专利名称：混合动力汽车多工作模式下的能量切换控制方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明属于混合动力汽车能量管理与控制领域，尤其是一种混合动力汽车多工作模式下的能量切换控制方法及系统。
背景技术：
近年来，随着全球环境和能源问题的日益突出，开发低排放、低油耗的新型汽车成为当今汽车工业发展的首要任务。混合动力汽车正是为解决能源危机和汽车排放问题开发的新型清洁能源汽车，它融合纯电动汽车和传统燃油汽车优点，既具有纯电动汽车节能和环保的特点，改善了整车的燃油经济性能和排放性能，又继承了传统燃油汽车持续行驶里程长的优点，成为当今最具应用前景的低排放、低能耗汽车，代表了二十一世纪初汽车发展的一个重要方向。混合动力汽车是指将发动机驱动和电动机驱动合用到同一辆汽车上，其具有两个或两个以上的能量源，通过能量管理策略协调各部件的运行，将两种或更多的能量转换技术(如发动机、发电机、电动机)和一种或多种能量存储技术(如燃料、电池、飞轮)集合于一体，根据行驶工况的需求，切换不同的工作模式，以充分发挥发动机汽车和纯电动汽车的优点，在实现低排放和提高燃油经济性的同时兼顾了驾驶舒适性和整车的动力性，最终实现最佳的能源分配。能量管理策略根据驾驶员的操作，如加速踏板、制动踏板等，判断驾驶员的意图，在满足车辆动力性的前提下，最优分配发动机、电机的功率输出，实现能量的最优管理与分配，提高汽车的燃油经济性和排放性。混合动力汽车能量管理策略还应考虑动力电池的荷电状态平衡，以延长电池寿命，降低车辆维护成本。目前已经提出的混合动力汽车控制策略主要有(1)简单地限定发动机工作区的静态逻辑门限控制策略；(2)通过实时计算比较确定发动机和电动机的最佳工作点的瞬时优化控制策略；(3)应用最优控制理论和最优化方法的全局最优控制策略，该控制策略根据所使用的控制方法的不同，又分为基于多目标数学规划方法、基于古典变分法和基于Bellman动态规划理论的能量管理策略三种，其中研究最为成熟的是基于Bellman动态规划理论的能量管理策略；(4)基于模糊逻辑或神经网络的智能控制策略。上述研究都在一定程度上改进了混合动力汽车能量管理策略，提高了车辆性能，但还不十分成熟。目前只有基于工程经验进行设计的逻辑门限能量管理策略在实际商品化混合动力汽车中得到了应用，但是该方法主要依靠已有经验设置参数初值，结合“试错法”对这些参数进行调整，虽然具有一定的实用性，但是不能保证动力系统的最佳匹配，无法使整车系统达到最大效率。全局最优能量管理策略，可以求得控制变量(如发动机/电动机转矩)的全局最优解，但是这些方法需要行驶工况已知，难以应用于实车控制。瞬时优化能量管理策略，在工况未知的情况下可以实现每个时刻的燃油消耗最小，但是需要大量的浮点运算，实现较为困难。此外，基于模糊逻辑的智能控制能量管理策略，虽然具有鲁棒性强、实时性好的优点，但是其模糊控制器的建立主要依靠经验，无法获得全局最优。由于混合动力汽车能量管理策略问题是一类典型多变量(既包括连续变量又包括离散变量)的非线性动态优化问题，故较难用某一种方法从理论上取得重大突破，目前仍无可应用于实车控制的最优解决方案来突破能量管理策略实用化、高性能化的技术瓶颈。随着研究的深入，人们开始逐步认识到混合动力汽车离散与连续并存问题的重要性和挑战性。基于以上原因，其核心问题在于如何设计一种简单、实用的混合动力汽车多能源管理系统，以降低汽车尾气的排放量，节约燃油的使用，加速环保汽车、绿色汽车的发展。
发明内容
本发明的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种混合动力汽车多工作模式下的能量切换控制方法及系统，根据行驶环境和行驶路况结合电池组的电量反馈综合控制最佳汽车驱动模式以降低汽车尾气的排放量，节省燃油的使用，加速环保汽车、绿色汽车的发展，提高混合动力汽车的续航能力。本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是混合动力汽车多工作模式下的能量切换控制方法，GPS定位模块和传感器实时检测模块用于实时监测汽车行驶的环境和路况，并将信号输出至系统总控制器，同时电池组将剩余电量值反馈给系统总控制器，系统总控制器具有A、B、C、D四个信号输出端，A信号输出端输入至发动机控制器，B信号输出端输入至电机控制器，C信号输出端输入变速控制器，D信号输出端通过电池控制器输入至电池组，系统总控制器根据行驶环境和行驶路况以及结合电池组的电量反馈综合控制汽车驱动模式；
GPS定位模块根据行驶环境输出E区或者F区两种信号模式，当GPS定位模块检测到该区域限速50km/h以下(包括50km/h)时发出E区的信号给系统总控制器，当GPS定位模块检测到该区域限速50km/h以上时发出F区的信号给系统总控制器，传感器实时检测模块根据行驶路况输出下坡、上坡、弯道或者平路四种信号模式；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的E区信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值< 50%时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动同时对电池组充电；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的E区信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值在50%—70%时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的E区信号以及传感器实时检测模块发出的上坡信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值在70%—90%时，系统总控制器输出信号控制发动机和电机混合驱动；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的E区信号以及传感器实时检测模块发出的平路信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值在70%—90%时，系统总控制器输出信号控制电机单独驱动，同时对电池组充电；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的E区信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值> 90%时，系统总控制器输出信号控制电机单独驱动；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的E区信号以及传感器实时检测模块发出的下坡或者弯道信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值<90%时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动同时进行能量回馈再生制动；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的F区信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值< 50%时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动，同时对电池组充电；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的F区信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值在50%—70%时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的F区信号以及传感器实时检测模块发出的上坡信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值在70%—90%时，系统总控制器输出信号控制发动机和电机混合驱动；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的F区信号以及传感器实时检测模块发出的平路信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值在70%—90%时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动，同时对电池组充电；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的F区信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值> 90%时，系统总控制器输出信号控制电机单独驱动；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的F区信号以及传感器实时检测模块发出的下坡或者弯道信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值<90%时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动同时进行能量回馈再生制动。该混合动力汽车多工作模式下的能量切换控制方法所用的控制系统，主要由GPS定位模块、传感器实时检测模块、系统总控制器、发动机、电机、电池组、动力合成装置和变速器构成，混合动力汽车的加速信号、制动信号以及GPS定位模块和传感器实时检测模块输出的信号均输入至系统总控制器，系统总控制器具有A、B、C、D四个信号输出端，A信号输出端输入至发动机控制器，发动机控制器的输出端与发动机相连，发动机的输出端通过离合器与动力合成装置相连接，B信号输出端输入至再生制动模块，再生制动模块通过电机控制器驱动电机，电机的输出端与动力合成装置相连接，动力合成装置的输出端通过变速器输出并将动力提供给混合动力汽车，C信号输出端通过变速控制器输入变速器，D信号输出端通过电池控制器输入至电池组，电池组和系统总控制器之间还设有信号传输线，用于实时监测电池的剩余电量值。所述的再生制动模块9，其工作过程就是利用发动机4和电机5制动产生的反向力矩使车辆减速或停车；同时在制动时将汽车的动能转化并储存起来为电池组7充电。本发明的有益效果是
该混合动力汽车多工作模式下的多模型切换控制能量管理方法利用其车载GPS定位模块和传感器实时检测模块到的汽车行驶环境和路况，控制器根据所检测到的信息切换到相应的工作模式，达到降低排放、节省燃油的目的。该装置结构简单，使用方便，必将加速环保汽车、绿色汽车的发展，大大提高混合动力汽车的续航能力。
图1是本发明的混合动力汽车的控制系统结构示意图；图2是本发明中的汽车行驶环境和路况划分图3是本发明的混合动力汽车的能量切换控制原理图。附图标记1、系统总控制器，2、GPS定位模块，3、传感器实时检测模块，4、发动机，5、电机，6、动力合成装置，7、电池组，8、发动机控制器，9、再生制动模块，10、电机控制器，11、变速控制器，12、变速器，13、电池控制器，14、电池组SOC预测模块，15、加速信号，16、制动信号，17、制动器，18、主减速器，19、车轮，20、离合器。
具体实施例方式如图1所示，图1中的粗实线为机械连接，带箭头为控制信号，虚线为电气连接，混合动力汽车多工作模式下的能量切换控制方法所用的控制系统，主要由系统总控制器1、GPS定位模块2、传感器实时检测模块3、发动机4、电机5、动力合成装置6、电池组7和变速器12构成，混合动力汽车的加速信号15、制动信号16以及GPS定位模块和传感器实时检测模块输出的信号均输入至系统总控制器1，系统总控制器1具有A、B、C、D四个信号输出端，A信号输出端输入至发动机控制器8，发动机控制器8的输出端与发动机4相连，发动机4的输出端通过离合器20与动力合成装置6相连接，B信号输出端输入至再生制动模块9，再生制动模块9通过电机控制器10驱动电机5，电机5的输出端与动力合成装置6相连接，动力合成装置6的输出端通过变速器12输出并将动力提供给混合动力汽车，C信号输出端通过变速控制器11与变速器12的输入端相连，D信号输出端通过电池控制器13输入至电池组7，电池组7和系统总控制器1之间还设有电池组SOC预测模块14，统总控制器1通过电池组SOC预测模块14实时监测电池组7的剩余电量值，电机控制器10与电池组7电联接，当电量不足时，系统总控制器输出给电池组充电的控制信号，系统总控制器1与制动器17之间还设有信号传输线。本发明，该混合动力汽车中所用的再生制动模块9为现有技术，该模块在系统中有两方面作用，其一，利用发动机和电机制动产生的反向力矩使车辆减速或停车；其二，在制动时把车辆的动能转化及储存起来，而不是变成无用的热，如可以将动能转化为电能，为电池充电。该系统通过电机的反向运转发电，从而对电池组进行充电，具有极性反转保护、短路保护、过载保护和可自恢复功能，属于现有技术。可根据电池组当前的SOC值，采用预充、大电流、恒压、小电流、脉冲、浮充六个充电阶段。充电策略采用程序控制，对电池进行自动保护。本发明所述的传感器实时检测模块3分为坡道传感器和弯道传感器，坡道传感器主要用来检测上坡、下坡和平路三种路况，弯道传感器主要用来检测弯道，均属现有成熟技术。坡道传感器类似于电子水平仪，一般分为电感式水平仪和电容式水平仪。电感式水平仪工作原理为当水平仪的基座(固定在汽车地盘上)因待测工件倾斜而倾斜时，其内部摆锤因移动所造成感应线圈的电压变化；电容式水平仪其测量原理为一圆形摆锤自由悬挂在细在线，摆锤受地心重力所影响，且悬浮于无摩擦状况，摆锤的两边均设有电极且间隙相同时电容量是相等，若水平仪受待测工件所影响而造成两间隙不同距离改变即产生电容不同，形成角度的差异。混合动力汽车多工作模式下的能量切换控制方法，GPS定位模块和传感器实时检测模块用于实时监测汽车行驶的环境和路况，并将信号输出至系统总控制器，同时电池组将剩余电量值反馈给系统总控制器，系统总控制器具有A、B、C、D四个信号输出端，A信号输出端输入至发动机控制器，B信号输出端输入至再生制动模块，C信号输出端输入变速器，D信号输出端通过电池控制器输入至电池组，系统总控制器根据行驶环境和行驶路况以及结合电池组的电量反馈综合控制汽车驱动模式；
GPS定位模块根据行驶环境输出E区或者F区两种信号模式，当GPS定位模块检测到该区域限速50km/h以下(包括50km/h)时发出E区的信号给系统总控制器，当GPS定位模块检测到该区域限速50km/h以上时发出F区的信号给系统总控制器，传感器实时检测模块根据行驶路况输出下坡、上坡、弯道或者平路四种信号模式，在实际使用过程中，行驶环境中的E区一般包括城市、乡村和近郊区，F区远郊区和高速公路，近郊区和远郊区以限速标志50km/h为分界线，因此根据汽车的行驶环境区分出E、F两种行驶工况，针对E工况，优先控制的重点应考虑汽车的排放性指标，针对F工况，优先控制的重点应考虑汽车的燃油经济性指标。根据行驶环境和路况信息，汽车的工作模式包括发动机驱动、电机驱动、发动机和电机混合驱动、能量回馈再生制动四种，对各工作模式分别设计相应的控制器，并设计有以行驶路况为驱动的多模型切换控制规则，以便选择相应的工作模式和控制算法。
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的E区信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值< 50% (包括50%)时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动，同时对电池组充电；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的E区信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值在50%—70% (包括70%)时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的E区信号以及传感器实时检测模块发出的上坡信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值在70%—90%时，系统总控制器输出信号控制发动机和电机混合驱动；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的E区信号以及传感器实时检测模块发出的平路信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值在70%—90%时，系统总控制器输出信号控制电机单独驱动同时对电池组充电；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的E区信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值> 90%时，系统总控制器输出信号控制电机单独驱动；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的E区信号以及传感器实时检测模块发出的下坡或者弯道信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值<90%时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动同时进行能量回馈再生制动；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的F区信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值< 50% (包括50%)时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动同时对电池组充电；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的F区信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值在50%— 70% (包括70%)时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的F区信号以及传感器实时检测模块发出的上坡信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值在70%—90%时，系统总控制器输出信号控制发动机和电机混合驱动；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的F区信号以及传感器实时检测模块发出的平路信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值在70%—90%时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动同时对电池组充电；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的F区信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值> 90%时，系统总控制器输出信号控制电机单独驱动；
当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的F区信号以及传感器实时检测模块发出的下坡或者弯道信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值<90%时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动同时进行能量回馈再生制动；
本发明所涉及的混合动力汽车采用发动机和电机两套独立的驱动系统，发动机和电机的动力在动力合成装置上进行组合，实现发动机和电机的单独驱动和联合驱动，然后通过变速器和主减速器驱动汽车的前轮。系统总控制器综合各路信息，经过分析运算之后，对发动机控制器、电池控制器、变速器控制器和电机控制器等发出指令，实现汽车行驶过程中工作模式的切换，如发动机驱动、电机驱动、发动机和电机混合驱动、再生制动等。该混合动力汽车多工作模式下的多模型切换控制能量管理系统结构简单，使用方便，可有效降低汽车尾气排放、节省燃油，大大提高了混合动力汽车的续航能力。
权利要求
1.混合动力汽车多工作模式下的能量切换控制方法，其特征在于GPS定位模块(2)和传感器实时检测模块(3)用于实时监测汽车行驶的环境和路况，并将信号输出至系统总控制器(1)，同时电池组(7 )将剩余电量值反馈给系统总控制器(1)，系统总控制器(1)具有A、B、C、D四个信号输出端，A信号输出端输入至发动机控制器(8)，B信号输出端输入至电机控制器(10)，C信号输出端输入变速器控制器(11)，D信号输出端通过电池控制器(13)输入至电池组(7)，系统总控制器根据行驶环境和行驶路况以及结合电池组的电量反馈综合控制汽车驱动模式；GPS定位模块根据行驶环境输出E区或者F区两种信号模式，当GPS定位模块检测到该区域限速50km/h以下(包括50km/h)时发出E区的信号给系统总控制器，当GPS定位模块检测到该区域限速50km/h以上时发出F区的信号给系统总控制器，传感器实时检测模块根据行驶路况输出下坡、上坡、弯道或者平路四种信号模式；当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的E区信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值< 50%时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动，同时对电池组充电；当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的E区信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值在50%—70%时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动；当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的E区信号以及传感器实时检测模块发出的上坡信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值在70%—90%时，系统总控制器输出信号控制发动机和电机混合驱动；当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的E区信号以及传感器实时检测模块发出的平路信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值在70%—90%时，系统总控制器输出信号控制电机单独驱动，同时对电池组充电；当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的E区信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值> 90%时，系统总控制器输出信号控制电机单独驱动；当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的E区信号以及传感器实时检测模块发出的下坡或者弯道信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值<90%时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动同时进行能量回馈再生制动；当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的F区信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值< 50%时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动，同时对电池组充电；当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的F区信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值在50%—70%时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动；当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的F区信号以及传感器实时检测模块发出的上坡信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值在70%—90%时，系统总控制器输出信号控制发动机和电机混合驱动；当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的F区信号以及传感器实时检测模块发出的平路信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值在70%—90%时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动，同时对电池组充电；当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的F区信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值> 90%时，系统总控制器输出信号控制电机单独驱动；当系统总控制器接收到GPS定位模块发出的F区信号以及传感器实时检测模块发出的下坡或者弯道信号，同时系统总控制器检测到电池组的SOC值<90%时，系统总控制器输出信号控制发动机单独驱动同时进行能量回馈再生制动。
2.根据权利要求1所述的混合动力汽车多工作模式下的能量切换控制方法所用的控制系统，其特征在于该控制系统主要由系统总控制器(1)、GPS定位模块(2)、传感器实时检测模块(3)、发动机(4)、电机(5)、动力合成装置(6)、电池组(7)和变速器(12)构成，混合动力汽车的加速信号(15)、制动信号(16)以及GPS定位模块(2)和传感器实时检测模块(3)输出的信号均输入至系统总控制器(1 )，系统总控制器具有A、B、C、D四个信号输出端，A信号输出端输入至发动机控制器(8)，发动机控制器(8)的输出端与发动机(4)相连，发动机(4)的输出端通过离合器(20)与动力合成装置(6)相连接，B信号输出端输入至再生制动模块(9)，再生制动模块(9)通过电机控制器(10)驱动电机(5)，电机(5)的输出端与动力合成装置(6)相连接，动力合成装置(6)的输出端通过变速器(12)输出并将动力提供给混合动力汽车，C信号输出端通过变速控制器(11)输入变速器(12)，D信号输出端通过电池控制器(13)输入至电池组(7)，电池组(7)和系统总控制器(1)之间还设有信号传输线，用于实时监测电池的剩余电量值。
3.根据权利要求2所述的混合动力汽车多工作模式下的能量切换控制方法所用的控制系统，其特征在于所述的再生制动模块(9)，其工作过程就是利用发动机(4)和电机(5)制动产生的反向力矩使车辆减速或停车；同时在制动时将汽车的动能转化并储存起来为电池组(7)充电。
全文摘要
混合动力汽车多工作模式下的能量切换控制方法及系统，包括以下步骤首先，根据车载GPS定位系统和传感器实时检测到的汽车行驶环境和路况，根据混合动力汽车所处的当前行驶路况信息，确定汽车相应的工作模式，具体包括发动机驱动、电机驱动、发动机和电机混合驱动、能量回馈再生制动四种工作模式；然后，设计以行驶路况为驱动的多模型切换控制规则，并对各工作模式分别设计相应的控制器。本发明根据行驶环境和行驶路况控制最佳汽车驱动模式以降低汽车尾气的排放量，节省燃油的使用，加速环保汽车、绿色汽车的发展，提高混合动力汽车的续航能力。
文档编号B60W10/06GK102556055SQ20121000711
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者付主木, 张松灿, 张聚伟, 李勋, 梁云朋, 梁坤峰, 高爱云 申请人:河南科技大学