用于混合动力车辆的发动机速度控制设备及方法

用于混合动力车辆的发动机速度控制设备及方法
【专利摘要】本发明提供一种用于混合动力车辆的发动机速度控制设备及方法。一种车辆动力传动系统具有发动机、阻尼器以及电机，所述电机被构造为通过阻尼器与发动机选择性地机械式结合。车辆动力传动系统还具有至少一个控制器，所述至少一个控制器被编程为过滤电机的速度或扭矩命令的与发动机、阻尼器和电机的共振频率对应的频率含量，以减少发动机、阻尼器和电机的共振。
【专利说明】用于混合动力车辆的发动机速度控制设备及方法

【技术领域】
[0001] 本公开涉及一种用于混合动力车辆上的发动机的控制设备及方法，具体涉及一种 用于消除发动机扭矩脉动的设备及方法。

【背景技术】
[0002] 混合动力电动车辆（HEV)以内燃发动机和由最先进的逆变器系统驱动的电机为 特征。高电压电池用于电气化动力传动系统，以将电力供应到电机并储存在车辆制动期间 回收的能量。混合动力电动车辆中的电动机/发电机在传递驾驶者需求的扭矩时为车辆提 供额外的自由度，并且还可用于控制发动机的输出速度。三种常见的HEV构造：动力分流 式、串联式混合动力和并联式混合动力通常被用于汽车工业。
[0003] 在动力分流式混合动力电动车辆中，发电机和内燃发动机通过使用行星齿轮组而 互相连接，发电机选择性地提供可用于控制（例如，减小和/或增加）车辆的发动机的速度 的反作用扭矩。这样，发电机被用于控制发动机速度，并与行星齿轮组和牵引电动机协作以 提供无级变速传动（"CVT"）效果。与这种类型的混合动力电动车辆相关的一个缺点起因 于能够由电动机/发电机提供的反作用扭矩的量有限。
[0004] 发动机和电机之间的机械结构在特定的车速下会变为机械振动系统。例如，当发 动机为内燃发动机时，由内燃发动机中的活塞的往复运动或气体爆炸引起的扭矩变化导致 在内燃发动机的输出轴和电动机的旋转轴上产生扭转振动。当轴的固有频率与受迫频率 (forcible frequency) -致时，发生共振。这可导致轴产生外来噪声，甚至在一些情况下导 致轴的疲劳破坏。尽管这样的共振取决于发动机的类型和轴的结构，但是在很多情况下这 样的共振在转速低于发动机的可工作的转速范围的最小值时发生。
[0005] 在发动机运转开始或停止时可能在系统中发生的扭转振动的共振不仅在动力输 出设备中被察觉到而且在发动机的输出轴和电动机的旋转轴彼此机械式连接的任何驱动 系统中都被察觉到。应对这些问题的主要对策是通过阻尼器将发动机的输出轴和电动机的 旋转轴彼此机械式连接。然而，对减小扭转振动的振幅具有显著影响的阻尼器需要特殊的 阻尼机构。这增加了所需要的部件的数量并使阻尼器不期望地笨重。另一方面，尺寸小且 结构简单的阻尼器几乎没有效果。
[0006] 电动机通常处于比例积分（PI)增益控制。在扭矩从电动机输出到发动机的输出 轴并由此积极地使发动机的运转停止的过程中，I项（积分项）可导致发动机的输出轴下冲 (undershooting),这引起整个驱动系统的振动。当驱动系统被安装在（例如）车辆上时， 由于下冲导致的振动传递到车身并使驾驶者不舒适。
[0007] 通常，在发动机和电机之间控制混合动力电动车辆速度的传统方法可使用一个或 更多个算法来实现，所述一个或更多个算法用于通过控制发动机速度和/或发电机/电动 机速度而控制发动机和发电机/电动机的惯量。如果任意速度控制碰巧在发动机和电机之 间激发这样的共振，那么可在系统上察觉到严重的速度和扭矩振荡。在用于HEV应用的传 统的发动机速度控制中，不合适的混合动力电动速度控制设计会导致发动机速度/扭矩振 荡。


【发明内容】

[0008] 在第一说明性实施例中，一种车辆包括：发动机；阻尼器；电机，被构造为通过阻 尼器与发动机选择性地机械式结合；以及至少一个控制器。控制器可被编程并构造为过滤 电机的速度或扭矩命令的与动力传动系统的共振频率对应的频率含量，动力传动系统包括 但不限于发动机、阻尼器和电机。基于目标速度，控制器可过滤电机的速度或扭矩命令的频 率含量，以减少发动机、阻尼器和电机的共振。
[0009] 在第二说明性实施例中，一种动力传动系统通过过滤会在动力传动系统上产生振 动的命令值而在考虑到共振频率的减小的同时对速度或扭矩命令作出响应的方法。动力传 动系统可包括但不限于发动机、阻尼器、电机以及至少一个控制器。响应于电机的速度或扭 矩命令，动力传动系统可过滤所述命令的与发动机、阻尼器和电机的共振频率对应的频率 含量，以在电机对所述命令作出响应的同时减小动力传动系统的振动。
[0010] 在第三说明性实施例中，一种车辆包括动力传动系统以及至少一个控制器，所述 动力传动系统包括：发动机；阻尼器；电机，通过阻尼器与发动机机械式地结合。控制器可 被构造并编程为过滤电机的速度或扭矩命令的与动力传动系统的共振频率对应的频率含 量。在电机对速度或扭矩命令作出响应的同时，控制器可减小动力传动系统的振动。
[0011] 所述至少一个控制器实现陷波滤波器或超前滤波器（lead filter)。
[0012] 所述至少一个控制器还实现速度控制器，其中，陷波滤波器或超前滤波器被布置 为处理来自速度控制器的输出。
[0013] 速度控制器具有增益，使得所述命令包括与动力传动系统的共振频率对应的频率 含量。
[0014] 所述至少一个控制器还实现速度控制器，其中，速度控制器被布置为处理来自陷 波滤波器或超前滤波器的输出。

【专利附图】

【附图说明】
[0015] 图1是动力分流式混合动力电动车辆动力传动系统的示意图；
[0016] 图2A是动力分流式混合动力构造中的动力流动的示图；
[0017] 图2B是串联式混合动力构造的示图；
[0018] 图2C是变速器前置并联式混合动力（pre-transmission parallel hybrid)构造 的示图；
[0019] 图3是表示在HEV动力传动系统中的发动机和电机之间的共振的曲线图；
[0020] 图4A是阻尼掉混合动力电动车辆动力传动系统中的共振振荡的控制系统的示 图；
[0021] 图4B是表示控制系统过滤动力传动系统中共振振荡的频率含量的一组曲线图；
[0022] 图5是阻尼掉动力传动系统中的共振振荡的控制方法的流程图；
[0023] 图6示出了在控制算法中实施滤波器以减少动力传动系统中的共振的曲线图。

【具体实施方式】
[0024] 根据需要，在此公开了本发明的详细的实施例；然而，应该理解，公开的实施例仅 仅是本发明的示例，本发明可以以各种和可选的形式体现。附图不一定合乎比例；一些特征 可被夸大或最小化以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能性细节不应 该被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域的技术人员以各种方式使用本发明的代表性 基础。
[0025] 如图1中所示，公开的混合动力电动车辆动力传动系统具有并联-串联构造。车辆 系统控制器10、电池12以及驱动桥14连同电动机-发电机子系统受控制器局域网（CAN) 的控制。由模块10控制的发动机16通过扭矩输入轴18将扭矩分配至变速器14。
[0026] 变速器14包括行星齿轮单元20,行星齿轮单元20包括齿圈22、太阳齿轮24以及 行星架组件26。齿圈22将扭矩分配至包括齿轮啮合元件28、30、32、34和36的多级变速齿 轮（step ratio gear)。驱动桥的扭矩输出轴38通过差动和轴机构42被可驱动地连接到 车辆牵引轮40。
[0027] 齿轮30、32和34安装在中间轴上，齿轮32与电动机驱动的齿轮44啮合。电动机 46驱动用作中间轴齿轮装置的扭矩输入的齿轮44。
[0028] 电池通过动力流动路径48将电力传输至电动机。如在52处所示，发电机50以已 知的方式电连接到电池和电动机。
[0029] -些动力分流式系统配备有额外的离合器或制动器。当动力传动系统的电池12 在发动机关闭的情况下用作唯一的动力源时，扭矩输入轴18和行星架组件可以被超越联 轴器（overrunning coupling)53制动。当发动机开启且动力传动系统处于并联驱动模式 时，机械式制动器55可使太阳齿轮24和发电机50的转子固定，太阳齿轮24用作反作用元 件。
[0030] 如上所述，存在用于动力传动系统的两种动力源。第一动力源是利用行星齿轮单 元20连接在一起的发动机子系统和发电机子系统的结合。另一动力源仅包括电驱动系统， 该电驱动系统包括电动机、发电机和电池，其中，电池用作发电机和电动机的能量储存介 质。
[0031] 图2A中示出了在图1的示图中示出的动力分流式动力传动系统的各元件之间的 动力流动路径。在操作者的控制下，燃料通过发动机节气门以已知的方式被输送到发动机 16。被传递到行星齿轮单元20的发动机动力表示为τ^ω e，其中，Te是发动机扭矩，是 发动机速度。从行星齿圈传递到中间轴齿轮的动力表示为是齿圈扭矩和齿 圈速度的乘积。从变速器14输出的动力由符号τ s (轴38的扭矩）和符号ω s (轴38的速 度）表不。
[0032] 当发电机用作电动机时，发电机可将动力传递到行星齿轮单元。可选地，发电机可 被行星齿轮单元驱动，如图2A中的扭矩流动路径52所示。类似地，如动力流动路径54所 示，电动机和中间轴齿轮之间的动力分配可沿两个方向中的任一方向进行分配。从电池获 取电能或者给电池充电由双向箭头48表示。
[0033] 如图2A中所示，可通过控制发电机速度将发动机输出动力分成两条路径。机械式 动力流动路径从发动机流向行星架，从行星架流向齿圈，再从齿圈流向中间轴。电力 流动路径从发动机流向发电机，从发电机流向电动机，再从电动机流向中间轴。发动机动力 被分流，因此，在所谓的正态分流运行模式期间，发动机速度与车辆速度不相关。正态动力 分流运行是：发动机16将动力传递到行星齿轮单元20,行星齿轮单元20将动力传递到中 间轴齿轮30、32和34,中间轴齿轮30、32和34进而驱动车轮。行星齿轮单元的动力的一部 分被分配给发电机50,发电机50给电池12充电。此时，发电机速度大于零或为正，发电机 扭矩小于零。电池驱动电动机46,电动机46将动力分配给中间轴。这种布置为"正态动力 分流"。
[0034] 如果由于行星齿轮单元的机械性质而使发电机用作行星齿轮单元的动力输入以 驱动车辆，则该运行模式可被称为"负态动力分流"。负态动力分流是：发电机速度为负并且 发电机扭矩也为负。
[0035] 负态动力分流允许发电机将动力传递到行星齿轮单元20,同时电动机46用作发 电机并且电池12正在充电。然而，如果由中间轴齿轮装置在车轮处产生的扭矩不能满足驾 驶者需求，则在一些条件下，电动机可能会将动力分配到中间轴齿轮装置。那时，电动机必 须补足差值。
[0036] 如果激活发电机制动器55,则建立并联运行模式。并联运行模式是：发动机16开 启且发电机被制动。电池12给电动机46供电，电动机46驱动中间轴齿轮装置，同时动力 从发动机传递到行星齿轮装置再传递到中间轴齿轮装置。
[0037] 第一动力源可提供仅用于向前推进的扭矩，这是因为在中间轴齿轮装置中没有倒 档齿轮。发动机要么需要控制发电机，要么需要发电机制动器以允许将用于前进运动的动 力传递给车轮。
[0038] 如上所述，第二动力源是电池、发电机和电动机子系统。电动机从电池获取电能并 独立于发动机来实现推进（前进或后退运动）。发电机可从电池获取电能并依靠单向联轴 器53的反作用而驱动。在这种模式下，发电机用作电动机。
[0039] 如上所述，两种动力源被结合，使得它们无缝地协同工作，以在不超过系统的动力 限制（包括电池限制）的情况下满足驾驶者对动力的需求，同时保持最佳的动力传动系统 效率和性能。该系统可确定驾驶者对扭矩的需求，并在两种动力源之间实现最佳的动力分 流。如果超出电池限制并且电池电压处于特定范围之外，则动力传动系统可能会停止运行。
[0040] 在动力分流式混合动力构造中，行星齿轮组具有两个自由度，所以可允许在任意 给定的车辆速度下通过发电机将发动机速度调节至任意值。在所有正常操作期间，发电机 均将发动机速度控制为使系统效率最大化的最优速度设定值。
[0041] 发动机和发电机之间的速度关系具有如下形式：
[0042] ω8 = r3 ?e-r^m (1)
[0043] 其中，齿轮传动比

【权利要求】
1. 一种车辆，包括： 发动机； 阻尼器； 电机，被构造为通过阻尼器与发动机选择性地机械式结合； 至少一个控制器，被编程为过滤电机的速度或扭矩命令的与发动机、阻尼器和电机的 共振频率对应的频率含量，以在电机对速度或扭矩命令作出响应的同时减小发动机、阻尼 器和电机的振动。
2. 根据权利要求1所述的车辆，其中，当发动机与电机机械式结合时，与发动机、阻尼 器和电机的共振频率对应的频率含量导致发动机、阻尼器和电机的扭矩振荡和速度振荡。
3. 根据权利要求1所述的车辆，其中，所述至少一个控制器实现陷波滤波器或超前滤 波器。
4. 根据权利要求3所述的车辆，其中，所述至少一个控制器还实现速度控制器，其中， 陷波滤波器或超前滤波器被布置为处理来自速度控制器的输出。
5. 根据权利要求4所述的车辆，其中，速度控制器具有增益，使得所述命令包括与发动 机、阻尼器和电机的共振频率对应的频率含量。
6. 根据权利要求3所述的车辆，其中，所述至少一个控制器还实现速度控制器，其中， 速度控制器被布置为处理来自陷波滤波器或超前滤波器的输出。
7. -种用于减小动力传动系统的振动的方法，包括： 响应于电机的速度或扭矩命令，过滤所述命令的与动力传动系统的共振频率对应的频 率含量，以在电机对所述命令作出响应的同时减小动力传动系统的振动，其中，所述动力传 动系统包括发动机、阻尼器以及所述电机。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，与动力传动系统的共振频率对应的频率含量导 致动力传动系统的扭矩振荡和速度振荡。
9. 一种车辆，包括： 动力传动系统，包括发动机、阻尼器以及通过阻尼器与发动机机械式结合的电机； 至少一个控制器，被编程为过滤电机的速度或扭矩命令的与动力传动系统的共振频率 对应的频率含量，以在电机对速度或扭矩命令作出响应的同时减小动力传动系统的振动。
10. 根据权利要求9所述的车辆，其中，当发动机与电机机械式结合时，与动力传动系 统的共振频率对应的频率含量导致发动机、阻尼器和电机的扭矩振荡和速度振荡。
【文档编号】B60W10/10GK104340205SQ201410356700
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2013年7月26日
【发明者】梁伟, 卡罗尔·路易丝·大久保, 托马斯·克劳斯托维斯基, 邝明朗 申请人:福特全球技术公司