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技术领域

本公开涉及一种具有超级电容器增程器的增程式电动车辆。

背景技术

增程式电动车辆的动力传动系提供一个或多个电动车辆（EV）模式。 在EV模式中，高电压电牵引马达由可再充电电池组提供电力。来自电牵引 马达的输出扭矩通常被输送到具有一个或多个行星齿轮组的变速器。在再生 制动事件期间，制动能量可以被回收以对电池组再充电。当电池组的电荷状 态为耗尽时，车辆的EV里程可以通过小内燃发动机的选择性运行而增长， 该内燃发动机的发动机扭矩被用于产生所需的额外电力。

发明内容

本文公开了一种增程式电动车辆。车辆包括相对于传统设计具有降低成 本的动力传动系。该动力传动系利用了来自半导体模块的存储电能，且可以 进一步地不包括任何行星齿轮组。车辆包括内燃发动机，电牵引马达，可再 充电电池组和最终驱动组件。最终驱动组件经由来自电牵引马达的输出扭矩 提供动力。该车辆还包括第一和第二旋转离合器和与各动力传动系元件通讯 的控制器。

在具体实施例中，电池组可以包括多个铅酸电池单元，例如在示例性 48VDC的实施例中的八个6V或六个8V的铅酸电池单元。相对于锂离子和 镍金属氢化物电池而言，铅酸电池通常在回收再生制动能量方面较为低效。 相似地，铅酸电池可能不能如这些其它常用电池类型那样有效或高效地提供 电力，特别是在峰值车辆加速度期间。与大多数电池类型一样，频繁充放电 可降低电池组的可用工作寿命。

为了处理这些和其它设计挑战，本方法将超级电容器模块与电池组电连 接，且使用半导体模块的存储电荷来帮助保护电池组的荷电状态（SOC）。 本文中公开的动力传动系中超级电容器模块的使用有助于延长电池组的可 用工作寿命，例如通过降低电池充放电事件的频率。空气调节压缩机或其它 基本恒定的电负载被发动机所吸收，由此允许发动机在其最佳制动比燃油消 耗（BSFC）点处或附近运行，该术语在本文中限定且在现有技术中已知。

在运行中，控制器选择性地作用（apply）指定的离合器以建立两个动 力传动系操作模式中的一个：驱动模式和空档充电模式（neutral-charging  mode）。在驱动模式中，第一离合器被释放且第二离合器被作用。电牵引马 达驱动输出构件，同时发动机提供运行负载（例如如上所述的空气调节压缩 机）所必须的动力。电牵引马达首先从超级电容器模块，然后从电池组汲取 任何需要的电力，由此相对于传统功率流控制方法缓和电池组的放电速率。

在空档充电模式中，驱动模式的离合器作用状态被简单地反向。也就是 说，第一离合器被作用且第二离合器被释放。电池组和超级电容器模块可以 在该模式中按需要被充电。在所有实施例中，第一和第二离合器没有被同时 作用或释放。换句话说，第一和第二离合器的作用状态是互斥的。

在另一实施例中，车辆包括发动机，其具有小于300立方厘米的排量； 电牵引马达；最终驱动组件；可再充电铅酸电池组；以及超级电容器模块， 其被电连接到电池组。该车辆还包括第一和第二气动促动离合器，空气调节 压缩机和控制器。离合器在所有时间都具有相反的作用状态。如上所述，第 一离合器在被作用时连接发动机的驱动轴到电牵引马达由此建立空档充电 模式，而第二离合器的作用将马达输出轴连接到最终驱动组件以建立驱动模 式。空气调节压缩机在驱动模式中经由驱动轴驱动。控制器自动地在驱动和 空档充电模式之间选择。

当结合附图时，从下面的用于执行如所附权利要求限定的本发明的一些 最佳方式和其它实施例的具体描述可容易地明白本发明的上述特征和优点， 以及其它特征和优点。

附图说明

图1是具有如本文所述的增程超级电容器模块的增程式电动车辆的示意 性图示；

图2是描述图1所示的车辆的两个动力传动系操作模式的表；

图3A是描述图2的两个操作模式的第一个（即驱动模式）的示意性杆 系图，其可被气动地作用；

图3B是描述图2的两个操作模式的第二个（即空档充电模式）的示意 性杆系图；

图4A包括使用本方法和名义方法的电池组的荷电状态（SOC）的示例 性时间图，其中时间绘制在x轴上而SOC绘制在y轴上；

图4B是改变的车辆速度的时间图，其中时间绘制在x轴上而速度绘制 在y轴上；以及

图4C是图1中所示的车辆的超级电容器模块中存储的能量水平的时间 图，其中时间绘制在x轴上而能量水平绘制在y轴上。

具体实施方式

参考附图，其中在各图中相似的参考标号指示相似的部件，增程式电动 车辆10在图1中示意性地示出。车辆10包括控制器30，该控制器30具有 处理器32和充分的有形非瞬时存储器34。实现方法100的计算机可执行代 码被记录在存储器34中，且被处理器选择性地执行以命令在两个不同动力 传动系操作模式之间的切换。

如下文参考附图2所述，车辆10的两个动力传动系操作模式是驱动模 式和空档充电模式。用于实现驱动模式和空档充电模式的示例性设计分别在 图3A和图3B中示出，其每一个示出可选的气动促动实施例。图4A-C一起 示出了在本方法100执行中使用的控制值，其中图4A示出了，在给定如图 4B所示的改变的车辆速度和如图4C所示的超级电容器模块22的最大电荷 的剩余百分比的改变的百分比下，本方法100对电池组20的荷电状态（SOC） 的影响。

图1的车辆10可以包括小内燃发动机12、电牵引马达14以及最终驱动 组件16，该最终驱动组件提供期望的输出齿轮比。如本文中所用，术语“小” 在用于发动机12时描述小于约300立方厘米（cc）的排量，其在示例性实 施例中为200-250cc的范围。最终驱动组件16的输出构件19被经由一个或 多个驱动轴21连接到一组驱动轮18。由此，从最终驱动组件16的输出扭矩 （箭头TO）最终被输送到驱动轮18以推进车辆10。

发动机12的驱动轴13被经由第一离合器C1的作用和释放而相应地连 接/不连接到电牵引马达14。相似地，电牵引马达14的输出轴15经由第二 离合器C2的作用和释放而选择性地连接/不连接到最终驱动组件16。如下所 述，离合器C1和C2的状态在所有时间都是相互排斥的。也就是说，当离 合器C1作用时，C2被释放，反之亦然。第一和第二离合器C1和C2的作 用可经由任意适当的促动器实现，包括经由气压促动或液压促动活塞。气压 促动的一个实例提供离合器促动的低成本方法，其在下文参考图3A和3B 示出。在所有实施例中，第一和第二离合器C1和C2可以为具有带间隙的 摩擦板或任何其它常规扭矩传递机构的旋转离合器。

图1的电牵引马达14从电池组20抽取能量。在特定实施例中，电池组 20被配置为多单元铅酸电池组，例如在可能的非限制性48VDC实例中的六 个8V单元或八个6V单元。电池组20被电连接到超级电容器模块22。术语 “超级”在本文中用于大体指相对于一般电容器而言更高水平的电容，如在 现有技术中已知的。例如，在示例性配置中，超级电容器模块22可以具有 足以存储电池组20的电压的125%、140%或更多的电容水平。电容和电池 电压的其它组合可以被使用而不会背离本发明的范围。

在图1中示意性地示出的超级电容器模块22可以使用一个或多个双层 电容器（DLC）以有助于存储充分的备用电压。这样的DLC可以使用一系 列电极和适当的电解质，例如有机电解质，尽管替代地其它电容器设计也可 以被使用。超级电容器，譬如用于构建超级电容器模块22的那些，相对于 常规电池单元而言可以被非常快速地充电。快速充电特性由此允许在图1中 所示的简化动力传动系的全部操作中本方法的超级电容器模块22的选择性 使用。

此外，来自发动机12的扭矩可以经由驱动轴13被供应到空气调节压缩 机25或其它相当的电负载，其由控制器30按需要循环打开和关闭，以冷却 图1的车辆10的乘客舱（未示出）。空气调节压缩机25用作在发动机12上 的基本恒定的电负载，例如在一些设计中为1.5kW的负载。由此，发动机 12应该被设置尺寸以考虑空气调节压缩机25的恒定负载以及全部其它恒定 和间歇电负载。可选的压缩机离合器C3，如以虚线所示，可以被用于将空 气调节压缩机25从发动机12脱离接合，且由此最小化在空气调节压缩机25 没有被以其它方式需要时（例如空气调节压缩机25被充分充入（charged） 时）的旋转损失。

图1中所示的控制器30可以实现为数字计算机或多个这样的计算机， 其每一个具有处理器和足量的存储器34，例如只读存储器（ROM），随机访 问存储器（RAM），光学存储器，附加磁性存储器，闪存，和/或可电擦除可 编程只读存储器（EEPROM）。控制器30的其它相关联硬件部件可包括高速 数字时钟，模拟数字（A/D）和数值模拟（D/A）电路，和任意需要的输入 输出电路和设备（I/O），以及适当的信号调节和缓冲电路。车辆10操作所 需的任何计算机可执行代码，包括实现方法100的指令，可以被存储在存储 器34中，且由处理器32自动地执行以由此建立所需或所要求的动力传动系 操作模式。

控制器30，其通过控制器区域网络（CAN）和/或其它有线/无线连接与 发动机12、电牵引马达14、相应第一和第二离合器C1和C2以及可选地空 气调节压缩机离合器C3通讯，接收来自各系统的输入信号（箭头11）。响 应于接收到的输入信号（箭头11），控制器30产生输出信号（箭头17），这 些信号中的一些使得离合器C1-C3作用或释放，其中被指令的离合器状态取 决于所需的动力传动系操作模式。两个可能的操作模式现在将参考图2进行 描述。

表40在图2中示出，其描述了图1中所示的车辆10的两种基本操作模 式，即驱动模式（D）和空档充电（N-C）模式。在驱动模式，第一离合器 C1被释放（O），且第二离合器C2被接合（X）。电牵引马达14按需要从电 池组20和/或超级电容器模块22汲取（-）电力，其中如下文所述放电优先 性被赋予超级电容器模块22。

在驱动模式中，图1的发动机12供应任何需要的输出能量用于为空气 调节压缩机25提供动力。这有助于确保发动机12在其最佳制动比燃油消耗 （BSFC）点处或附近操作，其中在该模式下发动机12有效地从驱动线路脱 离联接。如现有技术中已知的，BSFC点提供了发动机燃油效率的测度，且 可以通过用单位为克/秒的燃油消耗率（r）除以单位为瓦特的功率（P）来计 算，其中P=ωτ。在该方程中，ω是单位为转/秒的发动机12的旋转速度， 且τ是单位为牛顿米的发动机扭矩。

在空档充电模式（NC）中，相应的第一和第二离合器C1和C2的作用 状态被简单地颠倒。也就是说，第一离合器C1被作用（X），且第二离合器 C2被释放（O）。在该操作模式下，发动机12可以为作为发电机的电牵引马 达14提供动力。进而，电牵引马达14可以为电池组20和/或超级电容器模 块22充电（+）。本文中所述的空档充电模式可以在图1的车辆10在高密度 区域（譬如城市或其它交通繁忙的环境）下操作时尤其有利，在这种情况下 可以预期车辆10将花费大量时间怠速。这否则将浪费的时间被本控制方法 有利地用来给电池组20和/或超级电容器22再充电。超级电容器模块22的 使用还允许电池组20被减小尺寸而不会损害对瞬时电动力需求的响应。

参考图3A和3B，示意性杆系图被示出用于图2的两种动力传动系操作 模式，其中图3A和3B均示出示例性低成本气动促动设计。图3A的图50 对应于刚在上文所述的空档充电模式，其中第一离合器C1被作用且第二离 合器C2被释放。第一、第二和第三连杆52、54和59分别经由铰链57连接 到彼此，其允许连杆52、54和59相对于彼此按需要旋转。如对本领域技术 人员在观察图3A和3B时明显的，这样的设计可以相对于传统液压设计提 供实质的成本、重量和部件数方面的益处。

控制螺线管75可以经由图1的控制器30断电（-），以沿箭头80方向 拉臂71。入口空气压力（箭头I）在返回弹簧74的辅助下沿相同方向移动 缸体70内的柱塞72以打开空气通道65。空气压力被通过空气通道65馈送 到气动阀60，由此沿箭头80方向移动活塞62。返回弹簧78由此在气动阀 内被压缩。在壳体70内的空气可以通过箭头A逸出到大气。

活塞62可以被连接到杆64和第一连杆52，如所示，使得活塞62沿箭 头80的方向的运动沿相同方向拉动第一连杆52。第一连杆52的运动进而拉 动打开第二离合器C2，且由此建立空档充电状态所需的第二离合器C2的释 放（O）状态。同一运动旋转第二连杆54，由此沿箭头77方向迫动第三连 杆59。第三连杆59压缩第一离合器C1到作用（X）状态。连接到第二连杆 54和静止构件42之间的弹簧61由此被压缩，且由此存储用于进入驱动模式 的返回能量。

图3B经由图150示出了驱动模式。在该模式中，第二离合器C2被作 用且第一离合器C1被释放。控制螺线管75被通电（+）且入口空气压力（图 3的箭头I）被中断。柱塞62沿箭头77方向运动，压缩弹簧74，且由此适 当地定位用于进入后续空档充电模式。气动阀60中的返回弹簧78沿箭头77 方向推活塞62和杆64。这沿相同方向移动第一连杆52，其使得第二连杆54 相对于图3B的视角逆时针旋转（在弹簧61中存储的能量的辅助下）。

第一和第二连杆52、54的运动沿箭头80方向拉第三连杆59，且由此释 放（O）第一离合器C1。相同的运动沿箭头77方向推第一连杆52，以作用 （X）第二离合器C2。弹簧61可以在该动作中被拉伸以存储用于进入图3A 中所示的空档充电模式的返回势能。

如将被那些本领域技术人员所理解的，图1中所示的车辆10具有其简 化的离合构架，可以提供与现有技术中的增程式电动车辆动力传动系相比不 同的优点。电池组20可以对于给定EV里程减小尺寸，这可以有效地处理 在某些新兴市场中的空间约束。此外，车辆10可以使用单个电牵引马达14 来以驱动模式驱动车辆10，且在空档充电模式中为电池组20和/或超级电容 器模块22充电。铅酸电池的性能中的某些限制可以经由选择性地使用超级 电容器模块22而被克服，该超级电容器模块22还可以延长电池组20的寿 命。此外，由于发动机12不直接驱动输出，因此发动机12可以在其最佳 BSFC点工作，并具有降低的排放。

超级电容器模块22还可以提高在驱动周期中获得的再生能量。这特别 的益处在图4A-C中示出。在这些图的每个中，时间（t）绘制在水平轴线上。 图4A经由迹线82示出了图1的电池组20的SOC在使用本控制方法时可降 低的方式。三个名义SOC水平被示出，从最高SOC到最低，为S₃，S₂和 S₁。为了比较，迹线182示出了使用现有方法控制的名义电池组的降低的SOC 的典型轨迹。尽管迹线82和182两者都随时间降低，注意使用本方法100 的降低速率可以相对于迹线182的降低速率实质降低。

图4B以迹线84示出了图1中所示的车辆10在相同时间周期内的改变 的速度，具有相对速度N₁，N₂和N₃。迹线84的图案为在交通繁忙或其它停 停动动的驾驶路线中的典型驾驶，例如在具有大量十字路口和/或交通信号灯 的城市路面上。图4C经由迹线86，以百分比（%）示出了存储在图1的超 级电容器模块22中的能量水平。当图4B的迹线84示出了车辆10已经停止 时，图4C的迹线86示出在相同的时间间隔，超级电容器22在主动充电。 图4A的迹线82在相同的时间间隔大体是平坦的，其指示SOC中的降低速 率已经变缓。结果，本文公开的空档充电模式有助于降低在电池组20中的 SOC中的降低速率，由此延长图1中的车辆10的有效EV里程。

虽然用于执行本发明的最佳方式已经被详细描述，与本发明相关的本领 域技术人员应认识到在所附的权利要求的范围内的执行本发明的各种替换 设计和实施例。