專利名稱：混合動力車輛動力系統(tǒng)中電力驅動和并聯(lián)驅動的轉換的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及一種用于混合動力車輛(HEV)的動力系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及對動力系統(tǒng)的電力驅動和并聯(lián)驅動運行之間轉換的控制。
背景技術：
改進車輛燃油效率的多種有前景的技術之一就是，將常規(guī)車輛動力系統(tǒng)用由一個或多個電機和高壓電池組成的電力驅動系統(tǒng)混合。汽車工業(yè)正投注資金研發(fā)這種混合的動力系統(tǒng)概念和結構，來加速車輛的電氣化并最終轉向充電式(plug-in)混合動力汽車或電動汽車。這些混合動力系統(tǒng)結構可以分為三種類型，即串聯(lián)式混合系統(tǒng)(series hybrid system)、并聯(lián)式混合系統(tǒng)(parallel hybrid system)和混聯(lián)式混合系統(tǒng)(complex hybridsystems)?；炻?lián)式混合系統(tǒng)具有串聯(lián)式和并聯(lián)式結構的特性。一種這樣的混聯(lián)式混合結構是雙模驅動(Dual-Drive)混合動力系統(tǒng)。混合動力車輛(HEV)的動力系統(tǒng)對于發(fā)展環(huán)境友好的和高燃油效率的車輛是重要的。“雙模驅動”式全混合動力汽車克服了現(xiàn)有混合動力系統(tǒng)由于發(fā)動機、電動機和動力傳動系統(tǒng)部件的運動學布置而帶來的某些缺陷。這種混合動力系統(tǒng)包含常規(guī)的動力系統(tǒng)部件作為其基礎，后軸上的電動機、前軸上的整合了曲軸的啟動發(fā)電機、發(fā)動機和傳動裝置形成混聯(lián)式結構，其提供超越了常規(guī)動力系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性的改進。然而，由于該混聯(lián)式結構，對電力驅動模式和并聯(lián)驅動模式之間的轉換提出了獨特的動力系統(tǒng)控制的挑戰(zhàn)，并且需要協(xié)調(diào)車輛和子系統(tǒng)的控制。因為雙模驅動系統(tǒng)在每一個驅動軸上提供了獨立的推進能力，所以需要在電力驅動和并聯(lián)驅動模式之間轉換的過程中，在提供響應靈敏的車輛性能和可接受的駕駛性能的同時，控制前軸和后軸之間的扭矩傳送。此外，由于在各種工作模式下控制動力系統(tǒng)的多重自由度，所以需要研發(fā)一種能量管理控制系統(tǒng)，來執(zhí)行動力系統(tǒng)工作模式的選擇和扭矩、車速及來自多個動力源的動力的混成，使該混合的利益最大化。此外，由于雙模驅動混合動力系統(tǒng)使用固定步進比(st印ped-ratio)的自動變速裝置，因此需要在發(fā)動機的啟動/停止、 再生制動和動力系統(tǒng)工作模式轉換的過程中，協(xié)調(diào)傳動裝置控制(也就是換擋、接合/解離
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發(fā)明內(nèi)容
一種運行車輛動力系統(tǒng)的方法，包括利用電機驅動第一車輪，啟動發(fā)動機，利用由發(fā)動機驅動的第二電機在變速裝置的輸入端產(chǎn)生同步速度，該變速裝置已接合了期望的檔位，接合將所述輸入端和發(fā)動機連接的離合器，并利用發(fā)動機和變速裝置驅動第二車輪。雙模驅動動力系統(tǒng)使用常規(guī)的動力系統(tǒng)作為其基礎，從而利用現(xiàn)有的動力系統(tǒng)部件和制造條件，并將它們應用在多種基礎動力系統(tǒng)(multiple base powertrains)中，因此提供多種HEV動力系統(tǒng)應用。此外，雙模驅動的混合動力系統(tǒng)能夠驅動兩個獨立車軸，并能在前輪驅動、后輪驅動或全輪驅動(all-wheel drive)中運行。而且，靈活的和模塊化的設計使得它能夠很容易地擴展至大型和小型車輛應用。其提供了在各種模式下，例如在串聯(lián)驅動和并聯(lián)驅動模式下，運行動力系統(tǒng)的巨大的靈活性，以滿足駕駛者的需求，獲得提高了的燃油經(jīng)濟性和其他所需的車輛性能。通過下述詳細的說明和附圖，本發(fā)明優(yōu)選實施例的適用范圍將變得顯而易見。應當理解的是，盡管表示為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是說明書和具體實例僅僅是以說明的方式給出。對于本領域技術人員來說，對所述的實施例和實例的各種改變和改進是顯而易見的。


參照以下說明，結合附圖，本發(fā)明將會更容易理解，其中圖1是表示雙模驅動的混合電力動力系統(tǒng)的部件和相關控制器的示意圖；圖2是基本的雙模驅動混合動力系統(tǒng)的工作模式的概要；圖3是表示圖1所示的雙模驅動混合系統(tǒng)的高水平狀態(tài)形式下的PTOM功能示意圖表；圖4是表示圖1的動力系統(tǒng)中電力驅動和并聯(lián)驅動之間轉換的過程中電能和機械能流動的示意圖；圖5是表示從電力驅動到并聯(lián)驅動轉換的控制階段的示意圖；以及圖6是圖1的動力系統(tǒng)在從電力驅動向并聯(lián)驅動轉換的過程中的各種參數(shù)的變化的圖表。
具體實施例方式參照附圖，圖1中表示了雙模驅動的混合動力系統(tǒng)10，其包括兩個電機12、14 ；內(nèi)燃機16，例如直列五缸柴油發(fā)動機；以及自動變速裝置，例如六速濕式雙離合自動變速器 (DCT)。第一電機12，所謂的集成曲軸的啟動機/發(fā)電機(CISG)，機械地集成在發(fā)動機16 和變速裝置18之間，其形成作用于第一車軸20，優(yōu)選前軸，的基本的推進路徑。CISG12負責發(fā)動機的啟動/停止，并能夠在發(fā)電模式下運行，以將來自發(fā)動機的機械能轉化為電能， 其或者用來為高壓電池22充電，或者用來在串聯(lián)驅動模式或并聯(lián)驅動模式下直接驅動第二電機14。CISG12還通過向軸20直接傳遞扭矩作為附加的推進力源。第二電機14，所謂的電力后軸驅動(ERAD)，與第二軸對，優(yōu)選為后軸連接，以便在電力驅動或者混合驅動模式中提供額外的推進能力，產(chǎn)生兩個獨立的驅動軸20、24。由于 ERAD14直接與后輪沈、27聯(lián)接，所以其也可以用于再生制動。CISG12和ERAD14由高壓(HV)電池22使用逆變器驅動。此外，通過接合或解離變速裝置18，發(fā)動機16和CISG12能夠與前軸20連接或脫離，從而提供可用的串聯(lián)驅動、電力驅動和并聯(lián)驅動模式。當發(fā)動機啟動和停止時，變速裝置的控制還可以用于使發(fā)動機16和CISG12與前輪28、29分離。圖1還表示了雙模驅動混合動力系統(tǒng)10中使用的子系統(tǒng)控制器。這些控制器包括發(fā)動機控制器(E⑶)30、變速裝置控制器(TCU) 32、電動機控制器(MCU) 34、發(fā)電機控制器(G⑶)36、高壓牽引電池控制器(TBCM) 38和再生制動系統(tǒng)(BSCM) 40。這些控制器分別控制發(fā)動機16、變速裝置18、ERAD14、CISG12、HV電池22和再生制動子系統(tǒng)。此外，監(jiān)管的車輛系統(tǒng)控制器(VSC)42與子系統(tǒng)控制器進行通信，以在運行和在各種的動力系統(tǒng)工作模式之間轉換時，協(xié)調(diào)發(fā)動機、變速裝置、CISG和ERAD之間的控制。VSC42控制和協(xié)調(diào)動力傳動系統(tǒng)功能以滿足駕駛者的需求，并平衡進出多個動力單元的能量流動。VSC42還確保滿足高壓電池電量和電壓的限制。雙模驅動混合動力系統(tǒng)11根據(jù)發(fā)動機、變速裝置、CISG和ERAD的狀態(tài)提供不同的工作模式。當發(fā)動機12關閉時，ERAD14從電池22中吸取電力以推進車輛，即所謂的電力驅動工作模式。當發(fā)動機16工作，并且變速器18解離，即輸入離合器44、46均打開或完全解離， 發(fā)動機可以驅動CISG12，從而發(fā)電供ERAD14吸取來驅動車輛，即所謂的串聯(lián)驅動工作模式。當發(fā)動機16工作，并且變速裝置18接合，發(fā)動機和ERAD14可以分別通過軸20、24 同時推進車輛，即所謂的并聯(lián)驅動工作模式。此外，發(fā)動機輸出功率的一部分可以通過CISG12傳遞至ERAD14，ERAD14驅動軸 24，即所謂的并聯(lián)式分離驅動工作模式(parallel-split-drive operation)。圖2中表示了基本的雙模驅動混合動力系統(tǒng)工作模式的概要。車輛系統(tǒng)控制器42的一個功能，即所謂的動力系統(tǒng)工作模式(PTOM)控制，是需要確定，對于既定的駕駛者的需求、車輛和周圍的工作條件，動力系統(tǒng)10應當在哪種模式下工作，使得在獲得最佳的燃油經(jīng)濟性的同時滿足駕駛者的需求。在選擇期望的工作模式后， PTOM生成如下命令，即協(xié)調(diào)子系統(tǒng)從當前工作模式轉換到期望的工作模式。這些轉換發(fā)生在電力驅動、串聯(lián)驅動和并聯(lián)驅動之間。PTOM以雙模驅動混合系統(tǒng)的高水平狀態(tài)圖表的形式發(fā)揮作用。在圖3的圖表中， 展示了三個超級狀態(tài)(super states)初始化模式50、電力驅動工作模式52和混合工作模式M，其由串聯(lián)驅動和并聯(lián)驅動模式組成。圖3還顯示了初始化后PTOM控制會在電力驅動模式下運行動力系統(tǒng)10，直至其判定發(fā)動機16根據(jù)駕駛者輸入、車輛狀況和子系統(tǒng)狀況而必須啟動。發(fā)動機16啟動后，PTOM 控制將根據(jù)轉換條件從電力驅動轉換至串聯(lián)驅動或者并聯(lián)驅動，其中該轉換條件是以系統(tǒng)運行效率為基礎而預先設定的。動力系統(tǒng)從電力驅動到并聯(lián)驅動的轉換主要發(fā)生在駕駛者需要的車輪功率較高時，或者發(fā)動機功率需求較高時，或者車輛速度超過參考速度時，比如30km/hr。如圖4所示，驅動工作模式從電力驅動到并聯(lián)驅動轉換的控制，需要協(xié)調(diào)從后輪驅動到前輪驅動或全輪驅動的推進扭矩傳送的變化。如圖4所示，在電力驅動中，輸入離合器44、46均打開，從而與變速裝置18解離。 在并聯(lián)驅動中，離合器44閉合，離合器46保持打開，從而允許變速裝置18將奇數(shù)齒輪中的功率傳遞至車輪觀、29;然而，在并聯(lián)驅動中，離合器44可以打開，離合器46關閉，允許變速裝置將偶數(shù)齒輪中的功率傳遞至車輪觀、29。控制系統(tǒng)的主要性能目標是，在電力驅動向并聯(lián)驅動轉換的過程中，在提供平順和響應靈敏的車輛性能的同時，提供連續(xù)的推進扭矩傳送。在此操作過程中，任何延遲、不平順或推進扭矩中斷都會導致無法接受的駕駛性能、NVH、降低的燃油經(jīng)濟性和駕駛者對車輛性能的糟糕的感知。在這些轉換過程中，進一步影響車輛駕駛性能和性能表現(xiàn)的其他因素包括發(fā)動機啟動延遲、變速裝置硬件響應延遲、發(fā)動機啟動前變速裝置驅動能力的“粘滯(tack) ”、在發(fā)動機啟動過程中變速裝置同時換擋、轉換過程中駕駛者的需求改變、曲軸 (發(fā)動機/CISG)扭矩及速度的穩(wěn)定性，以及曲軸(發(fā)動機/CISG)速度的同步化。為了實現(xiàn)性能目標，將電力驅動到并聯(lián)驅動的控制分為四個相繼的主要控制階段，如圖5和6所示的根據(jù)VSC命令轉換至并聯(lián)驅動的過程。電力驅動——在第一控制階段，車輛最初在電力驅動模式下在大約20km/hr的車速60下巡航，車輛的全部推進力由ERAD14通過軸M提供給車輪沈、27。當發(fā)動機速度66、 發(fā)動機扭矩68和CISG扭矩70為0時，駕駛者需要的車輪扭矩62相對較低，并且單獨利用 ERAD扭矩64獲得。當駕駛者踩壓加速踏板48時，VSC42要求向并聯(lián)驅動轉換，以滿足所需的車輪扭矩62的增加，并啟動發(fā)動機16。然后，控制系統(tǒng)啟動第二控制階段，在車輛移動時實現(xiàn)發(fā)動機啟動(rolling engine start)。發(fā)動機啟動——在第二控制階段，發(fā)動機處在工作狀態(tài)，同時車輪沈、27通過軸 24驅動，并且ERAD扭矩64根據(jù)駕駛者需要的車輪扭矩的增加(表示為加速踏板被踩壓) 而增加。CISG12在速度控制模式下運行，以在74處的發(fā)動機點火前使發(fā)動機速度66提高到目標空轉速度72。如圖6所示，CISG扭矩70最初隨著發(fā)動機加速至空轉速度目標72而增加，然后降低至需要的水平以保持發(fā)動機軸轉動。一旦將發(fā)動機速度控制在空轉速度， CISG在速度控制模式下繼續(xù)運行的同時，發(fā)動機啟動。這確保了在穩(wěn)健的發(fā)動機速度控制下，發(fā)動機啟動平順且響應靈敏。在發(fā)動機加速旋轉和發(fā)動機啟動的過程中，變速裝置離合器44、46解離，以確保CISG和發(fā)動機從軸20和驅動輪觀、四上分離。這減少了發(fā)動機啟動扭矩被傳遞至驅動輪沈、27的干擾，并使發(fā)動機啟動過程中發(fā)生發(fā)動機熄火的可能性降至最低。一旦發(fā)動機運轉起來，控制系統(tǒng)則啟動第三控制階段。后串聯(lián)驅動(Post-kries drive)——在第三控制階段，變速裝置準備與期望的檔位76接合，但是還沒有將變速裝置的輸出扭矩78傳遞至車輪觀、29。發(fā)動機16在運轉， ERAD14利用發(fā)動機產(chǎn)生的能量驅動車輛。CISG16在發(fā)電模式下運行，以便將發(fā)動機的機械能轉化為電能來驅動ERAD14。如果高壓電池22的剩余電量大量減少，還可以同時對高壓電池22充電。在第三控制階段，CISG12還可以用來將發(fā)動機速度66控制在與駕駛者期望的檔位76對應的變速裝置同步速度80，以確保平順的變速裝置接合。通過將發(fā)動機速度66 提高至變速裝置同步速度80，與即將接合的離合器44的滑動降至接近零速度。一旦變速裝置發(fā)生接合，這會有助于實現(xiàn)可接受的駕駛性能，并確保向并聯(lián)驅動的平順的轉換。變速裝置14還通過填充即將接合的離合器44并使其滿行程(stroking)為接合做準備。因為駕駛者需要車輪扭矩增加時，最可能要求變速裝置降檔，所以在接合即將接合的離合器44 前，變速裝置齒輪箱還需要降檔至新的期望的檔位。當發(fā)動機關閉時，濕式離合器DCT18由于喪失液壓管路壓力而喪失致動能力，并且直至發(fā)動機啟動后才會開始準備接合至期望的檔位。在任意的變速裝置降檔或接合準備延遲的過程中，使用ERAD14以確保連續(xù)的推進扭矩作用于車輪26、27。一旦變速裝置準備好開始接合，控制系統(tǒng)啟動第四控制階段。變速裝置接合(并聯(lián)驅動)——隨著在車輛移動時變速裝置在82處開始接合，即將接合的離合器44的最大扭矩增加，并且變速裝置開始將聯(lián)合的發(fā)動機和CISG扭矩84傳遞至車輪觀、29。由于軸20也在驅動車輛，所以車輛在并聯(lián)驅動下運行。如圖6所示，變速裝置輸出和前軸扭矩84隨著變速裝置接合而增加。變速裝置輸出扭矩78的增加與即將接合的離合器44的最大扭矩及傳遞至變速裝置輸入軸49的發(fā)動機凈扭矩直接相關。在變速裝置接合過程中，用于驅動軸M的ERAD扭矩64與驅動前軸的變速裝置輸出扭矩78的增加成比例地減少。這確保了車輛推進從后輪驅動轉向前輪驅動時，連續(xù)的扭矩傳送至車輪。一旦變速裝置在86處完成接合，全部的發(fā)動機和CISG扭矩84均傳遞至車輪觀、 四。高壓電池22還可以根據(jù)需要的充電扭矩水平通過增加發(fā)動機扭矩利用CISG12充電。 作為一種選擇，在變速裝置接合86完成后，由于雙模驅動混合動力系統(tǒng)10的自由度，VSC42 還可以通過利用ERAD14經(jīng)軸M提供一部分駕駛者需要的車輪扭矩62，以及利用發(fā)動機和 CISG經(jīng)軸20提供剩余的部分，在全輪驅動模式下運行車輛，以使燃油效率最大化。來自多種動力源的功率和推進扭矩的混合由雙模驅動能量管理控制系統(tǒng)來決定。根據(jù)專利法的規(guī)定，已經(jīng)對優(yōu)選實施例進行了描述。然而，應當注意的是，除了具體列舉和描述的實施例之外，其他可選的實施例也可以實現(xiàn)本發(fā)明。
權利要求
1.一種運行車輛動力系統(tǒng)的方法，其特征在于，包含(a)利用電機驅動第一車輪；(b)利用由發(fā)動機驅動的第二電機在變速裝置的輸入端產(chǎn)生同步速度，所述變速裝置已接合了期望的檔位；(c)接合將所述輸入端和發(fā)動機連接的離合器；(d)利用發(fā)動機和變速裝置驅動第二車輪。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(c)還包括啟動從電力驅動向并聯(lián)驅動的轉換，并響應需要的車輪扭矩的增加啟動發(fā)動機。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(a)還包括 隨著駕駛者需求的車輪扭矩的增加而增加電機產(chǎn)生的扭矩。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(a)還包括 保持所述的輸入端與發(fā)動機解離；保持第二電機和發(fā)動機與第二車輪解離；以及在發(fā)動機開始點火前利用電機將發(fā)動機速度增加至目標空轉速度。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(b)還包括 利用由發(fā)動機驅動的第二電機產(chǎn)生電力，該電力用于驅動電機。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(b)還包括 利用由發(fā)動機驅動的第二電機產(chǎn)生電力，該電力儲存于電池中。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(b)還包括 在接合離合器之前填充所述離合器并使其滿行程；以及在接合離合器之前使變速裝置降檔至期望的檔位。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，還包含利用電機避免當發(fā)動機關閉時和在延遲過程中由于變速裝置傳遞扭矩而導致的第一車輪上的驅動扭矩中斷。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(d)還包括在利用發(fā)動機和變速裝置驅動第二車輪的同時，繼續(xù)利用電機驅動第一車輪。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，還包含在離合器接合后，在利用發(fā)動機和變速裝置驅動第二車輪的同時，增加發(fā)動機扭矩和離合器的最大扭矩。
11.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，還包含 隨著變速裝置輸出扭矩的增加而降低電機產(chǎn)生的扭矩。
12.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，還包含 在離合器接合后，增加發(fā)動機產(chǎn)生的扭矩；利用電機產(chǎn)生電能；以及將所述電能儲存在電池中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種混合動力車輛動力系統(tǒng)中電力驅動和并聯(lián)驅動的轉換，具體涉及運行車輛動力的方法，其包含利用電機驅動第一車輪，啟動發(fā)動機，利用由發(fā)動機驅動的第二電機在變速裝置的輸入端產(chǎn)生同步速度，所述變速裝置已接合了期望的檔位，接合將所述輸入端和發(fā)動機連接的離合器，并利用發(fā)動機和變速裝置驅動第二車輪。
文檔編號B60K6/42GK102336132SQ20111018954
公開日2012年2月1日 申請日期2011年7月7日 優(yōu)先權日2010年7月7日
發(fā)明者伊哈布·S·蘇里曼, 法扎勒·U·賽義德, 馬克·S·山崎 申請人:福特全球技術公司