CN102019843B - 混合动力输出功率平衡装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种混合动力四轴传动装置，包括外齿圈、行星架、行星排，太阳轮，其特征在于所述的行星排为分前行星排和后行星排的双行星排结构，前行星排和后行星排分别对应一个太阳轮，前排行星齿轮为小齿宽、大分度圆，后排行星轮为大齿宽小分度圆，前排行星分别与外齿圈和小太阳轮相啮合组成前排轮系，后排行星分别与前排行星和大太阳轮相啮合组成后排轮系。实现了一种在后排轮系的太阳轮与外齿圈之间的传动比较大的双行星排四轴传动装置。

Description

混合动力输出功率平衡装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种混合动力车，尤其是涉及一种混合动力输出功率平衡装置及其控制方法。
背景技术
现有的一种双星排四轴混合动力传动装置，其小太阳轮与发电机E1相连接、大太阳轮与电动机E2相连接、发动机与行星架相连接、驱动半轴经差速器、减速器与外齿圈相连接。整车控制系统通过协调控制发电机E1和电动机E2达到：1）优化调节发动机的输出功率，在满足驾驶员驾驶性能需求的前提下，最大程度的提高整个混合系统的效率，降低整车燃油消耗；2）平衡电池充放电功率，保护电池不过充过放，提高电池使用寿命。
1997年丰田推出首款混合动力汽车Prius, 2005年又推出了搭载最新第3代机电混合动力系统的2006款Prius，仍采用THS混联式结构，灵巧精密的行星齿轮系统对发动机的输出功率进行重新分配，达到合理平衡发动机负荷的目的。图1所示即为丰田Prius混合动力轿车的整车布置方案。其混合动力系统总成由发动机(Engine)、发电机(MG1)、电动机(MG2)、动力耦合系统、逆变器以及动力蓄电池等部件组成。在此机构中发动机与行星架相联，通过行星齿轮将动力传递给外齿圈和太阳轮，齿圈轴与电动机和传动轴相联，太阳轮轴与发电机相联。该系统将发动机大部分转矩直接传递到驱动轴上，将小部分转矩传给发电机，发电机发出的电能根据指令用于电池充电或电动机，以增加驱动力。这种结构可以通过调节发电机转速使其产生变化，使发动机一直处于高效率区或低排放区。此外，通过调节行星排各元件的转速，使其像无级变速器一样工作。
此种结构其控制特点总结如下：
1）混合动力系统控制的关键是通过调节发电机MG1的转速来满足当前驾驶员请求驱动转矩下，发动机的最佳效率点的优化控制。
2）为了维持蓄电池SOC的平衡，混合动力系统采用了设置SOC目标值的控制方法：当SOC偏离目标值时，控制电池尽量充电或放电使SOC接近设定目标。
3）纯电动工况时，牵引电机MG2输出轴通过减速齿轮与行星排外齿圈固接，因此系统驱动控制只需要对MG2进行控制。
但是车辆高速行驶时，发电机E1有时需要工作在零转速上下波动来调节发动机最优功率输出，由于此转速范围内工作效率非常低，进而导致混合动力系统整体效率明显下降，能量得到较大的损耗。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的混合动力的动力系统的工作效率低、能量损耗大等的技术问题，提供一种操作方便、工作效率高、能耗小的混合动力输出功率平衡装置及其控制方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种混合动力输出功率平衡装置，包括发动机、大电机、小电机、蓄电池、动力耦合装置以及若干制动器，发动机、大电机、小电机分别与动力耦合装置相连，其特征在于所述的大电机及小电机与一个逆变器电连接，逆变器与一个电机控制器、一个电池管理系统与蓄电池电连接，发动机上设有一个转速感应器，该转速感应器的信号输出端与一个发动机管理系统相连，发动机管理系统上分别设有油门控制、点火控制、气门控制的信号输出端，并分别与发动机电路相连，电机控制器、电池管理系统、发动机管理系统分别与整车控制器相连，发动机和小电机分别设有制动器。动力耦合装置负责将混合动力汽车的多个动力组合在一起，实现多动力源间合理的功率分配并把动力传送给驱动桥；小电机将发动机的部分输出动力通过动力耦合系统转换成电能；大电机将小电机所发的电能以机械动力形式输出到动力耦合系统；蓄电池将电能传送到所述小电机和所述电机并从所述小电机和所述电机传送电能，并且所述控制方法包括以下步骤：
1) 根据驾驶员通过加速踏板、制动踏板以及当前车速确定驾驶员在外齿圈轴上的动力需求；
2）根据驾驶员的动力需求以及当前蓄电池SOC状态确定发动机是否参与驱动；
3)若不需要发动机参与驱动，则控制发动机处于停机状态，同时控制大电机和小电机使所需动力传递到外齿圈轴上，进而通过减速、差速器驱动车辆；
4）如果需要发动机参与驱动，则控制大电机、小电机调节发动机优化输出所需动力，并将其输出到驱动轴来满足驾驶员的加速请求。
作为优选，述的动力耦合装置为一个行星齿轮装置，发动机的动力输出轴与行星架转轴相连，该行星架上的行星齿轮分别与小太阳轮相啮合，小太阳轮的转轴即为小电机转轴，行星架上的行星齿轮分别与长行星轮相啮合，长行星轮分别与大太阳轮相啮合。小太阳轮与小电机相连，大太阳轮和发动机相连，发动机与行星架相连，整个系统的输出转矩通过外齿圈输出。双行星排共用行星架和外齿圈，长短行星轮互相啮合。动力分配集成机构是双排四轴行星齿轮机构，其中小太阳轮、大太阳轮、齿圈和行星架分别与小电机、大电机、减速齿轮和发动机的曲轴固接或耦合。由于动力耦合装置是四自由度机构，也就是三个输入决定一个输出，因此在实际控制过程中，需要同时控制小电机、大电机以及发动机的转矩输出，最终将驾驶员需求的动力输出到齿圈，输出到齿圈的动力再由此经由减速齿轮机构和差速器而最终传递到驱动车轮。
作为优选，所述的小太阳轮转轴上设有小电机制动器；所述的行星架上设有发动机制动器。当整车运行在高速工况时，此时发动机处在经济运行区，且发动机输出功率能满足整车工况需求，此时利用电机制动器将小电机锁止，减少中间环节能量传递过程，从而减小能量损耗，提高了系统能量转换效率；当整车运行在纯电动工况下，通过发动机制动器将发动机锁止，整车动力完全由电池提供。锁止发动机，可以防止发动机反转，同时降低了纯电动工况下整车系统控制的复杂度。 
作为优选，所述的整车控制器分别设有加速踏板信号、制动踏板信号、档位信号、车速信号的输入端。整车控制器VCU基于输入的加速踏板信号、制动踏板信号和输入的档位信号、车速信号计算车辆所需要的转矩而被输出到连接到驱动车轮的齿圈转矩需求，以及驱动混合动力车所需要的动力需求。 
为了完成对上述结构的控制，本发明提供了一种混合动力输出功率平衡装置的控制方法，它是通过下述技术方案进行的：该控制方法包括以下步骤：
第一步，将转矩需求Preq对加速踏板开度APS、制动踏板开度BPS和车速VSPDF的变化作为转矩需求Treq数据表存储在整车控制器中，整车控制器利用该数据表依据给定加速踏板开度APS和给定车速VSPDF差值求出相对应的转矩需求Treq。通过转矩需求Treq得出动力需求Preq，动力需求Preq由下式计算：
     Preq=Pb+Psysloss+Treq+ TreqnHO     
     式中：Pb为蓄电池的充电-放电功率需求；Psysloss为整车系统电势损失之和；Treq为齿圈上的转矩需求；nHO为齿圈轴的转速，可以由车速VSPD乘以转换系数k计算得到。
第二步，将第一步所设置的动力需求Preq与纯电动驱动上限功率需求限值Pev，当前电池荷电状态电量SOC与预设电池荷电状态电量充裕的下限值SOCmin进行比较。
第三步，根据第二步所述的比较结果，当Preq≤Pev且SOC≥SOCmin时，整车以纯电动驱动，发动机关闭，并由发动机制动器制动，由大电机驱动车辆，小电机空转，发动机的目标转速ne和目标转矩Te分别为：
     ne=0   ，Te=0
小电机E1的目标转矩命令TE1，计算并设置大电机的目标转矩、转速命令，其中目标转矩命令由下式得到：
      TE2 = Treqi02
式中：TE2为大电机的目标转矩命令；Treq为齿圈轴转矩需求命令；i02为大太阳轮与外齿圈的齿数比；目标转速命令nE2由下式得到：
        nE2= nVMi02+nHO（1- i02）
        ne=nVM=0
式中：nVM为行星齿轮系的行星架转速；nHO为行星齿轮系的外齿圈的转速。由于此时发动机被动机制动器锁死，上式可简化为：
      nE2= nHO（1- i02）
当Preq＞Pev或SOC＜SOCmin时，整车控制器设置与动力需求Preq相对应的发动机的目标转速ne和目标转矩Te。发动机的目标转速ne和目标转矩Te根据发动机最优功率-转速曲线和动力需求转矩Preq来确定。
在驱动控制程序中，混合动力整车控制器VCU首先采集接收控制所需要的各种数据，主要包括有加速踏板开度信号APS、制动踏板位置BPS、车速信号VSPD、小电机、大电机的转速nE1和nE2、发动机转速ne以及蓄电池温度Tbat、充电-放电功率需求、最大放电电流和最大充电电流。其中，发动机转速由安装在曲轴上的磁电传感器所测脉冲信号计算得到。小电机、大电机的转速、分别由小电机和大电机上的旋转变压器采集得到。蓄电池的温度、充放电功率需求、电池荷电状态（State of charge, SOC）、输入限制电流                                                
Figure 926830DEST_PATH_IMAGE001
和输出限制电流通过电池管理检测系统BMS实时监测蓄电池组计算得到（基于电池组充放电试验得到）。
作为优选，所述的第一步到第三步各步骤以预定时间间隔10-50ms反复执行。
作为优选，当前车速较高，发动机工作点基本上处于最优效率区域的工况时，如果小电机的目标转速在零转速上下小范围波动时，整车控制器VCU控制小电机制动器锁死小电机。整车控制器VCU可以通过控制小电机制动器锁死小电机来提高混合动力系统整体工作效率。
作为优选，整车控制器根据发动机的目标转速ne、齿圈轴的转速nH0和行星齿轮机构中的传动比i01、i02来计算小电机和大电机的目标转速。计算公式为：
          nVM = ne
           nE1= nH)i01+nVM（1- i01）
           nE2= nH)i02+nVM（1- i02）
根据上述两式计算出的电机目标转速，应用以下式，可分别计算出小电机和大电机的目标转矩TE1、TE2：
TE1= TreqnE2/（nE1i02- nE2i01）
TE2= TreqnE1/（nE2i01- nE1i02）。
作为优选，每次控制程序运行循环结束之前，整车控制器发送发动机目标转速ne和目标转矩Te到发动机管理系统EMS，同时发送小电机和大电机转矩指令Te1, Te2到电机控制器MCU。
本发明的带来的有益效果是，解决了现有技术所存在的混合动力的动力系统的工作效率低、能量损耗大等的技术问题，实现了一种操作方便、工作效率高、能耗小的混合动力输出功率平衡装置及其控制方法。
附图说明
附图1是现有的一种混合动力系统结构示意图； 
附图2是本发明的一种结构示意图；
附图3是本发明的驱动控制流程示意图；
附图4是本发明的转矩需求图；
附图5本发明的纯电动工况下各轴转速转矩模拟杠杆原理图；
附图6是本发明的发动机最优功率-转速曲线和动力需求转矩关系图；
附图7是本发明的低速发动机驱动工况下各轴转速转矩模拟杠杆原理图；
附图8是本发明的高速发动机驱动工况下各轴转速转矩模拟杠杆原理图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：附图2是本发明的一种结构示意图。本发明是一种混合动力输出功率平衡装置，包括发动机5、大电机2、小电机1、蓄电池、动力耦合装置以及若干制动器，发动机、大电机、小电机分别与动力耦合装置相连，所述的动力耦合装置为一个行星齿轮装置，发动机的动力输出轴与行星架转轴相连，该行星架上的行星齿轮分别与小太阳轮相啮合，小太阳轮的转轴即为小电机转轴，行星架上的行星齿轮分别与长行星轮相啮合，长行星轮分别与大太阳轮相啮合。所述的大电机及小电机与一个逆变器电连接，逆变器与一个电机控制器、一个电池管理系统与蓄电池电连接，发动机上设有一个转速感应器，该转速感应器的信号输出端与一个发动机管理系统相连，发动机管理系统上分别设有油门控制、点火控制、气门控制的信号输出端，并分别与发动机电路相连，电机控制器、电池管理系统、发动机管理系统分别与整车控制器相连。整车控制器分别设有加速踏板信号、制动踏板信号、档位信号、车速信号的输入端。小太阳轮转轴上设有小电机制动器3；所述的行星架上设有发动机制动器4。动力耦合装置负责将混合动力汽车的多个动力组合在一起，实现多动力源间合理的功率分配并把动力传送给驱动桥；小电机将发动机的部分输出动力通过动力耦合系统转换成电能；大电机将小电机所发的电能以机械动力形式输出到动力耦合系统；蓄电池将电能传送到所述小电机和所述电机并从所述小电机和所述电机传送电能。
附图3是本发明的驱动控制流程示意图，为了完成对上述结构的控制，本发明提供了一种混合动力输出功率平衡装置的控制方法，它是通过下述技术方案进行的：该控制方法包括以下步骤并且各步骤以预定时间间隔20ms反复执行。
第一步，将转矩需求Preq对加速踏板开度APS、制动踏板开度BPS和车速VSPDF的变化作为转矩需求Treq数据表存储在整车控制器中，整车控制器利用该数据表依据给定加速踏板开度APS和给定车速VSPDF差值求出相对应的转矩需求Treq。通过转矩需求Treq得出动力需求Preq。动力需求Preq由下式计算：
     Preq=Pb+Psysloss+Treq+ TreqnHO     
     式中：Pb为蓄电池的充电-放电功率需求；Psysloss为整车系统电势损失之和；Treq为齿圈上的转矩需求；nHO为齿圈轴的转速，可以由车速VSPD乘以转换系数k计算得到（附图4是本发明的转矩需求图）。
第二步，将第一步所设置的动力需求Preq与纯电动驱动上限功率需求限值Pev，当前电池荷电状态电量SOC与预设电池荷电状态电量充裕的下限值SOCmin进行比较。
第三步，根据第二步所述的比较结果，当Preq≤Pev且SOC≥SOCmin时，整车以纯电动驱动（附图5本发明的纯电动工况下各轴转速转矩模拟杠杆原理图），发动机关闭，并由发动机制动器制动，由大电机驱动车辆，小电机空转，发动机的目标转速ne和目标转矩Te分别为：
     ne=0   ，Te=0
小电机的目标转矩命令TE1，计算并设置大电机的目标转矩、转速命令，其中目标转矩命令由下式得到：
       TE2 = Treqi02
式中：TE2为大电机的目标转矩命令；Treq为齿圈轴转矩需求命令；i02为大太阳轮与外齿圈的齿数比；目标转速命令nE2由下式得到：
        nE2= nVMi02+nHO（1- i02）
       ne=nVM=0
式中：nVM为行星齿轮系的行星架转速；nHO为行星齿轮系的外齿圈的转速。由于此时发动机被动机制动器锁死，上式可简化为：
       nE2= nHO（1- i02）
当Preq＞Pev或SOC＜SOCmin时，整车控制器设置与动力需求Preq相对应的发动机的目标转速ne和目标转矩Te。发动机的目标转速ne和目标转矩Te根据发动机最优功率-转速曲线和动力需求转矩Preq来确定（附图6是本发明的发动机最优功率-转速曲线和动力需求转矩关系图；附图7是本发明的低速发动机驱动工况下各轴转速转矩模拟杠杆原理图；附图8是本发明的高速发动机驱动工况下各轴转速转矩模拟杠杆原理图。）。
在驱动控制程序中，混合动力整车控制器VCU首先采集接收控制所需要的各种数据，主要包括有加速踏板开度信号APS、制动踏板位置BPS、车速信号VSPD、小电机、大电机的转速nE1和nE2、发动机转速ne以及蓄电池温度Tbat、充电-放电功率需求、最大放电电流和最大充电电流。其中，发动机转速由安装在曲轴上的磁电传感器所测脉冲信号计算得到。小电机、大电机的转速、分别由小电机和大电机上的旋转变压器采集得到。蓄电池的温度、充放电功率需求、电池荷电状态（State of charge, SOC）、输入限制电流
Figure 781654DEST_PATH_IMAGE001
和输出限制电流通过电池管理检测系统BMS实时监测蓄电池组计算得到（基于电池组充放电试验得到）。
所以本发明具有操作方便、工作效率高、能耗小等特征。

Claims (2)

1.一种混合动力输出功率平衡装置的控制方法，所述混合动力输出功率平衡装置包括发动机（5）、大电机（2）、小电机（1）、蓄电池、动力耦合装置以及若干制动器，发动机、大电机、小电机分别与动力耦合装置相连，所述的大电机及小电机与一个逆变器电连接，逆变器与一个电机控制器、一个电池管理系统与蓄电池电连接，发动机上设有一个转速感应器，该转速感应器的信号输出端与一个发动机管理系统相连，发动机管理系统上分别设有油门控制、点火控制、气门控制的信号输出端，并分别与发动机电路相连，电机控制器、电池管理系统、发动机管理系统分别与整车控制器相连，发动机和小电机分别设有制动器（4、3），所述的动力耦合装置为一个行星齿轮装置，发动机的动力输出轴与行星架转轴相连，该行星架上的行星齿轮分别与小太阳轮相啮合，小太阳轮的转轴即为小电机转轴，行星架上的行星齿轮分别与长行星轮相啮合，长行星轮分别与大太阳轮相啮合，所述的小太阳轮转轴上设有小电机制动器，所述的行星架上设有发动机制动器，所述的整车控制器分别设有加速踏板信号、制动踏板信号、档位信号、车速信号的输入端；其特征在于该控制方法包括以下步骤：
第一步，将转矩需求Treq对加速踏板开度APS、制动踏板开度BPS和车速VSPDF的变化作为转矩需求Treq数据表存储在整车控制器中，整车控制器利用该数据表依据给定加速踏板开度APS和给定车速VSPDF差值求出相对应的转矩需求Treq，通过转矩需求Treq得出动力需求Preq；
第二步，将第一步所设置的动力需求Preq与纯电动驱动上限功率需求限值Pev，当前电池荷电状态电量SOC与预设电池荷电状态电量充裕的下限值SOCmin进行比较；
第三步，根据第二步所述的比较结果，当Preq≤Pev且SOC≥SOCmin时，整车以纯电动驱动，发动机关闭，并由发动机制动器制动，由大电机驱动车辆，小电机空转，当Preq＞Pev或SOC＜SOCmin时，整车控制器设置与动力需求Preq相对应的发动机的目标转速ne和目标转矩Te，发动机的目标转速ne和目标转矩Te根据发动机最优功率-转速曲线和动力需求转矩Preq来确定；
第一步到第三步各步骤以预定时间间隔10-50ms反复执行，当前车速较高，发动机工作点基本上处于最优效率区域的工况时，如果小电机的目标转速在零转速上下小范围波动时，整车控制器控制小电机制动器锁死小电机。
2.根据权利要求1所述的混合动力输出功率平衡装置的控制方法，其特征在于：每次控制程序运行循环结束之前，整车控制器发送发动机目标转速ne和目标转矩Te到发动机管理系统，同时发送小电机和大电机转矩指令Te1, Te2到电机控制器。
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