电动牵引系统及其方法

专利名称：电动牵引系统及其方法
技术领域：
本发明涉及车辆上的电动推进系统，S卩，牵引系统，包括如此系统的改装安装。


图IA和IB是具有安装在车辆上的电动牵引系统实施例的车辆驱动测试结果的曲 线图；图2是车辆系统部件的框图；图3是本发明所揭示实施例的系统部件的框图；图4是所揭示实施例的系统部件的框图；图5A-5D是所揭示实施例的支架的示意图；图6是所揭示实施例的系统部件的框图；图7是用于所揭示实施例中的方法步骤的流程图；图8是所揭示实施例中使用状态的状态图；以及图9是根据本发明实施例的车辆改装的方法步骤的流程图。各个附图中相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施例方式在以下对优选实施例的详细描述中，将参照示出可实践本发明的实施例的附图。 应该理解到，也可使用其它的实施例且可在不脱离本发明的范围的情况下作出各种变化。 附图和详细描述并不意图将本发明限制在所揭示的具体形式中。相反，意图是涵盖所有落 入由附后权利要求书所定义的本发明的精神和范围之内的修改、等价物和替代物。这里的 标题并不意图以任何方式来限制主题。一方面，本发明使用构造更为结实的车辆传动装置的接入端口(access port)(也 称之为动力输出端口( “ΡΤ0”端口))，其中该端口能使转换方法论适用于超过3，000，000 辆美国卡车的目前8级的重型车辆(HDV)车队，考虑到联邦要求的排放规定。这就是说，一 方面，本发明的改装系统适用于HDV并具有10至15年的寿命循环，在现实世界限制内减少 排放和燃料消耗。这可以通过各种方法和技术来实现，这些方法和技术不仅适于现有车队 的多种多样和老化的硬件，而且适于这些卡车的经济上脆弱的所有权结构。在本发明的一个实施例中，对传统的HDV提供改装结构，其能够在单一驾驶时间 内在以下两种模式中运行i)内燃机(ICE)模式，其中，ICE通过控制器从传统的PTO端口将动力输出到添置的电动牵引电动发电机(ETMG)，并由此向作为发电机的ETMG提供机械 动力，以产生并在大型电池内储存电荷，以及ii)电动牵引电动机模式(或简称为“ET模 式”)，其中，ICE关闭，从电池中送回储存的电荷(通过控制器和同一 ETMG)，由此，对作为电 动机的ETMG提供电力，以将机械动力提供到同一 PTO内而独立地推进车辆。在另一方面， 控制器构造成响应于驾驶和电池状态，在ICE和ET模式之间自动地切换HDV。例如，在本发 明的实施例中，控制器在ET模式中自动地启动HDV，并响应于达到某一上限的车辆速度将 其切换到ICE模式，其中该上限根据例如车辆上的载荷可以在15至30MPH范围之内。相应 地，控制器再响应于落到限值以下的HDV速度，自动地将HDV切换到ET模式。该自动切换 在单一驾驶时间内可发生多次。这里术语“牵弓I ”可与术语“推进”互换地使用。如术语在本文中所使用的那样，术语“驾驶时间”是指从离开点至到达点的行程， 并可包括返回行程。例如，对于洛杉矶港口区域内的日间卡车来说，这可包括日间的行程， 例如，车辆从运输公司的大院出发，行驶在城市街道上到达港口，在港口等待装货(可能包 括排队缓慢地蠕动的长时间的间隔)，离开港口，行驶在城市街道上到达递送点，以及返回 到大院子内。(当然，可替代地包括先从大院行驶在城市街道上，到达提货点，然后，行驶到 港口，在港口内等待卸货，离开港口，行驶在城市街道上到达递送点，以及返回到大院子。) 可以包括没有到港口的行程，或日间一次以上到港口的行程。在单日内可包括一个以上的 提货点和一个以上递送点。现参照图IA和1B，图中示出本发明实施例的测试数据。测试数据由装备有ET系 统的根据行车循环驾驶的HDV产生，行车循环代表日间卡车的行车循环(例如，在洛杉矶港 口区域)。图IA示出“仅驾驶室(cab)”测试的测试数据。图IB示出50，000磅车辆毛重 的卡车的数据。本发明实施例利用动力交换单元(PXU)代替传统的ΡΤ0。对于旨在解决这里所述 经济上有挑战性的所有关系的结构的这里所述用途范围很广的各种车队来说，该PXU有助 于将ETMG改装到传统的传动装置。PXU的设计只能部分地依据现有HD卡车行车循环中遇 到的有关速度和转矩的需要和限制等的发现。除了有助于PXU设计，对于HD日间卡车的行 车循环的研究也有助于能够选择改装ETMG和用于本发明的电池，并帮助开发用于改装电 动牵引系统和方法的控制逻辑的特殊的算法和约束条件。该算法子控制何时通过ETMG对 卡车供电，何时对ETMG提供机械动力来对电池充电，以及以何种充电速率进行充电，何时 自动地在ET和ICE模式之间进行切换以及如何进行。根据HDV在街道上行驶循环的要求，在本发明的一个实施例中，传动装置是重型 的手动传动装置，且该卡车在大部分距离上在一街道行驶速度范围内由ET模式中的ETMG 根据传统的街道行驶循环推动，使得驾驶员有必要手动对传动装置换挡，以在ET模式驾驶 过程中达到街道行驶速度。在一个实施例中，即使ETMG可能通过PXU连接到传动输入也可 能达到街道形式速度，此时，不像传统ICE驱动的结构那样，无需借助于离合器，在还童ICE 结构中，ICE可暂时地通过车辆传统的ICE/传动装置离合器与传动装置脱离，以便进行换 挡。此外，在本发明实施例的一个方面，已经发现了诸多问题，并解决了有关结构和涉及如 何在ET模式中对重型手动传动装置换挡的方法，即，不使用通常用来暂时地脱离HDV推进 力源的离合器。
如上所述，已知用来解决非常特殊的问题的各种改装系统，但不解决范围的街道 行驶问题。与上述本发明的结构相比，用于如今街道驾驶条件的混合型电动车辆(HEV)倾 向于对HEV的运行进行原始制造，例如，用于动力共享和自动换挡的原始设备制造(OEM)中 的专用设计的传动装置。通常地，这些专用自动传动装置一体地包括所有用于电动机和ICE 的必要的齿轮，并甚至可包括电动机本身，即，安装在传动箱内，OEM HEV通常还在大部分时 间同时运行电动机和ICE。如上所述，根据本发明的一个实施例，该技术仍还不仅适用于解决老化硬件的特 性，而且还解决上述脆弱的所有权结构。相比之下，HDV排放问题已经存在多年，主要的卡 车制造商继续销售将排放减小到更接近于可接受的水平的基于ICE的卡车。该现有技术的 方案基本上不减少化石燃料的消耗，并已经导致更昂贵的8级HDV。然而，现有的8级HDV 所有权结构包括大约700，000至900，000个独立的业主/经营者。卡车工业的该所有权等 级之所以沿袭和成长，主要是由于8级HDV的长寿命所带来的预拥有的HDV。大部分独立的 卡车运输者简直就买不起新的符合于排放要求的HDV，其可高达$125，000。据估计一辆新 的清洁的柴油HDV是$1 ，000。估计一辆液化天然气驱动的HDV是$184，000。应该指出 的是，3百万以上8级HDV的现有车队的大约四分之一是1993年的型号或更老的车辆。要 更换目前的车队成本可能高达$500，0亿。因此，如果没有政府大量的津贴要在短期内更新 新的符合排放要求的HDV的话，则就会置这些业主/经营者破产。为了解决这个问题，根据 本发明，提供一种改装的ET系统。现参照图2，图中示出原始设备制造的HDV202。车辆202包括通过离合器206联 接到ICE208的传动装置204。变速杆210连接(未示出)到传动装置204的齿轮箱(未 示出)。离合器脚板212可由驾驶员操作来配合和脱离离合器206。方向盘214也是公知 的，其用来操纵车辆202的转向。车辆202的电气系统218由12伏电池216供电，电池216 由一交流发电机(未示出)进行充电，该交流发电机由ICE208供能。辅助系统220也由 ICE208 供能。现参照图3，图中示出根据本发明一实施例的用ET系统改装的图2的HDV的框图。 在图2中示出传动装置204、离合器206、ICE208、变速杆210、离合器脚板212、方向盘214、 电池216和电气系统218。动力交换单元(“PXU”)304通过PTO端口 302(这里也称之为 “传动装置接入端口”)联接到传动装置204的传递齿轮(图3中未示出)。ETMG306通过 ETMG306的轴机械地联接到PXU304。ETMG306的电气连接是连接到整流器/逆变器308，当 ETMG306被PXU304驱动而作为发电机运行时，流器/逆变器将ETMG306的电气输出转换成 对电池组310充电。当ETMG306作为电动机运行时，整流器/逆变器308转换电池组310 内储存的电能来驱动ETMG306，ETMG306又机械地驱动PXU304，通过传动装置204的传递齿 轮来推进车辆202。在本发明的实施例中，电池组310可以是Altair Nanotechnology的 15Kffh 300-400VDC。ETMG是无论在电动机模式还是在发电机模式都是同样速度根据本发明的一个实施例，ET系统包括通过固定齿轮比的PXU(其可在车间内改 变)联接到传动装置的ETMG，在ETMG和PXU的齿轮之间没有插入离合器，其中，ETMG在基 本上相同的速度范围内用作发电机和电动机。例如，在本发明的一个实施例中，ET系统包 括UQM型号的SR218/DD45-400LWB的永久磁体的电动发电机和驾驶员逆变器。对于机械/电气和电气/机械形式的动力转换，UQM电动发电机均在约为0-4000rpm范围内运行。在 另一实施例中，可提供感应式电动发电机。电动机速度-转矩曲线本发明的一个实施例包括装备ICE推进的8级HDV，其具有电池、控制系统、PXU和 ETMG，以及通过电动机的喷射，通过PTO端口的足够的功率，以合适的PXU齿轮比来接近ICE 的特性特征，即驾驶感觉，其中电动机在适用于大部分街道行驶的速度范围内提供独有的 推进力，且电驱动速度的上限取决于HDV的装载重量。在本文所述的本发明的一个实施例 中，仅是电推进的速度包括仅对于驾驶室，高达约30MPH，对于全加载的车辆，高达约15至 20MPH。(速度和电驱动范围可利用较大的电动机和电池来扩大。)可以这样来构造该结构 使电池具有足够的储存容量，并可承受足够的再充电速率，这样在发电机模式中ETMG可在 驾驶期间充分地对电池充电，以持续日间卡车的普通行驶循环的要求。所有上述与电池可承受的深度再充电循环数的组合，合作来提供这样一个系统， 该系统也能以经济成本有效的方式来改装现有的8级或更小一些的HDV车队。S卩，在某些 经济合理的情况下，改装系统实际上在一合理的时间内仅根据燃料成本的降低来偿还其自 身，而甚至不考虑排放减少的问题，这也可赋予某些经济价值。本发明的实验已经揭示了 ET系统的ETMG可理想地具有相对平坦的扭转曲线，从 而可较早地提供高的转矩，而在整个的RPM范围内保持相对恒定。该转矩特性使牵引驱动 电动机系统与用于风扇、泵等的其它系统分开。PXU输出速度致使传动装置在典型的轴速度 下运行，使得操作者不必改变习惯的传动装置齿轮箱手动换挡模式来利用该ET系统。这可 约束否则可能使有关选择PXU齿轮比的选择范围变大的情况。换句话说，PXU输出以平衡 的方式满足传动装置输入，使得当ICE将转矩输入到传动装置时，该方式仿效ICE的驾驶感 觉，它在传动装置和ETMG以及PXU速度和转矩限制内这样做，这可包括制造商规定的限制。PXU具有大的齿轮比，该比例可在车间里改变，并额定用于高速和高转矩。在本发明的实施例中，重要的是，在ICE模式中从ICE通过传动装置将动力有效地 移动到电池内，然后，在ET模式中从电池返回到传动装置。这样，提供与传动装置的接口， 该接口具有合适的、可在车间里改变的齿轮比以及足够的速度和转矩处理能力。即使是相对平坦的速度-转矩曲线，对于本发明的研究也已经表明对于现有的 美国HDV车队，仍然可能需要这样一种机构，根据本发明的一个实施例，该机构使得当ETMG 在一个方向中运行以用作电动机(即，在ET模式中)时，来换挡使ETMG的转矩增大，而当 ETMG在另一个方向中运行以用作发电机(即，在ICE模式中)时，来换挡使ETMG的速度增 大。本发明的实验已经表明发现现成的PTO可用来对电动机模式换挡使ETMG的转矩增大 以及对发电机模式换挡使速度增大，但尚未发现现成的PTO提供足够大的齿轮比来实现理 想的速度和转矩比。此外，还未发现现成的PTO提供最大转矩和最大速度额定值的合适组 合。对较高RPM限值额定的这种现成PTO并未设计成处理本发明需要的转矩限值，而适用 于ET模式中所需的最大转矩输入的现成PTO往往换挡太慢挡，以提供ICE模式中的所需的 输出RPM。对本发明的实验和分析指出ETMG轴和传动装置输入上的传递齿轮的轴之间的 速度比，即，可通过PTO端口接入的齿轮，可在2.0 1至2.5 1的范围内工作。在本发 明的一个实施例中，PXU具有该范围内的固定齿轮比，并具有至少为500ft-lbs的最大转矩 限值，以及至少为5000RPM的最大速度限值，以适应大部分现有的8级HDV车队。在本发明的另一实施例中，PXU具有用于同一目的的至少为550ft-lbs的最大转矩限值，以及至少为 4500RPM的最大速度限值。应该指出的是，在8级HDV的美国车队中的有限数量的传动装置 可能需要735ft-lbs的转矩并具有4500RPM的能力。PXU具有联接到传动装置接入端口的一个端口和联接到ETMG的端口。在本发明另 一个实施例中，PXU能够在一个端口最大速度的1/2的速度下接收最大转矩，并在另一端口 输出的最大转矩1/2的转矩下递送最大速度，以及反之亦然。作为一个实验，构造皮带系统来将现成PTO调整到需要的齿轮比，并对系统进行 测试。这种布置对于从ETMG将机械动力递送到传动装置和相反的目的工作得很好，但其很 沉重且运行效率低于执行相同功能的齿轮装置的效率。每个能量在系统中的整个所有能量 传递中的减小倍增，损害总的特性和效率。现参照图4，根据本发明的一个实施例显示PXU304的细节，其涉及到ETMG306和连 接到ICE的传动装置204。通过动力交换单元304 (PXU)从HDV传动装置204传递的机械能 被转换为电能，以便储存在ET的电池组(图3中的310)内，以用于同一的或以后的驾驶循 环。来自电池组310的能量通过电动机306的连接到PXU304的轴从电势状态返回到机械动 能状态。在本实施例中，选择重量轻、体积小和成本低的相对小的电动机，其能在0-4500RPM 的范围上且在该RPM范围上相对一致的转矩输出下产生177ft-lbs之间的转矩。储存的电功率现作为机械转动能量传递通过PXU304，在本实施例中，PXU304设计 成允许互换齿轮，使得最大转矩177ft-lbs转换为325ft-lbs的最大转矩，同时使4500RPM 的最大输入RPM尽可能减小到2000RPM的最大值，以符合于传动装置制造商的技术规格。可 互换的齿轮特征S-02-A允许转换到诸如550或735ft-lbs的较高转矩，ETMG最大转矩输 出规格仅有略微的变化，同时仍保持2000RPM的最大输出。来自PXU304的转动能量通过PXU304接口齿轮传递到HDV传动装置204，并进入到 传动装置204的正齿轮，根据如上所述的输出限制在限定的速度范围内推进车辆，使性能 特征类似于传统柴油机运行的特征。在ET模式和ICE模式过程中，在选定的状态中，ETMG306对PXU304施加REGEN载 荷，由此，致使来自于ICE或待从HDV的传动装置204传送的移动的HDV的动量的机械能， 通过PXU304传送回到ETMG306的轴。在此实施例中，高达325ft_lbs和2000RPM最大值的 来自于传动装置的动力，转换为最大转矩177ft-lbs和高达4500RPM最大值的动力。这种 的转矩额定和RPM范围适用于在本实施例中发电，并基于已知的驾驶循环，能够在15分钟 或不到的时间内对ET电池完全地充电。安装支架PTO可以简单地用螺栓直接连接到传动装置PTO端口。然而，由于本系统内的PXU 遇到并额定比传统PTO高的转矩，所以传统的安装结构可能不合适。PXU还产生在发电机模 式中的进入到传动装置，并在电动机模式中的从传动装置输出的转矩。因此，在本发明的一 个实施例中，有意构造的PXU具有一体的支架，其如图5A-5D所示地用螺栓连接到传动装置 壳体的附加的部位内。这可使力分布在传动装置壳体的更大区域上。单独的驱动系和u形 螺栓联接允许作弯曲和振动纠正以及对齐纠正。现参照图5A，PXU支柱的侧视图示出有关PXU实施例和其与OEM传动装置的关 系的细节。图5A是一典型ICE208连接到传动装置204结构，其中，离合器206通常位于ICE208和传动装置204之间，且其中，驱动轴230通常从传动装置204后面延伸到后面的差 动器对0。在此实施例中，螺栓连接到传动装置204下部上的是PXU304，其附连到重型传 动装置接入端口 302。因为文中所述高的转矩应用，所以本实施例包括“断-U”形的支柱 502(也称之为“支架”)。在此实施例中，用稍许加长的安装螺栓504，将支柱502的各侧用 螺栓连接到传动装置接入端口 302和附连的PXU304。同样地，用稍许加长的油箱螺栓506， 将所述支架502的顶端用螺栓连接到传动装置204。如此的结构允许PXU支柱502承载施加到传动装置204壳体520上的一部分应力， 该应力通常由传动装置油箱510承载，因此，降低了作用在传动装置油箱510上的应力，防 止由于金属疲劳引起的应力断裂。图5B示出从PXU支柱502后侧观看的视图，这是典型安装中的定向。图5C仅示 出支架502的侧视图。图5D示出PXU支柱502的剖切的后视图，涉及传动装置204、传动装置油箱510和 PXU304。控制器现参照图3，本发明实施例的电动牵引相关系统例如包括添加到现有车辆202上 的改装系统，在本发明实施例的一个方面，该系统包括联接到电动机控制器316的可编程 的车辆集成模块(VIM)(这里统一称之为“控制器” 312或“ET控制器”或“ET系统控制器” 并区别于OEM ICE和辅助系统控制器)。ET控制器312关联到OEM ICE CANN总线系统，以 获取有关车辆状态的信息。ET控制器312的电动机控制器316部分具有独立的逆变器和控制器，用于ETMG和 各个辅助系统电动机，例如，原动力ETMG306、用于动力制动的空气压缩机电动机、用于动力 转向的液压泵电动机，以及A/C压缩机电动机。逆变器从推进电池310中接受300-400VDC 的动力，并输出调制过的3相、230VAC的脉宽到被驱动电动机。各个逆变器能够控制电动机 转速。此外，控制器具有12V的电源板部件319(这里也称之为“电源”)，其用来对车辆202 提供传统的12V电源系统，并保持传统12V的电池216充电。控制器312的集成模块部分 314控制电动牵引相关系统所有的功能，仅按照需要来运行各个功能，并在任何给定时间按 照需要输出。 该系统具有自动切换能力，根据该能力，控制器312按照预定的逻辑致使车辆202 从ICE模式切换到ET模式，这是响应于输入而作的切换，其中某些输入可以从ICANN总线 中读取。在本发明的一个实施例中，输入包括电池充电状态(“S0C”)、发动机速度、加速器 踏板位置、车辆的装载重量、地理位置数据、变速按钮状态、模式选择按钮或开关状态、转向 位置传感器、点火钥匙状态、离合致动器限位开关状态、包括压缩机指令信号在内的空调输 入，以及制动空气压力。输出包括电动机转矩需求、ICE加速器位置、离合器致动器启动和 方向、钥匙停用中继、起动启动中继、动力转向控制、A/C控制、冷却控制、报警控制、使用者 接口 /测量驱动器、ICE关闭rpm指示器(用于换挡定时)，以及制动空气压力压缩机控制。离合致动器控制器可使用12V的蜗杆驱动馈送器来配合和脱开配合ICE离合器26。当离合 器配合时，使用者仍可手动地使其脱开配合。一旦沿一个方向开始致动，则其继续到目标限位开关被致动为止。输入是从软件的牵引模式、行程两端处的输入限位开关0数字传感 器)。输出是12V中继以控制方向、对于开/关的12V中继。加速器踏板运行从OEM ICE E⑶中脱离加速器踏板。HEV E⑶测量踏板传感器位置，并将合 适信号传输到ICE ECU和牵引电动机控制器。对控制器的输入是加速器踏板传感器PWM 信号。从控制器输出的是通向ICE E⑶的PWM信号、通向牵引电动机控制的CAN信息。起动按钮运行平行于起动按钮放置继电器。继电器可独立于操作者指令通过起动按钮致 动该起动。允许不按下按钮就接通ICE。对控制器的输入是J1708发动机速度。输出是 致动起动信号的中继。点火钥匙运行与点火钥匙串联地放置继电器(NC)。继电器可独立于点火钥匙关闭车辆。 在中继之前检测输入到HEV控制器的钥匙。当钥匙合上时允许关闭ICE。点火钥匙关(OFF) 使ET模式和ICE模式都失效。中继开(OPEN)使ICE失效/关闭。对控制器的输入ET/ ICE模式的软件。输出是中继信号。变速按钮运行当要换挡时按下按钮。限制电动机上的转矩。当处于ET模式时，允许使用 者控制速度来换挡。再次失效，允许ICE正常地换挡。对控制器的输入是变速杆上的按 钮。输出是通向牵引电动机控制的CAN信息、通向ICE E⑶的踏板位置输出。ET/ICE模式改变通告/报警运行在开或关ICE之前，报警器发出声音。对控制器的输入是ET/ICE模式软件。 输出是输入到报警器的信号，报警器周期地( 2Hz)发出声音。应该理解到，本文中所述的控制电路和控制器可以是具有存储器和处理器的一个 或多个可编程装置，其中，所述逻辑过程由储存在存储器内的程序指令确定，即，过程由从 存储器读取指令并执行指令的处理器来实施。在从ICE模式到ET模式的切换中，控制器发送信号，致使致动器在几秒的时间间 隔中配合卡车传统的离合器(即，ICE和传动装置之间)。该时间间隔允许传动装置的速度 与电动机速度匹配而避免撞击齿轮。然后，控制器使关闭ICE的继电器通电或断电。离合 器的自动配合和脱开仅在ET和ICE之间和在ICE和ET之间实现变换时才是必要的。一旦 处于ET模式时，离合器就不使用。在ICE模式中，离合器以传统方式使用。ET模式中的驾驶驾驶员可通过加速器踏板来控制ETMG，因为位置传感器已经作为先前所述改装的 一部分而添加，其中，位置传感器构造成用于向控制器发送信号。该信号以某种方式与加速 器踏板的位置成比例。在一个实施例中，信号大小与位置成比例。在一个实施例中，信号包 含指明各种位置的数字信息。在另一实施例中，控制器读取现有踏板传感器，该传感器服从 SAEJ1843。通过线连接到ICE的驱动，也通过向ICE电子控制模块(ECM或ICE ECM)输出 SAE J1843信号来实现。如果驾驶员释放踏板超过预定为零转矩要求的输出位置的某一点，则控制器致使 ETMG响应于零转矩位置以下的踏板位置开始用作发电机。这是再生制动的形式，S卩，提供减速和以某种方式与踏板位置成比例的发电。这样，ET模式工作很像ICE模式，其根据驾驶 员的输入来加速车辆或“千斤顶制动(jake-braking) ”该车辆。结合换挡，驾驶员按下齿轮变速杆上的按钮。在ET模式中，该按钮致使控制器响 应于控制ETMG的加速器踏板的方式来作变化，使得ET模式中的换挡感觉更像ICE模式中 的换挡。具体来说，响应于按钮，控制器减弱其对加速器踏板位置的响应，以使驾驶员可通 过踏板对ETMG速度有更加精细的控制，不管ETMG是作为电动机来推进车辆还是作为发电 机来发电都是如此。因此，当操作者让踏板稍许上来一点时，ETMG将更像ICE那样减慢。且 当向低速换挡时，ETMG还让操作者较容易地提升到合适的速度。通过采取这些行动，操作 者将使ETMG大致进入对下一挡合适的转速rpm范围，并可很像对ICE换挡那样进行换挡。 (在第一挡开始之后，HDV驾驶员往往不使用离合器来对ICE换挡。)切换到ICE模式然后，卡车在ET模式下前进直到控制器探测到指定换挡回到ICE模式的预定条件 之时为止。一个这种条件是控制器探测的车辆速度超过已经编程到控制器存储器内的预定 速度。在本发明一个实施例中，车辆加载时该预定速度近似为15mph，仅为驾驶室时近似为 30mph，如果电池SOC很低则预定速度更低。本发明中的测试已经确定至少根据本文所揭 示的电动牵引结构，电功率在高于该速度的许多情形中相比ICE功率燃料效率较低。由于 ET系统将能量从一种形式变换到另一种形式，所以，可比产生和储存能量以备将来之用更 有效地直接使用能量。ET系统依赖于电池和ETMG的效率来补偿柴油的效率不足，尤其是在 空转和低转矩和低速度的情况下。在混合型的车辆中，最终所有用于ET模式的能量都来自于ICE。总体来说，撇开来 自电网初始运行之前可能需要的能量，每一步骤都有效率损失。还有在运行ICE时的效率 低下(所谓的空转损失，即，相当固定的损失)。申请人通过分析和测试已经发现在空转 和低转矩或低速时，运行ET系统时的低下效率小于对ICE的空转损失，于是，ET模式通过 在空转和低转矩或速度下的操作来提供能耗的净节约。控制器切换回到ICE模式的另一条件是控制器探测到ET电池已经达到预设的低 充电的状态。控制器切换回到ICE模式的另一条件是控制器探测到的ETMG电流超过已经编程 到控制器存储器内的预定限值，这是由于驾驶员要求的转矩输出(通过加速器踏板)不能 继续由ETMG提供的缘故(当然，在ET模式中对其进行监测)。(应该理解到，可测量电动 机电流来代替本文所述的各种控制情况中的电动机转矩。)就在控制器致使车辆切换到ICE模式中之前，控制器发送接通驾驶室中发声装置 的信号，以通知驾驶员该切换。在从ET模式切换到ICE模式时，控制器首先起动ICE，由于 通过离合器使ICE与传动装置脱离，所以ICE可自由地转动，通过ET系统的离合器致动器， 离合器固定在脱开的位置内。接下来，“通过连线的驱动”接口(在本实施例中是J1843) 控制油门并使ICE加快到接近于匹配固定在传送装置输入端的离合器飞轮的RPM。具体来 说，本ET系统的前导装置联接到车辆传统的油门联动装置上(例如，油门拉索、加速器踏板 等)，并接受由控制器输出的控制信号。控制器通过车辆的通讯总线(J1708或J1939)接受 来自速度传感器的信号，该总线监测ICE的转动并用信息进行编程，所述信息使测得的ICE RPM与传动装置离合器飞轮的RPM相关。(注意到根据ICE RPM在何处测量，传动装置离合器飞轮的RPM和ICE RPM就可1 1对应。)控制器调整油门联动装置的输出信号，来调 整ETMG的转动以使ICE转动匹配于传动装置输入的转动。控制器处理来自加速器踏板的 输入并送出信号，表明究竟哪些值适合于ETMG控制器和ICE ECM。一旦做到这一点，控制器就向离合器致动器送出信号，以使致动器缓慢地允许离 合器配合。在本发明的一个实施例中，此处的“缓慢地”是指0.5至10秒钟。接下来，控制 器顺利地在1秒内对驾驶员释放油门的控制，并继续探测行车状况。在ICE模式中，系统评估行车状况，并响应于预定的状况来对ETMG选择充电速率， 其中，ICE能够有效地运行，或附加的载荷可致使ICE更有效地运行。在这些状况下，根据电 池充电状态，控制器可对ETMG增加再生转矩指令，致使ETMG加载PXU，以增加发电的电流， 即，增加电池的充电速率。响应于ET电池的充电状态来选择发电/充电速率，在一个实施例中可包括响应 于较低的电池充电状态来选择较高的充电速率。例如，选择的充电速率可与电池的充电状 态成比例。响应于附加载荷是否致使ICE更有效地运行来选择发电/充电速率，在一个实 施例中可包括响应于较低的ICE转矩来选择较高的充电速率，因为柴油ICE趋于在较高转 矩时更有效。ICE百分比的发动机载荷沿着车辆总线(SAE J1708或J1939)传递。在本发明的 一个实施例中，再生电流是电池SOC的函数，在一个实施例中，在不同的SOC带上，指令不同 的转矩。再生电流可以是发动机载荷百分数的函数(如上所述)。再生电流可以是发动机 RPM的函数。发动机有裕量地更高效，并在其RPM范围的中上部内具有较高的可用的转矩。 有裕量地高效是指与附加输入燃料相比的附加的输出功率。控制器还使用车辆速度作为发电速率的一个确定因子以及作为对电池冲电多少 的考虑。在卡车以较高速度移动的情况下，控制器可选择不使用ICE功率来对电池完全地 充电。相反，在预计的车辆减速过程中，控制器可选择在电池中留下某些“空间”，即，将电池 充电到低于完全充电之下的某个状态，因此，利用这样的可能性在车辆必须减慢时通过再 生的制动来捕获用于电池储存的功率。在本发明的一个实施例中，根据车辆在预定速度以 上的速度，使控制器选择低于完全充电的充电水平。在一个实施例中，函数是比例函数。在本发明的一个实施例中，控制器接受来自监视子系统的GPS系统的位置信号， 并响应于探测到的车辆位置与已编程到控制器存储器内的预定位置的比较，来选择电池充 电速率。这是因为在某些地理区域内存在着分段区域的已知的位置，在这些位置不允许或 严格限制ICE的空转(例如，洛杉矶港口)，于是，在较长的间隔内在这些区域内指令EI模 式运行。具体来说，在一个实施例中，控制器i)确定从其目前位置到这种预定的ET指令 的分段区域之间的距离；ii)基于来自GPS连续的位置信号来计算车行方向，或简单地接受 GPS计算出的方向；iii)根据目前方向来计算到达预定的ET指令的分段区域的行进时间； iv)确定在对给定电池充电状态计算的行进时间过程中，完全对电池充电所需的充电速率； 以及ν)按照在iv)中确定的所需充电速率，开始对电池充电。ET系统能够有多种运行模式，包括用于“仅驾驶室”情形和“装载”情形的模式。在 没有拖车的(仅驾驶室)运行期间，或带有卸载的拖车的运行期间，ET系统可在加速到比 拖重载时的速度高的过程中有效地运行。因为研究已经确定普通日间卡车行驶循环时间 的40%是在低的或没有载荷的情况下，所以，要求在较高运行速度范围内来使用ET模式。在本发明的各种实施例中，控制器响应于手动输入信号或例如通过监视连接到拖车接收器 (第五轮子)上的应变仪自动输入信号，选择速度进行ICE与ET运行模式之间的切。该系 统还可构造成具有更多个复杂的运行模式，其中，可调整切换点，以使对任何特定载荷的效 率最大。在一个实施例中，这可以使用数据分析来完成，其中在特定的齿轮和测得的功率输 出下，卡车测量从速度X到速度Y经过的时间。控制器使用公式计算出车辆的载荷并相应 地调整ET/ICE的切换设定点，例如，速度、转矩、SOC等。通过控制器也可方便地采用其它的运行模式。诸如“端口模式”的特定运行模式， 可以响应于控制器监测GPS提供的位置信息，手工地或自动地进行致动。在特定模式中， 可加强更加限制的特性特征，或除了在诸如非常低的电池充电水平那样的某些极端情形之 外，可以拒绝ICE的起动。ET系统可以在失效情形下停止工作。现参照图6，传统车辆具有加速器踏板602，通过由传统ICE控制器604响应于来 自连接到踏板602的用来检测踏板位置的传感器606的电信号而产生的信号604S(或通过 连接到ICE的机械某种连接，图中未示出)，驾驶员就可通过踏板传统地调节ICE速度。根 据本发明的一个实施例，原始的加速器踏板传感器606连接到控制器312，控制器312附加 于传统的ICE控制器604或替代它。如果原始的传感器606连接到代替传统的ICE控制器 604的控制器312，则控制器312将来自踏板传感器606的信号至少有选择地发送到传统的 控制器604。或者，将另一传感器(未示出)添加到加速器踏板602，在此情形中，新的传感 器与本发明控制器312通信。控制器312从控制器604接受传统的ICE速度-转矩调节信号604_S，并先占据 它，使其自己的信号312_S_ICE通到ICE，该控制器312至少部分地响应于传统信号604_S 且至少则某些时间产生该信号。控制器312还产生类似信号312_S_ET，其通信到控制ETMG 的驱动器，以便调节ETMG在电动机模式中递送的速度和转矩，以及调节ETMG在发电模式中 递送的发电。(注意这里可以参考，312_S_ET信号与ETMG的通信。这是简化对总体运行的 解释。应该理解到，信号实际上通信到ETMG的驱动器上。)控制器312具有各种控制结构，这里称其为“踏板响应模式”，如本文中所述的，控 制器312响应于各种运行状态自动地则其间进行选择和切换。在任何给定时间，控制器312 至少部分地响应于此时作用的踏板响应模式，产生信号312_S_ET和312_S_ICE。根据本发明的一个实施例，控制器312诠释加速器踏板602的位置，使得降低从 0 %至约33 %，控制器312认为该范围内的踏板位置是在REGEN范围内。在下一 7. 5 %中， 即，降低约从稍高于33%至约40. 5%，控制器312认为该范围内的踏板位置是在DEADBAND 范围内。降低约从40. 5 %至100%，控制器312认为该范围内的踏板位置是在ACCEL范围 内。根据本发明的一个实施例，控制器312还从已经添加到车辆ICE手动传动齿轮箱 的变速杆622上的按钮620中接受信号。驾驶员可向控制器312发送何时他/她将要使 用按钮622来换挡的信号。通过改变踏板响应模式，使控制器312响应于来自按钮622的 信号，如本文中将要描述的，以使车辆的换挡特性以更加接近于传统方式表现，尽管添加了 ETMG并控制着其在车辆上的对应效应。即，当车辆在ICE模式中运行时，ETMG可发电，或当 车辆在ET模式中运行时，ETMG可以是车辆推进的唯一动力源(作为电动机)。但不管车辆 是在什么运行模式中，控制器312总响应于来自于按钮622的驾驶员信号采取动作，以使车辆的换挡特性以更加接近于传统ICE的方式表现，在优选实施例中，车辆是重型车，例如，7 或8级的柴油机卡车。现参照图7，图中示出根据本发明一个实施例的用于控制车辆电动牵引和ICE运 行的算法700。在702处开始，算法700开始。这可包括驾驶员或管理者起用控制器312 (图 6)，以反映给定行驶时间内的运行状态。例如，在一个行驶时间内，车辆可以运行完全装载 的拖车，例如，80，000磅车辆毛重。在另一行驶时间内，车辆可仅以驾驶室运行，即，没有连 接的拖车。在其它的形式时间内，车辆可带有拖车运行，但没有完全加载。在702处的起始 可包括诸如与控制器312通信运行状态诸如通过在控制器312上所显示的菜单上作选择， 或其它方式呈现给驾驶员或管理者。接下来，在704处，驾驶员手动地接通点火钥匙。控制器312(图6)响应于此而读 取实际的电池充电状态，并在706处将其与预定的充电状态比较。控制器312还读取车辆 速度和由ICE递送到传动系的转矩。如果控制器312在706处确定出速度、转矩和电池充电状态在限值之内，则在710 处控制器312启动一信号，该信号可致使ICE驾驶室内的装置发出独特的声音，例如，向驾 驶员报警，告知车辆将要进入电动牵引模式，该信号还选择ET踏板模式状态，使得控制器 312根据本文中对ET踏板模式状态所描述的控制结构，开始响应于通过传感器τττ通信到 控制器312的加速器踏板位置。接下来，在712处，控制器312等待一个预定的时间间隔，例如，一秒钟，在716处 停止向ICE发送点火信号，在718处，向ICE离合器致动器发送信号以断开ICE离合器的配 合。然后在720处，控制器312等待一个预定的时间间隔，例如，2. 2秒钟，然后在722处读 取离合器位置，以观察离合器现是否脱离配合。如果否的话，则控制器312在7Μ处分支到 例外状态。(在本发明的一个实施例中，控制器312分支到734对于例外状态7 进行ICE 运行。)如果是的话，则控制器312在7 处在电动牵引的电动机模式接通ETMG。S卩，在该 状态中，车辆被ETMG动力推进，ETMG动力由车辆推进力供应，即，“牵引”电池。在7 处，控制器312检查手动超驰开关的状态以确定驾驶员是否手工地引导控 制器312而切换到ICE模式。如果是的话，则控制器312分支到734以进行ICE运行。应 该理解到，尽管在7 处显示了手动超驰，但在本发明的一个实施例中，在7 处的该检查 和分支可在ET运行模式过程中的任何时候发生。在本发明的另一实施例中，方框728的手 动超驰特征不能被操作者访问，或者根本就不包括在内。在一个实施例中，该特征仅能在诸 如港口那样的某些地理区域内可行，并响应于输入到控制器312的GPS信号而启用。接下来，在730处，控制器312读取车辆速度、通过ETMG (作为电动机运行)递送到 车辆的转矩，以及电池充电状态。如果它们在预定限值内，则控制器312在7 处继续监测 ETMG,在7 处检查手工超驰，并在730处检查速度、转矩和充电状态。(在ET运行过程中， 控制器312和其受控的装置响应于手工传动装置换挡引起的信号，包括由驾驶员采取抢先 换挡的行动引起的信号，如本文中其它部分所述那样。)在本发明的一个实施例中，预定的限值包括低于18MPH的车辆速度、低于 150ft-lbs的转矩，以及对全加载车辆充电的高于40%的充电状态；以及低于40MPH的车辆 速度、低于150ft-lbs的转矩，以及对仅驾驶室充电的高于30%的充电状态。在本发明的一个实施例中，预定的限值包括GPS或驾驶员输入的指示，其指示车辆朝向不允许ICE运行的区域，此时需要高的充电状态。一旦在730处速度、转矩或充电状态指示要求是ICE模式(或在7 处手工超驰 指示ICE模式)，则控制器312分支到ICE运行，该运行在734处开始，包括启动一个信号， 该信号可致使ICE驾驶室内的装置发出独特的声音，例如，向驾驶员报警，告知车辆将要进 入ICE模式。在736处等待预定时间间隔，例如1秒钟之后，控制器312然后在738处启动 ICE点火并接通ICE启动器。然后，控制器312在742处读取实际的ICE转速(RPM)并将 其与预定时间间隔内的预定速度比较，使得控制器312在742处确定ICE实际转速是否指 示出ICE已成功地启动，即，在预定时间内，例如，一秒钟内，实际的ICE转速是否超过例如 500RPM的预定速度。如果否的话，控制器312分支到例外状态744。如果是的话，则控制器 312在48处断开对ICE启动器的接通，然后在750处等待例如，0. 5秒的预定时间间隔。根据本发明的一个实施例，控制器312接下来在752处选择SYNCHRO踏板模式状 态，其中，控制器312暂时地超驰通向ICE的响应于传统的加速器踏板传感器所引起的传统 控制信号，(或越过从加速器踏板到ICE的联动)，以及抢先地使ICE增速到例如1200RPM 的预定速度(RPM)，以帮助使ICE速度与传动装置的输入速度同步。接下来，在756处，控制器312读取实际的ICE转速(RPM)并读取或计算实际的 传动输入装置速度，在预定时间间隔内比较它们，从而在至少预定时间间隔内，例如，0. 2秒 内，使控制器在756处确定实际的ICE转速是否已经超过传送速度。如果否的话，则控制器 312在758处分支到意外状态。如果是的话，则控制器312分支而对ICE离合器致动器发出 信号，以在760处配合离合器。接下来，控制器312在762处等待预定时间间隔，例如，0. 5 秒，然后在764处，根据本文其它部分中所述的对于BLEND踏板模式状态的控制结构，暂时 地开始响应于加速器踏板位置。控制器312还在768处读取实际的离合器位置，并确定ICE离合器是否已经配合。 如果否的话，则在某些预定时间之后，控制器312在770处分支到例外状态。如果是的话，则 在此状态中车辆正被ICE推进。此外，一旦在768处确定了离合器现已配合，则控制器312 选择和切换到本文中其它部分所描述的REGEN或BOOST踏板模式之一。(在ICE运行过程 中，控制器312和其受控的装置响应于由手动传动装置换挡引起的信号，包括由驾驶员采 取的抢先换挡行动引起的信号，如本文中其它部分所述那样。)接下来，在776处，控制器312读取车辆速度、通过ICE递送到车辆的转矩以及电 池充电状态。如果它们在指示ET模式是理想的或是可能的预定限值之外(即，方框776内 问题答案=否)，则控制器312继续在772处运行ICE，并在776处重复检查速度、转矩和充 电状态。如果它们在指示ET模式是理想的或是可能的预定限值内(即，方框776内问题答 案=是)，则控制器312分支到方框710以开始切换到ET模式。在本发明的一个实施例中， 预定限值如上所述地与决定方框730相连。应该理解到，尽管未示出手动地致使从ICE模式切换到ET模式的手动超驰，但控 制器312包括类似于逻辑方框7 特征的该逻辑特征，并在本发明的一个实施例中，对来自 驾驶员的手动超驰信号进行连续地或频繁地监测，以使控制器312响应于在ICE运行模式 中可在任何时间发生的手动超驰。在本发明的另一个实施例中，手动超驰特征不能被操作 者访问，或者根本就不包括在内。在一个实施例中，该特征仅能在诸如港口那样的某些地理区域内启用，并响应于输入到控制器312的GPS信号而启用。从以上所述中应该理解到，在本发明的一个实施例中，车辆仅简要地用ICE模式 和ET模式运行车辆，同时推进车辆，即，这在从ICE模式过渡到ET模式或相反时发生，另外 仅在推进电池过度充电时发生。如上所述，在任何给定时间，控制器312至少部分地响应于此时作用的踏板响应 模式而产生信号312_S_ET和312_S_ICE。还如上所述，控制器312可诠释加速器踏板602 的位置，从而控制器312认为较小的踏板位移的第一范围是在REGEN范围。在较大的踏板 位移的上部范围内，控制器312认为踏板位置是在ACCEL范围内。在位移的REGEN和ACCEL 范围之间的中间范围内，控制器312认为踏板位置是在DEADBAND范围内。下面是详细地解 释上述踏板响应模式的表格，并将它们与系统模式关联。
权利要求
1. 一种改装车辆的方法包括安装通过PTO端口联接到车辆的现有手动传动装置的动力交换单元(PXU)； 安装联接到所述PXU的电动发电机；安装电联接到所述电动发电机的电池，所述电池用于供电来推进所述车辆； 安装联接到所述电动发电机和所述电池的控制单元，所述控制单元构造成在第一模式 与第二模式之间切换所述车辆的运行，其中，在所述第一模式中，所述车辆的内燃机推进所述车辆，而在所述第二模式中，所 述电动发电机在电动机模式中推进所述车辆。
全文摘要
将动力交换单元(PXU)通过PTO端口联接到车辆现有手动传动装置。将电动发电机联接到所述PXU。将电池电联接到电动发电机以供电来推进所述车辆。将控制单元联接到电动发电机和电池，并构造成在第一和第二模式之间切换车辆的运行，其中，在第一模式中，车辆的内燃机推进车辆，而在第二模式中，电动发电机在电动机模式中推进车辆。
文档编号B60K1/00GK102083644SQ200880128284
公开日2011年6月1日 申请日期2008年8月8日 优先权日2008年3月19日
发明者B·C·布拉德利, D·哈里森, J·C·迪尔, P·诺曼, W·A·哈里森, W·O·哈里森, W·图尔波 申请人:零发射体系股份有限公司