CN101007533B - 机电混合动力系统及其控制 - Google Patents

Abstract

本发明介绍一种机电混合动力系统及其动力控制策略和方法。该混合动力系统包括发动机(内燃机)、变速器，储能器和动力系统控制器等主要零部件。变速器是一个由动力传输装置和动力调节装置构成的动力分流系统。动力调节装置由局部机电串联系统组成。该变速器利用调节流经局部串联系统的动力去调控整个动力系统输出端的速度和扭矩组合，即所谓的动力状态。变速器至少可提供一个以复合动力分流为主的工作状态。动力系统控制器根据动力系统工作情况调配发动机的输出动力和储能器的输入、输出能量，并进一步设定发动机的动力状态(扭矩和转速)。系统控制器根据发动机设定转速和实际工作转速的误差信号，通过设置并控制电机工作扭矩来实现对发动机转速的控制。同时，还通过发动机控制器调控发动机的工作扭矩。

Description

机电混合动力系统及其控制

技术领域

本发明介绍一种混合动力系统及其控制方法，着重介绍一种以复合动力分流为主要工作方式的机电混合动力分流系统及其控制方法。该混合动力系统可广泛应用于各种车辆和动力设备。

背景技术

动力系统包括发动机(内燃机)和一个由变速器、差速器和传动轴组成的传动系统。它的作用是向车辆的驱动轮提供所需的驱动动力。发动机有一定的速度和扭矩范围，并在其中很小的范围内达到最佳的工作状态，这时或是油耗最小，或是有害排放最低，或是俩者皆然。然而，实际路况千变万化，不但表现在驱动轮的转速上同时还表现在驱动轮所要求的扭矩上。因此，实现发动机的转速和扭矩，即所谓的动力状态，与驱动轮动力状态之间的匹配是变速器的首要任务。

目前市场上的变速器主要有有级变速器和无级变速器两大类。有级变速器又分为手动和自动两种。它们大多数通过齿轮系或行星轮系不同的啮合排列来提供有限个离散的输出输入速比。在相邻两个速比之间，驱动轮速度的调节则依靠发动机转速变化来实现。

无级变速器，无论是机械式，液压式，还是机-电式的，都能在一定速度范围内提供无限个连续可选用的速比，理论上说，驱动轮的速度变化完全可通过变速器来完成。这样，发动机可以尽可能地工作在最佳转速范围内。无级变速器与有级变速器相比，具有调速平稳，能充分利用内燃机最大功率等诸多优点。因此，多年来无级变速器一直是各国工程师们研究的对象。目前推向市场的无级变速器有金属摩擦带式和球腔摩擦轮式两种，其中以带式较为普遍。

与理想要求的工作情况相比，现有的变速器无论是有级的或是无级的都不能完全满足发动机与驱动轮之间的动力匹配要求。这是因为现有的变速器只能完成动力的传输而不能实现动力的调节。变速器的输入与输出功率是相同的(不计变速器内耗)。因此，这样的变速器只能对输入、输出的速比或输出、输入的扭矩比进行单项调节，而不能对二者同时进行独立的调节。

近年来，电机混合动力系统的诞生和该技术的发展为实现发动机与驱动轮之间动力的完全匹配开拓了新的途径。在众多的动力系统总成设计方案中，最具代表性的有串联混合系统和并联混合系统两种。电机串联混合系统，发动机-发电机-电动机-轴系-驱动轮组成一条串联的动力链，动力总成结构极为简单。其中，发电机-电动机组合可视为传统意义下的变速器。当与储能器，如电池，电容等联合使用时，该变速器又可作为能量调节装置，完成对速度和扭矩的独立调节。

电机并联系统有两条并行的、独立的动力链。一条由传统的机械变速器组成，另一条由电机-电池系统组成。机械变速器负责完成对速度的调节，而电机-电池系统则完成对功率(动力)或扭矩的调节。为充分发挥整个系统的潜能，机械变速器还需采用无级变速的方式。

串联混合系统的优点在于结构简单，布局灵活。但由于全部动力通过发电机和电动机，因此电机的功率要求高，体积大，重量重。同时，由于能量传输过程经过两次机-电，电-机的转换，整个系统的效率较低。并联混合系统，只有部分动力通过电机系统，因此，对电机的功率要求相对较低。整体系统的效率较高。然而，此系统需两套独立的子系统，造价高。通常只用于弱混合系统。

发明内容

本发明所介绍的是一种以复合动力分流为主要工作方式的混合动力分流系统及其控制策略和方法。该系统由发动机、变速器和动力系统控制器等主要零部件组成。该系统采用动力分流原理，利用局部的动力变化去控制总系统输出端的动力状态，实现对输出端速度和扭矩的独立调节。动力分流由变速器完成，它由两部分组成，机械传动装置和动力调节装置。混合动力系统通常还包括储能器，如电池，电容或气液压力罐等。变速器中的动力调节装置可有多种形式，即可以是电机-电动机组合，也可以是油泵-油马达组合或摩擦传动装置等等。

本发明说明书将以机电混合动力系统为例介绍一种实用的机电混合动力分流系统及其控制方法。机电混合动力系统采用电机-电动机组合作为变速器的动力调节装置。该动力调节装置相当于一个局部电机串联系统。由于分流系统仅将部分动力送往动力调节装置，因此，该系统有效地克服了串联混合系统的缺点，具较高的传动效率。本发明介绍的分流系统的优点还在于其机械结构简单，对电机系统的扭矩和功率要求较低。它能够在要求的范围内对速比(输出/输入)和动力进行连续和独立的调节。在控制方法上，具有稳定、可靠、易于实施的特点。它能够通过电机对发动机转速提供有效的控制。

在速度调节方面，本文介绍的系统可实现从倒退、停止到前进的不间断的无级变速。无需传统的摩擦离合器或液力耦合器等启动装置。当变速器的无级变速功能与发动机扭矩控制有效的配合时，可大幅度的提高整车的燃油效率。

在动力(power)调节方面，本文介绍的系统可通过储能器有效地补充驱动轮所需的驱动动力从而更合理地调配发动机的动力，保持发动机的工作状态不受或少受路况的影响，使其可始终工作在设定的良好的动力状态，以提高整车的效率。同时，本文介绍的混合动力系统还可回收制动时的动能，返送回储能器中。所有这些举措都大幅度地提高整体车辆的燃油效率。

最后，本发明所介绍的混合动力分流系统在生产和制造方面都比目前的自动变速器简单。这将为低价格、高性能产品打下了良好的基础。

附图说明

图1、是混合动力系统实施方案示意框图

图2、是机电无级变速器第一实施方案的结构示意框图

图3、是四分枝系统转速梯图

图4、是电机电力比与变速器输出、输入速比的关系曲线

图5、是混合动力系统控制流程框图

图6、是驱动扭矩与动力踏板位置和车速的关系示意图

图7、动力系统及发动机工作参数设置流程框图

图8、是发动机动力状态以及油耗等值线图

图9、是发动机转速控制系统示意框图

图10、是电机扭矩指令设置流程框图

图11、是机电无级变速器第二实施方案结构示意图

具体实施方式

本发明可以有多种具体的实施方案或方式。其控制策略和方法不仅限于所介绍的实施方案。

图1为本发明所介绍的混合动力系统的典型实施方案示意框图。它包括控制系统和执行装置两部分。执行装置由发动机(或内燃机，100)，机电无级变速器(简称变速器，110)，齿轮传动轴系(115)，差速器(120)，驱动轴(125)，驱动轮(130)和电池组(160)等主要部件组成。发动机的输出端联接于变速器的输入轴(105)。变速器的输出端通过传动链条(135)与齿轮传动轴系(115)联接。这样，动力系统的动力由传动链条(135)经齿轮传动轴系(115)，差速器(120)以及与之相联接的驱动轴(125)传送至驱动轮(130)。对于前桥驱动系统，齿轮传动轴系(115)通常包括在变速器(110)中。控制系统包括动力系统控制器(系统控制器，150)，发动机控制单元ECU(140)，变速器控制单元TCU(变速器控制器，155)，电池控制单元BCU(165)和制动器控制模块BCM(145)等主要单元和模块。动力系统控制器(150)通过控制区通讯网络(CAN)与各部件子控制单元，如发动机控制单元(140)，变速器控制单元TCU(155)，电池控制单元BCU(165)以及制动器控制模块BCM(145)等相联接，并通过它们对整个动力系统以及相关零部件或子系统实施控制。动力系统控制器可与一个或多个子控制单元或模块组成一个集中的控制单元或模块。也可以以单个的形式存在。各控制器，子控制单元以及控制模块(150，140，145，155，165)可包括一个或多个微处理器，存储器，数据管理器以及输出、输入接口。

动力控制器(150)根据动力踏板或油门(170)，制动踏板(180)，速区选择杆(190)，工作模式选择钮，车速以及其它传感器(200)所提供的信息，设定并控制发动机(100)和变速器(110)的工作状态以及电池(160)的充、放电过程。

机电无级变速器(110)是该混合动力系统的核心部件。它是一个由行星轮系构成动力分流装置，担负着动力及动力状态的匹配和调控作用。图2所示是机电无级变速器的第一种实施方案的结构示意框图。它包括两个行星轮系(PG1，PG2)。第一个行星轮系(PG1)由圈轮(R1)，一组行星轮(P1)和行星轮架(C1)组成，为一个不完全的行星轮系，它仅包含两个同轴转动件(R1和C1)。第二个行星轮系由圈轮(R2)，一组行星轮(P2)，行星轮架(C2)和太阳轮(S2)组成，构成一个完全的行星轮系。它有三个同轴转动件(R2，C2和S2)。图2所示的变速器还包括两台电机(EM1，EM2)和相应的驱动、控制器(CTL)。每台电机由一个转子(RT1或RT2)、一个定子(ST1或ST2)和相应的转角或转速传感器(图中未显示)组成。此外，该变速器还包括输入轴(SFT1)，输出轴(SFT2)和动力传输齿轮(G1，G2，G3)等零部件。

第一行星轮(P1)均布于第一圈轮(R1)内侧，与其作内啮合。第二行星轮(P2)均布于第二圈轮(R2)和太阳轮(S2)之间，与第二圈轮(R2)作内啮合，与太阳轮(S2)作外啮合。第一、第二行星轮系(PG1、PG2)构成一个复合行星轮系，其中第一行星轮架(C1)与第二行星轮架(C2)相联，构成公共行星轮架(C或C1C2)；第一个行星轮系中的每一个行星轮(P1)分别与第二个行星轮系相应的行星轮(P2)相联接，同轴共速，构成行星轮对。每一对行星轮中的两个行星轮具有相同的自转和公转角速度。各对行星轮由公共行星轮架(C)通过轴承支持。这样，两个行星轮系构成一个四分枝系统(Four-Branch System)。每 个分枝代表一个或一组转动体，具有一个单独的旋转角速度(转速)。太阳轮(S2)构成该四枝系统的第一枝；公共行星架(C或C1C2)构成四枝系统的第二枝；第二圈轮(R2)构成四枝系统的第三枝，第一圈轮(R1)构成四枝系统的第四枝。如此构成的四分枝系统可表述为：

S2-C1C2-R2-R1

各分枝的转速关系可由图3所示的速度梯图来表示。

上述四分枝系统的各个分枝与电机(EM1，EM2)以及输入轴(SFT1或I)、输出轴(SFT2或O)之间作如下连接：第一电机(EM1)通过与第一圈轮(R1)的连接，联于四分枝系统的第四枝R1(EM1)。第二电机(EM2)通过与太阳轮(S2)的连接，联于四枝系统的第一枝S2(EM2)。输入轴(SFT1或I)通过与公共行星轮架(C或C1C2)的连接，接入四枝系统的第二枝C1C2(I)。输出轴(SFT2或O)通过传递齿轮(G1和G2)以及传递链条(135)与第二圈轮(R2)相接，联入四枝系统的第三枝R2(O)。上述四分枝系统(S2-C1C2-R2-R1)及其与电机(EM1，EM2)和输入轴(I)、输出轴(O)的连接关系可以简洁地表述如下：

S2(EM2)-C1C2(I)-R2(O)-R1(EM1)

式中每一项代表四分枝系统的一个分枝。每个分枝后括号内的符号表示该分枝所连接的零部件。

本发明所介绍的复合行星系是动力分流装置，起着动力分配、疏导和合成的作用。上述联接方式将发动机输出动力分成两个独特的通路来传输：一路为由两个电机串联所组成的电力链；另一条为齿轮系并联所组成的机械动力链，简称为机械链。变速器输出端的动力状态以及输出、输入端的速比可以通过这两条动力传输链的动力分配比例来调节。定义电机电力与发动机输出动力之比ρ＝P_em/P_eng为电机的电力分配比，简称电机电力比；电池电力与发动机输出动力之比β＝P_bat/P_eng为电池电力比。则在稳态条件下，各电机电力比ρ与输出、输入速比SR和电池电力比β之间的关系可由下列方程式表述：

$\frac{P_{\mathrm{EM}1}}{P_{\mathrm{eng}}}=\frac{K_2(K_1-1)}{K_1{K}_2-1}\·[\mathrm{SR}-\frac{K_1-K_2}{K_2(K_1-1)}]\·[\frac{(K_2+1)(1+\mathrm{\β})}{K_2}\·\frac{1}{\mathrm{SR}}-1]---\left[1\right]$

$\frac{P_{\mathrm{EM}2}}{P_{\mathrm{eng}}}=-\frac{K_2(K_1-1)}{K_1{K}_2-1}\·[\mathrm{SR}-\frac{(K_1-K_2)(1+\mathrm{\β})}{K_2(K_1-1)}]\·[\left(\frac{K_2+1}{K_2}\right)\·\frac{1}{\mathrm{SR}}-1]---\left[2\right]$

式中K₁和K₂分别为行星轮系PG1，PG2的特征齿数比，以圈轮齿数N_R和行星轮齿数N_P表示时可写成：

$K_1=\frac{N_{R1}}{N_{R1}-2N_{P1}};$ $K_2=\frac{N_{R2}}{N_{R2}-2N_{P2}}---\left[3\right]$

以输出、输入速比SR为横坐标，电机电力比ρ为纵坐标，根据电机电力分配比例的方程式[1]，[2]可绘出如图4所示的给定电池电力比β条件下电机电力比与速比的关系曲线。这条曲线上有几个特殊点。在这些点上，至少某一个电机电力比为零。此时，该电机处于零功率状态。这些点称为变速器的节点。每个电机至少对应着两个节点。当电机的转速为零时，其对应的节点称为速度节点；当电机的扭矩为零时，其对应的节点称为扭矩零点。

由电力分配比例方程式[1]，[2]，可解算出第一、第二速度节点的位置SR_1S，SR_2S，和扭矩节点的位置SR_1T，SR_2T

${\mathrm{SR}}_{1S}=\frac{K_1-K_2}{K_2(K_1-1)};$ ${\mathrm{SR}}_{2S}=\frac{K_2+1}{K_2}---\left[4\right]$

${\mathrm{SR}}_{1T}=\frac{K_2+1}{K_2}(1+\frac{P_{\mathrm{bat}}}{P_{\mathrm{eng}}});$ ${\mathrm{SR}}_{2T}=\frac{K_1-K_2}{K_2(K_1-1)}(1+\frac{P_{\mathrm{bat}}}{P_{\mathrm{eng}}})---\left[5\right]$

第一速度节点和第二速度节点之间的距离称为变速器速比跨距，以SR_2S与SR_1S的商来表示， $\mathrm{\φ}=\frac{{\mathrm{SR}}_{2S}}{{\mathrm{SR}}_{1S}}$ 它反映变速器速比的有效范围，决定两速度节点之间电机电力比的极值。

$\frac{P_{\mathrm{EM}1\_\max }}{P_{\mathrm{eng}}}=\frac{{[\sqrt{\mathrm{\φ}(1+\mathrm{\β})}-1]}^2}{\mathrm{\φ}-1}---\left[6\right]$

$\frac{P_{\mathrm{EM}\_2\min }}{P_{\mathrm{eng}}}=-\frac{{[\sqrt{\mathrm{\φ}}-\sqrt{1+\mathrm{\β}}]}^2}{\mathrm{\φ}-1}---\left[7\right]$

为保证变速器正常工作，电机的额定功率必需大于发动机输出功率与电机电力比极值的乘积，

$\left|P_{\mathrm{EM}1}\right|\≥\frac{{[\sqrt{\mathrm{\φ}(1+\mathrm{\β})}-1]}^2}{\mathrm{\φ}-1}\·P_{\mathrm{eng}}---\left[8\right]$

$\left|P_{\mathrm{EM}2}\right|\≥\frac{{[\sqrt{\mathrm{\φ}}-\sqrt{1+\mathrm{\β}}]}^2}{\mathrm{\φ}-1}\·P_{\mathrm{eng}}---\left[9\right]$

本发明介绍的复合动力分流系统有两个速度节点(SR_1S和SR_2S)，在这两速度节点之间的速比范围内，变速器对电机的功率要求低，小于其它分流形式对电机功率的要求。在远离这两个速度节点之外的速比区(SR＜SR_1S或SR＞SR_2S)，会出现所谓的动力回流，即电力链传输的动力大于系统输出端输出的动力。

图4中虚线表示电池电力比为零时(β＝0)，电机电力比与速比的关系曲线；实线表示电池充电时(电池电力比β＝-0.5)，电机电力比与速比的关系曲线。可见，在速比SR小于第一速度节点(SR＜SR_1S)的低速比区，适当提高发动机输出动力，向储能器补充能量(电 池充电)，可有效地降低电机的电力比，从而控制动力回流。本发明的控制策略和方法将利用这个特点限制或避免过度的动力回流。

图2所示的复合动力分流系统(机电无级变速器)提供一个前行区，一个逆行区和多种工作状态。

前行区

前行区包括低速比区，中速比区和超速比区。在前行区，变速器以复合动力分流为主要驱动形式。在低速比区，车辆的动力要求低。当电池充电状态(SOC)高于设定的最低域值(SOC_LL)时，可采用纯电力驱动方式；当电池充电状态(SOC)低于最低域值(SOC_LL)时，可提高发动机输出动力，使之不低于车辆驱动所需动力。发动机输出动力不但用于驱动车辆，同时还对电池进行充电。这样可以有效地限制或避免动力回流。

在中速比区，控制系统采用最优效益的控制策略调配系统动力，设定发动机工作状态。

在超速比区，可酌情提高发动机转速或在设计时合理选择第二速度节点SR_2S的位置，以限制实际速比SR与SR_2S之间的关系，使之不超越SR_2S太多，特别是在发动机输出动力较高的情况下。详细的控制策略和方法将在下文中介绍。

逆行区

逆行区可延用前行区的驱动方式。为了限制电力链中的电机电力分配比，避免动力回流或动力内循还，逆行区可采用纯电力驱动的方式传递动力。

空挡和泊车

变速器第一实施方案还可提供包括空挡在内的其他工作状态。显然，当两台电机均处于关断状态(零扭矩)时，变速器处于空挡状态。泊车则可通过同时锁定两台电机或锁定输出轴上的啮合式离合器(图中未显示)来完成。

其他工作状态

此外，变速器还可用于发动机的点火启动。发动机的点火启动可由两台电机配合共同完成。

可见，本发明所介绍的混合动力系统不但可提供机电混合动力驱动状态还可以提供纯电力驱动状态。在机电混合动力驱动工作状态中，两电机之间所传递的动力(电力)不需保持平衡。一个电机转换产生的电能可能会多于或少于另一电机转换消耗的电能。能量的差额由储能器(电池)补充或容纳。两台电机相互配合，共同承担动力系统的速度调节和动力调节的功能。

图5为混合动力系统动力控制流程图，包括若干个主要环节。在混合动力系统的运行过程中控制系统按照预定的时间间隔重复执行此流程，保证发动机和变速器工作在既定的工作状态。每个主要环节可进一步包含一个或多个子环节。

每一个流程循环开始时动力系统控制器执行第一个环节(S1000)，接受各相关传感器传送的信号，其中包括速区选择或工作模式信号，车速(V_veh，或驱动轴转速ω_veh)信号、动力踏板位置(PS_acc)信号以及制动踏板位置(PS_brk)信号，并将这些信号进行转换、处理或运算，为系统决策提供依据。

在第二环节(S2000)中，动力系统控制器根据第一环节所提供的信息确定车辆所需的驱动扭矩(T_veh)和驱动动力(P_veh)。驱动扭矩与动力踏板位置和车速的关系可以以函数或图表的形式给出，如图6所示。驱动轴扭矩与转速的乘积即为驱动动力。驱动扭矩以函数形式表述可写为，

T_veh＝C_acc·PS_acc-C_brk·PS_brk-C_cst                            [10]

其中C_acc，C_brk，C_cst为比例系数或常数。C_acc由最大许可扭矩确定。当车速较低时，它为常数。当车速较高时，它为变数，随车速的增加而减小。这是因为最大许可扭矩受最大许可动力(功率)的限制，随车速的增加而减小。C_brk由极限扭矩确定，C_cst可取为常数或与车速有关的变量。所需驱动动力可写为，

$P_{\mathrm{veh}}=T_{\mathrm{veh}}\·\frac{V_{\mathrm{veh}}}{R_w}---\left[11\right]$

其中R_W为驱动轮半径。当驱动动力为负值时，车辆将减速，部分或全部动能将以制动能量的形式通过电机回受(Regnerative Braking)，返送到储能器中。

控制流程的第二个环节(S2000)，还确定动力系统的总动力要求P_sys。总动力包括驱动动力P_veh、分动动力(POWER-TAKE-OFF)以及其它非机械动力要求，如空调、照明、仪表和视听设备等。计算动力系统总动力要求时应考虑并计入动力传输过程中各环节中的能量(动力)损耗。

系统动力控制流程的第三个环节(S3000)是设置系统各工作参数。动力系统控制器根据系统总动力要求以及动力总成各部件当前的工作状态对各动力资源(发动机，储能器)进行合理的调配并制定相关的工作参数，使系统达到希望的工作状态。所谓希望的工作状态通常以最佳油耗，最佳排放或最佳加速性能为目的。在这个环节中，系统控制器向各下属执行机构或其控制器，如发动机ECU，变速器TCU，电池BCU以及制动器BCM等发出工作指令。这些指令包括，但不仅限于燃油喷射器开启或关闭状态指令，发动机开启或关闭指令，发动机设定转速ω_{eng_set}，发动机设定扭矩T_{eng_set}，变速器设定输出扭矩T_{trans_req}，以及制动力或制动扭矩指令T_{brk_set}。

储能器(电池)和其相应的控制单元根据动力调配环节中的设定目标值输出或输入动力，并监控充、放电电流，电压，温度和包括能量状态，能量转换效率等在内的其它一些反映工作情况的参数。同时，储能器将这些信息反馈到系统控制器中为实时控制提供依据。此外，储能器能量传输和控制装置(电路)还对最大许可输入、输出动力加以限制，以保证系统安全、可靠地工作。

系统动力控制流程的第四个环节(S4000)，系统控制器根据以上环节提供的参数，通过下属变速器控制器设定电机的工作扭矩，以实现对发动机转速的控制。

此外，系统控制器对决策结果进行必要认证或修正，确保各参数均在安全许用的范围内，系统能够平稳地运行。

系统动力控制流程的最后一个主要环节(S5000)根据以上各环节设定的控制参数，通过发动机控制器ECU和变速器控制器TCU，对发动机和两台电机实施控制。此外，系统动力控制器还监控储能器的能量传输以及工作状态，监控制动器的执行过程。

系统工作参数设置环节(S3000)所包含的内容较多，其中包括驱动模式选择，发动机动力确定和发动机工作状态设置等。它可进一步划分为如图7示若干子环节。

子环节(S3100)读入反映系统工作状态的参数和传感器信号，其中包括车速，系统总动力要求，车辆当前的驱动模式，发动机已开启或关闭的时间，发动机温度，电池充电状态SOC，电池充、放电极限电压、电流或功率，电池效率和电机效率等等。

子环节(S3200)确定系统驱动模式。系统控制器根据车速V_veh，动力要求P_sys和电池充电状态SOC，依照既定的控制策略，设定驱动模式和发动机工作状态。当车速，或变速器输出、输入速比低于预定值时，或者要求的驱动动力小于预定值时，动力系统控制器将根据电池充电状态SOC在如下两种驱动模式和发动机工作状态中选择一种以限制或避免过度的动力回流，提高系统效率。

1、当SOC大于最低域值SOC_LL时，采用纯电力驱动，发动机关闭。

2、当SOC小于最低域值SOC_LL时，以发动机为主动力源，使发动机输出动力不小于驱动动力，向储能器(电池)补充能量(充电)。

子环节(S3300)确定发动机输出动力。系统控制器根据系统总动力要求P_sys以及动力总成各部件当前的工作状态，效率和限制条件，在参数许可范围内对各动力资源进行合理的调配。这是一个系统总效益指数η_sys的最优化过程。发动机最佳输出动力的选取就是在给定系统工作状态和动力要求的条件下，使系统总效益指数η_sys达到最大值。

maxη_sys＝η_sys(η_eng，μ_elc，P_sys，P_eng)                          [12]

系统总效益指数η_sys包含了发动机燃油效率η_eng，电机效率η_em，电机驱动及控制器效率η_inv，电池效率η_bat，充电状态SOC，电池输出、出入动力P_bat，发动机输出动力P_eng以及系统总动力P_sys等参数。综合反映了包括电池充电状态SOC，电压、电流在内的一些参数极值约束条件下系统的总效益。

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{sys}}=\left\{\begin{array}{c}1-(1+{\mathrm{\α}}_m)(\frac{1}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{eng}}}-1)\frac{P_{\mathrm{eng}}}{P_{\mathrm{sys}}}-(1+{\mathrm{\α}}_E)(\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{elc}}}-1)(1-\frac{P_{\mathrm{eng}}}{P_{\mathrm{sys}}});(P_{\mathrm{eng}}\≤P_{\mathrm{sys}})\\ 1-(1+{\mathrm{\α}}_m)(\frac{1}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{eng}}}-1)\frac{P_{\mathrm{eng}}}{P_{\mathrm{sys}}}+(1+{\mathrm{\α}}_E)(1-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{elc}})(1-\frac{P_{\mathrm{eng}}}{P_{\mathrm{sys}}});(P_{\mathrm{eng}}\≥P_{\mathrm{sys}})\end{array}\right.---\left[13\right]$

式中α_m，α_E分别为机械链和电力链的功耗折算系数。μ_elc代表了电气部分的综合效益指数。它是电池能量交换效率η_bat，驱动器效率η_inv，充电状态SOC以及充、放电功率P_bat的函数。一些相关参数，如SOC等，的极限值约束条件可以以罚函数或惩罚因子的形式包含在综合效益指数中。这样，在总效益指数的优化过程中，系统工作参数的约束条件和极限值自然得到了满足或实施。

μ_elc＝μ_elc(η_bat，η_inv，SOC，P_bat)                              [14]

为加快运行速度，实用中可将最优化计算的结果以图表的形式存入系统控制器的可读储存器中，供决策时查取。

子环节(S3400)设置发动机的动力状态。发动机的每一种转速和扭矩组合(ω_eng，T_eng)代表一种动力状态(图8)，以P_eng(ω_eng，T_eng)表示。即使在相同的动力要求下，不同的动力状态对应着不同的燃油效率。

发动机动力状态的设置是指在给定发动机动力要求P_eng的条件下，选择发动机的转速和扭矩的组合，使其工作在希望的工作状态下，以保证油耗、排放最低或综合指标最佳。图8所示的是发动机在各动力状态下的油耗等值线图。图中细实线表示油耗等值线。细虚线代表动力等值线。粗实线为目标工作状态线。粗虚线代表极限扭矩线。当希望的工作状态是以油耗最低为目的时，目标工作状态线与每一条动力等值线的交点(P_m)应取在该动力等值线上的最低油耗点(λ_m)。目标工作状态线可以以发动机动力要求为自变量，发动机转速和扭矩为因变量预先存入动力系统控制器的可读内存中。在执行过程中，系统控制器只需根据发动机的输出动力要求分别读出或查值计算出发动机的转速和扭矩。

当发动机的动力状态设定后，动力系统控制器立即操控下属子控制单元执行相应的控制程序以控制发动机的速度和扭矩，保证发动机尽可能地工作在设定的动力状态。发动机的速度控制是通过调控变速器电机的扭矩来实现的，其具体步骤在将子环节(S4100)至(S4400)中描述。发动机的扭矩控制则主要由发动机控制器(ECU)通过控制进气量，空气燃油混合比，电喷或点火时间等来实现。

子环节(S3500)设定变速器输出扭矩和制动器要求的制动力或制动扭矩。变速器输出扭矩可根据车辆所需的驱动扭矩，传动比和传动效率并考虑限制条件后确定。制动器的制动扭矩可根据总制动扭矩要求和系统所能够容纳的最高回收动力以及车速来确定。制动器的控制和执行系统(BCM)根据设定的目标制动动力或扭矩生成相应的指令并监控各车轮制动执行装置产生相应的制动扭矩。

发动机转速的控制是通过电机扭矩控制来实现的。发动机，电机，齿轮传动装置，速度传感器以及电机驱动及控制电路组成一个闭环控制系统。图9为该闭环控制系统的示意框图，其控制部分包括直馈和反馈两部分。电机工作扭矩设置由变速器控制单元TCU完成，其流程如图10所示。它包括(S4100)至(S4400)的若干子环节。

首先，子环节(S4100)输入相关的系统工况参数。其中包括发动机设定转速ω_{eng_set}和实际转速ω_eng，发动机设定扭矩T_{eng_set}或根据实测参数估算的实际扭矩T_{eng_est}(统称参考发动机扭矩，以T_{eng_set}表示)，以及变速器设定的输出扭矩T_trans。

然后，子环节(S4200)根据变速器设定输出扭矩(T_trans)和输入扭矩(参考发动机扭矩，T_{eng_set})计算各电机扭矩的稳态值(TB_EM1，TB_EM2)，向系统提供直馈信息。电机稳态扭矩又称为基本扭矩或直馈扭矩。

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{TB}}_{\mathrm{EM}1}\\ {\mathrm{TB}}_{\mathrm{EM}2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{CK}}_{11}& {\mathrm{CK}}_{12}\\ {\mathrm{CK}}_{21}& {\mathrm{CK}}_{22}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{trans}}\\ T_{\mathrm{eng}\_\mathrm{set}}\end{array}\right]---\left[15\right]$

式中CK₁₁，CK₁₂，CK₂₁，CK₂₂为扭矩折算常数，与行星轮系的结构及其特征齿数比有关。对于图2所示实施方案，

${\mathrm{CK}}_{11}=\frac{K_1-K_2}{K_2(K_1{K}_2-1)};$ ${\mathrm{CK}}_{12}=-\frac{K_1-1}{K_1{K}_2-1};$

${\mathrm{CK}}_{21}=\frac{K_1(K_2^2-1)}{K_2(K_1{K}_2-1)};$ ${\mathrm{CK}}_{22}=-\frac{K_1(K_2-1)}{K_1{K}_2-1};---\left[16\right]$

子环节(S4300)将速度传感器提供的发动机转速信号(ω_eng)与发动机设定转速值(ω_{eng_set})进行比较得出转速误差信号(Δω_eng)。根据转速误差，按照相关的控制理论计算出电机扭矩修正值，作为系统的反馈信息。电机扭矩的修正值又称为修正扭矩，动态扭矩或反馈扭矩。

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{TF}}_{\mathrm{EM}1}\\ {\mathrm{TF}}_{\mathrm{EM}2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{f}_1\left({\mathrm{\Δ\ω}}_{\mathrm{eng}}\right)\\ f_2\left({\mathrm{\Δ\ω}}_{\mathrm{eng}}\right)\end{array}\right]---\left[17\right]$

式中f_j(Dw_eng)为速差反馈函数

f_j(Δω_eng)＝G_Pj·Δω_eng+G_Ij·∫Δω_engdt+G_Dj·Δω_eng，(j＝1，2)    [18]

Δω_eng＝ω_{eng_set}-ω_eng，                                            [19]

G_Pj，G_Ij，G_Dj(j＝1，2)为PID增益常数。

子环节(S4400)计算电机的总扭矩，即工作扭矩。电机的总扭矩为稳态扭矩与修正扭矩之合。

$\left[\begin{array}{c}{T}_{\mathrm{EM}1}\\ T_{\mathrm{EM}2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{TB}}_{\mathrm{EM}1}\\ {\mathrm{TB}}_{\mathrm{EM}2}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{TF}}_{\mathrm{EM}1}\\ {\mathrm{TF}}_{\mathrm{EM}2}\end{array}\right]---\left[20\right]$

变速器控制单元TCU将电机工作扭矩指令下达至相应的电机控制器并通过它及其电力电子驱动电路对电机的扭矩实施调控。

可见，复合分流状态下发动机转速的控制是通过对两个电机扭矩控制协同完成。其特点是电机扭矩指令由稳态扭矩(TB_EM1，TB_EM2)和动态扭矩(TF_EM1，TF_EM2)组成。动态扭矩包含发动机转速误差反馈函数。

电机扭矩控制的实施由相应的电力电子驱动和控制电路实现，在子控制环节(S5000B。S5000C)中完成。系统控制器按预定时间间隔反复执行此子控制循环。电机扭矩的控制方法以及相应的电力电子驱动电路根据电机构造的不同会有所变化。以同步永磁电机为例，电机扭矩控制将通过相关理论转换为相应的电压控制，并以脉宽调制方法(PWM)实现。

至此，我们以图2所示的动力分流系统为变速器的实施方案，介绍了图1所示的混合动力系统的控制策略和具体的控制方法。事实上，上述混合动力分流系统的控制策略和方法，还适用于以其它动力分流系统(结构)为变速器实施方案的混合动力系统。图11为变速器的第二种实施方案。它代表了功能相同，结构相异的另一种动力分流系统。该动力分流系统由完全行星轮系(PG1)和非完全行星轮系(PG2)，电机(EM1，EM2)以及输入、输出轴 (SFT1或I，SFT2或O)组成。其中PG1和RG2构成一个复合行星轮系。第一行星轮系(PG1)包括太阳轮(S1)，行星轮(P1)，圈轮(R1)和行星轮架(C1)；第二行星轮系(PG2)包括太阳轮(S2)，行星轮(P2)和行星轮架(C2)。第一行星轮系(PG1)中的每一个行星轮(P1)与第二行星轮系(PG2)中相应的行星轮(P2)连接，构成行星轮对。每一对行星轮同轴共速。第一行星轮架(C1)与第二行星轮架(C2)连接，构成公共行星轮架(C1C2)。上述复合行星轮系与电机(EM1，EM2)以及输入(I)、输出(O)轴的连接方式可采用前面介绍的方法表述如下：

S2(EM2)-S1(I)-C1C2(O)-R1(EM1)

就控制策略和方法而言，本发明所介绍的动力控制策略和方法完全适用。

变速器还可有其它实施方案。其中一些方案可采用前述方法表述如下：

S1(EM1)-S2(I)-C1C2(O)-R2(EM2)

S1(EM1)-S2(O)-C1C2(I)-R2(EM2)

S1(EM1)-S2(I)-C1C2(O)-R1(EM2)

S1(EM1)-S2(O)-C1C2(I)-R1(EM2)

S1(EM1)-S2(I)-R2(O)-R1(EM2)

S1(EM1)-S2(O)-R2(I)-R1(EM2)

S1(EM1)-C1C2(I)-R2(O)-R1(EM2)

S1(EM1)-C1C2(O)-R2(I)-R1(EM2)

S2(EM1)-C1C2(I)-R2(O)-R1(EM2)

S2(EM1)-C1C2(O)-R2(I)-R1(EM2)

这些方案的共同点是构成四分枝系统的复合行星轮系由两个行星轮系复合而成。其中一个行星轮系的行星轮与另一个行星轮系的行星轮组成行星轮对。两个行星轮系的行星轮架组成公共行星轮架。本发明所介绍的动力控制策略和方法适用于所有以这些实施方案为变速器的混合动力系统。

可见，本发明介绍的动力控制策略和方法有广泛适用性。它可部分或全部应用于由发动机和其它基于动力分流原理的变速器等所组成的混合动力系统。其中变速器可以采用不同的动力分流结构或系统，包括输出动力分流系统、复合动力分流系统或输出分流-复合分流组合成的动力分流系统等。

最后需要说明的是，本发明所述变速器的各个实施方案中，电机可以直接连接于行星轮系(PG1，PG2)的相应齿轮，如文中所介绍的那样。此外，电机还可通过中介齿轮或减速器间接地连接于行星轮系(PG1，PG2)中的相应齿轮。这样不但可以平衡、调整电机的工作区域，还可调整系统的整体结构布局。

Claims (10)

1.一种向驱动轴提供动力的混合动力系统，包括发动机，变速器和动力控制系统；动力控制系统至少包括发动机控制器；其特征是：变速器包括一个复合行星轮系，第一、第二两台电机和相应的电机驱动、控制器；所述复合行星轮系由第一、第二两个行星轮系组成；第一行星轮系的行星轮与第二行星轮系的行星轮构成行星轮对，每个行星轮对中的各行星轮具有相同的自转和公转角速度；所述混合动力系统有第一、第二两个速度节点，在速度节点上，所述两台电机中的一台电机的转速为零；第一速度节点是所述两个速度节点中较小的一个；动力控制系统至少提供如下功能：(1)设置系统总动力要求，(2)调配系统动力资源，(3)设定发动机转速和扭矩；动力控制系统直接或通过子控制单元间接设置各电机的工作扭矩指令，并通过电机驱动和控制器控制、调节两台电机的工作扭矩以实现对发动机转速的控制，同时，动力控制系统还直接或通过发动机控制器间接控制发动机扭矩；所述动力控制系统的控制策略包括限制或避免在变速器输出、输入速比小于第一速度节点变速器输出、输入速比时出现的动力回流：当在变速器输出、输入速比小于第一速度节点的条件下，以发动机为主动力源时，混合动力系统应提高发动机输出动力，使之高于车辆所需驱动动力。

2.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征是：组成复合行星轮系的第一、第二两个行星轮系中至少有一个是非完全行星轮系；所述非完全行星轮系包含不多于两个同轴转动件。

3.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征是：电机工作扭矩包括直馈扭矩和反馈扭矩两部分；反馈扭矩随发动机转速误差的变化而变化；直馈扭矩由变速器输出扭矩与发动机输出扭矩确定，

式中TB_EM1，TB_EM2分别为第一、第二电机的直馈扭矩，T_trans为变速器输出扭矩，T_{eng_set}为参考发动机扭矩；CK₁₁，CK₁₂，CK₂₁，CK₂₂为扭矩折算常数，根据行星轮系的结构及其特征齿数比确定。

4.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特点是：混合动力系统还包括储电器；储电器向电机输出或接受电机输入的能量；电机的额定功率不小于电机电力比的极值与发动机输出功率的乘积P_{EM_ref}，即

式中 

其中，P_EM1，P_EM2分别是第一、第二电机的额定功率；SR_1S，SR_2S分别为所述第一、第二速度节点处变速器的输出输入速比，SR_2S＞SR_1S；P_bat为储电器输入或输出动力，P_eng为发动机输出功率。

5.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特点是：发动机，电机，齿轮传动装置，速度传感器以及电机驱动及控制电路组成一个闭环控制系统，所述闭环控制系统的控制部分包括直馈和反馈两部分，发动机转速信号为所述闭环控制系统的反馈信号，发动机转速的控制通过电机扭矩控制来实现。

6.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特点是：混合动力系统还包括储电器；所述动力控制系统的控制策略包括限制或避免在变速器输出、输入速比小于第一速度节点变速器输出、输入速比时出现的动力回流：在变速器输出、输入速比小于第一速度节点的低速比区，当储电器储能状态允许时，采用纯电力驱动模式，当储电器储能状态不允许时，以发动机为主动力源，提高发动机输出动力，使之高于驱动车辆所需的动力。

7.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特点是：变速器还至少包括一个动力输入轴和一个动力输出轴；其复合行星轮系构成一个四分枝系统；该四分枝系统与两台电机以及所述输入轴和输出轴有如下任何一种结构布置和连接方式：

S2(EM2)-C1C2(I)-R2(O)-R1(EM1)或

S2(EM2)-S1(I)-C1C2(O)-R1(EM1)或

S1(EM1)-S2(I)-C1C2(O)-R2(EM2)或

S1(EM1)-S2(O)-C1C2(I)-R2(EM2)或

S1(EM1)-S2(I)-C1C2(O)-R1(EM2)或

S1(EM1)-S2(O)-C1C2(I)-R1(EM2)或

S1(EM1)-S2(I)-R2(O)-R1(EM2)或

S1(EM1)-S2(O)-R2(I)-R1(EM2)或

S1(EM1)-C1C2(I)-R2(O)-R1(EM2)或

S1(EM1)-C1C2(O)-R2(I)-R1(EM2)或

S2(EM1)-C1C2(I)-R2(O)-R1(EM2)或

S2(EM1)-C1C2(O)-R2(I)-R1(EM2)，

式中每一项代表四分枝系统的一个分枝，各分枝以“-”号分开；S1、S2分别表示第一、第二太阳轮；R1、R2分别表示第一、第二圈轮；C1C2表示公共行星轮架；每项后面括号内的符号EM1，EM2，I或O代表与该分枝相连接的零部件；EM1代表第一电机，EM2代表第二电机，I代表输入轴，O代表输出轴。

8.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特点是：所述动力控制系统对混合动力系统的控制流程包括如下环节：(1)读入驾驶及车辆状态信息环节，(2)设定车辆驱动扭矩、计算驱动功率以及系统总动力要求环节，(3)计算并设定发动机及动力系统工作参数环节，(4)设定电机扭矩指令环节，(5)发动机控制以及第一、第二电机控制环节。

9.根据权利要求8所述的混合动力系统，其特点是；所述计算并设定发动机及动力系统工作参数环节进一步包括如下子环节：(3a)读入系统工作状态参数，(3b)确定驱动模 式，(3c)设定发动机输出动力，(3d)设定发动机转速和扭矩，(3e)设定变速器输出扭矩和制动器制动力或制动扭矩。

10.根据权利要求8所述的混合动力系统，其特点是；所述设定电机扭矩指令环节包括：(4a)读入传感器及发动机控制器的输出信号，(4b)计算第一、第二电机基本扭矩，(4c)计算第一、第二电机反馈扭矩，(4d)设定第一、第二电机扭矩指令。 

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