CN102220914B - 多阶段发动机停止位置控制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多阶段发动机停止位置控制。具体地，提供了一种用于在车辆中控制发动机停止位置的方法，该车辆具有带自动停止/自动起动功能的发动机。该方法包括：在自动停止事件开始时自动地渐变降低发动机转速；在发动机转速开始降低时执行对发动机的闭环速度控制，且只要在降低发动机转速时该发动机转速保持高于阈值发动机转速就一直持续执行；一旦发动机转速小于阈值发动机转速但大于零，就执行对发动机的闭环位置控制，同时渐变降低发动机转速；以及将曲轴停在目标发动机停止位置的经校准的范围内。还提供一种控制器，该控制器包括硬件模块和用于执行上述方法的算法。还提供一种车辆，该车辆具有带自动停止/起动功能的发动机和上述控制器。

Description

多阶段发动机停止位置控制
技术领域
本发明涉及在具有发动机自动停止/自动起动功能的车辆中对发动机的控制。
背景技术
混合动力电动车（HEV）单独地或一起地使用不同车载能量源来优化燃料经济性。具有完整混合动力系的HEV可以使用用于推进的内燃发动机和高电压（HV）能量存储系统（ESS）中的任一个或两者。一个或多个HV电动机/发电机单元（MGU）可以交替地从ESS吸取功率和向ESS提供功率。通过对比，轻度（mild）HEV通常不能通过电动方式推进，但仍然保留了全（full）HEV的某些节省燃料的动力系设计特征。例如，轻度HEV能够有选择地在车辆静止时关闭和重新起动它的发动机，从而相对传统车辆设计减少了怠速燃料消耗。
发明内容
因此，此处提供了一种用于在具有发动机自动起动/自动停止功能的车辆中使用的方法。执行此处所述的方法将发动机精确定位在目标停止位置的经校准的范围内，所述目标停止位置即发动机曲轴的期望曲轴转动角度（cranking angle）。这进而又可能有助于改善给定发动机的自动起动/停止循环的曲轴转动和起动阶段的平顺性，这部分地通过减少所需要的加快旋转（spin-up）的压缩扭矩以及通过缩短同步时间来进行。该方法可被体现为算法。该算法可被编程到车载控制器中并且响应于某些车辆操作值和条件而由车载控制器自动执行。
特别地，提供了一种在具有带自动停止/自动起动功能的发动机的车辆中使用的用于控制发动机停止位置的方法。该方法包括在自动停止事件开始时自动地渐变降低发动机转速，然后当发动机转速开始渐变降低时执行对发动机的闭环速度控制。在转速渐变降低阶段期间，只要发动机转速保持高于经校准的阈值发动机转速，就一直维持闭环速度控制。该方法包括：当检测到预定条件时，例如，一旦发动机转速小于阈值发动机转速但仍不为零、和/或当发动机姿态（profile）位置经过经校准的触发位置时，执行对发动机曲轴的闭环位置控制。将发动机停在落入目标发动机停止位置或角度的经校准范围内的曲轴转动角度或停止位置处。
还提供了一种用于具有自动停止/自动起动功能的车辆的控制器。该控制器包括硬件模块和算法，该算法可经由该硬件模块执行。当执行该算法时，发动机的曲轴转动位置在自动停止事件期间被控制，使得曲轴停在上述目标停止位置的经校准的范围内。
还提供了一种具有上述控制器和算法的车辆。该车辆包括带自动起动/自动停止功能的发动机，以及适用于在自动停止事件期间控制发动机的曲轴转动位置的控制器。所述算法在自动停止事件开始时自动地渐变降低发动机转速，并且在发动机转速开始渐变降低时执行对发动机的闭环速度控制，只要发动机转速保持高于阈值就一直这样执行。所述算法还适用于在检测到预定条件时执行对发动机的闭环位置控制同时渐变减低发动机转速，以及适用于将发动机停在目标发动机停止位置的经校准范围内。在不背离本发明预期范围的情况下，也可以使用除发动机转速之外的其他因素作为阈值，其可与发动机转速一起使用或代替它来使用，例如轨迹值或变化的曲轴转动角度。
本发明还包括以下方案：
方案1. 一种用于在车辆中控制发动机停止位置的方法，所述车辆具有带自动停止/自动起动功能和曲轴的发动机，所述方法包括：
在自动停止事件开始时自动地渐变降低发动机转速；
当所述发动机转速渐变降低时执行对所述发动机的闭环速度控制，并且只要所述发动机转速保持高于阈值发动机转速，就一直持续执行；
当检测到预定条件时，执行对所述发动机的闭环位置控制，同时渐变降低所述发动机转速；以及
将所述发动机的所述曲轴停在目标发动机停止位置的经校准的范围内。
方案2. 根据方案1所述的方法，还包括：一旦所述发动机转速等于零，就切换回对所述发动机的闭环速度控制。
方案3. 根据方案1所述的方法，其中，所述预定条件包括以下中的一个：所述发动机转速小于所述阈值发动机转速并且大于零；以及发动机姿态位置经过经校准的触发位置。
方案4. 根据方案1所述的方法，还包括：
计算所述曲轴的变化角度值；以及
在所述闭环位置控制期间，使用所述发动机的所述变化角度值作为闭环反馈变量。
方案5. 根据方案1所述的方法，其中，所述闭环控制由比例积分控制器执行，所述方法还包括：
在从闭环速度控制转变到闭环位置控制时，将所述比例积分控制器的I项设置为至少变速器状态和车速的函数。
方案6. 根据方案1所述的方法，还包括：
当所述发动机被停止时确定退出条件集是否存在；以及
只有在所述退出条件集存在时，才从闭环位置控制转变到闭环速度控制。
方案7. 一种用于在车辆上使用的控制器，所述车辆具有带曲轴和自动停止/自动起动功能的发动机，所述控制器包括硬件模块和算法，适用于在自动停止事件期间控制所述发动机的曲轴转动位置，其中，所述算法适用于：
在自动停止事件开始时自动地渐变降低发动机转速；
当所述发动机转速开始渐变降低时执行对所述发动机的闭环速度控制，并且只要在渐变降低所述发动机转速时所述发动机转速保持高于阈值发动机转速，就一直持续执行；
当检测到预定条件时，执行对所述发动机的闭环位置控制，同时渐变降低所述发动机转速；以及
将所述曲轴停在目标发动机停止位置的经校准的范围内。
方案8. 根据方案7所述的控制器，其中，所述算法还适用于：一旦所述发动机转速等于零，就切换回对所述发动机的闭环速度控制。
方案9. 根据方案7所述的控制器，其中，所述预定条件包括以下中的一个：所述发动机转速小于所述阈值发动机转速并且大于零；以及发动机姿态位置经过经校准的触发位置。
方案10. 根据方案7所述的控制器，其中，所述算法还适用于：
计算所述曲轴的变化角度值；以及
在所述闭环位置控制期间，使用所述发动机的所述变化角度值作为闭环反馈变量。
方案11. 根据方案7所述的控制器，其中，所述控制器被配置为比例积分控制器，以及其中，所述算法适用于：在从闭环速度控制转变到闭环位置控制时，将所述比例积分控制器的I项设置为至少变速器状态和车速的函数。
方案12. 根据方案7所述的控制器，其中，所述算法还适用于：
当所述发动机被停止时确定退出条件集是否存在；以及
只有在所述退出条件集存在时，才从闭环位置控制转变到闭环速度控制。
方案13. 一种车辆，包括：
带曲轴和自动起动/自动停止功能的发动机；以及
控制器，其适用于在自动停止事件期间控制所述发动机的曲轴转动位置，其中，所述算法适用于：
在自动停止事件开始时自动地渐变降低发动机转速；
在所述发动机转速开始渐变降低时执行对所述发动机的闭环速度控制，并且只要在渐变降低所述发动机转速时所述发动机转速保持高于阈值发动机转速，就一直持续执行；
在检测到预定条件时，执行对所述发动机的闭环位置控制，同时渐变降低所述发动机转速；以及
将所述曲轴停在目标发动机停止位置的经校准的范围内。
方案14. 根据方案14所述的车辆，其中，所述算法还适用于：一旦所述发动机转速等于零，就切换回对所述发动机的闭环速度控制。
方案15. 根据方案14所述的车辆，其中，所述预定条件包括以下中的一个：所述发动机转速小于所述阈值发动机转速并且大于零；以及发动机姿态位置经过经校准的触发位置。
方案16. 根据方案14所述的车辆，其中，所述算法还适用于：
计算所述曲轴的变化角度值；以及
在所述闭环位置控制期间，使用所述发动机的所述变化角度值作为闭环反馈变量。
方案17. 根据方案14所述的车辆，其中，所述闭环控制由比例积分控制器执行，所述方法还包括：
在从闭环速度控制转变到闭环位置控制时，将所述比例积分控制器的I项设置为至少变速器状态和车速的函数。
方案18. 根据方案14所述的车辆，其中，所述算法还适用于：
当所述发动机被停止时确定退出条件集是否存在；以及
只有在所述退出条件集存在时，才从闭环位置控制转变到闭环速度控制。
从以下结合附图对用于实现本发明的最佳实施方式的详细描述中，本发明的上述特征和优势以及其他特征和优势是相当明显的。
附图说明
图1示意性地示出了具有自动停止/自动起动功能和带发动机停止位置控制算法的控制器的车辆；以及
图2是描述对图1所示的车辆的发动机停止位置控制的图形化流程图。
具体实施方式
参考附图，在所有几幅图中相同附图标记对应相同或相似部件，图1示出了具有带曲轴13的发动机12的车辆10。发动机12具有上述自动停止/自动起动功能，从而将怠速燃料消耗减至最少。也就是说，车辆10适用于当车辆静止时有选择地关闭它的发动机（E）12，即，执行自动停止事件，以及适用于当司机再次请求推进时重新起动发动机，即，执行自动起动事件。车辆10包括控制器50，控制器50具有硬件模块17和可由该硬件模块执行的算法100，并且适用于精确控制曲轴13的停止位置，以将所述停止位置较之期望目标值的差异减至最少。算法100的一个可能实施例在下文参考图2予以解释。
为了启动推进，车辆10包括具有可检测踏板位置（箭头PX）的加速器踏板15，该踏板位置被传输到控制器50和/或由控制器50读取，以便确定或检测所请求的对发动机12的重新起动。发动机12具有发动机转速（NE），并且包括曲轴13和输出构件20。车辆10还包括具有输入构件22和输出构件24的变速器（T）14。发动机12的输出构件20可以经由离合器18有选择地连接到输入构件22。变速器14可被配置为电可变变速器（EVT），或配置为能够经由输出构件24向车轮16传递推进扭矩的任何其他合适的变速器。变速器14的输出构件24响应于最终由控制器50确定的输出速度请求而以输出速度（NO）旋转。
车辆10可以包括高电压（HV）电动机/发电机单元（MGU）26，或取决于设计包括多个这样的MGU。MGU 26可被配置为具有约60伏（V）至约300V或以上的电势的多相电机。MGU 26通过HV DC功率总线29、功率变换器模块（PIM）27和HV交流（AC）功率总线29A被电连接到能量存储系统（ESS）25或被电连接到HV电池。只要MGU在其作为发电机的容量范围内操作，就可以使用MGU 26有选择地对ESS 25再充电，例如，通过在再生制动事件期间捕获能量。
在车辆10的正常操作期间，MGU 26可被用于有选择地旋转带23来通过曲轴13进行曲轴转动或起动发动机12，或者可替代地，辅助起动电动机11可被用于该目的。车辆10还可以包括辅助功率模块（APM）28，例如，降压型和/或升压型DC-DC功率转换器，其通过DC功率总线29电连接到ESS 25。APM 28可以通过低电压（LV）功率总线19电连接到例如12伏DC电池之类的辅助电池41，并且适用于给车辆10上的辅助系统45供能。
仍参考图1，控制器50可被配置为单个的或分布式的控制设备，其通过控制通道51电连接到、或者另外以硬有线或无线方式与发动机12、MGU 26、ESS 25、APM 28、PIM 27和辅助电池41中的每一个通信，如虚线所示。控制通道51可以包括任何所需的传输导体，例如，适合于传输和接收必要的电控制信号以确保车辆10上的适当功率流控制和协调的硬有线或无线控制链路或路径。控制器50可以包括这种控制模块和执行所有必需功能可能需要的能力。
控制器50的硬件模块17可被配置为一般包括以下各项的数字计算机：微处理器或中央处理单元、只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、高速时钟、模拟至数字（A/D）和数字至模拟（D/A）电路、和输入/输出电路和设备（I/O），以及适当的信号调节和缓冲电路。硬件模块17中驻留的或可由其访问的任何算法，包括下文参考图2描述的根据本发明的自动停止/自动起动循环频率优化算法100，可被存储在ROM中，并且被自动执行来提供相应功能。
如上所述以及此处所使用的，术语“自动停止”是指车辆10在该车辆怠速或静止时，例如在十字路口等待时、在繁忙的交通中、驻车时、或由控制器50内驻留的控制逻辑所另外确定的时候，有选择地关闭它的发动机12的能力。通过这种方式，车辆10能够将怠速燃料消耗减至最少。在自动停止事件后，MGU 26或起动电动机11可被用于通过曲轴13来曲轴转动和起动发动机12，该过程此处被称为“自动起动”事件。
控制器50被编有算法100，或以其他方式访问算法100。在自动停止事件开始后并且当发动机转速（NE）刚刚开始渐变降低时，控制器50执行算法100来提供对发动机转速（NE）的闭环控制。在实质上较低的发动机转速上，控制器50自动切换到对发动机位置（即，曲轴13的角度位置）的闭环控制，其中发动机位置轨迹是可校准的姿态。现在将参考图2描述算法100的一个可能实施例。
参考图2，算法100在步骤102开始，其中控制器50检测或另外确定自动停止事件是否已开始。如果自动停止事件已开始，则算法100继续到步骤104，否则该算法退出。
在步骤104，当在步骤102已检测到自动停止事件时，发动机转速（NE）开始渐变降低。对发动机转速（NE）的闭环控制开始，算法100继续到步骤106。
在步骤106，控制器50参考可被存储在控制器50中的经校准的发动机姿态触发位置（PTCAL）的值和发动机转速（NE）。如果发动机转速（NE）低于阈值速度（即，条件I），或者如果发动机姿态位置/轨迹经过经校准的姿态触发位置（PTCAL）（条件II），则算法100继续到步骤108，否则重复步骤104和106。
在步骤108，控制器50从对发动机转速（NE）的闭环控制切换到对发动机位置的闭环控制的第一阶段，这基于位置轨迹来进行，并且使用了比例积分（PI）控制，即，控制器50被配置为PI控制器时。角度变化反馈变量（Δα）由控制器50使用下述等式来计算：Δα=当前位置角（αCURRENT）−位置角姿态（αPROFILE），即，图1的曲轴13的当前测量的角度值与校准轨迹中的对应值之间的差。对于PI控制，P项等于Δα*PGAIN。同样，I项等于：前一环节中的I项+ Δα*IGAIN。P和I的增益值可以被校准并存储在控制器50中。在从闭环发动机转速控制转变到闭环位置控制的时刻，I项可被设置为经校准的初始值，例如，是变速器模式或状态、自动停止类型、车速、或任何其他适合变量的函数。算法100然后继续到步骤110。
在步骤110，算法100进入结束状态，即，闭环发动机位置控制的第二阶段。在步骤110，控制器50确定：（I）当前发动机位置（αCURRENT）是否已经过经校准的触发位置（PTCAL），或者发动机转速（NE）是否小于经校准的发动机转速值。如果情形（I）或（II）存在，则算法100继续到步骤112，否则该算法重复步骤110。
在步骤112，上述反馈变量（Δα）由控制器50通过下述等式来计算：Δα=目标发动机停止位置（PSCAL）−αcurrent−X，其中X是经校准的期望位置。P项和I项可以如步骤106中所述那样来计算。算法100继续到步骤114。
在步骤114，控制器50确定发动机12是否已停止。如果是，则算法100继续到步骤116，否则重复步骤112。
在步骤116，控制器50可以确定合适的退出条件是否存在。如本领域所理解的那样，包括步骤116可以有助于防止发动机反转。一个可能的退出条件可以如下：（I）如果阶段二中的逝去时间> tMIN，即，阶段二中消耗的经校准的最短持续时间，并且Δα < 经校准的阈值；或者（II）如果阶段二中的逝去时间等于或超过经校准的最长时间，即，tMAX。PI控制的最终I项可被设置为经校准的值，其可以是变速器状态、发动机转速、发动机方向等的函数。如果这些退出条件存在，则算法100继续到步骤118，否则重复步骤114。
在步骤118，控制器50启动闭环速度控制，同时发动机转速（NE）渐变上升。算法100然后结束，有效地重新开始于步骤102。通过执行算法100，发动机12的停止位置可被精确控制。曲轴13被停在可预测的并且可重复的角度位置处，从而将旋转加速干扰减至最少并且在发动机重新起动时允许更快的燃烧。对于MGU 26或多电动机车辆设计中使用的任何额外的MGU，可能会有扭矩减少和/或电动机反作用误差。可以使用较少的电池功率，以及减小的所需火花延迟量。
尽管已详细描述了本发明的最佳实施方式，但熟悉本发明所涉及领域的技术人员将认识到在所附权利要求范围内的用于实践本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (15)

1.一种用于在车辆中控制发动机停止位置的方法，所述车辆具有带自动停止/自动起动功能和曲轴的发动机、具有变速器状态的变速器以及比例积分控制器，所述方法包括：
在自动停止事件开始时自动地渐变降低发动机转速；
当所述发动机转速渐变降低时执行对所述发动机的闭环速度控制，并且只要所述发动机转速保持高于阈值发动机转速，就一直持续执行；
当检测到预定条件时，执行对所述发动机的闭环位置控制，同时渐变降低所述发动机转速；以及
将所述发动机的所述曲轴停在目标发动机停止位置的经校准的范围内；
其中，所述闭环速度控制和闭环位置控制由比例积分控制器执行，在从闭环速度控制转变到闭环位置控制时，将所述比例积分控制器的I项设置为至少变速器状态和车速的函数。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：一旦所述发动机转速等于零，就切换回对所述发动机的闭环速度控制。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定条件包括以下中的一个：所述发动机转速小于所述阈值发动机转速并且大于零；以及发动机姿态位置经过经校准的触发位置。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
计算所述曲轴的变化角度值；以及
在所述闭环位置控制期间，使用所述发动机的所述变化角度值作为闭环反馈变量。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
当所述发动机被停止时确定退出条件集是否存在；以及
只有在所述退出条件集存在时，才从闭环位置控制转变到闭环速度控制。
6.一种用于在车辆上使用的比例积分控制器，所述车辆具有变速器以及带曲轴和自动停止/自动起动功能的发动机，所述比例积分控制器包括硬件模块和算法，适用于在自动停止事件期间控制所述发动机的曲轴转动位置，其中，所述算法适用于：
在自动停止事件开始时自动地渐变降低发动机转速；
当所述发动机转速开始渐变降低时执行对所述发动机的闭环速度控制，并且只要在渐变降低所述发动机转速时所述发动机转速保持高于阈值发动机转速，就一直持续执行；
当检测到预定条件时，执行对所述发动机的闭环位置控制，同时渐变降低所述发动机转速；以及
将所述曲轴停在目标发动机停止位置的经校准的范围内；
其中，在从闭环速度控制转变到闭环位置控制时，将所述比例积分控制器的I项设置为至少变速器状态和车速的函数。
7.根据权利要求6所述的比例积分控制器，其中，所述算法还适用于：一旦所述发动机转速等于零，就切换回对所述发动机的闭环速度控制。
8.根据权利要求6所述的比例积分控制器，其中，所述预定条件包括以下中的一个：所述发动机转速小于所述阈值发动机转速并且大于零；以及发动机姿态位置经过经校准的触发位置。
9.根据权利要求6所述的比例积分控制器，其中，所述算法还适用于：
计算所述曲轴的变化角度值；以及
在所述闭环位置控制期间，使用所述发动机的所述变化角度值作为闭环反馈变量。
10.根据权利要求6所述的比例积分控制器，其中，所述算法还适用于：
当所述发动机被停止时确定退出条件集是否存在；以及
只有在所述退出条件集存在时，才从闭环位置控制转变到闭环速度控制。
11.一种车辆，包括：
带曲轴和自动起动/自动停止功能的发动机；
具有变速器状态的变速器；以及
比例积分控制器，其适用于在自动停止事件期间控制所述发动机的曲轴转动位置，其中所述比例积分控制器与所述发动机通信，所述比例积分控制器包括硬件模块和算法，所述算法适用于：
在自动停止事件开始时自动地渐变降低发动机转速；
在所述发动机转速开始渐变降低时执行对所述发动机的闭环速度控制，并且只要在渐变降低所述发动机转速时所述发动机转速保持高于阈值发动机转速，就一直持续执行；
在检测到预定条件时，执行对所述发动机的闭环位置控制，同时渐变降低所述发动机转速；以及
将所述曲轴停在目标发动机停止位置的经校准的范围内；
其中，所述闭环速度控制和闭环位置控制由比例积分控制器执行，在从闭环速度控制转变到闭环位置控制时，将所述比例积分控制器的I项设置为至少变速器状态和车速的函数。
12.根据权利要求11所述的车辆，其中，所述算法还适用于：一旦所述发动机转速等于零，就切换回对所述发动机的闭环速度控制。
13.根据权利要求12所述的车辆，其中，所述预定条件包括以下中的一个：所述发动机转速小于所述阈值发动机转速并且大于零；以及发动机姿态位置经过经校准的触发位置。
14.根据权利要求12所述的车辆，其中，所述算法还适用于：
计算所述曲轴的变化角度值；以及
在所述闭环位置控制期间，使用所述发动机的所述变化角度值作为闭环反馈变量。
15.根据权利要求12所述的车辆，其中，所述算法还适用于：
当所述发动机被停止时确定退出条件集是否存在；以及
只有在所述退出条件集存在时，才从闭环位置控制转变到闭环速度控制。
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