JP2008199888A - ハイブリッドドライブの充電ストラテジのための方法および実施に適した制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハイブリッドドライブの充電ストラテジのための改善された方法と、この方法を実施するための制御装置を提供する。
【解決手段】制御装置にはバッテリに関する種々の充電機能および放電機能が記憶されており、種々の入力量に依存して制御装置は種々の充電機能または放電機能のうちの１つを選択し、選択された充電機能または放電機能を内燃機関および電気機械における負荷点シフトによって調整し、入力量は少なくとも、実際値ＳＯＣと目標値ＳＯＣと差である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッドドライブの充電ストラテジのための方法および方法の実施に適した制御装置に関する。

ハイブリッド車両では、異なる手法で車両ドライブに対する電力を用意する２つの駆動ユニットが相互に組み合わされる。内燃機関および（少なくとも１つの）電気機械の特性が殊に良好に補い合うので、ハイブリッド車両には今日主にこの種の組み合わせが装備されている。その際電気機械と機関クランクシャフトとの結合を種々様々な形式で行うことができる。すなわちこれはクラッチを介してもしくは直接に内燃機関のクランクシャフトに接続されるようにすることができるか、ベルトドライブもしくは変速機等変則段装置を介して結合されるようにすることができる。電気機械の制御は制御ユニット（インバータ、パワーエレクトロニクス装置）を介して行われる。

電気的なエネルギ蓄積器として、ハイブリッド車両ではＮｉＭＨまたはＬｉイオン技術におけるサイクル固定のバッテリが使用されることが多い。バッテリの寿命はとりわけ、エネルギの出し入れの仕方、つまり入って来るエネルギおよび出て行くエネルギ並びに充電過程もしくは放電過程の期間の電力もしくはエネルギーストロークを介して制限される。したがってサイクルを強化すると寿命は短くなる。

したがってバッテリの十分な寿命を実現するためには、充電状態変動を制限し、それと同時にバッテリの充電状態ＳＯＣ（stage of charge）を可能な限り目標領域内に保持することが必要である。この目標領域は下側の限界値ＳＯＣｍｉｎおよび上側の限界値ＳＯＣｍａｘによって特徴付けられている。つまり持続的に非常に高い充電状態および非常に低い充電状態が回避されるようになっているので、バッテリの効果的に利用可能なＳＯＣ領域が著しく縮小される。典型的には、ハイブリッドバッテリーの充電状態が目標状態を中心にウィンドウ＋／−３０％、有利には＋／−２０％および特別有利には＋／−１０％を出ないようにされる。その際有利なＳＯＣ領域は目標充電状態を中心に非対称的に分割されていてもよい。

内燃機関の効率が低い領域での動作をできるだけ回避する、もしくは内燃機関および電気機械の効率特性を有利には相互に組み合わせる適当な制御ストラテジから得られるようすることで、結果的にハイブリッド車両において実現可能な消費低下は最大級になる。

すなわち純粋な電気モーター式の前駆動は例えば、内燃機関が典型的には僅かな効率しか有していない、僅かな負荷要求しかない領域において行うことができる。この種の動作はとりわけ、内燃機関および電気機械が例えば付加的なクラッチを介して機械的に相互に結合解離されるときに効率がよい。付加的な消費ポテンシャルは例えばスタート−ストップ機能および制動エネルギ回生の可能性から生じる。

理想的には、車両の前駆動に対して供給すべきエネルギ並びに電気的な搭載電源網の給電のために必要であるエネルギの大部分は先行する回生過程から得られ、かつエネルギ蓄積器に一時的に蓄積される。このために、必要な制動電力ができるだけ大きな部分、電気機械のジェネレータ動作モードを介して供給されるようにすることによって、車両の制動フェーズが利用される。しかしながら実際の走行サイクルにおいては目標充電状態に達するために大抵は内燃機関および電気機械のジェネレータ動作モードを介する付加的な電気エネルギの生成が必要である。

効果的な走行状況（しばしば生じる減速過程もしくは制動過程、降坂走行）において可能な限り大きな電気エネルギを回生により蓄積させることができるようにするために、現在の充電状態が上側の許容値に対して十分な距離を持っていることが必要がある。

この背景から、目標充電状態をここでは傾向的に低く抑えて回生エネルギを可能な限り完全に蓄積し、したがって可能な限り滅多にしか（もしくは僅かな電力だけ）内燃機関の負荷点シフトに関するジェネレータによる充電過程を実施しないようにすることが合理的である。

さらには、ドライブトレーンにおける電気機械はしばしばハイブリッド車両の走行電力を改善するためにも使用される。すなわち内燃機関および電気機械の瞬時的な出力を平行に行って、例えば駆動ユニット全体の最大トルクが高められるようにすることもできる（ブースト動作）。

この場合、再現可能な走行特性を表現するために、同等の周辺条件においてブースト機能を可能な限り常に同じパフォーマンスで表現することが重要である。

殊に高い電力が呼び出されると、エネルギ蓄積器の下側の許容ＳＯＣ値に急速に接近し、続いて相応の充電フェーズも必要になり、多数回繰り返されるブースト動作において許容できないほど低い充電状態による機能の制限が回避されるようにしなければならない。

したがってブースト過程がしばしば行われる走行動作に対して、バッテリの可能な限り高い目標充電状態を設定して、放電過程に対して相応のエネルギが保存されているようにすると有利である。

実現されたハイブリッド車両のハイブリッド制御において、上述した基本的な関係並びに例えば温度限界値、電流または電圧限界値、経年作用などのような付加的な影響ファクターを考慮してバッテリの充電状態に対する目標値もしくは目標領域が計算される。その際充電機能の課題は、走行ストラテジに依存して適当な手法で、計算された目標値もしくは目標領域にしたがってエネルギ蓄積器の充電状態を、エネルギ蓄積器の充電のために（目標ＳＯＣより実際ＳＯＣは小さい）例えば内燃機関および電気機械のジェネレータ動作の負荷点を上げることによって調整することである。

さらに、高い回生成分を有しかつ電力の弱い放電フェーズに陥りやすい走行状況において充電機能を介してエネルギ蓄積器の充電状態を意図して低下させる（目標ＳＯＣより実際ＳＯＣは大きい）ことが必要になる可能性もある。このことは例えばさらに、内燃機関が動いている場合（かつクラッチが閉じられている場合）、電気モーターによる駆動支援が図１に示されているように内燃機関による駆動電力の一部に取って代わるために行われる。

ハイブリッド車両の実際の走行動作において付加的に、ほぼ再現可能な走行特性の表現のために充電フェーズの期間に一時的に別のハイブリッド機能（ブースト、回生、Ｅ走行、スタート−ストップ）がアクティブでありかつこれによりエネルギ蓄積器の充電状態に連続的に影響するという困難が生じる。

同時に、充電ストラテジを介しても、消費または走行電力に関する最適化を実現するもしくは両方の最適な妥協的解決を計ることが可能になってくる。

特許文献１からはハイブリッド駆動ユニットを備えた自動車の動作制御のための方法が公知である。このハイブリッド駆動ユニットは内燃機関と、選択的にモーター駆動またはジェネレータ駆動が可能な少なくとも１つの電気機械を含んでおり、この場合は電気機械がジェネレータ動作モードにおいてエネルギ蓄積器を充電し、および／または自動車の搭載電源網に給電しており、所定の周辺条件の維持に依存して電気機械の駆動を交互に生じるインターバルの中で行っている。この場合第１のインターバルにおいては電気機械が目下の搭載電源網の電力よりも高い第１の高電圧出力で動作され、第２のインターバルにおいては遮断される。
ＷＯ２００６/０５３６２４Ａ１

したがって本発明の課題は、ハイブリッドドライブの充電ストラテジのための改善された方法と、この方法を実施するための制御装置を提供することである。

方法に関する課題は、制御装置にはバッテリに関する種々の充電機能および放電機能が記憶されており、種々の入力量に依存して制御装置は種々の充電機能または放電機能のうちの１つを選択し、選択された充電機能または放電機能を内燃機関および電気機械における負荷点シフトによって調整し、入力量は少なくとも、実際値ＳＯＣと目標値ＳＯＣと差であることにより解決される。

制御装置に関する課題は、制御装置にはバッテリに関する種々の充電機能および放電機能が記憶されており、制御装置により種々の入力量に依存して種々の充電機能または放電機能のうちの１つが選択され、選択された充電機能または放電機能が内燃機関および電気機械における負荷点シフトによって調整され、入力量は少なくとも、実際値ＳＯＣと目標値ＳＯＣとの差、実際値ＳＯＣからＳＯＣ最小限界値またはＳＯＣ最大限界値までの距離、ならびに内燃機関および電気機械の目下の動作点ならびに効率特性マップであることにより解決される。

運転期間中に種々の充電機能および放電機能を切り換える手段によって、ハイブリッドドライブの燃料需要や回生特性など様々な要求に対し状況に応じて良好に応答することが可能となる。その場合に有利には入力量に重要度係数ないしは重み付け係数が設けられ、それに伴って選択がファジー論理方式で行われる。

負荷点シフトによる種々の充電機能および放電機能におけるバッテリ充電ないしは一般的な電気エネルギ蓄積器の基礎的な計算は有利には特性マップを介して行われており、この特性マップは入力量として特に内燃機関および電気機械の回転数並びにエンジントルクを負荷点シフトの前に得られる。

有利な実施形態によれば、別の入力量として別のバッテリ特性量、例えば温度および／またはバッテリの機能状態ＳＯＨ（state of health；これはバッテリの消耗状態に対する指標として表される）、変則段情報、車両速度、場合により装備し得る分離クラッチの状態、ＳＯＣ実際値からＳＯＣ最小／最大限界値までの距離、内燃機関の目下の動作点（例えば回転数および／またはエンジントルク）、電気機械の目下の動作点（例えば回転数および／または回転トルクおよび／または電流および／または電圧）並びにそれらの効率特性マップ、内燃機関および／または変速機の別の動作パラメータなどが考慮される。これらの列挙は次のような趣旨で理解されたい。すなわち、ａｎｄ／ｏｒ結合の論理で前述したパラメータのうちの少なくとも１つが付加的に考慮されることである。これによってさらに充電ストラテジが全体の状態に最適に適応可能となる。その場合有利には効率特性曲線が固定的に制御機器内に記憶されている。

さらに別の有利な実施形態によれば、充放電関数の他にも「０充電機能」および／またはパルス式充電機能が記憶されており、これは実際ＳＯＣ値と目標ＳＯＣ値の間の偏差が僅かな場合に生じる状態への適切な反応のためである。この場合パルス式充電機能に関しては特にＷＯ２００６／０５３６２４Ａ１明細書が参照される。ここでは０充電機能は電気エネルギ蓄積器がこのフェーズにおいて充電過程によっても放電過程によってもストレスを受けないという利点を提供する。またパルス式充電機能はこの充電方法によって電気エネルギ蓄積器の寿命を定電流方式のものよりも長くする利点を提供する。

さらに別の有利な実施形態によれば、バッテリ設定値に依存して特別なバッテリ充電機能が使用される。このバッテリ設定値はこの場合制御装置の複数の入力量から算出されてもよいし、別個のバッテリ管理部から供給されてもよい。このことは充放電電力の不所望な選択の回避に寄与している。すなわちエネルギ的には有利に見えても例えば（熱的および／または電気的）負荷限界に基づいて目下のバッテリに対しては部分最適化にしかならない状態、および／またはバッテリの経年劣化を許容できない位に加速させる状態などが回避される。バッテリ充電機能に基づくバッテリ設定値の考慮によって効率も向上し、ひいてはバッテリの寿命も延びる。

さらに別の有利な実施形態によれば、運転中にＳＯＣ目標値が適合される。この走行モードに基づく目標充電状態のフレキシブルな配慮によって例えば回生モードが頻繁に行われ、このことも燃料消費の低減につながる。

別の実施形態によれば、制御装置の出力量が補正される。この場合さらなるシステム限界および／または特別な動作状態、例えば触媒やラムダセンサの異常過熱、並びにラムダ制御信号（例えば部材保護要求に基づく混合気濃厚化の際の信号など）が考慮される。プロセス制御のために入力変数が監視されるこの種の最適値制御のもとでは、例えば触媒加熱に対する補正データから、例えば有害物質排出をより早期に低減させる走行状況に基づき市街地走行モードの導出が推論できる。

さらに別の実施形態によれば、補正情報が入力量としてフィードバックされる。これにより補正が将来的な選択の際にフィードバック制御の形で考慮されることが保証される。この方式ではプロセスの出力値の維持が非常に重要である。つまり設定値が目標特性量の十分なスパン内にあることが保証される。

有利には制御装置が内燃機関の機関制御装置として構成される。基本的には変速機制御装置や別個のハイブリッド制御装置（存在する場合）に関する充電ストラテジが電気機械の制御装置内に記憶されていてもよい。その場合には制御装置が内燃機関と電気機械のトルク要求を制御することができる。

以下では本発明を有利な実施例に基づいて詳細に説明する。

ハイブリッドドライブ１は内燃機関２、電気機械３、エネルギ蓄積器４、変速機５、駆動エレメント６、機関制御装置７および変速機制御装置８を含み、このうちエネルギ蓄積器４は有利にはバッテリとして、駆動エレメント６は有利にはダブルクラッチまたはコンバータとして構成されている。電気機械３と機関クランクシャフトとの結合は種々の方式で行うことができるが、ここではクラッチ９を介して結合されている。これに代えて、電気機械を直接に機関クランクシャフトへ接続してもよいし、また、駆動ベルトないし変速機を介して結合してもよい。内燃機関２の制御は機関制御装置７を介して行われ、変速機５の制御は変速機制御装置８を介して行われる。電気機械３には図示していない制御装置およびインバータが配属されている。必要に応じてさらに、別個のハイブリッド制御装置１０を設けることもできる。制御装置７，８，１０および図示していない電気機械の制御装置はバスシステム１１を介して相互に接続されており、このバスシステム１１は例えばＣＡＮバスまたはＦｌｅｘＲａｙバスである。制御装置７，８，１０のうちいずれか１つに、本発明の方法を実施する手段が構成されており、これを介してハイブリッドドライブの充電ストラテジが定められる。これらの制御装置のうちのいずれかが内燃機関２および電気機械３の双方を制御する。

図２には本発明による充電機能および放電機能能の選択部の構造が概略的に示されている。ストラテジブロック１３では、入力量１２、例えば、実際値ＳＯＣと目標値ＳＯＣとの差、つまり実際値ＳＯＣ−目標値ＳＯＣ、実際値ＳＯＣから"ソフト"および"ハード"な可変の最小限界値ＳＯＣ＿ｍｉｎまたは最大限界値ＳＯＣ＿ｍａｘまでの距離、内燃機関および電気機械の現時点での動作点、内燃機関および電気機械の効率の特性マップ、バッテリ特性量（例えば温度ＳＯＨ）、変速段情報、車両速度、クラッチの状態、および、内燃機関および変速機の別の動作パラメータに基づいて、充電機能または放電機能のいずれを動作させるかが選択される。

ここで有利には、複数の可能な入力量に重要度係数が適用され、ファジー論理方式による選択が行われる。

基礎となるバッテリ負荷（充電Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ，…，ｎおよび放電Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ，…，ｎ）は、負荷点シフトにより、例えば内燃機関の回転数および電気機械の回転数、負荷点シフト前の内燃機関トルクなどを入力量として含む特性マップを用いて計算される。実際値ＳＯＣと目標値ＳＯＣとが等しいかまたはこれらの差が小さい場合には、充電を行わなくてよいし（０充電）、また、パルス式充電によって動作させることもできる。さらに、熱的負荷限界または電気的負荷限界ないしは劣化過程に基づいて、バッテリを直接に充放電する要求を考慮することもできる。

有利には、出力値は電気機械の電力値またはトルク値である。

ストラテジブロックにおける選択が切り換えられると、個々の充放電機能が切換ブロック１４により切り換えられる。或いは、実際の出力値に基づいて、ジェネレータ出力またはジェネレータトルクないしは電気機械出力または電気機械トルクが補間される。

最終ブロック１５では、システム限界に達したとき、または、内燃機関が所定の動作状態にあるとき（例えば、触媒加熱、部品の保護・オイル差し、走行特性）もしくはバッテリ管理部からの設定値を後に制限または変更しなければならないとき必要となる出力値の補正が行われる。補正情報はストラテジブロック１３へフィードバックされる。

図３には本発明の方法の動作方式の実施例が示されている。この図には、実際値ＳＯＣおよび目標値ＳＯＣの時間特性のほか、それぞれに対応する１つまたは複数の上側の限界値ＳＯＣ＿ｍａｘおよび下側の限界値ＳＯＣ＿ｍｉｎが示されている。駆動ストラテジは燃費節約を第１の重点として動作する。

時点１までの第１の時間範囲において、ここでは内燃機関の効率の良い駆動領域を置換する目的で、内燃機関を遮断して、電力走行すなわちＥ走行が行われている。その後、時点１から、例えば高いトルクが要求されるか、またはＥ走行の下側の限界値が超過されたことに応じて、Ｅ走行が遮断され、内燃機関が再びスタートされる。Ｅ走行により実際値ＳＯＣと目標値ＳＯＣとの差が発生しており、相応の事後充電要求が生じている。回生は直接に続いて行われていないので、エネルギ蓄積器の事後充電を内燃機関の負荷点シフトにより行わなければならない。

基本的には、エネルギ蓄積器は回生により付加的な燃料要求なしに完全にまたは部分的に再充電されることが「期待」される。この場合には、さしあたって平均充電電力の取得に相応する充電ＩＩが選択され、内燃機関および電気機械の動作点に依存して達成可能な充電効率と充電力との妥協点が模索され、相応の変更が行われる。走行中は、図示されているように、設定された目標値ＳＯＣも同時に変更される。この場合、回生可能なエネルギ量に対して上側の限界値までの距離すなわち調整幅が大きく、目標値ＳＯＣは低減される。

時点２では、もはや目標値ＳＯＣまでの差が僅かしかないので、充電Ｉにしたがって充電電力の調整が行われる。この場合も効率の点で最適な充電過程を優先するのであるが、同時になるべく充電電力を小さくし、可能であれば場合により発生する回生過程から残充電量を得るようにする。時点３では、制動過程による回生が行われている。ここでバッテリは充電され、これにより実際値ＳＯＣが目標値ＳＯＣを上回る。

その直後の時点４からブースト過程が行われ、これによりＳＯＣ値が迅速に小さい値を取るようにエネルギ蓄積器からの放出が行われる。この場合、とりあえず走行特性の再現が燃費よりも優先される。ついで、時点５からは、後のブースト過程に対して充分なエネルギをエネルギ蓄積器内に取得するために、充電ＩＩＩが作動され、エネルギ蓄積器への電力の充電が最優先され、効率の点で最適な充電量をロードするためにできるだけ迅速に再充電が行われる。時点６では、実際値ＳＯＣと目標値ＳＯＣとの差が小さく、再び燃費節約を志向することができるので、充電効率が優先され、充電ＩＩが作動される。この場合、後のブースト過程に対してエネルギ蓄積器の相応の調整幅を形成するために、つまり、回生に際してのエネルギ蓄積器のバッファ量をロードするために、目標値ＳＯＣも並行して増大される。選択的に、この場合にも、実際値ＳＯＣが目標値ＳＯＣに達する前に充電Ｉを作動させてもよい。

パラレルハイブリッドドライブの概略的なブロック図を示す。 種々の充電機能および放電機能の選択部の概略図を示す。 本発明の方法の動作方式の実施例を示す。

Claims (15)

1. 内燃機関（２）、電気機械（３）、バッテリおよび少なくとも１つの制御装置を備えたハイブリッドドライブ（１）の充電ストラテジのための方法において、
   前記制御装置には前記バッテリに関する種々の充電機能および放電機能が記憶されており、種々の入力量に依存して前記制御装置は前記種々の充電機能または放電機能のうちの１つを選択し、選択された充電機能または放電機能を前記内燃機関（２）および前記電気機械（３）における負荷点シフトによって調整し、前記入力量は少なくとも、実際値ＳＯＣと目標値ＳＯＣと差であることを特徴とする、ハイブリッドドライブ（１）の充電ストラテジのための方法。
2. 別の入力量として、別のバッテリ特性量、変則段情報、車両速度、クラッチの状態、実際値ＳＯＣからＳＯＣ最小限界値またはＳＯＣ最大限界値までの距離、内燃機関（２）および電気機械（３）の目下の動作点ならびに効率特性マップ、および／または、内燃機関（２）および／または変速機（５）の別の動作パラメータを考慮する、請求項１記載の方法。
3. 前記充電機能および放電機能の他に、０充電機能および／またはパルス式充電機能が前記制御装置に記憶されている、請求項１または２記載の方法。
4. バッテリ設定値に依存して、特別なバッテリ充電機能を使用する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記ハイブリッドドライブ（１）の動作中に前記目標値ＳＯＣを適合させる、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記制御装置の出力量を補正し、該補正において別のシステム限界および／または特別な動作状態を考慮する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 補正情報を入力量としてフィードバックする、請求項６記載の方法。
8. ハイブリッドドライブ（１）の充電ストラテジのための方法を実施する制御装置において、
   制御装置にはバッテリに関する種々の充電機能および放電機能が記憶されており、制御装置により種々の入力量に依存して前記種々の充電機能または放電機能のうちの１つが選択され、選択された充電機能または放電機能が内燃機関（２）および電気機械（３）における負荷点シフトによって調整され、前記入力量は少なくとも、実際値ＳＯＣと目標値ＳＯＣとの差、実際値ＳＯＣからＳＯＣ最小限界値またはＳＯＣ最大限界値までの距離、ならびに内燃機関（２）および電気機械（３）の目下の動作点ならびに効率特性マップであることを特徴とする、制御装置。
9. 別の入力量として別のバッテリ特性量、変則段情報、車両速度、クラッチの状態、および／または、内燃機関（２）および／または変速機（５）の別の動作パラメータが考慮される、請求項８記載の制御装置。
10. 前記充電機能および放電機能の他に、０充電機能および／またはパルス式充電機能も記憶されている、請求項８または９記載の制御装置。
11. バッテリ設定値に依存して選択されるバッテリ充電機能が付加的に記憶されている、請求項８から１０までのいずれか１項記載の制御装置。
12. 目標値ＳＯＣを適合させる、請求項８から１１までのいずれか１項記載の制御装置。
13. 制御装置の出力量を補正し、該補正においてシステム限界および／または特別な動作状態が考慮される、請求項８から１２までのいずれか１項記載の制御装置。
14. 補正情報が入力量としてフィードバックされる、請求項１３記載の制御装置。
15. 内燃機関（２）の機関制御装置（７）、変速機制御装置（８）、ハイブリッド制御装置（１０）または電気機械の制御装置として構成されている、請求項８から１４までのいずれか１項記載の制御装置。

Images