专利名称：带前馈串联式混合动力车辅助动力单元控制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电动汽车的动力控制方法及装置，尤其是指一种一种带前馈的 串联式混合动力车辅助动力单元(APU,包括发电机、发动机、整流器)控制方法及装 置，属于混合动力车控制领域。
背景技术：
二十世纪九十年代以来，能源危机和环境污染两大问题，日益受到各国政府的 重视。随着汽车工业的发展，汽车保有量的增加，对能源和环境压力日益加剧，研究开 发低排放、低油耗的汽车新技术势在必行。混合动力车辆作为一条近期切实可行的技术 发展路线，已经成为世界各国研究的焦点之一。
而用于城市公交客车的串联式混合动力技术是解决交通能源需求与尾气污染改 善的重要途径。根据资料，与普通柴油公交车相比，柴油串联式混合电动公交车的燃油 经济性平均提高10%，排放显著下降。串联式混合动力电动汽车6HEV)在一辆汽车上 同时配备了电力驱动系统和辅助动力单元(APU)，其中APU是由燃油机驱动的发电机 组。HEV所采用的原动机一般为柴油机、汽油机或燃气轮机。在图一的串联式混合动 力系统结构图中，发动机、发电机、整流器以及APU控制器统称为APU系统。APU系 统和储能系统作为整车的能量源，可以根据司机驾驶行为和储能系统电量60C)，由整 车控制器确定APU与储能系统之间的能量分配。
为了实现两者之间的能量分配，必须对APU进行控制。在串联式混合动力客车 系统中，整车油耗、排放、动态响应等均与APU系统密切相关，如何有效地进行APU系 统控制是解决这些问题和优化整车性能的关键。现有的行APU系统控制仍存在整车油耗 较高，排放和动态响应难以控制，因此很有必要对此加以改进。发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有串联式混合动力客车系统APU系统控制不 理想，存在整车油耗较高，排放和动态响应难以控制的不足，提出一种能优化串联式混 合动力客车系统APU系统控制效果，兼顾高效率和超低排放两个指标，实现APU功率由 整车能量管理策略自由调度的APU系统控制方法及装置。
通过对APU系统控制的功能分析我们发现APU控制策略的任务是兼顾高效率和 超低排放两个指标，实现APU功率由整车能量管理策略自由调度；而选择合适的速度/ 扭矩工作区是实现APU有效控制的前提，因为APU系统的非线性特性，APU解耦控制 必须在保证系统稳定性的同时尽量满足动态性能要求，避免因耦合产生系统振荡。而基 于模型的动态前馈补偿设计比较困难，因此采用静态前馈的补偿的方式，对非线性耦合 系统进行补偿。APU系统稳态平衡条件下输入输出存在近似三维非线性映射函数关系， 将其运用到非线性前馈补偿器设计中，反馈控制器采用PI控制器的形式，与静态前馈补 偿器组成前馈-反馈控制系统。这样，利用反馈控制可以消除稳态跟踪误差，利用前馈控制可以补偿动态过程中的非线性耦合和加快目标指令的跟踪速度，从而提高整个系统 的控制性能。因此本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种带前馈的串联式混 合动力车辅助动力单元控制方法，由发动机油门控制部分和发电机励磁控制部分两部分 组成，发动机油门控制部分主要是根据整车功率需求得到相应目标转速，经过转速PI调 节和油门前馈得到发动机的目标油门开度信号输出。发电机励磁控制部分也是根据整车 功率需求，经过励磁PI调节器和不同电压区间的励磁前馈MAP得到发电机目标励磁的占 空比，从而调节励磁电流，进而改变发电机输出功率，形成带前馈的APU控制系统。
带前馈的APU控制系统的主要目的是为了解决串联式混合动力系统存在的动 态响应慢、转速波动等问题，从实际运营情况来看，该控制方法已取得了较为明显的效^ ο
它包含如下几个步骤(1)目标功率控制APU的功率输出从根本上取决于发动机的功率输出，为此根据 来自整车控制器的目标功率要求可确定发动机的最佳工作点，即发动机的输出功率和转 速。同时根据APU实际输出功率与目标功率的偏差反馈控制发动机的油门开度，油门开 度控制执行器采用模拟量控制方式，采用12位的DA转换芯片进行模拟量输出。
(2)目标转速控制通过调节发电机励磁电流，对转速进行闭环控制，保证目 标转速的稳定。控制方法采用基于经典控制理论的PI控制，其最大的优点在于不需要了 解被控制对象的控制模型，只要根据经验调节控制器参数，便可获得满意的结果。转速 和功率的实际测量值被反馈到输入端，与期望值比较后的偏差加给数字PI控制器调节控 制量，向被控对象输出，通过相应的执行机构产生动作，使控制目标接近期望值。
根据上述方法的一种带前馈串联式混合动力车辅助动力单元控制装置是一种 串联式混合动力电动汽车系统，主要包括整车控制系统，电机驱动系统，辅助动力系 统，电池管理系统和制动系统。控制系统间通过CAN总线相互通讯联系，形成了有机整 体。辅助动力系统由APU控制器和辅助动力单元(发动机/发电机组)共同构成，为混 合动力电动汽车运行提供电能保障。
混合动力系统中APU输出与储能系统组相联，负载特性呈容性，即发电机电磁 转矩变化将比发电机定子电压变化更快，而发电机电磁时间常数远小于发动机机械时间 常数，即上式中发电机电磁转矩变化率远大于发动机输出转矩。
APU控制系统中，发动机和发电机为强耦合系统，必须对系统进行解耦控制。 发动机转速和发电机输出功率是由独立的两个PI调节器控制。其中转速调节器是一个通 过转速反馈的以发动机油门为控制量的PI调节器；APU功率调节器是一个通过整流后输 出的直流电压、电流为反馈量的以发电机励磁为控制量的PI调节器。
单独的以转速为参考量的PI调节器不但很难满足高性能APU系统的高动态相应 同时还容易造成系统振荡。而引入发电机励磁电流为前馈结合转速PI调节的油门控制 APU系统的动态响应有了较大提高，系统稳定性也大大改善，而发动机转速特性沿如图 4的经济油耗特性曲线变化。经车辆实际运行验证，加油门前馈后的APU系统能有效解 决整车转速波动的问题。
本发明的优点在于本发明通过带前馈的APU控制系统，通过对发动机油门控 制和发电机励磁控制解决串联式混合动力系统存在的动态响应慢、转速波动等问题，该方法包括两部分内容一是APU系统自身工作模式的控制；二是针对能量管理系统的目 标指令，APU系统根据自身状态作出的动态响应。因为APU系统是一个复杂的非线性 系统，其参数的确定需综合考虑系统功率及总线电压要求，并应结合系统效率及排放等 指标。因此通过PI进行电压控制和功率控制是保证APU运行的基本控制策略，在保证 系统稳定性的同时又要满足系统动态性能要求，而在实践中发现APU系统的工作范围很 大，很难通过两个解耦的PI控制器完全消除闭环系统的非线性耦合，为了消除动态不稳 定性的影响，增强反馈解耦控制器的性能，在反馈解耦控制器基础上增加前馈补偿通道 对耦合特性进行补偿，可以在干扰尚未影响另一控制回路前及时调整控制量，此时另一 控制回路保持不变，从而提高系统的鲁棒性。同时对于被控回路来说，因为前馈补偿直 接对目标量进行了调节，也有利于提高系统跟踪性能。
图1为串联式混合动力系统结构图； 图2为APU控制系统原理图；图3为APU控制系统流程图； 图4为APU系统期望油耗及油耗特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种带前馈的串联式混合动力车辅助动力单元控制方法，由发动机油门控制部 分和发电机励磁控制部分两部分组成，发动机油门控制部分主要是根据整车功率需求得 到相应目标转速，经过转速PI调节和油门前馈得到发动机的目标油门开度信号输出。发 电机励磁控制部分也是根据整车功率需求，经过励磁PI调节器和不同电压区间的励磁前 馈MAP得到发电机目标励磁的占空比，从而调节励磁电流，进而改变发电机输出功率， 形成带前馈的APU控制系统。
带前馈的APU控制系统的主要目的是为了解决串联式混合动力系统存在的动 态响应慢、转速波动等问题，从实际运营情况来看，该控制方法已取得了较为明显的效^ ο
它包含如下几个步骤(1)目标功率控制APU的功率输出从根本上取决于发动机的功率输出，为此根据 来自整车控制器的目标功率要求可确定发动机的最佳工作点，即发动机的输出功率和转 速。同时根据APU实际输出功率与目标功率的偏差反馈控制发动机的油门开度，油门开 度控制执行器采用模拟量控制方式，采用12位的DA转换芯片进行模拟量输出。
(2)目标转速控制通过调节发电机励磁电流，对转速进行闭环控制，保证目 标转速的稳定。控制方法采用基于经典控制理论的PI控制，其最大的优点在于不需要了 解被控制对象的控制模型，只要根据经验调节控制器参数，便可获得满意的结果。转速 和功率的实际测量值被反馈到输入端，与期望值比较后的偏差加给数字PI控制器调节控 制量，向被控对象输出，通过相应的执行机构产生动作，使控制目标接近期望值。
图1为串联式混合动力电动汽车系统结构组成，主要包括整车控制系统，电式中WIf(S)为实际喷油量，^z(S)为油门开度到喷油量比例系数，即转速函数，α为油门开度，为喷油延迟时间，J为转动惯量，/Cj为柴油机转矩生成常数，Jg为发电机电磁转矩，1}为APU系统摩擦转矩。
在转速为稳态情况下三相同步发电机端电压如下式式中H(S)为发电机定子端电压，k为发电机励磁放大系数，iV为发电机励磁电流，为发电机定子电压感，ι;为发电机电磁时间常数，为定子电阻，Kt为转矩与功率转换系数，Kz为三相不可控整流器放大系数，Rz为等效负载 由上可得APU系统稳态转速传递函数为混合动力系统中APU输出与储能系统组相联，负载特性呈容性，即发电机电磁转 矩变化将比发电机定子电压变化更快，而发电机电磁时间常数远小于发动机机械时间常 数，即上式中发电机电磁转矩变化率远大于发动机输出转矩。
在如图2的APU控制系统中，发动机和发电机为强耦合系统，必须对系统进行 解耦控制。发动机转速和发电机输出功率是由独立的两个PI调节器控制。其中转速调 节器是一个通过转速反馈的以发动机油门为控制量的PI调节器；APU功率调节器是一个 通过整流后输出的直流电压、电流为反馈量的以发电机励磁为控制量的PI调节器。
如图3流程图所示，单独的以转速为参考量的PI调节器不但很难满足高性能 APU系统的高动态相应同时还容易造成系统振荡。本发明的发电机采用励磁电流，通过CN 102019927 A说明书4/5 页机驱动系统，辅助动力系统，电池管理系统和制动系统。控制系统间通过CAN总线相互 通讯联系，形成了有机整体。辅助动力系统由APU控制器和辅助动力单元(发动机/发 电机组)共同构成，为混合动力电动汽车运行提供电能保障。
稳态情况下发动机喷射和缸内动态过程和实际解耦控制，在引入发电机励磁电流为前馈结合转速PI调节的油门控制APU系统后，动态 响应有了较大提高，系统稳定性也大大改善，而发动机转速特性沿如图4的经济油耗特 性曲线变化。经车辆实际运行验证，加油门前馈后的APU系统能有效解决整车转速波动 的问题。
权利要求
1.一种带前馈串联式混合动力车辅助动力单元控制方法，其特征在于由发动机油 门控制部分和发电机励磁控制部分两部分组成，发动机油门控制部分主要是根据整车功 率需求得到相应目标转速，经过转速PI调节和油门前馈得到发动机的目标油门开度信号 输出；发电机励磁控制部分也是根据整车功率需求，经过励磁PI调节器和不同电压区间 的励磁前馈MAP得到发电机目标励磁的占空比，从而调节励磁电流，进而改变发电机输 出功率，形成带前馈的APU控制系统。
2.如权利要求1所述的带前馈串联式混合动力车辅助动力单元控制方法，其特征在 于带前馈的APU控制系统控制方法含如下几个步骤(1)目标功率控制APU的功率输出从根本上取决于发动机的功率输出，为此根据 来自整车控制器的目标功率要求可确定发动机的最佳工作点，即发动机的输出功率和转 速；同时根据APU实际输出功率与目标功率的偏差反馈控制发动机的油门开度，油门开 度控制执行器采用模拟量控制方式，采用12位的DA转换芯片进行模拟量输出；(2)目标转速控制通过调节发电机励磁电流，对转速进行闭环控制，保证目标转 速的稳定；控制方法采用基于经典控制理论的PI控制，其最大的优点在于不需要了解被 控制对象的控制模型，只要根据经验调节控制器参数，便可获得满意的结果；转速和功率的实际测量值被反馈到输入端，与期望值比较后的偏差加给数字PI控制 器调节控制量，向被控对象输出，通过相应的执行机构产生动作，使控制目标接近期望 值。
3.一种带前馈串联式混合动力车辅助动力单元控制装置，为串联式混合动力电动汽 车系统，包括整车控制系统，电机驱动系统，辅助动力系统，电池管理系统和制动系 统；控制系统间通过CAN总线相互通讯联系，形成了有机整体；辅助动力系统由APU控制器和辅助动力单元共同构成，为混合动力电动汽车运行提 供电能保障。
4.如权利要求3所述的带前馈串联式混合动力车辅助动力单元控制装置，其特征在 于混合动力系统中APU输出与储能系统组相联，负载特性呈容性，即发电机电磁转 矩变化将比发电机定子电压变化更快，而发电机电磁时间常数远小于发动机机械时间常 数，即上式中发电机电磁转矩变化率远大于发动机输出转矩。
5.如权利要求4所述的带前馈串联式混合动力车辅助动力单元控制装置，其特征在 于APU控制系统中，发动机和发电机为强耦合系统，必须对系统进行解耦控制；发动 机转速和发电机输出功率是由独立的两个PI调节器控制；其中转速调节器是一个通过转 速反馈的以发动机油门为控制量的PI调节器；APU功率调节器是一个通过整流后输出的 直流电压、电流为反馈量的以发电机励磁为控制量的PI调节器。
6.如权利要求4所述的带前馈串联式混合动力车辅助动力单元控制装置，其特征在 于发电机采用励磁电流，通过解耦控制。
全文摘要
一种带前馈的串联式混合动力车辅助动力单元控制方法及装置，其特征在于由发动机油门控制部分和发电机励磁控制部分两部分组成，发动机油门控制部分主要是根据整车功率需求得到相应目标转速，经过转速PI调节和油门前馈得到发动机的目标油门开度信号输出；发电机励磁控制部分也是根据整车功率需求，经过励磁PI调节器和不同电压区间的励磁前馈MAP得到发电机目标励磁的占空比，从而调节励磁电流，进而改变发电机输出功率，形成带前馈的APU控制系统。
文档编号B60W10/08GK102019927SQ20101058584
公开日2011年4月20日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者刘丽丽, 刘文洲, 李雪峰, 汪伟, 王婉霞, 王文明, 谢勇波, 郭俊 申请人:湖南南车时代电动汽车股份有限公司