CN108639042A - 并联式混动汽车混合模式扭矩信号分解及扭矩分配方法 - Google Patents

Abstract

针对现有的扭矩信号频谱分解法根据扭矩变化率阈值对扭矩进行分解，方法简单，但难以满足通带平坦度、阻带衰减、过度带宽度及线性相位等性能指标要求。本发明公开了一种并联式混动汽车混合模式扭矩信号分解及扭矩分配方法，设计线性相位数字低通滤波器，将扭矩信号分解为低频分量和高频分量，低频分量由慢速响应的发动机提供，而高频分量由快速响应的电动机提供。在此基础上给出一种扭矩信号分配策略，该策略根据车速和档位确定发动机扭矩，然后确写电机扭矩，并确保发动机工作在高效工作区，从而达到节能减排的目的。

Description

并联式混动汽车混合模式扭矩信号分解及扭矩分配方法

技术领域

本发明涉及并联式混合动力汽车领域，车辆驱动扭矩由电动机和燃油发动机产生，具体是一种并联式混动汽车混合模式扭矩信号分解及扭矩分配方法

背景技术

混合动力汽车是兼顾纯电动汽车和传统汽车优点的新一代新能源汽车，具有低油耗、低排放的特点，其动力性优于传统汽车，排放量接近纯电动汽车，续航能力和生产成本优于纯电动汽车。近年来混合动力汽车的研发成了国内外各大制造厂商和研究机构热切关注的前沿技术方向，全世界发达国家都在投入大量人力、物力和财力研发混合(Hybrid)动力汽车，国内也进入启步阶段。混合动力汽车包含了传统燃油汽车和纯电动汽车的全部技术要素，但又不是这两者的简单叠加，其控制技术属于国际性难题，是一个企业技术实力和核心竞争力的标志和象征。

混合动力汽车根据其驱动系统的配置和组合方式不同，可分为串联式、并联式和混联式三种组合方式。并联式混合动力汽车又分为前轮驱动和四轮驱动两种情况，图1为并联式前轮驱动的基本结构，图2为并联式四轮驱动的基本结构。

发动机除了驱动发电机外，主要对汽车提供驱动扭矩。电动机主要对汽车提供驱动扭矩，在汽车减速时，作为发电机进行能量回收，将汽车的动能变成电能向电池组充电。

并联式混合动力汽车具有四种工作模式：

(1)纯电动模式：仅电动机提供驱动扭矩，常用于市区拥堵道路和频繁启动的情况；

(2)传统模式：仅燃油发动机提供驱动扭矩，常用于电量不足的情况，要求发动机工作在高效工作区，多余的动力驱动发电机发电；

(3)能量回收模式：电动机和发动机均不提供扭矩，电动机作为发电机将汽车的动能转化为电能，并产生制动扭矩，使汽车减速制动；

(4)混合模式：电动机和燃油发动机同时提供驱动驱动扭矩，一般用于快速提速过程或中高速路面，要求发动机工作在高效工作区，多余的动力驱动发电机发电，不足的动力由电动机提供。

前三种模式相对简单，第四种情况相对复杂，其核心问题是如何分配扭矩。为了进行扭矩分配需要对扭矩信号进行频谱分解，分解为高频部分和低频部分，高频部分由快速响应的电动机产生，而低频部分由慢速响应的发动机提供。为了减小计算量，通常采用简单的阈值滤波法和扭矩分配方法，具体过程如图3所示。

图3中z^-1是移位算子，ΔT_in(n)＝T_in(n)-T_in(n-1)，当ΔT_in(n)≤δ_th时，发动机扭矩T_E(n)＝T_E(n-1)+ΔT_in(n)，当ΔT_in(n)＞δ_th时，发动机扭矩

T_E(n)＝T_E(n-1)+δ_th，电动机扭矩T_M(n)＝T(n)+T_E(n)，因此，扭矩变化量小于阈值δ_th的部分由发动机提供，变化量大于阈值δ_th的部分由电动机提供。

这种方法的优点是计算量小，计算速度快，适合早期的低性能汽车控制器，缺点是难以满足通带平坦度、阻带衰减、过度带宽度及线性相位等性能指标要求，而随着高性能汽车控制器的出现，对频谱分解提出了更高的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种并联式混动汽车混合模式扭矩信号分解及扭矩分配方法，其特征在于包括：

步骤一、根据电机和发动机响应速度确定滤波器的截止频率；

步骤二、根据截止频率设计最优线性相位数字低通滤波器；

步骤三、根据滤波结果分配扭矩。

进一步的，步骤一具体如下：

设计线性相位低通滤波器LPF1对扭矩信号进行滤波处理，其最高截止频率根据电机的响应速度确定，最高截止频率可根据如下计算公式确定：

t_rm·f_cm＝0.35 (1)

式中，t_rm是电机从10％到90％上升时间，f_cm是最高载止频率；

在上述滤波的基础上，再设计低通滤波器LPF2对扭矩信号分解为低频分量和高频分量，其中低频分量由发动机提供，高频分量由驱动电机提供，LPF2的最高截止频率f_ce依据发动机的响应速度按下式确定

t_re·f_ce＝0.35 (2)

t_re是发动机从10％到90％上升时间；即t_rm＜t_re，f_cm＞f_ce。

进一步的，步骤二具体如下：

通过最优化准则设计线性相位数字低通滤波器LP1和低通滤波器LP2，其中LP1的截止频率为f_cm，LP2的截止频率为f_ce；

设h(n)是所设计的最优线性相位通滤滤器的单位采样响应，则滤波前后扭矩的关系如下：

其中，T_in[n]是滤波前的扭矩，T_out[n]是滤波后的扭矩，具有如下关系：

其中N是滤波器单位采样响应的长度，式(3)对LP1和LP2均适用；

根据线性相位滤波器原理，满足

h[k]＝h[N-1-k],k＝0,1,...,N-1 (4)

根据如下均方误差最小准则计算：

其中，而h_d(n)是理想低通滤波器的单位采样响应。

进一步的，步骤三具体如下：

T[n]是第n个采样周期的扭矩需求，T₁[n]是根据电机响应速度经LPF1滤波得到的扭矩，T₂[n]是根据发动机的响应速度经LPF2滤波得到的扭矩，是当前发动机能够响应或提供的扭矩；

根据车速或挡位，可确定发动机转速n_e，以T₂[n]作为约束条件，可确定T_E[n]≤T₂[n]，T_E[n]位于最优工作曲线界定的发动机高效工作区；

确定T_E[n]后，根据T_M[n]＝T₁[n]-T_E[n]，可确定电机扭矩T_M[n]，T_M[n]是T₁[n]的高频分量，且T_M[n]≤T_Mmax。

本发明可以确保发动机工作在高效工作区，从而达到节能减排的目的。

附图说明

图1是并联式前轮驱动基本结构示意图；

图2是并联式四轮驱动的基本结构示意图；

图3是基于阈值的扭矩信号低通滤波方法流程图；

图4是扭矩滤波分解图；

图5是发动机最优工作曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的并联式混动汽车混合模式扭矩信号分解及扭矩分配方法包括如下内容：

根据电机和发动机响应速度确定滤波器的截止频率

设计一个线性相位低通滤波器LPF1对扭矩信号进行滤波处理，其最高截止频率根据电机的响应速度确定，最高截止频率可根据如下计算公式确定：

t_rm·f_cm＝0.35 (1)

式中，t_rm是电机从10％到90％上升时间，f_cm是最高载止频率。

在上述滤波的基础上，再设计一个低通滤波器LPF2对扭矩信号分解为低频分量和高频分量，其中低频分量由发动机提供，高频分量由驱动电机提供，LPF2的最高截止频率f_ce依据发动机的响应速度按下式确定

t_re·f_ce＝0.35 (2)

t_re是发动机从10％到90％上升时间。

由于电机的响应速度比发动机快，即t_rm＜t_re，因此，f_cm＞f_ce。

根据截止频率设计最优线性相位数字低通滤波器

确定了电机和发动机的截止频率后，可通过最优化准则设计线性相位数字低通滤波器LP1和低通滤波器LP2，其中LP1的截止频率为f_cm，LP2的截止频率为f_ce。

设h(n)是所设计的最优线性相位通滤滤器的单位采样响应，则滤波前后扭矩的关系如下：

其中，T_in[n]是滤波前的扭矩，T_out[n]是滤波后的扭矩，具有如下关系：

其中N是滤波器单位采样响应的长度，式(3)对LP1和LP2均适用，只是具体参数不同而已。

根据线性相位滤波器原理，只要满足

h[k]＝h[N-1-k],k＝0,1,...,N-1 (4)

就可保证所设计的低通滤波器具有严格线性相位，从而避免相位失真。

数字低通滤波器的设计任务实质上是如何求单位采样响应

h[n],n＝0,1,...,N-1，具体求解可根据如下均方误差最小准则计算：

其中，而h_d(n)是理想低通滤波器的单位采样响应。

也可依据最大误差最小化准则确定h[n],n＝0,1,...,N-1，不再赘述。

扭矩分配策略

扭矩滤波分解如图4所示，T[n]是第n个采样周期的扭矩需求，T₁[n]是根据电机响应速度经LPF1滤波得到的扭矩，T₂[n]是根据发动机的响应速度经LPF2滤波得到的扭矩，是当前发动机能够响应或提供的扭矩。

根据车速或挡位，可确定发动机转速n_e，以T₂[n]作为约束条件，可确定T_E[n]≤T₂[n]，T_E[n]位于最优工作曲线界定的发动机高效工作区，如图5所示。

确定T_E[n]后，根据T_M[n]＝T₁[n]-T_E[n]，可确定电机扭矩T_M[n]，显然它是T₁[n]的高频分量，且T_M[n]≤T_Mmax。

Claims (4)

1.一种并联式混动汽车混合模式扭矩信号分解及扭矩分配方法，其特征在于包括：

步骤一、根据电机和发动机响应速度确定滤波器的截止频率；

步骤二、根据截止频率设计最优线性相位数字低通滤波器；

步骤三、根据滤波结果分配扭矩。

2.如权利要求1所述的并联式混动汽车混合模式扭矩信号分解及扭矩分配方法，其特征在于：步骤一具体如下：

设计线性相位低通滤波器LPF1对扭矩信号进行滤波处理，其最高截止频率根据电机的响应速度确定，最高截止频率可根据如下计算公式确定：

t_rm·f_cm＝0.35 (1)

式中，t_rm是电机从10％到90％上升时间，f_cm是最高载止频率；

在上述滤波的基础上，再设计低通滤波器LPF2对扭矩信号分解为低频分量和高频分量，其中低频分量由发动机提供，高频分量由驱动电机提供，LPF2的最高截止频率f_ce依据发动机的响应速度按下式确定

t_re·f_ce＝0.35 (2)

t_re是发动机从10％到90％上升时间；即t_rm＜t_re，f _cm＞f_ce。

3.如权利要求2所述的并联式混动汽车混合模式扭矩信号分解及扭矩分配方法，其特征在于：步骤二具体如下：

通过最优化准则设计线性相位数字低通滤波器LP1和低通滤波器LP2，其中LP1的截止频率为f_cm，LP2的截止频率为f_ce；

设h(n)是所设计的最优线性相位通滤滤器的单位采样响应，则滤波前后扭矩的关系如下：

其中，T_in[n]是滤波前的扭矩，T_out[n]是滤波后的扭矩，具有如下关系：

其中N是滤波器单位采样响应的长度，式(3)对LP1和LP2均适用；

根据线性相位滤波器原理，满足

h[k]＝h[N-1-k],k＝0,1,...,N-1 (4)

根据如下均方误差最小准则计算：

其中，而h_d(n)是理想低通滤波器的单位采样响应。

4.如权利要求3所述的并联式混动汽车混合模式扭矩信号分解及扭矩分配方法，其特征在于：步骤三具体如下：

T[n]是第n个采样周期的扭矩需求，T₁[n]是根据电机响应速度经LPF1滤波得到的扭矩，T₂[n]是根据发动机的响应速度经LPF2滤波得到的扭矩，是当前发动机能够响应或提供的扭矩；

根据车速或挡位，可确定发动机转速n_e，以T₂[n]作为约束条件，可确定T_E[n]≤T₂[n]，T_E[n]位于最优工作曲线界定的发动机高效工作区；

确定T_E[n]后，根据T_M[n]＝T₁[n]-T_E[n]，可确定电机扭矩T_M[n]，T_M[n]是T₁[n]的高频分量，且T_M[n]≤T_Mmax。