CN102781750B - 用于混合车辆原动机的角速度控制 - Google Patents

Abstract

混合车辆控制系统控制来自安装在车辆上的两个原动机中的一个原动机的输出，这种控制是参照第一和第二原动机的可获取的角加速度变化率来进行的。当请求进行角加速，并且具有较大的角加速能力的原动机在工作时，加速度限制于从能力较小的原动机可获取的程度。该系统的一种应用是提供特别是用于实现安装在车辆上的动力输出操作装置功能的、恒定不变的油门响应度。

Description

用于混合车辆原动机的角速度控制

背景技术

技术领域

技术领域总地涉及混合车辆，并更具体地涉及装备有至少两个原动机的车辆，并对原动机响应于对动力或角速度变化的请求提供控制，特别是当支持动力输出操作(PTO)时。

问题的描述：

混合车辆一般装有能够产生机械动力的至少两个原动机或系统。尽管可设想车辆可以装备有燃气轮机或蒸汽机，但一个原动机通常是诸如内燃机的热机。该发动机依赖于碳氢燃料的燃烧。第二原动机通常是双功能系统，该系统既能产生机械动力又能在制动时重新捕获车辆动能(再生制动)。重新捕获的能量能以化学、电气或机械形式来储存。电储存电池作为以化学形式来储存能量的示例。电容器储存电能。飞轮、弹簧和液压蓄能器作为用于储存机械能量的方法的示例。储存的能量能直接使用，或者较常用地能转化成能用于产生机械能的形式，来驱动车辆或支持诸如PTO的辅助车辆功能。在任一种情况下，减少车辆热机的使用，从而节约燃料消耗。

能反向驱动以发电的电力牵引马达是混合车辆中常见的第二原动机。在再生制动过程中反向驱动产生的电力可用于充电池，或者电力可储存在电容上。常用的原动机的替代类型是液压或气压泵，这些泵能反向驱动以在液压或气压蓄能器内建立压力。飞轮是原动机和储存装置的组合。

在使用第一和第二原动机的并联式混合车辆中，可以连接任一原动机来驱动动力输出操作装置(实现动力输出的装置)。然而，原动力的机械操作特征可能彼此不同。例如，在大多数操作速度下，空载的电动机将具有比柴油机循环内燃机更大的角加速能力。柴油发动机必须吸入空气，压缩空气，然后在气体膨胀时将加热气体混合物转化成机械能。这些过程发生的速度是受限的。尽管火花点燃式发动机一般比柴油机循环发动机略更快地响应于增大动力输出的请求，但它们受到相同的性质上的限制。燃气轮机一般比压缩式或火花点燃式发动机更慢地响应于增大动力输出的请求，这是因为废气涡轮在将更多空气传递到发动机的燃烧室之前需要加速。

与此相对，电力牵引马达以接近于光速传播的电流和场来进行操作。摩擦和惯性影响热机和电动机，但电动机会容易比柴油机循环内燃机快地增大电动机的角速度200至400％。电动机和燃气轮机之间的正加速度差值可能甚至比电动机与柴油机循环内燃机之间的差值更大。可以根据在动力请求增大之前它们的动力输出是什么或者对应的装置转动多快来变化百分比差值。

与此相对，任何活塞发动机可以比电动机或基于涡轮的发动机更快地响应于动力请求的下降。这是由于基于泵的活塞发动机的固有制动能力。一般来说，在空载状况下，电动机加速比内燃机快得多，但减速比内燃机慢。

用于原动机的角加速和减速的不同能力会影响PTO驱动设备的操作。液压运动控制设备、绞盘等可依赖于特定的角速度变化率以实施比例控制。示例用于说明这点。液压操作的天线塔或用于承载工人或材料的等效装置可构造成借助安装在操作者站的开关型装置来操作。这些用于增大或减小集成于PTO系统的液压泵的角速度。如果原动机具有不同的角加速度，则对于确定哪个原动机操作的给定开关选择来说，PTO系统会呈现不同的空载加速变化率。如果在从一个原动机转换到另一个原动机时进行操作，则差异会加大。

发明内容

不论两个原动机中的哪个正在供给机械动力都可实现用于并联式混合车辆上的动力输出操作装置的恒定不变的油门响应。系统控制来自安装在车辆上的两个原动机中的一个原动机的输出，这种控制是参照用于第一和第二原动机的可获取的角加速度(和可能的角减速度)变化率来进行的。当请求进行角加速并且具有较大的角加速能力的原动机在工作时，加速度限制于可从能力较小的原动机获取的程度。系统可应用于具有动力输出操作装置的车辆，以在动力输出操作装置工作时向使用者提供恒定不变的油门响应。为了使油门响应更平稳，油门输入可使用有限脉冲响应滤波器来滤波，以进一步调节明显的油门响应。为了实施此响应控制，有限脉冲响应滤波器具有可选的权重、时长和粒度。在系统空载的情况下，来自第一或第二原动机的减小目标输出的请求可以匹配于第一或第二原动机中选定的一个原动机的可获得的角加速度。

附图说明

图1是支持动力输出操作装置的混合电动车辆的侧视图。

图2是用于混合电动车辆的车辆传动系和车辆控制系统的高级示意图。

图3是用于混合电动车辆的车辆控制系统和动力输出操作装置的更详细的示意图。

图4是可从用于混合电动车辆的替代的原动机获得的可用加速度和减速度的比较图。

具体实施方式

在下述详细说明中，可以参照特定实施例来给出示例尺寸/模型/值/范围，但一般不认为它们是限制性的。

现在参见附图并具体参见图1，示出混合机动高空作业车1。混合机动高空作业车1用作支持PTO功能的中型车辆的示例。混合机动高空作业车1包括PTO负载，在此该PTO负载是安装于作业车底座12上的高空提升单元2。分布在混合机动高空作业车1周围的底盘输入可用于控制高空提升单元2和诸如用于PTO的外伸架或钻孔机之类的其它元件的展开和定位。操作者通常借助可建立控制位置的专用开关来特别地致动PTO。

高空提升单元2包括彼此枢转地互连的下悬臂3和上悬臂4。下悬臂3又安装成在作业车底座12上于支承件6和可转动支架7上转动。可转动支架7包括用于下悬臂3的一个端部的枢转安装件8。吊桶5固定于上悬臂4的自由端部，并在将吊桶提升至工作区域并在工作区域内支承吊桶的过程中支持工作人员。吊桶5可枢转地附连于悬臂4的自由端部，以总是保持水平定向。液压提升单元9通过将支架7上的枢转连接件10连接到下悬臂3上的枢转件13来在支架7和下悬臂3之间互连。液压提升单元9连接于合适液压流体的加压供给源，该加压供给源使得该组件能提升和下降。加压液压流体的主要源可以是由用于混合机动高空作业车1的两个原动机中的任一个提供动力的单独的泵。通常，内燃机和电力牵引马达用作原动机。下悬臂3的外端部连接于上悬臂4的下枢转端部。枢转件16使下悬臂3的外端部与上悬臂4的枢转端部互连。上悬臂补偿组件17连接在下悬臂3和上悬臂4之间，用以使上悬臂绕枢转件16运动，从而相对于下悬臂3定位上悬臂。上悬臂补偿组件17允许上悬臂4能相对于下悬臂3独立运动，并且在这两个悬臂之间提供补偿运动，以相对于下悬臂升起上悬臂。上悬臂补偿组件17通常供给有来自与液压提升单元9相同的供给源的加压液压流体。外伸架(未示出)可用于安装在作业车底座12的角部处。

参照图2，示出控制系统21的高级示意图，该控制系统提供对诸如可用于混合机动高空作业车1的车辆传动系20的控制。车身计算机类型的电气系统控制器(ESC)24作为系统管理装置来操作，并通过符合汽车工程协会(SAE)J1939标准的公共数据链路18链接于多个局部控制器，这些局部控制器又对于许多不由ESC24直接控制的车辆功能执行直接控制。如可推断地，ESC24通常直接连接于选定的输入(包括传感器27)和输出(诸如前大灯(未示出))。ESC24与仪表盘44连通，ESC从该仪表盘可获得指示前大灯开启/关闭的开关位置的信号，并向诸如仪表盘仪器(未示出)的其它物件提供开启/关闭信号。通过直接连接到ESC24的输入端口的传感器组件27来获知点火位置。关于致动动力输出操作装置(PTO)并改变配合成支持PTO的原动机的输出水平的信号可由多个源产生，这些源包括驾驶室开关总成56、远程开关总成52、远程微调油门54、驾驶室油门76或远程油门78。这些信号可直接或通过其中一个车辆数据链路通信到ESC24或发动机控制模块(ECM)46，这些数据链路诸如是用于开关总成56的符合SAEJ1708的数据链路64或者用于开关总成52(通过远程动力模块40)以及远程微调油门54(通过远程发动机速度控制模块19)的符合SAEJ1939的数据链路74。符合SAEJ1708的数据链路具有通常是约9.7K波特的低波特率数据连接，并通常用于开启/关闭的开关状态的传输。符合SAEJ1939的数据链路具有大得多的数据传输率，并通常用于控制器局域网络。

除了ESC24以外的5个局部控制器示出为连接于公共数据链路18。这些控制器包括发动机控制器46、传动装置控制器42、混合控制器48、仪表控制器58以及防抱死制动系统控制器(ABS)50。应理解的是，其它控制器可以与数据链路18连通地安装在车辆上。这些控制器控制各种车辆电力负载并且本身也是负载。这些附加控制器通过用于控制负载19的通用“负载”控制器17来表示。各种传感器可连接到若干负载控制器。数据链路18较佳地是符合SAEJ1939标准的、用于公共控制器局域网络(“CAN”)的总线，并且在当前的实践下支持以高达250K波特进行数据传输。

混合控制器48、传动装置控制器42和发动机控制器46协调传动系20的操作，以在发动机28和牵引马达32之间进行选择用于车辆的原动机(或者可以结合发动机和牵引马达的输出)。在车辆制动过程中，这些相同的控制器协作，以脱开以及可能包括关闭发动机28和处于发电模式的牵引马达32的操作，以重新捕获一些车辆动能。ESC24和ABS控制器50通过数据链路18提供用于这些操作的数据，包括制动踏板位置、关于打滑的数据、油门位置和诸如用于PTO22的其它动力请求。混合控制器还监测关于电池34的充电状态(SOC)的代表。

传动系20可以是并联混合柴油电动系统，其中，牵引马达/发电机32与发动机28通过自动离合器30串联连接，因而，发动机28、牵引马达32或两者组合能用作车辆的原动机。在并联混合电动车辆中，牵引马达/发电机32用于在减速过程中通过如下方式重新捕获车辆动能，即，通过利用驱动轮26来反向驱动牵引马达/发电机32，由此将车辆动能的一部分应用于发电。产生的电力从三相交流电通过混合逆变器36转换成直流电并作为直流电应用于牵引电池34。一些电流可以通过DC/DC逆变器62来转移，以维持12伏DC底盘电池60的充电量。换言之，系统起到在制动过程中重新捕获车辆惯性动量的作用，并将所捕获的能量作为用于后续使用的潜能来转化和储存，包括再次插入传动系20。在牵引马达/发电机32被反向驱动期间，发动机28通过打开自动离合器30来与传动系20中的其它部件脱开。

通过混合控制器48来探测并管理正和负牵引马达32耗电量之间的转换。在制动过程中，牵引马达/发电机32产生三相交流电，该交流电施加于逆变器36以转换成应用于牵引电池组电池34的直流电(DC)。当牵引马达32用作车辆原动机时，动力流反向。电池34通常是锂离子电池组。

质量大的车辆往往从混合动力的转换作用中获得比小汽车低得多收益。因此，从牵引电池34获得的电力经常用于通过以下方式来驱动诸如PTO装置22(可以是液压泵)的其它车辆系统，即，通过将电力供给到牵引马达32，该牵引马达又提供用于操作PTO装置22的运动力或机械动力。此外，牵引马达/发电机32可用于启动发动机28。

各种局部控制器可编程为响应于从ESC24传递到数据链路18的数据。混合控制器48基于可获得的电池充电状态来确定对动力的请求。混合控制器48与ESC24产生合适的信号来施加于数据链路18，用以指示发动机控制器46将发动机28开启和关闭，如果开启发动机的话，则指示以多大的动力输出来操作发动机。传动装置控制器42控制自动离合器30的接合。传动装置控制器42还响应于传动装置按钮控制器72来控制传动装置38的状态，确定传动装置是否挂挡或者传动装置将驱动扭矩输送至驱动轮26还是输送至作为PTO系统22一部分的液压泵(或者在传动装置38用作液压泵的情况下，简单地是PTO系统22的加压液压流体)，或者确定传动装置是否处于空挡。

PTO22的接合和PTO负载23的控制通过一个或多个远程动力模块(RPM)40来执行。远程动力模块40是专用于ESC24的数据链路连接的扩展输入/输出模块，ESC进行编程以使用这些模块。一个RPM40起到用于PTO22的控制器的作用，并提供与PTO装置22相关的任何硬接线输出70和硬接线输入66。还可为PTO负载23提供位置传感器、阀控制等，这些负载包括诸如液压马达、悬臂延伸部等的元件。操作负载23的请求和可能的应答报告施加于数据链路74以传输到ESC24，ESC将请求格式化以由特定的控制器来接收，或者作为报告。ESC24还可进行编程以通过第一RPM40对PTO装置22中的阀状态进行控制。在美国专利号6,272,402中更完整地描述了远程动力模块，该专利已转让给本申请受让人并且全部以参见的方式纳入本文。“远程动力模块”在此被称为“远程接口模块”。示出第二RPM40，该第二RPM接收来自开关总成52的开关输入，用于控制第一RPM40(在通过ESC24引导之后)。此外，设置远程发动机速度控制模块(RESCM)19以允许使用远程微调油门54来对液压PTO进行比例控制。

传动装置控制器和ESC24都作为各个数据链路68、18、74和64之间的入口和/或转换装置来操作。数据链路68和74可以是私有的并以比公共数据链路18大得多的波特率来运行。相应地，设置用于在链路之间传输的信息的缓冲装置。此外，信息必须重新格式化，或者一个链路上的信息可需要第二链路上的另一种类型的信息，例如数据链路74上的运动请求可转换成从ESC24至传动装置控制器42的传动装置接合的请求。数据链路18、68和74通常是控制器局域网络总线，这些总线符合SAEJ1939协议。

现有的车辆数据链路环境允许对车辆的混合电动传动系20的操作以及由PTO22、DC/DC逆变器62以及例如ABS控制器50的各种局部控制器表示的各种负载进行控制。通过控制器局部网络(CAN)通信策略来实施负载控制，其中，不同的CAN模块/局部控制器通过数据链路环境(包括数据链路18)来通信，以控制各种底盘电气负载(包括PTO22)和各种局部控制器。这可包括提供在PTO期间对油门76、78和54或开关组件56的运动的一致响应度，而不管哪个原动机在工作。

图3还示出图2的控制系统21之间的控制关系，并提供PTO22和PTO负载23的示例。PTO负载23可包括许多不同的元件，这些元件的示例在图1中示出，诸如液压提升单元9和上悬臂补偿组件17。图3的PTO负载包括缸组件内的三个液压驱动活塞，包括液压提升单元9、上悬臂补偿组件17以及外伸架延伸悬臂组件单元49。通过电磁阀88来打开和关闭的控制阀35控制将加压液压流体施加于这些装置。液压流体通过液压活塞泵86来加压。

PTO负载23的另一可能的元件是用于驱动螺旋输送器96的液压马达94。液压叶轮泵84通过控制阀35供给加压液压流体，以支持液压马达94的操作。电磁阀90对控制阀35的定位进行控制。设置液压流体储存器98用于回收从PTO负载23返回的流体，PTO22从该储存器吸取液压流体。液压叶轮泵84和液压活塞泵86使用另一组电磁阀92来接合和脱开。用于PTO22的液压叶轮泵84和液压活塞泵86在来自传动输出装置39的共同的PTO轴82上驱动。由图3所提出的PTO负载23和PTO22的细节仅是示例性的，并经历与所示出的相当大的变化，正如液压流体分布系统那样。

电磁阀88、90和92由RPM40控制，而该RPM又受到ESC24的控制。这允许液压叶轮泵84和活塞泵86脱开，以使PTO轴82自由地转动，或者液压叶轮泵84或活塞泵在空载状况下运行，或者任一个泵彼此独立地加载。

最终通过变化原动机的运行/角速度来实现用于增大或减小PTO角速度的请求。速度请求数据来自各种装置。在此，例如设置驾驶室油门76、远程油门(通常安装在驾驶室外侧)78、远程“手动”微调油门54和分立的开关52。速度请求数据和特别是源自油门中的一个的数据可以平均到可调数目的点上。油门数据以先入先出(FIFO)方式来处理，最老的数据随着每个传入的新数据进入无穷数据采集环中。数据点可加权以反应时间先后，或者平均数可以是严格线性的。实际上，传入的油门数据应用于以软件来实施的有限脉冲响应(FIR)类型的线性滤波器。固定时长的采样窗口内的数据点数目确定了滤波器的分辨率。滤波器加权可用于确定滤波器的“刚度”，或滤波器将多快根据新数据的引入来改变其输出值。采样窗口的时长可以是固定或可变的，所用的数据点的数目和采样之间的时滞也可以是固定或可变的。采样可以响应于操作者动作来变化，例如如果操作者的行为指示快速改变输出请求，则滤波器加权可调节成增大油门敏感度。相反，如果操作者行为暗示稳定的动力请求或者振动传感器指示较剧烈的车辆底盘运动，滤波器加权可调节成减小敏感度，并由此增大动力请求输出值中的噪声耐量。所有这些都可以自动进行。FIR滤波器输出绝对数值，该绝对数值由原动机用作其目标速度，直至滤波器输出新的值或者“经调节的选定操作速度”，该值是原动机所遵循的绝对数值。

关于角加速度α来测定原动机角速度ω的变化。可获得的角加速度(或减速度)取决于将使用哪个原动机，即内燃机28还是电力牵引马达32。在一些应用情况下，原动机可以例如为了减速而脱开。图4在无负载操作状况下根据用于压缩点火内燃机和三相电力牵引马达的角速度来比较可用的加速和减速能力。三相电力牵引马达示出为具有在达到PTO红线的所有操作角速度范围内更大的加速能力。然而，除非进行再生操作，电力牵引马达提供相对较小的制动能力，但再生操作可能在PTO期间不提供。然而，内燃机是天然制动器，并且如果保持连接于PTO22，则提供基本上压缩制动。该数据可以产生并储存在查询表中，该查询表可由ESC24来访问。

通常，电力牵引马达32将在正加速时运行，以仿效内燃机28的输出。即，它的加速度将受限于内燃机28所提供的。在任何情况下，角加速度受限为落入较慢的加速原动机的能力范围内。当请求减小速度时，可以选择不同的目标。一般来说，内燃机将比电力牵引马达更“快”地减速。制动或再生制动可用于仿效在由减小的油门设定所命令的减速事件时内燃机28的减速作用。替代地，PTO负载23可以工作，并可以在没有主动干预的情况下提供期望的制动。正加速可设定或限制成下降到较小级别的原动机能力以下，并且响应可以固定成跟随该范围内的任何曲线。具有较大角加速能力的原动机可基于初始运行速度来变化，并可随着系统加速而变化。原动机的加速能力还可以随使用变化。系统可编程为考虑角加速能力的下降、特别是对于内燃机。

Claims (11)

1.一种车辆，包括：

第一原动机；

第二原动机；

传动装置，所述传动装置联接成吸收来自所述第一原动机或所述第二原动机的动力；

动力输出操作装置，所述动力输出操作装置选择性地由所述传动装置来操作；

选择装置，所述选择装置用于选择所述动力输出操作装置的操作速度；

用于提供角加速度变化率的装置，所述用于提供角加速度变化率的装置用于提供所述第一原动机和所述第二原动机的第一和第二可获得的角加速度变化率，以增大所述动力输出操作装置的操作速度；

控制装置，所述控制装置响应于增大所述动力输出操作装置的操作速度的选择，用于以不超过所述第一和第二可获得的角加速度变化率中较小的一个角加速度变化率来引导所述第一和第二原动机中工作的原动机的角加速度；

用于提供角减速度变化率的装置，所述用于提供角减速度变化率的装置用于提供所述动力输出操作装置的第一和第二可获得的角减速度变化率；

所述控制装置还响应于减小操作速度的选择，用以引导所述第一和第二原动机中工作的一个原动机以选定的可获得的角减速度变化来减速；以及

所述控制装置包括有限脉冲响应滤波器，所述滤波器用于对周期性产生的、关于选定的操作速度的数据进行操作，以产生经调节的选定的操作速度。

2.如权利要求1所述的车辆，其特征在于，

所述控制装置用于设定用于所述有限脉冲响应滤波器的采样窗口时长和采样时间增量。

3.如权利要求2所述的车辆，其特征在于，

所述控制装置用于调节应用于所述有限脉冲响应滤波器内的数据点的权重。

4.如权利要求1所述的车辆，其特征在于，

所述第一原动机是内燃机；以及

所述第二原动机是电力牵引马达。

5.一种用于对来自安装于机动车辆上的第一和第二原动机中的至少一个原动机的输出进行控制的系统，所述系统包括：

用于提供角加速度变化率的装置，所述用于提供角加速度变化率的装置用于提供所述第一和第二原动机的第一和第二可获得的角加速度变化率；

选择装置，所述选择装置用于选择来自工作的原动机的目标输出；

用于设定角加速度的装置，所述用于设定角加速度的装置响应于增大目标输出的选择，以将所述第一或第二原动机中工作的原动机的角加速度设定到所述第一和第二原动机中的较小可获得的角加速度，直至实现增大目标输出为止。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，

所述第一和第二原动机分别是内燃机和电力牵引马达；以及

所述用于设定角加速度的装置包括电气系统控制器、混合控制器和发动机控制模块，为了进行数据通信而联接所述电气系统控制器、混合控制器和发动机控制模块。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：

传动装置，所述传动装置能由所述内燃机或所述电力牵引马达来操作；以及

动力输出操作装置，所述动力输出操作装置联接于所述传动装置；

其中，所述用于设定角加速度的装置响应于所述动力输出操作装置来工作。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，

所述选择装置包括操作者油门。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，

所述电气系统控制器编程为根据由所述操作者油门的位置产生的数据来实施有限脉冲响应滤波器。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，

所述有限脉冲响应滤波器具有可选的权重、时长和粒度。

11.如权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括：

用于设定角减速度的装置，所述用于设定角减速度的装置响应于减小目标输出的选择，用于将所述第一或第二原动机中工作的原动机的角减速度设定成匹配所述第一或第二原动机的可获得的角加速度，直至实现目标输出的减小。