JP7327256B2 - 電動車両の回生制動制御装置 - Google Patents

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Description

本開示は、電動車両の回生制動制御装置に関する。
特開2005-253157号公報(特許文献1)には、車輪の回転エネルギーにより発電機を駆動することで制動を行う回生制動制御装置が開示されている。この回生制動制御装置では、路面摩擦係数推定手段によって推定した路面摩擦係数に応じて、回生制動の開始時点における減速度の立ち上がり勾配を変化させている。路面摩擦係数が小さい路面(低μ路)では、回生制動開始時点における減速度の立ち上がり勾配を小さくし、制動初期の減速度を緩やかに増大させる。これにより、制動トルクが急に増大して低い減速度でスリップが発生するのを抑制し、比較的高い減速度を達成するまでスリップが発生しないようにしている。
特開2005-253157号公報
特許文献1に開示された回生制動装置は、低μ路において、回生制動開始時点における減速度の立ち上がり勾配を小さくするので、スリップの発生は抑止し得るが、路面摩擦係数が大きい路面(高μ路)における回生制動時と比較して運転者が感じる減速感が小さくなり、運転者に違和感を与える可能性がある。
本開示は、低μ路においてスリップの発生を抑止し得るとともに、低μ路と高μ路における減速感の変化に違和感を生じ難い、電動車両の回生制動制御装置を提供することを目的とする。
本開示の電動車両の回生制動装置は、走行用の回転電機を備えた電動車両の回生制動制御装置であって、路面摩擦係数を取得する路面摩擦係数取得部と、電動車両の減速時に回転電機の回生トルクを制御する回生トルク制御部と、を備える。回生トルク制御部は、路面摩擦係数取得部が取得した路面摩擦係数が小さい場合は、路面摩擦係数が大きい場合に比較して、回生トルクを小さくするとともに、回生開始時の回生トルクの立ち上がり勾配を大きくするよう構成されている。
この構成によれば、回生トルク制御部は、路面摩擦係数取得部が取得した路面摩擦係数が小さい場合は、路面摩擦係数が大きい場合に比較して、回生トルクを小さくするとともに、回生開始時の回生トルクの立ち上がり勾配を大きくする。路面摩擦係数が小さい(低μ路)場合は、路面摩擦係数が大きい(高μ路)場合に比較して、減速時の回生トルクが小さくなるので、低μ路でのスリップの発生を抑止し得る。また、低μ路において、減速時の回生トルクを小さくしても、回生開始時の回生トルクの立ち上がり勾配を大きくしているので、電動車両の減速度の立ち上がりが早くなり、運転者が感じる減速感を大きくでき、低μ路と高μ路の減速感の変化を抑制でき、違和感を感じ難くできる。
回生トルク制御部は、回生トルクによる電動車両の減速度の最大値が、路面摩擦係数が小さい場合と路面摩擦係数が大きい場合とで同じ値となるように、回生トルクの立ち上がり勾配および回生トルクの大きさを制御するよう構成されていてもよい。
この構成によれば、回生トルクによる電動車両の減速度の最大値が、路面摩擦係数が小さい場合と路面摩擦係数が大きい場合とで同じ値となるように、回生トルクの立ち上がり勾配および回生トルクの大きさが制御されるので、運転者が感じる低μ路と高μ路の減速感の変化をより抑制できる。
電動車両は、内燃機関を備えたハイブリッド車両であってよく、電動車両は、所定の状態で、減速時に、電動車両の減速時に回転電機の回生を実行せず、内燃機関の抵抗による制動力を用いて減速を行うよう構成されている。上記の回生トルク制御部は、回生トルクによる電動車両の減速度の最大値が、回転電機の回生を行わない場合の電動車両の減速度の最大値になるように、回生トルクの立ち上がり勾配および回生トルクの大きさを制御するよう構成してもよい。
この構成によれば、ハイブリッド車からなる電動車両は、減速時に回転電機の回生を実行しない場合、内燃機関の抵抗による制動力(エンジンブレーキ)により、電動車両が減速する。そして、回生トルクによる電動車両の減速度の最大値が、路面摩擦係数に係わらず、エンジンブレーキによる減速度の最大値となるように、回生トルクの立ち上がり勾配および回生トルクの大きさが制御されるので、運転者が感じる低μ路と高μ路の減速感の変化をより抑制できるとともに、回生トルクによる減速が行われない場合に感じる減速感との差も抑制できる。
路面摩擦係数取得部は、外気温度が低いとき、路面摩擦係数が小さいと推定してもよい。たとえば、外気温度が路面が凍結するほど低い場合、路面摩擦係数が小さい(低μ路)と推定する。
この構成によれば、比較的簡便に、路面摩擦係数を取得することができる。
電動車両は、後輪駆動であってよい。
車両の減速時には、一般的に、前輪荷重は増加するが、後輪荷重は減少する。このため、電動車両が後輪駆動の場合は、回生トルクによる減速によって後輪がロック易くなる傾向になるが、上記の各構成を後輪駆動の電動車両に適用することにより、回生トルクによる後輪のロックを好適に抑止し得る。
本開示によれば、低μ路においてスリップの発生を抑止し得るとともに、低μ路と高μ路における減速感の変化に違和感を生じ難い、電動車両の回生制動制御装置を提供することができる。
本実施の形態に係る回生制動制御装置を備えた電動車両1の全体構成図である。 本実施形態における、HV-ECU100の機能ブロック図である。 MG60の回生トルクを算出するためのマップを示す図である。 HV-ECU100の回生トルク制御部102で処理される手順を示すフローチャートである。 電動車両1の減速時における減速度を示した図である。 変形例における電動車両200を説明する図である。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
図1は、本実施の形態に係る制動制御装置を備えた電動車両1の全体構成を示す図である。電動車両1は、内燃機関10を備えたハイブリッッド車両である。電動車両1は、内燃機関10と、トルクコンバータ20と、自動変速機30とを備える。
内燃機関10は、たとえば、火花点火式内燃機関あるいは圧縮着火式内燃機関であり、内燃機関10の出力軸は、トルクコンバータ20の入力軸に接続される。トルクコンバータ20は、ロックアップクラッチ付トルクコンバータであり、図示しない、ポンプインペラ、タービンランナ、ステータ、およびロックアップクラッチを備える。トルクコンバータ20の入力軸に接続されたポンプインペラと、トルクコンバータ20の出力軸に接続されたタービンランナの間でトルク増幅を行い、内燃機関10の出力を自動変速機30に伝達する。トルクコンバータ20のロックアップクラッチ(図示せず)は、係合状態、解放状態、スリップ(半係合)状態のうちのいずれかに制御される。ロックアップクラッチが係合状態になると、トルクコンバータ20の入力軸と出力軸は直結状態になり、入力軸と出力軸が一体回転する。
トルクコンバータ20の出力軸は、自動変速機30の入力軸に接続される。自動変速機30は、遊星歯車式の多段自動変速機であり、複数の摩擦係合要素の係合および解放の組み合わせを制御することにより、各変速段を達成する。自動変速機30の出力軸は、プロペラシャフトを介してディファレンシャルギヤ40に接続されている。ディファレンシャルギヤ40は、ドライブシャフトを介して駆動輪である後輪50に接続されている。電動車両1は、内燃機関10から出力された出力トルク(駆動トルク)を、トルクコンバータ20、自動変速機30およびディファレンシャルギヤ40を介して後輪50に伝達する後輪駆動車である。
電動車両1は、モータジェネレータ(以下「MG」と称する。)60を備える。MG60は、回転電機であり、たとえば、ロータに永久磁石を埋め込んだIPM(Interior Permanent Magnet)同期電動機である。MG60の出力軸(ロータ軸)はベルト61を介して内燃機関10のクランク軸に接続される。MG60が電動機として動作するとき、MG60の出力トルクは、内燃機関10のクランク軸を介して、駆動輪である後輪50を駆動する。また、内燃機関10のクランク軸を介してMG60が駆動されると、MG60は発電機として作動する。
PCU(Power Control Unit)70は、蓄電装置80から受ける直流電力を、MG60を駆動するための交流電力に変換する。また、PCU70は、MG60により発電された交流電力を、蓄電装置80を充電するための直流電力に変換する。PCU70は、たとえば、インバータと、インバータに供給される直流電圧を蓄電装置80の電圧以上に昇圧するコンバータとを含んで構成される。
蓄電装置80は、再充電可能な直流電源であり、たとえばリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池を含んで構成される。たとえば、蓄電装置80として48Vのリチウムイオン電池を用いてもよい。蓄電装置80は、MG60が発電した電力を受けて充電される。そして、蓄電装置80は、その蓄えられた電力をPCU70へ供給し、MG60が駆動される。
蓄電装置80には、監視ユニット81が設けられる。監視ユニット81には、蓄電装置80の電圧、入出力電流および温度をそれぞれ検出する電圧センサ、電流センサおよび温度センサ(いずれも図示せず)が含まれる。監視ユニット81は、各センサの検出値(蓄電装置80の電圧、入出力電流および温度)をBAT-ECU110に出力する。
電動車両1は、E/G-ECU(Electronic Control Unit)90と、HV-ECU100と、BAT-ECU110と、アクセル開度センサ120と、外気温センサ130と、各種センサ140を備える。各ECUは、図示しない、CPU(Central Processing Unit)、メモリおよび入出力バッファを含み、各種センサ等からの信号の入力や各機器への制御信号の出力を行なうとともに、各機器の制御を行なう。
BAT-ECU110は、監視ユニット81から出力された各センサの検出値に基づいて、蓄電装置80のSOC(State Of Charge)を算出し、HV-ECU100に出力する。HV-ECU100は、内燃機関10およびトルクコンバータ20を制御するための指令をE/G-ECU90に出力するとともに、MG60を制御するための指令をPCU70に出力する。なお、HV-ECU100は、本開示における「回生制動制御装置」に相当する。
E/G-ECU90は、HV-ECU100の指令に基づき、内燃機関10の出力を制御するとともに、トルクコンバータ20のロックアップクラッチの係合状態(スリップ状態)を制御する。PCU70が、HV-ECU100の指令に従って制御されることにより、MG60は、力行状態(駆動状態)あるいは回生状態(発電状態)に制御される。
アクセル開度センサ120は、アクセルペダルの踏み込み量を検出する。なお、アクセル開度センサ120に代えて、内燃機関10のスロットル開度を検出するスロットル開度センサであってもよい。外気温センサ130は電動車両1の周囲の外気温度を検出する。また、各種センサ140は、車速を検出する車速センサ、ブレーキペダルの踏み込み量を検出するブレーキセンサ等を含む。
図2は、本実施形態における、HV-ECU100の機能ブロック図である。HV-ECU100は、路面摩擦係数取得部101と回生トルク制御部102を備える。これらの構成は、ソフトウェア処理によって実現されてもよいし、ハードウェア(電気回路)によって実現されてもよい。
路面摩擦係数取得部101は、外気温センサ130が検出した外気温度に基づいて、路面摩擦係数(路面μ)を推定し、取得する。具体的には、路面摩擦係数取得部101は、外気温度が路面が凍結するほど低い場合(たとえば、外気温度が2℃以下の場合)、路面摩擦係数が小さい(低μ路)と推定する。また、路面摩擦係数取得部101は、外気温度が路面が凍結するほど低くない場合(たとえば、外気温度が2℃を超える場合)、路面摩擦係数が大きい(高μ路)と推定する。
回生トルク制御部102は、車両の走行中(たとえば、車速が所定値以上)に、アクセル開度センサ120で検出したアクセル開度がゼロのとき、すなわち、アクセルペダルが踏み込まれていない場合、電動車両1が減速中であると判断し、MG60の回生トルクを算出する。図3は、MG60の回生トルクを算出するためのマップであり、回生トルク制御部102は、図3のマップに基づき、MG60の回生トルクを算出する。
図3において、縦軸は回生トルクの大きさであり、横軸は回生開始時(減速開始時)からの時間である。図3において、Aは低μ路における回生トルクAを示し、Dは高μ路における回生トルクDを示している。低μ路における回生トルクAは、回生開始時の立ち上がり勾配が、高μ路における回生トルクDの回生開始時の立ち上がり勾配よりも大きい。また、低μ路における回生トルクAは、その大きさが、高μ路における回生トルクDよりも小さい。回生トルク制御部102で算出された回生トルクは、指令値として、PCU70に出力される。PCU70は、MG60の回生トルクが指令値と一致するように、MG60を駆動する。
図4は、HV-ECU100の回生トルク制御部102で処理される手順を示すフローチャートである。図4に示すフローチャートは、電動車両1の走行中(たとえば、車速が所定値以上)、所定期間毎に繰り返し実行される。まず、ステップ(以下、ステップを「S」と略す)1において、アクセル開度が0か否かを判断する。アクセル開度が0でない場合、否定判断され、今回の処理を終える。アクセル開度が0でない場合は、減速中ではないので、電動車両1の走行状態に応じてMG60が力行され、内燃機関10の出力トルクにMG60の出力トルクが加算されて、駆動輪である後輪50が駆動される。
アクセル開度が0になると、減速が開始されたと判断し、S1で肯定判断され、S2へ進む。S2では、MG60による回生が可能か否かを判断する。具体的には、蓄電装置80のSOCが所定値αを超えているか否かを判断する。蓄電装置80のSOCが所定値αを超えている場合、蓄電装置80へ充電を行うと過充電になる可能性があるので、MG60による回生が困難と判断する。S2で、蓄電装置80のSOCが所定値αを超えていると判断されると、S3へ進む。なお、S2において肯定判断された状態が、本開示における「所定の状態」に相当する。また、蓄電装置80の温度が上限値を超えている場合やMG60の温度が上限値を超えている場合に、S2が肯定判断(MG60による回生が困難と判断)されるようにしてもよい。
S3では、MG60の回生トルクを0とし、S4に進む。S4では、減速時ロックアップクラッチ制御を実行して、トルクコンバータ20のロックアップクラッチを制御する。本実施形態において、減速時ロックアップクラッチ制御は、減速の初期にロックアップクラッチを直結状態にして、エンジンブレーキを作動させるとともに内燃機関10の回転速度が高い状態を維持して、減速時の燃料カット領域を拡大し、燃費の向上を図るものである。図5は、電動車両1の減速時(アクセル開度=0における惰性走行時)における減速度を示した図である。図5において、縦軸は電動車両1の減速度を表し、横軸は時間を表している。一点鎖線は、回生トルクが0のときに、減速時ロックアップクラッチ制御を実行した際の電動車両1の減速度を示している。すなわち、一点鎖線は、エンジンブレーキのみによる減速時の減速度を示している。減速が開始されると、ロックアップクラッチが直結されることによりエンジンブレーキが作動して減速度が増大する。その後、ロックアップクラッチのスリップ制御が開始されることにより、エンジンブレーキの大きさが減少するため、電動車両1の減速度は小さくなる。
S2で蓄電装置80のSOCが所定値α以下であると、MG60による回生が可能と判断され(S2で否定判断され)、S5へ進む。S5においては、路面摩擦係数取得部101で取得した(推定した)路面摩擦係数に基づいて、MG60の回生トルクが算出される。具体的には、外気温度が路面が凍結するほど低く、低μ路である場合は、図3に示すマップから回生トルクAが算出され、外気温度が路面が凍結するほど低くなく、高μ路である場合には、図3に示すマップから回生トルクDが算出される。そして、算出された回生トルクが指令値として、PCU70に出力され、処理が終了する。
電動車両1の減速時には、前輪荷重は増加するが、後輪荷重は減少する。このため、後輪駆動である電動車両1は、MG60の回生トルクによる制動力によって後輪50がロック易くなる傾向になる。特に、路面摩擦係数が小さい低μ路では、より後輪50がロックし易くなる。このため、低μ路においては、MG60の回生トルクを小さくして、後輪50のロックを抑止することが望ましい。しかし、MG60の回生トルクが小さくなると制動力が小さくなり、運転者が感じる減速感も減少する。
本実施形態では、S5で算出するMG60の回生トルクを、図3のマップから求めている。路面摩擦係数が小さい低μ路の場合は、回生トルクAが算出され、路面摩擦係数が大きい高μ路の場合には、回生トルクDが算出される。低μ路における回生トルクAは、回生開始時(減速開始時)の立ち上がり勾配が、高μ路における回生トルクDの立ち上がり勾配よりも大きく設定されている。また、低μ路における回生トルクAは、その大きさが、高μ路における回生トルクDよりも小さく設定されている。回生トルクAが小さいので、低μ路における制動力が小さくなり、低μ路においても後輪50のロックを抑止し得る。
図5において、実線aは回生トルクAにおける電動車両1の減速度aを示しており、実線dは回生トルクDにおける電動車両1の減速度dを示している。回生トルクAは回生トルクDよりも小さいが、回生開始時の回生トルクAの立ち上がり勾配が回生トルクDの立ち上がり勾配よりも大きい。図5に示すように、減速度aの立ち上がりが減速度dの立ち上がりより早くなり、回生トルクAが小さくても運転者が感じる減速感が大きくなって、低μ路と高μ路の減速感の変化を抑制できるので、違和感を感じ難くできる。
図5に示すように、減速度aの最大値(ピーク値)と減速度dの最大値(ピーク値)は、ほぼ同じ値となっている。これは、高μ路における回生トルクDおよび減速度dを基礎として、回生トルクAによる減速時に、減速度aの最大値(ピーク値)と減速度dの最大値(ピーク値)が一致するよう、実験および/またはシミュレーションを行い、回生トルクAの立ち上がり勾配および大きさを設定することによって達成している。これにより、MG60の回生トルクによる電動車両1の減速度の最大値(ピーク値)が、高μ路と低μ路で同じ値となるので、運転者が感じる減速感の変化をより抑制できる。
図5に示すように、減速度aの最大値(ピーク値)および減速度dの最大値(ピーク値)は、一点鎖線で示した、エンジンブレーキのみによる減速度の最大値(ピーク値)とほぼ同じ値となっている。これは、一点鎖線で示した減速度を基礎として、減速度aの最大値(ピーク値)および減速度dの最大値(ピーク値)が、一点鎖線の減速度の最大値(ピーク値)と一致するよう、実験および/またはシミュレーションを行い、回生トルクAと回生トルクDの立ち上がり勾配および大きさを設定することによって達成している。これにより、エンジンブレーキのみによって減速しているときに運転者が感じる減速感と、MG60による回生トルクにより減速する際に運転者が感じる減速感との乖離も抑制できる。したがって、運転者が感じる低μ路と高μ路の減速感の変化を抑制できるとともに、MG60の回生トルクによる減速が行われない場合に感じる減速感との差も抑制できる。
本実施形態では、図3に示すように、回生トルクAおよび回生トルクDは、回生開始後所定の立ち上がり勾配をもって増大し、その後、徐々に減少するよう設定されている。したがって、エンジンブレーキのみによる減速と同様に、減速の途中から制動力が低下し、前輪と後輪の制動力バランスが、MG60の回生の有無によって変化する割合を小さくできる。
(変形例)
上記の実施形態では、路面摩擦係数取得部101は、外気温センサ130が検出した外気温度に基づいて、路面摩擦係数(路面μ)を推定し、低μ路であるか、あるいは、高μ路であるかを取得しており、比較的簡便に、路面摩擦係数を推定していた。しかし、路面摩擦係数取得部101で路面摩擦係数を取得する方法は、これに限られない。たとえば、複数波長の赤外線レーザーを路面に向かって照射し、その反射を測定することにより、路面の摩擦係数、および路面状態(ドライ、ウエット、凍結など)を検出し、路面摩擦係数を取得するものであってよい。また、電動車両1の車体速度と後輪50(駆動輪)の車輪速度から加速時のスリップ率を求め、このスリップ率と加速度の最大値に基づいて、路面摩擦係数を推定するようにしても良い。
このような手法で路面摩擦係数を取得した場合、低μ路/高μ路以外の路面摩擦係数の取得が可能となり、図3に示すように、低μ路における回生トルクA、高μ路における回生トルクDの他に、回生トルクBおよび回生トルクCを設定することができる。これにより、より細かい、回生トルクの制御が可能になる。路面摩擦係数の大きさは、回生トルクA<回生トルクB<回生トルクC<回生トルクDである。なお、図5に示すように、回生トルクBよる減速度b、および、回生トルクCによる減速度cにおいても、その最大値(ピーク値)が、他の減速度の最大値(ピーク値)とほぼ同じ値になるよう、回生トルクBおよび回生トルクCが設定される。
上記の実施形態では、MG60の出力軸をベルト61を介して内燃機関10のクランク軸に接続したハイブリッド車(電動車両1)を説明したが、図6に示す構成の電動車両200であってもよい。電動車両200は、トルクコンバータ20の入力軸にMG60Aが設けられている。すなわち、MG60Aのロータ軸がトルクコンバータ20の入力軸に接続されている。MG60Aと内燃機関10はクラッチ11を介して接続される。その他の構成は、電動車両1と同様な構成である。
電動車両200では、クラッチ11が解放されることにより、内燃機関10の動力を用いず、MG60Aの出力のみによる走行(EV走行)が可能になる。また、クラッチ11を解放することにより、エンジンブレーキを用いず、MG60Aの回生トルクのみによる減速も可能となる。
上記の実施形態では、電動車両1としてハイブリッド車を説明したが、電動車両は内燃機関を備えない電気自動車であってもよい。この場合、図5に示す一点鎖線の減速度を得ることは困難であるが、回生トルクA~Dに対応する減速度a~dの最大値(ピーク値)がほぼ同じ値になるよう、回生トルクA~Dが設定される。
上記の実施形態は、後輪駆動車であったが、前輪駆動車であってもよく、全輪駆動車であってもよい。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 電動車両、10 内燃機関、20 トルクコンバータ、30 自動変速機、50 後輪、60 モータジェネレータ(MG)、70 PCU、80 蓄電装置、100 HV-ECU、101 路面摩擦係数取得部、102 回生トルク取得部、120 アクセル開度センサ、130 外気温センサ。

Claims (5)

  1. 走行用の回転電機を備えた電動車両の回生制動制御装置であって、
    路面摩擦係数を取得する路面摩擦係数取得部と、
    前記電動車両の減速時に前記回転電機の回生トルクを制御する回生トルク制御部と、を備え、
    前記回生トルク制御部は、前記路面摩擦係数取得部が取得した路面摩擦係数が小さい場合は、路面摩擦係数が大きい場合に比較して、前記回生トルクの最大値を小さくするとともに、回生開始時の回生トルクの立ち上がり勾配を大きくするよう構成されている、電動車両の回生制動制御装置。
  2. 前記回生トルク制御部は、前記回生トルクによる前記電動車両の減速度の最大値が、路面摩擦係数が小さい場合と路面摩擦係数が大きい場合とで同じ値となるように、前記回生トルクの立ち上がり勾配および前記回生トルクの大きさを制御するよう構成されている、請求項1に記載の電動車両の回生制動制御装置。
  3. 前記電動車両は、内燃機関を備えたハイブリッド車両であって、
    前記電動車両は、所定の状態において、減速時に、前記電動車両の減速時に前記回転電機の回生を実行せず、前記内燃機関の抵抗による制動力を用いて減速を行うよう構成されており、
    前記回生トルク制御部は、前記回生トルクによる前記電動車両の減速度の最大値が、前記回転電機の回生を行わない場合の前記電動車両の減速度の最大値になるように、前記回生トルクの立ち上がり勾配および前記回生トルクの大きさを制御するよう構成されている、請求項1に記載の電動車両の回生制動制御装置。
  4. 前記路面摩擦係数取得部は、外気温度が低いとき、路面摩擦係数が小さいと推定する、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電動車両の回生制動制御装置。
  5. 前記電動車両は、後輪駆動である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電動車両の回生制動制御装置。
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