JP5606700B2

JP5606700B2 - 回生制動時のバッテリーへの補助電力を減少させたハイブリッド電気自動車

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Publication number: JP5606700B2
Application number: JP2009176851A
Authority: JP
Inventors: ポールライアンズアーサー; マイケルグリューティモシー
Original assignee: BAE Systems Controls Inc
Current assignee: BAE Systems Controls Inc
Priority date: 1997-11-21
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2018-11-24
Also published as: TR199802396A2; KR100577450B1; NO985419D0; BR9804727B1; KR19990045482A; NO985419L; BR9804727A; JP2014012520A; DE69815471D1; JPH11252710A; EP0917978A3; CN1125738C; PL329783A1; US5910722A; NO316262B1; CA2254026A1; ES2201394T3; CA2254026C; ID22196A; MY128074A

Description

本発明はハイブリッド電気自動車の操作および操作特性を簡単かつ効果的にするための装置および方法に関する。

ハイブリッド電気自動車は、低公害車について最も実用的な部類に入るものとして広く考慮されている。ハイブリッド電気自動車は電気的「走行用」バッテリであって、電動機用の電力を提供するものを備えており、これは順次自動車の車輪を駆動する。ハイブリッド電気自動車の「ハイブリッド」的特徴は自動車の運転中に走行用バッテリを再充電するための電気エネルギーの二次的乃至補助的供給源を使用することにある。この電気エネルギーの二次的供給源は太陽熱パネル、燃料電池、内燃機関によって駆動される発電機、あるいは通常の如何なる他の電気エネルギー供給源であってもよい。内燃機関が電力の二次的供給源として使用される場合はそれは一般に、比較的小さなエンジンであって、殆ど燃料を使用せず、また殆ど汚染を生じないものである。付随する利点は、この種の小さな内燃機関を限定されたＲＰＭ範囲内で作動させることが出来るので、エンジンの汚染制御を最適化し得るということである。電気エネルギーの供給源を説明するために用いた場合の用語「一次」および「二次」は単に運転中にエネルギーが分配される方法に関しており、これらは本発明に対する基本的な重要性を構成するものではない。電気的バッテリーによってのみ動力を供給される単純な電気駆動自動車は、車両がバッテリー充電ステーションから遠方にある間にバッテリーが枯渇する可能性があり、またたとえその種の車両が一日の使用の後、その発着所に上首尾で帰還したとしても、それからバッテリーを再充電せねばならない、という欠点を有している。ハイブリッド電気自動車は単純な電気動力自動車を超える重要な利点を有している。それはハイブリッド電気自動車が運転中にそれ自体のバッテリーを再充電し、それで通常は如何なる外部的バッテリー充電をも要しないということである。従って、ハイブリッド電気自動車は内燃機関によって動力を供給される普通の自動車であって、燃料の補給のみを要するものとほぼ同様に使用することが出来る。ハイブリッド電気自動車のその他の主要な利点は、その良好な燃費にある。燃費におけるこの利点は、回生発電制動に起因するものであり、これは少なくとも部分的な制動の間でも動きの運動エネルギーを電気的動力に変換し、そしてこのエネルギーをバッテリーに復帰させるというものである。制動損失は、都会の交通状況における車両によって経験される全摩擦損失の略半分近くの原因を示すことが判明している。この５０％のエネルギーの回収およびそれを更なる利用のためにバッテリーに復帰させることが、再充電性制動が利用されない場合よりも遙かに小さな「二次」燃料駆動の電気的発電機の使用を許容するものである。これは順次、そのより小さな二次電気供給源が単位時間当たり、あるいは単位マイル当たりで使用される燃料をより少なくすることになる。ハイブリッド電気自動車の更に他の利点は、多くの条件下で、車両を加速させるために得られる動力はバッテリーによって供給し得る最大動力と、二次電気発電機によって生成し得る最大動力とをプラスした合計となることである。電気発電機がディーゼル動力供給内燃機関であれば、バッテリー動力およびディーゼル動力の組み合わせは、良好な燃費にも拘わらず非常に有力な合計推進力をもたらすことが出来る。

ハイブリッド電気自動車は経済的ならびに自然環境的に有利であるが、それらは広範な受容を達成するために、それらの操作において、また操縦者の入力に対するそれらの応答において従来の内燃機関による動力供給自動車と類似でなければならないという点である程度「誰でも使える」というものでなければならない。

本発明による特徴によれば、電気バッテリーからのその牽引動力の少なくとも若干を追いやるハイブリッド電気自動車を操作する方法は、ハイブリッド電気自動車の少なくとも一つの動作モードにおいて走行用バッテリーから電動機へエネルギーを提供し、かつ時々自動車を回生制動する工程を包含している。本方法の工程は、回生制動によって利用出来るようにしたエネルギーの少なくとも一部をバッテリーに復帰させることと、回生制動が行われないインターバルの間に電力の補助供給源からバッテリーを、自動車の標準的な操作に適した態様において或る種の制御則に従って変化し得る「標準的」量における充電をもって充電することとを包含する。本発明のこの特徴において、回生制動が行われるインターバルの間に充電の「標準的」量から減少させた割合において、バッテリーは電力の補助供給源から充電される。本発明のこの特徴の他の改良において、電力の補助供給源からバッテリーを充電する工程は、ディーゼルエンジンであってもよい内燃機関により駆動される電気発電機からバッテリーを充電する工程を含んでいる。燃料電池をエンジン−発電機の組み合わせの代わりに使用することも出来る。

本発明によって制御を行うコマンド制御装置ならびに電力制御装置を含む本発明の特徴による電気自動車を示す簡略化したブロック図である。図１の電力制御装置内で行われる若干の作用を例示する簡略化したブロック図である。ａ．ｂ．走行用バッテリーへのエネルギー回生対走行用バッテリーの充電状態ならびに回生に起因する牽引力対走行用バッテリーの充電状態についての、それぞれ簡略化したプロットである。図３ａおよび３ｂに示した動作をもたらすための、図１および図２のコマンド制御装置におけるロジック・フローを示す簡略化したフローチャートである。走行用バッテリー充電の関数として、図１の自動車の走行用モータに対する牽引力の供給分布について示された簡略化プロットである。図５に示した動作をもたらすための、図１および図２のコマンド制御装置におけるロジック・フローを示す簡略化したフローチャートである。ａ．モータまたは発電機動力対パラメータとしてのトルクによる速度についてのプロットである。ｂ．どのようにしてモータ／発電機の動力が制御されるかを示す図である。走行用バッテリーの充電の状態に応答して補助電力供給源によって生成された電力量を制御するための或る種の制御回路乃至アレンジメントを例示する簡略化したブロック図である。

図１において、電気自動車１０は少なくとも１本の駆動輪１２であって、交流走行用モータ４０に連結されたものを包含し、このモータは本発明の一実施例において三相交流モータである。モータ４０は好ましくは、知られているように電動発電機なので、運動エネルギーを発電制動の間に電気エネルギーに変換することが出来る。電力制御装置１４は電力−処理路によって走行用モータ４０に、２０で示される走行用バッテリーに、またブロック１６で示される電気エネルギーの補助供給源に接続されている。ブロック１６内に示されるように、補助供給源は内燃機関、たとえばディーゼルエンジン１８であって、電気発電機２２を駆動するものを含むか、あるいは燃料電池２４を含んでいてもよい。ブロック５０として示されるコマンド制御装置は電力制御装置１４、補助供給源１６の作用を制御するために、情報路によって電力制御装置１４、補助供給源１６および走行用モータに接続され、また適切な制御則に従って走行用モータ４０に接続されている。

比較的高い電力を蓄積できる最も一般的かつ安価なタイプのバッテリーの一つには普通の鉛／Ｈ_２ＳＯ_４バッテリーがある。このタイプのバッテリーは、もし若干の注意が払われれば、電気自動車において使用するのに適している。それらはバッテリーがフルチャージの際に充電電流を加えないようにすること、電解質についてガスを発生させないこと、および望ましくない熱を生成させないこと、また硫酸化を回避し得るようにすることである。

図１において、自動車１０のディスプレイおよび操縦者の規制はブロック３０として示されている。ブロック３０は双方向性データ路３１によって駆動コマンドをコマンド制御装置５０に送るためにコマンド制御ブロック５０に接続されているものとして示されており、次いでこのコマンド制御装置５０はそれらのコマンドを様々な動力エレメント、たとえば電力制御装置１４、補助供給源１６および走行用モータ４０に対して適切なコマンドとして転用することが出来る。ブロック３０はまた、ブレーキペダルに連結された従来の油圧ブレーキシステムによる摩擦ブレーキ３６ａおよび３６ｂの直接制御のためにパス３２によって摩擦ブレーキに連結されているものとして示されている。

図２は図１の電力制御装置１４の若干のエレメントの相互連結を図１の他のエレメントと共に示している。より詳細に、電力制御装置１４は補助供給源１６に連結された整流器設備２６であって、（もし、必要ならば）補助装置１６の交流出力を直流電圧に変換するためのものを含んでいる。電力制御装置１４はまた、双方向推進制御システムを含み、これは更にｄｃ−ａｃインバータを包含し、このインバータは電力結線によってバッテリー２０、整流器設備２６および電動機４０に連結されている。インバータ２８、補助供給源１６および電動機４０の動作は上述のようにコマンド制御装置５０によって制御される。ｄｃ−ａｃインバータ２８に加えて、推進制御システムはモータ／発電機、バッテリーおよび補助電気供給源の様々な動作パラメータを検知するための電圧および電流センサを含むことに留意すべきである。

図１および図２の配置についての基本的動作において、コマンド制御装置（５０）はパルス幅変調したコマンドによってインバータ２８の個別のスイッチ（図示せず）を制御し、これが、電動機４０に連結されているインバータ２８の出入り口２８ｍにおいて、選択された周波数および大きさを有する大まかに言えば交流電圧を生成する。本発明の好ましい実施態様において、インバータはフィールド測位コマンド（ＦＯＣ）タイプのものであり、そして電動機も同様にＦＯＣ誘導電動機である。電動機４０に対し命令された交流駆動装置の周波数および規模が選択されて、選択されたモータ速度における選択された走行電流によってモータを駆動する。一般に、電動機４０はバックＥＭＦであって、モータ速度が増加するにつれて増加するものを発生し、そしてインバータは（コマンド制御装置５０の制御下で）同一の電動機駆動電流を維持するために、交流電圧周波数が増加するにつれてその規模において増加する交流電圧を生成せねばならない。モータはインバータ出力の指令された周波数と一致する周波数において回転する。更に、図１および図２におけるような電気自動車の基本動作において、発電制動および摩擦制動の双方が行われてもよい。発電制動の方が遙かに好ましい。それは自動車が速度を落としたとき、電気発電機として作動する走行用モータによって自動車の運動に固有の（運動）エネルギーが取り戻されるからである。発電制動が生ずるインターバルの間に、第二または回生方向において作動する図２のｄｃ−ａｃインバータ２８は走行用モータ４０により生成された交流電圧を直流電圧に変換し、これが走行用バッテリー２０を充電する。更に、電気自動車が補助電気供給源１６を含むハイブリッド電気自動車であれば、コマンド制御装置５０のコマンドに依存して、補助供給源は自動車の運転の間に作動して、バッテリーを補充し、および／または走行用エネルギーの若干を生成することが出来る。

発電制動を利用するノーマルモードにおいて電気自動車が運転され、かつバッテリーが十分に充電されている場合、発電制動が既に充電されたバッテリーに充電電流を強引に押出すようになることは言及されて来た。鉛−酸バッテリーの特性は、十分に充電されたバッテリーに対し充電電流を印加するこの状況において、バッテリーの電圧は顕著に上昇、すなわち名目上１２ボルトのバッテリーにおいて、フル充電状態、無電流値(no-current value)１３ボルトから略１６ボルト近くまで上昇する傾向を示すようになり、それによりコマンド制御装置に対し過充電状態が発生しているという指示が与えられる。もし、コマンド制御装置が、バッテリーから発電制動によって生成されたエネルギーを分離すれば、バッテリーを保護するためにそうしなければならないので、バッテリー電圧は直ちにそのフル充電、無電流値に低下する。このことは、順に発電制動制御装置をして、過電圧制御が効力を生じるまで、もう一度バッテリーに対しエネルギーを提供し始めるようにさせる。これが、コマンド制御装置のループ特性によって確立されるパルスレートにおける発電制動の周期的適用をもたらし、そして認知可能な制動チャター(braking chatter) を生成し、同様にパルスインターバル部分の間にバッテリーを過充電する傾向を生ずる。過充電およびチャターの両者は望ましくない。

図３ａおよび３ｂは共に本発明の特徴による制御則を示すものであり、これは、走行用バッテリーが特定の充電量未満の充電状態にあるインターバルの間に発電制動から得たエネルギーについてフル回生または走行用バッテリーへの復帰を許容するというものであり、この特定の充電量はフル充電未満であり、そしてこれは特定充電とフル充電との間に存在する走行用バッテリー充電レベルにおいて、応答的であるか、あるいは所定の充電およびフル充電間の充電における差違に関連するそのとき存在する状態の関数であるという態様において、発電制動から得られた回生エネルギーの割合を徐々に減少させる。本発明の一実施態様において、この関係は単調であり、そしてその関係は直線的であってもよい。図３ａにおいて、プロット３１０は、本発明の一特徴による制御則に従う走行用バッテリー充電状態の関数としての回生量を表している。より詳細に、プロット３１０は発電制動回生の値において一定であり、それは回生１００％を表すか、あるいは便利のために１００％に近い部分３１２を明示している。フル充電において、発電制動から得たエネルギーの回生量は略ゼロまたは便利のためにゼロに近い値に減少される。プロット３１０によって示される制御則は更に、第二の部分３１４を包含し、これは予め定められた走行用バッテリー充電レベルであって、「最初の充電」と称されるレベルにおける回生１００％から走行用バッテリーのフル充電における回生ゼロへ単調に勾配を成している。走行用バッテリー充電条件の関数として車両の回生走行または制動に対する効果は図３ｂ中にプロット３２０によって例示されている。図３ｂにおいて、プロット３２０は第一の部分３２２を含み、これは最高の回生走行を示す一定値において走行用バッテリーの低充電レベルから「最初」の充電レベルへと延びている。プロット３２０の第二の部分３２４は「最初」の充電レベルにおける１００％からフル充電における０％へ単調に勾配を成す回生走行を表している。プロット３１０および３２０の部分３１４および３２４はそれぞれ直線的な勾配として示されているが、部分３１４および３２４が単調であるべきであるという制御目的のためには十分である。発電制動におけるこの単調な減少は自動車のドライバーに対して認知され得るべきではない。それは走行用バッテリーの充電状態は緩慢に変化し、そしてそれ故に回生制動量が緩慢に変化するからである。回生制動は緩慢に変化するので、摩擦ブレーキは発電制動および所望制動力間の如何なる不足量をも徐々に支援し始める。これが順次、バッテリーがフル充電にある場合単に回生を停止することによって、制御則が過充電から走行バッテリーを単純に保護する際に明かであるチャターを減少させることになる。

図４は、図１の制御プロセッサ５０を制御する制御則の部分４００が図３ａおよび３ｂによって示されるタイプの性能をもたらすことを示す簡略化したフローチャートである。図４において、そのロジックはSTART ブロック４１０からスタートし、そしてブロック４１２に進むが、これは走行用バッテリーパック（図１における２０）のパラメータ、たとえば温度、電圧および電流をモニターすること、ならびに時間に言及することをも示している。これらパラメータのサンプルは、頻繁なサンプリング・インターバル、たとえば図４のループを貫く反復に際して取り出せばよい。ロジックブロック４１２から、そのロジックはブロック４１４へ進み、このブロックはバッテリーに入った充電量を決定し、そしてバッテリーを去った充電量を差し引くことによる走行用バッテリーの充電状態についての概算を表している。この充電の単位はアンペア時である。走行用バッテリーの充電状態について一度概算が行われると、そのロジックは決定ブロック４１６に進み、ここで走行用バッテリーの電流または現在時の概算された充電状態を、上述したように図３ａおよび３ｂの「最初の充電」レベルによって表された充電の予め定めた値と比較するが、この充電レベルはフル充電未満とする。もし、決定ブロック４１６が、走行用バッテリーの概算された充電レベルが最初の充電レベル未満であることを確認すると、そのロジックはYES 出力によって決定ブロック４１６を去り、そして別のブロック４１８に進み、このブロックはフルに回生制動エネルギーまたは動力を利用せしめることを表している。ブロック４１８で取られるアクションは、たとえば制動の間に（その発電機モードにおいて作動している）走行用モータにおける界磁電流を走行用モータの電気的出力を最大とするように調整することでもよい。或るタイプのモータ／発電機は完全に別個の界磁巻線を有していないという訳ではなく、むしろ複数個の巻線を有していて、一つの巻線は他の巻線中の制御された電流によって誘導または導かれたその所望電流を有するものであるが、本発明の目的に関して、界磁電流が生成される方法は関係無く、所望量が生成されることで足りる、ということが注目されるべきである。ブロック４１８からロジックはブロック４１２に戻って、ループを次々に反復し始める。ハイブリッド電気自動車はこの状態で駆動されるので、走行用バッテリーは屡々、エネルギー貯蔵システムであって、走行用バッテリーと自動車の運動を含むものへのエネルギーの連続的注入に起因して一層十分に充電されることになるであろう。

結局、走行用バッテリーの充電状態は図３ａおよび３ｂに示す「最初の充電」レベルを越えることになるであろう。その時点で、図４のロジックループ４００によって表される、その予めプログラムされた部分への、図１の制御装置５０のロジックのくまない反復は変化することになろう。それは、そのロジック・フローがもはや決定ブロック４１６のYES 出力から方向づけられなくなり、代わりにNO出力を指向することになるからである。決定ブロック４１６のNO出力からロジックは別のブロック４２０へ進み、このブロックは、フル充電と図３ａおよび３ｂの最初の充電レベルとの間の差違に関連する現在時充電量に対する正反対の関係または反比例において、自動車の運動エネルギーの形態で得られる回生電力またはエネルギーの大きさの減少を表している。従って、もし充電の現状が、図３ａおよび３ｂ中ＣＣで示されるように、最初の充電とフル充電との途中で７０％であれば、運動のエネルギー量であって、回収されるべき、かつバッテリーに結合すべきものは３０％ととなる。現在充電レベルが１００％に達すると、許容回生は０％になる。上述したように、発電機として作用する走行用モータからのエネルギーまたは動力の結合の制御は界磁定位した制御交流モータ(field oriented controlled alternating current motor)において駆動装置のコマンド・トルクを調整することによって簡単に行うことが出来る。本発明の現実の実施態様において、走行用バッテリーに復帰する発電機として作用するモータによって生成された動力量を制御するために、そのトルクは速度に比例して減少される。

説明した限りにおいて、図４のロジックは走行用バッテリーの充電状態に従って回生を制御する。これは、発電機として作用する走行用モータによって自動車に働く減速力が制動の間に減少することを意味する。回生制動を用いる電気自動車の利点の一つは、全ての制動を行うために摩擦ブレーキは必要としないことであり、それで、それらのデザインおよび構成を、その処理をより少なくするという利点を達成するように、たとえばそれらを構成においてより軽量にすることによって可能とすることである。図４のロジックと関連して説明する限りにおいて、走行バッテリーの或る充電条件下で発電制動は減少される。本発明の他の特徴によって、回生制動が減少される時間の間に付加的な制動を提供するために、そのロジックは図４の４２０から別のブロック４２２に進み、このブロックは発電機として作動する走行用モータの効率の減少を表している。この発電機として作動する走行用モータの効率の減少は、界磁巻線内のスリップまたはその電流のいずれかを、あるいは好ましくはその両者を調整することによって成就することが出来る。図４のブロック４２２からそのロジックはブロック４１２に復帰して、「ループのあちこちの」あるいはロジック４００を貫く反復を開始する。

説明した限りにおいて、チャターまたは不均一性能が、付加的充電からの完全充電したバッテリーの保護によって発生した。同様な結果は略放電したバッテリーによる加速に対しても発生する。図１の自動車１０の加速の間でも、走行用バッテリー２０および補助または二次電気供給源１６（内燃機関／発電機）の両者は走行用モータ４０のための電気エネルギーの供給源として利用可能である。従って、走行用モータ４０は、走行用バッテリー２０から引き出すことが出来る最大動力と共に補助供給源１６が提供し得る最大動力との合計の割合において動力を提供することが出来る。これは、加速の突発が顕著な動力を必要とする可能性のある都会における運転に関して都合がよい。しかしながら、ある種の条件下での走行用バッテリーの保護制御は、もしそれらが、放電状態と見なされるバッテリーが充電状態に達する際に、走行用バッテリーからの抽出動力を単純に停止させるものなら、またチャターの形態を招来する。自動車が長時間に亘り上り勾配、たとえば大陸分水界を横断して走行するような場合、このチャターの形態が発生する。自動車を道路に沿って上昇させる際のエネルギーの利用の割合が補助供給源１６によるエネルギーの送り出し割合を超えると、そのバッテリーは連続的に放電することになり、そして結局「放電」レベルと見なされる充電レベルに達する。もし、その時点で走行用バッテリー制御装置が、走行用モータ回路から走行用バッテリーを単純に切断すれば、走行用モータから得られる電流の量は補助供給源１６によって提供されるレベルに突然減少し、その結果牽引動力における突然の変化をもたらし、そして自動車は思いがけない速度の減少を経験することになろう。しかしながら、走行用モータに対する走行用バッテリーの放電の除去は、そのバッテリー電圧をその無負荷電圧に急激に上昇させることになる。もし、この制御装置が電圧におけるこの上昇を、走行用バッテリーは使用可能な充電量を有していることを示すと解釈すれば、走行用バッテリーを走行用モータに再接続してもよく、それによってもう一度走行用バッテリーから付加的な牽引動力が提供されるが、走行用バッテリーの電圧を降下させる。当業者はこれを変動状態であって、登坂中に反復的に自動車を「チャグ(chug)」または突然に揺らす可能性あるものと認識するであろう。

この点において、ロングライフが望まれている走行用バッテリーの状況において「完全に」放電したバッテリーは依然として可成りの充電量を有していることに注目すべきである。それはこの種のバッテリーの寿命は、放電の深さが非常に大きすぎると、劇的に減少するからであり、従って電気的に駆動される車両の議論を目的とする放電バッテリーとは、完全放電状態と見なされる充電状態にあるものの、依然として可成りの充電量を含むものとする。ハイブリッド電気自動車においては、補助エネルギー供給源がエネルギーを連続的に提供し、もし、牽引力要求が補助エネルギー供給源の出力未満であれば、そのエネルギーを走行用バッテリーの充電のために使用することが出来る。制御則は補助エネルギー供給源および走行用バッテリーの両者が走行用モータに対してエネルギーを提供することを許容する。走行用モータの要求が補助供給源出力を超えると、電流が走行用バッテリーから引き出され、これがその電圧を降下させる。もし、その走行用バッテリーが略フル放電状態であれば、この電流の引き出しに起因する電圧降下はバッテリーからの電流の消耗を停止させることによるバッテリー保護をするように出来る。制御則によるこの電流消耗の排除は、順次自動車に対して補助供給源のみよって電力を供給させることになり、そして走行用バッテリーの電圧を上昇させるものである。走行用バッテリーが上昇すると、制御則はもはやバッテリーが放電しているとは認識せず、そして電流消耗が走行用バッテリーから再び許容される。走行用モータに対し走行用バッテリーを反復的に結合および解放する方法は制御システムの振動を構成する。この振動は制御システム振動率において変動する牽引力をもたらし、そしてこれは自動車のオペレータにとって認知する
ことが出来る。

本発明の他の特徴によれば、制御装置５０は、走行用バッテリーの充電状態に応答して走行用バッテリーから引き出すことの出来る動力量を制御する。これが上記した「チャッギング(chugging)」状況を回避し、そして速度における減少を円滑にし、それによってバッテリーの充電が減少した際自動車が山を登坂することが出来る。図５はプロット５００を例示し、これは本発明のこの特徴による制御の結果を表している。図５において、自動車にとって得られる牽引力が走行用バッテリーの充電状態またはレベルに対してプロットされている。プロット５００は部分５１０を含み、これは電気的エネルギーまたは動力についての補助供給源の連続的出力を表しており、これは比較的に低レベルである。プロット部５１０は名目的放電状態未満のレベルから「低充電点」と称する、走行用バッテリーの名目的放電状態である充電レベルに及んでいる。プロット部５１２によって表された作動領域において、自動車にとって入手可能な牽引動力は比較的高レベルにあり、これはバッテリーおよび補助動力の合計を示している。プロット部５１２によって示されるこの最高動力レベルは「最初の充電」と称される充電状態から完全充電状態に及んでいる。走行用バッテリーの「低充電」状態と「最初の充電」状態との間で、牽引動力の量はプロット部５１４によって示唆されるように走行用バッテリーの充電状態に依存している。このタイプの制御の効果が、走行用バッテリーが部分的に「最初の」レベルに放電されるまでの期間に亘り作動を十分な牽引動力において行わせる。走行用バッテリーが最初のレベルの直ぐ下方に低下すると、走行用モータにとって入手可能なバッテリー動力の量は、希望される量において僅かに減少するが、容易に気付かれるようなものではない。図５の最初の充電レベルの直ぐ下方地点における動力におけるこの僅かな減少は、走行用バッテリーの放電の割合を若干減少させる。もし、丘が長いと、この走行用バッテリーは更に放電する可能性がある。走行用バッテリーが、図５の「低」および「最初の」充電状態間の領域において更に放電するようになると、比較的少ないバッテリー動力が走行用モータに関して得られることになり、これは自動車を更に遅くすることになる。最長の丘では、走行用バッテリーは最終的に「低」充電状態に達し、これは名目的に放電状態と見なされるものである。このレベルに達すると、もはやエネルギーは走行用バッテリーからは抽出されず、そして一般に、走行用バッテリーに対する或る種の他の消耗、たとえば自動車またはその占有者に対する切迫した危険な条件下でのバッテリー保護についての緊急の補助的手動装置が存在しない限り、走行用バッテリーの充電状態は「低」レベル未満のプロット部５１０内に延びることは不可能である。図５中にプロットされるような制御によって、制御曲線に沿う如何なる地点においても牽引動力における急激な転移は存在しない。バッテリーの充電量が「低」充電点の直ぐ上方であって、またその充電量が補助電気的供給源からフル動作への転移を行うと、走行用バッテリーによって提供される牽引動力の量は既に非常に小さく、そしてその転移は自動車のドライバーにとって認知し得ない筈である。

図６は簡略化されたフローチャートであり、これは図１の制御装置５０であ
って、図５のプロット５００に従う制御を提供するもののロジックの部分６００を示している。図６において、そのロジックはSTART ブロック６１０から開始し、そしてブロック６１２に進み、このブロックはバッテリー特性の読み出しを表しており、図４における大体ブロック４１２のようなものである。図５のブロック５１２からそのロジックはブロック６１４に進み、このブロックはまた図４において大体説明したように、充電状態の概算である。図６の決定ブロック６１６は現在の充電状態が図５の「最初の」充電点の上方にあるかどうかを決定し、そしてもし、充電状態が「最初の」充電点より大きければ、ロジックは決定ブロック６１６のYES 出力を通って道筋を決める。決定ブロック６１６のYES 出力から、そのロジックはブロック６１８に進み、このブロックは、走行用モータにとって入手可能なフル牽引力とすることを表している。これは図７ａおよび７ｂに関連して説明するように、インバータの作動に依存して補助供給源は供給源のみであるのに対し、バッテリーおよびモータ／発電機は供給源または消費装置となり得る旨を知らせる、インバータを制御するソフトウェアにおいて、動力リミットを排除することによって成就される。ブロック６１８から、そのロジックはブロック６１２に戻って、図６のロジックを通じて他の反復を開始する。一般に、略完全に充電された走行用バッテリーをもってスタートすると、走行用バッテリーの充電量が図５中の「最初の」充電レベルによって示される充電量を超えている限り、そのロジックはブロック６１２、６１４、６１６および６１８を含むループを次々に反復することになる。

長い登坂に関して、走行用バッテリーの充電量は、結局図５の「最初の」充電点に等しいか、それ未満に降下し、そして図６のロジックを通じた次の反復ではそのロジック６はNO出力によって決定ブロック６１６を出ることになり、そしてブロック６２０に進むことになる。ブロック６２０は、図５の「最初」と「低」充電状態との間の充電量における差違に関連する現在の走行用バッテリー充電量の大きさに依存する量において走行用バッテリーから、走行用モータにとって入手可能な動力量における減少を表している。たとえば、「現在の充電量」として図５中に示されるレベルであって、「低」および「最初の」充電レベルによって示された充電レベル間の道程の９／１０であるものに対して、もし走行用バッテリーの現在時レベルの充電量が図５の「最初の」充電状態未満に降下すれば、制御装置５０は、走行用バッテリーから、走行用モータにとって入手可能な動力量を、プロット部５１２によって示されるフルパワのバッテリー供給成分の９０％となるように制御する。他の方法で述べれば、「現在の充電量」として図５中に示された充電の現状は、バッテリーに起因するものとして表されたフル牽引力成分の９０％なので、走行用モータに対して提供されるバッテリー動力はそのバッテリー動力の９０％に減少される。当然ながら、図５のプロット部５１４は図示のように直線的勾配である必要は全く無いが、プロット部５１４が少なくとも単調であれば、制御システムは簡略化される。図６のブロック６２０から、そのロジックは決定ブロック６２２へ進み、このブロックは走行用モータの動力要求を、電気エネルギーの補助供給源からの動力と比較する。もし、走行用モータの動力要求が電気エネルギーの補助供給源からの動力を超えていれば、これらのバッテリーは放電され、そしてそのロジックはYES 出力によって決定ブロック６２２を去る。決定ブロック６２２のYES 出力から、そのロジックはブロック６２４へ進み、このブロックは補助供給源から得られる動力の、その最高値への増加を表している。ブロック６２４から、そのロジックは決定ブロック６２６へ進む。決定ブロック６２６は、走行用バッテリーの充電量の現状を図５の「低」充電点と比較する。もし、その充電の状態が「低」充電点未満であれば、走行用バッテリーの損傷を阻止するために、そのバッテリーがそれ以上放電されるべきではないことを表示し、そのロジックはYES 出力によって決定ブロック６２６を去り、そしてロジック・ブロック６２８へ進む。ブロック６２８は、ＦＯＣ制御によって、走行用モータ動力の、電流の乗算によって電圧の積として容易に決定される、電気エネルギーの補助供給源から得られる知られた動力量への制限を表している。ブロック６２８から、そのロジックはロジックパス６３０を通って進み、ロジックパス６３０を通ってブロック６１２に戻り、図６のロジックを通じて別の反復を開始する。決定ブロック６２６が走行用バッテリーの充電状態を吟味して、もしその充電量の現状が図５の「低」充電点よりも大きければ、そのロジックはNO出力によって決定ブロック６２６を去り、そしてロジックパス６３０を進んで、ブロック６２８を通過することなく、ブロック６１２に復帰する。その結果、走行用バッテリー中に著しい使用可能な充電量があれば、図６のロジックはその使用を許容する。もし、図６を通じてのロジックの通過の間に、決定ブロックが、その牽引動力は、補助供給源１６により生成される動力よりも大きくないということを見出せば、そのロジックはNO出力によって決定ブロック６３０を去り、そしてロジックパス６３０を通ってブロック６１２に進み、別の反復を開始する。すなわち、このパスは補助供給源１６の動力の最高値への増加をバイパスする。

図７ａはモータ動力（または発電機）対速度についての簡略化したパラメータプロット７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃ、．．．、７１０Ｎを示している。図７ａにおいて、プロット７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃ、．．．、７１０Ｎは共通の傾斜部７１２を有している。モータまたは発電機のための動力は速度を乗算したトルクの積である。従って、ゼロ速度において、動力はトルクとは無関係にゼロである。一定のトルクにおいて、速度が増加すると、その動力は速度ωｂａｓｅまで図７ａのプロットの部分７１２によって示唆されるように、増加する。周波数ωｂａｓｅ以上では、モータ／発電機の設計は、もはや動力が熱的またはその他の理由について取り扱うことが出来ないようになっている。従って、最大トルクにおいて、モータ／発電機の動力は、プロット７１０ａに横たわるインバータの制御則によって制限される。もし、そのトルクが最大トルクより幾分低ければ、最大動力はプロット７１０ｂで示されるωサブbaseよりも僅かに低いモータ速度において達成される。プロット７１０ｃは更により低いトルクの大きさを示し、また最低のプロット７１０Ｎは量子化した制御システムが維持し得る最も低いトルクを示している。この制御システムはモータにより生成されたトルクを、その速度に依存して制限値に限定して、モータが所望最大動力限度以上で作動されることを阻止することになる。制限トルク＿限度は、現在のモータ速度によって最大動力を除算することによって簡単に得られる。トルク＿限度＝Ｐｍａｘ／速度そしてトルクに対する得られた限度が、動力プロットをプロット７１０ａおよびプロット部７１２によって図７ａ中に示されたものより決して大きくない値に限定させる。もし、その動力をＰｍａｘよりも小さな値に限定すべきであれば、モータが従う動力プロットは図７ａのプロット７１０ａ、７１０ｂ、７１０ｃ、．．．、７１０Ｎの１個に対応することになる。図７ｂはトルク・コマンドと動力リミッタとの関係を例示する簡略化されたブロック図である。図７ｂにおいて、トルク＿コマンドはリミッタ・ブロック７１４に適用されるが、これはトルク・コマンド（限定されたトルク＿Ｃｍｄ）であって、その動力を曲線７１６の下方に横たえるように限定する態様において、フィールド測位制御（ＦＯＣ）インバータ２８に至るものである。曲線７１６はトルク対速度であって、モータ速度により選択され、または設定された動力Ｐを除算することによって得られるもののプロットである。従って、ＦＯＣインバータは、モータ速度の観点から指令されたトルクの制御によってモータの動力を制御することが出来る。問題のトルクは走行または駆動トルクであればよく、あるいは遅延または制動トルクであってもよい。発電機として作用するモータからバッテリーに流れる動力の制御が望ましい場合、適切なＦＯＣコマンドは限度の適用をもたらす。

図８において、望ましいトルクまたはトルク・コマンドは電気的アクセレレータ（図示せず）から誘導され、そしてパス８１０を通って乗算器８１２であって、その第二入力口８１４においてセンサ（図示せず）から検知車速（またはもし、その車両が可変ギアを備えているなら、走行用モータ速度）を受ける装置の第一入力口に適用される。乗算器８１２はモータ速度および指令されたトルクの積を得て、走行用モータに適用すべき指令された動力を表す信号を生成する。ブロック８１６は定数ｋによって指令された動力を計量して、必要ならば、その信号をワットで示す指令された走行用モータの動力の表示ＰＣに変換する。ワットで示す指令された動力を表す信号ＰＣはブロック８１６から別のブロック８１８に加えられるが、このブロックはワットで示す指令された動力を走行用バッテリーの電圧によって除算し、指令された走行用モータ電流（ＩＣ＝Ｐ／Ｅ）を表す信号を得ることを示している。走行用バッテリーの電圧は、走行用モータ電圧の受容可能なインジケータである。それはシステム内の全ての電圧がバッテリーの電圧に向かう傾向があるからである。指令された電流ＩＣを表す信号は信号パス８１９によって、ＦＯＣインバータ２８および走行用モータ４０を、所望モータ電流を生成する態様において制御するために、図１のコマンド制御装置５０の一部に対して運ばれる。指令された電流ＩＣを示す信号はまた、ブロック８１８の出力から、ブロック８２０として示される計量回路を通ってエラー信号ゼネレータ８２２に加えられる。計量回路８２０の目的は以下で説明するが、その動作は指令されたモータ電流ＩＣの、指令された発電機電流ＩＧへの変換をもたらす。エラー信号ゼネレータ８２２は、信号パス８２４からのフィードバック信号であって、内燃機関／発電機（発電機）の検知された出力電流を示すものを、指令された発電機電流ＩＧから減算することによって得られるものを生成する。エラー信号ゼネレータ８２２によって生成されたエラー信号はループ補償フィルタであって、単純な積分器であってもよいものに加えられて、電気エネルギーについての補助供給源１６、より具体的にはディーゼルエンジン１８の指令された速度を示す信号を生成する。ディーゼルエンジン１８は電気発電機２２を駆動し、動力コンダクタ８３２を通って図１のインバータ２８に加えるために、交流出力電圧を生成する。円８３４として示される電流センサ・アレンジメントは発電機電流を検知するために、出力コンダクタ８３２に連結される。図８のブロック８２２、８２６、１８、２２および８２４は共に閉フィードバックループを構成し、これはエラー・ゼネレータに加えられる制御信号ＩＧによって指令された大きさに等しい発電機２２の出力電流を生成することになる。ループ補償装置８２６はディーゼルエンジンの速度を選択して、急激過ぎる変動であって、汚染物質の放出における増加を不本意にもたらす可能性のあるものを阻止する。

説明した限りに関して、図８のアレンジメントは、自動車の運動の制御に関する走行用モータ電流を指令するための信号ＩＣを生成し、また補助発電機２２の電流を指令する信号ＩＧを生成する。図８において、走行用バッテリーの所望充電状態（ＳＯＣ）表す信号は、加算回路８５０のノンインバーティング(noninverting)入力口において受信される。現在の充電状態を示す信号は、バッテリー充電状態（ＳＯＣ）決定ブロック８５２から加算回路８５０のインバーティング入力口において受信される。ＳＯＣブロック８５２は、バッテリー電圧、バッテリー温度およびバッテリー電流を表す信号を受信する。一般に、バッテリーの充電状態は単に、正味の入力および出力電流の時間積分である。ＳＯＣブロック８５２は、電流の正味アンペアを積分して電流のアンペア時を生成する。加算回路８５０は信号路８５４上でエラー信号であって、走行用バッテリーの所望または指令された充電状態とその実際の充電状態との差違を示すものを生成し、それによって充電量の瞬間的な過度または不足を確認する。エラー信号はループ補償フィルタ８５６に加えられ、このフィルタはエラー信号を積分して積分エラー信号を生成する。この積分エラー信号は時間の関数として緩慢に変化する。積分エラー信号はリミッタ８５８を通ってブロック８２０に作用する。より詳細に、積分エラー信号は、計量ブロック８２０に加えられると、計量因子を選定するが、この計量因子によって指令されたモータ電流ＩＣが計量されて、それを指令された発電機電流とする。リミッタ８５８はブロック８５６からの積分エラー信号を単に限定するので、計量ブロック８２０の計量因子の範囲は０と１（単位）との間の範囲に限定される。従って、指令された発電機電流ＩＧは決して指令された走行用モータ電流ＩＣより大きくなることは不可能であるが、リミッタ８５８からの制限された積分信号によって指令された計量因子に従って、より小さくすることが出来、そして指令された発電機電流ＩＧはゼロ電流ほど低くすることが可能である。

走行用バッテリーの所望充電状態が、フル充電よりも低い充電レベルにあるので、過充電に起因する走行用バッテリーを損傷する危険を伴うこと無く、回生制動を適用することが可能である。従って、所望ＳＯＣのセット・ポイントはフル充電よりも低い充電量である。図８のアレンジメントの動作は、ループ補償フィルタ８５６内の積分器の出力の通常状態が０．５「ボルト」、すなわちリミッタ８５８によって許容される最大値１．０ボルトと最小値０．０ボルトとの中間にあることを仮定すれば理解し得る。（リミッタ８５８によって限定されるので）積分エラー信号の値は乗率として見ることが出来、それによって計量回路８２０は指令された走行用モータ電流を計量するので、値１．０を有する積分エラー信号は、エラー信号発電機８２２により十分な振幅において指令された走行用モータ電流ＩＣを伝達させる。一方、値０．５は指令された発電機電流ＩＧの大きさを指令された走行用モータ電流ＩＣの大きさの正確に半分とする。図８のアレンジメントによる制御下の自動車の動作において、走行用バッテリーが所望の充電状態を超えると、エラー信号発電機８５０は、高い充電状態を示す大きな信号値をセットポイント値から減算し、それによって負極を有する差違またはエラー信号を生成する。ループ補償フィルタ８５６内の積分器は、負極性信号を積分し、これが、ループ補償フィルタ８５６の出力における正味積分信号を、その「通常」値である０．５ボルトから離れて、「減少」乃至負の方向に駆動、一例として、多分０．３ボルトに下降させることになる。積分エラー信号の０．３ボルトの値はリミッタ８５８の許容された範囲内にあるので、その積分エラー信号はリミッタ８５８を介して、指令された走行用モータ電流ＩＣを「通常」の０．５よりむしろ０．３により乗算して指令された発電機電流ＩＧを生成するような態様において、単純に制御計量回路８２０に流れる。従って、所望セットポイントより大きなバッテリーの充電状態は発電機の平均出力の減少をもたらす。同様な態様において、走行用バッテリーの充電状態が所望セットポイントより低ければ、図８のブロック８５２からエラー信号発電機８５０のインバーティング入力口に加えられる信号は、大きさにおいて、所望ＳＯＣを示す信号であって、エラー信号発電機８５０の出力においてエラー信号の正の値をもたらすものよりも小さくなる。ループフィルタ８５６に関連する積分器はその正入力信号を積分して、積分出力信号を生成し、これはその「通常」値０．５ボルトをそれ以上に、たとえば０．８ボルトに増加させるものである。この値はリミッタ８５８にとって受容可能な値内にあるので、０．８ボルトの積分エラー信号は、変化すること無く計量回路に適用される。この０．８ボルトの積分エラー電圧は計量回路８２０をして、指令されたモータ電流ＩＣを示す信号に０．８を乗算させるので、指令された発電機電流ＩＧは以前より大きくなる。セットポイント未満の値に対する走行用バッテリー充電における減少の正味効果は発電機２２からの平均出力パワを増加させ、これが走行用バッテリーの充電レベルを増大させる傾向になることである。当業者は、上で言及した積分エラー信号の「通常」値が実際には存在せず、それはこの制御システムの動作を理解する助けに関してのみ用いられていることを理解するであろう。

このような訳で、本発明の特徴によれば、電気バッテリー（２０）から牽引
力の少なくとも若干を得るハイブリッド電気自動車を作動させるための方法（図７ａ、７ｂ、８）は、少なくとも１種類のハイブリッド電気自動車（１０）の作動モードにおいて走行用バッテリー（２０）から走行用モータ（４０）へエネルギーを提供する工程（５１２、５１４、６１８、６２０）ならびに時々、自動車を動力学的に制動する工程（３２２、３２４、４１８、４２０）を包含する。本方法の工程は、バッテリー（２０）に対し、回生制動によって入手可能となったエネルギーの少なくとも一部を復帰させ、そして回生制動が行われていないインターバルの間に電気的動力の補助装置（１６）からバッテリー（２０）を充電するが、この充電は「通常」量をもって行われ、その通常量は、自動車（１０）の通常な作動に適切である態様における或る種の制御則に従って変動するものである工程（３１２、３１４）を包含する。本発明のこの特徴において、バッテリー（２０）は、回生制動が行われているインターバルの間に電気的動力の補助装置（１６）から充電の「通常」量から減少された割合において、充電される。本発明のこの特徴の別の改良において、電気的動力の補助供給源（１６）からのバッテリー（２０）を充電する工程は、内燃機関（１８）であって、これはディーゼルエンジンであってもよいものにより駆動される電気発電機（２２）からバッテリー（２０）を充電する工程を包含する。燃料電池（２４）はエンジン−発電機の組み合わせの代わりに使用することが出来る。

１０ハイブリッド電気自動車
１２駆動輪
１４電力制御装置
１６電気的動力の補助装置
１８内燃機関
２０電気バッテリー
２２電気発電機
２４燃料電池
４０走行用モータ
５０コマンド制御装置

Claims

走行用モータによる第１の所定の要求範囲内の電力要求を通常の電力要求とし、前記通常の電力要求の間、前記電力要求に等しい量で発電装置である電力補助供給源により前記走行用モータへ電力を供給する工程と、
前記走行用モータによる電力要求が前記電力補助供給源の最大発電量を超える間、前記電力補助供給源による前記最大発電量に加えてバッテリーから前記走行用モータへ電力を供給し、前記走行用モータに供給される許容電力を前記電力補助供給源による前記最大発電量と前記バッテリーの充電状態により決定される値の合計に制限する工程と、
前記走行用モータの回生制動によって利用可能に生成されるエネルギーの少なくとも一部を前記バッテリーへ戻す工程と、を含む前記バッテリーから牽引動力の少なくとも若干を得るハイブリッド電気自動車を操作するための方法。
走行用モータによる電力補助供給源の最大発電量を超えない電力要求を通常の電力要求とし、前記通常の電力要求の間、発電装置である前記電力補助供給源により前記走行用モータへ電力を供給する工程と、
前記走行用モータによる電力要求が前記電力補助供給源の最大発電量を超える間、前記電力補助供給源による前記最大発電量に加えてバッテリーから前記走行用モータへ電力を供給し、前記走行用モータに供給される許容電力を前記電力補助供給源による前記最大発電量と前記バッテリーの充電状態により決定される値の合計に制限する工程と、
前記走行用モータの回生制動によって利用可能に生成されるエネルギーの少なくとも一部を前記バッテリーへ戻す工程と、
前記走行用モータによる電力要求が前記電力補助供給源の最大発電量を超えず、かつ、回生制動が行われない時、前記電力補助供給源からの出力を用いてバッテリーに充電する工程を含む前記バッテリーから牽引動力の少なくとも若干を得るハイブリッド電気自動車を操作するための方法。
前記電力補助供給源は内燃機関によって駆動される発電機である請求項１又は２に記載の方法。
前記内燃機関は、ディーゼルエンジンである請求項３に記載の方法。
前記電力補助供給源は燃料電池である請求項１又は２に記載の方法。