JP6518684B2 - ハイブリッド車両のエネルギーを管理する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明はハイブリッド車両のエネルギーの管理に関する。

より正確には、本発明は、熱機関および少なくとも１つの電気トラクションモータを備えるハイブリッド車両のエネルギーを管理する方法および装置に関する。

ハイブリッドで推進、駆動する車両のパワートレインは、熱機関に加えて、少なくとも１つの電気モータを備えており、後者については、車載の少なくとも１つのトラクション電池から電力の供給を受ける。電気モータへの電力供給は、少なくとも１つの高電圧電池によってなされる一方で、車両の一般的な電気的アーキテクチャ（スタータ、装置、空調装置など）は、低電圧の車載電池から電力の供給を受ける。

車両の動きを司るうえで、いくつかの要素が有効である。車両エネルギー管理装置には、運転者から要求されるトルクを供給する自由度、すなわち熱機関と電気モータとの間で適宜、分配する自由度がある。エネルギーフローの管理を最適化するということは、様々な目標の達成に関係することであり、例えば車両の動的性能を向上し、燃料消費量を最小化し、または二酸化炭素や汚染粒子の排出物を制限することである。最良の動作点を選択するのに使用する原理として、燃費を最小化するうえで、単位時間当たりのグラムの基準値（ｇ／ｈ）がエンジンの消費量「Ｃｏｎｓｏ Ｍｔｈ（ｇ／ｈ）」と電力消費量との合計に等しいとおいた、以下の方程式：Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ（ｇ／ｈ）＝Ｃｏｎｓｏ Ｍｔｈ（ｇ／ｈ）＋Ｋ・Ｐ_{ｂａｔｔｅｒｙ}（Ｗ）において、電源エネルギーＰ_{ｂａｔｔｅｒｙ}（Ｗ）に対して重み係数または換算係数Ｋによって重みづけを行うことが考えられる。ここに、換算係数Ｋは、電池に貯蔵される電気エネルギーのコストを表すものである。換算係数は、様々な方法で制御される。例えば公開文献ＦＲ２９８８６７４に記載されるように、電池のエネルギーの現在の状態（電池の充電状態が低いほど、換算係数は高くなる）や、車両の走行状態に基づいて慎重に制御されることもある。

運転者から要求されるトルクをＴ_{ｄｒｉｖｅ}、電気的に与えられる供給トルクをＴ_ＳＧ、および熱的に与えられる供給トルクをＴ_ＣＥとすると、電気と熱の２つの駆動源の間でのトルクの分配は、Ｔ_{ｄｒｉｖｅ}＝Ｔ_ＳＧ＋Ｔ_ＣＥで表すことができる。燃料に換算すると、パワートレーン（ＰＴ）の動作点におけるエネルギー消費量の基準値Ｃは、燃料消費量Ｑ_ｆｕｅｌ（トルクＴ_ＣＥおよび速度ω_ＣＥに依存する）と電力消費量（これは、燃料消費量に換算される）の合計であるので、Ｃ＝Ｑ_ｆｕｅｌ（Ｔ_ＣＥ＊ω_ＣＥ）＋Ｋ・Ｐ_ｂａｔとなる。そして、電池の電気的バランスＰ_ｂａｔは、電気駆動力ω_ＳＧ・Ｔ_ＳＧと、電気モータおよび電池から電気モータにＡＣ電圧を供給するインバータの電気損失Ｐ_ｌｏｓｓとの合計：Ｐ_ｂａｔ＝ω_ＳＧ・Ｔ_ＳＧ＋Ｐ_ｌｏｓｓ（ω_ＳＧ・Ｔ_ＳＧ）である。

図１に示したように、運転者から要求されるトルクＴ_{ｄｒｉｖｅ}、熱機関の速度ω_ＣＥ、および高電圧電池の換算係数Ｋに基づいて電気的トルクを計算することによって、電気的トルクＴ_ＳＧの最適値はいかなるときも決定可能である。しかしながら、電気モータの速度および熱機関の速度は、変速比ごとに依存するので、ＰＴのエネルギーを最適化する際の自由度は、電気的に供給されるトルクＴ_ＳＧだけである。

本発明の目的は、最適消費量の計算に自由度を追加することによってハイブリッドＰＴの全エネルギー最適化を改善することである。

この目標を達成すべく、本発明は、車両のエネルギー管理において、低電圧電池にストックされたエネルギーを考慮する。

このために、本発明は、可逆的トランスを使用することとし、それによって、トラクション電池の充電レベルが低すぎる場合にはトラクション電池からエネルギーを取り出さないようにし、車載電池のエネルギーのストックを活用することができるようにしたものである。

提案の方法は、運転者からのトルク要求に対して、熱機関での燃料の最小消費量に係る動作点を選択することに基づいている。この動作点は、熱機関の消費量、トラクション電池において消費される電力、および車載電池において消費される電力によってなされる、全燃料消費量の基準値を最小化するトルクを電気モータに供給させることによって決定される。

ハイブリッド車両のエネルギーフロー管理ではこれまで考慮されてこなかった車載電池に貯蔵されたエネルギーについて、本案では利用する。すなわち、本案は、エネルギーフロー管理において車載電池の潜在力を利用することによって、エネルギー消費量の基準値を最小化し、車両のアクセサリの消費電力の管理を最適化する。かくして、このような車載電池の貯蔵に注目し、その使用を最適化することによって、車両の全エネルギー消費量を低減することが可能となる。トラクション電池のエネルギー貯蔵能力が低いほど、本案の有効性は、ますます大きくなる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照してなされる、非限定的な実施形態に関する以下の説明から明らかになるであろう。

ハイブリッドＰＴのコンピュータにある最適化アルゴリズムの図である。 ハイブリッド車両の電気的アーキテクチャの図である。 追加の自由度を含む新しい最適化アルゴリズムの図である。 充電された１４Ｖ電池を用いる駆動シナリオでの電気的流れを示す図である。 充電された１４Ｖ電池を用いる再充電中の電気的流れを示す図である。 ２つの充電された電池を用いる駆動シナリオでの電気的流れを示す図である。 非常に低い充電を有する１４Ｖ電池を用いる駆動シナリオでの電気的流れを示す図である。 非常に低い充電を有する１４Ｖ電池を用いる再充電中の電気的流れを示す図である。

図１は、ハイブリッド車両でのエネルギー最適化の基本的原理を要約して示し、その原理は、方程式：Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ（ｇ／ｈ）＝Ｃｏｎｓｏ Ｍｔｈ（ｇ／ｈ）＋Ｋ・Ｐ_{ｂａｔｔｅｒｙ}（Ｗ）において１時間（ｈ）当たりの燃料（ｇ）の換算グラムで表される燃料消費量の基準を最適化することを可能にするトルク設定点Ｔ_ＳＧを電気モータに課すという結果をもたらす。当該の車両は、熱機関１を備える。その車両は、少なくとも１つの電気トラクションモータ２、少なくとも１つの高電圧トラクション電池４および車両のアクセサリ８のための低電圧車載電池６を備えることができる。電流インバータ３は、トラクション電池４および車載電池６によって供給される直流電流を電気モータ２のための交流電流に変換する。電流トランス７は、トラクション電池４の高電圧電流を車載電池６の低電圧電流に転換する。この最適化計算では、入力変数は、アクセルペダルに対する運転者の行動に基づいて解釈されるエンジントルク要求Ｔ_{ｄｒｉｖｅ}、熱機関の速度ω_ＣＥ、および電池の充電状態（ＳＯＣ）を考慮する換算係数Ｋである。換算係数Ｋに関係している電気的トルクＴ_ＳＧは、ＰＴの動作点を決定するための唯一の自由度である。

新しい最適化技法は、この種の計算において追加の自由度を使用する。エネルギーはなお、電気モータ動力と熱機関動力との間で分配されるが、しかしながら、本発明は、電気的に供給されるトルクを計算するために、低電圧ネットワークの電池での利用可能なエネルギーのバッファを考慮する。

図２は、当該のハイブリッド車両のエネルギーを管理するための装置を概略的に示す。この装置は、熱機関１と、少なくとも１つの電気トラクションモータ２と、少なくとも１つの高電圧トラクション電池４と、車両のアクセサリ８のための低電圧車載電池６とを備える。車両の熱機関１は、変速機によって電気モータ２に機械的に接続され、その電気モータ２は、電気的に供給されるトラクショントルクＴ_ＳＧを送達する。インバータ３は、トラクション電池４および車載電池６によって供給される直流電流を電気モータ２のための交流電流に変換することを確実にする。本発明によると、トランス７は、高電圧電池４が過度に低い充電レベル（ＳＯＣ）を有するときに高電圧電池４からエネルギーを引き出さないように、低電圧電池６での利用可能なエネルギーのストックを使用することを可能にする可逆的動作を有する。今からは、熱機関での最小燃料消費量を伴うハイブリッド車両の動作点は、熱機関の消費量Ｃｏｎｓｏ Ｍｔｈ（ｇ／ｈ）、トラクション電池において消費される電力Ｐ_ｂａｔ ^ＨＴ、およびまた車載電池においても消費される電力Ｐ_ｂａｔ ^ＢＴによる全燃料消費量の基準を最小化するトルクＴ_ＳＧを電気モータ２に課すことによって決定される。ＰＴの各動作点において、電気的に供給されるトルクＴ_ＳＧおよびトランスの電力Ｐ_{ＤＣ／ＤＣ}の値が、決定され、それ故に全燃料消費量の基準（Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ（ｇ／ｈ））を最小化することを可能にする。

この新しい規制は、下記の方程式、

によって支配され（そこでは負の電力は、慣例により再充電モードにあると仮定され）、ただしＰ_ｂａｔ ^ＨＴは、高電圧電池４において消費される電力であり、Ｐ_ｂａｔ ^ＢＴは、低電圧電池６において消費される電力である。トランス７において消費される電力は、Ｐ_{ＤＣ／ＤＣ}である。高電圧電池において消費される電力Ｐ_ｂａｔ ^ＨＴは、車両の車輪に供給される電気トラクションエネルギーω_ＳＧ・Ｔ_ＳＧ、電気モータ２およびインバータ３の電気損失Ｐ_ｌｏｓｓ、ならびにコンバータ７において消費される電力Ｐ_{ＤＣ／ＤＣ}の合計である。低電圧電池６において消費される電力Ｐ_ｂａｔ ^ＢＴは、アクセサリ８において消費される電力Ｐ_ａｃｃおよびコンバータ７によって供給される電力−Ｐ_{ＤＣ／ＤＣ}の合計に等しい。

高電圧電池４が、４８Ｖ（４８ボルト）の電池であり、低電圧電池６が、１４Ｖ（１４ボルト）の電池である場合、最小燃料消費量を有する動作点を見出すことを可能にする消費量の基準は、この例では、
Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ（ｇ／ｈ）＝Ｃｏｎｓｏ Ｍｔｈ（ｇ／ｈ）＋Ｋ・Ｐ_{ｂａｔｔｅｒｙ＿４８Ｖ}（Ｗ）＋Ｋ’・Ｐ_{ｂａｔｔｅｒｙ＿１４Ｖ}（Ｗ）
である。

この方程式では、トラクション電池において消費される電力Ｐ_ｂａｔ ^ＨＴ（Ｐ_{ｂａｔｔｅｒｙ＿４８Ｖ}）および車載電池において消費される電力Ｐ_ｂａｔ ^ＢＴ（Ｐ_{ｂａｔｔｅｒｙ＿１４Ｖ}）は、前記電池のそれぞれの充電レベルを考慮する換算係数Ｋ、Ｋ’によって全消費量の基準（Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ（ｇ／ｈ））において調節される。低電圧電池の電力は、それ自身の換算係数Ｋ’によって調節される。ＰＴの各動作点について、一対の値（Ｔ_ＳＧ、Ｐ_{ＤＣ／ＤＣ}）が、こうして得られ、その一対の値は、燃料消費量を最小化することを可能にする。再び計算される自由度は、今では電気的に供給されるトルクおよびトランスの電力Ｐ_{ＤＣ／ＤＣ}であり、それらは、２つの換算係数ＫおよびＫ’の状態から与えられる。

最小消費量を計算するための新しいアルゴリズムは、図３に例示される。１４Ｖ電池の換算係数Ｋ’は、図１のブロックでの３つの計算入力に追加されており、前記電池の充電レベル（ＳＯＥ）に依存する。

加えて、現在そうであるように、電池４８Ｖだけを熱機関によって（発電機モードで）再充電する代わりに、本発明は、２つの電池の間で充電を分配することを提案する。発電機として動作する電気モータ２によって供給される電荷は、トラクション電池４と車載電池６との間で分配される。１４Ｖ電池は、定期的に再充電されるので、発生量（ｙｉｅｌｄ）の損失を伴う、アクセサリに電力を供給するために４８Ｖ電池から１４Ｖ電池にエネルギーを移送することは、回避可能である。このため、制御は今では、電気的に供給されるトルクＴ_ＳＧに関係するだけでなく、またトランス７の電力Ｐ_{ＤＣ／ＤＣ}にも関係する。

例えば１４Ｖ電池が、十分に充電されている場合、その換算係数Ｋ’は、低い。４８Ｖ電池は、放電される。それ自身の換算係数Ｋは、高い（図４を参照）。駆動シナリオでは、最小化の新しい基準は、車輪への電気エネルギーの供給において高電圧電池の成分を損ねるほど低電圧の成分を増加させる傾向がある。電気モータは、電力を供給されなければならないので、調節は、低電圧に移送される電池電力Ｐ_{ＤＣ／ＤＣ}になされる。これは、アクセサリの電力供給において１４Ｖ電池の成分が増加し一方４８Ｖ電池の成分が減少するように低下する。図４によると、４８Ｖ電池はその時、電気モータ２だけに電力を供給することができ、一方１４Ｖ電池は、単独でアクセサリ８に電力を供給する。

再充電モードでは（図５を参照）、熱機関の消費量は、ゼロであり、その結果エネルギー基準の最小化は、１４Ｖ電池と４８Ｖ電池との間で分配すべき電気エネルギーの分配にのみ依存する。トラクション電池（４８Ｖ）の換算係数Ｋは高いので、その機能は、Ｐ_{ｂａｔｔｅｒｙ＿４８Ｖ}を最小化する。車載電池の換算係数Ｋ’は、低いので、その機能は、Ｐ_{ｂａｔｔｅｒｙ＿１４Ｖ}を増加させる。Ｐ_{ＤＣ／ＤＣ}は、ゼロへ向かう傾向があり、それで電気エンジンからトラクション電池への再充電だけが、実施され、一方１４Ｖ電池は、自律的にアクセサリ８に電力を供給する。

２つの電池が十分に充電されている状態の駆動モードでは（図６を参照）、２つの換算係数ＫおよびＫ’は、非常に低い。最小化機能は、２つの電池の使用を強いる傾向があり、従ってまたＫ’が低いので、Ｐ_{ＤＣ／ＤＣ}を減少させる傾向もある。１４Ｖ電池は、単独でアクセサリに電力を供給し、４８Ｖ電池は、そのエネルギーをすべて電気駆動に費やす。この状況では、燃料は、消費されない。

１４Ｖ電池が実質的に放電され、４８Ｖ電池が充電されている状態の駆動モードでは（図７を参照）、４８Ｖ電池は、エネルギーを１４Ｖ電池および電気モータの両方に送達する。

１４Ｖ電池が実質的に放電され、４８Ｖ電池が充電されている状態の再充電モードでは（図８を参照）、電池１４Ｖの再充電が優先される。再充電トルクが十分に強い場合、４８Ｖ電池を同時に再充電することが可能である。

Claims (9)

1. 熱機関（１）と、
   少なくとも１つの電気トラクションモータ（２）と、
   少なくとも１つの高電圧トラクション電池（４）と、
   ハイブリッド車両のアクセサリ（８）のための低電圧車載電池（６）と、
   前記高電圧トラクション電池（４）および前記低電圧車載電池（６）から供給される直流電流を前記電気トラクションモータ（２）への交流電流に変換する電流インバータ（３）と、
   前記高電圧トラクション電池（４）の高電圧電流を前記低電圧車載電池（６）の低電圧電流に転換するとともに、前記高電圧トラクション電池（４）の充電レベル（ＳＯＣ）が低下した場合には、前記高電圧トラクション電池（４）からエネルギーを取り出さないで、前記低電圧車載電池（６）から利用可能なエネルギーのストックを使用するようにした可逆的な電流トランス（７）とを備えるハイブリッド車両のエネルギーを管理するための方法であって、
   前記熱機関での燃料消費量を最小にするハイブリッド車両の動作点を決定するステップであって、全燃料消費量の基準値Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ（ｇ／ｈ）を最小化するトルク（Ｔ_ＳＧ）を前記電気トラクションモータ（２）に発生させることによって前記動作点の決定がなされるステップを含み、
   前記基準値Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ（ｇ／ｈ）が次式：
   Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ（ｇ／ｈ）＝
   Ｃｏｎｓｏ Ｍｔｈ（ｇ／ｈ）＋Ｋ・Ｐ _ｂａｔ ^ＨＴ （Ｗ）＋Ｋ’・Ｐ _ｂａｔ ^ＢＴ （Ｗ）
   式中、
   Ｃｏｎｓｏ Ｍｔｈ（ｇ／ｈ）は前記熱機関（１）において消費されるエネルギー、
   Ｐ _ｂａｔ ^ＨＴ （Ｗ）は前記高電圧トラクション電池（４）において消費される電力、
   Ｋは前記高電圧トラクション電池（４）の換算係数、
   Ｐ _ｂａｔ ^ＢＴ （Ｗ）は前記低電圧車載電池（６）において消費される電力、
   Ｋ’は前記低電圧車載電池（６）の換算係数である、
   で与えられる、エネルギー管理方法。
2. 前記トラクション電池の消費電力Ｐ _ｂａｔ ^ＨＴ （Ｗ）および前記低電圧車載電池の消費電力Ｐ _ｂａｔ ^ＢＴ （Ｗ）が、各電池の充電レベルを考慮する換算係数Ｋ、Ｋ’によって調節される請求項１に記載のエネルギー管理方法。
3. 前記高電圧トラクション電池の消費電力Ｐ _ｂａｔ ^ＨＴ （Ｗ）が、供給される電気トラクションエネルギー（ω_ＳＧ×Ｔ_ＳＧ）、前記電気トラクションモータ（２）および前記インバータ（３）の電気損失（Ｐ_ｌｏｓｓ）、ならびに前記電流トランス（７）による消費電力（Ｐ_{ＤＣ／ＤＣ}）の合計であることを特徴とする、請求項２に記載のエネルギー管理方法。
4. 前記低電圧車載電池（６）の消費電力Ｐ _ｂａｔ ^ＢＴ （Ｗ）が、前記アクセサリ（８）の消費電力（Ｐ_ａｃｃ）および前記電流トランス（７）の供給電力（−Ｐ_{ＤＣ／ＤＣ}）の合計に等しいことを特徴とする、請求項２または３に記載のエネルギー管理方法。
5. 電気的に供給される前記トルク（Ｔ_ＳＧ）および前記電流トランス（７）の電力（Ｐ_{ＤＣ／ＤＣ}）の値が、全燃料消費量の基準値（Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ（ｇ／ｈ））を最小化するように前記熱機関の動作点において決定される、請求項２、３または４に記載のエネルギー管理方法。
6. 発電機として動作する前記電気トラクションモータ（２）によって供給される電荷が、前記高電圧トラクション電池（４）と前記低電圧車載電池（６）との間で分配されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のエネルギー管理方法。
7. 熱機関（１）と
   少なくとも１つの電気トラクションモータ（２）と、
   少なくとも１つの高電圧トラクション電池（４）と、
   ハイブリッド車両のアクセサリ（８）のための低電圧車載電池（６）と、
   前記高電圧トラクション電池（４）および前記低電圧車載電池（６）によって供給される直流電流を前記電気トラクションモータ（２）への交流電流に変換する電流インバータ（３）とを備えるハイブリッド車両のエネルギーを管理するための装置であって、
   前記トラクション電池（４）と前記低電圧車載電池（６）との間に接続される可逆的な電流トランス（７）と、
   前記電流トランス（７）において消費される電力（Ｐ_{ＤＣ／ＤＣ}）、ならびに前記熱機関の動作点において前記電気トラクションモータ（２）から発生するトラクショントルク（Ｔ_ＳＧ）の値を全燃料消費量の基準値Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ（ｇ／ｈ）が最小化されるようにして決定する手段と
   を備え、
   前記基準値Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ（ｇ／ｈ）が次式：
   Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ（ｇ／ｈ）＝
   Ｃｏｎｓｏ Ｍｔｈ（ｇ／ｈ）＋Ｋ・Ｐ _ｂａｔ ^ＨＴ （Ｗ）＋Ｋ’・Ｐ _ｂａｔ ^ＢＴ （Ｗ）
   式中、
   Ｃｏｎｓｏ Ｍｔｈ（ｇ／ｈ）は前記熱機関（１）において消費されるエネルギー、
   Ｐ _ｂａｔ ^ＨＴ （Ｗ）は前記高電圧トラクション電池（４）において消費される電力、
   Ｋは前記高電圧トラクション電池（４）の換算係数、
   Ｐ _ｂａｔ ^ＢＴ （Ｗ）は前記低電圧車載電池（６）において消費される電力、
   Ｋ’は前記低電圧車載電池（６）の換算係数である、
   で与えられる、エネルギー管理装置。
8. 前記トラクショントルク（Ｔ_ＳＧ）および前記トランスの電力（Ｐ_{ＤＣ／ＤＣ}）の値が、換算係数Ｋ、Ｋ’の状態に応じて定められる請求項７に記載のエネルギー管理装置。
9. 前記換算係数Ｋ、Ｋ’が、ハイブリッド車両の前記トラクション電池（４）および前記低電圧車載電池（６）の充電レベルにそれぞれ依存する、請求項８に記載のエネルギー管理装置。

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