混合動力能量管理系統及其控制方法與流程

本申請涉及混合動力優化的能量管理策略，尤其涉及一種混合動力能量管理系統及其控制方法。

背景技術：

隨著環境污染日益加重，汽車排放法規越來越嚴厲，新能源汽車具有諸多優勢，使其成為汽車節能減排有效途徑。因此全球對不同形式的新能源汽車已有較為廣泛的研究，相對于傳統內燃機汽車和純電動汽車，混合動力汽車既繼承了石油燃料發動機高的比能量的長處，彌補了純電動汽車續駛里程短的不足，又發揚了純電動汽車作為“綠色汽車”節能和低排放的優點，顯著改善了整車燃油經濟性能和排放性能。混合動力系統按照動力系統的結構形式可以分為串聯，并聯和混聯三類。在不同的結構形式中，需要根據車輛行駛工況的變化，實現發動機、電機和傳動系統的最佳配合，并且使電池運行狀態的優化，從而達到整車性能的最佳狀態。

混合動力汽車能量管理策略的設計是影響混合動力汽車各項性能的關鍵因素，目前根據不同的混合動力構型，一般采用基于規則的能量管理策略，可以保證整車穩定運行，但是在部分工況中，混合動力系統并不是在優化的狀態下運行，影響整車性能。

在公開號為CN102785575A、名稱為“基于在線優化邏輯門限值的公交車能量管理方法及裝置”的現有技術中，提供一種基于在線優化邏輯門限值的公交車能量管理方法。在混合動力公交客車的運行過程中，可以根據不同邏輯門限值參數在相同工況下的不同油耗值，使邏輯門限值參數朝著降低油耗的方向進化，最終達到在任一特定工況下油耗最低的目的。該方法的缺點是：該混合動力能量管理策略采用種群管理的優化算法優化邏輯門限的參數，優化的結果與種群的數量和初始值相關性很大，并且計算量較大，對微處理器的硬件要求較高，適合理論策略的開發，很難在實際產品中應用。

在公開號為CN103112450A、名稱為“一種插電式并聯混合動力汽車的實時優化控制方法”的現有技術中，提供了一種插電式并聯混合動力汽車的實時優化控制方法。該方法從全局優化的角度，考慮用戶出行里程的長短，利用龐氏原理，通過對動力系統優化控制，使得車輛按照指定工況運行，達到減小整車燃油消耗的目的。但是，該方法存在如下問題：該方法采用全局優化的思想，因此對于車輛的行駛路線部分已知的情況下運行，對于車輛出行線路部分已知的公交車等比較適用，而對于行駛線路自由的乘用車不是很實用。

在公開號為CN202703576U、名稱為“一種混合動力車輛能量管理系統”的現有技術中，提出采用單軸并聯的混合動力結構的混合動力系統。整車控制單元HCU通過GPRS模塊與遠端服務器通信，并提供一種遠程工況數據采集與分析及參數標定功能，克服現有技術中混合動力車輛能量管理策略系統無法適應車輛實際工況動態變化不足的缺點，提高整車的燃油經濟性和排放性能。但，由于整車控制對實時性要求較高，而GPRS無線通信實時性較慢，會影響整車的整體性能。另外，該能量管理方法主要應用于固定行駛線路的車輛，而對于行駛線路自由的乘用車不是很實用，且產業化的可能性較小。

有鑒于此，需要一種改進的混合動力汽車系統控制方法。

技術實現要素：

根據本申請的一個方面，提供了一種混合動力能量管理系統，所述系統包括：駕駛員扭矩需求模塊，所述駕駛員扭矩需求模塊配置成獲取駕駛員操作信息并計算駕駛員需求的驅動軸扭矩；需求扭矩處理模塊，所述需求扭矩處理模塊配置成消除底盤系統對所述驅動軸扭矩的干擾，并基于所述驅動軸扭矩確定曲軸扭矩；扭矩管理策略模塊，所述扭矩管理策略模塊配置成確定整車優化性能目標的代價函數，并基于所述代價函數來確定發動機需求扭矩和電機需求扭矩的分配；以及動力系統扭矩處理模塊，所述動力系統扭矩處理模塊配置成根據發動機和電機扭矩輸出能力對所述發動機需求扭矩和電機需求扭矩進行限制，并將最終確定的發動機扭矩和電機扭矩分別發送給發動機和電機。

在上述系統中，所述駕駛員操作信息包括加速踏板和制動踏板信息。

在上述系統中，所述需求扭矩處理模塊配置成將所述驅動軸扭矩通過變速箱速比來計算所述曲軸扭矩，并協調所述驅動軸扭矩與所述曲軸扭矩。

在上述系統中，所述代價函數至少基于下列因素中的一個或多個來進行確定：平衡燃油經濟性能、排放性能以及整車振動和噪聲。

在上述系統中，所述電機扭矩和所述發動機扭矩之間滿足如下公式：電機扭矩= (曲軸扭矩-發動機扭矩)/傳動比。

在上述系統中，所述扭矩管理策略模塊配置成按順序執行如下步驟：（1）比較所述曲軸扭矩與發動機最小維持扭矩，如果所述曲軸扭矩小于所述發動機最小維持扭矩，則將發動機需求扭矩設定為等于所述發動機最小維持扭矩；否則，執行步驟（2）；（2）計算滑行最小扭矩并比較所述曲軸扭矩與所述滑行最小扭矩，其中所述滑行最小扭矩等于發動機最小運行扭矩與實際滑行扭矩的最大值；如果所述曲軸扭矩小于所述滑行最小扭矩，則將所述發動機需求扭矩設定為等于所述發動機最小運行扭矩，并將電機需求扭矩設定為所述曲軸扭矩與所述發動機需求扭矩之差；否則，執行步驟（3）；（3）比較所述曲軸扭矩與發動機最大扭矩，如果所述曲軸扭矩大于所述發動機最大扭矩，則將所述發動機需求扭矩設定為等于所述發動機最大扭矩，并將所述電機需求扭矩設定為所述曲軸扭矩與所述發動機需求扭矩之差；否則，執行步驟（4）；（4）判斷當前系統是否處于制動能量回收模式；如果是，則將所述發動機需求扭矩設定為等于電機制動扭矩并將所述電機需求扭矩設定為所述曲軸扭矩與所述發動機需求扭矩之差；否則，執行步驟（5）；以及（5）基于所述代價函數來確定發動機需求扭矩和電機需求扭矩的分配。

在上述系統中，所述扭矩管理策略模塊還配置成將所述發動機需求扭矩限制在發動機最大扭矩與發動機最小扭矩之間，并將所述電機需求扭矩限制在電機最大扭矩與電機最小扭矩之間。

在上述系統中，所述扭矩管理策略模塊還配置成對經過限制的電機需求扭矩進行濾波處理。

在上述系統中，所述動力系統扭矩處理模塊配置成按順序執行如下步驟：（1）確定曲軸快速需求扭矩是否使能；如果使能，則將所述曲軸快速需求扭矩賦值給電機快速需求扭矩，并將所述電機快速需求扭矩限制在電機最小扭矩與電機最大扭矩之間，然后使得最終確定的電機扭矩等于經過限制的該電機快速需求扭矩的值；如果否，則執行步驟（2）；以及（2）如果沒有使能，則將最終確定的電機扭矩設定為等于所述電機需求扭矩，同時將發動機快速需求扭矩設定為無效。

根據本申請的另一方面，還提供了一種整車控制器，包括如上所述的混合動力能量管理系統。

根據本申請的另一方面，還提供了一種分布式混合動力控制系統，包括發動機管理系統、電機控制器以及如上所述的整車控制器。

根據本申請的又一方面，提供了一種混合動力汽車的控制方法，所述方法包括如下四個步驟：獲取駕駛員操作信息并計算駕駛員需求的驅動軸扭矩；消除底盤系統對所述驅動軸扭矩的干擾，并基于所述驅動軸扭矩確定曲軸扭矩；確定整車優化性能目標的代價函數，并基于所述代價函數來確定發動機需求扭矩和電機需求扭矩的分配；以及根據發動機和電機扭矩輸出能力對所述發動機需求扭矩和電機需求扭矩進行限制，并將最終確定的發動機扭矩和電機扭矩分別發送給發動機和電機。

附圖說明

在參照附圖閱讀了本申請的具體實施方式以后，本領域技術人員將會更清楚地了解本申請的各個方面。本領域技術人員應當理解的是：這些附圖僅僅用于配合具體實施方式說明本申請的技術方案，而并非意在對本申請的保護范圍構成限制。

圖1是根據本申請的實施例的混合動力傳動系統總體結構的示意圖；

圖2是根據本申請的實施例的混合動力能量管理策略總體示意圖；以及

圖3是根據本申請的實施例的混合動力整車控制器扭矩管理策略流程圖。

具體實施方式

下面介紹的是本申請的多個可能實施例中的一些，旨在提供對本申請的基本了解，并不旨在確認本申請的關鍵或決定性的要素或限定所要保護的范圍。容易理解，根據本申請的技術方案，在不變更本申請的實質精神下，本領域的一般技術人員可以提出可相互替換的其它實現方式。因此，以下具體實施方式以及附圖僅是對本申請的技術方案的示例性說明，而不應當視為本申請的全部或者視為對本申請技術方案的限定或限制。

圖1為根據本申請的實施例的混合動力傳動系統總體結構示意圖。需要指出的是，本申請的混合動力汽車優化能量管理策略可用于多種類型的混合動力傳動系統，包括但不限于如圖1所示的皮帶式的微混結構。為了方便讀者理解，在下文中，本申請僅在皮帶式的微混結構類型下進行討論。

如圖1所示，混合動力傳動系統包括發動機101，電機102和變速箱103，其中電機于發動機通過皮帶來接，同時包括電池系統107（包括動力電池和電池管理系統）為電機運行提供能源。混合動力汽車能量管理控制系統采用分布式控制方案，以整車控制器108為核心，通過發動機管理系統104、變速器控制器105（手動變速箱的整車不包括105模塊）、電機控制器106、電池管理系統、儀表系統109及車身控制器110等主要控制器控制混合動力總成系統來實現控制功能。整車控制器和其他控制器之間通過CAN總線進行通信，實時管理各個控制器優化的運行。

整車控制器為混合動力控制系統的核心控制器，并且整車控制器中的混合動力能量管理策略直接影響著整車的性能。本申請的整車控制器以111模塊為輸入信號，其中包括離合器踏板信息（自動變速箱沒有此信號），加速踏板信息，制動踏板信息和ACC等開關信息，這些信號可能是硬線信號，也可能是通過車身控制器等其他控制的總線數據獲取。整車控制器還需要從總線中獲得車速、發動機轉速、電池SOC等信息，按照一定的控制規則，通過CAN總線通訊直接或間接協調發動機管理系統，電機控制器及變速箱控制器等子控制單元進行工作。

為了使整車性能達到最佳，混合動力能量管理策略需要通過控制軟件協調管理動力系統各個部件的轉速、扭矩、功率等參數。圖2是根據本申請的一個實施例的混合動力能量管理策略總體示意圖，其中加速踏板和制動踏板信息201作為控制系統的輸入（Cruise控制軸扭請求，以及其他從駕駛員輸入的軸扭請求，不在本申請考慮范圍）。根據車型的不同，加速踏板和制動踏板信號的獲取方式不盡相同，某些車型通過車身控制器采集，然后通過總線獲取；而某些車型則可以在總線上通過發動機控制器獲取，甚至有些車型還需要整車控制器直接采集加速踏板和制動踏板傳感器的模擬信號。整車控制器108通過獲取駕駛員操作信息，首先經過駕駛員扭矩需求模塊202，計算駕駛員扭矩需求，其中0%踏板位置時，駕駛員扭矩需求與creep/coast所需的駕駛員意圖的扭矩相同，Creep扭矩需求為車輛怠速行車的扭矩需要，Coast的扭矩需求為發動機制動減速的扭矩需求。在100%踏板位置時，駕駛員需求扭矩應為動力總成最大扭矩請求，以保證車輛的全面表現。在0% 和 100% 踏板位置時，根據整車性能需求定義駕駛員需求扭矩與踏板值之間的增益系數，然后再根據工況和環境條件（發動機速度，車輛速度，空氣密度等）進行補償。

經過202模塊可以獲得駕駛員需求的驅動軸扭矩，然后進入需求扭矩處理模塊203，模塊中包括：扭矩干擾處理策略，軸/曲軸扭矩仲裁策略和扭矩/速度協調策略。由于驅動軸在整車的一些特殊工況受到底盤系統的干涉，比如在車輛產生滑移等情況，因此扭矩干擾處理策略需要整車控制器與底盤系統進行通信，確定驅動軸扭矩是否需要進行干涉，如果發生干涉，則根據底盤的需求，增加或者減小駕駛員需求的驅動軸扭矩，達到汽車安全行駛的目的。而在軸/曲軸扭矩仲裁策略中，整車控制器108根據不同系統的設計需求，需要將驅動軸扭矩通過變速箱速比和傳動損失等計算，獲取駕駛員需求的曲軸扭矩，然后對所獲得的軸/曲軸扭矩通過扭矩仲裁策略進行處理，所謂的仲裁處理實際為限制軸/曲周扭矩的值，邊界條件的確定則根據傳動系統的部件控制需求、發動機變速箱等部件壽命控制需求和整車速度或者加速度等情況來確定。同時變速箱換擋階段曲軸扭矩變化速率的仲裁控制策略需要特殊考慮，因為變速箱在混合動力中可能出現曲軸扭矩變化過快，造成的離合器油壓欠壓，影響換擋過程。扭矩/速度協調策略的功能主要是為了防止發動機失速或速度過低，通過電機扭矩調節發動機的轉速。傳統產品中，由于駕駛員松開加速踏板，發動機控制器采用怠速控制來保持發動機轉動。而在混合動力系統中, 電機輸出扭矩可以提供發動機速度控制，用以維持發動機在一個合理的轉速。此外，整車控制器108還將提供轉速限制功能,將限制發動機轉速超速或低速，從而阻止發動機損壞且可以維持發動機轉速運行在安全工作的區域，同時整車控制器108還提供電機超速保護的功能。

經過需求扭矩處理模塊203后，進入扭矩管理策略204，此模塊的主要功能分為扭矩分配和扭矩優化，本申請的扭矩優化策略采用優化的扭矩控制方法，具體來說，扭矩優化策略結合平衡燃油經濟性能,排放性能以及整車NVH（振動和噪聲）等因素，確定整車優化性能目標的代價函數，曲軸扭矩的分配策略則選擇最優的發動機和電機扭矩來保證總體的代價函數最小，在本申請所涉及的微混系統中，發動機和電機扭矩分配滿足以下公式：電機扭矩= (曲軸扭矩-發動機扭矩)/傳動比。

經過扭矩管理策略204后，得到發動機和電機需求扭矩，隨后進入動力系統扭矩處理模塊205，此模塊根據動力系統部件發動機和電機扭矩輸出能力對所需求扭矩進行限制，其中電機驅動能力的極限值包括短期扭矩能力限制和長期扭矩能力限制，并且電機能力選擇還要考慮其運行的不同環境因素（溫度和電機模式條件等），另外在某些動態工況下，需要電機及發動機快速響應扭矩的需求，發動機和電機對于快速扭矩需求不盡相同，需要根據整車控制器與動力系統部件控制接口確定。

最終將發動機和電機需求的扭矩發送給動力系統部件206（主要為發動機和電機），由各動力系統的部件來響應相應扭矩設定值，協調控制電機和發動機輸出實際扭矩，達到優化管理混合動力系統運行的目的。

圖3是根據本申請的一個實施例的扭矩管理策略流程圖。首先進入301模塊，比較總體需求的曲軸扭矩Tcrankshaft Slow（曲軸慢路徑的扭矩需求值）與發動機運行的最小扭矩Teng MIN_OFF，如果Tcrankshaft Slow<Teng MIN_OFF，則使得發動機需求扭矩Teng Slow（發動機慢路徑的扭矩需求值）等于發動機最小維持扭矩Teng MIN_OFF（模塊302），否則進入303模塊，計算滑行最小扭矩TMIN_coast，TMIN_coast等于發動機最小運行扭矩Teng MIN_RUN和實際滑行扭矩Tcoast的最大值，然后進入304模式，比較兩個扭矩Tcrankshaft Slow與TMIN_coast，如果Tcrankshaft Slow<Teng MIN_coast，則使得Teng Slow=Teng MIN_RUN（模塊305），在進入306模塊后，使得電機需求扭矩（電機慢路徑的扭矩需求值）TMotor Slow=Tcrankshaft Slow-Teng Slow。

在模塊304中，如果Tcrankshaft Slow>=TMIN_coast，那么進入模塊307，比較Tcrankshaft Slow與發動機最大扭矩Teng MAX，如果Tcrankshaft Slow>Teng MAX，則進入308模塊，使得Teng Slow=Teng MAX，TMotor Slow=Tcrankshaft Slow-Teng Slow，如果Tcrankshaft Slow<=Teng MAX，然后進入模塊309，判斷是否為制動能量回收模式，如果判斷為制動能量回收模式，則使得TMotor Slow等于電機制動扭矩T charge（模塊310），再經過模塊311限制電機需求轉矩在電機最小輸出扭矩Tmotor MIN和電機最大輸出扭矩Tmotor MAX之間，然后進入模塊312，使得Teng Slow=Tcrankshaft Slow-TMotor Slow。

在模塊309中，如果不是在制動能量回收模式，則進入扭矩優化模塊313（在前文的軟件整體架構有所闡述），經過扭矩優化策略可以得到發動機需求扭矩Teng Slow（模塊314），那么電機的預測扭矩TMotor Slow=Tcrankshaft Slow-Teng Slow（模塊315）。

綜合上述計算就可以得到TMotor Slow和Teng Slow，其中發動機需求扭矩滿足其區間要求，但是電機需求扭矩不一定滿足，因此匯總到模塊316，限制TMotor Slow值在電機最小扭矩Tmotor MIN和電機最大扭矩Tmotor MAX之間。

發動機和電機需求扭矩經過發動機和電機扭矩限制后，進入模塊317，模塊317的功能對電機需求扭矩進行濾波處理，本申請中采用一階低通濾波器，當前電機需求扭矩值為TMotor Slow(k)，上一采樣點的電機需求扭矩為TMotor Slow Final(k-1)，根據整車動力系統的特性，確定不同的a值，使得最終計算得到當前的電機需求扭矩TMotor Slow Final(k)= a*TMotor Slow(k)-（1-a）*TMotor Slow Final(k-1)。如果TMotor Slow Final(k-1)的值在計算中不存在，則設置它的值為零。

經過以上計算，就可以獲得發動機和電機常規運行狀態所需求扭矩，即所謂的慢路徑扭矩，但是在某些混合動力狀態下（換擋等動態工況），要求電機或發動機快速響應當前的扭矩需求，因此接下來進入模塊318，判斷曲軸快速需求扭矩Tcrankshaft Fast是否使能，如果Tcrankshaft Fast使能，則進入模塊319，將曲軸快速需求扭矩Tcrankshaft Fast 賦值給電機快速需求扭矩TMotor Fast，這樣處理的主要原因為電機響應速度要比發動機響應速度快很多，并且發動機快速響應扭矩是通過犧牲排放或油耗等方式來達到的，因此在混動系統中應盡量采用電機來響應駕駛員的快轉矩的需求，以求達到更佳的整車性能。此后會進入模塊320，限制TMotor Fast值在電機最小扭矩Tmotor MIN和電機最大扭矩Tmotor MAX之間。進入321模塊，使得電機設定扭矩TM =TMotor Fast，發動機快速需求扭矩Teng Fast=Tcrankshaft Fast-TM。

如果Tcrankshaft Fast沒有使能，則進入模塊322，使得TM=TMotor Slow，同時將Teng Fast設置為失效（模塊323），換言之，在這種情況下，發動機和電機均響應慢扭矩的需求。最終將獲得的發動機和電機設定值發送給電機控制器或發動機控制器，控制動力系統部件輸出相應的扭矩。

本申請的混合動力優化能量管理策略與現有的專利技術相比，可以應用于多種混合動力整車控制器的實際開發，并且可以達到降低整車油耗，減小排放，達到優化整車性能的目的。

上文中，參照附圖描述了本申請的具體實施方式。但是，本領域中的普通技術人員能夠理解，在不偏離本申請的精神和范圍的情況下，還可以對本申請的具體實施方式作各種變更和替換。這些變更和替換都落在本申請權利要求書所限定的范圍內。