CN202481077U - 一种cvt混合动力汽车动力源转矩优化分配系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种CVT混合动力汽车动力源转矩优化分配系统，它包括驾驶员操作平台、CVT混合动力汽车整车控制系统、发动机控制器、电机控制器、无级自动变速器控制器、主减速器和电池；驾驶员操作平台内的传感器将采集到的踏板开度值发送至CVT混合动力汽车整车控制系统，CVT混合动力汽车整车控制系统根据踏板开度值及由发动机控制器反馈至的车速进行优化处理后，分别向发动机控制器发送发动机输出转矩信号、向电机控制器发送电机转矩信号、向无级自动变速器控制器发送传动比信号；无级自动变速器控制器输出信号传输至主减速器，最终将动力传递至车轮；电池为电机供电。本实用新型能提高整车工作效率，解决驱动工况下转矩分配问题，能广泛应用于混合动力电动汽车领域中。

Description

一种CVT混合动力汽车动力源转矩优化分配系统

技术领域

本实用新型涉及一种CVT(无级自动变速器)混合动力汽车，特别是关于一种混合动力电动汽车领域中在电机助力模式驱动工况下的CVT混合动力汽车动力源转矩优化分配系统。

背景技术

混合动力汽车驱动工况下，制定合理的能量管理策略可以改善整车工作特性，进而提高其燃油经济性。对于装配CVT(无级自动变速器)的混合动力汽车，CVT速比能够在一定范围内连续变化，因此可以通过综合控制发动机、电机以及CVT，更优地实现动力源转矩分配以及整车工作特性优化。

针对CVT混合动力汽车能量优化分配问题，目前大部分的研究均以发动机工作在高效区为控制目标，忽略了电机、电池和传动系统自身效率对混合动力系统能量利用率的影响。也有少数研究者以系统效率最高为目标开展了相关研究，但是其状态变量是车速和加速度，而加速度难以直观地反映驾驶员意图和感受。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种以系统效率最高为目标，以车速、加速踏板开度和电池SOC为优化状态变量，在满足整车动力性的前提下，能提高整车工作效率，优化得出动力源目标转矩，解决电机助力模式驱动工况下转矩分配问题的CVT混合动力汽车动力源转矩优化分配系统。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种CVT混合动力汽车动力源转矩优化分配系统，其特征在于：它包括驾驶员操作平台、CVT混合动力汽车整车控制系统、发动机控制器、电机控制器、无级自动变速器控制器、主减速器和电池；所述驾驶员操作平台内的传感器将采集到的踏板开度值发送至所述CVT混合动力汽车整车控制系统，所述CVT混合动力汽车整车控制系统根据踏板开度值及由所述发动机控制器反馈至的车速进行优化处理后，分别向所述发动机控制器发送发动机输出转矩信号、向所述电机控制器发送电机转矩信号、向所述无级自动变速器控制器发送传动比信号；所述无级自动变速器控制器输出信号传输至所述主减速器，最终将动力传递至车轮；所述电池为电机供电。

所述CVT混合动力汽车整车控制系统包括驾驶员意图识别模块和动力源转矩分配模块，所述驾驶员意图识别模块接收所述加速踏板开度值和反馈车速后，得到需求转矩，并将所得需求转矩值发送至所述动力源转矩分配模块内，由所述动力源转矩分配模块内预先设定的目标函数和约束条件对所述CVT混合动力汽车系统的动力源转矩进行优化。

所述驾驶员操作平台内设置有加速踏板位置传感器和制动踏板位置传感器。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型由于采用由驾驶员操作平台、CVT混合动力汽车整车控制系统、发动机控制器、电机控制器、无级自动变速器控制器、主减速器和蓄电池组构成的CVT混合动力汽车系统，根据动力源转矩分配模块内预先设定的目标函数和约束条件对CVT混合动力汽车动力源进行优化，其优化效率较高。2、本实用新型由于采用基于CVT混合动力汽车整车控制系统来实现动力源转矩的优化分配，是针对装配CVT的混合动力电动汽车电机在助力模式驱动工况下的动力源转矩优化分配方法，该方法能够紧密地将驾驶员操作与车辆控制关联到实际应用中。3、本实用新型由于采用的优化状态变量是车速和、加速踏板开度值和电池SOC，并结合车辆传动系统动力学方程，得出整车系统的需求输出功率和需求输入功率，从而得到系统效率的表达式，以系统效率最高为目标，在满足整车动力性的前提下，提高了整车工作效率，优化得出确保系统效率最高的发动机、电机目标输出转矩和CVT目标速比随车速和加速踏板开度值APS的变化规律，具体解决电机助力模式驱动工况下的转矩分配问题。本实用新型可以广泛应用于混合动力电动汽车领域中。

附图说明

图1是本实用新型的CVT混合动力汽车系统结构示意图；

图2是本实用新型的混合动力汽车动力源转矩分配示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

如图1所示，本实用新型的CVT(无级自动变速器)混合动力汽车系统包括驾驶员操作平台1、CVT混合动力汽车整车控制系统2、发动机控制器(ECU)3、电机控制器(IPU)4、无级自动变速器控制器(TCU)5、主减速器6和电池7。

驾驶员操作平台1内设置有加速踏板位置传感器11和制动踏板位置传感器12，加速踏板位置传感器11将采集到的加速踏板开度值APS发送至CVT混合动力汽车整车控制系统2；制动踏板位置传感器12将采集到的制动踏板开度值BPS也发送至CVT混合动力汽车整车控制系统2。CVT混合动力汽车整车控制系统2根据加速踏板开度值APS及由ECU 3反馈至的车速进行优化处理后，分别向ECU 3发送发动机输出转矩信号Te，向IPU 4发送电机转矩信号Tm，向TCU 5发送传动比信号i_CVT。ECU 3根据发动机输出转矩信号Te控制发动机工作，IPU 4根据电机转矩信号Tm控制电机工作，TCU 5根据传动比信号i_CVT控制CVT工作，TCU 5输出信号传输至主减速器6，最终将动力传递至车轮驱动车辆行驶。其中，电池7为电机供电。

上述实施例中，CVT混合动力汽车整车控制系统2包括驾驶员意图识别模块21和动力源转矩分配模块22，驾驶员意图识别模块21接收加速踏板开度值APS后，根据驾驶员意图识别模块21可得到需求转矩与加速踏板开度值APS和车速相关，并将所得需求转矩发送至动力源转矩分配模块22内，由动力源转矩分配模块22内预先设定的目标函数和约束条件对本实用新型的CVT混合动力汽车动力源转矩进行优化。

如图2所示，本实用新型的CVT混合动力汽车动力源转矩优化分配方法主要是基于CVT混合动力汽车整车控制系统2来实现动力源的优化分配，是针对装配CVT的混合动力电动汽车电机在助力模式驱动工况下的动力源转矩优化分配方法，该方法能够紧密地将驾驶员操作与车辆控制关联到实际应用中，采用的优化状态变量是车速和、加速踏板开度值APS和电池7的SOC(电池的荷电状态)，并结合车辆传动系统动力学方程，得出整车系统的需求输出功率和需求输入功率，从而得到系统效率的表达式，以系统效率最高为目标，在满足整车动力性的前提下，提高整车工作效率，优化得出确保系统效率最高的发动机、电机目标输出转矩和CVT目标速比随车速和加速踏板开度值APS的变化规律，具体解决电机助力模式驱动工况下的转矩分配问题，其中，驱动工况包括三种工作模式：发动机单独驱动模式、发动机驱动加发电模式以及电机助力模式。CVT混合动力汽车动力源转矩优化分配方法的具体步骤如下：

1)驾驶员意图识别模块21根据接收到的加速踏板开度值APS及车速，可以得到符合驾驶需求的需求转矩T_d，并将需求转矩值发送至动力源转矩分配模块22内。

2)动力源转矩分配模块22以接收到的需求转矩T_d为基础，根据汽车动力学理论，建立一个与需求转矩T_d相关联的整车传动系统动力学方程，由于驾驶员意图识别模块21发送至的需求转矩T_d与加速踏板开度值APS相关，因此，动力源转矩分配模块22内实际上是建立了一个与加速踏板开度值APS相关的整车传动系统动力学方程，该方程如下：

$(\mathrm{mgf}\cos \mathrm{\α}+\mathrm{mg}\sin \mathrm{\α}+\frac{C_D{\mathrm{Au}}^2}{21.15}+m\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}})r=T_d{i}_0-J_r{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_r-(J_e{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_e+J_m{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_m)i_{\mathrm{CVT}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{CVT}}{i}_0,---\left(1\right)$

如图1所示，实施例中由于发动机和电机是同轴连接，所以两者的转速之间存在如下关系：

${\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_e={\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_m={\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_r{i}_0{i}_{\mathrm{CVT}}+{\mathrm{\ω}}_r{i}_0{\mathrm{di}}_{\mathrm{CVT}}/\mathrm{dt},---\left(2\right)$

ω_r＝u/r； ${\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_r=(\mathrm{du}/\mathrm{dt})/r,---\left(3\right)$

式中，m为整车质量；g为重力加速度；f为滚动阻力系数；α为道路坡度角；C_D为空气阻力系数；A为迎风面积；u为车速；du/dt为车辆加速度；r为车轮半径；T_d为需求转矩；i₀为主减速比；J_r为车轮转动惯量；ω_r为车轮转速；J_e为发动机转动惯量；ω_e为发动机转速；J_m为电机转动惯量；ω_m为电机转速；i_CVT为CVT传动比；η_CVT为CVT效率。

3)将发动机功率作为整个CVT混合动力汽车系统的需求输入功率P_in，其表达式为：

P_in＝T_eω_e/η_e，                                            (4)

式中，T_e为发动机输出转矩；ω_e为发动机转速；η_e为发动机效率。

4)将克服车辆行驶阻力消耗的功率(包括滚动阻力、坡度阻力、空气阻力和加速阻力)和蓄电池功率看作系统的输出功率，并且考虑电池电机子系统充电或放电助力驱动的需求功率，则在发动机单独驱动模式、发动机驱动加发电模式和电机助力模式这三种驱动工况工作模式下，系统的需求输出功率P_out1可分别表示为：

发动机单独工作模式时，系统的需求输出功率P_out1为：

$P_{\mathrm{outl}}=(\mathrm{mgf}\cos \mathrm{\α}+\mathrm{mg}\sin \mathrm{\α}+\frac{C_D{\mathrm{Au}}^2}{21.15}+\mathrm{\δm}\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}+(J_e+J_m)\frac{i_0^2{i}_{\mathrm{CVT}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{CVT}}u}{r^2}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{CVT}}}{\mathrm{dt}})u,---\left(5\right)$

发动机驱动加发电模式时，系统的需求输出功率P_out1为：

$P_{\mathrm{outl}}=(\mathrm{mgf}\cos \mathrm{\α}+\mathrm{mg}\sin \mathrm{\α}+\frac{C_D{\mathrm{Au}}^2}{21.15}+\mathrm{\δm}\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}+(J_e+J_m)\frac{i_0^2{i}_{\mathrm{CVT}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{CVT}}u}{r^2}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{CVT}}}{\mathrm{dt}})u+P_{\mathrm{bat}1/}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{bat}\_\mathrm{ch}\arg e},---\left(6\right)$

电机助力工作模式时，系统的需求输出功率P_out1为：

$P_{\mathrm{outl}}=(\mathrm{mgf}\cos \mathrm{\α}+\mathrm{mg}\sin \mathrm{\α}+\frac{C_D{\mathrm{Au}}^2}{21.15}+\mathrm{\δm}\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}+(J_e+J_m)\frac{i_0^2{i}_{\mathrm{CVT}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{CVT}}u}{r^2}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{CVT}}}{\mathrm{dt}})u-P_{\mathrm{bat}2/}{/\mathrm{\η}}_{\mathrm{bat}\_\mathrm{disch}\arg e}---\left(7\right)$

其中，δ为整车旋转质量换算系数，且P_bat1为电池输出入功率；P_bat2为电池输出功率；η_bat charge为蓄电池的充电效率；η_{bat discharge}为蓄电池的放电效率；

将步骤2)中的公式(1)、公式(2)和公式(3)分别与公式(5)、(6)、(7)，联立，消去中间变量可以得到驱动工况三种不同工作模式下系统需求输出功率P_out最终表达式分别为：

发动机单独工作模式时：P_out＝T_di₀u/r，                                            (8)

发动机驱动加发电模式时：P_out＝T_di₀u/r+P_bat1η_{bat_charge}，                        (9)

电机助力工作模式时：P_out＝T_di₀u/r-P_bat2/η_{bat_discharge}，                        (10)

5)根据步骤4)和步骤3)中的需求输出功率和需求输入功率的比值来定义系统效率，则驱动工况三种不同工作模式下系统效率η_sys表达式分别为：

发动机单独工作模式：η_sys＝P_out/P_in＝T_di₀uη_e/(T_eω_er)，                         (11)

发动机驱动加发电模式：η_sys＝P_out/P_in＝(T_di₀u/r+P_bat1η_{bat_charge})η_e/(T_eω_e)，  (12)

电机助力工作模式：η_sys＝P_out/P_in＝(T_di₀u/r-P_bat2/η_{bat_discharge})η_e/(T_eω_e)，  (13)

6)对系统效率η_sys进行优化，得出确保系统效率最高的发动机、电机目标输出转矩和CVT目标速比随车速和加速踏板开度值APS的变化规律，得到动力源目标转矩；首先将系统最大效率max(η_sys)设定为优化目标函数，然后根据车辆动力系统和传动系统的工作状态设定该优化三种工作模式下的约束条件分别为：

发动机单独工作模式时，约束条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_d=T_e{i}_{\mathrm{cvt}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{cvt}}\\ T_e\≤T_{e\max }\\ {\mathrm{\ω}}_{e\min }\≤{\mathrm{\ω}}_e\≤{\mathrm{\ω}}_{e\max }\\ {\mathrm{\ω}}_r=u/r\\ {\mathrm{\ω}}_e={\mathrm{\ω}}_m={\mathrm{\ω}}_r{i}_0{i}_{\mathrm{cvt}}\\ i_{\mathrm{cvt}\min }\≤i_{\mathrm{cvt}}\≤i_{\mathrm{cvt}\max }\end{array}\right.;---\left(14\right)$

发动机驱动加发电模式时，约束条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_d=(T_e-T_m)i_{\mathrm{cvt}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{cvt}}\\ P_{\mathrm{bat}1}=T_m{\mathrm{\ω}}_m{\mathrm{\η}}_{m1}\\ T_e\≤T_{e\max }\\ {\mathrm{\ω}}_{e\min }\≤{\mathrm{\ω}}_e\≤{\mathrm{\ω}}_{e\max }\\ \left|T_m\right|\≤T_{m\max }\\ {\mathrm{\ω}}_r=u/r\\ {\mathrm{\ω}}_e={\mathrm{\ω}}_m={\mathrm{\ω}}_r{i}_0{i}_{\mathrm{cvt}}\\ \left|P_{\mathrm{bat}1}\right|\≤P_{\mathrm{bat}\max }\\ i_{\mathrm{cvt}\min }\≤i_{\mathrm{cvt}}\≤i_{\mathrm{cvt}\max }\\ {\mathrm{SOC}}_{\min }\≤\mathrm{SOC}\≤{\mathrm{SOC}}_{\max }\end{array}\right.;---\left(15\right)$

电机助力工作模式时，约束条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_d=(T_e+T_m)i_{\mathrm{cvt}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{cvt}}\\ P_{\mathrm{bat}2}=T_m{\mathrm{\ω}}_m/{\mathrm{\η}}_{m2}\\ T_e\≤T_{e\max }\\ {\mathrm{\ω}}_{e\min }\≤{\mathrm{\ω}}_e\≤{\mathrm{\ω}}_{e\max }\\ T_m\≤T_{m\max }\\ {\mathrm{\ω}}_r=u/r\\ {\mathrm{\ω}}_e={\mathrm{\ω}}_m={\mathrm{\ω}}_r{i}_0{i}_{\mathrm{cvt}}\\ P_{\mathrm{bat}2}\≤P_{\mathrm{bat}\max }\\ i_{\mathrm{cvt}\min }\≤i_{\mathrm{cvt}}\≤i_{\mathrm{cvt}\max }\\ {\mathrm{SOC}}_{\min }\≤\mathrm{SOC}\≤{\mathrm{SOC}}_{\max }\end{array}\right.;---\left(16\right)$

其中，T_m为电机转矩；η_m1为电机发电效率；η_m2为电机电动效率；T_emax为发动机转矩最大值；ω_emin和ω_emax分别为发动机转速最小值和最大值；T_mmax为电机转矩最大值；P_batmax为电池功率最大值；i_cvtmin和i_cvtmax分别为无级变速器最小传动比和最大传动比；SOC_min和SOC_max分别为电池SOC最小值和最大值。

上述步骤6)中，以系统最大需求效率max(η_sys)为优化目标，根据优化约束条件对优化目标进行优化。其中，，发动机单独工作模式下优化的本质是：给定一定车速和加速踏板开度值APS前提下，寻找最佳的CVT传动比使得系统效率最高。发动机驱动加发电模式和电机助力模式下优化的本质是：给定一定车速、加速踏板开度值APS和电池SOC的前提下，寻找最佳的电机转矩和CVT传动比使得系统效率最高。最终得出确保系统效率最高的发动机、电机目标输出转矩和CVT目标速比随车速和加速踏板开度值APS的变化规律。

上述各实施例仅用于说明本实用新型，各部件的结构和连接方式都是可以有所变化的，在本实用新型技术方案的基础上，凡根据本实用新型原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种CVT混合动力汽车动力源转矩优化分配系统，其特征在于：它包括驾驶员操作平台、CVT混合动力汽车整车控制系统、发动机控制器、电机控制器、无级自动变速器控制器、主减速器和电池；所述驾驶员操作平台内的传感器将采集到的踏板开度值发送至所述CVT混合动力汽车整车控制系统，所述CVT混合动力汽车整车控制系统根据踏板开度值及由所述发动机控制器反馈至的车速进行优化处理后，分别向所述发动机控制器发送发动机输出转矩信号、向所述电机控制器发送电机转矩信号、向所述无级自动变速器控制器发送传动比信号；所述无级自动变速器控制器输出信号传输至所述主减速器，最终将动力传递至车轮；所述电池为电机供电。

2.如权利要求1所述的一种CVT混合动力汽车动力源转矩优化分配系统，其特征在于：所述CVT混合动力汽车整车控制系统包括驾驶员意图识别模块和动力源转矩分配模块，所述驾驶员意图识别模块接收所述加速踏板开度值和反馈车速后，得到需求转矩，并将所得需求转矩值发送至所述动力源转矩分配模块内，由所述动力源转矩分配模块内预先设定的目标函数和约束条件对所述CVT混合动力汽车系统的动力源转矩进行优化。

3.如权利要求1或2所述的一种CVT混合动力汽车动力源转矩优化分配系统，其特征在于：所述驾驶员操作平台内设置有加速踏板位置传感器和制动踏板位置传感器。

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