CN103832429B - 用于控制多模式动力系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于控制多模式动力系统的方法及设备。动力系统包括内燃发动机，多模式变速器，转矩机器和传动系。一种用于操作动力系统以在发动机，转矩机器和传动系之间传递转矩的方法包括响应于输出转矩请求在虚拟挡位范围中控制动力系统的工作，其包括在可变模式变速器范围中操作变速器并且响应于输出转矩请求并且与来自发动机的输入转矩的大小成比例地控制至传动系的转矩输出的大小。

Description

用于控制多模式动力系统的方法

技术领域

本发明涉及采用多个转矩生成装置的多模式动力系统的动态系统控制。

背景技术

本节中的陈述仅提供与本发明相关的背景信息。因此，此陈述并非旨在构成对现有技术的承认。

动力系统可构造成将源于多个转矩生成装置的转矩经由转矩传递装置传递至可联接到传动系的输出部件。此类动力系统包括混合动力系统和增程电动车辆系统。用于操作此类动力系统的控制系统响应于操作者命令的输出转矩请求来操作转矩生成装置并且应用变速器中的转矩传递元件以传递转矩，考虑了燃料经济性、排放、驾驶性能和其它因素。示例性转矩生成装置包括内燃发动机和非燃烧转矩机器。非燃烧转矩机器可包括电机，电机可操作为马达或发电机以独立于来自内燃发动机的转矩输入产生输入到变速器的转矩。转矩机器可将经由车辆传动系传递的车辆动能转换成电能，该电能可储存在电能储存装置中，这被称为再生操作。控制系统监测来自于车辆和操作者的各种输入，且提供混合动力系的操作控制，包括控制变速器操作状态和换挡、控制转矩生成装置，以及调节电能储存装置和电机间的电功率互换来管理变速器的输出，包括转矩和旋转速度。

发明内容

动力系统包括内燃发动机，多模式变速器，转矩机器和传动系。一种用于操作动力系统以在发动机，转矩机器和传动系之间传递转矩的方法包括响应于输出转矩请求在虚拟挡位范围中控制动力系统的工作，其包括在可变模式变速器范围中操作变速器并且响应于输出转矩请求和与来自发动机的输入转矩的大小成比例地控制至传动系的转矩输出的大小。

本发明还提供如下方案：

1. 一种用于操作动力系统的方法，所述动力系统包括多模式变速器，所述多模式变速器构造成在发动机、转矩机器和传动系之间传递转矩，所述方法包括：

响应于输出转矩请求在虚拟挡位范围中控制动力系统的操作，其包括在可变模式变速器范围中操作变速器并且响应于输出转矩请求并且与来自发动机的输入转矩的大小成比例地控制至传动系的转矩输出的大小。

2. 根据方案1所述的方法，其中在虚拟挡位范围中控制操作还包括响应于输出转矩请求确定用于变速器的转矩传递离合器的优选发动机速度和优选离合器滑动速度。

3. 根据方案2所述的方法，其中确定用于变速器的转矩传递离合器的优选发动机速度和优选离合器滑动速度包括：

对于多个候选发动机速度和候选离合器滑动速度中的每一个，响应于输出转矩请求采用用于在虚拟挡位范围中操作动力系统的系统转矩确定方案，并且采用成本模型以计算各自的候选成本；以及

识别优选发动机速度和优选离合器滑动速度包括与最小的候选成本相关的候选发动机速度和候选离合器滑动速度。

4. 根据方案3所述的方法，其中采用在虚拟挡位范围中用于操作动力系统的系统转矩确定方案包括确定优选的动力系操作点，其包括当基于动力系统操作参数在虚拟挡位范围中操作时响应于候选发动机速度和候选离合器滑动速度用于转矩机器的马达转矩命令以实现输出转矩请求。

5. 根据方案3所述的方法，其中采用成本模型以计算各自的候选成本包括：

响应于输出转矩请求采用用于在虚拟挡位范围中操作动力系统的系统转矩确定方案以确定最优候选动力系操作点；以及

采用动力成本函数以确定在最佳候选动力系操作点用于操作动力系的候选成本。

6. 一种用于操作动力系统的方法，所述动力系统包括多模式变速器，所述多模式变速器构造成在发动机、转矩机器和传动系之间传递转矩，所述方法包括：

利用相对于元件速度的三个自由度操作变速器；以及

响应于输出转矩请求并且与来自发动机的输入转矩的大小成比例地控制至传动系的转矩输出的大小。

7. 根据方案6所述的方法，其中利用所述三个自由度操作变速器包括控制变速器输入速度，变速器输出速度，以及变速器的转矩传递离合器的速度。

8. 根据方案7所述的方法，其中控制变速器输入速度，变速器输出速度，和转矩传递离合器的速度包括响应于输出转矩请求确定用于转矩传递离合器的优选发动机速度和优选离合器滑动速度。

9. 根据方案8所述的方法，其中确定用于转矩传递离合器的优选发动机速度和优选离合器滑动速度包括：

对于多个候选发动机速度和候选离合器滑动速度中的每一个，响应于输出转矩请求采用用于操作相对于元件速度具有所述三个自由度的动力系统的系统转矩确定方案，并且采用成本模型以计算各自的候选成本；以及

识别优选发动机速度和优选离合器滑动速度包括与最小的候选成本相关的候选发动机速度和候选离合器滑动速度。

10. 根据方案9所述的方法，其中采用用于操作相对于元件速度具有所述三个自由度的动力系统并且响应于输出转矩请求的系统转矩确定方案包括确定优选的动力系操作点，其包括当基于动力系统操作参数操作具有所述三个自由度的动力系统时响应于候选发动机速度和候选离合器滑动速度用于转矩机器的马达转矩命令以实现输出转矩请求。

11. 根据方案9所述的方法，其中采用成本模型以计算候选成本包括：

响应于输出转矩请求采用用于在虚拟齿轮变速器范围中操作动力系统的系统转矩确定方案以确定最优候选动力系操作点；以及

采用动力成本函数以确定在最佳候选动力系操作点用于操作动力系的候选成本。

12. 一种用于操作动力系统的方法，所述动力系统包括多模式变速器，所述多模式变速器构造成在发动机、转矩机器和传动系之间传递转矩，所述方法包括：

在多个固定挡位和可变变速器范围的每一个中确定用于操作动力系统的各自的最小动力成本和相应的发动机速度和发动机转矩；

确定在虚拟挡位范围中用于操作动力系统的各自的最小动力成本和对应的发动机速度和离合器滑动速度；以及

在虚拟挡位范围中用于操作动力系统的最小动力成本小于在对应的固定挡位和可变变速器范围中用于操作动力系统的每个各自的最小动力成本时，在对应于各自的最小动力成本的发动机速度和离合器滑动速度处在虚拟挡位范围中控制动力系统的操作。

13. 根据方案12所述的方法，其中控制在虚拟挡位范围中动力系统的操作包括控制在虚拟挡位范围中发动机和具有变速器的转矩机器的转矩输出。

14. 根据方案12所述的方法，其中确定在虚拟挡位范围中用于操作动力系统的各自的最小动力成本和对应的发动机速度和离合器滑动速度包括确定用于变速器的转矩传递离合器的优选发动机速度和优选离合器滑动速度，包括：

对于多个候选发动机速度和候选离合器滑动速度中的每一个，采用用于在虚拟挡位范围中操作动力系统的系统转矩确定方案并且采用成本模型以计算各自的候选成本；

识别对应的发动机速度和离合器滑动速度包括与最小的候选成本相关的候选发动机速度和候选离合器滑动速度；以及

识别最小动力成本作为候选成本的最小值。

15. 根据方案14所述的方法，其中采用在虚拟挡位范围中用于操作动力系统的系统转矩确定方案包括确定优选的动力系操作点，其包括当基于动力系统操作参数在虚拟挡位变速器范围中操作时响应于候选发动机速度和候选离合器滑动速度用于转矩机器的马达转矩命令。

16. 根据方案14所述的方法、其中采用成本模型以计算各自的候选成本包括：

采用用于在虚拟挡位变速器范围中操作动力系统的系统转矩确定方案以确定最优候选动力系操作点；以及

采用动力成本函数以确定在最佳候选动力系操作点用于操作动力系的候选成本。

附图说明

现在将通过举例的方式参照附图来描述一个或多个实施例，在附图中：

图1示出了根据本发明的包括内燃发动机、变速器、和构造有后轮驱动差速器的传动系的示例性多模式动力系统；

图2示出了根据本发明的包括内燃发动机，多模式变速器，高电压电气系统，和构造有前轮驱动的驱动桥的传动系的示例性多模式动力系统；

图3示出了根据本发明的当响应于输出转矩请求在一个虚拟挡位变速器范围中操作多模式动力系统时，用于确定优选的发动机速度和优选的离合器滑动速度的搜索方案；

图4示出了根据本发明的包括用于确定动力系统操作成本的分析构架的示例性功率成本确定函数；以及

图5示出了根据本发明的包括多个搜索方案和至少一个虚拟挡位搜索方案的变速器范围选择方案。

具体实施方式

现在参看附图，其中图示用于仅示出某些示例性实施例的目的，且并非用于对其限制的目的，图1绘出了非限制性多模式动力系统100，其包括内燃发动机(发动机)12、多模式变速器(变速器)10、高电压电气系统80、传动系90，以及控制器5。变速器10分别机械地联接到发动机12和第一转矩机器60和第二转矩机器62，且构造成在发动机12、转矩机器60,62、以及传动系90之间传递转矩。如所示，第一转矩机器62和第二转矩机器62为电动马达/发电机。传动系90包括差速器系统，其促进后轮驱动车辆构造。

高电压电气系统80包括电能储存装置，例如，经由高电压电气总线84电性联接到变速器功率逆变器控制模块(TPIM)82的高电压电池(电池)85，且构造成具有用于监测电功率流的适合的装置，包括用于监测电流和电压的装置和系统。电池85可以是任何适合的高电压电能储存装置，例如高电压电池，并且优选地包括监测系统，其提供供应至高电压电气总线84的电功率的量度，包括电压和电流。

发动机12可为有选择地操作在若干状态中的多缸内燃发动机以将转矩经由输入部件14传递至变速器10，且可为火花点火发动机或压缩点火发动机。发动机12包括联接到变速器10的输入部件14上的曲轴。旋转速度传感器11监测输入部件14的曲柄角和旋转速度。来自于发动机12的功率输出，即，发动机速度和发动机转矩，可不同于至变速器10的输入速度和输入转矩，因为在发动机12与变速器10之间的输入部件14上放置有转矩消耗构件，例如，转矩管理装置或机械驱动的液压泵。发动机12构造成在进行的动力系操作期间响应于操作条件来执行自动停止和自动启动操作。控制器5构造成控制发动机12的致动器，以控制燃烧参数，包括控制在如此装备的发动机上的进气质量空气流量、火花点火正时、喷射燃料质量、燃料喷射正时、用以控制再循环排出气体的流的EGR阀位置、以及进气门/排气门的正时和定相。因此，发动机速度可通过控制包括空气流转矩和火花导致的转矩的燃烧参数来控制。发动机速度还可通过控制第一转矩机器60和第二转矩机器62的马达转矩来控制输入部件14处的反应转矩来控制。

所示的变速器10为四模式复合分离式电-机械变速器10，其包括三个行星齿轮组20,30和40，以及五个可接合的转矩传递装置，即，离合器C1 52,C2 54,C3 56,C4 58和C550。可构想出变速器的其它实施例。变速器10联接到第一转矩机器60和第二转矩机器62。变速器10构造成响应于输出转矩请求在发动机12、转矩机器60,62和输出部件92之间传递转矩。在一个实施例中，第一转矩机器60和第二转矩机器62为使用电能来生成和反应转矩的马达/发电机。行星齿轮组20包括太阳齿轮部件22、环形齿轮部件26，以及联接到齿轮架部件25上的行星齿轮24。齿轮架部件25可旋转地支承行星齿轮24，且联接到可旋转的轴部件16，行星齿轮24设置成与太阳齿轮部件22和环形齿轮部件26成啮合关系。行星齿轮组30包括太阳齿轮部件32、环形齿轮部件36，以及联接到齿轮架部件上的行星齿轮34。行星齿轮34设置成与太阳齿轮部件32和环形齿轮部件36两者成啮合关系。齿轮架部件联接到可旋转的轴部件16上。行星齿轮组40包括太阳齿轮部件42、环形齿轮部件46，以及联接到齿轮架部件45上的行星齿轮44。如图所示，存在联接到齿轮架部件45上的第一组和第二组行星齿轮44。因此，行星齿轮组40是复合的太阳齿轮部件-小齿轮-小齿轮-环形齿轮部件的齿轮组。齿轮架部件45可旋转地联接在离合器C1 52和C2 54之间。太阳齿轮部件42可旋转地联接到可旋转的轴部件16上。环形齿轮部件46可旋转地联接到输出部件92上。

如本文使用，离合器是指如下的转矩传递装置，其可响应于控制信号有选择地应用，且可为任何适合的装置，举例来说，包括单板或复合板离合器或组件、单向离合器、带式离合器和制动器。液压环路72构造成控制各个离合器的离合器状态，其中加压液压流体由电动液压泵70供应，液压泵70由控制器5可操作地控制。离合器C2 54和C4 58为液压应用的旋转摩擦离合器。离合器C1 52,C3 56和C5 50为液压控制的制动装置，其可接地（ground）至变速器箱55。在该实施例中，离合器C1 52,C2 54,C3 56和C4 58中的各个均使用由液压控制环路72施加的加压液压流体来液压地应用。液压环路72由控制器5可操作地控制，以激活和停用前述离合器，提供用于冷却和润滑变速器的元件的液压流体，以及提供用于冷却第一转矩机器60和第二转矩机器62的液压流体。液压环路72中的液压压力可通过使用压力传感器的测量、通过使用机载例行程序估计，或使用其它适合的方法来确定。

第一转矩机器60和第二转矩机器62为三相AC马达/发电机机器，其分别包括定子、转子和解析器。各个转矩机器60,62的马达定子接地至变速器箱55的外部部分，且包括定子芯，该定子芯具有从其延伸的卷绕的电绕组。用于第一转矩机器60的转子支承在毂盘齿轮上，毂盘齿轮机械地附接到联接到第一行星齿轮组20的套筒轴18。用于第二转矩机器62的转子固定地附接到套筒轴毂19上，套筒轴毂19机械地附接到第二行星齿轮30上。各个解析器信号地且可操作地连接到变速器功率逆变器控制模块(TPIM)82上，且分别感测和监测解析器转子相对于解析器定子的旋转位置，因此监测第一转矩机器60和第二转矩机器62中的相应转矩机器的旋转位置。此外，从解析器输出的信号可用于确定第一转矩机器60和第二转矩机器62的旋转速度。

在该实施例中，变速器10的输出部件92可旋转地连接到传动系90，以向传动系90提供输出功率，输出功率经由差动齿轮或另一个适合的装置传递至一个或多个车轮。输出部件92处的输出功率按照输出旋转速度和输出转矩来表征。变速器输出速度传感器93监测输出部件92的旋转速度和旋转方向。各个车轮优选为配备有传感器，所述传感器构造成监测车轮速度来确定车辆速度，以及绝对车轮速度和相对车轮速度，以用于制动控制、牵引控制，以及车辆加速度管理。

来自于发动机12的输入转矩和来自于第一转矩机器60和第二转矩机器62的马达转矩由于从燃料或储存在电能储存装置(电池)85中的电势的能量转换的结果而生成。电池85经由高电压电气总线84高电压DC联接到TPIM82上，高电压电气总线84优选为包括接触器开关，接触器开关允许或禁止电池85与TPIM82之间的电流流动。TPIM82优选为包括一对功率逆变器和相应的马达控制模块，其构造成接收转矩命令且由此控制逆变器状态，以用于提供马达驱动或再生功能以满足马达转矩命令。功率逆变器包括互补的三相功率电子装置，且每个包括多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)，以通过以高频率切换来用于将来自电池85的DC功率转换成AC功率，以用于向第一转矩机器60和第二转矩机器62中的相应转矩机器供能。IGBT形成构造成接收控制命令的开关模式电源。各个三相电机的各相包括一对IGBT。IGBT的状态受控制以提供马达驱动机械功率生成或电动率再生功能。三相逆变器经由DC传递导体27接收或供应DC电功率，且将其变换至三相AC功率或从三相AC功率变换，AC功率传导至第一转矩机器60和第二转矩机器62或从第一转矩机器60和第二转矩机器62传导，以用于通过传递导体来作为马达或发电机操作。TPIM82响应于马达转矩命令，经由功率逆变器和相应的马达控制模块传递电功率往返于第一转矩机器60和第二转矩机器62。电流传输穿过高电压电气总线84，往返于电池85以使电池85充电和放电。

控制器5经由通信链路15信号地且可操作地联结到动力系统中的各种致动器和传感器上，以监测和控制动力系统的操作，包括综合信息和输入，以及执行算法来控制致动器以满足关于燃料经济性、排放、性能、驾驶性能和保护包括电池85的电池和第一转矩机器60及第二转矩机器62的硬件相关的控制目标。控制器5为整个车辆控制构架的子集，且提供动力系统的协调的系统控制。控制器5可包括分布式控制模块系统，其包括独立控制模块，包括监管控制模块、发动机控制模块、变速器控制模块、电池组控制模块，以及TPIM82。用户界面13优选为信号地连接到多个装置上，通过所述装置，车辆操作员指示和命令动力系统的操作，包括命令输出转矩请求和选择变速器范围。装置优选为包括加速踏板112、操作员制动踏板113、变速器范围选择器114(PRNDL)，以及车辆速度巡航控制系统116。变速器范围选择器114可具有离散数目的操作者可选择的位置，包括指示车辆的操作者意图运动的方向，且因此指示向前或向后方向的输出部件92的优选旋转方向。将认识到的是，由于由车辆的位置引起的滚回，例如，在斜坡上，故车辆仍会沿除指示的操作者意图运动方向之外的方向移动。变速器范围选择器114的操作者可选择位置可直接地对应于参照表1所述的各个变速器范围，或可对应于参照表1所示的变速器范围的子集。用户界面13可包括如所示的单个装置，或替代地可包括直接地连接到独立控制模块的多个用户界面装置。

前述控制模块经由通信链路15与其它控制模块、传感器和致动器连通，这实现了各种控制模块之间的结构化通信。特定的通信协议为应用专用的。通信链路15和适合的协议提供了前述控制模块与提供了例如包括防抱死制动、牵引控制和车辆稳定的功能的其它控制模块之间的稳健的消息发送和多重控制模块对接。多个通信总线可用于改善通信速度，且提供一定水平的信号冗余和完整性，包括直接链路和串行外围接口(SPI)总线。独立控制模块之间的通信还可使用无线链路实现，例如，短程无线射频通信总线。独立的装置还可直接地连接。

控制模块、模块、控制件、控制器、控制单元、处理器和类似用语意指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序或例行程序的中央处理器(优选为微处理器)和相关联的储存器和储存器(只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、适合的信号调节和缓冲电路，以及用以提供所述功能的其它构件中的一个或多个的任何一个组合或各种组合。软件、固件、程序、指令、例行程序、代码、算法和类似用语意指包括校准和查找表的任何指令集。控制模块具有执行为提供所期望的功能的一组控制例行程序。例行程序如由中央处理单元执行，以监测来自于感测装置和其它网络控制模块的输入，且执行用以控制致动器的操作的控制和诊断例行程序。在进行的发动机和车辆操作期间，例行程序可以以被称作循环的规则间隔执行，例如，每3.125毫秒、6.25毫秒、12.5毫秒、25毫秒和100毫秒。作为备选，例行程序可响应于事件的发生来执行。

多模式动力系100构造成在多个动力系状态中的一个中操作，包括多个变速器范围和发动机状态，以生成和传递转矩至传动系90。发动机状态包括ON状态、OFF状态，以及燃料中断(FCO)状态。当发动机以OFF状态操作时，其不被加燃料，未燃烧，且不自旋。在发动机以ON状态操作时，其加燃料，燃烧，且自旋。当发动机以FCO状态操作时，其自旋，但不加燃料且不燃烧。发动机的ON状态还可包括：全气缸状态(ALL)，其中所有气缸都加燃料且燃烧；以及气缸停用状态(DEAC)，其中一部分气缸加燃料和燃烧，而其余气缸不加燃料且不燃烧。变速器范围包括多个固定挡位（挡位#）范围和通过有选择地激活离合器C1 50，C2 52，C3 54，C4 56和C5 58实现的可变范围。固定挡位范围包括那些变速器范围：其中输出部件92的转速与输入部件14的转速直接成比例，因为通过激活前述离合器中的特定一个导致的行星齿轮组的互锁齿轮之间的齿轮装置关系。可变范围包括那些变速器范围：其中输出部件92的转速相对于发动机12的输入速度和第一及第二转矩机器60、62的转速变化。可变范围包括电力可变模式（EVT模式#），电动车辆模式（EV#）和过渡和虚拟挡位模式（EV过渡状态#和虚拟挡位#）以及空挡（空挡）。表1描述了用于操作多模式动力系100的多个变速器范围和发动机状态。

表1

图2示出了由200表示的、并且包括内燃发动机（发动机）112，多模式变速器（变速器）110，高电压电气系统180，传动系190，和控制器105的多模式动力系统的第二实施例。用户界面13信号地连接至控制器105。传动系190包括有利于前轮驱动车辆构造的驱动桥系统。

多模式动力系统200与参照图1描述的多模式动力系统100共同共用许多特征。变速器110分别机械地连接到发动机112和第一和第二转矩机器160和162上，并且构造成在发动机112，转矩机器160，162和传动系190之间传递转矩。如图所示，第一和第二转矩机器160，162是电动机/发电机。高电压电气系统180包括电力地联接到变速器功率逆变器控制模块（TPIM）182的电能储存装置，例如，高电压电池（电池）185，并且构造有用于监控电功率流的适合的装置，包括用于监控电流和电压的装置和系统。TPIM 182包括三相逆变器，其构造成经由DC传递导体接收或供给DC电功率并且将其转换为三相AC功率或由AC功率转换而成，其传导至第一和第二转矩机器160和162或从第一和第二转矩机器160和162传导，用于经由传递导体127操作为马达或发电机。

发动机112可以是经由输入部件118传递转矩至变速器110的任意合适的燃烧装置。在一个实施例中，构造可以包括在发动机112与变速器110之间的机械二极管119和/或转矩变换器117。在一个实施例中，机械二极管119是可选择的单向离合器。发动机112与变速器110之间的机械二极管119允许发动机112在第一转动方向传递转矩至变速器110并且当在第二相反的转动方向旋转时使得输入部件118自由飞轮。

示出的变速器110是二模式复合分离电力机械变速器1110，其包括两个行星齿轮组140和150，以及两个可接合的转矩传递装置，即，离合器C1 151和C2 155。可以考虑变速器的其它实施例。行星齿轮组140包括太阳齿轮部件142，环形齿轮部件148，和连接到齿轮架部件144的行星齿轮146。齿轮架部件144转动地支承布置为与太阳齿轮部件142和环形齿轮部件148两者都成啮合关系的行星齿轮146，并且连接到可转动的轴部件167上。输入部件118可转动地连接到环形齿轮部件148上。太阳齿轮142可转动地连接到轴部件168上。行星齿轮组150包括太阳齿轮部件152，环形齿轮部件158，和连接到齿轮架部件154的行星齿轮156。行星齿轮156布置为与太阳齿轮部件152和环形齿轮部件158两者都成啮合关系。齿轮架部件154联接到可转动的轴部件167上。太阳齿轮部件152经由轴部件164联接到第二转矩机器162的转子上。环形齿轮部件158联接到第二离合器C2 155上。环形齿轮部件158还连接到可转动的轴部件177上，该可转动的轴部件177联接到第一离合器C1 151的一侧。第二离合器C2 155是制动离合器，该制动离合器将环形齿轮部件158和可转动的轴部件177接地至接地至变速器111。第一离合器C1 151的第二侧连接到轴部件139上，该轴部件139可转动地连接到轴部件168上并且还可转动地联接到第一电机160的转子上。在该实施例中，输出部件192可转动地连接到传动系190从而以转矩和转速的形式提供输出功率至传动系190，该转矩和转速经由驱动桥或其它适当的装置传递至一个或多个车轮。上述控制器105经由通信链路115与其它控制模块105，传感器，和致动器通信，其在不同的控制模块之间作用有结构的通信。具体的通信协议是专用的。

当多模式传动系200仅包括在发动机112和变速器110之间的输入部件118时，多模式传动系200构造成在参照表2描述的多个动力系状态中的一个中操作。动力系状态包括多个变速器范围和发动机状态以产生和传递转矩至传动系190。发动机状态包括ON状态，OFF状态，和燃料切断（FCO）状态。变速器范围包括固定挡位（挡位#）和通过有选择地激活第一和第二离合器C1 151和C2 155而实现的可变范围。固定挡位范围包括那些变速器范围：其中由于通过激活上述离合器中的具体一个导致的行星齿轮组的互锁齿轮之间的齿轮装置关系，输出部件192的转速与输入部件118的转速直接成正比。可变范围包括那些变速器范围：其中输出部件192的转速相对于发动机112的输入速度和第一和第二转矩机器160，162的转速变化。可变范围包括电力可变模式（EVT模式#），电动车辆模式（EV#）和虚拟挡位范围（虚拟挡位#）和空挡（空挡）。表2描述了用于操作多模式传动系200的多个变速器范围和发动机状态。

表2

当多模式传动系200包括在发动机112和变速器110之间的输入部件118和机械二极管119时，多模式传动系200构造成在参照表3描述的多个动力系状态中的一个中操作。动力系状态包括多个变速器范围和发动机状态以产生和传递转矩至传动系190。发动机状态包括ON状态，OFF状态，和燃料切断（FCO）状态。

变速器范围包括固定挡位（挡位#）和通过有选择地激活第一和第二离合器C1 151和C2 155实现的可变范围，如上所述，和表示为离合器C3的机械二极管119。

表3

在正在进行的操作期间，多模式动力系统可以在虚拟挡位范围中的一个中操作以传递转矩至传动系。在一个虚拟挡位范围中操作多模式动力系统的实施例包括考虑到与输入部件上的转矩耗费部件相关的转矩损耗，参照表1，2和3中的一个描述的可变范围的一个中操作多模式变速器并且控制从变速器至传动系的转矩输出的大小从而其与发动机输入转矩的大小直接成比例。虚拟挡位范围可以被采用为在EVT模式范围之间的换挡期间的中间变速器范围，并且还可以在稳定状态变速器操作期间被采用。

在虚拟挡位范围中操作多模式动力系统包括用相对于变速器速度的三个自由度操作。关于速度的三个自由度优选地包括输入速度，输出速度，和所选择的一个离合器的离合器速度。

离合器参照表1，2或3（对应于动力系构造）描述地激活并且根据以下转矩平衡等式控制第一和第二转矩机器60，62。

[1]

其中Te是用于发动机的转矩命令，

Ta是用于第一转矩机器的转矩命令，

Tb是用于第二转矩机器的转矩命令，

To是输出转矩请求，

Tc是用于离合器中的一个的离合器转矩，

A1，A2，A3和A4是标量值（当操作在一个虚拟挡位范围中时，A3是非零的标量值）。

Bn是与传动比相关的专用标量值的矩阵，

Nidot是输入速度的时间速率变化，

Ncdot是离合器速度的时间速率变化，

Nodot是输出速度的时间速率变化，

Tc_n表示用于未激活的离合器的离合器速度，

Ni是输入速度，

Nc_n是未激活的离合器的离合器速度，以及

No是输出速度。

当动力系构造是参照图1描述的多模式变速器10时，Tc，Nc和Ncdot是指用于离合器C3 56的离合器转矩，离合器速度，和离合器速度的时间比率变化。当动力系构造是参照图2描述的多模式变速器110时，Tc，Nc和Ncdot是指用于离合器C1 151的离合器转矩，离合器速度，和离合器速度的时间比率变化。还可以采用等式1以通过设置A3项等于零表示在一个空挡范围中的操作。

图3示意性地示出了当响应于输出转矩请求306在一个虚拟挡位范围307中操作多模式动力系统的实施例时，用于确定预定输入速度范围302和离合器滑动速度范围304内的优选的发动机速度352和优选的离合器滑动速度354的虚拟挡位搜索方案300。在全气缸状态发动机时，输入速度范围302从发动机怠速速度，例如800-1000 RPM，经过至最大可实现的发动机速度，即安全线。最大可获得的发动机速度对发动机构造是具体的并且可以在5000 RPM至8000 RPM的范围内。当在气缸停用状态操作发动机时，输入速度范围302在最小速度，例如1000 RPM，与阈值最大气缸停用发动机速度之间经过，该阈值最大气缸停用发动机速度小于在全气缸状态中最大可获得发动机速度，并且对发动机构造是具体的。如所示，阈值气缸停用发动机速度是3000 RPM。离合器滑动速度范围304在零滑动速度和最大容许的滑动速度之间经过。

当基于多个候选成本345中的最小量操作在虚拟挡位范围307时，虚拟挡位搜索方案300确定优选的输入速度352和优选的离合器滑动速度354以实现输出转矩请求306。输入速度范围302和离合器滑动速度范围304被提供至二维搜索引擎（搜索引擎）310。搜索引擎310迭代地在输入速度范围302上产生候选发动机速度Ne（j）312以及在滑动速度范围304上产生候选离合器滑动速度Nc（j），每个输入至迭代环路350。指示（j）表示单个迭代。迭代环路350采用系统转矩确定方案320，和成本模型330以计算用于每个候选发动机速度Ne（j）312和每个候选离合器滑动速度Nc（j）314的候选成本Pcost（j）345。搜索引擎310监控用于全部迭代的候选成本Pcost（j）345。通过搜索引擎310选择响应于输出转矩请求实现最少的候选成本Pcost（j）345的候选发动机速度Ne（j）312和候选离合器滑动速度Nc（j）314作为优选的发动机速度352和优选的离合器滑动速度354。在输入速度范围302和离合器滑动速度范围304上基于多个迭代环路的执行，识别最小成本356和对应的优选发动机速度352和优选离合器滑动速度354。

系统转矩确定方案320执行等式1以确定候选动力系操作点325，包括用于第一和第二转矩机器的优选马达转矩命令Ta，Tb以当在选择的虚拟挡位范围307和基于动力系统操作参数308操作时，响应于候选发动机速度Ne（j）312和候选离合器滑动速度Nc（j）314实现输出转矩请求To 306。动力系统操作参数308包括例如最小和最大转矩和最小和最大速度的用于第一和第二转矩机器的操作极限，以及例如包括最大放电极限和最大充电极限的电池电力极限的用于电池的操作极限。候选动力系操作点325包括当发动机在候选发动机速度Ne（j）312，在候选离合器滑动速度Nc（j）314操作以及变速器在选择的虚拟挡位范围307中操作时响应于输出转矩请求306的用于第一和第二转矩机器的优选操作参数，例如转矩和速度，用于电池的优选操作参数，例如电池电力。

成本模型330包括用于在候选动力系操作点325操作动力系的确定候选成本P（j）345的动力成本函数。示例性的动力成本函数参照图4描述。

搜索引擎310基于用于全部候选发动机速度Ne（j）312和候选离合器滑动速度Nc（j）314的候选动力成本P（j）选择优选发动机速度352和优选离合器滑动速度354。优选发动机速度352和离合器滑动速度354是响应于输出转矩请求306用于在选择的虚拟挡位范围307中操作多模式动力系统产生最小的候选动力成本P（j）345的候选发动机速度Ne（j）312和候选离合器滑动速度Nc（j）314。多模式动力系统采用齿轮搜索方案300以响应于输出转矩请求306在优选发动机速度352和优选离合器滑动速度354在选择的虚拟挡位范围307中控制操作。

图5示意性地示出了包括多个搜索方案200和参照图3描述的至少一个虚拟挡位搜索方案300的变速器范围选择方案500。在具有多个虚拟挡位范围的系统上，例如，如参照表1描述的，可能存在超过一个虚拟挡位搜索方案300。每个搜索方案200采用搜索引擎210以当响应于输出转矩请求306用在一个候选变速器范围207中操作的变速器操作动力系统时，在限定输入速度范围202和输入转矩范围204的预定速度/转矩搜索窗口内搜索。虚拟挡位搜索方案300采用搜索引擎310以当响应于输出转矩请求306用在一个候选虚拟挡位范围307中操作的变速器操作动力系统时，以输入速度范围302和离合器滑动速度范围304搜索。示例性的候选变速器范围207和候选虚拟挡位范围307参照表1，2和3描述。

如所示，当响应于输出转矩请求306和输出速度操作动力系统100时，变速器范围选择方案500基于用于每个候选变速器范围的最小的动力成本256，...356选择变速器范围。搜索方案200和虚拟挡位搜索方案300优选地同时执行，即，在相同的循环周期内。示出了一个搜索方案200，但应当理解的是，搜索方案的数量可以是与可利用的变速器范围的数量一致的任意适当的数目。选择/仲裁方案260识别候选变速器范围207中的一个或虚拟挡位范围307中的一个作为优选变速器范围265，并且根据响应控制动力系统100的操作。

输入速度范围202和转矩范围204被提供至二维搜索引擎（搜索引擎）210。搜索引擎210迭代地在输入速度范围302上产生多个候选发动机速度Ne（j）212和多个候选发动机转矩204 Te（j）214，每个输入至迭代环路250。指示（j）表示单个迭代。迭代环路250采用系统转矩确定方案220，和成本模型230以计算用于每个候选发动机速度Ne（j）212和每个候选发动机转矩Te（j）214的候选动力成本Pcost（j）245。

搜索引擎210监控用于全部迭代的候选动力成本Pcost（j）245。通过搜索引擎210选择获得最小的候选动力成本Pcost（j）的候选发动机速度Ne（j）212和候选发动机转矩Te（j）214，作为优选发动机速度252和优选离合器滑动速度254。在输入速度范围202和发动机转矩范围204上基于多个迭代环路的执行，识别最小成本256和对应的优选发动机速度252和优选发动机转矩254。

系统转矩确定方案220确定候选动力系操作点225，包括用于第一和第二转矩机器的马达转矩命令Ta，Tb以当在选择的变速器范围207和基于动力系统操作参数308操作时，响应于候选发动机速度Ne（j）212和候选发动机转矩Te（j）214实现输出转矩请求To 306。动力系统操作参数308包括例如最小和最大转矩和最小和最大速度的用于第一和第二转矩机器的操作极限，以及例如包括最大放电极限和最大充电极限的电池电力极限的用于电池的操作极限。候选传动系操作点225包括当发动机在候选发动机速度Ne（j）212和候选发动机转矩Te（j）214操作并且变速器在选择的变速器范围207中操作时响应于输出转矩请求306的用于第一和第二转矩机器的优选操作参数，例如转矩和速度，用于电池的优选操作参数，例如电池电力。

成本模型230确定在候选传动系操作点225用于操作动力系的候选动力成本P（j）245。示例性的动力成本函数参照图4描述。

当在候选变速器范围207中用变速器10响应于输出转矩请求306操作动力系统100时，搜索方案200确定最小动力成本256和对应的优选发动机速度252和优选发动机转矩输出254。

上述与候选变速器范围207相关的上述最小动力成本256，...356，和候选虚拟挡位范围307输入选择/仲裁块260，其起到选择具有最小的最小动力成本256，...356作为用于控制变速器10的优选变速器范围265，该变速器10具有采用对应的速度252和转矩254或对应的优选发动机速度352和优选离合器滑动速度354控制的发动机操作。选择/仲裁块260采用滞后以及其它策略以将换挡忙碌最小化。可以采用优选的发动机速度252和优选的发动机转矩254以在选择的变速器范围207中控制发动机12的操作，以及其对应的动力系统100的操作。

图4示意性地示出了包括用于确定动力系统操作成本的分析构架的示例性功率成本函数400，其是参照图1描述的多模式动力系统100来描述的。动力系元件包括发动机12、变速器10、非燃烧转矩机器60,62、电池85、逆变器82、车轮制动器98、传动系90，以及燃料储存系统8。伪元件包括：惯性负荷17，其为构造成说明系统惯性的元件；以及高电压电负荷86，其为构造成说明用于推进动力系统100的负荷外的车辆中的高电压负荷的元件。功率流动通路包括从燃料储存系统8传递燃料来向发动机12供能的第一功率流动通路9、在发动机12与变速器10之间的第二功率流动通路14、以及在电池85与逆变器82之间的第三功率流动通路84、在逆变器82与高电压电负荷86之间的第四功率流动通路83、以及在逆变器82与非燃烧转矩机器60,62之间的第五功率流动通路27、在非燃烧转矩机器60,62与变速器10之间的第六功率流动通路23、以及在惯性负荷17与变速器20之间的第七功率流动通路7、在变速器10与车轮制动器98之间的第八功率流动通路92、以及到传动系90的第九功率流动通路99。功率损失包括发动机功率损失95、电池组功率损失81、机械功率损失87、电动马达损失89，以及制动器功率损失97。到功率成本函数400的功率成本输入基于与车辆驾驶性能、燃料经济性、排放和电池组使用相关的因素来确定。功率成本分配给燃料和电功率消耗且与燃料和电功率消耗相关联，且与多模式动力系的特定操作点相关联。较低的操作成本可与对于各个发动机速度/负荷操作点来说在高转换效率、较低电池组使用和较低排放下的较低燃料消耗相关联，且考虑了发动机14的候选操作状态。功率成本可包括与在发动机10和非燃烧转矩机器60,62的特定操作点下操作多模式动力系相关联的发动机功率损失95、电动马达功率损失89、电池组功率损失81、制动器功率损失97，以及机械功率损失87。功率成本函数400可被应用以确定在响应于输出转矩请求操作动力系统的情况下用于在所选的发动机操作点下操作的总功率成本。

本发明已经描述了某些优选实施例及其修改。其它修改和备选方案可在他人阅读和理解本说明书时想到。因此，期望本发明不限于公开为用于执行本发明构想出的最佳模式的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (12)

1.一种用于操作动力系统的方法，所述动力系统包括多模式变速器，所述多模式变速器构造成在发动机、转矩机器和传动系之间传递转矩，所述方法包括：

响应于输出转矩请求在虚拟挡位范围中控制动力系统的操作，其包括在可变模式变速器范围中操作变速器并且响应于输出转矩请求并且与来自发动机的输入转矩的大小成比例地控制至传动系的转矩输出的大小，

其中在虚拟挡位范围中控制操作还包括响应于输出转矩请求确定用于变速器的转矩传递离合器的优选发动机速度和优选离合器滑动速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中确定用于变速器的转矩传递离合器的优选发动机速度和优选离合器滑动速度包括：

对于多个候选发动机速度和候选离合器滑动速度中的每一个，响应于输出转矩请求采用用于在虚拟挡位范围中操作动力系统的系统转矩确定方案，并且采用成本模型以计算各自的候选成本；以及

识别优选发动机速度和优选离合器滑动速度，其中优选发动机速度和优选离合器滑动速度包括与最小的候选成本相关的候选发动机速度和候选离合器滑动速度。

3.根据权利要求2所述的方法，其中采用在虚拟挡位范围中用于操作动力系统的系统转矩确定方案包括确定优选的动力系操作点，其包括当基于动力系统操作参数在虚拟挡位范围中操作时响应于候选发动机速度和候选离合器滑动速度用于转矩机器的马达转矩命令以实现输出转矩请求。

4.根据权利要求2所述的方法，其中采用成本模型以计算各自的候选成本包括：

响应于输出转矩请求采用用于在虚拟挡位范围中操作动力系统的系统转矩确定方案以确定最优候选动力系操作点；以及

采用动力成本函数以确定在最佳候选动力系操作点用于操作动力系的候选成本。

5.一种用于操作动力系统的方法，所述动力系统包括多模式变速器，所述多模式变速器构造成在发动机、转矩机器和传动系之间传递转矩，所述方法包括：

利用相对于元件速度的三个自由度操作变速器；以及

响应于输出转矩请求并且与来自发动机的输入转矩的大小成比例地控制至传动系的转矩输出的大小，

其中利用所述三个自由度操作变速器包括控制变速器输入速度，变速器输出速度，以及变速器的转矩传递离合器的速度，

其中控制变速器输入速度，变速器输出速度，和转矩传递离合器的速度包括响应于输出转矩请求确定用于转矩传递离合器的优选发动机速度和优选离合器滑动速度。

6.根据权利要求5所述的方法，其中确定用于转矩传递离合器的优选发动机速度和优选离合器滑动速度包括：

对于多个候选发动机速度和候选离合器滑动速度中的每一个，响应于输出转矩请求采用用于操作相对于元件速度具有所述三个自由度的动力系统的系统转矩确定方案，并且采用成本模型以计算各自的候选成本；以及

识别优选发动机速度和优选离合器滑动速度，其中优选发动机速度和优选离合器滑动速度包括与最小的候选成本相关的候选发动机速度和候选离合器滑动速度。

7.根据权利要求6所述的方法，其中采用用于操作相对于元件速度具有所述三个自由度的动力系统并且响应于输出转矩请求的系统转矩确定方案包括确定优选的动力系操作点，其包括当基于动力系统操作参数操作具有所述三个自由度的动力系统时响应于候选发动机速度和候选离合器滑动速度用于转矩机器的马达转矩命令以实现输出转矩请求。

8.根据权利要求6所述的方法，其中采用成本模型以计算候选成本包括：

响应于输出转矩请求采用用于在虚拟齿轮变速器范围中操作动力系统的系统转矩确定方案以确定最优候选动力系操作点；以及

采用动力成本函数以确定在最佳候选动力系操作点用于操作动力系的候选成本。

9.一种用于操作动力系统的方法，所述动力系统包括多模式变速器，所述多模式变速器构造成在发动机、转矩机器和传动系之间传递转矩，所述方法包括：

在多个固定挡位和可变变速器范围的每一个中确定用于操作动力系统的各自的最小动力成本和相应的发动机速度和发动机转矩；

确定在虚拟挡位范围中用于操作动力系统的各自的最小动力成本和对应的发动机速度和离合器滑动速度；以及

在虚拟挡位范围中用于操作动力系统的最小动力成本小于在对应的固定挡位和可变变速器范围中用于操作动力系统的每个各自的最小动力成本时，在对应于各自的最小动力成本的发动机速度和离合器滑动速度处在虚拟挡位范围中控制动力系统的操作；

其中确定在虚拟挡位范围中用于操作动力系统的各自的最小动力成本和对应的发动机速度和离合器滑动速度包括确定用于变速器的转矩传递离合器的优选发动机速度和优选离合器滑动速度，包括：

对于多个候选发动机速度和候选离合器滑动速度中的每一个，采用用于在虚拟挡位范围中操作动力系统的系统转矩确定方案并且采用成本模型以计算各自的候选成本；

识别对应的发动机速度和离合器滑动速度，对应的发动机速度和离合器滑动速度包括与最小的候选成本相关的候选发动机速度和候选离合器滑动速度；以及

识别最小动力成本作为候选成本的最小值。

10.根据权利要求9所述的方法，其中控制在虚拟挡位范围中动力系统的操作包括控制在虚拟挡位范围中发动机和具有变速器的转矩机器的转矩输出。

11.根据权利要求9所述的方法，其中采用在虚拟挡位范围中用于操作动力系统的系统转矩确定方案包括确定优选的动力系操作点，其包括当基于动力系统操作参数在虚拟挡位变速器范围中操作时响应于候选发动机速度和候选离合器滑动速度用于转矩机器的马达转矩命令。

12.根据权利要求9所述的方法、其中采用成本模型以计算各自的候选成本包括：

采用用于在虚拟挡位变速器范围中操作动力系统的系统转矩确定方案以确定最优候选动力系操作点；以及

采用动力成本函数以确定在最佳候选动力系操作点用于操作动力系的候选成本。