CN110143197B

CN110143197B - 混合动力电动汽车的可信赖网控动力耦合系统及控制方法

Info

Publication number: CN110143197B
Application number: CN201910489227.XA
Authority: CN
Inventors: 曹万科; 李建威; 王乐成; 何洪文
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2019-06-06
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2020-03-31
Anticipated expiration: 2039-06-06
Also published as: CN110143197A

Abstract

本发明公开一种混合动力电动汽车的可信赖网控动力耦合系统及控制方法，包括发动机、发电机及功率控制模块、驱动电机及功率控制模块、动力电池组、机械耦合装置、发动机控制器、发电机控制器、电机控制器、BMS、动力耦合控制器，其中动力耦合控制器采用双层管理架构，包含模式切换解析层和切换策略实现层，切换策略实现层采用了基于实时调度与过程控制协同处理的控制方法。控制方法包括纯电动模式切换为混合驱动模式控制方法，纯发动机模式切换为混合驱动模式控制方法。本发明可有效解决混合动力电动汽车网控式动力耦合系统模式切换时的动力中断与运动冲击问题，为提升车辆的动力性、平顺性和集成控制能力提供技术支持。

Description

混合动力电动汽车的可信赖网控动力耦合系统及控制方法

技术领域

本发明属于混合动力电动汽车动力系统控制技术领域，具体为混合动力电动汽车的可信赖网控动力耦合系统及控制方法。

背景技术

动力性和平顺性是车辆的重要性能，其优劣程度与车辆动力系统构型与控制息息相关。混合动力电动汽车(HEV)是一种采用双动力源耦合构型作为动力系统的新车型，其行驶过程中涉及动力耦合系统驱动模式的频繁切换，因此驱动模式切换的控制品质直接影响着车辆行驶的动力性与平顺性。

当前，混合动力电动汽车的动力耦合系统驱动控制技术已经取得显著进步，各种控制优化策略的实现已可以保证车辆在多种工况下不同驱动模式的稳定行驶，但在驱动模式切换过程中仍存在着诸如动力中断和切换冲击等技术隐患，限制了整车动力性和乘员舒适性的提升。

另一方面，随着汽车电气化和智能化的进一步发展，总线技术以其数据共享的优势已在混合动力电动汽车动力耦合系统设计中得到广泛应用。但车载总线的应用又不可避免地引入网络延时与数据传输不同步问题。这些问题会进一步降低动力耦合系统驱动模式切换的控制品质，进一步加剧车辆动力中断和切换冲击，影响整车动力性和乘员舒适性。

现有方法偏重于混合动力电动汽车动力耦合系统行车能量管理策略的设计，未能充分考虑模式切换时动力耦合系统的耦合控制策略，也未能充分考虑车载网络诱导时延及数据不同步对于模式切换过程实时性和同步性的影响，均具有一定局限性，无法满足混合动力电动汽车实际应用需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提出一种混合动力电动汽车的可信赖网控动力耦合系统及控制方法，采用双层管理架构、实时调度与过程控制协同处理，实现了混合动力电动汽车动力耦合系统多驱动模式切换过程的切换管控的高度实时协同动作，有效解决混合动力电动汽车模式切换时的动力中断和切换冲击问题，为提升车辆的动力性、平顺性和集成控制能力提供技术支持。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:

混合动力电动汽车的可信赖网控动力耦合系统，包括发动机、发电机及功率控制模块、驱动电机及功率控制模块、动力电池组、机械耦合装置、发动机控制器、发电机控制器、电机控制器、BMS、动力耦合控制器；

所述的发动机控制器、发电机控制器、电机控制器、BMS、动力耦合控制器通过总线型拓扑车载网络相连，所述的动力耦合控制器用于实现多种驱动模式切换控制。

进一步的，所述的动力耦合控制器，为双层架构，包括模式切换解析层和切换策略实现层；

所述的模式切换解析层包括信号接收模块、信号解析模块；信号接收模块用于接收总线状态信号信息，并将接收到的状态信号信息分别传给信号解析模块和切换策略实现层；信号解析模块接收来自信号接收模块的状态信号信息，解析出相应的驱动模式选择命令信息，并将其发送给切换策略实现层；

所述的切换策略实现层包含切换开关模块、纯电动向混合驱动切换控制模块、纯发动机向混合驱动切换控制模块、信号发送模块；

切换开关模块根据接收到的驱动模式选择命令信息选择相应的切换控制模块，并实现状态信号信息向切换控制模块的传递；

所述的纯电动向混合驱动切换控制模块包含第一过程控制模块和第一实时调度模块；纯电动向混合驱动切换控制模块用于实现纯电动驱动模式向混合驱动模式的切换过程管理，第一过程控制模块用于实现纯电动模式向混合驱动模式切换过程的控制命令计算，第一实时调度模块则采用基于动态实时触发的调度方法进行该切换过程中调度命令的计算，以实现该过程控制命令的实时同步调度管理；

所述的纯发动机向混合驱动切换控制模块包含第二过程控制模块和第二实时调度模块；纯发动机向混合驱动切换控制模块用于实现纯发动机驱动模式向混合驱动模式的切换过程管理，第二过程控制模块用于实现纯发动机驱动模式向混合驱动模式切换过程的控制命令计算，第二实时调度模块采用基于动态实时触发的调度方法进行该切换过程中调度命令的计算，以实现该过程控制命令的实时同步调度管理；

信号发送模块则实现控制命令与调度命令向总线的发送。

本发明还提供该混合动力电动汽车的可信赖网控动力耦合系统的控制方法，主要包括纯电动模式切换为混合驱动模式控制方法，纯发动机模式切换为混合驱动模式控制方法。

其中，所述的纯电动模式切换为混合驱动模式控制方法，包括以下步骤：

一方面，第一过程控制模块,以电机转速为参考转速，以发动机前端的离合器无速差接合为控制目标，通过调整发动机转速实现其前端的离合器主、从动端无速差接合，完成发动机与电机的动力耦合过程,具体实现方式：(1)第一过程控制模块采集电机转速信号,并将其作为参考转速，根据离合器无速差接合要求，计算发动机目标转速；(2)以发动机作为被控对象，第一过程控制模块向发动机控制器发送发动机启动命令与发动机转速控制信号，使其达到目标转速；(3)第一过程控制模块向发动机前端的离合器发送离合器控制命令，使离合器无速差接合，完成模式切换过程。

另一方面，第一实时调度模块采用基于动态时间触发的调度方法，用于改善纯电动模式向混合驱动模式切换控制策略实施的实时同步性，避免该模式切换过程中的运动冲击与动力中断问题，具体调度策略：采用2个基本周期实现，各基本周期由动力耦合控制器通过发送参考帧或控制帧启动或结束，第一个基本周期用于完成电机转速、发动机转速采样信号的传输，第二个基本周期用于完成发动机启动控制命令、发动机转速控制命令和发动机前端离合器控制命令的传输。采样信号的传输由参考帧以广播的方式启动发送，以实现采样信号的同步，控制信号的实施由参考帧以广播发动机控制器和离合器控制器的方式启动或停止动作，以实现控制行为的同步。其中，为保证实时性，所述的基本周期设计应满足以下调度不等式：

∑[max(t_message)]＜T_base-cycle＜τ_max

其中，T_base-cycle为基本周期时间长度，t_message表示指基本周期内调度命令、电机转速、发动机转速采样信号与发动机启动控制命令、发动机转速控制命令和离合器控制命令的信息传输时间，τ_max表示系统通道最大允许延时，∑[ ]表示指求和运算，max( )表示求取最大值运算；s.t.表示受约束于,t_{message-schedule}表示调度命令信号传输时间，t_{message-sensor}表示电机转速、发动机转速采样信号传输时间，t_{message-control}表示发动机启动控制器命令、发动机转速控制命令和离合器控制命令信号传输时间。

其中，纯发动机模式切换为混合驱动模式控制方法，包括以下步骤：

一方面，第二过程控制模块，以发动机转速为参考转速，以电机前端的离合器无速差接合为控制目标，通过调整电机转速实现其前端的离合器主、从动端无速差接合，完成电机与发动机的动力耦合过程。具体实现方式：(1)第二过程控制模块采集发动机转速信号,并将其作为参考转速，根据离合器无速差接合要求，计算电机目标转速；(2)以电机作为被控对象，第二过程控制模块向电机控制器发送电机转速控制信号，使其达到目标转速；(3)第二过程控制模块向电机前端的离合器发送离合器控制命令，使离合器无速差接合，完成模式切换过程。

另一方面，第二实时调度模块，采用基于动态时间触发的调度方法，用于改善纯发动机模式向混合驱动模式切换的实时同步性，避免该模式切换过程中的运动冲击与动力中断问题，具体调度策略：采用2个基本周期实现，各基本周期由动力耦合控制器通过发送参考帧或控制帧启动或结束，第一个基本周期用于完成发动机转速、电机转速采样信号的传输，第二个基本周期用于完成电机转速控制命令和电机前端离合器控制命令的传输。采样信号的传输由参考帧以广播的方式启动发送，以实现采样信号的同步；控制信号的实施由参考帧以广播电机控制器和机离合器控制器的方式启动或停止动作，以实现控制行为的同步。所述的基本周期设计，为保证实时性，应满足以下调度不等式：

∑[max(t_message)]＜T_base-cycle＜τ_max

其中，T_base-cycle为基本周期时间长度，t_message表示指基本周期内调度命令、电机转速、发动机转速采样信号与电机转速控制命令、离合器控制命令的信息传输时间，τ_max表示系统通道最大允许延时，∑[ ]表示指求和运算，max( )表示求取最大值运算；s.t.表示受约束于, t_{message-schedule}表示调度命令信号传输时间，t_{message-sensor}表示电机转速、发动机转速采样信号传输时间，t_{message-control}表示电机转速控制命令和离合器控制命令信号传输时间。

本发明的有益效果是：

本发明提供的混合动力电动汽车的可信赖网控动力耦合系统，动力耦合控制器采用双层管理架构，实现了对混合动力电动汽车多驱动模式的切换管控，进一步通过控制器内的实时调度模块构建了信号传输实时性高的车载网络环境，实现多动力耦合系统的高度协同动作，从而有效解决混合动力电动汽车模式切换时的运动冲击和动力中断问题，为提升车辆的动力性、平顺性和集成控制能力提供技术支持。

附图说明

图1为本发明的系统总体示意图；

图2为混合动力电动汽车驱动模式切换原理示意图；

图3为动力耦合系统控制器功能架构示意图；

图4(a)为纯电动驱动模式向混合驱动模式切换时的调度表原理图；

图4(b)为纯发动机驱动模式向混合驱动模式切换时的调度表原理图；

图5(a)为采用传统方案的纯电动驱动向混合驱动模式切换时的网络化控制执行效果图；

图5(b)为采用传统方案的纯发动机驱动向混合驱动模式切换时的网络化控制执行效果图；

图6(a)为采用本发明方案的纯电动驱动向混合驱动模式切换时的网络化控制执行效果图；

图6(b)为采用本发明方案的纯发动机驱动向混合驱动模式切换时的网络化控制执行效果图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，为本发明提出的混合动力电动汽车的可信赖网控动力耦合系统总体示意图，该动力耦合系统机械结构方面包括发动机、发电机、驱动电机、离合器1、离合器2、功率控制模块和机械耦合装置；控制单元方面包括发动机控制器、电机控制器、发电机控制器和动力耦合控制器，各控制器通过总线型车载网络互连，这就形成了网控式动力耦合系统。

如图2所示，为混合动力电动汽车驱动模式切换示意图，此例中将行星齿轮系统作为混合动力电动汽车的机械耦合装置。混合动力电动汽车行驶过程中涉及多驱动模式切换，主要为 (1)纯电动模式切换为混合驱动模式，(2)纯发动机模式切换为混合驱动模式。其中，纯电动模式向混合驱动模式切换时，需要启动发动机，并实现发动机与电机驱动系统的耦合，该耦合过程需要通过发动机前端的离合器1接合来实现。离合器1接合过程中，由于发动机与其耦合输入端存在转速差，过快过早接合会导致运动冲击，过慢过晚接合会导致动力中断。类似地，纯发动机模式向混合驱动模式切换时，需要启动驱动电机，并实现驱动电机与发动机驱动系统的耦合，由于电机转速与动力耦合输入端存在转速差，离合器2接合过程中同样会带来运动冲击与动力中断问题。由此多驱动模式切换过程中如何保证车辆的动力性与平顺性成为技术挑战。

为解决上述问题，如图3和图1所示，本实施例设计了动力耦合控制器，采用双层架构管理，包括模式切换解析层和切换策略实现层。

其中，模式切换解析层包括信号接收模块、信号解析模块；信号接收模块用于接收总线状态信号信息，并将接收到的状态信号信息分别传给信号解析模块和切换策略实现层，信号解析模块接收来自信号接收模块的状态信号信息，解析出相应的驱动模式选择命令信息，并将其发送给切换策略实现层。

切换策略实现层包含切换开关模块、纯电动向混合驱动切换控制模块、纯发动机向混合驱动切换控制模块、信号发送模块；

其中纯电动向混合驱动切换控制模块又包含第一实时调度模块和第一过程控制模块，同时纯发动机向混合驱动切换控制模块包含第二实时调度模块和第二过程控制模块；

纯电动向混合驱动切换控制模块用于实现纯电动驱动模式向混合驱动模式的切换过程管理，其中第一过程控制模块用于实现纯电动模式向混合驱动模式切换过程的控制命令计算，同时第一实时调度模块则采用基于动态实时触发的调度方法进行该切换过程中调度命令的计算，以实现该过程控制命令的实时同步调度管理；

相应地，纯发动机向混合驱动切换控制模块用于实现纯发动机驱动模式向混合驱动模式的切换过程管理，其中第二过程控制模块用于实现纯发动机驱动模式向混合驱动模式切换过程的控制命令计算，同时第二实时调度模块采用基于动态实时触发的调度方法进行该切换过程中调度命令的计算，以实现该过程控制命令的实时同步调度管理；

信号发送模块则实现控制命令与调度命令向总线的发送。

具体地，纯电动模式向混合动力模式切换控制模块与纯发动机模式向混合动力模式切换控制模块中的过程控制模块与实时调度模块所采用的控制方法分别如下:

1、纯电动模式切换为混合驱动模式时，第一过程控制模块以电机转速为参考转速，以发动机前端的离合器1无速差接合为控制目标，通过调整发动机转速实现其前端的离合器1主、从动端无速差接合，完成发动机与电机的动力耦合过程。具体实现方式：(1)第一过程控制模块采集电机转速信号,并将其作为参考转速，根据离合器1无速差接合要求，计算发动机目标转速；(2)以发动机作为被控对象，第一过程控制模块向发动机控制器发送发动机启动命令与发动机转速控制信号，使其达到目标转速；(3)第一过程控制模块向发动机前端的离合器1发送离合器1控制命令，使离合器1无速差接合，完成模式切换过程。

2、纯发动机模式切换为混合驱动模式时，第二过程控制模块以发动机转速为参考转速，以电机前端的离合器2无速差接合为控制目标，通过调整电机转速实现其前端的离合器2主、从动端无速差接合，完成电机与发动机的动力耦合过程。具体实现方式：(1)第二过程控制模块采集发动机转速信号,并将其作为参考转速，根据离合器2无速差接合要求，计算电机目标转速；(2)以电机作为被控对象，第二过程控制模块向电机控制器发送电机转速控制信号，使其达到目标转速；(3)第二过程控制模块向电机前端的离合器2发送离合器2控制命令，使离合器2无速差接合，完成模式切换过程。

另一方面，如图4(a)和图4(b)所示，为不同驱动模式切换时的调度表原理图，两个实时调度模块采用基于动态时间触发的实时调度方法，具体调度策略采用多个基本周期实现，各基本周期由动力耦合系统控制器通过发送参考帧或控制帧启动或停止。在本实例中，设置 CAN总线波特率为250kbps,系统采样周期为20ms，基本周期设置为10ms，系统通道的最大允许延时为20ms。每个采样周期包含两个基本周期，其中在第一个基本周期内完成采样信息传输的管理，第二个基本周期内完成命令信息传输的管理。根据CAN2.0规定的消息帧格式，扩展帧长度计算公式为：

可知扩展帧长度最长可为160位。

3、如图4(a)所示，纯电机模式向混合驱动模式切换时：反馈通道中一个基本周期要完成发送1条调度命令帧、1条电机转速信号和1条发动机转速信号，前向通道中一个基本周期要完成3条控制命令数据帧和1条调度命令帧：

即，本实例中基本周期满足不等式∑[max(t_message)]＜T_base-cycle＜τ_max，由此系统满足实时性要求。

4、如图4(b)所示，纯发动机模式向混合驱动模式切换时：反馈通道中一个基本周期要完成发送1条调度命令帧、1条发动机转速信号和1条电机转速信号，前向通道中一个基本周期要完成2条控制命令数据帧和1条调度命令帧：

为了对比，为采用传统控制方案(未使用实时调度模块)的网络化控制执行效果图，τ表示系统控制回路的网络诱导延时，其中图5(a)为纯电机模式向混合驱动模式切换时的网络化控制执行效果图，图5(b)为纯发动机模式向混合驱动模式切换时的网络化控制执行效果图。

如图6(a)和图6(b)所示，为采用本发明所提方案的网络化控制执行效果图，τ表示系统控制回路的网络诱导延时，其中图6(a)为纯电机模式向混合驱动模式切换时的网络化控制执行效果图，图6(b)为纯发动机模式向混合驱动模式切换时的网络化控制执行效果图。

对比可知，本发明所提方案有效地解决了网络信息发送不同步问题，同时将网络诱导延时减少至一个采样周期内。而传统方案存在较大的不同步性和较大的传输延时。

综上，所提方案动力耦合控制器基于应用模式驱动的双层管理架构，实现了对混合动力电动汽车驱动模式的切换管控，进一步通过控制器内的实时调度模块构建了信号传输同步性和实时性高的车载网络环境，实现动力耦合系统部件间的高度协同动作，从而有效避免了 HEV模式切换过程中的运动冲击和动力中断问题，为提升车辆的动力性、平顺性和集成控制能力提供技术支持。

以上所述仅为本发明的一个具体实例，本发明不仅仅局限于上述实现实施例，凡在本发明的精神和原则之内所做的局部性改动、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.混合动力电动汽车的可信赖网控动力耦合系统，包括发动机、发电机及功率控制模块、驱动电机及功率控制模块、动力电池组、机械耦合装置、发动机控制器、发电机控制器、电机控制器、BMS、动力耦合控制器；

所述的发动机控制器、发电机控制器、电机控制器、BMS、动力耦合控制器通过总线型拓扑车载网络相连，所述的动力耦合控制器用于实现多种驱动模式切换控制；

其特征在于：

所述的动力耦合控制器，为双层架构，包括模式切换解析层和切换策略实现层；

信号发送模块则实现控制命令与调度命令向总线的发送。

2.根据权利要求1所述的混合动力电动汽车的可信赖网控动力耦合系统的控制方法，其特征在于，主要包括纯电动模式切换为混合驱动模式控制方法，纯发动机模式切换为混合驱动模式控制方法。

3.根据权利要求2所述的混合动力电动汽车的可信赖网控动力耦合系统的控制方法，其特征在于，所述的纯电动模式切换为混合驱动模式控制方法，包括以下步骤：

一方面，第一过程控制模块,以电机转速为参考转速，以发动机前端的离合器无速差接合为控制目标，通过调整发动机转速实现其前端的离合器主、从动端无速差接合，完成发动机与电机的动力耦合过程；

另一方面，第一实时调度模块采用基于动态时间触发的调度方法，用于改善纯电动模式向混合驱动模式切换控制策略实施的实时同步性，避免该模式切换过程中的运动冲击与动力中断问题。

4.根据权利要求3所述的混合动力电动汽车的可信赖网控动力耦合系统的控制方法，其特征在于，所述的第一过程控制模块切换，具体包括以下步骤：(1)第一过程控制模块采集电机转速信号,并将其作为参考转速，根据离合器无速差接合要求，计算发动机目标转速；(2)以发动机作为被控对象，第一过程控制模块向发动机控制器发送发动机启动命令与发动机转速控制信号，使其达到目标转速；(3)第一过程控制模块向发动机前端的离合器发送离合器控制命令，使离合器无速差接合，完成模式切换过程。

5.根据权利要求3所述的混合动力电动汽车的可信赖网控动力耦合系统的控制方法，其特征在于，所述的第一实时调度模块的调度策略为：采用2个基本周期实现，各基本周期由动力耦合控制器通过发送参考帧或控制帧启动或结束，第一个基本周期用于完成电机转速、发动机转速采样信号的传输，第二个基本周期用于完成发动机启动控制命令、发动机转速控制命令和发动机前端离合器控制命令的传输；

采样信号的传输由参考帧以广播的方式启动发送，以实现采样信号的同步，控制信号的实施由参考帧以广播发动机控制器和离合器控制器的方式启动或停止动作，以实现控制行为的同步；

其中，所述的基本周期设计应满足以下调度不等式：

∑[max(t_message)]＜T_base-cycle＜τ_max

其中，T_base-cycle为基本周期时间长度，t_message表示指基本周期内调度命令、电机转速、发动机转速采样信号与发动机启动控制命令、发动机转速控制命令和离合器控制命令的信息传输时间，τ_max表示系统通道最大允许延时，∑[]表示指求和运算，max()表示求取最大值运算；s.t.表示受约束于,t_{message-schedule}表示调度命令信号传输时间，t_{message-sensor}表示电机转速、发动机转速采样信号传输时间，t_{message-control}表示发动机启动控制命令、发动机转速控制命令和离合器控制命令信号传输时间。

6.根据权利要求2所述的混合动力电动汽车的可信赖网控动力耦合系统的控制方法，其特征在于，所述的纯发动机模式切换为混合驱动模式控制方法，包括以下步骤：

纯发动机模式切换为混合驱动模式时，

一方面，第二过程控制模块，以发动机转速为参考转速，以电机前端的离合器无速差接合为控制目标，通过调整电机转速实现其前端的离合器主、从动端无速差接合，完成电机与发动机的动力耦合过程；

另一方面，第二实时调度模块，采用基于动态时间触发的调度方法，用于改善纯发动机模式向混合驱动模式切换的实时同步性，避免该模式切换过程中的运动冲击与动力中断问题。

7.根据权利要求6所述的混合动力电动汽车的可信赖网控动力耦合系统的控制方法，其特征在于，所述的第二过程控制模块切换，具体包括以下步骤：(1)第二过程控制模块采集发动机转速信号,并将其作为参考转速，根据离合器无速差接合要求，计算电机目标转速；(2)以电机作为被控对象，第二过程控制模块向电机控制器发送电机转速控制信号，使其达到目标转速；(3)第二过程控制模块向电机前端的离合器发送离合器控制命令，使离合器无速差接合，完成模式切换过程。

8.根据权利要求6所述的混合动力电动汽车的可信赖网控动力耦合系统的控制方法，其特征在于，所述的第二实时调度模块的调度策略为：用2个基本周期实现，各基本周期由动力耦合控制器通过发送参考帧或控制帧启动或结束，第一个基本周期用于完成发动机转速、电机转速采样信号的传输，第二个基本周期用于完成电机转速控制命令和电机前端离合器控制命令的传输；

采样信号的传输由参考帧以广播的方式启动发送，以实现采样信号的同步；控制信号的实施由参考帧以广播电机控制器和机离合器控制器的方式启动或停止动作，以实现控制行为的同步；

所述的基本周期设计，为保证实时性，应满足以下调度不等式：

∑[max(t_message)]＜T_base-cycle＜τ_max

其中，T_base-cycle为基本周期时间长度，t_message表示指基本周期内调度命令、电机转速、发动机转速采样信号与电机转速控制命令、离合器控制命令的信息传输时间，τ_max表示系统通道最大允许延时，∑[]表示指求和运算，max()表示求取最大值运算；s.t.表示受约束于,t_{message-schedule}表示调度命令信号传输时间，t_{message-sensor}表示电机转速、发动机转速采样信号传输时间，t_{message-control}表示电机转速控制命令和离合器控制命令信号传输时间。