CN111683848A - 混合动力总成 - Google Patents

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CN111683848A
CN111683848A CN201980012483.8A CN201980012483A CN111683848A CN 111683848 A CN111683848 A CN 111683848A CN 201980012483 A CN201980012483 A CN 201980012483A CN 111683848 A CN111683848 A CN 111683848A
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CN
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capacitive energy
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F.胡克
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Aiq Hybrid Power Private Ltd
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Aiq Hybrid Power Private Ltd
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Abstract

操作用于向具有可变负载需求的车辆或静止设备提供动力的混合动力总成系统的内燃发动机(ICE)的方法和系统包括在加速或关于ICE的高负载需求期间操作ICE以对诸如超级电容器的电容式能量存储器充电/再充电的布置和配置。ICE的操作可以在充电和高负载期间从一种操作模式转变为另一种更具效率的操作模式。当在高负载情况期间对电容式能量存储器充电时，本发明提供了燃料效率/经济效益。

Description

混合动力总成
技术领域
本发明涉及混合动力总成，比如用于车辆和静止发动机的混合动力总成。
本发明发现利用电容式存储器的特定应用，比如使用一个或多个超级电容器(也包括超电容器或超级电容)，以按需存储和释放能量。
在下文中，将参照摩托车以说明性方式描述本发明。然而，将理解，本发明不限于该特定应用或使用领域。
背景技术
用于车辆和静止发动机的动力总成的制造商一直承受着实现大幅度减少排放量和燃料消耗的巨大压力。
内燃发动机(ICE)的热效率不断提高。直接燃料喷射和涡轮增压以及应用于现代ICE的其他技术已经帮助改善了燃料经济性，并允许在相同功率输出的情况下总体减少发动机排量，也就是说，ICE的比输出已经增加。
然而，ICE传动总成在部分节流阀应用中v打开节流阀时以较低效率模式操作仍是通常的情况。即，ICE在不同操作点处将具有不同的燃料效率，其中总体关系是与更关闭的节流阀操作相比，增加的节流阀开度将具有更好的燃料效率。关于ICE的操作的不同点处的燃料效率，ICE的行为是复杂，并且存在必须考虑的其他参数，包括排放输出、操作的噪声、振动和粗糙度(NVH，noise，vibration and harshness)、甚至更复杂的热力学、流体动力学甚至运行时交互，例如预热模式可能产生影响。
然而，出于了解和理解本发明的运作和益处的目的，应当牢记，ICE动力总成在其操作中确实具有比其操作中的其他点更具效率的点。
在对内燃发动机进行了数十年的改进之后，传动总成制造商现在将重点放在车辆电气化上，以作为减少排放和燃料消耗的解决方案。
制造商将重点放在全电动动力总成上，例如电池电动车辆(BEV)，其利用可再充电电池替代内燃发动机提供动力的传动总成。然而，全电动动力总成的主流应用有若干个缺点，这些缺点限制了当今的广泛应用：
·重量代价，
·费用，
·长充电时间，
·对外部充电基础设施的要求，以及
·与内燃发动机相比的行驶里程/持续时间。这可能表现为所谓的“里程焦虑”，这是对车辆的里程不足而无法到达其目的地并因此会在行程中途使车辆的乘员陷入困境的担心。
举例来说，具有3kW驱动力的全电动两轮轻便摩托车具有72V的典型锂离子电池电压容量、24安培小时(Ah)容量。它的平均里程仅为40km并且需要6-7个小时才能为放电的电池再次充满电。具有无级变速(CVT)变速器的等效125cc汽油两轮车具有5.5L汽油箱，平均里程为214km，重新加油需要1分钟。此外，与通常可用于获取汽汽油(燃油)的服务/加油站不同，用于为全电动车辆充电的路边基础设施尚未普及。
在克服这些限制之前，制造商正依靠混合动力电动车辆(HEV)中的混合动力总成技术作为减少其车辆的燃料消耗和排放输出的手段。
现有的混合动力电动车辆动力总成包含电池组作为牵引电池。车载ICE用于对电池组充电和/或增强车轮驱动力。
包含这些类型的牵引电池的HEV动力总成具有若干个缺点。需要外部充电基础设施来对大型电池(例如插电式混合动力车辆)充电。充电安培数(Amps)限于低电流，以保护电池的寿命以及基础设施电路容量。这导致充满电需要多个小时才能完成。为车辆提供合理里程/持续时间的大型电池组既昂贵又笨重。
对于带有小型电池组的混合动力总成，仅用电池能量就可以使被驱动车辆行驶的里程受到限制，从而导致节省燃料效益小。另外，与放电安培数相比，小型电池组只能以低充电安培数充电，这意味着无法按需定期提供有用量的能量。由于尺寸小，这些电池组对驾驶方式(即大加速、过度“开-关”制动和加速技术)也非常敏感，这意味着电池能量将很快耗尽，并且因为这样的电池组中的电池不能快速充电，所以将无法提供有用量的能量，尤其是在间歇性停止/开始驾驶典型的许多市区驾驶模式中。
超级电容器(UC)提供对锂离子电池的替代。UC的不同之处在于，它们将电荷存储在电场中，而不是将化学形式的势能存储在电池中。
与锂离子电池不同，这使超级电容器以与它们放电所储存的能量相同的速率和非常高的电流充电。这使超级电容器在几秒钟内充满电。超级电容器也可以循环使用一百万次，而不会损失容量。
然而，特别是在考虑用于牵引电池应用时，超级电容器具有其缺点。目前，超级电容器仅具有2％的锂离子电池比能量(瓦特时每千克—Wh/kg)，这意味着在需要提供相同量的能量的情况下超级电容器组将比锂离子电池更大、更昂贵。
另外，在放电时，超级电容器电压不保持恒定，并且必须被充电以再次实际使用，这使得超级电容器在循环中长时间用作能源成为问题。
这将超级电容器用作动力车辆中的牵引电池限于轻度混合动力应用，比如停止启动系统和非牵引任务，例如在短时间内驱动电动辅助设备，其节省燃料效益只有约4-8％。
在启动停止系统中对超级电容器充电的方法依赖于动能再生能量(例如制动)。根据第一动能定理(KE＝1/2mV2)，可用的车辆制动能量与车辆的质量(∝m)和车辆速度的平方(∝V2)直接相关。对于低速和低惯性的小型车辆，再生的能量仅适用于停止启动，而不能为加速和恒定速度驱动提供足够的可回收能量。
US2009/0212626(Snyder等人)涉及具有快速能量存储(FES)设备(使用超级电容器(UC))和长持续时间动力设备(例如化学电池或燃料电池)。FES为电池提供良好保护，并且电池将所需的UC的容量最小化。特别地，US2009/0212626公开了一种控制系统，其控制电池组的最大电流以保护电池组，并使用来自UC的瞬态电流的快速迸发以在加速期间进行补充。UC和电池的大部分动力来自再生制动，但也允许从电池组和/或内燃发动机(ICE)驱动的发电机进行再生制动。US2009/0212626涉及插电式混合动力电动车辆(HEV)，其中对主电池充电，然后与FES/UC结合使用，从而在完全不启动ICE的情况下驱动，直到电池完全耗尽，并且可以以主要内燃发动机模式驱动车辆，其中电动马达/发电机用于按需提供加速迸发并从再生制动获取能量。US2009/0212626教导了从UC提供支持用于动力的瞬时迸发，以保护主电池免于在高负载期间必须提供过高的电流。US2009/0212626没有解决在混合动力总成中维持燃料效率的问题，也没有教导ICE从一种模式到另一种更具效率的模式的转变操作以使用多余的动力对电容式能量存储器(比如UC)充电。
US2014/111121(Wu)涉及一种辅助升压电池，以辅助主电池以较高的放电速率提供高电平电流。该说明书针对的是不带ICE或使用ICE来按需对电池充电的纯电动驱动。US2014/111121包括一种升压电池，该升压电池是超电容器/超级电容器或者是电池单元和UC的组合。US2014/111121讨论了在再生制动期间对UC再充电以及在可变制动力和速度期间使用“降压-升压”转换器来将输出电压调整为UC的电压。高性能升压电池的使用与主电池的容量相匹配，例如比主电池少1/3或更少，并且主电池可用于为传动总成提供动力或对升压电池充电。US2014/111121着重于电路和控制的配置，其在电动马达不处于高性能模式时允许从主电池对纯电动车辆的升压电池再充电。US2014/111121没有解决在混合动力总成中保持燃料效率的问题，也没有教导ICE从一种模式到另一种更具效率模式的转变操作以使用多余的功率为电容式能量存储器(比如UC)充电。
仍然需要一种能够提供以下一项或多项的混合动力总成：
·提高包括内燃发动机的动力总成的整体效率，以节省大量的燃料和排放；
·利用电机的优势，而无需依赖外部充电基础设施以及长充电时间/低充电速率；以及
·减少能量存储装置的重量和成本代价。
考虑到现有技术的上述缺点，一直期望提供一种混合动力总成，其改善那些缺点中的一个或更多个或者至少提供对于当前采用的混合动力总成技术的有用替代。
超级电容器的高放电/充电速率和长循环寿命是有利的，但需要一种在循环中长时间使用它们的解决方案，以具有任何显著的燃料和排放节省优势。
仍然需要以比在高电流下放电更高的速率为车载超级电容器充电的能力，以便存储电能的超级电容器可重复使用以最大化燃料经济性而不影响使用寿命。本发明至少以一种形式试图提供这种解决方案。
全球汽车OEM面临的另一个主要问题是实验室的测试循环与现实驾驶结果之间的燃料经济性和排放的显著差异。
典型的现实驾驶包括静止时段、加速、恒定速度和减速。实验室测试循环包括所有这些状况，但很少有行驶循环测试结果与现实驾驶相关。
众所周知，加速显著促进了燃料消耗和排放。这根本上是由于加速力方程的质量分量的物理作用。
F＝ma＝mΔV/Δt(质量x(速度随时间的变化))。
相对于电动马达驱动的车辆，内燃发动机在加速期间效率相对较低。为了加速，需要一定程度的扭矩。内燃发动机需要实现每分钟一定的转数(rpm)才能达到可用的扭矩，这需要时间，并且在此期间，发动机效率很低。
使车辆保持恒定速度的力(速度的平方并且相对独立于车辆质量)比在其处于加速(与质量和一段时间内速度的变化成比例)时小得多。
现实与测试循环数据之间存在差异的主要原因是，测试循环中的加速时段数与现实中显著的加速时段数不同。
另一个主要原因是测试循环中的加速梯度曲线与现实中的加速梯度曲线显著不同。如果驾驶员经常使用陡峭的加速梯度或花费比在测试循环中发现的恒定速度更多的时间进行加速/减速，则将观察到燃料消耗的差异。
仍然需要对由增加的加速度和/或增加的加速梯度引起的驾驶模式的变化较不敏感的混合动力总成。本发明的一种或多种形式试图提供这样的解决方案。
传动策略对于确定动力车辆中内燃发动机的燃料消耗和排放也是至关重要的。
变速器通过使用齿轮和齿轮系来控制动力的施加，以提供从旋转动力源到另一设备的速度和扭矩转换。存在许多类型的变速器，但出于讨论的目的，有低成本的变速器和多级变速箱。
通常，低成本变速器是理想的，因为它们便宜且易于维修。然而，在恒定速度期间，扭矩需求明显低于加速期间，但如果由于选择的变速器传动比和固定的最终传动比而使发动机rpm保持较高，则发动机rpm可能会高于满足扭矩需求所需的rpm，或者换句话说，与使用较小rpm和较大节流阀开度的情况相比，节流阀的开度可能较小。
另外，在较高速度期间，如果由于传动比限制而使发动机rpm保持较高，则发动机rpm将以高rpm运行，从而导致高燃料消耗和排放，这同样是由于发动机以比在较低rpm的情况增加的节流阀模式运行。
这是关于两轮轻便摩托车的非常典型的低成本CVT变速器系统，其中变速器在最大扭矩下保持通常可达50km/hr的恒定rpm。为了在加速期间具有足够的性能，这损害了恒定速度下的燃料经济性。它还具有的缺点是，由于固定的最终传动比损害了燃料效率，因此在较高速度下需要很高的rpm。
在某种程度上，多级变速箱(例如八级变速箱)已经通过匹配扭矩要求以最小化燃料消耗解决低成本变速器的不足，但多级系统复杂并且给车辆增加了显著成本。这些多级变速箱系统用于各种被驱动的车辆应用(例如四轮商用车)。
对于低成本应用，仍然需要消除恒定速度和高速传动效率低的问题。仍然需要降低复杂传动应用的高成本。
本发明试图为混合动力总成提供一种或多种改进，其将克服或改善现有技术的至少一个或多个缺陷，或者至少提供一种替代方案。
应当理解，如果在本文中引用了任何现有技术信息，则澳大利亚或任何其他国家，该引用并不意味着承认该信息形成本领域的公知常识的一部分。
发明内容
将理解的是，本发明的一种或多种形式是混合动力总成系统和相关方法，其允许内燃发动机(ICE)至少周期性地或按要求以较高效率的点运行，例如通过适当配置的控制系统，同时允许混合动力总成系统提供操作者所需的动力输出，从而保持恒定的车辆速度。
本发明的一种或多种形式允许相对低成本和鲁棒的超级电容器(UC)用作车辆或静止设备中的牵引/驱动马达应用的电能源。UC可能是唯一的能源动力驱动，也可能被其他电容、电池和/或机械动力(比如来自ICE)补充。
比如使用超级电容器的电容式能量存储器优选地通过再生来(再)充电。
本发明的一种或多种形式提供了电容式能量存储器的按需充电，以及在充电时ICE到更具效率的模式的转变操作，从而节省燃料。
与具有电容式存储器的混合动力相比，现有的具有电池(通常为锂离子)的混合动力车辆具有不同的充电策略。这是因为带有电池的混合动力维持恒定电压，以完成其电池的放电，而超级电容器在放电时会不断地降低电压。
因此，与仅使用标准(锂离子)电池的混合动力或仅电池系统相比，本发明解决了不同的问题并提供了独特的解决方案。与用于对这种标准电池供电的车辆充电/再充电的已知策略相比，本发明采用了独特的操作策略。
鉴于已知技术，本发明的一种或多种形式在减少燃料消耗(并且优选还减少排放)方面获得的益处是令人惊讶的、显著的和意外的。
应当理解，本发明利用ICE的不同操作模式(或点)的效率差异。
一方面，本发明将ICE的提供动力并且不对电容式能量存储器(比如一个或多个UC)再充电的操作模式改变为另一操作模式，而在该另一操作模式下还对电容式能量存储器UC再充电。
本发明的一种或多种形式提供了一种内燃发动机(ICE)，其具有其中ICE供应电力并且不对电容式能量存储器再充电的第一操作模式和其中ICE对电容式能量存储器再充电的第二操作模式。
本发明提供的至少一个优点是，在该另一操作模式下，ICE以更高的效率操作，并且在此期间对UC充电。
一旦UC充电，ICE就可以转变到原始或不同的操作模式，并且如由操作系统所确定的，可以部署UC能量来协助ICE(例如在下一次车辆加速事件期间，或者实际上在许多其他可能的操作点)。
本发明的一方面提供了一种操作提供动力总成以用于向具有可变负载需求的车辆或静止设备提供动力的混合动力系统的方法，所述方法包括：控制内燃发动机(ICE)的操作以在期望的每分钟转数(rpm)范围内或在期望的rpm下操作，以对包括电容式能量存储器的至少一个电能存储装置充电/再充电。
电容式能量存储器可以包括至少一个超级电容器或完全由至少一个超级电容器提供。
优选地，至少一个超级电容器可以或包括串联或并联连接的单个电池单元，以为应用提供足够的电压和容量。
单个电池单元可以通常为2.5-3.0V，容量为650法拉到3000法拉。
将理解的是，术语超级电容器包括超电容器(又名超电容)以及利用有助于电容器的总电容电化学伪电容和静电双层电容的其他电容器。
ICE可以具有/提供用于向车辆或静止设备提供动力的动力输出以及对至少一个电存储装置充电的充电输出，ICE被控制以从用于向车辆或静止设备提供动力的第一操作模式改变为用于向车辆或静止设备提供动力并且对至少一个电能存储装置充电/再充电的第二操作模式。
ICE的动力输出可以是为机械驱动装置提供动力的机械输出，或者是向至少一个电动马达提供动力的电气输出，或者是机械和电气两者的组合。
ICE可被控制以在第二操作模式下操作，同时至少一个电能存储装置用于向至少一个电动马达提供动力。
来自至少一个电能存储装置的动力可以增加来自ICE的动力输出以向车辆或静止设备提供动力。
ICE的第二操作模式可以比第一操作模式具有更高燃料效率和/或处于优选的ICE排放输出。
操作参数(扭矩需求、车辆速度和车辆状态)的组合可以由控制系统提供或“读入”。
内燃发动机系统的查找表可以存储燃料消耗、扭矩和速度的最佳或优选组合，可以将其识别为发动机“最佳点”操作模式。
基于车辆的扭矩需求、速度和状态，第二操作模式将使内燃发动机进入满足车辆需求并且还对超级电容器充电的“最佳点”。
当电容式能量存储器被充电/再充电至阈值电压或高于阈值电压时，可以控制ICE以返回操作模式(例如第一模式)，或者ICE被控制以将电容式能量存储器维持在阈值电压或电荷水平或之上。
可以提供控制器。控制器可被操作成从包含与ICE的操作有关的效率参数的存储器确定ICE的期望操作模式。
ICE的效率参数可以包括燃料图“最佳点”、节流阀位置、燃料空气比、负载、传动比、rpm和速度中的一个或者两个或更多个的组合。第二操作模式可包括ICE操作参数，其包括燃料输送定时、燃料输送量、燃料输送速率、节流阀位置、燃料空气比、负载、传动比、rpm和速度中的一个或者两个或更多个的组合。
本发明的一种或多种形式可以包括：当在要对电容式能量存储器充电/再充电时第二操作模式比第一模式对于ICE更具燃料效率时，比如通过控制ICE从第一操作模式转变为第二操作模式以对电容式能量存储器充电/再充电来优化ICE的加权平均燃料效率。
第二操作模式可以从用于ICE的可能操作模式的电子查找图确定。
与第一模式相比，第二模式可以在ICE的更高rpm操作下。
该方法可以应用于这样的车辆操作，该车辆不具有再生制动或者具有再生制动，但当ICE以对电容式能量存储器充电/再充电的模式操作时该再生制动不用于对电容式能量存储器充电/再充电。
在ICE的相对较低效率操作模式下，至少一个电能存储装置可以用于向车辆或静止设备提供或增加动力，并且在ICE的相对较高效率的操作模式下，ICE用于对至少一个电能存储装置充电/再充电。
ICE的相对较低效率操作模式可以包括打开节流阀加速模式、低速高负载模式。
在至少一个电能存储装置向车辆或静止设备提供动力的时段期间，可以将ICE置于怠速模式或高效率模式，并且当至少一个电能存储装置的输出电压下降到阈值或低于阈值时，操作ICE以对至少一个电能存储装置充电/再充电。
内燃发动机(ICE)可以在至少一个电能存储装置向车辆或静止设备提供动力或者车辆静止的时段期间关闭。
表1—配置概要：
Figure BDA0002623272510000091
Figure BDA0002623272510000101
本发明的一种或多种形式可以包括当电容式能量存储器的电压输出处于或低于阈值时，将电动力总成从Y形配置切换为Δ形配置。
本发明的另一方面提供了一种提供动力总成以用于向具有可变负载需求的车辆或静止设备提供动力的混合动力系统，该系统包括：
a.至少一个电能存储装置，其包括电容式能量存储器；
b.至少一个内燃发动机(ICE)，其可操作地连接以驱动充电系统，比如车载充电系统和/或诸如发电机的电气电源，以用于至少对电容式能量存储器充电/再充电；
c.控制器，其布置和配置为当对电容式能量存储器充电/再充电时，控制ICE以将操作从第一模式转变为比该第一模式更具燃料效率的第二模式。
ICE可被控制以在足以对至少一个能量存储装置的电容式存储器充电/再充电的第二模式中在期望的每分钟转数(rpm)范围内操作。
车载充电系统和/或电气电源可以包括发电机。发电机应理解为包括电动发电机，例如直流发电机或其他装置，其可以提供直流电(DC)以用于对电容式存储器和/或任何电池充电。发电机可以包括具有整流输出的交流发电机，用于对所提供的电容式存储器和/或任何电池充电。
至少一个电能存储装置可以包括至少一个电池和电容式能量存储器的组合，其中控制器布置和配置为控制ICE，使得电气电源(例如发电机)提供对至少一个电池和/或电容式能量存储器的充电/再充电。
电容式能量存储器可以包括至少一个超级电容器。
诸如电子控制单元(ECU)的控制器可以布置和配置成操作ICE以对电容式能量存储器充电/再充电，以将至少一个电能存储装置和/或电容式能量存储器维持在最小电压或高于最小电压。
该系统可以利用上述方法的一个或多个实施例。
控制器可以布置和配置为将ICE的操作从第一模式转变为第二模式，以至少对电容式能量存储器充电/再充电，第二模式具有比第一模式更高的rpm。
该系统可以包括可操作地连接至ICE或ICE的一部分的车载充电系统或电气电源，该电气电源可以包括或者是发电机。可以提供车载充电系统，用于按需对超级电容器(超电容器)快速充电，并将电压和电流提供给电机以满足车辆的速度和扭矩需求。
已经开发出本发明的一种或多种形式，用于具有内燃发动机的车辆的系统和/或设备，比如两轮车(例如轻便摩托车、摩托车、踏板车)、三轮车(例如三轮摩托车、嘟嘟车、自动人力车)、四轮车(例如汽车、运动型多用途车(SUV)、商用车(例如出租车、豪华轿车、货车、公共汽车和卡车)、重型机械(例如起重机、拖拉机、推土机、装载机、平地机、挖掘机)、海上船只和动力飞机(比如直升机、机动滑翔飞翼、飞机)。
例如，车载充电系统可以包括以下各项中的一项或多项或者其中两项或多项的组合：
·发电机，比如低Kv(rpm/volt)(也称为反EMF常数)发电机；
·内燃发动机(ICE)，优选针对低转速下的高扭矩进行优化；以及
·可选的固定齿轮扭矩倍增器，以低rpm产生高电压和充电电流。
可以感应出恒定的高充电电流，比如通过使用与节流阀连接并由诸如(优选地基于微处理器的)电子控制单元(ECU)控制器的控制器操作的螺线管来控制内燃发动机的rpm从而保持超级电容器和充电系统电压之间的恒定电压差。
超级电容器和任何相关的充电系统的电压可以由ECU监测，优选连续监测，比如用于闭环反馈和防止超级电容器组过度充电。
可以在节流阀中设置一个或多个机械和/或电子互锁装置，以有选择地限制rpm，从而在物理上不可能对诸如超级电容器的电容能量存储器过度充电。
通过以比平均放电更高的电流充电，可以时常保持超级电容器组存储或将其充满或接近充满。这允许在ICE可以完全关闭且不消耗燃料时有更多的减速时间段和静止时间段。
可选的扭矩倍增器或等同物确保ICE负载与发电机Kv设置相匹配。
以下组合中的一个或多个：
·在低rpm下具有高电压和高电流输出的低Kv发电机；
·对低rpm高扭矩优化的内燃发动机；以及
·扭矩倍增器
允许与使用ICE来直接驱动车辆相比，ICE可以在操作过程中更频繁地在其“最佳点”处操作。
由于存储在超级电容器中的能量受到限制，因此超级电容器在长时间的恒定速度期间可能没有足够的容量用于恒定或接近恒定的放电。
可以提供本发明的一种或多种形式以复制复杂变速器系统的功能并一起消除变速器。例如，当电容式能量存储器的输出电压下降到阈值或低于阈值时，可以将电机从Y形配置重新配置为Δ形配置。
在恒定速度期间，ECU可以检测到车辆的恒定速度状态。电机驱动控制器能够施加所需的电压和电流设定点，以满足恒定速度力方程要求。对于特定的恒定速度，需要将提供的动力保持恒定。
ICE的rpm可以变化，以确保车载充电系统和电容式存储装置(例如超级电容器)之间的电压增量使得其感应足够的电流，从而电压和电流的乘积提供足够的动力以使车辆保持恒定速度。这等效于将机械变速器保持在尽可能最高档位，这将使内燃发动机能够为恒定速度提供足够的动力。备用电压增量可用于对电容式能量存储器再充电，即使电容式能量存储器正在放电。
车载充电系统的优势在于，它可以基于车载充电系统所处的电压增量和rpm无级变化。这允许车载充电系统匹配恒定速度时的动力需求，而不会浪费任何能量，从而消除了低成本变速器所展现的效率。
借助电容式能量存储器提供的辅助驱动动力，ICE可以比其单独驱动车辆的车轮或通过机械变速器为静止设备提供动力时以更低RPM运行。ICE可以转变为更高的RPM模式，或者如果车辆/静止设备的负载变化，则可以保持为更低的RPM模式，以对电容式能量存储器再充电。
还公开了一种改善车辆和/或静止设备(比如电机)的扭矩速度特性及其操作范围的方法。
扭矩与速度特性与低Kv常数有关。将电机的相端接从Y形更改为Δ形或者从Δ形更改为Y形可以改变扭矩与速度特性。这对于优化例如超电容器和超级电容器中的能量利用很重要。
应当理解，术语“超级电容器”或“超电容器”的使用涵盖了它们中的另一个。此外，对“一”或“该”超级电容器的引用包括多个超级电容器或者一个或多个超级电容器组/排。
由于超级电容器的电压随着放电而不断降低，因此除非超级电容器能量不断增加，否则这会限制驾驶车辆可实现的速度。由于需要更高的电压才能实现更高的速度，因此在更高的速度下这更成为问题。这会影响车载充电器的rpm，因为它需要提高rpm来维持更高的电压。通过包括硬件以提供在Y形(低速高扭矩)和Δ形(高速低扭矩)之间的ECU控制的电机的运行中切换，可以在相同电压下实现更大的速度范围。
在需要高扭矩时(例如在加速过程中)的较低速度下，电机保持在Y形端接。在取决于电机特性的特定速度下，切换到Δ形端接更佳。与使电机保持在Y形相比，这可以实现高扭矩和更高的最高速度。
当扭矩需求低但需要更高速度或恒定速度时，ECU微处理器也可以应用在Y形和Δ形之间切换。对于相同的电压，可以通过从Y形切换到Δ形来实现更高的速度，这允许车载发电机ICE以较低的rpm工作，并且仍然获得较高的车辆最高速度。
还公开了一种通过确定车辆的状态来优化车载发电机的操作的方法(但不限于此)。
车辆可能处于的状态是：
i)静止；
ii)加速；
iii)恒定速度；以及
iv)减速。
识别车辆的状态使车载发电机能够最佳操作。输入：电压(伏特)、电流(分流伏特)、节流阀位置(0-5V)、制动器位置(5V/0V)和速度(计数)由ECU微处理器读入。监测制动器开关以识别制动器是否打开。
这些输入的值可轻松识别状态：
·在静止状态期间，电流将为零，节流阀位置传感器将为零，并且制动开关打开。
·在减速期间，电流将为零，节流阀位置将为零，速度将随时间下降，并且制动开关可以打开或关闭。
·在加速期间，电流将大于零，节流阀位置将大于零，并且速度将随时间增加。
·在恒定速度期间，电流将大于零，节流阀将大于零，并且速度随时间的变化将在小范围内。
·在制动器打开的减速期间，可以激活再生。
还公开了一种使用车辆状态通过车载充电系统优化燃料和排放的方法。
为了最大程度地节省燃料和排放，当车辆不做功并且超级电容器组已充满电时，关闭车载充电系统的ICE。静止和减速状态下不做功。如果超级电容器组未被充满电，则使用恒定电流，超级电容器会在这些状态下快速充电直到充满。一旦达到满容量，则关闭车载充电系统。
为了在加速状态期间最大程度地节省燃料和排放，对超级电容器中的能量放电，并且车载充电系统被打开，以提供相对于放电电流的更高或匹配的充电电流。
优选地，超级电容器的容量被提供用于典型的加速/操作梯度/轮廓和加速/操作时间段/轮廓，从而可以通过超级电容器的存储能量来捕获/覆盖全部加速/操作特性。
这种好处的示例会允许在加速过程中打开内燃机并仅在其“最佳点”处操作，从而在电动模式中对超级电容器在其最大燃料效率点充电持续进一步的时间。这允许的好处是使用更高的电驱动效率以及使内燃发动机以其最佳燃料效率运行以对超级电容器充电。
在恒定速度状态期间，首先使用超级电容器中的能量，然后打开车载充电系统以提供维持恒定速度所需的动力。发动机上的负载会因UC的充电需求而增加，控制系统会增加节流阀开度，而无需用户更改节流阀需求，即发动机上增加的负载需求对操作者是透明的且内燃发动机(ICE)将以其效率“最佳点”操作。
在车载充电系统开启的任何时候，ICE的rpm都可以变化，以确保车载充电系统和超级电容器之间的电压增量使得其感应足够的电流，从而使所供应的电压和电流的乘积产生所需的动力，以提供所需水平的燃料和排放减少并为超级电容器充电，从而使能量更易于可用于加速状态。
在超级电容器(UC)放电且车载充电系统关闭的任何时候，都可以随时打开车载充电系统以维持应用的电压和负载需求。控制系统可被编程为使得如果在UC放电时其降至特定电压以下，则可以打开车载充电以将能量供应回到UC。这是在内燃发动机以其“最佳点”操作的同时进行的。
表2—概要：
Figure BDA0002623272510000151
Figure BDA0002623272510000161
能量存储装置包括至少一个超级电容器组，其包含串联连接的单个超级电容器电池单元以提供所需的电压。
超级电容器组电压将取决于应用所需的速度，这是由于对每伏特rpm(Kv常数)的依赖性。超级电容器组可以并联连接以增加能量存储量。单个电池单元之间包括平衡电路。
在各种实施例中，内燃发动机可以是汽油、柴油、LPG、CNG、乙醇燃料发动机或任何其他类型的燃料发动机，以利用低转速的单个扭矩特性、燃料效率或成本。
在各种实施例中，为简单起见，电机可以是定位在车轮内的轮毂马达或是将齿轮装置集成到应用的系统中的电机或者实际上是组合或其他变型。
在各种实施例中，电机可以直接定位在发动机的曲轴上，以允许超级电容器的功率辅助和/或充电。
在各种实施例中，当将电机直接定位在曲轴上时，可以使用离合器系统或螺线管开关来接合/分离超级电容器的电负载。
在各种实施例中，当将电机直接定位在曲轴上时，可以使用离合器系统来实现直接电驱动。
在各种实施例中，为了充分利用电机的效率，被驱动车辆的一个或多个驱动轮可以仅连接到电机并且由所描述的车载充电系统通过驱动控制器和或由超级电容器中存储的能量被提供动力。对于这些实施例，通常存在于内燃发动机和驱动轮之间的传动系统被删除并且是多余的。
在各种实施例中，通过内燃发动机以及电机来保持对车轮的驱动可能更为实际。
在这种情况下，车载发电机和电机用于驱动车辆达到所谓的“实际”速度。这些实际速度对于停止启动郊区行驶以及与这种郊区行驶相关的加速是典型的。这将最大化燃料节省和排放，其中ICE本身在驱动车辆方面效率极低。
超过该速度，内燃发动机可以直接驱动后轮。取决于该速度，可以包括简化的变速器，以满足更高速度下的速度和扭矩要求。
在各种实施例中，用于辅助设备和启动内燃发动机的普通电池可以由与电压调节器结合的超级电容器组来代替。
在各种实施例中，超级电容器存储的能量可用于通过以产生高扭矩的高电流放电来增强车辆的加速性能。
车载充电系统可以回收能量，以便该能量可用于下一个加速循环。
在各种实施例中，车载充电系统和存储在超级电容器中的能量可以用于驱动在车辆上使用电力的辅助设备。
在各种实施例中，可以将车载充电系统和存储在超级电容器中的能量应用于优化静止发动机系统。
体现本发明的动力总成系统可包括具有第一操作模式和第二操作模式的内燃发动机(ICE)，在第一操作模式下，ICE供应电力且不对电容式能量存储器再充电，而在第二操作模式下，ICE对电容式能量存储器再充电。
当在电容式能量存储器要被充电/再充电第二操作模式比第一模式对于ICE更具燃料效率时，ICE可被控制以在第二操作模式下操作。
第二操作模式可以包括具有操作参数的ICE，该操作参数包括燃料输送定时、燃料输送量、燃料输送速率、节流阀位置、燃料空气比、负载、传动比、rpm和速度中的一个或者两个或更多个的组合。
第二操作模式在电容式能量存储器提供驱动动力的时段期间可以是怠速模式或高效率模式，并且当电容式能量存储装置的输出电压下降到阈值或其以下时，ICE被操作以对电容式能量存储器充电/再充电。
在本发明的相关方面，描述了一种。
本发明代表了相对于现有技术的进步，以最小化现有技术的缺陷。
还参考附图和示例公开了本发明的其他方面。
本发明的另一方面提供了一种操作用于向具有可变负载需求的车辆或静止设备提供动力的混合动力总成系统的内燃发动机(ICE)的方法，该方法包括：操作ICE以在加速或关于ICE的高负载需求期间对至少一个电能存储装置的电容式能量存储器充电/再充电。
本发明的另一方面提供了一种提供动力总成以用于向具有可变负载需求的车辆或静止设备提供动力的混合动力系统，该系统包括内燃发动机(ICE)，其被控制以操作发电机以在加速或关于ICE的高负载期间对至少一个电能存储装置的电容式能量存储器充电/再充电。
加速或高负载需求可以在发动机的完全节流阀或非常宽的节流阀开度下。
附图说明
尽管可能落入本发明的范围内的任何其他形式，现在将仅通过示例的方式，参考附图来描述本发明的优选实施例，其中：
图1是用于两轮车的世界摩托车测试循环(WMTC)阶段1，其中低速最高速度曲线针对150cc以下容量，高最高速度曲线针对大于150cc容量你。
图2是用于超级电容器的车载充电系统的部件。
图3是当以Y形和Δ形端接时同一电机的扭矩速度特性，示出了优化的切换点。
图4示出了车载充电系统的优化ECU控制所需的输入以及其在静止、减速、加速和恒定速度状态下的值。
图5示出了IDC(印度驱动循环)的示例。
图6至8示出了与本发明的一个或多个实施例有关的动力总成布置的构造。
具体实施方式
应指出，在下面的描述中，不同实施例中的相似或相同的附图标记表示相同或相似的特征。
参考图1，它描述了世界摩托车测试循环(WMTC)阶段1驱动循环。这是两轮车的典型世界摩托车测试循环，其中低最高速度曲线针对150cc以下容量。该循环可分为静止、加速、恒定速度和减速状态。WMTC测试是在带有CVT变速器系统的各种100cc两轮车上进行的。表1总结了每种状态下使用的平均燃料百分比。
使用装有无刷直流(BLDC)电动轮毂马达并拆下内燃发动机的两轮车进行重复测试。保持车辆的重量。在测试开始时，将187.5法拉的超级电容器组(由16个3000法拉电池单元构成，它们以主动平衡方式串联连接)充电至40V。记录电压以确定放电期间使用的能量。表2总结了与使用超级电容器的电动轮毂马达驱动相比由利用汽油燃料的内燃发动机使用的能量。
为了能量计算，使用了每毫升(mL)汽油34342焦耳的常数。方程式如下：
W(焦耳)＝1/2C(Vmax2-Vmin2)
其用于超级电容器能量，其中C为187.5法拉。
对于相同的加速曲线，电动超级电容器动力总成仅使用内燃发动机利用汽油使用的能量的20％。在WMTC循环的最长恒定速度时段期间，电动超级电容器动力总成在同一时段仅使用内燃发动机利用汽油使用的能量的10％。
对于WMTC驱动循环的其他加速和恒定速度部分，获得了相似的结果。
与电机和超级电容器组合相比，超级电容器动力总成与内燃发动机之间在加速过程中的能量使用差异是由于汽油发动机的效率低所致，然而恒定速度下的显著变化是由于传动系统的低效率造成的。带有超级电容器的电驱动仅提供保持恒定速度所需的动力。然而，带有CVT变速器的内燃发动机将rpm保持高达5000rpm(最大扭矩)，从而导致浪费的能量增加。
为了最大程度地使用电动力总成但消除对外部充电的任何依赖需要，使用车载充电系统(10)，且如图2所示。
该系统由以下构成：可针对低rpm下的高扭矩进行优化的内燃发动机(ICE)(3)；可选的扭矩倍增器(4)；发电机(5)；整流器/调节器(6)；超级电容器组(7)以及电机控制器(8)。
内燃发动机(ICE)(3)连接到发电机(5)或通过扭矩倍增器(4)。
该系统(10)对超级电容器(7)充电和/或通过电机控制器(8)向电机(9)提供动力。发电机(5)也可以是代替电机(9)的电机或者与电机(9)组合使用。
当发电机(5)用作电动马达时，它可以为ICE(3)提供动力辅助，以减少ICE(3)上的负载。
在实施例中，发电机(5)可以是BLDC发电机(5)的形式。发电机(5)可被设计为具有低Kv，使用增加的每相匝数，并以Y形配置端接，这以低rpm提供高电压输出。
还要求发电机(5)在低rpm下具有大电流输出，同时避免饱和效率低。这可以通过但不限于增加磁体的强度、增加物理尺寸、改变芯材料和/或调节气隙来实现。
可以使用内燃发动机(ICE)(3)和BLDC发电机(5)之间固定传动比形式的扭矩倍增器(4)来优化ICE(3)的扭矩容量和BLDC发电机(5)的输出特性的匹配。
用于车载充电系统(10)的ICE(3)可以被优化以在低rpm下提供高扭矩，并且可以被本领域技术人员所理解。
ICE(3)可连接至离合器/变速器(11)和驱动轮(12)以提供推进力。
低Kv BLDC发电机(5)、优化的ICE(3)(在低rpm下实现高扭矩)和固定的齿轮减速扭矩倍增器(4)的组合允许将高电压输出提供给电机，以实现最高速度和超级电容器组(7)的高充电电流用于快速充电。ICE(3)在超级电容器充电期间在其“最佳点”处操作。
在实施例中，为了以恒定电流对超级电容器充电，超级电容器(7)的电压和发电机(5)的输出电压之间的电压差需要保持恒定。随着超级电容器(7)被充电，其电压将增加。
为了保持恒定电流以便实现快速充电，发电机(5)的电压输出必须增加。监测超级电容器(7)的电压，并控制发电机(5)的rpm，以保持恒定的充电安培数直至最大容量。
在加速过程中，驱动电机(7)需要高扭矩。通过以Y形端接端接绕组来实现高扭矩。这样做的缺点是除非能够提高电压，否则最高速度会降低。
对于相同的驱动电机(9)，通过以Δ形端接来使Kv常数(rpm/伏特)提高1.73倍。由于速度与Kv常数直接相关，因此最高速度也会随着扭矩容量的减小而增加。
参照图3，对于同一电机(9)，示出了当以Y形(11)端接时和以Δ形(12)端接时扭矩(Nm)与道路速度(km/hr)特性的曲线图。
在低速时，Y形端接具有较大的扭矩，但在特定点(13)，Δ形端接继续具有较高的速度和较高的扭矩特性。
另一个好处是，在Δ形端接中，Kv较高，这导致实现相同rpm的较低电压要求。这允许从超级电容器和车载充电系统中汲取更多能量，进而允许以较低rpm下的较高速度操作。
在实现最佳扭矩和速度特性以及降低对车载充电系统的rpm要求的实施例中，实现了在Y形和Δ形之间的电运行中切换。这是通过使用由ECU微处理器控制的接触继电器来实现的。电机(9)的绕组的相线端被带至接触继电器。在切换过程中，禁用电机控制器(8)和/或节流阀的电流消耗，以确保平稳过渡。
参照图4，为了具有效率地操作，车载充电系统(10)需要知道车辆处于什么状态：静止(15)、减速(16)、加速(17)、恒定速度(18)。输入(14)：电流、电压、节流阀位置、车辆速度和制动，可以由ECU微处理器读取。
在静止状态(15)期间，电流将为零，节流阀位置传感器将为零，并且制动开关打开。在减速(16)期间，电流将为零，节流阀位置将为零，速度随时间下降，并且制动开关可打开或关闭。
在加速(17)期间，电流将大于零，节流阀位置将大于零，并且速度将随时间增加。在恒定速度(18)期间，电流将大于零，节流阀将大于零，并且速度随时间的变化将在小范围内。
在减速(16)期间，制动可打开，在这种情况下，可以通过电机控制器(8)启动再生。
在优化车载充电系统(10)的操作的实施例中，由输入(14)：电流、电压、节流阀位置、车辆速度和制动位置的值识别状态：静止(15)、减速(16)、加速(17)、恒定速度(18)。另外，燃料消耗—扭矩—rpm图存储在ECU微处理器中，且“最佳点”对于“内燃发动机”是已知的。输入由ECU微处理器读取，以确定车载充电系统的操作，以优化性能、节省燃料和排放并维持车辆运行速度和负载要求。
参见表3，该表总结了WMTC测试循环中消耗的燃料。
表3示出了在WMTC阶段1测试循环期间，具有CVT变速器的100cc两轮车在静止、加速、恒定速度和减速的状态下以mL使用的平均燃料百分比。
表3
Figure BDA0002623272510000211
在减速期间，循环中总燃料的22.1％被消耗为浪费的能量。这是由于化油器上的关闭的节流阀位置，而汽油机则从怠速端口汲取燃料。
在静止时段期间，循环中总燃料的5.0％被消耗为浪费的能量。这是由于马达以1500rpm空转。
在减速(16)和静止(15)状态期间，车辆不做功。
在实施例中，车载充电系统(10)的操作可以通过车辆所处的状态(15-18)来确定。
为了最大程度地节省燃料和排放，可以在车辆不做功且超级电容器组(7)充满电时关闭车载充电系统的ICE(3)。在静止(15)和减速(16)状态期间不做功。如果超级电容器组(7)没有充满电，则使用恒定电流且使ICE(3)在其“最佳点”运行，超级电容器(7)在这些状态期间被快速充电直到充满。这可能涉及打开发动机节流阀以产生为UC充电并在其“最佳点”运行所需的足够动力。一旦达到超级电容器(7)的满容量，则包括ICE(3)的车载充电系统(10)就关闭。
为了在加速状态期间最大程度地节省燃料和排放，超级电容器(7)中的能量被放电。
车载充电系统(10)可用于在UC放电期间对UC再充电和/或可用于在UC降至它们能够由提供相对于放电电流更高或匹配的充电电流的ICE发电机传输的阈值电压/电流或以下时替换UC动力。
在理想情况下，为典型的加速梯度和加速时间段选择超级电容器(7)的容量，以便可以在超级电容器(7)的存储能量上捕获全部加速度。
ICE(3)可以在超级电容器充电期间在其“最佳点”运行，以增加在电动动力总成中运行的可用时间或为进一步加速状态提供能量。
在恒定速度状态期间，首先使用超级电容器(7)中的能量，然后打开车载充电系统(10)以提供维持恒定速度的动力要求。
在车载充电系统(10)开启的任何时候，可以改变ICE(3)的rpm，以确保车载充电系统(10)与超级电容器(7)之间的电压增量使得其感应出足够的电流，从而供应的电压和电流的乘积产生所需的动力，以最大程度地减少燃料和排放并为超级电容器(7)充电，从而使能量更容易可用于加速(17)状态。
在任何时候，超级电容器(7)放电并且车载充电系统(10)关闭，车载充电系统(10)可以随时打开，以维持应用的电压和负载需求。
在实施例中，在施加制动的时间段期间，电机控制器(8)可激活再生以提供电动制动并为超级电容器(7)充电。
在各个实施例中，可以在加速(17)状态期间使用存储在超级电容器(7)中的能量。可以在加速、低恒定速度或减速状态下使用车载发电机(10)回收能量，在这些状态中，扭矩需求足够低，以使ICE(3)在其“最佳点”运行。
在各种实施例中，在恒定低速状态期间，超级电容器(7)中存储的能量被放电直至达到低电压设定点。此时，车载充电器(10)打开，以为超级电容器再充电，其中ICE(3)在其“最佳点”运行。
在减速(16)状态期间的实施例中，当超级电容器组(7)充满电时，ICE(3)关闭。
在静止(15)状态期间的实施例中，当超级电容器组(7)充满电时，ICE(3)关闭。
在加速(17)状态期间的实施例中，存储在超级电容器(7)中的能量被放电直至达到低电压设定点。此时，车载充电器(10)打开，以为超级电容器(7)再充电。
在加速(17)状态期间的实施例中，存储在超级电容器(7)中的能量被放电。如果在加速期间有足够的扭矩使ICE(3)在其“最佳点”运行，则车载充电器(10)打开以为超级电容器(7)再充电。
在各种实施例中，ECU微处理器可以存储一段时间内的状态历史，以预测针对车载充电系统(10)实施的最好控制策略。
表4是对100cc轻便摩托车和使用后轮中的电机的全电动轻便摩托车在WMTC测试循环的第一加速和最长恒定速度部段使用的能量的比较。
表4
Figure BDA0002623272510000231
以下描述作为本发明的开发过程的一部分的第一代系统。第一代系统的原始测试结果显示在下面的表5中。
图5所示的测试循环称为IDC(印度驱动循环)，这是当时印度两轮车的标准测试循环。
结果证明，与在具有CVT变速器的100cc两轮车上进行的基线相比，该测试循环的燃料消耗降低了38％。燃料消耗分为以毫升(ml)为单位的加速、静止、充电和减速部段。
表5
Figure BDA0002623272510000241
结果
测试C11_54_12
Figure BDA0002623272510000242
Figure BDA0002623272510000251
测试E16_42_48
Figure BDA0002623272510000252
测试C11_21_35
Figure BDA0002623272510000253
Figure BDA0002623272510000261
测试A 17_23_34
Figure BDA0002623272510000262
测试B10_50_53
Figure BDA0002623272510000263
第一代系统只有一个电机，其通过固定的10:1减速变速箱直接联接到后轮。电机具有从0-34km/hr放电作为电动马达的功能，其能量存储在超级电容器排中。对于高于30km/hr的速度，并且当超级电容器的电压达到28V的低设定点时，启动内燃发动机，并由内燃发动机进行驱动。此外，在高于34km/hr的速度下，由于电机直接联接到后轮，它可以用作高于30km/hr的速度的发电机，并为超级电容器充电。车辆中使用了包括串联的17个2.7V、1250法拉电池单元的超级电容器组。
最初在IDC循环上测试时，使用了来自已充电超级电容器的能量，电机驱动车辆至108秒循环的55秒。当达到大于34km/hr的速度并且当超级电容器的电压达到28V的低设定点时，汽油机启动并驱动车辆，同时还驱动电机以为超级电容器充电。在循环中达到最终减速时，随着超级电容器充满电回到其原始状态42V，汽油机关闭。
这导致节省38％的燃料。这是重大结果且出乎意料。从先前测试中已知，在电驱动中，由于电驱动系统的效率，与使用内燃发动机进行驱动相比，用于实现相同循环(功)的能量更少。出乎意料的是，在从IDC行驶循环的55秒开始且在IDC行驶循环的85秒完成的充电过程中，尽管负载增加，但在此时段期间所用的燃料仍导致总体上38％的燃料节省。
可以确定的是，在ICE以其最佳制动比油耗(BSFC)并且也称为“最佳点”运行时发生充电。ICE的扭矩足以为车辆提供驱动并且还在20-30安培的范围内为超级电容器充电，从而通过IDC循环的最终减速达到满充电。
与锂离子电池不同，超级电容器不是限制充电的部件，其是ICE的扭矩容量。重大发现是，如果内燃发动机在充电期间在其“最佳点”运行并且有足够的扭矩来驱动车辆和充电，则总体上可在循环上实现显著的燃料节省。
相较于IDC驱动循环的基线，对于何时开始充电的电压设定点的进一步变化产生了42％的最佳结果。各个超级电容器电池单元之间的有源平衡电路很早就实施了，以避免单个电池单元电压的变化，从而限制了串联设置中的电流流动。由于在减速期间实施了燃料切断，因此还节省了一些燃料。
由于电机直接联接到后轮，因此取决于摩托车的速度来实现旋转和充电，这是第一代系统的主要缺点。
已经发现，优选的是，通过内燃发动机的rpm来控制发电机rpm和充电。这可以通过将发电机移至发动机曲轴而不是附接到后轮来实现。这将使内燃发动机能够按需在其“最佳点”运行并为超级电容器充电。
汽油机的负载在高于34km/hr的速度下较高，并且随着汽油机既驱动车辆又驱动正在发电以为超级电容器充电的电机而充电。
随着速度增加，电机的rpm增加，导致更高的充电电流，这给汽油机带来了更多的负载，最终对驱动性能产生负面影响，并可能将ICE移出其“最佳点”。
已经确定，当扭矩需求或车辆速度大于内燃机在充电时在其“最佳点”可实现的时，为了使超级电容器负载放电，优选某种形式的离合器或螺线管开关。这将允许车辆在没有充电负载的情况下操作。
第一代系统对驱动循环的变化非常敏感。例如，如果客户始终以低于34km/hr的速度行驶，那么使用能量不会花很长时间，则汽油机将始终打开，并且由于摩托车需要以超过34km/hr的速度行驶，因此不会充电。
已经确定，优选的是，通过内燃发动机的rpm控制发电机rpm和充电。这可以通过将发电机移至发动机曲轴而不是附接到后轮来实现。这将使内燃发动机能够根据需要更频繁地在其“最佳点”操作，并在不依赖于车辆速度的情况下更规律地为超级电容器充电。
图6示出了利用电驱动的本发明的配置，其中ICE操作发电机。电动力总成提供驱动，ICE仅连接到发电机，以为诸如超级电容器的电容式能量存储器充电。ICE在其“最佳点”运行，以对超级电容器充电并为本发明所述的电动力总成保持足够的动力。
图7示出了具有使用机械驱动和电力辅助的ICE的本发明的配置。在该配置中，电机连接到曲轴。ICE可以通过变速器驱动车辆到车轮。当超级电容器中有足够的电荷以维持其在“最佳点”操作时，电机可为ICE提供动力辅助。如发明中所述，电机还可以根据需要给超级电容器充电。
图8示出了带有机械驱动、电驱动和电力辅助的ICE。在该配置中，电机可以像驱动轮一样连接到曲轴。ICE可以通过变速器驱动车辆到车轮。当超级电容器中有足够的电荷以维持其在“最佳点”操作时，电机可以为ICE提供动力辅助。如本发明中所述，电机还可以按需给超级电容器充电。另外，当超级电容器有足够的电荷时，可以使用纯电驱动。
解释
实施例：
在整个说明书中，对“一个实施例”或“一实施例”的引用是指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”并不一定都指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何适当的方式组合，这根据本公开对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。
类似地，应当理解，在本发明的示例实施例的以上描述中，有时将本发明的各种特征一起组合在单个实施例、附图或其描述中，以简化公开并帮助理解各创造性方面中的一个或多个。然而，该公开方法不应被解释为反映以下意图，即所要求保护的发明需要比每个权利要求中明确叙述的特征更多的特征。相反，如所附权利要求反映，各创造性方面在于少于单个前述公开的实施例的所有特征。因此，在此将具体实施例的详细描述后的权利要求明确地并入该具体实施例的详细描述中，其中每个权利要求独立地作为本发明的单独实施例。
此外，尽管本文描述的一些实施例包括其他实施例中包括的一些但并非其他特征，但不同实施例的特征组合意在落入本发明的范围内，并且形成不同实施例，如本领域技术人员将理解的那样。例如，在以下权利要求中，任何要求保护的实施例可以以任何组合使用。
对象的不同实例
如本文所用，除非另外指定，否则使用序数形容词“第一”、“第二”、“第三”等来描述共同的对象，仅表示相似对象的不同实例正在被引用并且无意于暗示所描述的对象必须在时间、空间、排名或任何其他方式上处于给定的顺序。
具体细节：在本文提供的描述中，阐述了许多具体细节。然而，应理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下，未详细示出公知的方法、结构和技术，以免混淆对本说明书的理解。
术语：在描述附图中所示的本发明的优选实施例时，为了清楚起见将采用特定术语。然而，本发明不旨在限于如此选择的特定术语，并且应理解，每个特定术语包括以相似方式操作以实现相似技术目的的所有技术等同物。术语比如“向前”、“向后”、“径向”、“周向”、“向上”、“向下”等用作方便提供参考点的词，并且不应解释为限制性的术语。
包括与包含：在所附权利要求和本发明的先前描述中，除非上下文由于表达语言或必要的暗示另外需要，否则使用词语“包括”及其变体在包括性意义上使用，即在本发明的各种实施例中指定所陈述的特征的存在但不排除其他特征的存在或增加。
如本文中所使用的术语包含及其变体中的任何一个也是开放术语，其也意味着至少包含该术语之后的元件/特征，但不排除其他元件/特征。因此，包含与包括是同义词，是指包括。
发明范围：因此，尽管已经描述了被认为是本发明的优选实施例的实施例，但本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神的情况下，可以对其进行其他和进一步的修改，并且本发明旨在要求落入本发明范围内的所有这些改变和修改。例如，以上给出的任何公式仅代表可以使用的过程。可以从框图中添加或删除功能，并且可以在功能块之间互换操作。可以向本发明范围内描述的方法添加或删除步骤。
尽管已经参考具体示例描述了本发明，但本领域技术人员将理解，本发明可以以许多其他形式实施。
工业适用性：从以上显而易见的是，所描述的布置适用于机动车和车辆工业的系统和设备。

Claims (66)

1.一种操作混合动力系统的方法，所述混合动力系统提供动力总成以用于向具有可变负载需求的车辆或静止设备提供动力，所述方法包括：
当对至少一个电能存储装置的电容式能量存储器充电/再充电时，将内燃发动机(ICE)的操作从第一操作模式转变为比所述第一操作模式更具效率的用于ICE的第二操作模式。
2.根据权利要求1所述的方法，包括控制ICE的操作以在期望的每分钟转数(rpm)范围内或在期望的rpm下操作，以对电容式能量存储器充电/再充电。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述电容式能量存储器包括至少一个超级电容器(UC)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述ICE具有用于向车辆或静止设备提供动力的动力输出以及用于对至少一个电存储装置的电容式能量存储器充电的充电输出，所述ICE被控制器控制以从用于向车辆或静止设备提供动力的第一操作模式改变为用于向车辆或静止设备提供动力并且对至少一个电能存储装置充电/再充电的第二操作模式。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述ICE的动力输出是为机械驱动布置提供动力的机械输出，或者是向至少一个电动马达提供动力的电气输出。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在将至少一个电能存储装置的电容式存储器用于向至少一个电动马达提供动力的同时，所述ICE被控制为以第二操作模式操作。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，来自所述电容式能量存储器的动力用于增加来自ICE的动力输出以向车辆或静止设备提供动力。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述ICE的第二操作模式是比第一操作模式具有更高燃料效率的操作模式和/或比第一操作模式处于更优选的ICE排放输出。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当所述电容式能量存储器被充电/再充电至阈值电压或高于阈值电压时，所述ICE被控制以返回到第一操作模式，或者所述ICE被控制以将电容式能量存储器维持在阈值电压或电荷水平或高于阈值电压或电荷水平。
10.根据权利要求4所述的方法，其中，所述控制器从包含与ICE的操作有关的效率参数的存储器确定ICE的期望操作模式。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述效率参数包括节流阀位置、燃料空气比、负载、传动比、rpm和速度中的一个或者两个或更多个的组合。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括：当在要对电容式能量存储器充电/再充电时第二操作模式比第一模式对于ICE更具燃料效率时，通过控制所述ICE从第一操作模式转变为第二操作模式以对电容式能量存储器充电/再充电来优化ICE的加权平均燃料效率。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二操作模式是从用于ICE的可能操作模式的电子查找图确定的。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，当将所述方法应用于车辆的操作时，当ICE以对电容式能量存储器充电/再充电的模式操作时，不提供再生制动或者不使用再生制动来对电容式能量存储器充电/再充电。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述ICE的相对较低效率的操作模式下，至少一个电能存储装置用于向车辆或静止设备提供或增加动力，并且在ICE的相对较高效率的操作模式下，ICE用于对至少一个电能存储装置充电/再充电。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述ICE的相对较低效率的操作模式是打开节流阀加速模式。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述至少一个电能存储装置向车辆或静止设备提供动力的时段期间，将ICE置于怠速模式或关闭，并且当至少一个电能存储装置的输出电压下降到阈值或低于阈值时，操作ICE以对至少一个电能存储装置充电/再充电。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括当所述电容式能量存储器的电压输出处于或低于阈值时，将电机从Y形配置切换为Δ形配置。
19.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括提供用于电压、电流、内燃发动机(ICE)RPM、节流阀位置、车辆速度、制动开关位置中的一个或多个的一个或多个传感器。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述一个或多个传感器向ECU提供输入，ECU控制器使用预编程的查找表来比较来自所述一个或多个传感器的输入值，以识别所述车辆处于加速、减速、恒定速度、静止或制动中的哪个状态。
21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，为了增加燃料经济性，当车辆不做功并且电容式能量存储器被充满电时关闭ICE，以使得在静止和减速状态期间不做功。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，如果所述电容式能量存储器未被充满电，则在静止和减速状态期间，使用恒定电流，电容式能量存储器被快速充电直到充满，使得一旦充满并达到容量，就停止充电/再充电。
23.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，为了在车辆加速状态期间增加燃料经济性，电容式能量存储器中的电能首先被放电，然后提供充电/再充电以给出相对于放电电流更高或匹配的充电电流。
24.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，针对典型的加速梯度和加速周期来选择所述电容式能量存储器的容量。
25.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在恒定速度状态期间，首先使用所述电容式能量存储器中的能量，然后开始或重新开始充电/再充电以提供维持恒定速度的动力要求。
26.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，改变所述ICE的rpm，以确保在充电电压和电容式能量存储器的电压之间的电压增量提供足够的电流，使得所供应的电压和电流的乘积产生所要求的动力，以最大化燃料效率降低并且对电容式能量存储器充电，从而使存储的电能可用于加速状态。
27.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述电容式能量存储器正在被放电并且其充电关闭的任何时候，充电能够被打开以维持电压和负载需求。
28.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在优化的车辆速度设定点处控制在Y形(低速高扭矩)和Δ形(高速低扭矩)之间的运行中相连接切换。
29.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括提供与电压调节器结合的超级电容器组，以替换用于为辅助设备提供动力并启动内燃发动机(ICE)的标准电池。
30.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，电容式存储的能量用于通过以高电流放电从而产生高扭矩来增强所述车辆的加速性能。
31.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，车载充电用于恢复所述电容式能量存储器中的能量，使得所述能量可用于车辆的后续加速循环。
32.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，车载充电和存储在所述电容式能量存储器中的能量用于驱动使用车辆上的电能的辅助设备，或者所述车载充电和存储在所述电容式能量存储器中的能量应用于优化静止发动机或驱动系统。
33.一种提供动力总成以用于向具有可变负载需求的车辆或静止设备提供动力的混合动力系统，所述系统包括：
a.至少一个电能存储装置，其包括电容式能量存储器；
b.至少一个内燃发动机(ICE)，其可操作地连接以驱动充电系统，比如车载充电系统和/或诸如发电机的电气电源，以用于至少对电容式能量存储器充电/再充电；
c.控制器，其布置和配置为当对电容式能量存储器充电/再充电时，控制ICE以将操作从第一模式转变为比所述第一模式更具燃料效率的第二模式。
34.根据权利要求33所述的系统，其中，所述ICE被控制为在足以对至少一个能量存储装置的电容式存储器充电/再充电的第二模式中在期望的每分钟转数(rpm)范围内操作。
35.根据权利要求33或权利要求34所述的系统，其中，所述至少一个电能存储装置包括至少一个电池和电容式能量存储器的组合，其中，所述控制器布置和配置为控制ICE，使得车载充电系统和/或电气电源为至少一个电池和/或电容式能量存储器提供充电/再充电。
36.根据权利要求35所述的系统，其中，所述电容式能量存储器包括至少一个超级电容器。
37.根据权利要求33至36中任一项所述的系统，其中，所述控制器布置和配置为操作ICE以对电容式能量存储器充电/再充电，以将至少一个电能存储装置和/或电容式能量存储器维持在最小电压或高于最小电压。
38.根据权利要求33至37中任一项所述的系统，所述系统使用根据权利要求1至32中任一项所述的方法。
39.根据权利要求33至38中任一项所述的系统，其中，控制器布置和配置为将所述ICE的操作从第一模式转变为第二模式，以至少对电容式能量存储器充电/再充电，第二模式具有比第一模式更高的rpm。
40.根据权利要求33至39中任一项所述的系统，所述系统包括：
开关，用于根据所要求的扭矩和能量供应效率在至少一个电能存储装置和ICE之间切换驱动。
41.根据权利要求33至40中任一项所述的系统，其中，利用所述系统的车辆的驱动状态包括以下中的至少一个：
a.静止，
b.加速，
c.恒定速度，以及
d.减速。
42.根据权利要求33至41中任一项所述的系统，其中，当车辆制动处于预定状态时，车载充电系统和/或电气电源至少对电容式能量存储器充电/再充电。
43.根据权利要求42所述的系统，其中，监测制动开关以识别车辆制动器是否打开。
44.根据权利要求33至42中任一项所述的系统，其中，所述系统的状态确定车载充电系统和/或电气电源的操作，并且其中，诸如ECU的所述控制器接收以下中一个或多个输入：
i.电压(伏特)；
ii.电流(分流伏特)；
iii.节流阀位置(0-5V)；
iv.制动器位置(5V/0V)；以及
v.速度(计数)。
45.根据权利要求44所述的系统，其中，所述状态可通过这些输入的值识别：
a.在静止状态期间，电流将为零，节流阀位置传感器将为零，并且制动开关打开；
b.在减速期间，电流将为零，节流阀位置将为零，速度将随时间下降，并且制动开关可以打开或关闭；
c.在加速期间，电流将大于零，节流阀位置将大于零，并且速度将随时间增加；
d.在恒定速度期间，电流将大于零，节流阀将大于零，并且速度随时间的变化将在小范围内；
e.在减速期间并且制动器打开时，能够激活再生。
46.根据权利要求33至45中任一项所述的系统，其中，车载充电系统和/或电气电源在车辆的静止和/或减速状态期间对比如包括至少一个超级电容器的电容式能量存储器充电/再充电。
47.根据权利要求33至46中任一项所述的系统，其中，如果所述电容式能量存储器未被充满电，则在车辆的静止和减速状态期间使用恒定电流对电容式能量存储器快速充电。
48.根据权利要求33至48中任一项所述的系统，其中，为了在加速状态期间优化燃料效率，首先对电容式能量存储器中的能量放电，然后利用车载充电系统和/或诸如发电机的电气电源提供相对于放电电流更高或匹配的充电电流。
49.根据权利要求33至48中任一项所述的系统，其中，所述车辆是以下之一：
a.轻便摩托车；
b.踏板车；
c.摩托车；
d.自动人力车；
e.三轮车；
f.汽车；
g.运动型多用途车(SUV)；
h.四轮车；
i.海上船只；
j.个人驾驶车辆；
k.商用车；
l.重型机械；
m.越野车；
n.公共汽车；
o.面包车；
p.飞机；以及
q.卡车。
50.根据权利要求33至49中任一项所述的系统，其中，所述电容式能量存储器包括至少一个超级电容器组，其包含利用平衡电路串联连接以提供所要求电压的单个超级电容器电池单元，或者所述电容式能量存储器包括并联连接以增加能量存储量的多于一个的超级电容器组。
51.根据权利要求33至50中任一项所述的系统，包括扭矩倍增器，其在低RPM(每分钟转数)和低％ICE负载(所需扭矩/可用扭矩)下产生高电压和高电流输出，用于电容式能量存储器的快速充电。
52.根据权利要求33至51中任一项所述的系统，包括优化的所述车载充电系统和/或电气电源，用于在低rpm(低Kv)下的高电压输出和在低rpm下的高输出电流。
53.根据权利要求33至52中任一项所述的系统，包括优化的内燃发动机(ICE)，其具有在低RPM下的高扭矩输出。
54.根据权利要求51所述的系统，其中，所述扭矩倍增器在低RPM下增加内燃发动机(ICE)的扭矩容量，并且减小ICE％负载(所要求扭矩/可用扭矩)。
55.根据权利要求33至54中任一项所述的系统，还包括内置于内燃发动机节流阀中的机械联锁装置，以限制RPM来防止电容式能量存储器的过度充电。
56.根据权利要求33至55中任一项所述的系统，包括ECU，其适于基于监测车辆的状态和诸如一个或多个超级电容器组的电容式能量存储器的电压来控制系统的操作。
57.一种动力总成系统，其包括具有第一操作模式和第二操作模式的内燃发动机(ICE)，在第一操作模式下，ICE供应电力且不对电容式能量存储器再充电，而在第二操作模式下，ICE对电容式能量存储器再充电。
58.根据权利要求57所述的动力总成系统，其中，当在要对电容式能量存储器充电/再充电时第二操作模式比第一操作模式对于ICE更具燃料效率时，ICE被控制以在第二操作模式下操作。
59.根据权利要求57或58所述的动力总成系统，其中，所述第二操作模式包括ICE操作参数，其包括燃料输送定时、燃料输送量、燃料输送速率、节流阀位置、燃料空气比、负载、传动比、rpm和速度中的一个或者两个或更多个的组合。
60.根据权利要求57至59中任一项所述的动力总成系统，其中，第二操作模式在电容式能量存储器提供驱动动力的时段期间是怠速模式或高效率模式，并且当电容式能量存储装置的输出电压下降到阈值或低于阈值时，ICE被操作为对电容式能量存储器充电/再充电。
61.一种操作混合动力总成系统的内燃发动机(ICE)的方法，所述混合动力总成系统用于向具有可变负载需求的车辆或静止设备提供动力，所述方法包括：操作ICE以在加速或关于ICE的高负载需求期间对至少一个电能存储装置的电容式能量存储器充电/再充电。
62.根据权利要求61所述的方法，其中，所述加速或高负载需求是在发动机的完全节流阀开度下。
63.一种操作混合动力总成系统的内燃发动机(ICE)的方法，所述混合动力总成系统用于向具有可变负载需求的车辆或静止设备提供动力，所述方法包括：操作ICE以在加速或关于ICE的高负载需求期间对至少一个电能存储装置的电容式能量存储器充电/再充电。
64.根据权利要求61所述的方法，其中，所述加速或高负载需求是在发动机的完全节流阀开度下。
65.一种提供动力总成以用于向具有可变负载需求的车辆或静止设备提供动力的混合动力系统，所述系统包括内燃发动机(ICE)，其被控制以操作发电机以在加速或关于ICE的高负载期间对至少一个电能存储装置的电容式能量存储器充电/再充电。
66.根据权利要求65所述的系统，其中，所述加速或高负载需求是在发动机的完全节流阀开度下。
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