CN105644546B - 一种混合动力客车的发动机和驱动电机的发电控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合动力客车的发动机和驱动电机的发电控制方法，包括以下步骤：获取车辆当前的车速和牵引需求扭矩；确定牵引需求扭矩在发动机经济扭矩范围之内，并将牵引需求扭矩和发动机经济扭矩的差值设定为驱动电机制动扭矩目标值；调整驱动电机制动扭矩目标值，使得电机制动扭矩的绝对值高于电机最小发电扭矩且低于电机最大发电扭矩；在约束时间内依照量化步长将驱动电机的制动扭矩从零开始变化至电机制动扭矩数值，且将驱动电机的制动扭矩的绝对值设定为不超过当前驱动电机转速下允许输出的最大扭矩；以发动机经济扭矩与驱动电机的制动扭矩的和作为发动机目标扭矩。

Description

一种混合动力客车的发动机和驱动电机的发电控制方法
技术领域
本发明涉及混合动力客车技术领域，具体地说，涉及一种并联型混合动力客车的发动机与驱动电机的发电控制方法。
背景技术
根据混合动力客车驱动结构类型的不同，混合动力系统传动链常见结构分为“发动机-离合器-驱动电机”或“发动机-ISG电机-离合器-驱动电机”两种。当车速较低时，离合器分离，由驱动电机直接驱动车辆；当车速较高时，离合器结合，发动机与电机联合作用，共同驱动车辆。
与传统车辆相比，混合动力客车增加电机作为驱动单元，可实现纯电动起步。通过电机提供能源来减少发动机驱动的时间，降低车辆油耗。由于不能外接充电，电机纯电动起步所需的电量主要来源于制动能量回收与发动机辅助发电。一般而言，混合动力客车主要在城市公交路况下行驶，拥堵路段较多，车辆行驶速度较慢，电机制动回收电量有限。当回收电量不能够满足纯电驱动所需电量时，纯电动起步功能丧失或需要通过发动机串联发电进行电量补充，导致车辆油耗增加。
目前，在联合作用阶段发动机与电机的驱动扭矩分配通常为：当储能系统电量较高时，电机驱动扭矩＝车辆需求扭矩–发动机经济扭矩，其中，发动机目标扭矩与发动机经济扭矩相等；如果车辆需求扭矩小于发动机经济扭矩，则电机驱动扭矩与车辆需求扭矩相等，发动机目标扭矩为零；当储能系统电量较低时，电机驱动扭矩为零，发动机目标扭矩为车辆需求扭矩与最大输出扭矩的最小值。这种方式主要通过优化发动机驱动效率，实现改善燃油经济性的目的。然而，对于车辆行驶速度较慢、发动机低负荷的情况下，也不能提升回收的电能。
因此，亟需一种在不增加车辆硬件配置的前提下，实现电机回收电量提升的发动机与发电机的控制方法，来改善车辆纯电驱动性能。
发明内容
本发明的目的之一在于解决现有的并联型混合动力客车制动回收的电量有限，以至于回收的电量不能够满足纯电驱动所需电量的技术缺陷。
本发明的实施例首先提供一种混合动力客车的发动机和驱动电机的发电控制方法，所述混合动力客车的动力系统包括发动机、ISG电机、离合器和驱动电机，其中，发动机与ISG电机连接，ISG电机通过离合器与驱动电机连接，在离合器联动的状态下发动机利用驱动电机发电，所述控制方法包括以下步骤：
获取车辆当前的车速和牵引需求扭矩；
确定牵引需求扭矩在发动机经济扭矩范围之内，并将牵引需求扭矩和发动机经济扭矩的差值设定为驱动电机制动扭矩目标值；
调整驱动电机制动扭矩目标值，使得驱动电机制动扭矩的绝对值高于驱动电机最小发电扭矩且低于驱动电机最大发电扭矩；
在约束时间内依照量化步长将驱动电机的制动扭矩从零开始变化至驱动电机制动扭矩数值，且将驱动电机的制动扭矩的绝对值设定为不超过当前驱动电机转速下允许输出的最大扭矩；
以发动机经济扭矩与驱动电机的制动扭矩目标值的绝对值得到的差值和驱动电机的制动扭矩的当前值的和作为发动机目标扭矩；
其中，在调整驱动电机制动扭矩目标值的步骤中包括：
在驱动电机制动扭矩目标值与当前驱动电机转速对应的驱动电机最小发电扭矩的相反数这两个数值中选择最小值，来更新驱动电机制动扭矩目标值；
在更新之后的驱动电机制动扭矩目标值与当前驱动电机转速对应的驱动电机最大发电扭矩的相反数这两个数值中选择最大值，得到驱动电机制动扭矩数值。
在一个实施例中，根据发动机目标扭矩和当前发动机转速计算发动机目标功率；
由当前发动机转速和发动机目标功率确定发动机目标油门。
在一个实施例中，所述驱动电机最小发电扭矩为发动机利用驱动电机发电时，驱动电机允许输出的最小发电扭矩；所述驱动电机最大发电扭矩为发动机利用驱动电机发电时，驱动电机允许输出的最大发电扭矩；
其中，在发电状态下驱动电机转速数值和牵引扭矩数值对应的驱动电机工作效率均接近于驱动电机最高效率。
在一个实施例中，在获取车辆当前的车速和牵引需求扭矩的步骤之前，还包括：
确定离合器持续保持联动状态的时长超过预设时间段。
在一个实施例中，在获取车辆当前的车速和牵引需求扭矩的步骤之前，还包括：
检测蓄电池的剩余电量，当剩余电量低于预设的最小阈值时发动机利用驱动电机发电。
在一个实施例中，还包括：
检测蓄电池的剩余电量，当剩余电量高于预设的最大阈值时，发动机停止发电。
在一个实施例中，在调整驱动电机制动扭矩目标值的步骤中还包括：
若驱动电机制动扭矩目标值的绝对值低于驱动电机最小发电扭矩的一半，则将驱动电机制动扭矩目标值设置为零。
在一个实施例中，在将驱动电机的制动扭矩的绝对值设定为不超过当前驱动电机转速下允许输出的最大扭矩的步骤中：
在驱动电机的制动扭矩与当前驱动电机转速对应的驱动电机允许输出的最大扭矩的相反数这两个数值中选择最大值，来更新驱动电机的制动扭矩。
本发明实施例在不增加车辆硬件配置的前提下，通过增加发动机、驱动电机并联发电功能，实现储能电量的提升，改善车辆纯电驱动性能。当蓄电池处于充电模式时，混合动力车处于驱动工况。当车辆行驶时，蓄电池电量较低，发动机功率除了满足驱动车辆行驶的要求外，还将部分多余的功率通过驱动电机发电的方式产生电能，向蓄电池充电，从而弥补车辆在静止、纯电动起步、低速行驶或者加速行驶时需要的电能。
在混合动力车正常行驶过程中，由于发动机处于中低负荷状态并未达到最高的驱动效率。因此，蓄电池具有较低的剩余电量，可以向蓄电池充电。本发明的实施例通过设定驱动电机的制动扭矩，在发动机驱动车辆行驶的过程中利用驱动电机发电。发动机不仅提供驱动车辆行驶所需的动力，而且还要提供额外的功率通过驱动电机发电转换为电能来给蓄电池充电。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例的混合动力客车的动力系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的混合动力系统的控制原理示意图；
图3为本发明实施例的发动机和驱动电机发电控制方法的步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。
以下结合说明书附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不相冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
图1为本发明实施例的混合动力客车的动力系统的结构示意图。该动力系统采用主要包括发动机、ISG(Integrated Started Generator)电机、离合器、驱动电机和蓄电池。其中，发动机与ISG电机连接，ISG电机通过离合器与驱动电机连接。当离合器结合后，发动机与ISG电机联合产生的牵引力施加到驱动电机上，并通过差速器驱动车轮。
该动力系统采用混联式结构，其综合了串联和并联式两种结构的特点，能根据不同的工况让油(气)和电能两种能源分别按照串联、并联或者串并联结合三种混合模式工作，从而实现动力性、经济性和环保的统一。
根据离合器工作状态、蓄电池剩余电量的不同，发动机与驱动电机(下文也称为“电机”)的工作模式可分多种：当离合器分离时，驱动电机单独驱动，发动机可以处于熄火、怠速、串联发电等状态；当离合器结合后，发动机负责驱动，驱动电机可以并联驱动或发电。
本发明的实施例主要针对离合器结合后驱动电机并联发电情况，在不损失车辆动力性的前提下，通过调节驱动电机制动扭矩输出，实现发动机工作负荷优化，提升发动机燃油经济性，增加动力系统发电量，改善拥堵工况车辆纯电起步特性。
图2为本实施例的混合动力系统的控制原理示意图。混合动力系统基于整车CAN总线进行部件控制，整车控制器通过电气信号采集离合器工作状态，通过CAN报文实现驱动电机扭矩控制，通过油门信号完成发动机动力输出。
本实施例主要提供一种在离合器结合后处于联动状态下，ISG电机不参与工作，发动机利用驱动电机进行发电，从而对蓄电池充电的并联发电控制方法。首先对该方法中涉及的模型和参数进行说明。
1)发动机外特性：不同转速下发动机克服摩擦扭矩后最大净扭矩输出，用公式Emax(ne)表示，其中ne为发动机转速；
2)发动机峰值扭矩：Emax；
3)发动机经济特性：不同转速下发动机单位功率油耗值最少的扭矩即为经济扭矩，经济扭矩为发动机克服摩擦扭矩后的净扭矩输出，用Eeco(ne)表示，其中ne为发动机转速；
4)发动机油门特性：不同转速点各净功率输出对应的发动机油门，用Pedal(pe,ne)表示，pe为发动机净功率，ne表发动机转速；
5)驱动电机外特性：不同转速下驱动电机允许输出的最大扭矩，用Mmax(nm)表示，nm表示驱动电机转速；
6)驱动电机效率特性：不同转速、扭矩点对应的驱动电机工作效率，用Eff(nm,Tm)表示，nm表示驱动电机转速，Tm为驱动电机扭矩；不同转速下驱动电机最高效率用表达式Effmax(nm)表示，nm表示驱动电机转速；
7)驱动电机最小发电扭矩：并联发电时驱动电机允许输出的最小发电扭矩，该扭矩取值不唯一，用Gmin表示，要求0≤Gmin≤(0.1～0.2)×Eeco(ne)，且对于并联发电范围内的任意转速nm要求尽可能满足：|Eff(nm,Tmin)-Effmax(nm)|≤(5％～10％)，确保驱动电机发电效率较高；
8)驱动电机最大发电扭矩：并联发电时驱动电机允许输出的最大发电扭矩，该扭矩取值不唯一，用Gmax(nm)表示，要求0≤Gmax(nm)≤(0.3～0.4)×Eeco(ne)，nm表示驱动电机转速；
9)离合器结合过程所需的时间tclutch；
10)当前加速踏板牵引状态下、车速对应的车辆牵引需求扭矩Treq；
11)蓄电池使用范围为[s1，s2]，s2＞s1，分别为蓄电池的高电平阈值和低电平阈值。
当离合器结合后，由发动机提供车辆所需的主要动力。受道路工况、司机驾驶意图限制，发动机工作负荷变动较大。本实施例的主要设计思想在于，当发动机工作负荷较低时，燃油效率较低，此时如果给定特定大小的驱动电机反向扭矩，使得发动机负荷增加，则燃油效率提升；同时，离合器结合后由于驱动电机处于中高转速区域，其制动效率较好。因此联合发电实际是利用发动机的高效驱动工况与驱动电机的高效制动工况在中高转速区域重叠的分布特性，实现总效率优于发动机低负荷驱动与发动机ISG串联发电，改善车辆的燃油经济性。
但是，并联发电会导致发动机负载突增，负荷变化较快对车辆的加速稳定性产生影响。本发明的实施例通过对比车辆需求扭矩与发动机经济扭矩，灵活调节驱动电机制动扭矩，确保并联发电发动机工作点稳定在经济特性曲线附近，实现发动机驱动效率提升。同时，还针对驱动电机制动扭矩进行限幅、平滑处理，实现驱动电机高效稳定发电，确保车辆运行平稳。
为了便于计算，对驱动电机的驱动(牵引)扭矩和制动(发电)扭矩的符号进行如下规定。驱动(牵引)扭矩的数值为正数；制动(发电)扭矩的数值为负数。
以下参照图3对发动机和驱动电机的发电控制方法进行说明。
在步骤S310中，检测离合器的结合状态，若离合器持续保持联动状态的时长超过预设时间段，则准备进入并联发电模式。优选的，如果结合保持时间t≥(2～3)tclutch，则执行步骤S320；否则重复执行步骤S310。
在步骤S320中，检测蓄电池的剩余电量，当剩余电量低于预设的最小阈值时，执行下述步骤，进入发电模式，发动机利用驱动电机发电。
正如上文所述的，蓄电池使用范围为[s1，s2]，s2＞s1，s2和s1分别为蓄电池的高电平阈值和低电平阈值。在本步骤中，检测检测电池剩余电量soc，如果soc≤s1，则允许发电；如果soc≥s2，说明蓄电池已充满电，则驱动电机的制动扭矩为零，停止发电，发动机仅仅提供车辆行驶需要的驱动力。
在步骤S330中，获取车辆当前的车速和牵引需求扭矩。具体来说，检测加速踏板的状态，获得与当前车速对应的牵引需求扭矩Treq。
在步骤S340中，确定牵引需求扭矩在发动机经济扭矩范围之内，并将牵引需求扭矩和发动机经济扭矩的差值设定为驱动电机制动扭矩目标值。本步骤为了保证车辆动力性与经济性的均衡，在不损失动力且保证发动机满足经济扭矩的前提下，合理设定驱动电机制动扭矩目标值，来分配发动机提供的驱动能量和发电能量。
具体来说，如果牵引需求扭矩Treq≤Eeco(ne)，则驱动电机制动扭矩目标值为Tmotor＝Treq-Eeco(ne)，此时，Tmotor＜0表示驱动电机工作在制动状态；否则，也就是当牵引需求扭矩高于发动机经济扭矩时，不进行发电，即Tmotor＝0。
在步骤S350中，调整驱动电机制动扭矩目标值，得到高于驱动电机最小发电扭矩且低于驱动电机最大发电扭矩的驱动电机制动扭矩数值。本步骤可以在发电状态下，保证驱动电机的发电效率最高。
(1)如上文所述，驱动电机最小发电扭矩Gmin表示发电时驱动电机允许输出的最小发电扭矩。由于驱动电机制动扭矩为负数，因此当驱动电机制动扭矩目标值的绝对值小于Gmin时，说明此时驱动电机的工作状态不适于发电，否则会降低驱动电机的发电效率。
在一个优选的示例中，如果驱动电机制动扭矩目标值满足|Tmotor|＜|0.5×Gmin|，则Tmotor＝0，即不发电；否则，Tmotor＝min(Tmotor,-Gmin)。
也就是说，若驱动电机制动扭矩目标值的绝对值低于驱动电机最小发电扭矩的一半，则将驱动电机制动扭矩目标值设置为零。
并且，在驱动电机制动扭矩目标值(负数)与当前驱动电机转速对应的驱动电机最小发电扭矩的相反数这两个数值中选择最小值，来更新驱动电机制动扭矩目标值，这样可以保证驱动电机制动扭矩目标值的绝对值高于驱动电机最小发电扭矩。
(2)如上文所述，驱动电机最大发电扭矩Gmax(nm)表示发电时驱动电机允许输出的最大发电扭矩。由于驱动电机制动扭矩为负数，如果驱动电机制动扭矩目标值的绝对值高于Gmax(nm)，则表明驱动电机不能负担发电所需的制动扭矩。因此在更新之后的驱动电机制动扭矩目标值与当前驱动电机转速对应的驱动电机最大发电扭矩的相反数这两个数值中选择最大值，得到驱动电机制动扭矩数值。
在一个优选的示例中，驱动电机制动扭矩数值Tmotor＝max(Tmotor,-Gmax(nm))。
在步骤S360中，在约束时间内依照量化步长将驱动电机的制动扭矩从零开始变化至驱动电机制动扭矩数值。由于并联发电会导致发动机负载突增，负荷变化较快对车辆的加速稳定性产生影响，因此本步骤中针对驱动电机制动扭矩进行限幅、平滑处理。
优选的，为避免施加发电扭矩波动导致的加速抖动，对驱动电机的制动扭矩进行量化处理，量化宽度为0.1×Emax，即为变化步长。此外，对驱动电机发电扭矩进行平滑处理，还要限制扭矩变化率，例如要求发电扭矩从零增加到最大值或从最大值下降至零的时间约束为1～2s。
考虑到驱动电机制动扭矩的变化步长为0.1×Emax，在增大的过程中可能出现超出驱动电机可以输出的最大扭矩的情况，因此，还要执行步骤S370，将驱动电机的制动扭矩的绝对值设定为不超过当前驱动电机转速下允许输出的最大扭矩。在一种优选的示例中，设定驱动电机的制动扭矩Tmotor＝max(Tmotor,-Mmax(nm))，也就是在驱动电机的制动扭矩与当前驱动电机转速对应的驱动电机允许输出的最大扭矩的相反数这两个数值中选择最大值，来更新驱动电机的制动扭矩。
在确定驱动电机的制动扭矩后，执行步骤S380，以发动机经济扭矩与驱动电机的制动扭矩目标值的绝对值得到的差值和驱动电机的制动扭矩的当前值的和作为发动机目标扭矩。
最后，执行步骤S390，根据发动机目标扭矩和当前发动机转速计算发动机目标功率，进而由当前发动机转速和发动机目标功率确定发动机目标油门。具体而言，
发动机目标功率
发动机目标油门Pedal(pe,ne)。
至此为止，本发明的实施例提供了并联发电电机目标扭矩计算方法以及并联发电发动机目标油门换算方法。具有下述优点：
1)基于SOC动态调节的并联发电功能，补充储能系统电量，改善车辆纯电起步特性；
2)基于车辆需求扭矩控制的并联发电算法，实现车辆动力性与经济性均衡，确保车辆驾驶舒适性；
3)基于发动机经济特性限制的并联发电使能，优化发动机低负荷区间分布，改善发动机工作效率；
4)基于驱动电机效率较优的并联发电扭矩限制，指定并联发电工作点分布，提升燃油经济性；
5)并联发电扭矩的量化与平滑处理，优化车辆运行阻力，确保车辆驱动平顺性。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种混合动力客车的发动机和驱动电机的发电控制方法，所述混合动力客车的动力系统包括发动机、ISG电机、离合器和驱动电机，其中，发动机与ISG电机连接，ISG电机通过离合器与驱动电机连接，其特征在于，在离合器联动的状态下发动机利用驱动电机发电，所述控制方法包括以下步骤：
获取车辆当前的车速和牵引需求扭矩；
确定牵引需求扭矩在发动机经济扭矩范围之内，并将牵引需求扭矩和发动机经济扭矩的差值设定为驱动电机制动扭矩目标值；
调整驱动电机制动扭矩目标值，使得驱动电机制动扭矩的绝对值高于驱动电机最小发电扭矩且低于驱动电机最大发电扭矩；
在约束时间内依照量化步长将驱动电机的制动扭矩从零开始变化至驱动电机制动扭矩数值，且将驱动电机的制动扭矩的绝对值设定为不超过当前驱动电机转速下允许输出的最大扭矩；
以发动机经济扭矩与驱动电机的制动扭矩目标值的绝对值得到的差值和驱动电机的制动扭矩的当前值的和作为发动机目标扭矩；
其中，在调整驱动电机制动扭矩目标值的步骤中包括：
在驱动电机制动扭矩目标值与当前驱动电机转速对应的驱动电机最小发电扭矩的相反数这两个数值中选择最小值，来更新驱动电机制动扭矩目标值；
在更新之后的驱动电机制动扭矩目标值与当前驱动电机转速对应的驱动电机最大发电扭矩的相反数这两个数值中选择最大值，得到驱动电机制动扭矩数值。
2.如权利要求1所述的发电控制方法，其特征在于，还包括：
根据发动机目标扭矩和当前发动机转速计算发动机目标功率；
由当前发动机转速和发动机目标功率确定发动机目标油门。
3.如权利要求1或2所述的发电控制方法，其特征在于，
所述驱动电机最小发电扭矩为发动机利用驱动电机发电时，驱动电机允许输出的最小发电扭矩；所述驱动电机最大发电扭矩为发动机利用驱动电机发电时，驱动电机允许输出的最大发电扭矩；
其中，在发电状态下驱动电机转速数值和牵引扭矩数值对应的驱动电机工作效率均接近于驱动电机最高效率。
4.如权利要求3所述的发电控制方法，其特征在于，在获取车辆当前的车速和牵引需求扭矩的步骤之前，还包括：
确定离合器持续保持联动状态的时长超过预设时间段。
5.如权利要求3所述的发电控制方法，其特征在于，在获取车辆当前的车速和牵引需求扭矩的步骤之前，还包括：
检测蓄电池的剩余电量，当剩余电量低于预设的最小阈值时发动机利用驱动电机发电。
6.如权利要求5所述的发电控制方法，其特征在于，还包括：
检测蓄电池的剩余电量，当剩余电量高于预设的最大阈值时，发动机停止发电。
7.如权利要求1、2、4、5、6中任一项所述的发电控制方法，其特征在于，在调整驱动电机制动扭矩目标值的步骤中还包括：
若驱动电机制动扭矩目标值的绝对值低于驱动电机最小发电扭矩的一半，则将驱动电机制动扭矩目标值设置为零。
8.如权利要求3所述的发电控制方法，其特征在于，在调整驱动电机制动扭矩目标值的步骤中还包括：
若驱动电机制动扭矩目标值的绝对值低于驱动电机最小发电扭矩的一半，则将驱动电机制动扭矩目标值设置为零。
9.如权利要求1、2、4、5、6中任一项所述的发电控制方法，其特征在于，在将驱动电机的制动扭矩的绝对值设定为不超过当前驱动电机转速下允许输出的最大扭矩的步骤中：
在驱动电机的制动扭矩与当前驱动电机转速对应的驱动电机允许输出的最大扭矩的相反数这两个数值中选择最大值，来更新驱动电机的制动扭矩。
10.如权利要求3所述的发电控制方法，其特征在于，在将驱动电机的制动扭矩的绝对值设定为不超过当前驱动电机转速下允许输出的最大扭矩的步骤中：
在驱动电机的制动扭矩与当前驱动电机转速对应的驱动电机允许输出的最大扭矩的相反数这两个数值中选择最大值，来更新驱动电机的制动扭矩。
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