CN102616239B - 一种混合动力汽车换挡过程动态协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电机转速闭环控制的混合动力汽车换挡过程动态协调控制方法，包括进入控制逻辑、换挡过程动态协调控制策略和退出控制逻辑三部分；1)进入控制逻辑判断，当混合动力汽车处于含有发动机驱动的工作模式，且期望档位与实际档位不同时，进入下一步换挡过程动态协调控制策略；否则发动机和电机仍然执行整车能量管理策略制定的期望发动机转矩和期望电机转矩。2)进入换挡过程动态协调控制策略后，针对自动变速器换挡所必需的发动机转矩减小过程、选换挡过程和发动机转矩恢复过程，设置相应的发动机和电机协调控制策略。3)当目标档位与实际档位一致，且发动机实际转矩与能量管理策略制定的期望发动机转矩之差在一预先设定的数值范围内时，退出换挡过程动态协调控制策略，按新档位行驶。本发明可以广泛用于各种混合动力汽车换挡过程中。

Description

一种混合动力汽车换挡过程动态协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，特别是关于一种基于电机转速闭环控制的混合动力汽车换挡过程动态协调控制方法。

背景技术

机械自动变速器(AMT)具有传动效率高、结构简单、易于制造和能够实现自动变速等优点，但是这种纯机械传动在换挡过程中会不可避免的出现冲击和动力中断现象，导致整车平顺性和动力性变差。装配AMT的混合动力汽车可以充分利用电机动态响应快、转矩控制准确的特点，弥补AMT换挡过程中动力中断和冲击等不足，改善整车的动力性和平顺性。

目前关于混合动力汽车换挡过程协调控制的研究主要是根据实时反馈的发动机转矩，利用电机快速响应特性进行转矩补偿，使得动力系统输出总转矩尽可能平稳并且满足驾驶员驱动力需求，达到减小换挡冲击并且保证车辆动力性的目的。但是在实际工程应用中，发动机转矩难以实时精确获得。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的是提供一种能够改善混合动力汽车在换挡过程中的动力性和平顺性问题，且基于电机转速闭环控制的混合动力汽车换挡过程动态协调控制方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种混合动力汽车换挡过程动态协调控制方法，其包括以下步骤：1)发动机转矩减小过程协调控制策略：①发动机转矩控制策略：限制发动机转矩减小的速率，当发动机转矩减小到预先设置的数值时，断开离合器；②主电机转矩控制策略：a、认为在换挡过程中，车辆的运动状态包括车辆的加速度、车轮的角加速度和主电机的角加速度不变；b、根据换挡前车辆的运动状态和换挡过程中驾驶员的驾驶需求，求解换挡过程中主电机目标角加速度；c、维持主电机目标角加速度不变，根据主电机当前转速确定主电机目标转速；d、采用PID控制算法，输入主电机目标转速与主电机实际转速的差值，将计算得到的主电机转矩发送给主电机控制单元；2)选换挡过程协调控制策略：保持主电机完全响应整车期望转矩；3)发动机转矩恢复过程协调控制策略：①发动机转矩控制策略：离合器结合后，限制发动机转矩增加的速率，使其转矩缓慢增加，避免发动机转矩发生突变产生波动；②主电机转矩控制策略：采用与步骤1)中相同的主电机转矩控制策略。

所述主电机目标转速的求解步骤如下：1)根据车辆动力学方程求解换挡过程中发动机转矩减小或恢复过程的驾驶员所期望的主电机角加速度α₁：

(J_m+J_o)α₁＝T_io-T_r

其中，J_m为主电机的转动惯量；J_o为从自动变速器输出轴到车轮的当量转动惯量，其中包括传动轴、主减速器、车轮与整车质量等转换到变速器输出轴的当量转动惯量；T_io为驾驶员需求转矩；T_r为外界阻力矩；2)计算换挡过程中，发生发动机转矩减小或恢复时前n个时刻的主电机平均角加速度α₂：

${\mathrm{\α}}_2=\frac{1}{n}[\frac{({\mathrm{\ω}}_t-{\mathrm{\ω}}_{t-1})}{\mathrm{\Δt}}+\frac{({\mathrm{\ω}}_{t-1}-{\mathrm{\ω}}_{t-2})}{\mathrm{\Δt}}+...+\frac{({\mathrm{\ω}}_{t-(n-1)}-{\mathrm{\ω}}_{t-n})}{\mathrm{\Δt}}]$

式中，ω_t为发动机转矩减小或恢复过程发生时主电机实际转速，ω_t-1为发动机转矩减小或恢复过程发生时前1个控制周期的主电机实际转速，ω_t-n为发动机转矩减小或恢复过程发生时前n个控制周期的主电机实际转速；Δt为控制周期；3)综合考虑换挡过程中驾驶员的驾驶需求和换挡前车辆的运动状态，设置加权系数ω₁和ω₂，令换挡过程中的主电机目标角加速度为α＝ω₁α₁+ω₂α₂；4)根据发生换挡时主电机实际转速ω_t，维持换挡过程中主电机角加速度不变，求得换挡过程主电机目标转速ω_dis＝ω_t+αt，式中t为发动机转矩减小或恢复过程发生的累加时间。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明方法以容易精确实时获得的主电机转速作为反馈控制量，避免了发动机转矩实时估计不准确的难题，通过协调控制发动机转矩和主电机转矩，有效地解决了混合动力汽车换挡过程中的冲击和动力中断问题，改善了混合动力汽车在换挡过程中的动力性和平顺性。本发明可以广泛用于各种混合动力汽车换挡过程中。

附图说明

图1是本发明混合动力系统结构示意图，

图2是本发明动态协调协调控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明是一种基于电机转速闭环控制的混合动力汽车换挡过程动态协调控制方法，作为本发明研究对象的混合动力汽车的混合动力系统包括发动机1、主电机2、副电机3、自动变速器(AMT)4、主减速器5、逆变器6和动力电池7等。其中，主电机2被布置在自动变速器4的后端，通过主减速器5与车轮相连，副电机3被连接于发动机1的前端。

如图2所示，本发明方法包括进入控制逻辑、换挡过程动态协调控制策略和退出控制逻辑三部分，本发明主要是在换挡过程动态协调控制策略中加入了对主电机转速进行闭环控制的内容，下面对本发明方法进行详细的介绍。

1)进入控制逻辑

当混合动力汽车处于换挡过程时，首先进入控制逻辑对工作模式和档位状态进行判断，如果混合动力汽车处于含有发动机驱动的工作模式且期望档位与实际档位不同时，进入下一步的换挡过程动态协调控制策略；否则，发动机和主电机仍然执行原来整车能量管理策略制定的期望发动机转矩和期望主电机转矩。本步骤在已有技术中也是要进行的，本发明与已有技术的不同体现在步骤2)。

2)换挡过程动态协调控制策略

针对自动变速器换挡所必需的发动机转矩减小、选换挡和发动机转矩恢复三个过程，本发明制定了相应的发动机和主电机的协调控制策略。

(I)发动机转矩减小过程协调控制策略

(i)发动机转矩控制策略

限制发动机转矩减小的速率，以避免发动机转矩突然下降而引起的波动，当发动机转矩减小到预先设置的数值时(混合动力汽车不同，数值有变化)，断开离合器。

(ii)主电机转矩控制策略

由于整个换挡过程时间很短，因此可以认为在这个过程中，车辆的运动状态即车辆的加速度不变。假设路面状态良好、车轮为纯滚动，车辆加速度不变也意味着车轮角加速度和主电机角加速度不变，根据这一思路，发动机转矩减小过程中采用以下的主电机转矩控制策略：

首先根据换挡前车辆的运动状态和换挡过程中驾驶员的驾驶需求，求解换挡过程中主电机目标角加速度；然后维持发动机转矩减小过程中主电机目标角加速度不变，根据主电机当前转速确定主电机目标转速；最后采用PID控制算法，输入主电机目标转速与主电机实际转速的差值，将计算得到的主电机转矩发送给主电机控制单元。

(II)选换挡过程协调控制策略

在选换挡过程中，发动机无转矩输出，因此要保持主电机完全响应整车期望转矩，以维持车辆原有的运动状态，避免动力中断，其中整车期望转矩由整车能量管理策略中的驾驶员意图识别获得。

(III)发动机转矩恢复过程协调控制策略

(i)发动机转矩控制策略

离合器结合后，限制发动机转矩增加的速率，使其缓慢增加，以避免发动机转矩突然增大而引起波动。

(ii)主电机转矩控制策略

采用与发动机转矩减小过程相同的主电机转矩控制策略，即维持发动机转矩恢复过程中车辆运动状态不变，以主电机目标转速与主电机实际转速的差值为输入，以主电机转矩为输出，通过PID控制算法，保证主电机转速和车速能够平稳变化。

3)退出控制逻辑

当目标档位与实际档位一致，且发动机实际转矩和能量管理策略制定的期望发动机转矩之差在预先设置的数值范围内时，退出换挡过程动态协调控制策略，按新档位行驶。本步骤在已有技术中也是要进行的。

上述实施例中，涉及主电机目标转速的求解步骤采用PID(比例-积分-微分)控制算法，以保证主电机转速和车速平稳变化，改善发动机转矩减小和恢复过程中的冲击，具体算法如下：

a)根据车辆动力学方程求解换挡过程中发动机转矩减小或恢复过程驾驶员所期望的主电机角加速度α₁：

(J_m+J_o)α₁＝T_io-T_r                                        (1)

其中，J_m为主电机的转动惯量；J_o为从自动变速器输出轴到车轮的当量转动惯量，其中包括传动轴、主减速器、车轮与整车质量等转换到自动变速器输出轴的当量转动惯量；T_io为驾驶员需求转矩；T_r为外界阻力矩；

b)计算换挡过程中发动机转矩减小或恢复过程发生时前n个时刻的主电机平均角加速度α₂

${\mathrm{\α}}_2=\frac{1}{n}[\frac{({\mathrm{\ω}}_t-{\mathrm{\ω}}_{t-1})}{\mathrm{\Δt}}+\frac{({\mathrm{\ω}}_{t-1}-{\mathrm{\ω}}_{t-2})}{\mathrm{\Δt}}+...+\frac{({\mathrm{\ω}}_{t-(n-1)}-{\mathrm{\ω}}_{t-n})}{\mathrm{\Δt}}]---\left(2\right)$

式中，ω_t为发动机转矩减小或恢复过程发生时主电机实际转速，ω_t-1为发动机转矩减小或恢复过程发生时前1个控制周期的主电机实际转速，ω_t-n为发生发动机转矩减小或恢复过程发生时前n个控制周期的主电机实际转速；Δt为控制周期。

c)综合考虑换挡过程中驾驶员的驾驶需求和换挡前车辆的运动状态，设置加权系数ω₁和ω₂，令换挡过程中的主电机目标角加速度为α＝ω₁α₁+ω₂α₂。

d)根据发生换挡时反馈主电机实际转速ω_t，维持换挡过程中主电机目标角加速度不变，可以求得换挡过程主电机目标转速ω_dis＝ω_t+αt，式中t为发动机转矩减小或恢复过程的累加时间。

本发明仅以上述实例进行说明，混合动力汽车结构的连接方式是可以有所变化，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理进行的同等变化或优化，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (1)

1.一种混合动力汽车换挡过程动态协调控制方法，其包括以下步骤：

1）发动机转矩减小过程协调控制策略

①发动机转矩控制策略

限制发动机转矩减小的速率，当发动机转矩减小到预先设置的数值时，断开离合器；

②主电机转矩控制策略

a、认为在换挡过程中，车辆的运动状态包括车辆的加速度、车轮的角加速度和主电机的角加速度不变；

b、根据换挡前车辆的运动状态和换挡过程中驾驶员的驾驶需求，求解换挡过程中主电机目标角加速度；

c、维持主电机目标角加速度不变，根据主电机当前转速确定主电机目标转速；

所述主电机目标转速的求解步骤如下：

（1）根据车辆动力学方程求解换挡过程中发动机转矩减小或恢复过程的驾驶员所期望的主电机角加速度α₁：

(J_m+J_o)α₁＝T_io-T_r

其中，J_m为主电机的转动惯量；J_o为从自动变速器输出轴到车轮的当量转动惯量，其中包括传动轴、主减速器、车轮与整车质量转换到变速器输出轴的当量转动惯量；T_io为驾驶员需求转矩；T_r为外界阻力矩；

（2）计算换挡过程中，发生发动机转矩减小或恢复时前n个时刻的主电机平均角加速度α₂：

${\mathrm{\α}}_2=\frac{1}{n}[\frac{({\mathrm{\ω}}_t-{\mathrm{\ω}}_{t-1})}{\mathrm{\Δt}}+\frac{({\mathrm{\ω}}_{t-1}-{\mathrm{\ω}}_{t-2})}{\mathrm{\Δt}}+...+\frac{({\mathrm{\ω}}_{t-(n-1)}-{\mathrm{\ω}}_{t-n})}{\mathrm{\Δt}}]$

式中，ω_t为发动机转矩减小或恢复过程发生时主电机实际转速，ω_t-1为发动机转矩减小或恢复过程发生时前1个控制周期的主电机实际转速，ω_t-n为发动机转矩减小或恢复过程发生时前n个控制周期的主电机实际转速；Δt为控制周期；

（3）综合考虑换挡过程中驾驶员的驾驶需求和换挡前车辆的运动状态，设置加权系数ω₁和ω₂,令换挡过程中的主电机目标角加速度为α＝ω₁α₁+ω₂α₂；

（4）根据发生换挡时主电机实际转速ω_t，维持换挡过程中主电机角加速度不变，求得换挡过程主电机目标转速ω_dis＝ω_t+αt，式中t为发动机转矩减小或恢复过程发生的累加时间；

d、采用PID控制算法，输入主电机目标转速与主电机实际转速的差值，将计算得到的主电机转矩发送给主电机控制单元；

2）选换挡过程协调控制策略

保持主电机完全响应整车期望转矩；

3）发动机转矩恢复过程协调控制策略

①发动机转矩控制策略

离合器结合后，限制发动机转矩增加的速率，使其转矩缓慢增加，避免发动机转矩发生突变产生波动；

②主电机转矩控制策略

采用与步骤1）中相同的主电机转矩控制策略。

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