专利名称：一种用于码头牵引车的混合动力系统和驱动控制方法
技术领域：
本发明涉及码头牵引车混合动力系统设计，尤其涉及一种用于码头牵 引车的混合动力系统和驱动控制方法。
背景技术：
集装箱运输以其方便、安全、快捷的特点已成为货物运输的发展重点。随着世界经济发展，自2003年以来，集装箱运输每年以超过10%的幅度增 长，2006年上半年，我国主要港口完成集装箱吞吐量4212.11万TEU，同 比增长22.4%,并依然保持着较高增长态势。随着集装箱吞吐量的增长，码头牵引车的需求也同步增长，与其他汽 车相比，码头牵引车的运行工况有如下特点(l)速度低，码头内的速度 小于40km/h; (2)不需要爬坡，码头内部及码头之间几乎没有坡度；(3) 怠速时间长，多辆拖车排队等候装货和卸货期间怠速运4亍(基本不停车)， 怠速时间超过50%。原码头牵引车设计的后备功率很大，但是根据分析码 头牵引车的实际运行工况发现，其工况基本没有坡度，而且对加速性能要求不高，因此大的后备功率是极大的浪费，而且现有码头牵引车在工作过 程中大部分时间发动机工作在低效区，燃油经济性差，污气排放高。所以 就需要对其进行进一步的改进。发明内容本发明的目的在于提供一种用于码头牵引车的混合动力系统和驱动控 制方法，其采用串联结构的驱动方式可以使发动机始终工作在最佳经济转速区域，极大提高燃油经济性能和减少排放，大约可以减少一半现有发动 机的排量。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案本发明的用于码头牵引车的混合动力系统，其包括发动机及其控制器、 发电机及发电机控制器、驱动电机装置及躯动电机控制器、动力电池及其 电池管理系统、以及整车控制器；所述发电才几与所述发动机同轴连接，用 以由所述发动^/L带动所述发电机发电；所述动力电池与所述电池管理系统 相连，所述电池管理系统的多个电源端分别连接所述发电机控制器和驱动 电机控制器，所述整车控制器的电信号端分别与所述发动才几发电机控制器、 驱动电机控制器和所述电池管理系统相连，所述发电机控制器与驱动电机 控制器相连；所述整车控制器实时接收来自各个控制器的通讯信号，并向 所述发动机、发电机控制器、驱动电机控制器、电池管理系统发出指令信 号，用于设定发动机或驱动电机装置的工作模式，并控制所述发电机控制 器将所述发电机输出的电能通过所述驱动电机控制器提供给所述驱动电机 装置，或者控制所述电池管理系统将所述动力电池输出的电能通过所述驱 动电机控制器提供给所述驱动电机装置，或者控制所述驱动电机控制器将 所述驱动电机装置刹车制动的能量反馈给所述动力电池。其中，所述驱动电机装置采用双驱动电才几的结构，两个驱动电机通过 变速箱连接车辆车轮的转动轴，用以为车辆车轮提供可变档的动力源。其中，所述的驱动电机装置采用永磁同步电机。其中，所述变速箱为两档电控变速箱，且为双输入结构，根据整车功 率需求可选装单输入驱动电机或双输入驱动电机。其实现方式为整车控制器计算整车驱动功率需求；如果整车功率需求小于单电机最 大持续输出功率，则整车控制器执行单电机驱动控制策略；如果整车功率 需求大于单电机最大持续输出功率，则整车控制器执行双电机驱动控制策 略。本发明还提供了一种用于码头牵引车混合动力系统的驱动控制方法，其按照以下步骤进行A、 系统上电初始化；B、 设定纯电动启动才莫式；C、 整车控制器接收关于发电机和驱动电冲几装置的工况彩:据，并判断车 速是否稳定；若是则执行步骤D;D、 整车控制器实时接收关于驾驶员输入的油门信息和档位数据，并判 断驱动电机装置当前的功率需求是否在一预i殳范围内；若是则执行步骤E; 若否则执行步骤F;E、 切换为第一电驱动模式，由发电机单独为驱动电机装置提供电能；F、 切换为第二电驱动模式，由发电机和动力电池联合为驱动电机装置 提供电能。其中，所述步骤E和步骤F中，所述第一电驱动模式和第二驱动模式 在启动时，包括以下步骤El、由动力电池为发电机提供工作电压，启动发电机； E2、启动发动机；E3、切断动力电池为发电机供电，并将发电机输出的电能通过所述发 电机控制器提供给所述驱动电机控制器，控制驱动电机装置工作。 其中，在所述步骤F的执行过程中，还包括以下步骤 Fl、整车控制器计算发电机的现行发电功率；F2、才艮据动力电池的当前SOC ( State of charge,电池剩余的电量与电 池容量的百分比)值进行发电功率的给定，判断动力电池的当前SOC值是 否小于第一设定值、且大于安全阈值；若是，则提高发电功率，并执行步 骤F3;F3、切换为行车充电模式，将发电机产生的富裕电量充入动力电池内 存储；F4、电池管理系统判断电池当前的SOC值是否大于所述第二设定值； 若是则执行步骤F5;F5、 4亭止向动力电池充电。其中，所述步骤F2的判断结果为动力电池的当前SOC值大于第一设 定值，则保持第二电驱动模式，并返回执行步骤F2，同时电池管理系统实 时判断电池当前的SOC值是否小于安全阈值，若是则启动报警，并切断动 力电池为驱动电机装置的供电。其中，所述控制方法还包括以下步骤整车控制器判断是否刹车制动， 若是，则利用驱动电机控制器使驱动电机装置工作在发电状态，并此制动 发电产生的能量回馈给动力电池。采用上述方案，本发明针对码头牵引车高油耗高排放的特点，提出了 一种串联式双电才几混合动力驱动系统及其驱动方法。本发明釆用双电机串 联式混合动力驱动系统(即发电机和发动机串联的结构方式)，并采用双电 机驱动后桥，小排量发动机驱动发电机发电，给驱动电机供电或是给电池 充电，将发动机优化在最佳经济转速区域，极大的提高其经济性，驱动方 式上以电机驱动，可实现电启车和电启机模式，以及制动能量回收。显著 提高经济性和改善排放。
图1为本发明混合动力系统的结构示意图，图中，才莫块之间的细实线 表示控制信号线，粗实线表示动力能量连接，虚线箭头表示燃油走线； 图2是本发明混合动力系统中的整车控制信号示意图； 图3是本发明控制方法流程图。
具体实施方式
以下对本发明的较佳实施例加以详细说明。如图1所示，本发明提供了一种用于码头牵引车上的混合动力系统，其主要包括发动机110及其控制器、油箱130、发电机120及发电机控制器 160、驱动电机装置及驱动电机控制器、动力电池210及其电池管理系统1卯、 以及整车控制器200;其中图1的驱动电机装置及驱动电机控制器包括第一 驱动电机130、第二驱动电机140、和两个驱动电才几控制器170和180，第 一驱动电机130和第二驱动电机140通过变速箱150连接车辆的车轮转动 轴，用以为车轮提供动力源，通常可以将其安装在后桥传动轴上，采用双 驱动电机的方式，使得调速和换挡更灵活，更容易对车辆系统的能源进行 合理的分配，起到节油、节能的目的。发电机120与发动机110同轴连接， 由发动机110带动发电机120发电；发电机120输出的电能通过发电机控 制器160和驱动电机控制器(130、 140)逆变后提供给驱动电机装置，直 接驱动第一驱动电机130和第二驱动电机140,并且发电机120输出的电能 还通过发电机控制器160逆变后通过电池管理系统l卯送入动力电池210 中，用以存储；动力电池210与电池管理系统190相连，电池管理系统190 的多个电源端分别连接发电机控制器160和驱动电机控制器170和180，用 于将动力电池210输出的电能根据整车控制器200的指令信息，分配给混 合动力系统的各个部件，用以提供工作电压；而整车控制器200实时接收 来自各个控制器的关于发电机、发动机和驱动电机装置的通讯信号(如图2 所示)，并向发动机110的控制器、发电机控制器160、驱动电机控制器(170、 180)、电池管理系统190发出指令信号，用于i殳定发动才几110或驱动电才几 装置的工作模式，并控制能量的分配，如控制电池管理系统l卯将动力电 池210输出的电能通过驱动电机控制器(170、 180)提供给驱动电机装置、 或控制驱动电机控制器(170、 180)将驱动电机装置(130、 140)刹车制 动的能量反馈给动力电池210、或控制发电机控制器160将发电机120输出 的电能通过驱动电机控制器(170、 180)提供给驱动电机装置。上述所提 到的各种控制器均具有逆变功能。如图2所示，发电机、发动机和驱动电机装置的驱动控制器或控制器均将各自对象的转矩、使能、方向等信号传送给整车控制器，由其做全局控制；而同时电池组信息、油门、制动以及 驾驶员的操作钥匙的信息也会一并送入整车控制器中，作为控制策略的参^"化息。上述变速箱为两档电控变速箱，且为双输入结构，根据整车功率需求 可选装单输入驱动电机或双输入驱动电机。本发明设计的车辆变速装置采 用两档电控变速箱，增加调速范围，在满足车辆设计最高车速范围的基础 上，起到减速增矩的功能。该变速箱釆用双输入模式，可以根据整车功率 需求选择单电机输入和双电机输入，可扩展性好，实用性强。整车控制器200协调发电机控制器、驱动电初a控制器、电池管理系统 分别对发电机、驱动电机以及电池的控制，并通过CAN总线接收发电机和 驱动电机的转速、转矩和功率，以及母线电压、电流信号，并根据不同工 况下的整车控制策略，给出发动机油门控制信号、驱动电机和发电机转据 控制信号，以及变速箱换档信号，从而控制整车运行，而且整车控制器200能减排的目的。例如，当驱动电机需求小功率时，由发电机单独给驱动电 机供电，当驱动电机需求大功率时，由发电机和电池联合供电，其中发电 机发出的电能通过发电机控制器直接供给驱动电机，而所缺电量通过整车 控制器调节由电池经过电池管理系统输送给驱动电机。以下结合附图3说明，基于上述系统，发明所提供的一种驱动控制方 法。如圓3所示，400,系统上电初始化；410，设定纯电动启动模式，即在车辆起步时以纯电动模式驱动车辆启 动，从而避免启车时发动机的高油耗和高排;改的缺点；420,整车控制器接收关于发电机和驱动电机装置的工况数据，并判断 车速是否稳定；若是则执行步骤430;若否，则保持纯电动启动模式，并返回步骤420;430,整车控制器实时接收关于驾驶员输入的油门信息和档位数据，并 判断驱动电机装置当前的功率需求是否在一预设范围(根据发电机功率来 确定)内，即判断是否在0~发电机最大持续发电功率范围内；若是则执行 步骤440;若否，则执行步骤450;440,切换为第一电驱动模式，由发电机单独为驱动电机装置提供电能； 450,切换为第二电驱动模式，由发电机和动力电池联合为驱动电机装 置提供电能。在上述步骤440和450中，所述第一电驱动模式和第二电驱动模式在 启动时，采用电启机模式运行，其包括以下步骤首先，由动力电池为发 电机提供工作电压，启动发电机；然后，启动发动机，由发电机将发动机 很快提升到经济转速区域；其次，切断动力电池为发电机供电，并将发电 机输出的电能通过所述发电机控制器提供给所述驱动电机控制器，控制驱 动电机装置工作。这样可以显著减少发动机启动时的高油耗和高排放量。 在上述步骤450的执行过程中，第二电驱动模式还包括以下步骤 451，整车控制器计算发电机的现行发电功率，驱动电机的需求功率根 据整车控制油门指令通过查表得到，而发电功率则通过驱动电机的功率需 求、整车附件功率需求、以及传递效率等通过计算得到，这一计算方法属 于现有技术；整车控制器在计算整车驱动功率需求后，如果整车功率需求 小于单电机最大持续输出功率，则整车控制器执行单电机驱动控制策略； 如果整车功率需求大于单电机最大持续输出功率，则整车控制器执行双电 机驱动控制策略。452，根据动力电池的当前SOC值进行发电功率的给定，判断动力电 池的当前SOC值是否小于第一设定值，并大于安全阈值(这里的第一设定 值大于安全阈值，而小于或等于下述的第二i殳定值，这里的安全阀值是电 池工作的最低限值，属于报警阀限值，而笫二设定值是属于动力电池的充电上限值)；若是，则提高发电功率，并执行步骤453;若否，则保持原有 驱动模式并返回步骤452，同时电池管理系统实时判断电池当前的SOC值 是否小于安全阈值(如30%)，若是则启动报警；453, 切换为行车充电模式，将发电机产生的富裕电量充入动力电池内 存储；454, 电池管理系统判断电池当前的SOC值是否大于所述第二设定值 (如卯％或95%);若是则执行步骤455;若否则返回步骤453;455, 停止向动力电池充电，并执行步骤456;456, 整车控制器判断是否刹车制动，如整车控制器是否接收到来自驾 驶员的刹车指令，或是否有系统硬件故障并已启动报警需要停车等情况； 若需要刹车，则执行步骤457;若不需要刹车，则保持原有的驱动模式，并 返回步骤430;457, 利用驱动电机控制器使驱动电机装置工作在制动发电状态，并此 制动发电产生的能量回馈给动力电池。从上述的过程可以看出，本发明的混合动力总成可实现以下驱动模式(1) 电启车模式车辆起步时，以纯电模式驱动车辆，避免了启车时发动机高油耗，高 排放的缺点。(2) 电驱动模式车辆正常行驶时由电机驱动，能量来源于发电机或储能电池，当驱动 只有小功率需求时，由发电机单独供电，大功率需求时则由发电机和电池 联合供电，这样可减少电池的使用循环次数，提高电池使用寿命。(3) 电启机才莫式发动机启动时，先启动发电机，由发电机将发动机很快提升到经济转 速区域，这样可显著减少发动机启动时的高油耗和高排放。(4) 行车充电模式行车状态，如果整车在小功率需求下运行，有功率富裕，且电池soc 值小于安全设定值，富裕功率给电池充电，增加发动机的负荷率，有利于 提高发动机利用率。而当电池荷电状态大于设定值时，则结束行车充电模式。(5) 制动能量回收模式制动时，驱动电机作为发电机，回收制动能量，给电池充电，提高能 量利用率。(6) 驻车充电模式停车状态时，如果车载电池的荷电状态太低，可以进入驻车充电模式。 由发动机带动发电机发电，当电池荷电状态大于设定值时，则结束驻车充 电模式。综上所述，本发明根据码头牵引车的特殊工况特点，采用发动机和发 电机串联驱动的结构形式，将发动机始终控制在最佳经济转速区域范围， 结构简单，控制方便，且节油减排效果明显。相对于现有技术而言，车辆 的后备功率设计一般是用来满足加速、爬坡等特殊工况需求，在一般的运 行中用不到，因此汽车的后备功率越大，发动机运转的负荷率就会越^f氐， 其效率就越低，这也是导致其经济性差的原因之一，而本发明采用混合动 力系统的设计方案，可以通过减小发动机排量、优化各种工况下发动机和 电机的工作启停和运转速度来很好的解决该问题。所以我们采用小排量柴 油机替代原车大排量柴油机，在满足整车功率需求的基础上，可有效提高 发动机效率，显著提高经济性。本发明设计的车辆一般正常运行时，发电 机直接供电驱动，当特殊工况需要大功率驱动时，由发电机和电池同时供 电，提供大功率输出。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以 改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护 范围。
权利要求
1、一种用于码头牵引车的混合动力系统，其包括发动机及其控制器，其特征在于，该系统还包括发电机及发电机控制器、驱动电机装置及驱动电机控制器、动力电池及其电池管理系统、以及整车控制器；所述发电机与所述发动机同轴连接，用以由所述发动机带动所述发电机发电；所述动力电池与所述电池管理系统相连，所述电池管理系统的多个电源端分别连接所述发电机控制器和驱动电机控制器，所述整车控制器的电信号端分别与所述发动机控制器、发电机控制器、驱动电机控制器和所述电池管理系统相连，所述发电机控制器与驱动电机控制器相连；所述整车控制器实时接收来自各个控制器的通讯信号，并向所述发动机、发电机控制器、驱动电机控制器、电池管理系统发出指令信号，用于设定发动机或驱动电机装置的工作模式，并控制所述发电机控制器将所述发电机输出的电能通过所述驱动电机控制器提供给所述驱动电机装置，或者控制所述电池管理系统将所述动力电池输出的电能通过所述驱动电机控制器提供给所述驱动电机装置，或者控制所述驱动电机控制器将所述驱动电机装置刹车制动的能量反馈给所述动力电池。
2、 根据权利要求l所述的系统，其特征在于，所述驱动电机装置采 用双驱动电机的结构，两个驱动电机通过变速箱连接车辆车轮的转动轴， 用以为车辆车轮提供可变档的动力源。
3、 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述驱动电机装置采用7JU兹同步电机。
4、 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述变速箱为两档电 控变速箱，且为双输入结构，根据整车功率需求可选装单输入驱动电机或双输入驱动电机。
5、 一种用于码头牵引车混合动力系统的驱动控制方法，其特征在 于，所述方法按照以下步骤进行A、 系统上电初始化；B、 i殳定纯电动启动才莫式；C、 整车控制器接收关于发电机和驱动电机装置的通讯信号，并判断车 速是否稳定；若是则执行步骤D;D、 整车控制器实时接收关于驾驶员输入的油门信息和档位数据，并判 断驱动电机装置当前的功率需求是否在一预设范围内；若是则执行步骤E; 若否则执行步骤F;E、 切换为第一电驱动模式，由发电机单独为驱动电机装置提供电能；F、 切换为第二电驱动模式，由发电机和动力电池联合为驱动电机装置 提供电能。
6、 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤E和步骤F 中，所述第一电驱动模式和第二驱动模式在启动时，包括以下步骤El、由动力电池为发电机提供工作电压，启动发电机； E2、启动发动才几；E3、切断动力电池为发电机供电，并将发电机输出的电能通过所述发 电机控制器提供给所述驱动电机控制器，控制驱动电机装置工作。
7、 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步骤F的执行 过程中，还包括以下步骤Fl、整车控制器根据驱动电机需求计算发电机所需的现行发电功率； F2、根据动力电池的当前SOC值进行发电功率的给定，判断动力电池 的当前SOC值是否小于第一设定值、且大于安全阈值；若是，则提高发电功率，并执行步骤F3;F3、切换为行车充电模式，将发电机产生的富裕电量充入动力电池内 存储；F4、电池管理系统判断电池当前的SOC值是否大于所述第二设定值； 若是则执行步骤F5;F5、停止向动力电池充电。
8、 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤F2的判断 结果为动力电池的当前SOC值大于第 一设定值时，则保持第二电驱动模式, 并返回执行步骤F2，同时电池管理系统实时判断电池当前的SOC值是否小 于安全阔值，若是则启动报警。
9、 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述控制方法还包 括以下步骤整车控制器判断是否刹车制动，若是，则利用驱动电枳i控制器使驱动电 机装置工作在发电状态，并将此制动发电产生的能量回馈给动力电池。
全文摘要
本发明公开了一种用于码头牵引车的混合动力系统和驱动控制方法，其一般正常运行时，发电机直接供电驱动车辆运行，当特殊工况需要大功率驱动时，由发电机和电池同时供电，提供大功率输出。本发明针对码头牵引车高油耗高排放的特点，采用串联式混合动力系统，将发动机优化在最佳经济转速区域，极大的提高其经济性，驱动方式上以电机驱动，可实现电启车和电启机模式，以及制动能量回收。显著提高经济性和改善排放。
文档编号B60L11/02GK101224710SQ20081006528
公开日2008年7月23日 申请日期2008年2月1日 优先权日2008年2月1日
发明者余凌飞, 徐国卿, 徐杨生, 波 朱, 石印洲, 罗全健, 俊 贡 申请人:深圳先进技术研究院