用于有效管理和控制混合动力推进系统的方法与流程

本发明涉及用于控制适于车辆的混合动力推进系统的方法和电子系统的技术领域。

具体地，本发明涉及一种用于有效地管理和控制混合动力推进系统的方法，该混合动力推进系统包括至少一个设置有电动马达的电动动力系和设置有内燃发动机的热力动力系。

背景技术：

在混合动力推进车辆的控制和管理领域中，已知旨在优化电气单元和热单元的组合和/或交替操作的若干方法。

具体地，已知一些解决方案，这些解决方案基于最大化电动马达或热力发动机的效率，或者优选地，基于计算混合动力系统的总效率并最大化这种总效率。

然而，鉴于混合动力系系统的复杂性以及电动马达和热力发动机的相互非常不同的操作特性，感觉需要认识到用于优化效率的甚至更好的方法。

此外，排他性地或主要地基于最大化总运行效率的混合动力推进系统管理具有若干缺点。

在上述缺点中，存在下述事实，即电动马达倾向于以比热机更高的效率运行。因此，基于推进系统的总效率的管理本身倾向于鼓励使用电动马达而有损于热力发动机，在电池消耗方面具有负面影响并且降低电池本身的平均充电状态。

另一方面，如果在存在电池的低充电状态(soc)的情况下利用热力发动机，则存在使整个系统、以及特别是热力发动机在效率非常低的条件下工作的风险，特别是在燃料消耗方面带来负面影响。

因此，感觉特别需要一种用于管理和控制混合动力推进系统的操作的方法，该方法旨在使系统在效率良好的条件下运行，而且还考虑到对混合动力推进系统的性能的更全面的考虑因素。

换言之，感觉需要找到一种管理方法，该方法在最大化效率、保持和延长电池的持续时间以及优化燃料消耗的目标之间实现更好的总体平衡。

在该方面，已知的解决方案不能完全满足上述要求。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种用于有效管理和控制混合动力推进系统的方法，该方法至少部分地解决了上面参考现有技术所述的缺点，并且响应于在所考虑的技术领域中特别感觉到的上述需求。

具体地，本发明旨在提供一种用于管理和控制混合动力推进系统的操作的方法，该方法能够确保效率最大化、保持和延长电池的持续时间以及优化燃料消耗的目标之间实现更好的总体平衡。

通过根据权利要求1所述的用于管理和控制混合动力推进系统的操作的方法来实现这样的目的。

该方法的其他实施例在权利要求2-15中限定。

附图说明

用于管理和控制混合动力推进系统的操作的方法的其他特征和优点将从以下描述中变得显而易见，该描述说明通过参考附图的指示性非限制性示例的方式给出了优选实施例，其中：

-图1通过简化图示出应用本发明的管理和控制方法的混合动力推进系统和相应控制的示例；

-图2通过框图示出本发明的用于管理和控制混合动力推进系统的操作的方法的实施例的一些方面；

-图3是表示在该方法的一个实施例中使用的给定参数之间的关系的示例的图表；

-图4示出根据本发明方法的一个实施例的用于计算电动动力系的效率的过程的图示。

具体实施方式

现在将参考图1-4描述用于管理和控制混合动力推进系统1的操作的方法。

在此考虑的适于车辆的混合动力推进系统可以是最多种类型的，只要它包括至少一个电动动力系2和热力动力系3即可，它们被配置成直接或间接地在共同参考点4上在推进系统中操作。所述的方法还适用于包括两个以上单元的混合动力系，例如具有多个电动动力系。

该方法首先包括将在第一表(trq_sysh_map)中组织的数字数据存储在推进系统1的控制单元5中的步骤，该第一表被配置为作为推进系统操作参数的函数提供适于最大化推进系统的总效率(effsysh)的电动动力系最佳扭矩值(em-trq-opt)，以及此外包括将在第二表(eff_syst_map)中组织的另外的数字数据存储在推进系统的控制单元5中的步骤，该第二表被配置为作为推进系统的上述操作参数的函数提供热力动力系效率值(effsyst)。

推进系统的上述操作参数包括参考上述共同参考点4的扭矩td和转数rpmd，和档位(gear)。扭矩td是参考共同参考点(或在其处计算或可在其处检测)的总所需扭矩。转数rpmd是参考共同参考点的每个时间单位的转数(例如，每分钟的转数)。

在混合动力推进系统1的操作期间，在通过推进系统的上述操作参数表示的每个所需操作条件下，该方法包括由推进系统的控制单元5执行的以下进一步的步骤：作为所需操作条件的函数基于上述第二表(eff_syst_map)来确定热力动力系(effsyst)的效率；此外，检测或接收关于包括在混合动力推进系统中的电池21的当前充电状态(soc)值的信息；然后作为检测到的充电状态(soc)的函数基于预先限定的关系(f)确定操作控制阈值，该阈值由热推进阈值效率值(eff_t_thr)表示，在预先限定的关系(f)中操作控制阈值(eff_t_thr)随着充电状态(soc)的增加而增加。

该方法然后提供热力动力系的效率(effsyst)与操作控制阈值(eff_t_thr)的比较。

如果确定的热力动力系的效率(effsyst)高于操作控制阈值(eff_t_thr)，则该方法包括关闭电动动力系2并命令启动热力动力系3。

如果所确定的热力动力系的效率(effsyst)低于所述操作控制阈值(eff_t_thr)，则该方法包括命令启动电动动力系2，使得电动动力系2以对应于所需操作条件的电动动力系的最佳扭矩(em-trq-opt)的存储值工作。

可以注意到，上述方法提供鉴于对混合动力推进系统性能的更全面考虑通过使用最大化混合系统的整体效率的标准来优化电动动力系的操作的过程以及用于“开启”或“关闭”上述过程的策略两者。

图2中示出用于“开启”或“关闭”用于优化电动动力系的方法的上述策略的进一步示意图。与由参数td，rpmd，gear限定的给定操作条件相关联的热力动力系效率值(effsyst)从第二表(eff_syst_map)获得。另一方面，名为“f”的框处理充电状态soc的输入值(表示电池的检测或估算的当前充电状态)，以获得作为输出的操作控制阈值(eff_t_thr)的值。操作框comp比较上述两个值并根据热力动力系的效率(effsyst)是低于还是高于操作控制阈值(eff_t_thr)来相应地打开或关闭策略。通过右侧的选择器框在图中以图形方式示出选择。只有当策略“有效”，即“开启”时，电动动力系统才会被启动并设置为以在第一表(trq_sysh_map)的输出处获得的电动动力系统最佳扭矩值(em-trq-opt)工作。

在图2的示例中，值得注意的是，在混合动力推进系统运行期间该方法基于其“在线”操作的输入参数是下述参数，即“差动时所需的总扭矩(td)”、“差动时所需的每分钟转数(rpmd)”和“档位(gear)”，这最终取决于车辆驾驶员的要求。这三个参数限定组，每个组与推进系统的操作点相关联(为简洁起见，下文中将其称为“发动机点”或“马达操作点”)。上述参数还由控制单元使用来查阅第一和第二表并获得相应的输出。

图3示出预先限定的关系“f”的示例，其描述对于热力发动机的效率值的典型范围(在0.2和0.4之间)以及充电状态值的范围(45％至55％之间)而言操作控制阈值对充电状态的依赖性。图3中所示的示例趋势以线性方式增加。

根据其他可能的实施选项，这种趋势由对应于不同类型的非线性函数的曲线表示，其中无论如何操作控制阈值随着充电状态的增加而增加。

对于低充电状态值，阈值降低，并且因此具有低于阈值(为此策略将被启动)的热力发动机效率的(热力发动机的)发动机点也减小；因此，策略“关闭”的可能性增加。

相反，对于高充电状态值，阈值增加，并且因此具有低于阈值的热力发动机效率的(热力发动机的)发动机点也增加；因此，策略“开启”的可能性增加。

从另一个角度来看，电动动力系开启的可能性随着充电状态的增加而增加。

值得注意的是，当策略启用时，系统始终以遵循最佳操作点的方式运行。

实际上，根据该方法的实施示例，混合动力推进系统1通过工作循环操作，该工作循环可以由曲线表示，在曲线中每个点与相应的充电状态值和相应的热力动力系效率点相关联。

由本方法提供的优化策略在被启动时实时确定牵引力必须是仅电动的，仅热力的，或者还是混合的。

实际上，根据该方法的可能的实施选项，当电动动力系2被启动时，热力动力系3被关闭，并且所供应的总扭矩与由电动动力系提供的最佳扭矩(em-trq-opt)一致。

根据该方法的另一可能实施选项，当电动动力系2被启动时，热力动力系3也保持被启动，并且所供应的总扭矩与由电动动力系提供的最佳扭矩(em-trq-opt)和由热动力动力系提供的扭矩的总和一致。

现在考虑电动动力系2和热力动力系3的上述共同参考点4，值得注意的是，根据该方法的一个实施例，该共同参考点4是车辆的差动4，并且推进系统的操作参数包括差动时的扭矩td(差动时的总要求扭矩)，差动时的每分钟转数rpmd和档位(gear)。

在这种情况下，共同参考点4是两个动力系在其上机械地起作用的点，因此也是共同的作用点。

根据该领域中通常已知的术语，上述情况例如是指“p3配置”，其中存在连接到差速器的单个电动马达，并且其中推进系统仅由两个动力系即热力动力系和电动动力系组成。

根据该方法的其他实施例，共同参考点4可以是推进系统的不同点，并且不一定是所有发动机和变速器组合件以机械方式直接作用的点。

实际上，共同参考点是计算游隙中的量的一个方便的共同点；因此，它也可以是不同动力系不以直接机械方式起作用的点，但是其允许以一致的方式表示游隙中的所有参数，并计算实施该方法所需的量和参数。

显然，同样在这种情况下，不同的动力系统影响共同参考点中的参数，但是以间接方式。然后，可以通过相关技术领域中本身已知的计算，在共同参考点处表示与每个动力系的动作相关联的所有量和参数。

因此，在这种情况下，推进系统的操作参数包括在共同参考点处计算的扭矩(总要求扭矩，根据已知机械比率缩放以便表示为在共同参考点处的扭矩)，在共同参考点处计算的每时间单位的转数(根据已知的机械比率缩放，以便表示为在共同参考点处的每时间单位的转数)，和档位。

其他可能配置的示例(除了上述“p3配置”之外)可以是“混合p2配置”(紧接在离合器之后电机连接到变速箱的主轴)，其中更有利的共同参考点可以只是变速器的主轴。备选地，也可以考虑“p1-p3配置”(电机连接到变速箱的驱动轴和副轴)，其中可以在驱动轴、差速器或甚至车轮中选择共同参考点。

现在将描述与上面已经提到的存储表有关的一些细节。

根据该方法的实施选项，第一存储表是对应于三维矩阵的“查找”表，其中每个单元由一组三个参数限定，包括参考共同参考点的扭矩td和转数rpmd、和档位(gear)，这三个参数由控制单元5用作表的查阅输入，并且单元包含对应于相应组的三个参数的最佳电动动力系扭矩值(em-trq-opt)，其根据表的查阅来提供。

根据该方法的实施选项，第二存储表是对应于三维矩阵的“查找”表，其中每个单元由一组三个参数限定，包括参考共同参考点的扭矩td和转数rpmd、和档位(gear)，这三个参数由控制单元5用作表的查阅输入，并且单元包含对应于相应组的三个参数的热力动力系效率值(effsyst)，其根据表的查阅来提供。

这些表以本身已知的方式以数字数据结构的形式存储在控制单元中。

值得注意的是，热力动力系的效率表通过参数来查询，所述参数指的是所需的总扭矩和每时间单位所需的总转数，以及与单独的热力发动机的工作情况有关的数据。这与以下事实一致，即关于热力动力系效率的信息主要用于限定操作阈值，该操作阈值用于决定是否启动电动动力系操作的优化策略。

如果策略被禁用，则关闭电动动力系，然后仅热力动力系工作，其必须提供所有所需的扭矩td。因此，在这种情况下，由表提供的热力动力系统效率也是系统的实际总效率。

如果策略被启动，则打开电动动力系，并且引导推进系统操作的变量是电动动力系最佳扭矩(em-trq-opt)。如果这样的最佳扭矩满足总扭矩要求，则热力发动机保持关闭并且仅使用电动马达。否则，如上所述，两个动力系同时操作，并且热力动力系操作以便提供扭矩，该扭矩是所需的总扭矩和电动动力系最佳扭矩em-trq-opt之间的差值，其由策略确定。

实际上，如果参考点是差动，则以下关系适用于差动：

总扭矩td＝由热力发动机提供的扭矩(t_iced)+由电动马达提供的扭矩(t_emgd)；

每分钟转数rpmd＝热力发动机的每分钟转数(rpm_iced)＝电动马达的每分钟转数(rpm_emgd)。

如果参考点是推进系统的另一个点，则应用类似的关系，并使用适当的缩放比例因子。

显然，该方法的实现选项提供了描述上述参数之间的每个关系的公式被存储并用在控制单元5中。

在此描述的方法的实施例涉及在推进系统的操作期间执行的过程(并且由于该原因在本说明书中简要地定义为“在线程序”)。这些实施例完全独立于计算存储在控制单元中的上述数据的方法，并且因此可以与用于计算表数据的任何方法相关联地实施。

在下文中，将描述一些可能的表计算方法，该程序在存储之前执行，因此不在推进系统的操作期间执行(并且由于该原因在本说明书中简要地定义为“离线程序”)。

值得注意的是，这些离线程序虽然在本文中被描述为该方法的进一步实施例，但也可以理解为它们本身也包括在本发明中的方法。

根据一个实施例，该方法在存储步骤之前包括进一步的步骤，即基于特征数据或在热力动力系的仿真模型上作为档位(gear)和参考共同参考点的扭矩(t_iced)以及热力动力系的转数(rpm_iced)的函数来计算热力动力系效率值(effsyst)；然后基于计算出的热力动力系效率值(effsyst)获得第二表(eff_syst_map)。

该方法然后包括基于特征数据或在电动动力系的仿真模型上基于包括档位(gear)和参考共同参考点的扭矩(t_emgd)以及电动动力系的每分钟转数(rpm_emgd)的每组三个参数计算电动动力系效率值(effsyse)的步骤。

该方法然后提供作为档位(gear)、共同参考点处的扭矩(td)、共同参考点处的转数(rpmd)以及共同参考点处的电动动力系扭矩(t_emgd)的函数、基于热力动力系效率值(effsyst)和计算出的电动动力系效率值(effsyse)计算混合动力推进系统的总效率(effsysh)的步骤。

因此，对于由通过档位(gear)、共同参考点处的所需扭矩(td)、共同参考点处的所需转数(rpmd)组成的一组三个参数表示每个可能的操作条件，该方法包括确定混合动力推进系统的最大总效率值(effsysh_max)并将差动时的相应电动动力系扭矩值(t_emgd)识别为适于相应组的三个参数的电动动力系最佳扭矩(em-trq-opt)。

最后，该方法包括组织与适于由档位(gear)、共同参考点处的总扭矩(td)、共同参考点处的转数(rpmd)组成的所有组的三个参数的电动动力系最佳扭矩(em-trq-opt)相关的数字数据，以便获得上述第一表(trq_sysh_map)。

根据该方法的实施选项，其中电动动力系2包括电池21，逆变器23和电动马达25，计算电动动力系效率值(effsyse)的步骤包括：估算电池效率(eff_bat)、逆变器效率(eff_inv)和电动马达效率(eff_emg)；并且将电池效率(eff_bat)、逆变器效率(eff_inv)和电动马达效率(eff_emg)相乘，以便获得电动动力系效率(effsyse)。

总之，在这种情况下应用以下公式：

effsyse＝eff_emg*eff_inv*eff_bat

在图4中所示的具体实施示例中，基于电动马达效率的特征图，针对每个电动马达操作点、针对能够在每时间单位的所有可能的转数下提供的每一扭矩估算电动马达效率(eff_emg)。

基于逆变器处所需的连续功率(p_inv)估算针对每个电动马达操作点的逆变器效率(eff_inv)，逆变器处所需的连续功率(p_inv)又基于每个马达操作点处要求的电动马达的三相功率(p_emg)进行估算，考虑到逆变器和电动马达之间的连接电缆24上的损耗。在每个马达操作点中要求的三相功率(p_emg)又基于上述电动马达效率的特征图进行估算。

基于电池所需的电功率(p_bat)作为电池的充电状态(soc)的每个值的函数估算电池效率(eff_bat)。考虑到逆变器处所需的连续功率(p_inv)以及电池与逆变器之间的连接电缆22上的损耗，进而估算电池所需的电功率(p_bat)。

更详细地，已知电动马达的特性以及因此其效率，可以获得针对每个单独发动机点、即针对可以以每时间单位的所有可能的转数传递的每个扭矩所需的三相功率。

现在已知每个发动机点所需的三相功率，可以获得逆变器所需的连续功率(dc)，同时还考虑到电缆中发生的能量耗散(取决于布线的长度，截面面积和材料类型)。根据该信息，最终可以获得逆变器效率，该效率是所传递的扭矩和系统参考点处的每时间单位的转数的函数。

现在已知逆变器针对每个发动机点所需的连续功率，可以作为所有可能的充电状态的函数来计算电池必须产生的电功率。同样在这种情况下，考虑布线上的耗散。以这种方式，可以作为系统参考点处的充电状态、所传递的扭矩和每时间单位的发动机转数的函数获得电池效率。

根据另一实施示例，还考虑代表对温度依赖性的第一校正因子和代表老化现象的第二校正因子来估算电池效率(eff_bat)、逆变器效率(eff_inv)和电动马达效率(eff_emg)。

实际上，在评估所有效率(包括电缆的效率)时，引入代表温度依赖性和部件老化的校正因子可能是适当的。

通常情况下，温度依赖性可以通过各个部件的热模型或以近似的方式通过建立平均操作温度来并入。通过进行特定的试验性实验室测试可以获得由于老化引起的校正因子。

通常情况下，热子系统由内燃发动机机和具有电气部件的共同工作点之间存在的所有部件组成。

根据该方法的实施选项，在“p3配置”的情况下，热力动力系3包括热力马达31(即，热力发动机31)、离合器32和变速箱33。

在这种情况下，计算热力动力系效率值(effsyst)的步骤包括：估算热力马达效率(eff_ice)、离合器效率(eff_clt)和变速箱效率(eff_gbx)；将热力马达效率(eff_ice)、离合器效率(eff_clt)和变速箱效率(eff_gbx)相乘，以获得热力动力系效率(effsyst)。

总之，在这种情况下应用以下公式：

effsyst＝eff_ice*eff_gbx*eff_clt

实际上，同样在这种情况下，单个部件的基本特征是固定的和已知的，可以作为其发动机点(传递的扭矩和每时间单位的发动机转数)的函数来确定总效率。这是可能的，因为在固定工作点并固定变速箱速度后，所有涉及的功率值都是固定的，因此沿着系的损耗也是固定的。

在具体实施示例中，基于热力马达的特征数据或仿真模型，将热力马达效率(eff_ice)估算为产生的机械能与从投入的燃料的燃烧产生的能量之间的比率。

例如，热力马达效率(eff_ice)基于特定燃料消耗、即参数bsfc，以及基于所用燃料的能量密度，即参数k_e，根据下式计算：

eff_ice＝(bsfc·k_e)^-1。

根据不同的可能实施选项，离合器效率(eff_clt)基于离合器的仿真模型来计算，或者基于作为温度和马达操作点的函数的矩阵来计算，或者其固定在预定的恒定值。

根据不同的实施方案，变速箱效率(eff_gbx)基于变速箱的仿真模型来计算，或者基于温度和马达操作点的函数的矩阵来计算，或者固定在预定的恒定值。

根据一个实施例，考虑到如上所述，共同参考点处的总扭矩td由共同参考点处的电动动力系扭矩t_emgd和共同参考点处的热力动力系扭矩t_iced之和给出，计算混合动力推进系统(effsysh)的总效率的步骤按照以下公式进行：

因此，一旦已知电气系统和热力系统的效率，就可以作为差动时所需扭矩td、差动时的电动马达的扭矩t_emgd、差动时每单位时间的转数rpmd和档位(gear)的函数来确定混合动力系统的总效率。根据该信息，给定通用发动机点并且固定最佳档位，可以推断要供给给电动动力系2的目标扭矩值，以便最大化整个混合动力系统的效率。

根据进一步的实施例，该方法可以包括其他优化程序。例如，从上述第二表(eff_syst_map)开始，在固定发动机点的情况下，可以推断热力系统和允许获得它的相应档位的最大效率。

这些进一步的优化程序可以独立于上述程序使用或与上述程序一起使用。

如可以看出的那样，借助于上述功能特征，通过用于管理和控制混合动力推进系统的操作的方法完全实现了本发明的目的。

实际上，上述方法通过使用最大化混合动力系统的整体效率的标准以及用于“开启”或“关闭”上述方法的策略，提供了用于优化电动动力系的操作的方法，上述考虑到对混合动力推进系统的性能的更全面的考虑，其考虑了不过度消耗电池并且同时避免过度消耗燃料的需要。

具体地，当充电状态相对较高时，区分了效率最大化策略的启动和禁用的阈值的灵活设置允许以更高的可能性启动策略(并且因此在最佳效率条件下开启电动马达并获得系统的最大效率)。

反之亦然，当充电状态相对较低时，策略以较低的可能性被启动，从而保持在任何情况下电动马达在其下被启动的热力发动机的最小效率阈值，以避免热力系统的效率特别低的工作条件，并且不过度劣化燃油消耗方面的表现。

另外，上述方法的“离线”步骤提供了用于计算混合动力推进系统的总效率和要求电动马达的最佳扭矩的替代解决方案。

本领域技术人员可以对用于管理和控制上述混合动力推进系统的操作的方法的实施例进行改变和适应性调整，或者可以用在功能上等同的其他元件替换元件以便满足暂时的需要而不脱离所附权利要求书的保护范围。

以上描述为属于一个可能实施例的所有特征可以独立于其他描述的实施例来实施。还值得注意的是，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且冠词“一”不排除多个。