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技术领域

本公开涉及一种用于确定混合动力车辆中的发动机分离离合器扭矩的系 统和方法，所述混合动力车辆具有发动机，该发动机选择性地连接到牵引马 达和自动变速器。

背景技术

混合动力电动车辆(HEV)利用内燃发动机与电动马达的组合来提供推 进车辆所需要的动力。这种布置提供优于仅具有内燃发动机的车辆的提高的 燃料经济性。可使用离合器来控制动力流，并在瞬态车辆操作(诸如发动机 或电动马达的开机)期间为驾驶员提供平稳的操作。

例如，在发动机低效率运转或者其他不需要发动机来推进车辆期间，发 动机可在HEV中停止运转。在这些情况下，使用电动马达来提供推进车辆所 需要的所有动力。当驾驶员动力需求增加使得电动马达不再能提供足以满足 该需求的动力时，如果电池的荷电状态(SOC)下降至特定水平以下或者另 一车辆系统需要发动机运转，则会需要启动发动机以为车辆提供额外动力。 根据车辆的状态，会期望通过动力传动系统(即，发动机、马达、变速器等) 利用各种控制序列来启动发动机，以满足那时车辆和驾驶员的要求。

发明内容

公开了一种用于利用车辆中的牵引马达在发动机启动期间估计离合器扭 矩的系统和方法，所述车辆具有发动机，该发动机选择性地连接到所述马达 和变速器。控制器可被配置为使用马达扭矩作为输入基于通过测量的动力传 动系统状态与预测的动力传动系统状态之间的差异估计的离合器扭矩来控制 马达扭矩。所述动力传动系统状态可包括例如马达转速、涡轮转速、发动机 转速和离合器扭矩。可使用自适应增益来促使测量的(或实际的)离合器扭 矩与估计的(或预测的)离合器扭矩之间的差异趋于零。

在一个实施例中，一种混合动力车辆包括发动机，所述发动机通过分离 离合器被选择性地连接到牵引马达和变速器。所述车辆还包括控制器，所述 控制器被配置为基于通过测量的动力传动系统状态与预测的动力传动系统状 态之间的差异估计的离合器扭矩来控制马达扭矩。所述预测的动力传动系统 状态包括马达转速、发动机转速、涡轮转速和离合器扭矩中的至少一种。进 一步利用自适应增益来估计离合器扭矩，所述自适应增益通过测量的动力传 动系统状态与预测的动力传动系统状态(例如，马达转速和发动机转速)之 间的差异计算得出。

在另一实施例中，一种混合动力车辆包括发动机和变速器，所述变速器 具有齿轮装置，所述齿轮装置限定从变速器的输入轴到输出轴的多个扭矩流 动路径。所述车辆还包括设置在发动机和变速器之间的马达，其中，所述发 动机通过分离离合器被选择性地连接到马达和变速器。控制器被配置为利用 马达基于通过测量的马达转速和预测的马达转速之间的差异估计的离合器扭 矩而在发动机启动期间控制马达扭矩。所述预测的马达转速可基于马达扭矩、 马达动态和涡轮动态，测量的马达转速可由转速传感器确定。离合器扭矩可 进一步基于马达扭矩和通过测量的马达转速与预测的马达转速之间的差异计 算得出的自适应增益。所述控制器可被配置为基于马达扭矩、发动机扭矩和 发动机动态来预测发动机转速。

在又一实施例中，描述了一种用于控制混合动力车辆的方法，所述混合 动力车辆具有发动机，该发动机选择性地连接到马达和变速器。所述方法包 括基于通过测量的动力传动系统状态与预测的动力传动系统状态之间的差异 估计的离合器扭矩来控制马达扭矩。所述方法还包括基于马达扭矩、马达动 态和涡轮动态中的至少一种来估计马达转速和涡轮转速。还通过马达扭矩、 发动机扭矩和自适应增益来估计离合器扭矩，所述自适应增益通过测量的发 动机转速与预测的发动机转速之间的差异计算得出。

根据本发明，提供一种混合动力车辆，包括：发动机；变速器，具有齿 轮装置，所述齿轮装置限定从变速器的输入轴到输出轴的多个扭矩流动路径； 马达，设置在发动机和变速器之间，所述发动机通过分离离合器被选择性地 连接到马达和变速器；控制器，被配置为利用马达基于通过测量的马达转速 和预测的马达转速之间的差异估计的离合器扭矩而在发动机启动期间控制马 达扭矩。

根据本发明的一个实施例，所述预测的马达转速基于马达扭矩、马达动 态和涡轮动态。

根据本发明的一个实施例，控制器进一步被配置为基于马达扭矩、发动 机扭矩和发动机动态来预测发动机转速。

根据本发明的一个实施例，离合器扭矩进一步基于马达扭矩和通过测量 的马达转速与预测的马达转速之间的差异计算得出的自适应增益。

根据本发明的一个实施例，还通过马达扭矩、发动机扭矩和自适应增益 来估计离合器扭矩，所述自适应增益通过测量的发动机转速与预测的发动机 转速之间的差异计算得出。

根据本发明，提供一种用于控制混合动力车辆的方法，所述混合动力车 辆具有发动机，该发动机选择性地连接到马达和变速器，所述方法包括基于 通过测量的动力传动系统状态和预测的动力传动系统状态估计的离合器扭矩 来控制马达扭矩。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括基于马达扭矩、马达动态和 涡轮动态来预测马达转速和涡轮转速。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括基于马达扭矩、发动机扭矩 和发动机动态来预测发动机转速。

根据本发明的一个实施例，通过马达扭矩和自适应增益来估计离合器扭 矩，所述自适应增益通过测量的马达转速和预测的马达转速之间的差异计算 得出。

根据本发明的一个实施例，通过马达扭矩、发动机扭矩和自适应增益来 估计离合器扭矩，所述自适应增益通过测量的发动机转速和预测的发动机转 速之间的差异计算得出。

根据本发明的一个实施例，预测的动力传动系统状态包括马达转速、发 动机转速、涡轮转速和离合器扭矩中的至少一种。

根据本发明的一个实施例，测量的动力传动系统状态包括马达转速、发 动机转速和涡轮转速中的至少一种。

根据本发明的一个实施例，发动机转速通过发动机转速传感器测量得到。

根据本发明的一个实施例，马达转速通过马达转速传感器测量得到。

根据本发明的一个实施例，进一步利用自适应增益来估计离合器扭矩， 所述自适应增益通过测量的动力传动系统状态与预测的动力传动系统状态之 间的差异计算得出。

根据本公开的实施例提供各种优点。例如，各实施例减少了从动力传动 系统传递到车辆车身的扭矩扰动，这减轻了驾驶员经历的不愉快的换档冲击。 此外，根据本公开的实施例在分离离合器接合期间提供平稳的发动机启动。 通过下面结合附图对优选实施例进行的详细描述，上述优点及其他优点和特 点将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本公开的实施例的混合动力车辆动力传动系统的示意性表 示；

图2是示出根据本公开的实施例在发动机启动期间混合动力车辆中的分 离离合器的接合的曲线图；

图3A是示出根据本公开的实施例的给定变矩器的容量因子曲线的曲线 图；

图3B是示出根据本公开的实施例的给定变矩器的变矩比曲线的曲线图；

图4是示出用于估计离合器扭矩的控制算法的流程图；

图5是示出根据本公开的实施例的用于在发动机启动期间估计离合器扭 矩的一种方法的流程图；

图6是示出根据本公开的另一实施例的用于在发动机启动期间估计离合 器扭矩的另一种方法的流程图。

具体实施方式

根据需要，在此公开了要求保护的主题的详细的实施例；然而，应理解， 公开的实施例仅为示例，并且可以以多种和替代的形式实施。附图不一定按 比例绘制；可夸大或最小化一些特征以显示特定组件的细节。因此，在此所 公开的具体结构和功能细节不应解释为限制，而仅为用于教导本领域技术人 员以多种方式使用要求保护的主题的实施例的代表性基础。

车辆制造商正在改进混合动力车辆的动力系统和传动系统，以满足对提 高的燃料效率和较低的排放的需求。一种这样的改进可包括在自动变速器和 发动机之间设置牵引马达。发动机可通过分离离合器被选择性地连接到牵引 马达和自动变速器。分离离合器可允许车辆以牵引马达用作主要动力源(发 动机分离)的纯电动驱动模式、牵引马达和发动机两者推进车辆的混合动力 模式和/或仅通过发动机来推进车辆的纯发动机模式操作。

参照图1，示出了根据本公开的实施例的混合动力车辆100的示意性表 示。发动机110可被可操作地连接到低电压起动机112，低电压起动机112 可用于在需要额外扭矩时启动发动机110。低电压起动机112可由低电压电池 114驱动。电机116或牵引马达可被可操作地连接到传动系，并可位于发动机 110和变速器126或齿轮箱之间。电机116可由高电压电池124驱动。发动机 110可通过分离离合器118被选择性地连接到马达116和变速器126，分离离 合器118允许发动机110独立于车辆操作而被分离并停止运转。从发动机110 和马达116传递的扭矩可通过传动系提供给变速器126，变速器126将扭矩 提供给差速器128以驱动车轮130。

如图1所示，具有用于锁定泵轮和涡轮的旁通离合器的变矩器122或者 (可替代地)起步离合器可位于马达116与变速器126之间，并可用于扭转 隔离。另外，变速器油泵120可与马达116位于同一轴上，变速器油泵120 提供油流经变速器126以进行润滑和液压操作。该主泵120可被辅以电动辅 助泵。

所述车辆可包括车辆系统控制器(VSC)134，用于控制各种车辆系统和 子系统。VSC 134可包括用于实现易失性和/或永久性存储的各种类型的计算 机可读存储介质。在一个实施例中，VSC 134包括发动机控制单元(ECU) 138和变速器控制单元(TCU)136。ECU 138电连接到发动机110，用于控 制发动机110的操作。TCU 136电连接到马达116和变速器126(如132处所 示)并控制马达116和变速器126。根据本公开的一个或更多个实施例，ECU 138通过车辆网络利用公共总线协议(例如，CAN)与TCU 136及其他控制 器(未示出)通信。尽管说明的实施例示出了用于控制混合动力动力传动系 统的VSC 134的功能被包含在两个控制器(ECU 138和TCU 136)内，但是 混合动力车辆的其他实施例可包括单个VSC控制器和/或用于控制混合动力 动力传动系统的控制器的任何其他组合。

在正常操作下，通过VSC 134来解释驾驶员请求。这些请求包括档位选 择(PRNDL)和加速器踏板位置(APPS)，以解释针对车轮扭矩的驾驶员意 图。驾驶员在制动踏板上的输入(BPPS)通过制动系统控制模块(BSCM) 进行解释，车轮扭矩修改请求被发送到VSC 134，以调节最终的车轮扭矩。 高电压电池控制器(BECM)监测电池的温度、电压、电流、SOC，并确定 最大容许放电功率极限和最大容许充电功率极限。VSC 134确定动力传动系 统操作点，以维持电池的荷电状态，使燃料消耗最小化并实现驾驶员需求的 车辆操作。VSC 134内的扭矩控制(TC)特征负责确定发动机和马达扭矩命 令之间的扭矩分配。TC基于当前的驾驶员动力需求和SOC计算电池充电功 率请求。基于能量管理算法，TC可确定发动机开/关，以在纯电动模式和混 合动力模式之间切换。如前面所讨论的，可通过使分离离合器118接合而使 用马达来启动发动机或者可通过使用低电压起动机112来启动发动机。

参照图2，显示了示出在发动机启动期间混合动力车辆中的分离离合器 的接合的曲线图。从t₀到t₁，分离离合器打开，分离离合器扭矩为零。从t₁到t₂，离合器正在闭合，扭矩容量可变。这是本公开的关注区域。在t₂，离合 器闭合。离合器扭矩等于发动机扭矩。众所周知，在离合器正在闭合时确定 离合器扭矩是困难的且测量成本高。本公开提供一种利用动力传动系统中已 有的转速传感器来估计离合器打滑时的离合器扭矩的系统和方法。离合器的 模型保存在控制器中并实时更新。由转速传感器检测到的扰动用作模型的输 入，并相应地更新模型。这不仅提供了一种稳健的解决方案，而且与使用实 际的扭矩传感器相比成本较低。

如上所述，一些混合动力车辆包括选择性地连接到电机和变速器的发动 机。在诸如此类的混合动力车辆中，可使用低电压起动机来启动发动机。可 替代地，可通过使分离离合器接合并使用马达来启动发动机。在接合期间， 存在从马达到发动机的扭矩传递，该扭矩传递在发动机开始产生扭矩之前克 服压缩和摩擦扭矩。在发动机启动的这一阶段，如果初始的离合器扭矩没有 得到补偿，则马达转速将会下降，从而使泵轮转速下降并在传动系扭矩中产 生扭矩洞(torque hole)。为了实现平稳的发动机启动并克服由于发动机启动 导致的传动系扭矩的扰动抑制，有必要对离合器扭矩进行估计。离合器扭矩 难以估计，并且测量会需要产品车辆的车载扭矩传感器，测量成本高。因此， 本公开提供一种用于在发动机启动期间或者在离合器未完全锁定的其他事件 期间估计离合器扭矩的系统和方法。

更具体地讲，描述了一种利用简化的动力传动系统动态模型基于测量的 (或实际的)动力传动系统状态和估计的(或预测的)动力传动系统状态之 间的误差估计离合器扭矩的控制算法。该算法包括将离合器建模为被控对象 (plant)的内部状态的简化的动力传动系统模型。向该动力传动系统模型提 供马达扭矩作为输入。基于动力传动系统模型动态，预测马达转速、涡轮转 速和离合器扭矩。由于不能准确地获知离合器扭矩的初始估计值，并且归因 于在获知动力传动系统模型动态时的小误差，使得预测的马达转速将不同于 实际测量的马达转速。随后通过自适应算法来提供转速预测误差。该算法修 改动力传动系统模型的输入，以促使预测的马达转速和测量的马达转速之间 的误差以及预测的涡轮转速和测量的涡轮转速之间的误差差值为零。这还促 使离合器扭矩的估计值为实际的离合器扭矩。

随后，估计的离合器扭矩可用作马达控制器的前馈，以利用马达来补偿 发动机启动期间的发动机压缩和摩擦扭矩。此外，该算法可用于在离合器未 完全锁定的其他事件期间估计离合器扭矩。

当为了启动发动机而使分离离合器接合时，马达除向传动系传递扭矩之 外还提供额外的扭矩以克服发动机压缩和摩擦扭矩。提出的算法使用动力传 动系统动态模型来预测在发动机启动事件期间马达上的这一额外的扰动扭 矩。动力传动系统模型具有三种状态：

x＝[ω_m,ω_turbine,τ_clutch]^T   (1)

其中，ω_m是马达/泵轮转速，ω_turbine是涡轮转速，τ_clutch是离合器扭矩。马 达和变矩器涡轮状态动态如下：

ω · m = ( τ m - τ clutch - τ pump ) / I m - - - ( 2 ) ]]>

其中，τ_m是马达扭矩，τ_pump是变矩器泵轮载荷，I_m是马达、分离离合器 和变矩器泵轮(即，实际上随马达旋转的所有部件)的组合惯量。

如果马达加速度已知，则可利用等式(2)来计算离合器扭矩τ_clutch。在数 学上，可通过对马达转速进行数值微分来计算马达加速度然而，数值微 分导致原始信号噪声的放大，并且生成的马达加速度信号是有噪声的。提出 的估计方法在不对马达转速信号进行显式微分的情况下计算离合器扭矩，如 等式(3)和等式(4)所示：

ω · turbine = ( τ turbine - o ^ vehload ) / I veh - - - ( 3 ) ]]>

ω · turbine = ( τ turbine - μMg - 0.5 C d ρ A veh v 2 ) / ( Mr ) - - - ( 4 ) ]]>

其中，τ_turbine是变矩器涡轮扭矩，μ是滚动摩擦系数，M是车辆质量，C_d是阻力系数，A_veh是车辆的迎风面积，v是车速，r是有效车轮半径。

如等式(5)和等式(6)所示，利用容量因子曲线和变矩比曲线如下所示地计 算变矩器涡轮扭矩和变矩器泵轮扭矩：

τ pump = ( ω m K ( SR ) ) 2 - - - ( 5 ) ]]>

τ_turbine＝τ_pump*T_R(SR)  (6)

SR = ω m ω t - - - ( 7 ) ]]>

其中，对于给定的变矩器，K是容量因子，T_R是变矩比，K和T_R均为上 面的等式(7)中所示的速比SR的函数。图3A和图3B分别示出了根据本公开 的实施例的代表性的容量因子曲线和变矩比曲线。另外，如等式(8)所示，离 合器扭矩被建模为具有零动态。

τ · clutch = 0 - - - ( 8 ) ]]>

可替代地，也可使用发动机动态来估计离合器扭矩。发动机动态由等式 (9)给出，并按如下进行计算：

ω · e = ( τ e - τ clutch ) I e - - - ( 9 ) ]]>

其中，τ_e是发动机扭矩，I_e是发动机的惯量。算法将保持不变，仅增加 发动机转速作为动力传动系统状态(例如，x＝[ω_e,ω_m,ω_turbine,τ_clutch]^T)，并可用于 帮助促使估计的离合器扭矩和实际的离合器扭矩之间的误差为零。发动机转 速传感器可用于测量实际的发动机转速。可将测量的发动机转速与预测的发 动机转速进行比较，预测的发动机转速可通过利用上面的等式进行确定。随 后，测量的动力传动系统状态和预测的动力传动系统状态之间的误差可被提 供给自适应增益算法。

上述动力传动系统模型可用于使用马达扭矩作为输入来计算动力传动系 统状态。图4提供了实现可用于计算这样的动力传动系统状态的控制算法的 框图。具体地讲，马达扭矩用作简化的动力传动系统动态模型412的输入410。 简化的动力传动系统动态模型412使用上述等式来估计和/或预测马达转速、 发动机转速、涡轮转速和离合器转速。在416处，将估计的(或预测的)马 达转速与测量的马达转速进行比较。将测量的马达转速和预测的马达转速之 间的误差提供到自适应算法418。如上所述，同样地，动力传动系统模型也 可使用测量的发动机转速和预测的发动机转速之间的误差来估计离合器扭 矩。由于未建模被控对象动态和离合器扭矩状态初始化时的误差，使得预测 的状态将不同于测量的状态(即，马达转速、涡轮转速和/或发动机转速)。 然后，预测的状态和测量的状态之间的误差乘以自适应增益L，并被加到被 控对象模型输入。利用自适应算法调整增益L，以促使预测的马达、涡轮和/ 或发动机转速与测量的马达、涡轮和/或发动机转速之间的误差为零。这还驱 使离合器扭矩的估计值为实际的离合器扭矩。

图5和图6示出了根据本公开的实施例的用于估计离合器扭矩的方法。 如本领域普通技术人员将理解的，根据具体应用和实施方式，图5和图6中 表示的功能可通过软件和/或硬件来执行。根据具体的处理策略(诸如事件驱 动、中断驱动等)，可按照与图5和图6中示出的顺序或序列不同的顺序或序 列来执行各功能。类似地，尽管未明确示出，但是在具体的操作条件下或在 具体的应用中，可重复执行、并列执行和/或省略一个或更多个步骤或功能。 在一个实施例中，示出的功能主要通过存储在计算机可读存储装置中并由一 个或更多个基于微处理器的计算机或控制器执行的代码、指令或软件来实现， 以控制车辆的操作。

参照图5，描述的控制策略500在存在使分离离合器接合并利用马达来 启动发动机的请求(512)的每种情况下运行(510)。控制策略500利用当前 的马达转速、马达扭矩、变矩器涡轮转速、零离合器扭矩和初始增益L₀进行 初始化(514)。可替代地，也可使用发动机转速和发动机扭矩。然后，控制 策略500利用简化的动力传动系统动态模型来估计/预测马达转速、涡轮转速 和离合器扭矩(516)。在框518中，控制策略计算测量的马达转速和预测的 马达转速之间的误差。该误差随后被提供给自适应算法520，用于计算估计 器增益L的新的值。可利用递归最小二乘法、卡尔曼滤波器或本领域已知的 任何其他方法来计算自适应增益。算法循环式运行，直到离合器完全接合并 锁定(522)为止。当不存在使分离离合器接合的请求或者分离离合器完全接 合并锁定时，控制策略在524处结束。如上所述，控制器可利用上面公开的 方法基于实际的/测量的发动机转速和预测的发动机转速之间的误差来估计 离合器扭矩。

可替代地，可使用最后一次调整的增益L的值作为下一个发动机启动事 件的初始值，而非在算法开始时将增益重置为L₀。在图6中更加详细地描述 了该替代方法。图6示出了根据本公开的实施例的用于估计离合器扭矩的另 一方法。具体地讲，控制策略600始于框610，在框612中，控制器检查是 否存在使分离离合器接合的请求。如果在612中不存在请求，则控制策略在 框626处结束。然而，如果在612中存在使分离离合器接合的请求，则控制 器读取存储的估计器增益L的值(614)，并使用该值连同马达扭矩一起来估 计马达转速、涡轮转速和离合器扭矩(616)。然后，控制器检查离合器是否 接合(622)。如果在622处离合器未接合，则计算测量的马达转速和预测的 马达转速之间的误差(620)。然后将该误差值提供给自适应算法618，自适 应算法618用于促使测量的马达转速和预测的马达转速之间的误差为零，并 因此促使估计的离合器扭矩和实际的离合器扭矩之间的误差为零。利用新的 估计器增益L来估计马达转速、涡轮转速和离合器扭矩，并重复该过程直到 在622处离合器锁定为止。当离合器锁定时，存储最后一次计算的估计器增 益L的值(624)，以在存在使分离离合器接合的另一请求时使用。控制策略 在框626处结束。同样地，利用上面公开的方法，可使用测量的发动机转速 和预测的发动机转速连同发动机扭矩一起来估计离合器扭矩。

通过在此描述的代表性实施例可以看出，根据本公开的实施例帮助减少 利用马达启动车辆(所述车辆具有发动机，该发动机选择性地连接到马达和 变速器两者)中的发动机所带来的挑战。通过使用公开的操作策略，可在不 使用成本会很高的车载扭矩传感器的情况下估计离合器扭矩。

虽然上文描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了本公 开的所有可能的形式。更确切地，说明书中使用的词语为描述性词语而非限 制性词语，并且应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以作出 各种改变。此外，可以组合实现的多个实施例的特征以形成本公开的进一步 的实施例。尽管已经详细描述了最佳方式，但是熟悉本领域的技术人员将意 识到权利要求的范围内的各种替代设计和实施例。尽管多个实施例已经被描 述为提供优点或者在一个或更多个期望特性方面优于其他实施例，但是如本 领域技术人员所认识的，取决于具体应用和实施方式，为了实现期望的系统 属性，可以折衷一个或更多个特性。这些属性包括但不限于成本、强度、耐 用性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可 制造性、装配容易性等。在此讨论的被描述为在一个或更多个特性方面不如 其他实施例或现有技术的实施方式合意的实施例也未超出本公开的范围，并 且可期望用于特定应用。