CN113442928B - 混联式混合动力系统发动机扭矩在线估计方法及装置 - Google Patents
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Abstract
为了解决现有技术中发动机扭矩估计精度低的问题,本公开提供了一种混联式混合动力系统发动机扭矩在线估计方法及装置。混联式混合动力系统发动机扭矩在线估计方法,包括:获取发动机输出转速和电机端输入到发动机轴上的扭矩;根据发动机输出转速、电机端输入到发动机轴上的扭矩以及预设的闭环输入观测器计算发动机扭矩的估计值,本申请还公开了相应的装置、计算设备和计算机可读存储介质。本公开通过发动机输出转速、电机端输入到发动机轴上的扭矩以及预设的闭环输入观测器计算发动机扭矩的估计值,提高了混合动力系统的发动机扭矩的估算精度。
Description
技术领域
本公开涉及车辆电子控制领域,尤其涉及一种混联式混合动力系统发动机扭矩在线估计方法及装置。
背景技术
在混联式混合动力系统中,电机被用来辅助发动机进行动力输出,通常通过稳态能量分配策略保证了发动机工作在更加高效的区域,通过动态协调控制策略利用电机快速的瞬态响应特性主动补偿发动机的动态响应滞后,从而保证整个动力传动系统的扭矩响应平顺性。无论是稳态能量分配策略还是动态协调控制策略,都需要实时准确地在线估计发动机有效扭矩输出,才能保证轮端扭矩控制的精确性。
由于发动机作为一个复杂热力系统,其扭矩响应存在较强的滞后、非线性等特性,加之发动机扭矩传感器的成本限制了其量产应用,发动机扭矩估计问题尤其是负荷急剧变化过程中的瞬态扭矩估计一直是混动系统扭矩控制问题的关键。
现有的发动机瞬态扭矩估计,主要有基于平均值、神经网络模型、基于瞬时转速等方法,相关方法都是基于离线建模标定/训练/分析得到的转矩表征方法,都属于开环转矩估计。通常标定的开环估计模型很难与实际模型完全一致,两者存在一定的差异,即模型不确定性,典型的如进气模型与实际进气量的差异性,动态指示热效率与稳态MAP标定点的差异性;而模型受到系统本身和外界环境的干扰也会对估计精度产生影响,即扰动不确定性,如进气压力测量信号的延迟,瞬时转速信号的干扰等,对扭矩估计尤其是动态扭矩估计影响较大。
发明内容
为了解决上述技术问题中发动机扭矩估计精度低的问题,本公开提供了一种混联式混合动力系统发动机扭矩在线估计方法及装置。
本公开的第一方面,混联式混合动力系统发动机扭矩在线估计方法,包括:
获取发动机输出转速和电机端输入到发动机轴上的扭矩;
根据发动机输出转速、电机端输入到发动机轴上的扭矩以及预设的闭环输入观测器计算发动机扭矩的估计值;
其中,所述闭环输入观测器的输出变量为发动机输出转速,闭环输入观测器的状态变量为电机端输入到发动机轴上的扭矩,闭环输入观测器的输入变量为发动机扭矩。
可选的,所述闭环输入观测器包括输入观测量公式;
所述输入观测量公式为:
其中,τ为时间常数,τ>0,J为等效到发动机输出轴的转动惯量;
可选的,获取发动机输出转速和电机端输入到发动机轴上的扭矩,包括:
按预设的采样周期,从发动机控制器采集发动机输出转速和从电机控制器采集电机端输入到发动机轴上的扭矩。
可选的,所述闭环输入观测器包括离散化函数;
所述离散化函数包括:
和
ε(k+1)(1-δTγ)ε(k)=+γy(k)+γ2z(k);
其中,k为采样次数,为第K次采样时的发动机扭矩的估计值,γ为观测器增益,τ为时间常数,J为等效到发动机输出轴的转动惯量,γ>0,τ>0,z(k)为第K次采样时的发动机输出轴转速,ε(k)为第K次采样时的发动机扭矩的基准观测值,ε(k+1)为第K+1次采样时的发动机扭矩的基准观测值,δT为采样周期,y(k)为第K次采样时的电机端输入到发动机轴上的扭矩。
本公开的第二方面,混联式混合动力系统发动机扭矩估计装置,包括:
获取模块,用于获取发动机输出转速和电机端输入到发动机轴上的扭矩;
计算模块,用于根据发动机输出转速、电机端输入到发动机轴上的扭矩以及预设的闭环输入观测器计算发动机扭矩的估计值;
其中,所述闭环输入观测器的输出变量为发动机输出转速,闭环输入观测器的状态变量为电机端输入到发动机轴上的扭矩,闭环输入观测器的输入变量估计值为发动机扭矩。
可选的,所述闭环输入观测器包括输入观测量公式;
所述输入观测量公式为:
其中,τ为时间常数,τ>0,J为等效到发动机输出轴的转动惯量;y为电机端输入到发动机轴上的扭矩,z为发动机输出轴转速。
可选的,获取发动机输出转速和电机端输入到发动机轴上的扭矩,包括:
按预设的采样周期,从发动机控制器采集发动机输出转速和从电机控制器采集电机端输入到发动机轴上的扭矩。
可选的,所述闭环输入观测器包括离散化函数;
所述离散化函数包括:
和
ε(k+1)=(1-δTγ)ε(k)+γy(k)+γ2z(k);
其中,k为采样次数,为第K次采样时的发动机扭矩的估计值,γ为观测器增益,γ>0,τ为时间常数,J为等效到发动机输出轴的转动惯量,τ>0,z(k)为第K次采样时的发动机输出轴转速,ε(k)为第K次采样时的发动机扭矩的基准观测值,ε(k+1)为第K+1次采样时的发动机扭矩的基准观测值,δT为采样周期,y(k)为第K次采样时的电机端输入到发动机轴上的扭矩。
本公开的第三方面,一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现本公开第一方面中任一项所述的方法的步骤。
本公开的第四方面,一种计算设备,包括存储器和处理器,其特征在于,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现本公开第一方面中任一项所述方法的步骤。
本公开通过发动机输出转速、电机端输入到发动机轴上的扭矩以及预设的闭环输入观测器计算发动机扭矩的估计值;进而可以对经常存在误差的发动机扭矩进行精确的计算,提高了混合动力系统的发动机扭矩的估算精度,进而提高混合动力系统的扭矩控制精度。
本公开采用闭环输入观测器的离散化函数通过一阶前向差分计算发动机扭矩的估计值,保证了计算的实时性和精确性。
本公开采用闭环输入观测器的输入观测量公式计算发动机扭矩的估计值,保证了计算的稳定性和收敛性。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式,并与其说明一起用于解释本公开的原理,其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解,并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是本公开提供的一个实施例的方法流程图;
图2是本公开提供的一个实施例的算法框图;
图3是本公开提供的一个实施例的装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容,而非对本公开的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
在一个实施例中,参见图1以及图2,图1为本公开的混联式混合动力系统发动机扭矩在线估计方法的方法流程图,图2为本公开的混联式混合动力系统发动机扭矩在线估计方法中的一种算法框图,混联式混合动力系统发动机扭矩在线估计方法,包括:
步骤S1:获取发动机输出转速和电机端输入到发动机轴上的扭矩;
步骤S2:根据发动机输出转速、电机端输入到发动机轴上的扭矩以及预设的闭环输入观测器计算发动机扭矩的估计值;
其中,闭环输入观测器的输出变量为发动机输出转速,闭环输入观测器的状态变量为电机端输入到发动机轴上的扭矩,闭环输入观测器的输入变量为发动机扭矩,也是观测器将要观测(也称为估计)的变量。闭环输入观测器中,“发动机扭矩x”作为输入量需要通过闭环观测器估计/观测,“电机端输入到发动机轴上的扭矩y”作为可测量的状态变量参与闭环计算,“发动机输出转速z”作为输出变量参与闭环计算。
本公开的技术方案通过发动机输出转速、电机端输入到发动机轴上的扭矩以及预设的闭环输入观测器计算发动机扭矩的估计值;进而可以对经常存在误差的发动机扭矩进行精确的计算,提高了混合动力系统的发动机扭矩的估算精度,进而保证混合动力系统的扭矩控制精度。
本公开的技术方案用于带有混联式混合动力系统的混合动力车;本公开的方法基于,发动机输出转速、电机端输入到发动机轴上的扭矩,通过曲轴动力学模型的扭矩的闭环输入观测器计算发动机扭矩;充分利用了混联式混合动力系统的电动/发电机扭矩(电机端输入到发动机轴上的扭矩)可精确实时反馈的优势,使得轴系动力学方程中仅剩发动机扭矩一个未知量,因而可以通过闭环输入观测器来对该未知量进行在线估计,并可通过调节观测增益来对动态过程中发动机扭矩的变化做出迅速响应;本质原因在于电机端扭矩作为已知项能够快速精确的获取,而发动机扭矩本身慢于电机,因而给闭环观测提供了时间条件。因此,本发明的目的就是通过在行星排式混联混合动力系统上,利用实时反馈的电动/发电机扭矩,对经常存在误差的发动机扭矩进行精确的实时在线闭环估计,从而保证混合动力系统的扭矩控制精度,如为保证轮端平顺性的电动机补偿扭矩控制精度。
在此,对闭环输入观测器的推导和参数定义进行说明;对于一个具有未知输入的系统,利用其已知或可测的状态量和输出量,建立输入观测器,就可以闭环估计出其未知的输入。对于混联式混合动力系统中的发动机而言,许多物理过程可简化为线性的一阶微分方程,如进气充排效应,油膜状态方程,曲轴动力学方程等,均可表示为以下形式:
式(1)中,z和y分别为可测量的输出量和状态量,如混动系统中发动机输出轴转速和电机端输入到发动机轴上的扭矩;x是系统未知的时变输入量,如混动系统中发动机有效扭矩,需要在线估计获得;J为常系数,如等效到发动机输出轴的转动惯量。
此类问题一般有两种方法处理,一种是对过去的采样值z进行拟合或插值,然后差分得到进而求得x,这类方法仍属于开环的估计,可能引入信号处理误差以及算法的不稳定性。第二种方法即闭环的估计,设计一个系统的“控制量”u,使得即利用这一虚拟的控制量u使得精确地闭环跟踪z,则u即可通过式(1)来估计x,得到:
x=Ju-y (2)
这就是通常意义上的闭环输入观测器。高增益观测器属于此类闭环观测器,结构简单直观,适合在线估计。
而本公开中,z为混动系统中发动机输出轴转速,由发动机控制器EMS采集并发送给整车控制器VCU;y为电机端输入到发动机轴上的扭矩,由电机控制器IPU发送给整车控制器VCU;x表示混动系统中发动机有效扭矩实际值,需要在线估计获得;J为等效到发动机输出轴的转动惯量,是混动系统结构参数。
在一种实施方式中,作为闭环输入观测器的算法实现,闭环输入观测器包括输入观测量公式;
输入观测量公式为:
其中,τ为时间常数,τ>0,J为等效到发动机输出轴的转动惯量;
ε满足公式:
上述的γ为设定的观测器增益的标定量,需要在线标定选取较好的值,即要保证算法快速收敛(γ较大)又要保证算法不失稳(γ不过大)。
上述的输入观测量公式即闭环输入观测器的输入观测量形式定义。
上述观测器可以通过李雅普诺夫稳定性理论证明其稳定性和收敛性。
在一种实施方式中,获取发动机输出转速和电机端输入到发动机轴上的扭矩,包括:
按预设的采样周期,从发动机控制器采集发动机输出转速和从电机控制器采集电机端输入到发动机轴上的扭矩。
进一步,闭环输入观测器包括离散化函数;
离散化函数包括:
和
ε(k+1)=(1-δTγ)ε(k)+γy(k)+γ2z(k) (7);
公式6和公式7中,k为采样次数,为第K次采样时的发动机扭矩的估计值,γ为观测器增益,γ>0,τ为时间常数,J为等效到发动机输出轴的转动惯量,τ>0,z(k)为第K次采样时的发动机输出轴转速,ε(k)为第K次采样时的发动机扭矩的基准观测值,ε(k+1)为第K+1次采样时的ε的差分,δT为采样周期,y(k)为第K次采样时的电机端输入到发动机轴上的扭矩。
δT作为采样周期,为设定值,可以根据需要设置,如设置为10ms;
k作为采样次数,为累加值,如1,2,3,……。
γ作为观测器增益,在实际使用时可以结合系统物理参数选取观测器增益γ。γ过大可能造成饱和效应,噪声加剧等不良影响。
本公开的技术方案,采用了一阶前向差分,兼顾了算法实时性和精确性。
可以知道的,附图图2中的S为微分算子,图2中,上半部分为混合动力系统的轴系统动力学模型,通过y和x相加得到根据积分得到z;下半部分为发动机扭矩观测器,y为电机控制器IPU发送给整车控制器VCU的电机端输入到发动机轴上的扭矩,z为发动机控制器EMS发送给整车控制器VCU的发动机输出轴转速,表示发动机有效扭矩的估计值,表示发动机扭矩的基准观测值的导数,由y与增益γ的积、z与增益的平方γ2的积、发动机扭矩的基准观测值ε相加得到,而发动机扭矩的基准观测值ε由积分得到,最后发动机有效扭矩的估计值由z与增益γ的积减去ε得到,当积分收敛后则能获取到收敛到发动机有效扭矩真值的估计值
在另一个实施例中,如图2和图3所示,混联式混合动力系统发动机扭矩估计装置,包括:
获取模块1,用于获取发动机输出转速和电机端输入到发动机轴上的扭矩;
计算模块2,用于根据发动机输出转速、电机端输入到发动机轴上的扭矩以及预设的闭环输入观测器计算发动机扭矩的估计值;
其中,所述闭环输入观测器的输入变量为发动机输出转速,闭环输入观测器的输出变量为电机端输入到发动机轴上的扭矩,闭环输入观测器的状态变量估计值为发动机扭矩。
在一种实施方式中,闭环输入观测器包括输入观测量公式;
输入观测量公式为:
其中,τ为时间常数,τ>0,J为等效到发动机输出轴的转动惯量;
在一种实施方式中,获取发动机输出转速和电机端输入到发动机轴上的扭矩,包括:
按预设的采样周期,从发动机控制器采集发动机输出转速和从电机控制器采集电机端输入到发动机轴上的扭矩。
作为上述实施方式的可选方案,闭环输入观测器包括离散化函数;
离散化函数包括:
和
ε(k+1)=(1-δTγ)ε(k)+γy(k)+γ2z(k);
其中,k为采样次数,为第K次采样时的发动机扭矩的估计值,γ为观测器增益,γ>0,τ为时间常数,J为等效到发动机输出轴的转动惯量,τ>0,z(k)为第K次采样时的发动机输出轴转速,ε(k)为第K次采样时的发动机扭矩的基准观测值,ε(k+1)为第K+1次采样时的ε的差分,δT为采样周期,y(k)为第K次采样时的电机端输入到发动机轴上的扭矩。
在另一个实施例中,一种计算机可读存储介质,计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现本公开中任一项混联式混合动力系统发动机扭矩在线估计方法的步骤。
在另一个实施例中,一种计算设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,处理器执行计算机程序时实现本公开中任一项混联式混合动力系统发动机扭矩在线估计方法的步骤。
在另一个实施例中,根据离散化函数搭建MATLAB模型后生成代码并写入VCU中,该离散化函数根据当前测量到的电机端输入到发动机轴上的扭矩y和发动机输出轴转速z实时迭代计算发动机扭矩的基准观测值ε,然后将实测的发动机输出轴转速z与标定的观测器增益γ相乘得到一个发动机扭矩的观测修正值,然后加上负的发动机扭矩的反馈观测部分ε,即可得到混动系统中发动机扭矩的估计值使用过程中需要优化反复多次标定观测器增益γ以达到最好的观测效果:即能快速收敛,又没有过大震荡。
本公开的技术方案解决了传统的开环估计方法由于标定/训练/频域分析等方法得到的开环估计模型的建模误差,以及混动系统动态过程发动机扭矩估计精度差这两个问题。闭环输入观测器充分利用了混合动力系统中轴系部分扭矩(主要是发电机和电动机扭矩)精确已知并可实时反馈的优势,使得动力学方程中仅剩一个未知量可以通过闭环输入观测器来在线估计,并仅需通过调节观测增益便可对动态过程中发动机扭矩的变化做出迅速响应,本质原因在于电机扭矩作为已知项能够快速精确的获取,而发动机扭矩本身慢于电机,因而给闭环观测提供了时间条件。
本公开的技术方案通过在行星排式混联混合动力系统上,利用实时反馈的电动/发电机扭矩,对经常存在误差的发动机扭矩进行精确的实时在线闭环估计,规避了传统基于开环模型的估计方法估计精度较差和对系统动态过程中发动机扭矩难以估计的问题,有效保证了混合动力系统中发动机扭矩的准确性,为混合动力系统的扭矩控制精度(典型的如电动机补偿扭矩精度)提供了有力保障。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解,上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开,而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言,在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型,并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。
Claims (8)
1.混联式混合动力系统发动机扭矩在线估计方法,其特征在于,包括:
获取发动机输出转速和电机端输入到发动机轴上的扭矩;
根据发动机输出转速、电机端输入到发动机轴上的扭矩以及预设的闭环输入观测器计算发动机扭矩的估计值;
其中,所述闭环输入观测器的输出变量为发动机输出转速,闭环输入观测器的状态变量为电机端输入到发动机轴上的扭矩,闭环输入观测器的输入变量为发动机扭矩;
所述闭环输入观测器包括输入观测量公式;
所述输入观测量公式为:
其中,τ为时间常数,τ>0, J为等效到发动机输出轴的转动惯量;
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,获取发动机输出转速和电机端输入到发动机轴上的扭矩,包括:
按预设的采样周期,从发动机控制器采集发动机输出转速和从电机控制器采集电机端输入到发动机轴上的扭矩。
4.混联式混合动力系统发动机扭矩估计装置,其特征在于,包括:
获取模块,用于获取发动机输出转速和电机端输入到发动机轴上的扭矩;
计算模块,用于根据发动机输出转速、电机端输入到发动机轴上的扭矩以及预设的闭环输入观测器计算发动机扭矩的估计值;
其中,所述闭环输入观测器的输出变量为发动机输出转速,闭环输入观测器的状态变量为电机端输入到发动机轴上的扭矩,闭环输入观测器的输入变量估计值为发动机扭矩;
所述闭环输入观测器包括输入观测量公式;
所述输入观测量公式为:
其中,τ为时间常数,τ>0,J为等效到发动机输出轴的转动惯量;
5.如权利要求4所述的装置,其特征在于,获取发动机输出转速和电机端输入到发动机轴上的扭矩,包括:
按预设的采样周期,从发动机控制器采集发动机输出转速和从电机控制器采集电机端输入到发动机轴上的扭矩。
7.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至3中任一项所述的方法的步骤。
8.一种计算设备,包括存储器和处理器,其特征在于,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至3中任一项所述方法的步骤。
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