兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法及装置，其中，方法包括以下步骤：如果电机制动功率低于储能系统的最大充电功率，则控制驱动电机及其逆变器工作在最高效率点；如果电机制动功率高于最大充电功率，则在保证驱动电机及其逆变器输出的可回馈制动功率不高于预设阈值的条件下，通过降低驱动电机及其逆变器的工作效率以将部分制动功率转换为驱动电机及其逆变器的功耗，以提高驱动电机逆变器输入的制动功率值。该控制方法可以在满足下坡或制动时对车辆的制动转矩要求的前提下，当动力电池电量不满时，可优化驱动电机的制动回馈效率以实现能量的高效回收，提高了车辆的经济性、安全性和可靠性，降低了机械制动系统的磨损。
【专利说明】
兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法及装置
技术领域
[0001]本发明涉及新能源汽车技术领域，特别涉及一种兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法及装置。
【背景技术】
[0002]新能源汽车和传统汽车相比，其优势在于驱动电机可四象限运行(驱动和制动)，通常在制动过程中采用驱动电机制动的方式(驱动电机工作在发电状态)，由储能系统回收制动回馈的能量，可显著提高了车辆的经济性。
[0003]然而，当储能系统的S0C(Stateof Charge，荷电状态)充满或者充电能力有限条件下，往往必须采用制动电阻消耗电机制动回馈的能量，或者是需要增加传统机械摩擦制动。但是，采用电阻制动耗功的方法需要安装功率电阻，导致系统成本、体积和重量都增加；采用传统机械摩擦制动的方法，往往会导致车辆的机械制动系统过快磨损或过热而性能下降，尤其在下长坡和山区行驶时，容易出现制动失效，车辆容易发生安全事故。因此，有待改进。
【发明内容】
[0004]本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0005]为此，本发明的一个目的在于提出一种兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法，该方法可以提高车辆的经济性、安全性和可靠性，降低机械制动系统的磨损。
[0006]本发明的另一个目的在于提出一种兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制装置。
[0007]为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法，包括以下步骤:检测车辆是否处于下坡和制动状态；如果处于下坡和制动状态，则进一步检测电机制动功率;判断所述电机制动功率是否尚于储能系统的最大充电功率;如果所述电机制动功率低于所述储能系统的最大充电功率，则控制驱动电机及其逆变器工作在最高效率点；如果所述电机制动功率高于所述最大充电功率，则在保证所述驱动电机及其逆变器输出的可回馈制动功率不高于预设阈值的条件下，通过降低所述驱动电机及其逆变器的工作效率以将部分制动功率转换为所述驱动电机及其逆变器的功耗，以提高所述驱动电机逆变器输入的制动功率值。
[0008]本发明实施例的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法，在满足下坡或制动时对车辆的制动转矩要求的前提下，当动力电池电量不满时，可优化驱动电机的制动回馈效率以实现能量的高效回收，尤其是在储能系统的充电能力下降、接受制动回馈功率有限甚至为零的条件下，通过调整驱动电机逆变器的控制算法，可主动降低驱动电机制动时的发电效率，从而降低了驱动电机逆变器回馈到电力总线上的功率值，提高了车辆的经济性、安全性和可靠性，降低了机械制动系统的磨损。
[0009]另外，根据本发明上述实施例的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法还可以具有以下附加的技术特征:
[0010]进一步地，在本发明的一个实施例中，根据所述驱动电机及其逆变器的输入制动功率和转速确定所述驱动电机及其逆变器的最高效率和最低效率，并确定所述驱动电机在所述制动输入功率下回馈的最大制动功率和最小制动功率。
[0011]进一步地，在本发明的一个实施例中，根据所述驱动电机及其逆变器的最大散热能力确定电流极限圆，从而在电机定子电流矢量轨迹图上，通过恒转矩曲线、MTPA曲线和极限电流圆来确定所述驱动电机及其逆变器的最高效率和最低效率，或者通过试验制成MAP，从而由当前转矩和转速查表获得。
[0012]进一步地，在本发明的一个实施例中，如果所述车辆的动力系统为非串联混合动力系统，则在所述驱动电机可回馈的最小制动功率高于所述最大充电功率加上附件功率消耗后，才开始在采用电机回馈制动和机械摩擦制动协调控制。
[0013]进一步地，在本发明的一个实施例中，如果所述车辆的动力系统为串联式混合动力系统，则在所述驱动电机可回馈的最小制动功率高于所述最大充电功率加上附件功率消耗后，进一步通过增加的APU倒拖耗功来实现更大的制动功率消耗，以进一步提高所述驱动电机逆变器输入的制动功率值。
[0014]在本发明的实施例中，本发明实施例的控制方法还可以通过调整发电机逆变器的控制算法，可主动降低发电机倒拖发动机耗功时发电机的驱动效率。其物理本质，是将制动回馈的能量转换为驱动电机及其逆变器的发热，以及发电机及其逆变器的发热，可显著提高整个动力系统消耗的制动功率幅值，保证车辆即使在电池满电条件下也具有持续电机制动及耗功的能力。
[0015]为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制装置，包括:检测模块，用于检测车辆是否处于下坡和制动状态，并且当处于下坡和制动状态时，进一步检测电机制动功率;判断模块，用于判断所述电机制动功率是否高于储能系统的最大充电功率;控制模块，当所述电机制动功率低于所述储能系统的最大充电功率时，控制驱动电机及其逆变器工作在最高效率点，并且当所述电机制动功率高于所述最大充电功率时，在保证所述驱动电机及其逆变器输出的可回馈制动功率不高于预设阈值的条件下，通过降低所述驱动电机及其逆变器的工作效率以将部分制动功率转换为所述驱动电机及其逆变器的功耗，以提高所述驱动电机逆变器输入的制动功率值。
[0016]本发明实施例的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制装置，在满足下坡或制动时对车辆的制动转矩要求的前提下，当动力电池电量不满时，可优化驱动电机的制动回馈效率以实现能量的高效回收，尤其是在储能系统的充电能力下降、接受制动回馈功率有限甚至为零的条件下，通过调整驱动电机逆变器的控制算法，可主动降低驱动电机制动时的发电效率，从而降低了驱动电机逆变器回馈到电力总线上的功率值，提高了车辆的经济性、安全性和可靠性，降低了机械制动系统的磨损。
[0017]另外，根据本发明上述实施例的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制装置还可以具有以下附加的技术特征:
[0018]进一步地，在本发明的一个实施例中，上述装置还包括:计算模块，用于根据所述驱动电机及其逆变器的输入制动功率和转速确定所述驱动电机及其逆变器的最高效率和最低效率，并确定所述驱动电机在所述制动输入功率下回馈的最大制动功率和最小制动功率。
[0019]进一步地，在本发明的一个实施例中，根据所述驱动电机及其逆变器的最大散热能力确定电流极限圆，从而在电机定子电流矢量轨迹图上，通过恒转矩曲线、MTPA曲线和极限电流圆来确定所述驱动电机及其逆变器的最高效率和最低效率，或者通过试验制成MAP，从而由当前转矩和转速查表获得。
[0020]进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制模块进一步用于当所述车辆的动力系统为非串联混合动力系统时，在所述驱动电机可回馈的最小制动功率高于所述最大充电功率加上附件功率消耗后，才开始在采用电机回馈制动和机械摩擦制动协调控制。
[0021]进一步地，在本发明的一个实施例中，所述控制模块进一步用于当所述车辆的动力系统为串联式混合动力系统时，在所述驱动电机可回馈的最小制动功率高于所述最大充电功率加上附件功率消耗后，进一步通过增加的APU倒拖耗功来实现更大的制动功率消耗，以进一步提高所述驱动电机逆变器输入的制动功率值。
[0022]在本发明的实施例中，本发明实施例的控制装置还可以通过调整发电机逆变器的控制算法，可主动降低发电机倒拖发动机耗功时发电机的驱动效率。其物理本质，是将制动回馈的能量转换为驱动电机及其逆变器的发热，以及发电机及其逆变器的发热，可显著提高整个动力系统消耗的制动功率幅值，保证车辆即使在电池满电条件下也具有持续电机制动及耗功的能力。
[0023]本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0024]本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0025]图1为根据本发明实施例的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法的流程图；
[0026]图2为根据本发明一个实施例的串联式混合动力系统的结构示意图；
[0027]图3为根据本发明一个实施例的永磁同步电机定子电流矢量轨迹示意图；
[0028]图4为根据本发明一个实施例的制动过程的控制流程图；以及
[0029]图5为根据本发明实施例的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0030]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0031]下面参照附图描述根据本发明实施例提出的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法。
[0032]图1是本发明实施例的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法的流程图。
[0033]如图1所示，该兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法包括以下步骤:
[0034]在步骤SlOl中，检测车辆是否处于下坡和制动状态。
[0035]在步骤S102中，如果处于下坡和制动状态，则进一步检测电机制动功率。
[0036]在步骤S103中，判断电机制动功率是否高于储能系统的最大充电功率。
[0037]在步骤S104中，如果电机制动功率低于储能系统的最大充电功率，则控制驱动电机及其逆变器工作在最高效率点。
[0038]其中，在本发明的一个实施例中，可以根据驱动电机及其逆变器的输入制动功率和转速确定驱动电机及其逆变器的最高效率和最低效率，并确定驱动电机在制动输入功率下回馈的最大制动功率和最小制动功率。
[0039]也就是说，可以根据驱动电机及其逆变器的输入制动功率(或转矩)和转速，确定出驱动电机及其逆变器的最高效率和最低效率，并由此确定驱动电机在给定的制动输入功率(或转矩)下，可回馈的最大制动功率和最小制动功率。
[0040]进一步地，在本发明的一个实施例中，根据驱动电机及其逆变器的最大散热能力确定电流极限圆，从而在电机定子电流矢量轨迹图上，通过恒转矩曲线、MTPA曲线和极限电流圆来确定驱动电机及其逆变器的最高效率和最低效率，或者通过试验制成MAP，从而由当前转矩和转速查表获得。
[0041]也就是说，可根据驱动电机和逆变器的最大散热能力来确定电流极限圆，从而在电机定子电流矢量轨迹图上，通过恒转矩曲线、MTPA曲线和极限电流圆来确定驱动电机及其逆变器的最高效率和最低效率，或者通过试验制成MAP，由当前转矩和转速查表获得。
[0042]在步骤S105中，如果电机制动功率高于最大充电功率，则在保证驱动电机及其逆变器输出的可回馈制动功率不高于预设阈值的条件下，通过降低驱动电机及其逆变器的工作效率以将部分制动功率转换为驱动电机及其逆变器的功耗，以提高驱动电机逆变器输入的制动功率值。
[0043]需要说明的是，预设阈值可以根据实际情况进行设置。
[0044]具体地，本发明实施例的控制方法涉及由驱动电机及其逆变器、储能系统、机械摩擦制动系统(ABS系统)和组成的新能源汽车动力系统，在串联混合动力系统中，还涉及发动机-发电机(APU)系统；整车控制系统通过网络(CAN总线等)与发动机控制器、发电机逆变器、驱动电机逆变器、储能管理系统、ABS控制器等相联，并通过网络对其进行协调控制。在上述系统中，当电机制动功率低于储能系统可接受最大充电功率时，驱动电机及其逆变器可工作在最高效率点；当电机制动功率高于储能系统最大充电功率后，通过调整驱动电机逆变器的控制算法，在保证驱动电机及其逆变器输出的可回馈制动功率不高于某个阈值条件下，通过降低驱动电机及其逆变器的工作效率，将一部分制动功率转换为驱动电机及其逆变器的功耗，从而提高了驱动电机逆变器输入的制动功率值，实现了更大功率范围的电机制动而不采用机械摩擦制动。
[0045]进一步地，在本发明的一个实施例中，如果车辆的动力系统为非串联混合动力系统，则在驱动电机可回馈的最小制动功率高于最大充电功率加上附件功率消耗后，才开始在采用电机回馈制动和机械摩擦制动协调控制。
[0046]可以理解的是，针对非串联混合动力系统，当电机可回馈的最小制动功率高于储能系统允许的最大充电功率加上附件功率消耗后，才开始在采用电机回馈制动和机械摩擦制动协调控制。
[0047]进一步地，在本发明的一个实施例中，如果车辆的动力系统为串联式混合动力系统，则在驱动电机可回馈的最小制动功率高于最大充电功率加上附件功率消耗后，进一步通过增加的APU倒拖耗功来实现更大的制动功率消耗，以进一步提高驱动电机逆变器输入的制动功率值。
[0048]可以理解的是，针对串联式混合动力，当驱动电机可回馈的最小制动功率高于储能系统允许的最大充电功率加上附件功率消耗后，还可通过增加的APU倒拖耗功来实现更大的制动功率消耗。从而进一步提高了驱动电机逆变器输入的制动功率值，实现了更大功率范围的电机制动而不采用机械摩擦制动。
[0049]进一步地，针对串联式混合动力系统，当发电机传递给发动机倒拖耗功功率达到最大值后，发电机及其逆变器本身可以主动降低工作效率，将一部分输入功率转换为发电机及其逆变器的散热功耗，从而提高了 APU的总倒拖耗功，可进一步提高驱动电机逆变器输入的制动总功率值，实现了更大功率范围的电机制动而不采用机械摩擦制动。
[0050]另外，在本发明的一个实施例中，如可根据驱动电机和逆变器的最大散热能力来确定电流极限圆的原理相同，本发明实施例的控制方法也可根据发电机和逆变器的最大散热能力来确定电流极限圆，从而在电机定子电流矢量轨迹图上，通过恒转矩曲线、MTPA曲线和极限电流圆来确定发电机及其逆变器的最高效率和最低效率，或者通过试验制成MAP，由当前转矩和转速查表获得。
[0051]进一步地，在本发明的一个实施例中，可根据发动机最大倒拖功耗、发电机及其逆变器的最大散热功率、驱动电机及其逆变器的最大散热功率、储能系统的最大充电功率和附件消耗功率等的总和，来确定电机可产生的最大制动总功率；只有当需求制动功率超过该值时，才确定开始电机制动和机械摩擦制动的功率分配。
[0052]进一步地，在本发明的一个实施例中，即使在储能系统满电的条件下，利用发动机倒拖耗功、发电机及其逆变器发热耗功、驱动电机及其逆变器发热耗功，加上附件耗功，使得整个动力系统具有持续的电机耗功制动的能力，从而可以保证车辆下长坡电池满电的极端工况下，仍然采用电机制动的能力，避免了传统机械摩擦制动失效的问题、磨损严重的问题。
[0053]综上所述，本发明实施例的控制方法可以在汽车下坡和制动时的控制驱动电机和发电机的功率，在满足下坡或制动时对车辆的制动转矩要求的前提下，当动力电池电量不满时，可优化驱动电机的制动回馈效率以实现能量的高效回收；当动力电池荷电状态(SOC)升高逐步接近充满状态而导致其可接受的充电功率明显下降时，可主动降低驱动电机的工作效率，在维持驱动电机制动转矩不变的同时，减小电机回馈给电池系统的功率，并进一步通过APU倒拖耗功过程的优化控制，增加APU的耗功功率，从而可以实现更大的制动耗功能力。从而避免传统的新能源汽车动力系统在电池满电后转为机械摩擦制动的方式，可以有效提高车辆经济性、安全性和可靠性，并降低机械制动系统的磨损。
[0054]下面对本发明实施例的控制方法的原理进行详细的介绍。
[0055]本发明实施例的控制方法提出优化驱动电机及其逆变器、发电机及其逆变器的工作点，从而实现更大的制动功率控制的新方法。本发明实施例针对永磁同步电机及其逆变器的控制方法，在基于磁场定向控制(FOC)的方法上，主动改变电机的工作效率，以满足不同工况条件下对永磁电机的耗功要求。
[0056]本发明实施例的方法的思路是在储能系统的充电能力下降、接受制动回馈功率有限甚至为零的条件下，通过调整驱动电机逆变器的控制算法，可主动降低驱动电机制动时的发电效率，从而降低了驱动电机逆变器回馈到电力总线上的功率值;与此类似，通过调整发电机逆变器的控制算法，可主动降低发电机倒拖发动机耗功时发电机的驱动效率。其物理本质，是将制动回馈的能量转换为驱动电机及其逆变器的发热，以及发电机及其逆变器的发热，可显著提高整个动力系统消耗的制动功率幅值，保证车辆即使在电池满电条件下也具有持续电机制动及耗功的能力。
[0057]本发明实施例的方法，既可以适用于串联混合动力系统，又可适用于并联混合动力系统，还适用于没有发动机和发电机的纯电动车辆的动力系统，以及燃料电池汽车的动力系统。
[0058]具体地，如图2所示，图2为典型的串联式混合动力系统的组成框图，该串联式混合动力系统由主控制器、发动机及其控制器、发电机及其逆变器、储能模块及其管理系统、驱动电机及其逆变器组成。其中发电机和驱动电机均可采用永磁同步电机，其控制器均可以为电机逆变器;发动机与发电机机械相连，发电机逆变器的输出电力为直流电，其电力输出总线与动力电池输出总线并联，该输出总线与驱动电机逆变器直流输入端连接，驱动电机转子与车轮机械动力传动系统相连，主控制器与发动机控制器、发电机和驱动电机的逆变器、储能管理系统之间都有信号连接。在图2中，发动机输出功率标记为Peng，发电机的逆变器直流侧连接到总线Ubus处的功率标记为Pgen，驱动电机的逆变器直流侧连接到总线Ubus处的功率标记为Pmcitcir，驱动电机输出轴即传动输入轴的功率标记为Pgear，Pbrk—F代表机械摩擦制动功率，Pwhe3f3l代表轮胎处的驱动或者制动总功率。储能模块的功率(放电为正，充电为负)为Pess，附件系统的消耗的功率为Pa。。。
[0059]系统在驱动状态下，各点的功率关系为:
[0060]Pgen = Peng*Hgen—N ;
[0061 ] P gear — Pmotoi^^1t-N ;
[0062]P wheel — Pgear*Htrsm—N ;
[0063]Pgen+Pess — Pacc+Pmotor o
[0064]其中TUrsm—N代表从电机轴输出到轮胎的传动效率，Hgen—N和TW—N分别代表发电机(含逆变器)和驱动电机(含逆变器)的工作效率，其典型值分别为90%左右，发电机、驱动电机以及它们的逆变器将损耗10 %左右的功率，变成电机和逆变器的发热，由散热系统将这些能量带走。这时驱动电机的工作状态轨迹，可以用图3所示的永磁同步电机的工作特性曲线中的OABC的最大转矩/电流比曲线(MTPA曲线，第二象限)来描述;而发电机的工作状态轨迹，可以用图3所示的OTSR的最大转矩/电流比曲线(MTPA曲线，第三象限)来描述。
[0065]系统在制动状态下，各点的功率关系为:
[0066]P gear— ( P wheel-PbrkF ) ^HtrsmB ；
[0067]P motor — P gear^rimotB ；
[0068]Peng = Pgen*Hgen—B ;
[0069]P gen — Pmotor-Pess-Pacco
[0070]其中Tltrsm—B代表从轮胎到电机输出轴的传动效率，Hgen—B和Hmot—B分别代表发电机(含逆变器)和驱动电机(含逆变器)在正常制动状态下的效率，典型值分别为90%左右，通常这两个效率值越高，代表车辆的经济性越好。发电机、驱动电机以及它们的逆变器将损耗10%左右的功率，变成电机和逆变器的发热，由散热系统将这些能量带走。
[0071]本发明实施例的控制方法将制动过程的回馈功率与功率消耗进行控制，可结合图3和图4，包括以下步骤:
[0072]步骤SI，首先由加速踏板和制动踏板以及车速计算出总的驱动或者制动需求功率Pwheel，并先假设机械摩擦制动功率Pbrk—F为零，计算出Pg.= Pwhee3l*ntrsm—B，代表了驱动电机的制动功率输入，在此基础上根据当前的电机转速，可以计算出电机的制动转矩值。
[0073]步骤S2，确定驱动电机满足当前转速和制动转矩条件下的最高效率rwt—bmax，具体方法是，在图3所示的永磁同步电机定子电流矢量轨迹图上，沿当前制动转矩值(假设为-T4)的恒转矩特性曲线上，在同时满足电流极限圆和当前转速(假定当前转速为w2)对应的电压极限椭圆的范围内，寻找到最佳效率点。从图3可知，当电机的转速为《2、转矩为(-T4)时，恒转矩曲线(-T4曲线)与最大转矩/电流比曲线(MTPA曲线，第三象限)0STR的交点S，既在电流极限圆内，也在转速W2对应的电压极限椭圆内；在该点，电机和逆变器的系统效率是最高的，S点对应的系统效率值就是n?t—BMAX。
[0074]步骤S3，确定驱动电机满足当前转速和制动转矩条件下的最低效率rWt—ΒΗΝ，具体方法是:在恒转矩特性曲线上(假设为-T4)，在同时满足电流极限圆和当前转速(假定转速为w2)对应的电压极限椭圆的范围内，将电机工作点沿交轴电流的绝对值减小、直轴电流绝对值增加的方向移动(S点移向M点)，偏离S点(rut—?αχ工作点)距离越远，说明电机工作效率越低。在图3中，恒转矩曲线(-T4)与电流极限圆的交点(Ml点)，处于转速w2对应的电压极限椭圆内，M1点所对应的效率值就是最低效率点rw—BMiN。从S点到Ml点，定子电流逐步增大，但是制动转矩不变，电机和逆变器的功耗增加，系统效率逐步降低。
[0075]可以实现的效率最小值nmot—BMIN与当前制动转矩的大小、当前转速对应的电压极限椭圆以及电流极限圆的大小都有关系，电流极限圆取决于驱动电机和逆变器的最大散热能力QmotMAX。当输入的制动功率Pgear较小时，如Pgear<QmotMAX时，nmot—BMIN = O ;这是意味着输入电机的制动功率可全部转化为电机及其逆变器的散热，可回馈的制动功率为零。
[0076]—般地，可以在实验台架上将电机各个工作点的最高效率TUot—BMAX和最低效率rw—BMIN做成其功率(或转矩)和转速的MAP图，只要输入制动功率(转矩)和转速，即可查表获得最尚效率rImot-BMAX和最低效率rWrt-BMIN ；也可以由QmotMAX在线计算Hmot—BMIN。
[0077]步骤S4，计算或者测量出附件系统的消耗功率，以及获得储能系统在当前状态下所允许的最大充电功率PessMAX，一般地，电池管理系统或者储能管理系统会根据电池系统或者储能系统的荷电状态(SOC)、工作温度、健康状态(S0H)、充电能力(SOF)等参数，确定并给出PessMAX，例如当电池充满时，PessMAX = O。
[0078]步骤S5，计算给定输入制动功率Pgear下的电机可回馈的最大功率PmotorMAX和最小功
^■PmotorMIN ο
[0079]步骤S6，当电机可回馈的最大制动功率PmotcxrMAX = Pgear*rW)t—BMAX < (Pess+Pa。。)时，说明储能系统加上附件系统的功耗可以消耗电机回馈制动的功率，可尽量将更多的制动回馈能量反馈到电力总线，并由储能系统存储，这时驱动电机的工作点应设为当前转速和转矩条件下可以达到的最佳效率n?t—BMAX，通常该点应在图3中的OTSR曲线(MTPA曲线)上。此时不需要发电机倒拖发动机耗功，因此Peng = Pgen = O。
[0080]步骤S7，当电机可回馈的制动功率IWorMAX〉(PessMAX+Pacc^PmotorMIN时，驱动电机和逆变器的工作效率介于最佳效率Hmot—BMAX和最低效率Hmot—BMAX之间。这时电机的工作点是在保证输入制动功率Pg■不变(即转矩不变)条件下，沿恒转矩特性曲线调整交轴电流和直轴电流的大小，限制其回馈制动功率达到最大值:Pmotor = PessMAX+Pacc = Pgear*nmot_B，同时Qmot =Pgear-PmcltCir,即为驱动电机及其逆变器的发热耗功制动，这时储能系统和附件系统仍然可以最大能力回收功率。此时不需要发电机倒拖发动机耗功，因此Peng = Pgen = O。
[0081 ] 特别地，当车辆下长坡过程中，储能系统因充满而导致Pe3ssMAX = O ;如Pge3ar < QmotMAX时，Hbmin = O;这时制动功率可全部转化为电机及其逆变器的散热，即QMt = Pgear，输出回馈给总线的功率可以为零，即IVltCir = O,其优点是车辆不需要传统的摩擦制动，不存在摩擦制动系统下长坡过热而失效的危险。
[0082]上述的制动方法，不仅适用于混合动力系统，也适用于纯电动、燃料电池汽车的动力系统。
[0083 ] 步骤S8，当电机可回馈制动功率PmotorMIN = Pgear*nmot_BMIN> ( PessMAX+Pacc )时，说明电机最低可回馈的制动功率不能完全被储能系统和附件消耗，对于非串联混合动力系统的车辆，需要采用电机回馈制动功率Pg.和机械摩擦制动功率Pbrk—F协调控制的方法，才能满足更大的总制动功率需求PwhM ；此时:
[0084]P motor — PessMAX+Pacc;
[0085]P gear — Pmotor/rimot—BMIN ;
[0086]Pbrk—F = Pwheel-P gear/HtrsmB o
[0087]步骤S9，对于串联混合动力系统的车辆，则可以继续采用电机回馈制动，再加上发电机倒拖发动机耗功。针对串联混合动力系统，此时功率流动关系如下式所示:
[0088]P gen — P motor-P essMAX-P acc — P gear^nmotBMIN-P essMAX-P acc ;
[0089]Peng = Pgen*Hgen—B ο
[0090]其中Pge3n代表发电机逆变器输入的电功率，Peng代表发电机输出并传递给发动机的倒拖机械功率，通常发电机及其逆变器的效率qgen—B在90 %左右。
[0091]步骤SlO，发动机的倒拖功率Pe3ng与其工作转速相关，也和发动机的排气制动阀的开度有关。工作转速越高、排气制动阀开度越小，对应发动机的倒拖功率越高。针对特定的发动机，其不同转速下、不同排气制动阀开度的倒拖耗功可以做成MAP图，控制时可由？_的大小查MAP图，获得最佳倒拖目标转速和排气制动阀的目标开度。获得倒拖目标转速之后，可以通过发电机及其逆变器的控制，直接将APU(发动机和发电机)控制到期望的目标转矩和转速。
[0092]步骤Sll，确定了发电机的输出转矩和转速后，可以确定发电机及其逆变器的最高效率Tlgen—BMAX和最低效率Tlgen _BMINo
[0093]在图3所示的永磁同步电机定子电流矢量轨迹图上，沿当前倒拖转矩值(假设为T4)的恒转矩特性曲线上，在同时满足电流极限圆和当前转速(假定转速为w2)对应的电压极限椭圆的范围内，寻找到最佳效率点。从图2可知，当电机的转速为《2、转矩为(T4)时，恒转矩曲线(T4曲线)与最大转矩/电流比曲线(MTPA曲线，第二象限)0ABC的交点B，既在电流极限圆内，也在转速w2对应的电压极限椭圆内。B点对应的系统效率值就是BMAX;
[0094]在图3所示永磁同步电机的定子电流矢量轨迹图上，在当前恒转矩曲线上(Τ4曲线，第二象限内)，在同时满足电流极限圆和当前转速(假定转速为《2)对应的电压极限椭圆的范围内，将发电机工作点沿交轴电流的绝对值减小、直轴电流绝对值增加的方向移动(B点移向E点)，偏离B点(qgen—BMAx工作点)距离越远，说明电机工作效率越低。在图3中，恒转矩曲线(T4)与电流极限圆的交点(EI点)，处于转w2对应的电压极限椭圆内，EI点所对应的效率值就是最低效率点ngen—BMiN。从B点到El点，定子电流逐步增大，但是输出的倒拖转矩不变，发电机和逆变器的功SQgen增加，系统效率逐步降低。一般来说，发电机及其逆变器的最大散热能力QgenMAX决定了电流极限圆的大小
[0095]—般地，可以在实验台架上将发电机各个工作点的最高效率Ilgen—BMM和最低效率ngen—BMIN做成其功率(或转矩)和转速的MAP图，只要输入倒拖功率(转矩)和转速，即可查表获得最尚效率％en—BMAX和最低效率％en_ —BMIN。也可以由QgenMAX在线计算％611—BMINo
[0096]步骤Sll，对于特定的发动机，其最大倒拖耗功能力Pe3ngMAx是有限制的，如果发电机传递给发动机的功率超过了倒拖耗功能力PengMAX，发动机将过热或者损坏;为了提高消耗制动功率Pmcitcir的能力，则需要增大发电机输入的功率?_，同时维持倒拖功率在PengMAX以内，需要可主动降低发电机及其逆变器的工作效率qgen—B。
[0097]步骤S13，对倒拖状态的APU，如果Peng = Pgen*ngen—?Αχ < PengMAx时，发电机的控制方式应设为其当前转速和转矩条件下可以达到的最佳效率点，发动机有能力倒拖消耗期望的功率。
[0098]步骤S14，对倒拖状态的APU，如果Pgen*%en—Bmax> PengMAX > Pgen*%en—BMIN时，发电机和逆变器的工作效率介于最佳效率％en—BMAX和最低效率Hgen—BMAX之间。这时电机的工作点是在保证倒拖功率Peng = PengMAX = Pgen*ngen—B不变(即转矩不变)条件下，沿恒转矩特性曲线调整交轴电流和直轴电流的大小，使其输入的功率满足:Pgen = PMtOT-(PeSSMAX+Pa。。)，同时Qgen = Pgen-
PengMAX，呆lIEQgen ^ QgenMAX ο
[0099]步骤S15，对倒拖状态的APU，如果Pgen*ngen—BMiN>PengMAx时，说明APU无法消耗来自总线的制动功率Pgen，这时应该利用机械摩擦制动系统消耗车辆的制动功率，算法可以如下:
[0100]Peng = PengMAX;
[0101 ]P gen — P engMAx/n.gen_BMIN — PengMAX+QgenMAX ;
[01 02 ]Pmotor — Pgen+ (PessMAX+Pacc ) — PengMAX+QgenMAX+PessMAX+Pacc ;
[01 03 ]P gearMAX — P motor/rimot—BMIN — QmotMAX-^P engMAX+QgenMAX+P essMAX+P acc ；
[01 04]PbrkF — P wheel—P gearMAx/n.trsm_B o
[0105]步骤S16，可见，电驱动系统可以产生并消纳的最大制动功率为:
[01 06] P gearMAX — QmotMAX-^P engMAX+QgenMAX+P essMAX+P acc ο
[0107]特别地，在储能系统满电状态下，PessMAX = 0;这时驱动电机的可产生并消纳的最大制动功率为:
[01 08] P gearMAX — QmotMAX-^P engMAX+QgenMAX+P acc ;
[0109]轮胎处对应的制动功率为:
[01 10] P wheel— ( QmotMAX+PengMAX+QgenMAX+Pacc )/Htrsm—B ο
[0111]因此，当总制动功率小于上述值时，则仅仅需要电机制动，而不需要机械摩擦制动，从而保证了即使在储能系统满电状态下，车辆下坡时持续制动的安全性。
[0112]举例而言，某4X4轮毂电机驱动串联混合动力车辆，车总重6吨，采用四个峰值功率为100kW、持续功率为50kW的驱动电机，每个电机和控制器的最大散热能力QmcitMAx为10kW，采用一台持续功率为lOOkW、峰值功率150kW的APU，发电机和逆变器的最大散热能力QgenMM为20kW，发动机最大倒拖耗功PengMAx在2200rpm时可达50kW;储能系统采用15kWh的磷酸铁锂电池，峰值充放电功率PessMAX为150kW，持续充放电功率为45kW ；附件平均消耗功率为1kW。
[0113]四个驱动电机可产生的峰值最大制动功率=4x 100 = 400KW ；持续制动功率4x50 =200kff；
[0114]当电池未充满电时，短时可以消耗的制动功率为:
[01 15] P gearMAX — QmotMAX-^P engMAX+QgenMAX+P essMAX+P acc
[0116]=4xl0+50+20+150+10 = 270kW。
[0117]长时间持续可以消耗的制动功率为:
[0118]PgearMAx = 4xl0+50+20+45+10 = 165kW。
[0119]电池满电后，长时间持续可以消耗的制动功率为:
[01 20] P gearMAX — QmotMAX-^P engMAX+QgenMAX+P acc
[0121]=4x10+50+20+10 = 120kW。
[0122]此时每个驱动电机逆变器产生的制动功率为30kW，自身消耗功率为10kW，可回馈功率为20kW;驱动电机和逆变器的工作效率为66.7%;发电机输入功率为70kW，输出给发动机的功率为50kW，发电机及其逆变器的工作效率为71 %。
[0123]120kW的制动功率消耗，对应6吨车辆，可以满足9%坡度的道路上按照每小时80km的车速持续下坡，也就是即使在电池满电状态下，依靠动力系统的耗功制动而无需机械摩擦制动，可以满足大部分常规制动需求。
[0124]上述制动控制方法，对应重型车辆具有非常重要的意义，因为重型车辆下坡和制动时本身的势能和动能很大，导致制动功率需求也很大，储能系统往往无法满足电机回馈制动功率的需求，而本发明则大大提高了电机制动功率的范围，从而降低机械摩擦制动的使用频率，只有在紧急情况下才需要机械摩擦制动，大幅度降低了机械摩擦制动损耗，提高了制动了安全性和可靠性。
[0125]根据本发明实施例的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法，在满足下坡或制动时对车辆的制动转矩要求的前提下，当动力电池电量不满时，可优化驱动电机的制动回馈效率以实现能量的高效回收，尤其是在储能系统的充电能力下降、接受制动回馈功率有限甚至为零的条件下，通过调整驱动电机逆变器的控制算法，可主动降低驱动电机制动时的发电效率，从而降低了驱动电机逆变器回馈到电力总线上的功率值，并且可以通过调整发电机逆变器的控制算法，可主动降低发电机倒拖发动机耗功时发电机的驱动效率。其物理本质，是将制动回馈的能量转换为驱动电机及其逆变器的发热，以及发电机及其逆变器的发热，可显著提高整个动力系统消耗的制动功率幅值，保证车辆即使在电池满电条件下也具有持续电机制动及耗功的能力，提高了车辆的经济性、安全性和可靠性，降低了机械制动系统的磨损。
[0126]其次参照附图描述根据本发明实施例提出的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制装置。
[0127]图5是本发明实施例的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制装置的结构示意图。
[0128]如图5所示，该兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制装置10包括:检测模块100、判断模块200和控制模块300。
[0129]其中，检测模块100用于检测车辆是否处于下坡和制动状态，并且当处于下坡和制动状态时，进一步检测电机制动功率。判断模块200用于判断电机制动功率是否高于储能系统的最大充电功率。当电机制动功率低于储能系统的最大充电功率时，控制模块300控制驱动电机及其逆变器工作在最高效率点，并且当电机制动功率高于最大充电功率时，在保证驱动电机及其逆变器输出的可回馈制动功率不高于预设阈值的条件下，通过降低驱动电机及其逆变器的工作效率以将部分制动功率转换为驱动电机及其逆变器的功耗，以提高驱动电机逆变器输入的制动功率值。本发明实施例的控制装置10可以在储能系统充电能力受限条件下，继续采用电机产生期望的制动转矩，而不用机械摩擦制动，提高了车辆的经济性、安全性和可靠性，降低了机械制动系统的磨损。
[0130]进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的控制装置10还包括:计算模块(图中未具体标识)。计算模块用于根据驱动电机及其逆变器的输入制动功率和转速确定驱动电机及其逆变器的最高效率和最低效率，并确定驱动电机在制动输入功率下回馈的最大制动功率和最小制动功率。
[0131]进一步地，在本发明的一个实施例中，根据驱动电机及其逆变器的最大散热能力确定电流极限圆，从而在电机定子电流矢量轨迹图上，通过恒转矩曲线、MTPA曲线和极限电流圆来确定驱动电机及其逆变器的最高效率和最低效率，或者通过试验制成MAP，从而由当前转矩和转速查表获得。
[0132]进一步地，在本发明的一个实施例中，控制模块300进一步用于当车辆的动力系统为非串联混合动力系统时，在驱动电机可回馈的最小制动功率高于最大充电功率加上附件功率消耗后，才开始在采用电机回馈制动和机械摩擦制动协调控制。
[0133]进一步地，在本发明的一个实施例中，控制模块300进一步用于当车辆的动力系统为串联式混合动力系统时，在驱动电机可回馈的最小制动功率高于最大充电功率加上附件功率消耗后，进一步通过增加的APU倒拖耗功来实现更大的制动功率消耗，以进一步提高驱动电机逆变器输入的制动功率值。
[0134]在本发明的实施例中，本发明实施例的控制装置10还可以通过调整发电机逆变器的控制算法，可主动降低发电机倒拖发动机耗功时发电机的驱动效率。其物理本质，是将制动回馈的能量转换为驱动电机及其逆变器的发热，以及发电机及其逆变器的发热，可显著提高整个动力系统消耗的制动功率幅值，保证车辆即使在电池满电条件下也具有持续电机制动及耗功的能力。
[0135]需要说明的是，前述对兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法实施例的解释说明也适用于该实施例的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制装置，此处不再赘述。
[0136]根据本发明实施例的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制装置，在满足下坡或制动时对车辆的制动转矩要求的前提下，当动力电池电量不满时，可优化驱动电机的制动回馈效率以实现能量的高效回收，尤其是在储能系统的充电能力下降、接受制动回馈功率有限甚至为零的条件下，通过调整驱动电机逆变器的控制算法，可主动降低驱动电机制动时的发电效率，从而降低了驱动电机逆变器回馈到电力总线上的功率值，并且可以通过调整发电机逆变器的控制算法，可主动降低发电机倒拖发动机耗功时发电机的驱动效率。其物理本质，是将制动回馈的能量转换为驱动电机及其逆变器的发热，以及发电机及其逆变器的发热，可显著提高整个动力系统消耗的制动功率幅值，保证车辆即使在电池满电条件下也具有持续电机制动及耗功的能力，提高了车辆的经济性、安全性和可靠性，降低了机械制动系统的磨损。
[0137]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0138]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0139]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体;可以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0140]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0141]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0142]尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【主权项】
1.一种兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法，其特征在于，包括以下步骤: 检测车辆是否处于下坡和制动状态； 如果处于下坡和制动状态，则进一步检测电机制动功率； 判断所述电机制动功率是否高于储能系统的最大充电功率； 如果所述电机制动功率低于所述储能系统的最大充电功率，则控制驱动电机及其逆变器工作在最高效率点；以及 如果所述电机制动功率高于所述最大充电功率，则在保证所述驱动电机及其逆变器输出的可回馈制动功率不高于预设阈值的条件下，通过降低所述驱动电机及其逆变器的工作效率以将部分制动功率转换为所述驱动电机及其逆变器的功耗，以提高所述驱动电机逆变器输入的制动功率值。2.根据权利要求1所述的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法，其特征在于，根据所述驱动电机及其逆变器的输入制动功率和转速确定所述驱动电机及其逆变器的最高效率和最低效率，并确定所述驱动电机在所述制动输入功率下回馈的最大制动功率和最小制动功率。3.根据权利要求2所述的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法，其特征在于，根据所述驱动电机及其逆变器的最大散热能力确定电流极限圆，从而在电机定子电流矢量轨迹图上，通过恒转矩曲线、MTPA曲线和极限电流圆来确定所述驱动电机及其逆变器的最高效率和最低效率，或者通过试验制成MAP，从而由当前转矩和转速查表获得。4.根据权利要求1所述的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法，其特征在于，如果所述车辆的动力系统为非串联混合动力系统，则在所述驱动电机可回馈的最小制动功率高于所述最大充电功率加上附件功率消耗后，才开始在采用电机回馈制动和机械摩擦制动协调控制。5.根据权利要求1所述的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制方法，其特征在于，如果所述车辆的动力系统为串联式混合动力系统，则在所述驱动电机可回馈的最小制动功率高于所述最大充电功率加上附件功率消耗后，进一步通过增加的APU倒拖耗功来实现更大的制动功率消耗，以进一步提高所述驱动电机逆变器输入的制动功率值。6.—种兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制装置，其特征在于，包括: 检测模块，用于检测车辆是否处于下坡和制动状态，并且当处于下坡和制动状态时，进一步检测电机制动功率； 判断模块，用于判断所述电机制动功率是否高于储能系统的最大充电功率；以及 控制模块，当所述电机制动功率低于所述储能系统的最大充电功率时，控制驱动电机及其逆变器工作在最高效率点，并且当所述电机制动功率高于所述最大充电功率时，在保证所述驱动电机及其逆变器输出的可回馈制动功率不高于预设阈值的条件下，通过降低所述驱动电机及其逆变器的工作效率以将部分制动功率转换为所述驱动电机及其逆变器的功耗，以提高所述驱动电机逆变器输入的制动功率值。7.根据权利要求6所述的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制装置，其特征在于，还包括: 计算模块，用于根据所述驱动电机及其逆变器的输入制动功率和转速确定所述驱动电机及其逆变器的最高效率和最低效率，并确定所述驱动电机在所述制动输入功率下回馈的最大制动功率和最小制动功率。8.根据权利要求7所述的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制装置，其特征在于，根据所述驱动电机及其逆变器的最大散热能力确定电流极限圆，从而在电机定子电流矢量轨迹图上，通过恒转矩曲线、MTPA曲线和极限电流圆来确定所述驱动电机及其逆变器的最高效率和最低效率，或者通过试验制成MAP，从而由当前转矩和转速查表获得。9.根据权利要求6所述的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制装置，其特征在于，所述控制模块进一步用于当所述车辆的动力系统为非串联混合动力系统时，在所述驱动电机可回馈的最小制动功率高于所述最大充电功率加上附件功率消耗后，才开始在采用电机回馈制动和机械摩擦制动协调控制。10.根据权利要求6所述的兼顾回馈制动和耗功制动的车辆控制装置，其特征在于，所述控制模块进一步用于当所述车辆的动力系统为串联式混合动力系统时，在所述驱动电机可回馈的最小制动功率高于所述最大充电功率加上附件功率消耗后，进一步通过增加的APU倒拖耗功来实现更大的制动功率消耗，以进一步提高所述驱动电机逆变器输入的制动功率值。
【文档编号】B60L7/22GK105857089SQ201610354081
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】李建秋, 洪坡, 徐梁飞, 杨福源, 欧阳明高
【申请人】清华大学