JP7139577B2 - 貨物自動車 - Google Patents

Description

本開示は、モータ駆動の貨物自動車に関する。

自動車の運転者は、坂道発進する場合、ブレーキペダルからアクセルペダルに踏み替える。特許文献１は、上記踏み替えの間に、モータ駆動の自動車が坂を下って後退することを防止するために、坂の勾配量に応じたトルクを発生させることについて開示している。

特開２０１４－１６６０５３号公報

上り坂において後退する向きに掛かる後退力は、坂の勾配量に加え、車重の影響を受ける。しかし、上記先行技術文献の開示は、車重について触れていない。これは、車重がほぼ一定であるという前提に基づくものと考えられる。一般的な乗用車を対象にする場合には、この前提に基づいても、車重の変化幅が大きくないので、さほど問題はない。

これに対し、貨物自動車の場合、積載されている貨物量の影響を受け、車重の変化幅が、乗用車に比べると極端に大きくなる。このため、上記の前提を採用すると、トルクに過不足が生じ得る。そこで、車重を測定したり推定したりすれば、車重を加味することで、上記先行技術文献の手法を利用することは可能である。しかし、このような測定や推定は、手間が掛かったり、複雑な演算を要したりするので、回避するのが好ましい。

本開示は、上記を踏まえ、モータ駆動の貨物自動車を対象に、簡易な手法で坂道発進をしやすくすることを解決課題とする。

本開示の一形態は、走行用の駆動モータと；坂道発進において後退が発生した場合、前記坂道の勾配によって前記駆動モータに作用するトルクと逆向きのトルクであって、前記坂道の勾配によって作用するトルクの絶対値と同じ絶対値のトルクを、前記駆動モータに発生させる制御装置と；を備える貨物自動車である。この形態によれば、後退が等速運動になるので、運転者は落ち着いて運転操作ができ、坂道発進がしやすくなる。さらに、上記のようにトルクを決定するためには、車重の値は不要なので、簡易に実現できる。

本開示の他の形態は、走行用の駆動モータと；坂道発進において後退が発生した場合、前記駆動モータによって発生する推進力が、前記坂道の勾配によって発生する後退力と釣り合うように、前記駆動モータを制御する制御装置と；を備える貨物自動車である。この形態によれば、上記形態と同じ効果を得ることができる。

本開示の他の形態は、走行用の駆動モータと；坂道発進において後退が発生した場合に、前記後退が等速運動になるように前記駆動モータを制御する制御装置と；を備える貨物自動車である。この形態によれば、上記形態と同じ効果を得ることができる。

上記形態において、前記後退が発生した場合に、前記駆動モータの回転数の絶対値は、前記後退による速度の絶対値の増大に対して単調増加し；前記制御装置は、前記回転数がゼロから減少するに連れ、前記駆動モータが発生するトルクを増大させてもよい。この形態によれば、速度の値を用いることなく、後退を等速運動にすることができる。

上記形態において、前記制御装置は、前記回転数がゼロから減少するに連れ前記トルクを増大させる場合、前記トルクの増分を前記回転数の変化に比例させてもよい。この形態によれば、ＰＩ制御などに比べ、制御が簡易であり、かつ、ハンチングが発生しにくい。

貨物自動車の概略を示す図。 パワーユニットのブロック構成図。 トルクと回転数との関係を示すグラフ。 トルクと回転数との関係を示すグラフ。 坂道発進における車速の時間変化を示すグラフ。

図１は、貨物自動車１０を示す。貨物自動車１０は、トレーラ１９を牽引する。貨物自動車１０は、２つのパワーユニット２０と、プロペラシャフト２５と、操作系９００とを備える。パワーユニット２０は、後述するように、燃料電池による発電を実施する機能を有する。

操作系９００は、運転者が運転のために操作する機器の総称である。操作系９００は、アクセルペダル９１０、ブレーキペダル９２０、ステアリングホイール（図示しない）等を含む。２つのパワーユニット２０それぞれは、操作系９００に電力を供給する。２つのパワーユニット２０によって発生したトルクは、１本のプロペラシャフト２５を介して、４つの後輪ＲＷに伝わる。

図２は、パワーユニット２０のブロック構成図である。パワーユニット２０は、燃料電池モジュール５０と、電気系６０とを備える。燃料電池モジュール５０は、燃料電池スタック１００と、水素タンク１０５と、燃料電池用コンバータ１１０と、補機類１４０とを備える。電気系６０は、二次電池１２０と、二次電池用コンバータ１３０と、モータ用インバータ１５０と、制御装置１６０と、駆動モータ２２０と、レゾルバ２３０とを備える。

水素タンク１０５は、燃料電池スタック１００に供給するための水素を貯蔵する。燃料電池スタック１００は、燃料電池用コンバータ１１０と電気的に接続されている。燃料電池用コンバータ１１０は、燃料電池スタック１００の出力電圧を目標の電圧まで昇圧する昇圧動作を行う。燃料電池用コンバータ１１０は、高圧直流配線ＤＣＨを介してモータ用インバータ１５０と電気的に接続されている。

二次電池１２０は、チタン酸リチウム二次電池である。二次電池１２０は、低圧直流配線ＤＣＬを介して、二次電池用コンバータ１３０と電気的に接続されている。二次電池１２０は、複数のセルを直列に積層した構造を有する。

二次電池用コンバータ１３０は、高圧直流配線ＤＣＨを介して、燃料電池用コンバータ１１０とモータ用インバータ１５０と電気的に接続されている。二次電池用コンバータ１３０は、モータ用インバータ１５０の入力電圧である高圧直流配線ＤＣＨにおける電圧を調整し、二次電池１２０の充放電を制御する。

二次電池用コンバータ１３０は、燃料電池用コンバータ１１０からの出力電力が目標出力電力に対して不足する場合には、二次電池１２０に放電させる。

二次電池用コンバータ１３０は、駆動モータ２２０において回生電力が発生する場合には、当該回生電力を交流から直流に変換して低圧直流配線ＤＣＬ側に出力する。

二次電池用コンバータ１３０は、燃料電池スタック１００の出力電力を変換して低圧直流配線ＤＣＬ側に出力することができる。これを利用して、制御装置１６０は、燃料電池用コンバータ１１０から出力可能な電力が目標出力電力を上回る場合に、二次電池１２０のＳＯＣを上昇させる制御を実施することができる。

補機類１４０は、燃料電池スタック１００の運転に使用される補機類の総称である。補機類１４０は、エアコンプレッサ、水素循環ポンプ、ウォータポンプ等を含む。補機類１４０は、低圧直流配線ＤＣＬまたは高圧直流配線ＤＣＨに電気的に接続されている。

モータ用インバータ１５０は、高圧直流配線ＤＣＨを介して直流で供給される電力を三相交流の電力に変換する。モータ用インバータ１５０は、駆動モータ２２０と電気的に接続し、三相交流電力を駆動モータ２２０に供給する。モータ用インバータ１５０は、駆動モータ２２０において発生する回生電力を直流電力に変換して高圧直流配線ＤＣＨに出力する。

レゾルバ２３０は、駆動モータ２２０に含まれるロータの回転角を検出し、検出結果を制御装置１６０に入力する。

制御装置１６０は、複数のＥＣＵによって構成される。制御装置１６０は、上記した内容を含め、パワーユニット２０の各部の動作を制御する。

図３は、アクセルペダル９１０の踏み込み量毎に定められたトルクと回転数との関係を示すグラフである。以下、単に踏み込み量と言えば、アクセルペダル９１０の踏み込み量のことを意味する。図３は、踏み込み量が０％、１０％、２０％の場合について示す。実際には、０％から１００％までの関係が、１０％間隔よりも細かい間隔で定められている。

本実施形態で単にトルクと言えば、駆動モータ２２０が発生するトルクを意味する。本実施形態では単に回転数と言えば、駆動モータ２２０の回転数を意味する。制御装置１６０は、この関係を、マップとして記憶している。制御装置１６０は、この関係に基づき、モータ用インバータ１５０を介して、駆動モータ２２０を制御する。

図３は、回転数が０ｒｐｍ付近を抜粋して示す。実際には、更に大きい回転数についても、トルクと回転数との関係が定められている。図３に示すように、回転数が負値の場合についても、回転数とトルクとの関係が定められている。回転数が負値である場合の関係は、駐車時などに行うバック走行に適用される訳ではなく、坂道発進の際に後退する状況などに適用される。回転数が負値であっても、トルクの値が正であるならば、トルクは貨物自動車１０を前進させる向きの推進力を発生させる。

以下、坂道発進について説明する。具体的には、上り坂で運転者がブレーキペダル９２０を踏んで停車している状態から、運転者がブレーキペダル９２０を踏むのを止め、その後、アクセルペダル９１０を踏むことによって発進する際における貨物自動車１０の挙動について説明する。

タイヤの空転が発生しなければ、回転数と車速とは比例関係にあり、回転数がゼロであれば車速もゼロである。さらに、タイヤの空転が発生しなければ、トルクと、車体を推進する力とは比例関係にある。以下の説明では、タイヤの空転は発生しないことを前提にする。

図４は、踏み込み量が０％の場合についてトルクと回転数との関係を示すグラフである。回転数がゼロである場合、発生するトルクの値はトルクＴａである。トルクは、回転数がゼロから減少すると、トルクＴｍａｘに達するまで、ΔＴ／ΔＲの割合で線形に増大する。つまり、回転数とトルクとは比例関係にある。なお、ΔＲは、正値として扱う。ΔＲが大きくなることは、ΔＲの絶対値が大きくなることである。また、回転数がゼロから減少すると表現する場合、回転数は負値であり、回転数の絶対値が大きくなることを意味する。

図５は、坂道発進における車速の時間変化を示すグラフである。図５は、車重Ｍ１の場合と、車重Ｍ２の場合とを示す。車重Ｍ１は、トレーラ１９が貨物を積んでいない場合の車重である。車重Ｍ２は、トレーラ１９が貨物を満載している車重であり、車重Ｍ１の数倍である。時刻Ａから時刻Ｃ１まで、及び時刻Ａから時刻Ｃ２までは、アクセルペダル９１０及びブレーキペダル９２０の何れも踏まれていない時間（以下、踏み替え時間）である。

図４に示された点Ａは、図５における時刻Ａに対応している。点Ｂ１，Ｂ２についても同じである。図４に示すように、踏み込み量が０％の場合に、時刻Ａにおいて発生するトルクをトルクＴａ、時刻Ｂ１において発生するトルクをトルクＴｂ１、時刻Ｂ２において発生するトルクをトルクＴｂ２と呼ぶ。

点Ａの時刻は、運転者がブレーキペダル９２０を踏むのを止めた時刻である。点Ａの時刻は、図５に示すように車速はゼロである。点Ａの時刻は、踏み込み量が０％であるので、図４に示すように回転数がゼロに対応付けられたトルクが発生する。

車重Ｍ１の場合に、上り坂において後退する向きに掛かる後退力Ｆ１は、単純化すると、Ｆ１＝Ｍ１・ｇ・ｓｉｎθ１によって算出される。ｇは重力加速度である。θ１は、車重Ｍ１の場合における坂道の勾配に相当する角度である。車重Ｍ２の場合も同様に、Ｆ２＝Ｍ２・ｇ・ｓｉｎθ２によって算出される。

仮に、トルクＴａによって発生する推進力が、後退力Ｆ１，Ｆ２を上回れば、貨物自動車１０は前方に進む。しかし、図５に示す例においては、トルクＴａによって発生する推進力が、後退力Ｆ１，Ｆ２を下回るので、後退する向きの加速度が生じる。

後退する向きの加速度が生じると、駆動モータ２２０の回転数は、負の値になる。後退する向きの速度が増していくと、回転数の絶対値が徐々に大きくなる。このため、図４に示すように、トルクが徐々に大きくなる。

トルクが徐々に大きくなると、図５に示すように、後退する向きの加速度は徐々に小さくなる。そして、車重Ｍ１の場合、時刻Ｂ１において発生するトルクＴｂ１による推進力が、後退力Ｆ１と釣り合う。推進力と後退力とが釣り合えば、加速度がゼロになる。この結果、後退は等速運動になる。具体的には、図５に示すように、後退する速度が速度Ｖ１で一定となる。

車重Ｍ２の場合も同様に、時刻Ｂ２において発生するトルクＴｂ２による推進力が、後退力Ｆ２と釣り合う。この結果、後退する速度は、速度Ｖ２で一定となる。

上記の等速運動の際、駆動モータ２２０が発生するトルクの絶対値は、後退力によって発生するトルクの絶対値と同じである。

車重Ｍ１の場合、時刻Ｃ１においてアクセルペダル９１０が踏まれ、踏み込み量が０％の場合よりも大きなトルクが発生する。このため、図５に示すように、前方への加速度が発生し、その後、車速が正の値になる。車重Ｍ２の場合についても同様に、時刻Ｃ２においてアクセルペダル９１０が踏まれ、前方への加速度が発生する。その後、車速が正の値になる。

上記の制御を実現するための信号の流れを整理すると次のようになる。レゾルバ２３０によって回転角が測定される。測定された回転角は、制御装置１６０に入力される。制御装置１６０は、入力された回転角から、回転数を算出する。制御装置１６０は、マップを参照することによって、算出した回転角からトルクを決定する。制御装置１６０は、決定したトルクを実現するための指令を、モータ用インバータ１５０に送信する。モータ用インバータ１５０は、指令に従い、駆動モータ２２０に電流を流す。

以上に説明した実施形態によれば、少なくとも以下の効果を得ることができる。

踏み替え時間において、後退する向きの加速度が徐々に小さくなり、やがて等速運動に収束するので、運転者は、坂道発進の際、落ち着いてブレーキペダル９２０からアクセルペダル９１０に踏み替えることができる。

踏み替え時間中におけるトルクの決定に、車重の値も、勾配の値も、車速の値も不要である。このため、実装が簡単にできる。この効果が得られる主な理由は、後退すること自体を防止するのではなく、後退を許容する点、及び、内燃機関と異なり、駆動モータ２２０は、回転数が負値になっても、正値のトルクの発生が可能なことを利用している点である。

踏み替え時間中に、トルクがハンチングすることが抑制されている。これは、回転数がゼロから減少する際におけるトルクの増分が、ΔＴ／ΔＲであるからである。言い換えると、踏み替え時間中にトルクが殆どハンチングしないように、ΔＴ／ΔＲの値が定められている。つまり、ΔＴ／ΔＲが大きすぎると、踏み替え時間中に、トルクがハンチングして、滑らかに等速運動に収束しない状況が発生しやすくなる。一方で、ΔＴ／ΔＲが小さすぎると、等速運動に収束するまでに時間が掛かり、後退する速度が大きくなりすぎる。本実施形態では、ΔＴ／ΔＲの値を、両者のバランスを取って定めている。

上記に加え、トルクがハンチングすることが抑制されているのは、単純な比例制御を用いているからである。ＰＩ制御やＰＩＤ制御などを用いると、制御パラメータ次第でハンチングが発生しやすくなる。

本開示は、本明細書の実施形態や実施例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。例えば、以下のものが例示される。

貨物自動車は、トレーラを牽引するタイプで無くてもよい。例えば、フルトレーラでもよいし、ダンプカーでもよい。

ΔＴ／ΔＲの値は、トルクのハンチングが発生し得る程度に大きくしてもよい。この場合、後退する速度を小さくすることができる。

後退速度を測定して、測定値の変化がゼロになるように駆動モータをフィードバック制御してもよい。

後退する加速度を測定して、測定値の変化がゼロになるように駆動モータをフィードバック制御してもよい。

貨物自動車は、燃料電池自動車でなくてもよい。例えば、商用電源から二次電池に充電する電気自動車でもよいし、内燃機関の動力によって発電した電力を駆動モータに給電してもよい。

貨物自動車は、コネクテッドカーでもよい。コネクテッドカーとは、通信機を搭載し、クラウドとの通信によってサービスを受けることができる自動車である。

等速運動による後退を実現するための制御は、マップ制御でなくてもよい。例えば、ＰＩ制御でもよい。ＰＩ制御を用いることによって、ΔＴ／ΔＲつまりトルク増分勾配を変化させることができる。具体的には、次のようにしてもよい。後退開始時の加速度が基準値を上回れば比例制御（Ｐ制御）の増分をさせる補正項を追加した場合、この補正項が積分的補正（Ｉ制御）となる。積分的補正項は１回の坂道発進中において一定値に保持してもよい。積分的補正項は、１回のトリップ中の走行時に漸減させてもよい。積分的補正項は、坂道の勾配が基準値内であればゼロにしてもよい。積分的補正項は、勾配か基準値よりも大きければ、繰り返し発進では保持されてもよい。積分的補正項は、走行時間が長い場合、または、トリップが終了した場合に初期値に戻してもよい。このようにすれば、ハンチングが抑止される。

１０…貨物自動車
１９…トレーラ
２０…パワーユニット
２５…プロペラシャフト
５０…燃料電池モジュール
６０…電気系
１００…燃料電池スタック
１０５…水素タンク
１１０…燃料電池用コンバータ
１２０…二次電池
１３０…二次電池用コンバータ
１４０…補機類
１５０…モータ用インバータ
１６０…制御装置
２２０…駆動モータ
２３１…レゾルバ
９００…操作系
９１０…アクセルペダル
９２０…ブレーキペダル

Claims (5)

1. 走行用の駆動モータと、
   坂道発進において後退が発生した場合、車両重量を用いることなく、前記駆動モータの回転数に応じて、坂道の勾配によって前記駆動モータに作用するトルクと逆向きのトルクであり、前記坂道の勾配によって作用するトルクの絶対値と同じ絶対値のトルクを、ブレーキペダルからアクセルペダルへの踏み替え時間中にトルクハンチングが発生せず、前記後退が等速運動となるまで、前記駆動モータに発生させる制御装置と、
   を備える貨物自動車。
2. 走行用の駆動モータと、
   坂道発進において後退が発生した場合、車両重量を用いることなく、前記駆動モータの回転数に応じて、ブレーキペダルからアクセルペダルへの踏み替え時間中にトルクハンチングが発生せず、前記駆動モータによって発生する推進力が、坂道の勾配によって発生する後退力と釣り合い、前記後退が等速運動となるまで、前記駆動モータを制御する制御装置と、
   を備える貨物自動車。
3. 走行用の駆動モータと、
   坂道発進において後退が発生した場合に、車両重量を用いることなく、前記駆動モータの回転数に応じて、ブレーキペダルからアクセルペダルへの踏み替え時間中にトルクハンチングが発生せず、前記後退が等速運動になるまで、前記駆動モータを制御する制御装置と、
   を備える貨物自動車。
4. 前記後退が発生した場合に、前記駆動モータの回転数の絶対値は、前記後退による速度の絶対値の増大に対して単調増加し、
   前記制御装置は、前記回転数がゼロから減少するに連れ、前記駆動モータが発生するトルクを増大させる
   請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の貨物自動車。
5. 前記制御装置は、前記回転数がゼロから減少するに連れ前記トルクを増大させる場合、前記トルクの増分を前記回転数の変化に比例させる
   請求項４に記載の貨物自動車。

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