CN101909912B - 一种油电混合动力电动车的速度巡航控制装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于油电混合电动车的速度巡航控制装置和方法，该混合动力车包括发动机、发动机控制单元、发动机经济运行控制单元、第一电机和第二电机、分别控制第一电机和第二电机的第一伺服驱动器和第二伺服驱动器、储能单元、直流母线、以及母线电压检测及PID控制单元，该巡航控制装置包括巡航控制单元，其中当对车速进行巡航控制时，巡航控制单元直接根据所需车速通过第二伺服驱动器控制第二电机的转速或者转矩，以实现所需车速下的巡航控制；并且当设定条件或负载情况急剧变化时，第二电机所需或输出的能量实时地由储能单元通过直流母线补给或吸收，以实现实时巡航控制。

Description

一种油电混合动力电动车的速度巡航控制装置和方法
技术领域
本发明涉及汽车速度控制领域的一种速度巡航控制装置，具体而言涉及一种采用双联电机的油电混合动力电动车的速度巡航控制装置。本发明还涉及该速度巡航控制装置的巡航控制方法。
技术背景
为使得汽车具有较好的驾驶舒适性，人们在汽车控制策略上设置了巡航功能。在高速公路上长时间行驶时，打开该巡航控制系统的自动操纵开关后，巡航控制系统将根据行车阻力自动增减节气门开度，从而使汽车行驶速度保持一定。这样可以避免驾驶员频繁踩油门踏板，同时保证汽车以预先设定的速度行驶。汽车自动在一定条件下恒速行驶，大大地减轻了驾驶员的驾驶疲劳强度。由于巡航控制系统能自动地保持一定车速，避免了不必要的油门踏板的人为变动，进而改善了汽车的燃油经济性和发动机的排放性。
常规巡航控制系统由传感器、操作开关、执行器和巡航控制ECU等组成。传感器和开关将信号送入巡航控制ECU，ECU根据这些信号计算节气门应有的开度，并给执行器发出信号，自动调节节气门开度。
传感器包括车速传感器、节气门位置传感器、节气门控制摇臂传感器，分别用于测量车速、节气门位置、节气门控制摇臂位置。
操作开关主要由驾驶员进行操作，用于设置巡航车速或将其重新设置为另一车速，以及取消巡航控制等。
巡航控制ECU由处理器芯片、A/D、D/A转换IC及输出重置驱动和保护电路等模块组成。ECU接收来自各种传感器(例如车速传感器)和各种开关的信号，按照预先存储的程序进行处理。当车速偏离设定的巡航车速时，给执行器一个电信号，控制执行器的动作，使实际车速与设定车速相一致。
执行器将ECU输出的电流或电压信号转变为机械运动，进而控制节气门的开度，最终达到控制车速的目的。目前使用的执行器有两种类型，一中是真空驱动型，另一种是电机驱动型。前者由负压操纵节气门，后者由微电机操纵节气门。
现有的巡航控制方案采用机械执行机构通过改变节气门开度调节发动机转速，从而实现巡航功能，由于机械执行机构的动作延时和发动机响应的自然延时，现有的巡航控制在应用中有很多局限，例如在路面状况较差、风速变化较大、设定巡航速度与实际车速相差过大时，巡航功能往往不能实现或者不能改善汽车燃油经济性。
本发明描述的油电混合动力电动车的速度巡航控制装置和方法，利用伺服电机快速响应的伺服特性，很好地克服了传统方案中响应速度慢、定速精度低、对燃油经济性改进有限的缺点，并且成本低廉，便于推广。
发明内容
本发明的目的是设计一种油电混合动力电动车的速度巡航控制装置，在相应控制方法的控制下，该装置有如下功能：①能够让汽车平稳运行在设定速度上，即使在负载阻力变化剧烈时仍能实现高精度速度巡航；②即使在负载阻力变化剧烈时，仍然保持发动机运行状态平稳变化，使发动机一直工作在最佳经济运行曲线上，实现更好的燃油经济性能；  ③有更宽广的巡航速度调节范围以及更快速的调节响应性；④巡航调速平滑、操作简单，具有很好的驾驶性能。
本发明设计的油电混合动力电动车的速度巡航控制装置包括发动机、发动机控制单元、发动机经济运行控制单元、第一电机和第二电机、分别控制第一电机和第二电机的第一伺服驱动器和第二伺服驱动器、储能单元、直流母线、以及母线电压检测及PID控制单元。该第一电机由第一、第二两个转子构成，其第一转子与发动机输出轴直连，第一转子上安装有用于建立电机磁场的永磁磁极，第一转子轴上安装有第一速度/位置传感器；该第一电机的第二转子上安装有电机绕组，绕组通过同轴安装的滑环与第一伺服驱动器实现电气连接，第二转子输出轴通过输出齿轮连接到差速器；该第二电机定子安装在固定的机座上，其上为电枢绕组，第二电机的转子为本装置第三转子，第三转子安装有用于建立电机磁场的永磁磁极。第三转子轴与第二转子同轴，第三转子轴上安装有第二速度/位置传感器。发动机经济运行控制单元控制第一伺服驱动器和第一电机按最佳经济运行的要求对发动机施加负载，第一电机同时与第二电机一同向混合动力车提供驱动动力。直流母线将储能单元、第一和第二伺服驱动器以及母线电压检测及PID控制单元相连，该母线电压检测及PID控制单元用于控制第二电机输出轴力矩大小。巡航控制装置还包括巡航控制单元，其中：
当对车速进行巡航控制时，巡航控制单元直接根据所需车速通过第二伺服驱动器控制第二电机的转速或者转矩，以实现所需车速下的巡航控制；并且
当设定条件或负载情况急剧变化时，第二电机所需的能量或输出的能量实时地由储能单元通过直流母线补给或吸收，以实现巡航控制中实时的能量需求。
该速度巡航控制装置还包括主控单元，当选择巡航控制时，主控单元根据储能单元的充电功率需求信号以及根据车况获得的驱动动力需求信号通过发动机控制单元缓慢控制发动机的工作点变化，从而在较长时间段内满足巡航控制的能量需求。
即使在负载变化剧烈的情况下，主控单元仍然保持发动机运行状态平缓变化。
该速度巡航控制装置还包括主控单元，主控单元根据外部操作决定是否进行巡航控制；当进行巡航控制时，主控单元根据外部巡航控制指令向巡航控制单元发送车速设定，同时中止由母线电压监测及PID控制单元控制第二伺服驱动器的转矩设定，而由巡航控制单元控制第二伺服驱动器的转矩设定。
当取消巡航控制时，主控单元根据外部取消巡航控制指令中止巡航控制单元的运行，而由母线电压监测及PID控制单元控制第二伺服驱动器的转矩设定。
上述第一电机也可采用如下结构：第一转子上安装有电机绕组，绕组通过同轴安装的滑环与第一伺服驱动器实现电气连接，第一转子轴上安装有第一速度/位置传感器；第一电机的第二转子上安装有用于建立电机磁场的永磁磁极。
第一伺服驱动器接收来自发动机经济运行主控单元的力矩设定信号以及来自第一、第二速度/位置传感器检测的第一电机的第一、第二转子相对位置信号，继而以力矩伺服的方式控制第一电机电枢绕组的电流矢量，实现对第一转子的扭矩施加并通过第一转子对发动机施加负载扭矩；第二伺服驱动器接受从主控单元传递过来的扭矩设定信号，根据来自第二速度/位置传感器检测的第二电机的第三转子位置信号，驱动第二电机的第三转子对外输出扭矩。
发动机经济运行主控单元内的计算机单元存有发动机的最佳经济运行曲线，它根据第一速度/位置传感器送来的发动机转速信号决定送入第一伺服驱动器的力矩设定值。
直流母线及储能单元与第一、第二伺服驱动器以及母线电压监测及PID控制单元连接，主要用来存储多余的电能或在必要时向母线输送存储的电能。
母线电压监测及PID控制单元根据母线电压的监测结果决定非巡航状态下第二伺服驱动器力矩设定值的大小，并通过主控单元传递到第二伺服驱动器，继而控制第二电机输出力矩。
巡航控制单元根据来自主控单元的车速设定信号和第二速度/位置传感器检测的车速信号决定第二伺服驱动器的力矩设定值的大小，并通过主控单元传递到第二伺服驱动器，继而控制第二电机输出力矩，实现车速闭环控制即巡航控制。
发动机控制单元接受来自主控单元的控制信号，控制发动机转动，从而满足整车运行、发电储能等能量需求。
主控单元根据驾驶者的操作，对整车的个环节进行控制，在本发明中具体而言接受巡航控制指令，向巡航控制单元发送车速设定，接受来自巡航控制单元和母线电压监测及PID控制单元分别送来的第二伺服驱动器力矩设定信号，选择巡航控制或非巡航控制。同时，主控单元还根据储能单元送来的充电功率需求信号以及根据车况获得的驱动动力需求信号通过发动机控制单元控制发动机的工作点。
附图说明
图1为根据本发明的油电混合电动车的速度巡航控制装置实施例结构示意图。
图中标号列表：
1、发动机控制单元，
2、发动机，
3、第一速度/位置传感器，
4、第二转子，
5、第一转子，
6、发动机经济运行控制单元，
7、集电环，
8、主控单元，
9、第一伺服驱动器，
10、输出齿轮系，
11、定子，
12、第三转子，
13、直流母线及储能单元，
14、母线电压监测及PID控制单元，
15、第二伺服驱动器，
16、巡航控制单元，
17、第二速度/位置传感器，和
18、差速器。
具体实施方式
根据本发明的油电混合动力电动车的速度巡航控制装置实施例结构示意图如图1所示。在该混合动力电动车中，发动机2受发动机控制单元1控制。第一电机可以为双转子永磁同步电机，其第一转子5安装在发动机2的输出轴上，其第二转子4安装在输出轴上从而通过输出齿轮系10连接到差速器18。第二转子上的电枢绕组通过同轴安装的集电环7与第一伺服驱动器9连接。第二电机可以为永磁同步电机，其转子为本发明中的第三转子12，第三转子12与第二转子4同轴安装，第二电机的定子11安装于固定的机壳上。在发动机2的输出轴上安装有第一速度/位置传感器3，用以测量发动机转速与第一转子位置。在第二转子4和第三转子12共同的轴上，安装有第二速度/位置传感器17，用以测量输出轴转速(因为速比固定，从此速度可获得车速)以及第二转子4和第三转子12的位置。
本装置还包括第一伺服驱动器9和第二伺服驱动器15，它们接受来自发动机经济运行控制单元6的力矩设定信号，以分别控制第一、第二电机的力矩；以及接受来自主控单元8的控制信号，以控制第一、第二电机系统的运行与否。
本装置还包括母线电压监测及PID控制单元14，它通过直流母线与第一伺服驱动器9、第二伺服驱动器15、直流母线及储能单元13连接。母线电压监测及PID控制单元14向主控单元8发送非巡航状态下第二电机系统的力矩设定值，并接受主控单元8的控制。直流母线及储能单元13除了在内部蓄电池管理系统认为必要的情况下从直流母线取用电能向蓄电池储能外，还可根据直流母线电压情况必要时从内部蓄电池取用能量输送到直流母线上，并且根据内部蓄电池管理系统状态向主控单元8提出充电功率需求，从而可以通过主控单元8改变发动机2的运行工作点。
本装置还包括巡航控制单元16，其接收第二速度/位置传感器17送来的车速信号以及主控单元8送来的车速设定信号，进行PID运算，并向主控单元8送出第二电机系统的力矩设定，经主控单元8、第二伺服驱动器15、第二电机实现车速的闭环控制即巡航控制。
根据本发明的油电混合动力电动车的速度巡航控制装置可以通过以下示例性控制方法进行控制。
当驾驶员未选择巡航或者巡航被取消时，主控单元8综合驾驶员踩压加速踏板的信号以及直流母线及储能单元13送来的充电功率需求信号，通过发动机控制单元1控制发动机2运行，并且利用母线电压监测及PID控制单元14通过母线电压的变化来控制第二伺服驱动器15的力矩设定，以满足动力需求与供给的总体平衡。同时主控单元8根据加速踏板的角度变化对输出到第二伺服驱动器15的力矩设定信号大小进行实时修正以满足加速动力特性的需求。
当驾驶员操作例如巡航控制开关而选择巡航控制时，主控单元8接受外部巡航控制指令，并根据此巡航控制指令向巡航控制单元16发送相应的车速设定。同时主控单元8切断由母线电压监测及PID控制单元14控制第二伺服驱动器15的力矩设定的通道，转而由巡航控制单元16控制第二伺服驱动器15的力矩设定。
在此情况下，巡航控制单元16根据来自主控单元8的车速设定信号和第二速度/位置传感器17检测到的车速信号，通过控制第二伺服驱动器15的力矩设定而利用第二电机进行速度闭环控制，即可实现车速巡航控制。例如，当车速根据巡航速度设定的要求进行改变，或者车辆所行驶的路面、风速等负载情况变化时，车速与巡航设定车速之间可能产生偏差。巡航控制单元16根据该偏差和预存的控制策略(如PID控制)控制第二电机系统的力矩来消除此偏差，由此保证巡航的精度。当负载情况急速变化时，第二电机系统为进行巡航控制而消耗或回收的能量实时地由直流母线及储能单元13补给或吸收。这样就避免了传统巡航控制方法那样通过发动机缓慢的升降速度进行调节的过程中产生的滞后、车速的不精确调节，并实现了实时、精确的速度控制。
当选择巡航控制时，主控单元8还根据直流母线及储能单元13送来的充电功率需求信号以及根据车况获得的驱动动力需求信号，通过发动机控制单元1控制发动机2的工作点，从而在总体上满足巡航控制的能量需求。通常，如果需要发动机2的工作点变化，主控单元8使得发动机2的工作点沿着最佳燃油经济性曲线缓慢变化。即使在负载变化剧烈的情况下，主控单元8仍然保持发动机运行状态平缓变化。从而使得排放不会因工作点突然变化而恶化。
无论是否选择巡航运行，发动机经济运行控制单元6始终控制第一伺服驱动器9并由此控制第一电机按最佳经济运行的要求对发动机2施加负载。主控单元8还根据功率需求的大小、直流母线及储能单元13的电能存储状态等控制发动机2的启停，以获得经济的燃油效率。

Claims (10)

1.一种混合动力车的速度巡航控制装置，该混合动力车包括发动机、发动机控制单元、发动机经济运行控制单元、第一电机和第二电机、分别控制第一电机和第二电机的第一伺服驱动器和第二伺服驱动器、储能单元、直流母线、以及母线电压检测及PID控制单元，
所述第一电机由第一、第二两个转子构成，其第一转子与发动机输出轴直连，其第二转子输出轴通过输出齿轮连接到差速器；第二电机的转子为本装置第三转子，第三转子与第二转子同轴；该发动机经济运行控制单元控制第一伺服驱动器和第一电机按最佳经济运行的要求对发动机施加负载，第一电机同时还与第二电机一同向混合动力车提供驱动动力，该直流母线将储能单元、第一和第二伺服驱动器以及母线电压检测及PID控制单元相连，该母线电压检测及PID控制单元用于控制电机输出轴力矩大小，
该巡航控制装置包括巡航控制单元，其中：
当对车速进行巡航控制时，巡航控制单元直接根据所需车速通过第二伺服驱动器控制第二电机的转速或者转矩，以实现所需车速下的巡航控制；并且
当设定条件或负载情况急剧变化时，第二电机所需或输出的能量实时地由储能单元通过直流母线补给或吸收，以满足巡航控制的实时能量需求。
2.根据权利要求1所述的速度巡航控制装置，其特征在于：
该速度巡航控制装置还包括主控单元，当选择巡航控制时，主控单元根据储能单元的充电功率需求信号以及根据车况获得的驱动动力需求信号通过发动机控制单元控制发动机的工作点缓慢变化，从而在较长时间段内满足巡航控制的能量需求。
3.根据权利要求2所述的速度巡航控制装置，其特征在于：
即使在负载变化剧烈的情况下，主控单元仍然保持发动机运行状态平缓变化。
4.根据权利要求1所述的速度巡航控制装置，其特征在于：
该速度巡航控制装置还包括主控单元，主控单元根据外部操作决定是否进行巡航控制；当进行巡航控制时，主控单元根据外部巡航控制指令向巡航控制单元发送车速设定，同时中止由母线电压监测及PID控制单元控制第二伺服驱动器的转矩设定，而由巡航控制单元控制第二伺服驱动器的转矩设定。
5.根据权利要求4所述的速度巡航控制装置，其特征在于：
当取消巡航控制时，主控单元根据外部取消巡航控制指令中止巡航控制单元的运行，而由母线电压监测及PID控制单元控制第二伺服驱动器的转矩设定。
6.一种混合动力车的速度巡航控制方法，该混合动力车包括发动机、发动机控制单元、发动机经济运行控制单元、第一电机和第二电机、分别控制第一电机和第二电机的第一伺服驱动器和第二伺服驱动器、储能单元、直流母线、以及母线电压检测及PID控制单元，所述第一电机由第一、第二两个转子构成，其第一转子与发动机输出轴直连，其第二转子输出轴通过输出齿轮连接到差速器；第二电机的转子为本装置第三转子，第三转子轴与第二转子同轴；该第一电机与发动机输出轴直连，该发动机经济运行控制单元控制第一伺服驱动器和第一电机按最佳经济运行的要求对发动机施加负载，第一电机同时还与第二电机一同向混合动力车提供驱动动力，该直流母线将储能单元、第一和第二伺服驱动器以及母线电压检测及PID控制单元相连，该母线电压检测及PID控制单元用于控制电机输出轴力矩大小，该巡航控制方法包括：
当对车速进行巡航控制时，直接根据所需车速通过第二伺服驱动器控制第二电机的转速或者转矩，以实现所需车速下的巡航控制；并且
当设定条件或负载情况急剧变化时，使储能单元通过直流母线实时地补给或吸收第二电机所需或输出的能量，以满足巡航控制的实时能量需求。
7.根据权利要求6所述的速度巡航控制方法，其特征在于：
当选择巡航控制时，根据储能单元的充电功率需求信号以及根据车况获得的驱动动力需求信号通过发动机控制单元缓慢控制发动机的工作点变化，从而在较长时间段内满足巡航控制的能量需求。
8.根据权利要求7所述的速度巡航控制方法，其特征在于：
即使在负载变化剧烈的情况下，仍然保持发动机运行状态平缓变化。
9.根据权利要求6所述的速度巡航控制方法，其特征在于：
根据外部操作决定是否进行巡航控制；
当进行巡航控制时，根据外部巡航控制指令向巡航控制单元发送车速设定，同时中止由母线电压监测及PID控制单元控制第二伺服驱动器的转矩设定，而由巡航控制单元控制第二伺服驱动器的转矩设定。
10.根据权利要求9所述的速度巡航控制方法，其特征在于：
当取消巡航控制时，根据外部取消巡航控制指令中止巡航控制单元的运行，而由母线电压监测及PID控制单元控制第二伺服驱动器的转矩设定。
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