JP6663573B2 - 車両用制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車両用制御装置に関し、特にモータの駆動により車両を制動可能な電動ブレーキ手段と、この電動ブレーキ手段に電力を供給可能な主電源及び補助電源であるキャパシタとを備えた車両用制御装置に関する。
従来より、走行状態に応じて最適な制動力を車両に付与するため、各車輪の制動力を電子制御するブレーキシステムが知られている。電子制御ブレーキシステムでは、各車輪のホイールシリンダ圧が乗員によるブレーキペダルの踏込量(例えば、ストローク)に基づき演算された目標ブレーキ液圧になるように電磁弁が制御されている。
このような電子制御ブレーキシステムは、ブレーキ液圧を高めるポンプや、ブレーキ液の流れを調整する電磁弁等が用いられており、これらのポンプや電磁弁等は、バッテリを主電源として駆動される。それ故、何らかの理由によって、バッテリからの電力が途切れた場合、必要な制動力(減速度)を確保することができない。
そこで、予め装備されている主電源に加え、失陥時のバックアップ用補助電源を併設する技術が提案されている。
二次電池は、高エネルギー密度であり、経済性、高性能、小型軽量等の優位性を有するため、失陥時のバックアップ用補助電源として多く使用されている。
特許文献1の車両の制動力制御装置は、モータの駆動により車両を制動可能な電動ブレーキ手段と、この電動ブレーキ手段に電力を供給可能な主電源と、電動ブレーキ手段に電力を供給可能な補助電源である二次電池と、この二次電池の放電を制御可能な制御手段とを備えた車両用制御装置において、制御手段が、主電源失陥時、二次電池から放電させると共に、電動ブレーキ手段の出力を失陥前に比べて低下させるように構成されている。
一方、受動素子であるキャパシタは、活性炭とチタン酸バリウムが主原料であり、電極表面に電荷を溜めているため、電力を効率良くキャパシタ内部に蓄積することができる。
また、充放電が、キャパシタの電極表面に対する電荷の付着及び離脱現象であるため、電極材料の劣化も殆ど生じない。
特許文献2の自動ブレーキ装置は、AEB(Autonomous Emergency Braking)システムと、減速エネルギー回生システムとを構成し、主電源と、補助電源としてのキャパシタと、発電用オルタネータとを備え、自車両の障害物に対する接触可能性がある場合、キャパシタの蓄電電圧が十分なとき、キャパシタを用いてブレーキ液圧を昇圧し、キャパシタの蓄電電圧が不足するとき、オルタネータを用いてブレーキ液圧を昇圧している。
WO3013/133232号公報 特開2016−002876号公報
二次電池の例であるリチウムイオン電池は、正極にコバルト酸リチウム、負極に炭素材料を用い、充電時、正極からリチウムが電解液中にイオンとして放出され、電解液中のリチウムイオンがリチウムとして負極に挿入されている。反対に、放電時は、負極からリチウムが電解液中にイオンとして放出され、電解液中のリチウムイオンがリチウムとして正極に挿入されている。
それ故、リチウムイオン電池では、充放電行程において材料の化学変化を伴うことから、瞬時に充放電することが難しく、充放電効率、所謂応答性の面で改善の余地がある。
また、リチウムイオン電池の内部抵抗は、イオンの泳動過程による抵抗と拡散過程による抵抗とからなり、バッテリ内の絶対温度に依存しているため、バッテリ温度の影響を受け易く、電流の安定化の面でも課題が残る。
キャパシタは、リチウムイオン電池等の二次電池に比べて、その物性上、応答性、温度影響、経年劣化の面で優れた特性を有している。
しかし、キャパシタは、電荷の蓄積が電極材料の表面に限られるため、その質量当りの蓄電容量が二次電池に比べて劣っている。
そこで、蓄電容量の増加を狙いとして、キャパシタの大型化や、キャパシタの電極材料内部に蓄電させることも考えられる。
しかし、キャパシタの大型化は、車体重量の増加や配置スペースの確保が懸念され、また、電極材料内部の蓄電は、コストアップが懸念されることから、具体化は容易ではない。
即ち、キャパシタの優位性を維持しつつ、限られた容量のキャパシタを車両用バックアップ電源として用いる具体的な技術の提案は現時点なされていない。
本発明の目的は、限られた容量のキャパシタを車両用バックアップ電源に適用可能な車両用制御装置等を提供することである。
請求項1の車両用制御装置は、モータの駆動により車両を制動可能な電動ブレーキ手段と、この電動ブレーキ手段に電力を供給可能な主電源と、前記電動ブレーキ手段に電力を供給可能な補助電源であるキャパシタと、このキャパシタの放電を制御可能な制御手段とを備えた車両用制御装置において、車両の目標制動力を設定する目標制動力設定手段を有し、前記制御手段は、前記主電源の充電率に対応して前記電動ブレーキ手段に供給可能な主電源電力と、前記目標制動力設定手段によって設定された目標制動力相当の目標減速度と乗員が自己の踏力で発生可能な減速度との差分に相当する要求減速度を発生させるために必要な要求減速度電力と、前記要求減速度電力から前記主電源電力を差分した差分電力とを演算すると共に、前記差分電力が判定閾値未満のとき、前記主電源からのみ前記電動ブレーキ手段に前記主電源電力を供給し、前記差分電力が判定閾値以上のとき、前記主電源から前記電動ブレーキ手段に前記主電源電力を供給すると共に前記キャパシタから前記電動ブレーキ手段に前記差分電力を放電することを特徴としている。
この車両用制御装置では、車両の目標制動力を設定する目標制動力設定手段を有するため、乗員のブレーキ操作に基づく制動要求に対して十分な目標制動力を設定することができる。安全確保上必要な目標制動力とは、例えば、乗員によるブレーキペダルの操作量に拘らず車両の危険回避に必要な制動力を含むものである。
制御手段は、前記主電源の充電率に対応して前記電動ブレーキ手段に供給可能な主電源電力と、前記目標制動力設定手段によって設定された目標制動力相当の目標減速度と乗員が自己の踏力で発生可能な減速度との差分に相当する要求減速度を発生させるために必要な要求減速度電力と、前記要求減速度電力から前記主電源電力を差分した差分電力とを演算すると共に、前記差分電力が判定閾値未満のとき、前記主電源からのみ前記電動ブレーキ手段に前記主電源電力を供給し、前記差分電力が判定閾値以上のとき、前記主電源から前記電動ブレーキ手段に前記主電源電力を供給すると共に前記キャパシタから前記電動ブレーキ手段に前記差分電力を放電するため、乗員の踏力によって制動力を補填可能な状況においてキャパシタの使用を抑制することができ、限られた容量のキャパシタの使用頻度を最小限に留めることができる。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記目標制動力設定手段は、乗員によるブレーキペダルの操作量に基づき車両の目標制動力を設定することを特徴としている。
この構成によれば、乗員によるブレーキペダルの操作量をパラメータとして乗員が要求する目標制動力を設定することができ、乗員の制動要求に適合した制動特性を得ることができる。
請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記制御手段は、乗員によるブレーキペダルの操作量が大きい程、前記キャパシタの放電時間を長くすることを特徴としている。
この構成によれば、乗員の制動要求に応じてブレーキ液圧保持時間を確保することができる。
請求項4の発明は、請求項1〜3の何れか1項の発明において、前記制御手段は、前記主電源電力を充電率に基づき検出することを特徴としている。
この構成によれば、主電源から電動ブレーキ手段に供給可能な電力を容易に検出することが出来る。
請求項5の発明は、請求項1〜4の何れか1項の発明において、前記キャパシタが前記主電源と電動ブレーキ手段との間に装備され、前記キャパシタと電動ブレーキ手段とを電気的に切替可能な第1接点手段と、前記第1接点手段と主電源とを電気的に切替可能な第2接点手段とを設けたことを特徴としている。
この構成によれば、キャパシタの充放電制御を簡単な回路構成で実行することができる。
本発明の車両用制御装置によれば、乗員の踏力によって制動力を補填可能な状況においてキャパシタの使用を抑制することにより、限られた容量のキャパシタを車両用バックアップ電源に適用することができる。
実施例1に係る車両用制御装置の電気系回路図である。 キャパシタの放電特性である。 放電時におけるブレーキバイワイヤシステムの概略構成図である。 ストロークと踏力との関係を示す踏力特性のマップである。 踏力と減速度との関係を示す制動特性のマップである。 キャパシタの作動制御処理手順を示すフローチャートである。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
以下の説明は、本発明をブレーキバイワイヤシステムを備えた車両に適用したものを例示したものであり、本発明、その適用物、或いは、その用途を制限するものではない。
以下、本発明の実施例1について図1〜図6に基づいて説明する。
図1に示すように、本実施例に係る車両は、車両電源1と、バックアップ電源ユニット2と、ブレーキバイワイヤシステム3と、空調装置や電子機器等の車両側負荷4等を備えている。この車両は、例えば、走行駆動源として電動モータと内燃機関(何れも図示略)とを備えたハイブリッド車両であり、車両の運動エネルギーを電気エネルギーに回生することによって車両を制動する回生制動と、ブレーキバイワイヤシステム3による液圧制動とを併用して所望の制動力を発生させるブレーキ回生協調制御を実行可能に構成されている。
まず、車両電源1について説明する。
車両電源1は、12Vの車両用バッテリからなる主電源11と、この主電源11に並列接続されると共に内燃機関の駆動により発電可能なオルタネータ12等を主要な構成としている。主電源11には、主電源11の充電率SOC(State Of Charge)を検出可能な充電率センサ13が装備されている。
車両電源1は、途中部にバックアップ電源ユニット2が介装された第1回線L1と、この第1回路L1と並行配置された第2回線L2との2系統の回線によってブレーキバイワイヤシステム3に対して電気的に接続されている。
第2回線L2の途中部から分岐した第3回線L3は、車両側負荷4に接続されている。
次に、バックアップ電源ユニット2について説明する。
バックアップ電源ユニット2は、車両電源1の異常時や主電源11の充電率SOCの低下時等、ブレーキバイワイヤシステム3の作動に電源上の支障が生じる可能性がある場合、ブレーキバイワイヤシステム3に対してバックアップ電力を供給するブレーキバイワイヤシステム3専用の補助電源ユニットである。
図1に示すように、バックアップ電源ユニット2は、補助電源としてのキャパシタ21と、充電回路部22と、第1制御部23(制御手段)等を備えている。
キャパシタ21は、例えば、電気二重層キャパシタのセルを直並列に接続したキャパシタセル群で構成されている。キャパシタ21の放電側端部は、電気的にオンオフ状態を切替可能な第1接点24を介して第1回路L1に接続されている。
第1接点24と車両電源1との間に相当する第1回路L1の途中部には、電気的にオンオフ状態を切替可能な第2接点25が設置されている。
充電回路部22は、キャパシタ21を車両電源1により充電可能に構成されている。
充電回路部22の下流側端部は、キャパシタ21の充電側端部に接続され、上流側端部は、第1回路L1の第2接点25の上流側部分に接続されている。
第1制御部23は、充電率センサ13及び後述する第2制御部36等からの制御信号を入力すると共に、充電回路部22及び第1,第2接点24,25に対して制御信号を出力可能に構成されている。尚、図中、制御信号の流れを点線で示している。
この第1制御部23は、CPU(Central Processing Unit)と、ROMと、RAMと、イン側インタフェースと、アウト側インタフェース等によって構成されている。ROMには、充放電を制御するための種々のプログラムやデータが格納され、RAMには、CPUが一連の処理を行う際に使用される処理領域が設けられている。
第1制御部23は、第2制御部36から入力した目標制動力に相当する目標減速度Dと乗員が自己の踏力で発生可能な減速度D0とに基づきブレーキバイワイヤシステム3に対して作動が要求される要求減速度D1を次式(1)を用いて演算している。
D1=D−D0 …(1)
減速度D0は、乗員が発揮可能な最大踏力に基づいて予め実験等により求められている。
演算された要求減速度D1は、制動用目標トルクに換算され、この目標トルクに基づきブレーキバイワイヤシステム3の作動に必要な第1電力E1(要求減速度電力)が算出される。
更に、第1制御部23は、主電源11の充電率SOCに基づき主電源11からブレーキバイワイヤシステム3に対して供給可能な第2電力E2(主電源電力)を演算している。
そして、第1電力E1と第2電力E2が、次式(2)の条件を満たした場合、両者の差分に相当する差分電力ΔEをキャパシタ21からブレーキバイワイヤシステム3に対して供給している。
S≦E1−E2 …(2)
尚、Sは予め規定された判定閾値である。
主電源11の内部抵抗が主電源11の温度が低い程大きくなるため、判定閾値Sは、主電源11の温度が低い程小さくなるように設定される。
第1制御部23は、キャパシタ21から差分電力ΔEを放電するとき、第1接点24をオン操作すると共に第2接点25をオフ操作する。そして、キャパシタ21に充電するとき、第1接点24をオフ操作すると共に第2接点25をオン操作し、充放電以外のときには、第1,第2接点24,25を共にオフ操作している。
また、第1制御部23は、キャパシタ21から放電するとき、乗員によるブレーキペダル41の操作量、踏込ストローク(以下、ストロークと略す。)Stが大きい程、キャパシタ21の放電時間を長くしている。
図2に示すように、キャパシタ21の放電特性は、ブレーキ液圧を昇圧するピーク電流、例えば、50Aを200msecの間出力する昇圧ステージと、ブレーキ液圧を保持する定常電流、例えば、2Aを12secの間出力する維持ステージとから構成されている。
そして、この維持ステージの継続時間TをストロークStに比例するように設定されている。
次に、ブレーキバイワイヤシステム3について説明する。
図1に示すように、バイワイヤシステム3は、第1,第2回路L1,L2から電力が供給される電源供給制御回路部31と、モータ32と、ブレーキ液流路を電気的に開閉可能な電磁弁33〜36と、第2制御部37等を主要構成としている。
電源供給制御回路部31は、供給された電力を所定の制御条件に基づきモータドライバ32a、電磁弁ドライバ33a〜36a及び第2制御部37に分配している。
具体的には、車両電源1からの電力をモータ32、電磁弁33〜36及び第2制御部37に分配し、バックアップ電源ユニット2からの電力をモータ32に分配している。
ここで、ブレーキバイワイヤシステム3の操作系に係る概略構成について説明する。
図3に示すように、ブレーキバイワイヤシステム3は、ブレーキペダル41のストロークStに応じたブレーキ液圧を生成可能なマスタシリンダ42と、モータ32とこのモータ32に駆動されるポンプ部とからなる電動ブレーキブースタ43(電動ブレーキ手段)と、反力発生機構44と、このマスタシリンダ42又は/及び電動ブレーキブースタ43により発生されたブレーキ液圧によって車両の前後左右輪FL,FR,RL,RRの回転を夫々制動するホイールシリンダ45a〜45dと、第2制御部37等を備えている。
マスタシリンダ42は、第1圧力発生室42aと、第2圧力発生室42bとを備えている。第1,第2圧力発生室42a,42bは、リザーバタンク46に夫々接続され、内部に圧縮スプリングを夫々備えている。これら第1,第2圧力発生室42a,42bは、ブレーキペダル41の踏込操作に応じて略同様のブレーキ液圧を圧送可能に構成されている。
第1圧力発生室42aは、開閉可能な電磁弁33を介してホイールシリンダ45a,45bに連通され、第2圧力発生室42bは、開閉可能な電磁弁36を介してホイールシリンダ45c,45dに連通されている。
図3に示すように、電動ブレーキブースタ43のポンプ部は、開閉可能な電磁弁34を介してホイールシリンダ45a,45bに連通され、開閉可能な電磁弁35を介してホイールシリンダ45c,45dに連通されている。
反力発生機構44は、第1圧力発生室42aと電磁弁33とを連通する流路に接続され、例えば、シリンダと、このシリンダ内に摺動自在なピストンと、ピストンを付勢する付勢手段等によって形成されている。これにより、乗員がブレーキペダル41を踏込又は踏戻操作したとき、ブレーキペダル41を介して予め設定された特性を備えた反力(踏力)を乗員に対して作用させることができる。
第2制御部37は、電動ブレーキブースタ43と、反力発生機構44と、ストロークセンサ47と、電磁弁33〜36を制御することにより、減速度制御処理及び踏力制御処理を実行可能に構成されている。
図4に示すように、第2制御部37は、踏力特性マップM1を有している。
マップM1は、所定の関数、例えば、対数によって規定されている。
次式(3)に示すように、乗員の感覚の強さは刺激の強さの対数に比例している。
A=klogB+K …(3)
尚、Aは感覚量、Bは物理量、kはゲイン、Kは積分定数である。
第2制御部37は、ストロークセンサ47で検出されたストロークStと踏力特性マップM1とに基づき目標操作反力に相当する踏力Fを設定し、これに対応した作動指令信号を反力発生機構44に出力している。
図5に示すように、第2制御部37は、制動特性マップM2を有している。
第2制御部37は、検出されたストロークStを介して設定された踏力Fと制動特性マップM2とを用いて車両の目標減速度Dを設定し、目標減速度Dに対応した作動指令信号をモータ32(モータドライバ32a)に出力している。
これにより、各ホイールシリンダ45a〜45dが駆動され、制動特性マップM2に基づく減速度Dの制動が実行されている。
また、第2制御部37は、これと同時に、ストロークSt及び目標減速度Dに関する制御信号を第1制御部23に出力している。
次に、図6のフローチャートに基づいて、キャパシタ21の作動制御処理手順について説明する。
尚、Si(i=1,2…)は、各処理のためのステップを示している。
図6に示すように、まず、各種情報を読み込み(S1)、S2に移行する。
S2では、乗員がブレーキペダル41を踏み込んだか否か判定する。
S2の判定の結果、乗員がブレーキペダル41を踏み込んだ場合、ブレーキペダル41のストロークStとマップM1,M2に基づき目標減速度Dを演算する(S3)。
S4では、演算された目標減速度Dと乗員が自己の踏力で発生可能な減速度D0とを用いて車両に要求される要求減速度D1を演算する。
S5では、演算された要求減速度D1を用いてブレーキバイワイヤシステム3の作動に必要な第1電力E1を演算する。
S6では、検出された主電源11の充電率SOCに基づき主電源11からブレーキバイワイヤシステム3に対して供給可能な第2電力E2を演算する。
S7では、第1電力E1から第2電力E2を差し引いた差分電力ΔEが判定閾値S以上か否か判定する。
S7の判定の結果、差分電力ΔEが判定閾値S以上の場合、補正係数K1とストロークStとを乗算して放電行程における維持ステージの継続時間Tを演算する(S8)。
S9では、キャパシタ21の放電を実行し、バックアップ電源ユニット2からブレーキバイワイヤシステム3に対して差分電力ΔEを供給した後、リターンする。
S7の判定の結果、差分電力ΔEが判定閾値S未満の場合、キャパシタ21の放電を実行することなくリターンする
S2の判定の結果、乗員がブレーキペダル41を踏み込まない場合、S10に移行する。
S10では、キャパシタ21が満充電か否か判定する。
S10の判定の結果、キャパシタ21が満充電の場合、リターンする。
S10の判定の結果、キャパシタ21が満充電ではない場合、キャパシタ21の充電を実行し(S11)、リターンする。
次に、上記車両用制御装置の作用、効果について説明する。
実施例1に係る車両用制御装置によれば、車両の目標減速度Dを設定する第2制御部37を有するため、乗員のブレーキ操作に基づく制動要求に対して十分な目標減速度Dを設定することができる。第1制御部23は、主電源11から電動ブレーキブースタ43(モータ32)に供給可能な第2電力E2に対して目標減速度Dに基づく要求減速度D1を発生させるために必要な第1電力E1が判定閾値S以上大きいとき、キャパシタ21から放電するため、乗員の踏力によって制動力を補填可能な状況においてキャパシタ21の使用を抑制することができ、限られた容量のキャパシタ21の使用頻度を最小限に留めることができる。
第2制御部37は、乗員によるブレーキペダル41のストロークStに基づき車両の目標減速度Dを設定するため、ストロークStをパラメータとして乗員が要求する目標減速度Dを設定することができ、乗員の制動要求に適合した制動特性を得ることができる。
第1制御部23は、乗員によるブレーキペダル41のストロークStが大きい程、キャパシタ21の放電時間を長くするため、乗員の制動要求に応じてブレーキ液圧保持時間を確保することができる。
第1制御部23は、主電源11から電動ブレーキブースタ43(モータ32)に供給可能な第2電力E2を主電源11の充電率SOCに基づき検出するため、主電源11から電動ブレーキブースタ43に供給可能な電力を容易に検出することが出来る。
キャパシタ21が主電源11と電動ブレーキブースタ43との間に装備され、キャパシタ11と電動ブレーキブースタ43とを電気的に切替可能な第1接点24と、第1接点24と主電源11とを電気的に切替可能な第2接点25とを設けたため、キャパシタ21の充放電制御を簡単な回路構成で実行することができる。
次に、前記実施形態を部分的に変更した変形例について説明する。
1〕前記実施形態においては、回生制動と液圧制動とを実行可能なハイブリッド車両の例を説明したが、少なくともブレーキバイワイヤシステムを備えていれば良く、電気自動車や内燃機関のみ備えた車両等に適用しても良い。
2〕前記実施形態においては、乗員の要求を重視して、目標制動力である目標減速度を乗員が操作したブレーキペダルのストロークに基づき設定した例を説明したが、安全性を重視して、乗員によるブレーキペダルの操作量に拘らず車両の危険回避に必要な減速度を目標減速度としても良い。
具体的には、進行方向前方の状況を検出可能な状況検出手段(例えば、カメラ等の撮像手段)を設け、乗員によるブレーキペダルの踏込操作を条件とした上で、状況検出手段による検出結果に基づき目標減速度を設定しても良い。この場合、撮像情報に基づき設定された目標減速度を要求減速度に設定することが好ましい。
3〕前記実施形態においては、要求減速度に対応した第1電力と主電源の充電率に対応した第2電力とを直接的に比較する例を説明したが、各電力を複数、例えば5段階にレベル分けし、要求減速度に対応したレベル値と主電源の充電率に対応したレベル値とを比較し、要求減速度に対応したレベルが電源の充電率に対応したレベルよりも所定レベル(例えば3レベル)大きいとき、キャパシタの放電を実行しても良い。
4〕その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施形態に種々の変更を付加した形態や各実施形態を組み合わせた形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。
11 主電源
21 キャパシタ
23 第1制御部
24 第1接点
25 第2接点
32 モータ
37 第2制御部
41 ブレーキペダル

Claims (5)

  1. モータの駆動により車両を制動可能な電動ブレーキ手段と、この電動ブレーキ手段に電力を供給可能な主電源と、前記電動ブレーキ手段に電力を供給可能な補助電源であるキャパシタと、このキャパシタの放電を制御可能な制御手段とを備えた車両用制御装置において、
    車両の目標制動力を設定する目標制動力設定手段を有し、
    前記制御手段は、前記主電源の充電率に対応して前記電動ブレーキ手段に供給可能な主電源電力と、前記目標制動力設定手段によって設定された目標制動力相当の目標減速度と乗員が自己の踏力で発生可能な減速度との差分に相当する要求減速度を発生させるために必要な要求減速度電力と、前記要求減速度電力から前記主電源電力を差分した差分電力とを演算すると共に、前記差分電力が判定閾値未満のとき、前記主電源からのみ前記電動ブレーキ手段に前記主電源電力を供給し、前記差分電力が判定閾値以上のとき、前記主電源から前記電動ブレーキ手段に前記主電源電力を供給すると共に前記キャパシタから前記電動ブレーキ手段に前記差分電力を放電することを特徴とする車両用制御装置。
  2. 前記目標制動力設定手段は、乗員によるブレーキペダルの操作量に基づき車両の 目標制動力を設定することを特徴とする請求項1に記載の車両用制御装置。
  3. 前記制御手段は、乗員によるブレーキペダルの操作量が大きい程、前記キャパシタの放電時間を長くすることを特徴とする請求項2に記載の車両用制御装置。
  4. 前記制御手段は、前記主電源電力を充電率に基づき検出することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の車両用制御装置。
  5. 前記キャパシタが前記主電源と電動ブレーキ手段との間に装備され、
    前記キャパシタと電動ブレーキ手段とを電気的に切替可能な第1接点手段と、前記第1接点手段と主電源とを電気的に切替可能な第2接点手段とを設けたことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の車両用制御装置。
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