CN102407768A - 具有脱离发动机的紧凑增程电动车辆及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有脱离发动机的紧凑增程电动车辆及其控制方法。具体地，一种增程电动车辆包括小型发动机、车轮、具有电池荷电状态（SOC）的电池组以及离合器，该离合器将发动机的输出构件选择性地连接到发电机。该车辆还包括由电池组和/或发电机供能的空调（AC）压缩机和马达。发电机的功率输出在电池组和马达之间被并行地分割。AC压缩机在仅电气（EV）模式和串联模式中由发动机的输出构件连续驱动。控制器基于电池SOC接合离合器以建立串联模式并且脱开离合器以建立EV模式。发动机可由来自箱的液化丙烷气供能，所述箱位于车辆的备胎舱中。还公开了一种用于控制所述车辆的方法。

Description

具有脱离发动机的紧凑增程电动车辆及其控制方法

技术领域

本发明涉及紧凑增程电动车辆动力系及其控制方法，该动力系具有用于从传动系脱离小型内燃发动机的离合器。

背景技术

增程电动车辆（EREV）提供一个或多个仅电气（EV）动力系操作模式以及一个或多个另外的动力系操作模式。在EV模式中，内燃发动机通常仅根据需要用于使车载发电机旋转。用于推进EREV的扭矩由电动机供应，该电动机由电池组或发电机供能。在串联模式中，马达可用于启动发动机。在再生制动事件期间，同一个马达或者分离的装置可充当发电机来恢复能量，由此该电池组充电。当电池组的荷电状态低于特定极限并且车辆正在减速或怠速时，来自发电机的能量可存储在电池组中。在一些插入式EREV设计中，电池组还可使用标准或更高电压/快速充电电源来重新充电。

一旦电池组被很大程度上耗尽，EV操作范围可通过发电机和发动机的操作来扩展，直到燃料供应被用光。对于短于阈值距离（在一些实施例中，例如约40英里）的通勤，不需要发动机，因此所有的推动力由EV模式通过电的方式提供。EREV设计通常使用高电压电池模块以及相对复杂的动力系元件和控制过程来最大化EV范围。这种设计的成本、尺寸和复杂度可使得它们的应用劣于最优，尤其在一些新兴市场中。

发明内容

因此，本文所公开的增程电动车辆（EREV）具有单个仅电气（EV，即仅涉及电）模式和单个串联模式。在EV模式中，离合器打开，不使用液压装置，电马达经由连接到一组车轮的输出构件推动EREV。小型内燃发动机用于在EV模式和串联模式中对空调（AC）压缩机供能。本文所用的术语“小型”指的是排量小于约150立方厘米（cc）的发动机，在一个实施例中使用约125 cc的发动机。当车载电池组的荷电状态（SOC）超过校正阈值SOC时进入EV模式，在一个实施例中，校正阈值SOC可经由范围模型来估计。当电池SOC低于校正阈值时进入串联模式。在串联模式中，当车辆减速或处于怠速条件时，并且当电池的荷电状态反映出充电需求时，来自发电机的能量可存储在电池组中。

在串联模式中，离合器被接合或闭合，在两个可能的实施例中或者手动地或者电磁地接合或闭合，并且发动机向AC压缩机和发电机供应功率，发电机与马达分离。当推动车辆所需的功率水平（即路面负载）超过来自发电机的输入功率时，来自电池组的能量可用于帮助马达向马达的输出构件提供充足水平的扭矩，以便推动车辆。否则，发电机在再充电或再生模式中将任何过量的功率转移到电池组。在串联模式中，来自发电机的输入功率是最小制动特定燃料消耗和最大电马达效率之间的平衡优化。

特别地，本文所述的车辆包括具有输出构件的小型内燃发动机、一组车轮、可再充电电池组、离合器、具有连接到车轮的输出构件的电马达、与马达分离的发电机、AC压缩机以及控制器。控制器通过选择性地命令离合器的接合来进入串联模式。这将发动机输出构件与传动系的剩余部件联接，并且特别地将发动机的输出构件连接到发电机。类似地，离合器被选择性地脱开以使发动机的输出构件从发电机和传动系的剩余部件脱离。根据车辆操作条件，马达被单独地或同时电连接到电池组和发电机并由电池组和发电机供能。

发电机的功率在电池组和马达之间被选择性地并行地分割，对功率的分割还取决于车辆操作条件和驱动循环。AC压缩机在串联模式和EV模式中由发动机驱动，并且根据电池荷电状态（SOC）是否超过目标SOC来选择所述模式。目标SOC基于电池组的循环和耐久性需要。

本文所述的紧凑车辆设计降低了发动机和燃料箱所需的封装空间。在一个实施例中，发动机可由液化丙烷气（LPG）供能。LPG可从燃料箱传递到发动机，燃料箱位于不同于发动机罩下面的某个地方，例如在备胎舱中。而且，小型发动机可位于车辆的后车轴附近以提供发动机罩下面的更短和更优化封装的机会。LPG推动帮助最小化排放并且给车辆提供绿色形象。

电池组可包括多个小型铅酸或锂离子电池，在一个具体实施例中，使用六个8伏铅酸电池。在串联模式中，发电机对马达供能，除非推动车辆所需的功率水平超过发电机的功率输出，在该情况中，来自电池组的能量可用于增大传递到马达的功率。当所需要的功率水平低于发电机的功率输出时，电池组可使用过量功率再充电。而且在EV模式中，当必须维持电荷时，在车辆减速或怠速条件期间，来自发电机的能量可用于对电池组充电并且维持电池荷电状态。

一种控制上述车辆的方法包括计算电池组的目标SOC，然后将目标SOC与电池SOC进行比较。控制器在电池SOC超过目标SOC时命令离合器接合，由此建立串联模式。在串联模式中，小型内燃发动机至少部分地对马达的输出构件供能以推动车辆。当目标SOC超过电池SOC时，同一个离合器被脱开以由此建立EV模式。在EV模式中，发电机和电池组中的至少一个对马达的输出构件供能以推动车辆，其中，来自发电机的功率在电池组和马达之间被选择性地并行地分割。无论离合器的接合状态如何，AC压缩机都经由发动机输出构件被供能。

从用于实施本发明的最佳模式的以下详细描述并结合附图，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得明显。

附图说明

图1是本文所公开的紧凑增程电动车辆的示意图，其具有串联模式和仅电气（EV）模式；并且

图2是流程图，描述了用于控制图1所示车辆的动力系的方法。

具体实施方式

参见附图，图1所示的增程电动车辆10具有控制器12和偏移控制算法100。控制器12可包括范围模块11，如下面参照图2所述。控制器12使用一组控制信号14在两个不同动力系操作模式之间进行选择。控制器12和车辆10的各种部件之间的无线和/或硬线电连接是本领域已知的，并且因此在图1中省略以便更加清楚。车辆10的两个动力系操作模式包括发动机联接串联模式和发动机脱离仅电气（EV）模式，两种模式均由控制器12建立，如下面参照图2所述。

车辆10意图为紧凑或亚紧凑设计，因此使用多个设计特征来降低封装空间。一个这种设计特征包括使用小型内燃发动机16，例如在一个实施例中小于约150立方厘米（cc）排量，并且根据另一个实施例小于约125 cc排量，其尺寸远小于典型增程车辆中使用的。发动机16可任选地位于后地板40下面，在图1中以虚线表示发动机的这种位置。发动机16可在后车轴例如下面所述的输出构件27的前面。

使用离合器20将发动机16选择性地连接到交流发电机或发电机18。为了降低封装尺寸，离合器20是车辆10上所使用的唯一的离合器。另外，离合器20可以是手动致动的或电磁致动的离合器，或者是任何其他离合器设计，其释放出否则将由螺线管、阀、泵、阀体和其他常用液压流体控制部件所占据空间的大部分。车辆10的动力系的特征在于没有行星齿轮，这是另一个设计特征，其进一步最小化车辆的成本并且降低所需要的封装空间。

发动机16从燃料箱19抽取燃料17。在一个实施例中，燃料17是液化丙烷气（LPG），使用这种燃料允许燃料箱19置于不同于车辆发动机罩下面或车门下面的位置。例如，燃料箱19可位于备胎舱15内。这一另外的设计特征允许车辆10的尺寸设置成远小于在其他情况中的可能尺寸。发动机16可被控制以在其工作循环的下半部中操作，以便进一步扩展其范围而不增大发动机的尺寸。

车辆10的推动马达24由可再充电电池组26、整流器模块28和变换器模块30供能，如下所述。马达24的可旋转输出构件27最终将来自发动机16和/或发电机18和电池组26的扭矩传递到一组车轮31，以便推动车辆10。

仍然参见图1，发动机16的输出构件21连接到空调（AC）压缩机34。AC压缩机34是发动机16上的持续且相对重要的电负载，即，根据车辆10的设计可高达1.5 kW。在一个其他可能最优的实施例中，发电机18用48VDC/33VAC的电压输出传递约4.5 kW的输出功率35。因此，发动机16的尺寸设置成提供AC压缩机34和发电机18的负载。

AC压缩机34在离合器20的一侧上经由发动机16的输出构件21被驱动，而离合器的另一侧连接到发电机18的输入构件23。然后，根据控制器12所采用的控制策略以及电池组26的当前荷电状态（SOC），来自发电机18的输出功率在整流器模块28之后在马达24和电池组26之间被电并行的分割。这样，当车辆10在行驶或怠速时，并且AC压缩机34在80％的时间内以恒定负载运行的情况下，相对于常规发动机具有显著减小的尺寸的发动机16可用于补充再生功率和电池组26的充电功率。当车辆10减速或怠速时，可使用来自发电机18的能量维持电池电荷。这可被优化以根据需要最大化车辆范围。

当电池组是标准电压铅酸构造时，图1所示的车辆10允许电池组26的扩展的EV范围。这种电池组可在车辆10构造为微型或亚紧凑车辆时使用。具有EV模式和合理EV操作范围的亚紧凑车辆可提供相对成本高效的运输工具，这在新兴市场中可具有特别的应用。使用LPG作为燃料17可如上所述使得能够将箱19封装在车辆10的备胎毂区域中，并且降低排气管排放。

可通过将电池组26构造为6×8伏系统而非常规8×6伏系统，并且将发动机和发电机18至少部分地置于任何被取消的电池所腾出的空间中，来释放发动机16的封装空间。另外，电池组26可使用再生制动或任何其他再生事件（其中过多功率可用）来再充电，服从于铅酸或锂离子电池的相应最大充电容量，该最大充电容量为再生功率和来自发电机18的输出功率35之和。

控制器12可构造为数字计算机，其具有微处理器或中央处理单元、只读存储器（ROM）、随机访问存储器（RAM）、电可擦写可编程只读存储器（EEPROM）、高速时钟、模数（A/D）和数模（D/A）电路和输入/输出电路和设备（I/O），以及适当的信号处理和缓冲电路。控制器12中留存的或者其可访问的任何算法（包括偏移控制算法100）可存储在ROM中并且由控制器自动执行以建立各种操作模式。

参见图2并参见图1所示的结构，车辆10的偏移控制方法或算法100确保当发动机在EV模式中从输出脱离时发动机16在其最佳的制动特定燃料消耗（BSFC）区中操作。如本领域已知的，BSFC提供发动机燃料效率的测量，并且可通过将克/秒为单位的燃料消耗率（r）除以瓦为单位的功率（P）来计算，P＝ωτ。在该等式中，ω是以弧度/秒为单位的发动机速度，并且τ是以牛顿米为单位的发动机扭矩。

算法100开始于步骤102，其中，使用控制器12自动地计算电池组26的目标SOC。步骤102可需要使用校正值等而从前面计算的目标SOC减去校正值。一旦进行了计算，算法100执行步骤104和108。

在步骤104，将车辆10的剩余范围的距离与校正阈值进行比较。可通过计算和/或通过访问任选的范围模型11而就SOC估计剩余范围。如果所述距离小于校正阈值，则算法100进行到步骤106。如果大于校正阈值，则算法100重复步骤102。

在步骤106，控制器12通过设定目标SOC等于前面计算的目标SOC来计算目标SOC。算法100然后进行到步骤108。

在步骤108，将电池SOC，即电池组26的荷电状态与目标SOC进行比较。如果电池SOC低于目标SOC。则算法100进行到步骤110，否则算法进行到步骤112。

在步骤110，接合离合器20并且进入串联模式。发动机16向AC压缩机34供应功率，并且还供应推动车辆10所需的一些或全部功率。

在步骤112，打开或脱开离合器20，从而建立EV模式。发动机16继续为AC压缩机供应功率，但是经由电池组26和马达24提供车辆推动。如果需要维持电池电荷并最大化车辆范围，则在车辆减速或怠速条件的所有时机中，离合器20被接合并且发电机18向电池组26提供电荷。

上述使用单个离合器20使得能够执行串联模式，而EV模式中的脱离的发动机允许两种不同模式之间的提高的EV范围和优化的偏移策略。如上所述，当离合器20脱开或打开时，马达24驱动输出构件27，并且发动机16仅用于向AC压缩机34供应功率。当电池SOC超过估计的或模型化的目标SOC时进入该模式。当电池SOC低于目标SOC时，离合器20可接合或闭合，以允许发动机16为AC压缩机34和发电机18供能。当功率需求或路面负载超过来自发电机18的输入功率时，电池组26可帮助向马达24传递功率。当输出功率35超过功率需求时，发电机可将过量的能量引导到电池组26，以便对电池组26再充电。当电池SOC下降到低于阈值，例如约95％时，控制器12可使能电池组26的充电。

虽然已经详细描述了用于实施本发明的最佳模式，但本领域技术人员将会意识到所附权利要求范围内的用于实施本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种车辆，包括：

发动机，其具有输出构件；

车轮，其用于推动所述车辆；

电池组，其具有电池荷电状态（SOC）；

发电机，其可连接到所述发动机的输出构件；

马达，所述马达单独地或同时地电连接到所述电池组和所述发电机并由所述电池组和所述发电机供能，并且所述马达具有连接到所述车轮的可旋转输出构件；

离合器，其将所述发动机的输出构件选择性地连接到所述发电机；

空调（AC）压缩机，其由所述发动机的输出构件连续地驱动；以及

控制器，其适于选择性地接合所述离合器以由此建立串联模式以及脱开所述离合器以建立仅电气（EV）模式；

其中，所述控制器在所述电池SOC超过目标SOC时建立所述EV模式，并且在所述电池SOC下降到低于所述目标SOC时进一步建立所述串联模式，在所述串联模式和所述EV模式中，所述AC压缩机由所述发动机驱动。

2.如权利要求1所述的车辆，其中，所述发动机由液化丙烷气（LPG）供能，并且其中，容纳所述LPG的燃料箱位于所述车辆的备胎舱中。

3.如权利要求1所述的车辆，其中，所述发动机具有约150立方厘米（cc）至约125 cc的排量。

4.如权利要求1所述的车辆，其中，所述离合器是手动离合器和电磁离合器之一。

5.如权利要求1所述的车辆，其中，所述控制器在推动所述车辆所需的功率水平超过所述发电机的功率输出时选择性地使用来自所述电池组的功率以对所述马达供能，并且在推动所述车辆所需的功率水平未超过所述发电机的功率输出时选择性地将来自所述发电机的过量功率传递到所述电池组。

6.如权利要求1所述的车辆，其中，所述发电机传递4.5 kW的最大功率，并且其中，所述控制器在所述电池SOC下降到低于约95％时使能所述电池组的充电。

7.一种用于控制车辆的方法，所述车辆具有：发动机，其具有输出构件；空调（AC）压缩机，其由所述发动机的输出构件连续地驱动；发电机；马达，其与所述发电机分离并且具有输出构件；电池组，其具有荷电状态（SOC）；以及离合器，其将所述发动机的输出构件选择性地连接到所述发电机，所述方法包括：

计算所述电池组的目标SOC；

将所述目标SOC与所述电池SOC进行比较；

当所述电池SOC超过所述目标SOC时接合所述离合器以由此建立串联模式，其中，所述发动机至少部分地对所述马达的输出构件供能以推动所述车辆；

当所述目标SOC超过所述电池SOC时脱开所述离合器以建立仅电气（EV）模式，其中，所述发电机和所述电池组中的至少一个对所述马达的输出构件供能以推动所述车辆，并且其中，来自所述发电机的功率在所述电池组和所述马达之间被并行地分割；并且

在所述串联模式和所述EV模式中，经由所述发动机输出构件对所述AC压缩机供能。

8.如权利要求7所述的方法，进一步包括：

在车辆减速期间根据需要或者在车辆怠速时重新接合所述离合器，以由此使用来自所述发电机的能量将所述电池SOC提高到高于所述目标SOC。

9.如权利要求7所述的方法，其中，所述车辆包括备胎舱，所述方法进一步包括：

将液化丙烷气（LPG）箱置于所述备胎舱中；并且

使用来自所述LPG箱的LPG对所述发动机供能。

10.如权利要求7所述的方法，进一步包括：

将所述发动机封装在所述车辆的后地板下面以及后车轴前面。

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