JP2015536128A

JP2015536128A - ドライブトレインを稼動する方法

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Publication number: JP2015536128A
Application number: JP2015534952A
Authority: JP
Inventors: ジョーンズ，スティーヴン
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2012-10-02
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: JP6314143B2; DE112013004081A5; AT513478A1; AT513478B1; WO2014053316A2; WO2014053316A3

Abstract

本発明は、少なくとも二機の主要な、好ましくは、電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）を経て駆動される車両（５０）のドライブトレインを稼動する方法であって、電気コンポーネントの今後の温度に関する予測が行なわれ、ドライブトレインは予測された当該温度に応じて稼動されるように構成された方法に関する。複数機の電動機を有する車両の冷却コストの低減を図るため、走行ルートが選択され、この走行ルートに沿った、少なくとも二機の電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）の今後の負荷及び／又は負荷時間に関する予測が行なわれ、該予測に応じて電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）に関する少なくとも一つの稼動モードが選択され、電動機は、活性化及び非活性化ストラテジーにより、選択された走行ルートの走行中、電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）に関する最適な稼動温度範囲及び／又は効率範囲が遵守されるようにして稼動される。

Description

本発明は、少なくとも二機の主要な、好ましくは、電動機を経て駆動される車両のドライブトレインを稼動する方法であって、電気コンポーネントの今後の温度に関する予測が行なわれ、ドライブトレインは予測された当該温度に応じて稼動されるように構成された方法に関する。

米国特許出願公開第２００９／０１１５４９１号明細書から、内燃機関、電動機及び一定数の電気回路を備えた電子式出力制御装置及び冷却システムを有してなるハイブリッド駆動システムが公知である。電子式出力制御装置の熱エネルギーを管理する方法は電子式出力制御装置内の温度を測定する複数の温度センサによって行なわれ、電子式出力制御装置の電気エネルギーは入力側と出力側とで監視され、電子回路の今後の温度に関する予測が行なわれて、ハイブリッド駆動システムは予測された当該温度に応じて稼動する。
複数の電動機を経て駆動される、最近のハイブリッドカー又は電気自動車では、電気コンポーネントを効率的に最適な温度範囲で稼動させるため、たいてい電動機用及び／又は電子式出力制御装置用のハイコストな冷却システムによるハイコストな温度管理が必要であり、これは、コスト、構造スペース及び燃費に不利な影響をもたらす。

米国特許第２００９／０１１５４９１号明細書

本発明の目的は、上記の短所を回避し、複数の電動機を有する車両の冷却コストの低減を達成することである。さらにもう一つの目的は、ドライブトレインの効率を改善し、車両の航続距離を延ばすことである。

上記課題は、本発明により、少なくとも二機の電動機の今後の負荷及び／又は負荷時間に関する予測が行なわれ、当該予測に応じて、電動機に関する少なくとも一つの稼動モードが選択され、当該電動機は、活性化及び非活性化ストラテジーにより、選択された走行ルートの走行中、当該電動機に関する最適な稼動温度範囲及び／又は効率範囲が遵守されるようにして稼動されることによって解決される。

この場合、様々な稼動モードをあらかじめ定めておくことができる。
例えば少なくとも二機の電動機は、少なくとも一時的に、交互に稼動されるか、又は、少なくとも二機の電動機は、少なくとも一時的に、一緒に稼動されるような稼動モードを設定することができる。
代替的又は追加的に、少なくとも一時的に、電気駆動される複数の車軸のうちの一本のみ、すなわち前車軸又は後車軸が駆動されるか、又は電気駆動されるすべての車軸が駆動されるような稼動モードを設定することも可能である。

前記予測は、予定された走行ルートに応じ、好ましくは衛星ナビゲーション、例えばＧＰＳ、及び／又はデジタルロードマップを援用し、又は車両通信システム、例えばＣ２Ｘ通信システム（Ｃ２Ｘ：車両・車両間又は車両・インフラストラクチャー間）、を援用して行なわれる。車両通信システムは、前記予測に組み込まれる、事故、工事箇所、迂回路、交通規制、気象状況、天気予報等に関する情報を提供する。またさらに、レーダーシステム、ビデオシステム、電話システム等も情報収集に使用することが可能である。

またさらに、車両内部データ、例えば車両バッテリーの温度特性曲線及び／又は効率特性曲線も予測に組み入れることができる。またさらに、少なくとも一機の電動機の温度、電子式出力制御装置の温度及び／又は冷媒の温度を、前記予測に当たって考慮することができる。

走行ルートに応じて、それぞれの部分区間における出力要求に関する予測が行なわれる。それぞれの出力要求には、電動機に関する稼動モードが対応している。稼動中、電動機は交互に又は同時に、個々の電動機の稼動が最適な温度範囲で行なわれるように稼動される。照会された駆動出力が中度又は高度時（例えばアウトバーン走行時）に複数の電動機を同時に低出力又は中出力で稼動することにより、例えば個々のそれぞれの電動機の温度を中度の温度範囲に保つことができる。これに対して、照会された駆動出力が低い場合（例えば市街走行時又は速度制限時又は悪天候時）には、少数のみの又は一機のみの電動機を活性化するのがより有利なことがある。相応して、走行ルート走行中に要求された出力に応じ、活性化された電動機を最適な温度範囲で稼動するために一本の駆動軸のみ又はすべての駆動軸を駆動することができる。

本発明による方法により、独立した冷媒による冷却コストを大幅に抑制し、車両を常に最適な効率範囲で稼動することができる。これにより、燃料消費量及びバッテリーサイズを減少させ、航続距離を延ばすことが可能である。以下、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。各図は以下を概略的に示している。

図１は本発明による方法を概略的に示す図である。図２は本発明による方法を使用する原動機つき車両を示す図である。図３は本発明による方法の詳細を示す図である。

図１は、少なくとも二機の電動機を経て駆動される車両のドライブトレインを稼動する本発明による方法を概略的に示したものである。

第一のステップ１において、走行ルートが選択される。第二のステップ２において、衛星支援ナビゲーションシステム３及び車両通信システム４、例えばＣ２Ｘ車両通信システムから得られたデータを組み入れて、走行ルートのそれぞれの部分区間の出力要求に関する予測が行なわれる。Ｃ２Ｘの呼称には、車両・車両間通信システム（Ｃ２Ｃ）及び車両・インフラストラクチャー間通信システム（Ｃ２Ｉ）が一括して含まれる。この種の通信システムは、区間に関連したデータ、例えば工事箇所、事故、速度制限、迂回路、渋滞、天候、道路状況、気温等のリアルタイム送信を可能にする。その際、前記ナビゲーションシステム３は、地形情報及び利用道路、道路推移、勾配等に関する情報を提供する。車両通信システム４は、工事箇所、事故、迂回路、道路状況、気象条件、気温及び天気予報に関する現在の追加情報を提供する。

これらすべてのデータ及び情報を基礎として、ステップ５において、それぞれの部分区間につき、予測される出力要求、出力レベル及び出力時間、に関する予測が行なわれる。この出力要求は、様々な稼動モードに応じた、個々の電動機の負荷に関する計算モデル６への入力値として利用され、その際、その他の入力値として、温度特性曲線７、効率特性曲線８及び電動機、電子式出力制御装置及び／又は冷却システムの冷媒のそれぞれの温度９が使用される。

ステップ６の計算結果は、走行ルートのそれぞれの部分区間に関する、電動機の最適な稼動モード１０であり、駆動トルクは数学的アルゴリズムにしたがって電動駆動軸間に分配される。
図２は、前車軸５２及び後車軸５４を有した車両５０を示した図である。符号５８はそれぞれの駆動輪を表している。車両５０のそれぞれの駆動軸５２、５４には電動機ＥＭ１、ＥＭ２が配されている。電動機ＥＭ１、ＥＭ２は、電子式出力制御装置６０及び制御ユニット６２を経て稼動される。予測ユニット６４は、走行ルートに応じ、衛星ナビゲーションシステム３及び車両通信システム４から得られたデータを使用し、様々な稼動モード及び電動機ＥＭ１、ＥＭ２及び車両バッテリー６６の実状態（例えば温度）に応じた、それぞれの電動機ＥＭ１、ＥＭ２の今後の負荷要求及び予測される負荷に関する予測を行なう。それぞれの部分区間について最適な稼動モードが求められる。求められたそれぞれの稼動モードに応じ、電動機ＥＭ１、ＥＭ２は、制御ユニット６２及び電子式出力制御装置６０を経て、活性化及び非活性化ストラテジーにしたがってそれぞれの部分区間において稼動される。

その際、ある稼動モードから別の稼動モードへの切換えは、電動機ＥＭ１、ＥＭ２の接続・遮断がゆっくり行なわれ、急激な変化とそれによって走行快適性及び安全性が損なわれることがないように、なめらかに、できるだけスムーズに行なわれる。

例えば電気駆動される前車軸５２と電気駆動される後車軸５４とを有する車両５０にあっては、以下の数学的関連が生ずる：

式中において各記号の意味は以下の通りである：
ｕ_ｆ：前車軸５２に関するトルク分配率
ｕ_ｒ：後車軸５４に関するトルク分配率
Ｍ_ｆ：前側電動機ＥＭ１のトルク要求
Ｍ_ｒ：後側電動機ＥＭ２のトルク要求
η_ｆ：一定の稼動点に関する前側電動機の効率
η_ｒ：一定の稼動点に関する後側電動機の効率
η_ｇ一定のトルク分配率ｕ_ｆ：及びｕ_ｒ：に関するグローバル効率
ｕ^＊ _ｆ前車軸に関する最適なトルク分配
ｎ_ＥＭ，ｆ前側電動機ＥＭ１の回転数
ｎ_ＥＭ，ｒ後側電動機ＥＭ２の回転数

この計算式により、最大グローバル効率η_ｇが達成される際のトルク分配率ｕ_ｆ：及びｕ_ｒに関する最適値の計算を行なうことができる。ただし、この計算にあっては、熱的反応に起因するドライブトレイン要素の温度挙動は考慮されていない。効率値は通常の平均温度に当てはまる。

しかし、電動機の効率は電動機の温度挙動に高度に依存している。したがって、電動機の今後の負荷の予測によって、電気コンポーネント（例えばステータ、ロータ及び電子式出力制御装置）及びバッテリーの今後の内部温度の予測が可能である。そのため、温度挙動を考慮することによって、システムの効率をさらに改善するために、トルク分配のプランニング及びコントロールをさらに延ばすことも可能である。

さらに別のストラテジーが、一機の電動機のみの使用が最適なトルク分配をもたらす場合について定められる。いずれの電動機が使用されるかの決定は当該電動機の温度挙動にも依存している。しかし、単一の電動機の連続的な稼動は、効率にとって不利な温度上昇を招き、それゆえに、所定の点から電動機ＥＭ１，ＥＭ２の間の切換えが不可欠となる。この場合についても、温度挙動の予測か非常に有用である。

予測される速度プロフィール及び地形プロフィールは、電動機の稼動点の算定に大きな影響を及ぼし、したがって、その温度挙動にも大きな影響を有している。例えばＣ２Ｘシステム又はその他のソースを介して提供される、環境に関する外部情報、例えば交通密度、速度制限、工事箇所、地形等は、今後の電気負荷要求の計算の際の主要な影響量である。

図３は、計算方法を概略的に示したものである。ドライバーによって走行目的地が設定される。現在位置ＣＰのＧＰＳ座標Ｓ（ｔ）及び走行目的地ＦのＧＰＳ座標Ｓ_{ｆｉｎａｌ}から、一方で、Ｃ２Ｉストラクチャーを介した平均速度を組み入れ、他方で、デジタルロードマップから得られる地形及び速度制限を組み入れて、道路特性ＳＣが求められる。それから、走行区間の速度プロフィールｖ（ｓ）及び勾配プロフィールａ（ｓ）が計算され、それから、第一の予測ステップＰＲ１において、回転数プロフィールｎ（ｓ）及び電動機ＥＭに対するトルク要求Ｍ_{ｄｅｍａｎｄ}（ｓ）が求められる。予測された回転数プロフィールｎ（ｓ）及び電動機ＥＭに対するトルク要求Ｍ_{ｄｅｍａｎｄ}（ｓ）は温度予測モデルに供給され、該予測モデルは第二の予測ステップにおいて、温度センサＭＴＳによって測定されたそれぞれの実際の温度、つまり、バッテリーの温度Ｔ_Ｂａｔ（ｓ）、電子式出力制御装置の温度Ｔ_ＰＥＩ（ｓ）、電動機ＥＭ１、ＥＭ２のステータの温度Ｔ_{ｓｔａｔｏｒ}（ｓ）及びロータの温度Ｔ_{ｒｏｔｏｒ}（ｓ）を組み入れて、電気コンポーネントの温度負荷の予測を実施する。これらの現在の温度と、回転数プロフィールｎ（ｓ）及び予測された出力要求Ｍ_{ｄｅｍａｎｄ}（ｓ）から、バッテリーの温度Ｔ_{Ｂａｔ，Ｐｒ}（ｓ）、電子式出力制御装置の温度Ｔ_{ＰＥＩ，Ｐｒ}（ｓ）、電動機ＥＭのステータの温度Ｔ_{ｓｔａｔｏｒ，Ｐｒ}（ｓ）及びロータの温度Ｔ_{ｒｏｔｏｒ，Ｐｒ}（ｓ）に関する予測が行なわれる。予測されたそれぞれの温度、つまり、バッテリーの温度Ｔ_Ｂａｔ（ｓ）、電子式出力制御装置の温度Ｔ_ＰＥＩ（ｓ）、ステータの温度Ｔ_{ｓｔａｔｏｒ}（ｓ）及びロータの温度Ｔ_{ｒｏｔｏｒ}（ｓ）は、回転数プロフィールｎ（ｓ）及び走行区間ｓについて予測されたトルク要求Ｍ_{ｄｅｍａｎｄ}（ｓ）と共に、最適なトルク分配ｕ_ｆ ^＊及びｕ_ｒ ^＊を計算するＯＰＭの入力値として使用される。最適なトルク分配ｕ_ｆ ^＊及びｕ_ｒ ^＊に応じて、制御信号が電動機ＥＭ１及びＥＭ２に送信される。

電動機ＥＭ２及びバッテリーの温度挙動が共に組み入れられる最適なトルク分配は、以下のいずれかの方法によって実施することができる：

１．）モデル化予測制御
モデル化された予測制御は、一定の照会時点に、あらかじめ定められたイベントホライズンに沿って、温度モデルをベースとしてコンポーネントの温度状態を連続的に計算する。
このイベントホライズンは、例えば定められた距離又は走行時間によって、あらかじめ設定されていてよい。定められた最適化目標（例えば最大効率）に基づいて、最適なトルク分配が求められ、相応した制御信号が電動機ＥＭ１，ＥＭ２に送信される。次の照会時点に際しては、イベントホライズンは一ステップずらされて、最適化プロセスが反復される。

２．）動的計画法
走行操作全体は固定のセグメントに分割される（例えばｘｋｍセグメント）。それぞれのセグメントにつき速度プロフィールが求められる。これに基づき、勾配プロフィールを使用して、電気コンポーネントに関する負荷要求及び温度負荷が計算される。最後に、それぞれのセグメントにつき最適なトルク分配が計算されて、算定された当該トルク分配が適用される。さらに別の新たなそれぞれのセグメントにつき、上記プロセスが反復される。

３．）表ベースの発見的方法
様々な交通量、速度及び勾配条件につき、オフラインにて、回転数プロフィール、負荷要求及び温度負荷が観察され、相応した最適なトルク分配が計算される。これらの条件及びパラメータは車両搭載したコンピュータに格納される。この場合、リアルタイム最適化計算は不要である。トルク分配に関する格納値は相応した条件に適用される。

本発明による方法の利点は、とりわけ、前車軸５２及び後車軸５４に配された二機の電動機ＥＭ１、ＥＭ２による駆動時に表れる。
比較的長時間にわたる低負荷要求時（例えば平均的な一定速度による平坦な道路の走行時）には、一機の電動機が使用されるだけでよく、その際、電気コンポーネント（例えばステータ又はロータ）について定められた限界温度に達した後は、二機の電動機ＥＭ１及びＥＭ２が交互に稼動される。道路条件が既知であれば、二機の電動機ＥＭ１及びＥＭ２の間の最適な切換え時点を求めることができる。これによって、二機の電動機を常に最適な効率で稼動し、こうして、車両の航続距離を最大限に延長することができる。
特に、ドライブトレインの配置が二機の電動機の一方のみ、例えば後車軸５４に配置された電動機のみの回生稼動しか許容しない場合には、本発明による方法により、可能な限り最高の効率時に回生制動が実施されるようにすることができる。例えば前方に位置する、赤に変わろうとしている交通信号により、後側電動機の回生稼動が可能になると考えられる場合には、前車軸の電動機を駆動に使用することにより、この後側電動機を回生稼動に至るまで（効率にとって有利な）低温に保つことができる。前方の信号が赤に変わる際の二機の電動機の間の切換え点は、例えばＣ２Ｘシステム、ＧＰＳシステム及び／又はナビゲーションシステムによる、信号切換え及び交通量に関する情報を使用して、予測計算することが可能である。

以上、本発明による方法を前車軸及び後車軸を介した二機の電動機による駆動方法について説明したが、本発明による方法は決してこの駆動タイプに限定されるものではない。むしろ、本方法は、少なくとも二機の主要な電動機を有したあらゆるドライブトレインに使用することが可能である。したがって、本方法は、ハイブリッド車両にも、少なくとも二機の主要な電動機を備えたその他の電気自動車にも使用することが可能である。例えばハイブリッド車両の場合に、駆動システムの温度挙動を考慮して、内燃機関と電動機との間の最適なトルク分配を実施することができる。

本方法は、既設の冷却システムにおいても、冷却システムマネジメントを組み入れても使用することが可能である。これにより冷却コストを最小に抑制することが可能であり、これは一方で、車両重量、構造スペース及び製造コストに有利な効果をもたらす。

Claims

少なくとも二機の主要な、好ましくは、電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）を経て駆動される車両（５０）のドライブトレインを稼動する方法であって、
電気コンポーネントの今後の温度に関する予測が行なわれ、前記ドライブトレインは予測された当該温度に応じて稼動されるように構成された方法において、
走行ルートが選択され、この走行ルートに沿った、少なくとも二機の電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）の今後の負荷及び／又は負荷時間に関する予測が行なわれ、
該予測に応じて前記電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）に関する少なくとも一つの稼動モードが選択され、
前記電動機は、活性化及び非活性化ストラテジーにより、選択された走行ルートの走行中、前記電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）に関する最適な稼動温度範囲及び／又は効率範囲が遵守されるようにして稼動されることを特徴とする方法。
一稼動モードにより、少なくとも二機の電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）は、少なくとも一時的に、交互に稼動されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
一稼動モードにより、少なくとも二機の電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）は、少なくとも一時的に、一緒に稼動されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
一稼動モードにより、少なくとも一時的に、電気駆動される複数の車軸のうちの一本のみ、したがって前車軸（５２）又は後車軸（５４）、又はそれらの車輪（５８）が駆動されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
一稼動モードにより、少なくとも一時的に、電気駆動されるすべての車軸、したがって、前車軸（５２）及び後車軸（５４）、又はそれらの車輪（５８）が駆動されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
予定された走行ルートに応じて前記予測が行なわれることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
前記予測は、衛星ナビゲーション及び／又はデジタルロードマップを援用して、行なわれることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
前記予測は、車両通信システム、好ましくは、Ｃ２Ｘ通信システムを援用して、行なわれることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
前記予測は、レーダーシステム及び／又はビデオシステムを援用して、行なわれることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
前記予測は、車両情報、好ましくは、車両バッテリー（６６）の温度特性曲線及び／又は効率特性曲線を組み入れて、行なわれることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
前記予測は、少なくとも一機の電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）、電子式出力制御装置（６０）及び／又は冷媒の温度を組み入れて、行なわれることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
前記予測は前記走行ルートのそれぞれの部分区間について行なわれ、
該予測に応じて、それぞれの部分区間につき、前記電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）に関する稼動モードが選択され、
前記電動機は、活性化及び非活性化ストラテジーにより、それぞれの部分区間の走行中、前記電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）に関する最適な稼動温度範囲が遵守されるようにして稼動されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
少なくとも二機の電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）と、電気コンポーネントの今後の温度に関する予測を行なう予測ユニット（６４）と、予測された前記温度に応じてドライブトレインを制御する制御ユニットとを備えた、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法を実施するためのドライブトレインを有する車両（５０）であって、
前記予測ユニット（６４）は、少なくとも二機の電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）の今後の負荷に関する予測を行なって、該予測に応じて前記電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）に関する少なくとも一つの稼動モードを選択するために形成されており、
前記制御ユニット（６２）は、走行ルートの走行中、前記電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）に関する最適な稼動温度範囲が遵守されるようにして、前記電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）を、活性化及び非活性化ストラテジーによって稼動するように形成されていることを特徴とする車両（５０）。
少なくとも二機の電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）は互いに独立して活性化・非活性化可能であることを特徴とする請求項１３に記載の車両（５０）。
少なくとも二本の駆動軸（５２、５４）又はそれらの車輪（５８）は互いに独立して電気駆動可能であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の車両（５０）。
請求項１３から１５のいずれか一項において、
前記予測ユニット（６４）は衛星ナビゲーションシステム（３）に接続されていることを特徴とする車両（５０）。
前記予測ユニット（６４）は車両通信システム（４）、好ましくは、Ｃ２Ｘ通信システムに接続されていることを特徴とする請求項１３から１６のいずれか一項に記載の車両（５０）。
前記予測ユニット（６４）は、少なくとも一機の電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）の温度（Ｔ）、前記電子式出力制御装置（６０）の温度（Ｔ）及び／又は少なくとも一機の電動機（ＥＭ１、ＥＭ２）用及び／又は前記電子式出力制御装置（６０）用の冷却装置の冷媒の温度（Ｔ）を測定するための少なくとも一個の温度センサに接続されていることを特徴とする請求項１３から１７のいずれか一項に記載の車両（５０）。