一种混合动力系统及控制方法
阅读说明：本技术 一种混合动力系统及控制方法 (Hybrid power system and control method ) 是由 王建 陈金柯 尹必峰 贾和坤 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种混合动力系统及控制方法,包括混合动力源、整车控制单元和换档执行机构,混合动力源包括发动机、主驱动电机和发电及辅助驱动电机；发动机、主驱动电机和发电及辅助驱动电机之间通过齿轮传动机构动力连接；换档执行机构用于实现档位的切换；整车控制单元包括整车控制器,整车控制器内进行工作模式判断；整车控制器根据所输出的工作模式输出相应的驱动信号,分别对电机、换档执行机构和发动机进行控制,本发明方案能够根据驾驶需求和行驶工况,合理分配发动机、驱动电机和辅助电机之间的动力,同时改良现有的换档机构简化换档过程,能大幅提升行驶过程驾驶体验感和行驶舒适性。(The invention discloses a hybrid power system and a control method, comprising a hybrid power source, a whole vehicle control unit and a gear shifting execution mechanism, wherein the hybrid power source comprises an engine, a main driving motor and a power generation and auxiliary driving motor; the engine, the main driving motor and the power generation and auxiliary driving motor are in power connection through a gear transmission mechanism; the gear shifting actuating mechanism is used for realizing the switching of gears; the whole vehicle control unit comprises a whole vehicle controller, and the working mode is judged in the whole vehicle controller; the vehicle control unit outputs corresponding driving signals according to the output working mode, and respectively controls the motor, the gear shifting execution mechanism and the engine.)
技术领域
本发明属于新能源混合动力汽车传动技术领域，具体是涉及一种混合动力系统及控制方法。
背景技术
随着全球化石能源消耗量的日益增加，人类正面临着越来越严峻的环境污染和资源枯竭问题。汽车作为当前最主要的交通工具，每年要消耗大量的石油资源，且随着经济的发展，汽车保有量还将持续增加。如何减少汽车对石油资源的消耗和对环境的影响受到了各大汽车企业和各国政府的重视。如今的汽车行业面临着巨大压力,由于混合动力汽车具有节能、低排放等优点,成为汽车研究与开发领域的重点。
现有的混合动力变速器种类繁多，技术路线复杂，有的集成度低导致体积庞大成本冗余浪费、有的是传统技术改节能减排效果不佳、有的加工难度及控制难度大幅增加成本，无法达到生产成本和使用效果平衡。为了兼顾设计成本、工作可靠性，本专利描述一种两档双电机混合动力变速器；采用双电机可以在行驶过程中可以兼顾发电和驱动功能需求，通过档位调节扩大传统发动机的工作区间，兼顾经济性和动力性。
发明内容
针对现有混合动力变速器技术不足，本发明提供一种混合动力系统及控制方法，可以适用于插混和油混乘用车，具有工作可靠、结构紧凑和使用生产成本较低的优点。
本发明所采用的技术方案如下：
一种混合动力系统，包括混合动力源、整车控制单元和换档执行机构，所述混合动力源包括发动机、主驱动电机和发电及辅助驱动电机；发动机的发动机和发电及辅助驱动电机输入轴与发电及辅助驱动电机的发电及辅助驱动电机输出轴之间通过齿轮机构啮合传动；发动机和发电及辅助驱动电机输入轴还分别与换档执行机构、发动机动力输出轴之间通过齿轮机构啮合传动；发动机动力输出轴分别与主驱动电机的驱动电机输出轴、总输出轴之间通过齿轮机构啮合传动；总输出轴与差速器之间通过齿轮机构啮合传动；
所述换档执行机构包括换档机构驱动电机、换档凸轮、一档离合器和二档离合器；一档离合器通过一档齿轮机构与发动机动力输出轴啮合传动；二档离合器通过二档齿轮机构与发动机动力输出轴啮合传动；换档机构驱动电机通过驱动换档凸轮旋转，使得换档凸轮压死或者松开离合器压紧板机构实现档位切换；
所述整车控制单元包括整车控制器、BMS控制器、MCU控制器、TCU控制器和ECU控制器，整车控制器采集车辆当前的工作信息，电池BMS控制器连接整车控制器的输入端，接收电池信息；整车控制器内根据所输入的信息进行工作模式判断；整车控制器的输出端分别连接MCU控制器、TCU控制器和ECU控制器，整车控制器根据所输出的工作模式输出相应的驱动信号至MCU控制器、TCU控制器和ECU控制器，由MCU控制器、TCU控制器和ECU控制器分别对电机、换档执行机构和发动机进行控制，所述电机包括发电及辅助驱动电机和主驱动电机。
一种混合动力系统的控制方法，包括如下内容：
在启动阶段，选定工作模式的规则为：
1)、判断车辆处于启动状态还是停止状态；
2)、若是启动状态，再根据需求扭矩Tdriver判断是制动状态还是驱动状态；
3)、当处于驱动状态，若电池当前SOC>SOCmid，则进入纯电动工作模式；若电池当前SOC<SOCmid，则进入纯燃油一档工作模式，SOCmid是预设的SOC最低阈值，SOCmid是SOC最低值SOCmin和SOC最高值SOCmax的中间值；
当整车启动过程结束之后，选定工作模式的规则为：
4)、将车速V与设定的纯电动行驶车速Vemax进行比较，当车速V>设定的纯电动行驶车速Vemax时，进一步判断车速V是否大于一档升二当车速V1-2；
5)、当V<V1-2时，若电池SOC>SOCmax或者驾驶员请求扭矩Tdriver<T_1shif_max，进入纯燃油一档工作模式；若SOCmin<SOC<SOCmax或者Tdriver>T_1shif_max，进入混合动力一档工作模式，T_1shif_max是一档最大高效扭矩；
6)、当V>V1-2时，若SOC>SOCmax或者Tdriver<T_2shif_max，进入纯燃油二档工作模式；若SOCmin<SOC<SOCmax或者Tdriver>T_2shif_max，进入混合动力二档工作模式；T_2shif_max是二档最大高效扭矩；
7)、当车速V<Vemax且SOC<SOCmid，则进入增程工作模式；
8)、当车辆在行驶状态下，驾驶员制动扭矩Tbrake>0时，进入能量回收工作模式。
进一步，在纯电动工作模式下，发动机和发电及辅助驱动电机不工作，换档机构驱动电机不工作置于空档，蓄电池给主驱动电机供电，由主驱动电机驱动车辆启动。
进一步，在纯燃油一档工作模式下，蓄电池给发电及辅助驱动电机供电，发电及辅助驱动电机作为起动机启动发动机，发动机转入工作模式；此时换档执行机构接合一档离合器，由发动机输出动力。
进一步，在纯燃油二档工作模式下，蓄电池给发电及辅助驱动电机供电，发电及辅助驱动电机作为起动机启动发动机，发动机转入工作模式；此时换档执行机构接合一档离合器，由发动机输出动力。
进一步，在混合动力一档工作模式下，若SOCmin<SOC<SOCmax时，蓄电池给发电及辅助驱动电机供电，发电及辅助驱动电机作为起动机启动发动机，发动机转入工作模式，由发动机输出动力；此时换档执行机构接合一档离合器；主驱动电机作为发电机，当发动机工作在低效率区时，将发动机的工作调整到高效率区工作，将发动机多余动力提供给主驱动电机发电。
进一步，在混合动力一档工作模式下，若是Tdriver>T_1shif_max时，蓄电池给发电及辅助驱动电机供电，发电及辅助驱动电机只作为起动机启动发动机，发动机转入工作模式，由发动机输出动力；此时换档执行机构接合一档离合器；由主驱动电机提供驱动动力，蓄电池给主驱动电机供电，主驱动电机与发动机一同输出动力。
进一步，在混合动力二档工作模式下，若SOCmin<SOC<SOCmax，蓄电池给发电及辅助驱动电机供电，发电及辅助驱动电机作为起动机启动发动机，发动机转入工作模式，由发动机输出动力；此时换档执行机构接合二档离合器；主驱动电机作为发电机，当发动机工作在低效率区时，将发动机的工作调整到高效率区工作，将发动机多余动力提供给主驱动电机发电。
进一步，在混合动力二档工作模式下，若Tdriver>T_2shif_max时，蓄电池给发电及辅助驱动电机供电，发电及辅助驱动电机作为起动机启动发动机，发动机转入工作模式，由发动机输出动力；此时换档执行机构接合二档离合器；主驱动电机提供驱动动力，蓄电池给主驱动电机供电，主驱动电机与发动机一同输出动力。
进一步，在增程工作模式下，蓄电池给发电及辅助驱动电机供电，发电及辅助驱动电机作为起动机启动发动机，发动机转入工作模式，由发动机输出动力；发电及辅助驱动电机作为发电机，发电及辅助驱动电机2发出的电给主驱动电机4供电或给蓄电池充电，主驱动电机与发动机一同输出动力。
进一步，在能量回收工作模式下，发动机和发电及辅助驱动电机处于停止状态，主驱动电机由驱动模式转为发电模式，将车辆制动过程产生的部分制动力矩转回收为处于匮电状态的蓄电池充电。
本发明的有益效果：
采用驱动电机+辅助发电电机的双电机方案可以更进一步的电动化；通过电机和发动机的动力分配，发挥发动机和变速器输出动力的阶梯特性，优化驾驶和乘坐体验感；采用新的换挡机构使得换挡过程更为简洁干净，缩短换挡时间；采用新的混合动力专用变速器控制方法，使得在换挡过程变速器输出动力不中断，进一步提升驾驶质感和体验。
附图说明
图1是本发明混合动力车辆动力传动系统的结构示意图；
图2是本发明混合动力车辆动力传动系统的原理图；
图3是本发明混合动力车辆动力传动系统的控制策略逻辑流程图；
图中，1、发动机，2、发电及辅助驱动电机，4、主驱动电机，6、发电及辅助驱动电机输出轴，8、发动机和发电及辅助驱动电机输入轴，9、一档齿轮机构，10、二档齿轮机构，11、一档离合器，12、二档离合器，13、换档机构驱动电机，14、换档凸轮，15、发动机动力输出轴，16、驱动电机输出轴，17、总输出轴，18、差速器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和2所示的一种混合动力系统，包括混合动力源、整车控制单元和换档执行机构。其中，混合动力源包括发动机1、主驱动电机4和发电及辅助驱动电机2；发动机1的发动机和发电及辅助驱动电机输入轴8与发电及辅助驱动电机2的发电及辅助驱动电机输出轴6之间通过齿轮机构啮合传动；发动机和发电及辅助驱动电机输入轴8还分别与换档执行机构、发动机动力输出轴15之间通过齿轮机构啮合传动；发动机动力输出轴15分别与主驱动电机4的驱动电机输出轴16、总输出轴17之间通过齿轮机构啮合传动；总输出轴17与差速器18之间通过齿轮机构啮合传动。主驱动电机4和发动机1的动力都汇聚到总输出轴17，由总输出轴17将动力输入差速器18。在本实施例中，发电及辅助驱动电机2和主驱动电机4均为启动发电一体机。
换档执行机构包括换档机构驱动电机13、换档凸轮14、一档离合器11和二档离合器12；一档离合器11通过一档齿轮机构9与发动机动力输出轴15啮合传动；二档离合器12通过二档齿轮机构10与发动机动力输出轴15啮合传动。换档机构驱动电机13通过驱动换档凸轮14旋转，使得换档凸轮14压死或者松开离合器压紧板机构，从而达到挂入或者挂出档位的工作。另外，档机构驱动电机13、换档凸轮14、一档离合器11和二档离合器12布置在发动机1的动力输入轴端；所述一档齿轮机构9和二档齿轮机构10不被接合时处于空转状态。
整车控制单元如图2所示，包括整车控制器、BMS控制器、MCU控制器、TCU控制器和ECU控制器。其中，整车控制器采集车辆当前的工作信息，主要包括驾驶员需求扭矩、车辆行驶速度、发动机当前输出扭矩、当前发动机工作状态、发动机当前转速、电机当前扭矩、电机当前转速、当前档位信号、当前离合器状态、当前换档机构位置；电池BMS控制器连接整车控制器的输入端，向整车控制器输入的当前电池SOC、当前电池电压平台、当前电池电流、电池温度信号。整车控制器的输出端分别连接MCU控制器、TCU控制器和ECU控制器，经整车控制器计算处理确定相应的工作模式，整车控制器将电机工作信号、电机输出扭矩、电机工作模式发送给MCU控制器，MCU控制器发送驱动信号至发电及辅助驱动电机2和主驱动电机4，用于控制电机工作。整车控制器将需求档位信号、离合器工作信号、换档机构运动信号发送给TCU控制器，TCU发送驱动信号至换档执行机构，驱动换档机构驱动电机13工作进而驱动换档机构进行换档工作。整车控制器将发动机工作信号、发动机需求扭矩发送给ECU控制器，ECU控制器发送驱动信号至发动机1，进而控制发动机满足需求工作。
整车控制器中内置混合动力车辆动力传动系统的控制方法如图3所示，包括如下步骤：
1)、依据整车控制器采集的工作信号，判断车辆是启动状态还是停止状态；
2)、档整车控制器确认车辆是启动状态后，通过驾驶员的需求扭矩Tdriver判断是制动状态还是驱动状态；即Tdriver>0为驱动状态，Tbrake>0为制动状态。
3)、若是驱动状态，判断电池的工作状态，若电池当前SOC>预设的最低阈值SOCmid则进入纯电动工作模式。在纯电动工作模式下，发动机1和发电及辅助驱动电机2不工作，换档机构驱动电机13不工作，换档凸轮14处于中间位置置于空档，蓄电池给主驱动电机4供电，由主驱动电机4驱动车辆启动，主驱动电机4输出的动力经驱动电机输出轴16传递至总输出轴17，再传递至差速器18。
若电池当前SOC<预设的最低阈值SOCmid，则进入纯燃油一档工作模式。在纯燃油一档工作模式下，和传统车辆启动方式一致，蓄电池给发电及辅助驱动电机2供电，发电及辅助驱动电机2作为起动机启动发动机1，发动机1转入工作模式，换档机构驱动电机13驱动换档凸轮14逆时针运动，一档换档凸轮推动一档离合器11的压紧杆接合一档离合器11，发动机1的动力经发动机和发电及辅助电机输入轴8、一档齿轮机构9传递至发动机动力输出轴15，再传递至总输出轴17，最后经差速器18输出动力。
4)、当整车启动过程结束之后，根据驾驶员的需求扭矩Tdriver和车辆行驶速度V的状况(车辆行驶速度的权重更大优先判断)进行判别，当车速V>设定的纯电动行驶车速Vemax(值远小于纯电动行驶最高车速)时，进一步判断车速V是否大于一档升二当车速V1-2；
5)、当V<V1-2时，判断SOC是否介于设定的最大阈值SOCmax和最小阈值SOCmin之间或驾驶员需求扭矩Tdriver是否小于设定的一档最大高效扭矩T_1shif_max；
5.1)、当电池SOC>SOCmax或者驾驶员请求扭矩Tdriver<T_1shif_max进入纯燃油一档工作模式。此时在纯燃油一档工作模式下，蓄电池给发电及辅助驱动电机2供电，发电及辅助驱动电机2作为起动机启动发动机1，发动机1转入工作模式；换档机构驱动电机13驱动换档凸轮14逆时针运动，一档换档凸轮推动一档离合器11的压紧杆接合一档离合器11，发动机1的动力经发动机和发电及辅助电机输入轴8、一档齿轮机构9传递至发动机动力输出轴15，再传递至总输出轴17，最后经差速器18输出动力。
5.2)当电池SOC介于SOCmax和SOCmin之间或者Tdriver>T_1shif_max时进入混合动力一档工作模式。在混合动力一档工作模式下，换档机构驱动电机13驱动换档凸轮14逆时针运动，一档换档凸轮推动一档离合器11的压紧杆接合一档离合器11。
5.2.1)、若是电池SOC介于SOCmax和SOCmin之间，蓄电池给发电及辅助驱动电机2供电，发电及辅助驱动电机2作为起动机启动发动机1，发动机1转入工作模式；发动机1的动力经发动机和发电及辅助电机输入轴8、一档齿轮机构9传递至发动机动力输出轴15，再传递至总输出轴17，最后经差速器18输出动力；主驱动电机4作为发电机，当发动机1工作在低效率区时，将发动机1的工作调整到高效率区工作，将发动机1多余动力提供给驱动电机发电。
5.2.2)、若是Tdriver>T_1shif_max时，蓄电池给发电及辅助驱动电机2供电，发电及辅助驱动电机2只作为起动机启动发动机1，发动机转入工作模式；发动机1的动力经发动机和发电及辅助驱动电机输入轴8、一档齿轮机构9传递至发动机动力输出轴15，再传递至总输出轴17，最后经差速器18输出动力；主驱动电机4提供驱动动力，蓄电池给主驱动电机4供电，主驱动电机4输出的动力经驱动电机输出轴16传递至总输出轴17，再传递至差速器18；
6)、当V>V1-2时，判断判断SOC是否介于设定的最大阈值SOCmax和最小阈值SOCmin之间或驾驶员需求扭矩Tdriver是否小于设定的二档最大高效扭矩T_2shif_max。
6.1)、当电池SOC>SOCmax或者驾驶员请求扭矩Tdriver<T_2shif_max进入纯燃油二档工作模式。在纯燃油二档工作模式下，换档机构驱动电机13驱动换档凸轮14顺时针运动，二档换档凸轮推动二档离合器12的压紧杆接合二档离合器12；蓄电池给发电及辅助驱动电机2供电，发电及辅助驱动电机2作为起动机启动发动机1，发动机1转入工作模式；发动机1的动力经发动机和发电及辅助电机输入轴8、二档齿轮机构10传递至发动机动力输出轴15，再传递至总输出轴17，最后经差速器18输出动力。
6.2)、当电池SOC介于SOCmax和SOCmin之间或者Tdriver>T_2shif_max时进入混合动力二档工作模式。
6.2.1)、在混合动力二档工作模式下，若电池SOC介于SOCmax和SOCmin之间，蓄电池给发电及辅助驱动电机2供电，发电及辅助驱动电机2作为起动机启动发动机1，发动机转入工作模式；换档机构驱动电机13驱动换档凸轮14总成顺时针运动，二档换档凸轮推动二档离合器12的压紧杆接合二档离合器12，发动机1的动力经发动机和发电及辅助电机输入轴8、二档齿轮机构10传递至发动机动力输出轴15，再传递至总输出轴17，最后经差速器18输出动力；主驱动电机4作为发电机，当发动机1工作在低效率区时，将发动机1的工作调整到高效率区工作，将发动机1多余动力提供给主驱动电机4发电；
6.2.2)、若Tdriver>T_2shif_max时，蓄电池给发电及辅助驱动电机2供电，发电及辅助驱动电机2作为起动机启动发动机1，发动机转入工作模式；换档机构驱动电机13驱动换档凸轮14总成顺时针运动，二档换档凸轮推动二档离合器12的压紧杆接合二档离合器12，发动机1的动力经发动机和发电及辅助电机输入轴8、二档齿轮机构10传递至发动机动力输出轴15，再传递至总输出轴17，最后经差速器18输出动力；主驱动电机4提供驱动动力，蓄电池给主驱动电机4供电，主驱动电机4输出的动力经驱动电机输出轴16传递至总输出轴17，再传递至差速器18。
7)、依据步骤4)的判断，当车速V<设定的纯电动行驶车速Vemax(Vemax值远小于纯电动行驶最高车速)时，进一步判断电池SOC是否小于SOCmid，SOCmid是SOCmin和SOCmax的中间值，若SOC<SOCmid则进入增程工作模式。在增程工作模式下，蓄电池给发电及辅助驱动电机2供电，发电及辅助驱动电机2作为起动机启动发动机1，发动机转入工作模式，发电及辅助驱动电机2作为发电机1，发电及辅助驱动电机2发出的电给主驱动电机4供电或给蓄电池充电，主驱动电机4输出的动力经驱动电机输出轴16传递至总输出轴17，再传递至差速器18。
8)、当车辆在行驶状态下，驾驶员制动扭矩Tbrake>0时，进入能量回收工作模式。在能量回收工作模式下，发动机1和发电及辅助驱动电机2处于停止状态，主驱动电机4由驱动模式转为发电模式，将车辆制动过程产生的部分制动力矩转回收为处于匮电状态的蓄电池充电。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
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