CN103991374B - 基于双转子电机动力耦合器的混合动力车辆***切换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双转子电机动力耦合器的混合动力车辆***及其工作模式切换控制方法，包括发动机***、电源驱动***、双转子电机动力耦合器控制***、ABS***；并将***控制分为七种工作模式：停车发电模式、纯电动行驶模式、充电行驶模式、发动机驱动高速行驶模式、混合动力行驶模式、倒车行驶模式、制动能量回收模式；本发明的不但可以提高传动效率并能够实现发动机燃油经济性的最优控制，同时还能利用双转子电机动力耦合器进行制动能量回收，兼顾节能效果，并且在工作模式切换时能够做到车辆运行的平稳性。

Description

基于双转子电机动力耦合器的混合动力车辆***切换控制方法

技术领域

本法明属于车辆动力传动控制领域，尤其涉及一种基于双转子电机动力耦合器的混合动力车辆切换控制方法。

背景技术

近年来，国际原油价格跌宕起伏，国际政治形势风云变幻，能源问题和环境污染情况日益严重，节能减排、低碳经济已成为实现国家经济、社会可持续性发展的重要举措之一。混合动力车辆在保持传统车辆行驶性能的同时，具有高效节能、低噪声、低排放等显著优点，成为当前解决传统车辆所带来的环境污染、能源短缺等方面问题的有效办法之一。

双转子电机动力耦合机构概念的提出至今只有十多年时间，其性能非常适合完全混合动力电动车辆应用场合，具有结构紧凑、布置灵活、控制灵活、成本低等优点，双转子电机动力耦合机构通过内、外两个电机的协调工作，在混合动力车辆上可以取代变速箱、起动机和发电机，实现无级变速和多种工作模式，使发动机运行于最高效率点，很好地改善车辆的燃油经济性和排放性能。从当前国内外的研究成果来看，双转子电机动力耦合机构无疑具有很大的应用前景。

专利CN1945939、CN201110083477.7、CN201210554916.2等都涉及到了双转子电机动力耦合机构，以及基于基于双转子动力耦合器的混合动力车辆的驱动***，但是对于基于双转子动力耦合器的混合动力车辆的控制方法都没有深入、全面涉及，尤其是工作模式切换的控制和提高传动效率两方面。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够更好的实现各种工作模式相互切换的基于双转子电机动力耦合器的混合动力车辆的控制方法。即实现混合动力车辆停车发电模式、纯电动行驶模式、混合动力行驶模式、倒车模式及制动能量回收模式，并实现各种工作模式相互切换的平稳过渡。

本发明的技术方案为：一种基于双转子电机动力耦合器的混合动力车辆***，其特征在于：包括发动机***、电源驱动***、双转子电机动力耦合器控制***、ABS***；所述发动机***包括发动机、发动机控制单元；所述电源驱动***包括外电机整流逆变器、 内电机整流逆变器、动力蓄电池；所述动力蓄电池分别与所述外电机整流逆变器以及所述内电机整流逆变器相连接，用于给内、外电机供电，也用于在内、外电机发电时存储电能；所述双转子电机动力耦合器控制***包括双转子电机动力耦合器、双转子电机动力动力耦合器控制单元；所述双转子电机动力耦合器控制单元连接所述外电机整流逆变器和所述内电机整流逆变器，用于实现对双转子动力耦合器工作模式的控制；所述ABS***包括ABS控制单元、ABS制动压力调节器、制动轮缸、轮速传感器；所述ABS控制单元依次和ABS制动压力调节器、轮速传感器、制动轮缸电连接，用于车辆的制动；所述发动机控制单元与所述双转子电机动力耦合器控制单元之间、所述双转子电机动力耦合器控制单元与ABS控制单元之间通过数据总线相连接；所述内转子线圈通过内转子线圈供电滑环和碳刷供电；所述电磁同步器的线圈通过电磁同步器供电滑环和碳刷供电；所述双转子电机动力耦合器的内转子轴端连接所述发动机的曲轴，所述双转子电机动力耦合器的外转子与驱动车桥的输入轴机械连接。

此外，所述双转子电机动力耦合器包括内转子、内转子线圈、外转子、外转子外层永磁体、外转子内层永磁体、定子、定子线圈、电磁同步器、电磁同步器驱动放大器，所述定子及所述定子线圈、所述外转子及所述外转子外层永磁体组成外电机；所述内转子及所述内转子线圈、连同所述外转子内层永磁体组成内电机；所述电磁同步器驱动放大器连接所述电磁同步器，用于实现内转子与外转子的机械连接，完成无功率损耗的直接传动。

本发明的控制方法的技术方案为：一种基于双转子电机动力耦合器的混合动力车辆***切换控制方法，所述双转子电机动力耦合器控制单元实现对双转子电机动力耦合器内外电机的控制，具体控制步骤为：

a、双转子电机动力耦合器控制单元获取动力蓄电池SOC、档位信号、加速信号、制动信号以及车速信号参数；并设定如下参数：

SOC_charge：进入停车发电模式蓄电池荷电量阀值；

SOC_max-1：指因动力蓄电池充满电而退出停车发电模式时，动力蓄电池荷电量的阀值；

SOC_max-2：为因动力蓄电池充满电而退出充电行驶模式时，动力蓄电池荷电量的阀值；

SOC_max-3：为进入制动能量回收模式动力蓄电池荷电量的上限阀值；

SOC_VE-high-1：为进入纯电行驶模式时，蓄电池荷电量的阀值；

SOC_VE-high-2：为车辆起步时进入充电行驶模式时，蓄电池荷电量的阀值；

SOC_VE-high-3：为进入混合动力行驶模式时动力蓄电池荷电量阀值；

SOC_min：为倒车状态下，蓄电池荷电量的许用下限阀值，其数值小于SOC_VE-low-1；

SOC_VE-low-1：为因动力蓄电池荷电量过小而退出停车发电模式时，蓄电池荷电量的阀值；

SOC_VE-low-2：为因动力蓄电池荷电量过小而进入充电行驶模式时，动力蓄电池荷电量的阀值；SOC_VE-low-3：为因动力蓄电池电力不足而退出混合动力行驶模式时，动力蓄电池荷电量的阀值；

SOC_driveback：为进入倒车状态蓄电池荷电量的阀值，其数值大于SOC_min；

V_max-high：为混合动力行驶模式的车速阀值；

V_max-low：为退出混合动力行驶模式的车速阀值；

V_e-low-1：为进入纯电动行驶模式的车速阀值；

V_e-low-2：为进入充电行驶模式的车速阀值；

V_e-low-3：为退出发动机驱动高速行驶模式时车速阀值；

V_e-high-1：为因车速过高而退出纯电动行驶模式时，车速的阀值；

V_e-high-2：为因车速过大而退出充电行驶模式时，车速的阀值；

V_e-high-3：为由纯电动行驶模式进入发动机驱动高速行驶模式时，车速的阀值；

V_e-high-4：为由充电行驶模式进入发动机驱动高速行驶模式时，车速的阀值。

b、双转子电机动力耦合器控制单元依据获取的上述参数对工作模式进行判断，将***控制分为七种工作模式：停车发电模式、纯电动行驶模式、充电行驶模式、发动机驱动高速行驶模式、混合动力行驶模式、倒车行驶模式、制动能量回收模式，具体分配步骤为：所述停车发电模式下：进入条件：SOC小于SOC_charge，且轮速传感器信号都为零，且整车电路开关信号为OFF时；退出条件：SOC达到或超过SOC_max-1，或者整车电路开关信号为ON；所述纯电动行驶模式下：进入条件：整车电路开关信号为ON，并且SOC大于SOC_VE-high-1，并且车辆实际车速V低于V_e-low-1，并且加速踏板有加速信号；退出条件：实际车速V大于V_e-high-1，或者加速信号为零，或者SOC小于或等于SOC_VE-low-1；所述充电行驶模式下：第一种情况进入条件(车辆由纯电动行驶模式进入充电行驶模式)：SOC小于或等于SOC_VE-low-2，在工作模式切换时，为了保证工作状态的延续性，SOC_VE-low-2与SOC_VE-low-1的值相等；并且车速大于零但小于V_e-low-2；第二种情况进入条件(车辆从零车速起步进入充电行驶模式)：SOC小于或等于SOC_VE-high-2，在工作模式切换时，为了保证工作状态的延续性，SOC_VE-high-2与SOC_VE-high-1的值相等；退出条件：SOC大于SOC_max-2，或者车速大于V_e-high-2，或者加速踏板信号为零；所述发动机驱动高速行驶模式下：

第一种情况进入条件(从纯电动行驶模式进入)：实际车速大于V_e-high-3，车速的阀值在工作模式切换时，为了保证工作状态的延续性，V_e-high-3与V_e-high-1的值相等；第二种情况进入 条件(从充电行驶模式进入)：实际车速大于V_e-high-4，在工作模式切换时，为了保证工作状态的延续性，V_e-high-4与V_e-high-2的值相等；退出条件：1)当实际车速小于V_e-low-3时，则判断SOC，若SOC大于SOC_VE-low-1则进入纯电动行驶模式，若SOC小于或等于SOC_VE-low-2，则进入充电行驶模式；2)当实际车速大于V_max-high，且SOC大于SOC_VE-high-3，车辆进入混合动力行驶模式；3)当加速踏板信号为零时，车辆退出发动机驱动高速行驶模式；三个退出条件只需满足其中一条；所述混合动力行驶模式下：进入条件：实际车速大于V_max-high；并且SOC大于SOC_VE-high-3；退出条件：SOC小于SOC_VE-low-3，或者是实际车速和目标车速都小于V_max-low，或者是加速踏板信号消失；所述倒车行驶模式下：进入条件：有倒档信号和加速信号，并且SOC大于SOC_driveback；退出条件：当蓄电池SOC下降至SOC_min；所述制动能量回收模式下：进入条件：有制动信号；并且SOC小于SOC_max-3；退出条件：制动信号消失，或者是SOC大于或等于SOC_max-2。

c、车辆进入相应的工作模式后，当车辆有工作模式切换的需求时，双转子电机动力耦合器控制单元发出切换控制分配策略；所述停车发电模式、倒车行驶模式均为独立模式，不与其它工作模式直接切换；所述纯电动行驶模式、充电行驶模式、发动机驱动高速行驶模式、混合动力行驶模式的切换过程的具体步骤为：

起步过程中，整车电路开关信号在ON状态，驾驶员开始踩下加速踏板，此时双转子电机动力耦合器控制单元接收到整车电路开关信号和加速信号，与此同时，双转子动力耦合器控制单元还对动力蓄电池SOC进行判断；当SOC大于SOC_VE-high-1进入纯电动行驶模式，此时，动力蓄电池对外电机供电，外电机为唯一动力源，双转子电机动力耦合器控制单元根据加速踏板信号，推算出车辆行驶的目标车速，并据此推算出驱动阻力矩和外转子转速，通过外电机整流逆变器对外电机的转速和力矩控制，实现对车辆车速的控制；当SOC小于或等于SOC_VE-high-2进入充电行驶模式，由于初始车速为零，所以ABS***对车辆先制动，之后内电机工作，内转子带动发动机高速起动，发动机起动后，发动机动力通过内电机传递到驱动车桥上，当发动机开始驱动车辆后，外电机开始发电，实现一边行驶一边充电；所述在纯电动行驶模式中，如果SOC小于SOC_VE-low-1，则会进入充电行驶模式；如果实际车速大于V_e-high-1，则进入发动机驱动高速行驶模式；所述在充电行驶模式中，如果实际车速大于V_e-high-2，则进入发动机驱动高速行驶模式；如果SOC大于SOC_max-2，则进入纯电动行驶模式；所述在发动机驱动高速行驶模式，如果车速大于V_max-high，同时SOC大于SOC_VE-high-3，则进入混合动力行驶模式；如果车速降低并小于V_e-low-3，此时若SOC大于SOC_VE-high-1，则进入纯电动行驶模式，否则进入充电行驶模式；所述在混合动力行驶模 式，若SOC小于SOC_VE-low-3，则退出混合动力行驶模式，进入发动机驱动高速行驶模式；如果车速小于V_max-low，也退出混合动力行驶模式进入发动机驱动高速行驶模式。

d、最后，当车辆在行驶中有制动切换的需求时，双转子电机动力耦合器控制单元(17)发出制动控制策略。

所述工作模式进行制动的过程可以分为两个阶段：

第一阶段，当加速踏板放开后，外电机退出工作，接着内电机退出工作，如果此时发动机也运转，则同时调整发动机节气门开度至最小位置，后断油熄火；

第二阶段为制动阶段，当踩下制动踏板产生制动信号后，进入制动过程；首先对SOC进行判定，如果SOC大于等于SOC_max-2，则进入制动***制动工况，不进入制动能量回收模式；若动力蓄电池SOC小于SOC_max-2，则需要对制动踏板实际行程进行判定，如果制动踏板实际行程小于A(A为电制动阶段行程)，则进入纯电动制动模式；当制动踏板实际行程大于等于A，则进入纯电动制动与制动***协同制动。

进一步，所述停车发电模式下，内电机为发电模式，外电机不参与工作；所述纯电动行驶模式下，外电机作为驱动模式，内电机不参与工作；所述充电行驶模式下分为两种情况：第一种是车辆由纯电动行驶模式进入充电行驶模式，内电机工作并带动发动机高速起动，发动机起动后内电机转换为发电模式，发动机驱动车辆行驶；对驱动功率需求较小情况下，外电机也能够转化为发电模式；第二是车辆从零车速起步进入充电行驶模式，则内电机充当电磁传动机构，把发动机动力传递给驱动车桥，在传递动力同时内电机也对外发电，此外根据需要外电机也能够转化为发电模式；所述发动机驱动高速行驶模式下，外电机和内电机都不工作，仅靠发动机动力驱动车辆；所述混合动力行驶模式下，发动机和外电机同时驱动车辆。

本发明的有益效果：所述控制***可以通过控制电磁同步器实现发动机直接传动，提高传动效率；所述控制方法利用数据总线，协同控制发动机及动力耦合***，实现发动机燃油经济性的最优控制；该***能够有效利用双转子电机动力耦合器进行制动能量回收，兼顾节能效果；所述控制方法在工作模式切换时，都以发动机转速变化差值和外转子转速变化差值为主要考虑因素，确保在工作模式切换时车辆运行的平稳。

附图说明

下面结合附图给出本发明实施示例，以详细说明本发明的技术方案。

图1是本发明控制***的总体结构示意图；

图2是本发明控制***起步过程流程图；

图3是本发明控制***纯电动行驶模式向充电行驶模式、发动机驱动高速行驶模式切换流程图；

图4是本发明控制***充电行驶模式向纯电动行驶模式、发动机驱动高速行驶模式切换流程图；

图5是本发明控制***发动机驱动高速行驶模式向纯电动行驶模式、充电行驶模式、混合动力行驶模式切换流程图；

图6是本发明控制***混合动力行驶模式向发动机驱动高速行驶模式切换流程图；

图7是本发明控制***制动过程中双转子电机动力耦合***的工作流程流程图；

图8是本发明控制***制动过程中制动能量回收模式切换流程图。

图中：1-发动机；2-电磁同步器供电滑环；3-内转子线圈供电滑环；4-电磁同步器；5-定子线圈；6-外转子外层永磁体；7-外转子内层永磁体；8-内转子线圈；9-制动轮缸；10-轮速传感器；11驱动车桥；12-ABS制动压力调节器；13-ABS控制单元；14-外电机整流逆变器；15-动力蓄电池；16-内电机整流逆变器；17-双转子电机动力耦合器控制单元；18-电磁同步器驱动放大器；19-数据总线；20-发动机控制单元

具体实施方式

一种基于双转子电机动力耦合器的混合动力车辆***，包括发动机***、电源驱动***、双转子电机动力耦合器控制***、ABS***；所述发动机***包括发动机1、发动机控制单元20；所述电源驱动***包括外电机整流逆变器14、内电机整流逆变器16、动力蓄电池15；所述动力蓄电池15分别与所述外电机整流逆变器14以及所述内电机整流逆变器16相连接，用于给内、外电机供电，也用于在内、外电机发电时存储电能；所述双转子电机动力耦合器控制***包括双转子电机动力耦合器、双转子电机动力动力耦合器控制单元17；所述双转子电机动力耦合器控制单元17连接所述外电机整流逆变器14和所述内电机整流逆变器16，用于实现对双转子动力耦合器工作模式的控制；上述双转子电机动力耦合器包括内转子及内转子线圈8、外转子、外转子外层永磁体6与外转子内层永磁体7、定子及定子线圈5、电磁同步器4、电磁同步器驱动放大器18，所述定子及所述定子线圈5、所述外转子及所述外转子外层永磁体6组成外电机；所述内转子及所述内转子线圈8、连同所述外转子内层永磁体7组成内电机；所述电磁同步器驱动放大器18连接所述电磁同步器4，用于实现内转子与外转子的机械连接，完成无功率损耗的直接传动；所述ABS***包括ABS控制单元13、ABS制动压力调节器12、制动轮缸9、轮速传感器10；所述ABS控制单元13依次和ABS制动压力调节器12、轮速传感器10、制动轮缸9电连接，用于车 辆的制动；所述发动机控制单元20与所述双转子电机动力耦合器控制单元17之间、所述双转子电机动力耦合器控制单元17与ABS控制单元13之间通过数据总线19相连接；所述内转子线圈8通过内转子线圈供电滑环3和碳刷供电；所述电磁同步器4的线圈通过电磁同步器供电滑环2和碳刷供电；所述双转子电机动力耦合器的内转子轴端连接所述发动机1的曲轴，所述双转子电机动力耦合器的外转子与驱动车桥11的输入轴机械连接。

双转子电机动力耦合器控制单元17实现对双转子电机动力耦合器内外电机的控制，具体控制步骤为：

a、双转子电机动力耦合器控制单元17获取动力蓄电池SOC、档位信号、加速信号、制动信号以及车速信号参数；

b、双转子电机动力耦合器控制单元17依据获取的上述参数对工作模式进行判断，将***控制分为七种工作模式：停车发电模式、纯电动行驶模式、充电行驶模式、发动机驱动高速行驶模式、混合动力行驶模式、倒车行驶模式、制动能量回收模式；

c、车辆进入相应的工作模式后，当车辆有工作模式切换的需求时，双转子电机动力耦合器控制单元17发出切换控制分配策略；

d、最后，当车辆在行驶中有制动切换的需求时，双转子电机动力耦合器控制单元17发出制动控制策略。

本发明具有七种工作模式，即实现混合动力车辆停车发电模式、纯电动行驶模式、充电行驶模式、发动机驱动高速行驶模式、混合动力行驶模式、倒车行驶模式及制动能量回收模式；具体分配步骤为：

1、停车发电模式

该模式的主要目的有三个：

(1)防止车载动力蓄电池15亏电，提高动力蓄电池15的使用寿命；

(2)在停车时为动力蓄电池15充电，为下次行驶做好准备；

(3)可以利用停车发电功能把车辆变成临时的大功率电源，这可以满足野外作业车辆在特殊场合的需求。

停车发电模式的主要控制参数为动力蓄电池15的SOC(SOC代表动力蓄电池15的荷电状态)，另外还需要加入车辆停车信号(车速信号、整车电路开关信号)作为辅助参数，其控制逻辑如下：当动力蓄电池SOC小于SOC_charge(SOC_charge为进入停车发电模式蓄电池荷电量阀值)，同时轮速传感器10信号都为零，整车电路开关信号为OFF，则通过数据总线***驱动ABS***对制动***增压，实现制动；在完全制动之后，双转子电机动力耦合 器控制单元17通过内电机整流逆变器16驱动内电机转动。由于外转子与驱动车桥11机械连接，车辆处于停车状态时，外转子的转速为零不参与工作，内电机被驱动后，内转子将带动发动机曲轴高速旋转，发动机高速旋转下起动，起动后内电机立即由电动机工作模式转变为发电机工作模式，根据发动机万有特性曲线，通过调节发动机节气门开度、调节内转子线圈8的励磁电流把发动机稳定在燃油经济性最佳的区域。

当SOC达到或超过SOC_max-1(SOC_max-1一般为98-100％之间，指因动力蓄电池15充满电而退出停车发电模式时，动力蓄电池15荷电量的阀值)，或者整车电路开关信号为ON，则发动机自动熄火，ABS对制动***泄压，解除制动，停车发电模式退出。停车发电模式为独立模式，不与其它工作模式直接切换。

2、纯电动行驶模式

该模式的主要目的是在低速行驶时尽可能少使用发动机驱动，多用电动机驱动，所以纯电动行驶模式的主要控制参数是目标车速。进入纯电动行驶模式需要满足以下四个条件：

(1)整车电路开关信号为ON；

(2)动力蓄电池15的SOC大于SOC_VE-high-1(SOC_VE-high-1为进入纯电行驶模式时，蓄电池荷电量的阀值)；

(3)车辆实际车速V低于V_e-low-1(V_e-low-1为进入纯电动行驶模式的车速阀值)；

(4)加速踏板有加速信号。同时满足这四个条件后，车辆进入纯电动行驶模式。纯电动行驶时，动力蓄电池15对外电机供电，外电机为唯一动力源，其作为驱动模式，内电机不参与工作。控制单元17根据加速踏板信号，通过外电机整流逆变器14对外电机调速控制，可以实现对车辆车速的控制。

纯电动行驶模式的退出条件有三个：

(1)实际车速V大于V_e-high-1(V_e-high-1为因车速过高而退出纯电动行驶模式时，车速的阀值)；

(2)加速信号为零；

(3)动力蓄电池SOC小于或等于SOC_VE-low-1(SOC_VE-low-1为因动力蓄电池15荷电量过小而退出停车发电模式时，蓄电池荷电量的阀值)。三个条件只要满足一条就退出纯电动行驶模式，当车速大于V_e-high-1时，由于需求功率变大，单靠外电机不能满足要求，此时转入发动机驱动高速行驶模式。当加速踏板信号为零，加速信号消失后，转入滑行状态，外电机停止驱动。当动力蓄电池SOC小于或等于SOC_VE-low-1时，则转入充电行驶模式。

3、充电行驶模式

充电行驶模式指的是车辆一边行驶一边给动力蓄电池15充电，充电行驶模式在动力蓄电池15电量不足、中低速行驶过程中使用，所以进入充电行驶模式的主要特征参数是动力蓄电池SOC和车速。

充电行驶模式的进入有两种情况：

第一种情况是车辆由纯电动行驶模式进入充电行驶模式，此时需要满足的条件是动力蓄电池SOC小于或等于SOC_VE-low-2(SOC_VE-low-2为因动力蓄电池15荷电量过小而进入充电行驶模式时，动力蓄电池15荷电量的阀值。在工作模式切换时，为了保证工作状态的延续性，SOC_VE-low-2与SOC_VE-low-1的值相等)，并且车速大于零但小于V_e-low-2(V_e-low-2为进入充电行驶模式的车速阀值)。动力蓄电池SOC小于或等于SOC_VE-low-2则说明动力蓄电池15已无法继续给驱动电机供电，但车辆仍有行驶需求，此时通过内电机整流逆变器16驱动内电机，并带动发动机高速起动，起动后内电机转换为发电模式，发动机动力经内电机电磁力矩传递到车辆驱动桥上，驱动车辆行驶。当然在行驶速度不快，对驱动功率需求较小情况下，外电机也可以转化为发电模式，把发动机的一部分动力转化为电能给蓄电池充电。在充电行驶模式，内电机类似于电磁传动机构，调节内电机的电磁扭矩和转速，就可以使得发动机处于最佳工作状态。

第二种情况是车辆起步时进入充电行驶模式。当车辆从零车速起步，动力蓄电池SOC小于或等于SOC_VE-high-2(SOC_VE-high-2为车辆起步时进入充电行驶模式时，蓄电池荷电量的阀值，在工作模式切换时，为了保证工作状态的延续性，SOC_VE-high-2与SOC_VE-high-1的值相等)则进入充电行驶模式。此时，通过数据总线19让ABS对制动器轮缸增压，防止车辆向后移动，之后驱动内电机，实现发动机高速起动。起动后，内电机充当电磁传动机构，把发动机动力传递给驱动车桥11，在传递动力同时本身也对外发电，此外根据需要外电机也可以转化为发电模式，把发动机的一部分动力转化为电能给蓄电池充电，实现一边行驶一边充电的功能。由于有停车发电模式，所以第二种情况下进入充电行驶模式的可能性很小。

充电行驶模式的退出有三种情况：

一是动力蓄电池SOC大于SOC_max-2(SOC_max-2一般为90-95％，其为因动力蓄电池15充满电而退出充电行驶模式时，动力蓄电池15荷电量的阀值)，蓄电池无需继续充电，车辆进入纯电动模式，外电机驱动车辆行驶，发动机自动停机，内电机停止工作。

二是车速大于V_e-high-2(V_e-high-2为因车速过大而退出充电行驶模式时，车速的阀值)，行驶模式转入发动机驱动高速行驶模式。此时切换过程如下：外电机停止发电，同时发动 机节气门逐步减小，防止发动机转速出现较大波动，之后电磁同步器驱动放大器18逐渐结合电磁同步器4，同时减小内电机的电磁扭矩，最终电磁同步器4把内、外转子机械连接，实现发动机直接驱动，整个切换过程的目标是车辆速度不出现较大波动。

三是加速踏板信号为零。当出现加速踏板信号为零后，内电机逐步停止工作，同时发动机节气门开度调至零，车辆进入滑行状态。

4、发动机驱动高速行驶模式

发动机驱动高速行驶模式是中间过程行驶状态，进入这种行驶状态意味着之前车辆车速比较高了。在发动机驱动高速模式下，外电机和内电机都不工作，仅靠发动机1动力驱动车辆。

进入发动机驱动高速行驶模式有两种情况：

一是从纯电动行驶模式进入，其条件是实际车速大于V_e-high-3(V_e-high-3为由纯电动行驶模式进入发动机驱动高速行驶模式时，车速的阀值在工作模式切换时，为了保证工作状态的延续性，V_e-high-3与V_e-high-1的值相等)。

二是从充电行驶模式进入，其条件是实际车速大于V_e-high-4(V_e-high-4为由充电行驶模式进入发动机驱动高速行驶模式时，车速的阀值。在工作模式切换时，为了保证工作状态的延续性，V_e-high-4与V_e-high-2的值相等)。

进入发动机驱动高速行驶模式后，通过电磁同步器驱动放大器18结合电磁同步器4，利用车辆惯性带动发动机高速旋转，并起动发动机。在电磁同步器驱动放大器18作用下，内外转子同步转动，发动机的动力直接传输到驱动桥11上。此时车辆车速主要由发动机转速决定。由于此时车速大，车辆功率需求也大，这使得在发动机驱动高速行驶模式下，发动机能够工作在最佳经济性区域。

在发动机驱动高速行驶模式下，外电机和内电机都不工作，仅靠发动机动力驱动车辆。这个模式的设置使得车辆在动力蓄电池15电量不足时，也可以实现高速行驶。在我国道路交通条件下，高速巡航工况可以使用该模式。

发动机驱动高速行驶模式的主要参数为车速，当实际车速小于V_e-low-3(V_e-low-3为退出发动机驱动高速行驶模式时车速阀值)，则再判断动力蓄电池SOC，若SOC大于SOC_VE-low-1则进入纯电动行驶模式，若SOC小于或等于SOC_VE-low-2，则进入充电行驶模式。当实际车速大于V_max-high(V_max-high为混合动力行驶模式的车速阀值)，且SOC大于SOC_VE-high-3(SOC_VE-high-3为进入混合动力行驶模式时动力蓄电池15荷电量阀值)，车辆进入混合动力行驶模式。

另外，当加速踏板信号为零时，车辆也立即退出发动机驱动高速行驶模式。

5、混合动力行驶模式

在发动机驱动高速行驶模式下，如果驾驶员对车速的需求进一步提高，车辆的功率需求也提高，仅通过发动机或是外电机已无法满足要求，需要发动机和外电机同时驱动才能实现驾驶需求。混合动力行驶模式的进入条件为：实际车速大于V_max-high，且动力蓄电池SOC大于SOC_VE-high-3。混合动力行驶模式的主要特征是发动机和外电机同时驱动车辆。

混合动力行驶模式的退出有三种情况：

(1)动力蓄电池SOC小于SOC_VE-low-3(SOC_VE-low-3为因动力蓄电池15电力不足而退出混合动力行驶模式时，动力蓄电池15荷电量的阀值)；

(2)实际车速和目标车速都小于V_max-low(V_max-low为退出混合动力行驶模式的车速阀值)；

(3)加速踏板信号消失。

6、倒车行驶模式

由于车辆倒车行驶的里程很短，在本发明中，倒车行驶模式设置为纯电动驱动方式。进入倒车行驶模式的两个条件是：倒档信号和加速信号。控制单元17根据加速踏板出得到的加速信号，通过外电机整流逆变器14对外电机反向驱动，即可实现对车辆倒车功能。

为了在任何状态下都能倒车，在倒车行驶模式下，对动力蓄电池SOC的下限设定比SOC_VE-low-1低，也就是说即使动力蓄电池SOC降低至SOC_VE-low-1(此时车辆无法纯电动正向行驶)，在倒车行驶模式下，动力蓄电池15仍然可以驱动电机反向转动，实现倒车功能。如果需要长距离倒车行驶，动力蓄电池SOC将会继续下降，当蓄电池SOC下降至SOC_min(SOC_min为倒车状态下，蓄电池荷电量的许用下限阀值，其数值小于SOC_VE-low-1)，倒车模式将自动退出，即无法继续再倒车行驶。如果要继续倒车行驶，必须停车后，进入停车发电模式，等动力蓄电池SOC上升并超过SOC_driveback(SOC_driveback为进入倒车状态蓄电池荷电量的阀值，其数值大于SOC_min)后，才能再次进入倒车模式。

倒车行驶模式也是一个独立的工作模式，它需要驾驶员单独切换，不能与其它工作模式自动切换，由于倒车行驶速度低，距离短，倒车行驶中不实施制动能量回收。

7、制动能量回收模式

制动能量回收模式主要是在制动过程中使用，其主要特征参数是制动信号和动力蓄电池SOC。进入制动能量回收模式必须有制动信号，同时动力蓄电池SOC小于SOC_max-3(SOC_max-3为进入制动能量回收模式动力蓄电池15荷电量的上限阀值，一般为95-98％)。 本发明中，制动能量回收的主要方式是利用电机发电回收制动能量。为了优先使用制动能量回收，根据外电机发电容量的大小，设置制动踏板行程的前一部分为电制动阶段行程A，当制动踏板实际行程小于A，则只有外电机发电时的电制动效应起作用，当制动踏板实际行程超过A，则传统制动***也进入工作。ABS***在制动过程中一直参与工作，由于电制动是柔性制动，所以ABS调节制动力时，只调节传统制动***的制动力，不干涉外电机发电产生的电制动。

制动能量回收模式的控制分以下四种情况：

(1)制动之前为纯电动行驶模式，当出现制动信号后，外电机立即由驱动状态转为发电状态，发出的电经过整流调压后储存至动力蓄电池15。当制动踏板实际行程小于A，则只有外电机发电时的电制动效应起作用，当制动踏板实际行程超过A，则电制动与传统制动***一起工作。

(2)制动之前为充电行驶模式，当出现制动信号后，发动机节气门开度立即调至最小，同时内电机也被停止工作，利用外电机发电形成电制动效应，当制动踏板实际行程小于A，则只有外电机发电时的电制动效应起作用，当制动踏板实际行程超过A，则电制动与传统制动***一起工作。

(3)制动之前为发动机驱动高速行驶模式，当出现制动信号后，发动机节气门开度立即调至最小，同时电磁同步器4停止工作，外电机开始发电，形成电制动效应，当制动踏板实际行程小于A，则只有外电机发电时的电制动效应起作用，当制动踏板实际行程超过A，则电制动与传统制动***一起工作。

(4)制动之前为混合动力行驶模式，当出现制动信号后，外电机立即转为发电状态，同时电磁同步器4停止工作，内转子与外转子脱开，发动机节气门开度立即调至最小。当制动踏板实际行程小于A，则只有外电机发电时的电制动效应起作用，当制动踏板实际行程超过A，则电制动与传统制动***一起工作。

制动能量回收模式的退出条件有两个：制动信号消失，或者是动力蓄电池SOC大于或等于SOC_max-2。任何一个条件满足，车辆都将退出制动能量回收模式。

制动信号消失，则外电机取消发电状态，整车进入滑行状态。如果没有加速信号，车辆将逐渐减速至停车，如果有加速信号，则根据当时车辆的实际车速和目标车速以及动力蓄电池的SOC，决定车辆工作进入哪一种行驶模式。

动力蓄电池SOC大于或等于SOC_max-2，动力蓄电池15将无法继续储存电能，所以也必须退出制动能量回收模式。此时如果仍有制动需求，则由传统制动***提供制动。

下面分别就上述的几种运行模式的切换做具体的介绍。

基于双转子电机动力耦合器的混合动力车辆反映驾驶员驾驶意图的主要信号是加速踏板位置信号和制动踏板位置信号，加速踏板位置信号表征驾驶员的目标车速，制动踏板位置信号表征驾驶员的制动意愿。

参考图2，当车辆从停车状态开始起步行驶，驾驶员打开整车电路开关(整车电路开关信号为ON)，驾驶员开始踩下加速踏板，此时双转子电机动力耦合器控制单元17接收到整车电路开关信号和加速信号，与此同时，双转子动力耦合器控制单元17还对动力蓄电池SOC进行判断。

当动力蓄电池SOC大于SOC_VE-high-1进入纯电动行驶模式，动力蓄电池15对外电机供电，外电机为唯一动力源，控制单元17根据加速踏板信号，推算出车辆行驶的目标车速，并据此推算出驱动阻力矩和外转子转速，通过外电机整流逆变器14对外电机的转速和力矩控制，可以实现对车辆车速的控制。

当动力蓄电池SOC小于或等于SOC_VE-high-2(SOC_VE-high-2为车辆起动进入充电行驶模式时，动力蓄电池15荷电量的阀值，其值与SOC_VE-high-1相等)进入充电行驶模式，由于初始车速为零，所以ABS***对车辆先制动，之后内电机工作，内转子带动发动机高速起动，发动机起动后，发动机动力通过内电机传递到驱动车桥11上，当发动机开始驱动车辆后，外电机开始发电，实现一边行驶一边充电。

参考图3，在纯电动行驶模式中，如果动力蓄电池SOC小于SOC_VE-low-1，则会进入充电行驶模式。如果实际车速大于V_e-high-1，则进入发动机驱动高速行驶模式。

参考图4，在充电行驶模式中，如果实际车速大于V_e-high-2，则进入发动机驱动高速行驶模式。如果SOC大于SOC_max-2，则进入纯电动行驶模式。

参考图5，在发动机驱动高速行驶模式，如果车速增加到V_max-high，同时SOC大于SOC _VE-high-3，则进入混合动力行驶模式，混合动力模式可以实现最高车速。如果车速降低并小于V_e-low-3，此时若SOC大于SOC_VE-high-1，则进入纯电动行驶模式，否则进入发电行驶模式。

参考图6，在混合动力行驶模式，若SOC小于SOC_VE-low-3，则退出混合动力行驶模式，进入发动机驱动高速行驶模式。如果车速小于V_max-low，也退出混合动力行驶模式进入发动机驱动高速行驶模式。

参考图7，在任何行驶模式下进行制动的过程可以分为两个阶段：第一阶段，当驾驶员有制动需求时，必先放开加速踏板。放开加速踏板后，外电机退出工作，接着内电机退 出工作，如果此时发动机也运转，则同时调整发动机节气门开度至最小位置，后断油熄火。

第二阶段为制动阶段(参考图8)，当踩下制动踏板产生制动信号后，进入制动过程。首先对动力蓄电池SOC进行判定，如果动力蓄电池SOC大于等于SOC_max-2，则进入制动***制动工况，不进入制动能量回收模式。

若动力蓄电池SOC小于SOC_max-2，则需要对制动踏板实际行程进行判定，如果制动踏板实际行程小于A，则进入纯电动制动模式，外电机转为发电机，回收制动能量发电并对蓄电池充电，发电时的电制动效应产生制动力矩。当制动踏板实际行程大于等于A，则外电机与制动***一起提供制动力矩，外电机以最大能力发电，发电时产生的电磁阻力转矩转化为电制动力矩。在制动***和外电机电磁制动联合工作时，ABS***根据车辆滑移率参数实时控制制动***的制动力，但若当制动***制动力矩降低为零时，ABS***仍有降低制动力矩要求，ABS控制单元13通过总线***对双转子电机动力耦合器控制单元17发出信号，由双转子电机动力耦合器控制单元17调节纯电制动力矩。双转子电机动力耦合器控制单元17通过外电机整流逆变器14控制外电机的定子线圈5内的电流，调节外电机发电时的电磁阻力矩，从而实现电制动力矩的调节。

Claims (7)

1.一种基于双转子电机动力耦合器的混合动力车辆***切换控制方法，包括发动机***、电源驱动***、双转子电机动力耦合器控制***、ABS***；

所述发动机***包括发动机(1)、发动机控制单元(20)；

所述电源驱动***包括外电机整流逆变器(14)、内电机整流逆变器(16)、动力蓄电池(15)；所述动力蓄电池(15)分别与所述外电机整流逆变器(14)以及所述内电机整流逆变器(16)相连接，用于给内、外电机供电，也用于在内、外电机发电时存储电能；

所述双转子电机动力耦合器控制***包括双转子电机动力耦合器、双转子电机动力动力耦合器控制单元(17)；所述双转子电机动力耦合器控制单元(17)连接所述外电机整流逆变器(14)和所述内电机整流逆变器(16)，用于实现对双转子动力耦合器工作模式的控制；

所述ABS***依次包括ABS控制单元(13)、ABS制动压力调节器(12)、制动轮缸(9)、轮速传感器(10)，通过电连接后用于车辆的制动；

所述发动机控制单元(20)与所述双转子电机动力耦合器控制单元(17)之间、所述双转子电机动力耦合器控制单元(17)与ABS控制单元(13)之间通过数据总线(19)相连接；内转子线圈(8)通过内转子线圈供电滑环(3)和碳刷供电；电磁同步器(4)的线圈通过电磁同步器供电滑环(2)和碳刷供电；

所述双转子电机动力耦合器的内转子轴端连接所述发动机(1)的曲轴，所述双转子电机动力耦合器的外转子与驱动车桥(11)的输入轴机械连接；

所述双转子电机动力耦合器包括内转子、内转子线圈(8)、外转子、外转子外层永磁体(6)、外转子内层永磁体(7)、定子、定子线圈(5)、电磁同步器(4)、电磁同步器驱动放大器(18)，所述定子及所述定子线圈(5)、所述外转子及所述外转子外层永磁体(6)组成外电机；所述内转子及所述内转子线圈(8)、所述外转子内层永磁体(7)组成内电机；所述电磁同步器驱动放大器(18)连接所述电磁同步器(4)，用于实现内转子与外转子的机械连接，完成无功率损耗的直接传动；

其特征在于，双转子电机动力耦合器控制单元(17)实现对双转子电机动力耦合器内外电机的控制，具体控制步骤为：

a、双转子电机动力耦合器控制单元(17)获取动力蓄电池SOC、档位信号、加速信号、制动信号以及车速信号参数；并设定如下参数：

SOC_charge：进入停车发电模式蓄电池荷电量阀值；

SOC_max-1：指因动力蓄电池(15)充满电而退出停车发电模式时，动力蓄电池(15)荷电量的阀值；

SOC_max-2：为因动力蓄电池(15)充满电而退出充电行驶模式时，动力蓄电池荷电量的阀值；

SOC_max-3：为进入制动能量回收模式动力蓄电池荷电量的上限阀值；

SOC_VE-high-1：为进入纯电行驶模式时，蓄电池荷电量的阀值；

SOC_VE-high-2：为车辆起步时进入充电行驶模式时，蓄电池荷电量的阀值；

SOC_VE-high-3：为进入混合动力行驶模式时动力蓄电池荷电量阀值；

SOC_min：为倒车状态下，蓄电池荷电量的许用下限阀值，其数值小于SOC_VE-low-1；

SOC_VE-low-1：为因动力蓄电池(15)荷电量过小而退出停车发电模式时，蓄电池荷电量的阀值；

SOC_VE-low-2：为因动力蓄电池(15)荷电量过小而进入充电行驶模式时，动力蓄电池(15)荷电量的阀值；

SOC_VE-low-3：为因动力蓄电池(15)电力不足而退出混合动力行驶模式时，动力蓄电池(15)荷电量的阀值；

SOC_driveback：为进入倒车状态蓄电池荷电量的阀值，其数值大于SOC_min；

V_max-high：为混合动力行驶模式的车速阀值；

V_max-low：为退出混合动力行驶模式的车速阀值；

V_e-low-1：为进入纯电动行驶模式的车速阀值；

V_e-low-2：为进入充电行驶模式的车速阀值；

V_e-low-3：为退出发动机驱动高速行驶模式时车速阀值；

V_e-high-1：为因车速过高而退出纯电动行驶模式时，车速的阀值；

V_e-high-2：为因车速过大而退出充电行驶模式时，车速的阀值；

V_e-high-3：为由纯电动行驶模式进入发动机驱动高速行驶模式时，车速的阀值；

V_e-high-4：为由充电行驶模式进入发动机驱动高速行驶模式时，车速的阀值；

b、双转子电机动力耦合器控制单元(17)依据获取的上述参数对工作模式进行判断，将***控制分为七种工作模式：停车发电模式、纯电动行驶模式、充电行驶模式、发动机驱动高速行驶模式、混合动力行驶模式、倒车行驶模式、制动能量回收模式，具体分配步骤为：

所述停车发电模式下：

进入条件：SOC小于SOC_charge，且轮速传感器(10)信号都为零，且整车电路开关信号为OFF时；

退出条件：SOC达到或超过SOC_max-1，或者整车电路开关信号为ON；

所述纯电动行驶模式下：

进入条件：整车电路开关信号为ON，并且SOC大于SOC_VE-high-1，并且车辆实际车速V低于V_e-low-1，并且加速踏板有加速信号；

退出条件：实际车速V大于V_e-high-1，或者加速信号为零，或者SOC小于或等于SOC_VE-low-1；

所述充电行驶模式下：

第一种情况进入条件为车辆由纯电动行驶模式进入充电行驶模式：SOC小于或等于SOC_VE-low-2，在工作模式切换时，为了保证工作状态的延续性，SOC_VE-low-2与SOC_VE-low-1的值相等；并且车速大于零但小于V_e-low-2；

第二种情况进入条件为车辆从零车速起步进入充电行驶模式：SOC小于或等于SOC_VE-high-2，在工作模式切换时，为了保证工作状态的延续性，SOC_VE-high-2与SOC_VE-high-1的值相等；

退出条件：SOC大于SOC_max-2，或者车速大于V_e-high-2，或者加速踏板信号为零；

所述发动机驱动高速行驶模式下：

第一种情况进入条件为从纯电动行驶模式进入：实际车速大于V_e-high-3，车速的阀值在工作模式切换时，为了保证工作状态的延续性，V_e-high-3与V_e-high-1的值相等；

第二种情况进入条件为从充电行驶模式进入：实际车速大于V_e-high-4，在工作模式切换时，为了保证工作状态的延续性，V_e-high-4与V_e-high-2的值相等；

退出条件：1)当实际车速小于V_e-low-3时，则判断SOC，若SOC大于SOC_VE-low-1则进入纯电动行驶模式，若SOC小于或等于SOC_VE-low-2，则进入充电行驶模式；2)当实际车速大于V_max-high，且SOC大于SOC_VE-high-3，车辆进入混合动力行驶模式；3)当加速踏板信号为零时，车辆退出发动机驱动高速行驶模式；三个退出条件只需满足其中一条；

所述混合动力行驶模式下：

进入条件：实际车速大于V_max-high；并且SOC大于SOC_VE-high-3；

退出条件：SOC小于SOC_VE-low-3，或者是实际车速和目标车速都小于V_max-low，或者是加速踏板信号消失；

所述倒车行驶模式下：

进入条件：有倒档信号和加速信号，并且SOC大于SOC_driveback；

退出条件：当蓄电池SOC下降至SOC_min；

所述制动能量回收模式下：

进入条件：有制动信号；并且SOC小于SOC_max-3；

退出条件：制动信号消失，或者是SOC大于或等于SOC_max-2；

c、车辆进入相应的工作模式后，当车辆有工作模式切换的需求时，双转子电机动力耦合器控制单元(17)发出切换控制分配策略；

d、最后，当车辆在行驶中有制动切换的需求时，双转子电机动力耦合器控制单元(17)发出制动控制策略。

2.根据权利要求1所述的双转子电机动力耦合器的混合动力车辆***切换控制方法，其特征在于，所述步骤c中，停车发电模式、倒车行驶模式均为独立模式，不与其它工作模式直接切换；纯电动行驶模式、充电行驶模式、发动机驱动高速行驶模式、混合动力行驶模式的切换过程的具体步骤为：

起步过程中，整车电路开关信号在ON状态，驾驶员开始踩下加速踏板，此时双转子电机动力耦合器控制单元(17)接收到整车电路开关信号和加速信号，与此同时，双转子动力耦合器控制单元(17)还对动力蓄电池SOC进行判断；

当SOC大于SOC_VE-high-1进入纯电动行驶模式，此时，动力蓄电池(15)对外电机供电，外电机为唯一动力源，双转子电机动力耦合器控制单元(17)根据加速踏板信号，推算出车辆行驶的目标车速，并据此推算出驱动阻力矩和外转子转速，通过外电机整流逆变器(14)对外电机的转速和力矩控制，实现对车辆车速的控制；

当SOC小于或等于SOC_VE-high-2进入充电行驶模式，由于初始车速为零，所以ABS***对车辆先制动，之后内电机工作，内转子带动发动机高速起动，发动机起动后，发动机动力通过内电机传递到驱动车桥(11)上，当发动机开始驱动车辆后，外电机开始发电，实现一边行驶一边充电；

在所述纯电动行驶模式中，如果SOC小于SOC_VE-low-1，则会进入充电行驶模式；如果实际车速大于V_e-high-1，则进入发动机驱动高速行驶模式；

在所述充电行驶模式中，如果实际车速大于V_e-high-2，则进入发动机驱动高速行驶模式；如果SOC大于SOC_max-2，则进入纯电动行驶模式；

在所述发动机驱动高速行驶模式，如果车速大于V_max-high，同时SOC大于SOC_VE-high-3，则进入混合动力行驶模式；如果车速降低并小于V_e-low-3，此时若SOC大于SOC_VE-high-1，则进入纯电动行驶模式，否则进入充电行驶模式；

在所述混合动力行驶模式，若SOC小于SOC_VE-low-3，则退出混合动力行驶模式，进入发动机驱动高速行驶模式；如果车速小于V_max-low，也退出混合动力行驶模式进入发动机驱动高速行驶模式。

3.根据权利要求1所述的双转子电机动力耦合器的混合动力车辆***切换控制方法，其特征在于，所述步骤d中，工作模式进行制动切换过程可以分为两个阶段：

第一阶段，当加速踏板放开后，外电机退出工作，接着内电机退出工作，如果此时发动机(1)也运转，则同时调整发动机(1)节气门开度至最小位置，后断油熄火；

第二阶段为制动阶段，当踩下制动踏板产生制动信号后，进入制动过程；首先对SOC进行判定，如果SOC大于等于SOC_max-2，则进入制动***制动工况，不进入制动能量回收模式；若动力蓄电池SOC小于SOC_max-2，则需要对制动踏板实际行程进行判定，如果制动踏板实际行程小于A，A为电制动阶段行程，则进入纯电动制动模式；当制动踏板实际行程大于等于A，则进入纯电动制动与制动***协同制动。

4.根据权利要求1所述的双转子电机动力耦合器的混合动力车辆***切换控制方法，其特征在于，所述停车发电模式下，内电机为发电模式，外电机不参与工作；所述纯电动行驶模式下，外电机作为驱动模式，内电机不参与工作。

5.根据权利要求1所述的双转子电机动力耦合器的混合动力车辆***切换控制方法，其特征在于，所述充电行驶模式下分为两种情况：

第一种是车辆由纯电动行驶模式进入充电行驶模式，内电机工作并带动发动机(1)高速起动，发动机(1)起动后内电机转换为发电模式，发动机(1)驱动车辆行驶；对驱动功率需求较小情况下，外电机也能够转化为发电模式；

第二是车辆从零车速起步进入充电行驶模式，则内电机充当电磁传动机构，把发动机(1)动力传递给驱动车桥，在传递动力同时内电机也对外发电，此外根据需要外电机也能够转化为发电模式。

6.根据权利要求1所述的双转子电机动力耦合器的混合动力车辆***切换控制方法，其特征在于，所述发动机驱动高速行驶模式下，外电机和内电机都不工作，仅靠发动机(1)动力驱动车辆。

7.根据权利要求1所述的双转子电机动力耦合器的混合动力车辆***切换控制方法，其特征在于，所述混合动力行驶模式下，发动机(1)和外电机同时驱动车辆。