CN103786728B - 用于控制电动四驱混合动力电动车的系统和其方法 - Google Patents

用于控制电动四驱混合动力电动车的系统和其方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电动四驱混合动力电动车的控制系统，包括：第一控制器，其控制配置在前轴上的第一驱动部和配置在后轴上的第二驱动部；第二控制器，其与第一控制器连接，并被配置为维持预定的目标速度；第三控制器，其通过第一控制器来控制制动力；第四控制器，其检测/监控车辆前方的情况，并通过第三控制器执行减速；和第五控制器，其控制电动机系统的驱动扭矩。具体地，第一控制器将用于基于第二控制器和第四控制器的减速度/加速度信息实现目标减速度/加速度值的驱动扭矩分配到第一驱动部和第二驱动部，从而控制其驱动扭矩和再生制动力。

Description

用于控制电动四驱混合动力电动车的系统和其方法
技术领域
本发明涉及一种混合动力电动车的控制系统和其方法。特别涉及一种电动四驱(E-4WD：Electic-Four Wheel Drive、电动四轮驱动)混合动力电动车的控制系统和其方法，该车辆可根据减速和加速的速度信息最佳地控制前轴和后轴的驱动扭矩和再生制动力。
背景技术
通常，电动四驱混合动力电动车包括独立控制的驱动轮，该驱动轮被分别驱动或制动。混合动力电动车可包括使用两种不同的动力源来提供驱动扭矩的电动车和燃料电池车两者。
在多数情况下，电动四驱混合动力电动车以两轮驱动模式运转，即前轮或后轮(两者之一)提供动力，并且当需要时可以自动地(例如通过检测打滑)或通过驾驶员所做的输入手动地转换为四驱模式。因此，电动四驱混合动力电动车能够使发动机(engine)和电动机(motor)系统作用于前轴和后轴。
例如，发动机可作用于前轴，并且独立的电动机系统可作用于后轴。同样，直列式电动机系统(in-line motor system)可作用于前轴或后轴两者之一，轮内电动机系统(in-wheel motor system)可作用于另外的轴。
电动四驱混合动力电动车在起步和加速时使用来自电动机系统的驱动力，并且由发动机和电动机系统产生输出扭矩，相应地在其中，发动机和电动机系统的输出扭矩比(output torque ratio)受到控制。
通常，前轴的发动机和后轴的电动机系统分别产生其间的有固定比率的驱动力。该固定比率使用电能不高效。
电动四驱混合动力电动车还可以包括智能巡航控制(SCC：Smart CruiseControl)系统和防预碰撞系统(APCS：anti pre collision system)以使驾驶员方便和安全。这些功能通常由混合控制单元(HCU：Hybrid Control Unit)操作。
混合控制单元(HCU)通过从SCC和APCS传输而来的控制信号使车辆加速或减速。例如，当从SCC有加速需求信号传输而来时，混合控制单元(HCU)确定所需的目标扭矩，然后控制安装在前轴上的发动机的输出。这种情况下，如果确定前驱动轮在路面上打滑，则使配置在后轴上的电动机系统工作。
同样，当从APCS有减速需求命令传输而来时，混合控制单元(HCU)确定所需的目标制动力，然后通过安全控制装置(ESC：Safety Control Apparatus)产生制动液压。
于是，当通过传输自SCC和APCS的减速和加速需求来控制驱动扭矩和制动力时，驱动扭矩和制动扭矩未被适当地在前轴的发动机和后轴的电动机系统之间分配，从而总能量必然产生损失。
上述参考内容应被列在IDS中而不是在背景技术中。
本背景技术部分所公开的上述信息仅用于增强对本发明背景技术的理解，因此，可能包含不构成该国本领域技术人员所已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明已致力于提供一种混合动力电动车的控制系统和方法，该系统和方法优点在于，根据来自智能巡航控制和防预碰撞系统的需求，使扭矩合理分配到前轴和后轴，从而减少燃料消耗。
当从SCC有驱动需求信号传输而来且驾驶员未进行干预时，本发明有效地使驱动扭矩分配到前轴和后轴。当从APCS有制动需求传输而来且驾驶员未进行干预时，本发明有效地使制动扭矩分配到前轮和后轮，从而提高再生制动效率。
根据本发明的示例性实施例，一种电动四驱混合动力电动车的控制系统可包括：混合控制单元，其控制配置在前轴上并可操作地连接到前轴的第一驱动部和配置在后轴上并可操作地连接到后轴的第二驱动部；巡航驱动单元，其连接到混合控制单元(例如第一控制器)，被配置为使车辆维持在预定的目标速度；安全控制单元(例如第二控制器)，其被配置为通过混合控制单元来控制液压制动力；碰撞防止单元(例如第三控制器)，其被配置为检测并监控车辆前方的情况，并且在检测到某种情况时通过安全控制单元来实施减速；和动力控制单元(power control unit)(例如第三控制器)，其被配置为控制配置在第一驱动部和第二驱动部中的至少一侧上的电动机系统的驱动扭矩，其中，混合控制单元使基于巡航驱动单元和碰撞防止单元的减速度(deceleration)/加速度(acceleration)信息实现目标减速度/加速度值的驱动扭矩分配到第一驱动部和第二驱动部，从而控制其中的驱动扭矩和再生制动力。
当从巡航驱动单元检测到驱动需求时，混合控制单元可被配置为确定目标加速度，计算总驱动扭矩，检测各个车轮的竖向荷载(vertical load)和其滑移(slip)，从预定的效率分布图(efficiency map)确定具有最大效率点的扭矩比(torque ratio)，并且相应地使驱动扭矩分配到第一驱动部和第二驱动部。
另外，当从碰撞防止单元检测到制动需求时，混合控制单元可被配置为确定目标减速度，计算总制动扭矩，根据车辆速度、电动机状态及减速度计算再生制动扭矩，从预定的效率分布图中选择最大效率点，并且使再生制动扭矩分配到第一驱动部和第二驱动部。
当再生制动扭矩小于总制动扭矩、或电池被完全充电，或电池损坏时，混合控制单元也可以被配置为通过安全控制单元来执行液压制动。
第一驱动部可以是发动机、连接到前轴的电动机系统、或可配置在左/右前轮中的轮内电动机系统中的一种，第二驱动部可以是连接到后轴的电动机系统、或配置在左/右后轮中的轮内电动机系统中的一种。然而，优选的是：第一驱动部是发动机，而第二驱动部是直列式电动机系统；第一驱动部是发动机，而第二驱动部是轮内电动机系统；第一驱动部是轮内电动机系统，而第二驱动部是直列式电动机系统；或着，第一驱动部和第二驱动部都是轮内电动机系统。
根据本发明的示例性实施例，一种电动四驱混合动力电动车的控制方法可包括：通过控制器检测车速、车重、各个驱动轮的竖向荷载、和各个驱动轮的滑移率；通过控制器确定被巡航驱动单元和碰撞防止单元接收的信息是制动信息还是驱动信息；通过控制器确定目标加速度，以计算总驱动扭矩；通过控制器分析各个驱动轮的竖向荷载和滑移率；通过控制器确定具有来自预定的效率分布图的最大效率点的扭矩比；当从巡航驱动单元检测到驱动需求时，使驱动扭矩分配到第一驱动部和第二驱动部；确定要计算的目标减速度和总制动扭矩；根据车速、电动机状态和减速度计算再生制动扭矩；确定具有来自预定的效率分布图的最大效率点的制动条件；以及当从碰撞防止单元检测到制动需求时，使再生制动扭矩分配到第一驱动部和第二驱动部。
另外，当通过碰撞防止单元的制动需求来确定的再生制动扭矩小于总制动扭矩、或电池被完全充电、或电池损坏时，混合控制单元通过安全控制单元执行液压制动。
如上所述，当驾驶员未干预电动四驱混合动力电动车时，本发明使驱动扭矩合理分配到前轮和后轮，从而提高驾驶安全性，并减少能量消耗。同样，当驾驶员未干预电动四驱混合动力电动车时，本发明使制动扭矩有效分配到前轮和后轮，从而提高再生制动效率。
附图说明
图1概略地示出根据本发明的示例性实施例的电动四驱混合动力电动车的控制系统。
图2是概略地示出根据本发明的示例性实施例的电动四驱混合动力电动车的控制进程的流程图。
图3概略地示出根据本发明的示例性实施例的应用发动机和轮内电动机的电动四驱混合动力电动车的控制系统。
图4概略地示出根据本发明的示例性实施例的应用轮内电动机和直列式电动机系统的电动四驱混合动力电动车的控制系统。
图5概略地示出根据本发明的示例性实施例的应用直列式电动机系统的电动四驱混合动力电动车的控制系统。
附图符号
101：发动机
102：变速器
103：ISG
201：混合控制单元(HCU)
202：PCU(power control system：动力控制单元)
203：电池
204：发动机控制装置(ECU：engine control apparatus)
205：巡航驱动设备
206：碰撞防止设备
207：安全控制装置
301：电动机
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进行更全面的说明，其中本发明的示例性实施例在附图中示出。
本领域技术人员会认识到，这里所描述的实施例可以以不同方式进行修改，而不背离本发明的精神或范围。
这里所使用的术语仅用于对特定实施例进行说明之目的，而不旨在对本发明进行限制。如本文所使用的，单数形式“一个、一种(a、an和the)”也意在包括复数形式，除非上下文中清楚指明。还可以理解的是，在说明书中使用的术语“包括(comprises和/或comprising)”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
另外，应理解下面的方法可以由至少一个控制器执行。术语“控制器”指的是具有存储器和处理器的硬件设备。存储器配置为存储模块，并且处理器具体配置为执行所述模块，从而执行在下面进一步描述的一个或更多进程。另外，尽管示例性实施例被描述为包括执行多个功能的多个控制器/控制单元，但是这些功能也可由一个控制器来执行，而不脱离本发明的示例性实施例。
此外，本发明的控制逻辑可以具体化为介质含有由处理器、控制器等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非瞬时性计算机可读介质。计算机可读介质的实例包括ROM、RAM、CD-ROM(只读光盘)、磁带、软盘、闪驱、智能卡和光学数据存储装置，但不限制于此。计算机可读记录介质也能够分布在连接网络的计算机系统，以便例如通过远程信息处理服务器或者控制器区域网(CAN：ControllerArea Network)以分布形式存储和执行计算机可读介质。
为了阐明本发明，将省略与本发明无关的部件，并且相同的元件或等同部件在说明书全文中以相同的参考标号标注。
同样，各个元件的尺寸和厚度在附图中是任意示出的，本发明无需对此进行限定，并且在附图中，为了更清楚，对层(layer)、薄膜(film)、板(panel)、区域(region)等的厚度进行了放大。
图1概略地示出根据本发明的示例性实施例的电动四驱混合动力电动车的控制装置。参考图1，本发明的第一示例性实施例包括：发动机101，其作为前轮的动力源；变速器102，其连接到发动机101的输出轴；以及第一驱动部，其包括ISG(怠速停车和发电机(idlestop and generator)103)，该ISG用于根据驱动状态启动或关闭发动机101并且在正常工作时作为发电动机工作。
作为第二驱动部的电动机系统在图1中被配置为车辆后轮的动力源，电动机301的输出通过差速齿轮(differential gear)302传递至左/右侧操作轮。
第一驱动部和第二驱动部被混合控制单元(HCU)201(例如第一控制器)、动力控制单元(PCU)202(例如第四控制器)、电池203、发动机控制器(ECU)204(例如第五控制器)、巡航驱动设备(SCC)205(例如第二控制器)、碰撞防止设备(例如第三控制器)(APCS：anti precollision system、防预碰撞系统)206、以及安全控制装置(ESC：Electronic StabilityController、电子稳定控制器)207控制(连接)，并且上述元件通过通信线或网络彼此连接。
在没有驾驶员干预的状态下，混合控制单元(HCU；201)可被配置为：基于传输自巡航驱动设备(SCC；205)和碰撞防止设备(APCS；206)的减速度/加速度信息，确定目标减速度值和目标加速度值；基于目标减速度/加速度值，计算总制动扭矩或驱动扭矩；并且，使制动扭矩或驱动扭矩分配到前轮和后轮，从而合理控制驱动扭矩和再生制动扭矩。
在没有驾驶员干预的情况下，当传输自巡航驱动设备(SCC；205)的信息是驱动需求时，混合控制单元(HCU；201)可被配置为：确定目标加速度值；计算实现目标加速度的总驱动扭矩；检测驱动轮的竖向荷载和其滑移，从而确定具有最优效率点的扭矩比；并且，使驱动扭矩分配到驱动轮，从而使能量消耗最小化。
同样，在没有驾驶员干预的情况下，当传输自碰撞防止设备(APCS；206)的信息是制动需求/信息时，混合控制单元(HCU；201)可被配置为：确定目标减速度值；基于车速、电动机状态、以及减速速率(deceleration speed)，计算实现目标减速度的总制动扭矩，从而确定具有最优效率的制动条件；并且，使制动扭矩分配到驱动轮，从而使电动机消耗的再生制动(regenerative braking of the motor consumption)最大化。
当再生制动扭矩小于目标制动力、电池203被完全充电、或电池203损坏时，混合控制单元(HCU；201)通过安全控制装置(ESC；207)执行液压制动。
动力控制单元(PCU；202)可包括电动机控制器和逆变器，并且被配置为，基于来自混合控制单元(HCU；201)的控制信号，将由电池203提供的高直流(DC)电压(例如200V～450V)转换成三相交流(AC)电压，从而将交流电压供给至电动机301。动力控制单元(PCU；202)还可以基于来自混合控制单元(HCU；201)的控制信号操作作用于前轴上的第一驱动部的ISG103，来启动发动机101，并且还可以通过施加由发动机101操作的ISG103所提供的电压，对电池203进行充电。动力控制单元(PCU；202)还可以由制动期间通过再生制动控制从电动机301产生的电压对电池203进行充电。充入电池203的大约300V～450V的直流电压可用于驱动作用于后轴上的电动机301。同样地，发动机控制装置(ECU；204)可以基于来自混合控制单元(HCU；201)的控制，控制发动机101的输出。
在没有驾驶员干预的情况下，巡航驱动设备(SCC；205)被配置为使车辆维持在预定的目标速度。
在此匀速(即由于巡航驱动设备的控制)行驶过程中，碰撞防止设备(APCS；206)通过雷达设备检测/监控车辆前方的情况，并且，当例如在预定距离内检测到行人或另一车辆时，输出减速需求，从而防止车辆与障碍物(例如行人或另一车辆)发生碰撞。
安全控制装置(ESC；207)也可以基于接收传输自混合控制单元201的控制信号，产生液压制动力。
下面，将对本发明的作用说明如下。
当电动四驱混合动力电动车以预定的目标速度在巡航控制模式中工作时，混合控制单元(HCU；201)可以被配置为检测车速和车重(S101)，计算各个车轮的竖向荷载(S102)，并且检测驱动轮的滑移(S103)。
混合控制单元(HCU；201)分析通过通信线或网络从巡航驱动设备(SCC；205)和碰撞防止装置(APCS；206)传输而来的信息(S104)，并确定所需求的状态(condition)是驱动还是制动(S105)。
当在S105从巡航驱动设备(SCC；205)检测到驱动需求时，混合控制单元(HCU；201)可以确定目标加速度值，并可以在S106中基于目标加速度值计算总驱动扭矩。混合控制单元(HCU；201)还可以对各个驱动轮的竖向荷载和其滑移进行分析，在S107中应用发动机和电动机的效率分布图来确定具有最高效率点的最优驱动轮，并且确定前轴和后轴之间的扭矩比，以对其分配驱动扭矩(S108)。
之后，混合控制单元201可以通过发动机控制装置(ECU；204)控制作用于前轴上的作为第一驱动部的发动机101的输出扭矩，并且通过PCU202控制作用于后轴上的作为第二驱动部的形成直列式电动机系统的电动机301的输出扭矩(S110)，从而使能量消耗最小化(S111)。
同样，当在S105从碰撞防止设备(APCS；206)检测到制动需求时，混合控制单元(HCU；201)确定目标减速度，并且基于目标减速度计算制动力(S112)。相应地，混合控制单元(HCU；201)基于车速、电动机状态、减速度数值确定具有最高效率的制动条件和最大再生制动扭矩，使再生制动扭矩分配到前轴和后轴，并且确定最优制动方法(S113)。
之后，混合控制单元(HCU；201)确定再生制动控制值和液压制动控制值(S114)，当再生制动满足目标减速度时，执行电动机301的再生制动控制从而使再生制动量最大化，以有效地对电池203充电(S115)。
然而，当再生制动量低于制动力、或电池203被完全充满、或电池203损坏时，混合动力控制单元(HCU；201)可以操作安全控制装置(ESC；207)并且执行液压制动(S116)。
如上所述，在没有驾驶员干预的情况下，当巡航驱动设备需求实现目标加速度的驱动扭矩时，基于目标加速度计算总扭矩，确定/确认具有最优效率点的前轴和后轴之间的扭矩比，并且使扭矩分配到与前轴和后轴对应的独立驱动部，从而使能量效率最优化。
同样，在没有驾驶员干预的情况下，当确定碰撞防止设备的信息需求制动时，计算实现目标减速度的总制动扭矩，确定再生制动扭矩以具有最优效率点，并且执行电动机系统的再生制动，从而使电池被有效充电。
当电池被完全充电、或电池损坏，或再生制动扭矩不足以实现目标减速度时，也可以应用液压制动，从而提高制动的稳定性。
在上面的说明中，已描述在电动四驱混合动力电动车中发动机作用于前轴上作为第一驱动部，直列式电动机系统作用于后轴上作为第二驱动部。然而，在本发明中，如图3所示，当作为动力源的发动机111、连接到发动机111的输出轴上的变速器112和关闭或开启发动机111的ISG113作用于前轴上作为第一驱动部并且各个轮内电动机401和402被配置在后轴的左和右驱动轮作为第二驱动部时，根据本发明，相等或相似地分配驱动扭矩和制动扭矩。
具有如图3所示的配置的电动四驱混合动力电动车的操作与图1中的相同或相似，因此省略对其的详细说明。
同样，如图4所示，当各个轮内电动机501、502作用于右和左驱动轮上作为第一驱动部，并且直列式电动机系统被配置在后轴上作为电动四驱混合动力电动车的第二驱动部时，根据本发明，相等或相似地分配驱动扭矩和制动扭矩。
同样，如图5所示，当各个轮内电动机511、512作用于右和左驱动轮上作为第一驱动部，并且各个轮内电动机513、514被配置在后轴上作为电动四驱混合动力电动车的第二驱动部时，根据本发明，相等或相似地分配驱动扭矩和制动扭矩。
虽然在上面结合目前视为实用的示例性实施例的实施例说明了本发明，但应理解的是，本发明不限于上述已公开的实施例，而相反，意在涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种变形及同等配置。

Claims (11)

1.一种电动四驱混合动力电动车的控制系统，包括：
第一控制器，其被配置为控制配置在前轴上的第一驱动部和配置在后轴上的第二驱动部；
第二控制器，其与所述第一控制器连接，并且被配置为使车辆维持在预定的目标速度；
第三控制器，其被配置为通过所述第一控制器来控制液压制动力；
第四控制器，其被配置为检测并监控车辆前方的区域，并且通过安全控制单元诱导减速；和
第五控制器，其被配置为控制配置在所述第一驱动部或所述第二驱动部中的至少一侧上的电动机系统的驱动扭矩，其中
混合控制单元被配置为使基于第二控制器和第三控制器的减速度/加速度信息实现目标减速度/加速度值的驱动扭矩分配到所述第一驱动部和所述第二驱动部，从而控制其驱动扭矩和再生制动力，
其中，当从所述第二控制器检测到驱动需求时，所述第一控制器确定目标加速度，计算总驱动扭矩，检测各个车轮的竖向荷载和其滑移，从预定的效率分布图中确定具有最大效率点的扭矩比，并且使所述驱动扭矩分配到所述第一驱动部和所述第二驱动部。
2.如权利要求1所述的电动四驱混合动力电动车的控制系统，其中，当从所述第四控制器检测到制动需求时，所述第一控制器确定目标减速度，计算总制动扭矩，根据车速、电动机状态和减速度计算再生制动扭矩，从预定的效率分布图中选择最大效率点，并且使所述再生制动扭矩分配到所述第一驱动部和所述第二驱动部。
3.如权利要求2所述的电动四驱混合动力电动车的控制系统，其中，当所述再生制动扭矩小于总制动扭矩、电池被完全充电、或电池损坏时，所述混合控制单元通过所述第三控制器执行液压制动。
4.如权利要求1所述的电动四驱混合动力电动车的控制系统，其中，所述第一驱动部是发动机、连接到前轴的电动机系统、或配置在左/右前轮中的轮内电动机系统中的一种，并且，所述第二驱动部是连接到后轴的电动机系统、或配置在左/右后轮中的轮内电动机系统中的一种。
5.如权利要求1所述的电动四驱混合动力电动车的控制系统，其中，所述第一驱动部是发动机，而所述第二驱动部是直列式电动机系统。
6.如权利要求1所述的电动四驱混合动力电动车的控制系统，其中，所述第一驱动部是发动机，而所述第二驱动部是轮内电动机系统。
7.如权利要求1所述的电动四驱混合动力电动车的控制系统，其中，所述第一驱动部是轮内电动机系统，而所述第二驱动部是直列式电动机系统。
8.如权利要求1所述的电动四驱混合动力电动车的控制系统，其中，所述第一驱动部和所述第二驱动部都是轮内电动机系统。
9.一种电动四驱混合动力电动车的控制方法，包括：
通过第一控制器检测车速、车重、各个驱动轮的竖向荷载、各个驱动轮的滑移率；
通过所述第一控制器确定来自第二控制器和第四控制器的信息是制动需求信息还是驱动需求信息；
通过所述第一控制器确定目标加速度，以计算总驱动扭矩；
通过所述第一控制器分析各个驱动轮的竖向荷载和滑移；
通过所述第一控制器从预定的效率分布图确定具有最大效率点的扭矩比；
通过所述第一控制器，当由所述第二控制器检测到驱动需求时，使所述驱动扭矩分配到第一驱动部和第二驱动部；
通过所述第一控制器确定目标减速度，以计算总制动扭矩；
通过所述第一控制器，根据车速、电动机状态和减速度，计算再生制动扭矩；
通过所述第一控制器，从预定的效率分布图中确定具有最大效率点的制动条件；和
通过所述第一控制器，当由第四控制器检测到制动需求时，使所述再生制动扭矩分配到第一驱动部和第二驱动部。
10.如权利要求9所述的电动四驱混合动力电动车的控制方法，其中，当由所述第四控制器的制动需求确定的所述再生制动扭矩小于总制动扭矩、电池被完全充电，或电池损坏时，所述混合控制单元通过第三控制器执行液压制动。
11.一种具有分别作用于前轮和后轮上的独立的驱动部的电动四驱混合动力电动车的控制系统，包括：
混合控制单元，其被配置为控制所述前轮和所述后轮的所述独立的驱动部；
巡航驱动单元，其被配置为实现以预定的目标速度匀速行驶；
安全控制单元，其被配置为控制液压制动；和
碰撞防止单元，其被配置为检测前方情况，从而通过所述安全控制单元防止发生碰撞，其中所述混合控制单元被配置为使基于所述巡航驱动单元和所述安全控制单元的减速度/加速度信息实现目标减速度/加速度值的驱动扭矩分配到第一驱动部和第二驱动部，从而控制其驱动扭矩和再生制动力，
其中，当从第二控制器检测到驱动需求时，第一控制器确定目标加速度，计算总驱动扭矩，检测各个车轮的竖向荷载和其滑移，从预定的效率分布图中确定具有最大效率点的扭矩比，并且使所述驱动扭矩分配到所述第一驱动部和所述第二驱动部。
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