CN101386260B - 混合动力汽车在再生减速期间的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种在再生减速度期间控制混合动力汽车(1)的方法，所述方法包括如下步骤：测定汽车(1)的减速度；一旦测定了汽车(1)的减速度，操纵可逆可逆电机(13)作为发电机使用，以便再生汽车(1)的部分动能；确定伺服控制机械动力传动系统(7)每个齿轮的内燃机(5)的相应最小速度；测定和啮合最高速档齿轮，该齿轮与汽车(1)当前运动状态相结合，操纵内燃机(5)以高于相应最小速度的速度运行；只要内燃机(5)以高于相应最小速度运行时，就始终使所述齿轮处于啮合状态；当内燃机(5)运转速度低于相应最小速度时，调低速档一档。

Description

混合动力汽车在再生减速期间的控制方法

技术领域

本发明涉及混合动力汽车在再生减速度期间的一种控制方法。

背景技术

混合动力汽车由内燃机和电机组成，内燃机通过动力传动系统将动力传送给驱动轮，动力传动系统包括一种机械或自动传动装置；电机则在距离传动装置的上游或下游处电气连接到蓄电系统并机械连接到内燃机的驱动轴或动力传动系统上。

混合动力汽车可以采用各种工作方式运行：热工作方式，在这种工作方式下，只由内燃机产生动力，而电机则用作发电机向蓄能系统充电；电动工作方式，在这种方式下，内燃机不工作，仅由用作电动机的电机产生动力；混合动力工作方式，在这种方式下，内燃机和用作电动机的电机都可产生动力。为了改善减速度期间的总能源效率，电机用作再生减速度的发电机，在这种情况下，汽车的动能一与摩擦时动能全部耗散不同一部分地转换成电能，被储存在蓄电系统内。

发明内容

本发明的一个目的是提供混合动力汽车在再生减速度期间的一种控制方法，这种方法成本低廉，实施方便，可提供最大再生减速度能源效率。

本发明的另一个目的是提供混合动力汽车在再生减速度期间的一种控制方法，这种方法可提供再生减速度，对汽车乘坐人员绝对不会带来任何不适。

根据本发明，提出了混合动力汽车在再生减速度期间的一种控制方法，所述汽车包括一台内燃机；一个由若干齿轮组成的并位于内燃机和驱动轮之间的伺服控制机械动力传动系统；以及至少一台可逆电机；所述方法包括如下步骤：

测定汽车的减速度；

在测定了汽车减速度后，操纵可逆电机作为发电机使用，以便再生汽车的部分动能；

所述方法特征在于其还包括如下步骤：

确定伺服控制机械动力传动系统每个齿轮的内燃机的相应最小速度；

测定和啮合最高速档齿轮，该齿轮与汽车当前运动状态相结合，可以使内燃机以高于相应最小速度的速度运行；

只要内燃机以高于相应最小速度运行时，就始终使所述齿轮处于啮合状态；

当内燃机运转速度低于相应最小速度时，汽车调低速档一档。

附图说明

下面结合附图，并通过示例介绍本发明的实施例，附图为实施根据本发明的控制方法的混合动力汽车平面示意图，但本发明并不仅限于所述实施例。

具体实施方式

附图中的参考号1表示所述汽车整体，该汽车包括两个前轮2；以及由驱动系统(propulsion)4提供动力的两个后驱动轮3。

驱动系统4包括一台带有驱动轴6的前内燃机5；以及一个将内燃机5产生的动力传输给后驱动轮3的伺服控制动力传动系统7，同时又包括一个与内燃机形成整体的箱体内的伺服控制离合器8。

离合器8位于驱动轴6和传动轴系9之间，传动轴系的端部位于后部的伺服控制机械传动装置10内，并包括一个连接到传动轴系9上的主轴，以及一个连接到差速器11上的副轴，由差速器伸出两根半轴12，与后驱动轮3连成一体。

传动装置10由若干个齿轮组成，例如，六个前进齿轮和一个倒退齿轮，前进齿轮由第一到第六的主要数字表示，其中，第一齿轮是低速档齿轮(即，驱动轮3转速和驱动轴6转速之间的传动比最小)，而第六齿轮为高速档齿轮(即，驱动轮3转速和驱动轴6转速之间的传动比最大)。

可逆电机13(即，既能作为电动机使用来吸收电能并产生机械功，又能作为发电机使用来吸收机械功并产生电能)位于驱动轴6和离合器8之间，由与蓄电系统15电气连接的执行机构14来操纵。换句话说，支撑可逆电机13转子的可逆电机13的轴的一端安装在驱动轴6上，而其另一端安装在离合器8的输入端。

汽车1还包括一个制动系统16(如图所示)，该制动系统包括四个盘式制动器，每个分别安装到车轮2或3上；一个电子中央控制装置17(如图所示)用来控制驱动系统4并因此而控制内燃机5、伺服控制动力传动系统7以及可逆电机13。

下面介绍再生减速情况下汽车1的工作原理：

在汽车1的设计和调试阶段，就确定了传动装置10(即动力传动系统7的传动装置)每个齿轮的内燃机5最小速度，即低于该转速时，如果相应齿轮啮合，汽车1的驾驶会受影响。换句话说，当某个给定齿轮啮合且内燃机5低于相应最小速度时，汽车1的驾驶操纵就会受到影响，例如，内燃机5可能会工作不正常，出现振动，导致汽车1向前急剧颠簸。

各个齿轮的最小速度是从低速档齿轮向高速档齿轮逐渐增加的，即第二档齿轮的最小转速低于第三档齿轮的最小转速，而第三档齿轮的最小速度又低于第四档齿轮的最小速度，依次类推。根据示例，为实际汽车1所测定的这些最小速度如下：

齿轮	最小转速
		II	970rpm
III	1330rpm
		IV	1515rpm
V	1625rpm
		VI	1675rpm

在汽车1向前行使情况下，电子中央控制装置17确定汽车1的减速度，并相应地操纵可逆电机13作发电机使用，以便再生汽车1的部分动能。典型情况下，汽车1的减速度是在某个给定时间(一般几秒钟)内，内燃机5(在热驱动情况下)被断开时(即不产生动力)或可逆电机13(在电动驱动情况下)不产生动力时确定的。

一旦确定了汽车1的减速度后，电子中央控制装置17就会确定并啮合最高速档的齿轮，后者与汽车1当时运动状态相结合，以高于相应最小速度的速度操纵内燃机5运转。换句话说，电子中央控制装置17确定并啮合可能是最高速档的齿轮，该齿轮将以高于被啮合齿轮最小转速的速度来操纵内燃机5运转。

随后，只要内燃机5的运转速度高于被啮合齿轮的最小速度时，电子中央控制装置17始终使所述齿轮处于啮合状态。当内燃机5的运转速度低于被啮合齿轮的最小速度时，电子中央控制装置17就会向下降速变换一档(shift down)齿轮(即，从第五齿轮向下到第四齿轮或从第四齿轮向下到第三齿轮)，以便使得内燃机5的运转速度再次高于被啮合齿轮的最小速度。

上述齿轮控制方法可最大限度地降低(与汽车1的平顺操纵相兼容，防止给乘车者带来不舒适)内燃机5在摩擦和泵送(即“发动机制动”)时所耗散的能量。

在一个最佳实施例中，当减速完成时，汽车1停车，第二齿轮啮合(即第一齿轮未啮合)；当内燃机5的转速低于第二齿轮的最小转速时，伺服控制机械动力传动系统7的离合器8松开，从而使得内燃机5与驱动轮3相脱开。第一档齿轮不啮合的原因主要是由于啮合第一档齿轮所遇到的同步困难，而此时汽车1还在移动。

通过与汽车1的前行相反的阻力也可实现汽车1的减速度，或者通过制动系统16的制动动作强迫汽车1减速。一旦测定了汽车1的减速，电子中央控制装置17就可以测定是否已经启动了制动系统16。

如果制动系统16尚未启动，电子中央控制装置17就会(极力)控制可逆电机13，这样，汽车1就会经历早在设计和调试阶段就已设定的约定的滑行减速度。换句话说，汽车1的约定的滑行减速度是事先确定的，如果在无制动系统协助而减速的情况下，通过适当控制可逆电机13也可(极力)保持汽车1的约定的滑行减速度。这样，就可以防止可逆电机13产生可变减速度，毫无疑问，汽车1驾驶员是能够感觉到这种可变减速度的，这样，驾驶员就会有不舒服的感觉，即感觉汽车1“自有主见”。

约定的滑行减速度(conventional coasting deceleration)一般都是恒定的，但是，也会随着汽车1的速度而变化，特别是，可以随着汽车1速度的增加而增加。

更具体地来讲，如果制动系统16尚未启动，电子中央控制装置17就会：测定总制动力矩(overall brake torque)，向汽车1提供约定的滑行减速度；评定作用在汽车1上的总阻力矩；通过从总制动力矩中减去作用在汽车1上的总阻力矩来计算再生制动力矩(regenerat ivebrake torque)；操纵可逆电机13作发电机使用来吸收可逆电机13轴处的再生制动力矩。重要的是，如果再生制动力矩为负，可逆电机13则停止运行。也就是说，如果仅仅作用在汽车1上的总阻力矩大于汽车1的约定的滑行减速度(典型情况下，如果在强顶风或爬坡时)，可逆电机13停止运行，且不再用作电动机，以实现约定的滑行减速。

如果制动系统16已经启动，电子中央控制装置17就会确定通过作用于汽车1制动系统16而产生的汽车1制动减速度，并操纵可逆电机13作发电机使用，以便使得汽车1承受同样的制动减速度。另外，在这种情况下，控制可逆电机13的目的是确保可逆电机13的使用，因为汽车1驾驶员是无论如何都不会感觉到发电机的运转。

更具体地来讲，如果制动系统16已经启动，电子中央控制装置17就会测定(determine)制动系统16所产生的制动力矩；确定再生制动力矩不会大于制动系统16所产生的制动力矩；操纵可逆电机13作为发电机使用以吸收可逆电机13轴处的再生制动力矩；并控制制动系统16减少其制动动作，减少量等于再生制动力矩。

电子中央控制装置17优选测定制动系统16所产生的以及作用在与可逆电机13同一轴上的制动力矩(在所示实施例中，为后轴，即后驱动轮3)，另外，所确定的再生制动力矩不高于制动系统16所产生的并作用在与可逆电机13同一轴上的制动力矩。

最后，重要的是，不同于自动传动装置的典型工作方式，当汽车1减速时，变换齿轮的方法首先使用快速(甚至非顺序的)不连续进给增加的齿轮，而汽车1的减速度会以不连续进给下降的齿轮比而完成。

作用在移动中的汽车1上的主要力有：：总道路负荷所产生的阻力矩C_s(滚动阻力和拖曳)；道路坡度所产生的力矩C_P(可能是正或负的单一力矩)；移动中的汽车1的重量所产生的惯性力矩C_I；汽车1动力传动系统各个主要旋转部件(后驱动轮3、动力传动系统7、内燃机5和可逆电机13)的惯性力矩C_J。惯性力矩C_I和C_J的减速动作在汽车1速度V和减速轴转速ω分别出现正变化的情况下才会发生。此外，当汽车1减速时，绝对不会产生传动力，即内燃机5或可逆电机13没有产生驱动力矩C_M。

汽车1的减速度必须考虑内燃机5的阻力矩C_ICE(即“发动机制动”)，该力矩对应于泵送功、惯性力矩和内部耗散现象的机械力矩。这种阻力会随内燃机5转速ω而变化，并且会在汽车1减速和制动时对制动起极大作用。

当汽车1制动时，必须考虑制动系统16所产生的且与汽车1重量m和由此引起的减速度成正比的制动力矩C_F。在液压制动时，制动系统16所产生的制动力矩C_F是制动促动汽缸内的压力的线性函数。

最后，汽车1减速／制动时的制动力包括了机械力矩C_GEN，该力矩是沿动力传动系统在可逆电机13轴处所形成的力矩。

假设属于上述情况，对于这类汽车1来讲，对应于总惯性力矩的总制动力C_T=C_I+C_J的最普通的公式是：

(1)C_T=C_I+C_J=C_S+C_P+C_F+C_ICE+C_GEN

惯性项C_I和C_J可用如下公式计算：

$\left(2\right),\begin{array}{cc}{C}_I=\frac{m\·a_G\·R_O}{\underset{i}{\mathrm{\Π}}{\mathrm{\τ}}_i}& C_J=\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}\·\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\frac{J_i}{\underset{i}{\mathrm{\Π}}{\mathrm{\τ}}_i^2}\end{array}$

a_G汽车1制动时的减速度；

m汽车1的质量；

R_O车轮滚动半径；

τ_I传动比；

J_i惯性矩

在第一个惯性项C_I中，分母中的乘数是指后驱动轮3和可逆电机13之间所有传动装置的传动比τ_i，而第二惯性项C_J是指电机轴的角加速度，后者乘以动力传动系统主要旋转部件的总重量惯性距，同样是指后驱动轮3和可逆电机13之间。对于惯性距J_i的每个第i-th部件来讲，分母中的数字的减小只是减速装置传动比平方值的乘数。

因此，总惯性力矩C_T等于：

$\left(3\right),C_T=C_I+C_J=C_T(a_G,\stackrel{.}{\mathrm{\ω}},{\mathrm{\τ}}_{c\left(t\right)})$

公式(1)给出了当减速(汽车1的运行状态，在这种状态下，内燃机5不提供驱动力)和制动时测定可逆电机13轴处产生力矩C_GEN。

在只减速时，制动力矩项C_F是不存在的，且制动系统16不向车轮2和3施加制动力矩。产生力矩C_GEN可用约定的滑行减速度值来测定，后者确保了减速时的足够操纵和稳定条件。当汽车1只减速时，机械产生力矩C_GEN可用公式(1)得出，在无制动力矩项C_F这种情况下，考虑了公式(3)，其中总惯性力矩C_T的表示是由预定减速度拟测定的角速度和被啮合齿轮的传动速度比τ_c(i)来决定的。从而，可以得出如下公式：

$\left(4\right),C_{\mathrm{GEN}}=C_T({\tilde{a}}_G,\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}},{\mathrm{\τ}}_{C\left(i\right)})-C_S-C_P-C_{\mathrm{ICE}}$

计算制动时的力矩C_GEN要求测定汽车1的减速度a_G、减速轴的角速度ω和施加在车轮2和3上以及在减速轴处减小的制动力矩C_F，考虑了可逆电机13所特有的最大力矩值C_{GEN_MAX}。如下不等式必然会形成：

(5)C_GEN≤C_{GEN_MAX}

在这种情况下，对于电动工作方式下的稳定制动来讲，如下所述，根据制动系统16和制动等级所特有制动分配因子k的前后制动力矩C_Fa和C_Fr之间的公式必须给予考虑。

$\left(6\right),k=\frac{C_{\mathrm{Fa}}}{C_{\mathrm{Fr}}}$

下面公式示出了分别施加在前C_Fa和后C_Fr上的制动力矩的分数C_F：

$\left(7\right),\begin{array}{c}{C}_{F\_a}=C_F\·\frac{k}{k+1}\\ C_{F\_r}=C_F\·\frac{1}{k+1}\end{array}$

可逆电机13的轴处所形成的并在制动时施加给后轴(即后驱动轮3）的实际产生力矩C_{GEN_r}总是如公式(1)所示，考虑了公式(3)和公式(7)，具有不等式(5)所引入的限制范围。结果，所形成公式如下：

$\left(8\right),\left\{\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{GEN}\_r}=C_T(a_G,\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}},{\mathrm{\τ}}_{C\left(i\right)})-C_S-C_P-C_F\·\frac{k}{k+1}-C_{\mathrm{ICE}}\\ C_{\mathrm{GEN}}\≤C_{\mathrm{GEN}\_\mathrm{MAX}}\end{array}\right.$

同样，在更为普遍的采用前驱动轮2汽车的情况下，用来计算C_{GEN_a}的公式是：

$\left(9\right),\left\{\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{GEN}\_a}=C_T(a_G,\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}{,\mathrm{\τ}}_{C\left(i\right)})-C_S-C_P-C_F\·\frac{1}{k+1}-C_{\mathrm{ICE}}\\ C_{\mathrm{GEN}}\≤C_{\mathrm{GEN}\_\mathrm{MAX}}\end{array}\right.$

为此，可逆电机13在发电机方式下的两个工作范围可以测定：第一个对应于汽车1的只减速(低范围)并由预定的约定的滑行减速度值来确定；而第二个则是相对于制动(宽范围E)并由可逆电机13的力矩C_{GEN_MAX}来测定。本发明的目的是优化再生减速度和制动，在此期间，汽车1的部分动能被以机电方式得以转换，否则就会被耗散掉。

内燃机5的阻力矩C_ICE会随着内燃机5的转速和油门(即，踩下)的增加而增加，并且在内燃机5的“释放条件”(最大油门)时处于最大，这就是汽车1减速时内燃机5的工作状况。根据内燃机5的转速，汽车1减速时内燃机5的转速下降因此会减小阻力矩C_ICE，不论汽车1的速度如何。内燃机5的阻力矩C_ICE的减小可以因机械产生扭矩C_GEN，的相应增加而得到补偿，这是汽车1的总效能优点。

对改进汽车1的性能而起到积极作用的另一个方面是汽车1减速时可逆电机13速度的下降，从而改善了发电机工作方式下的工作效能。这种情况发生在速度下降到可逆电机13额定工作范围附近。

上面所述控制方法具有许多优点，成本低，实施方便，不需要在正常的混合动力汽车上增加部件，而且，更重要的是，最大限度地提高了再生减速度的能源效率，对汽车乘车人员不会带来不适。

在普通城镇条件下以及根据NEDC(新版欧洲标准测试循环)测试程序城镇部分的控制方法试验说明，在减速时功率耗散可以下降达50％。

例如，当减速时，假设汽车1以60km／h的速度在城镇环境下行使时，汽车1本身(在空档)可吸收4.0kW的功率P_s，内燃机5的阻力是被啮合的齿轮的函数。在第三档齿轮处以60km／h速度行使时，内燃机5的转速为4000rpm，功率耗散P_ICE为8.2kW，这样，就得出4.0+8.2=12.2kW的总阻力(P_S+P_ICE)。假设在汽车1相同速度情况下从第三档齿轮变换到第四档齿轮时，发动机转速从4000降到3000rpm，对应于功率耗散5.5kW，这样，就给出了4.0+5.4=9.4kW的总功率。从第三档齿轮变换到第五档齿轮这样的双换档时，内燃机的转速为2400rpm，功率耗散仅为4.0kW，在这种情况下，就可产生4.0+4.0=8.0kW的总功率吸收。在上面两种情况下，发动机的功率吸收PICE下降大概35％和50％，这会降低内燃机5的制动效果，但在电动工作方式下因再生制动增加而得到补偿，在汽车1总效能方面具有极大的优点。

Claims (15)

1.一种在再生减速度期间控制混合动力汽车(1)的方法，所述汽车(1)包括一台内燃机(5)；一个由若干齿轮组成的并位于内燃机(5)和驱动轮(3)之间的伺服控制机械动力传动系统(7)；以及至少一台可逆电机(13)；所述方法包括如下步骤：

测定混合动力汽车(1)的减速度；

一旦测定了混合动力汽车(1)的减速度，可逆电机(13)作为发电机使用，以便再生混合动力汽车(1)的部分动能；

建立伺服控制机械动力传动系统(7)每个齿轮的内燃机(5)的相应最小速度；

测定和啮合最高速档齿轮，该最高速档齿轮与混合动力汽车(1)当前运动状态相结合，可以以高于相应最小速度的速度操纵内燃机(5)运转；

只要内燃机(5)在以高于相应最小速度运转，就始终使所述最高速档齿轮处于啮合状态，以减少内燃机制动；

当内燃机(5)运转速度低于相应最小速度时，向下降速变换一档；

所述方法的特征在于，伺服控制机械动力传动系统(7)的每个齿轮的内燃机(5)的最小速度从低速档齿轮向高速档齿轮增加，使得低速档齿轮的最小速度低于高速档齿轮的最小速度。

2.一种根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当减速完成时，混合动力汽车(1)停在第二齿轮；当内燃机(5)的速度低于第二齿轮的最小速度时，伺服控制机械动力传动系统(7)的离合器(8)松开，从而使得内燃机(5)与驱动轮(3)相脱开。

3.一种根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

确定混合动力汽车(1)的约定的滑行减速度；

如果混合动力汽车(1)的制动系统(16)尚未启动，操纵可逆电机(13)作为发电机使用，这样混合动力汽车(1)经历约定的滑行减速度。

4.一种根据权利要求3所述的方法，还包括如下步骤：

测定总制动力矩，给予混合动力汽车(1)约定的滑行减速度；

评估作用在混合动力汽车(1)上的总阻力矩；

通过从总制动力矩中减去作用在混合动力汽车(1)上的总阻力矩来计算再生制动力矩；

操纵可逆电机(13)作发电机使用以吸收可逆电机(13)轴处的再生制动力矩。

5.一种根据权利要求4所述的方法，其特征在于，如果再生制动力矩为负时，可逆电机(13)停止运行。

6.一种根据权利要求3所述的方法，其特征在于，约定的滑行减速度是恒定的。

7.一种根据权利要求3所述的方法，其特征在于，约定的滑行减速度随着混合动力汽车(1)的速度而变化。

8.一种根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

测定作用在混合动力汽车(1)制动系统(16)所产生的混合动力汽车(1)的制动减速度；

操纵可逆电机(13)作为发电机使用，这样混合动力汽车(1)就经历同样的制动减速度。

9.一种根据权利要求8所述的方法，还包括如下步骤：

测定制动系统(16)所产生的制动力矩；

确定再生制动力矩不大于制动系统(16)所产生的制动力矩；

操纵可逆电机(13)作为发电机使用，吸收可逆电机(13)轴处的再生制动力矩；

操纵制动系统(16)，减少其制动动作量，减少的动作量等于再生制动转矩。

10.一种根据权利要求9所述的方法，其特征在于，测定制动系统(16)所产生的并作用在与可逆电机(13)相同轴上的制动力矩，并确定再生制动力矩不高于制动系统(16)所产生的并作用在与可逆电机(13)相同轴上的制动力矩。

11.一种在再生减速度期间控制混合动力汽车(1)的方法，所述混合动力汽车(1)包括一台内燃机(5)；以及至少一台可逆电机(13)；所述方法包括如下步骤：

测定混合动力汽车(1)的减速度；

一旦测定了混合动力汽车的减速度(1)，操纵可逆电机(13)作为发电机使用，

以再生混合动力汽车(1)的部分动能；

所述方法的特征在于还包括如下步骤：

测定混合动力汽车(1)的约定的滑行减速度；

如果混合动力汽车(1)的制动系统(16)尚未启动时，操作可逆电机(13)作为发电机使用，这样混合动力汽车(1)就会经历约定的滑行减速。

12.一种根据权利要求11所述的方法，其还包括如下步骤：

测定总制动力矩，给予混合动力汽车(1)约定的滑行减速度；

评估作用在混合动力汽车(1)上的总阻力矩；

通过从总制动力矩中减去作用在混合动力汽车(1)上的总阻力矩来计算再生制动力矩；

操纵可逆电机(13)作发电机使用，以吸收可逆电机(13)轴处的再生制动力矩。

13.一种根据权利要求12所述的方法，其特征在于，如果再生制动力矩为负时，可逆电机(13)停止运行。

14.一种根据权利要求11所述的方法，其特征在于，约定的滑行减速度为恒定。

15.一种根据权利要求11所述的方法，其特征在于，约定的滑行减速度随着混合动力汽车(1)的速度而变。