专利名称：基于热模型的混合动力汽车动态降额控制方法
技术领域：
本发明专利涉及一种基于热模型的动态降额控制策略的算法，尤其适用于混合动力汽车。
背景技术：
在混合动力汽车系统中电机、电池和控制器的温升变化对控制策略提出了新的挑战，使得混合动力汽车的控制策略较传统汽车更为复杂。控制策略影响电机、电池和控制器的温升，而温升又影响电机、电池和控制器的寿命，寿命的要求又反过来影响控制策略；因此从系统的角度来看，控制策略、寿命要求和燃油经济性这三者之间既是一对矛盾，又是动态的耦合关系，若要延长零部件寿命，电机输出扭矩将受到限制，发动机分配的输出扭矩将增大，这影响了电驱动系统性能，进而会影响燃油经济性。目前已有的消减策略只考虑了最恶劣工况，是一个固定策略，不能随实际行驶工况及系统各部件温度变化进行动态调整。混合动力汽车现有的消减策略是凭经验设定一个温度阈值，当电机及控制器中某处温度传感器读取值上升到阈值时，即进入消减模式；温度降到阈值下，则退出消减模式。 这种固定策略有以下缺陷1.没有考虑到温度变化的瞬态性，由于热容的存在，传感器只能监测到当前的温度，对下一时间的温度变化不能做出判断，这会造成实际的温度高于设定的阈值温度，影响电机、电池和控制器的寿命。2.当前的消减策略中温度监测点的分布有限，关注在零部件级别的温度，未考虑整个系统的热分布。系统的热模型包括整车级、电驱动级和零部件级，各级之间有密切联系，引入热模型后不仅可以对整车系统的温度进行监测和预测，并且可以对不同位置采集到的温度值进行管理等。3.某些零部件无法安装温度传感器，若无与之对应的热模型，则无法对该零部件的温度进行判断和预测，影响消减控制精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于热模型的混合动力汽车动态消减控制方法，其能够针对某一特定车型的不同工况，计算温度变化，并能够把计算得到的温度数值与传感器采集到的数值进行比对，对温度下一时刻的变化进行预测，同时根据这些温度变化，结合零部件的寿命曲线，制定动态消减策略，动态分配电机与发动机的输出转矩。为了解决以上技术问题，本发明提供了一种基于热模型的混合动力汽车动态降额控制方法；包括建立整车运动模型、电驱动动力模型；建立热模型，分为三个层次第一层次是基于3D的零部件热模型，测量各个零部件的温升；第二层次是电驱动层次的热模型， 利用第一层次的分析结果，采用热节点的简化方法，建立各零部件的热阻网络系统模型，通过对电机、电池和控制器的系统热模型的建立，构成电驱动系统热模型；第三层次的热模型是整车级的热模型，它是在电驱动子系统热模型的基础上，加入电驱动零部件工作的环境模型，电驱动系统与整车接口的冷却系统模型。本发明的有益效果在于能够针对某一特定车型的不同工况，通过高压电池，电机和控制器的热模型，计算温度变化，并能够把计算得到的温度数值与传感器采集到的数值进行比对，对温度下一时刻的变化进行预测，同时根据这些温度变化，结合零部件的寿命曲线，制定动态消减策略，动态分配电机与发动机的输出转矩。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。图1是动态消减控制策略原理图；图2是电驱动系统仿真模型；图3是零部件热仿真效果图；图4是整车热模型原理图；图5是电池热模型子系统；图6是IGBT器件温度——寿命曲线。
具体实施例方式本专利的创新点就是通过引入热模型把电机、电池、控制器的寿命与电驱动性能和燃油经济性耦合起来，形成动态的消减控制策略算法。基于热模型，结合整车运动模型和电驱动(E-drive)动力模型，可根据实际行驶工况实现动态消减策略，从而在零部件寿命和电驱动性能之间找到平衡点，实现最优控制。 相比于现有消减策略，在保证零部件使用寿命的前提下，能够提高整车的性能和燃油经济性。本发明所述的基于热模型的混合动力汽车动态消减控制策略算法，能够针对某一特定车型的不同工况，通过高压电池，电机和控制器的热模型，计算温度变化，并能够把计算得到的温度数值与传感器采集到的数值进行比对，对温度下一时刻的变化进行预测，同时根据这些温度变化，结合零部件的寿命曲线，制定动态消减策略，动态分配电机与发动机的输出转矩。本发明建立了三层热仿真模型整车层、电驱动层和零部件层。同时将整车运动模型和电驱动动力模型纳入整个系统。针对某一特定混合动力车型，在某一行驶工况下，通过分析驾驶员的扭矩需求， 得到各时刻的车速、加速度和刹车等数据，输入整车运动模型中，分析得到发动机与电机各自所需提供的输出扭矩。将其作为输入，进入电驱动动力仿真模型进行分析，得到高压电池、电机及控制器的工作点。再将这些数据作为电池、电机和控制器及其它热模型的输入， 计算这些热模型在变化的工作环境下的温升，由此推导电驱动层和整车层的动态热分布。若部分零部件或电驱动环境温度仿真结果过高，影响零部件使用寿命，则电驱动系统进入动态消减模式，并将信息发送给整车控制器(VCU)，减小电机输出扭矩，同时增大发动机输出扭矩，以保证整车性能；若局部热环境恢复正常，则退出动态消减模式，并将信息发送给整车控制器(VCU)，增大电机输出扭矩比例，同时减小发动机输出扭矩，以提高整车节油率。
若改变混合动力车型，则需要改变相应的参数，建立相应的整车运动模型进行仿真；若采用的混合动力拓扑结构不同，则需要改变相应的参数，建立相应的电驱动动力模型进行仿真；若改变行驶工况，可以通过仿真得到不同路况下(如城市、郊区、山地等路况)， 混合动力汽车的动态消减策略。 本发明可指导混合动力汽车各零部件选型及使用寿命评估，并优化整车控制策略，提高车辆的燃油经济性和整车的动力性能。对本发明中的模型稍加改动，也可对IGBT、 DC-link、DC/DC变换器、冷却水路等关键零部件进行温度失效模式分析及风险评估。如图1所示，本发明的方法为动态消减控制策略。共分为整车、电驱动和零部件三个层次，包括整车运动模型、电驱动动力模型和系统热模型，其中系统热模型又分为整车、 电驱动和零部件三个层次。整车运动控制模型由Matlab软件建立。将行驶工况及整车装备质量、发动机排量、空气阻力系数、迎风面积、轮胎半径、滚动阻力、传动比、传动机械效率、车轮转动惯量等参数输入模型中，可分析得出行驶过程中各时刻所需输出扭矩。根据控制策略为发动机和电机分配各自的输出扭矩。将该参数输入电驱动动力模型中。电驱动动力模型由Portimus软件建立，主要包括高压电池、电机、电机控制器及冷却系统，如图2所示。其中，电机控制器的主要零部件有逆变器、水冷板及DC/DC变换器。 将整车仿真分析得到的行驶过程中各时刻电机需求扭矩及车速输入电驱动动力模型，得到各时刻零部件的工作点，如高压电池输出功率、电机输出扭矩、功率、转速、电流、控制器输出电流等。将这些参数输入零部件热模型中。热模型分为三个层次第一层次是基于3D的零部件热模型，由3D的热仿真软件建立，例如Ansys、CFD 工具软件等，如图3所示。通过第一层次的热仿真分析不仅可以得到零部件在恶劣工况下的温升，例如可得到关键零部件如电池单元、电机转子永磁磁钢、定子绕组、控制器IGBT、 DC-link电容及母线等处各自的温升。同时，也可以梳理清楚每个零部件内部的热传递关系。第二层次是电驱动层次的热模型，利用第一层次的分析结果，采用热节点的简化方法，建立各零部件的热阻网络系统模型。通过对电机、电池和控制器的系统热模型的建立，构成电驱动系统热模型，如图4所示。利用这些热模型就可以对各零部件进行动态的温度计算和预测。第三层次的热模型是整车级的热模型，它是在电驱动子系统热模型的基础上，力口入电驱动零部件工作的环境模型，电驱动系统与整车接口的冷却系统模型，例如A/C模型， 换热器模型、蒸发器模型、风扇模型等。电驱动动力模型输出的扭矩，转速和电流信号进入电驱动的系统热模型，电驱动系统模型首先通过功耗子模型把这些信号转化成功耗输出，进入各个核心零部件(电机、 电池和控制器)的热阻网络模型，计算各零部件的温升，同时电驱动的系统热模型又与整车模型的环境模型和冷却系统子模型动态耦合，这样不仅可以得到各个零部件较实际的动态温度变化，还可以得到整车系统的冷却系统的温度变化，利用零部件的温升与寿命曲线， 如图5所示，可以预测各零部件的使用寿命。另外，改变车辆的动力输入，可以得到各零部件最高工作点持续时间，如图6所示。以此为依据，为混合动力汽车电驱动系统制定消减策略，动态分配发动机与电机的输出扭矩。若各层次环境温度过高，对零部件寿命产生影响， 则实时减小电机输出扭矩，需求扭矩主要由发动机提供。对消减后的各零部件再次进行热仿真，若各层次环境温度均降至合理范围内，则在下一时段适当提高电机输出功率与扭矩， 让发动机大部分时间工作在高效区，以节省油耗。如此循环，直至行驶工况结束。仿真案例混合动力汽车在行驶过程中，遇到一条200米长距离10%爬坡工况，通过整车级运动学仿真，得到该工况下的需求扭矩，此时发动机与电机同时输出较大扭矩，代入电驱动级动力学模型，可得到电机输出功率、转速，PEU的输出功率，输出电流等。此时半导体电力电子器件IGBT等处会有较大的温升，并引起整个电驱动系 统热环境的变化。通过对这些器件的热及寿命模型仿真，分析对其寿命的影响。在接下来的平直工况，改变控制策略，对电机进行动态降额控制，减小输出功率和扭矩，需求扭矩大部分由发动机承担，使得零部件及电驱动系统温度回落至合理范围后，可适当增大电机输出功率与扭矩的比例，减小发动机输出扭矩比例，以提高整车节油率。各模型与仿真软件之间均留有接口，便于进行联合仿真。仿真结果需通过实际工况实验进行验证。动态消减策略也需要在实验中进行修正，以达到在不影响零部件正常使用寿命的前提下，尽量提高电机输出扭矩的比例，提高混合动力汽车燃油经济性的目的。本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式
的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的具体实施方式
用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。
权利要求
1.一种基于热模型的混合动力汽车动态降额控制方法；其特征在于，包括建立整车运动模型、电驱动动力模型；建立热模型，分为三个层次第一层次是基于3D的零部件热模型，测量各个零部件的温升；第二层次是电驱动层次的热模型，利用第一层次的分析结果，采用热节点的简化方法， 建立各零部件的热阻网络系统模型，通过对电机、电池和控制器的系统热模型的建立，构成电驱动系统热模型；第三层次的热模型是整车级的热模型，它是在电驱动子系统热模型的基础上，加入电驱动零部件工作的环境模型，电驱动系统与整车接口的冷却系统模型。
2.如权利要求1所述的基于热模型的混合动力汽车动态降额控制方法，其特征在于， 所述整车运动控制模型包括行驶工况及整车装备质量、发动机排量、空气阻力系数、迎风面积、轮胎半径、滚动阻力、传动比、传动机械效率、车轮转动惯量。
3.如权利要求1所述的基于热模型的混合动力汽车动态降额控制方法，其特征在于， 所述电驱动动力模型包括高压电池、电机、电机控制器及冷却系统。如权利要求1所述的基于热模型的混合动力汽车动态降额控制方法，其特征在于，所述第一层次测量电池单元、电机转子永磁磁钢、定子绕组、控制器IGBT、DC-link电容及母线处各自的温升。
全文摘要
本发明公开了一种基于热模型的混合动力汽车动态降额控制方法；包括建立整车运动模型、电驱动动力模型；建立热模型，分为三个层次第一层次是基于3D的零部件热模型，测量各个零部件的温升；第二层次是电驱动层次的热模型，利用第一层次的分析结果，采用热节点的简化方法，建立各零部件的热阻网络系统模型，通过对电机、电池和控制器的系统热模型的建立，构成电驱动系统热模型；第三层次的热模型是整车级的热模型，它是在电驱动子系统热模型的基础上，加入电驱动零部件工作的环境模型，电驱动系统与整车接口的冷却系统模型。本发明能够针对某一特定车型的不同工况，计算温度变化，并能够把计算得到的温度数值与传感器采集到的数值进行比对，对温度下一时刻的变化进行预测。
文档编号G05B17/02GK102331719SQ20111019325
公开日2012年1月25日 申请日期2011年7月11日 优先权日2011年7月11日
发明者何海, 王萑, 陈思远, 陈江红 申请人:联合汽车电子有限公司