CN102336132A - 混合动力车辆动力***中电力驱动和并联驱动的转换 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合动力车辆动力***中电力驱动和并联驱动的转换，具体涉及运行车辆动力的方法，其包含利用电机驱动第一车轮，启动发动机，利用由发动机驱动的第二电机在变速装置的输入端产生同步速度，所述变速装置已接合了期望的档位，接合将所述输入端和发动机连接的离合器，并利用发动机和变速装置驱动第二车轮。

Description

混合动力车辆动力***中电力驱动和并联驱动的转换
技术领域
本发明总体涉及一种用于混合动力车辆(HEV)的动力***。更具体地，本发明涉及对动力***的电力驱动和并联驱动运行之间转换的控制。
背景技术
改进车辆燃油效率的多种有前景的技术之一就是，将常规车辆动力***用由一个或多个电机和高压电池组成的电力驱动***混合。汽车工业正投注资金研发这种混合的动力***概念和结构，来加速车辆的电气化并最终转向充电式(plug-in)混合动力汽车或电动汽车。这些混合动力***结构可以分为三种类型，即串联式混合***(series hybrid system)、并联式混合***(parallel hybrid system)和混联式混合***(complex hybridsystems)。混联式混合***具有串联式和并联式结构的特性。一种这样的混联式混合结构是双模驱动(Dual-Drive)混合动力***。
混合动力车辆(HEV)的动力***对于发展环境友好的和高燃油效率的车辆是重要的。“双模驱动”式全混合动力汽车克服了现有混合动力***由于发动机、电动机和动力传动***部件的运动学布置而带来的某些缺陷。这种混合动力***包含常规的动力***部件作为其基础，后轴上的电动机、前轴上的整合了曲轴的启动发电机、发动机和传动装置形成混联式结构，其提供超越了常规动力***的燃油经济性的改进。然而，由于该混联式结构，对电力驱动模式和并联驱动模式之间的转换提出了独特的动力***控制的挑战，并且需要协调车辆和子***的控制。
因为双模驱动***在每一个驱动轴上提供了独立的推进能力，所以需要在电力驱动和并联驱动模式之间转换的过程中，在提供响应灵敏的车辆性能和可接受的驾驶性能的同时，控制前轴和后轴之间的扭矩传送。此外，由于在各种工作模式下控制动力***的多重自由度，所以需要研发一种能量管理控制***，来执行动力***工作模式的选择和扭矩、车速及来自多个动力源的动力的混成，使该混合的利益最大化。此外，由于双模驱动混合动力***使用固定步进比(stepped-ratio)的自动变速装置，因此需要在发动机的启动/停止、再生制动和动力***工作模式转换的过程中，协调传动装置控制(也就是换挡、接合/解离等)。
发明内容
一种运行车辆动力***的方法，包括利用电机驱动第一车轮，启动发动机，利用由发动机驱动的第二电机在变速装置的输入端产生同步速度，该变速装置已接合了期望的档位，接合将所述输入端和发动机连接的离合器，并利用发动机和变速装置驱动第二车轮。
双模驱动动力***使用常规的动力***作为其基础，从而利用现有的动力***部件和制造条件，并将它们应用在多种基础动力***(multiplebase powertrains)中，因此提供多种HEV动力***应用。
此外，双模驱动的混合动力***能够驱动两个独立车轴，并能在前轮驱动、后轮驱动或全轮驱动(all-wheel drive)中运行。而且，灵活的和模块化的设计使得它能够很容易地扩展至大型和小型车辆应用。其提供了在各种模式下，例如在串联驱动和并联驱动模式下，运行动力***的巨大的灵活性，以满足驾驶者的需求，获得提高了的燃油经济性和其他所需的车辆性能。
通过下述详细的说明和附图，本发明优选实施例的适用范围将变得显而易见。应当理解的是，尽管表示为本发明的优选实施例，但是说明书和具体实例仅仅是以说明的方式给出。对于本领域技术人员来说，对所述的实施例和实例的各种改变和改进是显而易见的。
附图说明
参照以下说明，结合附图，本发明将会更容易理解，其中：
图1是表示双模驱动的混合电力动力***的部件和相关控制器的示意图；
图2是基本的双模驱动混合动力***的工作模式的概要；
图3是表示图1所示的双模驱动混合***的高水平状态形式下的PTOM功能示意图表；
图4是表示图1的动力***中电力驱动和并联驱动之间转换的过程中电能和机械能流动的示意图；
图5是表示从电力驱动到并联驱动转换的控制阶段的示意图；以及
图6是图1的动力***在从电力驱动向并联驱动转换的过程中的各种参数的变化的图表。
具体实施方式
参照附图，图1中表示了双模驱动的混合动力***10，其包括两个电机12、14；内燃机16，例如直列五缸柴油发动机；以及自动变速装置，例如六速湿式双离合自动变速器(DCT)。第一电机12，所谓的集成曲轴的启动机/发电机(CISG)，机械地集成在发动机16和变速装置18之间，其形成作用于第一车轴20，优选前轴，的基本的推进路径。CISG12负责发动机的启动/停止，并能够在发电模式下运行，以将来自发动机的机械能转化为电能，其或者用来为高压电池22充电，或者用来在串联驱动模式或并联驱动模式下直接驱动第二电机14。CISG12还通过向轴20直接传递扭矩作为附加的推进力源。
第二电机14，所谓的电力后轴驱动(ERAD)，与第二轴24，优选为后轴连接，以便在电力驱动或者混合驱动模式中提供额外的推进能力，产生两个独立的驱动轴20、24。由于ERAD14直接与后轮26、27联接，所以其也可以用于再生制动。
CISG12和ERAD14由高压(HV)电池22使用逆变器驱动。此外，通过接合或解离变速装置18，发动机16和CISG12能够与前轴20连接或脱离，从而提供可用的串联驱动、电力驱动和并联驱动模式。
当发动机启动和停止时，变速装置的控制还可以用于使发动机16和CISG12与前轮28、29分离。
图1还表示了双模驱动混合动力***10中使用的子***控制器。这些控制器包括发动机控制器(ECU)30、变速装置控制器(TCU)32、电动机控制器(MCU)34、发电机控制器(GCU)36、高压牵引电池控制器(TBCM)38和再生制动***(BSCM)40。这些控制器分别控制发动机16、变速装置18、ERAD14、CISG12、HV电池22和再生制动子***。此外，监管的车辆***控制器(VSC)42与子***控制器进行通信，以在运行和在各种的动力***工作模式之间转换时，协调发动机、变速装置、CISG和ERAD之间的控制。VSC42控制和协调动力传动***功能以满足驾驶者的需求，并平衡进出多个动力单元的能量流动。VSC42还确保满足高压电池电量和电压的限制。
双模驱动混合动力***11根据发动机、变速装置、CISG和ERAD的状态提供不同的工作模式。当发动机12关闭时，ERAD14从电池22中吸取电力以推进车辆，即所谓的电力驱动工作模式。
当发动机16工作，并且变速器18解离，即输入离合器44、46均打开或完全解离，发动机可以驱动CISG12，从而发电供ERAD14吸取来驱动车辆，即所谓的串联驱动工作模式。
当发动机16工作，并且变速装置18接合，发动机和ERAD14可以分别通过轴20、24同时推进车辆，即所谓的并联驱动工作模式。
此外，发动机输出功率的一部分可以通过CISG12传递至ERAD14，ERAD14驱动轴24，即所谓的并联式分离驱动工作模式(parallel-split-driveoperation)。图2中表示了基本的双模驱动混合动力***工作模式的概要。
车辆***控制器42的一个功能，即所谓的动力***工作模式(PTOM)控制，是需要确定，对于既定的驾驶者的需求、车辆和周围的工作条件，动力***10应当在哪种模式下工作，使得在获得最佳的燃油经济性的同时满足驾驶者的需求。在选择期望的工作模式后，PTOM生成如下命令，即协调子***从当前工作模式转换到期望的工作模式。这些转换发生在电力驱动、串联驱动和并联驱动之间。
PTOM以双模驱动混合***的高水平状态图表的形式发挥作用。在图3的图表中，展示了三个超级状态(super states)：初始化模式50、电力驱动工作模式52和混合工作模式54，其由串联驱动和并联驱动模式组成。
图3还显示了初始化后PTOM控制会在电力驱动模式下运行动力***10，直至其判定发动机16根据驾驶者输入、车辆状况和子***状况而必须启动。发动机16启动后，PTOM控制将根据转换条件从电力驱动转换至串联驱动或者并联驱动，其中该转换条件是以***运行效率为基础而预先设定的。
动力***从电力驱动到并联驱动的转换主要发生在驾驶者需要的车轮功率较高时，或者发动机功率需求较高时，或者车辆速度超过参考速度时，比如30km/hr。如图4所示，驱动工作模式从电力驱动到并联驱动转换的控制，需要协调从后轮驱动到前轮驱动或全轮驱动的推进扭矩传送的变化。
如图4所示，在电力驱动中，输入离合器44、46均打开，从而与变速装置18解离。在并联驱动中，离合器44闭合，离合器46保持打开，从而允许变速装置18将奇数齿轮中的功率传递至车轮28、29；然而，在并联驱动中，离合器44可以打开，离合器46关闭，允许变速装置将偶数齿轮中的功率传递至车轮28、29。
控制***的主要性能目标是，在电力驱动向并联驱动转换的过程中，在提供平顺和响应灵敏的车辆性能的同时，提供连续的推进扭矩传送。在此操作过程中，任何延迟、不平顺或推进扭矩中断都会导致无法接受的驾驶性能、NVH、降低的燃油经济性和驾驶者对车辆性能的糟糕的感知。在这些转换过程中，进一步影响车辆驾驶性能和性能表现的其他因素包括：发动机启动延迟、变速装置硬件响应延迟、发动机启动前变速装置驱动能力的“粘滞(tack)”、在发动机启动过程中变速装置同时换挡、转换过程中驾驶者的需求改变、曲轴(发动机/CISG)扭矩及速度的稳定性，以及曲轴(发动机/CISG)速度的同步化。
为了实现性能目标，将电力驱动到并联驱动的控制分为四个相继的主要控制阶段，如图5和6所示的根据VSC命令转换至并联驱动的过程。
电力驱动——在第一控制阶段，车辆最初在电力驱动模式下在大约20km/hr的车速60下巡航，车辆的全部推进力由ERAD14通过轴24提供给车轮26、27。当发动机速度66、发动机扭矩68和CISG扭矩70为0时，驾驶者需要的车轮扭矩62相对较低，并且单独利用ERAD扭矩64获得。当驾驶者踩压加速踏板48时，VSC42要求向并联驱动转换，以满足所需的车轮扭矩62的增加，并启动发动机16。然后，控制***启动第二控制阶段，在车辆移动时实现发动机启动(rolling engine start)。
发动机启动——在第二控制阶段，发动机处在工作状态，同时车轮26、27通过轴24驱动，并且ERAD扭矩64根据驾驶者需要的车轮扭矩的增加(表示为加速踏板被踩压)而增加。CISG12在速度控制模式下运行，以在74处的发动机点火前使发动机速度66提高到目标空转速度72。如图6所示，CISG扭矩70最初随着发动机加速至空转速度目标72而增加，然后降低至需要的水平以保持发动机轴转动。一旦将发动机速度控制在空转速度，CISG在速度控制模式下继续运行的同时，发动机启动。这确保了在稳健的发动机速度控制下，发动机启动平顺且响应灵敏。在发动机加速旋转和发动机启动的过程中，变速装置离合器44、46解离，以确保CISG和发动机从轴20和驱动轮28、29上分离。这减少了发动机启动扭矩被传递至驱动轮26、27的干扰，并使发动机启动过程中发生发动机熄火的可能性降至最低。一旦发动机运转起来，控制***则启动第三控制阶段。
后串联驱动(Post-Series drive)——在第三控制阶段，变速装置准备与期望的档位76接合，但是还没有将变速装置的输出扭矩78传递至车轮28、29。发动机16在运转，ERAD14利用发动机产生的能量驱动车辆。CISG16在发电模式下运行，以便将发动机的机械能转化为电能来驱动ERAD14。如果高压电池22的剩余电量大量减少，还可以同时对高压电池22充电。在第三控制阶段，CISG12还可以用来将发动机速度66控制在与驾驶者期望的档位76对应的变速装置同步速度80，以确保平顺的变速装置接合。通过将发动机速度66提高至变速装置同步速度80，与即将接合的离合器44的滑动降至接近零速度。一旦变速装置发生接合，这会有助于实现可接受的驾驶性能，并确保向并联驱动的平顺的转换。变速装置14还通过填充即将接合的离合器44并使其满行程(stroking)为接合做准备。因为驾驶者需要车轮扭矩增加时，最可能要求变速装置降档，所以在接合即将接合的离合器44前，变速装置齿轮箱还需要降档至新的期望的档位。当发动机关闭时，湿式离合器DCT18由于丧失液压管路压力而丧失致动能力，并且直至发动机启动后才会开始准备接合至期望的档位。在任意的变速装置降档或接合准备延迟的过程中，使用ERAD14以确保连续的推进扭矩作用于车轮26、27。一旦变速装置准备好开始接合，控制***启动第四控制阶段。
变速装置接合(并联驱动)——随着在车辆移动时变速装置在82处开始接合，即将接合的离合器44的最大扭矩增加，并且变速装置开始将联合的发动机和CISG扭矩84传递至车轮28、29。由于轴20也在驱动车辆，所以车辆在并联驱动下运行。如图6所示，变速装置输出和前轴扭矩84随着变速装置接合而增加。变速装置输出扭矩78的增加与即将接合的离合器44的最大扭矩及传递至变速装置输入轴49的发动机净扭矩直接相关。在变速装置接合过程中，用于驱动轴24的ERAD扭矩64与驱动前轴的变速装置输出扭矩78的增加成比例地减少。这确保了车辆推进从后轮驱动转向前轮驱动时，连续的扭矩传送至车轮。
一旦变速装置在86处完成接合，全部的发动机和CISG扭矩84均传递至车轮28、29。高压电池22还可以根据需要的充电扭矩水平通过增加发动机扭矩利用CISG12充电。作为一种选择，在变速装置接合86完成后，由于双模驱动混合动力***10的自由度，VSC42还可以通过利用ERAD14经轴24提供一部分驾驶者需要的车轮扭矩62，以及利用发动机和CISG经轴20提供剩余的部分，在全轮驱动模式下运行车辆，以使燃油效率最大化。来自多种动力源的功率和推进扭矩的混合由双模驱动能量管理控制***来决定。
根据专利法的规定，已经对优选实施例进行了描述。然而，应当注意的是，除了具体列举和描述的实施例之外，其他可选的实施例也可以实现本发明。

Claims (12)

1.一种运行车辆动力***的方法，其特征在于，包含：
(a)利用电机驱动第一车轮；
(b)利用由发动机驱动的第二电机在变速装置的输入端产生同步速度，所述变速装置已接合了期望的档位；
(c)接合将所述输入端和发动机连接的离合器；
(d)利用发动机和变速装置驱动第二车轮。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)还包括：
启动从电力驱动向并联驱动的转换，并响应需要的车轮扭矩的增加启动发动机。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)还包括：
随着驾驶者需求的车轮扭矩的增加而增加电机产生的扭矩。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)还包括：
保持所述的输入端与发动机解离；
保持第二电机和发动机与第二车轮解离；以及
在发动机开始点火前利用电机将发动机速度增加至目标空转速度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)还包括：
利用由发动机驱动的第二电机产生电力，该电力用于驱动电机。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)还包括：
利用由发动机驱动的第二电机产生电力，该电力储存于电池中。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(b)还包括：
在接合离合器之前填充所述离合器并使其满行程；以及
在接合离合器之前使变速装置降档至期望的档位。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含：
利用电机避免当发动机关闭时和在延迟过程中由于变速装置传递扭矩而导致的第一车轮上的驱动扭矩中断。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(d)还包括：
在利用发动机和变速装置驱动第二车轮的同时，继续利用电机驱动第一车轮。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含：
在离合器接合后，在利用发动机和变速装置驱动第二车轮的同时，增加发动机扭矩和离合器的最大扭矩。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含：
随着变速装置输出扭矩的增加而降低电机产生的扭矩。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含：
在离合器接合后，增加发动机产生的扭矩；
利用电机产生电能；以及
将所述电能储存在电池中。
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