JP3913735B2 - 車両のハイブリッドドライブの動作点の調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、原動機として内燃機関と少なくとも２つの電気機械とを有しており、原動機のアウトプットシャフトと車両のドライブトレインとが作用結合される車両のハイブリッドドライブの動作点の調整方法に関する。

従来の技術
車両に対するハイブリッドドライブは公知である。ここで話題にするハイブリッドドライブでは内燃機関と少なくとも２つの電気機械とが組み合わされており、このためこの車両は複数の駆動源を利用可能である。車両運転者によってあらかじめ設定された要求に相応して、これらの駆動源はその駆動トルクを選択的に車両のドライブトレインに供給することができる。これによって公知のように具体的な走行状況に依存してさまざまな駆動形態が可能であり、これは殊に走行快適性の改善、使用するエネルギーの低減ならびに有害物質放出の低減に役立つのである。

車両に対するハイブリッドドライブにおいて、内燃機関と電気機械とのシリアル配置構成、パラレル配置構成および混在形の配置構成が公知である。各配置構成に応じて電気機械は内燃機関のドライブトレインに直接または間接に接続可能である。内燃機関および／または電気機械を作用結合するために、ギヤ、例えばプラネタリギヤまたは類似のものとクラッチとを介してこれらを互いに作用結合させて配置することが知られている。

ハイブリッドドライブの駆動出力に対する運転者の要求を最適に変換できるようにするためには、ハイブリッドドライブの原動機を協調的に駆動制御することが必要であり、これは周知のようにいわゆる制御装置によって行われる。このとき車両のそのつどの走行状況において運転者の要求を最適に車両で使用されるリソースによって満足しなければならない。ハイブリッドドライブの周知の動作ストラテジは主として、固有の入力量、例えば端部出力要求、車両速度、走行路の傾斜度などに依存して内燃機関の最適な動作点を定義することを特徴としている。この場合、内燃機関ができるかぎり効率の良い部分負荷領域の外側で駆動されるように、場合によっては最小の端部出力要求へ切り換えられることが望ましい。このとき少なくとも１つの電気機械が車両の駆動を担当する。周知のように、内燃機関は最適な消費曲線にしたがって制御される。ただしこの周知の動作ストラテジでは電気機械の効率と駆動特性の電気エネルギ蓄積器（バッテリ）への作用とが考慮されないことが欠点である。

本発明の利点
本発明の請求項１記載の特徴を有する方法は、従来技術に対して、内燃機関および少なくとも２つの電気機械を有するハイブリッドドライブにおいて、その動作点を調整する際に、電気機械コンポーネントの効率や電気エネルギ蓄積器に対する動作特性の影響をも考慮することができるという利点を有する。要求出力トルクと瞬時の車両速度とに依存してハイブリッドドライブの全ての電気機械の機械出力と電気損失との和がゼロになるように電気機械の動作点を調整することにより、有利には、ハイブリッドドライブの定常走行状態において、電気エネルギ蓄積器に負荷がかからず、バッテリ出力をゼロにすることができる。電気機械を備えたハイブリッドドライブでは大きなコストを要求するハイパワーバッテリが用いられている。電気機械の動作ストラテジ部が定常走行でのバッテリ出力をゼロへ制御することにより、ハイパワーバッテリの負荷を低減し、寿命を増大することができる。特にこれによりハイパワーバッテリの寿命、ひいてはハイブリッドドライブを備えた車両の駆動時間が増大する。したがって経済節約性が得られ、ハイブリッドドライブの効率も著しく増大する。

機械出力と全ての電気機械の電気損失との和がゼロとなる瞬間には、モータモードで動作する電気機械にはジェネレータモードで動作する少なくとも１つの電気機械を介してエネルギが供給され、しかもこのとき電気機械の全電気損失がカバーされる。このため定常走行でのバッテリ出力をゼロにすることができるのである。

本発明の有利な実施形態では、電気機械の動作点を調整する際に少なくとも１つの最適化基準、特に内燃機関の最小燃費が考慮される。これによりハイパワーバッテリに全期間にわたって小さな負荷しかかからずかつ最小燃費が達成されるようにハイブリッドドライブの動作点を選択することができる。したがってハイブリッドドライブの障害物質放出量をも最小とすることができる。

本発明の他の実施形態は従属請求項に記載された特徴から得られる。

図面
本発明を以下に図示の実施例に則して詳細に説明する。図１にはハイブリッドドライブの概略図が示されている。図２にはハイブリッドドライブの動作点の調整方法のブロック図が示されている。図３にはハイブリッドドライブの等価モデルが示されている。図４にはハイブリッドドライブの動作ストラテジ部のブロック図が示されている。図５にはハイブリッドドライブの内燃機関の最適な動作点の特性マップが示されている。図６にはハイブリッドドライブの最適なギヤ段の特性マップが示されている。

実施例の説明
図１には概略的に車両のハイブリッドドライブ１０が示されている。ハイブリッドドライブ１０は内燃機関１２と第１の電気機械１４および第２の電気機械１６とを有している。内燃機関１２のクランクシャフト１８および電気機械１４，１６のドライブシャフト２０，２２は変速機２４に作用結合されている。ここでドライブシャフト２０は第１のプラネタリギヤ２６に、ドライブシャフト２２は第２のプラネタリギヤ２８に接続されている。第１のプラネタリギヤ２６の中空ホイールはシフトトランスミッション３０に、第２のプラネタリギヤ２８の中空ホイールはシフトトランスミッション３２に接続されている。シフトトランスミッション３０，３２は変速機２４のアウトプットシャフト３４に接続されている。変速機のアウトプットシャフト３４は図示しない車両のアクスルシャフトに作用結合されている。

こうしたハイブリッドドライブ１０の構造および作用は一般に知られているので、本明細書では詳細には立ち入らない。特に内燃機関１２および／または電気機械１４，１６を所望のように駆動制御することにより種々の出力トルクをアウトプットシャフト３４に働かせることができる。したがってハイブリッドドライブ１０の種々の駆動モードが調整される。シフトトランスミッション３０，３２はシフトレバーの操作によって周知のように種々のギヤが入力されるように構成されており、ここではギヤ段１〜６およびリバースギヤＲが示されている。電気機械１４，１６はそのときどきに応じてジェネレータモードまたはモータモードで駆動され、例えば車両の電源電圧を調整しかつアキュムレータを充電するために用いられる。電気機械１４，１６にはさらにブレーキ装置３６，３８が配属されており、これらを介して電気機械１４，１６のロータが機械的に制動される。

図２にはハイブリッドドライブ１０を駆動する原動機制御装置のブロック図が示されている。この原動機制御装置は特性マップに基づいてハイブリッドドライブ１０の動作ストラテジを定めるコーディネータ４０を有している。動作ストラテジは後述するようにハイブリッドドライブ１０の最適な動作点の調整に用いられる。

コーディネータ４０はセンサ４２から車両の瞬時速度ｖに相応する信号４４を受け取る。センサ４６からコーディネータ４０は車両の要求出力トルクに相応する信号４８を受け取る。センサ４６は例えば車両のアクセルペダル、ブレーキペダルまたは走行自動装置と共働する。

入力信号４４，４８からコーディネータ４０は内燃機関１２、電気機械１４，１６および変速機２４を駆動する信号５０，５２，５４，５６を求める。信号５０は内燃機関１２の回転数設定値とトルク設定値とを含み、信号５２は電気機械１４の回転数設定値とトルク設定値とを含み、信号５４は電気機械１６の回転数設定値とトルク設定値とを含み、信号５６は変速機２４のギヤ段設定値を含む。

コーディネータ４０は特性マップに基づく動作ストラテジを実行するために特性マップにアクセスする。この特性マップを求めるためにはまず図３に示されているハイブリッドドライブ１０の等価モデルを基礎とする。ハイブリッドドライブ１０は内燃機関１２と電気機械１４，１６と変速機２４とを有する。電気機械１４，１６にはハイパワーバッテリ５８が配属されており、このハイパワーバッテリはジェネレータモードの電気機械１４，１６から給電され、モータモードの電気機械１４，１６へ給電する。通常は一方の電気機械がモータモードで動作し、他方の電気機械がジェネレータモードで動作する。

内燃機関１２の燃料供給のためにタンク６０が設けられており、ここで瞬時の燃料消費量６２が発生する。ハイブリッドドライブ１０は端部出力Ｐをアウトプットシャフト３４へ送出する。端部出力Ｐはここでは車両速度ｖ（信号４４）と出力要求トルクＭ（信号４８）の関数である。

図３に示されている等価モデルに基づいて最適化基準が定義される。これは例えば最小燃費量６２として形成される。

車両の走行状態は端部出力Ｐと瞬時の速度ｖまたは要求出力トルクＭとによって定義される。この走行状態はドライブトレイン、すなわち内燃機関１２、電気機械１４，１６および変速機２４の動作点によって実現される。

本発明では電気機械１４，１６の機械的出力と電気損失との和がゼロになる。これはつまり、電気機械１４，１６のいずれか一方がジェネレータモードで動作し、他方がモータモードで動作しているとき、ジェネレータモードで動作している電気機械がモータモードで動作している電気機械にエネルギを給電し、さらに２つの電気機械の全電気損失をカバーしていることを意味している。これにより仮定される定常走行状態に対してバッテリ５８の出力がゼロとなることが達成される。

コーディネータ４０は端部出力Ｐで定義された走行状態を実現するのに用いられる可能な全てのドライブトレイン動作点の集合から、まず内燃機関１２、電気機械１４，１６および変速機２４において機械的出力と電気損失との和がゼロとなる設定を満足する全ての動作点を求める。

限界条件を満足する内燃機関１２、電気機械１４，１６および変速機２４の最適な動作点は別の最適化基準、すなわち例えばできるだけ小さい燃費量６２が達成されるように調整される。これにより燃費の点で最適化された内燃機関１２、電気機械１４，１６および変速機２４の動作点が得られる。燃費の点で最適化された動作点は制御特性マップに格納され、コーディネータ４０はここにアクセスする。制御特性マップはこれに関与する機構、すなわち内燃機関１２、電気機械１４，１６および変速機２４の動作特性マップから導出されるので、ここではこれらの機構の動作限界値、例えば最大回転数または全負荷特性曲線なども考慮されており、これらを改めて問い合わせる必要はない。

図４には本発明のコーディネータ４０を介したハイブリッドドライブ１０の調整方法のブロック図が示されている。まず入力信号４４すなわち瞬時速度ｖおよび入力信号４８すなわち要求出力トルクが変速機２４の最適なギヤ段を定める特性マップ６４に結合される。ここから最適なギヤ段に相応する信号６６がギヤ段イネーブル回路６８へ供給される。この回路は最適なギヤ段を目標ギヤ段としてイネーブルし、制御信号５６を出力する。目標ギヤ段のイネーブルはここでは別のパラメータに依存して行うこともできる。例えばカーブ走行でギヤのダブルシフトを阻止する場合などがそうである。信号５６は一方ではギヤ段を調整する変速機２４へ供給される。また他方では信号５６は内燃機関１２の目標動作点を求める特性マップ７０へ供給される。ここから得られた信号５０は内燃機関１２およびモジュール７２へ供給される。モジュール７２は信号５０と信号５６とを結合し、最適な動作点に相応するように電気機械１４，１６を駆動する信号５２，５４を調製する。

図４から明らかなように、本発明の方法は簡単に実現できる。ハイブリッドドライブ１０の各機構の可能な動作点を種々のギヤ段に対して並列に計算する必要がないので、大きな計算コストもかからない。ギヤ段のイネーブルは直接に最適なギヤ段へ向かって行われ、これが阻止される場合には信号５０，５２，５４を求める後続のステップを行わなくてよい。これにより占有されずに済んだキャパシティを回避手段の探索、例えば他のギヤなどの選択に利用することができる。特性マップ６４，７０に基づく動作ストラテジにより、きわめて信頼性の高い制御チェーンが得られ、ハイブリッドドライブ１０の各機構の監視コストが最小限にまで制限される。なぜなら動作ストラテジの特性マップが考慮されており、各機構について信頼できない動作点が排除されるからである。

これとは異なるハイブリッドドライブ１０、例えば異なる数のギヤ段を有するハイブリッドドライブへ適合させる場合には、制御チェーンのモジュール構造のインプリメントを簡単に変更することができる。これは制御特性マップ６４およびギヤ段イネーブル回路６８を適合化するだけでよい。

図５には例えば特性マップ７０が示されている。これを介して内燃機関１２の最適な動作点が求められる。このとき走行速度ｖ（信号４４）および要求出力トルク（信号４８）よって特徴づけられる走行状態に対してそれぞれ１つずつ目標トルクＭ_ｓｏｌｌと目標回転数ｎ_ｓｏｌｌとが割り当てられる。最適な動作点に相応する値は図４の信号５０として内燃機関１２および図４のモジュール７２へ供給される。

図６には最適なギヤ段を選択する制御特性マップ６４が示されている。この場合走行速度ｖ（信号４４）と要求トルクＭ（信号４８）とに依存して種々のギヤ段で駆動される各走行状態が実現される。瞬時の燃費量６２の最適化を考慮することにより、例えば図６に示されている最適なギヤ段特性マップが得られる。これに基づいて速度ｖおよび要求出力要素ｎに依存する信号６６（図４）が送出される。

図１に示した実施例におけるハイブリッドドライブ１０についての前述の説明に関連して、特に７個のシステム変数を挙げておく。すなわち２つの電気機械１４，１６および内燃機関１２それぞれのトルクおよび回転数と、シフトトランスミッション３０，３２の２つのギヤ段の組み合わせである変速機２４の各ギヤ段とである。内燃機関１２、電気機械１４，１６およびアウトプットシャフト３４のクラッチエレメントとしての変速機２４は４つの限界条件を定める。これは機構の回転数に対するキネマティクス上の２つの限界条件と機構のトルクに対するダイナミクス上の２つの結合条件とである。燃費を最小化するために、内燃機関１２の最小燃費量に対して最適なギヤ段を求めるためのこれらの限界条件が考慮され、バッテリ５８の出力がゼロとなるように制御が行われる。

ハイブリッドドライブの概略図である。 ハイブリッドドライブの動作点の調整方法のブロック図である。 ハイブリッドドライブの等価モデルを示す図である。 ハイブリッドドライブの動作ストラテジ部のブロック図である。 ハイブリッドドライブの内燃機関の最適な動作点の特性マップである。 ハイブリッドドライブの最適なギヤ段の特性マップである。

Claims (8)

1. 原動機として内燃機関と少なくとも２つの電気機械とを有しており、原動機のアウトプットシャフトと車両のドライブトレインとが作用結合され、
   要求出力トルク（信号４８）と瞬時の車両速度（信号４４）とに依存して電気機械の動作点を調整する
   車両のハイブリッドドライブの動作点の調整方法において、
   ハイブリッドドライブ（１０）の全ての電気機械（１４，１６）の機械出力と電気損失との和がゼロになるように電気機械（１４，１６）の動作点を調整し、
   ジェネレータモードで動作する一方の電気機械（１４）がモータモードで動作する他方の電気機械（１６）へエネルギを供給し、かつ２つの電気機械（１４，１６）の全電気損失をカバーする
   ことを特徴とする車両のハイブリッドドライブの動作点の調整方法。
2. 電気機械（１４，１６）の動作点を調整する際に少なくとも１つの最適化基準を考慮する、請求項１記載の方法。
3. 最適化基準として内燃機関（１２）の最小燃費量（６２）を用いる、請求項２記載の方法。
4. ハイブリッドドライブ（１０）の動作点を特性マップに基づく動作ストラテジ部により調整する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 内燃機関（１２）および電気機械（１４，１６）に対する回転数設定およびトルク設定、および変速機（２４）のギヤ段の設定を行う、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. まず可能なドライブトレイン動作点を全て求め、これらの可能なドライブトレイン動作点から少なくとも１つの最適化基準を考慮した動作点を求める、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 最適化された動作点を特性マップへ格納し、動作ストラテジ部がそこへアクセスできるようにする、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 最適なギヤ段を求め、該最適なギヤ段を目標ギヤ段として車両の定義された駆動状態に依存してイネーブルする、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。

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