CN103889804B - 混合变速装置的引擎启动控制系统 - Google Patents

Abstract

在引擎启动/停止操作期间控制具有混合变速装置的车辆的第一电动马达（EMA）和第二电动马达（EMB）的系统和方法。该系统和方法基于最佳引擎速度确定引擎输入速度曲线和引擎输入加速度曲线、基于多个转矩极限值和期望的输出转矩确定所要求的输出转矩、基于所要求的输出转矩和输入速度曲线和输入加速度曲线确定第一前馈马达转矩（TaFF）和第二前馈马达转矩（TbFF）、基于引擎输入速度曲线和实际引擎输入速度之差确定第一反馈马达转矩（TaFB）和第二反馈马达转矩（TbFB）、和当引擎（ICE）开启或关闭时使用第一前馈马达转矩和第二前馈马达转矩以及第一反馈马达转矩和第二反馈马达转矩以控制第一电动马达和第二电动马达的操作。

Description

混合变速装置的引擎启动控制系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年7月29日递交的美国临时专利申请No.61/513,061的权益。

技术领域

本发明涉及汽车变速器的控制、尤其涉及一种引擎启动控制系统，以及涉及一种用于具有混合变速装置的车辆的方法。

背景技术

当前的一些混合电力可变变速器的特征在于，利用多个离合器和齿轮组与内燃机联接的两个电动马达。在某些时候，期望严格地以电动模式或混合模式来操作变速器，在混合模式下，内燃机和一个或两个马达同时进行操作。控制多个参数，如离合器、引擎转矩和马达转矩、电池功率电平和用途、效率和在各种齿轮和驱动模式之间的平滑切换、燃料经济性、操作成本效率等形成了许多操作控制挑战。

因此，需要持续的改进混合变速装置的操作控制。

发明内容

以一种形式，本发明提供了一种用于具有混合变速装置的车辆的引擎启动控制系统。所述控制系统包括：适于输入车辆运行状况和驾驶者输入的监控器，所述监控器适于确定和输出多个转矩极限值、期望的输出转矩、和最佳引擎速度；输入速度分析器，所述输入速度分析器适于基于最佳引擎速度产生和输出输入速度曲线和输入加速度曲线；约束条件评估器，所述约束条件评估器适于基于多个扭矩极限值和期望的输出转矩产生和输出所要求的输出转矩；前馈控制器，所述前馈控制器适于基于所要求的输出转矩以及输入速度曲线和输入加速度曲线来产生第一前馈马达转矩和第二前馈马达转矩；和，反馈控制器，所述反馈控制器适于基于输入速度曲线和实际的输入速度之差来产生第一反馈马达转矩和第二反馈马达转矩。所述第一前馈马达转矩、第二前馈马达转矩、第一反馈马达转矩和第二反馈马达转矩被用于当引擎被开启或关闭时控制第一电动马达和第二电动马达的操作。

本发明还提供一种用于在引擎启动/停止操作期间控制具有混合变速装置的车辆的第一电动马达和第二电动马达的方法。所公开的方法包括：使用处理器执行以下步骤：基于最佳引擎速度确定输入速度曲线和输入加速度曲线；基于多个转矩极限值和期望的输出转矩确定所要求的输出转矩；基于所要求的输出转矩和输入速度曲线和输入加速度曲线确定第一前馈马达转矩和第二前馈马达转矩；基于输入速度曲线和实际的输入速度之差确定第一反馈马达转矩和第二反馈马达转矩；和使用所述第一前馈马达转矩、第二前馈马达转矩、第一反馈马达转矩和第二反馈马达转矩以当引擎被开启或关闭时控制第一电动马达和第二电动马达的操作。

从下文所提供的详细的描述、附图和权利要求中，本发明的应用的其他方面将变得显而易见。应理解，包括所公开的实施方式的详细描述和附图实质上仅仅是示例性的，仅出于说明的目的且不用于限制本发明的范围、应用或用途。因此，不脱离本发明的要旨的变型在本发明的范围内。

附图说明

图1为用于具有电力可变变速器的车辆的驱动系统的水平图的图示；

图2为根据本发明的用于车辆的示例性驱动循环的图示；

图3为描述在图2中示出的各种驱动循环点的图表；

图4为用于执行本文所公开的方法的包含控制器的车辆传动系统的一部分的框图；

图5为根据本发明的操作电动车辆的引擎速度、马达速度和输出速度与时间的关系的曲线图；和

图6为根据本发明的用于减速驱动操作模式和超速驱动操作模式的引擎转矩、马达转矩和输出转矩与时间的曲线图。

具体实施方式

在2010年9月15日递交的且标题为“Multi-Speed Drive Unit”的美国申请No.12/882,936(“936申请”)公开了多个混合-输入电力可变变速器(“EVT”)，该美国申请通过引用并入文中。2011年7月22日递交的且标题为“ClutchSystem for a Transmission”的美国申请No.13/188,799(Chrysler代理人案号708578US1)，公开了一种离合器系统，其可被用在例如“936申请”的多速度驱动单元以形成用于驱动单元的两个与DDCT(干式双离合变速器)类似的干式“离合器”驱动系统，该美国申请通过引入并入文中。图1为这样驱动系统10的水平图的示例。

如在图1中所示，驱动系统10包括由第一杆L₁表示的第一行星齿轮组和由第二杆L₂表示的第二行星齿轮组。第一行星齿轮组的环形齿轮R₁通过输入轴12与内燃机ICE连接。第一行星齿轮组的太阳齿轮S₁与两个离合器CB₁、C₂连接。在示出的示例中，第一离合器CB₁为制动机构，当第一离合器CB₁被启动时，该第一离合器CB₁使太阳齿轮S1连接驱动单元的驱动桥箱。当第二离合器C₂被启动时，第二离合器C₂将太阳齿轮S₁连接至引擎。当离合器CB₁、C₂同时被启动时，形成输入制动。

行星齿轮组的托架通过主轴14进行连接。第二行星齿轮组的太阳齿轮S₂连接至第一电动马达EMA。第二行星齿轮组的环形齿轮R₂通过马达减速器(“MSR”)16与第二电动马达EMB连接。第二行星齿轮组的环形齿轮R₂还连接至输出轴18。马达减速器16控制在第二电动机EMB和输出轴18之间的速度比。

“936申请”公开了三种输入比率。通过启动第一离合器CB₁同时停用第二离合器C₂而形成第一比率。通过停用第一离合器CB₁同时启动第二离合器C₂而形成第二比率。第三比率为通过启动第一离合器CB₁和第二离合器C₂而形成的输入制动。需要控制驱动系统10使得有效地在驱动模式之间切换、以及控制齿轮比以优化系统和车辆的性能进而提高燃料经济性。

图2为根据本发明的受控的且包含图1的驱动系统10的车辆的示例性驱动循环的图示。在该示例中，车辆从停止开始加速、高速行进和减速停止。驱动循环的各个点和切换点在图3所示的表中列出。

在该循环中，系统10进入不同的模式以将所需的来自电动马达和/或引擎的输出功率传递给输出轴。这些模式被选择以用于最佳的燃料经济性和驱动质量。系统10将以下列模式进行操作：输入制动电动车辆(“IB-EV”)、低速驱动电动车辆(“UD-EV”)、超速驱动电动车辆(“OD-EV”)、低速驱动引擎运行(“UD-EO”)、高速驱动引擎运行(“OD-EO”)和空档(N)。如在图3的表中所示，存在多个点和多个模式：不存在引擎协助的情况下电动马达推进车辆(例如点A)；存在引擎协助的情况下电动马达推进车辆(例如点D至E)、或者电动马达提供再生式制动(例如点G)。

应用离合器CB₁和离合器C₂(即，被接合或被启动)以执行IB-EV模式。应用第一离合器CB₁而不应用第二离合器C₂(即被断开或被停用)，以执行UD-EV模式和UD-EO模式。将不应用第一离合器CB₁而应用第二离合器C₂以执行OD-EV模式和OD-EO模式。在空档模式下，离合器CB₁和离合器C₂被断开。应理解，本发明将第一离合器CB₁作为制动离合器，但本发明不限于制动离合器；如在“936申请”中所示，许多离合器或同步器可被用在系统10中。

本发明的多个方面被设计成在驱动循环期间在某些点(即点C和点F)处控制引擎ICE的启动和关闭。文中所描述的引擎启动控制方法在图4中示出的各个部件上执行，图4为根据本发明所公开的原理构造的车辆传动系统400的一部分的框图。传动系统400包括监视型混合电动车辆控制器402、输入速度分析器404、约束条件评估器406、前馈控制器408、反馈控制器410、引擎、第一离合器CB₁和第二离合器C₂、用于控制第一电动马达EMA的第一电动马达控制器412和用于控制第二电动马达EMB的第二电动马达控制器414、和混合变速装置420。

监视型混合电动车辆控制器402输入踏板位置和在此讨论的各种其他的车辆操作条件和参数。来自监视型混合电动车辆控制器402的输出被发送至引擎、离合器CB₁和C₂、输入速度分析器404和约束条件评估器406。来自引擎、离合器CB₁和C₂、输入速度分析器404和约束条件评估器406的输出被前馈控制器408和反馈控制器410使用，以控制马达控制器412、414以及混合变速装置420，进而尤其进行下文所描述的引擎启动控制过程。在2011年7月29日递交的标题为“Mode Selection Control System for an Electrically VariableTransmission”的美国专利申请No.61/513,080(Chrysler代理人案号708613US1)、2011年7月29日递交的标题为“Motor Operation Control Systemfor an Electrically Variable Transmission”的美国专利申请No.61/513,112(Chrysler代理人案号708612US1)、和在2011年7月29日递交的标题为“ShiftExecution Control System for an Electrically Variable Transmission”的美国专利申请No.61/513,150(Chrysler代理人案号708611US1)中描述监视型混合电动车辆控制器402的示例性输入、输出和功能，这些申请的内容分别通过引用并入文中。

如图4所示，监视型混合电动车辆控制器402输出引擎转矩指令T_{e_CMD}给引擎、以及输出离合器转矩指令T_{CL_CMD}给离合器。监视型混合电动车辆控制器402也输出马达转矩极限值T_{a_Lim}和T_{b_Lim}和离合器转矩极限值T_{CL_Lim}、电池功率极限值P_{BAT_Lim}，和所期望的输出转矩T_{o_des}给约束条件评估器406。最佳引擎速度n_{e_opt}被输出至输入速度分析器404。实际的引擎转矩T_{e_ACT}从引擎被输出到约束条件评估器406、前馈控制器408和混合变速装置420。实际的第一离合器转矩T_{CB1_ACT}和第二离合器转矩T_{C2_ACT}从离合器被输出到约束条件评估器406、前馈控制器408和混合变速装置420。

约束条件评估器406额外地输入来自输入速度分析器404的输入(即引擎)速度曲线n_{i_prof}和输入加速度曲线以及来自混合变速装置420的输出速度n_o、输出加速度和输入加速度约束条件评估器406输出最大输入加速度和最小输入加速度给输入速度分析器404，并且将所要求的输出转矩T_{o_req}输出到前馈控制器408。来自混合变速装置420的输出速度n_o、输出加速度和输入加速度也被前馈控制器408输入。前馈控制器408额外地输入来自输入速度分析器404的输入速度曲线n_{i_prof}和输入加速度曲线前馈控制器408将用于第一电动马达T_aFF和第二电动马达T_bFF的前馈转矩输出到对应的求和块S2、S3。

来自输入速度分析器404的输入速度曲线n_{i_prof}也被输出到减法块S1，该减法块也接收来自混合变速装置420的输入速度n_i。输入速度n_i和输入速度曲线n_{i_prof}之间的差由反馈控制器410输入。反馈控制器410分别将用于第一电动马达T_aFB和第二电动马达T_bFB的反馈转矩输出到求和块S2、S3。第一电动马达控制器412输入第一前馈马达转矩T_aFF和第一反馈马达转矩T_aFB的总和。第二电动马达控制器414输入第二前馈马达转矩T_bFF和第二反馈马达转矩T_bFB的总和。

实际的第一马达转矩T_aACT和实际的第二马达转矩T_bACT由混合变速装置420输入，该混合变速装置420也输入负载转矩T_Load。混合变速装置420也输出实际的输出转矩T_{o_act}、离合器转矩T_CL、电池功率P_BAT和传动系统400使用的其他参数。

如上所述，具有所公开的传动系统400的车辆能够根据第一离合器CB₁和第二离合器C₂的状态而在许多模式下操作。在IB-EV模式下，引擎通过“制动”离合器CB₁和第二离合器C₂而保持静止。只有高压的电池使用两个电动马达EMA和EMB提供动力以推动车辆(即，电动车辆或EV驱动)。低速驱动模式允许引擎和主行星齿轮托架之间的较高比率且提供较大的输出转矩用于较低的引擎转矩。超速驱动模式允许引擎和主行星齿轮托架之间的较低比率。对于相同的引擎功率，该模式将引擎操作转移至较高转矩较低RPM的状况。

在图2和图3所示的EV模式期间，当需要较大的动力以加速车辆或者以较高的速度开始行进时，引擎必须被点火以产生额外的功率来满足驾驶者的需求(即，启动混合驱动)。使用内燃机和来自电池/电动马达的功率从EV驱动模式到混合驱动模式的过渡时期被称为“引擎启动”。

当在引擎运行(EO)模式下从EV驱动切换至UD或OD驱动时，可执行引擎启动。离合器CB₁(对于IB到OD)或离合器C₂(对于IB到UD)之一在启动引擎之前需要被断开。例如，对于IB至UD过渡，当引擎启动控制系统接收到请求以启动引擎时，它首先延迟该请求以在受控的方式断开第二离合器C₂。同时，维持在第一离合器CB₁上的压力使得第一离合器CB₁保持完全连接。

从IB到UD的引擎启动的目的可如下进行描述：使用电动马达转矩以产生输入加速度且使引擎加速，同时，电动马达转矩被调节以满足驾驶者的转矩需求T_{o_req}。在该过程期间，引擎转矩T_e和滑动离合器转矩T_C2被作为已知的干扰处理。用于引擎启动控制的前馈马达转矩T_aFF和T_bFF可通过前馈控制器408如下进行确定：

和n_{i_prof}是在启动期间所期望的引擎加速度和引擎速度。所期望的引擎速度的形状可被裁剪以用于不同的引擎启动类型，例如平滑启动或者积极启动(在输入速度分析器404中，使用例如n_{e_opt})。另外，在引擎启动事件期间的峰值加速度必须被限制在如下所示的马达转矩极限值/离合器转矩极限值和电池功率极限值的范围内：

T_CB1为接合的接地离合器(grounding clutch)CB₁的反应转矩。与前馈转矩T_aFF和T_bFF不同，T_CB1在启动过程期间不是主动地被调节，而是CB₁的转矩极限值(通过夹紧压力、圆盘尺寸和摩擦材料确定)将对峰值输入加速度的大小和容许的马达转矩施加约束。在上述方程式的右边，除了T_{o_req}外所有的项可被测定和估算。然而，给定转矩极限值 以及电池功率极限值和则可确定T_{o_req}的约束。此外，在短的持续事件期间，诸如引擎启动，第二电动马达转矩极限值可使用较高的电流/电压的增加来提高。最后，由于可得到所有的右边项，则可获得用于引擎启动控制的前馈马达转矩T_aFF和T_bFF。

然而，由于模型不准确性和不确定性，单独的前馈控制不能够保证所期望的引擎速度的稳健追踪。按照比例积分(“PI”)实施的反馈控制器410基于实际的引擎速度与所期望的引擎速度的偏差，产生补充的马达转矩指令T_aFB、T_bFB：

$\left[\begin{array}{c}{T}_{aFB}\\ T_{bFB}\end{array}\right]=PI(n_{i\_prof}-n_i)---\left(3\right)$

最终的马达转矩指令被组合且被发送给两个电动马达控制器412、414。实际的马达转矩，以及实际的引擎转矩、常闭离合器转矩为物理的驱动桥系统的输入。输入转矩克服负载转矩且产生输入轴和输出轴的加速度。图5和图6示出了在驱动循环期间车辆响应和主要可变踪迹的示例。

上文描述的引擎启动控制系统和方法实现了电动马达转矩和离合器转矩的协调的且稳健的控制，这实现了从电动车辆驱动到混合驱动的转变，同时也满足了输出转矩要求和致动器约束。文中所公开的系统和方法允许使用电动马达转矩和离合器转矩的协调控制，而使引擎速度从0RPM(在IB-EV模式)转变到在低速驱动模式或超速驱动模式下的所期望的水平。文中所公开的系统和方法确保了在过渡期间的平滑且可定制的引擎启动质量和有利的驾驶性能。

Claims (13)

1.一种用于具有混合变速装置和引擎的车辆的引擎启动控制系统，所述引擎启动控制系统包括：

适于输入车辆运行状况和驾驶者输入的监控器，所述监控器适于确定和输出多个转矩极限值、期望的输出转矩、和最佳引擎速度；

输入速度分析器，所述输入速度分析器适于基于所述最佳引擎速度产生和输出输入速度曲线和输入加速度曲线；

约束条件评估器，所述约束条件评估器适于基于所述多个转矩极限值和所述期望的输出转矩产生和输出所要求的输出转矩；

前馈控制器，所述前馈控制器适于基于所述所要求的输出转矩以及所述输入速度曲线和输入加速度曲线来产生第一前馈马达转矩和第二前馈马达转矩；和

反馈控制器，所述反馈控制器适于基于所述输入速度曲线和实际的输入速度之差来产生第一反馈马达转矩和第二反馈马达转矩；

第一电动马达控制器，所述第一电动马达控制器接收所述第一前馈马达转矩和所述第一反馈马达转矩的总和，且产生当所述引擎开启或关闭时用于控制第一电动马达的实际的第一电动马达转矩；和

第二电动马达控制器，所述第二电动马达控制器接收所述第二前馈马达转矩和所述第二反馈马达转矩的总和，且产生当所述引擎打开或关闭时用于控制第二电动马达的实际的第二电动马达转矩，

其中，所述混合变速装置适于输入所述实际的第一电动马达转矩、所述实际的第二电动马达转矩、负载转矩、实际的引擎转矩和实际的第一离合器转矩和实际的第二离合器转矩，所述混合变速装置适于输出实际的输出速度和输出加速度以及实际的输入速度和输入加速度，

其中，所述约束条件评估器在产生所述所要求的输出转矩时使用所述实际的输出速度和输出加速度以及所述实际的输入加速度，且所述前馈控制器在产 生所述第一前馈马达转矩和所述第二前馈马达转矩时使用所述实际的输出速度和输出加速度以及所述实际的输入加速度。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述驾驶者输入至少包括油门踏板位置。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述约束条件评估器还适于输出最小输入加速度和最大输入加速度，且所述输入速度分析器在产生所述输入速度曲线和所述输入加速度曲线时使用所述最小输入加速度和所述最大输入加速度。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述监控器还适于向车辆引擎输出引擎转矩指令。

5.根据权利要求4所述的控制系统，其中，所述引擎适于向所述约束条件评估器和所述前馈控制器输出实际的引擎转矩，所述约束条件评估器在产生所述所要求的输出转矩时使用所述实际的引擎转矩，且所述前馈控制器在产生所述第一前馈马达转矩和所述第二前馈马达转矩时使用所述实际的引擎转矩。

6.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述监控器还适于向变速器的第一离合器和第二离合器输出离合器转矩指令。

7.根据权利要求6所述的控制系统，其中，所述第一离合器和所述第二离合器适于分别向所述约束条件评估器和所述前馈控制器输出实际的第一离合器转矩和实际的第二离合器转矩，所述约束条件评估器在产生所述所要求的输出转矩时使用所述实际的第一离合器转矩和所述实际的第二离合器转矩，且所述前馈控制器在产生所述第一前馈马达转矩和所述第二前馈马达转矩时使用所述实际的第一离合器转矩和所述实际的第二离合器转矩。

8.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述多个转矩极限值包括第一电动马达转矩极限值、第二电动马达转矩极限值、离合器转矩极限值和电池功率极限值。

9.一种在引擎启动/停止操作期间控制具有混合变速装置和引擎的车辆的第一电动马达和第二电动马达的方法，所述方法包括使用处理器以执行：

基于最佳引擎速度确定输入速度曲线和输入加速度曲线；

基于多个转矩极限值和期望的输出转矩确定所要求的输出转矩；

基于所述所要求的输出转矩、输入速度曲线和输入加速度曲线确定第一前馈马达转矩和第二前馈马达转矩；

基于所述输入速度曲线和实际的输入速度之差确定第一反馈马达转矩和第二反馈马达转矩；

对所述第一前馈马达转矩和所述第一反馈马达转矩求和，并产生实际的第一电动马达转矩；

对所述第二前馈马达转矩和所述第二反馈马达转矩求和，并产生实际的第二电动马达转矩；

使用所述实际的第一电动马达转矩和所述实际的第二电动马达转矩以当所述引擎被开启或关闭时分别控制所述第一电动马达和所述第二电动马达的操作，

向所述混合变速装置输入所述实际的第一电动马达转矩、所述实际的第二电动马达转矩、负载转矩、实际的引擎转矩和实际的第一离合器转矩和实际的第二离合器转矩；

所述混合变速装置输出实际的输出速度和输出加速度以及实际的输入速度和输入加速度；

在确定所述所要求的输出转矩时使用所述实际的输出速度和输出加速度以及所述实际的输入加速度；和

在确定所述第一前馈马达转矩和所述第二前馈马达转矩时使用所述实际的输出速度和输出加速度以及所述实际的输入加速度；

其中，使用车辆操作状况和车辆油门踏板位置来确定所述最佳引擎速度、转矩极限值和所述期望的输出转矩。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

产生最小输入加速度；

产生最大输入加速度；和

在确定所述输入速度曲线和所述输入加速度曲线时使用所述最小输入加速度和所述最大输入加速度。

11.根据权利要求9所述的方法，还包括确定实际的引擎转矩、且当确定所述所要求的输出转矩、所述第一前馈马达转矩和第二前馈马达转矩时使用所述实际的引擎转矩。

12.根据权利要求9所述的方法，还包括：

确定离合器转矩指令；和

将所确定的离合器转矩指令输出到变速器的第一离合器和第二离合器。

13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述多个转矩极限值包括第一电动马达转矩极限值、第二电动马达转矩极限值、离合器转矩极限值和电池功率极限值。