專利名稱:并聯(lián)式混合動力車輛整車能量管理與總成協(xié)調(diào)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬混合動力車輛驅(qū)動系統(tǒng)控制領(lǐng)域,適用于采用并聯(lián)混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的混合動 力車輛,具體說是根據(jù)并聯(lián)混合動力車輛的實際行駛狀態(tài),對駕駛員需求的驅(qū)動力和制動力 在混合動力驅(qū)動系統(tǒng)各總成之間的合理分配進行控制,并協(xié)調(diào)驅(qū)動系統(tǒng)各總成的運行,以達 到節(jié)能與環(huán)保目的的控制方法。
背景技術(shù):
21世紀的今天,能源與環(huán)境問題日益成為人類生存與持續(xù)發(fā)展所必須面對的嚴峻問題。 作為21世紀清潔能源車輛技術(shù)之一的混合動力車輛以其低能耗、低排放和可行性強等諸多優(yōu) 點,已經(jīng)成為未來車輛的發(fā)展方向和研究熱點。
所謂混合動力車輛(HEV, Hybrid Electric Vehicle),是將電力驅(qū)動系統(tǒng)與輔助動力單元 (APU, Auxiliary Power Unit)組合安裝到一輛車上,通過整車能量管理控制方法將傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā) 動機與電機和儲能裝置有機地整合成為混合動力車動系統(tǒng)。混合動力車輛整車能量管理方法 根據(jù)車輛的實際行駛狀態(tài),利用混合動力車輛消除怠速、發(fā)動機工作區(qū)域控制和再生制動能 量回收的節(jié)能機理,對整個混合動力驅(qū)動系統(tǒng)進行合理控制,實現(xiàn)駕駛員對驅(qū)動系統(tǒng)的功率 需求在各總成之間的合理分配,最大限度地提高車輛行駛的燃油經(jīng)濟性,并降低發(fā)動機的廢 氣排放。
混合動力車輛將兩套驅(qū)動系統(tǒng)(電池一電機和內(nèi)燃機)安裝于原本只安裝一套驅(qū)動系統(tǒng)的 車輛上,這大大增加了驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復雜程度,以及進行整車控制與故障診斷的難度。為 了使混合動力驅(qū)動系統(tǒng)能夠合理地根據(jù)車輛的實際行駛情況,在滿足動力性能要求的前提下, 盡可能地提高燃油經(jīng)濟性,并保證整車行駛的安全性及可靠性,整車能量管理控制方法的研 究已經(jīng)成為HEV研究的關(guān)鍵。
目前,已經(jīng)有一些國內(nèi)研究機構(gòu)和高等院校開始對混合動力車輛整車能量管理控制方法 的研究,并提出一些與混合動力車輛整車能量管理相關(guān)的專利申請,但是這其中大多是關(guān)于 控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計,例如申請?zhí)枮?00310124511.6《混合動力汽車控制系統(tǒng)及其控制方法》 的發(fā)明專利申請和申請?zhí)枮?7102923.7《用于控制機動車、尤其是混合動力動車的電功率分 配的方法及裝置》的發(fā)明專利申請,其權(quán)力要求主要是基于控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計,控制方法 部分只提出了能量的分配管理和驅(qū)動模式切換;申請?zhí)枮?00510023717.9《并聯(lián)式混合動力 驅(qū)動系統(tǒng)及其驅(qū)動方法》的發(fā)明專利申請,對其提出的混合動力驅(qū)動系統(tǒng)和改系統(tǒng)的基本控 制模式提出權(quán)利要求。
這些專利的申請內(nèi)容對于結(jié)構(gòu)復雜,性能優(yōu)劣主要取決于整車能量管理方法控制效果的混合動力車輛是遠遠不夠的,因為混合動力車輛整車控制方法作為整車控制方法不僅要能夠 進行能量管理,而且要能夠協(xié)調(diào)整個混合動力驅(qū)動系統(tǒng)各總成的工作,克服由于驅(qū)動系統(tǒng)混 合動力化所帶來的一系列問題,保證整個驅(qū)動系統(tǒng)可靠有效地工作,獲得整車行駛的最佳燃 油經(jīng)濟性和排放性能。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有混合動力車輛整車控制方法的不足,提供一種能保證整個驅(qū) 動系統(tǒng)可靠有效地工作,獲得整車行駛最佳燃油經(jīng)濟性和排放性能的方法。
本發(fā)明是根據(jù)混合動力車輛的運行狀況,分別控制控制算法進入整車上電自檢與故障診 斷控制模塊c、與ABS協(xié)調(diào)控制模塊d、輔助AMT主動換擋協(xié)調(diào)控制模塊e、電機主動補償 控制模塊f、模式切換與能量管理控制模塊g、整車狀態(tài)信息處理與顯示模塊h和發(fā)動機怠速 停機主動控制模塊i,以控制混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的能量分配和系統(tǒng)各總成的協(xié)調(diào)運行。
整車上電自檢與故障診斷控制模塊c包括整車上電自檢和行車故障診斷控制步驟。該控 制模塊是在駕駛員打開鑰匙門8整車上電和混合動力車輛行駛過程中,根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)各總成 上傳的狀態(tài)和故障信息,對驅(qū)動系統(tǒng)進行故障診斷,保證各總成和車輛成員的安全。
與ABS協(xié)調(diào)控制模塊d是在混合動力車輛制動過程中,根據(jù)制動踏板13開度、電機所 能提供的制動扭矩、電機狀態(tài)信息和ABS狀態(tài)信息,與ABSECU6協(xié)調(diào)控制,在保證行車安 全的前提下,最大限度地回收制動能量。如果電機提供的制動力能夠滿足車輛對制動力的要 求,則完全由電機進行再生制動;當電機提供的制動力不足以滿足車輛對制動力的要求時, 由ABS系統(tǒng)根據(jù)電機提供的制動力和制動踏板所要求的制動力調(diào)節(jié)制動系統(tǒng)的制動壓力,以 提供不足的制動力。當電機由于故障等原因不能進行再生制動時,則完全由ABS系統(tǒng)控制制 動系統(tǒng)對車輛進行制動;當車輪發(fā)生抱死,ABS系統(tǒng)不允許進行再生制動時,不再根據(jù)能量 管理策略控制電機進行制動能量的回收,完全由ABS系統(tǒng)對車輛制動進行控制。
輔助AMT主動換擋協(xié)調(diào)控制模塊e是在換擋過程中,利用電機響應迅速的性能特性, 控制電機在AMT換擋過程中,對AMT輸入軸端進行調(diào)速,使AMT的輸入軸迅速達到與輸 出軸同步所要求的轉(zhuǎn)速,進行輔助AMT主動換擋協(xié)調(diào)控制,縮短換擋時間,改善AMT的換 擋品質(zhì)。
電機主動補岸控制模塊f是針對當前電機的性能特性不能滿足整車性能要求的現(xiàn)實情況, 對電機的輸出特性進行主動補償控制,根據(jù)對電機輸出特性的要求和電機的反饋,設(shè)計PID 控制器,確定比例、積分、微分參數(shù)對電機進行補償控制,使電機能夠滿足整車對電機的控 制精度要求。
確定PID控制器各參數(shù)的系統(tǒng)特征方程為
乙W =_^_^_
r>」(l + ^A'r》2 +(;^2 +式中4——要求電機輸出的轉(zhuǎn)矩 ——實際電機的工作轉(zhuǎn)矩 &——比例系數(shù) ——積分時間常數(shù) ~~微分時間常數(shù)
模式切換與能量管理控制模塊g是采用邏輯門限值控制策略,利用混合動力車輛消除怠 速、發(fā)動機工作區(qū)域控制和再生制動能量回收的節(jié)能機理,在混合動力車輛實際運行過程中, 根據(jù)駕駛員的操作(加速踏板IO和制動踏板11開度)和車輛的行駛狀態(tài)控制混合動力驅(qū)動系統(tǒng) 的運行,分別控制驅(qū)動系統(tǒng)進入發(fā)動機單獨驅(qū)動、聯(lián)合驅(qū)動、純電動、對電池充電和再生制 動等主要工作模式,以及跛行回家、電機啟動發(fā)動機和停車充電等輔助工作模式,以適應車 輛不斷變化的運行狀態(tài),降低整車行駛的油耗和排放。
整車狀態(tài)信息處理與顯示模塊h是根據(jù)HCU9通過CAN總線10采集的混合動力驅(qū)動系
統(tǒng)各總成的狀態(tài)信息,實時分析處理整車運行的狀態(tài)信息,并將發(fā)動機與電機的工作點、整
車行駛實時油耗、電池狀態(tài)(SOC、電流、電壓和溫度等)、AMT擋位和電機狀態(tài)等信息發(fā)送 到儀表板上的CAN儀表1上,使駕駛員能實時掌握整車的運行狀態(tài)。
發(fā)動機怠速停機主動控制模塊i是使駕駛員在停車等待時,可以根據(jù)需要等待的時間判 斷是否需要關(guān)閉發(fā)動機。如果需要等待的時間較長,駕駛員通過將換擋手柄12換到空擋位置, 延時delta一t后,發(fā)動機自動關(guān)閉,可達到消除發(fā)動機怠速,節(jié)省燃油和降低排放的目的。這 種可控的發(fā)動機怠速停機控制邏輯可在不改變駕駛員駕駛習慣的基礎(chǔ)上,達到消除發(fā)動機怠 速的效果。
控制算法模塊IV中各模塊的具體說明
整車上電自檢與故障診斷控制模塊c包括整車上電自檢和行車故障診斷控制步驟,對混 合動力車輛進行整車上電自檢和行車故障診斷控制
整車上電自檢控制步驟對車輛行駛前的上電過程進行故障診斷與控制。由于混合動力車 輛上存在最高電壓為420V的強電系統(tǒng),必須嚴格保證車上司乘人員和車輛的安全。混合動 力車輛行駛前,駕駛員打開鑰匙門8, HCU9上電運行,自檢正常后,控制算法進入整車上電 自檢控制邏輯。HCU9采集電池控制單元4、發(fā)動機控制單元3和AMT控制單元5發(fā)送到 CAN總線10上的狀態(tài)信息,對存在的故障進行相應的處理。例如,如果電池控制單元4上 傳存在絕緣或漏電故障的信息,控制邏輯將控制電池高壓繼電器開關(guān)斷開,不對電機進行供 電。整車上電自檢控制步驟將控制車輛進入跛行回家工作模式,油發(fā)動機提供單獨提供駕駛 員所需求的驅(qū)動功率;然后,整車上電自檢控制邏輯控制電池高壓繼電器開關(guān)對電機控制單 元2短時間供電,使電機控制單元2能夠?qū)﹄姍C及本身的狀態(tài)進行自檢并上傳狀態(tài)信息,以 判斷電機目前是否能夠進行正常的工作,以決定是否應該由電池對電機供電。如果電機存在 故障,整車上電自檢控制步驟也將控制車輛進入跛行回家工作模式,由發(fā)動機單獨提供駕駛 員所需求的驅(qū)動功率。通過上電自檢后,控制算法進入模式切換與能量管理控制模塊g。行車故障診斷控制步驟對車輛行駛過程中可能發(fā)生的故障進行診斷與控制。在混合動力 車輛行駛過程中,行車故障診斷控制步驟根據(jù)各總成實時上傳的狀態(tài)和故障信息,進行行駛 過程中的實時故障診斷,根據(jù)所發(fā)生故障的嚴重程度,對發(fā)生的故障進行實時處理,保證整 車行駛安全。例如l.當車輛的傳統(tǒng)驅(qū)動部分或電動驅(qū)動部分發(fā)生嚴重故障時,行車故障診 斷邏輯將控制車輛進入跛行回家工作模式,以仍然工作正常的傳統(tǒng)驅(qū)動部分或電動驅(qū)動部分 使車輛行駛到安全位置進行維修;2.當電動驅(qū)動部分的電機或電池由于溫度或電壓的原因而 無法達到額定性能時,行車故障診斷邏輯將根據(jù)電池控制單元4和電機控制單元2上傳的狀 態(tài)信息,對電機的電動或發(fā)電功率(mc—load)進行限制,以保證總成的安全和使用壽命;
模式切換與能量管理控制模塊g是混合動力車輛整車控制的核心內(nèi)容,本并聯(lián)式混合動 力車輛模式切換與能量管理控制模塊g采用邏輯門限值控制策略,利用混合動力車輛消除怠 速、發(fā)動機工作區(qū)域控制和再生制動能量回收的節(jié)能機理,根據(jù)混合動力驅(qū)動系統(tǒng)各總成的 功能與性能特性和整車性能要求,設(shè)定發(fā)動機、電機和電池的工作范圍和工作模式。在混合 動力車輛實際行駛過程中,根據(jù)駕駛員的操作(加速踏板11與制動踏板13開度的和換擋手柄 12的位置)和車輛的行駛狀態(tài)控制車輛的行駛,分別控制混合動力驅(qū)動系統(tǒng)進入發(fā)動機單獨驅(qū) 動、聯(lián)合驅(qū)動、純電動、對電池充電和再生制動等主要工作模式,以及跛行回家工作模式、 電機啟動發(fā)動機和停車充電等輔助工作模式,以適應車輛不斷變化的行駛工況,達到降低油 耗的排放的效果。 *發(fā)動機單獨驅(qū)動
前提條件SOC^low—soc, eng—spd^:idle—spd, gear—num^;l, (acc_pedal>low—trq_frac & acc_pedal Shigh—trq_frac);
控制參數(shù)eng—load=(T—total x acc_pedal)/eng—trq, eng_on/off= 1 , mc—on/off=0; *聯(lián)合驅(qū)動
前提條件SOC^;low_soc, eng—sp趙dle—spd, gear—num^l, acc_pedal^high_trq__frac; 控制參數(shù)eng—load=eng—max—trq_frac, mc_load=(T—totalxacc_pedal-eng_trq)/mc—trq, mc—on/off=l, eng—on/off=l, mc—mode=2;
* 純電動
前提條件SOC〉low—soc, eng—sp必dle—spd, gear一num上1, veh_spdSelectric_launch_spd; 控制參數(shù)mc_load=(T_total><acc_pedal)/mc—trq, mc—on/off=l, eng—on/off=0, mc—mode=2; 參發(fā)動機驅(qū)動并充電
前提條件SOC<low_soc, eng_spd^idle—spd, gear一num^:1, eng—load <high_trq_frac; 控制參數(shù) eng—load=(T—totalxacc_pedal+T_chg)/eng_trq, mc_load=T_chg/mc_trq, mc—mode=2, mc_on/off=l, eng—on/off=l;
* 再生制動
前提條f牛SOC<high_soc, gear—num^l, acc_pedal=0,brk_pedal2:5%, veh—spd5;gen一brk—spd; 控審慘數(shù)mc—load=(T—brakexbrk_pedal)/mc_trq, mc—on/off=l, eng—on/off=0, mc—mode=2;摸式切換與能量管理的輔助工作模式
*跛行回家當發(fā)動機工作正常,由電機和電池組成的電驅(qū)動系統(tǒng)由于故障無法繼續(xù)運行 時;或當電驅(qū)動系統(tǒng)工作正常,而發(fā)動機發(fā)生故障時,控制算法控制驅(qū)動系統(tǒng)進入跛行 回家工作模式。在跛行回家工作模式下,控制算法將駕駛員對驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動功率要求 發(fā)送給還能夠正常工作的發(fā)動機或電驅(qū)動系統(tǒng)。同時,HCU9向CAN儀表1發(fā)送相應故 障信息,以提醒駕駛員盡快駛往修理場所進行修理。 前提條件mc—err=l或bat—err=l; 或eng—err=l;
控制參數(shù)eng—load=(T—totalxacc_pedal)/eng_trq, eng—on/off=l, mc—on/off=0; 或 mc_load=( T_totalxacc_pedal)/mc_trq, mc—on/oft'=l, eng—on/off=0, mc—mode=2; *電機啟動發(fā)動機駕駛員打開鑰匙門8后,踏下加速踏板11,當加速踏板11開度大于
20%并且持續(xù)-定時間tl,控制算法進入起/停車控制邏輯,控制電機啟動發(fā)動機。電機
以大扭矩迅速將發(fā)動機的轉(zhuǎn)速提高到啟動轉(zhuǎn)速,不僅可以改善發(fā)動機啟動工況下的燃油 經(jīng)濟性和排放性能,而且有利于提高發(fā)動機在冬季時的啟動性能。
前提條件eng—spd=0, acc_pedal520%, time—elapse土2s, gear—num=0; 控制參數(shù)eng—load = 0, mc—load=60%, mc_on/off=l, eng—on/off=l, mc—mode=2 ; if eng—sp趙dle—spd, then mc_load=0;
*停車充電在極端行駛工況下,例如上長坡或長時間高速行駛,電池的電量可能會大量 消耗,這將會限制混合動力車輛性能的發(fā)揮,因此允許駕駛員在停車狀態(tài)下,利用發(fā)動 機對電池進行充電。此時,控制算法進入停車充電控制邏輯,控制電機以適當?shù)某潆娕?矩對電池充電,以滿足車輛正常行駛時對電池荷電狀態(tài)(SOC)的要求 (Soc—low<SOC<Soc—high);
前提條l牛SOC<low_soc, eng—spd^idle—spd, veh_spd=0, gear_num = 0, acc_pedal > 10o/o;
控制參數(shù)eng—load=still—chg_frac, mc_load=(T_engxstill—chg—frac)/mc_trq, mc_on/off=l, eng_on/off= 1 , mc_mode=2;
輔助AMT主動換擋協(xié)調(diào)控制模塊e利用電機響應迅速的性能特性,控制電機在AMT換 擋過程中,對AMT輸入軸端進行調(diào)速,使輸入軸迅速達到同步所要求的轉(zhuǎn)速范圍,縮短換 擋同步時間,改善AMT的換擋品質(zhì),提高車輛行駛的平順性。由于采用并聯(lián)混合動力驅(qū)動 系統(tǒng),原來用于傳統(tǒng)車輛的AMT,由于在其輸入軸端加裝驅(qū)動電機和扭矩合成裝置,造成 AMT輸入軸端的轉(zhuǎn)動慣量增大,使換擋時同步器所提供的同步扭矩已無法滿足輸入軸和輸出 軸迅速同步的要求。因此,輔助AMT主動換擋協(xié)調(diào)控制模塊e在AMT根據(jù)換擋策略進行換 擋時,輔助AMT主動換擋協(xié)調(diào)控制,根據(jù)AMT控制單元(5)的換擋指令(if—shifting4沐輸入 軸目標轉(zhuǎn)速(spd—req),控制電機進入轉(zhuǎn)速控制模式(mc—mode=l),使電機驅(qū)動AMT的輸入軸 迅速達到同步所要求的目標轉(zhuǎn)速(spdjeq)。
整車狀態(tài)信息處理與顯示控制模塊h對HCU9通過CAN總線(lO)采集的混合動力驅(qū)動系 統(tǒng)各總成的狀態(tài)信息,實時分析處理,并將發(fā)動機與電機的工作點、整車行駛實時油耗、電
8池狀態(tài)(SOC、電流、電壓和溫度等)、AMT擋位和電機狀態(tài)等信息發(fā)送到儀表板上的CAN 儀表(1)上,使駕駛員能夠?qū)崟r掌握整車驅(qū)動系統(tǒng)的運行狀態(tài);
電機主動補償控制模塊f是針對當前電機的性能特性不能滿足整車性能要求而提出的。 目前國內(nèi)混合動力車輛所使用電機的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性均存在一定的控制誤差,而電機的 控制特性將直接影響HCU9對整個驅(qū)動系統(tǒng)的精確控制,進而影響整車行駛的動力和經(jīng)濟性 能。為提高整車性能,整車能量管理控制算法要求電機具有良好的可控性,控制誤差在允許 的范圍內(nèi)。電機主動補償控制模塊f對電機的控制采用主動補償法,根據(jù)對電機輸出特性的 要求和電機的反饋,設(shè)計PID控制系統(tǒng),確定比例、積分、微分參數(shù)對電機進行補償控制, 使電機能夠滿足整車對電機的控制精度要求;
與ABS協(xié)調(diào)控制模塊d根據(jù)ABS控制信息協(xié)調(diào)傳統(tǒng)機械制動與電機再生制動的運行。 混合動力車輛的制動包括電機再生制動和機械制動兩部分,最佳的控制效果是在保證制動強 度和制動安全的前提下,最大限度地對制動能量進行回收,以提高整車的燃油經(jīng)濟性,減小 機械制動不見的磨損。制動過程中,與ABS協(xié)調(diào)控制模塊d將電機能夠提供的制動扭矩大小 發(fā)送給AMT控制單元5,由AMT控制單元5控制機械制動系統(tǒng)提供剩余的制動扭矩。當電 機由于故障不能進行再生制動時,AMT控制單元5則控制機械制動系統(tǒng)提供全部制動扭矩, 保證駕駛員對制動扭矩的要求。當車輪發(fā)生抱死,ABS系統(tǒng)需要對制動扭矩進行調(diào)節(jié)時,要 求切斷驅(qū)動系統(tǒng)的動力輸出,與ABS協(xié)調(diào)控制模塊d控制電機不再進行制動能量回收,以保 證行車安全;
發(fā)動機怠速停機主動控制模塊i使駕駛員在停車等待紅燈時,可以根據(jù)需要等待的時間 判斷是否需要關(guān)閉發(fā)動機。如果需要等待的時間較長,駕駛員通過將換擋手柄12換到空擋位 置,延時deltaj后,發(fā)動機自動關(guān)閉,可以達到消除發(fā)動機怠速,節(jié)省燃油和降低排放的目 的。這種可控的發(fā)動機怠速停機控制邏輯可以在不改變駕駛員駕駛習慣的基礎(chǔ)上,達到很好 的消除發(fā)動機怠速的效果;如果需要等待的時間較短,駕駛員可以選擇不將換擋手柄(12)換 到空擋位置而關(guān)閉發(fā)動機,待交通信號燈變?yōu)榫G燈后直接行駛。這可以避免由于采用車速為 零時自動關(guān)閉發(fā)動機的控制方式,遇到紅燈時駕駛員剛剛將車停下,就自動關(guān)閉發(fā)動機,但 是此時交通信號燈馬上就變?yōu)榫G燈,駕駛員需要先行啟動發(fā)動機。這就增加了駕駛員操作步 驟,不利于提高城市交通的效率。;
前提條件mc_on/off=0, acc_pedal=0, veh—spd=0, gear—num= 1—0;
控制參數(shù)eng—on/offM—0;
下面通過假設(shè)一個典型的城市公交車輛行駛工況,來舉例說明本發(fā)明所設(shè)計的并聯(lián)式混 合動力車輛多能源動力總成控制系統(tǒng)所具有的功能
公交車輛從停車處啟動發(fā)動機出發(fā)向下一個站點行駛并在該站點停車上下乘客,這其中
包括啟發(fā)動機、起車、加速、高速行駛、遇紅燈減速停車、等待變燈、加速、高速行駛、減 速、停車上下乘客。
在混合動力車輛的這一行駛過程中,本并聯(lián)式混合動力車輛多能源動力總成控制系統(tǒng)控
9制依次進入下述控制模式駕駛員打開鑰匙門8—整車上電自檢(控制模塊c)—駕駛員踏下加 速踏板11 —電機啟動發(fā)動機(控制模塊g)—駕駛員繼續(xù)踏下加速踏板11—停車充電(控制模塊 g)—駕駛員將換擋手柄12換到D擋—AMT換擋(控制模塊e)—加速踏板11開度較小—發(fā)動 機驅(qū)動車輛行駛并對電池充電(控制模塊g)—單獨驅(qū)動(控制模塊g)—加速踏板11開度較大—
聯(lián)合驅(qū)動(控制模塊g)—加速踏板11開度減小—單獨驅(qū)動(控制模塊g)—駕駛員踏下制動踏板 13—制動能量回收(控制模塊g和控制模塊d)—停車—等待紅燈的時間較長,駕駛員將換擋手 柄12換到N擋—關(guān)閉發(fā)動機(控制模塊i)—交通信號等變?yōu)榫G燈,駕駛員踏下加速踏板11 — 電機啟動發(fā)動機(控制模塊g)—駕駛員將換擋手柄12換到D擋—AMT換擋(控制模塊e)—發(fā) 動機驅(qū)動并對電池充電(控制模塊g)—單獨驅(qū)動(控制模g)—聯(lián)合驅(qū)動(控制模塊g)—單獨驅(qū)動 (控制模塊g)—AMT換擋(控制模塊e)—制動能量回收(控制模塊g和控制模塊d)—停車(控制 模塊g)。
本發(fā)明的積極效果在于能根據(jù)并聯(lián)混合動力車輛的實際行駛狀態(tài),對混合動力驅(qū)動系統(tǒng) 進行能量管理和各總成的協(xié)調(diào)控制,實現(xiàn)整個混合動力驅(qū)動系統(tǒng)各總成之間最佳的能量分配, 同時解決由于車輛驅(qū)動系統(tǒng)混合動力化所帶來的驅(qū)動系統(tǒng)復雜程度提高和結(jié)構(gòu)變化等一系列 問題,最大限度地提高整車的燃油經(jīng)濟性、降低發(fā)動機的廢氣排放,并使整個驅(qū)動系統(tǒng)可靠 而有效地工作,獲得整車運行的最佳性能。
圖1為并聯(lián)式混合動力車輛整車能量管理與總成協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)示意圖
其中i.驅(qū)動系統(tǒng)各總成之間的通訊部分n.Hcu硬件電路ni.HCu軟件結(jié)構(gòu)iv.控制
算法模塊l.CAN儀表2.電機控制單元3.發(fā)動機控制單元4.電池控制單元、5.八\1丁控制 單元6.AMT控制單元7.車載電源8.鑰匙門9.HCU (混合動力整車控制系統(tǒng))10.CAN 總線ll.加速踏板12.換擋手柄13.制動踏板A.SRAM數(shù)據(jù)存儲器B.Flash程序存儲器 C.復位電路D.時鐘電路E.供電電路RRS232串行通訊接口電路G.CAN總線接口電路 H.模擬輸入輸出電路I.脈沖輸入電路J.數(shù)字輸入輸出電路K.處理器a.硬件底層驅(qū)動 b.OSEK turbo OS實時操作系統(tǒng)c.整車上電自檢與故障診斷控制模塊d.與ABS協(xié)調(diào)控制模 塊e.輔助AMT主動換擋協(xié)調(diào)控制模塊f.電機主動補償控制模塊g.模式切換與能量管理 控制模塊h.整車狀態(tài)信息處理與顯示控制模塊i.發(fā)動機怠速停機主動控制模塊
圖2為整車上電自檢控制流程圖
圖3為輔助AMT換擋控制流程圖
圖4為電機主動補償控制系統(tǒng)控制規(guī)律示意圖
圖5為與ABS的協(xié)調(diào)控制的原理示意圖
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖作進一步說明
如圖1所示驅(qū)動系統(tǒng)各總成之間的通訊部分I中,HCU9與驅(qū)動系統(tǒng)各總成控制單元
10(包括.CAN儀表1、電機控制單元2、發(fā)動機控制單元3、電池控制單元4、 AMT控制單元 5和ABS控制單元6)通過C AN總線10構(gòu)成混合動力車輛的車載網(wǎng)絡系統(tǒng)。整車上電后,HCU9 通過車載網(wǎng)絡系統(tǒng)采集驅(qū)動系統(tǒng)各總成控制單元的狀態(tài)信息,以及駕駛員的控制信息(加速踏 板11與制動踏板13的開度和換擋手柄12的位置),為整車能量管理與總成協(xié)調(diào)控制方法根 據(jù)車輛的實際運行狀態(tài)進行最佳控制提供依據(jù)。
HCU軟件結(jié)構(gòu)III與HCU9硬件電路II (由SRAM數(shù)據(jù)存儲器A、 Flash程序存儲器B、 復位電路C、時鐘電路D、供電電路E、 RS232串行通訊接口電路F、 CAN總線接口電路G、 模擬輸入/輸出電路H、脈沖輸入電路I、數(shù)字輸入/輸出電路J和處理器K組成)構(gòu)成混合動 力車輛整車控制系統(tǒng)HCU9。
.HCU軟件結(jié)構(gòu)III包括硬件底層驅(qū)動a、 OSEKturbo OS實時操作系統(tǒng)b和控制算法模塊IV。
硬件底層驅(qū)動a對HCU9硬件電路的硬件底層外設(shè)進行配置,例如對CAN總線通訊 端口的波特率、位定時、中斷以及接受和發(fā)送報文的ID和數(shù)據(jù)位進行設(shè)置。此外,將HCU9 硬件系統(tǒng)采集的整車狀態(tài)信息賦值給控制算法模塊IV相應的變量,另一方面,將控制算法模 塊IV輸出的控制指令轉(zhuǎn)化為相應的控制信號,發(fā)送給驅(qū)動系統(tǒng)各總成控制單元。
OSEK turbo OS實時操作系統(tǒng)b提供控制算法模塊IV與硬件底層驅(qū)動a之間的接口 ,進 行任務管理、資源管理和中斷處理等項操作。
控制算法模塊IV根據(jù)采集的信息,控制算法進入不同的控制模塊(S卩整車上電自檢與 故障診斷控制模塊c、與ABS協(xié)調(diào)控制模塊d、輔助AMT主動換擋協(xié)調(diào)控制模塊e、電機主 動補償控制模塊f、模式切換與能量管理控制模塊g、整車狀態(tài)信息處理與顯示控制模塊h和 發(fā)動機怠速停機主動控制模塊i),以適應車輛行駛狀態(tài)的不斷變換并協(xié)調(diào)驅(qū)動系統(tǒng)各總成的 運行,在保證車輛動力性和安全性的前提下,達到提高燃油經(jīng)濟性和降低排放的目標。
如圖2所示,當駕駛員打開鑰匙門8后,HCU9上電運行,完成自身的上電自檢后,控 制算法進入整車上電自檢控制邏輯。HCU9通過CAN總線IO采集并處理動力電池控制單元 4上傳的電池狀態(tài)和故障信息(有無內(nèi)CAN通訊與絕緣故障和電池溫度、SOC、電壓與電流), 如果電池狀態(tài)正常,則通過報文HCU—ESS的ess—cmd指令控制高壓繼電器開關(guān)短時間閉合, 以對電機控制單元2短時間供電,使電機控制單元2能夠?qū)﹄姍C及控制器狀態(tài)進行自檢,并 上傳狀態(tài)與故障信息(逆變器和定子溫度,以及有無過流、過壓、過熱、欠壓、編碼故障、缺 相和逆變器故障)。控制算法模塊IV根據(jù)電機上傳的信息,判斷電機當前是否能夠正常工作, 以決定電池是否應該對電機供電。如果電機狀態(tài)正常,則控制電池的高壓繼電器閉合,允許 電機進行功率分配和其它功能,否則向CAN儀表1發(fā)送相應的故障信息。
如圖3所示,本發(fā)明針對傳統(tǒng)車輛的AMT由于結(jié)構(gòu)的改變已不適合混合動力車輛換擋 要求的現(xiàn)實情況,利用電機可以快速調(diào)速的特性,進行AMT換擋主動同步控制以輔助AMT 的調(diào)速,縮短換擋時間,提高換擋品質(zhì)。輔助AMT主動換擋協(xié)調(diào)控制邏輯的具體實施方法: 當AMT控制單元根據(jù)車輛行駛的要求,進行換擋時,控制系統(tǒng)根據(jù)AMT控制單元的換擋指令(ifLshifting^)和輸入軸目標轉(zhuǎn)速(spcLreq),控制電機進入轉(zhuǎn)速控制模式(mc—mode二 1),使電 機驅(qū)動AMT的輸入軸迅速達到同步所要求的目標轉(zhuǎn)速(spd一req),以縮短同步時間,改善AMT 的換擋品質(zhì),提高車輛行駛的平順性。
根據(jù)AMT控制單元的換擋指令(if—shifting^)和輸入軸目標轉(zhuǎn)速(spd—req),控制電機進入 轉(zhuǎn)速控制模式(mc mode=l)。
如圖4所示,本發(fā)明針對電機的性能特性不能滿足整車要求的問題進行了研究,在控制 算法的電機控制中采用了對電機的主動補償控制,具體控制方法如圖4所示。本多能源動力 總成控制方法采用PID控制主動補償控制方法對混合動力車輛所用動力電機采取主動補償控 制,根據(jù)對電機輸出的特性要求和電機的實際反饋對電機進行主動補償控制,以保證能夠在 現(xiàn)有電機性能的基礎(chǔ)上達到混合動力車輛整車對動力電機控制性能的要求。
如圖5所示,本發(fā)明在并聯(lián)式混合動力車輛制動時,如果ABS自檢正常允許電機進行再 生制動,那么與ABS協(xié)調(diào)控制模塊d根據(jù)制動踏板13開度(Brakejedal)確定所需制動力扭 矩brake一trq,再根據(jù)電機當前轉(zhuǎn)速確定所對應的最大輸出扭矩Tmax。如果brake_trq大于 Tmax,電機以100%負荷率進行再生制動,然后向AMT控制單元5發(fā)送電機所提供的制動 扭矩(Motore—brake—torque)=Tmax。如果brakejrq小于Tmax,即電機的扭矩輸出能夠滿足車 輛制動的要求,則完全由電機進行制動,最大限度地對制動能量進行回收,以提高車輛的燃 油經(jīng)濟性,同時向AMT控制單元5發(fā)送電機所提供的制動扭矩 (Motore—brake—torque)=brake—trq。當電機提供的制動力不足以滿足車輛的制動要求時,由AMT 控制單元5根據(jù)接電機提供的制動力和制動踏板13所要求的制動壓力調(diào)節(jié)制動系統(tǒng)的制動壓 力,以提供不足的制動力。當電機由于故障等原因不能進行再生制動時,則發(fā)送 Motore—brake—torque=0,完全由AMT控制單元5控制制動系統(tǒng)對車輛進行制動。當由于車輪 抱死等原因,ABS系統(tǒng)不允許電機進行再生制動時,發(fā)送Motor_state=0,與ABS協(xié)調(diào)控制 模塊d不再根據(jù)能量管理策略控制電機進行制動能量的回收,完全由AMT控制單元5對車 輛制動進行控制。
權(quán)利要求
1.一種并聯(lián)式混合動力車輛整車能量管理與總成協(xié)調(diào)控制方法,其特征在于根據(jù)混合動力車輛的運行狀況,分別控制控制算法進入整車上電自檢與故障診斷控制模塊(c)、與ABS協(xié)調(diào)控制模塊(d)、輔助AMT主動換擋協(xié)調(diào)控制模塊(e)、電機主動補償控制模塊(f)、模式切換與能量管理控制模塊(g)、整車狀態(tài)信息處理與顯示模塊(h)和發(fā)動機怠速停機主動控制模塊(i),以控制混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的能量分配和系統(tǒng)各總成的協(xié)調(diào)運行。
2. 按權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于所述的整車上電自檢與故障診斷控制模塊(c)包括整車上電自檢和行車故障診斷控制步驟。該控制模塊是在駕駛員打開鑰匙門(8)整車上電和混合動力車輛行駛過程中,根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)各總成上傳的狀態(tài)和故障信息,對驅(qū)動系統(tǒng)進行故障診斷,保證各總成和車輛成員的安全。
3. 按權(quán)利要求l所述的方法,其特征在于所述的與ABS協(xié)調(diào)控制模塊(d)是在混合動力車輛制動過程中,根據(jù)制動踏板(13)開度、電機所能提供的制動扭矩、電機狀態(tài)信息和ABS狀態(tài)信息,與ABSECU(6)協(xié)調(diào)控制,在保證行車安全的前提下,最大限度地回收制動能量。如果電機提供的制動力能夠滿足車輛對制動力的要求,則完全由電機進行再生制動;當電機提供的制動力不足以滿足車輛對制動力的要求時,由ABS系統(tǒng)根據(jù)電機提供的制動力和制動踏板所要求的制動力調(diào)節(jié)制動系統(tǒng)的制動壓力,以提供不足的制動力。當電機由于故障等原因不能進行再生制動時,則完全由ABS系統(tǒng)控制制動系統(tǒng)對車輛進行制動;當車輪發(fā)生抱死,ABS系統(tǒng)不允許進行再生制動時,不再根據(jù)能量管理策略控制電機進行制動能量的回收,完全由ABS系統(tǒng)對車輛制動進行控制。
4. 按權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于所述的輔助AMT主動換擋協(xié)調(diào)控制模塊(e)是在換擋過程中,利用電機響應迅速的性能特性,控制電機在AMT換擋過程中,對AMT輸入軸端進行調(diào)速,使AMT的輸入軸迅速達到與輸出軸同步所要求的轉(zhuǎn)速,進行輔助AMT主動換擋協(xié)調(diào)控制,縮短換擋時間,改善AMT的換擋品質(zhì)。
5. 按權(quán)利要求l所述的方法,其特征在于所述的電機主動補償控制模塊(f)是針對當前電機的性能特性不能滿足整車性能要求的現(xiàn)實情況,對電機的輸出特性進行主動補償控制,根據(jù)對電機輸出特性的要求和電機的反饋,設(shè)計PID控制器,確定比例、積分、微分參數(shù)對電機進行補償控制,使電機能夠滿足整車對電機的控制精度要求。
6. 按權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于所述的模式切換與能量管理控制模塊(g)是采用邏輯門限值控制策略,利用混合動力車輛消除怠速、發(fā)動機工作區(qū)域控制和再生制動能量回收的節(jié)能機理,在混合動力車輛實際運行過程中,根據(jù)駕駛員的操作(加速踏板(io)和制動踏板(ll)開度)和車輛的行駛狀態(tài)控制混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的運行,分別控制驅(qū)動系統(tǒng)進入發(fā)動機單獨驅(qū)動、聯(lián)合驅(qū)動、純電動、對電池充電和再生制動等主要工作模式,以及跛行回家、電機啟動發(fā)動機和停車充電等輔助工作模式,以適應車輛不斷變化的運行狀態(tài),降低整車行駛的油耗和排放。
7. 按權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于所述的整車狀態(tài)信息處理與顯示模塊(h)是根據(jù)HCU(9)通過CAN總線(10)采集的混合動力驅(qū)動系統(tǒng)各總成的狀態(tài)信息,實時分析處理整車運行的狀態(tài)信息,并將發(fā)動機與電機的工作點、整車行駛實時油耗、電池狀態(tài)(SOC、電流、電壓和溫度等)、AMT擋位和電機狀態(tài)等信息發(fā)送到儀表板上的CAN儀表(1)上,使駕駛員能實時掌握整車的運行狀態(tài)。
8. 按權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于所述的發(fā)動機怠速停機主動控制模塊(i)是使駕駛員在停車等待時,可以根據(jù)需要等待的時間判斷是否需要關(guān)閉發(fā)動機。如果需要等待的時間較長,駕駛員通過將換擋手柄(12)換到空擋位置,延時delta—t后,'發(fā)動機自動關(guān)閉,可以達到消除發(fā)動機怠速,節(jié)省燃油和降低排放的目的。這種可控的發(fā)動機怠速停機控制邏輯可以在不改變駕駛員駕駛習慣的基礎(chǔ)上,達到消除發(fā)動機怠速的效果。
9. 按權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于確定PID控制器各參數(shù)的系統(tǒng)特征方程為<formula>formula see original document page 3</formula>式中,rm——要求電機輸出的轉(zhuǎn)矩r'w——實際電機的工作轉(zhuǎn)矩《?!壤禂?shù)K——積分時間常數(shù)~~m分時間常數(shù)
全文摘要
并聯(lián)式混合動力車輛整車能量管理與總成協(xié)調(diào)控制方法屬混合動力車輛驅(qū)動系統(tǒng)控制領(lǐng)域,本發(fā)明是根據(jù)混合動力車輛的運行狀況,分別控制控制算法進入整車上電自檢與故障診斷控制模塊、與ABS協(xié)調(diào)控制模塊、輔助AMT主動換擋協(xié)調(diào)控制模塊、電機主動補償控制模塊、模式切換與能量管理控制模塊、整車狀態(tài)信息處理與顯示模塊和發(fā)動機怠速停機主動控制模塊,以控制混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的能量分配和系統(tǒng)各總成的協(xié)調(diào)運行。本發(fā)明能對混合動力驅(qū)動系統(tǒng)進行能量管理和各總成的協(xié)調(diào)控制,實現(xiàn)混合動力驅(qū)動系統(tǒng)各總成間最佳的能量分配,最大限度地提高整車的燃油經(jīng)濟性、降低發(fā)動機的廢氣排放,并使整個驅(qū)動系統(tǒng)可靠而有效地工作,獲得整車運行的最佳性能。
文檔編號B60W20/00GK101492046SQ20081005146
公開日2009年7月29日 申請日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者于遠彬, 曾小華, 朱慶林, 王偉華, 王慶年, 王鵬宇 申請人:吉林大學