CN115257749A - 动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制方法和系统，包括：获取行驶工况及车辆信息，包括驾驶员操作意图、整车功率需求和电池组SOC状态；判断行驶意图和类型，控制发动机和驱动电机的动力源扭矩变化，使两者经变速机构至轮端的扭矩波动在预设范围内，从而进行整车需求扭矩分配；进行基于PID反馈控制的动力源扭矩协调控制；基于驾驶员操作意图，通过驾驶员操作意图控制器和湿式离合器油压控制器，进行车辆起步和模式切换动态过程的协调控制。本发明在满足插电式混合动力汽车动力性和经济性的同时，可以准确探测当前整车状态及驾驶员需求，提升插电式混合动力汽车的起步及模式切换动态过程的平顺性和驾乘人员舒适性。

Description

动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制方法和系统
技术领域
本发明涉及车辆起步及模式切换动态过程控制的技术领域，具体地，涉及动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制方法和系统，尤其涉及一种插电式混合动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制方法和系统。
背景技术
起步及模式切换动态过程中，整车载荷大小、坡度类型及大小、SOC状态等因素的随机组合会形成不同的车辆行驶工况，一定程度的会影响到驾驶员操作判断。
驾驶员主要通过踩踏板的深浅和快慢来表达其驾驶意愿，反映为踏板开度的大小和踏板开度变化率的变化情况。如何将不同的行驶工况和混合动力汽车构型的多种起步及模式切换类型更高效的结合显得十分重要。
专利文献CN112677958A(申请号：CN202110025858.3)公开了一种车辆起步控制方法、系统及车辆，所述方法是当检测到车辆有起步需求时，整车动力控制单元PCU通过控制动力源扭矩和离合器扭矩斜率，由动力源扭矩、离合器基准扭矩与离合器偏移扭矩共同作用，根据动力源实际转速实时微调离合器目标传递扭矩，引导动力源端转速跟随引导转速上升直至目标转速，直至动力源转速和变速箱输入轴转速同步。然而该专利并未考虑整车载荷大小、坡度类型及大小、SOC状态等因素的随机组合会形成不同的起步工况对驾驶员起步判断的影响。
在公开号为CN105035079A的专利文献中公开了一种带发动机转矩观测器的同轴并联混合动力汽车动力切换协调控制方法，利用最小二乘支持向量机的方法对获得的发动机台架性能试验样本数据进行训练，并采用分布估计的算法对最小二乘支持向量机的参数C和σ进行优化，通过对发动机转矩模型进行离线训练与优化，基于最优参数建立发动机转矩观测器。输入当前的节气门开度与转速，得出实时的转矩值，实现发动机转矩的在线观测。在车辆由纯电动驱动模式向纯发动机驱动模式(不同动力源)切换过程中，针对不同的动力源，进行分段协调控制，进而实现整个切换过程的平稳过渡，动力系统输出的转矩稳定，无波动，且满足车辆驱动总转矩的需求。
因此，需要提出一种新的技术方案以改善上述技术问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制方法和系统。
根据本发明提供的一种动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：获取行驶工况及车辆信息；
步骤S2：判断驾驶员操作意图和起步及模式切换类型，控制发动机和驱动电机的动力源扭矩变化，两者经变速机构至轮端的扭矩波动在预设范围内，进行整车需求扭矩分配；
步骤S3：进行基于PID反馈控制的动力源扭矩协调控制；
步骤S4：通过驾驶员操作意图控制器和湿式离合器油压控制器，进行车辆起步及模式切换动态过程的协调控制。
优选地，所述步骤S1中的行驶工况及车辆信息包括驾驶员操作意图、整车功率需求和电池组SOC状态。
优选地，通过读取车速、踏板开度及其变化率、当前SOC及车辆当前行驶模式，判断是否满足起步或模式切换条件，确定湿式离合器结合油压，确定起步或模式切换需求扭矩，通过驱动电机控制器和发动机控制器控制输出实际扭矩，动力学方程表达为：
Figure BDA0003761089900000021
式中：Tdtar为动力源扭矩；Tmtar、Tetar分别为下一目标模式驱动电机、发动机需求扭矩；Te、Tm分别为当前模式下发动机、驱动电机的实际扭矩；X、Y分别为发动机、驱动电机扭矩变化率。
优选地，通过PID算法将发动机目标扭矩转换为加速踏板开度，以整车最大冲击度限制为控制目标，进行增量补偿，通过扭矩命令控制其输出扭矩。
优选地，所述驾驶员操作意图控制器：以油门踏板开度及其变化率为输入，驾驶员操作意图为输出，通过油门踏板开度及其变化率将驾驶员行驶意图对应不同车辆扭矩需求，根据驾驶员行驶意图模糊控制器的输入、输出变量的模糊子集隶属度函数结合制定模糊控制规则，得到驾驶员行驶意图模糊控制曲面；
所述湿式离合器油压控制器：根据驾驶员操作意图及行驶工况，采用双层模糊控制策略，在第二层模糊控制器中，以驾驶员操作意图、发动机转速、离合器主从发动机转速差为输入，离合器结合或分离油压为输出，根据结合油压变化率模糊控制器的输入、输出变量的模糊子集隶属度函数结合制定模糊控制规则，得到结合油压变化率模糊控制曲面。
本发明还提供一种动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制系统，所述系统包括如下模块：
模块M1：获取行驶工况及车辆信息；
模块M2：判断驾驶员操作意图和起步及模式切换类型，控制发动机和驱动电机的动力源扭矩变化，两者经变速机构至轮端的扭矩波动在预设范围内，进行整车需求扭矩分配；
模块M3：进行基于PID反馈控制的动力源扭矩协调控制；
模块M4：通过驾驶员操作意图控制器和湿式离合器油压控制器，进行车辆起步及模式切换动态过程的协调控制。
优选地，所述模块M1中的行驶工况及车辆信息包括驾驶员操作意图、整车功率需求和电池组SOC状态。
优选地，通过读取车速、踏板开度及其变化率、当前SOC及车辆当前行驶模式，判断是否满足起步或模式切换条件，确定湿式离合器结合油压，确定起步或模式切换需求扭矩，通过驱动电机控制器和发动机控制器控制输出实际扭矩，动力学方程表达为：
Figure BDA0003761089900000031
式中：Tdtar为动力源扭矩；Tmtar、Tetar分别为下一目标模式驱动电机、发动机需求扭矩；Te、Tm分别为当前模式下发动机、驱动电机的实际扭矩；X、Y分别为发动机、驱动电机扭矩变化率。
优选地，通过PID算法将发动机目标扭矩转换为加速踏板开度，以整车最大冲击度限制为控制目标，进行增量补偿，通过扭矩命令控制其输出扭矩。
优选地，所述驾驶员操作意图控制器：以油门踏板开度及其变化率为输入，驾驶员操作意图为输出，通过油门踏板开度及其变化率将驾驶员行驶意图对应不同车辆扭矩需求，根据驾驶员行驶意图模糊控制器的输入、输出变量的模糊子集隶属度函数结合制定模糊控制规则，得到驾驶员行驶意图模糊控制曲面；
所述湿式离合器油压控制器：根据驾驶员操作意图及行驶工况，采用双层模糊控制策略，在第二层模糊控制器中，以驾驶员操作意图、发动机转速、离合器主从发动机转速差为输入，离合器结合或分离油压为输出，根据结合油压变化率模糊控制器的输入、输出变量的模糊子集隶属度函数结合制定模糊控制规则，得到结合油压变化率模糊控制曲面。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明考虑起步及模式切换过程中，整车载荷大小、坡度类型及大小、SOC状态等因素的随机组合会形成不同的行驶工况对驾驶员操作判断的影响，将上述因素设计成车辆行驶扭矩需求情况，在满足插电式混合动力汽车动力性和经济性的同时，可以准确探测当前整车状态及驾驶员需求，合理调整插电式混合动力汽车的离合器结合油压；
2、本发明降低了插电式混合动力汽车燃油消耗率与尾气排放，提升了驾乘人员舒适性与安全性；
3、本发明在满足插电式混合动力汽车动力性和经济性的同时，可以准确探测当前整车状态及驾驶员需求，提升插电式混合动力汽车的起步及模式切换动态过程的平顺性和驾乘人员舒适性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明插电式混合动力汽车起步及模式切换过程动态协调控制逻辑图；
图2为本发明驾驶员操作意图识别模糊控制器图；
图3为本发明湿式离合器结合油压变化率模糊控制器图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
根据本发明提供的一种动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制方法，方法包括如下步骤：
步骤S1：获取行驶工况及车辆信息；行驶工况及车辆信息包括驾驶员操作意图、整车功率需求和电池组SOC状态。
步骤S2：判断驾驶员操作意图和起步及模式切换类型，控制发动机和驱动电机的动力源扭矩变化，两者经变速机构至轮端的扭矩波动在预设范围内，进行整车需求扭矩分配。
步骤S3：进行基于PID反馈控制的动力源扭矩协调控制。
步骤S4：通过驾驶员操作意图控制器和湿式离合器油压控制器，进行车辆起步及模式切换动态过程的协调控制。
通过读取车速、踏板开度及其变化率、当前SOC及车辆当前行驶模式，判断是否满足起步或模式切换条件，确定湿式离合器结合油压，确定起步或模式切换需求扭矩，通过驱动电机控制器和发动机控制器控制输出实际扭矩，动力学方程表达为：
Figure BDA0003761089900000051
式中：Tdtar为动力源扭矩；Tmtar、Tetar分别为下一目标模式驱动电机、发动机需求扭矩；Te、Tm分别为当前模式下发动机、驱动电机的实际扭矩；X、Y分别为发动机、驱动电机扭矩变化率。
通过PID算法将发动机目标扭矩转换为加速踏板开度，以整车最大冲击度限制为控制目标，进行增量补偿，通过扭矩命令控制其输出扭矩。
驾驶员操作意图控制器：以油门踏板开度及其变化率为输入，驾驶员操作意图为输出，通过油门踏板开度及其变化率将驾驶员行驶意图对应不同车辆扭矩需求，根据驾驶员行驶意图模糊控制器的输入、输出变量的模糊子集隶属度函数结合制定模糊控制规则，得到驾驶员行驶意图模糊控制曲面。
湿式离合器油压控制器：根据驾驶员操作意图及行驶工况，采用双层模糊控制策略，在第二层模糊控制器中，以驾驶员操作意图、发动机转速、离合器主从发动机转速差为输入，离合器结合或分离油压为输出，根据结合油压变化率模糊控制器的输入、输出变量的模糊子集隶属度函数结合制定模糊控制规则，得到结合油压变化率模糊控制曲面。
实施例2：
实施例2为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。
本发明还提供一种动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制系统，系统包括如下模块：
模块M1：获取行驶工况及车辆信息；行驶工况及车辆信息包括驾驶员操作意图、整车功率需求和电池组SOC状态。
模块M2：判断驾驶员操作意图和起步及模式切换类型，控制发动机和驱动电机的动力源扭矩变化，两者经变速机构至轮端的扭矩波动在预设范围内，进行整车需求扭矩分配。
模块M3：进行基于PID反馈控制的动力源扭矩协调控制。
模块M4：通过驾驶员操作意图控制器和湿式离合器油压控制器，进行车辆起步及模式切换动态过程的协调控制。
通过读取车速、踏板开度及其变化率、当前SOC及车辆当前行驶模式，判断是否满足起步或模式切换条件，确定湿式离合器结合油压，确定起步或模式切换需求扭矩，通过驱动电机控制器和发动机控制器控制输出实际扭矩，动力学方程表达为：
Figure BDA0003761089900000061
式中：Tdtar为动力源扭矩；Tmtar、Tetar分别为下一目标模式驱动电机、发动机需求扭矩；Te、Tm分别为当前模式下发动机、驱动电机的实际扭矩；X、Y分别为发动机、驱动电机扭矩变化率。
通过PID算法将发动机目标扭矩转换为加速踏板开度，以整车最大冲击度限制为控制目标，进行增量补偿，通过扭矩命令控制其输出扭矩。
驾驶员操作意图控制器：以油门踏板开度及其变化率为输入，驾驶员操作意图为输出，通过油门踏板开度及其变化率将驾驶员行驶意图对应不同车辆扭矩需求，根据驾驶员行驶意图模糊控制器的输入、输出变量的模糊子集隶属度函数结合制定模糊控制规则，得到驾驶员行驶意图模糊控制曲面。
湿式离合器油压控制器：根据驾驶员操作意图及行驶工况，采用双层模糊控制策略，在第二层模糊控制器中，以驾驶员操作意图、发动机转速、离合器主从发动机转速差为输入，离合器结合或分离油压为输出，根据结合油压变化率模糊控制器的输入、输出变量的模糊子集隶属度函数结合制定模糊控制规则，得到结合油压变化率模糊控制曲面。
实施例3：
实施例3为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。
本发明提供一种动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制方法和系统，起步及模式切换过程控制的关键与难点在于如何在较短的时间内处理驾驶意图的辨别、离合器结合油压的速度快慢、整车需求扭矩分配、动力源扭矩协调控制等关键问题。如图2所示为插电式混合动力汽车起步及模式切换过程动态协调控制逻辑简图，主要分为三大部分，分别为：
(1)驾驶员控制部分；
(2)基于动态协调控制的整车需求扭矩分配部分；
(3)考虑驾驶员意图的离合器结合油压控制部分。
基于动态协调控制的整车需求扭矩分配：
驾驶员通过读取车速、踏板开度及其变化率、当前SOC及车辆当前行驶模式等信息，判断是否满足起步或模式切换等相关条件，确定行驶需求扭矩，通过驱动电机控制器和发动机控制器控制输出实际扭矩。
其中，动力源扭矩动态协调控制的思想是使两个动力源(发动机&驱动电机)扭矩变化过程，使两者经变速机构至轮端的扭矩波动相对较小。其动力学方程可表达为：
Figure BDA0003761089900000071
式中：Tdtar，Tmtar，Tetar分别为下一目标模式驱动电机、发动机需求扭矩；Te，Tm分别为当前模式下发动机、驱动电机的实际扭矩；X，Y分别为发动机、驱动电机扭矩变化率。
基于PID反馈控制的动力源扭矩协调控制：
不同类型动力源的扭矩响应特性具有差异性，发动机响应滞后，很难直接对其进行扭矩控制。为使发动机有效跟随目标扭矩变化，运用PID算法将发动机目标扭矩转换为加速踏板开度，以整车最大冲击度限制为控制目标，对其进行增量补偿。驱动电机具有扭矩/转速快速响应的优势，可直接通过扭矩命令控制其输出扭矩。以整车最大冲击度限制jmax为控制目标，可得具体表达式：
Figure BDA0003761089900000081
式中：m为整车载荷；r为车轮半径；δ为旋转质量换算系数；im_2为驱动电机至第一输入轴三级减速比。
考虑驾驶员意图的离合器结合油压控制：
根据插电式混合动力汽车起步及模式切换过程动态协调控制逻辑简图，本文设计的两个模糊控制器分别为：驾驶员操作意图控制器、湿式离合器油压控制器。
驾驶员操作意图控制器：以油门踏板开度α及其变化率
Figure BDA0003761089900000082
为输入，驾驶员操作意图I为输出。通过油门踏板开度及其变化率将驾驶员操作意图对应不同车辆行驶扭矩需求。
假设加速踏板开度α的模糊语言为：{很小(VS)、小(S)、中(M)、大(B)、很大(VB)}，基本论域∈：[0，1]；加速踏板开度变化率
Figure BDA0003761089900000083
的模糊语言为：{负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(Z)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)}，基本论域∈：[-1，1]；驾驶员操作意图(I)的模糊语言为：{很小(VS)、小(S)、中(M)、大(B)、很大(VB)}，基本论域∈：[0，1]。
根据驾驶员操作意图模糊控制器的输入、输出变量的模糊子集隶属度函数结合制定模糊控制规则得到驾驶员操作意图模糊控制曲面，如图3所示。
湿式离合器油压控制器：考虑起步意图及起步工况，采用双层模糊控制策略，把驾驶员操作意图I作为第二层模糊控制器的输入变量，第二层以驾驶意图I、发动机转速ωe、离合器主、发动机转速差Δωe为输入，离合器结合或分离油压为输出。
假设驾驶员操作意图(I)的模糊语言为：{很小(VS)、小(S)、中(M)、大(B)、很大(VB)}，基本论域∈：[-1，1]；离合器主、从动盘转速差|Δω|的模糊语言为：{很小(VS)、小(S)、中(M)、大(B)、很大(VB)}，基本论域∈：[0，1]；离合器结合或分离油压(P)的模糊语言为：{负大(VS)、负中(S)、负小(MS)、零(S)、正小(MB)、正中(B)、正大(VB)}，基本论域∈：[0，1]。
根据结合油压变化率模糊控制器的输入、输出变量的模糊子集隶属度函数结合制定模糊控制规则得到结合油压变化率模糊控制曲面，如图3所示。
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：获取行驶工况及车辆信息；
步骤S2：判断驾驶员操作意图和起步及模式切换类型，控制发动机和驱动电机的动力源扭矩变化，两者经变速机构至轮端的扭矩波动在预设范围内，进行整车需求扭矩分配；
步骤S3：进行基于PID反馈控制的动力源扭矩协调控制；
步骤S4：通过驾驶员操作意图控制器和湿式离合器油压控制器，进行车辆起步及模式切换动态过程的协调控制。
2.根据权利要求1所述的动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制方法，其特征在于，所述步骤S1中的行驶工况及车辆信息包括驾驶员操作意图、整车功率需求和电池组SOC状态。
3.根据权利要求1所述的动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制方法，其特征在于，通过读取车速、踏板开度及其变化率、当前SOC及车辆当前行驶模式，判断是否满足起步或模式切换条件，确定湿式离合器结合油压，确定起步或模式切换需求扭矩，通过驱动电机控制器和发动机控制器控制输出实际扭矩，动力学方程表达为：
Figure FDA0003761089890000011
式中：Tdtar为动力源扭矩；Tmtar、Tetar分别为下一目标模式驱动电机、发动机需求扭矩；Te、Tm分别为当前模式下发动机、驱动电机的实际扭矩；X、Y分别为发动机、驱动电机扭矩变化率。
4.根据权利要求1所述的动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制方法，其特征在于，通过PID算法将发动机目标扭矩转换为加速踏板开度，以整车最大冲击度限制为控制目标，进行增量补偿，通过扭矩命令控制其输出扭矩。
5.根据权利要求1所述的动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制方法，其特征在于，所述驾驶员操作意图控制器：以油门踏板开度及其变化率为输入，驾驶员操作意图为输出，通过油门踏板开度及其变化率将驾驶员行驶意图对应不同车辆扭矩需求，根据驾驶员行驶意图模糊控制器的输入、输出变量的模糊子集隶属度函数结合制定模糊控制规则，得到驾驶员行驶意图模糊控制曲面；
所述湿式离合器油压控制器：根据驾驶员操作意图及行驶工况，采用双层模糊控制策略，在第二层模糊控制器中，以驾驶员操作意图、发动机转速、离合器主从发动机转速差为输入，离合器结合或分离油压为输出，根据结合油压变化率模糊控制器的输入、输出变量的模糊子集隶属度函数结合制定模糊控制规则，得到结合油压变化率模糊控制曲面。
6.一种动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制系统，其特征在于，所述系统包括如下模块：
模块M1：获取行驶工况及车辆信息；
模块M2：判断驾驶员操作意图和起步及模式切换类型，控制发动机和驱动电机的动力源扭矩变化，两者经变速机构至轮端的扭矩波动在预设范围内，进行整车需求扭矩分配；
模块M3：进行基于PID反馈控制的动力源扭矩协调控制；
模块M4：通过驾驶员操作意图控制器和湿式离合器油压控制器，进行车辆起步及模式切换动态过程的协调控制。
7.根据权利要求6所述的动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制系统，其特征在于，所述模块M1中的行驶工况及车辆信息包括驾驶员操作意图、整车功率需求和电池组SOC状态。
8.根据权利要求6所述的动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制系统，其特征在于，通过读取车速、踏板开度及其变化率、当前SOC及车辆当前行驶模式，判断是否满足起步或模式切换条件，确定湿式离合器结合油压，确定起步或模式切换需求扭矩，通过驱动电机控制器和发动机控制器控制输出实际扭矩，动力学方程表达为：
Figure FDA0003761089890000021
式中：Tdtar为动力源扭矩；Tmtar、Tetar分别为下一目标模式驱动电机、发动机需求扭矩；Te、Tm分别为当前模式下发动机、驱动电机的实际扭矩；X、Y分别为发动机、驱动电机扭矩变化率。
9.根据权利要求6所述的动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制系统，其特征在于，通过PID算法将发动机目标扭矩转换为加速踏板开度，以整车最大冲击度限制为控制目标，进行增量补偿，通过扭矩命令控制其输出扭矩。
10.根据权利要求6所述的动力车辆起步及模式切换动态过程的协调控制系统，其特征在于，所述驾驶员操作意图控制器：以油门踏板开度及其变化率为输入，驾驶员操作意图为输出，通过油门踏板开度及其变化率将驾驶员行驶意图对应不同车辆扭矩需求，根据驾驶员行驶意图模糊控制器的输入、输出变量的模糊子集隶属度函数结合制定模糊控制规则，得到驾驶员行驶意图模糊控制曲面；
所述湿式离合器油压控制器：根据驾驶员操作意图及行驶工况，采用双层模糊控制策略，在第二层模糊控制器中，以驾驶员操作意图、发动机转速、离合器主从发动机转速差为输入，离合器结合或分离油压为输出，根据结合油压变化率模糊控制器的输入、输出变量的模糊子集隶属度函数结合制定模糊控制规则，得到结合油压变化率模糊控制曲面。
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