CN103909922A - 串联式混合动力汽车的整车控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联式混合动力汽车的整车控制策略，即根据电池电量判断进入或退出串联驱动模式；在串联驱动模式下分别定义电量增加模式、电量平衡模式和电量消耗模式；由电池电量、电池是否存在严重故障以及大功率需求状况决定进入电量增加模式、电量平衡模式或电量消耗模式；根据车辆摩擦阻力、坡道阻力、迎风阻力、加速惯性阻力计算驱动电机的输出力矩和请求功率，分别设定在电量增加模式、电量平衡模式和电量消耗模式下，通过控制策略分析调节辅助能量单元、电池的输出功率。本策略改善串联式混合动力汽车串联驱动模式下的能量需求分配状况，适用汽车加速、爬坡等大功率需求和电池故障报警等场合，满足系统的动力性能、故障保护功能要求。

Description

串联式混合动力汽车的整车控制策略

技术领域

本发明涉及一种串联式混合动力汽车的整车控制策略。

背景技术

随着汽车工业的发展，混合动力汽车得到越来越多的应用，其中由发动机和驱动电机驱动的为串联式混合动力汽车，如图1所示为串联式混合动力汽车各子系统之间能量转换关系，其中虚线为机械能传递，实线为电能量传递，发动机和发电机通常作为一个整体来分析，简称辅助能量单元(APU)，是车载补充电能量的辅助装置；驱动电机消耗电能量，制动回收电能量；电池、超级电容只是能量的存储装置不产生能量；充电机和充电桩是将市电转换成高压直流电存储在电池中。辅助能量单元、驱动电机是主要的能量转换装置，驱动电机消耗电能量转换为车辆的机械动能。

一般串联式混合动力汽车包含五种基本的工作模式：纯电驱动模式、常规充电模式、驻车充电模式、故障跛行模式和串联驱动模式，各模式分别适用不同工况。针对串联驱动模式，通常根据电池的电量进行判断，当电池荷电状态(SOC)低于设定的低门限值时，启动辅助能量单元；当电池SOC高于设定的高门限值时，停止辅助能量单元。该工作模式能有效避免电池过充、放电操作，但能量分配关系过于单一，在汽车加速、爬坡等大功率需求或电池严重故障场合，系统的动力性能、故障保护功能都不能满足要求。因此串联式混合动力汽车的串联驱动模式存在对能量需求分配不合理的情况，辅助能量单元基本按照恒功率充电，电池输出功率随驱动电机消耗功率不断变化，这种能量分配方式不能适用汽车所有行驶工况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种串联式混合动力汽车的整车控制策略，本控制策略有效改善串联式混合动力汽车串联驱动模式下的能量需求分配状况，适用于汽车加速、爬坡等大功率需求、电池严重故障报警等场合，满足系统的动力性能、故障保护功能要求。

为解决上述技术问题，本发明串联式混合动力汽车的整车控制策略包括如下步骤：

步骤一、车辆行驶过程中，根据电池电量进行判断，当电池SOC低于设定的低门限值时，启动辅助能量单元，进入串联驱动模式，当电池SOC高于设定的高门限值时，停止辅助能量单元，退出串联驱动模式；

步骤二、在串联驱动模式下，当辅助能量单元补充的功率大于驱动电机消耗的功率时，定义为电量增加模式，当辅助能量单元补充的功率等于驱动电机消耗的功率时，定义为电量平衡模式，当辅助能量单元补充的功率小于驱动电机消耗的功率时，定义为电量消耗模式；

步骤三、当电池SOC低于设定的低门限值时，启动辅助能量单元，进入电量增加模式，当电池SOC高于设定的高门限值时，停止辅助能量单元，退出电量增加模式，当发电机系统出现过温报警或发动机出现过温报警，辅助能量单元选择半功率点发电，否则选择满功率点发电，此时辅助能量单元输出的平均功率大于驱动电机消耗的平均功率，多余部分功率存储在电池中，使电池SOC不断升高；

步骤四、辅助能量单元已经启动，当电池出现故障，且电池母线可以接入系统但无法输出功率时，进入电量平衡模式，辅助能量单元输出的瞬时功率等于驱动电机消耗的瞬时功率，不存在多余的功率，电池SOC保持不变，电池母线接入系统对电压进行滤波，保持母线电压稳定；

步骤五、辅助能量单元已经启动，电池正常输入、输出能量，当存在大功率需求场合时，进入电量消耗模式，此时电池最大输出额定功率，由发动机跟随功率需求的变化，实现发动机、电池输出功率的实时分配，满足系统动力性能，降低对电池的要求；

步骤六、辅助能量单元、电池输出的功率需满足驱动电机的能量需求，采集当前的驾驶信息转换成力矩请求命令，驱动电机执行力矩请求命令驱动车辆的行驶，用于克服车辆摩擦阻力、坡道阻力、迎风阻力、加速惯性阻力，实现车辆运动状态的改变，其中：

摩擦阻力计算公式为：F_f＝m·g·f         (1)

坡道阻力计算公式为：F_i＝m·g·sin(α)   (2)

迎风阻力计算公式为：F_w＝C_d·A·V²/21.5    (3)

加速惯性阻力计算公式为： $F_j=m\·\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

式(1)至式(4)中，m表示整车的质量，g表示重力加速度，f表示摩擦系数，α表示坡度角，C_d表示风阻系数，A表示迎风面积，V表示车速，dV/dt表示加速度；

步骤七、根据式(1)至式(4)，得到驱动电机的力矩输出计算公式为：

T_ref＝(F_f+F_i+F_w+F_j)·R/(i_g·i₀·η_t·η_e)    (5)

式(5)中，R表示汽车轮胎半径，i_g·i₀表示系统传动比，η_t·η_e表示传动系效率，

得到驱动电机的请求功率计算公式为：

P_i＝(F_f+F_i+F_w+F_j)·V/(η_t·η_e)/3600    (6)

步骤八、设定P_{TM_Avg}为驱动电机的平均功率需求，P_{TM_t}为驱动电机的瞬时功率需求，P_{APU_Avg}为辅助能量单元的平均输出功率，P_{APU_t}为辅助能量单元的瞬时输出功率，P_{BAT_Rate}为电池的额定输出功率，则在电量增加模式下，P_{APU_Avg}＞P_{TM_Avg}＞0kW，在电量平衡模式下，P_{APU_t}＝P_{TM_t}＞0kW，在电量消耗模式下，P_{APU_t}＝P_{TM_t}-P_{BAT_Rate}，其中，驱动电机的平均功率需求P_{TM_Avg}通过式(7)计算得到，

$P_{\mathrm{TM}\_\mathrm{Avg}}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{P}_{\mathrm{TM}\_t}\·\mathrm{dt}---\left(7\right)$

上述能量分配满足串联驱动模式下驱动电机的功率需求。

由于本发明串联式混合动力汽车的整车控制策略采用了上述技术方案，即根据电池电量判断进入或退出串联驱动模式；在串联驱动模式下分别定义电量增加模式、电量平衡模式和电量消耗模式；由电池电量、电池是否存在严重故障以及大功率需求状况决定进入电量增加模式、电量平衡模式或电量消耗模式；根据车辆摩擦阻力、坡道阻力、迎风阻力、加速惯性阻力计算驱动电机的输出力矩和请求功率，分别设定在电量增加模式、电量平衡模式和电量消耗模式下，通过控制策略分析调节辅助能量单元、电池的输出功率。本控制策略有效改善串联式混合动力汽车串联驱动模式下的能量需求分配状况，适用于汽车加速、爬坡等大功率需求、电池严重故障报警等场合，满足系统的动力性能、故障保护功能要求。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为串联式混合动力汽车能量转换示意图；

图2为本控制策略的流程图。

具体实施方式

如图2所示，本发明串联式混合动力汽车的整车控制策略包括如下步骤：

步骤一、车辆行驶过程中，根据电池电量进行判断，当电池SOC低于设定的低门限值时，启动辅助能量单元，进入串联驱动模式，当电池SOC高于设定的高门限值时，停止辅助能量单元，退出串联驱动模式；

步骤二、在串联驱动模式下，当辅助能量单元补充的功率大于驱动电机消耗的功率时，定义为电量增加模式，当辅助能量单元补充的功率等于驱动电机消耗的功率时，定义为电量平衡模式，当辅助能量单元补充的功率小于驱动电机消耗的功率时，定义为电量消耗模式；

步骤三、当电池SOC低于设定的低门限值时，启动辅助能量单元，进入电量增加模式，当电池SOC高于设定的高门限值时，停止辅助能量单元，退出电量增加模式，一般发动机、发电机系统设有过温报警标志，根据该标志可以判断是否出现温度过高，当发电机系统出现过温报警或发动机出现过温报警，辅助能量单元选择半功率点发电，否则选择满功率点发电，此时辅助能量单元输出的平均功率大于驱动电机消耗的平均功率，多余部分功率存储在电池中，使电池SOC不断升高；电量增加模式为辅助能量单元补充的功率大于驱动电机消耗的功率，电量增加模式不同于常规的串联驱动模式，其根据发动机、发电机系统的温度，选择两个不同的恒功率点运行；

步骤四、辅助能量单元已经启动，当电池出现故障，且电池母线可以接入系统但无法输出功率时，进入电量平衡模式，辅助能量单元输出的瞬时功率等于驱动电机消耗的瞬时功率，不存在多余的功率，电池SOC保持不变，电池母线接入系统对电压进行滤波，保持母线电压稳定；电量平衡模式为辅助能量单元补充的功率等于驱动电机消耗的功率，，电量平衡模式应用于特殊场合，如当电池出现严重故障，母线可以接入系统但无法输出功率时，同时辅助能量单元输出功率需要跟随驱动电机消耗功率变化；

步骤五、辅助能量单元已经启动，电池正常输入、输出能量，当存在大功率需求场合时，进入电量消耗模式，此时电池最大输出额定功率，由发动机跟随功率需求的变化，实现发动机、电池输出功率的实时分配，满足系统动力性能，降低对电池的要求；电量消耗模式为辅助能量单元补充的功率小于驱动电机消耗的功率，电量消耗模式用于车辆在加速、爬坡等大功率需求场合，电池按照额定的功率输出，剩余的功率由辅助能量单元提供，可降低对电池的峰值功率要求，延长电池工作寿命；

步骤六、辅助能量单元、电池输出的功率需满足驱动电机的能量需求，采集当前的驾驶信息转换成力矩请求命令，驾驶信息可以有驱动电机转速、温度、电压、电流、电池SOC、故障代码以及油门踏板开度、档位、刹车等信息，驱动电机执行力矩请求命令驱动车辆的行驶，用于克服车辆摩擦阻力、坡道阻力、迎风阻力、加速惯性阻力，实现车辆运动状态的改变，其中：

摩擦阻力计算公式为：F_f＝m·g·f           (1)

坡道阻力计算公式为：F_i＝m·g·sin(α)     (2)

迎风阻力计算公式为：F_w＝C_d·A·V²/21.5    (3)

加速惯性阻力计算公式为： $F_j=m\·\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

式(1)至式(4)中，m表示整车的质量，g表示重力加速度，f表示摩擦系数，α表示坡度角，C_d表示风阻系数，A表示迎风面积，V表示车速，dV/dt表示加速度；

步骤七、根据式(1)至式(4)，得到驱动电机的力矩输出计算公式为：

T_ref＝(F_f+F_i+F_w+F_j)·R/(i_g·i_o·η_t·η_e)    (5)

式(5)中，R表示汽车轮胎半径，i_g·i_o表示系统传动比，η_t·η_e表示传动系效率，

得到驱动电机的请求功率计算公式为：

P_i＝(F_f+F_i+F_w+F_j)·V/(η_t·η_e)/3600    (6)

步骤八、设定P_{TM_Avg}为驱动电机的平均功率需求，P_{TM_t}为驱动电机的瞬时功率需求，P_{APU_Avg}为辅助能量单元的平均输出功率，P_{APU_t}为辅助能量单元的瞬时输出功率，P_{BAT_Rate}为电池的额定输出功率，则在电量增加模式下，P_{APU_Ave}＞P_{TM_Avg}＞0kW，在电量平衡模式下，P_{APU_t}＝P_{TM_t}＞0kW，在电量消耗模式下，P_{APU_t}＝P_{TM_t}-P_{BAT_Rate}，其中，驱动电机的平均功率需求P_{TM_Avg}通过式(7)计算得到，

$P_{\mathrm{TM}\_\mathrm{Avg}}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{P}_{\mathrm{TM}\_t}\·\mathrm{dt}---\left(7\right)$

上述能量分配满足串联驱动模式下驱动电机的功率需求。

驱动电机将电功率转换成机械功率驱动车辆前进，驱动电机的工况决定对电功率的需求，该电功率需求按照一定的规则分配给电池、辅助能量单元，电池、辅助能量单元输出电功率之和等于驱动电机对电功率的需求。

在能量分配中，电量增加模式下辅助能量单元提供的平均功率大于驱动电机消耗的平均功率，因此可以不考虑式(6)中坡道阻力和加速惯性阻力分量，满功率、半功率两个恒功率点可以根据发动机的高效区、转速-转矩特性曲线进行选择。电量平衡模式下辅助能量单元提供的瞬时功率必须跟随驱动电机消耗的瞬时功率，其功率需求可以根据式(6)计算。电量消耗模式下驱动电机的功率需求可依据式(6)计算，电池输出额定功率，剩余的功率由辅助能量单元来提供。

本整车控制策略首先确定基本的工作模式，然后在特定的工作模式下进行细化控制，优化各子系统之间的能量分配比例，达到最佳的燃油效率和排放指标。本控制策略保留了常规串联驱动模式的优点，有效防止电池的过充电、过放电使用，同时也优化了辅助能量单元的输出功率；在车辆大功率需求场合，满足系统动力性能的同时，降低了对电池输出功率的要求；电池系统严重故障时，可切换到辅助能量单元补充能量，保证了车辆的稳定行驶，实现了各部件之间能量合理流动。

Claims (1)

1.一种串联式混合动力汽车的整车控制策略，其特征在于本策略包括如下步骤：

步骤一、车辆行驶过程中，根据电池电量进行判断，当电池SOC低于设定的低门限值时，启动辅助能量单元，进入串联驱动模式，当电池SOC高于设定的高门限值时，停止辅助能量单元，退出串联驱动模式；

步骤二、在串联驱动模式下，当辅助能量单元补充的功率大于驱动电机消耗的功率时，定义为电量增加模式，当辅助能量单元补充的功率等于驱动电机消耗的功率时，定义为电量平衡模式，当辅助能量单元补充的功率小于驱动电机消耗的功率时，定义为电量消耗模式；

步骤三、当电池SOC低于设定的低门限值时，启动辅助能量单元，进入电量增加模式，当电池SOC高于设定的高门限值时，停止辅助能量单元，退出电量增加模式，当发电机系统出现过温报警或发动机出现过温报警，辅助能量单元选择半功率点发电，否则选择满功率点发电，此时辅助能量单元输出的平均功率大于驱动电机消耗的平均功率，多余部分功率存储在电池中，使电池SOC不断升高；

步骤四、辅助能量单元已经启动，当电池出现故障，且电池母线可以接入系统但无法输出功率时，进入电量平衡模式，辅助能量单元输出的瞬时功率等于驱动电机消耗的瞬时功率，不存在多余的功率，电池SOC保持不变，电池母线接入系统对电压进行滤波，保持母线电压稳定；

步骤五、辅助能量单元已经启动，电池正常输入、输出能量，当存在大功率需求场合时，进入电量消耗模式，此时电池最大输出额定功率，由发动机跟随功率需求的变化，实现发动机、电池输出功率的实时分配，满足系统动力性能，降低对电池的要求；

步骤六、辅助能量单元、电池输出的功率需满足驱动电机的能量需求，采集当前的驾驶信息转换成力矩请求命令，驱动电机执行力矩请求命令驱动车辆的行驶，用于克服车辆摩擦阻力、坡道阻力、迎风阻力、加速惯性阻力，实现车辆运动状态的改变，其中：

摩擦阻力计算公式为：F_f＝m·g·f          (1)

坡道阻力计算公式为：F_i＝m·g·sin(α)    (2)

迎风阻力计算公式为：F_w＝C_d·A·V²/21.5   (3)

加速惯性阻力计算公式为： $F_j=m\·\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

式(1)至式(4)中，m表示整车的质量，g表示重力加速度，f表示摩擦系数，α表示坡度角，C_d表示风阻系数，A表示迎风面积，V表示车速，dV/dt表示加速度；

步骤七、根据式(1)至式(4)，得到驱动电机的力矩输出计算公式为：

T_ref＝(F_f+F_i+F_w+F_j)·R/(i_g·i₀·η_t·η_e)    (5)

式(5)中，R表示汽车轮胎半径，i_g·i₀表示系统传动比，η_t·η_e表示传动系效率，

得到驱动电机的请求功率计算公式为：

P_i＝(F_f+F_i+F_w+F_j)·V/(η_t·η_e)/3600    (6)

步骤八、设定P_{TM_Avg}为驱动电机的平均功率需求，P_{TM_t}为驱动电机的瞬时功率需求，P_{APU_Avg}为辅助能量单元的平均输出功率，P_{APU_t}为辅助能量单元的瞬时输出功率，P_{RAT_Rate}为电池的额定输出功率，则在电量增加模式下，P_{APU_Avg}＞P_{TM_Ave}＞0kW，在电量平衡模式下，P_{APU_t}＝P_{TM_t}＞0kW，在电量消耗模式下，P_{APU_t}＝P_{TM_t}-P_{BAT_Rate}，其中，驱动电机的平均功率需求P_{TM_Avg}通过式(7)计算得到，

$P_{\mathrm{TM}\_\mathrm{Avg}}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{P}_{\mathrm{TM}\_t}\·\mathrm{dt}---\left(7\right)$

上述能量分配满足串联驱动模式下驱动电机的功率需求。