CN102328572B - 优化车辆中动力系效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化车辆中动力系效率的方法，动力系包括发动机、可运转以向至少一个车轮输出扭矩的电机和可运转以向所述电机提供电能的电源。该方法包括产生多个预定电源功率下对于车辆功率和车速组合的最佳发动机转速的多个三维图。各个三维图均对应于电源预定功率中的一个。三维图用于确定对于给定电源功率、给定车辆功率和给定车速的最佳发动机转速。本发明能够优化车辆中动力系的效率。

Description

优化车辆中动力系效率的方法

技术领域

本发明涉及优化车辆动力系效率的方法。

背景技术

具有混联式混合动力电动车辆动力系的车辆具有两个动力源用于向车辆驱动轮传递驱动力。总体上，这些动力源可分为两个较宽的类别：机械和电力。机械动力源可包括例如通过一组或多组变速齿轮向车轮输出机械动力的内燃发动机。电动力源可包括一个或多个电机，例如电动马达或马达/发电机。电动马达可从另一发电机、电池、或其它电源接收电能。电动马达从电源接收电能，并总体上通过一组或多组变速齿轮向车轮输出机械动力。

由于该类型的装置提供了多个至车轮的动力流动路径，所以对于给定的驾驶员动力需求能够优化对多个动力系组件的使用以最大化系统效率。于2008年7月8日公布的美国专利7,398,147中描述了一个这种动力管理策略，其通过引用合并入本文。

发明内容

本发明实施例包括优化车辆中动力系效率的方法。动力系包括发动机、可运转以向至少一个车轮输出扭矩的电机以及可运转以向电机提供电能的电源。该方法包括产生多个电源预定功率下对于车辆功率和车辆速度组合的最佳发动机转速的多个三维图的步骤。各个三维图均对应于电源的一个预定功率。随后该方法使用三维图确定对于给定的电源功率、给定的车辆功率及给定的车辆速度的最佳发动机转速。

根据本发明的一个实施例，车辆包括控制系统，其包括至少一个控制器，且三维图编程在控制系统中以产生由车辆功率、车辆速度、电源功率和最佳发动机转速确定的四维图。

根据本发明的一个实施例，其中在将三维图编程在控制系统中之前离线产生三维图。

根据本发明的一个实施例，其中三维图中使用的最佳发动机转速根据动力系效率方程产生，其为至少发动机转速、车辆功率、车辆速度及电源功率的函数，各个最佳发动机转速均对应于对于给定组合的车辆功率、车辆速度、及电源功率使动力系效率最大化的发动机转速值。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包含：基于给定车辆功率和给定电源功率产生发动机功率值；使用确定的最佳发动机转速和产生的发动机功率值产生发动机扭矩值。

本发明实施例还包括优化车辆(例如具有如上文所述的动力系)中动力系效率的方法。在这些实施例中，该方法包括根据发动机转速的函数对于某些车辆运转参数(包括电源的功率)的一组值确定动力系效率。最大化对于这一组某些车辆运转参数值的动力系效率，并基于最大化的动力系效率确定对于这一组值的最佳发动机转速。

这一组值可为某些车辆运转参数的当前值，或者其可为选择用于产生数据图的数据的一组值。为了得到数据图，对于某些车辆运转参数的至少另一组值根据发动机转速的函数确定动力系效率。最大化对于某些车辆运转参数的该至少另一组值的动力系效率。各个最大化的动力系效率均对应于各组值的最佳发动机转速。随后确定某些车辆运转参数的当前值，并基于最大化的动力系效率确定对于某些车辆运转参数当前值的最佳发动机转速。

根据本发明的一个实施例，其中这一组值为某些车辆运转参数的一组当前工况。

根据本发明的一个实施例，其中某些车辆运转参数还包括车辆功率和车辆速度。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包含：根据车辆功率和电源功率的当前值产生发动机功率值；使用确定的最佳发动机转速和产生的发动机功率值以产生发动机扭矩值。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包含将各组值和对应的最佳发动机转速存储在多维图中，确定对于车辆运转参数当前值的最佳发动机转速的步骤包括在多维图上定位车辆运转参数的当前值并确定对应的最佳发动机转速。

根据本发明的一个实施例，其中车辆包括具有至少一个控制器的控制系统，该方法还包含将最佳发动机转速和某些车辆运转参数的各组值编程在控制系统中。

根据本发明的一个实施例，其中确定动力系效率和最大化动力系效率的步骤在被编程入控制系统中之前离线执行。

本发明实施例还包括优化车辆(例如具有如上文所述的动力系)中动力系效率的方法。将多个车辆运转参数的当前值输入车辆的控制系统。车辆运转参数包括电源的功率。控制系统被编程为输出对应于各个车辆运转参数值的最佳发动机转速。从控制系统输出对应于车辆运转参数当前值的最佳发动机转速。

本发明能够优化车辆中动力系的效率。

附图说明

图1为能够使用本发明的混联式混合动力电动车辆动力系的示意图；

图2为图1的动力系统中动力流的示意图；

图3显示了三个三维数据图，其共同构成了可用于本发明的四维数据图；

图4显示了根据本发明实施例利用图3中所示四维数据图的控制框图。

具体实施方式

图1显示了混联式混合动力电动车辆(HEV)动力系8。图1配置中主动力源为发动机10。副动力源为发电机12、电机或马达14、电源及其控制器(其在本实施例中为电池和电池控制模块(电池/BCM)16)的组合。应理解，可使用不同类型的电源以向马达14提供电能，并且电池控制器(例如BCM)无需集成在电池中，而可为与电池连通的独立装置。该组合的这些组件通过高压电总线18电连接。

动力系8包括变速器20(其包含行星齿轮组22、发电机12和马达14)以及扭矩传递中间轴传动装置24。中间轴传动装置24的动力输出齿轮元件(26处所示)可驱动地连接至半轴总成28，其向车辆驱动轮30分配动力。行星齿轮组22包含环形齿轮32、中心齿轮34、行星架36和可旋转地支撑在行星架36上与环形齿轮32和中心齿轮34接合的行星齿轮。

中心齿轮34可驱动地连接至发电机12的转子。扭矩传递部件40形成扭矩流路径。发动机的动力输出轴可驱动地连接至行星架36。环形齿轮32通过扭矩传递部件40连接至扭矩传递中间轴传动装置24的输入齿轮元件68。马达14的转子可驱动地连接至齿轮元件70。

动力系8的控制系统包括运转模式的总体控制器，其在本实施例中为车辆系统控制器46(VSC)，其接收多个输入(包括48、50处的驾驶员输入)。50处的输入为加速踏板位置传感器(APPS)信号，48处的输入为驾驶员对“停车”、“倒车”、“空挡”、或“前进”(PRND)的档位选择。52处显示了车辆系统控制器46的再生制动指令输入。制动系统控制模块54(BSCM)发布再生制动指令，其接收对应于驾驶员车辆制动踏板位置传感器(BPPS)信号56的制动需求。

车辆系统控制器46向变速器控制模块(TCM)58发布指令信号，包括所需车轮扭矩、所需发动机转速和再生制动指令。如60处所示，其还向电池控制模块16发布电池控制模块接触器控制信号。变速器控制模块通过信号流路径64向发电机12发布发电机控制信号。变速器控制模块通过信号流路径66向马达14发布马达控制信号。在图1中所示的实施例中，动力系8的控制系统包括VSC46、BSCM54、TCM58和电池/BCM16的BCM部分。然而应理解，本发明的实施例可具有控制器数量更少或更多的控制系统，一些或全部控制器可例如通过控制器局域网(CAN)彼此连接。

图2为图1中示意性说明的动力系8的动力流示意图。发动机有两条动力流路径传输其输出动力(图2中72处所示)。第一条动力流路径从发动机延伸至行星架36、环形齿轮32及中间轴传动装置24。74处显示了动力从行星架36传递至中间轴传动装置24。第二条动力流路径为从发动机10至发电机12、马达14(如76处所示)及从马达14至中间轴传动装置24(如78处所示)的电能流路径。80处显示了对车轮的功率输出。如图2所示，电能流路径也可包括流至或来自电池/BCM16的电能(如82处所示)。

为了理解本发明，下文提出并解释了某些车辆运转参数之间的关系和某些动力系元件之间的关系。尽管图1中说明的动力系用作参考，但是应理解本发明可用于其它机械/电力动力系配置。车辆运转参数可包括例如功率、转速、扭矩、电池功率等这些参数，可对独立组件(例如发动机10、发电机12、马达14、电池/BCM16)确定这些参数的值，或者在一些情况下对整车确定这些参数的值。动力系元件还具有某些基于其几何形状的已知关系。例如，行星齿轮组22具有两个自由度，因此如果环形齿轮32、中心齿轮34和行星架36中任意两者的转速已知，则可确定第三者的转速。类似地，车速与环形齿轮转速具有固定的传动比，而中心齿轮转速等于发电机转速。

通过将机械路径上的功率和来自电力路径的输出功率相加计算出车辆输出功率(P_veh)：

P_veh＝τ_rω_r+τ_mω_m(1)

其中τ_r为环形齿轮扭矩(Nm)

ω_r为环形齿轮转速(rad/s)

τ_m为马达扭矩(Nm)

ω_m为马达转速(rad/s)

在方程(1)中，τ_rω_r为通过机械路径传输的功率，而τ_mω_m为通过电路径传输的功率。基于行星齿轮组22的特性、发电机效率(η_g-机械至电)和马达效率(η_m-电至机械)，方程(1)可改写为：

P_veh＝T_e2rτ_eω_r+(τ_gω_gη_g+P_bat)η_m(2)

＝T_e2rτ_eω_r+(T_e2gτ_eω_gη_g+P_bat)η_m

其中，τ_e为发动机输出扭矩(Nm)

τ_g为发电机扭矩(Nm)

ω_g为发电机转速(rad/s)

T_e2r为发动机至环形齿轮的扭矩比，1/(1+ρ)

T_e2g为发动机至发电机的扭矩比，ρ/(1+ρ)

ρ为中心齿轮的齿数除以环形齿轮的齿数

使用η_e作为发动机效率，系统输入功率P_in为：

P_in＝τ_eω_e/η_e(3)

其中，ω_e为发动机转速(rad/s)

随后，系统总效率为η_total

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{total}}=\frac{P_{\mathrm{veh}}}{P_{\mathrm{in}}}$

(4)

$={\mathrm{\η}}_e\frac{T_{e2r}{\mathrm{\τ}}_e{N}_{r2D}{\mathrm{\ω}}_D+(T_{e2g}{\mathrm{\τ}}_e{\mathrm{\ω}}_g{\mathrm{\η}}_g+P_{\mathrm{bat}}){\mathrm{\η}}_m}{{\mathrm{\τ}}_e{\mathrm{\ω}}_e}$

其中，N_r2D为环形齿轮至驱动轴的速比

ω_D为车轮转速(rad/s)

请注意，发动机、环形齿轮和发电机之间的速度关系为：

ω_e＝T_e2rω_r+T_e2gω_g(5)

速度正负号规则被选择为当顺时针旋转时为正。

在具有动力系(例如图1中显示的动力系8)的HEV运转期间，根据车速、组件效率(其为组件转速和扭矩的函数)以及电池功率(其通过VSC46控制)确定实际效率η_total。

η_e＝η_e(ω_e，τ_e)

η_g＝η_g(ω_g(ω_e，ω_D)，τ_g)(6)

η_m＝η_m(ω_D，τ_D)

方程(4)中提出的系统效率可改写为子系统功率的函数：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{total}}={\mathrm{\η}}_e\frac{P_r+(P_g{\mathrm{\η}}_g+P_{\mathrm{bat}}){\mathrm{\η}}_m}{{\mathrm{\τ}}_e{\mathrm{\ω}}_e}---\left(7\right)$

在任意给定车轮转速(ω_D)和车轮功率指令(P_veh)下，传输功率指令的发动机运转点(ω_e，τ_e)并非唯一的。存在多个系统效率不同的解。因此，效率函数可表示为带有四个参数的形式：

η_total＝η_total(ω_D，ω_e，P_veh，P_bat)(8)

如方程(8)中所示，动力系总效率(η_total)为四个车辆运转参数(包括电源(其在说明的实施例中为电池/BCM16)的功率)的函数。对于车速(其在方程(8)中表示为车轮转速ω_D)、车辆功率(P_veh)和电池功率(P_bat)的任意给定值，都存在导致最大效率的发动机转速(ω_e)值。该发动机转速值为对于车辆运转参数给定值的最佳发动机转速(ω_e ^*)。此原理表示为下列方程：

${{\mathrm{\ω}}_e}^{*}=\underset{{\mathrm{\ω}}_e}{\arg \max }{\mathrm{\η}}_{\mathrm{total}}({\mathrm{\ω}}_D,{\mathrm{\ω}}_e,P_{\mathrm{veh}},P_{\mathrm{batt}})\≡{\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}^{*}({\mathrm{\ω}}_D,P_{\mathrm{veh}},P_{\mathrm{bat}})---\left(9\right)$

即，寻求在另三个给定输入下使得η_total最大化的最佳值ω^* _e。根据对系统最佳发动机转速的确定来得到优化函数

为了在车辆中利用该策略，本发明实施例生成了四维数据图或数据表，其可编程在车辆控制系统中。图3显示了一个这种四维数据图84。由于无法在单张图中表现四个维度，所以四维数据图84由多个三维数据图86、88、90构成。各个数据图86、88、90均具有电池功率(P_bat)的不同预定值。具体地，对于-10kW的电池功率得到数据图86，指示电池在充电；对于0kW的电池功率得到数据图88，指示电池功率为零；对于10kW的电池功率得到数据图90，指示电池功率输出。

应理解，电池功率值仅用于说明目的，且可使用其它值。总体上，用于例如这些数据图的功率值的范围对于较大容量电池可有所增大，且对于较低容量电池可有所减小。另外，尽管在此示例中使用了三个数据图，但是可使用少于三个数据图，且可能需要使用超过三个数据图。

作为说明，由于各个数据图86、88、90的轴线相同，所以数据图86包括最右方的水平轴指示车速，其表示为车轮转速(在图3中显示为“wDr_RPM”，并在方程中指示为ω_D)。最左方的水平轴指示车辆功率(显示为“VehPwr_kW”，并在方程中指示为P_veh)。垂直轴表示了最佳发动机转速(ω^* _e)，其可在已知其它三个车辆运转参数时确定。

本发明实施例在多个不同电池功率值下对于车辆功率和车速的多个组合产生了多个三维数据图(例如数据图86、88、90)。这些数据图可“离线”(即在车辆未运转时，例如使用已知处于车辆期望运转范围内的车辆运转参数值)生成。随后将数据图编程在车辆控制系统中，例如编程在VSC46中。一组三维数据图(例如数据图86、88、90)构成四维数据图(例如数据图84)。四维数据图随后用于确定对于给定电池功率、给定车辆功率和给定车速的最佳发动机转速。

“给定”值为通过传感器直接测量、从其它已知参数值推断、估算或任意其它能够提供所需值的方法得到的车辆运转参数的当前值。使用车辆运转参数的当前或“给定”值，可访问四维数据图并确定最佳发动机转速。由于编程在控制系统中的三维数据图数目有限，所以车辆运转参数的当前值可能位于两个三维数据图之间，而非直接处于一个数据图上。在这种情况下，可使用任意有效的插值方案并确定对于给定值的最佳发动机转速。

如上所述，本发明实施例产生多个三维数据图以制作四维数据图编程在车辆控制系统中。本发明实施例可通过采用执行某些上文提出的方程的算法实现类似的结果。例如，方程7可用于根据发动机转速的函数确定对于一组车辆运转参数值(例如车速、车辆功率和电池功率(如上文所述，这些车辆运转参数中的每一个自身均处于方程7中或可用于确定方程7中的相关变量))的动力系效率。在根据发动机转速的函数确定动力系效率之后，使用任意有效的最大化方程变量的方法(例如数学方法、迭代过程、微分等)最大化动力系效率。

在某一发动机转速值下动力系效率最大化：此为那些车辆运转参数值的最佳发动机转速。由于算法中使用的“一组值”为代表当前工况的车辆运转参数确定值，所以所确定的最佳发动机转速为最终结果，且可如下文所述地使用。该信息可随后存储在控制系统中并重复步骤从而对不同的工况确定多个最佳发动机转速。这样，在线计算最佳发动机转速并存储在控制系统中以产生如上所述的四维数据图。当存储了足够的信息后，该方法可依赖于使用数据图而非使用方程产生新的值用于最佳发动机转速。对于每一组新的工况，与计算最大效率和最佳发动机转速相比，使用数据图可减少处理需求并释放控制系统资源。

图4显示了本发明实施例的实施方案的控制系统框图。将车轮扭矩和转速输入操纵器92以输出车辆功率(P_veh)。该输入可为例如车辆驾驶员输入所获得的所需值，例如加速器位置、变速器档位及制动踏板位置。电池功率(P_bat)在求和点94与车辆功率结合得到发动机功率。在本实施例中，在框96处调节该发动机功率的原始值(其可包括发动机功率极限检查及其它调节，例如基于闭环电池功率控制的调节)。

在点98处，调节过的发动机功率(P_eng)与电池功率结合以提供四维数据表或数据图102的车辆功率(P_veh)输入100。这种数据表或数据图的一个示例为图3中显示的数据图84，其如上所述可预先编程在车辆控制器(例如VSC46)中。数据图102的另一输入104为电池功率本身(P_bat)。数据图102的第三输入在106处提供为车速。输入100、104、106表示在车辆运转期间获得的车辆运转参数的“给定值”或当前值。数据图102的输出(例如VSC46向发动机10和/或TCM58的输出)为最佳发动机转速(ω^* _e)。

因此，本发明实施例可描述为包括下列步骤的方法：(1)将多个车辆运转参数(包括电源功率)的当前值输入车辆控制系统，其中控制系统被编程为输出对应于车辆运转参数的各个值的最佳发动机转速；(2)输出对应于车辆运转参数当前值的最佳发动机转速。如上所述，这可通过预定数据图或通过在车辆运转时实时执行适用的方程产生最佳发动机转速的算法而得以实现。

回到图4，在108处使用信号过滤器过滤最佳发动机转速，并作为发动机转速指令110输出。最佳发动机转速还在112处与发动机功率(其供应自96处发动机功率调节)结合以得到最佳发动机扭矩(τ^* _eng)。114处过滤最佳发动机扭矩以产生发动机扭矩指令116。

尽管已说明并描述了本发明实施例，其并非意为着这些实施例说明并描述了本发明的所有可能形式。应当理解为，本说明书中所使用的词语为描述性词语而非限定，且可作出多种改变而不脱离本发明的实质和范围。

Claims (6)

1.一种优化车辆中动力系效率的方法，所述动力系包括发动机、可运转以向至少一个车轮输出扭矩的电机和可运转以向所述电机提供电能的电源，所述方法包含：

将多个车辆运转参数的当前值输入至所述车辆的控制系统，所述车辆运转参数包括所述电源的功率，所述控制系统被编程为输出对应于所述车辆运转参数的各个值的最佳发动机转速；

将对应于所述车辆运转参数的所述当前值的所述最佳发动机转速输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最佳发动机转速定义为对于所述车辆运转参数的一组给定值使动力系效率最大化的发动机转速。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述车辆运转参数还包括车辆功率和车辆速度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包含：

根据所述车辆功率的当前值和所述电源的功率的当前值产生发动机功率值；

使用输出的最佳发动机转速和产生的发动机功率值产生发动机扭矩值。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包含：

确定对应于所述车辆运转参数的不同组合的最佳发动机转速；

将所述最佳发动机转速和所述车辆运转参数的各个组合编程在所述控制系统中用于后期检索。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在将所述最佳发动机转速和所述车辆运转参数的各个组合编程在所述控制系统中之前离线执行所述确定对应于所述车辆运转参数的不同组合的最佳发动机转速的步骤。