用于混合动力电动汽车的电动油泵系统和控制装置

摘要

本发明公开了一种用于混合动力电动汽车动力传动系统的内燃机的内燃机润滑油流控制系统和控制方法。内燃机润滑油泵由润滑油泵马达提供动力。在从内燃机关闭驱动模式向内燃机开启驱动模式转换时，在内燃机起动的开始时，启动润滑油泵马达。用内燃机油压信号显示内燃机过滤器需要维护。油泵马达可以由汽车动力传动系统的牵引电池提供动力。

说明书

技术领域

本发明涉及具有内燃机的汽车动力传动系统(powertrain)，该内燃机具有电动马达提供动力的内燃机油润滑泵。

背景技术

混合动力电动汽车动力传动系统一般地具有两个电机和一个内燃机。在一种运行模式中，内燃机和电机定义两条通向汽车主动轮(tractionwheels)的动力通道。一个电机在一种运行模式中作为发电机，在另一种运行模式中作为马达。同样地，另一个电机作为马达或发电机运行也取决于运行模式。上述电机电连接至高压牵引电池。

在所谓的分开动力(divided power)混合动力电动汽车动力传动系统中，第一动力源是这样建立的，即内燃机输出动力通过对第一电机的控制被分成两条通道，该第一电机在这种情况下将作为发电机。一条机械动力通道从内燃机延伸通过齿轮系统到传动装置，其传输驱动动力到汽车的主动轮。一条电动力通道从内燃机延伸到发电机和第二电机，该第二电机在这种情况下将作为马达。马达的输出扭矩通过传动装置传输到主动轮。通过控制发电机速度，将内燃机动力分开以实现所谓的正动力分配(positivepower split)。如果发电机作为马达，从发电机输入到传动装置的动力将建立所谓的负动力分配(negative power split)。发电机在这样的动力传动系统结构中可以被制动，这样内燃机可以通过完全机械的通道传输扭矩，因为马达建立有电力通道，该马达由电池提供动力。

当该动力传动系统要提供第二动力源时，在汽车的前进和倒退运行中不依赖内燃机，马达单独地使用电池动力向主动轮提供驱动扭矩。内燃机关闭，发电机使用电池动力独立地作为马达驱动汽出行进。

从前面的描述中可以明显看到，每一次动力传动系统从一种运行模式转换到另一种时，内燃机必须启动或关闭。

传统的动力传动系统中的内燃机，需要润滑油泵(lubrication oilpump)，其通常由内燃机驱动，润滑油从内燃机油槽流经内燃机的移动组件进行循环。其然后流回到一个槽中。在这种结构中的油槽称为湿槽(wetsump)。

具有湿槽的内燃机的一个例子可以在第5,606,946号美国专利(图7a)中看到。如果内燃机具有所谓的干槽(dry sump)，内燃机驱动油泵必须快速地从辅助储油器向内燃机传输润滑油。例如，美国第5,606,946号专利的图7b示出了这样的润滑油流回路。

在前面所述类型的混合动力电动汽车中，内燃机频繁地关闭和开启将会减少燃料消耗，但是在每次启动之前，在润滑油系统中会有低油压。频繁的内燃机启动/关闭循环会因为在内燃机的相对移动的元件表面的薄油膜而增加内燃机磨损，其对内燃机的使用寿命有潜在的不利影响。在典型的混合动力电动汽车动力传动系统中，电机的独特的工作周期根据环境和内燃机的使用情况而不同。为日常的内燃机保养，什么时候应该进行内燃机换油也是很难察觉的。

发明内容

本发明的实施例公开的动力传动系统结构具有内燃机，该内燃机具有干油槽，其与内燃机润滑油泵流体连通(fluid communication)，该油泵由电动马达驱动，该电动马达由牵引电池控制模块控制的动力传动电池提供动力。油泵具有位于动力传动系统的适宜位置的单独的储油器。

牵引电池控制模块从汽车系统控制器接收适当的指令，该汽车系统控制器依次对输入信号，包括由驾驶员操控的油门踏板动作决定的驾驶员动力指令，牵引电池荷电状态，操作者选择的汽车传动驱动级和环境输入，其包括内燃机油压，内燃机速度，内燃机油温，内燃机载荷，内燃机运行时间和汽车排气系统催化剂温度作出响应。控制器同时会监测内燃机油过滤器寿命。

控制运算规则会使用汽车控制器提醒操作者需要依照保养时间表更换内燃机油过滤器。该提醒通过一个给定的油泵驱动扭矩来探测内燃机油泵压力来完成。如果内燃机油过滤器开始阻塞，就需要更大的电动马达扭矩来克服润滑油系统的流阻。在校准的最大马达扭矩级别，其可以从最大电流或电压变化计算得到，一个标记会设置在汽车系统控制器中，警报信号会发送到位于乘员舱的组合仪表显示装置(instrument cluster display)，以告知操作者油过滤器应该更换了。

为了避免内燃机在油泵压力低于最佳值时起动，本发明的方法会在内燃机起动过程开始之前，使内燃机充足油压。这样通过在内燃机起动模式期间提供重要的油膜，将避免内燃机磨损。

如果内燃机具有液压阀间隙调节器，如果在内燃机起动时液压间隙调节器不受压，就会产生不希望有的阀振动噪声。当内燃机关闭时，间隙调节器会排油和降低储油器中的油压，特别是在内燃机已经关闭了较长一段时间后。本发明的方法也纠正了这种情况。

本发明的内燃机油润滑系统和方法不需要使用传统的内燃机在内燃机正常高速使用中所用的旁通阀。因为油泵不需要对高输出压力进行泵出，这将提高内燃机的运行效率。本发明的方法将使精确地测量流过内燃机的油流成为可能，因为对于大多数运行条件，即使是在高内燃机运行速度时，都不需要油流旁路。

如果内燃机包括可变凸轮轴正时特征，内燃机凸轮轴可以在内燃机起动之前，利用内燃机油压液压预置位。这将进一步地增进内燃机的运行效率，并减少内燃机起动时间。

因为油压可以在内燃机关闭时维持，油循环可以在内燃机起动和点火之前继续。因此在内燃机关闭时，可以维持油温在较高值，因为油在内燃机中循环。

本发明的内燃机油泵系统和方法也可以应用于具有湿槽的内燃机。但是干槽系统，不像湿槽系统那样，可以将电动马达驱动油泵和储油器设置于汽车内燃机舱的最方便的位置，而不是内燃机气缸的下面。

为润滑油泵提供动力的电动马达可以通过继电器电连接至电池控制模块的牵引电池，该电池控制模块包括电压转换器。这将不需要为泵马达使用单独的低压电池。

本发明的系统和方法将监测驾驶员输入数据和汽车系统输入数据，以决定在从单独的电动驱动模式向具有内燃机开启的驱动模式转换时，内燃机油泵马达应该开启的时刻。其决定油泵运行温度是否为校准值。

如果内燃机具有液压可变凸轮轴正时特征，内燃机可以在泵润滑压力为高时启动。内燃机速度爬升，润滑油流被精确测量。可以根据内燃机载荷，在高流值和低流值进行测量。

附图说明

图1表示混合动力电动汽车动力传动系统，其具有从内燃机和发电机-马达子系统到汽车主动轮的分开动力通道，该动力传动系统包括本发明的具有电动油泵控制的马达驱动润滑油泵；

图2为图1中所示的动力传动系统的组件及组件之间动力走向的示意图；

图3为一图表，表示内燃机速度和油流速之间的关系，该图表寄存于图1的汽车系统控制器(vehicle system controller)的存储寄存器(memoryregisters)中；

图3a为一流程图，示出了图1所示的动力传动系统的汽车系统控制器使用的、用于控制马达驱动润滑油泵的软件方法。

具体实施方式

图1示出了具有分开动力通道的混合动力电动汽车动力传动系统，但是本发明也适用于其他类型的混合动力电动动力传动系统，包括纯系(pureseries)动力传动系统，其中内燃机驱动电连接到电动马达和电池的发电机，马达的动力输出通过多比传动装置传输到汽车主动轮。美国专利第7,117,964号公开了具有分开动力通道的动力传动系统和纯系混合动力电动汽车动力传动系统。本发明也适用于内燃机和马达-发电机分别地连接到动力传动装置，以使电动力可以补充内燃机动力的混合动力电动汽车动力传动系统，其中内燃机动力断路离合器可以定位于内燃机和马达-发电机单元。

图1中，分开动力传动系统一般表示为10，内燃机表示为12。传动系统10包括行星齿轮单元14，发电机16和马达18。如20所示，发电机和马达电连接到牵引电池和电池控制模块22。

马达18通过传动装置可驱动地连接到汽车主动轮24，该传动装置包括副轴齿轮26、28和30。副轴齿轮26可驱动地啮合行星动力输出齿轮32。马达驱动齿轮34可驱动地啮合副轴齿轮28。

行星齿轮单元14包含环形齿轮36，太阳轮38和齿轮架40，其可旋转地支承可与环形齿轮36和太阳轮38啮合的行星小齿轮。齿轮架40可驱动地连接到内燃机从动轴42。

发电机16通过发电机主动轴44机械地连接到太阳轮38。

发电机可以通过可选择地啮合的制动器46制动，以建立从内燃机12通过副轴齿轮到主动轮，以及通过差速器和传动轴总成50到可驱动地连接到主动轮的动力输出齿轮48的纯机械动力通道。

当发电机16作为动力源工作时，以在与从马达18到主动轮的动力通道平行的动力通道中，通过行星齿轮单元传输动力到主动轮时，超越联轴节或制动器52为行星齿轮单元提供反动点(reaction point)。

在分开动力传输运行模式中，内燃机扭矩在环形齿轮扭矩和太阳轮扭矩之间分开。环形齿轮扭矩传输到齿轮32，其直接连接到环形齿轮36。太阳轮扭矩驱动发电机16，其在电池为低荷电状态时为电池22充电。如果电池不需要充电，电能传输到马达，其为主动轮提供动力以补充内燃机传输到主动轮的动力。内燃机速度由汽车系统控制器和动力传动控制模块控制，同时他们也控制发电机。发电机作为太阳轮38的反转扭矩。

汽车系统控制器表示为54。其接收输入数据，例如油门踏板位置56，电池荷电状态58，驾驶员选择的传输范围信号60和内燃机点火的连通和切断信号62。

汽车系统控制器根据输入数据执行存储于控制器的存储器的运算规则以产生输出指令，包括为传输控制模块66的传输控制模块指令64，为动力传动控制模块70的内燃机动力指令68，和电池控制模块开关指令72。

内燃机具有油压传感器，其发出油压传感器信号74到动力传动控制模块70。

电动马达驱动油泵76由储油器78供给润滑油。电动马达驱动泵是公知的。一个例子可见于美国专利第6,716,009号。

泵76通过高压油传送通道80传送润滑油到内燃机油过滤器78。由安全阀82为油感压力确定高阈值，安全阀82与从内燃机12通向储油器78的低压油回路84连通。

用于电动马达油泵76的电动马达动力分送至由动力传动控制模块70控制的继电器86。

由图2可见，内燃机可以根据动力传动系统的运行模式开启或关。图2中，内燃机动力(τeωe)如88所示传输至行星齿轮单元14。在分开动力传输模式运转期间，行星齿轮单元会传输动力(τgωg)到发电机16。在内燃机关闭的发电机驱动模式期间，动力沿相反的方向传输到行星齿轮单元14。

在发电机驱动期间，马达18会传输动力(τmωm)到副轴。马达还可以重新获得主动轮的再生能量以为电池22充电。如果发电机被制动，使用电池能量的马达动力可以驱动主动轮前进或后退。

主动轮动力(τsωs)在图2中由90表示。

当电池的荷电状态高时，汽车可以仅由马达动力驱动，内燃机可以关闭。动力传动系统的操作模式由汽车系统控制器控制，在最优化总的动力传动系统效率和性能的同时，控制和调整两个动力源以满足驾驶员的对动力的需求。汽车系统控制器通过驾驶员的选择和油门踏板的位置获得驾驶员的需求。然后决定每一个动力源需要在何时以及提供多少，以满足驾驶员的需求和达到精确的汽车性能。

当汽车系统控制器发出指令在仅使用电力的运行模式后发动内燃机，本发明的方法会使电动马达油泵在点火和内燃机开始起动之前在内燃机润滑油系统产生油压。用实验数据确定会最小化寄生损失和提供可以接受的内燃机寿命的油流需求。本发明的软件方法以开环方式(open loopfashion)使用这些数据，以控制足以在整个内燃机速度范围内提供预校准油压的电动油泵马达扭矩。

随着吸入内燃机的油的量的增加，油压力增加。当达到足够高的压力后，安全阀82会开启，从而防止润滑油系统的过度压力。不需要使用旁通阀(bypass valve)，然而，在发动机普通高速运行时要用，这将会在随后说明。使用本发明的控制方法，油流将在高内燃机速度下精确的测量。因为不需要返回储油器78的油旁路，内燃机工作效率提高了。

如果内燃机包括可以使用可变凸轮轴正时特征液压预置位的凸轮轴，由本发明的方法产生的内燃机油压可以用来预置位凸轮轴，以在点火之前减少内燃机起动扭矩和内燃机起动时间。

一个具有可变凸轮轴正时特征的内燃机的例子，由托马内克(Thomanek)等人公开于1999-01-0641的SAE Paper。

当内燃机处于低温状态时，油的高粘度使将油泵入内燃机油道(oilgalleries)变得困难。内燃机油安全阀会防止压力的过度升高。当油变暖时，一般粘度会足够的低以保持安全阀关闭。

油压是油粘度和油流速的函数。其可以以下式表示：

ΔP≈Q×μ，

其中，Q是内燃机速度和油流速的函数。

内燃机可以首先使用电动马达油压，这样可在内燃机起动前达到最佳的油压。这会减少磨损，因为大部分内燃机磨损发生在最初的内燃机起动中。此时，产生了润滑油膜。而且，如上所述，当内燃机具有液压间隙调节器时，在内燃机起动之前内燃机油压的提高将减小气门间隙噪声。当内燃机关闭时，间隙调节器内的油压会降低，输出油压到内燃机储油器中。

内燃机油温根据内燃机扭矩，内燃机速度，汽车速度，以及内燃机运行时间计算。算得的油温被分送至位于计算机存储器的油流阵列(oil flowarray)。油流阵列示意性地显示于图3的92中。阵列92为三维阵列，其包括油压。本发明的方法将利用油流阵列中的信息来计算电动油泵76的马达速度，以得到最佳油流。这些最佳油流值显示于图3的94和96中，在油流速和内燃机速度的关系图表中。如图3所示，基于已有数据算得的修正系数，将应用于油流速值。如94和96所示，其分别示出了用于低内燃机载荷和扭矩以及高内燃机载荷和扭矩的一条低的标线和一条高的标线。

除了上面所述的，电动马达油泵压力的值可以用于内燃机油和内燃机油过滤器变化间隔的系统自检。在给定速度运行的电动油泵马达需要固定值的扭矩，以加压至内燃机润滑油系统。

当内燃机油过滤器78阻塞时，需要更大的电动马达扭矩来克服润滑油系统的阻力，以保持相同的速度。一旦内燃机达到恒定的运行温度，油粘度表现为线性；即，内燃机油粘度和内燃机油温的关系在二维图表中基本上呈直线。

油流速恒定时，为了在某一最大马达扭矩范围内保持恒定流速，泵压必须增加以抵抗流速增加，该扭矩范围可以使用电动马达最大电流计算得到。当达到最大电流时，发送一个标记代码(flag code)到汽车系统控制器，其将发送信号到汽车组合仪表显示装置，如图1中116所示，以告知驾驶员该换油了。

如果内燃机具有可变凸轮正时特征，由电动油泵76产生的油压可以调整凸轮以提供进气门延迟开闭(late intake valve closing)。这减少汽缸压缩气体的压力，其减少传递给汽车乘员的压力。使用电动油泵压力来控制可变凸轮轴正时特征的能力，可以根据内燃机催化剂温度在内燃机起动精确前定位凸轮轴而减少令人不快的废气排放。

在内燃机起动之前，在内燃机起动过程中内燃机启动前，马达驱动油泵能向内燃机提供油压，此时油温处于理想的高位，因为油泵在内燃机关闭期间保持油循环的能力，温度在内燃机关闭期间能保持在较高位。

本发明的控制方法表示于图3a所示的流程图中。如图3a所示，汽车系统控制器和动力传动控制模块通过监测油门踏板位置、内燃机油压、内燃机速度、内燃机油温、内燃机载荷、内燃机运行时间、尾气催化剂温度和混合电池荷电状态，接收输入数据。这些信息存储于控制器存储寄存器的只读存储器(ROM)部分。

包括于只读存储器中的是图3中示出的油流阵列信息。其包含对于不同温度值与内燃机速度相对应的油流速标线。温度是图3的图表中的三个变量之一。其它两个变量表示内燃机速度和油流速。在内燃机高载荷时的流速显示于94，实际上为一个面而非一条二维的线；但是为了图示的目的，其表示为线性标线，因为第三变量温度没有显示出来。同样地，对于不同内燃机速度的，在内燃机低载荷时的流速二维的显示于图3的图表中。实际上，标线96应当为三维表面，因为第三座标，即温度，没有显示于图3中。

之前说明的所谓的“修正系数”决定94所示的标线和96所示的标线之间的间隔。该修正系数为校准值。

98所示的直线，表示内燃机速度和油流速之间的关系，同时用于内燃机的传统内燃机驱动机械润滑油泵和如图1中76所示的马达驱动油泵。

如果为机械系统，在点100处会开有旁通阀，润滑油会迂回到内燃机油槽中。这会产生不希望的动力损耗。如果是本发明，油流会被计量在适当速度，根据内燃机载荷，显示于如94所示的标线或96所示的标线。

如果汽车系统控制器和动力传动控制模块显示内燃机将要起动，油泵在图3a中步骤102起动。监测内燃机油温，在图3a中的决定方框104决定油泵是否在其校准的运行温度。如果不是，程序回到开始。如果运行温度在其期望值上，可变凸轮轴正时延迟，内燃机在动作方框106起动。

内燃机起动后，内燃机在动作方框108爬升到所需的速度。

在决定方框110，决定操作者所需的汽车动力。如果动力需求为高，内燃机油泵保持运行，如112所示。如果动力需求为低，汽车系统控制器和动力传动控制模块会关闭内燃机，油泵压力会逐渐降低，如114所示。

尽管本发明的一个实施例已经披露如上，对所属技术领域的技术人员来说，显然，在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以做出各种变更。所有这些变更和等同物均包括于本发明的范围中。