用于插电式混合动力汽车综合型换挡规律实现方法与流程

本发明涉及电动车辆变速器控制技术领域，具体的是一种用于插电式混合动力汽车综合型换挡规律实现方法。

背景技术：

随着能源需求快速增长与石油资源日渐匮乏之间矛盾的加剧，节能减排越来越受到全世界的关注，插电式混合动力汽车以其良好的燃油经济性和环境友好性等特点应运而出。插电式混合动力汽车变速器控制技术是降低燃油消耗、提高驾驶舒适性、减少换挡过程中动力中断的关键技术，其中换挡规律又是变速器控制的核心技术，设计合理的换挡规律能够充分发掘出整车节油潜力，因此，插电式混合动力汽车换挡规律研究成为插电式混合动力汽车技术领域研究的热点。

插电式混合动力汽车动力系统结构不同于传统汽车，比传统汽车多出一个或者两个驱动电机，因此，换挡规律的制定同样不同于传统汽车。将传统汽车的换挡规律应用于插电式混合动力汽车不仅没有考虑电机的特性，无法让电机工作在高效区，同时也不能发挥插电式混合动力汽车能量管理策略的节油潜力。插电式混合动力汽车上的加速踏板开度已经不能直接作用到发动机的节气门开度上，其意义已经不同于传统汽车，传统汽车的基于节气门开度设计的换挡规律已经不适用于插电式混合动力汽车。因此，必须提出一种针对插电式混合动力汽车、考虑发动机和电机特性的换挡规律。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于插电式混合动力汽车综合型换挡规律实现方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明通过统计插电式混合动力汽车在特定循环工况下加速踏板开度分布情况后，对不同加速踏板开度下插电式混合动力汽车工作模式分析，确定出不同加速踏板开度范围对应的插电式混合动力汽车工作模式分布；再根据加速踏板统计规律确定各行驶模式下的升挡规律制定方案，计算得到不同模式下的具体升挡规律，经组合和修正后得到对应的升挡规律map图；最后确定不同模式下的降挡规律制定方法，并将插电式混合动力汽车综合型升挡规律和降挡规律组合得到综合型换挡规律。

所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、统计插电式混合动力汽车在特定循环工况下加速踏板开度分布情况：根据发动机与电机合成的最大驱动力包络线的驾驶员需求转矩解析方法及循环工况下需求驱动功率的计算，从而统计分析得出加速踏板开度的分布情况。

步骤二、不同加速踏板开度下插电式混合动力汽车工作模式分析：通过对比加速踏板开度、循环工况车速、整车需求功率、发动机驱动功率和电机驱动功率，从而得出不同加速踏板开度下插电式混合动力汽车的工作模式分布情况，从而确定出不同加速踏板开度范围对应的插电式混合动力汽车工作模式分布。

步骤三、根据加速踏板统计规律确定各行驶模式下的升挡规律制定方案：对于具有行驶模式手动选择功能的插电式混合动力汽车，行驶模式划分为ev行驶模式、hybridnormal行驶模式、hybridsport行驶模式，从设计意图的角度来说，ev行驶模式、hybridnormal行驶模式在满足动力性的前提下，以低油耗为目标追求较好的整车经济性，hybridsport行驶模式则以高动力性为目标。

所述的ev行驶模式与hybridnormal行驶模式下的升挡规律实现方式包括：

3.1、加速踏板开度小于某个开度时，采用纯电动模式经济型升挡规律；

3.2、加速踏板开度大于某个开度时，采用混合动力模式经济型与动力型综合升挡规律。

所述的hybridsport行驶模式下升挡规律实现方式包括：

3.a、加速踏板开度小于某个开度时，采用纯电动模式动力型升挡规律；

3.b、加速踏板开度大于某个开度时，采用混合动力模式动力型升挡规律。

步骤3.2中的混合动力模式经济型与动力型综合升挡规律采用的权重过渡的设计方式，加速踏板开度越大，动力型升挡规律所占比重越大，加速踏板开度越小，经济型升挡规律所占权重越大，通过这样的方式满足整车行驶的动力性要求。

步骤四、根据ev行驶模式、hybridnormal、hybridsport行驶模式中发动机和电机转矩分配策略，分别计算纯电动模式经济型升挡规律、纯电动模式动力型升挡规律、混合动力模式经济型升挡规律、混合动力模式动力型升挡规律。

所述的动力型升挡规律以牵引力为计算指标，经济型升挡规律以整车行驶效率为计算指标。

所述的纯电动模式动力型升挡规律，通过以下方式得到：对于纯电动模式，首先根据整车能量管理策略中的转矩分配原则，确定电机和发动机的输出转矩。其次，对加速踏板开度按照一定间隔离散化，绘制出各加速踏板开度离散点下的牵引力曲线。然后选择牵引力曲线上相邻两挡的交点作为升挡点，当无交点，考虑到实际换挡时，应避免换挡前后电机的速差过大，减少电机的高速运转，减少由此产生的动力传动系统的振动、冲击与噪声，避免折损各部件的使用寿命，因此选择抵挡最高车速的85％作为升挡点，从而计算出纯电动模式下动力型升挡规律。

所述的纯电动模式经济型升挡规律，通过以下方式得到：纯电动模式下，只有电机一个动力源，电机输出功率与输入功率的比值即为电机效率，常用百分数表示，电机效率反映了其内部功率损耗的大小，效率低说明电动机内部损耗大，浪费能源；效率高说明电动机内部损耗小，节约电能。因此，本发明以电机效率为目标，设计纯电动模式下经济型升挡规律。最佳电机效率换挡规律的目标是保证汽车总是以电机工作在较高效率区域的挡位行驶。

首先，根据整车能量管理策略中的转矩分配原则，确定电机和发动机的输出转矩，其次，根据电机效率map图确定纯电动模式各加速踏板开度下各挡电机效率曲线。然后，选择相邻两挡电机效率曲线的交点作为升挡点，当无交点，选择低挡最高车速的85％作为升挡点，从而计算出的纯电动模式下经济型升挡规律。

所述的混合动力模式动力型升挡规律，通过以下方式得到：对于混合动力模式，首先根据整车能量管理策略中的转矩分配原则确定发动机、电机的转矩分配。首先离散化加速踏板开度，绘制各加速踏板开度离散点下各挡牵引力曲线。然后选择相邻两挡牵引力曲线的交点作为升挡点，当无交点，选择抵挡最高车速的85％作为升挡点，从而计算出混合动力模式下动力型升挡规律。

所述的混合动力模式经济型升挡规律，通过以下方式得到：混合动力模式下，有发动机和电机两个动力源，制定经济型换挡规律时，应考虑汽车总是以使整车行驶效率较高的区域的挡位行驶。首先，根据整车能量管理策略中的转矩分配原则，确定发动机、电机的工作状态。车辆的行驶功率来自发动机与电机两个动力源，通过对混合动力汽车的结构特点和混合动力模式下的功率流分析，得到整车行驶效率计算模型为：式中，pm：电机输出功率；pe：发动机输出功率；ηit：各挡传动比的效率；ηm：电机的电动效率；ηbat：电池的充放电效率；ηe：发动机的效率。

其次，根据整车行驶效率计算模型确定各加速踏板开度下各挡的整车效率曲线。然后，选择相邻两挡电机效率曲线的交点作为升挡点，当无交点，选择低挡最高车速的85％作为升挡点，从而计算出混合动力模式经济型升挡规律。

所述的权重过渡的设计方式是指：混合动力模式经济型与动力型综合升挡规律采用权重过渡的设计方式，加速踏板开度越大，动力型升挡规律所占比重越大，加速踏板开度越小，经济型升挡规律所占权重越大。

步骤3.2中的混合动力模式经济型与动力型综合升挡规律的升挡点满足：

v＝a·vd+b·ve，其中：v为综合换挡规律升挡点；a为动力型换挡规律权重；vd为动力型换挡规律升挡点；b为经济型换挡规律权重；ve为经济型换挡规律升挡点。

所述的加速踏板开度与动力型换挡规律权重、经济型换挡规律权重对应表，如表1所示。

表1加速踏板开度-权重对应表

步骤五、将纯电动模式动力型升挡规律、纯电动模式经济型升挡规律、混合动力模式动力型升挡规律和混合动力模式经济型升挡规律，按照步骤三中确定的ev行驶模式、hybridnormal行驶模式和hybridsport行驶模式下的换挡规律确定方案，组合得到各行驶模式下的升挡规律map图，组合完后对不合理的换挡点进行修正和调整，最终得到的三张升挡规律map图。

步骤六、确定ev行驶模式、hybridnormal行驶模式和hybridsport行驶模式下的降挡规律制定方法，最后将插电式混合动力汽车综合型升挡规律和降挡规律组合得到综合型换挡规律。

所述的降挡规律是指：由于降挡点必须低于升挡点，且两者之间需要有一定的差距，因为如果没有降挡速差或者降挡速差较小，那么可能会出现循环换挡的情况。为了避免这种情况，需要设置一定的降挡速差，即换挡延迟。本发明中采用发散型换挡规律，保证在起步和加速时有很好的动力性能，而经常行驶中舒适平稳，经济性也较好。通过引入评价系数来评价换挡规律发散的程度：其中：vupi为升入i挡时的车速，vdowni为i挡降入i-1挡时车速。

技术效果

与现有技术相比，本发明结合插电式混合动力汽车多工作模式下多动力源转矩分配的特点，制定出不同于传统车辆的动力型和经济型换挡规律，引入权重因子，综合考虑动力性与经济性的需求，制定了综合型换挡规律，本发明提出的换挡规律与原换挡规律仿真结果表明，在保证动力性的前提下，整车燃油经济性最大提高21.1％。最大限度的提高燃油经济性。

附图说明

图1为实施例中插电式混合动力汽车结构示意图；

图中：1电池管理系统、2电池组本体、3电机控制器、4电机本体、5电机转速传感器、6发动机、7发动机转速传感器、8发动机电控单元、9发动机飞轮、10主离合器、11双离合器变速器、12挡位传感器13车速传感器、14主减速器总成、15驾驶室、16加速踏板开度传感器、17制动压力传感器、18整车控制器、19制动控制器、20制动器；

图2为本发明示意图

图3为nedc循环工况加速踏板开度情况分布图；

图4为电机功率、发动机功率、整车需求功率对比图；

图5为不同加速踏板开度下纯电驱动牵引力曲线，图中a、b、c、d分别为加速踏板为100％，60％，40％和20％时纯电动模式下驱动牵引力曲线；

图6为纯电动模式动力型升挡规律；

图7为电机效率map图；

图8为不同油门开度下纯电动模式电机效率，图中a、b、c、d分别为加速踏板为100％，60％，40％和20％时纯电动模式驱动电机效率曲线；

图9为纯电动模式经济型升挡规律；

图10为不同油门开度下混合驱动模式牵引力曲线，图中a、b、c、d分别为加速踏板为100％，60％，40％和20％时混合驱动模式下驱动牵引力曲线；

图11为混合驱动模式动力型升挡规律曲线；

图12为混合动力模式功率流；

图13为不同油门开度下整车行驶效率曲线，其中：图中a、b、c、d分别为计算踏板开度为100％、60％、40％、20％时整车行驶效率曲线；

图14为混合动力模式经济型升挡规律曲线；

图15为ev行驶模式下升挡规律map图；

图16为hybridnormal行驶模式下升挡规律map图；

图17为hybridsport行驶模式下升挡规律map图；

图18为ev行驶模式下换挡规律map图；

图19为hybridnormal行驶模式下换挡规律map图；

图20为hybridsport行驶模式下换挡规律map图；

具体实施方式

下面以nedc循环工况为例对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例具体包括以下步骤：

步骤一：统计nedc循环工况下加速踏板开度分布情况

根据发动机与电机合成的最大驱动力包络线的驾驶员需求转矩解析方法及nedc循环工况下需求驱动功率的计算，从而得出加速踏板开度的分布情况，如图3所示，经过统计分析加速踏板开度的分布情况得出结论：绝大多数情况下，加速踏板开度都分布在30％以下。

步骤二：不同加速踏板开度下phev工作模式分析

通过对比加速踏板开度、整车需求功率、发动机功率、电机功率，如图4所示，电机单独驱动的功率可以满足整个nedc循环工况的要求，并且在nedc循环工况实际仿真过程中，统计发现，纯电驱动模式占绝大多数时间，偶尔出现行车充电模式、发动机单独驱动模式，但基本没有混合驱动模式。

基于以上分析可以得出以下结论：30％加速踏板开度以下，整车需求转矩较小，主要为纯电动模式，30％加速踏板开度以上，整车需求转矩较大，主要是混合动力模式。

步骤三：根据加速踏板统计规律确定各行驶模式下的升挡规律方案

对于具有行驶模式手动选择功能的phev，行驶模式划分为ev行驶模式、hybridnormal行驶模式、hybridsport行驶模式，从设计意图的角度来说，ev行驶模式、hybridnormal行驶模式在满足动力性的前提下，追求较好的整车经济性，以低油耗为目标，hybridsport行驶模式则以高动力性为目标。

在nedc循环工况下，因为整车需求转矩较小，因此ev与hybridnormal行驶模式转矩分配策略完全相同，并且均追求整车经济性目标，因此可以设计同样的换挡规律map图。

基于以上分析，ev与hybridnormal行驶模式下的升挡规律设计如下：

3.1、加速踏板开度30％以下，采用纯电动模式经济型升挡规律；

3.2、加速踏板开度30％以上，采用混合动力模式经济型与动力型综合升挡规律。

hybridsport行驶模式下升挡规律设计如下：

3.a、加速踏板开度30％以下，采用纯电动模式动力型升挡规律；

3.b、加速踏板开度30％以上，采用混合动力模式动力型升挡规律。

根据本实施例插电式混合动力汽车能量管理策略中纯电动模式、混合动力模式的转矩分配原则，确定电机、电机和发动机的分配转矩，然后分别设计纯电动模式动力型和经济型两参数换挡规律和混合动力模式动力型和经济型两参数换挡规律。其中，动力型换挡规律以牵引力为计算指标，经济型换挡规律以整车行驶效率为计算指标。

步骤四：纯电动模式动力型升挡规律计算方法

纯电动模式下电机单独驱动，首先根据整车能量管理策略中的转矩分配原则，如表2所示，确定电机的工作状态。

表2纯电动模式转矩分配

本实施例中的插电式混合动力汽车的发动机和电机全部放置在双离合器变速器之前，所以纯电动模式时，其驱动力为：其中：tm为电机输出转矩；ig为dct传动比；i0为主减速器传动比；ηt为传动系机械效率；r为车轮半径。

以100％、60％、40％、20％加速踏板开度为例，绘制出各加速踏板开度下各挡牵引力曲线，如图5所示。

然后选择相邻两挡牵引力曲线的交点作为升挡点，当无交点，理论上应取低挡的最高车速点作为升挡点，但是考虑到实际换挡时，应避免换挡前后电机的速差过大，减少电机的高速运转，减少由此产生的动力传动系统的振动、冲击与噪声，避免折损各部件的使用寿命，因此选择抵挡最高车速的85％作为升挡点，易于得到平稳的换挡过程，从而计算出的纯电动模式下动力型升挡规律如图6所示。

步骤五：纯电动模式经济型升挡规律计算方法

纯电动模式下，只有电机一个动力源，电机输出功率与输入功率的比值即为电机效率，电机效率反映了其内部功率损耗的大小。效率低，说明电动机内部损耗大，浪费能源；效率高，说明电动机内部损耗小，节约电能。因此，本实施例以电机效率为目标，设计纯电动经济型换挡规律。最佳电机效率换挡规律的目标是保证汽车总是以使电机工作在较高效率区域的挡位行驶。

与制定动力型换挡规律时类似，首先根据整车能量管理策略中的转矩分配原则，如表1所示，确定电机的工作状态。

根据电机效率map图，如图7所示，以100％、60％、40％、20％加速踏板开度为例，确定纯电动模式下不同加速踏板开度时各挡电机效率曲线如图8所示。

然后选择相邻两挡电机效率曲线的交点为升挡点，当无交点，理论上应取低挡的最高车速点作为升挡点，但是考虑到实际换挡时，应避免换挡前后电机的速差过大，减少电机的高速运转，减少由此产生的动力传动系统的振动、冲击与噪声，避免折损各部件的使用寿命，因此选择低挡最高车速的85％作为升挡点，易于得到平稳的换挡过程，计算出的纯电动模式经济型升挡规律如图9所示。

步骤六：混合动力模式动力型升挡规律计算方法

对于混合动力模式，首先根据整车能量管理策略中的转矩分配原则，如表3所示，确定发动机、电机的工作状态。

表3混合动力模式转矩分配表

混合动力模式下，其驱动力为：其中：te为发动机输出转矩。

以加速踏板开度100％、60％、40％、20％为例绘制出各加速踏板开度下各挡牵引力曲线，如图10所示。

然后选择相邻两挡牵引力曲线的交点为升挡点，当无交点，理论上应取低挡的最高车速点作为升挡点，但是考虑到实际换挡时，应避免换挡前后发动机、电机的速差过大，减少发动机、电机的高速运转，减少由此产生的动力传动系统的振动、冲击与噪声，避免折损各部件的使用寿命，因此选择抵挡最高车速的85％作为升挡点，易于得到平稳的换挡过程，从而计算出的混合驱动动力型升挡规律如图11所示。

步骤七：混合动力模式经济型升挡规律计算方法

混合动力模式下，有发动机和电机两个动力源，制定经济型换挡规律时，应考虑汽车以整车行驶效率较高的区域的挡位行驶。首先根据整车能量管理策略中的转矩分配原则，如表2所示，确定发动机、电机的工作状态。在混合动力模式下，功率流的流向如图12所示。

车辆的行驶功率来自发动机与电机两个动力源，根据本发明中插电式混合动力汽车的结构特点和混合动力模式下的功率流分析，整车行驶效率模型为：其中：pm：电机输出功率；pe：发动机输出功率；ηit：各挡传动比的效率；ηm：电机的电动效率；ηbat：电池的充放电效率；ηe：发动机的效率。

以100％、60％、40％、20％加速踏板开度为例，根据整车行驶效率计算模型，从而确定各加速踏板开度下各挡的整车效率曲线，如图13所示。

然后选择相邻两挡电机效率曲线的交点为升挡点，当无交点，理论上应取低挡的最高车速点作为升挡点，但是考虑到实际换挡时，应避免换挡前后电机的速差过大，减少电机的高速运转，减少由此产生的动力传动系统的振动、冲击与噪声，避免折损各部件的使用寿命，因此选择低挡最高车速的85％作为升挡点，从而计算出的混合动力模式经济型升挡规律如图14所示。

步骤八：混合动力模式经济型与动力型综合升挡规律制定方法

混合动力模式经济型与动力型综合升挡规律采用的权重过渡的设计方式，加速踏板开度越大，动力型升挡规律所占比重越大，加速踏板开度越小，经济型升挡规律所占权重越大。

v＝a·vd+b·ve，其中：v为综合换挡规律升挡点；a为动力型换挡规律权重；vd为动力型换挡规律升挡点；b为经济型换挡规律权重；ve为经济型换挡规律升挡点。

加速踏板开度与动力型换挡规律权重、经济型换挡规律权重对应表如表1所示。

将纯电动模式动力型升挡规律、纯电动模式经济型升挡规律、混合动力模式动力型升挡规律和混合动力模式经济型升挡规律，按照前面确定的ev行驶模式、hybridnormal行驶模式和hybridsport行驶模式下的换挡规律确定方案，组合得到各行驶模式下的升挡规律map图。组合完后，对不合理的换挡点进行修正和调整，最终得到的三张升挡规律map图如图15～17所示。

步骤九：各种行驶模式下降挡规律制定方法

降挡点必须低于升挡点，且两者之间需要有一定的差距，因为如果没有降挡速差或者降挡速差较小，那么可能会出现循环换挡的情况。为了避免这种情况，需要设置一定的降挡速差，即换挡延迟。

发散型换档延迟的概念是换档延迟随着油门开度的增大而增大，呈发散分布，也称为增延迟换档规律。它的特点是：驾驶员可以干预换挡，快松油门时可提前换入高挡，不仅降低噪声，而且改善燃油经济性；大油门开度下升挡的发动机转速高，接近最大功率点动力性好；换挡延迟增大，减少了换挡次数，提高了舒适性。然而，大油门开度时降挡，发动机的转速n必须降得很低，换挡前后转速差过大，功率的利用率差，所以此类型的换挡延迟适用于后备功率大的轿车。因为轿车经常行驶在良好的公路条件下，大多以小油门开度工作，这种换挡规律能保证起步、及加速时有很好的动力性能，而经常行驶中则舒适平稳，经济性也较好。

针对本实施例中的插电式混合动力汽车，大多以小油门工作，采用发散型换挡规律，能保证在起步及加速时有很好的动力性能，而经常行驶中，则舒适平稳，经济性也较好。通过引入评价系数来评价换挡规律发散的程度。

其中：vupi为升入i挡时的车速，vdowni为i挡降入i-1挡时车速。

最终确定对于ev和hybridnormal换挡规律，在加速踏板开度小于等于30％时，取ai＝0.15，大于30％时，取ai＝0.4。对于hybridsport换挡规律，在加速踏板开度小于等于30％时，取ai＝0.4，大于30％时，取ai＝0.45。

步骤十：升挡规律和降挡规律组合得到各行驶模式下换挡规律map图

最终制定出的ev行驶模式、hybridnormal、hybridsport三种行驶模式下的换挡规律map图，当图18～20所示。

步骤十一：整车经济性与动力性指标仿真结果比较

步骤1、nedc循环工况经济性指标仿真结果

表4电平衡油耗仿真结果

步骤2、动力性指标仿真结果为最高车速

表5最高车速仿真结果

步骤3、动力性指标仿真结果为加速时间

表6加速时间仿真结果

步骤4、动力性指标仿真结果为持续爬坡车速

表7坡度4％持续爬坡车速仿真结果

表8坡度12％持续爬坡车速仿真结果

根据以上仿真结果可以得出结论：采用新的换挡规律后，整车动力性和经济性都有大幅提升，从而验证了换挡规律制定方法的合理性。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。