JP2018502005A - 自動車のハイブリッドパワートレインの管理方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、熱機関（２）及び、動力バッテリ（４）に電気的に接続された電気モータ（３）を備える自動車のパワートレイン（１）を管理する方法に関し、前記方法は、前記熱機関（２）の稼働を表す温度の少なくとも１つの測定値に従って前記動力バッテリ（４）を加熱するシステム（５）を制御するステップを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッドタイプの、即ち熱及び電気モータで駆動される自動車の分野に関する。

具体的には、本発明の主題は、熱機関及び、動力バッテリに電気的に接続された電気モータを備える、自動車のパワートレインの管理方法である。

ハイブリッド自動車、即ち、熱機関とバッテリ動力の電気モータとを備え、このどちらもが自動車推進用である自動車の分野では、バッテリの温度がこのバッテリの性能レベルに影響することが知られている。

したがって、バッテリの冷間時には、バッテリの性能レベルを最適化するためにバッテリを暖機する努力が行われるであろう。

文献ＥＰ１０６５３５４は、熱機関の廃熱をバッテリに移転することによって回収する、熱交換器を記載している。この結果、バッテリの温度上昇は完全に且つ受動的に熱機関の温度上昇に従属し、制御が利かない。

しかし、こうした解決法は、とりわけ運転者の運転のタイプを考慮に入れておらず、熱交換は、廃熱のみにリンクされた熱量の入力によって限定された、恒常的なものになる。

本発明の目的は、上記で列挙した欠点を改善する解決法を提案することである。

本方法は、熱機関の稼働を表す温度の、少なくとも一つの測定値に従って動力バッテリを加熱する加熱システムを制御するステップを含むという点で、とりわけこの目的を標的にしている。

具体的には、熱機関は第１最適稼働温度に結び付いており、動力バッテリは第２最適稼働温度に結び付いており、制御ステップは、第１最適稼働温度と第２最適稼働温度とが同時に到達されるように、動力バッテリの温度上昇と熱機関の温度上昇とを同期させる。

一実施形態によると、方法は、熱機関の稼働を表す温度を測定する各ステップとして、設定点温度を生成するステップ、及び、特にバッテリの実温度が設定点温度よりも低い場合に、加熱システムを作動させてバッテリの実温度を生成された設定点温度に向かわせるステップを含む、加熱システムを制御するステップを含む。

具体的には、制御ステップは、動力バッテリの現在温度を測定するステップと、生成された設定点温度と動力バッテリの測定された現在温度とに従って加えられる、加熱システムの加熱力を決定するステップを含む。

例えば、熱機関の稼働を表す温度の各測定は、熱機関の冷却剤の温度を測定することを含む。

一実施形態によると、動力バッテリの加熱システムを制御するステップは、熱機関の稼働によって熱を発生させる自動車の部材から熱量を取り除くステップと、バッテリに取られる熱量の少なくとも一部を回収するステップを含む。

例えば、熱量を取り除くステップと、少なくとも前記一部の熱量を回収するステップには、前記熱発生部材を動力バッテリに接続する熱結合要素が用いられる。

さらに、動力バッテリの加熱システムを制御するステップは、ジュール効果によってバッテリの再加熱を生起させる、動力バッテリの充電または放電のステップを含み得る。

さらに、動力バッテリの加熱システムを制御するステップは、バッテリ内部の抵抗手段の作動を含み得る。

本発明はまた、熱機関及び、動力バッテリに電気的に接続された電気モータを備えるパワートレインを備える、自動車であって、動力バッテリを加熱するための加熱システムと、熱機関の稼働を表す温度の少なくとも１つの測定値に従って前記加熱システムを制御するように構成された加熱システムを制御するモジュールとを備える、自動車にも関する。

具体的には、制御モジュールは、上記の方法の実装に必要な要素を備え得る。

非限定的な例として与えられ且つ添付図面によって示される以下の本発明の特定の実施形態の記載により、他の利点及び特徴がより明確になるであろう。

本管理方法を実施する一態様において用いられる、種々の構成要素の概略図である。 温度Ｔｂａｔに従った、自動車の電気モータの、バッテリの充電状態（ＳＯＣ）に応じた放電電力をｋＷで示すグラフである。 熱機関の温度を表す温度（ここではＴ_{ｗａｔｅｒ}）に応じた動力バッテリの設定点温度Ｔ_{ｓｅｔｐｏｉｎｔ}の趨勢を示す。 本管理方法の種々のステップを示す。 ある運転タイプによる、時間に応じたバッテリと熱機関の２つの温度上昇を示す。 別の運転タイプによる、時間に応じたバッテリと熱機関の２つの温度上昇を示す。 −２０°Ｃで始動した後の、時間に応じた熱機関の温度を表す、温度（ここでは、熱機関の冷却水の温度）の趨勢の例を示す。 関連する設定点温度の趨勢を図７上に重ね合せた図である。 「従属」と呼ばれる、動力バッテリの測定された温度の趨勢を、本管理方法実施時の設定点温度の趨勢に重ね合せて示す。 測定された温度の趨勢を、本管理方法が実施されていない時の設定点温度の趨勢に重ね合せて示す。 図９の状況における、加熱システムが供給する電力の趨勢を、時間に応じて示す。

以下に記載される本方法は、とりわけ熱機関の稼働を表す温度（熱機関の温度を表す温度とも言われる）を決定する努力を伴うであろうという点と、特に測定によって決定されたこの温度が、電気モータのバッテリを再加熱する方針に影響するという点で、先行技術と異なる。

熱機関は、ディーゼルまたはガソリンといった燃料の使用に基づいて、自動車の推進に参画する。電気モータは、電気モータの動力バッテリの使用に基づいて、自動車の推進に参画する。

以下に記載される方法は、熱機関及び電気機械がまだ最適稼働温度に到達していない、始動後のフェーズにおけるハイブリッド自動車に最もよく適合する。

本書では、「自動車の推進」とは、広義の定義によって、即ち自動車にエネルギーを入力して動作可能にすることとして、理解されるべきである。この意味では、推進は、後輪駆動自動車及び／または前輪駆動自動車をカバーしている。

図１に示すように、本発明は、熱機関２及び、動力バッテリ４に電気的に接続された電気モータ３を備える、自動車のパワートレイン１の管理方法に最もよく関連する。言い換えれば、動力バッテリ４は、電気モータ３の稼働を可能にし、それによって電気モータ３が自動車の車輪に対してトルクを提供する。

本管理方法は、熱機関２の稼働を表す温度の少なくとも一つの測定値に従って、動力バッテリ４の加熱システム５を制御するステップを含む。

特定の実施形態によると、熱機関２は、第１最適稼働温度に結び付いており、動力バッテリ４は、第２最適稼働温度に結び付いている。この状況では、本制御ステップは、第１最適稼働温度と第２最適稼働温度に同時に到達するように、動力バッテリ４の温度上昇と熱機関２の温度上昇とを同期させる。

好ましくは、第１最適稼働温度と第２最適稼働温度は、異なる。具体的には、第１最適稼働温度は、第２最適稼働温度を下回る。

実際、熱機関２の温度は、熱機関の稼働によって自動的に上昇する。こうして、本管理方法によって、熱機関２の温度上昇に従って動力バッテリ４の温度上昇を制御することが可能になる。

電気モータ３の動力バッテリ４の適切な温度上昇の重要性は、図２を見ることによって理解される。実際、実験された−２０°Ｃ、０°Ｃ、２５°Ｃ、４５°Ｃの各温度に関して、動力バッテリ４の温度が上昇すればするほど、１０秒間の放電によって利用可能な電力はより大きくなる。この意味で、運転体験における電気モータの入力を最大化するには、バッテリの温度を適合させることが必須である。

この意味で、特にこうした管理方法によって、各モータ部材を同時に最適稼働状態に到達可能にすることで、最適化された運転経験を得ることが可能になる。こうして、（例えばフレキシブルな運転かスポーティな運転かの間で選択される）運転者の運転モードが、黙示的に考慮に入れられる。具体的には、熱機関２の温度上昇は概して緩慢（何分間か）であるか、または運転者が非常に緩慢に運転する場合には、非常に緩慢でさえあり得る。したがって、熱機関２の温度上昇が緩慢な場合には、動力バッテリ４の加熱が速すぎても意味がない。一方で、熱機関２の温度上昇がより迅速な（即ち運転者の運転モードが「スポーティ」である）場合、動力バッテリ４の温度上昇は、加速されなければならない。

好ましくは、熱機関２の稼働を表す温度の各測定は、熱機関２の冷却剤の温度を測定することを含む。具体的には、熱機関２の出力部で測定される冷却材の温度は、熱機関２自身の温度の良好な指標であるという利点を提供する。

具体的には、本管理方法は、熱機関２の稼働を表す温度を測定するステップとして、設定点温度を生成するステップを含む。例えば、ある測定温度に関して、熱機関２を表す測定された温度Ｔ_{ｗａｔｅｒ}に従って設定点温度Ｔ_{ｓｅｔｐｏｉｎｔ}を与える、テーブルまたは関数で検索すれば十分である。図３は、こうした関数を示す。さらに、加熱システム５を制御するステップは、加熱システム５を作動させて、動力バッテリ４の実温度を生成された設定点温度に向かわせるステップを含む。具体的には、動力バッテリ４の実温度は、バッテリの実温度が設定点温度より低い場合に、設定点温度に向かわせられる。ここで、本管理方法が、始動後の暖機中の自動車に、より具体的に適合することが理解されるであろう。

制御ステップは、上記で記載されてきたことの全てに適合する態様で、動力バッテリの現在温度を測定するステップと、生成された設定点温度と動力バッテリ４の測定された現在温度とに従って加えられる、加熱システムの加熱力を決定するステップを含み得る。具体的には、動力バッテリ４の測定された現在温度と設定点温度とを知ることによって、所望の温度変化を計算することが可能になる。所望の温度変化に基づいて、またセ氏またはケルビンの温度に対応する電力を導く制御定数を知ることによって、所望の加熱力の推定が可能になる。

具体的には、図４は、本管理方法のロジックを概略的に示す。本管理方法では、熱機関２の稼働を表す温度（示される例ではＴ_{ｗａｔｅｒ}）及び、バッテリ４の測定された温度（示される例ではＴ_{ｂａｔｔｅｒｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ}）を入力として用いる。関数ｆを適用することによって、設定点温度Ｔ_{ｓｅｔｐｏｉｎｔ}を得ることが可能になる。次に、とりわけ以下のようにして、所望の熱入力に関連してεが計算される。
ε＝Ｔ_{ｓｅｔｐｏｉｎｔ}−Ｔ_{ｂａｔｔｅｒｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ}

εが正の場合、動力バッテリ４を加熱する必要が検出され、εは次にレギュレータ６に送信される。これによって、レギュレータ６によって加熱システム５の加熱力を適切に制御することが可能になる。

上記された内容に由来する具体的な実施例によると、ハイブリッド自動車にとって動力バッテリ４のフルパワーが必要になるのは、熱機関２が高温であると見なされるときのみである。例えば、熱機関２は、熱機関２の出力部の冷却水の温度が１５°Ｃのときに、高温であると見なされる。次の目的は、熱機関の性能レベルと電気モータの性能レベルとを同期させることである。このため、動力バッテリ４のフルパワーの温度と（上記で１５°Ｃとされた）熱機関２の「標的」温度を、同期させることが提案される。こうして、熱機関２の出力部における水温が閾値（例えば１５°Ｃ）を上回るときには、熱機関２はその力のかなりの部分を送達するのに十分なほど高温であると見なされる。本実施例では、自動車が始動するとき、冷却水の温度と動力バッテリ４の温度とは同一であり、−２０°Ｃに等しい。熱機関２は、水温が１５°Ｃよりも高くなるやいなや高温であると見なされ、動力バッテリ４は、その温度が２５°Ｃを超えると全ての動力を送達することが可能になる。運転者が、その運転の態様によって熱機関２の温度上昇を統制するため、動力バッテリ４の温度上昇は、熱機関２が１５°Ｃに達するときに動力バッテリ４が２５°Ｃに達するように、制御される。上記された先行技術の受動的な制御の解決法では、これは不可能であることは、留意されたい。図５及び図６は、本管理方法の実施による、冷却水の温度Ｔ_{ｗａｔｅｒ}及び動力バッテリ４の温度Ｔ_{ｂａｔｔｅｒｙ}の趨勢を示す。図５は２０分後に最適温度に到達するスムーズ運転であり、図６は７分後に最適温度に到達するスポーティ運転である。限定するものではないが、本実施例では、動力バッテリ４の温度上昇と熱機関２の温度上昇との間に直線的な趨勢を適用することが選ばれている。図３のグラフは、この直線の趨勢を示す。

上記の用途の実施例で与えられる原理を実証するため、以下の等式を仮定することが可能である。

ここで、Ｍ．Ｃｐ．ｄＴ_{ｂａｔｔｅｒｙ}／ｄｔは動力バッテリ４の慣性であり、Ｐ_ＣＴＰは加熱システム５の作動中に加熱システム５から供給される加熱力であり、（ｈＳ）_ｅｘｔは外気と動力バッテリ４との間の熱交換であり、Ｔ_ｅｘｔは外気温であり、Ｔ_{ｂａｔｔｅｒｙ}は動力バッテリ４の測定された温度であり、ＲＩ^２は、動力バッテリ４のサイクル内のジュール効果による力である（即ち、動力バッテリその稼働のお蔭で自ら付加する熱である）。

初期条件Ｔ_{ｂａｔｔｅｒｙ}（ｔ＝０）＝−２０°Ｃ＝Ｔ_{ｉｎｉｔｉａｌ}
に関連して、等式１の解は、以下によって与えられる。

ここで、

である。

加熱システムの入力がない場合、等式１の解（Ｐ_ＰＴＣ＝０のとき）は

であり、ここで

である。

τがバッテリタイプの関数であり、したがって適宜適合されることは、明らかである。

加熱εからの入力、とりわけＰＴＣ（正の熱係数）は、例えば単純抵抗であり得、したがって解決法１（熱入力ありの温度Ｔ_{ｂａｔｔｅｒｙ＿ｗｉｔｈＰＴＣ}）と解決法２（熱入力なしの温度Ｔ_{ｂａｔｔｅｒｙ＿ｗｉｔｈｏｕｔＰＴＣ}）との差分は、以下であり得る。

εは、上記の所望の温度変化、即ち、動力バッテリの測定された温度と、推定された設定点温度の間の差分を表す。

動力バッテリ４の反応は緩慢であるため、迅速なレギュレータを有することは無意味である。応用例では、レギュレータの時間ｔは３０秒にされる（即ち、加熱システムが３０秒ごとに加熱力の需要を再評価する）。

引き続き応用例において、以下の値を取り上げる。
・ 時定数τ＝６１９ｓ
・ 外気とバッテリの間の熱交換は、（ｈＳ）_ｅｘｔ＝１．３１９Ｗ／Ｋである。

したがって、等式４によると、加熱からの入力は、

即ち、Ｐ_ＰＴＣ／Ｋ_ｐ＝Ｐ_ＰＴＣ．０，０３５８＝ε
である。ここで、εは上記同様、動力バッテリ４の設定点温度と動力バッテリ４の測定された現在の温度の間の差分である。

したがって、本制御ステップによって実施される加熱システム５の調整は、比例ゲインＫ_ｐの形態をとることができる。
Ｐ_ＰＴＣ＝Ｋ_ｐ．ε
であり、
Ｋ_ｐ＝１／０．０３５８＝２７，８８Ｗ／Ｋ
である。

したがって、加熱システム５によって動力バッテリ４に入力される加熱力を、εに応じて制御する方法は既知である。

対応する値Ｋ_ｐを見つけるために動力バッテリを特性評価する際、上記で示された等式は、あらゆるタイプの動力バッテリに対して適用され得る。

ここで、本管理方法が実施される具体例が記載される。図７は、−２０°Ｃでガレージに駐車されていた車両（その結果、熱機関の冷却水の温度は、始動時点で−２０°Ｃである）の始動後３０分間の、熱機関２の冷却水の温度に対する、自動車の稼働の影響を示す。図８は、図７の曲線に関して、所望の設定点温度の趨勢を示す。図９は、本管理方法が適用されている状況における、設定点温度による動力バッテリ４の実温度の趨勢を示す。一方、図１０は、本管理方法が適用されていないときの、動力バッテリの実温度の趨勢を示す。明らかな結果として、熱が入力されない場合には、３０分の運転フェーズの終了時であってさえ、動力バッテリ４はその全ての動力を供給することができない。さらに、図１１は、動力バッテリ４の実温度を設定点温度に向かわせる、加熱システム５の入力を、経時的にワットで示す。

概して、動力バッテリ４の加熱システム５を制御するステップは、熱機関の稼働によって熱を発生させる自動車の部材から熱量を取り除くステップと、動力バッテリ４に取られる熱量の少なくとも一部を回収するステップを含む。このカロリーを取り除くステップが、生成された設定点温度が動力バッテリ４の測定された温度よりも高いとき、言い換えれば動力バッテリ４を加熱する必要が検出されたときに実施されることは、明白である。具体的には、熱量を取り除くステップと、少なくとも前記一部の熱量を回収するステップには、前記熱発生部材を動力バッテリ４に接続する熱結合要素が用いられる。

概して、本管理法の工程を最適化させるため、設定点温度が生成される都度、動力バッテリ４の温度が測定され、マッチする表示が同じ時刻に得られる。

熱機関の稼働によって熱を発生させる自動車の部材は、例えば、熱交換器、自動車の排気ライン、特にＴＨＰ（ターボ高圧）エンジンに関連する水回路、などの中から選択され得る。

代わりに、または熱発生部材と組み合わせて、動力バッテリ４の温度上昇は、前記動力バッテリ４（その内部抵抗を増大することが可能なサイクル）を活性化することによっても発生し得る。言い換えれば、動力バッテリ４の加熱システムを制御するステップは、ジュール効果によって動力バッテリ４の再加熱を生起させる、バッテリの充電または放電のステップを含み得る。この利用（動力バッテリの充電または放電）は、特定のエネルギー管理法を適用することによって、例えば、動力バッテリ４から動力を引き出すために電気モータ３のトルクの入力を意図的に増大させることによって、実施され得る。

代わりに、または熱発生部材及び／または動力バッテリ４の活性化と組み合わせて、動力バッテリ４の加熱システム５を制御するステップは、動力バッテリ４の内部の抵抗手段を作動させることを含む。

上記の方法は、熱機関の温度上昇を表す温度の測定値によって熱機関の温度上昇をバッテリの温度上昇と関連させることで、車両の使用に応じた熱量のバッテリへの入力を最善に制御することを可能にする。例えば、熱機関が低温のままである短期間の使用の場合、バッテリの温度上昇は、制限されたものになり得る。なぜならば、バッテリの温度上昇は運転にとって有用でないからである。この意味で、車両の燃料消費を低減させ、したがって電気モータに動力を与えるバッテリの持続を有利にすることが、可能である。

もちろん、本発明は、熱機関２及び、動力バッテリ４に電気的に接続された電気モータを備えるパワートレインを備える自動車であって、動力バッテリ４を加熱するための加熱システム５を備える自動車にもまた関する。自動車は、加熱システムを制御するモジュール７を備え、それによって、熱機関の稼働を表す温度の少なくとも一つの測定値に従って、前記加熱システムを制御する。

具体的には、制御モジュールは、上記の管理方法の実装に必要な要素を備える。そのため、制御モジュールは、本管理プログラムのステップの進行に必要なコード手段を含む、コンピュータプログラムを含み得る。さらに、制御モジュールは、具体的にはバッテリ温度センサや熱機関の温度を表す温度のセンサであるセンサと、動力バッテリの加熱の実施または非実施に関する指令を加熱システムに伝達することが可能な少なくとも１つの出力部とに接続された、入力部を含み得る。

Claims (11)

1. 熱機関（２）及び、動力バッテリ（４）に電気的に接続された電気モータ（３）を備える自動車のパワートレイン（１）を管理する方法であって、前記熱機関（２）の稼働を表す温度の少なくとも１つの測定値に従って前記動力バッテリ（４）を加熱する加熱システム（５）を制御するステップを含むことを特徴とする、方法。
2. 前記熱機関（２）は第１最適稼働温度に結び付いており、前記動力バッテリ（４）は第２最適稼働温度に結び付いており、前記制御ステップは、前記第１最適稼働温度と前記第２最適稼働温度とが同時に到達されるように、前記動力バッテリ（４）の温度上昇と前記熱機関（２）の温度上昇を同期させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記熱機関（２）の稼働を表す前記温度を測定する各ステップとして、設定点温度を生成するステップを含むことと、前記加熱システム（５）を制御する前記ステップが、前記バッテリの実温度が前記設定点温度よりも低い場合に特に、前記加熱システム（５）を作動させて前記動力バッテリ（４）の前記実温度を生成された前記設定点温度に向かわせるステップを含むこととを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記制御ステップは、前記動力バッテリ（４）の現在温度を測定するステップと、生成された前記設定点温度と前記動力バッテリ（４）の測定された前記現在温度とに従って加えられる、前記加熱システムの加熱力を決定するステップを含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記熱機関（２）の稼働を表す前記温度の各測定は、前記熱機関（２）の冷却剤の温度を測定することを含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記動力バッテリ（４）の前記加熱システム（５）を制御する前記ステップは、前記熱機関（２）の稼働によって熱を発生させる前記自動車の部材から熱量を取り除くステップと、前記動力バッテリ（４）に取られる前記熱量の少なくとも一部を回収するステップを含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 例えば、熱量を取り除く前記ステップと、前記少なくとも一部の熱量を回収する前記ステップには、前記熱発生部材を前記動力バッテリ（４）に接続する熱結合要素が用いられることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記動力バッテリ（４）の前記加熱システムを制御する前記ステップは、ジュール効果によって前記動力バッテリ（４）の再加熱を生起させる、前記動力バッテリ（４）を充電するまたは放電するステップを含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記動力バッテリ（４）の前記加熱システム（５）を制御する前記ステップは、前記動力バッテリ（４）の内部の抵抗手段を作動させることを含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 熱機関（２）及び、動力バッテリ（４）に電気的に接続された電気モータ（３）を備えるパワートレインを備える自動車であって、前記動力バッテリ（４）を加熱するための加熱システム（５）を備え、前記熱機関の稼動を表す温度の少なくとも１つの測定値に従って前記加熱システム（５）を制御するように構成された、前記加熱システム（５）用の制御モジュール（７）とを備えることを特徴とする、自動車。
11. 前記制御モジュール（７）が、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法を実装するのに必要な要素を備えることを特徴とする、請求項１０に記載の自動車。

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