CN102514477B

CN102514477B - 用于履带车辆的行星耦合混合动力系统及其控制方法

Info

Publication number: CN102514477B
Application number: CN201110444947.8A
Authority: CN
Inventors: 陈泽宇; 赵广耀; 杨英; 周淑文; 唐传茵
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: CN102514477A

Abstract

用于履带车辆的行星耦合混合动力系统及其控制方法，属于混合动力车辆驱动技术领域。系统包括发动机，发动机经发动机控制单元、车载动力电池组经电池管理系统、驱动电机经电机控制器与综合控制器相连接，电机控制器与车载动力电池组相连；发动机的输出轴依次经电控离合器、主减速器与中央横轴相连接，中央横轴的两端分别与齿圈相连接，行星架经侧传动机构与履带主动轮相连接，太阳轮经齿轮与驱动电机的输出轴相连接；在中央横轴上设置第一电控制动器，在两侧太阳轮上设置第二电控制动器、第三电控制动器。控制方法：综合控制器根据车速反馈信号与加速踏板信号实时地计算车辆需求功率，并检测电池剩余容量，来控制混合动力系统工作模式的切换。

Description

用于履带车辆的行星耦合混合动力系统及其控制方法

技术领域

本发明属于混合动力车辆驱动技术领域，特别是涉及一种用于履带车辆的行星耦合混合动力系统及其控制方法。

背景技术

混合动力电传动技术在履带车辆中的应用具有显著的技术优势，不仅可以改善燃油经济性，而且有利于提高车辆动力性；但是，目前广泛采用的串联混合动力双侧电机独立驱动结构由于受限于目前的电机功率密度，仅靠电机驱动无法同时满足整个行驶工况的力矩与转速需求。因此，必须增置一套两档变速器或者采用多电机耦合，这样不仅使结构复杂、控制繁琐，而且降低了系统可靠性。

另外，履带车辆转向过程中，外侧履带需要输出较大功率，由于双侧电机独立驱动结构在转向过程中内侧制动功率只能通过内侧电机转化为电能，而外侧履带的机械功率完全来自于外侧电机；因此，转向过程中车速稍微一高，位于外侧的电机功率需求就变得很高。仅仅为了满足转向需求就不得不将双侧电机都设计的很大，同时，这也使履带车辆的转向性能受到很大制约，受电机峰值功率所限，目前的串联混合动力双侧电机独立驱动结构的履带车辆基本只能在很低的车速下进行转向(例如15km/h以下)，严重降低了车辆运行过程中的平均车速、影响车辆机动性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于履带车辆的行星耦合混合动力系统及其控制方法。该系统的发动机功率与两侧驱动电机功率通过两侧行星轮耦合机构耦合后共同驱动车辆行驶，可以在提高车辆机动性与燃油经济性的同时降低各动力部件的尺寸，并且可以取消两档变速箱，简化系统结构；另外，还可以降低转向过程中外侧驱动电机的需求功率，提高转向性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，一种用于履带车辆的行星耦合混合动力系统，包括设置在车体中央的发动机、车载动力电池组、综合控制器、驱动电机及行星轮耦合机构，所述发动机经发动机控制单元与综合控制器相连接，所述车载动力电池组经电池管理系统与综合控制器相连接；所述驱动电机包括设置在车体两侧的第一驱动电机和第二驱动电机，所述行星轮耦合机构包括设置在车体两侧的第一行星轮耦合机构和第二行星轮耦合机构；所述第一驱动电机经第一电机控制器与综合控制器相连接，所述第二驱动电机经第二电机控制器与综合控制器相连接，所述第一电机控制器、第二电机控制器分别与车载动力电池组相连接；所述发动机的输出轴依次经电控离合器、主减速器与中央横轴相连接，所述中央横轴的两端分别与第一行星轮耦合机构的齿圈、第二行星轮耦合机构的齿圈相连接，所述第一行星轮耦合机构的行星架经第一侧传动机构与第一履带主动轮相连接，所述第二行星轮耦合机构的行星架经第二侧传动机构与第二履带主动轮相连接，所述第一行星轮耦合机构的太阳轮经第一齿轮与第一驱动电机的输出轴相连接，所述第二行星轮耦合机构的太阳轮经第二齿轮与第二驱动电机的输出轴相连接；在所述中央横轴上设置有第一电控制动器，在所述第一行星轮耦合机构的太阳轮上设置有第二电控制动器，在所述第二行星轮耦合机构的太阳轮上设置有第三电控制动器。

所述的用于履带车辆的行星耦合混合动力系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：判断制动踏板信号是否大于制动踏板阈值，若是，则转去执行步骤八；否则，执行步骤二；

步骤二：判断方向盘转角信号是否大于方向盘转角阈值，若是，则执行步骤三；否则，转去执行步骤四；

步骤三：判断是否原地转向，若是，则进入原地转向模式，并返回执行步骤一；否则，进入行进中转向模式，并返回执行步骤一；

步骤四：判断需求功率是否小于需求功率下限值，若是，则执行步骤五；否则，转去执行步骤六；

步骤五：判断电池剩余容量是否大于电池剩余容量下限值，若是，则进入双电机独立驱动模式，并返回执行步骤一；否则，进入发动机单独驱动同时带动电机发电模式，并返回执行步骤一；

步骤六：判断需求功率是否小于需求功率上限值，若是，则执行步骤七；否则，进入双电机与发动机共同驱动模式，并返回执行步骤一；

步骤七：判断电池剩余容量是否大于电池剩余容量下限值，若是，则进入发动机单独工作模式，并返回执行步骤一；否则，进入发动机单独驱动同时带动电机发电模式，并返回执行步骤一；

步骤八：判断电池剩余容量是否小于电池剩余容量上限值，若是，则进入双电机再生制动模式，否则，进入机械制动模式；

步骤九：结束。

本发明的有益效果：

本发明的动力系统的发动机功率与两侧驱动电机功率通过两侧行星轮耦合机构耦合后共同驱动车辆行驶，可以在提高车辆机动性与燃油经济性的同时降低各动力部件的尺寸；并且在传动系统中取消了现有电传动履带车辆中的两档变速器，直接通过侧传动机构连接履带主动轮，简化系统结构；另外，还可以降低转向过程中外侧驱动电机的需求功率，提高转向性能。

本发明在车速较低但力矩需求很大的爬坡工况下，可以关闭发动机，制动第一电控制动器，利用电机分路的大减速比和两侧驱动电机的短时间过载能力可以满足爬坡需求；而在高速行驶时则可以通过发动机与两侧驱动电机共同工作，利用行星轮耦合机构转速耦合关系来满足高转速输出的需求。由于本发明的发动机与两侧驱动电机均可以参与驱动车辆行驶，因此发动机与两侧驱动电机的参数匹配结果均可以远远小于车辆需求功率上限值，而只要三者的输出功率之和在考虑各自的效率损失之后能够超过需求功率上限值即可；因此，本发明可以在满足动力性设计要求的情况下有效降低各动力部件的尺寸。

附图说明

图1为本发明的用于履带车辆的行星耦合混合动力系统的结构示意图；

图2为本发明的用于履带车辆的行星耦合混合动力系统的控制方法的程序流程图；

图3为本发明的综合控制器的内部电路原理图；

图4为双电机与发动机共同驱动模式下行星轮耦合机构的动力学关系示意图；

图5为发动机单独驱动同时带动电机发电模式下行星轮耦合机构的动力学关系示意图；

图6为双电机独立驱动模式下行星轮耦合机构的动力学关系示意图；

图7为发动机单独工作模式下行星轮耦合机构的动力学关系示意图；

图8为双电机再生制动模式下行星轮耦合机构的动力学关系示意图；

图9为停车充电模式下行星轮耦合机构的动力学关系示意图；

图中，1-电池管理系统，2-车载动力电池组，3-发动机控制单元，4-发动机，5-综合控制器，6-第二电机控制器，7-第二驱动电机，8-电控离合器，9-第一电机控制器，10-第一驱动电机，11-第一履带主动轮，12-第一侧传动机构，13-第二电控制动器，14-第一行星轮耦合机构，15-第一电控制动器，16-主减速器，17-中央横轴，18-第二行星轮耦合机构，19-第三电控制动器，20-第二履带主动轮，21-第二侧传动机构，22-太阳轮，23-齿圈，24-行星架，25-行星轮，26-第一齿轮，27-第二齿轮，F14-齿圈对行星轮的作用力，F24-太阳轮对行星轮的作用力，F34-行星架对行星轮的作用力，F42-行星轮对太阳轮的作用力，F43-行星轮对行星架的作用力，Tm1-电机力矩，ω1-齿圈转速，ω2-太阳轮转速，ω3-行星架转速。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示，一种用于履带车辆的行星耦合混合动力系统，包括设置在车体中央的发动机4、车载动力电池组2、综合控制器5、驱动电机及行星轮耦合机构，所述发动机4经发动机控制单元3与综合控制器5相连接，所述车载动力电池组2经电池管理系统1与综合控制器5相连接；所述驱动电机包括设置在车体两侧的第一驱动电机10和第二驱动电机7，所述行星轮耦合机构包括设置在车体两侧的第一行星轮耦合机构14和第二行星轮耦合机构18；所述第一驱动电机10经第一电机控制器9与综合控制器5相连接，所述第二驱动电机7经第二电机控制器6与综合控制器5相连接，所述第一电机控制器9、第二电机控制器6分别与车载动力电池组2相连接，由车载动力电池组2为第一驱动电机10、第二驱动电机7和其他车载电源提供电能；所述发动机4的输出轴依次经电控离合器8、主减速器16与中央横轴17相连接，所述中央横轴17的两端分别与第一行星轮耦合机构14的齿圈23、第二行星轮耦合机构18的齿圈23相连接，所述第一行星轮耦合机构14的行星架24经第一侧传动机构12与第一履带主动轮11相连接，所述第二行星轮耦合机构18的行星架24经第二侧传动机构21与第二履带主动轮20相连接，所述第一行星轮耦合机构14的太阳轮22经第一齿轮26与第一驱动电机10的输出轴相连接，所述第二行星轮耦合机构18的太阳轮22经第二齿轮27与第二驱动电机7的输出轴相连接；在所述中央横轴17上设置有第一电控制动器15，在所述第一行星轮耦合机构14的太阳轮22上设置有第二电控制动器13，在所述第二行星轮耦合机构18的太阳轮22上设置有第三电控制动器19。

发动机功率经过中央横轴17分流后，分别与两侧驱动电机功率通过行星轮耦合机构耦合，再传递到两侧履带来驱动车辆行驶。车载动力电池组2由多块锰酸铁锂动力电池串联组成，可以在制动过程中接收制动回收能量；车载动力电池组2配备有电池管理系统BMS，电池管理系统BMS可以实时地采集车载动力电池组2内每个单体电池的电压值，根据电压值实时地估算电池剩余容量SOC与当前状态下所允许的最大充放电功率，并将检测信息通过CAN总线发送给综合控制器5。电池管理系统BMS还可以检测电池组温度，并根据温度值控制电池箱内的散热风扇是否开启；可以根据每个单体电池的电压值与温度值来监测电池健康状态，进行电池均衡化管理。

所述综合控制器5采用嵌入式控制单元，其电路原理图如图3所示。其中，输入输出端口说明如下：

(1)Port-A：加速踏板信号；

(2)Port-B：制动踏板信号；

(3)Port-S：方向盘转角信号；

(4)Port-Gnd：传感器电源负极；

(5)CAN-H：CAN总线高端引脚；

(6)CAN-L：CAN总线低端引脚。

主要器件说明如下：

(1)MAX191：AD转换器；

(2)AT90CAN128：单片机；

(3)6N137：光电耦合器；

(4)YD5-24D05：24V转正负5V的稳压电源模块；

(5)YD5-24S05：24V转正5V的稳压电源模块；

(6)TJA1050：CAN收发器模块；

(7)AQW214：光耦继电器；

(8)REF194GS：AD转换器参考电压模块。

AD转换器的输出端经光电耦合器与单片机的数据输入输出端口相连接，加速踏板信号、制动踏板信号、方向盘转角信号及传感器电源负极经光耦继电器与单片机的数据输入输出端口相连接；CAN收发器模块的一端经光电耦合器与单片机相连接，另一端与CAN总线相连接。

综合控制器5的CAN收发器模块通过CAN总线与发动机控制单元3、第一电机控制器9、第二电机控制器6、电池管理系统1、电控离合器8、第一电控制动器15、第二电控制动器13及第三电控制动器19进行通讯，接收各部件的工作状态信息，并发送控制指令。

综合控制器5的输入信号为：方向盘转角信号、加速踏板信号、制动踏板信号、车速反馈信号、发动机转速信号、电池剩余容量SOC值、电池温度等；综合控制器5的输出信号为：驱动电机力矩控制信号、发动机控制信号、电控离合器控制信号、电控制动器控制信号等。

本发明的动力系统一共可以实现9种工作模式：①发动机单独工作模式、②双电机独立驱动模式、③双电机与发动机共同驱动模式、④发动机单独驱动同时带动电机发电模式、⑤双电机再生制动模式、⑥机械制动模式、⑦行进中转向模式、⑧停车充电模式和⑨原地转向模式。

工作模式的切换控制是在综合控制器5中通过程序实现的，综合控制器5根据车速反馈信号与加速踏板信号实时地计算得到车辆需求功率Pn，并检测电池剩余容量SOC，来控制混合动力系统工作模式的切换。

所述的用于履带车辆的行星耦合混合动力系统的控制方法，如图2所示，具体包括如下步骤：

步骤一：将制动踏板信号B量化为0到1之间的数字量，定义制动踏板阈值B_min＝0.05，判断制动踏板信号B是否大于制动踏板阈值B_min，若是，则判断为制动踏板被踩下，转去执行步骤八；否则，执行步骤二；

步骤二：将方向盘转角信号S量化为0到1之间的数字量，定义方向盘转角阈值S_min＝0.05，判断方向盘转角信号S是否大于方向盘转角阈值S_min，若是，则判断方向盘发生转向，执行步骤三；否则，转去执行步骤四；

步骤三：判断是否原地转向，若是，则进入原地转向模式，发动机4关闭，电控离合器8处于非接合状态，制动第一电控制动器15，综合控制器5根据方向盘转角信号S控制第一驱动电机10、第二驱动电机7分别输出大小相等、方向相反的力矩，从而实现原地转向；并返回执行步骤一；否则，进入行进中转向模式，综合控制器5根据方向盘转角信号S对第一驱动电机10、第二驱动电机7进行力矩控制，使一侧履带作用力大于另一侧，从而实现行进中转向，并返回执行步骤一；

步骤四：判断需求功率Pn是否小于需求功率下限值PnMin，若是，则执行步骤五；否则，转去执行步骤六；

步骤五：判断电池剩余容量SOC是否大于电池剩余容量下限值SOCMin，若是，则进入双电机独立驱动模式，发动机4关闭，电控离合器8处于非接合状态，制动第一电控制动器15，车辆所有的驱动力由第一驱动电机10、第二驱动电机7提供，并返回执行步骤一；否则，进入发动机单独驱动同时带动电机发电模式，电控离合器8接合，第一电控制动器15松开，发动机4高速运转，依据行星轮系的转速耦合关系，此时第一驱动电机10、第二驱动电机7将沿着与双电机独立驱动模式中相反的方向转动，从而进入发电状态，并返回执行步骤一；

步骤六：判断需求功率Pn是否小于需求功率上限值PnMax，若是，则执行步骤七；否则，进入双电机与发动机共同驱动模式，电控离合器8接合，第一电控制动器15松开，第二电控制动器13和第三电控制动器19均抬起，并返回执行步骤一；

步骤七：判断电池剩余容量SOC是否大于电池剩余容量下限值SOCMin，若是，则进入发动机单独工作模式，此时，第一驱动电机10、第二驱动电机7关闭，同时制动第二电控制动器13和第三电控制动器19，并返回执行步骤一；否则，进入发动机单独驱动同时带动电机发电模式，并返回执行步骤一；

步骤八：判断电池剩余容量SOC是否小于电池剩余容量上限值SOCMax，若是，则进入双电机再生制动模式，发动机4关闭，电控离合器8处于非接合状态，制动第一电控制动器15，第一驱动电机10、第二驱动电机7输出与驱动车辆时方向相反的力矩；否则，进入机械制动模式；

步骤九：结束。

当车辆停车时，若电池剩余容量SOC小于电池剩余容量上限值SOCMax，则进入停车充电模式，通过手刹制动来锁止行星轮耦合机构的行星架，发动机4开启，接合电控离合器8，使发动机4带动第一驱动电机10、第二驱动电机7发电为车载动力电池组2充电。

所述的需求功率Pn是综合控制器5根据车速反馈信号与加速踏板信号实时地计算得到的，其计算公式如下：

P_{n} = \frac{λ_{A} (T_{m} i_{m} η_{1} + i_{e} T_{e} η_{2})}{9549} \cdot \frac{u_{a}}{0.377 r_{z}}

式中，P_n——需求功率；

λ_A——加速踏板信号，量化为0～1之间的数字量；

T_m——驱动电机峰值力矩；

T_e——发动机峰值力矩；

i_m——驱动电机输出轴到履带主动轮的传动比；

i_e——发动机输出轴到履带主动轮的传动比；

η₁——驱动电机输出轴到履带主动轮的效率；

η₂——发动机输出轴到履带主动轮的效率；

u_a——车速反馈信号值；

r_z——履带主动轮半径。

本发明在车速较低但力矩需求很大的爬坡工况下，可以关闭发动机，制动第一电控制动器，利用电机分路的大减速比和两侧驱动电机的短时间过载能力可以满足爬坡需求；而在高速行驶时则可以通过发动机与两侧驱动电机共同工作，利用行星轮耦合机构转速耦合关系来满足高转速输出的需求。由于本发明的发动机与两侧驱动电机均可以参与驱动车辆行驶，因此发动机与两侧驱动电机的参数匹配结果均可以远远小于车辆需求功率上限值，而只要三者的输出功率之和在考虑各自的效率损失之后能够超过需求功率上限值即可；因此，本发明可以在满足动力性设计要求的情况下有效降低各动力部件的尺寸。另外，在发动机单独驱动同时带动电机发电模式下，车辆仍然可以输出大力矩，这意味着可以在任何车速工况下进行行车充电。

Claims

1.一种用于履带车辆的行星耦合混合动力系统的控制方法，所述的用于履带车辆的行星耦合混合动力系统，包括设置在车体中央的发动机、车载动力电池组、综合控制器、驱动电机及行星轮耦合机构，所述发动机经发动机控制单元与综合控制器相连接，所述车载动力电池组经电池管理系统与综合控制器相连接；所述驱动电机包括设置在车体两侧的第一驱动电机和第二驱动电机，所述行星轮耦合机构包括设置在车体两侧的第一行星轮耦合机构和第二行星轮耦合机构；所述第一驱动电机经第一电机控制器与综合控制器相连接，所述第二驱动电机经第二电机控制器与综合控制器相连接，所述第一电机控制器、第二电机控制器分别与车载动力电池组相连接；所述发动机的输出轴依次经电控离合器、主减速器与中央横轴相连接，所述中央横轴的两端分别与第一行星轮耦合机构的齿圈、第二行星轮耦合机构的齿圈相连接，所述第一行星轮耦合机构的行星架经第一侧传动机构与第一履带主动轮相连接，所述第二行星轮耦合机构的行星架经第二侧传动机构与第二履带主动轮相连接，所述第一行星轮耦合机构的太阳轮经第一齿轮与第一驱动电机的输出轴相连接，所述第二行星轮耦合机构的太阳轮经第二齿轮与第二驱动电机的输出轴相连接；在所述中央横轴上设置有第一电控制动器，在所述第一行星轮耦合机构的太阳轮上设置有第二电控制动器，在所述第二行星轮耦合机构的太阳轮上设置有第三电控制动器；所述动力系统有9种工作模式：①发动机单独工作模式、②双电机独立驱动模式、③双电机与发动机共同驱动模式、④发动机单独驱动同时带动电机发电模式、⑤双电机再生制动模式、⑥机械制动模式、⑦行进中转向模式、⑧停车充电模式和⑨原地转向模式；其特征在于，该控制方法包括如下步骤：

步骤九：结束。

2.根据权利要求1所述的用于履带车辆的行星耦合混合动力系统的控制方法，其特征在于当车辆停车时，若电池剩余容量小于电池剩余容量上限值，则进入停车充电模式，通过手刹制动来锁止行星轮耦合机构的行星架，发动机开启，接合电控离合器，使发动机带动第一驱动电机、第二驱动电机发电为车载动力电池组充电。

3.一种用于履带车辆的行星耦合混合动力系统的控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤一：将制动踏板信号B量化为0到1之间的数字量，定义制动踏板阈值B_min=0.05，判断制动踏板信号B是否大于制动踏板阈值B_min，若是，则判断为制动踏板被踩下，转去执行步骤八；否则，执行步骤二；

步骤二：将方向盘转角信号S量化为0到1之间的数字量，定义方向盘转角阈值S_min=0.05，判断方向盘转角信号S是否大于方向盘转角阈值S_min，若是，则判断方向盘发生转向，执行步骤三；否则，转去执行步骤四；

步骤三：判断是否原地转向，若是，则进入原地转向模式，发动机关闭，电控离合器处于非接合状态，制动第一电控制动器，综合控制器根据方向盘转角信号S控制第一驱动电机、第二驱动电机分别输出大小相等、方向相反的力矩，从而实现原地转向；并返回执行步骤一；否则，进入行进中转向模式，综合控制器根据方向盘转角信号S对第一驱动电机、第二驱动电机进行力矩控制，使一侧履带作用力大于另一侧，从而实现行进中转向，并返回执行步骤一；

步骤五：判断电池剩余容量SOC是否大于电池剩余容量下限值SOCMin，若是，则进入双电机独立驱动模式，发动机关闭，电控离合器处于非接合状态，制动第一电控制动器，车辆所有的驱动力由第一驱动电机、第二驱动电机提供，并返回执行步骤一；否则，进入发动机单独驱动同时带动电机发电模式，电控离合器接合，第一电控制动器松开，发动机运转，此时第一驱动电机、第二驱动电机沿着与双电机独立驱动模式中相反的方向转动，从而进入发电状态，并返回执行步骤一；

步骤六：判断需求功率Pn是否小于需求功率上限值PnMax，若是，则执行步骤七；否则，进入双电机与发动机共同驱动模式，电控离合器接合，第一电控制动器松开，第二电控制动器和第三电控制动器均抬起，并返回执行步骤一；

步骤七：判断电池剩余容量SOC是否大于电池剩余容量下限值SOCMin，若是，则进入发动机单独工作模式，此时，第一驱动电机、第二驱动电机关闭，同时制动第二电控制动器和第三电控制动器，并返回执行步骤一；否则，进入发动机单独驱动同时带动电机发电模式，并返回执行步骤一；

步骤八：判断电池剩余容量SOC是否小于电池剩余容量上限值SOCMax，若是，则进入双电机再生制动模式，发动机关闭，电控离合器处于非接合状态，制动第一电控制动器，第一驱动电机、第二驱动电机输出与驱动车辆时方向相反的力矩；否则，进入机械制动模式；

步骤九：结束。