混合动力汽车发动机启停控制方法技术

一种混合动力汽车发动机启停控制方法，属于控制技术领域。本发明专利技术的目的是利用发动机实际和期望的转速差设计基于模型预测控制的误差反馈控制器，设计一个前馈加反馈结构的启停系统控制器，实现发动机平稳快速启动的混合动力汽车发动机启停控制方法。本发明专利技术首先将非线性系统进行了简化，同时，所采用的控制方法对模型的精度要求不需要太高，同时所设计的控制器考虑了执行器部分的硬性约束条件。同时所采用的控制器可以很好克服启动过程中由于发动机缸内气体压缩引起的大的扭矩波动，从而实现发动机平稳快速的启动。

Start stop control method of hybrid electric vehicle engine

The invention relates to a start stop control method for an engine of a hybrid electric vehicle, which belongs to the technical field of control. The purpose of the invention is to design an error feedback controller based on model predictive control by using the actual and expected speed difference of the engine, to design a start stop system controller with feedforward plus feedback structure, and to realize the start stop control method of the hybrid electric vehicle engine with stable and rapid engine start. Firstly, the non-linear system is simplified, at the same time, the control method adopted does not require too high precision of the model, and the designed controller considers the hard constraint conditions of the actuator part. At the same time, the controller can overcome the large torque fluctuation caused by the gas compression in the engine cylinder, so as to realize the smooth and fast start of the engine.

【技术实现步骤摘要】
混合动力汽车发动机启停控制方法
本专利技术属于控制

技术介绍
发动机启停系统就是在车辆行驶过程中临时停车(如遇到红灯或交通拥堵等情况)，发动机自动停止，当接收到驾驶员前进的指令时，发动机自动启动的系统。在严格的政府燃油经济性和排放法规下，启停系统由于其较低的成本和对原车改装比较小，受到了各大厂商的关注。相较于传统汽车，混合动力汽车发动机启停的次数更为频繁，因此发动机启停系统的控制性能也提出了更高的要求，即更快速平稳的启动。
技术实现思路
本专利技术的目的是利用发动机实际和期望的转速差设计基于模型预测控制的误差反馈控制器，设计一个前馈加反馈结构的启停系统控制器，实现发动机平稳快速启动的混合动力汽车发动机启停控制方法。本专利技术的步骤是：①将BSG启停系统构建成拉格朗日方程的形式:T表示带传动机构的动能，由下式可得：其中ωi用来表示转速，Ji表示转动惯量，i＝1表示发动机，i＝2表示BSG电机，P＝kB(R1θ1-R2θ2)2(3)其中P表示带传动机构的势能，R1表示发动机曲轴半径，R2表示BSG电机输出轴半径，kB表示皮带的等效刚度；D＝cB(R1ω1-R2ω2)2(4)其中D表示带传动机构的瑞利耗散函数，cB表示皮带的等效阻尼系数；W＝T1θ1+T2θ2(5)其中W表示带传动机构对外做的功，T1表示发动机启动阻力矩，T2表示BSG电机输出转矩；②整理可得BSG启停系统微分方程组如下：<br>③由于研究对象是BSG皮带传动的发动机启停系统，假设皮带传动是理想传动：R1θ1＝R2θ2，R1ω1＝R2ω2(7)BSG启停系统微分方程组可以简化为：其中Tind是发动机启动阻力矩，Tm是发动机往复惯性力矩，Tf是发动机摩擦扭矩；④由于启动时发动机不喷油，通过曲轴转角估计发动机缸内压力，从而估计由缸内压力变化引起的启动阻力矩，下式为单缸发动机启动阻力矩：其中是连杆曲柄比，L是连杆长度，r是曲轴半径；⑤在发动机工作过程中，从图3可以看出，相比较缸内气体压缩阻力矩，发动机启动过程的往复惯性力比较小，因此对发动机启动过程来看影响不是很大，而且往复惯性力矩是高度非线性的，所以在设计控制器时将其忽略不计：其中Fin(θ1)表示发动机往复惯性力，通过下式计算可得：Min表示往复运动零件(包括活塞，连杆，活塞销等)的等效质量，x表示缸内活塞的位移：⑥发动机摩擦力矩模型：Tf＝k0+k1ω1+k2ω12(13)根据上述可得面向控制的发动机启停模型如下：⑦因为由BSG电机拖动发动机启动，所以将电机扭矩T2作为系统的控制输入，为了削弱由于柴油机高压缩比导致的启动过程中大的压缩扭矩波动，将BSG电机扭矩分为一个前馈项加反馈项即：T2＝Tff+Tfb(15)其中有：Tff＝-φTind(16)当φ＝1，则有：由发动机缸内的工作过程可知：⑧因为启动过程完全是由电机拖动发动机到达怠速转速，不涉及到发动机喷油，所以假设发动机缸内是一个纯绝热过程，忽略热传递和热传导，即：Qn＝0(19)则有发动机缸内压强可表示为：其中VIVC表示进气阀关闭时发动机的体积Pamb表示外界标准大气压，V(θ1)表示发动机的体积随曲轴转角的变化，如下式所示：其中Vc表示发动机缸内的余隙容积(燃烧室容积)，Cr表示发动机的压缩比：综合以上可得，发动机缸内压强公式为：⑨针对四缸柴油机，每个气缸相位相差π，根据气缸做功顺序：1-3-2-4可得四缸柴油发动机启动时由于缸内气体压缩引起的气动阻力矩为：Tind＝Tind1(θ1)+Tind2(θ1+π)+Tind3(θ1-π)+Tind4(θ1-2π)(24)又有，简化后可得：⑩将模型用泰勒公式在期望发动机转速ω0处线性化之后，设计基于模型预测控制的反馈控制器，线性化之后的模型为：可以得到发动机启停控制系统的状态空间方程为：其中状态量x为发动机转速，控制变量u＝Tfb为BSG电机力矩，令输出变量y＝x也是发动机的转速值；为了满足模型预测控制器设计的需要，利用欧拉方程对发动机启停控制系统的状态空间方程进行离散化，选取采样时间为T,得到离散之后增量形式的系统状态方程为：其中，C＝1,D＝0⑪最后根据化简和变换之后得到的系统状态方程，根据模型预测控制算法设计基于模型预测控制的启停系统控制器，以发动机实际转速与期望转速之间的转速差为优化目标，设计出的目标代价函数如下式所示：J＝||Γy(Y(k+1|k)-R(k+1))||2+||ΓuΔU(k)||2(32)Γu,Γy是输入项和输出项的加权系数；Nu是控制时域这里选定为5，Np是预测时域同样选定为5，R(k+1)为发动机期望转速序列；扭矩优化中电机的最大力矩约束为：利用所设计的模型预测控制器计算出的电机扭矩,通过AMESim和MATLAB/Simulink联合仿真技术施加给BSG电机，实现发动机实际转速，跟踪上给定的期望转速，从而实现发动机的平稳启停。本专利技术首先将非线性系统进行了简化，同时，所采用的控制方法对模型的精度要求不需要太高，同时所设计的控制器考虑了执行器部分的硬性约束条件。同时所采用的控制器可以很好克服启动过程中由于发动机缸内气体压缩引起的大的扭矩波动，从而实现发动机平稳快速的启动。附图说明图1是实施本专利技术所述的基于前馈加反馈控制方法的发动机启停系统控制框图；图2是本专利技术所述的发动机启停系统中发动机与BSG电机连接结构示意图；图3是本专利技术所述的启停系统中发动机的缸内压缩阻力矩与往复惯性力矩对比曲线，其中虚线表示发动机往复惯性力矩，实往复惯性力矩发动机的缸内压缩阻力矩，单位均为Nm，横坐标为曲柄角，单位为度图4是本专利技术所述的启停控制系统前馈补偿控制器结构图；图5是本专利技术所述的发动机怠速值设定为700rpm时，经过启停控制器作用后期望发动机转速与实际发动机转速的对比曲线，其中虚线表示期望发动机转速，实线表示实际发动机转速，单位为rpm,横坐标为时间,单位为s；图6是本专利技术所述的发动机怠速值设定为750rpm时，经过启停控制器作用后期望发动机转速与实际发动机转速的对比曲线，其中虚线表示期望发动机转速，实线表示实际发动机转速，单位为rpm,横坐标为时间,单位为s；图7是本专利技术所述的发动机怠速值设定为800rpm时，经过启停控制器作用后期望发动机转速与实际发动机转速的对比曲线，其中虚线表示期望发动机转速，实线表示实际发动机转速，单位为rpm，横坐标为时间，单位为s本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合动力汽车发动机启停控制方法，其特征在于：其步骤是：/n①将BSG启停系统构建成拉格朗日方程的形式:/n

【技术特征摘要】
1.一种混合动力汽车发动机启停控制方法，其特征在于：其步骤是：
①将BSG启停系统构建成拉格朗日方程的形式:



T表示带传动机构的动能，由下式可得：



其中ωi用来表示转速，Ji表示转动惯量，i＝1表示发动机，i＝2表示BSG电机，
P＝kB(R1θ1-R2θ2)2(3)
其中P表示带传动机构的势能，R1表示发动机曲轴半径，R2表示BSG电机输出轴半径，kB表示皮带的等效刚度；
D＝cB(R1ω1-R2ω2)2(4)
其中D表示带传动机构的瑞利耗散函数，cB表示皮带的等效阻尼系数；
W＝T1θ1+T2θ2(5)
其中W表示带传动机构对外做的功，T1表示发动机启动阻力矩，T2表示BSG电机输出转矩；
②整理可得BSG启停系统微分方程组如下：



③由于研究对象是BSG皮带传动的发动机启停系统，假设皮带传动是理想传动：
R1θ1＝R2θ2，R1ω1＝R2ω2(7)
BSG启停系统微分方程组可以简化为：



其中Tind是发动机启动阻力矩，Tm是发动机往复惯性力矩，Tf是发动机摩擦扭矩；
④由于启动时发动机不喷油，通过曲轴转角估计发动机缸内压力，从而估计由缸内压力变化引起的启动阻力矩，下式为单缸发动机启动阻力矩：



其中是连杆曲柄比，L是连杆长度，r是曲轴半径；
⑤在发动机工作过程中，从图3可以看出，相比较缸内气体压缩阻力矩，发动机启动过程的往复惯性力比较小，因此对发动机启动过程来看影响不是很大，而且往复惯性力矩是高度非线性的，所以在设计控制器时将其忽略不计：



其中Fin(θ1)表示发动机往复惯性力，通过下式计算可得：



Min表示往复运动零件(包括活塞，连杆，活塞销等)的等效质量，x表示缸内活塞的位移：



⑥发动机摩擦力矩模型：
Tf＝k0+k1ω1+k2ω12(13)
根据上述可得面向控制的发动机启停模型如下：



⑦因为由BSG电机拖动发动机启动，所以将电机扭矩T2作为系统的控制输入，为了削弱由于柴油机高压缩比导致的启动过程中大的压缩扭矩波动，将BSG电机扭矩分为一个前馈项加反馈项即：
T2＝Tff+Tfb(15)
其中有：
Tff＝-φTind(16)
当φ＝1，则有：



由发动机缸内...

【专利技术属性】
技术研发人员：高巍，韩振宇，胡云峰，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22