CN101112869B - 一种汽车能源再生制动***及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合动力能源再生制动控制方法，包括整车能源回收使能条件的判定、能源回收阶段的判定、能源回收时电制动力大小的计算、制动力在机械制动和电制动间的分配、以及混合动力汽车能源回收的***安全保护控制。本发明还公开了实施混合动力能源再生制动控制方法的能源再生制动***，该***包括144V高压镍氢动力电池、1.3升汽油发动机、混合动力整车控制单元、电池控制单元、电机、制动***控制器以及5速AMT变速箱。通过对具有此能源回收控制方案的整车***进行能源回收的二次控制优化，使整车能源的回收更合理、更有效率。
Description
技术领域
本发明属于汽车整车***能源再生制动***控制策略领域的控制策略及算法实现，可应用于电动汽车、混合动力汽车等清洁汽车的控制领域。本发明中的内容是在车辆制动***基础上进行能源回收控制方案的制动扭矩分配、控制算法实现，本发明中的应用对象是一液压制动***的车辆，当本发明中应用的液压制动***的车辆的液压制动***的液压增高或减小时本发明所提到的制动***能源回收控制器控制制动扭矩的分配大小，并且控制本发明中的能源回收执行机构进行能源回收。
背景技术
传统车辆的动力传动***是由内燃机提供动力源驱动的，这种传统内燃机式的动力源对于整车的燃油经济性和排放性具有一些不利的或负的影响。特别是传统车辆的内燃机***是设计在以整车动力性、加速性和爬坡能力为主要解决矛盾为目标的，因此在某种意义上为了解决这些矛盾在设计发动机时就不能使发动机工作在最优化点上，此外发动机所有的转速工作点及所有的载荷范围内也不能得到全部优化。总而言之，传统车辆工作下的发动机没有得到最优化的设计和大多数情况下不在最优化工作点下工作。而混合动力汽车就是来解决这样一个问题的，它是减少车辆污染和提高车辆整体燃油效率的一种途径。本发明中的车辆***就提供了配置了内燃机***、电机***及高压工作***的一种混合动力装置。本发明通过车辆制动时和长下坡时的能量回收解决了发动机以及整车运行的效率问题。
本发明中的混合动力***可以工作在多能源驱动、内燃机高效工作点驱动及发电、能源再生制动、整车电气载荷负载优化及发动机自动启停等多种工况下。但是本发明中所陈述的发明内容重点介绍整车能源再生制动的***配置和优化控制策略。
一般来说，常规车辆制动***的工作原理是，当驾驶员踩下车辆制动踏板时车辆的制动***就要开始工作了，根据驾驶员施加到制动踏板上的脚踏力的大小、以及制动辅助***(真空制动助力装置)的辅助力的大小在车辆制动主缸里就会产生相应的液压力，通过在制动***回路中配置于每个车轮的制动阀制动主缸里的制动压力就会传导到车轮上，这个压力通过制动蹄或制动钳在制动摩擦片上产生机械摩擦力来制动车辆，作用在传统车辆每个车轮上的制动力就是在这样一种基本制动执行回路配置下产生的。
不同于上述的传统车辆的制动***执行回路的配置，应用于电动汽车或混合动力汽车等清洁汽车上的能源再生制动***在传统车辆制动执行回路的配置下还需要配置一套高压发电***，这个高压发电***可以用于混合动力汽车在再生制动能源回收时的发电执行和控制装置，此种发电装置可以和传统的车辆机械摩擦式的制动执行回路共同产生制动力使车辆减速制动。
发明内容
本发明公开了一种混合动力能源再生制动的控制方法，包括，能源回收使能条件的判定，能源回收使能必须满足如下的四个条件，即离合器完全闭合、档位未处于空档、电池连接良好以及发动机在运行状态中，通过对上述四个条件的判断来确定是否能够进行能源回收；能源回收阶段的判定，根据车辆加速踏板的状态来判定能量回收第一阶段是否使能；根据制动踏板位置信号来判断能源回收第二阶段是否被使能；能源回收时电制动力的计算，以车速为自变量参数计算所述第一阶段和第二阶段的扭矩，第一阶段的发电机扭矩要小于第二阶段的发电机的放电扭矩，且在第二阶段的放电扭矩要累加上第一阶段计算的发电扭矩；以及，制动力在机械制动和电制动间的分配，定义一个无控制作用区，在这个区间范围内是不需要产生机械摩擦制动力的，只有在制动踏板被踩到足够深时，才开始作用机械摩擦式制动力。所述无控制作用区为踏板位置的50％左右之前的区域。
当检测出未踩加速踏板，或者加速踏板松开、踏板位置小于5％，或者制动***控制器接受来自EMS的断油信号时，判定能量回收第一阶段使能；当制动踏板位置信号表示制动踏板被踩下后，判定能源回收第二阶段被使能。
在油门踏板被踩下的情况下，能源回收第二阶段是必须被禁止的；如果油门踏板位置传感器信号指示的数值大于一标定变量，能源回收第一阶段是不允许的。
能源回收时的电制动扭矩受到发电机温度、能源回收***控制器温度以及高压电池温度的限制。
在需要进行发动机怠速控制时根据发动机转速和请求怠速转速之差进行能源回收时的电制动扭矩的调节。
根据配置的所述高压电池的温度、历史状态以及当前荷电状态确定高压电池所能承受的最大充电功率，作为对能源回收时的电制动扭矩的限制条件。
本发明还公开了实施混合动力能源再生制动控制方法的能源再生制动***，该***包括144V高压镍氢动力电池、1.3升汽油发动机、混合动力整车控制单元、电池控制单元、电机、制动***控制器以及5速AMT变速箱。
附图说明
图1：一种混合动力汽车的能源回收整车***配置图；
图2：一种混合动力汽车整车控制***数据结构图；
图3：一种混合动力汽车整车控制器控制***图；
图4：车辆油门踏板位置状态信号图；
图5：车辆制动踏板位置状态图；
图6：车辆能源回收阶段使能控制；
图7：制动踏板无控制区域；
图8：不同车速下的电制动扭矩示意图；
图9：能源回收不同阶段下的发电扭矩的合成示意图；
图10：怠速控制下怠速控制器请求怠速转速；
图11：以发动机转速为自变量因数的调节扭矩函数示意图；
图12：高压镍氢电池对于能源回收下电制动的扭矩限制示意图；
图13：能源回收电制动扭矩在温度限制下的示意图；
图14：车辆制动***中机械摩擦式制动和能源回收电制动扭矩的控制图。
具体实施方式
图1示出了一种混合动力汽车的能源再生制动整车***配置图，该***配置了144V高压镍氢动力电池1、1.3升汽油发动机2、混合动力整车控制单元3、电池控制单元4、电机5、制动***控制器6以及5速AMT变速箱7。其中144V的高压镍氢动力电池是此混合动力汽车的能源存储与输出单元，它可以存储回收的整车能源。发动机是1.3L CBR双VVT的汽油内燃发动机，作为此混合动力汽车动力驱动***的第一输出装置，它以燃烧燃油原料转换化学能为机械能的一种能源***装置。此混合动力整车装置中的另一大动力输出装置就是转化电能为机械能的电动机/发电机装置。它和内燃机***同轴地装配在一起，属于动力源并联的第二动力输出转换装置。它一方面可以在内燃机需要快速启动时作为电动机提供低速大扭矩下的稳定启动，又可以在整车***需要动力提速时把能量存储单元中的化学能以电能的形式输出转换为机械能通过动力传动装置传送给整车的驱动***，而且又可以在整车***减速时作为发电机使整车的机械能转化为电能以化学能的一种形式存储于能量存储单元高压镍氢电池中。
图2示出了混合动力汽车整车控制***数据结构。混合动力***控制器是此混合动力汽车中的最上层的控制***，它是协调整车车身控制***、整车制动***控制单元、发动机控制单元、整车低压电源***、高压电池控制单元、电机/发电机控制单元以及整车动力传动***和整车车身***的最上层中央控制器。它与整车其它控制单元、机械和电气***之间以整车CAN网略通讯或者硬件电路连接进行通讯和控制上的实现。
图3示出了该混合动力多能源控制***的控制功能划分结构图。主要分为五大***：多能源控制器***、电机本体***、能量存储本体及控制***、整车制动***、发动机和整车电气机械***。对于多能源控制***，它的功能模块有混合动力控制器HCU(Hybrid Control Unit)，电机控制器MCU(Machine Control Unit)、控制器温度管理单元和高低压转换控制单元。电机***包括电机本体、温度传感器、位置传感器以及电机温度控制***。能量存储***包括高压电池电池组、高压电池控制***BMS(BatteryManagement System)、高压电池自动切断保护控制单元以及电池温度控制单元。第四大部分就是混合动力整车制动***，它包括整车制动压力产生装置、车轮制动力大小调节执行装置、制动力控制单元等。最后一部分就是发动机及整车电子电气和机械***。
基于以上混合动力能源再生制动***的配置以及能源控制***的配置，本申请中采用如下描述的整车能源再生制动控制方法，对于具有此能源配置方案下的整车***进行了能源回收的二次控制优化，使整车能源的回收更合理、更有效率。
本发明的混合动力汽车能源再生制动控制方法的实现包括整车能源回收使能条件的判定、能源回收阶段的判定、能源回收时电制动力大小的计算、制动力在机械制动和电制动间的分配、以及混合动力汽车能源回收的***安全保护控制。
下面对各个控制部分进行具体的描述。
1、能源回收使能条件的判定
能源回收需要基于以下使能条件的控制。如果由离合器顶部开关信号判定所得离合器是断开的，那么能源回收电制动需要被禁止掉；如果由离合器顶部开关信号判定所得离合器又重新啮合了，那么能源回收电制动又需要再重新使能。如果由变速箱控制单元输出信号判定所得离合器是断开的，那么能源回收电制动需要被禁止掉；如果由变速箱控制单元输出信号判定所得离合器又重新啮合了，那么能源回收电制动又需要再重新使能。而且当能源回收电制动正在进行之中时，变速箱控制单元必须确定地保持离合器一直是啮合状态的。如果由变速箱空档开关信号判定变速箱是处于空档位置时，那么能源回收电制动需要被禁止掉；如果由变速箱空档开关信号判定变速箱是处于在档位置时，那么能源回收电制动又需要被使能。如果从变速箱控制单元不能判定出变速箱是在档位置时，能源回收电制动是需要被禁止掉的；如果从变速箱控制单元又能判定出变速箱是在某一档位置时，能源回收电制动是需要又被使能的。如果当制动***控制单元表示车辆制动时需要作用防抱死制动调节时，能源回收电制动就需要被禁止了。如果当能源回收电制动由于通过车辆制动***控制单元判定需要施加制动防抱死调节时而禁止电制动时电制动只有当制动踏板没有再被踏下时才能被重新使能；如果当能源回收电制动由于通过车辆制动***控制单元判定需要施加制动防抱死调节时而禁止电制动时只有当车辆制动***判定防抱死制动调节不需要了并且这个动作持续了一段时间以后电制动才能被重新使能。
通过以上描述可知，能源回收使能必须满足如下的四个条件，即1)离合器完全闭合；2)档位未处于空档；3)电池连接良好；4)发动机在运行状态中。当***检测到满足以上四个条件时，才能够进行再生制动以进行能源的回收。
2、能源回收阶段的判定
根据车辆加速踏板的状态来判定能量回收第一阶段是否使能，根据车辆速度来计算混合动力整车所配备的发电装置ISG(Integrated StarterGenerator)所需要实现的电制动力的大小。可以根据油门踏板位置数据量信号计算驾驶员驾驶意图是否为车辆加速或减速，如图4所示车辆油门踏板位置状态信号，在油门踏板传感器信号大于P0以后油门踏板就是被驾驶员踩下了，那么如果踏板信号数值小于P0就认为油门踏板没有被驾驶员踩下。当检测出未踩加速踏板，或者加速踏板松开、踏板位置小于5％时，或者HCU接受来自EMS的断油信号时，进入再生制动第一阶段。
在再生制动第一阶段的基础上，当制动踏板位置信号表示制动踏板被踩下以后，能源回收第二阶段就被使能了，进一步的能源回收电制动力就需要通过ISG装置实现出来。对于制动踏板位置信号如图五所示。在时刻t0制动踏板被驾驶员踩下，能源再生第二阶段被使能。
图6给出了一个特别典型的能源回收阶段的状态情况。在油门踏板被踩下的情况下，能源回收第二阶段是必须被禁止的。如果油门踏板位置传感器信号指示的数值大于某一标定变量，能源回收第一阶段也是不允许的。
3、在基于以上能源回收阶段的控制下，能源回收时电制动力大小的计算：
能源回收时的电制动扭矩是受很多参数影响的结果。能源回收两个阶段即第一阶段和第二阶段下的扭矩计算是以车速为自变量参数的。如图8所示，电制动扭矩不受转向角的影响。能源回收第一阶段和第二阶段下的电制动扭矩同样也是发动机转速的函数。在发动机转速较高时可以使发电机发较多的电回收较多的能源，相反，在发动机转速较低时为了避免发电机的发电造成发动机的憋死熄火应该使发电机发较少的电。而且在能源回收第一阶段和第二阶段间，第一阶段下的发电机扭矩要小于第二阶段下的发电机的放电扭矩。而且在能源回收第二阶段下的放电扭矩是要累加上第一阶段下计算的发电扭矩的。如图九所示，能源回收第一阶段下的发电扭矩计算为15Nm，而第二阶段下根据车速、发电机转速计算的发电扭矩是40Nm，那么整个能源回收第二阶段下的发电扭矩就是55Nm。
4、能源回收下的机械摩擦式制动和电制动的制动力的分配
如图7所示，对于能源回收时的电制动和机械制动之间的分配，定义一个无控制作用区，在这个区间范围内是不需要产生机械摩擦制动力的，只有在当制动踏板被踩到足够深时，才开始作用机械摩擦式制动力。
5、能源回收下的安全控制以及***保护
对于能源回收时的电制动扭矩的控制还包括***的保护和安全限制。其中当发动机电子控制单元判定到需要进行怠速控制时以及电池允许功率限制等是最重要的两大电制动限制因素，以免在怠速控制时进行电制动造成发动机憋死的现象或者潜在造成发动机拖动发电机进行发电的现象，所以在发电机怠速控制时电制动扭矩的控制必须进行限制。发动机怠速控制器在发动机转速较高时就开始接管过来开始进行发动机的怠速控制，开始请求一定的发动机怠速转速。当驾驶员不再踩下油门踏板或者发动机转速小于怠速控制器请求的怠速转速时，怠速控制器就开始控制发动机进入怠速运行状态，通过重新喷油控制进行稳定的怠速。
图10示意了在怠速控制时间历程下的怠速控制器潜在的发动机转速和怠速请求速度。在需要进行发动机怠速控制时利用根据发动机转速和请求怠速转速之差(发动机实际转速-怠速请求转速)进行能源回收时的电制动扭矩的调节。这种电制动扭矩的调节的策略最终作为一种对电制动扭矩的限制的作用，也就是说如果请求的电制动扭矩小于调节策略所计算的电子动扭矩的话请求的电制动扭矩就直接作为最后发电机应该实现的发电扭矩；反之，调节策略所计算的电制动扭矩就应该是最后发电机应该实现的发电扭矩。调节策略所计算的电制动扭矩是发动机转速以及请求的怠速转速的函数。图11示意了调节扭矩是发动机转速的函数。
根据本发明中配置的高压镍氢电池的温度、历史状态以及当前荷电状态等可以确定高压电池所能承受的最大充电功率，这个最大的充电功率就是对于能源回收时的电制动扭矩的限制条件。图12示意了车辆长下坡能源回收时高压电池对于电制动扭矩的限制。当在长下坡能源回收电制动过程中，如果电池温度升高后电池所能接受的充电功率或者说充电电流就会慢慢受到限制；同样，当高压电池荷电状态越来越高时高压电池所能接受的充电功率或者充电电流就会慢慢受到限制；同样，随着高压电池的使用高压电池在其它同样的状态参数下所能接收的充电功率和充电电流也会受到限制的。
能源回收时的电制动扭矩同样受到发电机温度、能源回收***控制器温度以及高压电池温度的限制。如图13所示意。随着发电机温度、能源回收***控制器温度、高压电池温度的升高或者较低这些不见所能允许的能源回收的电制动扭矩会受到限制，三个不见对于电制动的限制是不同的，但是最终取决于它们中间的最小允许电制动扭矩。
Claims (8)
1.一种混合动力能源再生制动控制方法，包括：
能源回收使能条件的判定，能源回收使能必须满足如下的四个条件，即离合器完全闭合、档位未处于空档、电池连接良好以及发动机在运行状态中，通过对上述四个条件的判断来确定是否能够进行能源回收；
能源回收阶段的判定，根据车辆加速踏板的状态来判定能量回收第一阶段是否使能；根据制动踏板位置信号来判断能源回收第二阶段是否被使能；
能源回收时电制动力的计算，以车速为自变量参数计算所述第一阶段和第二阶段的扭矩，第一阶段的发电机扭矩要小于第二阶段下发电机的发电扭矩，且第二阶段的发电扭矩为该阶段下计算的发电机的发电扭矩与第一阶段计算的发电扭矩的累加；以及，
制动力在机械制动和电制动间的分配，定义一个无控制作用区，在这个区间范围内是不需要产生机械摩擦制动力的，只有在制动踏板被踩到足够深时，才开始作用机械摩擦式制动力。
2.根据权利要求1所述的混合动力能源再生制动控制方法，其特征在于，当检测出未踩加速踏板，或者加速踏板松开、踏板位置小于5％，或者制动***控制器接受来自EMS的断油信号时，判定能量回收第一阶段使能；当制动踏板位置信号表示制动踏板被踩下后，判定能源回收第二阶段被使能。
3.根据权利要求2所述的混合动力能源再生制动控制方法，其特征在于：在加速踏板被踩下的情况下，能源回收第二阶段是必须被禁止的；如果加速踏板位置传感器信号指示的数值大于一标定变量，能源回收第一阶段是不允许的。
4.根据权利要求1-3任一项所述的混合动力能源再生制动控制方法，其特征在于：能源回收时的电制动扭矩受到发电机温度、能源回收***控制器温度以及高压电池温度的限制。
5.根据权利要求4所述的混合动力能源再生制动控制方法，其特征在于：在需要进行发动机怠速控制时根据发动机转速和请求怠速转速之差进行能源回收时的电制动扭矩的调节。
6.根据权利要求4所述的混合动力能源再生制动控制方法，其特征在于：根据配置的所述高压电池的温度、历史状态以及当前荷电状态确定高压电池所能承受的最大充电功率，作为对能源回收时的电制动扭矩的限制条件。
7.根据权利要求1所述的混合动力能源再生制动控制方法，其特征在于：所述无控制作用区为制动踏板位置的50％之前的区域。
8.实施如权利要求1-7任一项所述混合动力能源再生制动控制方法的能源再生制动***，其特征在于：该***包括，144V高压镍氢动力电池(1)、1.3升汽油发动机(2)、混合动力整车控制单元(3)、电池控制单元(4)、电机(5)、制动***控制器(6)以及5速AMT变速箱(7)。
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