CN115056764B 一种功率分流混合动力系统扭矩安全控制方法 （吉孚动力技术(中国)有限公司）

(19)国家知识产权局(12)发明专利(65)同一申请的已公布的文献号(73)专利权人吉孚动力技术(中国)有限公司地址215024江苏省苏州市苏州工业园区现代大道凤里街汀兰巷岸芷街11号(72)发明人王蕴智张涛许传贺黄峻徐达方(74)专利代理机构芜湖安汇知识产权代理有限公司34107专利代理师何全陆审查员庄秀华一种功率分流混合动力系统扭矩安全控制方法(57)摘要本发明公开了一种功率分流混合动力系统，控制单元包括三层控制模块，分别为底层模块、中间层模块和上层模块；所述的底层模块为中间层模块和上层模块提供冗余校验的硬件环境；所述的中间层模块为扭矩监控模块，监控应用层扭矩计算逻辑和部件的实际扭矩响应；所述的上层模块为扭矩预测和扭矩限制模块，综合考虑驾驶员操作和各个子零部件状态，提供扭矩安全的最上层限制和保护。本发明可以降低传动扭矩失效内核1上层模块中层模块中层模块底层模块(硬件监控)系统基础芯片21.一种功率分流混合动力系统，所述的混合动力系统包括发动机(12)、驱动电机(14)、发电机(13);其特征在于：所述的混合动力系统的控制单元包括三层控制模块，分别为底层模块、中间层模块和上层模块；所述的底层模块为中间层模块和上层模块提供冗余校验的硬件环境；所述的中间层模块为扭矩监控模块，监控应用层扭矩计算逻辑和部件的实际扭矩响应；所述的上层模块为扭矩预测和扭矩限制模块，综合考虑驾驶员操作和各个子零部件状态，提供扭矩安全的最上层限制和保护；所述的发动机(12)输出轴与行星齿轮系的外齿圈(3)相连接；所述的发电机(13)主轴与所述的行星齿轮系的太阳轮(1)相连接；所述的行星齿轮系中的行星架主动齿轮(4)作为输出，通过行星架从动齿轮(5)与驱动电机(14)主轴上的驱动电机输出齿轮(6)相连接；所述的行星架从动齿轮(5)与主减速器主动齿轮(7)同轴连接；所述的主减速器主动齿轮(7)与差速器(8)上的主减速器从动齿轮(9)啮合，通过差速器(8)输出扭矩到轮端；所述的底层模块包括支持双核CPU锁步技术的主控芯片和支持看门狗、硬件监控功能的系统基础芯片；所述的中间层模块和上层模块中的主控芯片又分别构成两个独立的运算内核，分别为内核1和内核2,构成运算比较单元；所述的内核1和内核2均分别包括一个中间层模块和一个上层模块；所述的中间层模块的扭矩监控算法主要包括：扭矩容量监控、扭矩之和监控以及扭矩输出监控；所述的上层模块的扭矩预测算法综合考虑限制因素包括电池、电机长短时特性、DC/DC负载；所述的上层模块的扭矩限制逻辑综合考虑零部件电压、电流和温度的特性。2.按照权利要求1所述的功率分流混合动力系统的扭矩安全控制方法，其特征在于：当主芯片的两个互相独立的内核1、内核2计算结果出现不合理的偏差时，关闭传动系统扭矩输出；当主控芯片发生硬件错误或者死机时，系统基础芯片可以重启内核1、内核2的硬件环境；所述的中间层模块实时监控动力源部件反馈的实际扭矩；根据系统旋转部件的转速、角加速度、转动惯量的信息实时估计动力源部件扭矩；若算法估计的扭矩和部件反馈的实际扭矩偏差较大，则系统主动降扭或者关闭相关动3一种功率分流混合动力系统扭矩安全控制方法技术领域[0001]本发明属于混合动力系统安全控制的技术领域。更具体地，本发明涉及一种功率分流混合动力系统。本发明还涉及该功率混合动力系统的扭矩安全控制方法。背景技术[0002]扭矩安全与车辆的行驶安全性直接相关，牵扯到消费者的生命安全。近年来，由于系统失效产生的扭矩安全问题，越来越受到汽车厂商以及零部件供应商的重视。另一方面，功率分流混合动力作为一种节油率性价比高的节能汽车解决方案，越发受到市场的关注。区别于传统并联式混合动力系统，功率分流混合动力在扭矩安全控制方法上有其自己的特殊性。所以，功率分流混合动力系统需要考虑扭矩安全问题带来的严重后果。现有技术还没有相应的解决方案。发明内容[0003]本发明提供一种功率分流混合动力系统，其目的是提高功率分流混合动力系统传动扭矩的安全性能。[0004]为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：[0005]本发明的功率分流混合动力系统包括发动机、驱动电机、发电机；所述的混合动力系统的控制单元包括三层控制模块，分别为底层模块、中间层模块和上层模块；所述的底层模块为中间层模块和上层模块提供冗余校验的硬件环境；所述的中间层模块为扭矩监控模块，监控应用层扭矩计算逻辑和部件的实际扭矩响应；所述的上层模块为扭矩预测和扭矩限制模块，综合考虑驾驶员操作和各个子零部件状态，提供扭矩安全的最上层限制和保护。[0006]所述的发动机输出轴与行星齿轮系的外齿圈相连接；所述的发电机主轴与所述的行星齿轮系的太阳轮相连接；所述的行星齿轮系中的行星架主动齿轮作为输出，通过行星架从动齿轮与主驱动电机主轴上的驱动电机输出齿轮相连接；所述的行星架从动齿轮与主减速器主动齿轮同轴连接；所述的主减速器主动齿轮与差速器上的主减速器从动齿轮啮[0007]所述的底层模块包括支持双核CPU锁步技术的主控芯片和支持看门狗、硬件监控功能的系统基础芯片。[0008]所述的中间层模块和上层模块中的主控芯片又分别构成两个独立的运算内核，分别为内核1和内核2,构成运算比较单元；所述的内核1和内核2均分别包括一个中间层模块和一个上层模块。[0009]所述的中间层模块的扭矩监控算法主要包括：扭矩容量监控、扭矩之和监控以及扭矩输出监控。[0010]所述的上层模块的扭矩预测算法综合考虑限制因素包括电池、电机长短时特性、DC/DC负载；所述的上层模块的扭矩限制逻辑综合考虑零部件电压、电流和温度的特性。[0011]为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供了以上所述的功率分流4混合动力系统的扭矩安全控制方法，其技术方案是：[0012]当主芯片的两个互相独立的内核1、内核2计算结果出现不合理的偏差时，关闭传动系统扭矩输出；当主控芯片发生硬件错误或者死机时，系统基础芯片可以重启内核1、内核2的硬件环境。[0013]所述的中间层模块，实时监控动力源部件反馈的实际扭矩；根据系统旋转部件的转速、角加速度、转动惯量的信息实时估计动力源部件扭矩；若算法估计的扭矩和部件反馈的实际扭矩偏差较大，则系统主动降扭或者关闭相关动力源，确保进入安全状态。[0014]本发明采用上述技术方案，采用三层结构的扭矩安全控制方案，互相校验，彼此约束，提升传动系统扭矩安全性；中间层采用扭矩监控逻辑，区别于传统的并联式混合动力控制方案，根据特定的机械结构推算而来，适用于行星齿轮方案的功率分流混合动力系统；中间层采用扭矩监控逻辑，依据特定的机械结构和数学关系式，估算发动机的实际输出扭矩，并与发动机控制器反馈的实际扭矩做校验，进一步确保扭矩安全性；中间层扭矩监控探测到扭矩故障时，上层扭矩限制模块输出受限，传动系统主动降扭，确保行车安全。附图说明[0015]附图所示内容及图中的标记简要说明如下：[0016]图1为本发明适用的传动装置结构示意图；[0017]图2为本发明的控制系统结构示意图；[0018]图3为本发明的中间层扭矩监控架构图；[0019]图4为本发明的扭矩之和监控逻辑示意图；[0020]图5为本发明的上层扭矩限制架构图。[0021]图1中的标记为：具体实施方式[0023]下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的技术构思和技术方案有更完整、准确和深入的理解。[0024]本发明的功率分流混合动力系统包括满足一定技术指标的硬件和逻辑严谨的控制软件。[0025]1、应用本发明的行星齿轮式功率分流混合动力系统：[0026]本发明的扭矩安全控制方法适用于行星齿轮式功率分流混合动力方案，如图1所示的该传动系统结构，包括发动机12、驱动电机14、发电机13;[0027]如图1所示：发动机12与单行星齿轮11的外齿圈3相连，发电机13(EM1)与单行星齿轮系的太阳轮1相连；行星齿轮系中，行星架2上的行星架主动齿轮4作为输出，与主驱动电机14(EM2)上的相连，输出扭矩到轮端。发动机12的输出轴与行星轮系的外齿圈3的中心轴通过单向离合器10连接，实现两轴的结合与分离。5[0029]所述的发动机12输出轴与行星齿轮系的外齿圈3相连接；所述的发电机13主轴与所述的行星齿轮系的太阳轮1相连接；所述的行星齿轮系中的行星架主动齿轮4作为输出，通过行星架从动齿轮5与主驱动电机14主轴上的驱动电机输出齿轮6相连接；所述的行星架从动齿轮5与主减速器主动齿轮7同轴连接；所述的主减速器主动齿轮7与差速器8上的主减速器从动齿轮9啮合，通过差速器8输出扭矩到轮端。[0031]为了解决现有技术的问题，实现提高功率分流混合动力系统传动扭矩的安全性能的发明目的，本发明采取的核心技术方案为：[0032]如图2所示，本发明的功率分流混合动力系统的控制单元包括三层控制模块，分别[0033]该控制技术方案主要包括：底层的双核CPU硬件控制器、中间层的扭矩监控算法、上层的扭矩预测与扭矩限制模块。[0035]所述的底层模块为中间层模块和上层模块提供冗余校验的硬件环境；所述的中间层模块为扭矩监控模块，监控应用层扭矩计算逻辑和部件的实际扭矩响应；所述的上层模块为扭矩预测和扭矩限制模块，综合考虑驾驶员操作和各个子零部件状态，提供扭矩安全的最上层限制和保护。[0036]本发明的扭矩安全控制技术方案，可以降低传动扭矩失效的风险，避免非期望的升传动扭矩安全性；该控制技术方案适用于行星齿轮式的传动机构，严谨地考虑了功率分流方案自身的结构特点和扭矩分配算法的特殊性；该控制技术方案分为三层安全监控，各层之间紧密配合，协同作用确保扭矩安全。三层结构的扭矩安全控制方案具备冗余校验、失效探测、故障响应等功能，有效提升了功率分流混合动力系统的扭矩安全性。[0038]所述的底层模块的硬件控制器包括支持双核CPU锁步技术的主控芯片和支持看门[0039]底层模块为中间层模块和上层模块提供冗余校验的硬件环境，主要负责硬件级别的监控，执行主控芯片的硬件监控和双核逻辑校验功能。[0040]系统基础芯片向主控芯片供电，提供看门狗和电压、时钟检测等功能。当主控芯片扭矩控制逻辑跑飞或者死锁等故障发生时，系统基础芯片触发主控芯片复位。如果主控芯片出现锁死、逻辑跑飞、双核校验不通过等错误时，系统基础芯片可以快速复位，确保扭矩控制的安全性。[0041]对于系统基础芯片的技术需求，需要选择包含看门狗、过压过流检测、硬件跑飞诊断等功能的高安全级别芯片。[0042]4、关于中间层模块与上层模块构成的双内核：[0043]所述的中间层模块和上层模块中的主控芯片又分别构成两个独立的运算内核，分别为内核1和内核2,构成运算比较单元；所述的内核1和内核2均分别包括一个中间层模块和一个上层模块。内核1中软件逻辑包括上层模块和中间层模块，内核2为冗余检验内核，内6部执行逻辑与内核1完全一致。[0044]当主芯片的两块互相独立的内核1、内核2计算结果出现不合理的偏差时，关闭传动系统扭矩输出。当主控芯片发生硬件错误或者死机时，系统基础芯片可以重启内核1、内核2的硬件环境。[0045]在所述的中间层模块和上层模块中，上层限制模块受到中间层监控模块的约束；当监控模块探测到扭矩故障时，上层模块的输出受限，协助动力系统主动降扭。[0046]在锁步控制模式下，将扭矩控制相关的输入发送到这两个内核，然后这两个内核在相近的时钟周期内运行相同的计算逻辑，定期比较计算结果，并检测是否发生故障。[0047]如果两个内核的运算结果不匹配或者出现较大偏差，则标记为扭矩安全错误并关断动力源扭矩输出。若内核1和内核2的运算结果偏差较大，主控芯片硬件关断扭矩输出，车辆进入安全状态。[0048]对于主控芯片的技术需求，需要选择支持双核锁步运算的控制芯片。[0049]对于内核1中的上层模块和中间层模块，中间层模块负责扭矩安全监控。若中间层模块探测到扭矩错误时，会把错误信息上报给上层模块。上层模块接收到错误信息(Torqueerror)时，进入到上层模块的故障处理模式。[0050]当功率分流混合动力系统在扭矩控制模式下，系统计算的传动扭矩受到上层模块的限制与约束；当扭矩监控逻辑探测到部件实际扭矩响应与扭矩需求不一致时，系统存在较为严重的扭矩失控风险。此时，系统一方面通过中间层模块关闭扭矩输出，另一方面通过上层模块限制需求扭矩计算。上层模块和中间层模块紧密配合，确保系统通过扭矩关断或者降扭的手段进入安全状态。[0052]如图3所示，是本发明的中间层模块的扭矩监控架构图。[0053]所述的中间层模块的扭矩监控算法主要包括：扭矩容量监控、扭矩之和监控、扭矩输出监控以及Errorhandling模块(错误处理)。[0054]区别于传统的并联式混合动力，功率分流混合动力的扭矩容量和扭矩之和基于功率分流系统特定的物理结构和数学关系式推导得出，并非直接叠加。[0055]其中扭矩容量监控主要计算驱动状态下的需求扭矩上限、制动状态下的需求扭矩上限以及扭矩容量的协调。[0056]所述的中间层监控模块不仅实时监控动力源部件反馈的实际扭矩，还根据系统旋转部件的转速、角加速度、转动惯量等信息实时估计动力源部件扭矩。若算法估计的扭矩和部件反馈的实际扭矩偏差较大，则系统主动降扭或者关闭相关动力源，确保进入安全状态。[0057]在任何情况下，驾驶员需求扭矩和部件的扭矩输出都不能超出传动系扭矩容量限[0058]扭矩容量监控模块输出的最大允许需求扭矩信号(Torquemax)和逻辑层计算的驾驶员需求扭矩信号(Torquecommand)取小，作为扭矩监控其他模块的输入信号。[0059]进一步地，在扭矩容量监控逻辑之后，需要执行扭矩之和监控逻辑。扭矩之和监控逻辑包括：实际扭矩叠加计算(Actualsumtorque)、发动机扭矩估计(Enginetorqueestimation)以及扭矩比较逻辑(torquecomparelogic)。[0060]扭矩容量监控计算轮端驱动、制动扭矩的上限，确保任何情况下驾驶员需求扭矩7[0062]若算法估计的扭矩和部件反馈的实际扭矩偏[0065]所述的上层模块的扭矩预测算法综合考虑限制因素包括电池、电机长短时特性、[0067]电机控制器上传长时预测扭矩和短时预测扭矩，该核2的硬件环境。[0073]如图4所示，是本发明的扭矩之和监控逻辑示意图。对于实际扭矩叠加计算模块8[0084]JengJs和Jc分别代表齿圈、太阳轮以及行星架上的等效转动惯量；[0086]i为单行星排传动比，K₁代表EM2电机输出端到轮端传动比，K₂代表行星架输出端到轮端传送比；[0087]根据以上动力学公式，消掉中间变量，可以得出轮端需求扭矩和三个动力源实际输出扭矩的数学关系式。通过确定的数学方程，可以进行实际叠加扭矩的监控。[0088]同样地，由于发动机扭矩模型精度低于电机扭矩模型，可以依据上述动力学公式，估算发动机实际扭矩，并与发动机控制器上传的实际扭矩做比较。这种方法可以较为准确地识别出发动机扭矩错误，确保车辆行驶安全。[0089]基于行星齿轮运动学方程的扭矩监控方法，适用于图1结构的功率分流混合动力系统。该方法可以准确诊断出传动系扭矩错误，进一步提升扭矩安全性。[0091]如图5所示，本发明的上层扭矩限制架构图。该模块主要包括：长短时扭矩限制模块、DC/DC负载功率；温度限制模块、电压电流限制模块以及电池SOC限制模[0092]其中，长短时扭矩限制模块需要接收电机控制器发出的短时预测和长时预测扭矩信息，该组信号基于电机、电池温升特性计算而来，可以显著降低由于零部件自身失效产生整车电气负载功率需求得到满足。[0093]进一步地，计算得到的长短时预测限值又受到零部件电压、温度等状态的限制，这里细分为温度限制、长短时限制以及电池SOC限制值。如果没有扭矩错误出现，最终