CN101141015B - 混合动力汽车的发电模式控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合动力汽上的混合动力电机的发电控制方法，方法根据车辆的运行工况以及车上相关系统的状况等，混合动力控制器HCU和发动机控制器、电池管理系统等各个ECU之间通过CAN网络进行通讯；混合动力控制器HCU对车辆的运行工况进行监测，控制电机进行发电，将动能转换成电能存储到动力电池里，由此控制电机在适当的时候以合适的力矩进行发电，回收更多的能量。

Description

混合动力汽车的发电模式控制方法 

技术领域

本发明涉及一种混合动力汽上的混合动力电机的发电控制方法，更准确地说，是一种电机与发动机同轴布置的混合动力汽车上的发电控制方法，让车辆在适当的时候以合适的力矩驱动电机进行发电。 

背景技术

90年代以来，日本、美国、欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力型汽车。自日本丰田公司于1997年率先推出混合动力轿车以来，各大汽车公司包括本田、通用、福特、D-C以及法国雪铁龙等都推出或研制出了产品车或概念样车。专家认为在未来十年内，可能有40％的汽车均将采用混合动力技术，混合动力汽车有着巨大的发展前景。 

混合动力汽车可以通过电机将动能转化成电能，存储到动力电池等储能装置里；在车辆启动、加速、爬坡等工况下，电机可以利用这些电能来为车辆提供驱动力，从而提高车辆的性能，降低油耗，减少排放。如何根据车辆运行的工况以及车上其它系统的状况，来控制电机的发电以实现高效的能量回收，是一个很重要的问题。 

对于一般的混合动力汽车，发电主要是存在以下两种情况：一是刹车减速时，利用车辆的动能进行发电；另外一种情况是车辆正常行使过程中，调整发动机的工作点，让发动机工作在扭矩更大但是效率更高的工作点，利用多余的扭矩进行发电。 

发明内容

本发明的目的就是提供一种混合动力汽车的发电模式控制方法，根据车辆的运行工况以及车上相关系统的状况等，来控制电机在适当的时候以合适的力矩进行发电，回收更多的能量。 

为实现上述发明目的，本发明采用的混合动力汽车的发电模式控制方法包括： 

a、选择发电机/电动机一体化的主电机并将其与发动机同轴布置， 主电机的一端通过离合器与发动机曲轴相连，另一端与变速箱相连，直流变换器将来自动力电池或者逆变器的高压电源转换成12V的电源，为车身电器、辅助电机、变速箱等提供电源； 

b、混合动力控制器HCU和发动机控制器，电池管理系统等各个ECU之间通过CAN网络进行通讯； 

c、混合动力控制器HCU对车辆的运行工况进行监测，控制电机进行发电，将动能转换成电能存储到动力电池里； 

混合动力控制器HCU对系统状态进行监测，以判断当前的系统条件是否允许发电，具体包括如下判断： 

(1)、当逆变器温度高于一个阈值时，需要禁止发电功能，以防止相关电子电路损坏； 

(2)、当蓄电池温度低于一个阈值时，禁止发电； 

(3)、当电池与电机之间断开时，禁止发电； 

(4)、当车辆的ABS系统正在工作时，禁止发电。 

本发明是根据车辆的运行工况以及车上相关系统的状况等，来控制电机的在适当的时候以合适的力矩进行发电。在运行过程当中，混合动力控制器HCU(Hybrid Control Unit)对运行工况不断地进行监测，以及时找到可以进行发电的机会，得到更多回收能量的机会，提高整车效率。如驾驶员松开油门，和/或踩下刹车踏板的时候，都可以控制电机进行发电。混合动力控制器同时还要监测系统的其它条件是否允许电机进行发电，如电池的荷电状态SOC(state of charge)是否允许或需要发电，各个系统的温度等是否正常等。 

在条件允许的时候，可以让发动机工作在高效、低排放、输出扭矩超过整车行驶要求的工况下运行，多余的驱动力矩则可以用来驱动电机进行发电。当电池的荷电状态SOC高到一定程度，则可以让发动机工作在高效、低排放、低扭矩的工况下运行，此时电机利用动力电池的电能进行驱动，提供不足的力矩。这样就可以一直让发动机工作在高效、低排放的区域，提高了整车的燃油经济性。 

当车辆可以进行再生制动的时候，可以让离合器断开，避免车辆 的动能被发动机所消耗，从而提高能量回收的效率。 

附图说明

图1是控制系统的机械连接示意图； 

图2是本发明中系统的电气连接原理框图； 

图3是本发明控制流程图。 

具体实施方式

本发明的主电机10与发动机20是同轴布置，主电机10的一端通过离合器30与发动机曲轴相连，另一端与AMT变速箱40相连，如图1所示。主电机10是发电机/电动机一体化的，其工作模式由混合动力控制器HCU和电机控制器来控制。 

直流变换器50将来自动力电池60或者逆变器70的高压电源转换成12V的电源，为车身电器、辅助电机80、AMT变速箱40等提供电源，如图1所示。 

混合动力控制器HCU，发动机控制器，电池管理系统90等各个ECU之间通过CAN网络进行通讯，如图1、2所示。 

以下结合图3对控制方法的具体内容、过程详细说明如下。 

混合动力控制器对车辆的运行工况进行监测，以及时找到可以进行发电的机会。如驾驶员松开油门时，且其它条件允许，就可以控制电机进行发电。刹车，发动机怠速等情况，都可以让电机进行发电，将动能转换成电能存储到动力电池里。 

混合动力控制器需要对系统状态进行监测，以判断当前的系统条件是否可以允许发电： 

(1)、当逆变器温度高于一个阈值时，需要禁止发电功能，以防止相关电子电路损坏。这一阈值根据控制器所能承受的温度来设定。 

(2)、当蓄电池温度低于一个阈值时，需要禁止发电功能，因为在较低的温度下电池效率很低。这个阈值需要根据电池厂商提供的电池特性参数进行选取。 

(3)、当电池荷电状态SOC高于一个阈值时，例如95％，需要禁止发电功能以防止电池过充，对电池造成损坏。该阈值的确定需要根 据电池厂商提供的参数确定，以确保电池的寿命。过度地充电会减小电池的使用寿命。 

(4)、当电池与电机之间断开时，需要禁止发电功能 

(5)、当车辆的ABS系统正在工作时，需要禁止发电功能 

(6)、发动机要在启动后持续运行时间小于某一阈值时，需要禁止发电功能。这个时间主要是为了让发动机的机械系统能够达到稳定，防止由于发电机的阻力扭矩造成发动机停机。时间阈值需要根据实验和标定来确定。 

若没有发电机或当前系统状况不允许进行发电，则通过将驱动电机进行发电的扭矩置成零来禁止发电。 

混合动力系统的发电可以分成3种情况：再生制动，怠速工况和正常行使工况。 

再生制动有可以细分成两种情形： 

一当驾驶员松开油门踏板达到一定程度，例如8％，具体数值根据试验和标定获得；但是没有踩下刹车踏板，就允许电机进行发电。此时可以认为驾驶员是想让车辆自然减速，而并不想快速减速。这一阶段的发电力矩根据车速以及油门信号来进行计算，即T₁＝f(vehicle_speed，acc_pedal_position)。 

二是当驾驶员松开油门踏板，踩下刹车踏板时，在其它条件允许的情况下，车辆可以进行再生制动，利用车辆的动能进行发电。此时可以根据车速来计算发电力矩，即T₂＝f(vehicle_speed) 

再生制动时，混合动力控制器HCU控制离合器断开，这样可以防止发动机消耗车辆的动能，使能量回收更为有效。 

若当前状况允许进行发电，且发动机处于怠速状况，如果电池荷电状态SOC小于某一阈值，则用发动机的全部输出力矩驱动发动机进行发电。电池荷电状态SOC阈值根据试验数据和经验直接设定。 

若发电机发电是发动机处于怠速工况，且动力电池的荷电状态SOC小于某一阈值，则需要提高发动机怠速的转速，以提高发电功率和发动机的效率。电池荷电状态SOC阈值根据试验数据和经验直接设 定。 

若发动机怠速时电机进行发电，且动力电池的荷电状态SOC大于某一阈值，即动力电池不需要充电，则应当调整驱动电机进行发电的力矩，让电机的发电功率与车上电器的用电功率相等。车上的用电功率可以电压和电流传感器的测量结果计算得出。电池荷电状态SOC阈值根据试验数据和经验直接设定。 

当车辆在正常行使工况下进行发电是，发动机输出扭矩和驱动电机进行发电的扭矩需要满足如下关系： 

整车所需扭矩＝发动机输出扭矩-驱动电机进行发电的扭矩 

当车辆在正常行使工况下进行发电，如果电池的荷电状态SOC大于某一阈值，则应当优先考虑发动机的效率。设定该荷电状态SOC阈值时，需要考虑车速等综合因素。按此原则重新计算发动机应当输出的扭矩和和应当花在驱动电机进行发电的扭矩，以便使发动机工作在高效率、低排放、大扭矩的状态下，超出车辆需求的扭矩可以用来进行发电。 

例如，根据发动机的万有特性曲线可以查出，发动机在当前转速下，输出为T1扭矩是效率最高；而当前为了维持车辆速度所需的发动机扭矩是T2，T1＞T2则混合动力控制器应当请求发动机输出T1的扭矩，同时混合动力控制器让电机按T2-T1的扭矩进行发电。 

当车辆在正常行使工况下进行发电，如果电池的荷电状态SOC小于某一阈值，则应当优先补充动力电池的电量，增大发动机的输出扭矩来驱动电机进行发电。电池的荷电状态SOC越低，则需要用来驱动电机进行发电的扭矩越大。 

假设当前为了维持车辆速度所需的发动机扭矩是T2，根据电池荷电状态SOC可以查表得出一个需要的电机发电扭矩 

$T3=\mathrm{Max}\left(T\right)\frac{\mathrm{SOC}-\mathrm{SOC}\_\mathrm{lower}\_\mathrm{limit}}{\mathrm{SOC}\_\mathrm{threshold}-\mathrm{SOC}\_\mathrm{lower}\_\mathrm{limit}}$

其中，Max(T)是通过发动机万有特性曲线图得出的，当前转速下发动机可以输出的最大扭矩。SOC_lower_limit是为了防止电池过度 放电而对电池造成损坏的一个SOC下限阈值，根据电池厂商提供的数据得出。SOC_threshold是为了确保电池荷电状态SOC稳定在一个相对稳定的区域内，当电池荷电状态SOC处于该区域内时，电池可以较稳定地提供一定的能量来实现混合动力功能。 

驱动电机进行发电的扭矩不允许出现阶跃变化，防止冲击对系统造成损坏和/或对整车的舒适性造成影响。 

不允许要求发动机输出扭矩低于某一阈值，以避免发动机过低扭矩的工况下效率太低，并且有可能造成发动机熄火。 

不允许驱动电机进行发电的扭矩低于某一阈值，过低的扭矩会使电机的效率很低。此时通过将要求的扭矩置成零来禁止发电。该阈值根据电机的特性和试验数据来确定。 

Claims (7)

1.一种混合动力汽车的发电模式控制方法，方法包括：

a、选择发电机/电动机一体化的主电机(10)并将其与发动机(20)同轴布置，主电机(10)的一端通过离合器(30)与发动机曲轴相连，另一端与变速箱(40)相连，直流变换器(50)将来自动力电池(60)或者逆变器(70)的高压电源转换成12V的电源，为车身电器、辅助电机(80)、变速箱(40)提供电源；

b、混合动力控制器HCU和发动机控制器，电池管理系统(90)各个ECU之间通过CAN网络进行通讯；

c、混合动力控制器HCU对车辆的运行工况进行监测，控制主电机进行发电，将动能转换成电能存储到动力电池里；

混合动力控制器HCU对系统状态进行监测，以判断当前的系统条件是否允许发电，具体包括如下判断：

(1)、当逆变器温度高于一个阈值时，需要禁止发电功能，以防止相关电子电路损坏；

(2)、当蓄电池温度低于一个阈值时，禁止发电；

(3)、当电池与主电机之间断开时，禁止发电；

(4)、当车辆的ABS系统正在工作时，禁止发电。

2.根据权利要求1所述的混合动力汽车的发电模式控制方法，其特征在于：混合动力控制器HCU对当前的系统条件是否允许发电的判断还包括下述两种情况：其一为当电池荷电状态SOC高于一个阈值时，禁止发电功能以防止电池过充；其二为发动机要在启动后持续运行时间小于某一阈值时，禁止发电；

若没有发电机或当前系统状况不允许进行发电，则通过将驱动主电机进行发电的扭矩置成零来禁止发电。

3.根据权利要求1或2所述的混合动力汽车的发电模式控制方法，其特征在于：混合动力控制器HCU对系统状态进行监测，许可发电的情况是再生制动或怠速工况或正常行驶工况。 

4.根据权利要求3所述的混合动力汽车的发电模式控制方法，其特征在于：若当前状况允许进行发电，且发动机处于怠速状况，如果电池荷电状态SOC小于某一阈值，则用发动机的全部输出力矩驱动主电机进行发电。

5.根据权利要求4所述的混合动力汽车的发电模式控制方法，其特征在于：若发电机发电是发动机处于怠速工况，且动力电池的荷电状态SOC小于某一阈值，则提高发动机怠速的转速；若发动机怠速时主电机进行发电，且动力电池的荷电状态SOC大于某一阈值，即动力电池不需要充电，则应当调整驱动主电机进行发电的力矩，让主电机的发电功率与车上电器的用电功率相等。

6.根据权利要求3所述的混合动力汽车的发电模式控制方法，其特征在于：当车辆在正常行驶工况下进行发电时，发动机输出扭矩和驱动主电机进行发电的扭矩需要满足如下关系：

整车所需扭矩＝发动机输出扭矩-驱动主电机进行发电的扭矩；

7.根据权利要求3所述的混合动力汽车的发电模式控制方法，其特征在于：当车辆在正常行驶工况下进行发电，如果电池的荷电状态SOC小于某一阈值，则应当优先补充动力电池的电量，增大发动机的输出扭矩来驱动主电机进行发电。 

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