CN104787031A - 混合动力车辆中基于扭矩的能量管理 - Google Patents

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梁伟
克里斯多佛·艾伦·李尔
马克·斯蒂芬·耶马扎基
王小勇
邝明朗
瑞恩·亚伯拉罕·麦吉
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Abstract

本发明涉及混合动力车辆中基于扭矩的能量管理，公开了一种用于控制混合动力车辆中的动力传动系统的系统和方法，所述混合动力车辆具有发动机和牵引马达，所述方法包括：命令发动机以提供发动机扭矩，所述发动机扭矩与当前发动机转速时期望的性能特性相对应。此外，所述方法包括：命令马达以提供马达扭矩，所述马达扭矩用于补偿驾驶员扭矩请求和发动机扭矩之间的差。

Description

混合动力车辆中基于扭矩的能量管理
技术领域
本公开涉及在混合动力车辆中管理牵引马达和发动机之间的动力(功率)分配。
背景技术
混合动力电动车辆包括发动机和牵引马达两者。响应于驾驶员动力(功率)请求，控制器将驾驶员动力请求的一部分分配到发动机，并将驾驶员动力请求的一部分分配到牵引马达。
发明内容
一种用于控制动力传动系统的系统和方法，所述方法包括：命令发动机以提供与当前发动机转速时的性能特性相对应的发动机扭矩。所述方法还包括：命令马达以提供马达扭矩，所述马达扭矩用于补偿当前马达转速时的发动机扭矩和驾驶员扭矩请求之间的差。所述当前马达转速与当前发动机转速具有固定的转速关系，并与当前车辆车轮转速具有可选择的固定的转速关系。
在本方法的一个实施例中，性能特性是峰值发动机效率。在另一实施例中，从查找表获得与当前发动机转速时的性能特性相对应的发动机扭矩。还在另一实施例中，响应于电池荷电状态大于第一可校准阈值或小于第二可校准阈值，可改变从查找表获得的发动机扭矩的大小。
根据本发明，提供一种控制动力传动系统的方法，所述方法包括：命令发动机以提供发动机扭矩，所述发动机扭矩与当前发动机转速时的性能特性相对应；命令牵引马达以提供马达扭矩，所述马达扭矩用于补偿当前马达转速时的发动机扭矩和驾驶员扭矩请求之间的差，所述当前马达转速与当前发动机速度具有固定的转速关系，并与当前车辆车轮转速具有可选择的固定的转速关系。
根据本发明的一个实施例，从查找表获得与当前发动机转速时的性能特性相对应的发动机扭矩。
根据本发明的一个实施例，性能特性是动力传动系统的峰值效率。
根据本发明的一个实施例，命令发动机以提供发动机扭矩的步骤包括：响应于电池荷电状态大于第一可校准阈值或小于第二可校准阈值，改变与当前发动机转速时的性能特性相对应的发动机扭矩的大小。
一种混合动力电动车辆，所述混合动力电动车辆包括：发动机、牵引马达以及至少一个控制器。牵引马达与发动机具有选择性地固定的转速关系，并与车辆牵引车轮具有可选择的固定的转速关系。控制器被配置为命令发动机以提供发动机扭矩，并命令马达以提供马达扭矩，其中，所述发动机扭矩与当前发动机转速时的性能特性相对应，所述马达扭矩用于满足驾驶员扭矩请求和命令的发动机扭矩之间的差。
在一个实施例中，控制器进一步被配置为响应于电池荷电状态大于第一可校准阈值或小于第二可校准阈值而改变命令的发动机扭矩的大小。在另一实施例中，性能特性是峰值发动机效率。还在另一实施例中，控制器还被配置为从查找表获得与当前发动机转速时的性能特性相对应的扭矩。在另外的实施例中，发动机具有曲轴，牵引马达具有转子，曲轴与转子被构造为以共同的转速旋转。在这样的实施例中，共同的转速与车辆车轮转速和可选择的固定的齿轮比两者的乘积相对应。
一种用于在混合动力电动车辆中控制动力传动系统的方法，所述混合动力电动车辆具有发动机和牵引马达，所述方法包括：命令发动机以提供发动机扭矩，所述发动机扭矩与基于当前发动机转速和驾驶员扭矩请求的期望的动力传动系统性能相对应。所述方法还包括：命令马达以提供马达扭矩，所述马达扭矩与基于当前发动机转速和驾驶员扭矩请求的期望的动力传动系统性能特性相对应。其中，当前发动机转速与当前马达转速具有固定的速度关系，并与车辆牵引车轮转速具有可选择的固定的转速关系。
在一个实施例中，命令马达以提供马达扭矩的步骤包括：命令马达以提供与驾驶员扭矩请求和命令的发动机扭矩之间的差相等的马达扭矩。在另一实施例中，命令马达以提供马达扭矩的步骤包括：命令马达以提供与峰值系统效率相对应并响应于电池荷电状态和驾驶员扭矩请求而改变大小的扭矩。在这样的实施例中，其中，命令发动机以提供发动机扭矩的步骤包括：命令发动机以提供用于补偿驾驶员扭矩请求和命令的马达扭矩之间的差的扭矩。在一个这样的实施例中，从第一查找表获得与峰值系统效率相对应的扭矩。在这样的实施例中，响应于电池荷电状态和驾驶员扭矩请求而改变大小的步骤包括：基于电池荷电状态和驾驶员扭矩请求中的至少一个从第二查找表获得比例系数。从第二查找表获得的比例系数还可基于当前车辆动力。
根据本公开的实施例提供了许多优点。例如，本公开提供了一种用于在牵引马达和发动机之间分配驾驶员扭矩请求以增加动力传动系统效率或其它期望的动力传动系统性能特性的系统和方法。此外，本公开提供了一种用于在车辆的发动机曲轴和牵引马达转子具有共同的转速时在该车辆中的牵引马达和发动机之间分配驾驶员扭矩请求的系统和方法。
通过下面结合附图对优选实施例进行的详细描述，本公开的上述优点和其它优点和特征将是清楚的。
附图说明
图1是具有模块化动力传动系统构造的混合动力电动车辆的示意性示出。
图2示出了根据本公开的用于混合动力车辆的控制逻辑。
图3是示出控制混合动力车辆的方法的流程图。
图4是示出控制混合动力车辆的另一方法的流程图。
具体实施方式
在此描述了本公开的实施例。然而，应理解的是，公开的实施例仅仅是示例，并且其它实施例可采用多种和可替代的形式。附图不一定按照比例绘制；可夸大或最小化一些特征以显示特定组件的细节。因此，在此所公开的具体结构和功能性细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式实施本实施例的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的多个特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征相结合，以产生未被明确示出或描述的实施例。示出的特征的结合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可被期望的用于特定应用或实施。
参照图1，示出了根据本公开的实施例的混合动力电动车辆(HEV)10的示意图。图1示出了组件之间的代表性的关系。在车辆内组件的实际布局和朝向可变化。HEV 10包括动力传动系统12。动力传动系统12包括驱动传动装置16的发动机14，传动装置16可被称作模块化混合动力传动装置(MHT)。如将要在下面进一步详细地描述的，传动装置16包括诸如马达/发电机(M/G)18的电机、关联的牵引电池20、变矩器22以及多级传动比自动变速器或齿轮箱24。
发动机14和M/G 18都是用于HEV 10的驱动源。发动机14通常代表可包括内燃机(例如，由汽油、柴油或天然气驱动的发动机)或者燃料电池的动力源。发动机14产生发动机功率和对应的发动机扭矩，该发动机扭矩在位于发动机14与M/G 18之间的分离离合器26至少部分地接合时供应到M/G 18。M/G 18可通过多种类型的电机中的任何一个来实施。例如，M/G 18可以是永磁同步马达。电力电子器件56使由电池20提供的直流(DC)功率适应于M/G18的请求，如将在下面描述的。例如，电力电子器件可向M/G 18提供三相交流电(AC)。
当分离离合器26至少部分地接合时，可能的是功率从发动机14流到M/G18或从M/G 18流到发动机14。例如，分离离合器26可被接合并且M/G 18可操作为发电机，以将由曲轴28和M/G轴30提供的旋转能转换为将存储在电池20中的电能。分离离合器26还可不接合，以使发动机14与动力传动系统12的剩余部分隔离，从而M/G 18可充当用于HEV 10的唯一的驱动源。轴30延伸穿过M/G 18。M/G 18持续可驱动地连接到轴30，然而仅在分离离合器26至少部分地被接合时发动机14才可驱动地连接到轴30。当分离离合器接合时，发动机14的转速和M/G 18的转速之间存在固定的转速关系。
M/G 18经由轴30连接到变矩器22。因此，在分离离合器26至少部分地被接合时变矩器22连接到发动机14。变矩器22包括固定到M/G轴30的泵轮和固定到变速器输入轴32的涡轮。因此，变矩器22提供位于轴30与变速器输入轴32之间的液压结合。在泵轮比涡轮更快地旋转时，变矩器22将功率从泵轮传递到涡轮。泵轮扭矩和涡轮扭矩的大小通常取决于相对速度。当泵轮速度与涡轮速度之比足够高时，涡轮扭矩是泵轮扭矩的多倍。还可设置变矩器旁路离合器34，在变矩器旁路离合器34接合时，变矩器旁路离合器34使变矩器22的泵轮和涡轮摩擦地或机械地结合，而允许更有效地功率传递。变矩器旁路离合器34可操作为启动离合器，以提供平稳的车辆启动。可选地或相结合地，对于不包括变矩器22或变矩器旁路离合器34的应用而言，与分离离合器26相似的启动离合器可设置在M/G 18与齿轮箱24之间。在一些应用中，分离离合器26通常被称作上游离合器并且启动离合器34(可以是变矩器旁路离合器)通常被称作下游离合器。
齿轮箱24可包括齿轮组(未示出)，该齿轮组通过诸如离合器和制动器(未示出)的摩擦元件的选择性接合而选择性地置于不同的齿轮比中，以建立期望的多个离散传动比或多级驱动传动比。摩擦元件可通过换档计划来控制，该换档计划使齿轮组的某些元件连接和分离来控制变速器输出轴36与变速器输入轴32之间的比率。齿轮箱24基于各种车辆和周围的操作环境通过关联的控制器(例如，动力传动系统控制单元(PCU)50)从一个传动比自动地换档到另一个传动比。然后，齿轮箱24向输出轴36提供动力传动系统输出扭矩。齿轮箱24可被理解为在M/G 18的转速和车辆牵引车轮42的转速之间提供可选择的固定的转速关系。
应理解的是，与变矩器22一起使用的液压控制的齿轮箱24仅仅是齿轮箱或变速器布置的一个示例；接收来自发动机和/或马达的输入扭矩，然后以不同传动比向输出轴提供扭矩的任何多传动比齿轮箱可被接受，而用于本公开的实施例。例如，齿轮箱24可通过机械式自动(或手动)变速器(AMT)而实施，该AMT包括一个或更多个伺服马达以沿换档导轨移动/旋转换档拨叉，从而选择期望的齿轮传动比。如本领域的普通技术人员通常地理解，AMT可用在(例如)具有更高扭矩请求的应用中。
如图1的代表性实施例所示，输出轴36连接到差速器40。差速器40经由连接到差速器40的各自的车轴44驱动一对车轮42。差速器在允许轻微的速度差异的同时(例如，在车辆转弯时)向每个车轮42传递大体上相等的扭矩。不同类型的差速器或类似的装置可用于将扭矩从动力传动系统分配到一个或更多个车轮。在一些应用中，扭矩分配可根据(例如)特定的操作模式或条件而变化。
动力传动系统12还包括关联的动力传动系统控制单元(PCU)50。虽然示出为一个控制器，但是PCU 50可以是更大的控制系统的一部分并且可由遍布车辆10的各种其他的控制器(例如，车辆系统控制器(VSC))来控制。因此，应理解的是，动力传动系统控制单元50和一个或更多个其他的控制器能够被共同地称作“控制器”，该“控制器”响应于来自各种传感器的信号而控制各种致动器，以控制多个功能，诸如起动/停止发动机14、操作M/G 18从而提供车轮扭矩或给电池20充电、选择变速器档位或按计划使变速器换档等。控制器50可包括与各种类型的计算机可读存储装置或介质通信的微处理器或中央处理单元(CPU)。计算机可读存储装置或介质可包括易失性存储器和非易失性存储器，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和不失效记忆体(KAM)。KAM是一种可用于在CPU断电时存储各种操作变量的持久性存储器或非易失性存储器。计算机可读存储装置或介质可采用多个已知的存储装置(例如，PROM(可编程只读存储器)、EPROM(电可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、闪速存储器或能够存储数据(这些数据中的一些代表由控制器使用来控制发动机或车辆的可执行指令)的任何其它电的、磁的、光学的或它们相结合的存储装置)中的任意存储装置来实现。
控制器经由输入/输出(I/O)接口与各种发动机/车辆传感器和致动器通信，该I/O接口可实现为提供各种原始数据或信号调节、处理和/或转换、短路保护等的单独集成接口。可选地，一个或更多个专用的硬件或固件芯片可用于在特定的信号被供应到CPU之前调节并处理所述特定的信号。如图1的代表性的实施例通常示出的，PCU 50可与到达和/或来自发动机14、分离离合器26、M/G 18、启动离合器34、变速器齿轮箱24和电力电子器件56的信号通信。虽然没有明确地示出，但是本领域的普通技术人员将意识到，可由PCU 50控制的各种功能或组件位于以上标示的子系统中的每个子系统中。可使用由控制器执行的控制逻辑而直接或间接地致动的参数、系统和/或组件的代表性示例包括燃料喷射时间、速率、持续时间、节气门位置、火花塞点火时间(用于火花点火式发动机)、进气气门/排气气门时间和持续时间、前端附件驱动(FEAD)组件(诸如交流发电机、空调压缩机)、电池充电、再生制动、M/G操作、用于分离离合器26、启动离合器34以及变速器齿轮箱24的离合器压力等。通过I/O接口传递输入的传感器可用于指示(例如)涡轮增压器增压压力、曲轴位置(PIP)、发动机转速(RPM)、车轮转速(WS1、WS2)、车辆速度(VSS)、冷却液温度(ECT)、进气歧管压力(MAP)、加速器踏板位置(PPS)、点火开关位置(IGN)、节气门位置(TP)、空气温度(TMP)、废气氧气(EGO)或其他废气组分浓度或存在度、进气流量(MAF)、变速器档位、传动比或模式、变速器油温(TOT)、变速器涡轮速度(TS)、变矩器旁路离合器34状态(TCC)、减速或换档模式(MDE)。
由PCU 50执行的控制逻辑或功能可通过流程表或类似的图表表示在一个或更多个图中。这些图提供可使用一个或更多个处理策略(例如，事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等)实现的代表性的控制策略和/或逻辑。同样地，示出的各种步骤或功能可以以示出的顺序执行、并行执行或在一些情况下被省略。虽然一直没有明确地示出，但是本领域的普通技术人员将意识到，一个或更多个示出的步骤或功能可根据正在使用的特定的处理策略而重复地执行。同样地，不一定要求处理的顺序以实现在此描述的特征和优势，而提供处理的顺序仅仅是为了便于说明和描述。控制逻辑可以主要由软件实施，该软件由基于微处理器的车辆、发动机和/或动力传动系统控制器(例如，PCU50)执行。当然，控制逻辑可根据特定的应用由一个或更多个控制器中的软件、硬件或软件与硬件的结合实施。当由软件实施时，控制逻辑可设置在一个或更多个计算机可读存储装置或介质中，该计算机可读存储装置或介质存储了代表由计算机执行以控制车辆或其子系统的指令或代码的数据。计算机可读存储装置或介质可包括多个已知的物理装置中的一个或更多个物理装置，该物理装置采用电的、磁的和/或光学的存储器以保持可执行指令和相关的校准信息、操作变量等。
车辆的驾驶员使用加速器踏板52来提供需要的扭矩、功率或驱动命令以推进车辆。通常，踩下和释放踏板52分别产生可被控制器50解释为需要增大功率或减小功率的加速器踏板位置信号。至少基于来自踏板的输入，控制器50控制来自发动机14和/或M/G 18的扭矩。控制器50还控制齿轮箱24内的齿轮换档时间，以及分离离合器26与变矩器旁路离合器34的接合或分开。与分离离合器26一样，变矩器旁路离合器34能够在接合位置与分开位置之间的范围内调节。这样除了由泵轮与涡轮之间的液力耦合产生可变滑动之外还在变矩器22中产生可变滑动。可选地，根据特定的应用，变矩器旁路离合器34可操作为锁止或打开，而不必使用调节的操作模式。
为了由发动机14驱动车辆，分离离合器26至少部分地接合，以通过分离离合器26向M/G 18传递发动机扭矩的至少一部分，然后发动机扭矩从M/G18经过变矩器22和齿轮箱24传递。M/G 18可通过提供额外的功率来辅助发动机14而使轴30转动。这种操作模式可被称作“混合动力模式”或“电力辅助模式”。
为了在M/G 18用作唯一动力源时由M/G 18驱动车辆，除了分离离合器26使发动机14与动力传动系统12的剩余部分隔离以外动力流还要保持不变。在此期间，发动机14中的燃烧可被禁用或另外被关闭以节省燃料。牵引电池20通过线路54向可包括(例如)逆变器的电力电子器件56传递存储的电能。电力电子器件56将来自电池20的DC电压转换为M/G 18将使用的AC电压。PCU 50控制电力电子器件56以将来自电池20的电压转换为提供到M/G 18的AC电压，以向轴30提供正扭矩或负扭矩。这种操作模式可被称作“纯电动”操作模式。
在任意操作模式中，M/G 18可作为马达并提供用于动力传动系统12的驱动力。可选地，M/G 18可作为发电机并将来自动力传动系统12的动能转换为将存储在电池20中的电能。M/G 18可在(例如)发动机14提供用于车辆10的推进动力期间作为发电机。此外，M/G 18可在再生制动期间作为发电机，在再生制动期间来自旋转的车轮42的旋转能通过齿轮箱24往回传递并转换成电能以存储在电池20中。
应理解的是，图1中的示意性示出仅仅是示例性的而并没有意图限定。其它的构造是采用发动机与马达两者的选择性的接合来通过传动装置传递的预想。例如，M/G 18可相对于曲轴28偏移，可设置额外的马达以起动发动机14，和/或M/G 18可设置在变矩器22与齿轮箱24之间。其它的构造是不脱离本公开的范围的预想。
当以混合动力模式操作时，控制器50将驾驶员功率请求的一部分分配到发动机14、以及将驾驶员功率请求的一部分分配到M/G 18。在其它混合动力车辆构造中，可独立控制马达转速和发动机转速，以在马达和发动机之间分配驾驶员功率请求。在这种构造中，控制器使马达扭矩、马达转速、发动机扭矩和发动机转速变化以适应驾驶员功率请求。在如图1所示的构造中，当以混合动力模式操作而接合分离离合器26时，曲轴28和M/G轴30以共同的转速旋转。因此，可能不能使用用于在发动机14和M/G 18之间分配驾驶员功率请求的已知方法。
参照图2，示出了用于控制发动机和牵引马达的控制逻辑。如58处所指示的，接收驾驶员扭矩请求τd。驾驶员扭矩请求τd等于驾驶员功率请求除以当前车辆速度。如60处所指示的，还接收当前发动机转速ωe。在运算62处，获得当前发动机转速ωe时的最优发动机扭矩τopt。运算62包括可校准的期望的特性曲线64，以提供用于给定发动机转速ωe时期望的特性的最优发动机扭矩τopt。期望的特性可以是(例如)峰值系统效率。期望的特性还可包括排放减少、其它特性或特性的结合。为说明性目的，运算62被表示为示出发动机运转区域的图表，所述发动机运转区域包括由最大发动机扭矩曲线68作为界限的多个系统效率轮廓66。期望的特性曲线和轮廓可通过车辆测试、计算机模拟或其它适当方法而校准。如果期望的特性是系统效率，则效率曲线和轮廓将取决于发动机制动燃料消耗率、马达效率图、电池荷电状态、动力传动系统效率和其它因素。运算可以以查找表、算法或其它方法实施。然后，将最优发动机扭矩τopt提供给运算70。在运算70处，从驾驶员扭矩请求τd减去最优发动机扭矩τopt。所获得的差为期望的马达扭矩将命令发动机以提供等于τopt的期望的发动机扭矩并将命令马达以提供等于的扭矩。
现在参照图3，以流程图形式示出了用于控制发动机和牵引马达的控制逻辑的另一实施例。如框72处所示出的，接收驾驶员扭矩请求。然后，如框74处所示出的，确定与当前发动机转速时期望的性能特性相对应的发动机扭矩。作为示例，如框76处所示出的，这可包括使用针对峰值系统效率而校准的查找表。然后，如框78处所示出的，命令发动机以提供在框74中确定的发动机扭矩。此外，如框80处所示出的，响应于电池荷电状态(SOC)，可改变命令的发动机扭矩的大小。例如，如果电池荷电状态大于第一阈值，则可减小命令的发动机扭矩，而如果电池荷电状态小于第二阈值，则可增大命令的发动机扭矩。然后，如框82处所示出的，命令马达以提供用于补偿驾驶员扭矩请求和命令的发动机扭矩之间的差的扭矩。
参照图4，以流程图的形式示出了用于控制发动机和牵引马达的控制逻辑的可选实施例。如框84处所示出的，接收驾驶员扭矩请求。然后，如框86处所示出的，确定与当前发动机转速和驾驶员扭矩请求时期望的性能特性相对应的马达扭矩。作为示例，如框88处所示出的，这可包括使用针对峰值系统效率而校准的第一三维查找表。然后，如框90处所示出的，基于牵引电池荷电状态和当前车辆动力请求确定马达扭矩比例系数。如框92处所示出的，这可包括使用第二三维查找表。可校准这样的查找表以随着牵引电池荷电状态下降而减小比例系数或随着驾驶员扭矩请求增大而增大比例系数。如框94处所示出的,框86的马达扭矩乘以框90的比例系数，命令马达以提供成比例的马达扭矩。然后，如框96中所示出的，命令发动机以提供用于补偿驾驶员扭矩请求和框94中命令的马达扭矩之间的差的扭矩。这样的实施例提供了多种优点，包括随着电池荷电状态下降而限制马达扭矩，以维持电池电力。此外，这样的实施例使制造商能够平衡多种期望的特性，所述多种期望的特性包括系统效率并通过校准至少一个查找表而保持电池荷电。
如可从各个实施例看出的，本发明提供了一种系统和方法，用于在混合动力车辆的发动机曲轴和牵引马达转子具有共同的转速时在该混合动力车辆中的牵引马达和发动机之间分配动力(功率)。所述系统和方法将动力分配为最优化动力传动系统效率或其它期望的动力传动系统性能特性。
尽管上文描述了示例性实施例，但是并非意味着这些实施例描述了本发明的所有可能形式。更确切地说，说明书中所使用的词语是描述性词语，而非限制性词语，并且应该理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。另外，可组合各种实现的实施例的特征以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (5)

1.一种动力传动系统，所述动力传动系统包括：
发动机；
牵引马达，与发动机具有选择性地固定的转速关系，并与车辆牵引车轮具有可选择的固定的转速关系；
至少一个控制器，被配置为命令发动机以提供发动机扭矩，并命令马达以提供马达扭矩，其中，所述发动机扭矩与当前发动机转速时的性能特性相对应，所述马达扭矩用于满足驾驶员扭矩请求和命令的发动机扭矩之间的差。
2.根据权利要求1所述的动力传动系统，其中，控制器进一步被配置为响应于电池荷电状态大于第一可校准阈值或小于第二可校准阈值，改变命令的发动机扭矩的大小。
3.根据权利要求1所述的动力传动系统，其中，性能特性是峰值系统效率。
4.根据权利要求1所述的动力传动系统，其中，控制器进一步被配置为从查找表获得与当前发动机转速时的性能特性相对应的扭矩。
5.根据权利要求1所述的动力传动系统，其中，发动机具有曲轴，牵引马达具有转子，其中，曲轴和转子被构造为以共同的转速旋转，所述共同的转速与车辆车轮转速和可选择的固定的齿轮比两者的乘积相对应。
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