CN106828483A - 一种行星混联式混合动力汽车驾驶员需求转矩计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行星混联式混合动力汽车驾驶员需求转矩计算方法，该方法包括驾驶员驾驶风格识别、车速和加速踏板开度检测、需求转矩求解三部分。驾驶风格使得最大动力性和最佳经济性各有侧重。针对行星式动力耦合***具有两自由度的特点，通过电动机与发电机的二维转速遍历矩阵，求解各电动机、发电机转速下的动力***最大转矩，获得二维转矩输出矩阵，进而求解各车速下汽车能输出的最大转矩，再由加速踏板开度计算驾驶员需求转矩。本发明方法基于电动机和发电机二维转速遍历矩阵，故所得的全负荷结果是汽车各车速下可输出的最大值。因此可以准确得到带有三动力源的行星混联式混合动力汽车驾驶员需求转矩，进而获得更好的驾驶体验和汽车性能。

Description

一种行星混联式混合动力汽车驾驶员需求转矩计算方法

技术领域

本发明属于混合动力汽车技术领域，特别涉及一种行星混联式混合动力汽车驾驶员需求转矩计算方法。

背景技术

随着能源与环境问题日益突出，节能与新能源汽车的发展迫在眉睫。由于新能源汽车中纯电动汽车电池能量密度、续驶里程等技术限制有待突破，燃料电池汽车较高的制造、使用和维护成本以及复杂的配套设施限制了其发展应用。当前混合动力汽车由于其即可保证汽车较好的动力性，又能改善发动机工作状况、减少有害物排放、节约燃油，并且技术成熟可靠，因而已经成为各企业和科研机构汇聚的焦点之一。油电混合动力汽车将电机和发动机结合在一起，若加上行星齿轮的传动特性可以通过发电机调节发动机转速，实现发动机转速的解耦；同时通过电动机调节发动机转矩，实现发动机的转矩解耦；使发动机有可能在各种情况下都能工作在最节油的状态。因此，行星混联式油电混合动力汽车是目前各大汽车公司发展的优选车型。

现有技术中的行星混联式混合动力汽车的动力耦合***可分为单行星排式和多行星排式，其中单行星排式耦合***结构简单、成本较低、控制容易，因而获得了较为广泛的应用。针对行星混联式混合动力汽车的发动机、电动机与发电机三个动力源分别固定连接在行星排的行星架、齿圈与太阳轮上，其中齿圈输出动力，因而齿圈转速与车速成固定比例。由于行星齿轮的传动特性，需首先设定两个部件的转速、转矩后才能确定第三部件相应的转速、转矩。也因此可实现发动机的转速、转矩双解耦，进而调节发动机工作点，降低油耗。

在行星混联式混合动力汽车控制中，基本目标是通过控制电动机转矩、发电机转速间接控制发动机工作点，实现保证动力性的同时减小油耗。由于动力性直接影响驾驶员的驾驶感受和体验，因而驾驶员需求转矩估计至关重要。通过驾驶员对加速踏板的操作，估计其需求转矩值，然后依据经济或动力的倾向进行总需求转矩分配，使三个动力源协调、高效工作，达到经济性和动力性有侧重的兼顾。

一种行星混联式混合动力汽车驾驶员需求转矩计算方法实现了包含三个动力源、具有两个自由度的行星式动力耦合***的满负荷总转矩计算和驾驶员需求转矩实时估计，为汽车控制中的转矩分配做好数据准备，为经济性和动力性实现打下基础，该领域尚未相关发明。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种行星混联式混合动力汽车驾驶员需求转矩计算方法，其可在混合动力汽车的发动机、电动机及发电机型号确定的情况下，根据驾驶员操作实时准确计算驾驶员转矩需求，进而在实现节油的同时达到较好的动力性和驾驶体验。

为实现上述目的，根据本发明实施例的一种行星混联式混合动力汽车驾驶员需求转矩计算方法，包括以下步骤：

A、驾驶员驾驶风格识别

驾驶风格分为动力型和经济型两种，动力型时发动机工作在外特性曲线上，可发挥整车最大动力性能；经济型时发动机工作在最优工作曲线上，可发挥整车最佳经济性能；通过在驾驶舱设置按钮识别驾驶员目标驾驶风格，若未操作则默认经济型；

B、车辆行驶速度和加速踏板开度检测

车辆行驶速度V用于计算齿圈转速S_r，进而可求解齿圈功率；加速踏板开度α用于由动力***满负荷最大转矩T_max计算驾驶员实时需求转矩T_req，计算公式如下：

T_req＝α·T_max (1)

C、驾驶员需求转矩求解

C1、动力***满负荷总转矩计算

针对单行星排混联式混合动力汽车的发动机、电动机与发电机三个动力源分别连接在行星排的行星架、齿圈与太阳轮上所形成的二自由度动力***，通过遍历电动机与发电机的各个转速获得两电机工作转速范围内的二维转速遍历矩阵；在矩阵任意位置由两电机转速及行星排的传动特性计算对应的发动机转速，并存于矩阵对应元素位置，计算公式如下：

式中S_Eng为发动机转速,单位rpm；S_MG1为发电机转速,单位rpm；S_MG2为电动机转速,单位rpm；k为行星排的特征参数；

然后由矩阵中各动力源转速插值外特性曲线或最优工作曲线得到在当前工况下各自可输出的最大转矩；再由三动力源的连接关系及行星排的传动特性计算齿圈处转矩T_r，即动力***最大可输出转矩T_ij，存成数表即二维转矩输出矩阵；计算公式如下：

T_c≈T_Eng (4)

式中T_c为行星架获得的转矩；T_MG2为电动机输出转矩；T_Eng为发动机输出转矩；单位均为N·m；

最后对转矩矩阵中相同电动机转速的各元素值即同行转矩值T_·j取最大值即是当前车速工况下动力***满负荷总转矩T_max；

C2、驾驶员需求计算

在各车速下，由加速踏板开度乘以满负荷总转矩可算得驾驶员需求转矩。

由此，根据本发明的一种行星混联式混合动力汽车驾驶员需求转矩计算方法，通过电动机与发电机的二维转速遍历矩阵，获得包含所有三动力源转速组合可能的转速数表，进而通过曲线插值得到对应于各电动机转速(或车速)下的动力***所能实现的最大转矩值，再由实时的加速踏板开度信号即可准确估计驾驶员的转矩需求。因而，本发明的混合动力汽车驾驶员需求转矩计算方法简便、准确、有效。

另外，根据本发明上述实施例还可以具有如下附加技术特征：

根据本发明的一个实施例，动力型风格时发动机各转速下的最大转矩由转速通过插值外特性曲线获得；经济型风格时发动机各转速下的最大转矩由转速通过插值最优工作曲线获得。

根据本发明的一个实施例，车辆行驶速度和加速踏板开度信号数值可通过各自的传感器获得。

根据本发明的一个实施例，驾驶员需求转矩结果可以以车速-需求转矩曲线的形式表现，因车速与齿圈、电动机转速成固定比例，故各车速下的驾驶员需求转矩通过各电动机转速下的动力***满负荷总转矩乘以加速踏板开度获得；根据实时车速、加速踏板开度可获得实时的驾驶员需求转矩。

根据本发明的一个实施例，电动机与发电机的二维转速遍历矩阵分别以电动机、发电机的转速S_MG2、S_MG1区分行和/或列下标，矩阵中的元素是与行、列下标所对应的电动机、发电机转速相对的发动机转速S_Eng；即任一矩阵元素可对应于此三个动力源的转速；由三动力源转速插值各自的外特性曲线或最优工作曲线可得各动力源相应转速及驾驶风格下的最大转矩；由行星排的传动特性可得齿圈处的最大输出转矩T_r，即由二维转速遍历矩阵求得对应的二维转矩输出矩阵T_ij；对转矩矩阵中相同电动机转速的各数值T_·j取最大值即是动力***满负荷总转矩T_max。

根据本发明的一个实施例，电动机与发电机的二维转速遍历矩阵是一个二维数表，数表元素是发动机转速S_Eng；数表元素所处的不同行对应电动机的不同转速、不同列对应发电机的不同转速；数表的行列互换成转置矩阵形式亦可；数表任一位置所对应的三个转速满足公式(2)；二维转矩输出矩阵是与二维转速遍历矩阵相对应的转速情况下动力***可输出的最大转矩数表T_ij。

根据本发明的一个实施例，二维转速遍历矩阵形式的发动机转速数表的各行、列分别对应于两电机各转速，整个矩阵行、列所对应的电机转速覆盖了两电机的所有可能转速，矩阵元素所对应的发动机转速覆盖了发动机的所有可能转速；二维转矩输出矩阵中的元素是通过转速插值并根据行星排传动特性获得的；对于两矩阵中因行星排传递或插值计算可能出现的不合理数值通过计算程序以置0的方式剔除。

根据本发明的一个实施例，本发明方法计算过程中所用的动力源外特性曲线、最优工作曲线均为可直接使用的部件基本特性参数，所得结果是当前汽车工作状况下的驾驶员需求转矩，即驾驶员对汽车动力***的实时转矩需求。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的一种行星混联式混合动力汽车驾驶员需求转矩计算方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的电动机、发电机、发动机的二维转速遍历矩阵构造示意图；

图3为根据本发明实施例的与二维转速遍历矩阵相对应的二维转矩输出矩阵构造示意图；

图4为根据本发明实施例的车速-驾驶员需求转矩/功率曲线结果示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“行”、“列”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的数据必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

由于行星混联式混合动力汽车和行星齿轮的基本结构为本领域技术人员所悉知的，因此在此不再一一赘述。

下面参考附图来描述根据本发明实施例的行星混联式混合动力汽车驾驶员需求转矩计算方法，但本发明并不限于这些实施例。

首先识别驾驶员所选择的驾驶风格，由此确定根据发动机转速插值外特性曲线或最优工作曲线来获得发动机最大转矩。

而后检测车辆行驶速度和加速踏板开度，车速与齿圈转速、电动机转速所一一对应，加速踏板开度可用于由动力***满负荷最大转矩计算驾驶员需求转矩值。

再后计算动力***满负荷总转矩，即汽车动力***当前工作状况下可输出的最大转矩。最后由踏板开度乘以动力***满负荷总转矩得到驾驶员需求转矩。

如图2所示，以不同电动机转速S_MG2,i(MG2表示电动机，i表示行标)区分各行、以不同发电机转速S_MG1,j(MG1表示发电机，j表示列标)区分各列，通过遍历电动机与发电机的各个转速可获得两电机工作转速范围内的二维转速遍历数表。则数表任意位置可对应于两电机的转速，再由式(2)可计算对应的发动机转速S_Eng,ij(Eng表示发动机，i表示行标，j表示列标)。把发动机转速存于矩阵的相应位置即为二维转速遍历矩阵，即如图2中大矩形框所示，图中小矩形框表示矩阵的各元素。

如图3所示，由于在二维转速遍历矩阵任意位置可获得两电机转速和发动机转速，而由电动机转速插值其外特性曲线可得电动机可输出给齿圈的最大转矩T_MG2,i、由发动机转速插值其外特性曲线或最优工作曲线可得发动机可输出给行星架的最大转矩T_Eng,ij，进而可由式(3)算得齿圈处能输出的最大转矩T_r，即得二维转矩输出矩阵T_ij，即如图3中大矩形框所示，图中小矩形框表示矩阵的各元素。因图3的转矩矩阵中与相同电动机转速对应的各数值处于同一行中，则对各行数值取最大值即是特定电动机转速、车速等工况下动力***满负荷可输出的总转矩，即动力***满负荷转矩。

如图4所示，由于电动机转速与车速一一对应，可把车速与动力***满负荷转矩间的关系通过曲线表示，如图中曲线1所示。由相应地转速、转矩相乘可得功率，亦可获得车速-动力***满负荷功率曲线，如图中曲线2所示。在行车过程中，根据式(1)把驾驶员实时踏板开度与动力***满负荷转矩/功率相乘可得实时的驾驶员需求转矩/功率。图中曲线3、4即为50％加速踏板开度下的驾驶员需求转矩/功率曲线示意。

优选地，在二维转速遍历矩阵中，由两电机转速求得的发动机转速有可能超出限定的工作转速限制范围；并且在通过转速插值求解对应的转矩时，插值结果也可能出现的不合理数值。对于这些不合理结果将通过控制程序把二维转矩输出矩阵中的对应元素置0，以在后续取最大值作为满负荷转矩时剔除其影响。

优选地，计算过程中所得二维转速遍历矩阵、二维转矩输出矩阵及各车速下动力***满负荷总转矩T_max均是保存在汽车控制策略中的离线数据，其中二维转矩输出矩阵与动力***满负荷总转矩T_max根据驾驶风格不同均有两个结果。汽车运行时，控制策略根据驾驶风格、车速、加速踏板开度可直接计算出驾驶员需求转矩。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、步骤、方法或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、步骤、方法或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管本文中较多的使用了诸如二维转速遍历矩阵、二维转矩输出矩阵、S_MG2,i、S_MG1,j、S_Eng,ij、T_MG2,i、T_Eng,ij、T_ij、行、列、插值、置0等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种行星混联式混合动力汽车驾驶员需求转矩计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、驾驶员驾驶风格识别

驾驶风格分为动力型和经济型两种，动力型时发动机工作在外特性曲线上，可发挥整车最大动力性能；经济型时发动机工作在最优工作曲线上，可发挥整车最佳经济性能；通过在驾驶舱设置按钮识别驾驶员目标驾驶风格，若未操作则默认经济型；

B、车辆行驶速度和加速踏板开度检测

车辆行驶速度V用于计算齿圈转速S_r，进而可求解齿圈功率；加速踏板开度α用于由动力***满负荷最大转矩T_max计算驾驶员实时需求转矩T_req，计算公式如下：

T_req＝α·T_max (1)

C、驾驶员需求转矩求解

C1、动力***满负荷总转矩计算

针对单行星排混联式混合动力汽车的发动机、电动机与发电机三个动力源分别连接在行星排的行星架、齿圈与太阳轮上所形成的二自由度动力***，通过遍历电动机与发电机的各个转速获得两电机工作转速范围内的二维转速遍历矩阵；在矩阵任意位置由两电机转速及行星排的传动特性计算对应的发动机转速，并存于矩阵对应元素位置，计算公式如下：

$S_{Eng}=\frac{S_{MG1}+k\·S_{MG2}}{1+k}---\left(2\right)$

式中S_Eng为发动机转速,单位rpm；S_MG1为发电机转速,单位rpm；S_MG2为电动机转速,单位rpm；k为行星排的特征参数；

然后由矩阵中各动力源转速插值外特性曲线或最优工作曲线得到在当前工况下各自可输出的最大转矩；再由三动力源的连接关系及行星排的传动特性计算齿圈处转矩T_r，即动力***最大可输出转矩T_ij，存成数表即二维转矩输出矩阵；计算公式如下：

$T_{ij}=T_r=T_c\·\frac{k}{1+k}+T_{MG2}---\left(3\right)$

T_c≈T_Eng (4)

式中T_c为行星架获得的转矩；T_MG2为电动机输出转矩；T_Eng为发动机输出转矩；单位均为N·m；

最后对转矩矩阵中相同电动机转速的各元素值即同行转矩值T_·j取最大值即是当前车速工况下动力***满负荷总转矩T_max；

C2、驾驶员需求计算

在各车速下，由加速踏板开度乘以满负荷总转矩可算得驾驶员需求转矩。

2.根据权利要求1所述的一种行星混联式混合动力汽车驾驶员需求转矩计算方法，其特征在于：动力型风格时发动机各转速下的最大转矩由转速通过插值外特性曲线获得；经济型风格时发动机各转速下的最大转矩由转速通过插值最优工作曲线获得。

3.根据权利要求1所述的一种行星混联式混合动力汽车驾驶员需求转矩计算方法，其特征在于：车辆行驶速度和加速踏板开度信号数值可通过各自的传感器获得。

4.根据权利要求1所述的一种行星混联式混合动力汽车驾驶员需求转矩计算方法，其特征在于：驾驶员需求转矩结果可以以车速-需求转矩曲线的形式表现，因车速与齿圈、电动机转速成固定比例，故各车速下的驾驶员需求转矩通过各电动机转速下的动力***满负荷总转矩乘以加速踏板开度获得；根据实时车速、加速踏板开度可获得实时的驾驶员需求转矩。

5.根据权利要求1所述的一种行星混联式混合动力汽车驾驶员需求转矩计算方法，其特征在于：电动机与发电机的二维转速遍历矩阵分别以电动机、发电机的转速S_MG2、S_MG1区分行和/或列下标，矩阵中的元素是与行、列下标所对应的电动机、发电机转速相对的发动机转速S_Eng；即任一矩阵元素可对应于此三个动力源的转速；由三动力源转速插值各自的外特性曲线或最优工作曲线可得各动力源相应转速及驾驶风格下的最大转矩；由行星排的传动特性可得齿圈处的最大输出转矩T_r，即由二维转速遍历矩阵求得对应的二维转矩输出矩阵T_ij；对转矩矩阵中相同电动机转速的各数值T_·j取最大值即是动力***满负荷总转矩T_max。

6.根据权利要求5所述的一种行星混联式混合动力汽车驾驶员需求转矩计算方法，其特征在于：电动机与发电机的二维转速遍历矩阵是一个二维数表，数表元素是发动机转速S_Eng；数表元素所处的不同行对应电动机的不同转速、不同列对应发电机的不同转速；数表的行列互换成转置矩阵形式亦可；数表任一位置所对应的三个转速满足公式(2)；二维转矩输出矩阵是与二维转速遍历矩阵相对应的转速情况下动力***可输出的最大转矩数表T_ij。

7.根据权利要求6所述的一种行星混联式混合动力汽车驾驶员需求转矩计算方法，其特征在于：二维转速遍历矩阵形式的发动机转速数表的各行、列分别对应于两电机各转速，整个矩阵行、列所对应的电机转速覆盖了两电机的所有可能转速，矩阵元素所对应的发动机转速覆盖了发动机的所有可能转速；二维转矩输出矩阵中的元素是通过转速插值并根据行星排传动特性获得的；对于两矩阵中因行星排传递或插值计算可能出现的不合理数值通过计算程序以置0的方式剔除。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的行星混联式混合动力汽车驾驶员需求转矩计算方法，其特征在于：本发明方法计算过程中所用的动力源外特性曲线、最优工作曲线均为可直接使用的部件基本特性参数，所得结果是当前汽车工作状况下的驾驶员需求转矩，即驾驶员对汽车动力***的实时转矩需求。