CN101386301A - 一种深度混合动力汽车的整车控制方法 - Google Patents

Abstract

一种深度混合动力汽车的整车控制方法，将整车功率需求P_car＝P_V+P_B+P_A进行滤波后得到相应的低频分量P_{car_low}(P_V为行车需求功率P_V、P_B为维持电池SOC在一定范围内变化的需求功率、P_A为整车辅助设备的需求功率以及能量转换过程损耗的部分功率)，根据P_{car_low}对应的内燃机等功率曲线来确定内燃机的工作点。当P_{car_low}在内燃机工作区域对应功率覆盖的范围内时，内燃机启动，混合动力汽车工作于混合动力模式；当P_{car_low}小于内燃机工作区域范围内所能提供功率的最低点时，内燃机停止，深度混合动力汽车工作在纯电动模式。同时在判断内燃机启动时加入滞环比价值P_thotle来防止内燃机的频繁启停。纯电动模式下，P_{car_low}全部由无级变速器输出；在混合动力模式下，P_{car_low}和内燃机能提供的功率的不足和超出部分由无级变速器补偿。

Description

一种深度混合动力汽车的整车控制方法

技术领域

本发明涉及一种深度混合动力汽车的整车控制方法，特别涉及用于无级变速的深度混合动力汽车中。

背景技术

轻度混合动力汽车和中度混合动力汽车主要靠集成的电机在车辆起步时快速启动内燃机、停车时停止内燃机消除怠速状态，同时进行制动能量回收，从而达到节油目的。轻度混合动力汽车基本不改变内燃机的工作点，中度混合动力汽车中电机工作的参与度比轻度混合动力汽车大，对内燃机工作点能做有限的改动。随着技术的发展，如果传统内燃机加以改进，也能达到与轻度甚至中度混合动力汽车相同的节油效果，因此轻度、中度混合动力技术可被替代。因此选择深度混合动力技术对未来的发展有利，深度混合动力汽车在日常行驶过程中以电机驱动为主，内燃机驱动为辅助，在起步、低速行车时都是以单独的电机驱动来完成的，制动时通过电机进行制动能量回收、在电池的SOC低于一定的范围内启动内燃机对电池进行充电，确保深度混合动力汽车的续驰里程。深度混合动力汽车控制方法直接决定其的运行方式，也直接影响其省油的效果。CN1336879专利《动力输出装置、混合车辆及其控制方法》根据车辆的转速和转矩判断车在串联区域或者并联区域，同时根据电池的剩余容量判断内燃机是否启动对电池进行充电。采用这种控制方式时，在发动机的启停中，必须采用串联的方式来防止转矩冲击，即在该专利中必须采用特殊的方法来防止转矩的冲击。CN1415500专利《混合动力电动车整车能量控制系统》提出根据电池剩余电量控制内燃机的启停，该方法只针对电池进行控制。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述缺点，提出了一种深度混合动力汽车的整车控制方法。

本发明根据整车的总功率需求通过等功率曲线来选择内燃机的工作点：当整车的总功率需求P_car经过滤波后的低频分量P_{car_low}在内燃机工作区域对应功率覆盖的范围内时，内燃机启动，混合动力汽车工作于混合动力模式；当整车的总功率需求P_car滤波后对应的低频分量P_{car_low}小于内燃机最优工作曲线的范围内的最低点时，内燃机停止，深度混合动力汽车工作在纯电动模式。

内燃机的万有特性一般是在以内燃机转速ω为横坐标、平均有效压力P_me(或者转矩T_tq)为纵坐标的坐标平面内绘出一些重要特性参数的等值曲线。而万有特性图上的等功率曲线族可以根据纵横坐标按P_e＝T_tq·ω表示。因此本发明的控制方法根据整车的总功率需求P_car通过查找到内燃机万有特性图上的等功率曲线来选择内燃机的工作点，因为功率变化的连续性，所以选择该方法控制深度混合动力汽车，内燃机的工作点是连续变化的不会突变。当整车的总功率需求P_car在内燃机最优工作曲线(Optimal Operating Line-OOL)对应功率覆盖的范围内时，内燃机启动，深度混合动力汽车工作于混合动力模式；当整车的功率需求P_car小于内燃机最优工作曲线(OOL)的范围内的最低点时，内燃机停止，深度混合动力汽车工作在纯电动模式。在这里，内燃机工作区域也可以不在内燃机最优工作曲线(OOL)上，内燃机的工作区域可以根据优化匹配的需要进行选择，作为选择的方法可以是：为了追求经济性和低排放，内燃机的工作范围可以是一条内燃机最优工作曲线(OOL)曲线(可以根据燃油经济性等值特性曲线的梯度确定)、也可以是燃油经济性等值特性曲线上等油耗的一个区域、也可以是排放性等值特性曲线上等排放的一个区域。最终需要对内燃机最优工作曲线(OOL)、燃油经济性、排放性加权统一构成的内燃机工作区域，这个区域中工作点的功率需要覆盖汽车所需的最大功率。根据各部分权重的不同这个区域可以是一条连续曲线，也可以是一个连续的区域。

本发明中，整车的总功率需求P_car包括行车需求功率P_V、维持电池的荷电状态SOC(Stateof Charge-SOC)在一定范围内变化的需求功率P_B、整车辅助设备的需求功率以及能量转换过程损耗的部分功率P_A三者之和，即P_car＝P_V+P_B+P_A。而维持电池SOC需求功率P_B根据电池SOC自动调节，当电池的SOC和设定值相等时，P_B＝0，当电池SOC大于设定值时，P_B<0，当电池的SOC小于设定值时，P_B>0，而且电池的SOC偏离设定值越大，|P_B|越大；整车在任意时刻所需的总功率为：R_car＝P_V+P_B+P_A，根据该公式，整车总功率P_car随着工况和电池的SOC值的变化自动调节。

在本发明中，为了提高燃油经济性，需要内燃机的工作点不能有太大的、快速的变化，因此需要对计算出来的汽车所需的总功率P_car进行滤波处理，滤掉高频分量P_{car_high}，留下低频的分量P_{car_low}，而滤波器的截止频率取决于电池的容量。相同的汽车所需的总功率P_car时，电池的容量越大，截止频率可以越小，高频分量P_{car_high}越大，留下低频的分量P_{car_low}的变化越小，即内燃机工作点的波动越小，电池通过充放电来吸收这些波动。反之亦然。

在本发明中，假设内燃机在所选择工作区域能提供的最低功率为P_Min-ICE。当P_{car_low}<P_Min-ICE时关闭内燃机；当P_{car_low}≥P_Min-ICE+P_throtle时启动内燃机，其中P_thotle为了防止内燃机功率在P_Min-ICE波动时频繁启停而引入的滞环比较值。通过引入滞环比较值P_thotle，防止了在内燃机启动与停止的临界工作点内燃机的频繁启停。

本发明同时解决了内燃机启动状态下，内燃机和无级变速器工作点的确定方法。当内燃机工作范围是一条曲线时，由计算滤波得到P_{car_low}表示的等功率曲线和内燃机工作曲线存在唯一的交点，即为内燃机的工作点；当内燃机工作范围为一定区域时，此时等功率曲线和内燃机的工作曲线有多个交点，称之为待选工作点集，此时需要根据内燃机上一拍的工作点来确定，总是选择内燃机待选工作点集上距离上一拍内燃机工作点最近的点作为本拍的内燃机工作点。

内燃机工作点确定后，深度混合动力汽车的机械输入已经明确可知，而整车的工作状态即为深度混合动力汽车的机械输出，这样深度混合动力汽车的输入和输出明确，其他各部分的工作点即可知道。

本发明根据前面提到的方法确定内燃机工作点，假设该工作点为(P_ICE，ω_ICE，T_ICE)，其中P_ICE、ω_ICE、T_ICE为内燃机必须提供的功率、转速和转矩，整车控制器通过CAN总线将其发送到内燃机控制器上对内燃机进行控制；此时整车需求功率P_car＝P_V+P_B+P_A，经过滤波后得到的低频分量对应的功率为P_{car_low}，而且整车的需求转矩T_car和速度ω_car为已知。当内燃机停止即纯电动模式时，P_{car_low}、T_car、ω_car由无级变速器直接提供实现纯电动工作模式；当内燃机启动即工作于混合动力模式时，此时内燃机所能提供的功率P_ICE、转速ω_ICE和转矩T_ICE和整车需求的功率经过滤波后的低频分量P_{car_low}，转速ω_car和转矩T_car之间存在差值，该差值由无级变速器补偿，实现混合动力。具体实现的方法为：整车控制器将内燃机所能提供的大于或者是小于整车需求的功率ΔP＝P_ICE-P_{car_low}，转速Δω＝ω_ICE-ω_car和转矩ΔT＝T_ICE-T_car通过CAN总线传送到无级变速器控制器对无级变速器进行控制，实现混合动力模式，在这里的ΔP、Δω和ΔT可正可负。

本发明中以基于双机械端口电机的电力无级变速器作为实施例进行说明，其中双机械端口电机的内电机采用转速环控制，用于补偿Δω＝ω_ICE-ω_car，双机械端口电机的外电机采用转矩控制，用于补偿ΔT＝T_ICE-T_car；整车控制器将相应的补偿功率ΔP＝P_ICE-P_{car_low}，转速Δω＝ω_ICE-ω_car和转矩ΔT＝T_ICE-T_car通过CAN总线传送到双机械端口控制器对双机械端口电机进行控制，实现混合动力模式。同时本发明中提出的一种深度混合动力汽车的整车控制方法具有一般性，使用于其他形式的无级变速器的深度混合动力汽车。

附图说明

图1是深度混合动力汽车系统结构拓扑图，图中：a为内燃机，b为无级变速器；

图2是本发明中内燃机的工作区域为OOL曲线和停止区域的图，图中：1～4为等功率曲线5为抽象为一条直线的内燃机最优工作曲线(OOL)，6为内燃机停止工作的点；

图3是本发明中内燃机的工作点分为一个区域和停止区域的图，图中：1～4为等功率曲线5为内燃机的内燃机最优工作曲线(OOL)，6为内燃机停止工作的点，7和8为燃油经济性的等值曲线族。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1是本发明中深度混合动力汽车系统结构拓扑图。如图1所示，深度混合动力汽车主要包括：内燃机a、内燃机控制器、无级变速器b、无级变速器控制器、电池、电池控制器、整车控制器。而内燃机控制器、无级变速器控制器、电池控制器、空调等辅助设备信息和整车控制器之间经过CAN总线进行通信，而车速、档位和油门踏板等信息直接输入到整车控制器上。整车根据CAN总线上的相关信息计算得出需求功率，再进行能量分配，同时将相应的控制信号通过CAN总线发送到各个部件的控制器上执行。本发明中将基于双机械端口电机的电力无级变速器作为一个实施例，双机械端口电机的外电机和车辆的驱动轴连接，双机械端口电机的内电机和内燃机a的输出轴直接连接。当然深度混合动力汽车中的无级变速器b也可以是除双机械端口电机以外的其他无级变速器。

如图2所示，本发明中的内燃机工作区域为对应纯电动模式的内燃机的停止区域和对应混合动力模式的内燃机启动后的工作区域，其中内燃机启动后的工作区域为OOL曲线，其中OOL曲线抽象为一条直线。当计算得到的整车需求功率P_car＝P_V+P_B+P_A，同时经过滤波后得到的低频分量对应的功率P_{car_low}，所对应的等功率曲线1小于内燃机OOL曲线上的最小功率P_Min-ICE时，内燃机停止工作，工作点处在内燃机停止工作的点，即图2中的6位置，此时内燃机的输出转矩和转速为零，整车的需求功率由无机变速器提供，处于纯电动模式；当计算得到的整车需求功率P_car＝P_V+P_B+P_A，同时经过滤波后得到的低频分量对应的功率P_{car_low}即等功率曲线1大于内燃机最优工作曲线OOL上的最小功率P_Min-ICE+P_throtle时，P_throtle是为了防止内燃机功率在P_Min-ICE波动时频繁启停而引入的滞环比较值，内燃机启动工作，工作点在内燃机最优工作曲线OOL曲线上，即图2中的曲线5，整车的需求功率由内燃机和无级变速器共同提供，处于混合动力模式。

本发明将基于双机械端口电机的无级变速器作为一个实施例，在纯电动模式下，整车需求的功率经过滤波后对应的低频分量P_{car_low}，以及整车需求的转矩T_car和速度ω_car直接由双机械端口电机的外电机提供；在混合动力模式下，在图中整车需求的总功率经过滤波后对应的等功率曲线为如图2中的曲线2所示，此时内燃机工作点为等功率曲线2和内燃机OOL曲线5的交点，交点为(P_ICE，ω_ICE，T_ICE)，其中P_ICE、ω_ICE、T_ICE为内燃机能够提供的功率、转速和转矩，整车控制器通过CAN总线将相应的P_ICE、ω_ICE、T_ICE发送到内燃机控制器上对内燃机进行控制；而此时整车的实际工作点在点(P₁，ω₁，T₁)或者点(P₂，ω₂，T₂)，当整车的工作点处于点(P₁，ω₁，T₁)时，此时内燃机能够提供的转矩和整车需求的转矩之差ΔT₁由双机械端口电机的外电机提供，外电机处于电动状态，内燃机提供的转速和整车需求的速度之差Δω₁由双机械端口电机的内电机提供，内电机处于发电状态；当整车的工作点处于点(P₂，ω₂，T₂)时，此时内燃机能够提供的转矩和整车需求的转矩之差ΔT₂由双机械端口电机的外电机提供，处于发电状态，内燃机提供的转速和整车需求的速度之差Δω₂由双机械端口电机的内电机提供，处于电动状态。整车的工作点处于点(P₁，ω₁，T₁)时的补偿转矩ΔT₁和补偿转速Δω₁，整车的工作点处于点(P₂，ω₂，T₂)时的补偿转矩ΔT₂和补偿转速Δω₂，都通过整车控制器经过CAN总线发送到双机械端口电机控制器上，对双机械端口电机的内外电机进行控制。

图3所示为本发明中内燃机的工作区域为对应纯电动模式的内燃机的停止区域和对应混合动力模式的内燃机启动后的工作区域。如图3所示，选择的内燃机工作区域为内燃机的燃油经济性等值曲线，如图中的曲线7或者8，在实际的使用中也可以排放性等值曲线或者是燃油经济性和排放性加权统一构成的内燃机工作区域。当计算得到的整车需求功率P_car＝P_V+P_B+P_A，同时经过滤波后得到的低频分量对应的功率P_{car_low}，其所对应的等功率曲线1小于内燃机OOL曲线上的最小功率P_Min-ICE时，内燃机停止工作，工作点处在内燃机停止工作的点，即图3中的6位置，此时内燃机的输出转矩和转速为零，整车的需求功率由电机提供，处于纯电动模式；当计算得到的整车需求功率P_car＝P_V+P_B+P_A，同时经过滤波后得到的低频分量对应的功率P_{car_low}即等功率曲线1大于内燃机OOL曲线上的最小功率P_Min-ICE+P_throtle时，P_throtle为了防止内燃机功率在P_Min-ICE波动时频繁启停而引入的滞环比较值，内燃机启动工作，工作点在燃油经济性等值曲线上，即图3中的曲线7。

在实际的运行过程中，如果车辆运行时的等功率曲线如图3中的2所示，此时等功率曲线2和内燃机的燃油经济性等值曲线7有多个交点，组成线段ac，同时和内燃机的OOL曲线5有一个交点b。在这种情况下，内燃机工作点的选择根据内燃机上一拍的工作点来确定，应总是选择内燃机待选工作点集上距离上一拍内燃机工作点最近的点作为本拍的内燃机工作点。即在线段ac上寻找与内燃机上一个工作点最近的点作为内燃机工作点。

内燃机工作点的选择也根据整车的实际工作点决定：如果整车的实际工作点在P₁点，选择燃油经济性等值曲线7上边界线和等功率曲线2的交点a为内燃机的工作点；如果整车的实际工作点在燃油经济性等值曲线7的内部，如图3中的P₂点，则选择等功率曲线2和OOL曲线5的交点b为内燃机的工作点；如果整车的实际工作点在P₃点，选择燃油经济性等值曲线7下边界线和等功率曲线2的交点c为内燃机的工作点。

在深度混合动力汽车的实际运行过程中，还存在下列的情况。如图3中所示，整车的需求功率即等功率曲线4和燃油经济性等值曲线7的交点为P₄和P₅，此时选择靠近内燃机OOL曲线5的点即P₅作为内燃机的工作点。

在以上几种情况中，作为实施例的双机械端口电机的外电机用于补偿转矩，内电机用于补偿转速，在各个工作点具体的补偿方法和图2中的说明类似。

Claims (6)

1、一种深度混合动力汽车的整车控制方法，其特征在于，根据整车的总功率需求通过等功率曲线来选择内燃机的工作点：当整车的总功率需求P_car经过滤波后的低频分量P_{car_low}在内燃机工作区域对应功率覆盖的范围内时，内燃机启动，混合动力汽车工作于混合动力模式；当整车的总功率需求P_car滤波后对应的低频分量P_{car_low}小于内燃机最优工作曲线的范围内的最低点时，内燃机停止，深度混合动力汽车工作在纯电动模式；整车功率需求P_car为行车需求功率P_V、维持电池SOC在一定范围内变化的需求功率P_B、整车辅助设备的需求功率以及能量转换过程损耗的部分功率P_A三者之和，即P_car＝P_V+P_B+P_A；维持电池SOC需求功率P_B根据电池SOC自动调节，整车总功率P_car随着工况和电池的SOC值的变化自动调节；在内燃机工作点确定后，整车需求的总功率经过滤波后的低频分量P_{car_low}和内燃机能提供的功率的不足和超出部分由无级变速器补偿。

2、根据权利要求1所述的一种深度混合动力汽车的整车控制方法，其特征在于：内燃机的工作范围是对内燃机最优工作曲线、燃油经济性、排放性加权构成的内燃机工作区域，在此区域中内燃机工作点的功率覆盖汽车所需的最大功率；根据各部分权重的不同这个区域可以是一条连续曲线，或者是一个连续的区域。

3、根据权利要求1或2所述的一种深度混合动力汽车的整车控制方法，其特征在于：在内燃机工作区域和整车的总功率需求经过滤波的低频分量P_{car_low}确定后，当内燃机工作区域是一条曲线时，和P_{car_low}对应的等功率曲线和内燃机工作曲线存在唯一的交点，即为内燃机的工作点；当内燃机工作区域为一个区域时，等功率曲线和内燃机的工作曲线有多个待选工作点集，此时需要根据内燃机上一拍的工作点来确定，选择内燃机待选工作点集上距离上一拍内燃机工作点最近的点作为本拍的内燃机工作点。

4、根据权利要求1所述的一种深度混合动力汽车的整车控制方法，其特征在于：所述的维持电池SOC需求功率P_B根据电池SOC值的变化自动调节，当电池的SOC和设定值相等时，P_B＝0，当电池SOC大于设定值时，P_B<0，当电池的SOC小于设定值时，P_B>0，而且电池的SOC偏离设定值越大，|P_B|越大。

5、根据权利要求1所述的一种深度混合动力汽车的整车控制方法，其特征在于：对整车功率需求P_car进行滤波处理，滤掉高频分量P_{car_high}，只留下低频分量对应的功率P_{car_low}来确定内燃机的启停；同时通过加入滞环比价值P_thotle来判断内燃机的启动，从而防止内燃机的频繁启停。

6、根据权利要求1所述的一种深度混合动力汽车的整车控制方法，其特征在于，当内燃机停止即工作于纯电动模式时，低频分量对应的功率P_{car_low}、整车的需求转矩T_car和补偿转速ω_car由双机械端口电机的无级变速器直接提供，实现纯电动工作模式；当内燃机启动即工作于混合动力模式时，此时内燃机所能提供的功率P_ICE、转速ω_ICE和转矩T_ICE和低频分量对应的整车需求功率P_{car_low}，整车的转速ω_car和转矩T_car之间存在差值，该差值由双机械端口电机的无级变速器补偿，实现混合动力。