KR20030071773A - 하이브리드 동력원 분배 관리 - Google Patents

하이브리드 동력원 분배 관리 Download PDF

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퍼시피터마이클
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휠스조나단찰스
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리카도 컨설팅 엔지니어즈 리미티드
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Abstract

하이브리드 동력원은 전기모터(14) 및 내연기관(20)과 같은 제 1 및 제 2 에너지 에너지 공급장치를 포함한다. 동력원 전략은 비용 함수가 동력의 향상된 분배를 하기 위하여 다양한 동력 분배 옵션들과 관련되어 만들져 수행된다. 개별 비용(z=상수)에 대해, 에너지의 총량은 정상적인 구동 주기 동안에 시간에 대해 동력을 발생하는 것을 적분함으로써 얻어진다. 이에 의하여, 룩업 테이블 에너지/비용이 생성된다.

Description

하이브리드 동력원 분배 관리{HYBRID POWER SOURCES DISTRIBUTION MANAGEMENT}
비록 하이브리드 동력원들이 공지되어 있지만, 이들의 에너지 사용의 관리는 효율적이지 못하다. 예를 들어, 하이브리드 자동차들은 주지되어 있고 2개의 동력 장치 및 적어도 하나 또는 그 이상의 연료 또는 에너지 저장소를 포함한다; 전형적으로 동력 장치들은 내연기관 및 모터/발전기를 포함하는 전기장치를 포함한다. "직렬"("series)HEV라 불리는 한 주지된 구성에서, 내연기관은 배터리에 저장하고 또한 모터/발전기를 통하여 자동차를 구동하기 위한 전기를 발생시키는데 사용된다. 소위"병렬"("parallel")HEV라 불리는 다른 구성은 도 1에서 전체적으로 10으로 지시된 자동차에 개략적으로 나타나있다. 이 자동차는 내연기관(20), 전기모터/발전기(14), 변속기(16) 및 배터리(18)와 같은 저장장치를 포함한다. 내연기관은 변속기(16)를 통해서 자동차(10)를 구동한다. 게다가, 변속기는 또한 전기모터(14)에 의해 구동될 수 있다. 선택적으로, 내연기관이 과다한 토크를 발생시킬 때, 이것은 변속기(16) 및 발전기 모드로 작동하는 모터/발전기(14)를 통해서 저장된 전기 에너지로 변환될 수 있고, 전기 에너지는 배터리(18)에 저장된다. 이런 타입의 HEV들은 주지되어 있고 이들 중 하나는 Tamagawa의 미국 특허 제 5,984,033호에 기술되어 있다.
본 발명은 특히 하이브리드 자동차(HEV)용인 차량 구동 시스템 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 병렬 HEV를 구조적으로 나타낸다;
도 2는 본 발명에 따른 비용 대 동력 대 시간 면을 나타낸다;
도 3a은 전형적인 구동 주기를 나타낸다;
도 3b는 도 3a의 구동 주기를 위한 비용 대 동력 대 시간 면을 나타낸다;
도 3c는 선택적인 구동 주기를 나타낸다;
도 3d는 도 3c의 구동 주기를 위한 비용 대 동력 대 시간 면을 나타낸다;
도 4는 측정 경로를 나타내는 흐름도이다;
도 5는 외부 정보원과 통신하는 본 발명에 따른 자동차를 나타낸다.
각 에너지원의 자동차 구동에의 기여의 결정 및/또는 전기 에너지를 발생시킬 때(때때로, 과량의 자동차 또는 내연기관 에너지가 전기 에너지로 변환되는 "재생"충전으로 불림)를 결정하기 위한 공지된 제어 시스템은 현재 매우 간단하다. HEV가 가진 주요 장점들은 감소된 연료 소비 및 배기가스이고, 예를 들어, Horwinski의 미국 특허 제 4,042,056호는 구동 모드 사이의 변환은 사용자가 가속페달을 밟은 정도에 따라 및/또는 전기 배터리의 충전 상태의 강하에 따라 결정되는 장치를 기술한다.
보다 정교한 장치가 Paice Corporation의 국제출원공개 WO 00/15455에 기술된다. 이 공개공보에 따르면, 마이크로프로세서가 예를 들어, 순람표(look-up table)에 내장된 일단(一團)의 고정 규칙 및 세트 포인트에 근거한 순간 토크 요구량, 엔진 토크 출력 및 배터리 충전을 고려하여 구동 입력 또는 스로틀 맞물림을 관찰하고 이에 따라 에너지원들의 기여를 변화시킨다.
공지된 시스템들은 자동차 구성요소들의 능력 내에서 유지되도록 선택된 일련의 규칙들을 사용하는 규칙에 기초한 전략 또는 가장 효율적인 지점에서 엔진 및 전기모터/발전기를 작동함으로써 시스템에서의 효율을 극대화하는 것에 기초한 전략에 의존한다.
본 발명에 따라 제공된 하이브리드 동력 시스템은 제 1 및 제 2 에너지 입력, 제 1 및 제 2 개별 에너지 변환기, 에너지 저장장치, 에너지 처리장치 및 동력 분배 관리장치를 포함하고 동력 시스템의 작동은 동력 시스템의 작동 파라미터들의 함수인 관련된 전체 비용을 갖고, 동력 분배 관리장치는 최적의 전체 비용 수준에서 동력 분배를 제어한다.
그래서 효율은 일련의 인자들에 기초하여 정해지고, 유연하고 지능형의 제어 시스템이 얻어진다.
에너지 입력은 화학적 에너지원(예를 들어, 연료) 기계적 에너지원 또는 충전 배터리와 같은 전기적 에너지원 중 하나 이상과 같은 에너지원을 포함한다; 에너지 컨버터는 내연 기관 또는 연료전지와 같은 엔진을 적어도 하나 포함할 수 있고,적어도 하나의 엔진, 에너지를 수용하고 그 후에 이 에너지를 시스템에 되돌려줄 수 있는 에너지 저장장치는 충전 배터리와 같은 적어도 하나의 배터리, 커패시터, 열 저장장치 또는 플라이휠을 포함할 수 있다.
바람직하게는 하이브리드 동력 시스템은 자동차 구동 시스템을 포함한다. 에너지 저장소는 자동차 구동 부하, 전기 부하, 공조 부하, 전기적 동력 조향 부하 또는 디젤 미립자 트랩 재생 부하 또는 다른 전기적 또는 기계적 부하 중의 적어도 하나와 같이 시스템으로부터 에너지를 빼앗아가는 장치를 포함한다.
예를 들어 효율이 최소 연료 소비로 최대 동력을 얻음으로써 최대화되는 공지된 시스템과 반대로, 본 발명에 따른 비용 함수는 운전자에 의해 유도된 인자 및 공기 배기 부하, 지형학적 영향, 도시 환경 등과 같은 환경 인자를 포함하는 차량의 전체 작동 엔벌로프(envelop)를 고려한다. 자동차의 순간 또는 실제로는 미래의 위치에 대한 이익을 최대화하는 자동차 작동 비용은 순간 효율에 대한 요구를 능가할 수 있다. 예를 들어, 자동차의 최대 동력은 제한될 수 있고 또는 자동차는 시내사용을 위한 배기가스 또는 DPF 재생 전략의 이익을 보기 위한 더 높은 연료 소비 체계하에서 작동할 수 있다. 자동차는 자동차 소음이 감소되어야하는 주위환경을 통과할 때 증가된 배터리 동력하에서 그리고 변형된 배기 노트(note)를 가지고 작동할 수 있다.
비용 함수는 파라미터들의 연속적인 함수 또는 실질적으로 연속적인 함수일 수 있다.
본 발명에 따라 동력 시스템의 작동 변수의 함수로서 동력 분배 체계의 전체 비용을 평가하는 단계 및 최적의 전체 비용 수준에서 동력 분배 체계를 선택하는 단계를 포함하는 청구범위에서 청구된 하이브리드 동력 시스템에서 동력 분배를 관리하는 방법을 추가로 제공한다.
본 발명에 따른 다른 타입의 제 1 및 제 2 동력 장치를 갖는 하이브리드 동력원을 위한 제어 시스템을 추가로 제공하고, 적어도 하나의 상기 장치가 다른 장치에 의해 재충전가능한 제어 시스템은 연료 소비, 배기 방출, 진동, 내부 소음, 외부 소음, 경도 및 부하의 적어도 하나를 나타내는 하나 또는 그 이상의 제어 값에 의존하는 상기 재충전가능한 동력 장치의 작동 및 재충전을 제어한다.
제어 시스템은 바람직하게는 제어 값이 이익 한계를 넘을 경우 상기 재충전가능한 에너지 저장소의 방전을 제어하고 제어 시스템은 바람직하게는 제어 값이비용 한계이하 일 경우 상기 재충전가능한 에너지 저장소의 재충전을 제어한다; 이익 한계는 바람직하게는 비용 한계의 함수이다.
제어 값은 예정된 이익 또는 비용 한계와 비교될 수 있고 또는 제어 시스템은 순간적인 외부 및/또는 내부 데이타를 받을 수 있고 제어 값은 상기 외부 및/또는 내부 데이타에 기초하여 결정되는 이익 또는 비용 제한과 비교될 수 있다. 예를 들어, 외부 데이타는 지리적인 데이타일 수 있고 내부 데이타는 배터리 충전 수준 또는 보조 전기 장치 필요일 수 있다. 비용 한계는 상기 외부 또는 내부 데이타로부터 도출된 예측된 미래 동력원 부하에 기초할 수 있다.
한 실시예에서, 상기 충전가능한 장치는 배터리 팩을 포함하고 하나의 동력 장치는 전기 장치를 포함하고 상기 다른 동력 장치는 내연기관을 포함한다.
본 발명에 따라 다른 타입의 제 1 및 제 2 동력 장치, 상기 다른 장치에 의해 재충전가능한 재충전가능 에너지 저장소를 갖는 적어도 하나의 상기 장치를 갖는 하이브리드 동력원을 제어하는 방법을 추가로 제공하고, 상기 방법은 작동이 연료 소비 또는 배기 방출 또는 진동 또는 소음 또는 경도 또는 부하의 적어도 하나에 대해 순이익을 얻을 수 있을 때 상기 충전가능한 에너지 저장소를 작동하는 단계 및 재충전이 연료 소비 또는 배기 방출 또는 진동 또는 소음 또는 경도 또는 가속 또는 주행운전성의 적어도 하나와 비교된 비용 제한까지 얻어질 경우 상기 재충전가능한 에너지 저장소를 재충전하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따라 데이타 저장소 및 다른 타입의 제 1 및 제 2 동력 장치를 포함하는 하이브리드 동력원을 포함하는 하이브리드 동력원을 위한 제어 시스템을 측정하는 방법을 추가로 제공하고, 상기 장치는 적어도 하나는 상기 다른 장치에 의해 재충전가능하고 동력원은 부하를 변화시키면서 여러 주기를 통해서 동력이 공급되고, 연료 소비 또는 배기 방출 또는 진동 또는 소음 또는 경도인 제어 파라미터의 적어도 하나가 상기 데이타 저장소 및 이익을 내는 충전가능한 장치에 기록되고 저장되고 충전 비용은 기록된 제어 파라미터의 함수로서 각 동력원 부하를 위해 도출되고 상기 데이타 저장소에 저장된다. 그 결과 비용/이익 제한은 자동차에 순간적으로 도출될 수 있다.
본 발명은 상기의 시스템 및/또는 방법을 수행하기 위한 프로그램을 저장하는 컴퓨터 판독가능한 매체, 상기의 시스템 및 방법을 수행하기 위한 지시를 실행하도록 만들어진 프로세서, 다른 타입의 제 1 및 제 2 동력 장치, 상기 다른 장치에 의해 재충전가능한 상기 장치의 적어도 하나 및 상기한 제어 시스템 및 이런 하이브리드 동력원을 포함하는 자동차를 추가로 제공한다.
본 발명의 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 실시예를 통하여 기술될 것이다.
본 발명은 HEV와 관련된 하나의 바람직한 실시예를 참조하여 기술될 것이다. 당업자는 에너지원/저장 및 HEV와 제어 시스템을 가진 이들의 일반적인 인터페이스의 변속기 시스템에 친숙할 것이어서 이들의 상세한 설명은 하지 않는다.
제어 시스템은 전기 장치(모터/발전기) 및 본 실시예 안의 IC 엔진을 포함하는 적어도 두 개의 에너지 컨버터 및 재충전가능한 전기 배터리를 포함하는 적어도 하나의 에너지 저장소를 갖는 하이브리드 동력원을 제어한다. 이들은 두 개의 동력 장치로 보여질 수 있다. HEV를 위한 제어 시스템에 대한 하나의 입력은 특히 가속 또는 제동과 같은 자동차 성능의 면에 대한 운전자의 요구를 효과적으로 포함한다. 그러나, 요구들은 예를 들면 공조 장치, 디젤 미립자 필터 또는 추가의 보조 장치들과 같은 다른 에너지 저장소로 보여일 수 있는 다른 장치로부터 받을 수 있다. 전형적으로 다른 제어 파라미터는 자동차가 외부 재충전기의 도움없이 전기 장치를 위한 전기 에너지를 충전할 수 있다는 것과 에너지 저장소의 충전 상태가 어떤 한계 내에 있어야 한다는 것이다. 그러나 다른 파라미터는 예상치 못한 구동장치 정지와 같은 순간적인 인자일 수도 있다. 그러나, 본 발명은 이런 제약 내에서 지능형 제어 시스템이 전기 발생의 최적 시간 및 최적 양 및 구동장치에 에너지를 공급하는 최적 순간 및 최적 양을 결정하기 위해 수행될 수 있고 전기모터에 의해 다른요소로 분배될 수 있다.
특히, 본 발명의 제어 시스템은 예를 들어, 연료 소비 및/또는 다양한 HEV 동력 장치의 효율, 생산된 배기 방출의 속도, 소음, 진동 및 경도(NVH) 측정 기준, 주행운전성 또는 "목적 함수"라고 불리는 전체 파라미터를 제공하는 가속의 속도와 같은 작동 조건을 포함하는 작동 조건의 범위를 고려한다. 전체 시스템 비용 또는 "개별 비용"으로 보일 수 있는 목적 함수는 전기 발생 비용 및/또는 발전/구동의 타이밍, 지속 및 속도를 제어함으로써 구동으로부터의 이익을 최적화하기 위해 시간에 대해 최소화될 수 있다. 목적 함수는 고려되는 파라미터들로부터 나타날 수 있는 법정 조건 또는 고객 조건을 위해서 선택될 수 있다.
주요 목표는 전기는 목적 함수에 관하여 가장 중요하지 않은 시간에서 발생되어야 하고 전기는 이익이 사용된 전기를 대체하는데 전기를 발생시키는데 소요된 비용 보다 클 경우에만 구동을 위해 사용되어야 한다는 것이다. 따라서, 임의 모드의 작동을 위한 전체 시스템 비용은 모드가 전체 시스템 비용에 기초하여 수행되거나 평가되는지 및 언제 수행되거나 평가되는지에 의해 정해된다.
첫 번째 목표는 항상 주어진 개별 비용까지 발생시킴으로써 수행된다. 이것은 개별 비용(z 축)이 발생 동력 및 시간에 대해 도시되어 3D 표면을 나타내는 도 2에 나타난다. 가장 낮은 비용 옵션은 발생되는데 필요한 에너지의 양에 따라 결정된다. 에너지의 전체 양은 주어진 비용(즉 z=상수)에 대한 시간 곡선에 대해 동력을 적분함으로써 얻어진다. 이것은 비용(z)축 0으로부터 x-y에서 적분된 전체 동력 대 시간 평면이 필요한 에너지 양과 동일할 때까지 증가시킴으로써 성취될 수 있다. 가장 낮은 비용 값은 상응하는 z 값이다. 3D 표면을 가진 z 평면의 교차점에서 도출된 곡선은 시간에 대해 발생된 동력의 최적 변이를 나타낸다. 도 2는 x-y 수평 평면 및 z 수직 평면 및 z=0부터 3D 표면의 상부까지 올라가는 물의 수준으로 부피를 나타내는 것으로 직감적으로 보일 수 있다. 물의 표면적이 원하는 에너지 값과 동일할 때, 관련된 비용이 결정되고 최적 동력 발생 대 시간의 곡선은 물과 3D 표면의 경계에서 형성된다. 도 2에 나타난 실시예어서, 1kJ의 에너지를 나타내는 첫 번째 더 작은 표면적은 비용 z=c1에서 성취되고, 2kJ의 발생된 에너지의 높은 값은 비용 z=c2에서 성취된다.
도 3a 내지 3d를 참조하여, 발전 모드에서의 본 발명의 작동이 이해될 수 있다. 도 3a는 약 12초 동안 제동하고, 약 16초 동안 시간당 15km의 등속력을 얻기 위하여 등속도로 가속하고 약 24초에서 등속도로 감속하여 30초 주기 후에 약 29초에서 제동되는 자동차의 유럽 배기 검사 주기를 위한 경제 위원회에 따라 결정된 예시 구동 주기의 일부를 나타낸다..
제어 시스템은 구동 주기가 작동의 "개별 비용"의 면에서 전기 발생을 위한 최적 체계를 평가하도록 진행됨에 따라 동력을 발생시키는 개별 비용 v의 일련의 2-D곡선을 효과적으로 평가하고 참고한다. 바람직하게는 이런 곡선을 발생시키기 위한 관련 데이타는 시험대 위의 엔진 타입을 구동하고, 예를 들어, 엔진 부하 및 속력의 범위의 평가를 위한 배기 및 연료 소비를 모니터링함으로써 얻어지는 평가 결과로부터 도출된다. 이런 2D 곡선의 내력은 도 3b에 나타난 3D 표면이 3축 위의도표로부터 얻어지는 3차원 표면을 나타내는 것과 같이 나타날 수 있고, x축은 30초 시간 간격을 나타내고, y축은 와트로 측정된 전기 발생 속도를 나타내고, z축 "개별 비용"은 목적 함수를 나타내고, 구동 주기를 위한 모든 것을 나타내었다.
도 3b에서 나타난 것과 같이 수십 와트의 순서의 에너지 발생의 낮은 수준은 자동차가 정지해 있을 때 및 주행 속력로 출발할 때의 기간에서 낮은 비용으로 얻어질 수 있다. 게다가, 낮은 비용 발생은 자동차가 제동하는 동안 성취될 수 있는 반면, 자동차의 운동 에너지의 일부가 직접 전기를 발생시키는데 사용될 수 있어, 소위 "재생 제동"라고 부른다. 반면에, 구동 주기에서의 고정점에 대해, 예를 들어 자동차가 정지되어 있는 동안에, 전기 에너지 발생 비용은 발생 속도가 증가함에 따라 증가한다. 일반적으로, 전기 발생은 단순히 추가의 동력 부담이고, 반면에 높은 발전 속도에서의 전기 에너지 발생은 재생 제동 동안에 낮은 비용에서 성취될 수 있기 때문에 자동차는 가속되고 있는 동안의 전기에너지 발생 비용은 특히 높다. 그 결과로, 자동차는 특정 엔진 부하 및 속력하에 있을 때, 발전의 비용은 측정된 값으로부터 유도될 수 있고, 하기에서 보다 상세하게 기술된대로, 발전이 일어날지를 평가하기 위해 비용 제한과 비교될 수 있다. 하기에서 보다 상세하게 기술된대로, 이 방법은 예를 들어, 현재 시간 외부 데이타로부터 미래의 구동 주기를 예측할 수 있을 경우 에너지 관리를 최적화하는데 특히 유용하다. 도 3d는 도 3c에 도시된 구동 주기를 위해 구조된 상응하는 3D 곡선을 도시한다.
평가하는 방법의 실시예, 즉 전형적인 구동 스타일에 대한 제어 전략 내의 파라미터들을 조절하는 실시예로서, 도 4의 흐름도가 사용된다. 단계 30에서 비용값은 낮은 수준 z=c0로 정해지고 원하는 발생된 에너지 값 E1은 입력이다. 단계 32에서 발생된 동력 곡선 Pgen은 시간에 대해 적분된다. 만일 적분된 값이 에너지 입력 값 E1보다 크거나 동일한 경우, 비용 값이 단계 34에서 사용된 z의 값이다. 그러나, 만일 원하는 저장 값에 도달하지 못할 경우, 값 z는 적은 값 Δc만큼 증가되고 방법은 발생된 에너지의 원하는 값이 얻어질 때 까지 반복한다.
상기의 실시예에서, "개별 비용" 값은 절대 값을 나타낸다. 바람직한 실시예에서, 비용은 예를 들어, 연료 소비(연료 소비가 높을 수록 비용은 높다) 및 배기 방출(또한, 배기가 높을 수록 비용은 높다)과의 조합으로 파라미터의 범위의 측정을 단순한 값으로 결합하는 목적 함수를 나타낸다. 물론, 이런 값들은 바람직하게는 정상화되고 산술적으로 또는 비용을 나타내는 값에 도달하기 위하여 보다 복잡한 함수에 의해 적절한 방법으로 결합될 수 있다. 그 결과로서 주어진 상태(예를 들어, 주어진 속도로의 가속 및주어진 순간 속도)에서 자동차는 연료 소비 및 필요한 동력의 발생으로부터 기인한 배기의 면에서 주어진 비용 수준에서 작동할 것이다.
남아있는 제어 기준은 전기모터를 가지고 얼마의 동력으로 내연기관을 언제 지원하고 또는 대체할 것인가이다. 기본적인 실시예로서, 만일 전기모터가 가속하는 동안 내연기관을 지원하기 위하여 사용된다면, 이것은 연료 소비 및 방출물의 일부를 줄일 수 있을 것이다. 따라서, 전기모터 보조장치를 위한 전략은 모터 보조장치로부터 얻어지는 이익(연료소비 및 방출의 감소)이 전기 발생의 비용(연료소비및 방출의 증가)을 초과하는 때에 사용되어야 한다는 것이다. 이것은 비용 제한의 함수가 될 수 있는 제 2 제한, 이익 제한을 가짐으로써 수행된다. 전기모터는 이익이 이익 제한을 초과하는 때에 내연기관을 지원하거나 대체하기 위해 사용된다.
따라서, 사용에 있어서, 제어 시스템은 각각 발전 및 구동으로부터의 비용 및 이익을 즉시 평가할 수 있을 것이다. 이것은 발전 및 구동 동력을 결정하기 위하여 비용 및 이익 제한과 비교될 수 있을 것이다.
이런 제한들은 전형적인 구동 스타일에 고정되거나 또는 예를 들어, 만일 배터리의 충전 상태가 떨어지기 시작하여 발전이 더욱 긴급하게 되면 변할 수 있는 적응성 있는 제한으로 남을 수 있다.
대안적인 실시예에서, 시스템은 외부 영향에 의존하여 비용 및 이익 수준을 정하거나 또는 구동 스타일 및 자동차 사용 내력의 변화에 적응한다. 외부 영향의 예들은 공조 장치과 같은 고동력 보조장치의 부정기적인 사용 또는 디젤 엔진에서 미립자 트랩 발전 시스템 또는 상기한 지리적인 입력들이다.
지리적인 입력은 도 5에 도시된대로 수행될 수 있다. 자동차는 동력 및 변속기 시스템을 제어하는 제어 시스템(22) 및 자동차에서의 동력 분배를 위한 동력 분배 관리장치를 포함한다. 게다가, 컨트롤러(22)는 외부 송신기(70)와 통신함으로써 외부 환경에 관한 다른 데이타를 받거나 도출한다. 외부 송신기(70)는 GPS 위성, 라디오 또는 무선 접근 포로토콜 송신기 또는 임의의 다른 적절한 형태의 송신기일 수 있다. 제어 시스템(22)에 의해 도출된 정보는 자동차의 순간적인 지리적 위치 또는 임박한 주행 조건의 예측, 환경 배기 모니터링, 거리 위치 및 시간일 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템은 GPS로부터 자동차의 순간적인 지리적인 위치를 도출하고 이를 기초로하여 도시 또는 시가지에 있다는 것을 알리고 그 결과 배기가 감소된다. 전기모터의 작동을 위한 비용 및 이익 수준이 변해야 한다는 것을 기초로하여 전기모터를 보다 많이 사용하고 저장된 에너지(예를 들어, 배터리의 충전 상태)는 일정기간 동안 감소된다. 대안적인 제어 시스템은 다음, 예를 들어, 10마일 동안의 주행 조건을 도출할 수 있고 이를 기초로하여 그 때의 자동차에 대한 부담의 예측 분석을 수행한다. 그 결과, 예를 들어, 제어 시스템은 미래의 조건을 이용하기 위하여 비용 및/또는 이익 수준을 변형할 수 있다. 그러나, 만일 배터리 충전이 충분히 낮아서 비록 낮은 비용에서의 작동 기간이 미래에 사용가능할 지라도 발전이 보다 일찍 발생한다면, 비용 제한은 증가할 수 있다. 대안적으로 미래 경로의 지식은 자동차가 최대 동력 및 배터리 충전 능력, 그러나 예를 들어 도시 환경에서의 제한된 방출로 100% 배터리 작동을 가능하게 하는 시골 도로에 대해 증가된 배기에서 작동하게 할 수 있다.
따라서, 도 5에 도식적으로 나타난 시스템은 HEV에서 최적 구동/발전을 제공하는 장치에 도달하기 위하여, 저장된 데이타 및 도 2 내지 4를 참조하여 기술된 이익/비용 평가 시스템과 결합될 수 있다는 것을 알게 될 것이다.
이 시스템은 운전자의 주행 스타일을 추가로 고려할 수 있다. 이것은 운전자에게 적절한 예정된 옵션, 예를 들어 "보통", "스포츠", "경제적" 및 시공 연속체를 제공함으로써 달성될 수 있다. 각 경우에 시스템 비용/이익의 도출은 적절한 예정된 함수에 따라 수행된다. 대안적으로 운전자 스타일은 본 발명에 의해 제공된지능형 시스템의 범위로서 알 수 있다. 예를 들어, 매우 천천히 운전하는 운전자에 대한 비용 및 이익 제한은 예를 들어, 각 기어에서 높은 회전수에 도달하는 과격하게 운전하는 운전자와 다를 것이다. 이 시스템은 이와 같은 행동 패턴들을 탐지할 수 있고 및 비용/이익을 평가할 때 발사체에서 행동 패턴들을 결정할 수 있다. 이 시스템은 별개로 프로그램된 시동키를 가짐으로써 적절하게 공지된 방법으로 자신들을 구별시키는 다른 사용자들에 대한 다른 운전 스타일을 저장할 수 있다.
때때로 사용되는 공지된 고동력 보조장치가 어떻게 작동하는지에 대한 실시예는 전기적으로 가동되는 공조장치를 참조하여 기술된다. 더운 날씨에 여행을 시작하는 자동차를 생각해보라. 운전자는 자동차에 전기 부하를 증가시키는 공조장치 가동한다. 제어기는 전형적인 운전 패턴이 공조장치를 작동하기 위한 충분한 전기 에너지를 발생시킬 양으로 전기를 발생시키기 위한 비용 제한을 증가시킨다. 비용 제한의 증가는 추가의 동력 요구의 함수로 계산될 수 있다.
DPF(디젤 미립자 필터(disel particulate filter))는 주기적으로 청소를 요하는 장치이고, 청소는 고동력 전기 히터를 사용하여 성취될 수 있다. 전기 히터를 가지고 청소하는 비용은 부하된 DPF에 의해 발생된 후압력에 의한 증가된 엔진 부하에 의한 비용과 비교될 수 있다. 목적 함수는 DPF를 청소하는 최적의 시간을 선택하는데 사용될 수 있다. 일단 DPF를 청소하기로 결정하면, 추가의 동력 발생은 비용 및 이익 제한에 의해 동력 계산에 첨가될 수 있다. 이것은 짧은 기간 고동력 전기 부하에 대한 특정한 방법이다.
다른 실시예로서, 현재의 전동장치 및 후처리(aftertreatment) 모델에서, 촉매 제어는 10 내지 15%의 CO2방출을 증가시키고, 방출 기준은 도시 공기질을 보호하기 위하여 정해진다. 그러나, 허용되지 않는 배기 수준은 도시 및 전원 주행에 대해 전형적으로 5% 내지 15% 변할 수 있고 위치 특이 허용 배기 수준은 목적 함수의 다른 파라미터를 형성하는 환경 비용으로 보여질 수 있다. 도 5를 참조하여 기술된 시스템을 참조하여, 자동차 제어 시스템(22)은 원격 스테이션(70)으로부터 환경 비용과 관련된 배기 상위 수준 세팅 및 자동차에 송신된 배기 물질의 무게를 받을 수 있다. 예를 들어, 자동차가 전원 주행, 도시 주행 또는 경기장 주행 상태에 있는지에 의존할 수 있고 자동차 위치는 GPS(global positioning satellite)를 사용하여 결정되거나 또는 지방에 적절할 원격 스테이션으로부터의 신호 방송에 간단히 의존할 수 있다. 그 결과로 제어 시스템(22)은 후부배기관 배기를 제어할 수 있다. 그 결과, 예를 들어, 전기모터 구동은 전원 주행보다 도시 주행에서 더욱 빈번히 수행될 수 있다.
목적 함수에 포함될 수 있는 다른 측면은 주관 소음, 진동, 경도(NVH) 등급이고, 예를 들어 엔진 부하 및 엔진 속력의 함수로서 그 결과 이것은 제어 시스템이 어떤 드라이브 모드를 채택할 지를 판단할 때 고려되는 다른 파라미터가 될 수 있다.
제어 시스템에 의해 제어될 수 있는 다른 인자는 하이브리드 엔진 작동/정지이다. 특히, 만일 정지의 기간을 예측할 수 있다면, 작동의 비용을 평가할 수 있다. 만일 이것이 멈춤의 이익보다 적을 경우(각 옵션의 전체 비용을 다시 비교),엔진은 멈출 수 있다. 예측된 기간은, 예를 들어, 원격 스테이션으로부터 이용할 수 있는 교통행열에서의 자동차의 위치의 지시에 의존할 수 있다. 만일 자동차가 행열의 앞쪽에 가까이 있다면 엔진을 정지함으로써 성취될 수 있는 연료 및 배기를 줄이는 비용은, 만일 엔진이 정지된 후에 즉시 재가동된다면, 향상된 연료 소비 및 배기 수준에 의해 높게 평가될 수 있다. 다른 고려사항은 DPF 조건일 수 있다. 예를 들어, 심한 교통체증에서, GPS는 교통 정보를 알 수 있고 자동차에 장착된 시스템은 DPF가 재생될 필요가 있다는 것을 안다. 배기의 온도는 낮은 속도에서의 엔진 부하 또는 예를 들어, 심한 교통체증에서의 공회전에 의해 낮은 경우, 실내 온도 또한 낮을 수 있다. 따라서, 이 시스템은 DPF 히터를 가동하기 위해 배터리를 충전하는 폐쇄 및 재가동의 비용이 매우 크기 때문에 정지 가동 체계의 사용을 결정할 수 있다.
따라서, 본 발명은 자동차의 기본 구성요소들이 여행을 시작하기 위한 전체 비용을 감소시킬 목적을 가지고 관리되는 경우의 시스템 및 방법을 제공한다는 것을 알게될 것이다. 전체 비용은 구동(NVH, 연료 소비)에 대한 비용 및 환경(배기, NVH)에 대한 비용을 포함할 수 있는 목적 함수이다. 본 발명은 적어도 두 개의 동력 장치 및 적어도 하나의 충전가능한 에너지 저장소를 포함하는 하이브리드 자동차에 관한 것이나, 다른 동력 시스템에도 미칠 수 있다. 본 발명은 에너지 저장소 또는 저장소들 사이의 동력 장치들에서의 에너지 흐름 및 비용 및 이익 제한에 의한 목적 함수의 비교에 따른 에너지 컨버터를 순간적으로 관리하는 제어기에서 실현될 수 있다. 이 비용 및 이익 제한은 운전자 스타일, 고동력 보조장치들의 순간적인 필요 또는 배터릴 또는 다른 에너지 저장소 충전 수준을 고려할 수 있다.
하이브리드 자동차는 승용차, 버스, 트럭 등을 포함하는 임의 타입의 자동차를 포함할 수 있다는 것을 알게될 것이다. 제어 시스템은, 예를 들어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 같은 임의의 적절한 방법, 예를 들어, 자동차 전자장치에 장착된 플러그 인 보드의 형태 및 현존하는 HEV 제어의 형태로 실행될 수 있다. 구동장치들은 본 명세서에서 각각 내연기관 및 전기모터로 논의되었지만, 임의의 적절한 구동 장치가 도입될 수 있고 하나 이상의 각 구동 장치가 동일하게 도입될 수 있다는 것을 알게될 것이다. 유사하게, 에너지 저장 장치는 배터리가 필요하지 않으나, 예를 들어, 플라이휠과 같은 기계적 에너지 저장 장치가 될 수 있다. 상기한 이들의 실시예들 또는 양태들은 적절하게 결합되고 교환될 수 있다는 것을 알게될 것이다.
본 발명의 상세한 설명 중에 포함되어 있음

Claims (38)

  1. 제 1 및 제 2 에너지 입력, 제 1 및 제 2 개별 에너지 변환기너지 저장 장치, 에너지 저장소 및 동력 분배 관리장치를 포함하는 하이브리드 동력 시스템에 있어서, 동력 시스템의 작동이 동력 시스템의 작동 파라미터들의 함수인 관련된 전체 비용을 갖고, 동력 분배 관리장치가 최적의 전체 비용 수준을 사용하여 동력 분배를 제어하는 하이브리드 동력 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    파라미터들이 에너지 입력 소비량, 에너지 처리장치 배기량, 에너지 저장 장치에서의 저장 수준, 진동, 소음, 가혹성, 동력 분배 비용 및 동력 시스템에 가해진 부하 중의 하나 이상을 포함하는 하이브리드 동력 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    에너지 입력이 재충전가능한 배터리, 수력, 공압 또는 핵과 같은 화학적, 기계적 또는 전기적 에너지원 중의 하나 이상을 포함하는 하이브리드 동력 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    에너지 컨버터가 엔진 또는 연료 전지 중 적어도 하나를 포함하는 하이브리드 동력 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    에너지 저장 장치가 재충전가능한 배터리와 같은 배터리, 커패시티, 열 저장 장치 또는 플라이휠 중의 적어도 하나를 포함하는 하이브리드 동력 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    자동차 구동 시스템을 포함하는 하이브리드 동력 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    에너지 처리장치가 자동차 구동 부하, 전기 부하, 공조 부하, 전기적 동력 조향 부하 또는 디젤 미립자 트랩 재생 부하 중의 적어도 하나를 포함하는 하이브리드 동력 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    에너지 저장 장치가 상기 에너지 컨버터들 중의 하나에 의해 재충전가능한 하이브리드 동력 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    작동 파라미터들이 에너지 저장 장치를 재충전하는 비용을 포함하는 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    작동 파라미터들이 적어도 하나의 환경 인자들을 더 포함하는 하이브리드 동력 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전체 비용이 예측된 또는 도출된 미래 작동 파라미터들의 함수이기도한 하이브리드 동력 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전체 비용이 복수의 작동 파라미터들의 함수인 하이브리드 동력 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에서 청구된 하이브리드 동력 시스템을 위한 동력 분배 관리장치.
  14. 동력 시스템의 작동 파라미터들의 함수로서 동력 분배 체계의 전체 비용을 평가하는 단계 및 최적의 전체 비용 수준에서 동력 분배 체계를 선택하는 단계를 포함하는, 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 하이브리드 동력 시스템에서의 동력 분배 관리 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    동력 분배 체계와 관련된 전체 비용을 도출하고 전체 비용 제한에 대해 도출된 비용을 비교하는 단계를 포함하는 동력 분배 관리 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    비용 제한이 미리 결정된 동력 분배 관리 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    비용 제한이 순간적으로 도출되는 동력 분배 관리 방법.
  18. 서로 다른 타입의 제 1 및 제 2 동력 장치를 가지며, 상기 장치들 중 적어도 하나는 다른 하나의 장치에 의해 재충전가능한 하이브리드 동력원을 위한 제어 시스템으로서, 연료 소비, 배기, 진동, 소음, 가혹성, 부하 기계적 내구성, 시스템 내구성 또는 배터리 내구성 중 적어도 하나를 나타내는 하나 이상의 제어값들에 의존하는 상기 재충전가능한 동력 장치의 작동과 재충전을 제어하는 하이브리드 동력원을 위한 제어 시스템.
  19. 제 15 항에 있어서,
    제어 값이 동력원의 순간적인 상태에 기초하여 도출되는 하이브리드 동력원을 위한 제어 시스템.
  20. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    제어 값이 이익 제한을 초과하는 경우에 상기 충전가능한 동력 장치의 작동을 제어하는 하이브리드 동력원을 위한 제어 시스템.
  21. 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어 값이 비용 제한 미만인 경우에 상기 재충전가능한 동력 장치의 재충전을 제어하는 하이브리드 동력원을 위한 제어 시스템.
  22. 제 17 또는 제 18 항에 있어서,
    이익 제한이 비용 제한의 함수인 하이브리드 동력원을 위한 제어 시스템.
  23. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    제어 값이 미리 결정된 또는 필요에 따라 적합하게 변경가능한 이익 또는 비용 제한과 비교되는 하이브리드 동력원을 위한 제어 시스템.
  24. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    순간적인 외부 및/또는 내부 데이타를 받고 제어 값이 상기 외부 및/또는 내부 데이타에 기초하여 정해진 이익 또는 비용 제한과 비교되는 하이브리드 동력원을 위한 제어 시스템.
  25. 제 21 항에 있어서,
    비용 제한이 상기 외부 및/또는 내부 데이타로부터 도출된 예측된 미래 동력원 부하에 기초하는 하이브리드 동력원을 위한 제어 시스템.
  26. 제 15 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재충전가능한 장치가 전기 장치를 포함하고 상기 다른 동력장치가 내연기관을 포함하는 하이브리드 동력원을 위한 제어 시스템.
  27. 서로 다른 타입의 제 1 및 제 2 동력 장치를 가지며, 상기 장치들 중 적어도 하나는 다른 하나의 장치에 의해 재충전가능한 하이브리드 동력원을 제어하는 방법으로서, 상기 방법이 작동이 연료 소비, 배기가스 방출, 진동, 소음, 가혹성 또는 상기 하이브리드 동력원에 의한 부하 중의 적어도 하나에 대해 순이익을 성취할 경우에 상기 재충전가능한 동력 장치를 작동하는 단계 및 재충전이 연료 소비, 배기가스 방출, 진동, 소음, 가혹성 또는 부하 중의 적어도 하나와 비교된 비용 제한까지 성취되는 경우에 상기 재충전가능한 동력원을 재충전하는 단계를 포함하는 하이브리드 동력원을 제어하는 방법.
  28. 제 24 항에 있어서,
    재충전가능한 동력 장치를 작동하는 것과 관련된 이익 수준을 도출하는 단계 및 순이익이 성취될 것인지에 대해 평가하기 위하여 이익 수준을 이익 제한과 비교하는 단계를 포함하는 하이브리드 동력원을 제어하는 방법.
  29. 제 24 항 또는 제 25 항에 있어서,
    상기 재충전가능한 동력 장치를 재충전하기 위한 비용 수준을 도출하는 단계 및 재충전 비용이 받아들일만한 것인지를 평가하기 위하여 상기 비용 수준을 비용 제한과 비교하는 단계를 포함하는 하이브리드 동력원을 제어하는 방법.
  30. 제 24 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이익 제한 및/또는 비용 제한이 미리 결정되는 하이브리드 동력원을 제어하는 방법.
  31. 제 24 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    비용 제한 및/또는 이익 제한이 순간적으로 도출되는 하이브리드 동력원을 제어하는 방법.
  32. 하이브리드 동력원을 위한 제어 시스템을 조정하는 방법으로서, 상기 제어 시스템은 데이터 저장소를 가지며, 상기 하이브리드 동력원은 서로 다른 타입의 제 1 및 제 2 동력 장치를 가지고 상기 장치들 중 적어도 하나는 다른 하나의 장치에 의해 재충전가능하며, 상기 동력원에는 동력원 부하가 변하는 복수의 주기를 통하여 동력이 공급되고, 제어 파라미터인 연료 소비, 배기가스 방출, 진동, 소음, 가혹성 또는 부하 중 적어도 하나가 기록되고 각 동력원 부하에 대하여 상기 데이터 저장소에 저장되며, 재충전가능한 장치를 작동하는 이익과 재충전하는 비용이, 기록되고 상기 데이터 저장소에 저장된 제어 파라미터의 함수로 각 동력원 부하에 대하여 도출되는, 하이브리드 동력원을 위한 제어 시스템을 조정하는 방법.
  33. 제 29 항에 있어서,
    상기 비용 조정이 복수의 재충전 속도 각각에 대해 복수의 주기를 통하여 동력원에 동력을 공급하는 단계를 포함하는 하이브리드 동력원을 제어하는 방법.
  34. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 하이브리드 동력 시스템, 제 15 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항의 제어 시스템 또는 제 11 항 내지 제 14 항 또는 제 24 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항의 방법에서 동력 분배 관리를 수행하기 위한 프로그램을 저장하는 컴퓨터로 판독가능한 매체.
  35. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 하이브리드 동력 시스템, 제 18 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항의 제어 시스템 또는 제 11 항 내지 제 14 항 또는 제 24 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항의 청구된 방법을 위한 동력 분배 관리를 수행하는 명령들을 실행하도록 구성된 프로세서.
  36. 적어도 하나의 장치가 다른 하나의 장치에 의해 재충전가능한 서로 다른 타입의 제 1 및 제 2 동력 장치들 및 제 15항 내지 제 23 항 중 어느 한 항의 제어 시스템을 포함하는 하이브리드 동력원.
  37. 제 33 항의 하이브리드 동력원을 포함하는 자동차.
  38. 본 명세서에서 충분히 기술되고 도면들에 의해 도시된 하이브리드 동력 시스템, 제어 시스템, 자동차 또는 하이브리드 동력원.
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