CN113733977A - 混合动力***电池吞吐量控制方法、混合动力***及汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明属于交通工具技术领域，公开了混合动力***电池吞吐量控制方法、混合动力***及汽车。该混合动力***电池吞吐量控制方法包括以下步骤：利用驾驶员需求功率Pdem和发动机的实际功率Pcur，计算动力电池的补偿功率Pbat；根据动力电池的补偿功率Pbat和动力电池的电压U，计算动力电池的目标电流Idem；根据动力电池的当前母线电流Icur和动力电池的目标电流Idem，计算动力电池的电流偏移量IΔ；根据比例系数Kp、积分系数Ki，计算电池调节功率Padj；根据发动机功率Pe、发动机转速ne、第一齿圈转速n2及行星排特性系数k，计算第一太阳轮分流功率Ps；利用动力电池的补偿功率Pbat、电池调节功率Padj及发电机的第一太阳轮分流功率Ps，获得驱动电机的输出功率P2，以控制动力电池吞吐量。

Description

混合动力***电池吞吐量控制方法、混合动力***及汽车
技术领域
本发明涉及交通工具技术领域，尤其涉及混合动力***电池吞吐量控制方法、混合动力***及汽车。
背景技术
混合动力汽车作为传统燃油车和纯电动汽车的过渡，异军突起，成为研究热点。混合动力汽车的动力***由多个动力源构成，通过合理的传动***结构设计和能量管理策略，可以实现需求功率在各动力源之间的合理分配以及动力***部件之间的协调控制，在保证动力性的前提下，改善整车经济性。
现有混合动力汽车具体分为串联式、并联式、混联式及插电式等，无论哪种方式，动力电池的性能至关重要。动力电池的吞吐量顾名思义，是指在单位时间内成功地传送的电量，具体包括动力电池的输入电量和输出电量。
现有对于混合动力电池大体具有以下研究方向，第一，提供了动力电池的退化模型，通过最小化电池燃料消耗，以达到延迟动力电池使用寿命的目的；第二，提出了一种动力电池容量衰减的模型，并根据其他最优目标求解传动系的最佳配置。这两种方式均没有提及对于动力电池的吞吐量的有效控制，如果混合动力汽车在稳态下，动力电池具有较大的吞吐量会直接影响动力电池的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供混合动力***电池吞吐量控制方法、混合动力***及汽车，用于有效控制电池吞吐量，以提高电池寿命。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
混合动力***电池吞吐量控制方法，用于对混合动力***中动力电池的吞吐量进行控制，所述混合动力***电池吞吐量控制方法包括以下步骤：
S1、利用驾驶员需求功率Pdem和发动机的实际功率Pcur，计算动力电池的补偿功率Pbat，其中，Pbat＝Pdem-Pcur；
S2、根据动力电池的补偿功率Pbat和动力电池的电压U，计算动力电池的目标电流Idem，其中，
Figure BDA0003279237630000021
S3、根据动力电池的当前母线电流Icur和动力电池的目标电流Idem，计算动力电池的电流偏移量IΔ，其中，IΔ＝Icur-Idem；
S4、根据比例系数Kp、积分系数Ki，计算电池调节功率Padj，其中，Padj＝Kp×IΔ+∑Ki×IΔ；
S5、根据发动机功率Pe、发动机转速ne、第一齿圈转速n2及行星排特性系数k，计算发电机的第一太阳轮分流功率Ps，其中，
Figure BDA0003279237630000022
S6、利用动力电池的补偿功率Pbat、电池调节功率Padj及发电机的第一太阳轮分流功率Ps，获得驱动电机的输出功率P2，其中，P2＝Pbat+Ps-Padj。
作为优选，在计算动力电池的补偿功率Pbat和电池调节功率Padj之前，还包括步骤S0、判断是否需要启动动力电池吞吐量调节模式。
作为优选，如果整车的车速大于第一预设速度，且整车的执行挡处于D挡，且发动机处于功率输出状态，启动动力电池吞吐量调节模式。
作为优选，如果整车的车速小于第二预设速度，或整车的执行挡处于非D挡，或发动机处于非功率输出状态，使动力电池吞吐量调节模式进行复位，其中第二预设速度小于第一预设速度。
作为优选，行星排特性系数k满足以下公式，k＝Z2/Z1，其中Z2为第一齿圈的齿数，Z1为第一太阳轮的齿数。
为达上述目的，本发明还提供了混合动力***，采用上述的混合动力***电池吞吐量控制方法进行控制，所述混合动力***包括：
发动机、第一行星架及第一行星轮，所述发动机的输出端连接于所述第一行星架，在所述第一行星架上转动设置有所述第一行星轮；
发电机和第一太阳轮，所述发电机的输出端连接于所述第一太阳轮，所述第一太阳轮位于所述第一行星架内部并与所述第一行星轮相啮合；
驱动电机和第一齿圈，所述驱动电机的输出端连接于所述第一齿圈，所述第一齿圈套设于所述第一行星架的外部并与所述第一行星轮相啮合；
输出轴，连接于所述第一齿圈。
作为优选，所述混合动力***还包括：
第二太阳轮，连接于所述驱动电机的输出端；
第二行星架和第二行星轮，在所述第二行星架上转动设置有所述第二行星轮，所述第二行星轮和所述第二太阳轮相啮合，所述输出轴分别穿设于所述第二太阳轮、所述第二行星架；
第二齿圈，套设于所述第二行星架的外部并和所述第二行星轮相啮合。
作为优选，所述混合动力***还包括主减速齿轮组件，所述主减速齿轮组件设置于所述输出轴远离所述第一齿圈的一端并连接于差速器。
作为优选，在所述第一行星架内设置有中心孔，所述第一太阳轮设置于所述中心孔内。
为达上述目的，本发明还提供了汽车，包括上述混合动力***。
本发明的有益效果：
本发明提供的混合动力***电池吞吐量控制方法，第一太阳轮分流功率Ps具体代表发电机的输出功率，驱动电机的输出功率为P2，为了实现对动力电池吞吐量的有效控制，理论上需要发电机的输出功率Ps和驱动电机的输出功率为P2相等，但是，当驾驶员需求功率Pdem和发动机的实际功率Pcur存在差异，驾驶员需求功率Pdem具体为发动机目标功率，需要动力电池进行功率补偿，使得动力电池的补偿功率Pbat同时受驾驶员需求功率Pdem和发动机的实际功率Pcur的影响，为稳定发动机的工作点，发动机的实际功率Pcur输出滞后于发动机目标功率。
另外，因驱动电机和发电机存在转速和扭矩误差，导致太阳轮的分流功率与实际功率有偏差。本发明首先计算出发动机的实际功率Pcur与目标功率之间的差额，从而得到动力电池的目标电流Idem，然后动力电池的当前母线电流Icur表示动力电池的实际电量，根据动力电池的实际电量和目标电流之差，利用PI控制器计算调节吞吐量的调节功率，最终通过驱动电机来实现动力电池输出功率的调节，从而减少因转速和扭矩误差带来动力电池的无用吞吐量，以提高动力电池的使用寿命。
本发明提供的混合动力***为行星排式结构，采用发动机、发电机及驱动电机三个动力源，共同决定输出轴的动力输出。第一行星架、第一行星轮、第一太阳轮和第一齿圈共同形成传动机构，通过合理布置传动机构，可以实现需求功率在各个动力源之间的合理分配，在保证动力性的前提下，改善整车经济性。
本发明提供的汽车，包括混合动力***，能够有效控制电池吞吐量，耐疲劳性好。
附图说明
图1是本发明提供的混合动力***的原理示意图；
图2是本发明提供的混合动力***电池吞吐量控制方法的流程图。
图中：
1、发动机；2、第一行星架；3、第一行星轮；4、第一太阳轮；5、第一齿圈；6、输出轴；7、第二太阳轮；8、第二行星架；9、第二行星轮；10、第二齿圈；11、主减速齿轮组件。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本实施例提供了一种汽车，具体为混合动力汽车，包括混合动力***，能够有效控制电池吞吐量，耐疲劳性好。
本实施例提供了一种混合动力***，具体为混联式和行星式混合动力***，适用于混合动力汽车技术领域。如图1所示，混合动力***包括发动机1、第一行星架2、第一行星轮3、发电机(图中未示出)、第一太阳轮4、驱动电机(图中未示出)、第一齿圈5及输出轴6，发动机1的输出端连接于第一行星架2，第一行星架2具体可以为圆环、三角形结构等，第一行星架2为相对其中心对称的结构，第一行星架2通过转轴转动设置有第一行星轮3。发电机的输出端连接于第一太阳轮4，第一太阳轮4位于第一行星架2的中心孔内，中心孔用于容纳第一太阳轮4，第一太阳轮4与第一行星轮3相啮合。驱动电机的输出端连接于第一齿圈5，第一齿圈5不是固定设置，驱动电机能够驱动第一齿圈5进行转动，第一齿圈5套设于第一行星架2的外部并与第一行星轮3相啮合，且第一齿圈5连接于输出轴6，输出轴6用于动力输出。
该混合动力***为行星排式结构，采用发动机1、发电机及驱动电机三个动力源，共同决定输出轴6的动力输出。第一行星架2、第一行星轮3、第一太阳轮4和第一齿圈5共同形成传动机构，通过合理布置传动机构，可以实现需求功率在各个动力源之间的合理分配，在保证动力性的前提下，改善整车经济性。
可以理解的是，驱动电机的输出端可以直连连接于第一齿圈5，驱动电机还可以通过行星结构间接连接于第一齿圈5。具体地，该混合动力***还包括第二太阳轮7、第二行星架8、第二行星轮9及第二齿圈10，驱动电机的输出端连接于第二太阳轮7，第二行星架8的中心上设置有安装孔，安装孔用于为第二太阳轮7提供安装空间，在第二行星架8上通过销轴转动设置有第二行星轮9，第二行星轮9和第二太阳轮7相啮合，输出轴6分别穿设于第二太阳轮7、第二行星架8。在第二行星架8的外部套设有第二齿圈10，第二齿圈10为固定设置并和第二行星轮9相啮合。
在这部分结构中，驱动电机驱动第二太阳轮7转动，为主动输入部分，随着第二太阳轮7的转动，带动第二行星轮9转动。由于第二齿圈10为固定设置，第二行星架8为从动输出部分，第二行星架8通过输出轴6连接于第一齿圈5，实现驱动电机和第一齿圈5的间接连接。
为了保证能够将输出轴6输出的动力分配给各个车轮，以完成整车的正常行驶，混合动力***还包括主减速齿轮组件11，主减速齿轮组件11设置于输出轴6远离第一齿圈5的一端，主减速齿轮组件11起到了将输出轴6的转速降低的作用。主减速齿轮组件11通过差速器将输出动力分别分配给各个车轮。
由于发电机为具有发电功能的部件，驱动电机为具有放电功能的部件，可以理解的是，在理想状态下，如果发电机所有发电并储存的电能刚好能够用于驱动电机的电能消耗，实现电能收支平衡，此时动力电池既不用电能输入也不用电能输出，即动力电池没有进行电流的充放过程，动力电池的吞吐量近似为零，在这种情况下，动力电池的使用寿命较长。
为此，本实施例还提供了一种混合动力***电池吞吐量控制方法，用于对混合动力***中动力电池的吞吐量进行控制，如图2所示，该混合动力***电池吞吐量控制方法包括以下步骤：
S1、利用驾驶员需求功率Pdem和发动机1的实际功率Pcur，计算动力电池的补偿功率Pbat，其中，Pbat＝Pdem-Pcur；
S2、根据动力电池的补偿功率Pbat和动力电池的电压U，计算动力电池的目标电流Idem，其中，
Figure BDA0003279237630000081
S3、根据动力电池的当前母线电流Icur和动力电池的目标电流Idem，计算动力电池的电流偏移量IΔ，其中，IΔ＝Icur-Idem；
S4、根据比例系数Kp、积分系数Ki，计算电池调节功率Padj，其中，Padj＝Kp×IΔ+∑Ki×IΔ；
S5、根据发动机功率Pe、发动机转速ne、第一齿圈转速n2及行星排特性系数k，计算发电机的第一太阳轮分流功率Ps，其中，
Figure BDA0003279237630000082
S6、利用动力电池的补偿功率Pbat、电池调节功率Padj及发电机的第一太阳轮分流功率Ps，获得驱动电机的输出功率P2，其中P2＝Pbat+Ps-Padj。
本实施例提供的混合动力***电池吞吐量控制方法，第一太阳轮分流功率Ps具体代表发电机的输出功率，驱动电机的输出功率为P2，为了实现对动力电池吞吐量的有效控制，理论上需要发电机的输出功率Ps和驱动电机的输出功率为P2相等，但是，当驾驶员需求功率Pdem和发动机1的实际功率Pcur存在差异，驾驶员需求功率Pdem具体为发动机目标功率，需要动力电池进行功率补偿，使得动力电池的补偿功率Pbat同时受驾驶员需求功率Pdem和发动机1的实际功率Pcur的影响，为稳定发动机1的工作点，发动机1的实际功率Pcur输出滞后于发动机目标功率。
另外，因驱动电机和发电机存在转速和扭矩误差，导致太阳轮的分流功率与实际功率有偏差。本发明首先计算出发动机1的实际功率Pcur与目标功率之间的差额，从而得到动力电池的目标电流Idem，然后动力电池的当前母线电流Icur表示动力电池的实际电量，根据动力电池的实际电量和目标电流之差，利用PI控制器计算调节吞吐量的调节功率，最终通过驱动电机来实现动力电池输出功率的调节，从而减少因转速和扭矩误差带来动力电池的无用吞吐量，以提高动力电池的使用寿命。
进一步地，如图2所示，在计算动力电池的补偿功率Pbat和电池调节功率Padj之前，还包括步骤S0、判断是否需要启动动力电池吞吐量调节模式。可以理解的是，如果整车不是处于稳态下，需要动力电池进行电能的输入和输出，在保证节能的同时，还能保证良好的动力性能。如果整车处于稳态下，油门保持固定不动，发动机1保持输出功率不变，在这种状态下，动力电池无需进行充电和放电的过程。
具体地，如果整车的车速大于第一预设速度，且整车的执行挡处于D挡，且发动机1处于功率输出状态，启动动力电池吞吐量调节模式。换而言之，整车的执行挡处于D挡，意味着整车处于前进状态，如果整体的车速比较大，且发动机1处于功率输出状态，认定为整车处于稳态状态下，动力电池无需进行充电和放电的过程，从而开启动力电池吞吐量调节模式，调节电池吞吐量功能。
如果整车的车速小于第二预设速度，或整车的执行挡处于非D挡，或发动机1处于非功率输出状态，使动力电池吞吐量调节模式进行复位，其中第二预设速度小于第一预设速度。换而言之，整车的执行挡处于非D挡，意味着整车没有处于前进状态，如果整体的车速比较小，且发动机1处于非功率输出状态，认定为整车不是处于稳态状态下，此时需要动力电池进行充电和放电的过程，从而不开启动力电池吞吐量调节模式，并复位调节动力电池吞吐量功能。
进一步地，行星排特性系数k满足以下公式，k＝Z2/Z1，其中Z2为第一齿圈5的齿数，Z1为第一太阳轮4的齿数。通过设置行星排特性系数k，可以得出行星齿轮机构运动的特性方程，从而得到发电机的第一太阳轮分流功率Ps和发动机功率Pe之间的对应关系。
本实施例提供的混合动力***电池吞吐量控制方法包括以下步骤：
S0、判断是否需要启动动力电池吞吐量调节模式，若是，执行S01或S02，若否，执行结束命令；
S01、如果整车的车速大于第一预设速度V1＝25km/h，且整车的执行挡处于D挡，且发动机1处于功率输出状态，启动动力电池吞吐量调节模式；
S02、如果整车的车速小于第二预设速度V2＝15km/h，或整车的执行挡处于非D挡，或发动机1处于非功率输出状态，使动力电池吞吐量调节模式进行复位；
S1、利用驾驶员需求功率Pdem＝20kw和发动机1的实际功率Pcur＝14kw，计算动力电池的补偿功率Pbat，其中，Pbat＝Pdem-Pcur＝20kw-14kw＝6kw；
S2、由动力电池的补偿功率Pbat＝6kw和动力电池的电压U＝360v，计算动力电池的目标电流Idem，其中，
Figure BDA0003279237630000101
S3、由动力电池的当前母线电流Icur＝19A和动力电池的目标电流Idem＝16.7A，计算动力电池的电流偏移量IΔ，其中，IΔ＝Icur-Idem＝19A-16.7A＝2.3A；
S4、根据比例系数Kp＝0.1kw/A、积分系数Ki＝0.03kw/A·S，计算电池调节功率Padj，其中，Padj＝Kp×IΔ+∑Ki×IΔ＝0.1kw/A×2.3A+0.03kw/A·2.3A＝0.299kw；
S5、根据发动机功率Pe＝40kw、发动机转速ne＝1500rpm、第一齿圈转速n2＝2500rpm及行星排特性系数k＝2.1，计算发电机的第一太阳轮分流功率Ps，其中，
Figure BDA0003279237630000102
S6、利用动力电池的补偿功率Pbat、电池调节功率Padj及发电机的第一太阳轮分流功率Ps，获得驱动电机的输出功率P2，其中，P2＝Pbat+Ps-Padj＝6kw-5.16kw-0.299kw＝0.541kw。
于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“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、材料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。
此外，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.混合动力***电池吞吐量控制方法，用于对混合动力***中动力电池的吞吐量进行控制，其特征在于，所述混合动力***电池吞吐量控制方法包括以下步骤：
S1、利用驾驶员需求功率Pdem和发动机(1)的实际功率Pcur，计算动力电池的补偿功率Pbat，其中，Pbat＝Pdem-Pcur；
S2、根据动力电池的补偿功率Pbat和动力电池的电压U，计算动力电池的目标电流Idem，其中，
Figure FDA0003279237620000011
S3、根据动力电池的当前母线电流Icur和动力电池的目标电流Idem，计算动力电池的电流偏移量IΔ，其中，IΔ＝Icur-Idem；
S4、根据比例系数Kp、积分系数Ki，计算电池调节功率Padj，其中，Padj＝Kp×IΔ+∑Ki×IΔ；
S5、根据发动机功率Pe、发动机转速ne、第一齿圈转速n2及行星排特性系数k，计算发电机(1)的第一太阳轮分流功率Ps，其中，
Figure FDA0003279237620000012
S6、利用动力电池的补偿功率Pbat、电池调节功率Padj及发电机(1)的第一太阳轮分流功率Ps，获得驱动电机的输出功率P2，其中，P2＝Pbat+Ps-Padj。
2.根据权利要求1所述的混合动力***电池吞吐量控制方法，其特征在于，在计算动力电池的补偿功率Pbat和电池调节功率Padj之前，还包括步骤S0、判断是否需要启动动力电池吞吐量调节模式。
3.根据权利要求2所述的混合动力***电池吞吐量控制方法，其特征在于，如果整车的车速大于第一预设速度，且整车的执行挡处于D挡，且发动机(1)处于功率输出状态，启动动力电池吞吐量调节模式。
4.根据权利要求3所述的混合动力***电池吞吐量控制方法，其特征在于，如果整车的车速小于第二预设速度，或整车的执行挡处于非D挡，或发动机(1)处于非功率输出状态，使动力电池吞吐量调节模式进行复位，其中第二预设速度小于第一预设速度。
5.根据权利要求1所述的混合动力***电池吞吐量控制方法，其特征在于，行星排特性系数k满足以下公式，k＝Z2/Z1，其中Z2为第一齿圈(5)的齿数，Z1为第一太阳轮(4)的齿数。
6.混合动力***，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的混合动力***电池吞吐量控制方法进行控制，所述混合动力***包括：
发动机(1)、第一行星架(2)及第一行星轮(3)，所述发动机(1)的输出端连接于所述第一行星架(2)，在所述第一行星架(2)上转动设置有所述第一行星轮(3)；
发电机和第一太阳轮(4)，所述发电机的输出端连接于所述第一太阳轮(4)，所述第一太阳轮(4)位于所述第一行星架(2)内部并与所述第一行星轮(3)相啮合；
驱动电机和第一齿圈(5)，所述驱动电机的输出端连接于所述第一齿圈(5)，所述第一齿圈(5)套设于所述第一行星架(2)的外部并与所述第一行星轮(3)相啮合；
输出轴(6)，连接于所述第一齿圈(5)。
7.根据权利要求6所述的混合动力***，其特征在于，所述混合动力***还包括：
第二太阳轮(7)，连接于所述驱动电机的输出端；
第二行星架(8)和第二行星轮(9)，在所述第二行星架(8)上转动设置有所述第二行星轮(9)，所述第二行星轮(9)和所述第二太阳轮(7)相啮合，所述输出轴(6)分别穿设于所述第二太阳轮(7)、所述第二行星架(8)；
第二齿圈(10)，套设于所述第二行星架(8)的外部并和所述第二行星轮(9)相啮合。
8.根据权利要求7所述的混合动力***，其特征在于，所述混合动力***还包括主减速齿轮组件(11)，所述主减速齿轮组件(11)设置于所述输出轴(6)远离所述第一齿圈(5)的一端并连接于差速器。
9.根据权利要求6所述的混合动力***，其特征在于，在所述第一行星架(2)内设置有中心孔，所述第一太阳轮(4)设置于所述中心孔内。
10.汽车，其特征在于，包括权利要求6-9任一项所述混合动力***。
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