JP2008167640A - 電気自動車の車両制御装置、及び電気自動車の駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】各車輪を別個独立した電気モータによって駆動する電気自動車において、各車輪の稼動状態に応じた最適な駆動力を制御することができる電気自動車の車両制御装置及び駆動システムを提供する。
【解決手段】車両制御装置１００は、電気自動車１０の実前後力Ｆ^＾ _Ｘと目標車両前後力Ｆ^＊ _Ｘとの誤差Ｆ_ｅＸ、実横力Ｆ^＾ _Ｙと目標車両横力Ｆ^＊ _Ｙとの横力誤差Ｆ_ｅＹ、実ヨーモーメントＭ^＾ _Ｚと目標ヨーモーメントＭ^＊ _Ｚとの誤差Ｍ_ｅＺ、及び、車輪の実前後力Ｆ^＾ _Ｘと実横力Ｆ^＾ _Ｙに対する各車輪の接地荷重Ｆ_Ｚｉに基づいて定められる各車輪のタイヤ稼働率η_ｉ を用いて、各車輪に対して制御すべき制御前後力Ｆ_Ｘｉ’（各車輪の駆動力）を演算する駆動力演算部１２９と、演算された各車輪の制御前後力Ｆ_Ｘｉ’（駆動力）に基づいて、インホイールモータ３０ＦＬ，３０ＦＲ，３０ＲＬ，３０ＲＲに供給する電流値ｉを制御する電気モータ制御部１３１とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気自動車の挙動を制御する車両制御装置及び駆動システムに関し、特に、各車輪を別個独立した電気モータによって駆動する電気自動車の車両制御装置、及び電気自動車の駆動システムに関する。

従来、自動車の挙動制御に関して、左右の車輪の駆動力または制動力の差を用いて直接ヨーモーメントを発生させる、いわゆる直接ヨーモーメント制御（ＤＹＣ）が知られている（例えば、特許文献１）。一般的なＤＹＣでは、各車輪の駆動力を制御する場合、各車輪の接地荷重（Ｆ_ｚｉ）に応じて、駆動力を発生する内燃機関の出力が制御される。
特開２００３−１５９９６６号公報（第４−９頁）

ところで、近年、各車輪を別個独立した電気モータによって駆動する電気自動車の研究、開発が行われている。このような電気自動車に上述した従来のＤＹＣを適用すると、次のような問題がある。すなわち、従来のＤＹＣでは、各車輪の接地荷重（Ｆ_ｚｉ）に応じて、駆動力を発生する内燃機関の出力が制御されるため、各車輪で捉えた場合、必ずしも最適な駆動力に制御することができない。

つまり、各車輪、具体的には、空気入りタイヤの稼動状態は、路面の状態（例えば、スプリット路面）などによってそれぞれ異なるため、各車輪の稼動状態に応じた最適な駆動力を制御することができないといった問題がある。

そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、各車輪を別個独立した電気モータによって駆動する電気自動車において、各車輪の稼動状態に応じた最適な駆動力を制御することができる電気自動車の車両制御装置、及び電気自動車の駆動システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明は、次のような特徴を有している。まず、本発明の第１の特徴は、各車輪（車輪２０ＦＬ，２０ＦＲ，２０ＲＬ，２０ＲＲ）を別個独立した電気モータ（インホイールモータ３０ＦＬ，３０ＦＲ，３０ＲＬ，３０ＲＲ）によって駆動する電気自動車（電気自動四輪車１０）の車両制御装置（車両制御装置１００）であって、前記車輪のスリップ率（各車輪のスリップ率Ｋ_ｉ ）、及び前記車輪に生じる前後力（各車輪の前後力Ｆ_ｘｉ）と横力（各車輪の横力Ｆ_ｙｉ）との関係を示すタイヤデータ（タイヤデータＴＤ）に基づいて、前記各車輪に生じさせている実前後力（Ｆ_Ｘｉ）とその総和（Ｆ^＾ _Ｘ）を演算する実前後力演算部（駆動力演算部１２９）と、前記タイヤデータに基づいて、前記各車輪に生じさせている実横力（Ｆ_Ｙｉ）及びその総和（Ｆ^＾ _Ｙ）を演算する実横力演算部（駆動力演算部１２９）と、前記実前後力演算部及び前記実横力演算部の各演算結果から、前記電気自動車に生じさせている実ヨーモーメント（実ヨーモーメントＭ^＾ _Ｚ）を演算するヨーモーメント演算部（ヨーモーメント演算部１２５）と、前記電気自動車の操舵角（操舵角δ）及び車速に基づいて、前記電気自動車が所望のステア特性となる前記電気自動車の目標車両前後力（Ｆ^＊ _Ｘ）を演算する目標前後力演算部（駆動力演算部１２９）と、前記電気自動車の操舵角及び車速に基づいて、前記電気自動車が前記所望のステア特性となる前記電気自動車の目標車両横力（Ｆ^＊ _Ｙ）を演算する目標横力演算部（駆動力演算部１２９）と、前記目標前後力演算部及び前記目標横力演算部の各演算結果から、前記電気自動車の目標ヨーモーメント（目標ヨーモーメントＭ^＊ _Ｚ）を演算する目標ヨーモーメント演算部（目標ヨーモーメント演算部１２３）と、前記実前後力演算部によって演算された前記実前後力の総和と前記目標前後力演算部によって演算された前記目標車両前後力との差（Ｆ_ｅＸ）、前記実横力演算部によって演算された前記実横力の総和と前記目標横力演算部によって演算された前記目標車両横力との差（Ｆ_ｅＹ）、前記ヨーモーメント演算部によって演算された実ヨーモーメントと前記目標ヨーモーメント演算部によって演算された目標ヨーモーメントとの差（Ｍ_ｅＺ）、及び、前記各車輪に生じさせている実前後力（Ｆ_Ｘｉ）と実横力（Ｆ_Ｙｉ）に対する前記各車輪の接地荷重（接地荷重Ｆ_Ｚｉ）に基づいて定められるタイヤ稼働率（各車輪のタイヤ稼働率η_ｉ ）を用いて、前記各車輪に対して制御すべき制御前後力（各車輪の制御前後力Ｆ_Ｘｉ’）を演算する制御前後力演算部（駆動力演算部１２９）と、前記制御前後力演算部によって演算された前記制御前後力に基づいて、前記電気モータに供給する電流値（電流値ｉ）を制御する電気モータ制御部（電気モータ制御部１３１）とを備えることを要旨とする。

このような電気自動車の車両制御装置によれば、実前後力の総和と目標車両前後力との差、実横力の総和と目標者両横力との差、実ヨーモーメントと目標ヨーモーメントとの差、及び、各車輪に生じさせている実前後力と実横力に対する各車輪の接地荷重に基づいて定められるタイヤ稼働率を用いて、各車輪に対して制御すべき制御前後力が演算される。

タイヤ稼働率は、実前後力と実横力との合力によって求めることができる摩擦円に基づいて定められる。つまり、このような電気自動車の車両制御装置によれば、車輪（空気入りタイヤ）のグリップ力を考慮した現実的な車両制御を実現することができる。従来の車両制御装置では、タイヤ稼働率は何ら考慮されずに制御すべき制御前後力が決定されるため、実際には摩擦円の外になるような前後力が決定され、有効な車両制御が実行できないといった問題があった。

すなわち、このような電気自動車の車両制御装置によれば、各車輪を別個独立した電気モータによって駆動する電気自動車において、各車輪の稼動状態に応じた最適な駆動力を制御することができる。

本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記タイヤ稼働率は、前記各車輪の実前後力及び実横力の合計と、前記各車輪の接地荷重との比であることを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記各車輪のタイヤ稼働率η_ｉ は、前記各車輪の実前後力をＦ_ｘｉ、前記各車輪の実横力をＦ_ｙｉ、前記各車輪の接地荷重をＦ_ｚｉ、及び前記各車輪が転動する路面の摩擦係数をμ_ｉ とした場合、

であることを要旨とする。

本発明の第４の特徴は、電気自動車を駆動する電気自動車の駆動システムであって、各車輪を別個独立に駆動する電気モータと、前記電気自動車の挙動を制御する車両制御装置とを含み、前記車両制御装置は、前記車輪のスリップ率、及び前記車輪に生じる前後力と横力との関係を示すタイヤデータに基づいて、前記各車輪に生じさせている実前後力を演算する実前後力演算部と、前記タイヤデータに基づいて、前記各車輪に生じさせている実横力を演算する実横力演算部と、前記実前後力演算部及び前記実横力演算部の各演算結果から、前記電気自動車に生じさせている実ヨーモーメントを演算するヨーモーメント演算部と、前記電気自動車の操舵角及び車速に基づいて、前記電気自動車が所望のステア特性となる前記電気自動車の目標車両前後力を演算する目標前後力演算部と、前記電気自動車の操舵角及び車速に基づいて、前記電気自動車が前記所望のステア特性となる前記電気自動車の目標車両横力を演算する目標横力演算部と、前記目標前後力演算部及び前記目標横力演算部の各演算結果から、前記電気自動車の目標ヨーモーメントを演算する目標ヨーモーメント演算部と、前記実前後力演算部によって演算された前記実前後力と前記目標前後力演算部によって演算された前記目標車両前後力との差、前記ヨーモーメント演算部によって演算された実ヨーモーメントと前記目標ヨーモーメント演算部によって演算された目標ヨーモーメントとの差、及び、前記各車輪に生じさせている実前後力と実横力に対する前記各車輪の接地荷重に基づいて定められるタイヤ稼働率を用いて、前記各車輪に対して制御すべき制御前後力を演算する制御前後力演算部と、前記制御前後力演算部によって演算された前記制御前後力に基づいて、前記電気モータに供給する電流値を制御する電気モータ制御部とを備えることを要旨とする。

本発明の第５の特徴は、本発明の第４の特徴に係り、前記タイヤ稼働率は、前記各車輪の実前後力及び実横力の合計と、前記各車輪の接地荷重との比であることを要旨とする。

本発明の第６の特徴は、本発明の第４の特徴に係り、前記各車輪のタイヤ稼働率η_ｉ は、前記各車輪の実前後力をＦ_ｘｉ、前記各車輪の実横力をＦ_ｙｉ、前記各車輪の接地荷重をＦ_ｚｉ、及び前記各車輪が転動する路面の摩擦係数をμ_ｉ とした場合、

であることを要旨とする。

本発明の特徴によれば、各車輪を別個独立した電気モータによって駆動する電気自動車において、各車輪の稼動状態に応じた最適な駆動力を制御することができる電気自動車の車両制御装置、及び電気自動車の駆動システムを提供することができる。

次に、本発明に係る電気自動車の駆動システムの実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。

したがって、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（電気自動四輪車の全体概略構成）
図１は、本実施形態に係る電気自動四輪車１０の概略斜視図である。電気自動四輪車１０は、車輪２０ＦＬ，２０ＦＲ，２０ＲＬ，２０ＲＲの内側に電気モータ、いわゆるインホイールモータをそれぞれ備える。つまり、電気自動四輪車１０は、各車輪（車輪２０ＦＬ，２０ＦＲ，２０ＲＬ，２０ＲＲ）を別個独立したインホイールモータ３０ＦＬ，３０ＦＲ，３０ＲＬ，３０ＲＲによって駆動する。

また、電気自動四輪車１０は、車両制御装置１００を備える。車両制御装置１００は、左右の車輪の駆動力または制動力（以下、駆動力と制動力とを総称して「制駆動力」又は「前後力」と呼ぶことがある。）の差を用いて直接ヨーモーメントを発生させる、いわゆる直接ヨーモーメント制御（ＤＹＣ）によって、電気自動四輪車１０の挙動を制御する。車両制御装置１００には、電気自動四輪車１０の各種状態（例えば、操舵角）を検出するセンサ部１１０が接続される。

本実施形態では、車両制御装置１００と、各車輪の内側に備えられたインホイールモータ３０ＦＬ，３０ＦＲ，３０ＲＬ，３０ＲＲによって、電気自動四輪車の駆動システムが構成される。

（電気自動四輪車の駆動システムの機能ブロック構成）
図２は、本実施形態に係る電気自動四輪車の駆動システムの機能ブロック構成図である。上述したように、車両制御装置１００と、各車輪の内側に備えられたインホイールモータ３０ＦＬ，３０ＦＲ，３０ＲＬ，３０ＲＲによって、電気自動四輪車の駆動システムが構成される。

車両制御装置１００は、フィードフォワードモーメント演算部１２１、目標ヨーモーメント演算部１２３、ヨーモーメント演算部１２５、ＰＩＤコントローラ１２７、駆動力演算部１２９、及び電気モータ制御部１３１によって構成される。

本実施形態では、目標ヨーモーメント演算部１２３では、目標モデルに二輪モデルを用いている。また、駆動力演算部１２９における駆動力の演算では、いわゆる「最適制御」が取り入れられている。

具体的には、駆動力演算部１２９は、所定の評価関数を最小にするように補正量δ_Ｋ を決定する。また、本実施形態では、車両ヨーモーメント（Ｍ）、車両横力（Ｆ_Ｙ ）、車両前後力（Ｆ_Ｘ ）、タイヤスリップ率（Ｋ）及びタイヤ稼働率（η）の配分誤差が用いられる。なお、車両制御装置１００による駆動力の制御の詳細については、後述する。

センサ部１１０は、操舵角センサ１１１、車速センサ１１３、ヨーレートセンサ１１５及び加速度センサ１１７によって構成される。

操舵角センサ１１１は、電気自動四輪車１０の前輪、具体的には、車輪２０ＦＬ及び車輪２０ＦＲの操舵角を検出する。この操舵角は、ハンドル角を検知しこれをステアリングギヤ比で割って演算により検出することもできる。車速センサ１１３は、電気自動四輪車１０の車速を検出する。

ヨーレートセンサ１１５は、電気自動四輪車１０（図３参照）におけるヨーレートを検出する。加速度センサ１１７は、電気自動四輪車１０に生じている前後方向（図３のｘ方向）の加速度（加速度ａ_Ｘ ）、及び横方向（図３のｙ方向）の加速度（加速度ａ_Ｙ ）を検出する。

次に、車両制御装置１００を構成する各機能ブロックについて、図２〜図５を参照して説明する。

（１）フィードフォワードモーメント演算部１２１
フィードフォワードモーメント演算部１２１は、フィードフォワード補償ヨーモーメントＭ_ＦＦを演算する。具体的には、フィードフォワードモーメント演算部１２１は、センサ部１１０から出力された操舵角δ及び車速Ｖに基づいて、フィードフォワード補償ヨーモーメントＭ_ＦＦを演算する。

まず、フィードフォワードモーメント演算部１２１における具体的な演算方法の説明に先立って、電気自動四輪車１０のヨーレートγについて説明する。電気自動四輪車１０では、ヨーレートγは、（１式）のように表すことができる。

また、図３は、電気自動四輪車１０を３方向（ｘ方向、ｙ方向、及び回転方向）に自由度を有する四輪モデルとして模式的に示している（つまり、ローリングは考慮していない）。図３に示すように、（１式）におけるδは実操舵角である。本実施形態では、ハンドル角を検知しこれをステアリングギヤ比で割って演算により検出した実操舵角を用いている。また、ｌ（ｌｆ＋ｌｒ）はホイールベース、ｍは車両質量、ｋｆは前輪のコーナリングパワー、ｋｒは後輪のコーナリングパワーである。

本実施形態では、車両制御装置１００は、ＤＹＣを用い、電気自動四輪車１０のステアリング特性がニュートラルステアとなるように各車輪の制駆動力（前後力）を制御する。（１式）より、ニュートラルステア時のヨーレートγ_ＮＳは、（２式）のように表すことができる。

ここで、Δγは、電気自動四輪車１０のステアリング特性をニュートラルステアにするために必要なヨーレートの増減量である。次に、電気自動四輪車１０のスタビリティファクターＫ、及び車両制御装置１００（ＤＹＣ）への入力に対するヨーレートγ（０）は、（３式）のように表すことができる。

また、（２式）及び（３式）より、電気自動四輪車１０のステアリング特性をニュートラルステアにするために必要なフィードフォワード補償ヨーモーメントＭ_ＦＦは、（４式）のように表すことができる。

ここで、Ｇ_ｆｆ（Ｖ）は、フィードフォワードゲインである。

（２）目標ヨーモーメント演算部１２３
目標ヨーモーメント演算部１２３は、目標ヨーモーメントＭ_ｄ を演算する。具体的には、目標ヨーモーメント演算部１２３は、センサ部１１０から出力された操舵角δ及び車速Ｖに基づいて、目標ヨーモーメントＭ_ｄ を演算する。目標ヨーモーメントＭ_ｄ は、（５式）及び（５’式）のように表すことができる。

ここで、横力Ｙｆは、前輪（車輪２０ＦＬ及び車輪２０ＦＲ）に生じる横力（コーナリングフォース）である。また、横力Ｙｒは、後輪（車輪２０ＲＬ及び車輪２０ＲＲ）に生じる横力（コーナリングフォース）である。また、ヨーレートγ_ＮＳ、ニュートラルステア時のすべり角β_ＮＳ、及び操舵角δとの関係は、（６式）のように表すことができる。

よって、（５’式）は、（７式）のように変形することができる。

ここで、Ｇｄ（Ｖ）は、目標ヨーモーメントゲインである。さらに、本実施形態では、ｋｆ=ｌｒ/ｌｆ・ｋｒを代入している。

（３）ヨーモーメント演算部１２５及びＰＩＤコントローラ１２７
ヨーモーメント演算部１２５は、電気自動四輪車１０の挙動を制御するために用いられる電気自動四輪車１０のヨーモーメントを演算する。具体的には、ヨーモーメント演算部１２５は、センサ部１１０から出力された操舵角δ、車速Ｖ、ヨーレートγ、加速度ａ_Ｘ 及び加速度ａ_Ｙ に基づいて、電気自動四輪車１０のヨーモーメントを演算する。

また、ＰＩＤコントローラ１２７は、目標ヨーモーメント演算部１２３によって演算された目標ヨーモーメントＭ_ｄ 及びヨーモーメント演算部１２５によって演算されたヨーモーメントをフィードバックさせるコントローラである。

ＰＩＤコントローラ１２７（フィードバック補償器）は、目標ヨーモーメント演算部１２３において用いられる目標モデルとの誤差がなくなるようにヨーモーメントをフィードバックさせる。具体的には、ＰＩＤコントローラ１２７は、（８式）に基づいて動作する。

ここで、Ｍ_ＦＢは、フィードバックヨーモーメント、Ｍは、制御対象である電気自動四輪車１０に生じているヨーモーメントである。また、Ｋ_Ｐ は比例ゲイン、Ｋ_Ｉ は積分ゲイン、Ｋ_Ｄ は微分ゲインである。さらに、（９式）が成立する。

Ｍ_Ｅ は、ヨーモーメント誤差である。本実施形態では、ヨーモーメント誤差Ｍ_Ｅ を、電気自動四輪車１０がニュートラルステアとなるために制御すべきヨーモーメントＭ_ＤＹＣ とする。

また、図３に示すように、電気自動四輪車１０を３方向（ｘ方向、ｙ方向、及び回転方向）に自由度を有する四輪モデルとした場合、（１０式）が成立する。

Ｆ_ｘｆｌ ，Ｆ_ｘｆｒ ，Ｆ_ｘｒｌ 及びＦ_ｘｒｒ は、各車輪の前後力（前後力Ｆ_ｘｉ）である。Ｆ_ｙｆｌ ，Ｆ_ｙｆｒ ，Ｆ_ｙｒｌ 及びＦ_ｙｒｒ は、各車輪の横力（横力Ｆ_ｙｉ）である。Ｉは、電気自動四輪車１０のヨー方向の慣性モーメントである。ｄは、電気自動四輪車１０のトレッド幅である。また、ｕ，νは、ｘ，ｙ方向（図３参照）の速度成分である。

次に、車輪２０ＦＬ，２０ＦＲ，２０ＲＬ，２０ＲＲを構成する空気入りタイヤの摩擦円は、（１１式）のように表すことができる。

ここで、ｒ（摩擦円半径）またはａ，ｂ（摩擦楕円の幅及び高さ）が分かれば、各車輪の前後力Ｆ_ｘｉ及び横力Ｆ_ｙｉを演算することができる。さらに、垂直方向も考慮すると、接地荷重Ｆ_Ｚ は、（１２式）のように表すことができる。

（１１式）及び（１２式）から、（１）各車輪のｒまたはａ，ｂ、（２）各車輪の前後力初期値Ｆ_ＸＯｉ ，横力初期値Ｆ_ＹＯｉ 、（３）各車輪の傾き係数α（摩擦係数μ対スリップ率λ特性を示す曲線の傾きに応じて定まる係数）が分かれば、車輪２０ＦＬ，２０ＦＲ，２０ＲＬ，２０ＲＲの前後力Ｆ_ｘｉ及び横力Ｆ_ｙｉを演算することができる。

なお、本実施形態は、上述した各車輪の前後力Ｆ_ｘｉ及び横力Ｆ_ｙｉを求めるため、マジックフォーミュラ（ＭＦ）に基づくデータをタイヤデータＴＤとして使用する。

次に、電気自動四輪車１０の走行に伴う垂直荷重（Ｗｘ，Ｗｙ）の変化について考える。図４は、電気自動四輪車１０の加減速に伴う車両前後方向の垂直荷重が変化する様子を説明する説明図である。図５は、電気自動四輪車１０のコーナリングに伴う車幅方向の垂直荷重が変化する様子を説明する説明図である。

電気自動四輪車１０の加減速時における垂直荷重の変化は、（１３式）のように表すことができる。

また、電気自動四輪車１０のコーナリング時における垂直荷重の変化は、（１４式）のように表すことができる。

ここで、Ｈは、路面から重心点ＣＧまでの高さである。よって、前後方向の加速度ａ_Ｘ 及び横方向の加速度ａ_Ｙ を測定すれば、（１４’式）によって、各車輪の垂直荷重、つまり、接地荷重Ｆ_Ｚ を求めることができる。

ここで、Ｆ_Ｚ０ｉ は各車輪の１Ｇ（静的）状態における垂直荷重である。次に、前後力Ｆ_ｘｉについて考えると、電気自動四輪車１０は、電気モータ（インホイールモータ）を用いるため、前後力Ｆ_ｘｉは、一般式で（１５式）のように表すことができる。

ここで、Ｋ_Ｍ はトルク定数、ｉは電流値である。また、動特性を考慮し、電気モータを一次遅れ系とすると、（１５’式）のように表すことができる。

ここで、τは時定数、Ｆ_ｘ０は静トルクである。

なお、車輪２０ＦＬ，２０ＦＲ，２０ＲＬ，２０ＲＲ（具体的には、空気入りタイヤ）が転動する路面の摩擦係数μは、（１７式）に基づいて推定される。また、摩擦係数μの前後方向成分、即ち、前後方向の摩擦係数μ_ｘ や、摩擦係数μの横方向成分、即ち、横方向の摩擦係数μ_ｙ は、（１７’式）、（１７’’式）、（１７’’’式）によって推定される。

ここで、Ｆμは路面と空気入りタイヤとの摩擦力である。（１７式）に示すように、前後力Ｆ_ｘ 及び接地荷重Ｆ_Ｚ が分かれば、前後方向の摩擦係数μ_ｘ が推定できる。横方向の摩擦係数μ_ｙ は、タイヤデータから演算される各車輪の実横力Ｆ_ｙｉを使用して、（１７’’式）から演算できる。よって、摩擦係数μは、（１７’’’式）から推定できる。つまり、加速については、電気モータ（インホイールモータ）のトルクを用いて検出できる。また、減速については、電気自動四輪車１０の制動装置の油圧に基づいて演算した減速トルクを用いて検出できる。なお、本実施形態では、摩擦係数μを固定値とした。

（４）駆動力演算部１２９
駆動力演算部１２９は、インホイールモータ３０ＦＬ，３０ＦＲ，３０ＲＬ，３０ＲＲによる制駆動力（前後力）を演算する。具体的には、駆動力演算部１２９は、所定の評価関数を最適制御することによって、制駆動力を演算する。

本実施形態では、駆動力演算部１２９は、上述したように、最適制御のために評価関数Ｌを用いる。評価関数Ｌは、（１８式）のように表すことができる。

また、各車輪のタイヤ稼働率η_ｉ は、（１９式）のように表すことができる。

本実施形態では、タイヤ稼働率ηを左右の前後２輪で平均化した。そのため、制御においては、左右それぞれの前後輪のタイヤ稼働率η_ｆｌ、η_ｆｒ、η_ｒｌ、η_ｒｒをそれぞれ演算し、前２輪及び後２輪の各タイヤ稼働率の平均値と、各車輪のタイヤ稼働率η_ｆｌ、η_ｆｒ、η_ｒｌ、η_ｒｒとから、各車輪のタイヤ稼働率誤差η_ｅｆｌ 、η_ｅｆｒ 、η_ｅｒｌ 、η_ｅｒｒ を、（１９’式）のように定義した。

ここで、評価関数Ｌを最小にすることを考える。ここで、評価関数Ｌを表す（１８式）の右辺におけるＥは目標車両前後・横力、ヨーモーメント、及び、タイヤ稼働率と、配分した各車輪のタイヤから生じさせる実前後・横力、ヨーモーメント、及び、タイヤ稼働率との配分誤差であり、従来の制御と比較して、ヨーモーメント以外に実車両前後・横力を目標車両前後・横力に追従させ、さらに、タイヤ稼働率を左右の２輪で平均化するように制御することに特徴がある。この配分誤差Ｅは、（２０式）のように表すことができる。

ここで、（２０式）におけるＦ^＊ _Ｘは目標車両前後力、Ｆ^＊ _Ｙは目標車両横力、Ｍ^＊ _Ｚは目標ヨーモーメントである。また、Ｆ^＾ _Ｘは各車輪に配分して生じさせている実前後力Ｆ_Ｘｉの総和である車両の実前後力、Ｆ^＾ _Ｙは各車輪に生じさせている実横力Ｆ_Ｙｉの総和である車両の実横力、Ｍ^＾ _Ｚは車両の実ヨーモーメントである。さらに、Ｆ_ｅＸは車両の前後力の配分誤差、Ｆ_ｅＹは車両の横力の配分誤差、Ｍ_ｅＺは車両のヨーモーメントの配分誤差である。なお、（１８式）における補正量δ_Ｋ はスリップ率Ｋの補正量である。この補正量δ_Ｋ は、各車輪のスリップ率補正量δ_Ｋｆｌ 、δ_Ｋｆｒ 、δ_Ｋｒｌ 、δ_Ｋｒｒ の床関数によって、（２１式）のように表すことができる。

また、Ｗ_Ｅ 、Ｗ_δＫは、配分誤差Ｅ及びスリップ率補正量δ_Ｋ に対する重み関数であり、それぞれ（２２式）、（２３式）のように表すことができる。

さらに、各車輪に配分したタイヤ稼働率η_ｉ （η_ｆｌ，η_ｆｒ，η_ｒｌ，η_ｒｒ）、車両の前後力Ｆ_Ｘ 、横力Ｆ_Ｙ 及びヨーモーメントＭ_Ｚ は、各車輪に生じさせている実前後力Ｆ_Ｘｉ（Ｆ_Ｘｆｌ ，Ｆ_Ｘｆｒ ，Ｆ_Ｘｒｌ ，Ｆ_Ｘｒｒ ）、実横力Ｆ_Ｙｉ（Ｆ_Ｙｆｌ ，Ｆ_Ｙｆｒ ，Ｆ_Ｙｒｌ ，Ｆ_Ｙｒｒ ）、実ヨーモーメントＭ^＾ _Ｚ、及び、実タイヤ稼働率η^＾ _ｉ（η^＾ _ｆｌ ，η^＾ _ｆｒ ，η^＾ _ｒｌ ，η^＾ _ｒｒ ）と、（２４式）に示すヤコビアンＪとによって、（２５式）のように表すことができる。

ここで、Ｍ_ｄｙｃ は、車両制御によるヨーモーメントである。以上から、評価関数Ｌを最小にするためのスリップ率補正量δ_Ｋ は、（２６式）を満たすことにより与えられる。

よって、スリップ率補正量δ_Ｋ は、（２７式）のように表すことができる。

ここで、（２７式）中のΔ_Ｅ は、各車輪のタイヤ稼働率の配分誤差η_ｅｆｌ ，η_ｅｆｒ ，η_ｅｒｌ ，η_ｅｒｒ と、車両の前後力の配分誤差Ｆ_ｅＸ、車両の横力の配分誤差Ｆ_ｅＹ、車両のヨーモーメントの配分誤差Ｍ_ｅＺとの床関数によって、（２８式）のように表すことができる。

駆動力演算部１２９は、（２７式）及び（２８式）を用いた演算結果に基づいて、車輪２０ＦＬ，２０ＦＲ，２０ＲＬ，２０ＲＲに配分する制駆動力を決定する。具体的には、駆動力演算部１２９は、（２７式）及び（２８式）により算出される、各車輪についての評価関数Ｌを最小にするためのスリップ率Ｋ_ｉ の補正量δ_Ｋ から、各車輪のタイヤデータＴＤに基づいて、各車輪の制御すべき制御前後力Ｆ_ｘｉ’（駆動力）を算出し、トルク指令値として出力する。なお、Ｆ^＊ _Ｙ及びＦ_Ｙｅは、用いなくても構わない。

つまり、駆動力演算部１２９は、各車輪のスリップ率Ｋ_ｉ 、及び各車輪に生じる前後力Ｆ_ｘｉと横力Ｆ_ｙｉとの関係を示すタイヤデータＴＤに基づいて、各車輪に生じさせている実前後力Ｆ_Ｘｉの総和である車両の実前後力Ｆ^＾ _Ｘと、各車輪に生じさせている実横力Ｆ_Ｙｉの総和である車両の実横力Ｆ^＾ _Ｙとを演算する。なお、駆動力演算部１２９は、車輪の回転速度と、電気自動四輪車１０の車速Ｖとに基づいて、各車輪のスリップ率Ｋ_ｉ を演算する。本実施形態において、駆動力演算部１２９は、実前後力演算部を構成する。

さらに、駆動力演算部１２９は、電気自動四輪車１０の操舵角δ及び車速Ｖに基づいて、電気自動四輪車１０がニュートラルステアとなる電気自動四輪車１０の目標車両前後力Ｆ^＊ _Ｘと目標車両横力Ｆ^＊ _Ｙとを演算する。本実施形態において、駆動力演算部１２９は、目標前後力演算部を構成する。

また、駆動力演算部１２９は、演算した車両の実前後力Ｆ^＾ _Ｘと目標車両前後力Ｆ^＊ _Ｘとの前後力誤差Ｆ_ｅＸ、演算した車両の実横力Ｆ^＾ _Ｙと目標車両横力Ｆ^＊ _Ｙとの横力誤差Ｆ_ｅＹ、車両の実ヨーモーメントＭ^＾ _Ｚと目標ヨーモーメントＭ^＊ _Ｚとの誤差Ｍ_ｅＺ、及び、各車輪に生じている実前後力Ｆ^＾ _Ｘと実横力Ｆ^＾ _Ｙに対する各車輪の接地荷重Ｆ_Ｚｉに基づいて定められる各車輪のタイヤ稼働率η_ｉ を用いて、各車輪に対して制御すべき制御前後力Ｆ_Ｘｉ’（各車輪の駆動力）を演算する。本実施形態において、駆動力演算部１２９は、制御前後力演算部を構成する。

電気モータ制御部１３１は、駆動力演算部１２９によって演算された各車輪の制御前後力Ｆ_Ｘｉ’（駆動力）に基づいて、インホイールモータ３０ＦＬ，３０ＦＲ，３０ＲＬ，３０ＲＲに供給する電流値ｉを制御する。

（電気自動四輪車の駆動システムの動作概要）
次に、上述した車両制御装置１００の動作概要について説明する。図６は、車両制御装置１００による制駆動力（前後力）の制御動作フローである。

図６に示すように、ステップＳ１０において、車両制御装置１００は、各車輪（車輪２０ＦＬ，２０ＦＲ，２０ＲＬ，２０ＲＲ）に生じさせている実前後力Ｆ_Ｘｉの総和である車両の実前後力Ｆ^＾ _Ｘと、各車輪に生じさせている実横力Ｆ_Ｙｉの総和である車両の実横力Ｆ^＾ _Ｙとを演算する。具体的には、車両制御装置１００は、各車輪のスリップ率Ｋ_ｉ と、各車輪に生じる前後力Ｆ_ｘｉと横力Ｆ_ｙｉとの関係を示すタイヤデータＴＤとに基づいて、各車輪に生じさせている実前後力Ｆ_Ｘｉ及びその総和である車両の実前後力Ｆ^＾ _Ｘと、各車輪に生じさせている実横力Ｆ_Ｙｉ及びその総和である車両の実横力Ｆ^＾ _Ｙとを演算する。

ステップＳ２０において、車両制御装置１００は、電気自動四輪車１０がニュートラルステアとなる電気自動四輪車１０の目標車両前後力Ｆ^＊ _Ｘと目標車両横力Ｆ^＊ _Ｙとを演算する。具体的には、車両制御装置１００は、上述した（１０式）や（２７式）及び（２８式）を用いて、電気自動四輪車１０がニュートラルステアとなる目標車両前後力Ｆ^＊ _Ｘと目標車両横力Ｆ^＊ _Ｙとを演算する。

ステップＳ３０において、車両制御装置１００は、ステップＳ１０において演算した車両の実前後力Ｆ^＾ _Ｘ及び実横力Ｆ^＾ _Ｙと、ステップＳ２０において演算した目標車両前後力Ｆ^＊ _Ｘ及び目標車両横力Ｆ^＊ _Ｙと、各車輪のタイヤ稼働率η_ｉ とを用いて、各車輪に対して制御すべき制御前後力Ｆ_ｘｉ’（各車輪の駆動力）を演算する。

具体的には、車両制御装置１００は、車両の実前後力Ｆ^＾ _Ｘ、実横力Ｆ^＾ _Ｙ、実ヨーモーメントＭ^＾ _Ｚと、目標車両前後力Ｆ^＊ _Ｘ、目標車両横力Ｆ^＊ _Ｙ、目標ヨーモーメントＭ^＊ _Ｚとの配分誤差Ｆ_ｅＸｉ 、Ｆ_ｅＹ、Ｍ_ｅＺ、及び、各車輪のタイヤ稼働率η_ｉ を用い、上述した（２７式）及び（２８式）などを用いて、各車輪についての評価関数Ｌを最小にするためのスリップ率Ｋ_ｉ の補正量δ_Ｋ を求める。さらに、求めたスリップ率Ｋ_ｉ の補正量δ_Ｋ と各車輪のタイヤデータＴＤとに基づいて、各車輪の制御すべき制御前後力Ｆ_ｘｉ’（駆動力）を算出する。

ステップＳ４０において、車両制御装置１００は、演算した各車輪の制御すべき制御前後力Ｆ_ｘｉ’（駆動力）に基づいて、インホイールモータ３０ＦＬ，３０ＦＲ，３０ＲＬ，３０ＲＲに供給する電流値ｉを制御する。

（比較評価）
次に、図７〜図９を参照して、本実施形態に係る車両制御装置１００の比較評価の方法及び結果について説明する。

（１）評価方法
ここでは、本実施形態に係る車両制御装置１００を搭載した電気自動四輪車（以下、実施例）、比較例に係る車両制御装置を搭載した電気自動四輪車（以下、比較例）、及び車両制御装置を搭載しない電気自動四輪車（以下、従来例）について比較評価を実施した。なお、実施例と比較例とでは、車両制御に用いられる評価関数Ｌの基となるパラメータの内容が以下のように異なっている。

・実施例： ヨーモーメントＭ、前後力Ｆ_ｘｉ、横力Ｆ_ｙｉ、スリップ率Ｋ_ｉ 及びタイヤ稼働率η_ｉ
・比較例： ヨーモーメントＭ、前後力Ｆ_ｘｉ、横力Ｆ_ｙｉ、スリップ率Ｋ_ｉ
また、比較評価の各種条件などは、以下のとおりである。

・路面摩擦係数（μ）： ０．２５（低μ路）
・走行パターン： スラローム走行（ＩＳＯ１９９９準拠）、車速６０ｋｍ／ｈ
・タイヤデータ： マジックフォーミュラ（ＭＦ）使用

（２）比較評価の結果
図７は、実施例、比較例及び従来例に係る電気自動四輪車のスラローム走行における操舵角δの状況を示している。図７に示すように、比較例及び従来例では、操舵可能な角度を使い切ってしまっている。つまり、比較例及び従来例に係る電気自動四輪車では、スラローム走行に伴う電気自動四輪車の挙動を制御できず破綻している。

図８は、実施例、比較例及び従来例に係る電気自動四輪車のスラローム走行におけるすべり角βの状況を示している。また、図９は、実施例、比較例及び従来例に係る電気自動四輪車のスラローム走行におけるヨーレートγの状況を示している。

図８及び図９に示すように、実施例に係る電気自動四輪車は、すべり角β及びヨーレートγの変化量が最も小さく、挙動が安定している。

（作用・効果）
以上説明した本実施形態に係る車両制御装置１００によれば、各車輪の実前後力Ｆ_Ｘｉの総和である車両の実前後力Ｆ^＾ _Ｘ、各車輪の実横力Ｆ_Ｙｉの総和である車両の実横力Ｆ^＾ _Ｙ、実ヨーモーメントＭ^＾ _Ｚと、目標車両前後力Ｆ^＊ _Ｘ、目標車両横力Ｆ^＊ _Ｙ、目標ヨーモーメントＭ^＊ _Ｚとの配分誤差Ｆ_ｅＸｉ 、Ｆ_ｅＹ、Ｍ_ｅＺ、及び、各車輪の実前後力Ｆ_Ｘｉと実横力Ｆ_Ｙｉに対する各車輪の接地荷重Ｆ_Ｚｉに基づいて定められる各車輪のタイヤ稼働率η_ｉ を用いて、各車輪に対して制御すべき制御前後力Ｆ_Ｘｉ’（各車輪の駆動力）が演算される。

各車輪のタイヤ稼働率η_ｉ は、各車輪の実前後力Ｆ_Ｘｉ と各車輪の実横力Ｆ_Ｙｉ との合力によって求めることができる摩擦円に基づいて定められる。つまり、このような車両制御装置１００によれば、車輪（空気入りタイヤ）のグリップ力を考慮した現実的な車両制御を実現することができる。従来の車両制御装置では、タイヤ稼働率η_ｉ は何ら考慮されずに制御すべき制御前後力Ｆ_Ｘｉ’が決定されるため、実際には摩擦円の外になるような制御前後力Ｆ_Ｘｉ’が決定され、有効な車両制御が実行できないといった問題があった。

すなわち、このような車両制御装置１００によれば、各車輪を別個独立したインホイールモータ３０ＦＬ，３０ＦＲ，３０ＲＬ，３０ＲＲによって駆動する電気自動四輪車１０において、各車輪の稼動状態に応じた最適な駆動力を制御することができる。

また、車両制御装置１００によれば、車輪（空気入りタイヤ）が有しているグリップ力などの性能を十分に引き出しつつ、空気入りタイヤの摩耗限界までの寿命を延ばすことができる。つまり、車両制御装置１００によれば、摩擦円の外になるような制御前後力Ｆ_Ｘｉ’が決定されることがないため、車輪（空気入りタイヤ）のスリップ量が抑制されるのである。

（その他の実施形態）
上述したように、本発明の実施形態を通じて本発明の内容を開示したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、上述した実施形態で用いたタイヤ稼働率η_ｉ は、各車輪の前後力Ｆ_ｘｉ及び横力Ｆ_ｙｉの合計と、各車輪の接地荷重との比としてもよい。

また、上述した実施形態では、マジックフォーミュラによるタイヤデータＴＤが用いられていたが、タイヤデータＴＤは、タイヤモデル（例えば、ブラッシュモデル）に基づいたものでもよい。或いは、タイヤデータＴＤは、実験値に基づいたものでもよい。

このように、本発明は、ここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は、上述の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。例えば、本実施形態では四輪の電気自動車を例に取って説明したが、本発明は例えば六輪等、四輪以外の車輪を有する自動車にも適用可能である。

本発明の実施形態に係る電気自動四輪車の概略斜視図である。 本発明の実施形態に係る電気自動四輪車の駆動システムの機能ブロック構成図である。 本発明の実施形態に係る電気自動四輪車を３方向（ｘ方向、ｙ方向、及び回転方向）に自由度を有する四輪モデルとして模式的に示した図である。 本発明の実施形態に係る電気自動四輪車の加減速に伴う車両前後方向の垂直荷重が変化する様子を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係る電気自動四輪車のコーナリングに伴う車幅方向の垂直荷重が変化する様子を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係る車両制御装置による制駆動力（前後力）の制御動作フローである。 本発明の実施形態に係る車両制御装置、比較例及び従来例の比較評価結果（操舵角）を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る車両制御装置、比較例及び従来例の比較評価結果（すべり角）を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る車両制御装置、比較例及び従来例の比較評価結果（ヨーレート）を示すグラフである。

符号の説明

１０…電気自動四輪車、２０ＦＬ，２０ＦＲ，２０ＲＬ，２０ＲＲ…車輪、３０ＦＬ，３０ＦＲ，３０ＲＬ，３０ＲＲ…インホイールモータ、１００…車両制御装置、１１０…センサ部、１１１…操舵角センサ、１１３…車速センサ、１１５…ヨーレートセンサ、１１７…加速度センサ、１２１…フィードフォワードモーメント演算部、１２３…目標ヨーモーメント演算部、１２５…ヨーモーメント演算部、１２７…ＰＩＤコントローラ、１２９…駆動力演算部、１３１…電気モータ制御部、ＣＧ…重心点、ｄ…トレッド幅、ａ_Ｘ ，ａ_Ｙ …加速度、Ｆ_ｘｉ…電気自動四輪車の前後力、Ｆ_ｙｉ…電気自動四輪車の横力、ＴＤ…タイヤデータ、β…すべり角、γ…ヨーレート、δ…操舵角

Claims (6)

1. 各車輪を別個独立した電気モータによって駆動する電気自動車の車両制御装置であって、
   前記車輪のスリップ率、及び前記車輪に生じる前後力と横力との関係を示すタイヤデータに基づいて、前記各車輪に生じさせている実前後力とその総和を演算する実前後力演算部と、
   前記タイヤデータに基づいて、前記各車輪に生じさせている実横力及びその総和を演算する実横力演算部と、
   前記実前後力演算部及び前記実横力演算部の各演算結果から、前記電気自動車に生じさせている実ヨーモーメントを演算するヨーモーメント演算部と、
   前記電気自動車の操舵角及び車速に基づいて、前記電気自動車が所望のステア特性となる前記電気自動車の目標車両前後力を演算する目標前後力演算部と、
   前記電気自動車の操舵角及び車速に基づいて、前記電気自動車が前記所望のステア特性となる前記電気自動車の目標車両横力を演算する目標横力演算部と、
   前記目標前後力演算部及び前記目標横力演算部の各演算結果から、前記電気自動車の目標ヨーモーメントを演算する目標ヨーモーメント演算部と、
   前記実前後力演算部によって演算された前記実前後力の総和と前記目標前後力演算部によって演算された前記目標車両前後力との差、前記実横力演算部によって演算された前記実横力の総和と前記目標横力演算部によって演算された前記目標車両横力との差、前記ヨーモーメント演算部によって演算された実ヨーモーメントと前記目標ヨーモーメント演算部によって演算された目標ヨーモーメントとの差、及び、前記各車輪に生じさせている実前後力と実横力に対する前記各車輪の接地荷重に基づいて定められるタイヤ稼働率を用いて、前記各車輪に対して制御すべき制御前後力を演算する制御前後力演算部と、
   前記制御前後力演算部によって演算された前記制御前後力に基づいて、前記電気モータに供給する電流値を制御する電気モータ制御部と
   を備える電気自動車の車両制御装置。
2. 前記タイヤ稼働率は、前記各車輪の実前後力及び実横力の合計と、前記各車輪の接地荷重との比である請求項１に記載の電気自動車の車両制御装置。
3. 前記各車輪の実前後力をＦ_ｘｉ、前記各車輪の実横力をＦ_ｙｉ、前記各車輪の接地荷重をＦ_ｚｉ、及び前記各車輪が転動する路面の摩擦係数をμ_ｉ とした場合、前記各車輪のタイヤ稼働率η_ｉ は、
   

   

   である請求項１に記載の電気自動車の車両制御装置。
4. 電気自動車を駆動する電気自動車の駆動システムであって、
   各車輪を別個独立に駆動する電気モータと、
   前記電気自動車の挙動を制御する車両制御装置と
   を含み、
   前記車両制御装置は、
   前記車輪のスリップ率、及び前記車輪に生じる前後力と横力との関係を示すタイヤデータに基づいて、前記各車輪に生じさせている実前後力を演算する実前後力演算部と、
   前記タイヤデータに基づいて、前記各車輪に生じさせている実横力を演算する実横力演算部と、
   前記実前後力演算部及び前記実横力演算部の各演算結果から、前記電気自動車に生じさせている実ヨーモーメントを演算するヨーモーメント演算部と、
   前記電気自動車の操舵角及び車速に基づいて、前記電気自動車が所望のステア特性となる前記電気自動車の目標車両前後力を演算する目標前後力演算部と、
   前記電気自動車の操舵角及び車速に基づいて、前記電気自動車が前記所望のステア特性となる前記電気自動車の目標車両横力を演算する目標横力演算部と、
   前記目標前後力演算部及び前記目標横力演算部の各演算結果から、前記電気自動車の目標ヨーモーメントを演算する目標ヨーモーメント演算部と、
   前記実前後力演算部によって演算された前記実前後力と前記目標前後力演算部によって演算された前記目標車両前後力との差、前記ヨーモーメント演算部によって演算された実ヨーモーメントと前記目標ヨーモーメント演算部によって演算された目標ヨーモーメントとの差、及び、前記各車輪に生じさせている実前後力と実横力に対する前記各車輪の接地荷重に基づいて定められるタイヤ稼働率を用いて、前記各車輪に対して制御すべき制御前後力を演算する制御前後力演算部と、
   前記制御前後力演算部によって演算された前記制御前後力に基づいて、前記電気モータに供給する電流値を制御する電気モータ制御部と
   を備える電気自動車の駆動システム。
5. 前記タイヤ稼働率は、前記各車輪の実前後力及び実横力の合計と、前記各車輪の接地荷重との比である請求項４に記載の電気自動車の駆動システム。
6. 前記各車輪の実前後力をＦ_ｘｉ、前記各車輪の実横力をＦ_ｙｉ、前記各車輪の接地荷重をＦ_ｚｉ、及び前記各車輪が転動する路面の摩擦係数をμ_ｉ とした場合、前記各車輪のタイヤ稼働率η_ｉ は、
   

   

   である請求項４に記載の電気自動車の駆動システム。

Images