CN107284253B - 车辆串联式混合动力装置及其控制方法 - Google Patents

车辆串联式混合动力装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种车辆串联式混合动力装置及其控制方法，所述车辆串联式混合动力装置包含引擎动力单元、马达动力单元、电池单元和整车控制单元；所述引擎动力单元包含引擎和电源转换器，所述马达动力单元包含马达和逆变器。所述电池单元包含第一控制回路、第二控制回路和第三控制回路。当所述电源转换器故障时，控制所述第二控制回路呈开路，并控制所述第一控制回路呈闭路，以使所述电池单元能持续为所述马达动力单元供电。

Description

车辆串联式混合动力装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种混合动力装置及其控制方法，特别涉及一种车辆串联式混合动力装置及其控制方法。
背景技术
目前，由于节能减排的压力，车辆节能减排的标准日益严格。为了降低车辆的能耗，开发了包括混合动力汽车在内的众多新型车辆系统。混合动力车结合传统内燃机车辆的长里程行驶距离以及电动汽车的节能和环保的优点，因而开始被广泛应用。
混合动力电动车目前可以分为串联式、并联式、混联式和复合式四种，其中串联式混合动力电动车是一个由多能量源向驱动装置(电动机)供电以驱动车辆行驶的系统。串联式混合动力电动车采用电动机驱动方式，与传统机械传动方式相比，具有更为理想的转矩/转速控制特性。因此，通常串联式混合动力电动车的驱动系不需要采用多挡的传动装置。能够很大程度上简化传统车辆的传动系统，从而能够降低成本。
一般的串联式混合动力系统的继电器(Relay)均被配置在电池箱(Battery Pack)的内部，该继电器的开启(开路)和关闭(闭路)的时机由整车控制单元(Vehicle ControlUnit，VCU)和电池管理系统(Battery Management System，BMS)共同决定。
然而，控制马达的逆变器(Inverter)和控制引擎运作的电源转换器同时共享同一个继电器，假如该电源转换器在行驶过程中发生故障，会使该继电器被打开，因而造成该逆变器失去电力来源，进而使该马达无法被驱动，导致整车瞬间失去动力而产生后车追撞风险。
因此，有必要提供一种改良的车辆串联式混合动力装置，以解决公知技术所存在的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种车辆串联式混合动力装置，当电源转换器发生故障时，可以利用控制电池单元的第二继电器呈开路并控制其第一继电器仍呈闭路的状态，由此驱动马达运作而维持车辆的运行。
本发明的另一主要目的在于提供一种车辆串联式混合动力装置的控制方法，利用侦错步骤中，当电源转换器发生故障时，控制电池单元的第二控制回路呈开路，并控制其第一控制回路呈闭路，使电池源持续对马达动力单元供电，由此提升车辆行驶的可靠度。
具体而言，本发明提供了一种车辆串联式混合动力装置，该车辆串联式混合动力装置包含引擎动力单元、马达动力单元、电池单元和整车控制单元；该引擎动力单元包含引擎、启动发电机、电源转换器和引擎管理系统，启动发电机与引擎相连接，用以启动引擎运转并进行发电，电源转换器电连接启动发电机，引擎管理系统电连接引擎，用以控制引擎的喷油和点火；马达动力单元包含马达和逆变器，其中逆变器用以驱动马达运转；电池单元包含电池源、第一控制回路、第二控制回路、第三控制回路和电池管理系统，第一控制回路分别电连接电池源和逆变器，并受逆变器控制，第二控制回路分别电连接电池源和电源转换器，第三控制回路分别电连接第二控制回路的两端，电池管理系统用以控制第二控制回路和第三控制回路；整车控制单元分别电连接电池管理系统和引擎管理系统，其中当电源转换器发生故障时，电池管理系统控制所述第二控制回路呈开路，并控制电池单元的第一控制回路呈闭路，以使电池源为马达动力单元供电。
根据本发明的上述构成，通过当电源转换器在行驶过程中发生故障时，电池单元的第二控制回路会被控制呈开路，但由于逆变器控制的第一控制回路仍呈闭路并未跳脱，所以依然可以驱动马达运作，由此维持车辆的运行，而避免发生车辆爆冲或追撞事故。
在一具体实施方式中，第一控制回路具有第一继电器，逆变器用以控制第一继电器呈开路或闭路。
根据本发明的上述构成，通过逆变器用以控制第一继电器呈开路或闭路，可以提高第一控制回路的电气效能。
在一具体实施方式中，，第二控制回路具有第二继电器，电池管理系统用以控制第二继电器呈开路或闭路。
根据本发明的上述构成，通过电池管理系统用以控制第二继电器呈开路或闭路，可以提高第二控制回路的电气效能。
在一具体实施方式中，，第三控制回路具有第三继电器和电阻，电池管理系统用以控制第三继电器呈开路或闭路。
根据本发明的上述构成，通过电池管理系统用以控制第三继电器呈开路或闭路，可以提高第二控制回路的电气效能。
在一具体实施方式中，，电池单元还具有电池箱，电池源、第一控制回路、第二控制回路、第三控制回路和电池管理系统都设置在该电池箱中。
根据本发明的上述构成，通过将电池源、第一控制回路、第二控制回路、第三控制回路和电池管理系统都设置在电池箱中，可以防止碰撞损坏，并可以缩减整体组件配置的空间。
在一具体实施方式中，，电源转换器为交流电与直流电转换器。
根据本发明的上述构成，通过将电源转换器设置为交流电与直流电转换器，可以提供本发明的一种较佳的实施模式。
在一具体实施方式中，，逆变器为半桥逆变器、全桥逆变器或三相桥式逆变器。
根据本发明的上述构成，通过将逆变器设置为半桥逆变器、全桥逆变器或三相桥式逆变器，可以提供本发明的三种较佳的实施模式。
在一具体实施方式中，，启动发电机为永磁同步发电机。
根据本发明的上述构成，通过将启动发电机设置为永磁同步发电机，可以提供本发明的一种较佳的实施模式。
本发明还提供了一种车辆串联式混合动力装置的控制方法，该车辆串联式混合动力装置的控制方法包含以下步骤：预先充电步骤，控制电池单元的第三控制回路呈闭路，使该电池单元的电池源通过第三控制回路呈闭路而对电源转换器的电容充电；充电步骤，当电池单元的第二控制回路的两端的电压小于预设电压，则控制第二控制回路呈闭路，并控制第三控制回路呈开路，使电源转换器可以从电池源获得电力而驱动启动发电机，并且带动引擎运转，此时电源转换器便从启动发电机获得电力进而回充至电池源；以及侦错步骤，当电源转换器故障时，则控制第二控制回路呈开路，并控制电池单元的第一控制回路呈闭路，使电池源对马达动力单元供电。
根据本发明的上述构成，通过当电源转换器在行驶过程中发生故障时，电池单元的第二控制回路会被控制呈开路，但由于逆变器控制的第一控制回路仍呈闭路并未跳脱，所以依然可以驱动马达运作，维持车辆的运行，并且可以让使用者以电动模式骑乘至维修站或是自家车库进行维修，进而避免发生车辆爆冲或追撞事故，并由此提升车辆行驶的可靠度。
如上所述，当电源转换器在行驶过程中发生故障时，电池单元的第二继电器会被控制呈开路，但由于逆变器控制的第一继电器仍呈闭路并未跳脱，所以依然可以驱动马达运作，维持车辆的运行，并且可以让使用者以电动模式骑乘至维修站或是自家车库进行维修，进而避免发生车辆爆冲或追撞事故，并由此提升车辆行驶的可靠度。
附图说明
图1是根据本发明的车辆串联式混合动力装置的较佳实施例的电路配置的示意图；
图2至4是根据本发明的车辆串联式混合动力装置的较佳实施例的三种操作模式的示意图；以及
图5是根据本发明的车辆串联式混合动力装置的控制方法的较佳实施例的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述及其它目的、特征、优点能更明显易懂，下文将特举本发明的较佳实施例，并配合附图了做出如下详细说明。再者，本发明所提到的方向术语，例如上、下、顶、底、前、后、左、右、内、外、侧面、周围、中央、水平、横向、垂直、纵向、轴向、径向、最上层或最下层等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向术语是用以说明并理解本发明，而非用以限制本发明。
请参照图1中所示的本发明的车辆串联式混合动力装置100的较佳实施例，该车辆串联式混合动力装置包含引擎动力单元2、马达动力单元3、电池单元4，以及整车控制单元5(Vehicle Control Unit)。本发明将于下文详细说明各个组件的细部构造、组装关系及其运作原理。
继续参照图1所示，引擎动力单元2包含引擎21(Engine)、启动发电机22(Integrated Starter and Generator,ISG)、电源转换器23和引擎管理系统24(EngineManagement System,EMS)；其中启动发电机22与引擎21相连接，用以启动引擎21使其运转并进行发电；电源转换器23电连接到启动发电机22；引擎管理系统24电连接到引擎，用以控制引擎21的喷油和点火。在本实施例中，电源转换器23为交流电与直流电转换器(AC/DCConverter)。在本实施例中，启动发电机22为永磁同步发电机。
继续参照图1所示，马达动力单元3包含马达31和逆变器32(Inverter)，其中逆变器32用以驱动马达31使其运转。在本实施例中，逆变器32可以设置为半桥逆变器、全桥逆变器或三相桥式逆变器。
继续参照图1所示，电池单元4包含电池源41、第一控制回路42、第二控制回路43、第三控制回路44、电池管理系统45(Battery Management System,BMS)和电池箱46；第一控制回路42分别电连接到电池源41和逆变器32，并受逆变器32控制；第二控制回路43分别电连接到电池源41和电源转换器23；第三控制回路44分别电连接到第二控制回路43的两端；电池管理系统45用以控制第二控制回路43和第三控制回路44；另外，电池源41、第一控制回路42、第二控制回路43、第三控制回路44和电池管理系统45都设置在电池箱46中。在本实施例中，第一控制回路42具有第一继电器421，逆变器32用以控制第一继电器421呈开路或闭路，而且第二控制回路43具有第二继电器431，电池管理系统45用以控制第二继电器431呈开路或闭路，另外第三控制回路44具有第三继电器441和电阻442，电池管理系统45用以控制第三继电器441呈开路或闭路，而电池源41为多个串联的锂电池。
继续参照图1所示，整车控制单元5分别电连接到电池管理系统45和引擎管理系统24。在本实施例中，整车控制单元5设置在车辆中，用以协调引擎管理系统24、电池管理系统45、电源转换器23和逆变器32的工作。
依据上述结构，将第一继电器421电连接到逆变器32和电池源41，并且将第二继电器431电连接到电源转换器23和电池源41，使逆变器32和电源转换器23分别由于第一继电器421和第二继电器431呈闭路而电导通。如图2所示，当在电动模式下进行操作时，即控制第一继电器421呈闭路，此时，电池源41会为马达动力单元3供电，进而使逆变器32驱动马达31使其运转，如果电池管理系统45探测到系统错误(Error)的信号，即控制第一继电器421呈开路，并进入系统保护的模式；如图3所示，当在发电机充电模式下进行操作时，先控制第三控制回路44的第三继电器441呈闭路，使电池源41通过第三控制回路44呈闭路而对电源转换器23进行预先充电，当系统电源满足设定的预先充电电压时，控制第二继电器431呈闭路，使启动发电机22通过第二继电器431呈闭路而对电池源41充电，并使第三继电器441呈开路，如果电源转换器23在行驶过程中发生故障，则控制第二继电器431呈开路；如图4所示，当在延距模式下进行操作时，预先充电同上述发电机充电模式，并控制第二继电器431呈闭路，使启动发电机22通过第二继电器431呈闭路而对电池源41充电，接着再控制第一继电器421呈闭路，使电池源41为马达动力单元3供电，使引擎21和马达31依序运作，其中，如果电源转换器23发生故障，则控制第二继电器431呈开路，如果逆变器32发生故障，则控制第一继电器421呈开路。要说明的是，在第二继电器431呈闭路之前，先控制第三继电器441呈闭路而进行预先充电，当第二控制回路43的第二继电器431的两端的电压小于预设电压时，例如小于电池源41的电压的10％，则控制第二继电器431呈闭路，并控制第三继电器441呈开路。
通过上述的设计，当电源转换器23在行驶过程中发生故障时，电池单元4的第二继电器431会被控制呈开路，但由于逆变器32控制的第一继电器421仍呈闭路并未跳脱，所以依然可以驱动马达31运作，以维持车辆的运行，并且可以让使用者以电动模式骑乘至维修站或是自家车库进行维修，因此可有效的避免发生车辆爆冲或追撞事故，并由此提升车辆行驶的可靠度。
请参照图5并配合图1所示，本发明的车辆串联式混合动力装置的控制方法的较佳实施例是通过上述车辆串联式混合动力装置100进行控制，控制方法包含预先充电步骤S201、充电步骤S202和侦错步骤S203。
继续参照图5并配合图1所示，在预先充电步骤S201中，控制电池单元4的第三控制回路呈闭路44，使电池单元4的电池源41通过第三控制回路44呈闭路而对电源转换器23的电容充电。
继续参照图5并配合图1所示，在充电步骤S202中，当电池单元4的第二控制回路43的两端的电压小于预设电压时，则控制第二控制回路43呈闭路，并控制第三控制回路44呈开路，使启动发电机22通过第二控制回路43呈闭路而对电池源41充电。
继续参照图5并配合图1所示，在侦错步骤S203中，当电源转换器23发生故障时，则控制第二控制回路43呈开路，并控制电池单元4的第一控制回路42呈闭路，使电池源41为马达动力单元3供电。
要说明的是，本发明的车辆串联式混合动力装置的控制方法将能够应用至车辆串联式混合动力装置100的三种运作模式，即电动模式、延距模式和发电机充电模式，并在这三种模式之间进行切换，其中，电动模式仅驱动马达31运转，发电机充电模式驱动引擎21运转，而延距模式则依序驱动引擎21和马达31运转。
请参照图1所示，当电池源41的电量高于40％时，即在电动模式下进行操作，马达动力单元3的逆变器32则控制第一控制回路42的第一继电器421呈闭路，此时，电池源41为马达动力单元3供电，进而使逆变器32驱动马达31运转，其中，如果电池管理系统45探测到系统错误(Error)的信号，则控制第一继电器421呈开路。
继续参照图1所示，当电池源41的电量在30％至40％之间时，即在延距模式下进行操作从而依序驱动引擎21和马达31，首先控制第三控制回路44的第三继电器441呈闭路，使电池源41通过第三控制回路44呈闭路而对电源转换器23进行预先充电；当第二控制回路43的第二继电器431两端的电压小于预设电压时，例如小于电池源41的电压的10％，则控制第二继电器431呈闭路，并控制第三继电器441呈开路，使启动发电机22通过第二继电器431呈闭路而对电池源41充电。接着，再控制第一继电器421呈闭路，此时，电池源41为马达动力单元3供电，并且依序探测电源转换器23和逆变器32是否有系统错误(Error)。
继续参照图1所示，在发电机充电模式中，先控制第三继电器441呈闭路，使电池源41通过第三控制回路44呈闭路而对电源转换器23进行预先充电；当第二继电器431两端的电压小于预设电压时，例如小于电池源41的电压的10％，则控制第二继电器431呈闭路，并控制第三继电器441呈开路，使启动发电机22通过第二继电器431呈闭路而对电池源41充电，接着如果电源转换器23有系统错误，则控制第二继电器431呈开路。
通过上述的设计，当电源转换器23在行驶过程中发生故障时，电池单元4的第二继电器43会被控制呈开路，但由于逆变器32控制的第一继电器421仍呈闭路并未跳脱，所以依然可以驱动马达31运作，维持车辆的运行，并且可以让使用者以电动模式骑乘至维修站或是自家车库进行维修，因此可有效的避免发生车辆爆冲或追撞事故，并由此提升车辆行驶的可靠度。
虽然本发明已公开了较佳实施例，然而其并非用以限制本发明，任何本领域的普通技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，应当可以做出各种更动和修饰，因此本发明的保护范围应当以后附的权利要求所界定的范围为准。
附图标记
100 车辆串联式混合动力装置
2 引擎动力单元
21 引擎
22 启动发电机
23 电源转换器
24 引擎管理系统
3 马达动力单元
31 马达
32 逆变器
4 电池单元
41 电池源
42 第一控制回路
421 第一继电器
43 第二控制回路
431 第二继电器
44 第三控制回路
441 第三继电器
442 电阻
45 电池管理系统
46 电池箱
5 整车控制单元
S201 预先充电步骤
S202 充电步骤
S203 侦错步骤

Claims (9)

1.一种车辆串联式混合动力装置，包括：
引擎动力单元，其包含：引擎；与所述引擎相连接的启动发电机，其用以启动所述引擎使其运转并且用以进行发电；电源转换器，其电连接到所述启动发电机；以及引擎管理系统，其电连接到所述引擎，用以控制所述引擎的喷油以及点火；
马达动力单元，其包含马达和逆变器，其中，所述逆变器用以驱动所述马达使其运转；
电池单元，其包含：电池源；第一控制回路，其分别电连接到所述电池源和所述逆变器，并受所述逆变器的控制；第二控制回路，其分别电连接到所述电池源和所述电源转换器；第三控制回路，其分别电连接到所述第二控制回路的两端；以及电池管理系统，其用以控制所述第二控制回路和所述第三控制回路；以及
整车控制单元，其分别电连接到所述电池管理系统和所述引擎管理系统，
其中，当所述电源转换器发生故障时，所述电池管理系统控制所述第二控制回路呈开路，并控制所述电池单元的第一控制回路呈闭路，以使所述电池源为马达动力单元供电。
2.根据权利要求1所述的车辆串联式混合动力装置，其中，所述第一控制回路具有第一继电器，并且所述逆变器用以控制所述第一继电器呈开路或闭路。
3.根据权利要求1所述的车辆串联式混合动力装置，其中，所述第二控制回路具有第二继电器，所述电池管理系统用以控制所述第二继电器呈开路或闭路。
4.根据权利要求2所述的车辆串联式混合动力装置，其中，所述第三控制回路具有第三继电器和电阻，所述电池管理系统用以控制所述第三继电器呈开路或闭路。
5.根据权利要求1所述的车辆串联式混合动力装置，其中，所述电池单元还具有电池箱，所述电池源、所述第一控制回路、所述第二控制回路、所述第三控制回路和所述电池管理系统都被设置在所述电池箱中。
6.根据权利要求1所述的车辆串联式混合动力装置，其中，所述电源转换器为AC/DC转换器。
7.根据权利要求1所述的车辆串联式混合动力装置，其中，所述逆变器为半桥逆变器、全桥逆变器或三相桥式逆变器。
8.根据权利要求1所述的车辆串联式混合动力装置，其中，所述启动发电机为永磁同步发电机。
9.一种车辆串联式混合动力装置的控制方法，包含以下步骤：
预先充电步骤，控制电池单元的第三控制回路呈闭路，使所述电池单元的电池源通过所述第三控制回路呈闭路而为电源转换器供电；
充电步骤，当所述电池单元的第二控制回路两端的电压小于预设电压时，则控制所述第二控制回路呈闭路，并控制所述第三控制回路呈开路，使启动发电机通过所述第二控制回路呈闭路而对所述电池源充电；以及
侦错步骤，当所述电源转换器发生故障时，则控制所述第二控制回路呈开路，并控制所述电池单元的第一控制回路呈闭路，以使所述电池源为马达动力单元供电。
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