CN111452778A - 用于控制混合动力推进系统的系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制混合动力推进系统的系统及方法，以及车辆，所述系统包括计算机，该计算机被编程为获取与混合动力推进系统的预定路线相关联的高度和地形信息，混合动力推进系统包括第一能量源和第二能量源。该计算机还被编程为获取与混合动力推进系统的预定路线相关联的当前和预测的环境气象信息，确定与沿混合动力推进系统的预定路线的高度和地形相关联的混合动力推进系统的功率需求和扭矩需求，在混合动力推进系统沿着预定路线行驶时，生成行程计划以优化混合动力推进系统的多个性能参数中的至少一个，并基于行程计划优先选择第一能量源和/或第二能量源。

Description

用于控制混合动力推进系统的系统及方法

技术领域

本发明主题总体上涉及混合动力车辆，更具体的，涉及混合动力机车能源管理系统以及控制和/或使用该系统的方法。

背景技术

在运行诸如机车之类的车辆时，操作者通常要考虑的一些因素包括环境条件、坡度或斜度、轨道或路径的曲率、速度限制、车辆尺寸、货物重量以及该重量的分布。车辆的运行可以部分地由机车控制系统确定，该机车控制系统配置成使车辆自动地加速和减速。

例如，具有行程优化系统的机车控制系统可以受益于描述例如高度和地形细节及位置的轨道或路径特征的数据库。这些特征可以被输入至优化程序，该优化程序包括用于确定机车的位置的定位元件、轨道表征元件、用于测量运行状态的传感器等。优化程序通常包括机车动力类型(power description)、机车牵引装置传动性能、作为输出功率函数的来自发动机燃料的能量消耗，以及可以对系统性能进行建模的其它系统性能特征。优化程序可以是在处理器内实现的算法，以优化关于目标函数的性能，该目标函数可以包括例如最小化行驶时间、最小化功率设置(档位)之间的转换以及最小化排放。

在由发动机和电池供能的传统混合动力机车系统中，控制系统通常优化诸如燃料消耗、氮氧化物(NOx)排放、电池充电状态等因素，而不考虑环境气象条件，例如沿行驶路线的一些不同点的温度和气压。此外，若非为混合动力机车系统的运行而明确制定，则传统的优化程序会有在未预先了解沿行驶路线在低温条件下稳定燃烧的功率和扭矩需求的情况下，运行电池和发动机的风险，导致可能更高的燃料消耗和/或部件寿命的缩短。

在混合动力车辆优化程序中，仍有提高能效的空间。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种用于控制混合动力推进系统的系统，包括计算机，该计算机被编程为获取与包括第一能量源和第二能量源的混合动力推进系统的预定路线相关联的高度和地形信息。该计算机还被编程为获取与混合动力推进系统的预定路线相关联的当前和预测的环境气象信息；确定与沿混合动力推进系统的预定路线的高度和地形相关联的混合动力推进系统的功率需求和扭矩需求；当混合动力推进系统沿预定路线行驶时，生成行程计划以优化混合动力推进系统的多个性能参数中的至少一个，并基于行程计划优先选择第一能量源和/或第二能量源。

根据本发明主题的另一方面，一种控制混合动力推进系统的方法包括获取包括第一能量源和第二能量源的混合动力推进系统要行驶的预定路线的高度和地形信息。该方法还包括获取沿混合动力推进系统的预定路线的环境气象信息；确定与沿混合动力推进系统的预定路线的高度和地形相关联的混合动力推进系统的功率需求和扭矩需求；当混合动力推进系统沿预定路线行驶时，生成优化混合动力推进系统的多个运行参数的行程计划，并且基于行程计划优先选择第一能量源和/或第二能量源。

根据本发明主题的又一方面，一种推进系统包括混合动力源，以通过输电线路提供动力来驱动该推进系统，该混合动力源包括内燃(IC)机和电动机，其中IC发动机耦接至输电线路、耦接至电动机的电池组、选择设备和计算机。选择设备布置成选择性地将电动机耦接至输电线路。

推进系统还包括计算机，该计算机被配置成获取与包括第一能量源和第二能量源的混合动力推进系统的预定路线相关联的高度和地形信息，并获取与混合动力驱动系统的预定路线相关联的环境气象信息。该计算机还被配置为确定与沿混合动力推进系统的预定路线的高度和地形相关联的混合动力推进系统的功率需求和扭矩需求，并当混合动力推进系统沿着预定路线行驶时，生成行程计划以优化混合动力推进系统的多个性能参数中的至少一种，并基于行程计划优先选择第一能量源和/或第二能量源。

根据本发明的一个方面，一种用于控制混合动力推进系统的系统包括计算机，该计算机被编程为获取与包括第一能量源和第二能量源的混合动力推进系统的预定路线相关联的高度和地形信息。该计算机还被编程为确定与沿混合动力推进系统的预定路线的高度和地形相关联的功率需求和扭矩需求，当混合动力推进系统沿着预定路线行驶时，生成行程计划以控制多个性能参数中的至少一个，并使得能够在混合动力推进系统中稳定的低温燃烧，并基于行程计划优先选择第一能量源和第二能量源中的至少一个，以传递混合动力推进系统的动力需求和扭矩需求中的至少一个。

根据本发明主题的另一方面，一种控制混合动力推进系统的方法包括获取包括第一能量源和第二能量源的混合动力推进系统要行驶的预定路线的高度和地形信息。该方法还包括确定与沿混合动力推进系统的预定路线的高度和地形相关联的功率需求和扭矩需求，当混合动力推进系统沿着预定路线行驶时，生成行程计划以控制多个性能参数中的至少一个，并使得能够在混合动力推进系统中稳定的低温燃烧，以及基于行程计划优先选择第一能量源和第二能量源中的至少一个，以传递混合动力推进系统的动力需求和扭矩需求中的至少一个。

根据本发明主题的又一方面，一种混合动力推进系统包括混合动力源，以通过输电线路提供动力来驱动该推进系统，该混合动力源包括内燃(IC)机和电动机，其中IC发动机耦接至输电线路、耦接至电动机的电池组、选择设备和计算机。选择设备布置成选择性地将电动机耦接至输电线路。该计算机被配置成获取与包括第一能量源和第二能量源的混合动力推进系统的预定路线相关联的高度和地形信息，并确定与沿混合动力推进系统的预定路线的高度和地形相关联的混合动力推进系统的功率需求和扭矩需求。该计算机还被配置为当混合动力推进系统沿着预定路线行驶时，生成行程计划，以控制多个性能参数中的至少一个并使得能够在混合动力推进系统中稳定的低温燃烧，并基于行程计划优先选择第一能量源和第二能量源中的至少一个，以传递混合动力推进系统的动力需求和扭矩需求中的至少一个。

通过以下详细描述和附图，各种其它特征将变得显而易见。

附图说明

附图示出了本发明主题的实施例。为了便于说明，已经确定了机车和轨道系统，但是包括其它推进系统和推进系统路线，除非语言或上下文另有说明。

图1示出了结合本发明主题的实施例的机车牵引系统中布置的混合动力推进系统的框图。

图2示出了结合了本发明主题的可选实施例的机车牵引系统中布置的混合动力推进系统的框图。

图3是用于并入本发明主题的实施例的图1的混合动力推进系统的框图。

图4是根据本发明主题的方法的流程图。

图5示出了结合了本发明主题的实施例的机车牵引系统中布置的另一混合动力推进系统的框图。

图6示出了结合了本发明主题的可选实施例的机车牵引系统中布置的另一混合动力推进系统的框图。

图7是用于并入本发明主题的实施例的图5的混合动力推进系统中的框图。

图8是根据本发明主题的方法的流程图。

具体实施例

本发明的主题包括与路线导航系统相关的实施例。本发明的主题包括涉及为混合动力推进系统生成优化行程的方法的实施例。

此外，作为非限制性示例，结合机车的混合动力发动机描述了本发明的主题。然而，本领域的技术人员将认识到，本文所示的实施例和方法通常可以广泛地应用于混合动力推进系统。这些示例性混合动力推进系统包括标准机车编组内的全电池机车，即电池-电力机车(battery-electric locomotive，BEL)装置，其中电池不集成到单个机车中。此外，在整个说明书中，“车辆(vehicle)”既被用作独立的集成单元，又被用作多个机车的集合，其中一个或多个机车具有储能装置，该储能装置可以集成或不集成到一个具有发动机和能量存储单元的机车中。“车辆”的定义还可以指重型卡车，其中能量存储单元可以放置在拖车(trailer)中，该拖车与普通货物拖车之间的牵引机构(tractor)连接，实质上使之成为“公路列车(road train)”。换句话说，“混合动力车辆”的定义包括能量存储单元，这些能量存储单元不一定集成到重型卡车的单个动力单元中，而是可以作为独立的、可分离的资产(asset)而存在。此外，“车辆”的定义还可以指代任何其它车辆，包括卡车/OHV/汽车和自动驾驶车辆。“高度和地形”是指并且包括与轨道相关联的细节，例如坡度、弯道上的轨道半径等，机车通常在这些轨道上行驶。

图1示出了用于本发明主题的多个实施例中的通常包括电力驱动系统的集成到单个编组以及大型设备的中的机车的代表性布局。参考示例性柴油电力机车(diesel-electric locomotive)，电动机总是带有或不带有电池的推进系统的一部分。示例性电力驱动系统通常包括连接至交流发电机的发动机(例如内燃机或IC发动机(internalcombustion engine or IC engine))，该交流发电机又连接至电力牵引电动机，该电力牵引电动机提供使列车的车轮旋转所需的动力。此外，以下描述的装置、系统和部件的几种可能的布置通常与机车或大型越野车辆应用有关，这些应用体现了在所有预定的行驶路线中电力驱动的使用。

参考图1，结合本发明主题的实施例的混合动力推进系统10包括发动机16，该发动机16连接至交流发电机17，该交流发电机17通过多个相应的输电线路12和开关元件组20将机车电网上的电力供应至多个电力(牵引)电动机18。电动机18还通过开关元件组20耦接至电池或电池组22。该开关元件组20被示出为一组开关24、26、28，其选择性地耦接电动机18与发动机16或电池22或发动机16和电池22两者。开关24、26、28由耦接至计算机32的控制器30选择性地控制。

图2是在编组内使用单独的电池-电力机车的可选实施例。在本发明主题的该示例性实施例中，如图所示，发动机16通过交流发电机17借助输电线路12耦接至电动机18。在运行中，混合动力推进系统10的开关24、26、28可以选择性地将电动机18通过交流发电机17耦接至发动机16或耦接至电池组22，或耦接至发动机16和电池组22两者。因此，作为示例，通过闭合开关24和26并断开开关28，发动机16被耦接至相应的电动机18，并可以向电动机18传递动力。独立地，在电池仓中，通过闭合开关24和28并断开开关26，电池组22被耦接至相应的电动机18，并可以直接从中汲取电力。

在本发明主题的另一可选实施例中，例如，某些客车中，发动机驱动系统可以使用机械驱动系统。在本发明主题的一个这样的实施例中，发动机16可以通过机械传动装置连接至电动机18。在这些实施例中，开关24、26、28是机械离合器、齿轮系等，其被配置为向电动机18传递机械动力。

图1和图2进一步示出了计算机32，其被配置为从定位元件34、轨道表征元件36和传感器38接收信息。根据本发明主题的实施例，控制算法40在计算机32内运行并且被配置为生成行程计划。混合动力推进系统10位于轨道42上，并且信息可以通过无线通信从中央或示例性路旁位置44传输至混合动力推进系统10。控制算法40用于基于当前以及预测的周围状况和涉及混合动力推进系统10、轨道42的参数来计算优化的行程计划，例如多个气象预测条件(如沿行驶路线多个点的温度和气压的预测)、机车数量、总负载等。控制算法40还考虑了任务目标，该任务目标包括在变化的气象条件下选择动力源、行驶时间、最大功率设置、最大速度限制、废气排放、混合动力推进系统的节气门转换量(amount of throttletransition)或类似。

在一示例性实施例中，当混合动力推进系统10沿轨道42移动时，行程计划基于列车行为的模型被建立，作为用控制算法40中提供的简化的假设物理导出的非线性微分方程的解。控制算法40可以访问来自定位元件34、轨道表征元件36、预定的行驶路线52(图3)、包括温度预测模块54和气压预测模块56的气象预测信息模块和/或传感器38的信息，以创建最小化燃料消耗的行程计划，同时将排放维持在可接受的标准之内，建立期望的行程时间，和/或确保适当的机组作业时间。

当控制器30遵循行程计划时，控制器30根据控制算法40控制开关24、26、28，并且使电动机18与发动机16接合和脱离，和/或使电动机18与电池组22接合和脱离。在本发明主题的一实施例中，控制器30自主地做出列车运行决策，并且在另一实施例中，操作者可以参与指导列车遵循行程计划。

根据本发明主题的一实施例，行程计划可以在被执行的同时被实时修改。因此，当涉及长距离时，可以确定初始计划，但是由于计划优化控制算法40的复杂性和变化的条件，可以相应地修改计划。控制算法40还可以用于分割任务，其中任务可以通过路径点被划分。尽管仅讨论了单个控制算法40，但是本领域技术人员将容易认识到，可以串联或并联使用一个以上的控制算法40。

图3描绘了用于控制混合动力推进系统10(图1)的系统50的示意性框图。在本发明主题的一实施例中，混合动力推进系统是机车。混合动力推进系统10包括第一能量源16和第二能量源22。在本发明主题的一示例性实施例中，第一能量源是发动机16，第二能量源是电池组22。系统50还包括示例性计算机32，计算机32被编程为获取与混合动力推进系统10的预定路线52相关联的高度和地形信息。该计算机32还被编程为获取与混合动力推进系统的预定路线52相关联的环境气象信息。该环境气象信息包括温度信息54和气压信息56。环境温度信息可以是当前温度条件和/或预测温度条件。同样的，环境气压信息可以是当前气压条件和/或预测气压条件。

计算机32还被编程为当混合动力推进系统沿预定路线52行驶时，生成优化混合动力推进系统10的多个性能参数的行程计划62，并且在行程计划62上优先选择发动机或电池组或两者。此外，计算机32被编程为基于目标函数(objective function)生成行程计划，该目标函数包括关注的因素，例如沿预定路线52的功率需求64和扭矩需求66、作为混合动力推进系统10的功率和扭矩需求的能量源的发动机的寿命、作为混合动力推进系统10的功率和扭矩需求的能量源的电池组的寿命、电池组的充电状态、行驶时间、最大功率设置、速度限制和为混合动力推进系统10制定的废气排放限制，其中，利用发动机燃料的发动机是第一能量利用系统的示例性实施例，电池是第二能量利用系统的示例性实施例。在本发明主题的另一实施例中，在优化行程计划62时可以考虑若干其它性能参数，例如作为输出功率函数的发动机燃料和电池电量的能量消耗、机车功率数据、推进系统牵引传动装置的性能(performance of propulsion system traction transmission)以及混合动力推进系统10的冷却特性。

在本发明主题的另一实施例中，可以使计算机32基于推进系统从第一点向第二点行驶期间出现的环境气象条件来修改行程计划62。计算机32被配置为从相对于混合动力推进系统处于远程位置的计算机获取高度、地形和气象信息。

如图所示，在车上或从远程位置(例如具有指令的调度中心)输入针对计划行程的指令。这种输入信息包括但不限于列车位置、编组类型(consist description)(即，一个或多个连续的机车)、机车动力类型(locomotive power description)、再生制动特性、机车牵引装置传动性能(performance of locomotive traction transmission)、作为输出功率函数的发动机燃料的能量消耗、冷却特性、预期的行驶路线(作为里程标的函数的有效轨道坡度和曲率或“有效坡度”分量，以反映按照标准铁路惯例的曲率)、以车厢组成(carmakeup)和负载以及有效阻力系数表示的列车、行程期望参数，该行程期望参数包括但不限于开始时间和位置、终点位置、期望行驶时间、机组人员(用户和/或操作者)身份、机组轮班有效时间和路线。

这些数据可以以多种方式提供至混合动力推进系统10，例如但不限于，操作者通过车载显示器手动将该数据输入至混合动力推进系统10中，将包含该数据的诸如硬盘和/或USB驱动器之类的存储装置插入机车上的接口中，或者通过无线通信从中央或路旁位置44(如图1所示)，例如轨道信号设备和/或路旁设备，传输信息至混合动力推进系统10。混合动力推进系统10的负载特性(例如，阻力)可以在路线上改变(例如，随着高度、环境温度以及轨道和轨道车(rail-car)的状况)，并且计划可以被更新，以反映这种改变，例如机车/列车状态的实时自主收集需要这些改变。这包括例如通过混合动力推进系统10车载或非车载的监控设备检测到的混合动力推进系统10的特性的变化。

基于规格数据，沿路线的、具有期望的开始和结束时间的最优计划被计算以生成行程动力源选择计划表(trip power source selection schedule)，该最优计划使燃料使用最小化，该燃料使用受限于速度限制约束、排放限制、作为混合动力推进系统的功率和扭矩需求的能量源的发动机的寿命、作为混合动力推进系统的功率和扭矩需求的能量源的电池组的寿命、电池组的充电状态等，其中利用发动机燃料的发动机是第一能量利用系统的示例性实施例，电池是第二能量利用系统的示例性实施例。根据本发明主题的优选实施例，并且正如后面将讨论的，行程动力源选择计划表包括鼓励优先选择动力源的时段，以利用混合动力推进系统10的行驶路线上的气象条件的先验知识，气象条件的示例为温度和气压条件。该计划包含发动机和电池之间的选择计划表，以及表示为距离和/或时间的函数且列车要遵循的最优速度和功率(档位)设置、以及列车的运行限制，包括但不限于，最大档位功率和制动器设置、作为位置的函数的速度限制以及预期使用的燃料和产生的排放。

在另一实施例中，计算机32能够选择被确定为对于所选择的动力源选择计划表而言最优的连续功率设置，而不是以传统的离散档位功率设置运行。因此，例如，如果最优动力源选择计划表指定了介于传统档位设置之间的功率设置，例如，有效档位6.8，而不是在档位设置7处运行，则混合动力推进系统10可以在与有效档位6.8一致的功率下运行，以进一步提高其效率。

用于计算最优动力源选择计划表的程序可以是任何数量的用于计算驱动混合动力推进系统10以最小化燃料的动力顺序(power sequence)的方法，该燃料受限于机车运行条件、作为混合动力推进系统10的功率和扭矩需求的能量源的发动机的寿命、作为混合动力推进系统10的功率和扭矩需求的能量源的电池组的寿命、电池组的充电状态、排放、计划表约束等，其中利用发动机燃料的发动机是第一能量利用系统的示例性实施例，电池是第二能量利用系统的示例性实施例。在某些情况下，由于列车配置、路线和环境条件的相似性，最优动力源选择计划表可能足够接近先前确定的动力源选择计划表。在这种情况下，在先前执行的行程计划的数据库中查找行驶轨道(driving trajectory)并遵循可能就足够了。当先前计算的计划不可用或不适合时，计算新计划的方法包括但不限于使用近似运动的列车物理(train physics of motion)的微分方程模型直接计算优化动力源选择计划表。例如，该程序(setup)涉及选择定量目标函数，或者对应于行驶时间、燃料消耗率(rateof fuel consumption)、最大功率设置、速度限制、产生的排放的模型变量的加权和(积分)，加上惩罚过度的节气门变化或调整(throttle variation or jockeying)的项。

例如，可以根据任何时间的计划目标灵活地设置问题(the problem may besetup flexibly)，以例如使受排放和速度限制约束的燃料最小化，或者使受燃油使用量和到达时间的约束的排放最小化。例如，还可以设置一个目标，在不限制总排放量或燃料使用量的情况下，最小化总行驶时间，其中这种限制的放松是被允许或被该任务需要的。

使用此模型，建立了最优控制公式，以最小化定量目标函数，该函数受到包括但不限于速度限制以及最小和最大功率(节气门)设置的约束。根据任何时间的计划目标，可以灵活设置问题，以使受排放和速度限制约束的燃料最小化，或者使受燃油使用量和到达时间约束的排放最小化。

在运行中，至少部分基于环境条件(温度和气压)，为混合动力推进系统10采用控制策略，以通过发动机16或电池22或两者提供其功率及扭矩需求。提前知道环境条件，可以制定行程计划62，该行程计划62优先使用电池和/或发动机动力以减少燃料消耗并延长发动机和/或电池的寿命。

特别地，示例性计算机32被编程为使用即将到来的行程和环境气象条件的知识来优先选择如何使用来自发动机16和电池22的动力。例如，知道与行程相关的特定海拔或高度要求通常可以给出沿预定路线52的环境气压的指示。在本发明主题的一实施例中，相关的控制策略可以选择在较高的海拔相对较少地运行发动机，因此在相同条件下节省电池。这可以减少发动机部件的磨损，因为较高的海拔会对涡轮增压器和其它部件造成更大的压力。此外，发动机的效率通常在较高的高度处降低，因此，使用电池而不是发动机可以改善燃料消耗。对于环境温度条件的变化，可以做出类似的权衡。例如，一示例性控制策略可以是在高环境温度下较少地运行电池，从而延长其寿命。换句话说，给定的行程可能仅在需要时和/或仅在温度不太高或不太低时运行电池。

在本发明主题的一实施例的语境中，排放指的是以氮氧化物(NOx)、未燃烧的烃、颗粒等形式产生的累积排放。如果在行程任务期间的关键目标是减少总排放，则可以生成或修改控制算法40，以结合改进的总燃料效率来考虑该行程目标。优化设置(setup)的关键灵活性是，任何或所有行程目标都可以根据地理区域或任务而有所不同。例如，对于高优先级的列车，最短时间可能是一条路线上的唯一目标，因为它是高优先级车辆。在另一示例中，沿计划的列车路线，各州的排放输出可能会有所不同。

仍然参考图3，一旦生成优化的行程计划62，就生成动力指令以启动计划。根据本发明主题的一实施例中的操作设置，一个指令是机车遵循优化的动力指令，以实现最优速度。本发明主题从混合动力推进系统10的机车编组获取实际速度和功率信息。由于用于优化的模型中不可避免的近似，因此获取对优化功率的校正的闭环计算，以追踪期望的最优速度。列车运行限制的这种校正可以自动进行，也可以由传统上对列车具有最终控制权的操作者进行。

在运行中，控制算法40持续监控系统效率，并基于所测量的实际效率持续更新行程计划，只要这种更新将改善行程性能。修改现有行程计划或完全重新计划计算可以完全在机车内进行，或者完全或部分移至远程位置，例如调度或路旁处理设施，其中无线技术用于将计划通信至混合动力推进系统10。本发明主题还可以产生效率趋势，该效率趋势可以用于开发关于效率传递函数的机车车队数据。车队范围的数据可以在确定初始行程计划时使用，并且可以在考虑多列列车的位置时用于网络范围的优化折衷。

日常运营中的许多事件可能会导致需要生成或修改当前正在执行的计划，其中期望保持相同的行程目标，并且用于当列车未按计划表进行与另一列列车的相遇或通过时，需要弥补时间。基于行程计划的其余部分，使用机车的实际速度、功率和位置，在计划的到达时间和当前估计(预测)到达时间之间进行比较。根据时间差异以及参数差异(由调度员或操作者检测或更改)，对计划进行调整。这种调整可以根据铁路公司对如何处理这种偏离计划的要求自动或手动进行。每当计划更新时，例如但不限于到达时间，可能会同时考虑其它变化，例如新的未来的速度限制变化，这可能会影响恢复原始计划的可行性。在这种情况下，如果原始行程计划无法维持，或者换句话说，列车无法达到原始行程计划的目标，则如本文所述，其它行程计划可以被提供给操作者和/或远程设施或者调度。

当需要改变原始目标时，也可以修改现有行程计划或完全重新计划。这种计划修改或完全重新计划可以在固定的预先计划的时间内完成，根据操作者或调度员决定手动完成，或者在超出预定限制(例如列车运行限制)时自动进行。例如，如果当前计划执行延迟超过指定阈值，例如三十分钟，则在本发明主题的一实施例中，基于新的参数集，可以重新计划行程以适应延迟，新的行程计划也基于使行程余下部分的总燃料消耗最小化。基于动力编组的健康(health of the power consist)，还可以设想重新计划的其它触发因素，包括但不限于到达时间、由于设备故障和/或设备临时故障(例如过热或过冷运行)导致的马力损耗，和/或例如在假设的列车负载中的严重设置错误(gross setup error)的检测。也就是说，如果该变化反映了当前行程中机车性能的损害，则这些因素可以被考虑到优化中使用的模型和/或方程中。

计划目标的变化也可能源于协调事件以及不同级别的仲裁的需要，例如需要调度办公室，该事件中一列列车的计划损害了另一列列车实现目标的能力。例如，可以通过列车间的通信进一步优化相遇和通过的协调。因此，作为示例，如果一列列车知道它无法准时到达相遇和/或通过(meet and/or pass)的位置，则来自另一列列车的通信可以通知延迟的列车(和/或调度)。然后，操作者可以在计算机32中输入有关延迟的信息，其中控制算法40将重新计算列车的行程计划，在利用计划的再生制动的同时再次优化和最小化燃料消耗。控制算法40还可以在较高级别或网络级别上使用，以允许调度在可能不满足预定的相遇和/或通过时间约束的情况下，确定哪列列车应该减速或加速。如本文中所讨论的，这是通过列车将数据传输到调度以确定每列列车应如何改变其计划目标的优先级来实现的。根据具体的情况，选择可能取决于计划表或节省燃料的益处。

对于任何手动或自动启动的重新计划，控制算法40可以向操作者呈现一个以上的行程计划。在当前发明主题的示例性实施例中，控制算法40通常将不同的动力源选择计划表呈现给操作者，从而允许操作者选择到达时间并了解相应的燃料和/或排放影响。这种信息也可以作为可选的简单列表或多个权衡曲线提供给调度以用于类似考虑。

在当前发明主题的一实施例中，仍然具有学习和适应列车和动力编组的关键变化的能力，其可以被并入当前计划和/或用于未来计划。例如，上面讨论的触发因素之一是马力损耗。当随时间增加马力时，在逐渐失去马力之后或在行程开始时，都可以利用转换逻辑来确定何时达到所需的马力。

不管建立的目标函数的组合还是用于优化行程计划的混合动力推进系统的性能参数的组合，都可以通过鼓励在部分路线进行再生制动来提高总燃料效率。因此，在计划行程动力源选择计划表时，当修改现有的行程计划或完全重新计划时，可以获得如图3中概述的优化行程动力源选择计划表。

现在参考图4，根据本发明主题的一优选实施例，控制混合动力推进系统的方法被示为方法70。方法70开始于获取如图1和图2所示的混合动力推进系统10的预定路线52的高度和地形信息72。方法70还包括获取沿混合动力推进系统10的预定路线52的环境气象信息74。环境气象信息包括与沿着预定路线52的温度和气压值有关的当前和/或预测信息。

方法70还包括当混合动力推进系统10沿预定路线52行驶时，生成优化混合动力推进系统10的多个运行参数的行程计划76。行程计划通常基于目标函数生成，该目标函数包括诸如电池寿命，发动机寿命，电池组的充电状态(SOC)，行驶时间、最大功率设置、速度限制、及混合动力推进系统的废气排放等参数。

在本发明主题的一实施例中，方法70包括获取约束优化的目标行程标准(objective trip criteria)。目标行程标准可以包括但不限于混合动力推进系统的行驶时间、最大功率设置、速度限制和废气排放。行程计划也可以通过鼓励或促进再生制动的发生来生成和优化，以优化存储在电池中的电力。根据本发明的主题，这种优化可以无关于在行程期间混合动力推进系统10的动量或制动要求而发生。优化的行程计划还可以包括在部分行程期间耗尽电池，使得在再生制动期之前电池中有足够的存储容量。因此，可以优化总行程的燃料消耗，并且可以通过生成行程计划来提高总燃料效率，该行程计划在行程的本来没有再生制动的部分期间鼓励发生再生制动，同时满足最主要的目标行程标准。

方法70还包括基于优化的行程计划62如步骤78中那样优先选择使用发动机和/或电池。优化行程计划时，需要考虑许多性能参数。示例性和非限制性的性能参数包括作为输出功率函数的来自第一燃料和第二燃料的能量消耗、机车功率数据、推进系统牵引传动装置的性能以及混合动力推进系统的冷却特性。此外，方法70可以包括获取与车辆相关的信息，该信息可以包括但不限于机车数量、总负载等。例如，性能参数可以包括但不限于机车功率数据、再生制动特性、机车牵引装置传动性能、作为输出功率函数的发动机燃料的能量消耗以及混合动力推进系统的冷却特性。所获取的路线数据可以包括从第一点到第二点的一条支路，或者在点之间的多条支路。根据本发明主题，所获取的路线数据可以包括被提取并用于优化行程计划的高度和地形或坡度信息。

如方法70中那样，控制混合动力推进系统10包括基于推进系统10沿其预定路线52从一个点至另一点行驶时发生的环境条件，修改现有的行程计划或完全重新计划行程计划。在本发明主题的一实施例中，混合动力推进系统10是机车，并且控制方法70可以相应地进行调整。

根据本发明主题的一实施例，在运行中，诸如调度的远程设施可以提供信息，从而可以从相对于混合动力推进系统处于远程位置的计算机获取步骤72中的高度和地形信息以及步骤74中的环境气象信息。如图所示，这种信息被提供至控制器30。

此外，可以向控制器30提供机车建模信息数据库、来自轨道数据库的信息(例如但不限于轨道坡度信息和速度限制信息)、估计的列车参数(例如但不限于列车重量和阻力系数)、来自燃料消耗率估计器的燃料消耗率表(fuel rate tables from a fuel rateestimator)以及描述例如再生制动期间的电池效率和能量回收的电池模型。

实际上，通常，控制器30将信息提供给计划者，并据此计算行程计划。一旦计算出行程计划，该计划就被提供给驾驶顾问、驾驶员或控制器30。控制器30耦接至电池管理模块，该电池管理模块根据由控制器30执行的行程计划来控制电池组22的充电和放电。行程计划也被提供给控制器30，使得当提供其它新数据时，控制器30可以比较行程。

在本发明主题的一实施例中，控制器30可以自动设置档位功率，预先建立的功率设置或最优的连续档位功率。除了向混合动力推进系统10提供速度指令之外，还提供显示器，以便操作者可以查看计划者的建议。操作者还可以访问控制面板。通过控制面板，操作者可以决定是否应用建议的档位功率。为此，操作者可以限制目标功率或建议的功率。也就是说，在任何时候，操作者始终对机车编组将以何种功率设置运行拥有最终决定权。这包括在变化的气象条件下，例如在寒冷或炎热的地区运行时，决定是从发动机还是从电池向混合动力推进系统10提供所需的功率。此外，在来自路旁设备的信息不能以电子方式将信息传输至列车，而是操作者观看来自路旁设备的视觉信号的情况下，操作者基于轨道数据库中包含的信息和来自路旁设备的视觉信号输入指令。

基于混合动力推进系统10如何运行，关于燃料测量的信息被提供至燃料消耗率估计器。由于通常在机车编组中无法直接测量燃料流量，因此使用校准的物理模型，例如用于制定优化计划时使用的物理模型，来实现行程中消耗的燃料信息以及根据优化计划预测未来。例如，这样的预测可以包括但不限于使用测量的总马力和已知的燃料特性来导出所使用的累积燃料。

在当前发明主题的一实施例中，混合动力推进系统10可以具有示例性定位元件，例如GPS传感器，并且位置信息可以被提供给列车参数估计器。这种信息可以包括但不限于GPS传感器数据、牵引/制动力数据、制动状态数据、速度和速度数据的任何变化。关于坡度的信息和速度限制信息以及列车重量和阻力系数信息提供给控制器30。

本发明主题还可以允许在整个优化计划和闭环控制实施过程中使用连续可变的功率。在传统的机车中，功率通常被量化为八个离散等级。现代机车可以实现马力的连续变化，这可以结合至先前描述的优化方法中。利用连续功率，混合动力推进系统10可以进一步优化运行条件，例如，通过最小化辅助负载和功率传输损耗，以及微调最优效率的发动机马力区域或者至增加排放裕度的点(to points of increased emission margin)。示例包括但不限于最小化冷却系统损耗、调整交流发电机电压、调整发动机转速以及减少动力轴的数量。此外，混合动力推进系统10可以使用轨道数据库和预测的性能要求来最小化辅助负载和功率传输损耗，从而为目标燃料消耗/排放提供最优效率。示例包括但不限于在平坦地形上减少动力轴数量，以及在进入隧道之前对机车发动机进行预冷却。

本发明的主题还可以使用轨道数据库和预测性能来调整机车性能，例如以确保列车在接近山丘和/或隧道时具有足够的速度。例如，这可以表示为成为优化计划一部分的特定位置的速度约束。另外，控制算法40可以包括列车处理规则，例如但不限于牵引力斜坡率(ramp rate)、最大制动力斜坡率。这些可以直接结合至最优的行程动力源选择计划表的公式中，或者可选地结合至用于控制功率应用以达到目标速度的闭环调节器中。

在优选实施例中，控制算法40仅安装在列车编组的引导机车上。然而，不排除与多个列车的交互，并且根据本发明的主题，可以控制两个或更多个独立优化的列车。

采用分布式动力系统的列车可以以几种不同的模式运行。一种模式是列车中的所有机车以相同的档位指令运行。因此，如果引导机车正在指令机动-N8(motoring-N8)，则列车中的所有单元将被指令产生机动-N8的动力。另一种运行模式是“独立”控制。在这种模式下，分布在整个列车上的机车或机车组可以以不同的机动或制动功率运行。例如，当列车到达山顶时，(在山的下坡上的)引导机车可能处于制动状态，而(在山的上坡上的)列车中部或末端的机车可能处于机动状态。这样做是为了最小化连接轨道车和机车的机械耦接器上的拉力。传统上，在“独立”模式下运行分布式动力系统需要操作者通过引导机车中的显示器手动指令每个远程机车或机车组。使用基于物理的计划模型、列车设置信息、车载轨道数据库、车载运行规则、位置确定系统、实时闭环机动/制动控制和传感器反馈，系统将自动以“独立”模式运行分布式动力系统。

当以分布式动力运行时，引导机车中的操作者可以通过诸如分布式动力控制元件的控制系统来控制远程编组中的远程机车的运行功能。因此，当以分布式动力运行时，操作者可以指令每个机车编组以不同的档位功率等级运行(或者一个编组可以处于机动状态，而其它编组可以处于制动状态)，其中，机车编组中的每个单独的机车都以相同的档位功率运行。在一示例性实施例中，控制算法40安装在列车上，优选地与分布式动力控制元件通信，当如优化行程计划所建议的、用于远程机车编组的档位功率等级是期望的时，控制算法40将该功率设置传送至远程机车编组以供实施。制动也是如此。

控制算法40可以与其中机车不相邻的编组一起使用，例如，一个或多个机车在前面，而其它机车在列车的中间和后方。这种配置被称为分布式动力(distributed power)，其中机车之间的标准连接被无线电链路或辅助电缆代替，以在外部链接机车。

在示例性实施例中，控制算法40安装在列车上，优选地与分布式动力控制元件通信，当如优化行程计划所建议的、用于远程机车编组的档位功率等级是期望的，控制算法40通常将该功率设置传送至远程机车编组以供实施。制动也是如此。当以分布式动力运行时，先前描述的优化问题可以被增强以允许额外的自由度，因为每个远程单元都可以独立于引导单元被控制。其价值在于，假设还包括反映列车内力(in-train force)的模型，则可以将与列车内力有关的其它目标或约束纳入性能函数中。因此，本发明的主题可以包括使用多个节气门控件(throttle control)以更好地管理列车内力以及燃料消耗和排放。在这样的实施例中，包括气象的行程优化(weather integrated trip optimization)通过例如从发动机向一个机车供能同时从电池向另一机车供能，来提高整体燃料效率。

在利用编组管理器的列车中，机车编组中的引导机车可以在与编组中的其它机车不同的档位功率设置下运行。编组中的其它机车以相同的档位功率设置运行。本发明的主题可以与编组管理器结合使用，以指令用于编组中的机车的档位功率设置和再生制动指令。因此，基于本发明的主题并作为一示例，由于编组管理器将机车编组分为两组，即引导机车和牵引单元(trail unit)，引导机车将被指令以确定的档位功率运行，而牵引机车被指令以另一确定的档位功率运行。在示例性实施例中，分布式动力控制元件可以是容纳该操作的系统和/或设备。

同样地，当将编组优化器与机车编组一起使用时，控制算法40可以与编组优化器结合使用，以确定机车编组中每个机车的档位功率，从而提供总体所需净功率。例如，假设行程计划建议将机车编组的档位功率设置为4。根据列车的位置，编组优化器将获取该信息，然后确定编组中每个机车的档位功率设置。在该实施例中，提高了在列车内通信信道上设置档位功率设置的效率。此外，如上所述，这种配置的实现可以利用分布式控制系统来执行。

此外，在本发明主题的实施例中，本文描述的行程优化器算法可以在行程期间强制发动机以效率较低的模式(例如，内燃机的峰值功率配合电池的消耗)运行。这种运行可以弥补损耗的时间或相比于内燃机单独，能提供额外的加速能力。然而，在这种实施例中，尽管可能出现短期的效率降低，但是由于行程优化器充分考虑了在计划行程期间的组合效率，所以总体效率得以提高。

此外，如前所述，控制算法可用于对现有的行程计划连续校正和修订或者基于即将到来的关注的项目关于列车编组何时使用哪种动力源完全重新计划，关注的项目例如但不限于铁道路口、坡度变化、接近侧线、接近车辆段场和接近加油站，其中编组中的每个机车可能需要不同的制动选项。例如，如果列车正越过山丘(在较高的海拔，温度通常较低，可能有例外)，则引导机车可以由电池供能，而尚未到达山顶的远的机车可能必须保持机动状态并由发动机供能。

对所公开的方法和装置的技术贡献在于，其提供了被配置成运行混合动力推进系统并访问导航数据库系统的计算机以及使用该系统的方法。

根据本发明主题的一实施例，一种用于控制混合动力推进系统的系统，包括计算机，该计算机被编程为获取与包括第一能量源和第二能量源的混合动力推进系统的预定路线相关联的高度和地形信息。该计算机还被编程为获取与混合动力推进系统的预定路线相关联的当前和预测的环境气象信息，确定与沿该混合动力推进系统的预定路线的高度和地形相关联的混合动力推进系统的功率需求和扭矩需求，生成行程计划以在混合动力推进系统沿预定路线行驶时优化混合动力推进系统的多个性能参数中的至少一个，并基于行程计划优先选择第一能量源和/或第二能量源。

根据本发明主题的另一实施例，一种控制混合动力推进系统的方法，包括获取用于混合动力推进系统行驶的预定路线的高度和地形信息，该混合动力推进系统包括第一能量源和第二能量源。该方法还包括获取沿混合动力推进系统的预定路线的环境气象信息，确定与沿混合动力推进系统的预定路线的高度和地形相关联的混合动力推进系统的功率需求和扭矩需求，当混合动力推进系统沿预定路线行驶时，生成优化混合动力推进系统的多个运行参数的行程计划，并且基于行程计划优先选择第一能量源和/或第二能量源。

根据本发明主题的又一实施例，推进系统包括混合动力源，以通过输电线路提供动力来驱动该推进系统，该混合动力源包括内燃(IC)机和电动机，其中IC发动机耦接至输电线路、耦接至电动机的电池组、选择设备和计算机。选择设备被布置成选择性地将电动机耦接至输电线路。

推进系统还包括计算机，该计算机被配置成获取与包括第一能量源和第二能量源的混合动力推进系统的预定路线相关联的高度和地形信息，并获取与混合动力驱动系统的预定路线相关联的环境气象信息。该计算机还被配置为确定与沿混合动力推进系统的预定路线的高度和地形相关联的混合动力推进系统的功率需求和扭矩需求，并当混合动力推进系统沿预定路线行驶时生成行程计划以优化混合动力推进系统多个性能参数中的至少一个，并且基于行程计划优先选择第一能量源和/或第二能量源。

本发明的主题包括与路线导航系统有关的实施例。本发明的主题包括涉及用于为混合动力推进系统生成优化行程的方法的实施例。

此外，作为非限制性示例，结合机车的混合动力发动机(hybrid engine)描述了本发明的主题。然而，本领域的技术人员将认识到，本文所示的实施例和方法通常可以广泛地应用于混合动力推进系统。这些示例混合动力推进系统包括标准机车编组内的全电池机车，即电池-电力机车(BEL)装置，其中电池未集成到单个机车中。此外，“车辆”在整个说明书全文中既被用作单独的集成单元，也被用作多个机车的集合，其中一个或多个机车具有能量存储装置，该能量存储装置可以集成到具有发动机和能量存储单元的一个机车中，也可以不集成到该机车中。“车辆”的定义还可以指重型卡车，其中能量存储单元可以放置在拖车中，该拖车与普通货物拖车之间的牵引机构连接，实质上使之成为“公路列车”。换句话说，“混合动力车辆”的定义包括能量存储单元，这些能量存储单元不一定集成到重型卡车的单个动力单元中，而是可以作为独立的、可分离的资产存在。此外，“车辆”的定义还可以指代任何其它车辆，包括卡车/OHV/汽车和自动驾驶车辆。“高度和地形”是指并且包括与轨道相关联的细节，例如坡度、弯道上的轨道半径等，机车通常在这些轨道上行驶。

图5示出了用于本发明主题的多个实施例中的通常包括电力驱动系统的集成到单个编组以及大型设备中的机车的代表性布局。参考示例性柴油电力机车，电动机总是带有或不带有电池的推进系统的一部分。示例性电力驱动系统通常包括连接至交流发电机的发动机(例如内燃机或IC发动机)，该交流发电机又连接至电力牵引电动机，该电力牵引电动机提供使列车的车轮旋转所需的动力。此外，以下描述的装置、系统和部件的几种可能的布置通常与机车或大型越野车辆应用有关，这些应用体现了在所有预定的行驶路线中电力驱动的使用。

参照图5，结合本发明主题的实施例的混合动力推进系统510包括发动机516，该发动机516连接至交流发电机517，该交流发电机517通过多个相应的输电线路512和开关元件组520将机车电网上的电力供应给多个电力(牵引)电动机18。电动机518还通过开关元件组520耦接至电池或电池组522。该开关元件组520被示出为一组开关524、526、528，其选择性地耦接电动机518与发动机516或电池522或发动机516和电池522两者。开关524、526、528由耦接至计算机532的控制器530选择性地控制。

图6是在编组内使用单独的电池-电力机车的可选实施例。在本发明主题的该示例性实施例中，如图所示，发动机516通过交流发电机517借助输电线路512耦接至电动机518。在运行中，混合动力推进系统510的开关524、526、528可以选择性地将电动机518通过交流发电机517耦接至发动机516或耦接至电池组522，或耦接至发动机516和电池组522两者。因此，作为示例，通过闭合开关524和526并断开开关528，发动机516耦接至相应的电动机518，并可以向电动机518传递动力。独立地，在电池室中，通过闭合开关524和528并断开开关526，电池组522被耦接至对应的电动机518，并且可以直接从中汲取电力。

在本发明主题的另一可选实施例中，例如在某些客车中，发动机驱动系统可以使用机械驱动系统。在本发明主题的一个这样的实施例中，发动机516可以通过机械传动装置连接至电动机518。在这些实施例中，开关524、526、528是机械离合器、齿轮系等，其被配置为向电动机518传递机械动力。

图5和图6进一步示出了计算机532，其被配置为从定位元件534、轨道表征元件536和传感器538接收信息。根据本发明主题的实施例，控制算法540在计算机532内运行并且被配置为生成行程计划。混合动力推进系统510位于轨道542上，并且信息可以通过无线通信从中央或路旁位置544传输至混合动力推进系统510。控制算法540用于基于沿混合动力推进系统510的计划路线的高度和地形信息来计算优化的行程计划。具体地，在本发明主题的一实施例中，控制算法确定与沿预定行驶路线的给定位置相关联的功率和扭矩需求，以便维持给定的总行程时间。控制算法540还基于轨道542、多个低温燃烧条件(例如沿行驶路线的多个点处的功率和扭矩需求)、机车数量、总负载等来计算优化的行程计划。控制算法540还考虑了任务的几个其它目标，这些目标可以包括在变化的低温燃烧条件下选择动力源、总行程时间、最大动力设置、最大速度限制、废气排放、混合动力推进系统的发动机的节气门转换量等。

在一示例性实施例中，当混合动力推进系统510沿轨道542移动时，行程计划基于列车行为的模型被建立，作为控制算法540中提供的简化的假设物理导出的非线性微分方程的解。控制算法540可以访问来自定位元件534、轨道表征元件536、预定的行驶路线552(图7)、功率需求模块554和扭矩需求模块556和/或传感器538的信息，以创建最小化燃料消耗的行程计划，同时将排放维持在可接受的标准之内，建立期望的行程时间，和/或确保适当的机组运行时间。

当控制器530遵循行程计划时，控制器530按照控制算法540控制开关524、526、528，并且使发动机516与输电线路512和电动机518接合和脱离，和/或电池组522与输电线路512接合和脱离。在一实施例中，控制器530自主地做出列车运行决策，并且在另一实施例中，操作者可以参与指导列车遵循行程计划。在本发明主题的一实施例中，控制器530通常以使得发动机在恒定进气条件下以恒定速度和/或功率运行的方式利用电池。发动机在恒定速度和/或功率下的一种这样的示例性且非限制性的运行进一步使得发动机中能够稳定的低温燃烧。

根据本发明主题的一实施例，行程计划可以在被执行的同时被实时修改。因此，当涉及长距离时，可以确定初始计划，但是由于计划优化控制算法540的复杂性和变化的条件，可以相应地修改计划。控制算法540还可以用于分割任务，其中任务可以通过路径点被划分。尽管仅讨论了单个控制算法540，但是可以串联或并联使用一个以上的控制算法540。

在运行中，当混合动力推进系统510沿其预定路线行驶时，取决于与行驶路线相关联的高度和地形，混合动力推进系统510可能会不时地遇到低温燃烧条件。低温燃烧条件对发动机的运行的精确控制构成了一些挑战，因为燃烧边界条件的微小变化会导致发动机的不稳定运行。燃烧边界条件的可能变化包括进气条件的变化，例如压力和/或温度和/或组分。燃烧边界条件的进一步变化可能包括发动机运行条件的变化，例如燃料消耗率和发动机转速。在本发明主题的一实施例中，在低温燃烧下的具有电池的混合动力发动机的示例性控制策略包括使用行程的前馈知识以及在整个行程中通过发动机和通过电池提供的功率和扭矩的相应需求的知识。行程可以被计划和控制，以在低温燃烧期间使发动机稳定运行。

在本发明主题的另一实施例中，计算机532采用的控制策略能够实现稳定的低温燃烧。通常，行程知识与发动机和电池的优先选择相结合，以稳定低温燃烧，例如均质充量压燃(HCCI)发动机等。具体地，使用控制策略将燃烧边界条件维持在稳定点可以实现稳定的低温燃烧。换句话说，行程连同电池的前馈知识可用于承受所需功率和扭矩的波动，并使发动机在给定的设定点运行。这允许稳定发动机边界条件，并允许燃料供给、进气温度和进气压力的精确控制。

各种现有技术出版物确认多个参数影响HCCI发动机的燃烧启动。这些公认的参数包括：燃料类型、压缩比、进气温度、增压空气中的氧气浓度、当量比、增压空气密度和增压压力。然而，现有技术中缺少用于结合与混合动力推进系统的预定路线相关联的高度和地形信息来控制HCCI发动机中的燃烧启动的系统和方法。现有技术中还缺少一种系统和方法，用于有效地确定与预定路线几个位置相关联的动力需求和扭矩需求，并在发动机与电池之间转换，以确保稳定的低温燃烧和/或恒定的总行程时间。本发明的主题提供了一种用于具有HCCI燃烧的发动机的新系统和运行方法，其消除了现有技术的这些和其它缺陷。

图7示出了用于控制混合动力推进系统510(图5)的系统550的示意性框图。在本发明主题的一实施例中，混合动力推进系统是机车。混合动力推进系统510包括第一能量源516和第二能量源522。在本发明主题的一个示例性实施例中，第一能量源是发动机，第二能量源是电池组。系统550还包括计算机532，计算机532被编程为获取与混合动力推进系统510的预定路线552相关联的高度和地形信息。该计算机532还被编程为获取与混合动力推进系统的预定路线552相关联的低温燃烧信息。低温燃烧信息包括功率需求554和扭矩需求556。与低温燃烧条件相关联的功率需求554可以是当前功率需求以及预测功率需求。同样，与低温燃烧条件相关联的扭矩需求556可以是当前扭矩需求以及预测扭矩需求。

计算机532还被编程为当混合动力推进系统沿着预定路线552行驶时，生成优化混合动力推进系统510的多个性能参数的行程计划588，并且在行程计划588上优先选择发动机或电池组或两者。此外，计算机532被编程为基于多个关注因素的确定来生成行程计划，例如沿预定路线552的功率需求554和扭矩需求556、作为混合动力推进系统510的功率和扭矩需求的能量源发动机的寿命、作为混合动力推进系统510的功率和扭矩需求的能量源的电池组的寿命、电池组的充电状态、总行程时间、最大功率设置、速度限制以及为混合动力推进系统510规定的废气排放限制，其中，利用发动机燃料的发动机是第一能量利用系统的示例性实施例，电池是第二能量利用系统的示例性实施例。

在本发明主题的一实施例中，示例性和非限制性性能参数包括发动机运行条件562，该发动机运行条件562包括总行程时间564、燃料消耗率(fueling rate)566和发动机转速568。此外，在本发明主题的另一实施例中，性能参数可以包括进气条件572，诸如进气成分574、进气压力576、进气温度578等。在本发明主题的又一实施例中，性能参数可以进一步包括，但不限于，机车功率数据、再生制动特性、机车牵引装置传动性能、作为输出功率的函数的发动机燃料的消耗以及混合动力推进系统的冷却特性。

行程计划558通常基于目标函数生成，该目标函数包括例如均作为组合功率输出的函数的发动机输出功率的比率(the rate of power output from the engine)和电池组输出功率的比率、机车功率数据、车辆牵引传动装置的性能、混合动力推进系统的冷却特性、作为混合动力推进系统510的功率和扭矩需求的能量源的发动机的寿命、作为混合动力推进系统510的功率和扭矩需求的能量源的电池组的寿命、电池组的充电状态、总行程时间、最大功率设置、速度限制以及混合动力推进系统的废气排放等参数，其中，利用发动机燃料的发动机是第一能量利用系统的示例性实施例，电池是第二能量利用系统的示例性实施例。

在本发明主题的另一实施例中，可以使计算机532基于推进系统从第一点向第二点行驶时出现的低温燃烧条件来修改行程计划558。计算机532被配置为从相对于混合动力推进系统处于远程位置的计算机获取高度、地形和低温燃烧信息。

如图所示，在车上或从远程位置(例如具有指令的调度中心)输入针对计划行程的指令。这种输入信息包括但不限于列车位置、编组类型(即，一个或多个连续的机车)、机车动力类型、再生制动特性、机车牵引装置传动性能、作为输出功率函数的发动机燃料的消耗、冷却特性、预期的行驶路线(作为里程标的函数的有效轨道坡度和曲率或“有效坡度”分量，以反映按照标准铁路惯例的曲率)、以车厢组成和负载以及有效阻力系数表示的列车、行程期望参数，该行程期望参数包括但不限于开始时间和位置、终点位置、期望总行程时间、机组人员(用户和/或操作者)身份、机组轮班有效时间和路线。

这些数据可以以多种方式提供至混合动力推进系统510，例如但不限于，操作者通过车载显示器手动将该数据输入至混合动力推进系统510中，将包含该数据的诸如硬盘和/或USB驱动器之类的存储装置插入机车上的接口中，或者通过无线通信从中央或路旁位置544(图5中所示)，例如轨道信号设备和/或路旁设备，传输信息至混合动力推进系统510。混合动力推进系统510的负载特性(例如，阻力)可以在路线上改变(例如，随着高度、低温燃烧以及轨道和轨道车的状况)，并且计划可以被更新，以反映例如机车/列车状态的实时自主地收集的所需的这种改变。这包括例如通过混合动力推进系统510车载或非车载的监控设备检测到的混合动力推进系统510的特性的变化。

基于规格数据，沿路线的、具有期望的开始和结束时间的最优计划被计算以生成行程动力源选择计划表，该最优计划使燃料使用最小化，该燃料使用受限于速度限制约束、排放限制、作为混合动力推进系统的功率和扭矩需求的能量源的发动机的寿命、作为混合动力推进系统的功率和扭矩需求的能量源的电池组的寿命、电池组的充电状态等，利用发动机燃料的发动机是第一能量利用系统的示例性实施例，电池是第二能量利用系统的示例性实施例。根据本发明主题的优选实施例，并且正如后面将讨论的，行程动力源选择计划表包括鼓励优先选择动力源的时段，以利用与混合动力推进系统510行驶路线相关联的高度和地形的先验知识以及由沿行驶路线的功率和扭矩需求示例的相应的预期低温燃烧条件。该计划包含发动机和电池之间的选择计划表，以及列车要遵循的最优速度和功率(档位)设置、表示为距离和/或时间的函数、以及列车的运行限制，包括但不限于，最大档位功率和制动器设置、作为位置的函数的速度限制以及预期使用的燃料和产生的排放。

用于计算最优动力源选择计划表的程序可以是任何数量的用于计算驱动混合动力推进系统510以最小化燃料的动力顺序的方法，该燃料受限于机车运行条件、作为混合动力推进系统510的功率和扭矩需求的能量源的发动机的寿命、作为混合动力推进系统510的功率和扭矩需求的能量源的电池组的寿命、电池组的充电状态、排放、计划表约束等，其中，利用发动机燃料的发动机是第一能量利用系统的示例性实施例，电池是第二能量利用系统的示例性实施例。在某些情况下，由于列车配置、路线和环境条件的相似性，最优动力源选择计划表可能足够接近先前确定的动力源选择计划表。在这种情况下，在先前执行的行程计划的数据库中查找行驶轨道并遵循可能就足够了。当先前计算的计划不可用或不适合时，计算新计划的方法包括但不限于使用近似运动的列车物理的微分方程模型直接计算优化动力源选择计划表。例如，该程序(setup)涉及选择定量目标函数，或者对应于总行驶时间、燃料消耗率、最大功率设置、速度限制、产生的排放的模型变量的加权和(积分)，加上惩罚过度的节气门变化或调整的项。

例如，可以根据任何时间的计划目标灵活地设置问题，以使受排放和速度限制约束的燃料最小化，或者使受燃油使用量和到达时间的约束的排放最小化。例如，还可以设置一个目标，在不限制总排放量或燃料使用量的情况下，最小化总行程时间，其中这种限制的放松是被允许或被该任务需要的。

使用此模型，建立了最优控制公式，以最小化定量目标函数，该函数受到包括但不限于速度限制以及最小和最大功率(节气门)设置的约束。根据任何时间的计划目标，可以灵活设置问题，以使受排放和速度限制约束的燃料最小化，或者使受燃油使用量和到达时间的约束的排放最小化。

在运行中，至少部分基于低温燃烧条件(功率和扭矩)，为混合动力推进系统510采用控制策略，以通过发动机516或电池522或两者提供其功率及扭矩需求。提前知道低温燃烧条件，可以制定行程计划558，该行程计划558优先使用电池和/或发动机动力以减少燃料消耗并延长发动机和/或电池的寿命。

特别地，示例性计算机532被编程为使用即将到来的行程和沿行驶路线的预期低温燃烧条件的知识来优先选择来自发动机516和/或电池522的动力源和/或扭矩源。例如，知道与行程相关联的特定海拔或高度要求通常可以给出沿预定路线552的环境气压指示。在本发明主题的一实施例中，相关的控制策略可以选择在较高的海拔相对较少地运行发动机，因此在相同条件下节省电池。这可以减少发动机部件的磨损，因为较高的海拔会对涡轮增压器和其它部件造成更大的压力。此外，发动机通常在较高的高度下效率不高，因此，使用电池而不是发动机可以改善燃料消耗。对于低温燃烧条件的变化，可以做出类似的权衡。

在本发明主题的一实施例中，示例控制策略可以是在高低温燃烧下较少地运行电池，从而延长其寿命。换句话说，给定的行程可能仅在需要时和/或仅在温度不太高或不太低时运行电池。在本发明主题的另一实施例中，采用的控制策略可以是运行电池，使得发动机在进气条件保持恒定的同时以恒定的速度和/或恒定的功率运行。在另一实施例中，计算机532能够选择被确定为对于所选择的动力源选择计划表而言最优的连续功率设置，而不是以传统的离散档位功率设置运行。因此，例如，如果最优动力源选择计划表规定了档位设置6.8，而不是在档位设置7运行，则混合动力推进系统510可以在6.8运行，以进一步提高其效率。

在本发明主题的一实施例的语境中，排放指的是以氮氧化物(NOx)、未燃烧的烃、颗粒等形式产生的累积排放。如果在行程任务期间的关键目标是减少总排放，则可以生成或修改控制算法540，以结合改进的总燃料效率来考虑该行程目标。优化设置的关键灵活性是，任何或所有行程目标都可以根据地理区域或任务而有所不同。例如，对于高优先级的列车，最短时间可能是一条路线上的唯一目标，因为它是高优先级车辆。在另一示例中，沿计划的列车路线，各州的排放输出可能会有所不同。

仍然参考图7，一旦生成优化的行程计划558，就生成动力指令以启动计划。根据本发明主题的一实施例中的操作设置，一个指令是机车遵循优化的动力指令，以实现最优速度。本发明主题从混合动力推进系统510的机车编组获取实际速度和功率信息。由于用于优化的模型中不可避免的近似，因此获取对优化功率的校正的闭环计算，以追踪期望的最优速度。列车运行限制的这种校正可以自动进行，也可以由传统上对列车具有最终控制权的操作者进行。

在运行中，混合动力推进系统510持续监控系统效率，并基于所测量的实际效率持续更新行程计划，只要这种更新将改善行程性能。修改现有行程计划或完全重新计划计算可以完全在机车内进行，或者完全或部分移至远程位置，例如调度或路旁处理设施，其中无线技术用于将计划通信至混合动力推进系统510。本发明主题还可以产生效率趋势，该效率趋势可以用于开发关于效率传递函数的机车车队数据。车队范围的数据可以在确定初始行程计划时使用，并且可以在考虑多列列车的位置时用于网络范围的优化折衷。

日常运营中的许多事件可能会导致需要生成或修改当前正在执行的计划，其中期望保持相同的行程目标，并且用于当列车未按计划表进行与另一列列车的相遇或通过时，需要弥补时间。基于行程计划的其余部分，使用机车的实际速度、功率和位置，在计划的到达时间和当前估计(预测)到达时间之间进行比较。根据时间差异以及参数差异(由调度员或操作者检测或更改)，对计划进行调整。这种调整可以根据铁路公司对如何处理这种偏离计划的要求自动或手动进行。每当计划更新时，例如但不限于到达时间，可能会同时考虑其它变化，例如新的未来的速度限制变化，这可能会影响恢复原始计划的可行性。在这种情况下，如果原始行程计划无法维持，或者换句话说，列车无法达到原始行程计划的目标，则如本文所述，其它行程计划可以被提供给操作者和/或远程设施或者调度。

当需要改变原始目标时，也可以修改现有行程计划或完全重新计划。这种计划修改或完全重新计划可以在固定的预先计划的时间内完成，根据操作者或调度员的决定手动完成，或者在超出预定限制(例如列车运行限制)时自动进行。例如，如果当前计划执行延迟超过指定阈值，例如三十分钟，则在本发明主题的一实施例中，基于新的参数集，可以重新计划行程以适应延迟，新的计划再次基于最小化行程剩余部分的总燃料消耗。基于动力编组的健康，还可以设想用于重新计划的其它触发因素，包括但不限于到达时间、由于设备故障和/或设备临时故障(例如过热或过冷运行)导致的功率损耗，和/或例如在假设的列车负载中的严重设置错误的检测。也就是说，如果该变化反映了当前行程中机车性能的损害，则这些因素可以被考虑到优化中使用的模型和/或方程中。

计划目标的变化也可能源于协调事件和不同级别仲裁的需要，例如需要调度办公室，该事件中，一列列车的计划损害了另一列列车实现目标能力，。例如，可以通过列车间的通信进一步优化相遇和通过的协调。因此，作为示例，如果一列列车知道它无法准时到达相遇和/或通过的位置，则来自另一列列车的通信可以通知延迟的列车(和/或调度)。然后，操作者可以在计算机532中输入有关延迟的信息，其中控制算法540将重新计算列车的行程计划，在利用计划的再生制动的同时再次优化和最小化燃料消耗。控制算法540也可以在较高级别或网络级别上使用，以允许调度在可能不满足预定的相遇和/或通过时间约束的情况下，确定哪列列车应该减速或加速。如本文中所讨论的，这是通过列车将数据传输到调度以确定每列列车应如何改变其计划目标的优先级来实现的。根据具体的情况，选择可能取决于计划表或节省燃料的益处。

对于任何手动或自动启动的重新计划，控制算法540可以向操作者呈现一个以上的行程计划。在当前发明主题的示例性实施例中，控制算法540通常将不同的动力源选择计划表呈现给操作者，从而允许操作者选择到达时间并了解相应的燃料和/或排放影响。这种信息也可以作为可选的简单列表或多个权衡曲线提供给调度以用于类似考虑。

在当前发明主题的一实施例中，仍然具有学习和适应列车和动力编组中的关键变化的能力，其可以被并入当前计划和/或用于未来计划。例如，上面讨论的触发因素之一是马力损耗。当随时间增加马力时，在逐渐失去马力之后或在行程开始时，都可以利用转换逻辑来确定何时达到所需的马力。

不管建立的目标函数的组合还是用于优化行程计划的混合动力推进系统的性能参数的组合，都可以通过鼓励在部分路线进行再生制动来提高总燃料效率。因此，在计划行程动力源选择计划表时，当修改现有的行程计划或完全重新计划，或者当调整计划时，可以获得如图7中概述的优化行程动力源选择计划表。

现在参考图8，根据本发明主题的一优选实施例，控制混合动力推进系统的方法被示为方法580。方法580开始于获取如图5和图6所示的混合动力推进系统510的预定路线552的高度和地形信息582。方法580还包括确定与混合动力推进系统510的沿预定路线552的低温燃烧条件相关联的功率需求和扭矩需求584。具体地，确定与沿预定行驶路线的给定位置相关联的功率和扭矩需求，以便维持给定的总行程时间。与低温燃烧条件相关联的功率需求可以是当前功率需求以及预测功率需求。同样的，与低温燃烧条件相关联的扭矩需求可以是当前扭矩需求以及预测扭矩需求。

方法580还包括当混合动力推进系统510沿预定路线552行驶时，生成优化多个性能参数的行程计划586，以稳定混合动力推进系统510中的低温燃烧条件。方法580包括在优化行程计划的同时管理和考虑多个性能参数。管理示例性和非限制性性能参数包括管理进气条件588，该进气条件588包括进气成分、进气压力和进气温度。此外，以类似的方式，管理性能参数包括管理发动机运行条件592，该发动机运行条件包括总行程时间、燃料消耗率和发动机转速。

在本发明主题的另一实施例中，作为示例，管理性能参数可以进一步包括但不限于管理机车功率数据、再生制动特性、机车牵引传动装置的性能、作为输出功率的函数的发动机燃料消耗以及混合动力推进系统冷却特性。所获取的路线数据可以包括从第一点到第二点的一条支路，或者在点之间的多条支路。根据本发明主题，所获取的路线数据可以包括被提取并用于优化行程计划的高度和地形或坡度信息。

行程计划通常基于目标函数生成，该目标函数包括例如均作为组合功率输出的函数的发动机输出功率的比率和电池组输出功率的比率、机车功率数据、车辆牵引传动装置的性能、混合动力推进系统的冷却特性、作为混合动力推进系统的功率和扭矩需求的能量源的发动机的寿命、作为混合动力推进系统的功率和扭矩需求的能量源的电池组的寿命、电池组的充电状态、总行程时间、最大功率设置、速度限制以及混合动力推进系统的废气排放，其中，利用发动机燃料的发动机是第一能量利用系统的示例性实施例，电池是第二能量利用系统的示例性实施例。

在本发明主题的一实施例中，方法580包括获取约束优化的多个目标行程标准。目标行程标准可以包括但不限于混合动力推进系统的总行程时间、最大功率设置、速度限制、废气排放和节气门调整。行程计划也可以通过鼓励或促进再生制动的发生来生成和优化，以优化存储在电池中的电力。这种优化可以无关于在行程期间混合动力推进系统510的动量或制动要求而发生。换句话说，优化的行程计划可能要求通过IC发动机在路线的平坦部分上加速，或者可能要求通过IC发动机加速上坡，如此使得能量可以在例如下坡或降低期间被再生地回收。优化的行程计划还可以包括在部分行程期间耗尽电池，使得在再生制动期之前电池中有足够的存储容量。因此，可以优化总行程的燃料消耗，并且可以通过生成行程计划来提高总燃料效率，该行程计划在行程本来没有再生制动的部分期间鼓励发生再生制动，同时满足最主要的目标行程标准。

方法580还包括基于优化的行程计划558如步骤594中那样优先选择发动机和/或电池作为功率和/或扭矩需求的潜在来源。在本发明主题的一实施例中，电池组使得发动机能够在进气条件保持恒定的同时以恒定速度和/或恒定功率运行。在另一实施例中，计算机532能够选择被确定为对于所选择的动力源选择计划表而言最优的连续功率设置，而不是以传统的离散档位功率设置运行。因此，如上所述，如果优化动力源选择计划表规定了档位设置6.8，而不是在档位设置7运行，则混合动力推进系统510可以在6.8运行，以进一步提高其效率。

如方法580中那样，控制混合动力推进系统510包括基于推进系统510沿其预定路线552从一个点至另一点行驶时发生的低温燃烧条件，修改现有的行程计划或完全重新计划行程计划。在本发明主题的一实施例中，混合动力推进系统510是机车，并且控制方法580可以相应地进行调整。

根据本发明主题的一实施例，在运行中，诸如调度的远程设施可以提供信息，从而可以从相对于混合动力推进系统处于远程位置的计算机获取步骤582中的高度和地形信息以及如步骤584中的低温燃烧信息。如图所示，这种信息被提供至控制器530。

另外，可以向控制器530提供机车建模信息数据库、来自轨道数据库的信息(例如但不限于轨道坡度信息和速度限制信息)、估计的列车参数(例如但不限于列车重量和阻力系数)、来自燃料消耗率估计器的燃料消耗率表以及描述例如再生制动期间的电池效率和能量回收的电池模型。

实际上，通常，控制器530将信息提供给计划者，并据此计算行程计划。一旦计算出行程计划，该计划就被提供给驾驶顾问、驾驶员或控制器530。控制器530耦接至电池管理模块，该电池管理模块根据由控制器530执行的行程计划来控制电池组522的充电和放电。行程计划也被提供给控制器530，使得当提供其它新数据时，控制器530可以比较行程。

在本发明主题的一实施例中，控制器530可以自动设置档位功率，预定的功率设置，或最优的连续档位功率。除了向混合动力推进系统510提供速度指令之外，还提供显示器，以便操作者可以查看计划者的建议。操作者还可以访问控制面板。通过控制面板，操作者可以决定是否应用建议的档位功率。为此，操作者可以限制目标功率或建议的功率。也就是说，在任何时候，操作者始终对机车编组将以何种功率设置运行拥有最终决定权。这包括因在寒冷或炎热的地区运行时而产生的变化的低温燃烧条件下，决定是从发动机还是从电池向混合动力推进系统510提供所需的功率和/或扭矩。此外，在来自路旁设备的信息不能以电子方式将信息传输至列车，而是操作者观看来自路旁设备的视觉信号的情况下，操作者基于轨道数据库中包含的信息和来自路旁设备的视觉信号输入指令。

基于混合动力推进系统510如何运行，关于燃料测量的信息被提供至燃料消耗率估计器。由于通常在机车编组中无法直接测量燃料流量，因此使用校准的物理模型，例如用于制定优化计划时使用的物理模型，来实现行程中消耗的燃料信息以及根据最优计划预测未来。例如，这样的预测可以包括但不限于使用测量的总马力和已知的燃料特性来得出所使用的累积燃料。

在当前发明主题的一实施例中，混合动力推进系统510可以具有示例性定位元件，例如GPS传感器，并且位置信息可以被提供给列车参数估计器。这样的信息可以包括但不限于GPS传感器数据、牵引/制动力数据、制动状态数据、速度和速度数据的任何变化。关于坡度的信息和速度限制信息及列车重量和阻力系数信息提供给控制器530。

本发明主题还可以允许在整个优化计划和闭环控制实施过程中使用连续可变的功率。在传统的机车中，功率通常被量化为八个离散等级。现代机车可以实现马力的连续变化，这可以结合至先前描述的优化方法中。利用连续功率，混合动力推进系统510可以进一步优化运行条件，例如，通过最小化辅助负载和功率传输损耗，以及微调最优效率的发动机马力区域或者至增加排放裕度的点。示例包括但不限于最小化冷却系统损耗、调整交流发电机电压、调整发动机转速以及减少动力轴的数量。此外，混合动力推进系统10可以使用轨道数据库和预测的性能要求来最小化辅助负载和功率传输损耗，从而为目标燃料消耗/排放提供最优效率。示例包括但不限于在平坦地形上减少动力轴数量，以及在进入隧道之前对机车发动机进行预冷却。

本发明的主题还可以使用轨道数据库和预测的性能来调整机车性能，例如以确保列车在接近山丘和/或隧道时具有足够的速度。例如，这可以表示为成为最优计划一部分的特定位置的速度约束。另外，控制算法540可以包括列车处理规则，例如但不限于牵引力斜坡率、最大制动力斜坡率。这些可以直接结合至最优行程动力源选择计划表的公式中，或者可选地结合至用于控制功率应用以达到目标速度的闭环调节器中。

在优选实施例中，控制算法540仅安装在列车编组的引导机车上。然而，不排除与多个列车的交互，并且根据本发明的主题，可以控制两个或更多个独立优化的列车。

采用分布式动力系统的列车可以以几种不同的模式运行。一种模式是列车中的所有机车以相同的档位指令运行。因此，如果引导机车正在指令机动-NS，则列车中的所有单元将被指令产生机动-NS的动力。另一种运行模式是“独立”控制。在这种模式下，分布在整个列车上的机车或机车组可以以不同的机动或制动功率运行。例例如，当列车到达山顶时，(在山的下坡上的)引导机车可能处于制动状态，而(在山的上坡上的)列车中部或末端的机车可能处于机动状态。这样做是为了最小化连接轨道车和机车的机械耦接器上的拉力。传统上，在“独立”模式下运行分布式动力系统需要操作者通过引导机车中的显示器手动指令每个远程机车或机车组。使用基于物理的计划模型、列车设置信息、车载轨道数据库、车载运行规则、位置确定系统、实时闭环机动/制动控制和传感器反馈，系统将自动以“独立”模式运行分布式动力系统。

当以分布式动力运行时，引导机车中的操作者可以通过诸如分布式动力控制元件的控制系统来控制远程编组中的远程机车的运行功能。因此，当以分布式动力运行时，操作者可以指令每个机车编组以不同的档位功率等级运行(或者一个编组可以处于机动状态，而其它编组可以处于制动状态)，其中，机车编组中的每个单独的机车都以相同的档位功率运行。在一示例性实施例中，控制算法540安装在列车上，优选地与分布式动力控制元件通信，当如优化行程计划所建议的、用于远程机车编组的档位功率等级是期望的时，控制算法540将该功率设置传送至远程机车编组以供实施。制动也是如此。

控制算法540可以其中与机车不相邻的编组一起使用，例如，一个或多个机车在前面，而其它机车在列车的中间和后方。这种配置被称为分布式动力，其中机车之间的标准连接被无线电链路或辅助电缆代替，以在外部链接机车。当以分布式动力运行时，引导机车的操作者可以通过诸如分布式动力控制元件的控制系统来控制编组中的远程机车的运行功能。特别地，当以分布式动力运行时，操作者可以指令每个机车编组以不同的档位功率等级运行(或者一个编组可以处于机动状态，而其它编组处于制动状态)，其中机车编组中的每个机车都以相同的档位功率运行。

在本发明主题的示例性实施例中，当如行程计划所建议的、用于远程机车编组的档位功率等级是期望的时，控制算法540通常将该功率设置传送给远程机车编组以供实现。制动也是如此。当以分布式动力运行时，先前描述的优化问题可以被增强以允许额外的自由度，因为每个远程单元都可以独立于引导单元被控制。其价值在于，假设还包括反映列车内力的模型，则可以将与列车内力有关的其它目标或约束条件纳入性能函数中。因此，本发明的主题可以包括使用多个节气门控件以更好地管理列车内力以及燃料消耗和排放。在这样的实施例中，将低温燃烧条件考虑在内的行程优化算法(trip optimization algorithmintegrating allowances for low temperature combustion conditions)通过例如从发动机向一个机车供能同时从电池向另一机车供能，来提高总燃料效率。

在利用编组管理器的示例性列车中，机车编组中的引导机车可以以与编组中的其它机车不同的档位功率设置下运行。编组中的其它机车以相同的档位功率设置运行。本发明的主题可以与编组管理器结合使用，以指令用于编组中的机车的档位功率设置和再生制动指令。因此，基于本发明的主题并作为一示例，由于编组管理器将机车编组分为两组，即引导机车和牵引单元，引导机车将被指令以确定的档位功率运行，而牵引单元以另一确定的档位功率运行。在示例性实施例中，分布式动力控制元件可以是容纳该操作的系统和/或设备。

同样地，当将编组优化器与机车编组一起使用时，控制算法540可以与编组优化器结合使用，以确定机车编组中每个机车的档位功率，从而提供总体所需净功率。例如，假设行程计划建议将机车编组的档位功率设置为4。根据列车的位置，编组优化器将获取该信息，然后确定编组中每个机车的档位功率设置。在该实施例中，提高了在列车内通信信道上设置档位功率设置的效率。此外，如上所述，这种配置的实现可以利用分布式控制系统来执行。

另外，在本发明主题的实施例中，本文描述的行程优化器算法可以在行程期间迫使发动机以效率较低的模式(例如，内燃机的峰值功率配合电池的消耗)运行。这种运行可以弥补损耗的时间或相比于内燃机单独，能提供额外的加速能力。然而，在这样的实施例中，尽管可能出现短期的效率降低，但是由于行程优化器充分考虑了在计划行程期间的组合效率，所以总体效率得以提高。

此外，如前所述，控制算法可用于对现有的行程计划连续校正和修订或者基于即将到来的关注的项目关于列车编组何时使用哪种动力源完全重新计划，关注的项目例如但不限于铁道路口、坡度变化、接近侧线、接近车辆段场和接近加油站，其中编组中的每个机车可能需要不同的制动选项。例如，如果列车正越过山丘(在较高的海拔，温度通常较低，可能有例外)，则引导机车可以由电池供能，而尚未到达山顶的远的机车可能必须保持机动状态并由发动机供能。

对所公开的方法和装置的技术贡献在于，其提供了被配置成运行混合动力推进系统并访问导航数据库系统的计算机以及使用该系统的方法。

根据本发明的一个方面，一种用于控制混合动力推进系统的系统，包括计算机，该计算机被编程为获取与包括第一能量源和第二能量源的混合动力推进系统的预定路线相关联的高度和地形信息。该计算机还被编程为确定与沿该混合动力推进系统的预定路线的高度和地形相关联的混合动力推进系统的功率需求和扭矩需求，当混合动力推进系统沿预定路线行驶时生成行程计划以控制多个性能参数中的至少一个，从而在混合动力推进系统中实现低温燃烧，并基于行程计划优先选择第一能量源和第二能量源中的至少一个，以传递功率需求和扭矩需求中的至少一个。

根据本发明主题的另一方面，一种控制混合动力推进系统的方法，包括获取混合动力推进系统要行驶的预定路线的高度和地形信息，该混合动力推进系统包括第一能量源和第二能量源。该方法还包括确定与沿混合动力推进系统的预定路线的高度和地形相关联的混合动力推进系统的功率需求和扭矩需求，当混合动力推进系统沿预定路线行驶时，生成优化多个性能参数中的至少一个并使得混合动力推进系统中能够实现稳定的低温燃烧的行程计划，并且基于行程计划优先选择第一能量源和第二能量源中的至少一个，以传递功率需求和扭矩需求中至少一个。

根据本发明主题的又一方面，一种混合动力推进系统，包括混合动力源，以提供动力来通过输电线路来驱动该推进系统，该混合动力源包括内燃(IC)机和电动机，其中IC发动机耦接至输电线路、耦接至电动机的电池组、选择设备和计算机。选择设备被布置成选择性地将电动机耦接至输电线路。该计算机被配置成获取与包括第一能量源和第二能量源的混合动力推进系统的预定路线相关联的高度和地形信息，并确定与混合动力推进系统的预定路线相关联的功率需求和扭矩需求。该计算机还被配置为生成行程计划，以控制多个性能参数中的至少一个，并且当混合动力推进系统沿预定路线行驶时，能够在混合动力推进系统中实现稳定的低温燃烧，并且基于行程计划优先选择第一能量源和第二能量源中的至少一个，以传递功率需求和扭矩需求中的至少一个。

尽管仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明主题，但是应当容易理解，本发明主题不限于这些公开的实施例。而是，可以对本发明的主题进行修改，以包括迄今未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变化、变更、替换或等同布置。此外，尽管已经描述了发明主题的各种实施例，但是应当理解，本发明主题的各方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明主题不受前述描述的限制，而仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (23)

1.一种控制混合动力推进系统的方法，包括：

获取所述混合动力推进系统要行驶的预定路线的高度和地形信息，所述混合动力推进系统包括第一能量源和第二能量源；

获取沿所述混合动力推进系统的所述预定路线的环境气象信息；

确定与沿所述混合动力推进系统的所述预定路线的所述高度和地形相关联的所述混合动力推进系统的功率需求和扭矩需求；

当所述混合动力推进系统沿所述预定路线行驶时，生成优化所述混合动力推进系统的多个性能参数中至少一个性能参数的行程计划；和

基于所述行程计划，优先选择所述第一能量源和所述第二能量源中的至少一个，以传递所述混合动力推进系统的所述功率需求和所述扭矩需求中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述环境气象信息包括以下各项中的至少一项：当前温度、预测温度、当前气压和预测气压。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个性能参数包括作为输出功率的函数的所述第一能量源和所述第二能量源的能量消耗、机车功率数据、车辆牵引传动装置性能以及所述混合动力推进系统的冷却特性。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述行程计划包括基于至少一个目标函数来生成所述行程计划。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述至少一个目标函数包括以下至少之一：第一能量源利用系统的寿命、第二能量源利用系统的寿命、电池的充电状态、行驶时间、最大功率设置、速度限制和所述混合动力推进系统的废气排放。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制包括基于所述推进系统从第一点向第二点行驶时发生的环境气象条件来修改所述行程计划。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，获取所述高度和地形信息以及获取所述环境气象信息包括从相对于所述混合动力推进系统处于远程位置的计算机获取。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一能量源是发动机，所述第二能量源是电池组。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述混合动力推进系统是机车。

10.一种用于控制混合动力推进系统的系统，包括计算机，所述计算机被编程为执行权利要求1-9中任一项所述的方法。

11.一种混合动力推进系统，包括：

混合动力源，通过输电线路提供动力来驱动所述混合动力推进系统，所述混合动力源包括内燃(IC)机和电动机，其中，所述内燃机耦接至所述输电线路；

电池组，与所述电动机连接；

选择设备，被布置为选择性地：

将所述电动机连接至所述输电线路；和

计算机，被配置为执行权利要求1-9中任一项所述的方法。

12.一种控制混合动力推进系统的方法，包括：

获取所述混合动力推进系统要行驶的预定路线的高度和地形信息，所述混合动力推进系统包括第一能量源和第二能量源；

确定与沿所述混合动力推进系统的所述预定路线的所述高度和地形相关联的功率需求和扭矩需求；

当所述混合动力推进系统沿所述预定路线行驶时，生成行程计划以控制多个性能参数中的至少一个并使得所述混合动力推进系统中能够稳定的低温燃烧；和

基于所述行程计划，优先选择所述第一能量源和所述第二能量源中的至少一个，以传递所述混合动力推进系统的所述功率需求和所述扭矩需求中的至少一个。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述多个性能参数包括多个发动机运行条件，所述发动机运行条件包括总行程时间、燃料消耗率和发动机转速。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述多个性能参数包括多个进气条件，所述进气条件包括进气成分、进气压力和进气温度。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，生成所述行程计划包括进一步基于至少一个目标函数生成所述行程计划。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述至少一个目标函数包括以下中的至少一个：作为组合功率输出的函数的所述第一能量源的输出功率的第一比率和所述第二能量源的功率输出的第二比率、机车功率数据、车辆牵引传动装置的性能、所述混合动力推进系统的冷却特性、第一能量源利用系统的寿命、第二能量源利用系统的寿命、电池的充电状态、总行程时间、最大功率设置、速度限制和所述混合动力推进系统的废气排放。

17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述控制包括基于当所述混合动力推进系统从第一点向第二点行驶时所述混合动力推进系统的所述功率需求和所述扭矩需求的变化来修改所述行程计划。

18.根据权利要求12所述的方法，其中，

获取所述高度和地形信息并确定所述混合动力推进系统的所述功率需求和所述扭矩需求包括使用相对于所述混合动力推进系统处于远程位置的计算机来获取和确定。

19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一能量源是发动机，所述第二能量源是电池组。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述电池组使所述发动机能够在恒定的进气条件下以恒定速度和恒定功率至少之一运行。

21.根据权利要求12所述的方法，其中，所述混合动力推进系统是机车。

22.一种用于控制混合动力推进系统的系统，包括计算机，所述计算机被编程为执行权利要求12-21中任一项所述的方法。

23.一种车辆，包括：

混合动力源，通过输电线路提供动力来驱动所述车辆，所述混合动力源包括内燃(IC)机和电动机，其中，所述内燃机耦接至所述输电线路；

电池组，与所述电动机连接；

选择设备，被布置为选择性地：

将所述电动机连接至所述输电线路；和

计算机，被配置为执行权利要求12-21中任一项所述的方法。

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