混合动力电动车辆动力系及其控制方法

专利名称：混合动力电动车辆动力系及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种具有传动装置的混合动力电动车辆动力系及其控制方法，该传动装置具有用于建立从两个动力源到车辆牵引轮的分开的动力流路径的齿轮元件。
背景技术：
已知的具有双动力流路径的混合动力电动车辆动力系将通过管理来自每个动力源的动力分配而允许车辆以最高性能运行，其中，所述双动力流路径位于引擎与车辆牵引轮之间以及电动机与车辆牵引轮之间。这包括管理引擎、电动机、发电机和电池的运行状态。电池、发电机和电动机电连接。车辆系统控制器与变速器控制模块交互，以保证保持最佳的性能和驾驶性能的动力管理。 所述动力系可包括限定并联动力流配置的传动装置，在所述并联动力流配置中，电动机扭矩和引擎扭矩相互协调来满足车轮扭矩命令。车辆系统控制器可在特定的运行条件(例如，在车辆的稳态高速公路巡航模式期间)下使引擎停止运转，从而可由电动机单独地向车辆提供动力。此时，电池用作电动机的电源。如果在全电驱动模式期间电池荷电状态减小至校准的阈值以下，则可启动引擎，以给电池充电并提供机械动力源来补充电动机扭矩。这种类型的混合动力电动车辆动力系的示例可包括用于将引擎动力引导至电力流路径或机械动力流路径的行星齿轮组。例如，在转让给本发明的受让人的第7，268，442号美国专利中公开了这样的动力系。该动力系包括行星齿轮组，其中，行星齿轮组的恒星齿轮可驱动地连接到发电机，引擎可驱动地连接到行星齿轮组的行星架，电动机可驱动地连接到行星齿轮组的环形齿轮。当引擎和电动机都起作用时，动力流路径被行星齿轮组分开。如果混合动力电动车辆动力系是所谓的“插电式”动力系，则电动机将在引擎关闭时在整个驾驶事件内运行相当长的一段时间。然后，使用电池载流耗尽(chargedepletion)策略向电动机提供电能，直至达到电池荷电状态耗尽阈值为止。在载流耗尽之后，接着可通过公用电网给电池充电，以为随后的驾驶事件作准备。

发明内容
根据本发明的一方面，提供一种控制混合动力电动车辆动力系的方法，所述混合动力电动车辆动力系包括引擎、电池、电动机、发电机和具有行星齿轮单元的变速器，所述行星齿轮单元将引擎、电动机和发电机机械地连接，以将动力传递到车辆牵引轮，所述方法包括下述步骤将储存的电力传递到电动机，以在纯电操作模式下驱动牵引轮；利用发电机将第一扭矩量施加到行星齿轮单元，以减小行星齿轮单元在纯电操作模式下的磨损。所述方法还可包括下述步骤确定由于发电机施加到行星齿轮单元的第一扭矩量而施加到电动机的第一反作用扭矩量；确定期望的牵引轮扭矩；响应于施加到电动机的第一反作用扭矩量确定施加到牵引轮的电动机扭矩，以维持期望的牵引轮扭矩。
第一扭矩量可不大于使引擎旋转所需的扭矩量。第一扭矩量可不大于引擎的摩擦扭矩。第一扭矩量可被施加到行星齿轮单元的可驱动地连接到发电机的第一元件。行星齿轮单元的第一元件可以是可驱动地连接到发电机的恒星齿轮。第一反作用扭矩量可以是由于将扭矩施加到行星齿轮单元而施加到行星齿轮单元的可驱动地连接到电动机的第二元件的扭矩量。行星齿轮单元的第二元件可以是可驱动地连接到电动机的环形齿轮。所述方法还可包括下述步骤测量引擎转速；如果引擎转速大于阈值，则将由发电机施加到行星齿轮单元的扭矩减小到第二扭矩量，从而第二扭矩量小于第一扭矩量。 可利用曲轴位置传感器测量引擎转速。根据本发明的另一方面，提供一种混合动力电动车辆动力系，所述混合动力电动车辆动力系包括引擎、电动机、发电机和具有齿轮元件的变速器，所述变速器包括行星齿轮单元，所述行星齿轮单元将引擎、电动机和发电机机械地连接，以将动力传递到车辆牵引轮，所述行星齿轮单元包括恒星齿轮，可驱动地连接到发电机；环形齿轮，可驱动地连接到电动机；行星架，可驱动地连接到引擎；控制器，被配置为当车辆在纯电操作模式下时命令发电机将扭矩施加到恒星齿轮，由此减小行星齿轮单元的磨损。


图I是具有分开的动力流路径的混合动力电动车辆动力系的示意图；图2是图I的行星齿轮单元的示意图；图3是将被用于描述引擎开启时行星齿轮单元的功能的杠杆模拟示图；图4是引擎关闭时行星齿轮单元的杠杆模拟示图；图5是示出图I的混合动力电动车辆动力系的控制策略的流程图。
具体实施例方式根据需要，在此公开了本发明的详细实施例；然而，应该理解的是，公开的实施例仅仅是本发明的示例，而本发明可以以各种及替代的形式体现。附图不一定按比例绘制；一些特征可能会被放大或缩小，以示出具体组件的细节。因此，在此公开的具体结构上和功能上的细节不应被解释为限制，而仅仅被解释为用于教导本领域技术人员以各种方式应用本发明的代表性基础。在图I中示出了混合动力电动车辆动力系的结构的示意图。混合动力电动车辆动力系包括具有转子12和定子14的电动机10。转子12可驱动地连接到齿轮16，齿轮16与副轴齿轮18相哨合。配对式逆向齿轮(companion countershaft gear) 20可驱动地卩齿合差速器-车桥总成24的齿轮22，差速器-车桥总成24进而驱动车辆牵引轮。引擎26连接到行星齿轮单元30的动力输入轴28，引擎26可以是内燃机或者任何其他合适的车辆引擎(例如，火花点火式引擎或柴油机)。变速器油泵(transmission oil pump) 31可通过齿轮连接到轴28。行星齿轮单元30包括环形齿轮32、恒星齿轮34和行星架36。恒星齿轮34可驱动地连接到发电机40的转子38。如图2中更加详细地示出的，行星齿轮单元30可包括安装到行星架36的多个行星齿轮35。如图2所示，安装到行星架36的行星齿轮35具有转速ω。和扭矩τ。。同样地,另外如图2所示,恒星齿轮34具有转速(Os和扭矩Ts，环形齿轮32具有转速和扭矩τ-返回至图1，如所示，发电机40的定子42电连接到高电压逆变器44和DC/DC高电压转换器46，DC/DC高电压转换器46进而电连接到电池。在图I中还示出了被标为BCM的电池控制模块。高电压逆变器48连接到电动机10的定子14。引擎26通过减震器总成52可驱动地连接到轴28。差速器-车桥总成24可驱动地连接到车辆牵引轮。动力流元件受变速器控制模块(TCM)的控制，TCM受车辆系统控制器(VSC)的监控。TCM和VSC是控制器局域网(CAN)的一部分。VSC的输入变量可包括驾驶员操作范围选择器(PRNDL)信号、加速踏板位置(APP)信号和制动踏板信号(BPS)。当在向前驱动车辆启动期间命令发电机40辅助引擎26时，可控制发电机40用作电动机，从而行星架36沿车 辆行驶方向转动。当发电机40用作发电机给电池充电时，随着电力用于补充引擎26的动力，发电机40用作反作用元件。当在车辆运动时发电机40用于起动引擎26时，控制发电机40用作发电机，这导致传递到恒星齿轮34的扭矩使恒星齿轮减速。其结果是，随着环形齿轮32的转速增加，行星架36的转速和引擎26的转速增加。此时，电动机10也提供扭矩以驱动环形齿轮32。随后，部分电力被用于起动引擎26。如果环形齿轮32的转速足够高，则在发电机40的转速减速到零之前，行星架36的转速达到引擎26的点火转速。如果车辆速度低，则即使发电机40的转速已经降低到零，引擎26的转速也可能将达不到点火转速。在这种情况下，控制发电机40用作电动机。当图I的变速器结构用于所谓的“插电式”混合动力车辆中时，针对任何给定的驾驶事件，在引擎关闭的情况下，在整个运行时间的相当大比重的时间内使用电动机10。此时，在电动机10和发电机40之间存在直接的机械连接。因此，当车辆速度处于中等水平或高水平时，发电机40的转速变高。当在全电驱动期间引擎26的转速等于零时，根据行星齿轮单元30的总传动比，发电机40将以是电动机10的转速的倍数的转速运动。这会产生与行星齿轮单元30以及发电机40的轴承的耐久性相关的问题。该问题会将车辆的道路速度限制在低于最佳值的值。这还会使得在存在使用公用电网给电池再充电的机会之前在给定的驾驶事件期间电池荷电状态降低到预定阈值以下时启动引擎所需的可用扭矩减小。因此，需要这样一种动力系结构，该动力系结构将被设计为避免在全电驱动模式下运行期间发电机过速。图3和图4中示出的杠杆模拟示图分别示出了引擎开启状态和引擎关闭状态。图3示出了针对图I中示出的动力系在引擎26开启时电动机10驱动期间存在的速度向量和扭矩向量。在图3中，是环形齿轮32的转速，环形齿轮32通过齿轮60、18和16连接到牵引电动机10。符号是引擎26的转速，引擎26连接到行星架36。符号《8是发电机40的转速，发电机40连接到恒星齿轮34，从而发电机40的转速大体上等于恒星齿轮34的转速ω3。图3中的符号τ,表示环形齿轮32的扭矩。符号\表示引擎26的扭矩，引擎26的扭矩大体上等于行星架36的扭矩τ。。同样地，符号 ' 表示发电机40的扭矩，在引擎开启时运行期间，发电机40的扭矩大体上等于恒星齿轮34的扭矩τ s。就插电式混合动力系而言，如果在纯电驱动模式下引擎26关闭并由电动机10单独地向动力系提供动力，则使用公用电网给电池充电，并且电池被设计为具有显著增加的容量。这样可更多地使用纯电驱动模式。发电机40到车轮的直接齿轮连接(在图I中示出)使得发电机40在车辆在引擎26关闭的情况下运动时转动。当车辆速度增加时，发电机40的转速会变得过高，并且可用于启动引擎26的扭矩降低。图4中示出了这种情况，在图4中，《8是发电机转速。当引擎26关闭时驱动环形齿轮32所沿的方向与当引擎开启时图3中示出的方向相反。当然，如图4所示，当引擎关闭时，引擎转速A为零。此时，环形齿轮32的转速为ωρ 的值等于图3中的环形齿轮32的转速的值。当车辆处于纯电操作模式下时，引擎26和发电机40提供阻力矩，该阻力矩抵消经过环形齿轮32的反驱动扭矩。因为从引擎26和发电机40经过行星齿轮单元30的阻力矩仅表示寄生损失，所以从引擎26和发电机40经过行星齿轮单元30的扭矩小，从而使得行星齿轮单元30中的行星齿轮轴承的负荷最低。因此，在插电式混合动力车辆中，当在纯电操作模式下驱动车辆时，行星齿轮单元30以高速空载运行。因此，在纯电操作模式下，车辆速度越高，行星齿轮单元30的转速越 高，因此，发电机40的转速越高。因此，当在纯电操作模式下驱动车辆时，行星齿轮单元30以高速空载运行，这会导致行星齿轮单元30的以低负荷运行的小齿轮轴承劣化并趋于打滑和磨损。因此，这还会限制车辆可在纯电操作模式下驱动的速度，并且会在需要打开引擎26时产生较多的碳氢化合物排放物。为了向行星齿轮单元30中的行星小齿轮轴承提供少量偏置负荷(biasingload)，发电机40可以向行星齿轮单元30施加一定量的扭矩。通过向行星齿轮单元30施加扭矩，负荷被强加于行星齿轮单元30的轴承上。发电机40施加的扭矩的量可以是少量扭矩，该扭矩小于或者等于当施加到引擎26时不会导致引擎26旋转的扭矩。在一个实施例中，发电机40施加到行星齿轮单元30的扭矩大体上等于引擎26的摩擦扭矩。在另一实施例中，发电机40施加到行星齿轮单元30的扭矩不大于使引擎26旋转所需的扭矩的量。对于典型的热引擎，引擎26的摩擦扭矩在引擎26处为大约10牛顿米(Nm)并且在发电机40处为大约3Nm。对于冷引擎26，引擎26的摩擦扭矩在正常温度下可以是大约30Nm。因此，引擎26的摩擦扭矩和发电机40的扭矩可以根据温度或引擎结构以及其他因素而变化。控制系统可以仅在车辆处于纯电操作模式下时命令发电机40将扭矩施加到行星齿轮单元30。在替代实施例中，发电机40仅在纯电操作模式期间当行星齿轮单元30达到阈值转速时将扭矩施加到行星齿轮单元30。将扭矩施加到行星齿轮单元30的控制系统可以由闭环控制器70进行控制。如图I所示，闭环控制器70可以是车辆系统控制器(VSC)模块的一部分。可选地，闭环控制器可以是变速器控制模块(TCM)或者其他车辆控制模块的一部分。在另一实施例中，控制器70可以是任何其他独立的控制器。图5示出了用于混合动力电动车辆动力系的控制系统的流程图。如本领域普通技术人员将理解的，由流程图框表示的功能可以通过软件和/或硬件来执行。另外，所述功能可以以不同于图5中所示的顺序或次序的顺序或次序执行。类似地，虽然未明确示出，但是可以重复执行步骤或功能中的一个或多个。同样地，在一些应用中，可以省略示出的功能的代表性步骤中的一个或多个。在一个实施例中，示出的功能主要通过储存在计算机可读存储介质中的软件指令、代码或者控制逻辑来实现，并且通过基于微处理器的计算机或者控制器(诸如所述控制器70)执行。
如图5所不，在步骤110中，控制系统监测混合动力电动车辆动力系。在弟_■步112中，控制系统确定车辆是否处于纯电操作模式下。如果车辆不处于纯电操作模式下，则车辆继续在正常模式下运行(步骤114)。如果车辆处于纯电操作模式下，则在步骤116中，控制系统确定行星齿轮转速或者发电机转速是否大于或等于预定值X。如果行星齿轮转速或者发电机转速小于预定值X，则车辆继续在正常模式下运行(步骤114)。然而，如果行星齿轮转速或发电机转速大于或等于预定值X，则在步骤118中，控制系统命令发电机将扭矩施加到行星齿轮。发电机施加扭矩使得对引擎输入轴的反作用扭矩小于或者等于预定值Y。在接下来的步骤120中，控 制系统监测引擎运动。如图I所示，可以通过装置80来监测引擎运动。在一个实施例中，通过监测引擎26的转速来监测引擎运动。通过监测引擎转速，闭环控制系统实质上监测是否由于发电机40施加到行星齿轮单元30的扭矩而导致引擎26运动。在另一实施例中，通过检测引擎26的位移来测量引擎26的运动。装置80可以是测量引擎26的运动的任何可接受的装置，诸如，曲轴位置传感器。在另一实施例中，可以通过引擎转速计输出脉冲或者适于检测引擎转速和/或位移的任何其他引擎传感器来检测引擎26的运动。如果在步骤122中检测到任何引擎运动，则在步骤124中，控制系统确定引擎运动的方向。如果引擎转速或位移是沿正向的，则在步骤126中，减小发电机施加的扭矩的量，使得发电机施加到行星齿轮单元的扭矩小于预定值Y。如果引擎转速或位移是沿反向的，则在步骤128中，可增加发电机施加到行星齿轮单元的扭矩，使得该扭矩大于预定值Y。发电机施加的扭矩的量可以是恒定的扭矩值，或者所述扭矩可以是标称扭矩值等于预定值的预先描述的随机模式。在引擎运动沿反向进行的情况下，在步骤128中，发电机施加的扭矩的增加可以仅增加在预先描述的随机模式下施加的标称扭矩。通过增加或减小发电机施加的扭矩的量，引擎的运动被最小化，使得引擎转速和引擎位移大体上等于零，从而排放和车辆驾驶性能不会受到不利影响。如图5所示，发电机40可以仅在纯电操作模式期间行星齿轮单元30达到阈值转速时将扭矩施加到行星齿轮单元30。在另一实施例中，还考虑的是，每当车辆处于纯电操作模式下，控制系统都可以将扭矩施加到行星齿轮单元30。控制系统还可以被用于维持期望的牵引轮扭矩。在一个实施例中，发电机40连接到恒星齿轮34，并且电动机10连接到环形齿轮32。因此，由于发电机40施加到恒星齿轮34的扭矩而使反作用扭矩施加到电动机10。响应于由发电机40通过行星齿轮单元30施加到电动机10的反作用扭矩，控制系统可以确定需要施加到牵引轮的电动机10的扭矩，以维持期望的牵引轮扭矩。牵引电动机10应当施加扭矩，以消除由于发电机施加到行星齿轮单元30的扭矩而对车轮扭矩造成的任何反作用影响。控制系统可以采用算法，以基于发电机40施加到行星齿轮单元30的扭矩以及其他静态和动态操作因素来确定对电动机10的反作用扭矩。虽然以上描述了各实施例，但是这些实施例并不意在描述了本发明的所有可能的形式。相反，说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应当理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。另外，可将实现的各实施例的特征结合，以形成本发明的进一步的实施例。
权利要求
1. 一种控制混合动力电动车辆动力系的方法，所述混合动力电动车辆动力系包括引擎、电池、电动机、发电机和具有行星齿轮单元的变速器，所述行星齿轮单元将引擎、电动机和发电机机械地连接，以将动力传递到车辆牵引轮，所述方法包括下述步骤 将储存的电力传递到电动机，以在纯电操作模式下驱动牵引轮； 利用发电机将第一扭矩量施加到行星齿轮单元，以减小行星齿轮单元在纯电操作模式下的磨损。
2.如权利要求I所述的方法，所述方法还包括下述步骤 确定由于发电机施加到行星齿轮单元的第一扭矩量而施加到电动机的第一反作用扭矩量; 确定期望的牵引轮扭矩； 响应于施加到电动机的第一反作用扭矩量确定施加到牵引轮的电动机扭矩，以维持期望的牵引轮扭矩。
3.如权利要求I所述的方法，其中，第一扭矩量不大于使引擎旋转所需的扭矩量。
4.如权利要求I所述的方法，其中，第一扭矩量不大于引擎的摩擦扭矩。
5.如权利要求I所述的方法，其中，第一扭矩量被施加到行星齿轮单元的可驱动地连接到发电机的第一元件。
6.如权利要求5所述的方法，其中，行星齿轮单元的第一元件是可驱动地连接到发电机的恒星齿轮。
7.如权利要求2所述的方法，其中，第一反作用扭矩量是由于将扭矩施加到行星齿轮单元而施加到行星齿轮单元的可驱动地连接到电动机的第二元件的扭矩量。
8.如权利要求7所述的方法，其中，行星齿轮单元的第二元件是可驱动地连接到电动机的环形齿轮。
9.如权利要求I所述的方法，所述方法还包括下述步骤 测量引擎转速； 如果引擎转速大于阈值，则将由发电机施加到行星齿轮单元的扭矩减小到第二扭矩量，从而第二扭矩量小于第一扭矩量。
10.如权利要求9所述的方法，其中，利用曲轴位置传感器测量引擎转速。
11.一种混合动力电动车辆动力系，所述混合动力电动车辆动力系包括引擎、电动机、发电机和具有齿轮元件的变速器，所述变速器包括行星齿轮单元，所述行星齿轮单元将引擎、电动机和发电机机械地连接，以将动力传递到车辆牵引轮，所述行星齿轮单元包括 恒星齿轮，可驱动地连接到发电机； 环形齿轮，可驱动地连接到电动机； 行星架，可驱动地连接到引擎； 控制器，被配置为当车辆在纯电操作模式下时命令发电机将扭矩施加到恒星齿轮，由此减小行星齿轮单元的磨损。
全文摘要
提供一种控制混合动力电动车辆动力系的系统及方法。所述混合动力电动车辆动力系包括引擎、电池、电动机、发电机和具有行星齿轮单元的变速器。行星齿轮单元将引擎、电动机和发电机机械地连接，以将动力传递到车辆牵引轮。将储存的电力传递到电动机，以在纯电操作模式下驱动牵引轮。利用发电机将第一扭矩量施加到行星齿轮单元，以减小行星齿轮单元在纯电操作模式下的磨损量。
文档编号B60W10/08GK102910164SQ20121027524
公开日2013年2月6日 申请日期2012年8月3日 优先权日2011年8月5日
发明者沙雷斯·斯坎特·柯扎雷卡尔, 格雷戈里·迪恩·加德纳 申请人:福特全球技术公司