CN104670221A - 混合动力汽车工作模式切换过程动态协调控制方法 - Google Patents

混合动力汽车工作模式切换过程动态协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了混合动力汽车工作模式切换过程动态协调控制方法，通过EMS获取油门踏板深度得到整车需求转矩，根据整车需求转矩或实际工况，HCU会选择在当前工况下的工作模式工作；通过控制发动机节气门开度向目标节气门开度的变化速率，根据发动机和电机转速差，合理控制离合器接合速度，利用电机的快速响应能力和转矩精确控制的特点弥补发动机动态输出转矩不足，协调分配模式切换过程中发动机和电机的输出转矩。上述技术方案，控制混合动力***转矩输出，减小发动机动态过程；减小油耗，提高经济性；使模式切换过程中整车需求转矩不产生大的波动，改善车辆行驶平顺性；减小离合器磨损，保证动力传递的平稳性。

Description

混合动力汽车工作模式切换过程动态协调控制方法
技术领域
本发明属于混合动力汽车控制的技术领域，特别涉及混合动力汽车工作模式切换过程中动态协调控制方法。
背景技术
混合动力汽车是指由两个或多个动力装置组成驱动***的车辆，综合了发动机和电机两者优点，是一种低排放、经济性好和续航里程长的新型汽车。
混合动力汽车驱动模式主要包括发动机工作、电机工作、发动机和电机共同工作等三种模式，其中发动机和电机共同工作可细分为发动机和电机共同驱动车辆的混合驱动模式和发动机提供动力，电机发电给电池充电的行车充电模式。由此可见，工作模式的多元化是实现并联混合动力***节能减排的有效手段。
工作模式状态切换控制问题是并联混合动力汽车核心控制问题之一。
在车辆行驶过程中，根据路况和驾驶需求，能量管理策略保证并联混合动力***能量合理地流动，决定车辆处于何种工作模式。在当前模式和目标模式之间变化过程中，切换时间很短，发动机转矩输出滞后于油门开度的变化而呈现出动态特性，造成转矩输出不足或者超调；电机则能迅速响应转矩变化，动态特性与稳态时转矩输出几乎一致。如果只按照稳态时发动机和电机各自的目标转矩进行控制，将使得发动机和电机实际转矩之和产生较大波动，无法跟踪需求转矩的变化，导致动力传递中断，影响汽车的动力性、乘坐舒适性，甚至对传动***造成冲击，影响使用寿命。
目前关于混合动力汽车模式切换过程动态协调控制是根据实时反馈的发动机转矩，结合驾驶员需求转矩，利用电机快速响应特性来进行转矩补偿的。模式切换过程中，如果没有对发动机的节气门开度变化进行有效控制，会导致切换过程中整车动力性和平顺性不佳。
发明内容
本发明提供一种混合动力汽车工作模式切换过程动态协调控制方法，其目的是提高并联混合动力汽车工作模式切换过程整车动力性能和平顺性。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明的混合动力汽车的动力***包括发动机、发动机管理***、湿式离合器、电机、电机管理***、动力电池、动力电池管理***、整车控制器、变速器、变速器控制单元；
所述的动态协调控制方法，先通过发动机管理***采集驾驶员油门踏板深度，计算出整车需求转矩，发动机管理***将整车需求转矩通过CAN总线发送给整车控制器；整车控制器再结合动力电池电量和发动机稳态效率对发动机和电机进行转矩分配，计算出发动机和电机各自的目标转矩，再分别将发动机和电机的目标转矩通过CAN总线传给发动机管理***和电机管理***；
混合动力***开始模式切换；
在车辆工作模式从无发动机驱动到有发动机驱动过程中，通过控制发动机节气门开度向目标开度的变化速率，减小发动机动态响应过程，将发动机的转速和电机的转速差和转速差变化率作为湿式离合器油压调节参数，控制湿式离合器接合速度；电机管理***根据整车需求转矩、湿式离合器接合压力以及电机转速补偿转矩来立即响应电机输出转矩，保证模式切换过程中整车需求转矩不变，电机达到目标转速；
在车辆工作模式从一种有发动机驱动切换至另一种有发动机驱动过程中，此时离合器已经在锁止状态，无需控制离合器；发动机管理***需要控制发动机转速与电机转速之差在离合器滑磨转速差值之内，通过控制发动机节气门开度向目标开度的变化速率，减小发动机动态响应过程，使得发动机转矩稳态输出；电机需要根据整车需求转矩补偿发动机输出转矩，保证模式切换过程中整车需求转矩不变；
在车辆工作模式从有发动驱动切换至无发动机驱动过程中，为避免发动机转矩突减造成的整车冲击，发动机转矩不能立即撤除，发动机管理***需要控制发动机转速与电机转速之差在离合器滑磨转速差之内，限制发动机油门开度减小的速率，电机适时地补充由于发动机减小的转矩，直到发动机转矩减小到一定值后，为避免电机拖动发动机，变速器控制单元控制离合器断开，电机立即响应整车需求转矩，发动机管理***发送发动机停机命令，切换过程结束。
该方法采取发动机的控制原则是：
所述的发动机目标油门开度是由发动机管理***根据发动机目标转矩和发动机当前转速通过边界插值法求得；在发动机转矩增加或减小过程中，通过约束油门开度变化率，得到实际的发动机油门开度，控制发动机以稳态转矩输出。
该方法采取离合器控制原则是：
当发动机和电机转速差较大时，放慢离合器接合速度；当发动机和电机转速差较小时，加快接合速度；转速差变化率增大时，减小离合器油压，以减慢离合器接合速度；转速差变化率减小时，增大离合器油压，以加快离合器结合速度。
电机管理***维持切换前电机角加速度不变，在模式切换时间内根据电机角加速度计算出电机的目标转速，通过转速闭环控制得到电机转速补偿转矩，使电机反馈转速实时跟随电机目标转速。
整车控制器通过CAN总线对发动机管理***、电机管理***、变速器控制单元和电池管理***进行协调管理；各个控制器之间通过CAN总线相互通讯。
本发明采用以上动态协调控制方法，在并联混合动力汽车状态切换过程中，充分考虑发动机、电机和离合器状态，针对不同的切换过程，通过协调控制发动机、电机和离合器，能够有效减小发动机动态过程，减小油耗，提高经济性；实现模式切换过程中整车需求转矩不产生大的波动，改善车辆行驶平顺性；减小离合器磨损，保证动力传递的平稳性。
附图说明
图1是本发明的混合动力汽车动力***结构示意图；
图2是本发明的混合动力汽车发动机和电机目标转矩计算流程图；
图3是本发明的混合动力汽车模式切换过程中电机转矩计算流程图；
图4是本发明的混合动力汽车模式切换过程中动态协调控制流程图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
图文中的字母缩写分别是：
MCU——电机管理***；
BMS——动力电池管理***；
HCU——整车控制器；
AMT——变速器控制单元；
EMS——发动机管理***。
如图1所示的本发明的混合动力汽车的动力***，包括发动机、发动机管理***(EMS)、湿式离合器、电机、电机管理***(MCU)、动力电池、动力电池管理***(BMS)、整车控制器(HCU)、机械自动变速器、变速器控制单元(AMT)(兼控制湿式离合器)。图中未表示AMT与变速器关系，但不表示没有关系，发动机和电机通过湿式离合器共轴连接，发动机和电机动力在湿式离合器处耦合输出给变速器。
混合动力汽车工作模式可分为发动机单独驱动、纯电驱动、行车充电模式、混合驱动模式、再生制动模式。针对现有技术存在的问题，本发明提供的控制方法从不同的模式切换过程出发，以发动机、电机和离合器为控制对象，来解决模式切换过程中车辆动力性和平顺性问题。
本发明的技术方法主要涉及到混合动力汽车HCU、发动机及EMS、电机及MCU、湿式离合器、机械自动变速器及AMT(兼控制湿式离合器)、动力电池组及BMS和HCU。HCU通过CAN总线对EMS、MCU、AMT和BMS进行协调管理，各个控制器之间通过CAN总线相互通讯。EMS采集油门踏板深度值，计算发动机目标油门开度，监控发动机转矩变化，MCU负责响应电机转矩值，进行电机转速闭环控制计算，AMT负责监控和改变变速器传动比，控制离合器滑磨接合。
本发明的控制原理分析：
为了解决现有技术存在的问题并克服其缺陷，实现提高并联混合动力汽车状态切换过程整车动力性能和平顺性的发明目的，本发明采取的技术方案为：
一、确定发动机和电机各自目标转矩：
针对不同的切换过程，制定不同的控制方式。通过EMS获取油门踏板深度，得到整车需求转矩，根据整车需求转矩或实际工况，HCU会选择在当前工况下的工作模式工作。在工作模式切换过程中，特别是从无发动机驱动到有发动机驱动过程中，通过控制发动机节气门开度向目标节气门开度的变化速率；根据发动机和电机转速差，合理控制离合器接合速度，利用电机的快速响应能力和转矩精确控制的特点，弥补发动机动态输出转矩不足，协调分配模式切换过程中发动机和电机的输出转矩，从而有效地控制混合动力***转矩输出。
如图2所示，本发明的混合动力汽车工作模式切换过程动态协调控制方法，先通过EMS采集驾驶员油门踏板深度，计算出整车需求转矩，EMS将整车需求转矩通过CAN总线发送给HCU；HCU再结合动力电池电量和发动机稳态效率对发动机和电机进行转矩分配，计算出发动机和电机各自的目标转矩，从而进行混合动力***进入纯电动、发动机驱动、混合驱动或者行车充电等模式切换。HCU再分别将发动机和电机的目标转矩通过CAN总线传给EMS和MCU。
本发明提供的是混合动力汽车模式切换过程中发动机和电机目标转矩控制方法，控制原理如图2所示。
二、模式切换过程动态协调控制：
混合动力***开始模式切换；模式切换过程动态协调控制过程有以下几种：
1、在车辆工作模式从无发动机驱动到有发动机驱动过程中，如从纯电驱动切换到发动机单独驱动模式，或者从纯电驱动切换至混合驱动模式，或者从纯电驱动切换至行车充电模式等，在该状态下的具体控制策略分别为：
(1)、发动机控制策略：
EMS根据发动机目标转矩和发动机当前转速，通过边界插值法求得发动机目标油门开度。EMS通过限制发动机节气门开度向目标开度的变化速率，减小发动机动态响应过程，避免发动机转矩突变而产生的波动，控制发动机以稳态转矩输出。
(2)、湿式离合器接合状态的控制策略：
湿式离合器进入接合的滑磨阶段，
AMT将发动机的转速和电机的转速差和转速差变化率作为湿式离合器油压调节参数，控制湿式离合器接合速度；MCU根据整车需求转矩、湿式离合器接合压力以及电机转速补偿转矩来立即响应电机输出转矩，保证模式切换过程中整车需求转矩不变，电机达到目标转速。
(3)、电机控制策略：
在模式切换过程中，可认为整车加速度不变，从而驱动轮的角加速度不变。根据模式切换前驾驶员需求转矩和电机输出转矩，可计算出电机的角加速度。
模式切换过程中，维持电机加速度保持不变，根据电机模式切换前的转速确定电机的目标转速，继而确定整车需求车速。
电机采用转速闭环控制方法，将计算的电机目标转速作为参考速度，转速传感器测量实际电机转速作为反馈输入，两者之差通过PID算法得到电机转速补偿转矩，发送给MCU。此时MCU根据变速器输入端的需求转矩、离合器接合压力和电机转速补偿转矩来立即响应电机输出转矩，保证模式切换过程中整车需求转矩不变以及整车需求车速。
直至发动机和电机转矩达到模式切换前由HCU确定的各自的目标转矩、两者转速差在离合器滑磨范围内时，离合器锁止，发动机和电机平稳地以各自的目标转矩输出转矩，表明混合动力***切换结束。
模式切换前，电机目标速度(电机角加速度)可通过车辆动力学方程求解。以纯电动切换至发动机驱动为例，其他切换过程类似。
模式切换前电机角加速度满足：
Jmαm＝Tm-Treq
其中，Jm为电机转动惯量，αm为电机角加速度，Tm为电机输出转矩，Treq为驾驶员需求转矩，由车轮端经传动比转换到变速器输入端。
根据模式切换前测量得到的实际电机转速ωe0，保持模式切换过程中电机角加速度αm不变；设t为模式切换开始，到模式切换过程中所经历的时间，则可求得模式切换过程中电机的目标转速ωtarget＝ωe0+αmt。
模式切换过程中电机转矩计算流程图如图3所示；模式切换过程中动态协调控制流程如图4所示。
2、在车辆工作模式从一种有发动机驱动切换至另一种有发动机驱动过程中，如发动机单独驱动切换到混合驱动模式，或者发动机单独驱动切换至行车充电模式，或者混合驱动模式切换至行车充电模式，或者行车充电模式切换至混合驱动模式等，此时离合器已经在锁止状态，不存在接合过程，无需控制离合器。在该状态下的具体控制策略分别为：
(1)、发动机控制策略：
在切换过程中，EMS需要控制发动机转速与电机转速之差在离合器滑磨转速差值之内，通过控制发动机节气门开度向目标开度的变化速率，减小发动机动态响应过程，避免发动机转矩突变而产生的波动，控制发动机以稳态转矩输出。
(2)电机控制策略：
电机需要根据整车需求转矩补偿发动机输出转矩，保证模式切换过程中整车需求转矩不变。
电机采用转速闭环控制方法，将计算的电机目标转速作为参考速度，转速传感器测量实际电机转速作为反馈输入，两者之差通过PID算法得到电机转速补偿转矩，发送给MCU。此时MCU根据变速器输入端的需求转矩，发动机反馈转矩和电机转速补偿转矩来立即响应电机输出转矩，保证模式切换过程中整车需求转矩不变以及整车需求车速。
3、在车辆工作模式从有发动驱动切换至无发动机驱动过程中，如发动机单独驱动切换至纯电驱动，或者混合驱动切换至纯电驱动，或者行车充电切换至纯电驱动等，为避免发动机转矩突减造成的整车冲击，发动机转矩不能立即撤除，EMS需要控制发动机转速与电机转速之差在离合器滑磨转速差之内，限制发动机油门开度减小的速率，电机适时地补偿由于发动机减小的转矩，直到发动机转矩减小到一定值后，为避免电机拖动发动机，AMT控制离合器断开，电机立即响应整车需求转矩，EMS发送发动机停机命令，切换过程结束。
本发明采用以上动态协调控制算法，能够有效减小发动机动态过程，减小油耗，提高经济性；通过协调控制发动机、电机和离合器，有效解决了模式切换过程中整车需求转矩不产生大的波动，改善车辆行驶平顺性；减小离合器磨损，保证动力传递的平稳性。
在整个***中，发动机、电机和离合器协同工作满足驾驶员驾驶需求，各个部件在有效范围内正常运行，保证整车安全，提高车辆平顺性。
三、发动机控制原则：
所述的发动机目标油门开度是由EMS根据发动机目标转矩和发动机当前转速通过边界插值法求得；在发动机转矩增加或减小过程中，通过约束油门开度变化率，限制发动机节气门开度向目标开度的变化速率，得到实际的发动机油门开度，减小发动机动态响应过程，避免发动机转矩突变而产生的波动，控制发动机以稳态转矩输出。
四、离合器控制原则：
离合器转速差指的是发动机和电机两者转速差值；当发动机和电机转速差较大时，减小离合器油压，放慢离合器接合速度；当发动机和电机转速差较小时，增大离合器油压，加快接合速度；转速差变化率增大时，减小离合器油压，以减慢离合器接合速度；转速差变化率减小时，增大离合器油压，以加快离合器结合速度。这样，可减小离合器滑磨，提高车辆平顺性。
MCU维持切换前电机角加速度不变，在模式切换时间内根据电机角加速度计算出电机的目标转速，通过转速闭环控制得到电机转速补偿转矩，使电机反馈转速实时跟随电机目标转速。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.混合动力汽车工作模式切换过程动态协调控制方法，所述混合动力汽车的动力***包括发动机、发动机管理***、湿式离合器、电机、电机管理***、动力电池、动力电池管理***、整车控制器、变速器、变速器控制单元；
其特征在于：
所述的动态协调控制方法，先通过发动机管理***采集驾驶员油门踏板深度，计算出整车需求转矩，发动机管理***将整车需求转矩通过CAN总线发送给整车控制器；整车控制器再结合动力电池电量和发动机稳态效率对发动机和电机进行转矩分配，计算出发动机和电机各自的目标转矩，再分别将发动机和电机的目标转矩通过CAN总线传给发动机管理***和电机管理***；
混合动力***开始模式切换；
在车辆工作模式从无发动机驱动到有发动机驱动过程中，通过控制发动机节气门开度向目标开度的变化速率，减小发动机动态响应过程，将发动机的转速和电机的转速差和转速差变化率作为湿式离合器油压调节参数，控制湿式离合器接合速度；电机管理***根据整车需求转矩、湿式离合器接合压力以及电机转速补偿转矩来立即响应电机输出转矩，保证模式切换过程中整车需求转矩不变，电机达到目标转速；
在车辆工作模式从一种有发动机驱动切换至另一种有发动机驱动过程中，此时离合器已经在锁止状态，无需控制离合器；发动机管理***需要控制发动机转速与电机转速之差在离合器滑磨转速差值之内，通过控制发动机节气门开度向目标开度的变化速率，减小发动机动态响应过程，使得发动机转矩稳态输出；电机需要根据整车需求转矩补偿发动机输出转矩，保证模式切换过程中整车需求转矩不变；
在车辆工作模式从有发动驱动切换至无发动机驱动过程中，为避免发动机转矩突减造成的整车冲击，发动机转矩不能立即撤除，发动机管理***需要控制发动机转速与电机转速之差在离合器滑磨转速差之内，限制发动机油门开度减小的速率，电机适时地补充由于发动机减小的转矩，直到发动机转矩减小到一定值后，为避免电机拖动发动机，变速器控制单元控制离合器断开，电机立即响应整车需求转矩，发动机管理***发送发动机停机命令，切换过程结束。
2.按照权利要求1所述的混合动力汽车工作模式切换过程动态协调控制方法，其特征在于：
所述动态协调控制方法采取发动机的控制原则是：所述的发动机目标油门开度是由发动机管理***根据发动机目标转矩和发动机当前转速通过边界插值法求得；在发动机转矩增加或减小过程中，通过约束油门开度变化率，得到实际的发动机油门开度，控制发动机以稳态转矩输出。
3.按照权利要求1所述的混合动力汽车工作模式切换过程动态协调控制方法，其特征在于：
所述动态协调控制方法采取离合器控制原则是：当发动机和电机转速差较大时，放慢离合器接合速度；当发动机和电机转速差较小时，加快接合速度；转速差变化率增大时，减小离合器油压，以减慢离合器接合速度；转速差变化率减小时，增大离合器油压，以加快离合器结合速度。
4.按照权利要求1所述的混合动力汽车工作模式切换过程动态协调控制方法，其特征在于：电机管理***维持切换前电机角加速度不变，在模式切换时间内根据电机角加速度计算出电机的目标转速，通过转速闭环控制得到电机转速补偿转矩，使电机反馈转速实时跟随电机目标转速。
5.按照权利要求1所述的混合动力汽车工作模式切换过程动态协调控制方法，其特征在于：整车控制器通过CAN总线对发动机管理***、电机管理***、变速器控制单元和电池管理***进行协调管理；各个控制器之间通过CAN总线相互通讯。
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