1.本发明总体上涉及控制器和用于此类控制器的配置。
背景技术：
2.涡轮增压器用于通过使用从发动机的排气流获得的动力压缩来供应给发动机的进气而提高发动机性能。基本设计包括与排气流成一直线放置的涡轮机。涡轮机随着排气流流动而旋转，并经由涡轮增压器轴将扭矩传递到压缩机，该压缩机压缩进给到发动机的进气。该基本设计限制了响应性，因为涡轮机可用的能量是发动机燃料的废热，但发动机燃烧燃料的能力受到压缩进气量限制，该压缩进气量本身受到压缩机从涡轮机可获得的能量限制。
3.当要求或需要时，电动机可用于通过向涡轮增压器轴施加扭矩来增强响应性（和/或其它特性）。如本文所用，eturbo是指其中涡轮增压器轴可操作地连接到被配置为向其提供扭矩的电动机的系统。在某些条件下（例如，相对较高的发动机速度），电动机不需要施加额外的扭矩来获得所需的增压，而在其它条件下（例如，相对较低的发动机速度），电动机增强由涡轮机生成的扭矩以从压缩机获得所需的增压。在一些eturbo配置中，电动机还可以用作发电机，从涡轮增压器轴获得扭矩以生成例如为可充电电池充电的电流。
4.许多发动机控制系统由电子控制单元（ecu）管理，该电子控制单元（ecu）可以依赖于各种控制策略。使用的方法可以包括比例-积分-微分（pid）控制、模型预测控制（mpc）、线性二次调节器（lqr）等。涡轮增压器控制的一种方法是评估涡轮增压器轴上的扭矩平衡。扭矩总和（经由压缩机输出，经由涡轮机接收，因摩擦而损失，并由eturbo增加或减少）作用于组合式压缩机、涡轮机和涡轮增压器轴组件的惯性，导致涡轮增压器轴速度的变化。可以处理系统信息，并且可以使用扭矩平衡了解各种动作对涡轮增压器轴速度的影响。
5.压缩机具有压缩机速度的上限。在该上限或上限以上操作可损坏和/或加速压缩机或涡轮增压器的其它部件的老化。在一些基于模型的发动机控制策略中，一种eturbo控制方法通常是为eturbo的操作提供设定点（诸如扭矩设定点）。eturbo具有自己的独立控制器，其可将扭矩设定点转换为可控度量，诸如施加到耦接到涡轮增压器轴的电机的电流。同时，原始设备制造商（oem）的发动机控制策略在单独的ecu中直接或间接监视压缩机速度。当压缩机速度接近其上限时，ecu可以与eturbo控制器通信以降低使用的扭矩设定点或中断eturbo的操作。分别的eturbo控制器和ecu会给控制系统带来延迟，从而产生出现压缩机超速情况的风险。分别的控制器还引入了以下可能性：通信链路故障、控制扭矩设定点的ecu故障，或影响由ecu用于生成设定点或监视压缩机速度的输入的任何错误或故障，都可能导致超速事件。需要用于控制eturbo操作的新的和替代的方法和系统来提供与基于模型的发动机控制容易兼容的安全、容错的解决方案。
技术实现要素：
6.本发明人已经认识到要解决的问题是需要在涡轮增压系统的操作时间线中的不
同点以不同方式控制eturbo。
7.第一说明性非限制性示例采用系统的形式，该系统包括：发动机，其具有空气输入端和排气输出端；涡轮增压器，其具有耦接到空气输入端的压缩机、耦接到排气输出端的涡轮机，以及电动机，其中，压缩机被配置为选择性地接收来自涡轮机和电动机中任一项或两者的力，该电动机具有eturbo控制器；发动机控制单元（ecu），用于控制内燃机和涡轮增压器的操作；其中：ecu被配置为确定扭矩控制信号和速度控制信号并向eturbo控制器提供扭矩控制信号和速度控制信号，以使eturbo控制器能够管理电动机的操作；以及eturbo控制器被配置为使用扭矩控制信号在不允许压缩机速度超过由速度控制信号确定的最大速度的情况下管理电动机的操作。
8.另外或可替代地，系统可以被配置为使得速度控制信号是速度边界，并且eturbo控制器被配置为如下操作：如果压缩机速度低于速度边界，则使用力设定点来控制电动机的操作；以及如果压缩机速度处于速度边界，则限制由电动机提供的输出力以防止压缩机速度超过速度边界。
9.另外或可替代地，系统可以被配置为使得ecu通过根据发动机速度确定目标增压水平并计算预期要提供目标增压水平的期望压缩机速度来确定速度控制信号。另外或可替代地，系统可以被配置为使得ecu被配置为确定速度控制信号以指示高于期望压缩机速度和低于绝对最大压缩机速度的速度。另外或可替代地，系统可以被配置为使得ecu被配置为确定速度控制信号以指示处于期望压缩机速度并且低于绝对最大压缩机速度的速度。
10.另外或可替代地，系统可以被配置为使得ecu将速度控制信号确定为等于压缩机的绝对最大速度的水平。另外或可替代地，系统可以被配置为使得速度控制信号是速度设定点。另外或可替代地，系统可以被配置为使得速度控制信号包括速度上边界和速度下边界。另外或可替代地，系统可以被配置为使得速度控制信号包括速度设定点、速度上边界和速度下边界中的每一个。
11.另外或可替代地，eturbo控制器被配置为如下操作：在第一模式中，使用扭矩设定点操作以控制电动机操作，同时将压缩机速度限制低于由速度控制信号指示的速度上边界；以及在第二模式中，使用由速度控制信号指示的速度设定点来操作以控制电动机操作；通过：在与ecu的通信可操作的操作时间段期间选择第一模式；以及在与ecu的通信不可操作的操作时间段期间选择第二模式。
12.另外或可替代地，系统可以被配置为使得eturbo控制器存储最大安全操作速度限制，并且被配置为将压缩机的最大速度限制低于最大安全操作速度限制，而不管从ecu接收到的控制信号。
13.另一个说明性非限制性示例采用系统的形式，该系统包括：发动机，其具有空气输入端和排气输出端；涡轮增压器，其具有耦接到空气输入端的压缩机、耦接到排气输出端的涡轮机，以及电动机，其中，压缩机被配置为选择性地接收来自涡轮机和电动机中的任一项或两者的扭矩，电动机具有eturbo控制器；发动机控制单元（ecu），用于控制内燃机和涡轮增压器的操作；其中：ecu被配置为确定扭矩控制信号、速度控制信号和速度边界并向eturbo控制器提供扭矩控制信号、速度控制信号和速度边界，以使eturbo控制器能够管理电动机的操作；以及eturbo控制器被配置为使用扭矩控制信号在不允许压缩机速度超过速度边界的情况下管理电动机的操作。
14.另外或可替代地，eturbo控制器被配置为如下操作：在第一模式中，使用扭矩控制信号操作以控制电动机操作，同时将压缩机速度限制低于速度边界；以及在第二模式中，使用速度控制信号操作来控制电动机操作；通过：在与ecu的通信可操作的操作时间段期间选择第一模式；以及在与ecu的通信不可操作的操作时间段期间选择第二模式。
15.另外或可替代地，系统可以被配置为使得ecu通过根据发动机速度确定目标增压水平并计算预期要提供目标增压水平的期望压缩机速度来确定速度边界。另外或可替代地，系统可以被配置为使得ecu将速度边界确定为等于压缩机的最大速度的水平。另外或可替代地，系统可以被配置为使得扭矩控制信号指示来自电动机的期望扭矩输出。另外或可替代地，系统可以被配置为使得ecu通过根据发动机速度确定目标增压水平并计算预期要提供目标增压水平的期望压缩机速度来确定速度控制信号。
16.另一个说明性非限制性示例采用用于向具有空气输入端和排气输出端的发动机提供压缩空气的增压系统的形式，该系统包括：压缩机，其具有用于接收空气的空气输入端和用于将压缩空气发送到发动机的空气输入端的输出端；涡轮机，其具有空气输入端，用于从发动机的排气输出端接收空气以生成扭矩，涡轮机连接到压缩机以向压缩机提供生成的扭矩；电动机，其耦接到压缩机并被配置为向压缩机施加力以添加到由涡轮机提供的扭矩；eturbo控制器，其耦接到电动机以控制其操作，eturbo控制器被配置为从发动机控制单元（ecu）接收至少扭矩控制信号和速度控制信号，并使用扭矩控制信号来在不允许压缩机速度超过由速度控制信号确定的速度边界的情况下管理电动机的操作。
17.另外或可替代地，增压系统可以被配置为使得速度控制信号是速度边界，并且eturbo控制器被配置为如下操作：如果压缩机速度低于速度边界，则使用力控制信号来控制电动机的操作；以及如果压缩机速度处于速度边界，则限制由电动机提供的输出力以防止压缩机速度超过速度边界。
18.另外或可替代地，eturbo控制器被配置为如下操作：在第一模式中，使用力控制信号操作以控制电动机操作，同时将压缩机速度限制低于压缩机速度上边界；在第二模式中，使用速度控制信号来控制电动机操作；确定与ecu的通信是否可操作，以及：在与ecu的通信可操作的操作时间段期间选择第一模式；或在与ecu的通信不可操作的操作时间段期间选择第二模式。
19.另一个说明性非限制性示例采用系统的形式，该系统包括：发动机，其具有空气输入端和排气输出端；涡轮增压器，其具有耦接到空气输入端的压缩机、耦接到排气输出端的涡轮机，以及电动机，其中压缩机被配置为选择性地接收来自涡轮机和电动机中的任一项或两者的力，电动机具有eturbo 控制器；发动机控制单元（ecu），用于控制内燃机和涡轮增压器的操作；其中：ecu被配置为确定功率控制信号和速度控制信号并向eturbo控制器提供功率控制信号和速度控制信号，以使eturbo控制器能够管理电动机的操作； 并且eturbo控制器被配置为使用功率控制信号在不允许压缩机速度超过由速度控制信号确定的最大速度的情况下管理电动机的操作。
20.作为上述系统和增压系统示例的附加或替代，ecu可以被配置为执行模型预测控制计算以确定力控制信号或功率控制信号。作为上述系统和增压系统示例的附加或替代，ecu可以被配置为执行比例-积分-微分分析以确定力控制信号或功率控制信号。
21.作为上述系统和增压系统示例的附加或替代，发动机可以是内燃机。作为上述系
统和增压系统示例的附加或替代，eturbo控制器可以被配置为实现速度下边界。
22.说明性非限制性方法示例采用操作系统的方法的形式，该系统包括如下中的每一个：发动机，其具有空气输入端和排气输出端；涡轮增压器，其具有耦接到空气输入端的压缩机、耦接到排气输出端的涡轮机，以及电动机，其中压缩机被配置为选择性地接收来自涡轮机和电动机中的任一项或两者的力，电动机具有eturbo 控制器；发动机控制单元（ecu），用于控制内燃机和涡轮增压器的操作；该方法包括ecu确定扭矩控制信号和速度控制信号并将其提供给eturbo控制器以使eturbo控制器能够管理电动机的操作；并且eturbo控制器使用扭矩控制信号在不允许压缩机速度超过由速度控制信号确定的最大速度的情况下来管理电动机的操作。
23.另外或可替代地，速度控制信号是速度边界，并且该方法进一步包括，如果压缩机速度低于速度边界，则eturbo使用力设定点来控制电动机的操作；并且如果压缩机速度处于速度边界，则eturbo限制由电动机提供的输出力，以防止压缩机速度超过速度边界。
24.另外或可替代地，ecu通过根据发动机速度确定目标增压水平并计算预期要提供目标增压水平的期望压缩机速度来确定速度控制信号。
25.另外或可替代地，ecu确定速度控制信号以指示高于期望压缩机速度且低于绝对最大压缩机速度的速度。另外或可替代地，ecu确定速度控制信号以指示处于期望压缩机速度并且低于绝对最大压缩机速度的速度。另外或可替代地，ecu将速度控制信号确定为等于压缩机的绝对最大速度的水平。
26.另外或可替代地，速度控制信号是速度设定点。另外或可替代地，速度控制信号包括速度上边界和速度下边界。另外或可替代地，速度控制信号包括速度设定点、速度上边界和速度下边界中的每一个。
27.另外或可替代地，该方法包括eturbo控制器如下操作：在第一模式中，使用扭矩设定点操作以控制电动机操作，同时将压缩机速度限制低于由速度控制信号指示的速度上边界；在第二模式中，使用由速度控制信号指示的速度设定点操作以控制电动机操作；通过：在与ecu的通信可操作的操作时间段期间选择第一模式；以及在与ecu的通信不可操作的操作时间段期间选择第二模式。另外或可替代地，eturbo控制器存储最大安全操作速度限制，并且被配置为将压缩机的最大速度限制低于最大安全操作速度限制，而不管从ecu接收到的控制信号。
28.另一个说明性非限制性示例采用操作系统的方法，该系统具有：发动机，其具有空气输入端和排气输出端；涡轮增压器，其具有耦接到空气输入端的压缩机、耦接到排气输出端的涡轮机，以及电动机，其中该压缩机被配置为选择性地接收来自涡轮机和电动机中的任一项或两者的扭矩，该电动机具有eturbo控制器；以及发动机控制单元（ecu），用于控制内燃机和涡轮增压器的操作；该方法包括ecu确定扭矩控制信号、速度控制信号和速度边界并将其提供给eturbo控制器，以使eturbo控制器能够管理电动机的操作；以及eturbo控制器使用扭矩控制信号在不允许压缩机速度超过速度边界的情况下管理电动机的操作。
29.另外或可替代地，该方法包括eturbo控制器如下操作：在第一模式中，使用扭矩控制信号操作以控制电动机操作，同时将压缩机速度限制低于速度边界；以及在第二模式中，使用速度控制信号来控制电动机操作；通过：在与ecu的通信可操作的操作时间段期间选择第一模式；以及在与ecu的通信不可操作的操作时间段期间选择第二模式。
30.另外或可替代地，ecu通过根据发动机速度确定目标增压水平并计算预期要提供目标增压水平的期望压缩机速度来确定速度边界。另外或可替代地，ecu将速度边界确定为等于压缩机的最大速度的水平。另外或可替代地，扭矩控制信号指示来自电动机的期望扭矩输出。另外或可替代地，ecu通过根据发动机速度确定目标增压水平并计算预期要提供目标增压水平的期望压缩机速度来确定速度控制信号。
31.另一个说明性非限制性示例采用用于向具有空气输入端和排气输出端的发动机提供压缩空气的增压系统的形式，该系统具有：压缩机，该压缩机具有用于接收空气的空气输入端和用于向发动机的空气输入端发送压缩空气的输出端；涡轮机，其具有空气输入端，用于从发动机的排气输出端接收空气以生成扭矩，涡轮机连接到压缩机以将生成的扭矩提供给压缩机；电动机，其耦接到压缩机并被配置为向压缩机施加力以添加到由涡轮机提供的扭矩；以及eturbo控制器，其耦接到电动机以控制其操作，该方法包括eturbo控制器从发动机控制单元（ecu）接收至少扭矩控制信号和速度控制信号，并且ecu使用扭矩控制信号在不允许压缩机速度超过由速度控制信号确定的速度边界的情况下管理电动机的操作。
32.另外或可替代地，速度控制信号是速度边界，并且该方法包括，如果压缩机速度低于速度边界，则eturbo使用力控制信号来控制电动机的操作；并且如果压缩机速度处于速度边界，则eturbo限制由电动机提供的输出力，以防止压缩机速度超过速度边界。另外或可替代地，eturbo可以进一步确定压缩机速度是低于还是处于速度边界。
33.另外或可替代地，该方法可以包括eturbo控制器确定与ecu的通信是否可操作，并且如果是，则选择第一操作模式，或者如果不是，则选择第二操作模式，其中在第一模式中，eturbo控制器使用力控制信号来控制电动机操作，同时将压缩机速度限制低于压缩机速度上边界；并且，在第二模式中，eturbo控制器使用速度控制信号来控制电动机的操作。
34.另一个说明性非限制性示例采取操作系统的方法，该系统具有：发动机，其具有空气输入端和排气输出端；涡轮增压器，其具有耦接到空气输入端的压缩机、耦接到排气输出端的涡轮机，以及电动机，其中压缩机被配置为选择性地接收来自涡轮机和电动机中的任一项或两者的力，电动机具有eturbo 控制器；发动机控制单元（ecu），用于控制内燃机和涡轮增压器的操作；其中，该方法包括ecu确定功率控制信号和速度控制信号并向eturbo控制器提供功率控制信号和速度控制信号，以使eturbo控制器能够管理电动机的操作；并且eturbo控制器使用功率控制信号在不允许压缩机速度超过由速度控制信号确定的最大速度的情况下管理电动机的操作。
35.作为这些方法示例的附加或替代，该方法可以包括ecu执行模型预测控制计算以确定力控制信号或功率控制信号。作为这些方法示例的附加或替代，该方法可以包括ecu执行比例-积分-微分分析以确定力控制信号或功率控制信号。作为这些方法示例的附加或替代，发动机可以是内燃机。作为这些方法示例附加或替代，该方法可以包括执行eturbo控制器的ecu也可以实现速度下边界。
36.该概述旨在介绍本专利申请的主题。它不旨在提供对本发明的排他性或详尽的解释。包括详细描述以提供关于本专利申请的进一步信息。
附图说明
37.在不一定按比例绘制的附图中，相似的数字可以在不同的视图中描述相似的部
件。具有不同字母后缀的相似数字可以表示相似组件的不同例子。附图通过示例而非限制的方式总体地示出了本文件中讨论的各种实施例。
38.图1示出操作控制系统的模型；图2示出压缩器图；图3示意性地示出eturbo系统和发动机；以及图4-7是说明性控制方法的方框流程图。
具体实施方式
39.图1示出一般控制架构，其将相对于发动机和/或车辆进行描述。控制设备以100示出并且包括状态观察器102，其将一组当前状态变量x(k)馈送到优化器104。优化器计算可以应用于一组致动器112的过程参数的解，其进而控制物理设备114的操作。该组致动器可应用于控制例如但不限于燃料或其它喷射器、可变喷嘴涡轮位置、节流阀、发动机制动器、后处理（包括排气）、排气再循环（egr）、涡轮增压器、废气门（wg）致动器位置（冲程）、再循环阀致动器的位置、可变压缩机几何致动器的位置；和/或其它阀门、致动器等，以及它们的组合。一些示例可包括用于分别的子系统的多于一个的控制单元，诸如通过具有用于eturbo子系统的单独控制器来控制eturbo电机；在说明性示例中，优化器104独立于其它致动器向eturbo控制器提供控制信号。
40.物理设备114可以是例如但不限于内燃机，无论是柴油机还是汽油机，或其子系统，诸如涡轮增压器、作为整体的系统空气通路、催化剂等。
41.提供了多个传感器116。在整个系统中，传感器116可以包括例如但不限于检测歧管绝对压力（map）、空气质量流量（maf）、egr流量、涡轮机速度、排气污染物、发动机速度、燃料量、增压压力等的传感器中的一个或多个。附加监视参数可以包括例如废气门（wg）标准化开度、再循环阀（rcv）标准化开度和/或可变几何压缩机配置。例如，此类传感器可以被配置为对被感测的基础参数进行采样并将此类采样的结果提供给状态观察器102。状态观察器102可以随时间推移记录基础感测参数以及致动器位置，以提供系统操作历史。在存在单独的eturbo控制器的情况下，监视参数还可以包括由eturbo控制器报告的任何参数，诸如例如扭矩或电流消耗度量和/或轴转速。
42.在特定实现方式中，传感器116的输出可以在状态观察器102中被捕获并且根据发动机行为的一个或多个模型进行分析。例如，气流模型可用于计算整个气流系统的各种压力和温度，而不必在其中的每个位置进行测量。通过这样做，可以限制所需传感器的数量，并且所提供的传感器可以处于提供稳健操作的标准化位置。因此，例如，增压压力（涡轮增压系统中压缩机下游的压力）可以使用其它感测参数和气流模型而不是通过直接感测来确定。然后可以使用计算出的增压压力来计算基于模型的控制器中的控制解决方案。
43.状态观察器102和优化器104可以例如在微控制器中实现，该微控制器被配置为对一组存储的指令进行操作以执行状态观察和优化例程。在另一个示例中，专用集成电路（asic）可以提供状态观察器功能，该功能可以包括从致动器112和/或传感器116捕获或积累数据，而该数据进而可以由配置有存储指令集的微控制器定期读取，用于使用例如模型预测控制（mpc）成本函数、线性二次调节器（lqr）控制、比例积分导数（pid）控制或其它控制算法来执行控制和/或优化计算。优化器104可以集成到车载诊断系统（未示出）中或与其分
开提供，该车载诊断系统可用于记录诊断变量并根据需要将它们呈现给用户或存储以供以后分析，如果需要，还可以将这两者附加地集成到整个车辆处理单元中。
44.分析的输出用于控制致动器112以使操作参数与可控输出或物理设备操作特性的一个或多个目标输出值的距离最小化的方式操作该设备。例如，目标可以是目标增压压力、跨越压缩机的目标压力差、目标空气质量流量或其组合中的任何一个。例如，使用mpc功能，到对于一个或多个输出值（或所得到的操作特性）的目标值或参考值的距离被最小化，从而优化性能。作为示例，传统的mpc成本函数形式可如方程1中所示：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
[方程1]其中u
d,k
对应于操纵变量的所需曲线，uk代表操纵变量，k表示离散时间实例，并且p代表预测控制器的预测范围。在本示例中，y
r,k
和yk分别表示输出参考值和测量值，并且w1和w2指定加权项。为简单起见，k项可在本文后续方程中省略。传统的mpc成本函数在操作中被最小化，以便向物理设备提供最优控制。此类过程可以由优化器104执行。
[0045]
在另一示例中，pid控制器可用于说明与目标操作点的比例差、积分差和微分差。比例差可以指示当前状态，积分差可以识别随时间推移的过程变化，而微分差可以指示操作变化的方向。使用pid控制，在监视时将比例差最小化，以确保积分差和微分差不指示变化的性能，该变化的性能可能在进一步迭代后导致比例差增加。对于pid控制器，输出到致动器112的控制参数被调节以基于迭代减小或最小化实际性能与一个或多个目标的距离。例如，优化器104可以使用pid控制而不是mpc。如果需要，可以替代地使用lqr控制，应用类似的概念。
[0046]
图2示出说明性和简化的压缩器图。压缩机图使用校正的空气质量流量作为x轴，并且压缩机的压力比作为y轴。几条涡轮增压器速度线150穿过图表并且与不同的压缩机速度相关联。包括边界条件，在图的左侧有喘振线 152，并且在图的右侧有阻流线154。喘振线152 指示涡轮增压器在给定质量流量下可以生成的最大压力。阻流线154指示在给定压力比下的最大质量流量。避免在这些边界152、154之外的操作以防止降级的（和/或不可预测的）操作以及对部件的潜在损坏。区域164在图2中突出显示。在区域164内，喘振线152倾斜，使得当在喘振线152附近操作时，速度增加的涡轮增压器可以穿过喘振线 152，处理（至少暂时）其它变量为固定。因此，当在区域164中操作时，配置控制系统以防止由于涡轮增压器速度的变化而导致的喘振可能是有用的。
[0047]
涡轮增压器的效率反映了在不增加过多热量的情况下压缩空气的能力。对于给定的增压压力，效率越高，出口温度越低（尽管仍然超过环境温度）。效率岛在图形中以160和162显示，每个“岛”定义导致效率提高的因素组合。例如，在边界160内操作可能与65%或以上的效率相关，并且在岛162内操作可能与75%或更高的效率相关。图2中的压缩器图被简化；实际的压缩器图可包括更多线以提供更大的粒度。
[0048]
对于给定的涡轮增压器安装，可以在测试台上执行测试以建立压缩机图，并且然后向ecu加载代表压缩机图的数据，无论是作为查找表、一组方程，还是以任何其它合适的方式。ecu可以包括可编程参数（无需重新加载软件即可修改）和非可编程参数（其是固定的，除非升级整体软件时）。在一些安装中，压缩机图或其它与校准相关的参数被视为可编程参数，例如，其可以在测试台处被修改，而无需重新加载整个软件/控制包。
[0049]
然后使用压缩机图和其它系统特性以及至少在一些示例中用户偏好或输入来导出在控制中使用的因素，诸如在mpc、pid和/或lqr中使用的值。在使用中，该系统受制于几个相互竞争的目标，例如包括在给定的涡轮机速度和空气质量流量以及目标增压压力下最大化效率。
[0050]
如本文所用，eturbo是指具有可操作以向涡轮增压器轴提供扭矩的电动机的系统。eturbo可以提高系统的响应性、效率或其它特性，并在传统涡轮增压器操作（依靠排气流提供动力和/或扭矩）无法充分压缩进入发动机的空气以达到期望增压时，优化发动机性能。例如，在低发动机速度下，排气流量相对较低并且可能不会产生足够的压力来驱动涡轮机，从而足以有效地旋转压缩机。通过使用电动机来增强压缩机的操作，eturbo提供了附加的控制、效率和响应性。eturbo的设计和用途的一些示例在us pg专利公开no. 2009/0000298和美国专利6,637,205和6,705,084中示出，其公开内容通过引用并入本文。
[0051]
如本文所用，eturbo不同于具有仅由排气流中的涡轮机驱动的第一压缩机和仅由电动机驱动的第二压缩机的系统。在eturbo系统中，涡轮增压器轴被配置为从排气流中的涡轮机和电动机中的每一个接收扭矩。在一些示例中，除了eturbo之外，还可以使用第二压缩机，诸如直接由发动机的动力传动系统驱动或由单独的电动机驱动的压缩机，eturbo特别是指包括用于单个压缩机的多于一个的驱动扭矩源。
[0052]
图3 示意性地示出eturbo系统和发动机。系统在图3中以200示出，带有发动机210，发动机210示为具有一个或多个气缸212。发动机210可以是，例如但不限于，内燃机（例如柴油、汽油、丙烷、天然气或任何其它合适的燃料）。发动机210接收在214处过滤的进入空气，并生成输出排气216。
[0053]
发动机210的控制和优化系统设置有多个所示的部件；省略了附加部件（诸如节气门和燃料供应）以关注于流入和流出发动机210的空气流。提供了eturbo 220，其包括在空气过滤器214之后耦接到进入空气流的压缩机222，以及在来自发动机210的排气流中的涡轮机224。基本的涡轮增压器操作使涡轮机224使用排气流中的空气压力旋转，并向压缩机222提供扭矩以压缩进入的空气，这提高了发动机210的效率和/或其它性能特性。
[0054]
在eturbo中还提供了电机226，并且将其耦接到涡轮机224和压缩机222之间的驱动轴。电机226在压缩机的驱动轴上提供附加扭矩，以使用存储在电池230中的能量来增强其操作。在一些示例中，也可使用电机226减慢驱动轴，从而回收可被传送回电池230的能量，这可称为发电机模式。电池230可以是专用于eturbo的专门可充电电池，或者也可以根据需要用于其它电气应用。增压器232还可以或替代地使用例如但不限于在排气流中回收的能量或使用在发动机210操作时从发动机210捕获的能量向电池230提供电流以对其进行充电。电机226耦接到eturbo控制器228，其可以是例如但不限于微控制器、asic或微处理器。
[0055]
eturbo控制器228出于控制目的而连接到ecu 250。此类连接可以采用任何合适的形式（例如，无线、光学或有线）。在一些实现方式中，eturbo控制器228和ecu 250的通信耦接将经由控制器局域网（can）总线提供，尽管情况并非必须如此。替代地，可以在eturbo控制器228和ecu 250之间提供专用连接。通信可以包括适合于系统的命令、确认、数据等。
[0056]
可以提供附加部件，包括例如但不限于废气门（wg）242，其允许排气流在ecu的控制下绕过涡轮机224。还可以提供再循环阀（rcv）240，允许压缩机222的输出在某些情况下
被反馈到其输入，诸如避免压缩机喘振。代替rcv或除了rcv以外，可以使用排放阀（未示出）。可提供增压空气冷却器（cac）244以在进入发动机210之前冷却来自压缩机222的输出，过程可用于提高发动机的效率。
[0057]
在操作中，ecu 250 的典型控制策略是确定由压缩机222生成的目标增压压力。包括wg 242在内的各种致动器可用于控制从排气流向涡轮机224提供多少力，从而控制到压缩机222的扭矩。在较低的发动机速度下，eturbo可用于将增加的扭矩从电机226施加到压缩机222的驱动轴，以增加压缩机222转动的速度，增加所提供的增压，并优化发动机210的性能。在更高的发动机速度下，涡轮机224可以由排气流充分驱动，以足够快地旋转压缩机222，从而无需来自电机226的增大扭矩的情况下实现目标增压压力。在更高的速度下，可以打开wg 242以避免使压缩机222（或涡轮机224）旋转得比可能期望的快。可以控制rcv 240和wg 242以避免不必要地改变涡轮增压器速度，这会导致低循环疲劳。
[0058]
当从废气气流中可获得过剩动力时，eturbo可用作发电机，例如，在需要时为向eturbo供电的电池充电。然而，当使用eturbo作为发电机从系统中提取动力时，可用于旋转压缩机的扭矩会降低。对于一些示例，本发明人发现，在边缘条件下，eturbo发电机模式可以产生负反馈回路，其中由eturbo汲取的动力导致增压压力下降，进而减少排气流并进一步降低涡轮增压器轴上的扭矩。因此，与将eturbo用作发电机相关的最小速度限制可能是有用的。
[0059]
通常，oem供应发动机系统，并且专业制造商供应eturbo。oem可以在发动机测试台处执行各种校准设置操作，并将校准设置写入ecu 250，例如修改存储在其上的可编程参数。然而，oem不太容易获得对eturbo控制器228的访问。相反eturbo可以简单地接收来自ecu 250的控制信号，而不是可访问例如在测试台处使用的校准软件。任务和控制的此分开在设计和开发的其它领域提供了各种效率，但会阻碍eturbo的最优和/或安全操作。在本文的一些示例中，控制eturbo控制器228的方式被配置为允许以eturbo控制器本身不可知的方式执行ecu 250的校准，如下文进一步详述。此外，由ecu 250提供的控制信号可以包括操作目标和限制eturbo操作的一个或多个次要因素。例如，可以给予eturbo一最大速度，无论是与安全上限相关还是为了避免压缩机喘振，和/或给予一个最小速度以防止过度使用eturbo发电机功能，以及与期望的增压压力相关的操作目标；在其它示例中，这三个因素（最大值、最小值和设定点）中的两个的组合可以由ecu提供给eturbo。在一些示例中，eturbo还可具有内部存储的限制，诸如最大安全操作速度限制。
[0060]
图4是控制方法300的方框流程图。在框302处，ecu计算扭矩设定点并将其发送到eturbo，指示eturbo将提供多少扭矩给压缩机。扭矩设定点可用于以多种方式管理从涡轮增压器轴施加到压缩机的扭矩。扭矩设定点旨在影响施加的扭矩；它不需要以实际扭矩的形式或单位来发布或设置。替代地，扭矩设定点可以由提供给eturbo电机的电流来定义，例如用于将添加的扭矩施加到涡轮增压器轴，或者可以指eturbo电机的实际扭矩输出，或者指给定来自涡轮机和/或eturbo电机的特定输入的由压缩机消耗的扭矩的计算，再次参考涡轮增压器轴上的扭矩平衡。扭矩设定点也可以根据功率计算；调节提供到涡轮增压器轴或由涡轮增压器轴提供的功率也会影响扭矩平衡，使得根据功率计算的设定点也可以被认为是扭矩设定点。可以使用其它设定点类型； eturbo电机用于评估或修改涡轮增压器轴上的扭矩平衡的任何设定点或控制信号，除了参考涡轮增压器轴速度外，都可以是扭矩设定
点。扭矩设定点可在考虑到将由压缩机生成的期望增压水平、环境因素（例如，诸如湿度和温度的进气特性）、测量、预测或建模的排气压力或速度，以及系统内的其它状态、条件或要求之后由ecu计算。ecu还可以考虑诸如涡轮增压器尺寸或其它配置特征的因素。可以使用pid、mpc或其它控制方法，包括参考压缩机图，来确定扭矩设定点。
[0061]
在框304处，最大涡轮增压器速度是ecu的定义特征。更具体地，压缩机通常将被额定最大速度，在没有过度磨损或彻底故障的风险的情况下不超过该速度。此外，无论实际压缩机速度如何，系统的操作点都可能接近压缩机图上的喘振线，这意味着压缩机速度的增加可能触发不希望的喘振。因此，ecu可以通过参考安全边界或参考一些其它因素（诸如靠近压缩机喘振线）来计算最大涡轮增压器速度。
[0062]
在框304处，ecu可以识别涡轮机（或压缩机）速度接近最大极限的情况。ecu可以采取一项或几项改进措施，包括向eturbo发出新的力设定点，从而降低eturbo施加的力、扭矩、功率或电流，如306所示。在极端情况下，ecu可能会中断eturbo操作，如308所示，发出将电机输出降低到零的命令；可替代地，ecu 命令eturbo切换到发电机模式，从而抵消涡轮增压器轴上的扭矩。这种类型的突然变化会使压缩机遭受低循环疲劳，然而，如果需要避免超速，则可以使用这样的步骤308。在框310处，ecu还可以致动wg，以绕过流向涡轮机的排气流，再次减小提供到压缩机的力。致动wg不一定是优选的，因为wg通常在其生命周期期间针对特定数量的致动步骤是额定的。就ecu通过参考压缩机图或喘振线计算最大涡轮增压器速度而言，作为框306、308或310中任一个框的替代或除了框306、308或310中任一个框以外，rcv或排放阀可以打开以降低增压压力并避免喘振。
[0063]
虽然308和310中的每一个都是可用的，但框306将被优选作为提供对涡轮增压器的控制的手段。然而，框306处所需的通信可能由于系统时延而引入延迟；即使处理器或控制器以高时钟速度操作，如 306 所示的方法也将具有固有的滞后。通信失败，需要重试，可能会增加更多的时延。在这种设置中，ecu可能需要尽早采取行动，以防止压缩机超过其最大速度。
[0064]
如果eturbo控制器还负责监视压缩机速度，则会出现更复杂的因素。如果是这种情况，为避免压缩机超速，eturbo控制器将测量压缩机速度并通过can总线向ecu报告。作为响应，ecu将确定超速是否是当前风险，并会修改发送回eturbo控制器的控制信号，以及潜在地修改到系统中另一个致动器的控制信号（诸如例如通过经由框310打开 wg）。由于存在各种依赖关系，图4中的解决方案可能不是最优的。
[0065]
图5是可以改进图4的过程的说明性方法400的方框流程图。在框402处，ecu使用优化或其它控制分析，例如使用pid或mpc或其它控制计算方法，来计算压缩机的速度设定点。例如，框402处的优化速度可以是经由mpc分析计算的速度，其将实现期望的增压压力以优化发动机性能（由效率、功率等中的任何一个定义）。如404处所示，ecu还使用参考任何合适的输入（包括例如但不限于安全边界和/或压缩机图和喘振线）来计算相对于最大压缩机速度的速度设定点。框404处的设定点可以与由安全或其它边界条件确定的实际压缩机最大速度相等或从实际压缩机最大速度减少某个预定裕度或百分比。
[0066]
接下来，在框410处ecu计算速度边界，并将速度边界传送给eturbo控制器。速度边界可以作为速度控制信号传送。例如，如果402和404二者都在该方法中操作，则ecu选择在框402和404中计算的设定点中较小的速度边界。ecu还计算扭矩设定点并将扭矩设定点传
送给eturbo，如412所示。扭矩设定点可以作为控制信号传送。如上所述，扭矩设定点可以采用任何合适的形式/单位。扭矩设定点可由ecu在考虑到将由压缩机生成的期望增压水平、环境因素（例如，诸如湿度和温度的进气特性）、测量、预测或建模的排气压力或速度，以及系统内的其它状态、条件或需求之后来计算。如前所述，扭矩设定点可以通过参考涡轮增压器轴上的扭矩平衡来确定。可以使用pid、mpc或其它控制方法，包括参考压缩机图，来确定扭矩设定点。如果需要，一些示例可以参考或以其它方式使用功率设定点而不是扭矩设定点。
[0067]
在框420处，eturbo接收速度控制信号（传送速度边界）和扭矩控制信号（传送扭矩设定点）并实现用于电机的控制解决方案，其中扭矩设定点用于控制电机，只要压缩机速度保持在速度边界内。因此，ecu不必对eturbo提供持续的、时间敏感的控制，以保护压缩机免受超速情况或避免诸如喘振的有害情况。此外，当响应于各种传入干扰而操作时，压缩机速度（至少在它被eturbo电机力增加的程度）被限制到接近由ecu在框404处确定的速度设定点的量。
[0068]
虽然相对于安全边界的压缩机超速是一种风险，但存在其它操作条件，在其中图5的方法可能是有用的。在一个示例中，ecu可以确定发动机正在空转，并且可以有效地向eturbo发出速度设定点，而不是速度边界。例如，发出的扭矩设定点可以设置得相对较高，而发出相对较低的速度边界（例如，最大扭矩力设定点和最大压缩机速度的25%或其它%处的速度边界），这将导致eturbo发出足够的扭矩以在速度边界处操作压缩机，将速度边界变为设定点。当通过保持涡轮增压器轴上的转动惯量增加发动机速度时，这样做可以减少滞后。在另一个示例中，ecu可以将输出速度控制信号指定为速度设定点，而不是发出速度边界命令。
[0069]
图6示出另一个示例。在此，方法500使ecu将速度设定点和扭矩设定点二者作为速度和扭矩控制信号发送到eturbo。在框502处，ecu使用优化计算来计算速度设定点，例如，采用确保速度设定点等于或小于最大压缩机速度（例如安全设定点或设置为防止喘振）的边界条件。ecu还计算扭矩设定点，如504处所示，类似于前面的示例。如510处所示，ecu将速度和扭矩设定点传送到eturbo控制器。在正常操作模式中，eturbo使用扭矩设定点在如520处所示的速度边界内操作。速度设定点可用作框520中的速度边界。如果can系统在530处停止正常操作（诸如由于失去同步或其它故障），则eturbo可以通过使用速度设定点而不是扭矩设定点继续如532处所示操作，以控制操作。
[0070]
在替代示例中，在图6中，ecu可以分别发送扭矩和速度设定点以及速度边界中的每一个作为扭矩控制信号、速度控制信号和速度边界信号。速度边界可以是例如但不限于压缩机速度的上限，或设置在压缩机速度上限附近但低于压缩机速度上限的边界。因此，在框520中，应用所传送的速度边界来限制压缩机速度。在530处识别出can故障之后，仅当调用框532时，才可以使用速度设定点。
[0071]
在示例中，框520中的操作可以被认为或描述为eturbo控制器的第一操作模式，并且框532中的操作被认为或描述为eturbo控制器的第二操作模式。eturbo控制器然后可以被配置为在与ecu的通信可操作时选择第一操作模式（框520），或在与ecu的通信不可操作时选择第二操作模式（框532）。
[0072]
图7示出另一个示例。在此，方法600开始于ecu在602处计算速度边界。在该示例
中，涡轮机速度的上限和下限均由ecu生成。速度上限可以如上所述，例如通过参考压缩机图、避免喘振或参考操作安全阈值来计算。
[0073]
也可以设置速度下限。在一些示例中，可以设置速度下限以防止由于涡轮增压器轴速度不足而导致的负反馈回路，从而导致增压压力的降低，并且作为响应，导致发动机输出和排气压力的降低，进一步导致施加的增压压力的降低。在一些示例中，可以设置速度下限以防止在例如发动机速度的瞬时变化（即例如换档）期间的功率损失。在其它示例中，可以设置速度下限以防止诸如在高海拔操作时不安全或不期望的发动机操作，或确保燃烧燃料的适当燃烧。参考压缩机图，可以设置速度下限以防止阻塞。例如，当使用可变排量发动机时，也可以设置速度下限；在内燃机的一个或多个气缸禁用的情况下，排气压力可能不足以维持当气缸再次启用时所期望的增压。eturbo可以施加扭矩，包括超过扭矩设定点，以防止越过速度下边界；在一些示例中，速度下边界可用于确定是否以及何时禁用eturbo发电机功能，而不依赖于例如由ecu报告给eturbo的发动机速度。
[0074]
在该示例中，ecu还在框604处生成扭矩设定点，类似于图6中的框504。然后，速度边界、速度设定点和扭矩设定点可以各自在框610处传送到eturbo。如620所示, eturbo控制器在正常操作期间使用速度边界内的扭矩设定点。如果在630处发生can故障，eturbo控制器切换到使用在632处指示的速度设定点，类似于上面的框532。
[0075]
以上详细描述包括对构成详细描述的一部分的附图的参考。附图通过说明的方式示出可以实施本发明的具体实施例。这些实施例在本文中也称为“示例”。在本文件中，如专利文件中常见的那样，术语“一”或“一个”用于包括一个或多个，与“至少一个”或“一个或多个”的任何其它例子或用法无关。此外，在以下权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，并不旨在对其对象施加数字要求。如果本文件与以引用方式并入的任何文件之间的用法不一致，则以本文件中的用法为准。
[0076]
以上描述旨在说明性而非限制性的。例如，上述示例（或其一个或多个方面）可以彼此组合使用。可以使用其它实施例，诸如由本领域普通技术人员在阅读以上描述后。一些示例可以包括除了那些示出或描述的元素之外的元素。本发明人还考虑了使用所示或描述的那些元素（或其一个或多个方面）的任何组合或排列的示例，相对于特定示例，或相对于所示或本文描述的其它示例（或其一个或多个方面）。
[0077]
本文描述的方法示例可以至少部分地由机器或计算机实现。一些示例可以包括编码有指令的计算机可读介质或机器可读介质，该指令可操作以配置电子设备以执行如以上示例中描述的方法。此类方法的实现方式可以包括代码，诸如微代码、汇编语言代码、高级语言代码等。此类代码可以包括用于执行各种方法的计算机可读指令。该代码可以形成计算机程序产品的部分。此外，在示例中，代码可以有形地存储在一个或多个易失性、非暂态或非易失性有形计算机可读介质上，诸如在执行期间或在其它时间。这些有形计算机可读介质的示例可以包括但不限于硬盘、可移动磁盘或光盘、磁带盒、存储卡或记忆棒、随机存取存储器（ram）、只读存储器（rom）等。
[0078]
提供摘要以符合37 c.f.r.
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1.72(b)，使读者能够快速确定技术公开的性质。提交的理解是它不会被用来解释或限制权利要求的范围或含义。此外，在以上详细描述中，可以将各种特征分组在一起以简化本公开。这不应被解释为意味着未要求保护的公开特征对于任何权利要求都是必不可少的。相反，发明主题可能不在于特定公开的实施例的所有特征。
因此，以下权利要求在此作为示例或实施例并入详细说明中，每个权利要求作为单独的实施例独立存在，并且预期这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应参考所附权利要求以及这些权利要求所享有的等同物的全部范围来确定。