用于優(yōu)化混合動力電動車中功率消耗的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于優(yōu)化混合動力電動車中功率消耗的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)串請的交叉引用
[0002]本申請要求享有2013年3月14日提交的美國臨時申請61/782，476的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用并入到本文中。
【背景技術(shù)】
[0003]混合功力電動車通常使用電力驅(qū)動系統(tǒng)和礦物燃料驅(qū)動系統(tǒng)二者來使燃料消耗最小化。結(jié)果，對混合動力車輛驅(qū)動系統(tǒng)的控制通常包括確定在發(fā)動機中燃燒礦物燃料的同時如何最優(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)動機中燃燒較多的燃料并且在電動機/發(fā)電機中使用較少的電力可實現(xiàn)最優(yōu)的燃料經(jīng)濟性。決定這種平衡是困難的并且通常是違反直覺的，這是由于決定最優(yōu)的燃料經(jīng)濟性可包含多個因素，例如發(fā)動機的燃料效率、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，以及多個其他相關(guān)的因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]公開了用于優(yōu)化混合動力電動車驅(qū)動系統(tǒng)中的功率消耗的系統(tǒng)和方法。包括用于優(yōu)化在從接通到斷開的整個操作循環(huán)中電能和礦物燃料消耗的技術(shù)，而不是優(yōu)化在僅各個瞬間時間點處的消耗。例如，在長期的最優(yōu)功率水平下消耗電能而不是在任何時間點處的最優(yōu)功率水平下消耗電能是最有益的。在一個實施方案中，通過計算混合動力效率指數(shù)(HEI)來運行系統(tǒng)，該混合動力效率指數(shù)定義為燃料消耗速率的變化除以所存儲的電能的變化速率。在混合動力車輛的推進階段中的任何瞬間，對于混合動力系統(tǒng)控制邏輯而言，所期望的動力總成輸出、部件的效率以及發(fā)動機燃料效率是很好地表征出來且為已知的。因此，在任何給定的時間點，可針對一系列的電能水平計算HEI，或在車輛的整個操作期間重復(fù)地計算，因此如果使用電能替代燃料能來用于相應(yīng)于當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]在另一個方面，系統(tǒng)包括用于確定什么時候特定的效率增加(HEI值)代表電功率的最佳使用的方法。在一個公開的實施方案中，系統(tǒng)包括最小效率水平，或目標HEI，低于所述目標HEI的HEI被視為不足以操作電動機。在車輛的整個操作期間均會調(diào)整目標HEI，以優(yōu)化何時用電能替代礦物燃料是最有利的。在一個例子中，目標HEI設(shè)置為低的足以消耗所有有效的電能，而不浪費例如在整個再生制動期間獲得能量的機會。類似地，在另一個例子中，最小效率閾值設(shè)為以下水平:在整個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]在另一個方面，系統(tǒng)考慮了電能存儲系統(tǒng)的存儲容量是否足以存儲在整個行程期間回收的能量并遞送到電動機/發(fā)電機。例如，系統(tǒng)可自適應(yīng)地觀察在整個行程中回收的能量，并且判斷在車輛的操作期間內(nèi)的任何給定的時間有多少車輛的動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容量。例如，在一個例子中，不充足的存儲容量的判定會導(dǎo)致HEI目標的逐漸降低，因此造成更頻繁地使用電能。
[0007]類似地，在HEI處理算法的另一個方面，當能量存儲系統(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，發(fā)生再生制動事件也將會致使HEI目標的降低，造成更頻繁地使用電動機以在能量存儲系統(tǒng)中產(chǎn)生額外的容量，因此使得系統(tǒng)更能在再生制動期間回收更多的能量。
[0008]在另一個方面中，可將最小效率閾值調(diào)高或調(diào)低以輔助能量存儲系統(tǒng)保持在想要的存儲容量附近。HEI處理的這一方面是有益的，例如，通過將能量存儲系統(tǒng)保持在接近一定的充電容量來延長其使用壽命是有利的。
[0009]通過詳細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)點和實施方案將變清楚。
【附圖說明】
[0010]圖1是混合動力系統(tǒng)的一個實施例的示意圖。
[0011]圖2是圖1中的混合動力系統(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)的一個方面的流程圖，該流程圖包括用于計算一個或多個電動機放電功率值的HEI的步驟。
[0013]圖4是顯示了圖1的控制系統(tǒng)的另一個方面的流程圖，該流程圖包括用于在再生制動事件后調(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明的實施方案，并且使用詳細的語言來對其進行描述。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)思出對在此描述的實施方案的任何修改和進一步的改進，以及對此處所描述的本發(fā)明原理的進一步應(yīng)用。這里非常詳細地顯示了本發(fā)明的一個實施方案，然而對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說很明顯，為了簡要起見，一些與本發(fā)明無關(guān)的特征也許不會顯示出來。
[0017]在下面描述中的標記數(shù)字用于幫助讀者快速識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)的標記數(shù)字的最左側(cè)的數(shù)字來表示。例如，由“100”系列標記數(shù)字標出的元件將首次出現(xiàn)在圖1中，由“200”系列標記數(shù)字標出的元件將首次出現(xiàn)在圖2中，以此類推。對于說明書、摘要和權(quán)利要求書來說，應(yīng)當注意地是，單數(shù)形式“一”、“該”等也包括復(fù)數(shù)，除非另有明確說明。作為說明，關(guān)于“一個裝置”或“該裝置”包括一個或多個這種裝置或其等效物。
[0018]圖1顯示了根據(jù)一個實施方案的混合動力系統(tǒng)(hybrid system) 100的示意圖。圖1中說明的混合系統(tǒng)100適合用于商用卡車以及其他類型的車輛或運輸系統(tǒng)，但是可以設(shè)想混合動力系統(tǒng)100的多個方面可結(jié)合到其他環(huán)境中。如圖所示，混合動力系統(tǒng)100包括發(fā)動機102、混合動力模塊(hybrid module) 104、變速箱106和用于將功率從變速箱106傳遞到車輪110的傳動系108。混合模塊104結(jié)合了通常稱之為電機112的電動機/發(fā)電機或電機器，和使發(fā)動機102與電機112和變速箱106操作性連接和脫開的離合器114。
[0019]混合動力系統(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)動機102具有發(fā)動機控制模塊146，其可控制發(fā)動機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)計為控制變速箱106以及混合動力模塊104的操作。變速箱/混合控制模塊148和發(fā)動機控制模塊146連同逆變器132和能量存儲系統(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接收來自能量存儲系統(tǒng)134和其中的多個能量存儲模塊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。在所說明的實施例中，能量存儲系統(tǒng)134包括三個連接在一起(例如并聯(lián)連接在一起)的能量存儲模塊136以向逆變器132提供高壓電能。
[0021]變速箱/ 混合動力控制模塊(transmiss1n/hybrid control module) 148 又發(fā)出用于連接多個能量存儲模塊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接收多個輸入，例如發(fā)動機/發(fā)電機的有效扭矩、扭矩限值、逆變器的電壓電流和實際的扭矩速率。變速箱/混合動力控制模塊148也會從逆變器132接收高電壓總線功率和消耗信息。變速箱/混合動力控制模塊148也監(jiān)測輸入電壓和電流以及輸出電壓和電流。變速箱/混合動力控制模塊148也與發(fā)動機控制模塊146通信和接收來自其的信息，并且作為響應(yīng)而通過發(fā)動機控制模塊146控制發(fā)動機102的扭矩和速率。
[0022]在通常的實施方案中，變速箱/混合動力控制模塊148和發(fā)動機控制模塊146均包括具有處理器、存儲器和輸入/輸出連接器的計算機。此外，逆變器132、能量存儲系統(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、存儲器和輸入/輸出連接器的計算機。
[0023]圖2顯示了可用于混合動力系統(tǒng)100中的通信系統(tǒng)200的一個實施例的圖。雖然顯示了一個實施例，但是應(yīng)當理解地是，在其他實施方案中通信系統(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)。為了便于對現(xiàn)有的車輛設(shè)計進行改裝，通信系統(tǒng)200包括混合動力數(shù)據(jù)線路202，混合動力系統(tǒng)100的大多數(shù)各種部件通過所述混合動力數(shù)據(jù)線路進行通信。特別是，混合動力數(shù)據(jù)線路202方便了在變速箱/混合動力控制模塊148和逆變器132以及能量存儲系統(tǒng)134之間的通信。在能量存儲系統(tǒng)134中，能量存儲模塊數(shù)據(jù)線路204方便了在多種能量存儲模塊136之間的通信?；旌蟿恿ο到y(tǒng)100的多個部件和其功能在2012年6月20日遞交的美國專利申請N0.13/527,953以及2011年9月9日遞交的公開號為W02012/034031 A2的國際申請N0.PCT/US2011/041018中進行了更加詳細的討論，其內(nèi)容通過引用并入本文中。
[0024]在另一個方面中，變速箱/混合動力控制模塊148控制發(fā)動機102和電機112的操作，以確定關(guān)于發(fā)動機102中燃燒的礦物燃料，如何