CN104442798B - 混合动力汽车在串联工作模式下的串联发电控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供混合动力汽车在串联工作模式下的串联发电控制方法，属于混合动力汽车技术领域。该方法中，首先，确定该串联发电控制方法所需要使用的功率曲线，根据行驶需求功率（Pr）所对应的发动机转速，在最小功率曲线、最佳功率曲线和最大功率曲线上分别确定最小/最大发电功率（Pmin/Pmax）和最佳发电功率（Po），在Pr ≤Pmin时，Pc=Po‑ Pr，并且以（Pc+ Pr）（即Po）作为实际发电功率；在Pr＞Pmin且Pr ≥Po时，Pc=0，取Pr与Pmax中的较小值作为实际发电功率；在Po＞Pr＞Pmin时，以维持电池荷电状态所需充电功率乘以发电系数k得到的功率作为串联充电的充电功率Pc，取（Pr+Pc）与Po两者中较小值作为实际发电功率。该方法能量效率高、燃油经济性好。

Description

混合动力汽车在串联工作模式下的串联发电控制方法
技术领域
本发明属于混合动力汽车技术领域，涉及混合动力汽车在串联工作模式下的可以提高动力系统的能量利用效率的串联发电控制方法。
背景技术
随着混合动力技术不断成熟，其越来越多应用于混合动气汽车的整车动力总成的设计中，混合动气汽车也正处于技术不断完善、市场不但扩大的过程。其中，混合动力汽车的一个重要的需要完善的技术因素是燃油经济性。为了追求更高的燃油经济性，需要不断地优化发动机、电机的运行效率，从局部零部件优化到整车系统及的全局优化，各种混合动力系统技术方案对发动机工作点、整车能量管理的优化在不断深入精细化。
图1所示为混合动力汽车在串联工作模式下的基本能量流示意图。如图1所示，通常地，在串联工作模式下，发动机11运转使发电机12发电，发电机12所发的电可以直接提供给电机13以使电机13运转，进而驱使驱动轮15，发电机12所发的电也可以给电池（即动力电池）14充电以维持电池的SOC（荷电状态）。
针对混合动力系统的串联工作模式，通常需要从控制策略来优化来提高燃油经济性，在优化控制策略时，主要是从几个方面考虑，第一是能量跟随，发动机11的发电功率首先要满足整车行驶需求功率，从而至少保证能量流路径（发动机11至发电机12至电机13）相对最短的部分；其次，还需要根据电池SOC状态计算对电池充电维持SOC需求功率。
但由于在串联工作模式下发动机的能量效率调节可以至少从转速和转矩两个维度进行，所以，实际在这种串联工作模式下，整车系统的效率优化范围相对是比较大的；例如，在车辆行驶中，经常会遇到城市拥挤道路工况，这个时候如果SOC比较低，车辆行驶速度一直都很低，系统进入串联SOC维持（电池的SOC需要维持在一个相对稳定的水平）模式。
因此，有必要从发动机的转速和转矩两个方面综合考虑，来设计在串联工作模式下的控制方法，从能量利用效率上来来看，发动机的工作点得到改善，可以从系统层面优化动力系统的能量利用效率，有利于提高混合动力汽车在串联工作模式下的燃油经济性。
发明内容
本发明的目的在于，提高混合动力汽车在串联工作模式下的能量效率，以提高其燃油经济性。
为实现以上目的或者其他目的，本发明提供混合动力汽车在串联工作模式下的串联发电控制方法，其特征在于，
首先，确定该串联发电控制方法所需要使用的功率曲线，其包括步骤：
首先，确定该串联发电控制方法所需要使用的功率曲线，其包括步骤：
S11，根据发动机的效率图和发电机的效率图，在串联工作模式下，得到发动机在不同转速和转矩下的发电效率图，进而确定发动机在转速-转矩二维条件下的表示系统运行能量效率最高的最佳发电扭矩曲线（L2），同时结合发电机（12）、电池（13）、电机（14）之间的能量流通路径，确定发动机在转速-转矩二维条件下的最小发电扭矩曲线和最大发电扭矩曲线；
S12，依据最小发电曲线、最佳发电曲线和最大发电曲线分别转换得到在转速-功率二维条件下的最小功率曲线（P1）、最佳功率曲线（P2）、最大功率曲线（P3）；
进一步，所述串联发电控制方法包括以下步骤：
S21，根据行驶需求功率（Pr）所对应的发动机转速，在最小功率曲线/最大功率曲线和最佳功率曲线和上分别确定最小/最大发电功率（Pmin/Pmax）和最佳发电功率（Po）；
S22，判断行驶需求功率（Pr）是否小于或等于最小发电功率（Pmin），如果判断为“是”，进入步骤S23，如果判断为“否”，进入步骤S25；
S23，以最佳发电功率（Po）减去行驶需求功率（Pr）的差值来作为串联充电的充电功率（Pc），并且，对行驶需求功率（Pr）和该充电功率（Pc）求和（S231），得到该情况下的实际发电功率（S30）；
S25，判断行驶需求功率（Pr）是否大于或等于最佳发电功率（Po），如果判断为“是”，进入步骤S26，如果判断为“否”，进入步骤S28；
S26，串联充电的充电功率（Pc）置为0，进一步取行驶需求功率（Pr）与最大发电功率（Pmax）中的较小值（S261）作为该情况下的实际发电功率（S30）；
S28，以维持电池荷电状态所需充电功率乘以发电系数k得到的功率作为串联充电的充电功率（Pc），进一步，对行驶需求功率（Pr）和该充电功率（Pc）求和（S281），行驶需求功率（Pr）与该充电功率（Pc）的和（Pr+Pc）与最佳发电功率（Po）两者中较小值（S282）作为该情况下的实际发电功率（S30）。
其中，根据所述发电效率图，确定每个转速条件下所对应的效率最高点的转矩值，基于该转速和对应转矩值相应地得到动力系统的相应的效率点，再串联每个效率点得到所述最佳发电扭矩曲线（L2）。
优选地，该串联发电控制方法适合于在小于或等于20公里/小时的低速状况下应用。
具体地，所述发电系数k的取值范围为大于0且小于或等于1，步骤S26中，最佳发电功率（Po）与行驶需求功率（Pr）的差值越大，所述发电系数k取值越大。
本发明的技术效果是，从系统层面能够实现对动力系统实际发电功率的优化调节，从而提高整车系统全局的能量消耗效率，大大提高混合动力汽车在串联工作模式下的燃油经济性。
附图说明
从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。
图1是混合动力汽车在串联工作模式下的基本能量流示意图。
图2是按照本发明一实施例确定的发动机的串联发电系统效率图。
图3是按照图2所示实施例的发电扭矩曲线转换得到的功率曲线的示意图。
图4是按照本发明一实施例的串联发电控制方法的流程示意图。
图5是运用本发明实施例的串联发电控制方法后对发动机的工作点的优化示意图。
具体实施方式
下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
本发明是针对混合动力汽车在串联工作模式下的能量效率而设计，其主要是针对串联发电控制方法。
为实现该串联发电控制方法，首先需要确定相应混合动力汽车的功率曲线，以下结合图1至图3进行说明。
图2所示为按照本发明一实施例确定的发动机的串联发电系统效率图，其中，横坐标表示发动机的转速（单位为rmp），纵坐标表示发动机的转矩（单位为Nm）。如图2所示，根据发动机11的效率图和发电机12的效率图，可以得到不同转速-转矩条件下系统发电效率图，基于该发电效率图，可以找出串联发电时发动机的最佳发电扭矩曲线L2。最佳发电扭矩曲线L2表示系统运行能量效率相对最高的最佳发电扭矩，具体地，其可以通过在发电效率图中，确定每个转速下所对应的效率最高点的转矩值，基于该转速和转矩值，相应地在图2中画出多个点，再串联每个点即可得到最佳发电扭矩曲线L2。
同时，考虑到在串联工作模式下能量经过发电机12、电池13、电机14的整个能量流通路径（如图1所示），在图2所示的串联发电系统效率图中得到串联发电下发动机的最小发电扭矩曲线L1和最大发电扭矩曲线L3。
最小发电扭矩曲线L1和最大发电扭矩曲线L3分别表示串联模式下发动机的转速-扭矩的运行上下边界，反映了相应转速下的最大扭矩和最小扭矩，根据最小转速（nnin）和最大转速（nmax）、L1和L3，可以包围形成一个区域，在此区域中存在表示系统能量效率最高的最佳发电扭矩曲线L2。L1、L2、L3这三条线主要是根据效率最优原则及系统需求给定（可标定）。
在图2中，还可以标定出发动机的最大扭矩特性曲线L4，发动机的最佳运行区间L5。
在串联模式下，发动机的工作点可以在图2中体现出来，发动机的工作点越靠近最佳发电扭矩曲线L2，表示系统能量效率越高。例如，如果所示中发动机的a、b、c三个工作点，a点在最小发电扭矩曲线L1以下，b点在最佳发电扭矩曲线L2上，c点在最小发电扭矩曲线L1与最佳发电扭矩曲线L2之间，b点对应的能量效率相对最高。
图3所示为按照图2所示实施例的发电扭矩曲线转换得到的功率曲线的示意图，其中纵坐标表示发电功率，横坐标同样为转速（与图2相同）。通过将转矩与转速相乘可以得到相应的发电功率，因此，通过图2可以转换得到相应的功率曲线，在该实施例中，根据L1、L2、L3可以相应地转换得到P1（最小功率曲线）、P2（最佳功率曲线）、P3（最大功率曲线）三条功率曲线。其中，最佳发电功率落于功率曲线P2上，最小发电功率落于功率曲线P1上，最大发电功率落于功率曲线P3上。
图4所示为按照本发明一实施例的串联发电控制方法的流程示意图。以下结合图1至图4对串联发电控制方法进行详细说明。
在确定如图3中所示的功率曲线后，首先执行步骤S21，根据行驶需求功率Pr所对应的发动机转速，在功率曲线P1和功率曲线P2上分别确定最小发电功率Pmin、最大发电功率Pmax和最佳发电功率Po。具体地，行驶需求功率Pr表示整车的行驶需求功率，其可以由整车控制器即时地计算或采集得到，其可以包括驱动功率和整车电器负载功率。在该步骤中，在满足行驶需求功率Pr的条件下作出的，因此，可以在保证车辆的正常行驶前提下，优化系统能量效率。
进一步，步骤S22，判断行驶需求功率Pr是否小于或等于最小发电功率Pmin。如果判断为“是”，进入步骤S23，如果判断为“否”，进入步骤S25。
进一步，步骤S23，以最佳发电功率Po与最小发电功率Pmin的差值来作为串联充电的充电功率Pc。
在该实施例中，以如图3所示，发动机如果以行驶需求功率Pr输出发电功率，其工作点为d点，恰好落在最小功率曲线P1上，其最小发电功率Pmin与行驶需求功率Pr相等（即Pr=Pmin），因此，计算出Pc=（Po-Pr），即最佳功率曲线P2上对应的e点所对应的最佳发电功率Po减去d点对应的行驶需求功率Pr。此时，以Pc作为串联充电的充电功率。
在这种情况下，继续执行步骤S231，计算（Pc+Pr），以（Pc+Pr）作为发动机的实际发电功率，即实现该情况下的步骤S30。从而，工作点可以由d点提升至e点，在能量效率上得到大大提高。
进一步，步骤S25，判断行驶需求功率Pr是否大于或等于最佳发电功率Po，如果判断为“是”，进入步骤S26，如果判断为“否”，进入步骤S28；
进一步，步骤S26，串联充电的充电功率（Pc）置为0。在该情况下，继续执行步骤S261，取行驶需求功率Pr与最大发电功率（Pmax）中的较小值，将其作为该情况下的实际发电功率（S30）。
进一步，步骤S28，以基本维持电池SOC所需充电功率乘以发电系数k得到的功率作为串联充电的充电功率Pc。在该实施例中，维持电池SOC所需充电功率即为电池请求功率，其可以根据已知的一个根据电池SOC值对一个SOC-电池请求功率的一维表来查找获得，其基本原理是，电池SOC低于预定平衡点就开始充电，并且SOC越低需求的充电功率越大。这是由于在串联工作模式下，需要尽量使电池SOC水平维持在相对恒定值；其中，发电系数k是一个0-1的值，可以根据Pr与Po的距离大小来查表得到。也即根据（Po-Pr）的差值大小来确定，该差值越大k值越大，最终调整的工作点靠近Po。
在这种情况下，继续执行步骤S281，对行驶需求功率（Pr）和该充电功率（Pc）求和，得到（Pr+Pc）；步骤S282将以上确定的充电功率Pc与行驶需求功率Pr的和（即（Pc+Pr））与最佳发电功率Po相比较，以其中的相对较小值作为发动机输出实际发电功率。需要理解是，在（Pc+Pr）与Po相等时，任一其中一个都可作为发动机的输出发电功率。
这样，可以确定，在步骤S30中，步骤S23所对应的发动机的实际发电功率取Po；步骤S26所对应的发动机的实际发电功率为取Pr和Pmax的较小值（此时不对电池充电）；步骤S28所对应的发动机的实际发电功率取（Pr+Pc）和Po中的较小值。这样，发动机的实际发电功率最大不会超出Pmax。
通过以上控制方法，可以在保证车辆正常行驶的前提下，随时调整发动机的工作点以使其能量效率得到优化。
图5所示为运用本发明实施例的串联发电控制方法后对发动机的工作点的优化示意图。如图5所示，发动机的工作点在图3所示的串联发电系统效率图上对应示出；如果不采用本发明的方法，如图5（a）中所示，发动机的输出发电功率将基于行驶需求功率Pr来预计确定，可以发现，虚心的圆圈点表示能量效率相对低下、燃油经济性差的工作点，其尤其需要优化；如果采用本发明的方法，如图5（b）中所示，图5（a）中的工作点得到优化（尤其是虚心的圆圈的工作点），最佳发电扭矩曲线L2之下的工作点向最佳发电扭矩曲线L2靠拢，系统的能量效率得到大大提高，燃油经济性好。
以上实施例的混合动力汽车的串联发电控制方法尤其适合在小于或等于20km/小时的低速状况下应用，燃油经济性效果将得到更佳的体现。
以上例子主要说明了本发明的混合动力汽车的串联发电控制方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (4)

1.一种混合动力汽车在串联工作模式下的串联发电控制方法，其特征在于，
首先，确定该串联发电控制方法所需要使用的功率曲线，其包括步骤：
S11，根据发动机的效率图和发电机的效率图，在串联工作模式下，得到发动机在不同转速和转矩下的发电效率图，进而确定发动机在转速-转矩二维条件下的表示系统运行能量效率最高的最佳发电扭矩曲线（L2），同时结合发电机（12）、电池（13）、电机（14）之间的能量流通路径，确定发动机在转速-转矩二维条件下的最小发电扭矩曲线和最大发电扭矩曲线；
S12，依据最小发电曲线、最佳发电曲线和最大发电曲线分别转换得到在转速-功率二维条件下的最小功率曲线（P1）、最佳功率曲线（P2）、最大功率曲线（P3）；
进一步，所述串联发电控制方法包括以下步骤：
S21，根据行驶需求功率（Pr）所对应的发动机转速，在最小功率曲线/最大功率曲线和最佳功率曲线和上分别确定最小/最大发电功率（Pmin/Pmax）和最佳发电功率（Po）；
S22，判断行驶需求功率（Pr）是否小于或等于最小发电功率（Pmin），如果判断为“是”，进入步骤S23，如果判断为“否”，进入步骤S25；
S23，以最佳发电功率（Po）减去行驶需求功率（Pr）的差值来作为串联充电的充电功率（Pc），并且，对行驶需求功率（Pr）和该充电功率（Pc）求和（S231），得到实际发电功率（S30）；
S25，判断行驶需求功率（Pr）是否大于或等于最佳发电功率（Po），如果判断为“是”，进入步骤S26，如果判断为“否”，进入步骤S28；
S26，串联充电的充电功率（Pc）置为0，进一步取行驶需求功率（Pr）与最大发电功率（Pmax）中的较小值（S261）作为实际发电功率（S30）；
S28，以维持电池荷电状态所需充电功率乘以发电系数k得到的功率作为串联充电的充电功率（Pc），进一步，对行驶需求功率（Pr）和该充电功率（Pc）求和（S281），行驶需求功率（Pr）与该充电功率（Pc）的和（Pr+Pc）与最佳发电功率（Po）两者中较小值（S282）作为实际发电功率（S30）。
2.如权利要求1所述的串联发电控制方法，其特征在于，根据所述发电效率图，确定每个转速条件下所对应的效率最高点的转矩值，基于该转速和对应转矩值相应地得到动力系统的相应的效率点，再串联每个效率点得到所述最佳发电扭矩曲线（L2）。
3.如权利要求1所述的串联发电控制方法，其特征在于，该串联发电控制方法适合于在小于或等于20公里/小时的低速状况下应用。
4.如权利要求1所述的串联发电控制方法，其特征在于，所述发电系数k的取值范围为大于0且小于或等于1，步骤S23中最佳发电功率（Po）与行驶需求功率（Pr）的差值越大，所述发电系数k取值越大。
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