CN1717352A - 确定发动带有混合动力传动系的车辆所需扭矩的方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于确定发动一具有混合动力传动***的车辆所需扭矩的方法和***，该混合动力传动***包括至少两个可独立运行的原动机。所述方法包括确定至少一个表示车辆工况的控制参数的值的步骤；根据至少一个已确定的控制参数来确定发动车辆所需的扭矩的步骤；将可从原动机获得的扭矩与发动车辆所需的扭矩相比较的步骤以及响应该比较而控制原动机的运行以发动车辆的步骤。本发明的***包括一构造成执行上述方法的步骤的控制单元。

Description

确定发动带有混合动力传动系的车辆所需扭矩的方法和***

技术领域

本发明一般涉及用于机动车辆的混合动力传动***，更具体地，涉及一种用于确定发动车辆所需的扭矩从而根据所需扭矩控制混合动力传动系的运行的方法及装置。

背景技术

一直接混合动力传动***通常包括一与一第二原动机例如电动或液压马达并行工作的排量减小的内燃机，例如柴油机。与在一常规车辆动力传动***即只使用一个内燃机的动力传动***中使用的内燃机相比，混合动力传动***中的内燃机具有减小的扭矩输出能力，因为它的输出可以由第二原动机补充。因此，混合动力传动***独立地使用一个原动机来发动车辆的能力是有限的，尤其是当在一坡路上发动车辆时。为了维持在各种工况下特别是当只有其中一个原动机起作用时发动混合动力车辆的能力，首先确定发动车辆所需的扭矩是很有利的。然后可使用该发动车辆所需的扭矩来确定是否同时使发动机和马达运行以发动车辆。

影响发动车辆所需扭矩的车辆工况有多种。产生主要影响的状况是车辆(最大)总质量(GCW)和车辆停靠的道路表面的坡度或倾斜度。如果这两个主要状况已知，就可确定发动车辆所需的车轮扭矩。道路表面的坡度可通过坡度计直接测得，但GCW不容易获得。

将GCW用作控制参数和/或具有用于确定GCW的逻辑的自动化车辆***可以参见U.S专利No.5272939、5335566、5487005和5490063，这些公开内容在此被结合作为参考。用于重新设置基于表示车辆处于静止状态的检测状况的GCW的高筛选值和/或比一低筛选测试值(GCW_TEST)大出一预定值的高筛选值(GCP_CP)的***可以参见U.S专利No.5491630，该公开内容在此被全部结合以作参考。

发明内容

根据上文，本发明提供一种用于确定发动使用混合动力传动系的车辆所需的扭矩并使用所确定的扭矩控制车辆原动机运行的方法和***。该方法包括以下步骤：确定至少一个表示车辆工况的控制参数的值；根据所述至少一个已确定的控制参数确定发动车辆所需的扭矩；将可从原动机获得的扭矩与发动车辆所需的扭矩相比较；从而响应该比较步骤来控制原动机运行以发动车辆。本发明还提供了一种包括一构造成执行上述步骤的控制单元的***。

在本发明的一实施例中，该***首先确定至少一个控制参数—例如表示车辆总质量、道路坡度或车辆滚动阻力的控制参数的值。然后根据所述至少一个控制参数来确定发动车辆所需的扭矩。基于对起作用的原动机的确定，将可从起作用的原动机获得的扭矩与发动车辆所需的扭矩相比较。然后响应发动车辆所需的扭矩与可从原动机获得的输出扭矩之间的比较，来控制原动机的运行以发动车辆。

附图说明

通过参照附图，本领域技术人员可从下面对优选实施例的详细说明中清楚地理解本发明的各个方面，其中：

图1是一使用本发明的控制***和方法的示例性混合动力车辆动力传动***的示意图；

图2是用于确定发动使用混合动力传动***的车辆所需的扭矩并使用所确定的扭矩来控制车辆原动机运行的控制方法的流程图。

具体实施方式

为进行例证，与一混合动力车辆动力传动系相结合来说明本发明的方法/***，该混合动力车辆动力传动系包括一自动化的机械式变速器和至少两个可独立运行的原动机，例如一电动马达/发电机和一内燃机。然而可以理解，本发明的***/方法也可以用于其它类型的混合动力传动***，例如使用一与电动马达/发电机结合或取代电动马达/发电机的液压马达/勾泵的混合动力传动***。

参见图1，所示的混合动力车辆动力传动***20包括一带有主变速器部分24的多级齿轮变速器22，该主变速器部分24可以与一分段型(splitter-type)副变速器部分26串联或不与之串联。与机械式变速器24类似的变速器在现有技术中是已知的，可参见U.S专利No.3105395、3283613和4754665，所述公开内容在此被结合作为参考。

变速器22通过一主摩擦离合器30传动地连接到一第一原动机28。第一原动机28可为多种形式，其包括但不限于内燃机或电动马达。在图1所示的示例性实施例中，第一原动机28起到一带有一曲轴32的内燃机的作用，该曲轴32连接到主摩擦离合器30的一输入构件34。输入构件34与一输出构件36摩擦地接合或分离，该输出构件36与变速器22的一输入轴38相连。

优选地，车辆动力传动***20包括至少一个用于检测发动机转速(ES)的转速传感器42、用于检测输入轴转速(IS)的传感器44以及用于检测输出轴转速(OS)的传感器46，从而产生指示这些转速的信号。离合器30的接合和分离状态可由一位置传感器检测或通过将发动机转速(ES)与输入轴转速(IS)相比较来确定。还设有一用于检测节气门踏板工作参数例如节气门位置从而产生指示该参数的输出信号(THL)的传感器47。

第一原动机28可被电动地控制，包括一与在工业标准协议例如SAEJ-1922、SAE J-1939、ISO 11898等下工作的电子数据链路(DL)通信的电子控制器48。可设置一X-Y换档致动器50以用于自动地或线传控制地变换变速器的主部和/或副部的档位。一换档选择器51使得车辆驾驶者可选择操作模式并可产生指示该操作模式的信号GR_T。可选择地，也可设置一具有换档手柄54的换档杆52，该换档杆52可以手动地按一已知的换档位置图操作以用于选择性地接合和脱离各种不同的变速比。换档手柄54可包括一用于换档的开关(intent-to-shift switch)(未示出)，车辆操作者可通过该开关要求自动发动机燃料供给控制以释放扭矩锁定从而使得可切换至变速器空档。

在图1所示的示例性实施例中，一第二原动机49例如电动马达/发电机与第一原动机并行运行且一般位于离合器30和变速器22之间。在车辆动力传动***20中也可以包括一用于检测马达转速(MS)从而产生指示该转速的信号的速度传感器43。可以理解，本发明的***/方法也可用于具有图1所示以外的构型的混合动力传动***，例如一使用双中间轴机械式变速器并且没有主离合器的混合动力传动***。

***20还包括一控制单元60，更优选地为电子控制单元(“ECU”)，例如一基于微处理器的电子控制单元。ECU60接收来自传感器42、43、44和46的输入信号64，并根据预定的逻辑规则处理所述信号以向***致动器例如发动机控制器48、马达/发电机49等发出指令输出信号66。

可在数据链路(DL)上控制或从其上读取一个或多个发动机扭矩限值。作为示例，符合SAE J1939或类似协议的数据链路使得ECU60可在数据链路(DL)上以下列多种模式中的任一种发送指令以用于待供应燃料的发动机，例如(i)根据操作者的节气门请求，(ii)为达到一要求的或目标发动机速度(ES＝ES_T)，(iii)为达到一要求的或目标发动机扭矩(ET＝ET_T)以及(iv)为将发动机速度和发动机扭矩维持在极限值以下(ES＜ES_MAX和ET＜ET_MAX)。许多输入/信息信号例如发动机速度(ES)、发动机扭矩(ET)等也可由数据链路(DL)传送。此处所用的发动机扭矩是指表示一发动机扭矩—通常为发动机总扭矩—的数值，根据该数值可计算或估计出输出扭矩或飞轮扭矩。

根据本发明的一实施例，提供了一种用于确定发动一使用混合动力传动***例如***20的车辆所需扭矩并使用所确定的扭矩来控制第一和第二原动机28，49运行的***/方法。发动车辆所需扭矩通过使用至少一个表示车辆工况的控制参数来确定。适于确定发动车辆所需扭矩的控制参数包括但不限于表示车辆总质量(GCW)的控制参数、表示道路坡度的控制参数和至少一个表示车辆总滚动阻力的控制参数。

为确定车辆总质量(GCW)并/或为各种车辆***提供信息，可以使用输入轴速度传感器44、发动机速度传感器42、马达速度传感器43和/或输出轴速度传感器46。发动机速度和/或输出轴速度信息优选由数据链路DL传送。来自速度传感器46或其它传感器的信号(OS)可以关于时间求微分，以提供含有表示车辆加速度等的值的信号(dOS/dt)。优选地，ECU60包括用于对各输入信号关于时间的求微分的逻辑元件或规则。作为一种选择，可设置用于确定GCW的单独的ECU，或者将用于确定车辆GCW的逻辑规则设置在发动机控制器48或其它的***ECU中。

输出轴速度传感器46可以由一来自ABS***的轮速信号和/或表示输入轴速度以及变速器速比的传感器和/或表示车辆速度的例如来自车速表的信号代替。当离合器30完全接合时，可认为输入轴速度(IS)等于可在数据链路DL上获得的发动机速度(ES)。速比(GR)可以从与变速器换档致动器50相关联的位置传感器等确定，或者可从输出轴和输入轴的速度计算出(GR＝IS/OS)。作为示例，对于在一预定的时间段内已知的GR，可在ES(＝IS)等于OS×GR时确定接合的速比。类似地，可根据输入轴速度和速比来确定输出轴速度(OS＝IS/GR)。

可利用来自一电子发动机(SAE J1922或J1939协议)数据链路的已有信息和/或利用来自各种传感器的信息例如表示发动机/驱动轮扭矩的信号和表示车辆或输出轴速度的信号来确定车辆的GCW。例如，在一优选实施例中，可以从数学上证明对于相接近(在数秒范围内)的两个时刻t₁和t₂：

T₁-T₂＝CxWx(A₁-A₂)

其中：

T_i＝t_i时刻的车轮扭矩；C＝滚动半径/重力常数；W＝总质量；A_i＝t_i时刻的车辆加速度。

对该关系的证明可参见前述U.S专利No.5,491,630。基于这一关系，可根据下面的表达式确定一非常接近(约2000-3000磅以内)GCW的数值：

GCW＝W＝(T₁-T₂)÷((A₁-A₂)*C)

此外，为使误差尽量小，可确定多个GCW数值，其平均值为GCW_CP：

${\mathrm{GCW}}_{\mathrm{CP}}=\frac{\underset{i\≥2}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}((T_1-T_i)\÷((A_1-A_i)\×C))}{(i-1)}$

已经发现，在完成加档时，特别是将时间t₁选择为加档过程中即将接合新速比之前的时刻时可更精确地确定GCW。在此时刻，从发动机供应到驱动轮的扭矩T₁为零，并且车辆加速度A₁较小一可能是负值。则时刻t₂、t₃...t_i可为发动机(输出)功率通过车辆动力传动系充分施加到驱动轮后最大在t₁时刻之后的4秒内的任何时刻点。

在实践中，在t₂之后约每40毫秒计算一新的GCW_i直至t₁后约四秒。优选将GCW_i值求和从而取平均。筛选/求平均技术调节由于动力传动系中的扭转振动而产生的每一单个迭代中的误差、噪音等，这些误差、噪音等使得每次GCW的迭代不够精确。当计数达到1000时，将总和对半分开，计数设置为500，然后进行平均。这将产生GCW值的筛选值。

${\mathrm{GCW}}_{\mathrm{CP}}=\frac{[{\mathrm{GCW}}_i+(499\×{\mathrm{GCW}}_{\mathrm{CP}})]}{500}$

根据一优选实施例，在t₁时刻之后，当检测到初始A₁值时，直到满足一定的条件才会检测A₂...A_i和T₂...T_i的值，从而确保这些随后的值在量值上与t₁时刻的值充分不同，以便有效地计算GCW。这些由车载试验确定的条件为：

(1)t_i为t₁之后不到四秒的时刻；

(2)发动机在大于参考扭矩(约为最大扭矩的19％)的情况下运行；

(3)车辆加速度大于参考值(dOS/dt＞约20RPM/sec)；

(4)输入轴速度大于参考值(对于一重型车用柴油机IS＞约1200RPM)；

(5)车辆加速度已经改变；

(6)没有进行换档。

在实践中，为获得T_i—即t_i时刻的驱动轮扭矩，优选地从电子数据链路DL检测发动机扭矩，从而以一公知的方式通过该扭矩推导出驱动轮扭矩。当车辆仅在用以确定扭矩的原动机的动力下运行时可以检测发动机和马达的扭矩。一般地，驱动轮扭矩可如下确定：

驱动轮扭矩＝(发动机或马达扭矩)×速比×驱动桥减速比×传动系效率；

其中，发动机或马达扭矩＝(发动机或马达扭矩百分比×发动机或马达最大扭矩)-(用以驱动车辆附件的扭矩+用以使发动机或马达加速的扭矩)。

为获得更大的精度，希望根据下列关系检测发动机飞轮的扭矩(T_FW)：

T_FW＝T_EG-T_BEF-T_ACCES-T_ACCEL

其中：

T_FW＝发动机飞轮的扭矩；

T_EG＝发动机总扭矩；

T_BEF＝发动机基本摩擦扭矩(包括用以克服发动机内部摩擦的扭矩和用

以转动由发动机制造商安装的附件(即水泵、机油泵等)的扭矩)；

T_ACCES＝附件扭矩(用以使车辆附件例如空调、风扇、灯等运行的扭矩)；

T_ACCEL＝使发动机加速的扭矩，根据发动机的加速度或减速度以及发动

机的转动惯量(I)来计算。

优选使用坡度计或类似装置来确定道路坡度，该坡度计向ECU60提供表示车辆所行驶路面的坡度的输入。然而可以理解，也可根据专门的计算公式来确定车辆所行驶道路的倾斜度，例如使用检测到的车辆行驶速度以及第一和第二原动机的速度来确定。

现在参照图2，其以流程图的形式示出一种用于确定发动使用混合动力传动***的车辆所需的扭矩并用所确定的扭矩来控制第一和第二原动机28、49的运行的优选方法。首先，本发明的方法从对应于车辆开始运行的步骤S2.1开始。接着，确定至少一个表示车辆工况的控制参数的值(S2.2)。

在本发明的一实施例中，如上所述，步骤S2.2进一步限定为确定表示车辆总质量(GCW)的控制参数的值。可在确定GCW的同时或之后确定表示道路坡度的控制参数的值。因为与车辆总质量(GCW)和道路坡度相应的控制参数一般在车辆运动时确定，所以在确定发动车辆所需扭矩之前需要确定车辆是否静止(S2.3)。

如果车辆是静止的，则使用先前所确定的控制参数值例如GCW和道路坡度来确定发动车辆所需的扭矩(S2.4)。例如，用于以预定速度移动车辆所需的车轮扭矩可表达如下：

$T_{\mathrm{req}}=\frac{{\mathrm{WP}}_{\mathrm{req}}\×5252}{{\mathrm{RPM}}_{\mathrm{wheel}}}$

其中：

${\mathrm{WP}}_{\mathrm{req}}=\frac{\mathrm{GCW}\×V}{375}\×\sin \left[\left({\tan }^{-1}\right[\left(\frac{P}{100}\right)\left]\right)\right]$

其中：

T_req＝发动车辆所需的车轮扭矩(ft.1b)；

WP_req＝克服坡度所需的车轮功率(HP)；

RPM_wheel＝以转数/每分钟来表示的车轮速度；

P＝坡度(％)；

GCW＝总质量(lbs)；

V＝车辆发动时希望的车辆速度(mph)。

可选择地或与GCW和坡度数据相结合，可在步骤S2.2中确定一表示车辆总滚动阻力的控制参数，并用该参数确定发动车辆所需的扭矩(S2.4)。例如，以一预定的速度开动车辆所需的车轮功率可以表达如下：

WP_req＝WP_R+WP_A+W_P

其中：

${\mathrm{WP}}_R=\frac{\mathrm{GCW}\×({\mathrm{RC}}_1+{\mathrm{RC}}_2\×V)\×\mathrm{SC}\×V}{375\×1000}$

${\mathrm{WP}}_A=\frac{C_D\×C_A\×\mathrm{FA}\×V^3\×0.0024}{375}$

${\mathrm{WP}}_P=\frac{\mathrm{GCW}\×V}{375}\×\sin \left[\left({\tan }^{-1}\right[\left(\frac{P}{100}\right)\left]\right)\right]$

而其中：

WP_req＝开动车辆所需的车轮功率(HP)；

WP_R＝用以克服滚动阻力的车轮功率(HP)；

WP_A＝用以克服空气阻力的车轮功率(HP)；

WP_P＝用以克服坡度百分比的车轮功率(HP)；

RC₁和RC₂＝车辆轮胎的滚动(阻力)系数；

SC＝路面(滚动阻力)系数；

C_D＝车辆的空气阻力系数；

C_A＝海拔空气密度校正值；

FA＝车辆的迎风面积(ft²)；

P＝坡度(％)；

GCW＝总质量(lbs)；

V＝发动车辆时期望的车辆速度(mph)。

确定发动车辆所需的扭矩以后，将所需扭矩与可从目前起作用的原动机或可选择地从第一和第二原动机28和49都能获得的额定扭矩相比较(S2.5)。由于混合动力车辆通常是在单个原动机的动力下运行的，所以在任何给定时刻都仅可有第一原动机28和第二原动机49中的一个起作用(运行)。例如，起着电动马达的作用的第二原动机可独立运行以发动车辆，而作为发动机的第一原动机则不起作用。然后，可在车辆开动之后启动发动机，从而克服在车辆发动期间内燃机运行的效率低下。

如果可从起作用的原动机得到的扭矩比发动车辆所需的扭矩大，则仅使用起作用的原动机的扭矩就可发动车辆。相反，如果可从起作用的原动机得到的扭矩比发动车辆所需的扭矩小，则之前不起作用的原动机被起动(S2.6)，从而第一和第二原动机28和49共同运行以发动车辆。

此外，当可从起作用的原动机得到的扭矩比发动车辆所需的扭矩小时，控制***可终止原动机所驱动的车辆附件例如空调压缩机的运行。然后，控制***等待车辆发动(S2.7)，车辆处于运动中(S2.8)之后就开始(运行)确定所需控制参数(GCW、道路坡度等)的程序。

尽管已经对本发明的某些优选实施例进行了说明，但本发明并不限于上述仅仅作为实现本发明的最佳模式的图示和说明。本领域的一般技术人员可以认识到，在本发明的技术教导的范围内可进行某些修改和变型，这样的变型和修改包括在权利要求所限定精神和范围内。

Claims (20)

1.一种用于确定发动一使用一混合动力传动***的车辆所需扭矩的方法，该混合动力传动***包括至少两个原动机，该方法包括：

确定至少一个表示车辆工况的控制参数的值；

根据该至少一个已确定的控制参数确定发动车辆所需的扭矩；

将可从原动机获得的扭矩与发动车辆所需的扭矩相比较；并且

响应该比较步骤来控制原动机的运行以发动车辆。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括当可从任一单个原动机获得的扭矩小于发动车辆所需的扭矩时，使所述两个原动机都运行的步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在车辆运动时确定至少一个控制参数的值的步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在当车辆静止时确定发动车辆所需扭矩的步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定至少一个控制参数的值的步骤进一步限定为确定表示车辆总质量的控制参数、表示道路坡度的控制参数和表示车辆总滚动阻力的控制参数中至少一个的值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，确定至少一个控制参数的值的步骤进一步限定为确定表示车辆总质量的控制参数和表示道路坡度的控制参数。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述表示车辆总质量的控制参数由计算而得。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述表示道路坡度的控制参数由测量而得。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括响应所述比较步骤来控制原动机所驱动的车辆附件的运行的步骤。

10.一种用于确定发动一使用一混合动力传动***的车辆所需扭矩的方法，该混合动力传动***包括至少两个原动机，该方法包括：

确定表示车辆总质量的控制参数和表示道路坡度的控制参数中至少一个的值；

根据所述至少一个已确定的控制参数来确定发动车辆所需的扭矩；

确定哪个原动机在起作用；

将可从起作用的原动机获得的扭矩与发动车辆所需的扭矩相比较；

响应该比较步骤来控制原动机的运行以发动车辆。

11.一种用于确定发动一使用一混合动力传动系的车辆所需扭矩的***，该混合动力传动系包括至少两个原动机，该***包括：

一用于确定至少一个表示车辆工况的控制参数的值的控制单元，该控制单元构造成使用所确定的控制参数来确定发动车辆所需的扭矩并将该发动车辆所需的扭矩与可从原动机获得的扭矩相比较，该控制单元还构造成响应发动车辆所需的扭矩与可从原动机获得的扭矩之间的比较而控制原动机的运行。

12.根据权利要求11所述的***，其特征在于，所述控制单元当可从任一单个原动机获得的扭矩小于发动车辆所需的扭矩时使所述两个原动机都运行。

13.根据权利要求11所述的***，其特征在于，所述至少一个控制参数在车辆运动时确定。

14.根据权利要求11所述的***，其特征在于，所述发动车辆所需的扭矩在车辆静止时确定。

15.根据权利要求11所述的***，其特征在于，所述控制参数表示车辆总质量、路面坡度和车辆总滚动阻力中的至少一个。

16.根据权利要求15所述的***，其特征在于，所述表示车辆总质量的控制参数由计算而得。

17.根据权利要求15所述的***，其特征在于，所述表示路面坡度的控制参数由测量而得。

18.根据权利要求15所述的***，其特征在于，所述表示车辆总滚动阻力的控制参数由坡度阻力、道路/轮胎接触阻力、空气动力阻力中的至少一个限定。

19.根据权利要求11所述的***，其特征在于，所述控制单元构造成响应发动车辆所需的扭矩和可从单个原动机获得的扭矩之间的比较而控制原动机所驱动的车辆附件的运行。

20.一混合动力车辆动力传动***，包括：

至少两个可独立运行的原动机；

一用于将原动机的输出扭矩传递到车轮的装置；以及

一用于确定至少一个表示车辆工况的控制参数的值的控制单元，该控制单元构造成根据至少一个已确定的控制参数来确定发动车辆所需的扭矩，确定哪个原动机在起作用，将可从起作用的原动机获得的扭矩与发动车辆所需的扭矩相比较，并响应发动车辆所需的车轮扭矩与可从起作用的原动机获得的输出扭矩之间的比较而控制原动机的运行。

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