专利名称：电动车辆的控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于驱动电动车辆的电动机的扭矩控制技术。
背景技术：
电动车辆设置有电动机和电池组。通过电池组供应的电能驱动电动机使得所述车辆能够行驶。为了降低这种电动机车中的能量消耗，已经研发了在减速过程中通过电动机 (电动发电机)将驱动能量转换成电能的技术，从而实现电池组的再生充电。所述电动车辆被构造成根据关于，例如，加速踏板开度，车速等信息计算司机需要的电动机扭矩，并通过控制电动机控制器(换流器)控制电动机的扭矩以在加速过程中产生运行功率(驱动)扭矩以及在减速过程中产生再生扭矩。一般，将电池组限制在所述电池组的充电率的可用范围内，所述可用范围与电池组的开放端电压有关。在超过可用范围对电池组充电或放电的情形中，电池组将被损坏。此外，在当对电池组执行充电或放电时电池组电流(即电池组中流过的电流)超过可接受的量的情形中，电池组将被损坏。已经研发了能够控制电池组以防止所述电池组的充电率或电池组电流超过可用范围的技术(参见日本专利No. 4052080和日本专利No. 4200956)。在日本专利No. 4052080中披露的控制装置中，根据电池组状态(例如当电机驱动装置受控制时电池组的温度)设置用于电池组电压或电池组电流的最大值和最小值。在日本专利No. 4200956中披露的控制装置中，根据电池组的温度限制电池组的充电和放电时间，从而防止电池组的充电率很大程度地超过可用范围。不过，由于电池组具有内电阻，当对电池组执行充电和放电时，产生对应于电池组电流和内电阻的积算值(integrated value，乘积值)的电压变化。因此，即使以与例如日本专利No. 4052080和日本专利No. 4200956中所披露的方式相同的方式进行控制，当电池组的充电率或电池组电流接近极限值时，如果改变电动机的操作，电池组的充电率或电池组电流仍可能超过所述极限值。例如，当电池组的充电率接近下限值时，如果为了使车辆加速而增大电动机的驱动电流并增大电池组的放电电流，那么电池组电压下降至下限值之下并可能发生过放电。或者，当电池组的充电率接近上限值时，如果车辆沿着下坡行驶，那么在再生充电时，电动机的转速被增大并且电池组的充电电流被增大，从而电池组电压可能超过上限值并且可能发生过充电。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种用于电动车辆的控制装置，甚至在改变电动机的操作时，所述控制装置也能够控制电池组电压或电池组电流不超过极限值，从而阻止损坏电池组。为了实现上述目的，根据本发明，提供一种用于电动车辆的控制装置，所述电动车辆通过将来自电池组的电力供应至电动机而可操作地被驱动，并且所述电动车辆可操作地
3执行再生充电以用电动机利用减速能量产生的电力对电池组充电，所述控制装置包括需求扭矩计算单元，用于计算电动机的需求扭矩；电动机控制单元，用于根据由需求扭矩计算单元计算的需求扭矩控制电动机；和扭矩抑制单元，用于抑制电动机的需求扭矩以使得当驱动电动机或执行再生充电时电池组电压或电池组电流不会超过极限值或不会降至极限值以下，所述扭矩抑制单元存储当电池组电压或电池组电流达到极限值的时间点时的电动机的扭矩和电动机的旋转角速度，所述扭矩抑制单元执行前馈控制以便根据电动机的旋转角速度设置需求扭矩，以使得在驱动电动机或执行再生充电时电动机的扭矩与电动机的旋转角速度的积算值等于当电池组电压或电池组电流达到极限值的时间点时所存储的电动机的扭矩和电动机的转速的积算值。所述极限值可包括当电池组放电时电池组电压的下限值。所述极限值可包括当电池组充电时电池组电压的上限值。所述极限值可包括当电池组充电或放电时电池组电流的上限值。所述上限值可根据电池组的温度而设定。当电池组放电时，在电池组温度的高温区中，上限值可能低于电池组温度的中温区中的上限值。当电池组充电时，在电池组温度的高温区和低温区中，上限值可能低于电池组温度的中温区中的上限值。所述扭矩抑制单元可执行反馈控制，以便当电池组电压或电池组电流超过极限值或下落至极限值之下时根据电池组电压或电池组电流与极限值之间的差值补偿电动机的需求扭矩。
图1是示出了根据本发明实施例的电动车辆的示意性框图；图2是示出了电池组的充电率与电池组的开放端电压之间关系的曲线图；图3是示出了电动机的扭矩控制过程的流程图；和图4是示出了电池组的温度与电池组电流的上限值之间关系的曲线图。
具体实施例方式
在下文中，将参照附图描述本发明的实施例。图1是示出了根据本发明实施例的电动车辆的示意性框图。如图1中所示，它示出了根据本发明实施例的电动车辆的示意性结构。根据本发明实施例的电动车辆内设置有作为激励源的电动发电机2(电动机)。安装在车辆内部的电池组3为电动发电机2供以电力，从而电动发电机2被驱动并用于通过减速器4驱动驱动轮5。此外，通过驱动轮5的旋转驱动所述电动发电机2以使其具有发电功能。将电动发电机2产生的电力供给至电池组3以对电池组3充电(再生充电功能)。 电池组3由在其中串联设置的多个电池构成。车辆1包括BMUlO (电池组管理单元)，EV-EOTl 1 (EV电控单元)和MCU12 (电动机控制单元)。BMUlO具有监控电池组3状态的功能，具体的说，监控电池组3中每个电池的电压、作为整个电池组电压的电池组电压Vbat、电池组3中每个电池的温度、和作为在电池组3中流动的电流的电池组电流rtat。来自加速器操作单元13的加速操作量、来自制动操CN 102233829 A
说明书
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作单元14的制动操作量、来自变速器15的变速级、以及来自车速传感器16的车速被输入其中的EV-ECUll作为需求扭矩计算单元，根据输入量计算电动发电机2的需求扭矩Treq， 并根据需求扭矩Treq将扭矩指令值T”输出至MCU12。MCU12配置有换流器单元并具有控制电动发电机2的输出扭矩和再生扭矩的功能。更详细的说，MCU12根据从EV-ECUll输入的扭矩指令值T”驱动并控制电动发电机2，并在再生充电时控制电动发电机2产生的电力以将电力供给至电池组3。此外，MCU12具有将当前的电动机扭矩T和电动机旋转角速度ω 输出至EV-E⑶11的功能。此外，根据该实施例的EV-E⑶11控制电动发电机2的扭矩以使得将电池组3的充电率保持在其可用范围内。图2是示出了电池组3的充电率与开放端电压之间关系的曲线图。如图2中所示，由于电池组3的充电率与电池组3的开放端电压具有明确的关系， 如果充电率降低，开放端电压也降低。此外，由于电池组3具有内电阻，电池组3具有当电池组3放电时电池组电压Vbat 下降以便对应于放电电流和内电阻的积算值的特性。由于上述特征，在该实施例中，在当加速时电池组3的最小电池电压Vmin达到下限值VlimL的情形中，执行第一扭矩控制以控制电动发电机2的扭矩，从而使得电池组3的最小电池电压Vmin不降至下限值VlimL以下。图3是示出了电动发电机2的扭矩控制过程的流程图。在驾驶时重复该程序。首先，在步骤S10，计算需求扭矩Treq (需求扭矩计算单元)。如上面所述，根据从加速操作单元13输入的加速操作量、从车速传感器16输入的车速等等计算需求扭矩Treq。 接着，执行步骤S20。在步骤S20，确定是否需要扭矩抑制。通过确定电池组3的最小电池电压Vmin是否等于或低于下限值VlimL作出是否需要扭矩抑制的决定。在最小电池电压Vmin等于或低于下限值VlimL的情形中(条件1)，确定需要扭矩抑制。在步骤SlO计算出的需求扭矩 Treq等于或低于在后面将描述的步骤S30被计算的抑制扭矩T’的前一步骤所计算出的值的情形中(条件2)，确定不需要扭矩抑制。此外，存储是否需要扭矩抑制的判定结果，在上述条件1和2都不满足的情形中，保持前面的确定结果。在初始状态中，确定不需求扭矩抑制。在需要扭矩抑制的情形中，执行步骤S30。在步骤S30处，计算用于保持最小电池电压Vmin以使其等于下限值VlimL的抑制扭矩T’。具体的说，如下面的公式(1)中所示的抑制扭矩T’是将在后面描述的前馈控制扭矩Tff和反馈控制扭矩Tfb的合计值。T，= Tff+Tfb (1)通过下面的公式(2)得到前馈控制扭矩Tff。Tff = TlX ω /ω 0)，其中，Tl是当最小电池电压Vmin达到下限值VlimL时的电动机扭矩，ω 1是当最小电池电压Vmin达到下限值VlimL时的电动机旋转角速度。电动机扭矩Tl和电动机旋转角速度ω 1是当最小电池电压Vmin达到下限值VlimL时从MCU12 输入的值。此外，作为当前时间的电动机旋转角速度ω是从MCU12输入的。反馈控制扭矩Tfb通过下面的公式(3)得到。Tfb = η XVbatX (Kp+Ki/S) (VlimL-Vmin) / ω (3)其中，η是电动机系统效率，Kp是比例增益，Ki是积分增益，这些值是与下限值VlimL 一起事先设定的值。S是拉普拉斯算子，并且电池组电压Vbat和最小电池电压Vmin 从BMUlO输入。接着，执行步骤S40。在步骤S40处，确定在步骤S30处计算的抑制扭矩T’是否小于步骤SlO处计算的需求扭矩Treq。在抑制扭矩T’小于需求扭矩Treq的情形中，执行步骤S50。在步骤S50处，待输出至MCU12的最终扭矩指令值T”被设定为已经在步骤S30处计算的抑制扭矩T’。并且返回该程序。当在步骤S20处确定不需要扭矩抑制或在步骤S40处确定抑制扭矩T’等于或大于需求扭矩Treq的情形中，执行步骤S60。在步骤S60处，将最终扭矩指令值T”设定为已经在步骤SlO处计算的需求扭矩 Treq。并且返回该程序。同时，该程序中从步骤S30到步骤S50的一系列控制对应于扭矩抑制单元。如上面所述，根据本发明的实施例，在第一扭矩控制中，在设定电动发电机2的扭矩指令值T”的情形中，当最小电池电压Vmin等于或低于下限值VlimL时，计算用于保持电池组电压以使其等于下限值VlimL的抑制扭矩T’，并且抑制扭矩T’和需求扭矩Treq中较小的一个被设定为最终扭矩指令值T”。在该实施例中，如公式(1)中所示，通过前馈控制扭矩Tff和反馈控制扭矩Tfb的总值得到抑制扭矩τ’。反馈控制扭矩Tfb是由所谓的PI控制根据最小电池电压Vmin与下限值VlimL之间的差值进行的反馈控制，并被控制成当最小电池电压Vmin降至下限值 VlimL之下时使得最小电池电压Vmin保持在等于下限值VlimL。因此，在通过加速等改变电池组3的放电电流的情形中或在通过利用除电动发电机2以外的其它电动装置的而发生电压下降并接着最小电池电压Vmin下落至下限值VlimL之下的情形中，执行电动发电机2 的扭矩控制以使得最小电池电压Vmin被保持在等于下限值VlimL。在该实施例中，除了反馈控制外还执行前馈控制。通过用当最小电池电压Vmin达到下限值VlimL时的电动机扭矩Tl和电动机转动角速度ω 1的积算值除以当前的电动机转动角速度ω的计算而得到前馈控制扭矩Tff。从而，将最小电池电压Vmin保持在等于下限值VlimL。在下文中，将描述其原因。如果除了电动发电机2外没有其它的电力消耗，则通过下面的公式(4)表示电动机扭矩T、电动机转动角速度ω、电动机系统效率η、电池组电压Vbat、和电池组电流rtat 之间的关系。Τω = n XVbatXIbat (4)为了保持电池组电压Vbat恒定，如果电池组的内电阻是恒定的，则电池组电流 rtat应该是恒定的。如果电动机系统效率η也是恒定的，则等式(4)的两侧都具有恒定的值。为了保持电池组电压恒定，应当将电动机输出Τω保持恒定。因此，如果存储了当最小电池电压Vmin达到下限值VlimL时的电动机扭矩Tl和电动机转动角速度ω 1，并且它们的积算值变得等于电动机扭矩T和电动机转动角速度ω的积算值，那么即使电动机转动角速度ω改变，最小电池电压Vmin也保持为等于下限值VlimL。 在该实施例中，不仅通过执行反馈控制而且还通过执行使得电动机扭矩T和电动机转动角速度ω的积算值恒定的前馈控制，可以快速执行电动机的扭矩控制，即使通过改变电动发电机2的操作(改变电动机转动角速度ω)而改变了电池组电流rtat并因此改变了电池组电压Vbat也是如此，从而，可确定地将最小电池电压Vmin保持为等于下限值
VlimLoEV-E⑶11不仅将最小电池电压Vmin保持为等于下限值VlimL而且还执行第二扭矩控制以便将最大电池电压Vmax保持为等于上限值VlimH。在下文中将描述第二扭矩控制。在第二扭矩控制中，存储当作为电池组3中每个电池的电压的最大值的最大电池电压Vmax达到上限值VlimH时的电动机扭矩T2和电动机转动角速度ω 2，并且在图3中所示的流程图中的步骤S30处，响应于电动机转动角速度ω的改变控制电动机扭矩Τ，以使得所存储的电动机扭矩Τ2和电动机转动角速度ω2的积算值变得等于当前时间的电动机扭矩T和电动机转动角速度ω的积算值。具体的说，通过下面的公式( 计算前馈控制扭矩Tff，通过下面的公式(6)计算反馈控制扭矩Tfb，并且使用在第一扭矩控制中使用的公式⑴计算抑制扭矩T’。Tff = T2X ω2/ω (5)Tfb = η XIbatX (Kp+Ki/S) X (Vmax-VlimH) / ω (6)使用这种方式，在第二扭矩控制中，在当再生充电时电池组3的充电电流(电池组电流rtat)改变的情形中或在当停止使用除电动发电机2之外的电动装置时发生电压上升的情形中，执行电动发电机2的扭矩控制以使得将最大电池电压Vmax保持为等于上限值 VlimH。具体的说，通过增加前馈控制扭矩Tff，可快速控制电池组电压以使其不超过上限值 VlimH0通过第一扭矩控制和第二扭矩控制，控制电池组电压不超过上限值VlimH并且不降至下限值VlimL以下，从而当电池充电或放电时，可将电池组电压保持在可用范围内。因此，可防止电池组3被损坏。此外，在该实施例中，可执行第三扭矩控制，其控制电动发电机2的扭矩以使得电池组3的充电电流或放电电流不超过上限值IlimH。在下文中，将描述第三扭矩控制。在第三扭矩控制中，控制电池组电流Ibat (而不是在第二扭矩控制中使用的最大电池电压Vmax和电池组电压Vkit)不超过上限值IlimH。具体的说，通过下面的公式(7) 计算在图3中所示的流程图中在步骤S30处计算的前馈控制扭矩Tff，并通过下面的公式 (8)计算反馈控制扭矩Tfb。Tff = T3X ω3/ω (7)Tfb = η XVbatX (Kp‘ +Ki' /S) X (Ibat-IlimH) / ω (8)其中，Τ3是当电池组电流达到上限值IlimH时的电动机扭矩，ω 3是当电池组电流达到上限值IlimH时的电动机旋转角速度，Κρ’是比例增益，和Ki’是积分增益。根据电池组的温度设定电池组电流的上限值IlimH。图4是示出了电池组的温度和电池组电流的上限值IlimH之间的关系的曲线图。在图4中，实线表示放电电流的上限值并且虚线表示充电电流的上限值。如图4中所示，在电池组温度高的区域中，充电电流和放电电流两者都被控制以使得上限值IlimH降低。在电池组温度低的区域中，只控制充电电流以使得上限值IlimH
7降低。原因是在电池组温度高的区域中，当电池充电或放电时由于电池组温度增加，目的在于防止由于电池组的温度增加产生的热导致电池组损坏；而在电池组温度低的区域中， 由于难于对电池组充电从而因过充电电流而导致可能频繁发生内部短路，目的在于防止由于内部短路而导致损坏电池组。在图4中所示的高温度区域中的点B与点A之间的区域中，放电电流的上限值未降低并且充电电流的上限值降低。其原因是因为已想到电池接收到由于行驶而产生的风， 因而难以增加电池组的温度，因此有意控制放电电流以使得上限值不降低。为了防止电池由于热而损坏，可降低图4中的点B与点A之间区域的放电电流的上限值。在本实施例中， 中温度区域(图4中的点C与点A之间的区域)对应于约10-40摄氏度，然而其取决于电池组的特性。使用这种方式，根据第三扭矩控制，在电池组电流rtat超过上限值IlimH的情形中，计算用于将电池组电流Bat保持为等于上限值IlimH的抑制扭矩T’，并且抑制扭矩T’ 和需求扭矩Treq中较小的一个被设定成最终扭矩指令值T”。如上面所述，在第三扭矩控制中，执行电动发电机2的扭矩控制以使得电池组电流rtat不超过上限值IlimH，从防止由于过电流导致损坏电池组3。即使在与第一扭矩控制和第二扭矩控制相似的第三扭矩控制中，也执行前馈控制从而可响应于电动发电机2的操作改变而快速执行电动发电机2的扭矩控制。因此，可确定地将电池组电流rtat保持为等于上限值IlimH。同时，在上述实施例中，执行第一扭矩控制、第二扭矩控制、和第三扭矩控制全部。 不过，也可以执行这些扭矩控制中的任何一个或两个扭矩控制的组合。根据本发明的一个方面，由扭矩抑制单元抑制电动机的需求扭矩，从而将电池组电压或电池组电流控制得不超过极限值或不降至极限值之下。借此，防止由于电池组的过充电和过放电而损坏电池组。具体的说，通过扭矩抑制单元，根据旋转角速度设定需求扭矩，以使得电动机的扭矩和旋转角速度的积算值等于当电池组电压或电池组电流达到极限值的时间点时电动机的扭矩和旋转角速度的积算值。借此，即使改变电动机的操作，也可以快速将电池组电压或电池组电流控制得不超过极限值或不降至极限值之下。根据本发明的一个方面，当驱动电动机并且电池组放电时，例如，即使车辆加速从而增大电动机的驱动电流，电池组电压也被控制为不降至下限值之下。借此，可防止电池组的过放电。根据本发明的一个方面，当执行再生充电时，例如，即使车辆沿着下坡行驶从而增大电动机的充电电流，电池组电压也被控制为不超过上限值。借此，可防止电池组的过充电。根据本发明的一个方面，当执行再生充电或驱动电动机时，即使电池组的消耗电流或充电电流增大，电池组电流也被控制为不超过上限值。借此，可防止电池组被损坏。根据本发明的一个方面，由于根据电池组的温度设定电池组电流的上限值，因此电池组可以响应于电池组温度的改变所导致的电池组电流的可接受量方面的变化而有效地充电和放电。根据本发明的一个方面，当电池组放电时，在高温区域中将电池组电流的上限值设定得较低。从而，可以防止电池组的过热。当电池组充电时，在高温区域中将电池组电流的上限值设定得较低。从而，可以防止电池组的过热。此外，当电池组充电时，在低温区域中将电池组电流的上限值设定得较低。从而，可防止低温区域中的过充电电流导致的内部短路。 根据本发明的一个方面，当电池组电压或电池组电流超过极限值或降至极限值之下时，由于根据极限值与电池组电压或电池组电流之间的差值补偿电动机的需求扭矩，因此可以将电池组电压或电池组电流控制得不超过极限值或不降至极限值之下，例如，即使在除安装在车辆内的电动机之外的其它电动装置中的电力消耗改变的情形中，或即使在前馈控制功能不足的情形中也是如此。
权利要求
1.一种电动车辆的控制装置，所述电动车辆通过从电池组将电力供应至电动机以便驱动所述电动机而可操作地被驱动，并且所述电动车辆通过电动机利用减速能量产生的电力可操作地执行再生充电以对电池组充电，所述控制装置包括需求扭矩计算单元，用于计算电动机的需求扭矩；电动机控制单元，用于根据由所述需求扭矩计算单元计算的需求扭矩控制电动机；和扭矩抑制单元，用于抑制电动机的需求扭矩，以使得当驱动电动机或执行再生充电时电池组电压或电池组电流不超过极限值或不降至极限值以下，所述扭矩抑制单元存储所述电池组电压或电池组电流达到极限值的时间点时的电动机的扭矩和电动机的旋转角速度， 所述扭矩抑制单元执行前馈控制以便根据电动机的旋转角速度设定需求扭矩，从而使得在驱动电动机或执行再生充电的时间点时的电动机的扭矩与电动机的旋转角速度的积算值等于在电池组电压或电池组电流达到极限值的时间点时所存储的电动机的扭矩与电动机的旋转角速度的积算值。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述极限值包括当电池组放电时电池组电压的下限值。
3.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述极限值包括当电池组充电时电池组电压的上限值。
4.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述极限值包括当电池组充电或放电时电池组电流的上限值。
5.根据权利要求4所述的控制装置，其中，所述上限值根据电池组的温度设定。
6.根据权利要求5所述的控制装置，其中，当电池组放电时，电池组温度的高温区域中的上限值低于电池组温度的中温区域中的上限值，并且当电池组充电时，电池组温度的高温区域和低温区域中的上限值低于电池组温度的中温区域中的上限值。
7.根据权利要求1所述的控制装置，其中，所述扭矩抑制单元执行反馈控制，以便当电池组电压或电池组电流超过极限值或降至极限值之下时，根据电池组电压或电池组电流与极限值之间的差值补偿电动机的需求扭矩。
全文摘要
本发明涉及一种电动车辆的控制装置，所述电动车辆通过将电池组的电力供应至电动机以便驱动所述电动机而可操作地被驱动，并且所述电动车辆可操作地执行再生充电，所述控制装置包括需求扭矩计算单元，用于计算电动机的需求扭矩；电动机控制单元，用于根据由需求扭矩计算单元计算的需求扭矩控制电动机；和扭矩抑制单元，所述扭矩抑制单元执行前馈控制以便根据电动机的旋转角速度设置需求扭矩，从而使得在驱动电动机或执行再生充电的时间点时电动机的扭矩与电动机的旋转角速度的积算值等于电池组电压或电池组电流达到极限值的时间点时电动机的扭矩与电动机的旋转角速度的积算值。
文档编号B60L15/20GK102233829SQ201110107970
公开日2011年11月9日 申请日期2011年4月27日 优先权日2010年4月27日
发明者蒲地诚 申请人:三菱自动车工业株式会社