CN104590244A - 混合动力车辆换挡控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种混合动力车辆换挡控制方法，利用电动机是否提供助力作为换挡考虑因素，提高发动机的效率。本发明的方法包括(1)获取当前车速v与转矩T；(2)判断当前车速v是否处于当前挡位与下一挡位对应速度交叠区(v1,v2)；(3)根据当前车速与转矩计算以下模式下各参数：模式一：处于当前挡位，发动机的效率η1；模式二：处于当前挡位，电动机提供助力扭矩，发动机的最高效率η2；模式三：处于下一挡位，发动机的效率η3；模式四：处于下一挡位，电动机提供助力扭矩，发动机的最高效率η4。(4)比较步骤(3)中发动机效率η1，η2，η3，η4，取其中最大值对应的模式进行操作。

Description

混合动力车辆换挡控制方法
技术领域
本发明涉及混合动力车辆能量管理，特别是基于提高发动机效率目的换挡控制方法。
背景技术
混合动力车辆对发动机效率的挖掘集中在尽量使发动机工作在高效率区间。基于混合动力车辆的特点，由于有电动机参与驱动，在低效率区，尤其是车辆起步和低速阶段，利用电动机驱动，发动机在该区间内怠速停机，减少燃油消耗，降低排放，以此来提高发动机燃油利用效率。在发动机启动驱动车辆期间，变速器的使用会大大提高发动机的工作效率。图1是发动机的工作效率的万有曲线，只有在发动机满足一定的转速和转矩条件下，其油耗比才能达到较低的水平，且在一定的转速和转矩区间内，油耗比呈现规律性的递减变化。变速器正是遵循发动机的这一特点，提供不同的变速比，使发动机能够在车辆需求转矩下提供更利于燃油效率提高的转速，以提高发动机工作效率。但是目前混合动力车辆中对发动机的利用原则来源于传统燃油汽车，仅仅利用变速器来实现发动机工作效率区间的变化，而事实上对于混合动力车辆来讲可以更充分利用其系统特点，使发动机工作区间更灵活，发动机燃油效率更高。
发明内容
本发明提供一种混合动力车辆发动机处于燃油高效区的换挡控制方法，结合混合动力系统的特点，建立发动机运行模式，对不同模式下的发动机效率进行对比，最终选择燃油经济性最高的模式，使燃油效率充分利用。本发明的方法特别适用于发动机运行的两挡位之间，例如一挡和二挡之间。本领域技术人员熟知，当车速处于某一区间，考虑到发动机的效率可以将发动机切换到前一挡或二挡，原则是选择能使发动机效率较高的挡位，但是在混合动力系统中，这可能并不是最优的选择。
本发明提供的混合动力车辆换挡控制方法，所述混合动力车辆包括发动机、电动机、变速器，所述变速器提供两个以上挡位，变速器换挡前实施以下步骤：
(1)获取当前车速v与转矩T；
(2)判断当前车速v是否处于当前挡位与下一挡位对应速度交叠区(v1,v2)；
(3)根据当前车速与转矩计算以下模式下各参数：
模式一：处于当前挡位，发动机的效率η1；
模式二：处于当前挡位，电动机提供助力扭矩，发动机的最高效率η2；
模式三：处于下一挡位，发动机的效率η3；
模式四：处于下一挡位，电动机提供助力扭矩，发动机的最高效率η4。
(4)比较步骤(3)中发动机效率η1，η2，η3，η4，取其中最大值对应的模式进行操作。
根据上述方法，步骤(4)中当两种模式中发动机效率最大值相同时，若该两种模式中包括下一挡位，优先换下一挡位的模式。
或者，所述步骤(3)模式二和模式四中发动机的最高效率根据以下方法获得：
(a)获取当前发动机转速；
(b)在保持车辆转矩T条件下，发动机提供扭矩Te，电动机提供助力扭矩Tm，T＝Tm+Te，
(c)调整Tm，根据发动机万有特性查找发动机的效率η的最大值。
本发明还提供另外一种混合动力车辆换挡控制方法，所述混合动力车辆包括发动机、电动机、变速器，所述变速器提供两个以上挡位，变速器换挡前实施以下步骤：
(1)建立油门深度与发动机转速之间的关系；
(2)获取当前油门深度；
(3)判断当前油门深度是否满足换挡条件；
(4)根据当前油门深度计算以下模式下各参数：
模式一：处于当前挡位，发动机的效率η1；模式二：处于当前挡位，电动机提供助力扭矩，发动机的最高效率η2；模式三：处于下一挡位，发动机的效率η3；模式四：处于下一挡位，电动机提供助力扭矩，发动机的最高效率η4。
(5)比较步骤(3)中发动机效率η1，η2，η3，η4，取其中最大值对应的模式进行操作。
根据上述方法步骤(4)中当两种模式中发动机效率最大值相同时，若该两种模式中包括下一挡位，优先换下一挡位的模式。
或者，所述步骤(3)模式二和模式四中发动机的最高效率根据以下方法获得：
(a)获取当前发动机转速；
(b)在保持车辆转矩T条件下，发动机提供扭矩Te，电动机提供助力扭矩Tm，T＝Tm+Te；
(c)调整Tm，根据发动机万有特性查找发动机的效率η的最大值。
又或者，所述油门深度与发动机转速之间的关系通过测量的方式获得。
附图说明
图1是发动机转矩-转速万有特性曲线示意图。
图2是一种带有变速器的混合动力车辆结构示意图。
图3是使用本发明前馈式方法与传统方法的区别对比。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。图1给出了发动机转矩-转速万有特性曲线示意图。该图只是示意性的，为了说明本发明所依据的理论基础，并不作为具体发动机特性从而限制本发明方法的使用条件。图中横轴代表发动机转速，纵轴代表发动机输出转矩，图中带有数字的线代表发动机比油耗。可以看出，发动机比油耗呈现类似收缩区域的规律变化，且越靠近区域的中心，其比油耗越低，也就是发动机燃油效率越高。动力系统中变速器的目的就是发动机尽量多的机会(时间)处于或接近所设定的低比油耗区域。但是单靠变速器的作用，从某一挡位变换到下一挡位，并不一定能保证发动机的工作点一定处于理想的油耗比区域，换句话说，为了适应变速器的固定或连续的挡位模式，需要把比油耗区间设定得较大，才能实现有意义地的换挡。这种情况下，可以说并没有充分利用发动机的燃油特性。
图2是一种带有变速器的混合动力车辆结构示意图。带变速器的混合动力系统包括一般发动机、变速器、电动机，根据发动机与电动机的连接方式不同一般分为串联式、并联式和混联式。车辆10可包括发动机12、变速器14和牵引电动机16，牵引电动机16操作为快速促动器。其他车辆实施例也可以使用多个牵引电动机。变速器14可以选择性地被发动机12、牵引电动机16或任何其组合提供动力，这取决于变速器运行模式或状态，如通过换挡控制算法或逻辑(未示出)决定的。车辆10包括能量存储系统20，例如可充电电池组，其经由逆变模块18电连接到牵引电动机16。变速器14具有多种运行模式或状态，每种模式或状态具有相关的传动系统惯性水平。
其中变速器14的作用是在发动机驱动车辆时提供不同的变速比，调节发动机工作在适当的转速区域内；部分系统中变速器也可以为电动机提供不同的变速比。变速器14的实际构造可以根据车辆10的设计变化，且可以包括一个或多个行星齿轮组或者平行轴齿轮组、电可变变速器、旋转离合器、制动离合器、液压或电机械启动部件等。
牵引电动机16具有电动机输出轴17。由此，到变速器14的输入扭矩可以作为发动机扭矩由发动机12产生和传递和/或作为电动机扭矩由牵引电动机16产生和传递。来自变速器14的输出扭矩可以经由输出构件26传递到一组驱动车轮22。牵引电动机16的主要作用是在发动机低效率如怠速期间提供车辆驱动力以及刹车时进行能量回收，必要时提供助力扭矩帮助发动机驱动车辆。
考虑到发动机比油耗与发动机所提供的转矩、转速密切相关，为了降低发动机的比油耗，调节发动机转矩或者转速必定会带来积极的效果。本发明即是基于这种思想，在变速器换挡前实施以下步骤：(1)获取当前车速v与转矩T；(2)判断当前车速v是否处于当前挡位与下一挡位对应速度交叠区(v1，v2)；(3)根据当前车速与转矩计算以下模式下各参数：模式一：处于当前挡位，发动机的效率η1；模式二：处于当前挡位，电动机提供助力扭矩，发动机的最高效率η2；模式三：处于下一挡位，发动机的效率η3；模式四：处于下一挡位，电动机提供助力扭矩，发动机的最高效率η4；(4)比较步骤(3)中发动机效率η1，η2，η3，η4，取其中最大值对应的模式进行操作。
其中，步骤(1)的目的是获得当前车辆需求，以判断是否需要变换挡位。变速器挡位的切换是基于车辆对转矩和转速的需求相结合，以发动机的万有特性为基础，比较当前挡位和目标挡位(下一挡位)下发动机的转矩特性或者效率(也可以是比油耗)，做出换挡动作。步骤(2)中，由于变速器相邻挡位间存在发动机的转速交叠区，例如在某一转矩需求下，变速器置一挡变比1.5，发动机高效运行的速度区间为rpm(750，1500)，变速器一挡至二挡变比1.0，则二挡下发动机高效运行的速度区间为rpm(500，1000)，则rpm(750，1000)的区间则属于变速器一挡和二挡间发动机的转速交叠区，在该区间发动机既可以在当前一挡运行，也可以换至二挡运行，本发明所提供的方法特别适用于该区间。可以理解，无论是当前挡位还是目标挡位，在发动机转矩和转速可获知的情况下，通过发动机的万有特性曲线都可以找到相对应的发动机效率(或比油耗)。牵引电动机可以在任何时刻提供助力转矩，与发动机的转矩耦合，共同贡献于车辆驱动。所以发动机在某一挡位下都存在电动机提供助力转矩和不提供助力转矩的情况，两种情况下所对应的发动机的效率(比油耗)是不一样的。步骤(3)中分别计算或查找出电动机提供助力和不提供助力条件下发动机的效率，然后进行对比步骤(4)，取发动机效率最高所对应的模式。计算或查找可以依据发动机万有特性曲线。对于步骤(3)中，电动机助力模式下发动机效率的确定方式为：先获取当前发动机转速；然后在保持车辆转矩T条件下，发动机提供扭矩Te，电动机提供助力扭矩Tm，T＝Tm+Te，调整Tm，根据发动机万有特性查找发动机的效率η的最大值。在车辆扭矩需求一定的前提下，电动机提供助力扭矩Tm会使发动机提供的扭矩Te变小，根据发动机万有特性，发动机提供的扭矩Te变小有可能会使发动机效率η变小或者变大，所以应当以发动机效率η最大作为调整标准。但是以发动机效率η最大作为唯一标准会出现电池SOC不足以提供足够的助力扭矩Tm的情况，所以该方法中“发动机的效率η的最大值”是电池电量SOC与发动机效率相互协调平衡的结果。
作为一种优选的方式，当步骤(4)中其中两种模式中发动机效率相同时，若该两种模式中包括下一挡位，优先换下一挡位的模式。举例说明，模式一：处于当前挡位，发动机的效率η1，模式二：处于当前挡位，电动机提供助力扭矩，发动机的最高效率η2；模式三：处于下一挡位，发动机的效率η3；模式四：处于下一挡位，电动机提供助力扭矩，发动机的最高效率η4；若η1＝η4且最大，则优先选择模式四。
根据以上调整，发动机效率在换挡区间可以得到很大提升，从而节省燃油消耗，降低排放。以上发动机的调节方法不仅适用于具有两挡速比的变速器，对于多挡变速器，每相邻两挡之间都存在发动机转速交叠区，都可以应用本发明的方法。
为了更好地实现本发明的目的，优化驾驶体验，可以采用前馈的方式实施本方法。首先建立油门深度与发动机转速之间的关系，该关系所表现出来的可能是一个数据表格或者一组函数，一般也可以通过测量获得。得到该关系后，可以在油门被踩下后、发动机执行喷油命令前进行如下步骤：根据设置于油门踏板处的位置传感器等类似设备获取当前油门深度，通过获取的该深度，结合油门深度与发动机转速之间的关系，可以得到该深度将会使发动机达到的转速。判断当前油门深度是否满足换挡条件，事实上该判断也是以发动机的转速为条件的，所谓的符合换挡条件，可以理解为发动机即将处于当前挡位与下一挡位对应速度交叠区(v1，v2)，然后计算以下模式下各参数：模式一：处于当前挡位，发动机的效率η1；模式二：处于当前挡位，电动机提供助力扭矩，发动机的最高效率η2；模式三：处于下一挡位，发动机的效率η3；模式四：处于下一挡位，电动机提供助力扭矩，发动机的最高效率η4，比较上述发动机效率η1，η2，η3，η4，取其中最大值对应的模式进行操作。
见图3，前馈式的发动机换挡操作能够在发动机执行油门命令所对应的操作前进行换挡判断，通过检测油门深度获取发动机的下一步状态，提前进行换挡准备，与传统换挡方式相比，由于不需要检测发动机转速等，提前反应时间T进行下一步指令操作，缩短反应时间，进一步提高发动机的效率。
本发明所提供的混合动力车辆换挡方法适用于有电动机参与驱动的混合动力车辆，根据本说明书的描述，本方法中所涉及的提供助力扭矩电动机不限于一个，在某些系统环境中，两个及两个以上电动机参与本发明方法之中也属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.混合动力车辆换挡控制方法，所述混合动力车辆包括发动机、电动机、变速器，所述变速器提供两个以上挡位，其特征在于，变速器换挡前实施以下步骤：
(1)获取当前车速v与转矩T；
(2)判断当前车速v是否处于当前挡位与下一挡位对应速度交叠区(v1,v2)；
(3)根据当前车速与转矩计算以下模式下各参数：
模式一：处于当前挡位，发动机的效率η1；
模式二：处于当前挡位，电动机提供助力扭矩，发动机的最高效率η2；
模式三：处于下一挡位，发动机的效率η3；
模式四：处于下一挡位，电动机提供助力扭矩，发动机的最高效率η4。
(4)比较步骤(3)中发动机效率η1，η2，η3，η4，取其中最大值对应的模式进行操作。
2.根据权利要求1所述的混合动力车辆换挡控制方法，其特征在于，步骤(4)中当两种模式中发动机效率最大值相同时，若该两种模式中包括下一挡位，优先换下一挡位的模式。
3.根据权利要求1所述的混合动力车辆换挡控制方法，其特征在于，所述步骤(3)模式二和模式四中发动机的最高效率根据以下方法获得：
(a)获取当前发动机转速；
(b)在保持车辆转矩T条件下，发动机提供扭矩Te，电动机提供助力扭矩Tm，T＝Tm+Te，
(c)调整Tm，根据发动机万有特性查找发动机的效率η的最大值。
4.混合动力车辆换挡控制方法，所述混合动力车辆包括发动机、电动机、变速器，所述变速器提供两个以上挡位，其特征在于，变速器换挡前实施以下步骤：
(1)建立油门深度与发动机转速之间的关系；
(2)获取当前油门深度；
(3)判断当前油门深度是否满足换挡条件；
(4)根据当前油门深度计算以下模式下各参数：
模式一：处于当前挡位，发动机的效率η1；模式二：处于当前挡位，电动机提供助力扭矩，发动机的最高效率η2；模式三：处于下一挡位，发动机的效率η3；模式四：处于下一挡位，电动机提供助力扭矩，发动机的最高效率η4。
(5)比较步骤(3)中发动机效率η1，η2，η3，η4，取其中最大值对应的模式进行操作。
5.根据权利要求4所述的混合动力车辆换挡控制方法，其特征在于，步骤(4)中当两种模式中发动机效率最大值相同时，若该两种模式中包括下一挡位，优先换下一挡位的模式。
6.根据权利要求4所述的混合动力车辆换挡控制方法，其特征在于，所述步骤(3)模式二和模式四中发动机的最高效率根据以下方法获得：
(a)获取当前发动机转速；
(b)在保持车辆转矩T条件下，发动机提供扭矩Te，电动机提供助力扭矩Tm，T＝Tm+Te；
(c)调整Tm，根据发动机万有特性查找发动机的效率η的最大值。
7.根据权利要求4所述的混合动力车辆换挡控制方法，其特征在于，
所述油门深度与发动机转速之间的关系通过测量的方式获得。
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