CN107628021B - 基于发动机动态特性识别的混动车电机转矩补偿协调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于发动机动态特性识别的混动车电机转矩补偿协调方法，该方法针对并联混动汽车模式切换时两动力源和离合器状态变化易引发冲击；实车发动机动态响应影响因素多、响应特性不断变化、滞后及误差明显；各子控制器报文周期不同易导致通讯相对时延、控制滞后等问题，提出发动机动态响应性能识别、响应转矩预估、电机同步补偿的控制方法。在急加速等动态工况，利用发动机实际响应数据识别其动态响应特性、预估未来输出转矩，进行电机同步补偿控制。本方法基于已有响应信息识别发动机动态特性、预估未来响应，从而可由电机同步补偿有效减小发动机工作时动力系统总转矩响应误差，在保证平顺性、舒适性的同时提高整车动力性。

Description

基于发动机动态特性识别的混动车电机转矩补偿协调方法

技术领域

本发明属于并联混合动力汽车技术领域，特别涉及基于发动机动态特性识别的混动车电机转矩补偿协调方法。

背景技术

随着能源与环境问题日益严峻，节能与新能源汽车技术成为热点。混合动力汽车由于其经济性好、续驶里程长，成为研究重点方向之一。其中的并联混动车型，因相比混联构型结构简单、易于控制，相比串联构型驱动模式更多、可适应多种工况，无能量二次转换、效率更高，而得到较多发展应用。

并联混动汽车低速时纯电动行驶，可发挥电机低速大扭矩特点，起步平稳快速；高速时发动机参与驱动，可发挥发动机稳态持久功率，保证续驶里程和高速动力性；同时通过电机转矩补偿、变速器变速比控制，实现发动机工作区域调节，降低油耗。但在驾驶员不同操作及各驱动模式间切换时，需求转矩快速变化、动力源及离合器工作状态发生改变，易引发冲击影响舒适性。且发动机动态响应特性受多种因素影响，实际输出误差、滞后明显，尤其各子控制器报文周期不同时，HCU与不同子控制器间通讯存在相对滞后，极易引起电机转矩补偿不及时、不准确，总需求转矩不能得到较好响应。

现有技术中，混合动力汽车的动态协调方法多以电机补偿发动机的转矩突变和离合器优化控制保证车辆平顺舒适。如中国专利公布号为CN102582624A，公布日为2012-07-18，公开了一种混合动力车辆大加速过程动态协调控制方法，该方法在大加速时限制发动机转矩变化率，由电机补偿变化率过大部分，在防止发动机加浓导致的油耗高的同时可保证动力性；又如中国专利公布号为CN104670221A，公布日为2015-06-03，公开了混合动力汽车工作模式切换过程动态协调控制方法，该方法同样限制发动机转矩变化率，并通过电机补偿不足部分，通过需求车速实现电机转速闭环控制；又如中国专利公布号为CN103909925A，公布日为2014-07-09，公开了基于电机转矩补偿的混合动力汽车转矩恢复协调控制方法及系统，该方法由冲击度要求限制发动机转矩变化率，电机补偿需求转矩的不足部分。但上述方法均未考虑发动机的动态响应特性，由于动态过程中实车发动机的实际响应转矩与需求值差别较大，滞后、误差明显，会导致即使电机参与补偿，总输出转矩与需求值差别依然较大。

同时，如中国专利公布号为CN105035079A，公布日为2015-11-11，公开了一种带发动机转矩观测器的同轴并联混合动力汽车动力切换协调控制方法，该方法利用发动机台架试验数据，采用最小二乘、分布估计算法和发动机转矩模型建立转矩观测器，估计发动机输出转矩，在切换时通过分段协调控制实现平顺；又如中国专利公布号为CN106080584A，公布日为2016-11-09，公开了一种基于模型预测控制算法的混合动力汽车模式切换协调控制方法，该方法建立模式切换过程的线性、非线性模型，通过切换时的状态信号预测本周期内的部件需求、通过优化函数保证行驶平顺。但上述方法需要大量实验数据、程序复杂、计算量大、较难实现实车应用。

另外，以上方法均未考虑实车上各动力源子控制器报文周期不同时，HCU与各子控制器间通讯由于相对滞后，引起的电机转矩补偿不及时、不准确，导致总需求转矩不能得到较好响应。

针对上述的技术不足，本发明所述的基于发动机动态特性识别的混动车电机转矩补偿协调方法，针对并联混动汽车行驶模式切换时动力源、离合器工作状态变化易引发冲击，实车发动机动态响应影响因素多、动态特性不断变化、响应滞后及误差明显，各子控制器报文周期不同易导致通讯时延、控制滞后等问题，提出发动机动态响应性能识别、响应转矩预估、电机同步补偿的控制方法。在急加速等动态工况，利用发动机实际响应数据识别其动态特性、预估未来输出转矩，实现了更加准确的电机转矩同步补偿控制。从而可有效减小发动机工作时动力系统总转矩响应误差，在保证平顺性、舒适性的同时提高整车动力性。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明提供了基于发动机动态特性识别的混动车电机转矩补偿协调方法：在模式切换时兼顾驾驶员操作与动力源已有输出转矩，综合得到动力源需求转矩，防止车辆冲击；在发动机动态工作过程中，基于已有响应信息识别发动机动态特性，以此预估其未来响应转矩，实现电机转矩的同步准确补偿，使总动力需求得到较好响应，在保证平顺性、舒适性的同时提高整车动力性。

为实现上述目的，根据本发明实施例的基于发动机动态特性识别的混动车电机转矩补偿协调方法，包括以下步骤：

步骤1，根据驾驶员加速/制动踏板、档位操作与车辆当前行驶速度，解析驾驶员驱动/制动需求转矩T_Ask；

步骤2，根据车辆行驶状态及驾驶员需求转矩T_Ask确定目标行驶模式，进而确定各模式稳态行驶时的动力源总需求转矩T_r和模式切换动态过程中的总需求转矩T_r：兼顾由驾驶员操作解析得到的T_Ask及动力源当前实际总输出转矩T_a，以前一模式结束时的T_a为基础、以由驾驶员操作实时解析的目标模式T_Ask为期望值、并限制最大转矩变化率，得到动态过程的T_r；并以之为转矩分配的基础；

步骤3，根据车辆当前行驶模式及各动力源工作状态，进行转矩T_r的分配：

①发动机需求转矩T_e,r确定：根据当前行驶模式、动力源和离合器状态、总需求转矩T_r及发动机万有特性MAP数据，求解发动机目标转矩/负荷率；并在模式切换时兼顾发动机实际输出转矩的基础上，限制目标转矩变化率，最终得到T_e,r；

②发动机动态响应性能识别：根据发动机控制器反馈的发动机实际输出转矩T_e,a及HCU控制程序求解的需求转矩T_e,r，识别发动机的动态响应特性；动态响应特性识别的依据为：发动机下一时刻实际输出转矩与EMS反馈的当前实际输出转矩(工作基础)、当前时刻需求转矩(或目标负荷率，变化方向)、下一时刻响应特性(变化能力)直接相关，而与发动机更早期的工作状态无直接关系；且认为以上三转矩间存在式(1)所示关系；则在动态响应过程中，的权值k₁、k₂将不断变化，其大小即在一定程度上反应和代表了发动机的动态响应特性；

式中，k₁、k₂分别为需求转矩、实际输出转矩权值，单位1；且其中的是指相关部件对HCU需求值的输出响应，由HCU程序在第i控制周期求得，并作为控制指令发送给相应子控制器，由HCU在第i+1控制周期从相应动力源子控制器反馈信号读取，反馈精度由部件子控制器程序及台架标定试验决定，其中的控制周期(或“时刻”)i是指HCU程序的计算步长，一般为0.01s左右；

③发动机响应转矩预估：根据识别到的动态响应性能和当前工作状态、需求转矩，预估发动机在下一控制周期即将输出的转矩T'_e,a；预估的依据为：发动机动态响应特性在多种因素作用下不断变化，但考虑到HCU控制程序计算周期仅为0.01s，小于发动机响应时间，则可认为相邻周期的k₁、k₂值基本不变；故可根据EMS反馈的及HCU控制程序计算的由式(1)变换所得式(2)求得当前周期的(或)，并以其代表当前和下一周期的发动机动态响应特性；再参考当前反馈的及计算的由式(2)变换所得式(3)预估发动机在当前输出基础上和目标负荷作用下即将输出的转矩

④电机同步补偿：补偿的依据为：电机响应速度快、精度高，可认为变化率在一定范围的需求转矩均能得到准确响应，即故可由总需求转矩(即动力源下一时刻总输出的期望值)及T'_e,a，根据式(4)求解电机下一时刻应输出的补偿转矩当前需求转矩实现发动机动态响应转矩的同步补偿。

由以上技术方案可见，根据本发明的基于发动机动态特性识别的混动车电机转矩补偿协调方法，通过兼顾动力源实际总输出与驾驶员操作的动力源需求转矩求解，防止模式切换时车辆冲击；通过发动机实时响应信息识别其动态特性，预估其未来响应转矩，实现电机转矩的同步准确补偿。从而使总动力需求得到更好响应，在保证平顺性、舒适性的同时提高整车动力性。

与现有技术相比，以上方案不仅可以限制模式切换时的车辆冲击，确保平顺、舒适，在发动机动态响应过程中及实车各子控制器报文周期不同导致通讯时延、控制相对滞后的状况下，也可确保发动机动态响应转矩得到较好补偿、车辆动力需求得到较好响应。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的并联混合动力汽车动力系统及控制系统示意图；

图2为根据本发明实施例的总需求转矩协调控制流程图；

图3为根据本发明实施例的带有发动机动态响应特性识别及响应转矩预估的电机转矩同步补偿协调控制流程图；

图4为未采用本发明实施例的普通电机转矩补偿协调控制的效果图；

图5为根据本发明实施例的电机转矩补偿协调控制的效果图；

图中：Ⅰ、发动机；Ⅱ、离合器；Ⅲ、电动机；Ⅳ、变速器；HCU、整车控制器；EMS、发动机管理系统；TCU、变速器控制器；MCU、电机控制器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的符号表示相同或类似的物理量或具有相同或类似意义的物理量。且下面通过参考附图所描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“控制周期”、“时刻”、“响应性能”、“预估”、“权值”等应做广义理解，例如，“权值”可以是分数，也可以是小数或百分数，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

由于并联混合动力汽车的基本结构为本领域技术人员所悉知的，因此在此不再一一赘述，仅在附图1中给出典型的动力系统示意图。

下面参考附图来描述根据本发明实施例的基于发动机动态特性识别的混动车电机转矩补偿协调方法，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，为所研究车辆的动力系统及控制系统示意图，动力系统包括发动机与驱动电机两个动力源，在不同行驶模式下分别或共同驱动车辆；控制系统由整车控制器HCU和各子控制器组成，各控制器通过CAN网络通信。其中，实施例中所用实验车辆的通讯协议所定的EMS、TCU、HCU相关报文周期0.01s、MCU的相关报文周期0.02s。

如图2所示，为总需求转矩协调控制控制流程图，该控制流程包括四步：

(1)根据驾驶员加速/制动踏板、档位等操作与车辆当前行驶状态，通过插值离线数据表格和修正，解析得到驾驶员驱动/制动需求转矩T_Ask；

(2)根据车辆运行状态信息及驾驶员需求转矩T_Ask确定目标行驶模式，进而在行驶模式切换的动态过程中及以各模式稳态行驶时，兼顾由驾驶员操作解析得到的T_Ask及动力源当前实际总输出转矩T_a，以前一模式结束时的T_a为基础、以由驾驶员操作实时解析的目标模式T_Ask为目标值、并限制转矩变化率/量。即在每次模式切换后，以切换时的实际总输出T_a为基础，在转矩变化率限制内，逐渐逼近实时解析的需求转矩T_Ask，得到动态及稳态过程的T_r，并以之为转矩分配的基础。从而防止驱动力的过快波动，减小冲击。

(3)如图3所示，根据车辆当前行驶模式及各动力源工作状态，进行转矩T_r的分配和电机补偿控制：

①发动机需求转矩T_e,r确定：根据当前行驶模式、动力源和离合器状态、总需求转矩T_r及发动机万有特性MAP数据，确定发动机目标转矩/负荷率。例如，在EV模式发动机目标转矩为0、发动机单独驱动模式目标转矩为T_r、CHEV模式目标转矩为T_r与由电池SOC求解的充电转矩之和、BHEV模式目标转矩为发动机在需求功率下油耗最小时的转矩。最后，在模式切换时兼顾发动机实际输出转矩的基础上，限制变化率后得到最终的T_e,r。

②发动机动态响应性能识别：发动机下一时刻实际输出转矩与EMS反馈的当前输出转矩(表示了已有的工作基础)、当前时刻需求转矩(或目标负荷率，表示了转矩变化的方向)、下一时刻响应特性(表示了输出转矩的变化能力)直接相关，而与发动机更早期的工作状态无直接关系，且认为以上三转矩间存在式(1)所示关系。则动态响应过程中的权值k₁、k₂将不断变化，其大小即可在一定程度上反应发动机动态响应特性。

由式(1)可得式(2)，再由EMS反馈的及HCU控制程序计算的即可求得当前控制周期的(或)，并以其代表当前的发动机动态响应特性。

③发动机响应转矩预估：虽然发动机动态响应特性在多种因素作用下不断变化，但考虑到HCU控制程序计算周期仅为0.01s，小于发动机响应时间，则可认为相邻周期的k₁、k₂值基本不变。故可用式(2)所得同时代表当前和下一周期的响应特性再由当前反馈的及计算的由式(2)变换所得式(3)估计发动机在当前输出基础上和目标负荷作用下，在下一时刻即将输出的转矩

④电机同步补偿：电机响应速度快、精度高，可认为由总需求转矩(即动力源下一时刻总输出的理想值)及T'_e,a根据式(4)得到下一时刻电机应输出的补偿转矩当前需求转矩实现电机转矩对发动机动态响应转矩的同步补偿。

综上即有且则有即总需求转矩可以得到准确响应。

如图4与图5所示的采用不同协调控制方法实车测试效果对比。参考图4可见采用普通电机转矩补偿协调控制时，在此次实车测试的334s发动机需求转矩上升，实际响应输出稍慢。但因未识别发动机动态响应特性、未进行响应转矩预估，导致电动机补偿相对“提前”降低，总输出转矩T_a比总需求值T_r小30Nm以上。但是，参考图5可见采用本发明实施例的电机转矩补偿协调控制时，在此次实车测试的292.6s时发动机需求转矩开始上升，实际响应稍有滞后，经过发动机响应特性识别和响应转矩预估，电动机转矩可立即增加予以弥补。且293.5s时，发动机输出开始迅速增加，电动机转矩亦立即减小予以抵消。协调控制后的T_a与T_r值差距较小，且在T_r从-40Nm至160Nm的快速动态变化过程中，T_a均实现较好跟随。

所以，使用本发明基于发动机动态特性识别的混动车电机转矩补偿协调方法的实车测试结果表明，在实车各子控制器报文周期不同导致通讯时延、控制相对滞后的状况下，当发动机动态响应过程中转矩响应存在滞后、误差时，本发明方法可通过电机转矩补偿使发动机动态响应转矩得到较好地协调控制、整车动力需求得到较好响应，控制效果良好。

对于其他单、双轴并联混合动力构型，采用类似上述的方法进行转矩分配的协调控制即可实现。

综上，通过兼顾动力源实际总输出与驾驶员操作的动力源需求转矩求解，防止模式切换时车辆冲击；通过发动机实时响应信息识别其动态特性，预估其未来响应转矩，实现电机转矩的同步准确补偿。最终使总动力需求得到较好响应，在保证平顺性、舒适性的同时提高整车动力性。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“单轴并联”或“双轴并联”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、步骤、方法或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、步骤、方法或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管本文中较多的使用了诸如“控制周期”、“时刻”、“响应性能”、“预估”、“权值”、“同步补偿”等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.基于发动机动态特性识别的混动车电机转矩补偿协调方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，根据驾驶员加速/制动踏板、档位操作与车辆当前行驶速度，在车辆驱动与制动情况下，解析驾驶员需求转矩T_Ask；

步骤2，根据车辆行驶状态及驾驶员需求转矩T_Ask确定目标行驶模式，进而确定各模式稳态行驶时的动力源总需求转矩T_r和模式切换动态过程中的动力源总需求转矩T_r：兼顾由驾驶员操作解析得到的T_Ask及动力源当前实际总输出转矩T_a，以前一模式结束时的T_a为基础、以由驾驶员操作实时解析得到的目标模式下的驾驶员需求转矩T_Ask为期望值、并限制最大转矩变化率，得到动态过程的T_r，并以之为转矩分配的基础；

步骤3，根据车辆当前行驶模式及各动力源工作状态，对动力源总需求转矩T_r进行分配：

①发动机需求转矩T_e,r确定：根据当前行驶模式、动力源和离合器状态、动力源总需求转矩T_r及发动机万有特性MAP数据，求解发动机目标转矩/负荷率；并在模式切换时兼顾发动机实际输出转矩的基础上，限制目标转矩变化率，最终得到T_e,r；

②发动机动态响应性能识别：根据发动机控制器反馈的发动机实际输出转矩T_e,a及整车控制器控制程序求解的发动机需求转矩T_e,r，识别发动机的动态响应特性；动态响应特性识别的依据为：发动机下一时刻实际输出转矩与发动机管理系统反馈的当前发动机实际输出转矩当前时刻发动机需求转矩下一时刻发动机响应特性直接相关，而与发动机更早期的工作状态无直接关系；且认为以上三转矩间存在式(1)所示关系；则在动态响应过程中，的权值k₁、k₂将不断变化，其大小即在一定程度上反应和代表了发动机的动态响应特性；

式中，k₁、k₂分别为当前时刻发动机需求转矩的权值、当前发动机实际输出转矩的权值，单位1；且其中的是指发动机对整车控制器控制程序求解的发动机需求转矩的输出响应，由整车控制器控制程序在第i控制周期求得，并作为控制指令发送给相应子控制器，由整车控制器在第i+1控制周期从相应动力源子控制器反馈信号读取，反馈精度由部件子控制器程序及台架标定试验决定，其中的控制周期i是指整车控制器程序的计算步长，一般为0.01s左右；

③发动机响应转矩预估：根据识别到的动态响应性能和当前工作状态、需求转矩，预估发动机在下一控制周期即将输出的转矩T'_e,a；预估的依据为：发动机动态响应特性在多种因素作用下不断变化，但考虑到整车控制器控制程序计算周期仅为0.01s，小于发动机响应时间，则可认为相邻周期的k₁、k₂值基本不变；故可根据发动机管理系统反馈的及整车控制器控制程序计算的由式(1)变换所得式(2)求得当前周期的并以其代表当前和下一周期的发动机动态响应特性；再参考当前反馈的及计算的由式(2)变换所得式(3)预估在当前发动机实际输出转矩基础上和当前时刻发动机需求转矩作用下发动机在下一控制周期即将输出的转矩T'_e,a，它与发动机下一时刻实际输出转矩近似相等，即

④电机同步补偿：补偿的依据为：电机响应速度快、精度高，可认为变化率在一定范围的需求转矩均能得到准确响应，即故可由当前时刻动力源总需求转矩及T'_e,a，根据式(4)求解电机下一时刻应输出的补偿转矩当前需求转矩实现发动机动态响应转矩的同步补偿；