CN101353044B - 一种混合动力汽车安全监控系统和监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种混合动力汽车安全监控系统和监控方法，该监控系统包括混合动力控制模块、发动机管理系统、电池管理系统、混合动力控制单元和电机控制单元。该监控方法主要是监测发动机自动重起动是否在动力系统完全断开的条件下进行和监测混合动力控制单元输送给发动机控制单元的发动机许可扭矩是否在有效的安全范围之内；该系统中由于设置独立于HCU的安全监控单元SCU，利用SCU通过CAN接受实时测量的各汽油内燃发动机和ISG电机，以及高压镍氢动力电池的工作状态，在SCU内进行模拟扭矩分配，并将分配结果与HCU的分配情况相比较，如果发现异常则进入故障模式，减少事故。
Description
技术领域
本发明涉及汽车行驶安全监控领域，尤其涉及一种多动力汽车特别是内燃机和电机混合动力汽车中对多个动力的扭矩综合进行安全管理的系统和安全监控方法。
背景技术
混合动力汽车是具有多能源动力混合驱动、内燃机高效工作点驱动及发电、能源回收制动、整车电气载荷负载优化及发动机自动启停工作工况的汽车。图1所示为本发明人自主开发的一种中度混合动力汽车整车多能源系统控制方案。此混合动力汽车装配了一个144V的高压镍氢动力电池，它是此混合动力汽车的能源存储与输出单元，它可以存储在车辆制动时回收的车辆机械能或者在发动机高效工作区域下的机械能，它可以在车辆起步或加速工况下输出能量来补偿发动机功率不足。此混合动力汽车配置了本发明人自主开发的1.3L汽油内燃发动机作为此混合动力汽车第一动力输出装置，此内燃机系统为整车动力驱动系统的第一输出装置，它以燃烧燃油原料转换化学能为机械能的一种能源系统装置。此混合动力整车装置中的另一大动力输出装置就是转化电能为机械能的额定功率为10kw的电动机/发电机装置(ISG)。它和上述的内燃机系统曲轴同轴地装配在一起，属于动力源并联的第二动力输出转换装置。它一方面可以在内燃机需要快速启动时作为电动机提供低速大扭矩下的稳定启动，又可以在整车系统需要动力提速时把能量存储单元中的化学能以电能的形式输出转换为机械能通过动力传动装置传送给整车的驱动系统，而且又可以在整车系统减速时作为发电机使整车的机械能转化为电能以化学能的一种形式存储于能量存储单元高压镍氢电池中。
在上述的系统方案中，由于存在两种动力同时驱动汽车，即汽油内燃发动 机和ISG电机同时向5速AMT变速器输出扭矩，因此需要对各动力输出的扭矩大小进行分配，使汽油内燃机工作在最佳工作状态，HCU(Hybrid Control Unit混合动力控制单元)作为整车多能源管理系统完成扭矩分配任务，HCU可以根据驾驶员踏板信号及发动机转速等来解释驾驶员请求意图，再次根据发动机状态、电机状态、高压电池状态以及车辆其它子系统状态来分配发动机及电机所需产生的扭矩。
HCU与汽油内燃发动机的控制系统EMS(Engine Management System发动机控制单元)之间是通过整车CAN(control area network，是现代车辆控制系统中应用的局域网)进行通讯来对油门踏板信号进行解释，驾驶员油门踏板请求扭矩计算，车辆油门踏板角度传感器安装在踏板位置，由EMS对传感器原始电信号进行处理、诊断并且对踏板或踏板传感器出现故障是 进行安全信号处理。在油门踏板传感器无故障、并且HCU接收到的油门踏板角度信号有效的条件下，HCU根据油门踏板角度信号和发动机转速信号来计算车辆在倒档工况下的扭矩请求量、低车速工况下的扭矩请求量、高车速工况下的扭矩请求量，根据预先设定的车速限值计算车辆在前进档工况下的驾驶员扭矩请求量。以上这些请求量是在[0，100]之间的一个百分比相对量，定义为相对请求扭矩。
电机管理系统MCU(Motor Control Unit马达控制单元)可以计算电机在电机转速正常范围内的最大输出扭矩和最小输出扭矩。HCU与MCU是通过一条单独的CAN联接的，HCU同时计算在电动机转速正常范围内的最大输出扭矩，并且认为ISG电机最小输出扭矩可以为零；由于高压电池的输出功率随着高压电池自身的荷电状态(SOC)的降低在衰减，对于高压电池混合动力汽车中有电池管理系统(BMS)，HCU通过整车CAN与BMS通信。所以整个高压电动力系统的输出扭矩也随着高压电池的荷电状态变化，因此电动机的最大输出扭矩需要根据高压电池的SOC进行修正。HCU根据驾驶员油门踏板相对请求扭矩量、EMS计算的发动机最大输出扭矩、最小扭矩、以及利用高压电池的S0C修正后的电动机最大输出扭矩值来计算绝对的驾驶员油门踏板请求扭矩值。经过这个 算法计算之后的扭矩是绝对扭矩，单位为Nm。
HCU监测各子系统状态，这些子系统包括发动机温度、转速以及由这些参数决定的发动机动态最佳效率工作点，电动机转速、温度，高压系统端的电压、电流，高压电池荷电状态、老化状态、温度、许可功率、电流、电压等，这些信号都是通过整车CAN与其它电子控制单元(ECU)进行通信收集的。以及整车状态来对驾驶员油门踏板请求扭矩在发动机和电动机间进行分配。在驾驶员请求扭矩经过在电动机和发动机之间分配之后，HCU会通过整车CAN网络把发动机需要输出的扭矩传输过去，把电动机需要传输的扭矩经过单独CAN网络传输给MCU。
从安全控制的角度考虑，HCU必须对发动机需要输出的扭矩具有限值功能，根据发动机的转速及驾驶员油门踏板的角度信号来决定整个动力系统总的许可扭矩的相对量，为[0，100]之间的百分量。根据发动机的能够输出的最大扭矩、必须输出的最小稳定扭矩计算出混合动力第一能量输出源发动机能够输出给动力传动系统的最大净扭矩。根据电动机的特性计算出电动机的最大输出扭矩，根据高压电池的荷电状态修正混合动力第二动量输出源的最大输出净扭矩。根据动力系统总的相对许可扭矩量和总的动力系统能够输出的最大扭矩绝对量计算出动态的动力系统许可扭矩据相对量。HCU已经计算了电动机需要输出的扭矩值，并且可以假定现代电动机控制系统完全可以满足分配的电动机需要输出的扭矩值，并且电动机自身的损失扭矩相当的小。因此总的动力系统许可扭矩绝对值加上发动机必须输出的最小稳定扭矩再减去分配给电动机的输出扭矩就是发动机的许可输出扭矩。HCU把这个许可扭矩的绝对值通过整车CAN网络发送给EMS。
以上混合动力控制单元HCU的功能可以总结为，对驾驶员油门踏板的信号处理、驾驶员请求扭矩的计算、动力系统需求扭矩的分配以及发动机许可扭矩的计算。但是，由于各个机电系统都是由机械系统和电子控制系统组成，电子控制系统是由软件及硬件组成的，如果软件中存在漏洞、或者硬件中某一元器 件出现故障、或者某一执行器出现故障和误动作，那么可能就会导致发动机与电动机最后执行后输出的实际动作与初始驾驶员希望的动作有很大的差别或者根本就不是驾驶员希望的动作。这个动作如果是扭矩的请求与控制，那么反映到整个动力输出系统的总的驱动扭矩就与驾驶员踏板请求的扭矩具有较大的差值，如果这个差值呈现的是扭矩减少的效应，那么结果只是造成了驱动车辆的动力的减少，但是如果这个差值呈现的是扭矩增加的效应，那么就会造成驱动车辆的动力呈现瞬态大扭矩不可控的加速工况，严重的话会造成车辆碰撞事故。如果这个动作是混合动力电机或车辆小起动机启动发动机的请求与控制，那么反映到整车动力输出系统的结果就是在车辆动力系统完全断开的情况下的起动是安全的；而在车辆动力系统啮合，也就是在离合器没有完全分离和变速箱在档的情况下的起动是不安全的。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种混合动力汽车安全监控系统。
本发明的技术方案为：一种混合动力汽车安全监控系统，包括混合动力控制模块；所述的混合动力控制模块内还包括安全控制单元，该单元监测发动机自动重起动是否在动力系统完全断开的条件下进行和监测混合动力控制单元输送给发动机控制单元的发动机许可扭矩是否在有效的安全范围之内。
所述的安全控制单元包括处理器、存储器；所述的处理器与所述的存储器联接，并利用所述混合动力控制模块中的网络收发器与整车控制局域网联接，其控制信号输出端分别与高压电池的开关端、逆变器的开关端和所述收发器的控制端联接。
本发明的另一目的在于提供一种上述安全监控系统的监控方法。
其技术方案为：混合动力汽车安全监控系统的监控方法，将混合动力汽车监控系统的工作模式分为启动初始化模式、正常工作模式、故障保护运行模式，所述混合动力汽车安全监控系统的工作过程包括以下步骤：
A、当混合动力控制模块加电后，进入启动初始化模式，初始化正常后进入步骤B。
B、判断混合动力汽车是否处于怠速停车状态。
B1、若步骤B是肯定的，则通过所述的安全控制单元关断电动机控制模块的逆变器的工作电源，并判断混合动力车辆动力系统是否处于动力传动系统断开状态，同时判断所述混合动力控制单元是否请求了发动机自动重起；若全为肯定的，则进入步骤C；否则返回到步骤B。
B2、若步骤B是否定的，则通过所述的安全控制单元接收混合动力控制单元计算的许可发动机输出扭矩；同时接收混合动力汽车的实时工况信号在安全控制单元内计算许可的发动机输出扭矩值；对两个扭矩值进行比较，如果比较结果超过预定值则进入步骤C；否则返回步骤B。
C、进入故障保护运行模式。
该系统中由于设置独立于HCU的安全监控单元SCU(Safety ControlUnit)，利用SCU通过CAN接受实时测量的各汽油内燃发动机和ISG电机，以及高压镍氢动力电池的工作状态，在SCU内进行模拟扭矩分配，并将分配结果与HCU的分配情况相比较，另外，在混合动力汽车处于怠速模式时，SCU根据混合动力车辆安装在离合器底部开关和变速箱空当开关信号判断混合动力车辆动力系统是否安全、可靠地是处于动力传动系统断开状态，如果发现异常则进入故障模式，减少事故。
以下将结合附图，对本发明的各较佳实施例进行较为详细的说明。
附图说明
图1本混合动力汽车多能源控制系统方框图。
图2本发明原理方框图。
图3本发明流程图。
具体实施方式
如图2所示，一种混合动力汽车安全监控系统，包括混合动力控制模块 HCM、发动机管理系统EMS、电池管理系统BMS和整车控制局域网CAN。
所述混合动力控制模块HCM包括：混合动力控制单元HCU、电机控制单元MCU、第一控制局域网CAN和安全控制单元SCU。
所述的混合动力控制单元对驾驶员油门踏板的信号处理、驾驶员请求扭矩的计算、动力系统需求扭矩的分配以及发动机许可扭矩的计算。
所述的电机控制单元，该单元与混合动力控制单元处于同一控制器上且联接逆变器对电动机进行管理控制。
所述的安全监控单元监测发动机自动重起动是否在动力系统完全断开的条件下进行和监测混合动力控制单元输送给发动机控制单元的发动机许可扭矩是否在有效的安全范围之内。
所述的安全控制单元包括处理器、存储器；所述的处理器与所述的存储器联接，并分别与整车控制局域网和第一控制局域网、高压电池的开关端、逆变器的开关端和所述混合动力控制单元与整车控制局域网的收发器的控制端联接。
所述的第一控制局域网分别与混合动力控制单元和电机控制单元联接。
所述的发动机管理系统，对内燃发动机进行管理控制。
所述的电池管理系统，对高压电池系统进行管理控制。
整车控制局域网，分别与所述的混合动力控制单元、发动机管理系统和电池管理系统联接。各单元与整车局域通信是通过其与整车局域网的收发器进行的。
在上述的混合动力安全监测系统中：在混合动力整车控制模块第一次接通电源开始工作、或者当钥匙开关关掉重新上电后，SCU进入启动初始化的模式，在启动初始化的工作模式下，SCU断开电动机驱动模块逆变器电源、断开高压电池高压端连接、打开混合动力控制模块CAN的发送器使混合动力控制单元HCU能够发送出CAN消息。SCU在启动初始化过程中还要进行芯片的自检测，自检测功能包括对其内部的存储器的检测，如果检测失败进入程序引导模式， 等待程序刷新。如果检测成功，则进入正常操作模式。
在本安全监测系统正常操作模式下，SCU通过接收HCU发出的CAN消息来判断发动机是否处于怠速停机的状态，如果在发动机怠速自动停机的模式下，SCU关断电动机控制模块的逆变器的工作电源；SCU根据混合动力车辆安装的离合器底部开关和变速箱空档开关信号判断混合动力车辆动力系统是否安全、可靠地处于动力传动系统断开；同时SCU通过接收到的HCU的CAN消息判断HCU是否请求了发动机自动重起动，如果SCU判断得到动力系统没有可靠的完全断开同时HCU请求了发动机自动重起，那么将进入故障保护运行模式，SCU将断开混合动力控制模块的CAN的发送器、断开高压电池的高压连接、断开电动机控制模块的逆变器工作电源。此时，HCU不再对EMS进行控制，发动机由EMS单独控制，进入一种普通的单动力汽车行驶状态，直到汽车通过外部干预或者其它方式使HCU等工作正常。这种故障运行模式在汽车怠速时不影响汽车安全，在正常行驶时，由于发动机还是可以在EMS的控制下正常工作，只是可能没有双动力了，因此也可以安全地行驶，对本车和其它车辆的运行不产生影响。
在本安全监测系统正常操作模式下，SCU通过接收HCU发送出来的CAN获得HCU计算的许可的发动机输出扭矩，同时SCU接收有关混合动力汽车的实时工况信息，主要有发动机转速信号、驾驶员油门踏板信号、高压电池荷电状态信号、发动机最小稳定扭矩信号、发动机最大能力输出扭矩信号、电机直流端电压信号。SCU再计算一次许可的发动机输出扭矩值，这里SCU采用HCU相同的计算公式和查同一个表获得实时的发动机扭矩值，而HCU是通过理论推导出来的估计值。SCU根据接收到的HCU计算的许可的发动机输出扭矩值与SCU自己计算的许可的发动机输出扭矩值进行比较，如果HCU计算的许可的发动机输出扭矩值超过了SCU计算的许可的发动机输出扭矩值，那么SCU工作模式将进入故障保护运行模式，SCU将关断高压电池的高压端连接、关断电动机控制模块的逆变器电源、关断混合动力控制模块的CAN信息发送器。SCU根据与HCU 同样的驾驶员油门踏板信号与发动机转速决定总的动力总成的许可的扭矩输出相对量查表值，根据发动机能够输出的最大扭矩和发动机最小的稳定扭矩以及电动机可以输出的最大扭矩来计算许可的总的动力系统输出的扭矩值。根据电动机直流端电压和直流端电流计算电动机的工作功率，根据电动机的工作功率和电动机的转速以及在动态转速、功率及电动机当前温度下的效率计算电动机的输出扭矩。根据计算的电动机输出扭矩查表得比例系数K1，设定一常值的边缘误差K2。因此SCU计算的许可的发动机输出扭矩如下式表示：
SCU许可扭矩＝K1*(许可的总的动力系统扭矩-电动机实际输出扭矩)+K2
由上式计算出许可的发动机输出扭矩。SCU根据从CAN网络接收到的HCU计算的许可的发动机输出扭矩是否超过SCU自己计算的许可的发动机输出扭矩的结果来判断当前的HCU分配请求与控制的发动机和电动机扭矩是否在一个安全的范围之内。如果检测结果是失败的，那么SCU工作模式则进入故障保护运行模式。那么SCU将断开混合动力控制模块的CAN的发送器、断开高压电池的高压连接、断开电动机控制模块的逆变器工作电源。由此起到了安全保护的作用。
在本安全监控系统正常工作模式下，还能通过CAN接受外界指令，比如，可以通过汽车的操控系统向本安全监控系统发出刷新指令，将新的控制程序替换现在的程序时，可以进入刷新工作模式，程序刷新完后，进入到系统启动初始化模式。
在本安全监控系统正常工作模式下，也能通过CAN接受钥匙开关的上电、下电信号，当接收到钥匙开关下电信号时，进入在钥匙下电模式，在钥匙下电模式下SCU在一短时间内保持接收外部的CAN消息，这一短时间可以通过设定一个计时器，比如包含钥匙开关状态的某一帧数据，当在这一短时间内监测到钥匙有重新打到ON位置上电了，那么SCU直接转入正常工作模式，如果在这一短时间段后，计时器设定的时间到，没有监测到钥匙开关位置重新打到ON， 那么SCU开始睡眠，下次钥匙上电时进入初始化模式。
在本安全监控系统处于故障运行模式下时：安全控制单元将断开混合动力控制单元与整车控制局域网的发送器、断开高压电池的开关、断开所述的逆变器工作电源。当有钥匙开关下电信号时，本安全监控系统转换到钥匙下电模式，当短时间里不上电，则本安全监控系统进入关闭状态，下次上电时，将需要进入到启动初始化模式。如果启动初始化正常，进入正常工作模式，在正常工作模式，如果混合动力汽车在上次进入故障运行模式的状态没有变化，则继续进入故障运行模式。如果上次进入故障运行模式的状态有变化且克服了故障，就是说，在怠速状态下，当重起时，确认混合动力车辆动力系统已经安全、可靠地处于动力传动系统断开状态，同时，通过所述的安全控制单元接收混合动力控制单元计算的许可的发动机输出扭矩；同时接收发动机转速信号、驾驶员油门踏板信号、高压电池荷电状态信号、发动机最小稳定扭矩信号、发动机最大能力输出扭矩信号、电机直流端电压信号、电机直流端电流信号，计算许可的发动机输出扭矩值；对两个扭矩值进行比较，比较结果不超过预定值，则在正常工作模式。
本安全监测系统的工作过程如下：
混合动力汽车安全监控系统的监控方法，将混合动力汽车监控系统的工作模式分为启动初始化模式、正常工作模式、故障保护运行模式，所述混合动力汽车安全监控系统的工作过程包括以下步骤：
A、当混合动力控制模块加电后，进入启动初始化模式，此时安全控制单元断开所述的逆变器电源、断开所述的高压电池的连接、打开混合动力控制模块与整车控制局域网的发送器，并进行自检。初始化正常后进入步骤B。如果不正常，则进入步骤A1。
A1、刷新工作模式：所述的安全控制单元内部处理器通过调用存储器内的程序进行刷新，进入步骤A。
B、判断混合动力汽车是否处于怠速停车状态；
B1、若步骤B是肯定的，则通过所述的安全控制单元关断电动机控制模块的逆变器的工作电源，并判断混合动力车辆动力系统是否安全、可靠地处于动力传动系统断开状态，同时判断所述混合动力控制单元是否请求了发动机自动重起；若全为肯定的，则进入步骤C；否则返回到步骤B；
B2、若步骤B是否定的，则通过所述的安全控制单元接收混合动力控制单元计算的许可的发动机输出扭矩；同时接收发动机转速信号、驾驶员油门踏板信号、高压电池荷电状态信号、发动机最小稳定扭矩信号、发动机最大能力输出扭矩信号、电机直流端电压信号、电机直流端电流信号，计算许可的发动机输出扭矩值；对两个扭矩值进行比较，如果比较结果超过预定值则进入步骤C；否则返回步骤B；
C、进入故障保护运行模式：安全控制单元将断开混合动力控制单元与整车控制局域网的发送器、断开高压电池的开关、断开所述的逆变器工作电源。
Claims (8)
1.一种混合动力汽车安全监控系统的监控方法，所述的混合动力汽车安全监控系统，包括混合动力控制模块；所述的混合动力控制模块内还包括安全控制单元，该单元监测发动机自动重起动是否在动力系统完全断开的条件下进行和监测混合动力控制单元输送给发动机控制单元的发动机许可扭矩是否在有效的安全范围之内；所述的安全控制单元包括处理器、存储器；所述的处理器与所述的存储器联接，并利用所述混合动力控制模块中的网络收发器与整车控制局域网联接，其控制信号输出端分别与高压电池的开关端、逆变器的开关端和所述收发器的控制端联接；
所述的混合动力汽车安全监控系统的监控方法，将混合动力汽车监控系统的工作模式分为启动初始化模式、正常工作模式、故障保护运行模式，所述混合动力汽车安全监控系统的工作过程包括以下步骤：
A、当混合动力控制模块加电后，进入启动初始化模式；初始化正常后进入步骤B；初始化不正常时启动刷新工作模式A1步骤，即所述的安全控制单元处理器通过调用存储器内的程序进行刷新，重新开始步骤A；
B、判断混合动力汽车是否处于怠速停车状态；
B1、若步骤B是肯定的，则通过所述的安全控制单元关断电动机控制模块的逆变器的工作电源，并判断混合动力车辆动力系统是否处于动力传动系统断开状态，同时判断所述混合动力控制单元是否请求了发动机自动重起；若全为肯定的，则进入步骤C；否则返回到步骤B；
B2、若步骤B是否定的，则通过所述的安全控制单元接收混合动力控制单元计算的许可发动机输出扭矩；同时接收混合动力汽车的实时工况信号在安全控制单元内计算许可的发动机输出扭矩值；对两个扭矩值进行比较，如果比较结果差超过预定值则进入步骤C；否则返回步骤B；
C、进入故障保护运行模式。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤A中，所述的安全控制单元断开所述的逆变器电源、断开所述的高压电池的连接、打开混合动力控制模块与整车控制局域网的发送器，并进行自检。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤B中，当有外部指示信号控制安全控制单元使安全控制单元进入刷新模式时，转入步骤A1。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤B中，安全控制单元通过接收混合动力控制单元发出的消息来判断混合动力汽车是否处于怠速停车状态。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤B1中，安全控制单元根据混合动力车辆安装在离合器底部开关和变速箱空当开关信号判断混合动力车辆动力系统是否处于动力传动系统断开状态。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤B中，所述的混合动力汽车实时工况信号包括：发动机转速信号、驾驶员油门踏板信号、高压电池荷电状态信号、发动机最小稳定扭矩信号、发动机最大能力输出扭矩信号、电机直流端电流信号。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤B中，当检测到钥匙开关下电时，进入以下步骤：
B3、设定一计时器，当计时器未超时时，检测到钥匙开关上电信号转入步骤B，否则，当有钥匙开关上电时，转入步骤A。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤C中，安全控制单元将断开混合动力控制单元与整车控制局域网的发送器、断开高压电池的开关、断开所述的逆变器工作电源。
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