CN106080579A - 一种基于悬架振动能量回收的混合动力汽车整车控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于悬架振动能量回收的混合动力汽车整车控制方法，该控制方法包括能量管理控制方法，悬架控制方法以及对两者的监督方法；所述能量管理控制方法采用改进的最小等效燃油消耗控制策略，通过采集动力传动系统各部件的状态信息，实现对混合动力汽车的驱动、制动控制；所述悬架控制方法采集悬架系统的状态信息，决策并输出悬架各作动器的理想控制力；所述监督方法是通过采集到的悬架系统各作动器电压、电流信号，以及车身垂向加速度、俯仰角加速度、侧倾角加速度、四个车轮垂向加速度等状态信息实现对能量管理控制过程和悬架控制过程中控制参数的实时调节，协调整车的舒适性和操稳性，同时有效提高混合动力车的燃油经济性。

Description

一种基于悬架振动能量回收的混合动力汽车整车控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于悬架振动能量回收的混合动力汽车整车控制方法，属于车辆系统智能控制技术领域。

背景技术

伴随着经济的发展，能源与环境问题日益凸显，面对如此严峻的形势，交通能源转型势在必行，我国政府也充分认识到发展新能源汽车和汽车节能减排核心技术的紧迫性和重要性，相关导向性政策法规也不断出台。兼顾传动内燃机汽车高续驶里程和纯电动车高燃油经济性和低排放优点的混合动力汽车成为目前的研究热点。为了充分发挥混合动力汽车的节能潜力，混合动力汽车动力耦合机构的优化设计和更高效的能量管理策略得到了广泛的研究。与此同时，再生制动能量回收、废热回收技术等也得到了进一步发展以提升整车的节能性能。

主动悬架技术被用来提高整车的舒适性和馈能性能，但由于能耗大和成本高等原因，其商业化应用受到了限制，主动悬架同时需要有额外的动力源。目前，响应快、控制精度高的电磁主动悬架有较好的应用前景，应用电磁主动悬架，意味着必须在传统内燃机车上配备大容量蓄电池或超级电容等动力源以实现对悬架的主动控制功能，在蓄电池或者超级电容电量较低时，则需要内燃机带动发电机进行充电。混合动力汽车由于本身具有一套完备的动力源，给电磁主动悬架的应用提供了良好的条件。针对主动悬架能耗大的问题，目前，学者们提出了悬架馈能技术，以协调悬架动力性能和作动器能耗。

混合动力汽车上电机和发电机作为功率调节器，必须保证在循环工况结束时蓄电池的荷电状态与其初始值一样。主动悬架独立于混合动力汽车动力传动系统，悬架能量的消耗或回收对蓄电池荷电状态产生影响，为了实现混合动力汽车的充电维持特性，必须将悬架的能耗作为影响因素纳入混合动力汽车能量管理策略的设计。同时，作为悬架系统本身，为了协调其馈能性能、舒适性以及操纵稳定性之间的矛盾，也必须针对不同路面工况和车速进行控制的优化，以满足复杂工况的控制需求。

混合动力汽车悬架系统和动力传动系统之间相互关联、相互影响，从控制方法设计的角度出发，对两者之间的耦合因素进行考虑并优化，对于提高整车的综合性能、实现混合动力汽车不同动力部件功率的优化分配具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：通过对悬架系统控制策略和混合动力汽车能量管理控制策略的在线优化，提高悬架的动力性能，同时优化混合动力汽车的能量分配，改善混合动力汽车的节能性能，降低燃油消耗。

为了解决上述技术问题，本发明将直线电机或旋转电机作为悬架作动器用于混合动力汽车悬架系统，构成馈能型主动悬架，通过作动器实现悬架的主动控制或者振动能量回收，提出一种整车控制方法，该控制方法包括能量管理控制方法，悬架控制方法以及对两者监督的方法，监督方法是通过采集到的状态信息实现对能量管理控制和悬架控制方法过程中控制参数的实时调节，提高整车控制动态性能和经济性。

其中，能量管理控制方法采用改进的最小等效燃油消耗控制策略，通过采集混合动力汽车动力传动系统的车速、发动机转速、电机转速、发电机转速、蓄电池荷电状态，以及驾驶员的加速踏板和制动踏板位置等状态信息，计算输出动力传动系统中发动机、电机、发电机和制动系统的的需求扭矩，实现对混合动力汽车的驱动、制动控制；所采用的改进的最小等效燃油消耗控制策略与现有最小等效燃油消耗控制策略的不同在于，改进的最小等效燃油消耗控制策略中电能的等效燃油消耗同时考虑悬架系统在一段时间间隔T_sus内的平均能耗P_sele以及动力传动系统中电机和发电机总的瞬时功耗P_pele，而现有最小等效燃油消耗控制策略仅考虑了混合动力汽车动力传动系统的电能瞬耗，通过引入悬架的平均能耗，真实地反映采用振动能量回收技术的混合动力汽车中的能量流动，改进的控制策略中电能的等效燃油消耗表示为：

${\stackrel{\·}{m}}_{ele\_eq}=s_{dis}\frac{({\mathrm{\λ}}_p{P}_{pele}+{\mathrm{\λ}}_s{P}_{sele})}{{\mathrm{\η}}_{bat}{Q}_{lhv}}+s_{chg}\frac{{\mathrm{\η}}_{bat}\[(1-{\mathrm{\λ}}_p)P_{pele}+(1-{\mathrm{\λ}}_s)P_{sele}\]}{Q_{lhv}}$

λ_p＝[1+sign(P_pele)]/2

λ_s＝[1+sign(P_sele)]/2

其中，s_dis和s_chg分别为蓄电池放电过程和充电过程等效因子，η_bat为蓄电池效率，Q_lhv为燃油低热值。

悬架控制方法：采集混合动力汽车悬架系统的状态信息，包括车身垂向加速度、俯仰角加速度、侧倾角加速度以及四个车轮垂向加速度，从而决策并输出悬架作动器的理想控制力；而悬架控制过程中的控制参数受到监督，监督方法：根据采集到的车身垂向加速度、俯仰角加速度、侧倾角加速度以及四个车轮处垂向加速度计算得到悬架动行程，根据悬架动行程和采集到的车速信息，利用监督方法决策当前悬架系统的控制模式(舒适性模式和操稳性模式)，并将相应模式的控制参数输出到悬架控制过程中，从而实现根据不同工况对悬架系统控制参数的调节，提高悬架不同模式下相应的动力学性能指标。

监督方法还包括对能量管理控制过程中控制参数进行调节，监督方法的实现：一方面，通过采集悬架系统各作动器的电压、电流信号，估计悬架系统在一段时间间隔T_sus内的平均能耗P_sele，并将该能耗数值作为修正因子输入到能量管理控制过程中，结合动力传动系统中电机和发电机总的瞬时功耗P_pele，实现对混合动力汽车电能瞬耗的估计；另一方面，根据采集到的当前车速信息，采用马尔科夫模型或指数衰减模型对未来一段时间内的车速进行预测，结合整车纵向动力学模型，采用非线性模型预测控制算法得到优化的等效因子s_dis和s_chg，并将该等效因子输入到能量管理控制过程中，实现等效因子的实时修正，避免采用固定等效因子时无法满足多工况下的优化控制需求。

本发明的有益效果：

(1)能量管理控制和悬架控制独立进行，分别实现对动力传动系统和悬架系统的控制，降低了控制方法在硬件实现上的集成度。

(2)最小等效燃油消耗控制策略中，不同循环工况对应不同的最优等效因子，基于特定循环工况设计的最优等效因子无法满足多工况的需求，通过对最优等效因子和悬架能耗的监督修正，提高了最小等效燃油消耗对于实现混合动力汽车充电维持特性的控制能力。

(3)通过对不同路面工况切换悬架系统控制模式的监督，满足了悬架系统在不同路面和车速下对舒适性和操稳性的不同需求。

附图说明

图1是发明实施例原理示意图。

图2是双行星排式混合动力汽车结构示意图。

图3是能量管理控制方法的原理示意图。

图4是扭矩分配模块结构示意图。

图5是悬架车身垂直加速度与被动悬架车身垂直加速度对比。

图6是悬架轮胎动载荷与被动悬架轮胎动载荷对比。

图中：10、驾驶员，20、整车控制，201、能量管理控制，202、监督，203、悬架控制，30、混合动力汽车，301、动力传动系统，302、悬架系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示为本发明实施例的原理图。整车控制20包括能量管理控制201，监督202和悬架控制203；能量管理控制201采集混合动力汽车30动力传动系统301的状态信息，计算输出动力传动系统301中发动机、电机、发电机和制动系统的的需求扭矩，实现对混合动力汽车的驱动、制动控制；悬架控制203采集混合动力汽车30悬架系统302的状态信息并决策并输出悬架作动器的理想控制力；监督202通过采集到的状态信息实现对能量管理控制201和悬架控制203过程中控制参数的实时调节；悬架系统302作动器可采用直线电机、旋转电机以实现悬架的主动控制和振动能量的回收。

为了详细阐述本发明实施例的具体内容，选定混合动力汽车为一种双行星排式混联混合动力汽车，其结构示意图如图2所示，S1表示前行星排太阳轮，C1表示前行星排行星架，R1表示前行星排齿圈，S2表示后行星排太阳轮，C2表示后行星排行星架，R2表示后行星排齿圈。

针对该混联混合动力汽车的能量管理控制201结构示意图如图3所示，能量管理控制201包括发动机最优扭矩转速计算模块和动力系统各部件扭矩分配模块。其中，发动机最优扭矩转速计算模块计算得到发动机的需求扭矩、转速和锁止机构的控制信号，扭矩分配模块基于发动机的需求扭矩、转速信号计算得到动力传动系统301中电机、发电机和制动系统的的需求扭矩。扭矩分配模块结构示意图如图4所示。当锁止机构结合时，发动机输出轴被固定，双行星排机构仅有一个自由度，发动机转速和转矩均为零，此时，若发电机不工作，则其转矩为零，整车驱动扭矩由电机提供，若发电机工作，则电机按照当前转速下最大稳定扭矩输出，不足驱动扭矩由发电机补偿。当锁止机构松开时，双行星排动力耦合机构具有两个自由度，为了实现对发动机需求转速的跟随，在扭矩分配模块中引入了PI控制器，PI控制器的输入为发动机需求转速与发动机实际转速的差值，输出为发电机扭矩的修正量ΔT_G，该扭矩修正量与基于双行星排动力耦合机构的稳态力矩模型得到的发电机扭矩T_G'相加即为实际的发电机需求扭矩。发电机扭矩T_G'由下式计算得到：

$T_G^{\′}=f_G=-\frac{T_E^{*}}{1+K_1}---\left(1\right)$

其中，为发动机需求扭矩，K₁为前行星排的特征参数。电机驱动需求扭矩T_M通过动力传动系统301稳态下各部件之间的扭矩约束关系计算得到，表示为

$T_M=f_M=\frac{T_{req}}{1+K_2}-\frac{K_1{T}_E^{*}}{(1+K_1)(1+K_2)}---\left(2\right)$

其中，T_req为双行星排动力耦合机构输出轴处需求，可由整车车轮处需求扭矩计算得到，K₂为后行星排的特征参数。制动系统的需求扭矩取决于混合动力车的运行状态，当驱动时，制动系统需求扭矩T_brk为零，当减速时，若电机不参与制动，则T_brk＝T_req；若电机提供再生制动力矩T_M，则制动系统需求扭矩T_brk和电机再生制动扭矩进行合理分配，以在满足制动安全性的同时尽可能回收再生制动能量。

发动机最优扭矩转速计算模块采用改进的最小等效燃油消耗控制策略，控制策略中电能的等效燃油消耗同时引入了悬架系统302在一段时间间隔T_sus内的平均能耗P_sele以及动力传动系统301中电机和发电机总的的瞬时功耗P_pele，改进的控制策略中电能的等效燃油消耗表示为：

${\stackrel{\·}{m}}_{ele\_eq}=s_{dis}\frac{({\mathrm{\λ}}_p{P}_{pele}+{\mathrm{\λ}}_s{P}_{sele})}{{\mathrm{\η}}_{bat}{Q}_{lhv}}+s_{chg}\frac{{\mathrm{\η}}_{bat}\[(1-{\mathrm{\λ}}_p)P_{pele}+(1-{\mathrm{\λ}}_s)P_{sele}\]}{Q_{lhv}}---\left(3\right)$

λ_p＝[1+sign(P_pele)]/2 (4)

λ_s＝[1+sign(P_sele)]/2 (5)

其中，s_dis和s_chg分别为蓄电池放电过程和充电过程等效因子，η_bat为蓄电池效率，Q_lhv为燃油低热值。

混合动力汽车总的瞬时等效油耗包括发动机瞬时油耗和电能等效油耗

${\stackrel{\·}{m}}_{f\_total}={\stackrel{\·}{m}}_{eng}+f_{pen}{\stackrel{\·}{m}}_{ele\_eq}---\left(6\right)$

其中，f_pen为惩罚因子，用来对蓄电池荷电状态的波动范围进行控制以保证蓄电池的充电维持特性，惩罚因子的计算可以通过以下公式得到：

$f_{pen}=(1-x_{SOC}^3)+{\mathrm{SOC}}_w*(-I_{SOC})---\left(7\right)$

$x_{SOC}=\frac{2*SOC-({\mathrm{SOC}}_{max}+{\mathrm{SOC}}_{min})}{({\mathrm{SOC}}_{\max }-{\mathrm{SOC}}_{\min })}---\left(8\right)$

$I_{SOC}={\∫}_0^{t_f}{x}_{SOC}\left(t\right)dt---\left(9\right)$

其中，SOC为蓄电池荷电状态，SOC_W为权重因子，SOC_max和SOC_min分别为动力电池高效工作时荷电状态的上限和下限。

所述监督202的实现方法包括：根据采集到的悬架系统302各作动器电压、电流信号，计算悬架系统302的功率消耗，通过保存一段时间间隔T_sus内的悬架系统302各作动器电压、电流信号，可以求得悬架在该段时间间隔内的平均能耗P_sele，并将该能耗数值作为修正因子输入到能量管理控制201过程中，对发动机最优扭矩转速计算部分的最小等效燃油消耗控制策略进行修正。当循环工况改变时，所述监督202通过对未来一段时间内的车速进行预测，结合整车纵向动力学模型，采用非线性模型预测控制算法得到优化的等效因子s_dis和s_chg，并将该等效因子输入到能量管理控制201过程中，实现等效因子的实时修正。基于式(3)～(9)，同时结合整车需求车速、需求扭矩和该混联混合动力汽车中各部件工作范围的限制，即可计算得到发动机的需求扭矩和转速，将该需求扭矩转速输入到扭矩分配模块，进而求得动力传动系统301各部件的需求扭矩。

本发明实施例中，悬架控制203的方法为：采用基于各车轮处车身和车轮垂向速度的混合控制策略，各车轮处悬架作动力F_i表示为(i＝A,B,C,D,分别代表左前轮，右前轮，左后轮和右后轮)：

$F_i=-c_s{\stackrel{\·}{z}}_{bi}-c_g{\stackrel{\·}{z}}_{wi}---\left(10\right)$

其中，c_s和c_g分别表示各车轮处车身垂向速度和车轮垂向速度的增益系数，为各车轮处车身垂向速度，车轮垂向速度。各车轮处车身垂向速度和车轮垂向速度分别通过其垂向加速度积分得到，各车轮处车身垂向加速度根据采集到的车身垂向加速度、俯仰角加速度、侧倾角加速度得到，计算公式为：

其中，(i＝A,B,C,D,分别代表左前轮，右前轮，左后轮和右后轮)为各个车轮处车身的垂向加速度，和分别为车身垂向加速度、俯仰角加速度和侧倾角加速度，l_f和l_r分别为混合动力汽车质心到前轴和后轴的距离，t_f和t_r分别为前轮和后轮轮距的一半，θ和分别为车身俯仰角和侧倾角。

所述监督202的实现方法：根据采集车身垂向加速度、俯仰角加速度、侧倾角加速度以及四个车轮垂向加速度(车身垂向加速度、俯仰角加速度、侧倾角加速度可以通过陀螺仪或者一些其他传感器获得，各个车轮垂向加速度可以由加速度传感器获得)，通过式(11)的几何关系及相应的积分过程，计算得到悬架动行程，根据悬架动行程和采集到的车速信息决策当前悬架系统302的控制模式：舒适性模式和操稳性模式，并将相应模式下的悬架控制参数c_s和c_g输出到悬架控制203过程当中，从而实现对悬架系统302工作模式的监督。

为了验证本发明控制方法的有效性，针对采用悬架振动能量回收的该混联式混合动力汽车进行了仿真分析，仿真工况采用NEDC(New European Driving Cycle)工况，并假设路面等级为C级。为了方便分析，本实施例阐述中仅针对固定循环工况，即NEDC工况进行分析。因此，最优等效因子预先优化得到，省略了监督部分中对最优等效因子决策的讨论。采用本发明实施例的技术后，混合动力汽车的MPG(Miles per gallon)为63.5，而没有采用悬架振动能量回收技术的混合动力汽车MPG为61.3，相比之下，采用本发明实施例后，整车MPG提高了2.2，燃油经济性得到了改善。

图5和图6分别对比了采用控制后的悬架车身加速度和左前轮处轮胎动载荷与原被动悬架相应响应的对比，其中，模式1和2分别代表舒适性模式和操稳性模式。由图可知，采用了本发明提出的对能量管理控制和悬架控制的监督202后，悬架系统302的控制参数在1105秒左右发生了改变，悬架系统302的控制模式由舒适性模式切换为操稳性模式。切换前，悬架系统302采用舒适性控制模式，车身加速度得到了明显的改善，而车轮动载荷同时也明显恶化；切换后，悬架系统302采用操稳性控制模式，车轮动载荷虽然没有提高，但其与被动悬架效果相当，避免了舒适性模式下车轮动载荷的恶化，而降低高速下的整车安全性。

以上所述只是一部分实施例，而不应当视为本发明的全部，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于悬架振动能量回收的混合动力汽车整车控制方法，其特征在于，包括能量管理控制方法，悬架控制方法，以及对能量管理控制参数、悬架控制参数实时调节的监督(202)方法；

所述能量管理控制方法：采集混合动力汽车(30)动力传动系统(301)的车速、发动机转速、电机转速、发电机转速、蓄电池荷电状态，以及驾驶员(10)的加速踏板和制动踏板位置状态信息，计算输出动力传动系统(301)中发动机、电机、发电机和制动系统的的需求扭矩，实现对混合动力汽车的驱动、制动控制；

所述悬架控制方法：采集混合动力汽车(30)悬架系统(302)的状态信息，包括车身垂向加速度、俯仰角加速度、侧倾角加速度以及四个车轮垂向加速度，通过计算得到悬架作动器的理想控制力；

所述监督方法：通过采集到的状态信息实现对能量管理控制(201)和悬架控制(203)控制参数的实时调节，提高整车控制性能；所述状态信息包括悬架系统各作动器电压、电流信号，以及车身垂向加速度、俯仰角加速度、侧倾角加速度、四个车轮垂向加速度。

2.根据权利要求1所述的一种基于悬架振动能量回收的混合动力汽车整车控制方法，其特征在于，所述能量管理控制方法采用改进的最小等效燃油消耗控制策略，电能的等效燃油消耗同时引入了悬架系统(302)在一段时间间隔T_sus内的平均能耗P_sele以及动力传动系统(301)中电机和发电机总的瞬时功耗P_pele。

3.根据权利要求2所述的一种基于悬架振动能量回收的混合动力汽车整车控制方法，其特征在于，所述电能的等效燃油消耗表示为：

${\stackrel{\·}{m}}_{ele\_eq}=s_{dis}\frac{({\mathrm{\λ}}_p{P}_{pele}+{\mathrm{\λ}}_s{P}_{sele})}{{\mathrm{\η}}_{bat}{Q}_{lhv}}+s_{chg}\frac{{\mathrm{\η}}_{bat}\[(1-{\mathrm{\λ}}_p)P_{pele}+(1-{\mathrm{\λ}}_s)P_{sele}\]}{Q_{lhv}};$

λ_p＝[1+sign(P_pele)]/2

λ_s＝[1+sign(P_sele)]/2

其中，s_dis和s_chg分别为蓄电池放电过程和充电过程等效因子，η_bat为蓄电池效率，Q_lhv为燃油低热值。

4.根据权利要求1所述的一种基于悬架振动能量回收的混合动力汽车整车控制方法，其特征在于，所述悬架控制方法采用基于各车轮处车身和车轮垂向速度的混合控制策略，所述悬架作动器控制力的计算方法为：

$F_i=-c_s{\stackrel{\·}{z}}_{bi}-c_g{\stackrel{\·}{z}}_{wi}$

其中，i＝A、B、C、D,分别代表左前轮、右前轮、左后轮和右后轮，c_s和c_g分别表示各车轮处车身垂向速度和车轮垂向速度的增益系数，为各个车轮处车身垂向速度，车轮垂向速度；

所述的各车轮处车身垂向速度和车轮垂向速度分别通过对车轮处车身垂向加速度、车轮垂向加速度积分得到；

所述的车轮处车身垂向加速度通过采集到的车身垂向加速度、俯仰角加速度、侧倾角加速度得到，计算公式为：

其中，为各个车轮处车身的垂向加速度，i＝A,B,C,D,分别代表左前轮，右前轮，左后轮和右后轮，和分别为车身垂向加速度、俯仰角加速度和侧倾角加速度，l_f和l_r分别为混合动力汽车质心到前轴和后轴的距离，t_f和t_r分别为前轮和后轮轮距的一半，θ和分别为车身俯仰角和侧倾角。

5.根据权利要求3所述的一种基于悬架振动能量回收的混合动力汽车整车控制方法，其特征在于，所述监督方法的实现包括：

a.采集悬架系统(302)各作动器的电压、电流信号，计算悬架系统(302)在一段时间间隔T_sus内的平均能耗P_sele，并将该能耗数值作为修正因子，对混合动力汽车(30)的能量管理控制方法中的参数进行修正；

b.采集车身垂向加速度、俯仰角加速度、侧倾角加速度以及四个车轮垂向加速度，从而计算得到悬架动行程，通过悬架动行程判断路面等级；根据悬架动行程和采集到的车速信息决策当前悬架系统(302)的控制模式，并调节相应模式的悬架控制参数c_s和c_g，实现对悬架系统(302)工作模式的监督。

6.根据权利要求3所述的一种基于悬架振动能量回收的混合动力汽车整车控制方法，其特征在于，所述监督方法的实现还包括：采用马尔科夫模型或指数衰减模型对未来一段时间内的车速进行预测，结合整车纵向动力学模型，采用非线性模型预测控制算法得到优化的等效因子s_dis和s_chg，实现能量管理控制方法过程中等效因子的实时修正，避免采用固定等效因子时无法达到多工况下的优化控制。

7.根据权利要求1所述的一种基于悬架振动能量回收的混合动力汽车整车控制方法，其特征在于，所述悬架系统(302)采用可实现振动能量回收的馈能型主动悬架，悬架系统作动器采用直线电机和旋转电机。