2 モータ EV システム技術の検討
＊中澤 輝彦1） 日下部 誠1） 長田 育充1)
Study of Dual Motor System for EV
Teruhiko Nakazawa Makoto Kusakabe Yasumitsu Osada
This paper proposes a new drive system for a large EV that achieves low cost, large power, and low power consumption by the combination of conventional motors and a simple gearbox. This system is structured to run with one motor in the low-speed range and two motors in the high-speed range, and can switch between the two modes smoothly. Bench tests confirmed that this structure expanded the high-efficiency area of the system. In addition, motor drive systems often have issues with the motor and inverter when the vehicle is stopped on an uphill gradient by accelerator operation only. Hill-stop bench tests confirmed the advantage of the lowest-speed mode of this system. Results found that the thermal load of the inverter is reduced in the lowest-speed mode compared to the one-motor mode, which is equivalent to a single-motor system.
KEY WORDS: EV system, Motor drive system, System technology, Power transmission, Gear/gear system (A3) 1．まえがき 近年，地球温暖化や化石燃料枯渇等の環境問題の観点から， ハイブリッド車(以下，HV)の普及をはじめとして，電気自動 車(以下，EV)や燃料電池車(以下，FCV)への関心も高まって きており，電動化に対応したパワートレインおよびドライブ トレインを検討していく必要が生じている． 市販されている乗用クラスのHV、EV および FCV に用いら れるモータについて，最大出力と最大トルクを図1 にまとめ た．現在，最大出力が200kW を超えるモータは殆ど無いこと が分かる．また，200kW 超の大型電動車を想定した場合， 200kW 以下の電動車と比較して，生産台数は少ないことが予 想される．よって，図1 に示すターゲット領域(200kW 超)に おいて，200kW 以下の既存のモータを複合化してパワートレ インを構築すれば，モータシステム流用によるコスト削減が 期待できる．更にドライブトレインの構造により，高効率運 転(損失低減)，高性能運転(発進，加速性能向上)などのうれ しさを引き出せる可能性もある． 二つのモータを複合化したパワートレインは，山本らのホ イールハブモータ(1)や，甲斐らのE-Drive システム(2)などが研 究されている．山本らは二つのモータの回転方向を切替える ことで変速が可能な構造としている．また，甲斐らは二つの モータの動力をそれぞれ左右輪に独立に出力し，トルクベク タリングが可能な構造としている． * 2019 年 10 月 17 日受理． 2019 年 10 月 9 日 自動車技術会 秋季学術講演会において発表． 1) 株式会社豊田中央研究所 電動機構研究室 (480-1131 愛知県長久手市横道 41−1) 本研究は，二つのモータとシンプルなドライブトレインを 組み合わせることで，走行状況に応じて一つのモータのみで 高効率運転ができる特長を持ち，かつ動力性能が向上する大 型EV 用駆動システムの可能性を検討している．本報では検討 中である新駆動システム(以下，2 モータシステム)の構造およ び試作機での動作・性能確認結果を紹介する． 2．2 モータシステム 2.1. 基本構造 2 モータシステムの構造概要を図 2 に，ドライブトレイン (試作機)の主な諸元を表1 に示す．構造は既存の二つのモー タ(モータ1 および 2．試作機は試験ベンチの都合上，最大出 力53kW の HV 用モータを流用)の動力を遊星歯車により合流 Fig.1 Motor performance of production cars 0 200 400 600 800 1000 0 100 200 300 400 M ax im um to rq ue [N m] Maximum output [kW] Target 研究論文 20204202
Motor 1
Motor 2 One way clutch
Ravigneaux planetary gears without ring gear
Output
Sun gear2Sun gear1 Carrier Differential gear させている．遊星歯車はリングギヤを取り除いたラビニヲタ イプを用いた．リングギヤがないことで小型化が可能となり， 且つギヤ比の選定も比較的容易になる．モータ1 側の動力は サンギヤ1 に，モータ 2 側の動力はサンギヤ 2 にそれぞれ入 力される．遊星歯車で合流した動力はキャリアを通じて出力 される．また，サンギヤ2 側の軸にワンウェイクラッチを設 けた．後述するが，これによりモータ1 のみの駆動が可能と なる． 2.2. 各モードについて 2 モータシステムの 4 つのモードを図 3 で説明する．これは 遊星歯車部の動きを概念的にあらわしたものである．横軸は 右から順に，モータ1 の動力が入るサンギヤ 1，出力となるキ ャリア，およびモータ2 の動力が入るサンギヤ 2 となる．縦 軸はそれぞれの回転数をあらわす．また，矢印はトルクをあ らわし，記号は，𝑇𝑇𝑀𝑀1：モータ1 のトルク，𝑇𝑇𝑀𝑀2：モータ2 の トルク，𝑇𝑇𝐶𝐶：出力(キャリア部)トルクとする．
(a) 1 モータモード(One motor mode)
街乗りなどの低車速領域はモータ1 のみを駆動して走行す
る．モータ1 のトルク反力はワンウェイクラッチが受け持つ
ため，モータ2 は完全に休止することができ，高効率な運転
が可能となる．
(b) 2 モータモード(Two motor mode)
出力が必要な場合はモータ2 を駆動させ，モータ 1 と 2 の 動力を合わせることで出力を上げる．各モータの回転数を制 御することでモードの切替えが可能なため，スムーズな移行 が実現できる．
(c) 極低速モード(Lowest speed mode)
モータ1 を逆回転，モータ 2 を正回転させ，遊星歯車を差 Fig.2 Structural drawing of dual motor system
Gear 2 (Motor2-end) Gear 1 (Motor1-end) Drive Driven Planetary gears Sun gear1 Sun gear2 Short pinion Long pinion Final gear Number of teeth Gear ratio Parts name 31 90 26 89 31 ) 38( ) 22 21 41 81
Table1 Gear dimensions
Sun gear2
(Motor2) (Output)Carrier Sun gear1(Motor1)
Re vo lu tio n sp ee d 0 One way clutch Re vo lu tio n sp ee d 0 One way clutch
(a) One motor mode
(b) Two motor mode
Re vo lu tio n sp ee d
0 One way clutch
(c) Lowest speed mode
Re vo lu tio n sp ee d 0 One way clutch (d) Reverse mode 1
Fig.3 Velocity diagram of planetary gear in each mode 2 モータ EV システム技術の検討
動させることで，トルクを掛けながら出力を0 回転もしくは 極低速に回転させることができる．出力が 0 回転の状態でも モータ1 と 2 は回転しているので，モータやインバータに掛 かる局所的な熱負荷を低減することが可能となる． (d) 後退モード(Reverse mode) モータ2 をわずかに正回転，モータ 1 を逆回転させること で，遊星歯車を差動させ出力を負回転にする．車速は1 モー タモードとほぼ同等まで出すことができる． 3．試作機について 3.1. 試験ベンチ概要 動作・性能確認および制御検討を行うため，試作機および 試験ベンチを作成した，図4 に 2 モータシステムの試験ベン チ概観を示す．2 モータシステムのデファレンシャルギヤから 出力される軸力を，ドライブシャフトを介して左右の動力計 で吸収する．2 モータシステム内部の二つのモータを駆動する ため，SEVCON 社の汎用インバータを二台使用し，モータの 回転数やトルクを制御する．モータのトルク指令値はdSPACE 社のMicroAutoBoxⅡから CAN 通信でインバータ側に送って いる．また，2 モータシステムの電源はバッテリーシミュレー タから電圧400V で供給している． 3.2. モータの運転領域について 試作機はモータ1 および 2 共に同じものを使用した．その 運転領域を図5 に示す．運転領域は汎用インバータで安定し てモータを駆動できる範囲を試験により確認し，決定した． 動作・性能試験はこの範囲内で行った． 4．システム動作・性能検証 4.1. システム効率 2 モータシステムのシステム効率を試験ベンチで計測した． システム効率は，インバータに送られるモータ回転数および モータトルク指令値をシステム入力として計測し，動力計に あるトルク計を用いて，ギヤボックスを介した出力回転数お よび出力トルクをシステムの出力として計測した．またシス テムの出力を，タイヤ半径=0.305m を用いて，車速および駆動 力に換算した． 計測結果を図6 に示す．図 6(a)は運転モードの切替えを行わ ず， 2 モータモードのみで全域を走行した場合，図 6(b)は低 速域では1 モータモード，高速域では 2 モータモードと運転 モードを切替えて走行した場合のシステム効率を示す．なお， 2 モータモードは遊星歯車部の損失が最小になるよう，モータ 1 側のサンギヤ 1 とモータ 2 側のサンギヤ 2 の回転数差がない 状態で運転した． 1 モータモードは遊星歯車を差動させて使用するため，一般 的に機械損失が増加する．しかし，1 モータモードは 2 モータ モードと比較し，モータを休止させることでシステム全体と して効率が良くなる領域が存在する．その結果，(a)と比較し (b)は効率 85%以上の領域が約 10%拡大することが分かった． 4.2. スムーズなモード切替え( 1→2 モータモード ) モードの切替えはスムーズでショックの無いことが要求さ れる．特に電動車においては，単一モータと同様ななめらか な駆動が望まれる．2 モータシステムの制御は，入力をモータ 1 とモータ 2 のトルク，目標値を遊星歯車のキャリアに生じる 出力トルクと各サンギヤの回転数差とし，ショックレスで高 Fig.4 Schematic drawing of the test bench
0.0 40.0 80.0 120.0 160.0 200.0 0 2000 4000 6000 Tor que [N m ] Speed [rpm]
Fig.5 Operation region of motors 1 & 2
Dynamometer (driven left) Battery simulator Inverter 1 Inverter 2 Controller dSPACE MicroAutoBoxⅡ Unit control PC dSPACE ControlDesk LAN Dual motor system Drive shaft Gear box for speed adjustment Gear box for speed adjustment Torquemeter 1 (system output) Torquemeter 2 (system output) Dynamometer (driven right) CAN
(Control two motors) (Supply voltage 400V)
応答なシステムを目指した． 図7 に 1 モータモードから 2 モータモードに移行した場合 の各出力の計測結果を示す．2 秒付近からアクセルを 30%まで 踏み込み，その後一定とした．また，10 秒手前の 30km/h 付近 でモードの切替えを行った．2 モータモードの目標値の一つで ある各サンギヤの回転数差は0 となるように設定した．よっ てモード切替え時，サンギヤ2 と繋がるモータ 2 は急激に回 転数を上昇させながらシステムに出力を合流させ，それに応 じてサンギヤ1 と繋がるモータ 1 は回転数を減少させる．こ のとき，モータ1 と 2 はその慣性モーメントに応じたトルク が必要となる．2 モータシステムはこのトルクを制御すること で，出力トルクを目標値(アクセル開度 30%で一定のため，一 定値)に保つようにした．これにより出力トルクに生じるショ ックは概ね制御できることが分かった． なお，実験結果における出力のショックは車両換算した場 合，0.152m/s2となった．このようなモード切替え等の現象の 評価は，自動運転の技術開発が進められている現状を踏まえ ると，鉄道に乗車した時の視点に近くなると考える．そこで， 車両振動の許容値は高速鉄道を含む鉄道車両全般に用いられ るものを参考にする(3) (4)．その場合，車両振動は様々な周波数 に対して0.2 m/s2以下程度に抑えられていれば，旅客の許容値 を満足できる．これより，今回の結果は許容できる値になっ ていると考える． 4.3. 極低速モードの優位性 電動車において，アクセル操作のみで登坂路に停車させる シーン(アクセルヒルストップ)は，モータの特定の相のみに集 中して電流が流れるため，通常回転時よりも特定の相のコイ ル温度が上昇しやすい(5)．また，モータだけでなくインバータ にも熱負荷が生じる．図8 にモータ回転時のインバータ主回 路に流れる電流の概念図を示す(6)．インバータの主回路は 6 個の半導体スイッチ(1)～(6)で構成されている．インバータの スイッチ動作は，(1)がオンになっているとき，その下の(2)は オフになる．(3)と(4)，(5)と(6)の組も同様の動きをする．この スイッチの動作(図 8 の(a)～(f))を繰り返すことで，モータコイ ル部の線間電圧は階段状の交流波形になる．このようにして インバータは直流電流を交流電流に変換する．また，(a)～(f) の状態において最大電流が流れる半導体スイッチを赤色で示 す．モータが回転しながら力を出す場合，最大電流が流れる 半導体スイッチは(1)→(6)→(3)→(2)→(5)→(4)の順番に変化す る．一方，モータが回転していない状態で力を出す場合，(a) ～(f)のいずれか一つの状態が続く．よって最大電流が流れる 半導体スイッチは(1)～(6)のいずれか一つとなり，素子の温度 が急激に上昇し続けるため課題となる．2 モータシステムの極 低速モードはアクセルヒルストップの状況下で、前述したモ ータおよびインバータの熱負荷を低減できる可能性がある． 試験ベンチに用いるインバータは半導体スイッチ素子の温度 をインバータの代表点温度と，各半導体スイッチ素子の消費 電力から算出し，推定している．そこで，極低速モードのイ Fig.6 Measurement results of system efficiency
Fig.7 Measurement results of the mode switching test
M oto r sp ee d [r pm] 1000 2000 10 20 0 40 80 time [s] 2000 4000 20 40 60 M oto r to rq ue [Nm ] Driv in g fo rc e [N] V eh ic le s peed [k m/ h] Accelerator ON (30% constant) 1 motor 2 motor
Mode switching point Free from the mode switching shock Two motors coordinated control Motor2 Motor2 50 60 70 80 90 [%] 20 40 60 80 100 6000 4000 2000 0 Driv in g fo rc e [ N] Vehicle speed [km/h] Over 85%
Often used area
(b) System driven in both one- and two-motor modes 6000 4000 2000 0 20 40 60 80 100 Vehicle speed [km/h] Driv in g fo rc e [ N]
(a) System driven in two-motor mode only Often used area Over 85%
ンバータの素子温度を，単一モータシステムに相当する1 モ ータモードのインバータの素子温度と比較することで， その 優位性を検証した． 左右の動力計を0 速制御し，2 モータシステムにアクセル開 度を一定値(60%)で入力して負荷を与える．この状態でモータ 1 側の半導体スイッチ素子の温度推定値をモニターし，インバ ータ負荷状態を確認することで，二つのモードを比較した． 試験開始の各半導体スイッチ素子の温度推定値は約30℃であ った．また，75℃を温度上限値と設定し，75℃以上になった ら試験を中止することとした． 試験結果を図9 に示す．(a) 1 モータモードでは，モータは 回転しない．よって半導体スイッチ素子の温度も急激に上昇 している．はじめに温度が高くなる素子が変わりながら上昇 しているのは，軸のガタやねじれ分，モータが回転している と考えられる．本試験では，最終的に半導体スイッチ(1)に最 大電流が流れ続けたため，負荷一定となった時間から10 秒程 度で75℃に到達した． 一方，(c) 極低速モードでは，モータ 1 および 2 共に回転し ながら力を出す．そのため，半導体スイッチ素子の温度も(1) ～(6)まで均等に上昇し，約 57℃で一定となった．よって，停 車状態で負荷が掛かるときに，極低速モードを使用すること で，インバータの局所的な熱負荷が低減することを検証でき た． 5．まとめ 二つの既存モータとシンプルな機構を組み合わせることで、 低コストで大出力かつ省電費をねらった大型EV 用駆動シス テムを提案した。低速域では1 モータ、高速域では 2 モータ モードにスムーズな切替えが可能な構造と制御を採用．モー ドを切替えることで，システム効率の良い領域が拡大できる ことをベンチ試験により確認した． また，アクセル操作のみ で登坂路に停車させる状況(アクセルヒルストップ)において， 本システムが持つ極低速モードの優位性をベンチ試験により 20 40 60 80 A cc elera to r ope ni ng [% ] 0 10 20 30 40 50 60 time [s] Esti m ate tem pe ra tu re [ ℃ ] 30 50
70 (c) Lowest speed mode (1)～(6) (a) One motor mode
(1) (2) (3) (4) (5) (6) threshold = 75℃ Inverter Motor (5) (2) (4) (6) (1) (3) NN N N S S S S (5) (2) (4) (6) (1) (3) NN N NSS S S (5) (2) (4) (6) (1) (3) NN N N SS S S (5) (2) (4) (6) (1) (3) N N N N S S S S (5) (2) (4) (6) (1) (3) N N N N S S S S (5) (2) (4) (6) (1) (3) N N N N S S S S (a) (b) (c) (d) (e) (f) E[V] 0[V]
Fig.8 Schematic drawing of the current flowing in the inverter circuit when the motor rotates
Fig.9 Estimated temperature of the inverter elements under hill-stop conditions 2 モータ EV システム技術の検討
確認した．その結果，単一モータシステムに相当する1 モー タモードに対し，極低速モードはインバータの熱負荷が低減 することを検証できた． 今後は本システムを例題とし，モード移行を含め，二つの モータを持つシステムが単一モータと同様な，なめらかな駆 動が様々な条件下で実現できるように制御法を検討する． ま た，効率面や性能面でうれしさが出せる，異なる二つのモー タの組合せについても検討していく． 参考文献 (1) 山本 慎，松田 靖之，大池 充，森田 竜峰，郡司 大輔：2 モータ式ホイールハブモータを搭載した実験車両とその評価， 自動車技術会 秋季大会学術講演会予稿集(2016)，20166010 (2) 甲斐 紀弘，Klaus Friedrich Kuepper，Alfred Weinzerl，Henrik Dhejne，Anton Angermaier，Georg Schwab：統合型高効率 E-Drive
システムの開発，自動車技術会 春季大会学術講演会予稿集 (2019)，20195156 (3) 中川 千鶴：鉄道分野の振動乗り心地評価研究とその活用， バイオメカニズム学会誌，Vol.41. No1 (2017)，p15-20 (4) 中川 千鶴，島宗 亮平，高見 創，渡邊 健，横山 義彦： 高周波振動を考慮した乗り心地評価法，鉄道総研報告，26(1)， 2012，p33-38 (5) 室田 浩平，森 智章：電動パワートレイン用駆動モータの 極低速時温度推定技術開発，自動車技術会 秋季大会学術講演 会予稿集(2018)，20186168 (6) 森本 雅之：第 8 章・電気自動車用パワーエレクトロニク ス，電気自動車 第2 版，東京，森北出版株式会社，2017，p.93-109 2 モータ EV システム技術の検討
