CN101428610A - 一种混合动力汽车动力总成控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明所充分公开的是一种混合动力汽车动力总成控制方法，所述的混合动力汽车动力总成包括同轴联接的发动机和电机，在HCU的统一协调控制下，利用EMS控制发动机的扭矩输出，利用MCU控制电机的扭矩输出，将动力总成的工作模式分为以下几种模式：发动机自动启停模式、辅助驱动模式、发电模式、再生制动模式。其中：HCU根据电池SOC的情况将辅助驱动模式分为性能辅助驱动模式和效率辅助驱动模式。本方案可以保证电池SCO处于最佳状态，既能保证在再生制动模式能被充电，又能保证停车后有足够的电能供发动机自动启停模式中驱动汽车和启动发动机。同时，也保证了发动机始终处于废气排量小，耗油少的区间下工作。

Description

一种混合动力汽车动力总成控制方法

技术领域

本发明涉及对混合动力汽车动力总成输出扭矩的控制领域，特别涉及一种ISG电机与发动机同轴的动力总成中，如何对发动机和电机的输出扭矩进行分配的方法。

背景技术

混合动力汽车将电机和发动机驱动系统合理地组合在一起，发挥电机驱动的优势来弥补发动机驱动的弱点，使发动机保持在最佳工况工作，能够实现发动机怠速停机、辅助驱动以及再生制动能量回收等功能。因此，混合动力汽车既提高了车辆的驾驶性能，节省了能量消耗，同时还降低了发动机排放，充分发挥了内燃机汽车和电动汽车的优点，是当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车。

如图1所示，目前，混合动力汽车动力总成为同轴分布的发动机和电机，该电机为一集发电和电动国一体的ISG电机，动力总成通过将发动机和电机输出轴同轴，向变速箱提供动力，以扭矩的形式将动力总成的功率通过变速箱传向汽车的行驶系。为了加强对汽车动力和其它方面的控制，混合动力汽车配备了很多智能的电子控制系统，主要有混合动力控制单元(HCU)、发动机管理系统(EMS)、电机控制单元(MCU)、电池管理系统(BMS)、自动变速箱控制器(AMT)和混合动力安全监测控制器(SM)等，其中HCU又称整车控制单元，它和SM一样是混合动力汽车的总体控制单元，对其它几个控制单元起协调控制作用。各控制单元通过汽车局域网总线(CAN Bus)进行通信。在HCU和SM的统一协调控制下，EMS对发动机的状态进行监视和控制，BMS主要用于收集高压电池状态，MCU对电机进行管理，主要是接受HCU分配给电机的扭矩情况通过控制逆变器控制电机的输入电流来控制它的输出扭矩。总之，在HCU的控制下能对汽车整车运行情况进行控制。这里汽车运行需要多少扭矩，而发动机和电机各输出多少扭矩，扭矩如何分配是问题的关键。因此需要在HCU的统一协调控制下。目前，汽车运行需要多少扭矩一般由HCU根据汽车内各地传感器的信息进行计算出来的，并根据具体情况对扭矩进行分配，EMS对发动机进行控制，使其输出分配的扭矩。MCU控制电机使其输出分配的扭矩。目前，混合动力汽车中，这种控制主要分为四个控制模式：如授权公告日为2007年2月7日的专利号为的200310124511.6中国专利“混合动力汽车控制系统及其控制方法”就提供了一种这样的模式的控制方法。

1、发动机快速启动模式。

2、发电模式。

3、巡航辅助模式。

4、制动能量回收模式。

其第三种模式：这里，发电模式有时和巡航辅助模式在汽车巡航状态时同时存在。而巡航辅助模式是指在汽车正常行驶时，利用发动机进行驱动，使发动机工作在废气排放小的工作区域。在当发动机的扭矩不够时，控制电机输出差额的扭矩。当发动机扭矩有多余时，利用电机发电回收，此时电机的扭矩为负数。这里出现了一个问题，就是当巡航辅助模式时，电机的发电量使高压电池的SOC(State of charge)达到最高值时，没有多余的容量吸收停车时的制动回收的能量，会影响能源利用效率。

发明内容

为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扭矩输出控制方法。该方法中HCU通过获取高压电池的SOC曲线，根据高压电池当前的SOC状况确定电机的扭矩输入输出情况。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种混合动力汽车动力总成控制方法，所述的混合动力汽车动力总成包括同轴联接的发动机和电机，在混合动力控制单元的统一协调控制下，利用发动机管理系统控制发动机的扭矩输出，利用电机控制单元控制电机的扭矩输出，将动力总成的控制方法分为以下几种工作模式：

发动机自动启停模式：汽车停车冷启动或者怠速停车启动时，由电机单独输出扭矩驱动汽车，同时带动发动机使发动机转速到设定转速再点火。

辅助驱动模式：汽车在巡航时，根据发动机的扭矩输出情况，电机输出或者输入扭矩。

发电模式：当电池容量不足时，由发动机带动电机发电。

再生制动模式：停车或者刹车时，发动机不输出扭矩，由车轮轴向电机输出扭矩，电机输入扭矩发电。

其中：所述的辅助驱动模式包括性能辅助驱动模式和效率辅助驱动模式。

所述的性能辅助驱动模式中，混合动力控制单元检测到所述的高压电池的容量处于自由充放电的区域时，混合动力控制单元通过发动机管理系统控制发动机为整车行驶提供所需扭矩，当确定发动机的最大输出扭矩小于所需扭矩时，通过电机控制单元控制电机输出所需要的扭矩；

在所述的效率辅助驱动模式中，混合动力控制单元检测到所述的高压电池的容量处于限制充电的区域时，混合动力控制单元通过电机控制单元控制电机输出扭矩。

本方案由于混合动力控制单元(HCU)在汽车巡航运行时，对于电机辅助驱动模式中考虑到电池容量(SOC)，将该模式分成性能辅助驱动模式和效率辅助驱动模式。当电池容量处于限制充电区域时，通过电机输出扭矩，消耗掉一些电池容量，电机输出扭矩后，可以通过EMS在一定范围内减小发动机的油门开度，节省油料。同时空出来的电池容量也可以保证电池能将制动回收的能量能保存。

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混合动力汽车扭矩分配控制系统组成框图；

图2本发明中电机工作模式及工作区域在“扭矩-发动机速度”平面坐标上划分示意图。

图3本发明中、在巡航模式下HCU确定电机输出/输入扭矩流程图。

图4性能驱动模式下，HCU扭矩分配控制流程图。

图5效率驱动模式下，HCU扭矩分配控制流程图。

图6本发明实施例中，当混合动力汽车正常行驶下的模式控制流程图。

具体实施方式

如图2所示：一种混合动力汽车扭矩输出控制方法，通过扭矩与发动机速度为纵、横坐标，将混合动力电机的各工作模式分成各区域。在HCU的统一协调控制下，利用EMS控制发动机的扭矩输出情况，利用MCU控制电机的扭矩输出情况，将电机工作模式分为以下几种模式和区域：

发动机自动启停模式：汽车停车冷启动或者怠速停车启动时，由电机单独输出扭矩驱动汽车，同时带动发动机使发动机转速到设定转速再点火。此模式开始时，发动机速度为零，不输出扭矩，HCU中设定的需求扭矩较大，由电机提供，电机在提供所有需求扭矩时，带动发动机转动，使发动机转速逐步增加到点火后能使燃料完全燃烧的速度时，发动机点火，输出扭矩，汽车由发动机和电机共同驱动，进入性能辅助驱动模式。

随着汽车行驶速度的不断增加，到一定速度后，HCU确定汽车不需要加速运行了，减少需求扭矩，使发动机能够单独承担汽车行驶所需要的扭矩，电机停止提供扭矩。此时，汽车以一定速度行驶，此时发动机输出扭矩是发动机在发动机管理系统控制在下使发动机工作在废气排量小，耗油少的区间下输出的扭矩。

性能辅助驱动模式，HCU检测所述高压电池的SOC，当40％≤SOC≤80％时，此时电池的SOC处于有条件的自由充放电区域。同时，HCU发现整车需求扭矩大于发动机的输出的最大扭矩，通过电机控制单元控制电机输出所需要的扭矩。此时，处于扭矩-发动机速度平面中的性能辅助驱动区。当HCU发现整车需求扭矩小于发动机的输出的最小扭矩时，MCU控制电机发电，进入发电工作模式。

效率辅助驱动模式，HCU检测所述高压电池的SOC，当SOC≥60％时，控制电机输出扭矩。此时，可根据电池SOC的情况分为两种形式的效率辅助驱动模式，其一是当：80％≥SOC≥60％时，HCU通过EMS控制发动机在耗油少排量小的工作区域内工作，为汽车行驶提供扭矩，当所需的扭矩大于发动机的输出扭矩时，由MCU控制电机提供所欠的部分扭矩。其二是：SOC>80％时，电池处于禁止充电的区域，HCU通过EMS控制发动机在耗油少排量小的工作区域内工作，为汽车行驶提供扭矩，同时控制发动机提供符合上述条件的最小的扭矩，当所需的扭矩大于发动机的输出扭矩时，由MCU控制电机提供所欠的部分扭矩。处于扭矩-发动机速度平面中的效率辅助驱动区。当电池容量放电到进入自由充放电区域时，返回性能辅助驱动模式。

发电模式：当电池容量不足时，由发动机带动电机发电；此时，发动机提供足够大的扭矩，带动汽车行驶的同时还带动电机发电。或者此时，汽车停车，发动机提供的扭矩仅仅带动电机发电。此模式在扭矩-发动机速度平面中的发电区。HCU将根据上术效率辅助驱动模式的工作尽量减少此工作模式的工作时间。

再生制动模式：停车或者刹车时，发动机不输出扭矩，由车轮轴向电机输出扭矩，电机输入扭矩发电；此模式在扭矩-发动机速度平面中的横轴的下边。此时，HCU设定需求扭矩为负数，需要电机吸收多余的扭矩发电。

如图3所示，HCU根据该流程确定电机是否加入工作，根据点有两个，一个是高压电池的容量是否允许电机工作，另一个是由所需的扭矩与发动机在废气排放量少，耗油少的区域所能输出的扭矩相比较的结果决定的。前者是必要条件，包括有两个内容，当电池容量大于限制放电容量时，可以允许电机放电输出扭矩，当电池容量小于限制充电容量时，可以允许电机发电，补充容量。当前都满足时，电机是以性能辅助方式加入输出扭矩的行列还是以效率辅助方式加入输入驾驶员的操作将被解释为对发动机及电机的需求扭矩，这些扭矩同时要考虑内部损失扭矩如摩擦损失、泵损耗等。

当汽车处于巡航行驶时，根据发动机性能和特点，此时，汽车运行所需要的扭矩正好是落发动机工作在废气排放少、耗油少的区间所能提供的扭矩。此时，HCU根据以下步骤确定工作模式：

1、检查高压电池的SOC，当SOC处于禁止放电区域时，进入发电模式。

2、当SOC处于有条件的自由充放电区域时，进入性能辅助驱动模式。

3、当SOC高于限制充电区域时，进入效率辅助驱动模式。

如图4，性能辅助驱动模式条件是需求扭矩>发动机最大扭矩能力；此时，高压电池的SOC处于有条件的自由充放电区域，HCU按以下步骤对动力总成的工作进行控制：

1、HCU控制发动机为汽车提供巡航所需要的所有扭矩。

2、当发现汽车提供巡航所需要的扭矩大于发动机所能提供的最大扭矩时，由MCU控制电机工作输出扭矩。

3、当发现汽车提供巡航所需要的扭矩小于发动机所能提供的最小扭矩时，由MCU控制电机发电输入扭矩。

上面电机扭矩是按下列算式确定我：

A、电机初步需求扭矩＝需求扭矩-发动机最大能力扭矩

B、电机扭矩最大值＝电机峰值扭矩

C、电机扭矩最大值＝电机连续最大扭矩

D、允许的最大放电功率＝根据电池SOC查表，

E、电机需求扭矩＝min(电机初步需求扭矩，电机扭矩最大值，允许最大放电功率/发动机速度)。

上述的电机峰值扭矩是在当电池温度低于一定温度时，电机工作在一个较短的时间内能提供的最大扭矩值。

如图5所示，效率辅助驱动模式中，高压电池SOC处于限制放电的区域，该区域电容SOC较高，可以为汽车提供一定的扭矩。在这个区域，电机基于以下两个原因为发动机提供辅助驱动扭矩：

在大电池SOC相对较高的情况下改善发动机工作效率；消耗大电池SOC为电机进行再生制动能量回收提供机会。基于第一个原因进行的辅助驱动可以直接改善发动机效率，基于第二个原因进行的辅助驱动虽然不一定能提供发动机效率，但是由于该方式辅助驱动所用能是由再生制动回收得到的多余能力，所以最终是可以改善整个动力总成链的效率。为了保证电机使用再生制动回收的多余能量，电机的工作模式需要与大电池的SOC一起相结合管理。同时SOC管理也用来区分电机的效率辅助驱动与电机发电模式。

此时，HCU按照以下步骤完成动力总成的扭矩分配工作：

1、HCU控制发动机的输出扭矩为最小输出扭矩，同时控制电机输出扭矩。

2、HCU实时检测高压电池SOC，当发现SOC处于自由充放电区域时，停止电机的工作，由发动机单独提供汽车巡航行驶所需的扭矩。

确定效率辅助驱动电机的扭矩大小可按下面的方式确定：

A、发动机扭矩＝最小发动机扭矩；

2、电机初步扭矩＝需求扭矩-发动机扭矩；

3、最大电机扭矩＝电机连续最大扭矩；

4、电机需求扭矩＝min(电机初步扭矩，最大电机扭矩)；

5、发动机需求扭矩＝需求扭矩-需求电机扭矩。

上面对发动机和电机组成的动力总成的扭矩分配的控制模式是基于以下的分析：

根据发动机状态，本实施例中我们可以将电池SOC分为以下区域。

区域1：禁止放电区域，表示电池SOC很少，必须马上充电，应该进入到发电工作模式。此时SOC<40％。

区域2：有条件的自由充放电区域，表示电池容量正处于良好状态，此时，HCU可以将发动机的最大扭矩和最小扭矩设置到较宽的范围，使电机辅助驱动和发电的机会相对都较少，提高发动机效率；此时，40％≤SOC≤80％。该区域一般又分为限制放电区域和限制充电区域。限制放电区域，表示电池有一定的SOC，可以放电，但放电时间和功率需要限制；此时，40％≤SOC≤60％。此时，可将发动机输出扭矩设置为较大的最小输出扭矩，增加发动机最小输出扭矩大于所需扭矩的机会，使电机发电机会增加。限制充电区域，限制充电区域，表示电池容量较高，此时可将发动机的最大输出扭矩设置成较低的位置，提高所需扭矩大于发动机最大扭矩的机会，同时提高了电机辅助驱动的机会，提高系统效率。此时，60％≤SOC≤80％。

区域3：禁止充电区域，此时，SCO>80％，表示电池容量非常高，如果不放电，则不能再充电了，在此区域内，可将将发动机的输出扭矩设置得最小，最大限度地提高电机驱动的机会，使电池放电，将电池容量降下来。有时在发动机提供最小扭矩也能满足需要时，HCU也控制电机工作使电池放电。

图6所示为本发明的一个实施例中，在汽车正常行驶时，也就是上面说的巡航运行时，HCU根据电池SOC的情况对各工作模式进行控制的流程图。

如图6所示，当SCO>80％，当需求扭矩较大时，电机进行辅助驱动。否则，电机空闲。

当SCO<40％时，当需求扭矩较小或者刹车时，电机吸收多余的扭矩发电或者再生制动回收能量发电。否则，电机空闲。

当SCO>40％和SOC<80％时，在需求扭矩大于发动机的输出扭矩，同时SCO>60％时，可以进行性能驱动模式和效率驱动模式。在SCO<60％时进行性能驱动模式。

当SCO>40％和SOC<80％时，在有一定的需求扭矩但不大于发动机的输出扭矩时，此时如果，SOC>60％，则进行效率辅助驱动。否则进入发电模式。此时的结果都是电机处于发电机状态。

当SCO>40％和SOC<80％时，无需求扭矩或者刹车时，则进入到再生制动模式。否则，电机处于空闲状态。

这里需要注意的是，在SOC很高时，电池处于禁止充电区域(本实施例是SOC>80％时)，只允许电机辅助驱动。在SOC很低时，电池处于禁止放电区域(本实施例是SOC<40％)，只允许电机发电或者再生制动发电。当电池在有条件的自由充放电区域时(本实施例为80％>SOC>40)需要根据需求扭矩来确定电机的工作模式，当电池在限制充电区域(本实施例为80％>SOC>60)时，可以进行效率及性能辅助驱动。当电池处于限制放电区域(本实施例为60％>SOC>40)时，只能进行性能辅助驱动或者发电。具体模式根据需求扭矩来确定，当无需求扭矩时，进行再生制动。

Claims (9)

1、一种混合动力汽车动力总成控制方法，所述的混合动力汽车动力总成包括同轴联接的发动机和电机，在混合动力控制单元的统一协调控制下，利用发动机管理系统控制发动机的扭矩输出，利用电机控制单元控制电机的扭矩输出，将动力总成的控制方法分为以下几种工作模式：

发动机自动启停模式：汽车停车冷启动或者怠速停车启动时，由电机单独输出扭矩驱动汽车，同时带动发动机使发动机转速到设定转速再点火；

辅助驱动模式：汽车在巡航时，根据发动机的扭矩输出情况，电机输出或者输入扭矩；

发电模式：当电池容量不足时，由发动机带动电机发电；

再生制动模式：停车或者刹车时，发动机不输出扭矩，由车轮轴向电机输出扭矩，电机输入扭矩发电；

其特征在于：所述的辅助驱动模式包括性能辅助驱动模式和效率辅助驱动模式；所述的性能辅助驱动模式中，混合动力控制单元检测到所述的高压电池的容量处于有条件的自由充放电的区域时，混合动力控制单元通过发动机管理系统控制发动机为整车行驶提供所需扭矩，当确定发动机的最大输出扭矩小于所需扭矩时，通过电机控制单元控制电机输出所需要的扭矩；

在所述的效率辅助驱动模式中，混合动力控制单元检测到所述的高压电池的容量高于有条件的限制充电的区域时，混合动力控制单元通过电机控制单元控制电机输出扭矩。

2、根据权利要求1所述的混合动力汽车动力总成控制方法，其特征在于：在所述的效率辅助驱动模式中，混合动力控制单元检测到所述的高压电池的容量处于禁止充电的区域时，混合动力控制单元通过发动机管理系统控制发动机为整车行驶提供所需扭矩，当确定发动机的输出扭矩小于所需扭矩时，混合动力控制单元通过电机控制单元控制电机输出扭矩。

3、根据权利要求2所述的混合动力汽车动力总成控制方法，其特征在于：所述发动机输出扭矩是发动机在发动机管理系统控制下使发动机工作在废气排量小，耗油经济的区间下输出的扭矩。

4、根据权利要求3所述的混合动力汽车动力总成控制方法，其特征在于：在所述的性能辅助驱动模式中，当确定发动机的最小输出扭矩大于所需扭矩时，进入发电模式。

5、根据权利要求1至4所述的任何一种混合动力汽车动力总成控制方法，其特征在于：所述的高压电池容量处于有条件的自由充放电区域或分为限制充电区域和限制放电区域。

6、根据权利要求5所述的混合动力汽车动力总成控制方法，其特征在于：所述的高压电池容量处于有条件的自由充放电区域的范围为：80％≤SOC≤40％。

7、根据权利要求5所述的混合动力汽车动力总成控制方法，其特征在于：所述的高压电池容量处于限制充电区域的范围为：60％<SOC≤80％。

8、根据权利要求5所述的混合动力汽车动力总成控制方法，其特征在于：所述的高压电池容量处于限制放电区域的范围为：40％≤SOC≤60％。

9、根据权利要求1至4中任一所述的混合动力汽车动力总成控制方法，其特征在于：所述的高压电池容量处于禁止充电区域的范围为：SOC>80％。

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