CN111169465B - 一种重度混合动力车辆运行的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及混合动力车辆技术领域，公开了一种重度混合动力车辆运行的控制方法，包括：由车辆油门踏板传感器和车速传感器确定整车系统的扭矩总需求；分析扭矩总需求与已确定的发动机各离散优化工况点的扭矩的差异，确定优化发动机的工况点需求，以获得第一扭矩需求；根据第一扭矩需求控制发动机稳定工作在确定的优化工作点，并获得稳定的发动机输出扭矩；确定第二扭矩需求，将第二扭矩需求作为电机扭矩需求的输入，并结合当前车速，以得到电机目标转速；通过电机目标转速以控制电机的转矩；第一扭矩与第二扭矩的数量和为扭矩总需求。本申请的控制方法，使得发动机总是在比较相对固定的燃油经济工作区，从而使得整车的燃油经济性得到大幅提升。

Description

一种重度混合动力车辆运行的控制方法
技术领域
本申请涉及混合动力车辆技术领域，特别涉及一种重度混合动力车辆运行的控制方法。
背景技术
对于双电机配置的并联型或混联型混合动力系统，整车工作时的一般控制策略是：按照电池状态、发动机/电机的状态以及车速来选定车辆的工作模式。在起步阶段，使用纯电动工作模式，在最大负荷工况下，发动机与电机均满负荷运行。在怠速到全负荷之间，根据扭矩需求的持续升高，整车控制发动机的起动，由纯电动模式切入发动机+电机的联合工作模式运行，车辆运行在该工作模式时，当驾驶员意图发生变化时(踩/松油门踏板或制动踏板)，发动机输出扭矩按照发动机管理系统(EMS)中扭矩结构进行响应，对发动机扭进扭矩控制，并尽而控制节气门开度与喷油器的加电脉宽从而获得发动机扭矩(汽油发动机)。当整车需求扭矩超过发动机最大输出能力时，在考虑电池当前状态满足限定条件时(电池管理系统(BMS)无故障报错，(电池电量)SOC在规定限制内等)，电机开始工作并进行“助力”，输出相应的转矩。发动机输出扭矩(或转速)和电机输出扭矩(或转速)通过变速机构耦合传递至车轮，以此达到满足整车车速及功率、扭矩输出的要求。
上述发动机控制方式将发动机的控制与电机的控制进行隔离分开，只是简单的将发动机与电机的扭矩输出通过变速机构进行“叠加”，并没有考虑全过程能量的动态优化管理，发动机并不是运行在油耗经济区。发动机运行在急加速工况时，驾驶员猛踩油门踏板，系统扭矩需求急剧变化，发动机的工况点也随之发生剧烈变化，因为空气系统的反应滞后导致发动机的油耗剧烈上升，整车油耗经济性降低，同时因为车辆工况的频繁变化导致排放污染物相应的增加，对后处理装置及控制策略，应用匹配标定的要求很高。
发明内容
基于上述问题，本发明提供了一种重度混合动力车辆运行的控制方法，能够使得车辆的发动机的工作区域限定在离散的优化工况点，使得发动机总是在比较相对固定的燃油经济工作区，从而使得整车的燃油经济性得到大幅提升。
为了达到上述目的，本申请提供一种重度混合动力车辆运行的控制方法，包括：
由车辆油门踏板传感器和车速传感器确定整车系统的扭矩总需求；
分析所述扭矩总需求与已确定的发动机各离散优化工况点的扭矩的差异，确定优化发动机的工况点需求，以获得第一扭矩需求；
根据所述第一扭矩需求控制发动机稳定工作在确定的优化工作点，并获得稳定的发动机输出扭矩；
确定第二扭矩需求，将所述第二扭矩需求作为电机扭矩需求的输入，并结合当前车速，以得到电机目标转速；
通过所述电机目标转速以控制电机的转矩；
其中，所述第一扭矩与所述第二扭矩的数量和为所述扭矩总需求的数值。
上述控制方法，针对于混合动力车辆，该车辆同时具备发电机、电动机和发动机的形式，在发动机与电机联合的工作模式下，首先确定发动机的离散的优化工况点，使得发动机总是在最经济的油耗区内运行。并在整车控制中引入“扭矩耦合控制”的控制策略，通过对车辆油门踏板开度以及车速的采集，确定整车的扭矩总需求，分析扭矩总需求与各离散的优化工况点之间的差异以确定发动机的第一扭矩需求，并根据第一扭矩需求控制发动机稳定工作以得到稳定的发动机输出扭矩；将发动机输出扭矩作为扭矩总需求的前馈，电机的输出扭矩闭环控制，作为调节补偿扭矩的“双控制系统”。
上述控制方法，利用发动机输出扭矩的前馈控制，提升了整车扭矩的响应；同时因为发动机总是工作在相对固定的燃油经济区，整车的燃油经济性得到大幅提升；且因为发动机的工况点已针对排放进行了优化，且工作区域相对固定，尾气排放污染物下降，对后处理的要求降低，便于降低成本。
优选地，确定发动机的离散的优化工况点包括：
将发动机在单独工作的情况下，且通过发电机对动力电池进行充电时的最小需求输出功率作为第一工况点；
将电机故障时的系统故障处理策略，以及客户需求动力输出最小值以确定发动机的最小输出功率作为第二工况点；
根据所述第一工况点和所述第二工况点的插值确定第三工况点。
优选地，根据所述第一扭矩需求控制发动机稳定工作在确定的优化工作点包括：
通过标定的扭矩提升率脉谱图，控制输出扭矩的增长速度，并逐渐增长发动机的扭矩需求；
对所述发动机的扭矩需求通过扭矩结构转化为进气系统所需要的空气量以及相应的燃油喷油量，并通过节气门开度控制空气的进入以及喷油器加电脉宽的控制，以实现发动机扭矩的输出，以实现发动机工作点的跃迁；
通过发动机的转速的PID闭环控制，检测发动机的转速稳定，以控制进气量以及相应的发动机扭矩输出的稳定，以使发动机稳定工作在确定的优化工作点。
优选地，逐渐增长发动机的扭矩需求包括：
当驾驶员踩下车辆油门踏板时，发动机控制根据当前的发动机转速和油门踏板的提升率以确定扭矩提升率方案；
通过所述扭矩提升率方案以确定该发动机转速与油门下对应的扭矩提升率；
通过引入时间序列，以构造随时间变化的扭矩提升变化量；
根据驾驶员踩下车辆油门踏板前的扭矩需求，得到随时间变化的扭矩需求量，并以所述扭矩需求量作为第一扭矩需求的数值。
优选地，实现发动机工作点的跃迁包括：
设置多个标定阈值，并根据油门踏板的变化量与所述标定阈值的大小关系以确定车辆的运行方式。
优选地，当车辆需要加速，踩下油门踏板时，所述根据油门踏板的变化量与所述标定阈值的大小关系以确定车辆的运行方式包括：
当所述油门踏板的变化量小于第一标定值时，发动机不发生工况点的跃迁，并由电机增加输出功率；
当所述油门踏板的变化量大于第一标定值时，发动机发生工况点的跃迁，并逐渐增长发动机的输出扭矩。
优选地，当车辆需要减速，松开油门踏板时，所述根据油门踏板的变化量与所述标定阈值的大小关系以确定车辆的运行方式包括：
当所述油门踏板的变化量小于第二标定值时，发电机开始工作，发动机不发生工况点的跃迁，且发动机的富余扭矩通过电机转化为电能储存于电池中；
当所述油门踏板的变化量大于第二标定值时，发动机喷油系统停止喷油，以带档滑行的模式向低转速优化工况点跃迁，且电机进行相应的扭矩调节；
当踩下制动踏板时，根据当前的发动机工况点、整车车速以及发动机转速，按照能量回收管理功能策略，进行系统发动机的制动与能量回收。
优选地，通过所述电机目标转速以控制电机的转矩包括：通过相应的PI控制，以及相关的电机控制转化为对电机三相电压的控制，以通过PWM波由功率半导体器件作用在电机的三相绕组上，以控制电机的转矩。
附图说明
图1为本申请中的一种车辆运行的控制方法的步骤流程图；
图2为本申请中的一种混动系统的耦合扭矩控制模块结构图；
图3为本申请中的一种发动机与电机耦合扭矩控制结构图；
图4为本申请中的一种建立优化工况点的步骤流程图；
图5为图4中的一种发动机外特性的示意图；
图6为本申请中的一种控制发动机稳定在确定的优化工作点的步骤流程图；
图7为本申请中的一种发动机扭矩提升控制结构图；
图8为本申请的一种发动机扭矩提升控制步骤流程图；
图9a为本申请中的一种油门变化小的扭矩的S1斜率上升图；
图9b为本申请中的一种油门变化中等的扭矩的S2斜率上升图；
图9c为本申请中的一种油门变化剧烈的扭矩的S3斜率上升图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
混合动力车辆在行驶过程中，结合表1，一般按照以下的运行模式(其中，M为电机，ICE为发动机，SOC为充电状态)：
在起步阶段或者较小负荷时，在电池荷电充足的状态下，整车运行在纯电动的模式下，通过电池，由电机直接提供整车需要的转矩；
在车辆运行在中等负荷时(通过油门踏板与车速输入)，且电池荷电状态不足的状态下，整车运行在纯发动机的模式下，通过发动机的工作提供整车所需求的扭矩，并对电池进行充电；
当车辆运行在中等负荷及以上时(通过油门踏板与车速输入)，且电池荷电状态充足的状态下，整车运行在纯发动机的模式下，通过发动机的工作提供整车所需求的扭矩；
当整车控制器检测到系统出现电机控制系统相关故障时，整车运行在纯发动机的工作模式下，由发动机独自提供相应的系统需求扭矩。如检测到发动机相关的非严重故障时，则进入系统“跛行回家”的工作模式。
Figure BDA0002367757180000061
表1整车发动机、电机工作模式
基于表1，当整车运行在发动机与电机联合工作的模式下时，请参考图1、图2及图3，本发明提供了一种重度混合动力车辆运行的控制方法，包括以下步骤：
S101：由车辆油门踏板传感器和车速传感器确定整车系统的扭矩总需求；
S102：分析扭矩总需求与已确定的发动机各离散优化工况点的扭矩的差异，确定优化发动机的工况点需求，以获得第一扭矩需求；
S103：根据第一扭矩需求控制发动机稳定工作在确定的优化工作点，并获得稳定的发动机输出扭矩；
S104：确定第二扭矩需求，将第二扭矩需求作为电机扭矩需求的输入，并结合当前车速，以得到电机目标转速；
S105：通过电机目标转速以控制电机的转矩；
其中，第一扭矩与第二扭矩的数量和为扭矩总需求的数值。
上述控制方法，针对于混合动力车辆，该车辆同时具备发电机、电动机和发动机的形式，在发动机与电机联合的工作模式下，首先确定发动机的离散的优化工况点，使得发动机总是在最经济的油耗区内运行。并在整车控制中引入“扭矩耦合控制”的控制策略，通过对车辆油门踏板开度以及车速的采集，确定整车的扭矩总需求，分析扭矩总需求与各离散的优化工况点之间的差异以确定发动机的第一扭矩需求，并根据第一扭矩需求控制发动机稳定工作以得到稳定的发动机输出扭矩；将发动机输出扭矩作为扭矩总需求的前馈，电机的输出扭矩闭环控制，作为调节补偿扭矩的“双控制系统”。
上述控制方法，利用发动机输出扭矩的前馈控制，提升了整车扭矩的响应；同时因为发动机总是工作在相对固定的燃油经济区，整车的燃油经济性得到大幅提升；且因为发动机的工况点已针对排放进行了优化，且工作区域相对固定，尾气排放污染物下降，对后处理(三元催化器、颗粒捕捉器等)的转化效率的要求降低，相关的步骤和标定工作更加简单，相关后处理部件更换、维修周期要求大幅度下降，便于降低成本。
具体地，上述发动机的离散的优化工况点可通过仿真来建立，一般建立3个发动机的优化工况点，汽油机和高速柴油机最多不超过4个优化工况点，低速柴油机可建立2个优化工况点。以3个优化工况点为例，首先，选取优化工况点需要的条件如下：1、选择油耗相对经济的发动机工作区域；2、转速覆盖最大扭矩对应的发动机转速区间；3、扭矩覆盖从中等扭矩到接近最大扭矩区间；4、工况点的间隔梯度步长不要太大(一般间隔可选择1000转)；5、优化工况点的确认以台架标定与油耗测试结果为准。
结合图4和图5，以下为具体的建立3个优化工况点的步骤：
S201：将发动机在单独工作的情况下，且通过发电机对动力电池进行充电时的最小需求输出功率作为第一工况点A，且第一工况点A能同时覆盖电动机单独工作的区域和发动机单独工作的区域；
S202：将电机故障时的系统故障处理策略，以及客户需求动力输出最小值以确定发动机的最小输出功率作为第二工况点C，且第二工况点C还可考虑电机工作在额定功率下时，发动机的需求的输出功率值；
S203：根据第一工况点A和第二工况点C的插值确定第三工况点B。
上述各工况点通过绘制发动机的万有特性曲线，找到各优化工况点，划一条斜线，穿越转速-功率-油耗曲线的油耗经济区，并在该条斜线上选择相对较低的燃油消耗率较低的三个点即可。
现有的混合动力车辆，在急减速的情况下，发动机可能出现频繁停机、启动与热机的过程，这些过程也会导致整车的油耗急剧上升，同时因为车辆工作在起动，怠速阶段的时间加长，排放量也会相应的增加。
基于此，在上述S103的步骤中，如图6所示，根据第一扭矩需求控制发动机稳定在确定的优化工作点可以包括以下步骤：
S301：通过标定的扭矩提升率脉谱图，控制输出扭矩的增长速度，并逐渐增长发动机的扭矩需求；
S302：对发动机的扭矩需求通过扭矩结构转化为进气系统所需要的空气量以及相应的燃油喷油量，并通过节气门开度控制空气的进入以及喷油器加电脉宽的控制，以实现发动机扭矩的输出，以实现发动机工作点的跃迁；
S303：通过发动机的转速的PID闭环控制，检测发动机的转速稳定，以控制进气量以及相应的发动机扭矩输出的稳定，以使发动机稳定工作在确定的优化工作点。
上述控制方法，由于提前确定了优化工况点，在车辆发生加减速的工况变化时，能够使得发动机在各工况点之间跃迁，以选择不同的发动机加减速的策略，使得发动机的工况变化相对柔和，从而使得发动机的动态油耗不会发生大幅的增加。
进一步地，上述步骤S301中，由于发动机的工况点向优化工况点趋近的过程中，扭矩的变化并不是发动机管理中“扭矩路径”控制的模式来执行，扭矩的增加是按照一定的提升率来进行，为了使得发动机的转速按照一定的斜率平稳上升，如图7和图8所示，可通过以下步骤来具体实现：
S401：当驾驶员踩下车辆油门踏板时，发动机控制根据当前的发动机转速和油门踏板的提升率以确定扭矩提升率方案；
S402：通过扭矩提升率方案以确定该发动机转速与油门下对应的扭矩提升率；
S403：通过引入时间序列，以构造随时间变化的扭矩提升变化量；
S404：根据驾驶员踩下车辆油门踏板时的扭矩需求，得到随时间变化的扭矩需求量，并以扭矩需求量作为第一扭矩需求的数值。
通过上述控制方法，可使得发动机在进行工况变换时，发动机的转速按照一定的斜率平稳上升，从而大幅度提升燃油经济性。
同时，上述步骤S302中，为了使得发动机发生工况点的跃迁时相对柔和，可采取以下方式：设置多个标定阈值，并根据油门踏板的变化量与标定阈值之间的大小关系来确定车辆的运行方式。车辆在行驶过程中会发生加速和减速的情况，以下将分别介绍两种情况下具体的跃迁的准则。
1、当车辆需要加速，踩下油门踏板时：
当油门踏板的变化量小于第一标定值内时，不发生工况点间的跃迁，继续保持在该工况点，并且由电机增加输出功率，进行相应的助力；
当油门踏板的变化量超过第一标定值时，发动机的优化工况点开始跃迁。
进一步地，如图9a-图9c所示，上述优化工况点的跃迁还可分为以下情况：
当油门踏板的变化量小于标定值CA1时，或油门踏板电压上升斜率小于k1时，扭矩以S1的斜率逐渐上升；
当油门踏板的变化量小于标定值CA2时，或油门踏板电压上升斜率小于k2时，扭矩以S2的斜率逐渐上升；
当油门踏板的变化量小于标定值CA3时，或油门踏板上升斜率大于k2时，扭矩以发动机管理系统扭矩响应模式上升。
2、当车辆需要减速，松开油门踏板时：
当油门踏板的变化量小于第二标定值时，发电机开始工作，发动机富余扭矩通过发电机转化为电能储存在电池中；
当油门踏板的变化量大于第二标定值时，发动机喷油系统停止喷油，以带档滑行的模式向低转速优化工况点跃迁，且电机进行相应的扭矩调节；
当踩下制动踏板时，根据当前的发动机工况点、整车车速以及发动机转速，按照能量回收管理功能策略，进行系统发动机的制动与能量回收。
具体地，如表2所示，上述发动机的制动与能量回收可通过以下方式实现：
a)当发动机当前工况点不是优化工况点A、且制动踏板行程小于50％时，按工况点进行跃迁，同时，电机进行制动与能量回收；
b)当发动机当前工况点不是优化工况点A，或制动踏板行程大于等于50％(紧急刹车)时，发动机与电机一起进行制动，并进行能量回收；
c)当发动机当前工况点是工况点A时，发动机与电机一起制动，并进行能量回收。
Figure BDA0002367757180000101
表2跃迁与能量回收策略表
此外，针对于上述控制方法步骤S105，继续参考图2和图3，通过电机目标转速以控制电机的转矩可包括：通过相应的PI控制，以及相关的电机控制转化为对电机三相电压的控制，以通过PWM波由功率半导体器件作用在电机的三相绕组上，以控制电机的转矩。
本申请中的整个控制方法，将发动机的输出扭矩作为扭矩总需求的前馈，电输出扭矩闭环控制，形成调节补偿扭矩的“双控制系统”，因为发动机工作在燃油经济区、加减速平缓控制使得整车油耗降低。同时利用电机的快速响应特性，提升整车扭矩的响应精度，降低扭矩的响应超调，调节整车扭矩平滑输出，达到了同时提升经济性与动力舒适性的目的。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种重度混合动力车辆运行的控制方法，其特征在于，包括：
由车辆油门踏板传感器和车速传感器确定整车系统的扭矩总需求；
分析所述扭矩总需求与已确定的发动机各离散优化工况点的扭矩的差异，确定优化发动机的工况点需求，以获得第一扭矩需求；
根据所述第一扭矩需求控制发动机稳定工作在确定的优化工作点，并获得稳定的发动机输出扭矩；
确定第二扭矩需求，将所述第二扭矩需求作为电机扭矩需求的输入，并结合当前车速，以得到电机目标转速；
通过所述电机目标转速以控制电机的转矩；
其中，所述第一扭矩与所述第二扭矩的数量和为所述扭矩总需求的数值；
确定发动机的离散的优化工况点包括：
将发动机在单独工作的情况下，且通过发电机对动力电池进行充电时的最小需求输出功率作为第一工况点；
将电机故障时的系统故障处理策略，以及客户需求动力输出最小值以确定发动机的最小输出功率作为第二工况点；
根据所述第一工况点和所述第二工况点的插值确定第三工况点。
2.根据权利要求1所述的重度混合动力车辆运行的控制方法，其特征在于，根据所述第一扭矩需求控制发动机稳定工作在确定的优化工作点包括：
通过标定的扭矩提升率脉谱图，控制输出扭矩的增长速度，并逐渐增长发动机的扭矩需求；
对所述发动机的扭矩需求通过扭矩结构转化为进气系统所需要的空气量以及相应的燃油喷油量，并通过节气门开度控制空气的进入以及喷油器加电脉宽的控制，以实现发动机扭矩的输出，以实现发动机工作点的跃迁；
通过发动机的转速的PID闭环控制，检测发动机的转速稳定，以控制进气量以及相应的发动机扭矩输出的稳定，以使发动机稳定工作在确定的优化工作点。
3.根据权利要求2所述的重度混合动力车辆运行的控制方法，其特征在于，逐渐增长发动机的扭矩需求包括：
当驾驶员踩下车辆油门踏板时，发动机控制根据当前的发动机转速和油门踏板的提升率以确定扭矩提升率方案；
通过所述扭矩提升率方案以确定该发动机转速与油门下对应的扭矩提升率；
通过引入时间序列，以构造随时间变化的扭矩提升变化量；
根据驾驶员踩下车辆油门踏板前的扭矩需求，得到随时间变化的扭矩需求量，并以所述扭矩需求量作为第一扭矩需求的数值。
4.根据权利要求2所述的重度混合动力车辆运行的控制方法，其特征在于，实现发动机工作点的跃迁包括：
设置多个标定阈值，并根据油门踏板的变化量与所述标定阈值的大小关系以确定车辆的运行方式。
5.根据权利要求4所述的重度混合动力车辆运行的控制方法，其特征在于，当车辆需要加速，踩下油门踏板时，所述根据油门踏板的变化量与所述标定阈值的大小关系以确定车辆的运行方式包括：
当所述油门踏板的变化量小于第一标定值时，发动机不发生工况点的跃迁，并由电机增加输出功率；
当所述油门踏板的变化量大于第一标定值时，发动机发生工况点的跃迁，并逐渐增长发动机的输出扭矩。
6.根据权利要求4所述的重度混合动力车辆运行的控制方法，其特征在于，当车辆需要减速，松开油门踏板时，所述根据油门踏板的变化量与所述标定阈值的大小关系以确定车辆的运行方式包括：
当所述油门踏板的变化量小于第二标定值时，发电机开始工作，发动机不发生工况点的跃迁，且发动机的富余扭矩通过电机转化为电能储存于电池中；
当所述油门踏板的变化量大于第二标定值时，发动机喷油系统停止喷油，以带档滑行的模式向低转速优化工况点跃迁，且电机进行相应的扭矩调节；
当踩下制动踏板时，根据当前的发动机工况点、整车车速以及发动机转速，按照能量回收管理功能策略，进行系统发动机的制动与能量回收。
7.根据权利要求1所述的重度混合动力车辆运行的控制方法，其特征在于，通过所述电机目标转速以控制电机的转矩包括：通过相应的PI控制，以及相关的电机控制转化为对电机三相电压的控制，以通过PWM波由功率半导体器件作用在电机的三相绕组上，以控制电机的转矩。
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