段３８を設け、油加熱用トルク付加手段３５は、前記油温測定手段３８で測定された温度が設定温度よりも低いときのみ機能するようにしても良い。前記油の温度がある程度高い場合は、油の加熱が不要であるため、前記油の温度が設定温度よりも低いときのみ、前記油循環路機構３５を機能させることにより、無駄な電力消費が避けられる。なお、前記「温度検出手段３８」は、前記油の温度を直接に測定する手段に限らず、間接的に推定する手段であっても良い。例えば、モータ５のステータやケース等の温度を検出し、その検出温度から油の温度を推定するものであっても良い。

なお、図１は後輪の２輪駆動の例であるが、前輪の２輪駆動の場合は、駆動する車輪が前輪であるか後輪であるかの他は、図１の実施形態と同様である。
また、４輪の全てを個別のモータ５で駆動する４輪駆動の場合は、モータ制御手段３１の分配部３１は、指令トルクを４輪に分配し、またインバータ装置９は４輪の個々のモータ５に駆動電流を与える構成とされるが、その他の構成については図１の実施形態と同様である。

前記の互いに車輪回転方向が逆方向の付加トルク指令を与える形態の各例を説明する。 図３（Ａ）は、停車時の例である。この例では、左側の車輪１に前進方向に付加トルク指令として所定値（例えば１００Ｎｍ）のトルクを発生させ、右側の車輪１に後退方向に前記所定値と絶対値が同じで逆向きのトルク（例えば−１００Ｎｍ）を発生させる。これにより、自動車が停止したままで、モータ５の駆動により油を温めることができる。なお、前記所定値のトルクは、自動車が移動しない範囲で適宜設計した値とする。

図３（Ｂ）は、走行時の例を示す。この例は、アクセルからのトルク指令が１００Ｎｍである場合に、左側の車輪１に付加トルク指令である１００Ｎｍを加えた合計２００Ｎｍのトルクを前進方向に発生させ、右側の車輪１に、前記付加トルク指令と同じ大きさで逆方向となる１００Ｎｍのトルクを発生させている。これにより、自動車の全体として、ドライバのアクセル３２の操作による指令通りに前進方向への１００Ｎｍのトルクを維持しつつ油を温めることができる。

自動車が旋回走行するときは、左右の車輪１，１にトルク差がある場合には旋回性能に影響するため、上記の走行中の油加熱用トルク付加手段３５による制御は、直進時のみに行うようにしても良い。

旋回時にも油加熱用トルク付加手段３５を機能させる場合は、図４に示すように、旋回の内側となる車輪１に走行方向に対して逆方向となるように前記付加トルク指令を与える。

図５は、参考提案例であって、４輪の個々にモータ５を設けた４輪駆動車の例を示す。４輪駆動の場合は、停止時および走行時とも、左右で逆トルクをかけるのではなく、前後のトルクを逆トルクにする。
図５（Ａ）は停車時の例であり、前輪となる車輪２，２に正の付加トルク指令（＋５０Ｎｍ）を与え、後輪となる車輪１，１に前輪の付加トルク指令と同じ大きさで逆向きの付加トルク指令（−５０Ｎｍ）を与えている。
図５（Ｂ）は走行時の例であり、前輪となる車輪２，２に正の付加トルク指令（＋１００Ｎｍ）を加えて２００Ｎｍのトルク指令を与え、後輪となる車輪１，１に前輪の逆向きの付加トルク指令（−５０Ｎｍ）を与えている。これによりアクセルからのトルク指令（１００Ｎｍ）と同じトルクが自動車の全体として発生する。 この前後のトルクを逆トルクにする制御は、４輪の個別に駆動する４輪駆動に限らず、前輪の左右２輪を駆動する１台のモータと後輪の左右２輪を駆動する他の１台のモータとを備えた２モータ型であっても適用できる。

図６は他の実施形態を示し、４輪を個別に駆動する４輪駆動の場合は、油加熱用トルク付加手段３５は、走行時および停車時のいずれであっても、対角位置にある車輪１，２を駆動するモータ５の相互間では同じ方向となり、かつ左右の車輪１，１，２，２の相互間で逆方向になるように前記付加トルク指令を与えるようにする。

上記のように、通常のモータ駆動を行う場合のトルク指令に、前記付加トルク指令を加えることにより、モータ５を流れる電流が増え、それだけインバータ装置９やモータ５の発熱も増える。そのため、油の温度が上がり、油の加熱用のヒータ２１を無くしたり、小型化することが可能になる。複数のモータ５に与える付加トルク指令は車輪回転方向が互いに逆方向の指令であるため、これら複数のモータ５の駆動力の増減が打ち消し合って、自動車の走行または停止状態に影響を与えることが回避される。
車輪回転方向が自動車の走行方向と逆となるモータ５は、回生ブレーキ１１をかけながら走行することになり、余分かけたトルクは、損失分を除いてバッテリー８に充電されるため、電力損失は損失分のみとなる。

なお、上記各実施形態は、主にインホイールモータ駆動装置４を備えた電気自動車に適用した例を説明したが、モータ５は車台等に設置されて駆動シャフトや等速ジョイント等の駆動伝達部品を介して車輪１，２に駆動を伝達する形式の自動車にもこの発明を適用することができる。また、電気自動車に限らず、この発明は、エンジンとモータとを搭載したハイブリッド車においても適用することができる。

１，２…車輪
３…車体
４…インホイールモータ駆動装置
５…モータ
８…バッテリー
９…インバータ装置
１０…ＥＣＵ
１１…回生ブレーキ
２１…油循環機構
２２…オイルタンク
２３…油路
２３ａ…ステータ内油路部
２３ｂ…ロータ内油路部
２３ｃ…吐出口
２３ｄ…戻し油路部
２４…ギヤ列配置空間
３１…モータ制御手段
３１ａ…指令トルク演算部
３２…アクセル
３５…油加熱用トルク付加手段
３８…温度測定手段

Claims (8)

1. 複数台の走行用のモータと、これら各モータの駆動を減速して車輪に伝達する減速機とを備え、前記減速機の潤滑油とモータの冷却油とを兼用する油を循環させる油循環機構を有し、前記複数のモータを個別に制御可能なモータ搭載自動車において、
   前記複数台のモータに、互いに車輪回転方向が逆方向の付加トルク指令を前記油循環機構の油の加熱用として付加して与える油加熱用トルク付加手段を有し、前記モータ搭載自動車は、２台のモータで左右の車輪をそれぞれ駆動する２輪駆動であって、前記油加熱用トルク付加手段は、自動車の直進時のみ前記付加トルク指令を付加するモータ搭載自動車の低温時駆動制御装置。
2. 請求項１において、アクセル入力に応答して指令トルクを演算しこの指令トルクを各モータに分配して指令するモータ制御手段を前記自動車に有し、前記油加熱用トルク付加手段は、前記分配する指令に前記付加トルク指令を付加するものであって、前記各モータで駆動される各車輪の合計トルクが、前記アクセル入力から演算される前記指令トルクと一致するように前記付加トルク指令を与えるモータ搭載自動車の低温時駆動制御装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記自動車は、前記モータの発電電力をバッテリーに充電する回生ブレーキを有するモータ搭載自動車の低温時駆動制御装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記油循環機構の油温を直接または間接的に測定する油温測定手段を有し、前記油加熱用トルク付加手段は、前記温度測定手段で測定された温度が設定温度よりも低いときのみ機能するモータ搭載自動車の低温時駆動制御装置。
5. 複数台の走行用のモータと、これら各モータの駆動を減速して車輪に伝達する減速機とを備え、前記減速機の潤滑油とモータの冷却油とを兼用する油を循環させる油循環機構を有し、前記複数のモータを個別に制御可能なモータ搭載自動車において、
   前記複数台のモータに、互いに車輪回転方向が逆方向の付加トルク指令を前記油循環機構の油の加熱用として付加して与える油加熱用トルク付加手段を有し、
   前記モータ搭載自動車は、前後の左右の車輪をそれぞれ個別に駆動するモータを備えた４輪駆動であり、前記油加熱用トルク付加手段は、対角位置にある車輪を駆動するモータの相互間では同じ方向となり、かつ左右の車輪の相互間で逆方向になるように前記付加トルク指令を与えるモータ搭載自動車の暖房制御装置。
6. 請求項５において、アクセル入力に応答して指令トルクを演算しこの指令トルクを各モータに分配して指令するモータ制御手段を前記自動車に有し、前記油加熱用トルク付加手段は、前記分配する指令に前記付加トルク指令を付加するものであって、前記各モータで駆動される各車輪の合計トルクが、前記アクセル入力から演算される前記指令トルクと一致するように前記付加トルク指令を与えるモータ搭載自動車の暖房制御装置。
7. 請求項５または請求項６において、前記自動車は、前記モータの発電電力をバッテリーに充電する回生ブレーキを有するモータ搭載自動車の暖房制御装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、前記モータ搭載自動車は、車両の旋回走行時に、旋回の内側となる車輪に走行方向に対して逆方向となるように前記付加トルク指令を与えるモータ搭載自動車の暖房制御装置。

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