JP2013198400A - プラグイン車のバッテリの充電率を制御するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラグイン車のバッテリの充電率を制御するための方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、プラグイン車のバッテリの充電率を制御するための方法であって、バッテリの目標充電率が予め設定され、現充電率が計測され、目標充電率と対応する現充電率とから算出される差に依存して、バッテリに関する各時点での充電モードが選択され、その充電モードの実施を決定される方法に関する。さらに、本発明は、対応する制御ユニットに関する。
【選択図】 図２a

Description

本発明は、プラグイン車のバッテリの充電率を制御するための方法に関する。さらに、本発明は、プラグイン車のバッテリの充電率を制御するための対応する制御ユニットに関する。

プラグイン車またはプラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＦまたはＰＨＥＶ；ｐｌｕｇ−ｉｎ−ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）は、一般に、ハイブリッド駆動機構を備え、さらに電力網を介して外部からバッテリを充電することができる自動車を意味する。大抵は、プラグイン車は、純ハイブリッド車よりも大きいバッテリを備え、したがって、ハイブリッド車と電気自動車とを併合した形態である。

そのようなプラグイン車は、様々な駆動コンセプトから開発された。ハイブリッド駆動と純電気駆動をその前身とみなすことができる。既にハイブリッド車でも、特定の走行状態では純粋に電気的に走行することができるが、そのためのバッテリは、特定の最低充電率を必然的に有する。バッテリがそれよりも強く放電される場合、提供される制御機能によって、電気駆動機構が使用不可にされる。それに対し、初期のプラグイン車は、原型のハイブリッド車よりもエネルギー容量がそれほど大きいわけではないが、充電スタンドまたは家庭用コンセントにつないでさらに充電することができるバッテリを備えていた。これにより、電気駆動機構の機能を明確に拡張することができた。なぜなら、電気駆動による走行に必要なエネルギー量を、走行時にまず内燃機関で発生させる必要はなく、家庭用コンセントにつないで夜のうちに充電しておくことによって予め準備することができるからである。

さらに、プラグイン車の開発は、別の動機からも行われた。そのような開発では、既存の電気自動車に基づき、さらなる走行が可能でなくなるようなバッテリ充電率になった場合に、走行中にも車両のバッテリを充電することができる可能性が提供された。したがって、これらの車両は、いわゆるレンジエクステンダ（Ｒａｎｇｅ Ｅｘｔｅｎｄｅｒ）を利用可能である。レンジエクステンダは、例えば、発電機によってバッテリを充電する役割を担う内燃機関である。このようなレンジエクステンダによって初めて、原型の電気自動車がハイブリッド車となった。

一般に、プラグインハイブリッド車は、バッテリ車の利点とガソリン車の利点を結び付ける。比較的近距離の移動および都市交通では、電気駆動機構を備える車両は、静かに、排気ガスを排出せずに、かつバッテリからの電流を用いて経済的に走行し、一方、例えば内燃機関など第２の駆動機構によって、この車両は、バッテリが空になった場合でもさらに走行し、したがってより長い航続距離が可能になる。

独国特許出願公開第１０ ２００７ ０２０ １９６号明細書

以上のことから、本発明の課題は、いわゆるプラグインハイブリッド車（以下では単にプラグイン車と呼ぶ）の運転者に、車両の走行中にプラグイン車のバッテリの充電率、したがって電気による航続距離に影響を及ぼす（特に増加させる）ことができる可能性を提供することであった。

既に冒頭で述べたように、プラグイン車のバッテリは、基本的には、別のハイブリッド車での同等のバッテリよりもかなり大きいエネルギー容量を有し、それにより、電気による航続距離はかなり延びる。また、さらなる根本的な相違点は、対応するバッテリの放電深度にある。いわゆるフルハイブリッド車は、基本的には、利用するバッテリの有効充電範囲が、バッテリの全バッテリ充電量または全エネルギー容量の約１５％〜２０％であり、それにより、バッテリが消耗するまでに数十万回のバッテリ充電サイクルを達成する。それに対し、プラグイン車は、有効充電範囲として、バッテリのエネルギー容量のほぼ全体を利用することができる。

しばしば、プラグイン車の電気による航続距離は、小さなシリンダ容積を有する内燃機関によって補われる。充電率がある下限値を下回ると、内燃機関が利用されて、発電機を駆動し、発電機がバッテリを再充電することができる。それにより、複合動力によって、従来の車両に相当する車両航続距離を達成することができる。

上記の従来技術の背景を元に、ここで、本発明により、プラグイン車のバッテリの充電率を制御するための方法であって、バッテリの目標充電率が計算され、現充電率が計測され、目標充電率と対応する現充電率とから算出される差に依存して、バッテリに関する充電モードが選択され、その充電モードの実施が決定される方法が提案される。

運転者が、いわゆる「充電ボタン」（増加モード）を押すことによって、目標充電率を上昇させ、それによりバッテリの充電を開始することができることが既に知られている。ここで、目標充電率は、対応するプラグイン車の走行距離と共に上昇し、その結果、充電が開始され、それにより、現充電率が、車両の走行距離に対する目標充電率の推移にほぼ一致する。その際、目標充電率の上昇は、走行距離にわたる走行速度にも依存する。

それに対し、ここで、本発明は、計算された目標充電率と計測された現充電率とに依存して、またはそれらの差に依存して、バッテリに関する特有の充電モードを選択することを提案する。それにより、充電モードを運転者の要求に適合させることができ、運転者は、やはり基本的には活動化ユニットによって、例えば車両の電源系統にある適宜押すことができるボタンによってバッテリの充電を開始する。それにより、走行状況およびバッテリの充電率に応じて、バッテリに関する選択された充電モードによって、バッテリの目下の現充電率から、望みの航続距離を所期の通りに達成することができるようになる。

したがって、一般に、本発明は、駆動ストラテジのためのプラグイン車（ＰＨＥＶ）の充電モードに関する。そのような駆動ストラテジでは、対応するバッテリの確保された窓範囲または有効充電範囲内で、始動停止ストラテジと充電強度の選択とが行われる。通常のハイブリッド車または電気自動車のバッテリとは異なり、プラグイン車では、基本的には、バッテリの全エネルギー容量が有効充電範囲として受け入れられる。有効充電範囲の大きさは、基本的には予め規定されるが、有効充電範囲の位置、すなわち対応する窓の位置は変えることができ、すなわち目標充電率によって決定される。それに対し、対応する目標充電率よりも上と下の範囲への有効充電範囲または窓の配分は予め規定されている。したがって、目標充電率の上昇により、その度に有効充電範囲全体または窓全体がずらされ、それに対応して、駆動ストラテジ、すなわち始動停止挙動や充電強度の選択などに影響が及ぼされる。

これは、ほぼすべての現充電率で、バッテリをさらに充電することができることを意味し、したがって、いわば、目標充電率として、バッテリの潜在的に使用可能なエネルギー含量を完全に利用することができる。その際、目標充電率が、それぞれの有効充電範囲内で、有効充電範囲の上限に対してある所定の間隔を有し、かつ、それぞれの有効充電範囲の下限に対してもある間隔、場合によっては異なる間隔を有することにのみ配慮すればよい。それにより、目標充電率の選択は、バッテリの潜在的に使用可能なエネルギー容量内で上下共に制限される。しかしまた、目標充電率は任意に変動させることができ、したがって、通常のハイブリッド車または電気自動車での従来のバッテリにおける通例よりもかなり広い制限範囲内で変動させることができる。

確保された窓範囲または有効充電範囲内で、新たな目標充電率が計算され、この目標充電率は、窓範囲の引上げのために使用され、すなわち充電量を増加し、したがって電気による航続距離を延ばすという目的を有する。

有効充電範囲または確保される窓範囲を、対応する電源系統ごとに変える必要を事実上なくすために、有効充電範囲は相対尺度で表され、すなわち、実際のものよりも基本的には小さい仮想のバッテリが電源系統に予め設定される。

このとき、一般に、目標充電率と対応する現充電率との差が、目標充電率と現充電率の相対尺度に基づいて求められ、それにより相対尺度での差が得られる。絶対目標充電率としての実効の目標充電率は、絶対現充電率としての実際の現充電率と、いわゆるオフセットとの和として得られる。オフセットも目標充電率と現充電率の相対的な隔たりに依存し、したがって、例えば目標充電率と現充電率の相対的な隔たりが大きい場合には、目標充電率を急激に押し上げることができ、それにより、例えば電気駆動機構による走行力をより小さくし、充電強度をより高くすることを選択することができる。逆に、これは、目標充電率と現充電率の相対的な隔たりが小さい場合には、この差をさらに小さくし、選択された目標充電率に現充電率をさらに近付けるために充電モードが同時に選択されるにも関わらず、電気駆動によるさらなる走行が可能であることを意味する。

本発明による方法の可能な実施形態によれば、目標充電率は、時間の経過と共に、ある傾きで上昇する。これは、目標充電率が、例えば時間に対して一定に上昇し、したがって時間にのみ依存することを意味する。その際、ある特有の傾きを有する、時間に対する目標充電率の直線的な推移が得られる。

本発明による方法のさらなる実施形態によれば、ここで、傾きは、車両の目下の走行速度の関数として選択することもできる。すなわち、目標充電率、したがって既に上述したバッテリの窓または有効充電範囲は、時間と共に引き上げられるが、その際、上述したように、傾きは、目下の車両の走行速度の関数でよく、したがって、例えば高速時には、効率の観点などから、目標充電率が低速時よりも急激に上昇する。既に上述したように、目標充電率は、バッテリの各時点での有効充電範囲または対応する窓内で常に新たに計算することができ、全体として目標充電率の上昇する推移を達成する。目標充電率を時間と共に上昇させることができるこの場合には、目標充電率は、以下の式に従って計算することができる。

目標充電率（新）＝目標充電率（旧）＋（ＳＯＣ上昇）^＊Δｔ
ここで、「目標充電率（新）」は、現時点での目標充電率であり、「目標充電率（旧）」は、前の時点での目標充電率であり、「ＳＯＣ上昇」は、車両の速度の関数としての充電率（ＳＯＣ：ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）の傾きであり、Δｔは、時間の増分である。

本発明による方法のさらなる実施形態によれば、傾きは、バッテリの目下の現充電率の関数として選択される。これは、目標充電率が時間の経過と共に上昇し、その際、目標充電率の上昇の傾きは、バッテリの各時点での目下の現充電率に依存することを意味する。

ここで、各時点での目下の目標充電率の計算は、目標充電率と目下の現充電率との相対差に依存した目標充電率の計算と、時間にわたる目標充電率の上昇との組合せとして得られる。すなわち、目標充電率は時間と共に上昇するが、目標充電率と現充電率の隔たりが非常に大きい場合には、目標充電率は、目標充電率と現充電率の相対差に依存して急激に高められる（またはより高い傾きで上昇する）。これにより、電気駆動機構による走行力が大幅に低下され、充電強度がより高くなる。

本発明による方法のさらなる実施形態によれば、車両が停止しているときには、目標充電率が一定に保たれる。これは、この場合には目標充電率がさらには上昇せず、したがってバッテリのさらなる充電が開始されないことを意味する。

既に上述したように、始動停止ストラテジと充電モードの選択とのためにバッテリの有効充電範囲が確保され、有効充電範囲の位置は、所定の目標充電率に依存して変動され、有効充電範囲の大きさは、予め規定される。

本発明による方法のさらなる実施形態によれば、活動化ユニットの作動によって方法の実施が開始され、バッテリの目標充電率に関する計算命令が、呼出し可能に記憶されている。

さらに、本発明は、プラグイン車のバッテリの充電率を制御するための制御ユニットに関する。本発明による制御ユニットは、少なくとも１つの入力および計算モジュールを備え、入力および計算モジュールが、計算命令に基づいてバッテリの目標充電率を計算し、現充電率を計測し、目標充電率と対応する現充電率との差を算出し、算出された差に依存して、バッテリに関する充電モードを選択し、その充電モードの実施を決定するように構成されている。

さらに、本発明による制御ユニットは、始動停止ストラテジと充電モードの選択とのためにバッテリの有効充電範囲を確保し、有効充電範囲の位置は、計算された目標充電率に依存して変動され、有効充電範囲の大きさは、予め規定されているように設計することができる。

特に、本発明による制御ユニットは、上述した本発明による方法を実施するように設計することができる。これに関し、制御ユニットは、活動化ユニットを含み、活動化ユニットの作動が、方法の実施を開始し、バッテリの目標充電率に関する計算命令が、呼出し可能に記憶されている。

本発明のさらなる利点および形態は、本明細書および添付図面から明らかになろう。

本発明の範囲から逸脱することなく、前述および後述の特徴は、それぞれ提示した組合せでのみならず、別の組合せでも、または単独でも使用することができることを理解されたい。

本発明を、いくつかの実施形態に基づいて図面に図式的に示し、図面を参照しながら図式的に、かつ詳細に説明する。

本発明による方法の実施形態を実施したときの、バッテリの有効充電範囲の引上げをグラフで示す図である。 走行距離に対する自動車のバッテリの目標充電率の上昇をグラフで示す図である。 ΔＳＯＣとオフセットの関係を示す図である。 時間に対する自動車のバッテリの目標充電率の上昇をグラフで示す図である。 現充電率に依存する、時間に対する自動車のバッテリの目標充電率の上昇をグラフで示す図である。

図１は、バッテリの有効充電範囲、またはバッテリのいわゆるＳＯＣ窓（ＳＯＣ：充電率；ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）をグラフで示す。この図は、バッテリの目標充電率が上昇するときにＳＯＣ窓がバッテリの全エネルギー容量（縦軸に取られている）に対してずらされる様子を示す。計算された第１の目標充電率１００から始めて、次の目標充電率１０２が計算され、その結果、バッテリの充電率窓（ＳＯＣ窓）は、それに対応して、バッテリの全エネルギー容量の範囲内で同様にずらされる（または引き上げられる）。この窓の位置は、各時点での目標充電率１００または１０２によって決定される。その際、各時点での目標充電率１００または１０２よりも上と下の範囲への窓の配分は予め規定されている。ここでは、図１に示すラインよりも上の範囲をｘで示し、各時点での目標充電率よりも下の範囲を１−ｘで示す。図示されるように、目標充電率１００から目標充電率１０２への上昇によって窓全体がずれ、それに対応して、その背後にある駆動ストラテジに影響が及ぼされる。そのような駆動ストラテジでは、バッテリの各時点での確保された窓範囲内、すなわちＳＯＣ窓内で、始動停止ストラテジと充電強度の選択とが行われる。通常のハイブリッド車とは異なり、プラグイン車のバッテリの充電プロセスでは、バッテリの全エネルギー容量を利用することが可能であり、バッテリの充電率窓または有効充電範囲は、バッテリの全エネルギー含量に対して規定の範囲に制限されない。それにより、目標充電率は、比較的大きな範囲内で上昇させることができる。目標充電率を上昇させることができる範囲は、各時点での目標充電率よりも下の範囲によって予め設定されている下限と、目標充電率よりも上の範囲（これは、バッテリの取り得る全エネルギー容量よりも高くなってはならない）のみによって制限される。しかし、これらの制限範囲内で、目標充電率は比較的自由に選択可能である。それにより、充電ストラテジは、通常のハイブリッド車でのバッテリの使用において可能なよりもかなり自由度が高い。ここで、図示される確保された窓範囲内で、充電率１００から始めて、新たな目標充電率１０２が計算される。新たな目標充電率１０２の計算のために、各場合に１つの特有の計算命令（これは、呼出し可能に記憶されている）が参照され、それにより、この計算命令を元に、次の新たな目標充電率１０２を計算することができる。実線１０４は、対応する現充電率の推移を示す。

図２ａは、本発明による方法の実施形態を実施したときに提供することができる、プラグイン車のバッテリの目標充電率の実施可能な上昇を示す。ここで、自動車の走行距離が横軸２０に取られ、各場合のバッテリの充電率が縦軸２１に取られている。一点鎖線２０３は、各場合に計算されるバッテリの目標充電率の推移を示す。実線２０１は、バッテリの現充電率の推移を示し、破線２０２は、走行距離に対する速度の推移を示す。縦軸２１上の星印２０４によって、対応する自動車の運転者が、活動化ユニットを活動化させることによって、または充電ボタンを押すことによって充電プロセスを開始させることが表され、この充電プロセスは、本発明による方法の実施形態に基づいて行われる。ここで、目標充電率と対応する現充電率とから、現充電率に対する目標充電率の各時点での差が計算される。その際、差は相対差として計算される。これは、目標充電率が相対尺度で常に１００％に相当し、それに対して、現充電率がより低いパーセンテージであることを意味する。したがって、この差（以下、ΔＳＯＣと表す）は、相対尺度で示した相対差にも対応する。ΔＳＯＣは、以下のようにして得られる。

ΔＳＯＣ＝目標充電率（相対尺度）−現充電率（相対尺度）
次いで、絶対目標充電率、すなわち絶対尺度での目標充電率が、絶対尺度での現充電率に特定のオフセットを加えた和として得られる。これは、以下のように表現することができる。

目標充電率（絶対尺度）＝現充電率（絶対尺度）＋オフセット（絶対尺度）
図２ｂに示されるように、オフセットはΔＳＯＣに依存する。図２ｂでは、ΔＳＯＣが横軸２２に取られ、オフセットが縦軸２３に取られている。ここで、例えばΔＳＯＣが大きい場合には、目標充電率を急激に押し上げることができ、それにより、例えば電気駆動機構による走行力をより小さくし、充電強度をより高くすることが選択される。すなわち、逆に、ΔＳＯＣが小さい場合には、充電量増加モードにも関わらず、電気駆動機構による走行を許可することができ、このとき、より弱い充電強度で充電することができる。したがって、図２ａに示されるように、走行距離に対する目標充電率の推移２０３は、目標充電率と現充電率の各時点での差ΔＳＯＣに依存する。矢印２０５によって示されるように、ΔＳＯＣが高いと、より急激な突発的な目標充電率の上昇が生じる。

図３は、本発明による方法のさらなる実施形態で提供される、目標充電率の計算または上昇のさらなる可能性を示す。図３には、時間（横軸３０）に対する目標充電率の推移３０３が一点鎖線で描かれている。この図でも、現充電率は実線３０１で描かれている。さらに、速度が破線３０２で描かれている。この図でも、縦軸３１上の星印３０４によって、運転者がバッテリの充電を開始し、そこで本発明による方法の実施形態が始まることが表されている。ここでは、一定の勾配を有する線３０３の直線的な推移が示すように、目標充電率３０３は、時間と共に一定に上昇する。時間に対する目標充電率のこのような上昇は、当該の運転者にとって分かりやすいので有利である。

しかし、傾きは速度の関数でもよく、例えば高速時には、目標充電率は、低速時よりもゆっくりと上昇する。これは、例えば効率の観点で有益となり得る。目標充電率は、以下のように計算される。

目標充電率（新）＝目標充電率（旧）＋（ＳＯＣ上昇）^＊Δｔ
ここで、「目標充電率（新）」は、現時点での目標充電率を表す。「目標充電率（旧）」は、前の時点での目標充電率を表す。「ＳＯＣ上昇」は、速度の関数としての充電率の傾きを表し、Δｔは、増分を表す。

しかし、図４に示されるように、目標充電率の上昇を、時間と現充電率とに依存して行うことも可能である。図４において、やはり目標充電率の推移が一点鎖線４０３で示されている。現充電率が実線４０１で示され、時間（横軸４０）に対する速度の推移がやはり破線４０２で示されている。星印４０４によって、運転者が対応するバッテリの充電を開始すること、したがって本発明による方法のさらなる実施形態が始まったことが表される。この図に示される実施形態によれば、目標充電率４０３は、時間に依存して、および／または現充電率に依存して上昇する。現充電率と目標充電率にそれほど大きな差がない限り、すなわちオフセットがあまりにも大きすぎない限り、時点Ｔ０と時点Ｔ１の間の範囲内で見られるように、目標充電率は時間と共に上昇する。この範囲では、目標充電率４０３は、時間に対して一定の傾きを有して直線的に推移する。時点Ｔ１で、現充電率と目標充電率の間の比較的高いオフセットが確認されると、ここで、屈曲点４０５によって分かるように、目標充電率はまず、現充電率に依存して、より急激に上昇する。これにより、電気駆動機構による走行力が大幅に低下され、充電強度がより高くなる。屈曲点４０５の後、目標充電率の推移は、時点Ｔ２まで、再び現充電率には実質的に依存せず、時間のみに依存する。曲線４０２から分かるように、自動車は、時点Ｔ２で減速され、最後には時点Ｔ３で停止する。自動車が減速または停止している限り、目標充電率はさらには上昇せず、この範囲内では推移４０３は傾き０を有する。

１００、１０２ 目標充電率

Claims (11)

1. プラグイン車のバッテリの充電率を制御するための方法であって、前記バッテリの目標充電率が計算され、現充電率が計測され、目標充電率と対応する現充電率とから算出される差に依存して、前記バッテリに関する各時点での充電モードが選択され、前記充電モードの実施が決定される方法。
2. 前記目標充電率が、ある傾きを有して、時間の経過と共に上昇する請求項１に記載の方法。
3. 前記傾きが、前記車両の目下の走行速度の関数として選択される請求項２に記載の方法。
4. 前記傾きが、前記バッテリの各時点での目下の現充電率の関数として選択される請求項２に記載の方法。
5. 車両が停止しているときには、前記目標充電率が一定に保たれる請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 始動停止ストラテジと充電モードの選択とのために前記バッテリの有効充電範囲が確保され、前記有効充電範囲の位置は、所定の目標充電率に依存して変動され、前記有効充電範囲の大きさは、予め規定される請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 活動化ユニットの作動によって方法の実施が開始され、前記バッテリの前記目標充電率に関する計算命令が、呼出し可能に記憶されている請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. プラグイン車のバッテリの充電率を制御するための制御ユニットであって、入力および計算モジュールを備え、前記入力および計算モジュールが、計算命令に基づいて前記バッテリの目標充電率を計算し、現充電率を計測し、目標充電率と現充電率の各時点での差を算出し、前記算出された差に依存して、前記バッテリに関する各時点での充電モードを選択し、前記充電モードの実施を決定するように構成されている制御ユニット。
9. 始動停止ストラテジと充電モードの選択とのために前記バッテリの有効充電範囲を確保し、前記有効充電範囲の位置は、前記計算された目標充電率に依存して変動され、前記有効充電範囲の大きさは、予め規定されているように設計されている請求項８に記載の制御ユニット。
10. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法を実施するように設計されている請求項８または９に記載の制御ユニット。
11. さらに、活動化ユニットを含み、前記活動化ユニットの作動が、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法の実施を開始し、前記バッテリの前記目標充電率に関する前記計算命令が、呼出し可能に記憶されている請求項１０に記載の制御ユニット。

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