在双模式混合动力车辆中控制EV模式转换的方法和系统

摘要

本发明涉及一种在双模式混合动力车辆中控制EV模式转换的方法和系统。该方法在车辆中执行仅电(EV)模式转换，包括使用控制系统确定车辆运行值，处理该值以识别转换，和执行到或从第一或第二EV模式的转换。该转换通过选择性地接合和脱开输入制动器到零，且通过使用第一和/或第二牵引马达以将输入制动器上的转差同步而执行。当转换是从第一到第二EV模式或相反时，控制系统可使用多个速度和扭矩控制阶段以进入多个中间模式，例如，一对发动机运转的电变速传动模式和固定档位模式。车辆包括发动机、输入制动器、第一和第二牵引马达、和经由马达在第一和第二EV模式中驱动的变速器。车辆包括上述的控制系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在双模式混合电动车辆中控制仅电(electric-only) 车辆(EV)模式转换的方法和系统。

背景技术

一些车辆可使用来自一个或多个电牵引马达的电力被驱动。例如，混合 电动车辆可选择性地断开内燃机以允许在仅电/电动车辆(EV)运行模式中 推进车辆从而保存燃料，以及将即时马达输入扭矩传递到变速器。双模式混 合电动车辆具有一对EV模式以进一步优化车辆性能，以及各种固定档位和 电可变变速器(EVT)模式。

在强混合设计中，通过单独使用的发动机扭矩或连同来自一对高压电牵 引马达的一个或两个的马达扭矩，发动机可在临界速度之上被自动地重新起 动，以推进车辆。其它车辆设计诸如电池电动车和增程式电动车也使用EV 运行模式以最大化燃料经济和最小化尾气排放。

当发动机速度为零(即，电驱动)时，或在发动机被连接到输出件而车 辆速度为零(即，发动机运转起步(engine-on launch))时的发动机旋转时， 或在之间的任何地方，具有EVT的车辆可经由牵引马达驱动。典型地，多 液压促动范围离合器(range clutch)被用于允许在连续可变模式(以下称为 EVT模式)和多个固定档位模式之间切换或转换。在输入-分流(input-split) 或串联-并联架构中，一个牵引马达可推进车辆，同时另一牵引马达保持发 动机速度为零。这有助于避免来自发动机摩擦和泵送的损失。然而，相对于 双模式混合电动车辆的双马达设计，单马达电推进已限制了电起步(launch) 和加速能力。

发明内容

一种方法和控制系统在此被提供用于在具有一对电牵引马达和输入制 动器的双模式混合动力电动车辆中使用。输入制动器被加入到双模式架构以 充分利用双模式系统的潜在能力。该方法经由控制系统自动地执行，该控制 系统可被配置为单个的或分散式(distributed)控制系统，以在预先确定的电 动车辆(EV)模式转换中优化转换/切换质量。

如在这里使用的，术语“EV模式转换”是指从一种EV运行模式，或 从发动机运转/连续可变(EVT)模式到另一EV运行模式的状态或运行模式 转换。术语“EV模式转换”也可指从一EV运行模式到另一EV运行模式或 到发动机运转/EVT运行模式的转换。本方法因此通过以在此描述的方式控 制输入制动器和变速器输入速度/扭矩可使EV模式转换以最优的切换质量 发生。

具体地，在车辆中执行EV模式转换的方法包括在EV模式转换之前使 用控制系统确定一组车辆运行值，处理车辆运行值以由此识别何时转换即将 发生，和执行到或从第一或第二EV运行模式的转换，作为EV模式转换。 执行转换可包括在转换期间选择性地接合和脱开输入制动器，和使用第一和 第二牵引马达中的至少一个以将跨输入制动器的转差量同步到零，以及通过 使用第一和/或第二牵引马达在输入制动器被接合或被脱开之前卸载输入制 动器。

当EV模式在两个EV模式之间进行时，该方法包括通过多个速度和扭 矩控制阶段以由此进入多个中间状态(例如，一对电可变变速器(EVT)模 式和固定档位模式)在两个EV模式之间转换，。

从EV模式到固定档位状态的转换包括从EV模式到EVT模式，及然后 到固定档位状态的EV转换。同样地，从固定档位状态到EV模式的转换包 括从固定档位状态转换到EVT模式，和然后从EVT模式转换到EV模式。

本发明的上述特征和优点及其它特征和优点，从用于施行本发明的最佳 模式的下面的详细描述当结合附图时显而易见。

附图说明

图1是具有用于控制各种仅电(EV)模式转换的系统的双模式动力混 合车辆的示意图；

图2是描述用于控制图1示出的车辆中的EV模式转换的方法的流程图；

图3是描述可经由图2的方法执行的EV到EV模式转换的流程图；

图4是描述另一种EV到EV模式转换的流程图；

图5是描述EV到发动机运转的电可变变速器模式(EVT)转换的流程 图；

图6是描述EVT到EV模式转换的流程图；

图7是描述另一种EV到EVT模式转换的流程图；及

图8是描述另一种EVT到EV模式转换的流程图。

具体实施方式

车辆10在图1中被示出。车辆10可被配置为具有内燃机12的双模式/ 强混合动力车辆，内燃机12可经由离合器和阻尼器组件23被选择性地连接 到变速器14。发动机12可用于选择性地为车辆10提供动力，且当需要以允 许车辆在电动车辆(EV)状态或运行模式中被推动时可选择性地被关闭。 作为双模式混合动力，车辆10具有一对不同的发动机-关闭(engine-off)EV 模式，为了清楚这里称为EV1和EV2。车辆10还具有一对连续可变(EVT) 模式，也就是，EVT1和EVT2，其中EVT1覆盖比EVT2更高的速度比范 围。此外，车辆10包括四个固定档位模式，也就是FG1、2、3和4，它们 通过如下描述的同时锁定两个范围离合器而实现。第二固定档位，FG2，位 于在EVT1和EVT2之间的同步转换比点(the ratio of the synchronous  transition point)，且用作如下解释的EV转换期间的中间或过渡模式。

从任一EV模式(EV1或EV2)到任何其它模式或从任何其它模式到任 一EV模式(EV1或EV2)的模式切换或转换可通过控制系统40确定，其 中转换根据参考图2描述的本发明方法80而执行。方法80可通过控制系统 40的相关联的硬件和软件部件自动地执行以便确定当前模式和被命令的模 式，并且以便从如下参考图3-8解释的各种转换方法100-600中选择。控制 系统40通过不同的速度和扭矩控制阶段而控制车辆10的不同元件。如本领 域中所理解的，速度控制阶段包括控制输入速度(例如来自发动机12的)， 直到跨过指定的离合器实现同步化。扭矩控制阶段包括将扭矩从将停用 (off-going)的离合器传输到将使用(oncoming)的离合器，同时保持这些 离合器同步。

控制系统40被配置为经由一组控制信号(箭头42)选择性地执行方法 80。该组控制信号(箭头42)表示在模式转换控制的速度和扭矩控制阶段期 间的自动速度和扭矩控制命令，该组信号在特定模式转换期间被传输到受影 响的各动力传动系部件。这样的动力传动系部件包括变速器14，为说明清楚 该变速器在此以杆视图的方式示出。变速器14的一个可能的实施例包括相 应的第一和第二行星齿轮组20和30。第一行星齿轮组20可具有如图所示的 三个节点22、24和26。同样地，第二行星齿轮组30可具有三个节点32、 34和36。

图1的变速器14具有三个制动离合器，包括输入制动器11，第一制动 器13和第二制动器21。如下所描述，输入制动器11可以是主动促动摩擦制 动设备，或它可以可替换地被配置为被动促动单向离合器111，也就是，被 动飞轮(freewheel)设备，其沿一个方向保持扭矩和沿另一方向自由旋转。 所有制动离合器将变速器14的指定部件选择性地连接到固定部件25。

变速器14还具有三个旋转离合器，也就是分别是第一、第二、和第三 离合器15、17、和19，如所示，离合器19将第一行星齿轮组20的节点26 选择性地连接到第二行星齿轮组30的节点36。输入制动器11在第一行星齿 轮组20的节点24处制动发动机12的旋转，其中输入制动器是在EV模式 转换期间经由方法80控制的主离合器。

仍参考图1，相应的第一和第二电牵引马达16和18，分别在EV1和EV2 期间，以及在两个发动机运转EVT模式(也就是EVT1和EVT2)期间，分 别驱动行星齿轮组20和30。如图所示，第一牵引马达16可被连接到节点 26，例如太阳齿轮，牵引马达18可被连接到节点32，节点32在同一实施例 中也可以是太阳齿轮。马达16、18可以是多相高电压感应或永磁体电机， 其额定值定为约60VDC到300VDC或更多(取决于车辆设计)。变速器输出 构件38被连接到第二行星齿轮组30的节点34(例如，承架构件)，其中输 出扭矩经由输出构件被传输到一组驱动轮(未示出)。输出构件38的箭头被 用于指示朝向车辆10的驱动轮的输出扭矩的方向，其中为了简单起见轮从 图1中省略。

如上所述，车辆10可被配置为具有两个不同EV模式，或EV1和EV2， 的双模式混合动力电动车。当发动机12关掉/未供给燃料时，及输入制动器 11被完全接合时，进入EV1。变速器14在第一仅电模式(EV1)中，其中 输入制动器11和第二制动器21两者都被接合。第一离合器15在任一EV 模式中被应用。在输入制动器11被接合及因此在第一行星齿轮组20处提供 充足的反扭矩时，牵引马达16和18两者均可按照需要提供正推进或负再生 制动扭矩。

在EV2中，发动机12保持关闭及输入制动器11保持完全被接合。在该 第二EV模式(EV2)中，第三制动器19被接合。如同EV1，牵引马达16 和18两者均可在EV2中提供正推进或负再生制动扭矩。

图1的控制系统40可包括充当主机或服务器的一个或多个数字计算机， 每个计算机具有微处理器或中央处理单元、足够的只读存储器(ROM)、随 机存取存储器(RAM)、电可编程只读存储器(EPROM)、高速时钟、模拟 数字(A/D)和数字模拟(D/A)电路、和输入/输出电路及设备(I/O)，以 及适合的信号调节和缓冲电路。控制系统40可包括任何需要的控制模块或 处理器，诸如但不限于用于马达控制、高水平混合动力控制、发动机控制、 制动控制等需要的任何处理器。

存在于控制系统40中或由此容易访问的每组算法或代码，包括用于执 行如下面参考图2-8解释的本发明方法80和任何模式转换方法100-600所需 要的任何算法或计算机代码，可作为一组计算机可执行指令或代码被存储在 非瞬时(non-transitory)或有形(tangible)存储器中，且在需要时被控制系 统40的主机或其它硬件部件执行以提供每个常驻控制模块的各功能。

参考图2，本发明方法80在几个主要步骤(broad step)中进行，以在 步骤82确定需要的车辆运行值，该运行值用于识别当前运行模式、所需的 运行模式和用于到达所需的运行模式所需的转换方法。步骤82可包括确定 当前车辆速度，例如使用轮速或变速器输出速度传感器(未示出)，和/或通 过由处理驾驶员输入(诸如油门水平、制动信号等)计算所需的输出扭矩确 定。一旦所需的车辆运行值被确定，方法80行进到步骤84。

在步骤84，控制系统40确定当前变速器运行模式，也就是变速器14 的模式或状态，这可使用任何合适的方式实现。例如，控制系统40可参考 (reference)混合控制处理器、马达控制处理器、和/或任何其它车辆控制模 块(不论存在于控制系统40内或从控制系统40分离)，以确定当前变速器 运行模式。一旦被确定，方法80行进到步骤86。

在步骤86，控制系统40处理来自步骤82和84的信息，并选择所需的 变速器运行模式。该模式是控制系统40在步骤88将要转换到的模式。在步 骤86，控制系统40从下面描述的各种方法100-600中选择子程序 (sub-routine)或状态转换方法，并行进到步骤88。

在步骤88，控制系统40执行从步骤86选择的状态转换方法，且然后返 回到步骤82。每个状态或EV模式转换现在将参考图3-8描述。

参考图3，方法100被提供用于执行第一EV模式转换，该第一EV模 式转换是EV到EV状态转换，在该转换中控制系统40从EV1转换到EV2。 例如，这样的转换可在图1的车辆10中在加速度约为0.15g和车辆速度为 25mph/40kph时发生。该特定EV模式转换在八个进程中进行，且可参考图 1中示出的结构解释。

从步骤102开始，进程1包括使用控制系统40使来自牵引马达16的输 出扭矩下降至零，及然后使输入离合器11卸载。步骤102可包括将标定的 下降率(ramp-down rate)作用到牵引马达16直到来自马达16的输出扭矩 小于标定阈值，例如，在一个可能的实施例中约0.5Nm。当输出扭矩下降到 标定阈值之下，方法100行进到步骤104。

在步骤104，或进程2，输入制动器11被释放或脱开。车辆10现在处 于一状态，其中发动机12关闭且未被供给燃料，且牵引马达16按照它的扭 矩控制阶段运行。方法100行进到步骤106。

在步骤106，或进程3，控制系统40将马达16的速度同步到零。这可 使第三离合器19同步化直到跨第三离合器的转差速度(slip speed)约为零， 也就是小于标定的低转差速度限制。在将牵引马达16的速度同步到零的速 度阶段期间，变速器14在EVT1状态中，发动机12被起动但未被供给燃料。 一旦变速器14在EVT1中，方法100继续到步骤108。

在步骤108，或进程4，控制系统40使第三离合器19接合以将变速器 14置于预先确定的固定档位模式，例如，二挡或FG2。该模式形成用于EV 模式转换的转换档位状态。在第三离合器19被完全接合的情况下，方法100 行进到步骤110。

在步骤110，或进程5，第二制动器21使用来自牵引马达16的扭矩被 释放和卸载。在第二制动器21被脱开和第三制动器19被接合的情况下，速 度控制阶段在牵引马达16和牵引马达18上被执行。在这个进行中，方法100 行进到步骤112。

在步骤112，或进程6，变速器14以期望的发动机速度处于另一个发动 机运转的运行模式，EVT2。发动机速度和变速器输入速度然后使用用于输 入制动器11的标定速度分布被同步到零，由此控制初始和结束加速。跨输 入制动器11的任何离合器转差的绝对值可被保持在低临界转差限制之下， 例如在一个可能的实施例中在约20RPM之下。

在步骤114，或进程7，及在步骤112将发动机和变速器输入速度同步 到零后，输入制动器11再一次被接合。牵引马达16的速度和加速度可通过 按照需要被其它马达(例如，牵引马达18)提供的惯性扭矩的补偿而自动控 制。在输入制动器11被完全接合的情况下，方法100行进到步骤116。

在步骤116，来自牵引马达16和18的马达扭矩按照需要下降以提供所 需的马达输出扭矩。变速器14现在处于EV2中，方法100结束。

作为上述方法100的EV转换的概括，车辆10初始地在EV1中以低速 移动。为了切换到期望的EV2状态中，输入制动器11首先被释放到第一转 换状态中。发动机速度然后通过该第一转换状态增加以在最优的发动机速度 达到发动机运转的EVT状态，也就是EVT1。此后，借助于通过多个扭矩和 速度控制阶段的转换，变速器14通过预先确定的固定档位状态传动，诸如 FG2，并以期望的发动机速度达到另一发动机运转的运行状态，或EVT2。

发动机12然后下降到零，且当跨输入制动器的转差接近零时，输入制 动器11被接合。在该整个EV1到EV2模式转换期间，发动机速度从零转到 FG2同步速度，及然后回到零，且发动机未被供给燃料(也就是，关闭，但 可能旋转)。方法100如上解释地进行，除非在模式转换期间命令切换中断， 作为传动扭矩(driver-torque)感应发动机运转或另一发动机自动起动条件(例 如，低电池充电状态或高马达温度)的结果。

参考图4，逆向转换经由方法200解释，也就是，EV模式转换从EV2 移回EV1。在步骤202，或进程1，输入制动器11以标定下降率(ramp rate) 被卸载，及在步骤204(进程2)输入制动器被释放。在输入制动器11的释 放期间，发动机速度为零。在输入制动器11被脱开的情况下，方法200行 进到步骤206。

在步骤206，或进程3，牵引马达16的速度被同步到零，也就是，跨第 二离合器17的转差被控制在阈值之下。在步骤208，或进程4，第二离合器 17被接合。方法200行进到步骤210。

步骤210，或进程5，包括释放第三离合器19，及步骤212(进程6)包 括控制发动机速度到零，也就是，直到跨输入制动器11的转差小于标定下 限。在步骤214，或进程7，牵引马达16的扭矩下降到零且输入制动器11 被再次接合。输出扭矩可使用来自牵引马达18的输出扭矩维持，而此时输 入制动器11被卸载。变速器14现在处于第一EV模式(EV1)中，且方法 200结束。

参考图5，通过控制系统40根据本方法80(见图2)可选择的另一EV 模式转换是从第二EV模式(EV2)到第二EVT模式(EVT2)的模式切换 或转换，也就是方法300。在EV2中运行时，这在临界车辆速度之上的发动 机起动事件，或另一发动机自动起动条件(例如传动扭矩感应事件，低电池 充电状态，或高马达温度)时发生。

从步骤302起，及在EV2中运行时，输入制动器11首先以标定的下降 率被卸载，牵引马达16的扭矩下降到零。方法300行进到步骤304，其中当 发动机速度接近零时输入制动器11被释放。在步骤306，发动机12然后运 转到一标定的供给燃料速度，且随后发动机被供以燃料及点火。方法300随 后继续到步骤308，且变速器14现在处于EVT2中，其中发动机扭矩/速度 使用控制系统40被控制到期望的值。方法300结束。

参考图6，从EVT2切换回到EV2的模式转换可经由方法400实现。在 步骤402，发动机扭矩下降到零，同时发动机的速度通过速度阶段被向零控 制。在步骤404，当发动机速度在标定燃料供给速度之下时，发动机燃料供 给被关闭。牵引马达16和/或18的扭矩输出通过控制系统40(例如经由控 制系统的马达控制处理器)而调节，以将输出扭矩保持在期望的水平。跨输 入制动器11的转差然后被控制直到其小于标定的转差限制，且方法400行 进到步骤406。在步骤406，输入制动器11被完全接合。变速器14随后处 于第二EV模式中，也就是，EV2。一旦达到EV2，方法400结束。

参考图7，另一EV模式转换是从EV1到EVT1的转换，也就是，当车 辆10在EV1中运行时发生的发动机起动事件。这可经由方法500实现。在 方法500的步骤502，来自牵引马达16的扭矩下降到零，输入制动器11被 卸载。方法500行进到步骤504，其中输入制动器11被释放。当这发生时， 发动机速度为零。在步骤506，发动机12运转到标定的供给燃料速度，方法 500行进到步骤508。在步骤508，发动机12被供给燃料且点火，发动机扭 矩/速度此后被控制到期望的值。变速器14现在处于第一EV模式(也就是 EVT1)中，且方法500结束。

参考图8，经由图2的方法80可控制的又一EV模式转换是从EVT1回 到EV1的转换，也就是，当车辆10在EVT1中运行时执行发动机停止事件。 这可经由方法600实现。在步骤602，当到发动机12的燃料供给中断时，牵 引马达16的速度下降到零。方法600然后行进到步骤604。在步骤604，来 自牵引马达16和18的扭矩被控制以将来自马达的输出保持在期望的水平。 跨输入制动器11的转差小于阈值。一旦这被实现，方法600行进到步骤606， 其中输入制动器11再次被接合。变速器14现在处于EV1中，且方法600 结束。

回来参考图1，可选的单向离合器111可用于替代如上所述的输入制动 器11，在它的使用方式中有一些小变化。在离合器卸载的扭矩阶段中，来自 牵引马达16的扭矩下降到零，且单向离合器111自动地卸载。相反，输入 制动器11需要在控制系统40的部分上的控制动作。然后，发动机12通过 使用牵引马达16和18两者的速度阶段被控制到期望的速度。

在加载单向离合器111的扭矩阶段之前，跨单向制动器的转差通过由马 达16和18二者进行的速度控制阶段而接近零。随后，在加载单向离合器111 的扭矩阶段期间，在EVT1中的牵引马达16或在EVT2中的牵引马达18将 逐渐逆转输入扭矩以自动加载单向离合器111。

在如上所述的EV模式转换期间使用控制系统40控制输入离合器11， 使得双模式EV推进具有增强的EV传动能力。电马达辅助的在两个EV模 式(也就是，EV1和EV2)之间的同步模式转换控制，通过经过多个扭矩和 速度阶段，借助在扭矩阶段的各离合器的马达卸荷和各速度控制阶段期间的 马达辅助同步而实现。在扭矩阶段期间产生近零的离合器转差能量，而零转 差离合器转差改进切换质量。因此，从EV1到EV2、EV2到EV1、EV1到 EVT1、EVT1到EV1、EV2到EVT2、和EVT2到EV2的转换全部可行。

此外，控制系统40被配置为响应临界条件而自动中断EV模式转换。 这样的条件可包括，但不限于，临界需要的输出扭矩或发动机自动起动条件， 诸如低电池充电状态或高马达温度。控制系统40进一步被配置为在中断EV 模式转换后自动转换到被命令的发动机运转或发动机关闭范围状态。即，尽 管一些转换(诸如EV1对EV2转换)比较复杂，方法80及它的组成方法 100和200的当前切换执行逻辑允许模式转换在转换期间的任何时刻响应变 化条件而中断。控制系统40可转换到任何可能的发动机运转或发动机关闭 范围状态，该状态是被控制系统40的任何动力管理优化算法需要的，和/或 被任何切换排序逻辑命令的。

如上所述，EV1对EV2切换相对较长且复杂，且可只能用适当的切换 中断策略而执行，所述策略被配置为彻底控制在EV模式转换中间的变化的 输出扭矩需要。注意在EV1中，到EV2的期望转换需要输入制动器11的释 放，而在释放时，发动机12起动以旋转。如果驾驶员随后决定转换到需要 使用发动机12的高扭矩状态，输入制动器11在第一扭矩阶段已被释放。从 这点开始，控制系统40可达到任何期望的EVT状态或固定档位状态。

虽然用于实施本发明的最佳模式已被详细描述，熟悉本发明涉及的领域 的人将会识别出用于在所附的权利要求的范围内实践本发明的各种可替换 的设计和实施例。

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年9月30日递交的美国临时申请序列号61/388,129的 优先权，并据此将其整体并入参考。