JP4292131B2 - ハイブリッド自動車のエンジン運転停止を要求する方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド電気自動車に関し、より具体的には、車両バッテリーの状態に基づきエンジンの運転停止状態を要求する制御に関する。

内燃機関（internal combustion engine：ＩＣＥ）により駆動される自動車などの車両による化石燃料の消費量と排出物を削減する必要性は、広く知られている。電気自動車により駆動される車両は、これらの必要性に対処するものであった。しかしながら、電気自動車は、バッテリーを充電するのに要する時間が長いということに加えて、走行距離と出力に限界がある。代替の解決策として、ＩＣＥと電気推進モーターの両方を一つの車両に組合わせる、というものがある。そのような車両が、一般的にハイブリッド電気自動車（hybrid electric vehicle：ＨＥＶ）と呼ばれる。

ＨＥＶには、種々の形態が考えられてきた。ＨＥＶシステムのいくつかは、電気動作と内燃機関動作との間でドライバーが選択することを必要とする。他の構成においては、電気モーターが一組の車輪を駆動し、ＩＣＥが別の組を駆動する。他のより有用な構成も、開発されてきた。シリーズ・ハイブリッド電気自動車（series hybrid electric vehicle：ＳＨＥＶ）は、発電機を駆動するエンジン（最も一般的にはＩＣＥ）を持つ車両である。発電機はそして、電力をバッテリーと、車輪を駆動するように接続されたモーターとに供給する。エンジンと駆動輪との間に機械的な結合はない。パラレル・ハイブリッド電気自動車（parallel hybrid electric vehicle：ＰＨＥＶ）は、エンジン（最も一般的にはＩＣＥ）、バッテリー及び、車輪を駆動するためのトルクを供給するように組合わせられたモーター、を持つ車両である。パラレル・シリーズ・ハイブリッド電気自動車（parallel series hybrid electric vehicle：ＰＳＨＥＶ）は、ＰＨＥＶとＳＨＥＶの両方の特徴をもつ。ＰＳＨＥＶはまた、トルク（又はパワー）スプリット・パワートレイン構成としても知られる。ここで、エンジンのトルク出力が、一部駆動輪に、一部発電機に、与えられる。発電機は、バッテリーと、トルク出力を発生するモーターとへ、電力を供給する。この構成においては、トルク出力が、トルク源のいずれから又は両方から同時に、来ることができる。車両制動システムもまた、バッテリーを充電するために発電機を駆動するトルクを供給することができる（回生制動）。

ＩＣＥを電気モーターと組合わせることにより、ＩＣＥの燃料消費量と排出量が削減され、車両性能や走行距離が損なわれることがない、というのが望ましい。パラレルＨＥＶ構成の利点の一つが、ドライバーからの出力要求が低いか無いときに（例えば、信号待ちで）、エンジンを停止することができる、ということである。これは、アイドル状態で浪費される燃料を無くすことにより燃料経済性を向上する。そして、低要求出力状態のもとで、車両を推進するのに、モーターを主に用いることができる。所定の構成において、エンジンが動作していないときに、切断クラッチを開くことにより、エンジンをモーターとパワートレインから切離すことができる。動力要求が増大するにつれ、要求トルクを供給するために、エンジンを再始動して、再結合することができる。

ＰＳＨＥＶの二つの動力源は、共通の歯車システムと途切れることなしに協働し、バッテリー・サブシステムの限界を含むパワートレインの動力限界を超えることなしに、ドライバーの動力要求を満たす。車両システム制御器が、このスプリット・パワートレインにおける調整機能を実行する。通常動作状態のもと、車両システム制御器は、ドライバーの動力要求を、加速又は減速要求の関数として解釈する。そして、それは、ドライバーの動力要求を満たし、かつ指定された車両性能（つまり、エンジン燃料経済性、排出性能、運転性能など）を達成するために、各動力源が、何時、どれだけのトルクを供給する必要があるかを、判断する。車両制御システム制御器は、エンジン・トルクと速度との関係における動作点を決定する。

エンジンを始動停止することのできるハイブリッド電気自動車において、バッテリーは、種々の理由により、最大放電出力を制限する場合がある。例えば、バッテリー放電限界が低過ぎる場合、エンジンを始動するのに充分なバッテリー電力を利用できない場合がある。また、車両が後退中のとき、発電機は高速で動作する。そのような状況下では、エンジンを始動させるために、より大きなバッテリー電力が必要とされる。

本発明によれば、バッテリーを監視し、エンジンの現在の状態とバッテリーのパラメーターに基づき、特定のエンジン状態を要求する。本発明の一実施形態において、上記パラメーターは、バッテリー放電出力限界（discharge power limit：ＤＰＬ）であり、バッテリー充電状態（state of charge：ＳＯＣ）、バッテリー抵抗、バッテリー温度、バッテリー電圧、バッテリーＯＣＶ及びバッテリー寿命の関数として、リアルタイムに計算される。バッテリー放電出力限界は、バッテリーから利用することのできる電力量である。それで、バッテリー放電出力限界が１０キロワットの場合、車両は１０キロワット使用することが許容される。別の実施形態において、バッテリー放電出力限界は、バッテリーＳＯＣの減少と共に減少するという仮定のもと、バッテリーＳＯＣがバッテリー放電限界の代わりに監視される。両実施形態において、バッテリーのパラメーターが、ＭＩＮレベル、ＯＮレベル及びＯＦＦレベルを含む一組の閾値レベルと比較され、その比較結果が、状態機械へ入力される。後退中にエンジンを始動するのに必要なバッテリー電力は高いということを考慮して、ＨＥＶ変速機がドライブ位置にあるか、後退位置にあるかに応じて、異なる組の閾値レベルが提供されるのが好ましい。

バッテリー放電出力限界が、一定のレベルを下回るとき、バッテリーを充電するために、エンジンを始動することが必要となり得る。というのは、そうしなければ、エンジンを始動することが全く不可能となってしまうからである。しかしながら、多くの状況のもとで、バッテリーを充電することが望ましい場合があるが、上述の例ほどに重要ではない。これらの状況のもとでは、バッテリーが供給できる以上のドライバー要求といった他の理由によりエンジンが始動されているか否かを見るために待つのが望ましい。エンジンが動作中の場合、バッテリーが高ＳＯＣ又は高放電出力限界に戻るように、エンジンの停止を抑制するのが望ましい。この「待機して見る」制御法つまり日和見的（opportunistic）動作モードが本発明には組み込まれており、これは、エンジンのサイクリングを減らし、それにより、燃料経済性を高めながら、エンジンが正トルクを発生していないときにエンジンをその目標速度まで高めるのに充分なエネルギーをバッテリーが常に持つことになるのを確実なものとする、という効果を持つ。

本発明のものなどの目的及び構成は、添付の図面及び請求項と関連させて好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読むことにより、明らかとなる。

ここで図面、最初に図１を参照すると、ハイブリッド電気自動車が、全体として符号１０で示され、ＨＥＶ構成の周知のいずれかのものとすることができるパワートレインを含む。一例としては、米国特許出願公開２００４−０１６８８４０号に記載の構成がある。パワートレインは、動力発生源として機能する内燃機関１４及び高電圧バッテリー１６に接続される。動力源１４は、内燃機関として示されているが、この分野で知られている通り燃料電池など他のものを用いても良い。同様に、動力源１６は、バッテリーとして示されているが、この分野で知られているとおりウルトラ・キャパシターのような他の動力源を用いても良い。変速機１２のトルク出力軸１８は、デファレンシャルとアクスル機構２２を介して車両駆動輪２０に結合されて駆動する。勿論、本発明はまた、車輪２２の全てが駆動される四輪駆動システムにも適用可能である。

前述の米国特許出願に記載されているように符号２４で示された車両システム制御器は、ドライバーの出力要求を解釈し、ドライバーの動力要求を満たし指定の車両性能を得るために変速機へ伝達される必要のある動力がいつどの程度なのかを判定する。本発明によれば、制御器２４はさらにバッテリー・センサー入力に応答し、バッテリーＳＯＣ及びバッテリーＤＰＬのような出力を、より詳細を後述する符号２８で示されたエンジンＯＮ／ＯＦＦ要求アルゴリズムを実行する状態機械へ出力する、バッテリー制御器２６を含む。エンジンＯＮ／ＯＦＦアービトレーター（arbitrator）３０が、他の各種入力と共に状態機械からの要求を受け、各種要求を評価する優先度体系に基づき、エンジンＯＮ／ＯＦＦ命令を発する。

ここで図２を参照すると、バッテリーＤＰＬの関数としてのエンジンＯＮ／ＯＦＦ要求アルゴリズムの動作のフローチャートが示されている。状態機械は３つの状態を持つ。つまり、それぞれ符号３２, ３４及び３６により示されるように、ＯＮ, ＯＦＦ及びOPPORTUNISTIC（日和見）である。ＯＮ状態３２において、状態機械は、エンジンが運転されるようにアービトレーター３０へ要求をする。ＯＦＦ状態３４において、状態機械は、エンジンが停止されるようにアービトレーター３０へ要求をするが、この要求は、エンジンを停止することが可能である、というものとすることもできる。OPPORTUNISTIC状態３６において、状態機械は、エンジンが既に運転中のとき、エンジンが運転を継続するようにアービトレーター３０へ要求する。エンジンが停止中で、状態機械がOPPORTUNISTIC状態３６にあるとき、アービトレーター３０へは、DON'T CARE要求（何もしない）がなされる。状態機械の各種状態の間の移行は、３つの閾値レベルに対するバッテリーのＤＰＬの値と、状態機械の現在の状態に依存する。

３つの閾値レベルとそれらの相対位置が図３に示されている。３つの閾値レベルが、ＭＩＮ, ＯＮ及びＯＦＦとして示されている。ＭＩＮレベルはＯＮレベルより低く、ＯＦＦレベルはＯＮレベルより高い。

図３に実線で示された一組の閾値レベルは、車両の変速機がドライブ位置にあるときのＤＰＬの値を表し、そして、点線で示された一組の閾値レベルは、車両変速機が後退位置にあるときの値を表す。変速機の後退位置での閾値のレベルは、後退位置で必要とされる高いＤＰＬ又はＳＯＣに対応するために、変速機のドライブ位置での対応する値よりも大きい。３つの閾値レベルは用いられるエネルギー貯蔵装置及び車両構成に応じて校正することができる。例えば、１０ｋＷのバッテリーが、ＭＩＮ, ＯＮ及びＯＦＦレベルに対してそれぞれ２, ４, ６の設定点を必要とし得るのに対し、５０ｋＷのバッテリーは、それぞれ３０, ３５, ４０を必要とし得る。バッテリーＳＯＣについて、数字はパーセンテージで表されることになる。バッテリーＤＰＬについては電力で表されることになる。

図２に戻り、状態機械がＯＦＦ状態３４にあるとすると、ＤＰＬがＯＮ閾値よりも大きいならば、機械の状態は、判断ブロック３８からのＮＯパスにより示されるように、ＯＦＦ状態３４に留まる。ＯＦＦ状態において、状態機械は、エンジンが停止されるようにアービトレーター３０へ要求を発する。他方で、状態機械がＯＦＦ状態にあり、ＤＰＬがＯＮ閾値を下回るならば、判断ブロック３８からのＹＥＳパスにより表されるように、ＯＦＦ状態からOPPORTUNISTIC状態へ機械が移行する。

状態機械がＯＮ状態３２にあり、ＤＰＬがＯＮ閾値レベルを下回るならば、判断ブロック４０からのＮＯパスにより示されるように、機械はＯＮ状態へ留まる。他方で、ＤＰＬがＯＮ閾値レベルよりも大きいならば、判断ブロック４０からのＹＥＳパスにより示されるように、ＯＮ状態３２からOPPORTUNISTIC状態３６へと状態機械は移行する。

機械がOPPORTUNISTIC状態にあるときにＤＰＬがＭＩＮレベルを下回るならば、判断ブロック４２のＹＥＳパスにより示されるように、状態機械が、OPPORTUNISTIC状態３６からＯＮ状態３２へと移行し、エンジンが運転されるようにアービトレーター３０へ要求がなされる。反対に判断ブロック４２からのＮＯパスにより表されるように、ＤＰＬがＭＩＮレベルよりも大きく、かつ、ＤＰＦがＯＦＦレベルよりも大きいとき、判断ブロック４４からのＹＥＳパスにより表されるように、状態機械がＯＦＦ状態へ移行し、エンジンが停止されるようにアービトレーター３０へ要求がなされる。判断ブロック４４からのＮＯパスにより表されるように、ＤＰＬがＭＩＮ閾値レベルよりも大きいがＯＦＦ閾値レベルよりも小さいとき、機械は、OPPORTUNISTIC状態３６に留まる。

図４には、バッテリーＳＯＣの変化に応じた状態機械の動作が示されており、これは、図２におけるのと同じデータ・フローに沿う。図２のものに対応する図４のフローチャートのブロックは、同じ符号にダッシュを付けて表されている。従って、ＳＯＣがＯＮレベル未満である限り、機械はＯＮ状態に留まり、そしてエンジンが運転されるように要求する。ＳＯＣがＯＮレベルを越えると、機械はＯＮ状態からOPPORTUNISTIC状態へ移行する。同様に、ＳＯＣがＯＮレベルよりも大きい限り、機械はＯＦＦ状態に留まり、そしてエンジンが停止されるように要求する。ＳＯＣがＯＮレベルを下回るならば、機械はＯＦＦ状態からOPPORTUNISTIC状態へ移行する。ＳＯＣがＭＩＮレベルより大きいがＯＦＦレベル未満である限り、機械はOPPORTUNISTIC状態に留まることとなり、ＳＯＣがＯＦＦレベルを越えるならば、OPPORTUNISTIC状態からＯＮ状態へ移行することになる。

本発明の実施形態に対し、本発明の範囲から逸脱することなしに改良がなされ得ることは当業者には明らかであろう。そのような改良及びそれらの均等物も請求項により含まれることが意図される。

本発明の特徴を組み込むパラレル・シリーズ・パワートレインのシステム構成の概略図である。 本発明の状態機械の状態変化を実行するために、一組の閾値レベルに対するバッテリー放電電力レベルを用いる状態図である。 ドライブ及び後退の変速機位置について、本発明で用いられる閾値レベルの相対位置を示す図である。 本発明の状態機械の状態変化を実行するために、一組の閾値レベルに対するバッテリーＳＯＣを用いる状態図である。

符号の説明

１０ ハイブリッド電気自動車
１２ 変速機
１４ パワーユニット（内燃機関、主動力源）
１６ エネルギー貯蔵装置（バッテリー）
２４ 制御器
３０ アービトレーター

Claims (10)

1. パワーユニット、エネルギー貯蔵装置及び、複数の状態を持つ状態機械を含む制御器、を持つハイブリッド電気自動車を制御する方法であって、
   上記貯蔵装置のパラメーターの値を判定する工程、
   上記機械が、上記パワーユニットを停止させるように要求するＯＦＦ状態にあり、そして上記パラメーターがＯＮレベル未満であるとき、上記機械を上記ＯＦＦ状態から、上記パワーユニットが既に運転中であれば動作を継続させるように要求する一方、該パワーユニットが既に停止中であれば何もしないように要求するOPPORTUNISTIC状態へ移行させる工程、
   上記機械が、上記パワーユニットを運転することを要求するＯＮ状態にあり、上記パラメーターが上記ＯＮレベルよりも大きいとき、上記機械を上記ＯＮ状態から上記OPPORTUNISTIC状態へ移行させる工程、
   上記機械が上記OPPORTUNISTIC状態にあり、上記パラメーターがＭＩＮレベル未満のとき、上記機械を上記OPPORTUNISTIC状態から上記ＯＮ状態へ移行させる工程、及び
   上記機械が上記OPPORTUNISTIC状態にあり、上記パラメーターが、上記ＯＮレベルよりも大きいＯＦＦレベルよりも大きいとき、上記機械を上記OPPORTUNISTIC状態から上記ＯＦＦ状態へ移行させる工程、を有する方法。
2. 上記貯蔵装置がバッテリーである、請求項１の方法。
3. 上記パワーユニットが内燃機関である、請求項１又は２の方法。
4. 上記パラメーターが上記バッテリーの充電状態（ＳＯＣ）である、請求項２の方法。
5. 上記パラメーターが、リアルタイムに計算される上記バッテリーの放電出力限界（ＤＰＬ）である、請求項２の方法。
6. 上記レベルが、車両変速機の位置に応じて変化する、請求項３の方法。
7. パワーユニット、エネルギー貯蔵装置、変速機及び、上記パワーユニットが運転状態にあることを要求するＯＮ状態、上記パワーユニットが停止状態にあることを要求するＯＦＦ状態、そして、上記パワーユニットが既に運転中のときに運転を継続することを要求する一方、該パワーユニットが既に停止中であれば何もしないように要求するOPPORTUNISTIC状態を含む、複数の状態を持つ状態機械を含む制御器、を持つハイブリッド電気自動車を制御する方法であって、
   上記貯蔵装置のパラメーターの値を判定する工程、
   上記機械が上記ＯＮ状態にあり、上記パラメーターがＯＮレベルよりも大きいとき、上記機械を上記ＯＮ状態から上記OPPRTUNISTIC状態へ移行させる工程、
   上記機械が上記ＯＦＦ状態にあり、上記パラメーターがＯＮレベル未満のとき、上記機械を上記ＯＦＦ状態から上記OPPORTUNISTIC状態へ移行させる工程、
   上記機械が上記OPPORTUNISTIC状態にあり、上記パラメーターが上記ＯＮレベル未満のＭＩＮレベル未満のとき、上記機械を上記OPPORTUNISTIC状態から上記ＯＮ状態へ移行させる工程、及び
   上記機械が上記OPPORTUNISTIC状態にあり、上記パラメーターが上記ＯＮレベルよりも大きいＯＦＦレベルよりも大きいとき、上記機械を上記OPPORTUNISTIC状態から上記ＯＦＦ状態へ移行させる工程、を有する方法。
8. パワーユニット及びエネルギー貯蔵装置を持つハイブリッド電気自動車のための制御器であって、
   上記パワーユニットを運転することを要求するＯＮ状態、上記パワーユニットが停止することを要求するＯＦＦ状態及び、上記パワーユニットが既に運転中のときに運転を継続することを要求する一方、該パワーユニットが既に停止中であれば何もしないように要求するOPPORTUNISTIC状態を含む、複数の状態を持つ状態機械、
   上記貯蔵装置のパラメーターの値を判定する手段、
   上記パラメーターがＯＮレベルを下回るとき、上記機械の上記ＯＦＦ状態から上記OPPORTUNISTIC状態への移行を要求する手段、
   上記パラメーターが上記ＯＮレベルを上回るとき、上記機械の上記ＯＮ状態から上記OPPORTUNISTIC状態への移行を要求する手段、
   上記パラメーターが上記ＯＮレベル未満のＭＩＮレベルを下回るとき、上記機械の上記OPPORTUNISTIC状態から上記ＯＮ状態への移行を要求する手段、
   上記パラメーターが上記ＯＮレベルより大きいＯＦＦレベルを上回るとき、上記機械の上記OPPORTUNISTIC状態から上記ＯＦＦ状態への移行を要求する手段、を有する制御器。
9. 上記車両が変速機を含み、上記ＭＩＮレベル、ＯＮレベル及びＯＦＦレベルが、上記変速機がドライブ位置にあるとき一組の値であり、上記変速機が後進位置にあるときそれぞれがより高い別の組の値である、請求項８の制御器。
10. 上記ＯＮレベルが、上記ＭＩＮレベルと上記ＯＦＦレベルとの間の値を持つ、請求項９の制御器。

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