CN104039622A

CN104039622A - 用于减小混合动力车辆的动力系统的转动不均匀性的装置和方法

Info

Publication number: CN104039622A
Application number: CN201380005225.XA
Authority: CN
Inventors: T·克里斯特; J·米勒; M·斯基伯
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2014-09-10
Also published as: WO2013156191A1; US20150053165A1; EP2838769A1; US9803543B2; DE102012206559A1

Abstract

本发明涉及一种用于减少混合动力车辆的动力系统的转动不均匀性的装置和方法，所述动力系统包括内燃机(VM)、电机(EM)和曲轴。转动不均匀性的减少或消除通过电机(EM)的控制来进行，所述控制设计为自适应前馈控制(F)，该自适应前馈控制为电机(EM)提供控制信号(u)，该控制信号表示要由电机(EM)产生的额定转矩(M_EM,soll)，从而电机将与转动不均匀性至少近似相逆的转矩(M_EM,ist)发送到曲轴上，用于与由内燃机(VM)产生的转矩(M_KW)叠加。

Description

用于减小混合动力车辆的动力系统的转动不均匀性的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于减小混合动力车辆的动力系统的转动不均匀性的装置和方法，所述动力系统包括内燃机、电机和曲轴。

背景技术

转动不均匀性是指基于惯性矩、燃烧峰值和通过内燃机的运行在曲轴上产生的次级效应的所有周期性干扰转矩的总和。转动不均匀性给由内燃机提供的输出转矩叠加多个周期性干扰。已知借助被动减振元件、如双质量飞轮(ZMS)或转速自适应减振器(DAT)克服转动不均匀性。

也已知主动补偿功能。在主动方法的范畴中使用受控的致动器，必要时也结合被动元件。主动补偿功能考虑选择性安装的被动元件、如ZMS和DAT的作用并且同时实施干扰的主动补偿。在此处理由传感器检测的动力系统信号如转速、转矩或纵向加速度并且将其与参考值进行比较，以便根据调整误差控制相应的致动器。一般来说，这种方式的控制在其可用带宽内基于信号越渡时间和致动器限制而受到限制。角频率根据驱动装置拓扑结构(如发动机结构等)和致动器质量通常处于10Hz和20Hz之间，因此，这种方案适合用于消除急冲频率和其它低频干扰，但不能覆盖转动不均匀性的整个频谱。

发明内容

因此，本发明的任务在于提供一种装置和方法，其在结构和/或功能上被改进，使其能应对转动不均匀性的更宽的频谱。

所述任务通过根据权利要求1特征的装置和根据权利要求9特征的方法得以解决。有利的方案由相应的从属权利要求给出。

本发明提出一种用于减少混合动力车辆的动力系统的转动不均匀性的装置。所述动力系统包括内燃机、电机和曲轴。转动不均匀性的减少或消除通过电机的控制来进行。在此，所述控制设计为自适应前馈控制。前馈控制在英语文献中被称为“Feed Forward Control”。自适应前馈控制为电机提供控制信号，该控制信号表示要由电机产生的额定转矩，从而电机将与转动不均匀性至少近似相逆的转矩发送到曲轴上以便与由内燃机产生的转矩叠加。

本发明还提出一种用于减少混合动力车辆的动力系统的转动不均匀性的方法，所述动力系统包括内燃机、电机和曲轴。转动不均匀性的减少或消除通过电机的控制来进行。所述控制借助自适应前馈控制进行，该前馈控制为电机提供控制信号，该控制信号表示要由电机产生的额定转矩，从而电机将与转动不均匀性至少近似相逆的转矩发送到曲轴上，用于与由内燃机产生的转矩叠加。

因此根据本发明提出，将电机用于消除转动不均匀性。在此，不使用传统控制来控制电机，传统控制通常只能消除直至约15Hz的低频干扰；而是使用自适应前馈控制，借助该前馈控制也可减少或消除可听到范围中的振动。该措施基于下述认识：要消除的频率分量与发动机转速有关并且要消除的频率从一开始就是已知的。因此该认识可在前馈控制中用来消除或减小相应的振动。

由此可提高内燃机的运行平稳性。也可阻尼动力系统中不希望的振动。所述装置和方法可进一步用于在声学上改善内燃机噪音。另一优点在于，可省却被动的动力系统减振元件、如双质量飞轮或转速自适应减振器。后者尤其是可能的，因为可使用具有高质量自适应前馈控制的功能。

根据一种符合目的的方案，作为输入参数，能向前馈控制输入通过测量技术检测的内燃机转速用以处理。尤其是可向前馈控制输入能由内燃机转速产生的具有多个频率的频率向量，所述多个频率包含于表示转动不均匀性的信号中。与此相应，在根据本发明方法的一种扩展方案中，作为输入参数，向前馈控制输入通过测量技术检测的内燃机转速用以处理。在根据本发明的方法中，尤其是向前馈控制输入能由内燃机转速产生的具有多个频率的频率向量，所述多个频率包含于表示转动不均匀性的信号中。频率向量在此可借助频率生成器产生。

在根据本发明装置的另一种方案中，为了前馈控制的自适应，作为其它输入参数，能向前馈控制输入通过测量技术检测的电机转速用以处理，该电机转速包含转动不均匀性的剩余干扰。与此类似，在该方法的一种扩展方案中，为了前馈控制的自适应，作为其它输入参数，向前馈控制输入通过测量技术检测的电机转速用以处理，该电机转速包含转动不均匀性的剩余干扰。

在另一种符合目的的方案中，自适应前馈控制对于预先规定的发动机阶次具有关于在表示转动不均匀性的干扰信息中所包含的频率的信息用以处理。在该方法中，自适应前馈控制对于预先规定的发动机阶次处理关于表示在转动不均匀性的干扰信息中所包含的频率的信息。

在另一种方案中，本发明装置的自适应前馈控制具有干扰参数观察器，其构造用于产生A矩阵。A矩阵以技术人员已知的方式用于设计或定义控制。在此选择性地在A矩阵中考虑阻尼。

附图说明

下面由附图所示实施例更好地示出本发明和其优点。附图如下：

图1a、1b为用于示出内燃机运行时的转动不均匀性的混合动力车辆的动力系统的内燃机转速或转矩的时间段曲线图；

图2为用于减少动力系统的转动不均匀性的自适应前馈控制的一种根据本发明的实施例的示意图；

图3为用于实现自适应前馈控制的一种可根据本发明使用的干扰参数观察器的控制方案的示意图。

具体实施方式

下述说明从包括内燃机和电机的车辆混合动力系统出发，在其中电机能够将叠加到去往驱动轴的内燃机转矩路径上。当本说明书中提到电机时，则电机可选择性地在电动运行或发电机运行中运行。

由内燃机提供的转矩基于自由惯性矩、燃烧峰值和发动机总成的次级效应含有周期性干扰转矩。这示例性地在图1a、1b中示出，其分别示例性示出曲轴转速n_KW或者曲轴上出现的转矩M_KW的一个时间段曲线图。在图1a、1b中示例性示出的曲轴转速n_KW或者曲轴转矩M_KW的曲线在恒定的给定速度下产生。基于约小于0.001秒的时间分辨率清晰可见，不仅曲轴转速而且曲轴上出现的转矩M_KW与周期性干扰叠加。所述干扰信号的频率可以是曲轴转速n_KW的数倍或与之无关的恒定值。下面T_s,i:i∈[1,N]是N个频率为ω_i且振幅为A_i的内燃机周期性干扰信号：

T_s,i＝A_isin(ω_it+φ) (1)

在下面的说明中作为干扰信号仅考察一个在动力系统曲轴上出现的干扰转矩。所有干扰转矩的总和被称为转动不均匀性。与发动机转速有关的干扰信号的频率在此大致在按公式(2)的用于空载的第0.5发动机阶次的5Hz和按公式(3)的用于n_KW,max时的第四发动机阶次的533Hz之间。

f_s,min≈6001/min*0.5＝5Hz (2)

f_s,max≈80001/min*4＝533Hz (3)

在减少动力系统的转动不均匀性的范畴中须考虑哪个发动机阶次是已知的并且取决于所观察的发动机。尤其是取决于发动机在气缸数方面的设置、气缸彼此间的设置(V型设置或成列设置)以及具体设计，它们尤其是影响干扰信号的振幅。在上面给出的公式(2)和(3)中，例如在发动机设置给定时观察第0.5和第四发动机阶次。在此对于第0.5发动机阶次产生人类不能听到的范围内的f_s,min＝5Hz的频率。与此相对，对于第四发动机阶次求出的f_s,max＝533Hz的干扰频率则处于人类可听到的范围内。

应在动力系统中尽可能消除转动不均匀性、即在公式(2)和(3)中计算出的频率的出现，从而由此避免声学负荷极限和构件负荷极限。

根据本发明，为此使用前馈控制。除内燃机转速外，前馈控制将关于信号中所包含频率的信息用作参考，以便尽可能好地模仿转动不均匀性并且通过适合的致动器来消除转动不均匀性。如此生成的信号在此在相位和振幅中适配干扰信号。为此前馈控制算法借助所测得的含有剩余干扰的信号自适应。这借助例如基于干扰参数观察器的前馈控制算法实现。作为替换方案，例如也可使用所谓的自适应陷波滤波器。此外，也可想到其它的实现可能性。

图2示出前馈控制的作用方式的示意图。以VM表示内燃机并且以EM表示电机。作为其它硬件组件示出第一传感器S1(如曲轴传感器)和第二传感器S2(如转子位置传感器)。曲轴传感器S1在此检测内燃机转速n_KW。转子位置传感器S2检测电机转速n_EM。

由测得的内燃机VM转速n_KW在模块FG中生成频率向量ω。模块FG构成频率发生器。频率向量ω具有在干扰信号中估算的频率。所述频率在此可与发动机VM转速n_KW有关或具有与之无关的恒定值。用于求出频率向量的方法在下面还将被更详细描述。

在表示干扰参数观察器的模块SGB中描述周期性振动的系统动态性，所述周期性振动包含在频率向量ω中、即频率向量的相应频率中。周期性振动在SGB中关于其相位和振幅借助误差信号e校正、累加并且作为额定转矩M_EM,soll、即电机EM的控制信号被提供。然后，电机EM给来自内燃机VM的转矩M_KW叠加估算的干扰的相逆值(M_EM,ist)，以便消除转动不均匀性的干扰。在理想地消除转动不均匀性的情况下，所产生的输出转矩M₀和因此电机转速n_EM是平滑的，该转速表示电机EM的当前转速。在下面还将更详细说明干扰参数观察器SGB。

通过转子位置传感器S2测得的电机EM转速被输入给模块SMS、即干扰转矩估算器。干扰转矩估算器SMS由测得的电机转速n_EM估算位于曲轴上的干扰转矩。在下面还将说明一种可能的实现方式。

当电机转速n_EM在理想条件下是平滑的时，干扰转矩M_e＝0。因此在干扰参数观察器SGB中不发生系统动态性的适配。相反，当出现干扰转矩M_e时，则改变振动的相位和振幅，以便在下一周期中减小误差。在此重要的学习速度l将在说明干扰参数观察器SGB时被更详细描述。

频率发生器FG和干扰参数观察器SGB构成自适应前馈控制F。转子位置传感器S2和干扰转矩估算器SMS表示前馈控制的测量环节H。在图2中未详细示出的控制环节P位于驱动转矩M₀和电机转速n_EM的检测之间。

干扰参数观察器SGB的结构在图3中示出。用于描述系统动态的基本方程如下：

x(k+1)＝A(ω,c)x(k)+Le(K) (4)

u＝Cx(K) (5)

在此x表示具有待描述振动的状态的向量、A表示用于描述系统动态性的矩阵、e表示余下的剩余干扰转矩并且L表示用于使状态适配于测得的干扰动态性的学习速度的矩阵。向量ω和c在各个正弦振动的频率和阻尼方面参数化系统矩阵A。

频率为ω_i并且可选的阻尼为c_i的单个振动的动态性在离散的状态空间模型中通过下述方程来描述：

x_i(k+1)＝A_ix_i(k) (6)

y_i(k)＝C_ix_i(k) (7)

且

A_{i} = [\begin{matrix} 0 & e^{- w_{i} c_{i} T_{s}} \\ - e^{- w_{i} c_{i} T_{s}} & 2 e^{w_{i} c_{i} T_{s}} \cos (w_{i} \sqrt{1 - c_{i}^{2}} T_{s}) \end{matrix}],

C_i＝[1 0] (8)

其中，T_s表示扫描时间。因此为了叠加N个正弦振动产生总矩阵

C＝[C₁ … C_N] (9)

使用可选阻尼c_i的优点在于实现可靠状态，由此可确保稳定的系统性能。如不应设置这种阻尼时，则c＝0，由此产生极限稳定的系统。

在图3中以A表示A矩阵发生器，作为输入参数向A矩阵发生器输入频率ω_i和阻尼c_i。图3示出c＝0时的系统矩阵。

原则上状态可适配于调整参数限制并且各单个功能可在必要时不起作用。对于初始状态x(0)建议选择这样的向量，其为正弦振动轨迹的一部分，以便加速起振过程，例如：

x(0)＝[1 1 ... 1]^T (10)

对于正弦振动的两种状态必须始终成对地选择学习速度。在此完全可不同地权重不同的频率。只是同一频率的两个状态必须具有相同的学习速度。

L＝[l₁ l₁ l₂ l₂ ... l_N l_N]^T (11)

l_i的选择必须衡量相对于收敛时间的学习算法的稳定性。选择过小的l_i导致不足的消除质量，选择过大的l_i则可导致不稳定性。

因此，本发明建议使用自适应前馈控制，以便借助电机消除或至少减少内燃机的转动不均匀性。自适应前馈控制利用这样的认识：要消除的频率分量与发动机转速有关并且其对于每个发动机阶次的频率是已知的。

在上述说明中仅详细描述了用于实现解决方案的干扰参数观察器。也可简单地借助LMS滤波器或类似方案实现这种构思。

附图标记列表

VM 内燃机

EM 电机

S1 传感器(曲轴传感器)

S2 传感器(转子位置传感器)

FG 频率发生器

SGM 干扰参数观察器

n_EM 电机转速

n_KW 内燃机转速

M_KW 内燃机转矩

M_EM,soll 电机额定转矩

M_EM,ist 电机实际转矩

M₀ 驱动转矩

F 前馈控制

H 测量环节

Claims

1.用于减少混合动力车辆的动力系统的转动不均匀性的装置，所述动力系统包括内燃机(VM)、电机(EM)和曲轴，转动不均匀性的减少或消除通过电机(EM)的控制来进行，所述述控制设计为自适应前馈控制(F)，该自适应前馈控制为电机(EM)提供控制信号(u)，该控制信号表示要由电机(EM)产生的额定转矩(M_EM,soll)，从而电机将与转动不均匀性至少近似相逆的转矩(M_EM,ist)发送到曲轴上，用于与由内燃机(VM)产生的转矩(M_KW)叠加。

2.根据权利要求1的装置，其中，作为输入参数，能向前馈控制(F)输入通过测量技术检测的内燃机(VM)转速(n_KW)用以处理。

3.根据权利要求2的装置，其中，能向前馈控制(F)输入能由内燃机(VM)转速(n_KW)产生的具有多个频率(ω_i)的频率向量(ω)，所述多个频率包含于表示转动不均匀性的信号中。

4.根据权利要求3的装置，其中，频率向量(ω)借助频率生成器产生。

5.根据上述权利要求之一的装置，其中，为了前馈控制(F)的自适应，作为其它输入参数，能向前馈控制输入通过测量技术检测的电机(EM)转速(n_EM)用以处理，该电机转速包含转动不均匀性的剩余干扰。

6.根据上述权利要求之一的装置，其中，自适应前馈控制(F)对于预先规定的发动机阶次具有关于在表示转动不均匀性的干扰信息中所包含的频率(ω_i)的信息用以处理。

7.根据上述权利要求之一的装置，其中，自适应前馈控制(F)具有干扰参数观察器(SGB)，该干扰参数观察器构造用于产生A矩阵。

8.根据权利要求7的装置，其中，在A矩阵中考虑阻尼。

9.用于减少混合动力车辆的动力系统的转动不均匀性的方法，所述动力系统包括内燃机(VM)、电机(EM)和曲轴，转动不均匀性的减少或消除通过电机(EM)的控制来进行，所述控制借助自适应前馈控制(F)进行，该自适应前馈控制为电机(EM)提供控制信号(u)，该控制信号表示要由电机(EM)产生的额定转矩(M_EM,soll)，从而电机将与转动不均匀性至少近似相逆的转矩(M_EM,ist)发送到曲轴上，用于与由内燃机(VM)产生的转矩(M_KW)叠加。

10.根据权利要求9的方法，其中，作为输入参数，向前馈控制(F)输入通过测量技术检测的内燃机(VM)转速(n_KW)用以处理。

11.根据权利要求10的方法，其中，向前馈控制(F)输入能由内燃机(VM)转速(n_KW)产生的具有多个频率(ω_i)的频率向量(ω)，所述多个频率包含于表示转动不均匀性的信号中。

12.根据权利要求11的方法，其中，借助频率生成器产生频率向量(ω)。

13.根据上述权利要求之一的方法，其中，为了前馈控制(F)的自适应，作为其它输入参数，向前馈控制输入通过测量技术检测的电机(EM)转速(n_EM)用以处理，该电机转速包含转动不均匀性的剩余干扰。

14.根据权利要求9至13之一的方法，其中，自适应前馈控制(F)对于预先规定的发动机阶次处理关于在表示转动不均匀性的干扰信息中所包含的频率(ω_i)的信息。

15.根据权利要求9至14之一的方法，其中，所述自适应前馈控制(F)借助干扰参数观察器(SGB)产生A矩阵。

16.根据权利要求15的方法，其中，在A矩阵中考虑阻尼。