CN104760591A - 混合动力综合控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合动力综合控制系统，其功能包括模拟信号、车速脉冲信号、开关信号采集与处理，控制软件存储与运行，系统换挡与模式切换操作元件液压电磁阀驱动，与系统其它ECU的CAN总线通讯，以及与上位机通讯等；在混合动力功率优化管理与分配基础上，尽量将电池SOC保持在较高水平，提高车辆动力性能并满足其它系统大功率用电需求。本发明中的综合控制系统能够满足车辆混合动力系统信号处理与控制决策对于软硬件的要求，其控制软件以保持电池SOC在较高水平为出发点进行能量管理与分配，使电池具有较高的功率与能量裕度，从而使电动机可以较大的功率和较长的时间在急加速等大驱动功率需求工况对发动机进行助力。

Description

混合动力综合控制系统

技术领域

本发明涉及一种混合动力综合控制系统，属于混合动力技术领域。

背景技术

节能、环保与安全是当今汽车发展的三大主题。近十多年来，人们在积极探索新型节能环保汽车的研究与开发，纯电动汽车(EV)、混合动力汽车(HEV)和燃料电池汽车(FCEV)成为研究的热点。由于电池技术的限制，纯电动汽车续驶里程短，在价格和使用性能方面短时间内都难满足人们的要求；燃料电池电动汽车前景虽好，但还存在技术和成本问题。所以，以成熟技术为基础开发的油电混合动力汽车得到日益广泛的研究与应用。

混合动力包括串联、并联、混联等多种结构型式，通过控制技术使发动机和电机协同工作，各自工作在最佳效率状态，从而改善纯内燃机驱动的效率低、污染重等问题。控制策略是实现混合动力系统性能的关键，其性能的优劣直接影响着车辆的动力性和燃油经济性等重要性能。国内外众多研究者针对混合动力系统控制策略开展了广泛与深入的研究，一些著名的汽车企业，如丰田、本田、福特、通用等已经开发出用于批量生产车型的混合动力控制系统。国内清华大学、吉林大学、同济大学、上海交通大学、重庆大学等著名高校与汽车生产企业合作，研究了多种混合动力系统控制策略，有的已经开发出控制器并在进行实车试验。这些控制策略主要针对轻型乘用车辆，以燃油经济性为主要目标进行模式切换与能量分配控制，电池工作主要为燃油经济性目标服务，电池荷电状态(SOC)可能发生较大的变化。大驱动功率需求的重型车辆，对于加速与爬坡有其特殊的转矩要求，电池需要经常保持较高的SOC以便电动机进行助力，这些策略一般难以满足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合动力综合控制系统，其软硬件满足混合动力系统信号处理与控制决策的要求，其控制软件以保持电池SOC在较高水平为出发点进行能量管理与分配，使电池具有较高的功率与能量裕度，从而使电动机可以较大的功率和较长的时间在急加速等大驱动功率需求工况对发动机进行助力，实现重型车辆更高的动力性指标。提出的控制策略在满足燃油经济性和车辆驱动等基本要求的前提下，实现了混联式混合动力系统能量管理功能与预期的电池SOC保持目标。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种混合动力综合控制系统，其功能包括模拟信号、车速脉冲信号、开关信号采集与处理，控制软件存储与运行，系统换挡与模式切换操作元件液压电磁阀驱动，与系统其它ECU的CAN总线通讯，以及与上位机通讯等；在驱动功率流优化管理基础上，尽量将电池SOC保持在较高水平，提高车辆动力性能并满足其它系统大功率用电需求。能量管理策略的实现方式为，采用C语言编制的算法程序嵌入混合动力系统综合控制器ECU中；ECU软件主要包括：系统参数初始化模块，上电过程控制模块，信息读入与处理模块，在线故障诊断模块，故障处理模块，参考车速计算模块，冷却风扇电机控制模块，控制决策模块，控制指令输出模块等；在控制决策模块中包含了基于SOC保持的能量管理策略。

基于电池SOC保持的能量管理策略具体内容如下：

1)驱动需求功率计算

实际驾驶车辆时，车辆的驱动功率需求完全由驾驶员踩下加速踏板的程度、即加速踏板行程值决定。为了避免混合动力系统对加速踏板行程的功率响应过于敏感，本发明采用“抛物线模型”描述需求功率与踏板行程的关系，抛物线模型表达式为

P_N＝Ax²   (1)

其中，P_N为需求功率；A为混合动力系统额定功率，其值由设计的车辆牵引特性决定；x为加速踏板行程，以占总行程的百分比表示。

根据驱动需求功率和当前车速可计算出需求转矩，即

T_N＝P_N/(v/r)   (2)

其中，T_N为驱动需求转矩；v为当前车速；r为驱动轮滚动半径。

2)电池需求功率计算

设电池SOC保持的目标值为SOC₀。电池功率计算方法为：

①当SOC值低于SOC₀时，电池采用恒流充电模式，充电电流目标值I_charge＝0.6C(C为电池容量)。所以电池目标充电功率为

P_B＝-U₀I_charge/η_charge   (3)

其中，P_B为电池需求功率；U₀为系统直流母线电压；η_charge为电池充电效率。

由于混联式混合动力系统各部件功率相互影响，电池功率受发动机、发电机和电动机等功率的多重制约，所以实际充电功率不会和目标值完全吻合，在动态调节过程中偏差会相对较大。

②当SOC不低于SOC₀时，电池电量保持。电池需求功率P_B＝0。

③当车辆急加速或爬坡时，如果发动机不能单独满足车辆驱动需求时，电池放电。放电功率为驱动需求功率与发动机可提供功率的差值，同时满足电池额定功率和峰值功率工作制的限制。即

P_B＝(P_N-P_{e_f})/η_discharge   (4)

其中，P_{e_f}为发动机可提供的功率；η_discharge为电池放电效率。

3)发动机工作点确定

发动机功率根据驱动需求功率和电池需求功率计算，即

P_e＝P_N+P_B   (5)

当车辆处于急加速或爬坡工况，且驱动需求功率大于发动机可提供的最大功率时，发动机以可提供的最大功率工作，其它驱动需求功率由电池功率补充。

发动机工作点根据发动机最优工作曲线进行查表得到，即得到特定的发动机功率对应的发动机转速n_e与转矩T_e。发动机最优工作曲线根据发动机万有特性中的最低燃油消耗区域确定。

4)发电机工作点确定

在混联式混合动力系统中，发电机是发动机的负载之一，根据功率耦合装置的约束关系，发电机转矩和发动机转矩满足固定的比例关系，所以发电机目标工作转矩为

T_g＝T_ei_fη_{e_g}/(1+K)   (6)

其中，T_g为发电机需求转矩；i_f为系统前传动比；η_{e_g}为发动机到发电机的传动效率；K为行星机构特性参数。

由于发动机与电动机在某一时刻都有固定的转速值，所以发电机的工作转速由功率耦合装置中的行星机构转速约束关系决定。

5)电动机工作点确定

电动机工作转矩由驱动需求转矩和发动机输出转矩在功率耦合装置输出轴处的分量共同决定。即

T_m＝T_N/i_r/i_T/η_r/η_T-T_{e_axis}   (7)

其中，T_m为电动机需求转矩；i_r为后传动比；i_T为当前挡位传动比；η_r为后传动效率；η_T为变速器效率；T_{e_axis}为发动机输出转矩在输出轴上的分量。

T_{e_axis}与发动机、发电机转矩的关系由功率耦合装置决定，其值为

T_{e_axis}＝T_ei_fη_{e_axis}K/(1+K)   (8)

电动机和车轮有固定的机械连接，所以其工作转速由当前车速决定。

该发明的有益效果在于：本发明以保持电池SOC在较高水平为出发点进行能量管理与分配，使电池具有较高的功率与能量裕度，从而使电动机可以较大的功率和较长的时间在急加速等大驱动功率需求工况对发动机进行助力，实现重型车辆更高的动力性指标。提出的控制策略在满足燃油经济性和车辆驱动等基本要求的前提下，实现了混联式混合动力系统能量管理功能与预期的电池SOC保持目标。

附图说明

图1为本发明实施例中的综合控制器ECU硬件结构图。

图2为本发明实施例中综合控制器ECU软件流程图。

图3为本发明实施例中SOC保持能量管理策略流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

实施例

本发明实施例中的混合动力综合控制系统，其功能包括模拟信号、车速脉冲信号、开关信号采集与处理，控制软件存储与运行，系统换挡与模式切换操作元件液压电磁阀驱动，与系统其它ECU的CAN总线通讯，以及与上位机通讯等。硬件结构如图1所示。

ECU软件主要包括系统参数初始化模块，上电过程控制模块，信息读入与处理模块，在线故障诊断模块，故障处理模块，参考车速计算模块，冷却风扇电机控制模块，控制决策模块，控制指令输出模块等。在控制决策模块中包含了基于SOC保持的能量管理策略。控制软件程序总体流程如图2所示。

该系统中的混合动力系统基于SOC保持的能量管理策略为，在驱动功率流优化管理基础上，尽量将电池SOC保持在较高水平，提高车辆动力性能并满足其它系统大功率用电需求。能量管理策略的实现方式为，采用C语言编制的算法程序嵌入混合动力系统综合控制器ECU中。SOC保持能量管理策略流程图如图3所示。

基于电池SOC保持的能量管理策略具体内容如下：

1)驱动需求功率计算

实际驾驶车辆时，车辆的驱动功率需求完全由驾驶员踩下加速踏板的程度、即加速踏板行程值决定。为了避免混合动力系统对加速踏板行程的功率响应过于敏感，本发明采用“抛物线模型”描述需求功率与踏板行程的关系，抛物线模型表达式为

P_N＝Ax²   (1)

其中，P_N为需求功率；A为混合动力系统额定功率，其值由设计的车辆牵引特性决定；x为加速踏板行程，以占总行程的百分比表示。

根据驱动需求功率和当前车速可计算出需求转矩，即

T_N＝P_N/(v/r)   (2)

其中，T_N为驱动需求转矩；v为当前车速；r为驱动轮滚动半径。

2)电池需求功率计算

设电池SOC保持的目标值为SOC₀。电池功率计算方法为：

①当SOC值低于SOC₀时，电池采用恒流充电模式，充电电流目标值I_charge＝0.6C(C为电池容量)。所以电池目标充电功率为

P_B＝-U₀I_charge/η_charge   (3)

其中，P_B为电池需求功率；U₀为系统直流母线电压；η_charge为电池充电效率。

由于混联式混合动力系统各部件功率相互影响，电池功率受发动机、发电机和电动机等功率的多重制约，所以实际充电功率不会和目标值完全吻合，在动态调节过程中偏差会相对较大。

②当SOC不低于SOC₀时，电池电量保持。电池需求功率P_B＝0。

③当车辆急加速或爬坡时，如果发动机不能单独满足车辆驱动需求时，电池放电。放电功率为驱动需求功率与发动机可提供功率的差值，同时满足电池额定功率和峰值功率工作制的限制。即

P_B＝(P_N-P_{e_f})/η_discharge   (4)

其中，P_{e_f}为发动机可提供的功率；η_discharge为电池放电效率。

3)发动机工作点确定

发动机功率根据驱动需求功率和电池需求功率计算，即

P_e＝P_N+P_B   (5)

当车辆处于急加速或爬坡工况，且驱动需求功率大于发动机可提供的最大功率时，发动机以可提供的最大功率工作，其它驱动需求功率由电池功率补充。

发动机工作点根据发动机最优工作曲线进行查表得到，即得到特定的发动机功率对应的发动机转速n_e与转矩T_e。发动机最优工作曲线根据发动机万有特性中的最低燃油消耗区域确定。

4)发电机工作点确定

在混联式混合动力系统中，发电机是发动机的负载之一，根据功率耦合装置的约束关系，发电机转矩和发动机转矩满足固定的比例关系，所以发电机目标工作转矩为

T_g＝T_ei_fη_{e_g}/(1+K)   (6)

其中，T_g为发电机需求转矩；i_f为系统前传动比；η_{e_g}为发动机到发电机的传动效率；K为行星机构特性参数。

由于发动机与电动机在某一时刻都有固定的转速值，所以发电机的工作转速由功率耦合装置中的行星机构转速约束关系决定。

5)电动机工作点确定

电动机工作转矩由驱动需求转矩和发动机输出转矩在功率耦合装置输出轴处的分量共同决定。即

T_m＝T_N/i_r/i_T/η_r/η_T-T_{e_axis}   (7)

其中，T_m为电动机需求转矩；i_r为后传动比；i_T为当前挡位传动比；η_r为后传动效率；η_T为变速器效率；T_{e_axis}为发动机输出转矩在输出轴上的分量。

T_{e_axis}与发动机、发电机转矩的关系由功率耦合装置决定，其值为

T_{e_axis}＝T_ei_fη_{e_axis}K/(1+K)   (8)

电动机和车轮有固定的机械连接，所以其工作转速由当前车速决定。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种混合动力综合控制系统，其特征在于：其功能包括模拟信号、车速脉冲信号、开关信号采集与处理，控制软件存储与运行，系统换挡与模式切换操作元件液压电磁阀驱动，与系统其它ECU的CAN总线通讯，以及与上位机通讯等；在驱动功率流优化管理基础上，尽量将电池SOC保持在较高水平，提高车辆动力性能并满足其它系统大功率用电需求；能量管理策略的实现方式为，采用C语言编制的算法程序嵌入混合动力系统综合控制器ECU中；ECU软件主要包括：系统参数初始化模块，上电过程控制模块，信息读入与处理模块，在线故障诊断模块，故障处理模块，参考车速计算模块，冷却风扇电机控制模块，控制决策模块，控制指令输出模块等；在控制决策模块中包含了基于电池SOC保持的能量管理策略。

2.根据权利要求1所述的混合动力综合控制系统，其特征在于：所述基于电池SOC保持的能量管理策略具体内容如下：

1)驱动需求功率计算：

实际驾驶车辆时，车辆的驱动功率需求完全由驾驶员踩下加速踏板的程度、即加速踏板行程值决定；采用“抛物线模型”描述需求功率与踏板行程的关系，抛物线模型表达式为

P_N＝Ax²  (1)

其中，P_N为需求功率；A为混合动力系统额定功率，其值由设计的车辆牵引特性决定；x为加速踏板行程，以占总行程的百分比表示；

根据驱动需求功率和当前车速可计算出需求转矩，即

T_N＝P_N/(v/r)  (2)

其中，T_N为驱动需求转矩；v为当前车速；r为驱动轮滚动半径；

2)电池需求功率计算：

设电池SOC保持的目标值为SOC₀；电池功率计算方法为：

①当SOC值低于SOC₀时，电池采用恒流充电模式，充电电流目标值I_charge＝0.6C(C为电池容量)；所以电池目标充电功率为

P_B＝-U₀I_charge/η_charge  (3)

其中，P_B为电池需求功率；U₀为系统直流母线电压；η_charge为电池充电效率；

②当SOC不低于SOC₀时，电池电量保持；电池需求功率P_B＝0；

③当车辆急加速或爬坡时，如果发动机不能单独满足车辆驱动需求时，电池放电；放电功率为驱动需求功率与发动机可提供功率的差值，同时满足电池额定功率和峰值功率工作制的限制；即

P_B＝(P_N-P_{e_f})/η_discharge  (4)

其中，P_{e_f}为发动机可提供的功率；η_discharge为电池放电效率；

3)发动机工作点确定：

发动机功率根据驱动需求功率和电池需求功率计算，即

P_e＝P_N+P_B  (5)

当车辆处于急加速或爬坡工况，且驱动需求功率大于发动机可提供的最大功率时，发动机以可提供的最大功率工作，其它驱动需求功率由电池功率补充；

4)发电机工作点确定

在混联式混合动力系统中，发电机是发动机的负载之一，根据功率耦合装置的约束关系，发电机转矩和发动机转矩满足固定的比例关系，所以发电机目标工作转矩为

T_g＝T_ei_fη_{e_g}/(1+K)  (6)

其中，T_g为发电机需求转矩；i_f为系统前传动比；η_{e_g}为发动机到发电机的传动效率；K为行星机构特性参数；

5)电动机工作点确定：

电动机工作转矩由驱动需求转矩和发动机输出转矩在功率耦合装置输出轴处的分量共同决定；即

T_m＝T_N/i_r/i_T/η_r/η_T-T_{e_axis}  (7)

其中，T_m为电动机需求转矩；i_r为后传动比；i_T为当前挡位传动比；η_r为后传动效率；η_T为变速器效率；T_{e_axis}为发动机输出转矩在输出轴上的分量；

T_{e_axis}与发动机、发电机转矩的关系由功率耦合装置决定，其值为

T_{e_axis}＝T_ei_fη_{e_axis}K/(1+K)  (8)

电动机和车轮有固定的机械连接，所以其工作转速由当前车速决定。