JP2009143524A - ハイブリッド車両のｓｏｃ別最適運転点決定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンで消費する燃料量と、モーターにより消費する電気エネルギーを互いに定量的に比較することができる燃料消費率等価係数を定義し、ハイブリッド車両のＳＯＣ別最適運転点決定方法を提供する。
【解決手段】運転者の要求（アクセルペダルの開度）段階と、現在の車速、運転者の要求動力、バッテリーの現在の充電状態量（ＳＯＣ）から現在の運転状況を把握する現状把握段階と、ＳＯＣグループ分け段階と、グループ分けされたＳＯＣに対応する正味燃料消費率マップから、エンジンの運転可能な複数のエンジン運転点、さらに対応するモーター運転点を選ぶ運動点候補選出段階と、選ばれたエンジン運転候補点とモーター運転候補点に対しての費用算定段階と、費用が最小となるエンジン運転点およびモーター運転点を抽出する最適運転点決定段階と、抽出されたエンジン運転点およびモーター運転点をエンジンおよびモーターに出力命令を出す段階とからなる。
【選択図】図１

Description

本発明はハイブリッド車両のバッテリーの充電状態量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ、以降「ＳＯＣ」と記す）別最適運転点決定方法に関し、更に詳しくは、エンジンにより消費される燃料量と、モーターにより消費される電気エネルギーを互いに定量的に比較することができる転換因子（燃料消費率等価係数）によって最適の運転状態を探し出すハイブリッド車両のＳＯＣ別最適運転点決定方法に関する。

最近、自動車燃費向上要求と、各国の排出規制の強化により環境にやさしい自動車に対する要求が高まっており、これらの要求に応えるものとしてハイブリッド電気自動車が注目されている。

ハイブリッド車両は、エンジンとモーターを組み合わせた動力源をもち、状況に応じて動力源を変えて走行する自動車車両を称し、エネルギー貯蔵装置として高電圧バッテリーを使用している。

ハイブリッド車両は、走行駆動源として、エンジンとモーターが直結されており、動力伝達のためのクラッチおよび変速機（ＣＶＴ： Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）、エンジンおよびモーターの駆動のためのインバーター、ＤＣ−ＤＣコンバータ、バッテリーなどを含み、更に、これらの制御手段として、互いにキャン通信（ＣＡＮ：Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）により通信が可能となるように連結されるハイブリッド制御装置（ＨＣＵ；Ｈｙｂｒｉｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、モーター制御装置（ＭＣＵ：Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、バッテリー制御装置（ＢＭＳ：Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）などを有している。

ハイブリッド車両は、石油系燃料エネルギーを直接使用するエンジン以外に、電気エネルギーを使用するモーターを同時に動力源としており、この電気エネルギーは、バッテリーに貯蔵されている。すなわち、バッテリーは、ハイブリッド車両のモーターおよびＤＣ／ＤＣコンバータを駆動するエネルギー源であり、ハイブリッド車両にとっては非常に重要である。

バッテリーを制御するのがバッテリー制御装置であり、バッテリーの電圧、電流、温度をモニターし、さらにバッテリーのＳＯＣ［％］を調節する機能を担っている。

ハイブリット車両においては、バッテリーのＳＯＣを検出し、ＳＯＣと車両に要求される要求駆動力を考慮して、エンジン、バッテリー、モータを制御して燃料消費効率を上げるハイブリット車両の制御装置および方法が提案されている〔例えば、特許文献１、２特開２００２−１７１６０４号公報、特開２００６−１８７０４６〕。

特開２００２−１７１６０４号公報 特開２００６−１８７０４６号公報

上記したように、ハイブリッド車両にとっては、電気エネルギーに係るバッテリーのＳＯＣ制御技術は重要な意味を有して、ＳＯＣの状態（高低）を考慮しながら、他方車両の走行状態を考慮して最適の燃費水準を達成して効率運転することができることが望まれる。

本発明は上記の状況を勘案してなされたものであり、本発明の目的は、エンジンで消費する燃料量と、モーターにより消費する電気エネルギーを互いに定量的に比較することができる転換因子として燃料消費率等価係数を定義し、これによりハイブリッド車両のＳＯＣ別最適運転点決定方法を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明は、運転者の要求（アクセルペダルの開度）段階と、現在の車速、運転者の要求動力、バッテリーの現在の充電状態量（ＳＯＣ）から現在の運転状況を把握する現状把握段階と、ＳＯＣをその状態によりグループ分けするＳＯＣグループ分け段階と、ＳＯＣグループ分け段階によりグループ分けされたＳＯＣに対応する正味燃料消費率（ＢＳＦＣ）マップから、エンジンの運転可能な複数のエンジン運転点を選び、さらにエンジン運転点それぞれに対応するモーター運転点を選ぶ運動点候補選出段階と、選ばれたエンジン運転候補点とモーター運転候補点に対する費用を算定する費用算定段階と、費用算定段階で得られた費用を比較して費用が最小となるエンジン運転点およびモーター運転点を抽出する最適運転点決定段階と、抽出されたエンジン運転点およびモーター運転点を、エンジンおよびモーターに出力命令を出す段階とからなることを特徴とするハイブリッド車両のＳＯＣ別最適運転点決定方法を提供する。

好ましい実施の形態の例として、ＳＯＣグループ分け段階は、ＳＯＣの充電状態を正常状態、高充電状態、最高充電状態、低充電状態、最低充電状態に分け、これらの充電状態のうち一つを与えられたヒストリシスにより決定することを特徴とする。

好ましい別の実施の形態の例として、エンジンおよびモーター各々の運転点に対する費用算定段階は、下記の式１により求められることを特徴とする。
ここでｃｏｓｔ_ｉは時間ｉでの費用（等価燃料消費率）（ｇ／ｓｅｃ）であり、ｆｃ_ｉは時間ｉでのエンジンの燃料消費率（ｇ／ｓｅｃ）、ＦＥＦは燃料消費率等価係数（ｇ／ｓ／Ｗ）であり、Ｐ_{ｂａｔ，ｉ}は時間ｉでのバッテリーの出力（Ｗ）である。

好ましいまた別の実施の形態の例として、燃料消費率等価係数はバッテリーの電気エネルギーの使用量をエンジンの燃料消費率（ｆｃ_ｉ）と等価化させることを特徴とする。

本発明は下記のような効果を発揮することがができる。
ハイブリッド電気自動車に適用されるエンジンとモーターの動力配分方式において、エンジン燃料消費量とバッテリー電気量の等価化係数を採用し、ＳＯＣの変化によってその段階別に、エンジンおよびモーターの各運転点に対する費用を算定し、最小費用の運転点を抽出することができ、最小費用の運転点でエンジンおよびモーターを動かすことで、燃費効率をより向上させることができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態の例を添付図面を参照して詳しく説明する。
本発明によるハイブリッド車両のＳＯＣ別最適運転点決定方法は、ハードタイプまたはソフトタイプのハイブリッド電気自動車に適用可能である。

本発明では、エンジンで消費する燃料量と、モーターで消費する電気エネルギーを互いに定量的に比較することができる転換因子として燃料消費率等価係数を採用し、基準となる初期ＳＯＣ別に、目的とする最終ＳＯＣを達成するようにする燃料消費率等価係数を探す段階を経なければならない。

まず、与えられた車両の走行モード（時間に対する車速プロファイル）を基準に、下記の式２のハイブリッド車両の燃料消費量に対する最適化基本式を定める。

式２において、ＦＣは燃料消費量（ｇ）、ｆ（ｔ）は時間（ｔ）を函数とする燃料消費率（ｇ／ｓｅｃ）、ｆｃｉは時間ｉにおける燃料消費率（ｇ／ｓｅｃ）、ＳＯＣはバッテリーの充電状態量（％）、ＳＯＣ_{ｆｉｎａｌ}は走行モードの最終ＳＯＣ、ＳＯＣ_{ｔａｒｇｅｔ}は走行モードの目標ＳＯＣ、ＳＯＣ_{ｉｎｉｔｉａｌ}は走行モードの初期ＳＯＣ、ＳＯＣ_ｈｉｇｈは高いＳＯＣ基準値、ＳＯＣ_ｌｏｗ低いＳＯＣ基準値である。

上のようなＳＯＣ条件を満足しながら、燃料消費量（燃費）を最小化することができるように、すなわち、費用が最小となるエンジンとモーターの運転点を見出すために、バッテリーの電気エネルギーの使用量を燃料消費率と等価化させた燃料量等価係数を用いて、式１で費用（等価燃料消費率）を算出できる。

式１において、ｃｏｓｔ_ｉは時間ｉにおける費用（等価燃料消費率）（ｇ／ｓｅｃ）であり、ｆｃｉは時間ｉにおける燃料消費率（ｇ／ｓｅｃ）であり、ＦＥＦは燃料消費率等価係数（ｇ／ｓ／Ｗ）であり、Ｐ_{ｂａｔ，ｉ}は時間ｉでのバッテリーの出力（Ｗ）である。
この時、ＦＥＦは、ＳＯＣ充電状態別に区分することができる。
ＦＥＦ_{ｎｏｒｍａｌ}：ＳＯＣ正常状態の場合の燃料消費率等価係数（ｇ／ｓ／Ｗ）
ＦＥＦ_ｈｉｇｈ：ＳＯＣ高充電状態の場合の燃料消費率等価係数（ｇ／ｓ／Ｗ）
ＦＥＦ_ｌｏｗ：ＳＯＣ低充電状態の場合の燃料消費率等価係数（ｇ／ｓ／Ｗ）

次いで、エンジンの運転可能領域においてエンジンの１サイクルに消費した燃料（燃料噴射量）をエンジン出力（正味馬力）で割った正味燃料消費率（ＢＳＦＣ：Ｂｒａｋｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｆｕｅｌ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）［ｇ／ｋＷｈ］のマップを作成し、ＳＯＣの各グループ別に上の式１および式２を用いて費用（等価燃料消費率）が最小となるエンジンとモーターの運転点を算出する。

このような過程を通して、ハイブリッド車両においてエンジンと電気モーターの燃費効果を極大化する組み合せを得ることができる。

ここで、本発明の理解のために、最適運転点決定方法を順に説明すると下記の通りである。
本発明の最適運転点の決定のための制御は、ハイブリッド制御装置（ＨＣＵ）、モーター制御装置（ＭＣＵ）、バッテリー制御装置（ＢＭＳ）間の通信によるシグナル伝達により行われる。

まず、運転者による運転（アクセルペダルの開度）によって、現在の車速と、運転者の要求動力と、現在のＳＯＣを算出する現在の運転状況を判断する。

次いで、現在のＳＯＣを、正常状態、高充電状態、最高充電状態、低充電状態、最低充電状態に分け、これらの充電状態のうち一つを与えられたヒストリシスに従って決定する。

グループ分けされたＳＯＣ状態で、エンジンの全体運転可能領域におけるエンジンＢＳＦＣマップからエンジンの運転可能な多数の候補点、および各候補点に対応するモーター運転点を探し、それぞれのエンジン運転点およびモーター運転点に対する費用算定を行う。そして、費用が最小となるエンジンおよびモーターの運転点を抽出し、抽出された運転点に基づいてエンジンおよびモーターに出力命令を出す。

例えば、ＳＯＣが正常状態の場合を基準とし、現在の車速が６０ｋｍ／ｈであり、運転者が３０ｋＷのモーター出力を要求する状況である場合、図２に図示するように、エンジンの運転可能な多数の候補点を抽出した後、各候補点に対応して式１および式２を用いて、費用が最小となるエンジンとモーター各々の運転点を探し出す。

即ち、ＢＳＦＣマップを通してエンジンの運転可能な単数の候補点と、各候補点に対応するモーター運転点に対し、時間ｉでのエンジン燃料消費率（ｆｃ_ｉ）と、バッテリーの電気エネルギー使用量を燃料消費率等価係数（ｇ／ｓ／Ｗ）で補正して足す演算をすれば、各候補点での費用（等価燃料消費率）（ｇ／ｓｅｃ）が求められ、費用が最小となるエンジンとモーターの運転点を探し出すことができる。

一方、ＳＯＣ高充電状態の場合と、ＳＯＣ低充電状態の場合についても前記と同様な過程でエンジンとモーターの運転点を探し出すことができる。

従って、最終的に抽出された運転点、即ち、費用が最小となる運転点に依拠して、エンジンおよびモーターに出力命令を出す。

本発明によるハイブリッド車両のＳＯＣ別最適運転点決定方法を示すフロー図である。 本発明によるハイブリッド車両のＳＯＣ別最適運転点決定方法に使用されるＢＳＦＣマップである。 本発明によるハイブリッド車両のＳＯＣ別最適運転点決定方法におけるＳＯＣグループ分け段階を説明する図面である。

Claims (4)

1. 運転者の要求（アクセルペダルの開度）段階と、
   現在の車速、運転者の要求動力、バッテリーの現在の充電状態量（ＳＯＣ）から現在の運転状況を把握する現状把握段階と、
   前記ＳＯＣをその状態によりグループ分けするＳＯＣグループ分け段階と、
   前記ＳＯＣグループ分け段階によりグループ分けされたＳＯＣに対応する正味燃料消費率（ＢＳＦＣ）マップから、エンジンの運転可能な複数のエンジン運転点を選び、さらに前記エンジン運転点それぞれに対応するモーター運転点を選ぶ運動点候補選出段階と、
   前記選ばれたエンジン運転候補点とモーター運転候補点に対する費用を算定する費用算定段階と、
   前記費用算定段階で得られた費用を比較して費用が最小となるエンジン運転点およびモーター運転点を抽出する最適運転点決定段階と、
   抽出されたエンジン運転点およびモーター運転点を、エンジンおよびモーターに出力命令を出す段階と、からなることを特徴とするハイブリッド車両のＳＯＣ別最適運転点決定方法。
2. 前記ＳＯＣグループ分け段階は、ＳＯＣの充電状態を正常状態、高充電状態、最高充電状態、低充電状態、最低充電状態に分け、これらの充電状態のうち一つを与えられたヒストリシスにより決められることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド車両のＳＯＣ別最適運転点決定方法。
3. 前記費用算定段階は、前記エンジン運転点と前記モーター運転点から、下記の式１〔式中、ｃｏｓｔ_ｉは時間ｉでの費用（等価化された燃料消費率）（ｇ／ｓｅｃ）であり、ｆｃ_ｉは時間ｉでのエンジンの燃料消費率（ｇ／ｓｅｃ）、ＦＥＦは燃料消費率等価係数（ｇ／ｓ／Ｗ）であり、Ｐ_{ｂａｔ，ｉ}は時間ｉでのバッテリーの出力（Ｗ）である。〕により求められることを特徴とする請求項１記載のハイブリッド車両のＳＯＣ別最適運転点決定方法。
   
4. 前記燃料消費率等価係数は、バッテリーの電気エネルギーの使用量を、エンジンの燃料消費率（ｆｃ_ｉ）と等価化させる係数であることを特徴とする請求項３記載のハイブリッド車両のＳＯＣ別最適運転点決定方法。