JP7724102B2 - 電気自動車 - Google Patents

電気自動車

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Description

本発明は、電気自動車に関する。
近年、深雪等での走行時に雪上等を脱出するために、車輪を故意に高回転させ、スリップさせて雪を掻くように運転者が選択できる機能を備えた電気自動車が開発されている(例えば非特許文献1等参照)。
なお、本発明では、電気自動車とは、車輪をモータで駆動して走行することが可能な自動車をいうが、モータの他にエンジン等の原動機を備えていてもよい。
"MODEL 3 オーナーズマニュアル ソフトウェア バージョン:2021.12.25 Japan"、[online]、TESLA社、掲載日2021年7月9日、p.61、[令和3年8月19日検索]、インターネット<URL:https://www.tesla.com/sites/default/files/model_3_owners_manual_asia_jp.pdf>
しかし、例えば、このような深雪の路面では、深雪の路面に連続して圧雪路や凍結した路面等(以下、低μ路(摩擦係数μが低い路面)という。)がある場合が少なくない。
そして、例えば図11に示すように、車輪を高回転させて深雪αを脱出した車体100が低μ路βに進入すると、横滑りが発生し、車体100の後輪側が左右(図11の場合は右側)に振れる場合がある。
そして、運転者が車体100の姿勢を正すために操舵を行うと(図11の場合はステアリングを右に切ると)、今度は、車体100の後輪側が逆方向(図11の場合は左側)に大きく振れる。
このように、上記の雪掻き機能で深雪等からの脱出に成功しても、その後の車両挙動が大きく乱れてしまう場合がある。
本発明は、上記の点を鑑みてなされたものであり、車輪をスリップさせた状態で低μ路に進入した際に車両挙動が乱れることを抑制することが可能な電気自動車を提供することを目的とする。
前記の問題を解決するために、本発明の一実施の形態は、電気自動車において、
車体のヨーレートを計測するヨーレートセンサと、
モータにそれぞれ直結された左右の後輪のトルクをそれぞれ制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、車両の走行モードとして前記左右の後輪がスリップすることを許容するモードが選択されている場合に、前記ヨーレートセンサが計測した前記ヨーレートに基づいて、前記左右の後輪のトルクのいずれかを抑制するように制御する。
また、さらに、ステアリングの操舵角を計測する舵角センサを備え、前記制御部は、前記ヨーレートセンサが計測した前記ヨーレートと、前記舵角センサが計測した前記操舵角に基づいて算出したヨーレートとが閾値以上に異なる場合に、前記ヨーレートセンサが計測した前記ヨーレートと前記算出したヨーレートとの差が前記閾値未満になるように、前記左右の後輪のいずれかのトルクを抑制するように制御することが好ましい。
また、さらに、車体の位置情報を含むGPS信号をGPS衛星から受信するGPS受信機と、各車輪の車輪速をそれぞれ計測する車輪速センサと、を備え、前記制御部は、前記車輪速センサが計測した前記左右の後輪の各車輪速と、前記GPS受信機が受信した車体の位置情報から算出した車体速とに基づいて算出したスリップ率が10%になるように前記左右の後輪のいずれかのトルクを抑制するように制御することが好ましい。
本発明によれば、電気自動車において、車輪をスリップさせた状態で低μ路に進入した際に車両挙動が乱れることを抑制することが可能となる。
本実施形態に係る電気自動車の構成例を表す図である。 左右の後輪のトルクの制御のしかたの例を表す図である。 左右の後輪の各車輪速及び車体速の時間的変化の例を表す図である。 車体のヨーレートの時間的変化の例を表す図である。 左右の後輪のトルクの制御のしかたの例を表す図であり、左側の後輪のトルクを抑制するように制御した例を表す図である。 左右の後輪のトルクを図5に示すように制御した場合の左右の後輪の各車輪速及び車体速の時間的変化の例を表す図である。 左右の後輪のトルクを図5に示すように制御した場合の車体のヨーレートの時間的変化の例を表す図である。 車体の後輪側が右側に振れた後、車体が直進する状態に戻る状態を例示するイメージ図である。 スリップ率と車輪のグリップ力(縦グリップ及び横グリップ)との関係を例示する図である。 本実施形態に係る電気自動車の制御部における制御の構成例を表すフローチャートである。 車体の後輪側が左右に振れる状態を例示するイメージ図である。
以下、本発明に係る電気自動車の実施の形態について、図面を参照して説明する。
なお、以下では、電気自動車が、バッテリを電源とし、エンジン等の他の原動機を備えない狭義の電気自動車である場合について説明するが、モータ以外の原動機を備えていてもよい。また、以下では、モータが車輪ごとに設けられている場合について説明するが、モータが左右の後輪のみにそれぞれ設けられていてもよい。
図1は、本実施形態に係る電気自動車の構成例を表す図である。本実施形態では、電気自動車10は、バッテリ12やインバータ13、モータ14、車輪15、制御部20等を備えて構成されている。なお、以下、右側の後輪を後輪15A、左の後輪を後輪15Bという。
本実施形態では、バッテリ12は、制御部20の制御に従って、電力線16を介して所定の電力値の直流電力をインバータ13に供給する。
インバータ13は、バッテリ12から供給された直流電力を制御部20の制御に従って交流電力に変換するようになっている。そして、インバータ13とモータ14とが三相線等の配線17で接続されており、インバータ13は配線17を介して交流電力をモータ14に供給するようになっている。
モータ14には、図示しないギヤを介してモータ14に車輪15が直結されている。本実施形態では、このようにして、インバータ13とモータ14とが配線17で接続され、モータ14に車輪15が直結されて1つの駆動系11が形成されている。
なお、本実施形態では、図1に示したように、バッテリ12(電源)が、前後左右の4つの駆動系11ごとに1つずつ設けられており、駆動系11ごとにバッテリ12とインバータ13とが電力線16で接続されている。しかし、バッテリ12(電源)から複数のインバータ13に電力を供給するように構成することも可能である。
また、図1では、バッテリ12とインバータ13とが2本の電力線16で接続されており、インバータ13とモータ14とが3本の配線17で接続されている場合が示されているが、電力線16や配線17の本数はこれらに限らない。
制御部20は、1つのECU(Electronic Control Unit)、あるいは、互いに連携して動作する複数のECUで構成されている。
そして、制御部20は、ECUのCPU(Central Processing Unit)が制御プログラムを実行することで、バッテリ12を制御してインバータ13に供給する直流電力の電力値を制御する。
また、制御部20は、インバータ13に例えばPWM(パルス幅変調)信号を送信する等してインバータ13を制御することで、モータ14で生じるトルクを制御する。
本実施形態では、制御部20は、このようにして左右の後輪15A、15Bを含む各車輪15のトルクTをそれぞれ制御するようになっている。
また、制御部20には、図示しないステアリングの操舵角θを計測する舵角センサ21や、車体のヨーレートγを計測するヨーレートセンサ22が接続されている。また、制御部20には、各車輪15の車輪速vをそれぞれ計測する各車輪速センサ24がそれぞれ接続されている。
制御部20には、その他、アクセルポジションセンサやブレーキセンサ、加速度センサ等の必要なセンサ類が接続されている。
また、制御部20には、車体の位置情報を含むGPS(Global Positioning System)信号を図示しないGPS衛星から受信するGPS受信機23が接続されている。
そして、制御部20は、舵角センサ21やヨーレートセンサ22、GPS受信機22等から入力される信号や情報に応じてバッテリ12やインバータ13を制御することで、モータ14を含む各駆動系11をそれぞれ制御するようになっている。
また、制御部20は、GPS受信機23が受信した車体の位置情報に基づいて車体速Vを算出する。具体的には、制御部20は、例えば、GPS受信機23がGPS衛星から位置情報を受信するごとに位置情報の差分を算出して車体の移動量を算出し、それをGPS受信機23のサンプリング周期で除算することで車体速Vを算出することができる。
なお、GPS信号中の位置情報には比較的大きな誤差が含まれる場合があるが、上記のように位置情報の差分を算出することで、位置情報の誤差が相殺されるため、算出される車体速V中から位置情報の誤差の影響を排除することが可能となる。
一方、本実施形態では、電気自動車10は、車両の走行モードとして、通常の走行モードである第1走行モードや、深雪等から脱出するために左右の後輪15A、15Bがスリップすることを許容する第2走行モード等を備えている。
そして、運転者は、各走行モードの中から走行モードを適宜選択することができるようになっている。
そして、制御部20は、車両の走行モードとして第2走行モードが選択されると、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量に応じて、例えば図2に例示するように左右の後輪15A、15BのトルクTa、Tbをそれぞれ制御して変化させる。
そのため、図3に例示するように、各車輪速センサ24が計測した左右の後輪15A、15Bの各車輪速va、vbがいずれも、前述したようにGPS受信機23が受信した車体の位置情報から算出した車体速Vよりも大きい状態になる。すなわち、左右の後輪15A、15Bがスリップした状態になる。
本実施形態では、制御部20は、このようにして、運転者により第2走行モードが選択されている場合には、左右の後輪15A、15Bを故意に高回転させ、スリップさせて雪等を掻くようにして深雪等からの脱出を図るようになっている。
しかし、単にこのように構成すると、前述したように、例えば、深雪の路面に連続して低μ路がある場合、深雪を脱出して低μ路に進入すると、図11に例示したように車体の後輪側が左右に振れて車両挙動が大きく乱れてしまう場合がある。
そこで、本実施形態では、制御部20における制御を以下のように構成することで、車輪15(特に後輪15A、15B)をスリップさせた状態で低μ路に進入した際に車両挙動が乱れることを抑制するようになっている。
以下、本実施形態に係る電気自動車10の制御部20における、車両挙動が乱れることを抑制するための制御構成等について説明する。また、本実施形態に係る電気自動車10の作用についてもあわせて説明する。
前述したように、車両の走行モードとして、第2走行モード、すなわち左右の後輪15A、15Bがスリップすることを許容するモードが選択されている際に、車両が深雪等から脱出した後、低μ路に進入すると、車体の後輪側が左右に振れる場合がある。
この現象は、運転者によるステアリングの操舵を起因として生じる場合がある。また、運転者がステアリングを操作しなくても、左右の後輪15A、15Bの摩擦係数μに差があることで生じる場合もある。
そして、車体の後輪側が左右に振れている場合、図4に例示するように、車体のヨーレートγが正の方向や負の方向に時間的に変化する。そして、車体のヨーレートγの情報を用いれば、車体の後輪15A、15Bが左右のいずれの方向に振れているかが分かる。
そこで、本実施形態では、制御部20は、車両の走行モードとして第2走行モードが選択されている場合に、ヨーレートセンサ22が計測した車体のヨーレートγに基づいて車体の後輪側の左右への振れを抑制する制御を行うようになっている。
そして、制御部20は、この場合、ヨーレートγに基づいて、図5に例示するように左右の後輪15A、15BのトルクTa、Tbのいずれかを抑制するように制御する。
なお、図5の例では、左側の後輪15BのトルクTbが抑制されているが、これは図11で例示したように深雪αを脱出して低μ路βに進入した車体の後輪側が最初に右側に振れた場合の制御を表している。
図5の例を用いて具体的に説明すると、上記のように、車体の後輪側が右側に振れる際に車体の左側の後輪15BのトルクTbを抑制することで、図6に例示するように左側の後輪15Bの車輪速vbが低下して車体速Vに近づく。
そのため、左側の後輪15Bのスリップの度合いが低下して、グリップ力(特に後述する横グリップ)が回復して大きくなる。そのため、車体の後輪側の右側への振れが抑制される。
そのため、このような制御を行うことで、上記のように例えば深雪αを脱出して低μ路βに進入した車体の後輪側が右側に振れた場合に、車体の左側の後輪15BのトルクTbを抑制することで、車体の後輪側の右側への振れが抑制される。
そのため、図7に例示するように、車体10に生じていたヨーレートγが0に戻る方向に時間的に変化し、車体10が直進する状態に戻る。
そして、この状態すなわちヨーレートγが0に戻った時点で、図5に例示するように左側の後輪15BのトルクTbの抑制を解除すると、図6に例示するように左側の後輪15Bの車輪速vbが上昇し、元の高回転の状態(すなわちスリップする状態)に戻る。
そのため、図8に例示するように、車体10が直進する状態(すなわち車体10の後輪側が左右に振れない状態)に戻り、左右の後輪15A、15Bを高回転させてスリップさせながら低μ路βからの脱出を図る状態に戻ることができる。
以上のように、本実施形態に係る電気自動車10によれば、左右の後輪15A、15Bをスリップさせた状態で低μ路βに進入した際に、車体10の後輪側が右側や左側に振れることがあっても、車体を直進する状態に戻すことができる。
そのため、車輪をスリップさせた状態で低μ路βに進入した際に車両挙動が乱れることを抑制することが可能となる。
なお、前述したように、低μ路等で車体の後輪側が左右に振れる現象は、運転者によるステアリングの操舵を起因として生じる場合がある。
しかし、車体のヨーレートγがステアリングの操舵通りに生じたために車体の後輪側が右側や左側に振れている場合は、ステアリングの操舵通りにヨーレートγを生じさせる方がよく、上記のような車体の後輪側の左右への振れを抑制する制御は行わない方がよい。
そのため、本実施形態では、電気自動車10の制御部20は、ステアリングの操舵角θである場合に車体に生じるヨーレートγを推定するための計算式(テーブル等でもよい。)を予め有している。なお、以下、このように操舵角θに基づいて算出されるヨーレートγをヨーレートγ0という。
そして、制御部20は、ヨーレートセンサ22が計測したヨーレートγと、舵角センサが計測したステアリングの操舵角θに基づいて算出したヨーレートγ0との差を算出する。
そして、制御部20は、算出した差分の絶対値が閾値γth以上に異なる場合に、本実施形態に係る制御、すなわち左右の後輪15A、15Bのいずれかのトルクを抑制する制御(図5参照)を行うように構成されている。
なお、この場合、ヨーレートセンサ22が計測したヨーレートγと算出したヨーレートγ0との差の絶対値が閾値γth未満であれば、運転者のステアリングの操舵に応じたヨーレートが生じていると考えられるため、上記の制御は行わない。
また、上記の制御を行う場合、制御部20は、ヨーレートセンサ22が計測したヨーレートγと算出したヨーレートγ0との差が閾値γth未満になるように、左右の後輪15A、15Bのいずれかのトルクを抑制するように制御するように構成される。
このように構成すれば、低μ路等で車体の後輪側が左右に振れ始めた車両の挙動を、運転者のステアリングの操舵に従った挙動に戻すことが可能となる。
そのため、図7では、車体10に生じていたヨーレートγが0に戻る場合を例示したが、運転者がステアリングを右や左に操舵している場合には、車体のヨーレートγの値は運転者のステアリングの操舵に従ったヨーレートγ0に近づいていくようになる。
一方、例えば、図5に示したように車体の左側の後輪15Bの車輪速vbを低下させて車体速Vに近づけることで、左側の後輪15Bのグリップ力が回復して大きくなることについて、以下、より詳細に考察する。
ここで、後輪(車輪)のスリップ率sを、
スリップ率s=(車輪速v-車体速V)/車体速V×100% …(1)
と定義する。
すなわち、スリップ率sは、車輪速センサ24(図1参照)が計測した左右の後輪15A,15Bの車輪速v(すなわちva、vb)と、GPS受信機23が受信した車体の位置情報から算出した車体速Vとに基づいて算出される。
そして、車輪速vと車体速Vとが等しいとき、スリップ率sは0%となる。また、車輪がスリップしていて車体速Vに対して車輪速vが非常に大きい場合には、スリップ率sが100%を超える場合もある。
そして、このスリップ率sと車輪のグリップ力gとの間には、図9に例示するような関係がある。
なお、図中のg1は車輪に対して車両の進行方向に働くグリップ力を表し、以下、縦グリップg1という。また、図中のg2は車輪に対して車両の左右方向に働くグリップ力を表し、以下、横グリップg2という。
図9から分かるように、縦グリップg1は、スリップ率sが0%の場合は0であり、スリップ率sが大きくなるに従って大きくなる。
そして、スリップ率sがある値を超えると、縦グリップg1はほぼ一定の状態(あるいはスリップ率sが大きくなるに従って漸減する状態)になる。
それに対し、横グリップg2は、スリップ率sが0%の場合に最大であり、スリップ率sが大きくなるに従って小さくなる。そして、スリップ率sがある値を超えると、横グリップg2はスリップ率sが大きくなるに従って漸減していき、0に近い値になる。
そのため、上記のように後輪15A、15Bがスリップしている状態(スリップ率s≫0)では、横グリップg2が非常に小さくなり、車体の後輪側が左右に振れる状態になる。
例えば、スリップ率sが、図9のグラフ上での縦グリップg1と横グリップg2の交点に対応するスリップ率S又はそれに近い値である場合、縦グリップg1も横グリップg2も比較的大きくなる。
そして、この場合、横グリップg2が比較的大きいため、車体の後輪側の左右への振れが抑制される。また、縦グリップg1も比較的大きいため、車体が前進する状態が維持される。
そのため、制御部20は、上記のように左右の後輪15A、15BのトルクTa、Tbのいずれかを抑制するように制御する際、上記(1)に従って算出したスリップ率sがスリップ率Sの近傍の値になるように制御するように構成することが望ましい。
そして、上記のスリップ率S、すなわち縦グリップg1も横グリップg2も大きくなるスリップ率sは、車輪を構成するタイヤの材料や幅、表面の溝等の形状などによって変わり得る。
しかし、本発明者の研究では、いずれの場合も上記のスリップ率Sは10%程度であること、すなわち、スリップ率sが10%であれば、車輪の縦グリップg1も横グリップg2も良好に大きな値になることが分かっている。
そのため、制御部20は、上記のように制御する際、上記(1)に従って算出したスリップ率sが10%になるように前記左右の後輪のいずれかのトルクを抑制するように制御するように構成することが望ましい。
以上のことをまとめると、本実施形態に係る電気自動車10の制御部20における制御は、例えば、以下のように構成することができる。
以下、図10に例示するフローチャートに従って説明する。
なお、制御部20は、車両の走行モードとしていずれの走行モードが選択されていても、常時、舵角センサ21から送信されてくるステアリングの操舵角θに基づいて車体に生じるヨーレートγ0を算出する処理を行う。
そして、それと、ヨーレートセンサ22から送信されてくる車体のヨーレートγとを比較して、車体のヨーレートγがステアリングの操舵角θに応じたヨーレートγ0になるように、必要に応じて各車輪15のトルクTを制御するように構成されている。
また、制御部20は、常時、各車輪15の車輪速センサ24から各車輪15の車輪速vの情報を収集し、GPS受信機23から車体の位置情報等を入手するなど、各種センサ等から必要な情報を取得するように構成されている。
そして、制御部20は、取得した情報に応じて必要な制御を行うように構成されている。
制御部20は、運転者により前述した第2走行モード、すなわち深雪等から脱出するために左右の後輪15A、15Bがスリップすることを許容する走行モードが選択されると(ステップS1;YES)、本実施形態に係る制御を開始する(ステップS2)。
すなわち、制御部20は、まず、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量に応じて、左右の後輪15A、15BのトルクTa、Tbをそれぞれ変化させて左右の後輪15A、15Bを高回転させる。そのため、左右の後輪15A、15Bがスリップした状態になる。
続いて、制御部20は、上記のようにして、舵角センサ21から送信されてくるステアリングの操舵角θに基づいて車体に生じるヨーレートγ0を推定する。
そして、制御部20は、ヨーレートセンサ22が計測したヨーレートγと、算出したヨーレートγ0とが閾値γth以上か否か、すなわちヨーレートγとヨーレートγとの差の絶対値が閾値γth以上か否かを判定する(ステップS3)。
計測したヨーレートγと、算出したヨーレートγ0とが閾値γth未満であれば(ステップS3;NO)、現状の制御を継続して行う。すなわち、アクセルペダルの踏み込み量に応じて左右の後輪15A、15Bを高回転させる制御を引き続き行う(ステップS4)。
一方、制御部20は、計測したヨーレートγと、算出したヨーレートγ0とが閾値γth以上である場合に(ステップS3;YES)、左右の後輪15A、15BのいずれのトルクTa、Tbを抑制するように制御するかを決定する(ステップS5)。
すなわち、車体の後輪側が左側に振れた場合は右側の後輪15AのトルクTa、車体の後輪側が右側に振れた場合は左側の後輪15BのトルクTbを抑制するように制御すると決定する。
続いて、制御部20は、決定した側の後輪15のスリップ率sが10%になるように、決定した側の後輪15のトルクTを抑制する(ステップS6)。
そして、制御部20は、ヨーレートセンサ22が計測したヨーレートγと、舵角センサ21が計測したステアリングの操舵角θに基づいて算出したヨーレートγ0との差が閾値γth以上(ステップS3;YES)である限り、以上の制御を継続する。
制御部20は、ヨーレートセンサ22が計測したヨーレートγと、算出したヨーレートγ0との差が閾値γth未満になると(ステップS3;NO)、左右の後輪15A、15BのいずれのトルクTa、Tbを抑制する制御を停止する。
そして、制御のしかたを、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量に応じて、左右の後輪15A、15BのトルクTa、Tbをそれぞれ変化させて左右の後輪15A、15Bを高回転させる制御に戻す。そのため、左右の後輪15A、15Bがスリップした状態に戻る。
制御部20は、以上の制御を、運転者が第2走行モードを選択している間(ステップS1;YES)、継続して行う。
そして、運転者により第2走行モード以外の走行モードが選択された場合は(ステップS1;NO)、第2走行モードの制御を終了して、制御のしかたを、選択された走行モードに応じた制御に変更して実行する(ステップS7)。
なお、本発明が上記の実施形態等に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜変更可能であることは言うまでもない。
10 電気自動車
14 モータ
15、15A、15B 後輪
20 制御部
21 舵角センサ
22 ヨーレートセンサ
23 GPS受信機
24 車輪速センサ
s スリップ率
T、Ta、Tb トルク
V 車体速
v、va、vb 車輪速
γ ヨーレート、ヨーレートセンサが計測したヨーレート
γ0 操舵角に基づいて算出したヨーレート
γth 閾値
θ ステアリングの操舵角

Claims (3)

  1. 車体のヨーレートを計測するヨーレートセンサと、
    モータにそれぞれ直結された左右の後輪のトルクをそれぞれ制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、車両の走行モードとして前記左右の後輪がスリップすることを許容するモードが選択されている場合に、前記ヨーレートセンサが計測した前記ヨーレートに基づいて、前記左右の後輪のトルクのいずれかを抑制するように制御することを特徴とする電気自動車。
  2. さらに、ステアリングの操舵角を計測する舵角センサを備え、
    前記制御部は、前記ヨーレートセンサが計測した前記ヨーレートと、前記舵角センサが計測した前記操舵角に基づいて算出したヨーレートとが閾値以上に異なる場合に、前記ヨーレートセンサが計測した前記ヨーレートと前記算出したヨーレートとの差が前記閾値未満になるように、前記左右の後輪のいずれかのトルクを抑制するように制御することを特徴とする請求項1に記載の電気自動車。
  3. さらに、
    車体の位置情報を含むGPS信号をGPS衛星から受信するGPS受信機と、
    各車輪の車輪速をそれぞれ計測する車輪速センサと、
    を備え、
    前記制御部は、前記車輪速センサが計測した前記左右の後輪の各車輪速と、前記GPS受信機が受信した車体の位置情報から算出した車体速とに基づいて算出したスリップ率が10%になるように前記左右の後輪のいずれかのトルクを抑制するように制御することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電気自動車。
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