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JP2021087235A - 電動車両の制動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ロックの発生を回避しつつ、バッテリが受け入れ可能な範囲で回生ブレーキを有効に活用する。【解決手段】本出願の電動車両の制動装置は、バッテリと、発電機の回生発電により駆動輪に対して回生制動トルクを付与する回生ブレーキと、駆動輪及び非駆動輪に対して接触摩擦による摩擦制動トルクを付与する摩擦ブレーキと、スリップが予想される場合にスリップ制御を実行する制御装置と、を備える。制御装置は、スリップ制御の実行中は、駆動輪に付与する摩擦制動トルクと回生制動トルクとの合計が、駆動輪にスリップを生じさせない範囲に設定された上限トルク以下となり、かつ、回生発電の電力が、バッテリの状態に応じて設定される受入可能電力を超えない範囲となり、かつ、回生制動トルクが、スリップ制御の開始前の回生制動トルクに比べて小さくなるように、回生ブレーキ及び摩擦ブレーキを制御するスリップ制御を実行する。【選択図】図9

Description

本出願は、電動車両の制動装置に関するものである。
例えば特開2011−223648号公報には、車両の制動時に、回生ブレーキと摩擦ブレーキとによる回生協調制御を行なう電動車両の制御装置が記載されている。この回生協調制御では、制動トルク配分が回生制動輪にロック傾向が発生する制動トルク配分よりも小さくなるように、回生制動トルクが決定される。そして、回生制動輪に付与されるべき目標制動トルクに対し、回生制動トルクで不足するトルクは、摩擦制動トルクで補われる。
特開2011−223648号公報
摩擦ブレーキと回生ブレーキとの双方により制動可能な電動車両において、減速時により多くの運動エネルギーを回収するためには、回生ブレーキの比率を大きくすることが望ましい。従って摩擦ブレーキの作動を小さくするため、上記のような回生協調ブレーキや、ワンペダルブレーキ等の採用が検討されている。
しかしながら2輪駆動の電動車両では、回生ブレーキは駆動輪にのみ付与される。このため単に回生ブレーキの比率を大きくしようとすると、駆動輪での制動力トルク配分が大きくなり、ロックが発生しやすくなる。また、スリップ制御時には、回生制動トルクの変動が大きくなるため、回生ブレーキの比率が大きいと、バッテリの受入可能電力が少ない状態では回生電力がバッテリの受入可能電力を超過する虞がある。
本出願は、上述の課題を解決するためになされたもので、スリップ制御時にも、制動制御の安定を図りつつ、バッテリの受入可能電力の超過しない範囲で回生ブレーキを有効に活用できるように改良された電動車両の制動装置を提供することを目的とする。
本出願の電動車両の制動装置は、バッテリと、回生ブレーキと、摩擦ブレーキと、制御装置と、を備える。バッテリは、モータジェネレータの回生発電により発電された電力を蓄電できる。回生ブレーキは、モータジェネレータの回生発電により駆動輪に対して回生制動トルクを付与する。摩擦ブレーキは、駆動輪及び非駆動輪に対して接触摩擦により摩擦制動トルクを付与する。制御装置は、電動車両の制動時、駆動輪に対して付与される回生制動トルクと駆動輪及び非駆動輪に対して付与される摩擦制動トルクとの合計である総制動トルクが、要求される目標制動トルクとなるように、回生ブレーキ及び摩擦ブレーキを制御すると共に、駆動輪のスリップが予想される場合には、スリップ制御を実行するように構成されている。
制御装置は、更に、スリップ制御の実行中は、駆動輪に付与する摩擦制動トルクと回生制動トルクとの合計が、駆動輪にスリップを生じさせない範囲に設定された上限トルク以下となり、かつ、回生発電の電力が、バッテリの状態に応じて設定される受入可能電力を超えない範囲となり、かつ、回生制動トルクが、スリップ制御の開始前の回生制動トルクに比べて小さくなるように、回生ブレーキ及び摩擦ブレーキを制御する。
本実施の形態によれば、スリップ制御の実行中は、駆動輪に付与される制動トルクが、スリップを生じさせないトルクに制御されるとともに、回生制動トルクの配分は、バッテリの受入可能電力に応じて決定される。これにより、スリップの発生時の制動の安定を図りつつ、バッテリの受入可能電力を超過しない範囲で回生電力を有効に利用することができる。
本発明の実施の形態に係る電動車両の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係るスリップ制御における車速に対する車輪速の割合と制動力との関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係るスリップ制御において駆動輪に付与される制動トルクと非駆動輪に付与される制動トルクとの関係について説明するための図である。 本発明の実施の形態に係るスリップ制御において駆動輪及び非駆動輪のそれぞれに付与される制動トルクの変化について説明するための図である。 本発明の実施の形態に係るスリップ制御において駆動輪に付与される制動トルクと非駆動輪に付与される制動トルクとの関係について説明するための図である。 本発明の実施の形態に係るスリップ制御において駆動輪及び非駆動輪のそれぞれに付与される制動トルクの変化について説明するための図である。 本発明の実施の形態に係るスリップ制御において駆動輪に付与される制動トルクと非駆動輪に付与される制動トルクとの関係について説明するための図である。 本発明の実施の形態に係るスリップ制御において駆動輪及び非駆動輪のそれぞれに付与される制動トルクの変化について説明するための図である。 本発明の実施の形態に係るスリップ制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係るスリップ制御のタイミングチャートである。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
実施の形態.
図1は、本実施の形態の車両1の構成を示した図である。車両1は、駆動輪2と非駆動輪4とを有する2輪駆動の電動車両である。車両1には、駆動輪2と非駆動輪4との制動を制御する制動装置が備えられている。制動装置は、摩擦ブレーキ10と回生ブレーキ20と制御装置30とを有している。
摩擦ブレーキ10は、駆動輪2及び非駆動輪4に接触摩擦による摩擦制動トルクを付与して駆動輪2及び非駆動輪4に摩擦制動力を生じさせる。摩擦ブレーキ10は、ブレーキアクチュエータ11と、駆動輪2及び非駆動輪4のそれぞれに設置されたブレーキロータ(図示せず)とブレーキキャリパ12とを含む。ブレーキアクチュエータ11は、制御装置30からの制御信号に基づいて、ブレーキキャリパに供給される液圧を調整することで、駆動輪2及び非駆動輪4のそれぞれに付与される摩擦制動トルクを調整する。ただし、摩擦ブレーキ10は、液圧式に限られず、ブレーキパッドが電力によってブレーキロータに押し付けられることで接触摩擦を生じさせる電気式の摩擦ブレーキであってもよい。
回生ブレーキ20は、パワーコントロールユニット(以下「PCU」とも称する)21とモータジェネレータ(以下「MG」とも称する)22とを備える。PCU21は、バッテリ23に接続されている。バッテリ23の電力がPCU21を介してMG22に供給されると、MG22は回転駆動力を発生させるモータとして機能する。一方、制動時、駆動輪2から回転力が付与されるとMG22は発電機として機能し、発電された電力はPCU21を介してバッテリ23に蓄電される。回生ブレーキ20は、MG22が発電機として機能して回生発電するときに、発電負荷を回生制動トルクとして駆動輪2に付与して駆動輪2に回生制動力を生じさせる。
制御装置30には、駆動輪2の車輪速Vdを検出する車輪速センサ32及び車両1の車速Vを検出する車速センサ34を含む各種センサが接続され、車両1の制動状態を含む運転状態に関する状態を取得する。制御装置30は、PCU21及びブレーキアクチュエータ11に接続され、これらを制御することで、駆動輪2及び非駆動輪4に発生させる制動力を制御する。
また、制御装置30は、バッテリ23に接続され、バッテリ23のSOC(State Of Charge)、及び、バッテリ温度等を含むバッテリの状態に関する情報を取得する。制御装置30は、取得したバッテリ23の状態に関する情報に基づいて、バッテリ23に入力できる電力の上限(即ち、受入可能電力)である電池入力上限を算出する。例えば、バッテリ温度が同一の条件下では、SOCが高い場合の方が、低い場合よりも、電池入力上限は小さくなる。また、バッテリ温度が所定より高温又は低温の場合、電池入力上限は小さな値に制限される。SOCとバッテリ温度と電池入力上限との具体的な関係は、電池の種類(Ni又はLi等)によって異なるため、車両ごとに設定される。制御装置30には、SOCとバッテリ温度と電池入力上限との関係を定めたマップ等が予め記録されている。また、バッテリ23としてLi電池を用いる場合、Li特有の劣化を防止するための電池入力上限の制限が別途設定される構成であってもよい。具体的には、例えば、充電電流の時間積分値が所定の値を超えた場合に、充電電流に比例して電池入力上限を設定するようにすることができる。
なお、制御装置30は、図1では1つのユニットとして示されているが、統合制御装置、モータ制御装置、及び、ブレーキ制御装置等の複数のユニットにより構成されているものであってもよい。
車両1の制動時、制御装置30は、ブレーキペダルストロークセンサにより検出されたブレーキペダルの操作量又はレギュレータ圧等の制動に関する状態を示すパラメータに基づいて、車輪(即ち、駆動輪2及び非駆動輪4)に付与すべき目標制動トルクを算出する。制御装置30は、回生ブレーキから付与される回生制動トルクと摩擦ブレーキから付与される摩擦制動トルクとによって目標制動トルクが達成されるように、回生ブレーキ20による回生制動トルクと、摩擦ブレーキ10による摩擦制動トルクとの配分を決定し、これに基づいて、PCU21とブレーキアクチュエータ11とを制御する。これにより、駆動輪2及び非駆動輪4にそれぞれに必要な制動トルクを付与する。
また、制御装置30は、車両1の制動時、スリップ状態となることが予想される場合に、車輪速Vdに対する目標値(以下「目標車輪速」)Vtを設定し、目標車輪速Vtに応じて摩擦ブレーキトルク及び回生制動トルクを決定するスリップ制御を行なう。
図2は、本実施の形態のスリップ制御における車速Vに対する駆動輪2の車輪速Vdの割合Vd/Vと駆動輪2の制動力との関係を示す。なお、以下、説明の簡略化のため、車速Vに対する駆動輪2の車輪速Vdの割合を、単に「車輪速割合Vd/V」とも称する。
スリップ制御は、駆動輪2の制動力がロック限界に近い領域で実行される。本実施の形態のスリップ制御では、電池入力上限Wの大きさに応じて、以下のように目標車輪速Vtを設定する。
より具体的には、バッテリ23の電池入力上限Wに対し、W1>W2>0の関係にある2つの閾値W1、W2を設定する。そして、図2に示されるように、電池入力上限Wが(1)W≧W1である場合、(2)W1>W≧W2である場合、(3)W2>Wである場合の何れであるかによって、目標車輪速Vtが設定される。ここで設定される目標車輪速Vtは、上記(1)、(2)、(3)の場合の順に、車輪速割合Vd/Vが大きくなるようになっている。つまり、直進時の同一の車速Vである場合を比較すると、バッテリ23に入力できる電力の上限である電池入力上限Wが小さい場合、相対的に、目標車輪速Vtが大きく設定され、電池入力上限Wが大きい場合、相対的に、目標車輪速Vtが小さくなるように設定される。これにより電池入力上限Wが小さい場合、相対的に、駆動輪2に付与される総制動トルクのうち回生制動トルクの配分が小さくなるように制動トルクが設定される。以下に、電池入力上限Wが上記(1)〜(3)の場合ごとに、スリップ制御の概要を説明する。
図3、図5、及び、図7は、スリップ制御において駆動輪2に付与される制動トルクと、非駆動輪4に付与される制動トルクとの関係を説明する図である。図4、図6、及び、図8は、スリップ制御において、駆動輪2及び非駆動輪4に付与される制動トルクの時間変化について説明する図である。また、図3及び図4は(1)の電池入力上限Wが閾値W1以上である場合を示す。図5及び図6は(2)の電池入力上限Wが閾値W1より小さく閾値W2以上である場合を示す。図7及び図8は、(3)の電池入力上限Wが閾値W2より小さい場合を示す。
なお、以下の説明及び図では、駆動輪2が前輪である場合を例として説明し、駆動輪2を「Fr」、非駆動輪4を「Rr」とも表し、駆動輪2、非駆動輪4のロック限界をそれぞれ「Frロック限界」、「Rrロック限界」、駆動輪2、非駆動輪4のそれぞれに付与される制動トルクの合計値を「Fr制動トルク」、「Rr制動トルク」、駆動輪2、非駆動輪4に付与される摩擦制動トルクを、それぞれ「Fr摩擦」、「Rr摩擦」、駆動輪2に付与される回生制動トルクを「Fr回生」とも表す。図3〜図8において、実線aはRrロック限界、実線bはFrロック限界、実線TQは、駆動輪2及び非駆動輪4に付与する総制動トルクの目標値である目標制動トルクTQを示す。図4、6、及び、8において、破線eは、Fr回生トルクとFr摩擦との境界、破線fはFr摩擦とRr摩擦との境界を表している。
また、スリップ制御において駆動輪2を目標車輪速Vtに収束するように制御する場合、ドライブシャフトの弾性や路面μのばらつき等の影響によりMG22では振動的なトルクを発生させる必要があるが、説明の簡略化のため、以下図3〜図8では、回生制動トルクの単位時間当たりの時間平均的なトルクを図示するようにする。
図3及び図4に示される例は、電池入力上限Wが(1)W≧W1である場合、即ち、電池入力上限Wが閾値W1以上であり、入力可能な電力に最も余裕がある場合の例である。この例では、タイミングT1で、駆動輪2に付与される回生制動トルクがFrロック限界(実線b)に達し、スリップ制御が開始されている。スリップ制御が開始されると、電池入力上限Wを超えない範囲で設定された目標車輪速Vtに向けて車輪速Vdを低下させる。
スリップ制御開始後、Fr制動トルクは、Frロック限界の制動トルク(即ち、上限トルク)に維持される。目標制動トルクTQに対しFr制動トルクで不足する制動トルク分は、Rr輪に付与されるRr摩擦で補われる。摩擦ブレーキ10の作動により、FrにもFr摩擦が付与される。Fr回生は、Frロック限界の制動トルクから、Fr摩擦を差し引いたトルクとなる。これにより、スリップを抑制しつつ、回生ブレーキを効果的に利用することができる。
図5及び図6に示される例は、電池入力上限Wが(2)の範囲にある場合の例であり、この例では、スリップが発生する前のタイミングT0で、回生発電によるバッテリ23への入力が、バッテリ23の電池入力上限に達している。従って、回生制動トルクをこれ以上増大させることはできないので、タイミングT0以降は、目標制動トルクTQと回生制動トルクとの差分が、摩擦制動トルクの付与によって補われている。回生制動トルクは電池入力上限を超えない値、即ちタイミングT0における回生制動トルクで維持されている。
その後、Fr制動トルクがFrロック限界に達したタイミングT1で、スリップ制御が開始されると、目標車輪速Vtに向けて車輪速Vdを低下させる。目標車輪速Vtは、車輪速割合Vt/Vが(1)の場合に比べて大きくなるように設定される。
また、スリップ制御中は、駆動輪を目標車輪速Vtに収束するように制御するため、MG22の入出力を増減させる必要がある。従って、目標車輪速Vtは、時間平均的な回生制動トルクが、電池入力上限を超えないように設定する必要がある。従って、図5及び図6の例では、時間平均的な回生制動トルクがほぼゼロとなるように設定される。回生制動トルクは、車輪速Vdを目標車輪速Vtに収束させるように設定されて徐々に低下し、タイミングT2でトルクがほぼゼロとなる。これにより電池入力上限の影響を受けず、バッテリの入力制限の更なる進行を防止しながら、安定した制動を実現することができる。
図7及び図8に示す例は、電池入力上限Wが(3)の範囲にある場合、即ち、電池入力上限Wが閾値であるW2より小さい場合の例であり、この例では、スリップが発生する前のタイミングT0で、回生発電によるバッテリ23への入力がバッテリ23の電池入力上限を超えている。従って、タイミングT0で、摩擦制動トルクの付与が開始され、回生制動トルクは一定に維持されている。
その後、Fr制動トルクがFrロック限界に達したタイミングT1でスリップ制御が開始されると目標車輪速Vtは、車輪速割合Vt/Vは(2)の場合に比べて更に大きくなるように設定される。スリップ制御の開始後、摩擦制動トルクを増加させると共に、回生制動トルクを減少させていき、最終的に、MG22を力行運転とする。これにより、目標制動トルクTQに対する摩擦制動トルクの余剰分を吸収するようにする。これにより、駆動輪2が目標車輪速Vtに収束するように、MG22の入出力を大きく変動させることができ、電池入力量の制限による影響を受けることなく安定して制動力を確保することができる。
以下、図9を用いて、スリップ制御について説明する。図9は、制御装置30が実行するスリップ制御の具体的な制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。図9のルーチンは、制動要求があった場合に実行される。
図9のルーチンが開始されると、先ず、ステップS1で、車速Vが取得される。車速Vは、車速センサ34の検出値に出力に基づき取得される。
次に、ステップS2に進み、目標制動トルクTQが算出される。目標制動トルクTQは、要求される制動力を駆動輪2及び非駆動輪4に発生させるため、回生ブレーキ20及び摩擦ブレーキ10が車輪に付与する制動トルクの合計の目標値である。
次に、ステップS3に進み、駆動輪2の車輪速Vdが取得される。駆動輪2の車輪速Vdは、車輪速センサ32の出力に基づいて取得される。次に、ステップS4に進み、バッテリ23の電池入力上限Wが取得される。
次に、ステップS5では、車輪速割合Vd/Vが基準値aより小さい状態が一定時間継続して検出されたか否かが判別される。車輪速割合Vd/Vは、スリップ状態を推定するためのパラメータであり、この車輪速割合Vd/Vが小さい場合、車両がスリップ状態にあると判断することができる。車輪速割合Vd/Vに対し比較の対象となる基準値a及び一定時間は、車両1がスリップ状態であることを判断するため予め設定された閾値である。
ステップS5で、車輪速割合Vd/Vが、基準値aより小さい状態が一定時間継続していると判断された場合、スリップ状態になると予測されるため、次にステップS6に進み、スリップ制御が開始される。
スリップ制御が開始されると、続くステップS7では、ステップS4で取得されたバッテリ23の電池入力上限Wに応じて、目標車輪速Vtを設定する。上述したように、目標車輪速Vtは、電池入力上限Wが属する範囲に応じて、電池入力上限Wが小さい範囲にある場合ほど、車輪速割合Vd/Vが大きくなるように設定される。
次に、ステップS8に進み、摩擦制動トルクTbが算出される。摩擦制動トルクTbは、設定された目標車輪速Vtと目標制動トルクとに応じて算出される。次に、ステップS9に進み、回生制動トルクTrが算出される。回生制動トルクTrは、駆動輪2の車輪速Vdを目標車輪速Vtに収束させるように算出される。その後、今回のルーチンは終了とされる。
一方、ステップS5において、車輪速割合Vd/Vが一定時間継続していないと判別された場合、次に、ステップS20に進み、現在スリップ制御実行中であるか否かが判別される。
その結果、スリップ制御実行中であると判別された場合には、ステップS21に進み、車輪速割合Vd/Vが基準値bより大きい状態が一定時間継続したか否かが判別される。ここでの一定時間は、スリップ制御の完了を判定するために設定される基準時間であり、ステップS5の判定に用いられる一定時間とは異なる時間である。また基準値bは、車両1がスリップ状態にないことを判断するため予め設定された基準値であり、少なくとも、ステップS5で用いられる基準値aより大きな値である。
ステップS21の判別の結果、車輪速割合Vd/Vが基準値bより大きい状態が一定時間継続していないと判別された場合には、ステップS7に進み、スリップ制御が継続され、駆動輪2の目標車輪速Vtが、電池入力上限Wに基づいて算出される。
一方、車輪速割合Vd/Vが基準値bより大きい状態が一定時間継続したと判別された場合には、スリップ状態が解消したと判別されるため、ステップS22に進み、今回のスリップ制御は終了とされる。その後、通常のブレーキ制御に戻され、ステップS8に進み、通常の制御ルーチンに従って算出された目標車輪速Vtに基づいて摩擦制動トルクTbが算出され、ステップS9に進み、回生制動トルクTrが算出される。その後、今回のルーチンは終了とされる。
図10は、本実施の形態のスリップ制御のタイミングチャートである。図10は電池入力上限が閾値W2よりも小さい場合の例を示しており、タイミングT0において、電池パワーは電池入力上限に達し、回生制動トルクであるMGトルクは一定値で保持され、車輪には、摩擦ブレーキ10による摩擦制動力も発生している。その後タイミングT1でスリップ制御が開始される。スリップ制御が開始されると、目標車輪速Vtは電池入力上限Wに従って設定される。設定された目標車輪速Vtと目標制動トルクTQとに応じて摩擦制動トルクTbが設定され、駆動輪2及び非駆動輪4で発生する摩擦制動力が増大している。
また、スリップ制御中、駆動輪2を目標車輪速Vtに収束させようとすると、ドライブシャフトの弾性や路面μのばらつき等の影響により、MG22では振動的なトルクを発生させる必要がある。このため、目標車輪速Vtは、MG22で発生させる時間平均的な回生制動トルクが電池入力の制限に対して小さくなるように設定される。これにより、電池パワーの振動も含め電池入力上限を超えない範囲でMGトルク(即ち、回生制動トルク)が維持されており、全体として、安定して制動力を制御することができる。
1 車両
2 駆動輪
4 非駆動輪
10 摩擦ブレーキ
11 ブレーキアクチュエータ
12 ブレーキキャリパ
20 回生ブレーキ
21 PCU
22 MG
23 バッテリ
30 制御装置
32 車輪速センサ
34 輪速センサ

Claims (4)

  1. モータジェネレータの回生発電により駆動輪に対して回生制動トルクを付与する回生ブレーキと、
    前記モータジェネレータによる回生発電により発電された電力を蓄電できるバッテリと、
    前記駆動輪及び非駆動輪に対して接触摩擦により摩擦制動トルクを付与する摩擦ブレーキと、
    制動時、前記駆動輪に対して付与される前記回生制動トルクと前記駆動輪及び前記非駆動輪に対して付与される前記摩擦制動トルクとの合計である総制動トルクが、要求される目標制動トルクとなるように、前記回生ブレーキ及び前記摩擦ブレーキを制御すると共に、前記駆動輪のスリップが予想される場合にはスリップ制御を実行するように構成された制御装置と、
    を備え、
    前記制御装置は、前記スリップ制御の実行中は、
    前記駆動輪に付与する摩擦制動トルクと回生制動トルクとの合計が、前記駆動輪にスリップを生じさせない範囲に設定された上限トルク以下となり、
    前記回生発電の電力が、前記バッテリの状態に応じて設定される受入可能電力を超えない範囲となり、かつ、
    前記回生制動トルクが、前記スリップ制御の開始前の回生制動トルクに比べて小さくなるように、
    前記回生ブレーキ及び前記摩擦ブレーキを制御するように構成されていることを特徴とする電動車両の制動装置。
  2. 前記制御装置は、前記スリップ制御を実行する場合であって、前記受入可能電力が閾値より小さい場合、
    前記上限トルクに対する前記摩擦制動トルクの余剰分に応じたトルクを、前記モータジェネレータの力行運転により前記駆動輪に付与する、
    ように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の電動車両の制動装置。
  3. 前記制御装置は、
    前記スリップ制御の開始の時点で、前記回生発電の電力が前記受入可能電力を超えている場合には、
    前記回生発電の電力の単位時間あたりの平均値がゼロとなるように、前記回生制動トルクを設定する、
    ように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の電動車両の制動装置。
  4. 前記スリップ制御の実行中の前記回生制動トルクは、
    前記受入可能電力が小さい場合の方が大きい場合に比べて、小さくなるように設定されることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の電動車両の制動装置。
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