CN101357633A - 串联式混合动力车辆的驱动方法和系统 - Google Patents

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本发明提供了一种串联式混合动力车辆的驱动方法和系统，该方法包括：驱动处于行驶状态的车辆，其中，当电池荷电量大于下限阈值并且加速度不大于上限加速度的情况下，由电池为电动机供电而驱动车辆行驶，并且保持发动机不工作；当电池荷电量小于下限阈值或者加速度大于上限加速度的情况下，启动发动机驱动发电机发电。因此，可以在最大限度上使用电力而减少使用燃油，实现了最好的燃油经济性。

Description

串联式混合动力车辆的驱动方法和系统
技术领域
本发明涉及混合动力车辆的控制技术领域，更具体地说，涉及一种用于串联式混合动力车辆的驱动方法和系统。
背景技术
目前在世界范围内对于环保的重视程度日益加深，而且石油资源短缺的问题也日益突出，对此有效的解决方式就是限制由内燃机提供动力的车辆的使用，转而以由可充电电池提供动力的车辆来取代，这就使得采用电力驱动车辆的技术成为工业界研究开发的方向。目前来说，由于电池技术的限制，纯电动车辆具有行驶里程的局限性，而混合动力车辆则可以避免这样的问题，而且成本相对便宜，因而成为了目前电力驱动车辆技术领域的主导。
目前混合动力车辆有串联式、并联式和混联式三种布置方法。串联式混合动力车辆的动力系统由发动机、发电机和电动机三部分组成，它们之间用串联方式组成，发动机驱动发电机发电，电能被输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动车辆。串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。
然而，就这样一个看似合理的能量分配方法，不得不指出的是在从发动机提供扭矩，经过发电机和电池的能量转换，再由电动机提供扭矩给车轮，这一过程中将消耗约25％的功率。那么，从总体上看，对现有技术的串联式混合动力车辆的动力系统的能量分配方法来说，其燃油经济性仍然比较差。
发明内容
本发明针对现有技术的串联式混合动力车辆的驱动方法的燃油经济性差的缺点，提供了一种燃油经济性好的串联式混合动力车辆的驱动方法和系统。
本发明提供的串联式混合动力车辆的驱动方法包括驱动处于行驶状态的车辆，其中，当电池荷电量大于下限阈值并且加速度不大于上限加速度的情况下，由电池为电动机供电而驱动车辆行驶，并且保持发动机不工作；当电池荷电量小于下限阈值或者加速度大于上限加速度的情况下，启动发动机驱动发电机发电。
本发明提供的串联式混合动力车辆的驱动系统包括加速度传感器、电量测量装置、整车控制器、发动机、发电机、逆变器、电动机和电池，其中发动机、发电机、逆变器和电池顺序连接，电动机通过逆变器与电池相连并通过变速机构与车轮相连从而驱动车辆行驶，其中，加速度传感器，与整车控制器连接，用于测量车辆的加速度，并且将该加速度发送给整车控制器；电量测量装置，与电池和整车控制器连接，用于测量电池荷电量，并将该电量发送给整车控制器；整车控制器用于接收加速度传感器测得的加速度和电量测量装置测的电池荷电量，并且将该加速度和电池荷电量分别与各自阈值执行比较，当电池荷电量大于下限阈值并且加速度不大于上限加速度的情况下，控制电池为电动机供电而驱动车辆行驶，并且保持发动机不工作；当电池荷电量小于下限阈值或者加速度大于上限加速度的情况下，启动发动机驱动发电机发电。
本发明提供的串联式混合动力车辆的驱动装置和方法是以使用电池为主，并且以电源为电池充电，仅当车辆的加速度大于上限加速度时或电池荷电量不足时启动发动机，减少了由化学能到机械能到电能再到机械能的转化过程发生的次数和时间，也就减少了这一系列转化过程当中的能量损失，从而在最大限度上使用电力而减少使用燃油，实现了最好的燃油经济性。
附图说明
图1是串联式混合动力系统组成的示意图；
图2是根据本发明的方法的流程图；
图3A是根据本发明的方法的纯电动模式的能量流动的示意图；
图3B是根据本发明的方法的串联模式的能量流动的示意图；
图3C是根据本发明的方法的满负荷模式的能量流动的示意图；
图3D是根据本发明的方法的刹车回馈模式的能量流动的示意图；
图3E是根据本发明的方法的便携充电模式的能量流动的示意图。
具体实施方式
如图1所示，串联式混合动力车辆的驱动系统包括顺序连接的发动机、第一电机(用作发电机)、逆变器和电池，以及通过逆变器与电池相连的第二电机(用作电动机)，第二电机通过变速机构(未示出)与车轮相连从而为车辆提供动力驱动其行驶。整车控制器则可以同时对发动机、第一电机、第二电机执行控制，控制其启动和停止。另外，电池还可以通过电源来进行充电。
本发明提供的串联式混合动力车辆的驱动方法，该方法包括：驱动处于行驶状态的车辆，其中，当电池荷电量大于下限阈值并且加速度不大于上限加速度的情况下，由电池为电动机供电而驱动车辆行驶，并且保持发动机不工作；当电池荷电量小于下限阈值或者加速度大于上限加速度的情况下，启动发动机驱动发电机发电。
为了便于描述，将车辆分为5种工作模式，即纯电动模式、串联模式、满负荷模式、刹车回馈模式和便携充电模式。
以下将参考图2所示的流程来说明本发明提供的方法的工作步骤。
根据本发明的方法，当车辆启动时，首先整车控制器将读取电池荷电量(SOC)，判断该SOC值是否大于下限阈值，如果该SOC值大于下限阈值，车辆以电池为第二电机供电而驱动，把这种仅以电池供电的模式被称为纯电动模式，并且车辆处于行驶状态，当SOC值大于下限阈值，并且速度变化平稳，也就是加速度不大于上限加速度，车辆仍仅以电池为第二电机供电而驱动，仍然是纯电动模式。所述纯电动模式的能量流动如图3A所示。
根据本发明的方法，当SOC值小于下限阈值或者加速度大于上限加速度时，均会启动发动机驱动发电机发电。但是两者之间有所不同，当SOC值小于下限阈值且加速度不大时，电池需要充电而且车辆也需要动力源，那么启动发动机，发动机驱动发电机发电为电动机供电，电动机驱动车辆行驶，并且发电机为电池充电。这种模式称为串联模式，其能量流动如图3B所示。当SOC值达到充电上限阈值时，车辆将退出串联模式，转而切换到纯电动模式运行。而当SOC值不小于下限阈值但加速度大于上限加速度的情况下，此时仅由电池提供动力不能满足车辆的需要，也需要启动发动机，那么在采用电池为电动机供电的同时，启动发动机驱动发电机发电为电动机供电，电动机驱动车辆行驶。把这种模式称为满负荷模式运行，其能量流动如图3C所示。当加速度减小后，车辆将退出满负荷模式，转而切换到纯电动模式运行。
根据本发明的方法，当车辆处于行驶状态，当加速度大于回馈加速度且为负时，如果电池荷电量小于上限阈值，由电动机将刹车所产生的机械能转化为电能并存储到电池中。如果电池荷电量大于上限阈值，此时不能再对电池进行充电，则不对该机械能进行转化。把这种在刹车阶段的工作模式称为刹车回馈模式，当速度变化平稳以后，则推出该模式，其能量流动如图3D所示。
根据本发明的方法，当车辆处于静止状态，由电源对电池进行充电，把这种模式称为便携充电模式，其能量流动如图3E所示。
一般来说，电池的过充电和过放电对电池的寿命都是有不利影响的。在本发明的方法中，所述下限阈值是电池放电的下限SOC值；所述上限阈值是电池充电的上限SOC值，用于限制刹车时是否进入刹车回馈模式，这两者都是根据电池充电特性而确定的，如所述下限阈值可以是5％至10％，所述上限阈值可以是90％至95％。而所述上限加速度则与电动车中采用的电池有关，电池的放电电流的大小和大电流放电的持续时间决定了电池能够提供的最大输出功率，相应可以计算出上限加速度的范围。根据目前本领域常用的电池来计算，上限加速度的范围是2.3-2.5米/秒2，也就是说当车辆的正向加速度超出这个范围时，车辆就应当进入满负荷模式，以满足输出功率的需求。所述回馈加速度则对应于发生急刹车时的加速度，一般来说大于等于2.6米/秒2，也就是说当车辆的反向加速度不小于2.6米/秒2时，车辆就应当进入刹车回馈模式，以便回收刹车能量，从而增加车辆续驶里程。
优选地，在本发明的方法中，采用一个设定的阈值代替电池充电的上限阈值作为发动机带动发电机为电池充电的实际上限阈值，该实际上限阈值为本次充电前，单位时间内行使相同或相近的里程，或者行驶相同时间多次充电量的平均值。其数值是由整车控制器通过对多次积累的电池耗电量进行自学习来确定，一般来说远小于由电池特性而确定的电池充电上限阈值，从而在最大限度上使用电力而减少使用燃油，实现了最好的燃油经济性。
下面通过示例说明所述实际上限阈值的确定方法。例如，针对上班族，他们每天的行车路线基本固定，大致是从家里到公司的这段距离，其能耗和距离具有规律性，这样车主在返程的过程中(假设距离稍微远，电池电量不够往返使用)会在电池电量为下限阈值时启动发动机开始发电，但是如果直到电池电量达到上限阈值时才停止发电，有可能导致电池的电量在停车时还有大量剩余，此时车上的整车控制器将记录下停车时的电池的SOC值(设为SOC5)，SOC5-下限阈值+路上损耗＝发电量＝发动机功率×发电时间，所以可以算出在回程时大致需要充电电量，这个数值加上下限阈值后为SOC6，也就是说返程时只需要发动机带动发电机给电池充电到SOC6就可以到家，经过多次记录(次数为N)SOC6的值后整车控制器将各值取平均值并将该值保存在存储器里以后整车控制器将控制发动机带动发电机给电池充电只充到SOC6即可，从而最大限度的使用电池而少使用燃油。如果行车路程长期发生改变，整车控制器会根据实际情况重新记录SOC6值；如果行车路程临时发生改变，当SOC值小于下限阈值时，车辆将再次进入串联模式。基于上述需求，其中所述多次充电量存储在整车控制器的存储器中。
本发明提供的串联式混合动力车辆的驱动系统，该系统包括：加速度传感器、电量测量装置、整车控制器、发动机、发电机、逆变器、电动机和电池，其中发动机、发电机、逆变器和电池顺序连接，电动机通过逆变器与电池相连并通过变速机构与车轮相连从而驱动车辆行驶，其中，加速度传感器，与整车控制器连接，用于测量车辆的加速度，并且将该加速度发送给整车控制器；电量测量装置，与电池和整车控制器连接，用于测量电池荷电量，并将该电量发送给整车控制器；整车控制器用于接收加速度传感器测得的加速度和电量测量装置测的电池荷电量，并且将该加速度和电池荷电量分别与各自阈值执行比较，当电池荷电量大于下限阈值并且加速度不大于上限加速度的情况下，控制电池为电动机供电而驱动车辆行驶，并且保持发动机不工作；当电池荷电量小于下限阈值或者加速度大于上限加速度的情况下，启动发动机驱动发电机发电。
优选地，所述整车控制器还用于当电池荷电量小于下限阈值的情况下，启动发动机，发动机驱动发电机发电为电动机供电，电动机驱动车辆行驶，并且发电机为电池充电。
优选地，所述电池充电的上限阈值为本次充电前，单位时间内行使相同或相近的里程，或者行驶相同时间多次充电量的平均值。其中所述多次充电量存储在整车控制器中。
优选地，所述系统还包括电动机状态切换装置，所述整车控制器还用于当加速度大于回馈加速度且为负时，如果电池荷电量小于上限阈值，该装置将电动机切换到发电状态将刹车所产生的机械能转化为电能并存储到电池中。
对于电机来说，它本身可以兼做发动机和电动机，这是由电机控制器来控制的，电动机状态切换装置是可以实现使电机控制器执行电动机状态切换的装置，可以是由与加速度传感器连接的比较器控制的开关，也可以是由车辆驾驶员控制的开关。
优选地，所述整车控制器还用于当加速度大于上限加速度的情况下，采用电池为电动机供电的同时，启动发动机驱动发电机发电为电动机供电，电动机驱动车辆行驶。
本发明的系统的加速度传感器，可以采用本领域公知的各种加速度传感器，如光电式、水银式、差动变压式和半导体式等，而且可以安装在车辆的位置，一般安装在车辆的行李舱内或发动机舱内。
本发明的系统的电量测量装置、整车控制器、发动机、发电机、逆变器、电动机和电池为本领域技术人员所公知，可以采用各种电量测量装置、整车控制器、发动机、发电机、逆变器、电动机和电池，其具体结构不再赘述。

Claims (10)

1、一种串联式混合动力车辆的驱动方法，该方法包括：驱动处于行驶状态的车辆，其特征在于，当电池荷电量大于下限阈值并且加速度不大于上限加速度的情况下，由电池为电动机供电而驱动车辆行驶，并且保持发动机不工作；当电池荷电量小于下限阈值或者加速度大于上限加速度的情况下，启动发动机驱动发电机发电。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当电池荷电量小于下限阈值的情况下，启动发动机，发动机驱动发电机发电为电动机供电，电动机驱动车辆行驶，并且发电机为电池充电。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，电池充电的上限阈值为本次充电前，单位时间内行使相同或相近的里程，或者行驶相同时间多次充电量的平均值。
4、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当加速度大于回馈加速度且为负时，如果电池荷电量小于上限阈值，由电动机将刹车所产生的机械能转化为电能并存储到电池中。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当加速度大于上限加速度的情况下，采用电池为电动机供电的同时，启动发动机驱动发电机发电为电动机供电，电动机驱动车辆行驶。
6、一种串联式混合动力车辆的驱动系统，该系统包括：加速度传感器、电量测量装置、整车控制器、发动机、发电机、逆变器、电动机和电池，其中发动机、发电机、逆变器和电池顺序连接，电动机通过逆变器与电池相连并通过变速机构与车轮相连从而驱动车辆行驶，其特征在于，
加速度传感器，与整车控制器连接，用于测量车辆的加速度，并且将该加速度发送给整车控制器；
电量测量装置，与电池和整车控制器连接，用于测量电池荷电量，并将该电量发送给整车控制器；
整车控制器用于接收加速度传感器测得的加速度和电量测量装置测的电池荷电量，并且将该加速度和电池荷电量分别与各自阈值执行比较，当电池荷电量大于下限阈值并且加速度不大于上限加速度的情况下，控制电池为电动机供电而驱动车辆行驶，并且保持发动机不工作；当电池荷电量小于下限阈值或者加速度大于上限加速度的情况下，启动发动机驱动发电机发电。
7、根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述整车控制器还用于当电池荷电量小于下限阈值的情况下，启动发动机，发动机驱动发电机发电为电动机供电，电动机驱动车辆行驶，并且发电机为电池充电。
8、根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述整车控制器还用于控制电池充电的实际上限阈值，使电池充电的实际上限阈值为本次充电前，单位时间内行使相同或相近的里程，或者行驶相同时间多次充电量的平均值。
9、根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，该系统还包括电动机状态切换装置，所述整车控制器还用于当加速度大于回馈加速度且为负时，如果电池荷电量小于上限阈值，该装置将电动机切换到发电状态将刹车所产生的机械能转化为电能并存储到电池中。
10、根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述整车控制器还用于当加速度大于上限加速度的情况下，控制电池为电动机供电的同时，启动发动机驱动发电机发电为电动机供电，电动机驱动车辆行驶。
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