CN114056319A - 一种提高混动系统发动机暖机速度的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种提高混动系统发动机暖机速度的控制方法，充分利用混合动力系统架构的优势、发挥发电机与动力电池的作用，提高发动机低温冷启动时的暖机速度，加快特种车辆响应速度，减少车辆低温启动状况下的等待时间。该方法针对“‘电压模式’控制的发电机+‘转速模式’控制的发动机+‘浮充形式’的动力电池”的混合动力系统架构车辆，通过实时调节发动机目标转速、发电机目标发电电压来改变发电机发电功率(即发动机负载功率)，可以提高发动机暖机效率。与传统怠速暖机模式相比，发动机温度提升速度更快，缩短车辆暖机等待时间。

Description

一种提高混动系统发动机暖机速度的控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，具体涉及一种提高混动系统发动机暖机速度的控制方法，属于混合动力车辆的动力系统综合控制技术领域。

背景技术

目前大功率柴油机混合动力特种车辆冷机启动时，发动机低温导致发动机功率特性差、响应速度慢，而同样温度条件下的发电机功率输出响应非常迅速；因而，如果未经过充分暖机过程便提前开始驾驶车辆行驶，就会出现发动机转速提升困难、踩油门稍快便导致发动机转速被压低甚至熄火的现象。上述现象在整车层面的表现是：低温冷启动若未经过充分暖机便进行驾驶，会出现动力不足、冒黑烟甚至发动机堵转熄火的问题，造成动力系统故障。

传统内燃机车辆在低温冷机启动时，如果选择原地等待发动机空载提速暖机则等待时间长，如果启动后直接进行驾驶则会有车辆动力不足、发动机燃油经济性差等问题，该现象在大功率车辆中尤其明显。而对于混合动力车辆，得益于“发动机+发电机+动力电池”的动力系统架构，可以在低温冷机启动时通过“发动机带动发电机发电，产生的电能给动力电池充电”的能量流形式实现发动机“原地带载”暖机的功能。

而在某些“‘电压模式’控制的发电机+‘转速模式’控制的发动机+‘浮充形式’的动力电池”的混合动力系统架构中，由于在低温冷机启动时动力电池的电压浮动导致无法确定合适的发电目标电压、发动机与发电机不具备功率控制模式导致无法实时调控发电机功率与发动机功率达到匹配、动力电池的充放电程度不可控等原因，仍在采用“发动机空载提速运转”的暖机方法，等待暖机的时间较长。

另一种目前常采用的方法为如图1所示的“固定式目标发电电压”——目标发电电压＝发动机启动前的动力电池静态电压+电压增加值，此“电压增加值”需要经过多次测试得到，过大的“电压增加值”会导致从“发动机空载怠速运转”切换到“发电模式带载运转”时负载过大、发动机转速喘动、电池充电电流过大等问题。同时，这种方法还有一个局限性：随着动力电池的“真实电压”越来越接近发电机的目标发电电压，发电机的功率将越来越小，对发动机的“带载暖机”效果微弱。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种提高混动系统发动机暖机速度的控制方法，充分利用混合动力系统架构的优势、发挥发电机与动力电池的作用，提高发动机低温冷启动时的暖机速度，加快特种车辆响应速度，减少车辆低温启动状况下的等待时间。

所述的提高混动系统发动机暖机速度的控制方法，该方法的具体步骤为：

步骤一：按设定采样周期采集发动机、发电机和动力电池的初始状态信息和实时状态参数；

所述初始状态信息包括：动力电池初始电压和发动机初始水温；所述实时状态参数包括：发动机水温、发动机实际转速、动力电池电量、发电机温度、动力电池充电电流和动力电池充电电压；

此外，以动力电池静态电压为基础获得初始目标发电电压；

步骤二：依据所采集的动力电池电量、发动机水温以及发电机温度判断所要采用的操作模式，所述操作模式包括：发动机空载运转模式、动力电池充电模式和动力电池耗电模式；

步骤三：若判断采用动力电池充电模式，则所述发电机以初始目标发电电压开始工作，并根据接收到的发动机、发电机和动力电池的实时状态参数调节发动机目标转速和发电机目标发电电压；

若判断采用动力电池耗电模式，则发电机转为电动机，发动机进入排气制动模式，发电机依靠动力电池提供的电能反拖发动机达到目标转速；

若判断采用发动机空载运转模式，则根据发动机温度分段设定当前温度区间内发动机目标转速，然后由发动机水温前馈调节发动机目标转速；

步骤四：当发动机水温达到设定的暖机目标温度后，进入发动机空载怠速运转状态，发动机暖机控制过程结束。

作为本发明的一种优选方式，所述步骤三中，动力电池充电模式下，通过外环负载反馈调节模块对发动机目标转速进行调节，通过内环目标转速反馈调节模块对发动机目标转速进行调节，具体为：

所述外环负载反馈调节模块根据发动机转速差值和电池充电电流对发电机的目标发电电压进行调节：

所述发动机转速差值指发动机实际转速与当前发动机目标转速的差值；若发动机转速差值过大超过预设的转速差值上限值或动力电池充电电流超过预设的充电电流上限值时，降低目标发电电压；若发动机转速差值超过预设的转速差值下限值且充电电流小于预设的下限值，则提高目标发电电压；

所述内环目标转速反馈调节模块根据发动机水温、当前目标发电电压以及预设的发动机目标转速上限值对发动机目标转速进行调节：

若当前目标发电电压与前第N个采样周期的目标发电电压的差值小于设定值，且上一采样周期的发动机目标转速低于预设的发动机目标转速上限值，则提高发动机目标转速；其中N为大于等于1的整数。

作为本发明的一种优选方式，所述内环目标转速反馈调节模块中，对发动机目标转速采用分层控制，上层控制单元中根据发动机温度分段设定了当前温度区间内发动机目标转速值的上限；下层控制单元实时接收所述内环目标转速反馈调节模块给出的当前发动机目标转速；

当上层控制单元接收到下层控制单元给出的当前发动机目标转速后，判断当前发动机目标转速是否小于当前温度区间内发动机目标转速的上限，若小于，则不动作；否则以当前温度区间内发动机目标转速值的上限作为发动机目标转速。

作为本发明的一种优选方式，所述步骤二中，操作模式的判断原则为：

首先依据发动机水温判断是否需要进行暖机，若当前发动机水温大于预设的发动机水温上限值时，则直接进入发动机空载运转模式；

否则进一步判断发电机温度是否超出预设的发电机温度上限值，若超出预设的发电机温度上限值，则进入发动机空载运转模式；否则进一步依据当前动力电池电量判断进入充电模式还是耗电模式：

若当前动力电池电量高于内部预设的动力电池电量上限值，则进入动力电池耗电模式；否则进入动力电池充电模式。

作为本发明的一种优选方式，所述动力电池耗电模式中，动力电池采用恒功率耗电模式。

作为本发明的一种优选方式，所述步骤一中，动力电池的静态电压值V_{bat_s}的判断条件为：整车高压配电完成、车辆档位处于驻车档、发动机转速为零，将此状态下的动力电池电压设为动力电池静态电压值V_{bat_s}；然后由V_{tar_0}＝V_{bat_s}+m获得初始目标发电电压V_{tar_0}；其中m为设定值。

有益效果：

(1)该方法针对“‘电压模式’控制的发电机+‘转速模式’控制的发动机+‘浮充形式’的动力电池”的混合动力系统架构车辆，通过实时调节发动机目标转速、发电机目标发电电压来改变发电机发电功率(即发动机负载功率)，可以提高发动机暖机效率。与传统怠速暖机模式相比，发动机温度提升速度更快，缩短车辆暖机等待时间。

(2)通过更改控制参数的数值，就可以将本发明的方法顺利移植到不同车型的动力包控制系统中，具有良好的通用性。

(2)采用本方法不需要增加硬件装置，只是通过状态采集模块对系统原有的基础数据进行二次处理，即可满足控制需要，比如判断与定义“动力电池静态电压V_{bat_s}”。

附图说明

图1为现有暖机控制方法框架图；

图2为本发明的暖机控制方法框架图；

图3为本发明的暖机控制方法流程图；

图4为温度前馈控制转速示意图。

其中：BMS表示动力电池管理系统；ECU表示发动机管理系统；GCU表示发电机管理系统；Eng_Temp表示发动机水温；Eng_Speed表示发动机转速；BMS_Current表示动力电池电流；BMS_Voltage表示动力电池电压。

具体实施方式

下面结合附图和较佳实施例对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更容易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本实施例提供一种提高混动系统发动机暖机速度的控制方法，能够有效提高发动机低温冷启动时的暖机速度，减少车辆低温启动状况下的等待时间。

如图2所示，该控制方法基于部件状态信息采集模块、操作模式决策模块和负载自动调节模块三个主要模块。

其中部件状态信息采集模块负责采集发动机、发电机和动力电池的各项状态信息数据；

操作模式决策模块中设置了三种操作模式：发动机空载运转模式、动力电池充电模式和动力电池耗电模式；其中动力电池充电模式是指发动机带动发电机进行发电，所产生的电能用于给动力电池充电；动力电池耗电模式是指控制发电机转为电驱动模式后，发电机依靠动力电池提供的电能来反拖发动机达到目标转速；发动机空载运转模式是指发电机随发动机空转不做功，发动机转速由程序控制。设置三种操作模式，发动机暖机过程中可以在不同操作模式之间适当地匹配切换，让动力电池工作在安全区间，让暖机过程效率更高。操作模式决策模块根据各部件(发动机、发电机和动力电池)状态信息决定进入发动机空载运转模式、动力电池充电模式和动力电池耗电模式。

负载自动调节模块用于在动力电池充电模式下，对发动机与发电机的工作状态进行自适应匹配与调节，实时调节发动机目标转速、发电机目标发电电压来改变发电机发电功率(即发动机负载功率)。

该方法的具体步骤为：

步骤一：部件状态信息采集模块按设定采样周期采集发动机、发电机和动力电池初始状态信息和实时状态参数，然后发送给操作模式决策模块；

其中初始状态信息包括动力电池初始电压和发动机初始水温；实时状态参数包括：发动机水温、发动机实际转速、动力电池电量、发电机温度、动力电池充电电流和动力电池充电电压。

此外，部件状态信息采集模块依据车辆状态判断“动力电池静态电压V_{bat_s}”，由此获得初始目标发电电压V_{tar_0}；并将初始目标发电电压V_{tar_0}发送给操作模式决策模块。

对于工作在“电压控制”模式下的发电机，发电机与整车控制器的接口是“目标发电电压”；在这种模式下，发动机暖机工况中，发电机的功率大小取决于目标发电电压与动力电池真实静态电压的压差。同时，该压差的大小也决定了给动力电池充电电流的大小。因此，初始目标发电电压V_{tar_0}需要以动力电池的静态电压值V_{bat_s}为设定基础；其中V_{bat_s}的判断条件为：整车高压配电完成、车辆档位处于驻车档、发动机转速为零，则将此状态下的动力电池电压设为动力电池静态电压值V_{bat_s}；然后由V_{tar_0}＝V_{bat_s}+5获得初始目标发电电压V_{tar_0}；本例中压差设置设为5的原因是选择了一个发电负载恰当、充电电流大小适中的值。

步骤二：如图3所示，操作模式决策模块每次接收到部件状态信息采集模块传来的数据后，根据动力电池电量、发动机水温、发电机温度等状态参数，依据下述判断原则做出操作模式决策；具体为：

首先操作模式决策模块内部预设有动力电池电量上限值(80％)、发动机水温上限值(55℃)以及发电机温度上限值(100℃)。

首先依据发动机水温判断是否需要进行暖机，若当前发动机水温大于预设的发动机水温上限值时，则直接进入步骤五中的发动机空载运转模式；否则进一步判断发电机温度是否超出预设的发电机温度上限值，若超出预设的发电机温度上限值，则进入步骤五中的发动机空载运转模式；否则进一步依据当前动力电池电量判断进入充电模式还是耗电模式：

若当前动力电池电量高于内部预设的动力电池电量上限值，则进入步骤四中的动力电池耗电模式；否则进入步骤三中的动力电池充电模式。

发动机暖机过程中，操作模式决策模块依据部件状态信息采集模块发送的实时状态参数以及上述判断原则实时进行操作模式的匹配切换，从而让动力电池工作在安全区间，让暖机过程效率更高。

步骤三：当操作模式决策模块决策进入动力电池充电模式后，操作模式决策模块将初始目标发电电压V_{tar_0}以及部件状态信息采集模块采集的数据实时发送给负载自动调节模块；发电机以初始目标发电电压V_{tar_0}开始工作，然后负载自动调节模块根据接收到的各部件实时状态参数实时调节发动机目标转速和发电机目标发电电压。

当发电机开始以发电模式工作之后(即处于动力电池充电模式时)，动力电池电压会立即拉升到与发电电压相同，但此时动力电池的动态充电电压通常被称为“虚压”，不能体现动力电池真正的电量状态。此时的发电负载仍由动力电池的真实电量状态(真实静态电压)与发电电压的差值来决定，而由于充电状态下动力电池的真实静态电压无法观测，所以后续难以自动调节发电负载。

基于此，本方法在负载自动调节模块中以动力电池充电电流、发动机水温、发动机实际转速、发动机实际转速与目标转速的差值、发电机转矩等值作为控制输入建立了内外双环反馈调节控制器，实现对发动机目标转速和发电负载的自适应调节。

负载自动调节模块的内外双环反馈调节架构为外环通过外环负载反馈调节模块对发电负载进行调节，内环通过内环目标转速反馈调节模块对发动机目标转速进行调节，具体为：

外环负载反馈调节模块：根据发动机实际转速(部件状态信息采集模块实时采集)与发动机目标转速(由内环目标转速反馈调节模块提供)的差值(后续简称为发动机转速差值)和电池充电电流(部件状态信息采集模块实时采集)对发电机的目标发电电压进行调节：

负载自动调节模块内部预设动力电池充电电流的上限值和下限值以及发动机转速差值的上限值和下限值；当发动机转速差值过大(即超过预设的转速差值上限值)或动力电池充电电流超过预设的充电电流上限值时，认为发动机负载过大即目标发电电压过高，则降低目标发电电压；若发动机转速差值过小(即超过预设的转速差值下限值)且充电电流小于预设的下限值，则提高目标发电电压。外环负载反馈调节模块将调节后的目标发电电压实时发送给内环目标转速反馈调节模块。

内环目标转速反馈调节：根据发动机水温(部件状态信息采集模块实时采集)、目标发电电压(外环负载反馈调节模块提供)以及上层控制单元给出的发动机目标转速上限值对发动机目标转速进行调节：

若当前目标发电电压值低于之前第N个采样周期(如当前采样周期顺序向前第5个采样周期)的目标发电电压一定程度(即当前目标发电电压与设定采样周期的目标发电电压的差值小于设定值)，且上一采样周期的发动机目标转速低于上层控制单元给出的发动机目标转速上限值，则提高发动机目标转速(提高的发动机目标转速不能超过上层控制单元给出的发动机目标转速上限值)；内环目标转速反馈调节模块将调节后的发动机目标转速实时发送给外环负载反馈调节模块。

直到发动机水温达到暖机目标温度后，进入发动机空载怠速运转状态，发动机暖机控制过程结束。

针对发动机转速采用分层控制结构，上层控制单元是根据发动机特性设计了不同温度区间中的发动机转速上限，即根据发动机温度分段设定当前温度区间内发动机目标转速值的上限。如：

当发动机水温≤25℃时，发动机目标转速的上限为1200rpm；

当25℃＜发动机水温≤35℃时，发动机目标转速的上限为1600rpm；

当35℃＜发动机水温≤45℃时，发动机目标转速的上限为2200rpm；

当45℃＜发动机水温≤55℃时，发动机目标转速的上限为2800rpm；

当发动机水温＞55℃时，发动机目标转速的上限为1200rpm。

下层控制单元即为上述负载调节模块中的内环反馈调节模块给出的发动机目标转速，目标转速是连续、平滑变化的，可以理解为“无级变速”。上层是下层的发动机目标转速的上限。

当上层控制单元接收到下层控制单元给出的当前发动机目标转速后，判断当前发动机目标转速是否小于当前温度区间内发动机目标转速的上限，若小于，则不动作；否则以当前温度区间内发动机目标转速值的上限作为发动机目标转速控制发动机。该分层控制结构的作用是避免在内环转速反馈调节过程中发动机转速超过许用区间的情况出现。

步骤四：当操作模式决策模块决策进入动力电池耗电模式后，发电机转为电动机，发动机进入排气制动模式，发电机依靠动力电池提供的电能来反拖发动机达到目标转速。

耗电模式中动力电池采用恒功率耗电模式，恒功率大小P＝当前电池电压V_{bat_n}*放电电流I_dis。

当发动机水温达到设定的暖机目标温度后，进入发动机空载怠速运转状态，发动机暖机控制过程结束。

步骤五：当操作模式决策模块决策进入空载模式后，由温度前馈控制转速，即如图4所示，由发动机水温前馈调节发动机目标转速，根据发动机温度分段设定当前温度区间内发动机目标转速，如：

当发动机水温≤25℃时，发动机目标转速为1200rpm；

当25℃＜发动机水温≤35℃时，发动机目标转速为1600rpm；

当35℃＜发动机水温≤45℃时，发动机目标转速为2200rpm；

当45℃＜发动机水温≤55℃时，发动机目标转速为2800rpm；

当发动机水温＞55℃时，发动机目标转速为1200rpm。

温度前馈控制转速过程中，当发动机水温达到设定的暖机目标温度后，进入发动机空载怠速运转状态，发动机暖机控制过程结束。

经过某型大功率串联式柴电混动车辆的实际验证，在-10摄氏度环境中冷机启动，以发动机水温达到50摄氏度作为暖机完成的条件，采用本发明提出的控制方法后，其它条件相同的情况下，暖机等待时间从25分钟缩短到12分钟，效果显著。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提高混动系统发动机暖机速度的控制方法，其特征在于：

步骤一：按设定采样周期采集发动机、发电机和动力电池的初始状态信息和实时状态参数；

所述初始状态信息包括：动力电池初始电压和发动机初始水温；所述实时状态参数包括：发动机水温、发动机实际转速、动力电池电量、发电机温度、动力电池充电电流和动力电池充电电压；

此外，以动力电池静态电压为基础获得初始目标发电电压；

步骤二：依据所采集的动力电池电量、发动机水温以及发电机温度判断所要采用的操作模式，所述操作模式包括：发动机空载运转模式、动力电池充电模式和动力电池耗电模式；

步骤三：若判断采用动力电池充电模式，则所述发电机以初始目标发电电压开始工作，并根据接收到的发动机、发电机和动力电池的实时状态参数调节发动机目标转速和发电机目标发电电压；

若判断采用动力电池耗电模式，则发电机转为电动机，发动机进入排气制动模式，发电机依靠动力电池提供的电能反拖发动机达到目标转速；

若判断采用发动机空载运转模式，则根据发动机温度分段设定当前温度区间内发动机目标转速，然后由发动机水温前馈调节发动机目标转速；

步骤四：当发动机水温达到设定的暖机目标温度后，进入发动机空载怠速运转状态，发动机暖机控制过程结束。

2.如权利要求1所述的提高混动系统发动机暖机速度的控制方法，其特征在于：所述步骤三中，动力电池充电模式下，通过外环负载反馈调节模块对发动机目标转速进行调节，通过内环目标转速反馈调节模块对发动机目标转速进行调节，具体为：

所述外环负载反馈调节模块根据发动机转速差值和电池充电电流对发电机的目标发电电压进行调节：

所述发动机转速差值指发动机实际转速与当前发动机目标转速的差值；若发动机转速差值过大超过预设的转速差值上限值或动力电池充电电流超过预设的充电电流上限值时，降低目标发电电压；若发动机转速差值超过预设的转速差值下限值且充电电流小于预设的下限值，则提高目标发电电压；

所述内环目标转速反馈调节模块根据发动机水温、当前目标发电电压以及预设的发动机目标转速上限值对发动机目标转速进行调节：

若当前目标发电电压与前第N个采样周期的目标发电电压的差值小于设定值，且上一采样周期的发动机目标转速低于预设的发动机目标转速上限值，则提高发动机目标转速；其中N为大于等于1的整数。

3.如权利要求2所述的提高混动系统发动机暖机速度的控制方法，其特征在于：所述内环目标转速反馈调节模块中，对发动机目标转速采用分层控制，上层控制单元中根据发动机温度分段设定了当前温度区间内发动机目标转速值的上限；下层控制单元实时接收所述内环目标转速反馈调节模块给出的当前发动机目标转速；

当上层控制单元接收到下层控制单元给出的当前发动机目标转速后，判断当前发动机目标转速是否小于当前温度区间内发动机目标转速的上限，若小于，则不动作；否则以当前温度区间内发动机目标转速值的上限作为发动机目标转速。

4.如权利要求1-3任一项所述的提高混动系统发动机暖机速度的控制方法，其特征在于：所述步骤二中，操作模式的判断原则为：

首先依据发动机水温判断是否需要进行暖机，若当前发动机水温大于预设的发动机水温上限值时，则直接进入发动机空载运转模式；

否则进一步判断发电机温度是否超出预设的发电机温度上限值，若超出预设的发电机温度上限值，则进入发动机空载运转模式；否则进一步依据当前动力电池电量判断进入充电模式还是耗电模式：

若当前动力电池电量高于内部预设的动力电池电量上限值，则进入动力电池耗电模式；否则进入动力电池充电模式。

5.如权利要求1-3任一项所述的提高混动系统发动机暖机速度的控制方法，其特征在于：所述动力电池耗电模式中，动力电池采用恒功率耗电模式。

6.如权利要求1-3任一项所述的提高混动系统发动机暖机速度的控制方法，其特征在于：所述步骤一中，动力电池的静态电压值V_{bat_s}的判断条件为：整车高压配电完成、车辆档位处于驻车档、发动机转速为零，将此状态下的动力电池电压设为动力电池静态电压值V_{bat_s}；然后由V_{tar_0}＝V_{bat_s}+m获得初始目标发电电压V_{tar_0}；其中m为设定值。

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