微混合动力系统的自适应扭矩减轻的制作方法
本申请还要求2017年3月13日提交的美国临时申请号62/470,487的优先权，该美国临时申请通过援引以其全文并入本文。
本发明涉及一种用于内燃发动机的动态点火水平控制系统。更具体地，本发明涉及使用自适应控制来生成施加到动力传动系的平滑扭矩来减少噪声、振动和声振粗糙度(nvh)的布置和方法。
背景技术：
现今在运行中的多数车辆是通过内燃(ic)发动机来供能的。内燃发动机典型地具有多个汽缸或发生燃烧所在的其他工作室。发动机生成的动力取决于递送到每个工作室的燃料和空气的量以及发动机速度。
汽缸的燃烧过程和点火可能引起不想要的噪声、振动和声振粗糙度(nvh)。例如，发动机可以将振动传递到车身，在这里振动可以被车辆乘员感知到。声音也可以通过底盘传输到车辆的车厢内。在某些运行条件下，汽缸的点火通过排气系统和尾管生成所不希望的声学效应。因此，车辆乘员可能因结构传播的振动或通过空气传播的声音而经历不希望的nvh。因此，正在努力减少由内燃发动机生成的nvh的量。
技术实现要素：
描述了用于在混合动力传动系中减少噪声、振动和声振粗糙度(nvh)的各种方法和布置。
在一方面，描述了一种电动机/发电机控制器，该电动机/发电机控制器用于操作用作混合动力传动系中的辅助扭矩源/汇的电动机/发电机，该混合动力传动系包括以点火序列操作的内燃发动机。该电动机/发电机控制器包括匹配基函数控制模块，该匹配基函数控制模块被布置成用于基于各种输入信号生成用于电动机/发电机的控制信号。到匹配基函数控制模块的输入信号包括指示点火序列长度的参数、指示点火序列相位的参数、曲柄角信号、以及nvh度量信号。匹配基函数控制模块可以包括生成至少一个正弦和余弦基对的匹配基函数发生器。该nvh度量信号可以基于曲轴旋转信号或该曲轴旋转信号的时间导数。该匹配基函数控制模块包括匹配基函数系数模块，该匹配基函数系数模块可以使用递归最小二乘算法或最小均方算法来确定对至少一个正弦和余弦基对进行加权的系数。
在另一方面，描述了一种用于操作用作混合动力传动系中的辅助扭矩源/汇的电动机/发电机的方法，该混合动力传动系包括以点火序列操作的内燃发动机。该方法包括：使用匹配基函数控制算法生成用于该电动机/发电机的控制信号以提供可接受的nvh度量并使燃料消耗最小化。该匹配基函数控制算法使用正弦和余弦信号，该正弦和余弦信号与作为混合动力传动系的一部分的内燃发动机的点火序列的周期相匹配。该nvh度量信号可以基于曲轴旋转信号或该曲轴旋转信号的时间导数，并且可以取决于变速器挡位。
在又另一方面，描述了一种使用燃料高效且具有可接受的噪声、振动和声振粗糙度(nvh)特性的操作性有效点火分数来以动态点火水平调制的方式操作内燃发动机的动力传动系控制器。该动力传动系控制器包括：点火分数计算器，被布置成用于生成用于递送所请求的发动机扭矩的操作性有效点火分数；以及点火确定正时模块，被布置成用于生成用于以动态点火水平调制方式操作该发动机的点火序列。该点火序列基于该操作性有效点火分数。匹配基函数控制模块被布置成用于确定由能量储存/捕获/释放装置施加到动力传动系的平滑扭矩，其中，该平滑扭矩被布置成用于至少部分地抵消由该跳过点火式点火序列生成的扭矩变化，由此减少否则会由该跳过点火式点火序列生成的nvh。
在又一方面，描述了一种用于操作具有多个工作室的内燃发动机的动力传动系控制器，使得处于点火时机的工作室可以以燃料高效且具有可接受的噪声、振动和声振粗糙度(nvh)特性的方式以低扭矩输出点火或高扭矩输出被点火。该动力传动系控制器包括点火分数计算器，该点火分数计算器被布置成用于生成用于递送所请求的发动机扭矩的操作性有效点火分数。点火确定正时模块被布置成用于生成用于操作发动机的点火序列。该点火序列基于该操作性有效点火分数。该动力传动系控制器是自适应控制器，该自适应控制器被布置成用于确定由能量储存/捕获/释放装置施加到动力传动系的平滑扭矩，其中，该平滑扭矩被布置成用于至少部分地抵消由该跳过点火式点火序列生成的扭矩变化，由此减少否则会由该点火序列生成的nvh。
在又一方面，描述了一种用于操作具有多个工作室的内燃发动机的方法，其中，在某个点火时机，该多个工作室之一可以以燃料高效且具有可接受的噪声、振动和声振粗糙度(nvh)特性的方式以低扭矩输出点火或高扭矩输出被点火。该方法包括生成用于递送所请求发动机扭矩的操作性有效点火分数并基于该操作性有效点火分数来生成点火序列。通过自适应控制来确定由能量储存/捕获/释放装置施加给动力传动系的平滑扭矩。该平滑扭矩被布置成用于至少部分地抵消由该点火序列生成的扭矩变化，由此减少否则会由该点火序列生成的nvh。该自适应控制可以利用自适应滤波器前馈控制或匹配基函数控制。
在又一方面，描述了一种计算机可读存储介质，包括以有形形式实施并且适于操作内燃发动机的可执行计算机代码，使得处于点火时机的工作室可以以具有可接受的噪声、振动和声振粗糙度(nvh)特性的方式以低扭矩输出点火或高扭矩输出被点火。该计算机可读介质包括：用于生成用于递送所请求扭矩的操作性有效点火分数的可执行计算机代码以及用于生成用于操作该发动机的点火序列的可执行计算机代码。该点火序列基于该操作有效点火分数。该可执行计算机代码使用自适应控制来确定由能量储存/捕获/释放装置施加给动力传动系的平滑扭矩。该平滑扭矩被布置成用于至少部分地抵消由该点火序列生成的扭矩变化，由此减少否则会由该点火序列生成的nvh。
附图说明
参考结合附图进行的以下说明可以最佳地理解本发明及其优点，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的跳过点火式发动机控制系统中的动力传动系控制器的框图。
图2是流程图，图解地展示了根据本发明的一个实施例的用于在跳过点火式发动机控制系统中减少噪声、振动和声振粗糙度(nvh)的方法。
图3是根据本发明的一个实施例的动力传动系和动力传动系控制器的图。
图4和图5是展示根据本发明的一个实施例的、用于优化nvh的减少的示例技术的图。
图6是根据本发明的一个实施例随着不同点火分数而消耗的燃料的曲线图。
图7是根据本发明的一个实施例的发动机扭矩波形的图。
图8是叠加在图7所展示的发动机扭矩波形上的一次谐波的示例图。
图9是一次谐波的示例图。
图10是包括叠加在图7所展示的发动机扭矩波形上的一次谐波和二次谐波的波形示例图。
图11是二次谐波的示例图。
图12是根据本发明的一个实施例的跳过点火式发动机控制系统中的动力传动系控制器的框图。
图13是根据本发明的一个实施例的自适应滤波器前馈控制系统的框图。
图14是示出根据本发明的一个实施例的与汽缸点火和汽缸跳过相关联的扭矩特征的示例波形。
图15是展示根据本发明的一个实施例的具有点火正时确定模块和自适应滤波器前馈控制的动力传动系控制器的部分的框图。
图16是根据本发明的一个实施例的自适应滤波器前馈控制的方法的流程图。
图17a是根据本发明的一个实施例的滤波器模块的框图。
图17b是根据本发明的一个实施例的使用匹配基函数控制的混合动力传动系的一部分的示意图。
图17c和图17d是车辆响应滤波器和nvh响应滤波器的幅值和相位的示例性波特图。
图17e是展示根据本发明的一个实施例的角度生成模块的框图。
图18a展示了点火分数中的示例性过渡的示例。
图18b示出了示例性点火分数过渡之前、期间和之后的瞬时和平均发动机扭矩。
图18c示出了在示例性点火分数过渡之前、期间和之后从动力传动系递送/收回的电动机/发电机命令曲线和瞬时电动机/发电机扭矩。
图18d示出了在示例性点火分数过渡之前、期间和之后的总动力传动系扭矩和平均动力传动系扭矩。
图19示出了对本发明的一个实施例的模拟的示例。
在附图中，有时使用相同的附图标记来指定相同的结构元件。还应当理解，附图中的描绘是图解的而不是按比例的。
具体实施方式
本发明涉及跳过点火式发动机控制系统。更具体地，本发明涉及使用平滑扭矩来减少跳过点火式发动机控制系统中的噪声、振动和声振粗糙度(nvh)的方法和布置。
跳过点火式发动机控制设想在所选点火时机过程中选择性地跳过某些汽缸的点火。因此，例如，特定汽缸可以在一个点火时机期间被点火并且然后可以在下一个点火时机期间被跳过，并且然后在下一个点火时机期间被选择性地跳过或点火。这与常规可变排量发动机操作形成对照，在常规可变排量发动机操作中，在某些低负载运行条件期间固定的一组汽缸被停用。
跳过点火式发动机控制可以提供各种优点，包括大幅提高燃料经济性。然而，跳过点火式发动机控制的一个挑战是噪声、振动和声振粗糙度。更具体地，存在生成大量nvh的特定点火序列或点火分数。这样的nvh是不希望的，因为它可以被车辆乘员感觉到。
处理此类问题的一种方法是不使用已知会产生不可接受的nvh水平的特定点火分数或点火序列。相反地，使用其他点火分数或点火序列，并且相应地调整汽缸输出(例如，通过调整歧管绝对压力、火花提前等)，使得递送所希望的发动机输出。共同转让的美国专利申请号13/654,244中描述了这样的各种方法，出于所有目的将该申请以其整体并入本文。
本申请描述了处理nvh的另一种方法。各种实施方式涉及生成被施加到车辆的动力传动系的平滑扭矩。平滑扭矩是被施加以帮助抵消或减少发动机生成的扭矩变化的任何扭矩。平滑扭矩可以由任何合适的能量储存/捕获/释放装置生成。一个示例将是具有电池和/或电容器来储存和释放能量的电动机/发电机。可替代地，可以使用机械地、气动地或液压地储存和捕获/释放能量的任何系统或装置。例如，可以使用具有可变机械联接器的飞轮、或者具有控制去到和来自涡轮机或类似装置的流体流动的阀的高压流体储器来从动力传动系中捕获/释放能量。该平滑扭矩被施加成其方式为至少部分地减少或抵消由跳过点火式点火序列生成的噪声和振动。
在各种方法中，选择性地应用了上述平滑扭矩系统。即，许多递送所希望扭矩的点火分数和点火序列生成可接受水平的nvh，并且因此在这些情况下不需要施加平滑扭矩。在其他情况下，合适的点火分数或点火序列可能生成不希望的nvh水平，但减轻nvh所涉及的能量消耗或等效能量成本可能太大。因此，使用另一个点火分数或点火序列来递送所希望的发动机输出。在又另外的情况下，使用平滑扭矩可以允许使用否则将会由于其相关联的nvh水平而不能接受的点火分数或点火序列、并且导致节能而不是损失。在各种实施例中，平滑扭矩系统被布置成用于分析可用选项的能量成本并选择也使nvh达到可接受的水平的最具燃料效率的方法。
首先参考图1，将描述根据本发明的特定实施例的动力传动系控制器100。动力传动系控制器100包括点火分数计算器112、点火正时确定模块120、nvh减少模块121、动力传动系参数调整模块116、传感器单元122、以及点火控制单元140。点火分数计算器112、点火正时确定模块120和nvh减少模块121协调其操作，以确定用于发动机的合适的操作性点火分数和跳过点火式点火序列。取决于该操作性点火分数，这些模块还可以确定合适的平滑扭矩以减少由该点火序列生成的nvh。
点火分数计算器112接收基于当前加速踏板位置(app)、发动机速度和其他输入的扭矩请求信号111。该扭矩请求信号可以从app163被引导经过可选的预处理器105然后到达该点火分数计算器112。指示对所希望发动机输出的请求的该扭矩请求信号111可以从加速踏板位置传感器或其他合适的来源例如巡航控制器、扭矩计算器、ecu等接收或得到。可选的预处理器105可以在加速踏板信号被递送至点火分数计算器112之前修改该加速踏板信号。然而，应当理解，在其他实施方式中，该加速踏板位置传感器可以直接与点火分数计算器112通信。
基于扭矩请求信号111，点火分数计算器112确定应适合于在所选发动机操作下递送所希望扭矩并且具有可接受的nvh特性(使用或不使用平滑扭矩)的跳过点火式点火分数。每个点火分数112指示了在当前(或指定的)运行条件下递送所希望的输出所需的点火分数或百分比。在一些优选的实施例中，点火分数可以基于递送驾驶员所请求的发动机扭矩(例如，当这些汽缸在针对燃料效率进行实质性优化的运行点点火时)所需的优化点火的百分比。然而，在其他情形中，可以使用不同水平的参考点火、针对非燃料效率的因素进行了优化的点火、当前发动机设置等来确定点火分数。在各种实施例中，点火分数是选自预定点火分数的集合或库。
点火分数确定过程可以考虑各种各样的因素，包括nvh、燃料效率和所希望的扭矩。例如在一些情况下，考虑到当前发动机速度(例如，使用优化的点火)，存在以最具燃料效率的方式递送所希望扭矩的特定点火分数。如果该点火分数可供点火分数计算器使用并且还与可接受的nvh水平相关联，则点火分数计算器112选择该点火分数并将其传输到点火正时确定模块120，使得基于该点火分数可以生成适当的操作性点火序列。点火分数计算器112还向nvh减少模块121指示不需要nvh减轻，并且因此能量储存/释放装置124在该序列被用于操作发动机150时不向动力传动系施加任何平滑扭矩。
如果相反地已知上述点火分数会生成不可接受的nvh水平，则点火分数计算器仍然可以选择该点火分数来作为操作性点火分数。这样的选择是基于确定了通过向动力传动系施加合适的平滑扭矩可以将nvh减少到可接受的水平。该选择还基于确定了即使在考虑与nvh减轻相关联的能量成本时也没有其他更加燃料高效的点火分数替代选项。在这种情况下，点火分数计算器112将所选操作性点火分数传输到点火正时确定模块120，从而使得可以基于该点火分数生成合适的操作性点火序列。点火分数计算器还向nvh减少模块指示需要减轻nvh。结果，该nvh减少模块操作该能量储存/释放装置124对动力传动系施加合适量的平滑扭矩，以减少由该点火序列生成的nvh。
在又另外的情况下，点火分数计算器112可以选择较不理想地适于递送所希望扭矩的操作性点火分数，即，更适于递送不同于所希望扭矩的扭矩量、但是具有可接受的nvh特性的点火分数。因此，必须(例如，通过调整map、火花提前和其他发动机参数)调整汽缸输出来递送所希望的扭矩。然而，与其他替代方案相比，该操作性点火分数仍然更加燃料高效，其他替代方案可以包括具有差的nvh特性的点火分数，其中nvh减轻是不可能的、或最终消耗太多的能量。
点火分数计算器112被布置成用于存储和/或访问数据以帮助其进行上述确定和能量效率比较。可以使用任何合适的数据结构或算法进行这些确定。例如在一些实施例中，点火分数计算器112使用查找表来确定合适的操作性点火分数并确定是否应当施加平滑扭矩。在又另外的实施例中，点火分数计算器通过动态地计算和比较与不同的候选点火分数和/或序列相关联的能量效率来进行这样的确定。这些方法中的一些将在本申请的后文更详细地描述。
在选择合适的操作性点火分数之后，点火分数计算器112将点火分数119传输到点火正时确定模块120。点火正时确定模块120被布置成用于发出点火命令序列(例如，驱动脉冲信号113)以致使发动机150递送由所命令的点火分数119指定的点火百分比。在一些实施方式中，例如，点火正时确定模块120生成比特流，其中每个0指示跳过而每个1指示针对当前汽缸点火时机点火。
点火正时确定模块120可以以多种多样的方式生成点火序列。作为示例，σ-δ转换器作为点火正时确定模块120工作良好。在又另外的实施例中，该点火正时确定模块基于所接收的点火分数来从点火序列库中选择合适的点火序列。
如果已经确定不需要减轻由点火序列生成的nvh，则由点火正时确定模块120输出的点火命令序列(有时被称为驱动脉冲信号113)可以传递到点火控制单元140，该点火控制单元致动并命令实际的汽缸点火。在发动机150处执行点火序列期间，能量储存/释放装置124不向动力传动系施加平滑扭矩。
另一方面，如果已经确定了点火序列需要减轻，则点火分数计算器112和/或点火正时确定模块120在使用该点火序列操作发动机之前将该点火分数和/或点火序列传输到nvh减少模块121。基于这些输入，nvh减少模块121被布置成用于确定将使得由该点火序列生成的nvh去到可接受水平的合适的平滑扭矩。在各种实施例中，平滑扭矩采用被应用于动力传动系的一个或多个基本上正弦扭矩波形的形式，这些正弦扭矩波形对抗由该跳过点火式点火序列生成的扭矩的特定变化。正弦扭矩波形的自变量可以基于发动机的曲柄角。即，平滑扭矩可以被描述为平滑扭矩＝sin(f*θ+φ)，其中，θ是曲柄角，φ是相位，f＝n/4(对于v8发动机)，其中n是点火分数水平的分母。
在各种实施例中，平滑扭矩波形由能量储存/释放装置124施加到动力传动系。平滑扭矩涉及顺序地向动力传动系添加扭矩、并且然后从中减去扭矩。平滑扭矩的正时、幅值和图案可以基于各种各样的因素，包括但不限于跳过点火式点火序列、发动机速度、替代性储存装置(即电容器)中的电池电量或充电水平、以及当前汽缸数。
应当注意，这里描述的平滑扭矩的各种实施方式与使用电动机来填补由所跳过的汽缸所缺失的扭矩脉冲的一些现有技术系统不同。这样的系统需要从能量储存/释放装置124递送高带宽和振幅的扭矩脉冲。本发明的各种实施方式没有明确地尝试填补由所跳过的点火时机产生的扭矩空洞。而是，这样的实施方式考虑了由特定点火分数或点火序列生成的总扭矩特征。在这些实施方式中，控制电子装置寻求抵消与扭矩特征的一个或多个谐波相关联地扭矩变化。有利地，这种类型的控制算法需要较低带宽的能量储存/释放装置124，因为控制并不试图抵消或模拟与点火汽缸相关联的扭矩尖峰的高带宽分量。类似地，能量储存/释放装置124可以递送较低的平滑扭矩振幅，因为系统不试图模拟与点火汽缸相关联的扭矩尖峰。较低的带宽和振幅使与能量储存/释放装置124相关联的硬件更便宜并且更容易实施。该方法的另一个优点是，因为车辆乘员更强烈地感觉到较低频率的谐波，从而因此要就给定量的平滑扭矩而言，使减小所感测到的振动最大化。
可以使用任何合适的算法或技术来生成平滑扭矩波形。例如在一些实施例中，nvh减少模块121从点火正时确定模块120接收稍后将用于操作发动机150的点火序列。nvh减少模块121确定该点火序列将会生成的发动机扭矩变化。nvh的生成归咎于该发动机扭矩变化。平滑扭矩包括的变化对抗并有助于抵消发动机扭矩的一种或多种类型变化。
取决于具体应用的需要，平滑扭矩的特性可以变化很大。考虑与上文描述的类似的示例过程，在该示例过程中点火分数计算器112选择已知将生成不可接受量的nvh的操作性点火分数。因此，必须使得nvh减轻。因此，点火正时确定件120基于该操作性点火分数来生成跳过点火式点火序列，该跳过点火式点火序列被传输到nvh减少模块121以进行分析。
nvh减少模块121基于该跳过点火式点火序列、发动机速度、点火分数和/或任何其他合适的参数来确定预期的发动机扭矩。在一些实施例中，该发动机扭矩被理解为包括固定分量(即dc项)和可以用多谐波正弦波(包括一次谐波(基频)和其他谐波)表示的可变分量。固定的dc项推动车辆，并且谐波是内燃发动机在其汽缸移动通过燃烧循环的各个冲程时生成的扭矩变化的不可避免的结果。这些谐波正弦波或发动机扭矩变化被认为是nvh的来源。nvh减少模块121确定平滑扭矩，该平滑扭矩将使用特定图案或序列来施加至动力传动系。在各种实施例中，平滑扭矩图案或序列(例如，频率、幅值和相位)的特性被设计成至少部分地抵消或对抗所选组的一个或多个谐波正弦波。
这个概念的示例在图7至图11中示出。图7是展示向曲轴/动力传动系施加的发动机扭矩(n*m)随发动机角度而变的曲线图。即，该曲线图指示了表示由样本跳过点火式点火序列生成的发动机扭矩的波形702。在该示例中，平均扭矩约为87n*m。这个平均扭矩是发动机扭矩的固定分量，即dc项。利用傅立叶分析技术，发动机扭矩波形702可以表示为这个固定分量和多个各自具有固定振幅的不同谐波的总和。(即，包括一次谐波，二次谐波…十次谐波等的多个谐波。)
图8中示出了示例dc加一次谐波波形802，其叠加在发动机扭矩波形702上。偏移的一次谐波波形802具有与波形702的基频相匹配的频率。从图8中可以看到，偏移的一次谐波波形802与大部分的发动机扭矩波形702相匹配。可以通过从波形802中减去平均扭矩(例如，87n*m的dc偏移量)来区分出一次谐波分量。这得到了图9的一次谐波波形902。在各种实施例中，平滑扭矩波形被生成来抵消波形902，即当波形902向动力传动系增加扭矩时从动力传动系削减扭矩，并且当波形902从动力传动系中削减扭矩时，向动力传动系增加扭矩。
除了振幅可能不同并且相位有所偏移(例如，180°)之外，各种方法涉及具有与所选组的一个或多个谐波正弦波的特性大致相同或基本相似的特性(例如，频率)的平滑扭矩，从而使得平滑扭矩减小或抵消所选(多个)谐波正弦波。在一些实施例中，平滑扭矩被布置成仅对抗一次谐波、基于一次谐波和/或具有与之相同的频率。即，在各种实施例中，平滑扭矩不是基于预期发动机扭矩中的其他谐波、具有与这些其他谐波不同的频率和/或不对抗这些其他谐波。发明人已经确定，在各种应用中，为了使nvh达到可接受的水平，仅需要抵消或减少一个或几个谐波正弦波。在图7至图9所示的示例情况中，可以简单地将平滑扭矩配置为抵消一次谐波波形902或将其减少到可接受水平。因此，平滑扭矩可以具有与一次谐波波形902相同的频率和振幅、但可以简单地相位偏移180度。在又另外的实施例中，平滑扭矩考虑并且对抗多个谐波(例如，一次谐波和一个或多个其他谐波等)
在另外的实施例中，可以向平滑扭矩添加dc项。如果dc项足够大，则平滑扭矩将一致地在一个方向上；这可以消除或减少当能量储存/释放装置跨越零净递送扭矩时产生的任何非线性行为(例如，死区、摆动等)的影响。dc项可以在任一方向上，即能量储存/释放装置可以储存来自动力传动系的能量或释放能量到动力传动系。dc项可以为零。dc的幅值和符号可以取决于许多因素，包括电池或电容器电量水平、扭矩需求、或其他操作特性。
图10展示了由波形1002表示的恒定项和两个谐波(即，一次谐波和二次谐波)与示例性发动机扭矩波形702区分开并叠加在其上。从图8和10中可以看出，与图8中单独的偏移的一次谐波的情况相比，这两个谐波当组合时甚至更好地匹配发动机扭矩波形702的整体变化。图11展示了二次谐波波形1102，该二次谐波波形表示在dc和一次谐波项被去除之后的二次谐波。从图9和11中可以看出，一次谐波波形902的振幅明显大于二次谐波波形1102的振幅。即，发动机扭矩波形702具有的一次谐波分量比二次谐波分量更大。较大的一次谐波分量通常将会生成更多不希望的nvh，并且因此控制算法可以集中于抵消或减少此谐波分量。在各种应用中，平滑扭矩被布置成仅对抗第一谐波(例如，图9的波形902)、而不对抗任何其他谐波。已经确定的是，在一些设计中，这简化了平滑扭矩的计算和实施方式、并且然而仍足以使nvh降到可接受的水平。在又另外的实施例中，平滑扭矩被布置成抵消或对抗多个谐波(例如，包括波形902和1102的复合波形)。抵消较高次谐波可能有利于减少由诱发振动引起的声学噪声。例如，可以基本上抵消一次谐波以及除二次谐波以外的一些谐波。确切地可以有利地基本上抵消或减少在车厢隆隆作响的频率附近的谐波。
取决于不同的条件和应用，可以改变平滑扭矩的幅值(例如，振幅)。例如，在各种实施例中，平滑扭矩的幅值显著低于它所对抗的发动机生成的(多个)谐波正弦波的幅值。在这些实施例中，平滑扭矩的幅值被布置成用于减少、而不是消除发动机nvh并且使nvh低于被确定为车辆乘员可接受的预定义水平。限定这个预定义nvh水平的因素在不同的发动机和车辆设计之间可能有所不同。在各种实施例中，执行用户测试以确定nvh的可接受水平。另外，也可以基于各种各样条件动态地调整nvh的该预定义可接受水平，例如加速踏板位置、加速踏板位置的变化率、道路状况、挡位、车辆速度、车厢噪声水平、发动机怠速的存在、以及任何其他合适的参数。这样的条件可以由一个或多个合适的传感器来检测。
在一些实施方式中，还基于从传感器单元122接收的反馈来调整平滑扭矩。传感器单元122包括可以检测各种各样发动机参数的一个或多个传感器，包括但不限于曲轴速度/加速度、加速度计数据、振动等。作为示例，加速度计可以定位在座椅轨道处、邻近于ecu和/或在其内部，以便检测车辆乘员感觉到的振动。基于从传感器单元122接收到的反馈，动态地调整平滑扭矩。作为示例，可以基于传感器输入来改变平滑扭矩序列的正时(相位)和幅值。应当理解，不需要上述传感器反馈，并且在各种实施例中，平滑扭矩生成系统是前馈系统。
一旦nvh减少模块准备了合适的平滑扭矩，该nvh减少模块就操作该能量储存/释放装置124将该平滑扭矩施加给动力传动系。施加平滑扭矩与在发动机120处执行相应点火序列相协调。结果，平滑扭矩对抗发动机扭矩的特定变化，并且由跳过点火式点火序列生成的nvh减少。
在所展示的实施例中，提供了与点火分数计算器112合作的可选的动力传动系参数调整模块116。动力传动系参数调整模块116指导点火控制单元140来适当地设定所选动力传动系参数以确保实际的发动机输出基本上等于在所命令的点火分数下请求的发动机输出。作为示例，动力传动系参数调整模块116可以负责确定为了帮助确保实际的发动机输出与请求的发动机输出相匹配而希望的所希望的进气质量(mac)、火花正时、以及气门正时和/或其他发动机设置。当然，在其他实施例中，该动力传动系参数调整模块可以被布置成用于直接控制各种发动机设置。
应当理解，可以以各种方式实施气门控制。在一些实施例中，可以由凸轮控制气门正时。一些实施例可以利用具有固定升程规划的单个凸轮，而在其他实施例中，可以通过在具有不同凸部轮廓的不同凸轮之间进行调整来选择气门升程。也可以通过调整单个凸轮凸出部与其相关气门之间的机械关系来改变气门升程。可以通过使用空动升降器、零升程凸轮、或凸轮与其相关气门之间的机械关系的变化来实现气门停用。在一些实施例中，汽缸可以具有一个以上的进气阀和/或一个以上的排气阀，这些进气阀和排气阀可以由单个凸轮致动或可以具有不同轮廓和正时的不同凸轮。在一些实施例中，可以使用电磁阀致动，这在实施不同的气门升程和正时布置方面提供几乎完全的灵活性。
点火分数计算器112、点火正时确定模块120、nvh减少模块121、动力传动系参数调整模块116、传感器单元122、以及图1展示的其他部件可以采取多种多样不同的形式，并且其功能可以替代地被结合到ecu中、或者由其他更多集成部件、由多组子部件、或使用多种多样的替代性方法来提供。在各种替代性实施方式中，可以使用微处理器、ecu或其他计算设备，使用模拟部件或数字部件，使用可编程逻辑，使用前述各项的组合和/或以任何其他合适的方式在算法上实现这些功能块。
虽然并非在所有实施方式中都作要求，但是在一些实施方式中，确定适当的点火分数和/或平滑扭矩(即，确定是否将使用平滑扭矩以及平滑扭矩将是怎样的)可以逐个点火时机地进行。即，可以在每个点火时机之前基于加速踏板位置或其他操作参数来重新确定当前希望的点火分数和/或平滑扭矩。这允许控制器100尤其响应于变化的需求(例如，歧管绝对压力或其他发动机参数的变化)而同时维持跳过点火式运行的益处。在其他实施方式中，可以预测在改变点火分数时生成的扭矩，并且可以使用基于自适应滤波器或模型预测控制的控制系统来改善nvh。
逐点火时机地进行控制是有利的一个示例是当所希望的点火分数改变时。具体示例是如果点火分数从1/2改变至1。在这个示例中，map需要减小以生成合适的扭矩水平，但是这是缓慢的，即，map逐点火时机地发生改变的能力有限。这个问题的一个现有技术解决方案(例如在美国专利申请13/654,244中所描述的)是以相对低的速度调整点火分数以匹配map的预期变化。通过不断重新计算并递送适当的平滑扭矩，nvh减少模块可以去除由于过高的map引起的过大扭矩，从而允许更快的过渡。
在一些实施例中，可以使用预先计算的未来点火序列来以短时域最优控制计算确定平滑扭矩。当点火序列不重复时，例如在点火分数水平之间过渡期间，该控制方法尤其有用。这里的短时域可以是指已经作出但尚未实施的点火决定。这可能在4到20个点火时机的范围内、但可能更多或更少。由于这些决定在实施之前是已知的，因此可以预先计算出平滑扭矩。受制于电动机/发电机和储能装置的约束，平滑扭矩可以包括负扭矩和正扭矩，以便获得最佳的nvh-燃料经济性折衷。电动机/发电机约束可以包括最大可允许扭矩和功率水平。能量储存约束可以包括当前能量储存水平以及来自能量储存装置的最大功率传递。
接下来参考图2，将描述根据本发明的特定实施例的用于确定平滑扭矩的方法200。最初，在步骤202，接收发动机扭矩请求。在各种实施方式中，点火分数计算器112基于加速踏板位置、发动机速度、巡航控制器设置、以及任何其他合适的发动机参数来确定所请求或所希望的发动机扭矩。
步骤203、204、206和208涉及的过程用于评估不同候选点火分数以选择递送所希望扭矩并具有可接受的nvh特性(无论是否具有任何减轻)的操作性点火分数。在一些实施例中，当需要选择操作性点火分数时，动力传动系控制器适当地执行这些步骤。然而，在其他实施例中，不同的候选点火分数的评估替代地被并入算法、查找表或任何其他合适的决定机制中。即，动力传动系控制器不是实时地动态地比较不同的候选点火分数，而是可以参考基于各种输入来直接生成操作性点火分数的表或其他机制。在这种情况下，该方法直接进行到步骤210。
返回到图2的步骤203，在获得所希望的扭矩水平之后，点火分数计算器112确定以具有可接受的nvh特性的可用点火分数是否可以在最佳汽缸负载(例如，将燃料经济性最大化的汽缸负载)运行时递送所希望的扭矩。例如在一些实施例中，点火分数计算器112存储指示已知在某些操作条件下在最佳汽缸负载运行时具有可接受的nvh特性的一组这样的点火分数的数据。应当理解，如共同未决的美国专利申请号13/654,244和13/963,686中描述的，哪些点火分数产生可接受的nvh是随着发动机速度和变速器挡位而变的，出于所有目的将这些申请的全部内容通过援引并入本文。如果这些点火分数之一可以递送所希望的扭矩，则该方法进行到步骤212，并且该点火分数成为操作性点火分数。
如果点火分数计算器112确定没有可以以最佳汽缸负载递送所希望扭矩的、具有可接受的nvh特性的点火分数，则该方法进行到步骤204。在步骤204中，点火分数计算器获得一组候选点火分数。该组点火分数可以包括两种类型的点火分数。一种类型涉及一个或多个递送所希望扭矩(但是只有当汽缸输出被调整到非最佳负载时)的、具有可接受的nvh特性的候选点火分数，如在美国专利申请号13/654,244中所讨论的，该美国专利申请出于所有目的通过援引以其全文并入本文。出于本申请的目的，将这样的点火分数称为“低nvh点火分数”。另一种类型的点火分数涉及一个或多个可以通过较少或最小的汽缸负载调整来递送所希望扭矩的候选点火分数，但是与这种点火分数相关联的nvh可能在没有减轻的情况下是不可接受的。出于本申请的目的，将这样的点火分数称为“高nvh点火分数”。
在步骤206中，确定与用于在(多个)高nvh点火分数时减轻nvh相关联的能量成本。这可以以各种各样的方式进行。下文描述一种示例方法。
在此示例中，点火正时确定模块120基于候选高nvh点火分数来生成候选跳过点火式点火序列。由该跳过点火式点火序列和点火分数生成的扭矩可以被建模为周期性波形。该波形又可以表示为傅里叶级数：
其中，tq(t)是作为时间的函数的扭矩，a0是平均扭矩(dc项)，an是与n次谐波分量相关联的振幅，t是一次谐波(基频)的周期，并且
人类对nvh的感知随频率而异。通常低于约8hz的较低频率被感知为比较高的频率振荡更烦人。每个谐波分量对nvh的相对贡献可以用加权因子wn来定义。如果wn是n次谐波的权重，则可以通过取加权函数与各个谐波频率的幅值的乘积的rms值来确定总nvh：
如果能量储存/释放装置124被包括在动力传动系中，则等式2需要被修改为包括由能量储存/释放装置124向动力传动系施加的平滑扭矩。平滑扭矩可以用类似于等式1的傅里叶展开来表示，其中n次谐波分量具有幅值en。假设平滑扭矩的每个谐波项的相位与发动机扭矩偏移了180度，则下面的等式3表示包括平滑扭矩的影响的nvh：
产生上述减轻波形或平滑扭矩所需的功率如下：
这里η是能量储存/释放装置的往返(roundtrip)效率。换言之，等式4表示能量储存/释放装置124生成相应的平滑扭矩所需的能量。η的典型值对于基于电动机/发电机和电容性能量储存的能量储存/释放装置为0.7至0.9。其他能量储存/释放装置可以具有更高或更低的效率。
应当理解的是，等式4假设往返效率对于所有谐波是恒定的，并且使用单一能量源/汇。通常，这些是有效的假设，因为通常内燃发动机是驱动车辆的所有能量的最终来源，并且在车辆内仅存在单一能量储存/释放装置。虽然这是一般情况，但是在一些车辆架构中，这可能不为真。例如，插电式混合动力车辆从电网获得能量。同样，具有再生制动的车辆可以将能量储存在独立于内燃发动机的能量储存/释放装置中。在这种情况下，监督模块可以获取来自不同来源的能量的相对成本、并使用最佳来源或混合来源来施加平滑扭矩。应注意的是，储存动力传动系的能量和对动力传动系释放能量的往返效率总是小于一。可以在nvh减轻、电容器中的能量水平的管理、电池等方面考虑与这种能量传递相关联的能量低效率。
在等式3和4中，注意，平滑扭矩谐波分量en并不需要具有与它们所对应的发动机生成的谐波分量an相同的幅值。也就是说，平滑扭矩不需要消除所有nvh、而是可以将其减少到目标的可接受nvh水平。在目标nvh水平，nvh可以由两个分量构成，来自没有被减轻的谐波的nvh(即，较高次谐波)以及来自可能未完全抵消的谐波的nvh。
因此，挑战是确定达到目标可接受nvh所需的最低能耗水平。这个优化问题可以表示为由以下等式获得的成本函数：
最小
受制于以下约束：
这个优化问题可以用图形表示。图4和图5中展示了两个简化的示例。图4展示了一组圆圈402a、402b和402c以及一组椭圆404a和404b，它们分别表示特定候选点火分数的能量成本函数即等式(5)和约束函数即等式(6)。此样本曲线图仅涉及前两个谐波。沿着水平轴给出了一次谐波平滑扭矩分量e1的幅值，并且沿竖直轴给出了二次谐波平滑扭矩分量e2的幅值。分别指出了发动机生成的一次和二次谐波分量的值a1和a2。各汽缸负载、点火分数、发动机速度和变速器挡位将具有可以通过车辆校准或某些其他方式确定的相关联的一组a1和a2。
在图4中，假设对于一次和二次谐波频率，能量储存/释放装置124的效率相同，则圆圈组402a-402c中的每个同心圆表示用于减轻扭矩的恒定能量消耗量。圆越小，使用的能量就越少。圆圈组的中心，即原点，表示没有使用能量的点，即e1＝e2＝0。椭圆组404a-404b中的每个同心椭圆表示由一次和二次谐波分量生成的目标nvh水平。所选择的目标nvh椭圆上或其内部的点将产生可接受的nvh水平。椭圆404a和404b的偏心度由加权因子之比w2/w1决定。对于相等的加权因子，椭圆减小到圆。通常，人类对较低频率的一次谐波更敏感，并且因此椭圆在图4中是竖直伸长的。对于将nhv改变固定的量，e1比e2需要较少的变化。椭圆越小，允许的nvh越低。椭圆404a和404b的中心406表示与一次和二次谐波相关联的所有nvh已被消除的情况。在点406处，a1＝e1并且a2＝e2，平滑扭矩精确地抵消发动机生成的扭矩变化的一次和二次谐波。
为了优化能量成本，希望在将nvh减少到可接受的水平的同时消耗尽可能少的能量。假设可接受的nvh水平是由椭圆404b定义，则该目标在椭圆404b和圆402c相交的点a处实现。点a给出可接受的nvh，因为它在椭圆404b上并且使得能量消耗最小化，因为椭圆404b上的该点最接近原点，即保持与椭圆404b相交的圆402c尽可能小。
出于比较的目的，图5展示了涉及不同车辆操作点，即汽缸负载、点火分数、发动机速度和/或变速器挡位的图。例如，发动机扭矩、发动机速度和变速器挡位可以与图4的相同，但是点火分数和汽缸负载可能不同。这个操作点与对应于图4的点火分数和汽缸负载相比具有明显不同的nvh特性。图5具有与图4相似的轴，并且同心圆502a、502b和502c表示来自能量储存/释放装置124的恒定能量消耗。类似地，椭圆504a和504b表示由一次和二次谐波分量产生的不同可接受水平的nhv。如图5所示，发动机生成的一次和二次谐波分别为a1和a2。如果e1＝a1并且e2＝a2，则动力传动系在点506处运行，并且一次和二次谐波不产生nvh。假设可接受的nvh水平是由椭圆504b定义，则不需要来自能量储存/释放装置124的平滑扭矩来满足nvh目标，因为对应于e1＝e2＝0的点b位于椭圆504b内。如果椭圆504a表示可接受的nvh极限，则将会需要一些平滑扭矩减轻来达到该目标。
应当理解，在能量储存/释放装置可以减轻前两个谐波的情况下，图4和图5所示的图形解释是合适的。如果仅考虑一次谐波，则二维的圆和椭圆将变成线。同样地，如果考虑一次、二次和三次谐波，则圆圈将变成球体，而椭圆将变成椭球体。通常，优化变量的数量等于潜在减轻的谐波的数量。如果希望，可以减轻任何数量的谐波，但是如上文解释的，通常只需要减轻一个或两个谐波来获得可接受的nvh性能。
上述方法假设，已经建立了可接受的nvh水平。nvh的可接受水平可以以任何合适的方式来确定。作为示例，可以执行广泛的用户测试以确定车辆中乘员可接受的振动量。应当理解，nvh的可接受水平可以基于不同的条件动态地变化。在一些实施例中，基于道路状况、用户选择、操作挡位、换挡、车辆速度、驾驶室噪声水平、发动机怠速的存在、加速踏板位置(例如，加速踏板位置的变化率)和/或任何其他合适的发动机参数或指标来调整nvh的可接受水平。
返回图2，使用上述技术中的任一种技术，nvh减少模块121确定用于减轻每个高nvh候选点火分数的nvh以使得相关联的nvh减少到可接受的水平所需的能量成本。与高nvh候选点火分数相关联的总能量成本是在候选点火分数和汽缸负载下的减轻成本以及与发动机运行相关的成本的总和。应当理解，可以执行任何已知的技术来实现这一点，并且能量成本估计过程不受限于上面提供的示例、图和等式。
在步骤208中，nvh减少模块比较与每个候选点火分数相关联的能量成本。执行该比较的方式可以根据每个候选点火分数的特征而变化。考虑以下示例，其中假设每个汽缸理想地在最佳条件下点火，例如其中节气门位置、进气质量、火花提前、气门正时、以及其他发动机参数针是对燃料效率显著优化的。进一步考虑，在该示例中，可以使用低nvh点火分数和高nvh点火分数二者来递送所希望的扭矩。高nvh点火分数能够在接近最佳的汽缸条件下递送所希望的扭矩。然而，需要减轻以减少所产生的nvh。另一方面，低nvh点火分数具有相反的问题——尽管具有可接受的nvh特性，但是如果不进行汽缸输出的一些调整，即，离开上述最佳条件(这导致燃料效率损失)，则不能递送所希望的扭矩。因此，比较这两个候选点火分数的能量成本包括将与低nvh点火分数相关联的调整汽缸输出的能量成本(损失)同与高nvh点火分数相关联的减轻nvh的能量成本进行比较。这样的比较可以在任何数量和类型的候选点火分数之间进行。
基于上述分析和/或比较，nvh减少模块和/或点火分数计算器选择以最具燃料效率的方式(即，以最低的能量成本)递送所希望扭矩的候选点火分数。在一些实施例中，在选择过程中考虑了其他因素。所选候选点火分数成为操作性点火分数(步骤210)。
在图6中描述了用于从多个候选点火分数中选择操作性点火分数的示例性过程。图6是展示与燃料效率负相关的燃料消耗随点火分数而变的曲线图。该图假设发动机速度为1200rpm并且发动机扭矩分数(etf)为0.2。(在此示例中，etf表示希望的发动机扭矩。例如，etf＝1假设满负载发动机输出。)
该曲线图的竖直轴表示燃料消耗(克/秒)。水平轴表示候选点火分数。在此图中，用正方形内的圆标记的数据点表示低nvh点火分数，其中不需要nvh减轻来满足可接受的nhv。圆内带有x的数据点表示高nvh点火分数，其中nvh在不减轻的情况下是不可接受的。这些点正上方的点是用方形标记的点，表示与运行内燃发动机以及使用上述技术来使扭矩平滑从而使nvh达到可接受水平相关联的总燃料消耗。
在没有任何nvh减轻的情况下，点604表示最具燃料效率的点火分数选择，即，递送所希望扭矩的点火分数为0.5，具有可接受的nvh特性和大约0.93g/s的燃料消耗率。然而，点606是对于点604而言更优的选择，因为点606需要更少的能量(约0.87g/s)并且使用0.4的点火分数、同时还递送希望的扭矩。虽然已知在发动机速度为1200时点火分数为0.4将生成不可接受量的nvh，但可以使用平滑扭矩来减轻nvh。计算出的0.87g/s的能量成本考虑了减轻的能量成本、但仍低于与点604相关联的能量成本。因此，在该简化示例中，选择点火分数0.4作为操作性点火分数。在这种情况下的燃料节约((0.93-0.87)/0.93)约为6.5％，表明了使用这里描述的控制方法的优点。
应当指出的是，可以基于除燃料效率以外的因素选择操作性点火分数。例如在一些实施例中，能量储存/释放装置124的状态在选择过程中起作用。即，考虑其中特定的高nvh点火分数被确定为适合于递送所希望扭矩的示例。另外，nvh减少模块121确定可以利用平滑扭矩、例如使用上述技术来充分地减轻与点火分数相关联的nvh。nvh减少模块121还确定生成合适的平滑扭矩所需的能量。然而，nvh减少模块121和/或点火分数计算器112还可以由于能量储存/释放装置当前不能生成必要的平滑扭矩(例如基于电池状态、缺乏储存能量、不能提供所确定的能量等)而确定不能将该点火分数选择为操作性点火分数。相反，如果能量储存装置几乎已满(可能由于再生制动)，那么减轻的成本可能与先前的计算相比减少。
返回图2，在步骤212中，点火分数计算器112将所选操作性点火分数传输到点火正时确定模块120。基于操作点火分数，点火正时确定模块120生成跳过点火式点火序列(步骤212)。在步骤214中，确定操作性点火分数是否需要nvh减轻。如果不(例如，为低nvh点火分数)，则该方法进行到步骤222。在步骤222中，基于点火序列以跳过点火方式运行发动机。
如果确定操作点火分数确实需要nvh减轻，则nvh减少模块121确定合适的平滑扭矩(步骤216)。平滑扭矩可以包括由能量储存/释放装置124施加给动力传动系以帮助减少由点火序列生成的nvh的任何合适的平滑扭矩或平滑扭矩波形。可以使用任何合适的算法、技术或机制(例如，结合图1描述的任何技术)来生成平滑扭矩。
一种方法可以描述如下。在点火分数计算器112选择操作性点火分数并确定需要生成适当的平滑扭矩之后，点火分数计算器112将操作性点火分数传输到点火正时确定模块120。点火正时确定模块然后基于操作性点火分数来生成跳过点火式点火序列。
该点火序列被传输到nvh减少模块121。nvh减少模块分析该跳过点火式点火序列、并识别该序列应生成的发动机扭矩中的一个或多个所选变化。这可以以各种各样的方式进行。例如在一些实施例中，扭矩可以被表征为具有固定分量和可变分量(例如由多谐波变化/正弦波形成)的扭矩波形。一些方法涉及选择其频率为基频的谐波正弦波。其他方法涉及选择其相关联频率包括基频和一个或多个其他频率的多谐波正弦波(例如，二次谐波等)。
然后，nvh减少模块121基于所选变化/正弦波来生成平滑扭矩。如之前讨论的，在各种方法中，平滑扭矩采用与由内燃发动机生成的谐波基本相同的频率的一个或多个正弦波形的形式。在一些方法中，平滑扭矩波形将具有与所选变化相同的频率、但是将异相(例如，偏移180°)，以抵消由发动机生成的扭矩变化。平滑扭矩被设计为至少部分地但不一定完全抵消作为至少一些nvh的来源的所选(多个)变化。在各种应用中，平滑扭矩波形的幅值被设计成使点火序列所生成的nvh低于预定义水平。
在步骤218中，基于在步骤210中选择的操作性点火分数及其相应的点火序列，以跳过点火方式来运行发动机。在步骤220中，当在发动机编排跳过点火式点火序列时，能量储存/释放装置124将步骤216中所确定的平滑扭矩施加给动力传动系。因此，平滑扭矩帮助减少由该跳过点火式点火序列生成的nvh。在各种实施例中，nvh减少模块121接收对施加平滑扭矩和执行点火序列恰当地协调所需的任何合适的输入(例如，点火序列、发动机速度、当前汽缸等)。
方法200的上述操作可以逐个点火时机地执行。可替代地，一个、一些或所有上述操作可以稍微更不频繁地执行，例如每个发动机循环执行一次或多次。
接着参考图3，将描述根据本发明的特定实施例的动力传动系统300。动力传动系统300包括动力传动系控制器100、内燃发动机304、能量储存/释放装置124、曲轴308、变速器312、以及车轮314。发动机304和/或发动机储存/释放装置124被布置成用于向曲轴308施加扭矩，该曲轴通过变速器312驱动车轮314。在图1中描述的动力传动系控制器被布置成用于协调发动机304和能量储存释放装置124的操作。可以使用结合图1、图2、图12、图13、图15和图17b描述的任何技术来操作该动力传动系统。应当理解，尽管在图3中展示了特定的动力传动系配置，但图中的部件可以以任何合适的布置来定位。
能量储存/释放装置124被布置成用于向动力传动系添加扭矩或从中削减扭矩。在各种实施例中，能量储存/释放装置124生成平滑扭矩脉冲波形。由能量储存/释放装置124施加的平滑扭矩脉冲波形可以基本上是在一个时刻施加扭矩并在另一时刻削减扭矩的一个或多个正弦波形的总和。通常，平滑扭矩脉冲波形被布置成用于抵消由发动机生成的扭矩的所选变化(例如，结合图1的nvh减少模块121和图2的步骤216所讨论的)。
能量储存/释放装置124可以是可以从动力传动系吸收或削减扭矩、储存所得到的能量、和/或使用该能量来向动力传动系添加扭矩的任何一个或多个合适的装置。在各种实施方式中，能量储存/释放装置124包括电动机/发电机和电池或电容器。在其他实施方式中，能量/储存释放装置124以机械(例如飞轮)、气动或液压的方式储存和释放能量。
一些实施例涉及被布置成具有多种应用、即除了生成平滑扭矩之外的其他应用的能量储存/释放装置124。例如在一些应用中，为了提高燃料效率(例如，使用再生制动等)，能量储存/释放装置124也以与任何现代混合动力车辆相同的方式从动力传动系中削减扭矩并向其添加扭矩。这就是说，除了提供振荡的平滑扭矩外，能量储存/释放装置还向动力传动系扭矩供应dc分量。该dc分量可以根据运行条件、当前储存在能量储存/释放装置中的能量的量以及其他变量而为正或负。可以部分地选择dc分量来补偿与能量储存/释放装置的储存和释放能量相关联的低效率。能量储存/释放装置124也可以是用于作为起动/停止发动机系统的一部分来重新启动发动机的集成起动器-发电机。
在各种方法中，能量储存/释放装置124还用于使不同点火分数之间的过渡平滑。作为示例，如果发动机以跳过点火方式运行并且从较低的点火分数转变到较高的点火分数，则歧管绝对压力可能需要时间从较高水平调整到较低水平。即，如果立即进行转变，则由于汽缸输出过大，车辆可能会向前窜动。在各种应用中并且在这样的情形下，能量储存/释放装置124被布置成从动力传动系吸收扭矩/向其供应扭矩，从而有助于确保点火分数之间的平滑过渡。作为示例，动力传动系控制器100和能量储存/释放装置124可以使用美国专利申请号13/654,244和美国临时专利申请号62/053,351中描述的任何技术或操作进行操作，出于所有目的将这些申请的全部内容通过援引并入本文。
本发明主要是在控制适用于机动车辆中的4-冲程活塞发动机的点火的背景下进行描述的。然而，应当理解，所描述的跳过点火方式非常适合于在各种各样的内燃发动机中使用。这些内燃发动机包括用于几乎任何类型的车辆——包括汽车、卡车、轮船、建筑设备、飞行器、摩托车、轻便摩托车等；以及涉及对工作室的点火并且利用内燃发动机的几乎任何其他应用。所描述的各种方法用于以多种多样的不同热力学循环来运行的发动机，包括几乎任何类型的两冲程活塞发动机、柴油发动机、奥托(otto)循环发动机、双循环发动机、米勒循环发动机、艾金森(atkinson)循环发动机、汪克尔(wankel)发动机以及其他类型的旋转发动机、混合循环发动机(例如，双奥托发动机和柴油发动机)、星型发动机等。还据信所描述的方法将适用于新开发的内燃发动机，无论它们是利用目前已知还是后来开发的热力循环进行操作。
在一些优选实施例中，点火正时确定模块利用σ-δ转换。虽然据信σ-δ转换器非常适合于在此应用中使用，但应当理解，这些转换器可以采用各种各样的调制方案。例如，可以使用脉宽调制、脉冲高度调制、cdma定向调制或其他调制方案来递送驱动脉冲信号。所描述的实施例中的一些实施例利用一阶转换器。然而，在其他实施例中，可以使用更高阶转换器或预定点火序列库。
应当理解，在本申请中设想的这些动力传动系控制器设计不局限于图1和图3中所示的具体布置。可以将所展示模块中的一个或多个集成在一起。可替代地，特定模块的特征反而可以分布于多个模块中。该控制器还可以包括基于其他共同转让的专利申请的附加特征、模块或操作，包括美国专利号7,954,474；7,886,715；7,849,835；7,577,511；8,099,224；8,131,445；和8,131,447；美国专利申请号13/774,134；13/963,686；13/953,615；13/886,107；13/963,759；13/963,819；13/961,701；13/963,744；13/843,567；13/794,157；13/842,234；13/004,839，13/654,244；13/004,844；14/207,109；和13/681,378以及美国临时专利申请号61/952,737和61/879,481，这些申请中的每一个出于所有目的通过援引以其全文并入本文。可以将以上专利文献中描述的任何特征、模块和操作添加到控制器100中。在各种替代性实施方式中，可以使用微处理器、ecu或其他计算设备，使用模拟部件或数字部件，使用可编程逻辑，使用前述各项的组合和/或以任何其他合适的方式在算法上实现这些功能块。
在美国专利号8,015,960中描述了使用电动机器减少振动的技术，尽管该技术在若干方面与本发明的各种实施例不同。一方面，‘960号专利集中于可变排量发动机控制系统，而不是跳过点火式发动机控制系统。此外，’960专利描述了以下过程：1)确定施加到曲轴的扭矩；2)从由于可变排量模式中不均匀汽缸点火引起的扭矩中提取分量；3)从所提取的分量中去除固定分量(固定目标扭矩)以便在所提取的分量中仅留下可变分量；4)生成对抗在第三步骤中生成的可变分量的减振扭矩。换言之，该减振扭矩被布置成对抗由于不均匀汽缸点火引起的所有变化(即，在去除目标扭矩之后)。在本发明的各种实施例中，生成的平滑扭矩并不一定对抗由于不均匀的汽缸点火引起的所有变化。而是，在一些实施例中，平滑扭矩仅对抗一部分的变化(例如，平滑扭矩可以仅对抗具有特定频率(如基频等)的一个或多个谐波正弦波)。在各种实施方式中，平滑扭矩并不对抗由于不均匀汽缸点火引起的特定类型的变化，例如，可能不会对抗一个或多个其他谐波正弦波。本发明的各种实施例还描述了仅应用足以满足nvh目标的量的平滑扭矩的控制算法。考虑到与生成平滑扭矩相关联的能量成本，该控制算法还选择使燃料效率最大化的操作性点火分数。本发明与现有技术之间的另一区别在于，平滑扭矩的频率可能不等于点火频率。例如，在1500rpm并且点火分数为40％的情况下，点火频率为40hz，但是希望的平滑扭矩可以具有20hz的频率。
虽然已经通过使用点火分数来表征点火序列而一般性地描述了本发明，但这不是必需的。图12示出了动力传动系控制器1200的实施例。动力传动系控制器1200的这些不同元件中的许多元件与关于图1所示的动力传动系控制器100所示出和描述的相似或相同。与动力传动系统控制器100不同，图12示出了在不参考点火分数的情况下直接从扭矩请求信号111生成驱动脉冲信号113。替代地，点火序列发生器1202可以产生驱动脉冲信号113。驱动脉冲信号113可以由比特流组成，其中针对定义了该点火序列的当前汽缸点火时机，每个0指示跳过并且每个1指示点火。与点火时机相关联的点火决定是在点火时机之前生成的，以便为点火控制单元140正确配置发动机提供足够的时间，例如，在跳过点火时机中停用汽缸进气阀。根据点火时机对应于跳过还是点火、以及动力传动系参数调整模块116所限定的动力传动系参数的设定，每个点火时机将具有已知的扭矩特征。
可以使用各种各样的方法来确定点火序列和平滑扭矩。在一个实施例中，可以使用短时域模型预测控制，其包括对所请求扭矩和所递送扭矩、nvh、以及与产生该平滑扭矩相关联的能量成本的匹配作为该优化问题的一部分。在各种实施例中，模型预测控制是使用短时域最优控制计算以多个性能指标的直接了当地处理系统的最优控制方法。在该方法的各种实施方式中，每次使用新的系统测量来执行离散优化，以计算在当前时刻应用于受控系统的最佳系统输入。该方法在每次希望新的输入时重复地求解该优化。该模型的输入可以包括所请求扭矩、与跳过和点火相关联的扭矩特征、可接受的nvh水平、可接受的排放水平、以及与生成平滑扭矩相关联的能量成本和能量/功率约束。模型变量可以包括但不限于发动机速度、变速器挡位设定、发动机和环境温度、道路状况、以及发动机参数(如map、气门正时和火花正时)。
应用该控制方法可以涉及递送在点火序列发生器1202中在每个点火时机确定和评估的所请求扭矩的动力传动系参数、平滑扭矩和点火序列的各种组合。然后，点火序列发生器1202可以产生点火序列，该点火序列可以根据系统约束以可接受的nvh递送最优/改进的燃料经济性。这种控制方法在点火序列是非周期性的时(如在与改变扭矩请求111相关联的点火序列之间过渡期间)也是尤其有用的，但也自然适用于稳定的扭矩请求。这里的短时域可以指的是已经做出但尚未实施的决定。这可以在4到8个点火时机的范围内，因为这些决定在实施之前是已知的，所以可以预先计算平滑扭矩。对平滑扭矩的约束可以包括最大允许扭矩水平和频率递送限制。能量储存约束可以包括当前能量储存水平以及来自能量储存装置的最大功率传递。
在另一实施例中，可以使用自适应滤波器(af)前馈(ff)控制来衰减由燃烧事件引起的不希望的扭矩振荡。在一些实施例中，af-ff控制可以利用点火序列和所产生的扭矩扰动是清楚限定的事实。图13示出了af-ff控制的示意图。af-ff控制的目的是衰减感兴趣系统上的扰动，并且af-ff控制通过生成抵消施加在系统上的扰动的扰动消除信号来实现这一目的。在这种情况下，扰动是发动机扭矩1310距其平均值的变化。数字滤波器1304基于输入的扰动相关信号1312生成扰动消除信号滤波器输出1314。扰动相关信号1312可以具有为零的平均值，以便不改变平均总动力传动系输出扭矩。扰动相关信号1312包含关于预期扰动的信息，具有一些时间提前。该信号1312可以基于点火序列和与跳过和点火相关联的估计的扭矩特征。可以使用扭矩请求、点火分数、σ-δ滤波器、查找表、状态机或通过某些其他方式来推导出点火序列。滤波器输出1314可以被输入到平滑扭矩模块1302，该平滑扭矩模块生成平滑扭矩1316。平滑扭矩模块1302表示电动机/发电机或提供平滑扭矩的任何其他系统的动态响应，该平滑扭矩包括任何响应延迟或限制，以便生成希望的平滑扭矩1316。在求和点1318中将平滑扭矩1316与发动机扭矩1310组合。求和点1318向动力传动系输出所递送扭矩1320。求和点1318示出了从发动机扭矩1310减去平滑扭矩1316。应当理解，在其他实施例中，平滑扭矩可以具有相反的极性，并且平滑扭矩被添加到发动机扭矩。
称为权重的自适应滤波器参数可以被权重更新模块1306更新，该权重更新模块使用自适应算法来使得平滑扭矩1316与扰动之间的差异最小化，发动机扭矩1310小于平均值，以便使所递送扭矩1320平滑。权重更新模块1306使用平滑扭矩模块1302的模型、以及所递送扭矩1320和扰动相关信号1312二者的输入来确定适当的权重。这种最小化可以涉及使这些信号之间的均方差最小化，但可以使用其他最小化指标。
示出了在图13中描绘这些不同信号的时间行为的曲线图，以更好地理解和解释示例动力传动系控制器1300的操作。发动机扭矩曲线图1311描绘了与先前在图8中所示的相似的发动机扭矩输出振荡。扰动相关信号曲线图1313示出了为了使得所递送扭矩1320的变化最小化而需要的发动机扭矩扰动的估计信号。该估计反映了点火的跳过点火性质，因此它将向数字滤波器1304提供必要的频率分量信息，这将导致滤波器输出1314具有适当的频率分量。基于与滤波器的幅值和相位响应相关联的这些不同权重，数字滤波器1304将自适应地控制滤波器输出1314来使得所递送扭矩1320中的扰动最小化。滤波器输出曲线图1315展示了数字滤波器1304如何修改扰动相关信号1312。滤波器输出1314被输入到平滑扭矩模块1302中，该平滑扭矩模块包括电动机/发电机或可以生成或吸收扭矩的某个类似系统。平滑扭矩模块1302输出曲线图1317中所描绘的平滑扭矩1316。曲线图1317展示了平滑扭矩1316如何匹配和抵消发动机扭矩1310的变化。当在加法器1318中组合平滑扭矩与发动机扭矩时，所得到的所递送扭矩1320具有如曲线图1321中所描绘的相对小的扭矩变化。
af-ff控制的各种实施方式的优点在于，由于它是前馈控制，所以它可以消除或至少最小化在平滑扭矩模块的带宽内的所递送动力传动系扭矩中的任何扰动，只要扰动相关信号1312相对于扰动的时间提前大于由扭矩平滑模块1302和数字滤波器1304中的滤波器计算引起的延迟即可。对数字滤波器1304中使用的权重的适配相对于扰动的变化更慢，但这并不制约控制器1300衰减该扰动的能力。该自适应算法确定关于扰动相关信号1312和实际扰动(发动机扭矩1310的变化)以及与扭矩平滑模块1302相关联的次级路径动力学的发动机特性，这些发动机特性是固定的或其变化率比扰动的变化率慢得多。
到自适应滤波器前馈和短时域模型预测控制二者的一个输入可以是与汽缸跳过和点火相关联的扭矩特征。图14示出了与点火曲线1410和没有点火(跳过)曲线1420相关联的代表性扭矩特征。这些代表性曲线描绘了在720度曲轴旋转的工作循环期间与汽缸相关联的归一化扭矩输出。这些代表性的扭矩特征可以基于发动机参数进行缩放和调整。总发动机扭矩是由所有汽缸生成的扭矩之和给出。总估计发动机扭矩接着可以用作短时域预测模型控制或自适应滤波器前馈控制系统的一部分。
自适应控制
关于图4至图11描述的控制方法对于稳态操作表现良好；然而，这些方法取决于发动机扭矩和辅助扭矩的基础模型的准确性来以可接受的nvh提供最佳燃料效率。自适应控制方法克服了这些限制。在自适应控制中，控制器基于变化或最初不确定的所观察到的受控对象特性来适配或修改其控制特性。在本发明中，自适应控制使用所感测到的nvh水平来修改到辅助扭矩源/汇的控制信号，以将nvh减少到可接受的水平，同时提供燃料高效的操作。
一种类型的自适应控制是自适应滤波器前馈(af-ff)控制。在af-ff中，基于所感测到的输出来修改(即，适配)影响控制系统响应的滤波器。系统特性基于所感测到的输出而变化，即，自适应滤波器。通常，相对于所感测到的输出的变化，对滤波器特性的改变较慢。
在一个实施例中，af-ff控制用在微混合动力车辆中，该微混合动力车辆具有连接到公共动力传动系的内燃发动机和电动机/发电机。电动机/发电机可以对抗由燃烧的工作室中的燃烧事件引起的扭矩振荡，并且因此衰减动力传动系上的扭矩振荡。电动机/发电机还可以对抗其他振荡的动力传动系负载，如跳过的工作室、驱动轴等；然而，这些振荡的幅值往往小于由工作室点火产生的幅值。在一个实施例中，平滑扭矩可以例如由具有充当能量储存/捕获/释放装置的电容器的电动机/发电机生成。af-ff控制的优点在于其可以补偿从减轻命令到施加到曲轴的实际平滑扭矩的动力学的任何不准确性。其还可以有助于补偿由于磨损或其他因素导致的动力传动系性能的变化。af-ff控制还可以在稳态条件和瞬变条件(如在点火分数过渡期间)两者下无缝工作。
作为这种微混合动力系统的示例，内燃发动机可以是能够产生200hp(≈150kw)的最大功率输出的4缸4冲程发动机。可以通过电动机/发电机提供/去除的辅助功率可以具有该值的10％或更小(即≤15kw)的最大稳态输出。电动机/发电机可以电连接到电容器以用于能量储存。正常操作下的电容器的能量储存/释放容量可以仅足以衰减由点火序列生成的扭矩变化。例如，以1000rpm运转的发动机每30毫秒有一次点火时机。15kw的电动机在该周期中可以递送的最大能量为450j。在实践中，为了减少扭矩振荡，电动机/发电机在该周期的大部分时间内不会以其最大输出运行，因此实际递送或储存的能量可以小于该值，例如1/3或150j。为了将这种能量储存在电容器中，在电容器电压、所允许的能量收回量和电容器电容之间存在折衷。例如，电容器可以具有0.3f的电容并且在125v的峰值电压下操作。在正常操作期间，当能量被储存并从电容器释放时，电容器电压可以在120v与125v之间波动，净变化约为184j，略高于从先前计算估计的150j。以电容器电压从其峰值的相对小的下降进行操作是有利的，因为这通常提高了电动机/发电机的效率。例如，当电容器储存和释放能量以衰减发动机扭矩振荡时，电容器电压可以从其最大值变化不超过2％、4％或10％。应当理解，这里给出的值仅是示例性的，并且本发明可以与较大和较小的内燃发动机、电动机/发电机和储存电容器一起使用。峰值电容器电压可以高于或低于125v，例如300v、48v或某个其他电压。
另外，电池可以与电容器并联放置以允许更大的能量储存。电池可以用于储存来自再生制动系统的能量和/或可以是在没有扭矩需求时关闭发动机的停止/启动系统的一部分。在一些实施例中，可以使用以小于60伏特的峰值电压操作的电气系统。这些较低电压系统是有利的，因为与使系统电气元件绝缘相关联的成本由于较低的电压而较低。具体地，可以使用以48伏特的标称电压操作的电池。这种电池可以具有允许快速且高效充电和再充电的电池化学物质。示例性类型的电池化学物质包括但不限于钛酸锂、磷酸铁锂、磷酸铁锂锰、镍锰钴或一些其他类型的快速充电/放电电池化学物质。电池成分可以被布置成小颗粒(例如，纳米颗粒)以增加化学反应的可用表面积，从而提高充电/放电速率。可以使用的示例性电池是可从密歇根州利沃尼亚的a123系统(a123systems)获得的8ah超磷酸盐(ultraphosphate)电池。这种电池具有大约1.3mj的总能量储存容量，因此它可以用于启动内部燃烧、再生制动、以及用作供应平滑扭矩的能量源/汇。
虽然可以使用仅将电池用作能量储存元件的电气系统，但是使用电容器用于能量储存的优点在于将能量储存到电容器中并且从电容器释放能量的往返能量效率通常高于电池中，例如，80％对50％。因此，可以在能量储存需求更大的情况下使用电池，并且在能量储存需要适度的情况下(如衰减内燃发动机的扭矩振荡时)使用电容器。
电动机/发电机的精确布置及其与动力传动系的关系可以广泛变化。例如，电动机/发电机可以机械地联接到发动机与车轮之间的或者与车轮相对的发动机侧上的动力传动系中。电动机/发电机可以通过皮带轮系统、链轮传动系统、齿轮系统联接，或者可以与动力传动系直接对齐。具有通过附件驱动带(通常称为前端附件驱动带(fead))联接到曲轴的电动机/发电机的系统当与微混合动力系统或轻度混合动力系统中的48v电池系统组合时可以是成本有效的。
电动机/发电机可以是ac感应电动机/发电机，其有利地可以生成高扭矩并且可以平衡地作为电动机或发电机工作。可以使用其他类型的电动机/发电机；例如，内部永磁无刷dc电动机/发电机、表面永磁无刷dc电动机/发电机、开关磁阻电动机/发电机、或某种其他类型的电动机/发电机。所有电动机/发电机类型在将机械能转换为电能方面非常高效，并且反之亦然。转换效率通常高于80％。有利地，内部永磁无刷dc电动机提供非常高效的操作，通常在92％至95％的范围内。选择电动机/发电机的另一个考虑因素是其运行速度范围。有利地，开关磁阻电动机/发电机可以在比一些其他电动机/发电机类型更宽的速度范围内运行。这在p0混合动力架构中特别有利，在该架构中，发动机和电动机/发电机通过前端附件驱动(fead)中的皮带连接并以相同的速度旋转。
之前的大部分讨论都集中于优化在稳态或标称稳态运行条件期间的燃油效率。可以选择可接受水平的nvh或某个其他参数，并且实施使能量效率最大化的算法，该算法将内燃发动机和电动机/发电机的贡献相加。然而，在正常驱动循环中，操作车辆所需的扭矩随着驱动条件的变化而几乎连续地变化。在常规控制的奥托循环内燃发动机中，节气门控制是用于控制发动机输出扭矩的主要机制。在具有跳过点火控制的奥托循环发动机中，对点火分数或点火密度的控制是用于控制发动机输出扭矩的主要机制。为了使制动比燃料消耗(bsfc)最小化并因此优化燃料效率，通常希望以节气门全开或接近节气门全开来操作发动机以使泵送损失最小化。如上所述，在跳过点火式操作期间，以提供希望的nvh特性的某些点火分数操作是优选的。这些希望的点火分数倾向于是具有小分母的简分数，例如1/4、1/3、2/3、1/4、3/4、1/5、2/5、3/5、4/5、1/6等。之前的大部分讨论都集中于通过选择点火分数和平滑扭矩的组合来优化燃料效率，该组合使用这些点火分数水平中的一个来递送所请求扭矩。然而，为了适应所需发动机输出扭矩的变化，发动机必须在这些不同的点火分数水平之间转变或过渡。在正常的驱动循环(例如ftp(联邦测试协议)燃料经济性测试循环)期间，发动机可能花费大约20％的时间在各种点火分数水平之间过渡。因此，重要的是在这些过渡期间优化燃料效率，而同时提供可接受的nvh性能。
在先前的美国专利和专利申请中，受让人描述了在非混合动力车辆中的点火分数水平过渡期间提供可接受的nvh的各种策略。这些策略包括：减慢点火分数的过渡以匹配进气歧管动力学、在过渡期间匹配点火模式、在过渡中使用点火分数的线性转换速率、使用具有不同输出水平的点火、将点火分数变化与各种致动器的运动相协调、将额外的点火插入到点火序列中、并基于在过渡期间点火序列引起的扭矩变化使用前馈和反馈控制。本发明将这些想法扩展到在混合动力车辆中使用，在混合动力车辆中，辅助扭矩源/汇可以用于衰减动力传动系振荡。
在一个实施例中，反馈信号可以对应于所感测到的发动机输出，如发动机扭矩。然而，反馈信号可以是与施加到曲轴的实际扭矩相关的任何所感测到的信号，如可以从曲轴旋转速度测量获得的曲轴加速度。转速通常以rpm(每分钟转数)为单位来测量。曲轴角加速度简单地是转速的时间导数。因此，曲轴角加速度测量可以用于推断由发动机和辅助功率源/汇施加到动力传动系的扭矩。曲轴加速度信号可以被滤波以减少信号噪声、发动机扭矩的低频分量和负载扭矩的变化虽然施加在车轮上的负载扭矩和其他扭矩(通常是未知的)会影响加速度，但与微混合动力系统被设计用于解决的发动机扭矩振荡(2至50hz)的频率相比，这些扭矩的频率通常较低。2至50hz的减轻频率范围仅是示例性的，并且可以使用更大和更小的频率范围。减轻频率通常应高于与驾驶员扭矩请求或负载扭矩变化相关的频率。因此，曲轴加速度可以用于代替直接扭矩测量用于衰减扭矩振荡的目的，因为它反映了与点火和跳过工作室相关联的发动机扭矩脉冲。通过扩展该想法，在一个实施例中，使用与nvh度量直接相关的测量来代替或补充曲轴加速度，如座椅轨道的加速度测量或驾驶员耳朵附近(如座椅头靠)的声音测量。nvh度量包括对不同振动频率和噪声频率的不同人类感知。在一些实施例中，nvh度量基于曲轴旋转信号或其时间导数。
图15示出了根据实施例的图1和图13是如何相关的。点火分数计算器112和点火正时确定模块120基于扭矩请求111分别生成点火分数119和点火序列113。在汽缸的实际燃烧事件之前，点火序列或可替代地驱动脉冲信号113是已知的，因此可以使用规划的点火序列作为扰动相关信号1312的基础。通常，扰动相关信号是到控制系统的、关于输出上的预期不希望的波动的输入，该波动将至少部分地被控制系统抵消。在波动之前将扰动相关信号提供给控制系统，使得控制系统可以使用前馈控制来最小化或减小波动。在扰动相关信号生成模块1590中生成扰动相关信号。模块1590可以具有允许估计与点火的工作室和跳过的工作室相关联的扭矩曲线的点火序列113和动力传动系调整参数109作为输入。这些信号可以可选地通过延迟补偿模块1596引导以帮助使扰动相关信号与扰动同步，因为点火/跳过决定通常在其执行之前已知几个点火时机。使用延迟补偿模块1596可以减少数字滤波器1304中所需权重的数量，从而减少计算时间和复杂度。扰动相关信号生成模块1590可以使用扭矩模型1592或滤波器1594来帮助生成扰动相关信号1312。扭矩模型1592可以包括与点火的工作室和跳过工作室相关联的扭矩曲线，如图14所示由动力传动系调整参数109按比例缩放的。扭矩模型1592可以包括点火序列和其他发动机操作参数，如mac、火花正时和空气/燃料比。将扰动相关信号1312基于缩放的扭矩模型可以改善瞬变性能，因为数字滤波器1304中的权重将在任何过渡期间变化较小。可以去除偏差扭矩，使得仅将扭矩曲线的振荡部分结合到扰动相关信号1312中。即，在一些实施例中，扰动相关信号可以基本上无偏差，其平均值基本为零。这里基本上意味着扰动相关信号的dc分量与ac分量相比较小，例如，扰动相关信号的dc分量小于ac分量的均方根(rms)值的10％。在美国临时申请号62/379,357中更详细地描述了总发动机扭矩模型，该美国临时申请通过引用结合于此。
扰动相关信号1312被引导到滤波器模块1340中。滤波器模块可以具有两个元件，数字滤波器1304和权重更新模块1306，这两个元件如前所述地操作。应当理解，滤波器模块1340可以采用各种各样的形式，其中一些形式在下文更详细地描述。滤波器模块1340还可以具有来自nvh减少模块121的nvh信号1309。nvh信号1309有助于优化nvh与燃料经济性之间的折衷。
扰动相关信号1312相对于扰动1310的时间提前大于由扭矩平滑模块1302的次级路径动力学和数字滤波器1304的任何滤波器计算引起的延迟。这里，次级路径动力学是指扭矩平滑模块1302的频率响应。次级路径动力学包括电动机/发电机及其与曲轴的机械联动的动力学，这可能引入所命令的扭矩与电动机/发电机所递送/吸收的实际扭矩之间的差异。扰动相关信号相对于扰动的时间提前可用于改善控制系统的响应和稳定性。
af-ff控制的目的是衰减感兴趣系统上的扰动，并且af-ff控制通过生成抵消施加在系统上的扰动的扰动消除信号来实现这一目的，如图13所示。在这种情况下，扰动是发动机扭矩1310距其平均值的变化。自适应数字滤波器1304基于输入的扰动相关信号1312生成滤波器输出1314。滤波器输出可以具有零或基本为零的平均值，以便不改变平均总动力传动系输出扭矩。在一些实施例中，滤波器输出1314可以具有小的偏移以补偿电动机/发电机系统中的低效率。可替代地，可以略微增加扭矩请求以补偿这些低效率。
扰动相关信号1312包含关于预期扰动的信息，具有一些时间提前。该信号1312可以基于点火序列。可以使用扭矩请求、点火分数、σ-δ滤波器、查找表、状态机或通过某些其他方式来推导出点火序列。扰动相关信号1312还可以包含与如前所述的点火序列中的工作室的点火和跳过相关联的估计扭矩特征。包含该信息将减少自适应数字滤波器1304中的权重的收敛时间，但不是必需的。
滤波器输出1314可以被输入到平滑扭矩模块1302，该平滑扭矩模块生成平滑扭矩1316。平滑扭矩模块1302可以是联接到电容器、电池或任何其他能量储存设备的电动机/发电机。平滑扭矩模块1302可以具有响应延迟或使得所生成的平滑扭矩1316与滤波器输出1314不同的其他限制。在求和点1318中将平滑扭矩1316与发动机扭矩1310组合。求和点1318向动力传动系输出所递送扭矩1320。求和点1318示出了从发动机扭矩1310减去平滑扭矩1316。应当理解，在其他实施例中，平滑扭矩可以具有相反的极性，并且平滑扭矩被添加到发动机扭矩。所递送扭矩1320用于为车辆提供动力，并作为反馈回路的一部分反馈到权重更新模块1306中。所递送扭矩1320中的振荡可以至少部分地用于修改数字滤波器1304中使用的权重。
称为权重的自适应滤波器参数可以被权重更新模块1306更新，该权重更新模块使用自适应算法来减小平滑扭矩1316与扰动之间的差异，发动机扭矩1310小于其平均值，以便使所递送扭矩1320平滑。权重更新模块1306根据下文更详细描述的方法确定适当的权重。在一些实施例中，可以使差异最小化；然而，这可能是不必要的能量消耗。在一些实施例中，所递送扭矩1320中的振荡仅被减少到提供可接受的nvh的水平，这提供了最佳燃料效率。
示出了在图13中描绘这些不同信号的时间行为的曲线图，以更好地理解和解释示例动力传动系控制器1300的操作。发动机扭矩曲线图1311描绘了与先前在图8中所示的相似的发动机扭矩输出振荡。扰动相关信号曲线图1313示出了为了使得所递送扭矩1320的变化最小化而使用的发动机扭矩扰动的估计信号。该估计反映了点火的跳过点火性质，因此它将向数字滤波器1304提供必要的频率分量信息，这将导致滤波器输出1314具有适当的频率分量。对扰动相关信号1312中的扰动的估计不是必要的，信号只需要具有与扰动相同的频率分量以允许收敛；然而，对扰动的估计通常是希望的，因为它将减少收敛时间。
通过调整数字滤波器1304中的权重，控制系统1300将自适应地控制滤波器输出1314，以便减小或最小化所递送扭矩1320中的扰动。滤波器输出曲线图1315展示了数字滤波器1304如何修改扰动相关信号1312。滤波器输出1314被输入到平滑扭矩模块1302中，该平滑扭矩模块包括电动机/发电机或可以生成和/或吸收扭矩的某个类似系统。平滑扭矩模块1302输出曲线图1317中所描绘的平滑扭矩1316。当在加法器1318中组合平滑扭矩与发动机扭矩时，所得到的所递送扭矩1320具有如曲线图1321中所描绘的相对小的扭矩变化。
在一个实施例中，af-ff控制设计的一个或多个方面改善了控制稳定性和/或改善了自适应滤波器权重的收敛。例如，在一个实施例中，修改af-ff控制以利用可以通过σ-δ滤波器生成点火模式的事实。具体地，到σ-δ滤波器的输入表示所请求的平均发动机扭矩而没有任何延迟(实际上它相对于扭矩递送是提前的)。该信号由扭矩请求111表示，其可以可选地输入到扰动相关信号生成模块1592中，如图15所示。由于平均扭矩是已知的，因此可以将其去除，从而产生零均值扰动相关信号。这有助于生成平滑或减轻的扭矩，其更准确地抵消由发动机产生的扭矩扰动。此外，将关于点火的工作室和跳过的工作室的扭矩特征以及操作发动机参数(即，凸轮相位、mac、map、点火正时等)的信息结合到扰动相关信号中通常将改善收敛。图13中所示的示例性曲线图1313展示了将该信息结合到扰动相关信号1312中。
从振荡扭矩信号中去除偏差的替代方法是使用具有低通性质的滤波器来提取偏差并将其从原始信号中减去，从而有效地形成高通滤波器。可以使用简单的常规滤波器，但它会对经滤波的信号引入延迟。然而，可以使用一些具有最小延迟的滤波器。发动机扭矩的振荡分量主要在点火频率的基波和谐波处。梳状滤波器(如自适应平均滤波器)可以用于以减少的延迟去除所有谐波。
在一个实施例中，对扰动相关信号的缩放用于在发动机瞬变期间减少自适应滤波器的收敛时间。由于自适应滤波器能够调整振幅，因此扰动相关信号的缩放是任意的。然而，为了减少收敛时间，扰动相关信号可以针对给定运行条件的实际扭矩进行缩放，该实际扭矩是从对影响工作室输出的发动机参数(如mac、map、凸轮相位、火花正时等)的估计获得的。该估计可以在扭矩模型模块1592中执行。
图16是展示自适应滤波器前馈控制的方法的实施例的流程图。由扰动相关信号生成模块1590接收1702点火序列。使用跳过点火序列生成扰动相关信号1704。使用扰动相关信号经由af-ff来确定平滑扭矩1706。
现在将根据实施例描述图13和图15中用作自适应数字滤波器的自适应fir滤波器的附加示例。自适应fir滤波器的目的是对扰动相关信号进行滤波以调整相位和幅值，从而生成对电动机/发电机的、抵消或减少扰动的扰动消除命令。自适应fir滤波器有助于补偿与电动机/发电机命令和施加到曲轴的实际扭矩之间的差异相关联的次级路径动力学。在本发明的实施例中，可以使用称为偏差估计的附加技术来将偏差与扰动消除命令分离。以下是具有偏差估计的fir滤波器的示例性公式。
列向量的分量是扰动相关信号1312的最后n个样本(x(k))，并且行向量的分量(wc(k)和wi(k))是fir滤波器的n个权重。这里k是样本索引。采样可以在曲柄角域或时域中完成，这些域通过已知的发动机速度被相关。可以选择fir滤波器中的权重数量，以在滤波器性能与计算速度之间提供可接受的折衷。在实践中，权重的数量可以在5至100之间，其中，10对于许多发动机是合适的值。在一些情况下，可以使用下采样来减少计算负担。如果需要衰减约2hz的低频，则通常需要更多的权重。列向量的第一个分量1是针对偏差估计引入的常数，并且wc是该偏差的权重。信号u(k)是在减去偏差项wc(k)之前的扰动消除命令。信号u′(k)是减去偏差项wc(k)之后的扰动消除命令。这可以是被引导到图13和图15中的扭矩平滑模块1302中的滤波器输出信号1314。
在一个实施例中，在前一章节中，滤波器输出1314被构造为从u(k)中去除wc(k)，这去除了偏差。滤波器输出的偏差分量被限制到偏差权重，该偏差权重很容易与其余的滤波器分量分离。对于总可用储存能量较小的微混合动力应用，可以从滤波器输出中去除偏差分量，使得不超过系统的能量储存/释放容量。可替代地，可以包括轻微的偏差以补偿能量捕获/储存/释放系统中的低效率。在其他实施例中，如果辅助能量源/汇具有足够的容量来解决所递送扭矩的偏差误差，则可以简单地放回偏差项以衰减偏差误差。然而，在这种情况下，需要精确地估计扭矩并且需要确定所请求扭矩与估计扭矩之间的差。
在本发明的实施例中，偏差从滤波器输出中去除并且仅等式7c的信号u′(k)被施加到电动机/发电机，以衰减与发动机扭矩振荡相关的频率。尽管可以使用电动机/发电机校正与所请求扭矩的偏差偏离，但是在一些实施例中，由于能量储存/释放装置的能量储存容量有限，将电动机/发电机进行的校正动作限制到振荡的扭矩脉冲分量更为实际。这种限制的另一个原因是扭矩估计的准确性。由于燃烧动力学的可变性和各种发动机参数(如mac)中的估计误差，通常难以准确地估计偏差分量。负载扭矩的不确定性也使得根据动力传动系旋转加速度估计发动机扭矩变得复杂。
在一些情况下，由于硬件限制，可能希望限制输入到电动机/发电机中的滤波器输出1314的幅值或频率这可以例如使用诸如(多个)陷波滤波器等环路整形滤波器来完成，以从滤波器输出1314去除或衰减某些谐波分量。与下文关于等式10所描述的用于偏差消除的相同技术可以应用于这些被去除或衰减的谐波以确保稳定性。这种灵活性是本发明实施例的另一个优点。
有许多优化方法可以最小化燃料消耗，同时以可接受的nvh递送所需的扭矩。一种方法是使函数j最小化，使得
j(k)＝a(k)^2+r*u(k)^2(8)
其中a(k)是测得或推断的发动机扭矩，r是惩罚权重项，并且u(k)是进入平滑扭矩模块1302的经滤波输出命令信号。项r*u(k)^2表示与产生平滑扭矩所需的能量相关联的惩罚项。r可以取决于发动机扭矩偏离中存在的频率分量和可接受的nvh水平而变化。在一些实施例中，可以使用查找表来确定r，该查找表包括发动机速度、点火分数和变速器挡位作为索引。最小化j(k)使得燃料效率最大化，同时提供可接受的nvh水平。
最小化j的最简单和最常用的方法之一是最小均方(lms)算法，以下给出了其差分方程。
lms方法使j(k)最小化，j(k)是j的统计期望的近似值。自适应增益λ确定稳定性和收敛速度。对于lms方法，在选择λ的值时需要权衡。对于较大λ，当收敛时，权重可能以较大的振幅振荡，并且对于较小λ，收敛速度可能较慢。其他算法(如递归最小二乘(rls)方法)可以提供更快的收敛和更小的稳态误差，但需要更多的计算。
如先前在本发明的实施例中所描述的，可以从扰动消除命令中去除偏差。为了提高本实施例的稳定性，可能需要对测得的误差进行以下修改。
a(k)＝am(k)-p{wc(k)xc(k)}(10)
这里，am(k)是测得的扭矩误差(或适当缩放的动力传动系加速度)，并且p{}表示利用从次级路径模型估计的滤波器对信号的滤波。从测得的误差中去除次级路径响应对偏差项的估计wc(k)xc(k)以得到被馈送到权重更新的a(k)。次级路径模型不需要非常准确，因为它仅用于从测得误差中去除偏差项的影响，并且来自实际次级路径的任何建模误差p{}将由自适应权重wc补偿。此修改的目的是针对该偏差项形成虚拟反馈回路以提高系统稳定性。否则，偏差估计有可能无限增长并对其他权重的收敛产生负面影响。
在其他实施例中，可以通过表示次级路径动力学的模型来对用于权重更新的扰动相关信号进行滤波以便提高稳定性。这种情况可以称为滤波-x实施方式。这里，权重更新算法模块1306具有由次级路径动力学滤波的扰动相关信号1312作为输入。
对于如等式9中的xc＝1，偏差的变化由wc(k)表示。对于稳态，平均扭矩是静止的，并且wc(k)收敛到某个常数。在瞬变操作中，它将跟踪偏差的变化。但是对于大的扭矩变化(如点火分数变化)，wc(k)将需要时间才能收敛到正确的值。虽然扰动消除信号中不使用偏差项，但wc(k)的收敛会影响其他权重的收敛。
为了改善收敛性，本发明的实施例基于估计的平均发动机扭矩来调整xc(k)的值，而不是使用xc(k)的恒定值。假设在瞬变期间xc(k)与偏差项的变化近似成比例，则使用xc(k)缩短收敛时间。以下给出了修改的fir滤波器和权重更新公式。
偏差项从扰动相关信号中去除，但在此等式12中将其作为xc(k)加上。这对于在较高频率下明确地将慢速偏差与燃烧脉冲分离是必要的，这种分离对于管理被解决的频率分量是重要的。
图17a是根据本发明的实施例的使用滤波-x实施方式的控制系统的示意图，其中，对等式10中描述的反馈项进行了修改。到滤波器模块1340的输入可以包括扰动相关信号1312、所递送扭矩1320和估计的平均发动机扭矩1344。如之前讨论的，可以使用一些其他扰动参数(如曲轴加速度)来代替所递送扭矩。将扰动相关信号1312输入到次级路径动力学模块1334a。次级路径动力学模块1334a对扰动相关信号1312进行滤波，以提供被输入到权重更新模块1306的经滤波扰动相关信号1342。还输入到权重更新模块1306的是估计的平均发动机扭矩1344，其可以是所请求扭矩111或者可以从所请求的发动机扭矩和某个扭矩模型导出。输入到权重更新模块1306的另一信号可以是修改的所递送扭矩信号1338，其表示通过虚拟反馈去除一个或多个所选分量而修改的所递送扭矩。可以通过取所递送扭矩1320与校正项1336之间的差来确定修改的所递送扭矩信号1338，该差表示由环路整形滤波器1324去除的分量对所递送扭矩的影响。权重更新模块1306可以使用最小均方算法、递归最小均方算法或某个其他算法来确定适当的权重。权重更新模块1306可以输出由数字滤波器1304使用的更新权重1326。数字滤波器对扰动相关信号1312进行滤波，以生成无偏差信号的扰动消除命令1330。无偏差的扰动消除命令1330可以由数字滤波器1304输出并且被引导到环路整形滤波器1324。环路整形滤波器1324的输出可以输出被引导到扭矩平滑模块的经滤波扰动消除命令1314。权重更新模块还可以输出表示估计的平均扭矩值的偏差估计1328。偏差估计1328可以被添加到无偏差信号的输出扰动消除命令1330，以获得具有偏差信号的扰动消除命令1332。可以在求和节点1346中确定具有偏差的扰动消除命令1332与经滤波扰动消除命令1314之间的差异。求和节点1346的输出是1348，从经滤波扰动消除命令1314中去除了分量，该输出可以被输入到次级路径动力学模块1334b中。基于次级路径动力学模型对信号1348进行滤波的次级路径动力学模块1334b输出校正项1336。次级路径动力学模块1334b的输出是校正项1336，该校正项反映了由次级路径动力学和环路整形滤波器修改的扰动消除命令。可以在求和节点1350处从所递送扭矩1320中减去校正信号1336，该求和节点输出这两个信号的差1338。可以将信号1338输入到权重更新模块1306，在权重更新模块中，该信号基于所递送扭矩1320来提供修改的反馈，以帮助将nvh减少到可接受的水平。
应当理解，滤波器模块1340可以以多种方式实施。图17a所示的滤波器模块1340在时域中工作。具有类似滤波特性的滤波器也可以在频域中实施。滤波器1340具有表示所递送扭矩的信号1320作为输入。滤波器可能没有反馈信号，并且仅使用扰动相关信号1312来生成平滑扭矩。在这种情况下，扰动相关信号1312应当至少部分地基于扭矩模型1592，因为没有反馈来帮助减少扭矩扰动。
在一个实施例中，控制器可以在在线自适应与离线自适应之间切换。例如，权重可以在线自适应地更新，即，如等式9中所述的实时地递归计算。可替代地，预先计算的值可以离线存储在控制器在运行控制算法时在各种操作点使用的权重查找表中。
匹配基函数控制
可以在混合动力传动系控制中使用的另一种类型的自适应控制是匹配基函数控制。在匹配基函数控制中，控制信号被表示为一个或多个时间函数，例如三角函数，例如正弦和余弦函数。选择三角函数的自变量以匹配预期存在于扰动中的一个或多个频率，即三角函数与扰动相匹配。当发动机以固定的点火分数运行时，使用匹配基函数控制是特别有利的，因为在这种情况下，点火序列的周期是固定的并且感兴趣的频率分量被很好地限定。
图17b示意性地示出了使用匹配基函数控制的混合动力传动系1700的一部分。该控制方法类似于先前描述的那些，但是不是使用扰动相关信号来控制电动机/发电机，而是使用匹配基函数来确定电动机/发电机控制信号。匹配基函数可以是时间的任何函数，并且可以从这些基函数构造减轻或平滑扭矩。在一个实施例中，基函数由一个或多个所选频率的(多个)余弦和正弦函数对组成。通常，这些频率将对应于与点火序列的周期和该频率的谐波相匹配的基频。匹配基函数的相位和幅值可以通过众所周知的算法自适应地调整，这些算法诸如递归最小二乘(rls)算法、最小均方(lms)算法或使受约束的目标函数最小化的某个其他算法。目标函数可以是燃料效率并且约束可以是nvh度量，如所估计的驾驶员座椅轨道加速度或曲柄轴加速度的均方。经由确定目标函数中的控制动作与nvh度量的比率的加权因子来调整减轻的幅值，这确保在满足nvh约束的同时最小化控制努力。
图17b的各个方面类似于图15中的那些方面。如前所述，驱动脉冲113是由点火正时模块基于点火分数119确定的。这两个信号(驱动脉冲信号113和点火分数119)可以被输入到作为基函数发生器模块1740的一部分的角度生成模块1780中。点火分数指示稳态操作中的重复点火序列长度的长度。驱动脉冲113指示是应当点火还是跳过点火时机。驱动脉冲113指示重复点火序列的相位。驱动脉冲113还被输入到编排发动机150的操作的点火控制单元140。发动机150输出指示曲柄角取向的曲柄角信号1710，该曲柄角信号也被输入到角度生成模块1780中。下文更详细地解释角度生成模块1780的操作。
基对模块1740以驱动脉冲113中存在的一个或多个频率生成一对正弦和余弦函数。正弦和余弦对生成模块1740的输出是输入基函数1355和输出基函数1357。输入基函数1355和输出基函数1357可以是由一对或多对正弦和余弦函数组成的向量。输入基函数1355和输出基函数1357具有相似的时间依赖性，但可以因正弦和余弦函数的相位角和/或相对幅值而不同。这些差异源于次级动力学。输入基函数1355被输入到乘法器1360。输出基函数1357被输入到匹配基函数系数模块1750。
基于来自点火控制单元140的输入，发动机150生成发动机扭矩1310。发动机扭矩1310在加法器1318中与扭矩平滑模块1302的输出1316机械地组合。所得到的所递送扭矩1320可以用于为车辆提供动力并驱动任何车辆附件。所递送扭矩1320或与其相关的信号被反馈到车辆响应滤波器模块1722和nvh估计模块1720，这两个模块基于车辆响应和车辆乘员对nvh的灵敏度来确定nvh度量。nvh度量信号1380被输入到匹配基函数系数模块1750。匹配基函数系数模块1750确定在乘法器1360中与输入基函数1355中的相应正弦或余弦函数相乘的系数1390。输出是电动机/发电机控制信号1301，该电动机/发电机控制信号被输入到扭矩平滑模块1302以递送平滑扭矩1316。正弦和余弦对生成模块1740、乘法器1360和匹配基函数系数模块1750全部可以合并到匹配基函数控制模块1730中。
图17c和17d中示出了描绘车辆响应滤波器模块1722和nvh滤波器模块1720的幅值和相位的示例性滤波器响应的波特图。图17c示出了曲线图1760，其描绘了车辆响应1762和nvh响应1764的示例性幅值。可以在驾驶员座位或车厢中的某个其他位置处测量车辆响应。车辆响应幅值1762可以具有与动力传动系共振频率或某个其他车辆共振相对应的一个或多个共振峰值1766。nvh滤波器响应1764由人类对冲击和振动的感知来掌控。已经有许多研究涉及振动对车辆乘员的影响。例如，iso2631提供了关于振动对车辆乘员的影响的指导。一般而言，如图17c所示，从乘客舒适度的角度来看，频率在0.2至8hz之间的振动被认为最差类型的振动(但是当然关于最相关的边界存在许多相互竞争的理论)。因此，这些频率分量优先通过nvh滤波器1720，使得它们可以通过施加平滑扭矩而被衰减。
图17d示出了曲线图1770，其描绘了车辆响应1772和nvh响应1774的示例性相位。车辆响应滤波器模块1722的特性可以基于变速器挡位或无级变速器的有效传动比而变化。诸如环境温度等其他因素也可以修改车辆响应滤波器的特性。即，图17c和图17d中所示的车辆响应幅值1762和相位1772的曲线图分别可以根据变速器挡位和可能的其他因素而变化。
图17e是展示根据本发明的一个实施例的角度生成模块1780的框图。角度生成模块1780的目的是展开曲柄角信号1710并生成具有与点火序列的周期相匹配的周期的周期函数。曲柄角信号1710可以在0到720度之间变化。它可能以6度为增量，但这不是必需的。曲柄角信号1710被分离，并且一部分信号经过延迟元件1781。曲柄角信号1710与经延迟信号1782之间的差异由加法器1783确定，从而产生比较信号1784。比较信号1784通常是小的正值，因为曲柄角随时间增加。当曲柄角信号1710越过720并且重置为零时发生异常，然后比较信号变得大约等于负720度。
曲柄角信号1710还被输入到比较器1785中。比较器1785将曲柄角信号1710的当前版本与其先前值进行比较。如果当前曲柄角信号更大，则比较器输出信号1797为零。如果它更小，则比较器输出信号为一。比较器输出信号1797被输入到乘法器1787。乘法器1787将输入的信号1786与1797相乘。由于比较器信号1797通常为零，因此乘法器1787的输出通常为零。当曲柄角信号1710回绕到零或接近零时，比较器输出信号1797将为一并且乘法器1787的输出将为720。乘法器1787的输出在加法器1788中与比较信号1784相加。该输出将是连续测量之间的曲柄角差，例如6度。加法器1788的输出被输入到增益元件1789。增益元件1789中的增益量由每曲轴旋转的点火时机的数量确定。例如，4缸4冲程发动机的增益为2。增益元件1789的输出是被输入到乘法器1791中的经调整的曲柄角增量1790。
乘法器1791的另一个输入是点火分数119。对于跳过点火控制的发动机，点火分数的分母是在稳态下操作时的周期点火序列的长度。在乘法器1791中乘以曲柄角增量1790相当于将其除以重复点火序列的长度。乘法器1791的输出被输入到加法器1792。加法器1792将输出1779与信号1778相加。信号1778由延迟块1795输出，该延迟块具有模单元1794的输出1796作为输入。模单元1794的输入是加法器输出1793和作为模自变量的360。共同地，块1793中的元件用于对除法器输出信号1779进行积分并返回0到360之间的值。输出1796可以用作定义匹配基函数的三角函数中的自变量。这些函数是周期性的，其中，周期长度与重复点火序列长度的长度相匹配。
为了确保算法的稳定性，可能需要关于次级路径的一些信息，如皮带传动和电动机/发电机动力学。不需要次级路径的精确模型，因为实际的相位调整是使用测得的反馈信号自适应地完成的，以使补偿次级路径模型中的任何不确定性所定义的误差最小化。
与先前描述的一些实施例相反，匹配基函数控制解决了发动机扭矩曲线中的有限数量的主要谐波，而不是解决特定带宽内的所有频率。类似于先前描述的方法，其使用反馈来自适应地修改控制系统中的参数，以将nvh减少到可接受的水平，同时提供最大的燃料效率。匹配基函数控制可以使用一对余弦和正弦信号或可以表示由dsf操作生成的发动机扭矩脉冲的其他正交函数。有利地，三角函数可以直接从曲柄角测量生成，以避免与滤波相关联的任何延迟。
四冲程发动机的发动机配置与点火频率之间的关系由下式给出。
这里，nrpm是以rpm表示的发动机速度，ncyl是发动机中的汽缸数，ndenom是简分数的分母，并且f是发动机扭矩脉冲的基频。所有值都是整数，并且基本频率对于共享相同分母的点火密度是相同的。基频的谐波是频率f的整数倍。
为了减轻这些谐波，有必要生成相应频率的正弦扭矩，并且这可以通过使用以该角速度2πf(弧度)振荡的(多个)三角函数来完成。然而，测得的发动机速度非常嘈杂，并且需要某种滤波来去除发动机速度测量中的高频噪声。这种方法的缺点是滤波器会在估计的角速度轨迹中引入延迟，这导致减轻误差。
由于实际需要的不是频率，而是三角函数的自变量(即，角速度的积分)，因此可以替代地使用曲柄角测量，因为所需的积分是曲柄角的整数倍。曲柄角测量通常噪声较小，并且因为它不需要滤波，所以不会引入延迟。以下公式(等式14)示出了等效正弦函数，其自变量是从角速度(等式的左侧)和曲柄角(等式的右侧)获得的。
通常，曲柄角度被卷绕为0至720度，并且在应用上述公式之前需要将其展开。结合图17e和角度生成模块1780描述了用于执行该展开的示例性模块。
在匹配基函数控制的实施例中，使用其频率与被解决的频率相对应的一对正弦和余弦函数作为基函数。输出基函数h(k)可以如下定义。
h(k)＝[cos(ωkt)sin(ωkt)]t(15)
在等式15和其他等式中，上标t是指输出基函数h(k)的转置，并用于使h(k)的表示更紧凑。在等式15中，基函数只有一个频率，即基本振荡频率；然而，可以将更多项添加到针对其他感兴趣频率(诸如但不限于2ω和3ω)的基函数。输出基函数对应于图17e中的信号1357。
包含对次级路径动力学的补偿的输入基函数g(k)可以定义如下：
这里，θ和ρ是传递函数f的频率响应的相位和幅值，该传递函数表示减轻扭矩命令与提供约束的测得nvh度量之间的任何动力学。输入基函数对应于图17e中的信号1355。
在一些实施例中，可以通过利用传递函数f对基函数进行滤波来获得输入基函数。这种方法的缺点是它会导致相位和幅值的某些延迟。相反，等式16中的输入基函数可以通过在被解决的频率下f的频率响应的相位和幅值获得，该相位和幅值可以作为表格或公式提供。传递函数f可以以多种形式表示，如以下等式17所示。
传递函数f包括次级路径动力学和用于nvh度量和车辆响应的滤波器。由于传递函数f的影响将通过自适应算法隐式地被识别和补偿，因此传递函数的知识不必非常准确，只要其精确到足以使系统稳定即可。传递函数f的精度的公差非常宽松。
在一些情况下，可以如下所示获得输入基函数。
上面所示的推导具有不引入任何延迟的优点，因为它直接使用测得的曲柄角。
在匹配基函数控制算法的操作中，输入基函数g(k)是通过在给定频率下对传递函数f的幅值和相位估计而从输出基函数h(k)变换的。控制算法将自适应地补偿与传递函数f的真实幅值和相位的差。
输入基函数g(k)可以与输入基函数系数向量α(n)相乘以生成减轻命令u(k)，如以下等式19所示。
u(k)＝gt(k)α(k)(19)
系数α(n)可以通过使目标函数j最小化的自适应算法确定，如递归最小二乘(rls)方法或最小均方(lms，或梯度算法)。rls的目标函数j可以表示为
uc＝[h(n)tαh(n-1)tα…h(n-n+1)tα]t
ynvh＝[h′(n)tw0h(n-1)tw0…h(n-n+1)tw0]t
h(n)＝[cos(nωt)sin(nωt)cos(2nωt)...]t,t＝[h(n)h(n-1)...h(n-n+1)]t
r＝r2i
(20)
其中，envh和uc是nvh度量和控制命令的历史，w0和α是相应的基函数系数，i是单位矩阵，并且r2是用于调整对控制动作的惩罚(在这种情况下是能量消耗)的权重。
系数向量α[n]的rls更新公式可以如下给出：
α[n]＝α[n-1]+p[n](h′[n]e[n]-r2h[n]h[n]tα[n-1])
p[0]＝(t′[0]tt′[0]+r2t[0]tt[0])-1
p[n]＝(λp[n-1]-1+r2h′[n]h′[n]t+r2h[n]h[n]t)(21)
envh[n]＝fnvh{y[n]-u[n]}(22)
其中，y[n]是发动机扭矩，u[n]是具有由于次级路径的不确定性导致的一些误差的所递送减轻扭矩，λ是遗忘因子，r2是如之前的加权因子，fnvh是从发动机扭矩到nvh度量的传递函数，并且envh[n]是测得的nvh度量。
通过将对控制动作的惩罚结合到目标函数中，控制努力的大小可以得到控制。权重的值可以通过求解以下r的等式来确定，其中，所希望的nvh度量表示为σnvh。
在一些实施例中，动力传动系控制器可以取决于车辆是以固定点火序列操作还是车辆在两个点火序列水平之间过渡而在自适应滤波器前馈算法与匹配基函数控制算法之间切换。在点火分数过渡中，点火模式不再由重复点火序列组成；然而，过渡的长度(即，过渡中的点火时机的数量)可以是已知的，并且这可以用作到匹配基函数控制模块1730的输入。
虽然上面已经描述了匹配基函数控制器和控制算法的示例性实施例，但是应当理解，可以在保持其基本功能的同时重新配置控制器和控制方法。
结果
图18a至图18d示出了本发明实施例的模拟结果。图18a示出点火分数命令，其从0.33开始并在约20ms的跨度上移动到0.25。图18b示出了两条曲线。曲线2105是发动机扭矩，曲线2120是平均发动机扭矩，该平均发动机扭矩是在确定扰动相关信号时去除的偏差水平。发动机最初大约每30ms点火一次。由于点火分数为0.33，这意味着大约每10ms就有一次点火时机。该示例性发动机扭矩输出可以由以下发动机产生：以3000rpm运转的4缸发动机、以1500rpm运转的八缸发动机、或者产生以该间隔的点火时机的汽缸计数和发动机速度的任何其他组合。注意，作为点火分数过渡的结果，发动机点火密度的变化在图18a所示的点火分数命令信号的变化之后的略微0.1秒或约60ms之后开始发生。该延迟(在这种情况下约为6次点火时机)表示在基于点火分数确定点火序列与在发动机中执行该序列之间相关联的延迟。这种延迟水平通常用于发动机经由旋转凸轮控制阀运动，并通过禁用阀运动来停用跳过的汽缸。图18c示出了曲线2140(其是电动机/发电机命令曲线)和曲线2150(其是由电动机/发电机从动力传动系递送/收回的扭矩)。电动机发电机命令曲线2150是来自图13的滤波器输出1314或来自图15中的电动机/发电机命令信号1301的示例。曲线2140与2150之间的差异反映了先前讨论的次级路径动力学的影响。图18d示出了作为曲线2110的总动力传动系扭矩和作为曲线2120的平均总扭矩。曲线2110是图13、图15、图17a和图17b中所示的所递送扭矩1320的示例。
图19示出了来自模拟结果的扭矩误差的频谱。曲线2205展示了在没有施加任何平滑扭矩的情况下的发动机滤波的曲轴加速度。曲线2210展示了使用如本文所述的自适应滤波器前馈控制方法的发动机和电动机/发电机响应的组合。如图19中的插图所示，对于基频和二次谐波频率，基本上消除了扭矩误差。至少部分地由于电动机/发电机系统的带宽限制，三次谐波没有显著衰减；然而，约100hz及以上的这些频率分量通常对nvh几乎没有影响，因此不需要衰减。
动态点火水平调制
前面的描述集中于适用于跳过点火控制的内燃发动机的扭矩平滑系统的控制方法。应当理解，本文所述的控制方法还适用于使用具有不同输出的不同汽缸操作的发动机，如美国专利9,399,964和美国专利申请14/705,712中所述，这两个专利均通过援引以其全文并入本文。这两个参考文献都描述了发动机控制方法，其中，在一些情况下，不是某些汽缸被跳过并且不产生净扭矩，而是一些汽缸的输出明显不同于其他汽缸的输出。高汽缸输出可以对应于针对动力优化的冲程，而低汽缸输出可以对应于针对燃料经济性而优化的冲程。这些高扭矩冲程和低扭矩冲程可以以不同的顺序布置，以提供所需的发动机输出。可以以使得以较高扭矩输出的点火具有比以较低扭矩输出的点火更大量的引入空气的方式来控制阀。在一些情况下，也可以将跳过添加到模式中，使得任何给定的点火时机可以是高级点火、低级点火或跳过。共同地，这些类型的发动机控制系统可以被称为动态点火水平调制，其中，任何点火时机的输出可以与相邻点火时机的输出显著不同。在动态点火水平调制操作中，可以在稳态下使用有限数量的有效点火分数、周期模式或序列，并且每个有效点火分数、模式或序列具有基频和其谐波。有效点火分数可以部分地基于点火分数和比率分数，该比率分数是低扭矩点火与高扭矩点火的分数。其给出正在使用的最大可用发动机排量的分数的指示。
对于具有动态点火水平调制的发动机(其可以具有三个或更多个不同的工作室输出)，点火序列长度可以与点火分数不同。因此，代替到基函数发生器1740的单个点火分数输入，可能需要两个输入(如跳过与点火的比率和高点火与低点火的比率)来确定重复点火序列长度。
在一些实施例中，描述了一种用于在控制具有多个工作室的内燃发动机的操作以递送所希望的输出时使用的动力传动系控制器。每个工作室具有至少一个凸轮致动的进气阀和至少一个排气阀。动力传动系包括辅助扭矩源/汇。点火水平确定单元识别要在低扭矩输出下点火的所选低工作循环和要在高扭矩输出下点火的所选高工作循环。点火水平确定单元可以被布置成用于在发动机的运行期间通过点火时机偏差来做出关于点火时机的高或低扭矩输出确定。自适应滤波器前馈控制器被布置成确定由辅助扭矩源/汇施加到动力传动系的平滑扭矩，其中，该平滑扭矩被布置成用于至少部分地抵消由高/低点火序列生成的扭矩变化，由此减少否则会由该点火序列生成的nvh。在一些情况下，除了具有高或低扭矩输出的可能性之外，还可以跳过一些点火时机。
其他特征
在前述说明书和所结合的应用中已经描述了许多控制器和控制元件，包括例如动力传动系控制器、发动机控制器、发动机控制单元(ecu)、混合动力传动系控制器、跳过点火式发动机控制系统、点火控制器、自适应滤波器前馈控制器、匹配基函数控制器、点火控制单元、电动机/发电机控制器、前馈控制系统和其他控制元件。本文描述的各种控制器和控制方法可以使用在处理单元(如微处理器)上执行的软件或固件、使用可编程逻辑、使用专用集成电路(asic)、使用离散逻辑等和/或使用前述的任何组合来实施。在本发明的各种实施例中，可以在各种架构中实施、分组和配置这些元件。例如，在一些实施例中，混合动力传动系控制器或由单个处理器组成的ecu可以被配置成用于执行与车辆控制有关的所有描述的活动。可替代地，动力传动系或发动机控制器可以包括多个处理器，这些处理器共同定位为动力传动系或发动机控制模块的一部分，或者可分布在车辆内的不同位置处。由处理器或控制单元中的任何一个执行的具体功能可以广泛变化。例如，电动机/发电机控制器可以集成到ecu或混合动力传动系控制器中，或者其可以是位于电动机/发电机附近的单独元件。在另一示例中，如点火分数计算器、点火确定正时模块、自适应滤波器前馈控制器和其他部件等部件可以被实施为发动机或动力传动系控制单元的功能块、实施为跳过点火式或点火水平调制控制器的一部分、实施为nvh减轻模块的一部分、实施为离散控制单元部件、或以其他合适的方式包括其任何所希望的组合。
可以使用在发动机控制单元、动力传动系控制模块、发动机控制模块或者被编程有适当的控制算法的任何其他合适的处理器上执行的软件或固件来实施本文中描述的控制方法。可替代地，当需要时，可以采用可编程逻辑的形式或者使用专用集成电路(asic)或任何前述的组合来实施该功能。
在实施例中，描述了一种用于操作混合动力车辆的方法，该混合动力车辆具有连接到公共动力传动系的内燃发动机和电动机/发电机。该方法包括确定所请求的动力传动系扭矩输出并以跳过点火方式操作内燃发动机。利用电动机/发电机向动力传动系施加平滑扭矩。平滑扭矩对抗由内燃发动机的点火工作室引起的扭矩变化，并且由自适应滤波器前馈控制确定。在各种实施例中，自适应滤波器前馈控制可以使用扰动相关信号，该扰动相关信号可以基于点火序列。扰动相关信号可以具有基本为零的平均值。
在其他实施例中，混合动力车辆包括机械地联接到动力传动系的电动机/发电机。能量储存元件电耦合到电动机/发电机。跳过点火控制的内燃发动机还机械地联接到动力传动系，并且电动机/发电机向动力传动系施加与由内燃发动机的点火工作室施加的扭矩相对抗的平滑扭矩。所施加的平滑扭矩是使用自适应滤波器前馈控制确定的。在一些实施例中，自适应滤波器前馈控制使用扰动相关信号，并且扰动相关信号可以基于点火序列。扰动相关信号可以具有基本为零的平均值。能量储存元件可以是电容器、电池、或电池和电容器的并联组合。
在又另外的实施例中，描述了一种利用动力传动系控制器来控制具有动力传动系控制器的混合动力车辆的方法，该动力传动系控制器控制跳过点火控制的内燃发动机和辅助扭矩源/汇。动力传动系控制器接收扭矩请求并且基于该扭矩请求确定递送所请求扭矩的点火序列。可以基于点火序列生成扰动相关信号。可以使用自适应滤波器来对扰动相关信号进行滤波。经滤波的扰动相关信号可以作为控制信号输入到辅助扭矩源/汇。可以将平滑扭矩从辅助扭矩源/汇施加到动力传动系，以便至少部分地衰减由跳过点火式发动机操作引起的扭矩振荡。可以基于所感测到的信号确定nvh度量。nvh度量可以被反馈到自适应滤波器，以便修改其滤波特性。在一些实施例中，所感测到的信号可以是曲轴旋转或其时间导数或加速度计。滤波器可以是数字有限脉冲响应(fir)滤波器。数字有限脉冲响应(fir)滤波器可以具有基于nvh度量而修改的权重。可以控制nvh度量以便不超过预定目标水平，如果超过该目标水平则将导致不可接受的nvh。
虽然仅详细描述了本发明的几个实施例，但是应当理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本发明可以以许多其他形式实施。例如，附图和实施例有时描述了具体的布置、操作步骤和控制机制。应当理解，可以视情况而修改这些机制和步骤以适应不同应用的需要。例如，并不需要nvh减少模块的这些操作和特征中的一些或全部，而是可以将这些操作中的一些或全部适当地转移给其他模块，例如点火分数计算器和/或点火正时确定单元。在一些实施例中，所描述的操作中的一项或多项被重新排序、替换、修改或移除。虽然本发明适用于所有形式的混合动力车辆，但是它尤其适用于具有不足以提供用于驱动车辆的全部动力的相对较小能量储存和电动机/发电机容量的微混合动力车辆。本发明也适用于具有任何数量汽缸的发动机。本发明的各种实施例在具有相对较小的发动机(如2、3或4缸发动机)的紧凑型车辆中是尤其有利的，其中与低汽缸数的跳过点火式发动机相关联的nvh可以通过平滑扭矩来减轻。因此，本发明实施例应当被认为是说明性的而非限制性的，并且本发明不限于在此给出的细节。
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