CN104742898A - 一种分速汇矩式混合动力功率流控制方法 - Google Patents

一种分速汇矩式混合动力功率流控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分速汇矩式混合动力功率流控制方法，它涉及车辆混合动力技术领域。基于分速汇矩式的转速和转矩耦合关系，发动机采用转速控制模式，发电机和电动机采用转矩控制模式；从电池组目标功率和驱动需求功率出发，基于发动机最优燃油经济性工作曲线确定发动机、发电机和电动机的工作点，同时保证电池电量和功率平衡。本发明的控制方法首先确定驱动需求功率和电池组目标功率，从而在保证车辆动力性前提下，根据分速汇矩式混合动力***特点确定发动机和各电机的调控方式，灵活调节各功率部件工作点，提高燃油经济性，通过功率流控制保证电池功率和电量处于合理状态，防止电池过充或过放，提高***性能和电池寿命。

Description

一种分速汇矩式混合动力功率流控制方法
技术领域
本发明涉及的是车辆混合动力技术领域，具体涉及一种分速汇矩式混合动力功率流控制方法。
背景技术
节能、环保与安全是当今汽车发展的三大主题；近十多年来，人们在积极探索新型节能环保汽车的研究与开发，纯电动汽车(EV)、混合动力汽车(HEV)和燃料电池汽车(FCEV)成为研究的热点；由于电池技术的限制，纯电动汽车续驶里程短，在价格和使用性能方面短时间内都难满足人们的要求；燃料电池电动汽车前景虽好，但还存在技术和成本问题；所以，以成熟技术为基础开发的油电混合动力汽车得到日益广泛的研究与应用；
混合动力包括串联、并联、混联等多种结构型式，通过控制技术使发动机和电机协同工作，各自工作在最佳效率状态，从而改善纯内燃机驱动的效率低、污染重等问题；控制策略是实现混合动力***性能的关键，其性能的优劣直接影响着车辆的动力性和燃油经济性等重要性能；国内外众多研究者针对混合动力***控制策略开展了广泛与深入的研究，一些著名的汽车企业，如丰田、本田、福特、通用等已经开发出用于批量生产车型的混合动力控制***；国内清华大学、吉林大学、同济大学、上海交通大学、重庆大学等著名高校与汽车生产企业合作，研究了多种混合动力***控制方法，有的已经开发出控制器并在进行实车试验；这些控制方法主要针对轻型乘用车辆，混合动力形式主要为串联式和并联式，用于重型车辆的混联式研究刚刚起步；本专利涉及的分速汇矩式是混联式混合动力的一种形式，其结构形式决定的其功率流控制方法和其他控制方法也有不同之处；分速汇矩式混合动力通过行星传动机构进行功率分流，通过发电机发动机功率分化为机械功率流和电力功率流；在功率输入端，发动机和发电机(电力功率通道)、齿圈(机械功率通道)的转速满足转速耦合关系，转矩满足行星机构决定的比例关系，所以称为分速；在输出端，电力功率驱动电动机工作，电动机输出转矩和机械传递转矩叠加，电动机转速和机械输出轴相等，所以称为汇矩；分速汇矩式混合动力功率流动示意图如图1所示。
由于分速汇矩式混合动力存在转速和转矩多重耦合关系，所以发动机、发电机和电动机等功率部件可以有多种不同的控制模式组合，相应的功率流匹配和控制也会不同；本发明将提供一种行之有效的分速汇矩式功率流控制方法。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种分速汇矩式混合动力功率流控制方法，能够有效调节发动机、发电机和电动机工作状态，既保证了机电部件状态的确定性又保证了状态调节的灵活性，在保证驱动功率满足驾驶需求的情况下提高发动机燃油经济性。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种分速汇矩式混合动力功率流控制方法，包括以下步骤：(1)确定发动机、发电机和电动机的控制模式；针对分速汇矩式的转速和转矩耦合关系，发动机采用转速控制模式，发电机和电动机采用转矩控制模式；分速汇矩式混合动力***输出轴通过后面的变速器和后传动装置和车轮相连，所以输出轴转速和车速有固定的比例关系，行星机构齿圈转速可以确定；在发动机调速控制的模式下，发动机和发电机的转速也都是确定的，并可通过调整发动机转速调节发电机转速；发电机采用转矩控制模式时，根据行星机构的转矩比例关系，发动机转矩和齿圈转矩即可确定；电动机和输出轴进行转矩叠加进行助力；在这样的控制架构下，发动机、发电机和电动机的工作状态都是确定的，且可以进行自如的调节，以满足车辆动力性和燃油经济性等多方面的要求；
(2)确定功率部件的功率分配和工作状态点(转速和转矩)；功率分配和工作点确定流程,具体步骤说明如下：
第一步：功率流控制方法首先根据驾驶员油门踏板完成车辆驱动需求功率和转矩计算，根据电池组状态和驱动需求功率确定电池组目标功率，根据驱动需求功率、电池目标功率和辅助***功率等确定发动机目标功率；
第二步：从发动机功率和燃油经济性需求出发，根据发动机最优燃油经济性工作曲线确定发动机的目标转速和转矩；
第三步：基于行星机构决定的转矩比例关系，根据发动机目标转矩确定发电机目标转矩，还可计算出发动机功率分流后传递到齿圈的转矩；
第四步：根据驱动需求转矩和发动机分流到齿圈转矩的差值确定电动机目标转矩；根据功率平衡方程，由此确定的电动机和发电机功率的差值必然等于电池组目标功率。
所述的步骤(2)的第一步中，驾驶员油门踏板位置和车速信号由传感器采集得到，根据一定的驾驶意图模型，将油门踏板位置转换为需求功率信号；需求转矩由需求功率和车速对应的车轮转速相除得到。
所述的步骤(2)的第一步中，电池组电压、温度和荷电状态(SOC)由传感器或相应算法模型提供，根据这些电池状态值并参考整车驱动需求，确定电池组目标功率，电池组可能充电、可能放电。
所述的步骤(2)的第二步中，发动机最优燃油经济性曲线根据发动机万有特性测试数据得到。
所述的步骤(2)的第三步和第四步的计算中，相关转矩计算必须考虑各功率传递部件的精确效率模型进行计算，不然功率流控制结果将和预期值有较大的偏差。
本发明的有益效果：在分速汇矩式混合动力***转速和转矩多重耦合的情况下，利用***的耦合关系在控制层面上对调控方式进行解耦，通过设定发动机、发电机和电动机不同的调控模式(指转速或转矩控制)避免了控制干涉；同时，该控制方法使各功率部件工作点处于灵活可调的状态，从而可以从发动机燃油经济性出发进行功率流控制，保证车辆的动力性和燃油经济性；进行功率流控制时兼顾了电池电量稳定要求，从电池目标功率出发确定发动机功率和功率分配，保证电力功率平衡，防止电池过充或过放，提高***性能和电池寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明的分速汇矩式混合动力功率流示意图；
图2为本发明的功率流控制方法流程图；
图3为本发明的某型分速汇矩式混合动力***结构简图；
图4为本发明的发动机最优燃油经济性工作曲线图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明；
参照图1-4，本具体实施方式采用以下技术方案：一种分速汇矩式混合动力功率流控制方法，包括以下步骤：(1)确定发动机、发电机和电动机的控制模式；针对分速汇矩式的转速和转矩耦合关系，发动机采用转速控制模式，发电机和电动机采用转矩控制模式；分速汇矩式混合动力***输出轴通过后面的变速器和后传动装置和车轮相连，所以输出轴转速和车速有固定的比例关系，即图1所示的行星机构齿圈转速可以确定；在发动机调速控制的模式下，发动机和发电机的转速也都是确定的，并可通过调整发动机转速调节发电机转速；发电机采用转矩控制模式时，根据行星机构的转矩比例关系，发动机转矩和齿圈转矩即可确定；电动机和输出轴进行转矩叠加进行助力；在这样的控制架构下，发动机、发电机和电动机的工作状态都是确定的，且可以进行自如的调节，以满足车辆动力性和燃油经济性等多方面的要求；
(2)确定功率部件的功率分配和工作状态点(转速和转矩)；功率分配和工作点确定流程如图2所示。
实施例1：如图3所示的混合动力***，本发明中的一种分速汇矩式混合动力功率流控制方法实施步骤如下：
1)驱动需求功率计算
实际驾驶车辆时，车辆的驱动功率需求完全由驾驶员踩下加速踏板的程度、即加速踏板行程值决定；采用线性模型描述需求功率与踏板行程的关系，模型表达式为
PN＝Ax                (1)
其中，PN为需求功率；A为混合动力***额定功率，其值由设计的车辆牵引特性决定；x为加速踏板行程，以占总行程的百分比表示；
根据驱动需求功率和当前车速可计算出需求转矩，即
TN＝PN/(v/r)              (2)
其中，TN为驱动需求转矩；v为当前车速；r为驱动轮滚动半径；
2)电池需求功率计算
根据电池状态信息确定电池目标功率，即
PB_N＝αU(SOC0-SOCt)                 (3)
式中，PB_N为电池需求功率，SOCt为电池实时SOC值，SOC0为电池目标SOC值，U为电池组端电压，α为电池功率系数，根据电池SOC、温度、整车驱动需求等动态调整；
电池功率为正，表示电池具有充电功率需求；为负，表示电池具有放电功率需求；
3)发动机工作点确定
发动机是整车驱动能量的最终来源，所以驱动需求功率、电池功率、辅助***需求功率最终都需要由发动机功率提供，发动机功率根据驱动需求功率、电池目标功率计算，即
Pe_N＝PD_N+PB_N+PAux_N             (4)
式中，Pe_N为发动机需求功率，PAux_N为辅助***功率，主要包括润滑与冷却***功率、整车电控装置用电功率等，由按照辅助***功率需求进行设计计算时的设计功率估计得到；
发动机工作点根据发动机最优工作曲线进行查表得到，即得到特定的发动机功率对应的发动机转速ne与转矩Te；发动机最优工作曲线根据发动机万有特性中的最低燃油消耗区域确定；发动机最优工作曲线如图4所示；
4)发电机工作点确定
在混联式混合动力***中，发电机是发动机的负载之一，根据功率耦合装置的约束关系，发电机转矩和发动机转矩满足固定的比例关系，所以发电机目标工作转矩为
Tg＝Teifηe_g/(1+K)             (5)
其中，Tg为发电机需求转矩；if为***前传动比；ηe_g为发动机到发电机的传动效率；K为行星机构特性参数；
由于发动机与电动机在某一时刻都有固定的转速值，所以发电机的工作转速由功率耦合装置中的行星机构转速约束关系决定；
5)电动机工作点确定
电动机工作转矩由驱动需求转矩和发动机输出转矩在功率耦合装置输出轴处的分量共同决定；即
Tm＝TN/ir/iT/ηr/ηT-Te_axis              (6)
其中，Tm为电动机需求转矩；ir为后传动比；iT为当前挡位传动比；ηr为后传动效率；ηT为变速器效率；Te_axis为发动机输出转矩在输出轴上的分量；
Te_axis与发动机、发电机转矩的关系由功率耦合装置决定，其值为
Te_axis＝Teifηe_axisK/(1+K)              (7)
电动机和车轮有固定的机械连接，所以其工作转速由当前车速决定。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点；本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内；本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种分速汇矩式混合动力功率流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)确定发动机、发电机和电动机的控制模式；针对分速汇矩式的转速和转矩耦合关系，发动机采用转速控制模式，发电机和电动机采用转矩控制模式；分速汇矩式混合动力***输出轴通过后面的变速器和后传动装置和车轮相连，所以输出轴转速和车速有固定的比例关系，行星机构齿圈转速可以确定；在发动机调速控制的模式下，发动机和发电机的转速也都是确定的，并可通过调整发动机转速调节发电机转速；发电机采用转矩控制模式时，根据行星机构的转矩比例关系，发动机转矩和齿圈转矩即可确定；电动机和输出轴进行转矩叠加进行助力；在这样的控制架构下，发动机、发电机和电动机的工作状态都是确定的，且可以进行自如的调节，以满足车辆动力性和燃油经济性等多方面的要求；
(2)确定功率部件的功率分配和工作状态点，功率分配和工作点确定流程,具体步骤如下：
第一步：功率流控制方法首先根据驾驶员油门踏板完成车辆驱动需求功率和转矩计算，根据电池组状态和驱动需求功率确定电池组目标功率，根据驱动需求功率、电池目标功率和辅助***功率等确定发动机目标功率；
第二步：从发动机功率和燃油经济性需求出发，根据发动机最优燃油经济性工作曲线确定发动机的目标转速和转矩；
第三步：基于行星机构决定的转矩比例关系，根据发动机目标转矩确定发电机目标转矩，还可计算出发动机功率分流后传递到齿圈的转矩；
第四步：根据驱动需求转矩和发动机分流到齿圈转矩的差值确定电动机目标转矩；根据功率平衡方程，由此确定的电动机和发电机功率的差值必然等于电池组目标功率。
2.根据权利要求1所述的一种分速汇矩式混合动力功率流控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)的第一步中，驾驶员油门踏板位置和车速信号由传感器采集得到，根据一定的驾驶意图模型，将油门踏板位置转换为需求功率信号；需求转矩由需求功率和车速对应的车轮转速相除得到。
3.根据权利要求1所述的一种分速汇矩式混合动力功率流控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)的第一步中，电池组电压、温度和荷电状态(SOC)由传感器或相应算法模型提供，根据这些电池状态值并参考整车驱动需求，确定电池组目标功率，电池组可能充电、可能放电。
4.根据权利要求1所述的一种分速汇矩式混合动力功率流控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)的第二步中，发动机最优燃油经济性曲线根据发动机万有特性测试数据得到。
5.根据权利要求1所述的一种分速汇矩式混合动力功率流控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)的第三步和第四步的计算中，相关转矩计算必须考虑各功率传递部件的精确效率模型进行计算，不然功率流控制结果将和预期值有较大的偏差。
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