CN110392774B - 电动机-发电机系统 - Google Patents

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Abstract

一种电动机‑发电机系统，包括：内燃机；电动机‑发电机，其通过环形带与内燃机驱动接合；控制器，其检测内燃机的转速信号、驾驶员输入信号、电池状态信号以及电动机‑发电机信号；电动机‑发电机可操作以便根据控制器指令以预定的频率为内燃机提供电动驱动转矩或负载转矩；以及所述控制器以大于1Hz的频率控制电动机‑发电机转矩，使得当内燃机加速时，施加电动驱动转矩以便加速电动机‑发电机的旋转，并且当内燃机减速时，施加负载转矩以便减速电动机‑发电机的旋转，以使得控制电动机‑发电机的旋转来减弱系统振动。

Description

电动机-发电机系统
技术领域
本发明涉及一种电动机-发电机系统，更具体地，涉及一种控制器，该控制器以大于1Hz的频率控制电动机-发电机的转矩，使得当内燃机加速时，施加电动驱动转矩以便加速电动机-发电机的旋转，并且当内燃机减速时，施加负载转矩以便减速电动机-发电机的旋转，使得控制电动机-发电机的旋转来减弱系统振动。
背景技术
内燃机燃烧空气/燃料混合物来驱动活塞，该活塞可旋转地转动曲轴以生成驱动转矩。驱动转矩从曲轴被传递至传动系统以便推进车辆。可以使用电动机来暂时为轻度混合动力车辆提供动力，这可以容许发动机被周期性地关闭以减少燃料消耗。轻度混合动力车辆的一个示例是具有发动机以及带驱动式起动发电机(BSG：belt-driven startergenerator)的车辆。发动机的曲轴联接至曲轴带轮，并且BSG经由带而联接至曲轴带轮。当发动机在一段时间不活动之后需要重新起动时，BSG可以使用带来转动曲轴以便快速且平稳地重新起动发动机。
多肋带通常被用在机动车辆上以便在发动机与辅助部件之间传递动力。在传统的驱动装置上，发动机曲轴带轮经由一个或多个带来驱动附件。当经由带来驱动多个附件时，通常使用张紧器。
近年来，实施了电动机-发电机单元(MGU：motor-generator units)来进行BSG发动机起停以便提供转矩来辅助提升发动机加速度，以及进行回收以生成除了通常由交流发电机执行的正常的发电之外的电力。BSG可以实现显著的燃料节约以及废气的减少。
为了控制两种不同的模式：电动驱动模式(MGU驱动)以及发电模式(发动机驱动)中的张力，经常将一组张紧器设计用于BSG驱动装置。所述设计的共同特征是张紧器具有通过一个弹簧连接的两个臂。这些张紧器可以控制两种模式(电动驱动模式和发电模式)下的带张力。由于所述两个臂的运动经由一个弹簧联接，因此系统的第一频率被显著地降低，该第一频率通常低于怠速时的发动机点火频率，并且带驱动装置的振动在正常的运行转速范围内被显著地降低。
然而，在发动机钥匙起动期间，当发动机转速点火频率经过降低的系统频率时，使用这种类型的张紧器的带驱动装置表现出高的系统振动，从而产生与NVH问题相关的系统共振。为了减弱使用MGU的带驱动装置的系统振动，需要对MGU转矩进行特殊控制以控制MGU运动。
BSG驱动装置可以独立实施以成为轻度混合动力系统，或者与集成的起动发电机系统(ISG)一起运行作为混合动力系统。当驾驶员加速以便加速车辆时，BSG驱动装置中的MGU生成驱动转矩，这消耗来自电池的动力以便起动发动机或提升发动机的加速度。所述MGU还充当交流发电机或发电机，施加负载转矩以生成电力来对电池充电：回收或正常的发电。回收生成通常在制动操作中看到的高转矩负载以及高电力以及当驾驶员的脚离开踏板时生成适度的负载。
在驱动或发电模式中，由多个因素控制来自MGU的转矩大小。例如，当驾驶员非常猛烈地加速时的提速操作中的较高的驱动转矩；或者当驾驶员需要猛烈制动时的回收操作中的较高的负载转矩。存在一个共同特征：来自MGU的转矩(驱动或加载)的方向并不会改变直至驾驶员改变发动机的运行要求。
内燃机的旋转速度在其平均速度附近波动。发动机转速的波动被称为角振动(AV)。例如，以750rpm的平均速度运行的4缸发动机在25Hz的点火频率下可以具有60rpm的AV。对于BSG驱动装置的正常控制而言，发动机平均速度是主要因素。发动机/车辆加速度/减速度是指平均速度。
现有技术的BSG系统被用于转矩提升，其中BSG提供起动转矩或额外的驱动转矩以便补充IC发动机的转矩输出。
本领域的代表是美国专利9,303,571，其公开了一种响应于转矩请求而确定来自发动机系统的所需的转矩输出的方法，所述发动机系统包含发动机以及带驱动式起动发电机(BSG)。所述方法可以包含确定当前的发动机转矩能力。当所需的转矩输出大于当前的发动机转矩能力时，所述方法可以包含(i)确定最大发动机转矩能力，(ii)确定当前的BSG转矩能力，(iii)基于所需的转矩输出与最大发动机转矩能力之间的差以及基于被构造成为BSG提供动力的电池系统的状态来命令BSG作为转矩发生器(torque generator)或者转矩消耗器(torque consumer)而运行，以及(iv)控制发动机和BSG以便在发动机的飞轮处协同生成所需的转矩输出。
所需要的是一种控制器，其以大于1Hz的频率来控制电动机-发电机转矩，使得当内燃机加速时，施加电动驱动转矩以加速电动机-发电机的旋转，并且当所述内燃机减速时，施加负载转矩以减速电动机-发电机的旋转，以使得控制电动机-发电机的旋转来减弱系统振动。本发明满足该需要。
发明内容
本发明的主要方面是提供一种控制器，其以大于1Hz的频率控制电动机-发电机转矩，使得当所述内燃机加速时，施加电动驱动转矩以便加速电动机-发电机的旋转，并且当所述内燃机减速时，施加负载转矩以便减速电动机-发电机的旋转，以使得控制电动机-发电机的旋转来减弱系统振动。
通过对本发明的以下描述和附图将指出本发明的其它方面或将使得本发明的其它方面变得显而易见。
本发明包括一种电动机-发电机系统，所述电动机-发电机系统包括：内燃机；电动机-发电机，其通过环形带、电动机-发电机与所述内燃机驱动接合；控制器，其检测所述内燃机的转速信号、驾驶员输入信号、电池状态信号以及电动机-发电机信号；所述电动机-发电机能够被操作以便根据控制器的指令以预定的频率为所述内燃机提供电动驱动转矩或负载转矩；以及所述控制器以大于1Hz的频率控制电动机-发电机的转矩，使得当所述内燃机加速时，施加电动驱动转矩以便加速电动机-发电机的旋转，并且当所述内燃机减速时，施加负载转矩以便减速电动机-发电机的旋转，以使得控制电动机-发电机的旋转来减弱系统振动。
附图说明
包含于说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的优选实施例，并且与说明书一起用来解释说明本发明的原理。
图1为BSG系统的示意图。
图2为控制示意图。
图3为联接的张紧器。
图4a为系统振动图。
图4b为系统频率图表。
图4c为系统的示意图。
图4d为系统的示意图。
图4e为系统的示意图。
图4f为系统的示意图。
图5a为示出了发动机起动期间的曲轴旋转速度的图。
图5b为示出了发动机起动期间的张紧器的底座臂运动的图。
图5c为示出了发动机起动期间的张紧器的侧臂运动的图。
图6为示出了发动机起动期间的MGU发动机转速和波动的图。
图7为MGU控制流程图。
图8为示出了MGU转矩对时间的关系的图。
图9为示出张紧器的臂运动的图。
具体实施方式
现在参考图1，示出发动机系统100的示例图。发动机系统100包括内燃机104(下文中称为“发动机104”)。发动机104可以是构造成燃烧空气/燃料混合物以生成驱动转矩的任何合适的发动机(电火花点火式发动机，柴油发动机，均质充量压缩点火式发动机等等)。燃料可以为汽油、柴油、或其他合适的可燃燃料(乙醇、天然气、丙烷、氢气等等)。发动机系统100可以在车辆中实施，并且发动机104所生成的驱动转矩被用于利用传动部件和合适的传动系统部件来推进车辆。
发动机104通过由节气门116调节的进气系统112而将空气抽吸至进气歧管108中。进气歧管108中的空气被分配至多个缸120并且与来自燃料喷射器(未示出)的燃料(例如汽油)相结合以产生空气/燃料混合物。发动机104可以包含任何数量的缸。空气/燃料混合物在缸120内被压缩和燃烧，以便驱动活塞(未示出)，所述活塞可旋转地转动曲轴128以便生成驱动转矩。点火控制器(IC)124控制空气/燃料混合物的燃烧的正时，例如，火花塞的正时。驱动转矩从曲轴128被传递至车辆的传动系统部件。
发动机系统100包含电动机-发电机单元(MGU)136。MGU 136经由带140、通过轴153而联接至曲轴128。轴153包括与带140接合的带轮(未示出)。驱动转矩经由带140而被部分地传递至MGU 136，其中MGU 136作为“转矩消耗器”运行。类似地，在另一运行模式中，MGU136经由带140驱动曲轴128，例如，在发动机重新起动或加速期间。在该模式中，MGU为“转矩发生器”。MGU 136可以由电池系统144提供动力。电池系统144可以包括单个电池，例如典型的12伏铅酸汽车电池，或者所述电池系统可以包括包括有多个电池的电池组，例如48伏锂离子电池组。张紧器400通过带轮401和402接合带140，参见图3。张紧器400对带140施加带负载以便在带140中维持适当的张力，由此动力从曲轴128被传递至各个从动附件。
MGU 136包括电动机(EM)148和交流发电机(ALT)152。当MGU 136驱动曲轴128时，电动机148由电池系统144提供动力。因此，MGU 136作为转矩发生器运行的能力取决于电池系统144的状态。例如，当电池系统144的充电状态(SOC)低于预定阈值时，可以禁止MGU 136作为转矩发生器运行。替代地，当MGU136由曲轴128驱动时，该MGU生成用来对电池系统144再充电的电流。
发动机104基于经由驾驶员输入装置156(例如，加速器踏板)的驾驶员输入而产生所需的转矩。驾驶员输入可以代表用于发动机系统100的转矩请求。控制器160控制发动机系统100的运行，以及更具体地，该控制器控制发动机系统100的部件以满足所述转矩请求。控制器160通过控制节气门116来控制气流，并且通过控制点火控制器124来控制点火正时。控制器160还通过根据特定的工作循环并且使用来自电池系统144的电流来选择性地为电动机148提供动力从而控制MGU 136，这将在下面更详细地描述。
现在参考图2，示出控制器160的示例性功能框图。控制器160包含通信装置200、处理器204、以及存储器208。存储器208可以包括被构造成储存用于控制器160的代码和信息的任何合适的存储介质。例如，存储器208可以储存用于电池系统144和/或MGU转矩系数的预定阈值(多个预定阈值)，这将在下面更详细地描述。
控制器160检测内燃机104的转速信号、驾驶员输入信号156、电池状态信号144、电动机-发电机状态信号136以及节气门位置信号116。
通信装置200可以包含任何合适的部件(例如收发器)，其被构造成经由控制器区域网络(CAN)而与发动机系统100的部件(节气门116、点火控制器124、MGU 136、电池系统144、驾驶员输入装置156等等)通信。应当理解的是，通信装置200还可以构造成经由另外的网络(比如局域网(LAN)，例如蓝牙通信；或者广域网(WAN)，例如因特网)而与其它部件(远程服务器、移动电话、另一车辆等等)通信。
处理器204被构造成控制控制器160的运行。功能可以包含但不限于：加载/执行控制器160的操作系统、控制经由通信装置200发送的信息、处理经由通信装置200接收的信息以及控制存储器208处的读/写操作。处理器204还可以完全或部分地执行转矩管理技术。
处理器204响应于转矩请求而确定来自发动机系统100的所需的转矩输出(T所需)。转矩请求可以基于经由驾驶员输入装置156的驾驶员输入。来自发动机系统100的所需的转矩输出代表发动机104在曲轴128处的所需的转矩。可以从发动机104或者发动机104与作为转矩发生器运行的MGU 136的组合来提供曲轴128处的转矩。
处理器204可以确定当前的发动机转矩能力(ET当前)。当前的发动机转矩能力代表发动机104在当前运行参数(驾驶员输入、节气门位置、点火定时等等)下的转矩能力。
然后，处理器204确定发动机系统100的所需的转矩输出是否大于当前的发动机转矩能力。当发动机系统100的所需的转矩输出小于或等于当前的发动机转矩能力时，处理器204经由通信装置200控制发动机104以在飞轮132处生成所需的转矩输出。当所需的转矩输出大于当前的发动机转矩能力时，处理器204确定出最大发动机转矩能力。最大发动机转矩能力代表发动机104在任何运行条件下的最大转矩能力。处理器204确定当前的MGU转矩能力。当前的MGU转矩能力包括MGU 136在当前的运行条件下的转矩能力。
处理器204基于(i)发动机系统100的所需的转矩输出与最大发动机转矩能力之间的差以及基于(ii)电池系统144的充电状态而经由通信装置200来命令MGU 136作为转矩发生器或转矩消耗器运行。当电池系统144的充电状态指示MGU 136将不能够作为转矩发生器运行以在曲轴128处生成转矩时，处理器204命令MGU 136作为转矩消耗器(转矩负载)运行。类似地，当电池系统144的状态指示MGU 136将能够作为转矩发生器运行以在合适的时间段内、在曲轴128处生成转矩时，处理器204可以命令MGU 136作为转矩发生器运行。还可能存在电池系统144的这样的状态，在该些状态中，MGU 136可以作为转矩发生器或转矩消耗器运行。
在确定是将MGU 136作为转矩发生器还是转矩消耗器运行之后，处理器204经由通信装置200控制发动机104和MGU 136，以便在发动机104的飞轮132处协同生成所需的转矩输出。在某些情况下，MGU136可能能够在飞轮132处生成足够的转矩，以使得发动机104可以继续在当前的运行参数(节气门位置、点火正时等等)下运行。在其它情况下，如果需要，处理器204可以调节发动机104的运行参数以便增加所述发动机在飞轮132处的转矩输出直至最大发动机转矩能力。更具体地，处理器204可以经由通信装置200控制发动机104，以便在MGU 136被命令作为转矩消耗器运行时在飞轮132处生成(i)所需的转矩输出与(ii)当前的MGU转矩能力的一部分的和。替代地，处理器204可以经由通信装置200控制发动机104以便在MGU 136被命令作为转矩发生器运行时生成(i)所需的转矩输出与(ii)当前的MGU转矩能力的一部分之间的差。
图3为联接的张紧器。联接的张紧器400通常被实施为用于MGU驱动装置。联接的张紧器通常被固定至MGU 136并且接合带140，参见图4f。联接的张紧器(也被称为轨道张紧器)通常包括双臂单弹簧功能。底座臂401a围绕底座403旋转。侧臂402a在底座臂401a上枢转。底座臂401a和侧臂402a被偏置以利用扭力弹簧(未示出)施加带负载。每个带轮401、402接合带140的一段以便在带140中维持适当的张力。MGU 136的轴153凸出通过张紧器400的中心部分。带140接合安装至轴153的带轮(未示出)。
带传动装置的第一自然频率显著地低于锁定-中心驱动装置(lock-centerdrive)或单个张紧器的自然频率。如图4a中所示，在联接的(CPL)张紧器的情况下，第一系统频率降低至11Hz。第一系统频率通常远低于发动机怠速时的发动机点火频率。例如，3缸发动机在800rpm下的点火频率为20Hz。对于在800rpm下点火的4缸发动机，频率为26.7Hz。因此，主要的系统共振不会在正常的发动机转速范围内发生。
然而，在发动机起动期间，无论是在钥匙起动期间还是低转速MGU起动期间，发动机开始以低于共振转速的速度点火。结果，当发动机转速经过共振转速时，将存在系统共振，从而产生过大的系统振动。
图4b为示出不同类型的张紧器的第一系统频率的图表。“固定式”指的是如图4c中所示的固定的惰轮A、B。在图4c中，曲轴带轮500通过带140而与辅助带轮600和MGU转子带轮175接合。“单张紧”指的是如图4d中所示的单臂张紧器。“双张紧”指的是如图4e中所示的两个独立的张紧器。
“CPL张紧”指的是如图4f中示意性示出的联接的张紧器400。在图3中描述了联接的张紧器400。张紧器400的每个臂接合带段B1和B2。张紧器400被安装至MGU 136。
图5中示出的是在配备有双质量飞轮的4缸柴油发动机的钥匙起动期间所测量的发动机转速和张紧器臂的振动。图5a示出了曲轴旋转速度。图5b示出了张紧器的底座臂401a的角度与时间的关系。图5c示出了张紧器的侧臂402a的角度与时间的关系。
带有联接的张紧器的MGU驱动装置在400rpm附近共振。联接的张紧器的底座臂具有55°的峰值-峰值振动，并且侧臂具有40°的峰值-峰值振动；两者均超过耐久性的设计极限。峰值带张力以及轮毂负载也高于可容许的极限。
过大的系统振动归因于1)高的发动机转速波动或角振动以及2)MGU的较高的有效惯性力矩，以及3)系统共振频率附近的发动机转速。在发动机起动的情况下，振动为第一系统共振。
由于MGU转子运动以及其惯性转矩为系统动态特性过大的主要因素，因此目的是使用MGU转矩来根据发动机转速来使MGU转子旋转。即，当发动机加速时，施加电动驱动转矩以便使MGU转子加速。当发动机减速时，施加负载转矩以便使MGU转子减速。用于振动减弱的这些MGU的作用不仅适用于发动机起动，而且适用于当MGU驱动装置具有振动问题时的其它发动机操作。
参考图6，其示出MGU转子速度与时间的关系，为了经由MGU转矩控制实现振动衰减(减弱)，测量发动机转速并且计算所需的MGU加速度/减速度。根据由MGU加速/减速所计算的惯性转矩来施加MGU转矩，所述惯性转矩被认为是(CRK加速度/减速度×速度比×MGU转子的惯量)。例如，对于CRK加速度＝20,000rpm/s或2094rad/s^2，速度比为2.6，以及MGU转子惯量为0.0045kg-m^2，MGU转子的惯性转矩为24.5Nm。
按如下方式控制MGU转矩：
1)当MGU惯性转矩小于所需的阈值转矩(TQ)时不进行作用；加速时为+TQ(通常顺时针方向作为发动机旋转方向)并且减速时为-TQ(逆时针方向)。
2)当惯性转矩达到或超过阈值TQ时，该MGU转矩作为恒定的或变化的转矩由MGU施加。在加速时作为电动驱动转矩或驱动转矩施加并且在减速时被作为负载转矩施加。
图7中示出的是MGU转矩控制流程图。首先，测量发动机转速和MGU速度(201)。由控制器计算MGU速度和发动机转速的速度比(202)。然后，由控制器计算合适的MGU加速度/减速度(203)。然后，由控制器计算MGU惯性转矩(205)。如果惯性转矩大于阈值转矩(206)，则根据控制器的命令由MGU施加驱动转矩(208)。如果惯性转矩小于阈值转矩(207)，则根据控制器的命令由MGU施加负载转矩(209)。
图8中示出的是发动机起动期间的MGU作用转矩的一个示例。该图表示出作为时间的函数的以Nm为单位的MGU转矩。
图9中示出的是通过MGU转矩作用减小的张紧器臂振动的示例。特别地，底座臂401a的振动减小29％，并且侧臂402a的振动减小54％。通过控制器以大于约1Hz的频率对系统施加MGU转矩作用调节。例如，在图9中，频率大约为18Hz，其大于10Hz。MGU转矩作用频率小于约50Hz，因为当RPM较低时，在发动机起动时最需要振动减弱。
一种电动机-发电机系统，包括：内燃机；电动机-发电机，其通过环形带、电动机-发电机与所述内燃机驱动接合；控制器，其检测所述内燃机的转速信号、驾驶员输入信号，电池状态信号以及电动机-发电机信号；所述电动机-发电机可操作以根据控制器指令以预定的频率为所述内燃机提供电动驱动转矩或负载转矩；以及所述控制器以大于1Hz的频率控制电动机-发电机转矩，使得当所述内燃机加速时，施加电动驱动转矩以便加速电动机-发电机的旋转，并且当所述内燃机减速时，施加负载转矩以便减速电动机-发电机的旋转，以使得控制电动机-发电机的旋转来减弱系统振动。
尽管已经在本文中描述了本发明的形式，但是对于本领域技术人员而言，显而易见的是，在不脱离本文中所描述的发明的精神和范围的情况下，可以对部件的构造和关系做出改变。

Claims (6)

1.一种电动机-发电机系统，所述电动机-发电机系统包括：
内燃机；
电动机-发电机，其通过环形带与所述内燃机驱动接合；
控制器，其检测所述内燃机的转速信号、驾驶员输入信号、电池状态信号以及电动机-发电机信号；
所述电动机-发电机能够操作以便根据控制器的指令以预定的旋转振动频率为所述内燃机提供电动驱动转矩或负载转矩；以及
所述控制器以大于1Hz的频率控制电动机-发电机转矩，使得当所述内燃机加速时，施加电动驱动转矩以便加速电动机-发电机的旋转，并且当所述内燃机减速时，施加负载转矩以便减速电动机-发电机的旋转，以使得控制电动机-发电机的旋转来减弱系统振动。
2.根据权利要求1所述的电动机-发电机系统，其还包括将所述环形带的两段进行接合的张紧器。
3.根据权利要求2所述的电动机-发电机系统，其中，联接的所述张紧器被安装至所述电动机-发电机。
4.根据权利要求1所述的电动机-发电机系统，其中，所述控制器还接收节气门位置信号。
5.根据权利要求1所述的电动机-发电机系统，其中，所述频率小于50Hz。
6.根据权利要求1所述的电动机-发电机系统，其中，所述频率小于30Hz。
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