CN104110341B - 一种混合动力车辆冷起动的预热系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合动力车辆冷起动的预热系统和方法，其系统包括驱动电机水循环装置、ISG电机水循环装置、发动机水循环装置、发动机油底壳水循环装置和散热器，所述的驱动电机水循环装置、ISG电机水循环装置和发动机水循环装置的进出水口分别连接散热器的两端，还包括六个电控三通阀、一个电控单元、一个钥匙开关和两个温度传感器。上述系统的实现方法包括通过电控单元控制冷却回路的耦合、解耦，利用驱动电机的冷却水加热发动机和ISG电机。与现有技术相比，本发明具有低成本、结构简单且能够改善混合动力车辆发动机冷起动性能及高排放问题等优点。

Description

一种混合动力车辆冷起动的预热系统和方法

技术领域

本发明涉及混合动力车辆，尤其是涉及一种混合动力车辆冷起动的预热系统和方法。

背景技术

当今世界，全球环境污染严重。在中国，许多城市都出现了严重的雾霭现象，道路交通车辆发动机的冷起动过程中产生的碳烟以及碳氢等是造成这一现象的重要原因。混合动力以电力部分取代石化燃料消耗，得到了政府的推广，但是混合动力频繁冷起动过程也带来了新的问题。冷起动过程中一直存在着烟雾排放高和磨损严重振动大等问题，这将导致很多严重后果：1)摩擦磨损增加，大大缩短发动机的使用寿命，实验亦证明76％的发动机磨损来自这段期间，这主要是低温时破坏了零部件正常的配合间隙和机油温度低粘度大使润滑质量不理想造成的。2)发动机的功率下降、比油耗增加，这是因为低温环境下，机油流动性差，摩擦阻力增加，自身摩擦消耗的功率增加，且燃料燃烧不完全。3)排放恶化，原因是冷却水套温度过低，导致燃烧淬熄以及进气温度低导致燃料不完全燃烧，生成白烟和黑烟，而低温下机油流动性差，容易进入燃烧室，燃烧后形成蓝烟。此外对于混合动力电动车，过长的暖机过程将会带来功率供给不及时，过短的暖机时间将会引起发动机的磨损加剧，乃至拉缸等严重后果。同样ISG电机的冷机起动过程中由于油膜建立不良好，也会对自身造成很大磨损。

现有的研究成果中，已经提出了车辆冷起动时发动机的预热，但大多是采用独用的加热电源或加热电路等外部能源的加热方式，增加了额外的能量消耗或增加冷却水保温设备等，结构复杂，大大提高了成本，并且可靠性不足。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有混合动力车辆冷起动预热装置结构复杂且成本较高的缺陷而提供一种低成本、结构简单且能够改善混合动力车辆发动机冷起动性能及高排放问题的混合动力车辆冷起动的预热系统和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种混合动力车辆冷起动的预热系统，包括驱动电机水循环装置、ISG电机水循环装置、发动机水循环装置、发动机油底壳水循环装置和散热器，所述的驱动电机水循环装置、ISG电机水循环装置和发动机水循环装置的进出水口分别连接散热器的两端，还包括六个电控三通阀、一个电控单元、一个钥匙开关和两个温度传感器，所述的驱动电机水循环装置出水口分别连接ISG电机水循环装置进水口和发动机油底壳水循环装置进水口，其进水口分别连接ISG电机水循环装置出水口和发动机水循环装置出水口，所述的发动机油底壳水循环装置出水口连接发动机水循环装置进水口，所述的六个电控三通阀分别依次安装在驱动电机水循环装置、ISG电机水循环装置和发动机水循环装置的进出水口，并分别与电控单元连接，所述的两个温度传感器分别安装在驱动电机水循环装置的出水口和发动机水循环装置上，并分别与电控单元连接，所述的电控单元连接钥匙开关；

电控单元接收温度传感器和钥匙开关信号，控制电控三通阀的通断，通过冷却回路耦合和解耦实现冷起动的预热，即当打开驱动电机水循环装置与ISG电机水循环装置、发动机水循环装置之间的预热回路，关闭驱动电机水循环装置、ISG电机水循环装置、发动机水循环装置的冷却回路时，利用驱动电机水循环装置的高温冷却水对ISG电机水循环装置、发动机水循环装置进行加热，反之，则结束预热。

所述的驱动电机水循环装置包括驱动电机和电控水泵，所述的驱动电机进水口连接电控水泵出水口，出水口安装一电控三通阀，所述的电控水泵进水口安装一电控三通阀。

所述的驱动电机替换为制动回收发电机。

所述的ISG电机水循环装置包括ISG电机和发动机水泵，所述的ISG电机进水口连接发动机水泵出水口，出水口安装一电控三通阀，所述的发动机水泵进水口安装一电控三通阀，所述的发动机水泵的驱动方式为机械式或电控式。

所述的发动机水循环装置包括发动机和发动机水泵，所述的发动机上安装一温度传感器，进水口连接发动机水泵出水口，出水口安装一电控三通阀，所述的发动机水泵进水口安装一电控三通阀。

所述的发动机设有多个。

所述的发动机油底壳水循环装置包括发动机油底壳预热水套和机油泵，所述的发动机油底壳预热水套进水口分别连接机油泵出水口和驱动电机水循环装置出水口，其出水口分别连接机油泵进水口和发动机水循环装置进水口，所述的机油泵的驱动方式为机械式或电控式。

一种混合动力车辆冷起动的预热方法，包括：

步骤S1：根据混合动力系统发动机工况点的复杂程度确定发动机水泵和机油泵的驱动方式，若混合动力系统发动机工作为点工况，则选择机械式，若混合动力系统发动机工作为线工况或面工况，则选择电控式；

步骤S2：电控单元通过标定得到以发动机温度为x轴、驱动电机出水口温度为_y轴、最佳预热开启时间t_best为z轴的MAP图，两个温度传感器分别采集得到发动机温度和驱动电机出水口温度，并传输给电控单元，基于MAP图确定t_best数值，然后整车实际运行过程中预测发动机需要的起动时间t_x，若t_x＝t_best，则执行步骤S3；

步骤S3：若钥匙开关为打开状态，电控单元控制六个电控三通阀，打开驱动电机水循环装置与ISG电机水循环装置、发动机水循环装置之间的预热回路，关闭驱动电机水循环装置、ISG电机水循环装置、发动机水循环装置的冷却回路，即进行冷却回路耦合，利用驱动电机的高温冷却水对ISG电机和发动机进行加热，执行步骤S4；

步骤S4：若钥匙开关为关闭状态或电控单元判断发动机温度达到起动温度，执行步骤S5；

步骤S5：电控单元控制六个电控三通阀，关闭驱动电机水循环装置与ISG电机水循环装置、发动机水循环装置之间的预热回路，打开驱动电机水循环装置、ISG电机水循环装置、发动机水循环装置的冷却回路，即完成冷却回路解耦，车辆进入一般工作状态。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明适应于存在需发动机冷起动的且存在驱动电机驱动的混合动力电动车辆。冷却回路驱动方式以发动机工作工况特性为区分手段进行选择，设计不同的驱动方式，当发动机水泵/机油泵为电驱动时，直接打开水泵即可建立回路，当发动机水泵/机油泵为机械驱动时，则使用电机倒拖，驱动泵，使得系统具有普遍适应性，使得方法具有普遍适用性，不仅适用于混联式混合动力电动车还适用于串联式以及增城式混合动力电动车。

2)本发明通过将驱动电机水循环装置、ISG电机水循环装置、发动机水循环装置的自身冷却回路进行耦合，构成预热回路，利用驱动电机水循环装置内已经预热的水对ISG电机和发动机进行加热，而不需要外接任何其它的加热装置，结构简单且节约了成本。由于混合动力汽车的冷起动过程是由电机拖动发动机进行驱动，在发动机开始工作之前驱动电机水循环装置内的冷却水已经过加热。

3)本发明通过标定时间MAP，能够在保证发动机达到暖机的同时，尽可能缩短暖机时间，减少电机倒脱或者电控水泵/机油泵功率消耗，有效地优化混合动力车辆的起动性能并降低起动排放。

4)本发明增加了钥匙开关，可以避免车辆到达目的地拔下开关后仍反复进行发动机预热引起的功率消耗。在发动机完成起动暖机后，则关闭预热回路，减少不必要电动水泵/油泵功率消耗，并防止发动机正常工作后冷却水温度过高而散热器散热功率不够引起电机或者发动机热负荷过高。

附图说明

图1为本发明提供的混合动力车辆冷起动预热系统的结构示意图；

图2为本发明提供的混合动力车辆冷起动预热方法的流程图；

图3为起动时间t_x对应MAP图标定过程示意图。

图中：1、驱动电机水循环装置，2、ISG电机水循环装置，3、发动机水循环装置，4、发动机油底壳水循环装置，5、散热器，6、电控三通阀，7、电控单元，8、温度传感器，9、钥匙开关，10、风扇，11、进气格栅，12、驱动电机，13、电控水泵，14、ISG电机，15、发动机水泵，16、发动机，17、发动机油底壳预热水套，18、机油泵，19、动力电池超级电容，20、冷却回路，21、预热回路，22、空气。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种混合动力车辆冷起动的预热系统，包括驱动电机水循环装置1、ISG电机水循环装置2、发动机水循环装置3、发动机油底壳水循环装置4和散热器5，所述的驱动电机水循环装置1、ISG电机水循环装置2和发动机水循环装置3的进出水口分别连接散热器5的两端，还包括六个电控三通阀6、一个电控单元7、一个钥匙开关9和两个温度传感器8，所述的驱动电机水循环装置1出水口分别连接ISG电机水循环装置2进水口和发动机油底壳水循环装置4进水口，其进水口分别连接ISG电机水循环装置2出水口和发动机水循环装置3出水口，所述的发动机油底壳水循环装置4出水口连接发动机水循环装置3进水口，所述的六个电控三通阀6分别依次安装在驱动电机水循环装置1、ISG电机水循环装置2和发动机水循环装置3的进水口、出水口，并标号为YV₁₁、YV₁₂、YV₂₁、YV₂₂、YV₃₁和YV₃₂，并分别与电控单元7连接，所述的两个温度传感器8分别安装在驱动电机水循环装置1的出水口和发动机水循环装置3上，并分别与电控单元7连接，所述的电控单元7连接钥匙开关9。

YV₁₁、YV₁₂、YV₂₁、YV₂₂、YV₃₁和YV₃₂分别有三个接口，其中，c口为入口，分别连接依次安装在驱动电机水循环装置1、ISG电机水循环装置2和发动机水循环装置3的进水口、出水口；a、b口为出口，YV₁₁的a口分别连接YV₂₂和YV₃₂的的a口，YV₁₁的b口连接散热器5的一端，散热器5的另一端连接YV₁₂的b口，YV₁₂的a口分别连接YV₂₁的a口和发动机油底壳水循环装置4的进水口，发动机油底壳水循环装置4的出水口连接YV₃₁的a口，YV₂₁的b口连接散热器5的一端，散热器5的另一端连接YV₂₂的b口，YV₃₁的b口连接散热器5的一端，散热器5的另一端连接YV₁₂的b口。

驱动电机水循环装置1包括驱动电机12和电控水泵13，所述的驱动电机12进水口连接电控水泵13出水口，出水口安装一电控三通阀6(YV₁₂)，所述的电控水泵13进水口安装一电控三通阀6(YV₁₁)，所述的驱动电机12可替换为制动回收驱动电机。

ISG电机水循环装置2包括ISG电机14和发动机水泵15，ISG电机14即为发电机，所述的ISG电机14进水口连接发动机水泵15出水口，出水口安装一电控三通阀6(YV₂₂)，所述的发动机水泵15进水口安装一电控三通阀6(YV₂₁)，所述的发动机水泵15的驱动方式为机械式或电控式。

发动机水循环装置3包括发动机16和发动机水泵15，所述的发动机16上安装一温度传感器8，进水口连接发动机水泵15出水口，出水口安装一电控三通阀6(YV₃₂)，所述的发动机水泵15进水口安装一电控三通阀6(YV₃₁)，所述的发动机可以设有多个。

发动机油底壳水循环装置4包括发动机油底壳预热水套17和机油泵18，所述的发动机油底壳预热水套17进水口分别连接机油泵18出水口和驱动电机水循环装置1出水口，其出水口分别连接机油泵18进水口和发动机水循环装置3进水口，所述的机油汞18的驱动方式为机械式或电控式。

同时，动力电池超级电容19、电控水泵13和散热器5构成另一个水循环装置，各散热器5两端各安装有进气格栅11和风扇10，风扇10驱动空气22由进气格栅11进入，再带走散热器5上的热量，构成冷却回路20，为本领域技术人员所公知。

如图2所示，一种混合动力车辆冷起动的预热方法，包括：

步骤S1：根据混合动力系统发动机工况的复杂程度确定发动机水泵15和机油泵18的驱动方式，混合动力系统发动机可以分类为串联式、增程式和混联式，而串联式以及增程式的发动机工况为点工况，则选择机械式，即机械水泵和机械机油泵，混联式的发动机工况为线工况和面工况，则选择电控式，即可变流量电控水泵和电控机油泵，如表1所示；

表1冷却水路驱动方式选择匹配

工作范围	单点工况	多点或者线面工况
			冷却水泵选择	按照工况点进行最佳匹配的机械泵	电控冷却水泵

步骤S2：电控单元7通过标定得到以发动机16温度为x轴、驱动电机12出水口温度为y轴，最佳预热开启时间t_best为z轴的MAP图，两个温度传感器8分别采集得到发动机16温度和驱动电机12出水口温度，并传输给电控单元7，基于MAP图确定t_best数值，然后整车实际运行过程中根据整车能量管理策略预测发动机需要的起动时间t_x，当t_x＝t_best，则执行步骤S3；

如图3所示，t_x对应MAP图标定过程为：

1)输入参数信息，包括环境温度，可近似冷起动前发动机16或发电机温度，以及驱动电机12冷却水出口温度；

2)进行自动参数标定，输出参数评价指标，包括起动暖机过程排放(碳烟颗粒排放、未燃碳氢排放)、比能耗(油耗、电池阀电耗、倒托电机或电控水泵电耗)、以及振动磨损(发动机16、发电机的寿命衰减情况)；

3)通过优化算法(遗传算法)，绘制以环境温度为x轴、驱动电机12出水口温度为y轴，最佳预热开启时间t_best为z轴的最优时间MAP图。

步骤S3：若钥匙开关9为打开状态，或当整车控制系统在特定控制策略下通过监控储能装置荷电状态SOC等判断出发动机或发电机即将工作时，电控单元7控制六个电控三通阀6的a口打开，b口关闭，打开驱动电机水循环装置1与ISG电机水循环装置2、发动机水循环装置3之间的预热回路21，关闭驱动电机水循环装置1、ISG电机水循环装置2、发动机水循环装置3的冷却回路20，即进行冷却回路20耦合，利用驱动电机12高温冷却水(温度＞70℃)对ISG电机14和发动机16进行加热，执行步骤S4；

步骤S4：若钥匙开关9为关闭状态或电控单元7判断发动机16温度达到起动温度，执行步骤S5；

步骤S5：电控单元7控制六个电控三通阀6的b口打开，a口关闭，关闭驱动电机水循环装置1与ISG电机水循环装置2、发动机水循环装置3之间的预热回路21，打开驱动电机水循环装置1、ISG电机水循环装置2、发动机水循环装置3的冷却回路20，即完成冷却回路20解耦，车辆进入一般工作状态。

本发明通过将驱动电机12的冷却回路20与ISG电机14、发动机16的冷却回路20的耦合和解耦，大大改善了发动机16在冷机起动过程的高排放问题，并一定程度缓解了发动机16和ISG电机14在冷机起动过程中的摩擦以及振动噪声问题。

Claims (8)

1.一种混合动力车辆冷起动的预热系统，包括驱动电机水循环装置(1)、ISG电机水循环装置(2)、发动机水循环装置(3)、发动机油底壳水循环装置(4)和散热器(5)，所述的驱动电机水循环装置(1)、ISG电机水循环装置(2)和发动机水循环装置(3)的进出水口分别连接散热器(5)的两端，其特征在于，还包括六个电控三通阀(6)、一个电控单元(7)、一个钥匙开关(9)和两个温度传感器(8)，所述的驱动电机水循环装置(1)出水口分别连接ISG电机水循环装置(2)进水口和发动机油底壳水循环装置(4)进水口，其进水口分别连接ISG电机水循环装置(2)出水口和发动机水循环装置(3)出水口，所述的发动机油底壳水循环装置(4)出水口连接发动机水循环装置(3)进水口，所述的六个电控三通阀(6)分别依次安装在驱动电机水循环装置(1)、ISG电机水循环装置(2)和发动机水循环装置(3)的进出水口，并分别与电控单元(7)连接，所述的两个温度传感器(8)分别安装在驱动电机水循环装置(1)的出水口和发动机水循环装置(3)上，并分别与电控单元(7)连接，所述的电控单元(7)连接钥匙开关(9)；

电控单元(7)接收温度传感器(8)和钥匙开关(9)信号，控制电控三通阀(6)的通断，通过冷却回路(20)耦合和解耦实现冷起动的预热，即当打开驱动电机水循环装置(1)与ISG电机水循环装置(2)、发动机水循环装置(3)之间的预热回路(21)，关闭驱动电机水循环装置(1)、ISG电机水循环装置(2)、发动机水循环装置(3)的冷却回路(20)时，利用驱动电机水循环装置(1)的高温冷却水对ISG电机水循环装置(2)、发动机水循环装置(3)进行加热，反之，则结束预热。

2.根据权利要求1所述的一种混合动力车辆冷起动的预热系统，其特征在于，所述的驱动电机水循环装置(1)包括驱动电机(12)和电控水泵(13)，所述的驱动电机(12)进水口连接电控水泵(13)出水口，出水口安装一电控三通阀(6)，所述的电控水泵(13)进水口安装一电控三通阀(6)。

3.根据权利要求2所述的一种混合动力车辆冷起动的预热系统，其特征在于，所述的驱动电机(12)替换为制动回收发电机。

4.根据权利要求1所述的一种混合动力车辆冷起动的预热系统，其特征在于，所述的ISG电机水循环装置(2)包括ISG电机(14)和发动机水泵(15)，所述的ISG电机(14)进水口连接发动机水泵(15)出水口，ISG电机(14)出水口安装一电控三通阀(6)，所述的发动机水泵(15)进水口安装一电控三通阀(6)，所述的发动机水泵(15)的驱动方式为机械式或电控式。

5.根据权利要求4所述的一种混合动力车辆冷起动的预热系统，其特征在于，所述的发动机水循环装置(3)包括发动机(16)和发动机水泵(15)，所述的发动机(16)上安装一温度传感器(8)，发动机(16)进水口连接发动机水泵(15)出水口，发动机(16)出水口安装一电控三通阀(6)，所述的发动机水泵(15)进水口安装一电控三通阀(6)。

6.根据权利要求5所述的一种混合动力车辆冷起动的预热系统，其特征在于，所述的发动机(16)设有多个。

7.根据权利要求1所述的一种混合动力车辆冷起动的预热系统，其特征在于，所述的发动机油底壳水循环装置(4)包括发动机油底壳预热水套(17)和机油泵(18)，所述的发动机油底壳预热水套(17)进水口分别连接机油泵(18)出水口和驱动电机水循环装置(1)出水口，其出水口分别连接机油泵(18)进水口和发动机水循环装置(3)进水口，所述的机油泵(18)的驱动方式为机械式或电控式。

8.一种混合动力车辆冷起动的预热方法，其特征在于，包括：

步骤S1：根据混合动力系统发动机工况点的复杂程度确定发动机水泵(15)和机油泵(18)的驱动方式，若混合动力系统发动机工作为点工况，则选择机械式，若混合动力系统发动机工作为线工况或面工况，则选择电控式；

步骤S2：电控单元(7)通过标定得到以发动机(16)温度为x轴、驱动电机(12)出水口温度为y轴、最佳预热开启时间t_best为z轴的MAP图，两个温度传感器(8)分别采集得到发动机(16)温度和驱动电机(12)出水口温度，并传输给电控单元(7)，基于MAP图确定t_best数值，然后整车实际运行过程中预测发动机需要的起动时间t_x，若t_x＝t_best，则执行步骤S3；

步骤S3：若钥匙开关(9)为打开状态，电控单元(7)控制六个电控三通阀(6)，打开驱动电机水循环装置(1)与ISG电机水循环装置(2)、发动机水循环装置(3)之间的预热回路(21)，关闭驱动电机水循环装置(1)、ISG电机水循环装置(2)、发动机水循环装置(3)的冷却回路(20)，即进行冷却回路(20)耦合，利用驱动电机(12)的高温冷却水对ISG电机(14)和发动机(16)进行加热，执行步骤S4；

步骤S4：若钥匙开关(9)为关闭状态或电控单元(7)判断发动机(16)温度达到起动温度，执行步骤S5；

步骤S5：电控单元(7)控制六个电控三通阀(6)，关闭驱动电机水循环装置(1)与ISG电机水循环装置(2)、发动机水循环装置(3)之间的预热回路(21)，打开驱动电机水循环装置(1)、ISG电机水循环装置(2)、发动机水循环装置(3)的冷却回路(20)，即完成冷却回路(20)解耦，车辆进入一般工作状态。