增程式混合动力汽车的动力系统及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种增程式混合动力汽车的动力系统，包括ISG、发动机、EMS、HCU。ISG或者作为发动机的起动电机工作，或者作为发电机工作。HCU通过CAN总线和独立线缆连接EMS。ISG作为发电机工作时，HCU通过CAN总线向EMS发送发动机的目标转速信号和目标扭矩信号，HCU还通过所述独立线缆向EMS发动模拟油门位置信号。EMS控制发动机输出转速达到目标转速、输出扭矩达到目标扭矩。本发明不再需要由HCU对发电时的ISG进行直接控制，因而简化了HCU的控制方式，从而降低了增程式混合动力汽车的开发难度，减少开发时间，节省成本，提高可靠性。
【专利说明】增程式混合动力汽车的动力系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及一种增程式混合动力汽车的动力系统。
【背景技术】
[0002]请参阅图1，传统汽车的动力系统包括:
[0003]—发动机，通常为汽油发动机，连接变速箱等驱动机构；
[0004]—传感器，包括空气流量计(或者气体温度压力传感器)、发动机转速传感器、曲轴位置传感器等；
[0005]—执行器，包括进气门、喷油器、点火装置等；
[0006]-发动机管理系统(Engine Management System,简称为EMS),采集各传感器的
信号，控制各执行器的操作。
[0007]传统汽车的动力系统的控制方法为:各种传感器为EMS提供所需信号，EMS根据发动机运行状况的空燃比需求，计算出每个工作循环的供油量，控制各种执行器进行相应操作，实现发动机性能的平衡。所述传感器的信号包括:空气流量计或者气体温度压力传感器检测出发动机的进气量，为EMS提供空气流量信号；发动机转速传感器为EMS提供发动机转速信号；曲轴位置传感器为EMS提供曲轴转角信号。所述执行器的操作包括:控制进气门的开度、控制喷油器的喷油量和喷油时间、控制点火装置的点火时间等。
[0008]发动机在运转时可分为怠速工况和非怠速工况。怠速工况时，EMS采用闭环转速控制，以根据发动机运转工况所设定的目标转速为控制目标，基于实际转速和目标转速的差值为输入，对进气量和点火角进行PID计算，以保证发动机的转速稳定性。非怠速工况时，EMS采用扭矩控制，建立发动机的扭矩输入输出模型，动态调整进气量和点火角度，使发动机实际扭矩输出跟随驾驶员的扭矩需求，以保证动力输出满足驾驶扭矩需要。
[0009]请参阅图2，现有的增程式混合动力汽车的动力系统包括:
[0010]—蓄电池，储存电量，或者通过功率变换器给驱动电机、ISG提供能源。
[0011]—驱动电机，以交流电为电源，通常为高压交流电，驱动车轮使车辆行驶。
[0012]—发动机，仅用于带动ISG发电。
[0013]-集成式起动电机和发电机(Integrated starter/generator,简称为ISG),通
常为永磁同步电机，直接集成在发动机的主轴上。一方面，ISG作为发动机的起动电机，帮助发动机起动。另一方面，在发动机正常运转后ISG作为发电机，由发动机带动产生交流电。
[0014]——功率变换器，一方面将ISG发电产生的交流电转换为直流，以供蓄电池充电；另一方面在蓄电池放电时，将蓄电池输出的直流电转换为高压交流电，作为驱动电机、ISG的电力来源。
[0015]——EMS，控制发动机运转。怠速工况时，EMS对发动机采用闭环转速控制。非怠速工况时，EMS对发动机采用扭矩控制。
[0016]——整车控制器(Hybrid Control Unit，简称为HCU)，采集ISG发电时产生的三相交流电的相电流信号、以及发动机转速信号、以及ISG的转子位置信号，对ISG进行励磁电流控制。
[0017]增程式混合动力汽车可根据需要工作于纯电动模式、增程模式或混合动力模式。纯电动模式下，发动机不运转，完全由蓄电池储备电量供应驱动电机运转。增程模式下，发动机运转带动ISG发电，完全由这部分发电电量供应驱动电机运转，不消耗蓄电池储备电量。混合动力模式下，发动机带动ISG发电和蓄电池同时供电，通过功率变换器一起供应驱动电机运转。
[0018]ISG作为起动电机工作时，要求在低转速恒扭矩区提供大扭矩；目前是采用自控式变频调速方法，在电机轴上安装转子位置传感器，能检测出转子的磁极位置，通过控制定子的电流频率和相位产生旋转磁场，该旋转磁场对转子产生恒定转矩。
[0019]请参阅图3，现有的增程式混合动力汽车的动力系统在ISG作为发电机工作时的控制方法为:HCU采集ISG发电时产生的三相交流电的相电流信号、以及发动机转速信号、以及ISG的转子位置信号，对ISG进行励磁电流控制。ISG作为发电机工作时，要求实现稳压发电。HCU对ISG采用弱磁控制方法，通过降低输出给ISG的励磁电流，保持发电电压稳定。然而，发动机的转速会在较宽广的范围内变化，而永磁同步电机的宽范围弱磁控制技术难度很大，对ISG电机参数的依赖性强且动态响应差。作为一种替换方案，ISG作为发电机工作时也可采用DC-DC变换器实现稳压发电，然而这将增加系统成本，同时降低发电效率。
【发明内容】
[0020]本申请所要解决的技术问题是提供一种增程式混合动力汽车的动力系统，在ISG作为发电机工作时简化控制方案，不增加额外成本，同样实现ISG的稳定电压输出。为此，本申请还要提供一种增程式混合动力汽车的动力系统的控制方法。
[0021 ]为解决上述技术问题，本申请增程式混合动力汽车的动力系统包括集成式起动电机和发电机、发动机、发动机管理系统、整车控制器；所述集成式起动电机和发电机或者作为发动机的起动电机工作，或者作为发电机工作；
[0022]所述整车控制器通过CAN总线和独立线缆连接发动机管理系统；
[0023]所述集成式起动电机和发电机作为发电机工作时，整车控制器通过CAN总线向发动机管理系统发送发动机的目标转速信号和目标扭矩信号，整车控制器还通过所述独立线缆向发动机管理系统发动模拟油门踏板位置信号；
[0024]所述发动机管理系统控制发动机输出转速达到目标转速、输出扭矩达到目标扭矩。
[0025]本申请增程式混合动力汽车的动力系统的控制方法为:当集成式起动电机和发电机作为发电机工作时，整车控制器计算出发动机的目标扭矩和目标转速，并通过CAN总线传递给发动机管理系统；同时整车控制器还以单独线缆向发动机管理系统传递模拟油门位
置信号；
[0026]当CAN总线的通讯正常时，且发动机管理系统判定发动机目标转速小于或等于怠速工况的最高转速，则对发动机采用闭环转速控制，使发动机的转速输出达到目标转速；
[0027]当CAN总线的通讯正常时，且发动机管理系统判定发动机目标转速大于怠速工况的最高转速，则对发动机采用闭环转速控制和扭矩控制，闭环转速控制使发动机的转速输出达到目标转速，扭矩控制使发动机的扭矩输出达到目标扭矩；[0028]当CAN总线出现通讯故障时，发动机管理系统响应模拟油门踏板位置信号，在怠速工况下使发动机的怠速转速稳定，在非怠速工况下使发动机的扭矩输出跟随模拟油门位
置变化。
[0029]本申请不再需要由HCU对发电时的ISG进行直接控制，因而简化了 HCU的控制方式，从而降低了增程式混合动力汽车的开发难度，减少开发时间，节省成本，提高可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1是传统汽车的动力系统的结构示意图；
[0031]图2是现有的增程式混合动力汽车的动力系统的结构示意图；
[0032]图3是现有的增程式混合动力汽车的动力系统在ISG作为发电机工作时的控制方法的流程图；
[0033]图4是本申请的增程式混合动力汽车的动力系统的结构示意图；
[0034]图5是本申请的增程式混合动力汽车的动力系统在ISG作为发电机工作时的控制方法的流程图。
【具体实施方式】
[0035]请参阅图4，本申请的增程式混合动力汽车的动力系统包括:
[0036]—蓄电池，该蓄电池既能接受外置的充电桩、工业电源、民用电源的充电，也能接受功率变换器输出的直流的充电。
[0037]—驱动电机，以交流电为电源，通常为高压交流电，驱动车轮使车辆行驶。
[0038]—发动机，通常为汽油发动机。该发动机仅用于带动ISG发电。
[0039]——ISG，通常为永磁同步电机，直接集成在发动机的主轴上。一方面，ISG作为发动机的起动电机，帮助发动机起动。另一方面，在发动机正常运转后ISG作为发电机，受发动机带动产生交流电。
[0040]——功率变换器:一方面将ISG发电产生的交流电转换为直流，以供蓄电池充电；另一方面在蓄电池放电时，将蓄电池输出的直流电转换为高压交流电，作为驱动电机、ISG的电力来源。
[0041]—EMS,控制发动机运转，怠速工况时，EMS对发动机采用闭环转速控制，使发动机输出转速达到目标转速。非怠速工况时，EMS对发动机采用闭环转速控制和扭矩控制，使发动机输出转速达到目标转速、发动机输出扭矩达到目标扭矩。
[0042]——HCU，采集发动机转速信号、ISG发电时产生的三相交流电的相电流信号、模拟油门位置信号和蓄电池电量，经过计算后通过CAN总线向EMS发送发动机的目标转速信号和目标扭矩信号。HCU还通过单独线缆连接EMS，该单独线缆用于将HCU所采集的模拟油门位置信号传递给EMS。传统汽车上具有油门踏板，通过控制节气门开度来调整空气进气量，最终改变发动机转速。增程式混合动力汽车上与此相对应的是模拟油门踏板，用来向整车控制器和/或EMS表达驾驶员的驾驶需求。
[0043]请参阅图5，本申请的增程式混合动力汽车的动力系统在ISG作为发电机工作时的控制方法为:当ISG作为发电机工作时，HCU采集ISG发电时产生的三相交流电的相电流信号、发动机转速信号、模拟油门位置信号、蓄电池电量，计算出为使ISG发电电压稳定而带动ISG同轴转动的发动机的目标扭矩T和目标转速N，并通过CAN总线传递给EMS。所述计算方法为:如果将发动机的输出功率称为P，ISG发电时的输出电压称为U,输出电流称为I，ISG作为发电机的效率系数称为Π，则有P = UXI/η，T = 9550 X Ρ/Ν。为了确保车辆的经济性，整车控制器根据模拟油门位置信号和蓄电池电量，决定ISG的发电电压U和发电电流I，再根据发动机的工作特性确定目标转速N和目标扭矩Τ。同时为了保证在CAN总线故障时车辆仍能安全工作，HCU还以单独线缆向EMS发送模拟油门位置信号Wped，该信号表征模拟油门踏板的开度。
[0044]当CAN总线的通讯正常时，EMS判断目标转速N与怠速工况控制的最高转速N。之间的关系。
[0045]—当目标转速N≤Ntl(怠速工况)时，EMS对发动机采用闭环转速控制，以目标转速N为控制目标，以目标转速与实际转速的差值为输入，进行PID (比例-积分-微分)计算后控制发动机的空气进气量和点火角，以保证发动机的实际转速输出稳定于目标转速N。这就是传统的怠速工况控制方法。
[0046]—当目标转速N> N。(非怠速工况)时，EMS对发动机采用闭环转速控制和扭矩控制的双重手段。闭环转速控制方法是:以目标转速N为控制目标，以目标转速与实际转速的差值为输入，进行PID计算后控制发动机的空气进气量和点火角度，以保证发动机的实际转速输出稳定于目标转速N。扭矩控制方法是:以目标扭矩T为控制目标，将目标扭矩T输入发动机的扭矩输入输出模型，通过控制节气门的开度，以确保发动机的输出扭矩达到目标扭矩T。与传统的怠速工况控制方法相比，本申请在扭矩控制的基础上结合闭环转速控制。
[0047]当CAN总线出现通讯故障时，EMS响应模拟油门位置信号Wped，在怠速工况(模拟油门踏板未被踩下)EMS使发动机的怠速转速稳定；在非怠速工况(模拟油门踏板被踩下)EMS使发动机实际扭矩输出跟随模拟油门踏板变化，以保证动力输出满足驾驶扭矩需要。这就是传统车辆的驾驶员操控模式。
[0048]与现有的增程式混合动力汽车的动力系统及其控制方法相比，本申请的主要改进在于:
[0049]其一，在ISG作为发电机工作时，由EMS控制发动机进而控制由发动机带动的ISG。HCU不再直接控制ISG，而只需计算出发动机的目标转速和目标扭矩。这样就减轻了 HCU的工作负担，可以采用成本较低的微控制器(MCU)，也可以大大减少其执行的软件代码。
[0050]其二，在ISG作为发电机工作时，如果发动机目标转速超过怠速工况的转速，则EMS以转速和扭矩双重手段来控制发动机的输出。这样就确保了发动机所带动的ISG的输出电压平稳，而又避免了现有的HCU采用弱磁控制方法的技术复杂、对ISG电机参数依赖性强、动态响应差的缺点，也避免了增加DC-DC电路所带来的成本上升、发电效率下降的缺点。
[0051]其三，HCU与EMS之间既通过CAN总线传递发动机的目标转速和目标扭矩，又通过独立线缆传递模拟油门位置信号。这样即便CAN总线出现通讯故障，仍能保证EMS对发动机较低程度的控制，极大地增强了容错性。
[0052]以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种增程式混合动力汽车的动力系统，包括集成式起动电机和发电机、发动机、发动机管理系统、整车控制器；所述集成式起动电机和发电机或者作为发动机的起动电机工作，或者作为发电机工作；其特征是: 所述整车控制器通过CAN总线和独立线缆连接发动机管理系统； 所述集成式起动电机和发电机作为发电机工作时，整车控制器通过CAN总线向发动机管理系统发送发动机的目标转速信号和目标扭矩信号，整车控制器还通过所述独立线缆向发动机管理系统发动模拟油门位置信号； 所述发动机管理系统控制发动机输出转速达到目标转速、输出扭矩达到目标扭矩。
2.根据权利要求1所述的增程式混合动力汽车的动力系统，还包括蓄电池，其特征是:所述集成式起动电机和发电机作为发电机工作时，整车控制器采集发动机转速信号、集成式起动电机和发电机发电时产生的三相交流电的相电流信号、模拟油门位置信号和蓄电池电量。
3.根据权利要求1所述的增程式混合动力汽车的动力系统，其特征是，所述发动机管理系统控制发动机在怠速工况下的输出转速达到目标转速，在非怠速工况下的输出转速达到目标转速、输出扭矩达到目标扭矩。
4.一种增程式混合动力汽车的动力系统的控制方法，其特征是，当集成式起动电机和发电机作为发电机工作时，整车控制器计算出发动机的目标扭矩和目标转速，并通过CAN总线传递给发动机管理系统；同时整车控制器还以单独线缆向发动机管理系统传递模拟油门位置信号； 当CAN总线的通讯正常时，且发动机管理系统判定发动机目标转速小于或等于怠速工况的最高转速，则对发动机采用闭环转速控制，使发动机的转速输出达到目标转速； 当CAN总线的通讯正常时，且发动机管理系统判定发动机目标转速大于怠速工况的最高转速，则对发动机采用闭环转速控制和扭矩控制，闭环转速控制使发动机的转速输出达到目标转速，扭矩控制使发动机的扭矩输出达到目标扭矩； 当CAN总线出现通讯故障时，发动机管理系统响应模拟油门位置信号，在怠速工况下使发动机的怠速转速稳定，在非怠速工况下使发动机的扭矩输出跟随模拟油门位置变化。
5.根据权利要求4所述的增程式混合动力汽车的动力系统的控制方法，其特征是，当集成式起动电机和发电机作为发电机工作时，整车控制器采集发动机转速信号、集成式起动电机和发电机发电时产生的三相交流电的相电流信号、模拟油门位置信号和蓄电池电量，计算出为使集成式起动电机和发电机发电电压稳定而带动ISG同轴转动的发动机的目标扭矩和目标转速。
6.根据权利要求4所述的增程式混合动力汽车的动力系统的控制方法，其特征是，闭环转速控制是以发动机的目标转速为控制目标，以目标转速与实际转速的差值为输入，进行PID计算后控制发动机的空气进气量和点火角度，从而使发动机的实际转速达到目标转速。
7.根据权利要求4所述的增程式混合动力汽车的动力系统的控制方法，其特征是，扭矩控制方法是以发动机的目标扭矩为控制目标，将目标扭矩输入发动机的扭矩输入输出模型，通过控制节气门的开度，使发动机的输出扭矩达到目标扭矩。
【文档编号】B60W10/06GK103935226SQ201410161237
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2014年4月22日
【发明者】柳建辉, 周海松, 王志伟 申请人:联合汽车电子有限公司