CN101830221B - 混合动力车用电机零转矩控制双同步换挡方法 - Google Patents

Abstract

一种混合动力车用电机零转矩控制双同步换挡方法，属于现代交通技术领域。其特征是监测车速u_a和节气门开度α以确定换挡点；减小节气门开度，增大电机转矩；当节气门开度小于给定阈值时，分离离合器并控制电机转矩为零，摘旧挡；调节发动机转速至匹配目标转速n_e ^*，同时对电机进行零转矩控制，查询零转矩控制MAP图，给定逆变器匹配目标转速n_m ^*对应的输入电压U_in、电流I_in，控制电机转速至匹配目标转速n_m ^*；当电机转速n_m与其匹配目标转速n_m ^*的偏差小于给定阈值时，挂新挡；电机恢复转矩输出；当发动机转速n_e与其匹配目标转速n_e ^*的偏差小于给定阈值时，结合离合器；恢复发动机转矩输出。本发明的效果和益处是减小换挡冲击、缩短动力中断时间，提高换挡舒适性。

Description

混合动力车用电机零转矩控制双同步换挡方法

技术领域

本发明属于现代交通技术领域，涉及到混合动力汽车动力总成控制方法，特别涉及到采用电控机械式自动变速器的混合动力汽车换挡方法。

背景技术

节能与环保是当今汽车工业发展的两大主题。由于混合动力汽车既继承了传统发动机高比能量、高比功率的长处，又弥补了纯电动汽车续驶里程短的不足，显著改善了整车燃油经济性能和排放性能，已成为目前最具产业化和市场化前景的车型。混合动力汽车动力总成结构有串联、并联和混联三种形式。在空间上，发动机输出轴、电机输出轴和变速器输入轴的轴线平行，需要通过扭矩合成器将电机输出轴与变速器输入轴刚性连接。无论何种形式的动力总成结构，均具有如下缺点：由于电机转子通过扭矩合成器与变速器输入轴刚性连接，与传统车相比增加了变速器输入端的转动惯量，导致换挡冲击大、动力中断时间长、换挡舒适性差。为了解决上述问题，需要在换挡时采用合理的控制方法以改善换挡品质。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对采用电控机械式自动变速器的并联式混合动力汽车变速器输入端转动惯量大引起换挡困难的缺点，提出一种混合动力车用电机零转矩控制双同步换挡方法，通过电机零转矩控制方法匹配电机目标转速，使换挡过程中变速器输入端转动惯量接近零，减小换挡冲击，改善换挡品质；并控制发动机也进行目标转速匹配，使离合器主、从动摩擦片转速差减小，进一步减小动力损失，提高系统效率。

本发明的技术方案是：本发明由换挡协调控制子系统、信号采集子系统、发动机控制子系统、电控离合器控制子系统、电机控制子系统、机械式自动变速器控制子系统组成。其中，换挡协调控制子系统包括换挡协调控制器，负责为发动机电控单元、离合器电控单元、电机控制单元、变速器电控单元提供时序信号并完成处理传感器信号、判断换挡点，计算匹配目标转速、发送指令等工作；信号采集子系统包括轮速传感器和节气门开度传感器，轮速传感器监测车轮转速信息，进而得到车速信息，节气门开度传感器监测节气门开度值，反映驾驶员意图，二者共同作为换挡协调控制器的换挡决策信息；发动机控制子系统包括发动机电控单元、执行器和发动机，完成节气门开度控制和发动机调速控制；电控离合器控制子系统包括离合器电控单元、执行器和离合器，实现离合器分离与结合；电机控制子系统包括电机控制单元、逆变器、电机、电池管理单元和蓄电池组，采用电机零转矩控制方法完成电机调速；机械式自动变速器控制子系统包括变速器电控单元、执行器和变速器，完成摘旧挡、挂新挡动作。

本发明的控制过程包括换挡点监测阶段、换挡前驱动转矩控制阶段、零转矩控制双同步换挡阶段、换挡后驱动转矩恢复阶段。各阶段交叉同步进行，由换挡协调控制器控制时序。

换挡点监测阶段：换挡协调控制器监测轮速传感器和节气门开度传感器信号，经过分析处理获得换挡所需参数信息车速u_a和节气门开度α；然后，查询双参数换挡MAP图，判断是否满足换挡条件，若满足，则执行换挡控制程序，同时计算出发动机匹配目标转速n_e ^*和电机匹配目标转速n_m ^*。

换挡前驱动转矩控制阶段：换挡协调控制器向发动机电控单元发送驱动转矩减小指令，控制执行器减小节气门开度，减小发动机输出转矩；同时，换挡协调控制器向电机控制单元发送驱动转矩增加指令，控制电机增大输出转矩来尽量维持车轮所需驱动力；监测节气门开度传感器信号，当节气门开度小于给定阈值时，换挡协调控制器向离合器控制单元发送离合器分离指令，控制执行器完成离合器分离动作，同时向电机控制单元发送电机转矩为零控制指令，使电机为自由状态；然后向变速器电控单元发送摘旧挡指令，控制执行器完成摘旧挡动作。

零转矩控制双同步换挡阶段：换挡协调控制器向发动机电控单元和电机控制单元发送转速匹配指令，发动机电控单元控制执行器调整节气门开度，逐渐调节发动机转速至发动机匹配目标转速n_e ^*；同时，电机控制单元对电机进行零转矩控制，查询零转矩控制MAP图，给定逆变器匹配目标转速n_m ^*对应的输入电压U_in、输入电流I_in，控制电机转速迅速达到电机匹配目标转速n_m ^*；换挡协调控制器比较电机当前转速n_m和电机匹配目标转速n_m ^*的偏差，当该偏差小于给定阈值时，向变速器控制单元发送挂新挡指令，控制执行器完成挂新挡动作。

换挡后驱动转矩恢复阶段：换挡协调控制器向电机控制单元发送恢复转矩输出指令，电机进入转矩闭环控制模式，逐步恢复转矩输出；换挡协调控制器比较发动机当前转速n_e和发动机匹配目标转速n_e ^*的偏差，当该偏差小于给定阈值时，向离合器控制单元发送离合器结合指令，控制执行器完成离合器结合动作；换挡协调控制器向发动机控制单元发送恢复转矩输出指令，控制执行器增大节气门开度，通过协调控制发动机节气门开度和电机转矩逐步过渡到整车混合驱动工作模式。

本发明的效果和益处是：本发明在换挡过程中采用电机零转矩控制调速方法，控制电机转速迅速达到电机匹配目标转速，响应速度快、运行平稳，有利于缩短动力中断时间，减小换挡冲击；调节发动机转速至发动机匹配目标转速再结合离合器，减小了摩擦带来的动力损失，提高了系统效率，并减缓了离合器的磨损；挂入新挡后，电机立刻恢复转矩输出，缩短了动力中断时间，提高了整车加速性和动力性。

附图说明

图1是本发明双轴并联式混合动力驱动系统结构示意图。

图2是本发明单轴并联式混合动力驱动系统结构示意图。

图中：1换挡协调控制器；2发动机；3执行器；4发动机电控单元；5离合器；6执行器；7离合器电控单元；8变速器；9执行器；10变速器电控单元；11主减速器；12轮速传感器；13蓄电池组；14电池管理单元；15电机；16逆变器；17电机控制单元；18节气门开度传感器；19扭矩合成器。

图3是本发明换挡控制过程流程图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例

如图1所示，本发明双轴并联式混合动力驱动系统组成包括：换挡协调控制子系统、信号采集子系统、发动机控制子系统、电控离合器控制子系统、电机控制子系统、机械式自动变速器控制子系统。其中，换挡协调控制子系统包括：换挡协调控制器1；信号采集子系统包括：轮速传感器12和节气门开度传感器18；发动机控制子系统包括：发动机电控单元4、执行器3、发动机2；电控离合器控制子系统包括：离合器电控单元7、执行器6、离合器5；电机控制子系统包括：电机控制单元17、逆变器16、电机15、电池管理单元14、蓄电池组13；机械式自动变速器控制子系统包括：变速器电控单元10、执行器9、变速器8；此外，还包括主减速器11和扭矩合成器19。

如图3所示，本发明的换挡控制过程如下：

第一步，换挡协调控制器1监测轮速传感器12和节气门开度传感器18信号，经过分析处理获得换挡所需参数信息，包括车速u_a和节气门开度α；

车速u_a由公示(1)计算获得：

u_a＝0.3768×r×n_w    (1)

式中：r为车轮半径，单位m；n_w为车轮转速，单位r/min；

然后，查询双参数换挡MAP图，判断是否满足换挡条件，若满足，则执行换挡控制程序，同时计算出发动机匹配目标转速n_e ^*和电机匹配目标转速n_m ^*。其中，双参数换挡MAP图预先存储在换挡协调控制器1中，发动机匹配目标转速n_e ^*和电机匹配目标转速n_m ^*由公示(2)、(3)计算获得：

$n_e^{*}=i_{\mathrm{obj}}\×i_0\×n_w---\left(2\right)$

$n_m^{*}=i_c\×i_{\mathrm{obj}}\×i_0\×n_w---\left(3\right)$

式中，n_e ^*为发动机匹配目标转速，单位r/min；i_obj为目标挡位传动比；i₀为主减速器传动比；n_w为车轮转速，单位r/min；n_m ^*为电机匹配目标转速，单位r/min；i_c为扭矩合成器传动比。

第二步，换挡前驱动转矩控制，换挡协调控制器1向发动机电控单元4发送驱动转矩减小指令，控制执行器3减小节气门开度，减小发动机输出转矩，为离合器5分离作好准备。若在节气门开度尚未减小到目标值之前离合器5已经分离，就会导致发动机2因负载突然消失而转速突然上升，这对发动机本身和发动机转速控制都很不利。同时，换挡协调控制器1向电机控制单元17发送驱动转矩增加指令，控制电机15增大输出转矩来尽量维持车轮所需驱动力。发动机2和电机15的协调配合保证了车辆的动力性，缩短了动力中断时间。

第三步，监测节气门开度传感器18信号，当节气门开度小于给定阈值时，换挡协调控制器1向离合器控制单元7发送离合器分离指令，控制执行器6完成离合器5分离动作，同时向电机控制单元17发送电机转矩为零控制指令，使电机15为自由状态，由于电机响应速度很快，可瞬间完成；然后向变速器电控单元10发送摘旧挡指令，控制执行器9完成摘旧挡动作。

第四步，换挡协调控制器1向发动机电控单元4和电机控制单元17发送转速匹配指令，发动机电控单元4控制执行器3调整节气门开度，逐渐调节发动机转速至发动机匹配目标转速n_e ^*；同时，电机控制单元17对电机15进行零转矩控制，查询零转矩控制MAP图，给定逆变器16匹配目标转速n_m ^*对应的输入电压U_in、输入电流I_in，控制电机转速达到电机匹配目标转速n_m ^*，零转矩控制响应速度快、运行平稳，有利于缩短动力中断时间、提高换挡舒适性。零转矩控制MAP图经过预先标定，以表的形式存储在电机控制程序中。

第五步，换挡协调控制器1比较电机当前转速n_m和电机匹配目标转速n_m ^*的偏差，当该偏差小于给定阈值时，向变速器控制单元10发送挂新挡指令，控制执行器9完成挂新挡动作；由于此时变速器输入轴转速n_in和输出轴转速n_out×i_obj的差接近零，消除了变速器输入轴转动惯量增大带来的换挡困难问题，减小了换挡冲击、提高了换挡舒适性。

第六步，换挡协调控制器1向电机控制单元17发送恢复转矩输出指令，电机15进入转矩闭环控制模式，逐步恢复转矩输出，满足驾驶员的转矩需求；由于发动机的动态特性比电机动态特性慢，电机转速匹配时间远小于发动机转速匹配时间，故挂入新挡后，电机率先恢复转矩输出有利于缩短动力中断时间。

第七步，换挡协调控制器1比较发动机当前转速n_e和发动机匹配目标转速n_e ^*的偏差，当该偏差小于给定阈值时，向离合器控制单元7发送离合器结合指令，控制执行器6完成离合器结合动作；由于此时离合器主、从动摩擦片转速差很小，故减缓了离合器磨损。

第八步，换挡协调控制器1向发动机控制单元4发送恢复转矩输出指令，控制执行器3增大节气门开度，通过协调控制发动机节气门开度和电机转矩逐步过渡到整车动力控制策略需要的发动机与电机之间的动力分配。

本发明同样适用于单轴并联式混合动力驱动系统，具体控制过程与双轴并联式一致，在此不再赘述。

Claims (1)

1.一种混合动力车用电机零转矩控制双同步换挡方法，其特征在于，包含以下步骤：

第一步，换挡协调控制器监测轮速传感器和节气门开度传感器信号，经过分析处理获得换挡所需参数信息车速u_a和节气门开度α，然后，查询双参数换挡MAP图，判断是否满足换挡条件，若满足，则执行换挡控制程序，同时计算出发动机匹配目标转速n_e ^*和电机匹配目标转速n_m ^*；

第二步，换挡协调控制器向发动机电控单元发送驱动转矩减小指令，控制执行器减小节气门开度，同时，换挡协调控制器向电机控制单元发送驱动转矩增加指令，控制电机增大输出转矩来尽量维持车轮所需驱动力；

第三步，监测节气门开度传感器信号，当节气门开度小于给定阈值时，换挡协调控制器向离合器控制单元发送离合器分离指令，控制执行器完成离合器分离动作，同时向电机控制单元发送电机转矩为零控制指令，使电机为自由状态，然后向变速器电控单元发送摘旧挡指令，控制执行器完成摘旧挡动作；

第四步，换挡协调控制器向发动机电控单元和电机控制单元发送转速匹配指令，发动机电控单元控制执行器调整节气门开度，逐渐调节发动机转速至发动机匹配目标转速n_e ^*，同时，电机控制单元对电机进行零转矩控制，查询零转矩控制MAP图，给定逆变器匹配目标转速n_m ^*对应的输入电压U_in、输入电流I_in，控制电机转速迅速达到电机匹配目标转速n_m ^*；

第五步，换挡协调控制器比较电机当前转速n_m和电机匹配目标转速n_m ^*的偏差，当该偏差小于给定阈值时，向变速器控制单元发送挂新挡指令，控制执行器完成挂新挡动作；

第六步，换挡协调控制器向电机控制单元发送恢复转矩输出指令，电机进入转矩闭环控制模式，逐步恢复转矩输出；

第七步，换挡协调控制器比较发动机当前转速n_e和发动机匹配目标转速n_e ^*的偏差，当该偏差小于给定阈值时，向离合器控制单元发送离合器结合指令，控制执行器完成离合器结合动作；

第八步，换挡协调控制器向发动机控制单元发送恢复转矩输出指令，控制执行器增大节气门开度，通过协调控制发动机节气门开度和电机转矩逐步过渡到整车混合驱动工作模式。

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