CN101574969A

CN101574969A - 一种混合动力汽车发动机工作点的控制方法

Info

Publication number: CN101574969A
Application number: CNA2009101386450A
Authority: CN
Inventors: 孙四军
Original assignee: SAIC Chery Automobile Co Ltd
Current assignee: Chery Automobile Co Ltd
Priority date: 2009-05-12
Filing date: 2009-05-12
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2029-05-12
Also published as: CN101574969B

Abstract

本发明公开了一种混合动力汽车发动机工作点的控制方法，在发动机工作点控制过程中，混合动力控制器HCU根据动力电池荷电状态SOC分别对辅助驱动状态和发电状态下的发动机最佳工作点进行调整选择，并通过比较ISG电机综合效率与发动机工作点调整前后油耗差与能耗差的比值关系决定实际调整发动机工作点的必要性。本发明所述的技术方案可以带来以下优点：(1)降低发动机排量，可以有效的降低排放及燃油消耗；(2)根据动力电池的状态，进行ISG电机的发电和辅助驱动，能够调整发动机机工作点，提高发动机的工作效率，而且能够提高动力性能；(3)对系统各系统效率进行综合，对系统整体效率进行仲裁，排除没有必要进行调整的工作点。

Description

一种混合动力汽车发动机工作点的控制方法

技术领域

本发明涉及一种混合动力汽车用发动机工作点控制领域，具体来说是关于混合动力汽车用动力电池的充放电深度较小时，为改善发动机的工作效率，兼顾整个系统的工作效率而采用的一种发动机工作点控制方法。

背景技术

随着全球石油资源的日益消耗引起能源供应紧张和全球环境的逐渐恶化，出于缓解资源紧张局面和保护环境的角度出发，以及满足各国政府的法规要求和政府的鼓励措施的促进作用，混合动力汽车作为新能源汽车已经风靡全球。混合动力汽车动力总成系统是发动机和电机的结合，其节油的原因之一就是控制发动机的工作点使其工作在相对靠近最佳经济点区间，提高发动机的工作效率。但是在以往的混合动力系统设计当中，往往没有考虑到根据动力电池的荷电状态来调整发动机的工作点，也没有考虑到能量在转化过程中的各部件效率变化对整个系统的效率所带来的影响，及电机小扭矩工作时的效率极低问题，从而导致对发电机工作点调整具有很大的盲目性，降低了整个系统的工作效率增加了燃油消耗。

发明内容

本发明的目的就是为克服上述已有发电机工作点控制中的缺陷，提供一种混合动力汽车用发动机工作点的控制方法，在调整发动机工作点时，不仅考虑了动力电池荷电状态来改善发动机的工作性能，提高发动机的工作效率，而且考虑到了各个子系统由于转速、扭矩及内阻变化等原因对整个系统效率的影响以及电机扭矩的最小值限制，进而最终决定是否有必要调整及如何调整发动机工作点，本发明所述方法实时计算整个系统的效率，对发动机工作点调整的合理性进行仲裁，大幅度地降低了整车的燃油消耗。

实现上述目的本发明采用的技术方案为，一种混合动力汽车发动机工作点的控制方法，在发动机工作点控制过程中，混合动力控制器HCU根据动力电池荷电状态SOC分别对辅助驱动状态和发电状态下的发动机最佳工作点进行调整选择，并通过比较ISG电机综合效率与发动机工作点调整前后的油耗差与能耗差比值关系决定实际调整发动机工作点的必要性。

发动机在ISG电机辅助驱动状态工作下，ISG电机动力性能辅助驱动扭矩等于驾驶员请求扭矩与发动机扭矩之差，发动机工作在效率最高的曲线上，燃油经济性和车辆动力性最强。电机辅助驱动状态工作下，电池荷电状态大于等于62％，小于等于80％。当电池荷电状态大于等于68％，小于等于72％时，辅助驱动因子为1，发动机工作点选择在辅助驱动发动机零点工作曲线上；当电池荷电状态大于等于76％，小于等于80％时，辅助驱动因子为2，发动机工作点选择在辅助驱动发动机最低工作曲线上；当电池荷电状态大于72％，小于76％时，辅助驱动因子大于1小于2，发动机的工作点选择在辅助驱动发动机零点工作曲线和辅助驱动发动机最低工作曲线之间；当电池荷电状态大于62％，小于68％时，辅助驱动因子大于0小于1，发动机的工作点选择在辅助驱动发动机零点工作曲线和发动机外有特性曲线之间。并且当ISG电机工作在辅助驱动状态下时，辅助驱动发动机工作曲线根据电池荷电状态的下降或上升对应进行向上或向下移动。

ISG电机工作在发电状态下时，动力电池荷电状态SOC处于大于等于40％，小于等于59％的范围。当动力电池荷电状态SOC大于等于44％，小于等于56％时，发电因子为1，发动机工作点选择在零点发电曲线上；当动力电池荷电状态SOC大于56％，小于59％时，发电因子大于零小于1，发动机工作点选择在零点发电曲线和零扭矩之间；当动力电池荷电状态SOC大于等于40％，小于44％时，发电因子大于1小于等于2，发动机工作点选择在零点发电曲线和发动机外有特性曲线之间。ISG电机工作在发电状态下，发电扭矩等于发动机扭矩与驾驶员请求扭矩之差，并且发电曲线根据电池荷电状态的下降或上升对应进行向上或向下移动，其移动范围处于零扭矩线和发动机的外有特性曲线之间。

混合动力控制器在决定实际调整发动机工作点的必要性时，采用的ISG电机综合效率是考虑ISG电机的工作效率与转速和扭矩的关系，电池的充放电效率与内阻和动力电池荷电状态的关系及发动机的万有特性曲线后得到的效率值。

利用本发明所述的技术方案可以带来以下优点：(1)降低发动机排量，可以有效的降低排放及燃油消耗；(2)根据动力电池的状态，进行ISG电机的发电和辅助驱动，能够调整发动机机工作点，提高发动机的工作效率，而且能够提高动力性能；(3)对系统各系统效率进行综合，对系统整体效率进行仲裁，排除没有必要进行调整的工作点。

附图说明

图1是本发明的混合动力系统组成示意图；

图2是混合动力模式判断及发动机工作点调整过程示意图；

图3是发电因子及辅助驱动因子与动力电池SOC的关系示意图；

图4是动力性能辅助时电机扭矩的计算示意图；

图5是ISG电机发电状态下发动机的工作点选择示意图；

图6是ISG电机发电扭矩计算示意图；

图7是ISG电机辅助驱动时发动机工作点选择调整示意图；

图8是ISG电机辅助驱动时驱动扭矩计算示意图；

图9是发动机工作点调整后效率的计算方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体描述，如图1本发明的混合动力系统组成示意图，包括发动机，ISG电机，逆变器，动力电池，电池管理系统BMS，混合动力控制器HCU，电机控制器MCU，发动机管理系统EMS和CAN总线。其中ISG电机转子与发动机曲轴刚性连接，混合动力控制器对动力电池的荷电状态进行检测，根据检测结果对不同工作状态下的发动机工作点进行选择。

图2是混合动力模式判断及发动机工作点调整过程示意图，混合动力控制器HCU对性能辅助驱动模式、发电模式和效率辅助驱动模式满足条件进行判断，根据判断结果计算工作点的调整值，再对ISG电机的工作效率与转速和扭矩的关系，电池的充放电效率与内阻和动力电池荷电状态的关系等系统进行综合考虑得到ISG电机综合效率，混合动力控制器HCU还对发动机工作点调整前后油耗差与能耗差的比值进行计算，通过比较电机综合效率和比值关系决定实际调整发动机工作点的必要性。图中所述的“性能辅助”，即为“动力性能辅助”，其和“效率辅助”是都属于电机辅助驱动的一种模式，但是在辅助驱动时的目的是不一样的，“性能辅助”是在驾驶员的请求扭矩超过发动机所能提供的最大扭矩时，发动机工作在最大扭矩处，剩余的扭矩由ISG电机来提供，从而提高车辆的动力性能，而“效率辅助”是在电池SOC比较高的情况下，同时驾驶员请求扭矩比较大，但是还没超过发动机所能提供的最大扭矩时，为了改善发动机的燃油消耗，降低其工作点，使发动机工作在扭矩小于驾驶员请求的扭矩下，剩余扭矩由电机提供，因为电机效率相对较高。

如图3是发电因子及辅助驱动因子与动力电池SOC的关系示意图，当40％≤动力电池荷电状态SOC≤59％时，属于ISG电机发电过程的发动机工作点控制过程，根据当前的SOC值得出对应的发电因子factorl的值，然后计算出发动机的工作点。如图5中，当44％≤动力电池荷电状态SOC≤56％时，factor1＝1，此时发动机的工作点定为零点发电曲线g-line-0；当56％＜动力电池荷电状态SOC＜59％时，0＜factor1＜1，此时发动机工作点曲线g-line-x＝g-line-0×factor1，发动机的工作点在g-line-0和零扭矩之间变化；当40％≤动力电池荷电状态SOC＜44％时，1＜factor1≤2，此时发动机工作点g-line-x＝g-line-0×(2-factor1)+ec-line×(factor1-1)，即发动机工作在g-line-0和发动机外有特性曲线ec-line之间。g-line-x的变化遵循如下规则：见图5，当SOC高时，g-line-x向下移动，SOC低时，g-line-x向下移动，因此若SOC1＜SOC2＜SOC3，则g-line-1＞g-line-2＞g-line-3。

如图4是动力性能辅助时电机扭矩的计算示意图，此时驾驶员请求扭矩T_driver等于ISG电机发电T_ISG扭矩与发动机扭矩T_engine之和。

如图6是ISG电机发电扭矩计算示意图，ISG电机发电扭矩T_ISG＝发动机扭矩T_engine-驾驶员请求扭矩T_driver，为了防止ISG电机在效率极低的工况下工作，当T_ISG＞T_up时，ISG电机工作，当T_ISG＜T_down时，ISG电机不工作，同时为了防止ISG电机的频繁开启，确保T_up＞T_down。

当62％≤SOC≤80％时，属于ISG电机辅助驱动的发动机工作点控制过程，如图3所示，根据当前的SOC值得出对应的辅助驱动因子factor2的值，然后计算出发动机的工作点，如图7。当68％≤SOC≤72％时，factor2＝1，此时发动机的工作点定为辅助驱动发动机零点工作曲线m-line-0；当76％≤SOC≤80％时，factor2＝2，此时发动机的工作点定为辅助驱动发动机最低工作曲线上b-line，b-line是辅助驱动发动机工作曲线m-line移动的下限，是为了防止在辅助驱动时发动机工作在效率很低的区域；当72％＜SOC＜76％时，1＜factor2＜2，此时发动机的工作点为m-line-x＝m-line-0×(2-factor2)+b-line×(factor2-1)，发动机的工作点在m-line-0和b-line之间变化；当62％＜SOC＜68％，0＜factor2＜1时，62％＜SOC＜68％发动机工作点m-line-x＝m-line-0×factor2+ec-line×(1-factor2)，即发动机工作在m-line-0和发动机外有特性曲线ec-line之间。m-line-x的变化遵循如下规则：见图7，SOC高时，m-line-x向下移动，SOC低时，m-line-x向上移动，因此若SOC1＜SOC2＜SOC3，则m-line-1＞m-line-2＞m-line-3。

如图8是ISG电机辅助驱动时驱动扭矩计算示意图，ISG电机辅助驱动扭矩T_ISG＝驾驶员请求扭矩T_driver-发动机扭矩T_engine，为了防止ISG电机在效率极低的工况下工作，当T_ISG＞T_up时，ISG电机工作，当T_ISG＜T_down时，ISG电机不工作，同时为了防止ISG电机的频繁开启，确保T_up＞T_down。

如图9是发动机工作点调整后效率的计算方法示意图，下面用一个具体参数的例子来解释混合动力系统如何判断调整发动机工作点的必要性。假如当前发动机转速为3500rpm，驾驶员请求扭矩T_driver为A点，根据当前SOC的大小计算出发动机此转速下的g-line-x的位置落在了发动机效率曲线e-line的B点处，根据万有特性曲线得知：

A点：功率P_A＝14kw，扭矩T_A＝38.7Nm，燃油消耗率BSFC_A＝369.47g/kw.h，燃油消耗量V_A＝5.257kg/h；

B点：功率P_B＝35kw，扭矩T_B＝96.1Nm，燃油消耗率BSFC_B＝249.77g/kw.h，燃油消耗量V_B＝8.954kg/h；B点位于发动机效率曲线e-line上，具有很高的燃油效率，即B点的发动机工作效率高于A点。

现假定发动机工作在A点和B点各一个小时，则在A点发动机耗油C_A＝5.257kg，消耗的能量W_A＝14kw.h，在B点发动机耗油C_B＝8.954kg，消耗的能量为W_B＝35kw.h，B点比A点多消耗的燃油C_Δ＝3.697kg，多消耗能量W_Δ＝21kw.h，W_Δ用于在B点的发电，然后存储到电池里用于驱动车辆，则最后用于驱动车辆的能量：W₁＝W_Δ*η，η是整个系统的工作效率，包括电机发电效率η_generation、电池充电效率η_charge、电池放电效率η_discharge、电机驱动效率η_motor及机械效率η_mechanical，令η₀＝η_generation*η-charge*η_discharge*η_motor，则η＝η₀*η_mechanical；而如果用把B点多消耗的燃油C_Δ使发动机工作在A点产生的驱动车辆的能量W₂＝1000*C_Δ/BSFC_A*ηmechanical。

如果要想使系统在B点比在A点省油，则必有W₁＞W₂，即W_Δ*η₀*η_mechanical＞1000*C_Δ/BSFC_A*ηmechanical，η₀＞1000*C_Δ/(W_Δ*BSFC_A)＝47.6％，也就是ISG各部件的综合效率η₀＞＝47.6％时调整发动机工作点才是有必要的，否则是不省油的。因此，把ISG电机的工作效率η_ISG(η_ISG＝η_generation*η_motor)与转速和扭矩的关系、电池的充放电效率η_BATTERY(η_BATTERY＝η_charge*η_discharge)与内阻和SOC的关系和发动机的万有特性曲线以MAP的形式放在HCU中，根据当前SOC调整发动机工作点，假如A是驾驶员请求的发动机工作点，B是调整后发动机的工作点，η₀＝η_ISG*η_BATTERY，判断方法为：

根据η₀＞1000*C_Δ/(W_Δ*BSFC_A)＝1000*(C_B-C_A)/[(W_B-W_A)*BSFC_A)]实时判断工作效率，此式成立时，工作点能进行调整，否则不进行工作点调整，从而实现当前调整发动机工作点的必要性判断。

本发明的控制方法均通过在混合动力控制器HCU中编程来实现。上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种混合动力汽车发动机工作点的控制方法，其特征在于，混合动力控制器HCU根据动力电池荷电状态SOC分别对辅助驱动状态和发电状态下的发动机最佳工作点进行调整选择，并通过比较ISG电机综合效率与发动机工作点调整前后的油耗差与能耗差比值关系决定实际调整发动机工作点的必要性。

2、根据权利要求1所述的混合动力汽车发动机工作点的控制方法，其特征在于，发动机在ISG电机辅助驱动状态工作下，ISG电机动力性能辅助驱动扭矩等于驾驶员请求扭矩与发动机扭矩之差，发动机工作在效率最高的曲线上，燃油经济性和车辆动力性最强。

3、根据权利要求1所述的混合动力汽车发动机工作点的控制方法，其特征在于，当动力电池荷电状态SOC大于等于40％，小于等于59％时，混合动力控制器控制ISG电机工作在发电状态下并计算发动机最佳工作点。

4、根据权利要求3所述的混合动力汽车发动机工作点的控制方法，其特征在于，当动力电池荷电状态SOC大于等于44％，小于等于56％时，发电因子为1，发动机工作点选择在零点发电曲线上。

5、根据权利要求3所述的混合动力汽车发动机工作点的控制方法，其特征在于，当动力电池荷电状态SOC大于56％，小于59％时，发电因子大于零小于1，发动机工作点选择在零点发电曲线和零扭矩之间。

6、根据权利要求3所述的混合动力汽车发动机工作点的控制方法，其特征在于，当动力电池荷电状态SOC大于等于40％，小于44％时，发电因子大于1小于等于2，发动机工作点选择在零点发电曲线和发动机外有特性曲线之间。

7、根据权利要求3所述的混合动力汽车发动机工作点的控制方法，其特征在于，ISG电机工作在发电状态下，发电扭矩等于发动机扭矩与驾驶员请求扭矩之差，并且发电曲线根据电池荷电状态的下降或上升对应进行向上或向下移动，其移动范围处于零扭矩线和发动机的外有特性曲线之间。

8、根据权利要求1或2所述的混合动力汽车发动机工作点的控制方法，其特征在于，当电池荷电状态大于等于62％，小于等于80％时，混合动力控制器根据当前电池荷电状态值所对应的辅助驱动因子对ISG电机辅助驱动状态下的发动机工作点进行选择。

9、根据权利要求8所述的混合动力汽车发动机工作点的控制方法，其特征在于，当电池荷电状态大于等于68％，小于等于72％时，辅助驱动因子为1，发动机工作点选择在辅助驱动发动机零点工作曲线上。

10、根据权利要求8所述的混合动力汽车发动机工作点的控制方法，其特征在于，当电池荷电状态大于等于76％，小于等于80％时，辅助驱动因子为2，发动机工作点选择在辅助驱动发动机最低工作曲线上。

11、根据权利要求8所述的混合动力汽车发动机工作点的控制方法，其特征在于，当电池荷电状态大于72％，小于76％时，辅助驱动因子大于1小于2，发动机的工作点选择在辅助驱动发动机零点工作曲线和辅助驱动发动机最低工作曲线之间。

12、根据权利要求8所述的混合动力汽车发动机工作点的控制方法，其特征在于，当电池荷电状态大于62％，小于68％时，辅助驱动因子大于0小于1，发动机的工作点选择在辅助驱动发动机零点工作曲线和发动机外有特性曲线之间。

13、根据权利要求3、9、10、11或12所述的混合动力汽车发动机工作点的控制方法，其特征在于，ISG电机工作在辅助驱动状态下时，辅助驱动发动机工作曲线根据电池荷电状态的下降或上升对应进行向上或向下移动。

14、根据权利要求1所述的混合动力汽车发动机工作点的控制方法，其特征在于，ISG电机综合效率是考虑ISG电机的工作效率与转速和扭矩的关系，电池的充放电效率与内阻和动力电池荷电状态的关系及发动机的万有特性曲线后得到的效率值。