CN113544413A - 用于操作具有无极变速器的电动车辆动力系统的方法 - Google Patents

用于操作具有无极变速器的电动车辆动力系统的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于或在全电动车辆、特别是电动乘用车中的动力系统的操作方法，所述动力系统包括电动机器(1)、从动轮(2)和传动装置(3)，所述传动装置(3)设置在所述电动机器(1)与所述从动轮(2)之间，并提供所述电动机器(1)与所述从动轮(2)之间的驱动连接，所述传动装置(3)至少包括无级变速器单元(40)，所述无级变速器单元在其与所述电动机器(1)一体旋转的输入轴与其输出轴之间提供可变速比。根据本发明，在所述动力系统操作期间，至少结合电动车辆的速度以及至少所述电动机器(1)与所述无级变速器单元(40)的组合效率特性来控制所述无级变速器单元(40)的速比。

Description

用于操作具有无极变速器的电动车辆动力系统的方法
技术领域
本发明涉及一种用于或在电动车辆、特别是乘用车中的动力系统，所述动力系统具有电动机器(EM)、也称为电动机/发电机装置、一个或多个从动轮以及无级变速器(CVT)，所述CVT将EM驱动地连接、即旋转地耦接到从动轮。注意，在本公开的上下文中，术语电动车辆应理解为仅包括纯电动车辆、例如电池电动车辆(BEV)和燃料电池电动车辆(FCEV)。换句话说，目前考虑的电动车辆动力系统仅包括作为原动机的电动机器，特别是不包括可以或至少可以在电动机器以外或替代电动机器地连接到从动轮的内燃机。
背景技术
CVT因其在由内燃机提供动力的传统机动车辆中的广泛应用而广为人知，但其也可以有益地应用于电动车辆。已知的CVT包括初级带轮和次级带轮，以及缠绕所述带轮并与所述带轮摩擦接触的柔性驱动元件。每个这样的带轮包括布置在轴上的两个(截头)锥形带轮盘，其中，至少一个带轮盘可轴向移动并且可以被CVT的致动系统、例如一组电子控制且液压操作的活塞/气缸组件推向带轮盘。柔性驱动元件有多种类型、例如金属推带、金属传动链或纤维增强橡胶拉带。
在CVT的操作期间，通过所述致动系统在可移动的带轮盘上朝向两个带轮盘中的另一个带轮盘施加相应的力，柔性驱动元件被夹持在每个带轮的两个带轮盘之间。此时可以通过柔性驱动元件与带轮之间的摩擦在带轮之间传递转速和伴随的扭矩。同样通过致动系统施加的力、更具体地通过施加的力之间的比率，每个带轮处的柔性驱动元件的曲率半径被控制。进而，这些曲率半径决定了CVT的速比，该速比可以由致动系统控制为由CVT提供的速比范围内的任意值。
在传统的机动车辆中，CVT因此允许发动机相对于给定的车辆速度、即从动轮的给定转速在一个连续的转速范围-如由CVT的速比范围确定的范围内运行。发动机转速可以例如朝着发动机的最佳燃油效率(通常是低发动机转速)、朝着最大车辆加速度(通常是高发动机转速)或者甚至朝着模拟齿轮传动即阶梯式变速器的方向进行控制。在发动机转速被控制为朝向最佳燃油效率的情况下，期望的发动机转速通常基于至少包括当前车辆速度以及发动机的效率特性的一些操作参数来确定。此时控制CVT速比，使得实际发动机转速尽可能地匹配所需的发动机转速。然而，通常会采用更复杂的控制方法，这些控制方法不仅依赖于当前的车辆速度，还依赖于其它参数、例如加速踏板的位置。特别是，加速踏板位置通常被解释为驾驶员瞬时要求的加速度(可以为零)。在这种情况下，发动机燃油效率特性采用查找表的形式，该查找表将所需发动机转速与用于实施所需加速度所需的发动机扭矩联系起来。
特别要注意的是，在动力系统是电子操作、例如通过巡航控制系统或自动驾驶系统操作的情况下，这样的系统将代替驾驶员产生加速需求。
发明内容
当然，通过将发动机燃油效率特性替换为EM的类似的效率特性，前者的传统发动机转速控制方法可以很容易地转换为适用于由EM提供动力的车辆。在这种情况下，所述查找表将期望的EM转速(提供最佳的EM电效率)与车辆速度联系起来。然而，根据本发明，在这种情况下可以实现显著的效率改进。特别是，本发明考虑到EM的电效率远高于内燃机的燃油效率，以至于动力系统的其它构件的(机械和/或电气)功率效率成为动力系统整体功率效率的重要因素。根据本发明，在具有CVT的电动车辆动力系统中，在确定期望的EM转速时有利地考虑EM和CVT的组合功率效率。特别地，对于在动力系统中应用的EM和CVT的组合，预先确定了效率特性、特别是功率效率特性。优选地，在组合效率特性中也考虑了在动力系统中应用于EM与CVT之间的齿轮系的机械效率。在这方面应注意，无级变速器与从动轮之间的任何齿轮的机械效率都可以有利地忽略。此外，在组合效率特性中也可以考虑EM与电动车辆的电池之间的所谓逆变器的电效率。
关于组合效率特性，应注意的是，可以通过将动力系统构件的单独效率图、例如至少EM和CVT的效率图相乘来方便地确定组合效率特性，这些单独效率图将相应的动力系统构件的功率效率相对于无论是由相应的动力系统构件产生的还是传输的扭矩或功率的操作参数以及相应动力系统构件的输出速度映射。特别地，这种组合效率特性最终将任何车辆速度和EM功率与CVT的期望速比联系起来，以提供最大的动力系统效率。
此外，根据本发明，上述新颖的控制方法优选地也适用于车辆减速期间，即用于低于恒定车速所需的扭矩或功率水平。特别地，在车辆制动条件下，EM施加负扭矩并作为发电机运行、例如为电动车辆的电池(重新)充电(即所谓的反馈制动)。同样在EM的这种发电机模式中，根据电动车辆的瞬时(反向，即制动)扭矩或功率以及(前进)速度，最有效的操作点可用于整个动力系统。有效地，本发明依赖于预先确定的效率图，该预先确定的效率图将驱动轮处的速度和扭矩的输入参数(或代表其的参数、例如相应地车辆速度和EM功率)与CVT速比联系起来并因此与EM转速联系起来，使得以最高功率效率提供这种车轮扭矩。其中，所述预先确定的效率图是通过测量来准备的，或者更方便地通过根据CVT速比、EM功率和车辆速度来计算至少包括EM和CVT的系统中的功率损耗来准备。
根据本发明，通过设计具有与动力系统的另一构件的效率图接近的效率图的动力系统构件，使得单独效率图的所述相乘产生最高值，可以实现进一步的效率改进。此外，这些单独效率图和组合效率图优选地接近电动车辆最常出现的操作点、特别是对应于平坦道路上的恒定车速的操作点。
作为这种相互调整动力系统构件的设计的一个例子，就EM扭矩和EM转速组合而言，EM设置有提供最小功耗的单独效率特性，当CVT处于所谓的超速档(即加速最大的CVT速比)时，该特性与稳态扭矩需求曲线相交。同时，当CVT处于所谓的低速档(即减速最大的CVT速比)时，这种EM效率特性高于稳态扭矩需求曲线。在这个示例中，通过将CVT速比控制在中速档、即1:1与低速档之间，电动车辆可以以优异的电效率进行加速和减速，同时车辆也可以在CVT速比在中速档附近时的稳态下被高效地操作，这时CVT的构件效率最高，或者可以在CVT速比更加朝向超速档时以获得最高的车辆速度。在这方面优选地，EM设置有单独效率特性，在超速档时，该效率特性在EM的最大转速、即峰值转速、例如按照规定的或在电动车辆的操作期间实际发生的速度的30％至50％之间、优选地在35％左右与所述稳态扭矩需求曲线相交。
附图说明
本发明将通过本发明的非限制性、说明性实施例并参考附图进行更详细的解释，其中：
-图1是具有电动机器和无级变速器单元的已知电动车辆动力系统的主要构件的功能布置的示意图；
-图2是示出了三种不同指定电动机器的扭矩-转速特性的曲线图；
-图3以电动机器的扭矩-转速曲线图示出了本发明的与电动机器设计相关的一个方面；
-图4以电动机器的扭矩-转速曲线图示出了本发明的与动力系统的设计相关的第一方面；
-图5示出了本发明的与动力系统的设计相关的第二方面；以及
-图6通过将车辆速度和电动机器功率与无级变速器速比联系起来的图示出了本发明与动力系统的设计相关的第三方面。
具体实施方式
图1示出了一个用于电动车辆、例如乘用车的已知的动力系统的基础示例。已知的电动车辆动力系统包括电动机器(EM)1(也称为电动机/发电机装置)、电动车辆的两个从动轮2以及将EM 1驱动地连接到从动轮2的传动装置3。已知的传动装置3包括无级变速器(CVT)单元40，所述CVT单元在其输入轴与输出轴之间提供连续可变速比。CVT单元40是众所周知的、特别是成包括传动带41的形式，所述传动带41缠绕CVT单元40的输入轴上的输入带轮42和输出轴上的输出带轮43并与所述输入带轮和输出带轮摩擦接触。通过CVT单元40的控制和致动系统(未示出)，驱动带41与带轮42、43之间的摩擦接触的有效半径可以在两个带轮42、43之间沿相互相反的方向改变，使得由CVT单元40在其输入轴与输出轴之间提供的速比可以在减速最大的CVT速比、即低速档与加速最大的CVT速比、即超速档之间的一定速比范围内连续变化。
通过将CVT单元40包括在电动车辆动力系统中，可以解锁一些优势和/或优化策略。例如，可以由此提高电动车辆的启动加速度和/或最高速度。或者，车辆的这些性能参数可以保持在相同水平，但同时应用更小、即小型化的EM 1。如图2所示，相对于应用在没有CVT的动力系统中的参考EM 1(例如图2，虚线)，这种小型化的电动机器可以达到EM 1的最大转速、即峰值转速要求(例如图2，线EMs)、EM 1的最大扭矩、即峰值扭矩要求(未示出)或两者皆可(例如图2，线EMt)。在所示的两个小型化的EMs 1中的任何一个中，相应小型化的EM 1的最大额定功率、即峰值额定功率相对于参考EM 1保持不变，即使这在本发明的上下文中不是必需的。此外，虽然图2中所示的绝对值完全符合现实，但这些只是示例性的，以说明小型化的潜力。
特别地，根据本发明，小型化的EM 1优选地特征在于，根据其转速，至少在其转速范围的主要部分、即从0到其峰值转速的至少50％，具有至少基本上恒定的峰值扭矩。更优选地，小型化的EM 1的峰值扭矩恒定高达其峰值转速的至少80％、更优选地高达至少90％或甚至高达95％。替代地或附加地，小型化的EM 1优选地特征在于，根据其扭矩，至少在其扭矩范围的主要部分、即从0到其峰值扭矩的至少50％，具有基本上恒定的峰值转速。更优选地，小型化的EM的峰值转速恒定高达其峰值扭矩的至少80％、更优选地高达至少90％或甚至高达95％。
如果EM 1就其峰值扭矩而言减小，则会出现图3所示的限制。即，随着EM 1的峰值扭矩减小，在EM 1的一定转速下产生所谓的扭矩储备Tr(由这种峰值扭矩与瞬时实际扭矩之间的差异限定)。特别是，相对于参考EM 1就EM扭矩和EM转速的组合而言提供最小功耗的效率特性曲线ηmax，扭矩储备Tr显著降低。然而，根据本发明，可以通过设计具有效率特性曲线ηmax-EMt的小型化的EM 1来有利地减轻这种限制，该效率特性曲线保持在EM峰值扭矩Tmax的50％以下时，可至少高达EM峰值转速Smax的50％、优选地70％左右。更优选地，小型化的EM的这种效率特性曲线ηmax-EMt延伸至高达EM峰值转速Smax并且因此包括EM峰值转速Smax。
作为对EM 1的这种设计适配的替代或附加，CVT单元40和EM 1可以有利地相互适配，如图4所示。特别是，由CVT单元40提供的速比范围与EM 1的效率特性曲线ηmax优选地以如下方式相互适配：
a)稳态、即恒定的车辆速度时，在图4中由曲线TRLow示出的CVT速比低速档下的EM扭矩要求位于EM 1的效率特性ηmax以下；以及
b)稳态、即恒定的车辆速度时，在图4中由曲线TROverdrive示出的CVT速比超速档下的EM扭矩要求部分地位于EM 1的效率特性曲线ηmax以下并且部分地位于EM 1的效率特性曲线ηmax以上。优选地，两条曲线TROverdrive和ηmax在EM峰值转速Smax的30％至50％之间、优选地在35％左右相交。
作为对EM 1或CVT单元40的这种设计适配的替代或附加，在电动车辆动力系统中的CVT单元40的速比的控制中也可以考虑EM 1或CVT单元40的相应的效率特性。特别地，对于给定的车辆速度和所需的EM功率，通过将EM 1和CVT单元40的单独效率图相乘来确定组合效率特性，如图5中示意性所示。然而，需要注意的是图5包含简化示意，即CVT效率图的速比依赖关系未在其中示出，因为这将需要CVT输入速度的第三轴线。相反，图5的CVT效率图是针对提供最高效率的CVT速比绘制的，该速比对于CVT输出速度范围的中间部分MP为中速档，对于CVT输出速度范围的低速部分LP，该速比逐渐转变为低速档，对于CVT输出速度范围的高速部分HP，该速比逐渐转变为超速档。由此产生的组合效率特性将所需的CVT速比与EM功率水平联系起来，从而提供了最大的系统功率效率。
在图6的曲线图中，再次说明了动力系统构件的组合效率特性的上述概念，然而，包括作为输入变量的车辆速度和作为输出变量的CVT速比。在图6中，标记为2、1和0.5的三条线分别代表低速档、中速档和超速档的三个CVT速比-数字上限定为CVT输入速度除以CVT输出速度。当然，实际上，组合效率特性是一个连续的效率图，其中，中间CVT速比填充所述三条线之间的空间。因此，基于这样的图并给定车速和EM功率，可获得提供EM 1和CVT单元40的最佳组合功率效率的期望CVT速比。在实践中，这种连续的图将通过被编程到电动车辆的逻辑单元中的基本上连续、即半连续的图、查找表或数学方程(组)来近似。
原则上，图6的曲线图的上半部分，即表示正值、即EM驱动扭矩或功率水平的由此表示的连续效率图也可以应用于负值、即EM制动扭矩或功率水平。然而，根据本发明，可以通过专门针对这种EM负扭矩或功率水平测量或计算来获得进一步的改进。同样在EM 1的这种发电机模式中，根据电动车辆的瞬时(反向，即制动)扭矩或功率和(前进)速度，最有效的操作点可用于整个动力系统。在后一方面，令人惊讶地注意到，所述最有效的操作点在EM的正扭矩或功率水平和负扭矩或功率水平之间是不同的。根据本发明，这种不对称性主要归因于CVT单元40、特别是目前所示的带轮式CVT单元40。
除了以上描述的全部内容和附图的所有细节之外，本发明还涉及并包括所附权利要求集中的所有特征。权利要求中的括号内的附图标记不限制其范围，而仅作为相应特征的非限制性示例提供。单独要求保护的特征可以在给定的产品中单独应用，或者在给定的过程中视情况而定，但是这些特征也可以以两个或更多个这样的特征的任意组合在其中同时应用。
本发明不限于在此明确提及的实施例和/或示例，还包括其直接的、特别是相关领域技术人员所能理解的修改、变型和实际应用。

Claims (13)

1.一种用于或在纯电动车辆、特别是电动乘用车中的动力系统的操作方法，所述动力系统包括电动机器(1)、从动轮(2)和传动装置(3)，所述传动装置(3)设置在所述电动机器(1)与所述从动轮(2)之间，并提供所述电动机器(1)与所述从动轮(2)之间的驱动连接，所述传动装置(3)至少包括无级变速器单元(40)，所述无级变速器单元在其与所述电动机器(1)一体旋转的输入轴与其输出轴之间提供可变速比，在所述操作方法中，在所述动力系统的操作期间，至少结合电动车辆的速度以及至少所述电动机器(1)与所述无级变速器单元(40)的组合效率特性来控制所述无级变速器单元(40)的速比。
2.根据权利要求1所述的操作方法，其中，所述传动装置(3)还包括在所述电动机器(1)与所述无级变速器单元(40)之间提供固定的第一速比的第一减速级(31)和在所述无级变速器单元(40)与所述从动轮(2)之间提供固定的第二速比的第二减速级(32)，其特征在于，所述组合效率特性还包括所述第一减速级(31)，但不包括所述第二减速级(32)。
3.根据权利要求1或2所述的操作方法，其特征在于，所述无级变速器单元(40)的速比也结合车辆的加速需求进行控制，所述加速需求能够为正值、零值或负值。
4.根据权利要求1、2、3中任一项所述的操作方法，其特征在于，所述组合效率特性是基于、特别是通过所述电动机器(1)、所述无级变速器单元(40)和/或所述第一减速级(31)的单独效率特性相乘来确定的，所述单独效率特性以最高的可实现效率分别将相应的动力系统构件(1；40；31)的输出速度的参数与由相应动力系统构件(1；40；31)产生或传输的机械扭矩联系起来，反之亦然。
5.根据权利要求4所述的操作方法，其特征在于，所述电动机器(1)具有的单独效率特性在所述无级变速器单元(40)处于其最大减速速比时，高于电动车辆的稳态扭矩需求曲线，在所述无级变速器单元(40)处于其最大加速速比时，与电动车辆的稳态扭矩需求曲线相交。
6.根据权利要求5所述的操作方法，其特征在于，在所述无级变速器单元(40)处于其最大加速速比时，所述电动机器(1)的单独效率特性在所述电动机器(1)的最大转速的30％至50％之间、优选地在35％左右与电动车辆的所述稳态扭矩需求曲线相交。
7.根据前述权利要求中任一项所述的操作方法，其特征在于，所述电动机器(1)能够在所述电动机器(1)能够达到的转速范围的主要部分中、特别是在零至所述电动机器的最大转速的80％或更多、优选地高达并包括所述电动机器的转速最大值的范围内，产生独立于所述电动机器的转速的最大扭矩。
8.根据前述权利要求中任一项所述的操作方法，其特征在于，所述电动机器(1)能够在所述电动机器(1)能够达到的扭矩范围的主要部分中、特别是在零至所述电动机器的最大扭矩的80％或更多、优选地达到并包括所述电动机器的扭矩最大值的范围内，产生独立于由所述电动机器产生的扭矩的最大转速。
9.根据权利要求7或8所述的操作方法，其特征在于，所述电动机器(1)的以最高的可实现效率将所述电动机器的转速与由所述电动机器产生的扭矩联系起来的单独效率特性(ηmax-EMt)，在保持低于所述电动机器的最大扭矩的50％时，能够高达所述电动机器的最大转速的至少50％、优选地高达至少70％。
10.根据权利要求9所述的操作方法，其特征在于，所述电动机器(1)的所述单独效率特性(ηmax-EMt)延伸至高达所述电动机器的最大转速。
11.根据前述权利要求中任一项所述的操作方法，其特征在于，所述组合效率特性以基本上连续的图、查找表或数学方程(组)的形式被编程到电动车辆的逻辑单元中，所述组合效率特性将作为输出参数的所述无级变速器单元(40)的期望速比值与作为一组输入参数的可达到的车辆速度的范围或者其代表参数以及由所述电动机器(1)产生的可达到的驱动扭矩的范围或其代表参数联系起来。
12.根据权利要求11所述的操作方法，其特征在于，对于特定的负值，即由所述电动机器(1)施加的制动扭矩，以及相反值，即这种制动扭矩的正值，即驱动扭矩或其代表参数，被用作所述输入参数之一、特别是所述电动机器(1)的所述驱动扭矩，以确定作为输出参数的所述无级变速器单元(40)的期望速比值。
13.根据权利要求11所述的操作方法，其特征在于，所述基本连续的图、查找表或数学方程(组)扩展为负数，即能够由所述电动机器(1)施加的制动扭矩水平或其代表参数，并且对于由所述电动机器(1)施加的特定负扭矩，这种负扭矩的实际值或其代表参数被用作所述输入参数之一以确定作为输出参数的所述无级变速器单元(40)的期望速比值。
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