CN103863323A - 一种重度混合动力汽车的能量管理***及控制方法 - Google Patents

一种重度混合动力汽车的能量管理***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种重度混合动力汽车能量管理控制***，包括车辆***控制器，发动机控制器、离合器控制器、电机控制器、AMT控制器和蓄电池控制器；发动机控制器与发动机连接，离合器控制器与湿式多片离合器连接，电机控制器与ISG电机连接，AMT控制器与变速器连接，蓄电池控制器与蓄电池连接，蓄电池通过逆变器与ISG电机连接，各子***控制器与车辆***控制器进行通信。本发明还涉及一种重度混合动力汽车能量管理控制***的控制方法。本发明能有效地减少重度混合动力汽车各工况切换过程中输出扭矩波动，提高整车动力性和平顺性，增加整车重要零部件的使用寿命；能实现各工况间的平稳转移的模式切换以及各工况下的扭矩管理。

Description

一种重度混合动力汽车的能量管理***及控制方法
技术领域
本发明属于混合动力车辆的行驶控制技术，具体涉及一种重度混合动力汽车能量管理控制***及控制方法。 
背景技术
与传统汽车相比，混合动力汽车增加了电机、电池，控制***更为复杂，因此，整车控制***的开发就成为混合动力汽车关键技术。而目前对于重度混合动***的控制问题的研究多集中在能量管理策略及效率优化等稳态过程，对于动态过程控制研究相对较少。特别是对于利用行星排进行动力耦合的重度混合动力***，转矩、转速关系复杂，发动机和电机的动态特性又不一致，如果不在***驱动工作模式切换时对动力源和传动***进行协 调控制，将导致车辆在驱动模式切换时出现大的扭矩波动，影响整车动力性、乘坐舒适性和传动部件寿命。 
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提供一种重度混合动力汽车能量管理控制***，能有效地减少重度混合动力汽车各工况切换过程中输出扭矩波动，提高整车动力性和平顺性，增加整车重要零部件的使用寿命。  
本发明的另一个目的是提供一种重度混合动力汽车能量管理控制***的控制方法，能实现各工况间的平稳转移的模式切换以及各工况下的扭矩管理。  
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 
①用SOC（电池电量）作为整车行驶模式的基准，根据SOC的变化，参考整车车速、转速等其他可变因素对整车工作模式进行合理有效的切换； 
②整车控制器策略包括两部分：扭矩管理策略和模式切换策略。 
扭矩管理策略是模式切换扭矩协调控制的基础。扭矩管理策略根据当前驾驶员操作信息、整车状态信息和各子部件状态信息，计算出当前发动机目标转矩和电机目标转矩，同时将目标扭矩信号传送给发动机控制器和电机控制器。 
本发明所述的一种重度混合动力汽车能量管理控制***，包括车辆***控制器，与车辆***控制器连接的发动机控制器、离合器控制器、电机控制器、AMT控制器和蓄电池控制器；发动机控制器与发动机连接，离合器控制器与湿式多片离合器连接，电机控制器与ISG电机连接，AMT控制器与变速器连接，蓄电池 控制器与蓄电池连接，蓄电池通过逆变器与ISG电机连接，各子***控制器与车辆***控制器进行通信；所述发动机输出端经过单向离合器、湿式多片离合器和ISG电机与动力耦合装置行星排的齿圈连接，动力耦合装置行星排的太阳轮与ISG电机的转子连接，动力通过行星排的行星架与变速器的输入端连接，变速器的输出端与主减速器连接，主减速器将动力传至车轮。 
本发明所述的一种重度混合动力汽车能量管理控制***的控制方法，其步骤如下：
第一步，分析不同工作模式下***各个关键部件的运行状态及其参数变化； 
1） 纯电动工况：发动机未启动时, ISG电机正向驱动动力耦合装置行星排的太阳轮；由于车辆阻力作用于动力耦合装置行星排的行星架上,导致动力耦合装置行星排的齿圈具有反转的趋势，湿式多片离合器分离，发动机不工作，ISG电机输出扭矩，并经动力耦合装置行星排的太阳轮传至行星架，此时，动力传动装置（即变速器和主减速器）将ISG电机的驱动扭矩放大，驱动车辆起步和低速行驶，在达到一定车速后引入发动机动力； 
2）发动机单独驱动：在发动机单独驱动工况中，湿式多片离合器耦合，ISG电机空转，发动机输出的扭矩经过动力耦合装置行星排的齿圈至行星架输出至变速器的输入端； 
3）混合驱动： 
a．当出现大负载低速运行工况时，湿式多片离合器耦合，ISG电机输出扭矩，此时，动力耦合装置行星排锁死，传动比为1，ISG电机和发动机的扭矩耦合后输入到变速器； 
b．当出现高速小负载运行工况时，湿式多片离合器分离，动力传动装置可实现动力合成，ISG电机和发动机扭矩耦合后输入到变速器； 
4）制动能量回收： 
a．湿式多片离合器分离再生发电：并联驱动过程中，踩制动，湿式多片离合器分离，ISG电机输出负扭矩对整车进行制动； 
b．并联制动再生发电：当只依靠ISG电机的负力矩已不能满足整车制动需求时，湿式多片离合器耦合，利用发动机的倒拖力矩来对整车进行制动； 
c．怠速电制动：当整车已经处于怠速，ISG电机已经能提供足够的制动扭 矩时，湿式多片离合器分离，ISG电机输出负扭矩对整车进行制动； 
5）行车起动发动机：在行车过程中，需要发动机工作时，湿式多片离合器耦合，ISG电机电机输出扭矩经过动力耦合装置行星排的太阳轮进行分配，一部分扭矩用于驱动车辆，另一部分用于短时起动发动机； 
6）怠速充电：由于蓄电池的电量过低，发动机怠速，通过ISG电机给电池充电； 
第二步，确定扭矩管理策略； 
扭矩管理策略模型包括模式切换扭矩预分配、模式切换条件确定以及动力源目标扭矩确定，其中扭矩预分配策略包括驾驶员扭矩识别和电池充电扭矩识别； 
将驾驶员施加对车轮上的力的需求转换为对变速器输出端的扭矩需求，在考虑了变速器速比对车速的影响之后，得到不同挡位、不同车速下的发动机、ISG电机转速相对应的关系，通过计算得到发动机和ISG电机同时工作时所能提供的最大扭矩，做出这些曲线的包络线就可以得到车辆全加速时驱动扭矩需求曲线，随即确定部分加速踏板行程所对应的驱动扭矩需求曲线；根据得到的变速器输出端需求扭矩，结合变速器速比就可得到行车过程中变速器输入端需求扭矩。 
本发明的的有益效果是，在对以动力耦合装置行星排的重度混合动力***的驱动模式切换过程的理论分析基础上，设计出了可行有效的控制策略，减少了模式切换过程中的扭矩波动，提高了动力传递的动力性及平稳性。 
附图说明
图1为本发明重度混合动力***示意图； 
图2为蓄电池SOC分区图。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。 
参见图1所示的一种重度混合动力汽车能量管理控制***，包括车辆***控制器，与车辆***控制器连接的发动机控制器、离合器控制器、电机控制器、AMT控制器和蓄电池控制器；发动机控制器与发动机1连接，离合器控制器与湿式多片离合器3连接，电机控制器与ISG电机5连接，AMT控制器与变速器8连接，蓄电池控制器与蓄电池7连接，蓄电池7通过逆变器6与ISG电机5连接，各子***控制器与车辆***控制器进行通信；所述发动机1输出端经过单向 离合器2、湿式多片离合器3和ISG电机5与动力耦合装置行星排4的齿圈连接，动力耦合装置行星排4的太阳轮与ISG电机5的转子连接，动力通过行星排4的行星架与变速器8的输入端连接，变速器8的输出端与主减速器9连接，主减速器9将动力传至车轮10。 
本发明所述的一种重度混合动力汽车能量管理控制***的控制方法，其步骤如下：
为了准确制定出针对不同模式切换的扭矩协调控制策略，第一步，分析不同工作模式下***各个关键部件的运行状态及其参数变化； 
1） 纯电动工况：发动机未启动时, ISG电机5正向驱动动力耦合装置行星排4的太阳轮；由于车辆阻力作用于动力耦合装置行星排4的行星架上,导致动力耦合装置行星排4的齿圈具有反转的趋势，湿式多片离合器3分离，发动机1不工作，ISG电机5输出扭矩，并经动力耦合装置行星排4的太阳轮传至行星架，此时，动力传动装置（即变速器8和主减速器9）将ISG电机5的驱动扭矩放大，驱动车辆起步和低速行驶，在达到一定车速后引入发动机动力； 
2）发动机单独驱动：在发动机1单独驱动工况中，湿式多片离合器3耦合，ISG电机5空转，发动机1输出的扭矩经过动力耦合装置行星排4的齿圈至行星架输出至变速器8的输入端； 
3）混合驱动： 
a．当出现大负载低速运行工况时，湿式多片离合器3耦合，ISG电机5输出扭矩，此时，动力耦合装置行星排4锁死，传动比为1，ISG电机5和发动机1的扭矩耦合后输入到变速器8； 
b．当出现高速小负载运行工况时，湿式多片离合器3分离，动力传动装置可实现动力合成，ISG电机5和发动机1扭矩耦合后输入到变速器8； 
4）制动能量回收： 
a．湿式多片离合器分离再生发电：并联驱动过程中，踩制动，湿式多片离合器3分离，ISG电机5输出负扭矩对整车进行制动； 
b．并联制动再生发电：当只依靠ISG电机5的负力矩已不能满足整车制动需求时，湿式多片离合器3耦合，利用发动机1的倒拖力矩来对整车进行制动；
c．怠速电制动：当整车已经处于怠速，ISG电机5已经能提供足够的制动 扭矩时，湿式多片离合器3分离，ISG电机5输出负扭矩对整车进行制动； 
5）行车起动发动机：在行车过程中，需要发动机1工作时，湿式多片离合器3耦合，ISG电机5电机输出扭矩经过动力耦合装置行星排4的太阳轮进行分配，一部分扭矩用于驱动车辆，另一部分用于短时起动发动机； 
6）怠速充电：由于蓄电池7的电量过低，发动机怠速，通过ISG电机5给电池充电； 
各个工作模式状态总结如下表所示： 
Figure BDA0000256381381
第二步，确定扭矩管理策略； 
参见图2，扭矩管理策略模型包括模式切换扭矩预分配、模式切换条件确定以及动力源目标扭矩确定，其中扭矩预分配策略包括驾驶员扭矩识别和电池充电扭矩识别； 
将驾驶员施加对车轮上的力的需求转换为对变速器8输出端的扭矩需求，在考虑了变速器速比对车速的影响之后，得到不同挡位、不同车速下的发动机1、ISG电机5转速相对应的关系，通过计算得到发动机和ISG电机同时工作时所能提供的最大扭矩，做出这些曲线的包络线就可以得到车辆全加速时驱动扭矩需求曲线，随即确定部分加速踏板行程所对应的驱动扭矩需求曲线；根据得到的变速器输出端需求扭矩，结合变速器速比就可得到行车过程中变速器输入端需求扭 矩； 
蓄电池7工作在不同的SOC区域时，其充放电效率不同；在行车过程中，尽量让蓄电池的SOC稳定在一定的区域内；本***所采用的蓄电池，当其荷电状态在0.35到0.75这个区间时，充放电效率高，此区域称为蓄电池的工作区域；当蓄电池的SOC低于要求的限值时，ISG电机会对蓄电池充电；由于在扭矩管理策略中的控制变量为扭矩，所以将发动机提供的充电扭矩Pch_req转化为对充电扭矩的需求Tch_req。 
本发明将蓄电池的工作区边界表示为高效区上限值SOChight、高效区下限值SOClow和不可用区上限值SOCmin。当蓄电池SOC低于SOCmin时，禁止蓄电池放电，当电池SOC低于SOClow时，蓄电池需要主动充电，当蓄电池处于高效区时，尽量不充电； 
由于发动机工作在小负荷时工作效率比较低，以此为模式切换的根本判断标准，同时兼顾动力电池的充放电效率，模式切换按照以下规则进行： 
Figure 2012105315545100002DEST_PATH_IMAGE001
不同的工作模式下，动力源的目标扭矩分配方式是不相同的，其中，发动机的目标扭矩是根据总需求扭矩和发动机的稳态万有曲线MAP图确定的。如下表所示： 
Figure 2012105315545100002DEST_PATH_IMAGE002
表中ne、nm、nc分别为发动机转速、电机转速、行星架转速。 

Claims (2)

1.一种重度混合动力汽车能量管理控制***，包括车辆***控制器，其特征是：车辆***控制器与发动机控制器、离合器控制器、电机控制器、AMT控制器和蓄电池控制器连接；发动机控制器与发动机（1）连接，离合器控制器与湿式多片离合器（3）连接，电机控制器与ISG电机（5）连接，AMT控制器与变速器（8）连接，蓄电池控制器与蓄电池（7）连接，蓄电池（7）通过逆变器（6）与ISG电机（5）连接，各子***控制器与车辆***控制器进行通信；所述发动机（1）输出端经过单向离合器（2）、湿式多片离合器（3）和ISG电机（5）与动力耦合装置行星排（4）的齿圈连接，动力耦合装置行星排（4）的太阳轮与ISG电机（5）的转子连接，动力通过行星排（4）的行星架与变速器（8）的输入端连接，变速器（8）的输出端与主减速器（9）连接，主减速器（9）将动力传至车轮（10）。
2.如权利要求1所述的一种重度混合动力汽车能量管理控制***的控制方法，其步骤如下：
第一步，分析不同工作模式下***各个关键部件的运行状态及其参数变化；
1） 纯电动工况：发动机未启动时, ISG电机（5）正向驱动动力耦合装置行星排（4）的太阳轮；由于车辆阻力作用于动力耦合装置行星排（4）的行星架上,导致动力耦合装置行星排（4）的齿圈具有反转的趋势，湿式多片离合器（3）分离，发动机（1）不工作，ISG电机（5）输出扭矩，并经动力耦合装置行星排（4）的太阳轮传至行星架，此时，动力传动装置将ISG电机（5）的驱动扭矩放大，驱动车辆起步和低速行驶，在达到一定车速后引入发动机动力；
2）发动机单独驱动：在发动机（1）单独驱动工况中，湿式多片离合器（3）耦合，ISG电机（5）空转，发动机（1）输出的扭矩经过动力耦合装置行星排（4）的齿圈至行星架输出至变速器（8）的输入端；
3）混合驱动：
a．当出现大负载低速运行工况时，湿式多片离合器（3）耦合，ISG电机（5）输出扭矩，此时，动力耦合装置行星排（4）锁死，传动比为1，ISG电机（5）和发动机（1）的扭矩耦合后输入到变速器（8）；
b．当出现高速小负载运行工况时，湿式多片离合器（3）分离，动力传动装置可实现动力合成，ISG电机（5）和发动机（1）扭矩耦合后输入到变速器（8）；
4）制动能量回收：
a．湿式多片离合器分离再生发电：并联驱动过程中，踩制动，湿式多片离合器（3）分离，ISG电机（5）输出负扭矩对整车进行制动；
b．并联制动再生发电：当只依靠ISG电机（5）的负力矩已不能满足整车制动需求时，湿式多片离合器（3）耦合，利用发动机（1）的倒拖力矩来对整车进行制动；
c．怠速电制动：当整车已经处于怠速，ISG电机（5）已经能提供足够的制动扭矩时，湿式多片离合器（3）分离，ISG电机（5）输出负扭矩对整车进行制动；
5）行车起动发动机：在行车过程中，需要发动机（1）工作时，湿式多片离合器（3）耦合，ISG电机（5）电机输出扭矩经过动力耦合装置行星排（4）的太阳轮进行分配，一部分扭矩用于驱动车辆，另一部分用于短时起动发动机；
6）怠速充电：由于蓄电池（7）的电量过低，发动机怠速，通过ISG电机（5）给电池充电；
第二步，确定扭矩管理策略；
扭矩管理策略模型包括模式切换扭矩预分配、模式切换条件确定以及动力源目标扭矩确定，其中扭矩预分配策略包括驾驶员扭矩识别和电池充电扭矩识别；
将驾驶员施加对车轮上的力的需求转换为对变速器（8）输出端的扭矩需求，在考虑了变速器速比对车速的影响之后，得到不同挡位、不同车速下的发动机（1）、ISG电机（5）转速相对应的关系，通过计算得到发动机和ISG电机同时工作时所能提供的最大扭矩，做出这些曲线的包络线就可以得到车辆全加速时驱动扭矩需求曲线，随即确定部分加速踏板行程所对应的驱动扭矩需求曲线；根据得到的变速器输出端需求扭矩，结合变速器速比就可得到行车过程中变速器输入端需求扭矩。
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