具有发动机起动和变速器换档裁定功能的混合动力电动车辆动力传动系统的制作方法

专利名称：具有发动机起动和变速器换档裁定功能的混合动力电动车辆动力传动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种混合动力电动车辆的动力传动系统，其具有从发动机 和电动机经由多级变速器到车辆驱动轮的分离的动力流路。
背景技术：
在混合动力电动车辆的动力传动系统中有两种动力源。 一种动力源是 发动机，其可以是火花点火式汽油内燃机，压燃式柴油机，燃气涡轮发动 机，氢燃料电池发动机等等。第二种动力源包括至少一个电动机，其与牵 引电池和发电机电连接。根据动力传动系统的工作模式，发电机可用作电 动机，电动机可用作发电机。例如，在发动机制动模式下，电动机可以给 电池提供充电电压。
两种动力源可被设定为串联式混合动力传动系统或是所谓的并联式 混合动力传动系统。
在串联式动力传动系统结构中，发电机靠发动机提供动力。发电机然 后给电池充电，电池为电动机提供动力，电动机与驱动轮相连接。在这种 串联式动力传动系统结构中，没有从发动机到车轮的直接机械扭矩流路。
在所谓的并联式混合动力电动车辆的动力传动系统中，发动机动力和 来自电池和电动机的动力被单独或是被结合起来为驱动轮提供动力。
在并串混联式混合动力车辆动力传动系统的结构中，并联式结构和串 联式结构两者的特点均有。在这种并串混联式结构中，发动机扭矩的一部 分通过机械扭矩流路传递到驱动轮，发动机动力的一部分驱动发电机，发
电机给电池充电，这样，电动机动力就能被传递至驱动轮。当发动机制动 时，车辆的动能可被利用，从而在电池里储存再生能。
在并联式混合动力电动车辆动力传动系统结构中，在低动力需求期 间，当电动机为车辆提供单独动力源时，可关闭发动机。当发动机不运转 时，通过开启分离离合器，可将发动机从电动机上分离开。当动力需求增 加时，发动机能被重新起动，离合器也能被重新啮合。
参照转让给本发明的受让人的美国专利6， 735， 502，可以看到并联 式混合动力电动车辆动力传动系统的一个例子。参照美国专利7,013,213， 该专利也已转让给本发明的受让人，可以看到并串复联式混合动力电动车 辆的动力传动系统的一个例子。
在并联式混合动力电动车辆的动力传动系统中，发动机和电动机可以 通过齿轮传动系统都被直接连接到驱动轮上，使得两种动力源都能为车辆 提供动力。变速器典型地具有多重传动比。这种类型的变速器的一个例子 是美国专利6,299,565公开的一种电子控制式无转换器的变速器，该专利 也已转让给本发明的受让人。
车辆系统控制器用于在具有并联式结构的混合动力电动车辆的动力 传动系统中实现几个功能。三个最基本的功能是(1)根据驾驶员对动力 的需求将电动机动力和发动机动力传递到车轮；(2)有效管理电池的能量 和发动机的动力；以及(3)系统故障管理。
这种车辆系统控制器由两个主要组件组成。第一，它有一个逻辑状态 机，描述车辆的运行模式和在这些模式之间转换的一组规则。第二，车辆 系统控制器有一个用于包括在状态机里的每个状态的发动机和变速器的 车辆系统组件的输出指令控制器。
如果动力传动系统处于单独的电动驱动状态时，根据驾驶员对扭矩的 需求，在并联式混合动力电动车辆动力传动系统中变换了传动比，因为发 动机惯性效应和发动机动力指令与指令回应间的时滞的原因，发动机起动 事件能引起驾驶性能的瞬间不良降低。

发明内容
本发明包括一种混合动力电动车辆控制方法和系统，其包括一个作为 控制网络一部分的控制器，其执行能通过形成从电动机驱动运行到发动机 驱动运行的平稳转换，提高车辆驾驶性能的算法。本发明规定从电动驱动 进行转换的时间，以使该时间与转换传动比的时间间隔相一致。
在从电动机作为唯一动力源的电动驱动运行状态到发机动运行状态 的转换中，本发明执行一个算法来确定何时起动发动机和何时将传动比转 换到满足驾驶员所需的驱动轮动力。因为它防止发动机起动和转换事件互 不相关地进行，这能保证操作性能在质量上不下降。
本发明的算法将提供每个这些事件所涉及的动力传动系统变量的裁 定。在电动机作为唯一动力源时的动力传动系统运行中，估算下一次发动 机起动的时间。也估算下一次转换的时间。然后该算法将计算该发动机起 动是否应该优先于其它动力传动系统的工作状态。
该算法将对发动机起动和传动转换事件之间的时间间隔使用一个校 准值，来保持事件分离，以使在单一电动驱模式和使用发动机动力的驱动 模式之间有一个平稳的转换。后一模式可以是单一发动机驱动模式，也可 以是既使用发动机动力又使用电动力的模式。
在执行该算法时，控制器网络将首先确定动力传动系统是否处于单一 电驱动模式，以及驾驶员所需动力是否在校准动力限度内。如果发动机关 闭，就计算起动发动机的预期时间，计算转换传动比的预期时间。如果转 换传动比的预期时间大于起动发动机的预期时间，则起动发动机。


图l是表示并联式混合动力电动车辆动力传动系统组件构成方式的示
意框图2是在发动机启动和转换控制方法执行期间，传动控制单元和车辆 系统控制器的界面示意图3是表示典型发动机的发动机扭矩和车辆速度的关系的图表，以及 典型混合动力动力传动系统车辆的电动机扭矩和发动机的速度的图表；
图4是表示在传动比转换的时间间隔期间，所需传动输入动力，校准 发动机动力阈值和所需传动输入动力比率的图表；
图5是到下一个低传动比到高传动比的传动比转换的时间图表； 图6是相对于图5的转换时间间隔起动发动机的时间的时间图表；
图7是当动力传动系统使用单一电动机动力时，在确定发动机起动的 预期时间期间，处于车辆系统控制器中的软件的结构示意图8是表示用于确定发动机起动优先权和接收传动转换的预期时间 的、处于车辆系统控制器中的软件的结构示意图9是表示由图7和8所示的控制器执行的方法步骤的流程图。
具体实施例方式
图1 表示并联式混合动力车辆动力传动系统的一个例子，其包括 发动机10，电动机一发电机12，多速比变速器14和驱动轮16。发 动机曲轴可以通过分离离合器18可选择地连接到电动机一发电机12 的转子上。发动机10可以通过离合器18从电动机一发电机上分离， 单独使用电动机一发电机的动力，此时可将发动机关闭。或者，发动 机可以保持在空转状态。
电动机一发电机12的动力输出被传递到变速器14的动力输入轴 上。如20所示的车辆系统控制器所确定的那样，变速器14从发动机 和发电机，或从单一的电动机一发电机，或从单一的发动机处接收动 力输入。
车辆系统控制器与发动机控制单元22，牵引电池24，电动机一 发电机控制单元26和变速器控制单元28电子连接。图1所示的动力 传动系统结构可与美国专利6,735,502; 6,746，366和7，021,409公开的 动力传动系统相似，这些专利已转让给本发明的受让人。
本发明执行的算法处于车辆系统控制器20中。
在图1中的动力传动系统工作期间，当该动力传动系统处于电动 驱动状态时，从电动驱动轴模式到并联工作模式的转换需要起动发动 机。通过估算下一次发动机起动时间的和取得下一次转换的预期时间 的估值，算法将计算发动机起动是否应该优先于其它工作状态。发动 机起动和变速器换档事件通过校准值在时间上保持分离。这可通过如 图2的示意图中所示的车辆系统控制器和变速器控制单元实现。
变速器控制单元28和车辆系统控制器20接收图1中30所示的 输入。这些输入可包括分别由油门踏板位置检测器和变速器输出轴速 度传感器输入的油门踏板的位置和车辆达到的速度。
变速器控制单元28在其控制存储器32中包括转换方法。该方法 取决于14所示的变速器的设计。变速器控制单元还包括计算转换的 预期时间的处理器部分34，这将会在图5中说明。
计算出的预期转换时间被传输到车辆系统控制器20的处理器部 分36，在此执行运算并确定发动机起动的优先标志。如果认为发动 机起动与图2中所确定的车辆的其它功能相比不需要优先，则如38 所示生成转换的延迟信号。关于优先权的决定需要计算起动预期时 间，这要通过车辆系统控制器中的处理器部分40来进行。启动的预 期时间的计算将会在随后结合图6来说明。
发动机起动的优先权的计算被分配至发动机状态机42，其为车 辆系统控制器20的一部分。各种状态可以包括发动机关闭状态44， 发动机关闭且车辆由电动机单独提供动力的电动机驱动状态46，再 发电的车辆低速状态48，在该状态下发动机制动时再生动力将被从 电动机一发电机12分配到电池24，以及再发电车辆高速工作状态50.
如果发动机驱动状态有比在其它工作状态进行工作的优先权更 高的优先权，则进入52所示的发动机驱动状态。
在状态54，由于动力传动系统在并联驱动模式中工作，电动机 一发电机将推进发动机的输出。如果电池需要充电，则进入充电状态
56。如果动力传动系统在电动机单独驱动模式中工作，则进入发动机
停止状态58。如果电池充电过度，则通过指令放电状态62来放电以 降低充电过度。
起动预期时间的方法将参照图7的示意图进行说明。起动的预期 时间在车辆系统控制器20中的40处计算。如图1的车辆系统控制能 量管理方法和驾驶员输入部分30的驾驶员指令所示，直到需要起动 发动机时，其数值表示时间的总数是数秒。该起动的预期时间的计算 只在车辆当前处于电动机驱动状态，即电动机是驱动轮的唯一的动力 源时才有意义。如果车辆处于电机驱动状态以外的任何状态，起动的 预期时间数值被设定为零。 '
如将参照图3和图4进行说明的那样，要确定动力阈值。如果起 动预期的时间设定为零，等于或低于发动机应被起动的动力阈值大于 当前所需的变速器的动力输入，且该所需的变速器的输入动力大于 零。如果属于这种情况，起动的预期时间可具有一个有意义的非零的 数值。在这种情况下起动的预期时间是发动机起动的动力阈值和当前 所需的变速器动力输入的差除以当前所需变速器输入功率。
图7表示该方法编码是如何执行的。如图7所见，64所示的动 力阈值，与30的驾驶员确定的所需的变速器的输入动力66进行比较。 这些数值在68处进行比较并转至除数因子70。由油门踏板位置信号 产生的所需的变速器的输入功率被从函数元素72转至除数因子70。 如在68处己确定发动机应该被起动的动力阈值比所需的变速器输入 动力大，该数值除以72处的比率值将成为74处起动的预期时间，该 时间被传送到开关76。 78处的标志将显示发动机是关闭还是开启。 如果发动机开启着，开关将中断74处的起动时间信号。相反，启动 时间信号将出现在输出端80处。
图8表示涉及发动机起动的优先权的确定的方法编码。图7所示 的输出端80，表示在图8的82处。为了应对不同的车辆操作变量与 环境因素的变化，在84处计算起动预期时间的调整值。这是一个校
准值。在结合点86处，起动的预期时间的数值通过减去84处的校准
值来进行修订。
转换的预期时间是在车辆系统控制器中确定的，当变速器处于高 档位，例如第四档时，通过计算特定的踏板位置的车辆速度来确定， 当车辆处于较低档位，第三档时，通过计算相同踏板位置的车辆速度 来确定。该值除以计算出的车辆的加速度。车辆的加速度是用图l所 示的车辆速度信号的经筛选的一阶导数来计算的。转换时间的值由图
8中的元件88所接收。在如90处所示的关系运算子1处确定起动的 预期时间是否小于转换的预期时间。如果属于这种情况，如94所示， 则发动机起动信号被分配到的开关92上。
如果86处的代数和小于零，则96处的信号将被分配至开关98。 在关系运算子IOO处确认该代数和小于零，将得到一个"确认"表示， 由常数1表示，使得开关98设定发动机优先起动标志。这将起动发 动机，不管转换的预期时间的计算结果如何。发动机起动被赋予即时 优先权。
如果起动的预期时间小于转换的预期时间，开关92将从与104 处的常数2相对应的"低"位移至与106处所示的常数3相对应的"高" 位，这样，开关98便得到起动信号。因此，可以看出，图8的上部 图示的函数可以支配图8的下部图示的函数。因此可以确定是先起动 发动机为好还是允许变速器换档。这是由在车辆系统控制器中产生发 动机起动优先权标志来执行的。如果起动的预期时间和起动时间的校 准值之差大于起动的预期时间，那么，发动机起动优先权标志被设定 为低，允许变速器在发动机被起动之前换档。否则，发动机被赋予首 先起动的优先权。
图3表示发动机运转的动力阈值是如何确定的。图3中110所示 的发动机扭矩对车辆速度的曲线是一条内燃机的典型特征曲线。相应 的电动机的典型特征曲线在112处示出。在点114处，电动机和发动 机的特征曲线相交。如116处所示，确定计算动力阈值的变量的就是
该交叉点。发动机运转状态的动力阈值在图4中的118处示出。图7
的66处所示的所需的变速器输入动力，在图4中由120表示。
图5是换档前后的传动比的时间曲线。为了图视的效果，低传动 比在122处示为第三档。在调高至高档位后，其可以是第四传动档， 这一比率如124处所示。换档发生在时间126处。
图5的128表示转换到下一个比率的时间。随着换档的时间126 的接近，换档的时间值逐步下降。
图6表示换档时间126到达时，起动发动机的预期时间的曲线， 如130所示。计算所需的变速器输入功率形成曲线132。如果油门踏 板的设定保持不变，132所示的这条曲线将会如其所示是一条直线。 如图6中134所示的那样，当比率增加时，起动的时间将按同一比例 减少。如果所需动力输入增加到如136所示的值，将不能换档。
发动机的每一个状态具有许多输出，其中之一表示"禁止换档"。 当车辆在执行其它功能时，由车辆系统控制器产生的这一输出被传送 到变速器控制器28要求变速器不能换档。在这种情况下，其它功能 将启用发动机。这样，通过避免连续起动发动机和变速器换档，本发 明执行的该算法提高了车辆的操作性。
发动机起动优先权标志是对车辆系统控制器的输入。在电动机驱 动状态下它修正禁止换档信号。如果发动机起动的优先标志被设定得 高，禁止换档信号也被设定得高，从而在发动机处于起动时，禁止变 速器换档。采用这种方法，通过对变速器换档和发动机起动事件进行 裁定，混合动力车辆的操作性通过本发明的方法得到提高。
图9是一个流程图，其表示参照图7和图8说明的全部运行方法。 在图9中，在判断步骤110中来确定车辆是否处于单独的电机驱动状 态。如果不车辆不是在单独的电机驱动模式下工作，本发明的方法将 不运用。如果是在单独的电机驱动模式下工作，在判断步骤112中确 定所需动力是否大于发动机运转的动力阈值。如果不大于发动机运转 的动力阈值，如114所示，程序将直接进行到换档。
如果所需动力小于发动机运转的动力阈值，在框114做出关于变 速器输入功率的决定。如果所需的变速器的输入功率大于零，起动的 预期时间将在框116进行计算。如前所述，起动发动机的预期时间等 于发动机运转动力阈值和所需变速器输入动力之差除以所需变速器 输入功率。
然后程序将进行到运算框118，在此通过确定在高速档的车辆速 度和在目前档位的车辆速度之间之差，除以估算出的车辆的加速度，
来计算换档的预期时间。在运算框116和118运算之后，程序进行到 判断框120，在此来确定换档的预期时间是否大于起动发动机的预期 时间。如果不大于，程序将进行到运算框114，在此禁止换档。如果 换档的预期时间大于起动的预期时间，如122所示，发动机将被起动。
尽管公开了本发明的一个实施例，但是对于所属技术领域的技术 人员来说，可以在不脱离本发明的范围内进行改变是显而见的。这些 所有的改变及其等同替代都涵盖在权利要求的范围内。
权利要求
1、一种控制混合动力电动车辆动力传动系统的方法，所述动力传动系统具有发动机，至少一个电动机-发电机，确定通向车辆驱动轮的并联式动力流路的多级变速器，以及实现从电动机-发电机驱动工作到发动机驱动工作转换的控制器，该方法包括以下步骤确定动力传动系统是否在发动机关闭状态下电动机-发电机驱动下工作；确定所需动力是否小于校准的发动机运转动力阈值；计算变速器换档前起动发动机的预期时间；计算变速器从一个档位转换到另一个档位的预期时间；比较变速器换档的预期时间和起动发动机的预期时间；以及如果变速器换档的预期时间大于起动发动机的预期时间就起动发动机，从而实现从电动机-发电机驱动工作到发动机驱动工作的平稳转换。
2、 一种控制混合动力电动车辆动力传动系统的方法，所述动力传动 系统具有发动机，至少一个电动机一发电机，确定通向车辆驱动轮的并联 式动力流路的多级变速器，以及实现从电动机一发电机驱动工作到发动机 驱动工作转换的控制器，该方法包括确定动力传动系统是否处于发动机关闭状态下的运行中；计算所需变速器输入动力的所需增加功率；确定所需变速器输入动力是否小于校准前的发动机运转动力阈值； 确定所需变速器输入动力；计算变速器换档前起动发动机的预期时间，作为至少是变速器输入动 力的所需的功率增加的函数；测量车辆速度；计算变速器从一个档位转换到另一个档位的预期转换时间，作为至少是车辆加速度的函数；比较变速器转换的预期时间和起动发动机的预期时间；以及如果变速器转换的预期时间大于起动发动机的预期时间，则起动发动 机，从而使发动机的起动与变速器换档在时间上分离，提高从电动机一发 电机驱动工作到发动机驱动工作的平稳性。
3、 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在变速器换档的预期 时间的计算步骤中，变速器的换档是从一个速比调高到一个更高的速度 比。
4、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，变速器从一个档位转 换到另一个档位的预期时间的计算步骤是至少是车辆速度的筛选的一阶 导数的函数。
5、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，变速器从一个档位转 换到另一个档位的预期时间的计算步骤是至少是车辆加速度的函数。
6、 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，计算起动发动机的预 期时间的步骤是通过计算发动机运转动力阈值和所需变速器输入动力之 差，用所需变速器驶入动力中所需功率增加除该差来确定的。
7、 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，计算换档的预期时间 的步骤是通过计算变速器换档前的车辆速度和变速器换档后的车辆速度 之差，除以估算的车辆加速度来确定的。
8、 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，计算换档的预期时间 的步骤是通过计算变速器换档前车辆速度和变速器换档后的车辆速度之 差，除以估算的车辆的加速度来确定的。
9、 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，如果起动发动机的预 期时间小于校准值，无论变速器换档的预期时间如何，起动发动机的步骤 都将执行。 '
10、 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，加速度被做为车辆速 度的筛选的一阶导数的函数来确定。
11、 一种控制混合动力电动车辆动力传动系统的方法，所述动力传动 系统具有发动机，至少一个电动机一发电机，确定通向车辆驱动轮的并联 式动力流路的多级变速器，以及实现从电动机一发电机驱动工作到发动机 驱动工作转换的控制器，该方法包括确定动力传动系统是否处于发动机关闭状态下的工作中；计算所需变速器输入动力的所需增加功率；确定所需变速器输入动力；确定所需变速器输入动力是否小于校准前的发动机运转动力阈值；计算变速器换档前起动发动机的预期时间，作为至少是变速器输入动 力的所需的功率增加的函数；测量车辆速度；计算变速器从一个档位转换到另一个档位的预期转换时间，作为至少 是车辆加速度的函数；比较变速器换档的预期时间和起动发动机的预期时间；如果变速器换档的预期时间大于起动发动机的预期时间，就起动发动 机，从而使发动机的起动与变速器换档在时间上分离，提高从电动机一发 电机驱动工作到发动机驱动工作的平稳性；以及如果计算的起动发动机的时间短于起动发动机的校准时间，无论计算 的变速器换档的预期时间如何，都建立发动机起动优先于变速器换档的事 件。
12、 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，速度被做为车辆速 度的筛选的一阶导数的函数来确定。
13、 一种控制混合动力电动车辆动力传动系统的控制系统，该动力传 动系统具有发动机，至少一个电动机一发电机，电池，确定通往车辆驱动 轮的并联式动力流路径的多级变速器，动力传动系统控制器网络，其包括 车辆系统控制器，用于设立和取消动力传动系统工作的多个状态中的每个 状态，包括单一发动机的工作状态，发动机和电动机一发电机都运行的工作状态，以及发动机停止工作的电动机一发电机驱动的状态；动力传动系统控制器网络中与车辆系统控制器连通的变速器控制器， 用于响应驾驶员和动力传动系统操作输入变量进行变速箱换档；动力传动系统控制网络中与车辆系统控制器连通的发动机控制器，用 于响应来自车辆系统控制器的指令，设立发动机运转状态和发动机关闭状态；动力传动系统控制器网络用于预计动力传动系统在发动机关闭、电动 机一发电机驱动状态下工作后起动发动机的时间，并预计变速器的换档时 间；动力传动系统控制器网络进一步在换档的预期时间大于起动发动机 的预期时间时起动发动机，从而使发动机的起动与变速器换档在时间上分 离，实现从电动机一发电机驱动工作到发动机驱动工作的平稳性。
14、根据权利要求13所述的控制系统，其特征在于，如果起动发动机的预期时间小于校准值，则无论起动发动机的预期时间是否小于变速器 换档的预期时间，动力传动系统控制器网络进一步赋予发动机起动事件的 即时优先权。
全文摘要
公开了一种用于具有多级变速器的混合动力电动车辆动力传动系统的控制方法和控制系统，其中发动机起动事件与变速器档位转换事件在时间上分离开，实现从发动机关闭的电动驱动状态到发动机提供驱动动力力的驱动状态的平稳转换。
文档编号B60W20/00GK101181899SQ20071018727
公开日2008年5月21日 申请日期2007年11月15日 优先权日2006年11月16日
发明者卡特勒恩·贝利, 苏芮·苏芮巴布, 马克·山崎, 马尔文·克拉斯卡 申请人:福特全球技术公司