混合动力车辆及其控制方法与流程

本公开涉及具有内燃发动机和至少一个电机的混合动力电动车辆。

背景技术：

混合动力电动车辆(hev)包括内燃发动机、一个或更多个电机以及为电机至少部分地供电的牵引电池。插电式混合动力电动车辆(phev)类似于hev，但是phev中的牵引电池能够通过外部电源进行再充电。一般来说，hev和phev两者都能够以纯电动模式(发动机关闭)运转。因此，响应于驾驶循环期间的各种工况(包括电池的荷电状态、气候控制需求以及电附件耗电)，发动机可停止和启动。

技术实现要素：

一种控制混合动力车辆的方法包括命令第一电机提供补偿转矩。补偿转矩基于从动态模型输出的汽缸压力。所述模型具有发动机曲柄位置的初始化输入以及第一电机的测得转速和第二电机的测得转速的实时输入。

根据第一实施例，命令第一电机提供补偿转矩包括：命令第一电机产生等于基准转矩与增量转矩之和的组合转矩。所述基准转矩可对应于用来满足驾驶者转矩请求所需要的转矩，并且可从转速控制反馈回路中获得。所述增量转矩与对应于计算的汽缸压力的变速器输入转矩大小相等且方向相反。

根据第二实施例，第一电机的测得转速和第二电机的测得转速为所述模型仅有的实时输入。

根据第三实施例，所述动态模型包括计算的变速器输入构件转速。

根据本公开，一种混合动力车辆包括内燃发动机、第一电机、第二电机以及控制器。所述控制器被配置成：控制所述第一电机提供补偿转矩，所述补偿转矩基于从动态模型输出的汽缸压力。所述模型具有发动机曲柄位置的初始化输入以及所述第一电机的测得转速和所述第二电机的测得转速的实时输入。

根据第一实施例，所述控制器被配置成：通过命令所述第一电机产生等于基准转矩与增量转矩之和的组合转矩来控制所述第一电机提供补偿转矩。所述基准转矩可对应于用来满足驾驶者转矩请求所需要的转矩，并且可从转速控制反馈回路中获得。所述增量转矩与对应于计算的汽缸压力的变速器输入转矩大小相等且方向相反。

根据第二实施例，第一电机的测得转速和第二电机的测得转速为所述模型仅有的实时输入。

根据第三实施例，所述动态模型包括计算的变速器输入构件转速。

根据本公开，一种控制具有第一电机和第二电机的混合动力车辆的方法包括：响应于发动机启动事件或发动机停止事件，命令所述第一电机提供补偿转矩脉冲。所述补偿转矩脉冲基于从动态发动机模型输出的变速器输入转矩。所述动态发动机模型使用所述第一电机的测得转速和所述第二电机的测得转速作为实时输入。

根据第一实施例，所述动态模型使用测得的发动机曲柄位置作为初始化输入。所述动态模型可仅使用第一电机的测得转速和第二电机的测得转速作为实时输入，并且仅使用测得的发动机曲柄位置作为初始化输入。

根据第二实施例，所述补偿转矩脉冲与计算的变速器输入转矩大小相等且方向相反。

根据第三实施例，除基准转矩之外，还命令所述转矩脉冲以满足当前车辆动力需求。所述基准转矩可由与第一电机的转速控制模式相关联的转速控制反馈回路获得。

根据本公开的实施例提供许多的优点。例如，本公开提供一种系统和方法，所述系统和方法用于补偿发动机中的起动转矩扰动，从而减小噪声、振动和声振粗糙度(nvh)并且提高客户满意度。

通过以下结合附图对优选实施例进行的详细描述，本公开的以上优点以及其他优点和特征将是显而易见的。

附图说明

图1是根据本公开的车辆的图示；

图2是根据本公开的发动机的图示；

图3是根据本公开的发动机系统模型的键合图示；以及

图4是示出根据本公开的控制车辆的方法的流程图。

具体实施方式

在此描述了本公开的实施例。然而，应当理解的是，所公开的实施例仅为示例并且其它实施例可采用各种可替代形式。附图不一定按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为具有限制性，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各种特征可以与在一个或更多个其它附图中示出的特征组合以产生未被明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可被期望用于特定的应用或实施方式。

参照图1，车辆10包括动力分配式动力传动系。设置了车辆系统控制器(vsc)12。vsc12控制车辆10的动力传动系中的动力分配。设置了电池14并且电池14通过电池控制模块(bcm)15进行控制。bcm15经由控制器局域网络(can)总线与vsc12进行通信或者受vsc12的控制。电池14具有双向电连接，以使其通过(例如)再生制动接收并且储存电能，并且还将该能量供应至电动牵引马达16。vsc12还经由can总线与发动机控制模块(ecm)17进行通信或者控制发动机控制模块(ecm)17，从而控制内燃发动机(ice)18的运转。马达16和发动机18两者都能够为变速器20提供动力，所述变速器20最终将转矩传递至车辆10的车轮。

发动机18将动力传递至通过扭力阻尼器23连接到行星齿轮组24的转矩输入轴22。输入轴22为行星齿轮组24提供动力。行星齿轮组24包括环形齿轮26、太阳齿轮28以及行星架总成30。输入轴22可驱动地连接至行星架总成30，当被供以动力时，所述行星架总成30可使环形齿轮26和/或太阳齿轮28旋转。太阳齿轮28可驱动地连接至发电机32。发电机32可与太阳齿轮28接合，使得发电机32可随太阳齿轮28旋转或不随其旋转。马达16和发电机32可被称为第一电机和第二电机。每个电机16、32既能够产生电功率又能够提供原动力。马达-发电机控制单元(mgcu)19控制马达16和发电机32的运转，并且经由can总线与vsc12进行通信或者受vsc12的控制。

当发动机18被结合至行星齿轮组24时，作为对行星齿轮组24的运转的反作用元件(reactionaryelement)，发电机32产生能量。由发电机32产生的电能通过电连接36传递至电池14。电池14还通过再生制动接收并且储存电能，在再生制动中，转矩从车轮经过变速器20回传到发电机32中并且储存在电池14中。电池14将储存的电能供应至马达16以进行操作。从发动机18传递到发电机32的动力部分还可直接传递至马达16。电池14、马达16以及发电机32均通过可包括高电压总线的电连接36以双向电流动路径的方式相互连接。

车辆可由发动机18单独地提供动力、可由电池14和马达16单独地提供动力或者可由发动机18与电池14以及马达16的组合提供动力。在机械式驱动模式或第一工作模式下，启用发动机18以通过行星齿轮组24来传递转矩。环形齿轮26将转矩分配至阶梯传动比(stepratio)齿轮38(包括啮合的齿轮元件40、42、44和46)。齿轮42、44和46被安装在中间轴上，而齿轮46将转矩分配到齿轮48。然后齿轮48将转矩分配到转矩输出轴50。在机械式驱动模式下，还可启用马达16以协助发动机18为变速器20提供动力。当马达16主动协助时，齿轮52将转矩分配至齿轮44和中间轴。通常，发电机32被用于转速控制模式以控制发动机转速并且为电池充电，而马达被用于转矩控制模式以传递期望的驱动转矩和再生制动转矩。

在电驱动模式(ev模式)或第二工作模式下，禁用发动机18或者以其他方式防止发动机18将转矩分配至转矩输出轴50。在ev模式下，电池14为马达16供电以通过齿轮52、阶梯传动比齿轮38和转矩输出轴50分配转矩。转矩输出轴50连接至将转矩分配至牵引车轮58的差速器和车桥机构56。在机械式驱动模式或ev模式下，vsc12(例如)通过发送命令到bcm15、ecm17以及mgcu19来控制电池14、发动机18、马达16以及发电机32，从而将转矩分配至车轮58。vsc12命令由每个动力源输出的动力的量以满足驾驶者需求。

vsc12、bcm15、ecm17以及mgcu19均可包括与各种类型的计算机可读存储装置或介质通信的微处理器或者中央处理器(cpu)。计算机可读存储装置或介质可包括例如只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)和保活存储器(kam)中的易失性和非易失性存储。kam是可被用于在cpu掉电时存储各种运行变量的持久性或非易失性存储器。计算机可读存储装置或介质可通过使用任何数量的已知的存储装置来实施，例如，可编程只读存储器(prom)、电可编程只读存储器(eprom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、闪速存储器或能够存储数据(其中一些数据代表被控制器用于控制发动机或者车辆的可执行指令)的任何其他电、磁、光学或组合式存储装置。

如前面所描述的，用于传动系的动力源有两个。第一个动力源是将转矩传递到行星齿轮组24的发动机18。另一个动力源只涉及包括马达16、发电机32以及电池14的电力驱动系统，其中，电池14充当用于发电机32和马达16的能量储存介质。发电机32可由行星齿轮组24驱动，并且可选择性地充当马达而将动力传递至行星齿轮组24。因为马达16和发电机32两者都能够传递能量和吸收能量，所以马达16和发电机32中的任何一个或者两者都可被称作马达、发电机和/或电机。

应理解的是，虽然在车辆10中示出了动力分配式动力传动系，但是车辆10可包括许多其他的配置。因此，可预计的是，为了适应各种特定的应用，动力传动系的各个组件可不同。因此认为车辆动力传动系和电机的实施的其他车辆配置在本公开的范围内。

归因于动力分配式动力传动系不使用传统的变矩器的事实，发动机18总是直接地连接到驱动轮58，且系统中的阻尼相对小。因此，如果未通过动力传动系控制系统进行适当地补偿，那么由发动机18产生的任何扰动均可传送至驱动轮58，从而传送至驾驶者。在发动机启动和停止期间，在起动阶段期间来自于泵送或者压缩的转矩扰动可激发发动机阻尼器和传动系共振频率，造成最终可被驾驶者感觉到的传动系中的nvh。

根据本公开的实施例实施了发动机18(与扭力阻尼器23结合)的基于汽缸的简单动态数学模型，以预测在发动机启动和停止期间由发动机18产生的起动转矩扰动(以下将更详细地讨论)。然后，通过发动机数学模型计算的起动转矩扰动可被用作发电机转速控制反馈回路中的前馈项以在太阳齿轮28上产生转矩从而抵消由发动机18在行星架30上产生的扰动转矩。

现在参照图2，示出了具有平面曲轴的发动机的总体示意图。如图2所示，θeng指的是发动机曲柄角，jeng是发动机集总惯量(lumpedinertia)，r代表曲柄销半径，l是连杆长度，xbank1和xbank2分别是第一组(组1)活塞和第二组(组2)活塞的位置(从曲柄的中心线测量)。最后，c代表滞留于汽缸中的空气的柔量。kcyl可被认为是可将各个汽缸暴露于大气的控制阀。

根据本公开的实施例将发动机阻尼器与发动机模型集总。集总系统具有一个输入，即，在发动机阻尼器的输入侧的行星架转速。整个发动机被集总为一个惯量并假定活塞无质量。发动机转速ωeng和活塞速度之间的运动约束由下式1和式2给出。

考虑到以上的运动约束和活塞面积ap，推导出如图3所示的键合图数学模型图示。可以看出，键合图模型使用一个输入(即，行星架转速ωcarrier)并且输出描述该系统的四个非线性常微分方程。通过包含曲柄角θeng，状态空间可被扩展至五个，如下式3至式7所示。

如式4中所使用的，项τeng_friction(ωeng)代表发动机摩擦并且是发动机转速ωeng的函数。另外，τeng_damper和τcrank分别代表发动机阻尼器力矩和起动转矩(可分别如式8和9所示地进行计算)。

τeng_damper＝keng_damperθeng_damper+beng_damper(ωcarrier-ωeng)(8)

τcrank＝-apmbank1(θeng)(pcyl1+pcyl4)-apmbank2(θeng)(pcyl2+pcyl3)-τcyl_friction(θeng，ωeng)(9)

在式8中，发动机阻尼器被建模为线性弹簧(弹簧常数为keng_damper)和阻尼器(阻尼系数为beng_damper)。但是，可替代地，如式10所示，发动机阻尼器可被建模为作用于发动机阻尼器位移和相对速度的广义非线性函数。

τeng_damper＝f(θengdamper，(ωcarrier-ωeng))(10)

在式9中，τcyl_friction(θeng,ωeng)代表由汽缸摩擦产生的力矩。这个力矩可被建模为发动机位置θeng和发动机转速ωeng的广义函数。如式11所示，各汽缸压力pcyl,1-4可使用用于封闭系统的等熵压缩/膨胀定律进行计算。

首先计算针对每组的封闭系统汽缸压力。对于这个特定的四汽缸示例而言，组1对应于汽缸1和4，而组2对应于汽缸2和3。因此，封闭系统汽缸压力可如式12和13所示地进行计算。

在以上表达式中，γ是工作流体的比热比，而kcyl是用于对系统进行调谐的可校准增益。patm代表大气压力，v0代表汽缸从下止点(bdc)到汽缸盖的顶部的总体积，而vcyl14,inst和vcyl23,inst分别代表第一组汽缸和第二组汽缸的瞬时体积。汽缸瞬时体积是模型状态vcyl14和vcyl23的函数，并且可如式14和15所示地进行计算。

vcyl14，inst＝v0-(vcyl14-ap(l-r))(14)

vcyl23，inst＝v0-(vcyl23-ap(l-r))(15)

最终的汽缸压力(pcyl,1-4)可通过运行封闭系统汽缸压力(pcyl14,pcyl23)经过式16所示的气门正时算法来计算。

组1：

组2：(16)

如式16中所使用的，θcyl,i指的是活塞i的曲柄角位置。θstart和θend分别指的是当系统首次暴露于大气(排气门打开)时和当系统封闭于大气(进气门关闭)时描述的曲柄角。此外，θstart和θend也可以是可校准的调谐因子。式16中所示的气门正时算法规定，如果汽缸i的曲柄角位置落入汽缸i暴露于大气时所处的曲柄角范围之内，那么汽缸i中的最终压力被设置为大气压力。另外，式16中的气门正时算法规定，如果汽缸i的曲柄角位置没有落入汽缸i暴露于大气时所处的曲柄角范围之内，那么汽缸i中的最终压力使用式12或式13的相关表达式作为封闭系统而进行计算。

因此，最终起动转矩可如式9所描述的进行计算。广义起动转矩表达式可如式17给出。

τcrank＝-apmbank1(θeng)(∑pcyl，bank1)-apmbank2(θeng)(∑pcyl，bank2)-τcyl_friction(θeng，ωeng)(17)

如式17中所使用的，∑pcyl,bank1和∑pcyl,bank2分别代表包含在组1和组2中的各汽缸的总和。对于组1和组2而言，各汽缸压力可使用式12-16中所描述的程序进行计算，且在每侧使用恰当的汽缸数字符号。此外，只要发动机使用平面曲轴，即使是对于具有n个活塞数量的发动机而言，也保持同样的五个状态式(式3-7)。

可以看出，以上所描述的模型仅需要一个初始化输入(即，发动机曲柄位置)和一个实时输入，行星架转速(即，变速器20的输入转速)。但是，优选地，基于与行星齿轮组24相关联的齿轮比，根据发电机32的转速和马达16的转速的函数而计算行星架转速。有利地，这实现了更加精确的测量，因为与马达16和发电机32相关联的旋转变压器(resolver)通常比与发动机18相关联的曲柄角度传感器更加准确。

一旦计算出来，起动转矩τcrank便可通过来自发电机32或马达16的反向转矩进行补偿。所述补偿可包括控制发电机32或马达16提供基准转矩与增量转矩之和。基准转矩对应于用来满足当前车辆动力需求所需要的转矩。增量转矩与变速器输入构件处的计算的转矩或者通过计算的发动机阻尼器力矩而修正的计算的起动转矩大小相等但方向相反。在图1所示的实施例中，变速器输入构件处的转矩为行星架30处的转矩。在优选实施例中，归因于距发动机18相对较近，起动转矩τcrank由发电机32进行补偿。

作为额外的优势，以上所描述的动态模型可考虑与时间相关的系统状态的变化，而已知的方法使用与查找表结合的静态模型并且响应性较低。

作为进一步的优势，测量发电机32和马达16的转速的步骤、计算起动转矩的步骤以及控制马达16或发电机32补偿起动转矩的步骤都可通过mgcu19来执行。通过在mgcu19内执行所有步骤，各种控制器之间的can总线传输延迟被最小化。

现参照图4，以流程图的形式提供了根据本公开控制车辆的方法。所述方法始于块60。

在操作62处，判断发动机启动或停止事件是否正在发生，例如，发动机是否正在起动。如果判断是否定的，即，启动或停止事件没有发生，那么控制继续进行到块64。如块64处所示，根据默认的控制逻辑控制马达16和发电机32。然后控制回到操作62。因此，除非(以及直到)发动机启动或停止事件发生，否则根据默认的逻辑控制马达16和发电机32。

回到操作62，如果判断是肯定的，即，发动机启动或停止事件正在发生，那么控制继续进行到块66。如块66处所示，使用当前曲柄角度测量值θ对状态矢量x进行初始化。当前曲柄角度测量值θ可通过(例如)发动机曲柄角度传感器来获得。如以上所讨论的以及如图2所示，状态矢量x代表当前活塞位置，从而代表汽缸体积，并且状态矢量x是曲柄角度测量值θ的函数。然后控制继续进行到块68。

如块68处所示，确定当前行星架转速。这可包括根据马达16的测得转速和发电机32的测得转速的函数并基于与行星齿轮组24相关联的传动比(gearingratio)来计算行星架转速。此外，例如，如以上所讨论的，根据发动机转速的函数来计算发动机摩擦力矩。例如，如以上所讨论的，还根据计算的发动机转速和计算的曲柄位置的函数来计算汽缸摩擦力矩。另外，例如，如以上所讨论的以及在式8中示出的，基于发动机阻尼器的位置、行星架转速以及发动机转速来计算发动机阻尼器力矩。然后控制继续进行到块70。

如块70处所示，例如，如以上所讨论的以及在式12和13中示出的，计算封闭系统汽缸压力。然后，控制继续进行到块72。

如块72处所示，例如，如以上所讨论的以及在式16中示出的，运行气门正时算法以计算最终汽缸压力。然后，控制继续进行到块74。

如块74处所示，例如，如以上所讨论的以及在式17中示出的，计算起动转矩。然后，控制继续进行到块76。

如块76处所示，控制马达16或发电机32以提供补偿转矩。这可包括控制马达16或发电机32以提供基准转矩与增量转矩之和。基准转矩对应于用来满足当前车辆动力需求所需要的转矩，并且基于当前车辆速度和车辆动力需求基本上可以是非零的。增量转矩与计算的行星架转矩(即，通过计算的发动机阻尼器力矩而修正的计算的起动转矩)大小相等但方向相反。然后，控制继续进行到操作78。

如操作78处所示，判断发动机是否仍在起动。如果判断是肯定的，即，发动机仍在起动，那么控制继续进行到块80。

如块80处所示，例如，如以上所讨论的以及在式3-7中示出的，运行模型状态方程。然后，控制继续进行到块68。因此，除非(以及直到)发动机完成启动或停止事件(即，直到起动完成)，否则继续通过模型计算发动机起动转矩，并且控制马达16或发电机32以补偿起动转矩。

回到操作78，如果判断是否定的(即，发动机不再起动)，那么控制继续进行到块82并且算法结束。

可见，本公开提供一种系统和方法，所述系统和方法用于补偿发动机中的起动转矩扰动，从而减小噪声、振动和声振粗糙度并且提高客户满意度。另外，通过实施具有有限数量的输入的动态模型，根据本公开的系统可以以高响应速率提供这些优点。

在此公开的处理、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机，或者可通过所述处理装置、控制器或计算机来实现，其中，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，所述处理、方法或算法可以以多种形式被存储为通过控制器或计算机可执行的数据和指令，其中，所述多种形式包括但不限于永久存储在不可写的存储介质(诸如，rom装置)中的信息以及可变地存储在可写的存储介质(诸如，软盘、磁数据带存储器、光学数据带存储器、cd、ram装置以及其它磁介质和光学介质)中的信息。所述处理、方法或算法也可被实现为软件可执行对象。可选地，可使用合适的硬件组件(诸如，专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、状态机、控制器或任意其它硬件组件或装置)或者硬件、软件和固件组件的组合来整体或部分地实施所述处理、方法或算法。

如前所述，可将各种实施例的特征组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管针对一个或更多个期望特性，各种实施例可能已经被描述为提供优点或者优于其它实施例或现有技术实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，根据特定的应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术实施方式满足期望的实施例并不在本公开的范围之外，并可被期望用于特定的应用。

虽然上文描述了示例性实施例，但并非意味着这些实施例描述了权利要求书所包括的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。