一种油电混合动力电动力的速度巡航控制装置和方法

摘要

公开了用于油电混合电动车的速度巡航控制装置和方法，该混合动力车包括发动机、发动机控制单元、发动机经济运行控制单元、第一电机和第二电机、分别控制第一电机和第二电机的第一伺服驱动器和第二伺服驱动器、储能单元、直流母线、以及母线电压检测及PID控制单元，该巡航控制装置包括巡航控制单元，其中当对车速进行巡航控制时，巡航控制单元直接根据所需车速通过第二伺服驱动器控制第二电机的转速或者转矩，以实现所需车速下的巡航控制；并且当设定条件或负载情况急剧变化时，第二电机所需或输出的能量实时地由储能单元通过直流母线补给或吸收，以实现实时巡航控制。

说明书

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一种油电混合动力电动车的速度巡航控制装置和方法 技术领域

本发明涉及汽车速度控制领域的一种速度巡航控制装置， 具 体而言涉及一种采用双联电机的油电混合动力电动车的速度巡^ t 控制装置。 本发明还涉及该速度巡航控制装置的巡航控制方法。 技术背景

为使得汽车具有较好的驾驶舒适性， 人们在汽车控制策略上 设置了巡航功能。 在高速公路上长时间行驶时， 打开该巡航控制 系统的自动操纵开关后， 巡航控制系统将根据行车阻力自动增减 节气门开度， 从而使汽车行驶速度保持一定。 这样可以避免驾驶 员频繁踩油门踏板， 同时保证汽车以预先设定的速度行驶。 汽车 自动在一定条件下恒速行驶， 大大地减轻了驾驶员的驾驶疲劳强 度。 由于巡航控制系统能自动地保持一定车速， 避免了不必要的 油门踏板的人为变动， 进而改善了汽车的燃油经济性和发动机的 排放性。

常规巡航控制系统由传感器、 操作开关、 执行器和巡航控制 ECU 等组成。 .传感器和开关将信号送入巡航控制 ECU , ECU根据这 些信号计算节气门应有的开度， 并给执行器发出信号， 自动调节 节气门开度。

传感器包括车速传感器、 节气门位置传感器、 节气门控制摇 臂传感器， 分别用于测量车速、 节气门位置、 节气门控制摇臂位 置。

操作开关主要由驾驶员进行操作， 用于设置巡航车速或将其 重新设置为另一车速， 以及取消巡航控制等。

巡航控制 BCU 由处理器芯片、 A/D、 D/A 转换 I C 及输出重置 驱动和保护电路等模块组成。 ECU 接收来自各种传感器 （例如车 速传感器） 和各种开关的信号， 按照预先存储的程序进行处理。 当车速偏离设定的巡航车速时， 给执行器一个电信号， 控制执行 器的动作， 使实际车速与设定车速相一致。

执行器将 ECU 输出的电流或电压信号转变为机械运动， 进而 控制节气门的开度， 最终达到控制车速的目的。 目前使用的执行 器有两种类型， 一中是真空驱动型， 另一种是电机驱动型。 前者 由负压操纵节气门， 后者由微电机操纵节气门。

现有的巡航控制方案采用机械执行机构通过改变节气门开度 调节发动机转速， 从而实现巡航功能， 由于机械执行机构的动作 延时和发动机响应的自然延时， 现有的巡航控制在应用中有很多 局限， 例如在路面状况较差、 风速变化较大、 设定巡航速度与实 际车速相差过大时， 巡航功能往往不能实现或者不能改善汽车燃 油经济性。

本发明描述的油电混合动力电动车的速度巡 t控制装置和方 法， 利用伺服电机快速响应的伺服特性， 很好地克服了传统方案 中响应速度慢、 定速精度低、 对燃油经济性改进有限的缺点， 并 且成本低廉， 便于推广。 发明内容

本发明的目 的是设计一种油电混合动力电动车的速度巡航控 制装置， 在相应控制方法的控制下， 该装置有如下功能： ①能够 让汽车平稳运行在设定速度上， 即使在负载阻力变化剧烈时仍能 实现高精度速度巡航； ②即使在负载阻力变化剧烈时， 仍然保持 发动机运行状态平稳变化， 使发动机一直工作在最佳经济运行曲 线上， 实现更好的燃油经济性能； ③有更宽广的巡航速度调节范 围以及更快速的调节响应性； ④巡航调速平滑、 操作简单， 具有 很好的驾驶性能。

本发明设计的油电混合动力电动车的速度巡航控制装置包括 发动机、 发动机控制单元、 发动机经济运行控制单元、 第一电机 和第二电机、 分别控制第一电机和第二电机的第一伺服驱动器和 第二伺服驱动器、 储能单元、 直流母线、 以及母线电压检测及 P I D 控制单元。 该第一电机由第一、 第二两个转子构成， 其第一转子 与发动机输出轴直连， 第一转子上安装有用于建立电机磁场的永 磁磁极， 第一转子轴上安装有第一速度 /位置传感器； 该第一电 机的第二转子上安装有电机绕组， 绕组通过同轴安装的滑环与第 一伺服驱动器实现电气连接， 第二转子输出轴通过输出齿轮连接 到差速器； 该第二电机定子安装在固定的机座上， 其上为电枢绕 组， 第二电机的转子为本装置第三转子， 第三转子安装有用于建 立电机磁场的永磁磁极。 第三转子轴与第二转子同轴， 第三转子 轴上安装有第二速度 /位置传感器。 发动机经济运行控制单元控 制第一伺服驱动器和第一电机按最佳经济运行的要求对发动机施 加负载， 第一电机同时与第二电机一同向混合动力车提供驱动动 力。 直流母线将储能单元、 第一和第二伺服驱动器以及母线电压 检测及 P I D控制单元相连， 该母线电压检测及 P I D控制单元用于 控制第二电机输出轴力矩大小。 巡航控制装置还包括巡航控制单 元， 其中：

当对车速进行巡航控制时， 巡航控制单元直接根据所需车速 通过第二伺服驱动器控制第二电机的转速或者转矩， 以实现所需 车速下的巡航控制； 并且

当设定条件或负载情况急剧变化时， 第二电机所需的能量或 输出的能量实时地由储能单元通过直流母线补给或吸收， 以实现 巡航控制中实时的能量需求。

该速度巡航控制装置还包括主控单元， 当选择巡航控制时， 主控单元根据储能单元的充电功率需求信号以及根据车况获得的 驱动动力需求信号通过发动机控制单元緩慢控制发动机的工作点 变化， 从而在较长时间段内满足巡航控制的能量需求。

即使在负载变化剧烈的情况下， 主控单元仍然保持发动机运 行状态平緩变化。

该速度巡航控制装置还包括主控单元， 主控单元根据外部操 作决定是否进行巡航控制； 当进行巡航控制时， 主控单元根据外 部巡航控制指令向巡航控制单元发送车速设定， 同时中止由母线 电压监测及 P I D 控制单元控制第二伺服驱动器的转矩设定， 而由 巡航控制单元控制第二伺服驱动器的转矩设定。

当取消巡航控制时， 主控单元根据外部取消巡航控制指令中 止巡航控制单元的运行， 而由母线电压监测及 P I D 控制单元控制 第二伺服驱动器的转矩设定。

上述第一电机也可采用如下结构： 第一转子上安装有电机绕 组， 绕组通过同轴安装的滑环与第一伺服驱动器实现电气连接， 第一转子轴上安装有第一速度 /位置传感器； 第一电机的第二转 子上安装有用于建立电机磁场的永磁磁极。

第一伺服驱动器接收来自发动机经济运行主控单元的力矩设 定信号以及来自第一、 第二速度 /位置传感器检测的第一电机的 第一、 第二转子相对位置信号， 继而以力矩伺服的方式控制第一 电机电枢绕组的电流矢量， 实现对第一转子的扭矩施加并通过第 一转子对发动机施加负载扭矩； 第二伺服驱动器接受从主控单元 传递过来的扭矩设定信号， 根据来自第二速度 /位置传感器检测 的第二电机的第三转子位置信号， 驱动第二电机的第三转子对外 输出扭矩。

发动机经济运行主控单元内的计算机单元存有发动机的最佳 经济运行曲线， 它根据第一速度 /位置传感器送来的发动机转速 信号决定送入第一伺服驱动器的力矩设定值。

直流母线及储能单元与第一、 第二伺服驱动器以及母线电压 监测及 P I D 控制单元连接， 主要用来存储多余的电能或在必要时 向母线输送存储的电能。

母线电压监测及 P I D 控制单元根据母线电压的监测结果决定 非巡航状态下第二伺服驱动器力矩设定值的大小， 并通过主控单 元传递到第二伺服驱动器， 继而控制第二电机输出力矩。

巡航控制单元根据来自主控单元的车速设定信号和第二速度 / 位置传感器检测的车速信号决定第二伺服驱动器的力矩设定值的 大小， 并通过主控单元传递到第二伺服驱动器， 继而控制第二电 机输出力矩， 实现车速闭环控制即巡航控制。

发动机控制单元接受来自主控单元的控制信号， 控制发动机 转动， 从而满足整车运行、 发电储能等能量需求。

主控单元根据驾驶者的操作， 对整车的个环节进行控制， 在 本发明中具体而言接受巡航控制指令， 向巡航控制单元发送车速 设定， 接受来自巡航控制单元和母线电压监测及 P I D 控制单元分 别送来的第二伺服驱动器力矩设定信号， 选择巡航控制或非巡航 控制。 同时， 主控单元还根据储能单元送来的充电功率需求信号 以及根据车况获得的驱动动力需求信号通过发动机控制单元控制 发动机的工作点。 008000056

附图说明

图 1 为根据本发明的油电混合电动车的速度巡航控制装置实 施例结构示意图。

图中标号列表：

1、 发动机控制单元，

2、 发动机，

3、 第一速度 /位置传感器，

4、 第二转子，

5、 第一转子，

6、 发动机经济运行控制单元，

7、 集电环，

8、 主控单元，

9、 第一伺服驱动器，

10、 输出齿轮系，

11、 定子，

12、 第三转子，

13、 直流母线及储能单元，

14、 母线电压监测及 PID控制单元，

15、 第二伺服驱动器，

16、 巡航控制单元，

17、 第二速度 /位置传感器， 和

18、 差速器。 具体实施方式

根据本发明的油电混合动力电动车的速度巡航控制装置实施 例结构示意图如图 1 所示。 在该混合动力电动车中， 发动机 2 受 发动机控制单元 1 控制。 第一电机可以为双转子永磁同步电机， 其第一转子 5 安装在发动机 2 的输出轴上， 其第二转子 4 安装在 输出轴上从而通过输出齿轮系 1Q 连接到差速器 18。 第二转子上 的电枢绕组通过同轴安装的集电环 7 与第一伺服驱动器 9 连接。 第二电机可以为永磁同步电机， 其转子为本发明中的第三转子 12, 第三转子 12 与第二转子 4 同轴安装， 第二电机的定子 11 安 装于固定的机壳上。 在发动机 2 的输出轴上安装有第一速度 /位 置传感器 3, 用以测量发动机转速与第一转子位置。 在第二转子 4 和第三转子 12 共同的轴上， 安装有第二速度 /位置传感器 17， 用以测量输出轴转速 （ 因为速比固定， 从此速度可荻得车速） 以 及第二转子 4和第三转子 12的位置。

本装置还包括第一伺服驱动器 9 和第二伺服驱动器 15, 它们 接受来自发动机经济运行控制单元 6 的力矩设定信号， 以分别控 制第一、 第二电机的力矩； 以及接受来自主控单元 8的控制信号， 以控制第一、 第二电机系统的运行与否。

本装置还包括母线电压监测及 PID控制单元 14, 它通过直流 母线与第一伺服驱动器 9、 第二伺服驱动器 15、 直流母线及储能 单元 13连接。 母线电压监测及 P ID控制单元 14 向主控单元 8发 送非巡航状态下第二电机系统的力矩设定值， 并接受主控单元 8 的控制。 直流母线及储能单元 13 除了在内部蓄电池管理系统认 为必要的情况下从直流母线取用电能向蓄电池储能外， 还可根据 直流母线电压情况必要时从内部蓄电池取用能量输送到直流母线 上， 并且根据内部蓄电池管理系统状态向主控单元 8 提出充电功 率需求， 从而可以通过主控单元 8改变发动机 2的运行工作点。

本装置还包括巡航控制单元 16, 其接收第二速度 /位置传感 器 17 送来的车速信号以及主控单元 8 送来的车速设定信号， 进 行 PID运算， 并向主控单元 8 送出第二电机系统的力矩设定， 经 主控单元 8、 第二伺服驱动器 15、 第二电机实现车速的闭环控制 即巡航控制。

才 据本发明的油电混合动力电动车的速度巡航控制装置可以 通过以下示例性控制方法进行控制。

当驾驶员未选择巡航或者巡航被取消时， 主控单元 8 综合驾 驶员踩压加速踏板的信号以及直流母线及储能单元 13 送来的充 电功率需求信号， 通过发动机控制单元 1 控制发动机 2 运行， 并 且利用母线电压监测及 PID 控制单元 14 通过母线电压的变化来 控制第二伺服驱动器 15 的力矩设定， 以满足动力需求与供给的 总体平衡。 同时主控单元 8 根据加速踏板的角度变化对输出到第 二伺服驱动器 1 5 的力矩设定信号大小进行实时修正以满足加速 动力特性的需求。

当驾驶员操作例如巡航控制开关而选择巡航控制时， 主控单 元 8 接受外部巡航控制指令， 并根据此巡航控制指令向巡航控制 单元 1 6 发送相应的车速设定。 同时主控单元 8 切断由母线电压 监测及 P I D控制单元 1 4控制第二伺服驱动器 1 5 的力矩设定的通 道， 转而由巡航控制单元 1 6控制第二伺服驱动器 1 5的力矩设定。

在此情况下， 巡航控制单元 1 6根据来自主控单元 8的车速设 定信号和第二速度 /位置传感器 1 7 检测到的车速信号， 通过控制 第二伺服驱动器 1 5 的力矩设定而利用第二电机进行速度闭环控 制， 即可实现车速巡航控制。 例如， 当车速根据巡航速度设定的 要求进行改变， 或者车辆所行驶的路面、 风速等负载情况变化时， 车速与巡航设定车速之间可能产生偏差。 巡航控制单元 1 6 根据 该偏差和预存的控制策略 （如 P I D 控制） 控制第二电机系统的力 矩来消除此偏差， 由此保证巡航的精度。 当负载情况急速变化时， 第二电机系统为进行巡航控制而消耗或回收的能量实时地由直流 母线及储能单元 1 3 补给或吸收。 这样就避免了传统巡航控制方 法那样通过发动机緩慢的升降速度进行调节的过程中产生的滞 后、 车速的不精确调节， 并实现了实时、 精确的速度控制。

当选择巡航控制时， 主控单元 8 还根据直流母线及储能单元

1 3 送来的充电功率需求信号以及根据车况获得的驱动动力需求信 号， 通过发动机控制单元 1 控制发动机 2 的工作点， 从而在总体 上满足巡航控制的能量需求。 通常， 如果需要发动机 2 的工作点 变化， 主控单元 8 使得发动机 2 的工作点沿着最佳燃油经济性曲 线緩慢变化。 即使在负载变化剧烈的情况下， 主控单元 8 仍然保 持发动机运行状态平缓变化。 从而使得排放不会因工作点突然变 化而恶化。

无论是否选择巡航运行， 发动机经济运行控制单元 6 始终控 制第一伺服驱动器 9 并由此控制第一电机按最佳经济运行的要求 对发动机 2 施加负载。 主控单元 8 还根据功率需求的大小、 直流 母线及储能单元 1 3 的电能存储状态等控制发动机 2 的启停， 以 获得经济的燃油效率。