车辆控制装置及铁路用混合动力车辆的控制方法 |
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| 申请号 | CN201280068374.6 | 申请日 | 2012-01-31 | 公开(公告)号 | CN104080677A | 公开(公告)日 | 2014-10-01 |
| 申请人 | 三菱电机株式会社; | 发明人 | 和田康彦; 山崎尚德; 畠中启太; 冈田万基; | ||||
| 摘要 | 车辆控制装置中设置有统一控制 发动机 控制器 和 整流器 控制器的系统控制器。系统控制器通过整流器控制器以比发动机的 怠速 维持最低转速(ωe_idol_min)要小的发 电机 转速指令值(ωc_ref1)来驱动发电机，并且在经过了规定时间后通过发动机控制器开始对发动机进行 燃料 喷射，在发动机的转速达到比发电机转速指令值(ωc_ref)要大且比怠速维持最低转速(ωe_idol_min)要小的规定的转速 阈值 (ωe_th)时，向整流器输出断开发电机的通电的栅极断开 信号 (GSTOP)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种车辆控制装置，所述车辆控制装置应用于车辆驱动系统，该车辆驱动系统包括发动机、控制发动机的动作的发动机控制器、与所述发动机相连结的发电机、将所述发电机输出的交流电转换成所期望的直流电的整流器、控制所述整流器的动作的整流器控制器、接受由所述整流器所提供的直流电来进行动作的负载装置、检测所述发电机的旋转速度的旋转速度检测器、以及将所述负载装置与所述发电机进行电连接的电池，所述车辆控制装置具有能控制所述发动机的起动的结构，所述车辆控制装置的特征在于，设置有统一对所述发动机控制器、所述整流器控制器及所述整流器进行控制的系统控制器， |
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| 说明书全文 | 车辆控制装置及铁路用混合动力车辆的控制方法技术领域[0001] 本发明涉及例如控制铁路用混合动力车辆的车辆控制装置及铁路用混合动力车辆的控制方法。 背景技术[0003] 专利文献1中揭示了以下技术：即，在发出发动起再启动(再起动)指令的情况下，控制器使用电动发电机来使引擎曲柄转动，在发动机的转速到达规定转速之后，进行发动机的转速反馈控制，重新开始对发动机进行燃料喷射和火花点火，并且基于电动发电机所要求的再生转矩来判断发动机的燃烧稳定度，在判断为发动机为稳定燃烧状态的情况下，将反馈增益切换得较小。现有技术文献 专利文献 [0004] 专利文献1：日本专利第3890459号公报 发明内容发明所要解决的技术问题 [0005] 但是，根据上述现有技术，发电机转矩和发动机转矩相互干扰，因此，存在以下问题：发动机需要耗费时间才能达到怠速转速，并且有时可能发生发动机起动失败的情况。 [0006] 本发明是鉴于上述问题完成的，其目的在于提供一种能平稳且可靠地执行使用发电机的发动机的起动的车辆控制装置及铁路用混合动力车辆的控制方法。解决技术问题所采用的技术方案 [0007] 为了解决上述问题并达到目的，本发明的车辆控制装置适用于以下车辆驱动系统，所述车辆驱动系统包括：发动机；控制发动机的动作的发动机控制器；与所述发动机相连结的发电机；将所述发电机输出的交流电转换为所希望的直流电的整流器；控制所述整流器的动作的整流器控制器；接受由所述整流器所提供的直流电来进行动作的负载装置；检测所述发电机的旋转速度的旋转速度检测器；以及将所述负载装置与所述发电机进行电连接的电池，该车辆控制装置具有能控制所述发动机的起动的结构，所述车辆控制装置的特征在于，设置有统一控制所述发动机控制器、所述整流器控制器、及所述整流器的系统控制器，所述系统控制器通过所述整流器控制器，以比所述发动机的怠速维持转速要小的转速指令值，来驱动所述发电机，并且在经过规定时间后，通过所述发动机控制器来开始对所述发动机进行燃料喷射，在所述发动机的转速达到大于所述转速指令值且小于所述怠速维持转速的规定阈值时，向所述整流器输出使所述发电机的通电断开的控制信号。 发明效果 [0009] 图1是表示包括本发明的实施方式1所涉及的车辆控制装置的车辆驱动系统的一个结构例的图。图2是表示设置于发动机控制器的燃料喷射量特性MAP的一个结构例的图。 图3是表示系统控制器的一个结构例的图。 图4是使用图表来表示随时间经过而变化的发电机转速指令值的图。 图5是在图1的系统结构图上示出整流器控制器的一个结构例的图。 图6是说明实施方式1的车辆控制装置的第一起动方法的图。 图7是说明实施方式1的车辆控制装置的第二起动方法的图。 图8是说明实施方式1的车辆控制装置的第三起动方法的图。 图9是说明实施方式1的车辆控制装置的第四起动方法的图。 图10是说明实施方式2所涉及的第五起动方法的图。 图11是说明实施方式3所涉及的第五起动方法的图。 具体实施方式[0010] 下面，参照附图对本发明的实施方式所涉及的车辆控制装置及铁路用混合动力车辆的控制方法进行说明。另外，本发明并不局限于以下示出的实施方式。 [0011] 实施方式1.图1是表示包括本发明的实施方式1所涉及的车辆控制装置的车辆驱动系统的一个结构例的图，示出了应用于串联式混合动力方式的发动机系统时的结构。如图1所示，实施方式1所涉及的车辆驱动系统采用以下结构，即，包括：发动机1；由发动机1驱动并输出交流电的发电机2；将交流电转换为所希望的直流电的整流器3；与整流器3进行电连接的负载装置4及电池5；驾驶员进行车辆控制时实施操作的驾驶室6；控制发动机1的发动机控制器7；控制发动机控制器7及后述的整流器控制器9的系统控制器8；对负载装置4及电池 5进行功率调整的整流器控制器9；以及作为传感器类的旋转速度检测器10及电流传感器 11。 [0012] 接下来，参照图1至图5的各个附图详细说明图1所示的各构成要素的功能。 [0013] 首先，发动机1的输出轴和发电机2的转子轴通过省略了图示的联接部进行机械结合。因此，发动机1的转速(发动机转速)和发电机2的转速(发电机转速)相一致。发动机1基于来自发动机控制部7的燃料喷射指令FON来产生绕轴的转矩(轴转矩)。发电机2例如是三相交流发电机，利用发动机1的驱动力进行旋转发电。另一方面，发电机2也能作为发动机进行动作。例如，在发动机1起动时，通过使发动机1曲柄转动、或使用发电机2的驱动力来使发动机1旋转，从而能消耗电力。 [0014] 整流器3由省略了图示的多个开关元件及整流元件构成。对于该整流器3，在发电机2作为发电机进行动作时，输入由发电机2输出的三相交流电，基于来自整流器控制器9的栅极信号GP，将所输入的三相交流电转换为所希望的直流电，并提供给负载装置4及电池5中的任一方或提供给这两者。另一方面，在发电机2作为电动机进行动作时，整流器3基于来自整流器控制器9的栅极信号GP,来将电池5输出的直流电转换为所希望的三相交流电以驱动发电机2。但是，若输入来自系统控制器8的栅极断开信号GSTOP，则无论有无栅极信号GP，都停止功率转换动作。由此，利用来自系统控制部8的栅极断开信号GSTOP，能停止发电机2的驱动。 [0015] 负载装置4与整流器3之间进行电连接，接受由整流器3所提供都直流电以进行动作。此外，负载装置4的构成要素虽未图示，但例如由将直流电转换成交流电的逆变器装置、输出用于使铁路车辆等加速的驱动力的电动机、使电动机的输出减速并传递到轮轴的减速机等构成。 [0016] 电池5是例如锂离子充电电池，对整流器3所提供的直流电或来自负载装置4的再生电力进行蓄电，另一方面，电池5使用所存储的电力来驱动发电机2及负载装置4。电池5只要具有对直流电进行蓄电(充电)及放电的功能即可，可以采用任何结构。 [0017] 驾驶室6如上所述那样是驾驶员进行车辆控制时的操作装置，在发动机起动时，对后述的系统控制器8生成车辆起动信号Start并进行输出。另外，此时，驾驶室6将发出车辆起动信号Start的时刻设为0秒，每隔一定间隔进行记录，将记录下的信息生成为经过时间Time并发送到系统控制器8。 [0018] 发动机控制器7如上述那样是控制发动机1的控制部。如图2所示那样，在发动机控制器7内设置有对应于发动机1的转速的燃料喷射特性MAP。发动机控制器7基于来自系统控制器8的发动机起动信号Se，从燃料喷射特性MAP参照旋转速度检测器10检测出的发动机转速ω_c所对应的燃料喷射指令FON，从而驱动发动机1。 [0019] 为了向负载电阻4及电池5供电，并起动发动机1，系统控制器8统一控制发动机控制器7、整流器控制器9及整流器3。 [0020] 旋转速度检测器10检测发电机2的旋转速度ω_c，对发动机控制器7、系统控制器8及整流器控制器9输出检测信号即旋转速度ω_c。电流传感器11连接在发电机2和整流器3的三相线之间，检测各相的电流Iu、Iv、Iw并将其输出到整流器控制器9。此外，在图1中，检测出所有的各相电流Iu、Iv、Iw，但是无需检测所有的电流Iu、Iv、Iw，只要检测出其中的任意两个电流即可。 [0021] 接着，说明实施方式1所涉及的车辆控制装置的具体控制内容。首先，系统控制器8如图3所示，包括起动判定部12、发电机转速指令值MAP13、比较器14～16、及再生转矩判定部17。起动判定部12中输入有电池5的充电状态Sb、来自驾驶室6的车辆起动信号Start，基于这些充电状态Sb、及车辆起动信号Start来判定发动机1是否可能起动，并输出发动机起动信号Sk。例如，在电池的充电状态Sb并非异常状态，车辆起动信号Start为导通状态时，将指示“导通”的发动机起动信号Sk输出到发电机转速指令值MAP13。 [0022] 此处，在发电机转速指令值MAP13中如图4所示那样存在有规定的发电机转速指令值ωc_refN，以使得输出与驾驶室6所发送出的经过时间Time和起动判定部12所发送出的发动机起动信号Sk相对应的规定的发电机转速指令值ωc_refN。将发电机转速指令值ωc_refN设定在小于发动机1的怠速转速ωe_idol的范围内。 [0023] 另外，将发电机转速指令值ωc_refN设定为其值会缓缓上升(N未起自0的自然数)。例如，在发动机的怠速转速为650rpm左右的情况下，设定ωc_ref0＝0rpm、ωc_ref1＝450rpm、ωc_ref2＝500rpm等的值。 [0024] 此外，将发电机转速指令值ωc_refN设定为以例如经过一定的时间间隔tN才会到达发电机转速指令值ωc_ref(N+1)的方式变为发电机转速指令值ωc_ref(N+1)。此外，对于该时间间隔tN的设定，除了上述所说明的那样，还可以考虑在从发电机转速指令值ωc_refN到发电机转速指令值ωc_ref(N+1)之间设置一定的变换率θN的方法，但是在防止急速的发电机转速ω_c时可以采用任意方法。另外，在自然数N为1或2的情况下，也能应用同样的设定方法。 [0025] 而且，将发电机转速指令值ωc_refN设定为，在到达发电机转速指令值ωc_ref(N+1)的时刻起的TN秒期间中维持发电机转速指令值ωc_ref(N+1)。在自然数N为1或2的情况下，也一边维持时间间隔TN,一边缓缓地升高回发电机转速指令值ωc_refN，并等待发动机控制器7开始燃料喷射指令FON的时刻。 [0026] 此外，发电机转速指令值MAP13在内部存储器中依次存储由驾驶室6发送的经过时间Time，在所存储的经过时间Time超过期间上限值Tmax的情况下判定发动机1发生故障，将栅极断开信号GSTOP输出到整流器3。 [0027] 返回图3，在比较器14中，比较由发电机转速指令值MAP13发送的发电机转速指令值ωc_refN、和由旋转速度检测器10发送的发电机转速ω_c，在发电机转速指令值ωc_refN大于发电机转速ω_c的情况下，将发动机起动信号Se输出到发动机控制器7。 [0028] 在比较器15中，比较由旋转速度检测器10发送的发电机转速ω_c、和由后述的比较器16发送的发电机栅极断开转速ωc_GSTOP，在发电机转速ω_c和发电机栅极断开转速ωc_GSTOP相一致的情况下，将栅极断开信号GSTOP输出到整流器3。 [0029] 在比较器16中，比较发动机1的怠速维持最低转速ωe_idol_min、和发动机转速阈值ωe_th，将较小的值输出到比较器15。此处，怠速维持最低转速ωe_idol_min是在考虑了发动机1的运转状态、预备状态中的发动机的特性偏差的状态下能够自主旋转的转速，将该转速信息逐次存储到系统控制器8的内部。发动机转速阈值ωe＿th是发动机1的发电机转速指令值ωc＿refN和怠速维持最低转速ωe＿idol＿min之间的转速，例如，在发动机1的怠速维持转速为600rpm、ωc＿refN＝450rpm时，将发动机转速阈值ωe＿th设为550rpm等。 [0030] 再生转矩判定部17基于来自整流器控制部9的转矩分电流It、q轴电流Iq、转矩推定值Tc等中的任意状态量，来判断发电机2是否进行再生动作，并输出栅极断开信号GSTOP。例如，在转矩推定值Tc的符号为负时，判断为发电机2再生，并输出栅极断开信号GSTOP。 [0032] 整流器控制部9计算由系统控制部8发送的发电机转速指令值ωc_refN、与从发电机2的旋转轴获取的发电机旋转速度ω_c的差分信息Δω。之后，速度PI控制器20对Δω实施基于根据预先所希望的速度控制响应而设定的增益的比例积分，并将该运算结果作为发电机转矩指令值Tc_ref1进行输出。发电机转矩指令值Tc_ref1由下限转矩限制器19进行下限限制处理，作为发电机转矩指令值Tc_ref2输出到电压控制器18。 [0033] 电压控制器18进行使发电机2的输出转矩跟随发电机转矩指令值Tc_ref2的所谓的转矩控制，调整输出到整流器3的电压指令，通过对应于该电压指令的电压控制器18内部的PWM运算，来生成并输出栅极信号GP，以驱动整流器3。此外，通过驱动整流器3，从而控制发电机2的输出转矩。 [0034] 电压控制器18向系统控制部8发送转矩分电流It、q轴电流Iq(或其中的任一方)，或者转矩推定值Tc等信息，上述信息是在使用由电流传感器11检测出的各相的电流Iu、Iv、Iw中的至少两个电流的矢量控制过程中获得的。此外，电压控制器18的矢量控制可以使用众所周知的各种方法，因此，此处省略详细说明。另外，系统控制器8的控制如上所述。 [0035] 利用上述结构要素，系统控制器8根据电池5的状态、来自驾驶室6的起动信号，通过发动机控制器7对发动机1进行控制，并且通过整流器控制器9对发电机2进行控制。利用上述控制能在发动机起动时，平稳且可靠地起动到怠速转速ωe_idol。 [0036] 实施方式1所涉及的车辆控制装置具有上述功能，因此能以以下所示的第一至第四起动方法等来执行。 [0037] (第一起动方法)图6是说明实施方式1的车辆控制装置的第一起动方法的图，横轴为时间，纵轴从上向下示出了发动机转速、发动机转矩、及发电机速度控制区间。此外，在图1中，从系统控制器 8向整流器控制器9输出发电机转速指令值ωc_ref1～N，但在发动机控制器7对发动机进行控制之前的期间内，具体而言，在输出燃料喷射指令FON之前的期间内，如6所示的发动机转速与图4所示的发电机转速指令值ωc_ref1为相同的值。另一方面，在发动机1利用自身的燃料喷射而确立驱动力来进行旋转时，发动机1利用自身的驱动力来加速到比发电机转速指令值ωc_ref1要高的转速即怠速转速ωe_idol，因而在整流器控制器9中，发电机转矩指令值Tc_ref1因速度PI控制器20的作用而被减小。 [0038] 返回图6，在第一起动方法中，将转速阈值ωe_th设定在发电机转速指令值ωc_ref1和怠速维持最低转速ωe_idol_min之间。在从驾驶室6将发动机的起动指令即车辆起动信号Start输出到系统控制器8时，根据来自系统控制器8的信号，整流器控制器9控制发电机2，并控制发电机2及发动机1的转速。发动机转速跟随发电机转速指令值ωc_ref1，对于发电机转矩，输出对应于发电机转速指令值ωc_ref1的转矩值。若开始向发动机1进行燃料喷射，则发动机转速超过发电机转速指令值ωc_ref1并急速上升，若达到转速阈值ωe_th，则输出栅极断开信号GSTOP，在维持怠速转速ωe_idol的状态下自主地持续旋转。在进行该控制时，基于发电机转速指令值ωc_ref1和发电机旋转速度ω_c的差分信息的速度PI控制器20的作用会导致发电机转矩如图示那样，从某一定值起向零减少，而且会减小到产生再生转矩的负值，但是在超过转速阈值ωe_th之前会输出栅极断开信号GSTOP并停止发电机2的驱动，因此，能使产生再生转矩的部分的面积(图示的K1的部分)变得非常小。由此，在发动机起动时，使得几乎不存在发电机转矩和发动机转矩之间的相互干扰，因此发动机能平稳地起动并达到怠速转速ωe_idol。另外，由于能减小发电机转矩与发动机转矩之间的干扰，因此能平稳且可靠地执行发动机的起动。 [0039] (第二起动方法)图7是说明实施方式1的车辆控制装置的第二起动方法的图。在该图7所示的第二起动方法中，对发电机转速指令值设有多级，每隔时间间隔T就缓缓上升。具体而言，在图7的例子中，在将发电机转速指令值设定为ωc_ref1之后，时间间隔T1之后，使发电机转速指令值上升到ωc_ref2，在发电机转速指令值为ωc_ref2时，输出燃料喷射指令FON。利用该控制，例如在寒冷时，即使在发动机1的润滑状态较差、在发电机转速指令值ωc_ref1下无法起动发动机1的情况下，也能使发电机转速指令值上升到ωc_ref2来开始起动发动机1。即，即使在发动机1侧的起动特性依赖于环境温度发生变化的情况下，也具有增加起动的可靠性的效果。 [0040] (第三起动方法)图8是说明实施方式1的车辆控制装置的第三起动方法的图。该图8所示的第三起动方法中，在发电机2的转速控制中设定期间上限值Tmax。具体而言，在图8的例子中，在虽然超过期间上限值Tmax但发动机的燃料喷射指令FON仍未确立且发动机转速尚未上升到怠速转速ωe_idol时，为了断开发电机2的通电而输出栅极断开信号GSTOP。利用该控制，能判定发动机1的故障及问题，能脱离异常的旋转状态来保护发动机1。 [0041] (第四起动方法)图9是说明实施方式1的车辆控制装置的第四起动方法的图。在该第四起动方法中，在进行发电机2的转速控制的情况下，将设置于整流器控制器9的下限转矩限制器19(参照图5)的限制值如图9的时间轴上的双点划线所示那样设定为零，以抑制再生动作。利用该控制，由于发电机转矩不会低于零，因而不会产生阴影所示的K2的面积的再生转矩而能起动发动机1，因此能防止发动机熄火(所谓的停车)，并且能平稳且可靠地转换到发动机 1的怠速状态。 [0042] 如上述说明的那样，根据实施方式1所涉及的车辆控制装置及铁路用混合动力车辆的控制方法，将强制性进行断开发电机的通电的控制时的转速阈值设定于发出燃料喷射开始指令时的发动机转速指令值与发动机怠速转速之间，从而能在发动机转速到达怠速转速之前就将发电机的通电控制为断开，因此，能平稳且可靠地起动使用发电机的发动机。 [0043] 另外，根据实施方式1的车辆控制装置及铁路用混合动力车辆的控制方法，将发电机转速指令值设置为多级，并且每隔规定的时间间隔来从小到大地依次选择设置为多级的发电机转速指令值，以使发动机转速缓缓上升，因此，即使在发动机1侧的起动特性依赖于环境温度发生变化的情况下，也能增大起动的可靠性。 [0044] 另外，根据实施方式1所涉及的车辆控制装置及铁路用混合动力车辆的控制方法，设置规定的期间上限值，在虽然超过该期间的上限值但尚未确立发动机的燃料喷射且发动机转速尚未上升到怠速维持转速的情况下，将发电机的通电控制为断开，因此，能判定发动机的故障和问题，能脱离异常旋转状态并保护发动机。 [0045] 另外，根据实施方式1所涉及的车辆控制装置及铁路用混合动力车辆的控制方法，在整流器控制器的输入侧设置下限转矩限制器，抑制发动机起动时的再生动作，因此能防止发动机熄火，并且能平稳且可靠地转换到发动机1的怠速状态。 [0046] 实施方式2.图10是说明实施方式2所涉及的起动方法(第五起动方法)的图。若比较该第五起动方法与实施方式1所涉及的第四起动方法，则不同点在于，从系统控制器8向整流器3传输栅极断开信号GSTOP的定时不同。设置于整流器控制器9的电压控制器18(参照图5)使用图1的电流传感器11所检测出的各相电流Iu、Iv、Iw中的至少两个，生成控制整流器3的栅极信号GP。将电压控制器18所执行的控制称为矢量控制，但是在进行该矢量控制时，识别出矢量分电流It。因此，能根据转矩分电流It的符号来判断动力运行/再生。此外，该功能如图3所示那样，由设置于系统控制器8的再生转矩判定部17执行。再生转矩判定部17根据转矩分电流It的符号来判断动力运行/再生，在发电机矢量切换到再生矢量的时刻生成栅极断开信号GSTOP并输出到整流器3，断开对发电机2的通电。利用该控制，能不产生阴影所示的K3的面积的再生转矩就起动发动机1，因此能防止发动机熄火(所谓的停车)，并且能平稳且可靠地转换到发动机1的怠速状态。 [0047] 实施方式3.图11是说明实施方式3所涉及的起动方法(第六起动方法)的图。若比较第六起动方法与实施方式2所涉及的第五起动方法，其不同之处在于检测再生转矩的检测单元。具体进行说明，在实施方式3中，在连接发动机1和发电机2的转轴上设置转矩检测器21，从该转矩检测器21检测发电机轴线转矩Tck的值。该发电机轴线转矩Tck传送到系统控制器8的再生转矩判定部17，由再生转矩判定部17对有无再生动作进行判定。此外，之后的动作与上述实施方式2相同，因此省略详细说明。 [0048] 根据该第六起动方法，在使用发电机2来控制发动机1的起动时，基于转矩检测器21所检测出的发电机轴线转矩Tck来判定发电机2中有无再生动作，在产生了再生动作的情况下，生成栅极断开信号GSTOP并输出到整流器3，将对发电机2的通电控制为断开，因此，能防止发动机熄火，并且能平稳且可靠地转换到发动机1的怠速状态。 [0049] 另外，以上的实施方式1、2所示的结构是本发明结构的一个示例，也可以与其他已知的技术进行组合，在不脱离本发明要点的范围内，当然也可以省略一部分等、或进行变更来构成。工业上的实用性 [0050] 如上所述，本发明作为能够平稳且可靠地起动使用发电机的发动机的车辆控制装置及铁路用混合动力车辆的控制方法是有用的。标号说明 [0051] 1 发动机2 发电机 3 整流器 4 负载装置 5 电池 6 驾驶室 7 发动机控制器 8 系统控制部 9 整流器控制器 10 旋转速度检测器 11 电流传感器 12 起动判定部 13 发电机转速指令值MAP 14～16 比较器 17 再生矢量判定部 18 电压控制器 19 下限转矩限制器 20 速度PI控制器 21 转矩检测器 |
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