JP7724370B2 - 駆動システム - Google Patents

Description

以下の開示は、複数の動力源を備えた車両に利用されて動力源にそれぞれ対応するシャフトに出力されるトルクを制御する駆動システムに関する。

従来型の車両においては、一の動力源が発生するトルクを複数の駆動輪に分配している。分配のために例えばデファレンシャルが利用される。

デファレンシャルは、差動の制限がなければ、一方のシャフトが空転するときには他方のシャフトにもトルクを出力できない。そこでデファレンシャルは、しばしば差動を制限ないし時限的に停止する機構を備えることがある。差動を例えば摩擦的に制限する機構は、しばしばリミテッドスリップデファレンシャル（ＬＳＤ）と呼ばれ、特に入力されるトルクに応じて差動の制限力が動的に変化する機構はトルク感応型ＬＳＤなどと呼ばれる。制限力がメカニカルな機構により制御されるものは機械式ＬＳＤ、電子制御装置を用いるものは電子制御ＬＳＤなどと呼ばれる。

特許文献１，２は、関連する技術を開示する。

国際特許出願公開ＷＯ２０１０／０７８９３７Ａ１ 国際特許出願公開ＷＯ２０２０／１２９４００Ａ１

ガソリンエンジンと異なり、電動車では動力源が比較的に小さく、駆動輪ごとに動力源を配置することができる。駆動輪ごとに個別にトルクを制御することができるので、トルク制御によってアンダステアやオーバステアの防止が容易になるし、あるいは従来型の車両では困難な挙動、例えばトルクベクタリング等を実現することもできる。ところが従来型の車両の運転に特に習熟した運転者にとっては、自らが意図しない挙動が生ずることは必ずしも運転のし易さにつながらず、むしろ従来型の、ＬＳＤを利用した動力系の挙動のほうが好ましく感じることがある。

以下に開示するシステムは、複数の動力源を備えた車両の駆動システムでありながら、ＬＳＤを利用した動力系に類似した挙動を実現する。

一の局面によれば、第１のシャフトおよび第２のシャフトへ出力されるトルクをそれぞれ制御する駆動システムは、前記第１のシャフトの回転速度を測定するべく構成された第１の速度センサと、前記第２のシャフトの回転速度を測定するべく構成された第２の速度センサと、前記第１のシャフトに駆動的に結合した第１の出力装置と、前記第２のシャフトに駆動的に結合した第２の出力装置と、前記第１および第２の速度センサと前記第１および第２の出力装置とに電気的に接続され、一以上の差動トルク比の値を記憶する記憶装置を備えた電子制御装置であって、目標トルク値を取得し、前記第２のシャフトに対する前記第１のシャフトの回転速度差を決定し、前記決定された回転速度差および前記目標トルク値から符号を決定し、前記記憶装置から一の値を読み出し、前記読み出された値および前記決定された符号から前記第１のシャフトへ配分するべき第１の配分比および前記第２のシャフトへ配分するべき第２の配分比を算出し、前記算出された第１および第２の配分比に前記目標トルク値を乗じて得たトルクをそれぞれ出力させるように前記第１の出力装置および前記第２の出力装置を制御するべく構成された電子制御装置と、を備える。

図１は、本実施形態による駆動システムが適用される車両の一例を模式的に示した図であって、右と左の後車軸がそれぞれ動力源により駆動される例を示す。 図２は、前車軸がモータにより駆動される例を示す模式図である。 図３は、駆動システムが前方の動力源と後方の動力源とを制御する例を示す模式図である。 図４は、駆動システムが前方の動力源と後方の動力源とを制御する例において前方の動力源がエンジンである例を示す模式図である。 図５は、全ての車軸がそれぞれ動力源により駆動される例を示す模式図である。 図６は、一のモータが両車軸を駆動する場合に利用されるギア装置の一例の断面図である。 図７は、車両がカーブを切るときに内輪と外輪に生ずるべきトルクを模式的に示した図であって、車両が駆動的に前進するドライブ状態を示す。 図８は、車両がカーブを切るときに内輪と外輪に生ずるべきトルクを模式的に示した図であって、車両が惰性的に前進するコースト状態を示す。 図９は、電子制御装置による演算を模式的に表したダイヤグラムである。 図１０は、入力の変換に利用する関数の一例を表すグラフである。 図１１は、電子制御装置において実行される演算及び制御のフローチャートである。

添付の図面を参照して以下に幾つかの例示的な実施形態を説明する。

例えば図１を参照するに、本実施形態による駆動システムは、例えば右と左の後車軸をそれぞれ個別の出力装置７により駆動する車両１に適用できる。駆動システムは、右と左の車軸へ出力されるトルクをそれぞれ制御する。この場合に前車軸は非駆動軸であってもよく、あるいは例えばエンジンまたはエンジンと電動モータとの両方を備えたハイブリッドシステム等の動力源３により駆動されてもよい。動力源３には、トルクを前車軸に伝えるトランスミッション５を含むギヤシステムが組み合わされる。あるいは駆動システムは、後車軸に代えて前車軸を個別の出力装置７が駆動する車両に適用することができる。さらにあるいは、図２に示す通り、前車軸は電動モータを備えた電動システム９が駆動してもよい。

あるいは駆動システムは、右と左の車軸へ出力されるトルクをそれぞれ制御するのに代えて、前車軸と後車軸とがそれぞれ動力源を備え、駆動システムが前後の動力源を制御することにより、前車軸と後車軸とへ出力されるトルクを調整するのに利用してもよい。図３はそのような車両１の例であり、前後ともに電動システム９が駆動する。あるいは前車軸と後車軸の一方は、エンジンまたはエンジンと電動モータとの両方を備えた動力源３が駆動するものにも、本実施形態は適用することができる。

さらにあるいは図５に例示されるごとく、右後車軸と左後車軸とに加えて右前車軸と左車軸、すなわち全ての車軸のトルクを制御するのにも、本実施形態による駆動システムは利用することができる。

図１ないし５の何れかを参照するに、各ＥＣＵはコマンドおよびデータを格納する記憶装置と、記憶装置からこれらを読みだしてコマンドを実行できるマイクロコントローラとを備える。一般的な車両が備えるＥＣＵは数十にも及ぶが、図１ないし５にはそのうち６つのＥＣＵのみが示されている。これらのＥＣＵ１３～１７は種々のセンサにより車両各部の状態を読み取り、またバス１９により互いに接続されている。ＥＣＵ１３～１７は、例えば所謂コントロールドエリアネットワーク（ＣＡＮ）を介した通信により情報を通信ないし共有する。かかる情報は、読み取った状態のみならず、他のＥＣＵに対する要求を含み、これらを利用して各ＥＣＵは車両の各部を制御する。

ＥＣＵ１３は例えばコンソール、ステアリング、アクセルペダル、ブレーキペダル等に電気的に接続され、これらを通して運転者による入力を取得するとともに、これらを制御する。もちろん一のＥＣＵによらず、それぞれ独立したＥＣＵが情報取得および制御を担当することがありうる。また車両１は、各車軸の回転速度を測定する複数の速度センサ１１を備え、例えばＥＣＵ１５はこれらに電気的に接続されてその出力を取得して回転速度を算出する。例えばＥＣＵ１７は、動力源３、トランスミッション５、出力装置７および／または電動システム９に電気的に接続されて、その動作を制御する。

図６を参照するに、電動システム９は、例えば、電動モータ２３と、電動モータ２３が生ずる回転を減速して伝達する減速ギア組２５と、両車軸にトルクを分配するデファレンシャル２７とを備える。出力装置７も類似の構成を有し、電動モータと減速ギア組とを備えるが、デファレンシャル２７がなく、減速ギア組が直接に出力シャフトのギア部に噛合する。ここで減速ギア組２５は必須ではないが、電動モータ２３の出力を増力するに有利である。電動システム９の全体、あるいは出力装置７の全体は、単一のケーシング２１に収めることができるが、あるいはこれらのうちの一以上の要素は別体であってもよい。

電動モータ２３は、例えば公知のインバータ駆動モータであり、コイルに電力を入力すると、入力に応じたトルクを軸周りに発生してロータ軸３１を回転せしめる。ロータ軸３１は中空軸にすることができ、デファレンシャル２７と同軸に配置して一方の車軸をその空洞３１Ｈを通って引き出すことができる。このような同軸配置は、電動システム９全体の寸法を小さくするに有利である。もちろん電動モータ２３と両車軸とは異軸であってもよい。ロータ軸３１の端部付近はギア歯が刻まれており、かかるギア部３１Ｇを介して回転を減速ギア組２５に出力する。

減速ギア組２５は、例えばギア部３３，３５Ｇを備えたギアシャフト３５を備える。ギア部３３はロータ軸３１のギア部３１Ｇと噛合し、ギア部３５Ｇはデファレンシャル２７のギア部３７と噛合する。ギア部３３はギア部３５Ｇより大径にすることができ、それゆえ減速ギア組２５は回転を減速して（すなわち増力して）出力することができる。

デファレンシャル２７は、例えばその外周面にギア部３７を備え、その内部においてデファレンシャルギア組を支持する、ケーシング４１を備える。デファレンシャルギア組は一対のサイドギア４３Ｒ，４３Ｌを備え、それぞれの内面は例えばスプラインのごとき係合手段を備え、それぞれ右後車軸，左後車軸に結合する。すなわちデファレンシャル２７はギア部３７を介して受容したトルクを、サイドギア４３Ｒ，４３Ｌを介して右後車軸，左後車軸にトルクを分配する。

ところで本実施形態において必須ではないが、ケーシング４１は、アウタケーシング４１Ａと、これに同軸であって相対的に回転可能なインナケーシング４１Ｂと、よりなっていてもよい。アクチュエータ２９を駆動してインナケーシング４１Ｂをアウタケーシング４１Ａに係合せしめると、両者は一体に回転してトルクをデファレンシャルギア組へ伝達する。脱係合するとトルクは伝達されない。

図７ないし１０を参照して、本実施形態による駆動システムにおけるトルク制御の態様を説明する。以下の説明において、左右の車軸へのトルクの分配を例示するが、言うまでもなく以下の説明は前後の車軸へのトルクの分配にも妥当する。

動力源が前進方向に駆動力を発揮しながら車両が前進している（ドライブ）場合に、運転者がステアリングを例えば左方に切ると、図７に示す通り、車両は矢印ＤＴのごとき軌道を取る。このとき左後輪は右内輪より低速で回転する。ＬＳＤを利用した従来型の動力系によれば、左後輪へ分配されるトルクＴ_Ｌは右後輪へ分配されるトルクＴ_Ｒより大きくなる。これを模擬することを考えたときに、トルクの分配率は仮想的なＬＳＤにおける仮想的ロック率ｆ_ＬＳＤを基に算出することができる。

主に図９を参照するに、トルクＴ_Ｒに対するトルクＴ_Ｌの比を差動トルク比ＴＢＲと定義すれば、目標とするＴＢＲを実現するに必要な仮想ロック率ｆ_ＬＳＤは、式（ＴＢＲ－１）／（ＴＢＲ＋１）により表される。そこで左後輪へのトルク配分比ＬＨ_{Ｒａｔｉｏ}は１／２（１＋ｆ_ＬＳＤ）であり、右後輪へのトルク配分比ＲＨ_{Ｒａｔｉｏ}は１／２（１－ｆ_ＬＳＤ）である。これらに目標トルク値Ｔ_ＦｒＲｇを乗じた値が、それぞれ左後輪および右後輪へ出力されるべきトルクであり、言うまでもなく両者の合計は目標トルク値Ｔ_ＦｒＲｇに一致する。

容易に理解される通り、車両が右方向に旋回するときにはトルク配分比は逆転し、左後輪へのトルク配分比ＬＨ_{Ｒａｔｉｏ}は１／２（１－ｆ_ＬＳＤ）であり、右後輪へのトルク配分比ＲＨ_{Ｒａｔｉｏ}は１／２（１＋ｆ_ＬＳＤ）である。

右旋回か左旋回かは、ステアリングの転舵方向により判断できるし、あるいは右と左の車軸の回転速度差ΔＮ_ＲＬの符号によっても判断できる。仮にΔＮ_ＲＬを参照すると、左旋回のときにはΔＮ_ＲＬ＞０であり、直進のときにはΔＮ_ＲＬ＝０であり、右旋回のときにはΔＮ_ＲＬ＜０であり、これらを符号付き２値化してｋの値（ｋ＝１，０，－１）に反映すると、左後輪へのトルク配分比Ｆ_ＬＳＤは１／２（１＋ｋ・ｆ_ＬＳＤ）と表すことができる（図９右方のカラム内）。すなわち、ＬＨ_{Ｒａｔｉｏ}＝１／２（１＋ｋ・ｆ_ＬＳＤ）であり、ＲＨ_{Ｒａｔｉｏ}＝１／２（１－ｋ・ｆ_ＬＳＤ）である。

一方、図８に示すごとく、車両が惰性で進行する（コースト）場合、通常はエンジンブレーキないし回生ブレーキが働き、トルクＴ_Ｌ，Ｔ_Ｒの向きが逆向きになり（符号が逆転し）、またその大小も逆転する。ドライブ状態かコースト状態かは目標トルク値Ｔ_ＦｒＲｇの符号により判断できる。ドライブ／コーストによる符号の逆転をトルク配分比Ｆ_ＬＳＤに反映するべく、回転速度差ΔＮ_ＲＬと目標トルク値Ｔ_ＦｒＲｇとの積を符号付き２値化し、ｋの値（ｋ＝１，０，－１）に反映することができる（図９上方の中央）。

またドライブかコーストかにより、異なる差動トルク比ＴＢＲを採用することもできる。そこでＥＣＵ１７の記憶装置は複数の異なるＴＢＲ_{Ｄｒｉｖｅ}，ＴＢＲ_{Ｃｏａｓｔ}を記憶しておき、ドライブ方向かコースト方向かにより読み出す値を選択してその一を採用してもよい。すなわち、図９の左下を参照するに、目標トルク値Ｔ_ＦｒＲｇが正の値の時には順方向ＴＢＲ_{Ｄｒｉｖｅ}をＴＢＲとして採用し、負の値の時には逆方向ＴＢＲ_{Ｃｏａｓｔ}をＴＢＲとして採用することができる。順方向ＴＢＲ_{Ｄｒｉｖｅ}と逆方向ＴＢＲ_{Ｃｏａｓｔ}とには互いに異なるそれぞれに最適な値を採用することができ、その一例は順方向ＴＢＲ_{Ｄｒｉｖｅ}＝２．７であり逆方向ＴＢＲ_{Ｃｏａｓｔ}＝２．３だが、もちろんこれらに限られない。

ところでΔＮ_ＲＬおよびＴ_ＦｒＲｇが０に近い値であるときには、僅かな擾乱によっても符号が変わる。これはｋの値の急変につながり、駆動システムの挙動が不安定になるおそれがある。そこでΔＮ_ＲＬおよびＴ_ＦｒＲｇの一方または両方には、ノイズを除去するべくローパスフィルタのごときフィルタリングを行ってもよい。これに代えて、または加えて、値を適宜の関数により変換して、符号の急変を滑らかにしてもよい。図１０はそのような関数の一例であって、所謂ハイパボリックタンジェント関数である。

以上の判断および演算に必要な値は、ＥＣＵ１７はバス１９を介したＣＡＮ通信により随時取得することができる。演算により得られた配分比ＬＨ_{Ｒａｔｉｏ}、ＲＨ_{Ｒａｔｉｏ}の値に目標トルク値Ｔ_ＦｒＲｇを乗じて得られたトルクを出力させるべく、ＥＣＵ１７は左および右の出力装置７を制御する。

上述の説明では両駆動軸へ出力されるトルクを制御し、その合計を目標トルク値Ｔ_ＦｒＲｇに一致させるように各モータを制御している。ところでデファレンシャルによりトルクを分配したときには、駆動輪にスリップがなければ、両駆動輪の周速度の平均は車速に一致するはずである。出力するトルクのみを制御して各モータの回転数がかかる制約を逸脱すると、車体は運転者が予期しない挙動をすることがある。そこで、各モータのトルクを制御するのに加えて、各モータの回転数を制御してもよい。

さらにまた、両駆動輪の回転速度の差を制限するような回転数制御をしてもよく、また一定の条件下で両駆動輪を同速とする制御をしてもよい。これらはＬＳＤの挙動をよりよく模擬するものであって、例えばホイールスピンの防止に有利である。

回転数の制御は、常時行われてもよいし、特定の条件下でのみ行われてもよい。前者の場合、車速による制約を満たす回転数に対して、例えば適宜の上下限値を定めて回転数をその範囲内に留めるような制御が可能である。後者の場合、適宜の条件を定め、かかる条件を満足するときにのみ回転数を制限し、あるいはトルク制御に代えて回転数制御に切り替えることができる。

車速は、左右の駆動軸の速度センサ１１の出力の平均値から算出してもよいし、全車軸の速度センサ１１の出力の平均値を利用してもよい。またあるいは、加速度センサの出力の積分値など、他の適宜の値を参照することができる。これらの値もまた、ＥＣＵ１７はバス１９を介したＣＡＮ通信により随時取得することができる。

上述の演算は定型的であるので、ＥＣＵ１７によらずに独立した演算回路にさせることができる。すなわち、ＥＣＵ１７による制御の下、外部の演算回路が上述の演算を実行してもよい。

図１１を参照してＥＣＵ１７による制御の手順を説明する。ＥＣＵ１７は、まずＣＡＮ通信等を利用して目標トルクや各車軸の回転速度等の数値を取得する。これらの数値からＥＣＵ１７は、目標トルクを算出し、車両が旋回している方向を決定し、ドライブかコーストかを決定する。次いでＥＣＵ１７は、回転速度差等の数値から符号を決定してｋの値に反映する。次いでＥＣＵ１７は、予め格納しておいたデータテーブルから選択して、または設定した条件に応じて、ＴＢＲを決定する。ＥＣＵ１７は、これらを利用して仮想ロック率を算出し、算出された仮想ロック率から両シャフトへのトルク配分比を算出する。算出されたトルク配分比に目標トルク値を乗じて得たトルクを各シャフトの出力装置に出力させるべく、ＥＣＵ１７はモータに印加する電力を調整する。これらの手順は常時繰り返される。

上述の実施形態によれば、駆動輪ごとに動力源を配置した車両においても、従来型の車両と同様な挙動を示すように各駆動輪のトルクを制御することができる。従来型の車両の運転に習熟した運転者にも違和感のない運転体験を提供することが可能である。また調整すべきパラメータは従来型の車両におけるパラメータに対応しているから、従来の車両の設計において得られた知見を活用するのに便利であり、すなわち車両の設計のし易さの点でも本実施形態は有利である。

幾つかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正ないし変形をすることが可能である。

Claims (5)

1. 第１のシャフトおよび第２のシャフトへ出力されるトルクをそれぞれ制御する駆動システムであって、
   前記第１のシャフトの回転速度を測定するべく構成された第１の速度センサと、
   前記第２のシャフトの回転速度を測定するべく構成された第２の速度センサと、
   前記第１のシャフトに駆動的に結合した第１の出力装置と、
   前記第２のシャフトに駆動的に結合した第２の出力装置と、
   前記第１および第２の速度センサと前記第１および第２の出力装置とに電気的に接続され、一以上の差動トルク比の値を記憶する記憶装置を備えた電子制御装置であって、目標トルク値を取得し、前記第２のシャフトに対する前記第１のシャフトの回転速度差を決定し、前記決定された回転速度差および前記目標トルク値から符号を決定し、前記記憶装置から一の値を読み出し、前記読み出された値および前記決定された符号から前記第１のシャフトへ配分するべき第１の配分比および前記第２のシャフトへ配分するべき第２の配分比を算出し、前記算出された第１および第２の配分比に前記目標トルク値を乗じて得たトルクをそれぞれ出力させるように前記第１の出力装置および前記第２の出力装置を制御するべく構成された電子制御装置と、
   を備えた駆動システム。
2. 前記第１の出力装置は、前記電子制御装置に電気的に接続された第１の電動モータと、前記第１の電動モータが生じる回転を減速して前記第１のシャフトへ伝達する減速ギア組と、を備え、前記第２の出力装置は、前記電子制御装置に電気的に接続された第２の電動モータと、前記第２の電動モータが生じる回転を減速して前記第２のシャフトへ伝達する減速ギア組と、を備える、請求項１の駆動システム。
3. 前記読みだされた値をＴＢＲとし、前記決定された符号をｋとすると、前記電子制御装置は、式１／２｛１＋ｋ（ＴＢＲ－１／ＴＢＲ＋１）｝に基づいて前記第１の配分比を算出し、式１／２｛１－ｋ（ＴＢＲ－１／ＴＢＲ＋１）｝に基づいて前記第２の配分比を算出するべく構成されている、請求項１の駆動システム。
4. 前記記憶装置は、２以上の差動トルク比の値を記憶し、前記電子制御装置は前記目標トルク値の符号に応じて記憶された前記値の一を選択して読み出すべく構成されている、請求項１の駆動システム。
5. 前記電子制御装置は、前記決定された回転速度差を前記目標トルク値に乗じて得られた結果の符号を前記決定された符号として採用するべく構成されている、請求項１の駆動システム。