CN113771833A - 一种p4构型混合动力车辆动力域系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种P4构型混合动力车辆动力域系统及其控制方法，所述P4构型混合动力车辆动力域系统将整车控制器HCU、中桥变速器电子控制系统TCU‑M、后桥变速器电子控制系统TCU‑R、电机控制器MCU、电池管理系统BMS、发动机管理系统EMS集成于动力域控制器，所述动力域控制器PDU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PDU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。本发明可替代原有分布式控制系统设计方案，弥补其对P4构型混合动力车辆双动力源与AMT的协调控制考虑的不足，提高车辆经济性、平顺性以及动力性等综合性能品质，且占用CAN网络资源少，开发费用较低，更易实现平台化。
Description
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P4构型混合动力车辆动力域系统，本发明还涉及该动力域系统的控制方法。
背景技术
随着科技、工业的不断进步，人民的生活质量不断提高，环境污染、能源短缺日益成为我国重点关注并攻坚的难题。为打赢“碳达峰，碳中和”的绿色转型攻坚战，汽车产业当仁不让、首当其冲。2020年10月中国汽车工程学会颁布《节能与新能源汽车技术路线图2.0》，技术路线图2.0指出，至2035年，新能源汽车市场占比将超过50％，节能汽车将全面实现混合动力化，即混动新车占传统能源车100％，汽车产业将实现电动化转型。工信部指出，要突破整车集成控制技术研究，提高整车综合性能。因此，未来车辆产业是电动化、混动化、集成化的。对于传统商用载货车辆，其运行工况复杂多变，松软路面等坏路面附着系数较低，常常出现驱动轮打滑，驱动力不足，不仅影响整车的动力性与通过性，还对发动机的动力造成浪费，增加整车燃油的油耗，因而混合动力商用车得到发展和应用。混合动力并联P4构型，因其动力备份、适时全驱、混动节能、动力性强、通过性佳等特点，因此更适用于商用载货车辆在复杂多变的路况下使用。同时，因域控制技术控制非独立，可从动力域系统层面综合考虑车辆的经济性、动力性和驾驶性，域控制器算力强、通信延时低，传感器共用性高，控制器、线束数量减少从而降低成本。因此，进一步提高车辆品质，动力域控制层面的混合动力商用车集成控制是必经之路。
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混合动力车辆动力域系统，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，实现动力域内协调稳定控制，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：
P4构型混合动力车辆动力域系统将整车控制器、中桥变速器电子控制系统、后桥变速器电子控制系统、电机控制器、电池管理系统、发动机管理系统均集成于动力域控制器中。
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。
所述动力域控制器包含信号输入功能、控制输出功能、电源管理功能和驱动控制功能。
所述电源管理功能包括高压电管理功能、低压电管理功能；所述驱动控制功能包括故障诊断、车辆状态估计、行驶模式仲裁、能量管理、扭矩分配、动态协调、发动机控制、电机控制、换挡控制和阀组控制功能。
根据本发明所述的P4构型混合动力车辆动力域系统，包括动力域系统控制方法：
步骤一，建立所述P4构型混合动力车辆动力域动态模型：
主要包括动力域动力学模型搭建与模型校验与修正两部分内容，进一步地，所述P4构型混合动力车辆动力域动态模型的搭建为后续控制方法的设计提供面向控制的模型。
针对步骤一中的动力域动态模型搭建，细化建立过程：具体可分为步骤一(a)、步骤一(b)和步骤一(c)。
步骤一(a)，首先分析动力域内各关键部件的耦合机理，以充分考虑各部件的耦合特性；其次参考AMEsim和TruckSim仿真平台对于各部件的建模原理，以保证各部件自建模型动态响应特性的准确性；
步骤一(b),基于部件建模分析获得性能影响的主要约束条件，通过系统动力学分析，结合车辆传动理论，完成所述P4构型混合动力车辆动力域动态模型的建立，即得到发动机动力学模型、电驱系统动力学模型、离合器动力学模型和两轴变速器动力学模型；
步骤一(c),将所述动力域动态模型与实车试验测试结果对标，所述动力域动态模型输出结果与实车数据进行回归分析对比，得到量化差异进而修正所述动力域动态模型参数，反复迭代收敛得到动力域高精度动态模型。
步骤二，开发所述P4构型混合动力车辆动力域内稳态控制策略：
所述P4构型混合动力车辆动力域内稳态控制策略分三部分分步开发，具体可分为步骤二(a)、步骤二(b)和步骤二(c)。
步骤二(a)，对工况参数、车辆参数进行测量与估计，使得车辆模型在既定路况行驶时能够准确识别和判断所需路况信息和车辆状态信息；
步骤二(b)，建立稳态行驶模式仲裁规则，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，完成对传统发动机和电驱系统的动力分配，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；
步骤二(c)，针对不同行驶模式，分别求解两变速器动力性换挡规律和经济性换挡规律，进而根据车速及踏板开度规划车辆行驶时的目标档位。
进一步地，得到P4构型混合动力车辆总体稳态控制变量，包括所述发动机的需求转矩、所述驱动电机的需求转矩以及所述两轴变速器的目标档位。
进一步地，所述P4构型混合动力车辆动力域内稳态控制策略的开发为短时域动态控制提供跟随目标。
步骤三，设计P4构型混合动力车辆动力域内动态协调控制算法：
针对步骤三中的动态协调控制算法，进行细化控制：具体可分为步骤三(a)和步骤三(b)。
步骤三(a)，未换挡时考虑行驶模式切换带来的平顺性影响，主要集中于所述电驱系统或者所述发动机动力的介入和退出瞬态过程中，进而对模式切换过程进行动力域内动态协调控制；
步骤三(b)，换挡过程中，由于离合器存在分离与结合过程，车辆出现动力中断，故对换挡过程进行动力域内动态协调控制；由于离合器的分离需对所述发动机进行卸扭处理，此时车辆出现动力中断，需依据驾驶员扭矩需求结合所述发动机卸扭动态过程，反向求取所述驱动电机扭矩的目标值；同时在档位切换完成后，离合器结合时，为了迅速的恢复车辆动力和保证离合器滑模过程损耗最小，所述发动机需要逐渐升扭，此时所述动力域控制器需要准确观测离合器输出扭矩并结合当前的驾驶员需求扭矩得到离合器结合过程中的所述驱动电机转矩补偿量。
步骤四，针对所述动力域系统进行集成测试与优化：
针对步骤四中的集成测试与优化，细化测试与优化过程：具体可分为步骤四(a)、步骤四(b)、步骤四(c)和步骤四(d)。
步骤四(a)，首先将步骤二、步骤三所述动力域控制策略与步骤一所述动力域动态模型进行集成，在离线条件下，通过系统联合仿真对整车控制算法充分测试；
步骤四(b)，建立硬件在环仿真平台，利用真实控制器验证所述动力域控制策略和算法的实时性；
步骤四(c)，对所述动力域控制策略进行优化标定，标定过程首先提取相应的稳态及动态优化目标，进而抽象建立相应的价值函数，离散得到多组标定参数带入所述动力域动态模型中求取相应的性能价值，最后确定最优的标定参数代入所述动力域控制策略；
步骤四(d)，最终通过实车试验测试P4构型混合动力商用车辆动力域系统实际性能，进而验证所述动力域控制策略的有效性和实用性。
本发明与现有技术相比较，有益效果如下：
1、本专利所述的P4构型混合动力车辆动力域系统的架构，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等缺点；
2、本专利所述的P4构型混合动力车辆动力域系统所采用的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；
3、本专利所述的控制方法可实现P4构型混合动力车辆动力域内协调稳定控制，提高混合动力车辆的综合品质，进而可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。
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P4构型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P4构型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P4构型混合动力车辆动力域控制器功能示意图；
图4为根据本发明实施例的P4构型混合动力车辆动力域系统控制方法及控制流程示意图。
图1中标号说明：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。
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P4构型混合动力车辆动力域系统及其控制方法，但本发明并不限于这些实施例。
参考附图1，本发明所述的P4构型混合动力车辆动力域系统将整车控制器HCU、中桥变速器电子控制系统TCU-M、后桥变速器电子控制系统TCU-R、电机控制器MCU、电池管理系统BMS、发动机管理系统EMS均集成于动力域控制器PDU 2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，所述动力域控制器包含信号输入功能、控制输出功能、电源管理功能和驱动控制功能。其中，所述电源管理功能包括高压电管理功能、低压电管理功能；所述驱动控制功能包括故障诊断、车辆状态估计、行驶模式仲裁、能量管理、扭矩分配、动态协调、发动机控制、电机控制、换挡控制和阀组控制功能。
参考附图4，根据本发明所述的P4构型混合动力车辆动力域系统，包括动力域系统控制方法：
步骤一，建立所述P4构型混合动力车辆动力域动态模型：
主要包括动力域动力学模型搭建与模型校验与修正两部分内容，进一步地，所述P4构型混合动力车辆动力域动态模型的搭建为后续控制方法的设计提供面向控制的模型。
针对步骤一中的动力域动态模型搭建，细化建立过程：具体可分为步骤一(a)、步骤一(b)和步骤一(c)。
步骤一(a)，首先分析动力域内各关键部件的耦合机理，以充分考虑各部件的耦合特性；其次参考AMEsim和TruckSim仿真平台对于各部件的建模原理，以保证各部件自建模型动态响应特性的准确性；
步骤一(b),基于部件建模分析获得性能影响的主要约束条件，通过系统动力学分析，结合车辆传动理论，完成所述P4构型混合动力车辆动力域动态模型的建立，即得到发动机动力学模型、电驱系统动力学模型、离合器动力学模型和两轴变速器动力学模型；
步骤一(c),将所述动力域动态模型与实车试验测试结果对标，所述动力域动态模型输出结果与实车数据进行回归分析对比，得到量化差异进而修正所述动力域动态模型参数，反复迭代收敛得到动力域高精度动态模型。
步骤二，开发所述P4构型混合动力车辆动力域内稳态控制策略：
所述P4构型混合动力车辆动力域内稳态控制策略是保证车辆动力域在长时域稳态工况得到合理控制，提高车辆的经济性和动力性的关键，具体可分三部分分步开发，分为步骤二(a)、步骤二(b)和步骤二(c)。
步骤二(a)，对工况参数、车辆参数进行测量与估计，使得车辆模型在既定路况行驶时能够准确识别和判断所需路况信息和车辆状态信息；
步骤二(b)，建立稳态行驶模式仲裁规则，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，完成对传统发动机和电驱系统的动力分配，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；
步骤二(c)，针对不同行驶模式，分别求解两变速器动力性换挡规律和经济性换挡规律，进而根据车速及踏板开度规划车辆行驶时的目标档位。
进一步地，得到P4构型混合动力车辆总体稳态控制变量，包括所述发动机的需求转矩、所述驱动电机的需求转矩以及所述两轴变速器的目标档位。
进一步地，所述P4构型混合动力车辆动力域内稳态控制策略的开发为短时域动态控制提供跟随目标。
步骤三，设计P4构型混合动力车辆动力域内动态协调控制算法：
P4构型混合动力系统应能满足商用车复杂运行工况的需求，建立P4构型混合动力车辆域内协调控制算法是整车动力域控制开发的核心难点。针对动态协调控制算法进行细化控制：具体可分为步骤三(a)和步骤三(b)。
步骤三(a)，未换挡时考虑行驶模式切换带来的平顺性影响，主要集中于所述电驱系统或者所述发动机动力的介入和退出瞬态过程中，进而对模式切换过程进行动力域内动态协调控制；
步骤三(b)，换挡过程中，由于离合器存在分离与结合过程，车辆出现动力中断，故对换挡过程进行动力域内动态协调控制，以保证离合器结合时车辆的纵向平顺性，同时还可以通过电驱系统的动态补偿调节离合器输出轴的转速加快离合器的结合进程，有效缩短换挡时间；由于离合器的分离需对所述发动机进行卸扭处理，此时车辆出现动力中断，需依据驾驶员扭矩需求结合所述发动机卸扭动态过程，反向求取所述驱动电机扭矩的目标值；同时在档位切换完成后，离合器结合时，为了迅速的恢复车辆动力和保证离合器滑模过程损耗最小，所述发动机需要逐渐升扭，此时所述动力域控制器需要准确观测离合器输出扭矩并结合当前的驾驶员需求扭矩得到离合器结合过程中的所述驱动电机转矩补偿量。
步骤四，针对所述动力域系统进行集成测试与优化：
为综合验证研究步骤二和步骤三所述P4构型混合动力商用车动力域稳态及动态协调控制策略，对所述动力域系统进行集成测试与优化，细化集成测试与优化过程：具体可分为步骤四(a)、步骤四(b)、步骤四(c)和步骤四(d)。
步骤四(a)，首先将步骤二、步骤三所述动力域控制策略与步骤一所述动力域动态模型进行集成，在离线条件下，通过系统联合仿真对整车控制算法充分测试；
步骤四(b)，建立硬件在环仿真平台，利用真实控制器验证所述动力域控制策略和算法的实时性；
步骤四(c)，对所述动力域控制策略进行优化标定，标定过程首先提取相应的稳态及动态优化目标，进而抽象建立相应的价值函数，离散得到多组标定参数带入所述动力域动态模型中求取相应的性能价值，最后确定最优的标定参数代入所述动力域控制策略；
步骤四(d)，最终通过实车试验测试P4构型混合动力商用车辆动力域系统实际性能，进而验证所述动力域控制策略的有效性和实用性。
Claims (4)
1.一种P4构型混合动力车辆动力域系统，其特征在于，将整车控制器、中桥变速器电子控制系统、后桥变速器电子控制系统、电机控制器、电池管理系统、发动机管理系统均集成于动力域控制器中。
2.根据权利要求1所述的P4构型混合动力车辆动力域系统，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的P4构型混合动力车辆动力域系统，其特征在于，所述动力域控制器包含信号输入功能、控制输出功能、电源管理功能和驱动控制功能；
所述电源管理功能包括高压电管理功能、低压电管理功能；所述驱动控制功能包括故障诊断、车辆状态估计、行驶模式仲裁、能量管理、扭矩分配、动态协调、发动机控制、电机控制、换挡控制和阀组控制功能。
4.根据权利要求1所述的P4构型混合动力车辆动力域系统，其特征在于，包括动力域系统控制方法：
步骤一，建立所述P4构型混合动力车辆动力域动态模型：
主要包括动力域动力学模型搭建与模型校验与修正两部分内容；进一步地，所述P4构型混合动力车辆动力域动态模型的搭建为后续控制方法的设计提供面向控制的模型；
针对步骤一中的动力域动态模型搭建，细化建立过程：具体可分为步骤一(a)、步骤一(b)和步骤一(c)；
步骤一(a)，首先分析动力域内各关键部件的耦合机理，以充分考虑各部件的耦合特性；其次参考AMEsim和TruckSim仿真平台对于各部件的建模原理，以保证各部件自建模型动态响应特性的准确性；
步骤一(b),基于部件建模分析获得性能影响的主要约束条件，通过系统动力学分析，结合车辆传动理论，完成所述P4构型混合动力车辆动力域动态模型的建立，即得到发动机动力学模型、电驱系统动力学模型、离合器动力学模型和两轴变速器动力学模型；
步骤一(c),将所述动力域动态模型与实车试验测试结果对标，所述动力域动态模型输出结果与实车数据进行回归分析对比，得到量化差异进而修正所述动力域动态模型参数，反复迭代收敛得到动力域高精度动态模型；
步骤二，开发所述P4构型混合动力车辆动力域内稳态控制策略：
所述P4构型混合动力车辆动力域内稳态控制策略分三部分分步开发，具体可分为步骤二(a)、步骤二(b)和步骤二(c)；
步骤二(a)，对工况参数、车辆参数进行测量与估计，使得车辆模型在既定路况行驶时能够准确识别和判断所需路况信息和车辆状态信息；
步骤二(b)，建立稳态行驶模式仲裁规则，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，完成对传统发动机和电驱系统的动力分配，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；
步骤二(c)，针对不同行驶模式，分别求解两变速器动力性换挡规律和经济性换挡规律，进而根据车速及踏板开度规划车辆行驶时的目标档位；
进一步地，得到P4构型混合动力车辆总体稳态控制变量，包括所述发动机的需求转矩、所述驱动电机的需求转矩以及所述两轴变速器的目标档位；
进一步地，所述P4构型混合动力车辆动力域内稳态控制策略的开发为短时域动态控制提供跟随目标；
步骤三，设计P4构型混合动力车辆动力域内动态协调控制算法：
针对步骤三中的动态协调控制算法，进行细化控制：具体可分为步骤三(a)和步骤三(b)；
步骤三(a)，未换挡时考虑行驶模式切换带来的平顺性影响，主要集中于所述电驱系统或者所述发动机动力的介入和退出瞬态过程中，进而对模式切换过程进行动力域内动态协调控制；
步骤三(b)，换挡过程中，由于离合器存在分离与结合过程，车辆出现动力中断，故对换挡过程进行动力域内动态协调控制；由于离合器的分离需对所述发动机进行卸扭处理，此时车辆出现动力中断，需依据驾驶员扭矩需求结合所述发动机卸扭动态过程，反向求取所述驱动电机扭矩的目标值；同时在档位切换完成后，离合器结合时，为了迅速的恢复车辆动力和保证离合器滑模过程损耗最小，所述发动机需要逐渐升扭，此时所述动力域控制器需要准确观测离合器输出扭矩并结合当前的驾驶员需求扭矩得到离合器结合过程中的所述驱动电机转矩补偿量；
步骤四，针对所述动力域系统进行集成测试与优化：
针对步骤四中的集成测试与优化，细化测试与优化过程：具体可分为步骤四(a)、步骤四(b)、步骤四(c)和步骤四(d)；
步骤四(a)，首先将步骤二、步骤三所述动力域控制策略与步骤一所述动力域动态模型进行集成，在离线条件下，通过系统联合仿真对整车控制算法充分测试；
步骤四(b)，建立硬件在环仿真平台，利用真实控制器验证所述动力域控制策略和算法的实时性；
步骤四(c)，对所述动力域控制策略进行优化标定，标定过程首先提取相应的稳态及动态优化目标，进而抽象建立相应的价值函数，离散得到多组标定参数带入所述动力域动态模型中求取相应的性能价值，最后确定最优的标定参数代入所述动力域控制策略；
步骤四(d)，最终通过实车试验测试P4构型混合动力商用车辆动力域系统实际性能，进而验证所述动力域控制策略的有效性和实用性。
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| CN114491722A (zh) * | 2022-03-22 | 2022-05-13 | 中汽研汽车检验中心（天津）有限公司 | 一种用户自定义车辆控制器自动建模方法 |
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