CN108674410A - 一种分布式混合动力系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式混合动力系统及其控制方法，该系统包括整车控制器、控制单元及动力单元，动力单元个数与特种车半轴总数相对应；该控制方法包括如下步骤：接收驾驶员操作指令，确定整车需求驱动转矩和需要的动力单元个数，计算动力单元需求功率，向控制单元的动力单元控制器发送功率需求指令，计算发动机转速、发电机转矩及驱动需求转矩，向发动机控制器发送转速控制指令、向发电机控制器发送转矩控制指令、向电池管理设备发送功率控制指令、向驱动电机控制器发送驱动控制指令，以控制各设备工作。本发明能够协调分布式混合动力系统各部件之间的功率流、优化各个动力部件的工作状态，达到提高特种车混合动力系统能源利用率的目的。

Description

一种分布式混合动力系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及多轴重型特种车技术领域，更为具体来说，本发明为一种分布式混合动力系统及其控制方法。

背景技术

为使车辆具有更高的动力性和更好的经济性，混合动力系统是优选的设计方案。但是，与常规的车辆不同，对于多轴重型特种车来说，由于其驱动系统结构复杂、同时工作的设备数量非常多，将现有的混合动力系统设计方案应用于特种车上，往往存在混合动力系统效率不高的问题，从而造成了能源浪费。

因此，如何能够有效提高特种车辆的混合动力系统的能源利用效率，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。

发明内容

为解决现有的特种车辆的混合动力系统的能源利用效率低等问题，本发明创新地提供了分布式混合动力系统及其控制方法，通过分布式的架构设计，本发明能够根据实际需要控制合理的动力输出，避免了能源浪费，从而较好地解决了现有技术存在的诸多问题。

为实现上述的技术目的，本发明公开了一种分布式混合动力系统，该系统包括整车控制器、控制单元及动力单元，动力单元个数与特种车半轴总数相对应，整车控制器用于接收驾驶员操作指令、向至少一个控制单元发送功率需求指令；

所述动力单元包括发动机、发电机、配电箱、动力电池、驱动电机、减速箱以及半轴，发动机与发电机连接，发电机与配电箱连接，配电箱与动力电池连接，动力电池与驱动电机连接，驱动电机与半轴的一端连接，半轴的另一端与车轮连接；其中，各动力单元的配电箱之间通过互联母线连接；

所述控制单元包括动力单元控制器、发动机控制器、发电机控制器、电池管理设备及驱动电机控制器，动力单元控制器与整车控制器之间通过CAN总线连接，发动机控制器、发电机控制器及驱动电机控制器均通过CAN总线与动力单元控制器连接；动力单元控制器用于接收所述功率需求指令，并用于根据功率需求指令向发动机控制器发送转速控制指令、向发电机控制器发送转矩控制指令、向电池管理设备发送功率控制指令、向驱动电机控制器发送驱动控制指令；发动机控制器用于控制发动机工作，发电机控制器用于控制发电机工作，电池管理设备用于控制动力电池工作，驱动电机控制器用于控制驱动电机工作。

基于上述的技术方案，本发明提供的分布式混合动力系统各动力单元之间相互独立，能根据整车需求功率选择实时工作的动力单元数量；整车需求功率较小时，仅少数动力单元工作；整车需求功率较大时，多数动力单元工作，从而在保证高动力性的条件下，降低能耗、提高整车经济性。

通过设置动力单元控制器，本发明能有效避免发动机控制器、发电机控制器、驱动电机控制器等直接与整车控制器通讯，减小整车控制器计算负荷，降低总线负载率，尤其对于多轴特种车辆，本发明能够获得较高的系统可靠性。

本发明采用分布式架构，以由APU、动力电池、驱动半桥组成的动力单元为基本单位，便于在四轴到八轴特种车辆上应用；另外，对现有相关软硬件改动较小，有助于推广应用。

进一步地，该系统还包括仪表控制器，所述仪表控制器与所述整车控制器连接，所述仪表控制器用于控制特种车各个仪表显示特种车状态信息。

进一步地，每个动力单元包括一个发动机、一个发电机、一个配电箱、一个动力电池、四个驱动电机、四个减速箱以及四个半轴。

进一步地，动力单元个数为特种车半轴总数的1/4。

进一步地，所述发电机为ISG电机。

为实现上述的技术目的，本发明还公开了一种上述的分布式混合动力系统的控制方法，该控制方法包括如下步骤；

步骤1，通过整车控制器接收并识别驾驶员操作指令，从而得到识别结果；

步骤2，令整车控制器根据识别结果确定整车需求驱动转矩和需要的动力单元个数，通过采集的动力单元状态信息计算动力单元的需求功率，根据需求功率计算结果向控制单元的动力单元控制器发送功率需求指令；

步骤3，基于所述功率需求指令，令动力单元控制器根据发动机效率、发电机效率及动力电池电量计算发动机转速和发电机转矩，并令动力单元控制器根据驱动电机效率计算驱动需求转矩；

步骤4，基于计算的发动机转速、发电机转矩及驱动需求转矩，通过动力单元控制器向对应的发动机控制器发送转速控制指令、向对应的发电机控制器发送转矩控制指令、向对应的电池管理设备发送功率控制指令、向对应的驱动电机控制器发送驱动控制指令；

步骤5，令发动机控制器根据转速控制指令控制发动机工作，令发电机控制器根据转矩控制指令控制发电机工作，令电池管理设备根据功率控制指令控制动力电池工作，令驱动电机控制器根据驱动控制指令控制驱动电机工作。

基于上述的技术方案，本发明提供的分布式混合动力系统各动力单元之间相互独立，能够根据整车需求功率采取动力单元分时/全时驱动控制策略，整车需求功率较小时，仅少数动力单元工作；整车需求功率较大时，多数动力单元工作，从而本发明在保证高动力性的条件下，能有效地降低能耗、提高整车经济性。

通过设置动力单元控制器，本发明能有效避免发动机控制器、发电机控制器、驱动电机控制器等直接与整车控制器通讯，减小整车控制器计算负荷，降低总线负载率，尤其对于多轴特种车辆，本发明能够获得较高的系统可靠性。

进一步地，该控制方法还包括步骤6；

步骤6，令发动机控制器、发电机控制器、电池管理设备及驱动电机控制器分别向动力单元控制器反馈各自的状态信息，令动力单元控制器将状态信息发送至整车控制器，令整车控制器将状态信息发送至仪表控制器，令仪表控制器控制特种车各个仪表显示状态信息。

进一步地，步骤2中，需要的动力单元个数与整车需求驱动转矩成正比例关系。

进一步地，步骤1中，通过整车控制器判断识别结果是否为错误输入信息：如果是，则通过特种车仪表反馈提示信息，重新执行步骤1；如果否，则执行步骤2。

进一步地，在特种车工作状态下，该控制方法还包括通过特种车仪表反馈故障信息的步骤。

本发明的有益效果为：本发明能够协调分布式混合动力系统的各部件之间的功率流、优化各个动力部件的工作点或工作状态，达到提高特种车混合动力系统能源利用率的目的。

附图说明

图1为本发明实施例提供的六轴特种车辆分布式混合动力系统构型的结构示意图。

图2本发明实施例提供的控制架构的结构示意图。

图3本发明实施例提供的整车控制器控制策略框图。

图4本发明实施例提供的能量管理策略框图。

图中，

1、发动机；2、发电机；3、配电箱；4、动力电池；5、驱动电机；6、减速箱；7、半轴；8、车轮；9、互联母线。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的一种分布式混合动力系统及其控制方法进行详细的解释和说明。

实施例一：

如图1至4所示，本实施例公开了一种分布式混合动力系统，适用于多轴特种车辆。该系统包括整车控制器、控制单元及动力单元，动力单元用于驱动特种车车轮，控制单元用于控制动力单元，其中，动力单元个数与特种车半轴总数相对应，整车控制器用于接收驾驶员操作指令、向至少一个控制单元发送功率需求指令；具体说明如下。

如图1所示，动力单元包括发动机1、发电机2、配电箱3、动力电池4、驱动电机5、减速箱6以及半轴7，发动机1与发电机2连接，发动机1、发电机2共同组成辅助动力装置(APU，Auxiliary Power Unit)，发电机2与配电箱3连接，配电箱3与动力电池4连接，动力电池4与驱动电机5连接，驱动电机5与半轴7的一端连接，半轴7的另一端与车轮8连接；其中，各动力单元的配电箱3之间通过互联母线9连接，以实现能量在各动力单元之间传输；驱动电机5、减速箱6、半轴7及车轮共同组成用于驱动整车的驱动半桥，本实施例中，每个动力单元包括四个驱动半桥。

如图2所示，控制单元包括动力单元控制器、发动机控制器、发电机控制器、电池管理设备及驱动电机控制器，动力单元控制器与整车控制器之间通过CAN总线连接，发动机控制器、发电机控制器及驱动电机控制器均通过CAN总线与动力单元控制器连接；动力单元控制器用于接收功率需求指令，并用于根据功率需求指令向发动机控制器发送转速控制指令、向发电机控制器发送转矩控制指令、向电池管理设备发送功率控制指令、向驱动电机控制器发送驱动控制指令；发动机控制器用于控制发动机1工作，发电机控制器用于控制发电机2工作，电池管理设备用于控制动力电池4工作，驱动电机控制器用于控制驱动电机5工作。

另外，该系统还包括仪表控制器，仪表控制器与整车控制器连接，仪表控制器用于控制特种车各个仪表显示特种车状态信息。

本实施例中，如图1所示，选择的实例为六轴特种车辆，且每个动力单元包括一个发动机1、一个发电机2、一个配电箱3、一个动力电池4、四个驱动电机5、四个减速箱6以及四个半轴7。动力单元个数为特种车半轴7个数的1/4。发电机2为ISG电机。

实施例二：

与实施例一基于相同的发明构思，本实施例公开了上述的分布式混合动力系统的控制方法，具体地，本实施例公开了一种分布式混合动力系统的控制方法，该控制方法包括如下步骤；

步骤1，驾驶员发出操作指令后，通过整车控制器接收并识别驾驶员操作指令，识别驾驶员意图，从而得到识别结果；为了实现对特种车进行合理控制，本实施例通过整车控制器判断识别结果是否为错误输入信息：如果是，则通过特种车仪表反馈提示信息，重新执行步骤1；如果否，则执行步骤2。如图3所示，本实施例中，整车控制器可采集加速踏板位置、制动踏板位置、挡位、车速、行驶模式、空调开关等信息，对驾驶员操作进行分析，当存在错误输入时，不响应该输入并可通过仪表向驾驶员反馈提示消息。

步骤2，令整车控制器根据识别结果确定整车需求驱动转矩和需要的动力单元个数，根据实际需要选取待使用的动力单元，下述均是对本次待使用的动力单元的控制，在本实施例中，需要的动力单元个数与整车需求驱动转矩成正比例关系。通过已采集(或实时采集)的动力单元状态信息计算动力单元的需求功率，根据需求功率计算结果向控制单元的动力单元控制器发送功率需求指令。

步骤3，基于功率需求指令，令动力单元控制器根据发动机1效率和发电机2效率(发动机1效率和发电机2效率即APU效率)及动力电池4电量计算发动机1转速和发电机2转矩，并令动力单元控制器根据驱动电机5效率计算驱动需求转矩(即驱动半桥需求转矩)。

步骤4，基于计算的发动机1转速、发电机2转矩及驱动需求转矩，通过动力单元控制器向对应的发动机控制器发送转速控制指令、向对应的发电机控制器发送转矩控制指令、向对应的电池管理设备发送功率控制指令、向对应的驱动电机控制器发送驱动控制指令。

步骤5，令发动机控制器根据转速控制指令控制发动机1工作，并令发电机控制器根据转矩控制指令控制发电机2工作，令电池管理设备根据功率控制指令控制动力电池4工作，令驱动电机控制器根据驱动控制指令控制驱动电机5工作。而且，该控制方法还可以包括步骤6。

步骤6，令发动机控制器、发电机控制器、电池管理设备及驱动电机控制器分别向动力单元控制器反馈各自的状态信息，令动力单元控制器将状态信息发送至整车控制器，令整车控制器将状态信息发送至仪表控制器，令仪表控制器控制特种车各个仪表显示状态信息。

另外，在特种车工作状态下，即上述各个步骤中，该控制方法还包括通过特种车仪表反馈故障信息的步骤。通过安全管理策略对动力单元故障报警进行分析，当动力单元故障无危害时，仅对当前故障进行记录，但当动力单元故障存在轻微危害时，限制当前动力单元功率，增加其他动力的单元需求功率，并向驾驶员发出提示消息，当动力单元故障存在严重危害时，对当前动力单元进行紧急停机，增加其他动力单元需求功率，并且向驾驶员发出报警消息；所以，本发明还能够极大地提高特种车的安全性。当不存在故障报警时，对驾驶员驾驶意图进行识别，计算整车需求功率。能量管理策略根据各动力单元效率特性和当前状态计算各动力单元需求功率，当整车需求功率较小时，只有少数动力单元工作；当整车需求功率较大时，多数动力单元均工作。

如图4所示，本实施例具体提供一种基于规则的能量管理策略。通过动力、驱动系统参数匹配，可确定动力单元高效功率区间为0-P1_up kW。若整车需求功率增加，当整车需求功率小于P1_up时，只有一个动力单元工作；当整车需求功率介于P1_up至P2_up之间时，需要有两个动力单元工作；当整车需求功率大于P2_up时，三个动力单元都工作。若整车需求功率减小，当整车需求功率大于P2_down时，三个动力单元都工作；当整车需求功率介于P2_down至P1_down之间时，有两个动力单元工作；当整车需求功率小于P1_down时，只有一个动力单元工作。其中，P1_down不大于90％×P1_up，如此可避免整车需求功率在P1_up或P1_down之间波动时，工作动力单元个数反复变化。当整车需求功率小于P2_down或小于P1_down时，工作动力单元个数减少，为了使各动力单元使用时间趋于一致，应首先关闭最早打开的动力单元。

在本实施例中，上述Pmax为动力单元能提供的最大功率，P1_up为动力单元个数由1个变为2个时的需求功率，P1_down为动力单元个数由2个变为1个时的需求功率，P2_up为动力单元个数由2个变为3个时的需求功率(P2_up＝2×P1_up)，P2_down为动力单元个数由3个变为2个时的需求功率(P2_down＝2×P1_down)

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料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必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分布式混合动力系统，其特征在于：该系统包括整车控制器、控制单元及动力单元，动力单元个数与特种车半轴总数相对应，整车控制器用于接收驾驶员操作指令、向至少一个控制单元发送功率需求指令；

所述动力单元包括发动机、发电机、配电箱、动力电池、驱动电机、减速箱以及半轴，发动机与发电机连接，发电机与配电箱连接，配电箱与动力电池连接，动力电池与驱动电机连接，驱动电机与半轴的一端连接，半轴的另一端与车轮连接；其中，各动力单元的配电箱之间通过互联母线连接；

所述控制单元包括动力单元控制器、发动机控制器、发电机控制器、电池管理设备及驱动电机控制器，动力单元控制器与整车控制器之间通过CAN总线连接，发动机控制器、发电机控制器及驱动电机控制器均通过CAN总线与动力单元控制器连接；动力单元控制器用于接收所述功率需求指令，并用于根据功率需求指令向发动机控制器发送转速控制指令、向发电机控制器发送转矩控制指令、向电池管理设备发送功率控制指令、向驱动电机控制器发送驱动控制指令；发动机控制器用于控制发动机工作，发电机控制器用于控制发电机工作，电池管理设备用于控制动力电池工作，驱动电机控制器用于控制驱动电机工作。

2.根据权利要求1所述的分布式混合动力系统，其特征在于：该系统还包括仪表控制器，所述仪表控制器与所述整车控制器连接，所述仪表控制器用于控制特种车各个仪表显示特种车状态信息。

3.根据权利要求1或2所述的分布式混合动力系统，其特征在于：每个动力单元包括一个发动机、一个发电机、一个配电箱、一个动力电池、四个驱动电机、四个减速箱以及四个半轴。

4.根据权利要求3所述的分布式混合动力系统，其特征在于：动力单元个数为特种车半轴总数的1/4。

5.根据权利要求4所述的分布式混合动力系统，其特征在于：所述发电机为ISG电机。

6.一种权利要求3-5中任一权利要求所述的分布式混合动力系统的控制方法，其特征在于：该控制方法包括如下步骤；

步骤1，通过整车控制器接收并识别驾驶员操作指令，从而得到识别结果；

步骤2，令整车控制器根据识别结果确定整车需求驱动转矩和需要的动力单元个数，通过采集的动力单元状态信息计算动力单元的需求功率，根据需求功率计算结果向控制单元的动力单元控制器发送功率需求指令；

步骤3，基于所述功率需求指令，令动力单元控制器根据发动机效率、发电机效率及动力电池电量计算发动机转速和发电机转矩，并令动力单元控制器根据驱动电机效率计算驱动需求转矩；

步骤4，基于计算的发动机转速、发电机转矩及驱动需求转矩，通过动力单元控制器向对应的发动机控制器发送转速控制指令、向对应的发电机控制器发送转矩控制指令、向对应的电池管理设备发送功率控制指令、向对应的驱动电机控制器发送驱动控制指令；

步骤5，令发动机控制器根据转速控制指令控制发动机工作，令发电机控制器根据转矩控制指令控制发电机工作，令电池管理设备根据功率控制指令控制动力电池工作，令驱动电机控制器根据驱动控制指令控制驱动电机工作。

7.根据权利要求6所述的分布式混合动力系统的控制方法，其特征在于：该控制方法还包括步骤6；

步骤6，令发动机控制器、发电机控制器、电池管理设备及驱动电机控制器分别向动力单元控制器反馈各自的状态信息，令动力单元控制器将状态信息发送至整车控制器，令整车控制器将状态信息发送至仪表控制器，令仪表控制器控制特种车各个仪表显示状态信息。

8.根据权利要求6或7所述的分布式混合动力系统的控制方法，其特征在于：

步骤2中，需要的动力单元个数与整车需求驱动转矩成正比例关系。

9.根据权利要求8所述的分布式混合动力系统的控制方法，其特征在于：

步骤1中，通过整车控制器判断识别结果是否为错误输入信息：如果是，则通过特种车仪表反馈提示信息，重新执行步骤1；如果否，则执行步骤2。

10.根据权利要求9所述的分布式混合动力系统的控制方法，其特征在于：在特种车工作状态下，该控制方法还包括通过特种车仪表反馈故障信息的步骤。