针对混合动力车辆用以实现负载点移位、回收和增压的运行策略

摘要

混合驱动装置包括：内燃机(40)、能够由内燃机(40)驱动的发电机(44)、蓄电器(78)以及电马达(62)。混合驱动装置能够以负载点移位运行方式、回收运行方式以及增压运行方式运行。在负载点移位运行方式中，功率或转矩分配调节器(72)以维持蓄电器(78)的充电状态的预先确定的额定值的方式来预设由内燃机(40)和电马达(62)输出的转矩。蓄电器(78)的充电状态的额定值在负载点移位运行方式中，根据蓄电器(78)的在之前经历的回收运行方式和/或增压运行方式中发生的充电状态变化而移位。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于监控混合驱动装置的方法，该混合驱动装置包括 内燃机、能够由内燃机驱动的发电机、蓄电器以及电马达，并且该混合驱 动装置以能够以负载点移位运行方式、回收运行方式以及增压运行方式运 行，其中，在负载点移位运行方式中，功率或转矩分配调节器以维持蓄电 器的充电状态的预先确定的额定值的方式来预设由内燃机和电马达输出 的功率或转矩，本发明还涉及一种相应的控制装置以及具有这种控制装置 的作业机械。

背景技术

用于作业机械的混合驱动装置包括内燃机、由内燃机驱动的发电机、 蓄电器以及电马达。作业机械的前进和/或对由作业机械驱动的部件的驱 动通过如下的传动系来实现，在该传动系中，内燃机和电马达的驱动力矩 通过复合变速器(一般是行星变速器)得到叠加或者共同作用于一个轴。 这种混合驱动装置能够以不同的运行方式运行，特别是：(a)负载点移位 运行方式，其中，发电机给蓄电器充电或者由蓄电器馈电的电马达为传动 系提供附加的驱动力矩并且改良内燃机的效率，b)回收运行方式，其中， 电马达用作发电机并且将作业机械的动能转换成电能，用以给蓄电器充 电，以及c)增压运行方式，其中，内燃机和由蓄电器馈电的电马达分别 以最大功率运行，以便克服短时的负载峰值。运行方式之间的切换根据内 燃机的瞬时转速以及瞬时负载力矩来进行。

在负载点移位运行方式中，将驱动功率划分为由内燃机提供的功率和 由蓄电器提供的功率。由此，这种混合驱动装置相对于传统的驱动装置提 供了进一步的自由度，在传统的驱动装置中，仅能改变内燃机的功率。为 了对内燃机的转矩和电马达的转矩进行预设，或者为了将需要提供的功率 分摊给内燃机和电马达，在现有技术中应用了不同类型的调节器，特别是 比例积分调节器(参见DE 10 2006 010 223 A1)或者启发式调节器。这种 所谓的功率或转矩分配调节器必须关注其他边界条件，如力求维持蓄电器 中一定电量的额定值，并且可以为了优化总体效率来进行优化。

运行类型之间的转换表现在用于现有技术的功率或转矩分配调节器 中可能被证实是有问题的。如果例如激活的是回收运行方式，蓄电器的充 电状态通过回收的动能来提高。如果接下来激活的是负载点移位运行方 式，那么调节器力求再次平衡电量增长。由此，蓄电器中的电量再次降低， 但是代价是内燃机的效率方面较为不利。而在接下来进行增压时，缺少了 蓄电器中回收到的电量。

在现有技术中，已经介绍了如下的运行策略，其组合式地涉及负载点 移位、回收以及增压，并且以启发或优化方法为基础。对于启发有利的是 硬件要求很低，但代价是通常很少的消耗降低以及很高的参数化耗费。在 优化方法中能够获得较高的消耗降低，但同时硬件要求很复杂。

发明内容

本发明的目的在于，实现启发方案的优点和优化可行方案，并且避免 迄今的功率或转矩分配调节器的上述缺陷。

所述目的根据本发明通过权利要求1、6和10的教导来实现，其中， 在其他权利要求中列出了以有利方式改进技术方案的特征。

混合驱动装置包括内燃机、能够由内燃机驱动的发电机、蓄电器以及 电马达。通过控制装置能够使混合驱动装置可选地以负载点移位运行方 式、回收运行方式以及增压运行方式来运行。在负载点移位运行方式中， 功率或转矩分配调节器以维持蓄电器的充电状态的预先确定的额定值的 方式来预设由内燃机和电马达输出的功率或转矩，其中，附加地力求改善 内燃机的效率。蓄电器的充电状态的由功率或转矩分配调节器所顾及的额 定值在负载点移位运行方式中，根据蓄电器的在之前经历的回收运行方式 和/或增压运行方式中发生的充电状态变化而移位。

按照上述方式，蓄电器的充电状态的预设值自主地在回收运行之后向 上移位或者在增压运行之后向下移位，从而功率或转矩分配调节器不再试 图获得平均的充电状态，而是将充电状态的额定值与混合驱动装置的当前 运行更佳地匹配。由此，混合驱动装置在后续的回收或增压过程中能够降 低充电量或者再次给蓄电器充电，而不会偏离蓄电器容许的电量极限。该 电量极限被设置为如下数值，其确保蓄电器足够的寿命并且下边界为最大 充电量的例如20％，上边界为最大充电量的80％。

如果多次先后出现回收或增压，则可能使蓄电器的电量极限受到损 伤。为了避免超出电量极限，在这种情况下可以将充电状态的发生移位的 额定值逐渐(例如呈坡面状)地调整回充电状态的标称的额定值(例如为 最大电量的50％)。

附图说明

在附图中示出本发明下面详细介绍的实施例。其中：

图1示出呈带有被牵引的圆辊压力件的拖拉机形式的农用作业机械 的侧视图，

图2示出作业机械的传动系和所属控制装置的图解，

图3示出控制装置的详细图解。

具体实施方式

图1示出呈拖拉机10和由拖拉机10牵引的圆辊压力件12形式的农 用作业机械。圆辊压力件12本身是传统形式的并且包括由轮16支撑的行 驶机架14(带有辊腔18)。圆辊压力件12通过车辕20由拖拉机10牵引 并且其能被驱动的元件借助动力输出轴22由拖拉机10驱动。拖拉机10 包括行驶机架24，该行驶机架被支撑在前部的能转向的车轮26和后部的 被驱动的车轮28上。带有座位32的操作人员工作位置处在驾驶室30中。 能够从该座位来操作转向轮34、油门踏板36以及带有显示装置和按键和 /或对碰触敏感的显示装置的操作人员界面38。

图2示出作业机械的传动系。通常实现为柴油发动机的内燃机40的 曲轴借助能分离的离合器74来驱动轴42，该轴在其一侧驱动发电机44、 带齿轮48、50和52的中间变速器46以及动力输出轴分离离合器54的输 入侧。动力输出轴分离离合器54在输出侧与动力输出轴变速器56的输入 端相连接，动力输出轴变速器在输出侧驱动可分离的动力输出轴离合器 58，在该动力输出轴离合器上以能取下的方式联接圆辊压力件12的动力 输出轴22。中间变速器46在输出侧与复合变速器60连接，该复合变速 器以行星变速器的形式实现，该行星变速器的行星轮与中间变速器46的 输出齿轮52啮合并且该行星变速器的中心轮与电马达62的输出轴64相 连接。行星轮承载件与换档变速器66的输入侧相联接，该换档变速器在 输出侧借助差速变速器68来驱动后轮28。

在另一实施方式中，动力输出轴变速器56也能够在复合变速器60 的下游得到驱动。此外，换档变速器66能够实施为负载换档变速器。在 又一实施方式中，复合变速器60能够与各个车轮28以及必要时还有前轮 26对应。在又一实施方式中，电马达62能够将其转矩直接或经由变速器 传递给轴42或者传动系的另一部位，也就是这样能够取消复合变速器60， 并且电马达62能够一并承担发电机44的任务。在又一实施方式中，全部 机械功率能够由电马达62产生，其中，发电机44和电马达62的最大功 率将会增大，这是因为取消了机械驱动支路。

控制装置70与发电机44、内燃机控制器76、呈蓄电池(或高容量的 电容器等)形式的蓄电器78以及电马达62电连接。另外，控制装置70 与用于检测油门踏板位置36位置的传感器80相联接。另一传感器(未示 出)能够检测制动踏板(未示出)的位置(或者说状态)或者制动系统中 的压力。

换档变速器66能够手动地通过操作人员借助杆装置或自主地通过控 制装置70或者借助操作人员界面38以及由控制装置70监控的促动器(未 示出)来切换。动力输出轴分离离合器54也可以借助一种机构又操作人 员或者借助操作人员界面38或单独的开关和由控制装置70监控的促动器 (未示出)来切换。类似地，离合器74也可以由操作人员以机械方式借 助踏板(未示出)或借助操作人员界面38或单独的开关和由控制装置70 监控的促动器(未示出)来切换。

在运行中，操作人员借助油门踏板36预设拖拉机12的所希望的速度， 该速度借助传感器80传输给控制装置70，该控制装置按照负载点移位运 行方式，根据功率或转矩分配调节器72的信号来操控内燃机控制器76 和电马达62。根据功率或转矩分配调节器72的预设，控制装置70按照 负载点移位运行方式从蓄电器78中获取电功率，以便驱动电马达62或者 用来自发电机44的电功率给蓄电器78充电。此外，设置有回收运行方式， 其中，发电机44在倒拖运行中用作制动器并且回收获取作业机械的动能 以及作为电能馈入蓄电器78中。最后，同样还设置一种增压运行方式， 其中，电马达62被以来自蓄电器78的最大功率加载，而内燃机40以最 大功率运行。

图3示出控制装置70的详细图解。该控制装置包括：状态转换装置 82、回收控制器84(带有电量测量计96)、功率或转矩分配调节器72、 增压控制器86(带有电量测量计94)、充电状态额定值给定器92以及两 个输出转换装置88、90。

在运行中，由内燃机控制器76向状态转换装置82输送内燃机40的 转速ω和负载力矩τ作为输入参量。状态转换装置82可以被附加地加载 关于电马达62的负载力矩τ的信息，该负载力矩能够借助其电学量值得 到估算。内燃机40和/或电马达62的转速ω和负载力矩τ也可以通过单 独的传感器来检测。所述量值得到满足，从而状态转换装置能够自主识别： 何时回收运行是适当的(例如当内燃机40的转速高出阈值并且内燃机40 和电马达62的负载力矩的总和低于第一阈值时)，何时增压运行是适当的 (例如当负载力矩所提到的总和高出第二阈值时，其中，第二阈值大于第 一阈值)，以及何时负载点移位运行方式是合理的(例如当其他运行方式 都不合适的时候)。

根据何种运行方式恰好被视为适当并且因而被选出的情况，状态转换 装置82借助输出转换装置88、90将回收控制器84或功率或转矩分配调 节器72或增压控制器86的输出切换为起效，也就是将回收控制器84或 功率或转矩分配调节器72或增压控制器86的输出信号输送给内燃机控制 器76，以便预设内燃机40的功率或转矩。回收控制器84或功率或转矩 分配调节器72或增压控制器86的输出信号也被输送给电马达62的监控 电路98，该监控电路预设电马达62的功率或转矩。回收控制器84、功率 或转矩分配调节器72以及增压控制器86也被加载状态转换装置82的输 出信号，以便以信号形式告知状态转换装置：其使哪个运行方式恰好起效。

增压控制器86同样被由内燃机控制器76加载输入量值：内燃机40 以及必要时还有电马达62的转速ω和负载力矩τ。此外，增压控制器借 助连接部100获取来自蓄电器78的充电状态信号。在增压运行方式中， 增压控制器86促使内燃机40和电马达62以最大转矩工作，以便在短时 间克服负载峰值。在增压运行方式期间，电量测量计96检测由蓄电器78 输出的电量。

回收控制器84同样被由内燃机控制器76加载输入量值：内燃机40 的转速ω和负载力矩τ。此外，回收控制器借助连接部100获取来自蓄电 器78的充电状态信号。在回收运行方式中，回收控制器84促使内燃机 40以最小的转矩或空转来工作并且使发电机44和/或电马达62以最大的 负转矩工作，以便将作业机械的动能转换成电能，电能存储于蓄电器78 中。转矩也可以与制动踏板的位置或与制动压力建立相关性。在回收运行 方式期间，电量测量计94检测由蓄电器78接纳的电量。

功率或转矩分配调节器72同样被由内燃机控制器76加载输入量值： 内燃机40以及必要时还有电马达62的转速ω和负载力矩τ。此外，功率 或转矩分配调节器借助连接部100获取来自蓄电器78的充电状态信号。 在负载点移位运行方式中，功率或转矩分配调节器72促使内燃机40以由 该功率或转矩分配调节器预设的转矩或功率工作，并且也对电马达62的 转矩或功率进而还有蓄电器78的充电电流或放电电流加以预设。功率或 转矩分配调节器72优选是指比例积分调节器。针对功率或转矩分配调节 器72的结构和工作原理的细节参见Michiel Koot，J.T.B.A.Kessels，Bram  de Jager，W.P.M.H.Heemels，P.P.J.van den Bosch和Maarten Steinbuch的 公开文献：Energy management strategies for vehicular electric power systems (用于车辆电能系统的能量管理策略)，IEEE Transactions on Vehicular  Technology(车辆科技电气学报)54(3)：771-782，2005以及John T.B.A. Kessels，Michiel W.T.Koot，Paul P.J.van den Bosch和Daniel B.Kok的： Online energy management for hybrid electric vehicles(针对混合动力车辆 的在线能量管理)，IEEE Transactions on Vehicular Technology(车辆科技 电气学报)，57(6)：3428-3440，2008，其公开内容通过参引被一并引入被申 请文件。

功率或转矩分配调节器72以如下方式控制其输出：试图维持蓄电器 78的一定的充电状态，其中，附加地力求使内燃机40的效率得到改善。 在迄今的功率或转矩分配调节器中，蓄电器78的充电状态的额定值通常 为蓄电器78的电容量的例如50％的固定数值。而根据本发明，该额定值 通过充电状态额定值给定器92来预设。该充电状态额定值给定器被以电 量测量计94、96的信号加载并且向功率或转矩分配调节器72输送如下的 额定值，该额定值在增压运行之后，以电量测量计96的数值降低，并且 在回收运行之后，以电量测量计94的数值增大。功率或转矩分配调节器 72以如下方式监控其输出数值：力求达到由充电状态额定值给定器92提 供的额定值。由此，在回收运行之后，在蓄电器78中存在较大的电量， 该较大的电量在稍后的增压运行中被再次提供用于使用，以及在增压运行 之后，在蓄电器78中存在较小的电量，该较小的电量在稍后的回收运行 中再次提高。如果多次先后出现回收运行或增压运行，则充电状态的发生 移位的额定值逐渐(例如呈坡面状)地调整回电量状态的标称的额定值。

不同于图3中所示地，增压控制器86和功率或转矩分配调节器72 可以被以油门踏板36(或用于预设作业机械前进速度的自主控制器)的 传感器80的信号来加载，以便在计算输出值时顾及到作业机械的额定速 度。