モーター故障時も安全確保、EV向け新制御技術
電気自動車（EV）が高速道路を走行し、あるいは都市部の交差点を通過する際、その安定性と性能は運転者にとって当然のものと見なされる。スムーズな操縦性、素早い加速、予測可能な走行軌跡は、現代のモビリティに求められる基本的な要件である。しかし、こうした一見シームレスな走行体験の裏には、モーター、センサー、制御システムが複雑に絡み合ったネットワークが存在しており、これらの各要素が車両の動的安定性を維持するために不可欠な役割を果たしている。では、これらの部品のうち一つが故障した場合、どのような事態が生じるのだろうか？
内燃機関車では、エンジンの故障はほぼ確実に車両の停止を意味する。一方、独立した4輪モーターで駆動される電気自動車の場合、状況は大きく異なる。一つあるいは二つのホイールモーターまたはインバーターが故障しても、車両は依然として走行を続けることができる。この冗長性は運用上の利点をもたらすが、同時に新たなリスクも伴う。故障したモーターはトルクのバランスを崩し、意図しないヨー（横滑り）モーメントを発生させ、横方向へのドリフトや制御不能を引き起こす可能性がある。実際の走行環境では、このような不安定性が車線逸脱、衝突、さらには転覆事故につながる危険性がある。これは特に高速走行中や回避操作を行う際、非常に重大な問題となる。
こうした安全性の課題に対し、上海建橋学院 機電学院の張文青博士は、駆動モーターの故障を想定した画期的な耐故障安定制御技術を提案した。この研究は学術誌『Microcomputer Applications』に掲載され、故障が発生した際にも低ドリフトで直進走行やカーブ走行を可能にする、新たな制御戦略を提示している。この耐故障制御システムは、「リムプホームモード（LHM）」と「耐故障電子安定性制御（ESC）モード」という二つのモードを統合しており、車両の安定性を高めるだけでなく、重大な交通事故を未然に防ぐ可能性を秘めている。
この研究が注目される背景には、EV市場の急速な拡大がある。自動車メーカーは、独立した4輪駆動システムを採用することで、トルクベクタリングを実現し、卓越した操縦性と効率性を追求している。しかし、このアーキテクチャは複数のモーターに依存するため、潜在的な故障ポイントの数も増加する。モーターのオープンサーキット（断線）、ショートサーキット（短絡）、磁気飽和など、単一の故障が車両全体のダイナミクスに深刻な影響を及ぼす可能性がある。
張博士の研究が他と一線を画すのは、故障の検出にとどまらず、リアルタイムでその影響を補償する点にある。提案されたシステムは、LHMと耐故障ESCという二つの主要な動作モードを統合し、車両の方向安定性を維持し、横方向のドリフトを最小限に抑える。これにより、モーターが故障した状態でも、運転者は安全に車両を路肩に停車させたり、整備工場に到達したりすることが可能になる。
リムプホームモード（LHM）は、故障発生時の第一の防衛ラインとして機能する。例えば、左前輪のモーターがトルクを出力できなくなった場合、システムは即座に残りの正常なモーターへのトルク分配を再計算する。通常時は4輪が均等に推進力を提供しているが、1輪が故障すると、ヨー方向の力のバランスが崩れ、車両が意図しない方向に回転しようとする。これを補正するため、LHMは対角線上または同一側のモーターに、出力を増加させるよう指令を出す。これにより、車体に作用する横方向の力がバランスを保たれる。
具体的な例として、左前輪モーターが故障した場合、左後輪モーターに通常の2倍のトルクを出力させることで、車体の前後軸に沿った対称性を維持する。しかし、この方法は、バックアップモーターが性能限界に達していない場合にのみ有効である。高速走行時には、永久磁石同期モーターは電磁的な制約により、自然と出力可能なトルクが低下する。もし左後輪モーターが要求された追加トルクを出力できない場合、システムは動的に調整し、右後輪モーターのトルクを減少させることで、ヨーモーメントを中和する。これは、電子式ディファレンシャルブレーキのような効果を生み出す。
この適応的なトルク再分配の目的は、単に前進を続けることではなく、あくまで「安全性の確保」にある。横方向のドリフトを最小限に抑えることで、車両は車線内に留まり、隣接する交通との危険な接触を回避できる。CarSimとMATLAB/Simulinkを用いたシミュレーションでは、直進加速走行において、提案された制御戦略が制御なしの状況に比べて横方向のオフセットを88.9%も低減することが示された。240メートルの走行距離において、制御なしの車両は約18メートルも車線から逸脱したのに対し、張博士のアルゴリズムを搭載した車両はわずか2メートル以内の逸脱にとどまった。
この性能は、車線幅が3.5メートル程度の都市部や高速道路において極めて重要である。わずか3～4メートルのドリフトでも、隣の車線との接触や対向車線への侵入が発生し、重大な事故につながる。2メートル以内のドリフトを長距離にわたって維持できることは、運転者が安全に停車するか、目的地に到達するための十分な時間を確保できることを意味する。
しかし、直進時の安定性は課題の半分に過ぎない。カーブ走行時の故障対応は、より大きな脅威となる。カーブ中は、車両はすでに複雑な荷重移動と横加速度にさらされている。そこに故障モーターが加われば、アンダーステア（不足舵取り）やオーバーステア（過多舵取り）による不安定性がさらに増幅される。この点で、システムの第二の柱である「耐故障ESC」がその真価を発揮する。
従来のESCシステムは、特定の車輪への選択的ブレーキングによってヨーの逸脱を修正する。一方、張博士のアプローチは、電動パワートレインが持つ固有の利点を活かす。すなわち、各車輪のモーターを独立して制御できる点である。カーブ中に故障を検知すると、システムはステアリング角と車速に基づき、理想的なヨー角速度を計算する。次に、この目標値と実測されたヨー角速度を比較し、誤差を補正するためのトルクベクトルを算出する。
オーバーステアの場合、つまり車両の後部が外側にスライドし始めたとき、システムは外側の前輪に負のトルク（回生ブレーキまたは駆動力の低下）を適用して、回転を抑制する。逆に、アンダーステアの場合、つまり前輪がグリップを失い、カーブを大きく外側に膨らんでしまうとき、内側の後輪に追加の駆動トルクを与えることで、車両をカーブの内側に「回転」させる。
このアプローチの優れた点は、モーターの性能制限を明示的に考慮していることにある。多くの既存の制御戦略は、トルクの供給が理想的に無限であると仮定し、電動モーターが速度に応じて出力特性が変化するという物理的制約を無視している。低速時は高トルクが得られるが、高速時は熱的・電磁的な制約により最大出力が低下する。張博士のアルゴリズムは、これらの物理的限界を厳密に考慮し、指令されたトルクが実際に達成可能であり、正常なモーターを過負荷にしないことを保証している。
この現実性は、安全性と耐久性の両方を高める。正常なモーターを定格を超えて強制的に駆動すると、過熱、絶縁破壊、さらには連鎖的な故障を引き起こす可能性がある。運用限界を尊重することで、制御システムは初期の問題を悪化させることを避け、達成可能な性能パラメータ内で安定性を最優先する。
シミュレーション結果は、このバランスの取れたアプローチを裏付けている。30度のステアリング角を維持した定常カーブ加速走行のシナリオでは、耐故障制御なしの車両はヨー角速度の過剰な振動を示し、140メートルの走行距離で35メートルを超える横方向ドリフトを生じた。一方、提案された制御を有効にした車両では、ドリフトは15メートルにまで減少し、57.1%の改善が達成された。さらに重要なのは、ヨー角速度の誤差が小さく安定しており、故障発生後も一貫した操縦性が保たれていることを示している点である。
これらの成果は理論的なものではない。2.1メートルのホイールベース、1.5メートルのトレッド、最大64.5N・mのトルクを発生可能なホイールモーターを備えた710kgのマイクロEVという、詳細な車両プラットフォームを用いたリアルな走行ダイナミクスのモデル化によって得られたものである。タイヤモデルにはペーツェカの「マジックフォーミュラ」が採用され、縦横両方向の荷重が複合した状態でのグリップ特性を正確に再現している。
特に重要なのは、制御ロジックが故障の位置に応じて適応することである。左前輪モーターの故障と右後輪モーターの故障では、生じるヨーの傾向が異なる。システムは、オープンサーキットかショートサーキットかという故障モードを特定し、それに応じて応答を最適化する。オープンサーキットは純粋なトルク喪失を引き起こすのに対し、ショートサーキットは残留電流によりパラサイト（寄生）トルクを発生させる可能性がある。これらの状態は、車両の診断インターフェースを通じてリアルタイムで監視される。
監視システムは常時稼働し、電流リップル、温度上昇、逆起電力の異常などのモーターとインバーターの健康状態をスキャンしている。故障が確認されると、耐故障モードへの切り替えはシームレスに行われる。運転者の介入や手動でのモード切り替えは不要である。車両は自動的にLHMとESCのルーチンを起動し、数ミリ秒のうちにトルクマップや安定性のしきい値を再調整する。
ユーザーの視点から見ると、体感としては加速性能のわずかな低下や、ステアリングフィードバックの微妙な変化が感じられるかもしれない。しかし、それは即座の安全性を損なうものではない。優先事項はパフォーマンスの維持ではなく、制御された、予測可能な挙動にある。運転者は車両が「重く」感じたり、レスポンスが鈍くなったりすることに気づくかもしれないが、突然のジャダー、スピン、意図しない車線変更は経験しない。
この哲学は、現代の自動車安全基準と一致している。完全な停止よりも「グレースフルデグラデーション（優雅な劣化）」を重視するもので、航空分野では「フェイルオペレーショナル」、自動車工学では「リムプホーム」能力と呼ばれている。張博士の研究は、これを動的かつ知的で、車両ダイナミクスに深く統合されたものへと進化させている。
さらに、その意義は個々の車両の安全を越えて広がる。自動運転技術が成熟する中で、人間の介入なしに部品の故障に対処できる能力は不可欠となる。自律走行EVでモーターが突然故障した場合、緊急停止を余儀なくされ、交通渋滞や新たな危険を生む可能性がある。張博士の制御アーキテクチャは、リアルタイムの故障検出、適応的トルク再分配、物理学を意識した安定性補正を組み合わせることで、こうしたレジリエンス（回復力）のための青写真を提供している。
また、このシステムの大きな利点は、既存の車載電子システムとの互換性にある。特殊なハードウェアや独自のコンポーネントを必要とせず、標準的な自動車用マイコン上で動作し、CANバスを介してモーターコントローラーやセンサーネットワークと通信する。これにより、スケーラビリティとコスト効率が確保され、量産車への採用が現実的になる。
テスラのデュアルモーターモデルは単一モーターモードでの走行が可能であり、リヴィアンのクアッドモータープラットフォームはオフロード安定性を高めるトルクベクタリングを備えている。しかし、これらの多くは冗長性に焦点を当てており、張博士の研究が提供するような、アクティブな安定性補正の体系的な手法には及ばない。本研究は、非対称な駆動条件下でも方向制御を維持するための、検証可能で量的に評価可能な方法論を提示することで、このギャップを埋めている。
法規制の観点からも、この研究は重要である。EVの保有台数が増加する中、世界中の安全当局は構造的・機能的安全性の基準を見直している。自動車の機能安全に関する国際規格ISO 26262は、推進力やブレーキといった安全クリティカルな分野において、耐故障メカニズムの導入を義務付けている。本研究は、故障後の挙動を実証的に改善する、計測可能な制御戦略を提供することで、こうした規制への適合に直接貢献している。
環境的・経済的利点も見逃せない。モーター故障後も安全に走行可能なEVは、道路上での立ち往生を避け、レッカー車の出動や交通の混乱を減らす。消費者のEVに対する信頼も高まり、電動モビリティの信頼性に関する懸念の一つを解消する。
設計の観点からは、この研究はエンジニアが故障管理を捉える視点を変える。部品の故障を「災害的な終点」と捉えるのではなく、「適応的対応を要する運用状態」と捉えることで、より回復力が強く、知的で、堅牢な次世代の車両開発を促進する。
張博士の研究は、機械工学（車両ダイナミクス）、電気工学（モーター制御）、情報科学（制御アルゴリズム）という異分野の融合の重要性も示している。現代の交通システムが抱える多面的な課題に対処するには、こうした統合的なアプローチが不可欠である。
今後の展望として、この耐故障ロジックをバッテリー、センサー、通信エラーといった他のサブシステムへと拡張することが考えられる。故障検出、補償、安定化という基本原理は普遍的に応用可能である。車両がますますソフトウェアで定義される中で、部分的な故障があっても機能を維持できる能力が、次世代の自動車技術を定義していくだろう。
結論として、張文青博士の研究は、EVの安全性において重要な一歩を踏み出した。LHMと電子安定性制御を統合した二重モードの耐故障制御システムにより、直進走行で横ドリフトを88.9%、カーブ走行で57.1%も低減し、モーター故障時でも車両が安定して操縦可能であることを実証した。この成果は運転者の安全を高めるだけでなく、より信頼性が高く、知的で、回復力のある電動モビリティの実現に向けた道筋を示している。
モーター故障時も安全確保、EV向け新制御技術 張文青、上海建橋学院、『Microcomputer Applications』掲載