混合动力车辆发动机暖的制造方法

混合动力车辆发动机暖的制造方法
【专利摘要】本发明涉及混合动力车辆发动机暖机，提供了一种混合动力动力传动系统，该系统包括发动机、电动机、电池包和至少一个控制器。如果控制器检测到与发动机相关的温度小于预定值，如果电池包的电荷状态小于100％，则可以请求增加由发动机输出的功率，从而将所述温度增加至阈值温度。
【专利说明】混合动力车辆发动机暖机

【技术领域】
[0001] 本公开涉及在混合动力车辆中控制发动机暖机。

【背景技术】
[0002] 现在的混合动力车辆和电动车辆利用内燃发动机为牵引提供能量。通常基于多个 动力传动系的特性控制混合动力车辆中的内燃发动机，以确定燃料效率和性能。动力传动 系控制系统可确定内燃发动机和电动机的合适的动力组合以最小化能量使用。内燃发动机 可在电池包具有低电荷状态（S0C)时启动并在一些车辆驾驶模式期间启动以为动力传动 系统提供能量。一旦内燃发动机启动，则动力传动系统控制可能需要发动机保持运行直到 发动机冷却液温度、催化转换器温度和油温达到特定温度水平为止。


【发明内容】

[0003] 在第一个示例性实施例中，一种混合动力动力传动系统可以包括但不限于发动 机、电动机、电池包和至少一个控制器。混合动力动力传动系统可以将控制器配置为响应于 请求发动机运行并监视与动力传动系统相关的一个或更多个温度传感器。如果控制器检测 到一个或更多个温度传感器小于预定值，则控制器可以请求增加由发动机输出的功率，以 使温度增加至阈值温度。如果驾驶员功率请求大于、小于或等于零，且电池包的电荷状态小 于100 %，则控制器可以请求增加发动机输出的功率。
[0004] 在第二个示例性实施例中，一种混合动力动力传动系统可以包括但不限于发动 机、电动机、电池包和至少一个控制器。混合动力动力传动系统可以将控制器配置为响应于 请求发动机启动和与发动机相关的温度小于预定值。如果控制器检测到与发动机相关的温 度小于预定值，则控制器可以增加发动机的燃料消耗，以使温度增加至阈值温度。如果驾驶 员功率请求大于零且电池包的电荷状态小于1〇〇%，则控制器可以请求增加发动机的燃料 消耗。其中，阈值温度是与发动机相关的催化转换器的起燃温度。与发动机相关的温度是 气缸盖温度。或者，与发动机相关的温度是发动机冷却液温度。
[0005] 在第三个示例性实施例中，一种命令比请求的发动机功率高的发动机功率的动力 传动系暖机方法可以改善发动机效率，同时降低驱动循环期间的燃料消耗。该方法可以响 应于请求发动机启动和与发动机相关的温度小于预定值。该方法可以命令增加由发动机输 出的功率，以使温度增加至预定值。如果系统确定电池包的电荷状态小于100%，则该方法 可以命令由发动机输出的功率增加至预定值。该方法可以基于电荷状态来命令由发动机输 出的功率增加至预定值。
[0006] 在第四个示例性实施例中，一种动力传动系暖机方法包括：响应于发动机启动和 与发动机相关的温度小于预定值，基于电荷状态命令由发动机输出的功率增加至预定值， 以使所述温度增加至阈值温度。其中，阈值温度是与发动机相关的催化转换器的起燃温度。 与发动机相关的温度是气缸盖温度。或者，与发动机相关的温度是发动机冷却液温度。

【专利附图】

【附图说明】
[0007] 图1是示出了典型的动力传动系和能量存储组件的混合动力电动车辆的示图；
[0008] 图2是由多个电池单体构成的并被电池控制模块监视和控制的可能的电池包布 置的不图；
[0009] 图3是与基于车辆的计算系统通信的动力传动系统变量的示例；
[0010] 图4是示出增加发动机功率以改善暖机的示例算法的流程图；
[0011] 图5是示出控制发动机功率以改善动力传动系暖机的示例方法的曲线图；
[0012] 图6是示出控制混合动力传动系统中的发动机的方法的曲线图。

【具体实施方式】
[0013] 按照规定，在此公开本发明的具体实施例；然而，应当理解的是，公开的实施例仅 是可以以多种和可选择的形式实施的本发明的示例。附图不是必须按照比例绘制；为了示 出特定的组件的细节，可能夸大或缩小了一些特征。因此，在此公开的特定的结构性和功能 性细节不应被解释为限制，而是仅作为用于教导本领域技术人员不同地使用本发明的代表 性基础。
[0014] 图1示出了典型的混合动力电动车辆。典型的混合动力电动车辆2可包括机械地 连接到混合动力变速器6的一个或更多个电动机4。另外，混合动力变速器6机械地连接到 发动机8。混合动力变速器6也机械地连接到驱动轴10,而驱动轴10与车轮12机械地连 接。当发动机8启动或关闭时，电动机4能够提供牵引和减速的能力。电动机4还用作发 电机，并且可以通过回收在摩擦制动系统中通常可作为热而损失的能量来提供燃料经济性 的优点。由于混合动力电动车辆2在一些条件下可以以电动模式操作，所以电动机4也可 减少污染物排放。
[0015] 电池包14存储电动机4能够使用的能量。车辆电池包14通常提供高电压DC输 出。电池包14与电力电子模块16电连接。电力电子模块16也与电动机4电连接，并且提 供在电池包14和电动机4之间双向传递能量的能力。例如，当电动机4可需要三相AC电 流来运行时，典型的电池包14可提供DC电压。电力电子模块16可将DC电压转换为电动 机4所需的三相AC电流。在再生模式下，电力电子模块16将来自用作发电机的电动机4 的三相AC电流转换为电池包14所需的DC电压。这里描述的方法可等同地应用于纯电动 车辆或使用电池包的其他任何装置。
[0016] 除了为牵引提供能量之外，电池包14还可为其他车辆电子系统提供能量。典型的 系统可包括将电池包14的高电压DC输出转换为与其他车辆负载兼容的低电压DC供给的 DC/DC转换器模块18。2其他高电压负载可直接连接而不必使用DC/DC转换器模块18。在 典型的车辆中，低电压系统与12V电池20电连接。
[0017] 电池包可由多种化学配方构造。典型的电池包化学成分是铅酸、镍金属氢化物 (NMH)或锂离子。图2示出了 N个电池单体32的简单串联构造的典型的电池包30。然 而，其他电池包可由以串联或并联或它们的某种组合的方式进行连接的任意数量的独立的 电池单体组成。典型的系统可具有一个或更多个控制器，诸如监视和控制电池包30的性能 的电池控制模块（BCM) 36。BCM36可监视诸如包电流38、包电压40和包温度42的多个电池 包水平特性。
[0018] 除了包水平特性之外，还可存在需要测量和监视的电池单体水平特征。例如，可测 量每个电池单体的端电压、电流和温度。系统可使用传感器模块34来测量电池单体特性。 根据能力，传感器模块34可测量一个或更多个电池单体32的特性。电池包30可利用达 Nc个传感器模块34来测量所有电池单体32的特性。每个传感器模块34可将测量值发送 到BCM36以进行进一步的处理和协调。传感器模块34可将模拟或数字形式的信号发送到 BCM36。
[0019] 电池系统的重要测量值可以为电池包的S0C。电池包S0C指示在电池包中余留多 少电荷。与燃料计相似，可以输出电池包S0C以通知驾驶员在电池包中余留多少电荷。电 池包S0C还可用来控制电动车辆或混合动力电动车辆的操作。可由多种方法来实现电池包 S0C的计算。
[0020] 现在的一些S0C估算方法使用诸如卡尔曼滤波的基于模型的方法来确定更加精 确的S0C。基于模型的方法利用电池单体的模型然后基于一些实际的测量值来预测电池单 体的内部状态。估算的内部状态可包括但不限于电压、电流或S0C。典型的方法是将卡尔曼 滤波应用到电池包的每个电池单体然后使用这些电池单体值来计算整体包特性。这需要控 制器执行数量与电池包中存在的电池单体的数量相等的卡尔曼滤波。电池包中的电池单体 的数量不同，但是现在的车辆电池包可由80个或更多个电池单体组成。
[0021] 图3是混合动力车辆中的与基于车辆的计算系统通信的动力传动系变量的示例。 动力传动系变量可用于确定对混合动力车辆计算系统1〇〇中的内燃发动机管理策略的控 制。发动机管理策略可基于监视一个或更多个系统模块变量（包括但不限于电池模块、混 合动力模块和发动机模块）通过控制内燃发动机来增加发动机效率。与车辆计算系统通信 的许多车辆组件、传感器、系统和辅助组件可使用车辆网络（诸如但不限于CAN总线）来向 车辆计算系统（或其组件）传输数据并从车辆计算系统（或其组件）传输数据。
[0022] 发动机可包括但不限于冷却液温度传感器151、蓄热器、冷却液泵161、气缸体温 度传感器153、气缸盖温度传感器和气缸体加热器163。冷却液温度传感器151检测发动机 中的冷却液的温度。冷却液泵161可将保持在特定的高温的冷却液从蓄热器128输送到发 动机中。气缸体温度传感器153检测气缸体的温度。气缸体可具有安装到气缸体的气缸体 加热器163。气缸盖温度传感器检测气缸盖的温度。当发动机的温度很低时，通过将保持在 特定的高温的冷却液输送到发动机中或加热气缸体和/或气缸盖，来适当地加热发动机。 此外，发动机可包括用于检测用于注入汽油的喷油器的温度的喷油器温度传感器152、以及 能够加热喷油器的喷油器加热器162。当发动机的温度很低时，通过将喷油器加热至预定温 度或加热至高于预定温度的温度，可适当地雾化从喷油器注入的燃料。
[0023] 发动机具有容纳机油的油盘以为遍及发动机系统的组件提供润滑油。油盘被设计 为使得机油从油盘供应到发动机中彼此机械地接触的部件之间的空间，并被设计为使得机 油再次回到油盘。用于检测机油的温度的油温传感器154安装在此油盘中。一些发动机可 具有能够加热机油的机油加热器164。在预定的温度时，机油展现适当的粘性并且发挥优秀 的润滑性能还不提供相当大的阻力。
[0024] 动力传动系统可具有用于检测氧传感器的温度的氧传感器温度传感器155。一些 动力传动系统可具有氧传感器加热器165从而能够加热可设置在发动机的排气通道中的 氧传感器。出于A/F(空气-燃料比）反馈控制的目的，氧传感器检测排放气体中所含的氧 的浓度，并且氧传感器的输出特性稳定在相对高的温度（例如，400°C到900°C )。
[0025] 此外，动力传动系统可具有用于检测用于净化排放气体的催化转换器的温度的催 化剂温度传感器156。在一些动力传动系统中，可包括催化剂加热器166从而能够加热设置 在发动机的这样的排气通道中的催化转换器。催化转换器在预定温度（例如，350°C)时或 在高于这样的预定温度的温度时发挥净化性能。
[0026] 混合动力车辆中的电动机和/或发电机可由包括发动机控制模块130和混合动力 控制模块136的一个或更多个控制模块所控制。发动机控制模块可与混合动力控制模块通 信，以使动力传动系统的控制在两个模块之间转移。响应于从混合动力模块136发送的命 令信号，对于操作性地控制电动机4和发电机4所必需的信号（旋转速度、施加的电压等 等）从混合动力模块136输入到电力电子模块。然后，电力电子模块将开关控制信号输出 到逆变器。
[0027] 尽管没有示出，但是车辆计算系统可控制多种混合动力动力传动系统构造（包括 但不限于电传动系、飞轮传动系、液压传动系或阶梯比传动系）。例如，被车辆计算系统控制 的混合动力动力传动系统构造是功率分配机构，该功率分配机构具有由结合到电动机4的 旋转轴的环形齿轮、结合到发电机4的旋转轴的太阳齿轮、以及结合到发动机8的输出轴的 行星架组成的行星齿轮。功率分配机构将发动机8的功率分为用于电动机的（与驱动轮W 连接的）旋转轴的功率和用于发电机的旋转轴的功率。在另一实施例中，功率分配机构仅 与发动机连接以向发电机的旋转轴提供功率，从而仅为混合动力电动车辆中的电池系统充 电。
[0028] 电池14是由串联连接预定数量的镍-氢化物电池单体而构造的高电压电池。电 池14为电动机4提供累积的功率，或被电动机或发电机产生的功率充电。电池模块36管 理电池14。电池模块36与混合动力模块连接，从而在它们之间可以进行通信。电池系统可 包括但不限于电荷状态/健康状态传感器122、温度传感器124和包电压传感器126。电池 系统中的一个或更多个传感器可与电池控制模块36通信。
[0029] 逆变器是通过电动机桥式电路和发电机桥式电路使电池14的直流电和电动机和 /或发电机的交流电互相转换的功率转换单元。电动机桥式电路和发电机桥式电路中的每 个可由6个功率晶体管构成。电力电子模块可控制逆变器。
[0030] 变速器6是通过差速部分将驱动轮12侧的功率分配机构的功率传递到驱动轮12 的机构，并被设计为使得用于润滑的自动变速器流体（ATF)在变速器6内循环。ATF温度传 感器157可用来检测ATF的温度，并且在一些动力传动系统构造中可包括能够将ATF加热 至期望的温度水平的ATF加热器167。
[0031] 信号从用于检测钥匙旋转到启动位置的启动开关141、用于检测换档杆的操作位 置的换档传感器142、用于检测加速器踏板的踩踏行程的加速器传感器143、用于检测车辆 的当前运行速度的车辆速度传感器144和多种其他传感器（未示出）输入到混合动力模块 136。此外，如图1中所示，混合动力电动车辆动力传动系统包括发动机、发电机和电池。响 应于从这些系统中的每个系统的传感器传递的输入信号，彼此通信的一个或更多个控制模 块在与发动机、混合动力模块和电池模块通信时执行混合动力控制，从而车辆利用发动机 和/或电动机中的至少一个作为功率源来运行。
[0032] 在一个示例中，在电池系统可接受的S0C和低发动机效率的范围内，当车辆启动 或低速运行时，车辆计算系统可停止发动机并且请求电池系统控制动力传动系，以使车辆 通过由电动机的功率驱动的驱动轮来运行。另一方面，当车辆正常运行时，车辆计算系统 操作发动机，通过功率分配机构将发动机的功率分为用于驱动轮的功率和用于发电机的功 率，使得发电机产生功率，通过发电机产生的功率来操作电动机，并且以辅助驱动轮的驱动 的方式来执行控制。另外，当车辆高负荷运行时，例如，当车辆在加速器完全打开的情况下 加速时，来自电池的功率也被供应到电动机，从而得到另外的操作力。当车辆停止运行时， 车辆计算系统执行控制以停止发动机。
[0033] 典型的混合动力车辆动力传动系统可被校准以在大部分驾驶操作期间补偿燃料 消耗同时通过请求电池系统向电动机供电而使内燃发动机使用最小化。如果混合动力车辆 动力传动系统在电池的电荷状态处于可接受的水平时请求发动机，则动力传动系统可请求 低发动机功率命令（例如，怠速）以最小化燃料消耗。混合动力车辆动力传动系统操作策 略可使发动机在低功率条件下运行较长的时间。在特定条件下、在冷启动期间或当发动机 未被暖机到可接受的水平时，操作策略可导致较差的驾驶性能、不可接受的动力传动系性 能和/或不适合的车舱温度控制（例如，加热、通风和空调系统，更具体地讲，加热器性能）。 [0034] 例如，插电式混合动力车辆可以具有这样的动力传动系策略：以更低的功率状态 来使内燃发动机运行以最小化燃料的使用同时消耗电池的电荷状态而允许电动机提供驾 驶员请求的加速的大部分功率。在这样的示例中，动力传动系策略可以请求发动机在怠速 状态下运行，同时电池系统尽可能地放电以降低燃料消耗。这样的策略的目的可以是允许 发动机在低功率水平下运行来降低燃料消耗；然而，这样的策略因在允许发动机关闭之前 尝试使多个发动机组件暖机而允许发动机运行较长的时间而导致缺乏能量效率。
[0035] 插电式混合动力动力传动系策略可能需要使发动机运行较长的时间段，以在允许 发动机关闭之前实现发动机暖机，从而车辆可以在完全没有电池系统供电的情况下运行。 这样的策略可能似乎减小了能量消耗。然而，可以看出，基于时间的长度、动力传动系性能 和较差的驾驶性能，这样的策略可能不是有效的。
[0036] 在另一个示例中，非插电式混合动力车辆动力传动系统可以在允许电池系统提供 驾驶员请求的加速的功率之前驱动发动机运行直到使多个发动机组件暖机为止。在非插电 式混合动力车辆中，这样的系统可以确定一个或更多个可校准点，以在混合模式下允许发 动机关闭之前使发动机运行。
[0037] 作为使内燃发动机以低水平运行较长的时间的代替，混合动力动力传动系统可以 基于一个或更多个变量来请求更多的发动机功率，因此增加燃料消耗以在校准时间段内更 快地进行发动机暖机，同时改善驾驶性能、动力传动系性能、燃料经济性和车辆内温度控 制。通过允许混合动力车辆中的发动机更快地暖机，动力传动系统可以朝着效率点驱动发 动机，以燃烧比其所应消耗的燃料更多的燃料，以使发动机适当地暖机，从而允许更大的发 动机关闭能力。更快地使动力传动系统暖机，可以减少发动机运行以使一个或更多个组件 暖机的时间量，因此改善驱动循环的动力传动系性能和燃料经济性。
[0038] 图4是示出增加发动机功率以改善混合动力车辆暖机的示例方法的流程图。根据 一个或更多个实施例，使用包含在车辆控制模块内的软件代码来执行该方法。在其他的实 施例中，在其他的车辆控制器中实现方法200,或使方法200分布在多个车辆控制器之间。
[0039] 再次参照图4,在讨论该方法时始终参照在图1至图3中示出的车辆及其组件，以 有助于理解本发明的多个方面。控制车辆中的发动机暖机的方法可以通过编程到车辆中合 适的可编程逻辑装置（诸如车辆控制模块、混合动力控制模块、与车辆计算系统通信的其 他控制器或它们的组合）中的软件指令、机器可执行代码或计算机算法来实现。虽然在流 程图200中示出的多个步骤以时间顺序出现，但是所述步骤中的至少一些步骤可以以不同 的顺序出现，且一些步骤可以同时执行或完全不被执行。
[0040] 如果车辆计算系统期望发动机暖机，则混合动力车辆的发动机功率管理策略可以 增加发动机功率。可以因多个原因（包括但不限于发动机保护、发动机维护、发动机效率、 催化剂起燃和为了温度加热器性能而进行的温度保持）而请求发动机暖机。与使发动机较 长时间保持在怠速条件下相比，请求混合动力车辆中的发动机暖机的一个或更多个变量可 以使发动机功率增加至更有效的功率水平。
[0041] 如果车辆计算系统接收测量一个或更多个变量（例如，发动机冷却液）低于预定 的、可校准的或硬编码值的温度读取值，同时电池的电荷状态处于可接受的水平，则车辆计 算系统可以请求增加发动机功率以代替保持在怠速条件。可以通过车辆计算系统根据混合 动力动力传动系统如何使用功率流来控制或减少发动机功率的增加。
[0042] 混合动力动力传动系统可以通过车辆计算系统使用下面的等式来确定计算的发 动机功率（Pmg): 「00431 p = p -P +p (1) L 」 1 eng 1 wheel_demand 1 battery_desired 1 loss ^x ^
[0044] 其中，PbattOTy desiral是作为电池的电荷状态和车轮功率请求的函数的表，PbattOTy desiMd也可以通过电池报告的功率限制而减去/减掉电池可用的功率，P whMl dMd是用于请求 车轮功率的驾驶员请求，P1()SS是与动力传动系统中的机械组件相关的功率损失。为了简化 该示例中的数学计算，匕_将被视为等于零。然而，在动力传动系统中，存在可能使功率损 失值大于零的许多因素。
[0045] 在混合动力动力传动系车辆中，可以基于动力传动系统使用一个或更多个可校准 表来预先定义P battCTy_fcsiral。表可以基于电池的电荷状态和对车轮功率的驾驶员请求。可以 校准一个或更多个表，以通过从发动机请求最小化的燃料消耗来控制动力传动系统。
[0046]

【权利要求】
1. 一种混合动力动力传动系统，包括： 发动机； 电动机； 电池包； 至少一个控制器，被配置为响应于发动机启动和与发动机相关的温度小于预定值，如 果驾驶员功率请求大于零且电池包的电荷状态小于1〇〇%，则增加由发动机输出的功率，以 使所述温度增加至阈值温度。
2. 如权利要求1所述的混合动力动力传动系统，其中，所述至少一个控制器还被配置 为增加由发动机输出的功率，以使发动机的制动特性燃料消耗增加。
3. 如权利要求1所述的混合动力动力传动系统，其中，所述至少一个控制器还被配置 为增加由发动机输出的功率，以使发动机的制动特性燃料消耗减少。
4. 如权利要求1所述的混合动力动力传动系统，其中，阈值温度是与发动机相关的催 化转换器的起燃温度。
5. 如权利要求1所述的混合动力动力传动系统，其中，与发动机相关的温度是气缸盖 温度。
6. 如权利要求1所述的混合动力动力传动系统，其中，与发动机相关的温度是发动机 冷却液温度。
7. 如权利要求1所述的混合动力动力传动系统，其中，所述至少一个控制器还被配置 为使由发动机输出的功率增加至预定值。
8. 如权利要求7所述的混合动力动力传动系统，其中，预定值基于电池包的电荷状态。
9. 如权利要求8所述的混合动力动力传动系统，其中，预定值随着电池包的电荷状态 的降低而增加。
10. -种混合动力动力传动系统，包括： 发动机； 电动机； 电池包； 至少一个控制器，被配置为响应于发动机启动和与发动机相关的温度小于预定值，如 果驾驶员功率请求大于零且电池包的电荷状态小于1〇〇%，则增加发动机的燃料消耗，以使 所述温度增加至阈值温度。
【文档编号】B60W20/00GK104295429SQ201410306997
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2013年7月16日
【发明者】斯科特·詹姆斯·汤普森, 保罗·斯蒂芬·布赖恩, 大窪俊介, 依莲·Y·陈 申请人:福特全球技术公司