插电式混合动力车辆系统及其电子装置的控制方法
阅读：215发布：2021-06-03
专利汇可以提供插电式混合动力车辆系统及其电子装置的控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种插电式 混合动 力 系统 ，包括保护 蓄 电池 寿命的快速 能量 存储装置，其中混合动力传动系的能量存储元件可利用外部供电以及来自 发动机 或 再生 制动 的能量进行充电。 电子 开关 、被动式电子装置、 外壳 、 控制器 电路 和/或控制 算法 用于管理在 燃料 动力发动机、 蓄电池 、快速能量存储系统、牵引 电动机 、充电器、辅助系统、配电系统和/或传动系之间的动力流动。，下面是插电式混合动力车辆系统及其电子装置的控制方法专利的具体信息内容。
1.一种用于为插电式混合动力电动车辆提供动力的系统，所述车辆包括具有内燃式发动机的车辆传动系和连接在所述传动系上的一个或多个电动发电机，其中，所述一个或多个电动发电机为所述传动系提供动力，以推进所述车辆或起动所述发动机，或吸收动力以对一个或多个能量存储装置进行再生性充电；所述系统包括第一电能存储装置；第二电能存储装置；和电力电子装置；
其中，所述第一电能存储装置是电池，其将电能传送至用于牵引动力的所述传动系或起动所述发动机，或者吸收来自所述传动系的电能；
其中，所述第二电能存储装置是飞轮、电容器或电池；并且所述第二电能存储装置只根据需要吸收或传送电流以保护所述第一电能存储装置而避免电流高于所述第一电能存储装置的损坏阀值；而
其中，所述电力电子装置包括带多个相位引脚的多相功率转换器，其中各相位引脚包括带二极管的两个电子开关；各相位引脚的两端都连接在直流母线上；各相位引脚的中心连接在另一电气装置上；在所述直流母线上跨接有一个或多个电容器；所述多个相位引脚的第一相位引脚用作所述第二电能存储装置用的直流-直流转换器；而来自所述功率转换器的一组或多组三相引脚起一个或多个三相电动机驱动的作用。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统配置成，所述第一电能存储装置直接连接在所述直流母线上。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统配置成，所述第二电能存储装置是通过所述直流-直流转换器而连接在所述直流母线上的电容器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统配置成，所述第二电能存储装置是通过所述直流-直流转换器而连接在所述直流母线上的电池。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统配置成，所述多个相位引脚用作充电器，该充电器为所述第一电能存储装置和所述第二电能存储装置中的任一个或这两者所用。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统配置成，所述直流-直流转换器使用所连接的电动机和变压器的电感，以使电流纹波平滑化。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统配置有连接在所述传动系上的单个电动机。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统配置为带有两个或更多个电动发电机的串联混合动力系统。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统配置有分开的前后驱动，其中，所述前后驱动并不机械地相连接。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统配置有发动机提供动力的前轮驱动和电动发电机提供动力的后轮驱动。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统配置有直流输出端口，其为车辆设备和子系统提供动力。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统配置有交流充电端口和有源整流器，其为直流母线提供充电功率。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统配置有用于所述第一电能存储装置的单独的电池充电器。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括由微处理器或数字信号处理器托管的控制算法。
15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统配置成，其中所述直流-直流转换器是单相引脚。
16.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统配置有作为产生交流电压的有源整流器而连接的相位引脚，所述交流电压被转变成较低或较高的电压，并被整流成直流。
17.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二电能存储装置直接连接在所述直流母线上。
18.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二电能存储装置是超级电容器。
19.一种控制插电式混合动力电动车辆的电力电子装置的方法，所述车辆包括具有内燃式发动机的车辆传动系和连接在所述传动系上的一个或多个电动发电机，其中，所述一个或多个电动发电机为所述传动系提供动力，以推进所述车辆或起动所述发动机，或吸收动力以对一个或多个能量存储装置进行再生性充电；所述方法包括：
使用包括电池的第一电能存储装置，以将电能传送至所述传动系用作牵引动力或起动所述发动机，并且吸收来自所述传动系的电能；
使用包括飞轮、电容器或电池的第二电能存储装置，只根据需要吸收或传送电流以保护所述第一电能存储装置而避免电流高于所述第一电能存储装置的损坏阀值；且使用控制算法，其接受所述第一电能存储装置的荷电状态、所述第二电能存储装置的荷电状态、以及牵引能量要求值作为输入；其中，所述控制算法引导电能流，以满足所述牵引能量要求值、防止对所述第一电能存储装置造成损坏、且防止对所述第二电能存储装置造成损坏、并最大限度地减少所述发动机消耗的燃料。
20.根据权利要求19所述的控制方法，其特征在于，再生制动能量被所述第一电能存储装置吸收。
21.根据权利要求19所述的控制方法，其特征在于，再生制动能量被所述第二电能存储装置吸收。
22.根据权利要求19所述的控制方法，其特征在于，再生制动能量通过激励电动发电机而吸收，以将扭矩施加于所述发动机。
23.根据权利要求19所述的控制方法，其特征在于，再生制动能量通过所述第一电能存储装置、所述第二电能存储装置、以及通过激励电动发电机等的任意组合而吸收，以将扭矩施加于所述发动机。
24.根据权利要求19所述的控制方法，其特征在于，牵引能量只由所述第一电能存储装置来提供。
25.根据权利要求19所述的控制方法，其特征在于，牵引能量只由所述第二电能存储装置来提供。
26.根据权利要求19所述的控制方法，其特征在于，牵引能量只由所述发动机来提供。
27.根据权利要求19所述的控制方法，其特征在于，牵引能量通过所述第一电能存储装置、所述第二电能存储装置、以及通过激励电动发电机等的任意组合而提供，以将扭矩施加于所述发动机。
28.根据权利要求19所述的控制方法，其特征在于，能量在所述第一电能存储装置和第二电能存储装置之间进行传递。
29.根据权利要求19所述的控制方法，其特征在于，所述电动发电机和所述第一电能存储装置及所述第二电能存储装置利用电流模式控制进行操作。
30.根据权利要求19所述的控制方法，其特征在于，所述第一电能存储装置直接连接在直流母线上，而用于所述第一电能存储装置的电流通过调节所述直流母线的电压来控制。
31.根据权利要求19所述的控制方法，其特征在于，母线电压通过控制所述电动发电机和所述第一电能存储装置及所述第二电能存储装置的源电流或吸收电流来调节。
32.根据权利要求19所述的控制方法，其特征在于，用于所述第一电能存储装置的放电电流范围和充电电流范围是可变的，且由基于荷电状态、温度、充电记录和用户输入的算法来确定。
33.根据权利要求19所述的控制方法，其特征在于，用于所述第二电能存储装置的放电电流范围和充电电流范围是可变的，且由基于荷电状态、温度、充电记录和用户输入的算法来确定。
34.根据权利要求19所述的控制方法，其特征在于，所述第二电能存储装置包括超级电容器。
插电式混合动力车辆系统及其电子装置的控制方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求享有于2005年9月23日提交的题名为“PowerConverter and Controller for Plug-in Hybrid Propulsion with Fast EnergyStorage( 用 于 带快速能量存储装置的插电式混合动力推进装置的功率转换器和控制器)”的临时申请No.US60/596,443；以及于2005年10月28日提交的题名为“Method and Control for Plug-In HybridPropulsion with Fast Energy Storage(用于带快速能量存储装置的插电式混合动力推进装置的方法和控制装置)”的临时申请No.US60/596,909的优选权。 发明领域
[0003] 本发明涉及用于汽车、卡车和公共汽车的插电式混合动力推进系统(plug-in hybrid propulsion system)，其中混合动力传动系(drivetrain)的能量存储元件可利用外部提供的电力以及来自发动机的或再生制动的能量进行充电。
[0004] 相关技术
[0005] 市场上通常可找到的现有产品包括传统的混合动力车辆，例如丰田Prius、本田Insight和福特Escape混合动力车。与本发明更紧密关联的是原型戴姆勒-克莱斯勒Sprinter插电式混合动力大篷车。
[0006] 现有的传统混合动力车辆的主要问题是由于有限的全电动行驶里程而不能实现传统的混合动力的全部潜能。这个问题通过增加车辆的能量存储容量来解决，以考虑更大的全电动行驶里程。这种能量存储系统可从外部电源进行充电，以补偿和减少燃料消耗。这类动力系 统被称为插电式混合动力。
[0007] 现有的插电式混合动力车辆的主要问题是蓄电池的成本和有限的蓄电池寿命。虽然传统的适用于车辆的混合动力使用大约1kWh容量的能量存储装置，但是插电式混合动力车辆需要超过5kWh的能量存储装置。插电式混合动力蓄电池系统必须进行深度循环，以便在合理的物理重量和体积内获得有用的全电动行驶里程。深度循环减少了蓄电池寿命。插电式混合动力蓄电池比传统的混合动力车辆中的蓄电池大得多，并相应地更为昂贵。因此，与插电式混合动力相关联的成本劣势比传统的混合动力更为严重。用于混合动力车辆的蓄电池的一个额外问题是，有效能量存储的最大化需要限制诸如温度等蓄电池的环境条件。为了达到可容忍的耐用性，需要调节蓄电池的环境。
发明概要
发明概要
[0008] 本发明涉及一种混合动力电动车辆动力总成(hybrid electricvehicle powertrain)，其包括内燃式发动机；连接在发动机上，并用于起动发动机或为第二电动发电机供电的第一电动发电机；为车轮提供牵引动力的第二电动发电机，第一电能存储装置，第二电能存储装置，电力电子系统，控制系统和充电系统。
[0009] 就广义而言，一种插电式混合动力系统包括电池、发动机、变速器、电力电子装置和控制器。更具体地说，这里公开的插电式混合动力还包括快速能量存储装置，其可以是飞轮，电容器或某种大功率蓄电池。快速能量存储装置执行许多功能，包括短时间的频繁的高强度的充电和放电功能，以保存蓄电池，使得蓄电池可在仅电动模式下提供用于驱动的平均功率。插电式混合动力传动系的一个目的是为普通使用的客车产生至少200,000英里的耐用性。插电式混合动力的一个优势是减少蓄电池的充放电循环的数量并相应地提高蓄电池的寿命。
[0010] 本发明的设备是一种用于带有蓄电池和快速能量存储系统的插电式混合动力系统的功率转换器(power converter)和控制器。这种功率 转换器和控制器包括(至少包含)电动机驱动、直流-直流转换器、12V或42V直流电源、以及可具有双向功率操控能力的充电电路。这些系统元件利用连接在直流母线上的无源构件和电子开关建造而成。 [0011] 功率转换器和控制器还包括基于数字信号处理器或微处理器的控制器电子装置和相关的电子硬件，例如门驱动电子装置和用于传感器输入的信号调节装置。控制器执行算法，以管理车辆的性能和子系统的状态。
[0012] 功率转换器管理所连接的装置之间的功率流，所连接的装置包括电动机/发电机、蓄电池、快速能量存储装置例如飞轮和电容器、优选具备V2G能力的充电系统、以及为车中其它系统供电的电源。
[0013] 以下三种装置的其中一个装置可用于快速能量存储装置。飞轮设备包括转子、电动发电机、轴承、外壳、功率转换器和控制器、以及辅助的子系统。超级电容器组包括静电能量存储构件的串并联电路。还可使用高放电率的蓄电池，但飞轮和超级电容器是优选的。 [0014] 在使用中，本发明的一个优选实施例将所有的开关，构件和控制器放置在单个外壳中。直流母线完全定位在外壳中，并使用单母线电容器。实际上，在单个紧凑的组件中将建立若干个功率转换器和电动机驱动。
[0015] 本发明的一个备选实施例将使用两个外壳，其中主功率操控构件定位在较大的外壳中，而较小的外壳将用于控制器电子装置。
[0016] 控制器可使用一个或多个数字式信号处理器或微处理器，以托管(host)并执行控制算法。
[0017] 本发明的一个优势是合成组件同离散的驱动单元相比是非常紧凑且廉价的。昂贵的且占空间的互连部件得以省去。
[0020] 本发明的又一个优势是单个控制器可执行n相驱动，其中相位数 量n可超过18。 [0021] 本发明可实现电化学的、静电的和电动力的存储技术的集成。这种设备和其功能应用于广泛的车辆范围以及分布式能量系统中。
[0022] 从附图和随后对本发明的优选实施例的细节描述中将明晰本发明的更多方面。本领域中的技术人员将认识到本发明的其它实施例也是可行的，而且可在许多方面修改本发明的细节，所有这些都没有脱离本发明的概念。因而，以下附图和细节描述在本质上将被认为是说明性的而非限制性的。
[0023] 本发明的方法是一种在带有蓄电池和快速能量存储系统的插电式混合动力车辆中控制能量流的方法。该方法应用于混合动力车辆，其使用不止一种能量存储装置。 [0024] 相关的混合动力配置包括驱动发电机以产生电力的发动机、一个或多个牵引电动机、蓄电池以及快速能量存储装置例如电容器或飞轮。还可能存在各种辅助负载。功率转换器管理在电源(一个或多个)、负载和能量存储装置之间的电能流动。功率转换器包括连接在发电机和牵引电动机上的H桥电动机驱动，以及连接在快速能量存储系统和蓄电池上的直流-直流转换器。所有功率转换器都通过公共直流母线来交换能量。 [0025] 这里公开了若干条控制策略的宗旨。
[0026] *提供牵引电动机(一个或多个)以及其它负载所需要的电流。
[0027] *吸收牵引电动机(一个或多个)在再生制动期间所产生的能量。 [0028] *保护蓄电池使其免于过大电流。
[0029] *保护蓄电池使其免于在过高或过低的荷电状态下操作。
[0030] *最大限度地减少发动机的运转。
[0031] *当其运行时，使用有效的发动机运转。
[0032] *利用有效的发动机操作对蓄电池进行再充电。
[0033] 车辆将具有许多种状态。若干种停车状态包括关、由电网充电、以及附件开时的停车状态。两种主要的操作状态是电动车辆(EV)模式 下的操作和充电模式(CM)下的操作，在充电期间，发动机除了提供牵引动力之外，还用于提高蓄电池的荷电状态，或用提高蓄电池的荷电状态来代替提供牵引动力。本发明的一个方面是车辆用于确定何时在EV状态和CM状态之间进行转换的控制策略。本发明是一种控制方法，其主要应用于EV和CM状态下的操作以及在这些状态之间的转换。
[0034] 牵引电动机和辅助负载从直流母线中吸取电流或将电流沉积到直流母线中。对发动机，蓄电池和快速能量存储系统进行操作，以便在满足各种需求的同时根据要求而提供或吸收这种能量。本文公开了两种控制方法。第一控制方法包括调节直流母线的电压。第二控制方法包括调节来自若干个装置和子系统的电流。
[0035] 一种执行第一控制方法的方式是结合蓄电池使用功率转换器，使得当电流要求下降到蓄电池可容许的范围内时，蓄电池保持母线电压。当超过蓄电池放电电流的极限时，电压将下降，并且快速能量存储系统将调节母线电压。相反，当超过蓄电池充电电流极限时，母线电压将升高，并且快速能量存储系统将吸收能量，以便调节母线电压。 [0036] 在放电期间，如果电流要求超过蓄电池和快速能量存储系统的组合能力，或者如果快速能量存储系统被耗尽时，那么母线电压将进一步下降。在这种情况下，将起动发动机，以便为直流母线提供来自发电机的电力。在再生性充电期间，例如在长下坡期间，如果沉积的电流超过蓄电池和快速能量存储系统的组合容量时，或者如果蓄电池和快速能量存储系统变成充满电时，那么额外的再生性能量可被引向发动机，在这里将通过发动机制动而将其吸收。
[0037] 从附图和随后对本发明的优选实施例的细节描述中将明晰本发明的更多方面。本领域中的技术人员将认识到本发明的其它实施例也是可行的，而且可在许多方面修改本发明的细节，所有这些都没有脱离本发明的概念。因而，以下附图和细节描述在本质上将被认为是说明性的而非限制性的。
[0038] 附图简述
[0039] 通过参照附图将更好地理解本发明的特征，附图显示了目前优选的本发明的实施例。图中：
[0040] 图1是插电式混合动力系统图。
[0041] 图2是电子开关组件图。
[0042] 图3是用于一种系统的功率转换器和控制器以及附加装置的示意图，该系统使用三个电动机/发电机和电容器快速能量存储系统。
[0043] 图4是用于一种系统的功率转换器和控制器以及附加装置的示意图，该系统使用三个电动机/发电机和飞轮快速能量存储系统。
[0044] 图5是用于一种系统的功率转换器和控制器的示意图，该系统使用三个电动机/发电机和电容器快速能量存储系统，其显示了电子装置和附加装置的功能分组。 [0045] 图6显示了子系统示意图：其显示了由子系统组织的传动系和电力电子装置的元件。
[0046] 图7显示了蓄电池操作空间：其显示了依据荷电状态可容许的蓄电池电流的示意图。
[0047] 图8显示了车辆状态：其是若干可能的车辆状态的简图，其显示了状态之间的可能的转换。
[0048] 图9显示了用于状态转换的逻辑图：其显示了用于确定在两个主要驱动状态之间转换的逻辑。
[0049] 图10显示了电压范围：其显示了用于确定控制方法类型1的操作模式的电压范围的图表。
[0050] 图11显示了电流范围：其显示了用于确定控制方法类型2的操作模式的电流范围的图表。
[0051] 以下标号用于指示图中本发明的部件和环境：
[0052] 在图1中：
[0053] 1第一电动机/发电机(MG1)
[0054] 2第二电动机/发电机(MG2)
[0055] 3发动机
[0056] 4前差速器
[0057] 5前轴或分轴
[0058] 6前轮
[0059] 7功率转换器和控制器
[0060] 8蓄电池
[0062] 10后电动机/发电机(MGR)
[0063] 11后差速器
[0064] 12后轴或分轴
[0065] 13后轮
[0066] 14充电器
[0067] 另外，在图2中：
[0069] 16绝缘栅双极型晶体管(IGBT)
[0070] 17开关模块
[0072] 另外，在图3中：
[0073] 18直流母线
[0074] 19公共直流母线
[0075] 20直流母线电容器
[0076] 21感应器
[0077] 22变压器
[0078] 23交流链节
[0079] 24充电器输入/输出
[0080] 25直流电源
[0081] 28控制器
[0082] 另外，在图4中：
[0083] 26飞轮快速能量存储装置
[0084] 本公开的详细描述
[0085] 参看图1-11，其公开了本发明的一个优选实施例。功率转换器和控制器7处理、调节和引导功率在所有连接的装置之间流动。这些装置包括电动机、发电机、多个能量存储装置、充电器和辅助系统。功率转换器和控制器7提供或吸收一定电压范围和功率水平内的直流电、单相交流电和多相交流电。
[0086] 图1显示了一种带前轮和后轮驱动的串联混合动力系统。本说明书是举例说明性的而非限制性的。这里公开的方法可应用于并联式以及功率分流式混合动力。原动力由发动机3产生，其驱动第一电动发电机1。蓄电池8和快速能量存储系统9以电形式存储能量。所有这些装置都连接在电力电子和控制模块7上，其将电力传送至前牵引电动机、MG22、和后牵引电动机MGR10。
[0087] 在优选的实施例中，发动机3是以汽油供油的小型活塞式发动机3。或者，发动机3可以是以任何烃类燃料、例如柴油燃料或天然气或氢气供油的内燃机3。发动机3直接连接在第一电动机/发电机MG11上。MG1 1主要用作发电机，但还可用于起动发动机3。所有由MG11所产生或消耗的电功率都由功率转换器和控制器7进行处理。
[0088] 功率转换器和控制器7连接在蓄电池组8上。蓄电池8提供或吸收电能。功率转换器和控制器连接在快速能量存储系统9,26上，其也提供或吸收电能。蓄电池8提供用于推进车辆的能量。快速能量存储系统9,26也推进车辆，尤其在瞬变作用期间提供或吸收能量，包括起动，利用再生制动减速，加速作用例如通行，以及在发动机3的输出发生变化期间。功率转换器和控制器7协调能量流入和流出蓄电池8及快速能量存储装置9,26。 [0089] 牵引电动机MG2 2和MGR10分别为前后轮提供原动力。MG2 2 连接在前差速器4上，其通过前轴或分轴5而连接在前轮6上。MGR10连接在后差速器11上，其通过后轴或分轴12而连接在后轮13上。功率转换器和控制器7为MG2 2和MGR10提供电力以推进车辆。功率转换器和控制器7可将能量单独地或任意组合地引导至任一电动机。 [0090] 蓄电池8优选使用锂化学电池，但还可使用NiMH、NiCAD、或铅酸电池。快速能量存储系统9,26可包括飞轮或电容器。飞轮优选使用封装在真空室中的高速转子和集成的电子装置以驱动飞轮。或者，飞轮可以是任何包含转子且内建电动机/发电机的类型，从而可以电形式存储和回收能量。电容器可以是任何能够在10kW以上操作的类型。这可包括超级电容器(ultracapacitor)、超电容器(supercapacitor)和电解电容器。快速能量存储装置9,26可具有比蓄电池8的容量小得多的能量存储容量。
[0091] 图2，3和4公开了功率转换器和控制器7的细节。图2显示了用于开关17的命名术语，其包括二极管15和固态开关装置16。固态开关装置16优选是一种绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，但可使用其它开关装置。开关15通过来自控制器至门驱动器27的信号而被要求打开或关闭。
[0092] 图3和图4显示了控制器28，其发布命令给系统中的各个开关15。出于清晰起见，图中只显示了一些典型的连接。实际上，所有开关15都接收来自控制器28的输入。另外，控制器28可接收来自各开关15的信息，包括温度、状态(打开或关闭的)和故障情况(畅通、告警、故障)。
[0093] 各开关15响应于来自控制器28的命令而被切换至打开或关闭。切换被执行以激励构件或子系统或使之失活，用于换向、限幅或合成交流波形。附加装置的额定功率是变化的。相应的关联开关15的额定功率还可改变，以容许功率转换器和控制器7的整体尺寸、重量和成本的最小化。
[0094] 功率转换器和控制器7具有直流母线，其带有一个处于高电势下的汇流条18和处于普通电势下的第二汇流条19。H桥引脚包括两个串联的开关15，其中这对开关15将直流母线的汇流条18，19连接起来，并且开关之间的点还连接在所连接的交流装置的一个相位引脚上。
[0095] 直流母线电容器20单独地或同时用于若干个目的。母线电容器20主要提供电动机驱动和由逆变器引脚执行的升/降压功能所需要的动态能量存储。单个直流母线电容器20服务于功率转换器和控制器7中的所有的相位引脚。
[0096] 功率转换器和控制器7以交流形式提供或吸收来自电动机/发电机1，3，10，飞轮快速能量存储装置26，以及充电端口24的功率。功率转换器和控制器的H桥引脚可作为整流器，有源整流器，电动机驱动或交流逆变器进行操作，以便与这些装置对接。 [0097] H桥引脚还可用作斩波器，或执行任何其它由切换完成的功率处理，例如那些用于DC-DC转换的处理。这些结构用于蓄电池8和快速能量存储9的接口。
[0098] 电感是升/降压功能所需要的，并且用作电动机驱动电路的一部分。电动机具有不可忽略的电感，其可能足够用于这个目的。对于带较低固有电感的装置，例如蓄电池8或能量存储电容器9，电路中可能包含感应器21。
[0099] 对于电动机MG1 1，MG2 2，MGR10和飞轮26中的电动机/发电机，功率转换器和控制器7的部分用作双向的电动机驱动。三相驱动是典型的，但也可使用其它相位数量。图3和图4显示了3-相驱动结构。为了产生扭矩，可执行许多控制策略，包括脉宽调制(PWM)，空间矢量控制和简单的换向。
[0100] 升/降压转换器利用高频切换以造成电感上的动态响应而执行直流-直流的电压转换。电容器20使与转换器的频率切换相关联的瞬变作用平滑化。感应器21或固有电感，电容器20和开关15是执行升/ 降压功能所需要的。图3和图4显示了用于蓄电池8的升/降压电路。图3显示了用于快速能量电容器9的升/降压电路。在这些示例中，用于各升/降压级的两个开关15的使用容许感应器21和电容器20用于升/降压操作，而无须重新配置。
[0101] 升/降压转换器用于较高功率的附加装置的直流-直流转换。交流链节23和变压器22用于交流电压至充电器端口24的转换。内部交流链节23用于容许至较低电压的变换，从而单独的逆变器子配件可在直流供电端口25提供较低的电压输出(12V，42V)。 [0102] 图中显示的充电器端口24为单相系统，但也可使用3相系统。当车辆停止并连接在公用电网上时，充电器电路可将能量传送至直流母线18，19，以及从中传送至任意附加装置上。在V2G操作期间，来自蓄电池8、快速能源系统9,26或发动机3的能量可通过MG1 1而传送至电网。
[0103] 直流输出端口25通过小型有源整流器来激励，这种小型有源整流器工作在与来自主直流母线18，19的电压不同的电压下。这种有源整流器使用整个功率转换器和控制器7中所用类型的开关15，并与控制器28通信。图3和图4中所示的结构可在两个电压下提供低的直流功率，优选12V和42V。
[0104] 控制器28通过执行一组规则而指导功率转换器的操作。这些规则和车辆状态、驾驶员输入、操作条件、车辆性能、再生性制动、蓄电池8的保护、蓄电池8的延长寿命、管理的燃料消耗、针对蓄电池8和快速能量存储系统9,26的电量的管理状态、充电状态、V2G功能和附件负载等有关。控制器28将执行一组功能，其将响应于用于加速的驾驶员输入而为牵引电动机2,10提供动力。响应于用于减速的命令，例如惰行或制动，控制器28将使牵引电动机2,10作为发电机操作，以通过再生制动使车辆减速。
[0105] 牵引电动机分别通过前差速器4和后差速器11，以及前传动轴5和后传动轴12而驱动前轮6和后轮13。当停车时，可通过充电器端 口14传送外部供给的电力。 [0106] 图2代表显示了功率转换器和控制器7的细节的示意图。各开关17包括二极管和固态开关装置。固态开关装置优选是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，但也可使用其它开关装置。开关通过来自控制器的信号而被要求打开或关闭。
[0107] 控制器28发布命令给系统中的各开关17。出于清晰起见，图中只显示了一些典型的连接。实际上，所有开关17都接收来自控制器28的输入。另外，控制器28可接收来自各开关17的信息，包括温度，状态(打开或关闭的)和故障情况(畅通、告警、故障)。切换被执行以激励构件或子系统或使之失活，用于换向，限幅或合成交流波形。 [0108] 功率转换器和控制器7具有直流母线，其带有一个处于高电势下的汇流条18和处于普通电势下的第二汇流条19。H桥引脚包括两个串联的开关17，其中这对开关17将直流母线的汇流条18，19连接起来，并且开关之间的点还连接在所连接的交流装置的一个相位引脚上。
[0109] 直流母线电容器20单独地或同时用于若干个目的。母线电容器20主要提供电动机驱动和由逆变器引脚执行的升/降压功能所需要的动态能量存储。单个直流母线电容器20服务于功率转换器和控制器7中的所有的相位引脚。
[0110] 功率转换器和控制器7以交流形式提供或吸收来自电动机/发电机1，3，10、飞轮快速能量存储装置26、以及充电端口24的功率。功率转换器和控制器的H桥引脚可作为整流器、有源整流器、电动机驱动或交流逆变器进行操作，以便与这些装置对接。 [0111] H桥引脚还可用作斩波器，或执行任何其它由切换完成的功率处理，例如那些用于DC-DC转换的处理。这些结构用于蓄电池8和快速能量存储9的接口。
[0112] 电感是升/降压功能所需要的，并且用作电动机驱动电路的一部分。电动机具有不可忽略的电感，其可能足够用于这个目的。对于带 较低固有电感的装置，例如蓄电池8或能量存储电容器9，电路中可能包含感应器21。
[0113] 对于电动机MG1 1、MG2 2、MGR10和飞轮26中的电动机/发电机，功率转换器和控制器7的部分用作双向的电动机驱动。三相驱动是典型的，但也可使用其它相位数量。为了产生扭矩，可执行许多控制策略，包括脉宽调制(PWM)，空间矢量控制和简单的换向。 [0114] 升/降压转换器利用高频切换以造成电感上的动态响应而执行直流-直流的电压转换。电容器20使与转换器的频率切换相关联的瞬变作用平滑化。感应器21或固有电感，电容器20和开关17是执行升/降压功能所需要的。图3和图4显示了用于蓄电池8的升/降压电路。图3显示了用于快速能量电容器9的升/降压电路。在这些示例中，用于各升/降压级的两个开关17的使用容许感应器21和电容器20用于升/降压操作，而无须重新配置。
[0115] 升/降压转换器用于较高功率的附加装置的DC-DC转换。交流链节23和变压器22用于交流电压至充电器端口24的转换。内部交流链节23用于容许至较低电压的变换，从而单独的逆变器子配件可在直流供电端口25提供较低的电压输出(12V、42V)。 [0116] 图中显示的充电器端口24为单相系统，但也可使用3相系统。当车辆停止并连接在公用电网上时，充电器电路可将能量传送至直流母线18，19，以及从中传送至任一附加装置上。在V2G操作期间，来自蓄电池8，快速能源系统9或发动机3的能量可通过MG1 1而传送至电网。
[0117] 直流输出端口25通过小型有源整流器来激励，这种小型有源整流器工作在与来自主直流母线18，19的电压不同的电压下。这种有源整流器使用与控制器28通信的开关17。图2中所示的结构可在两个电压下提供低的直流功率，优选12V和42V。 [0118] 蓄电池8的荷电状态(SOC)将保持在控制器所建立的范围内，其将包括
80％-100％SOC范围内的电量上限和10％-50％SOC的电量下 限。当蓄电池8的SOC达到上限，导致充电的处理进程将停止或转换到快速能量存储装置9,26上。当蓄电池8的SOC达到下限时，导致蓄电池8放电的处理进行将停止，或者蓄电池8将进行再生充电，或者发动机8将用于对蓄电池8进行充电。
80％-100％SOC范围内的电量上限和10％-50％SOC的电量下 限。当蓄电池8的SOC达到上限，导致充电的处理进程将停止或转换到快速能量存储装置9,26上。当蓄电池8的SOC达到下限时，导致蓄电池8放电的处理进行将停止，或者蓄电池8将进行再生充电，或者发动机8将用于对蓄电池8进行充电。
[0119] 当蓄电池8充电或放电额度超过控制器28中设置的极限时，功率转换器和控制器7将提供或吸收来自快速能量存储系统9,26的能量。
[0120] 当快速能量存储系统9,26达到电量上限或下限时，控制器将引导能量流以使快速能量装置9,26的荷电状态恢复至预定的中间水平。这个处理过程将只在其不影响车辆性能或导致降低蓄电池8寿命的条件下执行。当发生电故障时，将根据故障的性质执行许多响应。可能的响应范围的示例包括断开，去激或隔离发生故障的连接装置，使控制器28不起作用，并且手动或自动复位并清除故障。许多其它控制策略将被执行，并且所有这种变体都处于本发明的精神和范围内。
[0121] 本发明的操作包括许多不同的驱动模式。
[0122] 在第一操作模式中，发动机3通过利用MG1 1所产生的电力而为车轮6,13提供原动力，所述电力通过功率转换器和控制器7进行处理，并传送至MG2 2和MGR10中的任一个或这两者。
[0123] 第二操作模式被称为EV(电动车辆)模式。在这种模式下，利用蓄电池8和快速能量存储装置9,26中的任一个或这两者来提供所有的原动力。来自这些装置的电能通过功率转换器和控制器7进行处理，并经由功率转换器和控制器7确定而传送至MG2 2和MGR10中的任一个或这两者组合。
[0124] 在第三操作模式中，通过发动机3以及蓄电池8和快速能量存储系统9,26中的任一个或这两者来提供原动力。在这个模式下，由这些装置中的任一个提供的电能通过功率转换器和控制器7进行处理，并经由功率转换器和控制器7确定而传送至MG2 2和MGR10中的任一个或这两者组合。
[0125] 在第四操作模式中，在利用再生制动减速期间，MG2 2和MGR10中的任一个或这两者通过用作发电机而提供作用力，以使车辆减速。在这些状态下所产生的能量通过功率转换器和控制器7进行处理，其可引导能量以存储在蓄电池8中，存储在快速能量存储系统9中，或传送至MG1 1以使得MG1 1可对发动机3施加扭矩，由此发动机3将执行发动机制动。功率转换器和控制器7可将能量单独地或以任意组合形式引导至任一元件上。 [0126] 在第五操作模式中，车辆停止并通过充电端口24而连接在外部交流电源上。外部电源可以是公用电网，但也可以是非电网电源，例如住宅式太阳能电力。图中显示了单相充电端口24。三相充电端口将是需要添加一个H桥相位引脚的简单扩展。在充电期间，与充电器端口24相关联的H桥引脚起到主动或被动式整流器的作用，其将功率传递给直流母线
18，19。这种能量主要用于对蓄电池8进行充电，但可供给任一连接的子系统。 [0127] 在第六操作模式中，当车辆停止并连接在公用电网上时，充电器电路可将能量从蓄电池8，快速能源系统9,26或发动机3通过MG11传送至电网，以执行V2G功能。 [0128] 快速能量存储装置9,26可容忍频繁的循环和大功率操作，而蓄电池8则不行。在第二至第四操作模式中，功率转换器和控制器7引导能量流，从而最大程度地减小蓄电池
8所经历的充电和放电作用的次数。另外，功率转换器和控制器7操作快速能量存储装置
9,26，以最大程度地减小蓄电池8的大功率操作的级数和程度。通过保护蓄电池8免于过量的循环和过大功率的操作，自然产生了若干好处。同使用不带快速能量存储装置9,26的蓄电池组8相比，组合式能量存储系统的耐用性得以提高。蓄电池8可在比没有受到快速能量存储装置9,26保护时所达到的放电深度更深的放电深度下进行操作。因而利用比没有受到快速能量存储装置9,26保护下的蓄电池小得多的蓄电池8可实现给定的全电动行驶里程。
18，19。这种能量主要用于对蓄电池8进行充电，但可供给任一连接的子系统。 [0127] 在第六操作模式中，当车辆停止并连接在公用电网上时，充电器电路可将能量从蓄电池8，快速能源系统9,26或发动机3通过MG11传送至电网，以执行V2G功能。 [0128] 快速能量存储装置9,26可容忍频繁的循环和大功率操作，而蓄电池8则不行。在第二至第四操作模式中，功率转换器和控制器7引导能量流，从而最大程度地减小蓄电池
8所经历的充电和放电作用的次数。另外，功率转换器和控制器7操作快速能量存储装置
9,26，以最大程度地减小蓄电池8的大功率操作的级数和程度。通过保护蓄电池8免于过量的循环和过大功率的操作，自然产生了若干好处。同使用不带快速能量存储装置9,26的蓄电池组8相比，组合式能量存储系统的耐用性得以提高。蓄电池8可在比没有受到快速能量存储装置9,26保护时所达到的放电深度更深的放电深度下进行操作。因而利用比没有受到快速能量存储装置9,26保护下的蓄电池小得多的蓄电池8可实现给定的全电动行驶里程。
[0129] 其中，组合使用五个限定模式功能的许多其它模式也是可行的。 [0130] 本领域中的技术人员将会想到本发明的许多变型。第一变型使用上面的串联混合动力配置，并使用燃料电池产生电力。燃料电池替代发动机3和第一电动机/发电机1。在这种变型中，快速能量存储装置9,26和蓄电池组8连接在功率转换器和控制器7上。功率转换器和控制器7引导功率在快速能量存储装置9,26、蓄电池8、以及电动机/发电机2和10之间流动。存储或使用电力的所有元件(3，7和8)都可提供或吸收电力。在这种变型中，快速能量存储装置9,26保护蓄电池7免于严厉或频繁的充电和放电作用。另外，在这种结构中，快速能量存储装置9,26通过提供用于加速的中间功率而保护燃料电池，其中燃料电池具有较差的节流响应，并可能由于这种作用而受到破坏。
[0131] 第二变型包含变速器。在这种变型中，变速器可包括行星齿轮和零个、一个或两个离合器。MG1 1和MG2 2都连接在变速器上，其容许并联的机械路径和电气路径，用于发动机至车轮的功率传递。这种设计可配置为一种并联式混合动力或功率分流(串并联)式混合动力。在这种变型中，功率转换器和控制器7执行与其原始配置中相同的功能。 [0132] 第三变型包含一种将动力从发动机3传送至车轮的变速器。在这种变型中，MG1 1直接连接在发动机3或变速器上，而不使用MG2 2，并且在功率转换器和控制器7中不包含相关联的电路部分。这是一种带单个电动机的并联式混合动力。可选地，在不改变这种变型的性质的条件下，可包含MGR10和其相关联的电子装置。在这种变型中，功率转换器和控制器7执行许多与其原始配置中相同的功能。
[0133] 第四变化是一种原始配置的两轮驱动方案，并且在功率转换器和控制器7中不使用MGR10和相关联的电路。或者在这种变型中，功率转换器和控制器7执行与其原始配置中相同的功能。
[0134] 所有这些变型都属于本发明的精神和范围内。
[0135] 图2中所显示的系统被组织成四个标为M、B、C和E的子系统。 子系统M包括所有由电气系统支撑的电气负载。这些包括牵引电动机2,10和用于辅助设备25例如灯光、空调等的直流电源。子系统B指蓄电池8和其相关联的电子装置。这些电子装置可包括直流-直流转换器、简单断开器、或者蓄电池可直接连接在直流母线上。
[0136] 子系统C指快速能量存储系统和其相关联的电子装置。图2显示了快速能量存储装置作为带直流-直流转换器的电容器或超电容器而实现的。或者，快速能量存储系统可以是一种飞轮装置，其通过电动机驱动而连接在直流母线上。
[0137] 子系统E指发动机3、第一电动发电机1和电动机驱动电子装置，其将电动机连接到直流母线上。
[0138] 图3以单线示意图显示了子系统E、B、C和M。各子系统提供或吸收直流母线的电流。子系统M主要要求从母线中获得电流，但还可在再生制动期间沉积电流至母线上。M-电流是通过车辆操作和性能要求建立的，并且是一个独立参数。本发明是一种控制方法，凭借该方法，子系统E、B和C可满足电流要求I(M)，同时使效率最大化，并保护蓄电池免于可能减少寿命或导致损坏的操作。
[0139] 用于电流的术语如下：
[0140] SOC指荷电状态；
[0141] I(E)是由发动机驱动的MG1的电流；
[0142] I(B)是蓄电池电流；
[0143] I(C)是用于快速能量存储系统的电流；
[0144] I(M)是用于负载的电流；
[0145] I(BL)，I(BU)，I(CL)，I(CU)是用于蓄电池和快速能量存储系统的上下电流设定值。
[0146] 相关符号约定：
[0147] 在充电期间I(B)，I(C)＞0，在放电期间I(B)，I(C)＜0；
[0148] 在发动机制动期间I(E)＞0，在发电期间I(E)＜0；
[0149] 当利用再生提供动力时I(M)＞0，当在负载下吸收功率时，I(M)＜0。 [0150] 蓄电池的操作空间
[0151] 蓄电池具有可容许的电流，其是荷电状态以及蓄电池在充电还是放电的函数。图7显示了可容许的蓄电池操作的示意图。蓄电池操作空间的示意图的许多其它变型也是可以执行的。可容许的操作范围的形状是说明性的，而非限制性的。这个示意图可作为查询表或其它算法来实现。一系列这种表都可被实现。当电流要求超过用于蓄电池的可容许的电流时，电流就受到限制。限制电流的方式依据电流要求如何超过容许电流而不同。 [0152] 参看图7，在放电期间，在SOC(min)以下的进一步放电是不容许的。在针对SOC＞SOC(min)的放电期间，电流受到限制，使得最大放电电流小于或等于在特定的SOC下可容许的最大电流。
[0153] 在充电期间，SOC(max)以上的充电是不容许的。在SOC＜SOC(max)的充电期间，电流受到限制，使得最大充电电流小于或等于可容许的最大充电电流。 [0154] 系统状态
[0155] 图8显示了系统将具有许多不同的状态。这里描绘了五个状态，但这不是限制性的，而且可实现许多其它的状态。这里公开的五个状态是：
[0156] Off-车辆停车，并且关闭所有系统。
[0157] V2G-(车辆至电网)车辆连接在电网上，用于充电或为电网提供服务。 [0158] Hotel-车辆停车但提供动力以操作辅助系统。
[0159] EV-(电动车辆)车辆作为电动车辆进行操作，发动机被关闭，不包括需要提供峰值功率的时候。
[0160] CM-(充电模式)车辆在接通发动机的条件下进行操作，以便对蓄电池进行充电。 [0161] 在Off、V2G和Hotel之间的状态转换通常手动利用驾驶员输入而实现。在EV和CM之间的转换是在车辆进行操作的同时自动实现的。除了这些状态和后续公开的各种控制模式以外，还实现了许多其它状态。
[0162] 这些其它状态和模式与系统和装置保护相关，并且包括对电气故障，低电压和过电压状态，以及过载电流状态的响应。
[0163] CM的意图是当蓄电池处于较低荷电状态时，使用发动机对蓄电池进行再充电。在EV和CM状态之间的转换是以最大程度地减小必须接通发动机次数的方式来进行的。这可通过利用蓄电池荷电状态的上下设定值来实现。图7分别指出了这些设定值S1和S2。当放电至下设定值时，发动机被接通，并对蓄电池充电直至达到上设定值。 [0164] 图9显示了用于管理状态EV和状态CM之间的转换的逻辑。在操作过程中，经常要评估这种状态转换逻辑。
[0165] 本发明实现了两个截然不同的控制策略类中的任一个。第一控制方法被指定为T1(类型1)，并使用直流-直流转换器或其它电子装置来直接控制蓄电池的电流。第二控制方法被指定为T2(类型2)，并且基于蓄电池连接在直流母线上，并可浮动的结构基础上。 [0166] 在任一情况下，电流I(M)是一个由驱动负载和附件负载建立的独立参数。能量管理系统供应来自蓄电池，快速能量存储系统和发动机的所要求的电流。 [0167] 控制方法类型1(T1)
[0168] 在一个优选的实施例中，EV状态下的操作使用等级式电压调节。图10显示了可用于执行这种方法的许多电压范围。对各种系统状态存在若干控制模式。具体的控制模式是基于系统状态和母线电压进行选择的。
[0169] 类型1控制，发动机状态：EV
[0170] T1-EV1(类型1电压调节，EV模式#1)：对于V(母线)＞VBUS＞V(BL)， 母线电压处于蓄电池电流的死区范围的上限和下限之间。在这种情况下，用于蓄电池和快速能量存储系统的转换器不进行操作，并且容许母线电压浮动。这种没有净载荷的情况可能发生在当轻微的再生制动补偿车辆附件负载并因而对功率没有有效需求的车辆操作期间。这种模式还将发生在加速和制动之间的转换期间。
[0171] T1-EV2：对于V(BL)＞VBUS＞V(CL)，母线上存在负载，导致母线电压下降，直至该电压等于或降低到V(BL)以下。在这种情况下，蓄电池的功率转换器从蓄电池中提取电流，并将电流沉积到直流母线上，以调节母线电压V(BL)。这种模式下的操作一直延续到要么电压返回至V(BU)＞VBUS＞V(BL)，或者超过图7中所示的可容许的蓄电池的操作时为止。在前种情况下，系统在EV模式1下进行操作。在后种情况下，蓄电池输出不足以使控制器调节母线电压至V(BL)，并且母线电压下降直至其达到V(CL)。
[0172] T1-EV3：对于V(CL)＞VBUS＞V(EL)，蓄电池输出不足以提供车辆所需要的能量，而快速能量存储系统调节母线电压。在这种情况下，要么断开蓄电池，或者在电流调节下为母线提供能量。用于快速能量系统的功率转换器以V(CL)值调节母线电压，直到出现两种状态的其中一个状态。(1)负载下降，蓄电池电流足以提供所需功率，并且系统返回至EV模式2。(2)快速能量存储系统被耗尽，并且母线电压下降到V(EL)以下。
[0173] T1-EV4：对于V(EL)＞VBUS，蓄电池和快速能量存储系统不能提供足够的电流，以保持母线电压在V(CL)或V(CL)以上。在这种情况下，接通发动机，从而MG1将提供峰值功率。
[0174] 发动机优选将进行操作，以优化热效率。峰值效率通常发生在当发动机于负载下进行操作，使得发动机扭矩超过全部扭矩的一半时。为了使发动机在负载下进行操作，在某些状态下，MG1将产生比提供峰值电流所需要的输出更大的输出。在这种作用下，可减小发动机输出，使得发动机只产生所需要的电流，或者可将系统状态从EV转换 至CM。 [0175] 如果I(B)+I(C)+I(E)之和不足以保持V(EL)，那么母线电压将下降，以降低传送至负载的功率。
[0176] T1-EV5：对于V(CU)＞VBUS＞V(BU)，通过例如再生制动而沉积在母线上的能量，其造成母线电压上升，使其达到或超过V(BU)。在这种情况下，蓄电池功率转换器从直流母线中提取功率，以将电压调节在V(BU)上。自母线提取的能量用于对蓄电池进行充电。这种模式下的操作一直延续到要么电压返回至V(BU)＞VBUS＞V(BL)，或者超过图7中所示的可容许的蓄电池的操作时为止。在前种情况下，系统在EV模式1下进行操作。在后种情况下，蓄电池充电不足以使控制器调节母线电压至V(BU)，蓄电池充电受到电流限制，并且母线电压上升直至其达到V(CU)。
[0177] T1-EV6：对于V(EU)＞VBUS＞V(CU)，根据图7中所示的蓄电池性能示意图而调节蓄电池充电接受能力。这种已调节的蓄电池充电接受能力不足以保持母线电压在V(CU)以下。用于快速能量系统的功率转换器以V(CU)值调节母线电压，直到出现两种状态的其中一个状态。(1)充电电流下降，蓄电池充电接受能力足以吸收所需功率，并且系统返回至EV模式5。(2)快速能量存储系统充满电，快速能量电流减小，并且母线电压提高到V(CU)以上而达到V(EU)。这导致了至EV模式7的转换。
[0178] T1-EV7：对于VBUS＞V(EU)，蓄电池和快速能量存储装置具有额定充电接受能力，其不足以防止V(B)提高到V(EU)以上。在这种模式下，MG1用作电动机，以便使用发动机进行发动机制动。MG1吸收来自直流母线的电流，以便将V(B)减小至V(EU)。 [0179] 类型1控制，发动机状态：CM
[0180] 在发动机状态CM中，发动机是接通的，并且MG1为直流母线提供电流。发动机优选以较高的效率进行操作。
[0181] T1-CM1(电压调节类型1，充电模式1)：T1-CM1类似于T1-EV1， 因为母线电压处于V(母线)＞VBUS＞V(BL)的死区中。在这种情况下，用于蓄电池和快速能量存储系统的转换器不进行操作，并且容许母线电压浮动。这种没有净负荷的情况可能发生在电流要求I(M)＝I(E)，结果不存在超过发动机所供功率范围的有效的功率需求的车辆操作期间。 [0182] T1-CM2：对于V(BL)＞VBUS＞V(CL)，母线上的电流需求超过自发动机可得到的电流，|I(M)|＞|I(E)|，导致母线电压下降，直至该电压等于或下降到V(BL)以下。在这种情况下，蓄电池的功率转换器从蓄电池中提取电流，并将电流沉积到直流母线上，以调节母线电压V(BL)。这种模式下的操作一直延续到要么电压返回至V(BU)＞VBUS＞V(BL)，或者超过图7中所示的可容许的蓄电池的操作时为止。在前种情况下，系统在CV模式1下进行操作。在后种情况下，蓄电池输出不足以使控制器调节母线电压至V(BL)，蓄电池在电流控制下提供动力，并且母线电压下降直至其达到V(CL)。
[0183] T1-CM3：对于V(CL)＞VBUS＞V(EL)，蓄电池和发动机的输出不足以提供车辆所需要的能量，并且快速能量存储系统调节母线电压。在这种情况下，要么断开蓄电池，或者在电流调节下为母线提供能量。用于快速能量系统的功率转换器以V(CL)值调节母线电压，直到出现两种状态的其中一个状态。(1)负载下降，蓄电池和发动机的电流足以提供所需功率，并且系统返回至CM模式2。(2)快速能量存储系统被耗尽，并且母线电压下降到V(EL)以下。
[0184] T1-CM4：对于V(EL)＞VBUS，发动机，蓄电池和快速能量存储系统不能提供足够的电流，以保持母线电压在V(CL)或V(CL)以上。在这种情况下，母线电压下降，以减少至负载的功率。
[0185] T1-CM5：对于V(CU)＞VBUS＞V(BU)，净赢余电流I(E)＞I(M)造成母线电压上升，使其达到或超过V(BU)。在这种情况下，蓄电池功率转换器从直流母线中提取功率，以将电压调节在V(BU)上。自母线提取的能量用于对蓄电池进行充电。模式T1-CM5是车辆在稳定适中的负载下进行操作的正常操作状态，例如高速公路驾驶。这种模式下的 操作一直延续到要么电压返回至V(BU)＞VBUS＞V(BL)，或者超过图7中所示的可容许的蓄电池的操作时为止。在前种情况下，系统在CV模式1下进行操作。在后种情况下，蓄电池充电不足以使控制器调节母线电压至V(BU)，并且母线电压上升直至其达到V(CU)。 [0186] T1-CM6：对于VBUS＝V(CU)，根据图7中所示的蓄电池性能示意图而调节蓄电池充电接受能力。这种调节的蓄电池充电接受能力不足以保持母线电压在V(CU)以下。用于快速能量系统的功率转换器以V(CU)值调节母线电压，直到出现两种状态的其中一个状态。(1)充电电流下降，蓄电池充电接受能力足以吸收所需功率，并且系统返回至CM模式5。(2)快速能量存储系统充满电，快速能量电流减小，并且母线电压提高到V(CL)以上。这导致了至CM模式7的转换。
[0187] T1-CM7：对于VBUS＞V(CU)，蓄电池和快速能量存储装置具有额定充电接受能力，其不足以防止V(B)提高到V(CU)以上。在这种模式下，MG1用作电动机，以便使用发动机进行发动机制动。MG1吸收来自直流母线的电流，以便将V(B)减小至V(CU)。 [0188] 控制方法类型2(T2)
[0189] 对于直接连接在直流母线上的蓄电池公开一种替代等级式电压调节的备选方法。在这种情况下，蓄电池电流是蓄电池的荷电状态，母线电压和蓄电池阻抗的函数。操作原理仍是系统将提供能源或吸收车辆所需要的能量，同时保持蓄电池处于限定的操作空间内(图7)。该方法不同于控制方法类型1，其在于模式是基于电流而非电压进行选择的。 [0190] 如之前所述，存在两种系统状态：EV和CM(图8)。如之前所述，在状态之间的转换主要由状态转换逻辑来管理(图9)。
[0191] 控制方法T2通过监测I(M)和I(B)来执行。快速能量电流I(C)和发动机产生的电流I(E)，都经过调节，以满足要求，并将I(B)保持在可容许的范围内。图11显示了用于确定控制模式分配的电流范围和 系统状态。用作设定值的电流值是I(BU)、I(BL)、I(CU)和I(CL)。这些值是动态的，并且是经常更新的。I(BU)和I(BL)经建立以保证蓄电池操作保持在如图7所限定的可容许的范围内。I(CU)和I(CL)依赖于快速能量系统的荷电状态。
[0192] 通常，I(BU)＞0，且I(BL)＜0。在操作极限下，用于I(BL)和I(CL)的可能的取值范围的示例包括但不局限于以下。当蓄电池被耗尽，且没有能力提供电流时，那么将I(BL)设于I(BL)＝0。当蓄电池充满电，且没有能力吸收功率时，那么I(BU)＝0。当快速能量存储装置被耗尽，且没有能力提供动力时，那么将I(CL)设于I(CL)＝I(BL)。当快速能量存储装置充满电，且没有充电接受能力时，I(CU)＝I(BU)。
[0193] 本发明的一个重要原理是I(BL)、I(BU)、I(CL)、I(CU)、I(M)和I(E)始终是已知的，并且这些电流值的信息与状态信息例如故障状态都足以实现I(C)、I(B)和I(E)的控制或足以进入保护模式。
[0194] 类型2控制，发动机状态：EV
[0195] T2-EV1：在这种模式下，发动机停止或空转，I(E)＝0，并且I(BU)＞I(M)＞I(BL)。至负载的电流完全由蓄电池提供，或者再生性地由负载产生的电流完全被蓄电池吸收。因此I(B)＝I(M)。这个模式是用于状态EV的缺省模式，并且容许持续——假定I(B)保持在由I(BU)＞I(B)＞I(BL)建立的可容许的蓄电池电流范围内时，其中I(BU)和I(BL)来源于图4。
[0196] T2-EV2：在这种模式下，发动机停止或空转，I(E)＝0，并且I(BL)＞I(M)＞I(CL)。在放电期间，电流达到由蓄电池电流示意图(图7)所建立的极限I(BL)。快速能量系统为直流母线提供电流，以保持蓄电池电流在可容许的范围内。随着状态的变化，如果I(BU)＞I(M)＞I(BL)，那么车辆返回至状态T2-EV1。如果快速能量存储系统被耗尽，或者如果I(M)＜0且|I(M|＞|I(BL)+I(CL)|，那么系统转换至模式T2-EV3。
[0197] T2-EV3：在T2-EV3中，发动机被接通，并且MG1将电流沉积 到直流母线上。由发动机沉积的电流可足以满足要求，同时产生足以对蓄电池和快速能量存储系统进行充电的过剩电流。系统保持在模式T2-EV3中，直至满足以下其中一个条件。在I(M)＜0且|I(M)|＞|I(E)+I(BL)+I(CL)|的情况下，系统将执行保护模式，并降低要求。如果状态变化使得I(BU)＞I(M)＞I(BL)，那么模式恢复至T2-EV1。如果状态变化使得I(BL)＞I(M)＞I(CL)，那么模式恢复至T2-EV1。在此模式的操作持续时间较为短暂的情况下，那么可容许发动机在空转或其它低功率输出模式下工作规定的时间量，以避免过量的发动机起停循环。
[0198] T2-EV4：在这种模式下，发动机停止或空转，I(E)＝0，并且I(CU)＞I(M)＞I(BU)。在再生制动期间，电流沉积在直流母线上，超过极限I(BU)。快速能量系统吸收过剩的电流。如果I(M)＞I(BU)+I(CU)，那么系统转换成T2-EV5。否则，T2-EV4持续至I(BU)＞I(M)＞I(BL)，此时车辆返回至状态T2-EV1。
[0199] T2-EV5：在这种模式下，发动机是接通的，并且用于发动机制动，I(E)≠0，并且I(M)＞I(BU)+I(CU)。发动机制动用于吸收过大电流。随着I(M)下降，系统将转换至T2-EV1或T2-EV4。如果I(M)＞I(E)+I(BL)+I(CL)，那么系统执行保护模式，并且减少沉积在直流母线上的电流。
[0200] 类型2控制，发动机状态：CM
[0201] 在发动机状态CM中，发动机是接通的，并且MG1为直流母线提供电流。 [0202] T2-CM1：发动机是接通的，并且将电流提供给直流母线，I(E)＜0。电流水平使得I(BU)＞[I(M)-I(E)]＞I(BL)。因为净电流处于可容许的蓄电池范围内，所以快速能量存储系统既不提供也不吸收功率，I(C)＝0。因此I(B)+I(E)＝I(M)。在0＞I(E)且|I(E)|＞|1(M)|的条件下，发生蓄电池充电。另外，可再生性地产生电流，使得I(M)和I(E)都贡献于蓄电池充电。这个模式用于状态CM的缺省模式，并且容许持续，假定I(B) 保持在由I(BU)＞[I(M)-I(E)]＞I(BL)给定的可容许的蓄电池电流范围内。
[0203] T2-CM2：发动机是接通的，并且为直流母线提供电流，I(E)＜0，并且系统在负载作用下，I(M)＜0。要求较高而I(BL)＞[I(M)-I(E)]＞I(CL)。在这种情况下，快速能量存储系统为直流母线提供电流。如果电流要求降低，并且I(BU)＞[I(M)-I(E)]＞I(BL)，那么系统转换至T2-EV1。如果电流要求超过组合式能量存储装置满足负载的能力，I(CL)＞[I(M)-I(E)]，那么系统进入保护模式，并降低要求。
[0204] T2-CM3：发动机是接通的，并且为直流母线提供电流，发动机电流和再生制动提供更多电流，超过蓄电池容量，从而I(CU)＞[I(M)-I(E)]＞I(BU)。快速能量存储系统提供超过I(BU)的电流。如果沉积的电流降低，并且I(BU)＞[I(M)-I(E)]＞I(BL)，那么系统转换至T2-CM1。如果供给母线的电流超过蓄电池和快速能量存储装置的容量，[I(M)-I(E)]＞I(CU)，那么系统转换至T2-CM4。
[0205] T2-CM4：在这种模式下，发动机是接通的，并且空转或用于发动机制动，[I(M)-I(E)]＞I(CU)，并且建立I(E)以通过发动机制动来吸收过量电流。如果I(M)下降，系统将转换至T2-CM3或T2-CM1。如果I(M)＞I(E)+I(BL)+I(CL)，那么系统执行保护模式，并且减少沉积在直流母线上的电流。
[0206] 前面章节公开和描述了被指定为类型1和类型2的控制方法。除了这些系统控制方法之外，还有其它用于快速能量存储装置和发动机的控制方法，其可用于类型1或类型2的系统控制。所有这些变型都属于本发明的精神和范围内。
[0207] 快速能量存储装置：SOC管理
[0208] 为了最大限度地减小最终车辆的成本和重量，只使用最少量的快速能量存储装置。快速能量存储系统将具有比蓄电池小得多的容量。为了最好地利用这种小容量，需执行一种管理快速能量存储装置的荷电状态的方法。
[0209] 对于该方法，在类型1和类型2控制使I(C)＝0的状态下，将应用小的充电或放电电流，以便在静止状态下将快速能量存储系统保持在目标SOC上。对于车辆，这个目标SOC应该足够高，使得该装置可存储足够用于大电流作用的能量，但也应足够低，以获得用于再生制动的充电接受能力。用于该目标SOC的典型值是充满电量的50％-80％，但精确值可能落在这个范围之外。
[0210] 当快速能量存储装置SOC高于这个目标值时，就执行涓流放电。当快速能量存储装置SOC低于这个目标值时，就执行涓流充电。在任一情况下，涓流电流被设为小的数值，以避免过量的循环或显著地干扰车辆系统控制器。这种快速能量SOC管理方法可应用于类型1和类型2控制方法中的某些模式，而没有改变操作原理。参照对类型1和类型2控制的细节描述，快速能量SOC的管理可应用于以下模式：T1-EV1、T1-EV2、T1-EV5、T1-CM1、T1-CM2、T1-CM5、T2-EV1、T2-EV3、T2-CM1和T2-CM4。
[0211] 发动机控制
[0212] 这里公开的控制方法主要与混合动力车辆的电力电子装置的操作相关。另外，控制方法规定了发动机的操作参数。根据控制类型，系统状态和控制模式，可命令发动机执行许多功能。这些命令包括但不局限于以下方面：
[0213] 停止：要求发动机停止。
[0214] 起动：命令发动机起动。如果MG1 1用于起动发动机3，那么必须执行发动机起动，使得蓄电池或快速能量存储装置中有足够的电量来执行这个功能，并且可从蓄电池或快速能量存储系统中获得足够的电流容量，以执行这个功能。如果使用单独的蓄电池和起动电动机，那么发动机起动必须定时，从而在与起动操作相关联的延迟之后，将在其中一种控制模式需要时获得发动机输出。
[0215] 峰值效率：虽然发动机可能工作在较宽的扭矩和速度范围内，但 是峰值效率是在更为狭窄的扭矩和范围内达到的。响应于以峰值效率进行操作的命令，节流阀调整和由MG11应用于发动机3的扭矩将进行调整，使得发动机3以峰值效率进行操作。或者，代替节流阀调整，可确立速度调节。
[0216] 空转：为了避免过量的发动机起停循环，可要求发动机以最小的速度进行操作，并且没有施加扭矩。
[0217] 负载跟踪：大多数操作模式使用能量存储系统来管理在负载和发动机输出功率之间的差异。在能量存储系统受损的情况下，发动机输出功率可遵循负载而变化。在这种模式下，插电式混合动力传动系起到与传统的带有MG1、MG2、MGR以及替代变速器的变速器功率转换器和控制器的车辆相似的功能。
[0218] 发动机制动：几种操作模式涉及直流母线上的充电电流超过蓄电池和快速能量存储系统的充电接受能力。在这些模式中，MG1 1用作电动机，其对发动机3施加扭矩。发动机在节流阀关闭、无火花或其它状态下进行操作，使得发动机对MG1施加制动转矩。 [0219] 所有这些变型都属于本发明的精神和范围内。
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