CN108394403A - 一种功率分流式混合动力汽车模式切换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率分流式混合动力汽车模式切换控制方法，所述混合动力***包括发动机、第一电机、第二电机、第一离合器第二离合器等，所述控制方法首先划分***工作模式为MG2直驱模式、MG1&MG2联合驱动模式、混合动力模式、发动机直驱模式、再生制动模式与机械制动模式，然后通过检测元件采集模式切换所需信息并输入控制元件，基于当前已知信息在控制元件中进行识别与判断，选择适当模式，同时给出模式判断条件中相关阈值的计算方法。本发明可实现多种工作模式的合理切换，兼顾驾驶员驾驶意图与整车行驶状态，同时确保发动机、第一电机、第二电机均工作在高效率区域，在提高经济性的同时又可保证车辆动力性，具有较高的实用性。

Description

一种功率分流式混合动力汽车模式切换控制方法

技术领域

本发明属于混合动力汽车技术领域，特别涉及一种功率分流式混合动力汽模式切换控制方法。

背景技术

能源问题与污染问题对于当今汽车行业而言是亟待解决的两大难题，传统汽车依靠内燃机产生动力，对于石油的需求越来越高，能耗大，且燃烧产生的汽车尾气对于环境和人类生命安全具有较大危害。而新能源汽车则因其节能、减排、高效的优势迅速发展，其中，油电混合动力汽车兼具传统汽车与纯电动汽车的优点，在保证续驶里程的前提下降低能耗且具有较好的排放性能，拥有广阔的发展前景。

混合动力汽车具有多种构型，其中，行星混联式混合动力汽车能够通过行星耦合机构对动力源转速转矩进行解耦，结构紧凑，控制策略灵活，可以通过优化控制策略以及构型设计，实现多种工作模式，并通过不同模式之间的合理切换充分利用发动机和电机的动力，使动力源高效工作，发挥节能减排优势的关键在于各动力源的控制，其中模式切换是开展能量管理的前提，具有至关重要的作用。

现有技术中，针对行星混联混合动力***的构型优化方面以及能量管理策略方面的研究较多，而针对复杂行星混联混合动力***的模式切换控制方面的研究相对较少，模式区分较为粗糙，且模式切换条件方面考虑的因素较少。专利公布号为CN 106494383 A的专利，于2017.03.15日公开了一种行驶模式改变的控制方法及控制装置，该方法针对单轴并联式混合动力汽车，通过控制器计算当前***所需动力与参考动力，参考动力作为阈值调节纯电动(EV)模式和混合动力(EVT)模式之间的切换。单轴并联式构型模式简单，该方法仅考虑了***需求动力一个因素。专利公布号为CN 106427991 A的专利，公布日为2017.02.22，公开了一种工作模式控制***，同样针对单轴并联式构型，考虑了电池SOC与汽车车速因素选择驱动模式。专利号为CN 103171559 A的专利于2013.06.26公开了一种分模式最优化混联式混合动力汽车能量管理方法，该方法涉及模式切换部分考虑车速、电池SOC和车辆需求功率的因素进行常规模式、低速模式和高速模式之间切换，三种模式没有具体含义，不够准确详细。

发明内容

本发明针对带有两个离合器的功率分流式构型提出了一种模式切换的控制***以及控制方法，该方法细致区分了该研究对象的各个模式，利用三动力源特征曲线和检测元件采集的当前车辆行驶信息，在控制元件内进行了计算和模式切换条件判别过程，并由***中三个动力源和两个离合器执行控制元件发出的模式切换命令。

所述控制***的控制模式包括：MG2直驱模式、MG1&MG2联合驱动模式、混合动力模式、发动机直驱模式以及再生制动模式和机械制动模式。MG2直驱模式时，两个离合器均断开，由第二电机直接驱动整车。MG1&MG2联合驱动模式则通过第一离合器将行星架锁止，实现两电机并联驱动。混合动力模式时，两个离合器均断开，发动机和第二电机共同驱动，第一电机发电。发动机直驱模式时，关闭第二电机，通过第二离合器将太阳轮锁止，由发动机直接驱动整车。再生制动模式时，两个离合器均断开，制动能量通过第二电机单独回收。机械制动模式时，由制动器实行强制制动，不回收制动能量。

实现上述工作模式的切换所述模式切换方法包括以下步骤：

A、通过各信号传感器采集当前车辆信息，包括加速踏板开度信号a、制动踏板开度信号b、当前车速v、当前工作模式、三个动力源的转速信息、以及电池SOC信息并计算驱动需求功率P_d、充电需求功率P_c，然后输入整车控制器；

B、进行需求功率的计算：根据当前车速v，计算第二电机最高转速ω_max并推算发动机最高转速，然后根据发动机与第二电机各自的转速-转矩外特性曲线通过插值得到发动机最大转矩T_e与第二电机最大转矩T₂，进而由行星齿轮传动关系得到当前***可输出的最大总转矩T_max：

T_max＝T₂+kT_e/(1+k) (1)

则驱动需求功率P_d的计算方法为：

P_d＝aT_maxω_max/9549 (2)

计算充电需求功率P_c为

P_c＝β(SOC_max-SOC_re) (3)

式中，SOC_re为当前电池SOC，β为充电系数；若当前电池SOC低于SOC_min，则整车需求功率P_req为驱动需求功率P_d与充电需求功率P_c的和，否则整车需求功率P_req与驱动需求功率P_d相等；

所述控制方法涉及阈值包括电池SOC阈值上限SOC_max和电池SOC阈值下限SOC_min、需求功率阈值P_r和纯电动模式判断阈值S_r；

所述需求功率阈值P_r的计算方法为：根据功率分流混合动力***三动力源各自的转速、转矩与效率关系的map曲线，选择发动机、第一电机、第二电机各自的高效工作区域。电机直驱模式下输出功率阈值计算公式为

P_o1＝T_max2ω_max2/9549 (4)

式中，T_max2为第二电机高效工作区域最高转矩，单位Nm；ω_max2为高效工作区域最高转矩对应的最大转速，单位r/min；

MG1&MG2联合驱动模式下，最优输出功率上线阈值P_o2计算公式为

P_o2＝(kT′_max1+T′_max2)ω′_max1/k (5)

式中，k为行星排特性参数，T′_max1,′ω_max1,T′_max2,ω′_max2为满足同一输出转速时，第一电机与第二电机的高效工区重叠区域部分共同限制的转速与转矩范围，满足：

ω′_max2＝ω′_max1/k (6)

则需求功率阈值P_r为

P_r＝min{P_o1,P_o2,P_emin} (7)

其中，P_emin为发动机最优工作曲线的功率下限值，单位kW；

所述纯电动模式判断阈值S_r的计算方法为：选取第二电机高效率工作区域内最高转矩与对应转速，考虑该转速对应车速v_r、驾驶员非紧急加速时加速踏板变化率均值Δa_r两个因素，则纯电动模式判断阈值S_r计算方法：

S_r＝n₁v_r+n₂Δa_r (8)

式中n₁，n₂分别为v与Δα的权重系数，且满足：

n₁+n₂＝1 (9)

C、进行具体的模式切换判断。

C1、检测制动踏板开度信号b大于0时，若当前电池SOC若低于电池SOC阈值上限SOC_max，进入制动能量回收模式，控制离合器1与离合器2均断开，由第二电机单独回收制动能量，否则进入机械制动模式；

C2、检测制动踏板开度信号b为0，加速踏板开度信号a也为0时，汽车滑行；当检测制动踏板开度信号b为0，且加速踏板开度信号a大于0时，汽车驱动，依据后续判断进入相应的驱动功能模式：

C3、若整车需求功率P_req大于需求功率阈值P_r，进一步判断当前是否处于混合动力模式或发动机直驱模式；若不是，则进入混合动力模式；若是，则进一步检测当前模式持续时间，若持续时间不足三个信号采集步长，则维持当前模式；

C4、若当前模式持续时间大于等于三个信号采集步长，进一步判断当前工作点是否处于行星耦合***机械点附近：判断发动机转速ω_e与齿圈上第二电机转速ω_MG2的关系是否满足：

其中μ为一个接近0的小区间边界值，一般为0～0.1之间的数值，可取为0.05；若满足，则进入发动机直驱模式，否则，进入混合动力模式；

C5、若需求功率P_req小于需求功率阈值P_r，则判断电池SOC，若低于电池SOC阈值下限SOC_min，则进一步依据式(10)判断当前是否工作在行星耦合机构机械点附近，重复步骤C4；否则，针对当前加速踏板变化率Δa及车速v两个参数采用线性加权求和的方法进行纯电动模式分类：

S_rel＝n₁v+n₂Δa (11)

若S_rel≥S_r，则进入MG1&MG2联合驱动模式，否则进入MG2直驱模式；所述控制方法中计算需求功率阈值P_r所需的发动机、第一电机、第二电机转速-转矩-效率map曲线以及计算需求转矩所需的发动机、第二电机外特性曲线为产品自身特征曲线。

综上所述，本发明在提出的模式切换控制***和方法中，进行了工作模式的细致分类以及模式切换判断阈值的优选，在实际驾驶时可以通过不同模式的切换，满足驾驶员不同工况下的动力性需求，兼顾各个动力源的高效工作区，以提高经济性。

本发明的附加部分和优点将通过一个实施例给出，并结合附图和相应的说明。

附图说明

图1为本发明实施例的行星混联混合动力***结构示意图；

图2为根据本发明实施例的一种行星混联混合动力汽车模式切换的控制流程图；

图3为本发明实施例的控制方法总体示意图；

图4为根据本发明实施例的各种工作模式切换示意图。

图中：1、整车控制器；2、第一离合器油压控制器；3、第一电机控制器；4、电池管理***；5、第二电机控制器；6、发动机控制器；7、第二离合器油压控制器；8、发动机；9、扭转减震器；10、第一离合器；11、第一电机；12、第二离合器；13、行星耦合机构；14、第二电机；15、左后车轮；16、主减速器；17、右后车轮；18、逆变器；19、电池。

具体实施方式

下面接合附图所示的实施例对本发明的具体实施方法进行详细描述，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，可以是固定连接，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。

由于行星功率分流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。

首先，图1为本发明实施例的行星混联混合动力***结构示意图。如图1所示，发动机8通过扭转减震器9与第一离合器10相连到行星齿轮耦合机构13中的行星架上，第一电机11通过第二离合器与行星齿轮耦合机构13的太阳轮连接，第二电机14的动力与行星排齿圈相连，发动机8、第一电机11、第二电机14三个动力源的合成动力通过主减速器16传递到后左车轮15和后右车轮17驱动整车行驶，电池19通过逆变器18向第一电机11与第二电机14供电。

所述包含模式切换控制方法的控制单元位于整车控制器1，由整车控制器1接收来自检测元件的信号进行运算和控制，检测元件包括车速传感器、加速踏板开度传感器、制动踏板开度传感器等，当控制元件经过判断选择需切换的工作模式时，整车控制器输出模式切换信号以及各执行机构的控制指令，通过CAN总线与各部件控制器：发动机控制器6、第一离合器油压控制器2、第二离合器油压控制器7、第一电机控制器3；第二电机控制器5等进行交互，实现对发动机8、第一离合器20、第二离合器12，第一电机11，第二电机14以及制动器的控制。

根据本发明实施例，可实现的工作模式包括电机直驱模式、并联纯电动模式、混合动力模式、发动机直驱模式、再生制动模式以及机械制动模式。其中，电机直驱模式为第二电机14直接驱动整车，此时控制第一离合器10与第二离合器12均断开。并联纯电动模式时，需锁止第一离合器10，即固定行星架，第一电机11与第二电机14并联驱动整车行驶，与电机直驱模式相比，并联纯电动模式可输出更大的动力，但由于第一电机受到行星排转速关系的限制，仅工作在较低的车速范围内。混合动力模式时，发动机8与第二电机14共同驱动整车，第一电机11发电，第一离合器与第二离合器均断开。发动机直驱模式时，第二离合器12锁止太阳轮，第二电机随输出轴空转，发动机直接驱动整车，该模式可避免混合动力模式下，随车速升高，工作点超过机械点时带来的功率循环损失，提升经济性。再生制动模式时，制动能量由第二电机单独回收，两个离合器均断开，以保证回收效率。机械制动模式时，电池SOC较高，不再回收制动能量。

然后，根据本发明实施例，如图2模式切换控制框图所示，黑色箭头代表各个模式间相互切换的可行性，并联纯电动模式向发动机直驱模式切换时，需先断开第一离合器10，由行星耦合机构13中行星架拖动发动机8启动，才能关闭第一电机12与第二电机14，该过程必须经过混合动力模式，因此无法直接向发动机直驱模式切换。其余各模式间可相互切换。

进一步的，根据本发明实施例，模式切换控制方法总体示意图如图3所示，由各个传感器采集的信号如电池SOC、车速、各动力源转速等输入整车控制器的信号处理模块进行计算分析，将得到的当前需求功率等信息以及预设阈值输入模式决策模块，进行具体的模式切换控制判断，然后将得到的模式切换信号输入各部件的控制器内，对各个部件进行单独控制，实现整车模式的管理。

模式切换控制的具体判断方法如图4所示，首先依据加速踏板开度信号和制动踏板开度信号判断当前整车应处于驱动模式或制动模式。

若制动踏板开度信号大于0，则认为驾驶员有制动意图，整车控制器向制动器发送制动信号，再通过当前电池SOC与预设SOC阈值比较，选择进入再生制动模式或机械制动模式。若制动踏板信号等于0，加速踏板信号也等于0，则车辆进入滑行状态，三动力源负荷为0，车辆在行驶阻力的作用下渐渐减速。若制动踏板信号等于0，加速踏板信号大于0，则进一步判断应处于的驱动模式。

驱动模式的判断时依次在控制元件内比较整车需求功率与电池SOC，需求功率高或电池SOC低时需启动发动机，然后根据行星耦合***是否运行在机械点附近选择混合动力模式或发动机直驱模式，两个模式间切换时需判断模式持续时长以防止模式频繁启停。由纯电动模式进入有发动机参与动力传递的模式时，先进入混合动力模式以分解发动机与离合器的动作。

需求功率低，并且电池SOC高时，进入纯电动模式。控制单元综合考虑加速踏板开度变化率、车速与需求转矩三个因素，并进行线性加权和比较，在并联纯电动模式与电机直驱模式之间进行判断。

Claims (3)

1.一种功率分流式混合动力汽车模式切换控制方法，其特征在于：

所述功率分流式混合动力构型包含发动机、第一电机、第二电机三个动力源，动力电池和逆变器，第一离合器和第二离合器，以及制动器；

所述控制方法的行驶模式包括：MG2直驱模式、MG1&MG2联合驱动模式、混合动力模式、发动机直驱模式以及再生制动模式和机械制动模式；

所述模式切换控制方法包括以下步骤：

A、模式切换所需信息输入

通过各信号传感器采集当前车辆信息，包括加速踏板开度信号a、制动踏板开度信号b、当前车速v、当前工作模式、三个动力源的转速信息、以及电池SOC信息并计算驱动需求功率P_d、充电需求功率P_c，然后输入整车控制器；

B、信号的处理与预设阈值的计算

所述需求功率的计算：根据当前车速v，计算第二电机最高转速ω_max并推算发动机最高转速，然后根据发动机与第二电机各自的转速-转矩外特性曲线通过插值得到发动机最大转矩T_e与第二电机最大转矩T₂，进而由行星齿轮传动关系得到当前***可输出的最大总转矩T_max：

T_max＝T₂+kT_e/(1+k) (1)

则驱动需求功率P_d的计算方法为：

P_d＝aT_maxω_max/9549 (2)

计算充电需求功率P_c为

P_c＝β(SOC_max-SOC_re) (3)

式中，SOC_re为当前电池SOC，β为充电系数；若当前电池SOC低于SOC_min，则整车需求功率P_req为驱动需求功率P_d与充电需求功率P_c的和，否则整车需求功率P_req与驱动需求功率P_d相等；

所述控制方法涉及阈值包括电池SOC阈值上限SOC_max和电池SOC阈值下限SOC_min、需求功率阈值P_r和纯电动模式判断阈值S_r；

所述需求功率阈值P_r的计算方法为：根据功率分流混合动力***三动力源各自的转速、转矩与效率关系的map曲线，选择发动机、第一电机、第二电机各自的高效工作区域；电机直驱模式下输出功率阈值计算公式为

P_o1＝T_max2ω_max2/9549 (4)

式中，T_max2为第二电机高效工作区域最高转矩，单位Nm；ω_max2为高效工作区域最高转矩对应的最大转速，单位r/min；

MG1&MG2联合驱动模式下，最优输出功率上线阈值P_o2计算公式为

P_o2＝(kT′_max1+T′_max2)ω′_max1/k (5)

式中，k为行星排特性参数，T′_max1,ω′_max1,T′_max2,ω′_max2为满足同一输出转速时，第一电机与第二电机的高效工区重叠区域部分共同限制的转速与转矩范围，满足：

ω′_max2＝ω′_max1/k (6)

则需求功率阈值P_r为

P_r＝min{P_o1,P_o2,P_emin} (7)

其中，P_emin为发动机最优工作曲线的功率下限值，单位kW；

所述纯电动模式判断阈值S_r的计算方法为：选取第二电机高效率工作区域内最高转矩与对应转速，考虑该转速对应车速v_r、驾驶员非紧急加速时加速踏板变化率均值Δa_r两个因素，采用线性加权求和的方法，则纯电动模式判断阈值S_r计算方法：

S_r＝n₁v_r+n₂Δa_r (8)

式中n₁，n₂分别为v与Δα的权重系数，且满足：

n₁+n₂＝1 (9)

C、模式切换具体方法

C1、检测制动踏板开度信号b大于0时，若当前电池SOC若低于电池SOC阈值上限SOC_max，进入制动能量回收模式，控制离合器1与离合器2均断开，由第二电机单独回收制动能量，否则进入机械制动模式；

C2、检测制动踏板开度信号b为0，加速踏板开度信号a也为0时，汽车滑行；当检测制动踏板开度信号b为0，且加速踏板开度信号a大于0时，汽车驱动，依据后续判断进入相应的驱动功能模式：

C3、若整车需求功率P_req大于需求功率阈值P_r，进一步判断当前是否处于混合动力模式或发动机直驱模式；若不是，则进入混合动力模式；若是，则进一步检测当前模式持续时间，若持续时间不足三个信号采集步长，则维持当前模式；

C4、若当前模式持续时间大于等于三个信号采集步长，进一步判断当前工作点是否处于行星耦合***机械点附近：判断发动机转速ω_e与齿圈上第二电机转速ω_MG2的关系是否满足：

其中μ为一个接近0的小区间边界值，一般为0～0.1之间的数值，可取为0.05；若满足，则进入发动机直驱模式，否则，进入混合动力模式；

C5、若需求功率P_req小于需求功率阈值P_r，则判断电池SOC，若低于电池SOC阈值下限SOC_min，则进一步依据式(10)判断当前是否工作在行星耦合机构机械点附近，重复步骤C4；否则，针对当前加速踏板变化率Δa及车速v两个参数求得线性加权和S_rel，用于纯电动模式分类：

S_rel＝n₁v+n₂Δa (11)

若S_rel≥S_r，则进入MG1&MG2联合驱动模式，否则进入MG2直驱模式。

2.根据权利要求1所述的一种功率分流式混合动力汽车模式切换控制方法，其特征在于：MG2直驱模式由第二电机直接驱动整车，第一离合器与第二离合器均断开；MG1&MG2联合驱动模式则通过第一离合器将行星架锁止，实现两电机并联驱动；混合动力模式时，发动机和第二电机共同驱动，第一电机发电，离合器均断开；发动机直驱模式时，通过离合器2将太阳轮锁止，由发动机单独提供动力；再生制动模式，制动能量由第二电机回收，离合器均断开；机械制动模式，不回收制动能量。

3.根据权利要求1所述的一种功率分流式混合动力汽车模式切换控制方法，其特征在于：计算需求功率阈值P_r所需的发动机、第一电机、第二电机转速-转矩-效率map曲线以及计算需求转矩所需的发动机、第二电机外特性曲线为产品自身特征曲线。