CN103269888A - 用于非公路车辆发动机曲柄起动的系统和方法 - Google Patents

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A.K.库马
B.沃尔登
H.杨
T.布朗
J.沃尔夫
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Abstract

提供了用于操作发动机的方法和系统，该发动机联接到牵引交流发电机以用于车辆行驶。在一个示例中，该方法包括：在非公路车辆运行操作模式下，经由牵引逆变器将来自牵引交流发电机的电流供应至牵引马达以推进车辆；以及在启动操作模式下，将来自第一能量源和二级能量源的储存能量供应至牵引交流发电机以启动发动机。

Description

用于非公路车辆发动机曲柄起动的系统和方法
技术领域
本文所公开的主题涉及用于改善非公路车辆(off-highway)中的发动机曲柄起动(cranking)的系统和方法。
背景技术
诸如非公路车辆(OHV)的车辆包括用于曲柄起动发动机以便帮助发动机启动的各种系统。启动系统可利用发动机起动马达或其它发动机推进构件。在一个示例中，推进系统包括向逆变器(inverter)提供直流(DC)功率的电池，该逆变器将DC功率转换为频率受控的交流(AC)功率。AC功率接着被供应至产生转子的旋转的交流发电机，转子在与发动机的曲轴联接时旋转曲轴以用于发动机启动。
然而，发明人已认识到，OHV可具有牵引交流发电机，并且可能有利的是利用牵引交流发电机来进行发动机曲柄起动。例如，相比在发动机运行时为灯、泵等提供动力的起动马达或交流发电机，可以为牵引交流发电机提供高电流。因此，可将更高的电流转换为更高的机械能以曲柄起动发动机。
发明内容
在一个方案中，公开了一种操作发动机的方法，该发动机联接到用于车辆行驶的牵引交流发电机和辅助交流发电机。该方法包括：在非公路车辆运行操作模式下，从辅助交流发电机以第一电压对电池充电，同时将来自牵引交流发电机的电流供应至牵引马达以推进车辆；以及在启动操作模式下，从储存能量生成第二更高的电压，以驱动牵引交流发电机而至少帮助启动发动机。例如，第二更高的电压可通过经由DC至DC转换器增加电池的输出而生成。这样，可经由辅助交流发电机在较低电压下对电池充电，并且电池可向牵引交流发电机供应第二更高的电压以曲柄起动发动机。
在另一示例中，在非公路车辆运行操作模式(例如运行模式)下，电流经由牵引逆变器从牵引交流发电机供应至牵引马达以推进车辆，并且在启动操作模式下，储存能量从第一能量源和二级能量源供应至牵引交流发电机以启动发动机。例如，第一能量源可以是电联接到发动机的相对低电压的电池，其为灯、泵等提供电力，二级能量源可以是可释放比电池更高的电流的超级电容器。
在一个示例中，输出比二级能量源更低的电压的第一能量源可在运行操作模式期间经由DC至DC转换器对二级能量源充电。在其它示例中，二级能量源可在运行操作模式期间经由牵引交流发电机被进一步充电。这样，二级能量源可在发动机曲柄起动期间根据需要为牵引交流发电机提供高电流供应。此外，二级能量源的电荷水平可以以较慢速率降低，因为它可经由电池充电。因此，发动机启动即使在例如电池劣化时也可进行。
应当理解，提供以上简要描述是为了以简化形式介绍在详细描述中进一步描述的一系列概念。其并不意图标识要求保护的主题的关键或必要特征，该主题的范围由详细描述之后的权利要求唯一地限定。此外，要求保护的主题并不限于解决在上文或本公开的任何部分中指出的任何缺点的实施方案。
附图说明
通过参照以下附图阅读非限制性实施例的以下描述，将更好地理解本发明，在附图中：
图1显示带有升压器(voltage boost)的发动机系统的示例框图。
图2显示带有升压器的非公路车辆中的发动机系统的示例框图。
图3显示带有升压器的非公路车辆中的发动机系统的示例框图。
图4显示流程图，该图示出了用于带有升压器的发动机的例程。
图5显示带有经由发动机充电的二级能量源的非公路车辆中的发动机系统的示例框图。
图6显示流程图，该图示出了用于带有经由发动机充电的二级能量源的发动机的例程。
图7显示带有经由牵引交流发电机充电的二级能量源的非公路车辆中的发动机系统的示例框图。
图8显示流程图，该图示出了用于带有经由牵引交流发电机充电的二级能量源的发动机的例程。
图9显示带有二级能量源和液压系统的非公路车辆中的发动机系统的示例框图。
图10显示流程图，该图示出了用于带有二级能量源和液压系统的发动机的例程。
图11显示流程图，该图示出了用于带有二级能量源的非公路车辆中的发动机系统的停机例程。
具体实施方式
以下描述涉及发动机系统的各种实施例，该发动机系统经由机械联接到发动机上的牵引交流发电机启动。可使用各种方案来为牵引交流发电机供应适当水平的电流以曲柄起动发动机。在一个实施例中，电池电联接到将电池的输出升压的DC至DC转换器。电池的输出可经由牵引逆变器(其将DC转换为AC以用于牵引马达推进车辆)、有源整流器或者如参照图1至图4所描述的与牵引逆变器分开的逆变器转换为AC以用于牵引交流发电机。
在另一实施例中，如参照图5和图6所描述的，发动机系统还包括诸如超级电容器的二级能量源，其输出比电池更高的电压且其可经由电池充电。这样，可储存相对高水平的电荷，使得例如发动机可快速启动。
在另一实施例中，二级能量源在发动机的运行操作模式期间经由牵引交流发电机充电，如参照图7和图8所描述的。因此，二级能量源可从两个源(牵引交流发电机和电池)接收能量，并且高电荷水平可维持在二级能量源中。
在又一实施例中，如参照图9和图10所描述的，发动机联接到液压系统。液压系统可在发动机启动操作模式期间为电池和二级能量源提供另一能量源。这样，即使二级能量源的电荷水平对于发动机曲柄起动来说太低，二级能量源也可在发动机曲柄起动之前充电，使得发动机可启动。
参照图10描述用于使带有二级能量源的发动机停机的例程。
现在参照附图，相似附图标记用来标识各个视图中类似的构件。图1至图3、图5、图7和图9提及发动机系统，其具有蓄电池104、牵引逆变器118、带有电枢(armature)124、转子(“R”)126和磁场绕组(未示出)的牵引交流发电机120、以及发动机112。
现在具体参照图1，该图示出了非公路车辆10的发动机系统100的第一实施例，其包括升压器且其通过连续的磁场分流(field shunting)来调整发动机扭矩水平。
发动机系统100包括控制器102、原动机或发动机112、第一能量源(其为蓄电池104)、牵引逆变器118和牵引交流发电机120。蓄电池104供应电能以用于启动发动机112。发动机112可通过生成驱动发动机112的曲轴的交流发电机扭矩122而启动，如下文更详细描述的。
蓄电池104可为例如铅酸式或镍镉式。蓄电池104可提供24伏的输出电压，取决于包括其电荷状态、温度、最大电流等的各种参数。作为示例，控制器102可基于来自传感器150、152和154的输入来估计电池104的电荷状态和/或健康，传感器150、152和154联接到电池104且与控制器102连通，以用于指示例如电池的温度、电压和输出电流。此外，在运行操作模式期间，蓄电池104经由辅助交流发电机(交流发电机和整流器)114由发动机充电，并且向诸如灯、泵、空调等的车辆的各种构件提供动力。
如图1的示例实施例所示，当切换电路116闭合时，由蓄电池104供应的DC被转换为AC，并且在有源整流器134启用时(例如当切换电路116断开时)由有源整流器134供应至牵引交流发电机120。此外，有源整流器134将由牵引交流发电机120供应的AC转换为供应至牵引逆变器118的DC。有源整流器134和/或牵引逆变器118可包括至少三个支路，每个支路可包括至少两个绝缘栅双极晶体管(IGBT)。例如，在六个IGBT中，至少两个在电路操作期间断开，使得每次对两个相点火。此外，蓄电池104的输出经由DC至DC转换器106而升压。因此，供应至牵引交流发电机的DC可增加至用于发动机曲柄起动的期望水平，以及由DC至DC转换器106调节。
在一个示例中，发动机112可以是热力或内燃发动机，例如2500马力的柴油发动机，其用于提供非公路车辆上的原动力。在一个示例中，牵引交流发电机120可执行两种操作模式：在启动操作模式(例如，发动机曲柄起动)期间，牵引交流发电机120可以是驱动曲轴以启动发动机112的AC马达；在发动机曲柄起动之后，牵引交流发电机120可以是同步发电机，其向连接到其电枢绕组124的电负载电路供应交流电。例如，当发动机启动时，将DC转换为AC以使牵引交流发电机120作为AC马达操作的有源整流器134的部分被切换脱离电路，使得有源整流器134仅为牵引逆变器118供应DC。
在如图1所示的发动机启动操作模式下，牵引交流发电机120的转子“R”126驱动发动机112的曲轴。由牵引逆变器118从重型蓄电池104供应至牵引交流发电机120的电能被转换为转子126的机械能。转子126因此施加扭矩(122)以转动曲轴并由此曲柄起动发动机。当转子“R”126加速时，发动机速度(每分钟转数，RPM)增加，并且在电枢124中生成的反电动势对应地增加，而负载电流(例如图1的曲柄起动电路中的电流)在量值上减小。一旦转子旋转得快于典型地约200rpm的预定速率，就假设发动机已启动，并且发动机曲柄起动操作模式停止。
电路中的负载电流因此可直接取决于电池电压、电枢反电动势和包括磁场的阻抗的电路中的阻抗。由于加速转子“R”126而生成的交流发电机扭矩122主要取决于磁场电阻128和交流发电机的反电动势。因此，通过对磁场电阻连续地分流，有可能实时地且响应于各种操作条件而调整交流发电机扭矩。例如，在计算机控制系统中的实时控制可包括响应于计算和在整个操作中获得的传感器读数而由系统对交流发电机扭矩的反复和连续的调整。
在一个示例中，连续的磁场分流通过与磁场并联地连接IGBT(未示出)而实现。IGBT可另外且选择性地联接到并控制例如非公路车辆的另一构件。该另一构件可包括下列中的一个或多个：散热风扇、空气压缩机、电池充电器、牵引励磁调节器或AC牵引马达。这样，有可能利用IGBT来提供对磁场和因此牵引交流发电机120在曲柄起动期间以及另一构件的控制，该另一构件在曲柄起动期间不操作，但在曲柄起动之前或之后例如在非公路车辆运行状态期间操作。
在一个示例中，IGBT可由控制器102响应于期望输出扭矩、期望速度轨迹、实际发动机速度和/或如本文关于图2更详细描述的各种其它参数而进行控制。例如，基于实际扭矩和期望扭矩的比较，IGBT生成脉宽调制(PWM)信号以经由调制磁场的阻抗而对磁场连续地分流。在另一示例中，IGBT可调制并联地连接到磁场的电阻器的阻抗。因此，由启动系统中的三相牵引交流发电机120供应的扭矩可经由交流发电机的磁场分流的连续调整而在多于两个水平(例如，3个或更多扭矩水平)中调整。
可指出，多个水平间的扭矩调整还可通过将一系列电阻器并联连接到磁场绕组而实现，其中每一个电阻器由开关控制。由于多个电阻器并联连接到磁场，因而它导致进一步的磁场减弱和因此更高的交流发电机扭矩。当由控制器调整时，多个开关可在不同时间处于接通状态或断开状态，继而在发动机曲柄起动期间允许多个扭矩水平。
如上所述，有源整流器134和IGBT可用来在曲柄起动期间控制牵引交流发电机120并为其提供动力，并且还可用来在发动机曲柄起动之后例如在非公路车辆运行状态期间控制非公路车辆10的另一构件并为其提供动力。因此，一旦发动机速度已达到例如约200rpm且发动机气缸点火，控制器102就确认曲柄起动结束并向切换电路发送信号，以将把来自有源整流器134的DC转换为AC的牵引逆变器118连接到AC牵引马达148，以在后续发动机操作期间为车辆的轮子136提供动力。
在图2的示例实施例中，发动机系统200还包括逆变器140。在发动机启动操作模式期间，由蓄电池104供应的DC被转换为由与牵引逆变器118分开的逆变器140供应至牵引交流发电机120的AC。如在图1的示例中那样，在发动机运行操作模式期间，牵引交流发电机120经由牵引逆变器118向AC牵引马达148提供动力。来自牵引交流发电机120的AC经由有源整流器134转换为DC，并且牵引逆变器118将来自有源整流器134的DC转换为AC。
在图3的示例实施例中，发动机系统300除有源整流器134之外还包括转换开关142。在这一实施例中，在启动操作模式期间，转换开关142被调整，使得高电压的AC(其已通过牵引逆变器118从由蓄电池104供应的DC转换)被供应至牵引交流发电机120。在运行操作模式期间，转换开关142被调整，使得AC牵引马达148从牵引逆变器118接收电流以为轮子136提供动力，并且电流经由有源整流器134从牵引交流发电机120供应至牵引逆变器118。
因此，图1至图3示出了具有由DC至DC转换器106升压的蓄电池104的发动机系统的实施例。如上所述，在发动机启动操作模式下，由蓄电池供应的低电压DC可经由DC至DC转换器转换为高电压DC，并由有源整流器134、单独的逆变器140或由牵引逆变器118转换为高电压AC以用于牵引交流发电机120。在发动机运行操作模式下，来自牵引交流发电机120的AC在其供应至牵引逆变器118之前由有源整流器134转换为DC。
为简单起见，图4至图11将使用具有图1的发动机系统的基本构型的发动机系统来描述。然而应当理解，参照图4至图11描述的发动机系统也可具有图2或图3的基本构型。
图4描绘了示出用于带有升压器的发动机(例如上述发动机系统100)的示例控制例程400的流程图。具体而言，例程400确定发动机的操作模式并调整电路，使得牵引交流发电机用来曲柄起动发动机或为车辆的轮子提供动力。
在例程400的410，确定发动机是否处于诸如曲柄起动模式的启动操作模式或者诸如其中车辆被推进的行驶模式的运行操作模式。例如，发动机可能已运行或者它可能停机。
如果确定发动机处于启动模式，则例程400进行到412，在此切换电路116被调整(例如闭合)，以将电池104经由DC至DC转换器106连接到有源整流器134。
在414，可确定各种操作条件。操作条件可包括例如下列中的一个或多个：电池系统条件(电压、电流负载、温度)、交流发电机特性、发动机额定值(例如，马力额定值、额定发动机速度)、气缸数、燃料类型、发动机操作条件(例如，发动机速度、发动机空气流和发动机温度)、环境条件和/或系统老化。
一旦确定操作条件，例程400就继续到416，在此确定用于曲柄起动发动机的期望扭矩。例如，期望交流发电机扭矩可基于在514确定的发动机速度、电池电压和气缸数。在一个示例中，例程可利用在曲柄起动和加速期间的期望发动机速度轨迹，并且基于期望轨迹和实际发动机速度轨迹之间的误差来评估用以实现期望扭矩的的期望电池电压。
在例程400的418，执行电压升压的连续调整，使得电池104的输出被升压至期望水平。在一个示例中，基于发动机速度误差，控制器102向DC至DC转换器106发送信号，以将电池电压调整至如在416评估的期望值。升压可将电池电压增加至预定值，并且在另一示例中，升压可将电池电压降低至预定值。
在例程400的420，利用升压的电压执行磁场分流和发动机曲柄起动扭矩的连续调整。例如，在升压的电压通过曲柄起动电路的情况下，负载电流生成，交流发电机扭矩增加，且因此发动机速度增加。在一个示例中，基于发动机速度误差或速度误差的变化率或电池的功率输出等，控制器102可调整到IGBT的PWM信号，以调整磁场分流电阻。
在例程400的422，执行发动机速度检查。在一个示例中，如果发动机速度达到例如约200rpm的预定速度，则控制器发出信号指示发动机112已完成曲柄起动且供应至发动机112的交流发电机扭矩减小。如果发动机速度低于预定速度，则发动机曲柄起动继续，如在420解释的。
在一些示例中，第一发动机速度检查可在422处的发动机速度检查之前执行。在一个示例中，如果发动机速度已达到例如约30rpm的预定速度，则曲柄起动电路可能期望较低电路阻抗以维持期望的负载电流，并且因此控制器可向切换电路发送信号，以闭合开关并经由例如电阻器而减弱磁场。在这一示例中，当曲柄起动操作模式开始且开关断开时，负载电流可由电池104的总电阻和牵引交流发电机120的磁场电阻限制。当曲柄起动继续且RPM增加时，牵引交流发电机反电动势限制负载电流。因此，负载电流和扭矩趋于随速度增加而减小。在曲柄起动开始后不久，例如当RPM达到约30时，闭合开关减弱了磁场电阻，由此允许流过更多负载电流和产生更高扭矩。
一旦发动机速度超过阈值，牵引交流发电机120处的电压就在例程400的424减小。例如，一旦曲柄起动结束，来自电池的DC功率供应就关闭。此外，交流发电机扭矩可不生成，并且交流发电机可根据非公路车辆的操作条件切换至空转或发电模式。
一旦牵引交流发电机120处的电压减小，或者如果在410确定发动机处于运行模式，图4的例程400就进行到426，在此切换电路116被调整(例如，断开)以将电池104与有源整流器134断开。
在例程400的428，经由交流发电机和整流器114对电池104充电。在430，确定是否期望车辆运动。例如，车辆操作者可将档位从“停车”(Park)变为“行驶”(Drive)。如果确定期望车辆运动，则例程400继续到432，并且牵引交流发电机120为牵引马达148提供动力，以转动轮子136并推进车辆。另一方面，如果确定不期望车辆运动，则例程结束。
因此，图4显示了示出用于用电压升压操作发动机的方法的示例流程图。如上所述，电压升压可使在发动机曲柄起动操作期间交流发电机扭矩在多个扭矩水平间的期望变化成为可能。
继续到图5，该图示出了带有电池104的发动机系统500的另一示例实施例，电池104可利用DC至DC转换器106来升压。发动机系统500类似于上文参照例如图1所描述的发动机系统100。图5所示的示例还包括二级能量源，电能储存装置108。电能储存装置108可以是例如超级电容器，或者一个或多个输出比电池104更高的电压的另一种合适的高容量能量储存装置。
在图5的示例中，电能储存装置108可通过断开切换电路138而与电池104隔离。在这一示例中，电能储存装置108可以是供应至牵引交流发电机120以曲柄起动发动机的唯一能量源。在其它示例中，电能储存装置108和电池104均可用来向牵引交流发电机120供应能量以用于发动机曲柄起动。例如，通过在发动机启动操作模式期间闭合切换电路138，可由电池104的输出延长电能储存装置108的寿命。
此外，在图5的示例实施例中，在发动机运行操作模式期间，电能储存装置108经由交流发电机和整流器114以及电池104由发动机112充电。
因此，图5示出了发动机系统的实施例，除了由相对低电压源(例如，交流发电机和整流器114)充电的第一能量源(例如，蓄电池104)之外，该发动机系统具有可由高电压源(例如，牵引交流发电机120)充电的二级能量源(例如，电能储存装置108)。如上所述，当发动机处于运行操作模式时，第一能量源和二级能量源两者经由发动机112充电。
图6显示了示出包括二级储存装置的发动机系统(例如图5的发动机系统100)的控制例程600的流程图。具体而言，例程600确定发动机的操作模式并相应地调整电路。
在图6的610，确定发动机是否处于诸如曲柄起动模式的启动操作模式或者诸如其中车辆被推进的行驶模式的运行操作模式。例如，发动机可能已运行或者它可能停机。如果确定发动机处于启动操作模式，则例程600进行到612，在此切换电路116被调整以将电能储存装置108和电池104连接到有源整流器134。例如，切换电路116可被闭合，以便电连接有源整流器134和电能储存装置108。
一旦切换电路被调整，例程600就继续到614，在此确定操作条件。如上所述，操作条件可包括例如下列中的一个或多个：电池系统条件(电压、电流负载、温度)、交流发电机特性、发动机额定值(例如，马力额定值、额定发动机速度)、气缸数、燃料类型、发动机操作条件(例如，发动机速度、发动机空气流和发动机温度)、环境条件和/或系统老化。
一旦确定操作条件，例程600就进行到616，在此确定期望交流发电机扭矩。如上所述，交流发电机扭矩的期望水平可基于发动机速度、电池电压和气缸数。在一个示例中，例程可利用在曲柄起动和加速期间的期望发动机速度轨迹，并且基于期望轨迹和实际发动机速度轨迹之间的误差来评估期望扭矩。
在例程600的618，利用如上所述连续的磁场分流和电能储存装置108来执行发动机曲柄起动。在一些示例中，升压的电池104和电能储存装置108均可用来曲柄起动发动机。例如，可基于电能储存装置的阈值电荷水平来控制切换电路138。阈值水平可接近电能储存装置108的最大电荷。在其它示例中，阈值电荷水平可另外或备选地基于例如启动发动机所需的能量的量。如果电能储存装置的电荷水平高于阈值水平，则可调整切换电路，使得电池104不电联接到电能储存装置108，反之亦然。
在例程600的620，执行发动机速度检查。作为示例，如果发动机速度已达到例如约200rpm的预定速度，则控制器发出信号指示发动机112已完成曲柄起动并且供应至发动机112的交流发电机扭矩减小。如果发动机速度低于预定速度，则发动机曲柄起动继续，如在618解释的。
如果在620确定发动机速度大于阈值速度，则例程600进行到622，并且由电能储存装置108供应至牵引交流发电机120的电压降低。此外，交流发电机扭矩可不生成，并且交流发电机可根据非公路车辆的操作条件切换至空转或发电模式。
一旦供应至牵引交流发电机120的电压降低或者如果在610确定期望运行操作模式，例程600就移至624，在此切换电路116被调整以将电能储存装置108和电池104(如果连接到电能储存装置108)从有源整流器断开。例如，切换电路断开，使得电能储存装置108和有源整流器不再电联接。
在例程600的626，由发动机经由交流发电机和整流器114对电池104充电。如果还没有连接，则调整(例如，闭合)切换电路138以将电池104经由DC至DC转换器106电连接到电能储存装置108。这样，在发动机运行操作期间由电池104对电能储存装置108充电。
在例程600的630，确定是否期望车辆运动。例如，车辆操作者可将档位从“停车”变为“行驶”。如果确定期望车辆运动，则例程600继续到632，并且牵引交流发电机120为牵引马达148提供动力，以转动轮子136并推进车辆。另一方面，如果确定不期望车辆运动，则例程结束。
因此，例程600显示了示出用于用电压升压和二级能量源(例如，电能储存装置108)操作发动机的方法的示例流程图。如上所述，二级能量源可用来为牵引交流发电机120提供动力，以在发动机启动操作模式期间曲柄起动发动机。此外，发动机经由交流发电机114对电池104充电，并且电池104继而对二级能量源充电。
图7显示了发动机系统700的另一示例实施例，其包括可利用DC至DC转换器106升压的电池104(例如，第一能量源)和电能储存装置108(例如，二级能量源)。发动机系统700类似于上文参照例如图5所描述的发动机系统500。图7所示的示例还包括电联接在有源整流器134和电能储存装置108之间的切换电路。
如图7所示，当发动机处于运行操作模式时，由发动机经由交流发电机和整流器114对电池104充电。在运行操作模式期间，根据是否期望经由电池104对电能储存装置108充电，可断开或闭合切换电路138。电能储存装置108可通过闭合切换电路162而在第二更高电压下被进一步充电。在这一构型中，来自牵引交流发电机120的AC被有源整流器134转换为DC，并且在切换电路162闭合时允许该DC流至电能储存装置108，从而对电能储存装置108进行充电。此外，切换电路162可包括电压限制电路以用于对电能储存装置108充电。例如，切换电路161可包括DC至DC转换器。这样，相比例如牵引交流发电机120，可将不同电压施加到电能储存装置108。
因此，图7示出了发动机系统的实施例，该系统除了第一能量源(例如，蓄电池104)之外还具有二级能量源(例如，电能储存装置108)。如上所述，当发动机处于运行操作模式时，第一能量源和二级能量源两者可经由发动机112充电。此外，当发动机处于运行操作模式时，二级能量源可经由牵引交流发电机120充电。
图8显示了示出诸如图5的发动机系统100的发动机系统的控制例程800的流程图，该系统包括可经由牵引交流发电机充电的二级储存装置。具体而言，例程600确定发动机的操作模式并相应地调整电路。
在图8的810，确定发动机是否处于诸如曲柄起动模式的启动操作模式或者诸如其中车辆被推进的行驶模式的运行操作模式。例如，发动机可能已运行或者它可能停机。如果确定发动机处于启动操作模式，则例程800进行到812，在此切换电路116被调整以将电能储存装置108和电池104连接到有源整流器134。例如，切换电路116可被闭合，以便电连接有源整流器134和电能储存装置108。在例程800的814，切换电路162被调整以将电能储存装置108从牵引交流发电机120断开。例如，可断开切换电路，以便电断开牵引交流发电机120和电能储存装置108。
一旦切换电路116和162被调整，例程800就继续到816，在此确定操作条件。如上所述，操作条件可包括例如下列中的一个或多个：电池系统条件(电压、电流负载、温度)、交流发电机特性、发动机额定值(例如，马力额定值、额定发动机速度)、气缸数、燃料类型、发动机操作条件(例如，发动机速度、发动机空气流和发动机温度)、环境条件和/或系统老化。
一旦确定操作条件，例程800就进行到818，在此确定期望的交流发电机扭矩。如上所述，交流发电机扭矩的期望水平可基于发动机速度、电池电压和气缸数。在一个示例中，例程可利用在曲柄起动和加速期间的期望发动机速度轨迹，并且基于期望轨迹和实际发动机速度轨迹之间的误差来评估期望扭矩。
在例程800的820，利用如上所述连续的磁场分流和电能储存装置108来执行发动机曲柄起动。在一些示例中，升压的电池104和电能储存装置108均可用来曲柄起动发动机。例如，可基于电能储存装置的阈值电荷水平来控制切换电路138。阈值水平可接近电能储存装置108的最大电荷。在其它示例中，阈值电荷水平可另外或备选地基于例如启动发动机所需的能量的量。如果电能储存装置的电荷水平高于阈值水平，则可调整切换电路，使得电池104不电联接到电能储存装置108，反之亦然。
在例程800的822，执行发动机速度检查。作为示例，如果发动机速度已达到例如约200rpm的预定速度，则控制器发出信号指示发动机112已完成曲柄起动并且供应至发动机112的交流发电机扭矩减小。如果发动机速度低于预定速度，则发动机曲柄起动继续，如在820解释的。
如果在822确定发动机速度大于阈值速度，则例程800进行到824，并且由电能储存装置108供应至牵引交流发电机120的电压降低。此外，交流发电机扭矩可不生成，并且交流发电机可根据非公路车辆的操作条件切换至空转或发电模式。
一旦供应至牵引交流发电机120的电压降低或者如果在810确定期望运行操作模式，例程800就移至826，在此切换电路116被调整以将电能储存装置108和电池104(如果连接到电能储存装置108)从有源整流器断开。例如，切换电路断开，使得电能储存装置108和有源整流器134不再电联接。
在例程800的828，由发动机经由交流发电机和整流器114对电池104充电。在例程800的830，切换电路162被调整(例如，闭合)，以将电能储存装置108连接到牵引交流发电机120。因此，在例程800的832，由牵引交流发电机120对电能储存装置108充电。在一些示例中，切换电路138可被调整(例如，闭合)以将电池104经由DC至DC转换器106电连接到电能储存装置108，使得在发动机运行操作期间，电能储存装置108由电池104和牵引交流发电机120两者充电。
在例程800的834，确定是否期望车辆运动。例如，车辆操作者可将档位从“停车”变为“行驶”。如果确定期望车辆运动，则例程800继续到836，并且牵引交流发电机120为牵引马达148提供动力，以转动轮子136并推进车辆。另一方面，如果确定不期望车辆运动，则例程结束。
因此，例程800显示了示出用于利用电压升压和由牵引交流发电机120充电的二级能量源(例如，电能储存装置108)操作发动机的方法的示例流程图。如上所述，二级能量源可用来为牵引交流发电机120提供动力，以便在发动机启动操作模式期间曲柄起动发动机。此外，发动机经由交流发电机114对电池104充电，并且电池104也可对二级能量源充电。
图9显示了发动机系统900的另一示例实施例，其包括可利用DC至DC转换器106升压的电池104(例如，第一能量源)和可经由牵引交流发电机120充电的电能储存装置108(例如，二级能量源)。发动机系统900类似于上文参照例如图7所描述的发动机系统700。图9所示的示例还包括液压系统，其包括液压泵180、液压蓄能器182和促动器190。液压系统可控制例如非公路车辆10的装载臂192的提升。
如在图9中示出的示例中所示，液压泵180经由离合器194机械联接到发动机112并且经由离合器196机械联接到交流发电机和整流器114。在发动机运行操作模式期间，例如，在发动机112与液压泵180之间的离合器194接合，使得液压泵180由发动机提供动力，并且在发动机112与交流发电机和整流器114之间的离合器198可接合，使得发动机供应能量以对电池104充电。在发动机的发动机启动模式期间，离合器194可分离，离合器198可分离，并且在液压泵180与交流发电机和整流器114之间的离合器196可接合，使得来自液压系统的能量可用来对电池104充电。例如，当离合器196接合时，阀门可打开，以将液压油从液压蓄能器182释放回到液压泵180。来自液压蓄能器182的高压液压油可导致液压泵180旋转，由此在交流发电机和整流器114中生成送至电池104的电流。
备选地，液压泵184和液压蓄能器186可机械联接到牵引交流发电机120。在这一构型中，牵引交流发电机120提供动力以控制液压系统而经由促动器190来促动装载臂192。此外，离合器188可设在发动机112与牵引交流发电机120之间，使得在启动操作模式下，在发动机曲柄起动开始之前，牵引交流发电机120可从发动机分离，并且当切换电路162闭合时可将来自液压系统的能量供应至电能储存装置108。然后，通过将来自电能储存装置108的能量供应至有源整流器134和牵引交流发电机120而启动发动机。
因此，图9显示了发动机系统的实施例，该系统除了第一能量源(例如，蓄电池104)之外还具有二级能量源(例如，电能储存装置108)、以及用于在非公路车辆10的装载臂192控制的液压系统。如上所述，除了控制装载臂192之外，液压系统可用于基于液压系统的位置而对第一能量源和/或二级能量源充电。
图10显示了示出诸如图9的发动机系统900的发动机系统的控制例程1000的流程图，该系统包括二级储存装置和液压系统。具体而言，例程1000确定发动机的操作模式并相应地调整电路。
在例程1000的1010，确定发动机是否处于诸如曲柄起动模式的启动操作模式、诸如其中车辆被推进的行驶模式的运行操作模式、或者诸如当装载臂在使用中时的工作操作模式。例如，发动机可能已运行或者它可能停机。发动机可同时处于工作模式和运行模式。例如，发动机可在怠速状态下运行，同时装载臂正移动，使得液压系统具有功率但车辆不被推进。
如果确定发动机处于启动操作模式，则例程1000进行到1012，在此离合器194分离。这样，液压系统不再机械联接到发动机112。在例程1000的1014，离合器198分离，使得交流发电机和整流器114不再机械联接到发动机112。在例程1000的1016，离合器196接合。这样，液压系统机械联接到交流发电机和整流器114。因此，来自液压泵180的能量可用来在交流发电机和整流器114中生成电流。在其中液压系统联接到牵引交流发电机120的实施例中，离合器188可分离，使得牵引交流发电机不再机械联接到发动机，并且液压泵184可在牵引交流发电机120中生成功率。
在例程1000的1018，切换电路138闭合，使得电池104电联接到电能储存装置108，并且电池104可经由DC至DC转换器106对电能储存装置108充电。在其中液压系统联接到牵引交流发电机120的实施例中，切换电路162可闭合，使得牵引交流发电机120电联接到电能储存装置108。切换电路162可包含电压控制电路(例如，DC至DC转换器)，使得电能储存装置108可在与例如牵引交流发电机120的输出电压不同的电压下充电。
在例程1000的1020，由液压系统对电池104充电，并且由于切换电路138闭合，因而电能储存装置108也可被充电。如上所述，在交流发电机和整流器114中生成的电流被引导至电池104。这样，电池104和电能储存装置被充电。在其中液压系统联接到牵引交流发电机120的实施例中，当切换电路162闭合时，在牵引交流发电机120中生成的电流被引导至电能储存装置108。这样，电能储存装置108被充电。
在例程1000的1022，确定电能储存装置108的电荷水平是否大于阈值电荷水平。阈值电荷水平可以是供应适当扭矩以曲柄起动例如发动机所需的电荷量。如果确定电荷水平小于阈值水平，则例程1000返回到1020，并且液压系统继续对能量源充电。
另一方面，如果确定电荷水平大于阈值水平，则例程1000继续到1024，并且图8的例程800从812到824执行，如上所述。这样，电路被调整，使得发动机可由牵引交流发电机120启动，如上文参照图8所述。在其中液压系统联接到牵引交流发电机120的实施例中，一旦电能储存装置108的电荷水平达到阈值电荷水平，离合器188就接合，以使得在1022，牵引交流发电机120可曲柄起动发动机。
一旦发动机被启动，或者如果在1010确定发动机处于运行操作模式，例程1000就继续到1026，在此离合器196分离，使得液压泵180不再机械联接到交流发电机和整流器114。在例程1000的1028，离合器194接合。这样，发动机112机械联接到液压系统，使得它可为液压系统提供动力。在例程1000的1030，离合器198接合，使得发动机112机械联接到交流发电机和整流器114，并且发动机提供能量以对电池104充电。
在例程1000的1032，图8的例程800从826到836执行，如上所述。这样，电路被调整，使得发动机正在运行，并且电能储存装置108由牵引交流发电机120充电，而电池104由交流发电机和整流器114充电，如上文参照图8所述。
在例程1000的1034，确定是否期望装载臂192移动。在一些示例中，装载臂可由例如非公路车辆的操作者来控制。在一个示例中，非公路车辆可处于“停车”档，使得在装载臂192移动的同时车辆不被推进。如果确定不期望装载臂192的移动，则例程1000结束。
另一方面，如果期望装载臂192移动或者如果确定发动机处于工作操作模式，则例程1000移至1036，在此离合器196分离，使得液压系统不联接到交流发电机和整流器114。在例程1000的1038，离合器194接合以机械联接发动机112和液压泵180，使得发动机112可向液压系统提供动力。在例程1000的1040，离合器198可接合，以在若期望对电池104充电时将发动机112机械联接到交流发电机和整流器114。例如，如果电池104的电荷水平小于阈值水平，则可能期望在工作操作模式下对电池104充电。
在例程1000的1042，经由促动器190来控制装载臂192的移动。例如，基于装载臂192的期望运动，经由液压泵180和液压蓄能器182来调整促动器190，以移动装载臂192。
因此，例程1000显示了示出用于利用电压升压、由牵引交流发电机120充电的二级能量源(例如，电能储存装置108)和液压系统操作发动机的方法的示例流程图。如上所述，在发动机启动操作模式期间，液压系统可用来对电池和二级能量源充电。
图11显示了示出用于使发动机系统停机的控制例程1100的流程图，例如上文参照图1至图3、图5、图7和图9所述的发动机系统中的任何一个。具体而言，例程1100确定是否期望发动机停机，并且基于能量储存装置的条件来控制停机。
在图11的1110，确定是否期望发动机停机。例如，如果车辆操作者在点火中将钥匙旋至关闭位置，则可能表明期望发动机停机。如果确定不期望发动机停机，则例程1100移至1118，当前发动机操作继续且例程结束。
另一方面，如果确定期望发动机停机，则例程1100进行到1112，在此确定估计的发动机停机时间是否大于阈值时间。例如，车辆操作者可基于估计的停机时间选择将钥匙旋至各种位置。在一些示例中，阈值时间可为预定的时间，例如24小时。在其它示例中，阈值时间可基于电池的健康状态。例如，如果电池劣化且例如正相对快速地失去电荷，则阈值时间可小于其中电池未劣化的情形。
如果确定估计的停机时间大于阈值时间，则例程1100继续到1114，并且电能储存装置108(例如，二级能量源)放电。一旦能量源放电，则例程1100进行到1116且使发动机停机。
相反，如果在1112确定估计的停机时间小于阈值时间，则例程1100移至1120，在此确定能量源的电荷水平是否大于阈值水平。例如，阈值电荷水平可基于曲柄起动发动机所需的能量的量。
如果确定电荷水平大于阈值水平，则例程1100继续到1122，并且电能储存装置108保持准备启动状态(例如，能量源不放电)。接下来，例程1100移至1116且使发动机停机。这样，电能储存装置108的电荷水平基本被维持，并且电能储存装置108将准备在后续的发动机启动期间曲柄起动发动机。
另一方面，如果确定电能储存装置108的电荷水平小于阈值水平，则例程1100移至1124，并且通知车辆操作者不应使发动机停机。例如，指示器可显示在车辆的仪表盘上，其通知车辆操作者低电荷状态。
在其中发动机停机且能量源放电或能量源的电荷水平小于阈值水平的示例中，车辆操作者可能必须等待一段时间，该时间对应于电池104对例如电能储存装置108充电所需的时间。作为示例，电池104对第二储存装置充电的时间可类似于其中泵对发动机的油系统加压的预润滑时间(例如，10秒)。作为另一示例，如果电池104的电荷水平在发动机启动期间较低，则其可经由液压系统充电，如上文参照图9和图10所述。
这样，可基于车辆将停机的估计时间长度来控制发动机的停机。发动机停机的控制还可基于二级储存装置(例如，电能储存装置108)的电荷水平。
该书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域普通技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域普通技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有与权利要求的字面语言没有差别的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这样的其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (25)

1. 一种操作发动机的方法，所述发动机联接到用于车辆行驶的牵引交流发电机和辅助交流发电机，包括：
在非公路车辆运行操作模式下，从所述辅助交流发电机以第一电压对电池充电，同时将来自所述牵引交流发电机的电流供应至牵引马达以推进所述车辆；以及
在启动操作模式下，从储存能量生成第二更高的电压，以驱动所述牵引交流发电机而至少帮助启动所述发动机。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述储存能量为在所述第一电压下储存在所述电池中的储存电能，并且所述第二更高的电压通过DC至DC转换器生成。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述储存能量为在所述第二电压下储存在二级电能储存装置中的储存电能。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述运行操作模式下，电流由牵引逆变器供应至所述牵引马达以推进所述车辆，并且在所述启动操作模式期间，电流在所述第二电压下供应至所述牵引逆变器以驱动所述牵引交流发电机。
5. 一种操作发动机的方法，所述发动机联接到牵引交流发电机以用于车辆行驶，包括：
在非公路车辆运行操作模式下，将来自所述牵引交流发电机的电流供应至牵引马达以推进所述车辆；以及
在启动操作模式下，将来自第一能量源和二级能量源的储存能量供应至所述牵引交流发电机以启动所述发动机。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一能量源为输出比所述二级能量源更低的电压的电池，并且所述方法还包括，在所述运行操作模式期间，经由机械联接到所述发动机的辅助交流发电机对所述电池充电。
7. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述牵引交流发电机为三相交流发电机。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，在所述启动操作模式期间，通过所述牵引交流发电机的磁场分流的连续调整来调整供应至所述发动机的扭矩。
9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，在所述启动操作模式期间，通过调整供应至联接到所述牵引交流发电机的逆变器的DC电压来调整供应至所述发动机的扭矩。
10. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，由所述第一能量源供应的输出经由DC至DC转换器升压。
11. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，电流经由牵引逆变器从所述二级能量源供应至所述牵引交流发电机，并且其中，从所述牵引交流发电机供应至所述牵引马达的电流经由所述牵引逆变器供应。
12. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，电流经由有源整流器从所述二级能量源供应至所述牵引交流发电机。
13. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，电流经由逆变器从所述二级能量源供应至所述牵引交流发电机，所述逆变器与将来自所述牵引交流发电机的电流供应至所述牵引马达的牵引逆变器分开。
14. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述发动机进一步联接到包括液压泵、液压蓄能器和液压促动器的液压系统。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，在工作操作模式下，将来自所述发动机的功率供应至所述液压系统，以用于提升机械联接到所述车辆的工作臂。
16. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，在所述启动操作模式下，经由离合器将所述液压系统从所述发动机分离，并且通过将所述液压系统经由辅助交流发电机电联接到所述第一能量源而对所述第一能量源充电。
17. 一种操作非公路车辆中的发动机的方法，所述发动机联接到牵引交流发电机和辅助交流发电机，包括：
在运行操作模式下，经由牵引逆变器向牵引马达供应来自所述牵引交流发电机的电流，经由所述辅助交流发电机对第一能量源充电，以及经由所述牵引交流发电机对二级能量源充电；以及
在启动操作模式下，在将所述二级能量源的输出引导至所述牵引交流发电机以帮助曲柄起动所述发动机之前，将来自所述第一能量源的输出通过DC至DC转换器引导至所述二级能量源，所述二级能量源输出比所述二级能量源更高的电压。
18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第一能量源为电池，并且所述电池经由切换电路联接到所述二级能量源。
19. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，在所述启动操作模式期间，在所述二级能量源的电荷水平大于阈值水平时，调整所述切换电路以将所述电池从所述二级能量源断开。
20. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述牵引交流发电机经由有源整流器电联接到所述牵引逆变器。
21. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，在所述启动操作模式期间，经由电联接到所述辅助交流发电机的液压系统向所述第一能量源供应电流，所述液压系统包括液压泵、液压蓄能器和液压促动器。
22. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，在发动机停机期间，如果估计的发动机停机时间大于阈值，则对所述二级能量源放电，如果所述估计的发动机停机时间小于所述阈值，则不对所述二级能量源放电。
23. 一种用于非公路车辆的系统，包括：
发动机；
机械联接到所述发动机的辅助交流发电机；
机械联接到所述发动机的牵引交流发电机；
电联接到所述发动机的电池；
电联接到所述发动机的二级储能系统，所述二级储能系统输出比所述电池更高的电压；
包括液压蓄能器的液压系统；以及
控制器，其用于操作所述辅助交流发电机以在运行操作模式期间对所述电池充电；所述控制器操作所述牵引交流发电机以在所述运行操作模式期间对所述二级储能系统充电；所述控制器操作所述液压蓄能器以在工作操作模式期间对所述电池充电；并且所述控制器操作所述电池和所述二级储能系统以在启动操作模式期间向所述牵引交流发电机供应电流，以启动所述发动机。
24. 根据权利要求23所述的系统，其特征在于，所述牵引交流发电机为三相交流发电机，并且其中，所述控制器通过在所述启动操作模式期间所述牵引交流发电机的磁场分流的连续调整来调整供应至所述发动机的扭矩。
25. 根据权利要求23所述的系统，其特征在于，所述电池的输出被DC至DC转换器升压，并且其中，所述控制器估计所述电池的健康状态。
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