CN106536247A - 动能回收系统的控制 - Google Patents

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乔纳森·希尔顿
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Flybrid Automotive Ltd
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Abstract

本发明涉及控制动能回收系统(KERS)的方法，控制器，KERS，传动系统和包括上述KERS和控制器的机动车。KERS包括能量存储系统。在一个实施例中，机动车具有第一机动车运行模式(VOM1)，其中所述能量存储系统具有第一目标充能状态(TSOC1)，并具有第二机动车运行模式(VOM2)，其中所述能量存储系统具有第二目标充能状态(TSOC2)。选择所述第一和第二机动车运行模式以使能量在能量存储系统和机动车之间传输，从而实现与所选择的机动车运行模式相关联的目标充能状态。在另一实施例中，KERS包括可变功率传输装置，适用于将能量传输至和传输出能量存储系统。所述能量存储系统为机动车的驾驶条件保持适当的能量水平。

Description

动能回收系统的控制
技术领域
本发明涉及动能回收系统(KERS)中的功率流的控制和管理以及能量存储，尤其是包括高速飞轮的动能回收系统。
背景技术
动能回收系统(KERS)在减少机动车燃料消耗方面扮演重要角色，其通过在机动车减速时机动车的运动(即动能)来捕获能量并将该能量在机动车加速时重新使用。这使得引擎的使用频率减少和/或较低的平均功率输出，从而减少了总体燃料消耗和二氧化碳排放。KERS典型地具有几种形式，每种都有各自的特点：其可为电的、液压的或机械的。在特定系统中，功率和能量性能都取决于存储介质特性(例如在电池系统中)，并且在其他系统(例如机械飞轮系统)中功率性能与能量存储性能是分开的。进一步地，取决于不同的系统类型，能量存储介质的容量和功率容量会有明显变化。
而化学电池的特定能量存储性能相对较高(典型为机械飞轮的四倍，在500kJ/Kg左右)，到达或来自电池的能量的传输速率由于化学能量转化为电能时产生的过量热量而受到限制。因此，为了传输120kW的功率(例如小型两座运动轿车的功率)，则需要几百千克重的化学电池。在该实例中，电池可具有理论能量容量高达200MJ，尽管容许放电深度的限制可能意味着在实际应用中可用的能量存储会远低于此。
相反地，在机械飞轮系统中，功率容量大部分取决于机动车和飞轮之间的传动装置，并且上述实例中的要求(120kW)可通过大约40-80Kg重的机械传动装置即可满足。因此，可以看出在给定功率传输要求下，机械飞轮能量回收系统可轻于电池存储系统。在机械飞轮系统中，功率容量完全地脱离于飞轮能量存储容量，其由自身速度和惯性决定，因此能量容量可根据系统需求合适的进行设定，也可对功率传输装置的功率容量进行设定。分析显示，用来为典型的小型两座运动轿车供给足够的动能以使其达到最大运行速度所需的能量较低(明显低于为该功率容量量身定做的电池系统所含的能量)；这样一种飞轮转子可具有在5-10Kg之间的质量，并且非常适用于汽车配件，甚至是用于轻量运动轿车。类似地，可在其他应用中，例如城市公交车，其循环工况的停停走走的性质使得飞轮能量存储系统非常合适，质量在10-15Kg的飞轮足够存储用于城市速度的机动车能量。
相比于其他更重、更大以及更高花销的系统，例如化学电池系统，机械飞轮因而具有质量小的优势。
应注意的是，本申请中飞轮系统以实例的方式使用，所提出的问题和解决方案可适用于大范围内的KERS，包括其他电气系统，例如超级电容系统，以及液压KERS，例如泵-电机/储能系统。
存在的挑战是，例如飞轮的相对较低的能量存储系统的瞬时容量可变得饱和(即，充满)或在驾驶者需要补充引擎制动(可能需要能量存储介质充能)或驱动功率(可能需要能量存储介质放能)时耗尽。驾驶者进行的制动或加速作用的能力可称为“驾驶性能”。
一个目的是管理在KERS中的能量存储和功率流，从而可以实现燃油效率的益处，而不牺牲KERS的其他益处，例如驾驶性能。
进一步的挑战在于，例如飞轮的相对较低的能量存储系统的瞬时容量在长距离，例如长距离的爬坡，地对机动车能量的强力需求后用尽。进一步地，在满充能状态下一直运行存储系统也并不总是想要的。例如，装配于机动车的能量存储系统的飞轮可用于在低机动车速度时最大速度(即，最大储能状态)运转，使得飞轮中有足够的可用能量来推进机动车达到更高的目标速度。尽管这对机动车性能有利，与如此高速飞轮转动相关的较高的寄生损失会使KERS节省燃油和减少排放的益处(这源于收获并重新使用机动车动能)受到影响。进一步的总体目的是管理KERS的充能状态，使得在不显著影响燃油效率提升的情况下达到性能提升。
发明内容
本发明第一方面提供一种控制机动车的动能回收系统(KERS)的方法，该KERS其具有能量存储系统，该方法包括提供第一机动车运行模式(VOM1)，其中所述能量存储系统具有第一目标充能状态(TSOC1)，以及第二机动车运行模式(VOM2)，其中所述能量存储系统具有第二目标充能状态(TSOC2)；选择所述机动车运行模式以将能量传输至或传输出所述能量存储系统，从而实现与所述选择的机动车运行模式相关的所述选择的目标充能状态，其中所述第二目标充能状态高于所述第一目标充能状态。
所述第一机动车运行模式(VOM1)典型地为经济模式，其中所述充能状态用于最优化燃油经济性和/或加速和/或制动的一致性。所述第一目标充能状态(TSOC1)可为充能状态范围(例如，飞轮速度范围)。所述第一目标充能状态(TSOC1)(例如，飞轮速度)可根据所述如本发明第四、第五、第六、第七和第八方面描述的经济模式进行设定。
目标充能状态的选择可由机动车驾驶员实现，或基于控制系统选择机动车运行模式或通过“不选择”另一机动车运行模式而实现。例如，VOM1可为机动车的正常运行模式，并且由于是驾驶员主动选择，驾驶员可根据其决定来选择VOM2并随后回到VOM1。可替代地，回到VOM1可通过控制系统的操作而发生，其根据预定控制策略将机动车返回至其正常运行模式，例如在预定时间段后通过从VOM2中的性能模式回到VOM1中的经济模式。
在第二方面中，本发明提供了机动车中的动能回收系统(KERS)和用于KERS的控制系统，其可操作以提供与第一机动车运行模式(VOM1)相关联的能量回收系统的第一目标充能状态(TOSC1)，和与第二机动车运行模式(VOM2)相关联的能量回收系统的第二目标充能状态(TOSC2)，用于选择机动车运行模式驾驶员操作工具，其中控制系统致使能量传输至或传输出所述能量存储系统，从而实现与驾驶员所选择的机动车运行模式相关联的目标充能状态，其中所述第二目标充能状态高于所述第一目标充能状态。
优选地，KERS可通过可变功率传输装置耦接至机动车传动系统。
所述目标充能状态可根据需要使用的机动车模式进行设定。例如，可将模式设置为用于强调燃油经济性，机动车性能或燃油经济性和性能的平衡。适当的是，TSOC1可为“经济”充能状态，其中机动车的运行设置为用于最大化燃油经济性，并且TSOC2可为“性能加强”充能状态，其中机动车的运行设置为将性能最大化。
驾驶者可在性能加强和经济的机动车运行状态之间做出选择。优选地，驾驶员可选择性能加强模式(例如在超车操作之前)。当充能状态高于目标，能量可由存储系统消耗，使得充能状态趋向于其目标充能状态(例如，飞轮可由于其自身寄生损失而滑行)。优选地，所述功率传动装置可将能量传输至或传输出机动车(和/或动力系统)和所述存储系统，从而接近目标充能状态。
在第三方面中，本发明提供了一种控制机动车的动能回收系统(KERS)的方法，所述KERS包括能量存储系统，至少两种机动车运行模式：“经济”和“性能加强”模式，当机动车运行模式被设定为经济模式时能够使驾驶员选择所述性能加强模式并且将能量传输至或传输出所述能量存储系统的第一目标充能状态以及当机动车运行模式被设定为性能加强模式时能够使驾驶员选择所述经济模式并且将能量传输至或传输出所述能量存储系统的第二目标充能状态的工具，其中所述第二目标充能状态高于所述第一目标充能状态。
优选地，所述驾驶者可选择性能加强状态(例如在超车操作之前)，这会在控制系统中产生信号，控制系统为存储系统设定修正(提升)的目标充能状态，并且功率传输装置将能量(典型地来自于引擎)传输至存储系统，从而使其充能状态在预期的性能加强事件中得到提升。
优选地，这种达到目标(提升的)充能状态的尝试通过信号告知驾驶者，例如通过声音或视觉信号，优选地，通过颜色、亮度或驾驶员界面的图形(例如发光的“推进”按键随着达到目标充能状态而变亮，或数字或模拟仪表盘指示KERS能量可用)的变化实现。
驾驶员可主动取消选择性能加强模式，从而选择回到经济模式。可替代地，控制系统可在预定时间段后退出性能加强模式并回到经济模式，使得存储系统不会长时间持续保持较高，因而限制存储系统的能量损失(例如，高飞轮转速)，并因此最大化从KERS提供的燃油经济性的益处。优选地，切换至经济模式是由控制系统在一段预定的时间后做出的，并且改变回经济模式通过信号通知驾驶员，例如声音或视觉信号，优选地通过颜色、亮度或驾驶员界面的图形(例如点亮的“推进”光变弱时或数字或模拟仪表盘指示随着自动退出性能加强模式使得KERS存储能量减少并且恢复至经济模式)而实现。
随着回到经济模式的信号，控制系统可为存储系统设定修正(降低)的目标充能状态，并且功率传输装置可将能量(包括传输至引擎或传输至车轮，但典型地是降低来自引擎的功率传输使得到达车轮的总功率传输不受影响)传输出所述存储系统，使得其充能状态随着切换至经济运行模式而降低。因此，存储系统(例如飞轮)中的功率损失随着充能状态(本实例中这与飞轮速度相关联)的降低而降低。
有利的是，驾驶员可能不会忘记机动车处于性能加强模式，因此燃油不会无谓浪费，由于存储系统充能状态被人为地保持在高点。进一步地，驾驶员可被警示告知切换回经济模式，使得驾驶员意识到机动车功率会下降或者在下降期间KERS推进功率可用，并可采用合适的驾驶风格。
有利的是，驾驶员的乐趣可通过随自身意愿的、用于推进性能的设备而得到加强，总体满意度通过长时间内提升的燃油经济性而得到进一步加强。这使得KERS被用于性能机动车(例如运动轿车)的加强的推进或性能，同时也实现更广范围的机动车(例如乘坐通勤上下班)的性能加强效果，而燃油经济性对于这些机动车也很重要。
优选地，在性能加强模式中，存储系统趋近于其最大运行充能状态。优选地，在经济模式下存储系统何时接近其目标充能状态取决于机动车的当前速度和/惯性和/可用惯性能量。这样的机动车最大运行充能状态可为恒定的，或为可变化的，或取决于一个或多个参数。
一致的KERS制动容量可在所有正常制动情况下通过维持能量存储系统的充能状态在目标水平或其附近而得到保证。
相应地，在第四方面，本发明提供了控制机动车的动能回收系统(KERS)的方法，其包括具有预定最大运行能量存储容量的能量存储系统，适用于将能量传输至并传输出能量存储系统和机动车的可变功率传输装置，方法包括如下步骤：(i)确定机动车的瞬时可用惯性能量；(ii)确定最大能量存储容量和瞬时充能状态之差，从而给出瞬时充能状态净空；以及(iii)使用可变功率传输装置将能量传输至或传输出能量存储系统，使得瞬时充能状态净空大于或基本等于机动车的瞬时可用惯性能量。
所述最大运行能量存储容量可为所述能量存储系统的固定限制，或可为基于持久性或能量损失要求的固定或可变限制。
可用机动车惯性能量可由当前机动车的动能进行定义。空气动力阻力和/或基础制动的分量可选地被忽略。这种情况下，能量存储系统的目标充能状态可保持在接近或达到所述净空：
SOCmax-SOCtarget＝Energykinetic_vehicle_available
SOCtarget＝SOCmax-Energykinetic_vehicle_available
其中：“m”为机动车质量，“v”为当前机动车速度，Energykinetic_vehicle_available为机动车动能，SOC为能量存储系统的充能状态并且下标“max”和“target”分别指代最大和目标水平量。
可用动能或惯性能量的计算可考虑功率传输装置的功率损失和/或效率(η)效应。所述机动车的可用动能或惯性能量可考虑包括功率传输装置中的效率(η)效应，在该情况下，机动车的可用动能可由瞬时机动车动能或惯性能量以及功率传输装置的效率的乘积进行定义，使得：
SOCmax-SOCtarget＝η.Energykinetic_vehicle_available
SOCtarget＝SOCmax-η.Energykinetic_vehicle_available
也可考虑到其他载荷，包括但不限于摩擦载荷，例如滚动阻力和空气动力阻力，以及较小的其他能阱，例如由于应用基础制动(由于KERS可能需要基础制动进行辅助)带来的能量耗散。在该情况下，目标充能状态SOCtarget可预估如下(如果忽略功率传输装置的单向效率η)：
SOCmax-SOCtarget＝Energykinetic_vehicle_available
SOCtarget＝SOCmax-Energykinetic_vehicle_available
可用动能或惯性能量的计算可考虑到功率传输装置的功率损失和/或效率(η)效应，如之前所述：
SOCmax-SOCtarget＝η.Energykinetic_vehicle_available
SOCtarget＝SOCmax-η.Energykinetic_vehicle_available
其中：“m”为机动车质量，“v”为当前机动车速度，Energyfoundation_braking为由于基础制动而带来的预估能量耗散，Energyaero_drag为由于空气动力阻力和滚动阻力带来的预估能量耗散，Energykinetic_vehicle_available为机动车可用(也即，可回收)动能，并且Energyengine_braking为可被引擎制动吸收的预估能量，SOC为能量存储系统的充能状态，其中下标“max”和“target”分别指代最大和目标水平量。本领域技术人员熟知这些阻力的计算(空气动力阻力典型地为机动车正面面积的函数并且与机动车速度的平方成比例)以及滚动阻力(其典型地为机动车重量的较小比例)。对由于无KERS轴的制动的预估可通过例如制动压力的预估来进行，并且这些可替代地通过KERS控制系统使用机动车控制局域网络(CAN)来进行。基于典型地制动事件，可以方便地使用预估值用于Energydrag，Energyfoundation_braking或者Energyengine_braking，例如那些一般的城市循环工况中。
相应地，在第五方面，本发明提供了控制机动车的动能回收系统(KERS)的方法，其包括具有预定最大能量存储容量的能量存储系统，适用于将能量传输至并传输出能量存储系统的可变功率传输装置，方法包括如下步骤：(i)确定机动车的瞬时动能；(ii)从机动车的瞬时动能预估典型制动事件中由于基础制动、引擎制动和阻力带来的损失的总和；(iii)通过将机动车的瞬时(或可用)动能或惯性能量减去典型制动事件中的损失的总和来确定在机动车瞬时可用惯性能量，(iv)确定最大能量存储容量和瞬时充能状态之差，从而给出瞬时充能状态净空，(v)使用可变功率传输装置将能量传输至或传输出能量存储系统，使得瞬时充能状态净空大于或基本等于机动车的瞬时可用惯性能量。
可用动能或惯性能量的计算可考虑到功率传输装置的功率损失和/或效率(η)效应。在第四和第五方面之一或二者中，机动车的可用动能或惯性能量可由瞬时机动车动能或惯性能量与所述功率传输装置的效率的乘积来定义。所述功率传输装置的效率可为其单向效率。
这可保证KERS永远不会在制动时间期间充满(或饱和)，因此保证制动作用的一致性，而在制动事件发生之前不考虑机动车速度。
优选地，KERS可连接至一个轴，例如，后轴，而基础制动可作用于剩下的轴(在本实例中为前轴)。控制策略实现一致的KERS制动，其可有利地实现基础制动仅安装在一个轴上因而减少机动车的成本和复杂度。其中KERS安装在主传动装置中，KERS会将扭矩施加至一个驱动轴或多个驱动轴。这样的驱动轴可为前轴或后轴或二者均为驱动轴。
可观察到本发明的实施例可保证在存储系统中有足够净空来维持任意机动车速度下的全KERS制动，以及任意制动速率。这点很重要，由于能够在机动车和存储系统之间被交换的可用能量不是制动速率的函数，而只是机动车速度的函数；同样，存储系统的容量只是最大充能状态和其当前充能状态之间的差，而不取决于任何其他参数。
因此，通过保证当机动车有大量动能(因此具有将该能量传输至存储系统的能力)时则存储系统可优选地维持在低充能状态，在任意机动车速度(因而在任意机动车最大运行惯性能量下)下将能量交换至或交换出机动车的设备是可行的。
该机动车最大运行惯性能量可为恒定的或为可变的和/或取决于一系列参数，包括一下一种或几种：机动车中的一般固有速度限制，或机动车的外在速度限制(例如本地限速--根据城市区域或快速路/高速公路，或学校附近或工地附近的本地限速)，或仅仅是驾驶员和/或机动车的控制系统设定的速度限制。
还需要注意的是，如本申请所描述的，设定存储系统的目标充能状态对于加速和制动操作均可适用。而一方面，制动操作被限制为机动车最低速度为零，另一方面，能量存储系统为最大充能状态，反之必须考虑的是当通过KERS推进时的加速。换言之，KERS可考虑存储系统的最小充能状态并且机动车必须考虑最大惯性能量(即，机动车速度)。这种最小充能状态可为恒定的，或为可变的和/或取决于一个或多个参数。本发明的实施例可因此提供保证：无论何时有需求，KERS能量可在加速至预定机动车速度时可用。
相应地，在第六方面中，本发明提供了一种控制机动车的动能回收系统KERS的方法，其具有预定最大运行惯性能量(或速度)，并包括具有预定最小充能状态的能量存储系统以及适用于向所述能量存储系统和机动车传入和传出能量的可变功率传输装置，所述方法包括：(i)确定机动车的瞬时惯性能量；(ii)确定最大运行机动车惯性能量；(iii)确定最大需求机动车惯性能量，作为所述最大运行机动车惯性能量和所述瞬时机动车惯性能量之差；(iv)确定所述能量存储系统的瞬时充能状态；(v)确定可用存储能量，作为能量存储系统的瞬时充能状态减去能量存储系统的最小充能状态；(vi)使用可变功率传输装置将能量传输至或传输出能量存储系统，使得能量存储系统中的可用存储能量基本等于或大于最大需求机动车惯性能量。
可用动能或惯性能量的计算考虑到功率传输装置的功率损失和/或效率(η)效应。在该情况下，能量可通过可变功率传输装置传输至或传输出能量存储系统，使得能量存储系统中的可用存储能量大于或基本等于最大需求机动车惯性能量除以功率传输装置效率。功率传输装置效率可为其单向效率。
预定最大机动车速度可为固定的，或取决于机动车运行模式为可变的，例如速度限制模式，安全模式或燃油节省经济运行模式。
KERS可提供性能加强，其中来自存储系统的能量用于补充可用引擎功率。在该情况下，可以预估来自引擎的机动车加速到达预定最大机动车运行速度的可用总能量，例如通过将最大平均引擎功率与预估的达到最大机动车运行速度的时间相乘。
相应地，在第七方面中，本发明提供了一种控制机动车的动能回收系统KERS的方法，其具有预定最大运行速度(以及对应的最大运行惯性能量)并包括具有具有预定最小充能状态的能量存储系统，以及适用于向所述能量存储系统和机动车传入和传出能量的可变功率传输装置，所述方法包括：(i)确定机动车的瞬时惯性能量；(ii)确定最大需求机动车惯性能量，作为最大运行机动车惯性能量和瞬时机动车惯性能量之差；(iii)确定用于加速至最大需求机动车惯性能量的可用引擎能量；(iv)确定所述能量存储系统的瞬时充能状态；(v)确定可用存储能量，作为能量存储系统的瞬时充能状态减去最小充能状态；(vi)使用可变功率传输装置将能量传输至或传输出能量存储系统，使得可用存储能量基本等于或大于机动车最大需求惯性能量减去可用引擎能量。
功率传输装置中的效率(η)效应可纳入考虑。在该情况下，能量可用可变功率传输装置被传输至或传输出能量存储系统，使得能量存储系统中的可用存储能量大于或基本等于最大需求机动车能量减去可用引擎能量，除以功率传输装置效率。功率传输装置效率可为其单向效率。
进一步地，当运行在机动车的性能加强模式中且当提供KERS用于加速时，预估或预期空气动力阻力效应，滚动阻力和其他阻力效应(包括滚动阻力和空气动力阻力)可包含在该方法中。
相应地，在第八方面中，本发明提供了一种控制机动车的动能回收系统KERS的方法，其具有预定最大运行速度(以及对应的最大运行惯性能量)并包括具有预定最小充能状态的能量存储系统，以及适用于向所述能量存储系统和机动车传入和传出能量的可变功率传输装置，所述方法包括：(i)确定机动车的瞬时惯性能量；(ii)确定最大需求机动车惯性能量，作为最大运行机动车惯性能量和瞬时机动车惯性能量之差；(iii)在典型的加速事件中从瞬时机动车速度到最大机动车运行速度期间预估由于阻力效应带来的最大需求损失能量，(iv)确定用于将机动车加速至最大需求机动车惯性能量的可用引擎能量，(v)确定瞬时充能状态，(vi)确定可用存储能量，其为瞬时充能状态减去最小充能状态；(vii)使用可变功率传输装置将能量传输至或传输出能量存储系统，使得能量存储系统中的新的充能状态基本等于或大于最大需求机动车惯性能量加上最大需求损失能量减去可用引擎能量。
功率传输装置中的效率(η)效应可纳入考虑。在该情况下，能量可用可变功率传输装置被传输至或传输出能量存储系统，使得能量存储系统中的可用存储能量大于或基本等于最大需求机动车能量加上最大需求损失能量减去可用引擎能量，除以功率传输装置效率。功率传输装置效率可为其单向效率。
需要注意的是，如果没有运行在性能加强模式中，则可用引擎能量可为较低值，使得其可被忽略或为零，在该情况下，能量存储系统可补充需求机动车惯性能量的大部分或全部，从而达到预定最大机动车运行速度。
无论预期在制动或加速事件中，在将能量传输至后传输出存储系统从而使其保持在或接近于其目标充能状态期间，能量可成功的被利用而不是浪费或耗散。例如，如果充能状态过高，能量可通过功率传输装置而被传输至车轮，同时从引擎传递的功率可在该时刻减小，因此保持到达车轮的总体功率传递。因此，存储系统趋近于其目标充能状态，而不会影响当驾驶员对车轮动力的要求。相反地，如果充能状态过低，则从引擎的功率传递在该时刻增加，使得功率传输装置传输能量至存储系统因而致使其趋近于目标充能状态。同样，驾驶员对于车轮动力的要求不会受到影响。
如果外部事件发生使得存储系统和机动车速度(惯性能量)之间的平衡被打破(例如，如果KERS被用于在下坡中减速或维持速度)，则需要采用进一步的如下策略：当KERS趋近于用于瞬时机动车速度的目标充能状态时，KERS制动可以逐渐斜滑(ramped off)以使驾驶员不会感受到突然的干扰。然而，驾驶员的本能反应会在踏板上逐渐增加制动作用从而调节机动车速度。由于驾驶员一直持续调整例如对驾驶员踏板(油门踏板以及制动踏板)的控制，从而在一般路况中适应轻微改变，则这些细微的运行模式的改变很难被驾驶员察觉。
相应地，本发明进一步提供了根据本发明第四或第五方面的方法，进一步包括当目标充能状态接近时减少到达存储系统的功率传输。可选地，引擎制动水平(和/或基础制动水平)可随着KERS功率的降低而提高，以使机动车的当前扭矩水平维持在恒定水平，或维持在驾驶员要求的水平。这样，存储系统可维持在期望的充能状态下，并且对于随后的制动事件可在制动事件完成前使用KERS而不使能量存储系统饱和(充满)。
KERS可包括液压存储系统，例如流体存储器，在该情况下功率传输装置可包括流体泵和/或发动机。
KERS可包括电容存储系统，例如超级电容或超超级电容，在该情况下，功率传输装置可包括电转换装置和电发动机和/或发电机。
KERS可包括化学电池系统，例如Ni-H或Li离子电池存储系统，在该情况下，功率传输装置可包括电转换装置，例如逆变器，以及电发动机和/或发电机。
优选地，KERS包括高速飞轮，作为KERS能量存储系统，并且功率传递(或传输)装置为多速离合飞轮传动装置或连续变速传动装置，例如环面牵引驱动传动装置(例如全环面变速器)。充能状态通过飞轮速度进行管理，KERS功率传输装置可控制飞轮速度的变化率(因此控制施加在飞轮以及最终施加在机动车上的扭矩)，但是优选地直接控制施加在飞轮和机动车的扭矩，例如通过施加载荷至包含在离合飞轮传动装置中的一个或多个滑动摩擦离合器。这样的装置在WO-A-2011080512中描述，并且其全部内容以引用方式结合于此。如果变速器包括在功率传输装置中，则优选地为扭矩控制的，并且扭矩通过控制施加在变速器中的扭矩传递元件(例如在牵引驱动器中的滚动元件)上的载荷而进行控制。变速器优选为环形牵引驱动器，尤其优选为全环形牵引驱动器，带有液压驱动的滚子以及液压夹紧布置，用于施加所需的端部载荷至滚子。施加在滚子活塞的液压压力也可施加至轴向夹紧活塞，以使滚子载荷与轴向夹紧载荷的比值基本恒定，这为变速器提供了良好的效率和持久性。这样的布置在WO-A-2013110670中描述，其全部内容以引用方式结合于此。可替代的能量存储系统例如超级电容，超超级电容以及多种其他，包括其组合，包括与飞轮或基于飞轮的系统的组合都可以使用。
控制与KERS相关联的能量存储系统的充能状态的目的在于无需使用基础制动而实现足够的KERS制动作用。这可使得基础制动的尺寸减小或移除。进一步地，能量回收和随之而来的燃料节省可得到加强。控制与KERS相关联的能量存储系统的充能状态的目的还在于使得机动车的引擎尺寸减小，其典型地使得引擎更高效(但也会减小其最大功率输出)。在实施例中，能量存储系统为飞轮形式，除了提供用于能量回收的设备，飞轮可将全部最大功率输出性能恢复至车轮。由于引擎尺寸缩小带来的引擎效率提升加强了由于能量回收的燃料节省。
附图说明
将参照附图，仅通过实例的形式对本发明进行描述，其中：
图1为根据本发明一实施例的机动车的示意图；
图2为示意性示出机动车的动能随着速度变化的曲线图；
图3为示意性示出KERS能量随着机动车速度变化的曲线图；
图4为示意性示出最大KERS功率的曲线图；以及
图5a-5c表示用于切换机动车的运行模式并用于为机动车驾驶者提供与KERS相关的视觉信息的机动车推进按钮。
具体实施方式
图1示出了根据本发明一实施例的机动车101。机动车101包括传统引擎105和基础制动108，用于控制机动车的速度，更宽泛的说，控制其行为。机动车101还包括动能回收系统(KERS)100，其包括能量存储系统(ESS)102，在本实施例中为飞轮(未示出)。KERS还包括可变功率传输装置(VPTD)104。引擎105和KERS100是机动车101的驱动系统107的一部分，如图所示。驱动系统可包括一个或多个驱动器或驱动部件。驱动器或驱动部件可为例如并未连接至驱动系统107的轴。功率和能量可因而流入或流出KERS100，尤其是流入或流出与其相关联的能量存储系统102，例如，在能量存储系统102和机动车的引擎105之间交换和/或在能量存储系统102和机动车101之间交换。这种功率和能量通过KERS100的可变功率传输装置104进行交换。控制器106用于管理KERS100、引擎105和基础制动108的行为，尤其是通过控制能量存储系统102的能量水平。
图2示出机动车速度和机动车可用动能(或惯性能量)之间的关系曲线图。上升梯度线反映出机动车动能与机动车速度的平方相关，KE＝1/2mv2。排除损失、阻力和功率传输效率的影响，该线还描述了能量存储系统102的优选充能状态净空1。在描述的本发明的实施例中，包括了具有飞轮形式的能量存储系统102的KERS100，保持该净空1使得飞轮在所有制动情况下吸收机动车101的动能，从而能量存储系统102不会再一般制动情况中饱和(充满)。因此，当主要单独地使用KERS时，制动性能可在所有正常制动情况下保持一致。
图3中的曲线示出机动车速度和KERS能量目标2之间的近似关系(不包括效率和损失效应)，该能量目标维持能量存储系统的充能状态净空1作为机动车速度的函数。因此，可以看出在机动车高速下，存储充能状态目标2趋向于零或最小3，而在机动车低速下存储充能状态目标2趋向于最大水平4，在本案中，仅低于存储限制5。进一步的箭头6示出如果KERS能量存储充能状态2在制动下接近目标线(例如在长下坡中一段时间的KERS制动)，则KERS制动作用可被转降(也就是说，逐步的、潜在的下降，从而KERS制动接近零)。进一步，机动车101的制动可通过基础制动108和KERS制动的协调而完成，使得驾驶者输入，例如制动踏板位置，指示要求的总体制动水平得以实现。另外或可替代地，驾驶者可对随着KERS制动作用转降并通过在制动踏板上施加额外作用而出现制动情况的变化进行监控，这被称为“驾驶员在回路中”反馈。如果防抱死制动系统(ABS)被激活，则控制系统可检测ABS的激活，例如通过在机动车的控制局域网络(CAN)接收信号，并可将KERS制动去激活(deactive)，这是通过停止使用功率传输装置向能量存储系统102传输能量实现的。
在图4中，曲线图示出区域7，在该区域上使用KERS可满足一致的所需性能(也就是说，驾驶而非制动)。该曲线图描述了当机动车速度较低时(也即，低动能)，KERS维持在高充能状态8，并且当机动车速度较高时(也即，低动能)，KERS维持在低充能状态9。预定的机动车最大运行速度的实例可参见KERS能量接近于零能量时，并且线条切至曲线图的y轴。
有两个选择：(i)为KERS100的充能状态设定目标值，从而保证一致的性能(例如此处描述的机动车经济模式)，或者(ii)可选的“推进按钮”，如图5a-5c所示，供驾驶者按压从而选择性能模式。也可提供引擎功率和混合功率可进行协调的混动模式。图5a-5c示出推进按钮10，驾驶者可进行按压，从而选择性能模式。作为响应，控制系统致使飞轮(本实施例中的存储系统)加速至增加的充能状态，优选地到最大充能状态5。推进按钮10包括照明环11，指示存储系统已接近目标充能状态(如图5c所示)，警示告知驾驶者KERS准备就绪，可进行高性能操控，例如超车。在预定时间段之后，控制系统致使飞轮减速，对应于减小的充能状态，与经济模式相当，并且推进按钮10中的照明环11熄灭(如图5b所示)，从而不再照明(如图5a所示)，并且指示驾驶者飞轮不再充能以用于高性能水平。因此驾驶者的乐趣提升，而且燃油经济性在一段时间内也可实现。
可提供远程信息处理系统，其中控制系统接收数据库或识别的关于地形的道路信号信息，交通限速和其他地形信息，从这些信息确定即将发生的补充机动车功率需求，在机动车被要求达到功率水平之前确定将能量存储系统充能预定时间的需求，并且在对机动车功率有需求时由能量存储系统放能。
相反地，配备有KERS的机动车可包括接收数据库或识别的关于地形的道路信号信息，交通限速和其他地形信息的控制系统，从这些信息确定即将发生的机动车功率需求减少，在机动车被要求降低功率水平之前确定将能量存储系统放能预定时间的需求，并且在降低机动车功率时由能量存储系统充能。
这样的系统可为用于强化降低排放和燃油消耗的使能器。例如，如果有效引擎结合至机动车中，从而引擎排量降低从而使得燃油经济性提高(本领域技术人员已熟知)，则控制系统可从限速或信息数据库读取信息，该信息数据库传输关于将发生的功率需求提升的信息(例如，山路或增加的限速允许机动车速度提升)。因此，控制系统可致使能量存储系统(例如飞轮)接受引擎的充能，使得在对于功率的需求到来之前提前预充能。这样，能量存储系统可包含足够储量来补充可用的引擎功率，充足的能量可被传输至机动车从而满足短暂的功率提升需求(例如，爬坡)。
有利的是，这使得内燃机或其他原动机的尺寸较小，最大容量较低，因为能量存储系统可满足短暂的功率提升的需求。原动机，例如内燃机可具有相对于其可用功率生成性能(指示功率)的降低的排量或呈现降低的摩擦特性，并因此倾向于呈现出提升的效率和降低的成本。因此，当与从数据库或识别的关于地形的道路信号信息，交通限速和其他地形信息从而确定即将发生的机动车功率需求的控制系统相结合时，KERS变为不仅用于提升捕获并重新使用机动车动能的使能器，正如前所述，也变为减少引擎尺寸并因而对减少排放和燃油消耗进行加强的使能器。
在一个实施例中，存在超级经济模式，其中存储系统保持在低SOC，或为零SOC，使得从存储系统推进机动车不可用。由于存储系统(例如飞轮)中的损耗可被最小化，燃油经济性可被加强。在这样的实施例中，驾驶者或控制系统对于性能模式的选择可致使存储系统接近目标充能状态，这取决于机动车目前速度和/或惯性和/或可用惯性能量，如前所述。因此，相比于超级经济模式，存储系统(例如飞轮)的损失可稍高于平均，但是对机动车的推进一直可用。这可以，例如，一直使得机动车达到目标速度，如前所述。
这些实施例也可应用于商用车辆(包括公路卡车)，例如非公路车辆，包括装载机，例如铲斗机和有轮装载机，以及挖掘机。然而，在这些情况中，可使用改良型能量回收系统(ERS)，其中可用的存储和重新使用的能量可为动能或重力势能或其他机动车可用能量形式。
相应地，进一步的实施例可提供控制用于机动车(可选地为非公路机动车)的能量回收系统(ERS)的方法，ERS包括具有预定最大运行能量存储容量的能量存储系统以及适用于向能量存储系统和机动车传输入和传输出能量的可变功率传输装置，该方法包括：
(i)确定机动车的瞬时可用能量；
(ii)确定能量存储系统的瞬时充能状态；
(iii)确定最大能量存储容量和瞬时充能状态之差从而给出瞬时充能状态净空；以及
(iv)使用可变功率传输装置将能量传输至或传输出能量存储系统，使得瞬时充能状态净空基本等于或大于机动车的瞬时可用能量。
进一步的实施例可提供控制用于机动车(可选地为非公路机动车)的能量回收系统(ERS)的方法，ERS包括具有预定最小充能状态的能量存储系统以及适用于向能量存储系统传输入和传输出能量的可变功率传输装置，该方法包括：
(i)确定机动车瞬时能量；
(ii)确定车辆最大运行能量；
(iii)确定机动车最大需求能量，作为机动车最大运行能量和机动车瞬时能量之差；
(iv)确定能量存储系统的瞬时充能状态；
(v)确定可用存储能量，其为能量存储系统的瞬时充能状态减去能量存储系统的最小充能状态；
(vi)使用可变功率传输装置将能量传输至或传输出能量存储系统，使得能量存储系统中的可用存储能量基本等于或大于机动车最大需求能量。
一些机动车可能经常爬坡至不同高度，机动车能量可为能够被存储和重新使用的重力势能。在该情况中，重力势能为机动车高度的函数。在装载机动车中，机动车能量可为载重吊杆或载重臂的重力势能。在一些机动车中，机动车能量可为动能，来自机动车相对于底盘或地面连接机构(例如驾驶室)移动的一部分；这样的机动车包括挖掘机。在每种情况中，机动车系统的可用能量的存储和重新使用可减少燃油消耗。通过管理存储系统的SOC，引擎的尺寸可被缩小，从而进一步减少燃油消耗，如之前所述。存储系统SOC的管理可顾及机动车空气功率损失，机动车阻力，传动装置的效率，引擎制动和基础制动以及动能或重力势能，如之前所述，例如包括KERS(即，存储并重新使用机动车的滚动动能)。所有其他方面的可应用于机动车滚动动能应用(KERS)的控制可同样用于这些卡车和非公路应用。
本发明已参照一个或多个仅作为实例的具体实施例描述如上。本领域技术人员应当明白，额外和/或可替代的实施例也可涵盖在所附权利要求定义的本发明的范围之内。

Claims (35)

1.一种控制机动车的动能回收系统KERS的方法，所述KERS包括能量存储系统，所述方法包括：
为所述机动车提供第一机动车运行模式VOM1，其中所述能量存储系统具有第一目标充能状态TSOC1，以及提供第二机动车运行模式VOM2，其中所述能量存储系统具有第二目标充能状态TSOC2；
选择所述第一或第二机动车运行模式；以及
将能量传输至或传输出所述KERS的能量存储系统，从而实现与所述选择的机动车运行模式相关联的所述选择的目标充能状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二目标充能状态高于所述第一目标充能状态。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一机动车运行模式VOM1为经济模式。
4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其中所述第二机动车运行模式VOM2为性能加强模式。
5.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述KERS的能量存储系统通过可变功率传输装置耦接至所述机动车的驱动器，所述可变功率传输装置用于将能量传输至或传输出所述能量存储系统，可选地传输至或传输出所述机动车和所述能量存储系统，可选地传输至或传输出所述机动车的引擎和所述能量存储系统。
6.一种用于控制机动车的动能回收系统KERS的控制器，所述KERS包括能量存储系统，所述控制器用于实施根据前述任一项权利要求所述的方法。
7.一种与根据权利要求6所述的控制器相结合的KERS。
8.一种机动车的驱动系统，包括通过使用根据权利要求6所述的控制器进行控制的KERS。
9.一种机动车，包括根据权利要求7所述的KERS和控制器，和/或根据权利要求8所述的驱动系统，所述机动车可选地包括驾驶员操作工具，用于允许驾驶员选择所述第一或第二机动车运行模式，所述控制器可选地用于使得在所述驾驶员选择所述第二运行模式VOM2后通过如下方式使所述机动车回到所述第一机动车运行模式VOM1：所述驾驶员主动选择所述第一机动车运行模式VOM1；或者，根据预定控制策略，可选地在预定时间段后，通过控制系统的操作使所述机动车回到所述第一机动车运行模式VOM1。
10.根据权利要求9所述的机动车，所述机动车包括驾驶员界面，其中所述控制器用于通过所述驾驶员界面向所述驾驶员指示所述能量存储系统的提升的和/或降低的充能状态，可选地，其中所述驾驶员界面用于通过声音或视觉信号将所述提升的和/或降低的充能状态发送给所述驾驶员。
11.一种控制机动车的动能回收系统KERS的方法，所述KERS包括具有预定最大运行能量存储容量的能量存储系统以及适用于向所述能量存储系统传入能量以及从所述能量存储系统传出能量的可变功率传输装置，所述方法包括：
(i)确定所述机动车的瞬时可用惯性能量；
(ii)确定所述能量存储系统的瞬时充能状态；
(iii)确定所述最大能量存储容量和所述瞬时充能状态之差从而给出瞬时充能状态净空；以及
(iv)使用所述可变功率传输装置将能量传输至或传输出所述能量存储系统，使得所述瞬时充能状态净空基本上等于或大于所述机动车的瞬时可用惯性能量。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述最大运行能量存储容量为所述能量存储系统的固定限制，或为基于持久性或能量损失要求的固定或可变限制。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述机动车的瞬时可用惯性能量的计算考虑到由于所述可变功率传输装置的效率η效应带来的功率损失。
14.根据权利要求11或12或13所述的方法，其中所述方法考虑到机动车阻力效应。
15.根据权利要求11-14任一项所述的方法，其中所述方法考虑到由基础制动的应用所带来的预期能量耗散。
16.根据权利要求11-15任一项所述的方法，其中所述方法考虑到引擎制动。
17.根据权利要求11-16任一项所述的方法，其中所述可变功率传输装置适用于将能量传输至或传输出所述机动车和所述能量存储系统。
18.根据权利要求11-17任一项所述的方法，其中所述可变功率传输装置适用于将能量传输至或传输出所述机动车的引擎和所述能量存储系统。
19.一种控制机动车的动能回收系统KERS的方法，所述KERS包括具有预定最小充能状态的能量存储系统以及适用于向所述能量存储系统传入能量以及从所述能量存储系统传出能量的可变功率传输装置，所述方法包括：
(i)确定所述机动车的瞬时惯性能量；
(ii)确定机动车最大运行惯性能量；
(iii)确定机动车最大需求惯性能量，作为所述机动车最大运行惯性能量和所述机动车瞬时惯性能量之差；
(iv)确定所述能量存储系统的瞬时充能状态；
(v)确定可用存储能量，作为所述能量存储系统的瞬时充能状态减去所述能量存储系统的最小充能状态；
(vi)使用所述可变功率传输装置将能量传输至或传输出所述能量存储系统，使得所述能量存储系统中的可用存储能量基本上等于或大于所述机动车最大需求惯性能量。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述预定最小充能状态为所述能量存储系统的固定限制。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述预定最小充能状态为基于持久性或能量损失要求的固定或可变限制。
22.根据权利要求19或20或21所述的方法，其中所述机动车最大需求惯性能量的确定考虑到由于所述可变功率传输装置的效率η效应带来的功率损失。
23.根据权利要求19-22任一项所述的方法，其中所述机动车最大需求惯性能量的确定考虑到机动车阻力效应。
24.根据权利要求19-23任一项所述的方法，其中所述机动车最大需求惯性能量的确定考虑到由于所述机动车的基础制动的应用所带来的预期能量耗散。
25.根据权利要求19-24任一项所述的方法，其中所述机动车最大需求惯性能量的确定考虑到引擎制动。
26.根据权利要求19-25任一项所述的方法，其中所述可变功率传输装置适用于将能量传输至或传输出所述机动车和所述能量存储系统，和/或传输至或传输出所述机动车的引擎和所述能量存储系统。
27.根据权利要求11-26任一项所述的方法，其中所述机动车的制动可由所述机动车的基础制动和所述KERS协调完成。
28.根据权利要求11-27任一项所述的方法，其中在KERS制动扭矩对所述机动车进行供给期间，随着所述能量存储系统的充能状态接近预定限制，所述KERS制动扭矩减小，可选地减小至零。
29.根据权利要求28所述的方法，其中驾驶员可通过对制动踏板施加额外的作用来补偿KERS制动的降低。
30.根据权利要求11-29任一项所述的方法，其中控制器用于检测机动车防抱死系统的激活并且用于将KERS制动去激活，可选地，通过使用可变功率传输装置停止执行对所述能量存储系统的能量传输。
31.根据权利要求11-30任一项所述的方法，其中所述能量存储系统包括飞轮，和/或电容。
32.一种用于控制机动车的动能回收系统KERS的控制器，所述KERS包括能量存储系统和可变功率传输装置，用于将能量传输至或传输出所述能量存储系统，所述控制器用于实施根据权利要求11-31任一项所述的方法。
33.一种与根据权利要求32所述的控制器相结合的KERS。
34.一种驱动系统，包括通过根据权利要求32所述的控制器进行控制的KERS。
35.一种机动车，包括根据权利要求33所述的KERS和控制器，和/或根据权利要求34所述的驱动系统。
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