CN109050347B - 一种多功能永磁同步增程器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能永磁同步增程器控制方法，保留发动机自带的起动电机，兼容了起动电机和永磁同步电机两种起动模式，避免了动力电池出现故障或电量不足时，车辆没法用永磁同步电机倒拖起动的情况；根据增程器实际起停指令、增程器本身功率范围、增程器故障状态、发动机温度、电机输出电压、电机输出电流对外部请求功率进行限制，如此得到的增程器内部实际请求功率更加合理；兼容了发动机转速‑电机扭矩控制模式和电机转速‑发动机扭矩控制模式，应用场合更广；实现了对实际请求功率进行转速‑扭矩解耦控制，并对目标转速和目标扭矩进行限制。

Description

一种多功能永磁同步增程器控制方法

技术领域

本发明主要涉及一种多功能永磁同步增程器控制方法，属于增程式电动汽车控制领域。

背景技术

随着汽车电气化程度的日益提高，增程式电动汽车得到了更广泛的关注，并已经取得了大量的研究和应用成果。目前主流的增程器采用了永磁同步电机和发动机机械直连的结构，少部分利用永磁同步电机起动发电一体的功能，直接用永磁同步电机反拖发动机起动，顺利起动之后响应外部请求的发电功率进行发电，但是这种系统存在以下问题：

增程器由发动机和永磁同步电机直轴连接而成，增程器对于请求功率的响应，会解耦成请求转速和请求扭矩，分别发给发动机或永磁同步电机，目前较多的控制方法是，单纯采用发动机转速-电机扭矩控制模式，或者是发动机扭矩-电机转速控制模式，并进行控制，涉及两套不同的控制系统，两种控制模式不兼容，无法直接进行切换，应用场合比较单一。

鉴于上述分析，本发明设计和开发了一种适用于永磁同步增程器的通用控制方法，兼容发动机转速-电机扭矩、发动机扭矩-电机转速两种控制模式，对于增程式电动汽车的发展具有重要意义。

发明内容

本发明针对目前采用起动发电一体功能的永磁同步增程器动力电池出现故障或电量过低时没法让增程器起动的问题，整车请求功率不符合增程器当前运行状态的问题以及不同控制模式不兼容的问题，提出了一种多功能永磁同步增程器控制方法，兼容了永磁同步电机起动模式和起动电机起动模式，根据增程器当前状态对增程器内部实际请求功率进行合理化限制，兼容了两种发电控制模式，对实际请求功率进行转速-扭矩解耦，并对目标转速和目标扭矩进行限制。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种多功能永磁同步增程器控制方法，所述永磁同步增程器包括发动机及其自带的起动电机、发动机控制器、起动发电一体式永磁同步电机、电机控制器、增程器控制器；所述永磁同步增程器主体由发动机和永磁同步电机之间机械直连形成；永磁同步电机经电机控制器与整车直流母线相连；发动机控制器和电机控制器均通过同一路CAN与增程器控制器进行通讯，增程器控制器与整车控制器之间通过另一路CAN通讯；该方法包括以下控制逻辑：

(1)当整车控制器给增程器控制器发送起动指令，增程器控制器首先判断起动模式，默认为永磁同步电机起动模式；

在永磁同步电机起动模式下，増程器处于永磁同步电机起动工况，增程器控制器给电机控制器发送起动命令、扭矩控制模式、电动控制命令和电机目标扭矩，此时永磁同步电机响应电机目标扭矩并以电动模式倒拖发动机起动；所述电机目标扭矩根据电机实际转速和发动机温度查“起动过程电机目标扭矩表”得到，该表通过标定得到；当电机实际转速第一次达到标定的电机起动转速时，增程器控制器给发动机控制器发送起动命令；

若动力电池出现故障或SOC太低不能使永磁同步电机倒拖发动机起动，则增程器控制器响应整车控制器的起动电机起动模式命令，増程器处于起动电机起动工况，分别给发动机控制器和电机控制器发送起动命令，发动机利用其自带的起动电机起动；

(2)对于整车控制器给定的请求功率命令，增程器控制器内部会根据当前增程器的工作状态进行限制，包括以下几点：

考虑增程器起停，若增程器起动则不对实际请求功率进行限制，若增程器停机，则实际请求功率为停机请求功率；

考虑增程器本身最优的发电功率范围将实际请求功率进行限制，限制在最小发电功率和最大发电功率之间，避免低燃油经济性区域和高排放区域；

考虑增程器目前的故障状态，当出现停机故障时，将实际请求功率限制到停机发电功率，当出现降功率故障时，将实际请求功率限制到半发电功率，当出现警告故障时，不对实际请求功率进行限制；

考虑发动机是否热机，根据发动机温度查“热机温度限制表”，对实际请求功率进行限制，当发动机温度达到暖机温度，则不对实际请求功率进行限制，当发动机温度超过允许的最高温度时，又会对实际请求功率进行限制，降低其热负荷；

考虑增程器输出的电压、电流是否处于工作电压、工作电流范围内，当超过该范围，对实际请求功率进行降功率处理，直至降至最小发电功率，当输出电压、电流重新回到正常范围内，逐步升高实际请求功率至外部请求功率；

增程器内部实际请求功率为上述几点限制条件下的最小的请求功率；

(3)当整车控制器给増程器控制器发送增程器工作模式命令，无论是起动电机起动模式还是永磁同步电机起动模式，増程器控制器都会给发动机控制器和电机控制器发送发电命令；

増程器控制器根据整车控制器给定的控制模式命令，确定发动机控制模式和电机控制模式，若整车控制器给定发动机转速-电机扭矩控制模式，则给发动机控制器发送转速控制模式命令和目标转速命令，给电机控制器发送扭矩控制模式命令和目标扭矩命令；若整车控制器给定电机转速-发动机扭矩控制模式，则给电机控制器发送转速控制模式命令和目标转速命令，给发动机控制器发送扭矩控制模式命令和目标扭矩命令；

目标转速和目标扭矩的具体确定方法为：

根据增程器万有特性曲线设计最优经济运行线，制定功率-转速表、功率-扭矩表、转速-扭矩表；

根据步骤(2)限制后的增程器内部实际请求功率，查找功率-转速表得到目标转速；

根据步骤(2)限制后的增程器内部实际请求功率，查找功率-扭矩表得到目标扭矩，并根据实际转速查找转速-扭矩表对目标扭矩进行限制；

当发动机处于怠速状态时，増程器由永磁同步电机起动工况或者起动电机起动工况切换到怠速工况；

当发动机处于发电状态时，増程器由怠速工况切换到发电工况，并响应整车控制器的请求功率命令；

(4)当增程器出现停机故障，立即从当前工况跳转至故障工况，增程器进入故障工况后，立即执行停机操作。

本发明的有益效果：

1.对目标扭矩进行限制，保证了增程器实际的运行工况点在最佳的经济运行区间内，避免了工况点迁移过程中偏离最佳经济运行区间；

2.兼容了发动机转速-电机扭矩和电机转速-发动机扭矩两种控制模式，可以直接切换，拓宽了应用领域，更加多功能并且通用。

附图说明

图1.永磁同步增程器状态机；

图2.增程器拓扑结构；

图3.外部请求功率限制逻辑；

图4.转速扭矩解耦控制；

图5.控制模式选择。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明提出的多功能永磁同步增程器控制方法主要存在五种运行工况：停机工况，起动工况，怠速工况，发电工况以及故障工况，其中起动工况分为起动电机起动模式和永磁同步电机起动模式。永磁同步增程器状态机如图1所示，增程器拓扑结构如图2所示。

(1)一旦增程器控制器上电就分别控制发动机控制器和电机控制器上电，随后永磁同步增程器进入停机工况，停机工况下判断是否有故障，若无故障则响应整车控制器的起动命令，执行步骤(2)，若有故障则进入故障工况，增程器保持停机无法响应外部的起动命令；

(2)一旦增程器控制器响应整车控制器的起动命令，判断整车控制器的起动模式命令。若为永磁同步电机起动模式，给电机控制器发送起动命令，永磁同步电机进入扭矩控制模式，电机目标扭矩通过查找“起动过程电机目标扭矩表”得到，当增程器转速上升至第一次达到永磁同步电机标定的起动转速时，起动过程电机目标扭矩变为0Nm，给发动机控制器发送起动命令；保证发动机产生燃烧扭矩时电机的目标扭矩和实际扭矩降至0Nm，减少因发动机起动带来的扭矩换向冲击；若为起动电机起动模式，就分别给发动机控制器和电机控制器发送起动命令，发动机利用其自带的起动电机起动。两种起动模式下，等待发动机进入怠速工况，若在等待时间内发动机进入怠速工况则增程器迁移到怠速工况，响应整车控制器发电指令，执行步骤(3)；若等待超时，则重新进入增程器停机工况再次起动，允许起动三次，三次之后若发动机仍未进入怠速工况则增程器迁移到故障工况；起动工况响应停机指令；起动工况下若出现停机故障，则直接进入故障工况，不再响应其他命令；

(3)一旦发动机进入发电工况，则增程器进入发电工况，执行步骤(4)；怠速工况响应停机命令；怠速工况下若出现停机故障，则直接进入故障工况，不再响应其他命令；

(4)发电工况下，增程器响应内部实际请求功率进行发电；发电工况响应停机命令；发电工况下若出现停机故障，则直接进入故障工况，不再响应其他命令；

进一步地，所述步骤(4)中，增程器内部实际请求功率是根据增程器当前的状态对整车控制器给出的外部请求功率P进行限制之后得到的，该限制过程如图3所示。根据增程器内部起停命令进行限制，若内部请求起动，则不做限制，P₁＝P_max，若内部请求停机，则P₁＝P_stop千瓦；根据增程器本身最优的发电功率范围进行限制，最优发电功率范围为[P_min,P_max]，若P_min＜P＜P_max，则P₂＝P，若P≥P_max，则P₂＝P_max，若P≤P_min，则P₂＝P_min；根据增程器故障等级，若无故障或者发生警告故障，则P₃＝P_max，若发生降功率故障，则P₃＝P_half，若发生停机故障，则P₃＝P_stop千瓦；根据发动机温度对请求功率限制，P₄＝(P_max-P_min)*a+P_min，其中a为根据发动机温度查表之后得到的系数，该表通过标定得到；通过判断输出电压V是否超过最大工作电压限值V_max，对请求功率进行限制，若V≥V_max，需要进行降功率处理，再判断前一时刻的限制电压P_{V_pre}是否大于等于P_min，若是，则每一次判断后都将前一时刻的限制电压P_{V_pre}减去P_down，若否，则P_V＝P_min，若V＜V_max，需要进行升功率处理，再判断前一时刻的限制电压P_{V_pre}是否大于等于P_max，若是，则P_V＝P_max，若否，则每一次判断后都将前一时刻的限制电压P_{V_pre}加上P_up；通过判断输出电流I是否超过最大工作电压限值I_max，对请求功率进行限制，若I≥I_max，需要进行降功率处理，再判断前一时刻的限制电压P_{I_pre}是否大于等于P_min，若是，则每一次判断后都将前一时刻的限制电压P_{I_pre}减去P_down，若否，则P_I＝P_min，若I＜I_max，需要进行升功率处理，再判断前一时刻的限制电压P_{I_pre}是否大于等于P_max，若是，则P_I＝P_max，若否，则每一次判断后都将前一时刻的限制电压P_{I_pre}加上P_up。其中，P_min是增程器最优发电功率范围内的最小允许发电功率，P_max是增程器最优发电功率范围内的最大允许发电功率，P_half是降功率故障发生时给定的限制发电功率，P_half＝(P_max-P_min)/2，P_stop是请求停机时的限制发电功率。

进一步地，所述步骤(4)中，响应内部实际请求功率之后，将按照图4所示的解耦策略对其进行转速扭矩解耦。首先根据增程器万有特性曲线确定最优经济工况线，由此确定最优的功率点、转速点和扭矩点，并据此设计3张表，分别为转速-扭矩表、功率-扭矩表、功率-转速表；根据内部实际请求功率查找功率-转速表和功率-扭矩表，得到对应请求功率下最优的目标转速V和目标扭矩T；为了防止工况点迁移过程中实际迁移曲线偏离设定的最优经济工况线，设计两条限制曲线：

根据实际请求功率查功率-转速表得到増程器控制器的实际目标转速；

根据当前实际转速查找转速-扭矩表，得到扭矩T'，分别加减一个扭矩值ΔT，得到T_max＝T'+ΔT和T_min＝T'-ΔT，若T_min<T<T_max，则T_req＝T，若T≥T_max，则T_req＝T_max，若T_req≤T_min，则T_req＝T_min，其中，T为根据实际请求功率查功率-扭矩表得到的目标扭矩，T_req为増程器控制器的实际目标扭矩。

进一步地，所述步骤(4)中，在进行转速扭矩解耦之后，根据控制模式指令进行对发动机控制器和电机控制器的控制指令的发送，如图5所示。若选择采用发动机转速-电机扭矩控制模式(NT)，则将实际目标转速命令发给发动机控制器，将当前增程器的扭矩发给发动机控制器，同时根据发动机当前的实际转速查找转速-扭矩表，并将解耦之后的目标扭矩命令发给电机控制器，此时电机的目标转速是电机允许的最大转速；若采用发动机扭矩-电机转速控制模式(TN)，则将实际目标转速命令发给电机控制器，此时电机的目标扭矩是电机允许的最大扭矩，同时根据电机当前的实际转速查找转速-扭矩表，并将解耦之后的目标扭矩命令发给发动机控制器，将当前增程器的转速发给发动机控制器；

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种多功能永磁同步增程器控制方法，所述永磁同步增程器包括发动机及其自带的起动电机，以及起动发电一体式永磁同步电机，其特征在于，所述永磁同步增程器还包括发动机控制器、电机控制器、增程器控制器；所述永磁同步增程器主体由发动机和永磁同步电机之间机械直连形成；永磁同步电机经电机控制器与整车直流母线相连；发动机控制器和电机控制器均通过同一路CAN与增程器控制器进行通讯，增程器控制器与整车控制器之间通过另一路CAN通讯；该方法包括以下步骤：

(1)当整车控制器给增程器控制器发送起动指令，增程器控制器首先判断起动模式，默认为永磁同步电机起动模式；

在永磁同步电机起动模式下，増程器处于永磁同步电机起动工况，增程器控制器给电机控制器发送起动命令、扭矩控制模式、电动控制命令和电机目标扭矩，此时永磁同步电机响应电机目标扭矩并以电动模式倒拖发动机起动；所述电机目标扭矩根据电机实际转速和发动机温度查“起动过程电机目标扭矩表”得到，该表通过标定得到；当电机实际转速第一次达到标定的电机起动转速时，增程器控制器给发动机控制器发送起动命令；

若动力电池出现故障或SOC太低不能使永磁同步电机倒拖发动机起动，则增程器控制器响应整车控制器的起动电机起动模式命令，増程器处于起动电机起动工况，分别给发动机控制器和电机控制器发送起动命令，发动机利用其自带的起动电机起动；

(2)对于整车控制器给定的请求功率命令，增程器控制器内部会根据当前增程器的工作状态进行限制，包括以下几点：

考虑增程器起停，若增程器起动则不对实际请求功率进行限制，若增程器停机，则实际请求功率为停机请求功率；

考虑增程器本身最优的发电功率范围将实际请求功率进行限制，限制在最小发电功率和最大发电功率之间，避免低燃油经济性区域和高排放区域；

考虑增程器目前的故障状态，当出现停机故障时，将实际请求功率限制到停机发电功率，当出现降功率故障时，将实际请求功率限制到半发电功率，当出现警告故障时，不对实际请求功率进行限制；

考虑发动机是否热机，根据发动机温度查“热机温度限制表”，对实际请求功率进行限制，当发动机温度达到暖机温度，则不对实际请求功率进行限制，当发动机温度超过允许的最高温度时，又会对实际请求功率进行限制，降低其热负荷；

考虑增程器输出的电压、电流是否处于工作电压、工作电流范围内，当超过该范围，对实际请求功率进行降功率处理，直至降至最小发电功率，当输出电压、电流重新回到正常范围内，逐步升高实际请求功率至外部请求功率；

增程器内部实际请求功率为上述几点限制条件下的最小的请求功率；

(3)当整车控制器给増程器控制器发送增程器工作模式指令发电命令，无论是起动电机起动模式还是永磁同步电机起动模式，増程器控制器都会给发动机控制器和电机控制器发送发电命令；

増程器控制器根据整车控制器给定的控制模式命令，确定发动机控制模式和电机控制模式，若整车控制器给定发动机转速-电机扭矩控制模式，则给发动机控制器发送转速控制模式命令和目标转速命令，给电机控制器发送扭矩控制模式命令和目标扭矩命令；若整车控制器给定电机转速-发动机扭矩控制模式，则给电机控制器发送转速控制模式命令和目标转速命令，给发动机控制器发送扭矩控制模式命令和目标扭矩命令；

目标转速和目标扭矩的具体确定方法为：

根据增程器万有特性曲线设计最优经济运行线，制定功率-转速表、功率-扭矩表、转速-扭矩表；

根据步骤(2)限制后的增程器内部实际请求功率，查找功率-转速表得到目标转速；

根据步骤(2)限制后的增程器内部实际请求功率，查找功率-扭矩表得到目标扭矩，并根据实际转速查找转速-扭矩表对目标扭矩进行限制；

当发动机处于怠速状态时，増程器由永磁同步电机起动工况或者起动电机起动工况切换到怠速工况；

当发动机处于发电状态时，増程器由怠速工况切换到发电工况，并响应整车控制器的请求功率命令；

(4)当增程器出现停机故障，立即从当前工况跳转至故障工况，增程器进入故障工况后，立即执行停机操作。

2.根据权利要求1所述的一种多功能永磁同步增程器控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，“起动过程电机目标扭矩表”通过标定得到，该表为一个二维数值表，横坐标x为发动机温度，纵坐标y为增程器转速，竖坐标z为起动过程电机目标扭矩；电机目标扭矩随着发动机温度的升高、增程器转速的升高而减小。

3.根据权利要求1所述的一种多功能永磁同步增程器控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，“热机温度限制表”通过标定得到，横坐标x为发动机温度，纵坐标y为对请求功率的限制系数，该限制系数为0～1之间的数，通过标定得到。

4.根据权利要求1所述的一种多功能永磁同步增程器控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，功率-转速表、功率-扭矩表、转速-扭矩表，均是根据增程器最优经济运行线制定的表格，其中功率-转速表的横坐标为实际请求功率，纵坐标为目标转速；功率-扭矩表的横坐标为实际请求功率，纵坐标为目标扭矩；转速-扭矩表的横坐标为实际转速，纵坐标为目标扭矩。

5.根据权利要求1所述的一种多功能永磁同步增程器控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，为了防止工况点迁移过程中实际迁移曲线偏离设定的最优经济工况线，设计两条限制曲线：

根据实际请求功率查功率-转速表得到实际目标转速；

根据当前实际转速查找转速-扭矩表，得到扭矩T'，分别加减一个扭矩值ΔT，得到T_max＝T'+ΔT和T_min＝T'-ΔT，若T_min<T<T_max，则T_req＝T，若T≥T_max，则T_req＝T_max，若T_req≤T_min，则T_req＝T_min，其中，T为根据实际请求功率查功率-扭矩表得到的目标扭矩，T_req为増程器控制器的实际目标扭矩。

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