CN1298560C - 混合动力汽车控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种混合动力汽车控制系统，所述混合动力汽车的动力由内燃机和电机提供，包括：发动机电子控制单元，其通过控制电子节气门的开度来调整内燃机的输出扭矩；混合动力控制单元，其确定内燃机与电机的输出扭矩并指示发动机电子控制单元对内燃机的输出扭矩作相应的调整；以及控制器区域(CAN)总线，所述发动机电子控制单元和混合动力控制单元通过接入CAN总线实现相互之间的通信。本发明的混合动力汽车控制系统具有与现有内燃机系统控制部分极佳的兼容性，无需从总体上重新设计原有控制系统而仅需作局部修改，减少了工作量，加快了开发进度，使设计成本大幅度降低。

Description

混合动力汽车控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及汽车动力控制系统和控制方法，特别涉及一种混合动力汽车的控制系统和控制方法。

背景技术

在燃油经济性和排放法规的双重压力下，近十年来全球各汽车制造商纷纷推出电动汽车。电动汽车通常分三类：纯电池型(BEV)、混合型(HEV)、燃料电池型(FCV)。其中纯电池型汽车因受里程和电网等的限制，通用汽车(GM)、丰田(Toyota)等企业已经宣布终止生产。而燃料电池汽车为各大汽车制造商研发的重中之重，DC、福特(Ford)、GM和Toyota等公司均计划在十年之后大批量生产燃料电池汽车。

但是目前燃料电池动力堆需要大量的贵金属催化剂，阻碍了燃料电池汽车的进一步发展。而混合动力汽车在燃油经济性、废气排放、驾驶性等方面均优于常规动力轿车，世界汽车工业界普遍认为，在燃料电池汽车到来之前，“油-电”混合动力汽车具有最佳的综合能量利用率。此外，混合动力汽车还可改善驾乘性能，提高驾驶乐趣。例如，混合动力汽车可以实现怠速停机，从根本上降低了困扰驾驶员和乘员的怠速噪声。通过电力再生制动，混合动力汽车的制动性能可优于同类型的内燃机汽车，并延长制动系统的使用寿命。

在今后十年内，混合动力汽车，特别是中、轻度混合动力汽车将逐步占领轿车市场的大部分份额，并在从常规动力轿车到燃料电池汽车的转变历程中起到承上启下的作用。由此可见，混合动力汽车成为近期电动汽车的最佳形式。

混合动力汽车主要通过以下途径达到节能和降低排放的目的：

(1)减小内燃机的排量(Downsize)。以某普通5座轿车为例，其传统车型配置1.7L汽油机，而其轻度混合混合动力版本汽车却只需配置1.3L汽油机。

(2)怠速停机(Idle Stop)。由于采用了高效率的电机(ISG)和小排量内燃机，内燃机快速起动得到保证。因此当无需发动机出功时，内燃机可立即断油停机，免除了怠速运转。

(3)制动能量回收(Regenerative brake)。其作用相当于重型车辆的电力缓速器：车轮拖动电机旋转，电机工作于发电机模式，其输出电流经逆变器变换后可用于对电池堆的充电。

(4)优化运行区域。通过内燃机和电机的合理配置，内燃机可以最大限度地避开低效率运行区。例如，借助电机的加速助力，内燃机在全负荷下仍可按化学当量燃烧；减小内燃机运行速度区域，以便实现高效润滑，减少节流损失等。

混合动力汽车的动力一般来自热机和电机。就热机而言，除汽油机和柴油机这两中常见的车用热力机器外，在美国PNGV项目中，GM、Ford、DC还分别研制了混合动力汽车专用的斯特林发动机和燃气轮机。但其研究结论明确表示燃气轮机和斯特林发动机型HEV难以在可预见的将来进入市场。在能量储存方面，尽管超级电容和高速碳纤维飞轮在比功率方面有其优势，高性能动力电池在可预见的将来仍将主导市场。

有关混合动力汽车的系统和控制方法，可进一步参见Severinsky等人的美国专利US5343970 A(1994/09)和US2001/0039230 A1(2001/11)，这些专利文献较为完整地阐述了混合动力汽车的一般构造、原理和控制方法。

但是现有混合动力汽车与现有内燃机系统的控制部分兼容性较差，为了满足混合动力的控制要求，需要从总体上重新设计控制系统，升级困难，工作量大，因此导致成本居高不下。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合动力汽车控制系统，其具有与现有内燃机系统控制部分极佳的兼容性，无需从总体上重新设计原有控制系统而仅需作局部修改，减少了工作量，加快了开发进度，使设计成本大幅度降低。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种混合动力汽车控制系统，所述混合动力汽车的动力由内燃机和电机提供，包括：

发动机电子控制单元，其通过控制电子节气门的开度来调整内燃机的输出扭矩；

混合动力控制单元，其确定内燃机与电机的输出扭矩并指示发动机电子控制单元对内燃机的输出扭矩作相应的调整；以及

控制器区域(CAN)总线，所述发动机电子控制单元和混合动力控制单元通过接入CAN总线实现相互之间的通信。

比较好的是，在上述混合动力汽车控制系统中，进一步包括：

接入CAN总线的电池控制单元，其负责控制电池堆的充放电操作；

接入CAN总线的电机控制单元，其连接在电机与电池堆之间，负责控制电机的运行。

比较好的是，在上述混合动力汽车控制系统中，所述发动机电子控制单元与电子加速踏板传感器相连，其根据电子加速踏板传感器的检测信号确定驾驶员的扭矩需求量并通过CAN总线送至混合动力控制单元，而混合动力控制单元确定驾驶员的扭矩需求量在内燃机与电机之间的分配比例。

比较好的是，在上述混合动力汽车控制系统中，混合动力控制单元经CAN总线指示发动机电子控制单元实现如下操作：

a)停止内燃机运行；

b)当发动机停机时控制内燃机的节气门；

c)终止燃油喷射器的喷射；

d)控制氧传感器的加热；

e)控制内燃机的怠速转速；

f)设定内燃机的空燃比例；

g)调整内燃机的扭矩储备量；

h)指示内燃机自动重新起动。

比较好的是，在上述混合动力汽车控制系统中，混合动力控制单元经CAN总线指示发动机电子控制单元对电机的发电功率进行补偿。

比较好的是，在上述混合动力汽车控制系统中，所述CAN总线传输速率为500Kbit/s，数据帧格式符合CAN2.0A协议，并且数据刷新间隔取值为2ms、10ms和20ms其中的一个。

比较好的是，在上述混合动力汽车控制系统中，发动机电子控制单元向接入CAN总线的混合动力控制单元发送第一和第二报文，其中，第一报文包括驾驶员请求状态信息和内燃机状态信息，所述驾驶员请求状态信息包括点火钥匙、制动开关和空调开关的位置状态，所述内燃机状态信息包括电子节气门位置、各种传感器和执行器的诊断结果，第二报文包括驾驶员的扭矩需求量、内燃机当前允许的最大扭矩、内燃机当前允许的最大扭矩储备量；混合动力控制单元向接入CAN总线的发动机电子控制单元发送第三报文，其包括输出扭矩调整指令、混合动力汽车的工作模式、需要的扭矩储备量和对空气/燃油比例的干预量。

本发明的另一个目的提供一种基于上述控制系统的混合动力汽车的控制方法，该控制方法可以改善车辆的行驶舒适度，并且提高输出动力的有效利用率。

本发明的该目的通过以下技术方案实现：

一种混合动力汽车的控制方法，所述控制方法采用上述控制系统实现控制功能，并且由混合动力控制单元或发动机电子控制单元按照下列方式控制内燃机和电机的运行：

在出现下列至少一个条件时关闭内燃机：

1a)当车速小于某一速度时；

1b)车辆处于带制动的低速滑行时；

1c)车辆保持空档达到规定时间时；

1d)内燃机转速小于设定值时，

在出现下列至少一个条件时禁止自动熄火：

2a)车辆挂入“1”档或“R”挡时；

2b)内燃机尚未完成暖机过程；

2c)电池堆的电池荷电百分比(SOC)过低时，

在下列任一条件满足时立刻启动内燃机：

3a)驾驶员换档并且不是换入空档；

3b)制动踏板松开的过程中车速急剧下降；

3c)加速踏板被踩下；

3d)空档时SOC小于设定值，

当加速踏板被完全释放而制动踏板未踩下时，进行部分能量再生制动操作，而当制动踏板被踩下时，进行全面再生制动操作，

当车辆处于巡航行驶或驻车状态而SOC小于规定值或12V系统需要供电时，指示电机发电，

当内燃机无法满足驾驶员动力需求时，指示电机按照与电子加速踏板位置的设定关系进行加速助力。

在本发明的控制系统中，通过采用电子节气门来管理发动机的输出功率，发动机电子控制单元(ECU)与普通汽油发动机中的原型在硬件上相兼容而在软件上基本兼容，因此可以充分利用原先的控制系统。此外，本发明将混合动力汽车的特殊功能用独立于发动机电子控制单元的混合动力控制单元实现，控制单元之间通过CAN总线连接，并且各控制单元之间的通信均采用通用、开放的数据接口，因此设计思路清晰，便于日后升级维护。本发明的控制方法基于上述控制系统，除具备上述优点以外，还通过定义用于起动、停止、发电、助力等过程中内燃机和电机的控制策略，为发动机系统的控制提供了丰富的功能。

附图说明

通过以下结合附图对本发明较佳实施例的描述，可以进一步理解本发明的目的、特征和优点，其中：

图1为一种混合动力汽车的系统结构图，该混合动力汽车采用的按照本发明一个较佳实施例的控制系统。

具体实施方式

普通的发动机控制系统主要包括电子控制单元、空气质量流量计、节气门、进气压力温度传感器、电控喷油器、爆震传感器、电子加速踏板等。与现有技术不同的是，本发明中采用电子节气门来代替机械节气门。在本发明中，采用电子节气门具有特别重要的意义：对于驾驶员的扭矩需求(可由电子加速踏板的位置定义)，通过调节电子节气门的开度，可以调整内燃机的输出扭矩，因此在保证内燃机与电机输出扭矩之和等于驾驶员的扭矩需求的前提下，在内燃机与电机之间实现扭矩的任意分配和组合，从而为各种动力控制策略的实现提供可能。此外，为了充分利用现有控制系统，本发明将混合动力汽车的特殊控制功能与普通内燃机的控制功能相分离并且在硬件上用独立于发动机电子控制单元的其它控制单元实现。

根据上述思路，本发明的混合动力汽车控制系统通过控制器区域(CAN)总线将发动机电子控制单元和实现混合动力控制操作的其它控制单元连接在一起，内燃机的控制由发动机电子控制单元实现，输出扭矩分配和组合等由其它控制单元实现，当一个单元的操作涉及其它单元的操作时，该单元将经CAN总线，通过其它单元实现操作。例如，当需要调整内燃机的输出扭矩时，混合动力控制单元经CAN总线向发动机电子控制单元发出指令，而发动机电子控制单元则根据该指令，通过调节电子节气门的开度来调整内燃机的输出扭矩。

以下借助附图描述本发明的较佳实施例。

如图1所示，混合动力汽车系统包括发动机电子控制单元1、电子节气门2、电子加速踏板传感器3、多能源管理单元4、电池控制单元5、电机控制单元6、CAN总线7、内燃机(ICE)8、起动发电机(ISG)9、电池堆10和变速箱11，其中发动机电子控制单元1、电子节气门2和电子加速踏板传感器3等属于普通的发动机控制系统，将多能源管理单元4、电池控制单元5和电机控制单元6等实现涉及混合动力其它操作的控制单元加入普通的发动机控制系统即可构建混合动力汽车的控制系统。

在图1中，发动机电子控制单元1、多能源管理单元4、电池控制单元5和电机控制单元6都连接在CAN总线7上，发动机电子控制单元1与电子节气门2相连，因此可根据多能源管理单元4经CAN总线7输送的指令对电子节气门2的开度进行控制，它还与电子加速踏板传感器3相连，因此可接收电子加速踏板传感器3的踏板位置检测信号，确定驾驶员的扭矩需求量并经CAN总线7将扭矩需求量输送至多能源管理单元4，此外，发动机电子控制单元1与内燃机8相连，因此可以采集内燃机8的状态信息并据此控制内燃机的运行状态。多能源管理单元4根据扭矩需求量，可按照下述各种控制策略确定内燃机与电机的输出扭矩。电池控制单元5与电池堆10相连，负责控制电池堆10的充放电操作。电机控制单元6连接在ISG9与电池堆10之间，负责控制ISG9的运行。

ICE8的功率单向输出至ISG9，而ISG9的功率可单向输出至变速箱和电机控制单元并且还可从电机控制单元6提取电能。具体而言，电机控制单元6可以按照一定的控制策略使ISG9在电池堆10的驱动下转动，或者使ISG9将ICE8的机械能及汽车动能转换为电能充入电池堆10。

在本实施例的混合动力汽车控制系统中，其它控制单元(例如多能源管理单元4、电池控制单元5和电机控制单元6)可经CAN总线7指示发动机电子控制单元实现如下操作：

a)停止内燃机运行；

b)当发动机停机时控制内燃机的节气门；

c)终止燃油喷射器的喷射；

d)控制氧传感器的加热；

e)控制内燃机的怠速转速；

f)设定内燃机的空燃比例；

g)设定内燃机的扭矩储备量；

h)指示内燃机自动重新起动。

此外，其它控制单元经CAN总线可指示发动机电子控制单元1对电机的发电功率进行补偿。

为保证混合动力汽车系统对驾驶性、排放、燃油经济性等性能的基本要求，发动机电子控制单元与实现涉及混合动力其它操作的控制单元必须保证通过CAN总线通讯时数据的实时性和准确性。另一方面，鉴于目前的技术水平和工业化的目标成本，还只能采用双绞线形式的通讯总线。

为此，在本发明的较佳实施例中，采用的CAN总线协议和数据格式具有如下特征：总线传输速率为500Kbit/s，数据帧格式符合CAN2.0A协议，并且数据刷新间隔取值为2ms、10ms和20ms其中的一个。

此外，本发明较佳实施例还定义了发动机电子控制单元1与其它控制单元(包括多能源管理单元4、电池控制单元5和电机控制单元6等)之间的通信数据接口。例如，发动机电子控制单元1向接入CAN总线的混合动力控制单元发送第一和第二报文，其中，第一报文包括驾驶员请求状态信息和内燃机状态信息，所述驾驶员请求状态信息包括点火钥匙、制动开关和空调开关的位置状态，所述内燃机状态信息包括电子节气门位置、各种传感器和执行器的诊断结果，第二报文包括驾驶员的扭矩需求量、内燃机当前允许的最大功率、内燃机当前允许的最大扭矩储备量；其它控制单元(包括多能源管理单元4、电池控制单元5和电机控制单元6等)向接入CAN总线的发动机电子控制单元发送第三报文，其包括输出扭矩调整指令、混合动力汽车的工作模式、需要的扭矩储备量和对空气/燃油比例的干预量。

以下描述基于上述控制系统的混合汽车控制方法。在该方法中，混合动力控制单元或发动机电子控制单元按照下列策略控制内燃机和电机的运行：

在出现下列至少一个条件时关闭内燃机：

1a)当车速小于某一速度时；

1b)车辆处于带制动的低速滑行时；

1c)车辆保持空档达到规定时间时；

1d)内燃机转速小于设定值时，

在出现下列至少一个条件时禁止自动熄火：

2a)车辆挂入“1”档或“R”挡时；

2b)内燃机尚未完成暖机过程；

2c)电池堆的电池荷电百分比(SOC)过低时，

在下列任一条件满足时立刻启动内燃机：

3a)驾驶员换档并且不是换入空档；

3b)制动踏板松开的过程中车速急剧下降；

3c)加速踏板被踩下；

3d)空档时SOC小于设定值，

当加速踏板被完全释放而制动踏板未踩下时，进行部分能量再生制动操作，而当制动踏板被踩下时，进行全面再生制动操作，

当车辆处于巡航行驶或驻车状态而SOC小于规定值或12V系统需要供电时，指示电机发电，

当内燃机无法满足驾驶员动力需求时，指示电机按照与电子加速踏板位置的设定关系进行加速助力。

虽然上述实施例的描述以ISG型HEV为例，但是应该理解的是，本发明还可应用于其它各种形式的混合动力汽车。

Claims (7)

1、一种混合动力汽车控制系统，所述混合动力汽车的动力由内燃机和电机提供，其特征在于，包括：

发动机电子控制单元，与电子加速踏板传感器和电子节气门相连；

混合动力控制单元；以及

CAN总线，所述发动机电子控制单元和混合动力控制单元通过接入CAN总线实现相互之间的通信；

所述发动机电子控制单元根据电子加速踏板传感器的检测信号确定驾驶员的扭矩需求量并通过CAN总线送至混合动力控制单元，而混合动力控制单元确定驾驶员的扭矩需求量在内燃机与电机之间的分配比例，再通过CAN总线送至发动机电子控制单元控制电子节气门的开度来调整内燃机的输出扭矩。

2、如权利要求1所述的混合动力汽车控制系统，其特征在于，进一步包括：

接入CAN总线的电池控制单元，其负责控制电池堆的充放电操作；以及

接入CAN总线的电机控制单元，其连接在电机与电池堆之间，负责控制电机的运行。

3、如权利要求2所述的混合动力汽车控制系统，其特征在于，混合动力控制单元经CAN总线指示发动机电子控制单元实现如下操作：

a)停止内燃机运行；

b)当发动机停机时控制内燃机的节气门；

c)终止燃油喷射器的喷射；

d)控制氧传感器的加热；

e)控制内燃机的怠速转速；

f)设定内燃机的空燃比例；

g)调整内燃机的扭矩储备量；

h)指示内燃机自动重新起动。

4、如权利要求3所述的混合动力汽车控制系统，其特征在于，混合动力控制单元经CAN总线指示发动机电子控制单元对电机的发电功率进行补偿。

5、如权利要求4所述的混合动力汽车控制系统，其特征在于，所述CAN总线传输速率为500Kbit/s，数据帧格式符合CAN2.0A协议，并且数据刷新间隔取值为2ms、10ms和20ms其中的一个。

6、如权利要求5所述的混合动力汽车控制系统，其特征在于，发动机电子控制单元向接入CAN总线的混合动力控制单元发送第一和第二报文，其中，第一报文包括驾驶员请求状态信息和内燃机状态信息，所述驾驶员请求状态信息包括点火钥匙、制动开关和空调开关的位置状态，所述内燃机状态信息包括电子节气门位置、各种传感器和执行器的诊断结果，第二报文包括驾驶员的扭矩需求量、内燃机当前允许的最大扭矩、内燃机当前允许的最大扭矩储备量；混合动力控制单元向接入CAN总线的发动机电子控制单元发送第三报文，其包括输出扭矩调整指令、混合动力汽车的工作模式、需要的扭矩储备量和对空气/燃油比例的干预量。

7、一种混合动力汽车的控制方法，其特征在于，所述控制方法采用如权利要求1～6中任意一项所述的控制系统实现控制功能，并且由混合动力控制单元或发动机电子控制单元按照下列方式控制内燃机和电机的运行：

在出现下列至少一个条件时关闭内燃机：

1a)当车速小于某一速度时；

1b)车辆处于带制动的低速滑行时；

1c)车辆保持空档达到规定时间时；

1d)内燃机转速小于设定值时，

在出现下列至少一个条件时禁止自动熄火：

2a)车辆挂入“1”档或“R”挡时；

2b)内燃机尚未完成暖机过程；

2c)电池堆的电池荷电百分比(SOC)过低时，

在下列任一条件满足时立刻启动内燃机：

3a)驾驶员换档并且不是换入空档；

3b)制动踏板松开的过程中车速急剧下降；

3c)加速踏板被踩下；

3d)空档时SOC小于设定值，

当加速踏板被完全释放而制动踏板未踩下时，进行部分能量再生制动操作，而当制动踏板被踩下时，进行全面再生制动操作，

当车辆处于巡航行驶或驻车状态而SOC小于规定值或12V系统需要供电时，指示电机发电，

当内燃机无法满足驾驶员动力需求时，指示电机按照与电子加速踏板位置的设定关系进行加速助力。