CN111806424A - 基于状态估计的功率分流混合动力系统模式切换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于状态估计的功率分流混合动力系统模式切换控制方法，针对功率分流混合动力系统纯电动与混合动力模式的切换，步骤如下：S1：在能量管理层基于动力输出端需求转矩计算满足整车动力性需求的电机驱动转矩；S2：在协调控制层设计未知输入观测器在线估计变速箱输入轴和动力输出端转矩；S3：基于变速箱输入轴转矩估计值，设计模型预测控制策略实现发动机平稳起停并求解电机起停转矩；S4：基于动力输出端转矩估计值设计转矩冲击抑制策略并求解电机补偿转矩；S5：将上述电机驱动、起停和补偿转矩叠加，得到电机目标转矩决策值。与现有技术相比，本发明具有提升功率分流混合动力系统模式切换过程整车驾驶平顺性，并兼顾发动机起停性能的优点。

Description

基于状态估计的功率分流混合动力系统模式切换控制方法

技术领域

本发明涉及一种功率分流混合动力系统模式切换控制方法，尤其是涉及一种基于状态估计的纯电动与混合动力模式切换控制方法。

背景技术

功率分流混合动力系统作为深度及插电式混合动力汽车的主流技术方案，其利用行星排功率分流装置和两个电机实现发动机工作状态与轮边转速、需求转矩的解耦，并通过不同工作模式之间的合理切换，保证了发动机及电机始终工作在高效区间，从而最大限度地优化整车能量经济性和排放性。但系统在纯电动模式和混合动力模式之间切换时，伴随着发动机的快速起停。在此过程中，受到发动机倒拖阻力矩和不同动力元件特性差异的影响，变速箱动力输出端转矩可能存在较大波动，从而导致整车的动力性和驾驶平顺性问题突出。

现有技术中，针对功率分流混合动力系统模式切换过程控制的研究较少，实际应用中多采用传统的基于规则和经验的逻辑门限制切换控制策略，这种切换控制策略对提升驾驶平顺性存在较大的局限性。现有技术CN107351837A公开了一种功率分流混合动力系统模式切换方法，针对功率分流混合动力系统纯电动至混合动力模式切换过程，提出离线最优控制和在线模型预测控制滚动优化相结合的控制方法，但该方法的模型预测控制没有考虑实际系统中发动机转速、电机转矩及其变化率限制，并且没有结合并利用变速箱输入轴及动力输出端转矩的估计信息。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于状态估计的功率分流混合动力系统模式切换控制方法，在完成发动机可靠平稳起停的同时，提升整车驾驶的平顺性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于状态估计的功率分流混合动力系统模式切换控制方法，所述混合动力系统的控制框架包括能量管理层和动态协调层，具体步骤如下：

步骤S1：在所述能量管理层确定目标工作模式，基于所述目标工作模式对应的动力输出端需求转矩，计算得到驱动整车行驶所需的电机驱动转矩；

步骤S2：在所述动态协调层搭建状态空间方程，通过未知输入降维观测器与实时反馈的发动机转速、电机转速和转矩信息进行结合，得到变速箱输入轴转矩和动力输出端转矩的实时估计值；

步骤S3：在所述动态协调层基于所述变速箱输入轴转矩的实时估计值与传动系统的运动学、动力学关系搭建电机起停预测模型，设计的模型预测协调控制策略以发动机起停性能和整车纵向冲击度为控制目标，以发动机转速、电机转矩及其变化率为约束，通过将上述控制目标及约束转化为二次规划问题，求解出电机起停转矩；

步骤S4：在所述动态协调层将所述动力输出端转矩的实时估计值输入转矩冲击抑制模块，求解得到电机补偿转矩；

步骤S5：将求解得到的所述电机驱动转矩、电机起停转矩和电机补偿转矩叠加，得到电机目标转矩决策值，并发送至电机控制器。

所述电机目标转矩决策值为纯电动与功率分流混合动力模式切换过程的电机目标转矩决策值。

所述动力输出端需求转矩根据油门踏板开度和车速信息求出。

所述步骤S1中计算电机驱动转矩的过程还包括根据电池充放电功率、电机转速和电机转矩进行约束。

所述步骤S3中电机起停预测模型的相关参数还包括离线查表的发动机起停参考转速曲线。

所述步骤S4中电机补偿转矩通过PI控制器计算得出，以进一步降低整车纵向冲击度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明利用实时准确反馈的发动机转速、电机转速和转矩信息，对变速箱输入轴和动力输出端转矩进行实时估计，基于实时估计的转矩值与传动系统的运动学、动力学关系搭建电机起停预测模型，有效实现纯电动与混合动力模式切换过程的发动机起停，并通过电机抑制动力输出端转矩波动计算电机补偿转矩，通过将电机驱动转矩、电机起停转矩和电机补偿转矩叠加，得到电机目标转矩决策值，并发送至电机控制器，以最大限度地提升模式切换过程整车驾驶的平顺性。

附图说明

图1为本发明功率分流混合动力系统的结构示意图；

图2为本发明所述的功率分流混合动力系统纯电动与混合动力模式之间切换过程电机目标转矩决策控制框架的示意图；

图3为本发明计算变速箱输入轴转矩和动力输出端转矩的流程示意图；

图4为本发明转矩冲击抑制模块的控制框架示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，功率分流混合动力系统包括发动机、电机ISG、电机TM、行星排结构的功率耦合装置和两挡AMT变速箱。其中发动机通过扭转减振器与行星排相连，ISG电机与太阳轮相连接，齿圈与输出轴连接，TM电机通过两挡AMT变速箱与输出轴相连接。通过各动力源工作状态的不同组合，该混合动力系统主要的工作模式有四种：TM单独驱动的纯电动一挡及二挡模式、发动机和两个电机共同协调工作的混合动力一挡及二挡模式。

如图2所示，一种基于状态估计的功率分流混合动力系统模式切换控制方法，以实现发动机起停并提升模式切换过程整车驾驶的平顺性，混合动力系统的控制框架包括能量管理层和动态协调层，具体步骤如下：

步骤S1：能量管理层确定目标工作模式，基于目标工作模式对应的动力输出端需求转矩，计算得到驱动整车行驶所需的电机驱动转矩；

步骤S2：在动态协调层搭建状态空间方程，通过未知输入降维观测器与实时反馈的发动机转速、电机转速和转矩信息进行结合，得到变速箱输入轴转矩和动力输出端转矩的实时估计值；

步骤S3：在动态协调层基于变速箱输入轴转矩的实时估计值与传动系统的运动学、动力学关系生成电机起停预测模型，设计的模型预测协调控制策略以发动机起停性能和整车纵向冲击度为控制目标，以发动机转速、电机转矩及其变化率为约束，通过将上述控制目标及约束转化为二次规划问题，求解出电机起停转矩；

步骤S4：在动态协调层将动力输出端转矩的实时估计输入转矩冲击抑制模块，求解得到电机补偿转矩；

步骤S5：将求解得到的电机驱动转矩、电机起停转矩和电机补偿转矩叠加，得到电机目标转矩决策值，并发送至电机控制器。

电机目标转矩决策值为纯电动与功率分流混合动力模式切换过程的电机目标转矩决策值。

动力输出端需求转矩根据油门踏板开度和车速信息求出。

步骤S1中计算电机驱动转矩的过程还包括根据电池充放电功率、电机转速和电机转矩进行约束。

步骤S3中电机起停预测模型的相关参数还包括离线查表的发动机起停参考转速曲线。

步骤S4中电机补偿转矩通过PI控制器计算得出，以进一步降低整车纵向冲击度。

电机ISG和电机TM的驱动转矩满足以下公式：

T_{ISG_drive}＝0

其中，T_{ISG_drive}为电机ISG的驱动转矩，T_{TM_drive}为电机TM的驱动转矩，T_{L_dem}为动力输出端需求转矩，i₂为AMT变速箱速比。

如图3所示，基于动力系统的运动学和动力学关系，搭建状态空间方程，选取第一状态变量x、第一输出变量y、第一已知输入变量u和第一未知输入变量d，具体如下：

u＝[T_ISG T_TM]^T

d＝[T_ENG T_L]^T

其中，T表示转矩，θ表示转角，k表示等效刚度，c表示等效阻尼，下标C和R分别表示行星架和齿圈，ENG表示发动机，OUT表示等效动力输出端，TDS表示扭转减振器，L表示等效道路负载，TM和ISG分别表示电机TM和电机ISG。

令x₁＝y，

状态方程分解为如下形式：

其中，A₁₁、A₁₂、A₂₁、A₂₂、B₁、B₂、E₁和E₂为常数矩阵，

为x₁的导数，

为x₂的导数。

未知输入降维观测器满足以下公式：

其中，η为过程变量，

为η的倒数，G、H、K和F为常数矩阵，

为x₂的估计值。

通过选取合适的变量α和γ，求解以下线性矩阵不等式，获取矩阵P和Q，线性矩阵不等式具体如下：

其中，ε为任意正数，I为单位矩阵，γ表示观测器满足以下性能指标：

其中，e为观测器误差。

定义矩阵F为

将F代入下列公式，即可求出观测器相关参数：

基于x₂的估计值

求出变速箱输入轴转矩和动力输出端转矩，具体如下：

其中，T_IN为变速箱输入轴转矩的实时估计值，T_OUT为动力输出端转矩的实时估计值。

步骤S3中，若负载转矩T_L在相邻采样时刻不变，则基于变速箱输入轴转矩的实时估计值和传动系统的运动学、动力学关系搭建如下预测增量模型：

Δx^*(k+1)＝A_dΔx^*(k)+B_dΔu^*(k)+G_dΔd^*(k)

y^*(k)＝C_dΔx^*(k)+y^*(k-1)

其中，状态变量x^*、输出变量y^*、已知输入变量u^*和未知输入变量d^*定义如下：

u^*＝[T_ISG T_TM]^T

d^*＝T_L

以发动机起停性能和整车纵向冲击度为预测控制目标，满足以下公式：

其中，Q₁和Q₂为系数加权矩阵，Q₁越大，表示发动机转速与参考转速越接近，Q₂越大，表示整车驾驶平顺性越好。Y(k+1|k)为k时刻的预测控制输出序列，ΔU(k)为k时刻的控制量增量序列，ΔD(k)为k时刻的可测干扰增量序列，R(k+1)为k时刻的输出参考序列。

将控制目标转换为如下形式：

实际系统中，发动机转速、电机转矩及其变化率存在以下约束关系：

u_min(k)≤u(k)≤u_max(k)

Δu_min(k)≤Δu(k)≤Δu_max(k)

y_min(k)≤y(k)≤y_max(k)

其中，u_min(k)和u_max(k)为已知输入变量在k时刻的最小值和最大值，Δu_min(k)和Δu_max(k)为已知输入变量的差值在k时刻的最小值和最大值，y_min(k)和y_max(k)为未知输入变量在k时刻的最小值和最大值。

将上述控制目标及约束转化为二次规划问题进行求解，所需的电机起停转矩为最优控制序列的第一分量，具体如下：

[T_{ISG_startstop} T_{TM_startstop}]＝U(·|1)

其中，U为最优控制序列，T_{ISG_startstop}为电机ISG的电机起停转矩，T_{TM_startstop}为电机TM的电机起停转矩。

在步骤S4中，如图4所示，将动力输出端转矩的实时估计输入转矩冲击抑制模块，首先通过低通滤波器计算转矩变化率，然后基于带死区的PI控制器决策出输出端冲击抑制目标转矩，得到电机ISG和电机TM的电机补偿转矩具体为：

T_{ISG_damp}＝0

其中，T_{ISG_damp}为电机ISG的电机补偿转矩，T_{TM_damp}为电机TM的电机补偿转矩，T_{OUT_dem}为输出端冲击抑制目标转矩。

电机ISG和电机TM的电机目标转矩决策值满足以下公式：

T_{ISG_Ctrl}＝T_{ISG_drive}+T_{ISG_startstop}+T_{ISG_damp}

T_{TM_Ctrl}＝T_{TM_drive}+T_{TM_startstop}+T_{TM_damp}

其中，T_{ISG_Ctrl}为电机ISG的电机目标转矩决策值，T_{TM_Ctrl}为电机TM的电机目标转矩决策值。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于状态估计的功率分流混合动力系统模式切换控制方法，以实现纯电动与混合动力模式之间的平稳切换，其特征在于，所述混合动力系统的控制框架包括能量管理层和动态协调层，具体步骤如下：

步骤S1：在所述能量管理层确定目标工作模式，基于所述目标工作模式对应的动力输出端需求转矩，计算得到驱动整车行驶所需的电机驱动转矩；

步骤S2：在所述动态协调层搭建状态空间方程，通过未知输入降维观测器与实时反馈的发动机转速、电机转速和转矩信息进行结合，得到变速箱输入轴转矩和动力输出端转矩的实时估计；

步骤S3：在所述动态协调层基于所述变速箱输入轴转矩的实时估计值与传动系统的运动学、动力学关系搭建电机起停预测模型，设计的模型预测协调控制策略以发动机起停性能和整车纵向冲击度为控制目标，以发动机转速、电机转矩及其变化率为约束，通过将上述控制目标及约束转化为二次规划问题，求解出电机起停转矩；

步骤S4：在所述动态协调层将所述动力输出端转矩的实时估计值输入转矩冲击抑制模块，求解得到电机补偿转矩；

步骤S5：将求解得到的所述电机驱动转矩、电机起停转矩和电机补偿转矩叠加，得到电机目标转矩决策值，并发送至电机控制器。

2.根据权利要求1所述的一种基于状态估计的功率分流混合动力系统模式切换控制方法，其特征在于，所述动力输出端需求转矩根据油门踏板开度和车速信息求出。

3.根据权利要求1所述的一种基于状态估计的功率分流混合动力系统模式切换控制方法，其特征在于，所述步骤S1中计算电机驱动转矩的过程还包括根据电池充放电功率、电机转速和电机转矩进行约束。

4.根据权利要求1所述的一种基于状态估计的功率分流混合动力系统模式切换控制方法，其特征在于，所述步骤S3中电机起停预测模型的相关参数还包括离线查表的发动机起停参考转速曲线。

5.根据权利要求1所述的一种基于状态估计的功率分流混合动力系统模式切换控制方法，其特征在于，所述步骤S4中电机补偿转矩通过PI控制器计算得出。

6.根据权利要求1所述的一种基于状态估计的功率分流混合动力系统模式切换控制方法，其特征在于，所述目标模式切换过程为纯电动与混合动力模式之间的切换过程。

7.根据权利要求1所述的一种基于状态估计的功率分流混合动力系统模式切换控制方法，其特征在于，所述混合动力系统包括发动机、电机ISG、电机TM和行星排结构的功率耦合装置。

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