CN103342126B - 混合动力汽车发动机扭矩波动补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力汽车发动机扭矩波动补偿方法，它根据电机转子所处的位置，保证补偿扭矩频率与发动机扭矩波动频率同频，在ISG系统输出扭矩范围内，采用发动机扭矩补偿控制——在ISG系统扭矩指令上叠加一个随发动机的扭矩反向波动的扭矩，使ISG系统输出的扭矩抵消一部分发动机的扭矩波动，从而减小动力系统的合成扭矩波动。这样可减小动力系统扭矩波动，从而减小动力系统振动与噪声。<!--1-->

Description

混合动力汽车发动机扭矩波动补偿方法

技术领域

本发明涉及汽车发动机技术领域，具体地指一种混合动力汽车发动机扭矩波动补偿方法。

背景技术

全球能源与环境的严峻形势、特别是国际金融危机对汽车产业的巨大冲击，推动世界各国加快交通能源战略转型，以混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车为代表的新能源汽车成为未来汽车发展的重要方向。

电动汽车在当前面临着续驶里程短、电池价格贵、基础设施不完善等困难，需要相当一段时间的努力才可能逐步解决；而混合动力汽车在现阶段具备更好的产业化条件，混合动力汽车对我国汽车产业发展具有十分重要意义。这就意味着在相当长的一段时期内，新能源汽车动力总成由较低功率的发动机和电机驱动装置构成。

传统发动机在一个工作循环内的扭矩波动较大，以目前家用紧凑型轿车最常用的四缸发动机为例，如图一所示发动机一圈（360度）的近似扭矩波形曲线，峰值平均扭矩为150Nm，但扭矩变化从530Nm变化到-110Nm，扭矩波动较大，造成较大的振动、噪声，且影响系统效率。这个缺陷在单纯采用发动机作为动力总成的传统汽车上，是难以完全克服的。

而传统车载混合动力系统，虽然在机械上实现了发动机、电机等动力系统部件的集成设计，但整个动力系统的扭矩输出是相对独立的。如ISG电机与发动机实现了高度机械集成，但ISG（IntegratedStarterandGenerator，汽车起动发电一体机）系统扭矩控制采用的是输出扭矩跟随指令扭矩，在一个发动机周期内，ISG系统的输出扭矩近似为一条直线，这种控制方式对传统发动机的上述缺陷无任何改善，且因为电机系统自己本身的振动、噪声，使得装有ISG的混合动力汽车动力系统振动、噪声高于传统汽车动力系统的振动、噪声。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种混合动力汽车发动机扭矩波动补偿方法，该装置和方法能对发动机扭矩波动进行抑制、补偿，降低混合动力汽车动力总成的振动及噪声，提高动力总成效率。

为实现此目的，本发明所设计的混合动力汽车发动机扭矩波动补偿方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1）整车控制单元向ISG系统发出整车扭矩控制指令，使ISG系统输出整车对ISG系统的需求扭矩Te^*；

步骤2）ISG系统根据ISG系统内电机转子的当前位置查询发动机飞轮角与扭矩的对照表，得到当前位置的发动机输出扭矩Te₃；

步骤3）在ISG系统内根据当前位置的发动机输出扭矩Te₃，结合发动机扭矩补偿控制，得到当前位置的发动机补偿扭矩Te₁；

步骤4）在ISG系统内发动机补偿扭矩Te₁结合整车对ISG系统的需求扭矩Te^*，得到合成扭矩Te₂，即：Te₂=Te^*+Te₁；

步骤5）在ISG系统内判断合成扭矩Te₂是否超过ISG系统电动状态最大扭矩Te(n)_Max；

步骤6）如果Te₂>Te(n)_Max，则控制ISG系统实际输出扭矩Te₄=Te(n)_Max；

步骤7）如果Te₂≤Te(n)_Max，则在ISG系统内判断合成扭矩Te₂是否小于ISG系统发电状态最小扭矩Te(n)_Min；

步骤8）如果Te₂<Te(n)_Min，则控制ISG系统实际输出扭矩Te₄=Te(n)_Min；

步骤9）如果Te₂≥Te(n)_Min，此时合成扭矩Te₂的幅度在ISG系统扭矩输出能力范围内，ISG系统直接输出该扭矩Te₂，即ISG系统实际输出扭矩Te₄=Te₂。

所述步骤3中，发动机扭矩补偿控制的控制算法为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Te}}_1\left(\mathrm{\&theta;}\right)=-\frac{({\mathrm{Te}}_3\left(\mathrm{\&theta;}\right)-{\mathrm{Te}}_{3\mathrm{\&alpha;v}})}{k}\\ k=\frac{{\mathrm{Te}}_{3\max }}{{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\max }}\end{array}\right.$

其中：Te₁(θ)为不同发动机飞轮位置对应的发动机补偿扭矩，Te₃(θ)为不同发动机飞轮位置对应的发动机输出扭矩；Te_3av为发动机平均输出扭矩，k为发动机峰值输出扭矩与ISG系统电动状态最大扭矩之比，Te_3max为发动机峰值输出扭矩，Te(n)_max为ISG系统电动状态最大扭矩，θ为ISG系统的电机位置角度；

对于上述Te(n)_max有：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\max }=-{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\min }={\mathrm{Te}}_{\max }\left(n{\&le;n}_1\right)\\ {\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\max }=-{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\min }=\frac{{9.55P}_{\max }}{m}(n>n_1)\end{array}\right.$

其中：n₁为ISG系统峰值转矩最高转速；n为当前ISG系统电机转速；Te_max为ISG系统恒转矩区峰值扭矩，即n≤n₁时的峰值扭矩；Te（n）_max为ISG系统电动状态最大扭矩，此时ISG系统运行在恒功率区，即n＞n₁；Te（n）_min为ISG系统发电状态最小扭矩，此时ISG系统运行在恒功率区，即n＞n₁；P_max为ISG系统电动峰值扭矩。

所述步骤2中飞轮角与扭矩的对照表储存在ISG系统电机控制器中。

所述ISG系统的扭矩变化速率至少大于发动机扭矩变化速率的两倍。

本发明的有益效果在于：

由于ISG系统中的电机与发动机同轴，ISG系统在发动机正扭矩区，将发动机的一部分动能转化为电能存储在动力电池组中；在发动机负扭矩区，将存储的电能转化为动能；即通过对发动机扭矩进行削峰填谷来减小动力系统的扭矩波动范围，从而实现减小动力系统的振动和噪声，进而提高整车的效率。另外，本发明并没有对ISG系统和发动机的结构作出改变，仅仅是在现有系统的基础上改变了补偿控制方法，这样明显降低了本发明的实现成本，使得本发明具有较广的应用范围。

附图说明

图1为传统ISG系统的扭矩曲线；

图2为ISG系统输出零扭矩的发动机扭矩补偿曲线；

图3为ISG系统输出正扭矩的发动机扭矩补偿曲线；

图4为ISG系统输出负扭矩的发动机扭矩补偿曲线；

图5为本发明的流程框图；

图6为本发明的扭矩波动补偿控制原理框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明根据电机转子所处的位置，保证补偿扭矩频率与发动机扭矩波动频率同频，在ISG系统输出扭矩范围内，采用发动机扭矩补偿控制——在ISG系统扭矩指令上叠加一个随发动机的扭矩反向波动的扭矩，使ISG系统输出的扭矩抵消一部分发动机的扭矩波动，从而减小动力系统的合成扭矩波动。这样可减小动力系统扭矩波动，从而减小动力系统振动与噪声。

另外，基于ISG系统的发动机扭矩补偿方法减小动力系统扭矩波动的效果与ISG系统的扭矩输出能力和需求扭矩相关，ISG系统的扭矩输出能力越小和需求扭矩越接近系统扭矩输出能力上限，减小动力系统扭矩波动的效果越不明显；相反则减小动力系统扭矩波动的效果越好，当ISG系统的驱动能力与发动机的驱动能力相当，理论上可使动力系统的输出扭矩波动趋近零；并且采用本发明的扭矩补偿方法，可使单缸发动机动力系统输出扭矩与同排量的多缸发动机输出扭矩同样平稳，系统的振动、噪声同样小。

本发明的混合动力汽车发动机扭矩波动补偿的原理如图6所示：ISG控制系统利用位置解码电路读取当前电机位置角θ；查询外部存储器（如并口铁电存储器、EEPROM（ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory，电可擦可编程只读存储器）等）存储的发动机飞轮-转矩表，得到当前电机位置的发动机输出扭矩Te₃(θ)，根据发动机输出扭矩补偿控制算法，得到当前发动机补偿扭矩Te₁，结合接收整车对ISG系统的扭矩需求指令Te*，得到ISG系统的指令扭矩Te₂，将指令扭矩Te₂按照ISG系统最大扭矩输出能力（电动、发电外特性）进行限幅后，得到最终的控制指令扭矩Te₄,经扭矩调节器、电流矢量空间矢量闭环控制后输出6路PWM（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制）信号，经驱动电路进行功率放大后，驱动功率变换单元进行电能的功率变换（整流/逆变），输出三相交流驱动ISG电机输出指令扭矩Te=Te₄,与发动机输出扭矩Te₃叠加后，合成动力系统输出扭矩。

ISG系统根据当前发动机电机转子位置，查询飞轮角——扭矩表，得到发动机补偿扭矩Te₁，结合整车对ISG系统的需求扭矩Te*,得到合成扭矩Te₂，并对合成扭矩Te₂进行限幅，合成扭矩Te₂的幅度应不超过ISG系统的外特性曲线，当合成扭矩Te₂大于ISG系统的最大扭矩输出能力时，ISG系统扭矩指令为最大扭矩指令，同理，当合成扭矩指令小于ISG系统的最大扭矩输出能力时，ISG系统扭矩指令为最小扭矩指令，ISG系统按限幅后的扭矩指令进行扭矩控制。

综合以上几点本发明的混合动力汽车发动机扭矩波动补偿的具体方法，如图5所示包括如下步骤：

步骤1）整车控制单元向ISG系统发出整车扭矩控制指令，使ISG系统输出整车对ISG系统的需求扭矩Te*；

步骤2）ISG系统根据ISG系统内电机转子的当前位置查询发动机飞轮角与扭矩的对照表，得到当前位置的发动机输出扭矩Te₃；

步骤3）在ISG系统内根据当前位置的发动机输出扭矩Te₃，结合发动机扭矩补偿控制，得到当前位置的发动机补偿扭矩Te₁；

步骤4）在ISG系统内发动机补偿扭矩Te₁结合整车对ISG系统的需求扭矩Te^*，得到合成扭矩Te₂，即：Te₂=Te^*+Te₁；

步骤5）在ISG系统内判断合成扭矩Te₂是否超过ISG系统电动状态最大扭矩Te(n)_Max；

步骤6）如果Te₂>Te(n)_Max，则控制ISG系统实际输出扭矩Te₄=Te(n)_Max；

步骤7）如果Te₂≤Te(n)_Max，则在ISG系统内判断合成扭矩Te₂是否小于ISG系统发电状态最小扭矩Te(n)_Min；

步骤8）如果Te₂<Te(n)_Min，则控制ISG系统实际输出扭矩Te₄=Te(n)_Min；

步骤9）如果Te₂≥Te(n)_Min，此时合成扭矩Te₂的幅度在ISG系统扭矩输出能力范围内，ISG系统直接输出该扭矩Te₂，即ISG系统实际输出扭矩Te₄=Te₂。

上述技术方案的步骤3中，所述步骤3中，发动机扭矩补偿控制的控制算法为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Te}}_1\left(\mathrm{\&theta;}\right)=-\frac{({\mathrm{Te}}_3\left(\mathrm{\&theta;}\right)-{\mathrm{Te}}_{3\mathrm{\&alpha;v}})}{k}\\ k=\frac{{\mathrm{Te}}_{3\max }}{{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\max }}\end{array}\right.$

其中：Te₁(θ)为不同发动机飞轮位置对应的发动机补偿扭矩，Te₃(θ)为不同发动机飞轮位置对应的发动机输出扭矩；Te_3av为发动机平均输出扭矩，k为发动机峰值输出扭矩与ISG系统电动状态最大扭矩之比，Te_3max为发动机峰值输出扭矩，Te(n)_max为ISG系统电动状态最大扭矩，θ为ISG系统的电机位置角度；

对于上述Te(n)_max有：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\max }=-{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\min }={\mathrm{Te}}_{\max }(n\&le;n_1)\\ {\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\max }=-{\mathrm{Te}\left(n\right)}_{\min }=\frac{{9.55P}_{\max }}{m}(n>n_1)\end{array}\right.$

其中：n₁为ISG系统峰值转矩最高转速；n为当前ISG系统电机转速；Te_max为ISG系统恒转矩区峰值扭矩，即n≤n₁时的峰值扭矩；Te（n）_max为ISG系统电动状态最大扭矩，此时ISG系统运行在恒功率区，即n＞n₁；Te（n）_min为ISG系统发电状态最小扭矩（该扭矩为负值，对应发电状态最大扭矩），此时ISG系统运行在恒功率区，即n＞n₁；P_max为ISG系统电动峰值扭矩。

上述技术方案的所述步骤2中飞轮角与扭矩的对照表储存在ISG系统电机控制器中。

上述技术方案中，所述ISG系统的扭矩变化速率至少大于发动机扭矩变化速率的两倍。本发明要求ISG系统的实际输出扭矩Te₄能很好的快速跟踪发动机的扭矩波动。根据采样定理：当采样频率fs.max大于等于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>=2fmax)，采样之后的数字信号能完整地保留原始信号中的信息。

发动机扭矩波动频率：

$f=\frac{L\&CenterDot;p}{60}$

其中：L为发动机转速（r/m），p为发动机极对数（对于4缸发动机，P=2），f为发动机扭矩波动频率（Hz），对于4缸发动机，发动机的转速范围为600～6000r/m，输出扭矩波动频率范围为：20～200Hz，周期为50～5ms。

ISG系统中的永磁电机驱动系统的扭矩调节速度较快，理论上，永磁电机的输出扭矩变换速率与永磁电机控制器的电压调节速率（即功率器件的开关频率）相同，一般功率IGBT(绝缘栅双极型晶体管，即功率管，也叫功率开关，是进行不同电源转换的装置，如逆变：直流变交流，对应ISG系统电动；如整流：交流变直流，对应ISG系统发电。)的工作频率在8～15kHz（常用工作频率10KHz），即理论上的永磁电机扭矩调节速率可以达到8～15kHz，按IGBT常用工作频率10kHz，永磁电机扭矩可以100us调节一次。以常见的四缸发动机为例，ISG系统扭矩调节速率为发动机扭矩波动最大频率的50倍，可以很好的跟踪补偿发动机的扭矩波动变化。

下面以乘用车常见的1.6L，4缸发动机为例，具体介绍本发明的发动机扭矩补偿控制原理及效果。

采用发动机扭矩跟踪补偿控制技术的ISG系统实际输出扭矩Te₄为零扭矩的发动机扭矩补偿曲线如图2所示，此时ISG系统电动扭矩与发电扭矩围成的面积相同，平均输出扭矩为零；ISG系统实际输出扭矩Te₄为正扭矩的发动机扭矩补偿曲线如图3所示，ISG系统实际输出扭矩Te₄为负扭矩的发动机扭矩补偿曲线如图4所示，在ISG系统正、负需求扭矩Te^*上叠加了零扭矩补偿曲线（对正、负扭矩补偿控制的总结：例如整车单元对ISG系统的需求扭矩Te*=50,经过发动机扭矩补偿计算后，ISG在正半周输出平均扭矩Te₄₊=10，在负半周输出平均扭矩为Te₄-=90,则在整个周期输出的为整车单元对ISG系统的需求扭矩Te₄=（Te₄₊+Te_4-）/2=Te*=50），并在ISG系统扭矩输出范围内对ISG系统的合成扭矩Te2进行限幅，ISG系统实际输出扭矩Te₄的平均值为ISG系统正、负需求扭矩Te^*，由图2、3、4可明显看出。以0扭矩补偿控制为例：在发动机输出扭矩为正时（发动气缸内燃气对活塞做功时），ISG系统输出-90Nm的负扭矩（ISG系统处在发电状态，吸收发动机功率），在发动机输出扭矩为负时（发动活塞压缩气缸内混合气体时），ISG系统输出90Nm的正扭矩（ISG系统处在电动状态，驱动发动机运转），ISG系统对发动机输出扭矩进行削峰填谷，ISG系统与发动机系统的合成波动大大减小。该方法使ISG系统在输出扭矩能力范围内将动力系统扭矩波动控制在最小。

以1.6L，4缸发动机为例，其峰值输出扭矩约150Nm,扭矩波动范围：-110Nm～530Nm，最大最小扭矩相差640Nm；若ISG系统峰值扭矩90Nm，两者均工作在恒扭矩区时，若采用零扭矩的发动机扭矩补偿控制，如图2所示,可使动力系统输出扭矩波动最小，扭矩波动范围-65Nm～452Nm，最大最小扭矩相差517Nm；与单纯的发动机相比，将最大最小扭矩波动减小了约120Nm，从而大大减小了动力系统的振动与噪声。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种混合动力汽车发动机扭矩波动补偿方法，它包括如下步骤：

步骤1)整车控制单元向ISG系统发出整车扭矩控制指令，使ISG系统输出整车对ISG系统的需求扭矩Te^*；

步骤2)ISG系统根据ISG系统内电机转子的当前位置查询发动机飞轮角与扭矩的对照表，得到当前位置的发动机输出扭矩Te₃；

步骤3)在ISG系统内根据当前位置的发动机输出扭矩Te₃，结合发动机扭矩补偿控制，得到当前位置的发动机补偿扭矩Te₁；

步骤4)在ISG系统内发动机补偿扭矩Te₁结合整车对ISG系统的需求扭矩Te^*，得到合成扭矩Te₂，即：Te₂＝Te^*+Te₁；

其特征在于，步骤4后还包括如下步骤：

步骤5)在ISG系统内判断合成扭矩Te₂是否超过ISG系统电动状态最大扭矩Te(n)_Max；

步骤6)如果Te₂>Te(n)_Max，则控制ISG系统实际输出扭矩Te₄＝Te(n)_Max；

步骤7)如果Te₂≤Te(n)_Max，则在ISG系统内判断合成扭矩Te₂是否小于ISG系统发电状态最小扭矩Te(n)_Min；

步骤8)如果Te₂<Te(n)_Min，则控制ISG系统实际输出扭矩Te₄＝Te(n)_Min；

步骤9)如果Te₂≥Te(n)_Min，此时合成扭矩Te₂的幅度在ISG系统扭矩输出能力范围内，ISG系统直接输出该合成扭矩Te₂，即ISG系统实际输出扭矩Te₄＝Te₂。

2.根据权利要求1所述的混合动力汽车发动机扭矩波动补偿方法，其特征在于：所述步骤3中，发动机扭矩补偿控制的控制算法为：

$\left\{\begin{array}{c}T{e}_1\left(\mathrm{\&theta;}\right)=-\frac{\left({\mathrm{Te}}_3\right(\mathrm{\&theta;})-{\mathrm{Te}}_{3av})}{k}\\ k=\frac{{\mathrm{Te}}_{3max}}{Te{\left(n\right)}_{max}}\end{array}\right.$

其中：Te₁(θ)为不同发动机飞轮位置对应的发动机补偿扭矩，Te₃(θ)为不同发动机飞轮位置对应的发动机输出扭矩；Te_3av为发动机平均输出扭矩，k为发动机峰值输出扭矩与ISG系统电动状态最大扭矩之比，Te_3max为发动机峰值输出扭矩，Te(n)_max为ISG系统电动状态最大扭矩，θ为ISG系统的电机位置角度；

对于上述Te(n)_max有：

$\left\{\begin{array}{c}Te{\left(n\right)}_{max}=-Te{\left(n\right)}_{\min }={\mathrm{Te}}_{max}(n\&le;n_1)\\ Te{\left(n\right)}_{max}=-Te{\left(n\right)}_{\min }=\frac{9.55P_{max}}{m}(n>n_1)\end{array}\right.$

其中：n₁为ISG系统峰值转矩最高转速；n为当前ISG系统电机转速；Te_max为ISG系统恒转矩区峰值扭矩，即n≤n₁时的峰值扭矩；Te(n)_max为ISG系统电动状态最大扭矩，此时ISG系统运行在恒功率区，即n＞n₁；Te(n)_min为ISG系统发电状态最小扭矩，此时ISG系统运行在恒功率区，即n＞n₁；P_max为ISG系统电动峰值扭矩。

3.根据权利要求1所述的混合动力汽车发动机扭矩波动补偿方法，其特征在于：所述步骤2中飞轮角与扭矩的对照表储存在ISG系统电机控制器中。

4.根据权利要求1所述的混合动力汽车发动机扭矩波动补偿方法，其特征在于：所述ISG系统的扭矩变化速率大于发动机扭矩变化速率的两倍。