CN101898557B

CN101898557B - 电动四驱混合动力车辆的控制方法

Info

Publication number: CN101898557B
Application number: CN2010102383518A
Authority: CN
Inventors: 黄向东; 徐吉汉; 黄河; 裴锋; 周玉山; 夏珩; 刘国猛; 文凯; 关超华
Original assignee: Guangzhou Automobile Group Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Automobile Group Co Ltd
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2030-07-27
Also published as: CN101898557A

Abstract

本发明公开了一种电动四驱混合动力车辆的控制方法，在常规模式下，整车控制器中根据当前车速、油门、SOC等信号，确定整个混动***的功率分配和档位选择，使得考虑整个混动***的总效率最优，而不是单一动力源的效率最优，从而更有效地提高了E4WD混动车整车的经济性，以达到提高车辆燃油经济性的目的。在具体实现过程中，该功率分配和档位选择是通过查询VP表实现的，考虑到了车辆运行过程中电池、发动机实际能提供的功率，提高HCU运算速度，增强了该控制方法的实用性。

Description

电动四驱混合动力车辆的控制方法

技术领域

本发明属于混合动力车能量管理技术领域，具体涉及一种电动四驱混合动力车辆(也称为Electric 4 Wheel Drive Hybrid Electric Vehicle，下文简称为E4WD混动车)整车控制***的控制方法。

背景技术

在开发混合动力车的过程中，各大汽车公司根据市场定位、技术路线等的不同，推出了很多种不同的混合动力构型，其中E4WD混动车是近年来比较新的一种。在起动机/发电机一体化混合动力车(Integrate starter/generator混合动力车，以下简称ISG混动车)的基础上，E4WD混动车加入了一个后轴驱动电机(Electric Rear Axle Drive Motor，以下简称ERAD电机)，该电机通过减速齿轮与后轴相连。这种构型的优点是：1、将一个电机布置在后轴，降低了前舱布置难度，对碰撞性能、油箱及排气***的影响较小；2、与传统四驱车相比，简化了机械传动机构，便于实现模块化设计；3、便于实现大排量车的混动化和四驱化，在提高车辆经济性的同时也提高了操稳性能和动力性能；4、可以用后轴驱动电机弥补换档时的动力中断，从而具有更好的NVH性能。

混合动力车的重要作用之一就是提高车辆的经济性，而整车控制策略对混合动力车的经济性影响很大。目前，ISG/BSG混动车等已经有了较成熟的控制策略，但对于E4WD混动车这一新的混动构型，目前还缺乏一种有效的整车控制策略。这影响了E4WD构型混动车经济性的提高，成为E4WD混动车市场化的瓶颈之一。

发明内容

本发明为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种控制效果好、确切可行的电动四驱混合动力车辆的控制方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：本电动四驱混合动力车辆的控制方法，其特征在于：

所述车辆包括驱动***和控制***，驱动***包括动力电池、发动机、ISG电机、离合器、后轴驱动电机(简称ERAD电机)、变速箱及前轴差减总成、后轴差减总成和制动***，控制***包括整车控制器(Hybrid Vehicle ControlUnit，简称HCU)、电池管理***(Battery Management System，简称BMS)、第一电机控制器MCU(ISG)、第二电机控制器MCU(ERAD)、制动控制***、发动机控制器(Engine Management System，简称EMS)和变速箱控制器；

其中，发动机曲轴与ISG电机输出轴做成一体，然后通过离合器、变速箱及前轴差减总成与前轴连接，后轴驱动电机通过后轴差减总成与后轴连接；

整车控制器通过CAN网络与发动机控制器、第一电机控制器、第二电机控制器、变速箱控制器、电池管理***、制动控制***进行通信，动力电池通过高压直流电线连接第一电机控制器、第二电机控制器，第一电机控制器通过三相交流电线连接ISG电机，第二电机控制器通过三相交流电线连接后轴驱动电机，制动控制***与制动***集成在一起，制动***设置在前轴与后轴上，动力电池与电池管理***集成在一起，发动机控制器与发动机集成在一起，变速箱及前轴差减总成与变速箱控制器集成在一起；

整车控制器包括依次排布的电池修正模块(SOC Correction Model)、功率需求模块(Power Request Model)、***总效率最大化控制模块(SystemEfficiency Maximization Strategy Model，简称SEMS Model)和功率转扭矩模块(Pe2Trq Model)；

所述车辆的控制方法为：整车控制器根据驾驶员点火钥匙信号、加速踏板行程、制动踏板行程、动力电池荷电状态、车速信号，首先确定车辆适宜的运行模式，分为：行车准备模式、纯电动模式、发动机起动模式、常规模式、制动模式，然后，针对不同的运行模式，采取不同的控制方法，包含如下内容：

行车准备模式：发动机、ISG电机、后轴驱动电机均不工作，以减少燃油消耗，提高车辆经济性；

纯电动模式：发动机、ISG电机均不工作，离合器断开，车辆运行所需要的驱动功率由后轴驱动电机单独提供，车辆运行所需要的制动功率由后轴驱动电机和制动***共同提供；

发动机起动模式：由ISG电机带动发动机，迅速将发动机转速提高到发动机点火转速(约600r/min)以上，然后发动机开始喷油工作；

制动模式：由制动***、后轴驱动电机、ISG电机共同提供制动功率；

常规模式：整车控制器根据车速、加速踏板行程、动力电池荷电状态、环境温度信号，决定变速箱的档位以及发动机、ISG电机、后轴驱动电机的最佳功率分配，使得混动车的经济性最佳；车辆大多数时间行驶在常规模式下，因此本控制方法的重点也在于常规模式时档位选择和各个动力源的功率分配；

其中，常规模式的整个控制过程分为五步进行：

第一步：电池管理***根据电池电压U_bat、电流I_bat、温度Tm_bat、循环次数C_bat确定电池此刻能提供的最大电功率P_{elc_max}、最小电功率P_{elc_min}、动力电池荷电状态SOC，发动机控制器根据发动机转速n_eng、温度Tm_eng，确定发动机此刻能提供的最大功率P_{eng_max}、最小功率P_{eng_min}，第一电机控制器根据ISG电机转速n_ISG、温度Tm_ISG，确定ISG电机此刻能提供的最大功率P_{ISG_max}、最小功率P_{ISG_min}，第二电机控制器根据后轴驱动电机转速n_ERAD、温度Tm_ERAD，确定后轴驱动电机此刻能提供的最大功率P_{ERAD_max}、最小功率P_{ERAD_min}；

第二步：电池修正模块根据动力电池荷电状态SOC对P_{elc_max}、P_{elc_min}进行修正，得到修正后电池实际可以提供的最大电功率

最小电功率

第三步：功率需求模块根据P_{eng_max}、P_{eng_min}、P_{ISG_max}、P_{ISG_min}、P_{ERAD_max}、P_{ERAD_min}和加速踏板行程Acc_p，计算车辆功率需求P_req；

第四步：***总效率最大化控制模块根据车速V_e和功率需求P_req，通过查询整车控制器的VP表，得到使整车控制***总效率最大的档位、发动机功率、ISG电机功率、后轴驱动电机功率：

第五步：功率转扭矩模块根据

车速V_e，将功率分配方案

转换成扭矩分配方案

并由整车控制器发送给发动机控制器、第一电机控制器、第二电机控制器进行相应的扭矩控制。

所述第二步中的修正的方法为：动力电池荷电状态SOC的上限及下限分别设为SOC_H和SOC_L，则

SOC \leq \frac{{SOC}_{H} + {SOC}_{L}}{2}

时：

\{\begin{matrix} P_{elc_\min}^{*} = P_{elc_\min} \\ P_{elc_\max}^{*} = P_{elc_\min} + k (P_{elc_\max} - P_{elc_\min}) \end{matrix}

SOC > \frac{{SOC}_{H} + {SOC}_{L}}{2}

时：

\{\begin{matrix} P_{elc_\min}^{*} = P_{elc_\min} + k (P_{elc_\max} - P_{elc_\min}) \\ P_{elc_\max}^{*} = P_{elc_\max} \end{matrix}

其中：

所述第三步中：车辆功率需求P_req的计算方法为：

P_req＝Acc_p·(P′_{elc_max}+P_{eng_max})

其中：

P_{elc_\max}^{'} = \min (P_{elc_\max}^{*}, P_{ISG_\max} + P_{ERAD_\max})

所述第四步中：VP表为一个以车速V_e、功率需求P_req为坐标轴的二维表格，VP表中每个点中都包含了

五个数值，

为***最大总效率。

5种模式的转换如下：

当驾驶员点火钥匙信号为on，进入行车准备模式；当加速踏板行程Acc_p＞0&动力电池荷电状态SOC＞SOCmin，从行车准备模式进入纯电动模式；当动力电池荷电状态SOC＜SOCmin，从行车准备模式进入发动机起动模式。

当动力电池荷电状态SOC＜SOCmin，从纯电动模式进入发动机起动模式；当车速V＞纯电动行驶的最大车速Vth_ele，从纯电动模式进入发动机起动模式；当加速踏板行程Acc_p＝加速踏板最大行程Acc_max，从纯电动模式进入发动机起动模式。

当发动机转速n_eng＞发动机点火转速n_st，从发动机起动模式进入常规模式。

当制动踏板行程Brk_p＞0，从常规模式进入制动模式。

当加速踏板行程Acc_p＞0，从制动模式进入常规模式；当车速V＜纯电动行驶的最大车速Vth_ele&动力电池荷电状态SOC＞SOCmin，从制动模式进入纯电动模式；当车速V≈0&制动踏板行程Brk_p＞0，从制动模式进入行车准备模式。

对于VP表的进一步说明为：

SEMS Model是整个控制策略模型最关键的部分，该模块以***总效率作为混动车功率分配及档位选择的依据。对于E4WD混合动力车，***总效率公式可以表达为：

η_{sys} = \frac{P_{req}}{(\frac{P_{eng}}{η_{f} η_{ig}} b_{eng} + \frac{P_{ISG}}{η_{f} η_{ig}} b_{ISG}^{'} + \frac{P_{ERAD}}{η_{r}} b_{ERAD}^{'}) \frac{H_{u}}{3.6 \times 10^{6}}}

其中，P_eng、P_ISG、P_ERAD分别为发动机、ISG电机、ERAD电机功率(折合至车轮)。η_f、η_r、η_ig分别为前轴主减速器、后轴主减速器、变速箱效率。H_u为汽油低热值，取44100kJ/kg。

b_eng是发动机给ISG电机发电时的瞬时有效燃油消耗率，b′_ISG、b′_ERAD分别为ISG电机和ERAD电机的等效燃油消耗率。其计算方法为：

b_{ISG}^{'} = \{\begin{matrix} \frac{{\overset{&OverBar;}{b}}_{eng}}{{\overset{&OverBar;}{η}}_{M 2 E_ISG} {\overset{&OverBar;}{η}}_{E 2 B} η_{B 2 E} η_{E 2 M_ISG}} & P_{ISG} &GreaterEqual; 0 \\ b_{eng} η_{M 2 E_ISG} η_{B 2 E} (α {\overset{&OverBar;}{η}}_{E 2 M_ISG} + (1 - α) {\overset{&OverBar;}{η}}_{E 2 M_ERAD}) & P_{ISG} < 0 \end{matrix}

b_{ERAD}^{'} = \frac{{\overset{&OverBar;}{b}}_{eng}}{{\overset{&OverBar;}{η}}_{M 2 E_ISG} {\overset{&OverBar;}{η}}_{E 2 B} {\overset{&OverBar;}{η}}_{B 2 E} {\overset{&OverBar;}{η}}_{E 2 M_ERAD}}

是发动机带动ISG电机发电时的平均有效燃油消耗率，

是ISG电机发电时的平均效率，

是电池充电时的平均效率，η_B2E是电池放电时的瞬时效率，η_{E2M_ISG}是ISG电机电动效率。，η_{M2E_ISG}是ISG电机发电时的瞬时效率，η_E2B是电池充电时的瞬时效率，

是电池放电时的平均效率，

是ISG电机电动时的平均效率，

是ERAD电机电动时的平均效率，α是ISG电机的平均电动功率占ISG电机与ERAD电机平均电动功率之和的比例。

η_{E2M_ERAD}是ERAD电机电动时的瞬时效率。

η_B2E、η_{E2M_ISG}、b_eng、η_{M2E_ISG}、η_E2B、η_{E2M_ERAD}等参数为瞬时值，通过该时刻的P_eng、P_ISG、P_ERAD在电机效率MAP图、发动机万有特性曲线、电池效率曲线等插值计算得到。而等参数为平均值，取该参数在其取值范围内的中间值作为初始值，在后来的仿真/实验中，通过计算/测量不断对其进行修正，最终得到一个实际的平均值。

为了节省HCU运算时间，SEMS Model中的计算工作主要是离线进行的。离线计算要得到：对于给定车速V_e、功率需求P_req、在电池可提供的电功率范围

内，使得***总效率最高对应的最佳功率分配及档位选择方案，如下式所示：

η_{sys}^{o} = \max η_{sys} (i, P_{eng}, P_{ISG}, P_{ERAD})

约束条件为：

P_{elc_\min}^{*} \leq P_{ISG} + P_{ERAD} \leq P_{elc_\max}^{*}

P_eng+P_ISG+P_ERAD＝P_req

对于所有的车速V_e、功率需求P_req、都通过计算对应的

以及对应的最优解并将结果存在一个以车速V_e、功率需求P_req为坐标轴的二维表格中(Velocity/Power_request Table，简称VP表)。这样VP表中每个点中都包含了

五个数值。

这样，在混动车实际运行过程中，SEMS Model可以根据当前车速V_e、需求功率P_req，在在VP表中搜索***总效率

最大的档位选择及功率分配方案大大节省了计算时间。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

(1)整车控制器根据驾驶员点火钥匙信号、加速踏板行程、制动踏板行程、动力电池荷电状态、车速等信号，首先确定车辆适宜的运行模式，分为：行车准备模式、纯电动模式、发动机起动模式、常规模式、制动模式，再针对不同的车辆运行模式，采取不同的控制方法，可以很好地提高燃油经济性且利于工程实现。

(2)***总效率最大化控制模块，用于E4WD混动车档位选择及功率分配，使得功率分配和档位选择考虑整个***的总效率最优，而不是单一动力源的效率最优，从而更有效地提高了E4WD混动车整车的经济性，以达到提高车辆燃油经济性的目的。

(3)电池修正模块对电功率范围进行修正，可以有效地保证SOC只在一定范围内波动。同时，与直接对电机功率进行修正相比，本发明的修正方法使控制方法在进行功率分配和档位选择时，有更优的选择，从而可以尽可能减小SOC修正对E4WD混动车整车经济性的影响。

(4)采用VP表进行功率分配、档位选择的查表运算，考虑到了车辆运行过程中电池、发动机实际能提供的功率，提高HCU运算速度，增强了该控制方法的实用性。

附图说明

图1是本发明的电动四驱混合动力车辆的结构示意图。

图2是车辆运行模式的判断流程示意图，图中：

Acc_p：加速踏板行程；Acc_max：加速踏板最大行程；Brk_p：制动踏板行程；SOC：电池荷电状态；SOC_min：SOC下限值 Swt_drv：驾驶员点火钥匙信号；n_eng：发动机转速；n_st：发动机点火转速(约为600r/min)；V混动车车速；V_{th_ele}：纯电动行驶的最大车速；

图3是常规模式下的控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种电动四驱混合动力车辆的控制方法，

如图1所示，所述车辆包括驱动***和控制***，驱动***包括动力电池、发动机、ISG电机、离合器、后轴驱动电机(简称ERAD电机)、变速箱及前轴差减总成、后轴差减总成和制动***，控制***包括整车控制器(HybridVehicle Control Unit，简称HCU)、电池管理***(Battery Management System，简称BMS)、第一电机控制器MCU(ISG)、第二电机控制器MCU(ERAD)、制动控制***、发动机控制器(Engine Management System，简称EMS)和变速箱控制器；

其中，常规模式的整个控制过程分为五步进行：如图3所示，

第二步：电池修正模块根据动力电池荷电状态SOC对P_{elc_max}、P_{elc_min}进行修正，得到修正后电池实际可以提供的最大电功率最小电功率

第三步：功率需求模块根据

P_{eng_max}、P_{eng_min}、P_{ISG_max}、P_{ISG_min}、P_{ERAD_max}、P_{ERAD_min}和加速踏板行程Acc_p，计算车辆功率需求P_req；

第五步：功率转扭矩模块根据

车速V_e，将功率分配方案

转换成扭矩分配方案

SOC \leq \frac{{SOC}_{H} + {SOC}_{L}}{2}

时：

\{\begin{matrix} P_{elc_\min}^{*} = P_{elc_\min} \\ P_{elc_\max}^{*} = P_{elc_\min} + k (P_{elc_\max} - P_{elc_\min}) \end{matrix}

SOC > \frac{{SOC}_{H} + {SOC}_{L}}{2}

时：

\{\begin{matrix} P_{elc_\min}^{*} = P_{elc_\min} + k (P_{elc_\max} - P_{elc_\min}) \\ P_{elc_\max}^{*} = P_{elc_\max} \end{matrix}

其中：

所述第三步中：车辆功率需求P_req的计算方法为：

P_req＝Acc_p·(P′_{elc_max}+P_{eng_max})

其中：

P_{elc_\max}^{'} = \min (P_{elc_\max}^{*}, P_{ISG_\max} + P_{ERAD_\max})

五个数值，

为***最大总效率。

5种模式的转换如下：如图2所示，

当制动踏板行程Brk_p＞0，从常规模式进入制动模式。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.电动四驱混合动力车辆的控制方法，其特征在于：

所述车辆包括驱动***和控制***，驱动***包括动力电池、发动机、ISG电机、离合器、后轴驱动电机、变速箱及前轴差减总成、后轴差减总成和制动***，控制***包括整车控制器、电池管理***、第一电机控制器、第二电机控制器、制动控制***、发动机控制器和变速箱控制器；

整车控制器包括依次排布的电池修正模块、功率需求模块、***总效率最大化控制模块和功率转扭矩模块；

行车准备模式：发动机、ISG电机、后轴驱动电机均不工作；

发动机起动模式：由ISG电机带动发动机，迅速将发动机转速提高到发动机点火转速以上，然后发动机开始喷油工作；

常规模式：整车控制器根据车速、加速踏板行程、动力电池荷电状态、环境温度信号，决定变速箱的档位以及发动机、ISG电机、后轴驱动电机的最佳功率分配；

其中，常规模式的整个控制过程分为五步进行：

最小电功率

第三步：功率需求模块根据

五个数值，

为***最大总效率；

第五步：功率转扭矩模块根据车速V_e，将功率分配方案

转换成扭矩分配方案

2.根据权利要求1所述的电动四驱混合动力车辆的控制方法，其特征在于：所述第二步中的修正的方法为：动力电池荷电状态SOC的上限及下限分别设为SOC_H和SOC_L，则

SOC \leq \frac{{SOC}_{H} + {SOC}_{L}}{2}

时：

\{\begin{matrix} P_{elc_\min}^{*} = P_{elc_\min} \\ P_{elc_\max}^{*} = P_{elc_\min} + k (P_{elc_\max} - P_{elc_\min}) \end{matrix}

SOC > \frac{{SOC}_{H} + {SOC}_{L}}{2}

时：

\{\begin{matrix} P_{elc_\min}^{*} = P_{elc_\min} + k (P_{elc_\max} - P_{elc_\min}) \\ P_{elc_\max}^{*} = P_{elc_\max} \end{matrix}

其中：

3.根据权利要求1所述的电动四驱混合动力车辆的控制方法，其特征在于：所述第三步中：车辆功率需求P_req的计算方法为：

P_req＝Acc_p·(P′_{elc_max}+P_{eng_max})

其中：

P_{elc_\max}^{'} = \min (P_{elc_\max}^{*}, P_{ISG_\max} + P_{ERAD_\max}) .

4.根据权利要求1所述的电动四驱混合动力车辆的控制方法，其特征在于：当驾驶员点火钥匙信号为on，进入行车准备模式；当加速踏板行程Acc_p＞0&动力电池荷电状态SOC＞SOCmin，从行车准备模式进入纯电动模式；当动力电池荷电状态SOC＜SOCmin，从行车准备模式进入发动机起动模式。

5.根据权利要求1所述的电动四驱混合动力车辆的控制方法，其特征在于：当动力电池荷电状态SOC＜SOCmin，从纯电动模式进入发动机起动模式；当车速V＞纯电动行驶的最大车速Vth_ele，从纯电动模式进入发动机起动模式；当加速踏板行程Acc_p＝加速踏板最大行程Acc_max，从纯电动模式进入发动机起动模式。

6.根据权利要求1所述的电动四驱混合动力车辆的控制方法，其特征在于：当发动机转速n_eng＞发动机点火转速n_st，从发动机起动模式进入常规模式。

7.根据权利要求1所述的电动四驱混合动力车辆的控制方法，其特征在于：当制动踏板行程Brk_p＞0，从常规模式进入制动模式。

8.根据权利要求1所述的电动四驱混合动力车辆的控制方法，其特征在于：当加速踏板行程Acc_p＞0，从制动模式进入常规模式；当车速V＜纯电动行驶的最大车速Vth_ele&动力电池荷电状态SOC＞SOCmin，从制动模式进入纯电动模式；当车速V≈0&制动踏板行程Brk_p＞0，从制动模式进入行车准备模式。