CN102398595A - 具有控制系统的混合动力传动系和控制其的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有控制系统的混合动力传动系和控制其的方法。所述方法，包括确定来自电池的用于牵引扭矩的当前可用电力量作为存储在电池中的电力量减去为其他车辆部件提供电力所需的电力量且减去起动发动机所需的电力量。基于测试数据确定当扭矩仅通过马达提供时的输出扭矩极限和提供该输出扭矩极限所需的电力。通过将被确定的用于牵引扭矩的当前可用电力量乘以输出扭矩极限与提供该输出扭矩极限所需的电力量之比，来计算最大输出扭矩。如果要求发动机起动，则当前输出扭矩以预定速率减小，直到处于最大输出扭矩和输出扭矩极限中较小的那个的预定范围内。

Description

具有控制系统的混合动力传动系和控制其的方法
技术领域
本发明涉及控制混合动力传动系的方法和具有执行该方法的控制系统的混合动力传动系。
背景技术
一些机电混合动力传动系构造为运行在仅电(electric-only)模式，在该模式下一个或多个马达提供动力以推进车辆，而此时发动机关闭。仅电运行模式期间，当电池电力减小时，该模式是电量消耗(charge-depleting)模式。在电量消耗模式期间，车辆操作者会要求额外的输出扭矩，需要发动机起动。替换地，动力传动系在电池电力的一定预定最小水平达到之后会运行在电量维持(charge-sustaining)模式。在电量维持模式，发动机反复地停止和起动，以通过由发动机运行的发电机提供电池充电时段，由此防止电池电力水平下降太低而低于预定最小水平，同时保持发动机大部分时间关闭。在这些模式的任一模式起动发动机需要让本被用于在车轮处提供扭矩(即牵引扭矩)的一些电池电力替代地用于起动发动机。
发明内容
提供了一种控制混合动力传动系的方法，其确保电池电力和扭矩能力的足够储备，以允许发动机起动而不会伴随输出扭矩的不期望水平的降低。而且，如果当前输出扭矩需要减小以确保足够的电力和扭矩来起动发动机，则在起动发动机之前，当前输出扭矩的减小速率以一方式受到控制，该方式仍确保最小的发动机起动时间。该方法依赖于将电力与最终输出扭矩关联的被存储测试数据。被存储的测试数据可以将当前车辆运行条件计入在内，如发动机温度、马达温度、电池电压和传动装置输出速度。
具体说，一种控制车辆上的动力传动系的方法，包括确定来自电池的用于牵引扭矩的当前可用电力量。来自电池的用于牵引扭矩的当前可用电力量是存储在电池中的电力量减去为至少一些其他需要电力的车辆部件供电所需的电力量且减去起动发动机所需的电力量。来自电池的用于牵引扭矩的当前可用电力量由此确保电池电力储备，以起动发动机。基于存储的测试数据和当前运行条件确定在仅通过马达提供扭矩时的输出扭矩极限以及提供该输出扭矩极限所需的电力量。通过将确定为用于牵引扭矩的当前可用电力量乘以输出扭矩极限与提供该输出扭矩极限所需的电力量之比，来计算基于电力的最大输出扭矩，其确保起动发动机所需的电力储备。选择基于电力的最大输出扭矩和输出扭矩极限中较小的那个作为动力传动系的最大运行输出扭矩，以在发动机起动时减小扭矩下跌。如果马达既提供输出扭矩又起动发动机，则将最大运行输出扭矩减去起动发动机所需的扭矩量。如果请求发动机起动，则以受控的方式、以预定变化率减小当前输出扭矩，直到当前输出扭矩处于最大运行输出扭矩的预定范围。输出扭矩的变化率可以是操作者加速器输入装置(如加速器踏板)在预定时间段内的稳定度的函数。最大运行输出扭矩还可以基于马达温度的影响、扭矩传递机构的硬件限制和主动阻尼要求来调整。还提供一种具有带处理器的控制系统的混合动力传动系，该处理器实施该方法。
下面的结合附图对于用于执行本发明最佳方式的详细描述可容易地明白本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点。
附图说明
图1是增程(extended range)式电混合动力传动系的示意图；和
图2是对混合动力传动系进行控制的方法的流程图，该动力传动系例如图1所示。
具体实施方式
参见附图，几幅图中相同的附图标记表示相同的部件，图1显示了具有混合动力传动系12的混合动力车辆10。尽管动力传动系12显示为是在车辆中，如在机动车辆中，但是动力传动系12还可以用于为船提供动力、作为用于建筑物的动力站或用于利用发动机和马达/发电机提供动力的任何应用。
动力传动系12包括发动机14和混合动力传动装置15。混合动力传动装置15包括第一马达/发电机16、第二马达/发电机18和行星齿轮组30。发动机14为第一马达/发电机16提供动力。第一马达/发电机16通过产生电能而将电力提供给第二马达/发电机18，该电能通过用作马达控制器和功率逆变器的模块22输送。发动机14、第一马达/发电机16和第二马达/发电机18根据存储的算法120被控制器17控制。在一些实施例中，多个控制器可用于联合地执行控制器17的功能。在一些运行模式下，第一马达/发电机16还可以被控制以用作马达。但是，出于下述方法100的目的，第一马达/发电机16被称为发电机而第二马达/发电机18被称为马达。电池20也受到控制器17控制，以将电力通过模块22提供到第二马达/发电机18。电池20可以是形成电池组的一个或多个电池。控制器17经由电池20中的电压传感器跟踪电池20中的电力量。
第二马达/发电机18被连接用于与行星齿轮组30的太阳轮构件32共同旋转。太阳轮构件32与小齿轮37啮合，该小齿轮被承载构件36支撑。承载构件36与输出构件39一起旋转，该输出构件通过其余的传动系和车轮(未示出)连接并提供输出扭矩以推动车辆10。小齿轮37还与行星齿轮组30的齿图构件34啮合。
动力传动系12包括三个扭矩传递机构：制动类型离合器40和两个旋转类型离合器42和44，它们可根据来自控制器17的控制信号而选择性地接合。当动力传动系12运行在第一电动车辆模式时，离合器40接合以将齿图构件34搁置到静止构件41，离合器42和44脱开，且电力从电池20流动以为第二马达/发电机18提供电力，该第二马达/发电机用作马达以在太阳轮构件32处提供扭矩。扭矩随后通过行星齿轮组30提供到输出构件39。当动力传动系12运行在第二电动车辆模式时，离合器40脱开，离合器42接合，离合器44脱开，且电力从电池20流出以为均用作马达的第一马达/发电机16和第二马达/发电机18提供电力，并通过行星齿轮组30将动力提供到输出构件39。在任一电动车辆模式中，电动车辆附件45(如空调)和辅助泵47从电池20汲取一些电力。在发动机14关闭和通过发动机14提供动力的主泵没有运行时辅助泵47提供让离合器40、42、44接合的必要液压压力。在如下所述负载分配(load-sharing)、串联运行(series operating)模式中，马达/发电机16运行作为发电机，以提供车辆附件45和辅助泵47所需的一些电力。
如果电池20的充电状态下降得太低，则离合器44接合，从而第一马达/发电机16可以被控制为用作马达以起动发动机14，同时离合器40保持接合，离合器42脱开，且第二马达/发电机18继续用作马达，通过行星齿轮组30在输出构件39处提供扭矩。由此，当发动机14起动时，本会用于通过行星齿轮组30引导至输出构件39以在输出构件39产生扭矩的一些电池电力被第一马达/发电机16需要来起动发动机14。下述算法112控制动力传动系10，从而在这种发动机起动过程中输出构件39处的输出扭矩的变化率(rateof change)被控制到被确定为是车辆乘客所能接受的水平。
一旦发动机14起动，其将扭矩提供到第一马达/发电机16，该马达/发电机16用作发电机以将电力经由模块22提供给第二马达/发电机18。第二马达/发电机18用作马达。该运行模式可以被称为混合动力串联运行模式。具有这种可运行在串联运行模式的动力传动系构造的车辆有时被称为增程式电动车辆，因为与仅基于使用来自电池20的存储能量的驾驶里程相比，使用发动机14为第一马达/发电机16提供动力扩展了车辆10的驾驶里程。
在负载分配电模式期间，离合器42接合，以允许第一马达/发电机16和第二马达/发电机18二者用作马达。第一马达/发电机16通过齿图34增加动力而第二马达/发电机18通过太阳轮32增加动力。在另一负载分配模式期间，离合器42和44接合，允许发动机14向齿图构件34提供动力，同时第二马达/发电机18用作马达以向太阳轮构件32提供动力。在再生制动期间，离合器42接合且输出构件39处的扭矩通过将转动能经由第一马达/发电机16转换成电能而被降低。
电子控制器17是控制系统19的一部分，控制系统还包括电池20中的传感器和构造为感测表示输出构件39处扭矩的运行状态的传感器。电子控制器17经由CAN总线操作性地连接到发动机14、马达/发电机16、18、电池20和模块22，并根据存储在处理器46中的算法112控制它们的运行。控制器17还操作性地连接到操作者加速器输入装置49，如加速踏板，以便通过传感器监测装置49的位置。带有测试数据的数据库48也容纳在控制器17上并被处理器46访问。测试数据是从对具有与动力传动系10基本相同的马达/发电机16、18和其他部件的动力传动系测试中获取的。
参见图2，控制混合动力传动系的方法100显示为流程图并针对图1的动力传动系12详细描述如下。方法100包括在测功计(dynamometer)上执行的测试，以建立存储的数据库48，该方法还包括算法112，该算法使用存储的数据库48并被控制器17执行。方法100并不限于动力传动系12，且可以用在具有两个仅电运行模式和在仅电运行模式期间需要切换到通过使用马达起动发动机的混合运行模式的其他混合电-机械动力传动系。
方法100在图块102、104和106以测功计测试开始。在图块102，在不同发动机温度(与发动机摩擦相关联)下起动发动机14所需的峰值电池电力(Pwr2Strt)通过在测功计上对与动力传动系10基本相同的动力传动系进行测试并记录该数据而被确定。除了发动机温度以外的运行条件也被跟踪，如在发动机14起动时输出构件39的速度。
在图块104，确定使用电池20为其他电动车辆部件提供电力所需的电池电力量。所需的电池电力量可以是经滤波的量。即，滤波功能可施加到经测量的量，以便将所需电力中瞬时尖峰的任何影响滤除，因为这种尖峰并不反映持续的电力需求且不应是发动机起动之前用于控制动力传动系10的因素。例如，运行车辆附件45所需的电池电力可以被滤除。运行辅助泵47所需的电池电力也被跟踪并被包括在图块104所确定的电池电力量中。
在图块106，动力传动系12的输出扭矩极限(ToMxCap)(即在发动机14关闭且马达/发电机18用作马达以在输出构件39处提供扭矩时，在仅电运行模式输出构件39处可获得的最大扭矩)以及电池20提供该输出扭矩极限所需的电力(Pwr4ToMxCap)在各种电池电压和传动装置输出速度下被测试。动力传动系12中所有机械和电损失(即，低效)都通过在测功计上进行实际测试而计入在内。提供输出扭矩极限所需的电力是(Pwr4ToMxCap)。
在图块108，对于用于起动发动机的同一马达/发电机也在传动装置输出构件处提供输出扭矩的动力传动系，起动发动机所需的峰值扭矩在各个运行条件下被测试，如各种发动机温度和传动装置输出速度。例如，如果动力传动系12并不具有第一马达/发电机16或离合器42，则发动机14可以经由离合器44直接连接到行星齿轮组30。在这种动力传动系中，第二马达/发电机18可以用于起动发动机14并还可以通过行星齿轮组30在输出构件39处提供扭矩。
在图块110中，在图块102、106和108中收集的测试数据存储在数据库48中，作为被如下所述的算法112所使用的不同查找表。一旦数据库48在图块102、106、108和110中建立，方法110的被处理器46执行的部分，即算法112，以图块114开始。在图块114，确定来自电池20的用于牵引扭矩的当前可用电力量(PwrAvail)。该量(PwrAvail)等于如电压传感器所表明的存储在电池20中的电力量减去图块104所确定的对被供电车辆部件提供电力所需的电力量且还减去图块102所确定并存储在数据库中的给定当前发动机温度和输出构件39速度下起动发动机所需的电力量。如由电压传感器所示的存储在电池20中的电力量以及在图块104中确定的为其他车辆部件提供电力所需的电池电力量基于连续基准(实时)来确定，而不是从数据库48中存储的信息来确定。由此，在图块114确定的来自电池的用于牵引扭矩的当前可用电力量(PwrAvail)是用于确定“基于电力”能力的电力并确保电池电力储备(reserve)以起动发动机14。
接下来，算法112移动到图块116，其中当扭矩仅通过马达/发电机18提供时输出构件39处的输出扭矩极限(ToMxCap)被确定，且还使用来自图块106且在步骤110中存储的测试数据来确定提供该扭矩量所需的电力量。从存储数据选择的(ToMxCap)数据点是与当前电池电压和传动装置输出速度对应的数据点。
在图块118，通过将步骤114中确定的用于牵引扭矩的当前可用电力量(PwrAvail)乘以来自图块116的输出扭矩极限(ToMxCap)与也是在图块116中确定的提供输出扭矩极限所需的电力量(Pwr4ToMxCap)之比，来确定基于电力的最大输出扭矩，其确保起动发动机14所需的电力储备。
接下来，在图块120，来自图块118的基于电力的最大输出扭矩和来自图块116的输出扭矩极限(ToMxCap)被比较，且小的那一个被选择作为动力传动系12的最大运行输出扭矩，以减小发动机14起动时的扭矩下跌(torque sag)。需要图块120中的比较是因为，即使有提供更大扭矩的电力可用，在低的输出构件39速度下，图块116中确定的最大输出扭矩能力(ToMxCap)将低于图块118中确定的输出扭矩(即最大输出扭矩将通过马达/发电机18的机械极限来确定)；而在较高的输出构件39速度下，来自图块118的基于电力的最大输出扭矩将是较小的扭矩值。
算法112的一些可选的部分描述于图块122、124、126和128，且用于基于额外的运行条件和系统限制来细化图块118中确定的扭矩极限。例如，在图块122，马达/发电机16、18的温度对扭矩极限的影响可以通过基于马达温度来调整最大运行输出扭矩而计入在内。随着马达/发电机18变热，模块22的马达控制器将根据被乘以最大运行输出扭矩的一基于马达温度的标量(即，常数值)来减小其扭矩能力。
此外，在图块124，可以计入与马达/发电机18的扭矩极限不同的对扭矩的硬件限制的可能性。图块118的最大运行输出扭矩与基于硬件限制的预定最大扭矩(如可选择性地接合的扭矩传递机构中的一个所传递的最大扭矩)比较。例如，离合器40在仅电运行模式下被接合，在该模式下马达/发电机18用作马达而发动机14关闭。离合器40的最大扭矩能力可以被用于修订图块118的最大运行输出扭矩以使其等于离合器40的预定最大扭矩能力，如果其小于图块118的最大运行输出扭矩的话。
进而，如果动力传动系12利用发动机14和/或任一马达/发电机16、18用于主动阻尼(active damping)，则在图块126，图块118的最大运行输出扭矩被减小预定量，该预定量确保足够的电池储备和马达扭矩以提供主动阻尼。在主动阻尼时，控制器17控制马达/发电机16和18和/或发动机14的扭矩，以对将会造成在输出构件39处出现不期望扭矩变动的震荡进行阻尼和因此而抵消(offset)。
最终，对于在输出构件39处提供扭矩的同一马达/发电机还用于提供扭矩以起动发动机14的那些动力传动系来说，在图块128，图块118的最大运行输出扭矩被减去如在图块108所确定的起动发动机所需的峰值扭矩。
在图块118确定的最大运行输出扭矩由此通过任意图块122、124、126和128被调整并减小，所述图块122、124、126和128被应用到被算法112所控制的特定动力传动系构造。对图块118的最大运行输出扭矩的减小和调整由此是积累性的。
一旦图块118的最大运行输出扭矩根据图块122、124、126和128中可应用的一些而减小并调整，如果控制器17判断出在仅电运行模式期间需要发动机起动，则最大运行输出扭矩与输出构件39处的当前输出扭矩比较，且当前输出扭矩随后以图块130的预定变化率减小，直到当前输出扭矩在最大运行输出扭矩的预定范围内，在该点处发动机14可以被起动。发动机起动可以被请求以便切换到一运行模式，在该运行模式下发动机14提供输出扭矩，或切换到电量维持模式，在该模式下发动机14为发电机18提供动力以为马达16供电。输出扭矩的这种受控减小确保发动机14能以从仅电运行模式到混合动力串联运行模式的无缝过渡来起动，而不会在输出构件39处存在扭矩的尖锐减小(扭矩下跌)，这种尖锐减小在可用电池电力中的一些必须被用于提供扭矩来起动发动机14时对车辆乘客来说是可察觉的，且由此不被用于在发动机14正被起动时在输出构件39处提供扭矩。
图块130的受控减小速率基于通过控制器17监测的加速器输入装置49的位置。在图块132，输入装置49总是被控制器17监测。如果在发动机起动请求之前加速器输入装置49的位置保持在最初位置的预定范围内并经过预定时间段，则车辆操作者已经将车辆保持相对稳定，且输出扭矩的减小速率需要处于相对较慢的第一变化率，以便尽可能不被车辆操作者察觉。如果加速器输入装置49在预定时间段内运动到初始位置的预定范围以外，则输出扭矩的减小速率处于比第一变化率更快的第二变化率。
根据方法100，在仅电运行模式期间需要起动发动机14而不在输出构件39处有显著的扭矩下跌的电池电力储备用基于扭矩和基于电力的两种角度来考量，且动力传动系10被控制为确保在发动机起动之前存在足够的电池电力。输出扭矩以受控的变化率来减小，如果必要，在发动机14起动时让输出扭矩下降到能避免可察觉扭矩下跌的水平。受控的变化率是操作者加速器输入装置49(如加速器踏板)在预定时间段内的位置稳定度的函数。
尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

Claims (10)

1.一种控制车辆上的动力传动系的方法，其中，动力传动系包括发动机、具有输出构件的传动装置和马达，所述方法包括：
确定来自电池的用于牵引扭矩的当前可用电力量；其中，来自电池的用于牵引扭矩的当前可用电力量是电池中存储的电力量减去为至少一些其他需要电力的车辆部件供电所需的电力量且减去起动发动机所需的电力量，来自电池的用于牵引扭矩的当前可用电力量由此确保电池电力储备，以起动发动机；
基于被存储的测试数据和当前运行条件确定在仅通过马达提供扭矩时输出构件处的输出扭矩极限以及提供该输出扭矩极限所需的电力量；
通过将确定为来自电池的用于牵引扭矩的当前可用电力量乘以马达的输出扭矩极限与提供该输出扭矩极限所需的电力量之比，来计算基于电力的最大输出扭矩，该基于电力的最大输出扭矩确保起动发动机所需的电力储备；和
选择基于电力的最大输出扭矩和输出扭矩极限中较小的那个作为动力传动系的最大运行输出扭矩，以在发动机起动时减小扭矩下跌。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
如果马达既提供输出扭矩又起动发动机，则将最大运行输出扭矩减去起动发动机所需的扭矩量。
3.如权利要求1所述的方法，还包括：
如果请求发动机起动，则以预定的变化率减小当前输出扭矩，直到当前输出扭矩处于最大运行输出扭矩的预定范围。
4.如权利要求3所述的方法，还包括：
监测加速器输入装置的位置；其中，如果在预定时间段内被监测的位置变化小于预定量，则预定的变化率是第一变化率，且如果在该预定时间段内被监测的加速器输入装置的位置至少变化有该预定量，则预定的变化率是第二变化率。
5.如权利要求3所述的方法，其中，动力传动系还包括发电机，该发电机操作性地连接到发动机并连接到马达，以提供串联运行模式；并且
其中，发动机起动被请求用于以下两种切换中的一个，这两种切换是切换到发动机提供输出扭矩的运行模式和切换到发动机为发电机提供动力以为马达提供电力的电量维持模式。
6.如权利要求1所述的方法，还包括：
基于马达温度调整最大运行输出扭矩。
7.如权利要求1所述的方法，其中，动力传动系具有至少一个选择性可接合的扭矩传递机构，该扭矩传递机构能被接合，以至少部分地建立动力传动系的运行模式，且该方法还包括：
将最大运行输出扭矩与基于该至少一个选择性可接合的扭矩传递机构的硬件限制的预定最大扭矩比较；和
如果基于硬件限制的预定最大扭矩小于最大运行输出扭矩，则将最大运行输出扭矩修正为等于基于硬件限制的预定最大扭矩。
8.如权利要求1所述的方法，其中，发动机和马达中的任一个被控制，以提供动力传动系的主动阻尼；且该方法还包括
将最大运行输出扭矩减小预定量，该预定量确保足够的电池电力储备和马达扭矩来提供主动阻尼。
9.一种混合动力传动系，包括：
发动机；
传动装置，具有能操作性地连接到发动机的输入构件且具有输出构件；
电马达，能操作为通过传动装置向输出构件提供扭矩以用于在仅电运行模式下实现推动并能操作为提供扭矩以起动发动机；
发电机，能操作性地连接到输入构件以接收来自发动机的动力并产生电力以在串联运行模式为马达提供电力；
电池，能操作性地连接到马达以在仅电运行模式和在马达提供扭矩以起动发动机时向马达输送电力；
控制系统，具有控制器，该控制器具有执行算法的处理器，该算法：
确定基于电力的最大输出扭矩，该基于电力的最大输出扭矩确保足够的电池电力储备以起动发动机；
将基于电力的最大输出扭矩与预定输出扭矩极限比较；和
当请求发动机起动时，以受控的速率减小输出构件处的扭矩，以在马达起动发动机之前获得在基于电力的最大输出扭矩和预定输出扭矩极限中较小的那个的预定范围内的扭矩，由此减小输出构件处的扭矩下跌。
10.如权利要求9所述的混合动力传动系，其中，控制器具有作为用与所述马达基本相同的另一马达的测功计测试而确定的马达速度和电池电压的函数的输出扭矩极限和基于电力的最大输出扭矩的被存储数据库。
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