控制多模式变速器的高压电气系统的方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及控制多模式变速器的高压电气系统的方法和设备。动力系统的多模式变速器包括高压电气系统，其具有高压电池和联接到功率逆变器的高压电气总线，功率逆变器电联接到扭矩机器，扭矩机器配置成将电功率转换成扭矩。控制多模式变速器的方法包括监控高压电气总线上的电压和电流，基于扭矩机器的总马达扭矩电功率估计高压电气总线的电功率限制，其包括约束的电池功率命令。扭矩机器的扭矩命令响应于高压电气总线的估计的电功率限制被约束。多模式变速器的扭矩机器的操作响应于扭矩机器的扭矩命令被控制。
【专利说明】控制多模式变速器的高压电气系统的方法和设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及采用扭矩变速器装置的动力系统，以及与其相关的动态系统控制。
【背景技术】
[0002]本部分的叙述仅提供涉及本发明的背景信息。因此，这类叙述将不构成对现有技术的确认。
[0003]已知的动力系统被配置为通过变速器装置将来自扭矩产生装置的扭矩传递至联接到传动系统的输出构件。一些动力系统可以被配置为通过多模式变速器装置将源自多个扭矩产生装置的扭矩传递至联接到传动系统的输出构件。这类动力系统包括混合动力系统和增程式电动车系统。用于操作这类动力系统的控制系统在考虑燃料经济性、排放物、驾驶性能和其它因素的情况下响应于操作者命令的输出扭矩请求来控制扭矩产生装置并且应用变速器中的所选扭矩传递元件以便传递扭矩。示例性扭矩产生装置包括内燃发动机和非燃烧扭矩机器。非燃烧扭矩机器可以包括可作为电动机或发电机进行操作以便结合于或独立于来自内燃发动机的扭矩输入而产生输入到变速器的扭矩输入的电机。扭矩机器可以将通过车辆传动系统传递的动能转化为电能，该电能可在所谓的再生操作中存储在电能存储装置中。控制系统监控来自车辆和操作者的输入，并且提供对动力系的操作控制，包括控制发动机打开/关闭状态，控制变速器操作状态，控制扭矩产生装置以及调节电能存储装置和电机之间的电功率流，以管理变速器操作，包括扭矩和转速。
[0004]动力系统的控制包括以避免电功率流过量的方式控制(包括来自电能存储装置的电流或电压)，从而防止会减少使用寿命的操作。已知的电功率控制系统采用反馈机制来响应和控制操作以最小化进行的操作期间的过量。
【发明内容】
[0005]动力系统的多模式变速器包括高压电气系统，其具有高压电池和联接到功率逆变器的高压电气总线，功率逆变器电联接到扭矩机器，扭矩机器配置成将电功率转换成扭矩。控制多模式变速器的方法包括监控高压电气总线上的电压和电流，基于扭矩机器的总马达扭矩电功率估计高压电气总线的电功率限制，其包括约束的电池功率命令。扭矩机器的扭矩命令响应于高压电气总线的估计的电功率限制被约束。多模式变速器的扭矩机器的操作响应于扭矩机器的扭矩命令被控制。
[0006]本发明还提供了以下方案:
1.一种用于控制多模式变速器的扭矩机器的方法，包括:
监控高压电气总线上的电压和电流，高压电气总线电联接到功率逆变器，功率逆变器配置用于将电功率转换到扭矩机器；
基于扭矩机器的总马达扭矩电功率估计高压电气总线的电功率限制，其包括约束的电池功率命令；
确定用于扭矩机器的扭矩命令，其响应于高压电气总线的估计的电功率限制被约束；和
响应于扭矩命令控制多模式变速器的扭矩机器的操作。
[0007]2.根据方案I所述的方法，其特征在于，估计高压电气总线的电功率限制包括使用电功率模型执行关于高压电气总线上的电压和电流之一的局部展开以确定约束的电池功率命令。
[0008]3.根据方案2所述的方法，其特征在于，使用电功率模型执行关于高压电气总线上的电压和电流之一的局部展开以确定约束的电池功率命令包括采用关于高压电气总线上的电压和电流之一的电功率模型的泰勒级数展开以确定约束的电池功率命令。
[0009]4.根据方案2所述的方法，其特征在于，其包括使用电功率模型执行关于高压电气总线上的电压和电流之一的局部展开以确定约束的电池功率命令，其避免电连接到高压电气总线的高压电池的电池组电压的过量。
[0010]5.根据方案3所述的方法，其特征在于，采用关于高压电气总线上的电压的电功率模型的泰勒级数展开以确定约束的电池功率命令包括:
确定电池功率相对于电压和电流的关系；和
执行电池功率相对于电压的关系的偏导数以确定约束的电池功率命令。
[0011]6.根据方案5所述的方法，其特征在于，约束的电池功率命令包括在放电事件期间在操作时的电压限制的最大命令的电池功率。
[0012]7.根据方案5所述的方法，其特征在于，约束的电池功率命令包括在充电事件期间在操作时的电压限制的最小命令的电池功率。
[0013]8.根据方案3所述的方法，其特征在于，采用关于高压电气总线上的电流的电功率模型的泰勒级数展开以确定约束的电池功率命令包括:
确定电池功率相对于电压和电流的关系；和
执行电池功率相对于电流的关系的偏导数以确定约束的电池功率命令。
[0014]9.根据方案8所述的方法，其特征在于，约束的电池功率命令包括在放电事件期间在操作时的电流限制的最大命令的电池功率。
[0015]10.根据方案8所述的方法，其特征在于，约束的电池功率命令包括在充电事件期间在操作时的电流限制的最小命令的电池功率。
[0016]11.根据方案I所述的方法，其特征在于，其还包括确定高压电池的电池组电压，所述电池组电压对应于高压电池的电池功率要求。
[0017]12.根据方案I所述的方法，其特征在于，其还包括基于约束的扭矩要求确定电联接到高压电气总线的高压电池的电池功率要求。
[0018]13.一种用于控制多模式变速器的扭矩机器的方法，所述扭矩机器通过功率逆变器电联接到高压电气总线，所述方法包括:
基于扭矩机器的总马达扭矩电功率估计高压电气总线的电功率限制，其包括约束的电池功率命令；
确定用于扭矩机器的扭矩命令，其响应于高压电气总线的估计的电功率限制被约束； 基于约束的扭矩要求确定电联接到高压电气总线的高压电池的电池功率要求；
确定高压电池的电池组电压，所述电池组电压对应于高压电池的电池功率要求；和 响应于扭矩机器的扭矩命令控制多模式变速器的扭矩机器的操作。[0019]14.根据方案13所述的方法，其特征在于，估计高压电气总线的电功率限制包括采用关于高压电气总线上的电压和电流之一的电功率模型的泰勒级数展开以确定约束的电池功率命令。
[0020]15.根据方案14所述的方法，其特征在于，采用关于高压电气总线上的电压的电功率模型的泰勒级数展开以确定约束的电池功率命令包括:
确定电池功率相对于电压和电流的关系；和
执行电池功率相对于电压的关系的偏导数以确定约束的电池功率命令。
[0021]16.根据方案15所述的方法，其特征在于，约束的电池功率命令包括在放电事件期间在操作时的电压限制的最大命令的电池功率。
[0022]17.根据方案15所述的方法，其特征在于，约束的电池功率命令包括在充电事件期间在操作时的电压限制的最小命令的电池功率。
[0023]18.根据方案14所述的方法，其特征在于，采用关于高压电气总线上的电流的电功率模型的泰勒级数展开以确定约束的电池功率命令包括:
确定电池功率相对于电压和电流的关系；和
执行电池功率相对于电流的关系的偏导数以确定约束的电池功率命令。
[0024]19.根据方案18所述的方法，其特征在于，约束的电池功率命令包括在放电事件期间在操作时的电流限制的最大命令的电池功率。
[0025]20.根据方案18所述的方法，其特征在于，约束的电池功率命令包括在充电事件期间在操作时的电流限制的最小命令的电池功率。
[0026]
【专利附图】
【附图说明】
[0027]现在将参照附图通过举例方式描述一个或多个实施例，在附图中:
图1图示根据本发明的包括内燃发动机、多模式变速器、高压电气系统、传动系统和控制器的动力系统；
图2图示根据本发明的控制高压电气系统的控制方案，高压电气系统在多模式变速器的操作中使用，多模式变速器采用扭矩机器，扭矩机器将电功率转换成扭矩；以及
图3图示根据本发明的电池功率和电池组电压之间的关系，包括欠电压限制和过电压限制。
【具体实施方式】
[0028]现在将参照附图，其中所示附图仅是为了图示特定的示例性实施例，而不是为了限制本发明，图1描绘了非限制性的动力系统100，其包括内燃发动机(发动机)12、多模式变速器(变速器)10、高压电气系统80、传动系统90和控制器5。变速器10机械地联接到发动机12以及分别的第一扭矩机器60和第二扭矩机器62，并且构造成在发动机12、扭矩机器60,62和传动系统90之间传递扭矩。如所不的，第一扭矩机器60和第二扭矩机器62是电动机/发电机。
[0029]高压电气系统80包括电能存储装置(ESD) 85，其通过高压电气总线84电联接到变速器功率逆变器控制模块(TPM) 82，并且配置有用于监控电功率流的合适装置，包括用于监控电流和电压的装置和系统。ESD 85可以是任何合适的高压电能存储装置，例如高压电池，并且优选地包括监控系统，其提供供给到高压电总线84的电功率的测量，包括电压和电流。
[0030]发动机12可以是任意适合的燃烧装置，并且包括在若干状态选择性地操作以经由输入构件14将扭矩传递到变速器10的多缸内燃发动机，并且可以是火花点火或压缩点火发动机。发动机12包括联接到变速器10的输入构件14的曲轴。转速传感器11监控曲轴角和输入构件14的转速。由于在发动机12和变速器10之间的输入构件14上扭矩消耗部件(例如扭矩管理装置)的布置，从发动机12输出的动力(即转速乘以发动机扭矩)可以不同于输入到变速器10的输入速度和输入扭矩。发动机12构造成响应于操作条件在进行的动力系操作期间执行自动停止和自动起动操作。在如此装配的发动机上，控制器5配置成控制发动机12的致动器以控制燃烧参数，包括控制进气质量流量、火花点火正时、喷射的燃料质量、燃料喷射正时、EGR阀位置，从而控制再循环排气的流动、进气和/或排气阀正时和的相位。因此，发动机速度可以通过控制燃烧参数控制，包括气流扭矩和火花引起的扭矩。发动机速度也可通过分别控制第一扭矩机器60和第二扭矩机器62的马达扭矩而在输入构件14处控制反应扭矩而控制。
[0031]所示的变速器10是四模式复合分流机电变速器10，其包括三个行星齿轮组20、30和40，以及五个可接合扭矩传递装置，即离合器Cl 52、C2 54、C3 56、C4 58和C5 50。构思了变速器的其他实施例。变速器10分别联接到第一扭矩机器60和第二扭矩机器62。变速器10构造成响应于输出扭矩请求在发动机12，扭矩机器60、62和输出构件92之间传递扭矩。在一个实施例中，第一扭矩机器60和第二扭矩机器62是电动机/发动机,其米用电能产生和反应扭矩。行星齿轮组20包括太阳齿轮构件22，齿圈构件26，联接到齿轮架构件25的行星齿轮24。齿轮架构件25可旋转地支撑行星齿轮24，行星齿轮24设置成与太阳齿轮构件22和齿圈构件26成啮合关系，并且联接到可旋转轴构件16。行星齿轮组30包括太阳齿轮构件32，齿圈构件36和联接到齿轮架构件35的行星齿轮34。行星齿轮34设置成与太阳齿轮构件32和齿圈构件36成啮合关系。齿轮架构件35联接到可旋转轴构件16。行星齿轮组40包括太阳齿轮构件42，齿圈构件46和联接到齿轮架构件45的行星齿轮44。如所示的，第一和第二组行星齿轮44联接到齿轮架构件45。因此，行星齿轮组40为复合的太阳齿轮构件-小齿轮-小齿轮-齿圈构件齿轮组。齿轮架构件45可旋转地联接在离合器Cl 52和C2 54之间。太阳齿轮构件42可旋转地联接到可旋转轴构件16。齿圈构件46可旋转地联接到输出构件92。
[0032]如在本文中使用的，离合器指的是可以响应于控制信号有选择地被应用的扭矩传递装置，并且可以是任意合适的装置，包括例如单片或复合片离合器或组、单向离合器、带式离合器。液压回路72被配置为利用电动液压泵70供应的加压液压流体来控制每个离合器的离合器状态，控制器5操作地控制电动液压泵70。离合器C2 54和C4 58是液压地应用的旋转摩擦离合器。离合器Cl 52、C3 56和C5 50是可液压地控制的制动器装置，其可以接地到变速箱55。在此实施例中，利用液压控制回路72供应的加压液压流体液压地应用离合器Cl 52、C2 54、C3 56和C4 58中的每个。液压回路72被控制器5操作地控制来启动或停用前述离合器，提供用于冷却和润滑变速器的元件的液压流体，并且提供用于冷却第一扭矩机器60和第二扭矩机器62的液压流体。通过利用压力传感器进行测量、通过利用车载例程或利用其它合适的方法进行估计可确定液压回路72中的液体压力。
[0033]第一扭矩机器60和第二扭矩机器62是三相交流电动机/发电机，它们每个都包括定子，转子以解析器。每个扭矩机器60，62的马达定子被接地到变速器55的外部，并且包括定子芯，该定子芯具有从其延伸的卷绕电线圈。用于第一扭矩机器60的转子被支撑在毂板齿轮(hub plate gear)上,其机械附接到联接到第一行星齿轮组20的套筒轴18。用于第二扭矩机器62的转子固定地附接到套筒轴毂19，其机械附接到第二行星齿轮30。解析器中的每个信号地且操作地连接到变速器功率逆变器控制模块(ΤΡΠ082，并且每个解析器都感测和监控解析器转子相对于解析器定子的旋转位置，由此监控第一扭矩机器60和第二扭矩机器62中相应的一个的旋转位置。此外，从解析器输出的信号可以用于确定第一扭矩机器60和第二扭矩机器62的转速。
[0034]变速器10的输出构件92可旋转地连接到传动系统90，以向传动系统90提供输出动力，该输出动力通过差速器传动装置或变速驱动桥或其他合适的装置传递到多个车轮之一。由输出转速和输出扭矩限定输出构件92处的输出动力。变速器输出速度传感器93监控输出构件92的转速和旋转方向。每个车轮优选装配有构造用于监控车轮速度以确定车辆速度以及用于制动控制、牵弓I力控制和车轮加速度管理的绝对和相对车轮速度的传感器。
[0035]来自发动机12的输入扭矩以及来自第一扭矩机器60和第二扭矩机器62的马达扭矩由于燃料或存储在电能存储装置(ESD) 85中的电势的能量转化而产生。ESD 85经由高压电气总线84高压直流联接到TPIM 82，高压电气总线优选地包括触头开关，其允许或阻止ESD 85和TPM 82之间的电流流动。TPM 82优选包括一对功率逆变器和相应的电动机控制模块，电动机控制模块被配置为接收扭矩命令并根据其控制逆变器状态，以便提供电动机驱动或再生功能以满足电动机扭矩命令。功率逆变器包括补充的三相功率电子器件，并且每个包括多个绝缘栅双极晶体管，所述绝缘栅双极晶体管用于将来自ESD 85的直流功率变换为交流功率以便通过高频切换为第一扭矩机器60和第二扭矩机器62中相应的一个提供动力。绝缘栅双极晶体管形成被配置为接收控制命令的开关模式电源。每个三相电机的每个相具有一对绝缘栅双极晶体管。控制绝缘栅双极晶体管的状态，以提供电动机驱动机械功率产生或电功率再生功能。三相逆变器经由直流传输导体27接收或供应直流电功率并且将其转化为三相交流功率或从三相交流功率转化为直流电功率，该三相交流功率分别经由传输导体传导到第一扭矩机器60和第二扭矩机器62或从第一扭矩机器60和第二扭矩机器62传导出以便作为电动机或发电机操作。TPIM 82响应于电动机扭矩命令通过功率逆变器和相应的电动机控制模块将电功率传输到第一扭矩机器60和第二扭矩机器62或从第一扭矩机器60和第二扭矩机器62传输电功率。电流在高压电气总线84上被传送到ESD 84或从ESD 84传送电流以充电和放电ESD 85。
[0036]控制器5经由通信链路15信号地且操作地链接到动力系统中的各个致动器和传感器，以监控和控制动力系统的操作，包括合成信息和输入以及执行例程从而控制致动器以满足与燃料经济性、排放物、性能、驾驶性能和硬件(包括ESD 85的电池以及第一扭矩机器60和第二扭矩机器62)保护相关的控制目标。控制器5是整体车辆控制架构的子集，并且提供对动力系统的协调的系统控制。控制器5可以包括分布式控制模块系统，该系统包括单独的控制模块，包括监督控制模块、发动机控制模块、变速器控制模块、电池组控制模块和TPIM 82。用户界面13优选地信号地连接到多个装置，车辆操作者通过所述装置指挥和命令动力系统进行操作。所述装置优选包括加速器踏板112、操作者制动器踏板113、变速器换档杆114 (PRNDL)和车辆速度巡航控制系统116。变速器换档杆114可以具有离散数量的操作者可选择位置，包括指示车辆的操作者意图动作的方向，并且因此指示前进或倒档方向的输出构件92的优选旋转方向。应认识到车辆可以仍在除了操作者意图动作的指示方向以外的方向上运动，因为车辆位置导致的回退，例如在山上。用户界面13可以包括如图所示的单个装置，或者替代地可以包括与各个控制模块直接连接的多个用户接口装置。
[0037]前述控制模块经由通信链路15与其它控制模块、传感器和致动器通信，从而实现不同控制模块之间的结构通信。具体的通信协议是专用的。通信链路15和合适的协议提供前述控制模块和其它控制模块之间的可靠的信息发送和多控制模块交互，从而提供包括例如防抱死制动、牵引力控制和车辆稳定等功能。可以使用多种通信总线，以提高通信速度和提供一定程度的信号冗余和完整性，包括直接链路和串行外围接口(SPI)总线。还可以利用无线链路，例如短程无线电通信总线，来实现各个控制模块之间的通信。也可以直接连接各个装置。
[0038]控制模块、模块、控制系统、控制器、控制单元、处理器和类似术语意指下列各项中的一种或多种中的任一个或它们的组合:专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的中央处理单元(优选是微处理器)以及相关存储器和存储设备(只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、合适的信号调节和缓冲电路和提供所述功能的其它组件。软件、固件、程序、指令、例程、编码、算法和类似用语意指包括校准值和查询表的任意控制器可执行指令组。控制模块具有被执行以提供所描述的功能的一组控制例程。例程被执行(诸如被中央处理单元执行)并且能够监控来自感测装置和其它联网控制模块的输入，并且执行控制和诊断例程以控制致动器的操作。可以在发动机和车辆正在操作期间按固定间隔执行例程，例如每3.125,6.25、12.5、25和100毫秒。或者，可以响应于事件的发生来执行例程。
[0039]动力系100配置成多个动力系状态之一操作，包括变速器10的多个范围和打开和关闭的发动机状态。当发动机处于关闭状态时，其不被供给燃料，不点火并且不旋转。当发动机处于打开状态时，其被供给燃料，点火并且旋转。发动机还可以在燃料切断模式操作，其中，其旋转但不被供给燃料，不点火。通过有选择地激活离合器Cl 150, C2 152, C3 154，C4 156和C5 158，变速器10被配置成工作在多个空档(空档)，固定档位(档位#)、可变模式(EVT模式#)、电动车辆(EV#)和过渡(EV过渡状态#和伪档位#)状态。伪档位状态是可变模式状态，其中，从变速器输出的扭矩与来自发动机的输入扭矩成正比，并且主要在EVT模式之间在换档期间被采用。表I描述了多个动力系状态，其包括变速器状态和动力系100的实施例的发动机状态。
[0040]表I
【权利要求】
1.一种用于控制多模式变速器的扭矩机器的方法，包括: 监控高压电气总线上的电压和电流，高压电气总线电联接到功率逆变器，功率逆变器配置用于将电功率转换到扭矩机器； 基于扭矩机器的总马达扭矩电功率估计高压电气总线的电功率限制，其包括约束的电池功率命令； 确定用于扭矩机器的扭矩命令，其响应于高压电气总线的估计的电功率限制被约束；和 响应于扭矩命令控制多模式变速器的扭矩机器的操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，估计高压电气总线的电功率限制包括使用电功率模型执行关于高压电气总线上的电压和电流之一的局部展开以确定约束的电池功率命令。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使用电功率模型执行关于高压电气总线上的电压和电流之一的局部展开以确定约束的电池功率命令包括采用关于高压电气总线上的电压和电流之一的电功率模型的泰勒级数展开以确定约束的电池功率命令。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其包括使用电功率模型执行关于高压电气总线上的电压和电流之一的局部展开以确定约束的电池功率命令，其避免电连接到高压电气总线的高压电池的电池组电压的过量。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，采用关于高压电气总线上的电压的电功率模型的泰勒级数展开以确定约束的电池功率命令包括: 确定电池功率相对于电压和电流的关系；和 执行电池功率相对于电压的关系的偏导数以确定约束的电池功率命令。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，约束的电池功率命令包括在放电事件期间在操作时的电压限制的最大命令的电池功率。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，约束的电池功率命令包括在充电事件期间在操作时的电压限制的最小命令的电池功率。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，采用关于高压电气总线上的电流的电功率模型的泰勒级数展开以确定约束的电池功率命令包括: 确定电池功率相对于电压和电流的关系；和 执行电池功率相对于电流的关系的偏导数以确定约束的电池功率命令。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，约束的电池功率命令包括在放电事件期间在操作时的电流限制的最大命令的电池功率。
10.一种用于控制多模式变速器的扭矩机器的方法，所述扭矩机器通过功率逆变器电联接到高压电气总线，所述方法包括: 基于扭矩机器的总马达扭矩电功率估计高压电气总线的电功率限制，其包括约束的电池功率命令； 确定用于扭矩机器的扭矩命令，其响应于高压电气总线的估计的电功率限制被约束； 基于约束的扭矩要求确定电联接到高压电气总线的高压电池的电池功率要求； 确定高压电池的电池组电压，所述电池组电压对应于高压电池的电池功率要求；和 响应于扭矩机器的扭矩命令控制多模式变速器的扭矩机器的操作。
【文档编号】B60W10/115GK103507811SQ201310235206
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年6月14日 优先权日:2012年6月14日
【发明者】S.W.麦克格罗根, A.H.希普 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司