JP4971355B2 - ハイブリッド車両の作動方法 - Google Patents

Description

本発明は請求項１の特徴部分に記載されたハイブリッド車両の作動方法に関している。

排出ガスの削減や燃料消費の改善は、最近では自動車のハイブリッド駆動機構に対するさらなる開発にも結び付いている。このような目的に対しては、内燃機関を効率の良い領域で駆動させること、車両の停止状態ないし車速の低い状態の時に内燃機関を停止させて電気的に走行させること、並びに制動エネルギーを回生処理によって有効利用することが挙げられる。このようなことは、ドライブトレーンに存在し得る自由度に対する最適な値の設定によって行われる。パラレル方式のハイブリッドのケースでは、この自由度とは、例えば内燃機関と１つ以上の電気機械に対するドライバーから要求される目標駆動トルクの割当てであり、特に自動化された有段変速機の場合には変速段の選択である。この場合は総じて最適化に関する問題が生じ、僅かな燃料消費量や僅かな排出ガス放出量の他にも高い走行余裕度などが所期の目標とされる。

欧州特許出願公開第１１３６３１１号明細書からは、走行中のバッテリーにおいて充電が見込まれるのか又は放電が見込まれるのかに依存してバッテリーの目標充電状態が設定される、バイブリッド車両が公知である。ハイブリッド車両が近い将来において停止され再び発進若しくは急加速されることが予見されるときには、バッテリーの目標充電状態が高められる。またハイブリッド車両の制動過程の出現が予見されるときには、この制動過程中に電気機械の回生モードにより生じる電力をバッテリーに蓄積させるためにバッテリーの目標充電状態が低減される。

発明の利点
本発明によれば有利には、パラレル式のハイブリッドにおいて、駆動トルクを車両の動力装置、具体的には内燃機関と電気機械に対して最適に割当てることが可能となる。その他にも搭載電源網の電力需要を充足させ、電気的なエネルギー蓄積器の充電状態を許容範囲に維持することが可能である。例えば搭載電源網の目下の電力需要と目下の充電状態から、電気機械に対する目標電力を求めることが可能である。電気的な目標電力を電気機械の作動点の選択のもとで予め設定することはあまり意味がない。なぜなら電気機械のトルクは電気機械の目下の回転数を考慮して直接その結果からもたらされるからである。ハイブリッド運転（＝内燃機関と電気機械が作動されている運転状態）の際に存在する自由度、すなわち２つの動力装置としての内燃機関と電気機械に対する目標駆動トルクの割当ては、それによって既に定められるようになる。例えば（トータル的にみて）有利な"エネルギーコスト"であることがわかっている場合には、むしろ電気的な目標電力から偏差させることの方がかえって有利となるときがある。例えばこの場合は充電を増加させることである。エネルギーコストとは、例えば電気的なエネルギーを生成するのに必要な燃料量と生成された電気エネルギー量から形成されるものである。エネルギーコストはドライブトレーンの現下の作動時点ないしは走行状態に依存している。エネルギーコストが不利な場合には、充電量を減少させたり放電させることも考えられる。電気的な目標電力は、各時点毎ではなく、時間的にも平均して充足されなければならない。相応の方法は他のハイブリッド構想、例えばパワー分岐型のハイブリッド車両のもとでも用いられる。エネルギー蓄積器は、有利には電気的なエネルギー蓄積器である。しかしながら他のエネルギー蓄積方式、例えばフライホイール方式も考えられる。

走行サイクルが前もってわかっている場合には、最適な動力装置作動点を求めるべくトラジェクトリーの最適化を利用することも可能である。通常のケースでは１つの走行サイクル中は過去の部分のみがわかっているだけで、未来にあることは不明である。

ハイブリッド車両において内燃機関と１つ以上の電気機械の動力装置作動点の最適な選択が行われるならば、その場合にはドライバーとサブ補助動力装置、例えば空調コンプレッサなどから要求される目標駆動トルクが生成され、さらに電気的な目標電力が時間的に平均して維持される。但しその場合目下のエネルギーコストに応じて電気的な目標電力からの一時的な偏差ないしずれは起こり得る。

このことは次のことによって達成される。すなわち動力装置作動点の最適化を目下の周辺条件、例えば車両速度やドライバーないし補助動力装置から要求される目標駆動トルク、に基づいて実行することで達成される。この最適化の際にはさらに付加的に、過去の期間に亘る電気的な目標電力からの実際値電力の加算的偏差ないし積算的偏差が考慮される。例えばある観察期間において少な過ぎる電気エネルギーしか生成されなかった場合には、車両制御アルゴリズムの実行時間（遅延時間）に対する最適化、いわゆるオンライン最適化のための品質基準が次のように変更される。すなわちより多くの電力がもたらされるように変更される。

別の有利な手段によれば、例えば車両速度や目標駆動トルクなどの周辺条件の種々異なるセット毎の最適化、いわゆるオフライン最適化が実行され、その結果が特性マップの形態で車両制御部にファイルされる。ここでは、実際値電力を適合化するために、特性マップによってファイルされた結果が積算的偏差に基づいて変更される。

さらに別の手段によれば、複数の特性マップのセットがファイルされる。これらの特性マップセットは、オフライン最適化の品質基準における電力の評価によって区別されており、そのため種々の実際値電力に平均的に結び付けられるものである。これらの特性マップのどのセットを用いるかの選択は、積算された偏差に基づいて行われる。偏差に基づく個々の特性マップセットの出力と出力の間に補間処理を施すことも可能である。

有利にはさらに付加的に、電気機械の実際値電力に対する加算若しくは積算された偏差の作用がレベル的に異なるように選択することも可能である。これは例えば増幅率や増幅度の設定によって行うことができる。電気的なエネルギー蓄積器の充電状態が過度に高いか過度に低い場合、あるいは電気的なエネルギー蓄積器の充電状態が臨界的な状況、例えば温度が極端に高まったときには、電気的な実際値電力が目標電力の近傍にあるかどうかを考慮してもよい。目標電力を相応に設定することによって、エネルギー蓄積器をいたわること、すなわち平均的な充電状態の領域にもたらすことができる。電気的なエネルギー蓄積器の充電状態ないし作動状態を改善すれば、実際値電力への積算的偏差の作用が再び減衰できる。それにより現下のエネルギーコストに応じて実際値電力が再び目標電力から大きくずれることがあるが、ただし平均すれば目標電力は保たれる。

本発明は、あらゆる種類のハイブリッド式自動車駆動機構、例えば内燃機関と１つ以上の電気機械に対するドライバーないし補助動力装置から要求されるトルクの割当てに関する自由度が存在する、ハイブリッド式自動車駆動機構に用いることが可能である。

本発明のさらなる実施形態や別の局面、利点等は、請求の範囲におけるそれらの包括関係に依存することなく生じ得るが、これによって以下の明細書で図面に基づき説明する本発明の実施例からの一般性が制限されるものではないことを述べておく。

図面
図１はハイブリッド駆動機構の有利な制御ストラテジを表した図であり、
図２は、内燃機関ないし電気機械の角速度に依存して最大トルクの経過を表した図であり、
図３は２つの作動点の間の跳躍的変化のもとでのトルクと電力の関係を時間に関して表した図である。

実施例
図１〜図３には本発明の実施例が示されている。内燃機関１０は例えば吸気管内燃料噴射機構と電子制御式アクセルペダル（電子制御式アクセル、スロットル弁機構）を備えている。内燃機関１０のフライホイールは、介在する分離クラッチなしで電気機械１２に連結されており（クランクシャフトスタータジェネレータ）、そのためここでは電気のみによる走行は不可能である。内燃機関１０のトルクと電気機械１２のトルクが、駆動トルクに加算される。この駆動トルクは有段の変速比を有するマニュアルトランスミッション１４とシャフト１６を介して図には示されていない駆動輪に伝達される（図１参照）。さらに内燃機関１０のための制御機器１８と電気機械１２のための制御機器１８′が設けられている。

ドライバーによって選定される変速段は制御には影響されない。ドライバーからは変速機入力側において目標駆動トルクＭ_soll、すなわち内燃機関１０と電気機械１２の合算トルクが設定される。内燃機関１０と電気機械１２の共通の角速度ωは、車両速度と投入された変速段から得られる。オフライン最適化においては１つの特性マップ（ブロック２８）が算出されており、このマップからは角速度ωと目標駆動トルクＭ_sollに基づいて電気機械１２に対する第１の目標トルクＭ_ElmsollKFが求められる。目標駆動トルクＭ_sollと、電気機械１２に対する補正された第２の目標トルクＭ_ElmsollKFからの差分は内燃機関１０に対する目標トルクＭ_Engsollに相応する。オフライン最適化においては内燃機関１０と電気機械１２並びに図示されていないエネルギー蓄積器の効率特性マップが得られる。目標トルクＭ_ElmsollKFないし特性マップは次のように選定される。すなわち電気機械１２の良好なエネルギーコストを伴う作動点においてはより多くの電気エネルギーが生成されるように、そしてエネルギーコストが高い場合には相応に低減された電気エネルギーが生成されるように選定される。その他に電気機械１２は、内燃機関１０の作動点のシフトによって排出ガスを低減させるのに利用される。

電気機械１２は、作動点ないし周辺条件（Ｍ_soll，ω）に応じて増減される実際値電力Ｐ_elistを生成し、あるいはジェネレータ運転モードから内燃機関運転モードに移行する。特性マップは次のように選択される。すなわち平均して（全ての作動点Ｍ_soll，ωに亘って）電気的な実際値電力Ｐ_elistが、図には示されていない搭載電源網のほぼ平均した電力需要を満たすように選択される。それに対しては、典型的な走行サイクルにおいて現れるような頻度分布が作動点（Ｍ_soll，ω）に亘って取り入れられる。個々の走行サイクルと搭載電源網の電力需要は変化しているので、特性マップ出力の補正が必要である。このことは、電気的な実際値電力Ｐ_elistと目標電力Ｐ_elsollの積算された偏差ΔＥに基づいて行われる。電気的な目標電力Ｐ_elsollは、搭載電源網の電力需要と図には示されていない電気的なエネルギー蓄積器の充電状態（ＳＯＣ）に基づいて求められる。その他にさらなる特性量、例えば温度などが考慮されてもよい。

有利な実施例によれば、電気的な電力実際値Ｐ_elistが、実質的に効率特性マップからなる電気機械１２の簡単なモデル２６を用いて算出される。ここでは、電気機械１２が目標トルクＭ_Elmsollを十分正確に置換することを前提とする。それに対しては代替的に電気的実際値電力Ｐ_elistが測定された特性量から求められるようにしてもよい。

前記偏差ΔＥは、電気的な目標値電力Ｐ_elsollと電気的な実際値電力Ｐ_elistの間の差分を順方向積分する積分器２４の出力値として生じる。さらに付加的な補正トルクＭ_ElmΔが算出される。これは前記偏差ΔＥと目下の角速度ωからの商に相応する（ブロック３２）。ここではさらに電気機械１２の効率も任意に考慮することができる。増幅率ｋ（ブロック３０）を用いることにより、フィードバックの効果に影響を与える。増幅率ｋを高めることによって、電気的な実際値電力Ｐ_elistと目標電力Ｐ_elsollの偏差が小さくなる。特に電気的なエネルギー蓄積器の充電状態（ＳＯＣ）が非常に多い場合ないし非常に少ない場合、あるいは電気的エネルギー蓄積器の作動パラメータが臨界的な場合（例えば極端に高い温度）には、増幅率ｋの増加によって電気的な目標電力Ｐ_elsollを十分正確に維持することが推奨される。

前述した方法では、作動点が大きく入れ替わるダイナミック走行形態において、電気的な実際値電力Ｐ_elistがエネルギーコストに応じて最適に選定され、特性マップ出力によって制御される。動的に入れ替わる作動点のもとでは積分器特性に起因してフィードバックないしは偏差ΔＥにおいて僅かな変化しか生じない。偏差ΔＥは次のように生じている。すなわち目標値電力Ｐ_elsollが各時点毎に充足されるのではなく、時間的に平均して充足されるようにである。

ほぼ一定した作動点（Ｍ_soll，ω）の伴う長時間走行の場合（例えば高速道路走行時）には、実際値電力Ｐ_elistは、偏差ΔＥに基づく補正トルクＭ_ElmΔに基づいて目標値電力Ｐelsollに漸近的に近似する。

電気機械の目標トルクＭ_Elmsollは、リミッタ２２を用いて制限される。限界値Ｍ_Elmmax，Ｍ_Elmminは、電気機械１２と電気的エネルギー蓄積器の目下の作動限界と、搭載電源網の目下の電力需要から算出される。前記限界値Ｍ_Elmmax，Ｍ_Elmminはさらなる周辺条件、例えば角速度ωや目標駆動トルクＭ_sollにも依存し得る。リミットがアクティブならば、偏差ΔＥの積分は、例えば一面的な制限（"アンチワインドアップ"線路３４）によって影響を受ける。

同じように有利には、前記偏差ΔＥは、ドライブトレーンの作動状態に依存して制限され、作動状態の切り替わりの際、例えば制動エネルギー回生状態からハイブリッド駆動モード若しくはブーストモードへの移行の際に新たに初期化される。

内燃機関１０に対する目標トルクＭ_Elmsollは、リミッタ２０によって作動限界値Ｍ_Engmax，Ｍ_Engminに制限される。図示の方法は、ブーストモードのもとでの抑制制御にも用いることが可能である。前記抑制制御の特性は、例えば電気的エネルギー蓄積器の目下の充電状態（ＳＯＣ）によって影響を受ける増幅率ｋを介して調整可能である。

次に図２及び図３に基づいて、目標駆動トルクＭ_sollが突発的に変化している作動点３６における理想的なジャンプを説明する。ここでは分かり易くするために、一定の角速度ωから出発することを前提とする。そのため前記ジャンプ（突発的な跳躍的変化）は角速度ωに作用を及ぼさない。相応の作動点の切り替わりは、例えばフラットな走行路（作動点Ｂ１）から傾斜路への移行の際にギヤーチェンジなしで車両速度を一定に保つべくドライバーから比較的高いトルクＭ_sollが突然要求されたような場合に生じる。作動点Ｂ１では目標トルクＭ_sollが要求され、この目標トルクＭ_sollは内燃機関１０の最大トルクＭ_Engmaxの下方に存在している（図２参照）。その場合特性マップ（ブロック２８）は負のトルクＭ_ElmsollKFを供給し、これは電気エネルギー（負のＰ_elist）の生成の増加に結び付き、それによって内燃機関１０のエネルギー的にみて有意な負荷の引き上げが達成される（図２参照）。前記作動点Ｂ１は、比較的長い期間に亘って維持され、補正トルクＭ_ElmAの作用によって電気的な電力実際値Ｐ_elistは目標電力Ｐ_elsollに漸近的に近似する（図３参照）。

作動点Ｂ２においては目標トルクＭ_sollが要求され、これは内燃機関１０の最大トルクＭ_Engmaxよりも上方に存在し、この目標トルクＭ_sollは一時的に設定され、その際電気機械１２はモーター作動モードに切り替えられ、電気的エネルギー蓄積器からは電力が引き出される（ブーストモード、Ｍ_ElmsollKF及びＰ_elistは正）。作動点Ｂ２は、比較的長い期間ドライバーによって要求され、補正トルクＭ_ElmAは目標トルクＭ_Elmsollの低減と電気的な電力実際値Ｐ_elistの目標電力Ｐ_elsollへの近似に結び付き、内燃機関１０と電気機械１２から生成された総和トルク量の低減に結び付く。このことはブーストモードの抑制をまねく。

順方向積分された偏差ΔＥはブーストモード中にエネルギー蓄積器から受取ったエネルギー量に対する尺度と見なすことが可能である。ドライバーが目標トルクＭ_sollを下げたいときには、ΔＥないしＭ_ElmAの"蓄積作用"に起因してまず高められた充電電力が要求され、ブーストモード中に生じた電気的エネルギー蓄積器のエネルギーロスが少なくとも部分的に補償される。

ハイブリッド駆動機構の有利な制御ストラテジを表した図 内燃機関ないし電気機械の角速度に依存して最大トルクの経過を表した図 ２つの作動点の間の跳躍的変化のもとでのトルクと電力の関係を時間に関して表した図

Claims (3)

1. 少なくとも２つの動力装置（１０，１２）が駆動形態で協働し、要求された目標駆動トルク（Ｍ_soll）が生成され、前記複数の動力装置（１０，１２）は予め定められた作動点において作動され、１つの動力装置（１２）である電気機械が実際値電力（Ｐ_elist）を生成する、ハイブリッド駆動機構の作動のための方法において、
   搭載電源網の電力需要と電気的なエネルギー蓄積器の充電状態とに基づいて求められた目標値電力（Ｐ_elsoll）と実際値電力（Ｐ_elist）の差分を順方向積分することによって偏差（ΔＥ）を求め、
   前記偏差（ΔＥ）と目下の角速度（ω）の商に相応する補正トルク（Ｍ_ElmΔ）を算出し、
   前記補正トルク（Ｍ_ElmΔ）に基づいて電気機械の目標トルクを補正することにより実際値電力（Ｐ_elist）が目標値電力（Ｐ_elsoll）に漸近的に近似するようにしたことを特徴とする方法。
2. 最適化のために、複数の車両速度と目標駆動トルクの値が車両制御部の特性マップ内にファイルされる、請求項１記載の方法。
3. 先行する期間において加算若しくは積分された、前記動力装置（１２）の目標値電力（Ｐ_elsoll）と実際値電力（Ｐ_elist）の偏差（ΔＥ）が、増幅係数（ｋ）の設定によって小さくされる、請求項１または２項記載の方法。

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