CN104010854B - 串行液压混合驱动系统的运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种串行的液压混合驱动系统(1)的运行方法，包括内燃机(8)、第一挤压机(11)、第二挤压机(12)、压力存储器(20)和解耦阀装置(30)。为了进行优化，本发明提出对于各种运行模式，从特性曲线上就可以读出各种情况下的总效率。这些总效率相互进行比较，最终选择总效率最佳的运行模式。

Description

串行液压混合驱动系统的运行方法

技术领域

本发明涉及一种优选串行液压混合驱动系统的运行方法。

背景技术

派克公司(die Firma Parker)研发了一种串行液压混合驱动系统，命名为“Runwise”。这种串行液压混合驱动系统的研发用途是用于重型载货车辆，这种串行液压混合驱动系统被事后装入以补充机械驱动。这时，所述机械驱动系被拆开，并且所述“RunWise-System”被接入。

所有的混合驱动系统都是由串联或并联布置的能量转换器、转速转换器和扭矩转换器组成的。这些转换器在下文也称作部件，它们每一个都具有取决于工作点的效率，该效率一般取决于各种外部和内部影响。

所述效率在这里定义为有用能量与输入能量之比：

η＝W_Nutz/W_Aufwand (等式1)

部件的工作点对于该部件的效率具有重大影响。

对于每个部件都能够以特征曲线和/或特征图表的方式存储效率性能。

串行液压驱动系可包括例如下述部件：内燃机、液压泵、液压马达和压力存储器。所述驱动系的部件能够在不同的运行模式中运行。所以所述液压马达也可以作为泵运行。此时，所述液压马达将车辆的动能转换成液压能，并且将该液压能输入到所述压力存储器中。此外，所述压力存储器可被加载或卸载。

即使驱动系向车辆的一个或多个被驱动轮供给相等的有效功率，所述驱动系在不同的运行模式下一般也具有不同的总效率。

发明内容

本发明所基于的问题通过本发明的方法解决。还在下面的说明和附图中说明了本发明的重要特征，其中所述特征无论是单独一个还是不同的组合对本发明而言都是非常重要的，而不必对此再次明确指出。

本发明能够使混合动力车辆，特别是串行液压混合动力车辆高能效地运行。

通过知道混合驱动系统的至少最重要的部件的效率-特征图表并且从而也知道在能量转换时在参与的部件中出现的损失，能够生成整个混合驱动系统的效率特征图表。借助于本发明的效率特征曲线族能够使整个系统对于任何负荷要求都能以优化的能效运行。这些特征图表存储在控制器中，所述控制器依据负荷要求启用能效最高的运行模式，并且在需要时控制所述驱动系的各个部件。这个过程在本发明的上下文也称作预控制。

整个系统的总效率是参与整个系统的所有部件的效率的乘积。

对于大多数部件，效率取决于该部件的工作点。

例如，液压泵或者液压马达的效率基本上是系统量和材料量的函数，所述系统量例如是压力、转速或者排量，所述材料量例如是液压流体的密度和粘度。对于输送量可调节的泵或马达而言，输送量是可选的(系统)量。

材料量一般是系统温度的函数和/或因时效过程而变化。

这些系统量和/或材料量中的几个系统量和/或材料量比其它系统量和/或材料量对所述部件的效率性能的影响大。加入特征图表的系统量和/或材料量越多，该特征图表就越精确地描绘部件的实际运行性能。当然，也因此显著地增加了该特征图表的复杂性。

于是，为了计算或根据经验确定所述特征图表，优选使用下述系统量和/或材料量，即对效率性能具有大的影响且容易测量的系统量和/或材料量。通过将系统量和/或材料量减少到可量化的且影响大的量，降低了构建该特征图表的耗费及该特征图表的复杂性。所述系统量和材料量的数量确定了部件的特征图表的维度。在本发明的上下文中，特征图表的维的数量称作特征图表的维度。

部件的效率因此允许表示为多维空间中的矢量。此时这个多维空间通过所述系统量和材料量展开。

如果以这种方式确定各个部件的所有效率，根据上述等式2，整个系统的效率是被启用的、属于该整个系统的部件的效率的乘积。

从等式2清楚地知道，对于复杂的系统，例如混合驱动系统，得到多维效率-特征图表。此外，混合驱动系统能够以不同的运行模式运行，因为在所有运行模式中不是所有部件都被启用并且因而启用的部件的数量可能发生变化，所以不同运行模式的效率不同。

因为在回收情形下不需要驱动功率，所以例如所述液压马达可被关停。在另一运行模式中，当液压泵的总驱动功率应直接到达液压马达中时，所述压力存储器可以与驱动系解耦。

因而对于每种运行模式而言，需要整个系统的多维效率-特征图表。

为了降低所述部件的效率-特征图表的复杂性和维度，本发明提出所述驱动系的部件的(系统)量分为三个等级：

1、影响效率的量是从外面引入的量(所谓引入量 )。

对此，一些实例是液压马达的转速(因为液压马达与被驱动轮刚性连接)，或者驾驶员的转矩期望(Drehmomentwunsch)。

2、影响效率的量是在确定的界限内可自由选择的(所谓可选量)。对此，一个实例是在驱动系中存在换档变速器情形下的档位选择或者在CVT变速器(CVT＝ContinuouslyVariable Transmission)情形下的传动比。

3、影响效率的量是从所述部件内部的物理关系得到的。

对此，一个实例是内燃机中的摩擦损失，这个摩擦损失明显取决于内燃机的转速。这些量因而是因变量。所述因变量描绘部件的物理关系。

在这里，哪些系统量和材料量是因变量、引入量或者可自由选择的量，取决于各运行模式。

例如在车辆具有无级CVT变速器的情形中，内燃机的工作点/转速可以沿着功率曲线对于轮上所要求的功率尽可能自由地选择，而在车辆具有换挡变速器的情形中，档位可在限值中自由选择。由此，确定了最大可提供的转矩和内燃机转速。

为了减少效率-特征图表的维度，现在本发明提出，对于每种运行模式，根据可自由选择的量单独地确定该效率的最大值。由此，将部件的效率-特征图表的维度减少到引入量的数量上。

根据本发明，对于所述驱动系的每个运行模式将属于最大效率的、可自由选择的量写入到一具有所有部件的引入量的维的固有特征图表中。

因而从所述驱动系的该特征图表能够读出可自由选择的量的值，在该值的情况下，所述驱动系具有尽可能好的效率。

这样得到的特征图表用于依据所述引入量预先确定所述可自由选择的量。所有其他的量在系统中被自动得到，因为它们都是因变量。

在实践中也可设想通过具有更少维数的多个特征图表和通过特征曲线或逼近方程来代替所述多维特征图表。

附图说明

从下面的附图、说明可得到本发明的其它优点和有利的实施例。在附图中示出：

图1是本发明的环境。

具体实施方式

图1显示了液压混合驱动系1。在该液压混合驱动系1中，第一驱动装置4与第二驱动装置5串联连接。第一驱动装置4包括内燃机8，内燃机8也称作内燃发动机。第二驱动装置5包括两个液压挤压机11、12，液压挤压机11、12构造为轴向柱塞机，其具有输入侧和输出侧。挤压机11是液压泵，其具有每转可调的挤压容积(蠕动能力)，而挤压机12是可调节的液压式泵马达。

挤压机11、12的输入侧连接到液压介质容器。所述容器也可以是带有低压存储器的预加压系统。挤压机11、12的输出侧通过连接管道15直接相互液压连接。在该连接管道15中设置一分支18，在该分支18处，一连接管道19从连接管道15分岔连接到压力存储器20。压力存储器20实施为液压-气动式压力存储器。

挤压机11可通过离合装置和/或变速装置21按照驱动要求与内燃机8连接。因此，挤压机11也称作初级挤压机。挤压机11也能够由级联的多个挤压机组成。挤压机12可通过离合装置和/或变速装置22按照驱动要求经由机械式差速器24而与车桥26连接。挤压机12也可由级联的多个挤压机组成。在车桥26的端部显示有两个被驱动的车辆轮27、28。

可由液压式挤压机11、12提供的转矩取决于作用在挤压机11、12上的压力差。所述压力差又取决于压力存储器20的装载状态。机动车的液压混合驱动系在城市运行中主要遭受非常动态的并且常常变化的力矩要求。

根据负载跃变，液压混合驱动的机动车的可驾驶性和工作性能受到驱动系性能的强烈影响。但是，液压混合驱动系1还必须满足其它要求，例如路缘石爬升、山路行驶和/或拖挂行驶。

对于带有压力存储器20的液压混合驱动系1的设计，例如使用在液压的混合动力机动车中，存在的问题是，必须在没有大的时滞的情况下达到高的牵引力要求(即在次级或轮侧上的高转矩)。这导致要么在低速度范围内压力存储器20的装载策略必须通过机动车控制器保持在相对高的压力上，要么次级侧的部件的尺寸必须被设计的如此之大，以至于即使在小的压力时也能达到高的牵引力要求。

在这两种情形下都会对驱动系效率产生负面影响。在高的压力额定值时，压力存储器20的可用能量含量急剧减小，由此回收能力大大受到限制。此外，在低负荷要求的情况下高压力的维持使所述挤压机的工作点朝向低的部分负荷移动，具有低效率。

在所述挤压机尺寸过大时，为了能够在低压情况下描绘高力矩，对于设计压力以上的所有压力，工作点会类似地朝向差的效率移动。更不利的是，更大的部件需要更多的结构空间，因而可整合性更差，并且更大的部件还具有更高的质量，这同样不利于整体能量平衡。

因此，在液压混合驱动系1中，在连接管道19中设置解耦阀装置30。借助于解耦阀装置30，压力存储器20可与系统的其余部分解耦。因此初级挤压机11与次级挤压机12直接液压连接。这导致能够在最短的时间内在连接管道15中建立高于存储器压力的系统压力。

图1示出的解耦阀装置30实施为2/2换向阀34，其具有关闭位置和开启位置。2/2换向阀34通过弹簧预加载到其示出的关闭位置中。阀34通过电磁操作转换到它的开启位置中。在关闭位置中，分支18和压力存储器20之间的连接中断。在阀34的开启位置中，连接管道15通过分支18而与压力存储器20连接。

图1所示的解耦阀装置30也可实施为2/2换向-比例阀。这种比例阀也称作连续阀并且允许在开启位置和关闭位置之间连续调整。所述连续阀能够使压力存储器20的解耦和接通变平顺(verschleifen)。

在该驱动系中存在多个运行模式，下面阐述其中最重要的运行模式：

I.CVT运行

在第一运行模式，即所谓CVT运行中，存储器解耦阀34关闭。压力存储器20因而与混合驱动系统10解耦并且既不装载也不卸载。在这个第一运行模式中，内燃机8通过离合器21驱动初级挤压机11，所述初级挤压机从一容器吸取液压流体并且提高该液压流体的压力。液压流体的压力能量直接驱动次级挤压机12。次级挤压机12现在作为液压马达工作。

次级挤压机12产生的驱动力矩通过离合器22传递到差速器24上并且传递到车辆的轮27、28上。

因为第一和/或第二挤压机11、12的吞吐能力是可调的，所以在这个运行模式中实现了无级传动。

下面列出在这个运行模式中启用的部件并且对它们的系统量进行分类。

II.存储器装载运行和存储器卸载运行

在第二运行模式，即所谓存储器装载运行中，与第一运行模式相反地，存储器解耦阀34开启。因此，由内燃机8产生的那些不必被用来产生驱动力矩的功率作为压力能量存储到压力存储器20中。

当所要求的驱动力矩大于内燃机8提供的功率时，从压力存储器20取出压力能量，从而次级挤压机12可提供所要求的驱动力矩。

III.存储器行驶

在第三运行模式，即所谓存储器行驶中，内燃机8和第一挤压机11关断。产生驱动力矩所需要的功率被从压力存储器20取出。次级挤压机12作为液压马达工作，它使压力存储器20的液压流体的压力能量转换成驱动力矩。

IV.回收

最后，第四运行模式称作再生性制动或回收。在这个运行模式中，次级挤压机12作为液压泵工作。在此，次级挤压机12使用制动力矩以对压力存储器20进行装载。内燃机8可以被接通。

上述内容清楚地表明，能量最优的运行方式的选择绝非是平凡无奇的。本发明的方法允许“自动”选择运行模式和控制所述启用部件的可选量，以便使所述驱动系在预给定的负荷要求下能够以尽可能最好的能效运行。

如上所述，对于一个系统的大部分部件而言，效率η取决于部件的工作点和部件的状态。因此例如液压泵或液压马达的效率η_Pumpe基本上是压力p、转速n、排量V和温度T、液压流体的密度ρ和粘度v的函数。针对这种关系得到：

前面影响量中的几个影响量比其余影响量对效率η的影响更大。根据本发明，为了计算不同工作点的效率η，使用的影响量是对效率η的影响大并且容易测量的影响量。因此对等式3进行如下削减：

对于内燃机8的效率η_B，基本影响量是转矩M、转速n、温度T和转矩梯度所述效率也可以简化表示为转速和转矩的函数：

以这种或类似的方式，对于所述混合驱动系统的每个部件都可以求得效率η。所述影响量有利地表示为矢量。

所述混合驱动系统的总效率η_Sys由参与能量转换的每个部件的效率η的乘积得到(见等式2)。

如果所有部件的根据等式3、4或5的效率被代入等式2，则对于所述混合驱动系统的每个运行模式得到多维的效率特征图表。

各个部件的工作点在这里不是完全可自由选择的，而是由可自由选择的量、引入量和因变量组成。

对此得到：

P_Rad＝M·n·2π＝常数(等式6)

所述驱动系必须提供这个功率，其中，根据本发明，选择使所述驱动系具有最佳的总效率的运行模式。

使用一个系统作为范例来阐释本发明的方法，这个系统具有内燃机8和初级挤压机11。挤压机11直接法兰连接在内燃机8的曲轴上并且对压力存储器20装载。为了进行简化，忽略阀中和管道中的损失，并且压力存储器20的效率假设是1。也就是说，能够以不损失能量的方式将能量存入压力存储器20和从压力存储器20取出。

内燃机8的效率η_B为：

挤压机11的效率η_Pumpe为：

因为挤压机11直接法兰连接到内燃机8的曲轴上，所以挤压机11的转速n等于内燃机8的转速。

挤压机11的压力p等于压力存储器20中的压力。如此调节第一挤压机11的排量V，以至于内燃机8的转矩M被接收。

第二挤压机12的压力p同样等于压力存储器20中的压力。第二挤压机12的排量V等于第一挤压机11的排量以及流入或流出压力存储器20的流体体积。

结果，根据等式2得到所述驱动系的下述总效率-特征图表：

对于这个效率特征图表η_Sys，例如内燃机8的转矩期望和转速n是引入到所述系统中的量。同样，压力p也是引入到所述系统中的。排量V是因变量。

本发明使用串行液压混合驱动对不同的运行模式导致下述结果：

在第一运行模式，即CVT运行中，四个影响量确定效率η，其中两个影响量是可自由选择的，两个影响量是引入到混合驱动系统1中的。

在第二运行模式，即存储器运行中，五个影响量确定效率η。这五个影响量中，两个是可自由选择的，三个是引入的。

对于第三和第四运行模式，即所述存储器行驶和所述回收，效率η由三个影响量确定。其中，所有三个影响量都是引入到混合驱动系统1中的。

对于所述四种运行模式中的每种运行模式都是通过效率η的最大值来确定最佳工作点，所述最佳工作点的特征在于可自由选择的量。

由此，总效率-特征图表的维数降低到引入量的数量上。也就是说，对个每种运行模式，将每个可自由选择的量以及所属的效率η写入到一具有引入量的维数的固有特征图表中。以这种方式得到特征图表，从所述特征图表中取出可自由选择的量，这些可自由选择的量对于相应的运行模式产生具有混合驱动系统1的最大效率η的工作点。

这些工作效率-特征图表存储在所述驱动系的控制器中，并且在所述控制器中执行本发明的方法。

本发明的方法以所述效率-特征图表为基础，并且使能量最佳的运行模式的计算和选出成为可能。为此，首先，对于上述四种运行中的每种运行模式，针对轮上所要求的功率计算出效率(等式6)。

首先，计算装载效率η_EES：

其中，E_{EES_G}表示通过初级挤压机12产生的且存储在压力存储器20中的能量。E_{EES_R}表示通过回收制动能量产生并且存放在压力存储器20中的能量。E_{FT_G}表示在产生E_{EES_G}期间由内燃机4以燃料形式消耗的化学能量。E_{FT_IVT}表示内燃机4在存储器解耦阀34关闭情形下(CVT模式)运行时消耗的能量。因而前述等式反映了存入压力存储器20的能量(等式7的分子)与因生成(Generation)而额外消耗的能量(等式7的分母)之比。在这里假设因回收而存入存储器的能量E_{EES_R}对于所述产生(Erzeugung)没有引起额外消耗。

各个运行模式的效率η定义如下：

对于第一运行模式，即CVT行驶，此时压力存储器与混合驱动系统1解耦，得到：

其中，E_Abtrieb是混合驱动系统1在离合器22上产生的能量。E_{FT_IVT}是为了产生E_Abtrieb而由内燃机8消耗的燃料量所包含的化学能。

对于第二运行模式，即存储器装载运行，得到η_G：

分子中的有用能量由作用在所述离合器上的有效输出能量E_Abtrieb和存入压力存储器20的能量E_{EES_G}组成。在分母中，能量E_{FT_G}表示内燃机8在存储器装载运行期间以燃料的形式消耗的能量。

对于第三运行模式，即存储器行驶，效率η_SF计算如下：

其中，规定了输出件上的有用能量、E_Abtrieb与能量E_{ESS_SF}之比。能量E_{ESS_SF}是从压力存储器20取出的能量。此外，等式10通过项η_EES还考虑了：为了填充压力存储器20，需要功或能。装载效率η_EES在这里根据等式7进行计算。

对于第四运行模式，即回收或再生制动，不用计算效率，这是因为回收的能量通常作为制动时的热能损失掉。所述制动能量的“回收”因而不需要能量消耗，因此也称作“免费的”。

等式7至10中的所有能量在运行期间被一起联机计算。当前工作点的最佳运行模式是那个具有最大效率的运行模式。通过比较根据等式8至10得到的不同的总效率，可以对于驾驶员的转矩期望或者对于待输出到轮上的功率P_Rad求得具有最佳效率的运行模式。混合驱动系统1在这个运行模式中运行。

Claims (15)

1.一种液压混合驱动系统(1)的运行方法，所述混合驱动系统(1)包括内燃机(8)、第一挤压机(11)、第二挤压机(12)、压力存储器(20)和解耦阀装置(30)，其特征在于，

对于预先给定的载荷点P_Rad，从相应的总效率-特征图表中读出所述混合驱动系统(1)的所有可能运行模式的总效率，

其中，对于每个运行模式，将属于最大效率的、可自由选择的量写入到一固有特征图表中，将它们相互进行比较，并且所述混合驱动系统(1)在具有最佳总效率的运行模式中运行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

第一运行模式包括所述混合驱动系统(1)在没有压力存储器(20)的情形下的运行。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

在第二运行模式中，将所述混合驱动系统(1)的从动件(24、27、28)所需要的但不是由内燃机(8)产生的能量从所述压力存储器(20)中取出，或者将由内燃机(8)产生的但所述混合驱动系统(1)的从动件(24、27、28)上不需要的能量存入所述压力存储器(20)中。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

在第三运行模式中，所述混合驱动系统(1)的从动件(24、27、28)上所需要的能量是由所述压力存储器(20)提供的并且所述内燃机(8)不提供能量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

在第四运行模式中，从动件(24、27、28)减速时免费得到的能量被存入到所述压力存储器(20)中。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，

根据下述等式，对能量存入到所述压力存储器(20)中的效率η_EES进行计算：

${\mathrm{\η}}_{EES}=\frac{E_{EES\_G}+E_{EES\_R}}{E_{FT\_G}-E_{FT\_IVT}}$

式中，

E_{EES_G}表示第一挤压机(11)产生的且存放在所述压力存储器(20)中的能量；

E_{EES_R}表示通过回收制动能量产生并且存放在压力存储器(20)中的能量，

E_{FT_G}表示在生成E_{EES_G}期间由所述内燃机(8)以燃料形式消耗的能量；

E_{FT_IVT}表示所述内燃机(8)在第一运行模式CVT中运行时消耗的能量。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，

在第一运行模式CVT中，根据如下等式计算所述效率：

${\mathrm{\η}}_{IVT}=\frac{E_{Abtrieb}}{E_{FT\_IVT}}$

式中，

E_Abtrieb是所述混合驱动系统(1)在离合器(22)上产生的能量；

E_{FT_IVT}是为了产生E_Abtrieb而由内燃机(8)消耗的化学能。

8.根据权利要求3-5中任一项所述的方法，其特征在于，

根据下式计算所述第二运行模式的效率η_G：

${\mathrm{\η}}_G=\frac{E_{EES\_G}+E_{Abtrieb}}{E_{FT\_G}}$

式中，

E_Abtrieb表示在离合器(22)上的有效输出能量；

E_{EES_G}表示存入所述压力存储器(20)中的能量；

E_{FT_G}表示所述内燃机(8)在第二运行模式中以燃料形式消耗的化学能。

9.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，

根据下式计算所述第三运行模式的效率η_SF：

${\mathrm{\η}}_{SF}={\mathrm{\η}}_{ESS}\frac{E_{Abtrieb}}{E_{ESS\_SF}}$

式中，

E_Abtrieb表示离合器(22)上的有效输出能量；

E_{ESS_SF}表示从所述压力存储器(20)中取出的能量；

η_EES是存储过程的效率。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述第四运行模式的效率η设定为等于1。

11.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述第一运行模式是CVT运行模式。

12.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述第二运行模式是存储器装载运行和卸载运行。

13.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

所述第三运行模式是存储器行驶。

14.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述第四运行模式是回收。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述液压混合驱动系统是串行的液压混合驱动系统。