CN105083275A - 车辆电池功率传递限制管理系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及车辆电池功率传递限制管理系统和方法。一种车辆包括动力传动系统和牵引电池，其中，所述动力传动系统包括电机。所述车辆还包括至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置为：在传动装置换档事件期间，使得电机吸收扭矩。吸收扭矩使得根据定义充电限制的预定功率传递调度来利用由电机产生的电流给电池充电。所述控制器还被配置为允许电流在特定情况下超出充电限制长达预定持续时间。

Description

车辆电池功率传递限制管理系统和方法
技术领域
本公开涉及车辆高电压功率源的功率流管理。
背景技术
在电动车辆或混合动力电动车辆中使用的电池如同任何电池一样具有有限的功率传递能力。超过特定限制的功率传递会是不可取的。将充电和放电电流限制为小于全部电池功率传递能力可延长电池使用寿命。适当的限制也可能受到车辆操作状况的影响。电池功率传递限制还可操作为约束需要较高级别的功率传递的车辆性能。
发明内容
在至少一个实施例中，一种车辆包括动力传动系统和牵引电池，其中，所述动力传动系统包括电机。所述车辆还包括至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置为：在传动装置换档事件期间，使得电机吸收扭矩。吸收扭矩使得根据定义充电限制的预定功率传递调度(powertransferschedule)来利用由电机产生的电流给电池充电。所述控制器还被配置为允许电流在特定情况下超出充电限制长达预定持续时间。
在至少一个实施例中，一种车辆包括动力传动系统和牵引电池，其中，所述动力传动系统包括电机。所述车辆还包括控制器，所述控制器被配置为：根据预定充电和放电功率传递限制来限制电池的充电电流和放电电流。所述控制器还被配置为：响应于电池的至少一种状况的改变来降低限制，并允许在传动装置换档事件或发动机起动事件期间电流超出相应的降低的限制。
在进一步的实施例中，在电池至少一种状况的改变可包括电池温度的改变和电池荷电状态的改变。
根据本发明的一个实施例，所述预定充电和放电功率传递限制可包括基于与电池的健康状态关联的功率传递阈值的慢充电限制和慢放电限制。
根据本发明的一个实施例，至少一种状况的改变可包括电池的温度落在预定温度范围之外。
根据本发明的一个实施例，至少一种状况的改变可包括电池的荷电状态落在预定荷电状态范围之外。
根据本发明的一个实施例，在发动机起动事件期间的放电电流的大小足以驱动电机来起动发动机。
在至少一个实施例中，提供一种控制动力传动系统的方法，其中，所述动力传动系统具有电机，所述方法包括：根据基于电池的温度和荷电状态的功率传递调度来限制在电机与电池之间的功率传递。所述方法还包括：在传动装置换档期间，允许从电机到电池的功率传递超出功率传递调度。此外，所述方法包括：在发动机起动事件期间，允许从电池到电机的功率传递超出功率传递调度。
根据本发明的一个实施例，所述方法还可包括：使用电机施加阻力式扭矩以在电机产生动力，来调节动力传动系统输出的扭矩。
根据本发明的一个实施例，可使用由电池供应的电力驱动的电机的输出扭矩来起动发动机。
根据本发明的一个实施例，允许到电池的功率传递和来自电池的功率传递大于功率传递调度可被限于预定持续时间。
根据本发明的一个实施例，所述方法还可包括：响应于电池温度改变为在预定温度范围之外的值来降低可允许的功率传递。
根据本发明的一个实施例，所述方法还可包括：响应于电池荷电状态改变为在预定荷电状态范围之外的值来降低可允许的功率传递。
附图说明
图1是混合动力电动车辆的示意图；
图2是与管理电池功率传递的方法相应的流程图。
具体实施方式
根据需要，在此公开本发明的详细实施例；然而，将理解的是，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，其中，本发明可以以各种替代形式来实现。附图无需按比例绘制；一些特征可被夸大或最小化以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为具有限制性，而仅仅是用于教导本领域技术人员以多种方式利用本发明的代表性基础。
参照图1，根据本公开的实施例示出了混合动力电动车辆(HEV)10的示意图。图1示出多个车辆组件之间的代表性关系。车辆内的组件的物理布局和方向可变化。车辆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。如将在下面进一步详细描述的，传动装置16包括电机(诸如，电动机/发电机(M/G)18)、关联的牵引电池20、变矩器22和多阶梯传动比自动变速器(或，变速箱24)。
发动机14和M/G18都能够给HEV10提供动力。发动机14通常代表可包括内燃发动机(诸如，汽油、柴油或天然气动力发动机)的动力源或燃料电池。当在发动机14与M/G18之间的分离离合器26至少部分地接合时，发动机14产生发动机功率和供给M/G18的相应的发动机扭矩。M/G18可由多种类型的电机中的任意一个来实现。例如，M/G18可为永磁同步电动机。如下面将描述的，电力电子设备28调整由电池20提供以满足M/G18的要求的直流(DC)电力。例如，电力电子设备可向M/G18提供三相交流电(AC)。
发动机14还可被结合到涡轮增压器46以提供进气口压力增加，或者“增压”以将更大体积的空气推入发动机14的燃烧室。与由涡轮增压器46提供给发动机14的增加的气压相关，可获得在燃料燃烧率上的相应增加。附加的气压增加因此使得发动机14能够实现附加的输出功率，从而增加发动机扭矩。
变速箱24可包括齿轮组(未示出)，其中，所述齿轮组通过摩擦部件(诸如，离合器和制动器(未示出))的选择性接合来选择性以不同齿轮比进行布置，以建立期望的多个离散传动比或阶梯传动比。所述摩擦部件通过换档调度可控，其中，所述换档调度连接和断开齿轮组的特定部件，以控制变速器输出轴38与变速器输入轴34的之间的比率。变速箱24最终向输出轴38提供动力传动系统输出扭矩。
如在图1的代表性实施例中进一步示出的，输出轴38连接到差速器40。差速器40经由连接到差速器40的相应车轴44来驱动一对车轮42。差速器在允许轻微速度差时(诸如，在车辆转弯时)传输分配给每个车轮42的扭矩。不同类型的差速器或类似装置可被用于将来自动力传动系统的扭矩分配到一个或更多个车轮。在一些应用中，例如，扭矩分配可根据特定操作模式或状况而变化。
车辆10还包括主制动系统54。所述主制动系统可包括适合于通过附着到固定在车辆的转子的固定衬垫来选择性地施加压力的摩擦制动器。在衬垫与转子之间施加的压力产生摩擦以抵抗车辆车轮42的旋转，从而能够减慢车辆10的速度。
当分离离合器26至少部分接合时，从发动机14到M/G18的功率流或从M/G18到发动机14的功率流是可能的。例如，当分离离合器26接合时，M/G18可作为发电机进行操作，以将由曲轴30通过M/G轴32提供的转动能转化为电能以存储在电池20中。如下面更详细地讨论的，通过能量再生对轴施加的转动阻力可被用作降低车速的制动。分离离合器26还可被脱离接合，以使得发动机14与动力传动系统12的其余部分脱离结合，使得M/G18可作为车辆10的单独驱动源进行操作。
动力传动系统12的操作状态可由至少一个控制器命令。尽管以单一控制器(诸如，车辆系统控制器(VSC)48)作为示例进行示出，但是可存在包括多个控制器的更大的控制系统。单独的控制器(或控制系统)可受到整个车辆10的各种其他控制器的影响。可被包括在代表性VSC48内的示例性控制器包括传动装置控制模块(TCM)、制动系统控制模块(BSCM)、高压电池能量控制模块(BECM)以及相连通的负责各种车辆功能的其他控制器。所述至少一个控制器可被统称为“控制器”，所述“控制器”响应于来自各种传感器的信号来命令各种致动器。VSC48的响应可用于命令或影响多个车辆功能(诸如，启动/停止发动机14、操作M/G18以提供车轮扭矩或给牵引电池20再充电、选择或调度传动装置换档等)。VSC48还可包括与各种类型的计算机可读存储装置或介质进行通信的微处理器或中央处理器(CPU)。例如，计算机可读存储装置或介质可包括例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及不失效存储器(keep-alivememory，KAM)形式的易失性和非易失性存储器。KAM为可用于在CPU掉电时存储各种操作变量的永久性的或非易失性的存储器。计算机可读存储装置或介质可使用任意若干已知存储装置(诸如，PROM(可编程只读存储器)、EPROM(电PROM)、EEPROM(电可擦除PROM)、闪存存储器或能够存储数据的任何其他电存储装置、磁存储装置、光学存储装置或组合存储装置被实现，其中，所述数据中的一些代表可编程指令且由控制器使用以用于控制发动机或车辆。
VSC48经由输入/输出(I/O)接口来与各种发动机/车辆传感器和致动器进行通信，其中，输入/输出接口可被实现为提供各种原始数据或信号调整、处理和/或转换、短路保护等的单一集成接口。可选地，一个或更多个专用硬件或固件芯片可被用于在特定信号被提供到CPU之前调整和处理所述特定信号。如在图1的代表性实施例中总体示出的，VSC48可将信号发送到发动机14、涡轮增压器46、分离离合器26、M/G18、传动装置变速箱24、变矩器22、变矩器旁通离合器36和电力电子设备28，和/或从这些部件接收信号。尽管没有明确地示出，但是本领域普通技术人员将意识到在上面确定的每个子系统内由VSC48控制的各种功能或组件。使用由控制器执行的控制逻辑直接或间接地启用的参数、系统和/或组件的代表性示例包括：燃料喷射时机、速率和持续时间、节流阀位置、火花塞点火时机(用于火花点火发动机)、进气阀/排气阀时机和持续时间、前端附件驱动(FEAD)组件(诸如、交流发电机、空气调节压缩机、电池充电、再生制动、M/G操作、分离离合器26的离合器压力、离合器变换器旁通离合器36和传动装置变速箱24等)。例如，通过I/O接口的传感器通信输入可被用于指示：涡轮增压器增压压力、涡轮增压器转速、曲轴位置、发动机转速(PRM)、车轮速度、车辆速度、发动机冷却剂温度、进气歧管压力、加速踏板位置、点火开关位置、节流阀位置、空气温度、排放气体中氧的浓度或存在或者排放气体其他组分的浓度或存在、进气流、传动装置档位、比率或模式、传动装置油温、传动装置涡轮转速、变矩器旁通离合器状态、减速或换档模式。
VSC48还包括扭矩控制逻辑功能。VSC48能够基于多个车辆输入来解释驾驶员需求。例如，这些输入可包括：档位选择(PRNDL)、加速踏板输入、制动踏板输入、电池温度、电压、电流和电池荷电状态(SOC)。VSC48进而可向传动装置发出命令信号以控制M/G18的操作。
M/G18还经由轴32与变矩器22相连接。因此，当分离离合器26至少部分接合时，变矩器22还被连接到发动机14。变矩器22包括固定于M/G的轴32的泵轮和固定于变速器输入轴34的涡轮。变矩器22设置有在轴32与变速器输入轴34之间的液力耦合器。还可为变矩器设置内部旁通离合器36变矩器，使得在离合器36接合时，离合器36使变矩器22的泵轮和涡轮摩擦地或机械地结合，使得功率传递更有效。变矩器旁通离合器36可被操作为起步离合器，以提供平稳的车辆起步。相反地，当旁通离合器36脱离接合时，M/G18可与差速器40和车辆车轴44脱离结合。例如，在减速期间，旁通离合器36可在低车速下脱离接合，提供扭矩旁路，以允许发动机空转并传送较小输出扭矩或无输出扭矩以驱动车轮。
车辆10的驾驶员可在加速踏板50提供输入，并创建需求扭矩、功率或驱动命令，以推进车辆10。通常，压下和释放踏板50产生可被VSC48分别解释为对于增加功率或降低功率的需求的加速器输入信号。至少基于来自踏板50的输入，控制器48可在每个发动机14和/或M/G18之间分配扭矩命令，以满足驾驶员需求的车辆扭矩输出。控制器48还可控制变速箱24内的换档的时机以及分离离合器26和变矩器旁通离合器36的接合或脱离接合。正如分离离合器26那样，变矩器旁通离合器36可接合位置与脱离接合位置之间的范围内被调整。这可产生除由在泵轮和涡轮之间的液力耦合器产生的可变打滑之外的在变矩器22中的可变打滑。可选地，变矩器旁通离合器36可被操作为锁定或断开，而无需使用取决于特殊应用的已调整操作模式。
此外，车辆10的驾驶员可在制动踏板52提供输入，以创建车辆制动需求。压下制动踏板52产生被控制器48解释为对车辆减速的命令的制动输入信号。控制器48进而可发出命令以将负扭矩应用到动力传动系统输出轴。附加地或结合地，控制器可发出命令来激活制动系统54，以施加摩擦制动阻力来抑制车辆车轮42的转动。由动力传动系统和摩擦制动两者提供的负扭矩值可被分配，以改变满足驾驶员制动需求的量。
为了利用发动机14驱动车辆，分离离合器26至少部分接合，以通过分离离合器26将发动机扭矩的至少一部分传递到M/G18，然后发动机扭矩的至少一部分从M/G18穿过变矩器22和变速箱24。M/G18可通过提供附加的驱动扭矩来帮助发动机14以使轴32转动。这种操作模式可被称作“混合动力模式”。如上述提到的，VSC48还可被操作为发出命令以分配发动机14和M/G18两者的扭矩输出，使得所述两者的扭矩输出的组合满足来自驾驶员的对加速踏板50的输入。
为了利用作为单独动力源的M/G18来驱动车辆10，除了分离离合器26将发动机14与动力传动系统12的其余部分隔离之外，功率流保持不变。例如，为了节约燃料，在此期间发动机14中的燃烧可被禁用或以其他方式关闭(OFF)。牵引电池20通过配线51将存储的电能发送到可包括逆变器的电力电子设备28。电力电子设备28将来自电池20的高压直流电转换为用于M/G18的交流电。VSC48还可向电力电子设备28发出命令，使得M/G18能够向轴32提供正扭矩或负扭矩。M/G18为单独的动力源的操作可被称作“纯电动”操作模式。
此外，M/G18可作为发电机进行操作以将来自动力传动系统12的动能转换为将被存储在电池20中的电能。例如，当发动机14正为车辆10提供单独推进力时，M/G18可用作发电机。M/G18还可在再生制动期间用作发电机，其中，在再生制动期间，来自输出轴38的旋转的转动能通过变速箱24被传回并被转换为电能而被存储在电池20中。
在上面描述的动力传动系统12中，M/G18还可在传动装置换档或发动机起动期间被用于扭矩调整。扭矩调整可包括M/G18向动力传动系统输出轴提供正扭矩或负扭矩，以便平滑在档位改变期间的动力传动系统输出扭矩的变动。在应用阻力式负扭矩的情况下，可在M/G18从吸收的扭矩产生电力。然而，应用负扭矩的量和随后在M/G18产生的电力受到高压牵引电池20的充电和放电限制的约束。此外，这些充电和放电限制受到车辆运行状况的影响。如下面更详细地讨论的，这些限制通常由于系统考虑(诸如，延长电池使用寿命)被降低。
BECM或VSC48监视电池温度、电压、电流、SOC，并确定最大可允许放电功率限制和最大可允许充电功率限制。VSC48进而基于车辆运行状况适当地在给定的时间点按照充电限制来对动力传动系统进行操作。扭矩控制逻辑功能在调整M/G18输出和输入时考虑电池的充电和放电限制。通常，这些限制基于保持电池20健康并最大化电池使用寿命。在强加的充电或放电限制与电池20的容量之间保持缓冲以传送或接收电力。
VSC48还维护针对基于操作状况传递到电池和从电池传递的可允许功率的限制的调度。慢充电策略经常被用在下面的情况：施加到电池20的允许的充电电流的量受限于在不损坏电池单元的情况下在很长时间段能够安全地被施加的量。慢充电电流限制和慢放电电流限制通常被设计为最大化电池20的使用寿命。慢充电电流限制还被限制为小于电池20的全部功率传递能力。慢充电电流典型地与充电超过几个小时(例如，整晚)相关联。
在一些情况下，VSC48允许快充电策略，其中，快充电策略允许应用更大功率传递到电池20和从电池20传递更大功率。快充电电流限制允许更快地再充电，但由于电池单元温度的上升和/或电池单元的内部压力的升高，所以快充电电流限制也携带着影响电池单元的更高风险。因此，仅在较短时间段和较低SOC值(例如，在较长再充电时间段的初始部分)下应用快充电和快放电。
快充电和快放电电流限制与慢充电和慢放电电流限制两者还均受到系统考虑的影响。例如，可响应于在诸如电池温度或SOC的至少一种电池状态的改变来降低电池充电和放电限制。在至少一个实施例中，当电池温度改变为超过预定温度范围的值时，传递到电池的可允许功率和从电池传递的可允许功率可被减小，以帮助延长电池使用寿命。类似地，SOC值超出预定SOC范围的改变可引起功率传递限制的降低。更具体地，高SOC值可引起在允许被传送到电池的最大电流量上的限制。相反地，低SOC可引起在允许从电池放电的最大功率量上的限制。此外，电池的整体健康状态也可影响何时实施快充电和快放电电流限制以及慢充电和慢放电电流限制中的任何一种。当电池使用寿命耗尽时，电流传递限制可逐渐形成。例如，包含与各种车辆参数相对应的限制的预定功率传递调度可被存储在查找表中。
在功率传递限制已根据车辆状态被降低的情况下，可在传动装置变速箱24的换档期间阻止M/G18给发动机14的起动和扭矩调整提供所需扭矩。在电驱动模式期间，无法利用M/G18进行扭矩调整可导致低换档平稳性和降低的驾驶性能。在混合动力驱动模式下，可在发动机14的燃烧室内利用点火延迟技术来实现扭矩调整，但这可导致不一致的驾驶员感觉和降低的燃料经济性。类似的，无法使用M/G18进行发动机起动可导致降低的动力传动系统性能或低燃料经济性。
通常，慢充电电流限制和慢放电电流限制可被用作默认处理以支配电池20的功率管理。然而，当存在来自M/G18需求的在正扭矩或负扭矩上的瞬时增加时，可不管电池温度和SOC而在短时间段采用更大量级的快充电限制。因此，可在传动装置换档事件以及发动机14起动事件期间应用临时增加的功率传递限制。
在传动装置16换档期间的扭矩调整可能需要在由M/G18施加的负扭矩上的突然增加，导致向电池20提供的充电电流上的突增。扭矩调整帮助在传动装置换档期间最大化动力传动系统12的输出扭矩变化。特别是在电池20的SOC超过阈值的情况下，慢充电电流限制可生效，并阻止M/G18施加需要的负再生扭矩。但是在要求在换档期间针对扭矩调整而由M/G18吸收高量扭矩的情况下，充电限制可被临时地增加，以允许M/G18施加更大的再生扭矩并在短时间段接受增加的充电电流。该调整允许动力传动系统12在点火开关驱动时间段期间完全地利用M/G18的能力，还避免了在电池20上异常损耗。在至少一个实施例中，电池充电限制被允许超出预定时间，其中，所述预定时间小于换档事件的整个持续时间。
此外，在特定情况下，可期望尽可能快速地起动或重起发动机14。因此，在要求放电功率的突增的情况下，贡献出有效的M/G输出扭矩来起动发动机会是有利的。如上面讨论的，在功率传递限制降低的时间段期间，要求提供高M/G输出扭矩的功率可能大于降低的限制，在至少一个实施例中，控制器被配置为在换档事件期间的预定时间或发动机起动事件时，临时超出电池管理传递限制。例如，BECM或更高级的VSC48均可被授权临时超出标准调度的功率传递限制。
参照图2，描述了管理电池功率传递的方法200。在步骤202，控制器接收指示电池温度的信号。在步骤204，接收指示电池SOC的信号。在步骤206，控制器可将适当的充电限制确定为电池温度和电池SOC的函数。类似地，在步骤208，控制器可基于电池温度和电池SOC来确定电池放电限制。例如，可从查找表中确定充电限制和/或放电限制。此外，这些限制除了基于电池温度和电池SOC之外，还可基于多种车辆运行状况。
在步骤210，控制器考虑传动装置是否在换档中接合。如果正在进行换档，则在步骤212应用增加的充电限制。在步骤214，M/G使用增加的限制来调整动力传动系统扭矩输出，控制器将由M/G产生的电流传送到电池。以这种方式，可在换档期间平滑在动力传动系统输出扭矩中的变动。在步骤216，一旦换档完成，则恢复慢充电限制。在至少一个实施例中，在预定持续时间应用增加的充电限制，其中，所述预定持续时间小于换档事件的整个持续时间。
在步骤210，如果未进行传动装置换档，则在步骤218保持默认充电限制。在步骤220，控制器考虑发动机起动是否已被请求。如果已发出发动机起动命令，则在步骤222应用增加的放电限制。控制器根据增加的限制将来自电池的电流传送到M/G，并且在步骤224，M/G被允许提供增加的扭矩输出以起动发动机。一旦发动机启动事件完成，则在步骤216实施默认慢充电限制。在至少一个实施例中，在预定持续时间应用增加的放电限制，其中，所述预定持续时间小于发动机起动事件的整个持续时间。在步骤226，如果未请求发动机起动，则将默认慢放电限制应用到电池放电。
本公开提供可使用一个或更多个处理策略(诸如，事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等)来实施的代表性的控制策略和/或逻辑。同样地，在此示出的各种步骤或功能可按照示出的顺序执行、并列执行或在一些情况下被省略执行。尽管不总是明确示出，但是本领域普通技术人员将认识到的是，可取决于所使用的特定处理策略来重复地执行一个或更多个示出的步骤或功能。类似地，处理的顺序不必要被要求实现在此描述的特征和优点，而是被提供以便于说明和描述。
控制逻辑可主要在由基于微处理器的车辆、发动机和/或动力传动系统控制器执行的软件中实现。当然，控制逻辑可根据特定应用在一个或更多个控制器中的软件、硬件或软件和硬件的组合中被实现。当在软件中被实现时，控制逻辑在具有存储的数据的一个或更多个计算机可读存储装置或介质中被提供，其中，所述存储的数据代表由计算机执行以控制车辆或其子系统的代码或指令。计算机可读存储装置或介质可包括一个或更多个若干已知物理装置，其中，所述物理装置利用电存储器、磁存储器和/或光学存储器来保存可执行指令和关联的校准信息、操作变量等。可选地，处理、方法或算法可全部或部分地使用适合的硬件组件(诸如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其他硬件组件或装置)或硬件、软件和固件组件的组合被实施。
虽然以上描述了示例性实施例，但这些实施例并不意在描述权利要求所包含的所有可能形式。说明书中所使用的词语是描述性词语而非限制，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，可将各种实施例的特征进行组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管已经通过针对一个或更多个期望特性提供优点或者在其他实施例或者现有技术实现之上被优选出来的方式描述了各种实施例，但是本领域的普通技术人员应认识到，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现依赖于特定应用和实现的期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可服务性、重量、可制造性、组装的容易性等。因此，针对一个或更多个特性被描述为不如其他实施例或现有技术实现方式的实施例并非在本公开的范围之外，并可被期望用于特定应用。

Claims (5)

1.一种车辆，包括：
动力传动系统，包括电机；
牵引电池；
至少一个控制器，被配置为：在传动装置换档事件期间，使得电机吸收扭矩，根据定义充电限制的预定功率传递调度来利用由电机产生的电流给电池充电，并允许电流超出充电限制长达预定持续时间。
2.如权利要求1所述的车辆，其中，所述预定持续时间小于换档事件的持续时间。
3.如权利要求1所述的车辆，其中，所述控制器还被配置为：响应于发动机起动命令，允许从电池到电机的电流在相应的发动机起动事件期间超出放电限制。
4.如权利要求1所述的车辆，其中，所述预定功率传递调度基于电池的温度。
5.如权利要求1所述的车辆，其中，所述预定功率传递调度基于电池的荷电状态。
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