JP7276110B2 - パワートレーンシステム - Google Patents
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Description
ハイブリッド車両を駆動する内燃機関と、
前記ハイブリッド車両を駆動する電動機と、
前記電動機に電力を供給するバッテリと、
前記内燃機関及び前記電動機を制御するパワートレーン制御を行う制御装置と、
を備えるパワートレーンシステムであって、
前記ハイブリッド車両は、1又は複数の外部機器との間で前記バッテリの充電及び放電のうちの少なくとも一方を実行可能に構成されており、
前記制御装置は、前記パワートレーン制御が行われる制御期間中に
前記バッテリの充電率SOCの動的挙動を制約条件として、前記ハイブリッド車両の速度及び駆動トルクに対して前記制御期間中の前記内燃機関の燃料消費量mfを最小にする最適化問題を解くことにより、前記バッテリの充放電量及び前記パワートレーンシステムのシステム動作点を特定する制御入力値を求める制御入力決定処理と、
前記制御入力決定処理により求めた前記制御入力値を前記パワートレーンシステムに与えることにより、前記内燃機関と前記電動機とを制御するシステム制御処理と、
を実行し、
前記制御入力決定処理は、
前記最適化問題の随伴変数pを時間ステップ毎に更新する随伴変数決定処理と、
前記随伴変数決定処理により決定される前記随伴変数pを用いて、以下の式により定義されるハミルトニアンHを最小とする前記制御入力値を前記時間ステップ毎に探索して算出する制御入力算出処理と、を含み、
前記随伴変数決定処理は、前記随伴変数pの初期値の基本値と外部充放電補正値との和を前記初期値とする初期値決定処理を含み、
前記基本値は、前回の前記制御期間中の前記随伴変数pの最終値又は平均値であり、
前記外部充放電補正値は、今回の前記制御期間の開始時の前記充電率SOCから前回の前記制御期間の終了時の前記充電率SOCを引いて得られる外部充放電量に基づいて決定される。
まず、図1~図8を参照して、本発明の実施の形態1について説明する。
図1は、本発明の実施の形態1に係るパワートレーンシステム10の構成例を説明するための模式図である。図1に示すパワートレーンシステム10は、車両の動力源として、内燃機関20とともに第1モータジェネレータ30(以下、「MG1」と略する)及び第2モータジェネレータ32(以下、「MG2」と略する)を備えている。すなわち、パワートレーンシステム10は、一例としてハイブリッド車両に適用されている。
制御装置50は、車両走行のために内燃機関20、MG1及びMG2を制御するパワートレーン制御を実行する。図2は、本発明の実施の形態1に係るパワートレーン制御に関連して制御装置50が実行する処理を示すブロック図である。制御装置50がパワートレーン制御に関連して実行する処理は、「制御入力決定処理54」と「システム制御処理56」とを含む。これらの処理は、パワートレーン制御が行われる制御期間τ中に行われる。この制御期間τの一例は、車両の1トリップ(システム起動開始時からシステム停止時までの期間)である。ただし、パワートレーン制御が行われる制御期間τは、必ずしも1トリップに限られず、1トリップ中の任意の一部の期間であってもよい。
バッテリ44のSOCは、パワートレーンシステム10の作動中(車両走行中)に、バッテリ44の充放電量Pchgが変化することによって変動する。制御入力決定処理54は、SOCの動的挙動(ダイナミクス)を制約条件として用いて、車速V及び要求駆動トルクTpに対して制御期間τ中の内燃機関20の燃料消費量mfを最小にするという最適化問題(最小化問題)を解くことにより、制御入力値uを求めるために実行される。バッテリ44の充放電量Pchg及びシステム動作点を特定可能なパラメータであれば、当該制御入力値uとして用いることができる。図1に示す構成を有するパワートレーンシステム10の例では、エンジントルクTeとエンジン回転数Neが制御入力値uとなる。換言すると、制御入力決定処理54は、燃料消費量mfを最小とするための制御入力値(以下、「最適制御入力値u*」と称する)を算出するために実行される。最適制御入力値u*の算出は、所定の時間ステップΔt毎に実行される。その結果、燃料消費量mfを最小にできるバッテリ44の充放電量Pchgとシステム動作点とが時間ステップΔt毎に取得される。
制御入力決定処理54は、図2に示すように、「随伴変数決定処理58」と「制御入力算出処理60」とを含む。制御入力算出処理60は、(5)式により定義されるハミルトニアンHを最小とする制御入力値u(t)を時間ステップΔt毎に探索して算出する。本最適化問題は、ハミルトニアンHを最小とする制御入力値u(t)を求めるという問題に置き換えて考えることができ、この問題は、以下の(9)式のように表される。すなわち、(9)式の右辺に表されているハミルトニアンHは、この問題の目的関数に相当する。各サンプル時刻tにおいてハミルトニアンHを最小とする制御入力値u(t)は、例えば準ニュートン法を利用して(9)式により表される問題を解くことにより算出できる。
初期値決定処理59は、初期値p0の基本値として、車両の前回の制御期間τ中の随伴変数pの最終値pfを用いる。そして、初期値決定処理59は、以下の(12)式に示すように、この基本値(最終値pf)と外部充放電補正値pgとの和を初期値p0として算出(決定)する。なお、当該基本値として、最終値pfに代え、前回の制御期間τ中の各サンプル時刻kにおいて算出された随伴変数pの平均値pAVEが用いられてもよい。
図2に示すシステム制御処理56は、制御入力決定処理54によって上述のように求められた最適制御入力値u(t)*(すなわち、Ne*及びTe*)をパワートレーンシステム10に与えることにより、内燃機関20、MG1及びMG2を制御する。より詳細には、決定された最適制御入力値u(t)*(すなわち、Ne*及びTe*)に基づいて、サンプル時刻kにおけるエンジントルクTe、MG1トルクTg及びMG2トルクTmのそれぞれの目標値が、一例として、次のような手法を利用して決定される。
図5は、本発明の実施の形態1に係るパワートレーン制御に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、一例としてパワートレーンシステム10の起動中(すなわち、1トリップ中)に所定の時間ステップΔt毎に繰り返し実行される。すなわち、本実施形態の制御期間τの一例は、車両の1トリップである。
以上説明した本実施形態のパワートレーンシステム10によれば、(5)式により定義されるハミルトニアンHが最小となる最適制御入力値u*(k)がサンプル時刻k毎に取得される。したがって、燃料消費量mfが最小となるように各サンプル時刻kの最適制御入力値u*(k)を決定できるようになる。その結果、決定された最適制御入力値u*(k)に応じて、バッテリ44の充放電量Pchgとシステム動作点とを適切に決定できるようになる。このため、本実施形態のパワートレーン制御によれば、各サンプル時刻kにおいて燃料消費量mfを低減させられるようにパワートレーンシステム10を制御することができる。
次に、図9~図14を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。
実施の形態2は、以下の点において、上述した実施の形態1と相違している。すなわち、実施の形態1では、補正ゲインG1として固定値が用いられている。これに対し、本実施形態では、外部充放電の影響を考慮して初期値p0をより適切に設定するために、補正ゲインG1はハイブリッド車両の走行履歴に基づいて設定される。
図13は、本発明の実施の形態2に係る初期値決定処理64のサブルーチンを示すフローチャートである。制御装置62は、このサブルーチンの処理を、上述の図5に示すルーチン(メインルーチン)と並行して実行する。そして、このサブルーチンの処理は、上記メインルーチンのステップS102において初期値p0を算出する場合に実行される。
図14は、本発明の実施の形態2に係る初期値決定処理64による補正の効果を表したタイムチャートである。以上説明した本実施形態の初期値決定処理64によれば、補正ゲインG1は、前回トリップの車両走行履歴に基づいて設定される。既述したように、SOCに対する随伴変数pの感度(すなわち、比ΔP/ΔSOC)は、車両の走り方に応じて変化する。このため、前回トリップの車両走行履歴(車両の走り方)を考慮して補正ゲインG1を決定することにより、補正ゲインG1を固定値とする例と比べて、前回トリップの走り方に応じた適切な補正ゲインG1を用いつつ外部充放電量ΔSOCgに基づく外部充放電補正値pgを適切に算出できるようになる。その結果、図14に示すように、補正ゲインG1を固定値とする例(図7参照)と比べて、今回トリップの終端SOCfをSOC制御中心値により近づけることが可能となる。
次に、図15~図17を参照して、本発明の実施の形態3について説明する。
実施の形態3に係るパワートレーンシステムは、制御装置50に代え、後述の図16に示す制御装置70を備えている点を除き、実施の形態1に係るパワートレーンシステム10と同様である。
3-2-1.実施の形態1、2に係る制御入力決定処理54、54’の課題
上述した制御入力決定処理54、54’によれば、随伴変数pの初期値p0の基本値として、前回の制御期間τ中の随伴変数pの最終値pf(又は平均値pAVE)が用いられる。既述したように、初期値p0の基本値として前回の制御期間τ中の最終値pf(又は平均値pAVE)を使用するということは、過去(前回)の走行履歴に基づいて燃料とバッテリ44の電力に関する将来の適切な使用比率を予測していることに相当するといえる。換言すると、前回の制御期間τの最終値pf又は平均値PAVEの使用は、将来の走行パターン(V、Tpの推移)を把握せずに、将来の走行パターンが過去の走行パターンと同様になると想定して随伴変数pを決定することに相当するといえる。
図16は、本発明の実施の形態3に係るパワートレーン制御に関連して制御装置70が実行する処理を示すブロック図である。制御装置70は、以下に説明する点において、実施の形態1の制御装置50と相違している。すなわち、制御装置70がパワートレーン制御に関連して実行する処理は、「制御入力決定処理54」に代え、「制御入力決定処理72」を含む。そして、この制御入力決定処理72に含まれる「随伴変数決定処理74」は、図15を参照して説明した課題に鑑みて「随伴変数修正処理74a」を含み、かつ初期値決定処理59を含むという点において、実施の形態1の随伴変数決定処理58と相違している。このように、本実施形態においても、制御停止期間ts中に外部充電又は外部放電がなされた場合には、随伴変数pの初期値p0の基本値は、外部充放電量ΔSOCgに基づく外部充放電補正値pgによって補正される。なお、制御装置70の処理は、初期値決定処理59に代え、初期値決定処理64を含んでいてもよい。このことは、後述の実施の形態4についても同様である。
図17は、本発明の実施の形態3に係るパワートレーン制御に関する処理のルーチンを示すフローチャートである。なお、図17に示すルーチン中のステップS100~S108の処理については、実施の形態1において既述した通りである。本ルーチンのステップS300及びS302の処理は、「随伴変数修正処理74a」に対応している。
以上説明したように、本実施形態の制御装置70によって実行される制御入力決定処理72の随伴変数決定処理74は、随伴変数修正処理74aを含む。随伴変数修正処理74aによれば、パワートレーン制御の実行中に、偏差ΔSOCfbに応じて随伴変数pが時間ステップΔt毎に修正される。これにより、図15中の2つの実SOC波形を比較すると分かるように、実線の例(SOCのフィードバック(随伴変数修正処理74a)を伴う実施の形態3)によれば、破線の例(SOCのフィードバックを伴わない実施の形態1、2)と比べて、パワートレーン制御の実行中の実SOC軌道の中心値をSOC制御中心値に近づけることが可能となる。換言すると、今回の制御期間τの終端SOCfをSOC制御中心値に近づけることが可能となる。このため、制御期間τの途中で強制充電又は強制放電が必要となることを抑制できる。以上のように、本実施形態のパワートレーン制御によれば、実施の形態1、2のパワートレーン制御と同様に車速V及び要求駆動トルクTpの予測を不要としつつ、過去(前回の制御期間τ)の走行パターンに対して今回の制御期間τの走行パターンが異なる場合であっても燃料消費量mfを最小とするシステム動作点及びバッテリ44の充放電量Pchgをより適切に決定できるようになる。
上述した実施の形態3においては、時間ステップΔt毎に随伴変数pを修正する随伴変数修正処理74aを例に挙げた。しかしながら、本発明に係る「随伴変数修正処理」は、上記の例に代え、例えば、時間ステップΔt(パワートレーン制御の制御周期)よりも長い任意の周期で、パワートレーン制御が行われる制御期間中に繰り返し実行されてもよい。
次に、図18~図21を参照して、本発明の実施の形態4について説明する。
実施の形態4に係るパワートレーンシステムは、制御装置70に代え、後述の図18に示す制御装置80を備えている点を除き、実施の形態3に係るパワートレーンシステムと同様である。
4-2-1.実施の形態3に係る随伴変数修正処理74aの課題
上述した実施の形態3の随伴変数修正処理74aによれば、SOCの偏差ΔSOCfb(より詳細には、狙いとするSOC軌道(SOC制御中心値)に対する実SOC軌道のずれ量)に応じて随伴変数pが修正される(フィードバック処理)。その一方で、図9及び図10を参照して実施の形態2で既に説明したように、SOCに対する随伴変数pの感度は車両走行モード(車両走行パターン)に応じて変化する。このことは、偏差ΔSOCfbから補正値(上述の(17)式の右辺第2項)に変換するために用いられるFBゲインG2の最適値が車両走行パターンに応じて変化することを意味する。
図18は、本発明の実施の形態4に係るパワートレーン制御に関連して制御装置80が実行する処理を示すブロック図である。制御装置80は、以下に説明する点において、実施の形態3の制御装置70と相違している。すなわち、制御装置80がパワートレーン制御に関連して実行する処理は、「制御入力決定処理82」と「システム制御処理56」とを含む。そして、この制御入力決定処理82に含まれる「随伴変数決定処理84」は、図9及び図10を参照して説明した課題に鑑みて「随伴変数修正処理74a」に代えて「随伴変数修正処理84a」を含み、かつ初期値決定処理59を含むという点において、実施の形態3の随伴変数決定処理74と相違している。
本実施形態に係るパワートレーン制御に関する処理のメインルーチン(図示省略)は、ステップS302の処理に代えて次の図19に示すサブルーチンの処理が実行される点において、実施の形態3の図17に示すルーチンと相違している。
図20(A)及び図20(B)は、本発明の実施の形態4の随伴変数修正処理84aとの対比のために参照する随伴変数修正処理(比較例1、2)を利用する場合の動作を説明するためのタイムチャートである。これらの比較例1及び2における随伴変数修正処理では、FBゲインG2として固定値が用いられている。
5-1.ゲインG1、G2の設定に用いられる走行履歴の他の例
ここでは、FBゲインG2を例に挙げて説明するが、以下の例は、補正ゲインG1の設定に用いられる走行履歴についても同様に適用可能である。
上述した実施の形態1~4においては、図1に示す動力分割機構34を利用する動力分割方式のハイブリッドシステムに相当するパワートレーンシステム10について説明した。しかしながら、本発明の対象となる「パワートレーンシステム」は、ハイブリッド車両を駆動可能な内燃機関及び電動機と、当該電動機に電力を供給するバッテリを備えていれば、上記の例に限られない。すなわち、本発明に係るパワートレーンシステムは、例えば、車両を駆動する内燃機関と電動機とが並列に連結されたパラレル方式のハイブリッドシステムとして構成されてもよい。
上述した実施の形態1~4においては、制御入力値uとして、エンジン回転数Ne及びエンジントルクTeが用いられた。しかしながら、本発明に係る最適化対象の「制御入力値」は、パワートレーンシステムの構成次第では、上記の例に限られない。すなわち、例えば有段式の自動変速機と組み合わされた内燃機関を備えるパワートレーンシステムでは、エンジン回転数Neに代えて自動変速機のギヤ段がエンジントルクTeとともに制御入力値として用いられてもよい。これは、選択されているギヤ段が分かると、車速Vに基づいてエンジン回転数Neが分かるためである。なお、有段式の自動変速機を備える例では、ギヤ段が変更されると、エンジン回転数Neが非連続に(ステップ的に)変化する。このため、最適な制御入力値の探索の際に、ギヤ段毎にハミルトニアンを算出し、算出された複数のハミルトニアンのうちで最小となるハミルトニアンに対応するギヤ段が選択されるように自動変速機が制御されてもよい。
20 内燃機関
28 クランク角センサ
30 モータジェネレータ(MG1)
32 モータジェネレータ(MG2)
34 動力分割機構
38 車輪
40 インバータ
44 バッテリ
45 外部電源
46 電気製品
50、62、70、80 制御装置
52 センサ類
Claims (14)
- ハイブリッド車両を駆動する内燃機関と、
前記ハイブリッド車両を駆動する電動機と、
前記電動機に電力を供給するバッテリと、
前記内燃機関及び前記電動機を制御するパワートレーン制御を行う制御装置と、
を備えるパワートレーンシステムであって、
前記ハイブリッド車両は、1又は複数の外部機器との間で前記バッテリの充電及び放電のうちの少なくとも一方を実行可能に構成されており、
前記制御装置は、前記パワートレーン制御が行われる制御期間中に
前記バッテリの充電率SOCの動的挙動を制約条件として、前記ハイブリッド車両の速度及び駆動トルクに対して前記制御期間中の前記内燃機関の燃料消費量mfを最小にする最適化問題を解くことにより、前記バッテリの充放電量及び前記パワートレーンシステムのシステム動作点を特定する制御入力値を求める制御入力決定処理と、
前記制御入力決定処理により求めた前記制御入力値を前記パワートレーンシステムに与えることにより、前記内燃機関と前記電動機とを制御するシステム制御処理と、
を実行し、
前記制御入力決定処理は、
前記最適化問題の随伴変数pを時間ステップ毎に更新する随伴変数決定処理と、
前記随伴変数決定処理により決定される前記随伴変数pを用いて、以下の式により定義されるハミルトニアンHを最小とする前記制御入力値を前記時間ステップ毎に探索して算出する制御入力算出処理と、を含み、
前記随伴変数決定処理は、前記随伴変数pの初期値の基本値と外部充放電補正値との和を前記初期値とする初期値決定処理を含み、
前記基本値は、前回の前記制御期間中の前記随伴変数pの最終値又は平均値であり、
前記外部充放電補正値は、今回の前記制御期間の開始時の前記充電率SOCから前回の前記制御期間の終了時の前記充電率SOCを引いて得られる外部充放電量に基づいて決定され、
前記初期値決定処理による前記外部充放電補正値は、前記外部充放電量と第1ゲインとの積であり、
前記第1ゲインは、前記ハイブリッド車両の走行履歴に基づいて設定される
ことを特徴とするパワートレーンシステム。
- 前記初期値決定処理は、前記外部充放電量が正の場合には、前記外部充放電量がゼロの場合と比べて、前記初期値を大きくする
ことを特徴とする請求項1に記載のパワートレーンシステム。 - 前記初期値決定処理は、前記外部充放電量が負の場合には、前記外部充放電量がゼロの場合と比べて、前記初期値を小さくする
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のパワートレーンシステム。 - 前記走行履歴は、前回の前記制御期間中の前記速度及び前記駆動トルクのそれぞれの平均値である第1平均車速及び第1平均駆動トルクのうちの少なくとも一方を含む
ことを特徴とする請求項1~3の何れか1つに記載のパワートレーンシステム。 - 前記走行履歴が前記第1平均車速を含む場合において、前記第1ゲインは、前記第1平均車速が高いほど大きい
ことを特徴とする請求項4に記載のパワートレーンシステム。 - 前記走行履歴が前記第1平均駆動トルクを含む場合において、前記第1ゲインは、前記第1平均駆動トルクが高いほど大きい
ことを特徴とする請求項4又は5に記載のパワートレーンシステム。 - 前記随伴変数決定処理は、前記充電率SOCの目標充電率と実充電率との差に基づいて前記随伴変数pを修正する随伴変数修正処理を含む
ことを特徴とする請求項1~6の何れか1つに記載のパワートレーンシステム。 - ハイブリッド車両を駆動する内燃機関と、
前記ハイブリッド車両を駆動する電動機と、
前記電動機に電力を供給するバッテリと、
前記内燃機関及び前記電動機を制御するパワートレーン制御を行う制御装置と、
を備えるパワートレーンシステムであって、
前記ハイブリッド車両は、1又は複数の外部機器との間で前記バッテリの充電及び放電のうちの少なくとも一方を実行可能に構成されており、
前記制御装置は、前記パワートレーン制御が行われる制御期間中に
前記バッテリの充電率SOCの動的挙動を制約条件として、前記ハイブリッド車両の速度及び駆動トルクに対して前記制御期間中の前記内燃機関の燃料消費量mfを最小にする最適化問題を解くことにより、前記バッテリの充放電量及び前記パワートレーンシステムのシステム動作点を特定する制御入力値を求める制御入力決定処理と、
前記制御入力決定処理により求めた前記制御入力値を前記パワートレーンシステムに与えることにより、前記内燃機関と前記電動機とを制御するシステム制御処理と、
を実行し、
前記制御入力決定処理は、
前記最適化問題の随伴変数pを時間ステップ毎に更新する随伴変数決定処理と、
前記随伴変数決定処理により決定される前記随伴変数pを用いて、以下の式により定義されるハミルトニアンHを最小とする前記制御入力値を前記時間ステップ毎に探索して算出する制御入力算出処理と、を含み、
前記随伴変数決定処理は、前記随伴変数pの初期値の基本値と外部充放電補正値との和を前記初期値とする初期値決定処理を含み、
前記基本値は、前回の前記制御期間中の前記随伴変数pの最終値又は平均値であり、
前記外部充放電補正値は、今回の前記制御期間の開始時の前記充電率SOCから前回の前記制御期間の終了時の前記充電率SOCを引いて得られる外部充放電量に基づいて決定され、
前記随伴変数決定処理は、前記充電率SOCの目標充電率と実充電率との差に基づいて前記随伴変数pを修正する随伴変数修正処理を含む
ことを特徴とするパワートレーンシステム。
- 前記随伴変数修正処理は、前記目標充電率よりも前記実充電率が低い場合には、前記随伴変数pを小さくする
ことを特徴とする請求項8に記載のパワートレーンシステム。 - 前記随伴変数修正処理は、前記目標充電率よりも前記実充電率が高い場合には、前記随伴変数pを大きくする
ことを特徴とする請求項8又は9に記載のパワートレーンシステム。 - 前記随伴変数修正処理による前記随伴変数pの補正値は、前記差と第2ゲインとの積であり、
前記第2ゲインは、前記ハイブリッド車両の走行履歴に基づいて設定される
ことを特徴とする請求項8~10の何れか1つに記載のパワートレーンシステム。 - 前記走行履歴は、第1所定期間における前記速度の平均値である第2平均車速、及び第2所定期間における前記駆動トルクの平均値である第2平均駆動トルクのうちの少なくとも一方を含む
ことを特徴とする請求項11に記載のパワートレーンシステム。 - 前記走行履歴が前記第2平均車速を含む場合において、前記第2ゲインは、前記第2平均車速が高いほど大きい
ことを特徴とする請求項12に記載のパワートレーンシステム。 - 前記走行履歴が前記第2平均駆動トルクを含む場合において、前記第2ゲインは、前記第2平均駆動トルクが高いほど大きい
ことを特徴とする請求項12又は13に記載のパワートレーンシステム。
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