CN102815295B - 一种混联式混合动力车辆的动力控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种混联式混合动力车辆的动力控制方法，属于混合动力车辆技术领域。该方法包括以下步骤：设定发动机接入驱动系统的车速并与实际车速实时比较，实时计算车辆功率需求与动力电池可持续提供的功率并比较两者大小，根据上述的比较结果，确定车辆工作在纯电动、串联混合动力或是并联混合动力状态。在并联混合动力状态工作时，根据标定的动力源分配函数来确定发动机或者动力电池作为主动力源，另一者补足剩余的车辆功率需求。该方法较传统控制方法更加简单，且充分考虑到了发动机、动力电池和驱动电机的性能，提高了整车的动力性和经济性。
Description
技术领域
本发明属于混合动力车辆技术领域，具体涉及一种动力车辆的动力控制方法。
背景技术
混合动力汽车具有多个动力源，结合了传统驱动系统和电动驱动系统的优点，能够大幅减少排放和降低油耗，并能达到较大的行程。在电池技术没有突破，纯电动汽车续驶里程较低和成本过高等问题解决前，混合动力是最好的技术方案。
由于具有多个动力源，各动力部件之间协同工作是整车控制的关键，同时，动力电池作为新能源汽车成本的主要部分，在制定控制策略的时候要注意保护动力电池，提高动力电池的寿命，从而降低整车使用成本。混联式混合动力技术能够结合串联式混合动力技术与并联式混合动力技术的优点，是较为可取的方案。
目前，混联式混合动力系统大多采用行星轮系结构，主要分为发动机恒定工作点控制策略和发动机最优工作曲线控制策略，其它控制策略都可以在这两种控制策略的基础上进行拓展。
发动机恒定工作点控制策略：由于采用了行星轮机构，可以使发动机转速不受车速变化的影响，能够在最优工况点运行时提供恒定的功率输出，而整车需求扭矩的剩余部分则由电机进行灵活调节。由于发动机工作点恒定，发动机油耗或排放可以达到最优，该控制策略相对简单，易实现；在车辆行驶过程中，由于需要频繁调节驱动电机的输出功率，会影响电机以及动力蓄电池的性能和使用寿命。
发动机最优工作曲线控制策略：由于行星轮式混联式混合动力车辆的发动机转速不受车速变化的影响，能够以万有特性曲线为基础。经过对发动机的动态校正，可使其输出功率根据车辆驱动需求的变化而变化，确定其在各工况下的工作点，从而确定发动机的最优工作曲线。在此基础上，还可以以名义油耗和功率损失为控制目标，对特定工况下的最优曲线进行优化，得到瞬时最优工作点，然后再进行能量的动态分配。该控制策略兼顾了发动机、驱动电机以及动力蓄电池在各种工况下的性能和效率的优化问题，是混联式动力系统较为科学、合理的一种控制策略，但该策略涉及稳态和动态两方面的优化和校正，较复杂，开发成本很高，实现起来有一定难度。
目前各种动力控制方法或控制参数不足，各动力部件的优势不能得到充分发挥；或控制方法过于复杂，计算量太大，整车控制稳定性要求太高，难以真正实现产业化；或对动力电池寿命影响因素考虑不足，在得到相应性能的同时对动力电池的寿命伤害较大。
发明内容
本发明的目的正是基于现有的混联式混合动力车辆动力控制方法的不足，提出一种更为简单合理的方案，通过对整车运行功率需求的计算，根据对各动力部件实时状态的检测，实现对各动力部件的精确控制。
本发明的技术方案如下：
(1)设定发动机接入驱动系统的车速，实时计算整车功率需求和动力电池可持续提供的功率；
(2)比较车速与设定的发动机接入驱动系统的车速，比较整车功率需求与动力电池可持续提供的功率；
(3)根据比较结果来决定整车的动力输出状态，是纯电动，串联式混合动力还是并联式混合动力，包括：
(31)当车速小于设定的发动机接入驱动系统的车速时：
(311)若整车功率需求小于或等于电池可持续提供的功率，控制车辆运行在纯电动状态；
(312)若整车功率需求大于电池可持续提供的功率，控制车辆运行在串联状态；
(32)当车速大于或等于设定的发动机接入驱动系统的车速时：
(321)若整车功率需求小于或等于电池可持续提供的功率，控制车辆运行在纯电动状态；
(322)若整车功率需求大于电池可持续提供的功率，控制车辆运行在并联状态。
步骤(312)还包括：
(a)若整车功率需求小于或等于驱动电机可提供的功率，驱动电机输出功率为整车需求功率；
(b)若整车功率需求大于驱动电机可提供的功率，驱动电机输出功率为其能够输出的最大功率。
在并联状态时，根据动力分配函数确定发动机还是动力电池作为主要动力源。动力分配函数是发动机或者动力电池作为主要动力源的分界线，其两个自变量为整车功率需求和动力电池的荷电状态SOC。动力分配函数按如下方法标定：当动力电池的放电功率能够满足驱动电机功率需求时，驱动电机作为第一驱动部件；当动力电池的放电功率不能满足驱动电机功率需求时，发动机作为第一驱动部件。
根据发动机的MAP图，确定发动机接入驱动系统的功率下限。车辆运行在并联状态时，根据动力分配函数确定发动机还是动力电池作为第一动力源；若确定发动机做为第一动力源，则由动力电池补足剩余的功率需求；若确定动力电池作为第一动力源，发动机以最小工作功率下限补足剩余的功率需求。
当发动机作为第一动力源且发动机输出功率能够满足整车功率需求时，仅由发动机提供动力，动力电池不工作；当动力电池作为第一动力源且其可持续提供的功率能够满足整车功率需求时，仅由动力电池提供动力，发动机不工作。
现有的控制策略主要是对发动机的工作状态进行优化，得到最优的发动机工作曲线，实现经济性的提高。本发明从整车需求功率出发，综合考虑驱动电机、发动机和ISG电机的工作状态，得到动力系统的最优运行状态。在低速时，由于发动机燃油经济性和排放性不佳，尽量避免启动发动机；在进行功率分配时，充分考虑动力电池自身的特点，作为整车动力分配的决策条件之一，充分保护动力电池寿命。采用本发明，整车既能得到较高的动力性、经济性，同时又增加了动力电池的使用寿命，充分降低了整车运行成本。
附图说明
图1为一种可用于本发明的混联式混合动力车辆的动力耦合装置实施例示意图。
图2为本发明整车控制策略流程图。
图3为车辆主要驱动部件分配图。
图中：S1为电机轴一，S2为发动机输出轴，S3为传动轴，S4为差速轴，S5为电机轴二，S6为驱动轴半轴，C为离合器，D为差速器。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明混联式混合动力车辆控制方法作进详细描述。
本发明混联式混合动力车辆控制方法的具体技术方案为：
(1)设定发动机接入驱动系统的车速，根据加速踏板的位置实时计算车辆的功率需求，根据电池的荷电系数实时计算动力电池可持续提供的功率。
(2)车辆起步后，比较车速与设定的发动机接入驱动系统的车速，比较整车功率需求与电池可持续提供的功率，比较整车功率需求与驱动电机可提供的功率。
(3)根据判断结果来决定整车的运行状态，是纯电动，串联式混合动力还是并联式混合动力。
步骤(3)包括以下步骤：
(31)当车速小于设定的发动机接入驱动系统的车速时：
（311）若整车功率需求小于或等于电池可持续提供的功率，控制车辆运行在纯电动状态。
（312）若整车功率需求大于电池可持续提供的功率，比较整车功率需求与驱动电机可提供的功率：
（a）若整车功率需求小于或等于驱动电机可提供的功率，控制车辆运行在串联状态。此时驱动电机输出功率可满足整车辆功率需求，驱动电机输出功率为整车需求功率；
（b）若整车功率需求大于驱动电机可提供的功率，同样控制车辆运行在串联状态，驱动电机输出的功率为其可以输出的最大功率；
(32)当车速大于或等于设定的发动机接入驱动系统的车速时：
（321）若整车功率需求小于或等于电池可持续提供的功率，控制车辆运行在纯电动工况。
（322）若整车功率需求大于电池可持续提供的功率，控制车辆运行在并联状态。
根据发动机的MAP图，确定发动机接入驱动系统工作的功率下限，此时发动机的效率高于发动机串联发电时的发动机效率。在并联发电时，若动力电池的荷电状态SOC能够保证动力电池的放电功率满足驱动电机的功率需求，则动力电池作为第一动力源，驱动电机作为第一驱动部件，发动机以接入驱动系统工作的下限功率补足整车的功率需求；随着动力电池荷电状态SOC的降低，动力电池的放电功率难以满足驱动电机的功率需求，此时由发动机作为第一动力源，动力电池补足整车的功率需求。由此，可以以整车功率需求和动力电池的荷电状态SOC作为自变量，标定动力分配函数，该函数是发动机还是动力电池作为第一动力源的分界线。因此，当控制策略决定车辆运行在并联状态后，将根据动力分配函数确定发动机还是动力电池作为第一动力源。
特殊情况下，当发动机作为第一动力源且发动机输出功率能够满足整车功率需求时，仅由发动机提供动力，动力电池不工作；当动力电池作为第一动力源且其可持续提供的功率能够满足整车功率需求时，仅由动力电池提供动力，发动机不工作。
本实施例中将本发明的技术方案基于申请号为201110138415.1的发明混联混合动力耦合装置(如图1)来描述。该动力耦合装置由电机轴一S1、电机轴二S5、发动机输出轴S2、传动轴S3、差速轴S4、驱动轴半轴S6、第一变速机构、第二变速机构、电控离合器C和差速器D组成。其中，电机轴一S1、电机轴二S5、发动机输出轴S2、传动轴S3、差速轴S4和驱动轴半轴S6都是按照轴向并行布置，各轴两端通过与箱体之间均通过轴承进行连接。电机轴一S1与ISG电机相连，电机轴二S5与驱动电机相连，发动机输出轴S2与发动机相连。电机轴一S1与发动机输出轴S5之间通过第一变速机构进行连接，发动机输出轴S2与驱动轴半轴之间设有传动机构以供发动机输出轴对汽车驱动轴S6进行驱动。电机轴二S5与驱动轴半轴S6之间通过第二变速机构进行连接。
通过该装置可以控制混合动力车辆的纯电动、串联混合动力和并联混合动力运行状态：
(1)纯电动状态时，动力电池给驱动电机供电，发动机不启动，离合器C不闭合，第一传动变速机构之间中无动力传递，驱动电机通过第二变速机构驱动半轴S6；
(2)串联状态时，发动机启动，带动ISG电机发电，与动力电池一起为驱动电机供电，驱动电机通过第二变速机构驱动半轴S6，此时离合器C不闭合，第一变速机构中无动力传递；
(3)并联状态时，发动机启动，离合器C闭合，发动机的动力通过第一变速机构驱动半轴S6，动力电池给驱动电机供电，通过第二变速机构驱动半轴。
基于上述动力耦合装置，可实施本发明的动力控制技术方案：
根据加速踏板的位置实时计算车辆的功率需求，根据电池的荷电系数SOC实时计算动力电池可持续提供的功率，设定发动机接入驱动系统的车速。
车辆起步后，若车速小于设定的发动机接入驱动系统车速，且整车功率需求小于或等于电池可持续提供的功率，控制整车运行在纯电动状态。此时发动机不启动，离合器不闭合。仅由动力电池给驱动电机供电，驱动电机经过第二变速机构驱动半轴，从而驱动整车行驶。由于此时发动机经济性和排放性能都不好，不启动发动机能够提高整车的经济性能。
车辆起步后，若车速小于设定的发动机接入驱动系统车速，且整车功率需求大于电池可持续提供的功率，同时整车功率需求小于或等于驱动电机可提供的功率，控制整车运行在串联混合动力状态。此时电控离合器不闭合，发动机启动带动ISG电机发电，协同动力电池共同给驱动电机供电，驱动电机通过第二变速机构驱动半轴，从而驱动整车行驶。此时驱动电机的输出功率能够满足整车运行需求。此时车速较低，发动机燃油经济性和排放性能不好，但是仍然启动发动机是考虑到首先要保证车辆的功率需求。
车辆起步后，若车速小于设定的发动机接入驱动系统车速，且整车功率需求大于电池可持续提供的功率，同时整车功率需求大于驱动电机可提供的功率，控制整车运行在串联混合动力状态。此时电控离合器不闭合，发动机启动带动ISG电机发电，协同动力电池共同给驱动电机供电，驱动电机通过第二变速机构驱动半轴驱动车辆行驶。此时驱动电机的输出功率不能满足整车需求，其输出功率为其可输出的最大功率。
车辆起步后，如果车速大于或等于设定的发动机接入驱动系统车速，整车功率需求小于或等于电池可持续提供的功率，整车运行在纯电动工况。发动机不启动，离合器不闭合；动力电池给驱动电机供电，驱动电机通过第二变速机构驱动半轴，从而驱动整车行驶。
车辆起步后，如果车速大于或等于设定的发动机接入驱动系统车速，且整车功率需求大于电池可持续提供的功率，整车运行在并联混合动力状态。发动机启动，离合器闭合。发动机和动力电池带动的驱动电机一起为整车提供功率。此时根据动力分配函数确定发动机还是动力电池作为第一动力源，另一者补足剩余的车辆功率需求。根据本发明车辆动力源分配函数的标定方法，可得到基于车辆功率需求和动力电池荷电状态SOC的函数，图3所示是其中一个特例，图3中曲线是该动力分配函数的曲线。曲线的右侧部分，动力电池作为第一动力源，而右侧部分则由发动机作为第一动力源。
此时还有两种特殊情况，即当发动机作为第一动力源且发动机输出功率能够满足整车功率需求时，仅由发动机提供动力，动力电池不工作；当动力电池作为第一动力源且其可持续提供的功率能够满足整车功率需求时，仅由动力电池提供动力，发动机不工作。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种混联式混合动力车辆的动力控制方法，其特征在于：所述动力控制方法包括以下步骤：
(1)设定发动机接入驱动系统的车速，实时计算整车功率需求和动力电池可持续提供的功率；
(2)比较车速与设定的发动机接入驱动系统的车速，比较整车功率需求与动力电池可持续提供的功率；
(3)根据比较结果来决定车辆的动力输出状态，是纯电动、串联式混合动力还是并联式混合动力；
步骤(3)具体包括：
(31)当车速小于设定的发动机接入驱动系统的车速时：
(311)若整车功率需求小于或等于电池可持续提供的功率，控制车辆运行在纯电动状态；
(312)若整车功率需求大于电池可持续提供的功率，控制车辆运行在串联状态；
(32)当车速大于或等于设定的发动机接入驱动系统的车速时：
(321)若整车功率需求小于或等于电池可持续提供的功率，控制车辆运行在纯电动状态；
(322)若整车功率需求大于电池可持续提供的功率，控制车辆运行在并联状态；
步骤(312)还包括：
(a)若整车功率需求小于或等于驱动电机可提供的功率，驱动电机输出功率为整车需求功率；
(b)若整车功率需求大于驱动电机可提供的功率，驱动电机输出功率为其能够输出的最大功率；
车辆运行在并联状态时，根据动力分配函数确定发动机还是动力电池作为第一动力源；若确定发动机做为第一动力源，则由动力电池补足剩余的功率需求；若确定动力电池作为第一动力源，发动机以最小工作功率下限补足剩余的功率需求；
动力分配函数是发动机或者动力电池作为主要动力源的分界线，其两个自变量为整车功率需求和动力电池的荷电状态SOC；
动力分配函数按如下方法标定：当动力电池的放电功率能够满足驱动电机功率需求时，驱动电机作为第一驱动部件；当动力电池的放电功率不能满足驱动电机功率需求时，发动机作为第一驱动部件。
2.根据权利要求1所述的混联式混合动力车辆的动力控制方法，其特征在于：当发动机作为第一动力源且发动机输出功率能够满足整车功率需求时，仅由发动机提供动力，动力电池不工作；当动力电池作为第一动力源且其可持续提供的功率能够满足整车功率需求时，仅由动力电池提供动力，发动机不工作。
3.根据权利要求1所述的混联式混合动力车辆的动力控制方法，其特征在于：根据发动机的MAP图，确定发动机接入驱动系统的功率下限；在并联状态时，发动机的输出功率不小于这个下限值。
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