CN113895425B - 一种面向轮毂液压混合动力车辆动力域的稳态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向轮毂液压混合动力车辆动力域的稳态控制方法，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，分两部分，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液驱系统，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蓄能器进行充液及放液，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，综上可以得到轮毂液压混合动力车辆总体的控制变量分别是发动机转矩、液压泵排量、蓄能器放液阀开度及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

一种面向轮毂液压混合动力车辆动力域的稳态控制方法

技术领域

本发明涉及混合动力车辆控制领域，具体涉及一种面向轮毂液压混合动力车辆动力域的稳态控制方法。

背景技术

商用车在工作过程中经常遇到山区道路、乡间松软路面、冰雪路面等低附着路面工况，传统全轮驱动车辆虽然改善了低附着路面下的通过性，但是存在寄生功率恶化了车辆经济性，而轮毂液压混合动力系统可以实现适时全驱不仅可以显著改善车辆低附着路面的通过性；还可以在车辆制动时通过蓄能器实现再生制动能量回收以提高整车经济性，同时通过液压辅助制动可改善制动安全性，此外相比油电混动系统，有功率密度大、质量体积小、综合成本低等优点。对于轮毂液压混合动力车辆，由于其本身结构复杂，其动力系统中的前轮液驱系统与传统发动机动力适时耦合，使得轮毂液压混合动力商用车动力域稳态控制具备一定难度，整车能量管理与换挡控制集成难度大，动力域稳态控制概念的提出为解决该难题提供了可能，但是如何建立合理的模式仲裁策略和分模式求取换挡规律亟需研究和突破，所以基于轮毂液压混合动力商用车进行动力域稳态控制研究可以有效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。

目前的现有技术中，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，且并未针对轮毂液压混合动力系统对象特性提出适用的动力域稳态控制方法；再如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，该发明专利所述的动力域控制包括了整车控制模块、电机控制模块、能量管理模块，该发明方案使得信号传递更加直接有效，可显著提高控制系统的实时性和可靠性，但是上述方案都未细节描述动力域内动力系统和变速箱之间的耦合关系，未面向特定混合动力车辆提出细致的稳态控制方案。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明基于轮毂液压混合动力车辆设计了一种面向轮毂液压混合动力车辆动力域的稳态控制方法，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，可以充分发挥轮毂液压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：

在接收到车辆和轮毂液驱系统的信号之后，需要对车辆及轮毂液驱系统的工作状态进行估计，传统发动机驱动模式下，当满足挡位大于一挡、手刹松开、液压系统正常、助力开关开启和蓄能器压力小于等于可放液下限阈值时进入泵助力模式；当满足挡位大于一挡、手刹松开、液压系统正常、助力开关开启和蓄能器压力大于可放液下限阈值时进入蓄能器助力模式；当满足变速箱处于非空挡、蠕行开关关闭、助力开关关闭、液压系统正常、手刹松开、非倒挡、制动踏板位置大于0且小于充液上限开度阈值和蓄能器压力小于充液上限压力时进入蓄能器充能模式；此外只有在保证行驶安全和轮毂液驱系统安全的基础之上才能真正地使用液驱系统进行辅助驱动或制动，仲裁条件主要包括系统是否有驻车制动、是否有紧急制动、油液的温度是否过高、车速是否过高条件，当上述条件之一不被满足时，系统不允许进入辅助驱动状态或者从辅助驱动状态退出；

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，在传统发动机驱动模式下，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；在泵助力模式下，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，从而计算液压马达需求输出扭矩，进一步推导闭式回路中液压泵所需的泵排量控制量；在蓄能器助力模式下，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，从而计算液压马达需求输出扭矩，进一步推导开式回路中蓄能器放液电磁比例阀的开度；

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挡位牵引力相等或者是加速度相当作为换挡条件，求出相邻挡位牵引力-车速曲线的交点作为换挡点，轮毂液压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，首先对于传统发动机驱动模式，此时混合动力汽车等效转矩等于发动机输出转矩；在泵助力模式下，此时混合动力汽车等效转矩等于发动机输出转矩与液压马达输出转矩之和；在蓄能器充能模式下，此时混合动力汽车等效转矩等于发动机输出转矩与蓄能器充液时液压泵的转矩之差；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，因此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) (2)

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) (3)

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 (5)

式中，A_e、B_e、C_e分别为发动机燃油消耗率函数的系数；

建立所述的轮毂液压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：

式中，M为整车质量；g为重力加速度；f为滚阻系数，ρ_air为空气密度；A为车辆迎风面积；δ_m为旋转质量转换系数，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 (7)

联立公式(6)和公式(7)，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规律，油门处于大开度情况下定义车辆为动力性模式，换挡规律切换为动力性换挡规律；

步骤四，输出控制量：

结合步骤二中计算的发动机转矩、闭式回路中的液压泵排量控制、开式回路中的蓄能器放液阀开度控制以及步骤三中的目标挡位控制，分别发送给发动机控制模块、液压泵及阀组控制模块以及换挡控制模块，从而实现轮毂液压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.本发明所述的一种面向轮毂液压混合动力车辆动力域的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液驱系统，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蓄能器进行充液及放液，提高了车辆的经济性；

2.本发明所述的一种面向轮毂液压混合动力车辆动力域的稳态控制方法将目标档位与整车及液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轮毂液压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轮毂液压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轮毂液压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面向轮毂液压混合动力车辆动力域的稳态控制方法，但本发明并不限于这些实施例。

参考附图1，轮毂液压混合动力车辆主要包括以下部件及总成：1-前轴车轮，2-轮毂液压马达，3-蓄能器，4-动力域控制器，5中轴车轮，6-后轴车轮，7-主减速器及差速器总成，8-万向节，9-12挡AMT总成，10-取力器，11-发动机总成，12液压变量泵，13-液压组合阀总成。轮毂液压混合动力车辆动力域系统将整车控制器、液驱控制系统、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，根据本发明所述的一种面向轮毂液压混合动力车辆动力域的稳态控制方法，对步骤细节进行详细描述如下：

步骤一，进行稳态模式仲裁：

在接收到车辆和轮毂液驱系统的信号之后，需要对车辆及轮毂液驱系统的工作状态进行估计，传统发动机驱动模式下，当满足挡位大于一挡、手刹松开、液压系统正常、助力开关开启和蓄能器压力小于等于可放液下限阈值时进入泵助力模式；当满足挡位大于一挡、手刹松开、液压系统正常、助力开关开启和蓄能器压力大于可放液下限阈值时进入蓄能器助力模式；当满足变速箱处于非空挡、蠕行开关关闭、助力开关关闭、液压系统正常、手刹松开、非倒挡、制动踏板位置大于0且小于充液上限开度阈值和蓄能器压力小于充液上限压力时进入蓄能器充能模式；此外只有在保证行驶安全和轮毂液驱系统安全的基础之上才能真正地使用液驱系统进行辅助驱动或制动，仲裁条件主要包括系统是否有驻车制动、是否有紧急制动、油液的温度是否过高、车速是否过高条件，当上述条件之一不被满足时，系统不允许进入辅助驱动状态或者从辅助驱动状态退出；

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，在传统发动机驱动模式下，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；在泵助力模式下，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，从而计算液压马达需求输出扭矩，进一步推导闭式回路中液压泵所需的泵排量控制量；在蓄能器助力模式下，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，从而计算液压马达需求输出扭矩，进一步推导开式回路中蓄能器放液电磁比例阀的开度；

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挡位牵引力相等或者是加速度相当作为换挡条件，求出相邻挡位牵引力-车速曲线的交点作为换挡点，轮毂液压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，首先对于传统发动机驱动模式，此时混合动力汽车等效转矩等于发动机输出转矩；在泵助力模式下，此时混合动力汽车等效转矩等于发动机输出转矩与液压马达输出转矩之和；在蓄能器充能模式下，此时混合动力汽车等效转矩等于发动机输出转矩与蓄能器充液时液压泵的转矩之差；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，因此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) (2)

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) (3)

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 (5)

式中，A_e、B_e、C_e分别为发动机燃油消耗率函数的系数；

式中，M为整车质量；g为重力加速度；f为滚阻系数，ρ_air为空气密度；A为车辆迎风面积；δ_m为旋转质量转换系数，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 (7)

联立公式(6)和公式(7)，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规律，油门处于大开度情况下定义车辆为动力性模式，换挡规律切换为动力性换挡规律；

步骤四，输出控制量：

结合步骤二中计算的发动机转矩、闭式回路中的液压泵排量控制、开式回路中的蓄能器放液阀开度控制以及步骤三中的目标挡位控制，分别发送给发动机控制模块、液压泵及阀组控制模块以及换挡控制模块，从而实现轮毂液压混合动力车辆高效且可靠的稳态行驶。

Claims (1)

1.一种面向轮毂液压混合动力车辆动力域的稳态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，进行稳态模式仲裁：

在接收到车辆和轮毂液驱系统的信号之后，需要对车辆及轮毂液驱系统的工作状态进行估计，传统发动机驱动模式下，当满足挡位大于一挡、手刹松开、液压系统正常、助力开关开启和蓄能器压力小于等于可放液下限阈值时进入泵助力模式；当满足挡位大于一挡、手刹松开、液压系统正常、助力开关开启和蓄能器压力大于可放液下限阈值时进入蓄能器助力模式；当满足变速箱处于非空挡、蠕行开关关闭、助力开关关闭、液压系统正常、手刹松开、非倒挡、制动踏板位置大于0且小于充液上限开度阈值和蓄能器压力小于充液上限压力时进入蓄能器充能模式；此外只有在保证行驶安全和轮毂液驱系统安全的基础之上才能真正地使用液驱系统进行辅助驱动或制动，仲裁条件主要包括系统是否有驻车制动、是否有紧急制动、油液的温度是否过高、车速是否过高条件，当上述条件之一不被满足时，系统不允许进入辅助驱动状态或者从辅助驱动状态退出；

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，在传统发动机驱动模式下，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；在泵助力模式下，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，从而计算液压马达需求输出扭矩，进一步推导闭式回路中液压泵所需的泵排量控制量；在蓄能器助力模式下，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，从而计算液压马达需求输出扭矩，进一步推导开式回路中蓄能器放液电磁比例阀的开度；

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挡位牵引力相等或者是加速度相当作为换挡条件，求出相邻挡位牵引力-车速曲线的交点作为换挡点，轮毂液压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，首先对于传统发动机驱动模式，此时混合动力汽车等效转矩等于发动机输出转矩；在泵助力模式下，此时混合动力汽车等效转矩等于发动机输出转矩与液压马达输出转矩之和；在蓄能器充能模式下，此时混合动力汽车等效转矩等于发动机输出转矩与蓄能器充液时液压泵的转矩之差；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，因此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) (2)

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) (3)

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 (5)

式中，A_e、B_e、C_e分别为发动机燃油消耗率函数的系数；

建立所述的轮毂液压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：

式中，M为整车质量；g为重力加速度；f为滚阻系数，ρ_air为空气密度；A为车辆迎风面积；δ_m为旋转质量转换系数，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 (7)

联立公式(6)和公式(7)，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规律，油门处于大开度情况下定义车辆为动力性模式，换挡规律切换为动力性换挡规律；

步骤四，输出控制量：

结合步骤二中计算的发动机转矩、闭式回路中的液压泵排量控制、开式回路中的蓄能器放液阀开度控制以及步骤三中的目标挡位控制，分别发送给发动机控制模块、液压泵及阀组控制模块以及换挡控制模块，从而实现轮毂液压混合动力车辆高效且可靠的稳态行驶。

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