JP2006191795A - ハイブリッドエネルギ蓄積器の駆動方法およびハイブリッドエネルギ蓄積器の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッドエネルギ蓄積器の動作を改善する。つまりエネルギ消費率を低減させ、駆動の確実性を保証し、バッテリの寿命を延長する。
【解決手段】少なくとも１つのハイブリッドドライブシステムの駆動パラメータおよびハイブリッドエネルギ蓄積器のダイナミックパラメータを検出または導出し、制御装置により少なくとも１つの駆動パラメータおよびダイナミックパラメータに依存してコンデンサ蓄積器の電圧をバッテリの充電終了電圧のレベルまで低減してスイッチを閉成させ、閉成されたスイッチによって形成される電気線路を介してバッテリを充電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関、電気機械および制御装置から成る車両のハイブリッドドライブシステムがハイブリッドエネルギ蓄積器を有しており、このハイブリッドエネルギ蓄積器はスイッチを介して並列に接続されたバッテリおよびコンデンサ蓄積器を有しており、スイッチを介してバッテリはハイブリッドエネルギ蓄積器の端子から分離可能である、ハイブリッドエネルギ蓄積器の駆動方法およびハイブリッドエネルギ蓄積器の駆動装置に関する。

車両の駆動エネルギをそれぞれ異なる形式で形成する２つの駆動ユニットを備えたドライブシステムをハイブリッドドライブシステムと称する。こうしたハイブリッドドライブシステムを備えた車両はハイブリッド車両と呼ばれる。最も広く言うならハイブリッドドライブシステムとは内燃機関と少なくとも１つの電気機械とを有するシステムである。この２つの駆動ユニットは良好に互いを補完しあう。電気機械と内燃機関との接続は種々の形態で行われる。電気機械は直接にまたはカップリング部を介して内燃機関のクランクシャフトに接続されることもあるし、またベルト駆動機構またはギヤ駆動機構を介して結合されることもある。基本的に電気機械を介して駆動を行い、内燃機関はジェネレータを介したエネルギ蓄積器の充電または電気機械への直接給電を行うシリアルハイブリッドのコンセプトのほか、こんにちでは内燃機関および電気機械の双方で駆動を行うエネルギ分割型のパラレルハイブリッドのコンセプトも知られている。内燃機関および電気機械を含むハイブリッドドライブシステムの構造は当該分野の技術者にとって基本的に周知である。

ハイブリッド車両には電気エネルギを電気機械へ供給するためのエネルギ蓄積器が設けられている。ここでは電気エネルギをエネルギ蓄積器へ蓄積する手段の存在が、従来の車両に対してハイブリッド車両での燃費が低いことの重要な前提となっている。ハイブリッド車両での低燃費性は一方では電気エネルギ形成の効率の良さに帰せられる。燃費の低減はハイブリッドドライブシステムの駆動時のインテリジェントな制御ストラテジにより達成される。ハイブリッドドライブシステム用の制御ストラテジは内燃機関の効率の低い領域での動作をできるだけ回避するように構成されている。電気機械および内燃機関は相互に組み合わされ、双方の効率特性が有利に利用される。さらなるエネルギ節約は内燃機関のスタートストップ機能と減速過程でのエネルギの回生とによって達成される。

純粋な電気機械の推進モードは例えば典型的には内燃機関に対して僅かな効率しか要求されない低負荷領域で有利である。ただしこのモードはエネルギ的には内燃機関および電気機械が機械的に相互に分離されており、内燃機関がともに回転しない場合にのみ有意である。

また内燃機関および電気機械が同時に並列に動作し、ハイブリッドドライブシステムの最大トルクが得られ、車両の走行パワーがいっそう向上する推進モードが可能である。このモードでは内燃機関に加えて電気機械もモータ推進に利用されるので、ブースト動作と称される。

推進力を形成するために内燃機関に加えて電気機械が使用されるのは、効率に関する理由から、基本的には内燃機関の高負荷領域においてである。なぜならこの場合、駆動トルクの一部を置換することにより負荷点が低負荷の方向へオフセットされ、比較的僅かな効率の損失しか生じなくなるからである。

高負荷領域は有利には内燃機関により良好な効率で電気機械をジェネレータとして駆動し、エネルギ蓄積器に電気エネルギを蓄積するためにも用いられる。この電気エネルギは後に電気機械をモータとして駆動するためにエネルギ蓄積器から取り出される。理想的には車両の推進および搭載されている電源回路網への給電に必要なエネルギの一部が先行する回生過程から取得され、エネルギ蓄積器に一時的に蓄積される。このために車両の減速フェーズで車両の制動力のできるだけ大きな成分が電気機械のジェネレータとしての駆動に用いられ、エネルギ蓄積器に電気エネルギが充電されるのである。

エネルギ蓄積器としてこんにちのハイブリッド車両では固定サイクルのバッテリを使用するのが主流である。このバッテリは容積からみても重量からみてもエネルギ密度が高いという利点を有する。ただしこのバッテリは達成可能な出力および電力消費量の点で制限されている。またバッテリの寿命は平均エネルギ、つまり蓄積されるエネルギと放出されるエネルギとの比に対して制限されている。したがって寿命の低下を防ぐために急激なサイクルの進行を回避しなければならない。

これに代えてハイブリッド車両ではハイブリッドエネルギ蓄積器が使用される。ハイブリッドエネルギ蓄積器はバッテリおよびコンデンサ蓄積器を有する。コンデンサ蓄積器は実用上は無限に循環的に使用可能であり、バッテリに比べて著しく高いサイクル数を有する。バッテリに対するコンデンサ蓄積器の欠点は容積でみてきわめて小さなエネルギ密度しか有さないということである。車両内で利用可能な容積はふつう制限されているので、コンデンサ蓄積器は比較的小さなエネルギ量しか蓄積できない。したがってハイブリッド蓄積器ではバッテリとコンデンサ蓄積器とが同時に使用される。コンデンサ蓄積器はエネルギの循環的な蓄積および放出のために設けられている。バッテリはまれではあるが比較的長く続く電気的負荷フェーズでの駆動のために設けられている。

バッテリから取り出された電気エネルギは回生フェーズまたは電気機械のジェネレータモードにおいて再供給しなければならない。独国公開第１０３１３０８１号明細書から内燃機関によって駆動されるジェネレータを備えた車両が公知であり、ここでは従来の電源回路網に加えてコンデンサ蓄積器の形態のエネルギ蓄積器が設けられている。コンデンサ蓄積器はＤＣ／ＤＣ変換器およびこれに並列に配置されたスイッチを介して電源回路網に接続されている。コンデンサ蓄積器に対して並列にバッテリが接続されており、このバッテリは別のスイッチを介してジェネレータから分離可能である。この公知の装置のコンデンサ蓄積器は回生エネルギを取得して電源回路網またはジェネレータへ送出される。ジェネレータはモータとしても駆動される。バッテリの再充電は閉成された第２のスイッチを介して、コンデンサ蓄積器の電圧がバッテリの定格電圧にほぼ相応する場合にのみ行われる。前掲の明細書には別の実施例も記載されているが、そこではコンデンサ蓄積器は付加的なスイッチを介してジェネレータから分離され、これによりバッテリおよびコンデンサ蓄積器の充電が相互に独立に行われる。

独国公開第１０３０５０５８号明細書から、コンデンサ蓄積器がＤＣ／ＤＣ変換器を介して電源回路網のバッテリに並列接続されているエネルギ蓄積装置が公知である。バッテリおよびコンデンサ蓄積器はこの実施例ではそれぞれスイッチを介してスタータジェネレータのエネルギ電子回路へ接続されている。こうしたエネルギ蓄積装置にはバッテリ電圧と電源回路網電圧とを一致させなければならないという欠点がある。したがってこの装置ではハイブリッドドライブシステムを備えた車両での使用には適さない。なぜなら使用される１２Ｖの電源回路網電圧を有するバッテリが低いバッテリ温度ではきわめて小さい出力しか有さないからである。

基本的にバッテリおよびコンデンサ蓄積器から成る全てのエネルギ蓄積システムはハイブリッドドライブシステムで使用する際に次のような問題点を有する。コンデンサ蓄積器はふつうバッテリよりも高い電圧に対して構成されている。このため蓄積の際にはコンデンサ蓄積器では高いエネルギ密度が達成される。ただしコンデンサ蓄積器およびバッテリの双方による同時の放電はバッテリの充電終了電圧（Ladeschlussspannung）を下回る電圧でしか行われない。コンデンサ蓄積器の内部抵抗よりもバッテリの内部抵抗のほうが高いため、バッテリの充電終了電圧は所定の充電力のもとでは比較的早期に超過されてしまう。このときバッテリおよびコンデンサ蓄積器を電気的に相互に分離し、供給されるエネルギを完全に蓄積できるようにしなければならない。ハイブリッドエネルギ蓄積器への負荷が長く続き、バッテリに蓄積されたエネルギも取り出される場合には、続いてバッテリを再充電する必要がある。しかしバッテリからのエネルギの取り出しはバッテリの寿命を低下させないためにはできるだけ行わないほうがよい。したがって負荷の後にはコンデンサ蓄積器を迅速に充電し、新たなブースト動作に対して充分なエネルギが利用できるようにしておくことが望ましい。ただしこれには前述したように制限がある。バッテリが完全に再充電されないと、ハイブリッド車両の駆動の確実性が損なわれてしまう。

コンデンサ蓄積器に対しては次のようなことが当てはまる。一方ではコンデンサ蓄積器ができるだけ多くのエネルギを蓄積してそれをハイブリッドドライブシステムのブースト動作での電気機械のモータ駆動に利用できれば有利であるが、他方ではコンデンサ蓄積器を完全に充電せず、減速過程で得られる回生エネルギまたは電気機械のジェネレータモードで得られるエネルギを蓄積できるようにしておくことも望まれる。上述のような理由から能力や寿命を考慮するとコンデンサ蓄積器のほうがハイブリッドエネルギ蓄積器のエネルギの送出や取得に有利に使用できるので、こうした要求の対立が生じる。
独国公開第１０３１３０８１号明細書 独国公開第１０３０５０５８号明細書

本発明の基礎とする課題は、ハイブリッドエネルギ蓄積器の動作の改善、つまりエネルギ消費率を低減させ、駆動の確実性を保証し、バッテリの寿命を延長することである。

この課題は、少なくとも１つのハイブリッドドライブシステムの駆動パラメータおよびハイブリッドエネルギ蓄積器のダイナミックパラメータを検出または導出し、制御装置により少なくとも１つの駆動パラメータおよびダイナミックパラメータに依存してコンデンサ蓄積器の電圧をほぼバッテリの充電終了電圧のレベルまで低減してスイッチを閉成させ、閉成されたスイッチによって形成される電気線路を介してバッテリを充電することにより解決される。

本発明の有利な実施形態は従属請求項から得られる。

本発明によれば、電気機械のモータ駆動が不可能であったりきわめて不確実であったりする駆動ステータスにおいても、必要なときにはバッテリの充電が最適に行われる。このためハイブリッド車両の駆動の確実性が向上する。一方ではバッテリが充電され、他方ではブースト動作が不可能であるかまたは要求されていない場合にのみ再充電が行われることが保証される。ブースト動作に関する制限が排除される。車両のドライバはバッテリの充電中にも最適なトルクを使用できる。コンデンサ電圧の低減および閉成されたスイッチを介したバッテリの充電の必要があるか否かはハイブリッドエネルギ蓄積器のダイナミックパラメータに基づいて求められる。バッテリの充電はハイブリッドドライブシステムの駆動状態およびバッテリの充電状態が所定の状態であるとき、つまり効率的な充電が可能であるときのみ行われるように開制御される。例えば内燃機関が高い効率で動作している駆動状態である。このようにすれば内燃機関が低い効率で動作しつづけることが回避される。こうしてハイブリッド車両で使用されるエネルギが低下する。

ハイブリッドドライブシステムの駆動状態を表す駆動パラメータは内燃機関回転数または電気機械回転数である。電気機械および内燃機関が剛性的に結合されている場合、電気機械回転数と内燃機関回転数とが一致する。また電気機械および内燃機関がトランスミッションおよび／またはカップリング部を介して相互に接続されるようにハイブリッドドライブシステムを構成することもできる。この場合には電気機械回転数と内燃機関回転数とのあいだには差が生じる。内燃機関回転数または電気機械回転数からドライブシステムの動作している駆動状態が結論される。バッテリの充電は閉成されたスイッチを介してハイブリッドシステムがブースト動作のための電気エネルギを要求した場合にのみ有意となるので、本発明の有利な実施形態によれば、少なくとも１つの駆動パラメータは内燃機関回転数または電気機械回転数であり、この内燃機関回転数または電気機械回転数と第１の回転数しきい値とが比較され、内燃機関回転数または電気機械回転数が第１の回転数しきい値よりも大きい場合にのみ電圧低減およびスイッチの閉成が行われる。ブースト動作は内燃機関回転数または電気機械回転数が低いときにのみ内燃機関または電気機械のトルク特性に基づいて有意となり、低い内燃機関回転数でのバッテリの充電フェーズは回避される。これはハイブリッドドライブシステムのブースト動作が可能となるような状況であって、コンデンサ蓄積器のエネルギが充分でない場合、わずかな時間のブースト動作しか行われないようにするものである。本発明のこうした実施形態により、望ましくないバッテリからのエネルギの取り出しが回避され、必要に応じたブースト動作の維持が達成される。

バッテリの充電は、バッテリの充電状態に基づいて、充電状態しきい値を下回ることが確認された場合にのみ行われる。充電状態しきい値は最大充電状態の９０％、有利には８０％または７０％、特に有利には６０％である。しきい値を上回るとバッテリの充電は阻止される。なぜならバッテリにハイブリッドエネルギ蓄積器による確実な駆動を保証できるだけの充分なエネルギが蓄積されているからである。コンデンサ蓄積器の電圧の低減は、この電圧がバッテリの定格電圧レベルよりも大きい場合にのみ必要となる。したがって本発明の実施形態によれば、ダイナミックパラメータにはバッテリの充電状態およびコンデンサ蓄積器の電圧が含まれ、コンデンサ蓄積器の電圧とコンデンサ蓄積器の定格電圧レベルとが比較され、コンデンサ蓄積器の電圧がバッテリの定格電圧レベルを上回る場合にコンデンサ蓄積器の電圧が低減され、またバッテリの充電状態と充電状態しきい値とが比較され、バッテリの充電状態が充電状態しきい値を下回る場合にスイッチが閉成される。

ハイブリッドドライブシステムのブースト動作は一般には制限された内燃機関回転数または電気機械回転数の領域でのみ有効である。この領域は内燃機関が小さいトルクしか形成しない回転数領域である。低い回転数の領域では電気機械のモータ駆動によって形成されるトルクが特に大きい。所定の内燃機関回転数または電気機械回転数を上回るとブースト動作はもはや有意ではなくなる。なぜなら一方で内燃機関が高いトルクを形成しており、他方で電気機械の形成するトルクが大幅に低下するからである。したがってブースト動作に意義があるのは電気機械が支援的に使用される領域のみである。ハイブリッドドライブシステムが当該のブースト領域内で駆動される場合、車両のドライバからのブースト動作で駆動したいという要求を考慮に入れなければならない。このときコンデンサ蓄積器の電圧の低減はこの領域では示されない。そうでないとコンデンサ蓄積器に電気機械の送出した高いエネルギが充分に蓄積されなくなってしまうからである。間接的に予測されるブースト領域への逆行を確認するために、本発明の有利な実施形態では、第１の回転数しきい値は電気的なブースト動作に対する最大の内燃機関回転数または電気的なブースト動作に対する最大の電気機械回転数よりも大きい設定回転数である。ここでの設定回転数は２５０Ｕ／ｍｉｎ，有利には５００Ｕ／ｍｉｎ，特に有利には７５０Ｕ／ｍｉｎである。

電気的なブースト動作に対する最大の内燃機関回転数または電気的なブースト動作に対する最大の電気機械回転数は内燃機関の定格回転数の所定のパーセント成分に相応する。最大の内燃機関回転数または電気機械回転数は有利には内燃機関の定格回転数の６０％よりも小さく、有利には５０％または３０％よりも小さい。

バッテリの電気エネルギの放出および蓄積能力はバッテリ温度および／またはバッテリ状態、バッテリの経時劣化に関するデータＳＯＨ（State of Health）に依存して定まる。したがって有利な実施形態では、バッテリ温度および／またはバッテリ状態を検出し、このバッテリ温度またはバッテリ状態に基づいて充電状態しきい値を定める。

ハイブリッドドライブシステムが高い効率で動作し、ブースト領域への移行が間接的に予測される駆動状態にあるあいだは、バッテリの充電が続行される。ハイブリッドドライブシステムの駆動状態が変化し、ブースト領域への移行が予測されると、バッテリの充電は終了され、内燃機関回転数または電気機械回転数の低下中、コンデンサ蓄積器は新たに充電される。蓄積器の充電は制動過程からの回生エネルギにより行われる。したがってスイッチは第２の回転数しきい値が下回られた場合に開放される。第２の回転数しきい値は第１の回転数しきい値とは異なっており、ハイブリッドドライブシステムが第１の回転数しきい値近傍の内燃機関回転数または電気機械回転数で駆動されても、スイッチの開放および閉成ひいてはコンデンサ蓄積器の充放電の頻繁な交替は回避される。つまり本発明の有利な実施形態では、内燃機関回転数または電気機械回転数が第２の回転数しきい値を下回る場合にスイッチが開放され、コンデンサ蓄積器がエネルギ目標値まで充電される。エネルギ目標値は、コンデンサ蓄積器がこのエネルギ目標値まで充電されていれば平均的なブースト動作に対して充分なエネルギが得られるように固定に定められている。

本発明の有利な実施形態によれば、内燃機関回転数または電気機械回転数が第２の回転数しきい値よりも大きいあいだは、バッテリの充電状態が上方の充電状態しきい値に達するかまたはバッテリの充電状態変化量が充電状態変化量しきい値に達するまでバッテリの充電を続行する。

本発明の有利な実施形態では、ハイブリッドドライブシステムがブースト領域で駆動されていてもバッテリおよびコンデンサ蓄積器の充電状態やコンデンサ蓄積器の電圧などに基づいて有意である場合にはバッテリを充電する。このために、少なくとも１つの駆動パラメータおよび／またはハイブリッドエネルギ蓄積器のダイナミックパラメータに依存し、コンデンサ蓄積器とバッテリとのあいだでこれらを接続しているＤＣ／ＤＣ変換器を介してエネルギが交換される。この実施形態では、コンデンサ蓄積器がバッテリを目標値まで充電し、ハイブリッドドライブシステムのコールドスタートを可能とする。エネルギの伝送はコンデンサ蓄積器がモータの始動前に充分なエネルギを有していない場合に行われ、充分なエネルギがハイブリッドドライブシステムのスタートに利用できるようになる。さらに本発明の有利な実施形態では、バッテリでの最大の充電終了電圧が超過されないようにバッテリの充電電流が制限される。

本発明の装置の実施形態およびその利点は本発明の方法の実施形態およびその利点に相応する。

以下に本発明の有利な実施例を図示し、詳細に説明する。

図１にはハイブリッドドライブシステム２を備えた車両１が示されている。ハイブリッドドライブシステム２は内燃機関３とこの内燃機関に付加的なカップリング部４を介して接続された電気機械５とを有する。付加的なカップリング部４に代えてベルト駆動機構またはギヤ駆動機構を設けてもよい。電気機械５はカップリング部６およびトランスミッション７を介して車両１の図示しない車輪に接続されている。電気機械５にはエネルギ電子回路９を介してハイブリッドエネルギ蓄積器８が接続されている。ハイブリッドエネルギ蓄積器８はコンデンサ蓄積器１０を有しており、これは直接にハイブリッドエネルギ蓄積器８の端子１１に接続されている。ハイブリッドエネルギ蓄積器８はさらにバッテリ１２を有しており、これは第１のＤＣ／ＤＣ変換器１３およびスイッチ１４を介してコンデンサ蓄積器１０に並列接続されている。スイッチ１４が閉成位置をとると、ハイブリッドエネルギ蓄積器８の端子１１とバッテリ１２とが直接に電気的に接続される。スイッチ１４が開放位置をとると、コンデンサ蓄積器１０とバッテリ１２とのあいだで第１のＤＣ／ＤＣ変換器１３のみを介してエネルギが交換される。

ハイブリッドエネルギ蓄積器８に加えて車両１には電源回路網１５が設けられており、これもバッファバッテリ１６として構成されたエネルギ蓄積器を有している。電源回路網１５のバッファバッテリ１６はふつう１２Ｖバッテリであり、電源回路網１５に第２のＤＣ／ＤＣ変換器１８を介してエネルギが供給されない期間中、負荷１７にエネルギを供給する。第２のＤＣ／ＤＣ変換器１８はエネルギ電子回路９に接続されている。電気機械５がジェネレータとして駆動される場合、電源回路網１５の給電は第２のＤＣ／ＤＣ変換器１８を介して行われる。そうでない場合にはハイブリッドエネルギ蓄積器８からの電気エネルギが第２のＤＣ／ＤＣ変換器１８を介して電源回路網１５へ送出される。

駆動中、コンデンサ蓄積器１０は有利にはハイブリッドエネルギ蓄積器８への電気エネルギの蓄積またはハイブリッドエネルギ蓄積器８からの電気エネルギの放出に用いられる。ハイブリッドドライブシステム２がスタートされる前、コンデンサ蓄積器１０には、電気機械５をモータとして駆動して内燃機関３を始動するのに充分なエネルギ量が蓄積されている。コンデンサ蓄積器１０に蓄積されているエネルギ量が充分でない場合には、スタート前に第１のＤＣ／ＤＣ変換器１３を介してバッテリ１２のエネルギがコンデンサ蓄積器１０へ伝送される。代わってコンデンサ蓄積器１０の電圧がバッテリ１２の定格バッテリ電圧まで低下している場合、スタートの際にスイッチ１４は閉成される。このときには内燃機関３の始動に必要なエネルギの一部がバッテリ１２から引き出される。

電気機械５が例えば制動過程でジェネレータとして駆動される場合、エネルギ電子回路は電気エネルギをハイブリッドエネルギ蓄積器８へ蓄積させる。バッテリ１２を保護するために、コンデンサ蓄積器１０は一般にバッテリ１２の定格電圧レベルを上回る電圧で駆動される。スイッチ１４は開放位置をとり、電気エネルギはコンデンサ蓄積器１０に蓄積される。バッテリ１２が完全に充電されていない場合には、エネルギはコンデンサ蓄積器１０から第１のＤＣ／ＤＣ変換器１３を介してバッテリ１２へ伝送される。

内燃機関回転数が低いとき、電気機械は付加的な駆動手段として利用される。このために電気機械５がモータとして駆動される。内燃機関３と電気機械５とを同時にモータとして駆動することをブースト動作と称する。このときハイブリッドドライブシステム２で得られる高いトルクはふつう短い加速フェーズでしか必要とされず、コンデンサ蓄積器１０に蓄積されたエネルギで充分である。強い加速フェーズまたは登坂走行が長く続いた場合にのみコンデンサ蓄積器１０に蓄積されたエネルギが不足し、コンデンサ蓄積器での電圧がバッテリ１２の定格電圧レベルまで低下するとただちにスイッチ１４が閉成される。付加的にバッテリ１２の電気エネルギもハイブリッドドライブシステム２のブースト動作を維持するために使用される。このとき取り出されるエネルギによりバッテリの充電状態ＳＯＣ（State of charge）が低下する。内燃機関が引き続き高い内燃機関回転数で駆動される場合、電気機械５の付加的なモータ駆動は電気機械のトルク特性に基づいて有意ではなくなる。高い内燃機関回転数領域では、コンデンサ蓄積器１０に電気機械による推進エネルギを蓄積する必要がないからである。むしろコンデンサ蓄積器が制動過程からの回生エネルギを蓄積する容量を有するようにコンデンサ蓄積器を放電するほうが有効である。

制御装置１９は回転数センサ２０によって求められた内燃機関回転数および／または電気機械回転数を検出する。ステータスセンサ２１を介してハイブリッドエネルギ蓄積器８のパラメータが検出される。このパラメータはコンデンサ蓄積器１０の電圧、バッテリ１２の充電状態、バッテリ１２の経時劣化状態、バッテリ電圧、バッテリ温度などを含む。内燃機関回転数および／または電気機械回転数とハイブリッドエネルギ蓄積器８のパラメータに基づいて、制御装置１９はバッテリ１２を充電しなければならないか否かを求める。充電しなければならない場合には、内燃機関回転数または電気機械回転数が第１の回転数しきい値よりも大きいあいだ、コンデンサ蓄積器１０の電圧を低減する。この低減はコンデンサ蓄積器１０の電圧がバッテリのその時点での充電終了電圧のレベルよりも大きいときにのみ行われることは明らかである。コンデンサ蓄積器１０の電圧の低減は、例えば第２のＤＣ／ＤＣ変換器１８を介して電源回路網１５へエネルギを供給するか、または電気機械５を短時間だけモータとして駆動することにより行われる。この動作はブースト領域以外のときに行われ、トルクはほとんど気づかれないほど僅かに上昇する。機関制御部が設けられており、内燃機関３はドライバに認知されない程度にハイブリッドドライブシステム２でトルクが上昇するように制御される。

コンデンサ蓄積器１０の電圧がバッテリ１２の定格電圧レベルまで低下するとスイッチ１４が閉成され、ジェネレータとして駆動される電気機械５を介して電気エネルギがバッテリ１２へ蓄積される。このときの蓄積では、バッテリ１２で充電終了電圧よりも大きい電圧が生じないように充電電流が制限される。この制限は、例えば、電気機械５で生じるジェネレータモーメントに限界値を適用し、これを上方超過しないように制御して行われる。電流制限の他の手段も当該分野の技術者には周知である。スイッチ１４が閉成されたときのバッテリ１２への直接の充電はバッテリ１２の充電状態が最大充電状態の９０％より小さい場合に行う。有利には最大充電状態の８０％未満または７０％未満、特に有利には６０％未満のときに行うとさらに有効である。バッテリ１２の充電状態が小さい場合、比較的大きな充電電流が生じるが、その際にもバッテリ１２の電圧は充電終了電圧を超えない。内燃機関回転数または電気機械回転数が回転数しきい値を上回っているかぎり、バッテリ１２の充電はバッテリの充電状態が充電状態しきい値に達するまで続行される。充電状態しきい値は充電状態の７０％、８０％、９０％または９５％に相応する。達成すべき充電状態しきい値はバッテリ温度および経時劣化状態ＳＯＨ（State of Health）に依存して定まる。これに代えてバッテリの充電状態変化量が充電状態変化量しきい値に達するまでバッテリ１２の充電が続行されるように構成してもよい。充電状態変化量しきい値は最大充電状態の少なくとも１０％または少なくとも２０％である。

内燃機関回転数および／または電気機械回転数が第２の回転数しきい値を下回ると、閉成されたスイッチ１４を介した充電過程が終了され、スイッチ１４が開放される。続いてコンデンサ蓄積器１０はエネルギ目標値まで充電される。コンデンサ蓄積器１０の充電は電気機械のジェネレータ動作により制動過程での回生で行われる。このようにしてコンデンサ蓄積器には充分なエネルギ量が蓄積され、バッテリ１２にアクセスしなくともブースト動作での通常のブースト過程を行えるようになることが保証される。

直接にスイッチ１４を介したバッテリ１２の充電に代えて、ドライブシステムが比較的長い時間にわたってブースト領域で駆動され、コンデンサ蓄積器１０の電圧がバッテリ電圧へ低下しない場合、バッテリ１２を第１のＤＣ／ＤＣ変換器１３を介して充電してもよい。ただしこのとき、第１のＤＣ／ＤＣ変換器では変換損失が生じること、コスト上の理由から第１のＤＣ／ＤＣ変換器１３の能力は一般に制限されていることに注意しなければならない。

図２には回転数に対する図１の内燃機関３の特性曲線３１および図１の電気機械５の特性曲線３２の例が示されている。付加的に電気機械５のモータ駆動と内燃機関３の駆動とを同時に行った場合のブースト動作のトルク特性曲線３３も示されている。電気機械５のトルク特性曲線３２からは高い回転数で電気機械５から得られるトルクが大幅に低下することがわかる。したがってハイブリッドドライブシステム２のブースト動作は、破線３４で示された内燃機関回転数または電気機械回転数までしか行われない。破線３５で示されたブースト動作に対する最小の内燃機関回転数または最小の電気機械回転数の領域から破線３４で示されたブースト動作に対する最大の内燃機関回転数または最大の電気機械回転数までの領域をブースト領域と称する。

破線３４で示されたブースト動作に対する最大の内燃機関回転数またはブースト動作に対する最大の電気機械回転数が上方超過された場合に急激なトルクの低下が生じないようにするために、電気機械５のトルクは破線３４で示された最大の電気機械回転数の下方の領域３６で調整される。ハイブリッドドライブシステム２がブースト領域で駆動される場合、コンデンサ蓄積器１０に目標エネルギが蓄積され、少なくとも短時間のブースト動作が可能となり、バッテリ１２へアクセスしなくて良くなると有意である。破線３７で示された第１の回転数しきい値が上方超過されてからバッテリ１２の充電が必要とされる場合、コンデンサ電圧は低減され、スイッチ１４は閉鎖され、バッテリ１２は電気機械５のジェネレータ動作で直接に充電される。回転数が破線３８で示された第２の回転数しきい値まで低下するかまたは減速過程が開始されると、スイッチ１４は開放され、バッテリ１２の充電は終了される。

なお破線３７で示された第１の回転数しきい値と破線３８で示された第２の回転数しきい値とはまとめることもできるが、破線３８で示された第２の回転数しきい値を破線３７で示された第１の回転数しきい値よりも幾分小さく定めておくと有利である。なぜならそのようにすればハイブリッドドライブシステム２が所定の時間範囲にわたって破線３７で示された第１の回転数しきい値近傍の内燃機関回転数または電気機械回転数で駆動される場合に、頻繁な電圧低下、スイッチ１４の閉成および開放の交替、およびコンデンサ蓄積器１０の充電が阻止されるからである。破線３７で示された第１の回転数しきい値は、有利には２５０Ｕ／ｍｉｎであり、有利には５００Ｕ／ｍｉｎであり、特に有利には破線３４で示されたブースト動作に対する最大の内燃機関回転数または最大の電気機械回転数を超える７５０Ｕ／ｍｉｎである。これによりコンデンサ蓄積器は新たにブースト領域へ移行する前にはエネルギ目標値へ達していることになる。ブースト動作に対する最大の内燃機関回転数または最大の電気機械回転数は一般には内燃機関３の定格回転数の６０％未満、有利には５０％未満、特に有利には３０％未満である。

ハイブリッドドライブシステムの概略図である。 内燃機関および電気機械のトルクを回転数に対して示したグラフである。

符号の説明

１ 車両、 ２ ハイブリッドドライブシステム、 ３ 内燃機関、 ４ 付加的なカップリング部、 ５ 電気機械、 ６ カップリング部、 ７ トランスミッション、 ８ ハイブリッドエネルギ蓄積器、 ９ エネルギ電子回路、 １０ コンデンサ蓄積器、 １１ 端子、 １２ バッテリ、 １３ 第１のＤＣ／ＤＣ変換器、 １４ スイッチ、 １５ 電源回路網、 １６ バッファバッテリ、 １７ 負荷、 １８ 第２のＤＣ／ＤＣ変換器、 １９ 制御装置、 ２０ 回転数センサ、 ２１ ステータスセンサ

Claims (20)

1. 内燃機関（３）、電気機械（５）および制御装置（１９）から成る車両（１）のハイブリッドドライブシステム（２）がハイブリッドエネルギ蓄積器（８）を有しており、該ハイブリッドエネルギ蓄積器はスイッチ（１４）を介して並列に接続されたバッテリ（１２）およびコンデンサ蓄積器（１０）を有しており、スイッチ（１４）を介してバッテリ（１２）はハイブリッドエネルギ蓄積器（８）の端子（１１）から分離可能である、
   ハイブリッドエネルギ蓄積器の駆動方法において、
   少なくとも１つのハイブリッドドライブシステム（２）の駆動パラメータおよびハイブリッドエネルギ蓄積器（８）のダイナミックパラメータを検出または導出し、
   制御装置（１９）により少なくとも１つの駆動パラメータおよびダイナミックパラメータに依存してコンデンサ蓄積器（１０）の電圧をほぼバッテリの充電終了電圧のレベルまで低減してスイッチ（１４）を閉成させ、
   閉成されたスイッチ（１４）によって形成される電気線路を介してバッテリ（１２）を充電する
   ことを特徴とするハイブリッドエネルギ蓄積器の駆動方法。
2. 少なくとも１つの駆動パラメータは内燃機関回転数または電気機械回転数であり、該内燃機関回転数または電気機械回転数と第１の回転数しきい値とを比較し、内燃機関回転数または電気機械回転数が第１の回転数しきい値よりも大きい場合にのみコンデンサ蓄積器の電圧低減およびスイッチの閉成を行う、請求項１記載の方法。
3. ダイナミックパラメータはバッテリ（１２）の充電状態およびコンデンサ蓄積器（１０）の電圧を含み、該コンデンサ蓄積器の電圧とコンデンサ蓄積器の定格電圧レベルとを比較し、コンデンサ蓄積器の電圧がバッテリの定格電圧レベルを上回る場合にコンデンサ蓄積器の電圧を低減させ、またバッテリの充電状態と充電状態しきい値とを比較し、バッテリの充電状態が充電状態しきい値を下回る場合にスイッチを閉成する、請求項１または２記載の方法。
4. 第１の回転数しきい値は電気的なブースト動作に対する最大の内燃機関回転数または電気的なブースト動作に対する最大の電気機械回転数よりも大きい設定回転数である、請求項２または３記載の方法。
5. 電気的なブースト動作に対する最大の内燃機関回転数または電気的なブースト動作に対する最大の電気機械回転数は内燃機関の定格回転数の所定のパーセント成分に相応する、請求項２から４までのいずれか１項記載の方法。
6. バッテリ温度および／またはバッテリ状態を検出し、該バッテリ温度および／またはバッテリ状態に基づいて充電状態しきい値を定める、請求項３から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 内燃機関回転数または電気機械回転数が第２の回転数しきい値を下回る場合に前記スイッチ（１４）を開放し、コンデンサ蓄積器（１０）をエネルギ目標値まで充電する、請求項２から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 内燃機関回転数または電気機械回転数が第２の回転数しきい値よりも大きいあいだは、バッテリの充電状態が上方の充電状態しきい値に達するかまたはバッテリの充電状態変化量が充電状態変化量しきい値に達するまでバッテリ（１２）の充電を続行する、請求項２から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 少なくとも１つの駆動パラメータおよび／またはハイブリッドエネルギ蓄積器（８）のダイナミックパラメータに依存し、コンデンサ蓄積器（１０）とバッテリ（１２）とのあいだでこれらを接続しているＤＣ／ＤＣ変換器（１３）を介してエネルギを交換する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. バッテリ（１２）での最大の充電終了電圧のレベルが上方超過されないようにバッテリの充電電流を制限する、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 内燃機関（３）、電気機械（５）および制御装置（１９）から成る車両（１）のハイブリッドドライブシステム（２）がハイブリッドエネルギ蓄積器（８）を有しており、該ハイブリッドエネルギ蓄積器はスイッチ（１４）を介して並列に接続されたバッテリ（１２）およびコンデンサ蓄積器（１０）を有しており、スイッチ（１４）を介してバッテリ（１２）はハイブリッドエネルギ蓄積器（８）の端子（１１）から分離可能である、
    ハイブリッドエネルギ蓄積器の駆動装置において、
    少なくとも１つのハイブリッドドライブシステム（２）の駆動パラメータおよびハイブリッドエネルギ蓄積器（８）のダイナミックパラメータが検出または導出され、
    制御装置（１９）により少なくとも１つの駆動パラメータおよびダイナミックパラメータに依存してコンデンサ蓄積器（１０）の電圧がバッテリの充電終了電圧のレベルへ低下されてスイッチ（１４）が閉成され、
    閉成されたスイッチ（１４）によって形成される電気線路を介してバッテリ（１２）が充電される
    ことを特徴とするハイブリッドエネルギ蓄積器の駆動装置。
12. 少なくとも１つの駆動パラメータは内燃機関回転数または電気機械回転数であり、該内燃機関回転数または電気機械回転数と第１の回転数しきい値とが第１の比較手段により比較され、内燃機関回転数または電気機械回転数が第１の回転数しきい値よりも大きい場合にのみコンデンサ蓄積器の電圧低減およびスイッチの閉成が行われる、請求項１１記載の装置。
13. ダイナミックパラメータはバッテリ（１２）の充電状態およびコンデンサ蓄積器（１０）の電圧を含み、該コンデンサ蓄積器の電圧とコンデンサ蓄積器の定格電圧レベルとが第２の比較手段により比較され、コンデンサ蓄積器の電圧がバッテリの定格電圧レベルを上回る場合にコンデンサ蓄積器の電圧が低減され、またバッテリの充電状態と充電状態しきい値とを比較し、バッテリの充電状態が充電状態しきい値を下回る場合にスイッチが閉成される、請求項１１または１２記載の装置。
14. 前記第１の回転数しきい値は電気的なブースト動作に対する最大の内燃機関回転数または電気的なブースト動作に対する最大の電気機械回転数よりも大きい設定回転数である、請求項１２または１３記載の装置。
15. 前記電気的なブースト動作に対する最大の内燃機関回転数または電気的なブースト動作に対する最大の電気機械回転数は内燃機関の定格回転数の所定のパーセント成分に相応する、請求項１２から１４までのいずれか１項記載の装置。
16. 温度センサによりバッテリ温度が検出され、および／またはバッテリ状態検出手段によりバッテリ状態が検出され、該バッテリ温度および／またはバッテリ状態に基づいてしきい値設定手段により充電状態しきい値が定められる、請求項１３から１５までのいずれか１項記載の装置。
17. 内燃機関回転数または電気機械回転数が第２の回転数しきい値を下回ることが第３の比較手段により検出されるとスイッチ（１４）が開放され、コンデンサ蓄積器（１０）がエネルギ目標値まで充電される、請求項１２から１６までのいずれか１項記載の装置。
18. 内燃機関回転数または電気機械回転数が第２の回転数しきい値よりも大きいあいだは、充電状態が上方の充電状態しきい値に達するかまたは充電状態変化量が充電状態変化量しきい値に達するまで制御装置（１９）によりバッテリ（１２）の充電が続行される、請求項１２から１７までのいずれか１項記載の装置。
19. 少なくとも１つの駆動パラメータおよび／またはハイブリッドエネルギ蓄積器（８）のダイナミックパラメータに依存し、ＤＣ／ＤＣ変換器（１３）を介してエネルギが交換されるようにコンデンサ蓄積器（１０）とバッテリ（１２）とが接続される、請求項１１から１８までのいずれか１項記載の装置。
20. バッテリ（１２）での最大の充電終了電圧のレベルが上方超過されないようにバッテリの充電電流が制限される、請求項１１から１９までのいずれか１項記載の方法。

Images