CN104802630B - 混联式混合动力车辆多动力源协调控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混联式混合动力车辆多动力源协调控制方法。本发明提出了基于发动机转速偏差的机电耦合转矩冲突与基于电池组母线电压波动的电功率不平衡量的检测方法。通过发动机控制目标和实际转速差设定转矩协调系数提出了机电转矩协调控制方法,通过电池组模型与多电机转矩解耦计算求解电功率协调系数提出了机电功率协调控制方法。本发明能够解决动态调节控制问题并补充基本能量管理方法分配精度和对部件动态响应特性考虑不充分的不足,有效协调混合动力系统多动力源功率分配与多功率元件的转矩分配平衡,保证系统部件工作的稳定性、可靠性,保证系统用电需求与电功率平衡。避免电池组过充过放也提高了动力电池组的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种协调控制方法,具体涉及一种混联式混合动力车辆多动力源协调控制方法。
背景技术
混联式混合动力系统是重型车辆实现电驱动的可行方案,它虽然结构复杂,控制难度大,但综合了并联式和串联式混合动力的优点,具有优异的燃油经济性和动力性能。控制方法一直是混合动力系统研究的热点,由于重型车辆要求的变速范围宽、速比大,应用于重型车辆的混合动力系统一般还包括多挡变速器,所以针对电动/混合动力等模式切换和挡位切换过程、机电转矩合理分配和协同配合的协调控制方法是混联式混合动力控制方法研究的一个重要方面。
在国内,清华大学针对驱动过程转矩的快速响应及平顺性,提出了基于模型匹配的动态转矩协调控制方法;还研究了针对并联式混合动力系统的多动力源比例协调控制方法。重庆大学、上海交通大学、吉林大学等针对混合动力驱动模式切换过程或换挡过程研究了扭矩协调控制方法。国外有研究者将混合动力模式切换系统归类为混杂系统的切换问题或通过建立发动机转矩状态观测器及电动机转矩输出补偿方法等对工作模式切换过程的动力源协调控制开展了研究。有些研究者针对特定结构的混合动力系统给出转矩协调控制方法。
以上研究侧重于对机电混合的驱动转矩进行闭环控制或对模式切换过程中的动态变化进行调节与控制来保持驱动或切换过程的平顺性,针对混联式混合动力多动力源转矩的解耦控制与电功率平衡的闭环控制关注较少。混联式混合动力系统中各功率部件存在固有的耦合关系,单个部件转矩或功率的改变易引起连锁反应导致系统失去稳定性。重型混合动力车辆质量大,动力性要求高,而且辅助系统等其它系统用电功率大,所以防止电池组过充或过放,保持电功率平衡是重型车辆混合动力系统可靠工作、实现优良性能的重要保证。所以有必要针对混联式混合动力系统的多动力源协调控制开展专门研究。
以行星机构构成的混联式混合动力系统,存在发动机转矩和发电机转矩,发电功率和用电功率的协调控制问题。提出了基于发动机转速与目标转速差调节发电机转矩,实现机电转矩的协调控制。根据电池组电压协调控制电动机转矩,从而实现电功率的协调控制。
发明内容
针对现有技术上存在的不足,本发明目的是在于提供一种混联式混合动力车辆多动力源协调控制方法,能够解决动态调节控制问题并补充基本能量管理方法分配精度和对部件动态响应特性考虑不充分的不足,有效协调混合动力系统多动力源功率分配与多功率元件的转矩分配平衡,保证系统部件工作的稳定性、可靠性,保证系统用电需求与电功率平衡。避免电池组过充过放也提高了动力电池组的使用寿命。
为了实现上述目的,本发明是通过如下的技术方案来实现:混联式混合动力车辆多动力源协调控制方法,包括机电转矩协调控制方法和电功率协调控制方法;所述的机电转矩协调控制方法为:发动机具有转速传感器可准确获得发动机实际转速,而发动机目标转速由混联式混合动力系统综合控制器计算得到,并通过总线网络发送给发动机控制器。基于发动机实际转速和目标转速的偏差可设计闭环控制器对于处于发电状态作为发动机负载的电机转矩进行自适应调整,以保证系统的工作稳定并获得最接近目标值的发动机驱动转矩输出;同时,通过协调控制方法,还可以克服混合动力综合控制器中发动机输出转矩数据与实际发动机可以输出转矩的偏差,在急加速工况当发动机目标转速设定值较高时,通过发动机控制器自身的转速闭环控制自适应控制出发动机的最大输出转矩,提高系统动力性和控制稳定性。
所述的电功率协调控制方法,其步骤为:1、根据母线电压和电池内阻、电池组SOC等数据在线观测或辨识电池组功率,从而计算出不平衡电功率。混联式混合动力系统综合控制器根据不平衡电功率计算第一电机A和第二电机B需要额外补偿的电功率,并将控制指令发送给电机控制器,使两个电机产生额外吸收或释放的电功率,从而使母线电压恢复稳定;
2、通过电池目标功率计算电池组目标电流,通过电池组模型及相关参数计算电池组实际电流估计值,(采用估计方法可以在不使用电池管理系统数据的情况下单纯依靠整车综合控制器的有限信息实现相关计算与控制),定义实际电流与目标电流的比值作为参考值。如果偏差量在10%以内,考虑计算所用的电池模型及开路电压、电池内阻等误差,所以对较小的偏差量不进行修正。如果电池组电流确实出现了偏差,则会引起电池组SOC的非预期的缓慢变化,SOC缓变量可通过电池组目标功率确定方法修正,此处不予过多讨论。如果偏差量较大,超过了10%,则计算不平衡电功率,求解电功率协调系数。
求解方法为:假定Itarget为电池组目标功率算法确定的目标电流,电池组实际电流Ibatt为
Ibatt=(E-Uoc)/Rint (1)
考虑到电池组瞬态端电压值有测量噪声,电池功率计算需要的电池组实际电流又需要具有较好的实时性,所以采用小波变换算法进行滤波处理。小波变换通过伸缩和平移基小波实现对函数或信号序列的多尺度细化分析,具有良好的时频局部化特点。
基于电池组电流目标值与实际值计算不平衡电功率,即电功率值偏差Pele通过下式计算
Pele=Uoc(Ibatt-Itarget) (2)
设定电功率协调系数为Kele,则修正后的发电机目标转矩为
TA=TA0(1+Kele) (3)
式中,TA0为基础能量管理方法确定的发电机目标转矩。
由于发动机、发电机和电动机转矩存在耦合,发电机转矩变化时,相应的发动机、电动机转矩都会发生变化。如果增大发电机的发电转矩,则发动机的输出转矩增大,相应的输出到驱动端的机械力矩也相应增加、电动机需求转矩将减小。根据耦合约束及电功率平衡要求,可得电功率偏差量应该等于发电机转矩修正后增加的发电量和电动机减小的用电量之和,即
Pele=nATA0KeleηA+knBTA0Keleηx/ηB (4)
式中,ηA为发电机发电效率;ηB为电动机电动效率;ηx为发动机转矩传递到电动机所在齿圈处的行星排传动效率。
求解上式可得电功率协调系数表达式为
通过电功率协调系数修正发电机目标转矩后,就会获得额外的电功率。当Kele为正时,表示需要增加额外的电功率;如果Kele为负,表示需要减小电功率。
本发明的具有以下有益效果:
(1)本发明的混联式混合动力车辆多动力源协调控制方法可很好地解决动态调节控制问题并补充基本能量管理方法分配精度和对部件动态响应特性考虑不充分的不足,有效协调混合动力系统多动力源功率分配与多功率元件的转矩分配平衡,保证系统部件工作的稳定性、可靠性,保证系统用电需求与电功率平衡。
(2)转矩协调控制方法通过转矩协调系数算法保持发动机工作点的稳定性,使发动机及作为发动机负载的发电机协调工作,实现预期的燃油经济性和动力性目标。
(3)电功率平衡协调控制方法通过可测的母线电压与电池组模型监测电功率不平衡量,通过求解不平衡电功率值与电功率协调系数,使混合动力系统的用电与发电元件协调,保证系统的用电需求与电量平衡。避免电池组过充过放即保证混合动力系统的可靠工作,也提高了电池组的使用寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明;
图1为本发明的多功率流协调控制方法示意图;
图2为本发明的电功率平衡控制方法示意图;
图3为本发明的发动机转矩协调系数变化曲线图。
图4为本发明的实施例1的EMT系统功率耦合方案示意图;
图5为本发明的实施例1的柴油发动机的最大输出转矩图;
图6为本发明的实施例1的某工况下动态过程的发动机转速和车速状态图;
图7为本发明的实施例2的混联式混合动力系统直流母线系统结构图;
图8为本发明的实施例2的机电混合驱动工况的功率流图;
图9为本发明的实施例2的电池内阻模型图;
图10本发明实施例2的某驾驶工况下的油门踏板与母线电压曲线图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施方式,进一步阐述本发明。
参照图1,本具体实施方式采用以下技术方案:混联式混合动力车辆多动力源协调控制方法,包括机电转矩协调控制方法和电功率协调控制方法;所述的机电转矩协调控制方法为:发动机具有转速传感器可准确获得发动机实际转速,而发动机目标转速由混联式混合动力系统综合控制器计算得到,并通过总线网络发送给发动机控制器。基于发动机实际转速和目标转速的偏差可设计闭环控制器对于处于发电状态作为发动机负载的电机转矩进行自适应调整,以保证系统的工作稳定并获得最接近目标值的发动机驱动转矩输出;同时,通过协调控制方法,还可以克服混合动力综合控制器中发动机输出转矩数据与实际发动机可以输出转矩的偏差,在急加速工况当发动机目标转速设定值较高时,通过发动机控制器自身的转速闭环控制自适应控制出发动机的最大输出转矩,提高系统动力性和控制稳定性。发动机转矩协调控制方法结构如图1所示。
发动机转矩协调方法以转矩协调系数为基础。根据系统耦合关系,发动机转矩通过发电机施加的发电转矩输出,所以在确定发电机的目标转矩时,必须考虑发动机通过转速差反映的发动机的输出转矩情况。根据具体情况,通过将发电机目标转矩乘以转矩协调系数才确定最后发给发电机控制器的控制目标值。针对所研究的混合动力系统,转矩调节系数随发动机实际和目标转速差(绝对值)的变化关系如图3所示。当发动机转速差绝对值在300r/min以内时,转矩协调系数随转速差线性变化;如果发动机转速差超过300r/min,发电机的目标转矩设定为零,相当于不给发动机施加额外负载,发动机的全部功率用于自身控制器的转速调节控制。
所述的电功率协调控制方法,其步骤为:1、根据母线电压和电池内阻、电池组SOC等数据在线观测或辨识电池组功率,从而计算出不平衡电功率。混联式混合动力系统综合控制器根据不平衡电功率计算第一电机A和第二电机B需要额外补偿的电功率,并将控制指令发送给电机控制器,使两个电机产生额外吸收或释放的电功率,从而使母线电压恢复稳定;
2、通过电池目标功率计算电池组目标电流,通过电池组模型及相关参数计算电池组实际电流估计值,定义实际电流与目标电流的比值作为参考值。如果偏差量在10%以内,考虑计算所用的电池模型及开路电压、电池内阻等误差,所以对较小的偏差量不进行修正。如果电池组电流确实出现了偏差,则会引起电池组SOC的非预期的缓慢变化,SOC缓变量可通过电池组目标功率确定方法修正,此处不予过多讨论。如果偏差量较大,超过了10%,则计算不平衡电功率,求解电功率协调系数。
实施例1:如图4所示,行星机构有行星架、齿圈、太阳轮三个自由端,分别连接混合动力系统的发动机、电动机(即图4中电机B)、发电机(即图4中电机A)三个功率部件。
通过功率耦合机构耦合特性分析,混联式混合动力系统各功率部件转矩与转速满足一定的稳态约束关系,即
式中,nA为发电机转速;nB为电动机转速;ni为功率耦合机构输入转速,等于发动机转速;no为功率耦合机构输出转速;TA为发电机转矩,负值代表发电;TB为电动机转矩,正值代表用电;Ti为功率耦合机构输入转矩,等于发动机输出转矩;To为功率耦合机构输出转矩,等于行星排齿圈输出转矩与电动机输出转矩之和;k为行星排特性参数,等于行星排齿圈与太阳轮齿数之比。
由于本实施例使用的柴油发动机具有全程调速特性,转矩不易准确控制,发动机控制器只有速度调节环,所以在此混联式混合动力系统系统中,发动机采用调速模式。在混联式混合动力系统直驶驱动工况的动态过程中,发动机输出转矩除了克服自身阻力外,主要用于驱动车辆行驶和进行自身转速调节,即
Te=Te_L+jeωe+Te_f (8)
式中,Te_L为发动机的负载转矩;Te_f为发动机本身的摩擦转矩;je为发动机惯量;ωe为发动机转速。
某300kW柴油发动机的最大输出转矩如图5所示。
在混联式混合动力系统系统中,发动机分担的车辆负载和电机负载(即电机输出转矩)相互耦合,同时发动机转速调节速率远低于电机转矩调节速率。这样当电机转矩设定不适合发动机当前转矩输出能力或发动机调速和电机转矩耦合变化时,有可能出现发动机和电机耦合转矩的不匹配,从而导致发动机工作状态异常。
具体分析为:通过混联式混合动力系统系统的综合调节,发动机转速一般可保证工作在最大转矩点以上。如果车辆负载较大将发动机转速拉低,由于随着转速降低,发动机可输出转矩增大,所以发动机转速尚能保持稳定,但发动机及电机的工作状态都相应改变,偏离了稳态优化控制目标。如果发动机转速进一步降低,低于最大转矩点后,发动机转矩也随之迅速下降,这样发动机转速会失去稳定性,下降越来越剧烈,低于怠速点后发动机会很快熄火。同时,分配到发动机的车辆负载过大,将影响发动机用于调速克服惯性力的输出力矩,导致发动机不能调速或者调速过于缓慢,影响发动机的输出功率增加乃至整个系统的功率分配与工作状态。
因此,准确的控制发动机负载对于系统协调工作和保证系统稳定性具有重大意义。调节电机转矩即可调节分配到发动机上的车辆负载。但是发动机输出转矩在动态过程中和稳态标定值可能产生很大的偏差,通过发动机稳态转矩数据约束电机的转矩设定并不能适用于所有工况。所以必须在线自动识别发动机负载偏差,并进行相应的控制。
某工况下动态过程的发动机转速和车速状态如图6所示。如果发电机转矩给定不当,发动机目标转速和实际转速将产生较大的偏差。
实施例2:混联式混合动力系统的直流母线系统如图7所示。由于功率分配模型的误差以及电机功率及效率的计算误差,可能会导致各电机功率偏离预期值。但是混合动力系统中作为“电量蓄水池”的动力电池组会平衡这种偏差,但是电池组会处于过度充电或放电的状态,由此会对电池量的荷电状态产生非预期的剧烈变化影响正常的多动力源功率分配,而且对电池组寿命产生很不利的影响。所以,需要对混合动力系统电功率不平衡量进行检测与控制。
由混合动力系统直流母线结构和以上分析可知,电功率不平衡量会直观的反应在电池的状态上,所以识别与监控电池状态是解决电功率平衡问题的可行途径。
机电混合驱动工况的基本功率流如图8所示。机电功率分流后的电功率主要由发电机、电动机、储能装置(这里是动力电池组)、用电设备等功率组成。
根据直流母线的结构可得系统的电功率平衡方程为
式中,ηA为发电机效率;ηB为电动机效率,之所以用符号函数表示效率是因为电动机有可能工作在发电工况,发电机情况亦然;Pbatt为电池组功率;Paux为用电设备功率,根据辅助系统及电控装置用电等计算。
电流平衡方程为
IA+IB+Ibatt+Iaux=0 (10)
式中,IA为发电机电流;IB为电动机电流;Ibatt为电池组电流;Iaux为用电设备电流。
显然,发电机的发电功率和电动机、其它用电设备的耗电功率的偏差可以用电池组功率和电流来描述。
电池组特性可有多种模型进行描述,比较简单容易在线计算的是电池内阻模型,如图9所示。
电池内阻模型将电池组看作一个可控电压源和一个可变电阻组成。
根据内阻模型,电池组瞬时电压为
E=Uoc+IbattRint (11)
式中,E为电池组两端瞬时电压;Uoc为电池组开路电压,主要由电池组当前荷电状态(SOC)决定;Rint为电池组内阻电池内阻是SOC、温度和电流方向(充电或放电)的函数,通过电池的充放电试验获得相关参数,通过插值查表的方法获得相应数据。
由电功率和电流平衡方程可知,如果第一电机A和第二电机B的电功率或者电流匹配产生过大的偏差,必然导致电池组产生过大的充电或放电电流,从而导致母线电压,即电池组瞬态端电压,产生很大的波动。
例如,如果电机B吸收电功率设定值过大,如使用峰值功率,则电机A释放电功率远小于电机B吸收功率,则系统母线电压将出现较大的波动,在驾驶工况前后稳态母线电压(即开路电压)出现较大偏差,这表明电池组SOC出现了非预期的显著变化。某驾驶工况下的油门踏板位置和母线电压曲线如图10所示。
因此,通过母线电压的波动即可判断电池组的充放电状态。电池组过充或过放的电功率(即电池组当前功率和目标功率的偏差)即是需要识别和补偿的不平衡电功率。
本具体实施方式针对混联式混合动力系统的多动力源协调控制问题进行分析,提出了基于发动机转速偏差的机电耦合转矩冲突与基于电池组母线电压波动的电功率不平衡量的检测方法。通过与发动机转速差成比例关系设定转矩协调系数提出了机电转矩协调控制方法,通过电池组模型与多电机转矩解耦计算求解电功率协调系数提出了电功率协调控制方法。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (2)
1.混联式混合动力车辆多动力源协调控制方法,其特征在于,包括机电转矩协调控制方法和电功率协调控制方法;所述的机电转矩协调控制方法为:发动机具有转速传感器可准确获得发动机实际转速,而发动机目标转速由混联式混合动力系统综合控制器计算得到,并通过总线网络发送给发动机控制器;基于发动机实际转速和目标转速的偏差可设计闭环控制器对于处于发电状态作为发动机负载的电机转矩进行自适应调整,以保证系统的工作稳定并获得最接近目标值的发动机驱动转矩输出;同时,通过协调控制方法,还可以克服混合动力综合控制器中发动机输出转矩数据与实际发动机可以输出转矩的偏差,在急加速工况当发动机目标转速设定值较高时,通过发动机控制器自身的转速闭环控制自适应控制出发动机的最大输出转矩,提高系统动力性和控制稳定性。
2.根据权利要求1所述的混联式混合动力车辆多动力源协调控制方法,其特征在于,所述的电功率协调控制方法,其步骤为:(1)、根据母线电压和电池内阻、电池组SOC的数据在线观测或辨识电池组实际功率,从而计算出不平衡电功率;混联式混合动力系统综合控制器根据不平衡电功率计算第一电机和第二电机需要额外补偿的电功率,并将控制指令发送给电机控制器,使两个电机产生额外吸收或释放的电功率,从而使母线电压恢复稳定;
(2)、通过电池目标功率计算电池组目标电流,通过电池组模型及母线电压的相关参数计算电池组实际电流估计值,定义实际电流与目标电流的比值作为参考值;如果偏差量在10%以内,考虑计算所用的电池模型及开路电压、电池内阻的误差,所以对较小的偏差量不进行修正;如果电池组电流确实出现了偏差,则会引起电池组SOC的非预期的缓慢变化,SOC缓变量可通过电池组目标功率确定方法修正,此处不予过多讨论;如果偏差量较大,超过了10%,则计算不平衡电功率,求解电功率协调系数。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |