专利名称：混合动力轿车动力总成的动力输出切换方法及其控制系统的制作方法
技术领域：
本发明属于混合动力轿车动力总成控制技术领域，特别涉及一种混合动力轿车动力总成的动力输出切换方法及多能源动力总成控制系统。
背景技术：
混合动力轿车以其低能耗、低排放等优点，已成为未来汽车技术研究的热点。混合动力电动汽车的动力总成控制系统的研究在国内尚处于起步阶段，仍无成熟技术出现。混合动力轿车的多能源控制系统是一个较为复杂的系统，需要协调处理作为动力源的发动机与电池电机系统之间的关系，同时还要根据需要与AMT(电子控制机械式变速器)控制系统通讯提供换档控制所需的信号以及控制变速箱离合器的结合与分离，众多的传感器信号也加大了多能源控制系统的复杂性。此外，混合动力汽车上存在300多伏的强电系统，多能源控制系统必须能在系统出现故障时，切断强电的供给，保证汽车各部件的安全。现有混合动力轿车的动力传动系统一般采用行星变速机构与电机构成无级变速或采用CVT(无级变速器)，其成本较高。采用MT(手动变速器)型式的变速机构，不能实现自动换档，加大了驾驶员的劳动强度。
发明内容
为了实现混合动力轿车动力系统的优化动力输出切换，降低成本。减小轿车排放量，降低油耗，本发明提供了一种混合动力轿车动力总成的动力输出切换方法，其特征在于该方法包括如下步骤1)利用动力总成控制系统采集加速踏板开关和开度、制动踏板开关和开度、发动机转速、电机转速、车速、蓄电池的SOC(State of Charge，充电状态)、电压和电流，以及混合动力轿车系统中各控制单元的故障信息；2)根据上述故障信息判断是否有故障，如有故障进行如下处理置电机油门＝0％、置发动机油门＝0％、关闭ISG(启动发电一体机)、向配电系统发出断电请求并显示故障信息；3)如采集到AMT的换挡请求，动力总成控制系统减小发动机的油门开度，使换档平缓并给电机发送转速控制命令使AMT输入轴和输出轴达到转速同步；4)动力总成控制系统根据车速与加速踏板开度计算驾驶员的扭矩需求；5)确定状态转换值，即根据发动机的外特性线性插值计算发动机最大扭矩值，根据发动机20％油门的扭矩特性线性插值计算发动机关闭的最小扭矩值，并将电机额定功率单独驱动下的车速作为最小车速值；
6)根据所述的状态转换值、蓄电池SOC的上下限值和采集到的制动踏板开关状态进行如下判断，如果制动踏板开关接通，动力总成控制系统进行回收制动能量；如果制动踏板开关未接通，而当前蓄电池SOC值小于SOC下限值，则执行发动机对蓄电池充电，直到蓄电池SOC值大于SOC上限值；如果当前蓄电池SOC值大于SOC的下限值，则判断充电过程是否结束，如果未结束，则判断驾驶员的扭矩需求是否大于发动机最大扭矩值，如所述扭矩需求大于发动机最大扭矩值，则进行混合驱动，否则执行发动机对蓄电池充电；如果充电过程结束，那么如果驾驶员的扭矩需求小于发动机关闭的最小扭矩值或车速小于发动机关闭的最小车速值，则动力总成控制系统进行电动驱动；否则如果驾驶员的扭矩需求小于发动机最大扭矩值但大于发动机关闭的最小扭矩需求值且车速大于发动机关闭的最小车速值，则动力总成控制系统进行发动机驱动；如果驾驶员的扭矩需求大于发动机最大扭矩值，则动力总成控制系统进行混合驱动；完成状态判断处理后返回步骤1)。
第3)步中所述的换档过程控制方法中减小发动机的油门开度至8％。
所述蓄电池SOC下限值的范围为(40～50)％；蓄电池SOC上限值的范围为(60～70)％。
第6)步中所述的混合驱动方法为让发动机以100％油门工作，扭矩需求超出发动机最大扭矩值的部分由电机提供。
所述的发动机对蓄电池充电的方法为发动机油门在扭矩需求对应的油门开度的基础上增加15％的油门开度用于发电。
回收制动能量时，电机的发电油门为20％。
本发明还提供了一种混合动力轿车动力总成控制系统，其特征在于该动力总成控制系统包括存储控制程序的主芯片、与所述主芯片的输入口连接的采集AMT控制系统、配电系统、点火开关、加速踏板、制动踏板开关信号的开关量调理电路、与主芯片的A/D口连接的采集加速踏板、制动踏板、电控节气门、蓄电池管理系统模拟信号的模拟量调理电路、与主芯片的PAI(输入脉冲输入捕捉或脉冲累加器)口连接的采集发动机、电机、AMT控制系统脉冲信号的脉冲信号调理电路、与主芯片的电源口连接的电源管理电路、与主芯片的时钟线连接的时钟电路、与主芯片的PWM(脉宽调制输出)口连接的功率驱动、与主芯片的输出口连接的驱动隔离电路、与主芯片的SPI口连接的DA转换电路、与主芯片的SCI口分别连接的串行通讯转换电路和AMT(电子控制机械式变速器)、与主芯片的CAN控制器连接的CAN总线驱动电路、与主芯片的BDM(背景调试)口连接的调试接口，以及与所述开关量调理电路、模拟量调理电路、脉冲信号调理电路连接的抗干扰电路。
所述的主芯片采用16位单片机MC68HC12DG128A。
采用本发明提供的混合动力轿车动力总成的动力输出切换方法及其控制系统使可大大减小混合动力轿车的排放量，降低轿车的油耗。
图1是混合动力轿车动力总成系统示意图。
图2是动力总成控制系统原理框图。
图3是动力总成控制系统的控制策略流程图。
图4是数据采集流程图。
图5是故障处理流程图。
图6是换档过程控制流程图。
图7是回收制动能量流程图。
图8是发动机对蓄电池充电流程图。
图9是混合驱动流程图。
图10是电动驱动流程图。
图11是发动机驱动流程图。
具体实施例方式
下面结合实施例参照附图进行详细说明，以便对本发明的目的，特征及优点进行更深入的理解。
混合动力轿车动力总成系统示意图如图1所示，点火开关1、换档手柄2、加速踏板3、制动踏板4、空调7、配电系统19、AMT(电子控制机械式变速器)控制系统11、蓄电池管理系统10、电机控制系统9、发动机控制系统8、电控节气门6、ISG13与动力总成控制系统5具有弱电连接。此外，发动机控制系统8与发动机15之间有弱电连接；电机控制系统9与电动机/发电机17、蓄电池12、配电系统19之间有强电连接；蓄电池管理系统10与蓄电池12有强电连接；AMT控制系统11与AMT18、离合器16有弱电连接；ISG13与蓄电池12有强电连接；发动机15与离合器16之间是机械连接；发电机/电动机17与AMT18之间有机械连接；AMT18与车轮之间有机械连接；以上的连接关系构成了混合动力总成系统。
如图2所示，主芯片型号为Motorola公司的16位单片机MC68HC12DG128A，它集成度高，无需进行任何外部扩展，只需在主芯片的基础上加上信号调理电路和输出驱动电路等即可构成完整的控制系统，这就有效地减小了元件数量和连线数目，提高了系统可靠性，减小了体积，便于安装。隔离驱动电路采用集成的低端驱动电路，具有自诊断功能，可靠性高。来自电机控制系统、AMT控制系统、配电系统、加速踏板、制动踏板、点火开关的开关信号经过开关量调理电路37与主芯片41的I/O口连接，开关量调理电路37采用带上拉的RC滤波电路，可以接受不同类型的开关量输入形式，并具有最高电压限定功能，具有较好的灵活性和安全性。来自加速踏板、制动踏板、电控节气门、蓄电池管理系统的模拟信号经过模拟量调理电路36与主芯片41的A/D口连接，模拟量调理电路36采用带电压限定功能的RC滤波电路，具有良好的抗干扰性与安全性。来自发动机控制系统、电机控制系统、AMT控制系统的脉冲信号经过脉冲信号调理电路35与主芯片41的PAI(输入脉冲输入捕捉或脉冲累加器)连接，脉冲信号调理电路35采用光电隔离方式，抗干扰性能好。调试接口38与主芯片41的BDM(背景调试)口连接，电源管理电路39与主芯片41的电源口连接，采用82C250芯片的CAN总线驱动电路40与主芯片41的CAN控制器连接，采用MAX232芯片的串行通讯转换电路43与主芯片41的一个SCI口连接，串行通讯转换电路43可与标定用PC机连接，可进行状态监控和参数标定，主芯片41的另一个SCI口用于与AMT连接，时钟电路44与主芯片41的时钟线连接。采用MAX5250芯片的DA转换电路46与主芯片41的SPI口连接，采用MOTOROLA具备自我保护功能且集成度高的Smart MOS智能功率器件MC33385的驱动隔离电路47主芯片41的输出口连接，采用MOTOROLA具备自我保护功能且集成度高的Smart MOS H桥智能功率器件MC33186的功率驱动48与主芯片41的PWM(脉宽调制输出)口连接，功率驱动电路采用集成的H桥驱动芯片，性能可靠，抗干扰性能好，并具有诊断接口。抗干扰电路49与开关量调理电路37、模拟量调理电路36、脉冲信号调理电路35连接。
如图3所示，主芯片41接收到动力总成系统的状态量输入信号后进行信号的采集与变换(步骤60)。所述的动力总成系统的状态量包括加速踏板开度、加速踏板开关、制动踏板开度、制动踏板开关、发动机转速、电机转速、车速、蓄电池SOC、蓄电池电压、蓄电池电流及系统中各个控制单元的故障信息等。
数据采集与变换流程如图4所示，依次通过开关量调理电路37采集加速踏板开关信号(步骤101)，通过模拟量调理电路36采集加速踏板开度信号(步骤102)，通过开关量调理电路37采集制动踏板开关信号(步骤103)，通过模拟量调理电路36采集制动踏板开度信号(步骤104)，通过模拟量调理电路36采集节气门开度信号(步骤105)，通过脉冲信号调理电路35采集车速信号，通过脉冲信号调理电路35采集发动机转速信号，通过脉冲信号调理电路35采集电机转速信号(步骤106)，通过模拟量调理电路36采集蓄电池电压信号、蓄电池电流信号和蓄电池SOC信号(步骤107)，通过开关量调理电路37采集电机控制系统、蓄电池管理系统、AMT控制系统、配电系统的故障信号(步骤108)，为使数据采集可靠，以上数据循环采集10ms(步骤109)，返回主流程(步骤110)。
根据经过处理的采集到的信号，首先判断系统中的零部件是否有故障(步骤61)，如果系统出现故障(步骤61)，则转向故障处理程序(步骤62)。故障处理流程如图5所示，依次通过DA转换电路46给电机控制系统9发送信号置电机油门为0％(步骤151)，通过功率驱动48置发动机15油门为0％(步骤152)，通过隔离驱动电路47给ISG(启动—发电一体机)13发送信号关闭ISG13(步骤153)，通过隔离驱动电路47向配电系统19发出断电请求(步骤154)。
如果系统没有故障(步骤61)，程序接着判断AMT18是否有换档请求(步骤63)，如果AMT18有换档请求(步骤63)，则主芯片41执行换档过程控制(步骤64)。换档过程控制流程如图6所示，动力总成控制系统5通过SCI串行通讯接口43采集AMT控制系统11的信号，采集到AMT控制的发动机油门开度，以及电机转速同步信号(步骤201)，通过隔离驱动电路47给电机控制系统9发送开关量信号使电机17执行转速控制命令使AMT输入轴和输出轴达到转速同步(步骤202)，动力总成控制系统5根据采集到AMT控制的发动机油门开度减小发动机8的油门开度使换档平缓无冲击(步骤203)。接着判断AMT18是否撤销了换档请求(步骤204)，如果AMT18没有撤销换档请求(步骤204)，则继续步骤201、步骤202、步骤203，如果AMT18撤销换档请求(步骤204)，则返回主流程(步骤205)。如果AMT18没有换档请求(步骤63)，则主芯片41根据经过采集到的加速踏板开度和车速信号计算扭矩需求(步骤65)，主芯片41接着计算状态转换分界值(步骤66)，状态转换分界值包括发动机关闭的最小车速值、发动机关闭的最小扭矩值和发动机最大扭矩值。动力总成控制系统把状态转换分界值、加速踏板开度、车速、制动踏板开关、蓄电池SOC值作为控制多能源动力总成状态切换的依据。主芯片41在计算状态转换分界值后判断制动踏板开关信号(步骤67)，如果制动踏板踩下(步骤67)，则主芯片41执行制动能量回收(步骤68)。
回收制动能量流程如图7所示，首先通过功率驱动48置发动机15油门开度为0％(步骤301)，通过隔离驱动电路47给发动机控制系统8发送信号使发动机15断油(步骤302)，然后判断车速是否大于5km/h(步骤303)，如果车速是大于5km/h(步骤303)，通过DA转换电路46给电机控制系统9发送信号置电机油门为20％，并通过隔离驱动电路47给电机控制系统9发送信号置电机17为发电状态(步骤305)，如果车速是小于5km/h(步骤303)，通过DA转换电路46给电机控制系统9发送信号置电机油门为0％，并通过隔离驱动电路47给电机控制系统9发送信号置电机17为空转状态(步骤304)，然后返回到数据采集(步骤306)；如果制动踏板没有踩下(步骤67)，主芯片41继续判断蓄电池SOC是否小于SOC的下限值(步骤69)，如果通过模拟量调理电路36采集到的电池SOC值小于SOC的下限值(步骤69)，则主芯片41执行发动机15对蓄电池12充电(步骤70)。
发动机15对蓄电池12充电流程如图8所示，首先判断发动机15是否已经启动(步骤401)，如果发动机15没有启动(步骤401)，则主芯片41通过功率驱动48给ISG13发送信号以启动发动机15(步骤402)，如果发动机15已经启动(步骤401)，则主芯片41通过功率驱动48给AMT控制系统11发送结合离合器命令以结合离合器(步骤403)，然后置发动机油门为在加速踏板开度的基础上增加10％(步骤404)，接着主芯片41通过DA转换电路46给电机控制器9发送信号置电机油门为10％，并置电机17为发电状态(步骤405)，最后将充电标志置1(步骤406)，程序接着判断如果蓄电池SOC是否大于SOC的上限值(步骤407)，如果蓄电池SOC大于SOC的上限值(步骤407)，则程序清除充电标志(步骤408)，退出发动机15对蓄电池12充电过程并返回数据采集(步骤409)，如果蓄电池SOC小于SOC的上限值(步骤407)，则退出发动机15对蓄电池12充电过程(步骤409)，再返回数据采集(步骤60)。如果蓄电池SOC大于SOC的下限值(步骤69)，程序判断充电标志是否有效以判断充电过程是否结束(步骤71)，如果充电过程未结束(步骤71)，则程序判断驾驶员的扭矩需求是否大于发动机最大扭矩值，即程序判断驾驶员扭矩需求是否在混合驱动区域(步骤72)，如驾驶员的扭矩需求小于发动机最大扭矩值，则驾驶员扭矩需求不是在混合驱动区域(步骤72)，则需要继续对蓄电池12充电，转向发动机15对蓄电池12充电流程(步骤70)，如驾驶员的扭矩需求大于发动机最大扭矩值，则驾驶员扭矩需求是在混合驱动区域(步骤72)，则程序转向混合驱动处理过程(步骤77)。
混合驱动流程如图9所示，首先判断发动机15是否已经启动(步骤501)，如果发动机15没有启动(步骤501)，则主芯片41通过功率驱动48启动ISG13以启动发动机15(步骤502)，如果发动机15已经启动(步骤501)，则主芯片41通过功率驱动48给AMT控制系统11发送结合离合器命令以结合离合器(步骤503)，然后程序通过功率驱动48给发动机控制系统8发送信号置发动机15油门为100％(步骤504)，接着计算电机油门，并置电机17为驱动状态(步骤505)，完成混合驱动控制后退出并返回数据采集(步骤506)。如果充电过程结束(步骤71)，程序接着判断驾驶员的扭矩需求是否小于发动机关闭的最小扭矩需求值且车速小于发动机关闭的最小车速值，即判断驾驶员扭矩需求是否处于电动驱动区域(步骤73)，如果扭矩需求处于电动驱动区域(步骤73)，程序转入电动驱动处理过程(步骤76)。
电动驱动流程如图10所示。电动驱动首先通过隔离驱动电路47给发动机控制系统8发送信号使发动机15断油(步骤601)，接着通过功率驱动48给AMT控制系统11发送结合离合器命令以结合离合器(步骤602)，然后计算电机油门开度(步骤603)，并通过隔离驱动电路47给电机控制系统9发送信号置电机17为驱动状态(步骤604)，再退出电动驱动状态并返回数据采集(步骤506)。如果驾驶员扭矩需求不处于电动驱动区域，即驾驶员的扭矩需求大于发动机关闭的最小扭矩需求值或车速大于发动机关闭的最小车速值(步骤73)，程序继续判断驾驶员扭矩需求是否处于发动机驱动区域，即是否驾驶员的扭矩需求小于发动机最大扭矩值(步骤75)，如果驾驶员扭矩需求不处于发动机驱动区域，即驾驶员的扭矩需求大于发动机最大扭矩值(步骤75)，则执行混合驱动处理程序(步骤77)，然后返回数据采集(步骤60)。如果驾驶员扭矩需求处于发动机驱动区域，即驾驶员的扭矩需求小于发动机最大扭矩值(步骤75)，则执行发动机驱动处理程序(步骤76)。
发动机驱动处理程序如图11所示，首先判断发动机15是否已经启动(步骤801)，如果发动机15没有启动(步骤801)，则主芯片41通过功率驱动48启动ISG13以启动发动机15(步骤802)，如果发动机15已经启动(步骤801)，则主芯片41通过功率驱动48给电机控制器9发送信号，使电机17处于空转状态(步骤803)，然后主芯片41通过功率驱动48给AMT控制系统11发送结合离合器命令以结合离合器(步骤804)，接着程序计算发动机节气门开度，并通过功率驱动48给发动机控制系统8发送信号设置发动机15油门，再退出发动机驱动并返回数据采集(步骤806)。
权利要求
1.混合动力轿车动力总成的动力输出切换方法，其特征在于该方法包括如下步骤1)利用动力总成控制系统采集加速踏板开关和开度、制动踏板开关和开度、发动机转速、电机转速、车速、蓄电池的SOC、电压和电流，以及混合动力轿车系统中各控制单元的故障信息；2)根据上述故障信息判断是否有故障，如有故障进行如下处理置电机油门＝0％、置发动机油门＝0％、关闭ISG、向配电系统发出断电请求并显示故障信息；3)如采集到AMT的换挡请求，动力总成控制系统减小发动机的油门开度，使换档平缓并给电机发送转速控制命令使AMT输入轴和输出轴达到转速同步；4)动力总成控制系统根据车速与加速踏板开度计算驾驶员的扭矩需求；5)确定状态转换值，即根据发动机的外特性线性插值计算发动机最大扭矩值，根据发动机20％油门的扭矩特性线性插值计算发动机关闭的最小扭矩值，并将电机额定功率单独驱动下的车速作为最小车速值；6)根据所述的状态转换值、蓄电池SOC的上下限值和采集到的制动踏板开关状态进行如下判断，如果制动踏板开关接通，动力总成控制系统进行回收制动能量；如果制动踏板开关未接通，而当前蓄电池SOC值小于SOC下限值，则执行发动机对蓄电池充电，直到蓄电池SOC值大于SOC上限值；如果当前蓄电池SOC值大于SOC的下限值，则判断充电过程是否结束，如果未结束，则判断驾驶员的扭矩需求是否大于发动机最大扭矩值，如所述扭矩需求大于发动机最大扭矩值，则进行混合驱动，否则执行发动机对蓄电池充电；如果充电过程结束，那么如果驾驶员的扭矩需求小于发动机关闭的最小扭矩值或车速小于发动机关闭的最小车速值，则动力总成控制系统进行电动驱动；否则如果驾驶员的扭矩需求小于发动机最大扭矩值但大于发动机关闭的最小扭矩需求值且车速大于发动机关闭的最小车速值，则动力总成控制系统进行发动机驱动；如果驾驶员的扭矩需求大于发动机最大扭矩值，则动力总成控制系统进行混合驱动；完成状态判断处理后返回步骤1)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第3)步中所述的换档过程控制方法中减小发动机的油门开度至8％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述蓄电池SOC下限值的范围为(40～50)％；蓄电池SOC上限值的范围为(60～70)％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第6)步中所述的混合驱动方法为让发动机以100％油门工作，扭矩需求超出发动机最大扭矩值的部分由电机提供。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的发动机对蓄电池充电的方法为发动机油门在扭矩需求对应的油门开度的基础上增加15％的油门开度用于发电。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于回收制动能量时，电机的发电油门为20％。
7.实现权利要求1所述方法的混合动力轿车动力总成控制系统，其特征在于该动力总成控制系统包括存储控制程序的主芯片(41)、与所述主芯片的输入口连接的采集AMT控制系统、配电系统、点火开关、加速踏板、制动踏板开关信号的开关量调理电路(37)、与主芯片的A/D口连接的采集加速踏板、制动踏板、电控节气门、蓄电池管理系统模拟信号的模拟量调理电路(36)、与主芯片的PAI口连接的采集发动机、电机、AMT控制系统脉冲信号的脉冲信号调理电路(35)、与主芯片的电源口连接的电源管理电路(39)、与主芯片的时钟线连接的时钟电路(44)、与主芯片的PWM口连接的功率驱动(48)、与主芯片的输出口连接的驱动隔离电路(47)、与主芯片的SPI口连接的DA转换电路(46)、与主芯片的SCI口分别连接的串行通讯转换电路(43)和AMT、与主芯片的CAN控制器连接的CAN总线驱动电路(40)、与主芯片的BDM口连接的调试接口(38)，以及与所述开关量调理电路(37)、模拟量调理电路(36)、脉冲信号调理电路(35)连接的抗干扰电路(49)。
8.根据权利要求7所述的动力总成控制系统，其特征在于所述的主芯片采用16位单片机MC68HC12DG128A。
全文摘要
混合动力轿车动力总成的动力输出切换方法及其控制系统，属于混合动力轿车动力总成控制技术领域。本发明可进行混合动力轿车动力总成的动力输出切换以及系统的能量管理，根据状态转换分界值和数据采集的结果判断，使动力总成分别转入回收制动能量；发动机对蓄电池充电；电动驱动；混合驱动；发动机驱动等状态进行协调处理。本发明公开的控制系统包括主芯片，以及分别与主芯片连接的开关量调理电路，模拟量调理电路，脉冲信号调理电路、CAN总线接口，DA转换电路，驱动隔离电路等电路。利用本发明可使得动力源的输出扭矩在大范围内实现迅速平滑切换，并具有普通发动机动力没有的能量回收功能，提高了能量利用效率，最终提高整车的燃油经济性。
文档编号B60K17/28GK1528612SQ20031010046
公开日2004年9月15日 申请日期2003年10月17日 优先权日2003年10月17日
发明者张俊智, 甘海云, 李雅博 申请人:清华大学