一种抑制发动机扭矩脉动的方法和混合动力系统与流程

本发明属于动力控制技术领域，特别涉及一种抑制发动机扭矩脉动的方法和混合动力系统。

背景技术：

往复活塞式发动机依靠各缸点火产生动力，而点火产生的载荷属于冲击载荷，此时容易导致发动机曲柄连杆末端对外输出扭矩的脉动幅度数倍于其平均载荷，引起零部件疲劳和振动噪声问题。为了抑制发动机的脉动，通常在发动机动力系统中设置飞轮和扭转减振机构，通过这些硬件结构降低此扭矩脉动，虽然起到了一定的作用，但是增大了动力系统的制造成本。其中，发动机扭矩脉动为发动机瞬时扭矩与平均输出扭矩之差。

近年来有学者提出基于发动机状态监测的扭振脉动抑制方法，该方法通过实时观测发动机的状态，判断当前发动机扭矩波动情况，依靠电机输出与发动机扭矩脉动相反的扭矩，以抵消脉动，实现扭振脉动的抑制。此方法虽然对扭矩脉动的抑制效果十分显著，但需添加传感器实现对观测发动机状态(例如发动机缸压传感器等)，提升了系统复杂程度和提高了制造成本；此外，将发动机信息传递至电机控制器需进行额外信息交互，而信息交互过程往往伴随时间延迟，影响动力系统的动态性能。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明公开了一种抑制发动机扭矩脉动的方法和混合动力系统，以克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面公开一种抑制发动机扭矩脉动的方法，所述方法用于混合动力系统，包括如下步骤：

步骤1，通过试验，或试验与仿真计算相结合的方式，获取发动机的状态数据，所述状态数据包括：转速ω、输出扭矩t和曲柄连杆转角θ，并根据各状态数据下，确定发动机扭矩脉动随曲柄连杆转角θ的脉动函数；

步骤2，建立以所述曲柄连杆转角θ为自变量，以补偿扭矩为因变量的补偿函数，对所述补偿函数进行优化，使得所述补偿扭矩和所述发动机扭矩脉动之和在整个曲柄连杆转角角度域内，等于0或接近于0；

步骤3，将所述补偿函数与控制软件编译整合，写入电机控制器内；

步骤4，在发动机和电机运行时，通过检测电机轴角度，推算所述曲柄连杆转角，并根据所述补偿函数，计算出所述补偿扭矩；根据所述电机控制器的控制，电机输出正常工作扭矩的同时，叠加输出所述补偿扭矩，从而实现对所述发动机扭矩脉动的抑制。

进一步地，所述步骤4中还包括：在发动机和电机运行时，通过获取所述发动机的输出扭矩和所述发动机的转速，动态更新所述补偿函数中各特征参数。

进一步地，获取所述发动机的输出扭矩和所述发动机的转速的方式为：

实时采集所述电机的转速和所述电机的需求扭矩，根据所述电机的转速换算得到所述发动机的转速，将所述电机的需求扭矩视为所述发动机的输出扭矩。

进一步地，所述补偿函数为正弦波、三角波、梯形波或方波形式的函数；或，

所述补偿函数为若干正弦波、三角波、梯形波和/或方波相加形式的函数；或，

所述补偿函数与所述脉动函数的值互为相反数。

进一步地，所述动态更新补偿函数中各特征参数具体为：

获取所述发动机在不同转速和输出扭矩下各所述特征参数的寻优结果，将所述寻优结果制备成表格；在动态更新所述补偿函数时，根据获取所述发动机的转速和所述发动机的输出扭矩，在所述表格中查找出对应的所述特征参数。

进一步地，通过使所述补偿扭矩与发动机输出扭矩之和在全角度域范围内均方根值最小时，获得各所述特征参数的寻优结果。

进一步地，所述动态更新补偿函数中的特征参数具体为：

以所述特征参数为因变量，所述转速和所述输出扭矩为自变量，进行曲线拟合，获得各所述特征参数的二元函数表达式；在进行动态更新所述补偿函数时，将获取的所述发动机的转速和所述发动机的输出扭矩带入所述二元函数表达式中，计算出对应的所述特征参数。

进一步地，所述电机输出正常工作扭矩的同时，根据所述电机控制器再输出所述补偿扭矩具体为：通过如下公式，把所述补偿扭矩叠加到所述电机的输出扭矩上；

t输出＝t传统+λ·i·t补偿

其中，t补偿为补偿扭矩，t输出为电机最终的输出扭矩，t传统为电机正常工作时的输出扭矩，i为电机转速与发动机转速比，λ为补偿扭矩的施加比例。

进一步地，当所述电机的最大输出扭矩小于t传统+λ·i·t补偿时，所述电机按照最大输出扭矩进行输出。

本发明另一方面公开一种混合动力系统，所述混合动力系统包括发动机和电机，并执行上述任一项所述的抑制发动机扭矩脉动的方法。

本发明的优点及有益效果是：

本发明中的方法中，无需添加硬件结构，在不提升动力系统成本的基础上即可实现发动机扭振脉动的抑制，极大降低了动力系统的制造成本和复杂程度；并且该方法需采集的信息仅限于电机本身，规避各系统间信息交互造成的延迟，大幅提升了动力系统的动态性能和鲁棒性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明的一个实施例中抑制发动机扭矩脉动的方法的实施流程图；

图2为本发明的一个实施例中当补偿函数为单个正弦函数时的补偿扭矩与扭矩脉动的曲线图；

图3为本发明的一个实施例中当补偿函数为两个正弦函数叠加时的补偿扭矩与扭矩脉动的曲线图；

图4为本发明的一个实施例中当补偿函数为三个正弦函数叠加时的补偿扭矩与扭矩脉动的曲线图；

图5为本发明的一个实施例中当补偿函数与脉动函数的值互为相反数时的补偿扭矩与扭矩脉动的曲线图；

图6为本发明的一个实施例中扭矩脉动抑制效果随补偿扭矩施加比例的变化曲线图；

图7为本发明的一个实施例中距发动机表面50cm处的平均声压量级曲线图；

图8为本发明的一个实施例中距发动机表面50cm处的平均声压频谱图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

本发明一个实施例中公开一种抑制发动机扭矩脉动的方法，该方法用于混合动力系统，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1，发动机扭矩脉动特性曲线的获取阶段。即通过试验，或试验与仿真计算相结合的方式，获取发动机的状态数据，状态数据包括：转速ω、输出扭矩t(发动机平均输出扭矩)和曲柄连杆转角θ，并根据各状态数据下，确定发动机扭矩脉动随曲柄连杆转角θ的脉动函数，即获得获取发动机的各转速ω和输出扭矩t条件下，发动机扭矩脉动随曲柄连杆转角θ的变化规律。获得该变化规律的方式很多，例如：可通过试验获得各工况下发动机缸压变化信息，结合动力系统的机械参数，计算获得发动机输出扭矩t随曲柄连杆转角θ的变化规律，将各曲柄连杆转角θ下发动机扭矩瞬时值与平均值相减，即可获得发动机扭矩脉动随曲柄连杆转角θ的变化规律。

不同转速ω和输出扭矩t情况下，发动机扭矩脉动随曲柄连杆转角θ的变化规律不同，因此，发动机扭矩脉动可以式(1)表达：

t脉动＝f(θ,t,ω)式(1)

式(1)中，t脉动为发动机扭矩脉动。

对于发动机具体的某个转速ω和输出扭矩t的工况下，输出扭矩t和转速ω为已知量，则式(1)可简化为：

t脉动＝f(θ)式(2)

步骤2，扭振抑制策略函数化表达阶段。建立以曲柄连杆转角θ为自变量，以补偿扭矩为因变量的补偿函数，对补偿函数进行优化，使得补偿扭矩和发动机扭矩脉动之和在整个曲柄连杆转角角度域内，等于0或接近于0。

设建立的补偿函数关系式为：

t补偿＝g(θ,a1,a2,a3,…,an)式(3)

式(3)中，t补偿为补偿扭矩，a1,a2,a3,…,an为函数中的特征参数，n为正整数。通常征参数的数量越多，越容易使补偿扭矩t补偿与发动机的扭矩脉动t脉动之和逼近零，即扭矩抑制程度越充分；但也容易导致实时控制时计算量过大，导致控制延迟，影响控制效果。这些特征参数应随工况变化而变化，可通过发动机的转速ω和输出扭矩t进行表达。即：

(a1,a2,a3,…,an)＝h(t,ω)式(4)

步骤3，扭振抑制策略编译阶段。将补偿函数与控制软件编译整合，写入电机控制器内，实现实际控制软件的编译。其中，需编译入实际控制软件的函数关系主要有两个，其一为补偿扭矩随曲柄连杆角θ和特征参数的变化关系，即式(3)；其二为特征参数随发动机转速ω和输出扭矩t的变化关系，即式(4)。

在混合动力系统中，电机的作用不止于抑制发动机扭矩脉动，在传统设计中，电机还有其他功用，例如带动负载、调节转速等。因此，在进行软件编译时需注意，本发明中的抑制扭矩脉动方法需与电机的传统功用相结合。

步骤4，扭振抑制控制实施阶段。在发动机和电机运行时，通过实时高频检测获取电机轴角度，推算曲柄连杆转角，并根据补偿函数，计算出补偿扭矩；根据电机控制器的控制，电机输出正常工作扭矩的同时，叠加输出补偿扭矩，从而实现对发动机扭矩脉动的抑制。具体原理为：令电机额外输出一个方向与发动机扭矩脉动相反的补偿扭矩，可抵消发动机扭矩脉动，显著降低由扭矩脉动引起的零部件疲劳、振动噪声等问题。

电机轴角度获取频率需很高，一般而言，需保证在电机旋转一周的时间内，采集的样本点至少不低于60个，以180个以上为宜，这就需要使采样频率达到10khz以上，即采样间隔需为100μs以下。以车载发动机为例，其与外界其它系统往往以can总线(controllerareanetwork,控制器局域网络)传递信息，而can总线的报文发送/接收时间间隔往往远大于100μs。因此，如果依靠发动机采集曲柄连杆角，再通过can总线将此信息传递至电机控制系统，很难满足控制需求；而如果大幅提升信号采集系统动态性能，或添加专用信息传输线，以更高频率传递此信息，则会显著增加系统成本。而电机一般设有旋转变压器或霍尔传感器等传感系统，在系统设计阶段，校准此传感器所反馈的电机轴角度与发动机曲柄连杆角的关系，即可在实施扭振抑制控制时，依靠此传感器监测电机轴角度，进而推算发动机曲柄连杆角。由于旋转变压器或霍尔传感器等传感系统为电机附件，其信息天然传递给电机控制器(而无需经过can总线)，电机控制系统可轻易实现10khz以上的采样频率，无需增加其他硬件进行动力系统的数据采集。当然，直接利用发动机采集曲柄连杆角，进行补偿函数的计算，仍需视为在本发明的保护范围内。

综上，本发明中的方法为前馈型控制方法，其中步骤1-3为离线实现，即在动力系统出厂前实施；步骤4为在线实现，即在动力系统使用中实施，由电机控制系统自动完成，无需人工参与。该方法无需添加传感器和信号传输线等硬件设备，在不提升动力系统成本的基础上即可实现发动机扭振脉动的抑制，极大降低了动力系统的制造成本和复杂程度；并且该方法需采集的信息仅限于电机本身，规避各系统间信息交互造成的延迟，大幅提升了动力系统的动态性能和鲁棒性。另外，该方法特别适用于电机额定功率大于或接近于发动机常用工作功率的动力系统，例如混合动力汽车的驱动系统。对于此类系统，补偿扭矩通常不超过电机最大扭矩输出能力，因此可按50％以上甚至100％比例输出补偿扭矩，减振效果极为显著。

在一个实施例中，步骤4中还包括：在发动机和电机运行时，通过获取发动机的输出扭矩和发动机的转速，动态更新补偿函数中各特征参数。具体为：实时采集发动机的转速和输出扭矩，用于动态更新补偿函数中各特征参数，从而确保补偿扭矩与当前工况下发动机扭矩脉动可有效抵消。

优选地，获取发动机的输出扭矩和发动机的转速的方式为：

实时采集电机的转速和电机的需求扭矩，根据电机的转速换算得到发动机的转速，将电机的需求扭矩视为发动机的输出扭矩。通过电机上设置的旋转变压器或霍尔传感器等传感系统实时获取电机的转速，由于发动机电机轴与电机轴之间一般有确定的速比关系，即可很容易换算出发动机的转速。通过对发动机性能进行标定，使发动机的输出扭矩与发动机接收到的扭矩指令相等，电机接收扭矩指令信息(即电机的需求扭矩)与发动机接收的扭矩指令信息完全一致。因此，可将电机接收扭矩指令信息(即电机的需求扭矩)视为当前工况下发动机的输出扭矩。通过上述方法获得发动机的输出扭矩和发动机的转速，无需实时采集发动机的状态信息，进一步规避各系统间信息交互造成的动力系统控制延迟，保证了发动机扭矩脉动抑制的及时性。

其中，电机转速和电机接收的扭矩指令信息(即电机的需求扭矩)获取频率需可与发动机工况变化频率相适应。例如有些发动机运行工况相对稳定，发动机的输出扭矩与转速变化频率较低，则较低的采样频率即可满足控制需求；而对于车载发动机等系统而言，发动机的输出扭矩和转速变化速度较快，则需稍高的采样频率(例如10～100hz)。

在一个实施例中，补偿函数为正弦波、三角波、梯形波或方波形式的函数；本实施例以正弦函数为例：

t补偿＝a1·sin(n·θ+a2)式(5)

式中，n为发动机每转一圈的点火次数。例如，对于四缸四冲程发动机，n＝2；对于六缸四冲程发动机，n＝3。

正弦函数包括幅值、频率、相位三个特征参数，由于点火造成的脉动是发动机扭矩脉动的最主要组成部分，因此，如果以单一正弦波、三角波、梯形波等作为补偿扭矩，则将其频率固定为点火频率，而不作为随输出扭矩和转速变化的特征参数。则特征参数仅为幅值和相位两个，即分别为式(5)中的a1和a2。

如图2所示，在发动机特定的转速和输出扭矩下，补偿扭矩随曲柄连杆转角的变化规律为正弦函数，将其叠加至发动机扭矩脉动后形成抑制后的扭矩，相比于原始发动机扭矩脉动，抑制后的脉动明显降低。

在一个实施例中，补偿函数为若干正弦波、三角波、梯形波和/或方波相加形式的函数；比如：可以用两个正弦波和一个三角波相加作为此函数。本实施例以两个正弦波相加组成的函数和三个正弦波相加组成的函数为例：

t补偿＝a1·sin(n·θ+a2)+a3·sin(2n·θ+a4)式(6)

t补偿＝a1·sin(n·θ+a2)+a3·sin(2n·θ+a4)+a5·sin(3n·θ+a6)式(7)

由于是若干正弦波、三角波、梯形波等叠加的形式作为补偿扭矩，则将其频率固定为点火频率的1倍、2倍、3倍、4倍……。对于以两个正弦波组成的函数，特征参数包括基频(点火频率的1倍)正弦波幅值、基频正弦波相位、二倍频(点火频率的2倍)正弦波幅值和二倍频正弦波相位共四个特征参数，即式(6)中的a1，a2，a3和a4；对于以三个正弦波组成的函数，特征参数增加三倍频(点火频率的3倍)正弦波幅值a5和三倍频正弦波相位a6，即式(7)中的a1，a2，a3，a4，a5和a6六个特征参数。

图2为当补偿函数为单个正弦函数时的补偿扭矩与扭矩脉动的曲线图；

图3为当补偿函数为两个正弦函数叠加时的补偿扭矩与扭矩脉动的曲线图；

图4为当补偿函数为三个正弦函数叠加时的补偿扭矩与扭矩脉动的曲线图；通过对比图2、图3和图4可以发现，补偿函数中特征参数越多，发动机扭矩脉动的抑制效果越明显。

在一个实施例中，补偿函数与脉动函数的值互为相反数。即：

t补偿＝－t脉动＝－f(θ)式(8)

其中，特征参数即为各曲柄连杆转角对应的扭矩脉动值的相反数，由于特征参数不可以无穷多，因此需以有限个坐标点描述此函数。以四缸四冲程发动机为例，发动机扭矩脉动可近似视为每180°变化一个周期。例如，若以10个点描述此变化规律，可将0°、18°、36°……162°曲柄连杆转角对应的发动机扭矩脉动的相反数作为特征参数，即a1＝－f(0)，a2＝－f(18)，a3＝－f(36)，……，a10＝－f(162)。将此十个点采用线性插值或其它插值方法连接，即可建立补偿扭矩与曲柄连杆转角的函数关系。从图5可以看出，此方法从理论上对发动机扭矩脉动具有更明显的抑制效果，但特征参数较多，且部分曲柄连杆转角范围内补偿扭矩变化剧烈，意味着电机扭矩响应速度需很快，才能确切按此种函数施加补偿扭矩。因此，在实际使用此方法时，应综合电机扭矩响应速度、电机控制器运算能力和对扭矩脉动抑制幅度的需求等因素，选择合适的函数表达形式。

在一个实施例中，动态更新补偿函数中各特征参数具体为：

获取发动机在不同转速和输出扭矩下各特征参数的寻优结果，将寻优结果制备成表格；在动态更新补偿函数时，根据获取发动机的转速和发动机的输出扭矩，在表格中查找出对应的特征参数。

优选地，通过使所述补偿扭矩与发动机输出扭矩之和在全角度域范围内均方根值最小时，获得各所述特征参数的寻优结果，图2、图3和图4为通过该方法得到的补偿扭矩的曲线图。实际使用的补偿函数亦可根据评估方法和扭振抑制需求的不同而有所调整，例如可调整使抑制后的扭矩在全曲柄连杆转角角度域范围内绝对值之和最小。

在一个实施例中，动态更新补偿函数中的特征参数具体为：

以特征参数为因变量，以发动机的转速和输出扭矩为自变量，进行曲线拟合，获得各特征参数的二元函数表达式；在进行动态更新补偿函数时，将获取的发动机的转速和发动机的输出扭矩带入二元函数表达式中，计算出对应的特征参数。即：

a1＝h1(t,ω)

a2＝h2(t,ω)

a3＝h3(t,ω)

……

an＝hn(t,ω)式(9)

在一个实施例中，电机输出正常工作扭矩的同时，根据电机控制器再输出补偿扭矩具体为：通过如下公式，把补偿扭矩叠加到电机的输出扭矩上；其中，根据电机能力或实际抑制需求，将补偿扭矩按一定比例进行缩放，然后加到电机的输出正常工作扭矩上。

t输出＝t传统+λ·i·t补偿式(10)

其中，t补偿为补偿扭矩，t输出为电机最终的输出扭矩，t传统为电机正常工作时的输出扭矩，i为电机转速与发动机转速比，λ为补偿扭矩的施加比例，λ的设置是为了使电机输出的补偿扭矩与其实际能力相适应。

图6是以三个正弦函数相加组成的多项式补偿扭矩随曲柄连杆转角变化关系的情况下，扭振抑制效果随补偿扭矩施加比例的变化关系图。如图6所示，在补偿扭矩施加幅度为100％时，扭矩脉动的均方值下降了98.25％；而补偿扭矩施加幅度为70％时，扭矩脉动的均方值下降了89.44％；即便仅按20％的幅度施加补偿扭矩，也可使扭矩脉动均方值降低35.40％。试验表明，当扭矩脉动抑制80％以上时，发动机噪声品质已很柔和，进一步提升降幅意义不大。而补偿扭矩施加比例的变化，会带来电机效率的变化(变化规律随工况不同而不同，施加扭振抑制不一定使电机效率降低，但如果施加扭振抑制幅度比例很高，则往往需牺牲一定的电机效率)。在扭振抑制幅度满足需求的情况下，应当参考其他性能指标，综合优化确定适当的补偿扭矩施加比例。

在一个实施例中，当电机的最大输出扭矩小于t传统+λ·i·t补偿时，电机按照最大输出扭矩进行输出。在混合动力系统的一些应用领域中，电机仅用于在点火阶段带动发动机使其点火，这类电机的最大扭矩输出能力有限，无法按较高比例施加补偿扭矩。只能按很低比例(例如20％)施加补偿扭矩，即便无法完全抑制扭矩脉动，也可在一定程度上降低脉动幅度。实际上，出于电机综合效率等多种因素考虑，100％施加补偿扭矩，往往并不是使动力系统的综合性能达到最优的解决方案。

发明人已成功将补偿函数与控制软件编译整合，写入量产电机控制器内，以其控制某增程器系统的发电机，并在实验室条件下对扭振抑制控制效果进行了验证。试验时，在距离发动机表面50cm处布置了三个声压传感器，以三者平均声压评价测试结果。为对比扭振抑制效果，试验时间歇开启扭振脉动抑制功能，其中，图7和图8中对应的8.2秒～137秒、17.7～21.3秒为开启发动机扭振脉动抑制功能的时间段。图7为实验室环境下，距离发动机表面50cm处平均声压的量级，图8为其频谱图。图7中横坐标为时间，纵坐标为该时刻的声音量级；图8中横坐标为时间，纵坐标为频率。从图7可以看出，在试验工况下，施加扭振脉动抑制状态下的声压，相比于不施加扭振脉动抑制时降低约14db(a)。

本发明一个实施例中公开一种混合动力系统，该混合动力系统包括发动机和电机，并执行上述任一个实施例中的抑制发动机扭矩脉动的方法。该混合动力系统中发动机扭矩脉动的抑制效果好，振动噪声小。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。