CN101326069A - 动力输出设备、动力输出设备的控制方法和装备动力输出设备的车辆 - Google Patents

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Abstract

在车辆中执行的本发明的驱动控制基于反映供应到发动机的吸入空气的密度的进气温度(Ta)和大气压力(Pa)设定校正系数(keg)(步骤S140)，将车辆所需的动力需求(P*)乘以所设定的校正系数(keg)来确定要从发动机输出的目标发动机动力(Pe*)(步骤S150)。然后控制发动机和两个电动机(MG1)和(MG2)以确保从发动机输出所确定的目标发动机动力(Pe*)和输出基于加速器开度(Acc)的扭矩需求(Tr*)(步骤S160至S210)。吸入空气的密度的变化会造成从发动机输出过量的动力，或者从发动机输出不足的动力。对电池充电或者电池放电以补偿从发动机输出的过量的动力，或者补偿从发动机输出的不足的动力。本发明的驱动控制有效地应对环境的变化，并防止了用超出预期的过高电力对电池进行充电，或者防止电池过度放电而供应超出预期的过高电力。

Description

动力输出设备、动力输出设备的控制方法和装备动力输出设备的车辆
技术领域
本发明涉及动力输出设备、动力输出设备的控制方法和装备动力输出设备的车辆。
背景技术
已经提出了一种安装在车辆上的动力输出设备的通常构造，其具有发动机、行星齿轮单元、电动机MG1、电动机MG2和电池，其中行星齿轮单元包括连接到发动机输出轴的行星轮架和连接到车辆车轴的齿圈，电动机MG1从/向行星齿轮单元的太阳轮输入/输出动力，电动机MG2从/向车轴输入/输出动力，电池能够从/向电动机MG1和MG2传输电力(例如参见日本专利公开公报No.平09-308012)。此现有技术的动力输出设备基于驾驶员对加速踏板的下压量和齿圈的转速确定应该输出到齿圈的扭矩指令，并通过将所确定的扭矩指令和齿圈转速的乘积加上实际对电池充电或者从电池放电的充放电力来计算应该从发动机输出的输出能量。发动机的目标转速和目标扭矩设定为确保所计算的输出能量有效地从发动机输出的最佳驱动点。电动机MG1的扭矩指令确定成确保发动机在所设定的目标转速下工作。通过从所确定的应该输出到齿圈的扭矩指令减去从发动机经由行星齿轮单元输出到齿圈的扭矩量确定电动机MG2的扭矩指令。此现有技术动力输出设备然后控制发动机使其在由目标转速和目标扭矩联合限定的目标驱动点下被驱动，同时控制电动机MG1和MG2使其在各个设定的扭矩指令下被驱动。
发明内容
此现有技术的动力输出设备的用于获得车辆稳定的驱动状态的功能在标准环境状况下不会产生问题。然而，在非标准环境状况下，该动力输出设备的功能会造成用超出预期的充放电电力水平对电池充电，或者使得电池放电而供应超出预期的充放电电力水平。例如，在外部温度非常低的环境中，温度越低，造成了空气密度越大。用与在标准温度(例如，25℃)下设定的目标驱动点相同的目标驱动点来控制在非常低的温度下的发动机会造成发动机输出超出预期的过大动力。这导致用超出预期的过高电力对电池进行过度的充电。在另一个示例中，在高海拔环境中，大气压力越低，造成空气密度越低。用与在低海拔处的标准大气压力(1大气压力)下设定的目标驱动点相同的目标驱动点来控制高海拔处的发动机会造成发动机输出超出预期的过小动力。这导致了电池放电而供应超出预期的过高电力。
本发明的动力输出设备、动力输出设备的控制方法和装备有动力输出设备的车辆因而旨在应对环境的变化。本发明的动力输出设备、动力输出设备的控制方法和装备有动力输出设备的车辆还旨在防止蓄电单元用超出预期的过高电力过度充电，或者防止蓄电单元过度放电而供应超出预期的过高电力。
为了达到以上和其它有关目的的至少一部分，本发明的动力输出设备、动力输出设备的控制方法和装备有动力输出设备的车辆具有以下论述的构造。
本发明涉及将动力输出到驱动轴的动力输出设备。该动力输出设备包括：内燃机；电力-机械动力输入输出机构，其与内燃机的输出轴和与驱动轴连接，并通过输入和输出电力和机械动力将动力输出到输出轴和驱动轴，或者从输出轴和驱动轴输入动力；电动机，其能够将动力输出到驱动轴，或者从驱动轴输入动力；蓄电单元，其将电力传输进出电力-机械动力输入输出机构和电动机；充放电电力需求设定模组，其设定充放电电力需求，充放电电力需求是要充电到蓄电单元中或者要从蓄电单元放电；输入输出限制设定模组，其将蓄电单元的输入和输出限制设定为可对蓄电单元充电和蓄电单元可放电的电力。空气密度影响物理量检测单元，其检测影响吸入内燃机的空气中的密度的物理量；驱动力需求设定模组，其设定驱动轴所需的驱动力需求；目标驱动点设定模组，其基于所设定的驱动力需求、所设定的充放电电力需求和所检测到的空气密度影响物理量设定内燃机的目标驱动点；以及控制模组，其控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电动机，使得在所述输入限制和所述输出限制的范围内以所设定的目标驱动点驱动所述内燃机，并确保与所设定的驱动力需求相等的驱动力输出到所述驱动轴。
本发明的动力输出设备基于驱动轴所需的驱动力需求需求、要充电到蓄电单元中或者从蓄电单元放电的充放电电力需求、和影响吸入内燃机中的空气的密度的空气密度影响物理量，来设定内燃机的目标驱动点。然后，控制内燃机、电力-机械动力输入输出机构和电动机，使得在输入限制和输出限制的范围中以目标驱动点驱动内燃机，并确保等于所设定的驱动力需求需求的驱动力输出到驱动轴，其中输入限制和输入限制设定为可对蓄电单元充电的电力和可从蓄电单元放电的电力。即，基于通过考虑空气密度影响物理量来设定的内燃机目标驱动点来控制动力输出设备。此布置确保了响应于空气密度影响物理量的变化而进行适合的控制，并有利于防止对蓄电单元用超出预期的过高电力过度充电，或者防止蓄电单元过度放电而供应超出预期的过高电力。即，本发明的技术有效地应对了环境的变化。
在本发明的动力输出设备的一个优选实施例中，空气密度影响物理量检测单元包括测量吸入内燃机中的空气的温度的温度测量单元和测量大气压力的大气压力测量单元。此布置确保了对供应到内燃机的进气温度的变化以及大气压力的变化做出适合的响应。
在本发明的动力输出设备的另一个优选实施例中，目标驱动点设定模组确定与所设定的驱动力需求和所设定的充放电电力需求相对应的、将要从内燃机输出的暂定动力需求，用基于所检测到的空气密度影响物理量的校正因子校正所确定的暂定动力需求，从而设定目标动力，并基于所设定的目标动力和用于内燃机有效运行的有效运行制约将目标驱动点设定为内燃机的目标转速和目标扭矩的组合。在此情况下，当所检测到的空气密度影响物理量处于包括标准量的预设第一范围中时，目标驱动点设定模组将暂定动力需求设定为目标动力。当所检测到的空气密度影响物理量处于包括标准量的预设第二范围以外时，目标驱动点设定模组设定目标动力，使所检测到的空气密度影响物理量确定为预设第二范围的边界。即，本申请的技术将包括标准量的预设第一范围确定为死区，而将包括标准量的预设第二范围确定为上限和下限。此布置有效地消除了空气密度影响物理量的过度影响。
在本发明的动力输出设备的另一个优选实施例中，控制模组设定电力-机械动力输入输出机构的目标工作状况，使得以所设定的目标驱动点的转速驱动内燃机，并控制电力-机械动力输入输出机构使其在所设定的目标工作状况下被驱动。在此情况下，动力输出设备可以包括转速检测单元，其检测内燃机的转速，并且控制模组可以进行电力-机械动力输入输出机构的反馈控制，以消除所设定的目标驱动点的转速和所检测到的内燃机的转速之间的差值。此布置容易实现内燃机在目标驱动点的转速下最佳运行。
在本发明的动力输出设备的另一个优选实施例中，动力输出设备包括充放电电力检测单元，其检测充放电电力，充放电电力是实际充电到蓄电单元中的，或者蓄电单元实际放电的，并且在预设条件成立时，充放电电力需求设定模组通过基于所检测到的充放电电力的校正来设定充放电电力需求。在此情况下，预设条件可以是驱动轴在大致稳定的驱动状态。这种设置确保了对蓄电单元进行适当的充电和放电。
在本发明的动力输出设备的另一个优选实施例中，电力-机械动力输入输出机构包括：三轴式动力输入输出模组和发电机，三轴式动力输入输出模组连接到三个轴，三个轴是内燃机的输出轴、驱动轴和旋转轴，并基于从三个轴中的任何两个轴输入的动力或者基于输出到两个轴的动力而从其余一个轴输入动力或者将动力输出到一个轴；发电机从旋转轴输入动力，或者将动力输出到旋转轴。
本发明涉及一种车辆，该车辆装备有具有以上所述的布置的任何一种布置的动力输出设备，并具有连接到驱动轴的车轴。动力输出设备基本包括：内燃机；电力-机械动力输入输出机构，其与内燃机的输出轴和与驱动轴连接，并通过电力和机械动力的输入和输出将动力输出到输出轴和驱动轴，或者从输出轴和驱动轴输入动力；电动机，其能够将动力输出到驱动轴，或者从驱动轴输入动力；蓄电单元，其将电力传输进出电力-机械动力输入输出机构和电动机；充放电电力需求设定模组，其设定充放电电力需求，充放电电力需求是要充电到蓄电单元中或者要从蓄电单元放电；输入输出限制设定模组，其将蓄电单元的输入和输出限制设定为可对蓄电单元充电和蓄电单元可放电的电力。空气密度影响物理量检测单元，其检测影响吸入内燃机的空气的密度的物理量；驱动力需求设定模组，其设定驱动轴所需的驱动力需求；目标驱动点设定模组，其基于所设定的驱动力需求、所设定的充放电电力需求和所检测到的空气密度影响物理量设定内燃机的目标驱动点；以及控制模组，其控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电动机，使得在所述输入限制和所述输出限制的范围内以所设定的目标驱动点驱动所述内燃机，并确保与所设定的驱动力需求相等的驱动力输出到所述驱动轴。
本发明的车辆装备有具有以上所述布置中任何一种布置的动力输出设备，因而其具有的效果与本发明的动力输出设备类似。例如，此布置确保了响应于空气密度影响物理量的变化而适合地进行控制，并期望地防止蓄电单元用超出预期的过高电力过度充电，或者防止蓄电单元过度放电而供应超出预期的过高电力。即，本发明的技术有效地应对了环境的变化。
本发明还涉及一种动力输出设备的控制方法。动力输出设备包括：内燃机；电力-机械动力输入输出机构，其与内燃机的输出轴和与驱动轴连接，并通过输入和输出电力和机械动力将动力输出到输出轴和驱动轴，或者从输出轴和驱动轴输入动力；电动机，其能够将动力输出到驱动轴，或者从驱动轴输入动力；以及蓄电单元，其将电力传输进出电力-机械动力输入输出机构和电动机。控制方法基于驱动轴所需的驱动力需求、要充电到蓄电单元中或者要从蓄电单元放电的充放电电力需求和影响吸入内燃机中的空气的密度的空气密度影响物理量设定内燃机的目标驱动点。控制方法控制内燃机、电力-机械动力输入输出机构和电动机，使得在输入限制和输出限制的范围内以所设定的目标驱动点驱动内燃机，并确保与所设定的驱动力需求相等的驱动力输出到驱动轴，其中，输入限制和输出限制设定为可对蓄电单元充电和可从蓄电单元放电的电力。
在本发明的动力输出设备的控制方法的一个优选实施例中，控制方法基于驱动轴所需的驱动力需求、要充电到蓄电单元中或者要从蓄电单元放电的充放电电力需求和影响吸入内燃机中的空气的密度的空气密度影响物理量设定内燃机的目标驱动点。然后控制内燃机、电力-机械动力输入输出机构和电动机，使得在输入限制和输出限制的范围内以目标驱动点驱动内燃机，并确保与所设定的驱动力需求相等的驱动力输出到驱动轴，其中，输入限制和输出限制设定为可对蓄电单元充电和可从蓄电单元放电的电力。此布置确保响应于空气密度影响物理量的变化适合地进行控制，并期望地防止蓄电单元用超出预期的过高电力过度充电，或者防止蓄电单元过度放电而供应超出预期的过高电力。即，本发明的技术有效地应对了环境的变化。
在本发明的动力输出设备的控制方法的另一个优选实施例中，空气密度影响物理量包括吸入内燃机中的空气的温度或者大气压力。此布置确保了对供应到内燃机的进气温度的变化以及大气压力的变化做出适合的响应。
在本发明的动力输出设备的控制方法的另一个优选实施例中，控制方法确定与驱动力需求和充放电电力需求相对应的、将要从内燃机输出的暂定动力需求，用基于空气密度影响物理量的校正因子校正所确定的暂定动力需求，从而设定目标动力，并基于所设定的目标动力和用于内燃机有效运行的有效运行制约将目标驱动点设定为内燃机的目标转速和目标扭矩的组合。在此情况下，当空气密度影响物理量处于包括标准量的预设第一范围中时，控制方法可以将暂定动力需求设定为目标动力。当空气密度影响物理量处于包括标准量的预设第二范围以外时，控制方法还可以设定目标动力，使空气密度影响物理量确定为预设第二范围的边界。即，本申请的技术将包括标准量的预设第一范围确定为死区，而将包括标准量的预设第二范围确定为上限和下限。此布置有效地消除了空气密度影响物理量的过度影响。
在本发明的动力输出设备的控制方法的另一个优选实施例中，控制方法设定电力-机械动力输入输出机构的目标工作状况，使得以所设定的目标驱动点的转速驱动内燃机，并控制电力-机械动力输入输出机构使其在所设定的目标工作状况下被驱动。在此情况下，控制方法进行电力-机械动力输入输出机构的反馈控制，以消除所设定的目标驱动点的转速和内燃机的转速之间的差值。此布置容易地实现内燃机在目标驱动点的转速下最佳运行。
附图说明
图1是示意性示出装备有本发明一个实施例的动力输出设备的混合动力车辆的构造；
图2示意性示出安装在本实施例的混合动力车辆上的发动机的结构；
图3是示出由安装在本实施例的混合动力车辆上的混合动力电子控制单元执行的驱动控制例程的流程图；
图4示出了输入限制Win和输出限制Wout相对于电池的电池温度Tb的变化；
图5示出了输入限制校正因子和输出限制校正因子相对于电池的荷电状态SOC的变化；
图6示出了扭矩需求设定图的一个示例；
图7示出了校正因子ka相对于进气温度Ta的曲线图；
图8示出了校正因子kp相对于大气压力Pa的曲线图；
图9示出了用于设定目标转速Ne*和目标扭矩Te*的发动机的有效运行曲线；
图10是示出了本实施例的混合动力车辆所包括的动力分配集成机构的各个旋转元件的扭矩-转速动力学的共线图；
图11示意性图示了在一个修改的示例中另一混合动力车辆的构造；以及
图12示意性图示了在另一修改的示例中另一混合动力车辆的构造。
具体实施方式
以下将实施本发明的一个方式作为优选实施例进行描述。图1示意性图示安装有根据本发明一个实施例的动力输出设备的混合动力车辆20的构造。如所示，本实施例的混合动力车辆20包括发动机22、三轴式动力分配集成机构30、电动机MG1、安装到用作驱动轴的齿圈轴32a的减速齿轮35、与减速齿轮35连接的另一个电动机MG2和控制整个动力输出设备工作的混合动力电子控制单元70，三轴式动力分配集成机构30经由阻尼器28与用作发动机22的输出轴的曲轴26连接。电动机MG1与动力分配集成机构30连接，并能够发电，齿圈轴32a与动力分配集成机构30连接。
发动机22是消耗碳氢化合物燃料(诸如汽油或者轻油)以输出动力的内燃机。如图2所示，由空气滤清器122滤清并且经由节气门124吸入的空气与由燃料喷射阀126喷射的雾化燃料混合成空气燃料混合物。该空气燃料混合物经由进气阀128引入到燃烧室中。引入的空气燃料混合物由火花塞130的火花点燃而爆发性燃烧。燃烧能量引起的活塞132的往复运动转换成曲轴26的旋转运动。来自发动机22的排气流经催化转化器(填充有三元催化剂)134，从而排气包含的毒性成分(即，一氧化碳(CO)、烃(HC)和氮氧化物(NOx))转换成无毒成分，并排出到外部空气中。
发动机22在发动机电子控制单元24(以下称为发动机ECU)的控制下。发动机ECU 24设置为微处理器，该微处理器包括CPU 24a、存储处理程序的ROM 24b、临时存储数据的RAM 24c、输入和输出端口(未示出)和通信端口(未示出)。发动机ECU 24经由其输入端口接收来自测量和检测发动机22的工作状况的各种传感器的各种信号。输入到发动机ECU 24的信号包括：曲轴位置，来自检测曲轴26的旋转位置的曲轴位置传感器140；冷却水温度，来自测量发动机22中的冷却水温度的水温传感器142；缸内压力Pin，来自位于燃烧室内的压力传感器143；凸轮位置，来自检测凸轮轴的旋转位置的凸轮位置传感器144，其中凸轮轴受驱动开启和关闭进气阀128和排气阀，以将气体吸入和排出燃烧室；节气门位置，来自检测节气门124的开度或者位置的节气门位置传感器146；空气流量计信号AF，来自位于进气管中的空气流量计148；进气温度Ta，来自位于进气管中的温度传感器149；空燃比AR，来自空燃比传感器135a；和氧浓度，来自氧传感器135b。发动机ECU 24经由其输出端口输出各种控制信号和驱动信号，以驱动和控制发动机22。从发动机ECU 24输出的信号包括：到燃料喷射阀126的驱动信号、到用于调节节气门124位置的节气门电动机136的驱动信号、到与点火器集成的点火线圈138的控制信号、和到改变进气阀128的开启和关闭正时的可变阀正时机构150的控制信号。发动机ECU 24与混合动力电子控制单元70建立通信，以响应于从混合电子控制单元70接收的控制信号驱动和控制发动机22，并根据要求将关于发动机22的工作状况的数据输出到混合动力电子控制单元70。
动力分配集成机构30具有作为外齿轮的太阳轮31、齿圈32、与太阳轮31和齿圈32啮合的多个小齿轮33和保持多个小齿轮33的行星轮架34，其中，齿圈32是内齿轮，并与太阳轮31同心布置，行星轮架34保持多个小齿轮33的方式是允许其在相应轴上自由公转和自由自转。即，动力分配集成机构30设置为行星齿轮机构，允许太阳轮31、齿圈32和行星轮架34作为旋转元件差速运动。动力分配集成机构30中的行星轮架34、太阳轮31和齿圈32分别与发动机22的曲轴26、电动机MG1、并经由齿圈轴32a与减速齿轮35耦合。在电动机MG1用作发电机时，从发动机22输出并通过行星轮架34输入的动力被根据传动比分配到太阳轮31和齿圈32。另一方面，在电动机MG1用作电动机时，从发动机22输出并通过行星轮架34输入的动力与从电动机MG1输出并通过太阳轮31输入的动力进行合成，所合成的动力输出到齿圈32。因而输出到齿圈32的动力最终从齿圈轴32a经由齿轮机构60和差动齿轮62传递到驱动车轮63a和63b。
电动机MG1和MG2两者都是作为发电机和作为电动机被驱动的公知同步式电动发电机。电动机MG1和MG2经由逆变器41和42将电力传输进出电池50。将逆变器41和42与电池50连接的电力线54设置为由逆变器41和42共用的正极母线和负极母线。此布置使得电动机MG1和MG2中一者产生的电力能够由另一个电动机消耗。电池50可用由电动机MG1或者MG2产生的多余的电力充电，并放电补充电力的不足。当电动机MG1和MG2之间达到电力平衡时，电池50既不充电也不放电。电动机MG1和MG2两者的工作由电动机电子控制单元(以下称为电动机ECU)40控制。电动机ECU 40接收控制电动机MG1和MG2的工作所需的各种信号，例如来自检测电动机MG1和MG2转子的旋转位置的旋转位置检测传感器43和44的信号，以及由电流传感器(未示出)测量的、施加到电动机MG1和MG2的相电流。电动机ECU 40向逆变器41和42输出开关控制信号。电动机ECU 40与混合动力电子控制单元70通信，以响应于从混合动力电子控制单元70传输的控制信号而控制电动机MG1和MG2，同时根据需要向混合动力电子控制单元70输出与电动机MG1和MG2的工作状况相关的数据。
电池50是在电池电子控制单元(以下称为电池ECU)52控制和管理下。电池ECU 52输入控制和管理电池50所需的各种信号，例如，来自位于电力线54上的电压传感器53a的电池50的端子之间的端子间电压Vb(电池电压)，其中电力线54与电池50的输出端子连接；来自位于电力线54上的电流传感器53b的充放电电流Ib；和来自安装到电池50的温度传感器51的电池温度Tb。电池ECU 52根据需要通过通信将与电池50的工作状态相关的数据输出到混合动力电子控制单元70。电池ECU 52出于管理和控制电池50的目的，根据由电流传感器53b测量的充放电电流Ib的累积，来计算电池50的残余电荷量或者当前的荷电状态(SOC)。电池ECU 52还以由电压传感器53a测量的电池电压Vb和由电流传感器53b测量的充放电电流Ib的乘积形式，计算实际向电池50充电或者从电池50放电的充放电电力Pb。当电池50的荷电状态SOC低于预设第一基准值S1时，充放电电力需求Pb*设定成随着电池50的荷电状态SOC减小而用更大的电力量对电池50充电。当电池50的荷电状态SOC高于预设第二基准值S2(预设第二基准值S2高于预设第一基准值S1)时，充放电电力需求Pb*设定成随着电池50的荷电状态SOC增大而使电池50释放更大的电力量。当电池50的荷电状态SOC处于预设第一基准值S1和预设第二基准值S2之间时，充放电电力需求Pb*设定成等于0，使得既不对电池50充电，也不使电池50放电。
混合动力电子控制单元70构造成微处理器，该微处理器包括CPU72、存储处理程序的ROM 74、暂时存储数据的RAM 76和未图示出的输入输出端口以及未图示出的通信端口。混合动力电子控制单元70经由输入端口接收各种输入：来自点火开关80的点火信号、来自检测换档杆81当前位置的换档位置传感器82的换档位置SP、来自测量加速踏板83的踩踏量的加速踏板位置传感器84的加速器开度Acc、来自测量制动踏板85的踩踏量的制动踏板位置传感器86的制动踏板位置BP、来自车速传感器88的车速V和来自大气压力传感器89的大气压力Pa。如上所述，混合动力电子控制单元70经由通信端口与发动机ECU 24、电动机ECU 40和电池ECU 52通信，以向发动机ECU 24、电动机ECU 40和电池ECU 52传输或从其接收各种控制信号和数据。
这样构造的本实施例的混合动力车辆20基于车速V和加速器开度Acc(其对应于驾驶员对加速踏板83的踩踏量)的观测值，来计算将要输出到用作驱动轴的齿圈轴32a的扭矩需求。发动机22以及电动机MG1和MG2受到操作控制，以向齿圈轴32a输出与计算出的扭矩需求相对应的所需动力水平。发动机22以及电动机MG1和MG2的操作控制选择性地实现扭矩转换驱动模式、充放电驱动模式和电动机驱动模式之一。扭矩转换驱动模式控制发动机22的工作以输出等于所需要动力水平的动力量，同时驱动并控制电动机MG1和MG2以使得从发动机22输出的全部动力借助于动力分配集成机构30以及电动机MG1和MG2进行扭矩转换，并输出到齿圈轴32a。充放电驱动模式控制发动机22的工作，以输出等于所需动力水平加上对电池50充电所消耗或者电池50放电所供应的电力量之和的动力量，同时驱动并控制电动机MG1和MG2，以使得从发动机22输出并等于所需动力水平的全部或部分动力由动力分配集成机构30以及电动机MG1和MG2进行扭矩转换，并输出到齿圈轴32a，同时对电池50充电或者使电池50放电。电动机驱动模式停止发动机22的工作，并驱动和控制电动机MG2将等于所需动力水平的动力量输出到齿圈轴32a。
现在对具有如上构造的实施例的混合动力车辆20的操作进行说明。图3是示出由本实施例的混合动力车辆20中的混合动力电子控制单元70执行的驱动控制例程的流程图。此驱动控制例程以预设时间间隔(例如，每隔数毫秒)反复执行。
在图3的驱动控制例程中，混合动力电子控制单元70的CPU 72首先输入控制所需的各种数据，即来自加速踏板位置传感器84的加速器开度Acc、来自车速传感器88的车速V、电动机MG1和MG2的转速Nm1和Nm2、进气温度Ta、来自大气压力传感器89的大气压力Pa、充放电电力需求Pb*、充放电电力Pb和电池50的输入限制Win和输出限制Wout(步骤S100)。电动机MG1和MG2的转速Nm1和Nm2从由旋转位置检测传感器43和44所检测到的电动机MG1和MG2的相应转子的旋转位置进行计算，并通过通信从电动机ECU 40接收。进气温度Ta由温度传感器149测量，并通过通信从发动机ECU 24接收。充放电电力需求Pb*是基于电池50的荷电状态SOC来设定，并通过通信从电池ECU 52接收。电池50的输入限制Win和输出限制Wout基于由温度传感器51测得的电池50的电池温度Tb和电池50的荷电状态SOC来设定，并通过通信从电池ECU 52接收。设定电池50的输入和输出限制Win和Wout的具体程序是：设定与电池温度Tb相对应的输入限制Win和输出限制Wout的基本值，设定与电池50的荷电状态SOC相对应的输入限制校正因子和输入限制校正因子，并将输入限制Win和输出限制Wout的基本值乘以所设定的输入限制校正因子和输出限制校正因子，从而确定电池50的输入限制Win和输出限制Wout。图4示出了输入限制Win和输出限制Wout相对于电池温度Tb的变化。图5示出了输入限制校正因子和输出限制校正因子相对于电池50的荷电状态SOC的变化。
在数据输入后，CPU 72基于输入的加速器开度Acc和输入的车速V，判定混合动力车辆20是否处于稳定状态(步骤S110)。当混合动力车辆20处于稳定状态时(步骤S110：是)，根据以下给出的反馈关系式
(1)调整充放电电力需求Pb*，以消除输入的充放电电力需求Pb*和输入的充放电电力Pb之间的差异(步骤S120)：
Pb*←Pb*+kb1·(Pb*-Pb)+kb2∫(Pb*Pb)dt    (1)
这种对充放电电力需求Pb*的调整使得作为实际对电池50充电的和从电池50放电的充放电电力Pb接近充放电电力需求Pb*，并使混合动力车辆20的电力平衡最佳。此处，稳定状态表示这样的巡航驱动状态：在预设时段中加速器的开度Acc基本没有变化，在预设的时段中车辆速度V在规定的范围变化。在以上给出的式(1)中，右侧的第二项“kb1”和第三项“kb2”分别表示比例项增益和积分项增益。
CPU 72随后基于输入的加速器开度Acc和输入的车速V，设定扭矩需求Tr*，并设定混合动力车辆20所需的动力需求P*，其中扭矩需求Tr*将要输出到与驱动车轮63a和63b连接的齿圈轴32a或驱动轴作为混合动力车辆20所需的扭矩(步骤S130)。在本实施例中设置扭矩需求Tr*的具体过程是，预先将扭矩需求Tr*相对于加速器开度Acc和车速V的变化以扭矩需求设置图的形式存储在ROM 74中，并从该扭矩需求设置图读取与给出的加速器开度Acc和给出的车速V相对应的扭矩需求Tr*。图6示出了扭矩需求设置图的一个示例。动力需求P*计算为下列各项之和：扭矩需求Tr*与齿圈轴32a的转速Nr的乘积、将对电池50充电或者从电池50放电的充放电电力需求Pb*、以及电势损失。通过将车速V乘以预设的转换因子或者将电动机MG2的转速Nm2除以减速齿轮35的传动比Gr，来获得齿圈轴32a的转速Nr。
CPU 72随后基于反映供应到发动机22的吸入空气的密度的进气温度Ta和大气压力Pa设定校正系数keg(步骤S140)，并将所设定的动力需求P*乘以所设定的校正系数keg，以确定将要从发动机22输出的目标发动机动力Pe*(步骤S150)。即，通过用反映吸入空气密度的校正系数keg校正动力需求P*来设定目标发动机动力Pe*。即使在发动机转速不变和节气门开度不变的情况下，发动机的输出动力也随吸入空气的密度变化而变化。本实施例的校正对变化的发动机22的输出进行补偿。本实施例中设定校正系数keg的具体程序是，首先设定对应于进气温度Ta的校正因子ka和对应于大气压力Pa的校正因子kp，并将所设定的校正因子ka乘以所设定的校正因子kp以确定校正系数keg。图7作为一个示例给出了校正因子ka相对于进气温度Ta的曲线图。图8作为一个示例给出了校正因子kp相对于大气压力Pa的曲线图。在图7的示例中，在进气温度Ta从温度T2升高到温度T3并包括标准的温度Tset(例如，25℃)的范围中，校正因子ka固定为1.0。校正因子ka设定成随着进气温度Ta从温度T2降低到T1而减小。校正因子ka设定成随着进气温度Ta从温度T3升高到T4而增大。在进气温度Ta低于温度T1的范围，校正因子ka固定为温度T1时的值。在进气温度Ta高于温度T4的范围，校正因子ka固定为温度T4时的值。温度T2和T3限定了死区，在死区中，校正因子ka保持固定为标准温度Tset时的值。温度T1时的校正因子ka规定了下限，温度T4时的校正因子ka规定了上限。进气温度Ta越低，空气密度就越高，造成了发动机22的输出动力越大。因此，本实施例的程序对于越低的进气温度Ta设定越小的校正因子ka，从而调节发动机22的输出动力。设定死区和上限以及下限有利于防止基于进气温度Ta进行的校正过度。在图8的示例中，在大气压力Pa从压力P2升高到压力P3并包括标准压力(例如，1大气压力)的范围中，校正因子kp固定为1.0。校正因子kp设定成随着大气压力Pa从压力P2向P1降低而增大。校正因子kp设定成随着大气压力Pa从压力P3向P4升高而降低。在大气压力Pa低于压力P1的范围，校正因子kp固定为压力P1时的值。在大气压力Pa高于压力P4的范围，校正因子kp固定为压力P4时的值。压力P2和P3限定了死区，在死区中，校正因子kp保持固定为标准压力(1大气压力)时的值。压力P1时的校正因子kp规定了上限，压力P4时的校正因子kp规定了下限。大气压力Pa越低，空气密度就越低，造成了发动机22的输出动力越小。因此，本实施例的程序对于越低的大气压力Pa设定越大的校正因子kp，从而调节发动机22的输出动力。设定死区和上限以及下限有利于防止基于大气压力Pa进行的校正过度。
CPU 72随后对应于目标发动机动力Pe*设定发动机22的目标转速Ne*和目标扭矩Te*(步骤S160)。发动机22的目标转速Ne*和目标扭矩Te*是根据确保发动机22有效运行的有效运行曲线和目标发动机动力Pe*的曲线来确定。图9示出了发动机22的有效运行曲线，用于设定目标转速Ne*和目标扭矩Te*。如从图9清楚可见，目标转速Ne*和目标扭矩Te*是有效运行曲线与恒定的目标发动机动力Pe*(＝Ne*×Te*)曲线的交点。
CPU 72根据以下给出的式(2)从发动机22的目标转速Ne*、齿圈轴32a的转速Nr(＝Nm2/Gr)和动力分配集成机构30的传动比ρ来计算电动机MG1的目标转速Nm1*，同时根据以下给出的式(3)从计算出的目标转速Nm1*和电动机MG1的当前转速Nm1来计算电动机MG1的扭矩指令Tm1*(步骤S 170)：
Nm1*＝Ne*·(1+ρ)/ρ-Nm2/(Gr·ρ)(2)
Tm1*＝前次Tm1*+k1(Nm1*-Nm1)+k2∫(Nm1*-Nm1)dt    (3)
式(2)是动力分配集成机构30中所包括的旋转元件的动力学关系式。图10是示出动力分配集成机构30中所包括的各个旋转元件的扭矩-转速动力学的共线图。左轴‘S’表示太阳轮31的转速，太阳轮31的转速等于电动机MG1的转速Nm1。中间轴‘C’表示行星轮架34的转速，行星轮架34的转速等于发动机22的转速Ne。右轴‘R’表示电动机MG2的转速Nm2除以减速机构35的传动比Gr获得的齿圈32的转速Nr。式(2)容易从图10的共线图导出。图10中轴线‘R’上的两个向上的粗箭头分别表示当扭矩Tm1从电动机MG1输出时施加到齿圈轴32a的扭矩和当扭矩Tm2从电动机MG2输出时经由减速齿轮35施加到齿圈轴32a的扭矩。式(3)是驱动电动机MG1并使电动机MG1以目标转速Nm1*旋转的反馈控制的关系表达式。在上面给出的式(3)中，右侧第二项中的‘k1’和第三项中的‘k2’分别指比例项增益和积分项增益。
在计算出电动机MG1的目标转速Nm1*和扭矩指令Tm1*后，CPU 72根据以下给出的式(4)和(5)计算扭矩下限Tmin和扭矩上限Tmax，作为可以从电动机MG2输出的最小和最大扭矩(步骤S180)：
Tmin＝(Win-Tm1*·Nm1)/Nm2(4)
Tmax＝(Wout-Tm1*·Nm1)/Nm2(5)
扭矩下限Tmin是通过将电池50的输入限制Win和电动机MG1的电力消耗(产生动力)之间的差值除以输入的电动机MG2当前转速Nm2得到的，其中电动机MG1的电力消耗(产生动力)是扭矩指令Tm1*和输入的电动机MG1当前转速Nm1的乘积。扭矩上限Tmax是通过将电池50的输出限制Wout和电动机MG1的电力消耗(产生动力)的差值除以输入的电动机MG2当前转速Nm2得到的。CPU 72然后根据以下给出的式(6)，从扭矩需求Tr*、电动机MG1的扭矩指令Tm1*、动力分配集成机构30的传动比ρ和减速齿轮35的传动比Gr，来计算将从电动机MG2输出的暂定电动机扭矩Tm2tmp(步骤S190)：
Tm2tmp＝(Tr*+Tm1*/ρ)/Gr    (6)
CPU 72将暂定电动机扭矩Tm2tmp限制在所计算的扭矩下限Tmin与扭矩上限Tmax之间的范围，以设定电动机MG2的扭矩指令Tm2*(步骤S200)。以此方式设定电动机MG2的扭矩指令Tm2*把要输出到齿圈轴32a或者驱动轴的扭矩指令Tr*制约在电池50的输入限制Win和输出限制Wout之间的范围内。方程式(6)容易从图10的共线图中导出。
在设定发动机22的目标转速Ne*和目标扭矩Te*和电动机MG1和MG2的扭矩指令Tm1*和Tm2*之后，CPU 72将发动机22的目标转速Ne*和目标扭矩Te*发送到发动机ECU 24，并将电动机MG1和MG2的扭矩指令Tm1*和Tm2*发送到电动机ECU 40(步骤S210)，然后从图3的驱动控制例程中退出。发动机ECU 24接收目标转速Ne*和目标扭矩Te*的设定，并且执行发动机22的进气流量调节控制、燃料喷射控制、和点火控制，以使发动机22在目标转速Ne*和目标扭矩Te*的特定驱动点下运转。电动机ECU 40接收扭矩指令Tm1*和Tm2*的设定，并执行对相应的逆变器41和42所包括的开关元件的切换控制，以用扭矩指令Tm1*驱动电动机MG1和用扭矩指令Tm2*驱动电动机MG2。
在进气温度Ta较低或者大气压力Pa较高造成吸入空气密度较高的状态下，校正系数keg设定成小于值1.0。因而，所设定的目标发动机动力Pe*比动力需求P*更小。对发动机22和电动机MG1和MG2进行控制，从而确保从发动机22输出此更小的目标发动机动力Pe*以及输出扭矩需求Tr*。在基于标准温度Tset和标准压力(1大气压力)控制发动机22的情况下，从发动机22输出的动力等于动力需求P*，该动力需求P*大于目标发动机动力Pe*。这导致了在吸入的空气密度较高的状态下超出预期的较大动力从发动机22输出，并使得用过量的电力对电池50进行过度的充电。本实施例的驱动控制有效防止了电池50在吸入空气的密度较高的情况下被用过量的电力过度地充电。另一方面，在进气温度Ta较高或者大气压力Pa较低造成吸入空气密度较低的状态下，校正系数keg设定成大于值1.0。因而，所设定的目标发动机动力Pe*比动力需求P*更大。对将发动机22和电动机MG1和MG2进行控制，从而确保从发动机22输出此更大的目标发动机动力Pe*以及输出扭矩需求Tr*。在基于标准温度Tset和标准压力(1大气压力)控制发动机22的情况下，从发动机22输出的动力等于动力需求P*，该动力需求P*小于目标发动机动力Pe*。这导致了在吸入空气密度较低的状态下只有不足量的动力从发动机22输出，并使得电池50过度放电以供应过量的电力。本实施例的驱动控制有效防止了电池50在吸入空气的密度较低的情况下过度放电而供应过量的电力。
在以上所述的实施例的混合动力车辆20中，驱动控制基于反映供应到发动机22的吸入空气的密度的进气温度Ta和大气压力Pa校正混合动力车辆20所需的动力需求P*，由此设定将要从发动机22输出的目标发动机动力Pe*。然后将发动机22和电动机MG1和MG2控制成确保发动机动力需求Pe*从发动机22输出和扭矩需求Tr*的输出。吸入空气的密度的变化会造成从发动机22输出过量的动力或者从发动机22输出不足的动力。对电池50充电或者电池50放电以补偿从发动机22输出的过量的电力，或者补偿从发动机22输出的不足的动力。本实施例的驱动控制有效地处理了环境的变化，并防止电池50用超出预期的较高电力过度充电，或者防止电池50过度放电以供应超出预期的较高电力。用于计算校正系数keg
(校正系数keg乘以动力需求P*以设定目标发动机动力Pe*)的校正因子ka和校正因子kp分别相对于变化的进气温度Ta具有死区和上下限，相对于变化的大气压力Pa具有死区和上下限。这样的设定有利于防止基于进气温度Ta或者基于大气压力Pa的校正过度，并能够设定适合的目标发动机动力Pe*。仅仅当混合动力车辆20处于稳定状态时，才根据加速器开度Acc和车辆速度V调节充放电电力需求Pb*。对充放电电力需求Pb*这样的调节使充放电电力Pb(实际对电池50充电和从电池50放电的电力)接近充放电电力需求Pb*，并使混合动力车辆20的电力平衡最佳。
在本实施例的混合动力车辆20中，基于反映吸入空气密度的进气温度Ta和大气压力Pa来设定校正系数keg。然而，这样的设置不是必要的。例如，可以不管大气压力Pa如何变化，仅仅基于进气温度Ta设定校正系数keg。在另一个示例中，可以不管进气温度Ta如何变化，仅仅基于大气压力Pa设定校正系数keg。还可以以其它的方式基于直接测得的吸入空气密度或者基于从进气温度Ta和大气压力Pa算出的吸入空气密度设定校正系数keg。
在本实施例的混合动力车辆20中，用于确定校正系数keg的校正因子ka在包括标准温度Tset的进气温度Ta的中间范围具有为固定值的死区，并在低于温度T1的进气温度Ta的范围规定下限，在高于温度T4的进气温度Ta的范围规定上限。然而，死区和上限以及下限不是必要的，可以在不需要时省略。在本实施例的混合动力车辆中，用于确定校正系数keg的校正因子kp在包括标准压力(1大气压力)的大气压力Pa的中间范围具有为固定值的死区，并在高于压力P4的大气压力Pa的范围规定下限，在低于压力P1的大气压力Pa的范围规定上限。然而，死区和上限以及下限不是必要的，可以在不需要时省略。
当判定混合动力车辆20处于稳定状态时，本实施例的驱动控制基于加速器开度Acc和车辆速度V调节充放电电力需求Pb*。一种可行的修改可以不管混合动力车辆是在稳定状态下还是在非稳定的状态下都调节充放电电力需求Pb*。另一个可行的修改可以是即使当混合动力车辆在稳定状态时也不对充放电电力需求Pb*进行调节。
在本实施例的混合动力车辆20中，电动机MG2的动力受到减速齿轮35的变速，并输出到齿圈轴32a。如图11所示的混合动力车辆120的一个可行修改中，电动机MG2的动力可以输出到另一个车轴(即，与车轮64a和64b连接的车轴)，该车轴和与齿圈轴32a连接的车轴(即，与车轮63a和63b连接的车轴)不同。
在本实施例的混合动力车辆20中，发动机22的动力经由动力分配集成机构30输出到齿圈轴32a，齿圈轴32a用作与驱动车轮63a和63b连接的驱动轴。在图12的另一个可行的修改中，混合动力车辆220可以具有成对转子电动机230，该成对转子电动机230具有与发动机22的曲轴26连接的内转子232和与用于将动力输出到驱动车轮63a和63b的驱动轴连接的外转子234，成对转子电动机230将发动机22输出的动力的一部分传递到驱动轴，同时将动力的其余部分转换成电力。
本实施例涉及装备有动力输出设备的混合动力车辆20作为本发明的一个应用。然而，本发明不限于安装在混合动力车辆上的动力输出设备。本发明的动力输出设备可以安装在包括机动车和各种其它车辆、船舶和飞行器的各种移动体中任何一种上，并且可以安装在诸如建设设备的不移动的设备中。本发明的技术也可以实现为对动力输出设备的控制方法。
上述实施例在所有方面都被视为示例性和非限制性的。在不脱离本发明的主要特征的范围和精神的情况下可以有许多修改、变化和替换。本发明的范围和精神由所附权利要求表示，而非由以上描述来表示。
工业应用性
本发明的技术优选应用于动力输出设备和机动车辆的制造行业和其它有关行业。

Claims (19)

1.一种动力输出设备，其将动力输出到驱动轴，所述动力输出设备包括：
内燃机；
电力-机械动力输入输出机构，其与所述内燃机的输出轴连接并与所述驱动轴连接，并通过输入和输出电力和机械动力，来将动力输出到所述输出轴和所述驱动轴和从所述输出轴和所述驱动轴输入动力；
电动机，其能够将动力输出到所述驱动轴和从所述驱动轴输入动力；
蓄电单元，其向所述电力-机械动力输入输出机构和所述电动机传输电力和从所述电力-机械动力输入输出机构和所述电动机传输电力；
充放电电力需求设定模组，其设定充放电电力需求，所述充放电电力需求是要被充电到所述蓄电单元中或者要从所述蓄电单元放电的电力；
输入/输出限制设定模组，其设定所述蓄电单元的输入和输出限制，作为可对所述蓄电单元充电和可从所述蓄电单元放电的可充电电力和可放电电力；
空气密度影响物理量检测单元，其检测对吸入所述内燃机中的空气的密度造成影响的物理量；
驱动力需求设定模组，其设定所述驱动轴所需的驱动力需求；
目标驱动点设定模组，其基于所设定的驱动力需求、所设定的充放电电力需求和所检测到的空气密度影响物理量，设定所述内燃机的目标驱动点；以及
控制模组，其控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电动机，使得在所述输入限制和所述输出限制的范围内以所设定的目标驱动点驱动所述内燃机，并确保与所设定的驱动力需求相等的驱动力输出到所述驱动轴。
2.根据权利要求1所述的动力输出设备，其中，所述空气密度影响物理量检测单元包括测量吸入所述内燃机中的所述空气的温度的温度测量单元。
3.根据权利要求1所述的动力输出设备，其中，所述空气密度影响物理量检测单元包括测量大气压力的大气压力测量单元。
4.根据权利要求1所述的动力输出设备，其中，所述目标驱动点设定模组确定与所设定的驱动力需求和所设定的充放电电力需求相对应的、将要从所述内燃机输出的暂定动力需求，用基于所检测到的空气密度影响物理量的校正因子校正所确定的暂定动力需求，从而设定目标动力，并基于所设定的目标动力和用于所述内燃机有效运行的有效运行制约，将所述目标驱动点设定为所述内燃机的目标转速和目标扭矩的组合。
5.根据权利要求4所述的动力输出设备，其中，当所检测到的空气密度影响物理量处于包括标准量的预设第一范围中时，所述目标驱动点设定模组将所述暂定动力需求设定为所述目标动力。
6.根据权利要求4所述的动力输出设备，其中，当所检测到的空气密度影响物理量处于包括标准量的预设第二范围以外时，所述目标驱动点设定模组将所述预设第二范围的边界确定为所检测的空气密度影响物理量，来设定所述目标动力。
7.根据权利要求1所述的动力输出设备，其中，所述控制模组设定所述电力-机械动力输入输出机构的目标工作状况，使得以所设定的目标驱动点的转速驱动所述内燃机，并控制所述电力-机械动力输入输出机构使其在所设定的目标工作状况下被驱动。
8.根据权利要求7所述的动力输出设备，所述动力输出设备还包括：
转速检测单元，其检测所述内燃机的转速，
其中，所述控制模组进行所述电力-机械动力输入输出机构的反馈控制，以消除所设定的目标驱动点的所述转速和所检测到的所述内燃机的转速之间的差。
9.根据权利要求1所述的动力输出设备，所述动力输出设备还包括：
充放电电力检测单元，其检测充放电电力，所述充放电电力是实际充电到所述蓄电单元中或者从所述蓄电单元实际放电的，
其中，在预设条件成立时，所述充放电电力需求设定模组通过基于所检测到的充放电电力的校正来设定所述充放电电力需求。
10.根据权利要求9所述的动力输出设备，其中，所述预设条件是所述驱动轴处在大致稳定的驱动状态。
11.根据权利要求1所述的动力输出设备，其中，所述电力-机械动力输入输出机构包括：
三轴式动力输入输出模组，其连接到三个轴，所述三个轴是所述内燃机的输出轴、所述驱动轴和旋转轴，并基于从所述三个轴中的任何两个轴输入的动力而从其余一个轴输入动力，和基于输出到所述三个轴中的任何两个轴的动力而将动力输出到其余一个轴；和
发电机，其从所述旋转轴输入动力，和将动力输出到所述旋转轴。
12.一种车辆，所述车辆装备有根据权利要求1至11任一项的所述动力输出设备，其中，车轴连接到所述驱动轴。
13.一种动力输出设备的控制方法，所述动力输出设备包括：内燃机；电力-机械动力输入输出机构，其与所述内燃机的输出轴连接并与所述驱动轴连接，并通过输入和输出电力和机械动力来将动力输出到所述输出轴和所述驱动轴和从所述输出轴和所述驱动轴输入动力；电动机，其能够将动力输出到所述驱动轴以及从所述驱动轴输入动力；以及蓄电单元，其向所述电力-机械动力输入输出机构和所述电动机传输电力和从所述电力-机械动力输入输出机构和所述电动机传输电力；
所述控制方法基于所述驱动轴所需的驱动力需求、要充电到所述蓄电单元中或者要从所述蓄电单元放电的充放电电力需求、和影响吸入所述内燃机中的空气的密度的空气密度影响物理量，来设定所述内燃机的目标驱动点，
所述控制方法控制所述内燃机、所述电力-机械动力输入输出机构和所述电动机，使得在输入限制和输出限制的范围内以所设定的目标驱动点驱动所述内燃机，并确保与所设定的驱动力需求相等的驱动力输出到所述驱动轴，其中，所述输入限制和所述输出限制设定为可对所述蓄电单元充电和可从所述蓄电单元放电的电力。
14.根据权利要求13所述的动力输出设备的控制方法，其中，所述空气密度影响物理量包括吸入所述内燃机中的所述空气的温度，或者大气压力。
15.根据权利要求13所述的动力输出设备的控制方法，其中，所述控制方法确定与所述驱动力需求和所述充放电电力需求相对应的、将要从所述内燃机输出的暂定动力需求，用基于所述空气密度影响物理量的校正因子校正所确定的暂定动力需求，从而设定目标动力，并基于所设定的目标动力和用于所述内燃机有效运行的有效运行制约，将所述目标驱动点设定为所述内燃机的目标转速和目标扭矩的组合。
16.根据权利要求15所述的动力输出设备的控制方法，其中，当所述空气密度影响物理量处于包括标准量的预设第一范围中时，所述控制方法将所述暂定动力需求设定为所述目标动力。
17.根据权利要求15所述的动力输出设备的控制方法，其中，当所述空气密度影响物理量处于包括标准量的预设第二范围以外时，所述控制方法将所述预设第二范围的边界确定为所述空气密度影响物理量，来设定所述目标动力。
18.根据权利要求13所述的动力输出设备的控制方法，其中，所述控制方法设定所述电力-机械动力输入输出机构的目标工作状况，使得以所设定的目标驱动点的转速驱动所述内燃机，并控制所述电力-机械动力输入输出机构使其在所设定的目标工作状况下被驱动。
19.根据权利要求18所述的动力输出设备的控制方法，所述控制方法进行所述电力-机械动力输入输出机构的反馈控制，以消除所设定的目标驱动点的所述转速和所述内燃机的所述转速之间的差。
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