基于预测性巡航的发动机扭矩预测性控制方法[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010613351.5
(22)申请日 2020.06.30
(71)申请人 威伯科汽车控制系统（中国）有限公
司
地址 266510 山东省青岛市黄岛区渭河路
917号
(72)发明人 滕昱棠　徐明申　
(74)专利代理机构 青岛智地领创专利代理有限
公司 37252
代理人 陈海滨
(51)Int.Cl.
F02D 41/14(2006.01)
F02D 29/02(2006.01)
(54)发明名称
基于预测性巡航的发动机扭矩预测性控制
方法
(57)摘要
本发明公开了基于预测性巡航的发动机扭
矩预测性控制方法，包括如下步骤：步骤1，预测
性地估算车辆在前方道路的动力需求，并将其量
化成动力需求系数。

步骤2，得到发动机的理论经
济空燃比表和目标扭矩限制表。

步骤3，根据当前
的进气流量和燃油流量实时估算当前空燃比。

计
算得到当前工况下的理论经济空燃比。

步骤5，通
过车辆工况判断逻辑得到预测性巡航控制期望
的车辆状态。

步骤6‑9，估算得到理论经济空燃比
的限制系数，并通过计算目标喷油流量，得到最
终目标扭矩限制，传送至发动机控制器。

本发明
通过对发动机扭矩的优化和干预控制，减少了额
外扭矩的浪费，使得发动机扭矩接近经济工作点
且平滑变化，避免了多余的制动减速，改善了燃
油经济性。

权利要求书2页 说明书5页 附图3页CN 111852672 A 2020.10.30
C N 111852672
A
1.基于预测性巡航的发动机扭矩预测性控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，根据车重、预测性巡航的车速信息、前方道路的坡度信息、前方道路的曲率信息以及预测性功率请求，预测性地估算车辆在前方道路的动力需求，并将动力需求量化成动力需求系数；
步骤2，利用发动机万有特性曲线，通过线性插值方法得到发动机在不同转速下的理论经济空燃比表,并通过线性插值方法得到发动机在不同转速下、喷油流量下的目标扭矩限制表；
步骤3，根据当前的进气流量和燃油流量实时估算当前空燃比；
步骤4，使用步骤2中获得的理论经济空燃比表,根据当前发动机转速计算得到当前工况下的理论经济空燃比；
步骤5，根据当前实际车速、巡航设定车速、步骤3中得到的当前空燃比和步骤4中得到的理论经济空燃比，通过车辆工况判断逻辑得到预测性巡航控制期望的车辆状态；
如果期望的车辆状态为驱动状态，则进行后续的控制步骤6-9；
如果期望的车辆状态为滑行状态，则进行后续的控制步骤10；
步骤6，根据步骤1中得到的动力需求系数以及巡航设定车速和实际车速差，通过空燃比限制系数计算，估算得到理论经济空燃比的限制系数；
再将理论经济空燃比的限制系数乘以步骤4中的理论经济空燃比，得到实际用于控制的允许空燃比下限；
步骤7，利用步骤6得到的允许空燃比下限，计算目标喷油流量；
步骤8，使用步骤2中获得的目标扭矩限制表，根据目标喷油流量和发动机转速线性插值查表计算出当前的前馈目标扭矩限制；
步骤9，比较实际燃油流量和目标喷油流量，利用反馈控制计算出反馈目标扭矩限制，综合前馈目标扭矩限制，得到最终目标扭矩限制，并将最终目标扭矩限制传送至发动机控制器；
步骤10，在滑行状态下，最终目标扭矩限制直接限制为0，并将最终目标扭矩限制传送至发动机控制器，要求发动机切断喷油。

2.根据权利要求1所述的基于预测性巡航的发动机扭矩预测性控制方法，其特征在于，当滑行状态向驱动状态切换的瞬态过程中，目标扭矩限制需要进行平滑过渡切换；
普通工况向滑行工况切换时，可直接将目标扭矩限制到0。

3.根据权利要求1所述的基于预测性巡航的发动机扭矩预测性控制方法，其特征在于，步骤1中，计算车辆在前方道路动力需求系数的具体步骤如下：
首先，根据预测性巡航ECU识别当前的车重、来自预测性巡航车速规划功能的前方一定距离道路的车辆车速及车速变化率、前方一定距离道路的坡度和坡度变化率、前方一定距离道路的曲率及预测性功率请求，对前方一定距离道路行驶的需求扭矩进行估算；
其次，根据规划的前方一定距离的车速及当前档位速比，估算前方一定距离的平均发动机转速，并按照万有特性查表得到对应转速下的最经济扭矩；
最后，将估算的需求扭矩除以最经济扭矩得到动力需求系数。

4.根据权利要求1所述的基于预测性巡航的发动机扭矩预测性控制方法，其特征在于，步骤6中，计算允许空燃比下限包括如下步骤：
首先，根据当前预测的动力需求系数和发动机转速，计算出动态的空燃比修正系数曲线；
然后，根据当前的巡航设定车速与实际车速之差，插值空燃比限制系数曲线，得到当前的空燃比限制修正系数。

5.根据权利要求4所述的基于预测性巡航的发动机扭矩预测性控制方法，其特征在于，动态的空燃比修正系数曲线采用如下步骤获得：
首先，通过当前预估的动力需求系数，查表计算空燃比修正系数的终点横坐标，即扭矩干预允许的最大车速差。

其次，通过当前发动机转速，查表计算得到空燃比修正系数的终点纵坐标，即允许的最高空燃比修正系数值。

其系数插值曲线是按照万有特性上，发动机在对应转速下，最经济负荷率的倒数事先计算得到的。

空燃比修正系数的起点坐标为(0km，100％)，即当实际车速大于等于巡航车速时，修正系数为1，实际限制空燃比将等于理论经济空燃比。

基于预测性巡航的发动机扭矩预测性控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及汽车控制技术领域，具体涉及基于预测性巡航的发动机扭矩预测性控制方法。

背景技术
[0002]当前，汽车市场已经普及了常规巡航功能，车辆能够按照驾驶员给出的目标巡航车速控制发动机扭矩，维持车速。

近年来，市场上出现了预测性巡航功能，能够通过GPS定位以及电子地平线技术提前知晓前方道路信息(如坡度、弯道曲率等)，预测性地调整目标车速。

一种常见的技术方案是将常规巡航和预测性巡航结合起来，通过预测性车速规划调整巡航目标车速，通过常规巡航控制发动机扭矩。

[0003]上述技术方案虽然能够根据前方道路信息预测性地调整巡航目标车速，但发动机扭矩仍完全由常规巡航控制，可能出现与预测性巡航的控制意图的不匹配。

较常见的有如下缺陷：
[0004]在上缓坡时，预测性巡航控制在意图降低车速，而实际车速等于或略低于预测巡航目标车速时，巡航功能仍可能会请求发动机在满负荷情况下工作。

在此情况下，巡航控制没有必要以牺牲油耗的代价来保持车速。

[0005]在下长坡时，实际车速已经高于巡航目标车速时，巡航功能仍然会继续维持发动机的扭矩输出。

此情况下，发动机会存在不必要的燃油浪费。

[0006]由于换档后的涡轮增压迟滞效应，进气歧管压力建立较慢，巡航请求的扭矩可能造成发动机工作在低空燃比状态下。

而当车辆行驶在平路或下坡工况下，车辆的动力需求并不高，没有必要立刻满足原有巡航的扭矩请求。

[0007]另外，常规巡航功能中，因为没有前方道路的信息进行预测性规划，扭矩控制需要一直以目标巡航车速为目标维持车速。

这样的控制方式存在一定的局限性，无法根据前方信息动态规划扭矩控制。

因此，现有技术亟待进一步改进。

发明内容
[0008]针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出基于预测性巡航的发动机扭矩预测性控制方法，解决重型卡车预测性巡航与常规巡航控制器扭矩控制不协调，造成发动机工作状态不经济,而引起的油耗不佳的问题。

[0009]为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
[0010]基于预测性巡航的发动机扭矩预测性控制方法，包括如下步骤：
[0011]步骤1，根据车重、预测性巡航的车速信息、前方道路的坡度信息、前方道路的曲率信息以及预测性功率请求，预测性地估算车辆在前方道路的动力需求，并将动力需求量化成动力需求系数；
[0012]步骤2，利用发动机万有特性曲线，通过线性插值方法得到发动机在不同转速下的理论经济空燃比表,并通过线性插值方法得到发动机在不同转速下、喷油流量下的目标扭
矩限制表。

[0013]步骤3，根据当前的进气流量和燃油流量实时估算当前空燃比。

[0014]步骤4，使用步骤2中获得的理论经济空燃比表,根据当前发动机转速计算得到当前工况下的理论经济空燃比。

[0015]步骤5，根据当前实际车速、巡航设定车速、步骤3中得到的当前空燃比和步骤4中得到的理论经济空燃比，通过车辆工况判断逻辑得到预测性巡航控制期望的车辆状态。

[0016]如果期望的车辆状态为驱动状态，则进行后续的控制步骤6-9。

[0017]如果期望的车辆状态为滑行状态，则进行后续的控制步骤10。

[0018]步骤6，根据步骤1中得到的动力需求系数以及巡航设定车速和实际车速差，通过空燃比限制系数计算，估算得到理论经济空燃比的限制系数。

[0019]再将理论经济空燃比的限制系数乘以步骤4中的理论经济空燃比，得到实际用于控制的允许空燃比下限。

[0020]步骤7，利用步骤6得到的允许空燃比下限，计算目标喷油流量。

[0021]步骤8，使用步骤2中获得的目标扭矩限制表，根据目标喷油流量和发动机转速线性插值查表计算出当前的前馈目标扭矩限制。

[0022]步骤9，比较实际燃油流量和目标喷油流量，利用反馈控制计算出反馈目标扭矩限制，综合前馈目标扭矩限制，得到最终目标扭矩限制，并将最终目标扭矩限制传送至发动机控制器。

[0023]步骤10，在滑行状态下，最终目标扭矩限制直接限制为0，并将最终目标扭矩限制传送至发动机控制器，要求发动机切断喷油。

[0024]进一步地，当滑行状态向驱动状态切换的瞬态过程中，目标扭矩限制需要进行平滑过渡切换。

[0025]普通工况向滑行工况切换时，可直接将目标扭矩限制到0。

[0026]进一步地，步骤1中，计算车辆在前方道路动力需求系数的具体步骤如下：[0027]首先，根据预测性巡航ECU识别当前的车重、来自预测性巡航车速规划功能的前方一定距离道路的车辆车速及车速变化率、前方一定距离道路的坡度和坡度变化率、前方一定距离道路的曲率及预测性功率请求，对前方一定距离道路行驶的需求扭矩进行估算。

[0028]其次，根据规划的前方一定距离的车速及当前档位速比，估算前方一定距离的平均发动机转速，并按照万有特性查表得到对应转速下的最经济扭矩。

[0029]最后，将估算的需求扭矩除以最经济扭矩得到动力需求系数。

[0030]进一步地，步骤6中，计算允许空燃比下限包括如下步骤：
[0031]首先，根据当前预测的动力需求系数和发动机转速，计算出动态的空燃比修正系数曲线。

[0032]然后，根据当前的巡航设定车速与实际车速之差，插值空燃比限制系数曲线，得到当前的空燃比限制修正系数。

[0033]进一步地，动态的空燃比修正系数曲线采用如下步骤获得：
[0034]首先，通过当前预估的动力需求系数，查表计算空燃比修正系数的终点横坐标，即扭矩干预允许的最大车速差。

[0035]其次，通过当前发动机转速，查表计算得到空燃比修正系数的终点纵坐标，即允许
的最高空燃比修正系数值。

其系数插值曲线是按照万有特性上，发动机在对应转速下，最经济负荷率的倒数事先计算得到的。

[0036]空燃比修正系数的起点坐标为(0km，100％)，即当实际车速大于等于巡航车速时，修正系数为1，实际限制空燃比将等于理论经济空燃比。

[0037]通过采用前述技术方案，本发明的有益技术效果是：通过耦合预测性巡航与常规巡航的扭矩控制逻辑，根据预测性巡航规划意图增加了对发动机的扭矩干预控制，使得发动机扭矩在接受常规巡航的控制的同时，也可以接受预测性巡航控制的扭矩限制，以实现两功能的扭矩控制意图的匹配。

[0038]在不调整发动机的原有巡航控制功能的前提下，通过对发动机扭矩的优化和干预控制，减少了额外扭矩的浪费，使得发动机扭矩接近经济工作点且平滑变化，同时参考利用道路信息对扭矩限制进行了调节，避免了多余的制动减速，另外，针对瞬态工况带来的潜在扭矩增加进行限制，从而整体地改善了车辆的燃油表现。

[0039]利用发动机工作点在万有特性图上的分布，可以评估出发动机工作的燃油经济情况，发动机的工作点越靠近最佳油耗区，发动机的油耗经济性越好。

在常规巡航控制下，发动机工作点会分布于满负载区域以及低转速的低效区(见图5左图中的A、B区域)。

本专利的预期效果是，将靠近外特性的工作点(A区域)和低转速的工作点(B区域)向经济工作区域转移，使发动机工作点分布在油耗更经济的区域(见图5右图)，达到改善油耗的效果。

附图说明
[0040]图1是本本发明的功能架构原理示意图。

[0041]图2是本发明中优化扭矩限制计算方法示意图。

[0042]图3是本发明的动力需求系数预测计算方法示意图。

[0043]图4是本发明的空燃比限制修正系数计算方法示意图。

[0044]图5是本发明的实际效果示意图。

具体实施方式
[0045]下面结合附图对本发明进行详细说明：
[0046]结合图1至图5，基于预测性巡航的发动机扭矩预测性控制方法，包括如下步骤：[0047]步骤1，根据车重、预测性巡航的车速信息、前方道路的坡度信息、前方道路的曲率信息以及预测性功率请求，预测性地估算车辆在前方道路的动力需求，并将动力需求量化成动力需求系数；
[0048]在步骤1中，计算车辆在前方道路动力需求系数的具体步骤如下：
[0049]首先，根据预测性巡航ECU识别当前的车重、来自预测性巡航车速规划功能的前方500m距离道路的车辆平均车速及平均加速度、前方500m距离道路的平均坡度和坡度变化率、前方500m距离道路的曲率及预测性功率请求，对前方500m道路行驶的需求扭矩进行估算。

[0050]其次，根据规划的前方500m距离的车速及当前档位速比，估算前方500m距离的平均发动机转速，并按照万有特性查表得到对应转速下的最经济扭矩。

[0051]最后，将估算的需求扭矩除以最经济扭矩得到动力需求系数。

[0052]步骤2，利用发动机万有特性曲线，通过线性插值方法得到发动机在不同转速下的理论经济空燃比表,并通过线性插值方法得到发动机在不同转速下、喷油流量下的目标扭矩限制表。

[0053]步骤3，根据当前的进气流量和燃油流量实时估算当前空燃比。

[0054]步骤4，使用步骤2中获得的理论经济空燃比表,根据当前发动机转速计算得到当前工况下的理论经济空燃比。

[0055]步骤5，根据当前实际车速、巡航设定车速、步骤3中得到的当前空燃比和步骤4中得到的理论经济空燃比，通过车辆工况判断逻辑得到预测性巡航控制期望的车辆状态。

[0056]如果期望的车辆状态为驱动状态，则进行后续的控制步骤6-9。

[0057]如果期望的车辆状态为滑行状态，则进行后续的控制步骤10。

[0058]步骤6，根据步骤1中得到的动力需求系数以及巡航设定车速和实际车速差，通过空燃比限制系数计算，估算得到理论经济空燃比的限制系数。

[0059]再将理论经济空燃比的限制系数乘以步骤4中的理论经济空燃比，得到实际用于控制的允许空燃比下限。

[0060]步骤6中，计算允许空燃比下限包括如下步骤：
[0061]首先，根据当前预测的动力需求系数和发动机转速，计算出动态的空燃比修正系数曲线。

[0062]然后，根据当前的巡航设定车速与实际车速之差，插值空燃比限制系数曲线，得到当前的空燃比限制修正系数。

[0063]这里计算空燃比修正系数的基本原则是：动力需求、发动机转速越高，或者当前的巡航设定车速与实际车速之差越大，说明当前的车辆动力需求相对较高，则相应的空燃比修正系数要越小(小于1)，以增加燃油流量，保证尽快满足动力需求、弥补巡航设定车速与实际车速的偏差；相反，当动力需求、发动机转速越低，或者当前的巡航设定车速与实际车速之差越小，说明当前的车辆动力需求相对较低，则相应的空燃比修正系数要越大(大于1)，以避免多余的燃油浪费，优化燃油经济性。

[0064]进一步地，动态的空燃比修正系数曲线采用如下步骤获得：
[0065]首先，通过当前预估的动力需求系数，查表计算空燃比修正系数的终点横坐标，即扭矩干预允许的最大车速差，实际车速允许低于巡航设定车速的极限值。

[0066]其次，通过当前发动机转速，查表计算得到空燃比修正系数的终点纵坐标，即允许的最高空燃比修正系数值。

其系数插值曲线是按照万有特性上，发动机在对应转速下，最经济负荷率的倒数事先计算得到的。

[0067]空燃比修正系数的起点坐标为(0km，100％)，即当实际车速大于等于巡航车速时，修正系数为1，实际限制空燃比将等于理论经济空燃比。

[0068]步骤7，利用步骤6得到的允许空燃比下限，计算目标喷油流量。

[0069]步骤8，使用步骤2中获得的目标扭矩限制表，根据目标喷油流量和发动机转速线性插值查表计算出当前的前馈目标扭矩限制，同时要考虑对发动机摩擦扭矩和寄生扭矩的补偿。

[0070]步骤9，比较实际燃油流量和目标喷油流量，利用反馈控制计算出反馈目标扭矩限制，综合前馈目标扭矩限制，得到最终目标扭矩限制，并将最终目标扭矩限制传送至发动机
控制器。

[0071]步骤10，在滑行状态下，最终目标扭矩限制直接限制为0，并将最终目标扭矩限制传送至发动机控制器，要求发动机切断喷油。

[0072]当滑行状态向驱动状态切换的瞬态过程中，目标扭矩限制需要进行平滑过渡切换。

[0073]普通工况向滑行工况切换时，可直接将目标扭矩限制到0。

[0074]本发明通过创新算法耦合预测性巡航与常规巡航的扭矩控制逻辑，预测性地计算车辆在前方道路的动力需求，增加对发动机的直接扭矩干预请求，使得发动机的扭矩不只受到常规巡航的控制，以实现两个功能的扭矩控制意图的协调，进一步优化了发动机的扭矩控制(参考图1)。

[0075]在不调整发动机的原有巡航控制功能的前提下，通过对发动机扭矩的优化和干预控制，减少了额外扭矩的浪费，使得发动机扭矩接近经济工作点且平滑变化，同时参考利用道路信息对扭矩限制进行了调节，避免了多余的制动减速，另外，针对瞬态工况带来的潜在扭矩增加进行限制，从而整体地改善了车辆的燃油表现。

[0076]利用发动机工作点在万有特性图上的分布可以评估出发动机工作的燃油经济情况，发动机的工作点越靠近最佳油耗区，发动机的油耗经济性越好。

在常规巡航控制下，发动机工作点会分布于满负载区域以及低转速的低效区(见图5左图中的A、B区域)。

本专利的预期效果是，将靠近外特性的工作点(A区域)和低转速的工作点(B区域)向经济工作区域转移，使发动机工作点分布在油耗更经济的区域(见图5右图)，达到改善油耗的效果。

[0077]本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

[0078]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0079]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。

[0080]当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

图1
图2
图3
图4
图5
说　明　书　附　图3/3页CN 111852672 A 11。