专利名称：一种混合动力系统充电的方法
技术领域：
本发明属于混合动力汽车技术领域，具体涉及混合动力系统充电功能的控制和标定方法。
背景技术：
油气混合动力车辆，无论是中度混合动力(简称中混，包括本田思域144 V或158 V Integrated Motor Assist,长安志翔144 V系统，以及通用别克君威120V BAS二代)， 还是强度混合动力(简称强混，包括丰田普锐斯三代，美国通用双模系统)，根据工况和控制策略，都不同程度地需要给电能存储系统在一定的时机，以一定的扭矩或功率充电，使SOC (Stage of Charge,荷电状态)在合理的范围内波动。SOC过高(接近充满状态)时充电，对电能存储系统的效率和寿命都有不利影响； SOC过低(接近放空状态)，对电能存储系统的寿命也不利，同时可能不能提供需要的电机助力，甚至丧失重要的混合动力功能。所以，SOC在适合的范围内波动，既是车辆动力性的要求，也是燃油经济性的要求，同时也是电能存储系统使用寿命的要求。现有的混合动力系统充电以一味的考虑电池SOC范围居多，并没有综合考虑整车的用电量、电机的效率以及电能存储系统的寿命。本发明的优势在于在考虑适当的充电时机的同时综合考虑适当的电机充电扭矩或功率，使SOC在合理范围内波动，增加了内燃机的负荷，提高了内燃机的热效率和电机的效率，并且优化了混合动力系统效率和延长电能存储系统使用寿命。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种新颖的，可操作性强的确定混合动力电机系统充电扭矩或功率的方法。该方法的实施可以同时达到优化混合动力系统效率，延长能量储存系统的寿命，并确保车辆动力性的目的。本发明具体采用以下具体方案
一种混合动力系统充电方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤
(1)判断电能存储系统的荷电状态SOC是否处于正常范围，当荷电状态SOC处于正常范围上限和下限之间波动，则认为当前荷电状态处于正常范围；当荷电状态SOC处于正常范围下限时，则认为当前荷电状态SOC过低，进入步骤(8)；
(2)当荷电状态处于正常范围时，根据发动机运行状态和电能存储系统的荷电状态 S0C，判断是否是最佳充电时机，如果满足最佳充电时机，进入步骤(3)；
(3)确定充电的功率范围，充电的功率不得小于整车低压用电系统的最大持续用电功
率；
(4)在ISG电机系统效率不小于设定的效率阈值的情况下，使用预定的第一扭矩充电； 当在ISG电机系统效率小于设定的效率阈值情况下，在纩3kW的充电功率区间下调整
充电功率，调整后的充电功率与转速一起确定新的充电扭矩(5)进入充电后，将充电状态标志置1，由充电状态退出到非充电状态时，将充电状态标志置0，以2分钟为一个记时单位，如在一个记时单位内归充电状态标志在1、0间变化次数超过4，则判定为进入/退出充电状态变化很频繁，此时应该进一步放宽退出充电条件(增大如权利要求2所述的退出充电判断的阈值，而进入充电判断的阈值不变)，并返回到上一步骤；否则进入下一步骤；
(6)根据ISG电机和电机控制器反馈的转速与扭矩确定当前ISG电机系统的效率，并计算出当前ISG电机的机械功率，并将此机械功率乘以ISG电机系统的效率，得出当前的充电功率，如果该充电功率在2 3kW之间，进入第(7)步，否则，(6)根据ISG电机和电机控制器反馈的转速与扭矩确定当前ISG电机系统的效率，如果效率值大于75%，进入第(7)步，否则，返回步骤(4)；
(7)继续充电，并返回步骤(2)不断判断是否满足最佳充电时机；
(8)当荷电状态SOC处于正常范围下限时，判断发动机是否处于工作状态，如果发动机工作，进入步骤(11)，否则进入步骤(9)；
(9)判断发动机是否为怠速停止状态，如果没有处于怠速停止状态，则返回步骤(1)，如果发动机处于怠速停止状态，则进入步骤(10)；
(10)强制启动发动机；
(11)以不小于5KwKff的较大功率充电。本发明的混合动力系统充电方法完全由混合动力控制策略实现，没有增加任何硬件成本，因此是容易实施，成本低，综合效果佳的实用技术发明。本发明描述的充电控制方法适用于多种混合动力系统，包括中度混合动力，强度/重度混合动力等，所以具有大范围应用的潜力。
图1是混合动力汽车处于某工况中S O C波动图； 图2是中度混合动力系统的示意图3是典型的ISG电机系统的效率图； 图4是本发明混合动力系统充电方法流程示意图5是优化的充电时机和扭矩在新的欧洲驾驶循环(NEDC)中SOC的变化特征示意图。
具体实施例方式下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。如图1所示是混合动力汽车处于某工况中S O C波动图，某假设工况中电能存储系统SOC基本在正常范围上限A和正常范围下限B之间波动车辆12V用电器可以通过直流变换器由高压直流线束获得所需电能(见图2);在驾驶员需要强劲动力时，电能存储系统放电，通过电机系统助力以提升动力性，在助力过程中SOC会明显下降；为了维持S0C，在适当的时机，可以通过发动机提供额外能量，由电机发电为电能存储系统充电；或者在车辆减速时以车辆的动能通过电机制动为电能存储系统充电(这一过程称为能量回收)。如图1所示，通过充电和放电的平衡，电能存储系统SOC在一定范围内波动，实现混合动力的各项功能，包括提供12V用电器所需能量，电机助力，充电和能量回收。
图2中度混合动力系统的示意图。为了说明本发明而不是限制本发明。图2中， 发动机，ECU (Engine Control Unit,即发动机控制器)，ISG 电机Gntegrated Starter and Generator,即电动和发电两用电机)，IPU (Integrated Power Unit,即电机控制器)， 电能存储系统和 BCM (Battery Control Module，电池控制模块)，和 HCU (Hybrid Control Unit，即混合动力系统主控制器)一起构成了充电系统，其中HCU，BCM，IPU，E⑶通过CAN总线连接，实现通讯。BCM、IPU、E⑶通过CAN总线向HCU反馈信息，同时接受HCU的控制指令。 发动机与I S G电机刚性连接，并始终保持相同转速。根据SOC控制策略，HCU选择最佳时机给电能存储系统充电。电机的最佳充电扭矩或功率确定方法是本发明的核心内容，由下文说明。在混合动力系统主控制器H C U确定需要对能量存储系统进行充电时，混合动力系统主控制器H C U对发动机控制器E C U发出增加扭矩的指令，所增加的扭矩用于电动和发电两用电机ISG发电；混合动力系统主控制器HCU同时对电机控制器I P U发出相匹配的发电所需的ISG扭矩指令，ISG吸收发动机输出的扭矩在满足驱动需求的情况下实现所需的发电功能；I S G电机发出的交流电通过三相交流高压线束由电机控制器I P U转化为直流电，再通过直流高压线束，一部分用于为直流变换器提供电能，多余部分充入能量存储系统，完成充电过程。理想的充电扭矩和功率，应该满足如下条件
充电功率必须保证12V用电器消耗小型乘用车12V的用电器持续平均消耗一般在几百瓦到两千瓦之间；充电功率必须大于车辆的最大持续平均12V电耗功率，即保证在持续充电的情况下，能量存储系统SOC可以缓慢上升；
ISG电机充电扭矩应该保持电机在高效区运行(由下文图3说明)； 在保证上述2.的情况下，充电扭矩和功率要尽量小对电池的寿命和充电效率都有利；对提升发动机的效率有利(参阅“控制车辆电池充电的方法和装置”，申请号 200710102909. 8)；
极端情况下，如车辆长期没有使用，电能存储系统缓慢自放电，或频繁急加速工况下， 电机大功率助力消耗大量电能存储系统能量，电能存储系统SOC可能远低于理想下限，此时ISG电机充电扭矩和功率要大于常规状态下的充电。比如5kW左右的充电功率，可以保证SOC较快提升到合理的范围(如图1下限B以上)，保证基本混合动力功能的实现。
如图3为典型的ISG电机系统的效率图。图中，横轴表示扭矩，纵轴表示ISG电机系统的效率。坐标轴内的三条从0开始的曲线分别表示在电机在1310rpm、2000rpm、3000rpm转速发电时的发电扭矩与ISG电机系统效率的关系。所示的ISG电机系统效率(包括ISG电机效率和电机控制器IPU效率)是转速和扭矩的函数，负扭矩表示充电扭矩。在扭矩(绝对值)很小时，无论任何转速，电机系统充电效率都很低。当充电扭矩(绝对值)增大，电机系统效率增加(如图中虚线椭圆部分所示)。但充电扭矩进一步增加，系统效率持平或反而开始下降。很多电机都表现出类似的特征。因此，根据电机系统充电效率图所显示的效率曲线，可以确定适当的电机充电扭矩(电机转速的函数)，保证电机系统充电时工作在高效区域。下面举例说明第一扭矩的选择方法如下
ISG电机的充电功率某一典型范围为2 3kW，根据电机当前的转速、电机的效率曲线(图3)查找出当前转速下效率为75%的最小扭矩，以此最小扭矩为基础且充电功率在2 3kW 之间将此扭矩加大，在ISG电机系统效率最大时所对应的扭矩即为第一扭矩。一般来说，当 SOC偏低时(如图1，若A=70%, B=60%,则若当前SOC在64%_60%之间时认为SOC偏低。)需要充电，但SOC不低于图1中正常范围下限B时，混合动力系统最佳充电时机和电机充电扭矩或功率可以参照图4所示的流程。图4的说明如下
在SOC位于图1所示的正常范围A-B之间的充电实施方式
(1)判断电能存储系统的荷电状态SOC是否处于正常范围，当荷电状态SOC处于正常范围上限和下限之间波动，则认为当前荷电状态处于正常范围；当荷电状态SOC远低于正常范围下限(如比所设的SOC下限低20%)时，则认为当前荷电状态SOC过低，进入步骤(8)；
(2)当荷电状态处于正常范围时，根据发动机运行状态和电能存储系统的荷电状态 S0C，判断是否是最佳充电时机。通过这种办法，能够最大限度优化发动机效率和保持SOC 窄幅波动(如60%到75%之间)。(3)确定充电的功率范围，充电的功率不得小于整车低压用电系统的最大持续用电功率；这个用电功率由整车包括前照灯，雨刮，转向灯，雾灯，制动灯，空调，电动助力转向，仪表显示等在内的整车低压用电系统的总功率决定，其典型值是2 3kW。(4)在ISG电机系统效率不小于设定的效率阈值的情况下，使用预定的第一扭矩充电；
第一扭矩为根据电机当前的转速、电机的效率曲线查找出当前转速下效率为75%的最小扭矩，以此最小扭矩为基础且充电功率在2kW 3kW之间将此扭矩加大，在ISG电机系统效率最大时所对应的扭矩。而当在ISG电机系统效率小于设定的效率阈值情况下，在纩3kW的充电功率区间下调整充电功率，调整后的充电功率与转速一起确定新的充电扭矩；
(5)进入充电后，将充电状态标志置1，由充电状态退出到非充电状态时，将充电状态标志置0，以2分钟为一个记时单位，如在一个记时单位内归充电状态标志在1、0间变化次数超过4，则判定为进入/退出充电状态变化很频繁，此时应该进一步放宽退出充电条件(增大如权利要求2所述的退出充电判断的阈值，而进入充电判断的阈值不变)，并返回上一步骤；否则进入下一步骤；
(6)根据ISG电机和电机控制器反馈的转速与扭矩确定当前ISG电机系统的效率，如果效率值大于75%，进入第(7 )步，否则，返回步骤(4 )；
(7)继续充电，并返回步骤(2)不断判断是否满足最佳充电时机；
(8)如果电能存储系统因为长时间搁置(自放电)，频繁助力或长时间没有充电机会， 或制动能量回收不足，或12V电负荷较大等原因，SOC会降到合理范围以下，为保证车辆的动力性和基本的混合动力功能，需要不计发动机状态，用较大扭矩或功率充电以快速提高 S0C，。因此需要先判断发动机是否处于工作状态，如果发动机工作，进入步骤(11)，否则进入步骤(9)；
(9)判断发动机是否为怠速停止状态，如果没有处于怠速停止状态，则返回步骤(1)，如果发动机处于怠速停止状态，则进入步骤(10)；
(10)强制启动发动机；(11)进入怠速充电状态，以不小于5kW的较大功率充电。这个功率也不宜过大，过大的充电功率对电池的寿命不利。功率也不宜过小，发动机效率不佳，同时SOC也不能快速的提
尚ο 图5的说明如下
如图5所示为仿真分析得到的优化的某中混系统充电策略在NEDC循环中SOC的变化特征(上部分为车速，下部分为同一循环中的SOC变化)
1、S0C波动小(整个NEDC循环中SOC最大值和最小值由市郊循环末的制动能量回收决定，差值只有4%左右)，这对电能存储系统的寿命十分有利；
2、SOC波动小，说明充电时机和功率满足整车用电需求；
3、充电和不充电状态转换时机与工况密切相关，充分利用最佳充电时机，并且没有频繁的状态转换；
4、循环结束时SOC与循环初始SOC相同。这样得到的油耗结果，不需要进行SOC降低按法规必须进行的油耗的修正。
权利要求
1.一种混合动力系统充电方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤(1)判断电能存储系统的荷电状态SOC是否处于正常范围，当荷电状态SOC处于正常范围上限和下限之间波动，则认为当前荷电状态处于正常范围；当荷电状态SOC处于正常范围下限时，则认为当前荷电状态SOC过低，进入步骤(8)；(2)当荷电状态处于正常范围时，根据发动机运行状态和电能存储系统的荷电状态 S0C，判断是否是最佳充电时机，如果满足最佳充电时机，进入步骤(3)；(3)确定充电的功率范围，充电的功率不得小于整车低压用电系统的最大持续用电功率；(4)在ISG电机系统效率不小于设定的效率阈值的情况下，使用预定的第一扭矩充电； 当在ISG电机系统效率小于设定的效率阈值情况下，在纩3kW的充电功率区间下调整充电功率，调整后的充电功率与转速一起确定新的充电扭矩；(5)进入充电后，将充电状态标志置1，由充电状态退出到非充电状态时，将充电状态标志置0，以2分钟为一个记时单位，如在一个记时单位内归充电状态标志在1、0间变化次数超过4，则判定为进入/退出充电状态变化很频繁，并放宽退出充电条件，返回到步骤(4)； 否则进入步骤(6);(6)根据ISG电机和电机控制器反馈的转速与扭矩确定当前ISG电机系统的效率，如果效率值大于75%，进入第(7 )步，否则，返回步骤(4 )；(7)继续充电，并返回步骤(2)不断判断是否满足最佳充电时机；(8)当荷电状态SOC处于正常范围下限时，判断发动机是否处于工作状态，如果发动机工作，进入步骤(11)，否则进入步骤(9)；(9)判断发动机是否为怠速停止状态，如果没有处于怠速停止状态，则返回步骤(1)，如果发动机处于怠速停止状态，则进入步骤(10)；(10)强制启动发动机；(11)以不小于5KwkW的较大功率充电。
2.根据权利要求1所述的混合动力系统充电方法，其特征在于在所述步骤(2)中，所述最佳充电时机的判断方法如下当电能存储系统的目标荷电状态SOC和电能存储系统的当前荷电状态SOC的差值与反映发动机效率的比油耗之积大于设定的最佳充电阈值，判断为最佳进入充电时机，进入充电状态，而当所述积小于设定最佳充电阈值时，退出充电状态。
3.根据权利要求1或2所述的混合动力系统充电方法，其特征在于在所述步骤(3)中，典型的充电功率范围为2kW 3kW，并且所述整车低压用电系统包括前照灯，雨刮，转向灯，雾灯，制动灯，空调，电动助力转向，仪表显示。
4.根据权利要求1所述的混合动力系统充电方法，其特征在于所述ISG电机系统包括ISG电机和电机控制器，所述效率阈值优选为75%。
全文摘要
本发明提出一种混合动力电机充电方法。可使混合动力系统的电能存储系统SOC在合理的范围内窄幅波动，在保证车辆的动力性的同时达到优化混合动力系统效率、提高燃油经济性以及延长电能存储系统的寿命。本发明描述的充电控制方法如果得以应用，带来的显著节能减排将产生巨大的经济和社会效益。
文档编号B60L11/18GK102490621SQ20111037331
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月22日 优先权日2011年11月22日
发明者刘杰, 李宗华, 李荣华, 杨正军, 栾云飞 申请人:重庆长安新能源汽车有限公司, 重庆长安汽车股份有限公司