JP2006525167A - 電動機の制御方法 - Google Patents

Abstract

本発明によれば、モータモードと発電機モードとの間で切換可能な電動機からなるハイブリッド駆動装置では、電動機の作動モードの間の切り換えは、内燃機関の作動中に、内燃機関の変換効率に従って行われる。発電機出力は、前記変換効率に比例して制御可能であり、及び／又はモータ出力は、変換効率に対して反比例して制御可能である。

Description

本発明は、モータモードと発電機モードとの間で切り換えることができ、内燃機関に結合されるか又は結合可能であり、また関連するバッテリを有する電動機の制御方法であって、特に、内燃機関と、発電機モードとモータモードとの間で切り換えることができる電動機と、電動機と関連付けられかつバッテリの充電状態を記録するセンサシステムを有するバッテリとを有するハイブリッド駆動装置における電動機の制御方法であって、この場合、内燃機関と電動機とが、駆動目的のためにハイブリッド駆動装置の出力駆動部に結合され及び／又は結合可能であり、また発電機モード中に、内燃機関及び／又は出力駆動部によって、電動機を駆動させることができる電動機の制御方法に関する。

ハイブリッド駆動装置を有する自動車の開発には、比較的長い時間がかかった。一般に、これらの駆動装置の場合、発電機モードとモータモードとの間で切り換えることができる電動機が、駆動目的のために車両の駆動伝達系に連続して連結され、したがって、駆動伝達系に至るハイブリッド駆動装置の出力駆動部に連続して連結されることが意図される。対照的に、クラッチによって、内燃機関を切り換えることができ、すなわち、クラッチが係合されると、内燃機関は、駆動目的のために駆動伝達系にまた電動機に連結され、またクラッチが係合解除されると、内燃機関は、電動機からまた駆動伝達系から切り離される。しかし、原理的に、異なる形態を有するハイブリッド駆動装置も、例えば、その都度別個のクラッチを介して、ハイブリッド駆動装置の出力駆動部に、またそれに対応して車両の駆動伝達系に、内燃機関及び電動機の両方を連結できる駆動装置として知られている。

ハイブリッド駆動装置の１つの特定の利点は、駆動伝達系に連結される電動機が、発電機として作動させられ、また駆動伝達系を介して駆動させられ、この結果、発電機モードでバッテリに供給される電力が、制動目的のために使用され、したがって、車両の推進力が減少させられる回生制動が可能であることである。このようにして、車両の推進力から奪われた運動エネルギはポテンシャルエネルギに変換され、すなわち、この場合バッテリの充電量が増加し、通常の制動の場合に利用できない熱が「無駄」にならない。

さらに、ハイブリッド駆動装置は、一般的に車速が比較的遅く停止操作が非常に頻繁に行われることが予想される人口密集地域において、純粋に電動機によって作動する能力、したがって排気ガスを排出しない能力を車両に付与する。

人口密集地域以外で、車両を駆動させる推進力のために、内燃機関を使用できる。これらの作動段階の間、電動機を発電機モードに切り換えることができ、また内燃機関によって駆動させることができ、この結果、必要に応じて以前に放電させられている可能性があるバッテリを再充電できる。

この関連において、例えば、非特許文献１を参照すると、充電モードの発電機出力が、バッテリの充電状態に基づき制御されることが従来意図されている。

カリン・ヨナサン（Ｋａｒｉｎ Ｊｏｎａｓｓｏｎ）著（２００２年）、ルンド大学（Ｌｕｎｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）、「ハイブリッド駆動システムのトポロジの解析（Ａｎａｌｙｓｉｎｇ Ｈｙｂｒｉｄ Ｄｒｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ）」、ＩＳＢＮ９１−８８９３４−２３−３、７４ページ

本発明の１つの目的は、ハイブリッド駆動装置の効率を向上させることである。

本発明によれば、この目的は、内燃機関が作動し、出力駆動部に結合される作動段階の間に、電動機が、
−内燃機関の負荷が低い場合にのみ、主に発電機モードで作動し、及び／又は、
−内燃機関の負荷が高い場合に、主にモータモードで作動することによって達成される。

本発明は、内燃機関が作動している場合にのみ、またこれによって生じる内燃機関の追加の負荷が、追加の燃料消費量を比較的少量で済ませる場合に、可能な限り電動機を発電機モードに切り換える一般的な考えに基づく。このことは、典型的に、内燃機関が軽い負荷を受けるか又は高い負荷を確保しつつ作動している場合に当てはまる。

他方、電動機及び内燃機関を並列に作動させることによって達成される内燃機関の負荷の低減が、内燃機関の燃料消費量の比較的大きな低減をもたらす場合に、車両を駆動させるために、内燃機関に加えて、可能な限り電動機が使用される。このことは、一般に、高い動力が車両のそれぞれの作動段階に必要であり、したがって内燃機関が大きな負荷を受ける場合に当てはまる。

本発明は、一方では、電動機並びにバッテリが内燃機関よりも実質的に常に効率的であるという事実を考慮する。本発明は、他方では、大きな負荷を受けた場合の内燃機関の燃料消費量が、当該負荷に比例する以上に上昇し、この結果、一方で、合計負荷が小さい場合の内燃機関の負荷の増大が、内燃機関の燃料消費量の増加を比較的少なく済ませ、他方で、負荷が高い場合の内燃機関の負荷の低減が、内燃機関の燃料消費量の比較的大きな節約をもたらすという事実を利用する。

バッテリの充電状態が上方閾値を超えず、下方閾値未満でない場合、常に、上述したような本発明による制御方法を行うことができ、したがって、バッテリの過充電又は低充電に関して恐れる必要なしに、モータモードの電動機に電力を供給するために、同様に、発電機モードの電動機によって生成される電気エネルギを蓄積するために、バッテリを使用できる。

確率に基づけば、これらのような状況は、典型的な駆動サイクル中に少なくとも生じるので、極めて稀な場合にのみ、電動機のモータモード又は発電機モードをバッテリの充電状態に応じて排他的に制御する必要があるか又はそうすべきである。

本発明の好ましい一実施形態によれば、電動機が出力駆動部に連続して確実に結合される内燃機関／電動機の組み合わせ又はハイブリッド駆動装置の場合に、電動機の無負荷作動を回避すること、すなわち、電動機がバッテリから切り離され、この結果、電動機がモータモードでも発電機モードでも作動できないことが意図される。実際に、内燃機関が作動している場合、電動機は、発電機モード又はモータモードのいずれかに保持され、またこれらのモードの間で切り換えられて、内燃機関の燃料消費量が最適化される。

このことは、電動機が無負荷で作動している場合に、これにより幾分はっきりした再磁損失が引き起こされ、したがって抗力損失が避けられなくなるという事実を考慮する。このことは、物理的体積が小さいためにハイブリッド駆動装置に典型的に使用される永久磁石モータに特に適用される。この場合、電動機の非常に高い変換効率を抗力作動から発電機モード又はモータモードへの移行に利用できるという事実が利用される。

さらに、燃料消費量をさらに最適化するために、モータ出力及び発電機出力を制御又は調整できることが好ましい。

本発明の特に好ましい一実施形態は、負荷の変化により生じる内燃機関の燃料消費量の変化に関するデータを、内燃機関の回転速度に応じて記録でき及び／又は前記データが記憶され、また電動機が、
−負荷の変化と燃料消費量の変化との商が第１の閾値を超える場合に発電機として作動させられ、
−内燃機関の負荷の変化と燃料消費量の変化との商が、第２の閾値未満である場合にモータとして作動させられることを意図する。

このことは、排気ガスの排出低減に関して内燃機関の作動を最適化するため、所望のトルク特性を達成するため、及び／又は燃料消費量の低減を達成するための、適切なデータを「知っている」あるいは、このようなデータをその都度記録できるエンジン自動制御装置が、現在、内燃機関に通常設けられているという事実を利用する。したがって、常に利用可能なこのデータは、電動機の発電機モード及び／又はモータモードを最適化することに使用することもできる。

全体的に、このことは、それぞれの変換効率、すなわち、内燃機関の負荷の変化と燃料消費量の変化との商が、電動機の作動を制御するために考慮されることを意味する。

本発明の好適な一改良形態では、次に、変換効率が発電機モードで上昇するときに発電機出力を増大させることによって、また変換効率がモータモードで減少するときにモータ出力を増大させることによって、電動機の発電機出力及び／又はモータ出力を内燃機関の変換効率と同様に制御できる。

このことは別として、本発明の好ましい特徴が、特許請求の範囲また以下の図面の説明に記載されており、これらに基づき、本発明の特に好ましい実施形態についてより詳細に説明する。

当然、明確に主張又は記載した特徴の組み合わせだけでなく、原則として、記載した特徴の任意の従属的組み合わせにも、特許の保護が請求されている。

図１に示したように、典型的なハイブリッド駆動装置１は、本質的に、内燃機関２と、モータモードと発電機モードとの間で切り換えることができる電動機３とを備え、また電動機３の動力は、一般に、内燃機関２の動力よりも著しく低い。分離クラッチ４は、一般に、内燃機関２と電動機３との間に取付けられる。

電動機３のロータシャフトはハイブリッド駆動装置の出力駆動部５を形成する。この出力駆動部５は、ハイブリッド駆動装置１が自動車に取付けられる場合に、必要に応じて、図示していない伝動装置及び／又はクラッチ装置を介して、図示していない自動車の駆動伝達系に連結される。クラッチ４が係合解除されると、ハイブリッド駆動装置１を純粋に電動機によって作動させることができ、すなわち、電動機３と関連付けられて電力を供給するバッテリ６によって、出力駆動部５が電動機３のみによって駆動させられる。

クラッチ４が係合されると、内燃機関２によって、出力駆動部５を駆動させることができ、この場合、バッテリ６を充電するために、電動機３を発電機として作動させることができる。

原理的に、クラッチ４が係合されると、内燃機関２と並列に電動機３を作動することも可能で、内燃機関２及び電動機３の両方が出力駆動部５を駆動する。

このことは別として、自動車、又は出力駆動部５に結合される駆動伝達系を制動する目的の場合、常に、電動機３を発電機として作動させることができる。したがって、このモードにおいて、駆動伝達系及び移動する車両の運動エネルギが電気エネルギに変換されて、バッテリ６に蓄積される。

図２のグラフから理解できるように、バッテリ６の充電状態が十分である場合、ハイブリッド駆動装置を有する自動車は、一般に、車速が低いときに電動機によって、すなわち、電動機３のみで駆動させられる。車速が高くなると、内燃機関２に切り換えられて、車両の駆動が行われる。

バッテリの充電状態が、例えば５０％の閾値未満に低下すると、例えば３２ｋｍ／ｈの低速閾値だったとしても、内燃機関の使用に切り換えられて、車両の駆動が行われる。対照的に、充電状態が５０％を超えると、一般に、例えば５２ｋｍ／ｈの速度閾値において初めて、内燃機関の使用に切り換えられて、車両の駆動が行われる。

バッテリの充電状態が、例えば２０％の閾値未満に低下すると、車両を駆動させるために、内燃機関２が使用される。

車両を駆動させるために、電動機の使用と内燃機関の使用との間で切り換えることは、一般的に、さらに別のパラメータ、特に、アクセルペダルの位置又はこれによってハイブリッド駆動装置の所望の動力が制御される他のある装置の位置の影響を受ける。

一例として、運転者がアクセルペダルを大きく踏み込む場合、このことは、運転者が、例えば車両を急加速させるために、ハイブリッド駆動装置の高い動力を要求していることを示している。典型的なハイブリッド駆動装置では、電動機３は、このような高い動力を供給できない。このような状況では、図２に示した走行速度閾値未満でも、内燃機関の使用に切り換えられて、車両の駆動が行われ、この結果、運転者が所望する高い動力が利用可能である。運転者が、アクセルペダルへの荷重を緩めると、すなわち、運転者が、ハイブリッド駆動装置の比較的低い動力のみを要求している場合、走行速度が、一例として図２に示した速度閾値未満であることを前提として、システムは、電動機による車両の駆動に切り換わって戻る。

バッテリ６を所望の充電状態範囲内に保持するために、内燃機関２が作動させられている段階の間に、電動機３を発電機モードで作動させなければならない。

ここで、本発明は、内燃機関の変換効率を考慮することを意図する。このことは、内燃機関の負荷の変化と、それに関連する内燃機関の燃料消費量の変化との間の商である。

本発明は、広範囲の作動段階にわたって、内燃機関の負荷の増加が、燃料消費量の比較的少い増加にしかつながらないという事実を利用する。したがって、本発明は、内燃機関のこれらの作動段階において、電動機を発電機として作動させることを意図し、この場合、本発明の好都合な一改良形態では、電動機の発電機出力が、変換効率に基づき制御されるように意図することも可能である。したがって、内燃機関の負荷が増大され、内燃機関の燃料消費量の増加が特に少ない作動段階では、電動機は、特に高い発電機出力に設定される。

以下にさらに記載するように、上述の作動段階は、特に、内燃機関の負荷が低い場合に行われ、すなわち、内燃機関が、車両のそれぞれの駆動状態に対して妥当な大きさの動力のみを供給しなければならない場合に、電動機が主に発電機として作動させられる。

さらに、本発明により、内燃機関の他の作動段階において、特に、内燃機関が比較的重い負荷を受けた場合に、負荷の変化が燃料消費量の比較的大きな変化をもたらすという事実を利用することが可能になる。本発明によれば、この場合、好ましくは、電動機が、内燃機関と並列のモータとして作動させられることが意図され、この結果、内燃機関が受ける負荷が軽くなり、電動機が、それぞれの駆動状態に必要な動力の一部を供給するため、燃料消費量が著しく低減される。

この場合、電動機のモータ出力が、内燃機関の変換効率に反比例して制御されるように適切に意図することが可能であり、すなわち、内燃機関の負荷の低減により、内燃機関の燃料消費量の比較的大きな低減を達成することが可能になる場合、電動機出力が上昇する。

ここで、一例として、図３は、回転速度及び燃焼室の平均圧力と、これと相関がある内燃機関のトルクとに基づく内燃機関の変換効率の概略的な特性マップを示している。

グラフに示した「等高線」は、その都度数値的に示されている同一の変換効率を有する回転速度／平均圧力の組み合わせを示している。これらの数値は、内燃機関の負荷の変化、及びそれに関連する燃料消費量の変化の両方が、動力変化を物理的に表すという事実を考慮して計算することによって得られる。この理由は、内燃機関の負荷が変化すると、内燃機関から放出される動力が変化するからである。燃料消費量が変化すると、燃料に含まれるエネルギと、時間との間の商、すなわち、燃料消費量に関連する動力消費量が変化する。

簡単に述べると、図３のグラフは、内燃機関の負荷及び動力が低いときに変換効率が比較的高く、次に、内燃機関の負荷又は動力が増大するにつれて変換効率が減少することを示している。

この実情は、負荷又は動力が低い作動段階において、負荷又は動力が増大されるにつれて、内燃機関の絶対効率が比較的急激に上昇し、一方、負荷又は動力が高い作動段階においては、負荷又は動力が増大されても、内燃機関の絶対効率がもはや上昇しないかさらには低下すると言っていることと同じである。これらのような不利な事態は、オットーサイクル内燃機関の場合において現在せいぜい３０％〜３５％である絶対効率よりも、変換効率が低い場合に常に生じる。

本発明は、内燃機関が所定の作動段階で停止した場合に電動機が作動するハイブリッド駆動装置の制御方法に限定されない。実際に、駆動機関として設けられる内燃機関が、電動機及び発電機として作動させることができる関連する電気系統を有する場合、常に、本発明を使用できる。自動車の場合、このような電気系統は、例えば、一方では、内燃機関を始動させるためのスタータモータとして、他方では、車両の動力供給システム用のバッテリを充電するための発電機として使用される。次に、内燃機関の作動中にモータモードと発電機モードとの間で切り換えることができるハイブリッドシステムの電動機について上述したのと完全に同一の方法で、内燃機関の作動中に電気系統を制御できる。

ハイブリッド駆動装置の概略図である。 ハイブリッド駆動装置を有する車両のバッテリの充電状態ＳＯＣ並びに車速ｖに基づき、好ましくは電動機又は内燃機関を使用して車両を駆動させた場合のことを示したグラフである。 内燃機関の回転速度ｎ並びに平均燃焼圧力ｐ及び／又はトルクｔに基づき、内燃機関の変換効率を概略的に示した特性マップである。

Claims (5)

1. モータモードと発電機モードとの間で切り換えることができ、内燃機関に結合されるか又は結合可能であり、また関連するバッテリを有する電動機の制御方法であって、特に、内燃機関（２）と、前記発電機モードと前記モータモードとの間で切り換えることができる電動機（３）と、前記電動機と関連付けられ、充電状態を記録するセンサシステムを有するバッテリ（６）とを有するハイブリッド駆動装置（１）は、前記内燃機関と前記電動機とが、駆動目的のために前記ハイブリッド駆動装置の出力駆動部（５）に結合され及び／又は結合可能であり、また前記発電機モード中に、前記内燃機関及び／又は前記出力駆動部によって、前記電動機を駆動させることができる前記電動機の制御方法において、
   前記内燃機関が作動し、前記出力駆動部に結合される作動段階の間に、前記電動機が、
   −前記内燃機関の負荷が低い場合にのみ、主に前記発電機モードで作動し、及び／又は、
   −前記内燃機関の負荷が高い場合に、主に前記モータモードで作動することを特徴とする前記電動機の制御方法。
2. 負荷が変化する際に生じる前記内燃機関（２）の燃料消費量の変化に関するデータを、前記内燃機関（２）の回転速度に応じて記録でき及び／又は前記データが記憶され、また前記電動機（３）が、
   −前記負荷の変化と前記燃料消費量の変化との商が第１の閾値を超える場合に発電機として作動させられ、
   −前記内燃機関の前記負荷の変化と前記燃料消費量の変化との前記商が、前記閾値又は第２の閾値未満である場合にモータとして作動させられることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
3. 前記内燃機関の前記負荷の変化と前記燃料消費量の変化との前記商が増加した場合、前記電動機が、発電機出力を増大させつつ作動することを特徴とする請求項１又は２に記載の制御方法。
4. 前記内燃機関の前記負荷の変化と前記燃料消費量の変化との前記商が減少した場合、前記電動機が、モータ出力を増大させつつ作動することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の制御方法。
5. 前記電動機（３）が前記出力駆動部（５）に連続して確実に結合された場合、前記電動機が、前記モータモード又は前記発電機モードで常に作動することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御方法。

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