CN1974286A - 用于控制混合动力汽车力矩的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制混合动力汽车力矩的方法，具有一个混合动力驱动单元，其包括一个内燃机以及至少一个可选择发动机或发电机模式运行的电机，其中，电机提供正或负的电机力矩，该力矩与内燃机力矩共同表示驱动单元的总驱动力矩。依据本发明，在存在大于驱动单元当前提供的总驱动力矩的期望力矩的情况下，(a)在起始助力阶段中使在助力阶段期间经过最大值的动态正电机力矩影响内燃机力矩，以及(b)在可预先规定持续时间的第二阶段中使可预先规定的基本上恒定的正或者负电机力矩影响内燃机力矩，从而产生的总驱动力矩至少近似相当于期望力矩，其中，电机力矩的符号和/或者高度根据期望力矩预先规定。

Description

用于控制混合动力汽车力矩的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于控制汽车驱动力矩的方法，这种汽车具有一个混合动力驱动单元，该混合动力驱动单元包括一个内燃机和附加至少一个可选择发动机或者发电机模式运行的电机，其中，电机在发电机模式运行时提供负的并在发动机模式运行时提供正的电机力矩，并且电机力矩与内燃机力矩共同表示驱动单元的总驱动力矩。本发明还涉及一种具有相应力矩控制装置的混合动力汽车。
背景技术
混合动力汽车的概念表示至少两种驱动单元相互组合的汽车，这两种驱动单元使用不同的能量源产生用于汽车驱动的功率。特别具有优点的是，通过燃烧汽油或者柴油燃料产生动能的内燃机和将电能转换为动能的电机的特性相互补充。目前的混合动力汽车因此主要采用内燃机与一个或者多个电机的组合。有两种不同的混合动力方案。在所谓的串联混合动力方案中，汽车驱动仅通过电机进行，而内燃机则通过单独的发电机产生用于供给电机的蓄能器充电或用于直接供给电机的电流。而与此相反目前至少在轿车应用上优选并联混合动力方案，其中，汽车既可通过内燃机也可通过电机进行驱动。
在这种并联混合动力方案中所使用的电机可以选择发动机或者发电机模式运行。例如像电机在发动机模式运行中，典型地在较高的汽车负荷运行点上辅助接入内燃机。此外电机可以承担内燃机的启动电机的功能。而与此相反电机在内燃机运行中主要以发电机模式运行，其中，电机这样产生的电功率例如用于蓄能器的充电和/或者整车电源的供电。在采用一个以上电机的功率分流混合动力方案的情况下，一个电机的发电机模式运行也可以用于供给其他电机。此外，一般情况下至少一部分制动功率通过发电机模式运行的电机施加(回收)，其中，一部分机械损耗能量被转换为电能。在此方面，混合动力方案中一般具有的优点是，电机与常规的爪极式发电机相比以更高的效率工作。
控制所谓的助力功能的目的，也就是辅助并联使用电机以例如提高混合动力驱动的总驱动力矩，一方面是取得行驶功率尽可能明显的改善，但另一方面也是达到一种可重复的行驶性能，而对行驶性能没有例如以不希望的力矩波动或者“力矩下降”方式的不利影响。助力功能需要电机的电蓄能器有很高的电功率。由于蓄能器的有限功率-电蓄能器的能量含量典型地仅相当于储存在燃料箱内能量的一小部分-需要合适的策略来应用这种助力功能。在此方面，恰恰是小能量含量的蓄能器，例如电容器蓄能器对这种控制提出了特别高的要求。
发明内容
本发明的目的因此在于，提供一种用于控制内燃机和电机力矩协调的方法，确保在驾驶员的力矩要求中有效和根据需求使用电机的电动辅助驱动力矩。此外提供一种用于实施该方法的适当的力矩控制装置。
该目的通过具有独立权利要求特征的一种方法以及一种力矩控制装置得以实现。依据本发明的方法提出，在驾驶员的力矩要求中，也就是在存在大于驱动单元当前提供的驱动力矩的期望力矩情况下，
(a)在起始助力阶段使在起始助力阶段期间经过最大值的动态正电机力矩影响内燃机力矩，以及
(b)在可预先规定持续时间的第二阶段使可预先规定的基本上恒定的正或者负电机力矩影响内燃机力矩，从而产生的总驱动力矩至少近似相当于期望力矩，其中，电机力矩的符号和/或者高度根据期望力矩规定。
通过电机的动态正力矩依据本发明影响起始助力阶段期间内燃机起动力矩，取得总驱动力矩的快速和相当平稳的启动。通过使电机力矩经过最大值，也就是说，在助力阶段期间具有首先上升和然后下降的变化，内燃机超比例上升的力矩得到基本上线性的平整的补充。在第二阶段期间，电机力矩的符号和/或者高度根据期望力矩，特别是根据期望力矩与内燃机产生的驱动力矩的差值预先规定，根据蓄能器有限的能量含量特别是针对需要使用电机。
在此方面，在本发明的框架内概念“电机力矩的影响”是指电机的正(发动机)力矩相加到内燃机的力矩或如果电机采用发电机模式运行的话，通过减去电机的负“回收力矩”降低总驱动力矩。
本发明利用这种情况，即电机由于其典型的力矩特性主要在低转速范围内，典型地是在所进行的混合动力驱动中直至达到约3000-3500min-1的转速极限，可以用于有效提高行驶功率。而与此相反内燃机在低转速情况下具有较低的力矩。这一点特别适用于通过涡轮增压器供给压缩的燃烧用空气的增压内燃机。这种内燃机特别是在低转速下的动态运行中，典型地在2000-3000min-1以下具有所谓的“涡轮空穴”(Turboloch)，它理想地可以通过电机力矩进行补偿。本发明因此可以特别具有优点地在增压内燃机的情况下使用。但本发明原则上也可以具有优点地用于与电机组合的其它任何内燃机。
在本发明的优选实施方式中，基本上分为三种不同情景中的三种助力功能。在第一情景中，存在至少90％，特别是至少95％，最好约100％的非常高的踏板值传感器(加速踏板)踏板值，并且同时存在大于最大内燃机力矩的期望值，特别是最大期望值。在例如已经很高的速度水平下打算超车时产生的这种第一情景中，力求尽可能高和尽可能长时间保持辅助使用电机。
在第二情景中同样存在超过内燃机的最大力矩的期望力矩，但在这里加速踏板并未完全踩到底，也就是说，踏板值低于对第一情景所称的极限值。在这种情况下，在起始助力阶段以及在随后的第二阶段同样进行总驱动力矩通过电机的高度支持直至最大支持，但电机支持的总持续时间与第一情景相比缩短。
最后依据第三情景，同样存在驾驶员的力矩要求，但产生的期望力矩小于内燃机的最大力矩。典型地踏板值在这种情况下相当于比较低的数值，例如低于最大踏板值50％，最好40％，特别优选30％的阈值。在该阶段，在起始助力阶段同样通过电机进行动力支持，尽管具有较小的支持力矩。因为随后所要求的期望力矩仅能通过内燃机产生，所以不进行通过电机的进一步支持，方法是电机或者无力矩或去激活或者在必要时以发电机模式运行。
依据本发明一种优选的设计方案，第二阶段作为支持阶段实施，也就是说，如果期望力矩大于或者等于内燃机最大力矩，电机以发动机模式利用正电机力矩运行。这种情况在所描述的头两种情景下产生。另一方面，如果期望力矩小于内燃机最大力矩(情景3)，那么第二阶段作为充电阶段实施，在该阶段电机以发电机模式利用负电机力矩运行，或者作为中性阶段实施，在该阶段电机无力矩或不起作用。这一点根据蓄能器的充电状态和/或者老化状态以及当前整车电源需要进行。
依据本发明另一优选设计方案，第二阶段的持续时间和/或者电机力矩在该阶段期间的高度根据电机的电蓄能器的充电状态SOC(state-of-charge)和/或者老化状态SOH(state-of-health)和/或者根据混合动力驱动单元特别是共用曲轴的当前转速规定。按照这种方式，电机应用一方面限定为通过驾驶员的期望确定，并且另一方面限定为通过蓄能器，也就是能力的状态确定。
依据本发明另一优选的设计方案，如果期望力矩大于内燃机最大力矩，特别是最大并同时踏板值为90-100％，最好为95-100％并且特别是优选约为100％，那么在第二阶段之后实施中性阶段，在该阶段中电机以零力矩运行或不起作用。按照这种方式，所提供的最大内燃机力矩消极地通过电机支持，方法是没有以发电机模式运行的电机的制动力矩降低总驱动力矩。
依据本发明的力矩控制是一种数字程序算法，它最好保存在混合动力控制装置内或者扩展的发动机或者变速器控制装置内，在力矩要求的情况下执行依据本发明方法的上述步骤。
本发明其他优选的设计方案为其他从属权利要求的主题。
附图说明
下面借助附图所示的实施例对本发明进行说明。其中：
图1示意示出依据本发明的混合动力驱动单元的结构；
图2示出内燃机和电机力矩、图1混合动力驱动单元的总驱动力矩以及依据本发明在最大力矩要求和最大踏板值(全负荷)情况下期望力矩时间变化曲线；
图3示出如图2在最大力矩要求和非最大踏板值(高负荷)情况下力矩时间变化曲线；以及
图4示出如图2中部分负荷情况下力矩时间变化曲线。
具体实施方式
图1中整体采用10标注出细节上没有进一步示出的混合动力汽车的并联混合动力驱动单元。汽车可选择或者同时通过常规内燃机12(汽油或者柴油发动机)以及电机14进行驱动，它们两个作用于相同的轴，特别是内燃机12的曲轴。内燃机12通过未示出的增压器，特别是废气涡轮增压器供给压缩的增压空气。电机14可以按照不同方式连接在发动机曲轴上。例如，电机14可以直接或者通过离合器与曲轴连接或者通过皮带传动机构，例如齿形皮带或者变速器或者其他传力连接和/或者形状配合连接与曲轴连接。内燃机12和电机14通过变速器16与所示的传动系18连接。内燃机12或电机14的传动轴与变速器16的分离通过离合器20进行，该离合器可以通过驾驶员操作未示出的离合器踏板打开并在不操作时接合。变速器16作为替代方案可以作为取消离合器20操作的自动变速器构成。变速器16特别是可以作为复式离合器构成，其中两个离合器自动进行致动和操作。
例如为交流异步电机或者交流同步电机的电机14可以有选择地在发动机模式运行时以正或者在发电机模式运行时以负电机力矩M_EM运行。在发动机模式运行时，电机14在消耗电能(电流)的情况下单独或者支持内燃机12的内燃机力矩M_VM地驱动传动系18。电机14例如从可以是蓄电池和/或者优选为电容器蓄能器的蓄能器22中获得这种电能。而相反在发电机模式运行时，电机14通过内燃机12或者汽车的推进运行驱动并将动能转换为用于补充蓄能器22的电能。电机14在发动机模式运行与发电机模式运行之间通过大功率电子装置24进行转换，该大功率电子装置同时可以在直流与交流之间进行所需的变频。
依据所示的方案，汽车驱动主要通过由作为启动发电机构成的电机14启动的内燃机12完成。电机14此外承担助力功能，方法是它在高负荷状态下，特别是在汽车加速的情况下支持接入汽车驱动装置(发动机模式运行)。另一方面，电机14在汽车存在动能过剩的行驶状态下具有所谓的回收功能，方法是它在发电机模式运行中将运动能转换为用于蓄能器22充电的动能并因此同时提供制动力矩。在这种关系上特别适用的电机14具有最高50kW，尤其是最高30kW，最好处于15-25kW范围内，特别约20kW的功率。
此外图1中示出一种可选择的附加离合器26，它可以设置在内燃机12与电机14之间。这种附加的离合器26可以将内燃机12与传动系18或电机14单独分离，由此原则上产生的优点是，在断开内燃机12时无需同时牵引其机械摩擦阻力。附加离合器26因此虽然起到额外节省燃料的作用，但却额外增加了成本、设计和结构开支。所介绍的本方法同样可以用于具有和没有附加离合器26的混合动力驱动装置。
内燃机12以及大功率电子装置24的运行在这里通过发动机控制装置28进行控制，在该发动机控制装置中集成了一个程序算法形式的力矩控制***(采用30标注)。作为替代方案力矩控制***30也可以设置在一个单独的控制单元内。发动机控制装置28内输入汽车的不同当前运行参数。特别是将曲轴转速n以及采用32标注的踏板值传感器的踏板值PW发送到控制装置28。踏板值PW说明加速踏板的位置，也就是驾驶员操作加速踏板的程度。此外，发动机控制装置28收到或者测定表征蓄能器22充电状态(SOC，state-of-charge)以及老化状态(SOH，state-of-health)的信息。
根据踏板值PW和转速n，力矩控制***30从所储存的特性曲线中测定当前期望力矩M_W并相应地既控制内燃机12的内燃机力矩M_VM也控制电机14的电机力矩M_EM。特别是在所要求的期望力矩M_W超过混合动力驱动单元10当前存在的总驱动力矩M_Fzg的阶段中，也就是例如在加速情况下的负荷要求时使用本发明。在此方面，根据所测定的期望力矩M_W出现导致不同策略的情况差别，这些策略在图2-4中借助不同力矩的变化曲线示出。
图2示出一种情况，其中，在时间点t0踏板值传感器32显示100％的踏板值，也就是最大程度操作加速踏板(“全负荷”)。根据踏板值和未示出的当前发动机转速n，发动机控制装置28测定最大期望力矩(M_W＝M_Wmax)，它始终大于允许的最大内燃机力矩M_VMmax。在这种油门全开情况下，内燃机力矩M_VM通过电机14的最大助力支持。为此在起始助力阶段B内燃机12以最大速度高负荷运转直至其最大力矩M_VMmax。同时电机14在助力阶段B期间动态运行，其中，该电机首先尽可能快速地高负荷运转并随后重新降低负荷，从而影响内燃机力矩M_VM的是动态经过最大值的正电机力矩M_EM。结果存在混合动力驱动装置10最快速和基本上线性上升的总驱动力矩M_Fzg，它在助力阶段B期间就已经达到所要求的期望力矩M_W。
如果内燃机12达到其最大力矩M_VMmax(时间点t1)，助力阶段B结束。然后换接到随后的支持阶段S，而内燃机12继续在其最大力矩M_VMmax下运行并通过电机14同样至少近似恒定的正力矩M_EM支持。电机支持力矩M_EM的高度在此方面首先这样选择，使产生的总驱动力矩M_Fzg基本上相当于期望力矩M_W。此外，力矩M_VM以及一定程度上静态的支持阶段S的持续时间根据转速n以及蓄能器22的当前充电和老化状态SOC、SOH规定。如果例如存在较低的蓄能器水平或者蓄能器容量已经受到强老化的影响，那么预先规定支持阶段按趋势变短的持续时间。在可供使用的蓄能器22电能非常低的情况下，也可以触发更低的力矩M_EM，代价是不能完全实现期望力矩M_W。
在时间点t2支持阶段S的预先规定持续时间结束后，电机力矩M_EM在第一减负荷阶段D1期间以确定的力矩变化减负荷，直至达到至少几乎零力矩。这一点通过借助于功率逆变器降低并随后断开激励完成。在随后的中性阶段N期间，保持电机14的零力矩并因此内燃机12消极地支持。在该阶段N中内燃机12没有通过电机支持和加载。需要提及的是，在永久磁铁励磁的同步电机情况下，一般不能设置零力矩，而是在此方面设置一种很低的牵引力矩，但目前可以将其归入零力矩的概念。中性阶段N最好仅在最大负荷要求的情况下实施，例如在车速已经很高时的短时间加速情况下。作为用于实施中性阶段N的标准，与此相应设置一种高期望力矩M_W，特别是大于最大内燃机力矩M_VMmax，最好近似或者等于最大期望力矩M_Wmax。同时必须存在至少90％，特别是至少95％的踏板值PW，最好存在约100％的最大踏板值。中性阶段N的持续时间也可以根据蓄能器22的SOC和/或者SOH规定。
在时间点t4中性阶段N结束时，在另一减负荷阶段D2，力矩M_EM以确定的力矩变化降到负值上，也就是电机14以发电机模式运行。在此方面，随后的充电阶段L期间发电机力矩M_EM这样选择，使其正好满足整车电源需要，也就是蓄能器22由于缺乏过剩的能量不充电。按照这种方式，一方面保证整车供电，而另一方面将因此产生的制动力矩降到最低限度。根据蓄能器22和/或者常规的整车电源蓄电池的充电状态SOC以及对能量管理存在的要求，在进一步的变化中负的电机力矩M_EM还可以继续下降，以使蓄能器22和/或者蓄电池充电。
在图3所示的情况中也存在超过最大内燃机力矩M_VMmax的期望力矩M_W，特别是存在最大期望力矩M_Wmax。但与图2不同的是，踏板值PW小于100％并在这里为最大踏板值的80％。在这种情况下，助力阶段B和随后的支持阶段S如借助图2所介绍的那样实施。但与此前所介绍情况的区别在于，在这里不实施具有消极支持的中性阶段N，因为踏板值低于90％，特别是95％，最好100％的上述阈值。确切地说，在支持阶段S之后的减负荷阶段D中，电机14的力矩M_EM以确定的梯度一直下降到负(发电机)力矩。在充电阶段L中-与图2类似-电机力矩M_EM与通过能量管理所要求的当前整车电源需要相应确定。在这里电机力矩M_EM随后也可以继续降低，以保证蓄能器22充电。
在图4所示的行驶情况下存在一种部分负荷状态，也就是t0时所要求的期望力矩M_W低于最大内燃机力矩M_VM，并且踏板值PW较低(例如20％)。尽管如此为在尽可能短的时间内出现期望力矩，内燃机12比较惰性的力矩M_VM在起始助力阶段B中重新通过经过最大值的动态电机力矩M_EM支持。但与上述情况的区别在于，在这种情况下电机14的较低助力力矩就足够。助力阶段B至少持续这样长的时间，直至达到所要求的力矩M_W。因为在目前的部分负荷情况下全部期望力矩M_W可以通过内燃机12表现，所以在助力阶段B之后不需要电机的继续支持。因此在时间点t1，力矩M_EM以确定的比例降到负值(发电机模式运行)。在随后充电阶段L中所触发的力矩M_EM可以根据蓄能器22的SOC和/或者SOH或者用于满足当前整车电源需求地进行选择(与图2和3相应)或者为了蓄能器22充电进一步降低。为补偿由此取得的制动力矩，内燃机力矩M_VM在充电阶段L期间相应高负荷运转。在充电阶段L之后的增负荷阶段H中电机力矩M_EM的增负荷直至零力矩，并且与内燃机力矩M_VM相应地进行减负荷。但如果在时间点t1蓄能器22充满电或者充电状态超过预先规定的阈值并且不存在或者仅存在很低的整车电源要求，那么可以完全取消充电阶段L，并从助力阶段B直接换入电机14断开的中性阶段N。
上述三种策略可以概括在下表中。
 助力阶段(B)   第二阶段(S、L)  中性阶段(N)
  全负荷助力M_W＞M_VMmaxPW＝90…100％  是最大助力   支持阶段(S)，电机的发动机模式运行  是
  高负荷助力M_W＞M_VMmaxPW＜90％  是最大助力   支持阶段(S)，电机的发动机模式运行  否
  部分负荷助力M_W＜M_VMmax  是微小助力   充电阶段(L)，电机的发电机模式运行或者中性阶段(N)电机“断开”  是
附图标记列表
10       混合动力驱动单元
12       内燃机
14       电机
16       变速器
18       传动系
20       离合器或者复式离合器单元
22       蓄能器/蓄电池
24       大功率电子装置
26       附加离合器
28       发动机控制装置
30       力矩控制***
32       踏板值传感器
n        转速
PW       踏板值
M_EM     电机力矩
M_VM     内燃机力矩
M_VMmax  最大内燃机力矩
M_Fzg    总驱动力矩
M_W      期望力矩
M_Wmax   最大期望力矩
B        助力阶段
S        支持阶段
N        中性阶段
L        充电阶段
D        减负荷阶段
H        增负荷阶段

Claims (11)

1.用于控制汽车力矩的方法，该汽车具有一个混合动力驱动单元(10)，该混合动力驱动单元包括一个内燃机(12)以及至少一个可选择发动机或者发电机模式运行的电机(14)，其中，电机(14)提供正或负的电机力矩(M_EM)，该力矩与内燃机力矩(M_VM)共同表示驱动单元(10)的总驱动力矩(M_Fzg)，而且其中在存在大于驱动单元(10)当前提供的总驱动力矩(M_Fzg)的期望力矩(M_W)的情况下，
(a)在起始助力阶段(B)中使在助力阶段(B)期间经过最大值的动态正电机力矩(M_EM)影响内燃机力矩(M_VM)，以及
(b)在可预先规定持续时间的第二阶段(S、L)中使可预先规定的基本上恒定的正或者负电机力矩(M_EM)影响内燃机力矩(M_VM)，
从而产生的总驱动力矩(M_Fzg)至少近似相当于期望力矩(M_W)，
其中，电机力矩(M_EM)的符号和/或者高度根据期望力矩(M_W)预先规定。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，如果期望力矩(M_W)大于或者等于内燃机(12)的最大内燃机力矩(M_VMmax)，那么第二阶段作为支持阶段(S)实施，在该阶段电机(14)以发动机模式以正电机力矩(M_EM)运行。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，如果期望力矩(M_W)小于内燃机(12)的最大内燃机力矩(M_VMmax)，那么第二阶段作为充电阶段(L)实施，在该阶段电机(14)以发电机模式以负电机力矩(M_EM)运行。
4.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述第二阶段(S、L)的持续时间和/或者电机力矩(M_EM)在第二阶段(S、L)期间的高度根据电机(14)的电蓄能器(22)的充电状态(SOC)和/或者老化状态(SOH)预先规定。
5.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述第二阶段(S、L)的持续时间和/或者电机力矩(M_EM)在第二阶段(B)期间的高度根据混合动力驱动单元(10)特别是共用曲轴的当前转速预先规定。
6.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，如果期望力矩(M_W)大于或者等于内燃机(12)的最大内燃机力矩(M_VMmax)，那么助力阶段(B)实施直至达到最大内燃机力矩(M_VMmax)。
7.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，如果期望力矩(M_W)小于内燃机(12)的最大内燃机力矩(M_VMmax)，那么助力阶段(B)实施至少直至达到基本上相当于期望力矩(M_W)的总驱动力矩(M_Fzg)。
8.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，如果期望力矩(M_W)大于最大内燃机力矩(M_VMmax)，特别是如果同时踏板值传感器的踏板值(PW)为90-100％，最好为95-100％，那么在第二阶段之后实施一个中性阶段(N)，在该中性阶段中电机(14)至少近似以零力矩运行。
9.按前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在所述助力阶段(B)期间对内燃机力矩(M_VM)和电机力矩(M_EM)这样进行控制，使总驱动力矩(M_Fzg)产生至少近似最大上升。
10.汽车的力矩控制装置(30)，该汽车具有一个混合动力驱动单元(10)，该混合动力驱动单元包括一个内燃机(12)以及至少一个可选择发动机或者发电机模式运行的电机(14)，其中，电机(14)提供正或负电机力矩(M_EM)，该力矩与内燃机力矩(M_VM)共同表示驱动单元(10)的总驱动力矩(M_Fzg)，其中，力矩控制***(30)在存在大于驱动单元(10)当前提供的总驱动力矩(M_Fzg)的期望力矩(M_W)的情况下，
(a)在起始助力阶段(B)使在助力阶段(B)期间经过最大值的动态正电机力矩(M_EM)影响内燃机力矩(M_VM)，以及
(b)在可预先规定持续时间的第二阶段(S、L)中使可预先规定的基本上恒定的正或者负电机力矩(M_EM)影响内燃机力矩(M_VM)，
从而产生的总驱动力矩(M_Fzg)至少近似相当于期望力矩(M_W)，其中，电机力矩(M_EM)的符号和/或者高度根据期望力矩(M_W)预先规定。
11.按权利要求10所述的力矩控制装置(30)，其特征在于，所述内燃机(12)特别是通过废气涡轮增压器供给压缩的增压空气。
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