TWI757391B

TWI757391B - 控制混合動力車輛的系統及其方法

Info

Publication number: TWI757391B
Application number: TW106143883A
Authority: TW
Inventors: 迪潘傑馬蘇達; 迪內希庫馬爾西瓦古魯納坦; 拉姆拉傑加貝茲迪那加爾; 蘇拉吉特達斯
Original assignee: 印度商Ｔｖｓ電機股份有限公司
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2022-03-11
Also published as: TW201825329A; CN108216206A

Abstract

本發明係有關於一種用於一混合動力車輛之控制系統及其方法。該用於一混合動力車輛(100)的控制系統(200)係包含一混合動力控制單元(204)、一第二控制器(207)、一個一體式啟動發電機單元(203)、一動力馬達(202)、以及一電源(201)。該控制系統(200)係能夠控制並且透過該單一電源(201)來提供電源至該混合動力控制單元(204)以及該一體式啟動發電機(203)。再者，該控制系統(200)係包含一動力馬達(202)，並且該一體式啟動發電機單元(203)係分別藉由該混合動力控制單元(204)以及該第二控制器(207)來加以控制。該單一電源(201)係節省資源，並且產生較容易容納在該車輛中之較簡單的電路。

Description

控制混合動力車輛的系統及其方法

本案標的係大致有關於混合動力車輛，並且更尤其且非排他地有關於一種控制系統及其方法。

一般而言，一混合動力車輛係包括一內燃式(IC)引擎以及一動力馬達，以用於提供動力給該車輛。安裝在此種混合動力車輛上的IC引擎係如同任何其它習知的IC引擎的使用汽油/燃料。該動力馬達係藉由一在車輛上的電源來加以供電。該混合動力車輛係利用該IC引擎、或是該動力馬達、或是該IC引擎及動力馬達聯合地加以操作。使用者可以依照所需地用三個模式，亦即一引擎模式、一電動模式、以及一混合動力模式的任一模式來操作該混合動力車輛。該混合動力模式進一步包括一混合動力運動模式以及一混合動力經濟模式。在該混合動力運動模式中，該IC引擎以及動力馬達的設置係聯合地加以操作。在該混合動力經濟模式中，該IC引擎以及動力馬達係交替地加以操作。若使用者想要更多動力，則該車輛可被操作在該混合動力運動模式中。

非再生能源的來源的不足已經引發對於降低石化燃料的消耗以及來自藉由內燃式引擎所提供動力的車輛的排放之需求是眾所週知的。一種用以達成前述目標的方式是透過一電力驅動的車輛。然而，相較於該習知的車輛，此種車輛係具有較大的主體重量以及每次充電較短的行駛距離，這是因為管理電池所需的技術的限制以及該主體重量的影響之緣故。此種缺點係藉由混合動力的車輛來加以克服，其係將內燃式引擎以及電氣動力馬達的優點利用到車輛之中。它們係提供很大的潛力於降低車輛的燃料消耗及排放，而無嚴重的損失車輛效能或駕駛性能。

通常，一電源以及一內燃式(IC)引擎係提供動力給一混合動力車輛。藉由一電池供電的一起動馬達係運行永磁發電機來起動該IC引擎。另一電池係提供動力給負責後輪旋轉的動力馬達，亦即用以提供能量。一混合動力控制單元係控制該IC引擎以及動力馬達兩者。在一電池起動該動力馬達之後，該動力馬達亦產生一些電力。再者，藉由該永磁發電機以及動力馬達所產生的電力可被用來供電該電池，以直接運行負載。該永磁發電機以及動力馬達兩者係產生在較高電壓，亦即在約48-60V下的電力。

因此，明顯的是一典型的混合動力車輛的操作係需要兩個不同的馬達，其包含一動力馬達以及一起動馬達。

運行該永磁發電機所需的起動馬達可被一體式啟動發電機(ISG)所取代，該ISG係致能該IC引擎的平順的起動。該ISG係直接轉動該曲柄軸(crankshaft)，此係產生該IC引擎的平順的起動。因此，ISG在一混合動力車輛中是較為所期望的。

該ISG以及動力馬達係運作在兩個不同的電壓位準下。因此，在一混合動力車輛中的ISG及動力馬達之較容易的操作係藉由利用具有兩個不同的電壓位準的兩個不同的電源來加以達成。

但是，在兩個不同的電源中所牽涉到的困難性是使用兩個不同的電源以符合兩個不同的電壓位準的要求、以及使用兩個不同的馬達係需要一複雜的電路。在該車輛佈局中的空間內容納該複雜的電路變成是一項費力的工作。因此，對於解決以上的問題並且提供一種小型且簡單的控制系統以執行不同的系統的操作的控制係存在著需求。

該ISG、動力馬達以及電源係藉由一混合動力控制單元來加以控制。該混合動力控制單元係包含一內建的DC-DC轉換器。控制包含該ISG、動力馬達、以及電源的構件的該單一混合動力控制單元係遭受到過熱的問題。這是因為操作在不同的電壓位準以及在不同的電流下的構件之不同的操作狀況的緣故。再者，該混合動力控制單元係由於高功率的電子開關的操作，而遭受到在該混合動力控制單元中所產生的熱的耗散不足的問題。例如，在本例子中，包含用於電力轉換的兩個六角電橋(hex bridge)功率電子開關之高功率的電子開關係產生高熱，並且為了維持由該控制器殼體所提供的散熱器的熱阻為低的，必須維持一較高的橫截面區域。

再者，該混合動力控制單元係執行分別操作在不同頻率下的動力馬達的控制以及ISG的控制之間的切換。由於切換的緣故，因此電磁雜訊的干擾係被散發出。為了消除該電磁雜訊的干擾，巨大尺寸的濾波器是所需的。容置該些巨大尺寸的濾波器將會使得該電路過於龐大並且更為複雜的。

再者，在該動力馬達的功能以及該ISG的功能之間的切換中係牽涉到功率電子開關的致能及禁能，因而該些功率電子開關係包含內部的本體二極體以容許每當該些開關被禁能時的不平衡的電流流過。此種不平衡的電流的流動將會影響到該些開關的功能。

再者，藉由單一混合動力控制單元所控制的ISG產生的電力輸出係由於非所要的諧波在所要的輸出上的重疊而為非常低的。

前述在一混合動力車輛中使用兩個不同的電源以及操作在不同的電壓下的單一混合動力控制單元中所牽涉到的困難性係根據所提出的發明而被克服。

根據本發明的一實施例，用於一混合動力車輛的控制系統係包含單一電源。

該電源係能夠驅動動力馬達以及一ISG兩者。該動力馬達係藉由一混合動力控制單元(HCU)來加以控制，並且該ISG係藉由一第二控制器來加以控制。根據另一實施例的第二控制器是一ISG控制器，並且一DC-DC轉換器係被配置以轉換藉由該ISG所產生的高輸出電壓成為一足以驅動車輛負載的所要的低電壓。

根據本發明的一實施例，操作在一例如是48V的預設的電壓的電源係能夠提供輸入電力至操作在一例如是12V的較低的預設的電壓的ISG，並且能夠提供至操作在例如是48V的該預設的電壓的動力馬達。該高電壓係在饋入該ISG之前，先藉由一電路來加以轉換。該電路係包含兩個電源模組，其係包括一用於驅動該動力馬達的六角電橋配置、以及一用以驅動該ISG的第二六角電橋。該些電源模組係轉換來自該電源的DC輸入電力成為用於驅動該動力馬達的可控制的DC輸出電力，該動力馬達在本例子中是一BLDC馬達。該第一及第二電源模組的DC輸入側係包含個別的DC鏈電容器以用於濾波、以及一電流感測電阻器以用於提供有關輸入電力的資訊至該動力馬達及ISG。再者，該些功率電子開關係包含一或多個內部的本體二極體，以用於在該些開關被禁能時，在電流的循環期間提供一電流路徑。尤其，該些功率電子開關係透過特定的閘極驅動器積體電路來加以驅動。該些閘極驅動器積體電路係進一步藉由一控制模組所供應的輸入來加以控制。

再者，該控制模組係包括微控制器以及對應的電源供應器模組。此外，來自例如是油門、車輛速度、引擎轉速、點火、剎車的車輛操作狀況的輸入係以類比及數位輸入而被饋送至微控制器埠。

再者，該動力馬達及ISG的操作係藉由依據車輛操作狀況而定的閉迴路參數來加以控制。該動力馬達及ISG的輸入是從該單一電源，透過控制器所饋送的電力。該動力馬達及ISG的輸出是機械動力，其係分別就車輛速度、車輪力、以及引擎轉速與旋轉扭矩的方面來加以量測。

再者，為了控制該ISG機器以達成所需的電流，被饋送至該ISG的輸入電壓係透過脈衝寬度調變的切換技術來加以控制。

再者，功率電子開關的操作的工作週期係藉由監視該ISG的輸出速度來加以控制。

本案標的之先前所提及的優點以及其它優點係在以下的說明中結合該些圖式來詳細地描述。

圖1是描繪根據本案標的之一實施例的一範例的車輛100的左側視圖。所描繪的車輛100係具有一跨過類型的車架組件105。該跨過類型車架組件105係包含一頭管105A、一主要車架105B。一或多個後管105C係從該主要管105B傾斜地向後延伸。再者，一或多個前懸吊110A係連接一前輪110B，並且一把手組件110C係構成一操控組件110。該操控組件110係透過該頭管105A來可旋轉地連接。一IC引擎115係作用為一主要的驅動手段以用於驅動一後輪125。再者，一動力馬達120係作用為一次要的驅動手段以用於驅動該後輪125。在一較佳實施例中，該動力馬達120係被輪轂安裝在該後輪125上。一車上電池170(未顯示)係驅動該動力馬達120。在一實施例中，該IC引擎115係被安裝到一擺臂130，該擺臂130係利用一肘節連桿而可擺動地連接至該主要車架105B。該車輛100係被設置有複數個被安裝至該車架組件105的主體面板，並且該複數個主體面板係包含一前面板135A、一腿護罩135B、一座椅下的覆蓋135C、以及一對側面板135C。

一前擋泥板140係覆蓋該前輪110A的至少一部分。一車底板145係被設置在跨過空間，該跨過空間係被設置在該把手組件110C之後。一座椅組件150係被安裝至該主要車架105B。一置物箱(未顯示)係被設置在該座椅組件150之下。一油箱(未顯示)係被設置在該置物箱之下。一後擋泥板155係覆蓋該後輪125的至少一部分，並且被設置在該油箱之下。一或多個後懸吊160係為了舒適的騎乘而被設置在該車輛100的後方部分中。該車輛100係包括一或多個電機/電子負載165(此後被稱為'負載')，其係包含例如是一頭燈165A、一尾燈165B、一電晶體控制的點火(TCI)單元(未顯示)、一交流發電機(未顯示)、以及一起動馬達(未顯示)的構件。

圖2是描繪根據一實施例的一種用於一混合動力車輛的控制系統的方塊圖。根據本發明的一實施例，作用為一電源201的一電池係供電包含一個動力馬達202以及一個一體式啟動發電機(ISG)203的兩個3相機器。一混合動力控制單元(HCU)204係透過該HCU 204所接收到的各種輸入來控制該動力馬達202的工作。該各種的輸入係包含一油門位置感測器、一點火鎖、一每分鐘轉速輸入、一模式開關以及剎車。

根據本發明的另一實施例，較佳操作在48V的電源201係能夠供電給操作在48V的動力馬達202以及操作在12V的ISG 203。該ISG 203係產生一12V的輸出電壓。藉由該ISG 203所產生的輸出電壓12V係足以操作該些操作在12V的負載206。藉由該ISG 203所產生的輸出電壓12V係透過一第二控制器207而被傳送至該些負載206。該第二控制器207較佳的是一ISG控制器以及一DC-DC轉換器。該第二控制器207亦控制該ISG 203的工作。藉由該ISG 203的輸出供電並且透過該第二控制器207控制的各種負載係包含一引擎轉速讀數器、點火鎖的檢查、一設備叢集以及各種車輛的負載。

根據本發明的另一實施例，該混合動力控制單元204係被配置以直接操作該些操作在12V的負載206。

由於包含該電池201的單一電源係被配置以供電在一混合動力車輛中的動力馬達202及ISG 203，因此一種簡單且符合成本效益的系統係加以獲得。

圖3是描繪一種用以控制一混合動力車輛在不同的工作模式中之控制系統的電路圖。該控制系統200係包含一48V的輔助的單一電源201，例如是一電池、一可再充電的能量儲存系統。再者，該控制系統200係包含一混合動力控制單元204，其係包括一個一體式啟動發電機控制模組204b、一動力馬達控制模組204a、以及一DC-DC轉換器204c。該一體式啟動發電機控制模組204b係被配置以控制一個一體式啟動發電機203，其係可運作在48V並且能夠產生一12V的輸出。藉由該一體式啟動發電機203如此產生的12V的輸出係被用來供電一或多個可運作在12V的DC負載。每當該模式開關被選擇成是包含一混合動力經濟模式以及一混合動力運動模式(依據被使用者選擇的狀況而定)的混合動力模式時，該一體式啟動發電機203係藉由該一體式啟動發電機控制器204b而被切換導通。再者，該控制系統200係包含一受到該動力馬達控制器204a控制的動力馬達202。當使用者透過該模式開關來選擇所要的模式時，尤其是在該混合動力車輛的電動模式期間以及在混合動力運動模式期間，可運作在48V的動力馬達202係藉由該48V的單一電源來加以供電。再者，每當該動力馬達202在該混合動力經濟模式期間被禁能時，於是其係能夠產生能夠供電該48V電源的電力。再者，該DC-DC轉換器204c亦有助於降壓一藉由該動力馬達202所產生的非常高的輸出成為12V DC輸出，其可以供電一或多個DC車輛的負載206。

根據本發明的一實施例，該48V的單一電源201係能夠供電該一或多個12V DC車輛的負載206。

根據本發明的另一實施例，該DC-DC控制器204c並非該混合動力控制單元200的一部分。

根據本發明的一實施例，該DC-DC控制器204c是該第二控制器207的一內建的部分。

圖4是描繪一種藉由單一電源所供電的混合動力控制單元以及第二控制器的操作的方法。根據本發明的一實施例，包含一電池的單一電源係供電該動力馬達以及該一體式啟動發電機。首先，在步驟301，該混合動力控制單元的功能係被啟動，該點火鎖係在步驟302針對於開(ON)/關(OFF)來加以檢查。若該點火開關是開的(ON)，則該HCU係在模式開關303切換成為一混合動力車輛的三個模式的任一個，該混合動力車輛的該三個模式係包含一EV模式(電動車輛模式)、一混合動力模式、以及一引擎模式。該混合動力模式進一步包含一混合動力經濟模式以及一混合動力運動模式，其可被使用者依據所提供的狀況來加以選擇。每當該車輛係如同在步驟304中所指出的工作在一電動模式中，則該HCU係如同在步驟305中所指出的檢查油門位置感測器(TPS)是否大於一預設的數值。若該TPS讀數為大於5%，則該動力馬達係藉由該HCU而被導通，該動力馬達係如同在步驟307中所指出的藉由單一電源來供電。如同在該步驟308中所指出的，該動力馬達的輸出係被用來運作該些操作在12伏特的負載。再者，若在步驟304中偵測到的模式開關並非電動模式，則該車輛係操作在混合動力模式或是引擎模式中。若該模式開關如同在步驟306中所指出的被選擇用於混合動力模式，則該車輛係如同在步驟306a中所指出地被操作在該混合動力經濟模式之下，則該TPS係藉由該HCU來加以檢查。若該TPS的讀數係如同在步驟309中所指出的大於5%，則該動力馬達係如同在步驟310中所指出的透過一HCU，藉由單一電源來加以供電。再者，若該車輛的速度如同在步驟311中所指出的超出一例如是25kmph的預設的值，則該引擎係如同在步驟312中所指出的透過該單一電源來加以起動，並且該運行的動力馬達係加以停止。一旦該引擎開始運行，藉由該引擎操作所產生的電力係如同在步驟313中所指出地被用來供電該些12V的負載。

再者，在該模式開關係如同在步驟306中所指出地被選擇用於混合動力模式而且並非用於混合動力經濟模式之後，則該混合動力運動模式係如同在步驟314中所指出地被選擇。在該混合動力運動模式之下，該TPS係被檢查，若該TPS係大於5%，則該第二控制器係如同在步驟315中所指出的透過該單一電源同時啟動該ISG以及該動力馬達的供電。再者，在電力的產生係透過該ISG以及動力馬達開始之後，如此產生的電力係如同在步驟316中所指出地被用來供電該些12V的負載。

若該模式開關所選的並非是一混合動力模式，則引擎模式係被選擇。再者，該TPS係時常被監測。若該TPS係如同在步驟317中所指出的大於5%，則該車輛的引擎係如同在該步驟318中所指出的透過第二控制器，藉由從該單一電源供電該ISG來加以起動。再者，藉由該ISG所產生的電力係能夠運行在該車輛中的12V的負載。在此步驟中，該引擎以及動力馬達兩者都是利用單一電源來加以起動。所產生的電力係如同在步驟315中所指出地被用來運作該些12V的負載。

由於包含該電池201的單一電源係被配置以在一混合動力車輛中供電該動力馬達202及ISG 203，因此一簡單且符合成本效益的系統係加以獲得。

儘管該標的已經參考其之某些實施例而相當詳細地加以敘述，但是其它實施例也是可能的。將瞭解到的是，該些實施例的特點並不必受限於在此所述的特點。

100‧‧‧混合動力車輛105‧‧‧跨過類型的車架組件105A‧‧‧頭管105B‧‧‧主要車架105C‧‧‧後管110‧‧‧操控組件110A‧‧‧前懸吊110B‧‧‧前輪110C‧‧‧把手組件115IC‧‧‧引擎120‧‧‧動力馬達125‧‧‧後輪130‧‧‧擺臂135A‧‧‧前面板135B‧‧‧腿護罩135C‧‧‧座椅下的覆蓋(側面板)140‧‧‧前擋泥板145‧‧‧車底板150‧‧‧座椅組件155‧‧‧後擋泥板160‧‧‧後懸吊165‧‧‧電機/電子負載165A‧‧‧頭燈165B‧‧‧尾燈170‧‧‧電池200‧‧‧控制系統201‧‧‧電源202‧‧‧動力馬達203‧‧‧一體式啟動發電機單元(ISG)204‧‧‧混合動力控制單元(HCU)204a‧‧‧動力馬達控制模組204b‧‧‧一體式啟動發電機控制模組204c‧‧‧DC-DC轉換器206‧‧‧負載207‧‧‧第二控制器301、302、303、304、305、306、306a、307、308、309、310、311、312、313、314、315、316、317、318、319‧‧‧步驟

本案標的之一種控制系統及其方法的詳細說明係參考所附的圖式來加以描述。相同的元件符號係被使用在整個圖式中來參照類似的特點及構件。圖1是描繪根據本案標的之一實施例的一跨過(step-through)類型的車輛以作為一個例子的左側視圖。圖2是描繪一混合動力控制單元的工作的方塊圖。圖3是描繪一用以控制一混合動力車輛在不同的工作模式中的控制系統的電路圖。圖4是描繪一種藉由單一電源供電的HCU的操作的方法。

200‧‧‧控制系統

201‧‧‧電源

202‧‧‧動力馬達

203‧‧‧一體式啟動發電機單元(ISG)

204‧‧‧混合動力控制單元(HCU)

204a‧‧‧動力馬達控制模組

204b‧‧‧一體式啟動發電機控制模組

204c‧‧‧DC-DC轉換器

206‧‧‧負載

207‧‧‧第二控制器

Claims

一種混合動力車輛(100)，其包括：一用於控制該混合動力車輛(100)的控制系統(200)，該控制系統(200)包含一用以致能在該混合動力車輛(100)的不同的工作模式之間的切換的混合動力控制單元(HCU)(204)，一耦接至該混合動力車輛(100)的一內燃式引擎(115)的一體式啟動發電機(ISG)(203)，一能夠獨立以及結合該內燃式引擎(115)來驅動該混合動力車輛(100)的動力馬達(202)，以及一單一電源(201)，其中，該動力馬達(202)以及該一體式啟動發電機(203)都從該單一電源(201)接收電源供應，並且該動力馬達(202)是藉由該混合動力控制單元(204)來加以控制，並且該一體式啟動發電機(203)是藉由獨立於該混合動力控制單元(204)之第二控制器(207)來加以控制，以便獨立地供電一或多個車輛的負載(206)，其中藉由該一體式啟動發電機(203)所產生的輸出電壓是透過該第二控制器(207)傳送至該一或多個車輛的負載(206)。
如申請專利範圍第1項之混合動力車輛(100)，該動力馬達(202)能夠透過該第二控制器(207)來供電該一或多個車輛的負載(206)，並且該動力馬達(202)能夠在該動力馬達(202)的發電期間充電該單一電源(201)。
如申請專利範圍第1項之混合動力車輛(100)，其中該第二控制器(207)包含一內建的DC-DC轉換器(204c)。
如申請專利範圍第1項之混合動力車輛(100)，其中該單一電源 (201)產生一預設的輸出電壓，該預設的輸出電壓透過一電路而被饋送至操作在一較低的預設的電壓下的該一體式啟動發電機(203)，該電路包含至少一能夠驅動該動力馬達(202)的六角電橋、以及一被配置以驅動該一體式啟動發電機(203)的第二六角電橋。
如申請專利範圍第2項之混合動力車輛(100)，其中該單一電源(201)能夠供電該一或多個車輛的負載(206)。
一種用以控制一混合動力車輛之方法，該方法包括以下步驟：藉由一混合動力控制單元(204)來監視(302)一點火開關狀態以及一油門位置感測器狀態；若該點火開關狀態是開的(ON)，則藉由一第二控制器(207)來啟動車輛的負載；若點火鎖的狀態是透過一模式開關(303)而為開的，則透過該HCU(204)來切換(303)至該混合動力車輛(100)的三個模式的任一個；若EV模式是透過該HCU(204)而被選擇並且若該TPS是大於一預設的值，則切換導通一動力馬達(308)；若TPS是大於一預設的值並且若速度是大於一預設的值，則透過該HCU(204)來切換至混合動力模式(306)；若該EV模式以及該混合動力模式(306)並未被偵測到，則透過該第二控制器(207)來切換至引擎模式(320)；以及若該三個模式的任一個是透過該HCU(204)而被選擇，則透過該單一電源(201)來致能一或多個車輛的負載(206)，該一或多個車輛的負載(206)是透過該第二控制器(207)來加以控制，其中該單一電源(201)是被配置以藉由供電一體式啟動發電機(203)來提供動力給一引擎(115)，其中該一體式啟動發電機(203)是藉由獨立於該混合動力控制單元(204)之該第二控制器(207)來加以控制，以便獨立地供電該一或多個車輛的負載(206)，其中藉由該一體式啟動發電機(203)所產生的輸出電壓是透過該第二控制器(207)傳送至該一或多個車輛的負載(206)。
如申請專利範圍第6項之用以控制一混合動力車輛(100)之方法，其中每當該車輛如同在步驟(304)中所指出的工作在一電動模式中時，則該混合動力控制單元(204)如同在步驟(305)中所指出的檢查油門位置感測器是否大於一預設的數值。
如申請專利範圍第6項之用以控制一混合動力車輛(100)之方法，其中若該模式開關所選的是如同在步驟(306a)中所指出的用於混合動力經濟模式，則該混合動力控制單元(204)如同在步驟(309)中所指出的檢查TPS是否大於5%，以藉由單一電源(201)來供電該動力馬達(202)。
如申請專利範圍第6項之用以控制一混合動力車輛(100)之方法，其中若該車輛的速度在混合動力運動模式下是如同在步驟(314)中所指出的超出一25Kmph的預設的值，則該單一電源(201)是被配置以透過該第二控制器(207)來致能該動力馬達(202)。
如申請專利範圍第6項之用以控制一混合動力車輛(100)之方法，其中若所選的模式並非電動模式(304)且非混合動力模式(306)，則該模式開關(303)切換至一引擎模式(320)，該第二控制器(207)如同在步驟(317)中所指出監視TPS，並且若TPS是大於一預設的值，則只有該引擎(115)藉由透過該單一電源(201)供電該一體式啟動發電機(203)來加以起動。