СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕЕЙ В ТРАНСПОРТНОМ СРЕДСТВЕ С ГИБРИДНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
METHOD OF CONTROLLING STORAGE BATTERY IN MOTOR VEHICLE WITH HYBRID ELECTRIC DRIVE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к транспортным средствам с гибридным электрическим приводом, более точно, к стратегии управления состоянием заряда (СЗ) высоковольтной аккумуляторной батареи в таком транспортном средстве.
Предпосылки создания изобретения
Транспортное средство с гибридным электрическим приводом способно работать со значительно большей экономией топлива, чем соответствующее транспортное средство с приводом только от двигателя внутреннего сгорания. Сокращение потребления топлива может достигать 30% или более. Высокая стоимость углеводородного топлива, такого как дизельное топливо, побудила некоторых перевозчиков к изучению потенциальной выгоды, которую способны принести их конкретному бизнесу транспортные средства с гибридным электрическим приводом.
Например, компания, такая как производитель электроэнергии, которой требуется эксплуатировать электрооборудование, такое как механические инструменты, на удаленных производственных участках, могла бы рассмотреть приобретение транспортного средства с гибридным электрическим приводом, которое способно обеспечивать отбираемую мощность переменного тока. Другая компания, такая как поставщик замороженных или охлажденных пищевых продуктов, могла бы рассмотреть приобретение транспортного средства с гибридным электрическим приводом, оснащенного кузовом с системой охлаждения, управляемой компрессором, работающим от бортовой сети электропитания переменного тока во время работы транспортного средства. Такое транспортное средство можно использовать в бóльшем по площади районе доставки, чем грузовой автомобиль-рефрижератор на основе технологии холодных пластин, в котором холодильная система размещена в кузове автомобиля, но работает, только когда автомобиль припаркован, при этом холодильную систему подключают к штепсельной розетке, как правило, ночью. Время в пути по маршруту доставки у такого грузовика ограничено временем, в течение которого холодная пластина способна поддерживать приемлемую температуру замороженных или охлажденных продуктов.
Транспортное средство с гибридным электрическим приводом с возможностью подзарядки от сети (PHEV, от английского - plug-in hybrid electric vehicle) позволяет подключать электрическую систему автомобиля к энергосистеме общего пользования компании-производителя электроэнергии для зарядки высоковольтной гибридной аккумуляторной батареи. Как правило, это делается в ночное время, когда обычно в сети имеется избыток доступной мощности переменного тока, а стоимость киловатт-часа является минимальной. Чтобы обеспечить максимальную эффективность PHEV, он должен иметь бóльшую способность к аккумулированию энергии с помощью батарей, чем его гибридный аналог без возможности подзарядки от сети.
Краткое изложение сущности изобретения
Насколько известно автору изобретения, существующие транспортные средства с гибридным электрическим приводом рассчитаны только на одну стратегию управления батареей. Такая единственная стратегия не позволяет водителю выбирать другую стратегию, которая была бы более приемлемой для предполагаемого использования автомобиля в определенный день.
Автор полагает, что владелец/водитель PHEV, которое приводится в движение различными способами в различное время на протяжении различных ездовых циклов, должен иметь возможность выбирать, как и когда расходовать электроэнергию, которой была подзаряжена аккумуляторная батарея PHEV, пока автомобиль был припаркован. Если при эксплуатации автомобиля используется стратегия "сохранения заряда для работ на месте", являющаяся одной из особенностей изобретения, которая будет описана далее, высоковольтный модуль управления будет позволять в ограниченной степени использовать двигатель/генератор для приведения в движение и рекуперации энергии во время движения, но при этом будет стремиться поддерживать СЗ батареи примерно на уровне 75-95% в зависимости от удельной емкости батареи и химического состава батареи. Поддержание СЗ на этом относительно высоком уровне позволяет восстанавливать кинетическую энергию при торможении автомобиля и в то же время экономить большую часть энергии батареи для работ на месте или работы бортового оборудования. В то же время, если в автомобиле используется стратегия "максимальной экономии топлива", также являющаяся одной из особенностей изобретения, которая будет описана далее, высоковольтный модуль управления будет позволять двигателю/генератору обеспечивать бóльшую часть энергии для приведения в движение автомобиля, а СЗ аккумуляторной батареи будет поддерживаться на более низком уровне, вероятно, 25-65% также в зависимости от удельной емкости батареи и химического состава батареи.
В настоящем изобретении используется программно реализованный алгоритм для определения конкретной стратегии, посредством которой контроллер будет управлять СЗ аккумуляторной батареи, но при этом водитель всегда имеет возможность вместо этого делать собственный выбор. Алгоритм обеспечивает автоматический выбор одной из двух стратегий: "максимальной экономии топлива" или "сохранения заряда для работ на месте" при каждом переключении переключателя зажигания автомобиля из выключенного положения во включенное положение.
Вместе с тем, то, как выполняется алгоритм, зависит от значения калибруемого параметра, который электронным способом запрограммирован в модуле управления конкретного автомобиля при его изготовлении на заводе. Калибруемый параметр определяет конкретную ветвь алгоритма, которая будет выполняться при каждом переключении переключателя зажигания из выключенного положения во включенное положение. Когда при подготовке к ездовому циклу переключатель зажигания переключают из выключенного положения во включенное положение, водителю предоставляется возможность выбрать "максимальную экономию топлива" или "сохранение заряда для работ на месте" (вместо этого могут использоваться другие сходные термины) на дисплее приборной панели с быстродействующим переключателем сбоку от дисплея. Если затем водитель решить изменить автоматический выбор (т.е. выбор по умолчанию), он может сделать это путем нажатия на быстродействующий переключатель сбоку от дисплея. Следовательно, когда переключатель зажигания автомобиля переключают из выключенного положения во включенное положение, при желании водитель PHEV имеет возможность выбрать, как будет использоваться энергия аккумуляторной батареи независимо от стратегии, на выбор которой был запрограммирован контроллер.
Предоставление водителю возможности эффективно отменять выбранную по умолчанию стратегию управления батареей посредством алгоритма обеспечивает выбор использования значительной части аккумулированной энергии для работ на месте или работы бортового оборудования (такого, как холодильная машина). Например, если режимом по умолчанию является "сохранение заряда для работ на месте", после того, как переключатель зажигания переключен из выключенного положения во включенное положение, водитель может выбрать "максимальную экономию топлива" до возвращения на базу, чтобы обеспечить лучшую экономию топлива. За счет гибкости выбора стратегии управления СЗ аккумуляторной батареи водитель может использовать аккумулированную энергию способом, который он считает наилучшим.
Одно из значений калибруемого параметра обеспечивает выполнение алгоритма таким образом, чтобы выбиралась стратегия управления батареей, которая действовала при последнем выключении двигателя автомобиля. Тем не менее водитель может делать собственный выбор.
Другое значение калибруемого параметра обеспечивает выполнение алгоритма таким образом, чтобы выбиралась стратегия "сохранения заряда для работ на месте" после того, как аккумуляторная батарея получила максимальную подзарядку от сети (СЗ от сети > мин. кВт·ч, заданного значения в алгоритме), или если стратегия "сохранения заряда для работ на месте" действовала до последнего переключения переключателя зажигания из включенного положения в выключенное положение. И в этом случае водитель может делать собственный выбор.
Например, если маршрут автомобиля часто проходит через места работ, на которых используются механические инструменты, и нормальным режимом является подзарядка аккумуляторной батареи в ночное время, водитель обычно не может отменить заданную алгоритмом стратегию, чтобы поддерживаться СЗ на высоком уровне по прибытии на место работ. С другой стороны, если водитель не направляется к месту работ, на котором в определенный день потребуется отбираемая электрическая мощность, эффективность использования топлива можно оптимизировать путем ручного выбора "максимальной экономии топлива".
Конкретные подробности алгоритма зарядки батареи зависят от удельного химического состава батареи (никель-металл-гидридная, ионно-литиевая и т.д.) и емкость батареи (кВт·ч) любого заданного автомобиля.
Согласно одной из особенностей настоящего изобретения предложено транспортное средство с гибридным электрическим приводом, имеющее шасси с колесами для обеспечения движения автомобиля и силовую передачу, связанную с ведомыми колесами. Силовая передача содержит двигатель внутреннего сгорания, имеющий вращающийся выходной вал, связанный с вращающимся входным валом электрического двигателя/генератора, который имеет вращающийся выходной вал, связанный с ведомыми колесами. Автомобиль также имеет переключатель зажигания, который при переключении во включенное положение позволяет силовой передаче приводить автомобиль в движение, а при переключении в выключенное положение выключает силовую передачу.
Аккумуляторная батарея связана с двигателем/генератором посредством контроллера, избирательного использующего двигатель/генератор в качестве двигателя, который отбирает электроэнергию от аккумуляторной батареи, чтобы увеличить крутящий момент силовой передачи, и в качестве генератора, который подает электроэнергию в аккумуляторную батарею, отбирая крутящий момент от силовой передачи, когда это позволяет стратегия управления аккумуляторной батарей.
Контроллер избирательно рассчитан на любую из множества стратегий управления аккумуляторной батареей посредством алгоритма, который при переключении переключателя зажигания из выключенного положения во включенное положение выбирает конкретную стратегию управления аккумуляторной батареей в соответствии с калибруемым параметром, установленным для автомобиля на конкретное значение из множества значений.
Первое из значений калибруемого параметра служит для того, чтобы алгоритм задал такую же стратегию управления аккумуляторной батареей, которая действовала при последнем переключении переключателя зажигания из включенного положения в выключенное положение. Второе из значений калибруемого параметра служит для того, чтобы алгоритм задал стратегию управления аккумуляторной батареей, которая зависит от количества переключений переключателя зажигания из выключенного положения во включенное положение после последней подзарядки аккумуляторной батареи от внешнего по отношению к автомобилю источника.
Согласно одной из дополнительных особенностей изобретения предложен способ эксплуатации описанного транспортного средства. Когда переключатель зажигания переключают из выключенного положения во включенное положение, алгоритм выбирает стратегию управления аккумуляторной батареей в соответствии с калибруемым параметром, который был установлен для автомобиля на конкретное значение из множества значений, при этом первое из значений калибруемого параметра служит для того, чтобы алгоритм задал такую же стратегию управления аккумуляторной батареей, которая действовала при последнем переключении переключателя зажигания из включенного положения в выключенное положение, а второе из значений калибруемого параметра служит для того, чтобы алгоритм задал стратегию управления аккумуляторной батареей, которая зависит от количества переключений переключателя зажигания из выключенного положения во включенное положение после последней подзарядки аккумуляторной батареи от внешнего по отношению к автомобилю источника.
Согласно еще одной из общих особенностей изобретения предложено транспортное средство с гибридным электрическим приводом, имеющее шасси с колесами для обеспечения движения автомобиля, силовую передачу, связанную с ведомыми колесами, и переключатель зажигания, который при переключении во включенное положение позволяет силовой передаче приводить автомобиль в движение, а при переключении в выключенное положение выключает силовую передачу. Силовая передача содержит двигатель внутреннего сгорания, имеющий вращающийся выходной вал, связанный с вращающимся входным валом электрического двигателя/генератора, который имеет вращающийся выходной вал, связанный с ведомыми колесами.
Аккумуляторная батарея связана с двигателем/генератором посредством контроллера, избирательно использующего двигатель/генератор в качестве двигателя, который отбирает электроэнергию от аккумуляторной батареи, чтобы увеличить крутящий момент силовой передачи, и в качестве генератора, который подает электроэнергию в аккумуляторную батарею, отбирая крутящий момент от силовой передачи, когда это позволяет стратегия управления аккумуляторной батареей.
Контроллер избирательно рассчитан на любую из множества стратегий управления аккумуляторной батареей посредством алгоритма, который при переключении переключателя зажигания из выключенного положения во включенное положение выбирает стратегию управления аккумуляторной батареей, соответствующую одной из стратегий управления аккумуляторной батареей по умолчанию.
Устройство ввода данных в контроллер позволяет человеку вместо алгоритма выбирать стратегию управления аккумуляторной батареей для использования контроллером, отличающуюся от стратегии по умолчанию, заданной алгоритмом при переключении переключателя зажигания из выключенного положения во включенное положение.
Описанные выше, а также дополнительные признаки и преимущества изобретения будут рассмотрены далее при описании предпочтительного варианта осуществления изобретения, иллюстрирующего наилучший на данный момент способ осуществления изобретения. Настоящее описание сопровождают чертежи, которые будут кратко описаны далее.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан общий схематический вид элементов транспортного средства с гибридным электрическим приводом, важных для понимания принципов настоящего изобретения,
на фиг.2 показаны дополнительные подробности одного из показанных на фиг.1 элементов, включая модуль с дисплеем,
на фиг.3 показан алгоритм установления стратегии управления аккумуляторной батареей,
на фиг.4 показан проиллюстрированный на фиг.2 модуль, на дисплее которого отображена информация, отличающаяся от информации на фиг.2,
на фиг.5 показан проиллюстрированный на фиг.2 модуль, на дисплее которого отображена информация, отличающаяся от информации на фиг.2 или фиг.4.
Описание предпочтительного варианта осуществления
На фиг.1 показана часть транспортного средства 10 с гибридным электрическим приводом, важная для понимания принципов настоящего изобретения. Более точно, транспортным средством является PHEV.
В качестве примера PHEV 10 показано транспортное средство заднеприводного типа с силовой передачей 12, у которой коленчатый вал двигателя 14 внутреннего сгорания посредством ротора вращающейся электрической машины 16 постоянного тока (т.е. двигателя/генератора) связан с входом трансмиссии 18. Выход трансмиссии 18 посредством ведущего вала 20 связан с дифференциалом 22 заднего моста 24 с колесами 26, прикрепленными к наружным концам соответствующих валов. Принципы изобретения применимы к силовым передачам с различными конфигурациями помимо заднеприводной конфигурации.
С двигателем 14 связан модуль 28 управления, который управляет различными особенностями работы двигателя на основании различных входных данных, поступающих в модуль 28. Входные данные конкретно не проиллюстрированы.
PHEV 10 также имеет низковольтную электрическую систему 12 и/или 24 вольта постоянного тока. PHEV 10 дополнительно имеет высоковольтную электрическую систему постоянного тока в диапазоне от 300 до 600 вольт постоянного тока.
Низковольтная система представляет собой аккумуляторную батарею 30 постоянного тока, которая состоит из одного или нескольких аккумуляторов постоянного тока. Высоковольтная система представляет собой аккумуляторную батарею 32 постоянного тока, которая состоит из одного или нескольких аккумуляторов.
Высоковольтная и низковольтная системы совместно обеспечивают потребности в электрической мощности различного электрооборудования и устройств автомобиля.
Высоковольтная система дополнительно содержит высоковольтный модуль 34 управления, основным назначением которого является обеспечение сопряжения аккумуляторной батареи 32 и двигателя/генератора 16, чтобы аккумуляторная батарея обеспечивала работу двигателя/генератора 16 в то время, когда целесообразно частично или полностью использовать аккумулированную электроэнергию для сообщения движения PHEV 10 посредством силовой передачи 12. Модуль 34 также имеет соответствующие каналы 36, 38 связи соответственно с модулем 28 управления двигателем и аккумуляторной батареей 30.
На приборной панели в кабине водителя PHEV 10 расположен модуль 40, который более подробно показан на фиг.4 и 5, имеющий кнопочный переключатель 42 и электронный дисплей 44.
На фиг.1 показана вилка 46, которая может быть вставлена в розетку (не показана) электрической сети переменного тока, такой как сеть компании-производителя электроэнергии. Когда вилка 46 включена в сеть, переменный ток, поступающий из сети, путем обычного преобразования в модуле 34 может быть преобразован в постоянный ток для подзарядки аккумуляторной батареи 32.
PHEV 10 также имеет высоковольтный инвертирующий усилитель 48 мощности, который способен преобразовывать электроэнергию, хранящуюся в аккумуляторной батарее 32, в переменный ток одного или несколько напряжений таких, как показаны на фиг.1. Такие напряжения могут использоваться для обеспечения работы различных электрических механических инструментов и устройство на месте работ. Инвертирующий усилитель 48 сопряжен с аккумуляторной батареей 32 посредством модуля 34, который обеспечивает соответствующее управление и функциональные возможности для того, чтобы инвертирующий усилитель 48 работал от тока аккумуляторной батареи, когда используются такие инструменты и устройства. На фиг.1 не показан преобразователь постоянного тока, который может использоваться дополнительно или вместо инвертирующего усилителя 48 для преобразования постоянного тока высокого напряжения аккумуляторной батареи 32 в ток более низкого или низких напряжений для использования другими электрическими инструментами и устройствами, которые работают от постоянного, а не переменного тока. Такой преобразователь также сопряжен с аккумуляторной батареей посредством модуля 34.
Когда переключатель зажигания переключают из выключенного положения во включенное положение, автоматически выбирается одна из двух стратегий управления высоковольтной аккумуляторной батареей, а именно стратегия "максимальной экономии топлива" или стратегия "сохранения заряда для работ на месте". Считается, что автомобиль работает в режиме "сохранения заряда для работ на месте", если алгоритм или водитель выбрал стратегию "сохранения заряда для работ на месте", и в режиме "максимальной экономии топлива", если алгоритм или водитель выбрал стратегию "максимальной экономии топлива". Конкретная используемая стратегия отображается на дисплее 44. На дисплее 44, проиллюстрированном фиг.2, показано, что используемой стратегией является стратегия "максимальной экономии топлива".
Переключатель 42 позволяет водителю PHEV 10 изменять стратегию путем нажатия на кнопку. На фиг.4 показана стратегия, которая была изменена на стратегию "сохранения заряда для работ на месте".
При переключении переключателя зажигания из выключенного положения во включенное положение конкретная стратегия управления аккумуляторной батареей зависит от калибруемого параметра, который был запрограммирован в модуле 34 при изготовлении PHEV. Калибруемый параметр может иметь любое из нескольких различных значений, которыми в качестве примера могут являться "1" и "2".
Если значение калибруемого параметра установлено на "1", стратегией управления является стратегия, которая действовала при последнем выключении переключателя зажигания независимо от того, получила ли аккумуляторная батарея подзарядку от сети.
Если значение калибруемого параметра установлено на "2", алгоритм автоматически, т.е. по умолчанию, выбирает стратегию "сохранения заряда для работ на месте", если переключатель зажигания впервые переключен из выключенного положения во включенное положение после подзарядки аккумуляторной батареи от сети. Если переключатель зажигания не в первый раз переключен из выключенного положения во включенное положение после подзарядки от сети, алгоритм выбирает в качестве стратегии по умолчанию стратегию, которая действовала при последнем выключении переключателя зажигания.
Стратегия "максимальной экономии топлива" предпочтительно включает "свойство адаптивного обучения" для адаптации "максимальной экономии топлива" к действительному режиму работы PHEV 10. Алгоритм адаптивного обучения в процессоре модуля 34 контролирует различные параметры, такие как СЗ аккумуляторной батареи 32, истекшее время эксплуатации автомобиля, степень подзарядки аккумуляторной батареи за счет подзарядки при рекуперативном торможении и пройденное расстояние, чтобы динамически обновлять стратегию зарядки аккумуляторной батареи.
Например, если PHEV 10 работает преимущественно на более низких скоростях с частым пуском и остановом (разгоном и торможением), алгоритм адаптивного обучения допускает относительно большую разрядку батареи (измеренную СЗ), чтобы использовать больше рекуперированной электроэнергии аккумуляторной батареи для разгона и тем самым довести до максимума эффективность использования топлива. С другой стороны, если PHEV работает преимущественно на дорожной эксплуатационной скорости с эпизодическими торможениями, алгоритм поддерживает СЗ аккумуляторной батареи на установленном относительно более высоком уровне, позволяющем аккумуляторной батарее рекуперировать энергию во время эпизодических торможений, но при этом обеспечивать электроэнергию для приведения в движение, когда СЗ батареи достигает установленного относительно более высокого предела.
На фиг.3 показан алгоритм 50, в котором используется калибруемый параметр. Алгоритм выполняется, когда переключатель зажигания переключают из выключенного положения во включенное положение.
Если калибруемый параметр был установлен на "1", стратегией управления аккумуляторной батареей по умолчанию является любая предыдущая стратегия, которая действовала при выключении переключателя зажигания, как это проиллюстрировано шагом 52. Стратегия по умолчанию отображается для водителя автомобиля на дисплее 44. Водитель имеет возможность в любое время изменять стратегию путем выбора другой стратегии с помощью переключателя 42. Такое изменение проиллюстрировано на шаге 54.
Если изменение не выбрано, на шаге 56 сохраняют действующую стратегию. Если изменение выбрано, на шаге 58 применяют вновь выбранную стратегию для управления аккумуляторной батареей.
После выполнения шага 56 или 58 на шаге 60 проверяют статус переключателя зажигания. Пока переключатель зажигания включен, алгоритм возвращается к шагу 54 в начале цикла. Переключение с одной стратегии на другую возможно, пока включен переключатель зажигания.
Если на шаге 60 определяют, что переключатель зажигания был выключен, стратегия, используемая в это время, становится стратегией по умолчанию при очередном включении переключателя зажигания. Выполнение алгоритма прерывается, пока переключатель зажигания выключен.
Если калибруемый параметр был установлен на "2", алгоритм выполняет шаг 62 после включения переключателя зажигания. На шаге 62 определяют, впервые ли был включен переключатель зажигания после подзарядки аккумуляторной батареи 32 от сетевого источника питания (т.е. после подзарядки от сети). Если это так, стратегией управления аккумуляторной батареей по умолчанию является стратегия "сохранения заряда для работ на месте", которая показана на шаге 64 и в качестве альтернативы обозначена на фигурах как "сохранение СЗ батареи для работ на месте или для бортового оборудования".
Водитель может изменять стратегия таким же способом, как и в случае, когда калибруемый параметр был установлен на "1", путем выполнения последовательности шагов 68, 70, 72, 74, соответствующих шагам 54, 56, 58, 60.
Тем не менее, если на шаге 62 установлено, что переключатель зажигания не впервые включен после последней подзарядки от сети, выполняют шаг 65, чтобы определить, являлась ли действующей стратегией при последнем выключении переключателя зажигания стратегия "сохранения заряда для работ на месте".
Если это так, эта стратегия продолжает действовать, при этом водитель может в любое время изменить ее путем выполнения шагов 68, 70, 72 и 74.
Если это не так, на шаге 66 стратегией управления батареей по умолчанию выбирается стратегия "максимальной экономии топлива", при этом на шагах 68, 70, 72 и 74 водитель может по-прежнему в любое время изменить ее на стратегию "сохранения заряда для работ на месте". Таким образом, стратегией по умолчанию является та стратегия, которая действовала при последнем выключении переключателя зажигания, если только после этого не осуществлялась промежуточная перезарядка от сети, и в этом случае стратегией по умолчанию является стратегия "сохранения заряда для работ на месте".
После выбора стратегии на шаге 64 или 66 у водителя всегда остается возможность изменить ее таким же способом, как в случае, когда калибруемый параметр был установлен на "1".
Если водитель в течение определенного периода времени не изменяет конкретную стратегию, отображаемую на дисплее 44, дисплей по умолчанию переходит к отображению информации о СЗ аккумуляторной батареи, такой как показанная на фиг.5 графическая информация с указанием уровня путем подсветки величины заряда между минимумом и максимумом. Если водитель нажимает на кнопку переключателя 42, дисплей снова переходит к отображению текущей стратегии. Если кнопка будет нажата, пока отображается эта информация, стратегия изменится, а если кнопка не будет нажата, стратегия останется без изменений. Если кнопка не будет нажата в течение определенного времени, дисплей снова перейдет к отображению информации, показанной на фиг.5.
Хотя был проиллюстрирован и описан предпочтительный на настоящее время вариант осуществления изобретения, следует учесть, что принципы изобретения применимы ко всем вариантам осуществления, входящим в объем прилагаемой формулы изобретения.