CN103523004B - 用于改善低电量极限时的性能的方法及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力电动车辆（HEV），所述HEV包括内燃发动机、牵引马达、发电机和牵引电池。HEV中可用的电功率基于牵引电池中可用的功率。发动机和马达可以都同时运转以推进HEV。当发动机驱动HEV时，控制器基于可用的电池功率和希望的马达功率以及希望的发电机功率的组合之间的差异被配置成增加发动机的动力输出。

Description

用于改善低电量极限时的性能的方法及车辆

技术领域

本发明涉及混合动力车辆，以及用于控制混合动力车辆的动力传动系统的方法和系统。

背景技术

在混合动力电动车辆（HEV）中，内燃发动机或者电动牵引马达或者这两者能提供动力至车轮。牵引电池连接至马达以提供电功率（electric power）至马达。在电动辅助模式中，发动机和马达一起提供动力来满足驾驶员扭矩需求。在电动模式（纯电动车辆（EV）模式）中，发动机停用而电池和马达实现驾驶员扭矩需求。在电动辅助模式和纯电动模式期间，电功率的可用性直接受制于可用的电池功率。

如果可用的电池电功率较低时响应于激进的加速请求使得车辆性能可能会被劣化，因为通常的控制策略取决于马达扭矩的较快响应来满足这类请求以满足希望的能量效率目标。然而，在低电池放电极限处马达传输的扭矩可能不足并且发动机可能不会迅速响应来满足驾驶员的动力需求。当前希望一种当电池在低放电极限附近运转时能充分满足驾驶员动力需求的一种系统。

发明内容

根据本发明的实施例，混合动力电动车辆包含发动机和可驱动地连接至发动机的发电机。牵引电池电连接至牵引马达和发电机。控制器配置用于当发动机运行时基于可用的电功率和希望的电功率之间的差异而增加发动机的动力输出。可用的电功率受制于电池的荷电状态。希望的电功率包括希望的马达功率和希望的发电机功率的组合。

多个实施例包括用于控制车辆的系统或方法，该车辆具有发动机、牵引马达以及连接至牵引马达的电能存储装置，该方法可包括当驾驶员需求的动力超过对应的阈值时以响应于来自电能存储装置的可用电功率而变化的速率来增加发动机的动力输出。增加发动机的动力输出的速率可基于电能存储装置中可用的电功率以及希望的马达功率和希望的发电机电功率的组合之间的差异而变化。系统或方法还可包括通过可调节的滤波器滤波该差异，其中基于电能存储装置的放电极限而调节滤波。在一个实施例中，滤波包括基于电能存储装置的荷电水平低于阈值而减小滤波量。

根据本发明的实施例还可包括基于电能存储装置中可用的功率超过充电极限而防止发动机动力输出的进一步增加。增加发动机动力输出的速率可以与来自电能存储装置的可用电功率相反地变化。

根据本发明的一个实施例，基于电能存储装置的放电极限调节滤波。

根据本发明的一个实施例，滤波包括基于电能存储装置的荷电水平当前低于阈值而减小滤波。

根据本发明的一个实施例，进一步包含基于电能存储装置中可用的电功率超过充电极限而增加发动机的动力输出。

根据本发明的一个实施例，增加发动机动力输出的速率与电能存储装置的可用功率相反地变化。

根据本发明的一个实施例，发动机的动力输出的增加增加了马达的动力输出，使得马达具有的功率输出超过电能存储装置中的可用功率。

根据本发明的一个实施例，基于所述电能存储装置中可用功率和希望的马达功率以及希望的发电机功率的组合之间的差异而改变增加发动机动力输出的速率。

根据本发明的一个实施例，增加发动机动力输出的速率与来自电能存储装置的可用功率相反地变化。

根据本发明的多个实施例具有一个或多个关联的优点。例如，在低电功率和正常电功率的工况下发动机动力的平滑调节不需要在运转模式之间切换。这样，正常电功率的可用性或荷电状态下的运转不会受到影响。然而，改善了低电功率状况下的性能。

结合附图阅读下文较佳实施例的具体描述，本发明的上述优点和其它优点以及特征将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的多个实施例动力分离（power-split）的混合动力电动车辆的示意代表；

图2是根据本发明的多个实施例控制发动机扭矩和转速的整个系统的流程图；

图3是根据本发明的多个实施例说明调节发动机输出动力的流程图；以及

图4是根据本发明的多个实施例说明当电池放电极限较低时调节总的发动机动力的更加详细的流程图。

具体实施方式

此处公开了本发明具体的实施例。应理解公开的实施例仅为本发明的示例，其可以以多种替代形式实施。附图无需按比例绘制；可放大或缩小一些特征以显示特定部件的细节。所以，本说明书中公开的具体结构和功能细节不应解释为限定，而仅为教导本领域技术人员以多种形式实施本发明的代表性基础。本领域技术人员应理解，参考任意一幅附图说明和描述的实施例的多个特征可以与一个或多个其它附图中说明的特征组合以形成没有明确说明或描述的实施例。说明的组合特征提供了用于典型应用的代表性实施例。然而，可能希望与本发明的教导一致的特征的组合和变型用于特定的应用或实施。在说明中使用的代表性实施例总体上涉及当电池放电极限低时调节总的发动机动力来满足驾驶员需求的系统和方法。然而，本发明的教导也可以在其它应用中使用。本技术领域普通技术人员可能认识与其它车辆配置或技术类似的应用或实施。

参考图1，混合动力电动车辆（HEV）包括动力分离的动力传动系统10。车辆系统控制器（VSC）和动力传动系统控制模块（PCM）12控制电能存储装置或牵引电池14。电能存储装置可以是能存储电能并传输能量来推进车辆的任何装置。电池14只是示例，并且可预想其它的示例，比如燃料电池。应理解控制器12可以是一个控制器或者可以是控制局域网（CAN）中的控制器系统，该系统具有计算机和中央处理单元（CPU）并被设计成允许多个控制器在整个车辆中与其它控制器彼此相互通信。电池14具有双向电连接，从而它接收并存储电能并且还向牵引电动马达16提供能量。控制器12还控制内燃发动机（ICE）18的运转。马达16和发动机18两者都能驱动最终将扭矩传输至车轮的传动装置20。

虽然图1的HEV是动力分离的混合动力，可预想本发明还可应用到串联类型的混合动力，其中发动机、马达和传动装置通过离合器串联连接，而离合器控制由发动机和/或马达中的哪个来驱动传动装置。应理解，本发明可应用到涉及发动机和马达的任何混合动力车辆中，并且动力分离的动力传动系统10视作一种可能性。

发动机18传输动力至通过单向离合器25连接至行星齿轮组24的扭矩输入轴22。行星齿轮组24包括环形齿轮26、中心齿轮28和行星齿轮架总成30。输入轴22可驱动地连接至齿轮架总成30以驱动行星齿轮组24。中心齿轮28可驱动地连接至发电机32。发电机32可以与中心齿轮28接合，使得发电机32可以与中心齿轮28一起旋转或者不与它一起旋转。当单向离合器25连接发动机18和行星齿轮组24时，发电机32作为行星齿轮组24运转的被动元件而产生能量。

从发电机32产生的电能通过电连接36传输至电池14。电池14还通过再生制动以已知的方式接收并存储电能。电池14将存储的电能提供至马达16用于运转。电池14、马达16和发电机32以双向电流路径通过电连接36彼此相互连接。

可以仅通过发动机18、仅通过电池14和马达16或者通过发动机18与电池14和马达16的组合来驱动车辆。在第一运转模式中，控制器12启用发动机18以通过行星齿轮组24传输扭矩。环形齿轮26将扭矩分配至包含啮合齿轮元件40、42、44以及46的步进传动比齿轮（step ratio gear）38。齿轮42、44和46安装在副轴上，并且齿轮46分配扭矩至齿轮48。齿轮48随后将扭矩分配至扭矩输出轴50。控制器12还可启用马达16来辅助发动机18。当启用马达16辅助时，齿轮52将扭矩分配至齿轮44和副轴。在第二运转模式或者EV模式中，控制器12停用发动机18或者以其它方式阻止发动机18分配扭矩至扭矩输出轴50。在第二运转模式中，电池14驱动马达16以通过步进传动比齿轮38分配扭矩并将扭矩传输至扭矩输出轴50。扭矩输出轴50连接至分配扭矩至牵引车轮58的差速器及车桥机构56。

总之，存在两个用于传动系的动力源。第一动力源是发动机18，其将扭矩传输至行星齿轮组24。第二动力源是电动驱动系统，其包括马达16、发电机32和电池14，其中电池14作为用于发电机32和马达16的能量存储媒介。可通过行星齿轮组24驱动发电机32，并且可替代地该发电机32可作为马达并传输动力至行星齿轮组24。

控制器12以第一运转模式或第二运转模式控制电池14、发动机18、马达16和发电机32以分配扭矩至车轮58。控制器12从很多源接收输入，这些源包括加速器踏板位置、制动器踏板位置、方向盘位置、气候控制、电池荷电状态以及辅助需要。使用这些输入，控制器12被编程为当不需要机械能来满足车辆的所有动力需求时停用发动机18。此外，控制器12确定是否应启用一个或两个动力源来分配扭矩至车轮。

参考图2，说明了例如通过控制器12使用的控制系统，其中发动机18和马达16都主动地驱动HEV。首先在开环发动机动力确定100中决定希望的发动机动力确定。正常运转期间，如102处显示的，来自发动机的希望的总动力（P_tot）是车轮处未滤波（unfiltered）的希望的动力请求、用于荷电状态（SOC）维护的希望的充电/放电功率以及辅助（AUX）功率请求的总和。然后希望的发动机动力在109处修剪为在最大和最小发动机动力能力内。然后在106处修剪P_tot以将预期的电池电功率保持在充电和放电极限内。开环的输出是前馈发动机动力指令。

然后在反馈闭环发动机动力确定108处决定希望的发动机动力确定。反馈环首先在110处滤波（filter）来自100处开环发动机动力确定的前馈发动机动力指令。然后从延迟被滤波的发动机动力指令计算期望的发动机动力。在112处确定被定义为车轮处期望的发动机动力和希望的电功率请求之间差异的目标电池功率。然后在114处修剪目标电池功率以将目标电池功率设置在电池14的充电和放电极限内。确定目标电池功率和实际电池功率之间的误差或差异并将该误差或差异用作比例积分（PI）补偿器116中的控制。然后PI补偿器116相应地调节前馈开环发动机动力确定100。然后在118处确定前馈和反馈项之和的总的发动机动力指令。

总的发动机动力指令是进入120处发动机运转确定的输入。控制器12确定是否需要发动机输出来实现驾驶员指令以及希望多大量的发动机输出，并相应地指令发动机提供动力。这可通过发送代表发动机扭矩指令和发动机转速指令的信号来完成。分别在122和124处滤波每个指令。被滤波的扭矩和转速指令是控制系统的最终输出，并且被发送至发动机18。一旦发动机18接收到滤波的发动机扭矩和转速指令信号，发动机18与电动马达16和电池14一起运转以提供足够的功率来实现驾驶员指令。

当在电池14具有较低放电极限的状况下运转时使用这种示例系统，能显著地影响HEV的性能。例如，如果车辆内的漏电导致可用的电池功率较低或接近零，则马达16能传输给车轮58的扭矩量显著地减小到它的能力之下。例如，低放电极限时传输的马达扭矩可能比正常放电极限运转时小100+NM。当发动机18和马达16都驱动HEV时这负面地影响了HEV的加速。当电池放电极限较低时HEV中还可能存在响应滞后，其中发动机18滞后于驾驶员的加速需求。

加速器踏板位置信号（APPS）、制动器踏板位置信号（BPPS）、车速、电池功率和电量极限是126和128处的输入。考虑电池低放电极限的问题，在126处执行输入进控制系统的发动机动力调节。当电池14以较低放电极限运转时在118处将发动机动力调节126添加至发动机动力指令确定。此外，当电池放电极限低时在128处调节发动机扭矩和转速滤波以允许滤波更具有弹性。126和128处调节的目标在于指令额外的发动机动力来改善电池低功率水平时HEV的最佳性能，同时加速发动机响应时间使得仍然能通过增加发动机动力来实现通过控制系统请求的最大马达扭矩。参考图3和4更详细地描述了发动机动力调节126和滤波调节128。

参考图3，说明了发动机动力调节126的一个实施例的概述。在图4的实施例中提供了更加详细的描述。在150处，确定希望的原始马达功率。希望的原始马达功率表示希望来自马达16的多少动力来驱动车轮58。然后在152处计算电池14中可用的电功率。这可通过简单地测量电池14的放电极限来完成。这类信息还可以可视化地转达至HEV的驾驶员。

在154处，比较可用的电功率与计算的希望的马达功率。这一步确保了能够通过电功率实现希望的马达动力，而不希望额外的发动机动力指令。如果可用的电功率超过希望的马达电功率，那么在156处不对发动机动力调节，而且电池14提供足够的功率至马达16。然而，如果可用的电功率小于希望的马达功率，如步骤158-162显示的通过控制器12指令发动机18输出的动力调节。

在158处，计算（步骤150处）希望的马达功率和可用的电功率之间的差异。该差异称为动力差异（ΔPwr）。ΔPwr是代表马达16需要的而电池14不能提供的电功率量的前馈项。ΔPwr进一步代表需要通过发动机18补充的以满足驾驶员动力需求的动力量中的因子。

在调节发动机动力输出之前，在160处通滤波器和/或速率限制函数滤波和平滑ΔPwr信号。这是出于驾驶性能的考虑而防止发动机动力迅速激增（spikes）。滤波和/或速率限制还防止从发动机18发送的通过发电机32并进入电池14的潜在动力激增，该潜在动力激增可能导致电池14的过度充电。可根据电池14中可用电功率调节影响ΔPwr的滤波和速率限制。例如，如果电池14中可用的电功率较低，由于电池14的过度充电变得较为不是问题，滤波和速率限制调节为较小地影响ΔPwr。

对ΔPwr施加滤波和速率限制之后，在162处控制器12指令发动机18输出其量等于滤波的ΔPwr（ΔPwr_filtered）的更多动力。发动机动力的这种增加补充了电池功率的不足，这在电池14的放电极限非常低时特别有用。发动机18的动力输出运转用于通过传动装置20提供机械能至车轮58，并且还运转用于提供动力至发电机32从而发电机32充电电池14并驱动马达16。在164处系统返回以连续地提供发动机动力调节。当电池14充电不足时该控制系统更加智能地计划发动机动力以及时满足车轮58处希望的最大扭矩。由于当电池放电极限较低时HEV驾驶起来更像传统的非混合动力电动车辆，从而改善了HEV的综合驾驶性能。

参考图4，说明了控制系统的一个实施例的更加详细的流程图。出于结构上的示例还参考图1中动力分离HEV的结构。在170处，确定车轮58处希望的原始马达扭矩。在图1说明的动力分离HEV中，马达扭矩和机械扭矩流通过行星齿轮组24都贡献为车轮58处的总扭矩。可通过下面的表示预测的马达扭矩：

其中T_g是齿轮46和齿轮48之间的传动比，T₁是齿轮42与齿轮40的传动比，T₂是齿轮52与齿轮44的传动比，ρ是中心齿轮28与环形齿轮26之间的行星齿轮比，τ_g是发电机32的扭矩，J_gen&sun是发电机32和中心齿轮28的集合惯性矩，是马达16转速的时间积分，而是发电机32转速的时间积分。此外，可通过下面的表示车轮处预测的马达扭矩：

其中GearRatio₁是马达16与车轮58的传动比，而GearRatio₂是发电机32与车轮58的传动比，并且τ_{drive_sh}是驱动轴的扭矩。

为了遵从控制系统的动力控制构架，在172处指示车轮处预测的马达扭矩的信号转换为动力信号。这通过乘以车轮58的转速而完成。然后修剪马达动力信号使得马达功率不增加到马达16的说明指示的最大极限之外。如果马达16以其最大极限运转，马达动力信号的修剪还使得不必请求更多的发动机动力发送至马达16。动力转换和修剪的结果产生预测的（希望的）马达动力。

在174处，确定ΔPwr。ΔPwr代表可用的电功率和马达16以及发电机32希望的组合的电功率之间的差异。可用的电功率是测量的电池14的放电极限，指示电池14能提供多少功率至传动系的电动部件。通过发电机扭矩指令和发电机转速相乘而确定希望的发电机动力。ΔPwr是表示马达16和发电机32希望的而电池14不能提供的功率量的前馈项。所以，ΔPwr还用于确定需要通过发动机18补充以满足马达16的动力需求的功率量的因子。例如，在急剧加速的瞬间发动机动力的补充是关键性的，因为由于电池低放电水平导致马达16不能充分地提供立刻的扭矩增加。通过立刻增加发动机动力来弥补电池14的功率不足而满足驾驶员的扭矩和动力需求。

取决于加速器踏板输入的激进性，急剧的踩加速器踏板时ΔPwr可能是极端的。所以，在调节发动机18的动力输出之前，ΔPwr信号通过速率限制、滤波和修剪。首先，在176处，利用速率限制和滤波函数来平滑ΔPwr项。这抑制了ΔPwr中尖锐的波峰（spike），其从而防止发动机18危险地且突然地将它的动力输出增加至高水平。已经在控制器12中实施的用于平滑其它信号的速率限制和滤波函数可应用于平滑ΔPwr信号。

在178处确定176处控制系统中实施的可调节的滤波常数和速率限制。根据ΔDischargPwr适应性地计划滤波常数和速率限制，ΔDischargPwr代表电池14的瞬时放电极限和正常放电极限之间的差异。例如，当ΔDischargPwr较小时，由于电池14较高的放电极限使得至传动系的电力辅助的能力较高。在这些情况下，滤波常数和速率极限值较低（slow）以重度地平滑ΔPwr信号。相反，当ΔDischargPwr较大时，应实施较快的滤波和速率限制使得电池放电极限较低时性能充分地得到满足。电池放电极限较低时迅速地发动机响应是更加可以接受的以更快的加速，因为不仅马达16不能充分地实现动力需求，而且当放电极限较低时电池14过度充电的风险最小。

滤波ΔPwr信号之后，在180处将电池过度充电保护逻辑引入控制系统。这是当请求增加发动机动力时的最终检查以防止电池14的过度充电。180处的过度充电保护函数旨在只作为单向调整，以通过减小发动机动力而防止充电违反（charging violation）。如果发动机输出的增加会导致由于发电机32产生较高的电功率使得电池14过度充电，这有效地修剪了被滤波的ΔPwr。只要电池电功率停留在允许的极限内过度充电调节不是必需的。然而，如果探测到充电违反（（电池功率>电池充电极限的功率）（Pbat>Pbat_charge_limit）），比例积分（PI）控制器将相应地减小发动机动力。在另一个实施例中，控制器暂时关闭从发电机32至电池14的开关直到不再探测到充电违反。过度充电保护函数180之后，控制算法的最终结果是总的发动机动力调节182。

参考图2和4，图4中总的发动机动力调节182对应于图2中的发动机动力调节126。在128处作出进一步的发动机扭矩和发动机转速滤波，这是在总的发动机动力调节126、182之后并且与126、182是分开的。128处的滤波没有滤波ΔPwr信号，而是滤波原始的发动机扭矩和转速请求。当电池14具有较低的放电极限时这又获得额外的自由来加速发动机响应。

根据ΔDischargPwr再次计划发动机转速的扭矩滤波，ΔDischargPwr代表电池的瞬时放电极限和正常放电极限之间的差异。乘数或比例因子与滤波常数一起使用以进一步加速发动机转速和发动机扭矩滤波。例如，当乘数增加时，滤波常数被放大使得发动机18将更快地提供动力而发电机32将因此更快的产生电力。可通过两个校准表格（一个用于发动机转速滤波常数，而另一个用于发动机扭矩滤波常数）确定乘数。乘数随着ΔDischargPwr值的增加而增加，并且发动机转速和扭矩滤波相应地被加速。

总之，总的发动机动力调节126是至开环和闭环发动机动力确定100、108的附加项。即使电池14由于故障而导致可用功率为零，通过迅速地增加发动机动力以通过发电机32及时产生足够的电功率而满足驾驶员动力需求的增加。产生的电功率的增加能使马达在它最大扭矩范围上运转。换句话讲，即使是低或者没有电池荷电，在加速的整个期间马达扭矩被最大化。此外，如果电池放电极限较低，根据电池放电极限而滤波指令的发动机扭矩和发动机转速增加以按比例增加发动机响应的速度。该算法改善了车辆的驾驶性能。当HEV在车辆市场中变得越来越普遍时这就特别重要，因为希望HEV的加速像传统的非HEV一样。

虽然上文已经详细描述了最好的模式，但是本领域内的技术人员应认识到本发明权利要求的范围内的各种替代设计和实施例。虽然已经对一个或多个希望的特征描述了提供优点的或优于其它实施例的多个实施例，但是本技术领域中的技术人员应理解，可以折衷一个或多个特性以实现希望的系统属性，该属性取决于具体的应用和实施。这些属性可包括但不限于：成本、强度、耐用性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维修性、重量、可制造性、装配的便利性等。本说明书对于一个或多个特性描述的可取性低于其它实施例或现有技术实施的实施例并不在本发明的范围之外并且可能对于特定应用是可取的。

Claims (10)

1.一种控制车辆的方法，所述车辆具有发动机、可驱动地连接至发动机的发电机以及电连接至发电机和电能存储装置的牵引马达，所述方法包含：

在发动机提供驱动扭矩时，当驾驶员需求的动力超过对应的阈值时以基于来自所述电能存储装置的可用功率而变化的速率来增加所述发动机输出以增加可用的牵引马达扭矩。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，增加所述发动机输出的速率基于所述电能存储装置中可用的电功率和希望的马达功率以及希望的发电机功率的组合之间的差异而变化。

3.根据权利要求2所述的方法，所述方法进一步包含通过滤波器对所述差异进行滤波，其中，滤波的幅值是可调节的。

4.一种混合动力电动车辆，包含：

发动机；

可驱动地连接至所述发动机的发电机；

电连接至牵引马达和所述发电机的电池；以及

控制器，配置用于当所述发动机运行时增加所述发动机输出以增加发电机的旋转速度和可用的马达扭矩，其中，所述发动机输出增加的大小是基于所述电池中可用的电功率和所述马达以及所述发电机中希望的功率之间的差异的。

5.根据权利要求4所述的混合动力电动车辆，其特征在于，发电机基于所述发动机输出的增加而将附加的电功率传输至所述马达，使得所述马达具有超过所述电池中所述可用功率的功率输出。

6.根据权利要求4所述的混合动力电动车辆，其特征在于，所述发电机和所述马达是一个集成的机器。

7.根据权利要求4所述的混合动力电动车辆，其特征在于，所述控制器被进一步配置为通过基于所述电池的放电极限的强度对所述差异进行滤波。

8.根据权利要求4所述的混合动力电动车辆，其特征在于，所述混合动力电动车辆进一步包含具有行星齿轮组的传动装置，所述行星齿轮组将发动机可驱动地连接至发电机，使得发动机输出的增加增加了行星齿轮组和发电机的旋转速度以产生增加量的电功率。

9.根据权利要求8所述的混合动力电动车辆，其特征在于，所述发电机和所述马达是一个集成的机器，其中，所述发动机、所述机器以及所述传动装置通过离合器选择性地串联连接。

10.一种在混合动力电动车辆中控制发动机的动力分配的计算机系统，所述计算机系统包含控制器，所述控制器通信地连接到发动机并被配置为：

从发动机和牵引马达两者传输动力至车轮；以及

在传输发动机动力时，当驾驶员需求超过对应的阈值时以基于来自电能存储装置的可用功率而变化的速率来增加所述发动机动力以增加可用的牵引马达扭矩。