JP7422073B2 - 自動車のハイブリッドパワートレインで用いられる電圧変調装置の操作方法 - Google Patents
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Description
本発明は、一般的に、ハイブリッドパワートレイン、すなわち電気機器と内燃機関とを含むパワートレインを備える自動車に関する。
本発明は、また、このような自動車のハイブリッドパワートレインの操作方法に関する。
ハイブリッド自動車は、従来の熱トラクションチェーン(内燃機関、燃料タンク、ギアボックスを有する)および、電気トラクションチェーン(トラクションバッテリ、インバータ、電気機器を有する)を含む。
パラレルハイブリダイゼーションの場合、このような自動車は、電気トラクションチェーンのみにより、または熱トラクションチェーンのみにより、または電気および熱の2つのトラクションチェーンにより牽引され得る。
この目標を達成するための解決法は、インバータの最適電源電圧、すなわち電気トラクションチェーンの電気損失を最小限に抑える電圧を見つけることである。
しかし、出願人は、この方法では、とりわけ電源電圧の提案された離散化が十分に細かくなかったため、必ずしも所望よりも有効な結果を得られなかったことを確認した。出願人は、この離散化は実際には2段階の電源電圧しか含まないことを観察した。
従来技術の上記課題を解決するために、本発明は、最適電源電圧の分析的な計算を提案する。
より詳細には、本発明により、序文に定義されるような操作方法が提案され、
自動車を推進するために求められるエネルギー値およびトラクションバッテリに関連付けられる等価係数に応じて、電気機械が発生させるべき最適電気トルクを決定する工程と、
上記最適電気トルクおよび電気機械の回転数に応じて、最適電源電圧を分析的に計算する工程であって、上記最適電源電圧は、少なくとも変調装置と電気機械を含む群の電気損失を最小化する工程と、
上記変調装置を、上記最適電源電圧を供給するよう制御する工程と、が備えられる。
このような分析的モデルの利用は、2つの主要な理由、すなわち、得られる結果の信頼性とハイブリッド自動車の異なるカテゴリにおける実施の容易性により有用であることが明らかである。
回転数が上記最適電気トルクに応じて決定される2つの限界値の間に含まれる場合、上記最適電源電圧は上記最適電気トルクおよび電気機械の回転数のみに応じて計算される;
Ue opt=u2(Te opt).ωe 2+u1(Te opt).ωe+u0(Te opt)、式中
Ue optは最適電源電圧、
Te optは最適電気トルク、
ωeは電気機械の回転数、
u0、u1、u2は所定の関数である;
上記最適電源電圧はトラクションバッテリの端子電圧に等しくなるよう選択される;
回転数が上記2つの限界値を上回る場合、
上記最適電源電圧は、最適電気トルクの関数を値に持つ最大電圧閾値に等しくなるよう選択される;
上記最適電気トルクは以下の式により計算される、
Te opt=Pm opt/ωeであり、
Pm opt=(a-λ.b1)/(2.λ.b2)、
Pr-Pm opt≦Plimである場合a=a1、およびPr-Pm opt>Plimである場合a=a2、
Pm opt≦0である場合b1=b1 -でb2=b2 -、およびPm opt>0である場合b1=b1 +でb2=b2 +であり、
式中
λはトラクションバッテリの等価係数、
ωeは電気機械の回転数、
Prは車輪への動力、
Plimは電気機械の回転数の可変関数、
a1、a2、b1 -、b2 -、b1 +、b2 +は所定の定数である;
上記エネルギー値が自動車の駆動輪に関して要求される動力である。
自動車のハイブリッドパワートレインの操作指示の計算方法であって、
上記ハイブリッドパワートレインは、一方でトラクションバッテリにより電流を供給される電気機械と、電圧変調機器と、インバータとを備え、他方でタンクにより燃料を供給される内燃機関を備え、上記方法は、
自動車の推進に必要なエネルギー値と、トラクションバッテリに関連する等価係数と、内燃機関の回転数と、電気機械の回転数を求める工程と、
電気機械の上記最適電気トルクと、回転数とに応じて、電気機械が生成するべき第一の動力を計算する、上記のような方法に基づき変調機器を操作する工程と、
第一の動力と、上記エネルギー値に応じて、内燃機関が生成するべき第二の動力を計算する工程と、
上記電気機械と内燃機関に、第一と第二の動力をそれぞれ生成するよう制御する工程と、を含む計算方法に関する。
図1に示されるように、ハイブリッド自動車1において、ハイブリッドパワートレインは、熱トラクションチェーン20と、電気トラクションチェーン30とを含む。
一方、電気トラクションチェーン30は、トラクションバッテリ31と、電圧変調装置33と、インバータ35と、1(または複数の)電気機械36とを含む。
インバータ35は、電圧変調装置33から受け取る直流から交流を発生させるよう構成されている。
インバータ35と電気機械36はここでは、装置34として一体化されている。
2つのトラクションチェーン20および30が合流し、伝達装置40を介して、自動車の駆動輪10を回転駆動できる。
計算機50は、プロセッサと、以下に説明する手順において使用されるデータを記録するメモリを含む。
このメモリには同様に、プロセッサにより実行されることで以下に記載の手順が計算機50により実施されることを可能とする命令を含むコンピュータプログラムで構成されるコンピュータアプリケーションも記録される。
計算機は特に、内燃機関22および電気機械36の回転速度、すなわち回転数を測定するよう構成されたセンサに接続されている。
計算機50はこのように、所望のダイナミクスでこの車両を前進させるために車両の運転者が必要とするエネルギーに関するデータの値を決定することができる。ここでは、計算機50が、駆動輪10が受け取るべき動力の値(以下、「タイヤPrへの動力」と呼ぶ)をより正確に決定すると考えられる。
トラクションバッテリ31から電圧変調装置33に供給される電力の値を、ここでは「バッテリ電力Pbat」と呼ぶ。
電圧変調装置33によって供給される電流の電圧値を「電源電圧Ue」と呼ぶ。
駆動輪10に対し内燃機関22のみにより供給される動力の値を、ここでは「熱機械力Pth」と呼ぶ。
内燃機関22の燃料消費量を、「燃料供給量Q」と呼ぶ。
あるいは、以下に説明する方法の目的は、要求される車輪Prへの動力の値に応じて、内燃機関22の回転数ωth、電気機械36の回転数ωe、これらの最小電気損失を保証するトリプレット{Ue opt、Pth opt、Pm opt}(上付き「opt」は最適値を意味する)を見つけることである。
本明細書の後半では、本発明に至った推論を詳述する。
この方法は、再帰的に実施される、すなわちループ状に定期的に行われる以下に示す5つの主要な工程で構成される。
計算機はまた、例えば角速度センサを使用して、電気機械36の回転数ωeと内燃機関22のモータの回転数ωthとを取得する。
計算機はまた、メモリ内のトラクションバッテリ31の等価係数λの値を読み取る。この値は、あらかじめ決められている(これは、常に不変であることを意味する)。
このために、計算機50はまず、最適電気機械力Pm optを決定する。計算機はここで、内燃機関22の回転数ωth、また車輪Prに必要とされる動力、および等価係数λに応じて、この動力を分析的に決定する。
Pm opt=(a-λ.b1)/(2.λ.b2)[式1]
本数式においてデータは以下のとおりである:
Pr-Pm opt≦Plimの場合a=a1、かつPr-Pm opt>Plimの場合a=a2、
Pm opt≦0の場合b1=b1 -でb2=b2 -、かつPm opt>0の場合b1=b1 +でb2=b2 +、
式中
λはトラクションバッテリの等価係数、
ωeは電気機械の回転数、
Prは車輪への動力、
Plimは電気機器の回転数の可変関数、また
a1、a2、b1 -、b2 -、b1 +、b2 +は所定の定数である。
Te opt=Pm opt/ωe[式2]
このために、計算機はまず、メモリ内のマッピングにより、電気機械36の動作領域を決定する。
図6は、このマッピングの実現例を模式的に示し、3つの領域I、II、およびIIIが観察される。これらの領域は、電気機械36の回転数ωeの閾値に対応し、電気トルクTeに応じて変化する2つの曲線ωe lim1およびωe lim2によって互いに分離される。
Ue opt=u2Te opt.ωe 2+u1Te opt.ωe+u0Te opt[式3]
この式では、u0、u1、u2は、車種により異なる所定の関数(すなわち計算機50のメモリに格納される)である。
最後に、回転数ωeが2つの閾値ωe lim1、ωe lim2を上回る場合(領域III)、最適電源電圧Ue optは、最大電圧閾値
Pth opt=Pr-Pm opt[式4]
変調装置33に最適電源電圧Ue optを提供させ、
インバータ35に、電気機械36が最適電気機械力Pm optと最適電気トルクTe optを生成するようにさせ、
内燃機関22に最適熱機械力Pth optを生成させる。
この方法により、要求される動力を2つのトラクションチェーン20および30のそれぞれに分配し、電気損失の低減を保障させることができる。
まず、出願人が最適電源電圧Ue optを計算する式3に至った方法を説明することができる。
ハミルトン演算子はここで、一方で燃料供給量Qの関数、他方で消費された電力Pbatと等価係数λの積の関数として定義される。次のように表される:
図3に、同様の別のマッピングを示す:横軸に電気機械36によって生成された電気トルクTeを、縦軸に電気バッテリ31によって生成された最適バッテリ電力Pbatt optを取る。曲線は電気機械36の異なる回転数ωeに対応する。
図4A~4Cに、図2の結果である、3つの異なる電気トルクTe(-200Nm、0Nm、50Nm)のために示される電気機械36の回転数ωeのみに応じて最適電源電圧Ue optの変動を示す3本の曲線を示す。
出願人はまた、図6に示す曲線によってこれら2つの閾値ωe lim1およびωe lim2の変動をモデル化することが可能であることを観察した。
関数u0、u1、u2、
出願人が本明細書の前半で説明した方法に到達することを可能にした推論を理解するべく、次の情報を提供できる。
図3に、最適バッテリ電力Pbatt optの変動が、最適電気トルクTe optに関して凸状であることが示される。
したがって、次の式を使用して、電気機械力Pmに応じて最適バッテリ電力Pbatt optの変動を分析的にモデル化することができる:
ポントリャーギンの最小原理に従って、このハミルトン演算子は求められる最適値を見つけるために最小化されなければならない。
変数Q0、Qlim、Pth,min、PlimおよびPth,maxは、内燃機関22の回転数ωthに応じて変化する変数である。
Q0(ωth)=q2.ωth 2+q1.ωth+q0、
Qlim(ωth)=a1.Plim+Q0(ωth)、
Plim(ωth)=p1.ωth+p0、
Pth,max(ωth)=k1.ωth+k0、
Pth,min(ωth)=-Q0(ωth)/a1。
このモデル化において、q0、q1、q2、p0、p1、k0、k1は、各車種について実験的に得られた定数である。
Claims (10)
- ハイブリッド自動車(1)のトラクションバッテリ(31)から自動車(1)の電気機械(36)に供給される、電流の電源電圧(Ue)の変調装置(33)の操作方法であって、
自動車(1)を推進するために求められるエネルギー値(Pr)およびトラクションバッテリ(31)に関連付けられる等価係数(λ)に応じて、電気機械(36)が発生させるべき最適電気トルク(Te opt)を決定する工程と、
前記最適電気トルク(Te opt)および電気機械(36)の回転数(ωe)の関数を計算式として用いて、最適電源電圧(Ue opt)を計算する工程であって、前記最適電源電圧(Ue opt)は、少なくとも変調装置(33)と電気機械(36)を含む群(32)の電気損失を最小化する工程と、
前記変調装置(33)を、前記最適電源電圧(Ue opt)を供給するよう制御する工程と、を含む操作方法。 - 前記回転数(ωe)が前記最適電気トルク(Te opt)に応じて決定される2つの限界値(ωe lim1、ωe lim2)の間に含まれる場合、前記最適電源電圧(Ue opt)は、前記最適電気トルク(Te opt)および電気機械(36)の回転数(ωe)のみに応じて計算される、請求項1に記載の操作方法。
- 前記回転数(ωe)が前記2つの限界値(ωe lim1、ωe lim2)の間に含まれる場合、前記最適電源電圧(Ue opt)は、以下の式により計算される、請求項2に記載の操作方法:
Ue opt=u2(Te opt).ωe 2+u1(Te opt).ωe+u0(Te opt)、式中
Ue optは最適電源電圧、
Te optは最適電気トルク、
ωeは電気機械(36)の回転数、
u0、u1、u2は所定の関数。 - 前記回転数(ωe)が前記2つの限界値(ωe lim1、ωe lim2)を下回る場合、前記最適電源電圧(Ue opt)は、トラクションバッテリ(31)の端子電圧(Ubatt)に等しくなるよう選択される、請求項2および3のいずれか一項に記載の操作方法。
- 前記回転数(ωe)が前記2つの限界値(ωe lim1、ωe lim2)を上回る場合、前記最適電源電圧(Ue opt)は、最適電気トルク(Te opt)の関数を値に持つ最大電圧閾値
- 前記最適電気トルク(Te opt)は、関数を計算式として用いた計算により決定される、請求項1~5のいずれか一項に記載の操作方法。
- 前記最適電気トルク(Te opt)は、以下の式により計算される、請求項6に記載の操作方法:
Te opt=Pm opt/ωeであり、
Pm opt=(a-λ.b1)/(2.λ.b2)、
Pr-Pm opt≦Plimである場合a=a1、およびPr-Pm opt>Plimである場合a=a2、
Pm opt≦0である場合b1=b1 -でb2=b2 -、およびPm opt>0である場合b1=b1 +でb2=b2 +、
式中
Te optは最適電気トルク、
P m opt は最適電気機械力、
ωeは電気機械(36)の回転数、
λはトラクションバッテリ(31)の等価係数、
ωeは電気機械(36)の回転数、
Prは車輪への動力、
Plimは電気機械(36)の回転数の可変関数、
a1、a2、b1 -、b2 -、b1 +、b2 +は所定の定数。 - 前記最適電気トルク(Te opt)および前記最適電源電圧(Ue opt)は、自動車(1)の内燃機関(22)の燃料消費および前記群(32)の電流消費の関数であるハミルトン演算子(Hhyb)が最小化される場合、前記群(32)の電気損失を最小化させる、請求項1~7のいずれか一項に記載の操作方法。
- 前記エネルギー値(Pr)が自動車(1)の駆動輪(10)に関して要求される動力である、請求項1~8のいずれか一項に記載の操作方法。
- 自動車(1)のハイブリッドパワートレインの操作指示を計算し、制御する方法であって、
前記ハイブリッドパワートレインは、一方でトラクションバッテリ(31)により電流を供給される電気機械(36)と、電圧変調機器(33)と、インバータ(35)とを含み、他方でタンク(21)により燃料を供給される内燃機関(22)を含み、前記方法は、
自動車(1)の推進に必要なエネルギー値(Pr)と、トラクションバッテリ(31)に関連する等価係数(λ)と、内燃機関(22)の回転数(ωth)と、電気機械(36)の回転数(ωe)を求める工程と、
電気機械(36)の前記最適電気トルク(Te opt)と、回転数(ωe)とに応じて、電気機械(36)が生成するべき第一の動力(Pm)を計算する、請求項1~9のいずれか一項に記載の操作方法に基づき変調機器(33)を操作する工程と、
第一の動力(Pm)と、前記エネルギー値(Pr)に応じて、内燃機関(22)が生成するべき第二の動力(Pth)を計算する工程と、
前記電気機械(36)と内燃機関(22)に、第一と第二の動力(Pm、Pth)をそれぞれ生成するよう制御する工程と、を含む方法。
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