CN108327707B - 混合动力车辆和用于运行混合动力车辆的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行具有驱动系的混合动力车辆的方法，其中，该驱动系具有内燃发动机、和电动机、以及用于该电动机的驱动电池，其中，该驱动系产生驱动力矩，以便减少排放并提高机动车辆的效能。

Description

混合动力车辆和用于运行混合动力车辆的方法

本发明涉及一种用于运行具有驱动系的混合动力车辆的方法，其中，该驱动系具有内燃发动机、和电动机、以及用于该电动机的驱动电池。此外，本发明涉及一种混合动力车辆。

由US 2016/0082949 A1中已知一种具有柴油发动机和电动机的混合动力车辆。

根据本发明，该用于运行混合动力车辆的方法包括驱动系，其中，该驱动系具有内燃发动机、和电动机、以及用于该电动机的驱动电池，其中，该驱动系产生驱动力矩，其中，

a)如果该内燃发动机的排气温度小于极限温度，或者如果该驱动电池的电量状态小于极限电量状态，则产生该内燃发动机的大于该驱动力矩的机动力矩，并且将该驱动力矩和该内燃发动机的机动力矩之间的差供应给该电动机，

b)如果功率需求小于极限功率需求，则将该内燃发动机的机动力矩设为零，

c)如果驾驶员期望力矩大于该内燃发动机的全负荷力矩和/或最大力矩并且功率需求小于最大功率，或者如果该驾驶员期望力矩与该驱动力矩之间的差大于极限期望力矩，则将该内燃发动机的机动力矩和该电动机的机动力矩设定为大于零，并且

d)如果针对a)至c)的条件未被满足，则将该电动机的机动力矩设为零。

根据本发明的方法可以实现减少广义的排放、尤其是氮氧化物排放以及炭黑，并提高混合动力车辆的效能(即，效率)。

对于根据本发明的方法特别有利的是使用柴油发动机作为内燃发动机，但内燃发动机不仅被理解为借助于柴油燃料运行的往复活塞式发动机、而且被理解为借助于汽油或气体运行的往复活塞式发动机。使用柴油发动机是有利的，因为柴油发动机具有平缓的消耗特性图谱并且柴油发动机的运行不必像在汽油发动机中一样在某种程度上被限制在非常小的运行范围内。

转矩或机动力矩被理解为有效的力矩，即，由内燃发动机或电动机输出并被引入驱动系中的力矩。

在此，不仅化学储存器或蓄电池被理解为驱动电池，驱动电池在此也可以是电容器或适用于储存电能的任何其他装置。

此外，本发明所基于的目的还通过具有控制器和驱动系的混合动力车辆来实现，其中，该驱动系具有内燃发动机、和电动机、以及用于该电动机的驱动电池，其中，该驱动系产生驱动力矩，其中，该控制器被配置成用于实施根据本发明的方法。

借助于以下附图对优选实施例进行更详细的解释。在附图中：

图1示出了混合动力车辆，

图2示出了根据本发明的方法的流程图，并且

图3示出了柴油发动机的转矩特性图谱。

图1示出了具有驱动系的混合动力车辆100，其中，该驱动系具有内燃发动机、和电动机105、以及用于电动机105的驱动电池106，并且其中，该驱动系产生驱动力矩。在这个实施例中，该内燃发动机为柴油发动机101。

柴油发动机101和电动机105由控制器102控制。

柴油发动机101经由燃料导管104从燃料箱103获得燃料。电动机105(与柴油发动机101不同，该电动机不仅可以将电能转换成机械能、而且可以将机械能转换成电能)经由联接导线107被联接到驱动电池106。在此，没有明确地解释可能的逆变器或转换电子设备。不仅在传动器与柴油发动机和电动机之间、而且在柴油发动机与电动机之间可以安排有变速器。

图2示出了根据本发明的用于运行混合动力车辆的方法的实施例的流程图。该方法包括如下步骤：

a)如果柴油发动机101的排气温度小于极限温度，或者如果驱动电池的电量状态小于极限电量状态，则产生柴油发动机101的大于该驱动力矩的机动力矩，并且将该驱动力矩与柴油发动机101的机动力矩之间的差供应给电动机105，

b)如果功率需求小于极限功率需求，则将柴油发动机101的机动力矩设为零，

c)如果驾驶员期望力矩大于柴油发动机101的全负荷力矩和/或最大力矩，或者如果该驾驶员期望力矩与该驱动力矩之间的差大于极限期望力矩，则将柴油发动机101的机动力矩和电动机105的机动力矩设定为大于零，并且

d)如果针对a)至c)的条件未被满足，则将电动机105的机动力矩设为零。

在此，提供了至少四种运行模式：充电运行221、电力运行222、助推运行(Boostbetrieb)223、以及正常运行224。

在充电运行221中，柴油发动机101产生比用于推进所需的转矩更大的转矩。柴油发动机101的机动力矩与用于推进混合动力车辆所需的转矩(即，驱动力矩)之间的差被电动机105接收、转换成电能、并被存储在驱动电池106中。将电能转换成机械能以及相反地将机械能转换成电能分别是有损失的，并且过量的力矩或过量的功率无法达到100％地被存储。

当两个查询中的一个显示为肯定时，则开始充电运行221。一方面，在温度检查210中查询：柴油发动机101的排气温度是否小于极限温度。温度检查210对于在柴油发动机101的排气系统中存在的排气后处理而言是重要的，因为排放物(例如，氮氧化物排放物)的转换效率取决于排气温度。现在，如果排气温度低于具有限定的转换效率的温度(即，极限温度)，则借助于在控制器102中执行的控制来提高柴油发动机101的机动力矩。由此，柴油发动机101的功率也提高。功率提高使得排气温度提高。因此，排气温度提高具有提高排气后处理的转换效率并且减少排放的优点。

然而，由于混合动力车辆100在进入充电运行221时不应改变其行驶状态，因此需要以其他方式来导出过量的发动机功率。这通过借助于电动机105给驱动电池106充电来实现。

另一方面，当电量检查211为肯定时，进入充电运行221。在电量检查211中查询：该驱动电池的电量状态是否小于极限电量状态。由于混合动力车辆100是具有两个可以替代性地或累加地使用的驱动器的车辆，通过使该驱动电池始终具有足够高的电量确保了电动机105作好运行准备。驱动电池106的所限定的最小电量(从该最小电量起变换成充电运行221)与极限电量状态相对应。

如果温度检查210和电量检查211均为否定的，则进行功率检查212。如果功率检查显示为肯定的，则进入电力运行222。在电力运行222中，柴油发动机101的机动力矩被设为零。这通常通过停止柴油发动机101来实现，但是也可通过解除柴油发动机的耦联由此使柴油发动机101与驱动系分离来实现。在电力运行222中，仅经由电动机105实现推进。因此，在电力运行222中，驱动力矩与电动机的机动力矩相对应。驱动力矩是指引入驱动系中的转矩，但是如果可能设有改变转矩的变速器，则很显然，电动机的发动机功率与驱动功率相对应。

当柴油发动机101以非常小的转矩运行时，实施电力运行222。由于在内燃发动机中一般在小转矩时出现效率退化，当柴油发动机101停止并且转变为纯电力行驶运行时，对于混合动力车辆的运行而言是更有效的。

为了进入四个运行范围中的第三个运行范围、即助推运行223，肯定的转矩检查213或替代性地瞬态检查(Transientenprüfung)214是必不可少的。在转矩检查213中确定：驾驶员期望力矩是否大于内燃发动机的全负荷力矩和/或最大力矩。在控制时，驾驶员期望力矩是基于加速踏板位置来确定。在此，还可能得到大于柴油发动机101的最大可能的机动力矩(即，全负荷力矩)、或根据校准而限定的最大机动力矩(即，最大力矩)的驾驶员期望力矩。现在，如果驾驶员期望力矩大于全负荷力矩，则以如下方式控制电动机105：使得该电动机输出正的机动力矩，该正的机动力矩与柴油发动机101的机动力矩一起被引入驱动系中。就此而言，驱动力矩与两个机动力矩的总和相对应。进入助推运行223(在该助推运行中，通过电动机105来支持柴油发动机101)不仅具有可以获得高的加速能力的优点，而且具有可以在柴油发动机101中避免高负荷范围的优点。一般来说，柴油发动机101的上部特性图谱范围、即高转矩范围的突出之处在于：由于非常热的燃烧形成了特别多的氮氧化物。因此，避免高的机动力矩也避免了氮氧化物的高排放。

累加地，在转矩检查213中可以查询：基于驾驶员期望力矩的功率需求是否小于最大功率。在转矩检查213中的这种附加查询应确保：自达到柴油发动机101的最大发动机功率起不通过电动机105进行附加的支持。

替代于此，可以在转矩检查213中查询：基于驾驶员期望力矩的功率需求是否小于电动机的最大功率。由此，可以保护电动机免于过载。

替代性地，还通过瞬态检查214来开始助推运行223。由于在大转矩的情况下和在大转矩梯度的情况下可能出现高排放(如炭黑排放或例如氮氧化物排放)，还有利的是：柴油发动机101在动态运行中得到电动机105的支持。因此，瞬态检查214查询：驾驶员期望力矩与驱动力矩之间的差是否大于极限期望力矩。在控制时，可以校准与针对转矩差的转矩阈值相对应的极限期望力矩。现在，如果转矩跃变超过了转矩阈值，则触发助推运行223。这提供了减少排放并提高驾驶舒适性的优点，因为提供了更高的驱动功率用于加速。因此，可以限制柴油发动机101处的可能的转矩增加(Drehmomentaufbau)或转矩梯度，因为电动机105以支持的方式接入。

如果之前实施的所有检查都是否定的，则进入正常运行224，在该正常运行中柴油发动机101被用作常规的车辆驱动器。因为电动机105没有接入并且因此未输出转矩给驱动系，柴油发动机101的机动力矩与驱动力矩相对应。

在混合动力车辆100运行期间持久地经过所有四个运行范围，由此进行所有检查的不断查询。如果混合动力车辆100开始运行，则可以在任意运行范围中开始。

借助于图3解释了根据本发明的柴油发动机101的实施例的特性图谱范围，该特性图谱范围根据之前描述的流程图被强制获得或避免。根据本发明的方法的主要作用是使得柴油发动机101在其特性图谱中被限制在两个范围上，即正常范围301和功率范围302。在正常范围301中和在功率范围302中的运行不仅允许接通电动机(例如在充电运行221或助推运行223中提供的)，而且允许使用柴油发动机101作为唯一的转矩发生器(例如在正常运行224中提供的)。

正常范围301是如下范围：在该范围中达到可接受的燃料消耗。这个范围典型地在柴油发动机中比在汽油发动机中更宽，因为一旦远离最佳消耗点，比消耗就不太缓慢地增大。正常范围301尤其具有两条有利的运行曲线。在此，消耗力矩311是在正常范围301中的转矩，对于该转矩，取决于发动机转速而存在最小的燃料消耗和二氧化碳排出。通过柴油发动机中的平缓的消耗特性图谱，在整个正常范围301中的运行已经提供了高效率，使得不必一定沿着消耗力矩311来设定机动力矩。

消耗力矩311(也可以被设计为最小消耗轨迹)具有与比燃料消耗的等值线(未示出)垂直相交的特性。但是，消耗力矩311也可以是自由限定的。代替消耗力矩311，还可以限定消耗带或消耗区，该消耗带或消耗区与消耗特性图谱中的区、而不是线相对应。如果对于最小消耗未提出其他条件，则也可以将整个正常范围301限定为消耗区。在这种情况下，用于避免高负荷范围304和过渡范围303的附加机动力矩仅仅在使得柴油发动机101在正常范围301中工作的程度上产生。

现在，如果柴油发动机101的运行点低于消耗力矩311，则如果存在充电运行221，特别有利的是，柴油发动机101的机动力矩的提高程度刚好使得新设定的运行点处于消耗力矩311上。为了实现有利地高的效率，在柴油发动机101(与汽油发动机不同)中已经足以在正常范围301中在消耗力矩311附近设定运行。如已经解释的，这个优点是通过柴油发动机101中的平缓的消耗特性图谱得到的。

当柴油发动机的实际机动力矩高于消耗力矩311或处于该消耗力矩上并被变换到助推运行中时，是同样的情况。于是，机动力矩恰好在以下程度上加载电动机105：即，使得驱动力矩与驾驶员期望力矩相对应并且柴油发动机的机动力矩与消耗力矩311相对应。

就此而言，柴油发动机101的运行点被设定成：使得不接近限定的特性图谱范围。因此，借助于根据本发明的方法尤其避免了高负荷范围304(该高负荷范围位于上方的特性图谱边缘处并被全负荷曲线300限制)以及过渡范围303(该过渡范围位于正常范围301下方)。

当排气温度低于极限温度时，还可以设定充电运行221。在此重要的是：使柴油发动机101的未处理排放物保持尽可能少，因为排气后处理还未达到完全的运行准备就绪。这尤其地涉及氮氧化物的排出。

排放力矩313给出了柴油发动机101的排气或未处理排气中具有最小氮氧化物排出的点。在充电运行221中，如果充电运行是由于低的排气温度而设定的，则以如下方式提高柴油发动机101的机动力矩：即，使得机动力矩与排放力矩313相对应。该运行策略也可扩展到高于排放力矩313的机动力矩，其中，在低的排气温度的情况下也可以设定助推运行223。在这种情况下，柴油发动机101的机动力矩通过电动机105的支持从高的机动力矩被带到排放力矩313。

在高负荷范围304中，典型地排放了非常多的氮氧化物，这即使在达到运行温度之后对于排气后处理而言也可能是有问题的。因此优选地，通过设定助推运行223或(如果助推运行223不可行且无法选择替代性的变速器挡位)通过限制柴油发动机101的机动力矩来离开高负荷范围304。就此而言，不是已经在驾驶员期望力矩超过全负荷曲线300时、而是还替代性地或累加地当驾驶员期望力矩超过最大力矩时，设定助推运行223。在此，该最大力矩对应于正常范围301的上边界，即，在启动范围305、高负荷范围304、以及功率范围302、和正常范围301之间的边界曲线。

在启动范围305中和高转速范围306中的转速和转矩主要通过位于驱动系中的变速器的适当换挡策略来避免。如果需要在启动范围305内的转矩，则以如下方式设计对该变速器的控制：即，回挡到较低的变速器挡位中。由此，柴油发动机101的转速提高并且避免了启动范围305。当启动范围305与正常范围301之间的边界具有倾斜度时，也可以借助于助推运行223离开启动范围305。

在高转速范围306中是相反的情况，在该高转速范围中，控制是选择适合的较高挡位，以便降低柴油发动机101的转速并且再次到达正常范围301中。

由于根据图3，具有相同发动机功率的点在转矩特性图谱中分别位于双曲线上，因此不仅可以通过选择充电运行221、而且可以通过选择适合的变速器挡位来实现避免过渡范围303。

在过渡范围303之下，特性图谱由低负荷范围307界定。低负荷范围307典型地(如在汽油发动机中)也具有非常高的比燃料消耗并且为了柴油发动机101的有效运行是必须避免的。

在低负荷范围307中优选地设定电力运行222，使得柴油发动机101停止并且混合动力车辆100的推进仅通过电动机105来实现。就此而言，当柴油发动机101的运行点位于低负荷范围307中时，电动机105的机动力矩被设为与驱动力矩相等并且柴油发动机101的机动力矩被设为零。在低负荷范围307和过渡范围303之间的边界因此形成了极限转矩，低于该极限转矩使得开始电力运行222。

如果需要高的功率，则除了在正常范围301中运行柴油发动机101之外，还提供了功率范围302。如上文已经解释的，功率范围302被高转速范围306限制为较小转矩。在高转速范围306中输出的功率即使在较小的转速和较高的转矩的情况下也可以通过选择适合的变速器挡位被调用。

功率范围302还具有功率力矩312，该功率转矩可以通过选择适合的运行范围来达到。功率力矩312是使得在功率、消耗、和排放之间形成最佳折中的机动力矩。如果驾驶员期望力矩超过功率力矩312，则可以变换到助推运行223。于是，将柴油发动机312的机动力矩设定为使得柴油发动机的机动力矩处于功率力矩312上。但是在任何情况下，当驾驶员期望力矩高于在功率范围302中可获得的最大转矩时，设定助推运行223。功率范围302中的最大转矩是由全负荷力矩300以及功率范围302相对于高负荷范围304的界限而得出的。

在功率范围302中，也可以设定充电运行221。这不仅在驾驶员期望力矩低于功率范围302时实现，而且累加于此还可以在驾驶员期望力矩仍处于功率范围302中、但低于功率力矩312时实现。

在正常范围301或功率范围302中设定充电运行221或助推运行223是取决于驱动电池106的充电状态。因此，在低于极限电量状态时助推运行223是不可行的并且在达到最大电量状态时充电运行221是不可行的。

由于柴油发动机101的典型的消耗，在消耗最佳点处不一定提供有效运行。柴油发动机的消耗特性图谱在处于正常范围301中的最佳点周围是相对平缓的，使得与最佳点的偏差不一定导致大的效率损失并且因此不必强制地将运行点设定到消耗力矩311上，因为达到正常范围301对于具有柴油发动机101的混合动力车辆100而言已经是有利的。

在低负荷范围307中以及在过渡范围303中是同样的情况。由于柴油发动机大多情况下在运行期间由于品质控制而没有节流，与在汽油发动机中相比，在这些范围中也产生不太差的消耗。就此而言，对于混合动力车辆100而言已经很有利的是：如已经解释的，整个运行范围整体被限制到正常范围301和功率范围302上并且不仅仅被限制到最佳点上。

除了消耗缺点和排放缺点之外，尤其还可以避免成本缺点，因为不仅可以省去用于制造柴油发动机101的部件的高的技术耗费而且可以省去高的开发耗费，因为对于所避免的运行范围，密集的设定工作和要符合要求的高品质部件都不是必要的。

根据本发明的方法不仅仅限制于柴油发动机101和电动机105共同地且在转速意义上刚性地作用到驱动系上的一种并联式混合。此外，还可以设想功率分流式混合，但是也可以设想串联式混合。

应理解的是，所描述的解决方案也可以进行组合，以便能够对应累加地实现这些优点。

Claims (6)

1.一种用于运行具有驱动系的混合动力车辆(100)的方法，其中，该驱动系具有内燃发动机(101)、和电动机(105)、以及用于该电动机(105)的驱动电池(106)，其中，该驱动系产生驱动力矩，其中，

a)如果该内燃发动机(101)的排气温度小于极限温度，或者如果该驱动电池(106)的电量状态小于极限电量状态，则产生该内燃发动机(101)的大于该驱动力矩的机动力矩，并且将在该驱动力矩与该内燃发动机(101)的机动力矩之间的差供应给该电动机(105)，

b)如果功率需求小于极限功率需求，则将该内燃发动机(101)的机动力矩设为零，

c)如果驾驶员期望力矩大于该内燃发动机(101)的全负荷力矩(300)和/或最大力矩，或者如果该驾驶员期望力矩与该驱动力矩之间的差大于极限期望力矩，则将该内燃发动机(101)的机动力矩和该电动机(105)的机动力矩设定为大于零，并且

d)如果针对a)至c)的条件未被满足，则将该电动机(105)的机动力矩设为零。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，使用柴油发动机(101)作为内燃发动机(101)。

3.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，如果该内燃发动机(101)的排气温度小于极限温度，则将该内燃发动机(101)的机动力矩设为排放力矩(313)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，该排放力矩(313)与具有最小氮氧化物排出量的机动力矩相对应。

5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，如果驾驶员期望力矩大于该内燃发动机的全负荷力矩(300)和/或最大力矩并且功率需求小于最大功率，或者如果该驾驶员期望力矩与该驱动力矩的差大于极限期望力矩，则将该内燃发动机(101)的机动力矩和该电动机(105)的机动力矩设定为大于零。

6.一种混合动力车辆(100)，该混合动力车辆具有控制器(102)和驱动系，其中，该驱动系具有内燃发动机(101)、和电动机(105)、以及用于该电动机(105)的驱动电池(106)，其中，该驱动系产生驱动力矩，其中，该控制器(102)被配置成用于实施根据前述权利要求之一所述的方法。

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