JP7042757B2

JP7042757B2 - ハイブリッドパワートレインの電気トラクションチェーンで利用可能な電力を制御するための方法およびデバイス

Info

Publication number: JP7042757B2
Application number: JP2018568970A
Authority: JP
Inventors: アフメトケッフィ－シェリフ，; リュドヴィックメリエンヌ，; マオ，ロイクル
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2022-03-28
Anticipated expiration: 2037-03-30
Also published as: FR3053299A1; JP2019527646A; FR3053299B1; MX2019000054A; WO2018002458A1; KR102364250B1; RU2018146845A3; EP3478529A1; CN109952225B; CN109952225A; KR20190022708A; US20190337519A1; RU2018146845A; BR112018077121A2; CA3029462A1; EP3478529B1

Description

本発明は、ハイブリッド車両の電気トラクションチェーンで利用可能な電力の制御に関する。

より正確には、その目的は、パワートレインであって、燃焼機関であって、そのトルクを様々な伝達比で車輪に伝達することができる燃焼機関と、第１電気機械と、パワートレインにおける燃焼機関または第１電気機械の入力シャフトに交互にリンクされた第２電気機械と、電気機械のための供給バッテリとからなるパワートレインの電気トラクションチェーンで利用可能な電力を制御するための方法である。

公報国際公開第２０１４／２０７３３２号パンフレットは、電気、燃焼およびハイブリッド比であるいくつかの比を有するこのタイプのハイブリッド駆動部を説明しており、ここで、燃焼機関および少なくとも１つの電気機械のトルクは、車輪の方向に追加される。燃焼生成トルクは、「燃焼」伝達比で車輪に伝達され、主電気機械のトラクショントルクは、「電気」比でそのようになされる。（燃焼および電気トラクションを組み合わせる）ハイブリッドモードにおける燃焼伝達比の変化中、燃焼機関のトルクが断たれる。補助電気機械のトルクは、その後、燃焼機関をその新たな比と同期させるために駆動され、同時に主電気機械を介して車輪にトルクを供給する。

実際には、車両の電気アーキテクチャ、特に主電気機械で利用可能な電力がその入力を制限する。比較的高速、例えば８０ｋｍ／ｈまで純粋に電気的なトラクションを保持することは、バッテリの電圧レベルによって制限される。フル充電であっても、望ましいトラクション電力全体を発生させるには電圧が弱すぎることが多い。荷電状態が低減するにつれて、この現象は悪化する。２つの電気機械の電力が組み合わされ得る場合、補助電気機械の電力の入力があるにも関わらず、電気トラクションチェーンの性能が不十分なままであり、これは、電圧レベルによって制限されている。

さらに、燃焼比の変化中の燃焼トルクの中断の補償がほとんどない場合、車両の運転手および乗員は、このシフトを、トルクの途切れがある自動化トランスミッションのもののように感じる。

したがって、純粋に電気的な駆動のためにより高い電力を有するために、および燃焼トラクションチェーンでの比変化中に感じられるトルクの途切れを和らげるために、特に非充電式ハイブリッド車両での電気トラクションチェーンの性能を向上させることが望ましい。

本発明の目的は、電気駆動が到達可能な速度を上げるために利用可能な電力を増加させること、および燃焼伝達比変化中の電力ギャップを和らげることである。

この目的のために、電気機械のための供給電圧が、バッテリの端子と電気機械の端子との間に配置されたＤＣ電圧［ＭＬ１］変換器であって、電気機械に対し、バッテリの電圧に等しい電圧またはこれより大きい電圧を与えることができるＤＣ電圧［ＭＬ１］変換器によって確立されることが提案される。

この解決策により、特に高速において電気トラクションチェーンで利用可能な電力を増加させることが可能となる。

本発明の特定の実施形態において、電圧変換器は、運転手のそのアクセルペダルを通じた加速要求が弱いままであるとき、バッテリの電圧を電気機械に与え、かつ運転手が強い加速を要求するとき、これより大きい電圧を電気機械に与える。

バッテリの端子と電気機械の端子との間に配置されたＤＣ電圧［ＭＬ２］変換器は、必要とされる条件により、バッテリの電圧に等しい電圧またはこれより大きい電圧を与えることができる。

本発明は、例えば、およそ２００Ｖのオンボード電圧および数百Ｗｈの比較的低い容量を有し、地上の電気ネットワークで非充電式である原動力ハイブリッドパワートレインで直面する挙げられた２つの技術的問題を同時に解決することを可能にする。

本発明の好ましい使用は、燃焼機関のトルクを様々な伝達比で車輪に伝達することができる、第１トランスミッション入力シャフトにリンクされた燃焼機関と、トランスミッションの第２入力シャフトにリンクされた第１電気機械と、トランスミッションの第１または第２入力シャフトに交互にリンクされた第２電気機械とからなるパワートレインにおけるものである。

これは、添付図面を参照してその特定の実施形態の以下の説明を読むことでより良好に理解される。

ハイブリッドアーキテクチャ図である。そのシフト曲線をまとめる。これらの曲線に関して要求される比を特定する。電気機械の回路の簡略図である。強い加速の場合の速度およびアクセルペダル踏み込み曲線を重ね合わせる。回路における電圧の対応する変動を示す。電力の組合せを示す。燃焼比変化のための本発明の使用を示す。

図１のトランスミッション１は、例えば、「自動化」タイプであり、すなわち、その操作は、マニュアルトランスミッションのものであるが、ギヤシフトが自動化されている。図は、ＨＳＧ（高電圧スタータ発電機を意味する）５と呼ばれる電気機械および中実主シャフト４上の燃焼機関３を示す。第１電気機械より強力である、ＭＥと呼ばれる別の電気機械２は、中空主シャフト６に取り付けられる。トランスミッションの補助シャフト７は、差動装置（図示せず）に、したがって車両の車輪に接続される。

補助シャフト７に位置する第１噛合クラッチ８は、２つの電気比ＥＶ１およびＥＶ２を有するために、電気機械ＭＥ２の比をトランスミッションの残りの部分から独立して修正することを可能にする。中実主シャフト４に位置する第２噛合クラッチ９は、電気比から独立してＴｈ２およびＴｈ４の２つの燃料比を確立するために、燃焼機関３の比を電気比から独立して修正することを可能にする。伝達シャフト１０に位置する第３噛合クラッチ１１は、それが図において右に移動するとき、第３燃焼比Ｔｈ３を確立することを可能にする。それぞれの場合、第１電気機械ＭＥ２で望ましい比と、燃焼機関ユニットＭｔｈ３および第２電気機械ＨＳＧ５で望ましい比とを独立して選択することが可能である。燃焼比と電気比との組合せにより、ＨＥＶｘｙで示されるハイブリッド比を生成することが可能になり、ここで、ｘは、燃焼機関の比であり、およびｙは、ＭＥの比である。

トランスミッションのギヤシフトの曲線は、図２に一緒にまとめられている。トランスミッション１は、「燃焼比」および「電気比」に応じて２つの電気比ＺＥ１およびＺＥ２ならびに４つのハイブリッド比Ｈｙｂ２１、Ｈｙｂ２２、Ｈｙｂ３２、Ｈｙｂ４２を確立することを可能にする。曲線は、電気およびハイブリッド比への達成可能な最大成果（ニュートン単位での車輪での力）を速度の関数としてプロットしたものである。

意図された使用において、標的とする比は、この比が運転手のトルク要求を実施することを可能にする際、（移動の速度に関わらず）常に電気比ＺＥＶであることを認めることが可能である。初期設定により、関与している比は、要求を実施することを可能にする最も長いハイブリッド比となる。これらの状況下において、要求される比は、図３のもののようにグラフ上に分布し得る。この図は、従来の運転中に生じ得る比変化を特定することを可能にする。フル加速において、およそ１２５ｋｍ／ｈでＨＥＶ２２からＨＥＶ３２への移行があることが分かる。このシフトのために、確立された第２燃焼比は、燃焼機関をその新たな比と同期させるために駆動部から分離されなければならない。２７０Ｖのバッテリ電圧では、第１機械ＭＥは、３５ｋＷの電力を提供し得る。第２機械ＨＳＧは、２５ｋＷの電力を提供することができる一方、燃焼機関Ｍｔｈは、７０ｋＷを提供する。シフト前にトランスミッションによって車輪に提供された電力全体は、したがって１０５ｋＷである。シフト後、トランスミッションは、実質的に同じ電力（ただし、燃焼機関の電力にばらつきがある）を提供する。しかしながら、シフト中、燃焼機関とＨＳＧとの組立体が車輪から分離される。したがって、ＭＥのみが車輪に電力、すなわち３５ｋＷを提供する。

パワートレインは、このギヤシフト中に電力ギャップに遭遇する。１２５ｋｍ／ｈでは、車両の空気力学によって吸収される電力は、およそ２５ｋＷである。加速のために利用可能な電力は、実際に、シフト中に８０ｋＷから１０ｋＷに移る。このような加速の（８７％の）低下は、主電気機械ＭＥによって提供されるトルクがあるにも関わらず、その車両がもはや加速していないという印象を運転手に与える。その感覚は、トルクの途切れがある自動化トランスミッションが備えられた車両のものである。

これらの問題に対する解決策は、主に燃焼機関Ｍｔｈと、２つの電気機械ＭＥおよびＨＳＧと、電気機械のための供給バッテリとからなるこの原動力パワートレインの電気トラクションチェーンで利用可能な電力の制御を介するものであり、主機械ＭＥは、そのトルクを様々な伝達比で車輪に伝達することができ、補助電気機械ＨＳＧは、燃焼機関または主電気機械ＭＥの入力シャフトに交互にリンクされる。

上で示されたとおり、このようなパワートレインの電気トラクションチェーンの、特にそれが非充電式ハイブリッド車両に取り付けられている場合の性能を向上させることが意図される。目的は、電気トラクション下での長期の運転中により高い電力を有すること、ならびに燃焼トラクションチェーンでのギヤシフト中に車両の運転手およびユーザが感じるトルクの途切れを和らげることである。

この二重問題に対する解決策は、車両のトラクションバッテリ１２を示す図４において強調されており、このトラクションバッテリは、ＤＣ－ＤＣ変換器１３によって２つの電気機械ＭＥ、ＨＳＧのインバータ１４、１５にリンクされ、このインバータは、電気ネットワークでインバータキャパシタ１６と並列に取り付けられる。提案された制御デバイスは、バッテリ１２の端子と電気機械の端子との間に配置されたＤＣ電圧［ＭＬ３］変換器１３を含む。この変換器は、電気機械に対し、バッテリの電圧に等しい電圧Ｕｂａｔまたはこれより高い電圧Ｕｄｃを与えることができる。このデバイスにおいて、電気機械ＭＥ、ＨＳＧのための供給電圧は、好ましくは、変換器１３とその入力端子との間に配置されたインバータ１４、１５によって調節される。これはまた、好ましくは、変換器の出力端子間にキャパシタ１６を含む。この図によると、本発明は、トラクションバッテリと２つの電気機械のインバータとの間に特に「ステップアップ」タイプのＤＣ－ＤＣ電圧変換器を追加することを提供する。

図５～８は、「直列ハイブリッド」モードにおける長期の電気運転中の電力問題を本発明が解決する方法を説明しており、ここで、燃焼機関によって発電機として駆動される補助電気機械は、主電気機械に補充電力を提供する。

運転手のそのアクセルペダルを通じた要求が弱いままであるとき、主電気機械ＭＥのみが、バッテリ１２の電圧を動力源とすることによって車両のトラクションを提供することができる。この状況において、ＤＣ－ＤＣ変換器１３は、電気機械にバッテリの電圧Ｕｂａｔを与える。補助機械ＨＳＧは電力を提供しない。

運転手が強い加速を要求すると直ちに（図５を参照されたい）、変換器１３は、電気機械の回路に対し、バッテリ電圧Ｕｂａｔより高い電圧Ｕｄｃを与える（図６を参照されたい）。電圧の上昇は、補助機械ＨＳＧが燃焼機関によって発電機として駆動されると直ちに、補助機械ＨＳＧの電力レベルＰＨＳＧの生成を増加させることを可能にする（図７）。主電気機械ＭＥは、したがって、バッテリの電力ＰＢＡＴおよび補助電気機械の電力ＰＨＳＧの合計に等しい電気トラクション電力ＰＭを提供する。

ＤＣ－ＤＣ変換器１３はまた、燃焼比の変化中、電気機械に対し、バッテリ電圧Ｕｂａｔより高い電圧Ｕｄｃを与えることができる。図８は、ＨＥＶ２２からＨＥＶ３２への比シフト（図２および３を参照されたい）中の車両における電力の分布を示し、燃焼機関の速度は、４５００ｒｐｍからおよそ３０００ｒｐｍに低下する。

シフト中に適用される戦略は、いくつかのステップに分解される。図示された第２燃焼比から第３燃焼比（Ｍｔｈ２からＭｔｈ３）へのシフトの場合を参照すると、これらのステップは、以下のとおりである：
－ステップ１、電圧を上昇させる：シフトが要求されると直ちに（ｔ_０で）、変換器は、電圧をおよそ４００Ｖのレベルに調節する１０；
－ステップ２、トルクを伝達する：シフト前に、電力は、燃焼機関（ＰＩＣＥ）によって主に提供され、この燃焼電力レベルは、ｔ_１からｔ_２まで、ＨＳＧが吸収可能な最大レベル（ここでは５０ｋＷ）に低下される。すなわち、ｔ_１以降、ＨＳＧは、燃焼機関の電力を吸収する（ｔ_２から）まで徐々に発電機として駆動される；
－ステップ３、クラッチを切る：ｔ_２において、車輪に提供される電力の全ては、電気モーターによって提供され、噛合クラッチを通過するトルクはなく、比Ｔｈ２の噛合クラッチを切ることを開始することが可能である；
－ステップ４、燃焼機関速度を同期させる：ｔ３において、パワートレインは、「シリアルハイブリッド」モードにされ、燃焼機関の電力を下方に制御することにより、主シャフトにかけられた総トルク（燃焼機関＋ＨＳＧ）が負となり、速度が低下する；
－ステップ５、クラッチ操作する：ｔ_４において、エンジン速度は、比Ｔｈ３に対応する値に到達し、対応する噛合クラッチのクラッチ操作が次いで開始される；
－ステップ６、トルクを復元する：ｔ_５において、噛合クラッチが接続されていると、ステップ２と同様の操作がＨＳＧを次第に駆動することによって実施される。

要約すると、
－電気機械の回路において変換器１３を介して電圧Ｕｄｃを増加させることと、
－燃焼機関と、それにより発電機として駆動される補助電気機械との間でトルクを伝達することと、
－燃焼比を分離することと、
－燃焼機関速度を、関与することになる新たな比と同期させることと、
－燃料機関をその新たな比に結合することと、
－補助電気機械を次第に駆動することにより、燃焼トラクションチェーンにおいてトルクを復元することと、
－電気機械の回路において変換器を介して電圧を減少させることと
がある。

シフト中、ＨＳＧによって提供された電力は、主電気機械に伝達され、主電気機械は、その全体を車輪のトラクションのために使用する。変換器を介して電圧を増加させないと、ＭＥは、このエネルギー入力を有することができず、加速レベルは、復帰する前にシフト中の燃焼電力の減少によって低下しているであろう。電圧の一時的な増加により、加速レベルは、実質的に一定のままとなる。

電圧変換器は、ＭＥおよびＨＳＧインバータと同じハウジングに一体化され得るが、それはまた、トラクションバッテリのパックに一体化され得る。変換器は、ネットワークへの／からのバッテリの接続／切断の機能を提供し得るため、したがってバッテリ接続リレーを取り除くことが可能である。この構成において、インバータのキャパシタの事前充電は、変換器によって実施される。

結論として、本発明は、ギヤシフト中の高電圧（ＨＶ）ネットワークの電圧の一時的上昇をもたらす。本発明により、直列ハイブリッドモードにおいて、燃焼機関Ｍｔｈの伝達比変化中に第１主電気機械ＭＥによって提供される電力は、第２電気機械ＨＳＧを回生モードで作動させることによって増加する。その電力の全てが第１主電気機械に伝達される。第１主電気機械は、その電力を、直列ハイブリッドモードにおいて電気機械が利用可能な電力を増加させるか、または燃焼機関の一時的分離によって引き起こされる車輪へのトルクの減少を補償するために使用し得る。

Claims

燃焼機関、主電気機械（ＭＥ）、補助電気機械（ＨＳＧ）、前記主電気機械および前記補助電気機械のためのバッテリ（１２）、ならびに、前記バッテリの端子と前記主電気機械および前記補助電気機械の端子との間に配置されたＤＣ電圧変換器（１３）を備えたパワートレインであって、前記主電気機械（ＭＥ）はトルクを種々の伝達比で車輪に伝達可能であり、前記補助電気機械（ＨＳＧ）は、前記燃焼機関の入力シャフトまたは前記主電気機械（ＭＥ）の入力シャフトに交互に連結されるように構成されたパワートレインの電気トラクションチェーンで利用可能な電力を制御するための電力制御方法であって、
前記ＤＣ電圧変換器（１３）から前記主電気機械および前記補助電気機械に印加する電圧（Ｕｄｃ）を、
運転手の加速要求が弱い場合には、前記バッテリの電圧（Ｕｂａｔ）に等しい電圧に制御し、
運転手の加速要求が強い場合には、前記バッテリの電圧（Ｕｂａｔ）より高い電圧に制御し、
前記伝達比の変更中は、前記バッテリの電圧（Ｕｂａｔ）より高い電圧に制御する、
電力制御方法。
前記運転手の加速要求は、アクセルペダルの踏み込み加減に応じて、強い加速要求または弱い加速要求と判定される、請求項１に記載の電力制御方法。
前記燃焼機関によって前記補助電気機械（ＨＳＧ）が発電機として駆動される場合、電気機械の電圧上昇により、前記補助電気機械（ＨＳＧ）の電力（ＰＨＳＧ）が増加する、請求項１または２に記載の電力制御方法。
前記主電気機械（ＭＥ）の電力である電気トラクション電力（ＰＭ）は、前記バッテリの電力（ＰＢＡＴ）および前記補助電気機械の電力（ＰＨＳＧ）の和に等しい、請求項３に記載の電力制御方法。
－前記ＤＣ電圧変換器（１３）を介して前記主電気機械および補助電気機械の回路に対する印加電圧（Ｕｄｃ）を増加させるステップと、
－前記燃焼機関と、発電機として駆動される前記補助電気機械との間でトルクを伝達するステップと、
－前記伝達比による結合を切り離すステップと、
－燃焼機関速度を、新たな伝達比と同期させるステップと、
－前記燃焼機関をその新たな伝達比で結合するステップと、
－前記補助電気機械（ＨＳＧ）を段階的に駆動することにより、燃焼トラクションチェーンのトルクを復元するステップと、
－前記ＤＣ電圧変換器（１３）を介して前記主電気機械および補助電気機械の回路に対する印加電圧を減少させるステップと
を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の電力制御方法。
燃焼機関、主電気機械（ＭＥ）、補助電気機械（ＨＳＧ）、前記主電気機械および前記補助電気機械のためのバッテリ（１２）、ならびに、前記バッテリの端子と前記主電気機械および前記補助電気機械の端子との間に配置されたＤＣ電圧変換器（１３）を備えたパワートレインであって、前記主電気機械（ＭＥ）はトルクを種々の伝達比で車輪に伝達可能であり、前記補助電気機械（ＨＳＧ）は、前記燃焼機関の入力シャフトまたは前記主電気機械（ＭＥ）の入力シャフトに交互に連結されるように構成されたパワートレインの電気トラクションチェーンで利用可能な電力を制御するための電力制御デバイスであって、
前記ＤＣ電圧変換器（１３）から前記主電気機械および前記補助電気機械に印加する電圧（Ｕｄｃ）を、
運転手の加速要求が弱い場合には、前記バッテリの電圧（Ｕｂａｔ）に等しい電圧に制御し、
運転手の加速要求が強い場合には、前記バッテリの電圧（Ｕｂａｔ）より高い電圧に制御し、
前記伝達比の変更中は、前記バッテリの電圧（Ｕｂａｔ）より高い電圧に制御する手段を含む、
電力制御デバイス。
前記主電気機械および補助電気機械（ＭＥ、ＨＳＧ）への電圧の供給は、前記ＤＣ電圧変換器（１３）と前記主電気機械および補助電気機械の入力端子との間に配置されるインバータ（１４、１５）を介して行われる、請求項６に記載の電力制御デバイス。
前記ＤＣ電圧変換器（１３）の出力端子間にキャパシタ（１６）が接続される、請求項７に記載の電力制御デバイス。