CN101977803B - 用于运行混合动力驱动装置的方法和控制单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于运行一种混合动力驱动系统(1)的一种控制单元和一种方法，所述混合动力驱动系统包括一个内燃机(5)，一个电驱动装置(3)和一个设置在它们之间的联接器(20)。当应该将内燃机(5)和电驱动装置(3)相互耦联起来时，内燃机的转速(5)被预控制到一个目标转速水平(N2)上，从而内燃机(5)和电驱动装置(3)的驱动轴(4，6)至少近似同步地运转。所述预控制借助于节流阀实施。随后如此地调节内燃机的转速(5)，使得内燃机(5)和电驱动装置(3)的驱动轴(4，6)基本上同步地运转。之后通过联接器(20)将驱动轴(4，6)连接起来。

Description

用于运行混合动力驱动装置的方法和控制单元

本发明涉及一种用于运行混合动力驱动装置的方法和控制单元。

由现有技术中已知具有混合动力驱动装置的汽车(以下简称为混合动力汽车)，它们不仅具有一个内燃机而且具有一个电驱动装置。

在此情况下可以只将电驱动装置与汽车车轮连接，其中内燃机借助于发电机被用于向电驱动装置供电或向一个用作为电驱动装置的能源的蓄电器供电。

在另外的混合动力驱动装置设计方案中，不仅内燃机而且两个电驱动装置都通过一个公共的齿轮传动机构装置将它们的驱动能传递到汽车车轮上，其中该装置还附加地具有一个发电机，该发电机在内燃机运行时用于产生电能。

在另一种混合动力驱动装置设计方案中，如其依据一个混合动力驱动装置1在图1中示意示出的那样，具有驱动轴6的内燃机5和具有驱动轴4的电驱动装置3作用于一个公共的曲轴10上，从而内燃机5和电驱动装置3的扭矩相叠加。一个常规的齿轮传动机构15用于使内燃机5和电驱动装置3的扭矩适配于相应的行驶状况。

在内燃机5和电驱动装置3之间布置一个联接器(联轴器)20，从而可以使电驱动装置3与内燃机5相独立地运行，以便通过齿轮传动机构15，传动系30，和差速器35驱动一个或多个驱动轮25。

按照常规方式借助于起动器或皮带式起动器发电机40起动内燃机5，其中皮带式起动器发电机40通过皮带盘42和皮带44与曲轴10连接。

至少一个控制单元50用于以相应的控制指令控制内燃机5，皮带式起动器发电机40，电驱动装置3，以及齿轮传动机构15。

电能源55向皮带式起动器发电机40和也可以作为发电机运行的电驱动装置3供给电能，其中当电驱动装置3作为由内燃机5驱动的发电机运行时，电能源55也可以储存由电驱动装置3发出的电能。

图1中所示的混合动力驱动装置设计方案允许汽车可以仅仅由电驱动装置3的驱动功率驱动，而内燃机5不运行。使电驱动装置3运行所需的电能由能源55提供。这样可以避免内燃机5以低负荷运行的运行状态，而这种运行状态会造成内燃机5的效率差的后果。特别是在经常只能在低负荷下行驶的城市交通中，纯的电驱动装置是有利的，因为由此能够节省燃油并且减少有害物质排放。

对于电能源55不再能够提供足够的能量的情况，也就是说，如果例如低于一定的电压阈值，在该电压阈值时电驱动装置3不再正常运转，或者，如果司机要求一个更大的扭矩，那么内燃机5通过联接器20被接入。

如果出现一种这样的状况，其中要求除了电驱动装置3以外还要开动内燃机5，那么传动系和由此电驱动装置3以及刚被起动的内燃机5一般是处于不同的转速水平上。例如内燃机5可以大约700至1400转/分钟的具有标准的怠速转速，而传动系和电驱动装置具有大约2000至5000转/分钟的转速。如果在这种状况下闭合联接器20，那么在传动系中将产生冲击，这种冲击对于驾驶舒适性的感觉是不利的并且也可能对传动系的部件是有损害的。

因此，本发明的任务是避免现有技术的缺点并且提供一种用于运行混合动力驱动装置的改进的方法。

这个任务通过按照权利要求1所述的方法和按照权利要求10所述的控制单元解决。

为此本发明提出以下的用于运行一种混合动力驱动系统的方法，其中该系统包括：具有驱动轴的内燃机，其中所述内燃机包括节流阀；具有驱动轴的电驱动装置；与所述电驱动装置耦联的、具有齿轮传动机构输出轴的齿轮传动机构；设置在所述内燃机和所述电驱动装置之间的联接器，所述联接器可以按照要求进行控制，从而使内燃机的驱动轴和电驱动装置的驱动轴以抗扭矩的方式(扭矩啮合地)相互连接；以及与电驱动装置和内燃机相连接的控制单元；其中所述方法可以包括以下步骤：探测是否存在一个将内燃机的驱动轴和电驱动装置的驱动轴相互连接起来的要求；如果存在一个要求，则将内燃机的转速提高至一个转速上，从而内燃机的转速和电驱动装置的转速基本上是相互同步的；其中对内燃机的转速实施预控制，其中内燃机的转速被从当前的第一转速水平N_1提高到一个对应于传动系的瞬时转速并由此对应于电驱动装置的瞬时转速的第二转速水平N_2，并且是通过设定节流阀的节流阀目标值TSP_SP实施的。接着通过联接器将内燃机的驱动轴与和电驱动装置的驱动轴相互耦联起来。节流阀的位置通过位置调节器调整。预控制可以在一个预先确定的时间间隔Δt上进行实施。节流阀目标值TSP_SP可以小于节流阀的一个最大可能的开启角度。

在此情况下可以有利的是，通过将对小于可能的最大节流阀角度的节流阀角度TSP_SP的预控制在时间上限制在一个时间间隔Δt上，内燃机的转速被提高到正好这样的程度，直到基本上达到期望的转速水平N_2。然后通过转速调节器，尤其是怠速调节器将内燃机的转速精确地调整到传动系的转速上。由此可以在很大程度上避免转速过调节由此在内燃机和电驱动装置之间的联接器可以较快速地和无冲击地进行闭合。这种预控制，也就是说，通过对在时间上限制的节流阀角度的预控制使转速快速提升到一个期望的转速水平，尽管存在高的系统停歇时间，也能够将内燃机的转速快速提升到传动系的水平上。仅仅部分打开的节流阀足够实现内燃机的高的转速梯度。但是所调整的开启角度也是一种折衷，以便接着能够快速地再关闭节流阀。因此它被称为一种预控制，因为首先转速水平被快速地提升，并且然后在使联接器闭合之前以已知的方式将内燃机的转速调整到一个目标转速上。

优选时间间隔Δt基本上与为了从当前的第一转速水平N_1达到第二转速水平N_2要由内燃机消耗的动能ΔW_kin和为了克服内部摩擦要由内燃机消耗的能量W_Friction之和成比例，其中动能ΔW_kin的值和能量W_Friction的值可以分别存储在特性曲线中。在此情况下，节流阀仅仅被打开时间间隔Δt并且随后再被关闭，该时间间隔的持续长度取决于第二转速水平N_2的转速。

此时优点在于，在时间间隔Δt期间节流阀被打开到这样的程度，使得内燃机正好从第一转速水平N_1提升到第二转速水平N_2，该时间间隔可以从内燃机要消耗的动能ΔW_kin和内燃机要消耗的摩擦能W_Friction中导出。由此在很大程度上避免了为了同步，亦即内燃机的驱动轴与电驱动装置的驱动轴的同步旋转以及联接器的闭合，使内燃机达到一个过高的转速(所谓的过调节)。通过避免过调节，内燃机和电驱动装置的同步在相对较短的时间内并且在没有冲击情况下进行。

例如当用于电驱动装置的供给电压下降到低于一个阈值时，则存在一个将内燃机的驱动轴和电驱动装置的驱动轴以抗扭矩的方式相互连接的要求，或者当使用者规定了一个这种要求时。由此可以保证当例如电驱动装置的电供给不再足够时混合动力汽车的行驶运行不被中断。如果使用者需要多于电驱动装置能够提供的功率，那么也存在一种这样的要求，在该要求下内燃机应该支援电驱动装置。

此外可以有利的是，当控制单元中存在一个相应的要求时，内燃机借助于电起动装置起动。在此情况下，起动装置负责使内燃机较快速地达到期望的转速，以便独立地维持燃烧过程。

在另一个实施形式中，优选在确定的持续时间(Δt)结束之后，内燃机的一个目标力矩被跃变式地减小到一个低的值，以便避免转速在一个目标转速上的这种过调节，从而内燃机和电驱动装置的同步能够在较短的时间内进行。

如果内燃机的转速处于目标转速的范围中，节流阀则被快速关闭，从而吸气管中的吸气管压力也下降，如果吸气管压力低于一个阈值，由此可以优选从转速的预控制更换到转速的调节上。在另一个实施例中可以然后，也就是说在调节到一个目标转速上之后和在和闭合联接器之后，结束内燃机的转速调节并且更换到内燃机的扭矩调节上。

附图简述

以下依照附图详细描述本发明。附图中所示：

图1是一个混合动力驱动系统的示意图，将据此描述本发明；

图2是在按照本发明的方法期间的转速曲线的一个图示；和

图3是在按照本发明的方法期间的力矩曲线的一个图示。

图1示出了一个混合动力驱动系统1的示意图，其基本要点已经在开头部分中说明。

图1此外示出了一个用于运行内燃机5所需要的进气设备7，它由一个吸气管8和四个空气供给管9组成，其中通过空气供给管将吸气管8吸入的空气输入到内燃机的各气缸11中用于燃烧过程。在吸气管8中设置节流阀12，用它可以调节通过吸气管8吸入的空气量。

按照本发明的由控制单元50实施的方法依照图2和3进行详细描述。也可以设置多个单独的控制单元取代所述惟一的控制单元50，这些单独的控制单元分别承担对起动装置40，内燃机5，电驱动装置3和齿轮传动机构15的控制。

图2示出了一个转速曲线图，现在据此对按照本发明的方法进行描述。

在图2中所示的曲线图中示出了行驶状况的时间变化过程，该行驶状况被分成六个相继的并且用罗马数字I至VI标注的时间段。

横坐标60上标出时间值(以秒计)，纵坐标70上标出转速值(以转/分钟计)，以及曲线63的状态值″0″和″1″。此外可以看见三条曲线，它们用标记61，62，和63表示并且具有以下的意义：

61：内燃机转速(虚点线)；

62：内燃机要达到的目标转速的目标值(实线)；和

63：状态＝1，当转速调节器，尤其是怠速调节器起作用时或当预控制被激活时(虚线)。

此外标注出了实际的第一转速水平N_1，以及第二转速水平N_2(分别为300和1900)。

在时间段I，内燃机5先被断开。转速为零。汽车只通过电驱动装置3驱动。

在时间段II的开始时刻(在22.5秒)，控制单元50决定电驱动装置3应由内燃机5支持，因为例如电池55的供给电压已经低于一个阈值或者司机要求一个更高的扭矩(通过压下加速踏板)。

为了起动内燃机5，电起动装置40被激活(在22.6秒处)。由于起动装置的力矩发出的延迟，这由电起动装置中才建立起来的磁场的限定，和由于内燃机的转速探测的延迟(只有当曲轴传感轮达到一定的位置时才能够探测转速)，在时间段III的开始时刻才出现曲线61(内燃机转速)的上升，其中内燃机5的转速被提高到大约300转/分钟的值。

自时间段IV起，通过内燃机5的工作冲程释放出力矩并且由此继续提高内燃机转速。自该时刻起，起动装置40又被去激活。内燃机5此时处于怠速状态下，亦即处于第一转速水平N_1。在怠速运转下的转速可以在700和900转/分钟之间。在怠速运转下，由转速调节器调节内燃机的转速。

现在为了将内燃机5的转速尽可能快速地并且优选没有过调节地提升到一个跃变式提高的目标转速(曲线62)上，该目标转速对应于在实现同步时所基于的第二转速水平N_2，现在开始预控制，它接替对内燃机的转速调节。第二转速水平可以在1900和5000转/分钟之间的范围。实验表明，由于空气线路中的高的系统反应时间，在高的同步速度和低的转速过调节之间的目标冲突通过一个调节回路是不能够解决的。

在预控制期间，节流阀优选被调整到大约40°的开启角度。节流阀被调整到大约40°的开启角度而不是大约被完全打开的事实，其根据在于，40°的开度已经为燃烧过程提供足够的空气量，以达到足够的转速梯度。与节流阀完全打开相反，仅仅打开40°以及接着的关闭要求时间很短，这对于同步过程的短的持续时间产生有利的影响。

对节流阀的控制由一个位置调节器实施。在图3所示的曲线图中依据曲线84在时间值22.7处可以看见节流阀的开启角度的目标值。

在描述预控制的作用方式之前，尤其是在确定时间间隔Δt之前，现在首先应该说明图3中的曲线图的组成部分。

除了图2中的转速曲线图以外，图3基本上还示出了划分成时间段I至VI的同一个行驶状况的力矩曲线图。

横坐标80上标注的也是时间值(以秒为单位)，纵坐标90上是针对曲线85和86的扭矩值(以牛顿米为单位)，针对曲线84的节流阀开度目标值的角度值(以°为单位)，针对曲线81的转速值(以转每分钟为单位)，以及针对曲线83的状态值″0″和″1″。这些曲线具有以下意义：

81：内燃机的转速(点线)；

83：状态＝1，当转速调节器，尤其是怠速调节器起作用时，或当预控制起作用时；

84：节流阀目标值(长虚线)；

85：在联接器20闭合和完成同步(过程)之后对内燃机的扭矩要求(短虚线)；和

86：在同步过程期间内燃机的扭矩目标值(虚线)。

如上已经针对图2所述那样，由于存在相应的要求，预控制也在图3中的时间段IV的开始时刻开始作用，亦即曲线83上升到″1″。这涉及到内燃机的起动以及随后同步到传动系的转速上，这由怠速转速目标值从大约900转/分钟跃变到2000转/分钟(图1)表示出来。同时扭矩要求85被这样地提高，即通过吸气管模型输出一个大约40°的节流阀目标值(曲线84)作为节流阀位置调节器的输入值。

如对照曲线86可以看见的，在同步过程期间，内燃机的扭矩目标值跃变到130Nm的值上。作为其结果，通过吸气管模型确定一个负责节流阀的开启的节流阀目标值。

预控制对力矩目标值的跃变的时间限制Δt按照以下方式由内燃机旋转运动的基本方程确定：

由内燃机所做的、用于从转速水平N_1达到转速水平N_2的功W_1-＞2由摩擦功W_Friction和要消耗的动能ΔW_kin之和得出，从而满足：

W_1-＞2＝W_Friction+ΔW_kin。

在恒定的摩擦力矩情况下，基于要达到的同步转速，对于摩擦功得到：

W_Friction＝TQ_Friction＝f(N_2，...)和

其中

是在同步过程期间转过的内燃机旋转角度。

其中满足：

TQ_Friction(N_2)＝f(N_2，TCO，TOIL，TQ_LOSS_AD)

和

是一个旋转角度。

在此情况下：

TCO表示内燃机冷却水温度；

TOIL表示内燃机机油温度；以及

TQ_LOSS_AD表示由于附件如例如转向助力泵和空调压缩机等造成的内燃机的扭矩损失。

对于附加的动能ΔW_kin，由内燃机的惯性矩J得到：

$\mathrm{\Δ}{W}_{\mathrm{kin}}=\frac{1}{2}J(N_2^2-N_1^2).$

假设在内燃机的同步过程期间具有恒定的角加速度α，亦即在转速从第一转速提高到第二转速时得到：

或

通过插入，得到：

由此得到力矩作用的时间限制

$\mathrm{\Δt}=\frac{J(N_2-N_1)}{\mathrm{TQ}-{\mathrm{TQ}}_{\mathrm{Friction}}}.$

其中TQ是第二转速N2(对应于在实现同步时所基于的第二转速水平N2)的函数，并且其中在随时间的限制Δt期间，TQ对应于图3中的曲线86的走向，亦即达到大约130Nm的短时间的值。

表达式J(N₂-N₁)记录(存储)在控制单元50的一个特性曲线中。由此将进行跃变式力矩作用亦即节流阀跃变式地打开期间的时间限制在Δt上，从而在要求的内燃机的转速中实际上不会产生过调节。

在Δt结束之后，力矩作用又被跃变式地减小，如图3中的曲线86在t＝22.9处的走向所示。以这种方式再次关闭节流阀并且通过内燃机减小吸气管压力。通过仅仅短时间地打开和再关闭节流阀，使内燃机的转速提升到一个接近所判定的第二转速水平N2的值。

在图2中的时间段V的开始时刻，转速则已经位于目标值的范围中，通过在该时刻又被激活的转速调节器(怠速调节器)使内燃机的转速精调到曲线62的转速水平。

然后激活一个常规的转速调节器，例如怠速调节器，它自时间段V起负责将转速快速调节到目标值。优选当吸气管压力下降到低于一个阈值时再实施在时间段V的开始时对转速调节器的激活，从而为了激活转速调节器必须满足：

MAP＜C_THR_MAP_IS_JUMP_SLOW，

其中MAP表示吸气管压力，C_THR_MAP_IS_JUMP_SLOW表示吸气管压力阈值。

在时间段VI开始时(参见图2和3)，内燃机5已经达到一个与电驱动装置3的转速同步的转速，从而联接器20在传动系没有可觉察的转速改变情况下被闭合，并且内燃机5被从受转速控制的运行转换到受力矩控制的运行上，以便支持汽车的加速过程。在图3中，这通过曲线86(在同步过程期间内燃机的扭矩目标值)返回到值0和在联接器20闭合和完成同步之后内燃机的扭矩要求(曲线85)的提高来示出。该扭矩要求的提高可以由于司机增大力矩要求(加速愿望)引起或者由于汽车电池因低于下限阈值而需要充电的要求而引起。

Claims (14)

1.用于运行混合动力驱动系统(1)的方法，所述混合动力驱动系统包括：

-具有驱动轴(6)的内燃机(5)，其中所述内燃机(5)具有节流阀；

-具有驱动轴(4)的电驱动装置(3)；

-设置在所述内燃机(5)和所述电驱动装置(3)之间的联接器(20)，可以依据要求控制所述联接器，从而使所述内燃机的驱动轴(6)和所述电驱动装置(3)的驱动轴(4)以抗扭矩的方式相互耦联；

所述方法包括以下步骤：

-探测是否存在一个将所述内燃机的驱动轴(6)和所述电驱动装置(3)的驱动轴(4)相互连接起来的要求；

-在探测一个要求之前以一个与所述内燃机(5)的速度不同的速度运行所述电驱动装置(3)；

-仅仅经由所述电驱动装置(3)来运行所述混合动力驱动系统；

-如果存在一个要求，则：

-通过一个用于所述节流阀的开启角度(TSP_SP)的目标值将内燃机的转速(5)预控制至一个目标转速水平(N_2)上，由此调节内燃机的转速(5)，从而使所述内燃机(5)和所述电驱动装置(3)的驱动轴(4，6)基本上同步地运转；

-最后通过所述联接器耦联所述内燃机和所述电驱动装置的驱动轴。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，在一个预先确定的时间间隔(Δt)上实施对所述节流阀的开启角度的预控制。

3.按照权利要求1所述的方法，其中，开启角度(TSP_SP)的目标值小于所述节流阀的一个最大可能的开启角度。

4.按照权利要求1所述的方法，其中，在存在一个要求之前，以一个转速调节操控所述内燃机的转速，在存在一个要求时，从所述转速调节变换到所述预控制，在所述预控制之后又转变到所述转速调节。

5.按照权利要求4所述的方法，其中，在存在一个要求之前，以一个怠速调节操控所述内燃机的转速。

6.按照权利要求2所述的方法，其中，依据当前的内燃机转速和一个目标转速之间的转速差选择所述时间间隔。

7.按照权利要求2或6之一所述的方法，其中，依据内燃机的一个摩擦功选择所述时间间隔，内燃机必须做出该摩擦功，直到达到一个目标转速。

8.按照权利要求7所述的方法，其中，所述时间间隔(Δt)基本上与为了从当前的第一转速水平(N_1)达到第二转速水平(N_2)要由内燃机(5)消耗的动能(ΔW_kin)和为了克服内部摩擦要由内燃机(5)消耗的能量(W_Friction)之和成比例，其中动能(ΔW_kin)的值和能量(W_Friction)的值分别被存储在特性曲线中。

9.按照权利要求1至6之一所述的方法，其中，如果电驱动装置(3)的供给电压下降到低于一个阈值，则存在一个要求。

10.按照权利要求1至6之一所述的方法，其中，如果在控制单元(50)中存在一个相应的要求，则借助于一个电起动装置(40)起动所述内燃机(5)。

11.按照权利要求2所述的方法，其中，为了预控制，所述节流阀被打开所述预先确定的时间间隔(Δt)并且然后再被关闭。

12.按照权利要求8所述的方法，其中，所述时间间隔取决于第二转速水平的转速。

13.按照权利要求1至6，11之一所述的方法，其中，如果吸气管压力下降到低于一个阈值，则从预控制变换到对内燃机的转速调节上。

14.按照权利要求1至6，11之一所述的方法，其中，在所述联接器闭合之后，从对内燃机的转速调节变换到对内燃机的扭矩调节上。

Images