CN103707883B - 车辆辅助动力单元的控制方法、设备、系统及工程机械 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了车辆辅助动力单元的控制方法、设备、系统及工程机械，该方法包括：所述辅助动力单元APU启动后，接收当前车辆需求功率Preq；将所述当前车辆需求功率与预先设定的辅助动力单元的经济输出功率分段区间进行比较，并根据比较结果确定辅助动力单元的输出功率，以使所述辅助动力单元的输出功率满足当前车辆需求功率。本发明对APU输出功率进行分段控制，实现了APU输出功率响应时间短，以使得APU输出功率能及时跟随当前车辆功率需求，并且能够减少发动机的转速和发电机扭矩的频繁调节。
Description
技术领域
本发明涉及辅助动力单元（AuxiliaryPowerUnit,APU）的控制技术，具体地，涉及车辆辅助动力单元的控制方法、设备、系统及工程机械。
背景技术
辅助动力单元APU可以为常规的纯电动汽车或串联式混合动力汽车提供额外的辅助动力，以实现延长汽车行驶里程的目的。辅助动力单元APU由发动机、发电机、变流器、发动机控制器及APU控制器等组成，装配在串联式混合动力车辆或增程式电动车辆上，可以为车辆提供更大的续驶能力。
现有的有关辅助动力单元APU的技术大多数是注重APU系统中发动机和发电机的闭环调节方法，并且技术方案的重点在于如何通过控制发电机和发动机来减少APU调节中的震荡。还有一些有关APU的技术的关注点在于发电机的励磁控制方式和APU输出功率的闭环控制方式，这种控制方式采用了恒功率点运行或完全功率跟随，但是恒功率点运行不利于电池保护，完全的功率跟随不仅响应速度慢而且对发动机不利。
发明内容
本发明的目的是提供车辆辅助动力单元的控制方法、设备、系统及工程机械，用于解决车辆APU输出功率响应时间慢的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种车辆辅助动力单元的控制方法，该辅助动力单元包括发动机和发电机，包括以下步骤：所述辅助动力单元启动后，接收当前车辆需求功率；将所述当前车辆需求功率与预先设定的辅助动力单元的经济输出功率分段区间进行比较，并根据比较结果确定辅助动力单元的输出功率，以使所述辅助动力单元的输出功率满足当前车辆需求功率。
相应地，本发明还提供了一种车辆辅助动力单元的控制设备，该辅助动力单元包括发动机和发电机，包括：接收器，用于在所述辅助动力单元启动后接收当前车辆功率需求功率；以及辅助动力单元控制器，将所述当前车辆需求功率与预先设定的辅助动力单元的经济输出功率分段区间进行比较，并根据比较结果确定辅助动力单元的输出功率，以使所述辅助动力单元的输出功率满足当前车辆需求功率。
相应地，本发明还提供了一种车辆辅助动力单元的控制系统，该系统包括：检测装置，用于检测当前车辆功率需求功率；以上所述的车辆辅助动力单元的控制设备。
相应地，本发明还提供了一种工程机械，包括以上所述的一种车辆辅助动力单元的控制系统。
通过上述技术方案，本发明对车辆的APU输出功率进行分段控制，实现了APU输出功率响应时间短，以使得APU输出功率能及时跟随当前车辆功率需求，并且能够减少发动机的转速和发电机扭矩的频繁调节。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明提供的车辆APU的控制方法流程图；
图2是本发明提供的车辆APU输出功率分段控制的示意图；
图3是本发明提供的车辆APU控制设备框图；以及
图4是本发明提供的车辆APU控制系统框图。
附图标记说明
10接收器20APU控制器
30发动机40发电机
50发动机控制器60发电机变流器
70检测装置
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1是本发明提供的车辆APU的控制方法流程图，该APU包括发动机和发电机，如图1所示，在车辆的APU启动后，接收当前车辆需求功率Preq，然后将接收的Preq与预先设定的APU的经济输出功率分段区间进行比较，并根据比较结果确定APU的输出功率，以使APU输出功率满足Preq。
其中，在APU启动之前，本发明提供的方法还包括接收当前车辆电池电量百分比SOC，然后将SOC与预定车辆电池电量百分比进行比较，以确定是否启动APU。
需要说明的是，这里技术人员首先应当结合发动机油耗和发电机效率对APU输出功率进行考察，以得到上述APU的经济输出功率分段区间。
对于启动发动机的过程，既可以采用发电机来启动发动机，也可以采用马达来启动发动机，这可以结合车辆电池电量的状态来确定发动机的启动模式。具体如下：在SOC≧Smin的情况下，采用发电机启动发动机；在SOC<Smin的情况下，采用马达启动发动机；其中Smin为启动发动机所需的最低车辆电池电量的百分比。
对于上述将SOC与预定车辆电池电量百分比进行比较以确定是否启动APU的过程，包括以下步骤中的一者：若SOC<S1且APU未启动，则启动APU；若SOC≧S1且APU未启动，则不启动APU；若SOC<S2且APU已启动，则保持APU启动；或若SOC≧S2且APU已启动，则停止APU；其中S1为第一预定车辆电池电量百分比，S2为第二预定车辆电池电量百分比，且S1<S2。其中S1>Smin。
详细来说，在车辆电池电量充足的情况下，完全采用车辆电池提供车辆需求功率，即在SOC≧S1且APU未启动的情况下不需要启动APU。然而，车辆电池电量随着车辆的消耗而不断减少，直至SOC<S1，并且此时APU也处于未启动状态，因而需要启动APU。接着，由于启动了APU，会在补充车辆所需功率的同时对车辆电池进行充电，所以车辆电池的电量会有所上升，但是为了避免短时间内重复启停APU，所以在SOC大于S1时不应停止APU，即SOC<S2且APU已启动，则保持APU启动。因而于此设定了另一预定车辆电池电量百分比S2，S2>S1，在SOC≧S2的情况下可以认为车辆电池电量充足，也不会在短时间内再次出现SOC<S1的情况，所以若SOC≧S2且APU已启动的情况下，才停止APU。其中，S1的值可以为40%，S2的值可以为50%。
在启动APU之后，为了节省能源，还可以对APU的输出功率采用以下所述的控制方式。以下所述的经济输出功率是指在车辆处于该功率下工作的情况下发动机油耗和发电机效率相对比较经济。
APU的经济输出功率的分段区间可以通过两个经济输出功率来划分。若APU的经济输出功率包括两个经济输出功率，即最小经济输出功率和最大经济输出功率，则在Preq小于或等于最小经济输出功率的情况下，将APU的输出功率确定为第一经济输出功率；在Preq大于或等于最大经济输出功率的情况下，将APU的输出功率确定为该最大经济输出功率；在Preq位于最小经济输出功率与最大经济输出功率之间的情况下，将APU的输出功率确定为Preq。
APU的经济输出功率的分段区间也可以通过两个以上的经济输出功率来划分，即在最小经济输出功率与最大经济输出功率之间还有一个或多个经济输出功率，于此设为P1，P2，……，Pi，其中，P1为最小经济输出功率，Pi为最大经济输出功率。在Preq位于所述最小经济输出功率与所述最大经济输出功率之间的情况下，在Preq上升过程中且Preq大于或等于第m经济输出功率Pm的情况下，将发动机的转速固定在与该Pm对应的经济转速Vm，通过调整发电机的扭矩来调整APU的输出功率以使得APU的输出功率满足Preq，其中Pm为多个经济输出功率中小于或等于Preq且最接近该Preq的经济输出功率，Pm为介于P1与Pi之间的经济输出功率；或者在Preq下降过程中且Preq小于或等于第n经济输出功率Pn的情况下，将发动机的转速固定在与该Pn对应的经济转速Vn，通过调整发电机的扭矩来调整APU的输出功率以使得APU的输出功率满足Preq，其中Pn为多个经济输出功率中大于或等于Preq且最接近该Preq的经济输出功率，Pn为介于P1与Pi之间的经济输出功率。
于此，通过结合发动机油耗和发电机效率对发动机的转速进行考察，得到了多个发动机的经济转速，多个经济转速与多个经济输出功率对应，对应经济输出功率的P1，P2，……，Pi分别为V1，V2，……，Vi。在车辆需求功率Preq分别为P1，P2，……，Pi，即APU输出功率分别为P1，P2，……，Pi的情况下，可以将发动机的转速分别设定为V1，V2，……，Vi。
图2提供了本发明提供的车辆APU输出功率分段控制的示意图，如图2所示，横轴为APU输出功率P，纵轴为发动机转速V。在车辆需求功率Preq介于两个APU经济输出功率之间的情况下具体调整方法如下：在车辆需求功率Preq上升的过程中（如图2中向上的箭头所示），在Preq介于多个经济输出功率中最接近Preq的两个经济输出功率之间的情况下，假设为P2和P3，则在P2≦Preq<P3情况下，将发动机的转速固定在与P2对应的发动机经济转速V2，通过调整发电机的扭矩来调整APU的输出功率，以使得APU的输出功率满足Preq。相反，在车辆需求功率Preq下降的过程中（如图2中向下的箭头所示），在Preq介于多个经济输出功率中最接近Preq的两个经济输出功率之间的情况下，假设为P2和P3，则在P2<Preq≦P3情况下，将发动机的转速固定在与P3对应的发动机经济转速V3，通过调整发电机的扭矩来调整APU的输出功率，以使得APU的输出功率满足Preq。采用这样的方式调节APU的输出功率，大大减少了转速和扭矩的调节次数，从而可以实现APU输出响应时间短以及功率跟随能力强。
当然，本发明不限于此，本领域技术人员可以根据实验或经验设定任意个APU的经济输出功率及其对应的发动机经济转速。
通常，若采用发电机来启动发动机，则可以在发动机的转速达到一点火临界转速的情况下启动发动机。优选情况下，可以将该点火临界转速设定为发动机的最小经济转速，也就是以上所述的V1。因为通常情况下发动机的点火临界转速小于最小经济转速，因而在发动机启动后，需要消耗较长的时间将发动机的转速调整为V1，所以为了节省时间及其他能源的消耗，可以将发动机的点火临界转速设定为V1。这种使发动机的转速直接到达经济转速的技术方案，有利于节省油耗，减少排放。
此外，Preq为车辆驱动功率、车辆附件功率和当前车辆电池电量补充功率三者之和。其中，车辆驱动功率为车辆满足当前行驶驱动所需的功率，车身附件功率为车辆上除驱动电机以外的其他附件所需的功率，当前车辆电池电量补充功率为用于补偿车辆电池电量所需的充电功率，即由APU对车辆电池进行充电而产生。
为了防止车辆电池电量过少，可以在SOC小于第三预定车辆电池电量百分比S3的情况下控制APU对车辆电池进行充电。此外，还可以设定第四预定车辆电池电量百分比S4，S3<S4，以在SOC>S4的情况下，停止对车辆电池进行充电。这样可以保证车辆电池电量百分比SOC位于一个合理的区间，S3可以为30%，S4可以为50%。
图3是本发明提供的车辆APU控制设备框图，APU包括发动机30、发电机40、发动机控制器50和发电机变流器60，如图3所示，APU控制设备包括接收器10和APU控制器20。接收器10用于在APU启动后接收当前车辆功率需求功率Preq，APU控制器20将Preq与预先设定的APU的经济输出功率分段区间进行比较，并根据比较结果确定APU的输出功率，以使APU的输出功率满足Preq。
此外，接收器还10用于接收当前车辆电池电量百分比SOC，APU控制器20还用于将接收的SOC与预定车辆电池电量百分比进行比较以确定是否启动APU。
其中，发动机30取消了原有的飞轮结构，并且发动机30与发电机40之间采用机械耦合装置进行直接动力联接，以避免发电机40介入后造成发动机30运行时的转动惯量增加。发电机40用于将发动机30的机械动力转换为电力，然后通过APU所包含的发电机变流器60变流后输出至车辆驱动系统或车辆电池。
其中，APU控制器20控制APU的启停，并可以采用CAN总线来通过发动机控制器50控制发动机30的转速以及通过发电机变流器60来控制发电机40的扭矩。此外，本领域技术人员可以理解，发动机控制器50和发电机变流器60可以采用PID算法来调节各自的转速和扭矩。
为了能够更加准确地对APU的输出功率进行控制，APU控制器20还可以实时读取发电机变流器60输出的电流和电压，据此计算出当前APU实际输出功率，并将该当前APU的实际输出功率与当前APU输出功率比较，以及时调整发动机转速或发电机扭矩。
需要说明的是，本发明提供的设备中的APU控制器20的控制方法与本发明提供的辅助动力单元APU的控制方法相同，于此不予赘述。
图4是本发明提供的车辆APU控制系统框图，该系统不仅包括以上所述的车辆辅助动力单元的控制设备，还包括检测装置70。该检测装置70用于检测当前车辆功率需求功率Preq。
相应地，本发明还提供了一种工程机械，包括以上所述的一种车辆辅助动力单元的控制系统。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (20)
1.一种车辆辅助动力单元的控制方法，该辅助动力单元包括发动机和发电机，其特征在于，包括以下步骤：
所述辅助动力单元启动后，接收当前车辆需求功率；
将所述当前车辆需求功率与预先设定的辅助动力单元的经济输出功率分段区间进行比较，并根据比较结果确定辅助动力单元的输出功率，以使所述辅助动力单元的输出功率满足当前车辆需求功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述辅助动力单元启动之前，该方法还包括：
接收当前车辆电池电量百分比；以及
将所述当前车辆电池电量百分比与预定车辆电池电量百分比进行比较以确定是否启动所述辅助动力单元。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述当前车辆电池电量百分比与预定车辆电池电量百分比进行比较以确定是否启动所述辅助动力单元包括以下步骤中的一者：
若当前车辆电池电量百分比小于第一预定车辆电池电量百分比，且辅助动力单元未启动，则启动辅助动力单元；
若当前车辆电池电量百分比大于或等于第一预定车辆电池电量百分比，且辅助动力单元未启动，则不启动辅助动力单元；
若当前车辆电池电量百分比小于第二预定车辆电池电量百分比，且辅助动力单元已启动，则保持辅助动力单元启动；或
若当前车辆电池电量百分比大于或等于第二预定车辆电池电量百分比，且辅助动力单元已启动，则停止辅助动力单元。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将当前车辆需求功率与预先设定的辅助动力单元的经济输出功率分段区间进行比较并根据比较结果确定辅助动力单元的输出功率包括以下步骤中的一者：
在当前车辆需求功率小于或等于最小经济输出功率的情况下，则将辅助动力单元的输出功率确定为该最小经济输出功率；
在当前车辆需求功率大于或等于最大经济输出功率的情况下，则将辅助动力单元的输出功率确定为该最大经济输出功率；或
在当前车辆需求功率位于所述最小经济输出功率与所述最大经济输出功率之间的情况下，则将辅助动力单元的输出功率确定为所述当前车辆需求功率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在当前车辆需求功率位于所述最小经济输出功率与所述最大经济输出功率之间的情况下，
在当前车辆需求功率上升过程中且当前车辆需求功率大于或等于第m经济输出功率的情况下，将所述发动机的转速固定在与该第m经济输出功率对应的经济转速，通过调整发电机的扭矩来调整辅助动力单元的输出功率以使得辅助动力单元的输出功率满足当前车辆需求功率，其中第m经济输出功率为多个经济输出功率中小于或等于当前车辆需求功率且最接近该当前车辆需求功率的经济输出功率；或
在当前车辆需求功率下降过程中且当前车辆需求功率小于或等于第n经济输出功率的情况下，将所述发动机的转速固定在与该第n经济输出功率对应的经济转速，通过调整发电机的扭矩来调整辅助动力单元的输出功率以使得辅助动力单元的输出功率满足当前车辆需求功率，其中第n经济输出功率为多个经济输出功率中大于或等于当前车辆需求功率且最接近该当前车辆需求功率的经济输出功率。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法还包括：在启动所述发动机的过程中，
在所述当前车辆电池电量百分比大于或等于启动发动机所需的最低车辆电池电量的百分比的情况下，采用发电机启动发动机；或
在所述当前车辆电池电量百分比小于启动发动机所需的最低车辆电池电量的百分比的情况下，采用马达启动发动机。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述采用发电机启动发动机包括以下步骤：
在发动机的转速达到发动机最小经济转速的情况下，启动发动机。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述当前车辆需求功率为车辆驱动功率、车辆附件功率和当前车辆电池电量补充功率三者之和，所述当前车辆电池电量补充功率由辅助动力单元对车辆电池进行充电而产生。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在启动了所述辅助动力单元的情况下，该方法还包括以下步骤中的一者：
在所述当前车辆电池电量百分比小于第三车辆电池电量百分比的情况下，控制所述辅助动力单元对车辆电池进行充电；或
在所述当前车辆电池电量百分比大于第四车辆电池电量百分比的情况下，控制所述辅助动力单元停止对车辆电池进行充电。
10.一种车辆辅助动力单元的控制设备，该辅助动力单元包括发动机和发电机，其特征在于，包括：
接收器，用于在所述辅助动力单元启动后接收当前车辆功率需求功率；以及
辅助动力单元控制器，将所述当前车辆需求功率与预先设定的辅助动力单元的经济输出功率分段区间进行比较，并根据比较结果确定辅助动力单元的输出功率，以使所述辅助动力单元的输出功率满足当前车辆需求功率。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述接收器还用于接收当前车辆电池电量百分比，所述控制器还用于在所述辅助动力单元启动之前，将所述当前车辆电池电量百分比与预定车辆电池电量百分比进行比较以确定是否启动所述辅助动力单元。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述辅助动力单元控制器将所述当前车辆电池电量百分比与预定车辆电池电量百分比进行比较以确定是否启动所述辅助动力单元包括以下步骤中的一者：
若当前车辆电池电量百分比小于第一预定车辆电池电量百分比，且辅助动力单元未启动，则启动辅助动力单元；
若当前车辆电池电量百分比大于或等于第一预定车辆电池电量百分比，且辅助动力单元未启动，则不启动辅助动力单元；
若当前车辆电池电量百分比小于第二预定车辆电池电量百分比，且辅助动力单元已启动，则保持辅助动力单元启动；或
若当前车辆电池电量百分比大于或等于第二预定车辆电池电量百分比，且辅助动力单元已启动，则停止辅助动力单元。
13.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述辅助动力单元控制器将当前车辆需求功率与预先设定的辅助动力单元的经济输出功率分段区间进行比较并根据比较结果确定辅助动力单元的输出功率包括以下步骤中的一者：
在当前车辆需求功率小于或等于最小经济输出功率的情况下，则将辅助动力单元的输出功率确定为该最小经济输出功率；
在当前车辆需求功率大于或等于最大经济输出功率的情况下，则将辅助动力单元的输出功率确定为该最大经济输出功率；或
在当前车辆需求功率位于所述最小经济输出功率与所述最大经济输出功率之间的情况下，则将辅助动力单元的输出功率确定为所述当前车辆需求功率。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，在当前车辆需求功率位于所述最小经济输出功率与所述最大经济输出功率之间的情况下，所述辅助动力单元控制器还执行以下操作：
在当前车辆需求功率上升过程中且当前车辆需求功率大于或等于第m经济输出功率的情况下，将所述发动机的转速固定在与该第m经济输出功率对应的经济转速，通过调整发电机的扭矩来调整辅助动力单元的输出功率以使得辅助动力单元的输出功率满足当前车辆需求功率，其中第m经济输出功率为多个经济输出功率中小于或等于当前车辆需求功率且最接近该当前车辆需求功率的经济输出功率；或
在当前车辆需求功率下降过程中且当前车辆需求功率小于或等于第n经济输出功率的情况下，将所述发动机的转速固定在与该第n经济输出功率对应的经济转速，通过调整发电机的扭矩来调整辅助动力单元的输出功率以使得辅助动力单元的输出功率满足当前车辆需求功率，其中第n经济输出功率为多个经济输出功率中大于或等于当前车辆需求功率且最接近该当前车辆需求功率的经济输出功率。
15.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述辅助动力单元控制器在启动所述发动机的过程中包括：
在所述当前车辆电池电量百分比大于或等于启动发动机所需的最低车辆电池电量的百分比的情况下，采用发电机启动发动机；或
在所述当前车辆车辆电池电量百分比小于启动发动机所需的最低车辆电池电量的百分比的情况下，采用马达启动发动机。
16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，在所述辅助动力单元控制器采用发电机启动发动机的情况下包括以下步骤：
在发动机的转速达到发动机最小经济转速的情况下，启动发动机。
17.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述当前车辆需求功率为车辆驱动功率、车辆附件功率和当前车辆电池电量补充功率三者之和，所述当前车辆电池电量补充功率由辅助动力单元对车辆电池进行充电而产生。
18.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，在所述辅助动力单元控制器启动了辅助动力单元的情况下，所述辅助动力单元控制器还用于执行以下步骤中的一者：
在所述当前车辆电池电量百分比小于第三车辆电池电量百分比的情况下，控制所述辅助动力单元对车辆电池进行充电；或
在所述当前车辆电池电量百分比大于第四车辆电池电量百分比的情况下，控制所述辅助动力单元停止对车辆电池进行充电。
19.一种车辆辅助动力单元的控制系统，其特征在于，该系统包括：检测装置，用于检测当前车辆功率需求功率；以及
权利要求10至18中任一项权利要求所述的设备。
20.一种工程机械，其特征在于，包括权利要求19所述的系统。
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