CN101947915B - 一种强混合动力汽车工作模式切换中发动机起停控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强混合动力汽车工作模式切换过程中发动机起停控制方法，根据由一多能源控制器采集到的有关信息，确定当前状态是否满足发动机启动条件，其中，电池组荷电状态SOC信号、加速踏板信号和车速信号的处理采用滞环控制；起动电机(第一电机)起停发动机过程中输出与发动机转速相关的力矩；多能源控制器控制发动机点火线圈继电器进而控制发动机点火时刻；驱动电机补偿发电机起停过程中动力系统输出的力矩波动。本发明控制方法可以实现发动机可靠、经济、高效地起动和停止控制，同时可以降低起停过程的振动，改善整车性能，此外，在停止过程中还可回收发动机停车过程的动能，进一步提高能量的利用率，本发明控制方法的实现简单易行。

Description

一种强混合动力汽车工作模式切换中发动机起停控制方法
技术领域
本发明涉及一种强混合动力汽车发动机起停控制方法，尤其用于实现车辆运行中纯电动和混合驱动两种工作模式切换的强混合动力汽车发动机起停控制，以改善发动机起停过程中的振动。
背景技术
混合动力驱动系统按混合程度不同可以分为轻混、中混和强混三种形式。轻混和中混
两种结构形式中电机不能单独驱动车辆运行，无纯电动工作模式，强混合动力汽车既可以实现电机单独驱动的纯电动工作模式，又可以实现发动机与电机的混合驱动模式，发动机在车辆运行过程中根据设定条件可以实现起停控制，车辆可以在低速时实现纯电动运行，达到减排的目的，高速或急加速时发动机起动以满足车辆动力性需求。其工作模式切换过程中发动机起停控制影响着整车性能，尤其是NVH性能：在车辆纯电动运行过程中需要发动机提供动力时快速、平稳、可靠地起动发动机决定了整车动力性能和舒适性；在不需要动力时，关闭发动机可以节能减排。
纯电动与混合驱动的双模式运行是强混合动力汽车运行的特点。发动机低速运行时，其内部的脉动过程引起的转矩扰动和发动机振动有可能被乘客所感觉，从而影响整车性，因而发动机的起停控制研究受到重视。传统车利用起动机起动发动机，发动机转速低且波动大，缸内混合气不均匀，使得起动过程中发动机排放和燃油经济性恶化。
2005年以来有多个专利涉及该领域，其中，公开号为CN1896492A，公开日为2007年1月17日的中国发明专利申请公开了一种《混合动力汽车起动发动机的电机扭矩控制方法》，该控制方法根据发动机水温与发动机摩擦扭矩的函数或图表关系，虽然可以确定当前发动机起动所适宜的扭矩，但扭矩的计算复杂，而且未能给出起停控制条件，而且未考虑起动过程振动对整车影响以及起动过程导致输出力矩变化对整车性能的影响。
公开号为CN101121407A，其公开日为2008年8与23日的，中国发明专利申请公开了《一种强混合动力汽车的发动机启动控制方法》，该控制方法实现发动机喷油点火后电机不再拖动发动机转动，且发动机启动过程中对动力系统扭矩输出影响不加弥补，同时设置过多的发动机起停控制入口条件，难以协调控制，对整车性能都有影响。
公开号为CN101291824A，其公开日为2008年10月22日的中国发明专利申请公开了一种《用于关闭混合动力汽车发动机的方法和系统》，该系统首先降低至少一个气缸的压力，利用与时间相关的扭矩降低曲轴转速进而关闭发动机。该系统只是着眼于传统车发动机停止控制，不适合混合动力汽车模式切换过程中的发动机起停控制，同时方案的实施需要控制发动机气缸，与时间相关的扭矩的确定复杂而且困难，因而该方案的实施具有相当的难度。
发明内容
为弥补现有技术的不足，本发明提供一种强混合动力汽车工作模式切换中发动机起停控制方法，该控制方法可以实现发动机可靠、经济、高效地起动和停止控制，同时可以降低起停过程的振动，改善整车性能，此外，在停止过程中还可回收发动机停车过程的动能，进一步提高能量的利用率，本发明控制方法的实现简单易行。
为了解决上述技术问题，本发明强混合动力汽车工作模式切换中发动机起停控制方法予以实现的技术方案是：所述强混合动力汽车的动力系统至少包括连接到发动机曲轴的第一电机、驱动电机、提供动力源的电池组、发动机点火线圈继电器、多能源控制器、发动机电子节气门、发动机电子节气门控制装置；所述第一电机通过一连接装置与发动机相连，控制发动机的起动及其功率输出，所述驱动电机通过动力耦合装置与发动机输出实现力矩耦合共同输出驱动车轮运转；所述电池组提供给第一电机和驱动电机做电动机运行时所需能量或者回收所述第一电机和驱动电机做发电机运行时回馈的能量；所述发动机电子节气门控制装置根据所述多能源控制器的指令控制所述发动机的电子节气门的开度，所述多能源控制器同时还控制所述发动机的点火线圈继电器的工作；所述第一电机和所述驱动电机均具有电动和发电两种工作模式，在所述两种工作模式切换中按照下述步骤实现发动机的起停控制：
首先，所述多能源控制器采集车辆运行状态信号、电池组荷电状态SOC信号、驾驶员钥匙信号和加速踏板信号，所述车辆运行状态信号至少包括车速信号；所述多能源控制器采集发动机、第一电机、驱动电机、所述电池组和发动机电子节气门控制装置的故障状态；所述多能源控制器还接收其自身的故障状态，并经下述的逻辑判断处理方式确定是否满足发动机起动条件，其中，所述电池组荷电状态SOC信号、所述加速踏板信号和所述车速信号的处理采用滞环控制；
所述逻辑判断处理方式是：当所述电池组荷电状态SOC信号经过第一滞环Relay1判断后与所述车速信号Speed_veh经过第二滞环Relay2判断后的信号同时成立，则输出起动信号ST1；当车速信号经第三滞环Relay3判断后输出发动机起动指令ST2；输出起动信号ST1和发动机起动指令ST2中的任一条件为真，则输出发动机起动指令ST12；所述发动机起动指令ST12经过与所述电池组荷电状态SOC信号的上限滞环控制Relay4判断输出逻辑AND后成为有效地发动机起动指令；当所述加速踏板信号Acc_pedal％经过变化率判断子程序计算并经过第五滞环Relay5判断后输出另一路有效的发动机起动指令ST3，上述两路有效地发动机起动指令中任意一路输出成立时，且电池组严重报警信号、电机控制系统严重报警信号和多能源控制器严重报警信号均不为真时，再经过最短停机判断程序判断，若满足最短停机判断程序要求，则输出发动机起动指令ST_cmd；
由纯电动工作模式切换到混合驱动工作模式：当起动指令ST_cmd为真时，所述第一电机以电动模式工作，根据所述第一电机与发动机转速相关的扭矩指令输出扭矩将所述发动机带动旋转至设定转速；当所述发动机到达设定转速上限时，闭合所述点火线圈继电器，发动机的各缸燃烧输出转矩，实现所述发动机的可靠起动；
由混合驱动工作模式切换到纯电动工作模式：发动机运行过程中，当起动指令ST_cmd不为真时，所述第一电机以发电模式工作，根据所述第一电机与发动机转速相关的转矩指令吸收能量将所属发动机转速降低到设定转速下限时，断开点火线圈继电器，所述第一电机继续以发电模式工作，带动发动机转速至设定转速后停止电机指令给定，所述发动机停止工作；
驱动电机补偿发动机起停过程中动力系统输出的力矩波动，驱动电机输出力矩为当前计算力矩与发动机起停引起的动力系统输出力矩变化的代数和。
与现有技术相比本发明的有益效果是：利用滞环控制实现发动机起停指令的鲁棒性，利用与发动机转速相关的电机力矩输出和带有滞环的点火线圈继电器控制实现发动机快速起停，不仅可以实现发动机可靠、经济、高效起动和停止控制，同时可以降低起停过程的振动，改善整车性能，此外，停止过程中还可以回收第一发动机停车过程的动能，可以进一步提高能量利用率，控制方法的实现简单易行。
附图说明
图1是一种实现本发明发动机起停控制方法的动力系统的结构简图；
图2是本发明发动机起停控制方法中发动机起停控制判断流程图；
图3是实现图2所示发动机起停控制判断的逻辑图；
图4是本发明中发动机起动过程电机力矩随发动机转速变化关系曲线及驱动电机力矩输出变化曲线；
图5是本发明中发动机停止过程电机力矩随发动机转速变化关系曲线及驱动电机力矩输出变化曲线。
图中：
1——发动机      2—连接装置          3——动力耦合装置
4——发动机电子节气门控制装置         5——点火线圈继电
6——第一电机    7——多能源控制器    8——电池组
9——驱动电机
具体实施方式
下面结合图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
图1示出了一种实现本发明发动机起停控制方法的所述强混合动力汽车的动力系统的结构简图，所述强混合汽车动力汽车的动力系统至少包括连接到发动机曲轴的第一电机6、驱动电机9、提供动力源的电池组8、发动机点火线圈继电器5、多能源控制器7、发动机电子节气门、发动机电子节气门控制装置4；所述第一电机6通过一连接装置2与发动机1相连，控制发动机1的起动及其功率输出，所述驱动电机9通过动力耦合装置3与发动机1输出实现力矩耦合共同输出驱动车轮运转；所述电池组8提供给第一电机6和驱动电机9做电动机运行时所需能量或者回收所述第一电机6和驱动电机9做发电机运行时回馈的能量；发动机电子节气门控制装置4根据所述多能源控制器7的指令控制所述发动机1的电子节气门的开度，所述多能源控制器7同时还控制所述发动机1的点火线圈继电器5的工作；所述第一电机6和所述驱动电机9均具有电动和发电两种工作模式。
在电动和发电两种工作模式切换中按照下述步骤实现发动机的起停控制：
首先，所述多能源控制器7采集车辆运行状态信号、电池组荷电状态SOC信号、驾驶员钥匙信号和加速踏板信号，所述车辆运行状态信号至少包括车速信号；所述多能源控制器采集发动机、第一电机6、驱动电机9、电池组8和发动机电子节气门控制装置4的故障状态；所述多能源控制器还接收其自身的故障状态，并经如图3所示的逻辑判断处理方式确定是否满足发动机起动条件，其中，所述电池组荷电状态SOC信号、所述加速踏板信号和所述车速信号的处理采用滞环控制。
图2为发动机起停控制判断流程图。参与判断的条件包括车速信号、电池组荷电状态SOC信号和加速踏板信号，当满足设定条件时，若上述发动机、第一电机6、驱动电机9、电池组8和发动机电子节气门控制装置4(即各子系统)无严重故障并且发动机停止时间大于设定，则第一电机6输出力矩，其大小与方向与发动机转速相关，发动机曲轴被带动旋转至设定稳定转速n1后，点火线圈继电器5上电，发动机点火，由于第一电机6继续施加力矩，拖动发动机曲轴转速继续快速上升，电机逐步退出电动运行，发动机起动成功。其中电池组荷电状态SOC信号和加速踏板信号满足设定条件后还需要同时满足一定的车速条件方可起动发动机，停车时无动力输出的目的，实现节能减排的目的。
当发动机起动条件不满足时，此时若发动机运行中，则第一电机6输出与发动机转速相关的扭矩压制发动机1曲轴转速，到达稳定转速下限后断开点火线圈继电器5的线圈供电，第一电机6继续输出扭矩压制发动机1曲轴转速，达到设定转速后第一电机6力矩逐渐取消，发动机1实现停机。
可以将所述发动机起动条件归纳为：所述车辆速度信号采用滞环控制，当车辆速度大于滞环上限速度时，输出发动机起动指令，当车辆速度小于滞环下限速度时，输出发动机停止指令；所述电池组荷电状态SOC信号采用滞环控制，当电池组荷电状态SOC信号高于滞环上限设定值时，输出发动机停止指令，当电池组荷电状态SOC信号低于滞环下限设定值时，输出发动机起动指令；所述加速踏板信号采用滞环控制，当加速踏板信号变化率大于滞环上限时，输出发动机起动指令，当加速踏板信号变化率小于滞环下限时，输出发动机停止指令。
图3为上述控制流程的一种实现逻辑图，示出了如何确定是否满足发动机起动条件的逻辑判断处理方式。图3中301为电池组荷电状态SOC信号，302为车速信号Speed_veh，303为加速踏板信号Acc_pedal％，304为电池组严重报警信号，305为电机控制系统严重报警信号，306为多能源控制器严重报警信号，307为发动转速反馈Speed_engine_fdk，308为第一电机6转矩指令信号T_cmd，309为点火继电器线圈5的控制信号。所述发动机1起动控制中包括设定发动机最短停机时间。
当所述电池组荷电状态SOC信号经过第一滞环Relay1判断后与所述车速信号Speed_veh经过第二滞环Relay2判断后的信号同时成立，则输出起动信号ST1，当所述电池组荷电状态SOC信号大于设定值峰值且加速踏板信号变化率小于设定值时，不允许起动发动机。当车速信号经第三滞环Relay3判断后输出发动机起动指令ST2；输出起动信号ST1和发动机起动指令ST2中的任一条件为真，则输出发动机起动指令ST12；所述发动机起动指令ST12经过与所述电池组荷电状态SOC信号的上限滞环控制Relay4判断输出逻辑AND后成为有效地发动机起动指令；当所述加速踏板信号Acc_pedal％经过变化率判断子程序计算并经过第五滞环Relay5判断后输出另一路有效的发动机起动指令ST3，上述两路有效地发动机起动指令中任意一路输出成立时，且电池组严重报警信号、电机控制系统严重报警信号和多能源控制器严重报警信号均不为真时，即：所述发动机、第一电机6、驱动电机9、所述电池组8和发动机电子节气门控制装置4均无严重报警，则发动机1允许起动，其中任一装置存在严重报警，则发动机1停止。再经过最短停机判断程序判断，若满足最短停机判断程序要求，则输出发动机起动指令ST_cmd；所述发动机起动指令STcmd一路经过路径选择器15确定第一电机6的扭矩输出：若ST_cmd指令有效，则第一输出查表子程序13的输出起动拖动发动机1曲轴转速上升，若ST_cmd指令无效，则第二输出查表子程序14的输出压制发动机1曲轴转速。发动机转速反馈Speed_engine_fdk经滞环Relay6判断后经过路径选择器16控制点火线圈继电器5的线圈供电：当发动机转速反馈大于滞环Relay6上限设定时输出ST_cmd指令控制点火线圈继电器5的线圈上电，当发动机转速反馈小于滞环Relay6下限设定时输出常数0断开点火线圈继电器5的线圈供电。即，所述点火线圈继电器5工作所需的发动机转速采用滞环控制，其滞环上限和下限均设置在稳定工作转速范围内。
图4为上述第一查表子程序13的一种实施方式。起动发动机过程如下：当所述发动机起动时，限制节气门开度为最小工作开度；当发动机停止时，完全关闭节气门。发动机转速小于设定转速n1时，第一电机6输出力矩保持允许最大力矩输出Tmax带动发动机1曲轴转速迅速上升，当转速大于n1时，第一电机6力矩输出线性下降，到达设定速度n3时降为零并保持为零至发动机转速升到n4后施加反力矩控制发动机1曲轴转速，点火线圈继电器在转速n2左右上电实现发动机点火，由于此时第一电机6仍输出力矩带动发动机1曲轴转速上升，所以发动机不会出现反转且转速迅速上升完成点火。
典型的强混合电动汽车传动轴输出力矩可以表示为：
Tout＝k1TE+k2TM1+k3TM2                             (1)
为了减小发动机起动过程中的振动和力矩波动，提供舒适的驾驶感觉，则驱动电机(9)输出力矩TM2弥补因起动发动机带来的发动机1转矩变化TE和第一电机6输出力矩TM1变化引起的输出转矩变化，使得输出转矩Tout在起动过程中保持不变，则原理论输出力矩曲线23修改为曲线22作为驱动电机9的力矩输出指令，实现传动轴输出的力矩补偿，降低系统输出转矩波动。
图5为第二查表子程序14的一种实施方式。停止发动机过程如下：关闭发动机节气门；发动机转速高于设定值n11时，第一电机6输出力矩T2拖动发动机1曲轴转速降低，同时继续增加输出力矩(绝对值)，当速度降低到n12时力矩输出变为-Tmax，为实现发动机1曲轴转速的迅速下降，第一电机6输出力矩保持不变直到发动机1曲轴转速降为n14，第一电机6输出力矩绝对值也逐渐减小，当曲轴转速降为n15时，第一电机6输出力矩完全退出，发动机1自由停机。根据公式(1)，为了减小发动机1停机过程中力矩波动，驱动电机9输出力矩TM2弥补因起动发动机带来的发动机1转矩变化TE和第一电机6输出力矩TM1变化引起的输出转矩变化，使得输出转矩Tout在起动过程中保持不变，则原理论输出力矩曲线33修改为曲线32作为驱动电机9的力矩输出指令，实现传动轴输出的力矩补偿，降低系统输出转矩波动。
综上，强混合动力汽车工作模式由纯电动工作模式切换到混合驱动工作模式：当起动指令ST_cmd为真时，所述第一电机6以电动模式工作，根据所述第一电机6与发动机1转速相关的扭矩指令输出扭矩将所述发动机1带动旋转至设定转速；当所述发动机1到达设定转速上限时，闭合所述点火线圈继电器5，发动机1的各缸燃烧输出转矩，实现所述发动机1的可靠起动。
强混合动力汽车工作模式由混合驱动工作模式切换到纯电动工作模式：发动机1运行过程中，当起动指令ST_cmd不为真时，所述第一电机6以发电模式工作，根据所述第一电机6与发动机1转速相关的转矩指令吸收能量将所属发动机转速降低到设定转速下限时，断开点火线圈继电器5，所述第一电机6继续以发电模式工作，带动发动机1转速至设定转速后停止电机指令给定，所述发动机1停止工作；
无论强混合动力汽车工作模式采用上述哪种工作模式，驱动电机9补偿发动机起停过程中动力系统输出的力矩波动，驱动电机9输出力矩为当前计算力矩与发动机1起停引起的动力系统输出力矩变化的代数和。
本发明强混合动力汽车工作模式切换中发动机起停控制方法通过滞环控制实现发动机起停条件判断的稳定性，防止频繁起停；通过与发动机转速相关的电机力矩输出带动发动机运站到稳定速度后点火，改善发动机起动过程，提高发动机起动速度和平稳性，降低起动过程的振动和噪声；通过与发动机转速相关的电机转矩输出压制发动机至稳定速度下限后熄火，继续压制发动机转速，实现发动机快速、平稳停机，同时回收停机过程中发动机的动能，改善整车经济性。本发明利用滞环控制实现发动机起停控制的可靠性，利用与发动机转速相关的电机力矩输出和带有滞环的点火线圈继电器控制实现发动机快速起停，可以实现发动机快速、平稳、可靠的起停控制，同时兼顾经济性，控制方法的实现简单易行。
以上示意性地对本发明的内容及工作原理进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之例，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式，设计出的与本发明类似的方法及实施例，也属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种强混合动力汽车工作模式切换中发动机起停控制方法，所述强混合汽车动力汽车的动力系统至少包括连接到发动机曲轴的第一电机(6)、驱动电机(9)、提供动力源的电池组(8)、发动机点火线圈继电器(5)、多能源控制器(7)、发动机电子节气门、发动机电子节气门控制装置(4)；
所述第一电机(6)通过一连接装置(2)与发动机(1)相连，控制发动机(1)的起动及其功率输出，所述驱动电机(9)通过动力耦合装置(3)与发动机(1)输出实现力矩耦合共同输出驱动车轮运转；所述电池组(8)提供给第一电机(6)和驱动电机(9)做电动机运行时所需能量或者回收所述第一电机(6)和驱动电机(9)做发电机运行时回馈的能量；所述发动机电子节气门控制装置(4)根据所述多能源控制器(7)的指令控制所述发动机(1)的电子节气门的开度，所述多能源控制器(7)同时还控制所述发动机(1)的点火线圈继电器(5)的工作；
所述第一电机(6)和所述驱动电机(9)均具有电动和发电两种工作模式，其特征在于，在所述两种工作模式切换中按照下述步骤实现发动机的起停控制：
首先，所述多能源控制器(7)采集车辆运行状态信号、电池组荷电状态SOC信号、驾驶员钥匙信号和加速踏板信号，所述车辆运行状态信号至少包括车速信号；所述多能源控制器采集发动机、第一电机(6)、驱动电机(9)、所述电池组(8)和发动机电子节气门控制装置(4)的故障状态；所述多能源控制器还接收其自身的故障状态，并经下述的逻辑判断处理方式确定是否满足发动机起动条件，其中，所述电池组荷电状态SOC信号、所述加速踏板信号和所述车速信号的处理采用滞环控制；
所述逻辑判断处理方式是：当所述电池组荷电状态SOC信号经过第一滞环Relay1判断后与所述车速信号Speed_veh经过第二滞环Relay2判断后的信号同时成立，则输出起动信号ST1；当车速信号经第三滞环Relay3判断后输出发动机起动指令ST2；输出起动信号ST1和发动机起动指令ST2中的任一条件为真，则输出发动机起动指令ST12；所述发动机起动指令ST12经过与所述电池组荷电状态SOC信号的上限滞环控制Relay4判断输出逻辑AND后成为有效地发动机起动指令；当所述加速踏板信号Acc_pedal％经过变化率判断子程序计算并经过第五滞环Relay5判断后输出另一路有效的发动机起动指令ST3，上述两路有效地发动机起动指令中任意一路输出成立时，且电池组严重报警信号、电机控制系统严重报警信号和多能源控制器严重报警信号均不为真时，再经过最短停机判断程序判断，若满足最短停机判断程序要求，则输出发动机起动指令ST_cmd；
由纯电动工作模式切换到混合驱动工作模式：当起动指令ST_cmd为真时，所述第一电机(6)以电动模式工作，根据所述第一电机(6)与发动机(1)转速相关的扭矩指令输出扭矩将所述发动机(1)带动旋转至设定转速；当所述发动机(1)到达设定转速上限时，闭合所述点火线圈继电器(5)，发动机(1)的各缸燃烧输出转矩，实现所述发动机(1)的可靠起动；
由混合驱动工作模式切换到纯电动工作模式：发动机(1)运行过程中，当起动指令ST_cmd不为真时，所述第一电机(6)以发电模式工作，根据所述第一电机(6)与发动机(1)转速相关的转矩指令吸收能量将所属发动机转速降低到设定转速下限时，断开点火线圈继电器(5)，所述第一电机(6)继续以发电模式工作，带动发动机(1)转速至设定转速后停止电机指令给定，所述发动机(1)停止工作；
驱动电机(9)补偿发动机起停过程中动力系统输出的力矩波动，驱动电机(9)输出力矩为当前计算力矩与发动机(1)起停引起的动力系统输出力矩变化的代数和。
2.根据权利要求1所述的发动机起停控制方法，其中，所述发动机起动条件如下：
所述车辆速度信号采用滞环控制，当车辆速度大于滞环上限速度时，输出发动机起动指令，当车辆速度小于滞环下限速度时，输出发动机停止指令；
所述电池组荷电状态SOC信号采用滞环控制，当SOC信号高于滞环上限设定值时，输出发动机停止指令，当SOC信号低于滞环下限设定值时，输出发动机起动指令；
所述加速踏板信号采用滞环控制，当加速踏板信号变化率大于滞环上限时，输出发动机起动指令，当加速踏板信号变化率小于滞环下限时，输出发动机停止指令。
3.根据权利要求1所述的发动机起停控制方法，其中，所述发动机、第一电机(6)、驱动电机(9)、所述电池组(8)和发动机电子节气门控制装置(4)均无严重报警，则发动机(1)允许起动，其中任一装置存在严重报警，则发动机(1)停止。
4.根据权利要求1所述的发动机起停控制方法，其中，所述点火线圈继电器(5)工作所需的发动机转速采用滞环控制，其滞环上限和下限均设置在稳定工作转速范围内。
5.根据权利要求1所述的发动机起停控制方法，其中，所述发动机(1)起动控制中包括设定发动机最短停机时间。
6.根据权利要求1所述的发动机起停控制方法，其中，当所述电池组荷电状态SOC信号大于设定值峰值且加速踏板信号变化率小于设定值时，不允许起动发动机。
7.根据权利要求1所述的发动机起停控制方法，其中，当所述发动机起动时，限制节气门开度为最小工作开度，当发动机停止时，完全关闭节气门。
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