混合动力汽车扭矩控制方法和混合动力汽车动力系统与流程

本发明涉及混合动力汽车扭矩控制方法和混合动力汽车动力系统，属于混合动力汽车动力控制技术领域。

背景技术：

混合动力已经在城市客车中广泛推广应用，其在低速过程中，发动机停机，采用电机驱动，高速通过电机进行发动机负荷调节，使发动机的工作工况尽量在最优工况内工作，从而实现节能减排。但是在公路客车中，整车主要在城区及高速运行，动力源主要是发动机，为了提高加速性，一般动力储备较高，初始购买的成本高且油耗也较高。为了提升此种车辆的经济性，通过电机的对整车动力的进行“削峰填谷”，实现发动机小型化，同时不损失动力性，而且回收减速过程中的能量回收。

申请公布号为cn105774799a的中国专利申请文件中公开了一种混合动力汽车的扭矩补偿方法，首先根据当前车辆的油门踏板开度和当前车速得到发动机需求扭矩和电机需求扭矩，并检测当前时刻发动机的实际输出扭矩，然后计算发动机需求扭矩和实际输出扭矩的差值，并根据该差值调整电机需求扭矩以补偿发动机需求扭矩。虽然该方法能够实现扭矩的补偿和调节，但是，不管什么样的动力控制方法，最基本的要求，也是最重要的要求是保证汽车有一定的动力输出，通俗点讲，就是保证汽车能够行走。即便汽车的扭矩分配以及补偿方式十分合理和科学，如果不能保证汽车行走，均没有实际意义。所以，上述已公开的扭矩补偿方法中，如果需求扭矩过大，发动机输出和电机补偿之和仍没有达到需求扭矩的水平，那么，汽车没有动力输出，将不会行走，因此，该方法无法做到在需求扭矩很大时保证汽车的动力输出。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种混合动力汽车扭矩控制方法，用以解决现有的扭矩补偿方法无法在需求扭矩很大时保证汽车的动力输出的问题。本发明同时提供一种混合动力汽车动力系统。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种混合动力汽车扭矩控制方法，包括以下步骤：

(1)获取车辆的需求扭矩；

(2)比较车辆的需求扭矩与发动机最佳工作区域的上限扭矩的大小，当车辆的需求扭矩大于所述发动机最佳工作区域的上限扭矩时，发动机输出最佳工作区域的上限扭矩，且电机进入驱动模式，电机的驱动扭矩等于所述需求扭矩与所述发动机最佳工作区域的上限扭矩的差值，当电机的实际驱动扭矩大于电机的最大驱动扭矩时，增加发动机的实际输出扭矩。

在进行扭矩控制时，如果车辆的需求扭矩大于发动机最佳工作区域的上限扭矩，除了发动机输出最佳工作区域的上限扭矩之外，电机进入驱动模式，驱动扭矩等于需求扭矩与发动机最佳工作区域的上限扭矩的差值，这样能够保证需求扭矩的有效输出，即保证车辆的正常运行，但是，如果需求扭矩大于发动机最佳工作区域的上限扭矩与电机的最大驱动扭矩之和，也就是说，即便发动机输出最佳工作区域的上限扭矩，电机的实际驱动扭矩等于最大驱动扭矩，还是不满足需求，那么，为了保证动力输出这一最基本、也是最重要的要求，控制增加发动机的实际输出扭矩，虽然增加之后发动机不再运行在最佳工作区域，但是，发动机仍旧能够正常运行，并且，该方法保证汽车有一定的动力输出。因此，该方法并非目前以发动机运行于最佳工作区域为目的的扭矩控制方式，而是与这些现有方式截然相反的方式，在需求很大时，提高发动机的输出扭矩，使发动机不再运行在最佳工作区域，提高了动力输出，避免车辆抛锚，尤其适用于车辆在特殊需求下，比如上坡时需要的动力输出，避免车辆向后溜坡，进而避免出现交通安全事故。另外，为了提升车辆的经济性，采用电机替代目前的缓速器，实现发动机小型化，同时不损失动力性，而且回收减速过程中的能量回收，达到节能减排的目的。

所述当电机的实际驱动扭矩大于电机的最大驱动扭矩时，电机输出最大驱动扭矩，发动机的实际输出扭矩调整为需求扭矩与电机的最大驱动扭矩的差值。

比较需求扭矩与发动机最佳工作区域的下限扭矩的大小，当需求扭矩小于所述发动机最佳工作区域的下限扭矩，且动力电池的soc小于设定阈值时，电机进入发电模式，电机的发电扭矩等于所述发动机最佳工作区域的下限扭矩与需求扭矩的差值。

当动力电池的soc大于设定的高电量阈值时，电机的最大驱动扭矩设定为额定扭矩；当动力电池的soc小于设定的低电量阈值时，电机的最大驱动扭矩设定为设定比例系数与额定扭矩的乘积，所述设定比例系数是一个小于1的数值；当动力电池的soc小于或者等于所述设定的高电量阈值、且大于或者等于所述设定的低电量阈值时，电机的最大驱动扭矩与动力电池的电量呈正比，且随着动力电池的电量线性变化。

当车辆制动时，根据当前车速与制动踏板的开度查表得到能量回收功率，如果所述能量回收功率大于动力电池允许充电功率，则控制制动电阻工作，制动电阻的消耗功率等于所述能量回收功率与所述动力电池允许充电功率的差值。

本发明还提供一种混合动力汽车动力系统，包括发动机、电机和动力电池，在进行扭矩控制时，(1)获取车辆的需求扭矩；(2)比较车辆的需求扭矩与发动机最佳工作区域的上限扭矩的大小，当车辆的需求扭矩大于所述发动机最佳工作区域的上限扭矩时，发动机输出最佳工作区域的上限扭矩，且电机进入驱动模式，电机的驱动扭矩等于所述需求扭矩与所述发动机最佳工作区域的上限扭矩的差值，当电机的实际驱动扭矩大于电机的最大驱动扭矩时，增加发动机的实际输出扭矩。

所述当电机的实际驱动扭矩大于电机的最大驱动扭矩时，电机输出最大驱动扭矩，发动机的实际输出扭矩调整为需求扭矩与电机的最大驱动扭矩的差值。

比较需求扭矩与发动机最佳工作区域的下限扭矩的大小，当需求扭矩小于所述发动机最佳工作区域的下限扭矩，且动力电池的soc小于设定阈值时，电机进入发电模式，电机的发电扭矩等于所述发动机最佳工作区域的下限扭矩与需求扭矩的差值。

当动力电池的soc大于设定的高电量阈值时，电机的最大驱动扭矩设定为额定扭矩；当动力电池的soc小于设定的低电量阈值时，电机的最大驱动扭矩设定为设定比例系数与额定扭矩的乘积，所述设定比例系数是一个小于1的数值；当动力电池的soc小于或者等于所述设定的高电量阈值、且大于或者等于所述设定的低电量阈值时，电机的最大驱动扭矩与动力电池的电量呈正比，且随着动力电池的电量线性变化。

当车辆制动时，根据当前车速与制动踏板的开度查表得到能量回收功率，如果所述能量回收功率大于动力电池允许充电功率，则控制制动电阻工作，制动电阻的消耗功率等于所述能量回收功率与所述动力电池允许充电功率的差值。

附图说明

图1是混合动力汽车动力系统的一种具体的结构图；

图2是混合动力汽车扭矩控制方法的整体流程图；

图3是发动机最佳工作曲线图；

图4是控制模块的软件模块组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本实施例提供一种混合动力汽车动力系统，核心部件为发动机、电机和动力电池，除此之外，还包括离合器、变速箱和制动电阻等。如图1所示，为一种具体的混合动力汽车动力系统结构图，包括发动机1、离合器2、电机3、动力电池4、变速箱5、制动电阻6等。当然，这只是一种具体的结构形式，作为其他的实施方式，还可以为申请公布号cn105774799a中公开的动力结构。因此，本发明的发明点在于扭矩控制方法，并非在于动力系统的具体硬件结构，基于该扭矩控制方法的任何相关动力结构均在本发明的保护范围内。并且，该扭矩控制方法适用的车辆也不做限定，可以是手动档汽车，也可以是自动档汽车。

根据混合动力的运行状态进入不同的模式运行，该扭矩控制方法的核心在于驱动并联模式的具体实现策略。驱动并联模式是指：电机和发动机联合工作形成并联系统，控制电机对发动机工作区域的“削峰填谷”，保证需求，改善整车的经济性。

如图2所示，扭矩控制方法包括以下两大步骤：

第一步：获取车辆的需求扭矩。

本实施例给出一种需求扭矩的获取方式，在车辆低速过程中，当动力电池的soc>设定的soc_low，gear＝d，clutch＝1(即闭合)时，根据车速(velocity)和整车油门(acc_ped)的需求(即油门踏板的开度)进行查表得到需求扭矩t_demand，该表是车速、油门踏板的开度与需求扭矩的对应关系表，即t_demand＝f(acc_ped，velocity)，油门越大，车速越低，那么整车的需求扭矩越大。上述对应关系表属于常规技术，这里就不再说明，并且，由于需求扭矩的获取方式也属于常规技术，所以，本发明也并不局限于本实施例提供的获取方式，也可以是其他现有的获取方式。

第二步是具体的扭矩控制。

发动机具有一个最佳工作区域，该工作区域的边界值分别是最佳工作区域下限扭矩和最佳工作区域上限扭矩。比较车辆的需求扭矩与发动机最佳工作区域的上限扭矩的大小，当车辆的需求扭矩大于发动机最佳工作区域的上限扭矩时，发动机输出的扭矩为最佳工作区域的上限扭矩，此时发动机即便输出最佳工作区域的上限扭矩也不能满足需求，那么，电机进入驱动模式，以补偿不够的扭矩，并且，电机的驱动扭矩等于需求扭矩与发动机最佳工作区域的上限扭矩的差值，即电机驱动扭矩(t_motor)＝需求扭矩(t_demand)-发动机最佳工作区域的上限扭矩(t_engineopt)，那么，通过电机输出扭矩，使电机的驱动扭矩与发动机最佳工作区域的上限扭矩之和等于需求扭矩，满足车辆的动力需求。而且，如果上述求得的电机驱动扭矩，即电机实际驱动扭矩大于电机的最大驱动扭矩，比如车辆在上坡时需求扭矩增加，那么，电机最大驱动扭矩与发动机最佳工作区域的上限扭矩之和仍小于需求扭矩，即便电机输出最大驱动扭矩，发动机输出最佳工作区域的上限扭矩，仍然不能满足需求，那么，为了保证动力输出，就要增加发动机的实际输出扭矩，才能够使车辆实际输出扭矩满足需求。进一步地，电机和发动机的输出扭矩分别为：电机的输出扭矩为其最大驱动扭矩，发动机实际输出扭矩调整为需求扭矩与电机的最大驱动扭矩的差值。这样的话，实际输出满足要求，但是，得到的发动机实际输出扭矩就大于最佳工作区域的上限扭矩，发动机就不再工作在最佳工作区域内。虽然发动机没有工作在最佳工作区域，但是，发动机仍旧可以正常运行，而且这种控制方式满足了车辆的动力需求，保证车辆动力输出，降低了发动机的最大负荷工作。

另外，通常情况下，电机的最大驱动扭矩是一个常量，不发生变化，但是实际上，电机的最大驱动扭矩与动力电池的电量相关，即与动力电池的最大允许放电功率相关，电机的最大驱动扭矩＝min(最大驱动扭矩，动力电池最大允许放电功率)，而动力电池最大允许放电功率与动力电池的电量密切相关。那么：当动力电池的soc大于设定的高电量阈值(比如60％)时，电机的最大驱动扭矩设定为电机的额定扭矩；当动力电池的soc小于设定的低电量阈值(比如30％)时，电机的最大驱动扭矩设定为设定比例系数与额定扭矩的乘积，该设定比例系数的取值范围是(0，1)，比如取为0.3，即最大驱动扭矩设定为电机额定扭矩的0.3倍；当动力电池的soc小于或者等于设定的高电量阈值、且大于或者等于设定的低电量阈值时，电机的最大驱动扭矩与动力电池的电量呈正比，且随着动力电池的电量线性变化。

如果需求扭矩小于发动机最佳工作区域的下限扭矩，且动力电池的soc小于设定阈值(比如30％)时，电机进入发电模式，将需求之外的多余扭矩存储在动力电池中，从而使电量平衡，电机的发电扭矩等于发动机最佳工作区域的下限扭矩与需求扭矩的差值。

总之，通过电机的调节尽量使发动机工作在最优化曲线，实现发动机在最优点工作，达到节能减排的目标，图3是发动机最佳工作曲线图，其中，横坐标为发动机转速/rpm，纵坐标为发动机扭矩/n·m。但是，如果需求扭矩过大，就需要首先保证车辆有一个动力输出。

当车辆在高速滑行或者制动时，且d档，车辆进入制动能量回收模式，当离合器闭合时，根据当前车速与制动踏板的开度查表得到对应的能量回收功率，此表根据车辆参数进行计算得到，减速度不能大于紧急制动的要求，且必须逐渐增加平滑，表1给出电机制动扭矩(即能量回收功率)与电机转速(即车速)和制动踏板开度的对应表。当然，能量回收功率与车速和制动踏板开度的对应属于现有技术，表1只是一种具体的数据对应关系，本发明并不局限于该表所描述的具体数据。

表1

如果能量回收功率大于动力电池允许充电功率，即动力电池不能存储所有的能量，则控制制动电阻工作，通过制动电阻消耗一部分能量。制动电阻的消耗功率等于能量回收功率与动力电池允许充电功率的差值，即制动电阻的消耗功率(p_res)＝能量回收功率(p_gen)-动力电池允许充电功率(p_batchar)。当然，能量回收功率有一个最大值，即电制动的最大功率限制(p_genmax)＝制动电阻的最大消耗功率(p_resmax)+动力电池最大允许充电功率(p_batcharmax)。

当整车高压系统出现故障时，车辆进入故障模式，断开高压系统，车辆为传统运行方式运行；当车辆档位、油门等有故障时，按照空档处理，车辆可按照传统方式正常运行，但仪表显示相应的故障码，提示驾驶员进行维护。

另外，由于扭矩控制策略是以软件程序的方式加载在控制模块中，所以，该控制模块中的软件程序的软件功能模块组成如图4所示。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于扭矩控制方法，并不局限于具体的动力系统。