(57)【要約】【課題】全てのモータの総合効率が最大となるように各モータの制駆動力制御を行い、モータ駆動車の効率を改善する力行回生配分による航続距離延長制御システム及び方法を提供すること。【解決手段】航続距離延長制御システム１００は、最適トルク配分比演算手段１０１とトルク配分制御手段１０２とからなる。最適トルク配分比演算手段１０１は、予め計算し記憶してある実時間の平均車輪速に対応する総トルク指令Ｔrefに対する最適トルク配分比γ*の近似式を選択し、その近似式に総トルク指令Ｔrefを代入して総合効率ηallが最大となる最適トルク配分比γ*を算出する。トルク配分制御手段１０２は、最適トルク配分比γ*から各モータに対するトルク指令値を算出し、各モータにそれらトルク指令値をそれぞれ出力する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータトルクによって駆動される駆動輪を有する自動車に用いる、駆動輪間のトルク配分を制御する力行回生配分による航続距離延長制御システムであって、
車体速度毎の駆動輪を駆動している全てのモータに対するトルク指令の和である総トルク指令に対する、車体速度毎の前記全てのモータの効率の和である総合効率が最大となる前記トルク配分比の関係式を用いて、測定された車体速度とドライバーから入力された総トルク指令とから前記総合効率が最大となる最適トルク配分比を算出する最適トルク配分比演算手段と、
前記最適トルク配分比に基づき前記全てのモータの各々に配分するトルク指令を算出し、前記算出された各トルク指令に基づき前記全てのモータの各々を個別に制御するトルク配分制御手段と
を備えたことを特徴とする力行回生配分による航続距離延長制御システム。
【請求項２】
前記最適トルク配分比は、前後輪間のトルク配分比であることを特徴とする請求項１に記載の力行回生配分による航続距離延長制御システム。
【請求項３】
前記配分するトルク指令は、力行及び回生のいずれかを行わせるトルク指令であることを特徴とする請求項１又は２に記載の力行回生配分による航続距離延長制御システム。
【請求項４】
モータトルクによって駆動される駆動輪を有する自動車に用いる、駆動輪間のトルク配分を制御する力行回生配分による航続距離延長制御方法であって、
車体速度毎の駆動輪を駆動している全てのモータに対するトルク指令の和である総トルク指令に対する、車体速度毎の前記全てのモータの効率の和である総合効率が最大となる前記トルク配分比の関係式を用いて、測定された車体速度とドライバーから入力された総トルク指令とから前記総合効率が最大となる最適トルク配分比を算出する最適トルク配分比演算ステップと、
前記最適トルク配分比に基づき前記全てのモータの各々に配分するトルク指令を算出し、前記算出された各トルク指令に基づき前記全てのモータの各々を個別に制御するトルク配分制御ステップと
を備えたことを特徴とする力行回生配分による航続距離延長制御方法。
【請求項５】
前記最適トルク配分比は、前後輪間のトルク配分比であることを特徴とする請求項４に記載の力行回生配分による航続距離延長制御方法。
【請求項６】
前記配分するトルク指令は、力行及び回生のいずれかを行わせるトルク指令であることを特徴とする請求項４又は５に記載の力行回生配分による航続距離延長制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は力行回生配分による航続距離延長制御システム及び方法に関し、より詳細には、全てのモータの総合効率が最大となるように各モータの制駆動力制御を行う力行回生配分による航続距離延長制御システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、モータを駆動力源として利用したハイブリッド・電気・燃料電池自動車に注目が集まっている。特に体積エネルギー密度の高い液体燃料を用いたハイブリッド車の飛躍はめざましい（非特許文献１参照）。今年度の月間新車販売台数でトヨタ自動車のＰｒｉｕｓや本田技研のＩｎｓｉｇｈｔが１位を獲得している。
【０００３】
ハイブリッド化の方式は、エンジン・モータ・バッテリの組み合わせ方によりシリーズ、パラレル、またそれらを組み合わせたシリーズ・パラレルなど様々あり、各自動車メーカーが研究開発をしている（非特許文献２参照）。
【０００４】
しかし、バッテリーの質量が大きい、給電設備が少ない、一充電走行距離が短いなどの欠点がある。そのため、一充電走行距離の欠点を克服するためにも様々な研究がなされている。例えば、モータを駆動するためのインバータやチョッパの制御方式の変更によって総合効率の改善を目指しているものがある（非特許文献３参照）。また、効率の改善ではなく、電気自動車に非接触給電装置を搭載することにより、充電の利便性を向上させ、充電を頻繁に行うことで走行距離の延長を目指しているものがある（非特許文献４参照）。また、走行中にモータパラメータを変化させて、走行条件に適した駆動を行い、モータ効率の改善を目指しているものがある（非特許文献５参照）。また、既存の航続距離延長装置としてレンジエクステンダーと呼ばれるものがある。レンジエクステンダーには、一般にエンジンと発電機が用いられる。バッテリーに充電された電力残量が少なくなったとき、エンジンで発電機を回し、発生した電力をモータに供給して走行することによって、航続距離を確保する。しかしこれは装置の搭載にコストと車載スペースが必要であり、重量増加となる。さらにエンジンでガソリンを燃焼させるため環境にも悪い。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】大野栄嗣：“低炭素社会における自動車技術と交通システム”、電気学会誌、Ｖｏｌ．１２９、Ｎｏ．１、ｐｐ２０−ｐｐ２３、２００９
【非特許文献２】大熊繁、寺谷達夫、道木慎二：“ハイブリッド電気自動車における電気技術”、電気学会誌、Ｖｏｌ．１２７、Ｎｏ．２、ｐｐ９８−ｐｐ１０１、２００７
【非特許文献３】稲坂翔、河村篤男、弦田幸憲：“双方向チョッパを用いた電気自動車の高効率電力制御に関する一考察”、平成２１年電気学会産業応用部門大会、ＶＯＬ．１、ｐｐＩ−６６７−ｐｐＩ−６７０、２００９
【非特許文献４】紙屋雄史、大聖泰弘、松木英敏：“電動車両用非接触急速充電システム”、電気学会誌、Ｖｏｌ．１２８、Ｎｏ．１２、ｐｐ８０４−ｐｐ８０７、２００８
【非特許文献５】金弘中、岡部悟、宮崎泰三、日野徳昭：“永久磁石を用いた可変時速モータの動作原理と基本特性”、平成２１年電気学会全国大会、５−０１６、ｐｐ２６−ｐｐ２７、２００９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、内燃機関の自動車と比較した優位点は多く挙げられるが、電気自動車が普及しない要因として、インフラの整備や価格が従来の自動車より高いなどが挙げられている。これを解決する手法として非接触給電システムや、動力源すべてをバッテリーに依存しないハイブリッドシステムの研究が行われている。だが、最も大きな要因は、一充電走行距離が短いことが挙げられる。電気自動車は、先にも挙げたようにモータを駆動力としているので、一充電走行距離はバッテリーの容量に依存する。つまり、バッテリーの容量が大きくならない限り、走行距離の問題を解決することは不可能である。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、全てのモータの総合効率が最大となるように各モータの制駆動力制御を行い、モータ駆動車の効率を改善する力行回生配分による航続距離延長制御システム及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、モータトルクによって駆動される駆動輪を有する自動車に用いる、駆動輪間のトルク配分を制御する力行回生配分による航続距離延長制御システムであって、車体速度毎の駆動輪を駆動している全てのモータに対するトルク指令の和である総トルク指令に対する、車体速度毎の前記全てのモータの効率の和である総合効率が最大となる前記トルク配分比の関係式を用いて、測定された車体速度とドライバーから入力された総トルク指令とから前記総合効率が最大となる最適トルク配分比を算出する最適トルク配分比演算手段と、前記最適トルク配分比に基づき前記全てのモータの各々に配分するトルク指令を算出し、前記算出された各トルク指令に基づき前記全てのモータの各々を個別に制御するトルク配分制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の力行回生配分による航続距離延長制御システムにおいて、前記最適トルク配分比は、前後輪間のトルク配分比であることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の力行回生配分による航続距離延長制御システムにおいて、前記配分するトルク指令は、力行及び回生のいずれかを行わせるトルク指令であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、モータトルクによって駆動される駆動輪を有する自動車に用いる、駆動輪間のトルク配分を制御する力行回生配分による航続距離延長制御方法であって、車体速度毎の駆動輪を駆動している全てのモータに対するトルク指令の和である総トルク指令に対する、車体速度毎の前記全てのモータの効率の和である総合効率が最大となる前記トルク配分比の関係式を用いて、測定された車体速度とドライバーから入力された総トルク指令とから前記総合効率が最大となる最適トルク配分比を算出する最適トルク配分比演算ステップと、前記最適トルク配分比に基づき前記全てのモータの各々に配分するトルク指令を算出し、前記算出された各トルク指令に基づき前記全てのモータの各々を個別に制御するトルク配分制御ステップとを備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の力行回生配分による航続距離延長制御方法において、前記最適トルク配分比は、前後輪間のトルク配分比であることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の力行回生配分による航続距離延長制御方法において、前記配分するトルク指令は、力行及び回生のいずれかを行わせるトルク指令であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、全てのモータの総合効率が最大となるように各モータの制駆動力制御を行い、モータ駆動車の効率を改善する効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（ａ）は実験車両の前輪用モータのモータ効率マップを示す図であり、（ｂ）は後輪用モータのモータ効率マップを示す図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は左右輪間のトルク配分によってヨーモーメントが発生しない場合を示す図である。
【図３】（ａ）は前後輪モータともに力行した場合のエネルギーの関係を示す図であり、（ｂ）は前輪が力行、後輪が回生した場合のエネルギーの関係を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｉ）は、総トルク指令値毎の総合効率と配分比との関係を示す図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、一方が力行で、他方が回生のときに最大効率を示すモータ効率マップである。
【図６】（ａ）〜（ｉ）は、総トルク指令値毎の総合効率と配分比との関係を示す図である。
【図７】実機実験における総合効率と配分比との関係を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る力行回生配分による航続距離延長制御システムの制御ブロック図である。
【図９】近似式によって求めた時速６０ｋｍでの総トルク指令Ｔrefに対する最適トルク配分比γ*のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
複数の駆動輪を有する自動車では、各駆動輪の発生トルクの合計値がドライバーの要求するトルク値を満たせばよいので、各駆動輪のトルク値には自由度がある。そこで本発明では、駆動輪を駆動している全てのモータの総合効率が最大となるように各モータの制駆動力制御を行い、モータ駆動車の効率を改善する。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
１．効率マップ
図１（ａ）に実験車両の前輪用モータのモータ効率マップを示し、（ｂ）に後輪用モータのモータ効率マップを示す。図１（ａ）、（ｂ）が示すように、モータの回転数と出力トルクによりモータの効率は変化する。よってモータを各車輪に配置したような電気自動車では、それぞれのモータをどの動作点で動作させるかによって効率が大きく変化する。自動車の走行中は一般に四輪の車輪速度は同一のものとなる。よって一定速度で走行中にこのモータの動作点を変化させるためには、四輪全てが同一車輪速のもと、ドライバーの要求するトルクを実現するように、それぞれのモータトルクを変化させればよい。
【００１８】
〈１・１〉制約条件と総合効率
本発明は、直進時においては左右輪間のトルク配分によってヨーモーメントが発生しないように、図２（ａ）に示すように左側前後輪の合計トルクと右側前後輪の合計トルクは同じとし、前後輪のトルク配分のみを考える。もし左右の個々のモータ間でトルクに差が生じても、図２（ｂ）に示すように他のモータによってヨーモーメントを相殺すればよい。このヨーモーメントの相殺にもトルク配分を適用させることが出来る。
【００１９】
尚、左右輪間のトルク配分を積極的に行ってヨーモーメントを発生させる場合は、ヨーモーメント発生に必要な左右輪間のトルク配分比を満たすように、個々のモータにトルク配分すればよい。
【００２０】
また、図２（ａ）、（ｂ）は四輪独立駆動車を想定しているが、本発明は前後輪独立駆動車にも適用可能である。例えば、前後のトルク配分だけに限れば、２つの車載モータとドライブシャフトを有する前後輪独立駆動車にも適用可能である。
【００２１】
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【００２２】
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【００２３】
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【００２４】
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【００２５】
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【００２６】
２．実験機に基づく効率変化
〈２・１〉トルク配分による効率変化
実験車両のモータの効率は、図１（ａ）、（ｂ）に示す関係にある。これをもとに前後輪の配分比を０〜１．５まで式（９）、（１０）を使って変化させ、時速３０〜６０ｋｍのそれぞれにおいて総合効率ηallを計算した。図４（ａ）〜（ｉ）に、計算結果を示す。但しγ＝０が前輪のみの力行であり、γ＝１が後輪のみの力行である。またγ＝１．５は、後輪が総トルク指令に対して１．５倍多くトルクを出力し、その過剰分を前輪が回生することによって、総トルク指令を実現する。
【００２７】
図４（ｆ）〜（ｉ）に見られる効率の急激な減少は、図１（ａ）、（ｂ）から分かるように、速度の増加によってトルクの最大値が小さくなっているため、トルクリミッタにより配分計算が行えないからである。
【００２８】
図４（ａ）〜（ｅ）より、この総トルク指令の範囲では総トルク指令の大きさに依らず、速度によって最適トルク配分比γ*が決定することが分かる。また図４（ｆ）〜（ｉ）より、総トルク指令が大きくなると最適トルク配分比γ*は０．４〜０．９という値となることが分かる。
【００２９】
図１（ａ）、（ｂ）に示すような特性の異なるモータではなく、同一の効率マップを有するモータ同士の組み合わせでも同じような結果が得られる。全てのモータのモータ効率が同一の場合、トルク配分比γと総合効率との関係はトルク配分比γ＝０．５を軸とする左右対称形となる。低トルク指令では下に凸（γ＝０または１が最大効率）であり、総トルク指令Ｔrefが大きくなると下に凸の形状から上に凸の形状に近づき、ついには上に凸（γ＝０．５が最大効率）となる。このようにトルク配分比γにより総合効率は変化する。
【００３０】
よってトルク配分比γを最適値に制御することで、航続距離の延長が可能となる。
【００３１】
図１に示す効率特性を有するモータは、本研究目的に特化して設計製作したモータではない。本節は現在実験機に搭載されているインホイールモータに基づいておこなった検討であり、力行配分ではその有効性が確認できるが、力行と回生とを組み合わせたトルク配分では高効率とはならず、その有効性は明らかになっていない。そこで次節において図３（ｂ）のような力行と回生とを組み合わせたトルク配分が有効な場合のモータ効率マップについて考える。
【００３２】
〈２・２〉力行と回生とを組み合わせたトルク配分が有効な場合のモータ効率マップ
図５（ａ）、（ｂ）に、一方が力行で、他方が回生のときに最大効率を示すモータ効率マップの一例を示す。これらモータ効率マップの特徴は、効率のピークの部分がそれぞれ異なる領域、すなわち高トルク域（図５（ａ））と低トルク域（図５（ｂ））にあることである。モータの突極比など各パラメータの設計次第では図５（ａ）、（ｂ）に示すようなモータ効率マップを有するモータの設計が可能であると考えられる。
【００３３】
図６（ａ）〜（ｉ）に、図５（ａ）、（ｂ）に示すモータ効率マップに基づいて配分比γと総合効率ηallとの関係を複数の速度について総トルク指令毎に計算した結果を示す。図６（ａ）〜（ｉ）に見られる効率の急激な減少は、前節同様、図５（ａ）、（ｂ）に見られるように、速度の増加によってトルクの最大値が小さくなっているため、トルクリミッタにより配分計算が行えないからである。図６（ａ）より、この総トルク指令では常に最適トルク配分比γ*は０であることが分かる。図７（ｂ）より、この総トルク指令でも常に最適トルク配分比γ*は０であるが、γ＞１の力行回生運転の効率が大きくなり始めていることが分かる。図６（ｄ）〜（ｇ）より、ついには０＜γ＜１の力行力行運転よりもγ＞１の力行回生運転の方が効率が改善されている。図６（ｈ）、（ｉ）より、トルク指令が大きくなると０＜γ＜１の力行力行運転の方が効率が良くなっている。
【００３４】
また図５（ａ）、（ｂ）のような効率マップの組み合わせの場合、モータのトルク配分により広い駆動領域で効率が改善される。同一の効率マップを有するモータのトルク配分では狭い駆動領域での高い効率化は見込めるが、異なる特性を持つモータ同士のトルク配分のように広い範囲で高効率とはならない。
【００３５】
〈２・３〉実機実験
〈２・３・１〉実験車両
実験車両には独自に製作した電気自動車ＦＰＥＶ２−Ｋａｎｏｎを用いた。ＦＰＥＶ２−Ｋａｎｏｎには東洋電機製アウターロータ型インホイールモータを前後輪に四基搭載している。本モータはダイレクトドライブ方式であり、リダクションギヤによるバックラッシュの影響がない。従って路面からの反力情報がギヤで失われることなくモータ側にもどるため、本発明の各種推定法を実施するにあたり非常に有効であると考えられる。
【００３６】
バッテリーには、高エネルギー密度で高速充電が可能なリチウムイオン電池を用いた。１モジュールあたり１６［Ｖ］のバッテリーを１０個直列に接続し、搭載している。さらにチョッパを用いることで２倍の３２０［Ｖ］に昇圧し、インバータに給電するシステムとなっている。車両制御のコントローラとしてｄＳＰＡＣＥ製のＡＵＴＯＢＯＸを搭載している。
【００３７】
〈２・３・２〉実験結果
速度３０［ｋｍ／ｈ］、総トルク指令１８０［Ｎｍ］の前後トルク配分の実験を行った。図７に、実験結果を示す。〈２・１〉節同様、前後トルク配分によって車両全体の総合効率ηallが変化する。
【００３８】
この実験結果をもとに１［ｋＷｈ］あたりの走行距離に換算した。先ず、電源出力ＶdcＩdcを測定時間ｔで積分してエネルギーＥを求める。次に、モータ速度も測定時間ｔで積分して走行距離Ｌに換算する。そして走行距離ＬをエネルギーＥで除算することにより１［ｋＷｈ］あたりの走行距離を求めた。結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
表１より１［ｋＷｈ］あたりの走行距離の最大値と最小値との差でみると、３０％弱の改善が見てとれる。すなわち、一充電走行距離が３０％弱延長されるということである。昨年発売されたｉ−ＭｉＥＶは電力量が１６［ｋＷｈ］と言われている。よってこの容量で計算してみると一充電走行距離が約１４［ｋｍ］延長されたことになる。
【００４１】
３．航続距離延長制御システム（ＲＥＣＳ：Ｒａｎｇｅ  Ｅｘｔｅｎｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）
〈３・１〉制御回路構成
以上のように、車両の総合効率ηallはトルク配分比γにより変化する。従って、総合効率ηallを最大化するように各輪のトルク配分比を制御すれば、車両の航続距離を延長することができる。
【００４２】
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【００４３】
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【００４４】
〈３・２〉最適なトルク配分比の導出
トルク配分比指令値γ*の求め方の１つとして、〈２・４〉実機実験で求めたモータ効率マップに基づく算出方法がある。
【００４５】
１）最適トルク配分比γ*、車輪速Ｖ、総トルク指令Ｔrefによって定まる３次元マップにおいて、車輪速Ｖ−総トルク指令Ｔref空間を離散化して適当なｌ×ｍの格子状に区切る。
【００４６】
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【００４７】
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４）式（１２）のような多項式を車輪速Ｖ(i)毎に求める。
【００４８】
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【００４９】
図９に、図４に示すような最適トルク配分比γ*、車輪速Ｖ、総トルク指令Ｔrefによって定まる３次元マップを基にステップ１）〜５）によって求めた、総トルク指令Ｔrefに対する車輪速６０［ｋｍ／ｈ］における最適トルク配分比γ*のグラフを示す。
【符号の説明】
【００５０】
１００  力行回生配分による航続距離延長制御システム
１０１  最適トルク配分比演算手段
１０２  トルク配分制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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