用于優(yōu)化混合動(dòng)力電動(dòng)車中功率消耗的系統(tǒng)和方法
【專利說(shuō)明】用于優(yōu)化混合動(dòng)力電動(dòng)車中功率消耗的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)串請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求享有2013年3月14日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/782，476的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入到本文中。
【背景技術(shù)】
[0003]混合功力電動(dòng)車通常使用電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和礦物燃料驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)二者來(lái)使燃料消耗最小化。結(jié)果，對(duì)混合動(dòng)力車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制通常包括確定在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒礦物燃料的同時(shí)如何最優(yōu)地消耗電力(或取代燃燒礦物燃料)。在一些情況下，贊成較大程度地使用電力是有利的，然而在另一些情況下，在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒較多的燃料并且在電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)中使用較少的電力可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的燃料經(jīng)濟(jì)性。決定這種平衡是困難的并且通常是違反直覺(jué)的，這是由于決定最優(yōu)的燃料經(jīng)濟(jì)性可包含多個(gè)因素，例如發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料效率、可獲得的電能的量和最大傳遞速率、在不同功率水平下的電能傳遞中遭受的損耗，還有車輛的速率、其重量，以及多個(gè)其他相關(guān)的因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]公開(kāi)了用于優(yōu)化混合動(dòng)力電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的功率消耗的系統(tǒng)和方法。包括用于優(yōu)化在從接通到斷開(kāi)的整個(gè)操作循環(huán)中電能和礦物燃料消耗的技術(shù)，而不是優(yōu)化在僅各個(gè)瞬間時(shí)間點(diǎn)處的消耗。例如，在長(zhǎng)期的最優(yōu)功率水平下消耗電能而不是在任何時(shí)間點(diǎn)處的最優(yōu)功率水平下消耗電能是最有益的。在一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)計(jì)算混合動(dòng)力效率指數(shù)(HEI)來(lái)運(yùn)行系統(tǒng)，該混合動(dòng)力效率指數(shù)定義為燃料消耗速率的變化除以所存儲(chǔ)的電能的變化速率。在混合動(dòng)力車輛的推進(jìn)階段中的任何瞬間，對(duì)于混合動(dòng)力系統(tǒng)控制邏輯而言，所期望的動(dòng)力總成輸出、部件的效率以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃料效率是很好地表征出來(lái)且為已知的。因此，在任何給定的時(shí)間點(diǎn)，可針對(duì)一系列的電能水平計(jì)算HEI，或在車輛的整個(gè)操作期間重復(fù)地計(jì)算，因此如果使用電能替代燃料能來(lái)用于相應(yīng)于當(dāng)前使用者扭矩要求的一部分或全部的有效電能輸出，則可連續(xù)地量化有效效率增加的比值。
[0005]在另一個(gè)方面，系統(tǒng)包括用于確定什么時(shí)候特定的效率增加(HEI值)代表電功率的最佳使用的方法。在一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施方案中，系統(tǒng)包括最小效率水平，或目標(biāo)HEI，低于所述目標(biāo)HEI的HEI被視為不足以操作電動(dòng)機(jī)。在車輛的整個(gè)操作期間均會(huì)調(diào)整目標(biāo)HEI，以優(yōu)化何時(shí)用電能替代礦物燃料是最有利的。在一個(gè)例子中，目標(biāo)HEI設(shè)置為低的足以消耗所有有效的電能，而不浪費(fèi)例如在整個(gè)再生制動(dòng)期間獲得能量的機(jī)會(huì)。類似地，在另一個(gè)例子中，最小效率閾值設(shè)為以下水平:在整個(gè)行程期間消耗的能量等于在操作循環(huán)或行程期間捕獲的再生能量。
[0006]在另一個(gè)方面，系統(tǒng)考慮了電能存儲(chǔ)系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量是否足以存儲(chǔ)在整個(gè)行程期間回收的能量并遞送到電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)。例如，系統(tǒng)可自適應(yīng)地觀察在整個(gè)行程中回收的能量，并且判斷在車輛的操作期間內(nèi)的任何給定的時(shí)間有多少車輛的動(dòng)能可回收為電能的平均期望比值。因此，該算法可判斷是否有足夠的存儲(chǔ)容量。例如，在一個(gè)例子中，不充足的存儲(chǔ)容量的判定會(huì)導(dǎo)致HEI目標(biāo)的逐漸降低，因此造成更頻繁地使用電能。
[0007]類似地，在HEI處理算法的另一個(gè)方面，當(dāng)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量受到限制而導(dǎo)致不能捕獲部分的有效再生能量時(shí)，發(fā)生再生制動(dòng)事件也將會(huì)致使HEI目標(biāo)的降低，造成更頻繁地使用電動(dòng)機(jī)以在能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中產(chǎn)生額外的容量，因此使得系統(tǒng)更能在再生制動(dòng)期間回收更多的能量。
[0008]在另一個(gè)方面中，可將最小效率閾值調(diào)高或調(diào)低以輔助能量存儲(chǔ)系統(tǒng)保持在想要的存儲(chǔ)容量附近。HEI處理的這一方面是有益的，例如，通過(guò)將能量存儲(chǔ)系統(tǒng)保持在接近一定的充電容量來(lái)延長(zhǎng)其使用壽命是有利的。
[0009]通過(guò)詳細(xì)描述和隨之提供的附圖，本發(fā)明其他的形式、目的、特征、方面、好處、優(yōu)點(diǎn)和實(shí)施方案將變清楚。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是混合動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
[0011]圖2是圖1中的混合動(dòng)力系統(tǒng)的電信系統(tǒng)的總圖。
[0012]圖3是顯示了圖1的控制系統(tǒng)的一個(gè)方面的流程圖，該流程圖包括用于計(jì)算一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)機(jī)放電功率值的HEI的步驟。
[0013]圖4是顯示了圖1的控制系統(tǒng)的另一個(gè)方面的流程圖，該流程圖包括用于在再生制動(dòng)事件后調(diào)整最小效率閾值的步驟。
[0014]圖5是顯示了圖1的控制系統(tǒng)的另一個(gè)方面的流程圖，該流程圖包括用于調(diào)整與預(yù)期的能量回收量相關(guān)的最小效率閾值的步驟。
[0015]圖6是顯示了圖1的控制系統(tǒng)的另一個(gè)方面的流程圖，該流程圖包括用于調(diào)整與估算閾值相關(guān)的最小效率閾值的步驟。
【具體實(shí)施方式】
[0016]出于更好地理解本發(fā)明原理的目的，現(xiàn)在將參照在附圖中說(shuō)明的實(shí)施方案，并且使用詳細(xì)的語(yǔ)言來(lái)對(duì)其進(jìn)行描述。然而需要理解的是，本發(fā)明的范圍并不因此而受到限制。如同與本發(fā)明相關(guān)的領(lǐng)域的技術(shù)人員所通常想到的那樣，可以構(gòu)思出對(duì)在此描述的實(shí)施方案的任何修改和進(jìn)一步的改進(jìn)，以及對(duì)此處所描述的本發(fā)明原理的進(jìn)一步應(yīng)用。這里非常詳細(xì)地顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，然而對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)很明顯，為了簡(jiǎn)要起見(jiàn)，一些與本發(fā)明無(wú)關(guān)的特征也許不會(huì)顯示出來(lái)。
[0017]在下面描述中的標(biāo)記數(shù)字用于幫助讀者快速識(shí)別出首次顯示了各種部件的附圖。特別是，首次出現(xiàn)了元件的附圖典型地由相應(yīng)的標(biāo)記數(shù)字的最左側(cè)的數(shù)字來(lái)表示。例如，由“100”系列標(biāo)記數(shù)字標(biāo)出的元件將首次出現(xiàn)在圖1中，由“200”系列標(biāo)記數(shù)字標(biāo)出的元件將首次出現(xiàn)在圖2中，以此類推。對(duì)于說(shuō)明書(shū)、摘要和權(quán)利要求書(shū)來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)注意地是，單數(shù)形式“一”、“該”等也包括復(fù)數(shù)，除非另有明確說(shuō)明。作為說(shuō)明，關(guān)于“一個(gè)裝置”或“該裝置”包括一個(gè)或多個(gè)這種裝置或其等效物。
[0018]圖1顯示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的混合動(dòng)力系統(tǒng)(hybrid system) 100的示意圖。圖1中說(shuō)明的混合系統(tǒng)100適合用于商用卡車以及其他類型的車輛或運(yùn)輸系統(tǒng)，但是可以設(shè)想混合動(dòng)力系統(tǒng)100的多個(gè)方面可結(jié)合到其他環(huán)境中。如圖所示，混合動(dòng)力系統(tǒng)100包括發(fā)動(dòng)機(jī)102、混合動(dòng)力模塊(hybrid module) 104、變速箱106和用于將功率從變速箱106傳遞到車輪110的傳動(dòng)系108。混合模塊104結(jié)合了通常稱之為電機(jī)112的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)或電機(jī)器，和使發(fā)動(dòng)機(jī)102與電機(jī)112和變速箱106操作性連接和脫開(kāi)的離合器114。
[0019]混合動(dòng)力系統(tǒng)100結(jié)合了用于控制多種部件的操作的控制系統(tǒng)。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)102具有發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊146，其可控制發(fā)動(dòng)機(jī)102的多種操作特征，例如燃料噴射等。變速箱/混合控制模塊(TCM/HCM或“控制器” )148取代了傳統(tǒng)的變速箱控制模塊，并且設(shè)計(jì)為控制變速箱106以及混合動(dòng)力模塊104的操作。變速箱/混合控制模塊148和發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊146連同逆變器132和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)134沿著如圖1中描述的通信線路通信。
[0020]就總體功能而言，變速箱/混合控制模塊148接收來(lái)自能量存儲(chǔ)系統(tǒng)134和其中的多個(gè)能量存儲(chǔ)模塊136的功率限值、電容、有效電流、電壓、溫度、充電階段、狀態(tài)和風(fēng)扇速率信息。在所說(shuō)明的實(shí)施例中，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)134包括三個(gè)連接在一起(例如并聯(lián)連接在一起)的能量存儲(chǔ)模塊136以向逆變器132提供高壓電能。
[0021]變速箱/ 混合動(dòng)力控制模塊(transmiss1n/hybrid control module) 148 又發(fā)出用于連接多個(gè)能量存儲(chǔ)模塊136的指令，以向逆變器132提供電壓或由逆變器提供電壓。變速箱/混合控制模塊148從逆變器132接收多個(gè)輸入，例如發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的有效扭矩、扭矩限值、逆變器的電壓電流和實(shí)際的扭矩速率。變速箱/混合動(dòng)力控制模塊148也會(huì)從逆變器132接收高電壓總線功率和消耗信息。變速箱/混合動(dòng)力控制模塊148也監(jiān)測(cè)輸入電壓和電流以及輸出電壓和電流。變速箱/混合動(dòng)力控制模塊148也與發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊146通信和接收來(lái)自其的信息，并且作為響應(yīng)而通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊146控制發(fā)動(dòng)機(jī)102的扭矩和速率。
[0022]在通常的實(shí)施方案中，變速箱/混合動(dòng)力控制模塊148和發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊146均包括具有處理器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出連接器的計(jì)算機(jī)。此外，逆變器132、能量存儲(chǔ)系統(tǒng)134、DC-DC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)140和車輛的其他子系統(tǒng)也可包含具有類似的處理器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出連接器的計(jì)算機(jī)。
[0023]圖2顯示了可用于混合動(dòng)力系統(tǒng)100中的通信系統(tǒng)200的一個(gè)實(shí)施例的圖。雖然顯示了一個(gè)實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解地是，在其他實(shí)施方案中通信系統(tǒng)200可構(gòu)造為與所顯示的不同。通信系統(tǒng)200構(gòu)造為最小地影響車輛的控制系統(tǒng)和電系統(tǒng)。為了便于對(duì)現(xiàn)有的車輛設(shè)計(jì)進(jìn)行改裝，通信系統(tǒng)200包括混合動(dòng)力數(shù)據(jù)線路202，混合動(dòng)力系統(tǒng)100的大多數(shù)各種部件通過(guò)所述混合動(dòng)力數(shù)據(jù)線路進(jìn)行通信。特別是，混合動(dòng)力數(shù)據(jù)線路202方便了在變速箱/混合動(dòng)力控制模塊148和逆變器132以及能量存儲(chǔ)系統(tǒng)134之間的通信。在能量存儲(chǔ)系統(tǒng)134中，能量存儲(chǔ)模塊數(shù)據(jù)線路204方便了在多種能量存儲(chǔ)模塊136之間的通信?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)100的多個(gè)部件和其功能在2012年6月20日遞交的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.13/527,953以及2011年9月9日遞交的公開(kāi)號(hào)為W02012/034031 A2的國(guó)際申請(qǐng)N0.PCT/US2011/041018中進(jìn)行了更加詳細(xì)的討論，其內(nèi)容通過(guò)引用并入本文中。
[0024]在另一個(gè)方面中，變速箱/混合動(dòng)力控制模塊148控制發(fā)動(dòng)機(jī)102和電機(jī)112的操作，以確定關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)102中燃燒的礦物燃料，如何