專利名稱：一種混合動力汽車整車系統及其多能源控制系統和控制方法
技術領域：
本發明涉及一種混合動力汽車整車系統，該整車系統的多能源控制系統和 對應的多能源控制方法，本發明中的多能源系統控制方法屬于混合動力汽車整 車控制方案中的關鍵控制策略及算法實現之一。
技術背景上世紀末以來，亞洲、美洲、歐洲各大汽車公司紛紛開始研制油電混合動力型汽車，各大汽車公司包括本田、通用、福特、D-C以及法國雪鐵龍等都推出 或研制出了產品車或概念樣車。有專家認為在未來十年內，可能有40%的汽車均 將采用混合動力技術，混合動力汽車有著巨大的發展前景。眾所周知，混合動力汽車是基于傳統內燃機汽車和現代電機技術的動力混 合傳動的一種新技術，這種新技術的基本目標就是在混合動力車輛具有傳統同 級別車輛的動力性、操縱性以及舒適性等基本指標以外使混合動力整車的燃油 經濟性得到提高約30%、排放指標得到至少一個級別的提高。因此，開發混合動 力汽車的整體方案思想是，在滿足車輛動力性基本指標的基礎上使內燃機以及 電動機工作在整車最高效率點的工作區域，歸根到底就是整車能源的控制。目前世界上各汽車公司推出或研制出的混合動力汽車采用的能量存儲系統 都是以鎳氫(Ni-MH)電池為主，但是鎳氫電池體積以及重量都較大，還存在設 置受限制及燃油效率較差等問題，雖然各廠商均在開發替代電池，經研究預測， 鋰離子電池在將來可以正式采用，但是那還需要很長時間才可能正式批量生產 并配備于產品級的混合動力汽車HEV上。因此，在混合動力整車能源存儲單元 本體、資源的限制之下，研究開發能源存儲單元的控制方案就顯得尤為重要了。混和動力車在中國國內開發處于從理念、理論、功能樣車設計階段過渡到 產品化階段的階段。對于奇瑞汽車公司，經過數年的技術積累，已經對混合動 力技術的認識從理論上升到產品批量生產的技術成熟階段。近兩年來，奇瑞汽車公司基于本公司開發的某A級平臺轎車進行了中度級混合動力汽車產業化的 開發研制。研制中的中度級混合動力汽車采用了 144V的高壓鎳氫電池作為整車 能量存儲單元。基于這種能量存儲單元的結構配置下，本發明中的能源控制方 案解決了鎳氫電池本身結構及工作特性帶來的效率較低、工作壽命較短等問題， 并在這些矛盾中取得平衡。 發明內容本發明的目的在于提供一種混合動力汽車整車系統，其多能源控制系統， 以及多能源控制方案領域的控制方法及算法實現。解決現有技術中鎳氫電池本 身結構及工作特性帶來的效率較低、工作壽命較短等問題，對于具有此配置的 整車系統進行了多能源控制的整車二次優化，使整車多能源的利用更合理、更 有效、部件的壽命更長、整車的排放更清潔。基于奇瑞汽車公司自主研發的某A級平臺轎車，發明了中度混合動力汽車 整車系統配置方案。本發明中的整車及各子系統的配置方案如附圖一所示。此 混合動力汽車裝配了一個144V高壓鎳氫動力電池，它是此混合動力汽車的能源 存儲與輸出單元。此混合動力整車配置了奇瑞汽車公司開發的1.3L CBR雙VVT 的汽油內燃發動機，此內燃機系統是整車動力驅動系統的第一輸出裝置，它是 將燃燒燃油的化學能轉化為機械能的系統裝置。此混合動力整車裝置中的另一 大動力輸出裝置是將電能轉化為機械能的電動機/發電機裝置。它和內燃機系統 同軸裝配在一起，屬于并聯的動力輸出轉換裝置。它一方面可以在內燃機需要 快速啟動時作為電動機提供低速大扭矩下的穩定啟動，又可以在整車系統需要動力加速時把能量存儲單元中的電能轉化為機械能通過動力傳動裝置傳送給整 車，而且又可以在整車系統減速時作為發電機使整車的機械能轉化為電能存儲 在能量存儲單元中。基于以上混合動力汽車的系統配置下，發明了多能源混合動力系統控制器。 如圖二為混合動力汽車整車多能源控制系統的數據通訊結構圖。混合動力系統 控制器是此混合動力汽車最上層的控制系統，它是協調整車車身控制系統、制 動防抱死控制系統、發動機控制系統、整車低壓電源系統、高壓電池控制系統、 電機/發電機控制系統以及整車動力傳動系統和整車車身系統的中央控制器。它以整車CAN網絡通訊或者硬件電路實現與整車其它控制系統、機械和電氣系統 之間的連接通訊。圖三是此混合動力多能源控制系統的控制功能劃分結構圖。主要分為四大 系統多能源控制器系統、電機本體系統、能量存儲本體及控制系統、發動機和整車電氣機械系統。對于多能源控制系統，它的功能模塊有混合動力控制器HCU,電機控制器MCU、控制器溫度管理單元和高低壓轉換控制單元。電機系統 包括電機本體、溫度傳感器、位置傳感器以及電機溫度控制系統。能量存儲系 統包括高壓電池電池組、高壓電池控制系統BMS、高壓電池自動切斷保護控制單 元以及電池溫度控制單元。第四大部分是發動機及整車電子電氣和機械系統。基于以上發明的混合動力系統配置方案以及控制系統配置方案下，發明了 基于此系統配置特征下的整車多能源控制方案、策略以及算法，對于具有此配 置的整車系統進行了多能源的整車二次優化，使整車多能源的利用更合理、更 有效。本發明的多能源的控制策略、算法內容包括-■對于多能源信息特別處理策略及算法 混合動力整車在動力輔助扭矩下的能源控制 混合動力整車在能量回收模式下的能源控制■能量存儲單元溫度控制策略 發動機自動啟停下的能源控制策略 基于由多能源控制器系統、電機本體系統、能量存儲本體及控制系統、發 動機和整車電氣機械系統配置的混合動力整車系統，發明了對于多能源信息特 別處理策略及算法、混合動力整車在動力輔助扭矩下的能源控制、混合動力整 車在能量回收模式下的能源控制、能量存儲單元溫度控制策略和發動機自動啟 停下的能源控制策略，可以實現對于高壓電池信息的處理、根據高壓電池充電狀態SOC的相對變化量動態的來實現控制混合動力輔助扭矩、發電扭矩的扭矩大小、和根據高壓電池的狀態信息控制了高壓電池的工作狀態請求信息以及根 據高壓電池的溫度信息控制高壓電池的工作溫度等。本發明中的混合動力整車 所配置的能量存儲單元高壓電池的經過發明中的控制方案控制以后具較高的工 作效率、較高的工作壽命，而且發明中的整車滿足設計的經濟性、動力性和排 放性等等各項指標。混合動力汽車整車系統中的發動機自動啟停、發動機與電機的扭矩分配控 制方案都是以混合動力汽車整車中裝配的整車能源存儲系統的能源管理控制方 案策略為基礎的。本發明的混合動力整車能源存儲的控制方案具有很高的穩定 性、能源存儲系統具有較高的使用壽命、而且能源存儲單元能量大的存儲與釋放中的使用效率都很高。基于混合動力能量存儲單元高壓電池的荷電狀態soc的相對值控制混合動力發動機與電動機間的扭矩分配，以及基于高壓電池的狀 態信息控制高壓電池的工作狀態，達到了混合動力整車的高效、節能、清潔的 綜合指標。本發明的整車系統結構簡單、控制方案宜實施、控制策略安全可靠以及算法容易實現，發明中的混合動力整車效率較高、滿足了動力性操縱性指標以及整車排放清潔。
圖1 : 一種混合動力汽車的整車系統圖 圖2 : —種混合動力汽車整車控制系統數據結構圖 圖3 : —種混合動力汽車整車控制器控制系統圖 圖4 :多能源高壓電池荷電狀態控制策略邏輯關系 圖5 :高壓電池工作狀態模式流程圖附圖標記說明144V高壓電池一 (1)，電機_ (2),整車控制單元、電源及電 池控制單元一 (3)， 1.3L汽油發動機—(4)， 5速AMT變速箱—(5)，整車系 統一 (6),能量存儲系統一 (7)，混合動力控制系統一 (8)，電機系統一 (9)具體實施方式
圖四為本發明中的混合動力汽車多能源控制策略的算法流程。此發明專利中的高壓鎳氫電池的電池充電狀態soc的計算、電池最大充放電功率限制、電池最大充放電電流限制特性、電池最大充放電電壓限制特性等高壓電池本體特性參數由一個獨立的高壓電池控制系統BMS來完成，如圖三所 示的能量存儲系統功能結構中的BMS。對于本發明中所提到的整車系統多能源控 制器系統來說，它是整車能源的上層管理系統，它最終負責整車能源的優化控 制，使整車能源的利用效率得到機械、電氣和結構設計之外控制上的優化提高。 所以對于混合動力整車多能源控制其來說，它還必須對能量存儲系統控制單元 BMS信息進行特別處理。具體實施策略和算法如下表述。對于高壓電池充電狀態信息必須提高其處理精度，另外高壓電池充電狀態 是需要通過一定輸出顯示方式使駕駛員可視的。由于高壓電池充電狀態信息分辨率相對來說較高，其變化還是具有一定程 度的節約變化的，另外高壓電池充電狀態控制算法具有定周期消除誤差復位也 會造成一定程度的節約變化，因此對于高壓電池充電狀態信息經過了平滑化處 理。根據實際的高壓電池充電狀態信息以及標定的高壓電池充電狀態目標常量 計算高壓電池充電狀態誤差。在實際的高壓電池充電狀態信息與目標高壓電池 充電狀態數值中，實際高壓電池充電狀態信息大于目標高壓電池充電狀態數值， 所以這個誤差的計算結果是正值。最大充電功率。高壓電池控制策略中需要高壓電池最大充電功率信息。可以通過標定選擇 是由高壓電池控制單元計算的高壓電池最大充電功率還是根據高壓電池充電狀 態和高壓電池溫度計算的最大充電功率。高壓電池最大充電功率經過濾波后可以被其他整車控制策略模塊直接使用。最大放電功率。高壓電池控制策略中需要高壓電池最大放電功率信息。可以通過標定選擇 是由高壓電池控制單元計算的高壓電池最大放電功率還是根據高壓電池充電狀 態和高壓電池溫度計算的最大放電功率。高壓電池最大放電功率經過濾波后可以被其他整車控制策略模塊直接使用。高壓電池溫度處理。高壓電池控制算法中需要處理最小電池單元溫度。 高壓電池控制算法中需要處理最大電池單元溫度。高壓電池控制算法中需要處理平均電池單元溫度。 高壓電池功率處理。高壓電池控制算法中需要處理電池電壓。 高壓電池控制算法中需要處理高壓電池電流。高壓電池控制算法中需要處理根據高壓電池電壓和高壓電池電流處理的高 壓電池功率。高壓電池控制算法中需要處理高壓電池功率單位能夠被其它整車控制模塊 直接使用。此發明中的混合動力整車多能源中對于多能源的有效控制體現在對能量存儲單元的荷電狀態soc的控制策略和算法的實現上。高壓電池的荷電狀態soc是反映高壓電池當前狀態下的能量儲備狀態，反過來說也就是高壓電池在當前 狀態下的持續放電能力。顯然，本發明中混合動力整車的能源提供者之一就是 高壓電池，它是由高壓電池通過直流-交流轉換裝置向電動機上電來輔助發動機 同時向整車傳動系統輸出動力作為整車的驅動動力，另外一個需求高壓電池給 電動機上電的工況是當此發明的混合動力整車需要快速啟動發動機時高壓電池 通過直流-交流轉換裝置向電動機上電來啟動發動機，以上兩種工況都是此發明 的混合動力汽車能量存儲單元的能量釋放工況，在這兩種工況下能量存儲單元的荷電狀態soc都具有遞減趨勢。在此發明的混合動力汽車中，當車輛處于運行狀態時，在正常模式下發動機是一直運轉的動力輸出單元，但是為了滿足整 車的動力性能或操縱性能，非混合動力車輛的發動機的工作狀態并非都處于發 動機的高效工作區域內。此發明的混合動力轎車在滿足整車動力性能和操縱性能的前提下，結合高壓電池的荷電狀態soc的條件，綜合控制整車能源流的優化，使整車及發動機工作在整體效率較高、排放清潔的區域內。這個功能就是發動機的高效工作點下發電機放電的工作工況。發電機處于發電狀態的工作工 況則是整車車輛處于減速制動階段能量回收的工作工況。本發明中的混合動力 整車在減速工況下，高速行駛的車輛的機械能可以通過電機、交流-直流轉換裝 置及高壓電池轉換成電能存儲于高壓電池，以備在輔助扭矩和快速啟動發動機 時使用存儲的能量。在以上兩種發動機高效工作發電工作工況和整車減速制動工作工況下的高壓電池荷電狀態soc是具有上升趨勢的，也即能量存儲單元高壓電池處于存儲能量的工作工況。對于此發明中能量存儲單元的能量存儲和能量釋放的控制策略和算法實現如下描述。當高壓電池充電狀態soc相對高時，混合動力整車控制整車性能扭矩輔助功能的扭矩是基于信息處理模塊中處理的最大高壓電池放電功率控制的。但是當高壓電池充電狀態soc相對低于某一軟限制值時，高壓電池控制策略必須限制進一步性能輔助扭矩的輸出。另外當高壓電池充電狀態soc進一步低于某一較低硬限制數值時，高壓電池控制算法就會完全限制性能輔助扭矩的輸出，那么高壓電池充電狀態soc就可以控制在一個相對較低的數值以上。 當高壓電池充電狀態soc相對低時，混合動力整車控制整車再生制動的能量回收的扭矩是基于信息處理模塊中處理的最大高壓電池充電功率控制的。但是當高壓電池充電狀態soc相對高于某一軟限制值時，高壓電池控制策略必須限制進一步再生制動能量回收扭矩的輸出。另外當高壓電池充電狀態soc進一步高于某一較硬限制高數值時，高壓電池控制算法就會完全限制再生制動能量的扭矩輸出，那么高壓電池充電狀態soc就可以控制在一個相對較高的數值以下。高壓電池的充放電的軟限制和硬限制點可以保證高壓電池充電狀態soc —直保持在某一個理想的范圍區域內。但是由于高壓電池在性能輔助扭矩被完全限制時仍然可以向整車小電池充電，那么高壓電池充電狀態soc仍然可以進一 步降低。因此，在高壓電池充電狀態soc降低到性能輔助扭矩的完全限制點時，混合動力整車內燃機高效發電的功能被激活。高壓電池充電狀態SOC的控制策略中利用參數a來控制混合動力內燃機速 度扭矩特征圖中輔助扭矩線的動態移動。當a-l時扭矩輔助線和內燃機的效 率曲線一樣；當a〉l時，扭矩輔助線向下比例移動，這意味著效率輔助扭矩具 有較高優先級；當a〈l時，扭矩輔助線向上比例移動；當(1=0時，扭矩輔助 線和內燃機最大扭矩線重疊，這代表著效率輔助扭矩是完全禁止的。高壓電池充電狀態soc的控制策略中利用參數e來控制混合動力內燃機速度扭矩特征圖中發電扭矩線的動態移動。當P=l時發電扭矩線和內燃機的效 率曲線基本重疊但略有距離；當e >1時，發電扭矩線向上比例移動到(0 —l)， 這意味著效率輔助扭矩具有較高優先級；當0 =2時，發電扭矩線和最大發動 機扭矩線重疊，這意味著發動機的扭矩能力可以完全用來發電；當P〈l時，扭 矩輔助線向下比例移動到(l一e);當e二O時，發電扭矩線將變成零扭矩線， 這代表發電扭矩完全被禁止。通過以上效率扭矩輔助和發電扭矩對于高壓電池充電狀態SOC的控制，高 壓電池充電狀態SOC在超過一定邊界條件時不會發生效率輔助扭矩、當超過一 定邊界時不會發生發電扭矩，這樣就可以避免了在發電和扭矩輔助間的不必要 的能量循環損失。此發明中的混合動力整車多能源控制系統參與了整車高壓系統的電源控 制。具體的策略及算法實現如下描述。在整車控制策略請求高壓電池連接端子連接之前，DC 1 ink的電壓經過監測， 如果監測到的電壓高于一定的數值，就可以確定一個診斷的故障信息。如果發動機已經開始旋轉，那么電壓的監測、診斷就沒有必要了。如果整車控制器與高壓電池控制單元之間的CAN通訊還沒有建立，那么整 車控制策略就不會發出請求高壓電池連接的請求指令。如果系統保護模塊或者故障處理模塊請求高壓電池關閉，那么整車控制策 略就不會發出請求高壓電池連接的請求指令。如果整車鑰匙電源開關處在OFF位置，那么整車控制策略就不會發出請求 高壓電池連接的請求指令。如果整車鑰匙電源開關從非OFF位置回復到OFF位置，那么整車控制策略 就會發出請求高壓電池斷開高壓電池連接端子的請求指令。如果一個引起系統安全問題的故障被監測到，那么整車控制策略就會立即 發出請求高壓電池斷開高壓電池連接端子的請求指令。為了使高壓電池達到高效、高壽命工作區間的目標，電池正常工作時的溫 度必須保持在一定的范圍以內。此發明中的混合動力汽車整車能量存儲單元的 溫度控制是能量存儲單元控制的重要控制策略之一。此發明中的高壓電池的工 作溫度是高壓電池高效率工作的一個重要參數。必須控制能量存儲單元的高壓 電池的溫度在一定合適區間內才能滿足高壓電池具有較高充放電效率以及電池 壽命。對于高壓電池溫度控制的策略及實現算法如下描述。如果在混合動力整車剛剛啟動時高壓電池的溫度較低，整車混合動力高壓 電池溫度控制策略必須向高壓電池充放電來使高壓電池快速到達一定工作范圍 區間。如果在混合動力整車正常運行下高壓電池的溫度高于一定數值后，就要限 定扭矩輔助或者放電扭矩來實現高壓電池的充放電循環，其次高壓電池冷卻系 統也會開始工作，通過高低溫度的空氣循環來冷卻高壓電池溫度。
權利要求
1、一種混合動力汽車整車系統，其特征在于，該系統包括作為整車系統動力驅動系統的第一輸出裝置的汽油內燃發動機；作為整車系統中另一動力輸出裝置的電動機/發電機裝置；所述電動機/發電機裝置與汽油內燃發動機同軸裝配，構成并聯的動力輸出轉換裝置；以及，整車系統的能源存儲與輸出單元，其與電動機/發電機裝置連接并實現能量的傳輸。
2、 根據權利要求1所述的混合動力汽車整車系統，其特征在于，所述汽油 內燃發動機為一個1.3LCBR雙VVT的汽油內燃發動機；所述能量存儲與輸出單 元為一個144V高壓鎳氫動力電池；所述電動機/發電機裝置在汽油內燃發動機 需要增加動力時作為電動機提供能量，在整車系統減速時作為發電機并將能量 儲存至電池。
3、 一種如權利要求l所述的混合動力汽車整車系統的多能源控制系統，其 特征在于，該控制系統包括多能源控制器系統，電機本體系統，能量存儲本 體及控制系統，發動機及整車電氣機械系統；所述多能源控制器系統以整車CAN 網絡通訊或者硬件電路與其它控制系統、機械和電氣系統之間連接通訊。
4、 根據權利要求3所述的混合動力汽車整車系統的多能源控制系統，其特 征在于，所述多能源控制器系統包括混合動力控制器HCU,電機控制器MCU、 控制器溫度管理單元和高低壓轉換控制單元；所述電機本體系統包括電機本 體、溫度傳感器、位置傳感器以及電機溫度控制系統；所述能量存儲本體及控 制系統包括高壓電池電池組、高壓電池控制系統BMS、高壓電池自動切斷保護 控制單元以及電池溫度控制單元。
5、 一種如權利要求3或4所述的多能源控制系統的多能源控制方法，其特 征在于，提供一個獨立的高壓電池控制系統BMS并對該控制系統BMS的信息進行處理根據實際的高壓電池充電狀態信息以及標定的高壓電池充電狀態目標常量 計算高壓電池充電狀態誤差；通過標定選擇由高壓電池控制單元計算的高壓電池最大充電功率或者根據 高壓電池充電狀態和高壓電池溫度計算最大充電功率；通過標定選擇由高壓電池控制單元計算的高壓電池最大放電功率或者根據 高壓電池充電狀態和高壓電池溫度計算的最大放電功率；高壓電池控制算法中處理最小、最大、以及平均電池單元溫度；高壓電池控制算法中處理高壓電池電壓、電流以及根據電壓和電流處理的 高壓電池功率。
6、 一種如權利要求3或4所述的多能源控制系統的多能源控制方法，其特 征在于，多能源控制系統對能量存儲單元的荷電狀態S0C進行控制當S0C相對高，整車性能扭矩輔助功能的扭矩基于信息處理模塊中處理的 最大高壓電池放電功率控制；當S0C低于某一軟限制值，高壓電池控制算法限制進一步性能輔助扭矩的 輸出；當S0C進一步低于一較低硬限制數值，高壓電池控制算法完全限制性能輔 助扭矩的輸出，SOC則控制在相對較低的數值以上。
7、 一種如權利要求3或4所述的多能源控制系統的多能源控制方法，其特 征在于，多能源控制系統對能量存儲單元的荷電狀態S0C進行控制當S0C相對低，整車再生制動的能量回收的扭矩基于信息處理模塊中處理 的最大高壓電池充電功率；當S0C高于某一軟限制值，高壓電池控制算法限制進一步再生制動能量回收扭矩的輸出；當S0C進一步高于一較硬限制高數值，高壓電池控制算法完全限制再生制 動能量的扭矩輸出，S0C則控制在相對較高的數值以下；當S0C降低到性能輔助扭矩的完全限制點，混合動力整車內燃機高效發電 的功能被激活。
8、 一種如權利要求3或4所述的多能源控制系統的多能源控制方法，其特 征在于，多能源控制系統對整車高壓系統的電源進行控制在整車控制策略請求高壓電池連接端子連接之前，DC link的電壓經過監測， 當監測到的電壓高于一定的數值，則確定一個診斷的故障信息；當發動機已經開始旋轉，則不對電壓進行監測、診斷；當整車控制器與高壓電池控制單元之間的CAN通訊沒有建立，或者系統保 護模塊/故障處理模塊請求高壓電池關閉，或者整車鑰匙電源開關處在OFF位置， 則整車控制策略不會發出高壓電池連接的請求指令；當整車鑰匙電源開關從非OFF位置回復到OFF位置，或者監測到一個引起 系統安全問題的故障，則整車控制策略發出請求高壓電池斷開高壓電池連接端 子的請求指令。
9、 一種如權利要求3或4所述的多能源控制系統的多能源控制方法，其特 征在于，多能源控制系統對能量儲存單元溫度進行控制-當整車剛剛啟動時高壓電池的溫度較低，則整車混合動力高壓電池溫度控 制算法向高壓電池充放電使高壓電池快速到達一定工作范圍區間；當整車正常運行下高壓電池的溫度高于一定數值，則限定扭矩輔助或者放 電扭矩來實現高壓電池的充放電循環，并且高壓電池冷卻系統也開始工作，通 過高低溫度的空氣循環來冷卻高壓電池溫度。
全文摘要
本發明涉及一種混合動力汽車整車系統，該整車系統的多能源控制系統和對應的多能源控制方法。基于混合動力汽車整車系統，設計了由多能源控制器系統、電機本體系統、能量存儲本體及控制系統、發動機和整車電氣機械系統的混合動力整車控制系統，再基于這一控制系統發明了對于多能源信息特別處理策略及算法、混合動力整車在動力輔助扭矩下的能源控制、混合動力整車在能量回收模式下的能源控制、能量存儲單元溫度控制策略和發動機自動啟停下的能源控制方法。本發明中的混合動力整車所配置的能量存儲單元高壓電池的經過發明中的控制方案控制以后具較高的工作效率、較高的工作壽命，而且發明中的整車滿足設計的經濟性、動力性和排放性等等各項指標。
文檔編號B60K6/48GK101254744SQ20071030253
公開日2008年9月3日 申請日期2007年12月28日 優先權日2007年12月28日
發明者鄒海斌 申請人:奇瑞汽車股份有限公司