一种混合动力电动汽车及应用其的能量管理控制方法与流程

一种混合动力电动汽车及应用其的能量管理控制方法
[0001][0002]
技术领域
[0003]
本发明涉及混合动力汽车能量管理领域，更具体地，涉及一种混合动力电动汽车及应用其的能量管理控制方法。


背景技术：

[0004]
随着社会经济的发展和汽车保有量的急剧增加，使得石油能源危机日益突出，汽车保有量越来越多，汽车的能源消耗在总能量消耗比例中所占的比例越来越高。因此，汽车节能问题受到各个国家的重视，也是当今汽车工业发展的主题。为解决能源问题一方面是新能源或替代能源的开发，像电动汽车，燃料电池汽车或混合动力汽车，以及用醇类燃料或生物燃料等；另一方面是对混合动力电动汽车的能量管理策略进行优化，以实现燃料的高效利用。
[0005]
混合动力电动汽车能量管理策略主要分为基于规则的控制策略和基于优化的管理策略，基于规则的控制策略的规则简单、规则设计容易、便于调参、实时性优良、能广泛应用于工程实践中。然而，现有的应用于内燃机 电动机的基于规则的高效能量管理控制策略缺乏，如专利cn201811614337.6和专利 cn201910080455.1针对的车型为锂电池 超级电容形式的复合能源电动汽车，而该复合能源电动汽车的市场占有率却很低，而专利cn201910919127.6所设计的能量管理策略未考虑车速等因素的影响，策略效率低下。


技术实现要素：

[0006]
本发明为克服上述现有技术所述的能量管理策略未充分考虑实际行驶工况，管理效率低下的问题，提供一种混合动力电动汽车及应用其的能量管理控制方法。
[0007]
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种混合动力电动汽车，包括内燃机、离合器、力矩耦合器、液力变矩器、变速器、差速器、动力电池、 dc&dc转换器、电机，所述内燃机、所述离合器、所述液力变矩器、所述变速器以及所述差速器顺次连接，所述力矩耦合器分别与所述离合器和所述电机相连接，所述dc&dc转换器分别与所述动力电池和所述电机相连接，还包括用于控制调整汽车运行的整车控制器，所述整车控制器分别与所述动力电池、所述dc&dc转换器、所述电机、所述内燃机、所述离合器以及所述变速器相连接。
[0008]
在本技术方案中，汽车通过整车控制器将指令发到内燃机系统及电动机驱动系统，使发动机及电动机根据整车控制器的指令进行工作功率的实时调整，整车控制器可通过调整不同的连接耦合模式，调整汽车内各装置的动力传输模式，使汽车对混合动力电动汽车的能量管理策略进行优化，实现汽车行驶中动力回收，提高燃料的利用率。
[0009]
本发明另一方面提供一种能量管理控制方法：所述整车控制器通过分析特定输入变量，对汽车驾驶员的驾驶意图进行分析识别，根据驾驶意图判断需要执行的行驶工况，驱
动所述汽车的各组件采取对应的能量管理控制策略；所述输入变量包括油门开度ptd、实际车速veh_spd和动力电池荷电状态soc_b，所述行驶工况的识别判断方法如下：
[0010]
对油门开度ptd进行判断，如果ptd小于等于0则表示驾驶员的驾驶意图为非加速工况；
[0011]
如果油门开度ptd大于0但小于纯电动驱动界限油门开度ptd_ev，则表示驾驶意图为低油门开度工况；
[0012]
如果ptd达到混合驱动界限油门开度ptd_hev，则表示驾驶意图为大油门开度工况。
[0013]
优选地，当行驶工况为所述非加速工况时，如果动力电池荷电状态soc_b 大于动力电池荷电状态目标值soc_bt，则所述能量管理控制策略进入模式6：非加速高电量模式，在模式6下，发动机处于关闭状态或者怠速状态；如果动力电池荷电状态soc_b在动力电池荷电状态下限值soc_bl之下，则所述能量管理控制策略进入模式7：非加速低电量模式，此时发动机运行在高效区域，带动电机发电产生电能输送给动力电池。在本技术方案中，在模式6下，因为驾驶员没有加速意图且soc_b值较高(即动力电池电量较高)，因此为实现系统高效运行，发动机处于关闭状态或者怠速状态；在模式7下，此时动力电池电量较低，车辆虽然没有进行加速动作，但是发动机仍然运行在高效区域，带动电机发电产生电能输送给动力电池。
[0014]
优选地，当行驶工况为大油门开度工况，如果动力电池荷电状态soc_b 大于动力电池荷电状态目标值soc_bt，则所述能量管理控制策略进入模式8：大油门开度高电量混合驱动模式，此时动力电池处于放电模式，驱动电机产生的转矩通过力矩耦合器和发动机的转矩进行耦合输出共同驱动汽车行驶；如果动力电池荷电状态soc_b在动力电池荷电状态下限值soc_bl之下，则能量管理控制策略进入模式9：大油门开度低电量模式，此时由发动机单独驱动汽车行驶，电机不工作。在本技术方案中，在模式8下，由于动力电池电量较高且驾驶意图为较大加速度需求工况，因此此时动力电池处于放电模式，驱动电机产生的转矩通过力矩耦合器和发动机的转矩进行耦合输出共同驱动汽车行驶；在模式9下，由于较大的加速度需求而动力电池电量较低，因此此时由发动机单独驱动汽车行驶，电机不工作。
[0015]
优选地，当行驶工况为低油门开度工况时，如果动力电池荷电状态soc_b 在动力电池荷电状态下限值soc_bl之下，并且实际车速veh_spd小于预设车速下限值spd_l时，所述能量管理控制策略进入模式4：低油门开度低电量低速模式，此时发动机工作在高效率较高功率区域，发动机产生的转矩一部分驱动车辆正常行驶，剩余部分用于驱动电机发电，为动力电池充电；如果实际车速veh_spd高于预设车速上限值spd_h时，所述能量管理控制策略进入模式5：低油门开度低电量高速模式。在本技术方案中，在模式4下，由于需求加速度较小且动力电池处于较低电量状态，因此能量管理策略使发动机工作在高效率较高功率区域，发动机产生的转矩一部分驱动车辆正常行驶，剩余部分用于驱动电机发电，为动力电池充电，在模式5下时，由于需求加速度较小且动力电池处于较低电量状态。
[0016]
优选地，当所述能量管理控制策略采取所述模式5：低油门开度低电量高速模式时，整车的动力由发动机单独提供，能量管理系统自动判断发动机是否工作在高效率区域，如果工作在高效区，则电机不工作；如果工作在较低效率区域，则电机进入充电状态，调节发动机工作在高效区域并为动力电池充电。
[0017]
优选地，当行驶工况为低油门开度工况时，如果动力电池荷电状态soc_b 大于动力电池荷电状态目标值soc_bt时，车辆行驶工况进入低油门高电量工况，在该工况下，需要综合考虑实际车速和动力电池高荷电状态对能量管理模式进行分配，如果实际车速veh_spd小于车速下限值spd_l，则所述能量管理控制策略进入模式1：低油门开度高电量低速模式，此时电动机单独输出转矩驱动汽车行驶，发动机不工作。
[0018]
优选地，在所述低油门高电量工况下，如果实际车速veh_spd大于等于预设车速上限值spd_h并且soc_b小于动力电池荷电状态上限值soc_bh，则能量管理控制策略进入模式2：低油门开度高电量高速未满电模式，此时整车的动力由发动机单独提供，能量管理系统自动判断发动机是否工作在高效率区域，若发动机工作在高效区，则电机不工作；若发动机工作在较低效率区域，则电机进入充电状态，调节发动机工作在高效区域并为动力电池充电直至动力电池荷电状态大于soc_bh。
[0019]
优选地，在所述低油门高电量工况下，如果实际车速veh_spd大于等于预设车速上限值spd_h并且soc_b大于动力电池荷电状态上限值soc_bh，并且动力电池已大达到满电状态，则能量管理控制策略进入模式3：低油门开度高电量高速满电模式，该模式下只有发动机工作，汽车所需的功率由发动机提供。
[0020]
优选地，所述能量管理控制策略还包括根据汽车制动工况调整汽车制动模式的制动管理控制策略，所述汽车制动工况包括动力电池荷电状态soc_b、制动踏板开度brake_bar_percent以及最大制动能量回收制动踏板开度限值 brake_bar_maxenegyregen；
[0021]
如果动力电池荷电状态soc_b高于动力电池荷电状态上限值soc_bh，则制动管理控制策略将进入制动工况下的满电保护模式，即制动模式4：满电保护模式，此时车辆的制动力矩将全部由机械制动提供，电机将不参与制动回收发电；
[0022]
当动力电池荷电状态soc_b小于动力电池荷电状态上限值soc_bh，制动管理控制策略将进入制动工况下的未满电工况，在该工况下将继续判断制动踏板开度brake_bar_percent已分配工况：
[0023]
如果制动踏板开度brake_bar_percent小于等于0，则表示驾驶员位踩踏制动踏板，制动管理控制策略进入制动模式3：未制动模式；
[0024]
如果制动踏板开度brake_bar_percent大于0但低于最大制动能量回收制动踏板开度限值brake_bar_maxenegyregen，则制动管理控制策略将进入制动模式2：制动能量回收模式，在该制动模式下，车辆的制动力矩将全部由电机提供，电机参与制动回收制动能量充电到动力电池已实现等效燃油消耗率的降低；
[0025]
如果制动踏板开度brake_bar_percent大于最大制动能量回收制动踏板开度限值brake_bar_maxenegyregen，则表示此时电机无法提供全部制动转矩，需要机械制动共同参与车辆制动为车辆提供制动转矩；此时制动管理控制策略进入制动模式1：混合制动模式，在该制动模式下电机提供最大制动转矩，即制动能量回收系统以最大功率运行，剩余制动功率由机械制动提供，以满足车辆的制动要求。
[0026]
与现有技术相比，有益效果是：本发明综合考虑了实际车速、动力电池荷电状态、加速踏板开度、制动踏板开度等状态变量控制能量管理策略的选择，实现了在两次fu505标准循环工况下达到等效燃油消耗率为2.39l/100km的较低燃油消耗，通过在不同行驶工况下采取不同能量管理控制策略使得汽油机工作效率在31.8％以上，实现燃油高效利用的目
的，同时实现对大部分制动能量回收的目标，降低了等效燃油消耗率的同时，满足车辆的动力性能。
附图说明
[0027]
图1是本发明一种电动汽车的结构示意；
[0028]
图2是本发明一种能量管理控制方法的工作流程图；
[0029]
图3是本发明驱动制动管理控制策略的工作流程图；
[0030]
图4是本发明一种能量管理控制方法仿真模拟的等效燃油消耗率对比图；
[0031]
图5是本发明一种能量管理控制方法仿真模拟的驱动工况模式切换对比图；
[0032]
图6是本发明一种能量管理控制方法仿真模拟的制动工况下模式切换对比图；
[0033]
图7是本发明一种能量管理控制方法仿真模拟的发动机运行热效率对比图；
[0034]
图8是本发明一种能量管理控制方法仿真模拟的加速踏板开度与制动踏板开度对比图；
[0035]
图9是本发明一种能量管理控制方法仿真模拟的动力电池荷电状态soc_b 对比图；
[0036]
图10是本发明一种能量管理控制方法仿真模拟的发动机转矩输出对比图；
[0037]
图11是本发明一种能量管理控制方法仿真模拟的电机力矩指令与电机实际输出力矩对比图；
[0038]
图12是本发明一种能量管理控制方法仿真模拟的基于2次fu
‑
505标准循环工况的仿真动力跟随图。
[0039]
附图标记说明：
[0040]1‑
内燃机，2
‑
离合器，3
‑
力矩耦合器，4
‑
液力变矩器，5
‑
变速器，6
‑
差速器， 7
‑
动力电池，8
‑
dc&dc转换器，9
‑
电机，10
‑
整车控制器。
具体实施方式
[0041]
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
[0042]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0043]
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
[0044]
实施例1
[0045]
如图1所示，一种混合动力电动汽车，包括内燃机1、离合器2、力矩耦合器3、液力变矩器4、变速器5、差速器6、动力电池7、dc&dc转换器8、电机9，所述内燃机1、所述离合器2、所
述液力变矩器4、所述变速器5以及所述差速器6顺次连接，所述力矩耦合器3分别与所述离合器2和所述电机9相连接，所述dc&dc转换器8分别与所述动力电池7和所述电机9相连接，还包括用于控制调整汽车运行的整车控制器10，所述整车控制器10分别与所述动力电池7、所述dc&dc转换器8、所述电机9、所述内燃机1、所述离合器 2以及所述变速器5相连接。
[0046]
在本实施例中，汽车通过整车控制器10将指令发到内燃机1系统及电动机驱动系统，使发动机及电动机根据整车控制器10的指令进行工作功率的实时调整，整车控制器10可通过调整不同的连接耦合模式，改变汽车内各部件的动力传输模式，使汽车对混合动力电动汽车的能量管理策略进行优化，实现汽车行驶中动力回收，提高燃料的利用率。
[0047]
如图2、图3所示，本发明另一方面提供一种能量管理控制方法：整车控制器10通过分析特定输入变量，对汽车驾驶员的驾驶意图进行分析识别，根据驾驶意图判断需要执行的行驶工况，驱动汽车的各组件采取对应的能量管理控制策略；输入变量包括油门开度ptd、实际车速veh_spd和动力电池荷电状态 soc_b，行驶工况的识别判断方法如下：
[0048]
对油门开度ptd进行判断，如果ptd小于等于0则表示驾驶员的驾驶意图为非加速工况；
[0049]
如果油门开度ptd大于0但小于纯电动驱动界限油门开度ptd_ev，则表示驾驶意图为低油门开度工况；
[0050]
如果油门开度ptd达到混合驱动界限油门开度ptd_hev，则表示驾驶意图为大油门开度工况。
[0051]
其中，当行驶工况为非加速工况时，如果动力电池荷电状态soc_b大于动力电池荷电状态目标值soc_bt，则能量管理控制策略进入模式6：非加速高电量模式，在模式6下，发动机处于关闭状态或者怠速状态；如果动力电池荷电状态soc_b在动力电池荷电状态下限值soc_bl之下，则能量管理控制策略进入模式7：非加速低电量模式，此时发动机运行在高效区域，带动电机9 发电产生电能输送给动力电池7对其充电。在本实施例中，在模式6下，因为驾驶员没有加速意图且soc_b值较高(即动力电池7电量较高)，因此为实现系统高效运行，发动机处于关闭状态或者怠速状态；在模式7下，此时动力电池7电量较低，车辆虽然没有进行加速动作，但是发动机仍然运行在高效区域，带动电机9发电产生电能输送给动力电池7对其充电。
[0052]
另外，当行驶工况为大油门开度工况，如果动力电池荷电状态soc_b大于动力电池荷电状态目标值soc_bt，则能量管理控制策略进入模式8：大油门开度高电量混合驱动模式，此时动力电池7处于放电模式，驱动电机9产生的转矩通过力矩耦合器3和发动机的转矩进行耦合输出共同驱动汽车行驶；如果动力电池荷电状态soc_b在动力电池荷电状态下限值soc_bl之下，则能量管理控制策略进入模式9：大油门开度低电量模式，此时由发动机单独驱动汽车行驶，电机9不工作。在本实施例中，在模式8下，由于动力电池7电量较高且驾驶意图为较大加速度需求工况，因此此时动力电池7处于放电模式，驱动电机9产生的转矩通过力矩耦合器3和发动机的转矩进行耦合输出共同驱动汽车行驶；在模式9下，由于较大的加速度需求而动力电池7电量较低，因此此时由发动机单独驱动汽车行驶，电机9不工作。
[0053]
其中，当行驶工况为低油门开度工况时，如果动力电池荷电状态soc_b 在动力电池荷电状态下限值soc_bl之下，并且实际车速veh_spd小于预设车速下限值spd_l时，能量管理控制策略进入模式4：低油门开度低电量低速模式，此时发动机工作在高效率较高功率
区域，发动机产生的转矩一部分驱动车辆正常行驶，剩余部分用于驱动电机9发电，为动力电池7充电；如果实际车速veh_spd高于预设车速上限值spd_h时，能量管理控制策略进入模式5：低油门开度低电量高速模式。在本实施例中，在模式4下，由于需求加速度较小且动力电池7处于较低电量状态，因此能量管理策略使发动机工作在高效率较高功率区域，发动机产生的转矩一部分驱动车辆正常行驶，剩余部分用于驱动电机9发电，为动力电池7充电，在模式5下时，由于需求加速度较小且动力电池7处于较低电量状态，整车的动力由发动机单独提供，能量管理系统自动判断发动机是否工作在高效率区域，如果工作在高效区，则电机9不工作；如果工作在较低效率区域，则电机9进入充电状态，调节发动机工作在高效区域并为动力电池7充电。
[0054]
其中，当行驶工况为低油门开度工况时，如果动力电池荷电状态soc_b 大于动力电池荷电状态目标值soc_bt时，车辆行驶工况进入低油门高电量工况，在该工况下，需要综合考虑实际车速和动力电池7高荷电状态对能量管理模式进行分配，如果实际车速veh_spd小于车速下限值spd_l，则能量管理控制策略进入模式1：低油门开度高电量低速模式，此时电动机单独输出转矩驱动汽车行驶，发动机不工作。
[0055]
另外，在低油门高电量工况下，如果实际车速veh_spd大于等于预设车速上限值spd_h并且soc_b小于动力电池荷电状态上限值soc_bh，则能量管理控制策略进入模式2：低油门开度高电量高速未满电模式，此时整车的动力由发动机单独提供，能量管理系统自动判断发动机是否工作在高效率区域，若发动机工作在高效区，则电机9不工作；若发动机工作在较低效率区域，则电机9进入充电状态，调节发动机工作在高效区域并为动力电池7充电直至动力电池荷电状态大于soc_bh。
[0056]
其中，在低油门高电量工况下，如果实际车速veh_spd大于等于预设车速上限值spd_h并且soc_b大于动力电池荷电状态上限值soc_bh，并且动力电池7已大达到满电状态，则能量管理控制策略进入模式3：低油门开度高电量高速满电模式，该模式下只有发动机工作，汽车所需的功率由发动机提供。
[0057]
另外，能量管理控制策略还包括根据汽车制动工况调整汽车制动模式的制动管理控制策略，汽车制动工况包括动力电池荷电状态soc_b、制动踏板开度 brake_bar_percent以及最大制动能量回收制动踏板开度限值 brake_bar_maxenegyregen；
[0058]
如果动力电池荷电状态soc_b高于动力电池荷电状态上限值soc_bh，则制动管理控制策略将进入制动工况下的满电保护模式，即制动模式4：满电保护模式，此时车辆的制动力矩将全部由机械制动提供，电机9将不参与制动回收发电；
[0059]
当动力电池荷电状态soc_b小于动力电池荷电状态上限值soc_bh，制动管理控制策略将进入制动工况下的未满电工况，在该工况下将继续判断制动踏板开度brake_bar_percent已分配工况：
[0060]
如果制动踏板开度brake_bar_percent小于等于0，则表示驾驶员位踩踏制动踏板，制动管理控制策略进入制动模式3：未制动模式；
[0061]
如果制动踏板开度brake_bar_percent大于0但低于最大制动能量回收制动踏板开度限值brake_bar_maxenegyregen，则制动管理控制策略将进入制动模式2：制动能量回收模式，在该制动模式下，车辆的制动力矩将全部由电机9 提供，电机9参与制动回收制动能量充电到动力电池7已实现等效燃油消耗率的降低；
[0062]
如果制动踏板开度brake_bar_percent大于最大制动能量回收制动踏板开度限值brake_bar_maxenegyregen，则表示此时电机9无法提供全部制动转矩，需要机械制动共同参与车辆制动为车辆提供制动转矩；此时制动管理控制策略进入制动模式1：混合制动模式，在该制动模式下电机9提供最大制动转矩，即制动能量回收系统以最大功率运行，剩余制动功率由机械制动提供，以满足车辆的制动要求。
[0063]
基于上述能量管理控制方法的模拟可通过c/c 、python、 matlab/simulink等多种语言实现。如图4至图12所示，分别表示一种能量管理控制方法仿真模拟的等效燃油消耗率对比图、驱动工况模式切换对比图、制动工况下模式切换对比图、发动机运行热效率对比图、加速踏板开度与制动踏板开度对比图、动力电池荷电状态soc_b对比图、发动机转矩输出对比图、电机力矩指令与电机实际输出力矩对比图、基于2次fu
‑
505标准循环工况的仿真动力跟随图。对于上述所描述到的参数的数值选取，动力电池荷电状态 soc_b由动力电池7模块计算得到，变量范围为0
‑
100，本次仿真实验初始值为32；加速踏板开度ptd及制动踏板开度brake_bar_percent均为驾驶员输入值，两者的范围均为0
‑
100。soc_bl、soc_bt、soc_bh、spd_l、spd_h、ptd_ev、 ptd_hev专家经验值，常数，本次仿真实验取soc_bl＝30，soc_bt＝32， soc_bh＝80，spd_l＝40，spd_h＝60，ptd_ev＝57，ptd_hev＝76；最大制动能量回收制动踏板开度限值brake_bar_maxenegyregen的值需要根据混合动力系统中的电动驱动系统以及档位进行实时计算更新。
[0064]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。