CN105840328B - 一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元，属于发动机控制技术领域。本发明的发动机智能电子控制单元包括发动机原有ECU和发动机智能体内核，发动机原有ECU包括传感器模块、效应器模块和功能单元模块；发动机智能体内核包括反应模块、数据库、通信模块、协作模块和局部规划模块；发动机原有ECU与发发动机智能体中各模块相互配合，传感器模块直接与反应模块相连，功能模块包含熄火功能函数和转速与转矩控制函数，用于控制发动机进行相应的动力输出。本发明旨在赋予发动机智能体交互协作的能力，同时增强其智能性，利用内部控制算法对发动机需求转矩和需求转速进行优化求解运算，优化了发动机性能。

Description

一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元

技术领域

本发明涉及发动机控制技术领域，更具体地说，涉及一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元。

背景技术

截至2015年底，全球汽车保有量约达11.2亿辆。庞大的汽车保有量进一步加剧了能源危机和环境污染，使节能减排深入人心，新能源汽车已成为当今汽车工业的研发热点。混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle,HEV)属于一种介于传统汽车与纯电动汽车的过渡车型，它结合了两者的优点，技术平台相对比较完善，成熟度高，更是新能源汽车研发的首选。混合动力汽车具有两套动力系统，其动力总成集成控制系统的开发是关键问题之一，它直接影响车辆的动力性、燃油经济性、排放性和乘驾舒适性，因此一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元的研究将有利于混合动力汽车动力总成集成控制系统的开发，具有重大的研究价值。

目前，混合动力汽车的发动机ECU与整车控制器通过CAN网互联，从而使得发动机的功率必须根据整车控制器的控制算法来进行协调控制。首先，依据当前路况和负载需求，驾驶员踩下油门踏板，整车控制器接收到油门踏板开度信号。然后，整车控制器的预定控制算法对油门踏板开度信号进行处理，并根据处理结果对发动机ECU发出转矩和转速指令，最后由发动机ECU根据转矩和转速指令对油门执行机构进行控制，从而实现发动机动力输出。在该方法中，整车控制器对发动机ECU下达需求转速和需求转矩指令后，发动机ECU并不能够根据发动机的实时状态信息和发动机的万有特性曲线对发动机需求转矩和需求转速做进一步优化修正处理，只是简单地直接执行整车控制器的动力请求。因此，这个控制过程并不能保证当前工况下的发动机运行在最优工作区间，更加不能保证发动机功率和电机功率的合理分配，无法使混合动力汽车达到最佳的燃油经济性。

中国专利号：201310647806.5，授权公告日：2014年2月19日，该专利方案公开了一种混合动力汽车动力总成智能控制方法，提出了利用多智能体系统技术的HEV动力总成控制系统，其构建的动力总成部件智能体包括发动机智能体、电机智能体、蓄电池智能体和系统智能体。该方法根据当前车辆行驶工况，智能选择车辆的工作模式和与该工作模式相应的控制策略，使动力总成所有部件工作于最佳状态。但是该发明专利只公开了系统控制框架，专利中并没有涉及到其所述的发动机智能体具有何种结构，以及其具体的设计方案和实施方式。

通过文献搜索，在2015年8月的上海交通大学学报第49卷第8期，发布了相关技术文献DOI:10.16183/j.cnki.jsjtu.2015.08.006，该文献公布了混合动力汽车多能源动力总成的智能体控制技术，由发动机智能体、电动机智能体、耦合器智能体、蓄电池智能体和系统智能体构成了混合动力汽车动力总成多智能体系统。该系统中，驾驶员与系统智能体进行人机交互，其他子系统智能体感知驾驶工况并自决策，然后接受系统智能体总体协调，最后其他各子系统智能体之间再进行相互协调，最终得到适应当前驾驶工况的动力匹配结果。其中，发动机智能体模型以发动机需求转矩、发动机需求转速和循环工况信息作为模糊逻辑控制器的模糊输入，经过模糊算法求解得到当前工况下的发动机实际转矩和实际转速，然后根据系统智能体的转矩和转速协调指令对其进行修正。但是这种发动机智能体只是单纯的对发动机需求转矩和需求转速进行求解，其本质是一种模糊控制器的计算实体，并没有对发动机电子控制单元硬件改造。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中发动机ECU无法对发动机需求转矩和需求转速做进一步优化的不足，提供了一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元，本发明的技术方案，赋予发动机智能体交互协作的能力，同时增强其智能性，利用内部控制算法对发动机需求转矩和需求转速进行优化求解运算，优化了发动机性能。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元，该发动机智能电子控制单元即为发动机智能体，包括发动机原有ECU，还包括发动机智能体内核，所述的发动机原有ECU包括传感器模块、效应器模块和功能单元模块；所述发动机智能体内核包括反应模块、数据库、通信模块、协作模块和局部规划模块；发动机原有ECU与发动机智能体内核中各模块相互配合，所述的传感器模块直接与所述的反应模块相连，所述的功能单元模块包含熄火功能函数和转速与转矩控制函数，其中熄火功能函数由反应模块调用，直接控制发动机熄火；局部规划模块对发动机需求转矩和转速优化求解，得到发动机响应转矩值和响应转速值，进而调用功能单元模块的转速与转矩控制函数来控制发动机油门执行机构。

作为本发明更进一步的改进，所述的数据库存储发动机智能体的信息参数和发动机万有特性曲线，发动机智能体的信息参数为发动机智能体与其它智能体之间的通信提供了标识信息，所述发动机万有特性曲线记录着发动机不同转速下的扭矩输出情况和油耗情况，在局部规划模块对发动机需求转矩和需求转速进行优化求解的过程中，所述的局部规划模块会通过通信模块查询所述的数据库中的发动机万有特性曲线，促使优化求解得到的发动机响应转矩值和响应转速值落在发动机万有特性曲线中的高效运行区域。

作为本发明更进一步的改进，所述通信模块通过CAN网与其他智能体互联，进行发动机智能体与其他智能体之间的信息传递，该通信模块同时与反应模块和协作模块进行信息交换。

作为本发明更进一步的改进，所述的反应模块接收传感器模块采集的发动机实时状态信息，并将相应信息传递到通信模块和协作模块；该反应模块中还设有IF前件THEN后件的规则库，其中IF前件包括制动停机消息和发动机故障信息，THEN后件为熄火指令，如果IF前件满足，则执行THEN后件的熄火指令，调用功能单元模块的熄火功能函数来控制发动机熄火。

作为本发明更进一步的改进，所述协作模块主要工作是从反应模块获取发动机节气门开度信息，并结合从通信模块传递来的变速器当前档位信息决定发动机期望转矩和期望转速，并将该发动机期望转矩和期望转速信息传递给系统智能体。

作为本发明更进一步的改进，所述的局部规划模块主要由规划器构成，规划器中存储内部控制算法，其主要工作是根据发动机的实时状态信息和发动机的万有特性曲线对发动机需求转矩和需求转速进行优化修正处理，得到发动机响应转矩值和响应转速值，从而调用功能单元模块的转速与转矩控制函数来控制发动机油门执行机构改变气门开度和喷油量。

作为本发明更进一步的改进，发动机智能体的主要工作如下：

(1)由传感器模块采集车辆行驶过程中发动机实时状态信息，包括发动机当前输出转矩、转速、节气门开度、制动信号、喷油量、进气量和气缸温度，该信息被传递至反应模块；

(2)通信模块询问变速器智能体当前档位信息，协作模块由通信模块获取变速器当前档位信息，协作模块由反应模块获取节气门开度信息，然后协作模块根据获取的信息决定发动机期望转矩和期望转速，并由通信模块将发动机期望转矩和期望转速信息传递给系统智能体；

(3)通信模块接收系统智能体传递来的发动机需求转矩和需求转速，并将其传递给协作模块，协作模块把该信息以及发动机实时状态信息传递给局部规划模块；然后，局部规划模块根据采集到的发动机实时状态信息，并通过通信模块查询数据库的发动机万有特性曲线，利用内部控制算法对发动机需求转矩和需求转速进行优化求解运算，得到发动机响应转矩值和响应转速值，从而调用功能单元模块的转速与转矩控制函数来控制发动机油门执行机构改变电子节气门开度和喷油量。

作为本发明更进一步的改进，数据库存储发动机智能体的信息参数包括发动机智能体运行主机的地址、主机的名称、发动机智能体的名称和通信端口，通过该参数唯一地标识发动机智能体。

作为本发明更进一步的改进，所述传感器模块采集的发动机实时状态信息包括发动机当前输出转矩、转速、节气门开度、制动信号、喷油量、进气量和气缸温度。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明的一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元，其反应模块可以直接由感知信息调用功能单元模块的熄火功能函数来控制发动机熄火，快速响应紧急熄火情况，起到了停机保护的作用；此外，本发明的局部规划模块可以查询数据库的发动机万有特性曲线并结合发动机的实时状态信息，利用内部控制算法对系统智能体传递过来的发动机需求转矩和需求转速进行优化求解运算，尽量保证优化求解得到的发动机响应转矩值和响应转速值落在发动机万有特性曲线中的高效工作区域，最后调用功能单元模块的转速与转矩控制函数来控制发动机油门执行机构改变气门开度和喷油量，使混合动力汽车动力总成集成控制时兼顾到了发动机的工作特性，能进一步优化发动机的动力输出，保证当前工况下的发动机运行在最优工作区间。

附图说明

图1为本发明的一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元的结构流程图；

图2为本发明的发动机智能体各模块的工作过程及原理图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1，本实施例的一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元，本质上混合动力汽车发动机智能电子控制单元是基于智能体理论设计而成的发动机智能体，因而可直接称为发动机智能体。为了缩短开发周期、减少开发成本以及开发难度，本发明是在发动机原有ECU控制系统的基础上做进一步开发，增加发动机智能体内核，但不局限于发动机原有ECU所进行的开发。

该发动机智能体主要由发动机原有ECU和发动机智能体内核等组成，发动机原有ECU包括传感器模块、效应器模块和功能单元模块；所述发动机智能体内核包括反应模块、数据库、通信模块、协作模块和局部规划模块；发动机原有ECU与发动机智能体内核中各模块相互配合，传感器模块直接与所述的反应模块相连，所述的功能单元模块包含熄火功能函数和转速与转矩控制函数，其中熄火功能函数由反应模块调用，直接控制发动机熄火；局部规划模块对发动机需求转矩和转速优化求解，得到发动机响应转矩值和响应转速值，进而调用功能单元模块的转速与转矩控制函数来控制发动机油门执行机构。

根据功能单元模块中所调用的功能函数的不同，可以把发动机智能体的分为反应层和慎思层。当反应模块接收到系统智能体发送过来的制动停机消息，或者是当反应模块接收到传感器模块感知到的发动机故障信息时，主要通过发动机智能体的反应层即可直接处理，反应模块直接调用功能单元模块的熄火功能函数来控制发动机熄火，起到了停机保护的作用。

慎思层能够根据发动机的实时状态信息和发动机的万有特性曲线对发动机需求转矩和需求转速进行优化修正处理，可以保证发动机运行在最优工作区间。慎思层具有的优化求解发动机需求转矩和需求转速的能力，主要由局部规划模块来体现，即通过局部规划模块查询数据库的发动机万有特性曲线，并结合发动机的实时状态信息，利用内部控制算法对系统智能体传递过来的发动机需求转矩和需求转速进行优化求解运算，得到发动机响应转矩值和响应转速值，从而调用功能单元模块的转速与转矩控制函数来控制发动机油门执行机构改变气门开度和喷油量。

进一步地，发动机智能体的各个模块的特点和主要功能如下：

(1)数据库储存发动机智能体对自身的描述信息，包括发动机智能体的信息参数和发动机万有特性曲线。其中发动机智能体的信息参数包括其运行主机的地址、主机的名称、发动机智能体的名称和通信端口，这几项参数唯一地标识了发动机智能体，并且为发动机智能体与其它智能体之间的通信提供了必要的标识信息。

发动机万有特性曲线记录着发动机不同转速下的扭矩输出情况和油秏情况，在局部规划模块对发动机需求转矩和需求转速进行优化求解的过程中，局部规划模块会通过通信模块查询所述的数据库中的发动机万有特性曲线，尽量保证优化求解得到的发动机响应转矩值和响应转速值落在发动机万有特性曲线中的高效工作区域。

(2)通信模块通过CAN网与其他智能体互联，它负责发动机智能体与其他智能体之间的信息传递，具体地，所述通信模块接收系统智能体传递来的制动停机消息、发动机需求转矩和需求转速，还有变速器智能体传递来的当前档位信息。此外，所述通信模块还负责将发动机的实时状态信息和由协作模块确定发动机期望转矩和期望转速的传递其他智能体。

(3)反应模块接收传感器模块传递的发动机信息，并将相应信息传递到通信模块和协作模块；该反应模块中还设有IF前件THEN后件的规则库。反应模块不进行复杂的推理预算，而是采用产生式系统，其规则是“IF前件，THEN后件”，其中前件是条件，后件是动作，该规则的语义是如果前件满足，则执行对应的动作。具体地，IF前件和THEN后件都存储在所应模块的规则库中，其中IF前件包括制动停机消息和发动机故障信息，THEN后件是熄火指令。当所述反应模块接收到系统智能体发送过来消息后，将该消息与所述规则库中的IF前件比对，如果匹配成功为制动停机消息，则执行THEN后件的熄火指令，调用所述功能单元模块的熄火功能函数来控制发动机熄火；当所述反应模块接收到所述的传感器模块的感知信息后，将信息与所述规则库中的IF前件比对，如果匹配成功为发动机故障信息，则执行THEN后件的熄火指令，调用所述功能单元模块的熄火功能函数来控制发动机熄火。

(4)协作模块主要工作是从反应模块获取发动机节气门开度信息，并结合从通信模块传递来的变速器当前档位信息决定发动机期望转矩和期望转速，并将该发动机期望转矩和期望转速信息传递给系统智能体。

(5)局部规划模块主要由规划器构成，规划器中存储内部控制算法，其主要工作是根据发动机的实时状态信息和发动机的万有特性曲线对发动机需求转矩和需求转速进行优化修正处理。具体地，当局部规划模块接收到协作模块传递来的发动机需求转矩和需求转速时，局部规划模块根据传感器模块采集到的发动机实时状态信息，并查询数据库的发动机万有特性曲线，利用内部控制算法对发动机需求转矩和需求转速进行优化求解运算，得到发动机响应转矩值和响应转速值，从而调用所述功能单元模块的转速与转矩控制函数来控制发动机油门执行机构改变气门开度和喷油量。

(6)发动机原有ECU被划分为传感器模块、功能单元模块和效应器模块，其中传感器模块直接与反应模块相连，功能模块包含熄火功能函数和转速与转矩控制函数，其中熄火功能函数由所述的反应模块调用，转速与转矩控制函数由所述的局部规划模块调用，转速与转矩控制是通过电子节气门控制与吸油量控制来实现的。效应器用于执行功能单元的命令信息，使油门执行机构动作。

基于以上各模块的功能，结合图2，发动机智能体的主要工作如下：

(1)由传感器模块采集车辆行驶过程中发动机实时状态信息，包括发动机当前输出转矩、转速、节气门开度、制动信号、喷油量、进气量和气缸温度，该信息被传递至反应模块。

(2)通信模块询问变速器智能体当前档位信息，协作模块由通信模块获取变速器当前档位信息，协作模块由反应模块获取节气门开度信息，然后协作模块根据获取的信息决定发动机期望转矩和期望转速，并由通信模块将发动机期望转矩和期望转速信息传递给系统智能体；

(3)通信模块接收系统智能体传递来的发动机需求转矩和需求转速，并将其传递给协作模块，协作模块把该信息以及发动机实时状态信息传递给局部规划模块；然后，局部规划模块根据采集到的发动机实时状态信息，并通过通信模块查询数据库的发动机万有特性曲线，利用内部控制算法对发动机需求转矩和需求转速进行优化求解运算，得到发动机响应转矩值和响应转速值，从而调用功能单元模块的转速与转矩控制函数来控制发动机油门执行机构改变电子节气门开度和喷油量。

根据以上发动机智能体信息，本发明提供了一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元的控制方法，即利用发动机智能体来对发动机的动力输出进行优化，其方法为：

(1)上电初始化，采集并交互信息：

混合动力汽车启动，所述的混合动力汽车发动机智能体上电初始化，各个模块进入工作状态：首先，由传感器模块采集发动机的实时状态信息，包括发动机当前输出转矩、转速、节气门开度、制动信号、喷油量、进气量和气缸温度，并将其传递给反应模块；与此同时，通信模块不断接收来自其他智能体的消息，包括系统智能体传递过来的发动机制动停机消息、发动机需求转矩和需求转速，以及变速器智能体传递过来的当前档位信息，其中发动机制动停机消息传递到反应模块，发动机需求转矩和需求转速和变速器当前档位信息则被传递到协作模块。

(2)反应模块动作：

当所述反应模块接收到所述的通信模块传递过来的消息后，首先将该消息与规则库中的IF前件比对，如果匹配成功为制动停机消息，则执行THEN后件的熄火指令，调用功能单元模块的熄火功能函数来控制发动机熄火；当所述反应模块接收到传感器模块的感知信息后，将信息与所述规则库中的IF前件比对，如果匹配成功为发动机故障信息，则执行THEN后件的熄火指令，调用所述功能单元模块的熄火功能函数来控制发动机熄火。

(3)协作模块动作：

协作模块从反应模块获取发动机节气门开度信息，并结合从通信模块传递来的变速器当前档位信息决定发动机期望转矩和期望转速，并将该发动机期望转矩和期望转速信息传递给系统智能体。

(4)局部规划模块动作：

当局部规划模块接收到协作模块传递来的发动机需求转矩和需求转速时，局部规划模块通过传感器模块采集到的发动机实时状态信息，并查询数据库的发动机万有特性曲线，利用内部控制算法对发动机需求转矩和需求转速进行优化求解运算，得到发动机响应转矩值和响应转速值，从而调用功能单元模块的转速与转矩控制函数来控制发动机油门执行机构改变气门开度和喷油量，能进一步优化发动机的动力输出。

本发明的混合动力汽车发动机智能电子控制单元中，局部规划模块根据所述的传感器模块采集到的发动机实时状态信息，并查询所述数据库的发动机万有特性曲线，利用内部控制算法对发动机需求转矩和需求转速进行优化求解运算，得到发动机响应转矩值和响应转速值，从而调用所述功能单元模块的转速与转矩控制函数来控制发动机油门执行机构改变气门开度和喷油量，使得混合动力汽车动力总成集成控制兼顾到了发动机的工作特性，能进一步优化发动机的动力输出，解决了传统方法中发动机ECU不能保证发动机功率和电机功率的合理分配，无法使混合动力汽车达到最佳的燃油经济性的问题，与常规的发动机智能体在控制方法上有较大区别。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元，该发动机智能电子控制单元即为发动机智能体，包括发动机原有ECU，其特征在于：还包括发动机智能体内核，所述的发动机原有ECU包括传感器模块、效应器模块和功能单元模块；所述发动机智能体内核包括反应模块、数据库、通信模块、协作模块和局部规划模块；发动机原有ECU与发动机智能体内核中各模块相互配合，所述的传感器模块直接与所述的反应模块相连，所述的功能单元模块包含熄火功能函数和转速与转矩控制函数，其中熄火功能函数由反应模块调用，直接控制发动机熄火；局部规划模块对发动机需求转矩和转速优化求解，得到发动机响应转矩值和响应转速值，进而调用功能单元模块的转速与转矩控制函数来控制发动机油门执行机构。

2.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元，其特征在于：所述的数据库存储发动机智能体的信息参数和发动机万有特性曲线，发动机智能体的信息参数为发动机智能体与其它智能体之间的通信提供了标识信息，所述发动机万有特性曲线记录着发动机不同转速下的扭矩输出情况和油耗情况，在局部规划模块对发动机需求转矩和需求转速进行优化求解的过程中，所述的局部规划模块会通过通信模块查询所述的数据库中的发动机万有特性曲线，促使优化求解得到的发动机响应转矩值和响应转速值落在发动机万有特性曲线中的高效运行区域。

3.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元，其特征在于：所述通信模块通过CAN网与其他智能体互联，进行发动机智能体与其他智能体之间的信息传递，该通信模块同时与反应模块和协作模块进行信息交换。

4.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元，其特征在于：所述的反应模块接收传感器模块采集的发动机实时状态信息，并将相应信息传递到通信模块和协作模块；该反应模块中还设有IF前件THEN后件的规则库，其中IF前件包括制动停机消息和发动机故障信息，THEN后件为熄火指令，如果IF前件满足，则执行THEN后件的熄火指令，调用功能单元模块的熄火功能函数来控制发动机熄火。

5.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元，其特征在于：所述协作模块主要工作是从反应模块获取发动机节气门开度信息，并结合从通信模块传递来的变速器当前档位信息决定发动机期望转矩和期望转速，并将该发动机期望转矩和期望转速信息传递给系统智能体。

6.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元，其特征在于：所述的局部规划模块主要由规划器构成，规划器中存储内部控制算法，其主要工作是根据发动机的实时状态信息和发动机的万有特性曲线对发动机需求转矩和需求转速进行优化修正处理，得到发动机响应转矩值和响应转速值，从而调用功能单元模块的转速与转矩控制函数来控制发动机油门执行机构改变气门开度和喷油量。

7.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元，其特征在于：发动机智能体的主要工作如下：

(1)由传感器模块采集车辆行驶过程中发动机实时状态信息，包括发动机当前输出转矩、转速、节气门开度、制动信号、喷油量、进气量和气缸温度，该信息被传递至反应模块；

(2)通信模块询问变速器智能体当前档位信息，协作模块由通信模块获取变速器当前档位信息，协作模块由反应模块获取节气门开度信息，然后协作模块根据获取的信息决定发动机期望转矩和期望转速，并由通信模块将发动机期望转矩和期望转速信息传递给系统智能体；

(3)通信模块接收系统智能体传递来的发动机需求转矩和需求转速，并将其传递给协作模块，协作模块把该信息以及发动机实时状态信息传递给局部规划模块；然后，局部规划模块根据采集到的发动机实时状态信息，并通过通信模块查询数据库的发动机万有特性曲线，利用内部控制算法对发动机需求转矩和需求转速进行优化求解运算，得到发动机响应转矩值和响应转速值，从而调用功能单元模块的转速与转矩控制函数来控制发动机油门执行机构改变电子节气门开度和喷油量。

8.根据权利要求1或2所述的一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元，其特征在于：数据库存储发动机智能体的信息参数包括发动机智能体运行主机的地址、主机的名称、发动机智能体的名称和通信端口，通过该参数唯一地标识发动机智能体。

9.根据权利要求4所述的一种混合动力汽车发动机智能电子控制单元，其特征在于：所述传感器模块采集的发动机实时状态信息包括发动机当前输出转矩、转速、节气门开度、制动信号、喷油量、进气量和气缸温度。