版权信息
省级大型综合性科技类期刊
主管部门:自治区科技厅
主办单位:自治区科学技术信息研究院 
协办单位:自治区科学技术情报学会
编辑出版:科技期刊编译室
刊社地址:呼和浩特新城西街149号本刊杂志社
邮政编码:010000
电      话:0471-2536371

E-mail  :

nmgkjzz@vip.163.com 

网站地址:www.nmgkjzz.com


往期杂志
当前位置: 首页>往期杂志>详细介绍

电动四驱混合动力车辆的控制技术综述

时间:2016-03-03来源: 作者: 点击: 314次

Electric All-wheel-drive Hhybrid Vehicle Control Technology Summary

王丽 广州

摘要:本文从专利文献的视角对电动四驱混合动力车辆的控制技术进行了全面统计分析,总结了国内外专利全球申请态势、申请量分布、主要申请人分布,重点分析了主要申请人在电动四驱混合动力车辆控制技术方面的技术演进和发展,旨在为该领域技术人员了解行业现状提供参考。

关键词:电动四驱; 混合动力;控制技术;专利

Abstract carrying on the comprehensive statistical analysis for electric all-wheel-drive hybrid vehicle control technology from the perspective of patent document, summarizing patent application situation at home and abroad and distribution of applications and principal applicants, analyzing mainly the technology development and evolution on electric all-wheel-drive hybrid vehicle control technology of principal applicants, in order to provide reference to understand the status of the industry for skilled personnel.

Key wordsElectric all-wheel-drive;hybrid vehicle;control technology;patent

一、引言

目前的新能源车主要包括混合动力车、纯电动车、燃料电池车、氢能源车等,其中,混合动力车作为传动内燃机车向电动车的过渡产品,开发难度较小,技术相对成熟,成为当前应对能源危机最切实可行的方案。

在开发混合动力车的过程中,各大汽车公司根据市场定位、技术路线等的不同,推出了很多种不同的混合动力构型,其中电动四驱混合动力车辆(E4WD混动车)是近年来比较新的一种。其基本结构是,由ISG电机与发动机同轴耦合组成一组动力系统驱动一组车轮,而有另一电机驱动另一组车轮,车载高性能锂电池作为电机的驱动电源,电池可由车载的ISG电机充电,也可外接电源充电[1]。两套动力系统可根据不同工况单独或同时工作,可以实现纯电动四驱、前驱、后驱、混合四驱、再生制动等,极大改善了混合动力车的动力性、驾驶性以及通过性。

而对于电动四驱混合动力车辆的控制,通常由发动机控制器实现对发动机系统的管理,完成发动机的喷油点火、电子节气门、扭矩输出等的控制;由ISG电机控制器、另一电机控制器分别完成对两个电机的控制;电池管理系统(BMS)承担对动力电池的管理,通过采集动力电池的模组电压、电流、温度等信息以计算动力电池的SOC;并由混合动力控制单元(HCU)或整车控制器通过CAN网络实现与发动机控制器、电机控制器、电池管理系统、变速器控制器、ABS、ESP等节点的连接与信息交互以控制车辆工作在合理的工作模式[2][3][4]

为了使电动四驱混合动力车辆具有良好的经济性、驾驶性、舒适性等,从上世纪90年代开始,国内外各大公司不断对其控制策略进行研究改进。

二、电动四驱混合动力车辆控制领域的专利申请特点及现状

随着混合动力车辆技术的发展,进入20世纪后在此领域占有领先优势的企业开始向电动四驱混合动力车辆控制技术领域深入。下列各图反映电动四驱混合动力车辆控制技术的专利申请状况。

图1表明,电动四驱混合动力技术在2003年之前比较少,在2003年-2009年之间申请量比较多,在2006之时申请量达到最高,2009年之后一直处于稳定阶段。这也表明,随着混合动力车辆技术的发展,各企业将研发的重点从混合动力总成的结构方面转移到技术水平更高的混合动力车辆控制方面。而在今后的一段时间内,混合动力车辆控制技术仍有较大的发展空间。

2 电动四驱混合动力车辆控制技术申请量较多的企业申请量分布图(VEN数据库)

从图2和图3中可以看出,各大企业在中国相对于在其他国家的申请量比较少,尤其是本田就电动四驱混合动力控制技术方面在中国并无申请。同时通过对专利文献的研究还反映出,国外在华提出的专利申请技术含量相对较高。在该领域内,国内除奇瑞和比亚迪外,广州汽车集团、北汽福田、同济大学、重庆大学等一些企业和高校也逐渐在加大对电动四驱混合动力汽车控制技术的研究。

3 四驱混合动力车辆控制技术在中国申请量较多的企业申请量分布图(CNABS数据库)

三、国内主要申请人的技术演进和发展

奇瑞从2009年开始就电动四驱混合动力车辆控制技术提出专利申请,其控制技术所针对的混合动力汽车的动力系统结构方案如图4所示。在其专利申请CN200910132390.7中其混合动力汽车的动力及控制系统,动力系统采用气动发电机驱动系统(ISG系统)+后电机驱动系统,ECU、ICU、MCU、BMS分别控制发动机、前电机、后电机、高压电池,整车控制器VMS与整车个系统控制器之间通过CAN总线进行通讯,对整车个系统进行总体决策与控制。对于这种结构的混合动力,ISG电机的主要作用除启动发动机外,在高压电池SOC过低时可用于为高压电池充电[5]

图4 奇瑞的电动四驱混合动力汽车的动力系统结构方案

在前期,奇瑞的专利申请侧重于根据车辆的行驶情况控制车辆在各种驱动模式中切换,整车控制器根据收集到车速、油门踏板、制动踏板、高压电池SOC状态、车辆行驶所需扭矩、ISG电机、后驱电机及发动机的转矩局限等信号,控制车辆在ISG电机单独驱动、纯电动驱动(后驱电机单独驱动)、ISG和后驱动电机共同驱动、发动机单独驱动、发动机和ISG电机共同驱动、发动机驱动且带动发动机发、强混四驱模式、能量回收等模式间切换,以实现对ISG电机、后驱电机和发动机扭矩的合理分配,提高四驱混合动力汽车的能量利用率。

随着发展,在提高车辆的动力性的同时,对动力系统与车辆其他系统协调控制以保证车辆的稳定性、操控性及舒适性。如,为保证车辆的操纵稳定性,整车管理系统VMS,通过CAN总线连接EPS模块和整车系统,动力控制系统检测并获得混合工作模式、档位、加速踏板、制动踏板、前、后轴书籍输出扭矩、方向盘转向角度、轮速、横摆角速度、侧向加速度等信号,后将上述信号发送至ESP模块;ESP模块接收上述信号并进行综合判断处理得到前、后轴输出扭矩限制值、增降扭请求信号、四驱模式请求、再生制动模式请求等信号后将之发送到动力控制系统,动力控制系统以此控制车辆降扭、增扭和驱动模式的切换。即,通过对动力系统与电子稳定系统进行协调控制,实现四驱混合动力汽车各种工作模式下扭矩的合理分配,当车辆出现侧滑、转向不足/过渡等不安全状态时,实现扭矩的重新分配及模式的及时切换。为了改善车辆低速阶段经济性和换挡舒适性,对动力系统与AMT进行协调控制,整车控制器向AMT控制器发送换挡需求及发动机与ISG电机的等效油门开度,AMT控制器将换挡需求扭矩发送给整车控制器,整车控制器发现胡指令执行对发动机扭矩及对发动机转速和离合器转速的控制,以保证换挡平顺性。

比亚迪虽然对混合动力车辆的研究比奇瑞要早,于2007年就针对四驱混合动力车辆控制技术提出专利申请,其混合动力汽车的动力系统结构方案如图5、图6所示[6][7]。但对四驱混合动力汽车的控制策略仅限于车辆驱动模式的切换,其控制对象和控制参数与奇瑞的基本相同,并无多大突破。

 SHAPE  \* MERGEFORMAT

图5 比亚迪混合动力汽车动力系统结构方案1

 SHAPE  \* MERGEFORMAT

图6 比亚迪混合动力汽车动力系统结构方案2

四、国外主要申请人的技术演进和发展

在四驱混合动力汽车领域内,日本发展比较早,于上世纪90年末开始提出专利申请,其中,日产的申请量位居第一。

日产的一系列控制技术针对的混合动力汽车动力系统结构方案如图7所示,其中并无蓄能装置,而通过接线盒10内的一继电器选择性地向后驱电机供应电能,后驱电机的输出转矩通过离合器和减速齿轮传递到后驱动轴[8]

图7 日产混合动力汽车动力系统结构方案

日产对电动四驱混合动力汽车的控制技术,主要集中在三个方面:

1)用于在车辆由两轮驱动转换为四轮驱动,或由四轮驱动转换为两轮驱动时,防止后轮的离合器在接合或分离时产生震动。为防止转换到四轮驱动状态的过程中因离合器接合而震动,其方法主要是控制离合器接合在后轮轴的转速与电动机的转速同步以后进行。为防止转换到两轮驱动状态的过程中因离合器分离而震动,其方法主要是通过转换判断部分判断指出在车辆行驶过程中停止后驱电机对车轮的驱动转矩的转换情况下输出转换判断,通过离合器分开部分用于在后驱电机的驱动转矩实质上达到于其中离合器的输出转矩和离合器的输入转矩之间的差小于规定的值的目标驱动转矩后,响应转换判断部分作出的判断分开离合器。

2)用于对后驱电机的控制。通常使用的湿摩擦离合器的工作液的粘滞性将引起后驱电机共同转动,电机的转速将上升,当电机的转速低于电动机最大允许转速时,离合器必须释放,因此可使用四轮驱动的车辆行驶速度区是很窄的。日产主要通过控制一制动装置在电机由连接装置从后驱动轮断开之后立即制动电机,以放大能够使四轮驱动的行驶速度区。另,当车辆质量较大以及启动性能需进一步改善时,有必要增加后驱电机的发生扭矩,发电机的电能需要增大,需要使用大尺寸的发电机或额外增加电池,当发电机电压和后驱电机电压都较高时,发电机的部分输出电流就会流入电池,无法保证四轮驱动所需的充足的驱动力。为解决上述问题,日产在车辆中增加与后驱电机并联地电连接与发电机的电容器,控制器控制电容器在车速等于或小于预定车速时与电机相连,在超过预定车速时从电机和发电机断开。

3)由于用于后驱电机的发电机和用于车辆的电气部件的发电机是分开的,增加了部件的数量且浪费了空间,为解决上述问题,日产在车辆中增加一个升降电压的逆变器、一个14V的蓄电池及第一、第二开关,升降电压的逆变器可以将发电机输出的交流电转换成14V直流电来给蓄电池充电,也可将蓄电池的直流电转换成交流电供给发电机。当启动发动机或需给蓄电池充电时,控制器控制第一开关闭合而第二开关断开,从而将电力从电池供给逆变器或从逆变器供给蓄电池,当驱动电机时,控制器控制第一开关断开而第二开关闭合从而将电力供给电动机。

除上述三个方面外,日产对四驱混合动力汽车的控制技术涉及车辆行驶过程中的许多问题,如车辆的启动机加速、驱动力分配、再生制动、电机的再生效率等等。

五、结语

目前,四驱混合动力汽车量产的并不多,其控制技术并不成熟,而在这方面,各大汽车企业之间的差距并不很大,国内的很多科研机构和企业如重庆大学、同济大学、华南理工大学、广州汽车集团也加大了在这方面的研究。充分了解目前主要申请人日产、丰田、日立在这方面的技术发展,有利于今后关于该领域案件的审查工作。

参考文献:

[1] 夏珩,魏丹等. 电动四驱混合动力车的功率分配策略[J]. 机电工程技术,2012(7):124-128.

[2]  吕胜利. 基于四轮驱动混合动力汽车的模糊逻辑控制策略仿真研究[D]. 同济大学,2006.

[3] 秦大同,李江,杨阳. 全轮驱动混合动力汽车再生制动系统控制策略[J]. 重庆大学学报(自然科学版),2008,31(9):971-976.

[4] 徐悦,郭俊等. 电动四驱混合动力车的模式切换平稳性研究[J]. 北京汽车,2014(1):17-23.

[5] 奇瑞汽车股份有限公司. 一种混合动力汽车的动力系统及其控制方法[P]. 中国专利:101519034,2009-09-02

[6] 比亚迪股份有限公司. 一种混合动力驱动系统及其驱动方法[P]. 中国专利:101659202,2010-03-03.

[7] 比亚迪股份有限公司. 一种混合动力驱动系统的驱动方法[P]. 中国专利: 102310760,2012-01-11.

[8] 日产自动车株式会社.用于汽车的驱动力控制装置和方法[P]. 中国专利:1721219,2006-01-18.

 

作者: 王丽  女,(1986-),实习研究员

单位:国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心

地址:广东省广州市萝岗区开源大道11号科技企业加速器A3栋

职业:机械发明审查部审查员

邮编:510530

电话:15013058950

邮箱:wanglfamily1987@sina.com

本刊创刊于1982年,是由自治区科技厅主管、自治区科技信息研究院主办,由自治区科技情报学会协办、国内外公开发行的省级综合性科技刊物,是反映内蒙古自治区科技与经济发展的窗口。杂志入选《中国期刊全文数据(CJFD)》全文收录期刊和《中国学术期刊综合评价数据(CAJCED)统计刊源期刊,《中国核心期刊(遴选)数据库》收录。本刊是公开发行的综合性科技期刊,为月刊,大16开本。本刊坚持以科技创新为目标,融科技、经济、信息、产业、市场为一体,是促进科技成果转化、推动科技进步、加强技术创新,促进经济发展的专业性期刊。