一种六驱混合动力系统的控制方法与流程

技术领域

本发明属于新能源汽车控制领域，更具体地说是一种六驱混合动力系统及其控制方法。

背景技术：

当前六驱汽车一般为传统的内燃机驱动的全轮驱动汽车，传动系统采用实时全驱设计。为满足越野汽车的特殊需求，一般选用功率较大的发动机。而在正常使用的情况下，汽车的需求功率较小，发动机常工作在低负荷区，导致功率浪费、燃油消耗率高、排放高等问题。同时，采用发动机驱动的越野车难以实现低噪音行驶，因此不能满足有低噪音要求的特殊场合使用。另外，六驱混合动力系统包括前桥动力系统、中桥动力系统、后桥动力系统以及电力供给系统，一般情况下只要有一处受损，整辆汽车即处于瘫痪状态，难以满足全工况的使用要求。在混合动力汽车的处于过渡模式的转矩协调控制方法中，一般采用发动机动态转矩估计加上电机转矩补偿的方法。但动态转矩估计存在计算复杂、难以实现实时控制且估计误差依赖计算精度的选取的问题。另外，采用试验得到的数据反映发动机的动态转矩特性以及离合器的接合特性，对试验的要求很高，且试验过程劳动强度大，费时费力。

一般的混合动力汽车控制策略内置于汽车芯片，用户无法修改且不能根据驾驶员的主观判断实现手动选择；目前学术领域采用的具有自适应、自学习的控制策略往往存在只能用于离线仿真、不能实现实时控制的问题。

技术实现要素：

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种六驱混合动力系统的控制方法，以提高汽车的燃油经济性、在需要的时候实现低噪音行驶；提高汽车全工况使用性能；提高控制精度高并实现实时控制；以及能够按照驾驶人员的主观判断选择适合的驱动方式。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明六驱混合动力系统的特点是：所述混合动力系统包括前桥动力系统、中桥动力系统、后桥动力系统以及电力供给系统；

所述前桥动力系统包括发动机及发动机控制器、用于起动发动机的起动机、ISG电机及ISG电机控制器、变速箱及变速箱控制器，以及前桥；所述发动机与所述ISG电机为同轴连接，所述发动机和所述ISG电机独立或者共同驱动前桥，在所述发动机的输出轴与ISG电机的输入轴之间设置离合器一，用于接合或者中断发动机的输出动力；在所述ISG电机的输出轴与变速箱的输入轴之间设置离合器二，用于接合或者中断前桥动力；

所述中桥动力系统包括中轴电机、中轴电机控制器，以及由中轴电机提供驱动力的中桥；

所述后桥动力系统包括后轴电机、后轴电机控制器，以及由后轴电机提供驱动力的后桥；

所述电力供给系统包括动力电池、动力电池控制器、低压电池、充电机、逆变器一、逆变器二以及逆变器三；所述动力电池通过第一逆变器为ISG电机提供电力，通过第二逆变器为中轴电机提供电力，通过第三逆变器为后轴电机提供电力；所述动力电池还可以为外接设备供电，以及通过DC/DC为所述低压电池供电，所述充电机通过外接电源为动力电池充电。

本发明六驱混合动力系统的特点也在于：设置所述系统的工作模式包括：

四驱纯电动模式：由所述中轴电机和后轴电机共同驱动；离合器一断开，离合器二断开，中桥动力系统接合、后桥动力系统接合，由中轴电机与后轴电机提供驾驶员请求转矩，中轴电机与后轴电机的输出转矩之比等于中轴、后轴的轴荷比；

六驱纯电动模式：由所述ISG电机、中轴电机以及后轴电机共同驱动；离合器一断开，离合器二接合，由ISG电机与中轴电机、后轴电机共同提供驾驶员请求转矩，所述ISG电机、中轴电机和后轴电机的输出转矩之比等于前轴、中轴、后轴的轴荷比；

六驱混合动力模式一：由所述发动机、ISG电机、中轴电机以及后轴电机共同驱动；离合器一与离合器二均为接合，由发动机、ISG电机、中轴电机和后轴电机共同提供驾驶员请求转矩；其中，中轴电机和后轴电机均提供当前转速下的最大转矩，额外的需求转矩由前桥动力系统补充；ISG电机用于调节发动机的负荷率，优先保障发动机工作在最佳燃油消耗区下限；若ISG电机输出转矩达到当前转速下的最大输出转矩仍然无法满足驾驶员请求转矩，则提高发动机的输出转矩以满足驾驶员请求转矩，直至发动机输出转矩达到其当前转速下最佳燃油经济区的上限。

六驱混合动力模式二：由所述发动机、ISG电机、中轴电机以及后轴电机共同驱动；离合器一和离合器二均为接合，由发动机、ISG电机、中轴电机、后轴电机共同提供驾驶员请求转矩；优先保证发动机工作在最佳燃油经济区的上限，ISG电机用于调整发动机的负荷率，额外的转矩由中轴电机和后轴电机共同补充，中轴电机、后轴电机的输出转矩之比等于中轴与后轴的轴荷比；当ISG电机输出转矩达到当前转速下的最大输出转矩但仍然无法满足驾驶员请求转矩时，提高发动机的输出转矩以满足驾驶员请求转矩，直至发动机输出转矩达到其当前转速下的最大输出转矩；

串联驱动模式一：由所述发动机带动所述ISG电机发电，由所述中轴电机和后轴电机共同驱动；离合器一接合，离合器二断开，由中轴电机、后轴电机共同提供驾驶员请求转矩，电机输出转矩之比等于中轴、后轴的轴荷比；发动机输出转矩为其最佳燃油经济区的下限转矩与当前转速下ISG电机所能发出的最大充电转矩之间的较小值，由发动机带动ISG电机发电，发出的电能用于给中轴电机和后轴电机提供电能，富余的部分用于给动力电池充电；

串联驱动模式二：离合器一接合，离合器二断开，由中轴电机、后轴电机共同提供驾驶员请求转矩，电机输出转矩之比等于中轴和后轴的轴荷比；发动机输出转矩为其最佳燃油经济区的上限转矩与当前转速下ISG电机所能发出的最大充电转矩之间的较小值，由发动机带动ISG电机发电，发出的电能用于给中轴电机和后轴电机提供电能，富余的部分用于给动力电池充电；

发动机驱动模式：由所述发动机单独驱动；离合器一和离合器二均为接合，发动机输出当前转速下的最大转矩，富余转矩用于带动ISG电机为动力电池充电；

失效模式：若前桥动力系统失效，则执行四驱纯电动模式；若中桥动力系统失效，则由前桥动力系统和后桥动力系统联合驱动，发动机工作在最佳燃油消耗区，ISG电机用于调整发动机负荷率，额外的转矩由后轴电机提供；若后桥动力系统失效，则由前桥动力系统和中桥动力系统联合驱动，发动机工作在最佳燃油消耗区，ISG电机用于调整发动机负荷率，额外的转矩由中轴电机提供；若电力供给系统失效，则执行发动机驱动模式；若动力系统中有两个失效，则由剩下的一个进行驱动；针对失效模式的其它情况，系统发出警告并停车。

本发明六驱混合动力系统的控制方法的特点是：首先判段混合动力系统的前桥动力系统、中桥动力系统、后桥动力系统以及电力供给系统中是否有一个或者多个不能正常工作，若是，执行失效模式，若否，按如下规则自动执行所述混合动力系统的其他工作模式：

若动力电池SOC为高，且驾驶员请求转矩为小，执行四驱纯电动模式；

若动力电池SOC为高，且驾驶员请求转矩为中，执行六驱纯电动模式；

若动力电池SOC为高，且驾驶员请求转矩为大，执行六驱混合动力模式一；

若动力电池SOC为中，且驾驶员请求转矩为小，执行串联驱动模式一；

若动力电池SOC为中，且驾驶员请求转矩为中或者大，执行六驱混合动力模式二；

若动力电池SOC为低，且驾驶员请求转矩为小，执行串联驱动模式二；

若动力电池SOC为低，且驾驶员请求转矩为中或者大，执行发动机单独驱动模式；

本发明六驱混合动力系统的控制方法的特点也在于：设置手动切换模块，所述手动切换模块用于直接切换所述混合动力系统为纯电动模式或为混合动力模式；

在所述纯电动模式中，按如下规则自动选择为四驱纯电动模式或六驱纯电动模式：若动力电池SOC为高，且驾驶员请求转矩为小，执行四驱纯电动模式；若动力电池SOC为高，驾驶员请求转矩为中，执行六驱纯电动模式；若驾驶员请求转矩为大，系统发出警告并自动执行六驱纯电动模式；其他情况下，驾驶员手动切换为混合动力模式无效，系统保持原来的运行状态。

在所述混合动力模式中，按如下规则自动选择六驱混合动力模式一或六驱混合动力模式二：若动力电池SOC为高，且驾驶员请求转矩为大，执行六驱混合动力模式一；若动力电池SOC为中，且驾驶员请求转矩为中或者大，执行六驱混合动力模式二；其他情况下，驾驶员手动切换为混合动力模式无效，系统保持原来的运行状态。

本发明六驱混合动力系统的控制方法的特点也在于：当所述混合动力系统在涉及发动机启停与不涉及发动机启停的工作模式之间切换时，为避免动力系统输出转矩产生较大波动或者中断，设置中轴与后轴的输出转矩之和为驾驶员请求转矩减去前轴实际输出转矩的差值，并且中轴电机与后轴电机的输出转矩之比等于中轴和后轴的轴荷比。

本发明六驱混合动力系统的控制方法的特点也在于：

所述动力电池SOC为高是指动力电池SOC大于其目标值SOC_obj；

所述动力电池SOC为中是指动力电池SOC介于其目标值SOC_obj与设定的低值SOC_low之间；

所述动力电池SOC为低是指动力电池SOC值小于设定的低值SOC_low时；

所述驾驶员请求转矩为小是指驾驶员请求转矩小于中轴电机与后轴电机所能提供的最大转矩之和；

所述驾驶员请求转矩为中是指驾驶员请求转矩不小于中轴电机与后轴电机所能提供的最大转矩之和，并且小于或等于ISG电机、中轴电机、后轴电机所能提供的最大转矩之和；

所述驾驶员请求转矩为大是指驾驶员请求转矩大于ISG电机、中轴电机以及后轴电机所能提供的最大转矩之和。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明采用六驱混合动力系统，省去了传动轴，采用较小功率的发动机，在保障汽车的动力性、通过性的基础上，提高汽车的燃油经济性以及乘员的乘坐舒适性。在前桥动力系统、中桥动力系统、后桥动力系统、电力供给系统有一个或者多个不能正常工作的情况下，汽车可以由剩下的动力系统驱动。在通过一些特殊地区时，利用其纯电动的驱动模式可以极大地降低噪音。

2、本发明中设置过渡模式，其转矩协调控制方法控制精度高，可以很容易的实现实时控制，且能节省初期的试验成本。

3、本发明控制方法可以根据不同的需要，按照驾驶员的主观判断选择适合的驱动方式。

4、本发明的具体实施也体现在必要的时候，其混合动力系统可以作为移动发电站，根据实际需要向外接用电设备提供电能。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明系统的自动模式控制框图；

图3为本发明系统的手动模式控制框图；

具体实施方式

本实施例中六驱混合动力系统的结构形式是：混合动力系统包括前桥动力系统、中桥动力系统、后桥动力系统以及电力供给系统。

前桥动力系统包括发动机及发动机控制器、用于起动发动机的起动机、ISG电机及ISG电机控制器、变速箱及变速箱控制器，以及前桥；发动机与ISG电机为同轴连接，发动机和ISG电机独立或者共同驱动前桥，在发动机的输出轴与ISG电机的输入轴之间设置离合器一，用于接合或者中断发动机的输出动力；在ISG电机的输出轴与变速箱的输入轴之间设置离合器二，用于接合或者中断前桥动力。

中桥动力系统包括中轴电机、中轴电机控制器，以及由中轴电机提供驱动力的中桥。

后桥动力系统包括后轴电机、后轴电机控制器，以及由后轴电机提供驱动力的后桥。

电力供给系统包括动力电池、动力电池控制器、低压电池以及充电机；由动力电池通过第一逆变器为ISG电机提供电力，通过第二逆变器为中轴电机提供电力，通过第三逆变器为后轴电机提供电力；动力电池还可以外接设备供电，以及通过DC/DC为低压电池供电，充电机通过外接电源为动力电池充电。

设置系统的工作模式包括：

四驱纯电动模式：由中轴电机和后轴电机共同驱动；离合器一断开，离合器二断开，中桥动力系统接合、后桥动力系统接合，由中轴电机与后轴电机提供驾驶员请求转矩，中轴电机与后轴电机的输出转矩之比等于中轴、后轴的轴荷比。

六驱纯电动模式：由ISG电机、中轴电机以及后轴电机共同驱动；离合器一断开，离合器二接合，由ISG电机与中轴电机、后轴电机共同提供驾驶员请求转矩，ISG电机、中轴电机和后轴电机的输出转矩之比等于前轴、中轴、后轴的轴荷比。

六驱混合动力模式一：由发动机、ISG电机、中轴电机以及后轴电机共同驱动；离合器一与离合器二均为接合，由发动机、ISG电机、中轴电机和后轴电机共同提供驾驶员请求转矩；其中，中轴电机和后轴电机均提供当前转速下的最大转矩，额外的需求转矩由前桥动力系统补充；ISG电机用于调节发动机的负荷率，优先保障发动机工作在最佳燃油消耗区下限；若ISG电机输出转矩达到当前转速下的最大输出转矩仍然无法满足驾驶员请求转矩，则提高发动机的输出转矩以满足驾驶员请求转矩，直至发动机输出转矩达到其当前转速下最佳燃油经济区的上限。六驱混合动力模式一用于驾驶员请求转矩比较低时，保障混合动力系统燃油经济性。

六驱混合动力模式二：由发动机、ISG电机、中轴电机以及后轴电机共同驱动；离合器一和离合器二均为接合，由发动机、ISG电机、中轴电机、后轴电机共同提供驾驶员请求转矩；优先保证发动机工作在最佳燃油经济区的上限，ISG电机用于调整发动机的负荷率，额外的转矩由中轴电机和后轴电机共同补充，中轴电机、后轴电机的输出转矩之比等于中轴与后轴的轴荷比；当ISG电机输出转矩达到当前转速下的最大输出转矩但仍然无法满足驾驶员请求转矩时，提高发动机的输出转矩以满足驾驶员请求转矩，直至发动机输出转矩达到其当前转速下的最大输出转矩。六驱混合动力模式二用于驾驶员请求转矩比较高时，保障混合动力系统的动力性。

本实施例中六驱混合动力系统不论是处在模式一或模式二下，发动机都可以在优先使用电能的基础上，按照实际的驾驶员请求转矩，逐步提高发动机的输出转矩，在保障混合动力系统经济性的基础上保障其动力性。

串联驱动模式一：由发动机带动ISG电机发电，由中轴电机和后轴电机共同驱动；离合器一接合，离合器二断开，由中轴电机、后轴电机共同提供驾驶员请求转矩，电机输出转矩之比等于中轴、后轴的轴荷比；发动机输出转矩为其最佳燃油经济区的下限转矩与当前转速下ISG电机所能发出的最大充电转矩之间的较小值，由发动机带动ISG电机发电，发出的电能用于给中轴电机和后轴电机提供电能，富余的部分用于给动力电池充电。

串联驱动模式二：离合器一接合，离合器二断开，由中轴电机、后轴电机共同提供驾驶员请求转矩，电机输出转矩之比等于中轴和后轴的轴荷比；发动机输出转矩为其最佳燃油经济区的上限转矩与当前转速下ISG电机所能发出的最大充电转矩之间的较小值，由发动机带动ISG电机发电，发出的电能用于给中轴电机和后轴电机提供电能，富余的部分用于给动力电池充电。

已有技术中混合动力系统的串联模式通常只用一种，是采用功率跟随型控制方法或者发动机在不同需求时工作在几个不同的离散点上的控制方法，但这种已有的控制方法均不能有效保障发动机的工作点为最优。本实施例中采用功率跟随和离散点工作相结合的方式，让发动机在不同的需求时工作在两条不同的较优的工作曲线上，即最佳燃油经济区的下限以及最佳燃油经济区的上限，此种工作方法有效兼顾了不同功率需求时的发动机的工作点，且每种需求时的发动机的工作点都可以连续变化，有效保障了发动机带动ISG电机发电时的燃油经济性。

发动机驱动模式：由发动机单独驱动；离合器一和离合器二均为接合，发动机输出当前转速下的最大转矩，富余转矩用于带动ISG电机为动力电池充电。

失效模式：若前桥动力系统失效，则执行四驱纯电动模式；若中桥动力系统失效，则由前桥动力系统和后桥动力系统联合驱动，发动机工作在最佳燃油消耗区，ISG电机用于调整发动机负荷率，额外的转矩由后轴电机提供；若后桥动力系统失效，则由前桥动力系统和中桥动力系统联合驱动，发动机工作在最佳燃油消耗区，ISG电机用于调整发动机负荷率，额外的转矩由中轴电机提供；若电力供给系统失效，则执行发动机驱动模式；若动力系统中有两个失效，则由剩下的一个进行驱动；针对失效模式的其它情况，系统发出警告并停车。

此外，在四驱纯电动模式、六驱纯电动模式、串联驱动模式一以及串联驱动模式二中，设定中轴电机与后轴电机的输出转矩之比等于中轴和后轴的轴荷比可以有效的保障驱动时的附着系数利用率，保障混合动力系统的通过性，避免混合动力系统在低附着路面时打滑和驱动转矩的浪费。

本实施例中六驱混合动力系统在执行自动模式时，首先判段混合动力系统的前桥动力系统、中桥动力系统、后桥动力系统以及电力供给系统中是否有一个或者多个不能正常工作，若是，执行失效模式，若否，按如下规则自动执行所述混合动力系统的其他工作模式：

若动力电池SOC为高，且驾驶员请求转矩为小，执行四驱纯电动模式。

若动力电池SOC为高，且驾驶员请求转矩为中，执行六驱纯电动模式。

若动力电池SOC为高，且驾驶员请求转矩为大，执行六驱混合动力模式一。

若动力电池SOC为中，且驾驶员请求转矩为小，执行串联驱动模式一。

若动力电池SOC为中，且驾驶员请求转矩为中或者大，执行六驱混合动力模式二。

若动力电池SOC为低，且驾驶员请求转矩为小，执行串联驱动模式二。

若动力电池SOC为低，且驾驶员请求转矩为中或者大，执行发动机单独驱动模式；

本实施例中设置手动切换模块用于直接切换混合动力系统工作模式为纯电动模式或为混合动力模式。

在纯电动模式中，按如下规则自动选择为四驱纯电动模式或六驱纯电动模式：若动力电池SOC为高，且驾驶员请求转矩为小，执行四驱纯电动模式；若动力电池SOC为高，驾驶员请求转矩为中，执行六驱纯电动模式；若驾驶员请求转矩为大，系统发出警告并自动执行六驱纯电动模式。

其他情况下，驾驶员手动切换为纯电动模式无效，系统保持原来的运行状态。

在混合动力模式中，按如下规则自动选择六驱混合动力模式一或六驱混合动力模式二：若动力电池SOC为高，且驾驶员请求转矩为大，执行六驱混合动力模式一；若动力电池SOC为中，且驾驶员请求转矩为中或者大，执行六驱混合动力模式二。

其他情况下，驾驶员手动切换为混合动力模式无效，系统保持原来的运行状态。

当混合动力系统在涉及发动机启停与不涉及发动机启停的工作模式之间切换时，为避免动力系统输出转矩产生较大波动或者中断，设置中轴与后轴的输出转矩之和为驾驶员请求转矩减去前轴实际输出转矩的差值，并且中轴电机与后轴电机的输出转矩之比等于中轴和后轴的轴荷比。

本实施例中定义：

动力电池SOC为高是指动力电池SOC大于其目标值SOC_obj；动力电池SOC为中是指动力电池SOC介于其目标值SOC_obj与设定的低值SOC_low之间；动力电池SOC为低是指动力电池SOC值小于设定的低值SOC_low时。

驾驶员请求转矩为小是指驾驶员请求转矩小于中轴电机与后轴电机所能提供的最大转矩之和；驾驶员请求转矩为中是指驾驶员请求转矩不小于中轴电机与后轴电机所能提供的最大转矩之和，并且小于或等于ISG电机、中轴电机、后轴电机所能提供的最大转矩之和；驾驶员请求转矩为大是指驾驶员请求转矩大于ISG电机、中轴电机以及后轴电机所能提供的最大转矩之和。

图1所示为本实施例中六驱六驱混合动力系统示意图，其保留了传统发动机自带的起动机，起动机装配于发动机之上，用于电荷低时启动发动机；由于行星齿轮耦合装置系统过于复杂，系统设计难度比较大，并且为使得系统布置更加紧凑，本实施例中选择发动机与ISG电机同轴相连的耦合方式。

自动模式下，为保障混合动力系统的动力性和通过性，中桥与后桥同时处于被驱动状态或同时处于无驱动状态。动力电池通过逆变器一、逆变器二和逆变器三分别与ISG电机、中轴电机、后轴电机相连，用于为三个电机提供电力；动力电池通过DC-DC为低压电池供电；本实施例中动力电池可通过充电机连接外接电源充电或者将存储在动力电池的电力输送给外接设备；本实施例中通过设置外接取电单元，在停车时，若需要为外接设备供电，可利用发动机带动ISG电机发电，外接用电设备通过取电单元获取电能。设置发动机功率调节模块，在发动机带动ISG电机发电时，可以根据实际需求，手动调节所需的发电功率。为降低传统的发动机动态转矩估计所造成的误差，避免发动机动态转矩估计存在计算复杂、难以实现实时控制且估计误差依赖计算精度的选取的问题，在前桥输出轴设置转矩传感器，用于实时测量前轴的输出转矩，以达到降低模式切换时的动力系统冲击度的目的。

图2所示为本实施例中六驱混合动力系统的自动模式控制框图，执行自动模式时，首先需要判断系统是否失效，然后再判断动力电池SOC的范围以及驾驶员请求转矩的范围。

驾驶员请求转矩计算为常规方式，通过驾驶员踩加速踏板的动作来体现，即按照加速踏板的开度乘以当前转速下各个动力系统所能提供的最大转矩之和，或者在此基础上引入一个转矩修正系数，此修正系数可以通过一个模糊控制器得到，此模糊控制器的输入为加速踏板的开度及其变化率。驾驶员实际请求转矩为此修正系数乘以上述通过加速踏板开度计算得到的请求转矩，用于体现驾驶员加速的紧急程度。

图3所示为本实施列中系统手动模式控制框图。为方便驾驶员根据自己的主观判断选择合适的工作模式，设置手动切换模块，可以根据驾驶员的选择，混合动力系统的工作模式可以直接切换至纯电动模式和混合动力模式。另外，驾驶员手动切换时，当前的工作条件不满足需要切换到的模式对应的要求，系统判断手动切换无效，继续维持原来的工作模式运行。