CN107856664A - 一种基于ttr构型的插电式混合动力车辆能量管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于TTR构型的插电式混合动力车辆能量管理方法，包括动力需求计算和动力分配两部分环节。所述的动力需求计算环节根据驾驶员油门开度推测出整车需求转矩，所述的动力分配环节根据整车需求转矩实时完成动力分配。所述的动力分配过程中，当发动机参与驱动时，根据双参数换挡规律来确定发动机输出端的转矩与变速箱输出端的转矩关系。在所述的双参数换挡规律中，结合混合动力车辆控制特点，选择了需求功率和车速作为换挡参数。所述的能量管理策略在满足车辆动力性能要求的前提下，尽量确保发动机工作在燃油经济性较高的区域，并确保工作状态稳定，以实现较好的车辆燃油经济性目标。

Description

一种基于TTR构型的插电式混合动力车辆能量管理方法
技术领域
本发明涉及一种插电式混合动力车辆能量管理方法，特别是涉及一种基于路面混联式(Through-the-road，TTR)构型并综合考虑各动力源动力输出范围及变速箱档位变化对发动机输出特性影响的能量管理策略。
背景技术
混合动力车辆中的路面混联式(Through-the-road，TTR)构型与其他典型构型相比，具有系统复杂程度低、驱动模式多样、四驱性能好等优势。与传统燃油车相比，该构型车辆仅在动力源上增加了一组主驱动电机，因而相对车辆原有结构影响较小，且集成度较高，任何常规动力车辆均能按照该方案实现混合动力改造，具有广阔的发展前景。然而，现有市场上采用TTR构型的车辆产品种类较少，仍待进一步发展，基于该构型的混合动力能量管理策略也仍待进一步研究，目前尚缺乏高效的能量管理方法通过合理的前后轴控制策略来实现动力、经济与四驱匹配上的平衡。
发明内容
针对上述本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种基于TTR构型的插电式混合动力车辆能量管理方法，包括以下步骤：
(1).根据驾驶员油门/制动踏板开度确定整车需求转矩；
(2).根据所述步骤(1)中获取的所述需求转矩，结合动力电池SOC参数和车速参数，确定车辆的各工作模式；
(3).根据当前车速及需求转矩计算出需求功率，并基于车速以及所述需求功率确定换挡规律。以建立起发动机工作点位置与变速箱输出端(即前驱动桥输出端)的动力输出特性的映射关系。
(4).在所述步骤(2)中所确定的车辆的各工作模式下进行动力分配。
进一步地，所述步骤(1)中确定整车需求转矩采用以下公式：
其中，Acc表示驾驶员踏板信号，该值大于零表示油门开度，小于等于零则表示制动踏板开度；Tdrive_max表示驱动状态下动力源提供的最大可用转矩；Tbrake表示制动状态下车辆应获得的制动转矩，是制动踏板信号的函数，与传统燃油车类似。
上述公式中，驱动状态下动力源提供的最大可用转矩为前后驱动桥最大可用转矩的叠加，制动状态下动力源提供的最大可用转矩为按照机械制动特性确定的制动踏板开度与制动转矩大小关系来获得。其中的后驱动桥最大可用转矩为根据电机输出特性及单机减速机构减速比折算至车轮处的驱动力-车速输出特性对应的最大转矩。前驱动桥最大可用转矩则是根据划定的发动机经济性工作区域与CVT变速箱速比折算至车轮处的驱动力-车速输出特性对应的最大转矩。
进一步地，所述步骤(2)中确定车辆的各工作子模式，具体包括：
判断所述整车需求转矩是否大于0，若是，则根据车速分为起步模式和高速模式，并在车速范围处于起步模式对应的车速上限与高速模式对应的车速下限之间时，根据动力电池SOC由低到高划分为发动机驱动充电模式、发动机优先模式和电驱动优先模式；当需求转矩不大于0时则车辆处于制动模式。
进一步地，所述步骤(3)中确定换挡规律，具体包括：
(3.1)根据当前车速及所述需求转矩计算出需求功率；
(3.2)根据所述需求功率在发动机最佳燃油经济性曲线上提取最理想的工作点位置，确定所述工作点位置对应的发动机转速和转矩；
(3.3)根据所述发动机转速和当前车速获取CVT变速箱的理想减速比，采用以下公式计算：
其中：ne为发动机转速，r为车轮滚动半径，i0为主减速比，va为车速。
(3.4)将超过预设范围的所述理想减速比数据舍弃，最终得到特定车速和需求功率下对应的最佳CVT变速箱减速比。
进一步地，所述步骤(4)中在所述步骤(2)中所确定的车辆的各工作模式下进行动力分配，具体包括：
在车辆工作在所述发动机充电模式时，又根据动力电池SOC参数进一步划分出弱发电模式和强发电模式两种子模式，模式切换阈值如图6虚线框所示。在弱发电状态下，根据燃油经济性要求确定车辆是否使用BSG电机发电；在强发电状态下，则优先使用BSG电机以较大功率为动力电池组充电，从而快速提升动力电池SOC。两种发电模式分别在常规工况和极端工况下使用。
在起步模式下，当动力电池SOC水平较高时采用纯电动起步，而在SOC水平较低时采用发动机起步。起步时的驱动方式仅在车辆启动时刻根据SOC高低确定，中途不再切换，以确保起步平稳。
高速模式下车速较高，超过主驱动电机转速范围，故主驱动电机不参与工作。车辆完全由发动机驱动。当发动机功率较低时，将其工作点尽量控制在划定的燃油经济性区域中。当发动机功率较高时，将其工作点尽量控制在最佳燃油经济性曲线上。
车辆处于电机优先模式时，在主驱动电机能够满足需求转矩的前提下，优先使用电机驱动，当需求转矩不足时，启动发动机实现混合驱动。
发动机优先模式中，整车需求转矩尽量由发动机提供。当需求转矩低于发动机控制区域下限时，切换为纯电动模式；当需求转矩高于发动机控制区域上限时，发动机工作点控制在上限；需求转矩不足部分由电动机补充完成。
制动模式下，车辆尽量采用再生制动方式，制动需求转矩不足部分再由机械制动转矩补充，以充分回收制动能量。但在车速较低、车速对应后驱动轴转速高于主驱动电机最大转速范围、SOC水平较高这三种特殊情况下时，车辆采用机械制动。
根据上述本发明所提供的方法，基于TTR构型插电式混合动力车辆的车速以及需求功率作为参数控制换挡规律，使其与发动机工作点位置和车辆总输出特性之间的关系相适应，同时还划分了多个不同的工作模式并对其驱动方式进行有针对性的设置，具有较好的平衡车辆经济性与动力性的有益效果。
附图说明
图1是根据本发明所提供的方法的流程示意图
图2是前驱动桥输出特性图
图3是前驱动桥最大驱动力参考图
图4是整车最大驱动力参考图
图5是机械制动特性图
图6是整车各模式切换控制流程图
图7是起步模式控制策略流程图
图8是最佳燃油经济性曲线及划定的经济性区域范围示意图
图9是电机优先模式下的动力分配参考图
图10是发动机优先模式下的动力分配参考图
具体实施方式
下面结合附图，对本发明所提供的基于TTR构型的插电式混合动力车辆能量管理方法，如附图1所示，具体包括以下步骤：
(1).根据驾驶员油门/制动踏板开度确定整车需求转矩；
(2).根据所述步骤(1)中获取的所述需求转矩，结合动力电池SOC参数和车速参数，确定车辆的各工作模式；
(3).根据当前车速及需求转矩计算出需求功率，并基于车速以及所述需求功率确定换挡规律。
(4).在所述步骤(2)中所确定的车辆的各工作模式下进行动力分配。
在本申请的一个优选实施例中，所述步骤(1)中确定整车需求转矩采用以下公式：
其中，Acc表示驾驶员踏板信号，该值大于零表示油门开度，小于等于零则表示制动踏板开度；Tdrive_max表示驱动状态下动力源提供的最大可用转矩；Tbrake表示制动状态下车辆应获得的制动转矩，是制动踏板信号的函数，与传统燃油车类似。
上述公式中，驱动状态下动力源提供的最大可用转矩为前后驱动桥最大可用转矩的叠加，制动状态下动力源提供的最大可用转矩为按照机械制动特性确定的制动踏板开度与制动转矩大小关系来获得。其中的后驱动桥最大可用转矩为根据电机输出特性及单机减速机构减速比折算至车轮处的驱动力-车速输出特性对应的最大转矩。前驱动桥最大可用转矩则是根据划定的发动机经济性工作区域与CVT变速箱速比折算至车轮处的驱动力-车速输出特性对应的最大转矩。
根据发动机输出特性及变速箱速比范围可确定车辆前桥可输出范围如图2所示。将选定好的经济性输出范围做包络线后得到如图3所示的前桥最大驱动力图。将前后桥最大可用驱动力图叠加，并对实际输出特性进行平滑处理后(此举可以有效避免需求转矩计算结果的震荡)得到驾驶员在驱动状态下的最大可用驱动力参考曲线，如图4所示。制动状态下最大可用转矩(驱动力)是根据传统车辆的液压制动特性确定，其变化规律由图5给出。
如图6所示，在本申请的一个优选实施例中，所述步骤(2)中确定车辆的各工作子模式，具体包括：
判断所述整车需求转矩是否大于0，若是，则根据车速分为起步模式和高速模式，并在车速范围处于起步模式对应的车速上限与高速模式对应的车速下限之间时，根据动力电池SOC由低到高划分为发动机驱动充电模式、发动机优先模式和电驱动优先模式；当需求转矩不大于0时则车辆处于制动模式。
在本申请的一个优选实施例中，所述步骤(3)中确定换挡规律，具体包括：
(3.1)根据当前车速及所述需求转矩计算出需求功率；
(3.2)根据所述需求功率在发动机最佳燃油经济性曲线上提取最理想的工作点位置，确定所述工作点位置对应的发动机转速和转矩；
(3.3)根据所述发动机转速和当前车速获取CVT变速箱的理想减速比，采用以下公式计算：
其中：ne为发动机转速，r为车轮滚动半径，i0为主减速比，va为车速。
(3.4)将超过预设范围的所述理想减速比数据舍弃，最终得到特定车速和需求功率下对应的最佳CVT变速箱减速比。
在本申请的一个优选实施例中，所述步骤(4)中在所述步骤(2)中所确定的车辆的各工作模式下进行动力分配，具体包括：
在车辆工作在所述发动机充电模式时，又根据动力电池SOC参数进一步划分出弱发电模式和强发电模式两种子模式，模式切换阈值如图6虚线框所示。在弱发电状态下，根据燃油经济性求确定车辆是否使用BSG电机发电；在强发电状态下，则优先使用BSG电机以较大功率为动力电池组充电，从而快速提升动力电池SOC。两种发电模式分别在常规工况和极端工况下使用。
如图7所示，在起步模式下，当动力电池SOC水平较高时采用纯电动起步，而在SOC水平较低时采用发动机起步。起步时的驱动方式仅在车辆启动时刻根据SOC高低确定，中途不再切换，以确保起步平稳。
高速模式下车速较高，超过主驱动电机转速范围，故主驱动电机不参与工作。车辆完全由发动机驱动。当发动机功率较低时，将其工作点尽量控制在划定的燃油经济性区域中。当发动机功率较高时，将其工作点尽量控制在最佳燃油经济性曲线上。经济性控制区域参考线与最佳燃油经济性曲线由图8给出。
如图9所示，车辆处于电机优先模式时，在主驱动电机能够满足需求转矩的前提下，优先使用电机驱动，当需求转矩不足时，启动发动机实现混合驱动。
如图10所示，发动机优先模式中，整车需求转矩尽量由发动机提供。当需求转矩低于发动机控制区域下限时，切换为纯电动模式；当需求转矩高于发动机控制区域上限时，发动机工作点控制在上限；需求转矩不足部分由电动机补充完成。
制动模式下，车辆尽量采用再生制动方式，制动需求转矩不足部分再由机械制动转矩补充，以充分回收制动能量。但在车速较低、车速对应后驱动轴转速高于主驱动电机最大转速范围、SOC水平较高这三种特殊情况下时，车辆采用机械制动。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神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，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于TTR构型的插电式混合动力车辆能量管理方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1).根据驾驶员油门/制动踏板开度确定整车需求转矩。
(2).根据所述步骤(1)中获取的所述需求转矩，结合动力电池SOC参数和车速参数，确定车辆的各工作模式。
(3).根据当前车速及需求转矩计算出需求功率，并基于车速以及所述需求功率确定换挡规律。
(4).在所述步骤(2)中所确定的车辆的各工作模式下进行动力分配。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中确定整车需求转矩采用以下公式：
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其中，Acc表示驾驶员踏板信号，该值大于零表示油门开度，小于等于零则表示制动踏板开度；Tdrive_max表示驱动状态下动力源提供的最大可用转矩；Tbrake表示制动状态下车辆应获得的制动转矩；
上述公式中，驱动状态下动力源提供的最大可用转矩为前后驱动桥最大可用转矩的叠加，制动状态下动力源提供的最大可用转矩为按照机械制动特性确定的制动踏板开度与制动转矩大小关系来获得；其中的后驱动桥最大可用转矩为根据电机输出特性及单机减速机构减速比折算至车轮处的驱动力-车速输出特性对应的最大转矩；前驱动桥最大可用转矩则是根据划定的发动机经济性工作区域与CVT变速箱减速比折算至车轮处的驱动力-车速输出特性对应的最大转矩。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中确定车辆的各工作子模式，具体包括：
判断所述整车需求转矩是否大于0，若是，则根据车速分为起步模式和高速模式，并在车速范围处于起步模式对应的车速上限与高速模式对应的车速下限之间时，根据动力电池SOC由低到高划分为发动机驱动充电模式、发动机优先模式和电驱动优先模式；当需求转矩不大于0时则车辆处于制动模式。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中确定换挡规律，具体包括：
(3.1)根据当前车速及所述需求转矩计算出需求功率；
(3.2)根据所述需求功率在发动机最佳燃油经济性曲线上提取最理想的工作点位置，确定所述工作点位置对应的发动机转速和转矩；
(3.3)根据所述发动机转速和当前车速获取CVT变速箱的理想减速比，采用以下公式计算：
<mrow> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>d</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mn>0.377</mn> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>e</mi> </msub> <mi>r</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>i</mi> <mn>0</mn> </msub> <msub> <mi>v</mi> <mi>a</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中：ne为发动机转速，r为车轮滚动半径，i0为主减速比，va为车速；
(3.4)将超过预设范围的所述理想减速比数据舍弃，最终得到特定车速和需求功率下对应的最佳CVT变速箱减速比。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中在所述步骤(2)中所确定的车辆的各工作模式下进行动力分配，具体包括：
在车辆工作在所述发动机驱动充电模式时，根据动力电池SOC参数分别划分为弱发电模式和强发电模式两种子模式,在弱发电状态下，根据燃油经济性要求确定车辆是否使用BSG电机发电；在强发电状态下，则优先使用BSG电机以较大功率为动力电池组充电，从而快速提升动力电池SOC。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中在所述步骤(2)中所确定的车辆的各工作模式下进行动力分配，具体包括：在起步模式下，当动力电池SOC水平较高时采用纯电动起步，而在所述SOC水平较低时采用发动机起步；起步时的驱动方式仅在车辆启动时刻根据动力电池SOC高低确定，中途不再切换驱动方式。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中在所述步骤(2)中所确定的车辆的各工作模式下进行动力分配，具体包括：高速模式下，主驱动电机不参与工作；当发动机功率较低时，将其工作点控制在划定的燃油经济性区域中；当发动机功率较高时，则将其工作点尽量控制在最佳燃油经济性曲线上。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中在所述步骤(2)中所确定的车辆的各工作模式下进行动力分配，具体包括：电机优先模式下，在主驱动电机能够满足需求转矩的时，优先使用电机驱动；当需求转矩不足时，则启动发动机。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中在所述步骤(2)中所确定的车辆的各工作模式下进行动力分配，具体包括：发动机优先模式下，整车需求转矩优先由发动机提供；当需求转矩低于发动机控制区域下限时，切换为纯电动模式；当需求转矩高于发动机控制区域上限时，发动机工作点控制在上限，需求转矩不足部分由电机补充完成。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中在所述步骤(2)中所确定的车辆的各工作模式下进行动力分配，具体包括：制动模式下，车辆优先采用再生制动方式，制动需求转矩不足部分再由机械制动转矩补充；在车速较低、车速对应后驱动轴转速高于主驱动电机最大转速范围、动力电池SOC水平较高这三种特殊情况时，车辆采用机械制动。
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