CN110435633B - 一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制方法，包括以下步骤：整车控制器根据变速箱目标输出功率和电池目标充放电功率范围，计算发动机目标输出功率范围；整车控制器根据发动机比油耗、尾气排放物的万有特性图和发动机控制器发送的实时信息，计算发动机目标输出功率范围内候选工作点的相对比油耗；整车控制器根据候选工作点的相对比油耗大小，选择发动机目标扭矩和发动机目标转速；整车控制器将发动机目标扭矩发送给发动机控制器执行驱动命令；本发明将发动机和尾气后处理装置作为一个整体系统来考虑，能够很好地达到优化配置的目的。
Description
技术领域
本发明属于混合动力汽车技术领域，特别涉及一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制方法。
背景技术
对于汽油混合动力汽车的排放问题，在发动机暖机状态下，一般通过选择合适的三元催化剂就能以被动的方式解决。而对于柴油混合动力汽车，因为柴油发动机的工作方式和汽油发动机相比有很大的差异，导致有害物的排放特性也有明显的区别，和汽油发动机相比，柴油发动机的颗粒物PM和氮氧化物NOx等排放物大量增加，碳氢排放物HC和一氧化碳CO排放明显减少；后处理装置通常是催化型颗粒捕集器CDPF或者颗粒捕集器DPF和选择性催化还原系统SCR，相对于汽油发动机的后处理装置，柴油发动机的后处理装置复杂很多，还需要单独的控制器去控制尾气后处理的过程。
此外，柴油机后处理装置的温度也可以通过对发动机工作点的选择来进行有效的控制，以避免更多的热冲击，提高后处理装置的耐久性能，也更利于后处理装置的选材定型。
目前对于柴油混合动力汽车，发动机和尾气后处理装置通常单独开发，容易出现过设计；通常在选择发动机工作点时，只考虑发动机的比油耗，没有考虑发动机排放的影响。针对上述存在的缺陷，本申请提出一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制方法，能够克服上述缺陷并能很好地达到优化配置的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制方法，将发动机和尾气后处理装置作为一个整体系统来考虑，达到优化配置的目的。
为实现上述目的，本发明提出一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
整车控制器根据油门和车速信息，计算变速箱目标输出功率；
整车控制器根据电池电量，计算电池目标充放电功率范围；
整车控制器根据所述变速箱目标输出功率和电池目标充放电功率范围，计算发动机目标输出功率范围；
整车控制器根据发动机比油耗(beorg)、尾气排放物的万有特性图和发动机控制器发送的实时信息，计算发动机目标输出功率范围内候选工作点的相对比油耗(berel)；
整车控制器根据候选工作点相对比油耗(berel)的大小，计算发动机目标扭矩和发动机目标转速；
整车控制器将发动机目标扭矩发送给发动机控制器执行驱动命令；
整车控制器根据发动机目标转速、整车目标输出扭矩和发动机控制器反馈的发动机实际扭矩，计算电机目标扭矩；
整车控制器将电机目标扭矩发送给电机控制器执行驱动命令。
在一实施例中，所述候选工作点的相对比油耗(berel)是通过所述整车控制器，根据发动机候选工作点下的发动机功率(PEng)、发动机候选工作点下排放物的排放量、发动机比油耗(beorg)、发动机候选工作点下的排放物的影响因子和排温的影响因子(kT)，分析获得。
在一实施例中，所述候选工作点的相对比油耗(berel)与发动机候选工作点下的发动机功率(PEng)、发动机候选工作点下排放物的排放量、发动机比油耗(beorg)、发动机候选工作点下的排放物的影响因子和排温的影响因子(kT)之间的函数关系为：
μ：催化型颗粒捕集器或者颗粒捕集器在再生过程中，其积累的颗粒物PM和所引起的额外的燃油消耗之间的换算系数，单位[-]；
QPM：发动机候选工作点下颗粒物PM的排放量，单位[g/h]；
fPM：发动机候选工作点下颗粒物PM经过尾气排放装置处理后的减少率；对于氮氧化物NOx是尾气排放装置SCR效率，对于颗粒物PM是催化型颗粒捕集器CDPF或者颗粒捕集器DPF的过滤系数，对于碳氢排放物HC和一氧化碳CO是氧化型催化器DOC的氧化效率，单位[％]；kPM、kNOx、kCO和kHC分别指颗粒物PM的影响因子、氮氧化物的影响因子、一氧化碳的影响因子和碳氢排放物的影响因子。
在一实施例中，所述氮氧化物的影响因子(kNOx)是通过所述整车控制器依据发动机候选工作点下氮氧化物的排放量(QNOx)、发动机候选工作点下尾气排放装置SCR效率(fNOx)和用于将要进行的行程(S2)中氮氧化物的动态排放限值(LimDynNOx)，分析获得。
在一实施例中，所述氮氧化物的影响因子与发动机候选工作点下氮氧化物的排放量(QNOx)、发动机候选工作点下尾气排放装置SCR效率(fNOx)和用于将要进行的行程(S2)中氮氧化物的动态排放限值(LimDynNOx)之间的关系为，
在一实施例中，所述氮氧化物的影响因子(kNOx)的取值范围为：若氮氧化物的影响因子(kNOx)的值小于或等于1，则取值为1；若氮氧化物的影响因子(kNOx)的值大于1，则取值为氮氧化物的影响因子(kNOx)本身。
在一实施例中，所述用于将要进行的行程(S2)中氮氧化物的动态排放限值(LimDynNOx)的影响因素包括将要进行的行程(S2)、已完成的行程(S1)中氮氧化物排放节省的排放量(mSaveNOx)以及当前车速(V)。
在一实施例中，所述整车控制器在分析PM颗粒物的影响因子、一氧化碳的影响因子和碳氢排放物的影响因子时，与氮氧化物的影响因子(kNOx)的分析方式相同。
在一实施例中，所述整车控制器根据候选发动机工作点下的排温温度(T)与目标排温控制区间平均值(Tmean)之间的比值获得排温的影响因子(kT)，
其中，所述目标排温控制区间平均值(Tmean)根据目标排温控制区间最大值(Tmax)与目标排温控制区间最小值(Tmin)确定。
在一实施例中，所述混合动力汽车为具有电控无级式变速档位的混合动力变速箱。
本发明提出的一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制方法，将发动机和尾气后处理装置作为一个整体系统来考虑，利用柴油混合动力汽车的特点，将尾气后处理装置折合成对发动机油耗的影响因子，对柴油发动机工作点进行选择并通过整车控制器进行控制，兼顾油耗和排放，既能降低油耗又能控制排放，也可以极大的减少柴油混合动力汽车对尾气后处理装置的设计要求，达到优化配置、降低成本、控制排放满足法规要求和提高尾气后处理装置的寿命的目的；本发明将发动机和尾气后处理装置作为一个整体系统来考虑，选择发动机工作点的时候，考虑到该工况点下尾气后处理装置的工作特性效率，也利于对后处理装置的设计和选型；本发明在考虑发动机工作点油耗的时候，不仅考虑该工作点下的油耗，还将该工作点下颗粒物PM排放，通过转算系数转换成油耗指标考虑进来，本发明优化的不是一个时刻的油耗，而是一个较长周期内的整体油耗。本发明通过排温影响因子还能提高后处理装置的耐久性能，也更利于后处理装置的选材定型。
附图说明
图1：本发明一实施例的控制方法流程图；
图2：本发明一实施例提供的一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制系统的结构框图。
元件标号说明：
10 防抱死制动系统
210 电池管理系统
40 发动机控制器
60 电机控制器
30 整车控制器
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
对于发动机工作点的选择，通常需要考虑两点因素，一是优化油耗，二是控制排放满足法规要求。根据这两个目的考虑发动机工作点的选择，燃油消耗率是核心因素，尾气排放是边界条件，将排放的影响引入燃油消耗中，来控制尾气的排放，以满足排放法规的要求。
以排放物氮氧化物NOx为例：
如图1所示为本发明一实施例的控制方法流程图，
一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制方法，所述控制方法至少包括以下步骤：
S1、整车控制器30根据油门和车速信息，计算变速箱目标输出功率；
S2、整车控制器30根据电池电量，计算电池目标充放电功率范围；
S3、整车控制器30根据所述变速箱目标输出功率和电池目标充放电功率范围，计算发动机目标输出功率范围；
S4、整车控制器30根据发动机比油耗(beorg)、尾气排放物的万有特性图和发动机控制器发送的实时信息，计算发动机目标输出功率范围内候选工作点的相对比油耗(berel)；此处需要注意的是，发动机比油耗和各尾气排放的万有特性图等信息是提前获取的，已存储在整车控制器中，一部分是从发动机控制器获得的实时信息，例如CDPF的过滤效率等)，通过整车控制器，计算发动机候选工作点的相对比油耗即发动机目标输出功率范围内的相对比油耗berel；
S5、整车控制器30根据候选工作点的相对比油耗(berel)的大小(相对比油耗越大，该工作点越差)，计算发动机目标扭矩和发动机目标转速(发动机最优工作点)；
S6、整车控制器30将发动机目标扭矩发送给发动机控制器执行驱动命令；
S7、整车控制器30根据发动机目标转速、整车目标输出扭矩和发动机控制器反馈的发动机实际扭矩，计算电机目标扭矩，保证变速箱扭矩输出，以及发动机目标转速加速度；
S8、整车控制器30将电机目标扭矩发送给电机控制器执行驱动命令。
具体的，请参阅图2，图2为本发明实施例提供的一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制系统的结构框图，其中，发动机控制器40采集油门信息并发送至整车控制器30，或者整车控制器30直接采集油门信息；防抱死制动系统10与整车控制器30通讯连接，防抱死制动系统10采集车速信息并发送给整车控制器30或整车控制器30根据电机转速获得车速信息；整车控制器30根据获得的油门和车速信息计算变速箱目标输出功率和电池目标充放电功率范围，并根据变速箱目标输出功率和电池目标充放电功率范围计算发动机目标输出功率范围；电池管理系统210与整车控制器30通讯连接，整车控制器30与发动机控制器40通讯连接，整车控制器30与电机控制器60通讯连接。
对于整车控制器30如何获得候选工作点的相对比油耗berel作详细说明：
具体的，首先根据车速[km/h]对排放法规中的排放限值的单位进行转换，将[g/km]转换成[g/h]，其次，为充分利用排放限值，整车控制器将已完成的行程S1中节省的排放量mSaveNOx，[g]，折算进后一段行程(即将要进行的行程)S2的排放限值，引入用于将要进行的行程S2中氮氧化物的动态排放限值LimDynNOx，[g/h]。
为充分利用排放限值，先计算已完成的行程S1中氮氧化物NOx节省的排放量，[g]，即允许的最大排放量和实际排放量的差值，[g]，
mSaveNOx＝LimRefNOx×S1-mActlNOx
然后，以车速的单位[km/h]为标准，将排放法规中的排放限值单位进行转换，将排放法规中的[g/km]转换成[g/h]。
其中，mActlNOx：已完成的行程S1中实际排放到大气中的氮氧化物的质量，单位[g]；LimRefNOx：排放法规中氮氧化物的排放限值，作为参考值，单位[g/km]；V：当前车速，单位[km/h]。
整车控制器30分析计算氮氧化物的影响因子kNOx：某发动机工作点下，后处理装置SCR对应的氮氧化物NOx原排处理后，最后排进大气的NOx排放，[g/h]，排进大气的NOx的值和用于将要进行的行程S2中氮氧化物的动态排放限值LimDynNOx做比较，得到该工作点下氮氧化物的影响因子，小于1的时候，表明该排放低于法规限值，因不要求排放越低越好，此时，重点关注油耗，虽然小于1但仍然将该影响因子取值为1，具体说明：当对应工作点下氮氧化物的影响因子取值小于或等于1时，表明符合排放法规限值，此时就将kNOx的取值为1，表明此时已经不需要考虑尾气排放物的影响，只需关注发动机的油耗即可。根据下式，通过整车控制器来分析计算氮氧化物的影响因子，
QNOx：发动机候选工作点下氮氧化物的排放量，单位[g/h]；fNOx：发动机候选工作点下尾气排放装置SCR效率；kNOx：氮氧化物的影响因子，单位[-]。
综合考虑各尾气后处理装置的工作效率以及寿命，有一个理想的排气温度区间，排温高于该区间，后处理装置的热冲击会增加，从而影响寿命，排温低于该区间，工作效率会降低，通过下式计算排温的影响因子，同理，如果排温在理想的控制区间内，排温的影响因子等于1时，不考虑排放的影响，重点关注油耗。
整车控制器30根据候选发动机工作点下的排温温度(T)与目标排温控制区间平均值(Tmean)之间的比值获得排温的影响因子(kT)，其中，所述目标排温控制区间平均值(Tmean)根据目标排温控制区间最大值(Tmax)与目标排温控制区间最小值(Tmin)确定。若所述候选发动机工作点下的排温温度(T)大于或等于目标排温控制区间最大值(Tmax)，所述排温的影响因子(kT)为候选发动机工作点下的排温温度(T)与目标排温控制区间平均值(Tmean)的比值；若所述候选发动机工作点下的排温温度(T)小于或等于目标排温控制区间最小值(Tmin)，所述排温的影响因子(kT)为目标排温控制区间平均值(Tmean)与候选发动机工作点下的排温温度(T)的比值；若所述候选发动机工作点下的排温温度(T)大于目标排温控制区间最小值(Tmin)且小于目标排温控制区间最大值(Tmax)，所述排温的影响因子(kT)为1，可参照如下关系式：
在考虑发动机油耗的时候，不能只考虑该工作点下的油耗，因为该工作点下的颗粒物PM排放，有一部分要被催化型颗粒捕集器CDPF收集，CDPF再生的时候，通过需要消耗一定的燃油来燃烧该部分被收集的颗粒物PM的排放，所以，该部分被收集的颗粒物PM排放，也能通过影响因子折算成油耗指标。
下式为候选工作点的相对比油耗berel，berel越低，说明该工作点越好，反之则越差，混合动力工况下，选择berel最小的工作点，同时优化油耗和排放。
PEng：发动机候选工作点下的发动机功率，单位[kW]；
μ指催化型颗粒捕集器或者颗粒捕集器在再生过程中，其积累的颗粒物PM和所引起的额外的燃油消耗之间的换算系数，单位[-]，(催化型颗粒捕集器或者颗粒捕集器的再生过程中需要额外的燃油消耗，此时μ表示对油耗的影响因子，单位[-])；
beorg：发动机比油耗，单位[g/kWh]。
其他排放物的影响因子的转换跟上述氮氧化物NOx的影响因子的转换机理相同。
所述整车控制器30计算发动机目标输出功率范围内候选工作点的相对比油耗；根据候选工作点相对比油耗的大小(相对比油耗越大，对应工作点越差，相对比油耗越小，对应工作点越好)，整车控制器30选择发动机最优的工作点即目标发动机扭矩和目标发动机转速；整车控制器30将发动机目标扭矩发送给发动机控制器EMS去执行驱动命令；整车控制器30根据发动机控制器反馈的发动机实际扭矩，发动机目标转速，以及整车目标输出扭矩进行扭矩分配计算，计算电机目标扭矩，保证变速箱扭矩输出，以及发动机目标转速加速度；整车控制器将电机目标扭矩发送给电机控制器(PEU)去执行驱动命令。
对于固定速比档位的混合动力变速箱，通常只能调整发动机扭矩，但是对于有电控无级式自动变速档位即eCVT档位的混合动力变速箱，在对发动机工作点的选择上，有更大的自由度，发动机的转速和扭矩都可以根据需要进行调整，在兼顾经济性的同时，通过对发动机工作点合理的选择，也可以同时兼顾排放，因此本发明的混合动力汽车为具有电控无级式变速档位的混合动力变速箱。
本发明在控制发动机工作点的同时也考虑了各有害物的排放，不仅能降低油耗，还能控制排放以满足排放法规的要求以及提高尾气后处理装置的寿命；本发明将发动机和尾气后处理装置作为一个整体系统来考虑，在选择发动机工作点的时候，考虑到该工况点下尾气后处理装置的工作特性效率，也利于对后处理装置的设计和选型；本发明在评价发动机工作点油耗的时候，不仅考虑该工作点下的油耗，还将该工作点下被颗粒捕集器或者催化型颗粒捕集器吸收的颗粒物PM的排放，通过影响因子转换成油耗指标考虑进来，本发明优化的不是一个时刻的油耗，而是一个较长周期内的整体油耗。
本发明的原理：本发明利用混合动力汽车可以自由调整发动机工作点的特点，整车控制器在选择发动机工作点的时候，除了油耗这个主要因素，还增加了排放的影响，在有目的的降低油耗的同时，也控制了尾气排放，将后处理装置这个相对独立的开发工作，扩展为系统性的工作，能更有效地降低对后处理装置的设计目标，从而降低成本。
万有特性图：横轴表示发动机转速，单位[1/min]，纵轴表示发动机平均有效压力，单位[bar]。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案，例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。
Claims (10)
1.一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
整车控制器根据油门和车速信息，计算变速箱目标输出功率；
整车控制器根据电池电量，计算电池的目标充放电功率范围；
整车控制器根据所述变速箱目标输出功率和电池目标充放电功率范围，计算发动机目标输出功率范围；
整车控制器根据发动机比油耗(beorg)、尾气排放物的万有特性图和发动机控制器发送的实时信息，计算发动机目标输出功率范围内候选工作点的相对比油耗(berel)；
整车控制器根据候选工作点相对比油耗(berel)的大小，计算发动机目标扭矩和发动机目标转速；
整车控制器将发动机目标扭矩发送给发动机控制器执行驱动命令；
整车控制器根据发动机目标转速、整车目标输出扭矩和发动机控制器反馈的发动机实际扭矩，计算电机目标扭矩；
整车控制器将电机目标扭矩发送给电机控制器执行驱动命令。
2.根据权利要求1所述的一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制方法，其特征在于：所述候选工作点的相对比油耗(berel)是所述整车控制器根据发动机候选工作点下的发动机功率(PEng)、发动机候选工作点下排放物的排放量、发动机比油耗(beorg)、发动机候选工作点下的排放物的影响因子和排温的影响因子(kT)，分析获得。
3.根据权利要求2所述的一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制方法，其特征在于：所述候选工作点的相对比油耗(berel)与发动机候选工作点下的发动机功率(PEng)、发动机候选工作点下排放物的排放量、发动机比油耗(beorg)、发动机候选工作点下的排放物的影响因子和排温的影响因子(kT)之间的函数关系为：
μ：催化型颗粒捕集器或者颗粒捕集器在再生过程中，其积累的颗粒物PM和所引起的额外的燃油消耗之间的换算系数，单位[-]；
QPM：发动机候选工作点下颗粒物PM的排放量，单位[g/h]；
fPM：发动机候选工作点下颗粒物PM经过尾气排放装置处理后的减少率；
kPM、kNOx、kCO和kHC分别指颗粒物PM的影响因子、氮氧化物的影响因子、一氧化碳的影响因子和碳氢排放物的影响因子。
4.根据权利要求3所述的一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制方法，其特征在于：所述氮氧化物的影响因子(kNOx)是所述整车控制器依据发动机候选工作点下氮氧化物的排放量(QNOx)、发动机候选工作点下尾气排放装置效率(fNOx)和用于将要进行的行程(S2)中氮氧化物的动态排放限值(LimDynNOx)，分析获得。
5.根据权利要求4所述的一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制方法，其特征在于：所述氮氧化物的影响因子与发动机候选工作点下氮氧化物的排放量(QNOx)、发动机候选工作点下尾气排放装置效率(fNOx)和用于将要进行的行程(S2)中氮氧化物的动态排放限值(LimDynNOx)之间的关系为，
6.根据权利要求5所述的一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制方法，其特征在于：所述氮氧化物的影响因子(kNOx)的取值范围为：
若氮氧化物的影响因子(kNOx)的值小于或等于1，则取值为1；
若氮氧化物的影响因子(kNOx)的值大于1，则取值为氮氧化物的影响因子(kNOx)本身。
7.根据权利要求6所述的一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制方法，其特征在于：所述用于将要进行的行程(S2)中氮氧化物的动态排放限值(LimDynNOx)的影响因素包括将要进行的行程(S2)、已完成的行程(S1)中氮氧化物排放节省的排放量(mSaveNOx)以及当前车速(V)。
8.根据权利要求7所述的一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制方法，其特征在于：所述整车控制器在分析PM颗粒物的影响因子、一氧化碳的影响因子和碳氢排放物的影响因子时，与氮氧化物的影响因子(kNOx)的分析方式相同。
9.根据权利要求8所述的一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制方法，其特征在于：所述整车控制器根据候选发动机工作点下的排温温度(T)与目标排温控制区间平均值(Tmean)之间的比值获得排温的影响因子(kT)，
其中，所述目标排温控制区间平均值(Tmean)根据目标排温控制区间最大值(Tmax)与目标排温控制区间最小值(Tmin)确定。
10.根据权利要求9所述的一种混合动力汽车兼顾排放的油耗控制方法，其特征在于：所述混合动力汽车为具有电控无级式变速档位的混合动力变速箱。
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