CompactRIOを用いた次世代電気自動車用車両制御ECUの開発

【背景】

財団法人 日本自動車研究所では、石油に依存しないモビリティかつ循環型の低炭素社会を実現するための手段のひとつとして大幅な燃費向上を図った次世代型電気自動車の普及が必要であると考えた。そこで、我々は、図1および表1に示すような次世代型電気自動車の試作車を開発し、評価を行うことにした。

電気自動車の燃費を考える際、影響を及ぼす因子がいくつか考えられる。電気自動車特有なものとして、バッテリの充放電効率、モータの効率がある。また、自動車としては 車両重量、空気抵抗、転がり抵抗がある。今回の開発車両では、モータおよびバッテリは市販品を使用することから、これらの効率向上による燃費向上は期待できない。また、実用的な車内空間を確保するためには、空気抵抗の大幅低減も期待できない。そこで、電気自動車のメリットを最大限生かすべく、大きく分けて3項目について取り組みを行うこととした。

・超低転がり抵抗タイヤの採用
・超軽量ボディ＆シャシの採用
・4輪インホイールモータを用いた高精度車両制御技術の採用

4輪インホイールモータを採用することだけでは燃費を向上させることはできない。逆に、重量が増加し、燃費は悪化する可能性がある。しかしながら、今回採用する非常に転がり抵抗の低いタイヤによる燃費向上の効果は非常に大きい。このタイヤは、駆動輪が2つの場合、タイヤの性能をすべて使い切ってしまい、車両の走行安定性に影響を及ぼす可能性がある。そこで、4輪駆動化し、タイヤのグリップ限界を最大限利用し、転がり抵抗の低いタイヤでも、走行安定性を維持する。さらに、直接駆動方式のモータを採用することでタイヤのグリップ限界を直接監視し、モータ特有の高速制御を用いて、タイヤの性能を最大限引き出すことが可能であると考えられる。さらに4輪に最適なトルク配分を設定することも可能となり、燃費の面でのデメリットを抑えることができる。

そこで、タイヤの性能を最大限引き出すために、図2に示すように電池の状態を把握しながら、4輪のモータへ適切な制御指令を出す必要があり、高速高精度の車両制御ECUを開発する必要がある。

【課題】

・高速かつ多chのIO
　ドライバーからのアクセルペダルやブレーキペダルなどの指令に対して、高速かつ高精度に信号を取得しなければならない。また、ドライバーの指令に対して1msec以下で4輪のそれぞれのモータに制御指令を出す必要がある。

・高速演算
　車両は各輪のモータ角度信号から、モータ回転数や車速や加速度などを演算し、モータ電流より各輪のモータトルクを演算する必要がある。同時にバッテリの残容量や温度、電圧、電流などが許容レベルにあるか、モータの温度や電流が異常を示していないかの判断を行う必要がある。

・情報伝達
　車両のあらゆる情報をビジュアル的にドライバーに知らせる必要がある。

・車載への要求
　車両制御ECUプロトタイプは、自動車として、日常的に使用することからスタンドアロンで動作できることが求められる。さらに、万が一、トラブルが生じても、最低限の動作を確保する必要性も求められる。今回、開発する電気自動車は非常に小型軽量であるため、車両制御ECU自体も軽量コンパクトかつ堅牢、省エネルギである必要もある。

・開発期間の短縮
　車両完成までの期間が1年しかないため、ECUの開発も短期間で終了させる必要がある。

【ソリューション】

[システム構成]

これまでの LabVIEWでのデータ収録の実績や車載可能なコンパクトボディというメリットから、今回はCompactRIO cRIO-9104を採用することにした。車両の走行安定性の制御を行うために、加速度センサーを用いるが、その入力用にNI 9215を選択した。アクセルペダル信号やブレーキペダル信号、電流センサーなどの入力用にNI 9205、4つのモータへの指令用にNI 9264を使用した。バッテリの温度管理用にNI 9211を用いて温度計測を行っている。モータの回転パルス、モータの異常警告用としてNI 9401を2台、キー操作や充電動作用にNI 9422を採用した。

図3に示すように、CompactRIOに実装されているFPGAでは、モータの回転速度の演算およびドライバーからの指令値から最低限の処理だけ行いモータへ制御指令を出している。こうすることでRTやWindows側でエラーが生じた場合にも最低限の動作とエラー時の車両停止を可能にしている。RTでは、FPGAで演算しているモータへの指令値に対して割り込みゲインの演算を行っている。ここでは、車両の駆動力配分やトラクションコントロールなどを実装している。また、RTから制御乗数および車両データをLAN経由でタッチパネル式PCへと送信している。PCでは、WindowsベースでLabVIEWを動作させ、RTから送られたデータをPC上に表示し、ドライバーへの情報表示機能を果たしている。この車両は、試験ベンチを兼ねているため、車両データの大半をロギングしている。また、図4に示すように、情報表示用PCでは、車両の4輪のトルク配分の変更を行うことが可能となっている。

[結果]

・高速かつ多chのIO
　CompactRIOを採用することで必要な信号形態にあわせたモジュールを選定することができ、高速かつ多chのIOを実現することができた。 また、電気自動車の特徴であるモータの高速な応答を利用すべく、4輪のモータへ高速かつ最適な指令を出すことが可能となった。

・高速演算
　CompactRIOには、高速処理が可能なFPGAが搭載されているため、モータ回転数は、μsecオーダーでの演算が可能となった。

・情報伝達
　LANを経由して、タッチパネル式WindowsPCへデータ送信することで、ドライバーに的確な情報を提供することが可能となった。同時にPCからの操作によって、車両制御を変更することも実現できた。

・車載への要求
　FPGAを搭載するCoｍpactRIOを採用することにより、不安定な動作を省くことができ、車両にトラブルが生じても安全に車両を停止まで導くことが可能となった。また、図5に示すように、CompactRIOは、コンパクトなため、車両の限られたスペースにも搭載することが可能であり、効率よくレイアウトすることができた。

・開発期間の短縮
　車両開発期間が1年と非常に短く、さらにプログラム開発は6ヶ月と短かった。しかしながら、LabVIEWのわかりやすい操作性により、完成まで導くことができた。今後は、さらに制御の最適化や車両運動性能の最適化を行う予定である。