一种单电机并联式混合动力车辆模式切换的控制方法

摘要

本发明公开了一种单电机并联式混合动力车辆模式切换的控制方法，将整个模式切换过程划分为发动机启动、发动机‑电机转速同步、离合器接合和发动机‑电机转矩调节四个阶段；在每个阶段，通过电机实施主动控制来抑制由于发动机或离合器动态转矩所引起的车辆纵向冲击，电机主动控制采用基于前馈‑线性二次型反馈控制与鲁棒补偿控制相结合的复合控制方法；前馈‑线性二次型反馈控制主要用于控制标称线性系统，鲁棒补偿控制主要用于抑制车辆参数不确定性、发动机/离合器转矩波动以及车辆行驶阻力变化等不确定性因素的影响。本发明方法不仅能够提高模式切换过程中车辆的纵向驾驶性能，减少离合器部件磨损，还具有较强的鲁棒性。

说明书

技术领域

本发明属于混合动力电动车辆控制领域，具体涉及一种单电机并联式混合动力车辆从纯电动驱动模式向混合驱动/发动机驱动/发动机驱动且充电模式切换过程的控制方法。

背景技术

单电机并联式混合动力车辆在以纯电动模式低速行驶过程中，如果驾驶员急踩加速踏板或者动力电池电量不足时，车辆会从纯电动驱动模式切换至混合驱动/发动机驱动/发动机驱动且充电模式。对于单电机并联式混合动力车辆来说，需要通过接合离合器来启动发动机，以及发动机与电机快速同步来实现模式切换。整个模式过程包括了发动机启动、离合器接合以及发动机和电机转矩急剧变化等一系列瞬态过程，容易导致系统输出转矩突变，产生过大的纵向冲击，严重影响车辆的纵向驾驶性能。

申请号为CN201010540884.1的中国专利“单电机双离合器混合动力车辆发动机启动协调控制方法”中，描述了一种单电机并联式混合动力车辆从纯电动驱动切换至混合驱动过程的协调控制方法。该方法通过离合器来启动发动机，电机在提供驱动转矩的同时补偿离合器摩擦转矩。当发动点火启动，且发动机与电机达到等速运转时，驱动电机取消补偿离合器摩擦转矩并进入转速闭环控制模式；当发动机转矩趋近于某确定值后，驱动电机退出转速闭环控制模式，协调控制完成。

该专利描述的控制方法中，在发动机点火启动后与电机转速逐渐同步阶段，离合器一直处于滑摩状态，滑磨功会增加，尤其在城市工况下，混合动力车辆频繁地进行此类模式切换会进一步加剧离合器磨损，影响离合器使用寿命。其次，由于离合器摩擦转矩和发动机动态转矩具有较强的非线性特性，而该专利中描述的控制方法仅考虑发动机和离合器动态转矩中的稳态分量，忽略了其动态转矩中的波动分量，将会使得发动机和离合器动态转矩估计不准确，驱动电机不能对发动机和离合器动态转矩进行精确补偿，会影响到模式切换协调控制的实际效果。此外，该专利中描述的控制方法中没有考虑车辆参数变化(如整车质量、档位)和外部行驶阻力变化对协调控制性能的影响，该协调控制方法的鲁棒性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种单电机并联式混合动力车辆模式切换的控制方法，不仅能够保证车辆行驶动力性的需求，而且能有效抑制模式切换过程中发动机和离合器转矩波动对车辆行驶产生的纵向冲击；同时，还可有效减缓离合器元件的磨损，对整车和部件参数的变化和外部扰动具有较强的鲁棒性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种单电机并联式混合动力车辆模式切换的控制方法，包括以下步骤：

在车辆以纯电动模式行驶过程中，当驾驶员急踩加速踏板或者电池电量不足时，整车控制器发出模式切换指令；

根据从纯电动驱动模式向混合驱动/发动机驱动/发动机驱动且充电模式切换过程中发动机和离合器元件的不同运行状态，将整个模式切换过程划分为发动机启动、发动机-电机转速同步、离合器接合和发动机-电机转矩调节四个阶段；

在发动机启动阶段，离合器开始接合，利用产生的摩擦转矩来启动发动机，电机通过主动控制来保证车辆的动力性，同时抑制模由于离合器摩擦转矩波动、车辆参数摄动以及行驶阻力变化对车辆行驶造成的纵向冲击；

在发动机-电机转速同步阶段，发动机点火启动，湿式离合器迅速分离，发动机进行转速控制，电机通过主动控制来保证车辆的动力性，同时抑制车辆参数摄动以及行驶阻力变化对车辆行驶造成的纵向冲击；

在离合器接合阶段，当发动机转速与电机转速之差小于100rpm时，湿式离合器再次接合，发动机采用转速控制，电机通过主动控制来保证车辆的动力性，同时抑制由于离合器摩擦转矩波动、车辆参数摄动以及行驶阻力变化对车辆行驶造成的纵向冲击；

在发动机-电机转矩调节阶段，当离合器锁止后，发动机采用转矩控制，电机采用主动控制来保证车辆的动力性，同时抑制由于发动机动态转矩波动、车辆参数摄动以及行驶阻力变化对车辆行驶造成的纵向冲击；

当发动机转矩达到预先指定的目标转矩时，模式切换过程结束。

进一步的，电机主动控制采用基于前馈-线性二次型反馈控制与鲁棒补偿控制相结合的复合控制方法。

进一步的，首先，将模式切换过程的系统动力学模型转化成标称模型和不确定项之和的形式，其中，不确定项包括车辆参数摄动、发动机/离合器转矩波动以及车辆外部行驶阻力变化；

其次，忽略不确定项的影响，针对标称模型设计前馈控制器和线性二次型反馈控制器；

然后，将不确定性项视为等价干扰，设计鲁棒补偿器抑制等价干扰。

进一步的，在发动机启动阶段，电机控制输入转矩表示为：

前馈输入：式中，R为一常数，N_i为常系数，i＝1～4，为车轮角速度及其各阶导数，为估计的车辆行驶阻力矩，为估计的离合器摩擦转矩；

LQR反馈控制输入：式中，K为状态反馈增益，X_e(t)为状态变量；

鲁棒补偿输入：式中，f₁和f₂为常系数，A_e,B_e为误差矩阵，I为单位矩阵，y_e(s)表示状态变量的线性组合，s为复变量；

此阶段，电机控制输入转矩为前馈控制输入转矩LQR反馈控制输入转矩T_m^LQR和鲁棒补偿输入转矩之和。

进一步的，在发动机-电机转速同步阶段，此阶段由于离合器已分离，电机不再对离合器转矩进行补偿，即在公式此阶段，电机控制输入转矩为前馈控制输入转矩LQR反馈控制输入转矩T_m^LQR和鲁棒补偿输入转矩之和。

进一步的，在离合器接合阶段，发动机和电机角加速度相等时，即得离合器目标转矩为：式中，T_e，T_m为发动机和电机转矩，分别为整车等效转动惯量、电机转子等效转动惯量和发动机等效转动惯量，i_g为变速器速比；此阶段，电机控制输入转矩为前馈控制输入转矩LQR反馈控制输入转矩T_m^LQR和鲁棒补偿输入转矩之和。

进一步的，在发动机-电机转矩调节阶段，电机控制输入转矩表示为：

前馈输入：式中，R′,N′为常系数，T_mr为能量管理策略分配的电机目标转矩，为估计的车辆行驶阻力矩，为估计的发动机转矩；

LQR反馈控制输入：式中，K′为状态反馈增益，X_e(t)为状态变量；

鲁棒补偿输入：式中，f₁，f₂为常系数，A_e，B_e为误差矩阵，I为单位矩阵，y_e(s)表示状态变量的线性组合，s为复变量；

此阶段，电机控制输入转矩为前馈控制输入转矩LQR反馈控制输入转矩T_m^LQR和鲁棒补偿输入转矩之和。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、能够保证车辆在模式切换过程中的动力性需求，同时能有效抑制模式切换过程中发动机和离合器转矩波动对车辆行驶产生的纵向冲击。2、能够有效减缓离合器元件的磨损。3、对车辆参数变化和外部扰动具有较强的鲁棒性。

附图说明

图1为单电机并联式混合动力车辆的混合动力系统结构。

图2为单电机并联式混合动力车辆模式切换过程的控制流程。

图3为电机主动控制原理。

图4为发动机转速控制原理。

图5为单电机并联式混合动力车辆模式切换仿真结果。

图6为当车辆参数发生变化时，单电机并联式混合动力车辆模式切换仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，在单电机并联式混合动力车辆结构中包括发动机1、扭转减振器2、离合器3、电机4、自动变速器5和驱动轮6等。其中，发动机1与电机4同轴并联布置，自动变速器5中取消了液力变矩器，电机4安装于自动变速器5输入端，在发动机1和电机4之前布置有一个湿式多片离合器3。湿式多片离合器3采用电控液压式，其接合过程依靠油压进行控制。

当车辆起步或低速行驶时，湿式离合器3处于分离状态，车辆由电机4单独驱动，以纯电动模式行驶。当驾驶员急踩加速踏板或者电池电量不足时，湿式离合器3开始接合，带动发动机1运转。当发动机1点火启动，并且发动机转速与电机转速达到相等时，湿式离合器3锁止，发动机和电机同轴并联驱动，车辆进入混合驱动/发动机驱动/发动机驱动且充电模式。

图2为本发明针对单电机并联式混合动系统从纯电动模式向混合驱动/发动机驱动/发动机驱动且充电模式切换过程的控制流程。根据单电机并联式混合动力车辆从纯电动至混合驱动/发动机驱动/发动机驱动且充电模式切换过程中发动机和离合器元件的不同运行状态，整个模式切换过程划分为发动机启动、发动机-电机转速同步、离合器接合和发动机-电机转矩调节四个阶段。

在车辆以纯电动模式行驶过程中，当驾驶员急踩加速踏板或者电池电量不足时，整车控制器发出模式切换指令。首先，离合器开始接合，利用产生的摩擦转矩来启动发动机，电机通过主动控制来保证车辆的动力性，同时抑制模式切换过程中离合器摩擦转矩对车辆行驶产生的纵向冲击。当发动机转速n_e上升至800rpm时，发动机点火启动，湿式离合器迅速分离，发动机进行转速控制，电机采用主动控制来保证车辆的动力性。当发动机转速与电机转速之差小于100rpm时(即|n_m-n_e<100rpm|，n_m为电机转速，n_e为发动机转速))，湿式离合器再次接合，发动机采用转速控制，电机采用主动控制，抑制离合器摩擦转矩对车辆行驶产生的纵向冲击。当离合器锁止后，发动机采用转矩控制，驱动电机仍采用主动控制，抑制发动机转矩波动对车辆行驶产生的纵向冲击。当发动机转矩达到整车能量管理策略预先制定的目标转矩时，模式切换过程结束。

图3为电机主动控制原理。由于电机具有动态响应快、控制精度高等优点，在整个模式切换过程中，将电机作为主要的控制元件，通过电机实施主动控制来保证车辆的动力性，同时抑制模式切换过程中由于车辆参数变化、发动机/离合器动态转矩波动和外部行驶阻力变化等不确定性因素对车辆行驶造成的纵向冲击。

在本发明中，电机主动控制采用基于前馈-线性二次型(LQR)反馈控制与鲁棒补偿控制相结合的复合控制方法，电机控制器由三部分组成：1)前馈控制器、线性二次型(LQR)反馈控制器和鲁棒补偿控制器。其中，前馈控制器和LQR反馈控制器主要用来控制标称线性系统，使得标称闭环控制系统具有期望的稳态和动态性能，将车辆参数摄动、发动机/离合器转矩波动和外部行驶阻力变化等不确定性统一视为等价干扰，设计鲁棒补偿器以抑制等价干扰的影响。从而，电机的控制输入转矩表示为：

其中，为前馈输入，T_m^LQR为LQR反馈控制输入，为鲁棒补偿输入。

下面对每个阶段的控制原理进行详细描述。

在发动机启动阶段，湿式离合器开始接合，离合器采用压力开环控制。假设发动机启动过程近似为匀加速运动，启动时间为0.4s。离合器接合转矩等于发动机启动阻力矩与惯性力矩之和，即

式中，T_ef为发动机启动阻力矩，J_e为发动机转动惯量，w_e为发动机转速，T_clr为离合器目标转矩。

然后，由离合器转矩和压力之间的映射关系可得到离合器的控制油压。

在此阶段，通过电机实施主动控制来保证车辆的动力性，同时抑制模式切换过程中车辆参数摄动、离合器动态转矩和车辆行驶阻力变化等不确定性对车辆行驶造成的纵向冲击。根据上述电机主动控制原理，推导出此阶段的电机控制输入转矩可表示为：

1)前馈输入：

式中，R为一常数，N_i(i＝1～4)为常系数，为车轮角速度及其各阶导数，为估计的车辆行驶阻力矩，为估计的离合器摩擦转矩。

2)LQR反馈控制输入：

式中，K为状态反馈增益，X_e(t)为状态变量。

3)鲁棒补偿输入：

式中，f₁和f₂为常系数，A_e,B_e为误差矩阵，I为单位矩阵，y_e(s)表示状态变量的线性组合，s为复变量。

在发动机-电机转速同步阶段，发动机点火启动，转速迅速上升并与电机转速同步。在此阶段，为了减小发动机点火对传动系统的冲击以及减小离合器的滑磨功，在发动机点火之前控制湿式离合器迅速分离。为了使发动机与电机转速快速同步，需要对发动机转速进行控制。本发明中，采用基于前馈与反馈的复合控制方法对发动机转速进行控制，其控制原理如图4所示。其中，前馈控制将发动机空载时的目标转速w_er及其对应的节气门开度α作为变量，通过发动机MAP图查表获得发动机开环转矩T_eo；同时，采用比例-积分(PI)反馈控制产生修正转矩T_eg，两者求和即得到发动机实际的转矩输入T_er。此阶段由于离合器已分离，电机不再对离合器转矩进行补偿，在公式(3)中，

在离合器接合阶段，发动机转速与电机转速之差小于100r/min，离合器再次接合，进入滑摩状态，离合器目标转矩为离合器接合完成瞬间所传递的转矩，此时发动机和电机角加速度相等，即可得离合器目标转矩为：

式6中，T_e,T_m为发动机和电机转矩，分别为整车等效转动惯量、电机转子等效转动惯量和发动机等效转动惯量，i_g为变速器速比。

然后，由离合器转矩和压力之间的映射关系可得到离合器的控制油压。

发动机仍采用上述的转速控制，但此阶段发动机转速会受到离合器转矩的干扰。因此，在发动机前馈控制中增加补偿转矩以抵消离合器转矩干扰。驱动电机的控制仍采用上述的主动控制方法。

在发动机-电机转矩调节阶段，离合器完全锁止，车辆由发动机和电机并联混合驱动，发动机和电机将分别从当前转矩向能量管理策略预先制定的目标转矩过渡。在此过程中，由于发动机动态转矩具有较强的非线性特性，难于精确估计，而电机转矩响应快，控制精度高。因此，将电机作为主要的控制元件，通过电机实施主动控制来抑制发动机动态转矩波动、车辆参数摄动以及车辆行驶阻力变化对车辆行驶造成的纵向冲击。电机的控制仍采用上述的主动控制方法。此阶段的电机控制输入转矩可表示为：

1)前馈输入：

式中，R′,N′为常系数,T_mr为能量管理策略分配的电机目标转矩，为估计的车辆行驶阻力矩，为估计的发动机转矩。

2)LQR反馈控制输入：

式中，K′为状态反馈增益，X_e(t)为状态变量。

3)鲁棒补偿输入：

式中，f₁，f₂为常系数，A_e,B_e为误差矩阵,I为单位矩阵，y_e(s)表示状态变量的线性组合，s为复变量。

图5为采用本发明方法，以某款单电机并联式混合动力车辆为例，进行从纯电动驱动模式向混合驱动模式切换过程的仿真结果。从图5中可看出，整个模式切换过程先后经历了发动机启动①、发动机-电机转速同步②、离合器接合③和发动机-电机转矩协调④四个阶段，整个模式切换过程耗时1.51s。在模式切换过程中，实际车速与目标车的最大误差仅为0.15km/h，说明采用本发明方法能够保证车辆行驶的动力性需求。电机通过主动控制来抑制模式切换过程中发动机/离合器动态转矩波动以及行驶在阻力变化对车辆行驶产生的纵向冲击，车辆最大冲击度为0.49m/s³，出现在离合器完全接合点处，远小于规定的值。湿式离合器先后经历了接合—>分离—>再接合过程，在发动机-电机同步阶段离合器处于分离状态，滑磨功为3.08kJ，产生的滑磨功较小。

图6为当车辆参数(质量、刚度、阻尼等)发生变化时，采用本发明方法，从纯电动驱动模式向混合驱动模式切换过程的仿真结果。从图6中可看出，在整个模式切换过程中，车速最大跟踪误差为0.278km/h，冲击最大值为0.69m/s³，离合器滑磨功为3.09kJ。与图5中的结果相比，离合器滑磨功几乎不变，车速最大跟踪误差和最大冲击度两个性能指标数值虽然有所增大，但仍在可接受的范围内。这说明本发明方法对车辆参数摄动具有较好的鲁棒性。