CN102582624A - 一种混合动力车辆大加速过程动态协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力车辆大加速过程的动态协调控制方法，其包括以下步骤：1)确定稳态分配的发动机目标转矩T_e′(m)、电机系统目标转矩T_m′(m)；2)判断是否进入大加速动态协调过程：如果需要进行大加速动态协调，则进入步骤3)，否则返回步骤1)；3)进入大加速过程后，根据能量管理策略得到的发动机目标转矩T_e′(m)、电机系统目标转矩T_m′(m)、前一时刻的发动机转矩命令T_e(m-1)进行动态协调，得到发动机转矩命令值T_e(m)和电机系统转矩命令值T_m(m)；本方法充分利用了电机的补偿能力，保证了大加速过程的动力性，并且有效减少了发动机加浓，提高了大加速过程的经济性。

Description

一种混合动力车辆大加速过程动态协调控制方法

技术领域

本发明涉及混合动力车辆控制技术领域，特别是一种混合动力车辆在大加速过程的动态协调控制方法。

背景技术

混合动力车辆包括混合动力乘用车、混合动力客车以及混合动力工程机械等，是使用两种或以上能源的车辆，所使用的动力来源有：内燃机、电动机、电池、氢气、燃料电池等的技术，是提高车辆节能、环保性能的重要途径之一。目前的混合动力车多数以内燃机及电动机推动，能源来自汽油及电池，此类混合动力车叫油电混合动力车(Hybridelectric vehicle简称HEV)。

目前的混合动力车辆在大加速过程中，需要发动机提供主要的驱动力，发动机驱动转矩命令值可能突然增加，由于发动机加速过程需要加浓，会恶化整车经济性；如果发动机转矩命令值上升过慢，虽能有较好的经济性，但无法满足整车的动力性要求。电机转矩可以快速调整，并具有过载能力，所以在大加速过程中，可以利用电机的补偿能力，减小发动机转矩上升斜率，对混合动力车辆进行协调控制，既能保证动力性，又能提高经济性。

大加速过程中，现有的控制方法有两种：方法1：限制发动机转矩命令值以较小的斜率上升；方法2：不对发动机转矩命令值上升斜率进行限制。

但是，这两种方法都存在固有的缺陷。限制发动机转矩命令值以较小的斜率上升的控制方法(方法1)，可以改善发动机转矩上升过程的燃油经济性，但整车动力性较差。不限制发动机转矩命令值上升斜率的控制方法(方法2)，虽可以保证整车动力性，但由于发动机需要加速加浓，燃油经济性较差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够在保证动力性的同时改善经济性的混合动力车辆大加速过程的动态协调控制方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种混合动力车辆大加速过程的动态协调控制方法，其包括以下步骤：

1)整车能量管理策略根据驾驶员操作、当前车辆状态确定稳态分配的发动机目标转矩T_e′(m)、电机系统目标转矩T_m′(m)，其中m代表控制步长的计数；

2)判断是否进入大加速动态协调控制过程：如果需要进行大加速动态协调控制过程，则进入步骤3)，否则将整车能量管理策略的转矩分配结果作为各部件的控制命令，返回步骤1)；

步骤2)具体包括以下内容：

确定是否进入大加速动态协调控制过程：

a.如果k₀＞k₁，则进入大加速动态协调控制过程，即执行步骤3)，

b.如果k₀≤k₁，则按整车能量管理策略的转矩分配结果进行控制，返回步骤1)，即T_e(m)＝T_e′(m)；T_m(m)＝T_m′(m)；

其中：

k₀为按照整车能量管理策略制定的转矩分配结果进行控制时的发动机转矩上升斜率，即为k₀＝{T_e′(m)-T_e(m-1)}/Δt，其中Δt是控制周期；

k₁是根据发动机特性确定的发动机动力性和经济性综合最优的发动机转矩上升斜率，确定k₁的方法如下：

首先给定发动机转矩命令值T、转速n及转矩命令值上升斜率k，可以得到对应的燃油经济性变化幅度Δb_e/b_e和整车加速度变化幅度Δa/a，其中b_e是发动机转矩命令值T和转速n对应的稳态燃油经济性，Δb_e是转矩命令值以一定斜率上升引起的燃油经济性的变化幅度，a是发动机转矩命令值T和转速n对应的整车加速度，Δa是转矩命令值以一定斜率上升引起的整车加速度变化幅度，Δb_e/b_e可以反映转矩命令值上升斜率k对整车经济性的影响，Δa/a可以反映转矩命令值上升斜率k对整车动力性的影响；则可以确定经济性和动力性综合最优的转矩上升斜率k₁(T，n)为 $k_1(T,n)=\underset{k}{\max }({\mathrm{\Δb}}_e/b_e+a\·\mathrm{\Δa}/a),$ 其中a用来反映动力性与经济性的相对重要程度；

离线确定k₁随转矩命令值T和转速n变化的规律，制成数据表格，实时工作时，通过前一时刻发动机转矩命令T_e(m-1)和当前发动机转速n查表确定k₁；

3)进入大加速动态协调控制过程后，根据整车能量管理策略得到的发动机目标转矩T_e′(m)、电机系统目标转矩T_m′(m)、前一时刻的发动机转矩命令T_e(m-1)进行动态协调控制，从而得到发动机转矩命令值T_e(m)和电机系统转矩命令值T_m(m)；

步骤3)具体包括以下内容：

电机能提供的最大转矩由电机转速和电池荷电状态(SOC)确定，根据电机转速确定当前时刻的电机系统额定转矩T_r(m)和电机系统最大转矩T_max(m)，电池荷电状态的影响用函数f(SOC)表示，可得此时电机系统能持续提供最大转矩为T′_r(m)＝T_r(m)·f(SOC)，电机系统能瞬时提供的最大转矩为T_max′(m)＝T_max(m)·f(SOC)；

由电机的工作能力可以得到，电机系统可以持续补偿的最大转矩为ΔT_m1(m)，即电机系统目标转矩与其能持续提供的最大转矩之差，即ΔT_m1(m)＝T_r′(m)-T_m′(m)；电机系统可以瞬时补偿的最大转矩为ΔT_m2(m)，即电机系统目标转矩与其能瞬时提供的最大转矩之差，即ΔT_m2(m)＝T_max′(m)-T_m′(m)；

同时，可以得到发动机转矩突变量ΔT_e(m)，即当前发动机目标转矩T_e′(m)与前一时刻发动机转矩命令值T_e(m-1)之差，即ΔT_e(m)＝T_e′(m)-T_e(m-1)；

然后通过ΔT_e(m)与ΔT_m1(m)、ΔT_m2(m)的关系调整发动机转矩命令值，分为如下三种模式：

a.当0≤ΔT_e(m)≤ΔT_m1(m)时

此时需要补偿的转矩在电机持续工作范围内，发动机转矩调整的控制目标是保证经济性，使发动机转矩以小斜率上升，该斜率为k₁，斜率k₁即上述根据发动机特性确定的发动机动力性和经济性综合最优的发动机转矩上升斜率，由此得到发动机转矩命令值为T_e(m)＝T_e(m-1)+k₁Δt；

b.当ΔT_m1(m)＜ΔT_e(m)≤ΔT_m2(m)时

此时虽然需要补偿的转矩仍在电机工作范围内，但需要电机过载，由于电机过载有时间限制，所以需要发动机转矩在一定时间内上升到整车能量管理策略制定的目标转矩，故使发动机转矩以大于k₁的斜率上升，设该斜率为k₂，由此得到发动机转矩命令值为T_e(m)＝T_e(m-1)+k₂Δt；

此时可以利用电机的过载能力减小发动机的加速加浓，同时要保证整车动力性，斜率k₂是根据电机过载能力确定的，即k₂＝{T_r′(m)-T_m′(m)}/(t₀-pΔt)＝ΔT_m1(m)/(t₀-pΔt)，其中t₀是允许的最长过载时间，由电机的温度、发热量和散热量等因素决定，p是电机已经过载工作的步长数；

c.当ΔT_e(m)＞ΔTm₂(m)时

此时发动机转矩突变超出了电机补偿能力，为了在保证动力性的前提下尽量提高经济性，需要电机尽量满负荷工作，发动机转矩命令值以小幅度进行突变，同时，为了保留一定的电机调节裕量，发动机转矩命令值突变幅度稍大于所需的最小发动机转矩命令值突变幅度，所以发动机转矩命令值为T_e(m)＝b·{T′_e(m)-ΔT_m2(m)}，其中b是大于1的裕量系数；

最后，根据调整得到的发动机转矩命令值确定电机系统转矩命令值，即T_m(m)＝T′_m(m)+T′_e(m)-T_e(m)。

返回步骤1)，即T_e(m)＝T_e′(m)；T_m(m)＝T_m′(m)，往复进行上述步骤。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：与限制发动机命令以较小斜率上升的控制方法相比，本方法充分利用了电机的补偿能力，保证了大加速过程的动力性；与不限制发动机命令上升斜率的控制方法相比，本法有效减少了发动机加浓，提高了大加速过程的经济性；综上所述，本发明的控制方法兼顾了混合动力车辆的整车动力性和经济性的要求。

附图说明

图1是本发明的流程图

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明做进一步介绍。

图1是本发明的流程图，由图可以看出本发明的一种混合动力车辆大加速过程的动态协调控制方法，包括以下步骤：

1)整车能量管理策略根据驾驶员操作、当前车辆状态确定稳态分配的发动机目标转矩T_e′(m)、电机系统目标转矩T_m′(m)，其中m代表控制步长的计数；

2)判断是否进入大加速动态协调控制过程：如果需要进行大加速动态协调控制过程，则进入步骤3)，否则将整车能量管理策略的转矩分配结果作为各部件的控制命令，返回步骤1)；

步骤2)具体包括以下内容：

确定是否进入大加速动态协调控制过程：

a.如果k₀＞k₁，则进入大加速动态协调控制过程，即执行步骤3)，

b.如果k₀≤k₁，则按整车能量管理策略的转矩分配结果进行控制，返回步骤1)，即T_e(m)＝T_e′(m)；T_m(m)＝T_m′(m)；

其中：

k₀为按照整车能量管理策略制定的转矩分配结果进行控制时的发动机转矩上升斜率，即为k₀＝{T_e′(m)-T_e(m-1)}/Δt，其中Δt是控制周期；

k₁是根据发动机特性确定的发动机动力性和经济性综合最优的发动机转矩上升斜率，确定k₁的方法如下：

首先给定发动机转矩命令值T、转速n及转矩命令值上升斜率k，可以得到对应的燃油经济性变化幅度Δb_e/b_e和整车加速度变化幅度Δa/a，其中b_e是发动机转矩命令值T和转速n对应的稳态燃油经济性，Δb_e是转矩命令值以一定斜率上升引起的燃油经济性的变化幅度，a是发动机转矩命令值T和转速n对应的整车加速度，Δa是转矩命令值以一定斜率上升引起的整车加速度变化幅度，Δb_e/b_e可以反映转矩命令值上升斜率k对整车经济性的影响，Δa/a可以反映转矩命令值上升斜率k对整车动力性的影响；则可以确定经济性和动力性综合最优的转矩上升斜率k₁(T，n)为 $k_1(T,n)=\underset{k}{\max }({\mathrm{\Δb}}_e/b_e+a\·\mathrm{\Δa}/a),$ 其中a用来反映动力性与经济性的相对重要程度；

离线确定k₁随转矩命令值T和转速n变化的规律，制成数据表格，实时工作时，通过前一时刻发动机转矩命令T_e(m-1)和当前发动机转速n查表确定k₁；

3)进入大加速动态协调控制过程后，根据整车能量管理策略得到的发动机目标转矩T_e′(m)、电机系统目标转矩T_m′(m)、前一时刻的发动机转矩命令T_e(m-1)进行动态协调控制，从而得到发动机转矩命令值T_e(m)和电机系统转矩命令值T_m(m)；

步骤3)具体包括以下内容：

电机能提供的最大转矩由电机转速和电池荷电状态(SOC)确定，根据电机转速确定当前时刻的电机系统额定转矩T_r(m)和电机系统最大转矩T_max(m)，电池荷电状态的影响用函数f(SOC)表示，可得此时电机系统能持续提供最大转矩为T′_r(m)＝T_r(m)·f(SOC)，电机系统能瞬时提供的最大转矩为T_max′(m)＝T_max(m)·f(SOC)；

由电机的工作能力可以得到，电机系统可以持续补偿的最大转矩为ΔT_m1(m)，即电机系统目标转矩与其能持续提供的最大转矩之差，即ΔT_m1(m)＝T_r′(m)-T_m′(m)；电机系统可以瞬时补偿的最大转矩为ΔT_m2(m)，即电机系统目标转矩与其能瞬时提供的最大转矩之差，即ΔT_m2(m)＝T_max′(m)-T_m′(m)；

同时，可以得到发动机转矩突变量ΔT_e(m)，即当前发动机目标转矩T_e′(m)与前一时刻发动机转矩命令值T_e(m-1)之差，即ΔT_e(m)＝T_e′(m)-T_e(m-1)；

然后通过ΔT_e(m)与ΔT_m1(m)、ΔT_m2(m)的关系调整发动机转矩命令值，分为如下三种模式：

a.当0≤ΔT_e(m)≤ΔT_m1(m)时

此时需要补偿的转矩在电机持续工作范围内，发动机转矩调整的控制目标是保证经济性，使发动机转矩以小斜率上升，该斜率为k₁，斜率k₁即上述根据发动机特性确定的发动机动力性和经济性综合最优的发动机转矩上升斜率，由此得到发动机转矩命令值为T_e(m)＝T_e(m-1)+k₁Δt；

b.当ΔT_m1(m)＜ΔT_e (m)≤ΔT_m2(m)时

此时虽然需要补偿的转矩仍在电机工作范围内，但需要电机过载，由于电机过载有时间限制，所以需要发动机转矩在一定时间内上升到整车能量管理策略制定的目标转矩，故使发动机转矩以大于k₁的斜率上升，设该斜率为k₂，由此得到发动机转矩命令值为T_e(m)＝T_e(m-1)+k₂Δt；

此时可以利用电机的过载能力减小发动机的加速加浓，同时要保证整车动力性，斜率k₂是根据电机过载能力确定的，即k₂＝{T_r′(m)-T_m′(m)}/(t₀-pΔt)＝ΔT_m1(m)/(t₀-pΔt)，其中t₀是允许的最长过载时间，由电机的温度、发热量和散热量等因素决定，p是电机已经过载工作的步长数；

c.当ΔT_e(m)＞ΔT_m2(m)时

此时发动机转矩突变超出了电机补偿能力，为了在保证动力性的前提下尽量提高经济性，需要电机尽量满负荷工作，发动机转矩命令值以小幅度进行突变，同时，为了保留一定的电机调节裕量，发动机转矩命令值突变幅度稍大于所需的最小发动机转矩命令值突变幅度，所以发动机转矩命令值为T_e(m)＝b·{T′_e(m)-ΔT_m2(m)}，其中b是大于1的裕量系数；

最后，根据调整得到的发动机转矩命令值确定电机系统转矩命令值，即T_m(m)＝T′_m(m)+T′_e(m)-T_e(m)。

返回步骤1)，即T_e(m)＝T_e′(m)；T_m(m)＝T_m′(m)，往复进行上述步骤。

上述实例仅用于说明本发明，其中各步骤，以及参数的确定方法等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种混合动力车辆大加速过程的动态协调控制方法，其包括以下步骤：

步骤一：确定发动机目标转矩T_e′(m)和电机系统目标转矩T_m′(m)：由整车能量管理策略根据驾驶员操作、当前车辆状态，确定稳态分配的发动机目标转矩T_e′(m)和电机系统目标转矩T_m′(m)，其中m代表控制步长的计数；

步骤二：判断是否进入大加速动态协调控制过程：如果需要进行大加速动态协调控制过程，则进入步骤三，否则将整车能量管理策略的转矩分配结果作为各部件的控制命令，返回步骤一，具体内容为：计算发动机转矩上升斜率k₀和k₁，并进行比较：

a.如果k₀＞k₁，则进入大加速动态协调控制过程，即执行步骤三；

b.如果k₀≤k₁，则按整车能量管理策略的转矩分配结果进行控制，返回步骤一，即T_e(m)＝T_e′(m)；T_m(m)＝T_m′(m)；

其中：k₀为按照整车能量管理策略制定的转矩分配结果进行控制时的发动机转矩上升斜率；k₁为根据发动机特性确定的发动机动力性和经济性综合最优的发动机转矩上升斜率；

步骤三：确定发动机转矩命令值T_e(m)和电机系统转矩命令值T_m(m)：进入大加速动态协调控制过程后，根据整车能量管理策略得到的发动机目标转矩T_e′(m)、电机系统目标转矩T_m′(m)、前一时刻的发动机转矩命令T_e(m-1)进行动态协调控制，从而得到发动机转矩命令值T_e(m)，最后根据调整得到的发动机转矩命令值T_e(m)确定电机系统转矩命令值T_m(m)；

返回步骤一，即T_e(m)＝T_e′(m)；T_m(m)＝T_m′(m)，往复进行上述步骤。

2.根据权利要求1所述的一种混合动力车辆大加速过程的动态协调控制方法，其特征在于：步骤二中所述的按照整车能量管理策略制定的转矩分配结果进行控制时的发动机转矩上升斜率k₀，其确定方法为：k₀＝{T_e′(m)-T_e(m-1)}/Δt，其中Δt是控制周期。

3.根据权利要求1所述的一种混合动力车辆大加速过程的动态协调控制方法，其特征在于：步骤二中所述的发动机动力性和经济性综合最优的发动机转矩上升斜率k₁，其确定方法为：

首先给定发动机转矩命令值T、转速n及发动机扭矩命令值上升斜率k，可以得到对应的燃油经济性变化幅度Δb_e/b_e和整车加速度变化幅度Δa/a；

其中：

b_e是发动机转矩命令值T和转速n对应的稳态燃油经济性；

Δb_e是发动机扭矩命令值以一定斜率上升引起的燃油经济性的变化幅度；

a是发动机转矩命令值T和转速n对应的整车加速度；

Δa是发动机扭矩命令值以一定斜率上升引起的整车加速度变化幅度；

Δb_e/b_e用于反映发动机扭矩命令值上升斜率k对整车经济性的影响；

Δa/a用于反映发动机扭矩命令值上升斜率k对整车动力性的影响；

则动力性和经济性综合最优的转矩上升斜率k₁(T，n)为 $k_1(T,n)=\underset{k}{\max }({\mathrm{\Δb}}_e/b_e+a\·\mathrm{\Δa}/a),$ 其中a用来反映动力性与经济性的相对重要程度；

离线确定k₁随发动机扭矩命令值T和转速n变化的规律，制成数据表格，实时工作时，通过前一时刻发动机转矩命令T_e(m-1)和当前发动机转速n查表确定k₁。

4.根据权利要求1所述的一种混合动力车辆大加速过程的动态协调控制方法，其特征在于：所述的步骤三具体包括以下内容：

首先，根据电机转速确定当前时刻的电机系统额定转矩T_r(m)和电机系统最大转矩T_max(m)，进而可得当前电机系统能持续提供最大转矩为T′_r(m)＝T_r(m)·f(SOC)，电机系统能瞬时提供的最大转矩为T_max′(m)＝T_max(m)·f(SOC)，其中函数f(SOC)表示电池荷电状态SOC对电机最大扭矩的影响；

其次，结合整车能量管理策略得到的发动机目标转矩T_e′(m)、电机系统目标转矩T_m′(m)、前一时刻的发动机转矩命令T_e(m-1)确定下面三个参数：

电机系统可以持续补偿的最大转矩为ΔT_m1(m)，等于电机系统目标转矩与电机系统能持续提供的最大转矩之差，即ΔT_m1(m)＝T_r′(m)-T_m′(m )，

电机系统可以瞬时补偿的最大转矩为ΔT_m2(m)，等于电机系统目标转矩与电机系统能瞬时提供的最大转矩之差，即ΔT_m2(m)＝T_max′(m)-T_m′(m)，

发动机转矩突变量ΔT_e(m)，等于当前发动机目标转矩T_e′(m)与前一时刻发动机转矩命令值T_e(m-1)之差，即ΔT_e(m)＝T_e′(m)-T_e(m-1)；

最后，通过ΔT_e(m)与ΔT_m1(m)、ΔT_m2(m)的关系调整发动机转矩命令值T_e(m)，分为如下三种模式：

a.当0≤ΔT_e(m)≤ΔT_m1(m)时，发动机转矩以小斜率上升，该斜率为k₁，斜率k₁即上述根据发动机特性确定的发动机动力性和经济性综合最优的发动机转矩上升斜率，由此得到发动机转矩命令值为T_e(m)＝T_e(m-1)+k₁Δt；

b.当ΔT_m1(m)＜ΔT_e(m)≤ΔT_m2(m)时，发动机转矩以大于k₁的斜率上升，设该斜率为k₂，由此得到发动机转矩命令值为T_e(m)＝T_e(m-1)+k₂Δt；

c.当ΔT_e(m)＞ΔT_m2(m)时，发动机转矩命令值以小幅度进行突变，发动机转矩命令值的突变幅度大于所需的最小发动机转矩命令值突变幅度，由此得到发动机转矩命令值为T_e(m)＝b·{T′_e(m)-ΔT_m2(m)}，其中b是大于1的裕量系数；

最后，根据调整得到的发动机转矩命令值T_e(m)确定电机系统转矩命令值T_m(m)。

5.根据权利要求1或4所述的一种混合动力车辆大加速过程的动态协调控制方法，其特征在于：所述的根据调整得到的发动机转矩命令值T_e(m)确定电机系统转矩命令值T_m(m)的具体方法是：T_m(m)＝T′_m(m)+T′_e(m)-T_e(m)。

6.根据权利要求4所述的一种混合动力车辆大加速过程的动态协调控制方法，其特征在于：所述的大于k₁的斜率，即斜率为k₂是根据电机过载能力确定的，即k₂＝{T_r′(m)-T_m′(m)}/(t₀-pΔt)＝ΔT_m1(m)/(t₀-pΔt)，其中t₀是允许的最长过载时间，由电机的温度、发热量和散热量等因素决定，p是电机已经过载工作的步长数。

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