JP5130299B2 - ハイブリッド車両の駆動システムのエネルギー管理方法およびハイブリッド車両 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド（熱／電気）車両において利用されるエネルギーの管理戦略に関する。

本発明は、より詳細には、燃料消費量を最小限に抑えるとともに、電気エネルギー貯蔵手段の寿命を長持ちさせることを目的としたハイブリッド車両の駆動システムのエネルギー管理方法に関する。

図１にハイブリッド駆動システムを概略的に示す。

この種の駆動システムは、典型的には、車両の駆動輪２（１つの車輪だけを図示）に機械エネルギーを供給する１つの熱機関１と、車両の車輪２に電気エネルギーを供給する１つまたは複数の電気機械３（１つの電気機械だけを図示）と、電気エネルギー貯蔵手段４と、車両の車輪２に機械エネルギーおよび電気エネルギーを伝達する手段５と、破線の枠で囲んだ電気エネルギー回収手段７とを備える。

可能なエネルギー回収手段の１つで、「自然的」とも称される手段は、例えば、減速時に電気機械を発電機として使用するというものである。その場合に発電機として動作する電気機械は、車輪から受け取った機械／運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。

文献ＥＰ０７５９３７０などから、電気走行モードの効率に応じて走行モード（熱／電気）を選択する上述のようなハイブリッド車両の駆動システムの制御が知られている。

この文献によれば、１つの物理量の２つの値を比較することで、燃料消費量が最適となるように走行モードを決定する。

そのため、その消費量が常にわかっている必要がある。

この文献では、熱機関の消費量は、走行履歴をもとに経験則に従って決定される熱機関の平均効率から計算されている。

熱機関の消費量の計算に機関効率を用いた場合、それによって得られる結果は精度が低い。なぜなら、効率には機関回転数に関係する損失が含まれるためである。

本発明による方法の狙いは、とりわけ、より単純であると同時により正確な解決法を提案することによって、この不都合を回避することにある。

本発明によれば、消費量は、「限界」消費量として知られる熱機関の１つの特性に相当する係数をもとに計算される。

そのために、本発明は、図１の形式のアーキテクチャに基づくハイブリッド車両の駆動システムのエネルギー管理方法であって、
−第１のステップにおいて、作動状態の熱機関の消費量と休止状態の熱機関の等価消費量との差を取ることによって熱機関の燃料消費量利得を熱機関外部の他のエネルギー源とは独立にリアルタイムで決定することからなり、該等価消費量は、定められた回転数における消費量の増分と機関出力の増分の比に相当する定められた係数をもとに計算されるものであり、さらに、
−第２のステップにおいて、定められた基準および消費量利得に応じて熱機関の作動または休止を決定することからなり、該基準は、電気エネルギー回収手段の回収レベルに依存し、電気エネルギー貯蔵手段の使用が増大し熱機関ができる限り頻繁に停止されるように定められるものである、
管理方法を第１の目的とする。

さらに、本発明による方法は、追加の第３のステップにおいて、電気エネルギー貯蔵手段の充電状態に関する情報を利用して、熱機関を作動させるとの判断が下されたときに車輪における動力要求を満たすのにちょうど必要とされる熱機関の出力を決定することからなる。

本発明による方法は、燃料消費量を最適化することに加え、電気エネルギー貯蔵手段の寿命を長持ちさせることも目指す。

電気エネルギー貯蔵手段とは、例えばスーパーキャパシタや蓄電池のような電気エネルギーの蓄積容量を有するあらゆる手段をいう。説明を簡単にするため、バッテリという用語を貯蔵手段を定義するものとして使用する。

また、本発明は、上述の形式のハイブリッド駆動システムを備え、さらに上に定義するような本発明による方法を実施する制御手段をも備えるハイブリッド車両も対象とする。

本発明のその他の特徴および利点は、非限定的な例として示す添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことで明らかになるであろう。

すでに説明した、現在の技術によるハイブリッド駆動システムのアーキテクチャの簡略図である。 本発明による方法の最初の２つのステップのフローチャートである。 本発明による方法の第１のステップのブロック図である。 熱機関の消費量との関係を示した回転数曲線のマップである。 本発明による方法の第１のステップにおける、熱機関作動中の機械エネルギーのフロー（経路１）を示す図である。 本発明による方法の第１のステップにおける、熱機関休止中の機械エネルギーのフロー（経路２）を示す図である。 本発明による方法の第２のステップのブロック図である。 本発明による方法の第２のステップにおける、熱機関休止中の追加のエネルギー回収（経路３’）を考慮に入れた、熱機関作動中の機械エネルギーのフロー（経路３）を示す図である。 本発明による方法の第２のステップにおける、熱機関を補助するための追加的なエネルギーの回収（経路４’）を考慮に入れた、機械エネルギーのフロー（４）を示す図である。 電気エネルギー貯蔵手段の充電状態に応じて熱機関の停止基準が変化する様子を示す図である。 本発明による方法の第３のステップのブロック図である。 本発明による方法の第３のステップにおける、熱機関作動中の機械エネルギーのフロー（経路５）を示す図である。 本発明による方法の第３のステップにおける、貯蔵手段を使用する場合の機械エネルギーのフロー（経路６）を示した図である。 熱機関作動中に貯蔵手段の充電状態に応じて電気エネルギー貯蔵手段から供給される出力が変化する様子を示した図である。

図中、同一の符号は同一の要素を指すために用いられている。

本発明による方法は、図２のフローチャートによって図示される。

本方法は、第１のステップ８で熱機関の消費量利得を決定し、次いで、第２のステップ９で定められた基準および消費量利得に応じて熱機関を作動または休止すると判断することからなる。

第１のステップ８は、図３のブロック図によって示される。

この第１のステップは、フローのある瞬間における熱機関の停止に伴う潜在的な消費量利得Ｇの計算に基づくものである。その計算をリアルタイムで行い、計算結果を定められた係数と比較することで、熱機関を作動状態のままにするか、休止するか判断する。

以下にこの利得Ｇの計算方法を説明する。

この第１のステップ８では、エネルギー回収も熱機関以外のエネルギー源も考慮しない。考慮する唯一のエネルギー源は、熱機関によって供給されるものである。

ある瞬間における熱機関の消費量は、機関の出力および回転数との関係で機関の消費量を与える回転数別測定値のマップをもとに決定される。そうしたマップの１つを図４に示すが、これは、縦軸にグラム／秒（ｇ／ｓ）で表した燃料消費量を取り、横軸にキロワット（ｋＷ）で表した出力を取った座標にそれぞれ回転／分（ｒｐｍ）で表した１、２、３の３本の回転数曲線を表している。出力は駆動を行うために車輪で必要とされる出力で、ただし、動力伝達損失分は含まない。変速比（または機関回転数）も速度も本発明による方法によって管理されるものではない。これらは、車両役務（消費量、楽しみ、性能）全体を果たすためにあらかじめ最適化されているものと考える。

図５ａは、熱機関作動時の機械エネルギーのフロー（経路１）を示す。機械エネルギーは動力伝達手段を介して車輪に直接伝達される。

ハイブリッド駆動システムにおけるエネルギーのフローを示したこの図およびそれ以降の図には、破線で囲んだ枠内に回収手段７が示されている。同様に、本発明による方法で熱機関１の作動または休止を制御するために使用される制御手段がブロック１１によって示されている。

熱機関休止中の等価消費量は、以下の論理に従って推定する。すなわち、全面電気モードによる走行時には、熱機関の実際の消費量はゼロであるが、バッテリ（電気機械の動力源）は放電する。この放電は、動力伝達損失分を除き、駆動を行うために車輪で必要とされる出力に等しい。最後には唯一のエネルギー源は熱機関だけとなり、バッテリはリレーの働きしかしないため、全面電気モードでのこの放電は、のちに熱機関が再び作動したときに充電を行って補償する必要がある。図３で、電気システムの効率の記号が２度表示されているのはそのためである。その上で、熱機関の出力の増分は発生した消費量の超過分に比例する（図４参照）ものとして近似すると、熱機関休止中の等価消費量は、車輪における出力に放電時および充電時の電気システムにおける損失分を加え、それに比例係数Ｋを乗じたものに等しい。換言すれば、比例係数Ｋは定められた回転数における消費量の増分と機関出力の増分の比に等しい。

熱機関の性質からして、その係数Ｋは、熱機関の回転数およびトルクに対して相対的に一定になる。この一定性により、この戦略は、回転数およびトルクによって著しく変化する機関の全体効率の平均を用いる場合に比べて正確かつ簡単になる。

図５ｂは、熱機関休止時のエネルギーのフローを示す。熱機関によって供給されるエネルギーは電気システムを通る。このエネルギーは実線の矢印によって示されている（経路２）。

最後に、消費量利得Ｇが２つの消費量の差によって決定される。この利得Ｇがプラスであれば、熱機関停止の判断が下される。

以下では、非限定的な例として、車両が期間Ｔ（例えば１００秒間）の間を３０ｋｍ／ｈで走行し、次いで期間Ｔ＋１（１００秒間）の間を１００ｋｍ／ｈで走行する場合について考える。期間Ｔに熱機関を停止するか否かを問題にする。簡単のため、機械的連結（変速機）における損失は無視した。
ａ）熱機関を停止しない場合、電気機械は使用されず、熱機関の消費量は在来型車両の消費量となる。
ｂ）期間Ｔに熱機関を停止した場合、その期間の車両の消費量はゼロになるが、バッテリの方は、車両の走行に必要な出力を供給するために放電する。バッテリの充電レベルを一定に保つためには、期間Ｔ＋１の間にバッテリの充電を行わなければならない。その場合、機関は、車両の走行とバッテリの充電の両方のために必要な出力を供給しなければならない。

ａ）とｂ）の２つの消費量を比較することで、期間Ｔの間、熱機関を休止した場合の燃料消費量利得がわかる。

本発明による方法では、熱機関の物理的パラメータである（回転数に応じた）Ｋおよびｂ、ならびに電気システムの平均効率がわかれば、この利得Ｇを常に推定することができる。

利得Ｇは次式で表すことができる。
Ｇ＝熱モードでの消費量−電気モードでの等価消費量
すなわち
Ｇ＝［Ｐｍｔｈ・Ｋ＋ｂ（Ｎｍｔｈ）］−［Ｐｍｔｈ・Ｋ／ηｅｌｅｃ^２］
ただし
Ｐｍｔｈ＝熱機関によって供給される出力
Ｋ＝所定のマップによって定義される熱機関の比例係数
Ｎｍｔｈ＝熱機関の回転数
ｂ＝機関回転数Ｎｍｔｈのみに依存する消費量部分
ηｅｌｅｃ＝電気システムの効率

熱モードでの消費量は、熱機関によって供給される出力に係数Ｋを乗じたものと、回転数にのみ依存する消費量部分ｂとの和によって表される（図４参照）。機関回転数の回転数１、２、３、等々には消費量ｂ１、ｂ２、ｂ３、等々が対応する。

図６のブロック図に示されるように、本発明による方法の第２のステップ９では、減速時にエネルギー回収手段によって、またはその他の車載もしくは外部のあらゆるエネルギー源によって供給される追加的エネルギーが、熱機関の作動／休止を判断する際に考慮に入れられる。

回収手段によって回収されたエネルギーは、熱機関休止期に駆動を行うために最適な形で使用される。このエネルギーは、熱機関の作動時に熱機関による出力供給を補助するために利用されることはない。

第１の管理モードでは、熱機関が休止状態の駆動期には回収されたエネルギーが利用され、熱機関作動期には熱機関のエネルギーが車輪によって直接使用される。

この第１の管理モードは、バッテリに常時負荷がかかる管理モードとは異なり、バッテリ寿命を長持ちさせることができる。

熱機関から伝達手段を介して車輪に直接供給されるエネルギーのフローは、図７ａで実線の矢印（経路３）によって示されている。回収手段によって回収され、車輪に戻されるエネルギーの経路は破線の矢印（経路３’）によって示されている。

第２の管理モードでは、回収手段によって回収されたエネルギーは駆動期に熱機関を補助するために使用され、熱機関の停止をバックアップするのに必要なエネルギーは、熱機関の作動時に熱機関自体によって供給される。

回収手段によって補助された熱機関から車輪に供給されるエネルギーのフローは、図７ｂ（経路４）で実線の矢印によって示されている。回収手段によって回収され、車輪に戻されるエネルギーのフローは破線の矢印（経路４’）で示されている。

こうして見ると、第１の管理モードは第２のモードよりも好条件である。なぜなら、第２のモードでは、電気システムにおける損失が大きく、したがってバッテリに対する負荷も大きいからである。

本発明による方法で回収手段の回収レベルを決定するために用いられる手段はバッテリの充電状態である。すなわち、バッテリの充電状態がバッテリの公称動作領域の定められた上限（ＳＯＣｍａｘ）を上回るときは、基準Ｃを用いて熱機関の停止を決定する。この基準は、バッテリの使用が増え、熱機関ができる限り頻繁に停止されるようにリアルタイムで適合させる。実際には、第１のステップで計算した利得Ｇが基準Ｃを上回るときは機関の停止を認めるが、Ｃは充電状態につれてマイナスになって漸増する。

図８は、グラム毎秒（ｇ／ｓ）で表した利得Ｇを縦軸に、％で表したバッテリの充電状態を横軸に取った座標に、グラム毎秒（ｇ／ｓ）で表した基準Ｃをグラフで表現したものである。

このグラフ表現で破線で示した基準Ｃは連続した２つの部分に分けることができる。すなわち、基準Ｃが定められた上限ＳＯＣｍａｘまでゼロである第１の部分と、基準Ｃがバッテリの充電状態につれて漸減する定められた関数に従う第２の部分Ｃ＝ｆ（ＳＯＣ）である。

図中、「全面電気駆動」領域は雲様の点で示した部分であり、この領域は基準Ｃによって画定される。

原理について説明するため、ここで改めて非限定的な例を取り上げ、期間Ｔ−１の間（１００秒間）、車両が一定量のエネルギーを回収し、バッテリの充電レベルを上昇させると考える。次いで、期間Ｔ（１００秒間）の間、車両は緩い傾斜路を５０ｋｍ／ｈの速度で走行する。最後に、車両は期間Ｔ＋１（１００秒間）の間、１００ｋｍ／ｈで定速走行する。この場合について、期間Ｔに熱機関を停止するか否かを問題にする。

ａ）期間Ｔの間、熱機関を停止しない場合、バッテリに貯蔵されたエネルギーはＴおよびＴ＋１の期間に熱機関を補助するために利用される。

ｂ）期間Ｔの間、熱機関を停止した場合、この期間の車両の消費量はゼロとなり、バッテリに貯蔵されたエネルギーによって駆動が行われる。Ｔ＋１の期間は、電気機械は使用されず、車両の消費量は在来型車両の消費量となる。

ａ）とｂ）の２つの場合を比較することで、期間Ｔの間、熱機関を休止した場合の消費量利得がわかる。期間Ｔの走行条件に対する利得Ｇの計算でゼロに近い利得やマイナスの利得が得られる場合でも同じである。

実際、バッテリの充電状態がきわめて高いとき（期間Ｔの当初）には、熱機関の停止基準Ｃはマイナスになる（図８参照）。そこで、期間Ｔの走行状況では、制御手段は熱機関の停止を要求する。

そのため、本発明による方法により、利得Ｇの計算値がゼロであるか、またはマイナスになる場合であっても、バッテリの充電レベルが高い（回収エネルギーにより）ときには機関を停止する方が有利であることが示された。

図９のブロック図で示す第３のステップ１２では、本方法は、機関を作動させる判断が下された時点で機関の出力を決定する。原理は、車輪における出力要求を満たすのに必要なだけの出力を供給するというものである。図１０ａは、熱機関から伝達手段を介して車輪に直接供給されるエネルギーのフローを示しており、フローは実線の矢印で示されている（経路５）。

熱機関の出力の増分が消費量の増分に比例すると仮定すると、熱機関が作動状態のときにバッテリを使用することは全体消費量の点で不利である。なぜなら、ある瞬間における機関出力の増分は、同じ出力増分に電気的損失を加えたものによって事後に補償されなければならないからである。図１０ｂは、バッテリを考慮に入れた、熱機関から供給されるエネルギーのフローを示したもので、フローは実線の矢印で示されている（経路６）。

ただし、回収手段による回収では、該当領域（利得Ｇがプラスの領域）における熱機関の停止のすべてをバックアップすることができない場合には、本方法はバッテリの充電を指令することになる。

本発明による方法は、バッテリの充電状態を用いて回収手段の回収レベルを測定する。すなわち、バッテリの充電状態がバッテリの公称動作領域の定められた下限（ＳＯＣｍｉｎ）を下回る場合は、熱機関は、バッテリを充電してその充電状態を公称領域に戻すために剰余分の出力を供給する。電気システムにおける損失およびバッテリの消耗は出力の平方に比例するので、バッテリの充電は定められた最大充電状態まで漸進的に行われる。換言すれば、機関の出力に出力Ｐｂａｔが上乗せされる。ただし、Ｐｂａｔは充電状態につれて漸減する。

図１１は、熱機関作動中のキロワット（ｋＷ）表示によるバッテリ出力を縦軸に、％表示によるバッテリの充電状態を横軸に表した座標に、バッテリの充電の変化を示したものである。

ここでも、原理について説明するため、例として、期間Ｔ（１００秒間）の間、熱機関が作動した状態で車両が１００ｋｍ／ｈの速度で走行する場合を考える。期間Ｔ＋１（１００秒間）の間、車両は熱機関が作動した状態で再び１００ｋｍ／ｈで走行する。期間Ｔに電気機械を使用するか否かを問題にする。

ａ）期間Ｔの間に電気機械を使用しない場合、消費量は在来型車両の消費量となる。

ｂ）期間Ｔの間に熱機関を補助するために電気機械を使用する場合、バッテリが放電し、期間Ｔ＋１の間にバッテリを充電しなければならなくなる。

ａ）とｂ）の２つの場合を比較することで、期間Ｔの間に電気機械を使用した場合の消費量損失がわかる。

こうして、本発明による方法により、熱機関の作動時は電気機械の使用を避けるべきである（バッテリの充電状態からして可能である場合）ことが示された。

本発明による方法で用いる基本原理は、複雑な最適化方法の結果に基づくのではなく、物理的な近似に基づくものであって、簡単である。また、新しい応用例への方法の移植が容易である。

本方法は、ハイブリッド車両の試作車で現に利用されている方法に比べて簡単であり、必要とされる車載計算機の能力もそれに伴って抑えられる。

Claims (7)

1. 車両の車輪（２）に機械エネルギーを供給する熱機関（１）と、車両の前記車輪（２）
   に電気エネルギーを供給する少なくとも１つの電気機械（３）と、電気エネルギー回収手段（７）と、電気エネルギー貯蔵手段（４）と、車両の前記車輪（２）に機械エネルギーおよび電気エネルギーを伝達する手段（５）とを備えるハイブリッド車両の駆動システムのエネルギー管理方法であって、
   第１のステップ（８）において、作動状態の前記熱機関（１）の燃料消費量と休止状態の前記熱機関（１）の等価消費量との差を取ることによって前記熱機関（１）の燃料消費量利得（Ｇ）を前記熱機関（１）外部の他のエネルギー源とは独立にリアルタイムで決定し、前記等価消費量は、定められた回転数における消費量の変化と機関出力の変化の比に相当する定められた係数（Ｋ）をもとに計算されるものであり、
   第２のステップ（９）において、基準（Ｃ）と前記消費量利得（Ｇ）との比較に基づいて前記熱機関（１）の作動または休止を決定し、前記基準（Ｃ）は、前記電気エネルギー回収手段（７）の回収レベルに依存し、前記電気エネルギー貯蔵手段（４）の使用が増大し前記熱機関（１）ができる限り頻繁に停止されるように定められるものであり、
   前記消費量利得（Ｇ）が、次式によって表され、
   Ｇ＝［Ｐｍｔｈ・Ｋ＋ｂ（Ｎｍｔｈ）］−［Ｐｍｔｈ・Ｋ／ηｅｌｅｃ^２］
   式中、Ｐｍｔｈ＝熱機関によって供給される出力
   Ｋ＝比例係数
   Ｎｍｔｈ＝熱機関の回転数
   ｂ＝機関回転数Ｎｍｔｈのみに依存する消費量部分
   ηｅｌｅｃ＝電気システムの効率
   であることを特徴とする方法。
2. 前記電気エネルギー貯蔵手段（４）の充電状態が定められた最高充電状態（ＳＯＣｍａｘ）に満たないときは、前記基準（Ｃ）がゼロであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記電気エネルギー貯蔵手段（４）の充電状態が定められた最高充電状態（ＳＯＣｍａｘ）を上回るときは、前記基準（Ｃ）がマイナスであり、前記貯蔵手段（４）の充電状態につれて漸減する関数に対応することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記消費量利得（Ｇ）が前記基準（Ｃ）を上回るとき、熱機関（１）を休止させることを含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 追加の第３のステップ（１２）において、前記電気エネルギー貯蔵手段（４）の充電状態を利用して、前記車輪（２）における動力要求を満たすのにちょうど必要とされる前記熱機関（１）の出力を決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１項に記載の方法。
6. 前記エネルギー貯蔵手段（４）の充電状態（ＳＯＣ）が定められた最低閾値（ＳＯＣｍｉｎ）に満たないとき、前記熱機関（１）から剰余分の機械出力が供給されるように前記熱機関（１）を制御することで、前記電気機械（３）を介して前記電気エネルギー貯蔵手段（４）を充電し、充電状態を前記最低閾値（ＳＯＣｍｉｎ）を上回るレベルまで引き上げることからなることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 車両の車輪（２）に機械エネルギーを供給する熱機関（１）と、車両の前記車輪（２）に電気エネルギーを供給する少なくとも１つの電気機械（３）と、電気エネルギー回収手段（７）と、電気エネルギー貯蔵手段（４）と、車両の前記車輪（２）に機械エネルギーおよび電気エネルギーを伝達する手段（５）とを備える駆動システムを備えるハイブリッド車両において、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法を実施する制御手段（１１）をさらに備えることを特徴とするハイブリッド車両。

Images