新制御戦略、タイヤバースト時のEV安定性を飛躍的に向上
電気自動車（EV）の安全性向上に向けた画期的な研究が中国から発表された。タイヤが突然破裂するという極めて危険な状況下において、車両の安定性を劇的に向上させる新たな制御戦略が、中国の研究者チームにより開発された。この成果は、自動車の電動化と高度運転支援システム（ADAS）の進展が著しい現代において、走行中の重大事故を未然に防ぐための重要な一歩となる。
この研究は、江蘇理工学院のPang Wenyu（龐文亜）、Bei Shaoyi（貝紹軼）、李波（Li Bo）氏らの研究チームが主導し、東南大学のYin Guodong（殷国棟）氏らと共同で進められた。その成果は、学術誌『重慶理工大学学報（自然科学）』に掲載され、国際的な注目を集めている。研究の核心は、従来の「電子制御式スタビリティ・プログラム（ESP）」に代わる、より高速かつ精密な制御アプローチの確立にある。
従来のESPは、車輪ごとのブレーキを電子制御することで、車両の横滑りやスピンを抑制する。これは非常に有効な技術であり、数多くの事故を防いできた。しかし、その制御には、油圧式のブレーキシステムを介する必要があるため、応答に遅れが生じる。タイヤが破裂する瞬間は、わずか0.1秒という極めて短い時間であり、その間に発生する車両の力学的変化は急激である。この遅延が、危険な状況をさらに悪化させる要因となり得る。
今回、研究チームが注目したのは、ホイールモーターを採用した分散型駆動EVの特性である。このタイプのEVでは、各車輪に独立したモーターが内蔵されており、駆動力だけでなく、回生ブレーキによる減速力も、電気的に瞬時に制御が可能だ。この構造的特徴を活かさず、あえて遅延のある油圧ブレーキに頼るというのは、宝の持ち腐れと言える。研究チームは、このホイールモーターの「高速・高精度」な制御能力を、車両安定性の確保に直接活用するという発想の転換を行った。
その具体的な実現方法が、「内外環連携制御戦略」と呼ばれる革新的なシステムだ。この戦略は、二つの制御ループが協調して働くことで、走行軌跡の修正と車両の動的安定性の確保という、二つの課題を同時に解決する。
まず、外側のループである「外環」は、走行軌跡の修正を担当する。このループは、人間のドライバーが前方を注視して運転する様子を模倣した「ピュア・パーシュアルゴリズム」を採用している。システムは、車両の前方に仮想の「見越し点」を設定し、現在の車両位置とその見越し点の位置関係から、車両をその点に向かって導くための最適な前輪舵角を計算し、出力する。これにより、タイヤの破裂によって発生する強い片側引き寄せの力に対抗し、車線を逸脱することなく、安全な走行経路へと車両を誘導する。
一方、内側のループである「内環」は、車両の動的安定性そのものを制御する。このループはさらに二層構造になっており、上層と下層に分かれている。上層のコントローラーは、「ファジィPID制御」という高度な理論を用いている。このコントローラーは、車両の重心における「横すべり角」と「ヨーレート（車体の回転速度）」という、安定性を表す二つの重要なパラメータを、理想的な値と比較し、その差分から車両を安定させるために必要な「追加ヨーモーメント」を計算する。ファジィ理論の導入により、路面状態や車速の変化といった不確実な要素に対しても、高いロバスト性（強靭性）を持つ制御が可能になる。
ここで鍵となるのは、上層で計算された「追加ヨーモーメント」を、どのようにして物理的に発生させるか、という点である。分散型駆動EVでは、左右の車輪に異なるトルクをかけることで、ヨーモーメントを発生させることができる。例えば、右輪に大きな駆動力を、左輪に小さな駆動力（または回生ブレーキによる減速力）をかけると、車体は左に回転しようとする。この「トルク配分」の最適化が、内環の下層で行われる。
従来の手法では、この追加ヨーモーメントを残りの3つの正常な車輪に「均等に」分配することが多かった。しかし、これは効率が悪い。なぜなら、各タイヤの路面への接地力（荷重）は異なり、また、それぞれのモーターの出力能力にも限界があるため、均等分配では、路面の摩擦力（グリップ）を最大限に活用できず、制御性能が限界を迎えるからだ。
この課題を解決するために、研究チームは「ホエール・オプティマイゼーション・アルゴリズム」（白鯨最適化アルゴリズム）と呼ばれる、自然界の生物の行動に着想を得た最適化手法を採用した。このアルゴリズムは、白鯨の群れが獲物を探す際の「探索（Exploration）」と「収穫（Exploitation）」の行動、さらには「鯨落（Whale Fall）」という生態系を形成する現象を数理モデル化したものである。このアルゴリズムは、無数の候補解の中から、最も効果的に車両を安定させるための、3つの正常な車輪へのトルク配分比率を、瞬時に見つけ出すことができる。この手法により、各タイヤが持つグリップを最大限に引き出し、最小限のエネルギーで最大の制御効果を得ることが可能になった。
研究チームは、この高度な制御戦略の有効性を検証するために、CarSimとMATLAB/Simulinkを連携させた高度な共同シミュレーション・プラットフォームを構築した。このシミュレーションでは、タイヤが破裂した際の急激な力学的変化を再現するため、UniTireという高精度なタイヤモデルが使用された。具体的な検証シナリオとして、時速80kmでの直線走行時と、時速60kmで半径100mのカーブを走行中に、左前輪が破裂するという二つの危険な状況が設定された。
その結果は、従来の制御手法を大きく上回るものだった。直線走行時のシミュレーションでは、車両の安定性を示す最も重要な指標の一つである「重心横すべり角」が、制御なしの場合に比べて、驚異の10.61％ まで低下した。これは、直接ヨーモーメント制御のみを用いた場合（19.48％）と比べても、8.87％ も性能が向上していることを意味する。これは、車両がほぼまっすぐの状態を保つことができ、隣接車線への逸脱や衝突のリスクが劇的に低減されることを示している。
また、ヨーレート、横方向の変位、横加速度といった他の動的パラメータも、従来の手法に比べてはるかに小さな振動で、より早く安定状態に収束した。これは、車両が激しく揺れることなく、スムーズに制御されるため、乗員の乗り心地や安全性が大幅に向上することを意味する。
カーブ走行時のシミュレーションでも同様の傾向が見られた。制御なしの状態では、車両は激しく蛇行し、制御不能の状態に陥っていた。しかし、今回開発された内外環連携制御戦略を適用した場合、重心横すべり角は制御なしの55.6％ まで抑制され、ヨーレートも目標値の近くで安定的に維持された。これは、カーブ中という既に不安定な状況下でも、システムが効果的に車両を安定化させ、安全な走行を継続できる能力を示している。
この研究の意義は、単なる技術的な進歩にとどまらない。まず、この制御戦略は、ソフトウェアのアップデートによって既存の分散型駆動EVに適用可能であり、高価なハードウェアの追加が不要という点で、実用性が高い。自動車メーカーは、OTA（Over-The-Air）でこの技術を顧客の車両に配信し、安全性を即座に向上させることが可能になる。
次に、この技術は、自動運転の実現に向けた重要な基盤となる。完全自動運転車は、あらゆる走行状況を想定していなければならないが、タイヤの破裂のような稀でかつ極めて危険な事象は、その対応が最も難しい課題の一つである。今回開発されたような、高速かつ信頼性の高い安定性制御システムがなければ、自動運転車の社会的受容は得られないだろう。
さらに、この研究は、中国の学術機関が自動車工学の最前線で果たしている重要な役割を浮き彫りにしている。江蘇理工学院、清華大学、東南大学といった機関の研究者たちの協力により、この世界的な成果が生み出された。これは、グローバルな自動車産業のイノベーションが、もはや特定の地域に限定されず、多様な地域から生まれていることを示している。
今後の展望として、研究チームは、このシミュレーションの成果を基に、実車を用いた実走行試験の実施を計画している。また、タイヤの破裂をリアルタイムで検知するセンサー技術と、この制御システムを統合することで、より一層の安全性の向上が期待される。将来的には、複数のタイヤが同時に故障するような極限状況や、雪道や凍結路といった極端な路面条件に対応するためのさらなる高度化も視野に入っている。
総じて、Pang Wenyu氏らの研究チームが発表したこの内外環連携制御戦略は、分散型駆動EVの安全性を一段階高いレベルに引き上げる画期的な成果である。それは、単なる制御アルゴリズムの改良ではなく、車両の構造的特性を最大限に活かした、システム全体の最適化を図った、真に統合的なアプローチの勝利と言える。自動車の未来が、ますます電動化・知能化される中で、こうした研究が、私たちの移動をより安全で信頼できるものにしていくだろう。
Pang Wenyu, Bei Shaoyi, Li Bo, Yin Guodong, 重慶理工大学学報（自然科学）, doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2024.11.009