CN113753021A - 一种并联混合动力车辆动力域稳态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种并联混合动力车辆动力域稳态控制方法，是保证车辆动力域在长时域稳态工况得到合理控制的基础，稳态控制策略可以分为两部分，一是建立合理的模式仲裁规则，确定车辆的行驶模式，根据驾驶员意图求解得到车辆需求功率，进而控制传统发动机以及电驱系统，保证车辆合成转矩合理跟随驾驶员意图，并通过制动能量回收对动力电池进行充电及放电，提高车辆的经济性；二是分模式求解动力性换挡规律及经济性换挡规律，根据车速及踏板开度进而规划车辆行驶时的目标档位，综上可以得到并联混合动力车辆总体的控制变量分别是发动机转矩、电机转矩以及AMT的目标档位，上述动力域稳态控制策略的开发是提高车辆的经济性和动力性的关键。

Description

一种并联混合动力车辆动力域稳态控制方法

技术领域

本发明涉及混合动力车辆控制领域，具体涉及一种并联混合动力车辆动力域稳态控制方法。

背景技术

工信部发布的新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)建议强化整车集成创新技术，以突破不同子系统之间复杂的耦合机理难题，进一步挖掘整车综合性能。对于P4构型混合动力车辆，由于其本身结构复杂，其动力系统中的后轮电驱系统与传统发动机动力适时耦合，使得P4构型混合动力商用车动力域集成控制具备一定难度，亟待新理论和技术的突破。随着车辆功能域集成控制理论逐步深化，车辆控制以零部件为导向的今天，跨越到以系统为导向的未来，以域为单位的域控制集成化架构是未来趋势。但类似的域控制技术被博世、大陆等国外企业垄断，存在卡脖子技术风险，对我国汽车行业的稳定发展存在重大制约，亟需研究和突破，所以基于P4构型混合动力商用车进行动力域控制研究对于提高我国商用车竞争力及持续稳定发展具有重要的现实意义。针对商用载货车辆运行特点，包括运行工况复杂多变，松软路面等坏路面附着系数较低，驱动轮经常出现打滑，驱动力不足，不仅影响整车的动力性与通过性，还浪费发动机动力，增加整车的油耗，故须开展基于P4构型混合动力商用车的动力域系统控制研究。

目前的现有技术中，大多动力域系统技术应用于纯电动或燃料电池车辆，而少有应用于混合动力车辆的动力域系统技术，如2020年8月25日公开的发明专利：公开号：CN111572364A，一种电动汽车的动力域控制系统；2020年12月11日公开的发明专利：公开号：CN112060926A，一种动力域控制系统、域控制系统及燃料电池车辆，上述发明专利分别提供纯电动车辆、燃料电池车辆动力域系统架构及控制方法，其主要关注于动力域内各部件连接及通信关系，且因纯电动及燃料电池车辆动力耦合关系较混合动力更简单，其对于动力域系统的控制及关键动力部件的耦合特性描述相对较少。又如2021年6月8日公开的发明专利：公开号：CN112918461A，一种并联式混合动力汽车动力域控制系统，该发明专利提供了一种并联式混合动力车辆动力域控制系统架构方案，但并联式混合动力汽车所包括的不同构型动力系统结构差异性较大，其仅提出P2构型动力域系统架构方案，且并未针对混合动力系统对象特性提出适用于动力域控制的方法和措施。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明基于P4构型混合动力车辆设计了一种并联混合动力车辆动力域稳态控制方法，其能够实现将整车动力域内各子控制器多目标高效集成，进而可突破各子执行部件的控制边界，改善传统分布式控制通信效率低、传递数据精度差、线束及控制器功能冗余的缺点，同时集中式动力域控制架构也为多维性能的综合控制优化提供优势平台基础，可以充分发挥P4构型混合动力的冗余驱动特点，实现动力域内稳定控制，提高混合动力车辆的综合品质，满足用户对换挡平顺性、行驶经济性和车辆动力性的兼顾需求。

为实现上述目的，本发明是采用如下技术方案实现的：

步骤一，进行稳态模式仲裁：

在接收到车辆和电驱系统的信号之后，需要对车辆及电驱系统的工作状态进行估计，传统发动机直驱模式下，当满足中桥变速器挡位大于一挡、蠕行开关关闭、手刹松开、电驱系统正常、非倒挡、动力电池SOC中等且需求转矩较高(大于发动机最优转矩曲线)且车速较高时或动力电池SOC较高且需求转矩较高或车速较高时进入联合驱动模式；当满足变速器处于非空挡、蠕行开关关闭、手刹松开、电驱系统正常、非倒挡、动力电池SOC中等且需求转矩较低且车速不高时或动力电池SOC较低且需求转矩低且车速不太高时进入行车充电模式；当满足变速箱处于非空挡、蠕行开关关闭、电驱系统正常、手刹松开、非倒挡、驾驶员踩下制动踏板且动力电池SOC低于回收门限且车速高于能量回收门限车速且变速箱处于D挡时进入再生制动模式；当满足变速箱处于非空挡、蠕行开关关闭、电驱系统正常、手刹松开、驾驶员踩下制动踏板且动力电池SOC高于回收门限或车速低于能量回收门限车速或变速箱处于R挡时进入机械制动模式。

步骤二，计算各个稳态行驶模式下的控制量：

得到模式仲裁结果后，分别计算各个稳态运行模式下的控制量，在传统发动机直驱模式下，由驾驶员踩下油门踏板从而解析得到驾驶员需求扭矩，控制发动机请求转矩与驾驶员需求转矩保持一致；在联合驱动模式下，首先计算当前车速下对应的发动机转速，进而求解在当前发动机转速下发动机效率最高的转矩点，控制发动机的请求转矩跟随当前发动机转速下，效率最高的转矩点，并计算其与驾驶员需求扭矩的差值，从而计算驱动电机需求输出扭矩；在行车充电模式下，HCU根据加速踏板开度计算驾驶员需求扭矩，由电池期望充电功率与电机当前转速计算得到期望充电转矩，发动机需求输出扭矩为驾驶员需求转矩与期望充电转矩之和，而电机需求转矩由计算得到的发动机需求扭矩与驾驶员需求扭矩作差获得。

步骤三：分模式求取动力性换挡规律和经济性换挡规律并融合形成组合型换挡规律：

以同一油门踏板开度下相邻档位牵引力相等或者是加速度相当作为换挡条件，求出相邻档位牵引力-车速曲线的交点作为换档点，P4构型混合动力车辆的牵引力则由多个动力源提供，该牵引力的大小由车辆工作模式决定，根据传统车牵引力表达式可以相应写出混合动力汽车牵引力表达式：

上式中r_w为车轮滚动半径，i_gn为变速箱速比，i₀为主减速器速比，η_T为传动系统效率，T_z为等效驱动力矩，其与车辆工作模式密切相关。首先对于发动机直驱模式，此时混合动力汽车等效转矩等于发动机输出转矩；在联合驱动模式下，混合动力汽车等效转矩等于发动机输出转矩与驱动电机输出转矩之和；针对行车充电模式，此时混合动力汽车等效转矩等于发动机输出转矩与蓄电池充电时驱动电机的转矩之差，依据上述步骤可以分别求解三种工作模式下的动力性换挡规律。然后进一步求解三种模式下的经济性换挡规律首先要求出发动机燃油消耗率，根据发动机的万有特性可得燃油消耗率g_e与发动机功率p_e、发动机转速n_e成函数关系，可以表示为：

g_e＝g_e(p_e,n_e)

同时发动机功率可以表示为油门开度α和发动机转速n_e的函数，即：

p_e＝p_e(α,n_e)

根据发动机转速n_e与车速v的关系，可以得到下式：

联立上述式子，可以将燃油消耗率g_e写成油门开度α和车速v的函数，通常将该函数取为二次函数如式：

g_e＝A_ev²+B_ev+C_e

式中，A_e、B_e、C_e分别为发动机燃油消耗率函数的系数。

建立所述的P4构型混合动力车辆动力学模型，可以得到车辆小时燃油消耗量Q_t计算公式为：

根据传统经济性换挡规则，将不同油门开度下所有相邻挡位小时燃油消耗量曲线交点作为换挡点，即：

Q_t,n＝Q_t,n+1

将式代入到式中，得到：

上式所示方程的根即为经济性换挡点，如求解出的车速大于下一挡位的最小车速，小于上一挡位的最大车速，则该车速即为两挡位的换挡点；如求解的车速大于上一挡位最大车速，小于下一挡位的最小车速，则取上一挡位最大车速作为换挡点；如求解的车速小于上一挡位最大车速，大于下一挡位最小车速，则取下一挡位最小车速作为换挡点。

最后将油门踏板开度进行分段，中小开度情况下定义车辆为经济性模式，换挡规律按照经济性换挡进行；大开度情况下定义车辆为动力性模式，换挡规律按照动力性换挡进行。

步骤四，输出控制量：

结合步骤二中计算所得发动机转矩、驱动电机转矩以及步骤三中的目标档位控制，分别发送给发动机控制模块、驱动电机控制模块以及换挡控制模块，从而实现P4构型混合动力车辆高效且可靠的稳态行驶。

本发明与现有技术相比较，有益效果如下：

1.本发明所述的一种并联混合动力车辆动力域稳态控制方法建立了合理的模式仲裁规则，确定车辆的行驶模式，根据驾驶员意图求解得到车辆需求功率，进而控制传统发动机以及电驱系统，保证车辆合成转矩合理跟随驾驶员意图，并通过制动能量回收对动力电池进行充电，提高了车辆的经济性；

2.本发明所述的一种并联混合动力车辆动力域稳态控制方法将目标档位与整车及电驱系统特性充分结合在了一起，并进一步考虑驾驶员的踏板意图，进一步挖掘了系统的动力性及节能潜力。

附图说明

下面结合附图对实施例的描述将变得容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的并联混合动力车辆动力域系统结构示意图；

图2为根据本发明实施例的并联混合动力车辆动力域系统架构示意图；

图3为根据本发明实施例的并联混合动力车辆动力域稳态控制流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图来描述一种并联混合动力车辆动力域稳态控制方法，但本发明并不限于这些实施例。

参考附图1，并联混合动力车辆主要包括以下部件及总成：1-前轴转向车轮，2-动力域控制器PDU，3-中轴驱动车轮，4-后轴驱动车轮，5-驱动电机，6-后桥2挡自动变速器，7-主减速器及差速器总成，8-动力电池，9-主减速器及差速器总成，10-万向节，11-中桥12挡自动变速器，12-发动机。P4构型混合动力车辆动力域系统将整车控制器、电驱控制系统、变速箱控制系统、发动机管理系统均集成于动力域控制器中。

参考附图2，所述动力域控制器通过信号输入模块采集CAN线、硬线信号输入；所述动力域控制器通过控制输出模块向执行机构输出控制需求；所述动力域控制器通过整车端网关与其他域控制器进行通讯，所述整车端网关与所述动力域控制器通过以太网连接。

参考附图3，根据本发明所述的并联混合动力车辆动力域稳态控制方法，对步骤细节进行详细描述如下：

步骤一，进行稳态模式仲裁：

在接收到车辆和电驱系统的信号之后，需要对车辆及电驱系统的工作状态进行估计，传统发动机直驱模式(ENG)下，当满足中桥变速器挡位大于一挡、蠕行开关关闭、手刹松开、电驱系统正常、非倒挡、动力电池SOC中等且需求转矩较高(大于发动机最优转矩曲线)且车速较高时或动力电池SOC较高且需求转矩较高或车速较高时进入联合驱动模式(BHEV)；当满足变速器处于非空挡、蠕行开关关闭、手刹松开、电驱系统正常、非倒挡、动力电池SOC中等且需求转矩较低且车速不高时或动力电池SOC较低且需求转矩低且车速不太高时进入行车充电模式(CHEV)；当满足变速箱处于非空挡、蠕行开关关闭、电驱系统正常、手刹松开、非倒挡、驾驶员踩下制动踏板且动力电池SOC低于回收门限且车速高于能量回收门限车速且变速箱处于D挡时进入再生制动模式(RGB)；当满足变速箱处于非空挡、蠕行开关关闭、电驱系统正常、手刹松开、驾驶员踩下制动踏板且动力电池SOC高于回收门限或车速低于能量回收门限车速或变速箱处于R挡时进入机械制动模式(MB)。

步骤二，计算各个稳态行驶模式下的控制量：

得到模式仲裁结果后，分别计算各个稳态运行模式下的控制量，在传统发动机直驱模式(ENG)下，由驾驶员踩下油门踏板从而解析得到驾驶员需求扭矩，控制发动机请求转矩与驾驶员需求转矩保持一致；在联合驱动模式(BHEV)下，首先计算当前车速下对应的发动机转速，进而求解在当前发动机转速下发动机效率最高的转矩点，控制发动机的请求转矩跟随当前发动机转速下，效率最高的转矩点，并计算其与驾驶员需求扭矩的差值，从而计算驱动电机需求输出扭矩；在行车充电模式(CHEV)下，HCU根据加速踏板开度计算驾驶员需求扭矩，由电池期望充电功率与电机当前转速计算得到期望充电转矩，发动机需求输出扭矩为驾驶员需求转矩与期望充电转矩之和，而电机需求转矩由计算得到的发动机需求扭矩与驾驶员需求扭矩作差获得。

步骤三：分模式求取动力性换挡规律和经济性换挡规律并融合形成组合型换挡规律：

以同一油门踏板开度下相邻档位牵引力相等或者是加速度相当作为换挡条件，求出相邻档位牵引力-车速曲线的交点作为换档点，P4构型混合动力车辆的牵引力则由多个动力源提供，该牵引力的大小由车辆工作模式决定，根据传统车牵引力表达式可以相应写出混合动力汽车牵引力表达式：

上式中r_w为车轮滚动半径，i_gn为变速箱速比，i₀为主减速器速比，η_T为传动系统效率，T_z为等效驱动力矩，其与车辆工作模式密切相关。首先对于发动机直驱模式，此时混合动力汽车等效转矩等于发动机输出转矩；在联合驱动模式下，混合动力汽车等效转矩等于发动机输出转矩与驱动电机输出转矩之和；针对行车充电模式，此时混合动力汽车等效转矩等于发动机输出转矩与蓄电池充电时驱动电机的转矩之差，依据上述步骤可以分别求解三种工作模式下的动力性换挡规律。然后进一步求解三种模式下的经济性换挡规律首先要求出发动机燃油消耗率，根据发动机的万有特性可得燃油消耗率g_e与发动机功率p_e、发动机转速n_e成函数关系，可以表示为：

g_e＝g_e(p_e,n_e)

同时发动机功率可以表示为油门开度α和发动机转速n_e的函数，即：

p_e＝p_e(α,n_e)

根据发动机转速n_e与车速v的关系，可以得到下式：

联立上述式子，可以将燃油消耗率g_e写成油门开度α和车速v的函数，通常将该函数取为二次函数如式：

g_e＝A_ev²+B_ev+C_e

式中，A_e、B_e、C_e分别为发动机燃油消耗率函数的系数。

建立所述的P4构型混合动力车辆动力学模型，可以得到车辆小时燃油消耗量Q_t计算公式为：

根据传统经济性换挡规则，将不同油门开度下所有相邻挡位小时燃油消耗量曲线交点作为换挡点，即：

Q_t,n＝Q_t,n+1

将式代入到式中，得到：

上式所示方程的根即为经济性换挡点，如求解出的车速大于下一挡位的最小车速，小于上一挡位的最大车速，则该车速即为两挡位的换挡点；如求解的车速大于上一挡位最大车速，小于下一挡位的最小车速，则取上一挡位最大车速作为换挡点；如求解的车速小于上一挡位最大车速，大于下一挡位最小车速，则取下一挡位最小车速作为换挡点。

最后将油门踏板开度进行分段，中小开度情况下定义车辆为经济性模式，换挡规律按照经济性换挡进行；大开度情况下定义车辆为动力性模式，换挡规律按照动力性换挡进行。

步骤四，输出控制量：

结合步骤二中计算所得发动机转矩、驱动电机转矩以及步骤三中的目标档位控制，分别发送给发动机控制模块、驱动电机控制模块以及换挡控制模块，从而实现P4构型混合动力车辆高效且可靠的稳态行驶。

Claims (1)

1.一种并联混合动力车辆动力域稳态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，进行稳态模式仲裁：

在接收到车辆和电驱系统的信号之后，需要对车辆及电驱系统的工作状态进行估计，传统发动机直驱模式下，当满足中桥变速器挡位大于一挡、蠕行开关关闭、手刹松开、电驱系统正常、非倒挡、动力电池SOC中等且需求转矩较高(大于发动机最优转矩曲线)且车速较高时或动力电池SOC较高且需求转矩较高或车速较高时进入联合驱动模式；当满足变速器处于非空挡、蠕行开关关闭、手刹松开、电驱系统正常、非倒挡、动力电池SOC中等且需求转矩较低且车速不高时或动力电池SOC较低且需求转矩低且车速不太高时进入行车充电模式；当满足变速箱处于非空挡、蠕行开关关闭、电驱系统正常、手刹松开、非倒挡、驾驶员踩下制动踏板且动力电池SOC低于回收门限且车速高于能量回收门限车速且变速箱处于D挡时进入再生制动模式；当满足变速箱处于非空挡、蠕行开关关闭、电驱系统正常、手刹松开、驾驶员踩下制动踏板且动力电池SOC高于回收门限或车速低于能量回收门限车速或变速箱处于R挡时进入机械制动模式；

步骤二，计算各个稳态行驶模式下的控制量：

得到模式仲裁结果后，分别计算各个稳态运行模式下的控制量，在传统发动机直驱模式下，由驾驶员踩下油门踏板从而解析得到驾驶员需求扭矩，控制发动机请求转矩与驾驶员需求转矩保持一致；在联合驱动模式下，首先计算当前车速下对应的发动机转速，进而求解在当前发动机转速下发动机效率最高的转矩点，控制发动机的请求转矩跟随当前发动机转速下，效率最高的转矩点，并计算其与驾驶员需求扭矩的差值，从而计算驱动电机需求输出扭矩；在行车充电模式下，HCU根据加速踏板开度计算驾驶员需求扭矩，由电池期望充电功率与电机当前转速计算得到期望充电转矩，发动机需求输出扭矩为驾驶员需求转矩与期望充电转矩之和，而电机需求转矩由计算得到的发动机需求扭矩与驾驶员需求扭矩作差获得；

步骤三：分模式求取动力性换挡规律和经济性换挡规律并融合形成组合型换挡规律：

以同一油门踏板开度下相邻档位牵引力相等或者是加速度相当作为换挡条件，求出相邻档位牵引力-车速曲线的交点作为换档点，P4构型混合动力车辆的牵引力则由多个动力源提供，该牵引力的大小由车辆工作模式决定，根据传统车牵引力表达式可以相应写出混合动力汽车牵引力表达式：

上式中r_w为车轮滚动半径，i_gn为变速箱速比，i₀为主减速器速比，η_T为传动系统效率，T_z为等效驱动力矩，其与车辆工作模式密切相关，首先对于发动机直驱模式，此时混合动力汽车等效转矩等于发动机输出转矩；在联合驱动模式下，混合动力汽车等效转矩等于发动机输出转矩与驱动电机输出转矩之和；针对行车充电模式，此时混合动力汽车等效转矩等于发动机输出转矩与蓄电池充电时驱动电机的转矩之差，依据上述步骤可以分别求解三种工作模式下的动力性换挡规律；然后进一步求解三种模式下的经济性换挡规律首先要求出发动机燃油消耗率，根据发动机的万有特性可得燃油消耗率g_e与发动机功率p_e、发动机转速n_e成函数关系，可以表示为：

g_e＝g_e(p_e,n_e)

同时发动机功率可以表示为油门开度α和发动机转速n_e的函数，即：

p_e＝p_e(α,n_e)

根据发动机转速n_e与车速v的关系，可以得到下式：

联立上述式子，可以将燃油消耗率g_e写成油门开度α和车速v的函数，通常将该函数取为二次函数如式：

g_e＝A_ev²+B_ev+C_e

式中，A_e、B_e、C_e分别为发动机燃油消耗率函数的系数；

建立所述的P4构型混合动力车辆动力学模型，可以得到车辆小时燃油消耗量Q_t计算公式为：

根据传统经济性换挡规则，将不同油门开度下所有相邻挡位小时燃油消耗量曲线交点作为换挡点，即：

Q_t,n＝Q_t,n+1

将式代入到式中，得到：

上式所示方程的根即为经济性换挡点，如求解出的车速大于下一挡位的最小车速，小于上一挡位的最大车速，则该车速即为两挡位的换挡点；如求解的车速大于上一挡位最大车速，小于下一挡位的最小车速，则取上一挡位最大车速作为换挡点；如求解的车速小于上一挡位最大车速，大于下一挡位最小车速，则取下一挡位最小车速作为换挡点；

最后将油门踏板开度进行分段，中小开度情况下定义车辆为经济性模式，换挡规律按照经济性换挡进行，大开度情况下定义车辆为动力性模式，换挡规律按照动力性换挡进行；

步骤四，输出控制量：

结合步骤二中计算所得发动机转矩、驱动电机转矩以及步骤三中的目标档位控制，分别发送给发动机控制模块、驱动电机控制模块以及换挡控制模块，从而实现P4构型混合动力车辆高效且可靠的稳态行驶。

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