CN107757598A - 用于改进车辆传动系运转的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于改进车辆传动系运转的系统和方法。提出用于运转混合动力传动系的方法和系统，该混合动力传动系包括发动机和电机。在一种非限制性示例中，根据汉密尔顿函数的解运转发动机和电机，所述汉密尔顿函数包括第一协态和第二协态、发动机燃料流动参数、电池荷电状态的变化速率参数以及排放物流动速率参数。

Description

用于改进车辆传动系运转的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于改进车辆传动系运转的系统和方法。
背景技术
混合动力车辆的传动系可以包括发动机和电机来提供扭矩以推动混合动力车辆。发动机可以包括多个致动器，发动机可以通过所述多个致动器控制以改进发动机燃料经济性、性能和排放。然而，调节一个发动机致动器可以改进一个发动机输出(例如，功率)，同时这可以使另一个发动机输出(例如，排放)退化。另外，电机可以提供混合动力车辆的驾驶员所需求的一定份额或一部分的功率，使得发动机可以在更有效的运转区域中运转。然而，电机可能不是一直可用的并且电机可能不具有提供大量功率的能力。发动机和马达功率可以被导向至液力变矩器、变速器或齿轮箱、差速器以及其他传动系部件，以便将请求的功率递送到车辆车轮。各种传动系部件可以以许多不同的状态运转，以便将发动机和电机扭矩导向至车辆车轮。因而，对于包括多于一种运转状态的每个传动系部件，控制传动系性能、效率和燃料经济性的复杂性增加。
发明内容
本文的发明人已经认识到上述问题并且已经开发了一种用于运转传动系的方法，该方法包括：基于汉密尔顿函数(Hamiltonian)的解(solution)，通过控制器调节一个或多个致动器运转混合动力传动系，汉密尔顿函数包括第一协态(co-state)和第二协态、发动机燃料流动参数、电池荷电状态的变化速率参数以及排放物流动速率参数。
通过根据包括用于电池荷电状态的变化速率的协态和发动机排放物的协态的汉密尔顿函数运转混合动力车辆传动系，提供改进车辆性能同时降低车辆排放的技术效果是可能的。可以针对多个车辆工况对汉密尔顿函数进行求解，使得车辆运转可以提供燃料效率和较低的车辆排放。
本说明书可以提供若干优点。具体地，该方法可以改进车辆性能、燃料经济性和排放。此外，该方法可以在大范围的传动系工况内评估传动系性能以提供期望的车轮扭矩和车轮速度。进一步地，该方法提供确定期望的协态值的有效途径。
当单独或结合附图时，根据下面具体实施方式，上述优点和其他优点以及本描述的特点将是显而易见的。
应当理解，提供以上概述是为了以简化的形式介绍一些概念的选择，这些概念在具体实施方式中被进一步描述。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或基本特征，所要求保护的主题的范围由随附的权利要求唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决在上面或在本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1示出发动机的示意图；
图2示出包括发动机的示例车辆动力传动系统的示意图；
图3示出根据庞特里亚金(Pontryagin)的最小化原理(PMP)用于混合动力车辆的传动系控制参数优化以及基于最小化的汉密尔顿函数运转传动系的框图；以及
图4示出用于确定汉密尔顿函数的协态并且确定使汉密尔顿函数最小化的控制动作的示例方法。
具体实施方式
本说明书涉及基于根据庞特里亚金的最小化原理(PMP)进行的优化来运转混合动力传动系。混合动力动力传动系统可以包括图1所示的发动机。图1的发动机可以并入图2所示的车辆动力传动系统内。图3示出框图，所述框图示出到PMP优化过程的输入和输出。图4示出用以确定用于PMP优化的协态的一种途径的流程图。
参考图1，内燃发动机10包括多个汽缸，在图1中示出其中的一个汽缸，该内燃发动机10由电子发动机控制器12控制。发动机10由汽缸盖35和汽缸体33组成，汽缸盖35和汽缸体33包括燃烧室30和汽缸壁32。活塞36被定位在汽缸体中并且经由到曲轴40的连接往复运动。飞轮97和环形齿轮99被耦接至曲轴40。起动器96(例如，低电压(以低于30伏运转)的电机)包括小齿轮轴98和小齿轮95。小齿轮轴98可以选择性地推动小齿轮95以接合环形齿轮99。起动器96可以直接安装到发动机的前面或者发动机的后面。在一些示例中，起动器96可以选择性地经由皮带或者链条向曲轴40供应扭矩。在一种示例中，当起动器96未接合至发动机曲轴时，该起动器96处于基本状态。燃烧室30被示为经由相应的进气门52和排气门54与进气歧管44和排气歧管48连通。可以通过进气凸轮51和排气凸轮53运转每个进气门和排气门。可以由进气凸轮传感器55确定进气凸轮51的位置。可以由排气凸轮传感器57确定排气凸轮53的位置。进气门52可以被气门激活装置59选择性地激活和停用。排气门54可以被气门激活装置58选择性地激活和停用。气门激活装置58和气门激活装置59可以是机电装置。
燃料喷射器66被示为被定位成将燃料直接喷射至汽缸30中，这作为直接喷射已被本领域技术人员公知。燃料喷射器66输送与来自控制器12的脉冲宽度成比例的液态燃料。燃料通过包括燃料箱、燃料泵以及燃料轨(未示出)的燃料系统(未示出)被输送至燃料喷射器66。在一种示例中，可以使用高压、双级燃料系统来产生较高的燃料压力。
此外，进气歧管44被示出与涡轮增压器压缩机162和发动机空气进气装置42连通。在另一些示例中，压缩机162可以是机械增压器压缩机。轴161将涡轮增压器涡轮机164机械地耦接至涡轮增压器压缩机162。可选的电子节气门62调节节流板64的位置以控制从压缩机162到进气歧管44的空气流。升压室45中的压力可以被称为节气门进口压力，因为节气门62的进口在升压室45内。节气门出口在进气歧管44中。在一些示例中，节气门62和节流板64可以被定位在进气门52和进气歧管44之间，使得节气门62是端口节气门。压缩机再循环阀47可以被选择性地调节到完全打开和完全关闭之间的多个位置。废气门163可以经由控制器12被调节以允许排气选择性地绕过涡轮机164以控制压缩机162的速度。空气滤清器43净化进入发动机空气进气装置42的空气。
无分电器点火系统88响应于控制器12经由火花塞92向燃烧室30提供点火火花。通用排气氧(UEGO)传感器126被示为耦接至催化转化器70上游的排气歧管48。可替代地，可以用双态排气氧传感器代替UEGO传感器126。
在一种示例中，转化器70能够包括多块催化剂砖。在另一示例中，能够使用每个均带有多块砖的多个排放控制装置。在一种示例中，转化器70能够是三元型催化剂。
控制器12在图1中被示为常规微型计算机，其包括：微处理器单元(CPU)102、输入/输出端口(I/O)104、只读存储器(ROM)106(例如，非临时性存储器)、随机存取存储器(RAM)108、保活存储器(KAM)110以及常规数据总线。控制器12被示为接收来自被耦接至发动机10的传感器的各种信号，除了上述那些信号之外，还包括：来自被耦接至冷却套筒114的温度传感器112的发动机冷却剂温度(ECT)；被耦接至加速器踏板130用于感测由驾驶员的脚132施加的力的位置传感器134；被耦接到制动器踏板150用于感测由驾驶员的脚152施加的力的位置传感器154；来自被耦接至进气歧管44的压力传感器122的发动机歧管压力(MAP)的测量值；来自感测曲轴40位置的霍尔效应传感器118的发动机位置传感器；来自传感器120的进入发动机的空气质量的测量值；以及来自传感器68的节气门位置的测量值。大气压力也可以被感测(传感器未示出)，以用于由控制器12处理。在本说明书的优选方面，发动机位置传感器118在每次曲轴回转产生预定数量的等距脉冲，由此能够确定发动机转速(RPM)。
在运转期间，发动机10内的每个汽缸通常经历四冲程循环：该循环包括进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。一般地，在进气冲程期间，排气门54关闭并且进气门52打开。空气经由进气歧管44引入燃烧室30，并且活塞36移动至汽缸的底部，从而增加燃烧室30内的容积。活塞36邻近汽缸的底部并且处于其冲程的结束时(例如，当燃烧室30处于其最大容积时)的位置通常被本领域技术人员称为下止点(BDC)。
在压缩冲程期间，进气门52和排气门54都关闭。活塞36朝向汽缸盖移动，以便压缩燃烧室30内的空气。活塞36处于其冲程的结束并且最靠近汽缸盖(例如，当燃烧室30处于其最小容积时)的点通常被本领域技术人员称为上止点(TDC)。在下文被称为喷射的过程中，燃料被引入燃烧室内。在下文中被称为点火的过程中，通过已知的点火器件(例如，火花塞92)点燃喷射的燃料，从而导致燃烧。
在膨胀冲程期间，膨胀的气体推动活塞36回到BDC。曲轴40将活塞运动转换成旋转轴的旋转扭矩。最后，在排气冲程期间，排气门54打开，从而将燃烧的空气燃料混合物释放至排气歧管48，并且活塞返回到TDC。应注意，上述描述仅作为示例，并且进气门和排气门的打开和/或关闭正时可以变化，诸如以便提供正的或者负的气门重叠、延迟进气门关闭、或者各种其他示例。
图2是包括传动系或动力传动系统200的车辆225的框图。图2的动力传动系统包括图1所示的发动机10。动力传动系统200被示出包括车辆系统控制器255、发动机控制器12、电机控制器252、变速器控制器254以及制动器控制器250。控制器可以通过控制器局域网(CAN)299通信。控制器中的每个可以提供信息给其他控制器，所述信息诸如扭矩输出限制(例如，被控制的装置或部件的扭矩输出不超过该扭矩输出限制)、扭矩输入限制(例如，被控制的装置或部件的扭矩输入不超过该扭矩输入限制)、传感器和致动器数据、诊断信息(例如：关于退化的变速器的信息、关于退化的发动机的信息、关于退化的电机的信息、关于退化的制动器的信息)。进一步地，车辆系统控制器可以提供命令到发动机控制器12、电机控制器252、变速器控制器254以及制动器控制器250以实现驾驶员输入请求和基于车辆工况的其他请求。
例如，响应于驾驶员释放加速器踏板和车辆速度，车辆系统控制器255可以请求期望的车轮扭矩以提供期望的车辆减速速率。可以通过车辆系统控制器请求来自电机控制器252的第一制动扭矩和来自制动器控制器250的第二制动扭矩提供期望的车轮扭矩，第一和第二扭矩提供在车辆车轮216处的期望的制动扭矩。
在另一些示例中，控制动力传动系统装置的分区可以与图2所示不同地进行分区。例如，单个的控制器可以取代车辆系统控制器255、发动机控制器12、电机控制器252、变速器控制器254以及制动器控制器250。
在该示例中，动力传动系统200可以由发动机10和电机240提供动力。在另一些示例中，发动机10可以被省略。发动机10可以使用图1中所示的发动机起动系统或经由集成起动器/发电机(ISG)240进行起动。ISG 240(例如，高电压(以高于30伏运转)的电机)也可以被称为电机、马达和/或发电机。进一步地，可以经由扭矩致动器204(诸如燃料喷射器、节气门等)调节发动机10的扭矩。
发动机输出扭矩可以通过双质量飞轮215被传递到动力传动系统分离式离合器236的输入侧。分离式离合器236可以被电气地或液压地致动。分离式离合器236的下游侧被示出机械地耦接至DISG输入轴237。
ISG 240可以被运转以提供扭矩至动力传动系统200或将动力传动系统扭矩转换为电能以在再生模式中被储存在电能储存装置275中。ISG 240具有高于图1所示的启动器96的输出扭矩容量。进一步地，ISG 240直接地驱动动力传动系统200或由动力传动系统200直接驱动。没有皮带、齿轮或链条将DISG 240耦接至动力传动系统200。而是，ISG 240以与动力传动系统200相同的速率旋转。电能储存装置275(例如，高电压电池或电源)可以是蓄电池、电容器或者电感器。ISG 240的下游侧经由轴241被机械地耦接至液力变矩器206的叶轮285。ISG 240的上游侧被机械地耦接至分离式离合器236。ISG 240可以根据电机控制器252指示经由运转为马达或发电机而提供正扭矩或负扭矩到动力传动系统200。
液力变矩器206包括涡轮机286以将扭矩输出至输入轴270。输入轴270将液力变矩器206机械地耦接至自动变速器208。液力变矩器206也包括液力变矩器旁路锁止离合器(TCC)212。当TCC被锁定时，扭矩从叶轮285直接传递至涡轮机286。TCC由控制器12电气地运转。可替代地，TCC可以被液压地锁定。在一个示例中，液力变矩器可以被称为变速器的部件。
当液力变矩器锁止离合器212被完全分离时，液力变矩器206经由液力变矩器涡轮机286和液力变矩器叶轮285之间的流体输送将发动机扭矩传递至自动变速器208，从而使得扭矩倍增。相反，当液力变矩器锁止离合器212被完全接合时，发动机输出扭矩经由液力变矩器离合器被直接输送至变速器208的输入轴(未示出)。可替代地，液力变矩器锁止离合器212可以被部分地接合，因此使得直接传送至变速器的扭矩的量能够被调整。控制器12可以被配置为通过响应于各种发动机工况或者根据基于驾驶员的发动机运转请求调整液力变矩器锁止离合器来调整由液力变矩器212传输的扭矩量。
自动变速器208包括齿轮离合器(例如，齿轮1-10)211和前进离合器210。自动变速器208是固定比率变速器。齿轮离合器211和前进离合器210可以被选择地接合以改变输入轴270的实际总转数与车轮216的实际总转数的比。可以通过经由切换控制电磁阀209调节供应到离合器的流体来接合或分离齿轮离合器211。从自动变速器208输出的扭矩也可以经由输出轴260被传送到车轮216推动车辆。特别地，在向车轮216传递输出驱动扭矩之前，自动变速器208可以响应于车辆行进状况在输入轴270处输送输入驱动扭矩。变速器控制器254选择性地激活或接合TCC 212、齿轮离合器211和前进离合器210。变速器控制器也选择性地停用或分离TCC 212、齿轮离合器211和前进离合器210。
进一步地，通过接合摩擦车轮制动器218可以将摩擦力施加到车轮216。在一种示例中，响应于驾驶员将其脚压在制动器踏板(未示出)上和/或响应于制动器控制器250内的指令，可以接合摩擦车轮制动器218。进一步地，响应于车辆系统控制器255做出的信息和/或请求，制动器控制器250可以应用制动器218。以相同的方式，响应于驾驶员从制动器踏板释放其脚、制动器控制器指令和/或车辆系统控制器指令和/或信息，通过分离车轮制动器218可以减小至车轮216的摩擦力。例如，作为自动发动机停止程序的部分，车辆制动器可以经由控制器12将摩擦力施加至车轮216。
响应于加速车辆225的请求，车辆系统控制器可以从加速器踏板或其他装置获得驾驶员需求扭矩。车辆系统控制器255然后将请求的驾驶员需求扭矩的一部分分配给发动机并且将剩余的部分分配给ISG。车辆系统控制器255请求来自发动机控制器12的发动机扭矩和来自电机控制器252的ISG扭矩。如果ISG扭矩加上发动机扭矩小于变速器输入扭矩极限(例如，不被超过的阈值)，则扭矩被递送到液力变矩器206，液力变矩器206然后将请求的扭矩的至少一部分传送给变速器输入轴270。响应于可以基于输入轴扭矩和车辆速度的换档计划和TCC锁定计划，变速器控制器254选择性地锁定液力变矩器离合器212并经由齿轮离合器211接合齿轮。在当期望对电能储存装置275充电的一些状况中，在存在非零驾驶员需求扭矩时可以请求充电扭矩(例如，负ISG扭矩)。车辆系统控制器255可以请求增加的发动机扭矩以克服充电扭矩来满足驾驶员需求扭矩。
响应于使车辆255减速和提供再生制动的请求，车辆系统控制器可以基于车辆速度和制动器踏板位置提供负的期望的车轮扭矩。车辆系统控制器255然后将负的期望的车轮扭矩的一部分分配到ISG 240(例如，期望的动力传动系统车轮扭矩)并将剩余的部分分配给摩擦制动器218(例如，期望的摩擦制动器车轮扭矩)。进一步地，车辆系统控制器可以通知变速器控制器254车辆正处于再生制动模式，使得变速器控制器254基于唯一的换档计划来切换齿轮211以增加再生效率。ISG 240供应负扭矩到变速器输入轴270，但是由ISG240提供的负扭矩可以受变速器控制器254的限制，变速器控制器254输出变速器输入轴负扭矩极限(例如，不被超过的阈值)。进一步地，ISG 240的负扭矩可以基于电能储存装置275的工况被车辆系统控制器255或电机控制器252限制(例如，被约束为小于阈值负阈值扭矩)。由于变速器或ISG限制，不可以由ISG 240提供的期望的负车轮扭矩的任一部分可以被分配到摩擦制动器218，使得期望的车轮扭矩由来自摩擦制动器218的负车轮扭矩和ISG240的负车轮扭矩的组合提供。
因此，各种动力传动系统部件的扭矩控制可以通过车辆系统控制器与经由发动机控制器12、电机控制器252、变速器控制器254以及制动器控制器250提供的用于发动机10、变速器208、电机240以及制动器218的局部扭矩控制一起监控。
作为一种示例，可以通过调节火花正时、燃料脉冲宽度、燃料脉冲正时和/或空气充气的组合，通过控制节气门开度和/或气门正时、气门升程和用于涡轮增压发动机或机械增压发动机的升压，控制发动机扭矩输出。在柴油发动机的情况中，控制器12可以通过控制燃料脉冲宽度、燃料脉冲正时以及空气充气的组合来控制发动机扭矩输出。在所有情形中，可以在逐缸的基础上执行发动机控制以控制发动机扭矩输出。
电机控制器252可以通过调节流动往返于ISG的磁场和/或电枢绕组的电流来控制扭矩输出以及由ISG 240产生的电能，如本领域中已知的。
变速器控制器254经由位置传感器271接收变速器输入轴位置。变速器控制器254可以通过对来自位置传感器271的信号求微分将变速器输入轴位置转换成输入轴速度。变速器控制器254可以接收来自扭矩传感器272的变速器输出轴扭矩。替代地，传感器272可以是位置传感器或扭矩和位置传感器。如果传感器272是位置传感器，则控制器254对位置信号求微分以确定变速器输出轴速度。变速器控制器254还可以对变速器输出轴速度求微分以确定变速器输出轴加速度。
制动器控制器250经由车轮速度传感器221和来自车辆系统控制器255的制动请求接收车轮速度信息。制动器控制器250还可以直接接收或通过CAN 299接收来自图1所示的制动器踏板传感器154的制动器踏板位置信息。响应于来自车辆系统控制器255的车轮扭矩需求，制动器控制器250可以提供制动。制动器控制器250还可以提供防滑和车辆稳定性制动以改进车辆制动和稳定性。因此，制动器控制器250可以向车辆系统控制器255提供车轮扭矩限制(例如，不被超过的阈值负车轮扭矩)，使得负ISG扭矩不引起车轮扭矩极限被超过。例如，如果控制器250发出50N·m的负车轮扭矩极限，则ISG扭矩被调节以在车轮处提供少于50N·m(例如，49N·m)的负扭矩，包括考虑变速器传动。
因而，图1和图2的系统提供一种车辆系统，其包括：发动机；电机；包括液力变矩器的变速器；以及控制器，其包括存储在非临时性存储器中的可执行指令，用以：响应于汉密尔顿函数的解，调节致动器的状态，该汉密尔顿函数包括第一协态和第二协态、发动机燃料流动参数、电池荷电状态的变化速率参数、以及排放物流动速率参数。车辆系统包括其中致动器是发动机的节气门。车辆系统包括其中致动器是变速器齿轮致动器。车辆系统包括其中致动器是电机控制器。车辆系统进一步包括用以从汉密尔顿函数的多个解中选择解的附加指令。车辆系统包括其中汉密尔顿函数的多个解基于第一协态和第二协态的多个值。
应当注意，本文描述的方法不限于图2的系统。而是，该方法可以应用于经配置与包括动力分配配置的配置并联或串联的传动系。进一步地，该方法可以应用于包括多个电机的传动系。仍进一步地，本文描述的方法也适用于双离合器变速器和无级变速器。
现在参考图3，其示出根据PMP的传动系控制参数优化的框图。框图可以被实施为存储在图1和图2的系统中的控制器12的非临时性存储器中的可执行指令。进一步地，框图的至少一部分可以是在物理世界中采取的动作以改变传动系致动器的状态。
实际或期望的车辆车轮扭矩和车辆车轮速度被输入到框302。模拟数据可以被输入到框302，在框302处模拟车辆数据基于期望的车辆速度和期望的车轮扭矩。替代地，可以经由加速器踏板位置和车轮速度传感器确定实际请求的车轮扭矩和实际的车轮速度。通过将车轮扭矩和车轮速度乘以传动系中的传动比(例如，桥速比)，车轮扭矩和车轮速度被转换为变速器输出扭矩和变速器输出速度。进一步地，变速器输出扭矩和速度也可以包括对传动系损失的补偿。变速器输出扭矩和变速器输出速度被输入到框304。
在框304处，变速器输出扭矩被转换成提供变速器输出扭矩的具有N元素的变速器输入扭矩行向量，其中N是变速器齿轮的实际总数。N元素中的每个表示针对不同的齿轮提供变速器输出扭矩的输入变速器扭矩。例如，行向量的元素1表示当变速器被接合在第一齿轮中时提供变速器输出扭矩的变速器输入扭矩。行向量的元素3表示当变速器被接合在第三齿轮中时提供变速器输出扭矩的变速器输入扭矩。可以通过将变速器输出扭矩乘以变速器中的传动比加针对变速器损失的系数来确定行向量中的值。
变速器输出速度被转换成提供变速器输出速度的具有N元素的变速器输入速度行向量，其中N是变速器齿轮的实际总数。N元素中的每个表示针对不同的齿轮提供变速器输出速度的输入变速器速度。例如，行向量的元素1表示当变速器被接合在第一齿轮中时提供变速器输出速度的变速器输入速度。行向量的元素3表示当变速器被接合在第三齿轮中时提供变速器输出速度的变速器输入速度。可以通过将变速器输出速度乘以变速器中的传动比加针对变速器损失的系数来确定行向量中的值。变速器输入扭矩和速度行向量被输入到框306。
在306处，变速器输入速度行向量是用于提供液力变矩器输入速度向量的基础。液力变矩器输入速度向量包括用于变速器输入速度行向量中的每个变速器输入速度的两个液力变矩器输入速度行。因而，变速器输入速度行向量中的列的数目被加倍以提供液力变矩器输入行向量。变速器输入速度行向量中的变速器输入速度值被修改以满足液力变矩器离合器的两个运转状态。对于变速器输入速度行向量中的每个速度值，在液力变矩器输入速度向量中存在用于锁定的液力变矩器离合器的对应的液力变矩器输入速度和用于非锁定的液力变矩器离合器的液力变矩器输入速度。液力变矩器输入速度向量中的列对应于特定的变速器齿轮和导致液力变矩器输入速度向量中的值的液力变矩器状态。例如，液力变矩器输入速度向量中的第一列可以是当变速器被接合在第一齿轮中且液力变矩器离合器打开时的液力变矩器输入速度。液力变矩器输入速度向量中的第八列可以是当变速器被接合在第三齿轮中且液力变矩器离合器被锁定时的液力变矩器输入速度。
类似地，变速器输入扭矩行向量是用于提供液力变矩器输入扭矩向量的基础。液力变矩器输入扭矩向量包括用于变速器输入扭矩行向量中的每个变速器输入扭矩的两个液力变矩器输入扭矩值。因而，变速器输入扭矩行向量中的列的数目被加倍以提供液力变矩器输入行向量。变速器输入速度行向量中的变速器输入扭矩值被修改以满足液力变矩器离合器的两个运转状态。对于变速器输入扭矩行向量中的每个扭矩，在液力变矩器输入扭矩向量中存在用于锁定的液力变矩器离合器的对应的液力变矩器输入扭矩和用于非锁定的液力变矩器离合器的液力变矩器输入扭矩。液力变矩器输入扭矩向量中的列对应于特定的变速器齿轮和导致液力变矩器输入扭矩向量中的值的液力变矩器状态。例如，液力变矩器输入扭矩向量中的第一列可以是当变速器被接合在第一齿轮中且液力变矩器离合器打开时的液力变矩器输入扭矩。液力变矩器输入扭矩向量中的第八列可以是当变速器被接合在第三齿轮中且液力变矩器离合器被锁定时的液力变矩器输入扭矩。对于描述锁定的液力变矩器的值，液力变矩器输入扭矩将变速器输入扭矩与针对液力变矩器损失的小修改进行匹配。如果液力变矩器离合器是打开的，则基于液力变矩器的能力系数、变速器输入速度和变速器输入扭矩确定液力变矩器输入扭矩。液力变矩器输入扭矩行向量和液力变矩器输入速度行向量被输入到框308。
在框308处，液力变矩器输入扭矩行向量和液力变矩器输入速度向量是用于提供扭矩源行向量的基础，该扭矩源行向量包括基于液力变矩器输入扭矩行向量和液力变矩器输入速度向量中的条目(entry)的用于发动机扭矩、发动机转速、电机扭矩和电机速度的条目。扭矩源行向量中的发动机扭矩、发动机转速、电机扭矩和电机速度基于针对当前液力变矩器输入速度和液力变矩器输入扭矩的不同的扭矩分配值(例如，由发动机提供的请求的车轮扭矩的部分和由电机提供的请求的车轮扭矩的部分)。例如，如果液力变矩器输入扭矩行向量中的条目要求100N·m的扭矩伴随液力变矩器输入速度行向量条目的2000RPM，则扭矩源向量中的条目可以规定处于2000RPM下的80N·m的发动机扭矩和处于2000RPM下的20N·m的电机扭矩。当然，对于请求的在发动机和电机之间的每个独特的扭矩分配，扭矩源向量的大小可以增加。扭矩源行向量中的列对应于特定的变速器齿轮和导致液力变矩器输入速度向量中的值的液力变矩器状态。例如，扭矩源向量中的第一列可以是当变速器被接合在第一齿轮中且液力变矩器离合器打开时的液力变矩器输入速度。扭矩源行向量中的第八列可以是当变速器被接合在第三齿轮中且液力变矩器被锁定时的液力变矩器输入速度。
根据扭矩源行向量中的发动机转速、发动机扭矩、电机速度和电机扭矩确定扭矩源状态行向量。扭矩源状态行向量描述提供扭矩源向量中的速度和扭矩的扭矩源的运转状态。特别地，发动机燃料流动速率、发动机排放物以及电池荷电状态的变化速率是扭矩源状态行向量的元素，并且扭矩源状态行向量包括对应于扭矩源行向量中的条目的条目。可以根据模型或者根据存储在按照发动机扭矩和发动机转速索引的表格或函数中的凭经验确定的数据来确定发动机燃料流动速率值。同样，可以根据模型或者存储在按照发动机扭矩和发动机转速索引的表格或函数中的凭经验确定的数据来确定针对NOx、CO、CO2以及碳氢化合物的发动机排放物流动速率。可以基于当电机提供扭矩源行向量中的扭矩时由电机消耗的电流的模型确定电池荷电的变化速率。扭矩源状态行向量中的列对应于特定的变速器齿轮和导致液力变矩器输入速度向量中的值的液力变矩器离合器状态。例如，扭矩源状态向量中的第一列可以是当变速器被接合在第一齿轮中且液力变矩器离合器打开时的液力变矩器输入速度。扭矩源状态行向量中的第八列可以是当变速器被接合在第三齿轮中且液力变矩器被锁定时的液力变矩器输入速度。扭矩源状态行向量被输入到框310。
在框310处，对应于提供较差的驾驶性能的车辆状况的扭矩源状态行向量的列可以被移除，或者替代地列中的值可以由预定值(例如，1,000,000)替代。驾驶性能的考虑可以包括但不限于跳跃换档(skip shifting)(例如，从第一档位换档到第四档位)、换挡/离合器接合繁忙(抖动)、用于发动机拉起(pull-up)的马达储备扭矩、转动惯量的瞬变运动、以及发动机拉起和拉下繁忙。然后扭矩源状态行向量被输入到框312。
在框312处，应用庞特里亚金的最小化原理。最小化包括以下形式的汉密尔顿函数：其中，是到发动机的燃料流动速率，λSOC是用于电池荷电状态的变化速率的协态，是电池荷电状态的变化速率，λe是用于发动机排放物流动速率的协态，以及是来自发动机的排气的流动速率。汉密尔顿函数被最小化以确定哪个变速器齿轮、液力变矩器离合器状态、发动机扭矩、发动机转速、电机扭矩以及电机速度提供用于发动机的减少的燃料消耗、减小的电池荷电状态降低以及减少的发动机排放物的最期望的工况。找到汉密尔顿函数向量的最小构成在即时的车轮扭矩和车轮速度处提供最优控制决策。
用于排放物流动速率的协态和用于电池荷电状态的变化速率的协态表示根据约束参数被优化的数量的变化速率(例如，电池荷电状态变化速率和发动机排放物变化速率)。它们也可以被描述为拉格朗日乘数。如在图4的描述中进一步详细讨论的，协态可以最初由研发工程师估计。
扭矩源状态行向量中的值与协态值一起被输入到汉密尔顿函数，并且汉密尔顿函数针对扭矩源状态行向量中的每个值被求解，扭矩源状态行向量中的每个值对应于特定的变速器齿轮、液力变矩器离合器状态以及提供传动系扭矩的扭矩源。例如，如果发动机被停止，则燃料流动为0，发动机排放物为0，排放物协态为5，电池荷电状态的变化速率为-0.003，以及电池荷电状态的变化速率的协态为-1，在用于扭矩源状态行向量的一种状况下，汉密尔顿函数的解然后由下式给出：对最小化的汉密尔顿函数的解，其对应的发动机燃料流动速率、其对应的电池荷电状态的变化速率、以及其对应的发动机排放物流动速率被传到314。进一步地，用于汉密尔顿函数的协态值也被传到314。
在框314处，PMP或汉密尔顿函数最小解和其对应的发动机燃料流动速率、电池荷电状态的变化速率以及发动机排放物流动速率与提供最小汉密尔顿函数解的变速器齿轮、液力变矩器离合器状态以及扭矩源分配比(例如，30％的电机扭矩和70％的发动机扭矩)要求一起被存储在存储器。进一步地，用于汉密尔顿函数的协态值也可以被存储到存储器。变速器齿轮、液力变矩器离合器状态以及电池荷电状态变化速率被传到框316。
在框316处，混合动力动力传动系统或传动系基于根据其中汉密尔顿函数被最小化的发动机燃料流动速率、电池荷电状态的变化速率以及发动机排放物的驾驶状况(例如，请求的车轮扭矩和当前车轮速度)，以最优状况运转发动机、电机、变速器以及液力变矩器离合器。例如，如果对于车辆的当前速度和请求的扭矩发动机转速和电机速度是2000RPM，则选择调节发动机和电机速度到2000RPM的变速器齿轮。进一步地，通过调节节气门打开量、燃料喷射量、以及火花正时来调节发动机扭矩。电机扭矩被调节，使得电机以电池荷电的变化速率来消耗来自电池的电荷，该电池荷电的变化速率对应于其中汉密尔顿函数被最小化的电池荷电的变化速率的值。
现在参考图4，其示出用于确定汉密尔顿函数的协态并确定使汉密尔顿函数最小化的控制动作的示例方法。图4的方法可以应用于图1和图2所示的动力传动系统。进一步地，图4的方法的至少部分可以作为可执行指令被包括在图1和图2的系统中。并且，图4的方法的至少部分可以是物理世界中采取的动作以转变发动机致动器和其他发动机和变速器部件的状态。
在402处，方法400估计发动机排放物协态λe域(domain)。λe的域可以是一定范围的实数的值(例如，5到10)。该估计可以由研发工程师(例如，基于直觉或经验的估计)提供，或者其可以基于汉密尔顿函数中的元素之间的关系，或者其可以是由控制器确定的范围。在确定协态λe的域之后，方法400前进到404。
在404处，方法400估计电池荷电状态变化速率的协态λSOC域。λSOC的域可以是一定范围的实数的值(例如，-0.01到-1)。该估计可以由研发工程师(例如，基于直觉或经验的估计)提供，或者其可以基于汉密尔顿函数中的元素之间的关系，或者其可以是由控制器确定的范围。在确定协态λSOC的域之后，方法400前进到406。
在406处，方法400估计发动机排放物协态λe的初始值。λe的初始值被选择以在λe的域内，在一个示例中，λe域的第一大小(extent)被选择为λe的初始值，使得λe的值可以递增直到λe达到λe域的第二大小。例如，如果λe的域为从1到10，则λe的初始值为1，使得λe的值能够被递增直到λe＝10。
方法400还估计电池荷电状态的变化速率的协态λSOC域的初始值。λSOC的初始值被选择以在λSOC的域内。在一个示例中，λSOC域的第一大小被选择为λSOC的初始值，使得λSOC的值可以递减直到λSOC达到λSOC域的第二大小。例如，如果λSOC的域为从-0.01到-1，则λSOC的初始值为-0.01，使得λSOC的值能够递减直到λSOC＝-1。在确定λe和λSOC的初始值之后，方法400前进到408。
在408处，方法400在每次方法400从418返回到408时递增λe的值。λe递增的量可以是固定的预定值。方法400第一次从406到达408时λe的值不递增。λe的值递增使得λe的离散值可以被用于确定λe的域内的最小化的汉密尔顿函数。进一步地，如果方法400从418返回到408，λSOC的值被设定为其初始值(例如，λSOC域的最小大小值)，使得可以在λSOC域内对于λe的每个值估计汉密尔顿函数。如果方法400不是从406到408，则在递增(例如，增加)λe的值后方法400前进到410。
在410处，方法400在每次方法400从416返回到410时递增λSOC的值。λSOC递增的量可以是固定的预定值。每次方法400从408到达410时λSOC的值不递增。λSOC的值递增，使得λSOC的离散值可以被用于确定λSOC域内的最小化的汉密尔顿函数。
替代地，可以基于牛顿方法确定随后的λSOC协态值。特别地，在模拟或行驶周期之后，限定初始试用(trial)λSOC和最终电池荷电状态(SOC)之间的关系的函数可以表示为：
f(λSOC)＝SOCfinal(λSOC)-SOCdesired
其中，SOCfinal是在模拟或行驶周期之后SOC的最终值，SOCdesired是在模拟或行驶周期之后SOC的期望的最终值。通过牛顿方法求解得到：
其中，n是λSOC协态估计或推测的数目，并且f’为函数f的一阶导数，其可以用数字实现为：
其中，λSOC,n+2是λSOC协态的第n+2次估计。以此方式，可以比如果λSOC协态简单地递减较早地达到λSOC协态根。如果方法400不是从408到410，则在递增或调节(例如，增加)λSOC的值之后，方法400前进到412。
在412处，方法400应用PMP优化(如在图3的312处描述的)以确定汉密尔顿函数的最小值。针对如图3中所述的扭矩源状态行向量中的每种情况对于λSOC的每个值和λe的每个值，估计汉密尔顿函数。 和的值可以基于模拟的车轮扭矩和车轮速度或当混合动力车辆行驶在公路上时的车辆状况。在汉密尔顿函数针对当前的λSOC和λe最小化后，方法400前进到414。
在414处，方法400针对使汉密尔顿函数最小化的车辆状况确定最终电池荷电状态值。例如，如果在进入步骤412之前的初始电池荷电状态为90并且电池荷电状态的变化速率在模拟或行驶周期期间使电池荷电状态降低10，则SOC最终值为80。电池荷电状态的变化速率基于使汉密尔顿函数最小化的λSOC和λe值。方法400前进至416。
在416处，方法400判断在414处确定的最终电池荷电状态是否大约等于期望的电池荷电状态(例如，在期望的电池荷电状态的±3％内)或者λSOC的值是否等于或小于阈值，其中阈值是λSOC域的大小(例如，对于上述λSOC的域为-1)。期望的电池荷电状态可以是预定值。如果方法400判断最终电池荷电状态大约等于期望的电池荷电状态，则答案为“是”并且方法400前进到418。否则，答案为“否”并且方法400返回到410。
在418处，方法400判断λe的值是否等于或大于阈值，其中阈值是λe域的大小(例如，对于上述λe域为10)。如果方法400判断λe的值大于阈值，则答案为“是”并且方法400前进到420。否则，答案为“否”并且方法400返回到408。
在420处，方法400输出最小化的汉密尔顿函数的解、其对应的发动机燃料流动速率、其对应的电池荷电状态的变化速率以及其对应的发动机排放物流动速率。发动机燃料流动速率、电池荷电状态的变化速率以及发动机排放物流动速率与变速器齿轮、液力变矩器离合器状态以及扭矩源分配率(例如，30％的电机扭矩和70％的发动机扭矩)要求一起被存储到控制器存储器。混合动力动力传动系统或传动系基于根据其中汉密尔顿函数被最小化的发动机燃料流动速率、电池荷电状态的变化速率以及发动机排放物的驾驶状况(例如，请求的车轮扭矩和当前车轮速度)以优化状况运转发动机、电机、变速器以及液力变矩器离合器。方法400前进到退出。
以此方式，可以根据多个λe协态和λSOC协态评估汉密尔顿函数。λe协态可以从第一值递增地增加到最后值以在λe协态的域内评估汉密尔顿函数，使得汉密尔顿函数的最小值的解可以被确定并且被用作控制混合动力传动系发动机、变速器和电机的基础。同样，λSOC协态可以从第一值递增地增加到最后值以在λSOC协态的域内评估汉密尔顿函数，使得汉密尔顿函数的最小值的解可以被确定并且被用作控制混合动力传动系发动机、变速器和电机的基础。
因而，图3和图4的方法提供一种用于运转传动系的方法，其包括：基于汉密尔顿函数的解，通过控制器调节一个或多个致动器运转混合动力传动系，该汉密尔顿函数包括第一协态和第二协态、发动机燃料流动参数、电池荷电状态的变化速率参数、以及排放物流动速率参数。该方法包括其中第一协态是电池荷电状态的变化速率协态。该方法包括其中第二协态是发动机排放物流动速率协态。该方法进一步包括基于车辆数据或来自模拟的数据求解汉密尔顿函数。该方法包括其中汉密尔顿函数的解是小于阈值的值。该方法进一步包括基于汉密尔顿函数的解将传动系控制参数存储到存储器。该方法包括其中致动器调节发动机扭矩。
此外，图3和图4的方法提供一种用于运转传动系的方法，其包括：估计汉密尔顿向量的第一协态和第二协态，所述汉密尔顿向量包括燃料流动参数、电池荷电状态的变化速率参数、以及排放物流动速率参数；递增地增加第一协态的值，同时保持第二协态恒定直到达到第一协态的域的边界；从汉密尔顿函数的多个解中选择汉密尔顿函数的一个解；基于所述解将燃料流动速率、电池荷电状态的变化速率、以及排放物流动速率存储在控制器的存储器；并且响应于存储的燃料流动速率经由控制器调节传动系的致动器。
在一些示例中，该方法进一步包括响应于排放物流动速率经由控制器调节传动系的致动器。该方法进一步包括响应于电池荷电状态的变化速率经由控制器调节传动系的致动器。该方法包括其中第一协态和第二协态经由控制器估计。该方法进一步包括响应于第二协态的值小于阈值，使第二协态递增。该方法包括其中响应于第一协态的值小于阈值，使第一协态递增。该方法进一步包括估计第一协态的域和第二协态的域。
注意，本文所包括的示例控制和估计例程能够与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。这里公开的控制方法和例程可以作为可执行指令存储在非临时性存储器中并且可以由包括控制器的控制系统结合各种传感器、致动器和其他发动机硬件实施以操纵所公开的各种装置的运转状态。如本领域普通技术人员将理解的，图4中描述的方法可代表任何数量的处理策略中的一者或多者，如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。这样，所示各种步骤或功能可以按说明顺序执行、并行地执行，或者在一些情况下被省略。同样，实现本文描述的目的、特点和优点时，处理的顺序不是必须要求的，而是为了便于说明和描述而提供。虽然未明确指出，但是本领域的普通技术人员应当认识到，根据所用的具体策略，一个或多个说明性的步骤或功能可以重复执行。此外，这里描述的方法可以是物理世界中由控制器采取的动作和控制器内的指令的组合。
这样结束了本说明书。在不脱离本说明书的精神和范围的情况下，本领域技术人员在阅读本描述时可以做出许多替代和修改。例如，使用天然气、汽油、柴油或替代燃料配置运转的单个汽缸、I2、I3、I4、I5、V6、V8、V10、V12和V16发动机可以使用本说明书以获益。

Claims (20)

1.一种用于运转传动系的方法，其包括：
基于汉密尔顿函数的解，通过控制器调节一个或多个致动器运转混合动力传动系，所述汉密尔顿函数包括第一协态和第二协态、发动机燃料流动参数、电池荷电状态的变化速率参数以及排放物流动速率参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一协态是电池荷电状态的变化速率协态。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二协态是发动机排放物流动速率协态。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括基于车辆数据或来自模拟的数据求解所述汉密尔顿函数。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述汉密尔顿函数的所述解是小于阈值的值。
6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括基于所述汉密尔顿函数的所述解将传动系控制参数存储到存储器。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述致动器调节发动机扭矩。
8.一种用于运转传动系的方法，其包括：
估计汉密尔顿向量的第一协态和第二协态，所述汉密尔顿向量包括燃料流动参数、电池荷电状态的变化速率参数以及排放物流动速率参数；
递增地增加所述第一协态的值，同时保持所述第二协态恒定直到达到所述第一协态的域的边界；
从所述汉密尔顿函数的多个解中选择所述汉密尔顿函数的一个解；
基于所述解将燃料流动速率、电池荷电状态的变化速率以及排放物流动速率存储在控制器的存储器；并且
响应于所述存储的燃料流动速率，经由所述控制器调节传动系的致动器。
9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括响应于所述排放物流动速率经由所述控制器调节所述传动系的所述致动器。
10.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括响应于所述电池荷电状态的变化速率经由所述控制器调节所述传动系的所述致动器。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一协态和所述第二协态经由所述控制器被估计。
12.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括响应于所述第二协态的值小于阈值，使所述第二协态递增。
13.根据权利要求8所述的方法，其中响应于所述第一协态的值小于阈值，使所述第一协态递增。
14.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括估计所述第一协态的域和所述第二协态的域。
15.一种车辆系统，其包括：
发动机；
电机；
包括液力变矩器的变速器；以及
控制器，所述控制器包括存储在非临时性存储器中的可执行指令，用以：响应于汉密尔顿函数的解调节致动器的状态，所述汉密尔顿函数包括第一协态和第二协态、发动机燃料流动参数、电池荷电状态的变化速率参数以及排放物流动速率参数。
16.根据权利要求15所述的车辆系统，其中所述致动器是所述发动机的节气门。
17.根据权利要求15所述的车辆系统，其中所述致动器是变速器齿轮致动器。
18.根据权利要求15所述的车辆系统，其中所述致动器是电机控制器。
19.根据权利要求15所述的车辆系统，其进一步包括用以从所述汉密尔顿函数的多个解中选择所述解的附加指令。
20.根据权利要求19所述的车辆系统，其中所述汉密尔顿函数的所述多个解基于所述第一协态和所述第二协态的多个值。
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