用于混合动力电动车辆的发动机功率需求负荷测量的制作方法

专利名称：用于混合动力电动车辆的发动机功率需求负荷测量的制作方法
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才几功率需求。
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
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;故。
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，发动才腿 转点的频繁孩支小增加车辆排放、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-load power)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^各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^f亍补偿。 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《直。


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。
具体实施例方式
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IO、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IO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，其包含齿圏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4仑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4仑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^L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才几功率需 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4氐。随着驾马史员需求的功率增加，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;f莫式。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上的凄t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—致，这样过 滤器作用为常见的贯穿过滤器(pass-throughfilter)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i 各负荷功率84,并如90处所示的以电池充电或》文 电请求补充任何差值。如92处所示，在计算发动^^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^^莫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
化的驾驶员车轮功率需求为
化的驾驶员车轮功率需求为
^^~—尸.^
A /Max mw
其中，Pdriver为驾驶员车轮功率需求，Pr。acU。ad为道路负荷功率，P丽为最 大过滤功率，P柚为最小过滤功率。
当P&旨为P讓时归一化值为1.0。当P^ver等于道路负荷时，归一化值为 0。当P化，为Pmin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
求的归一化值。其计算如下
如果驾驶员需求>道路负荷，则归一 p— p
— P
m収 /oad
如果驾驶员需求<道路负荷，则归一求。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
w、 /m(A;) + m(A: —l)) ^ 、w,，、 、2 乂
其中Y为输出；
u为驾^t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4交少或没有过滤。
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^: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。
权利要求
1、一种在由发动机和电池驱动的车辆中控制驾驶员动力需求的方法，所述方法包含下列步骤根据电池荷电状态和电池充电和放电功率极限的函数计算可用电池功率约束；根据驾驶员功率需求和道路负荷功率之间的差值、所述可用电池功率约束以及道路负荷功率的函数计算在所述电池功率约束内变化的过滤常数；在稳定态车辆运转期间当驾驶员企图维持稳定车速时使用所述过滤常数过滤驾驶员功率需求，从而减少来自驾驶员功率需求的功率需求失常激增。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，归一化所述驾马史员功率需求和道路负荷功率之间的差值，这样所述过滤常数与所述电池功率约束无关，其而是根据电池充电功率极限、放电功率极限的函数而改变。
3、 一种在混合动力电动车辆中控制发动机功率需求的方法，所述混合动力电动车辆具有带有电子控制单元的发动机、发电机、马达、电池、和设立从发动机至车辆牵引4仑的机械动力流路径和至车辆驱动4仑的电动积4成动力流路径的传动装置，所述方法包含下列步骤确定道5^负荷功率；测量电池荷电状态(SOC),根据电池荷电状态和电池充电和放电功率极限的函数计算可用电池功率约束；测量所述驱动4仑处的驾驶员功率需求；计算控制过滤常数，其为驾驶员功率需求和道路负荷功率之间的差值、所述可用电池功率约束以及道路负荷功率的函凄史；使用所述的计算的控制过滤常数过滤所述驾驶员功率需求以获得过滤后驾驶员功率需求；在所述电池荷电状态的极限内计算电池充电或放电功率；以及根据所述过滤后驾驶员功率需求和所述电池充电或放电功率的函数计算发动机功率需求，从而降低驾驶员功率需求的失常激增以在稳定态车辆运转模式期间改进发动才几对车辆加速和减速要求的响应并减少发动才几转速变化。
4、 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算发动机功率需求的步骤包括从过滤后驾驶员对功率需求的请求中减去电池放电功率并加上估计的功率损失以获得总的发动机功率需求。
5、 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算发动才几功率需求 的步骤包括将电池充电功率加上过滤后驾驶员功率需求并加上估计的功率损 失以获得总的发动机功率需求。
6、 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在对应于车辆稳定态运转模式的时段内通过归一化所述驾驶员功率需求来在所述电子控制单元的反复 的时间步长期间计算所述控制过滤常数，所述过滤常数在车辆加速才莫式期间 和车辆减速模式期间提供了快速过滤特性，而在车辆稳定态运转期间提供了 慢速过滤特性。
7、 一种混合动力电动车辆中控制发动机功率需求的方法，所述混合动力 电动车辆具有带有电子控制单元的发动机、发电机、马达、电池、和设立从发动机至车辆驱动轮的机械动力流路径和流向至车辆驱动轮的电动才几械动力 流路径的传动装置，所述方法包含下列步骤确定道^^负荷功率；测量电池荷电状态(SOC);在稳定态车辆运转模式期间在电池荷电状态的极限内计算用于过滤所述 驱动轮处驾驶员功率需求的最大过滤功率；在稳定态车辆运转模式期间在电池荷电状态的极限内计算用于过滤所述 驱动轮处驾驶员功率需求的最小过滤功率；测量所述驱动轮处的驾马史员功率 需求；计算控制过滤常数，其为驾驶员功率需求和道路负荷功率之间的差值、 所述最大过滤功率、所述最小过滤功率以及道路负荷功率的函数；使用所述计算的控制过滤常数过滤所述驾驶员功率需求以获得过滤后驾 驶员功率需求；在所述电池荷电状态的极限内计算电池充电或放电功率；以及 根据所述过滤后驾驶员功率需求和所述电池充电或放电功率的函数计算 发动机功率需求，从而降低驾驶员功率需求的失常激增以在稳定态车辆运转 模式期间改进发动机对车辆加速和减速要求的响应并减少发动机转速变化。
8、 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述最大过滤功率为电池 荷电状态和电池荷电状态极限中的至少一个的函数。
9、 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述最小过滤功率为电池荷电状态和电池放电极限中的至少一个的函数。
全文摘要
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。
文档编号B60W10/06GK101633355SQ200910152160
公开日2010年1月27日 申请日期2009年7月20日 优先权日2008年7月21日
发明者克里斯多佛·艾伦·李尔, 卡罗尔·路易丝·大久保, 肯尼思·弗雷德里克 申请人:福特全球技术公司