CN105818808B - 一种混合动力系统怠速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合动力系统怠速控制方法，包括：步骤S1，判断车辆是否处于怠速工况；步骤S2，若车辆处于怠速工况，则判断电机系统或电池系统是否出现故障，若出现故障，则执行步骤S3，若无故障，则执行步骤S4；步骤S3，整车控制器HCU将电机扭矩置零，将怠速控制模式设置为EMS怠速控制，由EMS执行怠速控制；步骤S4，整车控制器HCU将怠速控制模式设置为HCU怠速控制，由HCU控制电机和EMS执行怠速控制。本发明通过HCU控制电机扭矩实现对发动机怠速转速的控制，不仅可以提高怠速控制的稳定性、准确性、快速性，获得较低的噪声与振动水平，而且可以避免发动机频繁进行点火角调节，从而降低怠速油耗。

Description

一种混合动力系统怠速控制方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车技术领域，尤其涉及一种BSG混合动力系统怠速控制方法。

背景技术

随着节能、减排的迫切需求，BSG（Belt-alternator Starter Generator，皮带驱动启动电机）微混合动力系统正在成为汽车行业研发的热点。相对于中强混和动力系统，BSG微混合动力系统具有成本低、单位成本节油率显著的明显优点。BSG微混合动力系统可以实现发动机启停、制动能量回收、发动机工作点优化、电动助力等基本混动功能。在实现上述功能的基础上，BSG微混合动力系统还可以充分利用BSG电机响应快速、扭矩控制精准的特点，实现快速起动、怠速控制等混合动力控制技术，提高系统的性能。本发明涉及其中的怠速控制技术。

目前，BSG微混合动力系统控制技术的研发多着重于基本混动功能的实现。由于启停功能的存在，快速起动技术也成为研究的重点，然而，在怠速控制方面，仍基本沿用现有成熟的EMS（Engine Management System，发动机管理系统）怠速控制技术。该怠速控制方案采用与传统车相同的怠速控制方案，EMS根据目标怠速转速与发动机转速之差闭环调节发动机扭矩，从而稳定怠速转速。发动机怠速时若需要发电，EMS将BSG视为负载。

现有EMS怠速控制技术软件改动少，且基本可以实现可靠的怠速功能，因而暂时被采用。但是，这种技术没有充分利用BSG电机响应快速，扭矩控制精准的优点来提高系统性能。目前，BSG已经实现了快速起动技术，该技术充分利用了BSG的上述优势，但仍未见将其应用于怠速控制的案例。在节能、减排需求的推动下，随着BSG微混合动力系统的逐渐普及，越来越多的研发人员将会考虑利用BSG提高怠速性能的技术方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种混合动力系统怠速控制方法，不增加硬件成本而实现更加稳定、快速、准确的怠速控制效果。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种混合动力系统怠速控制方法，包括：

步骤S1，判断车辆是否处于怠速工况；

步骤S2，若车辆处于怠速工况，则判断电机系统或电池系统是否出现故障，若出现故障，则执行步骤S3，若无故障，则执行步骤S4；

步骤S3，整车控制器HCU将电机扭矩置零，将怠速控制模式设置为EMS怠速控制，由EMS执行怠速控制；

步骤S4，整车控制器HCU将怠速控制模式设置为HCU怠速控制，由HCU控制电机和EMS执行怠速控制。

其中，所述步骤S1具体包括：

EMS根据油门踏板位置、发动机转速、传动系统状态判断车辆是否处于怠速工况，若车辆处于怠速工况则将发动机怠速标志位置位，并通过CAN总线发送给整车控制器HCU；

HCU根据所述发动机怠速标志位判断车辆是否处于怠速工况。

其中，所述步骤S2具体包括：

若HCU判断车辆处于怠速工况，HCU则根据电机系统或电池系统反馈的故障标志位判断电机系统或电池系统是否出现故障。

其中，所述步骤S4具体包括：

步骤S41，计算电机发电扭矩需求；

步骤S42，计算电机怠速调节扭矩；

步骤S43，根据所述电机发电扭矩需求，获得对发动机的扭矩指令；

步骤S44，根据所述电机发电扭矩需求和所述电机怠速调节扭矩，获得对电机的扭矩指令。

其中，所述步骤S41进一步包括：

步骤S411，根据电池电量及电池温度计算发电功率需求Pr；

步骤S412，根据电机转速ng将发电功率需求Pr转换成发电扭矩初级需求Tg1；

步骤S413，对所述发电扭矩初级需求Tg1进行发电扭矩的限制，并进行滤波得到发电扭矩需求Tg2。

其中，所述步骤S42进一步包括：

步骤S421，根据发动机水温计算目标怠速转速nr；

步骤S422，根据所述目标怠速转速nr与实际发动机转速ne之差Δne进行PID控制，得到调整发动机转速所需的电机扭矩波动量ΔTg。

其中，所述步骤S43具体包括：

对所述发电扭矩需求Tg2取反，并乘以皮带传动比i，得到对发动机的扭矩指令Te_req。

其中，步骤S44进一步包括：

步骤S441，将所述发电扭矩需求Tg2与所述电机扭矩波动量ΔTg相加，得到对电机的初步扭矩指令Tg3；

步骤S442，对所述电机的初步扭矩指令Tg3进行电机总扭矩的限制，并进行低通滤波，限制其变化率，得到对电机的扭矩指令Tg_req。

其中，所述步骤S442具体包括：

根据电机扭矩能力以及电机扭矩斜率限制参数，对所述电机的初步扭矩指令Tg3进行电机总扭矩的限制，使电机总扭矩不超过电机反向扭矩最大值；

结合噪声、振动和皮带打滑因素对所述初步扭矩指令Tg3进行低通滤波；

限制所述电机总扭矩的变化率，使其不超过电机响应速度。

其中，所述步骤S413具体包括：

根据发动机扭矩能力和电机扭矩能力，并预留一定的怠速调节扭矩，对发电扭矩进行限制，使所述发电扭矩不超过电机反向扭矩最大值与所述预留的怠速调节扭矩的差值，并且不超过发动机正向扭矩最大值除以所述皮带传动比i所获得的电机扭矩值；

对所述发电扭矩进行滤波，限制所述发电扭矩的变化率，使所述发电扭矩的变化率不超过发动机慢速扭矩响应速度，并低于电机扭矩响应速度。

实施本发明所带来的有益效果是：通过HCU控制电机扭矩实现对发动机怠速转速的控制，不仅可以提高怠速控制的稳定性、准确性、快速性，获得较低的噪声与振动水平，而且可以避免发动机频繁进行点火角调节，从而降低怠速油耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中BSG微混合动力系统的结构示意图。

图2是本发明实施例一种BSG混合动力系统怠速控制方法的流程示意图。

图3是本发明实施例一种BSG混合动力系统怠速控制方法的又一流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例进行详细说明。

请参照图1所示，为本发明实施例中BSG微混合动力系统的结构示意图，BSG微混合动力系统包括：发动机及其管理系统EMS，BSG电机及其控制器MCU，动力电池及其管理系统BMS，发动机与BSG电机之间通过皮带进行动力传动，动力电池提供BSG消耗的电能，或者存储BSG产生的电能，BSG电机为三相交流电机，包含了逆变器，用于直流与交流之间的转换，为简明起见，图中未示出。整车控制器HCU通过CAN总线与EMS、MCU、BMS进行通信，从而完成对微混合动力系统的控制，实现发动机启停控制、制动能量回收、发动机工作点优化、电动助力等混动功能，从而获得更好的经济性、动力性和驾驶性。

图1仅是为了给出本发明的一种实施例，并不限制本发明所使用的范围，例如，本发明的怠速控制方法各步骤并不需要对电机类型进行识别，因此同样适用于在曲轴输出端和离合器之间安装的ISG（Integrated Starter and Generator，一体化发动机/电机）混合动力系统。为描述简便，仅以BSG混合动力系统为例进行说明。

图1中所示整车控制器HCU仅是功能示意，表示实现混动控制功能的电子控制单元，在实际应用时，HCU的混动控制功能也完全可以集成在EMS中。

请参照图2所示，本发明提供一种混合动力系统怠速控制方法，包括：

步骤S1，判断车辆是否处于怠速工况；

步骤S2，若车辆处于怠速工况，则判断电机系统或电池系统是否出现故障，若出现故障，则执行步骤S3，若无故障，则执行步骤S4；

步骤S3，整车控制器HCU将电机扭矩置零，将怠速控制模式设置为EMS怠速控制，由EMS执行怠速控制；

步骤S4，整车控制器HCU将怠速控制模式设置为HCU怠速控制，由HCU控制电机和EMS执行怠速控制。

以下以BSG微混合动力系统为例对本发明各步骤进行具体说明。

步骤S1中，EMS根据油门踏板位置、发动机转速、传动系统状态等判断是否处于怠速工况，若车辆处于怠速工况则将发动机怠速标志位置位，并通过CAN总线发送给整车控制器HCU。HCU根据该发动机怠速标志位判断车辆是否处于怠速工况，若HCU检测到该标志位置位，则执行怠速控制。

步骤S2中，HCU根据电机系统和电池系统反馈的故障标志位判断电机系统和电池系统是否出现故障，以及故障的严重程度。若电机故障或电池故障导致电机的扭矩控制完全或部分失效，则执行步骤S3，采用保留的EMS怠速控制功能以提高混合动力系统的可靠性。

而步骤S3系由EMS单独控制的传统怠速控制技术，该怠速控制技术不属于本发明所描述范围，此处不再赘述。

请结合图3所示，步骤S4具体包括：

步骤S41，计算电机发电扭矩需求；

步骤S42，计算电机怠速调节扭矩；

步骤S43，根据所述电机发电扭矩需求，获得对发动机的扭矩指令；

步骤S44，根据所述电机发电扭矩需求和所述电机怠速调节扭矩，获得对电机的扭矩指令。

其中，步骤S41进一步包括：

步骤S411，根据电池电量及电池温度计算发电功率需求Pr；

步骤S412，根据电机转速ng将发电功率需求Pr转换成发电扭矩初级需求Tg1，即Tg1=Pr/ng；

步骤S413，对发电扭矩初级需求Tg1进行发电扭矩的限制，并进行滤波得到发电扭矩需求Tg2。

步骤S42进一步包括：

步骤S421，根据发动机水温计算目标怠速转速nr；

步骤S422，根据目标怠速转速nr与实际发动机转速ne之差Δne进行PID控制，得到调整发动机转速所需的电机扭矩波动量ΔTg。

步骤S43具体包括：对步骤S413得到发电扭矩需求Tg2取反，并乘以皮带传动比i，得到对发动机的扭矩指令Te_req，即Te_req=-i×Tg2。

步骤S44进一步包括：

步骤S441，将步骤S413得到发电扭矩需求Tg2与步骤S422得到的电机扭矩波动量ΔTg相加，得到对电机的初步扭矩指令Tg3；

步骤S442，对电机的初步扭矩指令Tg3进行电机总扭矩的限制，并进行低通滤波，限制其变化率，得到对电机的扭矩指令Tg_req。

具体来说，对Tg3进行电机总扭矩的限制，是根据电机扭矩能力以及电机扭矩斜率限制参数；对Tg3进行低通滤波，是结合噪声、振动和皮带打滑等因素。

需要说明的是，本发明的怠速控制方法虽然主要采用工业上普遍采用的PID控制方法，但是，由于混合动力系统的复杂性，其控制方法与普通的PID控制方法有如下所述的明显区别：

在怠速工况下，BSG电机并不是单一用作怠速调节，同时还承担了输出发电扭矩的作用，这就导致在BSG扭矩指令中包含了两种变化的量，一种是通过开环控制给定的发电扭矩，一种是通过闭环控制（PID控制）给定的怠速调节扭矩。因此，使本发明的怠速控制方法正确、可靠工作的关键是解除这两种扭矩的耦合性。其方法是在频域上将扭矩信号分离，将发电扭矩放置在低频段，将怠速调节扭矩放置在高频段。直观地，在时域发电扭矩变化较为缓慢，怠速调节扭矩的变化较为快速。这样，既可以保证怠速调节快速响应，又可以保证发电扭矩得到满足。而且，由于电机的扭矩能力是有限的，必须采用必要的措施优先满足怠速调节扭矩，即在考虑发电扭矩时预留一定的电机扭矩用来保证足够的怠速调节扭矩裕量。

在实际实现时，对电机扭矩进行两级限制和滤波来达到将发电扭矩和怠速调节扭矩解耦，同时预留一定的怠速调节扭矩。

在步骤S413中，首先根据发动机扭矩能力和电机扭矩能力，并考虑到预留一定的怠速调节扭矩，对发电扭矩进行限制。设发动机正向扭矩最大值为Te_max，电机反向（相对于发动机输出扭矩方向）扭矩最大值为Tg_max，预留的怠速调节扭矩大小为Tg_res，则一方面，发电扭矩大小不能超过发动机正向扭矩最大值Te_max考虑皮带传动比i后对应的电机扭矩值，以保证发动机能够提供足够的扭矩拖动BSG进行发电，具体地，该电机扭矩值由发动机正向扭矩最大值Te_max除以皮带传动比i所获得；另一方面，发电扭矩不能超过Tg_max-Tg_res，以保证预留足够的电机扭矩用于怠速调节。综合考虑，即发电扭矩不能超过min（Te_max/i, Tg_max-Tg_res）。

在步骤S413中，其次对发电扭矩进行滤波处理，限制其变化率，一方面，应考虑到发电扭矩的变化率不超过发动机慢速扭矩响应速度，防止动态变化时发电扭矩与发动机扭矩不平衡引入扰动；另一方面，应使发电扭矩变化速率明显低于BSG扭矩响应速率，以便与怠速调节扭矩在频域分离。

在步骤S442中，对电机的初步扭矩指令Tg3进行电机总扭矩的限制，具体是指使电机总扭矩的大小不超过电机反向（相对于发动机输出扭矩方向）扭矩最大值，即Tg_max。而限制电机总扭矩的变化率具体是指使其不超过电机响应速度。

通过上述说明可知，本发明所述的怠速控制方法，除非电机系统或电池系统出现故障，才采用由EMS单独控制的传统怠速控制方法，以保证混合动力系统的可靠性。而在电机系统或电池系统正常工作的情况下，均是通过HCU控制BSG扭矩实现对发动机怠速转速的控制。这是因为BSG电机比发动机具有更高的响应速度和更好的噪声与振动性能。本发明不仅可以提高怠速控制的稳定性、准确性、快速性，获得较好的噪声与振动性能，而且可以避免发动机频繁进行点火角调节，从而降低怠速油耗。尤其是BSG混合动力系统在怠速时经常处于发电工况下，若由发动机单独进行怠速调节，相当于带负载运行，发动机为稳定怠速不得不比传统车更加频繁地调节点火提前角和提高怠速转速，这无疑会恶化经济性和排放性能。而采用BSG电机调节怠速转速，则发动机在大多数情况下仅需要调节进气，并按照最佳的空燃比喷油，从而获得更好的经济性和更低排放水平。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种混合动力系统怠速控制方法，包括：

步骤S1，判断车辆是否处于怠速工况；

步骤S2，若车辆处于怠速工况，则判断电机系统或电池系统是否出现故障，若出现故障，则执行步骤S3，若无故障，则执行步骤S4；

步骤S3，整车控制器HCU将电机扭矩置零，将怠速控制模式设置为EMS怠速控制，由EMS执行怠速控制；

步骤S4，整车控制器HCU将怠速控制模式设置为HCU怠速控制，由HCU控制电机和EMS执行怠速控制；

所述步骤S4具体包括：

步骤S41，计算电机发电扭矩需求；

步骤S42，计算电机怠速调节扭矩；

步骤S43，根据所述电机发电扭矩需求，获得对发动机的扭矩指令；

步骤S44，根据所述电机发电扭矩需求和所述电机怠速调节扭矩，获得对电机的扭矩指令。

2.根据权利要求1所述的混合动力系统怠速控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

EMS根据油门踏板位置、发动机转速、传动系统状态判断车辆是否处于怠速工况，若车辆处于怠速工况则将发动机怠速标志位置位，并通过CAN总线发送给整车控制器HCU；

HCU根据所述发动机怠速标志位判断车辆是否处于怠速工况。

3.根据权利要求2所述的混合动力系统怠速控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

若HCU判断车辆处于怠速工况，HCU则根据电机系统或电池系统反馈的故障标志位判断电机系统或电池系统是否出现故障。

4.根据权利要求1所述的混合动力系统怠速控制方法，其特征在于，所述步骤S41进一步包括：

步骤S411，根据电池电量及电池温度计算发电功率需求Pr；

步骤S412，根据电机转速ng将发电功率需求Pr转换成发电扭矩初级需求Tg1；

步骤S413，对所述发电扭矩初级需求Tg1进行发电扭矩的限制，并进行滤波得到发电扭矩需求Tg2。

5.根据权利要求4所述的混合动力系统怠速控制方法，其特征在于，所述步骤S42进一步包括：

步骤S421，根据发动机水温计算目标怠速转速nr；

步骤S422，根据所述目标怠速转速nr与实际发动机转速ne之差Δne进行PID控制，得到调整发动机转速所需的电机扭矩波动量ΔTg。

6.根据权利要求5所述的混合动力系统怠速控制方法，其特征在于，所述步骤S43具体包括：

对所述发电扭矩需求Tg2取反，并乘以皮带传动比i，得到对发动机的扭矩指令Te_req。

7.根据权利要求6所述的混合动力系统怠速控制方法，其特征在于，步骤S44进一步包括：

步骤S441，将所述发电扭矩需求Tg2与所述电机扭矩波动量ΔTg相加，得到对电机的初步扭矩指令Tg3；

步骤S442，对所述电机的初步扭矩指令Tg3进行电机总扭矩的限制，并进行低通滤波，限制其变化率，得到对电机的扭矩指令Tg_req。

8.根据权利要求7所述的混合动力系统怠速控制方法，其特征在于，所述步骤S442具体包括：

根据电机扭矩能力以及电机扭矩斜率限制参数，对所述电机的初步扭矩指令Tg3进行电机总扭矩的限制，使电机总扭矩不超过电机反向扭矩最大值；

结合噪声、振动和皮带打滑因素对所述初步扭矩指令Tg3进行低通滤波；

限制所述电机总扭矩的变化率，使其不超过电机响应速度。

9.根据权利要求4所述的混合动力系统怠速控制方法，其特征在于，所述步骤S413具体包括：

根据发动机扭矩能力和电机扭矩能力，并预留一定的怠速调节扭矩，对发电扭矩进行限制，使所述发电扭矩不超过电机反向扭矩最大值与所述预留的怠速调节扭矩的差值，并且不超过发动机正向扭矩最大值除以皮带传动比i所获得的电机扭矩值；

对所述发电扭矩进行滤波，限制所述发电扭矩的变化率，使所述发电扭矩的变化率不超过发动机慢速扭矩响应速度，并低于电机扭矩响应速度。