CN110077388B - 一种混合动力发动机转矩控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力发动机转矩控制系统，所述转矩控制系统输出发动机转矩控制信号，控制发动机的输出转矩，所述转矩控制系统利用可测的量产发动机实时状态信号作为输入，采用神经网络模块快速精准的计算出发动机指示转矩估计信号，所述指示转矩估计信号作为所述转矩控制系统的闭环控制的反馈信号。改善了发动机输出转矩存在较大波动的缺点。可以使发动机输出转矩波动更小，从而在电动机介入或切出的瞬态过程中使混合动力总成输出更为平顺，提高驾驶舒适性。

Description

一种混合动力发动机转矩控制系统及方法

技术领域

本发明涉及混合动力汽油机的控制技术领域，且特别是有关于一种混合动力汽油发动机转矩精确控制方法。

背景技术

混合动力汽车具有至少两个动力源，一般其中一个动力源为内燃机，另一个动力源为电池。车辆行驶过程所需要的能量，一部分来自于内燃机，将燃料中的化学能转化成机械能；另一部分来自于动力电池，通过电机将电能转化为机械能。在混合动力汽车行驶过程中存在纯电驱动、纯内燃机驱动、行车充电和混合驱动等运行模式。在模式切换的瞬态过程中会涉及发动机切入、发动机切出、电机切入、电机切出等动力源切换，模式切换时的转矩输出会对整车平顺性、零部件耐久性、成本均会造成影响。

发明内容

本发明正是思及于此，提供一种混合动力专用发动机的转矩精确闭环控制，利用神经网络算法对所述发动机指示转矩进行快速精确估计，并以之为反馈信号对发动机多个执行器进行闭环控制，使发动机输出转矩波动更小，从而在电动机介入或切出的瞬态过程中使混合动力总成输出更为平顺，提高驾驶舒适性；同时以转矩为接口信号的发动机控制系统与混合动力其他控制系统信息交互更为简单。

一种混合动力发动机转矩控制系统，用于控制发动机的输出转矩，其特征在于，所述发动机转矩控制系统采集所述发动的运行状态反馈信号，并使用发动机转矩估计模块计算生成指示转矩估计信号作为所述发动机转矩控制系统的反馈信号。

本发明一优选实施例中，所述发动机转矩控制系统，包括混合动力控制模块、发动机前馈控制模块、反馈控制模块、发动机转矩估计模块、发动机附件消耗转矩计算模块，

所述混合动力控制模块接受驾驶员需求转矩信号和有效估计转矩信号，根据最优能量管理策略对多个动力源的转矩进行分配，多个所述动力源至少包括一发动机，并输出所述动力源的转矩需求信号，所述动力源转矩需求信号至少包括一发动机转矩需求信号，

所述发动机附件消耗转矩计算模块输出发动机附件消耗转矩，将所述发动机转矩需求信号和发动机附件消耗转矩经过第一求和单元求和后输出目标指示转矩信号，所述目标指示转矩信号输入所述发动机前馈控制模块，所述发动机前馈控制模块同时接受所述发动机的传感器输出的转速信号，经过计算得到前馈控制信号，

所述发动机的传感器实时采集发动机运行状态反馈信号，并作为输入信号传输给所述发动机转矩估计模块，所述发动机转矩估计模块使用神经网络算法对发动机指示转矩进行估计，输出指示转矩估计信号，

所述指示转矩估计信号分别输出给第一减法计算模块，所述第一减法模块使用所述目标指示转矩信号和所述指示转矩估计信号相减，并将所述差值提供给所述反馈控制模块，所述反馈控制模块提供反馈控制信号给第二加法计算模块，所述加法计算模块将所述前馈控制信号和所述反馈控制信号求和后输出发动机控制信号，所述发动机控制信号提供给所述发动机。

本发明一优选实施例中，所述发动机附件消耗转矩计算模块接受所述指示转矩估计信号和所述发动机中传感器提供的所述转速信号，作为发动机负荷表征量，经过运算后得到发动机附件消耗转矩信号。

本发明一优选实施例中，还包括第二减法计算模块，所述第二减法计算模块将所述发动机附件消耗转矩信号和所述指示转矩估计信号经过减法运算后得到有效估计转矩信号，提供给混合动力控制模块。

本发明一优选实施例中，所述发动机为汽油机。

本发明一优选实施例中，多个所述动力源包括电动机和发动机，所述转矩需求信号包括发动机转矩需求信号和电动机转矩需求信号。

本发明一优选实施例中，所述运行状态反馈信号包括转速、循环进气量、进气温度、进气压力、点火角、空燃比。

本发明一优选实施例中，所述反馈控制模块为比例积分控制计算模块。

本发明还提供一种混合动力发动机转矩控制的方法，包括如下步骤：

步骤41，采集驾驶员需求转矩信号；

步骤42，采集发动机运行状态反馈信号；

步骤43，使用神经网络的方法计算指示转矩估计信号；

步骤44，根据发动机转速信号和指示转矩估计信号查询获得发动机附件消耗转矩信号；

步骤45，将指示转矩估计信号和所述发动机附件消耗转矩信号相减后得到有效估计转矩信号；

步骤46，根据所述驾驶员需求转矩信号使用最优能量管理策略计算所述发动机转矩需求信号；

步骤47，将所述发动机转矩需求信号和发动机附件消耗转矩信号求和后得到目标指示转矩信号；

步骤48，使用目标指示转矩信号作为发动机前馈控制模块的输入，计算出前馈控制信号；

步骤49，使用所述指示转矩估计信号作为反馈信号，与所述目标指示转矩信号相减后作为反馈控制模块的输入，计算出反馈控制信号；

步骤410，将所述前馈控制信号和所述反馈控制信号相加后得到发动机控制信号，提供给所述发动机，控制所述发动机工作；

本发明一优选实施例中，所述步骤49中，所述反馈控制模块为比例积分控制计算模块。

有益效果，本发明提出的转矩估计算法能够根据发动机现有传感器信号，快速准确地计算出指示转矩，便于实时转矩闭环控制与对外信息交互；本发明提出的发动机模块化控制系统可通过标定单个执行器，减少整机标定工作量，从而减少开发成本。

为让发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明发动机转矩控制系统实施框图。

图2为本发明混合动力发动机转矩控制系统示意图。

图3为图1中发动机转矩估计模块的具体实施例。

图4为图1中发动机附件消耗转矩计算模块的具体实施例。

图5为本发明一种混合动力发动机转矩控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明发动机转矩控制系统的实施例框图，包括发动机转矩控制系统1和发动机2，所述转矩控制系统1为所述发动机2提供发动机控制信号，所述发动控制转矩控制系统1采集所述发动机2的运动状态反馈信号，使用神经网络算法计算出所述发动机2的指示转矩估计信号作为转矩反馈值，从而形成转矩的闭环控制系统。

如图2所示，本发明的混合动力发动机转矩控制系统图，主要包括混合动力控制模块11、发动机前馈控制模块13、反馈控制模块16、发动机转矩估计模块17、发动机附件消耗转矩计算模块18。

加速踏板采集驾驶员需求转矩信号后输入混合动力控制模块11。混合动力控制模块11同时采集有效估计转矩信号，然后根据最优能量管理策略对多个动力源，包括电动机和发动机等动力源的转矩进行分配，输出发动机转矩需求信号和电动机转矩需求信号。所述最优能量管理策略是基于驾驶员风格、道路状态、车辆状态等因素，在满足汽车动力性需求的同时，尽可能降低综合能耗和排放的一种多动力源协同控制策略。

发动机附件消耗转矩计算模块18输出发动机附件消耗转矩，将发动机转矩需求信号和发动机附件消耗转矩经过求和单元12求和后输出目标指示转矩信号。所述目标指示转矩信号输入发动机前馈控制模块13，发动机前馈控制模块13同时接受所述发动机2的传感器输出的转速信号，经过计算得到前馈控制信号。

发动机2的传感器实时采集发动机2运行状态反馈信号，所述运行状态反馈信号主要包括转速、循环进气量、进气温度、进气压力、点火角、空燃比等，并作为输入信号传输给发动机转矩估计模块17，并对发动机指示转矩进行估计，输出指示转矩估计信号，所述指示转矩估计信号分别输出给减法计算模块20、发动机附件消耗转矩18和减法计算模块19。所述减法模块20使用所述目标指示转矩信号和所述指示转矩估计信号相减，并将所述差值提供给所述反馈控制模块16，所述反馈控制模块16优选的为比例积分控制计算模块，所述反馈控制模块16提供反馈控制信号给加法计算模块14。所述加法计算模块14将所述前馈控制信号所述反馈控制信号求和后输出发动机控制信号，所述发动机控制信号提供给发动机2。所述发动机2提供转矩输出。

所述发动机附件消耗转矩计算模块18接受所述指示转矩估计信号和发动机2中传感器提供的转速信号，作为发动机负荷表征量，经过运算后得到发动机附件消耗转矩信号，提供给减法计算模块19，减法计算模块19将所述发动机附件消耗转矩信号和所述指示转矩估计信号经过减法运算后得到有效估计转矩信号，提供给混合动力控制模块11。

上述发动机2优选的为汽油机，具体为涡轮增压米勒循环直喷汽油机，但本发明并不以此为限该控制系统同样适用于其他形式的汽油发动机。所述发动机控制信号主要是对影响转矩输出的执行器进行控制，主要包括：电子节气门、双VVT、喷油器、电子废气旁通阀、火花塞等。

如图3所示图2中发动机转矩估计模块17的具体实施例。采用了神经网络算法对发动机指示转矩进行实时估计。神经网络171是一种黑箱模型，模型中参数没有实际意义，需通过大量实验数据对模型进行训练才能获得较高拟合精度。通过合理训练后，神经网络171即可满足转矩估计精度，还能在较短计算时间内对发动机每循环指示转矩进行估计，满足发动机控制系统的时效性要求。

神经网络171之所以能准确预测发动机指示转矩，主要取决于选择合适的神经网络结构和节点传递函数，并且需要大量有效的训练数据。不同种类发动机用于转矩估计的最优神经网络结构均有差异，因此在设计神经网络结构时仍需多调试相关结构参数。本发明的发动机转矩控制系统主要针对发动机瞬态过程进行控制，因此训练数据应包含混合动力发动机在常用瞬态工况下测得的数据。瞬态数据采集时，设置好发动机台架瞬态响应需求，即设置转速、转矩随时间变化的函数，每间隔0.1秒采集所需传感器信号，如：进气温度、进气压力、进气流量、排气温度、空燃比、转速、转矩等。训练数据仍需要包含稳态工况数据。使发动机按万有特性需求工况点运行，并测得所需传感器信号。瞬态工况与稳态工况的数据量之比应高于10:1，总数据量应超过2000组，方能使神经网络准确预测扭矩输出，试验所需时间、成本均较低。

汽油发动机空燃比约等于1，因而其输出转矩主要受进气量的影响。同时考虑到不同进气状态、空燃比、点火角均会对缸内燃烧情况产生影响，从而影响到转矩输出，因此选用转速、循环进气量、进气压力、进气温度、点火角和空燃比作为神经网络171的输入信号。输出信号为发动机指示转矩估计信号。

发动机由于各循环间以及各缸间的进气量会存在波动，因而导致指示转矩信号会出现较大的波动。同时，由于成本受限，量产发动机上未装有转矩传感器，因而无法采集发动机转矩的信号，也就没有反馈信号进行闭环控制。

若要采用虚拟转矩传感器(通过算法进行估计)，则必须要满足控制系统的实时性要求。如果要对发动机运行过程进行准确物理化学建模计算，根据目前控制器的计算条件，不满足实时性要求。而如果采用神经网络算法，利用可测的发动机实时状态信号作为输入，便可快速精准的计算出所述发动机指示转矩估计信号，满足发动机控制系统实时性要求。因而利用神经网络算法对发动机指示转矩进行实时估计并输出指示转矩估计信号，作为闭环控制的反馈信号。

如图4所示为图2中发动机附件消耗转矩计算模块18的一具体实施例。通过输入发动机转速和指示转矩估计值，可快速查表获得各附件转矩消耗值。进行求和后可得发动机附件消耗转矩。

本发明还提供一种混合动力发动机转矩精确控制的方法，如图5所示，包括如下步骤：

步骤41，采集驾驶员需求转矩信号；

步骤42，采集发动机运行状态反馈信号；

步骤43，使用神经网络的方法计算指示转矩估计信号；

步骤44，根据发动机转速信号和指示转矩估计信号查询获得发动机附件消耗转矩信号。

步骤45，将指示转矩估计信号和所述发动机附件消耗转矩信号相减后得到有效估计转矩信号。

步骤46，根据所述驾驶员需求转矩信号使用最优能量管理策略计算所述发动机转矩需求信号。

步骤47，将所述发动机转矩需求信号和发动机附件消耗转矩信号求和后得到目标指示转矩信号。

步骤48，使用目标指示转矩信号作为发动机前馈控制模块的输入，计算出前馈控制信号。

步骤49，使用所述指示转矩估计信号作为反馈信号，与所述目标指示转矩信号相减后作为反馈控制模块的输入，计算出反馈控制信号。

步骤410，将所述前馈控制信号和所述反馈控制信号相加后得到发动机控制信号，提供给所述发动机，控制所述发动机工作。

所述步骤49中，所述反馈控制模块为比例积分控制计算模块。

所述步骤44中，查询获得发动机附件消耗转矩信号，具体为通过线性插值查询的方法在发动机MAP图中查询获得发动机附件消耗转矩信号。

本发明提供一种混合动力专用发动机的转矩精确闭环控制方法，利用神经网络算法对发动机的指示转矩估计信号进行快速精确估计，并以之为反馈信号对发动机多个执行器进行闭环控制，改善了发动机输出转矩存在较大波动的缺点。可以使发动机输出转矩波动更小，从而在电动机介入或切出的瞬态过程中使混合动力总成输出更为平顺，提高驾驶舒适性。同时，以转矩为控制信号的发动机控制系统与混合动力其他控制系统信息交互更为简单。

另外，本发明的发动机转矩估计模块能够根据发动机现有传感器信号，快速准确地计算出指示转矩估计信号，转矩闭环控制与对外信息交互。本发明提出的发动机模块化控制系统可通过标定单个执行器，减少整机标定工作量，从而减少开发成本。

本发明所述计算模块、控制模块等为的数字控制器或模拟电路，也可以是数字控制器中软件程序中的一段算法。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (9)

1.一种混合动力发动机转矩控制系统，用于控制发动机的输出转矩，其特征在于，所述发动机转矩控制系统采集所述发动机的运行状态反馈信号，并使用发动机转矩估计模块计算生成指示转矩估计信号作为所述发动机转矩控制系统的反馈信号；

其中，所述混合动力发动机转矩控制系统还包括混合动力控制模块、发动机前馈控制模块、反馈控制模块、发动机附件消耗转矩计算模块，所述混合动力控制模块接受驾驶员需求转矩信号和有效估计转矩信号，根据最优能量管理策略对多个动力源的转矩进行分配，多个所述动力源至少包括一发动机，并输出所述动力源的转矩需求信号，所述动力源转矩需求信号至少包括一发动机转矩需求信号，

所述发动机附件消耗转矩计算模块输出发动机附件消耗转矩，将所述发动机转矩需求信号和发动机附件消耗转矩经过第一求和单元求和后输出目标指示转矩信号，所述目标指示转矩信号输入所述发动机前馈控制模块，所述发动机前馈控制模块同时接受所述发动机的传感器输出的转速信号，经过计算得到前馈控制信号，

所述发动机的传感器实时采集发动机运行状态反馈信号，并作为输入信号传输给所述发动机转矩估计模块，所述发动机转矩估计模块使用神经网络算法对发动机指示转矩进行估计，输出指示转矩估计信号，

所述指示转矩估计信号分别输出给第一减法计算模块，所述第一减法计算模块使用所述目标指示转矩信号和所述指示转矩估计信号相减获得差值，并将所述差值提供给所述反馈控制模块，所述反馈控制模块提供反馈控制信号给第二加法计算模块，所述加法计算模块将所述前馈控制信号和所述反馈控制信号求和后输出发动机控制信号，所述发动机控制信号提供给所述发动机。

2.如权利要求1所述一种混合动力发动机转矩控制系统，其特征在于，所述发动机附件消耗转矩计算模块接受所述指示转矩估计信号和所述发动机中传感器提供的所述转速信号，作为发动机负荷表征量，经过运算后得到发动机附件消耗转矩信号。

3.如权利要求2所述一种混合动力发动机转矩控制系统，其特征在于，还包括第二减法计算模块，所述第二减法计算模块将所述发动机附件消耗转矩信号和所述指示转矩估计信号经过减法运算后得到有效估计转矩信号，提供给混合动力控制模块。

4.如权利要求1所述一种混合动力发动机转矩控制系统，其特征在于，所述发动机为汽油机。

5.如权利要求1所述一种混合动力发动机转矩控制系统，其特征在于，多个所述动力源包括电动机和发动机，所述转矩需求信号包括发动机转矩需求信号和电动机转矩需求信号。

6.如权利要求1所述一种混合动力发动机转矩控制系统，其特征在于，所述运行状态反馈信号包括转速、循环进气量、进气温度、进气压力、点火角、空燃比。

7.如权利要求1所述一种混合动力发动机转矩控制系统，其特征在于，所述反馈控制模块为比例积分控制计算模块。

8.一种混合动力发动机转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤41，采集驾驶员需求转矩信号；

步骤42，通过所述发动机的传感器，采集发动机运行状态反馈信号；

步骤43，通过所述发动机转矩估计模块，使用神经网络的方法计算指示转矩估计信号；

步骤44，通过发动机附件消耗转矩计算模块，根据发动机转速信号和指示转矩估计信号查询获得发动机附件消耗转矩信号；

步骤45，将指示转矩估计信号和所述发动机附件消耗转矩信号相减后得到有效估计转矩信号；

步骤46，通过混合动力控制模块，根据所述驾驶员需求转矩信号和所述有效估计转矩信号计算所述发动机转矩需求信号；

步骤47，将所述发动机转矩需求信号和发动机附件消耗转矩信号求和后得到目标指示转矩信号；

步骤48，使用目标指示转矩信号作为发动机前馈控制模块的输入，计算出前馈控制信号；

步骤49，使用所述指示转矩估计信号作为反馈信号，与所述目标指示转矩信号相减后作为反馈控制模块的输入，计算出反馈控制信号；

步骤410，将所述前馈控制信号和所述反馈控制信号相加后得到发动机控制信号，提供给所述发动机，控制所述发动机工作。

9.如权利要求8所述一种混合动力发动机转矩控制方法，其特征在于，所述步骤49中，所述反馈控制模块为比例积分控制计算模块。

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