CN103407361A - 一种isg高度混合动力汽车动力总成系统及其控制方法 - Google Patents

一种isg高度混合动力汽车动力总成系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种ISG高度混合动力汽车动力总成系统及其控制方法，系统包括发动机、ISG电机和主电机。ISG电机、主电机分别通过一个离合器和电功率分流器相连，发动机通过一个离合器和电功率分流器与中央功率分流器机械连接；动力经过中央功率分流器后再经过变速器和驱动桥后输送给驱动轮；整车控制器通过控制整车需求转矩和发动机实际输出转矩之差，控制相应的离合器结合或分离、发动机运行或停止，实现工作模式的转换和功率的分配；ISG电机和主电机协调工作、辅助发动机运行在高效工作区内，提高了发动机的效率，减少了纯电动时或再生制动时的能量损失，最终提高了整车的燃油经济性。

Description

一种ISG高度混合动力汽车动力总成系统及其控制方法
技术领域
本发明属于混合动力汽车控制技术领域，具体涉及一种ISG高度混合动力汽车动力总成系统及其控制方法。 
背景技术
现有混合动力驱动系统综合了内燃机和电机驱动系统的优点，极具市场化前景。目前按混合度混合动力驱动系统可分为轻度、中度和高度混合动力驱动系统三种。轻度混合动力系统主要采用了ISG系统，动力系统支持发动机快速起/停功能，而且可以在减速和制动的情况下对动能进行回收，并且在行驶过程中发动机可以实现等速运转，发动机产生的能量可以在驱动车辆以及驱动发动机为电池充电之间进行平衡调节，一般来说，这种模式下电机所提供的功率占车辆总功率的20%以下。中度混合动力系统同轻度混合动力技术类似，不过电机占总体输出功率的比重达到30%左右，并且电机在车辆全速加速的时候会参与辅助驱动车辆运行，目前绝大多数的混合动力车型都基于此类技术。高度混合动力系统采用了超高压的起动电机，其中占整车功率输出的比重可以达到50%以上，由于很多时候电机都会参与到正常的驱动过程中，因此节能效率更高。 
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种ISG高度混合动力汽车动力总成系统及其控制方法，该动力总成结构简单、便于实现和维护，而且通过功率分配控制很好地提高了整车燃油经济性。 
本发明所采用的技术方案是：一种ISG高度混合动力汽车动力总成系统，包括整车控制器、发动机控制器、发动机、离合器Ⅰ、中央功率分流器、变速器、驱动桥、ISG电机控制器、ISG电机、主电机控制器、主电机、离合器Ⅱ、离合器Ⅲ、电功率分流器、储能装置和储能装置控制器，发动机通过离合器Ⅰ和中央功率分流器机械连接，储能装置通过电信号分别与ISG电机和主电机连接，实现放电或者充电，ISG电机通过离合器Ⅲ与电功率分流器的输入端相连，主电机通过离合器Ⅱ与电功率分流器的输入端相连，电功率分流器的输出端通过传动轴与中央功率分流器连接，由中央功率分流器决定发动机、电机功率分配参数k1，由电功率分流器决定ISG电机、主电机功率分配参数k2，动力经过中央功率分流器后再经过变速器和驱动桥变速和差速后输送给驱动轮，所述的整车控制器信号输出端分别与发动机控制器、ISG电机控制器、主电机控制器和储能装置控制器相连，发动机控制器、ISG电机控制器、主电机控制器和储能装置控制器的信号输出端分别与其对应的发动机、ISG电机、主电机和储能装置相连，通过整车控制器协调控制发动机控制器、ISG电机控制器、主电机控制器和储能装置控制器，以使整车燃油经济性达到最优。 
所述ISG电机与主电机均为永磁同步直流电机，主电机正转用于发电或驱动，ISG电机正转、反转用于发电或驱动。 
一种ISG高度混合动力汽车动力总成系统的控制方法，其特征在于：整车控制器通过控制整车需求转矩 
Figure DEST_PATH_985638DEST_PATH_IMAGE001
和发动机实际输出转矩
Figure DEST_PATH_840461DEST_PATH_IMAGE002
之差
Figure DEST_PATH_807149DEST_PATH_IMAGE003
来进入相应的工作模式，并根据工作模式分别控制相应的离合器分离、发动机运行或关闭，实现工作模式的转换和功率的分配，进入纯电动模式时，通过判断ISG电机输出功率
Figure DEST_PATH_202358DEST_PATH_IMAGE004
和电功率分流器输出功率
Figure DEST_PATH_954414DEST_PATH_IMAGE005
之比
Figure DEST_PATH_776876DEST_PATH_IMAGE006
的值确定ISG电机、主电机是否参与驱动。 
该控制方法，所述进入纯电动驱动模式时，若k2=1，则由ISG电机单独驱动；若k2=0，则由主电机单独驱动；若0<k2<1，则由ISG电机、主电机共同驱动。 
该控制方法，发动机单独驱动模式包括发动机最优功率输出模式和行车充电模式。 
该控制方法，所述进入发动机、电机混合驱动模式时，发动机工作在最优曲线上，若
Figure DEST_PATH_729395DEST_PATH_IMAGE007
，则ISG电机工作；若
Figure DEST_PATH_865979DEST_PATH_IMAGE008
，则主电机工作；若
Figure DEST_PATH_534857DEST_PATH_IMAGE009
，则主电机以
Figure DEST_PATH_715172DEST_PATH_IMAGE010
工作，ISG提供其余功率。 
该控制方法，若
Figure DEST_PATH_469501DEST_PATH_IMAGE002
=0，且
Figure DEST_PATH_144196DEST_PATH_IMAGE003
>0，则进入再生制动模式。 
该控制方法，所述的离合器控制根据混合动力汽车模式、功率的分配判断。 
本发明的ISG高度混合动力汽车动力总成，选用ISG电机取代原发动机的起动机，为了节约空间，在保证动力性的基础上选用了尺寸较小的驱动主电机。通过控制k2协调ISG电机与主电机工作，减少了纯电动时或再生制动时的能量损失。
Figure DEST_PATH_355997DEST_PATH_IMAGE011
为发动机输出功率， 
Figure DEST_PATH_785841DEST_PATH_IMAGE012
为中央功率分流器输出功率，k1为两者之比。利用中央功率分流器控制k1协调发动机与电机工作，保证发动机在高效工作区内工作。本发明动力总成结构简单、便于实现和维护，功率分配控制策略简明精确，能很好地提高整车燃油经济性。 
 附图说明
图1是本发明实施例的动力总成系统结构示意图； 
图2是本发明实施例的发动机稳态效率示意图；
图3是本发明实施例的动力总成系统控制方法的流程图；
图4是本发明实施例的发动机、电机混合驱动时控制方法的流程图。
附图标记：1、发动机，2、离合器Ⅰ，3、中央功率分流器，4、变速器，5、驱动桥，6、电功率分流器，7、离合器Ⅱ，8、主电机，9、主电机控制器，10、整车控制器，11、发动机控制器，12、ISG电机控制器，13、ISG电机，14、离合器Ⅲ，15、储能装置，16、储能装置控制器。 
其中图3和图4中的序号17—36为控制方法中步骤的排列顺序号。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。 
如图1所示，一种ISG高度混合动力汽车动力总成系统，包括发动机1、ISG电机13、主电机8、离合器Ⅰ2、离合器Ⅱ7、离合器Ⅲ14、储能装置15、变速器4、驱动桥5、制动系统、电功率分流器6、中央功率分流器3、整车控制器10、发动机控制器11、ISG电机控制器12、主电机控制器9、储能装置控制器16和离合器控制器，其中整车控制器10、发动机控制器11、ISG电机控制器12、主电机控制器9、储能装置控制器16和离合器控制器构成汽车的控制系统，其余部分构成汽车的驱动系统，发动机1通过离合器Ⅰ2和中央功率分流器3机械连接，储能装置15通过电信号与ISG电机13、主电机8连接，实现放电（纯电动模式或混合驱动模式）或者充电（再生制动模式或行车充电模式），ISG电机13通过离合器Ⅲ14与电功率分流器6的输入端相连，主电机8通过离合器Ⅱ7与电功率分流器6的输入端相连，电功率分流器6的输出端通过传动轴与中央功率分流器3连接，动力经过中央功率分流器3后再经过变速器4和驱动桥5变速和差速后输送给驱动轮，驱动车辆行驶，上述结构中，由中央功率分流器3的结构优化决定发动机、电机功率分配参数k1，由电功率分流器6的结构优化决定ISG电机、主电机功率分配参数k2，上述离合器Ⅰ、离合器Ⅱ和离合器Ⅲ都由离合器控制器控制其结合或者分离，以实现相应的工作模式；所述的整车控制器10信号输出端分别与发动机控制器11、ISG电机控制器12、主电机控制器9和储能装置控制器16和离合器控制器相连，发动机控制器11的信号输出端与发动机1相连，ISG电机控制器12的信号输出端与ISG电机12相连，主电机控制器9的信号输出端与主电机8相连，储能装置控制器16的信号输出端与储能装置15相连，通过整车控制器10协调控制发动机控制器11、ISG电机控制器12、主电机控制器9、储能装置控制器16和离合器控制器等部件控制器，以使整车燃油经济性达到最优。 
本发明，所述ISG电机和主电机分别通过一个离合器与电功率分流器相连，保证了ISG电机与主电机的独立性，并且由于两者的协调工作，减少了纯电动时或再生制动时的能量损失。所述发动机通过一个离合器和中央功率分流器相连，电功率分流器也与中央功率分流器机械连接，这样保证了发动机和电机驱动系统相互运动的独立性，使ISG电机具有发动机的快速起停、发电、辅助发动机运行等功能，同时也具备单独驱动、制动、辅助主电机驱动功能。这样，在低负荷运行时，ISG电机单独驱动或辅助发动机运行在高效工作区内，提高了整车的燃油经济性。 
如图1所示，该动力总成系统功率输出方式为并联式或单一方式，发动机1单独驱动时，离合器Ⅰ2结合，离合器Ⅱ7和离合器Ⅲ14分离，动力经过中央功率分流器3、变速器4和驱动桥5传送到驱动轮，发动机多余功率通过ISG电机13向储能装置15充电。
当发动机1和电机驱动系统混合驱动时，发动机工作在最优曲线上，若汽车需求功率与发动机输出功率之差小于ISG电机当前转速下最大输出功率，离合器Ⅰ2、离合器Ⅲ14结合，离合器Ⅱ7分离，动力一路由发动机1经离合器Ⅰ2、中央功率分流器3、变速器4和驱动桥5传送到驱动轮，另一路由ISG电机13经离合器Ⅲ14、电功率分流器6、中央功率分流器3、变速器4和驱动桥5传送到驱动轮；若汽车需求功率与发动机输出功率之差大于ISG电机当前转速下最大输出功率并小于当前转速下主电机最大输出功率，发动机工作在最优曲线上，离合器Ⅰ2、离合器Ⅱ7结合，离合器Ⅲ14分离，主电机正转驱动；若汽车需求功率与发动机输出功率差大于当前转速下主电机最大输出功率时，发动机工作在最优曲线上，主电机以最大功率输出，离合器Ⅰ2、离合器Ⅱ7和离合器Ⅲ14结合，此时ISG电机反转驱动。 
纯电动时，若汽车需求功率小于当前转速下ISG电机最大输出功率，ISG电机单独工作，离合器Ⅰ2、离合器Ⅲ14结合，离合器Ⅱ7分离；若汽车需求功率大于当前转速下ISG电机最大输出功率且小于当前转速下主电机最大功率时，主电机单独工作，离合器Ⅰ2、离合器Ⅱ7结合，离合器Ⅲ14分离；若汽车需求功率大于当前转速下主电机最大输出功率，主电机输出最大功率，ISG电机提供剩余功率，离合器Ⅰ2、离合器Ⅱ7和离合器Ⅲ14结合， ISG电机工作为反转驱动，主电机正转驱动。 
再生制动时，离合器Ⅱ7、离合器Ⅲ14结合，此时，ISG电机工作为反转发电、主电机工作为正转发电，同时为储能装置15充电。 
如图2所示，以
Figure DEST_PATH_965150DEST_PATH_IMAGE013
曲线和
Figure DEST_PATH_427224DEST_PATH_IMAGE014
曲线分别限定发动机高效运行区内最大与最小输出转矩，
Figure DEST_PATH_70695DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure DEST_PATH_343545DEST_PATH_IMAGE016
分别表示发动机最大与最小输出转速。发动机运行时，其转速应限制在
Figure DEST_PATH_72466DEST_PATH_IMAGE016
—之间以保证发动机运行在高效运行区域，低于
Figure DEST_PATH_295865DEST_PATH_IMAGE016
，应关闭发动机。发动机通过ISG电机的辅助控制，可以运行在高效工作区，其转矩可以相应控制在理想曲线附近。用
Figure DEST_PATH_67511DEST_PATH_IMAGE001
表示整车需求转矩，
Figure DEST_PATH_205101DEST_PATH_IMAGE002
表示发动机实际输出转矩，整车控制器可通过控制两者之差
Figure DEST_PATH_25289DEST_PATH_IMAGE003
来进入相应的工作模式，并根据工作模式分别控制相应的离合器结合或分离、发动机运行或关闭，实现工作模式的转换和功率的分配。
Figure DEST_PATH_377773DEST_PATH_IMAGE004
为ISG电机输出功率，
Figure DEST_PATH_8737DEST_PATH_IMAGE005
为电功率分流器输出功率，k2为两者之比，通过判断k2的值确定ISG电机、主电机是否参与驱动。最大转矩曲线显示了发动机输出最大转矩时对应的转速范围，虚线表示发动机运行效率在此轮廓线上不变，曲线越往里，发动机效率越高，因此，中间阴影部分代表发动机的高效运行区域。因此，发动机通过ISG电机的辅助控制，可以运行在高效工作区，其转矩可以相应控制在理想曲线附近。 
如图3所示，一种ISG高度混合动力汽车动力总成系统的控制方法的步骤一即为图中的序号17，整车运行时，首先检测
Figure DEST_PATH_446671DEST_PATH_IMAGE018
是否大于零： 
若为是，再检测
Figure DEST_PATH_991922DEST_PATH_IMAGE003
的取值（序号18），若
Figure DEST_PATH_464492DEST_PATH_IMAGE003
>0且
Figure DEST_PATH_515624DEST_PATH_IMAGE001
<
Figure DEST_PATH_440855DEST_PATH_IMAGE014
，则
Figure DEST_PATH_350649DEST_PATH_IMAGE018
=
Figure DEST_PATH_349829DEST_PATH_IMAGE014
（序号19），汽车工作在行车充电模式（序号20）；若
Figure DEST_PATH_634180DEST_PATH_IMAGE003
=0且
Figure DEST_PATH_233657DEST_PATH_IMAGE014
<
Figure DEST_PATH_261656DEST_PATH_IMAGE001
<
Figure DEST_PATH_380922DEST_PATH_IMAGE013
，则
Figure DEST_PATH_570595DEST_PATH_IMAGE018
=
Figure DEST_PATH_158833DEST_PATH_IMAGE001
（序号21），汽车工作在发动机单独驱动模式（序号22）；若
Figure DEST_PATH_662627DEST_PATH_IMAGE003
<0且>，则=
Figure DEST_PATH_206424DEST_PATH_IMAGE013
（序号23），汽车工作在发动机、电机混合驱动模式（序号24）。
若为否，再检测
Figure DEST_PATH_782505DEST_PATH_IMAGE003
是否大于零（序号25），若为是，汽车工作在再生制动模式（序号26）；若为否，汽车工作在纯电动驱动模式（序号27），再检测k2的取值（序号28），若k2=0，汽车工作在主电机单独驱动模式（序号29），若0<k2<1，汽车工作在ISG电机、主电机共同驱动模式（序号30），若k2=1，汽车工作在ISG电机单独驱动模式（序号31）。 
如图4所示，发动机和电机混合驱动时（序号24），发动机工作在最优曲线上，检测汽车需求功率与发动机输出功率
Figure DEST_PATH_126079DEST_PATH_IMAGE020
之差
Figure DEST_PATH_299571DEST_PATH_IMAGE021
和ISG电机当前转速下最大输出功率
Figure DEST_PATH_497203DEST_PATH_IMAGE022
的大小（序号32），若小于
Figure DEST_PATH_498974DEST_PATH_IMAGE023
（序号33），则ISG电机工作；若
Figure DEST_PATH_898994DEST_PATH_IMAGE021
大于
Figure DEST_PATH_764182DEST_PATH_IMAGE023
，再检测
Figure DEST_PATH_840722DEST_PATH_IMAGE021
与主电机当前转速下最大输出功率
Figure DEST_PATH_424150DEST_PATH_IMAGE024
的大小（序号34），若
Figure DEST_PATH_860816DEST_PATH_IMAGE021
小于
Figure DEST_PATH_783773DEST_PATH_IMAGE025
（序号35），则主电机工作，若
Figure DEST_PATH_93532DEST_PATH_IMAGE021
大于
Figure DEST_PATH_849742DEST_PATH_IMAGE025
，则主电机以
Figure DEST_PATH_903148DEST_PATH_IMAGE025
工作，ISG提供其余功率（序号36）。 

Claims (8)

1.一种ISG高度混合动力汽车动力总成系统，其特征在于：包括整车控制器（10）、发动机控制器（11）、发动机（1）、离合器Ⅰ（2）、中央功率分流器（3）、变速器（4）、驱动桥（5）、ISG电机控制器（12）、ISG电机（13）、主电机控制器（9）、主电机（8）、离合器Ⅱ（7）、离合器Ⅲ（14）、电功率分流器（6）、储能装置（15）和储能装置控制器（16），发动机（1）通过离合器Ⅰ（2）和中央功率分流器（3）机械连接，储能装置（15）通过电信号分别与ISG电机（13）和主电机（8）连接，实现放电或者充电，ISG电机（13）通过离合器Ⅲ（14）与电功率分流器（6）的输入端相连，主电机（8）通过离合器Ⅱ（7）与电功率分流器（6）的输入端相连，电功率分流器（6）的输出端通过传动轴与中央功率分流器（3）连接，由中央功率分流器（3）决定发动机、电机功率分配参数 
Figure DEST_PATH_632256DEST_PATH_IMAGE001
，由电功率分流器（6）决定ISG电机、主电机功率分配参数
Figure DEST_PATH_298861DEST_PATH_IMAGE002
，动力经过中央功率分流器（3）后再经过变速器（4）和驱动桥（5）变速和差速后输送给驱动轮，所述的整车控制器（10）信号输出端分别与发动机控制器（11）、ISG电机控制器（12）、主电机控制器（9）和储能装置控制器（16）相连，发动机控制器（11）、ISG电机控制器（12）、主电机控制器（9）和储能装置控制器（16）的信号输出端分别与其对应的发动机（1）、ISG电机（13）、主电机（8）和储能装置（15）相连，通过整车控制器（10）协调控制发动机控制器（11）、ISG电机控制器（12）、主电机控制器（9）和储能装置控制器（16），以使整车燃油经济性达到最优。
2.根据权利要求1所述的一种ISG高度混合动力汽车动力总成系统，其特征在于：所述ISG电机（13）与主电机（8）均为永磁同步直流电机，主电机正转用于发电或驱动，ISG电机正转、反转用于发电或驱动。
3. 一种ISG高度混合动力汽车动力总成系统的控制方法，其特征在于：整车控制器通过控制整车需求转矩和发动机实际输出转矩
Figure DEST_PATH_311871DEST_PATH_IMAGE004
之差
Figure DEST_PATH_21201DEST_PATH_IMAGE005
来进入相应的工作模式，并根据工作模式分别控制相应的离合器分离、发动机运行或关闭，实现工作模式的转换和功率的分配，进入纯电动模式时，通过判断ISG电机输出功率
Figure DEST_PATH_971839DEST_PATH_IMAGE006
和电功率分流器输出功率
Figure DEST_PATH_792028DEST_PATH_IMAGE007
之比
Figure DEST_PATH_82195DEST_PATH_IMAGE002
的值确定ISG电机、主电机是否参与驱动。
4.根据权利要求3所述的一种ISG高度混合动力汽车动力总成系统的控制方法，其特征在于：所述进入纯电动驱动模式时，若
Figure DEST_PATH_460961DEST_PATH_IMAGE008
，则由ISG电机单独驱动；若
Figure DEST_PATH_898896DEST_PATH_IMAGE009
，则由主电机单独驱动；若
Figure DEST_PATH_257196DEST_PATH_IMAGE010
，则由ISG电机、主电机共同驱动。
5.根据权利要求3所述的一种ISG高度混合动力汽车动力总成系统的控制方法，其特征在于：发动机单独驱动模式包括发动机最优功率输出模式和行车充电模式。
6.根据权利要求3所述的一种ISG高度混合动力汽车动力总成系统的控制方法，其特征在于：所述进入发动机、电机混合驱动模式时，发动机工作在最优曲线上，若
Figure DEST_PATH_729766DEST_PATH_IMAGE011
，则ISG电机工作；若
Figure DEST_PATH_780898DEST_PATH_IMAGE012
，则主电机工作；若，则主电机以
Figure DEST_PATH_868120DEST_PATH_IMAGE014
工作，ISG提供其余功率。
7.根据权利要求3所述的一种ISG高度混合动力汽车动力总成系统的控制方法，其特征在于：若
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE015
=0，且
Figure DEST_PATH_365835DEST_PATH_IMAGE016
，则进入再生制动模式。
8.根据权利要求3所述的一种ISG高度混合动力汽车动力总成系统的控制方法，其特征在于：所述的离合器控制根据混合动力汽车模式、功率的分配判断。
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