专利名称：一种混合动力汽车整车系统及其多能源控制系统和控制方法
技术领域：
本发明涉及一种混合动力汽车整车系统，该整车系统的多能源控制系统和 对应的多能源控制方法，本发明中的多能源系统控制方法属于混合动力汽车整 车控制方案中的关键控制策略及算法实现之一。
技术背景上世纪末以来，亚洲、美洲、欧洲各大汽车公司纷纷开始研制油电混合动力型汽车，各大汽车公司包括本田、通用、福特、D-C以及法国雪铁龙等都推出 或研制出了产品车或概念样车。有专家认为在未来十年内，可能有40%的汽车均 将采用混合动力技术，混合动力汽车有着巨大的发展前景。众所周知，混合动力汽车是基于传统内燃机汽车和现代电机技术的动力混 合传动的一种新技术，这种新技术的基本目标就是在混合动力车辆具有传统同 级别车辆的动力性、操纵性以及舒适性等基本指标以外使混合动力整车的燃油 经济性得到提高约30%、排放指标得到至少一个级别的提高。因此，开发混合动 力汽车的整体方案思想是，在满足车辆动力性基本指标的基础上使内燃机以及 电动机工作在整车最高效率点的工作区域，归根到底就是整车能源的控制。目前世界上各汽车公司推出或研制出的混合动力汽车采用的能量存储系统 都是以镍氢(Ni-MH)电池为主，但是镍氢电池体积以及重量都较大，还存在设 置受限制及燃油效率较差等问题，虽然各厂商均在开发替代电池，经研究预测， 锂离子电池在将来可以正式采用，但是那还需要很长时间才可能正式批量生产 并配备于产品级的混合动力汽车HEV上。因此，在混合动力整车能源存储单元 本体、资源的限制之下，研究开发能源存储单元的控制方案就显得尤为重要了。混和动力车在中国国内开发处于从理念、理论、功能样车设计阶段过渡到 产品化阶段的阶段。对于奇瑞汽车公司，经过数年的技术积累，已经对混合动 力技术的认识从理论上升到产品批量生产的技术成熟阶段。近两年来，奇瑞汽车公司基于本公司开发的某A级平台轿车进行了中度级混合动力汽车产业化的 开发研制。研制中的中度级混合动力汽车采用了 144V的高压镍氢电池作为整车 能量存储单元。基于这种能量存储单元的结构配置下，本发明中的能源控制方 案解决了镍氢电池本身结构及工作特性带来的效率较低、工作寿命较短等问题， 并在这些矛盾中取得平衡。 发明内容本发明的目的在于提供一种混合动力汽车整车系统，其多能源控制系统， 以及多能源控制方案领域的控制方法及算法实现。解决现有技术中镍氢电池本 身结构及工作特性带来的效率较低、工作寿命较短等问题，对于具有此配置的 整车系统进行了多能源控制的整车二次优化，使整车多能源的利用更合理、更 有效、部件的寿命更长、整车的排放更清洁。基于奇瑞汽车公司自主研发的某A级平台轿车，发明了中度混合动力汽车 整车系统配置方案。本发明中的整车及各子系统的配置方案如附图一所示。此 混合动力汽车装配了一个144V高压镍氢动力电池，它是此混合动力汽车的能源 存储与输出单元。此混合动力整车配置了奇瑞汽车公司开发的1.3L CBR双VVT 的汽油内燃发动机，此内燃机系统是整车动力驱动系统的第一输出装置，它是 将燃烧燃油的化学能转化为机械能的系统装置。此混合动力整车装置中的另一 大动力输出装置是将电能转化为机械能的电动机/发电机装置。它和内燃机系统 同轴装配在一起，属于并联的动力输出转换装置。它一方面可以在内燃机需要 快速启动时作为电动机提供低速大扭矩下的稳定启动，又可以在整车系统需要动力加速时把能量存储单元中的电能转化为机械能通过动力传动装置传送给整 车，而且又可以在整车系统减速时作为发电机使整车的机械能转化为电能存储 在能量存储单元中。基于以上混合动力汽车的系统配置下，发明了多能源混合动力系统控制器。 如图二为混合动力汽车整车多能源控制系统的数据通讯结构图。混合动力系统 控制器是此混合动力汽车最上层的控制系统，它是协调整车车身控制系统、制 动防抱死控制系统、发动机控制系统、整车低压电源系统、高压电池控制系统、 电机/发电机控制系统以及整车动力传动系统和整车车身系统的中央控制器。它以整车CAN网络通讯或者硬件电路实现与整车其它控制系统、机械和电气系统 之间的连接通讯。图三是此混合动力多能源控制系统的控制功能划分结构图。主要分为四大 系统多能源控制器系统、电机本体系统、能量存储本体及控制系统、发动机和整车电气机械系统。对于多能源控制系统，它的功能模块有混合动力控制器HCU,电机控制器MCU、控制器温度管理单元和高低压转换控制单元。电机系统 包括电机本体、温度传感器、位置传感器以及电机温度控制系统。能量存储系 统包括高压电池电池组、高压电池控制系统BMS、高压电池自动切断保护控制单 元以及电池温度控制单元。第四大部分是发动机及整车电子电气和机械系统。基于以上发明的混合动力系统配置方案以及控制系统配置方案下，发明了 基于此系统配置特征下的整车多能源控制方案、策略以及算法，对于具有此配 置的整车系统进行了多能源的整车二次优化，使整车多能源的利用更合理、更 有效。本发明的多能源的控制策略、算法内容包括-■对于多能源信息特别处理策略及算法 混合动力整车在动力辅助扭矩下的能源控制 混合动力整车在能量回收模式下的能源控制■能量存储单元温度控制策略 发动机自动启停下的能源控制策略 基于由多能源控制器系统、电机本体系统、能量存储本体及控制系统、发 动机和整车电气机械系统配置的混合动力整车系统，发明了对于多能源信息特 别处理策略及算法、混合动力整车在动力辅助扭矩下的能源控制、混合动力整 车在能量回收模式下的能源控制、能量存储单元温度控制策略和发动机自动启 停下的能源控制策略，可以实现对于高压电池信息的处理、根据高压电池充电状态SOC的相对变化量动态的来实现控制混合动力辅助扭矩、发电扭矩的扭矩大小、和根据高压电池的状态信息控制了高压电池的工作状态请求信息以及根 据高压电池的温度信息控制高压电池的工作温度等。本发明中的混合动力整车 所配置的能量存储单元高压电池的经过发明中的控制方案控制以后具较高的工 作效率、较高的工作寿命，而且发明中的整车满足设计的经济性、动力性和排 放性等等各项指标。混合动力汽车整车系统中的发动机自动启停、发动机与电机的扭矩分配控 制方案都是以混合动力汽车整车中装配的整车能源存储系统的能源管理控制方 案策略为基础的。本发明的混合动力整车能源存储的控制方案具有很高的稳定 性、能源存储系统具有较高的使用寿命、而且能源存储单元能量大的存储与释放中的使用效率都很高。基于混合动力能量存储单元高压电池的荷电状态soc的相对值控制混合动力发动机与电动机间的扭矩分配，以及基于高压电池的状 态信息控制高压电池的工作状态，达到了混合动力整车的高效、节能、清洁的 综合指标。本发明的整车系统结构简单、控制方案宜实施、控制策略安全可靠以及算法容易实现，发明中的混合动力整车效率较高、满足了动力性操纵性指标以及整车排放清洁。
图1 : 一种混合动力汽车的整车系统图 图2 : —种混合动力汽车整车控制系统数据结构图 图3 : —种混合动力汽车整车控制器控制系统图 图4 :多能源高压电池荷电状态控制策略逻辑关系 图5 :高压电池工作状态模式流程图附图标记说明144V高压电池一 (1)，电机_ (2),整车控制单元、电源及电 池控制单元一 (3)， 1.3L汽油发动机—(4)， 5速AMT变速箱—(5)，整车系 统一 (6),能量存储系统一 (7)，混合动力控制系统一 (8)，电机系统一 (9)具体实施方式
图四为本发明中的混合动力汽车多能源控制策略的算法流程。此发明专利中的高压镍氢电池的电池充电状态soc的计算、电池最大充放电功率限制、电池最大充放电电流限制特性、电池最大充放电电压限制特性等高压电池本体特性参数由一个独立的高压电池控制系统BMS来完成，如图三所 示的能量存储系统功能结构中的BMS。对于本发明中所提到的整车系统多能源控 制器系统来说，它是整车能源的上层管理系统，它最终负责整车能源的优化控 制，使整车能源的利用效率得到机械、电气和结构设计之外控制上的优化提高。 所以对于混合动力整车多能源控制其来说，它还必须对能量存储系统控制单元 BMS信息进行特别处理。具体实施策略和算法如下表述。对于高压电池充电状态信息必须提高其处理精度，另外高压电池充电状态 是需要通过一定输出显示方式使驾驶员可视的。由于高压电池充电状态信息分辨率相对来说较高，其变化还是具有一定程 度的节约变化的，另外高压电池充电状态控制算法具有定周期消除误差复位也 会造成一定程度的节约变化，因此对于高压电池充电状态信息经过了平滑化处 理。根据实际的高压电池充电状态信息以及标定的高压电池充电状态目标常量 计算高压电池充电状态误差。在实际的高压电池充电状态信息与目标高压电池 充电状态数值中，实际高压电池充电状态信息大于目标高压电池充电状态数值， 所以这个误差的计算结果是正值。最大充电功率。高压电池控制策略中需要高压电池最大充电功率信息。可以通过标定选择 是由高压电池控制单元计算的高压电池最大充电功率还是根据高压电池充电状 态和高压电池温度计算的最大充电功率。高压电池最大充电功率经过滤波后可以被其他整车控制策略模块直接使用。最大放电功率。高压电池控制策略中需要高压电池最大放电功率信息。可以通过标定选择 是由高压电池控制单元计算的高压电池最大放电功率还是根据高压电池充电状 态和高压电池温度计算的最大放电功率。高压电池最大放电功率经过滤波后可以被其他整车控制策略模块直接使用。高压电池温度处理。高压电池控制算法中需要处理最小电池单元温度。 高压电池控制算法中需要处理最大电池单元温度。高压电池控制算法中需要处理平均电池单元温度。 高压电池功率处理。高压电池控制算法中需要处理电池电压。 高压电池控制算法中需要处理高压电池电流。高压电池控制算法中需要处理根据高压电池电压和高压电池电流处理的高 压电池功率。高压电池控制算法中需要处理高压电池功率单位能够被其它整车控制模块 直接使用。此发明中的混合动力整车多能源中对于多能源的有效控制体现在对能量存储单元的荷电状态soc的控制策略和算法的实现上。高压电池的荷电状态soc是反映高压电池当前状态下的能量储备状态，反过来说也就是高压电池在当前 状态下的持续放电能力。显然，本发明中混合动力整车的能源提供者之一就是 高压电池，它是由高压电池通过直流-交流转换装置向电动机上电来辅助发动机 同时向整车传动系统输出动力作为整车的驱动动力，另外一个需求高压电池给 电动机上电的工况是当此发明的混合动力整车需要快速启动发动机时高压电池 通过直流-交流转换装置向电动机上电来启动发动机，以上两种工况都是此发明 的混合动力汽车能量存储单元的能量释放工况，在这两种工况下能量存储单元的荷电状态soc都具有递减趋势。在此发明的混合动力汽车中，当车辆处于运行状态时，在正常模式下发动机是一直运转的动力输出单元，但是为了满足整 车的动力性能或操纵性能，非混合动力车辆的发动机的工作状态并非都处于发 动机的高效工作区域内。此发明的混合动力轿车在满足整车动力性能和操纵性能的前提下，结合高压电池的荷电状态soc的条件，综合控制整车能源流的优化，使整车及发动机工作在整体效率较高、排放清洁的区域内。这个功能就是发动机的高效工作点下发电机放电的工作工况。发电机处于发电状态的工作工 况则是整车车辆处于减速制动阶段能量回收的工作工况。本发明中的混合动力 整车在减速工况下，高速行驶的车辆的机械能可以通过电机、交流-直流转换装 置及高压电池转换成电能存储于高压电池，以备在辅助扭矩和快速启动发动机 时使用存储的能量。在以上两种发动机高效工作发电工作工况和整车减速制动工作工况下的高压电池荷电状态soc是具有上升趋势的，也即能量存储单元高压电池处于存储能量的工作工况。对于此发明中能量存储单元的能量存储和能量释放的控制策略和算法实现如下描述。当高压电池充电状态soc相对高时，混合动力整车控制整车性能扭矩辅助功能的扭矩是基于信息处理模块中处理的最大高压电池放电功率控制的。但是当高压电池充电状态soc相对低于某一软限制值时，高压电池控制策略必须限制进一步性能辅助扭矩的输出。另外当高压电池充电状态soc进一步低于某一较低硬限制数值时，高压电池控制算法就会完全限制性能辅助扭矩的输出，那么高压电池充电状态soc就可以控制在一个相对较低的数值以上。 当高压电池充电状态soc相对低时，混合动力整车控制整车再生制动的能量回收的扭矩是基于信息处理模块中处理的最大高压电池充电功率控制的。但是当高压电池充电状态soc相对高于某一软限制值时，高压电池控制策略必须限制进一步再生制动能量回收扭矩的输出。另外当高压电池充电状态soc进一步高于某一较硬限制高数值时，高压电池控制算法就会完全限制再生制动能量的扭矩输出，那么高压电池充电状态soc就可以控制在一个相对较高的数值以下。高压电池的充放电的软限制和硬限制点可以保证高压电池充电状态soc —直保持在某一个理想的范围区域内。但是由于高压电池在性能辅助扭矩被完全限制时仍然可以向整车小电池充电，那么高压电池充电状态soc仍然可以进一 步降低。因此，在高压电池充电状态soc降低到性能辅助扭矩的完全限制点时，混合动力整车内燃机高效发电的功能被激活。高压电池充电状态SOC的控制策略中利用参数a来控制混合动力内燃机速 度扭矩特征图中辅助扭矩线的动态移动。当a-l时扭矩辅助线和内燃机的效 率曲线一样；当a〉l时，扭矩辅助线向下比例移动，这意味着效率辅助扭矩具 有较高优先级；当a〈l时，扭矩辅助线向上比例移动；当(1=0时，扭矩辅助 线和内燃机最大扭矩线重叠，这代表着效率辅助扭矩是完全禁止的。高压电池充电状态soc的控制策略中利用参数e来控制混合动力内燃机速度扭矩特征图中发电扭矩线的动态移动。当P=l时发电扭矩线和内燃机的效 率曲线基本重叠但略有距离；当e >1时，发电扭矩线向上比例移动到(0 —l)， 这意味着效率辅助扭矩具有较高优先级；当0 =2时，发电扭矩线和最大发动 机扭矩线重叠，这意味着发动机的扭矩能力可以完全用来发电；当P〈l时，扭 矩辅助线向下比例移动到(l一e);当e二O时，发电扭矩线将变成零扭矩线， 这代表发电扭矩完全被禁止。通过以上效率扭矩辅助和发电扭矩对于高压电池充电状态SOC的控制，高 压电池充电状态SOC在超过一定边界条件时不会发生效率辅助扭矩、当超过一 定边界时不会发生发电扭矩，这样就可以避免了在发电和扭矩辅助间的不必要 的能量循环损失。此发明中的混合动力整车多能源控制系统参与了整车高压系统的电源控 制。具体的策略及算法实现如下描述。在整车控制策略请求高压电池连接端子连接之前，DC 1 ink的电压经过监测， 如果监测到的电压高于一定的数值，就可以确定一个诊断的故障信息。如果发动机已经开始旋转，那么电压的监测、诊断就没有必要了。如果整车控制器与高压电池控制单元之间的CAN通讯还没有建立，那么整 车控制策略就不会发出请求高压电池连接的请求指令。如果系统保护模块或者故障处理模块请求高压电池关闭，那么整车控制策 略就不会发出请求高压电池连接的请求指令。如果整车钥匙电源开关处在OFF位置，那么整车控制策略就不会发出请求 高压电池连接的请求指令。如果整车钥匙电源开关从非OFF位置回复到OFF位置，那么整车控制策略 就会发出请求高压电池断开高压电池连接端子的请求指令。如果一个引起系统安全问题的故障被监测到，那么整车控制策略就会立即 发出请求高压电池断开高压电池连接端子的请求指令。为了使高压电池达到高效、高寿命工作区间的目标，电池正常工作时的温 度必须保持在一定的范围以内。此发明中的混合动力汽车整车能量存储单元的 温度控制是能量存储单元控制的重要控制策略之一。此发明中的高压电池的工 作温度是高压电池高效率工作的一个重要参数。必须控制能量存储单元的高压 电池的温度在一定合适区间内才能满足高压电池具有较高充放电效率以及电池 寿命。对于高压电池温度控制的策略及实现算法如下描述。如果在混合动力整车刚刚启动时高压电池的温度较低，整车混合动力高压 电池温度控制策略必须向高压电池充放电来使高压电池快速到达一定工作范围 区间。如果在混合动力整车正常运行下高压电池的温度高于一定数值后，就要限 定扭矩辅助或者放电扭矩来实现高压电池的充放电循环，其次高压电池冷却系 统也会开始工作，通过高低温度的空气循环来冷却高压电池温度。
权利要求
1、一种混合动力汽车整车系统，其特征在于，该系统包括作为整车系统动力驱动系统的第一输出装置的汽油内燃发动机；作为整车系统中另一动力输出装置的电动机/发电机装置；所述电动机/发电机装置与汽油内燃发动机同轴装配，构成并联的动力输出转换装置；以及，整车系统的能源存储与输出单元，其与电动机/发电机装置连接并实现能量的传输。
2、 根据权利要求1所述的混合动力汽车整车系统，其特征在于，所述汽油 内燃发动机为一个1.3LCBR双VVT的汽油内燃发动机；所述能量存储与输出单 元为一个144V高压镍氢动力电池；所述电动机/发电机装置在汽油内燃发动机 需要增加动力时作为电动机提供能量，在整车系统减速时作为发电机并将能量 储存至电池。
3、 一种如权利要求l所述的混合动力汽车整车系统的多能源控制系统，其 特征在于，该控制系统包括多能源控制器系统，电机本体系统，能量存储本 体及控制系统，发动机及整车电气机械系统；所述多能源控制器系统以整车CAN 网络通讯或者硬件电路与其它控制系统、机械和电气系统之间连接通讯。
4、 根据权利要求3所述的混合动力汽车整车系统的多能源控制系统，其特 征在于，所述多能源控制器系统包括混合动力控制器HCU,电机控制器MCU、 控制器温度管理单元和高低压转换控制单元；所述电机本体系统包括电机本 体、温度传感器、位置传感器以及电机温度控制系统；所述能量存储本体及控 制系统包括高压电池电池组、高压电池控制系统BMS、高压电池自动切断保护 控制单元以及电池温度控制单元。
5、 一种如权利要求3或4所述的多能源控制系统的多能源控制方法，其特 征在于，提供一个独立的高压电池控制系统BMS并对该控制系统BMS的信息进行处理根据实际的高压电池充电状态信息以及标定的高压电池充电状态目标常量 计算高压电池充电状态误差；通过标定选择由高压电池控制单元计算的高压电池最大充电功率或者根据 高压电池充电状态和高压电池温度计算最大充电功率；通过标定选择由高压电池控制单元计算的高压电池最大放电功率或者根据 高压电池充电状态和高压电池温度计算的最大放电功率；高压电池控制算法中处理最小、最大、以及平均电池单元温度；高压电池控制算法中处理高压电池电压、电流以及根据电压和电流处理的 高压电池功率。
6、 一种如权利要求3或4所述的多能源控制系统的多能源控制方法，其特 征在于，多能源控制系统对能量存储单元的荷电状态S0C进行控制当S0C相对高，整车性能扭矩辅助功能的扭矩基于信息处理模块中处理的 最大高压电池放电功率控制；当S0C低于某一软限制值，高压电池控制算法限制进一步性能辅助扭矩的 输出；当S0C进一步低于一较低硬限制数值，高压电池控制算法完全限制性能辅 助扭矩的输出，SOC则控制在相对较低的数值以上。
7、 一种如权利要求3或4所述的多能源控制系统的多能源控制方法，其特 征在于，多能源控制系统对能量存储单元的荷电状态S0C进行控制当S0C相对低，整车再生制动的能量回收的扭矩基于信息处理模块中处理 的最大高压电池充电功率；当S0C高于某一软限制值，高压电池控制算法限制进一步再生制动能量回收扭矩的输出；当S0C进一步高于一较硬限制高数值，高压电池控制算法完全限制再生制 动能量的扭矩输出，S0C则控制在相对较高的数值以下；当S0C降低到性能辅助扭矩的完全限制点，混合动力整车内燃机高效发电 的功能被激活。
8、 一种如权利要求3或4所述的多能源控制系统的多能源控制方法，其特 征在于，多能源控制系统对整车高压系统的电源进行控制在整车控制策略请求高压电池连接端子连接之前，DC link的电压经过监测， 当监测到的电压高于一定的数值，则确定一个诊断的故障信息；当发动机已经开始旋转，则不对电压进行监测、诊断；当整车控制器与高压电池控制单元之间的CAN通讯没有建立，或者系统保 护模块/故障处理模块请求高压电池关闭，或者整车钥匙电源开关处在OFF位置， 则整车控制策略不会发出高压电池连接的请求指令；当整车钥匙电源开关从非OFF位置回复到OFF位置，或者监测到一个引起 系统安全问题的故障，则整车控制策略发出请求高压电池断开高压电池连接端 子的请求指令。
9、 一种如权利要求3或4所述的多能源控制系统的多能源控制方法，其特 征在于，多能源控制系统对能量储存单元温度进行控制-当整车刚刚启动时高压电池的温度较低，则整车混合动力高压电池温度控 制算法向高压电池充放电使高压电池快速到达一定工作范围区间；当整车正常运行下高压电池的温度高于一定数值，则限定扭矩辅助或者放 电扭矩来实现高压电池的充放电循环，并且高压电池冷却系统也开始工作，通 过高低温度的空气循环来冷却高压电池温度。
全文摘要
本发明涉及一种混合动力汽车整车系统，该整车系统的多能源控制系统和对应的多能源控制方法。基于混合动力汽车整车系统，设计了由多能源控制器系统、电机本体系统、能量存储本体及控制系统、发动机和整车电气机械系统的混合动力整车控制系统，再基于这一控制系统发明了对于多能源信息特别处理策略及算法、混合动力整车在动力辅助扭矩下的能源控制、混合动力整车在能量回收模式下的能源控制、能量存储单元温度控制策略和发动机自动启停下的能源控制方法。本发明中的混合动力整车所配置的能量存储单元高压电池的经过发明中的控制方案控制以后具较高的工作效率、较高的工作寿命，而且发明中的整车满足设计的经济性、动力性和排放性等等各项指标。
文档编号B60K6/48GK101254744SQ20071030253
公开日2008年9月3日 申请日期2007年12月28日 优先权日2007年12月28日
发明者邹海斌 申请人:奇瑞汽车股份有限公司