(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯蔵されるバッテリ電荷を制御する方法であって、
１又は複数のバッテリの現在充電状態（ＳｏＣ）を感知して、ここから現在ＳｏＣデータを生成するステップと、
所望の１回のサイクルについての最大ＳｏＣ−最小ＳｏＣとして表わされる関係式により定義される現在偏位を感知して、ここから現在偏位データを生成するステップと、
前記現在偏位が所望の限度を超えて増大するにつれて前記充電率制御限度が上方調節され、前記現在偏位が所望の限度を下回って減少するにつれて前記充電率制御限度が下方調節されるように、前記１又は複数のバッテリの現在偏位データに応じて前記充電率制御限度を線形態様で調整するステップと、
調整された前記充電率制御限度を使用して走行業務の間にハイブリッド車輛を充電するステップと、
を備えた方法。
【請求項２】
前記ハイブリッド車輛は機関車を含んでいる、請求項１に記載の貯蔵されるバッテリ電荷を制御する方法。
【請求項３】
前記ハイブリッド車輛を充電する前記ステップは、一定型電力／電流充電システムによるバッテリ寿命及び性能を上回るバッテリ寿命及び性能となるように、前記現在ＳｏＣデータ及び前記現在偏位データに応じて前記１又は複数のバッテリの前記充電率限度を制御するステップをさらに含んでいる、請求項１または２に記載の貯蔵されるバッテリ電荷を制御する方法。
【請求項４】
１又は複数のバッテリの現在充電状態（ＳｏＣ）に対応するデータを感知して生成するように構成されており、所望の１回のサイクルについての最大ＳｏＣ−最小ＳｏＣとして表わされる関係式により定義される現在偏位に対応するデータを感知して生成するようにさらに構成されているバッテリ充電センサと、
前記現在偏位が所望の限度を超えて増大するにつれて前記充電率制御限度が上方調節され、前記現在偏位が所望の限度を下回って減少するにつれて前記充電率制御限度が下方調節されるように、前記１又は複数のバッテリの現在偏位データに応じて前記充電率制御限度を線形態様で調整し、調整された前記充電率制御限度を使用して走行業務の間にハイブリッド車輛を充電するように構成されているバッテリ制御器と
を備えたバッテリ制御システム。
【請求項５】
前記ハイブリッド車輛は機関車を含んでいる、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
Control Limit（Ｐ，Ｉ）＝ｆ（Excursion，ＳｏＣ）
として定義される関係式に基づく前記充電率制御限度の変調を介してハイブリッド車輛のバッテリ性能及び燃料節約を向上させ、上式中、Ｐはアンペア−時間単位での合計バッテリ充電電力であり、Ｉはバッテリ充電／放電電流であり、ＳｏＣは、バッテリ・セルの充電状態を意味し、「Excursion」は、１回のサイクルについての最大ＳｏＣ−最小ＳｏＣとして定義されるサイクルの大きさを意味する、請求項４または５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的には、バッテリにおけるエネルギ貯蔵に関し、具体的には、ハイブリッド車輛（限定しないが機関車及びオフロード車輛を含む）のバッテリに動的制動エネルギの一部を貯蔵し、次いで燃料を節約するために電動駆動時にこのエネルギを用いるシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド機関車及びオフロード車輛は、動的制動エネルギの一部をバッテリに貯蔵し、次いで燃料を節約するために電動駆動時にこのエネルギを用いることにより動作する。バッテリを最大限に活用すれば燃料節約が向上する。バッテリは、最初はよりよい燃料節約を提供するように大電力／電流レベルにおいて制御され得るが、これら大電力／電流レベルでのバッテリの反復的サイクル利用のため劣化が大きくなり、バッテリの寿命にわたる燃料節約が低下する。
【０００３】
ハイブリッド機関車及びオフロード車輛のバッテリは従来は、動作限度及び安全限度に基づいて一定の電力／電流限度において制御されていた。しかしながら、ハイブリッドからの利益は、バッテリが可能な最大の充電電力／電流に充電されて初めて最大化され得る。さらに、１回の走行業務を通じて一定の充電電力／電流において制御されると、バッテリは低率で充電されてよかった場合でも高率で充電される。このことからバッテリの劣化がさらに大きくなり、これにより動作寿命が短縮する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／１４８８１７号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００４／０００８９２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の問題を扱った一つの公知の手法は、異なる特性を具備した二つの異なる形式のエネルギ貯蔵装置を用いるものである。装置の一方は大エネルギ容量であるが小電力定格を有し、他方の装置は小エネルギ容量バッテリであるが大電力定格を有する。小さい偏位（excursion）は大電力型エネルギ貯蔵装置（１又は複数）によって解消され、大きい偏位は大エネルギ型装置（１又は複数）によって解消される。上述の大電力型エネルギ貯蔵装置は一般的には、超大容量（ウルトラ）キャパシタ又は大電力バッテリを含んでおり、大エネルギ型装置は一般的には、大容量バッテリを含んでいる。二つの異なる形式のエネルギ貯蔵装置を用いると、システムに複雑さ及び経費が加わり望ましくない。
【０００６】
従って、過剰な制動電力が利用可能となっているサイクル時にのみ高率でのバッテリ充電を許すバッテリ制御方式が必要とされている。このバッテリ制御方式が、駆動サイクルの事前知識に一切頼ることなく１回の走行業務での現在充電状態及び現在偏位のみを用いて電力／電流制御限度を算出することができれば有利である。また、このバッテリ制御方式が、１回の走行業務及び寿命の両方にわたり燃料節約を達成しつつ、様々な走行業務時に走行する全ての機関車に一様に適用されることができればさらに望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
簡単に述べると、本発明の一実施形態によれば、機関車を制限でなく包含するハイブリッド車輛のバッテリ制御のシステム及び方法が提供される。
【０００８】
この方法は一実施形態では、１又は複数のバッテリの現在充電状態（ＳｏＣ）を感知して、ここから現在ＳｏＣデータを生成するステップを含んでいる。この方法はさらに、所望の１回のサイクルについての最大ＳｏＣ−最小ＳｏＣとして表わされる関係式によって定義される現在偏位を感知して、ここから現在偏位データを生成するステップを含んでいる。加えて、電力／電流充電限度が、現在ＳｏＣデータ及び現在偏位データに応じて１又は複数のバッテリについて制御される。
【０００９】
もう一つの実施形態によれば、バッテリ制御システムが、１又は複数のバッテリの現在充電状態（ＳｏＣ）に対応するデータを感知して生成するように構成されているバッテリ充電センサを含んでいる。バッテリ充電センサはさらに、所望の１回のサイクルについての最大ＳｏＣ−最小ＳｏＣとして表わされる関係式によって定義される現在偏位に対応するデータを感知して生成するように構成されている。バッテリ制御システムはさらに、現在ＳｏＣデータ及び現在偏位データに応じて１又は複数のバッテリの電力／電流充電限度を制御するように構成されているバッテリ充電制御器を含んでいる。
【００１０】
さらにもう一つの実施形態によれば、Control Limit（Ｐ，Ｉ）＝ｆ（Excursion，ＳｏＣ）として定義される関係式に基づいてバッテリ充放電電流制御限度の変調を介してハイブリッド車輛のバッテリ性能及び燃料節約を向上させるバッテリ制御システムが提供される。上の式において、Ｐはアンペア−時間単位での合計バッテリ充電電力であり、Ｉはバッテリ充電／放電電流であり、ＳｏＣは、バッテリ・セルの充電状態を意味し、「Excursion」は、１回のサイクルについての最大ＳｏＣ−最小ＳｏＣとして定義されるサイクルの大きさを意味する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明のこれらの特徴、観点及び利点、並びに他の特徴、観点及び利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むとさらに十分に理解されよう。尚、図面全体にわたり、類似の参照符号は類似の部材を表わす。
【図１】本発明の一実施形態によるバッテリ制御システムの単純化したブロック図を示す。
【図２】図１に示すバッテリ制御システムを用いて一実施形態に従ってバッテリ又はバッテリ列を充電する制御方策を示すグラフ図である。
【図３】図１に示すバッテリ制御システムを用いてもう一つの実施形態に従ってバッテリ又はバッテリ列を充電する制御方策を示すグラフ図である。
【図４】図１に示すバッテリ制御システムを用いてさらにもう一つの実施形態に従ってバッテリ又はバッテリ列を充電する制御方策を示すグラフ図である。
【００１２】
上に示す図面は代替的な各実施形態を示しているが、本発明の他の実施形態も思量され、このことについて以下の議論に記載する。全ての場合において、本開示は本発明の図示された実施形態を表現のために提示しており、制限のためではない。当業者には、本発明の範囲内にあり本発明の原理の要旨に含まれる他の多くの改変及び実施形態が想到されよう。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の記載は、向上したバッテリ性能及び燃料節約を提供するために限定しないが機関車のようなハイブリッド車輛のバッテリ制御のシステム及び方法を一実施形態に従って掲げる。ハイブリッド機関車は、前述のように、動的制動エネルギの一部をバッテリに貯蔵し、次いで燃料を節約するために電動駆動時にこのエネルギを用いることにより動作する。燃料節約は、バッテリの数、並びに充電限度及び放電限度の変動と共に変化する。一般的には、本発明の発明者等は、充電電流の増大は燃料節約を増加させ、放電電流は着目したハイブリッド車輛の燃料節約に対して殆ど影響がないことを見出した。
【００１４】
本書で用いられる以下の用語は次のように定義される。
【００１５】
ＳｏＣは、電池の充電状態を意味する。
【００１６】
偏位は、サイクルの大きさを意味する。偏位は、１回のサイクルについての最大ＳｏＣ−最小ＳｏＣとして定義される。
【００１７】
燃料節約（ＦＳ）は、限定しないが機関車のようなハイブリッド車輛について節約される燃料に関する利益を意味する。ＦＳは、百分率単位で
ＦＳ（％）＝［（従来型車輛−ハイブリッド車輛）からのエンジン・エネルギ］
／［従来型車輛からのエンジン・エネルギ］×１００
として定義される。
【００１８】
図面に移り、図１は、本発明の一実施形態によるバッテリ制御システム１０の単純化したブロック図を示す。バッテリ制御システム１０は一実施形態では、所望の動作電力／電流制御限度の間で多段変調を行なって、過剰な制動電力が利用可能となっているサイクルのみが高率で充電されるように構成されている。この制御方式は、必要とされる電力／電流制御限度を決定するために１回の走行業務の間の現在充電状態データ及び現在偏位データのみを用いるため、駆動サイクルの事前知識は必要とされない。このようなものとして、この方式は、例えば様々な走行業務で走行するハイブリッド機関車のような全てのハイブリッド車輛２０に適用され得る一様な制御方式となる。この制御方式の適用によって具現化される変調は、バッテリの走行業務を通じて一定の充電電力／電流制御方式を用いる公知の制御方式と比較すると、向上したバッテリ性能及び燃料節約を１回の走行業務でもバッテリ寿命にわたっても達成する。
【００１９】
図１の参照を続けると、バッテリ制御システム１０は、バッテリ１２に関連する充電偏位データを含めて現在充電状態を連続的に監視するように構成されているバッテリ充電センサ１４を含んでいる。当業者は、１又は複数を問わず任意の数のバッテリが本書に記載される制御方式を介して制御され得ることを認められよう。
【００２０】
バッテリ制御システム１０はさらに、バッテリ１２の充放電限度を制御するように構成されているバッテリ充電制御器１６を含んでいる。バッテリ充電制御器１６は一実施形態によれば、ハイブリッド車輛燃料節約を高めるように開発された所望の伝達関数に応じて作用する。制御限度（Control Limit）が下式のように定義され得る。
【００２１】
Control Limit（Ｐ，Ｉ）＝ｆ（Excursion，ＳｏＣ）
式中、Ｐはアンペア−時間単位での合計バッテリ充電電力であり、Ｉはバッテリ充電／放電電流であり、「Excursion」及びＳｏＣは上で定義した通りである。
【００２２】
一実施形態での伝達関数電流制御限度は、２８バッテリのシステムについては１年間にわたり１０％の平均燃料節約を達成することが判明した。もう一つの実施形態は、２２バッテリのシステムについては８％の平均燃料節約を達成するのに適していることが判明した。さらにもう一つの実施形態は、１６バッテリのシステムについては６％の平均燃料節約を達成するのに適していることが判明した。
【００２３】
偏位が大きいサブサイクルは充電電流の増大によって最も大きい影響を受けることが判明し、偏位が小さいサブサイクルは殆ど同じに留まることが判明した。
【００２４】
制御方策（control strategy）は、特定の形式のハイブリッド車輛及び走行業務のために修正されてもよい。例えば、図２〜図４は、線形型変調方式、遅延付き線形型変調方式及び指数型変調方式を含む３種の代替的なバッテリ制御方策をそれぞれ示す。但し、本発明はこれら３種のバッテリ制御方策に限定されている訳ではなく、当業者は、他の多くのバッテリ制御方策が本書に記載される原理に従って所望の向上したバッテリ性能及びハイブリッド車輛燃料節約を達成するのに同様に容易に用いられ得ることを直ちに認められよう。
【００２５】
図２を参照すると、グラフが、一実施形態によるバッテリ又はバッテリ列を充電する線形制御方策を示している。この実施形態の場合の制御方策は、バッテリ偏位の大きさが小さくなるにつれてバッテリ充電電流が小さくなるような線形制御を用いている。というのは、上で述べたように、偏位が大きいサブサイクルは充電電流の増大によって最も大きい影響を受けることが判明し、偏位が小さいサブサイクルは殆ど同じに留まることが判明したからである。
【００２６】
図３は、もう一つの実施形態によるバッテリ又はバッテリ列を充電する遅延付き線形制御方策を示すグラフである。この実施形態の場合の制御方策は、偏位が少しでも予め決められた限度を超えた場合には一定の大きいバッテリ充電電流を用いる。そして、偏位が少しでも予め決められた限度を下回ったら、バッテリ偏位の大きさが小さくなるにつれてバッテリ充電電流は小さくなる。
【００２７】
図４は、さらにもう一つの実施形態によるバッテリ又はバッテリ列を充電する指数型制御方策を示すグラフである。この実施形態の場合の制御方策は、バッテリ偏位が小さくなるにつれて大きさが指数関数的に減少し、バッテリ偏位が大きくなるにつれて大きさが指数関数的に増大するバッテリ充電電流を用いる。
【００２８】
まとめると、制限しないが機関車を含むハイブリッド車輛のバッテリ制御のシステム及び方法が、二つの制御限度の間の平均である一定の電流率でバッテリへの／バッテリからの電力の流れを制御する従来の手法に比較して向上したバッテリ性能及び高い燃料節約という技術的効果を奏する。他の技術的効果としては、１）バッテリ劣化が小さくなり、従って寿命にわたる性能が高まること、２）制御方式が駆動サイクルについての事前情報を必要とせず、具現化が容易であること、３）制御方式が従来のハードウェア方式アプローチよりも具現化に経費が掛からないこと等が挙げられる。
【００２９】
本書では発明の幾つかの特徴のみを図示して説明したが、当業者には多くの改変及び変形が想到されよう。従って、特許請求の範囲は、発明の要旨に含まれるような全ての改変及び変形を網羅するものと理解されたい。
【符号の説明】
【００３０】
１０  本発明によるバッテリ制御システム
【図１】
0005588873.tif 000002
【図２】
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【図３】
0005588873.tif 000004
【図４】
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