CN107512261B - 基于双动力源协同的并联phev换挡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双动力源协同的并联PHEV换挡控制方法，该方法选取加速踏板开度α、车速v、电池SOC作为控制参数，该方法包括：区分不同的驱动模式解析需求转矩Tr，基于整车能量管理策略分配机电转矩，确定发动机和电机的工作点；然后依据双动力源的复合输出牵引力曲线计算绘制相邻挡位曲线并求出交点，连接各加速踏板下的交点得到全部换挡点。

Description

基于双动力源协同的并联PHEV换挡控制方法

技术领域

本发明涉及一种车辆的换挡控制方法，尤其是一种基于双动力源协同的并联PHEV换挡控制方法。

背景技术

插电式混合动力汽车(PHEV)存在多个动力源，相比传统的混合动力汽车(HEV)而言，配备更大容量的动力电池和更大功率的驱动电机，不仅可以由电机单独驱动，还可以直接利用电网廉价的电能充电，因此整车燃油经济性进一步得到提升。机械自动变速器(automated manual transmission,AMT)以其低成本、高效率和易于制造的特点成为众多混合动力构型的选择。为改善混合动力汽车的动力性和经济性指标，一方面需要在能量管理范畴优化发动机和电机的转矩分配比例，目前控制机电转矩分配的策略有很多，如基线控制、粒子群算法、动态规划算法、模型预测算法等；另一方面需要制定合适的换挡策略优化发动机和电机的工作区间，文献《插电式混合动力汽车换挡规律及转矩分配策略》机械工程学报，2013，49(14)：91-97.提出了一种同时决策机电转矩分配和变速器挡位的优化控制方法；另一些现有技术基于发动机、电机效率的加权函数制定了经济性换挡控制方法，简化了求解系统综合效率的方法；还有现有技术基于等效燃油消耗，遍历发动机和电机可能的转矩组合，制定了经济性换挡控制方法；另外一些现有技术提出了一种基于试验测试逆向解析混合动力系统换挡控制方法的方法。但是，在现有技术中，存在整车能量管理和换挡控制方法中模式划分、转矩分配原则不一致的情况，鉴于混合动力汽车能量管理策略和换挡控制方法具有很强的耦合性和一致性，本发明以牵引力最大和整车系统综合效率最高为优化目标，统一能量管理和换挡控制方法模式划分与机电转矩分配原则，制定以车速、油门开度和电池荷电状态(SOC)为控制参数的三参数动力性换挡控制方法(即换挡规律)，并基于某双轴并联插电式混合动力汽车(PGEV)验证该换挡控制方法的合理性。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种车辆的换挡控制方法，尤其是一种基于双动力源协同的并联PHEV换挡控制方法。

本发明的目的可以通过以下途径来实现:

一种基于双动力源协同的并联PHEV换挡控制方法，该方法选取加速踏板开度α、车速v、电池SOC作为控制参数，该方法包括：

区分不同的驱动模式解析需求转矩Tr，基于整车能量管理策略分配机电转矩，确定发动机和电机的工作点；

然后依据双动力源的复合输出牵引力曲线计算绘制相邻挡位曲线并求出交点，连接各加速踏板下的交点得到全部换挡点；

其中双动力源的复合输出牵引力曲线计算方法如下：

T_r＝f(α,ν) (1)

T_e＝f(SOC,α,ν,i_ge,i_gm) (3)

T_m＝f(SOC,α,ν,i_ge,i_gm) (4)

式1中，Tr为整车需求转矩，由当前加速踏板开度α和车速v得到，需求转矩Tr是通过计算加速踏板开度α和当前车速下动力源能够提供的最大转矩Trmax之积得到,动力源最大转矩的确定分为动力性和经济性模式两种情况：当车辆工作在动力模式时，动力源最大转矩为发动机和电机在各档最大转矩之和；当车辆工作在经济模式时，动力源最大转矩按照发动机在各档最大转矩计算；式2中，ige和igm分别为机械路和电动路的挡位，i0为主减速比；ηT为机械传动效率；r为轮胎滚动半径；Te和Tm为发动机和电动机的输出转矩，其大小根据加速踏板开度α、车速v、电池SOC以及挡位ige、igm由混合动力系统能量管理和功率分配策略确定。

本发明的换挡控制方法，更进一步地，在混合驱动模式时，当加速踏板开度为100％时，整车转矩需求最大，此时要求发动机和电机都工作在峰值外特性曲线上，由于1挡传动比较2挡大，所以牵引力始终高于2挡，为了充分发挥1挡的驱动能力，取1挡最高车速即发动机最高转速点对应的车速作为换挡点。

本发明的换挡控制方法，更进一步地，在混合驱动模式时，当加速踏板开度为30％时，整车需求转矩较小，此时发动机调节空间变大，可沿最优转矩曲线工作，其余转矩由电机补充；由于加速踏板开度相同，在同一车速下1、2挡的需求转矩相同且都较小，此时变速器处于1、2挡均能满足驱动需求，出现牵引力重合现象，重合部分对应的车速点均能作为换挡点，但是考虑到在相同驱动能力下提前换挡有助于减少油耗，因此取重合部分最低车速作为换挡点。

本发明的换挡控制方法，更进一步地，混合驱动模式下的动力性换挡曲线，如图10所示。

本发明的换挡控制方法，更进一步地，纯电动模式下的动力性换挡曲线，如图11所示。

本发明的换挡控制方法，更进一步地，行车充电模式下的动力性换挡曲线，如图12所示。

本发明的换挡控制方法，更进一步地，在车速-加速踏板开度平面，纯电动模式和混合动力模式动力性换挡控制方法均只覆盖部分区域，比如低速、小加速踏板开度区域不可能进入混合动力模式，这个区域的混合动力换挡控制方法是无效的，所以将纯电动模式和混合动力模式的换挡控制方法进行整合，可得到电池SOC>SOCobj时的动力性换挡曲线，如图13所示；同时由于SOC<SOCmin时车辆仅工作在行车充电模式，故图12也为SOC<SOCmin时的动力性换挡曲线。

本发明的换挡控制方法，更进一步地，其中SOCmax＝95％、SOCobj＝25％、SOCmin＝24.25％。

本发明的换挡控制方法，更进一步地，其中能量管理和功率分配策略确定发动机和电动机的输出转矩的方法为：选取加速踏板开度α、车速v、电池SOC作为输入参数，区分不同的驱动模式解析需求转矩Tr；根据解析的需求转矩Tr和不同电池SOC状态确定纯电驱动、混合驱动、行车发电或纯发动机驱动等车辆运行模式,在非纯电驱动模式下，基于发动机燃油消耗最优的原则分配各个挡位下的Te和Tm的大小；发动机优先工作在最佳燃油经济性曲线上，驱动需求转矩Tr和当前发动机转速下最优转矩Te的差值作为电机目标工作转矩Tm。

附图说明

图1是本发明涉及的双轴并联PHEV结构示意图。

图2是本发明涉及的AMT传动简图。

图3是发动机效率曲线图。

图4是电机效率曲线图。

图5是本发明的SOC>SOCobj时模式切换条件的示意图。

图6是需求转矩Tr的示意图。

图7是本发明的换挡控制方法设计流程图。

图8是本发明油门开度为100％时1-2挡换挡点。

图9是本发明油门开度为30％时1-2挡换挡点。

图10是本发明的混合驱动模式动力性换挡控制方法。

图11是本发明的纯电动模式动力性换挡控制方法。

图12是本发明的行车充电模式(SOC<SOCmin时)动力性换挡控制方法。

图13是本发明的SOC>SOCobj时动力性换挡控制方法。

图14是升挡曲线比较图。

具体实施方式

本发明所研究的双轴并联插电式混合动力汽车(又称P2.5构型)结构原理如图1所示，该构型主要由发动机、电机、离合器以及某型具有双轴输入的AMT构成，发动机和电机分别通过这两根轴与AMT相连，机电扭矩经多种不同的挡位组合在AMT内部耦合。因此，该型AMT在变速变矩的同时实现了机电扭矩耦合，机械路挡位与电动路挡位交替升挡，可完成无动力中断换挡，AMT传动简图如图2所示。机械路和电动路挡位可组合出3个纯电动挡、9个混合动力挡，各挡位传动比如表1所示。

表1某型AMT纯电动模式传动比

本发明的PHEV选用的发动机最大输出功率为133kW，最大输出扭矩为250Nm，转速范围为800-5600rpm；永磁同步电机峰值功率和额定功率分别为为84kW、43kW，峰值输出转矩为210Nm，转速范围为0-12000rpm。通过台架实验，分别得到发动机燃油消耗率曲线和电机效率曲线，根据发动机燃油消耗率与效率的等量关系，转化得到发动机的效率曲线，如图2、3所示，发动机和电机最高效率分别约为32％、96％。

混合动力汽车能量分配策略设计的关键是根据整车行驶需求转矩Tr与动力电池的荷电状态SOC实时调节发动机和电机的转矩分配比例，其中Tr为加速踏板开度α和车速v的函数。根据本发明研究的双轴并联PHEV发动机与电机存在的耦合与分离方式，可通过α、v、SOC三个参数将整车运行模式分为4种情况：纯电动模式、混合动力模式、行车充电模式和回馈制动模式。整个动力电池电量变化过程可划分为2个部分：当SOCobj<SOC<SOCmax时，电池处于电量消耗状态(CD)；当SOCmin<SOC<SOCobj时，电池处于电量维持状态(CS)。具体的工作模式切换分驱动和制动两种情况：Tr<0时，车辆进入回馈制动模式；Tr>0时，车辆进入驱动状态：当SOC>SOCobj时，车辆进入纯电动和混合动力两种耗电模式，其中0<Tr<Tmmax时，进入纯电动模式，Tr>Tmmax时，进入混合动力模式。将需求转矩Tr转化为加速踏板开度，可得到模式切换曲线(即发动机关闭曲线)如图5所示；当SOC<SOCmin时，车辆进入行车充电模式。通过对门限值参数进行优化本发明SOCmax＝95％、SOCobj＝25％、SOCmin＝24.25％。

在各个模式中，转矩分配策略为基于逻辑门限值的控制策略，主要原则是尽量让发动机沿最佳燃油经济性曲线工作，如图6、表2所示。由于该构型PHEV发动机和电机不同轴，工作时转速不一致，且变速器机电挡位相对独立，因此图6和表2中所有的转矩均为转化到轮端的转矩。其中，Tr为整车驱动需求转矩、Tmmax为电机最大输出转矩、Temax为发动机最大输出转矩、Teopt为发动机燃油消耗率最小即最优输出转矩。

表2转矩分配原则

混合动力汽车存在多种工作模式，不同工作模式下功率流动途径不同，换挡控制方法与车辆运行模式息息相关，因此应基于整车能量管理中的模式划分原则区分纯电动、混合驱动、行车充电模式制定换挡控制方法。对于混合动力汽车，油门开度不再表征对某单一动力源的转矩需求，发动机和电机的需求转矩调节空间变大，比如随着加速踏板开度增大，发动机和电机的输出转矩之和增大，但存在某一动力源输出转矩减小的情况，因此在制定混合动力汽车换挡控制方法的时候，应当考虑混合动力汽车双动力源驱动条件下的复合特性及耦合关系，并根据整车能量管理策略进行转矩分配，这样制定出的换挡控制方法才能符合实际情况。

本发明借鉴传统单动力源车辆换挡控制设计方法，考虑并联PHEV的双动力源混合驱动特性以及能量管理策略的协同调控作用，设计PHEV的换挡控制方法(换挡规律)。传统两参数换挡控制方法一般以油门开度α和车速v为控制参数，但混合动力系统中，电池SOC对于驱动模式选择以及转矩分配有直接的影响，所以加入SOC作为换挡控制方法控制(输入)参数。

本发明选取加速踏板开度α、车速v、电池SOC作为控制参数，区分不同的驱动模式解析需求转矩Tr，基于整车能量管理策略分配机电转矩，确定发动机和电机的工作点，然后依据不同的目标函数绘制相邻挡位曲线并求出交点，连接各加速踏板下的交点得到换挡控制方法。在计算动力性换挡控制方法时，通过计算不同油门开度下双动力源的复合输出牵引力曲线交点获取换挡点；在计算经济性换挡控制方法时，提出系统综合效率计算方法，通过计算不同油门开度下双动力源的系统综合效率曲线交点获取换挡点，计算流程如图7所示。

动力性换挡要求充分发挥汽车各个挡位的驱动功率，以取得优异的加速能性、爬坡能力和高的平均车速。本发明通过计算整车牵引力交点得到动力性换挡控制方法，为了简化计算，以SOC＝50％时的结果作为纯电动和混合动力模式的换挡控制方法，以SOC＝20％时的计算结果作为行车充电模式的换挡控制方法。整车牵引力计算方法如下：

T_r＝f(α,ν) (1)

T_e＝f(SOC,α,ν,i_ge,i_gm) (3)

T_m＝f(SOC,α,ν,i_ge,i_gm) (4)

式1中：Tr为整车需求转矩，由当前加速踏板开度α和车速v得到。式2中，ige和igm分别为机械路和电动路的挡位，i0为主减速比；ηT为机械传动效率；Te和Tm为发动机和电动机的输出转矩，其分配原则和整车能量管理策略一致，大小是加速踏板开度α、车速v、电池SOC以及挡位ige、igm的函数，如式3、4所示；r为轮胎滚动半径。

以混合驱动模式为例，当加速踏板开度为100％时，整车转矩需求最大，此时要求发动机和电机都工作在峰值外特性曲线上，由于1挡传动比较2挡大，所以牵引力始终高于2挡，为了充分发挥1挡的驱动能力，取1挡最高车速即发动机最高转速点对应的车速作为换挡点，如图8所示；当加速踏板开度为30％时，整车需求转矩较小，此时发动机调节空间变大，可沿最优转矩曲线工作，其余转矩由电机补充。由于加速踏板开度相同，在同一车速下1、2挡的需求转矩相同且都较小，此时变速器处于1、2挡均能满足驱动需求，会出现如图9所示的牵引力重合现象，重合部分对应的车速点均能作为换挡点，但是考虑到在相同驱动能力下提前换挡有助于减少油耗，因此取重合部分最低车速作为换挡点。将不同加速踏板开度下各挡换挡点连接起来，可得到混合驱动模式下的动力性换挡曲线，如图10所示。同理，可分别得到纯电动、行车充电模式下的动力性换挡控制方法，如图11、12所示。

根据图5中模式切换条件可知，在车速-加速踏板开度平面，纯电动模式和混合动力模式动力性换挡控制方法均只覆盖部分区域，比如低速、小加速踏板开度区域不可能进入混合动力模式，这个区域的混合动力换挡控制方法是无效的，所以将纯电动模式和混合动力模式的换挡控制方法进行整合，可得到电池SOC>SOCobj时的动力性换挡控制方法，如图13所示，同时由于SOC<SOCmin时车辆仅工作在行车充电模式，故图12也为SOC<SOCmin时的动力性换挡控制方法。

为了验证本发明提出的换挡控制方法的有效性，基于AVL Cruise和Matlab/Simulink分别搭建双轴并联PHEV动力学模型和整车控制器模型。在其他参数完全相同的情况下，分别用本发明制定的基于整车能量管理策略的三参数换挡控制方法和传统两参数换挡控制方法进行仿真对比。

动力性仿真主要对比最高车速、0-100km/h加速时间、最大爬坡度等指标，在AVLCruise中构建相应工况，分别得到两种换挡控制方法动力性指标如表3所示。

表3动力性指标仿真结果

本发明制定的三参数动力性换挡控制方法总体上延迟了换挡车速，使各挡的牵引力得到充分发挥，且最高车速对应的挡位低、牵引力大，所以同等条件下最高车速增大、加速时间缩短，动力性增强。最大爬坡度反映的是1挡的最大爬坡能力，由于发动机、电机和1挡传动比参数相同，故最大爬坡度相同。

由此可见，以AVL Cruise和Matlab/Simulink软件为仿真平台，对本发明提出的三参数换挡控制方法和传统换挡控制方法进行了对比，结果表明，本发明提出的动力性换挡控制方法对双轴并联PHEV的动力性指标有显著提升。

当然，以上所述仅是本发明的一些实施方式而已，应当指出本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于双动力源协同的并联PHEV换挡控制方法，该方法选取加速踏板开度α、车速v、电池SOC作为控制参数，该方法包括：

区分不同的驱动模式解析需求转矩Tr，基于整车能量管理策略分配机电转矩，确定发动机和电机的工作点；

然后依据双动力源的复合输出牵引力曲线计算绘制相邻挡位曲线并求出交点，连接各加速踏板下的交点得到全部换挡点；

其中双动力源的复合输出牵引力曲线计算方法如下：

T_r＝f(α,ν) (1)

T_e＝f(SOC,α,ν,i_ge,i_gm) (3)

T_m＝f(SOC,α,ν,i_ge,i_gm) (4)

式(1)中，Tr为整车需求转矩，由当前加速踏板开度α和车速v得到，需求转矩Tr是通过计算加速踏板开度α和当前车速下动力源能够提供的最大转矩Trmax之积得到,动力源最大转矩的确定分为动力性和经济性模式两种情况：当车辆工作在动力模式时，动力源最大转矩为发动机和电机在各档最大转矩之和；当车辆工作在经济模式时，动力源最大转矩按照发动机在各档最大转矩计算；式(2)中，i_ge和i_gm分别为机械路和电动路的挡位，i₀为主减速比；η_T为机械传动效率；r为轮胎滚动半径；Te和Tm为发动机和电动机的输出转矩，其大小根据加速踏板开度α、车速v、电池SOC以及挡位i_ge、i_gm由混合动力系统能量管理和功率分配策略确定。

2.根据权利要求1所述的换挡控制方法，其中在混合驱动模式时，当加速踏板开度为100％时，整车转矩需求最大，此时要求发动机和电机都工作在峰值外特性曲线上，由于1挡传动比较2挡大，所以牵引力始终高于2挡，为了充分发挥1挡的驱动能力，取1挡最高车速即发动机最高转速点对应的车速作为换挡点。

3.根据权利要求1所述的换挡控制方法，其中在混合驱动模式时，当加速踏板开度为30％时，整车需求转矩较小，此时发动机调节空间变大，沿最优转矩曲线工作，其余转矩由电机补充；由于加速踏板开度相同，在同一车速下1、2挡的需求转矩相同且都较小，此时变速器处于1、2挡均能满足驱动需求，出现牵引力重合现象，重合部分对应的车速点均能作为换挡点，但是考虑到在相同驱动能力下提前换挡有助于减少油耗，因此取重合部分最低车速作为换挡点。

4.根据权利要求1或2或3所述的换挡控制方法，其中通过加速踏板开度α、车速v、电池SOC三个参数将整车运行模式分为4种情况：纯电动模式、混合动力模式、行车充电模式和回馈制动模式，整个动力电池电量变化过程可划分为2个部分：当SOCobj<SOC<SOCmax时，电池处于电量消耗状态；当SOCmin<SOC<SOCobj时，电池处于电量维持状态，具体的工作模式切换分驱动和制动两种情况：Tr<0时，车辆进入回馈制动模式；Tr>0时，车辆进入驱动状态：当SOC>SOCobj时，车辆进入纯电动和混合动力两种耗电模式，其中0<Tr<Tmmax时，进入纯电动模式，Tr>Tmmax时，进入混合动力模式，将需求转矩Tr转化为加速踏板开度，得到模式切换曲线，即发动机关闭曲线；当SOC<SOCmin时，车辆进入行车充电模式，其中SOCmax＝95％、SOCobj＝25％、SOCmin＝24.25％。

5.根据权利要求1或2或3所述的换挡控制方法，其中能量管理和功率分配策略确定发动机和电动机的输出转矩Te和Tm的方法为：选取加速踏板开度α、车速v、电池SOC作为输入参数，区分不同的驱动模式解析需求转矩Tr；根据解析的需求转矩Tr和不同电池SOC状态确定纯电驱动、混合驱动、行车发电或纯发动机驱动车辆运行模式,在非纯电驱动模式下，基于发动机燃油消耗最优的原则分配各个挡位下的Te和Tm的大小；发动机优先工作在最佳燃油经济性曲线上，驱动需求转矩Tr和当前发动机转速下最优转矩Te的差值作为电机目标工作转矩Tm。