JP2009504469A - 自動車用ドライブトレイン及びドライブトレインの運転方法 - Google Patents

自動車用ドライブトレイン及びドライブトレインの運転方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、シリアルハイブリッド駆動装置を有する自動車用のドライブトレイン及びドライブトレインの運転方法に関する。運転性能の向上及び/又は燃料消費量の低減を図るため、その出力軸(W1)が第1電気機械(PSM)に回転式に固定して連結される内燃機関(VM)と、被駆動車輪に機械的に連結される第2電気機械(ASM)と、第1及び第2電気機械(PSM、ASM)から電気エネルギーの供給を受けることができると共に、第1及び第2電気機械(PSM、ASM)に電気エネルギーを供給することができるバッテリ(BAT)と、電気エネルギーアキュムレータ(PBat)と第1電気機械(PGensoll)との間に出力配分するための制御ユニット(PCU)と、を有するドライブトレインにおいて、第1電気機械(PSM)の回転速度(n)及び内燃機関の出力(PGensoll)が制御される。

Description

本発明はシリアルハイブリッド駆動装置を有する自動車用のドライブトレインに関する。本発明は、又、シリアルハイブリッド駆動装置を有する自動車のドライブトレインの運転方法にも関する。
いわゆるシリアルハイブリッド駆動装置を有する自動車が知られている。この自動車においては、通常運転時は、第1電気機械が内燃機関によって発電態様で駆動され、電気エネルギーを電気エネルギーアキュムレータ、例えば主電池に供給する。電気エネルギーアキュムレータからエネルギーの供給を受ける第2電気機械が、少なくとも1つの被駆動車輪を介して車両を推進する。第2電気機械は、同様に、制動モード又は惰行モードにおいては発電機として電気エネルギーをエネルギーアキュムレータに供給することができる。
特許文献1にシリアルハイブリッド駆動装置を有する自動車が記載されているが、この駆動装置においては、運転者の出力増大要求に基づいて、内燃機関の回転速度がスロットル開口の拡大によって高められる。さらに、内燃機関の速度を高めるために、発電運転される第1電気機械を、駆動運転される第2電気機械から電気的に完全に又は部分的に切り離すことが追加提案されている。
燃料供給による内燃機関の回転速度制御は、特に、例えば都市走行の場合のようにエンジン速度を高頻度かつ急速に変更する運転サイクルにおいては不利である。内燃機関を動的に運転するには、低い回転速度においても、回転速度を急速に増大させるために大きな燃料噴射量が必要である。このような燃料噴射量は、その動力が比較的低いにも拘らず、排気ガス中の汚染物質濃度を高め、かつ燃料消費量を増大させるという結果を招く。
独国特許出願公開第41 33 014 A1号明細書
本発明の目的は、高い運転性能及び/又は低い燃料消費量が達成される自動車用のドライブトレインとドライブトレインの運転方法とを提案することにある。
この目的は請求項1の特徴を有する装置及び請求項5の特徴を有する方法によって実現される。
本発明によるドライブトレインは、その出力軸が第1電気機械に回転式に固定して連結される内燃機関と、被駆動車輪に機械的に連結される第2電気機械と、第1及び第2電気機械から電気エネルギーの供給を受けることができると共に、第1及び第2電気機械に電気エネルギーを供給することができる電気エネルギーアキュムレータと、電気エネルギーアキュムレータと第1電気機械との間に出力配分するための制御ユニットとを含み、電気エネルギーアキュムレータは、中間回路を介して、第1電気機械に電気接続される第1変換器並びに第2電気機械に電気接続される第2変換器に電気接続され、第1変換器は、制御ラインを経由して回転速度制御器に接続される、という特徴を有する。
これによって、第1電気機械を、高度に動的な速度制御方式で有利に運転できるようになり、内燃機関からの支援なしに回転速度を急速調節することが可能になる。又、第1電気機械の回転速度制御によって、惰行モードにおける内燃機関の回転速度を確実に制限し得るようになる。
ドライブトレインのインバータの代わりに、エネルギー回生が不可能な整流器を用いると、内燃機関を第1電気機械で始動することができない。この理由から、従来型駆動装置の場合のように、アイドルモードにおいてエネルギーは必要でなくても内燃機関の運転が必要になる。従って、始動−停止モードを実行することができない。
本発明の場合は、始動−停止モードを、第1電気機械の回転速度に対する適切な制御変数を設定するだけで、制御システムにおける構造的な切り換え操作なしに簡単に有利に実行できる。
その出力駆動軸が第1電気機械に回転式に固定して連結される内燃機関と、被駆動車輪に機械的に連結される第2電気機械と、第1及び第2電気機械からエネルギーの供給を受けることができると共に、第1及び第2電気機械に電気エネルギーを供給することができる電気エネルギーアキュムレータと、電気エネルギーアキュムレータと第1電気機械との間に出力配分するための制御ユニットとを含むドライブトレインの本発明による運転方法においては、第1電気機械の回転速度及び内燃機関の出力が制御される。
内燃機関に対する出力又はトルク指令は、直接、燃料量によって、トランジェント(過剰エンリッチ)状態を避けながら、速度上昇中の排出物質及び燃料消費量の値の増大なしに行われる。それは、又、定常状態の出力管理、従ってエネルギーアキュムレータの充電及び放電をも決定する。最適点もしくは最良の曲線上における内燃機関の有利な定常状態運転は、第1電気機械と対応する燃料噴射量とを用いて回転速度を直接設定することによって定めることができる。この燃料噴射量は、特性曲線を用いて制御されるか、あるいは、精度を上げるために上位の出力又はトルク制御システムによって制御される。内燃機関は、2点運転においては最高効率の最適点で運転されるかあるいは停止しているが、これに対して要求対応運転の場合には、高効率と共にエネルギーアキュムレータの低負荷も実現される。
2つの運転モード間の切り換えは、エネルギーアキュムレータの好ましい平均的充電状態を勘案しながら、エネルギーアキュムレータ及び内燃機関/第1電気機械の全損失の最適化に基づいて効果的に行うことが望ましい。
車両の運動エネルギー及び/又はポテンシャルエネルギーを電気システムの中にフィードバックする回生モードにおいては、内燃機関を、第1電気機械の速度制御システムによって、惰行運転において燃料噴射することなく、必要な出力吸収量に調整できることが望ましい。この調整は、充電電流による電気エネルギーアキュムレータの負荷が許容限界内に規定どおりに留まるように行われる。
1つの発展形態においては、第1電気機械の速度制御システムの入力側に、電圧制限制御システム又は充電電流制限制御システムが接続される。この方法で、電気エネルギーアキュムレータの制限値を十分急速に遵守することができ、かつ、機械的摩擦ブレーキを穏やかに取り扱うことができる。機械的摩擦ブレーキは、動力の平衡が恒常的に維持できない時に初めて用いられるものだからである。
本発明のさらなる利点は以下の説明及び図面から明らかになる。図面には、本発明の具体的な例示的実施形態を簡略化して表現しており、以下に詳しく説明する。
図1は、本発明による自動車用のドライブトレインの例示的実施形態を示す。このドライブトレインにおいては、内燃機関VMが、駆動軸W1を介して、回転式に固定して、第1電気機械PSM、好ましくは永久励磁型同期機に連結される。第2電気機械ASM、好ましくは非同期機は、軸W2を介して少なくとも間接的に被駆動車輪(図示なし)に連結される。この第2電気機械ASMは、軸W2を介して、シフト不可能な減速歯車の入力軸に連結することが好ましい。しかし、第2電気機械ASMを、トランスミッションの入力軸又はトランスミッションの出力軸に機械的に連結すること、あるいは、被駆動車軸又は車輪に直接連結することも可能である。この場合は、本発明によるドライブトレインを複数の第2電気機械ASMを有する形に構成することも可能である。
第1電気機械PSMは第1変換器GEを介して、第2電気機械ASMは第2変換器FEを介して中間回路ZKに接続される。電気エネルギーアキュムレータ(BAT)がバッテリの形態である場合は、それを中間回路ZKに直接電気接続することが好ましい。例えば、電気エネルギーアキュムレータ(BAT)がスーパーキャップの形態である時にアキュムレータ電圧の充電による変動が生じる場合には、電気エネルギーアキュムレータ(BAT)を、DCレギュレータを介して中間回路ZKに接続してもよい。変換器GE、FEはパルス制御変換器の形態であることが望ましい。
以下、電気エネルギーアキュムレータ(BAT)がバッテリの形態である場合を例に説明する。通常運転においては、内燃機関VMによって駆動される第1電気機械PSMが、バッテリ(BAT)に電気エネルギーを供給する。続いてバッテリ(BAT)は、電気エネルギーを、第2電気機械ASMに供給し、その第2電気機械ASMが車両を推進する。同様に、第2電気機械ASMは、制動モード又は惰行モードにおいては、発電機としてバッテリ(BAT)に電気エネルギーを供給することができる。第2電気機械ASMの変換器FEは制御装置FERによって制御されるが、この制御装置FERには、例えばアクセル及びブレーキペダルによって運転者が要求する所定駆動トルクMAsollが供給される。
高位の制御ユニットPCUが、バッテリPBatと第1電気機械PGensollとの間の出力配分を制御する。好ましい配分、すなわち損失最小化配分は運転状態に応じて有利に調整され、バッテリ管理システムBMSによって算定されるバッテリ(BAT)の実際の充電状態SOCが必要な範囲内に維持される。さらに、バッテリ電圧UBat及びバッテリ電流IBatの許容値を遵守する必要性が考慮される。
内燃機関の出力PGensollは、運転者が要求する駆動トルクMAsoll又はその結果としての駆動動力PAnと、バッテリ管理システムBMSによって算定され、特に充電状態SOCによって変化するバッテリ(BAT)の実際の負荷容量と、測定される車両の運転速度vとに従って計算される。この出力PGensollに関しては、内燃機関VMの好ましくかつ可能であれば最適の回転速度nsollと、必要な内燃機関のトルクMsollとが、内燃機関VMの入力−出力マップKに基づいて算定される。好ましい回転速度nsollは、燃料消費量及び/又は排気ガスの排出物質量を参照して最適に選定すればよい。特に、例えばバッテリ(BAT)の充電状態SOCが必要とすれば、駆動運転の間、内燃機関VMを停止することもできる(始動−停止モード)。内燃機関VMへの燃料供給(噴射)は、必要トルクMsollに従って、エンジンの制御ユニットMCUによって効果的に実行される。
本発明によれば、好ましい回転速度nsollは、第1電気機械PSMの第1速度調整器GERによって調整され、出力PGensollは内燃機関VM上の噴射装置によって調整される。続いて、バッテリの電力PBatは、中間回路の電圧UZK及び第2電気機械ASMにおける電流IAnの積によって生成される駆動動力PAnと、第1電気機械PSMの出力との間の差異に従って自動的に確定される。
例えば、回転速度の増大が要求されると、この増大は、第1電気機械PSMに印加される電流IGenを通して第1速度調整器GERによって調整され、内燃機関の出力PGensollは適量の燃料噴射によって調節される。
図1に示す本発明によるドライブトレインの例示的実施形態は、保護機能及び制限機能なしに表現されている。第1電気機械PSMの制御におけるバッテリ(BAT)の制限値を遵守するための本発明による制限制御システムを図4に示す。
図2及び3は、制御ユニットPCUによる動力配分の異なる運転モードを表している。
図2の動力配分においては、内燃機関VMは2点モードで運転される。このモードにおいては、内燃機関VMは、最適点で運転しているかあるいは停止しているのみである。第1電気機械の必要な出力PGensollは、運転者が要求する動力PAnとその結果としてのバッテリの電力PBatとによって変化するものとして表現されている。要求動力PAnが規定された最小動力よりも小さい場合は、動力PBatはバッテリのみから引き出され、内燃機関の出力PGensollはゼロで、内燃機関VMは停止している。最小動力を超えると、内燃機関VMは始動され、最適点で運転される。生成される余剰動力はバッテリの充電に用いられる。最適点を超えた動力においては、2つの動力源が協同して駆動エネルギーを車輪に供給する。要求動力PAnが非常に高い場合、又はバッテリ(BAT)の負荷容量状態が低い場合は、内燃機関VMの最大出力も供給される。
図3の動力配分においては、内燃機関VMが要求対応モードにある。この運転モードにおいては、内燃機関VMは、変化する出力PGensoll及び回転速度nによって最適曲線に調整される。この場合も、内燃機関VMは、最小動力を超えて初めて始動される。内燃機関VMは、続いて、車両に現在必要な動力PAnを正確に供給する。これによって、駆動動力PAnが低い場合のバッテリ(BAT)の付加的な充電又は放電が避けられる。この運転モードにおいては、バッテリ(BAT)の充電は平均して少ないが、バッテリに対するストレスも小さい。最適点動力を超えた場合にのみ、両方の動力源が再度協同して駆動用のエネルギーを供給する。この場合は、バッテリは回生モードにおいてのみ充電される。
2つの運転モードの間を連続的に移行することによって、かつ、最小動力を適切に選定することによって、バッテリ(BAT)の平均の充電状態SOCを所要の値に維持できる。
2つの運転モード間の切り換えは、例えば、損失最小化機能に従って行われる。例えば、バッテリ(BAT)の放電及び充電損失が要求対応モードにおける内燃機関VMの損失よりも大きい場合は、2点モードから要求対応モードに切り換えることが妥当であろう。
バッテリ(BAT)の限界値を遵守することは、基本的に、制御ユニットPCUの機能によってのみ確実に達成できる。本発明によれば、図4に示すように、第1電気機械PSMを制御するための、特に急速作動する高位の制限制御システムが設けられる。それによって、バッテリの制限値を十分急速に遵守し得ると共に、機械摩擦ブレーキをより穏やかに使用することができる。
バッテリ(BAT)充電時の過大電圧に対する防護は最速で作動するべきである。このため、中間回路電圧UZKに等しい実際の電圧値UBatistを第1速度制御器GERにおいて測定し、それを、第1電気機械PSMの速度制御システムの入力側に接続される電圧制限制御システムSBRにおいて現時点の許容最大DC電圧値UBatmax(バッテリ管理システムBMSから送られる)と比較する。さらに、充電電流IBatistが過大になると電圧がまだ高過ぎなくても介入する充電電流制限制御器LBRが設けられる。実際の充電電流値IBatist及び許容最大充電電流値IBatmaxがバッテリ管理システムBMSの充電電流制限制御器LBRに伝送される。過大なバッテリ電圧が発生すると、電圧制限制御器SBRが、直ちに、nZusだけ高められた第1電気機械PSMの回転速度を設定する。nZusだけ高められた回転速度は、又、過大なバッテリ電流が生じた場合に充電電流制限制御器LBRによっても設定される。それによって惹起される内燃機関VM及び第1電気機械PSMの加速の結果として、エネルギーが中間回路ZKからきわめて急速に引き抜かれて回転質量に一時的に貯蔵され、その結果、中間回路ZKからのこのエネルギー引き抜きが過大電圧又は過大電流を打ち消すことになる。
同時に、電圧制限制御器SBRの出力側から信号DICEを引き出し、この信号によって、CANバス上における対応時間遅れのために僅かに遅れて、内燃機関VMのなお有効なあらゆる噴射を終了し、さらに、ブレーキバルブ及び/又は一定スロットルを回転速度に応じてスイッチオンする。このようにアクティブ化される惰行モードにおいては、内燃機関VMが、回転速度に応じて制動動力を吸収し、結果として生じるエネルギーを消散させる。これによって、中間回路ZKにおける過大電圧又は過大電流がさらに打ち消される。
吸収されるべき動力が内燃機関VMにとって大きすぎる場合は、第1電気機械PSMが許容最大惰行速度nICEmaxに達する。従って、前記の速度指令による電圧制限制御SBRが十分機能しないので、過剰エネルギーを熱に転換するブレーキ抵抗を付加的に接続する。ブレーキ抵抗用の動力指令は電圧制限制御器SBRから引き出されるが、この動力指令は、対応する電流IBremsを制御することによって効果的に実行される。
この付加的な動力でも十分でない場合には、電圧制限制御器SBRから下向き制御信号DAntrが引き出され、車両を推進する第2電気機械ASMに伝送される。これによって発電し得る制動動力は制限される。この場合、所要の制動動力との差異は、従来型の摩擦ブレーキによって発生させる必要がある。
過大電圧の場合の上記の手順は、過大電流が存在する場合にも同様に当てはまる。
場合によって回転速度nZusだけ高められるか、あるいは許容最大惰行速度nICEmaxに制限される好ましい回転速度nsollは、実際の回転速度nistと比較される。この比較から、第1速度制御器GERが、第1電気機械PSMに印加される第1トルク発生電流IGenを決定する。エンジン駆動モードにおいては、これは、最大値IGenmaxに制限されるが、発電モードにおいては最小値IGenminに制限される。
本発明によるドライブトレインを概略的に示した図である。 内燃機関の2点運転における動力分布を示すグラフを示す図である。 内燃機関の要求対応運転における動力分布を示すグラフを示す図である。 内燃機関に連結される電気機械の本発明の制御システムを概略的に示した図である。

Claims (13)

  1. 出力駆動軸(W1)が第1電気機械(PSM)に回転式に固定して連結される内燃機関(VM)と、被駆動車輪に機械的に連結される第2電気機械(ASM)と、前記第1及び第2電気機械(PSM、ASM)から電気エネルギーの供給を受けることができると共に、前記第1及び第2電気機械(PSM、ASM)に電気エネルギーを供給することができる電気エネルギーアキュムレータ(BAT)と、前記電気エネルギーアキュムレータ(PBat)と前記第1電気機械(PGensoll)との間に出力配分するための制御ユニット(PCU)と、を有する自動車用のドライブトレインであって、
    前記電気エネルギーアキュムレータ(BAT)は、中間回路(ZK)を介して、前記第1電気機械(PSM)に電気接続される第1変換器(GE)並びに前記第2電気機械(ASM)に電気接続される第2変換器(FE)のそれぞれに電気接続され、
    前記第1変換器(GE)は、制御ラインを経由して第1速度制御器(GER)に接続されることを特徴とするドライブトレイン。
  2. 前記内燃機関(VM)が、前記内燃機関の出力(PGensoll)を設定するエンジン制御ユニット(MCU)に接続されることを特徴とする請求項1に記載のドライブトレイン。
  3. 前記第1速度制御器(GER)の入力側に制限制御器(SBR、LBR)が接続されることを特徴とする請求項1あるいは2に記載のドライブトレイン。
  4. 前記第2電気機械(ASM)がトランスミッションの入力軸に機械的に連結されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のドライブトレイン。
  5. 出力駆動軸(W1)が第1電気機械(PSM)に回転式に固定して連結される内燃機関(VM)と、被駆動車輪に機械的に連結される第2電気機械(ASM)と、前記第1及び第2電気機械(PSM、ASM)から電気エネルギーの供給を受けることができると共に、前記第1及び第2電気機械(PSM、ASM)に電気エネルギーを供給することができる電気エネルギーアキュムレータ(BAT)と、前記電気エネルギーアキュムレータ(PBat)と前記第1電気機械(PGensoll)との間に出力配分するための制御ユニット(PCU)と、を有する自動車用のドライブトレインの運転方法であって、
    前記第1電気機械(PSM)の回転速度(n)及び前記内燃機関の出力(PGensoll)を制御する運転方法。
  6. 前記内燃機関(VM)の回転速度を所要に応じて変更する場合、前記第1電気機械(PSM)の回転速度(n)及び前記内燃機関の出力(PGensoll)を制御することを特徴とする請求項5に記載の方法。
  7. 前記方法が、前記必要な内燃機関の出力(PGensoll)を、要求される駆動動力(PAn)と、前記電気エネルギーアキュムレータ(BAT)の負荷容量と、自動車の運転速度(v)と、に従って決定するステップと、
    前記内燃機関(VM)の好ましい回転速度(nsoll)及び必要な燃料供給量を算定するステップと、
    前記好ましい回転速度(nsoll)を、第1速度制御器(GER)によって制御される前記第1電気機械(PSM)によって調整し、前記内燃機関の出力(PGensoll)を必要な燃料量の噴射によって調整するステップと、を含むことを特徴とする請求項6に記載の方法。
  8. 前記内燃機関の出力(PGensoll)を実際上定常状態になるように設定することを特徴とする請求項5〜7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記内燃機関(VM)を2点モードで運転することを特徴とする請求項5〜8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記内燃機関(VM)を要求対応モードで運転することを特徴とする請求項5〜8のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記内燃機関(VM)を選択的に2点モード又は要求対応モードで運転することを特徴とする請求項5〜8のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記第1電気機械(PSM)の回転速度(n)が制限制御器(SBR、LBR)によって高められることを特徴とする請求項5〜11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 許容最大惰行回転速度(nICEmax)に達した後、ブレーキ抵抗の電流(IBrems)を前記制限制御器(SBR、LBR)によって制御することを特徴とする請求項12に記載の方法。
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