CN107310557B - 一种混合动力汽车制动模式切换协调控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合动力汽车制动模式切换协调控制的方法，本方法以一种新型的双电机、双离合器式四驱插电式混合动力汽车为研究对象，首先分析了该混合动力汽车结构组成，然后对该混合动力汽车制定了制动力分配控制策略，确定了各个制动模式的运行区域，建立了整车各个制动模式下的动力学模型，接着针对不同制动模式相互切换过程中，由于电机液压动态响应特性的不同而导致的扭矩波动问题，提出了电机与液压制动力矩协调控制方法。本发明利用液压制动系统制动力矩大且稳定的特点，来提供需求制动力，保证了制动感觉与制动安全；在达到需求制动力后，利用电机响应迅速准确的特点进行主动协调控制，从而实现制动模式切换平稳过渡。

Description

一种混合动力汽车制动模式切换协调控制的方法

技术领域

本发明涉及汽车制造技术领域，以混合动力汽车制动模式切换协调控制为研究对象，提出的一种混合动力汽车制动模式切换协调控制的方法。

背景技术

混合动力汽车能够有效降低汽车油耗与排放，成为汽车各大厂商研究的热点，同时随着生活水平的不断提高，人们对汽车的安全性、舒适性以及平顺性要求越来越高。混合动力汽车一般有多个制动系统，例如液压、电机制动系统。液压系统能保证汽车制动稳定性和制动效能；再生制动回收能量、增加续驶里程。然而，混合动力汽车多种制动系统的存在决定了混合汽车的多种制动模式，不同制动系统动态响应特性的不同导致了制动模式切换过程中扭矩出现较大波动，影响了整车的制动安全性与平顺性。根据本文的插电式双电机混合动力汽车，由于存在着多种制动系统，制动模式切换协调控制策略显得尤为重要。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种混合动力汽车制动模式切换协调控制方法，

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种混合动力汽车制动模式切换协调控制的方法，包含如下步骤，

S1：对混合动力汽车进行结构分析，确定混合动力汽车的制动模式；

S2：确定混合动力汽车制动模式运行的边界条件，制定混合动力汽车制动模式分配控制策略；

S3：在制动工况下，当混合动力汽车的需求制动力发生变化时，根据车速、电池荷电状态、CVT速比、制动踏板和制动模式运行边界条件判定制动模式是否发生切换，若判定制动模式不变，则维持原有制动模式；若判定制动模式切换，则进行制动模式切换协调控制；

所述制动模式切换协调控制具体为：将制动模式切换过程划分为液压制动力修正以及电机主动协调控制两个阶段：

第一阶段，对液压制动力进行修正，利用修正后的液压制动力来满足制动力需求；

第二阶段，在混合动力汽车的总制动力达到需求制动力后，利用电机进行主动协调控制，从而实现混合动力汽车的制动模式切换。

进一步，所述步骤S2中混合动力汽车制动模式运行的边界条件与制动模式分配控制策略具体如下，

1)当制动时，车速满足V_min＜V＜V_max并且SOC＜SOC_high时，其中SOC(State OfCharge)为当前电池荷电状态，SOC_high为电池荷电状态的上限值；

①若后轴电机能提供的最大制动力F_{bPMSM_max}能满足总需求制动力F_{b_req}，即F_{bPMSM_max}＞F_{b_req}，则优先使用后轴电机提供制动力

式中：F_bISG为前轴电机提供的制动力，F_bPMSM为后轴电机提供的制动力；

②当F_{bPMSM_max}无法满足总需求制动力F_{b_req}，且F_{bPMSM_max}+F_{bISG_max}＞F_{b_req}，前后电机同时进行再生制动，后轴电机提供最大制动力，而前轴电机提供剩余需求制动力

式中：F_{bISG_max}表示前轴电机能提供的最大制动力，F_{bPMSM_max}为后轴电机能提供的最大制动力；

③当前后电机以最大制动力进行制动仍无法满足需求制动力F_{b_req}，即F_{bPMSM_max}+F_{bISG_max}＜F_{b_req}，且前轴能够提供剩余制动力时，此时不足制动力由前轴液压制动系统提供

式中：F_hf表示前轴液压制动力；

④当需求制动力F_{b_req}大于前后电机总制动能力，且加入前轴液压制动力仍无法满足，同时制动强度z≤0.7，此时前后轴均有液压制动力加入

式中：F_hr为后轴液压制动力，F_bxf为前轴的需求制动力，F_bxr表示后轴的需求制动力，F_bxf+F_bxr＝F_{b_req}；

2)制动时，如果车速V＞V_max或者V＜V_min或者SOC≥SOC_high或者制动强度z＞0.7时，电机不再提供制动力，制动力完全由液压制动系统提供

进一步，步骤S4中所述制动模式切换过程包含如下步骤，

S41进入协调控制后，第一阶段，保持电机制动力矩不变，对液压制动力矩进行修正，修正液压制动力矩为

T_{h_req}＝T_h2+T_m2-T_m1

式中：T_{h_req}为液压目标制动力矩，T_h2为制动模式切换后的目标液压制动力矩，T_m2为制动模式切换后电机的目标制动力矩，T_m1为制动模式切换时刻电机制动力矩；

S42对总制动力矩T_b进行判断，当T_b＝T_h2+T_m2时，进入协调控制第二阶段；

S43通过S42判定后，同时修正电机和液压制动力矩，让电机参与主动协调控制，修正的液压目标制动力矩为：

T_{h_req}＝T_h2

修正的电机目标制动力矩为：

T_{m_req}＝T_h2+T_m2-T_h

式中：T_{m_req}为修正的电机目标制动力矩，T_h为液压实际制动力矩；

S44对电机制动力矩T_m以及液压制动力矩T_h进行判定，如果T_m＝T_m2并且T_h＝T_h2时，则协调控制结束，模式切换完成。

本发明的有益效果在于：本发明的优点是针对模式切换过程中电机、液压制动力矩动态响应特性的不同，提出将模式切换过程划分为液压制动力修正以及电机主动协调控制两个阶段，制定不同的控制目标，分别进行控制，充分地发挥了电机液压制动系统的响应特性。利用液压制动系统制动力矩大且稳定的特点，来提供需求制动力，保证了制动感觉与制动安全；在达到需求制动力后，利用电机响应迅速准确的特点进行主动协调控制，从而实现制动模式切换平稳过渡。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本实用新型提供如下附图进行说明：

图1为插电式四驱混合动力汽车动力系统结构图；

图2为前后轴制动力分配曲线；

图3为系统模型等效简图；

图4为制动模式切换协调控制原理图；

图5为电机转矩PID控制算法；

图6为模式切换控制流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1所示为插电式四驱混合动力汽车结构图，1为机械制动系统，2为前轴主减速器，3为CVT，4为离合器I，5为前轴电机，6为离合器II，7为发动机，8为永磁同步电机，9为后轴主减速器。驱动时，混合动力汽车前轴驱动系统由发动机以及前轴电机驱动，后轴由后轴电机驱动；制动时，前轴可由前轴机械制动系统以及前轴电机进行制动，后轴由永磁同步电机以及后轴机械制动系统进行制动。

由于该混合动力汽车制动时拥有多个制动系统，与传统汽车相比，增加了电机制动模式，因此为了改善整车制动时的平顺性，需要对电机和液压制动力矩进行协调控制。

制动模式工作区域

根据权利要求书中的制动力分配控制策略可以看出，该混合动力汽车制动时存在着三种制动模式，即电机制动模式、电液复合制动模式以及机械制动模式。制动时，三种制动模式的边界条件是不断变化的，ECU通过车速、电池荷电状态、CVT速比、制动踏板来实时计算当前状态下各种模式运行的边界条件，从而确定各个模式工作区域。

制动模式动力学分析

为了便于进行动力学分析，将其模型图进行简化，得到的模型图如图3所示，图中各标记代表的含义如下：

J_ISG-前轴电机转动惯量；J_CVT-CVT转动惯量；i_CVT-CVT速比；J_C-离合器I转动惯量；J_PMSM-永磁同步电机转动惯量；J_w-车轮转动惯量；J_o1-主减I转动惯量；i_o1-主减I速比；J_o2-主减II转动惯量；i_o2-主减II速比；m-整车质量；r-车轮半径。

1)纯电动制动模式

纯电机制动时，存在着单电机与双电机制动，由于离合器I结合与断开，等效到车轮上的转动惯量会发生变化。

单电机制动时，离合器断开：

J_v＝J_CVT.i_o1+J_o1+J_o2+J_PMSM.i_o2+J_w+mr²

双电机制动时，离合器结合：

J_v＝((J_ISG+J_C)i_CVT+J_CVT).i_o1+J_o1+J_o2+J_PMSM.i_o2+J_w+mr²

制动过程中满足：

式中：T_h表示液压制动力矩；T_ISG表示前轴电机制动力矩；T_PMSM为后轴电机制动力矩；ω_w表示车轮角速度。

2)电液联合制动模式

电机与液压联合制动时，离合器I结合，需求制动力矩由电机与液压同时制动。此时等效到车轮上的转动惯量为：

J_v＝((J_ISG+J_C)i_CVT+J_CVT).i_o1+J_o1+J_o2+J_PMSM.i_o2+J_w+mr²

制动过程中满足：

3)液压制动模式

液压制动时，离合器I断开，需求制动力矩由液压制动系统提供，电机不参与制动。此时等效到车轮上的转动惯量为：

J_v＝J_CVT.i_o1+J_o1+J_o2+J_PMSM.i_o2+J_w+mr²

制动过程中满足：

结合上述分析，本发明的控制方法针对制动过程中有制动模式切换的混合动力汽车而提出，总的来说，包括以下步骤：

步骤1：对混合动力汽车进行结构分析，制定制动力分配控制策略，确定各个制动模式运行边界条件以及建立各个制动模式动力学模型并分析。

步骤2：在制动工况下，当驾驶员需求制动力发生变化时，根据车速、电池荷电状态、CVT速比、制动踏板等进行制动力分配，同时ECU实时计算各个制动模式运行边界条件，然后根据当前的制动状态判定是否发生模式切换，当发生制动模式切换时：

将模式切换过程分为液压制动力修正以及电机主动协调控制两个阶段，利用液压制动系统制动力矩大且稳定的特点，来提供需求制动力，保证了制动感觉与制动安全；在达到需求制动力后，利用电机响应迅速准确的特点进行主动协调控制，当电机液压制动系统达到目标值后，制动模式切换过程完成。

进一步，所述步骤1中混合动力汽车制动模式运行的边界条件与制动模式分配控制策略具体如下，

1)当制动时，车速满足V_min＜V＜V_max并且SOC＜SOC_high时，其中SOC(State OfCharge)为当前电池荷电状态，SOC_high为电池荷电状态的上限值；

①若后轴电机能提供的作用于车轮的最大制动力F_{bPMSM_max}能满足总需求制动力F_{b_req}，即F_{bPMSM_max}＞F_{b_req}，如附图2中OC段所示，则优先使用后轴电机提供制动力，

式中：F_bISG为前轴电机作用于车轮上的制动力，F_bPMSM为后轴电机作用于车轮上的制动力；

②当需求制动力位于附图2中CA段时，此时F_{bPMSM_max}即后轴电机作用于车轮上的制动力达到最大时仍然无法满足总需求制动力F_{b_req}，且F_{bPMSM_max}+F_{bISG_max}＞F_{b_req}，式中，F_{bISG_max}表示前轴电机能提供的作用于车轮的最大制动力，前后电机同时进行再生制动，后轴电机提供最大制动力，而前轴电机提供剩余需求制动力

③当需求制动力F_{b_req}位于附图2中AB段时，此时前后电机以最大制动力进行制动仍无法满足需求制动力F_{b_req}，即F_{bPMSM_max}+F_{bISG_max}＜F_{b_req}，且前轴能够提供剩余制动力时，此时不足制动力由前轴液压制动系统提供

式中：F_hf表示前轴液压制动力；

④如附图2所示，当制动强度z≤0.4时，前后轴制动力F_bxf、F_bxr按β₁线进行分配；当当制动强度z＞0.4时，前后轴制动力F_bxf、F_bxr按β₂线进行分配；因此当需求制动力在附图2的BEF线上时，需求制动力F_{b_req}大于前后电机总制动能力，且加入前轴液压制动力仍无法满足，同时制动强度z≤0.7，此时前后轴均有液压制动力加入

式中：F_hr为后轴液压制动力，F_bxf为前轴的需求制动力，F_bxr表示后轴的需求制动力，F_bxf+F_bxr＝F_{b_req}。

2)制动时，如果车速V＞V_max或者V＜V_min或者SOC≥SOC_high或者制动强度z＞0.7时，电机不再提供制动力，制动力完全由液压制动系统提供

进一步，所述步骤2主要包括以下步骤：

步骤21：对模式切换边界条件进行判定。通过跟踪车速、电池荷电状态、CVT速比、制动踏板的变化，来实时计算制动过程中的模式边界条件，同时确定当前条件下，混合动力汽车制动过程是否发生模式切换，如果发生模式切换，则进行模式切换协调控制，协调控制原理如图4所示。

步骤22：当通过步骤21确定制动时发生模式切换，则进入协调控制，对保持电机制动力矩不变，液压制动力矩进行修正。修正的液压目标制动力矩：

T_{h_req}＝T_h2+T_m2-T_m1

式中：T_{h_req}液压目标制动力矩；T_h2制动模式切换后的目标液压制动力矩；T_m2制动模式切换后的目标电机制动力矩，作用于车轮上；T_m1模式切换时刻电机制动力矩，作用于车轮上。

步骤23：对总制动力矩T_b进行判断，当T_b＝T_h2+T_m2时，进入协调控制第二阶段；

步骤24：通过步骤23判定后，同时修正电机和液压制动力矩，让电机参与主动协调控制，修正的液压目标制动力矩为：

T_{h_req}＝T_h2

修正的电机目标制动力矩为：

T_{m_req}＝T_h2+T_m2-T_h

式中：T_{m_req}为修正的电机目标制动力矩，T_h为液压实际制动力矩。

同时设计了电机转矩PID控制算法，算法结构如图5所示，算法输入T_{m_req}为电机目标制动力矩，输出T_m表示电机实际输出的制动力矩，PID控制算法表达式为：

式中：e(t)为PID偏差信号；K_P、K_i、K_d分别表示PID比例系数、积分系数、微分系数。

步骤25：对电机制动力矩T_m以及液压制动力矩T_h进行判定，如果T_m＝T_m2并且T_h＝T_h2时，则协调控制结束，模式切换完成。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种混合动力汽车制动模式切换协调控制的方法，其特征在于：包含如下步骤，

S1：对混合动力汽车进行结构分析，确定混合动力汽车的制动模式；

S2：确定混合动力汽车制动模式运行的边界条件，制定混合动力汽车制动模式分配控制策略；

S3：在制动工况下，当混合动力汽车的需求制动力发生变化时，根据车速、电池荷电状态、CVT速比、制动踏板和制动模式运行边界条件判定制动模式是否发生切换，若判定制动模式不变，则维持原有制动模式；若判定制动模式切换，则进行制动模式切换协调控制；

所述制动模式切换协调控制具体为：将制动模式切换过程划分为液压制动力修正以及电机主动协调控制两个阶段：第一阶段，对液压制动力进行修正，利用修正后的液压制动力来满足制动力需求；第二阶段，在混合动力汽车的总制动力达到需求制动力后，利用电机进行主动协调控制，从而实现混合动力汽车的制动模式切换。

2.根据权利要求1所述的混合动力汽车制动模式切换协调控制的方法，其特征在于：所述步骤S2中混合动力汽车制动模式运行的边界条件与制动模式分配控制策略具体如下，

1)当制动时，车速满足V_min＜V＜V_max并且SOC<SOC_high时，其中V为车速，V_min为根据电机效率曲线所得到的制动能量回收时的车速下限值，V_max为根据电机效率曲线所得到的制动能量回收时的车速上限值；SOC(State Of Charge)为当前电池荷电状态，SOC_high为电池荷电状态的上限值；

①若后轴电机能提供的最大制动力F_{bPMSM_max}能满足总需求制动力F_{b_req}，即F_{bPMSM_max}＞F_{b_req}，则优先使用后轴电机提供制动力

式中：F_bISG为前轴电机提供的制动力，F_bPMSM为后轴电机提供的制动力；

②当F_{bPMSM_max}无法满足总需求制动力F_{b_req}，且F_{bPMSM_max}+F_{bISG_max}＞F_{b_req}，前后电机同时进行再生制动，后轴电机提供最大制动力，而前轴电机提供剩余需求制动力

式中：F_{bISG_max}表示前轴电机能提供的最大制动力，F_{bPMSM_max}为后轴电机能提供的最大制动力；

③当前后电机以最大制动力进行制动仍无法满足需求制动力F_{b_req}，即F_{bPMSM_max}+F_{bISG_max}＜F_{b_req}，且前轴能够提供剩余制动力时，此时不足制动力由前轴液压制动系统提供

式中：F_hf表示前轴液压制动力；

④当需求制动力F_{b_req}大于前后电机总制动力，且加入前轴液压制动力仍无法满足，同时制动强度z≤0.7，此时前后轴均有液压制动力加入

式中：F_hr为后轴液压制动力，F_bxf为前轴的需求制动力，F_bxr表示后轴的需求制动力，F_bxf+F_bxr＝F_{b_req}；

2)制动时，如果车速V＞V_max或者V＜V_min或者SOC≥SOC_high或者制动强度z＞0.7时，电机不再提供制动力，制动力完全由液压制动系统提供

3.根据权利要求1所述的混合动力汽车制动模式切换协调控制的方法，其特征在于：步骤S3中所述制动模式切换过程包含如下步骤，

S31进入协调控制后，第一阶段，保持电机制动力矩不变，对液压制动力矩进行修正，修正液压制动力矩为

T_{h_req}＝T_h2+T_m2-T_m1

式中：T_{h_req}为液压目标制动力矩，T_h2为制动模式切换后的目标液压制动力矩，T_m2为制动模式切换后电机的目标制动力矩，T_m1为制动模式切换时刻电机制动力矩；

S32对总制动力矩T_b进行判断，当T_b＝T_h2+T_m2时，进入协调控制第二阶段；

S33通过S32判定后，同时修正电机和液压制动力矩，让电机参与主动协调控制，修正的液压目标制动力矩为：

T_{h_req}＝T_h2

修正的电机目标制动力矩为：

T_{m_req}＝T_h2+T_m2-T_h

式中：T_{m_req}为修正的电机目标制动力矩，T_h为液压实际制动力矩；

S34对电机制动力矩T_m以及液压制动力矩T_h进行判定，如果T_m＝T_m2并且T_h＝T_h2时，则协调控制结束，模式切换完成。