CN110481532B

CN110481532B - 基于复合结构双转子电机的混合动力车再生制动控制方法

Info

Publication number: CN110481532B
Application number: CN201910692563.4A
Authority: CN
Inventors: 徐奇伟; 王孚康; 张雪锋; 杨云; 黄宏
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2020-09-04
Anticipated expiration: 2039-07-30
Also published as: CN110481532A

Abstract

本发明公开了一种基于复合结构双转子电机的混合动力车再生制动控制方法，有步骤：1、对汽车需求制动强度进行判断，制动强度Z

Z_{_thres3}时，选MB；2、对电池SOC值进行判断，当SOC

SOC_{_high}时，选MB；3、对当前车速进行判断，当车速V

V_{_low}时，选MB；4、对内燃机的状态进行判断，当内燃机为开启状态时，则执行步骤5，否则，执行步骤6；5、当V

V_{_high}或者Z

Z_{_thres1}时，选SMB；反之，则选EMCB；6、当制动强度Z<Z_{_thres2}，则选SMB；相反，Z

Z_{_thres2}则选DMB。本发明的EMCB解决了内燃机状态切换频率高，内燃机燃油经济性较差的问题；本发明的DMB解决了机械制动力的参与频次多，再生制动系统的能量回收率较低的问题。

Description

基于复合结构双转子电机的混合动力车再生制动控制方法

技术领域

本发明属于混合动力车技术领域，具体涉及一种基于复合结构双转子电机的混合动力车再生制动控制方法。

背景技术

再生制动功能是混合动力车的重要性能指标，对其进行合理的优化控制可以保证制动系统的平稳性、提高再生制动效率和驾驶舒适性，并有效提高续驶里程。现有的混合动力的制动方法主要是利用与车辆负载相连的电机提供再生制动力，当电机所能提供的最大再生制动力大于汽车的需求制动力时，制动力矩完全由电机提供；当电机所能提供的最大再生制动力小于汽车需求制动力时，电机提供最大再生制动力矩，然后由机械制动力提供不足的制动力矩。

基于复合结构双转子电机的混合动力车动力传输拓扑结构如图1所示，复合结构双转子电机(CSM)包括内电机EM1和外电机EM2，内电机EM1的内转子与内燃机输出轴相连，外转子作为内电机EM1和外电机EM2共同的转子，外转子与主减速器相连；内电机EM1的内转子绕组通过滑环和第一电力电子变换器1与电池的两电极相连，外电机EM2的定子绕组通过第二电力电子变换器2与电池的两电极相连。该动力传输结构能够合理地控制内电机EM1和外电机EM2的转速和转矩，使内燃机与路面负载实现解耦；通过调节内电机，使内燃机工作在最优的工作状态，通过调节外电机，能满足路面负载的要求。

现有的混合动力的制动方法应用于复合结构双转子电机的混合动力车，存在以下不足：1、内燃机状态切换频率高，不能长时间稳定地工作在最优燃油经济性性曲线上，内燃机燃油经济性较差；2、机械制动力的参与频次多，再生制动系统的能量回收率较低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于复合结构双转子电机的混合动力车再生制动控制方法，该方法能在内燃机电机协调制动的条件下依然保持内燃机工作在最优燃油经济性性曲线上，减少内燃机状态切换频率，改善内燃机燃油经济性，另一方面，在双电机再生制动的条件下，能减少机械制动力的参与频次，提高汽车的再生制动系统的能量回收率。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括以下步骤：

步骤1、对汽车需求制动强度进行判断

汽车收到制动请求信号，当制动强度Z≥第三强度门限Z_thres3时，汽车处于紧急制动状态，此时为MB方式；当Z<Z_thres3时，则执行步骤2；

步骤2、对电池SOC值进行判断

对电池SOC值进行判断，当SOC≥电量高门限SOC_high时，则电池处于不可充电状态，制动为MB方式；

当SOC≤电量低门限SOC_low时，则电池能量不足以维持汽车的纯电动行驶，需要开启内燃机，随后汽车将处于混合驱动状态，执行步骤3；

当SOC_low<SOC<SOC_high时，则执行步骤3；

步骤3、对当前车速进行判断

当车速V≤低速门限V_low时，则制动为MB方式，反之执行步骤4；

步骤4、对内燃机的状态进行判断

当内燃机为开启状态时，则执行步骤5，否则，执行步骤6；

步骤5、对汽车的车速和制动强度进行判断

当V≥高速门限V_high或者Z≥第一强度门限Z_thres1时，选择SMB方式；反之，则选择EMCB模式；

步骤6、对汽车制动强度进行判断

当制动强度Z≤第二强度门限Z_thres2，则选择SMB方式；相反，Z>Z_thres2则选择DMB方式。

本发明具有以下优点：

1、本发明的EMCB方式能在适当的制动力矩作用下依然保持内燃机工作在最优燃油经济性性曲线上，从而减少内燃机状态切换频率，改善其燃油经济性；

2、本发明的DMB模式能充分利用双电机所能提供的再生制动力，减少机械制动力的参与比例，提高汽车的再生制动系统的能量回收效率，再生制动控制协调性更好。

所以，本发明的EMCB实现了保持内燃机工作在最优燃油经济性性曲线上，减少了内燃机状态切换频率，提高了内燃机燃油经济性，本发明的DMB减少了机械制动力的参与频次，提高了汽车的再生制动系统的能量回收率。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为背景技术的混合动力车动力传输拓扑结构图；

图2为内燃机电机协调制动的功率流图；

图3为双电机制动的功率流图；

图4为本发明的再生制动方式切换的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

本申请的有关术语：

1、内燃机电机协调制动(EMCB)

内燃机电机协调制动(Engine-motor coordinating braking，简称EMCB)的优点是：能够在再生制动过程中仍然保持内燃机工作在最佳运行状态，从而提高基于复合结构双转子电机混合动力车动力的燃油经济性。

内燃机电机协调制动的功率流图如图2所示，该制动状态下的能量和动力关系式为：

式(1)中，P_ICE为内燃机输出功率，P_EM1为EM1发电的功率，P_d为磁场传递用于驱动外转子的功率；T_ICE为内燃机的输出转矩；T_EM1为EM1的电磁转矩，T_EM2为EM2提供的再生制动力矩，T_wheel是汽车制动过程需要作用在驱动轮上的制动力矩，T_req是汽车制动过程作用在主减速器前端的力矩，i_single为主减速器减速比，ω_ICE为内燃机转速，ω_EM2为EM2的转速。

内燃机输出功率P_ICE分为两部分：一部分能量P_d通过磁场传递用于驱动外转子，另一部分能量以EM1发电的形式输入电池，即P_EM1。当动力系统处于稳态时，内燃机的转矩T_ICE与EM1的电磁转矩T_EM1相等；EM2与主减速器相连，EM2的转速ω_EM2与车速v相关，即：ω_EM2＝v×i_single/r_wheel，式中r_wheel为轮胎半径。ω_EM1为EM1的转速，等于内燃机转速ω_ICE与EM2的转速ω_EM2的差值，其关系为：ω_EM1＝ω_ICE-ω_EM2。

在该制动情况下，EM2提供再生制动力矩T_EM2等于内燃机的输出转矩和汽车的需求制动转矩T_req，即此时EM2的再生制动力矩T_EM2不仅要为汽车提供需求制动力矩，还要克服内燃机的输出力矩并转化为电能。

由此看出：在该制动条件下，内燃机的输出功率在制动过程中通过复合结构双转子电机的发电储存在电池中。而在现有的再生制动控制方法中，内燃机处于空转状态，所有的内燃机能量都被浪费掉，并且当汽车制动过程结束，需要由制动转为混合驱动状态时，内燃机需要再次由怠速状态切换到驱动状态，因此EMCB能够减少内燃机状态切换频率，改善内燃机燃油经济性。

当汽车制动强度Z(制动强度Z即是汽车需求的制动减速度绝对值与重力加速度g的比值)大于等于或者等于第一强度门限Z_thres1时，要求EM2所提供的制动转矩大于其所能提供的最大值，所以EMCB方式不可用；当车速大于或者等于高速门限V_high时，此时由于外电机和发动机转速接近，使内单机EM1工作在低速非高效区，所以EMCB方式不可用；当车速小于或者等于低速门限V_low时，外电机EM2将工作在低速非高效区，所以EMCB方式不可用；当SOC值大于或者等于电量高门限SOC_high时，由于电池处于不可充电状态，所以EMCB方式不可用。当满足条件：Z<Z_thres1，V_low<V<V_high，SOC<SOC_high时，采用EMCB方式。

在EMCB方式作用的制动过程中，随着车速降低，EM2的转速也随之降低，EM1的转速随之提高(EM1定子与发动机输出轴相连接，而转子与EM2的转子相连，则EM1的转速为内燃机转速ω_ICE与EM2的转速的差值ω_EM1＝ω_ICE-ω_EM2，发动机转速保持不变，因此EM1的转速会随着EM2的转速降低而升高)。

电机再生制动是在转子转速高于电机同步转速时产生制动转矩实现制动的，为了使电机工作特性处于再生制动的曲线段，控制器会降低定子电压频率使电机同步转速低于转子转速，然后利用“半桥调制或者全桥调制的电机回馈制动方法”，实现对电机的制动转矩控制。通过电机控制器对EM1和EM2进行制动转矩控制，使EM2提供的再生制动力矩T_EM2等于汽车需求制动转矩T_req和内燃机输出转矩T_ICE，同时使EM1的转矩T_EM1与内燃机输出转矩T_ICE相等。

2、双电机制动(DMB)

双电机制动(Dual motor braking，简称DMB)的优点是：使用EM1来补充EM2再生制动力的不足，克服现有混合动力电动车通常由机械制动器补充不足的制动力矩的缺陷，因此，DMB能有效地提高能量回收效率。由于电机可以快速响应转矩变化，DMB还能提高系统运行的协调性。

双电机制动(DMB)的功率流图如图3所示，该制动状态下的动力关系式为：

式(2)中T_EM1为EM1的电磁转矩；T_EM2为EM2提供的再生制动力矩，ω_EM1为内电机的转速，ω_EM2为外电机的转速，T_wheel是汽车制动过程需要作用在驱动轮上的制动力矩，T_req是汽车制动过程作用在主减速器前段的力矩，i_single为主减速器减速比。双电机制动DMB是汽车处于纯电动驱动模式下的再生制动方法，此时内燃机不输出功率，将内燃机输出轴锁止，EM1和EM2的转速相等并与车速v相关，即：ω_EM1＝ω_EM2＝v×i_single/r_wheel。

当制动强度Z小于或者等于第二强度门限Z_thres2时，汽车需求制动力仅仅依靠EM2即可提供，所以DMB方式不可用；当制动强度大于或者等于第三强度门限Z_thres3时，汽车需求的制动强度为紧急制定，由于DMB方式的可靠性不如纯机械制动，所以DMB方式不可用；当车速小于或者等于低速门限V_low时，电机将工作在低速非高效区，所以DMB方式不可用；当SOC值大于或者等于电量高门限SOC_high时，由于电池处于不可充电状态，所以DMB方式不可用；当SOC值小于或者等于电量低门限SOC_low时，电池电量不足以提供纯电驱动的能量，为了保证后续的驱动状态有足够驱动力，需要解除内燃机输出轴的锁止和开启内燃机，因此DMB方式不可用。当满足条件：Z_thres2<Z<Z_thres3，V>V_low，SOC_low<SOC<SOC_high时，采用DMB方式。

上述的第一强度门限Z_thres1<第二强度门限Z_thres2<第三强度门限Z_thres3。

在DMB作用下的再生制动过程中，内燃机不工作，且其输出轴可通过离合器锁止，此时EM1和EM2的转速相等并在制动过程中随着车速的降低为降低，通过电机控制器对EM1和EM2进行制动转矩控制，使双电机的制动转矩之和等于需求制动力矩并且保证双电机的制动系统的整体效率最优，系统的等效效率表达式如式(3)所示：

式中，η_equa为双电机制动系统的等效效率，η_EM1为内电机EM1的效率，η_EM2为外电机EM2的效率。保证系统整体效率最优，即控制EM1和EM2的转矩使η_equa最大。

3、单电机制动(SMB)

单电机制动(Single motor braking，简称SMB)是由EM2单独提供汽车所需的再生制动力矩。

在汽车的纯电动驱动工况下需要制动，当V>V_low，SOC_low<SOC<SOC_high时，允许纯电动模式下的再生制动，且当制动强度Z小于或者等于第二强度门限Z_thres2时，EM2单独即可提供全部再生制动力时，因此采用SMB方式。此时EM1不工作，通过电机控制器对EM2的转矩进行控制，使之等于汽车需求再生制动力矩。

在汽车的混合驱动工况下需要制动，当V>V_low，SOC<SOC_high时，允许混合驱动模式下的再生制动，且当制动强度Z大于或者等于第一强度门限Z_thres1时，采用SMB方式。此时EM1不工作，即EM1处于不通电状态，暂时断开内燃机与EM2之间的动力传递(内燃机的输出功率有一部分通过磁场传递到EM1的外转子，而EM1的外转子与EM2的转子为一个整体，则内燃机与EM2之间是有动力传递，当EM1不工作时，由于EM1电机不产生磁场，因此内燃机的功率也就无法传递至EM2)，再生制动力完全由EM2提供，通过电机控制器对EM1和EM2进行制动转矩控制，使之等于汽车需求制动转矩。

4、机械制动(MB)

机械制动(Mechanical braking，简称MB)是由机械制动器产生的制动力矩，使用机械制动有四种情况：

1)当车速较低，即车速小于或者等于车速低门限V_low时，EM2处于低速非高效工作区，此时需要由机械制动器来提供汽车需求制动力矩；

2)电机制动的力矩不足，需要机械制动力矩补充；

3)汽车处于紧急制动，即制动强度大于或者等于第三强度门限Z_thres3时，考虑到制动的安全性，需要更可靠的机械制动器来单独提供需求制动力；

4)当电池SOC大于电量高门限SOC_high时，电池处于不可充电状态，不能通过再生制动向电池充电，此时由机械制动器来提供汽车需求制动力矩。

如图4所示，本发明包括以下步骤：

步骤1、对汽车需求制动强度进行判断

当驾驶员踩下制动踏板后，传感器检测踏板力，汽车收到制动请求信号，根据制动的布设原则判断汽车需要的制动强度，当制动强度Z≥Z_thres3时，汽车处于紧急制动状态，此时选为MB方式；当Z<Z_thres3时，则执行步骤2；

步骤2、对电池SOC值进行判断

对电池SOC值进行判断，当SOC≥SOC_high时，则电池处于不可充电状态，EMCB、DMB和SMB不能启动，制动为MB方式；

此时，如果内燃机处于开启状态，则将内燃机关闭，随后的驱动过程在纯电动驱动模式下运行。

当SOC≤SOC_low时，则电池能量不足以维持汽车的纯电动行驶，需要开启内燃机，随后汽车将处于混合驱动状态，执行步骤3；

当SOC_low<SOC<SOC_high时，则执行步骤3；

步骤3、对当前车速进行判断

当车速V≤V_low时，则制动为MB方式，反之执行步骤4；

步骤4、对内燃机的状态进行判断

当内燃机为开启状态时，则执行步骤5，在EMCB和SMB两种方式中进行选择；否则，执行步骤6，在DMB和SMB两种方式中进行选择；

步骤5、对汽车的车速和制动强度进行判断

当V≥V_high或者Z≥Z_thres1时，选择SMB方式；反之，则选择EMCB方式；

步骤6、对汽车制动强度进行判断

当制动强度Z<Z_thres2，则选择SMB方式；相反，Z≥Z_thres2则选择DMB方式。

Claims

1.基于复合结构双转子电机的混合动力车再生制动控制方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、对汽车需求制动强度进行判断

汽车收到制动请求信号，当制动强度Z≥第三强度门限Z_thres3时，汽车处于紧急制动状态，此时为机械制动MB方式；当Z<Z_thres3时，则执行步骤2；

步骤2、对电池SOC值进行判断

对电池SOC值进行判断，当SOC≥电量高门限SOC_high时，则电池处于不可充电状态，制动为机械制动MB方式；

当SOC_low<SOC<SOC_high时，则执行步骤3；

步骤3、对当前车速进行判断

当车速V≤低速门限V_low时，则制动为机械制动MB方式，反之执行步骤4；

步骤4、对内燃机的状态进行判断

当内燃机为开启状态时，则执行步骤5，否则，执行步骤6；

步骤5、对汽车的车速和制动强度进行判断

当V≥高速门限V_high或者Z≥第一强度门限Z_thres1时，选择单电机制动SMB方式；反之，则选择内燃机电机协调制动EMCB模式；

步骤6、对汽车制动强度进行判断

当制动强度Z≤第二强度门限Z_thres2，则选择单电机制动SMB方式；相反，Z>Z_thres2则选择双电机制动DMB方式。