用于混合动力电动车辆的发动机功率需求负荷测量

摘要

本发明公开了一种在控制带有动力分离特性的混合动力电动车辆的发动机中控制发动机功率需求的方法。在从加速或减速运转模式转换至稳定态运转模式之后，通过使用过滤常数降低或避免了由于驾驶员功率需求的功率需求失常激增，过滤常数作为车辆驱动轮处的归一化驾驶员功率需求的函数在电池功率约束内变化。

说明书

本申请要求于2008年7月21日提交的第61/082,353号美国申请和于2009年6月12日提交的第12/483,285号美国申请的优先权，所述申请通过引用全部包含于此。

技术领域

本发明涉及在混合动力电动车辆动力系中控制来自发动机的功率，其中由道路负荷确定发动机功率需求。

背景技术

在混合动力电动车辆(HEV)动力系特别是带有分开的来自发动机和电动马达的动力流路径的动力分离混合动力电动车辆动力系中，该路径具有两个动力输入齿轮元件和一个动力输出元件。齿轮元件中的两个具有一定的旋转方向和速度大小，其确定了第三元件的旋转方向和速度。元件中的一个可保持为恒定速度，而其它元件可改变。该特性与传统无级变速器的特性相似。然而，与传统无级变速器不同，尽管齿轮元件之间的速度关系可以改变，但扭矩关系是固定的。

在例如美国专利6,994,360中显示的所谓动力分离混合动力电动车辆动力系类型中，发动机转速和发动机节气门的运转的选择是基于发动机功率需求的。该发动机功率需求由车辆系统控制器主要基于驾驶员需求的车轮功率来计算。通常，通过加速踏板输入或来自速度控制系统的输入测量驾驶员需求的车轮功率。其还基于高压电池荷电状态(state-of-charge)。指定一个发动机功率需求，车辆系统控制器选择发动机转速和发动机扭矩以满足发动机功率需求同时最优化燃料经济性并最小化车辆排放。

动力分离HEV与无级变速器(CVT)相似的特性允许车辆在较大的发动机转速范围内以任何指定的车速运转。作为最优化燃料经济性的结果，目标发动机转速对驾驶员需求的车轮功率的微小改变相当敏感。然而，发动机运转点的频繁微小改变所导致的瞬间发动机功率需求状况会降低燃料经济性、增加车辆排放、并导致发动机转速振荡或不稳定的不良驾驶员感觉。

可通过采用简单过滤器过滤发动机功率需求来减少瞬态状况。然而，这种过滤器也会由于延迟发动机对加速或减速要求的响应而负面影响车辆性能。

发明内容

本发明实施例的控制系统的方法在驾驶员企图维持恒定的车速时提供了稳定的发动机运转点。还提供了对驾驶员企图加速或减速车辆的快速响应。为了区分稳定态和瞬态状况，将驾驶员需求的功率与道路负荷功率(road-loadpower)相比较。当驾驶员需求的功率高于道路负荷功率时，车辆将加速。当其低于道路负荷功率时，车辆将减速。

当驾驶员需求的功率低于最大过滤功率并高于最小过滤功率时，认为车辆处于稳定态。道路负荷功率基于车辆滑行系数(coast-down coefficient)(摩擦损失和气动阻力，为车速的函数)计算，并由推断的道路坡度进行补偿。将功率需求与道路负荷相比较。使用基于该差值的归一化函数的过滤常数过滤该差值。

附图说明

图1为能够采用本发明改进的混合动力电动车辆动力系的示意图。

图2为发动机功率需求和驾驶员需求的车轮功率之间的关系图。

图3为显示了发动机功率需求计算的流程图，其包括用于使得发动机功率需求与道路负荷相等的过滤器。

图4为显示了用于确定过滤常数的图。

具体实施方式

能够使用本发明一个实施例方法的混合动力电动车辆动力系具有如图1所示的配置。车辆系统控制器10、电池模块12和驱动桥控制模块14包含控制局域网(CAN)。由控制器10控制的发动机16通过扭矩输入轴18向变速器14输送扭矩。

变速器14包括行星齿轮单元20，其包含齿圈22、中心齿轮24和行星架总成26。齿圈22向包含啮合齿轮元件28、30、32、34和36的分级传动比齿轮(step ratio gear)输送扭矩。驱动桥的扭矩输出轴38通过差速器-车桥机构42可驱动地连接至车辆驱动轮40。

齿轮30、32和34安装在中间轴上，齿轮32与马达驱动齿轮44啮合。电动马达46驱动作为中间轴传动装置的扭矩输入的齿轮44。

电池12通过功率流路径48向马达46传输电能。如52处所显示，发电机50以已知方式电连接至电池12和马达46。

当动力系电池12用作发动机停机时的唯一功率源时，通过超越联轴器(overrunning coupling)53对扭矩输入轴18和行星架总成26制动。当发动机运转且动力系处于并行驱动模式时，机械制动器55固定住发电机50的转子和中心齿轮24，中心齿轮24用作反作用元件。

在图1中，车辆系统控制器10从变速器档位选择器63接收信号，如71处所示，该信号与需要的车轮扭矩、需要的发动机转速和发电机制动指令一起被发送至变速器控制模块67。车辆“钥匙点火”启动之后电池接触器或开关73闭合。如69处所示，控制器10向发动机16发出需要的发动机扭矩要求，其依赖于加速踏板位置传感器输出65。

如61处所示，制动踏板位置传感器向控制器发送车轮制动信号。变速器控制模块67向发电机制动器55发出发电机制动控制信号。其还向发电机50发送发电机控制信号。

如前所述，动力传动系统有两个动力源。第一动力源为发动机和发电机子系统的组合，其使用行星齿轮单元20连接在一起。另一动力源仅涉及包括马达、发电机和电池的电动驱动系统，其中电池用作发电机和马达的能量储存介质。

在稳定态状况期间，对发动机功率需求计算应用过滤器(filter)以意图驱使发动机功率需求逼近道路负荷(参见图2)。高压电池补充发动机功率需求和驾驶员需求的车轮功率之间的任何差值。因此，道路负荷功率周围的区域为电池的可充电功率和可放电功率的函数，在该区域中驱使发动机功率需求逼近道路负荷功率。如果发动机运转点在高于道路负荷功率曲线而低于最大过滤功率的区域中，则电池需要充电。如果其低于道路负荷功率曲线而高于最小过滤功率，则电池需要放电。

图2为显示了车辆驾驶事件的时间图，其中绘制出了曲线96所示的在给定时间周期内的道路负荷功率。在加速期间，道路负荷功率将从加速期开始时的低值增加至稳定态巡航模式期间的高值。当车辆减速时，道路负荷将如98处所示地降低。随着驾驶员需求的功率增加，车辆加速。这在图2中100处显示出来。随着驾驶员松开发动机节气门，驾驶员需求的车轮功率如102处所示地降低。此时，车辆将进入稳定态巡航模式。最终，如104处所示，随着车辆减速，驾驶员需求的车轮处功率降低。

曲线106绘制了稳定态巡航运转期间过滤功率需求的最大功率，而曲线108绘制了稳定态巡航运转期间过滤功率需求的最小功率。车辆系统控制器在每个控制器控制循环或时间步长(time step)期间计算最大过滤功率和最小过滤功率。

车辆系统控制器可为已知设计的微处理器，其中微处理器在每个控制循环期间确定曲线106上的数据点和曲线108上的数据点。功率需求曲线上的数据点110和道路负荷功率曲线上的对应的数据点112之间的距离指示驾驶员车轮功率需求的微小改变，该驾驶员车轮功率需求微小改变会导致发动机运转点微小改变。这种改变趋向于引起发动机转速的改变，其可被车辆驾驶员感觉到。因此，需要使用本发明的过滤技术减小驾驶员车轮功率需求的改变的大小和持续时间，并驱使功率需求点逼近如114处所示的过滤后功率需求值。

最大过滤功率曲线106和最小过滤功率曲线108之间区域的大小为电池SOC和SOC上、下限的函数。在于120处进入过滤区域之前，如116处所示发生功率需求的过滤，在该处发生加速。由于在那一时刻过滤常数没有改变所以过滤的功率需求曲线基本上与未过滤的功率需求曲线100一致，这样过滤器作用为常见的贯穿过滤器(pass-through filter)而不影响功率需求。随着功率需求曲线在120处进入过滤区域，过滤常数从快速值改变为慢速值，从而迫使功率需求曲线逼近道路负荷功率曲线。这在图2中124处显示了出来。如126处所示功率需求曲线可发生过冲(over-shoot)，但如128处所示，其后的控制循环期间反向的过滤常数大小将修正该过冲。该过程持续直至稳定态巡航模式在点122处终止。

通过在每个控制循环期间根据电池荷电状态(SOC)和电池充电、放电功率极限的函数计算最大功率值来确定图2中的最大过滤功率曲线。这在图2中显示出来。以类似的方法，通过在每个控制循环期间根据电池荷电状态(SOC)和电池充电、放电功率极限的函数计算最小过滤功率曲线。

如上所述，使用包括车辆滑行系数(例如摩擦损失和气动阻力)的变量根据车速的函数计算道路负荷功率曲线96。

在图3中，在步骤82处计算80处显示的过滤器的过滤常数。82处发生的计算的输入为道路负荷功率84以及电池荷电状态和电池极限86。比较88处的驾驶员需求功率和道路负荷功率84，并如90处所示的以电池充电或放电请求补充任何差值。如92处所示，在计算发动机功率需求时考虑系统中的估计损失。

图4显示了用于确定过滤常数的图，该过滤常数可在车辆系统控制器的各个控制循环期间改变。W处显示了过滤常数。加速模式期间过滤常数为快速值。这在图4中130处显示出来。在从加速模式向稳定态模式的转换期间，过滤常数的值降低直至计算出132处的慢速值。如果车辆减速，过滤常数将从134处的快速值改变至136处的慢速值。在稳定态巡航模式运转期间，过滤常数将改变为130处和134处之间的值。

在以稳定态巡航模式运转期间，在确定过滤常数时使用车轮处驾驶员需求的归一化值。其计算如下：

如果驾驶员需求＞道路负荷，则归一化的驾驶员车轮功率需求为：

$\frac{P_{\mathrm{driver}}-P_{\mathrm{road>}}}{P_{\max }-P_{\mathrm{road>}}}$

如果驾驶员需求＜道路负荷，则归一化的驾驶员车轮功率需求为：

$\frac{P_{\mathrm{driver}}-P_{\mathrm{road>}}}{P_{\max }-P_{\min }}$

其中，P_driver为驾驶员车轮功率需求，P_road load为道路负荷功率，P_max为最大过滤功率，P_min为最小过滤功率。

当P_driver为P_max时归一化值为1.0。当P_driver等于道路负荷时，归一化值为0。当P_driver为P_min时归一化值为-1.0。

在图3中，过滤器80的输出信号在Y处显示。如90处所示，该值与电池充电或放电请求以及估计损失相结合以确定发动机功率需求。在稳定态状况期间，根据当前的发动机功率、道路负荷功率以及最大过滤功率和最小过滤功率使电池充电或放电，以减小发动机功率的改变。即，使在当前的控制循环期间确定的发动机功率需求接近或等于上一控制循环期间确定的发动机功率需求(即，当前的发动机功率)。例如，如果当前的发动机功率在高于道路负荷功率曲线而低于最大过滤功率的区域中，则电池需要充电，根据当前的发动机功率与道路负荷功率的差值确定电池的充电量作为池充电或放电请求。如果当前的发动机功率低于道路负荷功率曲线而高于最小过滤功率，则电池需要放电，根据当前的发动机功率与道路负荷功率的差值确定电池的放电量作为池充电或放电请求。此外，在需要考虑估计损失时，在计算电池的充电或放电量时也需要从当前的发动机功率减去估计损失。

图3中可见的Y值如下计算：

$Y\left(k\right)=w\left(\frac{u\left(k\right)+u(k-1)}{2}\right)+(1-w)Y(k-1)$

其中：Y为输出；

u为驾驶员需求功率；

w为过滤常数；

k为车辆系统控制器的控制循环的索引；

概括而言，过滤常数的计算由下列步骤确定：

首先，如果驾驶员需求正在接近道路负荷功率，则过滤器为贯穿过滤器。这允许发动机功率需求尽可能快地接近道路负荷功率。

其次，如果驾驶员需求正在远离道路负荷功率，则作为其与道路负荷功率的距离的函数来计算过滤常数。这允许在稳定态巡航期间过滤较多而当车辆加速或减速时过滤较少或没有过滤。

再次，以需要在道路负荷功率周围内进行过滤的区域的大小来对与道路负荷功率的距离进行归一化。这在图2中有所展示，其中绘制出了最大过滤功率和最小过滤功率以及道路负荷功率。这使得对过滤常数的校准与道路负荷周围区域的大小无关，而是根据电池充电和放电功率极限以及电池荷电状态的函数而改变。

道路负荷功率用于启用或停用过滤器。相反地，传统设计的简单过滤器或速度限制在所有运转状况下在发动机功率需求的改变期间都是启用的。

本发明使得控制使用的电池功率的量成为可能。由过滤器导致的电池充电或放电的量被限制在道路负荷功率周围区域的大小。相反，在发动机功率需求改变时简单的过滤器或速度限制会导致瞬态功率改变期间较大的电池功率失常激增。

通过使用道路负荷曲线周围区域的大小执行功率需求的归一化，其降低了这种失常激增并简化了校准。

尽管已经公开了本发明实施例，本领域技术人员应当了解可不脱离本发明的范围作出修改。所有这种修改及其等同变化由下面的权利要求所限定。