用于插电式混合动力汽车的模式集成优化能量控制实现方法

摘要

一种用于插电式混合动力汽车的模式集成优化能量控制实现方法，根据整车驱动需求转矩和整车制动需求转矩得到整车控制器输入需求转矩，然后根据整车控制器输入需求转矩、车辆属性和实时车况确定整车控制器输出参数以及各个工作模式间的切换条件，再计算各个工作模式下的发动机、电机和制动器的需求转矩，从而制定优化转矩分配规则，实现插电式混合动力汽车的整车燃油经济性优化；本发明根据插电式混合动力汽车元件参数计算整车控制器输入需求转矩，包括从静止到最高车速的整车驱动需求转矩和整车制动需求转矩，设计合理，显著减少运算量，并能够提高控制系统的可靠性和插电式混合动力汽车的整车燃油经济性。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种电动汽车领域的技术，具体是一种用于插电式混合动力汽车的模式集成优化能量控制实现方法。

背景技术

随着能源需求快速增长与石油资源日渐匮乏之间矛盾的加剧，节能减排越来越受到全世界的关注，插电式混合动力汽车以其良好的燃油经济性和环境友好性等特点应运而出。能量管理与转矩分配策略是提高插电式混合动力汽车燃油经济性的关键技术，是插电式混合动力汽车技术领域研究的热点。基于规则的能量管理策略具有控制实时性好、应用广泛的特点，因此被各大混合动力汽车开发厂商争相采用。

基于规则的能量管理策略将整车工作模式分为纯电动模式、发动机单独驱动模式、发动机与电机混合驱动模式、行车充电模式、机械制动模式、制动能量回收模式和机电复合制动模式等七种模式。现有的基于规则的能量管理策略存在多个模式之间频繁切换导致的整车燃油经济性差的问题。现有的解决插电式混合动力汽车动力模式频繁切换的技术是通过仿真与试验反复调整各模式切换条件和门限参数，该方法费时费力并且燃油经济性改善程度有限。因此必须提出一种省时省力、可靠、并能从根本上解决插电式混合动力汽车动力模式频繁切换的整车能量管理与分配策略，从而进一步缩短插电式混合动力汽车开发周期，提高插电式混合动力汽车燃油经济性。

发明内容

本发明针对现有技术大多通过电机回收能量而导致的工作模式频繁切换问题、工作模式切换过程中动力元件工作状态频繁变化问题以及动力元件状态频繁变化导致的整车燃油经济性差的问题，提出一种用于插电式混合动力汽车的模式集成优化能量控制实现方法，通过整车控制器输入需求转矩识别驾驶员意图，利用集成的四种动力模式进行控制系统的优化，减少动力模式的切换次数和发动机开关频率，提高混合动力汽车的燃油经济性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明根据整车驱动需求转矩和整车制动需求转矩得到整车控制器(HCU)输入需求转矩，然后根据整车控制器输入需求转矩、车辆属性和实时车况确定整车控制器输出参数以及各个工作模式间的切换条件，再计算各个工作模式下的发动机、电机和制动器的需求转矩，从而制定优化转矩分配规则，实现插电式混合动力汽车的整车燃油经济性优化。

所述的工作模式包括：纯电动与制动能量回收模式、发动机单独驱动模式、发动机与电机混合驱动模式和行车充电模式，每个驱动工作模式下均包括至少一种制动机制。

所述的制动机制是指：机械制动模式、电机单独制动模式、机械制动和电机复合制动模式。

所述的整车控制器输入需求转矩T_r＝T_d+(-T_b)，其中：整车驱动需求转矩T_d＝f(α,v)，v为车速，α为加速踏板开度(0～100％)；当加速踏板的开度为100％时，各挡位的驱动转矩T_t＝T_emax·i_g·i₀·η_m，其中：T_emax为发动机外特性转矩，i_g为变速器各挡传动比，i₀为主减速比，η_m为机械传动效率；整车制动需求转矩T_b＝n·T_{B_disc}，n为车轮数量，T_{B_disc}为单个车轮制动的需求转矩，T_{B_disc}＝2·P_B·A_B·η_B·μ_B·r_B·c_B，P_B为制动压力(Pa)，A_B为制动器活塞表面积(m²)，η_B为制动器效率，μ_B为摩擦系数，r_B为有效摩擦半径(m)，c_B为特定制动系数(盘式制动器为1，鼓式制动器大于1)。

各挡位驱动转矩T_t用于计算各挡位下的动力元件可以提供的最大驱动转矩，为进一步确定整车最大驱动转矩包络线奠定基础。

制动情况下制动器需求转矩其中：T_r为整车控制器输入需求转矩，T'_mmax为电机峰值转矩。

所述的车辆属性包括：电池SOC(State of Charge，荷电状态)目标值、电池SOC最低值、电机峰值转矩、发动机外特性转矩和电机最大发电转矩。

所述的实时车况包括：电池实时SOC值、整车控制器输入需求转矩、发动机转速、电机转速、加速踏板开度、车速、需求挡位和制动压力，其中：电池SOC值采集自电池管理系统，发动机转速采集自发动机转速传感器，电机转速采集自电机转速传感器，加速踏板开度采集自加速踏板开度传感器，制动压力采集自制动压力传感器，需求挡位采集自挡位传感器，车速采集自车速传感器。

优选地，所述的电池SOC目标值、电池SOC最低值、电机峰值转矩、电机最大发电转矩以及发动机外特性转矩均存储于整车控制器的数据单元中。

所述的整车控制器输出参数包括：发动机开关信号、电机开关信号、发动机需求转矩、主离合器开关信号、电机需求转矩和制动器需求转矩，其中：发动机开关信号通过控制发动机电控单元来实现发动机开关，电机开关信号通过电机控制器来实现电机开关，发动机需求转矩用于控制发动机实现需求的转矩，主离合器开关信号用于控制主离合器的接合与分离，电机需求转矩用于控制电机实现需求的转矩，制动器需求转矩通过制动控制器转换成制动压力作用于制动器。

所述的切换条件，通过以下方式得到：根据控制器参数中的整车控制器输入需求转矩与电池实时SOC值，在匹配好的发动机外特性曲线和电机峰值特性曲线中的不同区间确定纯电动与制动能量回收模式、发动机单独驱动模式、发动机与电机混合驱动模式和行车充电模式的切入条件。

所述的纯电动与制动能量回收模式的切入条件为：整车控制器输入需求转矩小于电机峰值转矩，并且电池实时SOC值大于允许放电的最低门限值(即电池SOC最低值)。

所述的发动机单独驱动模式的切入条件为：整车控制器输入需求转矩大于发动机最低燃油消耗率对应的转矩，并且电池实时SOC值低于电池SOC目标值。

所述的发动机与电机混合驱动模式的切入条件为：整车控制器输入需求转矩大于电机峰值转矩，并且电池实时SOC值大于允许放电的最低门限值(即电池SOC最低值)。

所述的行车充电模式的切入条件为：整车控制器输入需求转矩小于发动机最低燃油消耗率对应的转矩，并且电池实时SOC值低于电池SOC目标值。

所述的优化转矩分配规则包括：纯电动与制动能量回收模式、发动机单独驱动模式、发动机与电机混合驱动模式和行车充电模式下的优化转矩分配规则。

所述的纯电动与制动能量回收模式下的优化转矩分配规则是指：当整车控制器输入需求转矩大于零，则工作模式为纯电动模式；否则，需进一步判断采用机械制动模式还是制动能量回收：当电池实时SOC值大于电池电量上限、车速较低或紧急制动时不进行制动能量回收，则为机械制动模式，否则为制动能量回收模式：当电机输出端的整车制动需求转矩小于电机最大发电转矩，则为电机单独制动能量回收，否则为机械制动和电机复合制动能量回收。

所述的纯电动模式下的发动机需求转矩为零，电机需求转矩为整车驱动需求转矩且不为零，制动器需求转矩为零；机械制动模式下的发动机需求转矩为零，电机需求转矩为零，制动器需求转矩为单个车轮制动需求转矩且不为零；电机单独制动能量回收下的发动机需求转矩为零，电机需求转矩为电机输出端的整车制动需求转矩，制动器需求转矩为零；机械制动和电机复合制动能量回收下的发动机需求转矩为零，电机需求转矩为车轮端的电机峰值转矩，制动器需求转矩为整车控制器输入需求转矩减去电机峰值转矩的差值，然后除以车轮数量。

所述的发动机单独驱动模式下的优化转矩分配规则为：当整车控制器输入需求转矩大于零，则发动机需求转矩为整车驱动需求转矩，电机需求转矩为零，制动器需求转矩为零；当整车控制器输入需求转矩小于或等于零，工作模式为机械制动模式，此时发动机需求转矩为零，电机需求转矩为零，制动器需求转矩为单个车轮制动需求转矩且不为零，即：T_B＝T_{B_disc}。

所述的发动机与电机混合驱动模式下的优化转矩分配规则为：当整车控制器输入需求转矩大于零，则发动机需求转矩为当前转速下燃油消耗率最低的转矩，电机需求转矩为整车驱动需求转矩减去发动机需求转矩的差值，制动器需求转矩为零；当整车控制器输入需求转矩小于或等于零，工作模式为机械制动模式，发动机需求转矩为零，电机需求转矩为零，制动器需求转矩为单个车轮制动需求转矩且不为零。

所述的行车充电模式下的优化转矩分配规则为：当整车控制器输入需求转矩大于零，则发动机需求转矩为当前转速下燃油消耗率最低的转矩，电机需求转矩为发动机需求转矩减去整车驱动需求转矩的差值，制动器需求转矩为零；当整车控制器输入需求转矩小于或等于零，工作模式为机械制动模式，此时发动机需求转矩为零，电机需求转矩为零，制动器需求转矩为单个车轮制动需求转矩且不为零。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过整车控制器输入需求转矩识别驾驶员意图，在没有减少控制系统功能的前提下降低了控制系统的复杂度，提高控制系统的可靠性；并且利用四种工作模式完成混合动力汽车七种动力模式的功能，充分发挥插电式混合动力汽车的节油潜力，提高燃油经济性，减少动力模式切换次数和发动机开关频率，优化了发动机的工作区间；与现有技术中基于优化的能量管理策略相比，本发明的计算量显著减小，实时计算能力强，具有良好的实车应用前景。

附图说明

图1为实施例中插电式混合动力汽车结构示意图；

图中：1电池管理系统、2电池组本体、3电机控制器、4电机本体、5电机转速传感器、6发动机、7发动机转速传感器、8发动机电控单元、9发动机飞轮、10主离合器、11双离合器变速器、12挡位传感器13车速传感器、14主减速器总成、15驾驶室、16加速踏板开度传感器、17制动压力传感器、18整车控制器、19制动控制器、20制动器；

图2为本发明示意图；

图3为实施例各挡最大驱动转矩；

图4为实施例最大驱动转矩的包络线；

图5为实施例需求转矩Map图；

图6为实施例控制器输入输出图；

图7为实施例发动机与电机转矩特性对比图；

图8为现有技术车速跟随情况曲线；

图9为现有技术电池实时SOC值变化曲线；

图10为现有技术油耗变化曲线；

图11为实施例车速跟随曲线；

图12为实施例电池实时SOC值变化曲线；

图13为实施例油耗变化曲线。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例包括以下步骤：

步骤1、计算整车控制器输入需求转矩，具体包括：

步骤1.1)计算整车驱动需求转矩。

所述的整车驱动需求转矩T_d＝f(α,v)，其中：α为加速踏板开度(0～100％)，v为车速，f表示插值函数，采用在MATLAB/Simulink中通过Look-up模块来实现。

如图5所示，为了更方便地得到整车控制器输入需求转矩，可将其看作加速踏板开度α与车速v的函数，该函数可用二维表格的形式表示。首先采用插值的方法计算得到每一车速下加速踏板开度从0到100％的转矩，并将结果数值做成函数Map图，根据函数Map图即可得到整车驱动需求转矩的数值。

如图3所示，所述的加速踏板的开度α为100％时的各挡位的驱动转矩T_t＝T_emax·i_g·i₀·η_m，其中：T_emax为发动机外特性转矩，i_g为变速器各挡传动比，i₀为主减速比，η_m为机械传动效率。

如图4所示，通过对加速踏板的开度α为100％时，变速器各挡位下的整车牵引力特性曲线数据进行处理，取每个车速下各挡位的驱动转矩最大值，得到每一车速下各挡位的最大驱动转矩的包络线。

步骤1.2)计算整车制动需求转矩。

所述的整车制动需求转矩的计算原理是将驾驶员给定的制动踏板开度信号转换为制动压力信号，并结合制动器本身的结构参数得到单个车轮制动的需求转矩T_{B_disc}。

所述的单个车轮制动的需求转矩T_{B_disc}＝2·P_B·A_B·η_B·μ_B·r_B·c_B，其中：P_B为制动压力(Pa)，A_B为制动器活塞表面积(m²)，η_B为制动器效率，μ_B为摩擦系数，r_B为有效摩擦半径(m)，c_B为特定制动系数(盘式制动器为1，鼓式制动器大于1)。

设每个车轮均采用相同类型的制动器，则整车制动需求转矩为每个车轮制动需求转矩的和，即整车制动需求转矩T_b＝n·T_{B_disc}，其中：n为车轮数量，T_{B_disc}为单个车轮制动的需求转矩。

步骤1.3)计算整车控制器输入需求转矩。

所述的整车控制器输入需求转矩T_r用于设计工作模式切换条件，也是识别驾驶员意图的重要变量，因此其应能够反映驾驶员的加速与制动意图。

所述的整车控制器输入需求转矩T_r＝T_d+(-T_b)。

步骤2、根据整车控制器输入需求转矩、车辆属性和实时车况确定整车控制器输出参数。

如图6所示，选择合适的控制器输入和输出参数是本实施例能够正常实施的关键步骤。本实施例采用车辆属性与实时车况相结合的方式，车辆属性是控制器中预先设定好的固定值，而实时车况在车辆运行过程中通过传感器实时采集。

所述的车辆属性包括：电池SOC目标值SOC_obj、电池SOC最低值SOC_min、电机峰值转矩T_mmax(Nm)、发动机外特性转矩T_emax(Nm)和电机最大发电转矩T_gmax(Nm)。

所述的实时车况包括：电池实时SOC值、整车控制器输入需求转矩T_r(Nm)、发动机转速n_e(r/min)、电机转速n_m(r/min)、加速踏板开度α(％)、车速v(km/h)、需求挡位R_g和制动压力P_B(Pa)。

所述的整车控制器输出参数包括：发动机开关信号S_e、电机开关信号S_m、主离合器开关信号C₁、发动机需求转矩T_e(Nm)、电机需求转矩T_m(Nm)和制动器需求转矩T_B(Nm)。

步骤3以及各个工作模式间的切换条件。

所述的工作模式包括：纯电动与制动能量回收模式、发动机单独驱动模式、发动机与电机混合驱动模式和行车充电模式。

所述的各工作模式下均包括机械制动模式。

如图7所示，所述的设计各工作模式间的切换条件是指：将匹配好的发动机外特性曲线、发动机最佳燃油消耗率曲线和电机峰值特性曲线绘制在一张图上，根据整车控制器输入需求转矩与电池实时SOC值在发动机外特性曲线和电机峰值特性曲线中的不同区间确定各工作模式的切入条件。

纯电动模式与制动能量回收模式之间的区别在于电机的工作状态不同，纯电动模式下电机工作在电动机状态，制动能量回收模式下电机工作在发电机状态，其他部件的工作状态相同，因此可以将纯电动模式与制动能量回收模式合并为一个模式，通过控制系统中的一个模块来实现。混合动力汽车在某一工作模式下的运行过程中，在某一时刻，当需要机械制动并且制动结束后仍然延续前一工作模式时，应在不切换工作模式情况下完成机械制动。因此为了减少模式切换次数，提高燃油经济性，本实施例提出在控制策略中取消单独的机械制动模式，将机械制动模式与各工作模式融合的方法。

所述的纯电动与制动能量回收模式的切入条件为：整车控制器输入需求转矩T_r小于电机峰值转矩T_mmax，并且电池实时SOC值大于允许放电的最低门限值(即电池SOC最低值SOC_min)。

在纯电动与制动能量回收模式下，当整车控制器输入需求转矩T_r为正值时电机工作在电动机状态，当整车控制器输入需求转矩T_r为负值时电机工作在发电机状态。

所述的发动机单独驱动模式的切入条件为：整车控制器输入需求转矩T_r大于发动机最低燃油消耗率对应的转矩T_eopt，并且电池实时SOC值低于电池SOC目标值SOC_obj。

所述的发动机与电机混合驱动模式的切入条件为：整车控制器输入需求转矩T_r大于电机峰值转矩T_mmax，并且电池实时SOC值大于允许放电的最低门限值(即电池SOC最低值SOC_min)。

所述的行车充电模式的切入条件为：整车控制器输入需求转矩T_r小于发动机最低燃油消耗率对应的转矩T_eopt，并且电池SOC值低于电池SOC目标值SOC_obj。

步骤4、根据工作模式计算的发动机、电机和制动器的需求转矩制定转矩分配规则。

所述的纯电动与制动能量回收模式的转矩分配规则为：当整车控制器输入需求转矩T_r大于0，则工作模式为纯电动模式；否则，需进一步判断采用机械制动模式还是制动能量回收：当电池实时SOC值大于电池电量上限、车速较低或紧急制动时不进行制动能量回收，则为机械制动模式，否则为制动能量回收模式：当电机输出端的整车制动需求转矩T_b'小于电机最大发电转矩T_gmax，则为电机单独制动能量回收，否则为机械制动和电机复合制动能量回收。

所述的纯电动模式下的发动机需求转矩为零，即T_e＝0，电机需求转矩为整车驱动需求转矩且不为零，即T_m＝T_d≠0，制动器需求转矩为零，即T_B＝0；机械制动模式下的发动机需求转矩为零，即T_e＝0，电机需求转矩为零，即T_m＝0，制动器需求转矩为单个车轮制动需求转矩且不为零，即T_B≠0；电机单独制动能量回收下的发动机需求转矩为零，即T_e＝0，电机需求转矩为电机输出端的整车制动需求转矩，即T_m＝T_b'≠0，制动器需求转矩为零，即T_B＝0；机械制动和电机复合制动能量回收下的发动机需求转矩为零，即T_e＝0，电机需求转矩为车轮端的电机峰值转矩，即T_m＝T_m'_max≠0，制动器需求转矩为整车控制器输入需求转矩减去电机峰值转矩的差值，然后除以车轮数量n，即

所述的电机输出端的整车制动需求转矩T_b'的转换公式为：T_b'＝T_b/i_g/i₀/η_m。

所述的车轮端的电机峰值转矩T_m'_max的转换公式为：T_m'_max＝T_mmax·i_g·i₀·η_m。

所述的发动机单独驱动模式的转矩分配规则为：当整车控制器输入需求转矩T_r大于0，则发动机需求转矩为整车驱动需求转矩，即T_e＝T_d≠0，电机需求转矩为零，即T_m＝0，由于此时为驱动模式，制动器需求转矩为零，即T_B＝0；当整车控制器输入需求转矩T_r小于0，由于前一时刻电机的状态为关机，为减少动力元件状态的切换次数，工作模式为机械制动模式，此时发动机需求转矩为零，即T_e＝T_d＝0，电机需求转矩为零，即T_m＝0，制动器需求转矩为单个车轮制动需求转矩且不为零，即T_B≠0。

所述的发动机与电机混合驱动模式的转矩分配规则为：当整车控制器输入需求转矩T_r大于0，为发动机与电机混合驱动，则发动机需求转矩为当前转速下燃油消耗率最低的转矩，即T_e＝T_eopt≠0，电机需求转矩为整车控制器输入需求转矩减去发动机需求转矩的差值，即T_m＝T_d-T_e≠0，制动器需求转矩为零，即T_B＝0；当整车控制器输入需求转矩T_r小于0，由于前一时刻电机的状态为关机，为减少动力元件状态的切换次数，工作模式为机械制动模式，发动机需求转矩为零，即T_e＝T_d＝0，电机需求转矩为零，即T_m＝0，制动器需求转矩为单个车轮制动需求转矩且不为零，即T_B≠0。

所述的行车充电模式的转矩分配规则为：当整车控制器输入需求转矩T_r大于0，则发动机需求转矩为当前转速下燃油消耗率最低的转矩，即T_e＝T_eopt≠0，电机需求转矩为发动机需求转矩减去整车驱动需求转矩的差值，即T_m＝T_e-T_d≠0，制动器需求转矩为零，即T_B＝0；当整车控制器输入需求转矩T_r小于0，由于前一时刻电机的状态为电动状态，为减少动力元件状态的切换次数，工作模式为机械制动模式，此时发动机需求转矩为零，即T_e＝T_d＝0，电机需求转矩为零，即T_m＝0，制动器需求转矩为单个车轮制动需求转矩且不为零，即T_B≠0。

本实施例在纯电动模式下整车控制器输入需求转矩T_r由电机单独提供；发动机单独驱动模式下整车控制器输入需求转矩T_r由发动机单独提供；发动机与电机混合驱动模式下，发动机提供燃油消耗率最优区的转矩，其余整车控制器输入需求转矩T_r由电机提供；行车充电模式下需要判断整车控制器输入需求转矩T_r与电机最大发电转矩T_gmax之和是否超过发动机燃油消耗率最优区的转矩，若超过，则发动机输出燃油消耗率最优区的转矩，并提供小转矩给电池充电，若未超过，则发动机输出转矩等于整车控制器输入需求转矩T_r与电机最大发电转矩T_gmax之和，电机以最大发电转矩T_gmax给电池充电；制动能量回收模式下由电机回收制动能量。

步骤5、对步骤1～4进行仿真验证。

选择一款已匹配动力参数的插电式混合动力汽车，利用混合动力汽车的仿真程序，以整车燃油经济性为评价指标对前述方法进行验证。

所述的已匹配动力参数的插电式混合动力汽车的发动机为排量2.0L的涡轮增压汽油机，峰值转速6000r/min，峰值转矩253Nm，峰值功率133kW；电机为永磁同步电机，峰值转速7000r/min，峰值转矩241Nm，峰值功率69kW；变速器为六挡双离合自动变速器，各挡传动比为13.9/8.04/5.15/3.82/2.92/2.26；制动器活塞表面积A_B为0.0018m²，制动器效率η_B为0.99，摩擦系数μ_B为0.25，有效摩擦半径r_B为0.13m，制动系数c_B为1，车轮数量n为4。

本实施例中的车辆属性为：电池SOC目标值SOC_obj＝0.30、电池SOC最低值SOC_min＝0.285、电机峰值转矩T_mmax＝241Nm、发动机外特性转矩T_emax＝253Nm、电机最大发电转矩T_gmax＝241Nm。

将本实施例的参数值代入得到：T_{B_disc}＝0.00011583·P_B，T_b＝4·T_{B_disc}＝0.00046332·P_B。

如图8～10所示，利用现有技术进行仿真得到插电式混合动力汽车的百公里油耗为6.267L/100km，电池实时SOC值的变化区间为0.30～0.2935，始末SOC差值在3％之间；如图11～13所示，本实施例仿真得到的百公里油耗为5.306L/100km，电池实时SOC值的变化区间为0.30～0.2915，始末SOC差值在3％之间，满足了电池电量平衡的要求；与现有技术相比，本实施例使得插电式混合动力汽车的燃油经济性提高了15.33％。