CN101367381B - 一种弱混合动力汽车电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弱混合动力汽车电机的控制方法，其特征是：弱混合动力汽车的电机控制单元在混合动力控制单元的协调控制下，控制启动电机和混合动力电机的工作，将电机的工作模式分为启动、发电和怠速三种工作模式。由于将汽车启动模式分为冷启动和怠速启动(热启动)，在汽车遇交通信号红灯止步等待情况下可以将发动机熄火，节约燃油；绿灯时，利用混合动力电机启动汽车，只需要小于0.5秒即可启动汽车。当发动机转速达到400rpm时点火，可大大减少发动机的废气排放。进一步的，可以对混合动力电机进行控制，使混合动力电机在发动机运行时，可控制地发电供电池充电，或者在汽车制动时回收能量，更进一步地节省能源。该控制方法简便、可靠。

Description

一种弱混合动力汽车电机控制方法

技术领域

本发明涉及汽车动力控制系统和控制方法，特别涉及一种弱混合动力汽车电机的控制方法。

背景技术

目前，城市中的汽车污染大部分是由于汽车在运行过程中，由于等红灯等情况下的怠速运行和怠速启动时产生的，汽车在怠速时不需要动力，但是如果动力熄火的话，在红灯变绿灯时对汽车进行冷启动又不能立即启动，使汽车不能即时驶走，影响后面的交通，而在怠速时油耗也很大，这些能量除部份由汽车发电机发电外，大部分被损耗。如何克服这一缺陷，是在汽车领域需要解决的技术问题。

为了解决汽车领域这一问题，20世纪90年代以来，日本、美国、欧洲各汽车公司开始研究混合动力汽车(HEV)，并不断投放市场。我国在混合动力汽车研制上取得一系列重要成果。在轿车中大部分采用并动式结构，有两个动力输入源，即发动机和电机，在运行过程中要求实现纯电机驱动、纯发动机驱动、电机和发动机混合驱动。混合动力汽车可满足怠速停机启动条件，弥补汽油机启动时经济性差、排放高的缺点。但对动力总成和动力总成控制要求比较高，结构复杂，成本较大。为此我们推出一种弱混合动力汽车，该汽车介于混合动力汽车和传统的单动力汽车之间，即满足汽车怠速熄火重启动，弥补汽油机启动时经济性差、排放高的缺点，又没有混合动力汽车的复杂的结构，高昂的成本。专利申请号为200510094553.9的中国专利公布了一种弱混合动力汽车动力系统。该系统包括发动机、变速器、曲轴带轮、前桥、车轮，位于发动机一侧设有通过皮带驱动曲轴带轮的电机。在启动时，电机快速启动发动机，当发动机转速达到400rpm时，发动机开始供油，弥补发动机启动时经济性差、排放高的缺点。发动机在怠速停车及减速时停止工作，在满足怠速停机启动条件时，通过电机迅速重新启动。由于采用上述结构，电机取代传统的交流发电机，电机与发动机曲轴之间采用带传动形式。以发动机为主动力，电机为辅助动力，实现快速、平稳、低噪声启动发动机。电机既可作为发电机，又可作为电动机。整车实现了怠速停机及怠速停机启动功能，取消整车停车时发动机怠速的油耗与排放，降低了整车油耗与排放，提高了乘座的舒适性和安全性。

现有的单动力汽车和混合动力汽车的电机控制系统和电机控制方法都不适用于弱混合动力汽车，因为现有的单动力汽车，比如燃油发动机汽车，由于没有在怠速时快速驱动汽车和启动发动机的大功率电机(BSG电机)，因此没有该电机的控制系统。而混合动力汽车，虽然有一整套的混合动力汽车控制系统和比较成熟的控制方法，但对于混合动力汽车的大功率电机(ISG电机)的控制由于要涉及在运行过程中要求实现纯电机驱动、纯发动机驱动、电机和发动机混合驱动等ISG电机的工作模式，因此其电机的控制系统非常复杂，相应的控制方法也非常繁杂，用来对弱混合动力汽车的BSG电机进行控制，将会提高成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，为弱混合动力汽车提供一种电机控制方法。该方法在现有的混合动力汽车控制方法的架构内简化电机的控制，只保留混合动力汽车电机控制，即在汽车启动时控制电机的方法和在电机发电状态下的控制以及汽车制动时能量回收的控制方法。

本发明为解决上述技术问题而采用如下的技术方案：一种弱混合动力汽车电机控制方法，电机控制单元在混合动力控制单元的协调控制下，控制启动电机和混合动力电机的工作，将电机的工作模式分为启动、发电和怠速三种工作模式，其特征在于：

所述的启动模式分别是，电机控制单元确认需要启动汽车并获取发动机及周边环境温度；若获取到的发动机温度低于设定值时，电机进入冷启动工作模式，汽车的发动机通过离合器与变速箱隔离，利用启动电机启动发动机；若获取到的发动机温度高于设定值时，电机进入怠速启动工作模式，汽车的发动机通过离合器与变速箱隔离，利用混合动力电机通过轮系支架带动发动机曲轴转动，当发动机的转速达到400rpm时，发动机点火启动。

所述的发电模式包括正常行驶发电模式和汽车制动能量回收发电模式：

所述汽车在正常行驶发电模式，电机控制单元通过混合动力控制单元获取电池管理系统中关于高压电池的有关信息和发动机管理系统中关于发动机的有关信息以及汽车电器工作信息，确定混合动力电机是否进入发电模式；若高压电池容量不是满容时，此时，混合动力电机发电，为高压电池充电，同时为汽车电器提供电力；若高压电池容量为满容时，混合动力电机发电，仅仅为汽车电器提供电力。此时，电机控制单元通过利用变化励磁电流的负载工况来控制发电电流。

所述汽车制动能量回收发电模式，电机控制单元通过混合动力控制单元获取汽车制动信息，当发动机熄火时，由汽车传动系统通过轮系支架带动混合动力电机发电。

所述的怠速模式是，当汽车发动机进入怠速工作模式时，混合动力电机处于怠速工作模式。所述的电机怠速模式是以下工作方式，若高压电池的容量足以提供汽车电器怠速工况的电力，同时还能满足混合动力电机启动发动机的电量，则发动机和混合动力电机都处于停止状态；若高压电池的容量不足以提供汽车电器怠速工况的电力和满足混合动力电机启动发动机的电量，则发动机带动混合动力电机发电，为汽车电器供电和高压电池充电，直到高压电池容量达到要求值；若在发动机和混合动力电机都停机以后，由于高压电池为汽车电器供电使高压电池的容量不足以提供汽车电器怠速工况的电力和满足混合动力电机启动发动机的电量，则由混合动力电机启动发电机，然后由发动机带动混合动力电机发电，为汽车电器供电和高压电池充电，直到高压电池容量达到要求值。

本发明技术方案中，由于将汽车启动模式分为冷启动和怠速启动(热启动)，在汽车遇交通信号红灯止步等待情况下可以将发动机熄火，节约燃油；绿灯时，利用混合动力电机启动汽车，只需要小于0.5秒即可启动汽车。当发动机转速达到400rpm时点火，可大大减少发动机的废气排放。进一步的，可以对混合动力电机进行控制，使混合动力电机在发动机运行时，可控制地发电供电池充电，或者在汽车制动时回收能量，更进一步地节省能源。该汽车电机控制方法简单、方便。

下面结合附图和实施例来进一步说明本发明。

附图说明

图1为一种弱混合动力汽车动力总成控制系统构造示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种弱混合动力汽车动力总成控制系统，它主要包括：混合动力电机1、轮系支架2、发动机3、高压电池4、电池管理系统(BMS)5、逆变器(inverter)系统6、电机控制单元(MCU)7、发动机管理系统(EMS)8、混合动力控制单元(HCU)9。

混合动力控制单元9又称HCU，为发动机3怠速停机及快速启动的整车控制系统。发动机管理系统8又称EMS是在常规车辆发动机控制系统的基础上经过重新修改标定的发动机控制系统。电池管理系统5又称BMS，是对高压电池系统进行管理控制的系统。HCU与EMS、BMS是通过汽车的CAN总线中的一段CAN BUS1进行通信的。电机控制单元7又称MCU，通过对逆变器系统6的控制来控制混合动力电机1又称BSG电机，MCU与HCU是通过汽车的CAN总线中的一段CAN BUS2进行通信的。由HCU控制EMS、BNS和MCU的工作，可以实现发动机的启停功能以及对电机进行控制。MCU与Inverter是通过硬件连接的，MCU里面的PWM模块控制Inverter(逆变器)里面的Mos管的导通时序，并监测Inverter的温度。高压电池与Inverter和BSG电机是通过供电连接的，在BMS的控制下，高压电池通过Inverter对BSG电机供电，MCU对ISG的控制是通过控制Inverter的各相电流和电压完成的，高压电池与Inverter连接处称为DC—Link，根据DC—Link的电压电流可以判断电机是否过流，过压，也可以计算电机功率等。发动机3与轮系支架3与混合动力电机1是通过动力输出轴机械连接的。

在对电机控制时MCU7需要输入的参数包括：

1.发动机冷却液温度参数，

2.发动机自动重启请求信号，

3.发动机启动的目标转速，

4.DC-link电流信号，

5.DC-link电压信号，

6.电池温度信号，

7.电机倒转探测信号，

8.发动机转速，

9.逆变器温度，

10.转子转速，

11.DC-Link过压保护信号，

12.带轮滑转信号，

13.Base plate(逆变器的基板)过热保护信号，

14.励磁线圈过电流保护信号，

15.转子位置传感器故障信号，

16.发动机转动状态，

17.Shut down(关闭)请求信号，

18.Gate board(就是指逆变器，因为逆变器是由六个门电路组成的)状态，

19.瞬时励磁电流，

20.电池电压，

21.HEV状态判断信号。

以上参数都是通过传感器获取后由HCU统一利用CAN BUS传给MCU。MCU通过获取的参数通过内部运行控制启动电机和混合动力电机1的工作，将电机的工作模式分为启动、发电和怠速三种工作模式。

当汽车电机控制单元7接到发动机自动重启请求信号时，利用通过传感器获得的发动机冷却液温度参数确定是利用启动电机对发动机3进行冷启动不是利用混合动力电机1对发动机3进行快速启动。

若发动机冷却液温度低于设定温度时，电机进入冷启动工作模式，汽车的发动机3通过离合器与变速箱隔离，利用启动电机启动发动机3；发动机3启动完成以后，发动机3通过离合器与变速箱连接，驱动汽车行驶。

若发动机冷却液温度高于设定温度时，同时获得有关逆变器6的状态信息，如通过传感器获得有关逆变器温度、Base plate(逆变器的基板)过热保护信号、Gate board(就是指逆变器，因为逆变器是由六个门电路组成的)状态，确认混合动力电机1可以启动发动机，电机进入怠速启动工作模式，汽车的发动机3通过离合器与变速箱隔离，利用混合动力电机1通过轮系支架2带动发动机3曲轴转动，当发动机3的转速达到400rpm时，混合动力汽车控制单元7通过发动机管理系统8使发动机3点火启动。由于混动力电机1本身的特点，在这里只用0.5秒即可启动发动机3，发动机启动后，发动机3通过离合器与变速箱连接，驱动汽车行驶。

在汽车正常行驶时，在混合动力控制单元7的统一协调工作下，电机控制单元7通过CAN BUS获得有关发动机3的运行参数如发动机转速、发动机转动状态，和有关变速器的信号，确定混合动力电机1是否进入发电工作模式。

在进入发电工作模式时，电机控制单元通过传感器和CAN BUS总线获得电池的一些状态信号比如，电池温度，逆变器直流侧(又称DC-LINK)的电流和电压信号获得电池的有关容量信息确定是否需要对电池充电。如果电池容量要求充电时，混合动力电机1发电，为高压电池充电，同时为汽车电器提供电力；若高压电池6容量为满容时，不需要对电池进行充电时，混合动力电机1发电，仅仅为汽车电器提供电力。此时，电机控制单元7通过输出电机发电电压控制参数、电机工作模式控制、电机相位请求控制、电机控制当前模式、励磁电流过电流保护复位控制、DC-Link过电压保护复位控制、电机发电扭矩控制、励磁电流控制、励磁电流模式控制、励磁电流需求比例控制等控制信号通过电机控制单元7利用变化励磁电流的负载工况来控制发电电流。在不需要发电时输出Shut down(关闭)请求控制混合动力电机停止发电。

当通过获得汽车要进行制动时，电机进入制动能量回收的发电状态以节约能源，此时，电机控制单元7通过混合动力控制单元9获取汽车制动信息，当发动机熄火时，由汽车传动系统通过轮系支架2带动混合动力电机1发电。

当路遇红灯或其它情况需要怠速时，电机进入怠速工作模式，此时，电机控制单元7通过混合动力控制单元9或者传感器获得有关电池的状态信息，如电池温度，逆变器直流侧(又称DC-LINK)的电流和电压信号获得电池的有关容量信息。若高压电池6的容量足以提供汽车电器怠速工况的电力，同时还能满足混合动力电机1启动发动机3的电量，则发动机3和混合动力电机1都处于停止状态；若高压电池6的容量不足以提供汽车电器怠速工况的电力和满足混合动力电机1启动发动机3的电量，则发动机3带动混合动力电机1发电，为汽车电器供电和高压电池6充电，直到高压电池容量6达到要求值；若在发动机3和混合动力电机1都停机以后，由于高压电池6为汽车电器供电使高压电池6的容量不足以提供汽车电器怠速工况的电力和满足混合动力电机1启动发动机3的电量，则由混合动力电机1启动发电机3，然后由发动机3带动混合动力电机1发电，为汽车电器供电和高压电池6充电，直到高压电池6容量达到要求值。

下面介绍一下本实施例电机控制模块的工作。

1、发电控制时：汽车在正常行驶时和怠速时根据需要可以进行发电。混合动力系统没有配备交流发电机，HCU负责控制电机作为标准交流发电机使用。HCU通过变化励磁电流的负载工况来控制发电电流，励磁电流直接通过离散的PWM输出来控制。使用两个串连的控制器，一个是外控制循环电压控制器、一个是励磁电流控制器，前者通过变化励磁电流为内控制循环来设定电压值，后者通过变换PWM的离散电流负载输出来设定励磁电流控制值。

当控制器在初始化时，设置电压控制值为一个可标定的初始值，而电压控制的最终值根据一个基于电池温度的标定的查表值来决定，在过渡到发电模式时电压控制值是一个在初始值与最终值间的一个数值。励磁电流控制具有绝对数值和平滑约束控制，电压控制器的励磁电流输出具有一个可标定的正平滑约束控制，为了保护电机从发电电压控制器输出的请求励磁电流不能超越一个基于发动机转速决定的绝对数值、为了保护逆变器也不能超越一个基于逆变器温度而得的一个绝对数值。

发电电压控制器是一个PI控制器，其I相以及P相系数都是可调的，PI控制器具有一个当复位时可调的输出值，控制器复位时PI控制器设置积分器初始化时的数值是可标定的，在每一次发电控制器使能时PI控制器被初始化。在发电模式下，发动机需要提供一个额外扭矩来补偿发电。

2、启动模式控制时：MCU获得启动模式请求命令和目标速度控制值，并且相应地控制电机速度值。

在怠速模式下如果具有启动请求地话就可以进入怠速启动模式。

请求启动模式后，首先进入的是预磁状态，在预磁状态保持一个标定的时间段，在预磁阶段激活励磁电流控制器，在预磁模式下不允许励磁电流控制器关闭。

在进入运行状态，逆变器是被激活的，对于电机控制硬件的电动请求是被激活的，电机控制硬件是被激活的，励磁电流控制器一直被激活的，励磁电流控制值被设定在标定值的，在运行状态下PI速度控制器是被激活的。在运行状态下，当速度低于某一标定值时，采用120度相交换，当转子速度超过某一标定值时，采用180度相交换，在进入运行状态时间计时器被复位初始化来记录电机电动的时间历程。如果电机运行超过一个标定的数值后，将自动进入一个停止的状态。进入运行状态，一个记录电机倒转时间的计时器需要被初始化复位。如果电机倒转时间超过一个标定值后，那么电机自动进入停止状态，不再运行。在运行状态下禁止关闭。

3、怠速模式时：若高压电池的容量足以提供汽车电器怠速工况的电力，同时还能满足混合动力电机启动发动机的电量，则发动机和混合动力电机都处于停止状态。

若高压电池的容量不足以提供汽车电器怠速工况的电力和满足混合动力电机启动发动机的电量，则发动机带动混合动力电机发电，为汽车电器供电和高压电池充电，直到高压电池容量达到要求值。

若通过一段时间后，发现高压电池的容量不足以提供汽车电器怠速工况的电力和满足混合动力电机启动发动机的电量，则由混合动力电机启动发电机，然后由发动机带动混合动力电机发电，为汽车电器供电和高压电池充电，直到高压电池容量达到要求值。

Claims (3)

1.一种弱混合动力汽车电机控制方法，电机控制单元(7)在混合动力控制单元(9)的协调控制下，控制启动电机和混合动力电机(1)的工作，将电机的工作模式分为启动、发电和怠速三种工作模式，其特征在于：

在所述的启动模式，电机控制单元(7)确认需要启动汽车并获取发动机(3)及周边环境温度；若获取到的发动机(3)温度低于设定值时，电机进入冷启动工作模式，汽车的发动机(3)通过离合器与变速箱隔离，利用启动电机启动发动机；若获取到的发动机(3)温度高于设定值时，电机进入怠速启动工作模式，汽车的发动机(3)通过离合器与变速箱隔离，利用混合动力电机(1)通过轮系支架(2)带动发动机(3)曲轴转动，当发动机(3)的转速达到一定值时，发动机(3)点火启动；

所述的发电模式包括正常行驶发电模式和汽车制动能量回收发电模式：

所述汽车在正常行驶发电模式，电机控制单元(7)通过混合动力控制单元(9)获取电池管理系统(5)中关于高压电池(6)的有关信息和发动机管理系统(8)中关于发动机(3)的有关信息以及汽车电器工作信息，确定混合动力电机(1)是否进入发电模式；若高压电池(6)容量不是满容时，此时，混合动力电机(1)发电，为高压电池充电，同时为汽车电器提供电力；若高压电池(6)容量为满容时，混合动力电机(1)发电，仅仅为汽车电器提供电力；

所述汽车制动能量回收发电模式，电机控制单元(7)通过混合动力控制单元(9)获取汽车制动信息，当发动机熄火时，由汽车传动系统通过轮系支架(2)带动混合动力电机(1)发电；

所述的怠速模式是，当汽车发动机(3)进入怠速工作模式时，混合动力电机(1)处于怠速工作模式；所述的电机怠速模式是以下工作方式，若高压电池(6)的容量足以提供汽车电器怠速工况的电力，同时还能满足混合动力电机(1)启动发动机(3)的电量，则发动机(3)和混合动力电机(1)都处于停止状态；若高压电池(6)的容量不足以提供汽车电器怠速工况的电力和满足混合动力电机(1)启动发动机(3)的电量，则发动机(3)带动混合动力电机(1)发电，为汽车电器供电和高压电池(6)充电，直到高压电池容量(6)达到要求值；若在发动机(3)和混合动力电机(1)都停机以后，由于高压电池(6)为汽车电器供电使高压电池(6)的容量不足以提供汽车电器怠速工况的电力和满足混合动力电机(1)启动发动机(3)的电量，则由混合动力电机(1)启动发动机(3)，然后由发动机(3)带动混合动力电机(1)发电，为汽车电器供电和高压电池(6)充电，直到高压电池(6)容量达到要求值。

2.根据权利要求1所述的一种弱混合动力汽车电机控制方法，其特征在于：所述的启动模式中所述的怠速启动工作模式，是当发动机转速达到400rpm时，发动机才开始点火。

3.根据权利要求1所述的一种弱混合动力汽车电机控制方法，其特征在于：在所述发电模式，混合动力控制单元(9)通过电机控制单元(7)利用变化励磁电流的负载工况来控制发电电流。

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