CN104044592B - 混合动力车辆控制器及控制混合动力电动车辆的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种混合动力车辆控制器及控制混合动力电动车辆的方法。控制混合动力电动车辆的系统和方法包括响应于临时电动机扭矩控制牵引电动机的扭矩，所述临时电动机扭矩基于所测量的牵引电动机速度和所计算的车辆速度之间的差异而被调节，并且所述临时电动机扭矩被滤波以削弱动力传动系的共振频率。

Description

混合动力车辆控制器及控制混合动力电动车辆的方法

技术领域

本公开涉及混合动力电动车辆中的主动阻尼和瞬时平滑控制。

背景技术

混合动力电动车辆（HEV）可使用各种类型的动力传动系架构，提供其并联、串联或组合，以将来自两个或多个源的扭矩传递到牵引车轮。动力分流架构按照各种运转模式将由发动机产生的扭矩和由一个或更多个电机产生的扭矩结合。图1中示出了典型的动力分流架构。两个电机（被称为电动机和发电机）可通过具有三相电流输入的永磁AC电机实施。发动机和发电机可通过行星齿轮组连接，其中，发动机曲轴与行星架连接，发电机转子与太阳齿轮连接。电动机输出轴上的齿轮可与具有固定传动比的中间轴啮合。环形齿轮也可按照固定传动比的布置连接到所述中间轴。

在该示例中，电动机通过中间轴按照与来自环形齿轮的源于发动机的扭矩输出并联地连接到动力传动系。电动机的主要功能包括：1.通过供应全部请求的扭矩以电动驱动模式来驱动车辆；2.基于驾驶员命令补偿环形齿轮的扭矩输出；3.向动力传动系的振动施加阻尼。

车辆驾驶性能（包括车辆平稳运转）对于各种类型的汽车实施而言是具有挑战性的问题。动力传动系共振是驾驶员在扭矩快速改变的加速和减速期间所感觉到的不平稳行为的主要原因之一。因此，增加动力传动系共振频率附近的阻尼是针对各种类型的汽车动力传动系控制的典型任务。具有液压变矩器的自动变速器由于在液体中的扭矩传递损耗而具有大的自然粘滞阻尼效应。在不包括变矩器或类似装置的HEV应用中，这种自然阻尼效应被削弱。由于机械动力传动系中的小阻尼比和电机的快速响应，使得共振模式可通过电动机扭矩输入而被激活。瞬时平稳主要取决于精心设计的控制系统。

发明内容

一种用于控制混合动力电动车辆的方法，所述方法包括响应于临时电动机扭矩而控制牵引电动机中的扭矩，所述临时电动机扭矩基于所测量的牵引电动机速度和所计算的车辆速度之间的差异而已被调节并且所述临时电动机扭矩已被过滤以消除动力传动系共振频率的极点。所计算的车辆速度可基于平均车轮速度信号，所述车轮速度信号可从防抱死系统控制模块接收。所计算的车辆速度可以选择性地基于已经被低通滤波器滤波的所测量到的电动机速度。所述临时电动机扭矩可响应于车辆起动事件而产生。所述临时电动机扭矩还可响应于驾驶员扭矩请求的改变而产生。

根据本公开的混合动力车辆控制器的一个实施例，所述控制器被配置为接收扭矩请求并输出命令的电动机扭矩。所述控制器包括控制逻辑，所述控制逻辑对目标扭矩进行滤波以削弱动力传动系共振频率、基于所测量的电动机速度和所计算的车辆速度之间的差异调节目标扭矩并基于被滤波的和被调节的扭矩产生命令的电动机扭矩。

在根据本公开的控制器的一些实施例中，对目标扭矩滤波的控制逻辑可包括带阻滤波器。所计算的车辆速度可基于平均车轮速度信号，或者所计算的车辆速度可基于被低通滤波器滤波的所测量的电动机速度计算。如果所计算的车辆速度是基于平均车轮速度信号，那么车轮速度信号可从防抱死制动系统控制模块接收。在一些实施例中，基于所测量的电动机速度和所计算的车辆速度之间的差异而调节所命令的扭矩的控制逻辑可在反馈路径中实施。在这样的实施例中，对命令的电动机扭矩滤波以去除频率成分的控制逻辑可在前馈路径或反馈路径中实施。

根据本公开的混合动力车辆的一个实施例，所述混合动力车辆包括牵引车轮、通过具有共振频率的动力传动系而可驱动地连接到牵引车轮的电动机以及电动机控制器。所述电动机控制器被配置为产生临时电动机扭矩、对所述临时电动机扭矩进行滤波以削弱动力传动系共振频率、根据所测量的电动机速度和所计算的车辆速度之间的差异对临时电动机扭矩施加阻尼、基于被滤波的和被阻尼的电动机扭矩产生命令的扭矩以及将命令的扭矩提供至电动机。对临时电动机扭矩进行滤波可包括使用带阻滤波器来去除动力传动系共振频率的极点并在另一频率处引入一对被良好地阻尼的极点。所计算的车辆速度可基于平均车轮速度信号，或者可基于被低通滤波器滤波的所测量的电动机速度来计算。如果所计算的车辆速度是基于平均车轮速度信号，那么车轮速度信号可从防抱死制动系统控制模块接收。

车轮速度信号从防抱死制动系统控制模块接收。

所计算的车辆速度基于通过被低通滤波器滤波的所测量的电动机速度。

所述控制逻辑包括闭环控制器，所述闭环控制器基于反馈路径中测量到的电动机速度和计算到的车辆速度之间的差异来调节命令的扭矩。

所述控制逻辑包括具有前馈环的闭环控制器，所述闭环控制器对命令的电动机扭矩进行滤波，以去除前馈路径中与动力传动系共振频率相关的频率成分。

所述控制逻辑包括闭环控制器，所述闭环控制器对命令的电动机扭矩进行滤波，以去除反馈路径中与动力传动系共振频率相关的频率成分。

一种混合动力车辆，包括：电动机，通过具有共振频率的动力传动系而可驱动地连接到牵引车轮；电动机控制器，被配置为响应于临时电动机扭矩控制电动机扭矩，所述临时电动机扭矩被滤波以削弱动力传动系共振频率并基于所测量的电动机速度和所计算的车辆速度之间的差异进行阻尼。

所述电动机控制器使用带阻滤波器过对临时电动机扭矩进行滤波，以去除动力传动系共振频率的极点并在另一频率处引入一对被良好地阻尼的极点。

所计算的车辆速度基于平均车轮速度信号。

所述车轮速度信号从防抱死制动系统控制模块接收。

所计算的车辆速度基于被低通滤波器滤波的所测量的电动机速度。

根据本公开的实施例提供多个优点。例如，本公开提供一种用于HEV的控制系统，所述控制系统能够通过从电动机扭矩命令去除动力传动系共振频率来提高电动机扭矩控制的稳健性，以改进驾驶性能。

下面结合附图通过对优选的实施例进行详细的描述，本公开的上述优点和其他优点和特点将显而易见。

附图说明

图1以示意性形式示出了用于HEV的动力分流架构。

图2是根据本公开的一个实施例的HEV的框图。

图3是示出根据本公开的一个实施例的用于控制HEV中的电动机扭矩的算法的流程图。

图4示出了根据本公开的一个实施例的用于电动机扭矩的主动阻尼的控制。

图5示出了用于计算车辆速度的方法。

图6示出了用于对电动机扭矩施加阻尼的控制，其中，在前馈路径中设置有滤波器。

图7示出了用于对电动机扭矩施加阻尼的控制，其中，在反馈路径中设置有滤波器。

具体实施方式

本领域的普通技术人员将理解，如参照任何一个附图描述和示出的本发明的各种特征可与在一个或更多个其他附图中示出的特征相结合，以形成本公开未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可期望用于特殊应用或实施。

现在，参照图1，HEV可具有如所示出的动力分流架构。在这样的HEV中，与内燃发动机相比，为了进行阻尼，可充分利用电动机扭矩的较高的带宽。期望进行主动阻尼（抗不平稳，反随机）控制，以进行平稳的运转。

在该构造中，可通过电动机扭矩控制器使用环形齿轮扭矩来进行扭矩补偿。在稳态操作下，环形齿轮扭矩相对于发电机扭矩和发动机扭矩具有固定的传动比。因此，环形齿轮扭矩可通过发电机扭矩根据下式直接计算得到：

在瞬时事件期间，发动机速度和发电机速度两者均改变。通常涉及使得方程式（1）更不精确的惯性项，而其他方法可用于计算瞬时环形齿轮扭矩。例如，在瞬时事件期间，中心齿轮扭矩可基于发电机扭矩减去发电机惯性扭矩而计算得到。那么，环形齿轮扭矩可根据下式间接确定：

其中，J_g是发电机和中心齿轮的总转动惯量。基于在此使用的符号惯例，环形齿轮扭矩在稳态中为负。

根据下式计算电动机扭矩，以在任何的环形齿轮扭矩输出下均提供驾驶员命令的车轮扭矩：

其中，τ_{w_cmd}是驾驶员命令的车轮扭矩，ρ_m2d和ρ_m2p分别是从电动机到车轮的传动比和从电动机到环形齿轮的传动比。

在某些瞬时事件（即，按照驾驶员扭矩命令进行的大的变化和发动机起动/停止）期间，如果没有使用足够的防范措施对电动机扭矩进行阻尼，那么大的扭矩斜率和环形齿轮扭矩的不精确度可激活动力传动系共振模式并引起不期望的车辆振动。机械式阻尼器成本低并且仅在激活频率的窄的带宽内工作。因此，对于这种情况，更期望基于逻辑或软件来解决。

现在参照图2，框图示出了根据本公开的不同实施例的具有机械式动力传动系的混合动力车辆。在一个实施例中，车辆100是具有动力分流架构（例如，在图1中示出的动力分流架构）的HEV。车辆100包括电动机101、牵引车轮102以及可驱动地连接电动机101和牵引车轮102的动力传动系103，如通过粗实线所示。动力传动系103具有一个或更多个共振频率。

车辆100还包括电动机控制器104。电动机控制器接收作为来自其他控制器（未示出）的信号的扭矩请求。电动机控制器104控制电动机101和车轮速度传感器105，或与电动机101和车轮速度传感器105通信，如通过虚线所示。电动机控制器104可产生扭矩命令并将扭矩命令提供给电动机101。电动机进而产生所命令的扭矩并通过动力传动系103将扭矩传递到牵引车轮102。一个或更多个车轮速度传感器105可直接或间接与电动机控制器104通信。在不同的实施例中，车轮速度传感器105可集成到防抱死制动系统（ABS）中，防抱死制动系统（ABS）包括与电动机控制器104通信的ABS控制模块（未示出）。

现在参照图3，根据本公开的不同实施例示出了用于控制混合动力车辆的方法或系统的操作的流程图。本领域的普通技术人员将理解，通过流程框图表示的功能可通过软件和/或硬件执行。根据具体的处理策略（例如，事件驱动、中断驱动等），可按照除了附图中示出的顺序或序列之外的顺序或序列来执行各种功能。类似的，虽然未明确示出，但一个或更多个步骤或功能可重复地执行。在一个实施例中，示出的功能主要通过存储在计算机可读存储介质中的软件、指令、代码或控制逻辑来实施，并通过用于控制车辆运转的一个或更多个基于微处理器的计算机或控制器来执行。根据本公开，示出的全部步骤或功能不一定需要提供各种功能和优点。因此，在某些应用或实施中可省略某些步骤或功能。例如，如图3中示出的根据本公开的一个实施例的用于控制HEV中的电动机的算法包括可通过由一个或更多个基于微处理器的控制器（例如，电动机控制器104）执行的软件或控制逻辑表示的步骤或功能。

如图3所示，在框201中接收扭矩请求。所述扭矩请求可响应于如框202中示出的车辆起动事件或者响应于如框203中示出的驾驶员的扭矩请求发生改变。如框204中所示，产生临时目标扭矩。如框205所示，基于所测量的电动机速度和所计算的车辆速度之间的差异来调节该目标扭矩。在一个实施例中，如框206所示，车辆速度基于平均车轮速度信号（例如，该平均车轮速度信号可从ABS模块接收到）来计算。在参照图4和图5更详细地描述的另一实施例中，如框207所示，基于被滤波的所测量的电动机速度来计算车辆速度，其中，所述滤波由去除瞬态的低通滤波器执行。如框208所示，目标扭矩被滤波，以削弱动力传动系自然或共振频率。该滤波可使用如框209中示出的陷波滤波器或带阻滤波器或者使用如框201中示出的带通滤波器来执行。如框211所示，基于所调节的和被滤波的扭矩产生扭矩命令。如框212所示，然后将扭矩命令提供给电动机。

现在参照图4，示出了比例微分（proportional plus derivative，PD）控制结构，所述比例微分（PD）控制结构基于所测量的电动机速度和所计算的车辆速度而输出扭矩调节。控制器的输入是动力传动系的振动的计算结果。所述计算结果可通过使用所测量的电动机速度减去通过车轮速度信号（例如，ABS速度信号）而计算到的车辆速度而得出。由于车辆具有比动力传动系大的多的惯性，因此其速度受到来自动力传动系的扭矩振动的影响较小。然而，由于动力传动系的机械阻尼小，使得电动机速度受到发动机和电动机的扭矩的改变的影响。在控制中所使用的速度差的形式为：

e=ω_m-ω_{m_w} (4)

其中，车辆速度通过下式间接计算到：

左车轮速度信号ω_l和右车轮速度信号ω_r可通过ABS控制模块或其他合适的传感器进行传输。方程式（4）表示动力传动系上游的电动机和动力传动系下游的车辆车轮之间的速度差。

备份机制（backup mechanism）也设置在该算法中，以计算车辆速度。如果车轮速度信号无法使用或者信号质量不能满足控制需求，那么对于车轮速度的计算，可使用可选的计算结果，例如：

ω_{m_down}(s)=F(s)ω_m(s) (6)

其中，F(s)是所选择的用于去移与电动机速度本身相关的任何快速瞬态的低通滤波器。该计算通过电动机速度而产生推断的车辆速度。尽管其精确性低，但是其使用不需要来自任何车辆速度传感器的信号。虽然这种计算可用作确定车辆速度的主要算法，但是在控制系统的该实施例中用作备份计算。图5中示出了速度信号的关系。

在示出的代表性实施例中，PD控制具有下面的传递函数：

对于动力传动系统，速度差（4）的比例控制将引入附加的系统阻尼效应。微分控制将增大电动机惯性。

除了PD控制器，滤波器还被实施为削弱动力传动系的自然频率。动力传动系的动力学特性通常引起由多种系统参数确定的固定共振频率。共振频率在车辆使用期间几乎不变化，但是车与车之间可能会有些不同。因此极点消除方法（pole cancellation method）可以是用在控制系统中以削弱特定的动力传动系频率的有力且可靠的对策。

用于代表具有机械动力传动系的混合动力电动车辆的简化动力驱动模型的传递函数可写为：

所述方程式是具有低自然阻尼比的二阶系统。从这些低阻尼系统的极点去除振动的一种方法是使用前馈路径中的控制将其消除，所述前馈路径表示为：

其中，控制器（9）去除了动力传动系自然频率的低阻尼极点并在另一频率处引入一对被很好地阻尼的极点。所选择的和ω_n的值可在车辆校准和研发期间确定并且可基于具体的车辆构造而变化。

控制器（9）用作带阻滤波器或陷波滤波器。因此，控制器（9）可被调谐，以去除与动力传动系共振频率相关的频率成分，从而使得闭环系统在指定的频率范围内被更大程度地阻尼。

PD控制器和滤波器可设置在控制系统中的不同位置，如图6和图7所示。在图6中示出的实施例中，带阻滤波器601设置在前馈环中，以去除动力传动系共振频率。带阻滤波器601与PD主动阻尼控制602（设置在反馈环中）一起工作，以进一步增加系统阻尼比。主动阻尼控制602是与参照图4描述和示出的类型相似的类型。

如图6所示，通常，控制器响应于临时电动机扭矩来控制牵引电动机扭矩，其中，所述临时电动机扭矩基于所测量的牵引电动机速度和所计算的车辆速度之间的差异而被调整，使用设置在前馈路径中的带通滤波器601对所计算的车辆速度进行滤波，以削弱动力传动系共振频率。所计算的车辆速度基于平均车轮速度信号，或者可通过来自ABS车辆速度信号而被确定。

在图7中示出的代表性实施例中，与如图6的实施例中示出的设置在前馈路径中的带阻滤波器不同的是，带通滤波器701用在反馈路径中，以进行PD主动阻尼控制702。在该布置中，带通滤波器701去除所关心的范围之外的频率成分。这样产生通过集中在动力传动系自然频率范围附近的PD控制器702引入的阻尼效应。

在此公开的过程、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机/通过处理装置、控制器或计算机实现，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或者专用的电子控制单元。类似地，所述过程、方法或算法可以以多种形式被存储为可被控制器或计算机执行的数据和指令，所述多种形式包括但不限于永久地存储在非可写存储介质（诸如，ROM装置）上的信息以及可变地存储在可写存储介质（诸如，软盘、磁带数据存储、光带数据存储、CD、RAM装置以及其他磁介质和光学介质）上的信息。所述过程、方法或算法还可被实现为软件可执行对象。可选地，所述过程、方法或算法可利用合适的硬件组件（诸如，专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）、状态机、控制器或任何其他硬件组件或装置）或者硬件、软件和固件组件的结合被整体或部分地实施。

如从各个实施例可以看出，本发明提供通过一种控制系统，所述控制系统通过从电动机扭矩命令去除动力传动系的共振频率而能够增加电动机扭矩控制的稳健性。这样改进了动力分流式HEV的驾驶性能。

虽然上面描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了本权利要求包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制，并且应理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可作出各种改变。如上所述，可组合多个实施例的特征以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。虽然各个实施例可能已被描述为提供优点或者在一个或多个期望的特性方面优于其他实施例或现有技术的实施方式，但是本领域的普通技术人员应认识到，一个或多个特点或特性可被折衷，以实现期望的整体系统属性，期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，被描述为在一个或多个特性方面不如其他实施例或现有技术的实施方式的实施例并不在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定的应用。

Claims (10)

1.一种控制混合动力电动车辆的方法，所述方法包括：

响应于临时电动机扭矩来命令牵引电动机供应牵引电动机扭矩，所述临时电动机扭矩通过PD控制器基于所测量的牵引电动机速度和所计算的车辆速度之间的差异而进行调节，并且所述临时电动机扭矩被滤波器滤波，以削弱动力传动系自然共振频率，所述PD控制器与所述滤波器不同。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所计算的车辆速度基于平均车轮速度信号。

3.如权利要求2所述的方法，其中，车轮速度信号从防抱死制动系统控制模块接收。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所计算的车辆速度基于被低通滤波器滤波的所测量的电动机速度。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述临时电动机扭矩响应于车辆起动事件而产生。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述临时电动机扭矩响应于驾驶员扭矩请求的改变而产生。

7.一种混合动力车辆控制器，所述控制器被配置为接收扭矩请求并输出命令的电动机扭矩，所述控制器包括基于目标扭矩来控制电动机扭矩的控制逻辑，所述目标扭矩被滤波器滤波以削弱动力传动系自然共振频率并通过PD控制器基于所测量的电动机速度和所计算的车辆速度之间的差异而被调节，所述滤波器与所述PD控制器不同。

8.如权利要求7所述的控制器，其中，所述控制逻辑包括对目标扭矩进行滤波的带阻滤波器。

9.如权利要求7所述的控制器，其中，所述控制逻辑包括对目标扭矩进行滤波的带通滤波器。

10.如权利要求7所述的控制器，其中，所计算的车辆速度基于平均车轮速度信号。