CN104787032B - 用于控制混合动力车辆中的牵引电机的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种用于控制混合动力车辆中的牵引电机的方法。一种用于控制混合动力车辆中的牵引电机的系统和方法，所述方法包括响应于发动机汽缸缺火而改变牵引电机扭矩。改变牵引电机扭矩以补偿由于发动机汽缸缺火而导致的发动机扭矩短缺，以减小由缺火导致的扭矩失衡。

Description

用于控制混合动力车辆中的牵引电机的方法
技术领域
本公开涉及具有发动机和牵引电机的混合动力车辆以及在发动机缺火期间改变由牵引电机提供的扭矩。
背景技术
混合动力电动车辆包括发动机和牵引电机，发动机和牵引电机中的每个均具有到牵引车轮的扭矩传递路径。发动机包括在其内发生燃烧以产生作用于曲轴的扭矩的多个汽缸。在一些情况下，汽缸会缺火，或者产生减小的扭矩或不产生扭矩。如果汽缸连续地缺火，则在汽缸之间出现扭矩失衡，导致向曲轴提供的扭矩发生变化。
发明内容
一种用于控制混合动力车辆中的牵引电机的系统和方法，所述方法包括改变牵引电机扭矩以补偿由于发动机汽缸缺火而导致的发动机扭矩短缺。
在一个实施例中，改变牵引电机扭矩以补偿扭矩短缺的操作包括响应于额定发动机输出扭矩曲线和实际发动机输出扭矩曲线之间的差而增大或减小牵引电机扭矩。在另一实施例中，改变牵引电机扭矩以补偿扭矩短缺的操作包括命令牵引电机提供具有第一幅值的第一扭矩脉冲和具有第二幅值的第二扭矩脉冲，所述第二幅值响应于发动机转速变化而从第一幅值改变而来。在又一实施例中，所述方法还包括使牵引电机扭矩脉冲与对应于缺火的汽缸的发动机曲轴位置同步。在另一实施例中，所述方法还包括向操作者发出指示发动机汽缸缺火的警报。
一种混合动力电动车辆包括具有多个汽缸的发动机、牵引电机和控制器。控制器被配置为响应于由于发动机汽缸缺火导致的发动机扭矩短缺而命令牵引电机提供补偿扭矩。
在一个实施例中，所述补偿扭矩是具有与额定发动机汽缸燃烧扭矩脉冲的幅值和相位相同的幅值和相位的扭矩脉冲。在另一个实施例中，控制器还被构造为响应于发动机转速变化而改变所述补偿扭矩的相位和幅值。在又一实施例中，控制器还被配置为向操作者发出指示发动机汽缸缺火的警报。
根据本发明，提供了一种用于控制混合动力电动车辆中的牵引电机的方法，所述方法包括响应于在多个发动机汽缸之间检测到扭矩失衡而周期性地改变牵引电机扭矩以提供补偿扭矩。
在一个实施例中，检测到扭矩失衡包括检测到不点火的汽缸。在这个实施例中，周期性地改变牵引电机扭矩的操作包括命令牵引电机提供扭矩脉冲，所述扭矩脉冲的幅值与额定汽缸燃烧扭矩的幅值相等，相位与对应于不点火的汽缸的曲轴位置同步。在另一实施例中，检测到扭矩失衡包括检测到工作不如预期的汽缸。在这种实施例中，所述周期地改变牵引电机扭矩包括命令牵引电机提供具有第一幅值的第一扭矩脉冲和具有第二幅值的随后的第二扭矩。第二幅值响应于发动机转速变化而从第一幅值改变。
根据本公开的实施例提供许多优点。例如，本公开提供了一种响应于缺火的汽缸而使用牵引电机提供补偿扭矩的方法，以防止降低驾驶员满意度的噪声、振动和声振粗糙度。
当结合附图时，本公开的以上优点和其它优点和特征将通过下面对优选实施例进行的详细描述而变得明显。
附图说明
图1是具有模块化动力传动系构造的混合动力电动车辆的示意性示出。
图2A是示出了在发动机正常运转期间发动机汽缸的扭矩传递的示意图。
图2B是示出了在汽缸缺火期间发动机汽缸的扭矩传递的示意图。
图3是示出了控制混合动力车辆中的发动机的方法的流程图。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例仅仅是示例，并且其它实施例可采取多种和可选形式。附图不一定成比例地绘制；一些特征可被夸大或最小化，以显示特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应当被解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以不同的方式应用这些实施例的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的多个特征可与在一个或更多个其它附图中示出的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，对于特定应用或实施方式，可期望与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型。
参照图1，示出了根据本公开的实施例的混合动力电动车辆(HEV)10的示意图。图1示出了组件之间的代表性的关系。在车辆中组件的物理布局和方位可变化。HEV 10包括动力传动系12。动力传动系12包括驱动传动装置16的发动机14，传动装置16可被称作模块化混合动力传动装置(MHT)。如将要在下面进一步详细地描述的，传动装置16包括诸如电动机/发电机(M/G)18的电机、相关联的牵引电池20、变矩器22以及多级传动比自动变速器或齿轮箱24。
发动机14和M/G 18都是用于HEV 10的驱动源。发动机14通常代表可包括内燃发动机(例如，汽油发动机或柴油发动机)的动力源，并且发动机14包括多个发动机汽缸。发动机14产生发动机功率和对应的发动机扭矩，该发动机扭矩在位于发动机14与M/G 18之间的分离式离合器26至少部分地接合时供应到M/G 18。M/G 18可通过多种类型的电机中的任何一个来实现。例如，M/G 18可以是永磁同步电机。电力电子器件56调制由电池20提供的直流(DC)电力以满足M/G 18的需求，如将在下面描述的。例如，电力电子器件可向M/G 18提供三相交流电(AC)。
当分离式离合器26至少部分地接合时，从发动机14流到M/G 18或从M/G 18流到发动机14的动力流是可能的。例如，分离式离合器26可接合并且M/G 18可作为发电机操作，以将由曲轴28和M/G轴30提供的旋转能转换为将存储在电池20中的电能。分离式离合器26还可分离，以使发动机14与动力传动系12的剩余部分断开，从而M/G 18可充当用于HEV 10的唯一的驱动源。轴30延伸穿过M/G 18。M/G 18持续可驱动地连接到轴30，然而仅在分离式离合器26至少部分地接合时发动机14才可驱动地连接到轴30。
M/G 18经由轴30连接到变矩器22。因此，在分离式离合器26至少部分地接合时变矩器22连接到发动机14。变矩器22包括固定到M/G轴30的泵轮和固定到变速器输入轴32的涡轮。因此，变矩器22在轴30与变速器输入轴32之间提供液压耦合。当泵轮比涡轮更快地旋转时，变矩器22将动力从泵轮传递到涡轮。泵轮扭矩和涡轮扭矩的幅值通常取决于相对转速。当泵轮转速与涡轮转速之比足够高时，涡轮扭矩是泵轮扭矩的多倍。还可设置变矩器旁通离合器34，在变矩器旁通离合器34接合时，变矩器旁通离合器34使变矩器22的泵轮和涡轮摩擦地或机械地结合，以允许更有效地传递动力。变矩器旁通离合器34可作为起步离合器操作，以提供平稳的车辆起步。可选地或相结合地，对于不包括变矩器22或变矩器旁通离合器34的应用而言，与分离式离合器26相似的起步离合器可设置在M/G 18与齿轮箱24之间。在一些应用中，分离式离合器26通常被称作上游离合器并且起步离合器34(可以是变矩器旁通离合器)通常被称作下游离合器。
齿轮箱24可包括齿轮组(未示出)，该齿轮组通过诸如离合器和制动器(未示出)的摩擦元件的选择性接合而选择性地以不同的传动比布置，以建立期望的多个离散传动比或多级驱动传动比。摩擦元件可通过换档计划来控制，该换档计划使齿轮组的某些元件连接和分开来控制变速器输出轴36与变速器输入轴32之间的比率。齿轮箱24基于各种车辆和周围的操作环境通过关联的控制器(例如，动力传动系控制单元(PCU)50)从一个传动比自动地换档到另一个传动比。然后，齿轮箱24向输出轴36提供动力传动系输出扭矩。
应理解的是，与变矩器22一起使用的液压控制的齿轮箱24仅仅是齿轮箱或变速器布置的一个示例；对于本公开的实施例而言，接收来自发动机和/或电动机的输入扭矩，然后以不同传动比将该扭矩提供至输出轴的任何多级传动比齿轮箱都是可接受的。例如，齿轮箱24可通过机械式自动(或手动)变速器(AMT)而实施，该AMT包括一个或更多个伺服电动机以沿拨叉导轨移动/旋转换档拨叉，从而选择期望的传动比。如本领域的普通技术人员通常地理解，AMT可用在(例如)具有更高扭矩需求的应用中。
如图1的代表性实施例所示，输出轴36连接到差速器40。差速器40经由连接到差速器40的各自的车轴44驱动一对车轮42。差速器40在允许轻微的转速差异的同时(例如，在车辆转弯时)向每个车轮42传递大体上相等的扭矩。不同类型的差速器或类似的装置可用于将扭矩从动力传动系分配到一个或更多个车轮。在一些应用中，扭矩分配可根据(例如)特定的操作模式或条件而变化。
动力传动系12还包括关联的动力传动系控制单元(PCU)50。虽然示出为一个控制器，但是PCU 50可以是更大的控制系统的一部分并且可由遍布车辆10的多种其它的控制器(例如，车辆系统控制器(VSC))来控制。因此，应理解的是，动力传动系控制单元50和一个或更多个其它的控制器能够共同地被称作“控制器”，该“控制器”响应于来自多种传感器的信号而控制各个致动器，以控制多个功能，诸如起动/停止发动机14、操作M/G 18以提供车轮扭矩或给电池20充电、选择变速器档位或规划变速器换档等。控制器50可包括与各种类型的计算机可读存储装置或介质通信的微处理器或中央处理单元(CPU)。计算机可读存储装置或介质可包括易失性存储器和非易失性存储器，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和保活存储器(KAM)。KAM是一种可用于在CPU断电时存储各种操作变量的持久性存储器或非易失性存储器。计算机可读存储装置或介质可采用任何数量的已知的存储装置(例如，PROM(可编程只读存储器)、EPROM(电可编程只读存储器)、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、闪速存储器或能够存储数据(这些数据中的一些代表由控制器使用来控制发动机或车辆的可执行指令)的任何其它电的、磁的、光学的或它们相结合的存储装置)中的任意存储装置来实现。
控制器经由输入/输出(I/O)接口与各种发动机/车辆传感器和致动器通信，该I/O接口可实现为提供各种原始数据或信号调节、处理和/或转换、短路保护等的单独集成接口。可选地，一个或更多个专用的硬件或固件芯片可用于在特定的信号被供应到CPU之前调节并处理所述特定的信号。如图1的代表性实施例通常所示出的，PCU 50可将信号发送至发动机14、分离式离合器26、M/G 18、起步离合器34、变速器齿轮箱24和电力电子器件56和/或从发动机14、分离式离合器26、M/G 18、起步离合器34、变速器齿轮箱24和电力电子器件56接收信号。虽然没有明确地示出，但是本领域的普通技术人员将意识到，可由PCU 50控制的各种功能或组件位于以上标示的子系统中的每个子系统中。可使用由控制器执行的控制逻辑而直接或间接地致动的参数、系统和/或组件的代表性示例包括燃料喷射正时、速率和持续时间、节气门位置、火花塞点火时间(用于火花点火式发动机)、进气阀/排气阀正时和持续时间、前端附件驱动(FEAD)组件(诸如交流发电机、空调压缩机)、电池充电、再生制动、M/G操作、用于分离式离合器26、起步离合器34和变速器齿轮箱24的离合器压力等。通过I/O接口传递输入的传感器可用于指示(例如)涡轮增压器增压压力、曲轴位置(PIP)、发动机转速(RPM)、车轮转速(WS1、WS2)、车速(VSS)、冷却液温度(ECT)、进气歧管压力(MAP)、加速踏板位置(PPS)、点火开关位置(IGN)、节气门位置(TP)、空气温度(TMP)、废气氧气(EGO)或其它废气组分浓度或存在度、进气流量(MAF)、变速器档位、传动比或模式、传动装置油温(TOT)、传动装置涡轮转速(TS)、变矩器旁通离合器34状态(TCC)、减速或换档模式(MDE)。
由PCU 50执行的控制逻辑或功能可通过一个或更多个图中的流程表或类似的图表表示。这些图提供可使用一个或更多个处理策略(例如，事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等)实现的代表性的控制策略和/或逻辑。这样，示出的多个步骤或功能可以以示出的顺序执行、并行执行或在一些情况下被省略。虽然一直没有明确地示出，但是本领域的普通技术人员将意识到，一个或更多个示出的步骤或功能可根据正在使用的特定的处理策略而重复地执行。类似地，处理的顺序不一定需要获得在此描述的特征和优势，提供处理的顺序仅仅是为了便于说明和描述。控制逻辑可以主要由软件实施，该软件由基于车载微处理器、发动机和/或动力传动系控制器(例如，PCU 50)执行。当然，控制逻辑可根据特定的应用而由一个或更多个控制器中的软件、硬件或软件与硬件的结合实施。当由软件实施时，控制逻辑可设置在一个或更多个计算机可读存储装置或介质中，该计算机可读存储装置或介质存储了代表由计算机执行以控制车辆或其子系统的指令或代码的数据。计算机可读存储装置或介质可包括多个已知的物理装置中一个或更多个，该物理装置采用电的、磁的和/或光学的存储器以保持可执行指令和相关的校准信息、操作变量等。
车辆的驾驶员使用加速踏板52来提供需要的扭矩、动力或驱动命令以推进车辆。通常，踩下和释放踏板52分别产生可被控制器50解释为需要增大动力或减小动力的加速踏板位置信号。至少基于来自踏板的输入，控制器50控制来自发动机14和/或M/G 18的扭矩。控制器50还控制齿轮箱24中的换档正时，以及分离式离合器26与变矩器旁通离合器34的接合或分离。与分离式离合器26一样，变矩器旁通离合器34能够在接合位置与分离位置之间的范围内调节。除了由泵轮与涡轮之间的液力耦合产生可变打滑之外，这在变矩器22中也产生了可变打滑。可选地，根据特定的应用，变矩器旁通离合器34可操作为锁止或分离，而不使用被调节的操作模式。
为了利用发动机14驱动车辆，分离式离合器26至少部分地接合，以通过分离式离合器26向M/G 18传递发动机扭矩τe的至少一部分，然后这部分发动机扭矩τe从M/G 18经过变矩器22和齿轮箱24传递。M/G 18可通过提供额外电机扭矩τm来辅助发动机14而使轴30转动。向轴30提供的组合扭矩τshaft可从以下的等式获得，该等式为：
τshaft＝τe+τm
这种操作模式可被称作“混合动力模式”或“电力辅助模式”。
为了利用用作唯一动力源的M/G 18驱动车辆，除了分离式离合器26使发动机14与动力传动系12的剩余部分断开以外动力流保持不变。在此期间，发动机14中的燃烧可被禁用或以其它方式关闭以节省燃料。牵引电池20通过线路54向可包括(例如)转换器的电力电子器件56传递所存储的电能。电力电子器件56将来自电池20的DC电压转换为供M/G 18使用的AC电压。PCU 50命令电力电子器件56将来自电池20的电压转换为提供到M/G 18的AC电压，以向轴30提供正扭矩或负扭矩。这种操作模式可被称作“纯电动”操作模式。
在任何操作模式中，M/G 18可作为电动机并提供用于动力传动系12的驱动力。可选地，M/G 18可作为发电机并将来自动力传动系12的动能转换为将存储在电池20中的电能。M/G 18可在(例如)发动机14提供用于车辆10的推进动力期间作为发电机。此外，M/G 18可在再生制动期间作为发电机，其中，在再生制动期间来自旋转的车轮42的旋转能通过齿轮箱24往回传递并被转换成电能而存储在电池20中。
应理解的是，图1中的示意性示出仅仅是示例性的而并没有意图是限定性的。可预期采用发动机与电动机的选择性的组合来通过变速器进行传递的其它构造。例如，M/G 18可相对于曲轴28偏置，可设置额外的电动机以起动发动机14，和/或M/G 18可设置在变矩器22与齿轮箱24之间。可预期不脱离本公开的范围的其它构造。
参照图2A，示出了在发动机正常运转期间发动机汽缸扭矩和曲轴输出扭矩的示意性代表。在本实施例中，发动机14包括四个汽缸。当曲轴28旋转了720°时，每个汽缸均由于相关联的汽缸中的燃烧而产生扭矩脉冲60。每个汽缸的周期性扭矩脉冲作用于曲轴28，以产生组合后的曲轴扭矩58。曲轴扭矩58包括由于周期性扭矩脉冲而导致的小的扭矩变化，如所示出的。类似地，曲轴转速将包括由于周期性扭矩脉冲而导致的少量的变化。
在一些情况下，内燃发动机中的汽缸会缺火(misfire)，或者提供不完全燃烧或不燃烧。当重复地出现汽缸缺火时，发动机转速由于汽缸之间的失衡的扭矩传递而变化。这可由于通过扭矩失衡所引入的噪声、振动和声振粗糙度(“NVH”)而削弱车辆的操纵性。多种已知的方法和装置能够检测发动机汽缸缺火的识别。例如，离子传感器可用于产生指示燃烧质量和正时的信号。
参照图2B，示出了在发动机缺火期间发动机汽缸扭矩和曲轴输出扭矩的示意性代表。当曲轴28旋转了720°时，汽缸1、2和4中的每个均提供扭矩脉冲60’。由于缺火，汽缸3不产生扭矩或产生减小的扭矩，如由线62所示出。因此，当缺火的汽缸将在发动机正常运转的情况下产生扭矩时，组合后的曲轴扭矩64将经历扭矩短缺(shortfall)。如果汽缸重复地缺火，则这种周期性扭矩短缺会导致NVH，如上所述。
如上所述，在混合动力驱动模式下，施加在轴30上的扭矩是发动机扭矩和电机扭矩的总和。因此，可命令M/G 18提供电机扭矩脉冲66以补偿周期性扭矩短缺。这可因为M/G18具有相对较高的带宽而实现，从而电机扭矩可变化以模拟由汽缸燃烧提供的扭矩脉冲。因此，施加在轴30上的发动机扭矩可通过电机扭矩脉冲66来补偿，以产生组合扭矩68。在发动机正常运转的情况下，电机扭矩脉冲66的幅值和相位通常应该等于额定汽缸燃烧扭矩脉冲的幅值和相位。因此，组合扭矩68可与如由图2A中的线58所示出的额定发动机曲轴扭矩近似地匹配。
电机扭矩脉冲可实现为与基础电机扭矩的差异。换言之，在混合动力驱动模式的稳定状态下，M/G 18可向轴30提供电机扭矩τm,1。响应于缺火，根据额定汽缸燃烧扭矩脉冲的幅值和相位，电机扭矩τm可周期性地从τm,1增大和减小回到τm,1，从而提供电机扭矩脉冲66。
使电机扭矩脉冲66的幅值和相位与额定汽缸燃烧扭矩脉冲的幅值和相位近似地匹配，这有助于使M/G 18的角位置与曲轴28的角位置同步。如上所述，在混合动力驱动模式下离合器26使曲轴28和M/G 18刚性地连接。然而，在混合动力驱动模式期间可由于与曲轴28配合的谐振阻尼器而导致在曲轴28和M/G 18之间出现一定量的角位移。一种使M/G的角位置与曲轴的角位置同步的方法是根据以下公式计算角位移，该公式如下：
θ＝(αt-α0)-(βt-β0)
其中，当离合器26接合时，α0是曲轴28的初始角位置，β0是M/G 18的初始角位置，αt是曲轴28的瞬时角位置，βt是M/G 18的瞬时角位置。计算的角位移θ提供曲轴28与M/G 18的相对位置。当然可使用其它同步方法。
在图2B示出的示例中，汽缸3未燃烧且不产生扭矩，如在线62处所示。这可出现在(例如)火花塞未点火的情况下。其它类型的缺火包括导致减小汽缸燃烧扭矩脉冲的非最优燃烧。这可出现在(例如)燃料喷嘴提供不正确的燃料量的情况下。在这种情况下，命令M/G18提供与额定汽缸燃烧扭矩脉冲的幅值相等的电机扭矩脉冲66可能会过度补偿并导致失衡的组合扭矩曲线(profile)。因此，可期望提供改变电机扭矩脉冲66的幅值的反馈系统。这种系统可响应于(例如)检测的曲轴转速变化而改变电机扭矩脉冲的幅值。这种系统还可被构造为响应于指示扭矩失衡的其它测量值而改变电机扭矩脉冲的幅值。
参照图3，示出了流程图，该流程图示出了用于控制混合动力车辆中的电机的逻辑。检测发动机缺火并识别缺火的汽缸，如框70处所示。如上所述，这可使用多种方法来执行。然后，使电机角位置和曲轴角位置同步，如框72处所示。然后，命令电机提供具有与额定汽缸燃烧扭矩脉冲的幅值和相位相同的幅值和相位的电机扭矩脉冲，如框74处所示。可响应于测量的扭矩失衡而改变随后的电机扭矩脉冲的相位和/或幅值，如框76处所示。这可包括(例如)响应于轴速变化而改变电机扭矩脉冲幅值的反馈系统。然后，向车辆操作者发出警报信号，如框78处所示。所述警报可指示已经出现发动机缺火，或另外提示操作者检修车辆。
当然，以上的逻辑的变化是可能的。例如，最初的电机扭矩脉冲可被命令为与额定汽缸燃烧扭矩脉冲具有不同的幅值。例如，可基于检测到的缺火的类型来确定最初的电机扭矩脉冲的幅值。
从多个实施例可以看出，本发明提供了一种用于改变电机扭矩以补偿由于汽缸缺火而导致的扭矩短缺的方法，以减小可能会降低驾驶员满意度的NVH。
虽然详细描述了最佳方式，但是熟悉本领域的技术人员将意识到在权利要求的范围内的多种可选设计和实施例。虽然各个实施例可能已经被描述为提供优点或者在一个或更多个期望特性方面优于其它实施例，但是本领域技术人员意识到，根据具体应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可折衷，以实现期望的总体系统属性。这些属性包括但不限于：成本、强度、耐用性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、装配容易性等。被描述为在一个或多个特性方面比其它实施例或现有技术实施方式更不令人期望的在此讨论的实施例不在本公开的范围之外，且可期望用于具体应用。

Claims (5)

1.一种用于控制混合动力车辆中的牵引电机的方法，所述方法包括：
检测发动机汽缸缺火并识别缺火的汽缸；
使牵引电机角位置和发动机曲轴位置同步；以及
响应于发动机曲轴位置，改变牵引电机扭矩，以补偿由于发动机汽缸缺火而导致的发动机扭矩短缺。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，改变牵引电机扭矩以补偿由于发动机汽缸缺火而导致的发动机扭矩短缺的操作包括响应于额定发动机输出扭矩曲线和实际发动机输出扭矩曲线之间的差而增大或减小牵引电机扭矩。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，改变牵引电机扭矩以补偿由于发动机汽缸缺火而导致的发动机扭矩短缺的操作包括命令牵引电机提供具有第一幅值的第一扭矩脉冲和具有第二幅值的第二扭矩脉冲，所述第二幅值响应于发动机转速变化而从第一幅值变化而来。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，使牵引电机角位置和发动机曲轴位置同步的步骤包括使牵引电机扭矩脉冲与对应于缺火的汽缸的发动机曲轴位置同步。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括向操作者发出指示发动机汽缸缺火的警报。
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