CN110641452A - 混合动力车辆 - Google Patents

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晓红·尼娜·段
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Abstract

本公开提供了“混合动力车辆”。一种车辆包括电机、电池、冷却器和控制器。所述电机被配置成推进所述车辆。所述电池被配置成给所述电机供电。所述冷却器被配置成冷却所述电池。所述控制器被编程为响应于所述车辆在预定路线上从第一位置行进到第二位置，操作电机，使得电池剩余电量在到达所述第二位置时从所述第一位置处的初始剩余电量耗尽到最小电池剩余电量极限。所述控制器还被编程为响应于所述车辆在预定路线上从第一位置行进到第二位置，操作所述冷却器，使得电池温度从所述第一位置处的初始温度增大到所述第二位置处的电池关断温度极限。

Description

混合动力车辆
技术领域
本公开涉及电动车辆和混合动力车辆、以及用于电动车辆和混合动力车辆的控制系统。
背景技术
电动车辆和混合动力车辆可利用至少一个电力源(诸如电机)来推进车辆。
发明内容
一种车辆包括电机、电池、冷却器和控制器。所述电机被配置成推进所述车辆。所述电池被配置成给所述电机供电。所述冷却器被配置成冷却所述电池。所述控制器被编程为响应于所述车辆在预定路线上从第一位置行进到第二位置，操作电机，使得电池剩余电量在到达所述第二位置时从所述第一位置处的初始剩余电量耗尽到最小电池剩余电量极限。所述控制器还被编程为响应于所述车辆在预定路线上从第一位置行进到第二位置，操作所述冷却器，使得电池温度从所述第一位置处的初始温度增大到所述第二位置处的电池关断温度极限。
一种车辆包括电池、电机、电池冷却器和控制器。所述电池给所述电机供电以推进所述车辆。所述控制器被编程为响应于车辆在预定路线上行驶至目的地，操作所述电机和冷却器，使得在到达所述目的地时电池剩余电量耗尽到剩余电量下限并且电池温度增大到温度上限。
一种车辆包括电机、电池、冷却系统和控制器。所述电池被配置成给所述电机供电。所述冷却系统被配置成从所述电池移除由所述电池放电产生的热量。所述控制器被编程为响应于所述车辆在预定路线上从第一位置行进到第二位置，经由所述电机推进所述车辆并操作所述冷却系统，使得所述电池剩余电量从所述第一位置的初始剩余电量减小到所述第二位置的降低的剩余电量，并且使得电池温度从所述第一位置处的初始温度单调增大到所述第二位置处的温度上限。
附图说明
图1是混合动力电动车辆的代表性动力传动系统的示意图；
图2是示出电池温度相对于沿着预定路线行进的距离的示例最佳温度曲线的曲线图；
图3是示出电池的热对流系数相对于用于冷却电池的功率的曲线图；
图4是示出用于调节电池冷却系统输出的控制系统的控制图；
图5是示出用于调节电池冷却系统输出的控制系统的替代实施例的流程图。
具体实施方式
本文描述了本公开的实施例。然而，应理解，所公开的实施例仅仅是示例并且其他实施例可以采用各种形式和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而是仅仅作为教导本领域技术人员以不同方式采用这些实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任何一个附图示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中示出的特征进行组合，以产生未明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供了典型应用的代表性实施例。然而，对于特定应用或实现方式，可能需要根据本公开的教导对这些特征做出各种组合和修改。
参考图1，示出了根据本公开的一个实施例的具有并联混合动力传动系统的示意性混合动力电动车辆(HEV)10的示意图。图1说明了部件之间的代表性关系。车辆内部件的实体布局和定向可以变化。HEV 10包括动力传动系统12。动力传动系统12包括驱动变速器16的发动机14，所述变速器可以被称为模块化混合动力变速器(MHT)。变速器16可以经由变速器挡位选择器而置于PRNDSL(驻车挡、倒挡、空挡、驱动挡、运动挡、低挡)中。如下文将进一步详细描述的，变速器16包括诸如电动马达/发电机(M/G)18的电机、相关联的动力电池20、变矩器22以及多级传动比变速器或齿轮箱24。
发动机14和M/G 18都是HEV 10的驱动源，被配置为用于推进HEV 10。发动机14通常表示动力源，其可包括内燃发动机(例如汽油、柴油或天然气供能的发动机)或燃料电池。当发动机14与M/G 18之间的分离离合器26至少部分地接合时，发动机14产生发动机功率和对应的发动机扭矩，所述发动机扭矩被提供给M/G 18。M/G 18可以由多种类型的电机中的任何一种实现。例如，M/G 18可以是永磁同步马达。功率电子器件将电池20提供的直流(DC)电力调节为M/G 18的需求，如下所述。例如，功率电子器件可以向M/G 18提供三相交流(AC)。
当分离离合器26至少部分地接合时，从发动机14到M/G 18的功率流或从M/G 18到发动机14的功率流是可能的。例如，分离离合器26可以接合，并且M/G 18可以充当发电机以将由曲轴28和M/G轴30提供的旋转能量转换成电能，以存储在电池20中。分离离合器26也可以断开以将发动机14与动力传动系统12的其余部分隔离，使得M/G 18可以充当HEV 10的唯一驱动源。轴30延伸穿过M/G 18。M/G 18连续可驱动地连接到轴30，而发动机14仅在分离离合器26至少部分地接合时可驱动地连接到轴30。
M/G 18经由轴30连接到变矩器22。因此，当分离离合器26至少部分地接合时，变矩器22连接到发动机14。变矩器22包括固定到M/G轴30的泵轮和固定到变速器输入轴32的涡轮。变矩器22因此在轴30与变速器输入轴32之间提供液压联接。当泵轮比涡轮旋转得更快时，变矩器22将功率从泵轮传输到涡轮。涡轮扭矩和泵轮扭矩的大小通常取决于相对速度。当泵轮速度与涡轮速度之比足够高时，涡轮扭矩是泵轮扭矩的倍数。还可以提供变矩器旁通离合器34(也称为变矩器锁止离合器)，其在接合时摩擦地或机械地联接变矩器22的泵轮和涡轮，从而允许更高效的功率传递。变矩器旁通离合器34可以充当起步离合器，以提供平稳的车辆起步。可选地或组合地，类似于分离离合器26的起步离合器可以设置在M/G 18与齿轮箱24之间，以用于不包括变矩器22或变矩器旁通离合器34的应用。在一些应用中，分离离合器26通常被称为上游离合器，而起步离合器34(其可以是变矩器旁通离合器)通常被称为下游离合器。
齿轮箱24可包括齿轮组(未示出)，齿轮组通过选择性地接合诸如离合器和制动器(未示出)的摩擦元件而选择性地置于不同的传动比中，以建立所需的多个离散传动比或多级传动比。摩擦元件可通过换挡计划来控制，该换挡计划连接和断开齿轮组的某些元件以控制变速器输出轴36和变速器输入轴32之间的传动比。基于各种车辆和环境操作条件，齿轮箱24通过相关联的控制器(例如动力传动系统控制单元(PCU))自动地从一个传动比切换到另一个传动比。来自发动机14和M/G 18这两者的功率和扭矩可以被输送到齿轮箱24并由齿轮箱接收。齿轮箱24然后将动力传动系统输出功率和扭矩提供给输出轴36。
应当理解，与变矩器22一起使用的液压控制的齿轮箱24仅仅是齿轮箱或传动装置的一个示例；接受来自发动机和/或马达的输入扭矩然后以不同传动比向输出轴提供扭矩的任何多传动比齿轮箱都可用于本公开的实施例。例如，齿轮箱24可以通过自动机械(或手动)变速器(AMT)实现，该变速器包括一个或多个伺服马达以沿换挡导轨平移/旋转换挡拨叉以选择所需的传动比。如本领域普通技术人员通常所理解的，AMT可用于例如具有更高扭矩要求的应用中。
如图1的代表性实施例所示，输出轴36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驱动一对驱动轮42。差速器向每个车轮42传递大致相等的扭矩，同时允许轻微的转速差，例如当车辆转弯时。可以使用不同类型的差速器或类似装置将扭矩从动力传动系统分配到一个或多个车轮。在一些应用中，扭矩分配可以根据例如特定的操作模式或条件而变化。
动力传动系统12还包括相关联的控制器50，例如动力传动系统控制单元(PCU)。虽然示为一个控制器，但是控制器50可以是较大控制系统的一部分，并且可以由整个车辆10中的各种其他控制器(诸如车辆系统控制器(VSC))控制。因此应当理解，动力传动系统控制单元50和一个或多个其他控制器可以统称为“控制器”，其响应于来自各种传感器的信号来控制各种致动器，以控制诸如起动/停止发动机14、操作M/G 18提供车轮扭矩或为电池20充电、选择或安排变速器换挡之类的功能。控制器50可包括与各种类型的计算机可读存储装置或介质通信的微处理器或中央处理单元(CPU)。计算机可读存储装置或介质可以包括例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和保活存储器(KAM)中的易失性和非易失性存储器。KAM是可用于在CPU断电时存储各种操作变量的持久性或非易失性存储器。计算机可读存储装置或介质可以使用许多已知存储器装置中的任一种来实现，诸如PROM(可编程只读存储器)、EPROM(电PROM)、EEPROM(电可擦除PROM)、快闪存储器或能够存储数据的任何其他电、磁性、光学或组合存储器装置，其中某些提供由控制器用于控制发动机或车辆的可执行指令。
控制器通过输入/输出(I/O)接口(包括输入和输出通道)与各种发动机/车辆传感器和致动器通信，该接口可以实现为单个集成接口，其提供各种原始数据或信号调节、处理和/或转换、短路保护等。或者，可以使用一个或多个专用硬件或固件芯片在提供给CPU之前调节和处理特定信号。如图1的代表性实施例中大体上所示，控制器50可以与发动机14、分离离合器26、M/G 18、电池20、起步离合器34、变速器齿轮箱24以及功率电子器件56互相传送信号。尽管没有明确说明，但是本领域普通技术人员将认识到上述每个子系统内可以由控制器50控制的各种功能或部件。可以使用由控制器执行的控制逻辑和/或算法直接或间接致动的参数、系统和/或部件的代表性示例包括：燃料喷射正时、速率和持续时间，节气门位置，火花塞点火正时(用于火花点火发动机)，进气/排气门正时和持续时间，前端附件驱动(FEAD)部件(如交流发电机、空调压缩机)，电池充电或放电(包括确定最大充放电功率极限)，再生制动，M/G操作，分离离合器26、起步离合器34以及变速器齿轮箱24的离合器压力等。通过I/O接口传送输入的传感器可用于指示例如：涡轮增压器增压压力，曲轴位置(PIP)，发动机转速(RPM)，车轮速度(WS1、WS2)，车速(VSS)，冷却剂温度(ECT)，进气歧管压力(MAP)，加速踏板位置(PPS)，点火开关位置(IGN)，节气门位置(TP)，空气温度(TMP)，排气氧(EGO)或其他排气成分浓度或存在，进气流量(MAF)，变速器挡位、传动比或模式，变速器油温(TOT)，变速器涡轮转速(TS)，变矩器旁通离合器34状态(TCC)，减速或换挡模式(MDE)，电池温度、电压、电流或荷电状态(SOC)。
由控制器50执行的控制逻辑或功能可以由一个或多个附图中的流程图或类似图来表示。这些图提供了代表性的控制策略和/或逻辑，其可以使用一个或多个处理策略(诸如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等)来实现。因此，所示的各种步骤或功能可以按所示顺序执行、并行地执行、或者在某些情况下可以省略。尽管未总是明确示出，但是本领域普通技术人员将认识到，可以根据所使用的特定处理策略来重复地执行所示步骤或功能中的一个或多个。类似地，处理顺序不一定是实现本文中描述的特征和优点所必需的，而是为了易于说明和描述而提供的。控制逻辑可以主要以由基于微处理器的车辆、发动机和/或动力传动系统控制器(诸如控制器50)执行的软件来实现。当然，取决于特定应用，控制逻辑可以用一个或多个控制器以软件、硬件或软件和硬件的组合来实现。当以软件来实现时，控制逻辑可以提供在一个或多个计算机可读存储装置或介质中，所述存储装置或介质存储有提供由计算机执行以控制车辆或其子系统的代码或指令的数据。计算机可读存储装置或介质可以包括许多已知物理装置中的一个或多个，所述物理装置利用电、磁性和/或光学存储器来保存可执行的指令和相关联的校准信息、操作变量等。
车辆驾驶员使用加速踏板52来向动力传动系统12(或更具体地，发动机14和/或M/G 18)提供推进车辆的所需扭矩、功率或驱动命令。通常，踩下和释放加速踏板52产生加速踏板位置信号，该信号可以由控制器50分别解释为需要增加动力或减小功率。车辆驾驶员还使用制动踏板58来提供所需的制动扭矩以使车辆减速。通常，踩下和释放制动踏板58产生制动踏板位置信号，该信号可以由控制器50解释为降低车速的要求。基于来自加速踏板52和制动踏板58的输入，控制器50命令传递到发动机14、M/G 18和摩擦制动器60的扭矩和/或功率。控制器50还控制齿轮箱24内的换挡正时以及分离离合器26和变矩器旁通离合器34的接合或脱离。与分离离合器26一样，变矩器旁通离合器34可以在接合位置与脱离位置之间的范围内被调节。除了由泵轮与涡轮之间的液压联接产生的可变滑差之外，这也在变矩器22中产生可变滑差。可选地，取决于特定应用，变矩器旁通离合器34可以在不使用经调节的操作模式的情况下被操作为锁定或断开。
为了用发动机14驱动车辆，分离离合器26至少部分地接合以将发动机扭矩的至少一部分通过分离离合器26传递到M/G 18，然后从M/G 18传递通过变矩器22和齿轮箱24。M/G18可以通过提供附加的功率使轴30转动来辅助发动机14。该操作模式可以被称为“混合动力模式”或“电动辅助模式”。
为了以M/G 18作为唯一动力源来驱动车辆，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。在此期间，发动机14中的燃烧可以被禁用或以其他方式关闭以节省燃料。动力电池20通过线路54将存储的电能传输到功率电子器件56，该功率电子器件可以包括例如逆变器。功率电子器件56将来自电池20的DC电压转换为将由M/G 18使用的AC电压。控制器50命令功率电子器件56将来自电池20的电压转换为提供给M/G 18的AC电压以向轴30提供正或负扭矩。该操作模式可以被称为“纯电动”或“EV”操作模式。
在任何操作模式中，M/G 18都可以用作马达并且为动力传动系统12提供驱动力。或者，M/G 18可以用作发电机并将来自动力传动系统12的动能转换成电能以存储在电池20中。例如，当发动机14为车辆10提供推进动力时，M/G 18可以用作发电机。M/G 18还可以在再生制动期间充当发电机，在再生制动中来自旋转车轮42的扭矩和旋转能量(或动能)通过齿轮箱24、变矩器22(和/或变矩器旁通离合器34)传递回来并被转换成电能以存储在电池20中。
HEV 10还可以包括可以与控制器50通信的全球定位系统(GPS)62。GPS 62可以被配置成确定HEV 10的全球坐标。GPS 62可以被配置成确定并显示HEV 10的当前位置。GPS62可以包括道路地图和算法，所述算法被配置成提供从当前位置(其可以是起始位置)到期望目的地的方向指引。GPS 62可以生成从当前位置到期望目的地的预定路线。替代地，车辆操作者可以手动地选择从当前位置到期望目的地的期望的预定路线并将其输入到GPS 62中。人机界面(HMI)可以被配置成接收从车辆操作者输入的期望预定路线和/或期望目的地。输入可以是期望目的地的地址或大致地理区域。HMI可以包括显示屏，所述显示屏输出当前位置和到期望目的地的预定路线。
HEV 10还可以包括被配置成冷却动力电池20的电池冷却器或冷却系统64。电池冷却系统64可以是包括风扇65的电动冷却系统，该风扇被配置成引导空气穿过电池20，以便从电池20移除热量并对其进行冷却。替代地，电池冷却系统64可以是包括电动泵的电动冷却系统，该电动泵被配置成引导液体冷却剂或制冷剂穿过电池20，以便从电池20移除热量并对其进行冷却。温度传感器(未示出)可以被配置成检测电池20的当前温度并将电池20的当前温度中继到控制器50。然后，控制器50可以被配置成基于电池20的当前温度和电池的期望温度来调节操作参数。如果需要额外的冷却，则控制器50可以增大冷却系统64的输出，这进而增大了操作冷却系统64所需的电功率。如果需要较少的冷却，则控制器50可以减小冷却系统64的输出，这进而减小了操作冷却系统64所需的电功率。
控制器50可以被配置为通过电信号接收图1中示出的各种车辆部件的各种状态或状况。可以经由输入通道将电信号从各种部件输送至控制器50。另外，从各种部件接收的电信号可以指示用于改变或更改车辆10的相应部件中的一者或多者的状态的请求或命令。控制器50包括被配置为(通过电信号)向各种车辆部件输送请求或命令的输出通道。控制器50包括控制逻辑和/或算法，所述控制逻辑和/或算法被配置为基于各种车辆部件的请求、命令、状况或状态来生成通过输出通道输送的请求或命令。
输入通道和输出通道如图1中的虚线示出。应当理解，单一虚线可以表示进出单个元件的输入通道和输出通道两者。此外，进入一个元件的输出通道可以充当通往另一元件的输入通道，反之亦然。
应当理解，图1中所示的示意图仅仅是代表性的，而不是限制性的。可以设想利用发动机和马达的选择性接合来通过变速器传递动力的其他构造。例如，M/G 18可以偏离曲轴28，和/或M/G 18可以设置在变矩器22与齿轮箱24之间。在不脱离本公开的范围的情况下，可以预期其他配置。应理解，本文描述的车辆配置仅仅是示例性的，而不是限制性的。
还应理解，本文描述的车辆配置仅仅是示例性的，而不是限制性的。其他混合动力或电动车辆配置应被解释为如本文所公开的。其他车辆配置可以包括但不限于串联混合动力车辆、并联混合动力车辆、串并联混合动力车辆、插电式混合动力电动车辆(PHEV)、燃料电池混合动力车辆、电池操作电动车辆(BEV)或本领域普通技术人员已知的任何其他车辆配置。
某些类型的车辆，诸如用于邮件递送的车辆、校车、公共交通车辆、在赛道上比赛条件下操作的表演车辆等可以沿着预定的行驶路线操作。预定的行驶路线可以具有指定的车辆速度极限、预定的停车位置(例如，停车标志、乘客的上车和下车位置)、预定的加速段(例如，在急转弯之后或在到达停车标志或交通灯之后加速)和减速段(例如，急转弯或接近停车标志或红色交通灯)。
对于高性能混合动力或电动车辆，来自高压动力电池电源的电力可以在行驶过程中被释放以增强推进功率(即，电池可以将电力引导至电机以辅助推进车辆)。动力电池可经由再生制动或经由发动机充电。在充电和放电期间，动力电池均产生热量，这导致电池的温度升高。当电池温度达到切断极限Tpower_cutoff时，允许的(或最大的)电池功率输出将受到限制(即，减小)。随着电池温度继续增大到切断极限Tpower_cutoff以上，一旦电池温度达到大于切断极限Tpower_cutoff的关断阈值，可允许的电池功率输出将继续逐渐减小到零。随着电池温度从切断极限Tpower_cutoff增大到关断阈值，可允许的电池功率输出可能线性地减小。
为了确保动力电池保持在电力切断极限(Tbat＜Tpower_cutoff)的温度以下，电池需要被冷却。由于电池功率或发动机功率将需要被转移以操作电池的冷却系统，因此冷却电池需要以降低车辆的推进能量为代价来消耗能量。对于高性能混合动力或电动车辆，期望将电池温度保持在切断极限Tpower_cutoff以下，同时最小化电池的冷却系统所利用的能量，以便最大化可用的推进能量以满足车辆的性能目标。
对于在比赛条件下操作的高性能车辆，热问题可以根据比赛的类型(最快圈速或持续跑圈)而不同。例如，在最快圈速比赛期间(其中性能目标是单圈最快的时间)，电池被非常激进地使用并且电池周围的环境温度较高时，冷却系统能够从电池移除热量的速率可能小于电池产生热量的速率，导致电池温度快速上升并在比赛结束前达到切断极限，Tpower_cutoff。为了控制和降低电池温度(例如，经由增大穿过电池的空气流率或穿过电池的液体冷却剂或制冷剂的流率)，冷却系统将需要以高输出操作，这消耗了可能已经用于推进车辆的额外电能，经由降低推进功率的量来影响比赛性能。对于持续跑圈比赛(其中性能目标是为发动机提供动力的单个燃料箱能够完成的多个圈数的最快时间)，可能希望电池提供一致的功率，以在整个比赛期间增大车辆的推进功率输出，从而实现一致的性能。电池能量输出和温度增大范围需要在每圈进行适当的预算，以在整个比赛中实现电池的一致的功率输出。
为了最小化电池冷却能量，同时将电池温度维持在允许的工作范围内(即，在切断极限，Tpower_cutoff以下)，生成电池温度变化曲线与在预定行驶路线上的行驶距离(或位置)的关系。相对于在预定行驶路线上的行驶距离(或位置)的电池温度变化曲线也可以被称为最佳电池温度曲线。最佳电池温度曲线限定电池温度操作范围，使得电池温度从初始电池温度在预定路线的终点处或在预定路线上电池将耗尽的位置处增大到预定义温度极限。根据成本函数优化最佳电池温度曲线，以最小化在预定行驶路线上使用的电池冷却能量。
参考图2，示出了电池温度Tbat的示例最佳电池温度曲线Topt(s)相对于沿着预定路线行进的距离s的曲线图100。最佳电池温度曲线Topt(s)可以存储在控制器50内。控制器50然后被配置成根据最佳电池温度曲线Topt(s)操作M/G 18、动力电池20和电池冷却系统64，以便沿着预定路线最大化HEV 10的电力推进输出(即，最大化电池20的功率输出，该功率输出被传递到M/G 18以推进HEV 10)，并且最小化电池冷却系统64消耗的电功率。
为了最小化由电池冷却系统64消耗的电功率，允许电池温度Tbat沿最佳电池温度曲线Topt(s)从在预定路线上的第一位置sfirst处起始温度Tstart单调增大到预定路线上的第二位置ssecond处的切断极限，Tpower_cutoff。预定路线上的第一位置sfirst和第二位置ssecond之间的差值代表沿着预定路线行进的距离。替代地，可以允许电池温度Tbat沿着最佳电池温度曲线Topt(s)单调地从第一位置sfirst处的起始温度Tstart单调地增大到第二位置ssecond处的稍微在切断极限，Tpower_cutoff以下的偏移值Toffset。第一位置sfirst可以对应于预定路线上的起始位置。第二位置ssecond可以对应于预定路线上的终点位置和/或预定路线上的电池20将耗尽到最小剩余电量极限的位置，在所述最小剩余电量极限的位置电池20被阻止进一步释放电功率。
为了最大化HEV 10沿预定路径的电力推进输出，确定来自电池20的可被转换成推进功率的总功率量。来自电池20的可转换成推进功率的总功率量包括预定路线上在第一位置sfirst处存储的电池功率量、加上将经由第一位置sfirst和第二位置ssecond之间的再生制动回收的任何增加的电池功率、以及来自电池20的将用于根据最佳电池温度曲线Topt(s)冷却电池的负功率。然后，来自电池20的可转换成推进功率的总功率量沿着预定路线被编入预算以推进车辆，使得电池20在预定路线上的第二位置ssecond处完全耗尽，或者使得如果第二位置是预定路线上的终点位置，则在到达预定路线上的第二位置ssecond时，转换成推进功率的电池功率被最大化。
用于确定最佳温度曲线Topt(s)的算法可以作为控制逻辑存储在控制器50内。更具体地，最佳温度曲线Topt(s)可以基于等式(1)和(2)：
Figure BDA0002105223970000122
其中Tbat是电池20的温度、Tstart是电池20的起始或初始温度、α是电池20的热容量、Stotal是在预定路线上行驶的总距离、I是电池的电流、R(SoC)是电池20的内阻，该内阻是电池20的荷电状态SoC的函数、h是电池20的热对流系数，P_cooling是用于冷却电池20的功率，Tenviroment是环境温度(例如，周围环境空气温度)，并且Ecooling是沿着预定路线用于冷却电池20的能量。应注意，在等式(1)中，电池的热对流系数h是用于冷却电池的功率P_cooling的函数。还应注意，等式(1)和(2)中的积分可以由沿着预定路线从第一位置sfirst和第二位置ssecond获得，而不是由在预定路线上行进的总距离Stotal和零点获得。
等式(1)中确定的电池温度的变化基于电池20内的能量交换。由电池20内的能量交换产生的导致电池20温度变化的热量由等式(3)表示：
HbattTempChg＝{(Energyin-Energy out)-(internal Energy Change)}-Heat out}(3)
其中HbattTempChg是由电池20内的能量交换产生的热量导致电池20的温度变化，Energy in是用于给电池20充电的电能，Energy out是从电池20释放的电能，internalEnergy Change是由电池20的荷电状态SoC变化表达的电池内部能量变化，并且Heat out是由电池冷却系统64从电池20传递到外部环境的热能的量。
等式(3)中包括电池内所有内部能量交换的部分忽略了从电池20传递到外部环境的热能的量，即(Energy in-Energy out)-(internal Energy Change)，可以由等式(4)进一步表达：
Figure BDA0002105223970000131
其中SoC是电池20的荷电状态、SoCstart是沿着预定路线的起始位置处的电池20的荷电状态(或者沿着预定路线的第一位置sfirst处的电池20的荷电状态)，s是沿着预定路线行进的距离，internal Energy(SoCstart)是基于沿着预定路线的起始位置的电池20的荷电状态(或者在沿着预定路线的第一位置sfirst的电池20的荷电状态)的内部能量，并且Internal Energy(SoC)是基于对应于沿着预定路线行进的距离s的第二位置的电池20的荷电状态的内部能量。
等式(3)的包括从电池20传递到外部环境的热能的部分Heat out可以由等式(5)表示：
Figure BDA0002105223970000141
Heat out取决于电池冷却系统64的设计。例如，Heat out取决于用于冷却电池20的流体(例如，空气冷却系统中的空气或液体冷却系统中的液体冷却剂)的初始(或入口)温度。电池的热对流系数h是用来冷却电池的功率P_cooling的函数。更具体地，电池的热对流系数h是冷却电池的流体流率的函数，其随着流率的增大而增大。甚至更具体地，电池的热对流系数h可以在流率的特定范围内相对于冷却电池20的流体的流率的增大成比例地或近似成比例地增大。电池的热对流系数h最终饱和(即，维持相对恒定的值高于)特定流率。这在图3中示出，其中示出了电池的热对流系数h与用来冷却电池20的功率P_cooling的关系。流率可以由在空气冷却系统中引导空气穿过电池20的风扇的转速或者在液体冷却系统中引导液体冷却剂穿过或通过邻近电池20的导管的泵的转速来确定。随着风扇或泵的转速增大，流率将增大。
基于电池的热对流系数h与用于冷却电池的功率P_cooling之间的关系，较小的电池的热对流系数h值将导致较少的热分散，导致电池20温度的升高更多。如果允许电池20的温度尽可能高，则用于冷却的能量将更少。
利用等式(3)-(5)，由电池20内的能量交换产生的导致电池温度变化的热量HbattTempChg可以进一步由等式(6)表示
其中△s是沿着预定路线行进的距离。
由电池20内的能量交换产生的导致电池温度变化的热量HbattTempChg也可以由等式(7)表示：
HbattTempChg＝α△Tbat (7)
其中△Tbat是电池温度的变化。
然后可以利用等式(6)和(7)之间的关系来导出等式(8)和(9)：
然后可以调整等式(8)，使得电池的热对流系数h被表达为用于冷却电池的功率P_cooling的函数，并且ΔTbatt可以被添加到电池的初始温度Tstart，以获得电池的当前或实际温度Tbat，得到等式(1)：
Figure BDA0002105223970000154
为了获得期望的性能目标(例如，预定路线上从第一位置到第二位置的目标时间行程)，所述期望的性能目标最大化HEV 10沿着预定路线的电能推进输出(即，最大化从电池20传输到M/G 18用于推进HEV 10的功率输出)，同时也最小化电池冷却系统64消耗的电功率，可以通过对等式(1)-(9)应用约束来确定最佳电池温度曲线Topt(s)。这些约束可包括：1.使用存储在电池20内的能量来操作M/G 18以推进HEV 10，使得电池20的荷电状态SoC从沿着预定路线的第一位置sfirst处的当前值SoCcurrent(其可以是最大荷电状态值SoCmax)减小到沿着预定路线的第二位置ssecond处的最小荷电状态值SoCmin；2.最小化用于沿着预定路线冷却电池20的能量Ecooling；3.操作电池冷却系统64，使得在电池20的荷电状态SoC达到最小荷电状态值SoCmin之前，并且在HEV 10沿着预定路线到达第二位置ssecond(其可以对应于获得行驶总距离Stotal的预定路线的终点)之前，电池的温度Tbat不达到切断极限Tpower_cutoff(或者略微在切断极限Tpower_cutoff以下的偏移值Toffset)；以及4.最大化发动机14用来辅助推进车辆的燃料量(这可以包括完全使用满箱燃料)。最大荷电状态值SoCmax可以对应于可以存储在电池20内的最大电能量。最小荷电状态值SoCmin可以对应于完全耗尽电池或将电池减小到最小剩余电量，在最小剩余电量下控制器50防止电池20的进一步放电。
当考虑应用于问题(1)-(9)的约束时，用于推进HEV 10的能量被编入预算，使得能够估计车辆在指定位置处需要的电池电流，以及沿着预定路线的均方根电流(IRMS)值，以及沿着所述预定路线的动力电池的所需功率输出和I2R(SoC)的值。然后，最佳电池温度曲线Topt(s)可以通过最小化等式(2)(即，用于沿着从第一位置sfirst到第二位置ssecond的预定路线冷却电池20的能量Ecooling)来确定，并且通过设置等式(1)，使得当从第一位置sfirst处的初始电池温度Tstart到达第二位置ssecond时，电池温度达到温度切断极限Tpower_cutoff(或者在切断极限Tpower_cutoff以下的偏移值Toffset)。一旦被调整以产生最佳电池温度曲线Topt(s)，等式(2)和(1)可以分别由等式(10)和(11)表示：
Figure BDA0002105223970000161
Figure BDA0002105223970000162
其中J是用于沿着从第一位置sfirst到第二位置ssecond的预定路线冷却电池20的能量Ecooling的最小值。注意，等式(10)和(11)中的积分可以由沿着预定路线从位置sfirst和第二位置ssecond获得，而不是由沿着预定路线上行进的总距离Stotat和零点获得。
参考图4，示出了用于调节电池冷却系统64的输出的控制系统200的控制图。控制系统200可以作为控制逻辑存储在控制器(例如，控制器50)内并由控制器实现。控制系统200可以被配置成调节引导空气穿过电池20的风扇65的速度。替代地，控制系统200可以被配置成调节泵的速度，所述泵引导液体冷却剂穿过或通过邻近电池20的导管。图4中的控制系统200被配置成连续地调节风扇65(或者替代地，液体冷却系统中的泵)的速度。控制系统通过确定电池20的目标温度Ttarget来启动。根据上面的等式(1)-(11)，电池20的目标温度Ttarget可以对应于最佳温度曲线Topt(s)，以在到达第二位置ssecond时沿着预定路线获得切断极限Tpower_cutoff。替代地，电池20的目标温度Ttarget可以对应于产生偏移最佳温度曲线Toffset_opt(s)(见图2)，以根据上面的等式(1)-(11)在沿着预定路线的第二位置ssecond获得在切断极限，Tpower_cutoff以下的偏移值Toffset。偏移最佳温度曲线Toffset_opt(s)可以用作限幅保护，以确保电池20的目标温度Ttarget保持在或在允许的公差Ttolerance内(参见图2)，在最佳温度曲线Topt(s)处或下。
电池的初始温度Tstart和在预定路线上行驶的总距离Storal(其可以对应于沿着预定路线的第一位置sfirst和第二位置ssecond之间的差值)被输入到优化计算框202中。然后，优化计算框202输出电池20的目标温度Ttarget。在框204，从电池20的目标温度Ttarget中减去电池的实际温度Tbat。电池的实际温度Tbat通过反馈回路从电池20供应到框204。电池的实际温度Tbat可以由温度传感器确定。然后，电池20的目标温度Ttarget与电池20的实际温度Tbat之间的误差(或差值)Terror被输入到控制器206中。控制器206可以是比例积分微分(PID)控制器、预测控制器或本领域普通技术人员已知的任何其他类型的反馈调节控制器。
然后，控制器206输出风扇65(或者液体冷却系统中的泵)的期望速度Vdes，以朝着电池20的目标温度Ttarget驱动电池的实际温度Tbat，从而降低或消除电池20的目标温度Ttarget和电池20的实际温度之间的误差(或差值)Terror。然后，风扇65(或者替代地液体冷却系统中的泵)的期望速度Vdes被输入到装置208(其包括风扇65或者泵)，以将风扇65(或者替代地液体冷却系统中的泵)的速度调节到期望速度Vdes。装置208还包括电池20，该电池经由反馈回路向框204提供电池的实际温度Tbat。如果电池20的目标温度Ttarget和电池20的实际温度相等，则风扇65(或者替代地液体冷却系统中的泵)的速度将不会改变，如果电池20的目标温度Ttarget大于电池20的实际温度，则风扇65(或者替代地液体冷却系统中的泵)的速度将会减小，如果电池20的目标温度Ttarget小于电池20的实际温度，则风扇65(或者替代地液体冷却系统中的泵)的速度将增大。
参考图5，示出了说明用于调节电池冷却系统64的输出的控制系统300的替代实施例的流程图。控制系统300可以作为控制逻辑存储在控制器(例如，控制器50)内并由控制器实现。控制系统300可以被配置成调节引导空气穿过电池20的风扇65的速度。替代地，控制系统300可以被配置成调节泵的速度，所述泵引导液体冷却剂穿过或通过邻近电池20的导管。图5中的控制系统300被配置成步进式地调节风扇65(或者液体冷却系统中的泵)的速度。步进调节被配置成维持电池的实际温度Tbat，所述实际温度接近最佳温度曲线Topt(s)但略微在最佳温度曲线以下。
控制系统300在框302处开始，在框302处，包括电池的初始温度Tstart、电池20的温度切断极限，Tpower_cutoff、预定路线上的第一位置sfirst、预定路线上的第二位置ssecond、动力电池的所需功率输出I2R(SoC)、初始剩余电量(即，在第一位置sfirst处存储在电池20中的电能的量)以及上述任何其他控制参数被输入到控制器(例如，控制器50)中，以确定最佳温度曲线Topt(s)。接下来，控制系统300移动到框304，在框304处，确定电池的实际温度Tbat。电池的实际温度Tbat可以由温度传感器确定。接下来，所述方法前进到框306，在框306处，电池20的最佳温度Topt(s)和电池20的实际温度Tbat之间的误差(或差值)Terror、最佳温度相对于时间的变化率
Figure BDA0002105223970000181
以及实际温度相对于时间的变化率
Figure BDA0002105223970000182
都被确定。
控制系统300接下来从框306移动到框308，在框308处，确定电池20的最佳温度Topt(s)和电池20的实际温度Tbat之间的误差(或差值)Terror是否大于第一阈值。如果误差Terror不大于第一阈值，则控制系统前进到框310，在框310处，确定最佳温度相对于时间的变化率
Figure BDA0002105223970000191
是否大于实际温度相对于时间的变化率如果最佳温度相对于时间的变化率
Figure BDA0002105223970000193
大于实际温度相对于时间的变化率
Figure BDA0002105223970000194
则控制方法300前进到框312，在框312处，控制方法300维持风扇65(或者液体冷却系统中的泵)的当前速度。如果最佳温度相对于时间的变化率不大于实际温度相对于时间的变化率
Figure BDA0002105223970000196
则控制方法300前进到框314，在框314处，控制方法300增大风扇65(或者替代地液体冷却系统中的泵)的速度。
返回到框308，如果误差Terror大于第一阈值，控制系统前进到框316，在框316处，确定最佳温度相对于时间的变化率是否大于实际温度相对于时间的变化率
Figure BDA0002105223970000198
或者是否电池20的最佳温度Topt(s)与电池20的实际温度Tbat之间的误差(或差值)Terror大于第二阈值。在框316处，如果最佳温度相对于时间的变化率
Figure BDA0002105223970000199
大于实际温度相对于时间的变化率
Figure BDA00021052239700001910
或者如果误差Terror大于第二阈值，则控制方法300前进到框318，在框318处，控制方法300减小风扇65(或者替代地液体冷却系统中的泵)的速度。在框316处，如果最佳温度相对于时间的变化率不大于实际温度相对于时间的变化率
Figure BDA00021052239700001912
或者如果Terror不大于第二阈值，则控制方法300前进到框312，在框312处，控制方法300维持风扇65(或者替代地液体冷却系统中的泵)的当前速度。
在说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应当理解，可以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，各种实施例的特征可以组合以形成可能未明确描述或说明的其他实施例。尽管各种实施例可能已经被描述为关于一个或多个期望的特性提供了优点或者优于其他实施例或现有技术实现方式，但本领域普通技术人员应认识到，根据具体应用和实现方式，一个或多个特征或特性可以折衷以实现期望的总体系统属性。因此，关于一个或多个特性被描述为不如其他实施例或现有技术实现方式理想的实施例并不在本公开的范围之外，并且可能是特定应用所期望的。
根据本发明，提供了一种车辆，所述车辆具有：电机，其被配置成推进所述车辆；电池，其被配置成给所述电机供电；冷却器，其被配置成冷却所述电池；和控制器，其被编程为响应于所述车辆在预定路线上从第一位置行进到第二位置，操作所述电机，使得电池剩余电量在到达所述第二位置时从所述第一位置的初始剩余电量耗尽到最小电池剩余电量极限，以及操作所述冷却器，使得电池温度从所述第一位置处的初始温度增大到所述第二位置处的温度上限。
根据一个实施例，所述电池温度从所述第一位置处的所述初始温度单调增大到所述第二位置处的所述温度上限。
根据一个实施例，所述电池温度根据最佳温度曲线从所述第一位置处的所述初始温度单调增大到所述第二位置处的所述温度上限，所述最佳温度曲线使所述冷却器从所述第一位置到所述第二位置所利用的能量最小化。
根据一个实施例，根据基于所述初始温度、所述温度上限和所述电池从所述第一位置到所述第二位置预期产生的热量的所述最佳温度曲线，所述冷却器从所述第一位置到所述第二位置利用的所述能量被最小化。
根据一个实施例，所述冷却器包括风扇，所述风扇引导空气穿过所述电池。
根据一个实施例，所述控制器被配置成调节风扇的速度以将电池温度维持在所述最佳温度曲线以下的容许公差或在所述容许公差内。
根据本发明，提供了一种车辆，所述车辆具有：电池，其为电机供电以推进所述车辆；电池冷却器；和控制器，其被编程为响应于车辆在预定路线上行驶至目的地，操作所述电机和冷却器，使得在到达所述目的地时电池剩余电量耗尽到剩余电量下限并且电池温度增大到温度上限。
根据一个实施例，所述电池温度根据最佳温度曲线沿着所述预定路线从初始温度单调增大到所述目的地处的所述温度上限，所述最佳温度曲线使所述冷却器沿着所述预定路线利用的所述能量最小化。
根据一个实施例，根据基于所述路线起点的初始电池温度、所述温度上限和所述电池沿所述预定路线预期产生的热量的所述最佳温度曲线，所述冷却器沿所述预定路线利用的所述能量被最小化。
根据一个实施例，所述电池包括风扇，所述风扇引导空气穿过所述电池。
根据一个实施例，所述控制器被配置成调节所述风扇的速度以将电池温度维持在所述最佳温度曲线以下的容许公差或在所述容许公差内。
根据本发明，提供了一种车辆，所述车辆具有：电机；电池，其被配置成给所述电机供电；冷却系统，其被配置成从所述电池移除由所述电池放电产生的热量；和控制器，其被编程为响应于所述车辆在预定路线上从第一位置行进到第二位置，经由所述电机推进所述车辆并操作所述冷却系统，使得电池剩余电量从所述第一位置处的初始剩余电量减小到所述第二位置处的降低的剩余电量，并且使得电池温度从所述第一位置处的初始温度单调增大到所述第二位置处的温度上限。
根据一个实施例，所述电池温度根据最佳温度曲线从所述第一位置处的所述初始温度单调增大到所述第二位置处的温度上限，所述最佳温度曲线使所述冷却系统从所述第一位置到所述第二位置所利用的能量最小化。
根据一个实施例，根据基于所述初始温度、所述温度上限和所述电池从所述第一位置到所述第二位置预期产生的热量的所述最佳温度曲线，所述冷却系统从所述第一位置到所述第二位置利用的所述能量被最小化。
根据一个实施例，所述冷却系统包括风扇，所述风扇引导空气穿过所述电池。
根据一个实施例，所述控制器被配置成调节所述风扇的速度以将电池温度维持在所述最佳温度曲线以下的容许公差或在所述容许公差内。
根据一个实施例，所述第一位置对应于所述预定路线的起点。
根据一个实施例，所述第二位置对应于所述预定路线的终点。
根据一个实施例，所述降低的剩余电量是最小电池剩余电量极限。
根据一个实施例，所述温度上限是电池功率输出减小的电池切断温度。

Claims (15)

1.一种车辆，其包括：
电机，其被配置成推进所述车辆；
电池，其被配置成给所述电机供电；
冷却器，其被配置成冷却所述电池；和
控制器，其被编程为响应于所述车辆在预定路线上从第一位置行进到第二位置，
操作所述电机，使得电池剩余电量在到达所述第二位置时从所述第一位置的初始剩余电量耗尽到最小电池剩余电量极限，以及
操作所述冷却器，使得电池温度从所述第一位置处的初始温度增大到所述第二位置处的温度上限。
2.如权利要求1所述的车辆，其中所述电池温度从所述第一位置处的所述初始温度单调增大到所述第二位置处的所述温度上限。
3.如权利要求1所述的车辆，其中所述电池温度根据最佳温度曲线从所述第一位置处的所述初始温度单调增大到所述第二位置处的所述温度上限，所述最佳温度曲线使所述冷却器从所述第一位置到所述第二位置所利用的能量最小化。
4.如权利要求3所述的车辆，其中根据基于所述初始温度、所述温度上限和所述电池从所述第一位置到所述第二位置预期产生的热量的所述最佳温度曲线，所述冷却器从所述第一位置到所述第二位置利用的所述能量被最小化。
5.一种车辆，其包括：
电池，其为电机供电以推进所述车辆；
电池冷却器；和
控制器，其被编程为响应于车辆在预定路线上行驶至目的地，操作所述电机和冷却器，使得在到达所述目的地时电池剩余电量耗尽到剩余电量下限并且电池温度增大到温度上限。
6.如权利要求5所述的车辆，其中所述电池温度根据最佳温度曲线沿着所述预定路线从初始温度单调增大到所述目的地处的所述温度上限，所述最佳温度曲线使所述冷却器沿着所述预定路线利用的所述能量最小化。
7.如权利要求6所述的车辆，其中根据基于所述路线起点的初始电池温度、所述温度上限和所述电池沿所述预定路线预期产生的热量的所述最佳温度曲线，所述冷却器沿所述预定路线利用的所述能量被最小化。
8.一种车辆，其包括：
电机；
电池，其被配置成给所述电机供电；
冷却系统，其被配置成从所述电池移除由所述电池放电产生的热量；和
控制器，其被编程为响应于所述车辆在预定路线上从第一位置行进到第二位置，经由所述电机推进所述车辆并操作所述冷却系统，使得电池剩余电量从所述第一位置处的初始剩余电量减小到所述第二位置处的降低的剩余电量，并且使得电池温度从所述第一位置处的初始温度单调增大到所述第二位置处的温度上限。
9.如权利要求8所述的车辆，其中所述电池温度根据最佳温度曲线从所述第一位置处的所述初始温度单调增大到所述第二位置处的温度上限，所述最佳温度曲线使所述冷却系统从所述第一位置到所述第二位置所利用的能量最小化。
10.如权利要求9所述的车辆，其中根据基于所述初始温度、所述温度上限和所述电池从所述第一位置到所述第二位置预期产生的热量的所述最佳温度曲线，所述冷却系统从所述第一位置到所述第二位置利用的所述能量被最小化。
11.如权利要求9所述的车辆，其中所述冷却系统包括风扇，所述风扇引导空气穿过所述电池，并且其中所述控制器被配置成调节所述风扇的速度以将电池温度维持在所述最佳温度曲线以下的容许公差或在所述容许公差内。
12.如权利要求8所述的车辆，其中所述第一位置对应于所述预定路线的起点。
13.如权利要求8所述的车辆，其中所述第二位置对应于所述预定路线的终点。
14.如权利要求8所述的车辆，其中所述降低的剩余电量是最小电池剩余电量极限。
15.如权利要求8所述的车辆，其中所述温度上限是电池功率输出减小的电池切断温度。
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