电动牵引系统及其方法 相关申请
本申请要求对 2008 年 3 月 19 日提交的美国临时申请 No.61/037,851 的优先权益。 本申请是以下申请的部分继续申请 ： 2006 年 3 月 14 日提交的申请 No.11/374,709 ； 2006 年 11 月 10 日提交的申请 No.11/558,786 ； 以及 2008 年 4 月 1 日提交的申请 No.12/060,368。 所有这些申请都以参见方式引入本文。
技术领域
本发明涉及车辆上的电动推进系统， 即， 牵引系统， 包括如此系统的改装安装。 附图说明
图 1A 和 1B 是具有安装在车辆上的电动牵引系统实施例的车辆驱动测试结果的曲 图 2 是车辆系统部件的框图 ； 图 3 是本发明所揭示实施例的系统部件的框图 ； 图 4 是所揭示实施例的系统部件的框图 ； 图 5A-5D 是所揭示实施例的支架的示意图 ； 图 6 是所揭示实施例的系统部件的框图 ； 图 7 是用于所揭示实施例中的方法步骤的流程图 ； 图 8 是所揭示实施例中使用状态的状态图 ； 以及 图 9 是根据本发明实施例的车辆改装的方法步骤的流程图。 各个附图中相同的附图标记表示相同的元件。线图 ；
具体实施方式
在以下对优选实施例的详细描述中， 将参照示出可实践本发明的实施例的附图。 应该理解到， 也可使用其它的实施例且可在不脱离本发明的范围的情况下作出各种变化。 附图和详细描述并不意图将本发明限制在所揭示的具体形式中。相反， 意图是涵盖所有落 入由附后权利要求书所定义的本发明的精神和范围之内的修改、 等价物和替代物。这里的 标题并不意图以任何方式来限制主题。
一方面， 本发明使用构造更为结实的车辆传动装置的接入端口 (access port)( 也 称之为动力输出端口 (“PTO” 端口 ))， 其中该端口能使转换方法论适用于超过 3,000,000 辆美国卡车的目前 8 级的重型车辆 (HDV) 车队， 考虑到联邦要求的排放规定。这就是说， 一 方面， 本发明的改装系统适用于 HDV 并具有 10 至 15 年的寿命循环， 在现实世界限制内减少 排放和燃料消耗。这可以通过各种方法和技术来实现， 这些方法和技术不仅适于现有车队 的多种多样和老化的硬件， 而且适于这些卡车的经济上脆弱的所有权结构。
在本发明的一个实施例中， 对传统的 HDV 提供改装结构， 其能够在单一驾驶时间 内在以下两种模式中运行 ： i) 内燃机 (ICE) 模式， 其中， ICE 通过控制器从传统的 PTO 端口将动力输出到添置的电动牵引电动发电机 (ETMG)， 并由此向作为发电机的 ETMG 提供机械 动力， 以产生并在大型电池内储存电荷， 以及 ii) 电动牵引电动机模式 ( 或简称为 “ET 模 式” )， 其中， ICE 关闭， 从电池中送回储存的电荷 ( 通过控制器和同一 ETMG)， 由此， 对作为电 动机的 ETMG 提供电力， 以将机械动力提供到同一 PTO 内而独立地推进车辆。在另一方面， 控制器构造成响应于驾驶和电池状态， 在 ICE 和 ET 模式之间自动地切换 HDV。 例如， 在本发 明的实施例中， 控制器在 ET 模式中自动地启动 HDV， 并响应于达到某一上限的车辆速度将 其切换到 ICE 模式， 其中该上限根据例如车辆上的载荷可以在 15 至 30MPH 范围之内。相应 地， 控制器再响应于落到限值以下的 HDV 速度， 自动地将 HDV 切换到 ET 模式。该自动切换 在单一驾驶时间内可发生多次。
这里术语 “牵引” 可与术语 “推进” 互换地使用。
如术语在本文中所使用的那样， 术语 “驾驶时间” 是指从离开点至到达点的行程， 并可包括返回行程。例如， 对于洛杉矶港口区域内的日间卡车来说， 这可包括日间的行程， 例如， 车辆从运输公司的大院出发， 行驶在城市街道上到达港口， 在港口等待装货 ( 可能包 括排队缓慢地蠕动的长时间的间隔 )， 离开港口， 行驶在城市街道上到达递送点， 以及返回 到大院子内。( 当然， 可替代地包括先从大院行驶在城市街道上， 到达提货点， 然后， 行驶到 港口， 在港口内等待卸货， 离开港口， 行驶在城市街道上到达递送点， 以及返回到大院子。) 可以包括没有到港口的行程， 或日间一次以上到港口的行程。在单日内可包括一个以上的 提货点和一个以上递送点。 现参照图 1A 和 1B， 图中示出本发明实施例的测试数据。测试数据由装备有 ET 系 统的根据行车循环驾驶的 HDV 产生， 行车循环代表日间卡车的行车循环 ( 例如， 在洛杉矶港 口区域 )。图 1A 示出 “仅驾驶室 (cab)” 测试的测试数据。图 1B 示出 50,000 磅车辆毛重 的卡车的数据。
本发明实施例利用动力交换单元 (PXU) 代替传统的 PTO。对于旨在解决这里所述 经济上有挑战性的所有关系的结构的这里所述用途范围很广的各种车队来说， 该 PXU 有助 于将 ETMG 改装到传统的传动装置。PXU 的设计只能部分地依据现有 HD 卡车行车循环中遇 到的有关速度和转矩的需要和限制等的发现。除了有助于 PXU 设计， 对于 HD 日间卡车的行 车循环的研究也有助于能够选择改装 ETMG 和用于本发明的电池， 并帮助开发用于改装电 动牵引系统和方法的控制逻辑的特殊的算法和约束条件。该算法子控制何时通过 ETMG 对 卡车供电， 何时对 ETMG 提供机械动力来对电池充电， 以及以何种充电速率进行充电， 何时 自动地在 ET 和 ICE 模式之间进行切换以及如何进行。
根据 HDV 在街道上行驶循环的要求， 在本发明的一个实施例中， 传动装置是重型 的手动传动装置， 且该卡车在大部分距离上在一街道行驶速度范围内由 ET 模式中的 ETMG 根据传统的街道行驶循环推动， 使得驾驶员有必要手动对传动装置换挡， 以在 ET 模式驾驶 过程中达到街道行驶速度。在一个实施例中， 即使 ETMG 可能通过 PXU 连接到传动输入也可 能达到街道形式速度， 此时， 不像传统 ICE 驱动的结构那样， 无需借助于离合器， 在还童 ICE 结构中， ICE 可暂时地通过车辆传统的 ICE/ 传动装置离合器与传动装置脱离， 以便进行换 挡。此外， 在本发明实施例的一个方面， 已经发现了诸多问题， 并解决了有关结构和涉及如 何在 ET 模式中对重型手动传动装置换挡的方法， 即， 不使用通常用来暂时地脱离 HDV 推进 力源的离合器。
如上所述， 已知用来解决非常特殊的问题的各种改装系统， 但不解决范围的街道 行驶问题。与上述本发明的结构相比， 用于如今街道驾驶条件的混合型电动车辆 (HEV) 倾 向于对 HEV 的运行进行原始制造， 例如， 用于动力共享和自动换挡的原始设备制造 (OEM) 中 的专用设计的传动装置。 通常地， 这些专用自动传动装置一体地包括所有用于电动机和 ICE 的必要的齿轮， 并甚至可包括电动机本身， 即， 安装在传动箱内， OEM HEV 通常还在大部分时 间同时运行电动机和 ICE。
如上所述， 根据本发明的一个实施例， 该技术仍还不仅适用于解决老化硬件的特 性， 而且还解决上述脆弱的所有权结构。相比之下， HDV 排放问题已经存在多年， 主要的卡 车制造商继续销售将排放减小到更接近于可接受的水平的基于 ICE 的卡车。该现有技术的 方案基本上不减少化石燃料的消耗， 并已经导致更昂贵的 8 级 HDV。然而， 现有的 8 级 HDV 所有权结构包括大约 700,000 至 900,000 个独立的业主 / 经营者。卡车工业的该所有权等 级之所以沿袭和成长， 主要是由于 8 级 HDV 的长寿命所带来的预拥有的 HDV。 大部分独立的 卡车运输者简直就买不起新的符合于排放要求的 HDV， 其可高达 $125,000。据估计一辆新 的清洁的柴油 HDV 是 $126,000。估计一辆液化天然气驱动的 HDV 是 $184,000。应该指出 的是， 3 百万以上 8 级 HDV 的现有车队的大约四分之一是 1993 年的型号或更老的车辆。要 更换目前的车队成本可能高达 $500,0 亿。因此， 如果没有政府大量的津贴要在短期内更新 新的符合排放要求的 HDV 的话， 则就会置这些业主 / 经营者破产。为了解决这个问题， 根据 本发明， 提供一种改装的 ET 系统。
现参照图 2， 图中示出原始设备制造的 HDV202。车辆 202 包括通过离合器 206 联 接到 ICE208 的传动装置 204。变速杆 210 连接 ( 未示出 ) 到传动装置 204 的齿轮箱 ( 未 示出 )。离合器脚板 212 可由驾驶员操作来配合和脱离离合器 206。方向盘 214 也是公知 的， 其用来操纵车辆 202 的转向。车辆 202 的电气系统 218 由 12 伏电池 216 供电， 电池 216 由一交流发电机 ( 未示出 ) 进行充电， 该交流发电机由 ICE208 供能。辅助系统 220 也由 ICE208 供能。
现参照图 3， 图中示出根据本发明一实施例的用 ET 系统改装的图 2 的 HDV 的框图。 在图 2 中示出传动装置 204、 离合器 206、 ICE208、 变速杆 210、 离合器脚板 212、 方向盘 214、 电池 216 和电气系统 218。动力交换单元 (“PXU” )304 通过 PTO 端口 302( 这里也称之为 “传动装置接入端口” ) 联接到传动装置 204 的传递齿轮 ( 图 3 中未示出 )。ETMG306 通过 ETMG306 的轴机械地联接到 PXU304。ETMG306 的电气连接是连接到整流器 / 逆变器 308， 当 ETMG306 被 PXU304 驱动而作为发电机运行时， 流器 / 逆变器将 ETMG306 的电气输出转换成 对电池组 310 充电。当 ETMG306 作为电动机运行时， 整流器 / 逆变器 308 转换电池组 310 内储存的电能来驱动 ETMG306， ETMG306 又机械地驱动 PXU304， 通过传动装置 204 的传递齿 轮来推进车辆 202。在本发明的实施例中， 电池组 310 可以是 Altair Nanotechnology 的 15KWh 300-400VDC。
ETMG 是无论在电动机模式还是在发电机模式都是同样速度
根据本发明的一个实施例， ET 系统包括通过固定齿轮比的 PXU( 其可在车间内改 变 ) 联接到传动装置的 ETMG， 在 ETMG 和 PXU 的齿轮之间没有插入离合器， 其中， ETMG 在基 本上相同的速度范围内用作发电机和电动机。例如， 在本发明的一个实施例中， ET 系统包 括 UQM 型号的 SR218/DD45-400LWB 的永久磁体的电动发电机和驾驶员逆变器。对于机械 /电气和电气 / 机械形式的动力转换， UQM 电动发电机均在约为 0-4000rpm 范围内运行。在 另一实施例中， 可提供感应式电动发电机。
电动机速度 - 转矩曲线
本发明的一个实施例包括装备 ICE 推进的 8 级 HDV， 其具有电池、 控制系统、 PXU 和 ETMG， 以及通过电动机的喷射， 通过 PTO 端口的足够的功率， 以合适的 PXU 齿轮比来接近 ICE 的特性特征， 即驾驶感觉， 其中电动机在适用于大部分街道行驶的速度范围内提供独有的 推进力， 且电驱动速度的上限取决于 HDV 的装载重量。在本文所述的本发明的一个实施例 中， 仅是电推进的速度包括 ： 仅对于驾驶室， 高达约 30MPH， 对于全加载的车辆， 高达约 15 至 20MPH。 ( 速度和电驱动范围可利用较大的电动机和电池来扩大。 ) 可以这样来构造该结构 ： 使电池具有足够的储存容量， 并可承受足够的再充电速率， 这样在发电机模式中 ETMG 可在 驾驶期间充分地对电池充电， 以持续日间卡车的普通行驶循环的要求。
所有上述与电池可承受的深度再充电循环数的组合， 合作来提供这样一个系统， 该系统也能以经济成本有效的方式来改装现有的 8 级或更小一些的 HDV 车队。即， 在某些 经济合理的情况下， 改装系统实际上在一合理的时间内仅根据燃料成本的降低来偿还其自 身， 而甚至不考虑排放减少的问题， 这也可赋予某些经济价值。 本发明的实验已经揭示了 ET 系统的 ETMG 可理想地具有相对平坦的扭转曲线， 从 而可较早地提供高的转矩， 而在整个的 RPM 范围内保持相对恒定。该转矩特性使牵引驱动 电动机系统与用于风扇、 泵等的其它系统分开。 PXU 输出速度致使传动装置在典型的轴速度 下运行， 使得操作者不必改变习惯的传动装置齿轮箱手动换挡模式来利用该 ET 系统。这可 约束否则可能使有关选择 PXU 齿轮比的选择范围变大的情况。换句话说， PXU 输出以平衡 的方式满足传动装置输入， 使得当 ICE 将转矩输入到传动装置时， 该方式仿效 ICE 的驾驶感 觉， 它在传动装置和 ETMG 以及 PXU 速度和转矩限制内这样做， 这可包括制造商规定的限制。
PXU 具有大的齿轮比， 该比例可在车间里改变， 并额定用于高速和高转矩。
在本发明的实施例中， 重要的是， 在 ICE 模式中从 ICE 通过传动装置将动力有效地 移动到电池内， 然后， 在 ET 模式中从电池返回到传动装置。这样， 提供与传动装置的接口， 该接口具有合适的、 可在车间里改变的齿轮比以及足够的速度和转矩处理能力。
即使是相对平坦的速度 - 转矩曲线， 对于本发明的研究也已经表明 ： 对于现有的 美国 HDV 车队， 仍然可能需要这样一种机构， 根据本发明的一个实施例， 该机构使得当 ETMG 在一个方向中运行以用作电动机 ( 即， 在 ET 模式中 ) 时， 来换挡使 ETMG 的转矩增大， 而当 ETMG 在另一个方向中运行以用作发电机 ( 即， 在 ICE 模式中 ) 时， 来换挡使 ETMG 的速度增 大。本发明的实验已经表明 ： 发现现成的 PTO 可用来对电动机模式换挡使 ETMG 的转矩增大 以及对发电机模式换挡使速度增大， 但尚未发现现成的 PTO 提供足够大的齿轮比来实现理 想的速度和转矩比。此外， 还未发现现成的 PTO 提供最大转矩和最大速度额定值的合适组 合。对较高 RPM 限值额定的这种现成 PTO 并未设计成处理本发明需要的转矩限值， 而适用 于 ET 模式中所需的最大转矩输入的现成 PTO 往往换挡太慢挡， 以提供 ICE 模式中的所需的 输出 RPM。对本发明的实验和分析指出 ： ETMG 轴和传动装置输入上的传递齿轮的轴之间的 速度比， 即， 可通过 PTO 端口接入的齿轮， 可在 2.0 ∶ 1 至 2.5 ∶ 1 的范围内工作。在本发 明的一个实施例中， PXU 具有该范围内的固定齿轮比， 并具有至少为 500ft-lbs 的最大转矩 限值， 以及至少为 5000RPM 的最大速度限值， 以适应大部分现有的 8 级 HDV 车队。在本发明
的另一实施例中， PXU 具有用于同一目的的至少为 550ft-lbs 的最大转矩限值， 以及至少为 4500RPM 的最大速度限值。 应该指出的是， 在 8 级 HDV 的美国车队中的有限数量的传动装置 可能需要 735ft-lbs 的转矩并具有 4500RPM 的能力。
PXU 具有联接到传动装置接入端口的一个端口和联接到 ETMG 的端口。 在本发明另 一个实施例中， PXU 能够在一个端口最大速度的 1/2 的速度下接收最大转矩， 并在另一端口 输出的最大转矩 1/2 的转矩下递送最大速度， 以及反之亦然。
作为一个实验， 构造皮带系统来将现成 PTO 调整到需要的齿轮比， 并对系统进行 测试。这种布置对于从 ETMG 将机械动力递送到传动装置和相反的目的工作得很好， 但其很 沉重且运行效率低于执行相同功能的齿轮装置的效率。 每个能量在系统中的整个所有能量 传递中的减小倍增， 损害总的特性和效率。
现参照图 4， 根据本发明的一个实施例显示 PXU304 的细节， 其涉及到 ETMG306 和连 接到 ICE 的传动装置 204。通过动力交换单元 304(PXU) 从 HDV 传动装置 204 传递的机械能 被转换为电能， 以便储存在 ET 的电池组 ( 图 3 中的 310) 内， 以用于同一的或以后的驾驶循 环。 来自电池组 310 的能量通过电动机 306 的连接到 PXU304 的轴从电势状态返回到机械动 能状态。 在本实施例中， 选择重量轻、 体积小和成本低的相对小的电动机， 其能在 0-4500RPM 的范围上且在该 RPM 范围上相对一致的转矩输出下产生 177ft-lbs 之间的转矩。 储存的电功率现作为机械转动能量传递通过 PXU304， 在本实施例中， PXU304 设计 成允许互换齿轮， 使得最大转矩 177ft-lbs 转换为 325ft-lbs 的最大转矩， 同时使 4500RPM 的最大输入 RPM 尽可能减小到 2000RPM 的最大值， 以符合于传动装置制造商的技术规格。 可 互换的齿轮特征 S-02-A 允许转换到诸如 550 或 735ft-lbs 的较高转矩， ETMG 最大转矩输 出规格仅有略微的变化， 同时仍保持 2000RPM 的最大输出。
来自 PXU304 的转动能量通过 PXU304 接口齿轮传递到 HDV 传动装置 204， 并进入到 传动装置 204 的正齿轮， 根据如上所述的输出限制在限定的速度范围内推进车辆， 使性能 特征类似于传统柴油机运行的特征。
在 ET 模式和 ICE 模式过程中， 在选定的状态中， ETMG306 对 PXU304 施加 REGEN 载 荷， 由此， 致使来自于 ICE 或待从 HDV 的传动装置 204 传送的移动的 HDV 的动量的机械能， 通过 PXU304 传送回到 ETMG306 的轴。在此实施例中， 高达 325ft-lbs 和 2000RPM 最大值的 来自于传动装置的动力， 转换为最大转矩 177ft-lbs 和高达 4500RPM 最大值的动力。这种 的转矩额定和 RPM 范围适用于在本实施例中发电， 并基于已知的驾驶循环， 能够在 15 分钟 或不到的时间内对 ET 电池完全地充电。
安装支架
PTO 可以简单地用螺栓直接连接到传动装置 PTO 端口。然而， 由于本系统内的 PXU 遇到并额定比传统 PTO 高的转矩， 所以传统的安装结构可能不合适。 PXU 还产生在发电机模 式中的进入到传动装置， 并在电动机模式中的从传动装置输出的转矩。 因此， 在本发明的一 个实施例中， 有意构造的 PXU 具有一体的支架， 其如图 5A-5D 所示地用螺栓连接到传动装置 壳体的附加的部位内。这可使力分布在传动装置壳体的更大区域上。单独的驱动系和 u 形 螺栓联接允许作弯曲和振动纠正以及对齐纠正。
现参照图 5A， PXU 支柱的侧视图示出有关 PXU 实施例和其与 OEM 传动装置的关 系的细节。图 5A 是一典型 ICE208 连接到传动装置 204 结构， 其中， 离合器 206 通常位于
ICE208 和传动装置 204 之间， 且其中， 驱动轴 230 通常从传动装置 204 后面延伸到后面的差 动器 240。
在此实施例中， 螺栓连接到传动装置 204 下部上的是 PXU304， 其附连到重型传 动装置接入端口 302。因为文中所述高的转矩应用， 所以本实施例包括 “断 -U” 形的支柱 502( 也称之为 “支架” )。在此实施例中， 用稍许加长的安装螺栓 504， 将支柱 502 的各侧用 螺栓连接到传动装置接入端口 302 和附连的 PXU304。同样地， 用稍许加长的油箱螺栓 506， 将所述支架 502 的顶端用螺栓连接到传动装置 204。
如此的结构允许 PXU 支柱 502 承载施加到传动装置 204 壳体 520 上的一部分应力， 该应力通常由传动装置油箱 510 承载， 因此， 降低了作用在传动装置油箱 510 上的应力， 防 止由于金属疲劳引起的应力断裂。
图 5B 示出从 PXU 支柱 502 后侧观看的视图， 这是典型安装中的定向。图 5C 仅示 出支架 502 的侧视图。
图 5D 示出 PXU 支柱 502 的剖切的后视图， 涉及传动装置 204、 传动装置油箱 510 和 PXU304。
控制器 现参照图 3， 本发明实施例的电动牵引相关系统例如包括添加到现有车辆 202 上 的改装系统， 在本发明实施例的一个方面， 该系统包括联接到电动机控制器 316 的可编程 的车辆集成模块 (VIM)( 这里统一称之为 “控制器” 312 或 “ET 控制器” 或 “ET 系统控制器” 并区别于 OEM ICE 和辅助系统控制器 )。ET 控制器 312 关联到 OEM ICE CANN 总线系统， 以 获取有关车辆状态的信息。
ET 控制器 312 的电动机控制器 316 部分具有独立的逆变器和控制器， 用于 ETMG 和 各个辅助系统电动机， 例如， 原动力 ETMG306、 用于动力制动的空气压缩机电动机、 用于动力 转向的液压泵电动机， 以及 A/C 压缩机电动机。逆变器从推进电池 310 中接受 300-400VDC 的动力， 并输出调制过的 3 相、 230VAC 的脉宽到被驱动电动机。 各个逆变器能够控制电动机 转速。此外， 控制器具有 12V 的电源板部件 319( 这里也称之为 “电源” )， 其用来对车辆 202 提供传统的 12V 电源系统， 并保持传统 12V 的电池 216 充电。控制器 312 的集成模块部分 314 控制电动牵引相关系统所有的功能， 仅按照需要来运行各个功能， 并在任何给定时间按 照需要输出。
该系统具有自动切换能力， 根据该能力， 控制器 312 按照预定的逻辑致使车辆 202 从 ICE 模式切换到 ET 模式， 这是响应于输入而作的切换， 其中某些输入可以从 ICANN 总线 中读取。在本发明的一个实施例中， 输入包括电池充电状态 (“SOC” )、 发动机速度、 加速器 踏板位置、 车辆的装载重量、 地理位置数据、 变速按钮状态、 模式选择按钮或开关状态、 转向 位置传感器、 点火钥匙状态、 离合致动器限位开关状态、 包括压缩机指令信号在内的空调输 入， 以及制动空气压力。输出包括电动机转矩需求、 ICE 加速器位置、 离合器致动器启动和 方向、 钥匙停用中继、 起动启动中继、 动力转向控制、 A/C 控制、 冷却控制、 报警控制、 使用者 接口 / 测量驱动器、 ICE 关闭 rpm 指示器 ( 用于换挡定时 )， 以及制动空气压力压缩机控制。
离合致动器
控制器可使用 12V 的蜗杆驱动馈送器来配合和脱开配合 ICE 离合器 26。当离合 器配合时， 使用者仍可手动地使其脱开配合。 一旦沿一个方向开始致动， 则其继续到目标限
位开关被致动为止。输入是 ： 从软件的牵引模式、 行程两端处的输入限位开关 (2 数字传感 器 )。输出是 ： 12V 中继以控制方向、 对于开 / 关的 12V 中继。
加速器踏板
运行 ： 从 OEM ICE ECU 中脱离加速器踏板。HEV ECU 测量踏板传感器位置， 并将合 适信号传输到 ICE ECU 和牵引电动机控制器。对控制器的输入是 ： 加速器踏板传感器 PWM 信号。从控制器输出的是 ： 通向 ICE ECU 的 PWM 信号、 通向牵引电动机控制的 CAN 信息。
起动按钮
运行 ： 平行于起动按钮放置继电器。继电器可独立于操作者指令通过起动按钮致 动该起动。允许不按下按钮就接通 ICE。对控制器的输入是 ： J1708 发动机速度。输出是 ： 致动起动信号的中继。
点火钥匙
运行 ： 与点火钥匙串联地放置继电器 (NC)。继电器可独立于点火钥匙关闭车辆。 在中继之前检测输入到 HEV 控制器的钥匙。 当钥匙合上时允许关闭 ICE。 点火钥匙关 (OFF) 使 ET 模式和 ICE 模式都失效。中继开 (OPEN) 使 ICE 失效 / 关闭。对控制器的输入 ： ET/ ICE 模式的软件。输出是 ： 中继信号。
变速按钮
运行 ： 当要换挡时按下按钮。限制电动机上的转矩。当处于 ET 模式时， 允许使用 者控制速度来换挡。再次失效， 允许 ICE 正常地换挡。对控制器的输入是 ： 变速杆上的按 钮。输出是 ： 通向牵引电动机控制的 CAN 信息、 通向 ICE ECU 的踏板位置输出。
ET/ICE 模式改变通告 / 报警
运行 ： 在开或关 ICE 之前， 报警器发出声音。 对控制器的输入是 ： ET/ICE 模式软件。 输出是 ： 输入到报警器的信号， 报警器周期地 ( ～ 2Hz) 发出声音。
应该理解到， 本文中所述的控制电路和控制器可以是具有存储器和处理器的一个 或多个可编程装置， 其中， 所述逻辑过程由储存在存储器内的程序指令确定， 即， 过程由从 存储器读取指令并执行指令的处理器来实施。
在从 ICE 模式到 ET 模式的切换中， 控制器发送信号， 致使致动器在几秒的时间间 隔中配合卡车传统的离合器 ( 即， ICE 和传动装置之间 )。该时间间隔允许传动装置的速度 与电动机速度匹配而避免撞击齿轮。然后， 控制器使关闭 ICE 的继电器通电或断电。离合 器的自动配合和脱开仅在 ET 和 ICE 之间和在 ICE 和 ET 之间实现变换时才是必要的。一旦 处于 ET 模式时， 离合器就不使用。在 ICE 模式中， 离合器以传统方式使用。
ET 模式中的驾驶
驾驶员可通过加速器踏板来控制 ETMG， 因为位置传感器已经作为先前所述改装的 一部分而添加， 其中， 位置传感器构造成用于向控制器发送信号。 该信号以某种方式与加速 器踏板的位置成比例。在一个实施例中， 信号大小与位置成比例。在一个实施例中， 信号包 含指明各种位置的数字信息。 在另一实施例中， 控制器读取现有踏板传感器， 该传感器服从 SAEJ1843。通过线连接到 ICE 的驱动， 也通过向 ICE 电子控制模块 (ECM 或 ICE ECM) 输出 SAE J1843 信号来实现。
如果驾驶员释放踏板超过预定为零转矩要求的输出位置的某一点， 则控制器致使 ETMG 响应于零转矩位置以下的踏板位置开始用作发电机。 这是再生制动的形式， 即， 提供减速和以某种方式与踏板位置成比例的发电。这样， ET 模式工作很像 ICE 模式， 其根据驾驶 员的输入来加速车辆或 “千斤顶制动 (jake-braking)” 该车辆。
结合换挡， 驾驶员按下齿轮变速杆上的按钮。在 ET 模式中， 该按钮致使控制器响 应于控制 ETMG 的加速器踏板的方式来作变化， 使得 ET 模式中的换挡感觉更像 ICE 模式中 的换挡。具体来说， 响应于按钮， 控制器减弱其对加速器踏板位置的响应， 以使驾驶员可通 过踏板对 ETMG 速度有更加精细的控制， 不管 ETMG 是作为电动机来推进车辆还是作为发电 机来发电都是如此。因此， 当操作者让踏板稍许上来一点时， ETMG 将更像 ICE 那样减慢。且 当向低速换挡时， ETMG 还让操作者较容易地提升到合适的速度。通过采取这些行动， 操作 者将使 ETMG 大致进入对下一挡合适的转速 rpm 范围， 并可很像对 ICE 换挡那样进行换挡。 ( 在第一挡开始之后， HDV 驾驶员往往不使用离合器来对 ICE 换挡。)
切换到 ICE 模式
然后， 卡车在 ET 模式下前进直到控制器探测到指定换挡回到 ICE 模式的预定条件 之时为止。 一个这种条件是控制器探测的车辆速度超过已经编程到控制器存储器内的预定 速度。在本发明一个实施例中， 车辆加载时该预定速度近似为 15mph， 仅为驾驶室时近似为 30mph， 如果电池 SOC 很低则预定速度更低。本发明中的测试已经确定 ： 至少根据本文所揭 示的电动牵引结构， 电功率在高于该速度的许多情形中相比 ICE 功率燃料效率较低。由于 ET 系统将能量从一种形式变换到另一种形式， 所以， 可比产生和储存能量以备将来之用更 有效地直接使用能量。 ET 系统依赖于电池和 ETMG 的效率来补偿柴油的效率不足， 尤其是在 空转和低转矩和低速度的情况下。 在混合型的车辆中， 最终所有用于 ET 模式的能量都来自于 ICE。 总体来说， 撇开来 自电网初始运行之前可能需要的能量， 每一步骤都有效率损失。还有在运行 ICE 时的效率 低下 ( 所谓的空转损失， 即， 相当固定的损失 )。申请人通过分析和测试已经发现 ： 在空转 和低转矩或低速时， 运行 ET 系统时的低下效率小于对 ICE 的空转损失， 于是， ET 模式通过 在空转和低转矩或速度下的操作来提供能耗的净节约。
控制器切换回到 ICE 模式的另一条件是 ： 控制器探测到 ET 电池已经达到预设的低 充电的状态。
控制器切换回到 ICE 模式的另一条件是 ： 控制器探测到的 ETMG 电流超过已经编程 到控制器存储器内的预定限值， 这是由于驾驶员要求的转矩输出 ( 通过加速器踏板 ) 不能 继续由 ETMG 提供的缘故 ( 当然， 在 ET 模式中对其进行监测 )。( 应该理解到， 可测量电动 机电流来代替本文所述的各种控制情况中的电动机转矩。)
就在控制器致使车辆切换到 ICE 模式中之前， 控制器发送接通驾驶室中发声装置 的信号， 以通知驾驶员该切换。在从 ET 模式切换到 ICE 模式时， 控制器首先起动 ICE， 由于 通过离合器使 ICE 与传动装置脱离， 所以 ICE 可自由地转动， 通过 ET 系统的离合器致动器， 离合器固定在脱开的位置内。接下来， “通过连线的驱动” 接口 ( 在本实施例中是 J1843) 控制油门并使 ICE 加快到接近于匹配固定在传送装置输入端的离合器飞轮的 RPM。具体来 说， 本 ET 系统的前导装置联接到车辆传统的油门联动装置上 ( 例如， 油门拉索、 加速器踏板 等 )， 并接受由控制器输出的控制信号。 控制器通过车辆的通讯总线 (J1708 或 J1939) 接受 来自速度传感器的信号， 该总线监测 ICE 的转动并用信息进行编程， 所述信息使测得的 ICE RPM 与传动装置离合器飞轮的 RPM 相关。( 注意到 ： 根据 ICE RPM 在何处测量， 传动装置离
合器飞轮的 RPM 和 ICE RPM 就可 1 ∶ 1 对应。) 控制器调整油门联动装置的输出信号， 来调 整 ETMG 的转动以使 ICE 转动匹配于传动装置输入的转动。控制器处理来自加速器踏板的 输入并送出信号， 表明究竟哪些值适合于 ETMG 控制器和 ICE ECM。
一旦做到这一点， 控制器就向离合器致动器送出信号， 以使致动器缓慢地允许离 合器配合。在本发明的一个实施例中， 此处的 “缓慢地” 是指 0.5 至 10 秒钟。接下来， 控制 器顺利地在 1 秒内对驾驶员释放油门的控制， 并继续探测行车状况。
在 ICE 模式中， 系统评估行车状况， 并响应于预定的状况来对 ETMG 选择充电速率， 其中， ICE 能够有效地运行， 或附加的载荷可致使 ICE 更有效地运行。 在这些状况下， 根据电 池充电状态， 控制器可对 ETMG 增加再生转矩指令， 致使 ETMG 加载 PXU， 以增加发电的电流， 即， 增加电池的充电速率。
响应于 ET 电池的充电状态来选择发电 / 充电速率， 在一个实施例中可包括 ： 响应 于较低的电池充电状态来选择较高的充电速率。例如， 选择的充电速率可与电池的充电状 态成比例。响应于附加载荷是否致使 ICE 更有效地运行来选择发电 / 充电速率， 在一个实 施例中可包括 ： 响应于较低的 ICE 转矩来选择较高的充电速率， 因为柴油 ICE 趋于在较高转 矩时更有效。 ICE 百分比的发动机载荷沿着车辆总线 (SAE J1708 或 J1939) 传递。在本发明的 一个实施例中， 再生电流是电池 SOC 的函数， 在一个实施例中， 在不同的 SOC 带上， 指令不同 的转矩。再生电流可以是发动机载荷百分数的函数 ( 如上所述 )。再生电流可以是发动机 RPM 的函数。发动机有裕量地更高效， 并在其 RPM 范围的中上部内具有较高的可用的转矩。 有裕量地高效是指与附加输入燃料相比的附加的输出功率。
控制器还使用车辆速度作为发电速率的一个确定因子以及作为对电池冲电多少 的考虑。在卡车以较高速度移动的情况下， 控制器可选择不使用 ICE 功率来对电池完全地 充电。 相反， 在预计的车辆减速过程中， 控制器可选择在电池中留下某些 “空间” ， 即， 将电池 充电到低于完全充电之下的某个状态， 因此， 利用这样的可能性 ： 在车辆必须减慢时通过再 生的制动来捕获用于电池储存的功率。在本发明的一个实施例中， 根据车辆在预定速度以 上的速度， 使控制器选择低于完全充电的充电水平。在一个实施例中， 函数是比例函数。
在本发明的一个实施例中， 控制器接受来自监视子系统的 GPS 系统的位置信号， 并响应于探测到的车辆位置与已编程到控制器存储器内的预定位置的比较， 来选择电池充 电速率。这是因为在某些地理区域内存在着分段区域的已知的位置， 在这些位置不允许或 严格限制 ICE 的空转 ( 例如， 洛杉矶港口 )， 于是， 在较长的间隔内在这些区域内指令 EI 模 式运行。具体来说， 在一个实施例中， 控制器 i) 确定从其目前位置到这种预定的 ET 指令 的分段区域之间的距离 ； ii) 基于来自 GPS 连续的位置信号来计算车行方向， 或简单地接受 GPS 计算出的方向 ； iii) 根据目前方向来计算到达预定的 ET 指令的分段区域的行进时间 ； iv) 确定在对给定电池充电状态计算的行进时间过程中， 完全对电池充电所需的充电速率 ； 以及 v) 按照在 iv) 中确定的所需充电速率， 开始对电池充电。
ET 系统能够有多种运行模式， 包括用于 “仅驾驶室” 情形和 “装载” 情形的模式。在 没有拖车的 ( 仅驾驶室 ) 运行期间， 或带有卸载的拖车的运行期间， ET 系统可在加速到比 拖重载时的速度高的过程中有效地运行。因为研究已经确定 ： 普通日间卡车行驶循环时间 的 40％是在低的或没有载荷的情况下， 所以， 要求在较高运行速度范围内来使用 ET 模式。
在本发明的各种实施例中， 控制器响应于手动输入信号或例如通过监视连接到拖车接收器 ( 第五轮子 ) 上的应变仪自动输入信号， 选择速度进行 ICE 与 ET 运行模式之间的切。该系 统还可构造成具有更多个复杂的运行模式， 其中， 可调整切换点， 以使对任何特定载荷的效 率最大。 在一个实施例中， 这可以使用数据分析来完成， 其中在特定的齿轮和测得的功率输 出下， 卡车测量从速度 X 到速度 Y 经过的时间。控制器使用公式计算出车辆的载荷并相应 地调整 ET/ICE 的切换设定点， 例如， 速度、 转矩、 SOC 等。
通过控制器也可方便地采用其它的运行模式。诸如 “端口模式” 的特定运行模式， 可以响应于控制器监测 GPS 提供的位置信息， 手工地或自动地进行致动。在特定模式中， 可加强更加限制的特性特征， 或除了在诸如非常低的电池充电水平那样的某些极端情形之 外， 可以拒绝 ICE 的起动。ET 系统可以在失效情形下停止工作。
现参照图 6， 传统车辆具有加速器踏板 602， 通过由传统 ICE 控制器 604 响应于来 自连接到踏板 602 的用来检测踏板位置的传感器 606 的电信号而产生的信号 604S( 或通过 连接到 ICE 的机械某种连接， 图中未示出 )， 驾驶员就可通过踏板传统地调节 ICE 速度。根 据本发明的一个实施例， 原始的加速器踏板传感器 606 连接到控制器 312， 控制器 312 附加 于传统的 ICE 控制器 604 或替代它。如果原始的传感器 606 连接到代替传统的 ICE 控制器 604 的控制器 312， 则控制器 312 将来自踏板传感器 606 的信号至少有选择地发送到传统的 控制器 604。或者， 将另一传感器 ( 未示出 ) 添加到加速器踏板 602， 在此情形中， 新的传感 器与本发明控制器 312 通信。 控制器 312 从控制器 604 接受传统的 ICE 速度 - 转矩调节信号 604_S， 并先占据 它， 使其自己的信号 312_S_ICE 通到 ICE， 该控制器 312 至少部分地响应于传统信号 604_S 且至少则某些时间产生该信号。控制器 312 还产生类似信号 312_S_ET， 其通信到控制 ETMG 的驱动器， 以便调节 ETMG 在电动机模式中递送的速度和转矩， 以及调节 ETMG 在发电模式中 递送的发电。( 注意这里可以参考， 312_S_ET 信号与 ETMG 的通信。这是简化对总体运行的 解释。应该理解到， 信号实际上通信到 ETMG 的驱动器上。)
控制器 312 具有各种控制结构， 这里称其为 “踏板响应模式” ， 如本文中所述的， 控 制器 312 响应于各种运行状态自动地则其间进行选择和切换。 在任何给定时间， 控制器 312 至少部分地响应于此时作用的踏板响应模式， 产生信号 312_S_ET 和 312_S_ICE。
根据本发明的一个实施例， 控制器 312 诠释加速器踏板 602 的位置， 使得降低从 0％至约 33％， 控制器 312 认为该范围内的踏板位置是在 REGEN 范围内。在下一 7.5％中， 即， 降低约从稍高于 33％至约 40.5％， 控制器 312 认为该范围内的踏板位置是在 DEADBAND 范围内。降低约从 40.5％至 100％， 控制器 312 认为该范围内的踏板位置是在 ACCEL 范围 内。
根据本发明的一个实施例， 控制器 312 还从已经添加到车辆 ICE 手动传动齿轮箱 的变速杆 622 上的按钮 620 中接受信号。驾驶员可向控制器 312 发送何时他 / 她将要使 用按钮 622 来换挡的信号。通过改变踏板响应模式， 使控制器 312 响应于来自按钮 622 的 信号， 如本文中将要描述的， 以使车辆的换挡特性以更加接近于传统方式表现， 尽管添加了 ETMG 并控制着其在车辆上的对应效应。即， 当车辆在 ICE 模式中运行时， ETMG 可发电， 或当 车辆在 ET 模式中运行时， ETMG 可以是车辆推进的唯一动力源 ( 作为电动机 )。但不管车辆 是在什么运行模式中， 控制器 312 总响应于来自于按钮 622 的驾驶员信号采取动作， 以使车
辆的换挡特性以更加接近于传统 ICE 的方式表现， 在优选实施例中， 车辆是重型车， 例如， 7 或 8 级的柴油机卡车。
现参照图 7， 图中示出根据本发明一个实施例的用于控制车辆电动牵引和 ICE 运 行的算法 700。 在 702 处开始， 算法 700 开始。 这可包括驾驶员或管理者起用控制器 312( 图 6)， 以反映给定行驶时间内的运行状态。例如， 在一个行驶时间内， 车辆可以运行完全装载 的拖车， 例如， 80,000 磅车辆毛重。在另一行驶时间内， 车辆可仅以驾驶室运行， 即， 没有连 接的拖车。在其它的形式时间内， 车辆可带有拖车运行， 但没有完全加载。在 702 处的起始 可包括诸如与控制器 312 通信运行状态诸如通过在控制器 312 上所显示的菜单上作选择， 或其它方式呈现给驾驶员或管理者。
接下来， 在 704 处， 驾驶员手动地接通点火钥匙。控制器 312( 图 6) 响应于此而读 取实际的电池充电状态， 并在 706 处将其与预定的充电状态比较。控制器 312 还读取车辆 速度和由 ICE 递送到传动系的转矩。
如果控制器 312 在 706 处确定出速度、 转矩和电池充电状态在限值之内， 则在 710 处控制器 312 启动一信号， 该信号可致使 ICE 驾驶室内的装置发出独特的声音， 例如， 向驾 驶员报警， 告知车辆将要进入电动牵引模式， 该信号还选择 ET 踏板模式状态， 使得控制器 312 根据本文中对 ET 踏板模式状态所描述的控制结构， 开始响应于通过传感器 ZZZ 通信到 控制器 312 的加速器踏板位置。
接下来， 在 712 处， 控制器 312 等待一个预定的时间间隔， 例如， 一秒钟， 在 716 处 停止向 ICE 发送点火信号， 在 718 处， 向 ICE 离合器致动器发送信号以断开 ICE 离合器的配 合。然后在 720 处， 控制器 312 等待一个预定的时间间隔， 例如， 2.2 秒钟， 然后在 722 处读 取离合器位置， 以观察离合器现是否脱离配合。如果否的话， 则控制器 312 在 724 处分支到 例外状态。( 在本发明的一个实施例中， 控制器 312 分支到 734 对于例外状态 724 进行 ICE 运行。) 如果是的话， 则控制器 312 在 726 处在电动牵引的电动机模式接通 ETMG。即， 在该 状态中， 车辆被 ETMG 动力推进， ETMG 动力由车辆推进力供应， 即， “牵引” 电池。
在 728 处， 控制器 312 检查手动超驰开关的状态以确定驾驶员是否手工地引导控 制器 312 而切换到 ICE 模式。如果是的话， 则控制器 312 分支到 734 以进行 ICE 运行。应 该理解到， 尽管在 728 处显示了手动超驰， 但在本发明的一个实施例中， 在 728 处的该检查 和分支可在 ET 运行模式过程中的任何时候发生。在本发明的另一实施例中， 方框 728 的手 动超驰特征不能被操作者访问， 或者根本就不包括在内。 在一个实施例中， 该特征仅能在诸 如港口那样的某些地理区域内可行， 并响应于输入到控制器 312 的 GPS 信号而启用。
接下来， 在 730 处， 控制器 312 读取车辆速度、 通过 ETMG( 作为电动机运行 ) 递送到 车辆的转矩， 以及电池充电状态。如果它们在预定限值内， 则控制器 312 在 726 处继续监测 ETMG， 在 728 处检查手工超驰， 并在 730 处检查速度、 转矩和充电状态。( 在 ET 运行过程中， 控制器 312 和其受控的装置响应于手工传动装置换挡引起的信号， 包括由驾驶员采取抢先 换挡的行动引起的信号， 如本文中其它部分所述那样。)
在 本 发 明 的 一 个 实 施 例 中， 预 定 的 限 值 包 括 低 于 18MPH 的 车 辆 速 度、 低于 150ft-lbs 的转矩， 以及对全加载车辆充电的高于 40％的充电状态 ； 以及低于 40MPH 的车辆 速度、 低于 150ft-lbs 的转矩， 以及对仅驾驶室充电的高于 30％的充电状态。
在本发明的一个实施例中， 预定的限值包括 GPS 或驾驶员输入的指示， 其指示车辆朝向不允许 ICE 运行的区域， 此时需要高的充电状态。
一旦在 730 处速度、 转矩或充电状态指示要求是 ICE 模式 ( 或在 728 处手工超驰 指示 ICE 模式 )， 则控制器 312 分支到 ICE 运行， 该运行在 734 处开始， 包括启动一个信号， 该信号可致使 ICE 驾驶室内的装置发出独特的声音， 例如， 向驾驶员报警， 告知车辆将要进 入 ICE 模式。在 736 处等待预定时间间隔， 例如 1 秒钟之后， 控制器 312 然后在 738 处启动 ICE 点火并接通 ICE 启动器。然后， 控制器 312 在 742 处读取实际的 ICE 转速 (RPM) 并将 其与预定时间间隔内的预定速度比较， 使得控制器 312 在 742 处确定 ICE 实际转速是否指 示出 ICE 已成功地启动， 即， 在预定时间内， 例如， 一秒钟内， 实际的 ICE 转速是否超过例如 500RPM 的预定速度。如果否的话， 控制器 312 分支到例外状态 744。如果是的话， 则控制器 312 在 48 处断开对 ICE 启动器的接通， 然后在 750 处等待例如， 0.5 秒的预定时间间隔。
根据本发明的一个实施例， 控制器 312 接下来在 752 处选择 SYNCHRO 踏板模式状 态， 其中， 控制器 312 暂时地超驰通向 ICE 的响应于传统的加速器踏板传感器所引起的传统 控制信号， ( 或越过从加速器踏板到 ICE 的联动 )， 以及抢先地使 ICE 增速到例如 1200RPM 的预定速度 (RPM)， 以帮助使 ICE 速度与传动装置的输入速度同步。
接下来， 在 756 处， 控制器 312 读取实际的 ICE 转速 (RPM) 并读取或计算实际的 传动输入装置速度， 在预定时间间隔内比较它们， 从而在至少预定时间间隔内， 例如， 0.2 秒 内， 使控制器在 756 处确定实际的 ICE 转速是否已经超过传送速度。如果否的话， 则控制器 312 在 758 处分支到意外状态。如果是的话， 则控制器 312 分支而对 ICE 离合器致动器发出 信号， 以在 760 处配合离合器。接下来， 控制器 312 在 762 处等待预定时间间隔， 例如， 0.5 秒， 然后在 764 处， 根据本文其它部分中所述的对于 BLEND 踏板模式状态的控制结构， 暂时 地开始响应于加速器踏板位置。
控制器 312 还在 768 处读取实际的离合器位置， 并确定 ICE 离合器是否已经配合。 如果否的话， 则在某些预定时间之后， 控制器 312 在 770 处分支到例外状态。 如果是的话， 则 在此状态中车辆正被 ICE 推进。此外， 一旦在 768 处确定了离合器现已配合， 则控制器 312 选择和切换到本文中其它部分所描述的 REGEN 或 BOOST 踏板模式之一。( 在 ICE 运行过程 中， 控制器 312 和其受控的装置响应于由手动传动装置换挡引起的信号， 包括由驾驶员采 取的抢先换挡行动引起的信号， 如本文中其它部分所述那样。)
接下来， 在 776 处， 控制器 312 读取车辆速度、 通过 ICE 递送到车辆的转矩以及电 池充电状态。如果它们在指示 ET 模式是理想的或是可能的预定限值之外 ( 即， 方框 776 内 问题答案＝否 )， 则控制器 312 继续在 772 处运行 ICE， 并在 776 处重复检查速度、 转矩和充 电状态。
如果它们在指示 ET 模式是理想的或是可能的预定限值内 ( 即， 方框 776 内问题答 案＝是 )， 则控制器 312 分支到方框 710 以开始切换到 ET 模式。在本发明的一个实施例中， 预定限值如上所述地与决定方框 730 相连。
应该理解到， 尽管未示出手动地致使从 ICE 模式切换到 ET 模式的手动超驰， 但控 制器 312 包括类似于逻辑方框 728 特征的该逻辑特征， 并在本发明的一个实施例中， 对来自 驾驶员的手动超驰信号进行连续地或频繁地监测， 以使控制器 312 响应于在 ICE 运行模式 中可在任何时间发生的手动超驰。在本发明的另一个实施例中， 手动超驰特征不能被操作 者访问， 或者根本就不包括在内。 在一个实施例中， 该特征仅能在诸如港口那样的某些地理区域内启用， 并响应于输入到控制器 312 的 GPS 信号而启用。
从以上所述中应该理解到， 在本发明的一个实施例中， 车辆仅简要地用 ICE 模式 和 ET 模式运行车辆， 同时推进车辆， 即， 这在从 ICE 模式过渡到 ET 模式或相反时发生， 另外 仅在推进电池过度充电时发生。
如上所述， 在任何给定时间， 控制器 312 至少部分地响应于此时作用的踏板响应 模式而产生信号 312_S_ET 和 312_S_ICE。还如上所述， 控制器 312 可诠释加速器踏板 602 的位置， 从而控制器 312 认为较小的踏板位移的第一范围是在 REGEN 范围。在较大的踏板 位移的上部范围内， 控制器 312 认为踏板位置是在 ACCEL 范围内。在位移的 REGEN 和 ACCEL 范围之间的中间范围内， 控制器 312 认为踏板位置是在 DEADBAND 范围内。下面是详细地解 释上述踏板响应模式的表格， 并将它们与系统模式关联。
( 除初始运动之外 )
模式表
现参照图 8， 图中示出一用于控制器 312 的各系统模式及其相关传感器和受控装 置的状态图 800， 根据本发明一个实施例， 状态图 800 使踏板响应模式与各系统模式关联。 ( 这里， “模式” 也称之为 “控制状态” 或就称为 “状态” 。) 一旦车辆启动后， 系统状态就开 始于初始模式 802。根据电池是否已经处于足够的充电状态， 如以上图 6 中所述， 启动后的 下一状态是 ET 模式 806 或 SYNCHRO 模式 810。较佳地， 控制器 312 将车辆切换到 ET 运行 模式 806( 通过联接到装置上的控制器 312)， 其中， 控制器接通 ETMG 而以电动机运行， 其方 式如图 7 所示。( 如图 8 所示， ET 运行模式状态 806 对应于模式表中所述的踏板响应模式 ET。)
*参照模式表中的 ET 模式， 可见在本发明所述的实施例中当初始过渡到该模式 806 时， 控制器 312 将与 ACCEL 范围 /10 内的基础踏板位置信号成比例的用于 312_S_ICE 信号 的值通信到 ICE， 而通信到 ETMG312_S_ET 的值与踏板基础位置信号成比例。( 然而， 参照图 7 的方框 716 注意到早在 ET 运行模式 806 中通过控制器 312 就已使 ICE 点火失效。该表还 涉及有关 “转换” 到 ET 模式的特征。当然， 一旦 ICE 点火失效， 到 ICE 的信号 312_S_ICE 就 没有效果。)
当然， 产生与 ET 模式中基础踏板位置成比例的信号 312_S_ET 的原因是要为驾驶 员提供一种方法来通过作为电动机 ( 加速 ) 和发电机 ( 再生制动 ) 的 ETMG 来控制加速和 减速。在 ACCEL 范围 /10 内产生与基础踏板位置成比例的 312_S_ICE 信号的原因是为了在
模式之间提供更加无缝的切换。即， 为了在模式之间提供更加无缝的切换。即， 当离合器脱 开时， 通向 ICE 控制器的信号值与踏板输入成比例地减小， 而通向 EMG 的信号值与踏板输入 成比例地增加。这允许驾驶员对对到传动系的变化扭矩输入进行直觉的调节， 而不会有动 量损失或 ICE 过度加速。也可采用 RPM 探测算法， 来探测不响应于踏板输入值的 ICErpm 的 增加， 因此， 表明离合器脱开配合， 发出 ICE 立即停止的信号。
为了提供具体实例， 如果驾驶员按下加速器踏板 602， 使得它例如在 ACCEL 范围 内， 则送到 ICE 的信号 312_S_ICE 值在 ACCEL 踏板范围除以 10 内与踏板 602 位置成比例。 更具体来说， 对于以上所述踏板范围， 如果踏板 602 被按下其全部范围的约 60％， 例如这是 ACCEL 范围的约 20％， 则控制器 312 产生和送到 ICE 的信号 312_S_ICE 的值是 20％ /10 ＝ 2％。
另一方面， 如上所指出的， 送到 ET 的信号 312_S_ET 的值正比于基础踏板位置信 号。因此， 对于所给出的实例， 其中踏板 602 被按下到其全部范围的约 60％， 这是 ACCEL 范 围的约 20％， 则控制器 312 响应地产生和送到 ETMG 的信号 312_S_ET 的值因此要求是推进 车辆的 ETMG 电动机转矩的 20％。
在另一实例中， 在 ET 模式 806 中， 如果踏板 602 被按下到其全部范围的约 16％， 这 是 REGEN 范围的约 50％， 则控制器 312 响应地产生和送到 ETMG 的信号 312_S_ET 的值因此 要求是对推进用的电池充电的 ETMG 发电机转矩的 50％。 然而， 所有的该再生转矩必须取自 车辆的动量， 或实际上没有可用的转矩再生。注意到 ： 对于 REGEN 和 DEADBAND 范围内的踏 板 602 的任何位置， 控制器 312 产生和送到 ICE 的信号 312_S_ICE 是 0％。
在 ET 模式中的换挡
一旦处于 ET 模式 806， 驾驶员就可加速和对手动传动齿轮箱进行手动换挡。如上 所述， 驾驶员将按下按钮 622 而对控制器 312 发出信号， 表示他 / 她将要换挡。响应于接受 该信号， 控制器 312 切换到 GEAR SHIFT ET 状态 818， 它对应于模式表中同样名称的踏板响 应模式。
参照模式表中的 GEAR SHIFT ET 模式， 可见如果踏板在 ACCEL 范围内， 则控制器 312 在 GEAR SHIFT ET 状态 818 内通信到 ETMG 的 312_S_ET 信号的值与基础踏板位置信号 除以 4 成比例， 而如果踏板在 REGEN 范围内， 则与基础踏板位置信号除以 16 成比例。这是 出于关于 GEAR SHIFT SYNCHRO 模式 822 所描述的原因。
还应该指出的是， 在 GEAR SHIFT ET 状态 818 中， 控制器 312 将信号 312_S_ICE 的 值通信到 ICE， 其该值与 ACCEL 范围内的基础檀板位置信号 /10 成比例。该信号在 ET 模式 中没有效果。
对信号 312_S_ET 控制器 312 构造成该形式有两个原因。首先， 如果踏板 602 在 ACCEL 范围内， 由此要求取自 ETMG( 电动机 ) 的推进转矩， 一旦齿轮箱的齿轮切换到中性状 态， 则 ETMG 通过传动装置卸载。如果信号不被减弱， 则 ETMG 趋于响应于转矩要求的信号 312_S_ET 快速地将 ETMG 加速到高速。其次， 如果踏板 602 处于 REGEN 范围内， 由此要求从 ETMG( 发电机 ) 发电转矩， 则一旦通过将齿轮箱齿轮变换到中性后， 传动装置输入与传动装 置输出断开连接， ETMG 就趋于快速地减慢传送装置的输入。无论哪一种趋势都将具有难于 将传动装置放置在下一要求齿轮上的效果。这又由 ETMG 对非减弱转矩要求信号 Z10_S_ET 的与通常柴油机相比快得多的响应所造成。这又由 ETMG 对非减弱转矩要求信号 Z10_S_ET的与通常柴油机相比快得多的响应所造成。
因此， 为了提供一具体例子， 如果驾驶员按下加速器踏板 602， 例如使其按下量在 ACCEL 范围的 20％， 则控制器 312 产生和送到 ETMG 的信号 312_S_ET 的值是 20％ /4 ＝ 5％， 因此， 要求 5％的 ETMG 电动机转矩来推进车辆， 以及控制器 312 产生和送到 ICE 的信号 312_ S_ICE 的值要求是 ICE 转矩的 20％ /10 ＝ 2％， 以推进车辆 ( 如果 ICE 点火还未失效， 如上 所讨论的， 见图 7 中的 716 处 )。
如果驾驶员按下加速器踏板 602， 例如使其按下量在 REGEN 范围的 20％， 则控制器 312 产生和送到 ETMG 的信号 312_S_ET 的值是 20％ /16 ＝ 1.25％， 因此， 在传动装置处于齿 轮之间的时间期间， 要求 1.25％的 ETMG 发电机转矩来减慢 ETMG 的转速。
释放变速换挡按钮 622 来结束 GEAR SHIFT ET 状态。一旦驾驶员将换挡器放置在 下一档位置， 他 / 她就释放变速杆上的按钮， 以根据基础踏板位置的信号值从 EMG 中取得可 用的全转矩或再生转矩来推进或减慢卡车。
在本发明的另一实施例中， 在 GEAR SHIFT ET 状态 818 中， 控制器 312 将轻微的再 生信号通信到 EMG。该信号致使 EMG 轻微地减慢 ET 驱动系统以模仿换挡过程中 ICE 所显现 的该轻微的减慢。( 应该注意到， 轻微的再生信号还补偿 PXU 的较大质量， 使其趋于承载比 正齿轮通常承载的更大的惯性。该略微的再生用电子方式有效地减去额外的惯性。)
响应于该系统确定适合从 ET 模式 806 切换到 ICE 模式 814， 控制器 312 首先响应 于图 7 中方框 752 所述的条件， 将车辆切换到 SYNCHRO 运行模式 810( 通过联接控制器 312 的装置 )。 该模式时间很短。 图 8 中的 SYNCHRO 运行模式 810 对应于上表中同样名称的踏板 响应模式。 在 SYNCHRO 模式 810 中， 控制器 312 独立于位置踏板 602 将信号 312_S_ICE 发送 到 ICE。信号 312_S_ICE 通信预定的指令， 该指令致使 ICE 加速到某一速度， 诸如 1200RPM， 这适于匹配传动装置输入轴的转速， 使得手动传动的齿轮箱可没有撞击声地啮合。 还有， 对 于 SYNCHRO 模式延续的很短时间， 控制器 312 继续产生信号 312_S_ET， 并以与 ET 模式 806 中相同的方式将其送到 ETMG。这是为了在转换过程中避免推进车辆的转矩损失， 直到控制 器 312 确定 ICE 已经充分接管时为止。
SYNCHRO 模式 810 通过控制器 312 进入 BLEND 踏板响应模式而结束， 这对应于图 7 中的方框 764， 其中， 控制器 312 将信号 312_S_ICE 的预定指令分量和相对于踏板输入产生 的分量混和。即， 在几秒的短时间预定间隔期间， 控制器逐渐地减小预定的指令分量， 同时 逐渐地增加响应于踏板位置产生的分量。这样， 达到从 EMG 推进到 ICE 推进的顺利转换， 没 有使发动机过度加速或致使发动机加速不足而导致减慢车辆或对 OEM 离合器造成过大应 力。
在 SYNCHRO 模式中的换挡
可能， 但未必， 在 SYNCHRO 模式时的短时间过程中， 驾驶员可换挡。如果发生换挡， 则响应于从按钮 622 接收到信号， 控制器 312 切换 21 到 GEARSHIFT 同步模式 822 中， 这对应 于模式表中同样名称的踏板响应模式。参照模式表中 GEAR SHIFT 同步模式， 可见， 在此模 式 822 中， 控制器 312 以与上述 SYNCHRO 模式 810 相同的方式自动地产生信号 312_S_ICE， 并以与上述 GEAR SHIFT ET 模式 806 相同的方式自动地产生信号 312_S_ET。即， 使得来自 同步模式的输入不导致 ICE 或 EMG 的过度反应， 这会导致能量或燃料的浪费、 损坏系统或增 加换挡难度。切换到 ICE 模式
一旦建立用于 ICE 状态 814 的条件， 如图 7 中方框 772 所述的 ( 其对应于 ICE 状 态 814)， 控制器 312 将车辆从 SYNCHRO 运行模式 810 切换到 ICE 模式 814( 通过控制器 312 联接的装置 )， 这对应于在模式表中一组标以 REGEN 快速地、 REGEN 高效地、 REGEN 仅离开踏 板以及 BOOST 的踏板响应模式。当处于 ICE 模式 814 时， 控制器 312 选择响应于电池充电 状态的这些踏板响应模式中的一个模式。参见本文的模式表对 REGEN 快速地、 REGEN 高效 地、 REGEN 仅离开踏板以及 BOOST 的踏板响应模式中每个的运行描述。
在 ICE 模式中的换挡
当处于 ICE 模式 814 时， 控制器响应于驾驶员对按钮 622 的致动而切换到 GEAR SHIFT ICE 模式 826， 并响应于按钮 622 的释放而从模式 826 切换回到 ICE 模式 814。 在 GEAR SHIFT ICE 模式 826 中的运行类似于在 GEAR SHIFTET 模式 818 中所述的运行， 例外之处如 模式表中所示。
替代的仅电动的 AC 压缩机、 动力转向泵和用于制动器的空气压缩机
根据本发明的一个实施例， ET 系统解决了车辆运行所必须的传统辅助设备和驾驶 员的舒适性 ( 空调压缩机、 动力转向泵和用于制动器的空气压缩机 )。 上述一个或多个相关 申请已经公开了用于此的结构。 根据本发明的一个实施例， 在另一结构中， 具有改进效率的 电气驱动器代替了用于这些子系统的由 ICE 提供动力的驱动器。它们由相同的电池提供动 力， 电池在 ET 模式中提供推进力。这些驾驶员根据需要开和关， 但在 ICE 接通和 ETMG 处于 电动机状态时进行运行。
特别就 A/C 系统来说， OEM AC 压缩机体积大、 皮带传动且效率低下。此外， 甚至在 AC 压缩机不运转时， 就如 ICE 仍通过皮带转动皮带轮， 也还是存在能量损失。对本发明的 研究表明， 转换为电动 AC 压缩机可导致在 ET 和 ICE 模式两者中节约大量的燃料。同样地， 甚至在没有指令时， 传统 ICE 驱动的动力转向流体泵和制动空气压缩机泵轴也都旋转和旁 路流体 / 空气， 导致能量连续地从系统中损失掉。根据本发明的一个实施例， 将所有这些辅 助系统的驱动器从 OEM 结构中移去并由高效电动驱动器替代， 这节约了 ICE 的功率。替代 的电动驱动器由控制器提供动力， 控制器又由 ET 推进电池供电， 且能独立地控制各个驱动 器， 以确保仅在根据用途需要运行时才向其供能。
电动驱动器类型和从动装置的类型
对本发明的研究和测试涉及到优化或至少更接近于优化， 如何最有效地从 ICE 中 捕获能量， 储存能量， 然后再利用能量用于推进。 因此， 如上所述， 应注意用电动驱动器来替 代辅助驱动器。此外， 还应注意到电动驱动器的类型以及被驱动的辅助驱动器的类型。在 HDV 的 12V 系统中， 出于各种原因， 标准是要包括初始的成本。几家制造商使用 24V dc 进 行起动， 但系统的其余部分仍用 12V dc。然而， 仅电动辅助驱动器在本发明的实施例中是 240V 的装置， 它们比传统的 12V 驱动器更有效。此外， 在本发明的实施例中， AC 压缩机本身 被涡旋型压缩机替代， 后者具有更高的效率。
交流发电机
甚至在 12V 电池充足电量时， 传统 12V 的电池 - 再充电 - 交流发电机也还从 ICE 中提取某些能量。根据本发明的一个实施例， 同样将传统交流发电机移去。相应地， 在本发 明的实施例中， ETMG 被用来通过 ET 系统控制器对传统 12V 电池充电， 出于以上解释的同样理由， 这也与直觉刚好相反。 由于 12V 交流发电机已移去， 所以， ET 系统控制器包括由 ET 系 统电池和 ET 系统的 ETMG 馈送的 12V 电源， 其中， 12V 电源的任务是保持传统 12V 卡车电池 充电， 可用于车辆的其余 12V 系统的运行。
动力转向
根据本发明的一个实施例， 将传感器纳入和构造成探测转向盘或转向联动装置的 运动或位置。在本发明的一个方面， 传感器致使动力转向泵驱动器响应于传感器探测转向 盘或联动装置的运动而通电。 在另一方面， 控制电路接收传感器输入， 控制电路致使动力转 向泵驱动器响应于传感器探测转向盘或联动装置连杆没有运动的预定的时间间隔而断电。 在另一方面， 控制电路还接收一个信号， 该信号指示车辆速度和动力转向泵响应于运动或 无运动而通电和断电的控制， 如上所述， 控制电路还响应于探测车辆在低于某一预定限值 的速度行进 ( 包括根本不运动 ) 的控制电路。在另一方面， 传感器探测转向联动装置是否 使车辆直线向前行驶 ( 或在接近直线向前的预定范围内 )， 这样， 探测到的运动是表示车辆 转向变化的运动， 该变化是从基本上直线向前的第一位置变化到基本上不是直线向前的第 二位置， 或者从第二位置变化到第一位置。因此， 在本发明的一个实施例中， 控制电路构造 成致使动力转向泵驱动器响应于传感器探测驾驶位置保持基本上直线向前的预定的时间 间隔而断电， 基本上直线向前即， 直线向前或在直线向前的任一侧上预定范围内。 利用如此 一个结构， 可减少用于驱动传统动力转向泵的能量。 在本发明的实施例中， ICE 皮带轮驱动的动力转向流体泵被移去或完全地被旁路。 电动的动力转向流体泵通过转向盘的运动而被致动， 该运动由附连到转向柱的机械齿轮进 行测量。当控制器检测到在最后一秒时转向盘位置不同于平均的转向盘位置时， 控制器就 接通动力转向泵。 如果位置不变化或如果转向位置笔直， 则控制器开始计数并在计数达 2.5 秒时将泵关闭。
空气压力
对于空气压力来说， 控制器从压力传感器接收信号， 并在需要时接通空气压缩机。 或者控制器从高压开关和低压开关接收输入， 并接通压缩机， 直到压力升高为止， 然后关闭 压缩机直到压力变低为止。 DOT 要求在箱内保持一定的最低空气压力， 并要求倘若压力下落 到低于最低水平则控制系统必须能够在固定时间框架内替代它。在本发明的实施例中， 控 制器监测能量效率并根据能量效率来决定是固定的低速运行还是快速对制动空气系统充 电。在本发明的实施例中， 控制器根据能量充电、 箱内压力等作出决定， 并优化所有的选择 来使能量利用最大化。
从以上所述应该认识到， 根据本发明的实施例， 如本文所述的电动牵引系统被改 装到诸如 8 级的 HDV。改装系统对预定的日渐卡车行驶循环提供足够的驱动时间和驱动特 性， 其通过如下方式实现 ： 匹配 i)PXU、 ET 电动机 / 发电机和传动齿轮系， ii)ET 电动机 / 发电机速度 / 转矩特征， 以及 iii) 在预定速度内在 ET 模式中将转矩递送到机械驱动系的 电池特征， 以及 ETMG、 PXU 和传动装置的转矩限值， 同时还响应于驱动循环的预定特征， 在 PXU 和传动装置的速度和转矩的限值以及在 ETMG 和电池系统的速度、 转矩和电流限值内， 在 ICE 模式中对电池提供充电。
即， 具体地说， 系统具有齿轮比、 ETMG 转矩等的组合， 其满足预定驱动循环约束内 的预定转矩和速度的约束， 即， 速度和时间间隔的预定型式， 其中， 系统具有足够容量的电
池以产生预定的驱动时间和速度型式， 而 ETMG( 作为发电机 ) 可在时间和速度驱动循环所 确定的预定充电机会里对电池充电。即， 电池具有足够的电流和安培 - 时容量以在预定驱 动循环内产生预定的驱动时间， 其中， ETMG( 作为发电机 ) 可在驱动循环所确定的预定充电 机会里对电池充电。
相对于 8 级 HDV 的尺寸和重量， 相对小的电动 ETMG 通过设计成用于不同用途的 PTO 端口推进车辆。尽管 ETMG 在所有情形 ( 例如， 高于一定速度 ) 中对其移动卡车所需要 的例如高于一定速度来说相对较小， 但 ETMG 具有超过传统 PTO 限值的运行特征， 该传统 PTO 通常通过 PTO 端口联接到传统传动装置的传递齿轮。即， ETMG 必须具有能力以在某些情形 中高于传统 PTO 可承受的转矩和速度来驱动和被驱动。因此， 将具有额定高转矩和额定高 速度组合的 PXU 包括本发明的实施例中。此外， 传统 PTO 没有足够高的齿轮比来实施本发 明。 因此， PXU 不仅具有高的额定速度和转矩， 而且具有较高的齿轮比。 此外， 由发电机模式 (ET 模式 ) 中的 ETMG 递送的充电电流 / 电压也必须被关闭， 或至少结合手动换档来减小。
现参照图 9， 还应该理解到， 本发明可包括改装车辆的方法。 在本发明的实施例中， 这包括在步骤 902 通过 PTO 端口安装联接到车辆现有手动传动装置的动力交换单元 PXU ； 在步骤 904 安装 904 联接到 PXU 的电动发电机 ； 在步骤 906 安装电联接到电动发电机的用 来供电以推进车辆的电池 ； 以及在步骤 908 安装联接到电动发电机和电池的控制单元， 该 控制单元构造成在第一和第二模式之间切换车辆运行， 其中， 在第一模式中， 车辆的内燃机 推进车辆， 而在第二模式中， 电动发电机在电动机模式中推进车辆。在步骤 908 安装控制单 元可包括如本文中所述地构造控制单元。
为了重申实际的应用， 并为了能使本技术领域内的技术人员理解本发明， 已经选 择和描述了各种实施例以便最好地解释本发明的原理。 具有各种修改的其它各种实施例可 适用于所构思的特定用途， 但仍可在本发明的范围之内。
除非另有清楚和明确的陈述， 以下的权利要求书不意图暗示任何特定的动作顺 序。对于权利要求书部分来说， 引入诸如 a)、 b)、 c) 等的标号， 其本身不暗示任何特定的顺 序， 但相反仅是为了便于参照这些部分。