CN106224109A - 一种基于扭矩模型的整车控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于扭矩模型的整车控制器，包括扭矩需求确定单元、发动机损失扭矩确定单元、发动机效率损失确定单元、节气门模型选择单元、空气模型选择单元、空燃比模型选择单元以及点火提前角确定单元。此外，还包括匹配标定单元。根据本发明所述的基于扭矩模型的整车控制器，能够满足基于既定模型，实现对发动机扭矩的控制，满足车辆驱动要求。

Description

一种基于扭矩模型的整车控制器

技术领域

本发明涉及一种车辆控制系统，尤其涉及一种基于扭矩模型的整车控制器。

背景技术

传统的内燃发动机在汽缸内燃烧空气与燃料混合物以驱动活塞，用于产生驱动扭矩。进入发动机的空气流量通过节气门来调节，其中，节气门调整节气门面积，增加或减少进入发动机的空气流量。当节气门面积增加时，进入发动机的空气流量增加。燃料控制系统则调整燃料被喷射的速率从而将所需的空气与燃料的混合物提供到汽缸以实现所需的扭矩输出。

一般使用发动机控制系统来控制发动机输出扭矩以实现所需扭矩，基于扭矩的控制可以应用于内燃机以获得理想的驱动特性。基于发动机扭矩的控制系统将车辆的加速踏板位置解释为发动机需求扭矩。所述发动机被控制来传递所述需求的发动机扭矩以提供理想的驱动特性。

传统的发动机控制系统控制发动机输出扭矩受多种因素影响，并不对控制信号提供快速响应或者在影响发动机输出扭矩的各种设备之间协调发动机扭矩控制，因此存在控制缺陷，往往不能满足需求扭矩。在应用于混合动力汽车时，上述问题产生的缺陷表现的尤其明显。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于扭矩模型的整车控制策略以及实现该控制策略的控制器，能够满足基于既定模型，实现对发动机扭矩的控制，满足车辆驱动要求。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于扭矩模型的整车控制器，包括：扭矩需求确定单元、发动机损失扭矩确定单元、发动机效率损失确定单元、节气门模型选择单元、空气模型选择单元、空燃比模型选择单元以及点火提前角确定单元；

扭矩需求确定单元，用于确定内部需求扭矩和外部需求扭矩；

发动机损失扭矩确定单元，用于确定发动机损失扭矩；

发动机效率损失确定单元，用于确定发动机效率损失；

节气门模型选择单元，用于选择节气门模型；

空气模型选择单元，用于选择空气模型；

空燃比模型选择单元，用于确定空燃比模型；

点火提前角确定单元，用于确定所需的点火提前角。

同时，本发明还提供一种基于扭矩模型的整车控制方法，应用所述的基于扭矩模型的整车控制器，所述方法包括步骤：

(1)确定内部需求扭矩和外部需求扭矩；

其中内部需求扭矩至少包括最高转速限制、怠速控制、爆震控制、部件保护；外部需求扭矩至少包括踏板扭矩、巡航控制扭矩、变速箱、整车附件；

(2)根据上述确定的内部需求扭矩和外部需求扭矩得到总的需求有效扭矩，该总的需求有效扭矩结合发动机损失扭矩，得到总的需求指示扭矩；

其中，发动机损失扭矩包括摩擦扭矩和泵气扭矩；

(3)总的需求指示扭矩在发动机效率损失的条件下转化为实际需求空气量；

其中，发动机效率损失包括点火效率和空燃比效率；

(4)根据实际需求空气量通过节气门模型转化为所需的节气门位置；

(5)根据所需的节气门位置，通过空气模型得到此时的实际空气量，并根据空燃比模型确定的空燃比得到所需的燃油量；

(6)其中，根据所需的节气门位置得到所需的点火提前角。

附图说明

图1为并联式混合动力汽车的动力系统结构图。

图2为本发明的基于扭矩模型的整车控制器组成示意图。

(注意：附图中的所示结构只是为了说明本发明特征的示意，并非是要依据附图所示结构。

具体实施方式

传统汽车节气门的刚性连接方式使得发动机管理系统不能综合考虑车辆的运行状况给出最期望的控制效果。电子节气门的出现为先进发动机管理系统的实现铺开了道路。电子节气门开度并不完全由加速踏板位置决定，而是由控制单元对电机进行控制，驱动节气门到达期望的开度。因此，节气门的实际开度并不完全与驾驶员的操作一致，它是一种柔性的连接方式。这种方式能根据驾驶员的需求愿望以及整车各种行驶状况确定节气门的最佳开度，保证车辆最佳的动力性和燃油经济性，并具有牵引力控制、巡航控制等控制功能，提高安全性和驾乘舒适性。与此对应，原来基于节气门的控制系统改为基于扭矩的控制系统。

驾驶员通过踩踏板直接要求的是传动轴输出的扭矩，相对于基于节气门的控制系统，采用基于扭矩的控制系统能直接控制发动机发出的扭矩；并且基于扭矩的控制系统的模块化结构可扩展性强，增加的车载附件对发动机的需求扭矩，只需要在增加附件后增加对应的需求扭矩即可；另外，系统内还有许多功能子系统运行时会要求对转矩进行补偿，就会经常出现相互矛盾的要求，转矩控制策略能够区分出这些相互矛盾的需求的优先程度，并执行最至关重要的需求。这一点在当前的混合动力汽车控制中表现的尤其突出，其中内燃机和电池动力的扭矩分配存在矛盾性问题。

为此，根据本发明所述的扭矩模型首先根据发动机状态选择对应的有效需求扭矩，包括怠速扭矩、运行扭矩和最高转速限制扭矩等。如果为正常的运行扭矩，则ECU根据当前车速和驾驶员踩油门踏板位置，计算得到当前发动机转速下的需求扭矩百分比，由该转速下的最大扭矩计算出运行需求有效扭矩。有效扭矩加上整车相关的需求扭矩，如附件扭矩和变速箱扭矩后得到总的有效需求扭矩。总的有效需求扭矩加上泵气损失和摩擦损失得到总的指示需求扭矩。总的指示需求扭矩转化为平均指示压力，平均指示压力转化为当量空燃比和MBT点下的每缸进气量。考虑点火角效率损失后，转化为实际点火角当量空燃比下的进气量；考虑空燃比效率后得到实际点火角实际空燃比下的进气量。然后根据节气门模型将每缸进气量转化为有效截面积，再将有效截面积转化为实际节气门开度。通过ETC实际开度，计算实际进气量，再根据实际进气量反算实际燃油量，完成喷油燃烧。

因此，作为首要的因素，模型选择非常重要，如选择采用上述基于节气门的控制系统，则控制策略简单，但控制效果不一定能满足预期要求。如采用基于扭矩的控制系统，则能够直接控制发动机发出的扭矩，但需要考虑的因素较多，控制策略复杂化。因此，控制模型选择模块需要预设多种可供选择的模型，以满足实际使用中的选择需要，其中至少应包括上述两种控制系统，此外，作为本领域技术人员显而易见的，也可以选择其他任何类型的模型。

作为基于扭矩模型的控制策略而言，采用扭矩预测模块可以在既定的需求扭矩模块前提下进行扭矩预测，从而满足扭矩分配的需要。所述扭矩预测模块采用模型预测控制方法预测汽车在未来时间域内的动力需求，并进行优化得到扭矩分配比等变量。模型预测控制是一种滚动优化、滚动实施的控制方法，对于预测控制，只注重模型的功能，而不注重模型的形式，预测模型的功能就是根据对象的历史信息预测其未来输出。由于模型预测控制具有滚动优化、滚动实施的特点，所以当其应用于混合动力汽车扭矩分配时，与其他优化方法相比可以减少大量的计算，并使之能够运用于在线仿真及实车试验。根据本发明的控制策略，可以采用指数函数预测方法，并将混联式混合动力汽车的非线性优化方法简化为线性MPC模型进行优化。也可以在GPS等获取信息的基础上，结合动态规划方法进行优化管理，得到最优扭矩。或者，利用模型预测控制方法对并联混合动力汽车的换挡策略、扭矩分配策略进行管理。

根据本发明所述的控制策略，对车辆的加速度进行预测，进而计算得到汽车在预测时间内的速度及动力系统的需求扭矩，通过优化得到其扭矩分配策略。在模型预测控制过程中，通常优化不是一次离线进行，而是反复在线运行，这就是滚动优化的含义，也是模型预测控制区别于传统最优控制的根本特点。在k时刻会对未来p秒的状态进行预测，在得到未来p秒状态信息的基础上，在[k，k+p]区间内进行优化，并得到最优控制解序列[u(k+1)，…，u(k+p)]，只应用其第一步，进入下一步后继续预测并且优化的过程，这就是其滚动优化的特点。

在预测控制研究中，一般需要预测汽车在未来一段时间的运行状态，其中包括汽车在未来一段时间内的车速和加速度等，如选择汽车加速度作为预测量，认为汽车的加速度在预测时间内的变化率保持不变，预测方法如下：

a(k+i)＝a(k)+i[a(k)－a(k－1)]，

其中，a(k)为k时刻(即预测开始时刻)的汽车加速度，a(0)＝0；a(k+i)为自k时刻开始预测的未来第i时刻的车轮需求扭矩，i＝1，2，…，p。

根据上述扭矩模型预测得到未来一段时间内的车轮需求扭矩Tw，根据动力学方程即可计算出预测时间内与该车轮扭矩相对应的车速。

混合动力汽车的模型预测控制是以模型预测控制位框架结合动态规划的在线滚动优化控制。选取蓄电池的荷电状态以及需求扭矩作为并联式混合动力汽车的状态变量，选取电机扭矩作为混合动力汽车的控制变量，可以建立该混合动力汽车时间离散状态空间的模型。

模型预测控制步骤：(1)根据预测模型计算得到未来p时间内的车轮需求扭矩及车速，计算所对应的最大电机放电扭矩和充电扭矩，并根据SOC值得到在预测的p时间内的SOC值范围。(2)在第1步得到知识的基础上，以油耗和SOC平衡为目标函数进行优化，得到k～(k+p)时间内的最优控制向量，即最优电机扭矩向量。(3)应用该最优电机扭矩向量的第1步，并进入下一秒，重复上述步骤。

由上述步骤可知，模型预测控制是一个滚动优化、滚动实施的过程，只在预测的时间内进行优化，缩短了优化的计算区域，大大地缩减了计算时间，因而可以应用于实时在线仿真。

如图1所示的并联式混合动力汽车的动力系统结构，在离合器闭合的情况下，发动机与电机同轴转动。在并联式混合动力汽车里，电机既可以用作发电机，向电池充电，而当电池放电提供电能时，也可以用作电动机。在并联式混合动力汽车中，当电池充电时，电机作为发电机使用，而当电池放电时，电机作为电动机使用。由于每一时刻的系统状态变量可知，即SOC已知，在预测过程中可知预测时间内任意时刻的最大充电扭矩和放电扭矩，故可以计算出预测时间内任意时刻的SOC的最大值和最小值，将SOC的变化区间大量缩小，在很大程度上减小了计算量，提高了动态规划的计算效率。

可见，对于基于模型预测控制的混合动力汽车控制策略，在模型预测控制中，通过对加速度的变化趋势进行分析，对加速度进行预测，得到汽车在预测区间内的行驶状态，建立优化目标函数，并通过动态规划方法进行滚动优化得到其最优扭矩分配策略。选取合适的预测宽度及控制宽度，对该控制策略进行仿真，将其燃油经济性结果与基于逻辑门限值的控制策略进行对比，结果表明该控制策略可以有效提高混合动力汽车的燃油经济性。

根据本发明所述的基于扭矩模型的整车控制器，包括：扭矩需求确定单元，用于确定内部需求扭矩1和外部需求扭矩2。还包括发动机损失扭矩确定单元，用于确定发动机损失扭矩4。还包括发动机效率损失确定单元，用于确定发动机效率损失5。还包括节气门模型选择单元，用于选择节气门模型7。还包括空气模型选择单元，用于选择空气模型10。还包括空燃比模型选择单元，用于确定空燃比模型11。以及点火提前角确定单元，用于确定所需的点火提前角9。

如图2所示，根据本发明所述的基于扭矩模型的整车控制器，其控制策略包括：

(1)确定内部需求扭矩1和外部需求扭矩2；

其中内部需求扭矩1至少包括最高转速限制、怠速控制、爆震控制、部件保护；外部需求扭矩2至少包括踏板扭矩、巡航控制扭矩、变速箱、整车附件；

(2)根据上述确定的内部需求扭矩1和外部需求扭矩2得到总的需求有效扭矩，该总的需求有效扭矩结合发动机损失扭矩4，得到总的需求指示扭矩3；

其中，发动机损失扭矩4包括摩擦扭矩和泵气扭矩；

(3)总的需求指示扭矩3在发动机效率损失5的条件下转化为实际需求空气量6；

其中，发动机效率损失5包括点火效率和空燃比效率；

(4)根据实际需求空气量6通过节气门模型7转化为所需的节气门位置8；

(5)根据所需的节气门位置8，通过空气模型10得到此时的实际空气量，并根据空燃比模型11确定的空燃比得到所需的燃油量12；

(6)其中，根据所需的节气门位置8得到所需的点火提前角9。

对于控制系统来说，首先要进行传感器信号处理。输入变量为传感器AD值，首先判断是否超出最大最小限值。如果超过，则输出相应的故障状态。如果传感器AD值在正常范围以内，则对其进行一阶滤波。滤波后的传感器AD值根据传感器是线性还是非线性选择对应的处理方式得到实际的物理值，如压力、温度等。考虑到传感器使用时间长后可能会发生零点漂移，设置了可标定的补偿模块。有时物理值虽然在范围内，但是与实际值存在差异，所以设置范围内诊断。最后根据传感器所处的状态选择输出的物理值。如果传感器正常，则直接输出处理好的结果；如果传感器损坏，则输出默认值和故障码。

此外，根据本发明所述的基于扭矩模型的整车控制器，还包括匹配标定单元，用于为发动机的正常运转提供电控单元计算所需的数据。匹配标定的含义就是按照电控系统的控制策略，为发动机的正常运转提供电控单元计算所需数据的过程。标定有广义和狭义之分：狭义的标定是指确定发动机运行参数(空燃比、点火提前角、节气门开度等)以保证发动机能达到设计要求；广义的标定不仅包含上述内容，还包含外围传感器、执行器与发动机的匹配，传感器和执行器的标定，发动机与电控系统的匹配等。发动机控制策略决定了控制系统的框架，而匹配标定则决定了控制系统的精度。因此匹配标定是控制系统开发中非常重要的一部分。通过匹配标定一方面能验证控制系统的控制功能，另一方面也能发现控制策略设计中存在的问题加以改进。

根据本发明所述的控制策略，在完成基于扭矩的控制模型后，为了验证控制模型功能和完善控制模型，对控制模型进行了匹配标定。匹配标定主要包括驾驶员需求扭矩、泵气损失扭矩、摩擦扭矩、点火角效率、空燃比效率、平均指示压力转化为当量空燃比和MBT点火角的每缸进气量、空气量模型、节气门模型匹配标定。通过匹配标定，控制模型能精确控制发动机运转，实现其扭矩控制功能。

该匹配标定包括四个方面：(1)驾驶员需求扭矩匹配标定；(2)摩擦扭矩和泵气扭矩匹配标定；(3)每缸进气量与平均指示压力匹配标定和点火角效率损失；(4)空燃比效率匹配标定。

驾驶员需求扭矩是发动机转速和加速踏板位置的函数，是唯一直接反映驾驶员驾驶感受的标定三维表，也是发动机标定的基础，其标定目标取决于整车需求。该标定表的目的是将驾驶员的需求转化为有效扭矩百分比。因整车需求不同，驾驶员需求扭矩主要有3种设计：1)强调均衡驾驶感受、具有较好跟车能力的均布设计；2)强调大负荷下驾驶感受的下密上疏设计；3)强调低速加速能力的下疏上密设计。

发动机摩擦损失主要包括两部分，即定冷却水温下发动机基本摩擦损失和发动机不同水温下摩擦损失修正。匹配标定流程为发动机暖机到冷却水温达到92℃，记录燃烧分析仪的全局平均指示压力(IMEPg＝IMEP-PMEP)，测功机测得的发动机实测有效扭矩，以及发动机其他附件的扭矩损失。燃烧分析仪测出的全局平均指示压力乘以发动机排量得到指示扭矩，用该指示扭矩减去发动机台架的实测扭矩、以及发动机上其他附件的扭矩损失，计算得到扭矩就是每一个点的摩擦扭矩。

在扭矩模型里，为了得到节气门开度，需要将扭矩转化为空气量。本系统采用的是总的需求指示扭矩除以发动机排量转化为平均指示压力，平均指示压力转化为当量空燃比和MBT点火角的每缸进气量。标定方法为在理论空燃比和MBT点火提前角的情况下，在不同工况记录每缸进气量与燃烧分析仪中的平均指示压力，得到每缸进气量与平均指示压力的关系。

由于每缸进气量与平均指示压力的关系是在MBT点和理论空燃比测得的，而实际发动机运行时空燃比和点火角可能并不在理论空燃比和MBT点火提前角，因此扭矩模型需要对该偏差进行修正。节气门模型在扭矩模型中非常重要，其作用是根据需求进气流量反查电子节气门开度。其计算原理是基于进气温度、进气压力、出口压力、节气门位置和通过节气门的流量，计算出节气门音速流量，根据音速流量和节气门位置的关系确定节气门开度。该原理同样可以应用于EGR阀和碳罐阀流量的计算。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于扭矩模型的整车控制器，包括：扭矩需求确定单元、发动机损失扭矩确定单元、发动机效率损失确定单元、节气门模型选择单元、空气模型选择单元、空燃比模型选择单元以及点火提前角确定单元；

其特征在于：

扭矩需求确定单元，用于确定内部需求扭矩(1)和外部需求扭矩(2)；

发动机损失扭矩确定单元，用于确定发动机损失扭矩(4)；

发动机效率损失确定单元，用于确定发动机效率损失(5)；

节气门模型选择单元，用于选择节气门模型(7)；

空气模型选择单元，用于选择空气模型(10)；

空燃比模型选择单元，用于确定空燃比模型(11)；

点火提前角确定单元，用于确定所需的点火提前角(9)。

2.根据权利要求1所述的基于扭矩模型的整车控制器，其特征在于：

还包括匹配标定单元，用于为发动机的正常运转提供电控单元计算所需的数据。

3.根据权利要求2所述的基于扭矩模型的整车控制器，其特征在于：

所述匹配标定单元的标定参数包括空燃比、点火提前角和节气门开度。

4.根据权利要求3所述的基于扭矩模型的整车控制器，其特征在于：

所述匹配标定单元的标定还包括外围传感器、执行器与发动机的匹配；以及传感器和执行器的标定；以及发动机与电控系统的匹配。

5.一种基于扭矩模型的整车控制方法，应用权利要求1-4任一项所述的基于扭矩模型的整车控制器，其特征在于，所述方法包括步骤：

(1)确定内部需求扭矩(1)和外部需求扭矩(2)；

其中内部需求扭矩(1)至少包括最高转速限制、怠速控制、爆震控制、部件保护；外部需求扭矩(2)至少包括踏板扭矩、巡航控制扭矩、变速箱、整车附件；

(2)根据上述确定的内部需求扭矩(1)和外部需求扭矩(2)得到总的需求有效扭矩，该总的需求有效扭矩结合发动机损失扭矩(4)，得到总的需求指示扭矩(3)；

其中，发动机损失扭矩(4)包括摩擦扭矩和泵气扭矩；

(3)总的需求指示扭矩(3)在发动机效率损失(5)的条件下转化为实际需求空气量(6)；

其中，发动机效率损失(5)包括点火效率和空燃比效率；

(4)根据实际需求空气量(6)通过节气门模型(7)转化为所需的节气门位置8；

(5)根据所需的节气门位置(8)，通过空气模型(10)得到此时的实际空气量，并根据空燃比模型(11)确定的空燃比得到所需的燃油量(12)；

(6)其中，根据所需的节气门位置(8)得到所需的点火提前角(9)。