專利名稱：具有脫離發(fā)動機的緊湊增程電動車輛及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及緊湊增程電動車輛動力系及其控制方法，該動力系具有用于從傳動系脫離小型內燃發(fā)動機的離合器。
背景技術：
增程電動車輛(EREV)提供一個或多個僅電氣(EV)動力系操作模式以及一個或多個另外的動力系操作模式。在EV模式中，內燃發(fā)動機通常僅根據需要用于使車載發(fā)電機旋轉。用于推進EREV的扭矩由電動機供應，該電動機由電池組或發(fā)電機供能。在串聯(lián)模式中， 馬達可用于啟動發(fā)動機。在再生制動事件期間，同一個馬達或者分離的裝置可充當發(fā)電機來恢復能量，由此該電池組充電。當電池組的荷電狀態(tài)低于特定極限并且車輛正在減速或怠速時，來自發(fā)電機的能量可存儲在電池組中。在一些插入式EREV設計中，電池組還可使用標準或更高電壓/快速充電電源來重新充電。一旦電池組被很大程度上耗盡，EV操作范圍可通過發(fā)電機和發(fā)動機的操作來擴展，直到燃料供應被用光。對于短于閾值距離(在一些實施例中，例如約40英里)的通勤，不需要發(fā)動機，因此所有的推動力由EV模式通過電的方式提供。EREV設計通常使用高電壓電池模塊以及相對復雜的動力系元件和控制過程來最大化EV范圍。這種設計的成本、尺寸和復雜度可使得它們的應用劣于最優(yōu)，尤其在一些新興市場中。

發(fā)明內容
因此，本文所公開的增程電動車輛(EREV)具有單個僅電氣(EV，即僅涉及電)模式和單個串聯(lián)模式。在EV模式中，離合器打開，不使用液壓裝置，電馬達經由連接到一組車輪的輸出構件推動EREV。小型內燃發(fā)動機用于在EV模式和串聯(lián)模式中對空調(AC)壓縮機供能。本文所用的術語“小型”指的是排量小于約150立方厘米(cc)的發(fā)動機，在一個實施例中使用約125 cc的發(fā)動機。當車載電池組的荷電狀態(tài)(SOC)超過校正閾值SOC時進入EV 模式，在一個實施例中，校正閾值SOC可經由范圍模型來估計。當電池SOC低于校正閾值時進入串聯(lián)模式。在串聯(lián)模式中，當車輛減速或處于怠速條件時，并且當電池的荷電狀態(tài)反映出充電需求時，來自發(fā)電機的能量可存儲在電池組中。在串聯(lián)模式中，離合器被接合或閉合，在兩個可能的實施例中或者手動地或者電磁地接合或閉合，并且發(fā)動機向AC壓縮機和發(fā)電機供應功率，發(fā)電機與馬達分離。當推動車輛所需的功率水平(即路面負載)超過來自發(fā)電機的輸入功率時，來自電池組的能量可用于幫助馬達向馬達的輸出構件提供充足水平的扭矩，以便推動車輛。否則，發(fā)電機在再充電或再生模式中將任何過量的功率轉移到電池組。在串聯(lián)模式中，來自發(fā)電機的輸入功率是最小制動特定燃料消耗和最大電馬達效率之間的平衡優(yōu)化。特別地，本文所述的車輛包括具有輸出構件的小型內燃發(fā)動機、一組車輪、可再充電電池組、離合器、具有連接到車輪的輸出構件的電馬達、與馬達分離的發(fā)電機、AC壓縮機以及控制器?？刂破魍ㄟ^選擇性地命令離合器的接合來進入串聯(lián)模式。這將發(fā)動機輸出構件與傳動系的剩余部件聯(lián)接，并且特別地將發(fā)動機的輸出構件連接到發(fā)電機。類似地，離合器被選擇性地脫開以使發(fā)動機的輸出構件從發(fā)電機和傳動系的剩余部件脫離。根據車輛操作條件，馬達被單獨地或同時電連接到電池組和發(fā)電機并由電池組和發(fā)電機供能。發(fā)電機的功率在電池組和馬達之間被選擇性地并行地分割，對功率的分割還取決于車輛操作條件和驅動循環(huán)。AC壓縮機在串聯(lián)模式和EV模式中由發(fā)動機驅動，并且根據電池荷電狀態(tài)(S0C)是否超過目標SOC來選擇所述模式。目標SOC基于電池組的循環(huán)和耐久性需要。本文所述的緊湊車輛設計降低了發(fā)動機和燃料箱所需的封裝空間。在一個實施例中，發(fā)動機可由液化丙烷氣(LPG)供能。LPG可從燃料箱傳遞到發(fā)動機，燃料箱位于不同于發(fā)動機罩下面的某個地方，例如在備胎艙中。而且，小型發(fā)動機可位于車輛的后車軸附近以提供發(fā)動機罩下面的更短和更優(yōu)化封裝的機會。LPG推動幫助最小化排放并且給車輛提供綠色形象。電池組可包括多個小型鉛酸或鋰離子電池，在一個具體實施例中，使用六個8伏鉛酸電池。在串聯(lián)模式中，發(fā)電機對馬達供能，除非推動車輛所需的功率水平超過發(fā)電機的功率輸出，在該情況中，來自電池組的能量可用于增大傳遞到馬達的功率。當所需要的功率水平低于發(fā)電機的功率輸出時，電池組可使用過量功率再充電。而且在EV模式中，當必須維持電荷時，在車輛減速或怠速條件期間，來自發(fā)電機的能量可用于對電池組充電并且維持電池荷電狀態(tài)。一種控制上述車輛的方法包括計算電池組的目標S0C，然后將目標SOC與電池SOC 進行比較。控制器在電池SOC超過目標SOC時命令離合器接合，由此建立串聯(lián)模式。在串聯(lián)模式中，小型內燃發(fā)動機至少部分地對馬達的輸出構件供能以推動車輛。當目標SOC超過電池SOC時，同一個離合器被脫開以由此建立EV模式。在EV模式中，發(fā)電機和電池組中的至少一個對馬達的輸出構件供能以推動車輛，其中，來自發(fā)電機的功率在電池組和馬達之間被選擇性地并行地分割。無論離合器的接合狀態(tài)如何，AC壓縮機都經由發(fā)動機輸出構件被供能。從用于實施本發(fā)明的最佳模式的以下詳細描述并結合附圖，本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點以及其他特征和優(yōu)點將變得明顯。


圖1是本文所公開的緊湊增程電動車輛的示意圖，其具有串聯(lián)模式和僅電氣(EV) 模式；并且
圖2是流程圖，描述了用于控制圖1所示車輛的動力系的方法。
具體實施例方式參見附圖，圖1所示的增程電動車輛10具有控制器12和偏移控制算法100?？刂破?2可包括范圍模塊11，如下面參照圖2所述?？刂破?2使用一組控制信號14在兩個不同動力系操作模式之間進行選擇?？刂破?2和車輛10的各種部件之間的無線和/或硬線電連接是本領域已知的，并且因此在圖1中省略以便更加清楚。車輛10的兩個動力系操作模式包括發(fā)動機聯(lián)接串聯(lián)模式和發(fā)動機脫離僅電氣(EV)模式，兩種模式均由控制器12建立，如下面參照圖2所述。車輛10意圖為緊湊或亞緊湊設計，因此使用多個設計特征來降低封裝空間。一個這種設計特征包括使用小型內燃發(fā)動機16，例如在一個實施例中小于約150立方厘米(cc) 排量，并且根據另一個實施例小于約125 cc排量，其尺寸遠小于典型增程車輛中使用的。發(fā)動機16可任選地位于后地板40下面，在圖1中以虛線表示發(fā)動機的這種位置。發(fā)動機16 可在后車軸例如下面所述的輸出構件27的前面。使用離合器20將發(fā)動機16選擇性地連接到交流發(fā)電機或發(fā)電機18。為了降低封裝尺寸，離合器20是車輛10上所使用的唯一的離合器。另外，離合器20可以是手動致動的或電磁致動的離合器，或者是任何其他離合器設計，其釋放出否則將由螺線管、閥、泵、閥體和其他常用液壓流體控制部件所占據空間的大部分。車輛10的動力系的特征在于沒有行星齒輪，這是另一個設計特征，其進一步最小化車輛的成本并且降低所需要的封裝空間。發(fā)動機16從燃料箱19抽取燃料17。在一個實施例中，燃料17是液化丙烷氣 (LPG)，使用這種燃料允許燃料箱19置于不同于車輛發(fā)動機罩下面或車門下面的位置。例如，燃料箱19可位于備胎艙15內。這一另外的設計特征允許車輛10的尺寸設置成遠小于在其他情況中的可能尺寸。發(fā)動機16可被控制以在其工作循環(huán)的下半部中操作，以便進一步擴展其范圍而不增大發(fā)動機的尺寸。車輛10的推動馬達M由可再充電電池組沈、整流器模塊28和變換器模塊30供能，如下所述。馬達M的可旋轉輸出構件27最終將來自發(fā)動機16和/或發(fā)電機18和電池組沈的扭矩傳遞到一組車輪31，以便推動車輛10。仍然參見圖1，發(fā)動機16的輸出構件21連接到空調(AC)壓縮機34。AC壓縮機 34是發(fā)動機16上的持續(xù)且相對重要的電負載，S卩，根據車輛10的設計可高達1.5 kW。在一個其他可能最優(yōu)的實施例中，發(fā)電機18用48VDC/33VAC的電壓輸出傳遞約4. 5 kff的輸出功率35。因此，發(fā)動機16的尺寸設置成提供AC壓縮機34和發(fā)電機18的負載。AC壓縮機34在離合器20的一側上經由發(fā)動機16的輸出構件21被驅動，而離合器的另一側連接到發(fā)電機18的輸入構件23。然后，根據控制器12所采用的控制策略以及電池組沈的當前荷電狀態(tài)(S0C)，來自發(fā)電機18的輸出功率在整流器模塊觀之后在馬達 24和電池組沈之間被電并行的分割。這樣，當車輛10在行駛或怠速時，并且AC壓縮機34 在80%的時間內以恒定負載運行的情況下，相對于常規(guī)發(fā)動機具有顯著減小的尺寸的發(fā)動機16可用于補充再生功率和電池組沈的充電功率。當車輛10減速或怠速時，可使用來自發(fā)電機18的能量維持電池電荷。這可被優(yōu)化以根據需要最大化車輛范圍。當電池組是標準電壓鉛酸構造時，圖1所示的車輛10允許電池組沈的擴展的EV 范圍。這種電池組可在車輛10構造為微型或亞緊湊車輛時使用。具有EV模式和合理EV 操作范圍的亞緊湊車輛可提供相對成本高效的運輸工具，這在新興市場中可具有特別的應用。使用LPG作為燃料17可如上所述使得能夠將箱19封裝在車輛10的備胎轂區(qū)域中，并且降低排氣管排放?？赏ㄟ^將電池組沈構造為6X8伏系統(tǒng)而非常規(guī)8X6伏系統(tǒng)，并且將發(fā)動機和發(fā)電機18至少部分地置于任何被取消的電池所騰出的空間中，來釋放發(fā)動機16的封裝空間。另外，電池組26可使用再生制動或任何其他再生事件(其中過多功率可用)來再充電， 服從于鉛酸或鋰離子電池的相應最大充電容量，該最大充電容量為再生功率和來自發(fā)電機18的輸出功率35之和。控制器12可構造為數字計算機，其具有微處理器或中央處理單元、只讀存儲器 (ROM)、隨機訪問存儲器(RAM)、電可擦寫可編程只讀存儲器(EEPR0M)、高速時鐘、模數(A/ D)和數模(D/A)電路和輸入/輸出電路和設備(1/0)，以及適當的信號處理和緩沖電路?？刂破?2中留存的或者其可訪問的任何算法(包括偏移控制算法100)可存儲在ROM中并且由控制器自動執(zhí)行以建立各種操作模式。參見圖2并參見圖1所示的結構，車輛10的偏移控制方法或算法100確保當發(fā)動機在EV模式中從輸出脫離時發(fā)動機16在其最佳的制動特定燃料消耗(BSFC)區(qū)中操作。如本領域已知的，BSFC提供發(fā)動機燃料效率的測量，并且可通過將克/秒為單位的燃料消耗率(r)除以瓦為單位的功率(P)來計算，P= ω τ。在該等式中，ω是以弧度/秒為單位的發(fā)動機速度，并且τ是以牛頓米為單位的發(fā)動機扭矩。算法100開始于步驟102，其中，使用控制器12自動地計算電池組沈的目標S0C。 步驟102可需要使用校正值等而從前面計算的目標SOC減去校正值。一旦進行了計算，算法100執(zhí)行步驟104和108。在步驟104，將車輛10的剩余范圍的距離與校正閾值進行比較?？赏ㄟ^計算和/ 或通過訪問任選的范圍模型11而就SOC估計剩余范圍。如果所述距離小于校正閾值，則算法100進行到步驟106。如果大于校正閾值，則算法100重復步驟102。在步驟106，控制器12通過設定目標SOC等于前面計算的目標SOC來計算目標 SOC0算法100然后進行到步驟108。在步驟108，將電池S0C，即電池組沈的荷電狀態(tài)與目標SOC進行比較。如果電池 SOC低于目標S0C。則算法100進行到步驟110，否則算法進行到步驟112。在步驟110，接合離合器20并且進入串聯(lián)模式。發(fā)動機16向AC壓縮機34供應功率，并且還供應推動車輛10所需的一些或全部功率。在步驟112，打開或脫開離合器20，從而建立EV模式。發(fā)動機16繼續(xù)為AC壓縮機供應功率，但是經由電池組沈和馬達M提供車輛推動。如果需要維持電池電荷并最大化車輛范圍，則在車輛減速或怠速條件的所有時機中，離合器20被接合并且發(fā)電機18向電池組沈提供電荷。上述使用單個離合器20使得能夠執(zhí)行串聯(lián)模式，而EV模式中的脫離的發(fā)動機允許兩種不同模式之間的提高的EV范圍和優(yōu)化的偏移策略。如上所述，當離合器20脫開或打開時，馬達M驅動輸出構件27，并且發(fā)動機16僅用于向AC壓縮機34供應功率。當電池SOC超過估計的或模型化的目標SOC時進入該模式。當電池SOC低于目標SOC時，離合器20可接合或閉合，以允許發(fā)動機16為AC壓縮機34和發(fā)電機18供能。當功率需求或路面負載超過來自發(fā)電機18的輸入功率時，電池組沈可幫助向馬達M傳遞功率。當輸出功率35超過功率需求時，發(fā)電機可將過量的能量引導到電池組26，以便對電池組沈再充電。 當電池SOC下降到低于閾值，例如約95%時，控制器12可使能電池組沈的充電。雖然已經詳細描述了用于實施本發(fā)明的最佳模式，但本領域技術人員將會意識到所附權利要求范圍內的用于實施本發(fā)明的各種替代設計和實施例。
權利要求
1.一種車輛，包括 發(fā)動機，其具有輸出構件； 車輪，其用于推動所述車輛；電池組，其具有電池荷電狀態(tài)(SOC)； 發(fā)電機，其可連接到所述發(fā)動機的輸出構件；馬達，所述馬達單獨地或同時地電連接到所述電池組和所述發(fā)電機并由所述電池組和所述發(fā)電機供能，并且所述馬達具有連接到所述車輪的可旋轉輸出構件； 離合器，其將所述發(fā)動機的輸出構件選擇性地連接到所述發(fā)電機； 空調(AC)壓縮機，其由所述發(fā)動機的輸出構件連續(xù)地驅動；以及控制器，其適于選擇性地接合所述離合器以由此建立串聯(lián)模式以及脫開所述離合器以建立僅電氣(EV)模式；其中，所述控制器在所述電池SOC超過目標SOC時建立所述EV模式，并且在所述電池 SOC下降到低于所述目標SOC時進一步建立所述串聯(lián)模式，在所述串聯(lián)模式和所述EV模式中，所述AC壓縮機由所述發(fā)動機驅動。
2.如權利要求1所述的車輛，其中，所述發(fā)動機由液化丙烷氣(LPG)供能，并且其中，容納所述LPG的燃料箱位于所述車輛的備胎艙中。
3.如權利要求1所述的車輛，其中，所述發(fā)動機具有約150立方厘米(cc)至約125cc 的排量。
4.如權利要求1所述的車輛，其中，所述離合器是手動離合器和電磁離合器之一。
5.如權利要求1所述的車輛，其中，所述控制器在推動所述車輛所需的功率水平超過所述發(fā)電機的功率輸出時選擇性地使用來自所述電池組的功率以對所述馬達供能，并且在推動所述車輛所需的功率水平未超過所述發(fā)電機的功率輸出時選擇性地將來自所述發(fā)電機的過量功率傳遞到所述電池組。
6.如權利要求1所述的車輛，其中，所述發(fā)電機傳遞4.5 kW的最大功率，并且其中，所述控制器在所述電池SOC下降到低于約95%時使能所述電池組的充電。
7.一種用于控制車輛的方法，所述車輛具有發(fā)動機，其具有輸出構件；空調(AC)壓縮機，其由所述發(fā)動機的輸出構件連續(xù)地驅動；發(fā)電機；馬達，其與所述發(fā)電機分離并且具有輸出構件；電池組，其具有荷電狀態(tài)(SOC)；以及離合器，其將所述發(fā)動機的輸出構件選擇性地連接到所述發(fā)電機，所述方法包括計算所述電池組的目標S0C;將所述目標SOC與所述電池SOC進行比較；當所述電池SOC超過所述目標SOC時接合所述離合器以由此建立串聯(lián)模式，其中，所述發(fā)動機至少部分地對所述馬達的輸出構件供能以推動所述車輛；當所述目標SOC超過所述電池SOC時脫開所述離合器以建立僅電氣(EV)模式，其中， 所述發(fā)電機和所述電池組中的至少一個對所述馬達的輸出構件供能以推動所述車輛，并且其中，來自所述發(fā)電機的功率在所述電池組和所述馬達之間被并行地分割；并且在所述串聯(lián)模式和所述EV模式中，經由所述發(fā)動機輸出構件對所述AC壓縮機供能。
8.如權利要求7所述的方法，進一步包括在車輛減速期間根據需要或者在車輛怠速時重新接合所述離合器，以由此使用來自所述發(fā)電機的能量將所述電池SOC提高到高于所述目標S0C。
9.如權利要求7所述的方法，其中，所述車輛包括備胎艙，所述方法進一步包括 將液化丙烷氣(LPG)箱置于所述備胎艙中；并且使用來自所述LPG箱的LPG對所述發(fā)動機供能。
10.如權利要求7所述的方法，進一步包括將所述發(fā)動機封裝在所述車輛的后地板下面以及后車軸前面。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有脫離發(fā)動機的緊湊增程電動車輛及其控制方法。具體地，一種增程電動車輛包括小型發(fā)動機、車輪、具有電池荷電狀態(tài)(SOC)的電池組以及離合器，該離合器將發(fā)動機的輸出構件選擇性地連接到發(fā)電機。該車輛還包括由電池組和/或發(fā)電機供能的空調(AC)壓縮機和馬達。發(fā)電機的功率輸出在電池組和馬達之間被并行地分割。AC壓縮機在僅電氣(EV)模式和串聯(lián)模式中由發(fā)動機的輸出構件連續(xù)驅動。控制器基于電池SOC接合離合器以建立串聯(lián)模式并且脫開離合器以建立EV模式。發(fā)動機可由來自箱的液化丙烷氣供能，所述箱位于車輛的備胎艙中。還公開了一種用于控制所述車輛的方法。
文檔編號B60L11/12GK102407768SQ201110239700
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月19日 優(yōu)先權日2010年8月20日
發(fā)明者蒂瓦里 A., 吉維 R., B. 沙馬 V. 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司