專利名稱：用于插電式混合動力電動車輛的自動尋找電連接的系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及混合動力電動車輛以及為牽引電池充電的充電系統(tǒng)。
背景技術：
混合動力電動車輛(HEV)動力系通常具有兩個動力源，其中一個可以為內燃機， 且另一個可以為電動馬達。使用高壓總線電連接高壓電池、馬達和發(fā)電機。每個動力源通過 傳動裝置可驅動地連接至車輛牽引輪。在稱之為功率分流的混合動力電動車輛動力系配置 中，發(fā)動機和發(fā)電機使用齒輪組(通常為行星齒輪組)可驅動地連接，從而設立了至傳動輪 的并聯(lián)扭矩流動路徑。馬達可與發(fā)動機作用以實現(xiàn)將機械扭矩傳送至牽引輪，或可在功率 再生模式中用作發(fā)電機來對電池充電?；旌蟿恿﹄妱榆囕v動力系的另一種配置是發(fā)動機、 發(fā)電機和馬達串聯(lián)，其中電池用作發(fā)電機和馬達的能量存儲系統(tǒng)。在功率分流的混合動力電動車輛中的兩個動力源共同無縫作用以滿足駕駛者的 扭矩需求，而不超出動力系統(tǒng)的限度(包括電池荷電狀態(tài)限度)，同時優(yōu)化整個動力系統(tǒng) 的效率和性能。車輛系統(tǒng)控制器將會分析駕駛者的扭矩需求，并隨后確定每個動力源需要 何時提供扭矩以及提供多少扭矩來滿足燃料經濟性目標、排放質量以及驅動性能標準。另 一方面，在串聯(lián)式HEV配置中，發(fā)動機驅動發(fā)電機，其順序驅動機械連接至車輛牽引輪的馬 達。同樣，用作能量存儲裝置的電池能夠根據(jù)電池的荷電狀態(tài)為馬達提供動力或者從發(fā)電 機接受收充電。混合動力電動車輛動力系的另一種總類是插電式混合動力電動車輛(PHEV)動 力系，其包括使用電池電荷損耗策略來確定從兩個動力源中的每個傳輸動力的控制器。 與并聯(lián)式配置和串聯(lián)式配置的混合動力電動車輛的控制策略不同的是，使用公用電網 (electric utility power grid)為電池充電，在接下來的車輛運轉中電動馬達可以作為 唯一的動力源直至荷電狀態(tài)達到最低閾值。插電式混合動力電動車輛動力系的第一種類型是用發(fā)動機驅動發(fā)電機，發(fā)電機隨 后在驅動馬達的電池達到低電池荷電狀態(tài)后對電池充電。在另一種類型的PHEV中，只有電 動馬達驅動可用，因此車輛行駛范圍僅由電池荷電狀態(tài)確定。在這種PHEV動力系中，當不使用車輛時，例如當車輛停車過夜時，電網將對電池 充電。駕駛者可在電池電荷部分損耗后將車輛電池連接至電網，用特別設計的延長電纜將 其一端插入室內或車庫墻上的插座，而另一端連接至車輛上的端口。當車輛擁有者希望使 用該車輛時，可以移走電纜以分開車輛與墻上插座的連接。這是傳統(tǒng)車輛的擁有者所不具 有的不便之處。如果車輛的擁有者由于疏忽在車輛運行后電池荷電狀態(tài)變成部分損耗后未 能將車輛插電(例如當車輛在停車過夜后將要使用時)，則會使插電式混合動力的益處無 法體現(xiàn)。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種用于車輛的引導系統(tǒng)，具有可充電的電池、電網插頭、牽引馬達、動力轉向系統(tǒng)以及與所述動力轉向系統(tǒng)和所述馬達相通訊的控制器，其中， 所述控制器配置為響應于所述車輛與用于為所述電池充電的電網插座交換的位置信號，操 控所述車輛朝向所述電網插座，從而使所述電網插頭與所述電網插座接合。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于電池驅動車輛的控制系統(tǒng)，所述車輛具有動力 轉向系統(tǒng)和電連接至所述電池的用于驅動車輛牽引輪的馬達，所述控制系統(tǒng)包括包含第 一電連接器元件和第二電連接器元件的電連接器，第一電連接器元件安裝在固定結構上并 電連接至電網，第二電連接器元件安裝在所述車輛上，其中，一個電連接器元件的位置由X 軸和Y軸坐標確定，第一電連接器元件和第二電連接器元件適于交換由X軸和Y軸數(shù)據(jù)確 定的車輛位置信號；用于接收所述車輛位置信號的車輛系統(tǒng)控制器，其中，所述控制器配置 用于響應于所述車輛位置信號來計算所述第一電連接器元件和所述第二電連接器元件之 間的X軸和Y軸方向上的距離，所述X軸和Y軸在參考坐標中確定所述車輛位置，所述馬達 由所述控制器激活以使在實際X軸車輛位置和目標X軸位置之間的差值不斷減小歸零，通 過所述控制器激活動力轉向系統(tǒng)以使實際Y軸車輛位置和目標Y位置之間的差值不斷減小 歸零，從而操控所述車輛沿著移動路徑，朝向會影響第一電連接器元件和第二電連接器元 件的機械連接并完成電池充電回路的方向移動。本發(fā)明包含可提供一種稱之為“自動搜尋”運行模式的運行策略。其使用插電式 連接器元件自動地將車輛電系統(tǒng)連接至公用電網為電池充電。連接器元件具有內置的車輛 位置傳感器，其可在車輛說明書中標明。一個位置傳感器可為短程射頻傳感器或光學類型 的傳感器，例如激光或其他回歸反射信號的傳感器。無論車輛前部是否處于目標連聯(lián)結點 的特定范圍之內，駕駛者可將車輛設置成稱為自動搜尋插電連接的模式。該模式自動定位 車輛以將車輛的連接器一側與電網一側對齊。當駕駛者開始自動搜尋插電連接運行模式時，控制系統(tǒng)將利用位置傳感器來檢測 電網連接器元件相對于車輛的位置，隨后以優(yōu)化的方式確定標出車上安裝的連接器元件相 對于電網連接器元件位置的路線。該信息可與已知的前向物體檢測器和已知的可包括在可 調節(jié)穩(wěn)定控制中用于傾斜度和高度調節(jié)的翻滾/傾斜/橫擺傳感器相結合以改進自動搜尋 系統(tǒng)的精確性。使用車輛電動馬達驅動，閉環(huán)控制系統(tǒng)將引導車輛至連接器元件可以對齊 的位置，隨后完成連接。在連接形成后，車輛系統(tǒng)控制將開始使車輛停止。在自動搜尋模式中，馬達將提供前后方向的移動，且電助力轉向系統(tǒng)(EPAS)將用 于使車輛轉向。如果有可控的車輛懸架系統(tǒng)，則其可用于提供垂直方向上的對齊。駕駛者 使用手動“接管(over-ride)”開關保持對車輛的控制。顯示器可用在車輛乘客廂內來視覺 顯示兩個位置傳感器連接器元件如何對齊，以及通知駕駛員是否連接成功。如果連接器元件未能對齊，則車輛將在接觸完成前停下，且控制系統(tǒng)將發(fā)出信息 通知駕駛者將車停到位，從而可以在進行進一步的自動搜尋模式前調節(jié)電網連接器部件和 車載連接器部件。在裝配有可控懸架系統(tǒng)的車輛中，可使用可控懸架系統(tǒng)升起或降低車輛 來在其有限的運行范圍內移動車輛連接器元件。為確保安全操作，可限制速度和扭矩。也 可在車輛以電動馬達動力移動時使用前向攝像設備來檢測障礙物。通常自動搜尋系統(tǒng)會設在車庫中。因此，車輛可以每天停在相同的位置。


圖1為已知的功率分流的輸送系統(tǒng)中具有發(fā)動機和馬達的混合動力電動車輛的 示意圖。圖2為自動搜尋系統(tǒng)的框圖。圖3為說明了本發(fā)明的自動搜尋系統(tǒng)的實施方式的流程框圖，其中車輛朝向相應于電插座的目標前進。圖4為說明了用于引導車輛電連接點朝向目標的控制算法的處理流程圖。圖5為車輛在車庫中停車過程中的側視圖，車輛電連接點朝向目標前進。圖6為車輛的俯視圖，車輛朝向車輛接近目標前進的方向。
具體實施例方式圖1顯示了功率分流的混合動力電動車輛的示意圖，其包括發(fā)動機、電池、發(fā)電機 和功率分流的齒輪組。發(fā)動機10機械連接至行星變速器12的功率輸入齒輪元件。圖1中 所示類型的混合動力電動車輛動力系的例子在美國專利US6，991，053中公開?？蓞⒖荚搶?利文件以了解功率分流的混合動力電動車輛動力系部件(包括傳動裝置)的完整描述。傳 動裝置可為行星齒輪組，其中行星齒輪組的托架可驅動地連接至發(fā)動機。行星齒輪組的太 陽輪可驅動地連接至發(fā)電機14，齒圈可以可驅動地連接至變速器齒輪系統(tǒng)16，如18處所 示。變速器16的扭矩輸出部件可驅動地連接至牽引輪20。電池22通過交流/直流(AC/DC)逆變器26、直流/直流(DC/DC)轉換器28和直 流/交流(DC/AC)逆變器30電連接至牽引馬達24和發(fā)電機14。車輛系統(tǒng)控制器(VSC) 32在正常運行期間接收動力系統(tǒng)輸入信號，包括加速踏 板位置傳感器信號(APPS) 34，駕駛范圍選擇信號(PRNDL) 36和制動踏板位置傳感器信號 (BPPS)37。在車輛系統(tǒng)控制器的其他功能中，它可以控制電池控制模塊(BCM) 38、發(fā)動機控 制模塊(ECM) 40和傳動控制模塊(TCM) 42。圖2顯示了用于本發(fā)明的自動搜尋性能的整體控制系統(tǒng)部分。44處顯示包含帶 有電池的混合動力電動車輛動力系的車輛，該電池有部分電荷損耗。當車輛在車庫46中停 車時，其沿著方向箭頭48所示的方向穿過車庫46的門前進。在本發(fā)明實施例的一個例子 中，可包含例如RFID的接收器的短程傳感器是安裝在車輛前部的連接器元件的一部分，如 50所示。車輛的電連接器元件(其可包含射頻信號天線)接收從位于車庫墻壁或其他固定 位置處的連接器元件54的傳感發(fā)射器發(fā)射的射頻信號52。50處的連接器元件的接收器和 54處的連接器元件的發(fā)射器形成了車輛位置傳感器，其將在下文中解釋。一個連接器元件可以為插座或端口，而另一個可以為與該端口匹配的插頭。圖2中所見的控制器56可以為圖1中所見的車輛系統(tǒng)控制器32的一部分，當然 其也可以為獨立的控制器。圖2的系統(tǒng)具有顯示總成58的顯示器，其可位于車輛乘客廂內以便于當車輛朝向 目標前進時觀看車輛相對于目標電連接器元件的位置。在自動搜尋模式中，車輛的運動是受電動馬達60的控制，電動馬達60將機械能分 配給車輛牽引輪20。受車輛駕駛者控制的控制開關62可以激活或解除激活自動搜尋模式。而且，駕駛者可在車輛朝向其目標前進時通過激活手動接管開關64來接管自動搜尋模式。在車輛朝向目標前進時，對車輛的位置控制可以使用已知的可控氣體懸架系統(tǒng)來 進行Z軸的調整，如66所示。翻滾/傾斜/橫擺傳感器68可用于改進控制器發(fā)出給馬達 的指令的精確性。70顯示了電助力轉向系統(tǒng)(EPAS系統(tǒng))。該轉向系統(tǒng)70用于在車輛朝向目標經 過其路徑的運動中以閉環(huán)的方式來實現(xiàn)Y軸的調節(jié)?？墒褂靡簤哼\轉的動力轉向系統(tǒng)來取 代電助力轉向系統(tǒng)來實現(xiàn)Y軸的調節(jié)。當車輛朝向目標前進時使用受控制器56控制的電 動馬達60來實現(xiàn)車輛X軸的調節(jié)。圖3為框圖形式的自動搜尋模式期間所用的控制功能示意圖。在判斷框72處首 先做出詢問以確定是否激活手動接管開關。如果其已激活，如74處所示，自動搜尋模式會 終止。如果接管開關沒有激活，在76處所示的電轉向控制、78處所示的電牽引馬達控制以 及車輛懸架控制80 (如果需要調節(jié)Z軸的話)將在控制器56的每個控制循環(huán)期間確定增 加的調節(jié)量Dy82、增加的調節(jié)量Dx84和增加的調節(jié)量Dz86?？刂破鲉娱]環(huán)控制以便于 在每個控制循環(huán)中計算所需移動方向和實際移動方向之間的偏差。相應地激活可控空氣懸 架系統(tǒng)、電助力轉向系統(tǒng)和電動馬達60。圖5顯示了確定X軸方向、Y軸方向和Z軸方向的向量。Y軸方向橫向相對于車輛中 心線。χ軸方向是車輛在朝向其目標前進時的行駛方向，其目標位于位置傳感器的發(fā)射器和接 收器之間的距離內。Z軸方向是垂直于車庫地板的方向。在控制器56的控制下由可控懸架系 統(tǒng)改變Z軸高度。如果車庫地板是水平的，自動搜尋模式的軟件策略可以不包含Z軸調節(jié)。圖4是整個處理步驟的流程框圖。在自動搜尋控制器的控制程序中，開始時，在88 處初始化車輛傳感器，且在90處初始化目標傳感器。使用來自車輛傳感器和目標傳感器的 信息，可以更新車輛移動路線，如92處所示。如94處所示，控制器的每個控制循環(huán)均會變 換X、Y和Z軸的值以調整輔助參考框架，從而確定X軸、Y軸和Z軸的調整量(dx，dy，dz)。圖5顯示了 Z軸的估測，其指示所需Z軸和實際Z軸之間的偏差。可在控制器56 的控制下使用可控空氣懸架系統(tǒng)使偏差歸零。如圖6所示，在Y軸方向上的估測偏差通過計算所需Y軸方向98和實際運動朝向 方向之間的差值可以確定。在執(zhí)行自動搜尋模式的閉環(huán)軟件策略中，控制系統(tǒng)使用傳感器檢測電網連接器元 件的位置，并隨后確定規(guī)劃出車上的連接器相對于電網連接器的位置的路線。X軸信息可使 用常規(guī)的前向物體檢測器，或者如果可以，可使用用于翻滾穩(wěn)定性、傾斜度和高度調節(jié)的翻 滾/傾斜/橫擺傳感器獲得。控制器隨后將引導車輛沿著計算的行駛路線直至對齊電連接 部件。在完成連接后，車輛系統(tǒng)控制器將關閉自動搜尋模式。車輛在前后方向上的運動是使用馬達動力實現(xiàn)的。轉向助力系統(tǒng)用于使車輛轉 向，且常規(guī)的空氣懸架系統(tǒng)控制器提供了垂直調節(jié)。還有可能的是，使用該控制器來預測自 動搜尋模式何時會失敗以及連接元件何時沒有對齊。隨后將指令車輛在完成接觸前停止。已經認識到如果需要增加靈活性或需要在實現(xiàn)接觸后增加將連接器元件保持在 位的強度，可以使用其他電連接器?？梢宰饕恍┱{節(jié)以配合對于由車輛有效載荷引起的位 置變化?？紤]到使用不同的車輛，或者當駕駛者希望將車輛停在做出初次調整的停車位置 之外的位置時，可作出進一步估測?？墒褂霉鈱W信號，例如激光或其他回歸反射信號。
射頻可確定具體車輛并提供實時信號以根據(jù)信號發(fā)射時間和信號反射時間之間 的傳播時間來確定距離。優(yōu)選地，接收器使用萬向節(jié)云臺結構(pan andtilt mechanism) 掃描視野范圍。掃描器應當充分定向以檢測電網連接器元件相對于車輛連接器元件位置的 位置。如果需要，信號發(fā)射器應當設計成僅在發(fā)出信號時響應，而不是持續(xù)地播送信號。取 決于設計選擇，連接器元件中的一個可包括信號發(fā)射器而另一個可包含信號接收器。在連接器元件之間的X軸距離可以通過測量左前輪和右前輪的旋轉次數(shù)來確定。該信息可使用左前輪和右前輪的電子車輪計數(shù)傳感器來獲得，通過將兩個計數(shù)相加并除以 2，從而獲得平均距離。這可以通過下列等式表示距離=kl X (左前輪計數(shù)+右前輪計數(shù))+2其中kl是增益因數(shù)。車輪計數(shù)也可使用下列等式用于確定朝向方向朝向方向=k2X (左前輪計數(shù)_右前輪計數(shù))+車輪基數(shù)，其中k2是增益因數(shù)。可使用下列等式確定連接器元件之間的X軸距離估算值χ估算值=距離X sin (朝向角度)。類似地，Y軸可使用下列等式計算y估算值=距離X cos (朝向角度)。初始X軸位移距離是X軸目標起始點，且初始Y軸位移距離是Y軸目標起始點。X軸增量誤差為dx =沿著移動路線的X軸位置-X軸估算值。類似地，Y軸增量 誤差為dy =沿著移動路線的Y軸位置-Y軸估算值。來自于翻滾/傾斜/橫擺傳感器的傾斜傳感器是裝配有穩(wěn)定性控制的車輛的常見 配置。其可用于改進路線規(guī)劃和車輛在接近目標時的Z軸位置控制或高于地面或地板的高 度控制。傾斜定義為車輛中心線相對于地面的角度。如果需要，傾斜信息也可使用車輛傾 斜角度(即x-axis-Xaccel θ = arcsin (Xaccel))感應車輛縱向X軸加速度的加速度計 獲得。如果由于非水平道路表面(例如車道或車庫地板)導致有變化的話，可以糾正車輛 相對于固定插電式連接器元件的所需的X軸路線。來自車輛橫擺傳感器的信息可用于改進 車輛與插電式連接器元件的對齊以確保垂直接近目標。雖然已經公開了本發(fā)明的實施例，對于本領域的技術人員而言顯然可作出變化而 不背離本發(fā)明的范圍。所有此類的修改和等同變化應當視為已由本發(fā)明的權利要求所包 括。
權利要求
一種用于車輛的引導系統(tǒng)，具有可充電的電池、電網插頭、牽引馬達、動力轉向系統(tǒng)以及與所述動力轉向系統(tǒng)和所述馬達相通訊的控制器，其中，所述控制器配置為響應于所述車輛與用于為所述電池充電的電網插座交換的位置信號，操控所述車輛朝向所述電網插座，從而使所述電網插頭與所述電網插座接合。
2.一種用于電池驅動車輛的控制系統(tǒng)，所述車輛具有動力轉向系統(tǒng)和電連接至所述電 池的用于驅動車輛牽引輪的馬達，所述控制系統(tǒng)包括包含第一電連接器元件和第二電連接器元件的電連接器，第一電連接器元件安裝在固 定結構上并電連接至電網，第二電連接器元件安裝在所述車輛上，其中，一個電連接器元件 的位置由X軸和Y軸坐標確定，第一電連接器元件和第二電連接器元件適于交換由X軸和 Y軸數(shù)據(jù)確定的車輛位置信號；用于接收所述車輛位置信號的車輛系統(tǒng)控制器，其中，所述控制器配置用于響應于所 述車輛位置信號來計算所述第一電連接器元件和所述第二電連接器元件之間的X軸和Y軸 方向上的距離，所述X軸和Y軸在參考坐標中確定所述車輛位置，所述馬達由所述控制器激 活以使在實際χ軸車輛位置和目標χ軸位置之間的差值不斷減小歸零，通過所述控制器激 活動力轉向系統(tǒng)以使實際Y軸車輛位置和目標Y位置之間的差值不斷減小歸零，從而操控 所述車輛沿著移動路徑，朝向會影響第一電連接器元件和第二電連接器元件的機械連接并 完成電池充電回路的方向移動。
3.根據(jù)權利要求2所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述車輛位置信號為短程射頻信號。
4.根據(jù)權利要求2所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述車輛位置信號為光學信號。
5.根據(jù)權利要求2所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述車輛位置信號為回歸反射信號。
6.根據(jù)權利要求2所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述固定結構為車庫的墻壁，當車輛 在駕駛過程中部分消耗電池電荷之后在電池和馬達動力下移動時，所述車輛被操控沿著使 得第一電連接器元件和第二電連接器元件連接的路徑移動。
7.根據(jù)權利要求2所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述車輛牽引車輪包括兩個轉向輪 以及用于測量車輛每個轉向輪的車輪旋轉次數(shù)的傳感器，從而使用車輪旋轉數(shù)據(jù)確定所述 車輛在Y軸方向上的位置的增量調節(jié)。
8.根據(jù)權利要求2所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述動力轉向系統(tǒng)為電助力轉向系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于插電式混合動力電動車輛的自動尋找電連接的系統(tǒng)，其使用車輛動力轉向系統(tǒng)在與車輛中軸橫向的方向上調節(jié)車輛，以及使用馬達和電池使車輛朝向目標公用電網連接器前進來為電池充電。如果需要，可使用可控車輛懸架系統(tǒng)來調節(jié)車輛的垂直位置。一種用于車輛的引導系統(tǒng)，具有可充電的電池、電網插頭、牽引馬達、動力轉向系統(tǒng)以及與所述動力轉向系統(tǒng)和所述馬達相通訊的控制器，其中，所述控制器配置為響應于所述車輛與用于為所述電池充電的電網插座交換的位置信號，操控所述車輛朝向所述電網插座，從而使所述電網插頭與所述電網插座接合。本發(fā)明能夠避免車輛的擁有者由于疏忽在車輛運行后電池荷電狀態(tài)變成部分損耗后未能將車輛插電。
文檔編號B60W30/00GK101837779SQ201010136110
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月11日 優(yōu)先權日2009年3月12日
發(fā)明者丹尼爾·斯科特·科爾文, 史蒂夫·李維斯四世, 布蘭登·R·馬斯特森, 沃爾特·約瑟夫·歐特曼, 馬文·保羅·克拉斯卡 申請人:福特全球技術公司