CN101088820A - 串联式混合动力电动汽车辅助动力单元控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种辅助动力单元(APU，包括发动机、发电机)控制方法，具体为串联式混合动力电动汽车辅助动力单元控制方法。该控制方法依据当前动力电池剩余电量(SOC)选择车辆运行模式(包括纯电动模式和混合动力模式)，混合动力模式时实现发动机的自动起停控制和冷机时的怠速暖机，在充电过程中保持APU在最经济区域内运行，同时还对APU系统参数进行监测并在车载信息系统中显示。本发明的控制方法可以提高整车动力系统的效率、提高燃油经济性及优化发动机排放，并能明显延长动力电池的使用寿命和车辆的续驶里程。

Description

串联式混合动力电动汽车辅助动力单元控制方法

技术领域

本发明涉及一种辅助动力单元(APU，包括发动机、发电机)控制方法，具体为一种串联式混合动力电动汽车APU控制方法。

背景技术

随着愈来愈严重的环境污染问题和石油资源短缺问题，世界各国政府特别是工业发达国家政府、世界各大汽车公司和科技人员都在极力发展新的、具有友好环境关系的车辆，电动汽车就是在这种情况下产生的。电动汽车主要包括纯电动汽车、燃料电池汽车、混合动力汽车。然而，纯电动汽车在动力电池技术和快速充电技术上还有很多不足，燃料电池汽车在氢的制取和储存技术上也没有取得令人满意的突破，这就限制了这两种汽车的推广和应用。

在纯电动汽车和燃料电池汽车技术尚不完全成熟的条件下，改善现有燃油汽车技术，发展由内燃机和电池-电机相结合的混合动力电动汽车技术是解决现存问题的主要途径。

混合动力电动汽车是对传统内燃机汽车和纯电动汽车的完美结合。与传统内燃机汽车相比，混合动力电动汽车在动力性、经济性和排放等方面具有非常好的竞争优势；而与纯电动汽车相比，则又克服了充电时间长和续驶里程短的缺点。因而被公认为是电动汽车发展过程中为有利于市场化而推出的一种新车型，普遍认为它是投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、市场接受程度高、最易实现产业化的主流清洁车型，从而引起世界各大汽车公司的关注。

串联式混合动力电动汽车中APU对于汽车的续驶里程及动力电池的寿命有重要的意义。但是，一方面，现有APU控制方法形式单一：要么采用手动控制方式，要么采用自动控制方式，无法适应复杂的或者特殊的控制要求；另一方面，现有APU控制方法所依据的动力电池SOC(荷电状态)参数值不能灵活改变，无法适应动力电池的状态或类型变化。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种串联式混合动力电动汽车APU控制方法。本发明充分考虑APU控制的灵活性，采用手动控制和自动控制两种可选择控制方式；在APU系统出现异常时能够降参数运行或者停机，起到保护APU的作用；能很好地适应电池类型或参数的变化，并能够根据动力电池SOC，预测电动汽车的剩余续驶里程，从而对APU进行控制。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本发明中的装置主要包括有APU控制器、含电子节气门和电子控制单元(ECU)的发动机、发电机、动力电池及电池管理系统、驱动电机及其控制器。其中，起动电机、发动机、发电机之间机械连接，驱动电机与主减速器之间机械连接。发动机与APU之间、动力电池与电池管理系统之间、驱动电机与其控制器之间均为电连接。起动电机、电子节气门、发动机ECU、发电机冷却液温度传感器、电池管理系统及驱动电机控制器均与APU控制器连接，构成控制网络。参数设定模块与APU控制器电连接，电动电池SOC的设定阈值、最大充电电流及转速给定值可以通过该模块输入至APU控制器。

本发明的APU控制方法包括以下步骤：

1)检测动力电池开路电压，并计算动力电池SOC₀(初始荷电状态)。

2)通过参数设定模块设定动力电池SOC的第一设定值、第二设定值，最大充电电流和APU的初始转速给定值；

3)计算动力电池的SOC，选择APU控制方式；如果为手动控制，则直接判断APU是否已运行，若APU未运行，则由APU控制器控制起动电机起动发动机，待发动机冷却液温度达到起始工作温度时转入步骤6；若APU已经运行，则直接转到步骤6；如果为自动控制，则进入步骤4；

4)判断动力电池SOC是否低于第一设定值。如果低于第一设定值，则判断APU是否处于运行状态，若APU未运行，由APU控制器控制起动电机起动发动机，待发动机冷却液温度达到起始工作温度时转入步骤6；若APU已运行，则直接进入步骤6；如果动力电池SOC高于第一设定值，则进入步骤5；

5)判断动力电池SOC是否高于第二设定值；如果高于第二设定值，则判断APU的运行状态，若APU正在运行，则由APU控制器通过电子节气门控制APU停止运行，并返回步骤3；若APU未运行，APU控制器不做任何操作，直接返回步骤3。如果动力电池SOC低于第二设定值，则APU维持原状态；

6)APU运行时，可以改变初始转速给定值作为转速给定值，APU控制器根据所检测的转速给定值对其进行恒定转速控制，同时检测APU系统运行参数，当APU运行参数超出允许范围时，APU控制器通过电子节气门降低APU转速，直至能维持其正常运行；如果APU转速降至无充电电流时，仍然不能满足运行条件，则停止APU的运行，并返回步骤3。

所述的动力电池的SOC的计算方法为，APU控制器每次上电时，都要检测动力电池的开路电压，由动力电池SOC与开路电压之间的关系确定SOC₀(初始荷电状态)，APU控制器工作过程中，实时检测动力电池的充、放电电流(充电电流取正值，放电电流取负值)和充、放电时间，并计算二者的乘积，所述的乘积为当充、放电两种状态同时存在时，该乘积为充电电流与充电时间乘积和放电电流与放电时间乘积的代数和，当只有充电状态存在时，该乘积为充电电流与充电时间的乘积，当只有放电状态存在时，该乘积为放电电流与放电时间的乘积；计算所得的此乘积与动力电池总容量的比值再与SOC₀求代数和即为动力电池此时的SOC。

在充电过程中，根据转速给定值，APU控制器控制APU在转速误差范围内运行，并同时检测发动机冷却液温度、发电机冷却液温度。当APU运行参数超出允许范围时，逐渐降低APU转速，直至能维持APU的正常运行。如果APU转速降至无充电电流时，仍然不能满足运行条件，则停止APU的运行，以保护发动机和发电机工作在正常的温度范围内。

所述的APU控制器还实时检测车速和驱动电机的驱动电流值，根据车速、驱动电流值、动力电池总容量及其SOC确定车辆的续驶里程，具体确定方法为：

$S=\frac{Q_c}{I_{\mathrm{dr}}}v=\frac{C_i*\mathrm{SOC}}{I_{\mathrm{dr}}}v$

式中S为车辆剩余续驶里程，Q_c为动力电池剩余电量，C_i为动力电池总容量，SOC为动力电池荷电状态，I_dr为驱动电机的驱动电流，v为车速。

所述参数设定模块由四个电位器和相应的A/D转换电路组成。四个电位器分别输入SOC的第一设定值、第二设定值，最大充电电流和APU的转速给定值，APU控制器通过A/D转换电路采集电位器两端模拟电压并将其转换为数字量，作为设定参数。

本发明具有以下优点：1)具有手动和自动两种APU控制方式可供选择；2)决定APU起停的动力电池SOC可通过参数设定模块灵活设定；3)可根据动力电池SOC、车速与驱动电流计算剩余行驶里程；4)APU系统异常时可降参数运行或者停机。

附图说明

图1为本发明结构框图

图2为本发明控制方法的实现流程图

具体实施方式

下面结合附图1～2对本发明作进一步说明。

本实施例的装置如图1所示，本发明中的装置主要包括有APU控制器、含电子节气门和电子控制单元(ECU)的发动机、发电机、动力电池及电池管理系统、参数设定模块、驱动电机及其控制器。起动电机、电子节气门、发动机ECU、发电机冷却液温度传感器、电池管理系统及驱动电机控制器均与APU控制器连接，构成控制网络。此外，还设置有与APU控制器电连接的参数设定模块，APU初始转速给定值、电动电池SOC的设定阈值及最大充电电流可以通过该模块输入至APU控制器。参数设定模块由四个电位器和相应的A/D转换电路组成，四个电位器分别输入SOC的第一设定值、第二设定值、最大充电电流和APU的转速给定值，APU控制器通过A/D转换电路采集电位器两端模拟电压并将其转换为数字量，作为设定参数。

为了方便地实现控制，APU控制方式分为自动控制和手动控制两种。设置自动控制和手动控制方式的优势在于增强了系统控制的灵活性。

本实施例中APU控制器的控制方法，如图2所示。首先检测动力电池的开路电压，由动力电池SOC与开路电压之间的关系确定SOC₀，然后通过参数设定模块将APU初始转速给定值、动力电池SOC的第一设定值、第二设定值和最大充电电流输入至APU控制器，本实施例中动力电池SOC的第一设定值为0.4、第二设定值为0.8；最大充电电流为75安培；初始转速给定值为3500转/分钟。实时检测动力电池的充、放电电流(充电电流取正值，放电电流取负值)和充、放电时间，并计算二者的乘积，所述的乘积为当充、放电两种状态同时存在时，该乘积为充电电流与充电时间乘积和放电电流与放电时间乘积的代数和，当只有充电状态存在时，该乘积为充电电流与充电时间的乘积，当只有放电状态存在时，该乘积为放电电流与放电时间的乘积；计算所得的乘积，即安时数，该安时数与SOC₀的代数和即为动力电池此时的SOC。

选择APU控制方式，如果选择手动控制，则判断发动机是否已运行，若未运行，则由APU控制器控制起动电机起动发动机；否则直接进入充电过程。

如果选择自动控制，则根据动力电池SOC值判断APU是否满足起动条件。如果SOC小于第一设定值，则进一步判断APU是否处于运行状态：若未运行，则由APU控制器控制起动电机起动发动机，使APU运行；若APU已在运行，则直接进入充电过程。如果SOC大于第一设定值而小于第二设定值，则APU维持原状态，不作任何操作，继续监测动力电池的SOC。如果SOC大于第二设定值，此时再判断APU运行状态：若正在运行，则由APU控制器通过电子节气门，降低APU转速至怠速，并继续运行5分钟后关闭发动机，停止APU的运行；若APU未运行，则不作任何操作，车辆继续维持纯电动运行状态。

APU发动机自动起动时，起动电机连续运行3秒钟，若发动机不能起动，则关闭起动电机5秒钟，然后再重新起动。如此反复3次后若发动机仍未能正常起动，则视为有故障，同时由车载信息系统报警。

发动机正常起动后，检测其冷却液温度，当该温度低于起始工作温度时，则由APU控制器通过电子节气门控制发动机怠速暖机，直至发动机冷却液温度达到起始工作温度，暖机结束，进入充电过程。

在充电过程中，根据转速给定值，APU控制器通过电子节气门，使APU转速逐渐上升至转速给定值，并使APU以给定转速运行。

充电过程中，APU控制器检测发动机冷却液温度、发电机冷却液温度、APU转速、充电电压及充电电流。当APU运行参数超出允许范围时，APU控制器通过电子节气门，降低转速，直至能维持APU的正常运行。如果APU转速降至无充电电流时，仍然不能满足运行条件，则停止APU的运行。以保护发动机和发电机工作在正常的温度范围内。

APU运行过程中，APU控制器还检测驱动电机驱动电流和车速等参数。所有检测参数由APU控制器送往车载信息系统显示。车辆剩余续驶里程则根据车速、驱动电流值、动力电池总容量及其SOC确定，具体确定方法为：

$S=\frac{Q_c}{I_{\mathrm{dr}}}v=\frac{C_i*\mathrm{SOC}}{I_{\mathrm{dr}}}v$

式中S为车辆剩余续驶里程，Q_c为动力电池剩余电量，C_i为动力电池总容量，SOC为动力电池荷电状态，I_dr为驱动电机的驱动电流，v为车速。

充电过程中当SOC高于其第二设定值时，APU控制器通过电子节气门，使转速逐渐降低至发动机怠速，并继续运行5分钟后关闭发动机，停止APU运行。

当车辆运行于市内时，由于交通堵塞和交通路口红绿灯原因，车辆有较长时间的等待，平均车速比较低，车辆平均需求功率较小，动力电池放电电流较小，其SOC下降较慢，且市内路程一般较短，为避免频繁的人工操作，可采用自动控制方式。

当车辆运行于非市内路况，特别是在高速公路上行驶时，平均车速较高，车辆有长时间大功率需求，动力电池放电电流较大，其SOC下降较快，为了使车辆有更长的续驶里程，即使SOC较高，发动机不满足自动起停条件，也可以选择手动控制方式控制APU的起动和停止。

Claims (6)

1、串联式混合动力电动汽车辅助动力单元控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)APU控制器检测动力电池开路电压，并计算动力电池的初始荷电状态SOC₀；

2)通过参数设定模块将动力电池荷电状态SOC的第一设定值、第二设定值、最大充电电流和APU的初始转速给定值输入给APU控制器；

3)APU控制器计算动力电池的SOC，选择APU控制方式；如果为手动控制，则直接判断APU是否已运行，若APU未运行，则由APU控制器控制起动电机起动发动机，待发动机冷却液温度达到起始工作温度时转入步骤6；若APU已经运行，则直接转到步骤6；如果为自动控制，则进入步骤4；

4)判断动力电池SOC是否低于第一设定值；如果低于第一设定值，则判断APU是否处于运行状态，若APU未运行，由APU控制器控制起动电机起动发动机，待发动机冷却液温度达到起始工作温度时转入步骤6；若APU已运行，则直接进入步骤6；如果动力电池SOC高于第一设定值，则进入步骤5；

5)判断动力电池SOC是否高于第二设定值；如果高于第二设定值，则判断APU的运行状态，若APU正在运行，则由APU控制器通过电子节气门控制APU停止运行，并返回步骤3；若APU未运行，APU控制器不做任何操作，直接返回步骤3。如果动力电池SOC低于第二设定值，则APU维持原状态；

6)APU运行时，以参数设定模块初始转速给定值作为转速给定值，APU控制器根据所检测的转速给定值对其进行恒定转速控制，同时检测APU系统运行参数，当APU运行参数超出允许范围时，APU控制器通过电子节气门降低APU转速，直至能维持其正常运行；如果APU转速降至无充电电流时，仍然不能满足运行条件，则停止APU的运行，并返回步骤3。

2、根据权利要求1所述的串联式混合动力电动汽车APU控制方法，其特征在于：所述的动力电池SOC的计算方法为，APU控制器每次上电时检测动力电池的开路电压，由动力电池SOC与开路电压之间的关系确定SOC₀；APU控制器工作过程中，实时检测动力电池的充、放电电流和充、放电时间，并计算二者的乘积，所述的乘积为当充、放电两种状态同时存在时，该乘积为充电电流与充电时间乘积和放电电流与放电时间乘积的代数和，当只有充电状态存在时，该乘积为充电电流与充电时间的乘积，当只有放电状态存在时，该乘积为放电电流与放电时间的乘积；计算所得的乘积与动力电池总容量的比值再与SOC₀求代数和即为动力电池此时的SOC。

3、根据权利要求1所述的串联式混合动力电动汽车APU控制方法，其特征在于：所述的APU运行参数为发动机冷却液温度、发电机冷却液温度、发动机转速。

4、根据权利要求1所述的串联式混合动力电动汽车APU控制方法，其特征在于：所述的APU控制器还实时检测车速和驱动电机的驱动电流值，根据车速、驱动电流值、动力电池总容量及其SOC确定车辆的续驶里程，具体确定方法为：

$S=\frac{Q_c}{I_{\mathrm{dr}}}v=\frac{C_i*\mathrm{SOC}}{I_{\mathrm{dr}}}v$

式中S为车辆剩余续驶里程，Q_c为动力电池剩余电量，C_i为动力电池总容量，SOC为动力电池荷电状态，I_dr为驱动电机的驱动电流，v为车速。

5、根据权利要求1所述的串联式混合动力电动汽车APU控制方法，其特征在于：所述的动力电池SOC的第一设定值范围为0.2～0.4、第二设定值范围为0.6～0.8；初始转速给定值为2500～4000转/分钟。

6、根据权利要求1所述的串联式混合动力电动汽车APU控制方法，其特征在于：所述参数设定模块由四个电位器和相应的A/D转换电路组成，四个电位器分别输入SOC的第一设定值、第二设定值、最大充电电流和APU的转速给定值，APU控制器通过A/D转换电路采集电位器两端模拟电压并将其转换为数字量，作为设定参数。

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