用于提高插电式混合动力电动车辆的燃料经济性的方法

摘要

一种用于提高车辆的燃料经济性的方法，例如具有发动机和电池的插电式混合动力电动车辆，所述电池和所述发动机均被构造成供应推进车辆的动力，所述方法包括：从所述电池供应功率；以及当所需求的功率超过所述电池能输送的功率时，使所述发动机低于发动机的最高效率运转，以使所述发动机仅供应所需求的功率和所述电池能输送的功率之间相差的功率。

说明书

技术领域

本公开涉及插电式混合动力电动车辆的取决于路径的控制。

背景技术

插电式混合动力电动车辆(PHEV)包括用于传送动力以推进车辆的两 个动力源。典型地，第一动力源为消耗燃料以输送动力的发动机，第二动力 源为使用所存储的电能以输送动力的电池。电池可通过由发动机驱动的车载 发电机和/或外部电力源(例如，公用电网)而进行再充电。

由于电网所供应的电能的成本相对较低，许多消费者期望只要有可能就 使PHEV使用电能以使燃料的使用最小化。这样，PHEV可具有两个基本的 运行模式：电量消耗(CD)模式和电量保持(CS)模式。在CD模式中，如 相关的电池荷电状态(SOC)中所反映的，电池中的电能被用于推进车辆并 消耗所存储的电能。当需要满足驾驶员的需求时，车辆系统控制器等控制车 辆以使由电池输送的动力优先，而发动机的动力用于补充电池的动力。一旦 电池SOC下降到预定的荷电水平，车辆便以CS模式被驱动，并主要由发动 机提供动力。

CD模式包括电动车辆(EV)模式(例如，全电动模式)、混合模式和发 动机模式。在EV模式中，不使用燃料能而仅使用电能推进PHEV。如本公开 所提到的，典型的PHEV被设计成在有限的EV运行模式(例如，25KW)。 如果驾驶员需求比车辆的EV系统所能输送的能量(例如，25KW)更多的能 量(例如30KW)，那么进行控制以转换成混合模式并启动发动机以满足驾驶 员所需求的能量。然而，典型的PHEV的发动机被校准成在其最高效率(例 如，20KW)附近运转，这通常产生比补充电池能量并满足驾驶员需求所需要 的能量(例如，在该示例中，30KW-25KW＝5KW)更多的能量。结果，在这 期间车辆不仅仅消耗燃料，还消耗比满足驾驶员需求的能量所需要的燃料 (即，5kW/η，其中，η＝燃烧效率)更多的燃料(例如，20KW/η，其中，η＝ 燃烧效率)，而过量的发动机能量用于对电池再充电。

PHEV的CD行驶里程是车辆在切换到CS模式前以CD模式能够行驶的 距离。给定时间内的CD行驶里程依赖于当前的电池SOC。当驾驶员想要行 驶的距离小于车辆的CD行驶里程时，驾驶员通常不关心燃料效率(形式为： 产生每单位能量所消耗的燃料)。然而，当将要行驶的距离小于车辆的CD行 驶里程时，驾驶员一般更关心燃料经济性(例如，英里/加仑)。在燃料消耗 上的任何相对小的增大都能显著降低燃料经济性(诸如从500英里/加仑到 60英里/加仑)，从而让驾驶员失望。

发明内容

本发明的实施例的目的在于控制充电式混合动力电动车辆(PHEV)以 提高车辆的燃料经济性。

根据本发明的实施例的PHEV包括用于输送动力以推进车辆的发动机和 电池。所述发动机消耗燃料，且所述电池存储电能并利用所述电能。所述电 池可通过电网再充电。在充电事件之间控制PHEV以尽可能地使用电能而不 是燃料能。为此，在所述电池所存储的电能的量比预定最小的电能量大时， 以电量消耗(CD)模式驱动PHEV。在CD模式中，优先使用电能推进车辆。 一旦所述电池被消耗至最小存储电能量时，以电量保持(CS)模式驱动PHEV 直到下一个充电事件，而所述车辆主要由发动机使用燃料进行驱动。

因为用于电池的电网的电力的成本低于用于发动机的燃料的成本，所以 期望得到关于PHEV的最大的燃料经济性。通过主要使用电能来推进车辆， 降低燃料的消耗，因而提高燃料经济性。如果在行程期间启动发动机之前完 全地消耗所述电池(例如，电池SOC消耗至预定的最小电量保持水平)，那 么对于给定行程燃料经济性能最大化。

相应地，本发明的实施例的目的在于控制PHEV以使车辆的燃料消耗最 小化，从而提高车辆的燃料经济性，即使这可能不能使燃料效率最大化(燃 料经济性与燃料效率最大化相比较)。本发明的特定实施例是为了控制PHEV 以无论车辆要被驱动多远也使燃料消耗最小化。本发明的某些实施例是为了 在车辆将要行驶的距离小于车辆的CD行驶里程时控制PHEV以使燃料消耗 最小化。根据本发明的实施例的控制策略在车辆行程期间是可适用的，而当 由PHEV驱动的行程(例如，到达目的地的距离(D2D))的距离小于车辆的 CD行驶里程时，某些控制策略是可适用的。

本发明的实施例提供一种方法，所述方法包括从车辆(例如PHEV)的 电池供应能量。所述方法还包括当所需求的能量超过所述电池能够输送的能 量时使车辆的发动机低于最高效率运转，以使所述发动机仅供应所需求的能 量和所述电池能传送的能量之间相差的能量。

本发明的另一实施例提供一种方法，所述方法包括于给定时间使车辆(例 如具有均构造成供应能量以推进车辆的发动机和电池的PHEV)运行燃料 经济模式和燃料效率模式中的一种模式。所述燃料经济模式包括从所述电 池供应能量，以及当所需求的能量超过所述电池能够输送的能量时，使发 动机低于最高效率运转以使发动机仅供应所需求的能量和所述电池能够输 送的能量之间相差的能量。

当所述电池自己具有足够的能量以将车辆推进车辆将要行驶的距离时， 运行发动机，以在所需求的能量超过电池能够输送的能量时提供相差的能量。

本发明的另一实施例提供了一种系统，所述系统具有构造成执行上述方 法的操作的控制器。

所述车辆为插电式混合动力电动车辆。

对具有发动机和电池的车辆，在给定时间运行燃料经济模式和燃料效率 模式中的一种模式，其中，发动机和电池均被构造为提供推动车辆的动力； 其中，所述燃料经济模式包括从所述电池供应能量，以及当所需求的能量超 过所述电池能输送的能量时，使所述发动机低于其最高效率运转以从所述发 动机仅供应所需求的能量和所述电池能够传送的能量之间相差的能量。

所述方法还可包括：获得车辆所要行驶的距离；不使用燃料经济模式， 除非车辆的电量消耗行驶里程超过所要行驶的距离，其中，电量消耗行驶里 程为车辆能由电池自身的电能驱动的距离。

所述方法还可包括：从车辆的驾驶员和车辆的导航系统中的至少一个获 得将要行驶的距离。

所述方法还可包括：从车辆的驾驶员接收运行燃料经济模式的请求；直 到驾驶员接收到所述请求之前不运行燃料经济模式。

所述燃料经济模式还包括当所需求的能量小于所述电池能传送的能量时 从所述电池供应所需求的能量。

在所述电池自身具有足够的电能以推进车辆行驶车辆将要行驶的距离时 运行所述燃料经济模式。

本发明的其他实施例提供了一种具有被配置为执行上述方法的操作的系 统，所述系统包括：控制器，被构造成使具有发动机和电池的车辆在给定时 间运行燃料经济模式和燃料效率模式中的一种模式，所述发动机和所述电池 均构造成供应推进车辆的动力；其中，在所述燃料经济模式中，所述控制器 被配置成控制所述电池以供应能量，并当所需求的能量超过所述电池能输送 的能量时使发动机低于其最高效率运转以仅从发动机供应所需求的能量和所 述电池能输送的能量之间相差的能量。

所述控制器可被进一步构造成获得车辆将要行驶的距离；其中，所述控 制器还构造成在车辆的电量消耗行驶里程超过将要行驶的距离时不运行燃料 经济模式，其中，电量消耗行驶里程是所述车辆能通过所述电池自身的电能 被驱动的距离。

在所述电池自身没有足够的电能以将车辆推进车辆将要行驶的距离时， 所述控制器不运行燃料经济模式。

所述车辆为插电式混合动力电动车辆。

附图说明

图1示出了能够实现本发明的插电式混合动力电动车辆(PHEV)的动 力传动系统的示意性代表；

图2是示出了图1中所示的动力传动系统中的能量流的框图；

图3是示出了描述根据本发明的实施例用于提高PHEV的燃料经济性的 方法的操作步骤的流程图；以及

图4示出了带有制动燃料消耗率的发动机扭矩-速度图，用于描述根据本 发明的实施例的用于提高PHEV的燃料经济性的方法的操作的多个方面。

具体实施方式

本发明的详细实施例公开于此；然而，将理解的是，公开的实施例仅是 本发明的示例，所述示例可以以各种可选的形式实现。附图没有必要按照比 例绘制；一些特征可被夸大或最小化以示出特定组件的细节。因此，公开于 此的特定结构和功能细节将不解释为限定，而仅作为教导本领域的技术人员 以多种方式实现本发明的代表性基础。

现在参照图1，示出了能够实现本发明的插电式混合动力电动车辆 (PHEV)的动力传动系统的示意性代表。所述动力传动系统包括与动力传动 系统连接的两个动力源：(1)通过行星齿轮20连接在一起的发动机16和发 电机50；(2)包括电池12、电动马达46和发电机50的电力驱动系统。电池 12是用于马达46和发电机50的能量存储系统。

电池12可通过存在于车辆外部的电源(例如，外部电网)再充电。在充 电事件过程中，电池12通过连接到电网的充电端口76从电网接收AC电能。 车载充电器78从充电端口76接收AC电能。充电器78是将所接收的AC电 能转换成适于对电池12充电的DC电能的AC/AD转换器。在再充电操作(例 如，充电事件)过程中，充电器78向电池12供应DC电能以对电池12充电。

车辆系统控制器(VSC)10被构造成将控制信号发送至电池12、发动机 16、马达46和发电机50中的一个或更多个以及从电池12、发动机16、马达 46和发电机50中的一个或更多个接收感测反馈信息，以便向用于推进车辆 的车辆牵引轮40提供动力。控制器10控制用于提供动力以推进车辆的电池 12和发动机16之间的动力源的比例，从而控制电池12的荷电状态(SOC)。

变速器14包括行星齿轮20，行星齿轮20包括环形齿轮22、中心齿轮 24和齿轮架总成26。环形齿轮22将扭矩分配至包括啮合齿轮元件28、30、 32、34和36的多级变速齿轮。变速器14的扭矩输出轴38通过差速器及车 桥机构42可驱动地连接至车轮40。齿轮30、32和34安装在副轴31上，而 齿轮32与马达驱动的齿轮44啮合。马达46驱动齿轮44。齿轮44作为副轴 31的扭矩输入。发动机16通过输入轴18将扭矩分配至变速器14。电池12 通过电力传输路径48将电能传送至马达46。如52处所示，发电机50电连 接至电池12和马达46。

在发动机16关闭电池12作为唯一的动力源时，通过单向耦合器(例如， 单向离合器(OWC))制动输入轴18和齿轮架总成26。当发动机16启动且 动力传动系统处于并联驱动模式时，机械制动器55锚固发电机50的转子和 作为反作用元件的中心齿轮24。

控制器10从档位选择器63(被分配至变速器控制模块67)接收信号 PRND(泊车、倒车、空挡、行驶档)和期望的车轮扭矩、期望的发动机转速 和发电机制动命令，如71处所示。电池开关73在车辆“启动键”启动后关 闭。控制器10将期望的发动机扭矩请求发送至发动机16，如69处所示，这 依赖于加速踏板位置传感器(APPS)输出65。制动踏板位置传感器(BPPS) 将车轮制动信号分配至控制器10，如61处所示。制动系统控制模块(未示 出)可基于来自BPPS的信息将再生制动命令发送至控制器10。TCM 67将 发电机制动控制信号发送至发电机制动器55。TCM 67也将发电机控制信号 分配至发电机50。

现在参照图2，示出了图1中的动力传动系统的各种组件之间的动力流 动路径的框图。在驾驶员的控制下，使用发动机节气门将燃料输送至发动机 16。发动机16将发动机功率(τ_eω_e，其中，τ_e是发动机扭矩，ω_e是发动机转 速)传送至行星齿轮20。行星齿轮20将功率(τ_rω_r，其中，τ_r是环形齿轮扭 矩，ω_r是环形齿轮转速)传送至副轴31。输出轴38将功率(P_out＝τ_sω_s，其中， τ_s和ω_s分别是输出轴38的扭矩和转速)输出至车轮40。发电机50能将功率 传送至行星齿轮20或者由行星齿轮20驱动。相似地，在马达46和副轴31 之间的功率分配能以任一方向进行分配。来自电池12的驱动功率或传送至电 池12的充电功率由双向箭头48表示。

发动机输出功率(τ_eω_e)能分成机械功率流动路径(τ_rω_r)和电功率流动 路径(τ_gω_g至τ_mω_m，其中，τ_g是发电机扭矩，ω_g是发电机转速，τ_m是马达扭 矩，ω_m是马达转速)。在这种称为运转的正向分流模式中，发动机16将动力 传送至行星齿轮20，该行星齿轮20将功率(τ_rω_r)传送至副轴31，副轴31 驱动车轮40。行星齿轮功率(τ_gω_g)的一部分分配至向电池12传送充电功率 的发电机50。电池12驱动将功率(τ_mω_m)分配至副轴31的马达46。

如果发电机制动器55动作，则建立了并联运转模式。在并联运行构造中， 发动机16开启且发电机50被制动。在动力从发送机16传送至行星齿轮20 然后传送给副轴31的同时，电池12驱动马达46，所述马达46将动力传送 至副轴31。在第二动力源(描述为包括电池12、马达46和发电机50)运行 期间，马达46从电池12获得动力并独立于发动机16向动力传动系统独立地 提供推进力。

如所描述的，PHEV具有用于将驱动力传送至车轮40的两个动力源。第 一动力源包括发动机16，第二动力源包括电池12。发动机16和电池12能同 时或单独地提供牵引力。控制器10控制电能和燃料能的比例以满足推进需 求，从而相应地控制发动机16和电池12。

根据本发明的实施例，控制器10以提高PHEV的燃料经济性的方式控 制发动机16和电池12。具体地说，控制器10对发动机的运行策略进行修改 以使PHEV的燃料经济性最大化。在本发明的特定实施例中，当车辆将要行 驶的距离(例如，到目的地的距离(D2D))比车辆的CD行驶里程小时，控 制器10控制发动机16和电池12以提高PHEV的燃料经济性。这样，在这些 后面的实施例中，控制器10获知并比较D2D和CD行驶里程。当D2D小于 CD行驶里程时，控制器10相应地修改发动机的运行策略。控制器10可通过 (例如)驾驶员输入D2D值或通过接收由PHEV的导航系统提供的相关的数 据在行程开始前得知D2D。控制器10可基于电池12的SOC知道CD行驶里 程。

例如，在操作中，如果在下一个充电事件前CD行驶里程是20英里， D2D是15英里，则控制器10使发动机16运行以仅供应在瞬态事件中所需要 的额外功率。例如，如果驾驶员需求30KW的推进功率而PHEV的电动驱动 系统仅能输送25KW的功率，那么控制器10启动发动机16以仅供应5KW 的功率，而不是控制发动机16在其最高效率附近运行。在发动机16在其最 高效率附近运行的情况下，发动机16将供应(例如)20KW的功率。这样， 虽然发动机16在仅供应5KW的功率而不是20KW的功率时效率较低，但发 动机16消耗更少的燃料。即，在该示例中，即使当发动机16供应5KW的功 率时的效率低于供应20KW的功率时的效率时，但发动机16在提供5KW的 功率时比提供20KW的功率时消耗更少的燃料。

如果瞬态事件持续5s，那么5KW的发动机输出功率为25KJ能量，而 20KW的发动机输出功率为100KJ能量。假定发动机16在供应5KW的发动 机输出功率时效率为8％，在供应20KW的发动机输出功率时效率为14％， 汽油的体积能量为132MJ/gal。发动机16在瞬态事件期间运转输出5KW功率 时消耗0.002加仑燃料，而发动机16在瞬态事件期间运转输出20KW的功率 时消耗0.006加仑燃料。相应地，当发动机16以低效率运转并仅输出5KW 功率时所消耗的燃料是当发动机16以其最高效率运转并输出20KW的功率时 所消耗的功率的1/3。这样，即使当发动机16仅输出5KW功率并以低效率运 转PHEV具有差的燃料效率时，但PHEV具有更好的燃料经济性。

假定在这15英里的行程中有十个这样的瞬态事件。使发动机16以低发 动机效率仅输出所需求的最小5KW的功率运转时的燃料经济性为750英里/ 加仑。使发动机16以最高发动机效率输出20KW功率运转时的燃料经济性为 250英里/加仑。两个结果都是可评估的。然而，即使在15英里的行程中实际 的燃料消耗之间的差异(0.06加仑)很小，但750英里/加仑的结果相对于250 英里/加仑的结果是相当高的。

现在参照图3，示出了根据本发明的实施例的流程图80，所述流程图80 描述了用于以提高车辆的燃料经济性的方式控制PHEV的方法的操作。通过 (例如)PHEV的控制器10实施本操作过程。

本操作开始于PHEV将要进行的行程的起始处。如框82所示，控制器 10在行程的开始处将发动机16和电池12设定成处于全电动模式(即，EV 模式)。在EV模式中，仅包括电池12的电动驱动系统被配置为提供推进PHEV 的动力。在EV模式中，发动机16不被配置为提供推进PHEV的动力。因此， 在纯EV模式中，在驱动PHEV时没有消耗燃料。

在行程开始前，控制器10得知PHEV将要行驶的行程的距离(例如， 控制器10得知D2D值)。例如，如84框所示，驾驶员输入将由控制器10接 收的D2D值。如果驾驶员在一段时间内没有输入D2D值，那么如框86所示， 控制器10可要求驾驶员提供这样的信息。此外，控制器10可从PHEV的导 航系统自动接收指示D2D值的相关数据。

在获得D2D值后，如框88所示，控制器10计算在整个行程的距离中完 全以EV模式推进PHEV需要从电池12获得多少电能。即，控制器10计算 在发动机16不供应燃料能时需要从电池12获得多少电能以用于在整个D2D 中推进PHEV。所计算的电能称为框88中的“估计的电池能耗”。

参照框90，控制器10获得电池12的SOC值并计算存储在电池12中的 可用于推进PHEV的电能量。因为在任何给定时间电池12需要具有至少预定 最小的电能量(例如，电池12需要具有至少预定最小电量保持SOC水平)， 因此在给定的时间存储在电池12中的所有的电能并不是均可用于推进 PHEV。存储在电池12中可用于推进PHEV的电能称为框90中的“可用的 电池能”。

在框90中，控制器10将所述行程的估计的电池能耗(在框88中得到) 与该行程可用的电能进行比较。如果可用的电能比所估计的电池能耗大，那 么控制器10在行程期间使发动机16和电池12以燃料经济模式运转，从而提 高PHEV的燃料经济性。即，如果电池12具有存储在其中的足够的电能以在 整个行程中以EV模式自己推进PHEV，那么控制器10在行程中运行燃料经 济模式。将在下面参照框92详细描述燃料经济模式下的运转。

另一方面，如果可用的电能比所估计的电池能耗小，那么在行程期间控 制器10使发动机16和电池12以燃料效率模式运转。即，如果电池12中存 储的电能不足以在整个行程中以EV模式自己推进PHEV，那么在行程中控制 器10运行燃料效率模式。下面参照框94和96详细描述以燃料效率模式的运 转。

以另一种方式来说，在框90中，控制器10必要地将D2D(为估计行程 中消耗的电能的基础)和CD行驶里程(为可用于行程的电池电能的基础) 进行比较。如果D2D小于(或等于)CD行驶里程，那么在行程期间控制器 10运行燃料经济模式(框92)。另一方面，如果D2D大于CD行驶里程，那 么在行程期间控制器10运行燃料效率模式(框94和96)。

将参照框94和96开始描述在行程期间燃料效率模式下的运转(即，当 D2D大于CD行驶里程时)。在燃料效率模式中，当驾驶员需求的功率小于电 池极值时，控制器10控制发动机16和电池12以便动力传动系统仅使用存储 在电池12中的电能。如果驾驶员需求更多的功率，那么控制器10启动发动 机16以满足增大的驾驶员需求的功率。然而，控制器10以燃料能效率最优 化的方式运转发动机16，如框94所示。例如，如果驾驶员需求的功率超过 电池容量10KW，那么将在给定的运转条件下启动发动机16并以25KW运转， 因为燃料消耗与电力产能比值最好在25KW(见图4所示的图中的点97)。即， 发动机16以其最高效率运转，其中，在最高效率下，发动机16供应25KW 的发动机输出功率。这样，即使仅需要10KW的额外功率以满足增大的驾驶 员需求的功率，但发动机16却供应25KW输出功率。25KW的发动机输出功 率中的10KW功率传送至车轮40以从而满足增大的驾驶员需求的功率，剩余 的15KW用于对电池12充电(通过发电机50)而不是被传送至车轮40。即， 从发动机16输出的10KW的额外功率被传送至车轮40，而从发动机16输出 的剩余的15KW的功率被用于对电池12充电以便后续使用。

如框96所示，当控制器10在获知D2D大于CD行驶里程后运行燃料效 率模式时，控制器10可通过显示器等告知驾驶员已运行燃料效率模式(而不 是燃料经济模式)。

现在将参照框92描述在行程期间燃料经济模式下的运转(例如，当D2D 小于CD行驶里程时)。将再次使用上述讨论的用于燃料效率模式的示例情形。 在燃料经济模式中，所期望的是使用电池12的电能以节省燃料。当驾驶员需 求的功率超过电池12的容量时，那么控制器10启动并运转发动机16以仅供 应10KW的发动机输出功率(见图4所示的图中的点99)。即，控制器10控 制发动机16仅供应所需求的额外功率(10KW)以满足增大的驾驶员需求的 功率。这样，控制器10不使发动机16在其最高效率附近运转，其中，在最 高效率下，发动机16在燃料效率模式下供应25KW的发动机输出功率。即使 燃料能使用的效率较低(即，低于燃料效率模式下的效率)，但降低了总燃料 使用量(即，增加了燃料经济性)。用于对电池12充电的电网供应的电能可 为所消耗的燃料(每单位能量)的1/3，所以通过燃料经济模式使用更少的燃 料节省了成本且结果使燃料消耗比英里/加仑更高。

如参照图3的描述，当D2D小于CD行驶里程时，根据本发明的特定实 施例的控制策略以框92的燃料经济模式运行。然而，如上所述，在本发明的 其他实施例中，即使不对D2D和CD行驶里程进行任何考虑，也能进行燃料 经济模式的运转。即，依据图3的框92的以燃料经济模式的运转不依赖于由 驾驶员或导航系统输入的任何D2D信息。相反，可以响应于驾驶员通过(例 如)启动转换开关或指示燃料经济模式的HMI输入了选择燃料经济模式，而 以燃料经济模式的运转。总之，在本发明的其他实施例中，控制器10不要求 或不使用D2D。取而代之的是，在不知道驾驶员想要行驶多远的情况下，控 制器10仅使动力传动系统以燃料经济模式运转，以便使燃料经济性最大化。

虽然上面描述了示例性实施例，但并不意味着这些实施例描述了本发明 的所有可能的形式。相反，在说明书中使用的词语是描述的词语而不是限定， 应理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种改变。此 外，可结合各种实施实施例的特征以形成本发明的进一步实施例。