基于动力因数的车辆智能转矩控制器技术领域
本申请涉及一种用于车辆的智能转矩控制器，其基于车辆动力因数来
控制车辆的驱动转矩。
背景技术
从车辆的发动机的角度看，车辆动力性和经济性是两个存在冲突的指
标。车辆动力性是指车辆的最高车速、加速能力、爬坡能力等，车辆经济
性是指车辆以最小的燃料消耗完成单位运输工作的能力。然而，车辆的动
力性高往往意味着高油耗。此外，在车辆的硬件方面，通常要针对车辆满
负荷时的情况进行设计，而很少考虑车辆空负荷和部分负荷时的情况。但
在实际行驶中，很多车辆在一半以上的时间处于空负荷和部分负荷状态。
在这种情况下，车辆的动力性如果太强的话，会造成很大的不必要的燃油
消耗。
发明内容
本申请旨在克服现有技术中存在的车辆非满负荷行驶时动力性过强造
成的燃油浪费问题。
根据本申请的一个方面，提供了一种用于车辆的智能转矩控制器，其
包括：目标动力因数曲线计算单元，其被构造成确定车辆满负荷状态下的
基于发动机转速的目标动力因数曲线；工作动力因数曲线计算单元，其与
所述目标动力因数曲线计算单元以可通讯的方式连接，并且构造成对所述
目标动力因数曲线进行修正，以得到车辆各个档位下的基于发动机转速的
工作动力因数曲线；车辆实际重量计算单元，其被构造成确定车辆实际重
量；工作转矩限制曲线计算单元，其与所述工作动力因数曲线计算单元和
车辆实际重量计算单元以可通讯的方式连接，并且构造成基于所述工作动
力因数曲线和车辆实际重量确定出适合于车辆实际重量的基于发动机转速
的发动机工作转矩限制曲线。
根据一种可行实施方式，所述目标动力因数曲线为对应于车辆变速箱
某一档位的一条曲线，所述工作动力因数曲线为对应于变速箱各档位的多
条工作动力因数曲线。
根据一种可行实施方式，所述目标动力因数曲线为对应于车辆变速箱
最高档位的一条曲线。
根据一种可行实施方式，在所述工作动力因数曲线计算单元中，利用
修正系数对所述目标动力因数曲线进行修正而得到所述工作动力因数曲
线，所述修正系数包括与变速箱各档位和发动机转速相关的第一修正系数。
根据一种可行实施方式，所述第一修正系数构成与变速箱各档位分别
对应的多条修正曲线。
根据一种可行实施方式，所述修正系数还包括下述系数中的一或多个：
基于环境大气压的第二修正系数，其与变速箱各档位和发动机转速无关；
基于环境温度或是基于环境温度和湿度的第三修正系数，其与变速箱各档
位和发动机转速无关；基于客户需求的第四修正系数。
根据一种可行实施方式，第二修正系数构成一条基于环境大气压的曲
线，第三修正系数构成一条基于环境温度的曲线，或是构成一个基于环境
温度和湿度的查表或MAP图，第四修正系数构成一条基于发动机转速的修
正曲线。
根据一种可行实施方式，至少一个修正系数是客户可设置和调节的。
根据一种可行实施方式，所述智能转矩控制器还包括工作转矩限制单
元，其与工作转矩限制曲线计算单元以可通讯的方式连接，并且构造成控
制发动机的最大输出转矩不超过所述工作转矩限制曲线计算单元中确定的
每个档位的发动机工作转矩限制曲线。
根据一种可行实施方式，所述工作转矩限制单元通过控制向发动机的
最大燃油喷射量来控制发动机的最大输出转矩。
根据本申请，在车辆以非满负荷状态行驶时，对车辆的最大驱动转矩
进行限制，从而可以避免不必要的高动力性和由此引起的燃油浪费。
附图说明
图1是根据本申请的一种智能转矩控制器的示意性框图。
图2是据本申请的智能转矩控制器的一个具体例子的框图。
具体实施方式
下面参照附图描述本申请的一些可行实施方式。
如图1所示，根据本申请的一种用于车辆的智能转矩控制器主要包括：
目标动力因数曲线计算单元1，工作动力因数曲线计算单元2，车辆实际重
量计算单元3，工作转矩限制曲线计算单元4，以及可选的工作转矩限制单
元5。
所述智能转矩控制器可以以软件的形式构造为整车控制器中的一部
分，或是以硬件的形式构造为单独的控制器而与整车控制器以可通讯的方
式连接。上述各个单元可以构造成智能转矩控制器中的一个模块，例如软
件形式的模块。
目标动力因数曲线计算单元1与工作动力因数曲线计算单元2以可通
讯的方式连接，工作动力因数曲线计算单元2、车辆实际重量计算单元3
与工作转矩限制曲线计算单元4以可通讯的方式连接，工作转矩限制曲线
计算单元4又与工作转矩限制单元5以可通讯的方式连接。
在目标动力因数曲线计算单元1中，计算车辆的目标动力因数曲线。
车辆的动力因数是衡量车辆驱动能力的一个重要指标，指的是车辆的
牵引力与空气阻力之差与车辆总质量之比。动力因数越大，车辆的加速、
爬坡和克服道路阻力的能力越大。
在本领域中，车辆的动力因数曲线通常体现车辆的动力因数与车速之
间的关系，即通常以车速为横坐标、动力因数为纵坐标，来绘制车辆的动
力因数曲线。由于车辆通常具有多个档位，各个档位下的车辆牵引力不同
(档位越低，牵引力越大)，因此，要为每个档位绘制一条动力因数曲线。
此外，每条动力因数曲线体现相应档位中动力因数与车速之间的关系。
根据本申请，在目标动力因数曲线计算单元1中，在车辆的基准条件
下计算车辆处于满负载状态时的一条目标动力因数曲线。该目标动力因数
曲线可以取自车辆变速箱最高档位(即变速箱提供最低速比)；当然，也可
以取自变速箱其它档位。此外，本申请的目标动力因数曲线表示上述基准
条件下动力因数与发动机转速(而非车速)之间的关系。
接下来，在工作动力因数曲线计算单元2中，基于各种相关因素(例
如各个档位、车辆所在地点的海拔高度、温度湿度、用户喜好等因素)，对
目标动力因数曲线计算单元1中计算出的目标动力因数曲线进行修正，得
到各个档位下的工作动力因数曲线，每条工作动力因数曲线体现该档位的
工作动力因数与发动机转速之间的关系。
如前所述，在传统动力因数曲线中，体现的是动力因数与车速之间的
关系。每个档位的动力因数曲线通常覆盖一定范围的车速，例如，低档位
的动力因数曲线往往只能覆盖低车速范围。当然，各个档位的动力因数曲
线覆盖的车速范围之间存在重合。
在本申请中，在工作动力因数曲线计算单元2中得到的各条工作动力
因数曲线(曲线数量对应于档位数量)体现的是工作动力因数与发动机转
速之间的关系。由于以发动机转速作为基准，因此，各档位覆盖的发动机
转速范围是一致的，例如，从低怠速到高怠速(或最高可行转速)，这方便
了各档位下的动力因数曲线的修正过程中的计算。
在车辆实际重量计算单元3中，实际车重被计算。实际车重为车辆自
重与负荷之和，负荷的范围为零负荷到满负荷。当然，实际中零负荷的情
况(例如不搭载任何人或货物的无人驾驶车辆)是很少见的，但本发明在
车辆实际重量计算单元3中计算的实际车重包含了这种零负荷的情况。
需要指出，车辆行驶的道路通常存在一定坡度，在计算实际车重时，
道路坡度是一项需要考虑的重要因素。根据一种计算实际车重的方法，可
以通过坡度传感器检测到道路坡度，然后基于车辆驱动力与车辆加速度由
车辆动力学方程直接计算出实际车重。根据另一种计算实际车重的方法，
并不需要添加坡度传感器，而是将道路坡度作为一个变量纳入车辆动力学
方程中，然后通过迭代而得到实际车重的估算值。可以理解，基于坡度传
感器直接计算出实际车重的方法计算速度更快，但需要添加坡度传感器；
而将道路坡度作为变量估算实际车重的方法，尽管需要一定的计算时间，
但由于不需要添加坡度传感器而能够节约费用。因此，在本发明的车辆实
际重量计算单元3中，可以根据实际需要而采用任何一种车重实际计算方
法。
接下来在，在工作转矩限制曲线计算单元4中，根据工作动力因数曲
线计算单元2中修正后的动力因数曲线和车辆实际重量计算单元3中得到
的实际车重，确定发动机的工作转矩限制曲线，即针对实际车重(也即针
对车辆实际负荷)确定每个档位下对应于每个发动机转速值的发动机最高
输出转矩。工作转矩限制曲线计算单元4确定的发动机工作转矩限制值可
被用于控制发动机的运转，使得其在每个档位下对于每个转速值的输出转
矩不超过该工作转矩限制曲线。这样，实际上是在车辆非满载状态下限制
了发动机的动力因数或输出功率(等于输出转矩乘以转速)，从而避免不必
要的车辆驱动能力(动力因数)浪费。
接下来，在工作转矩限制单元5(如果有的话)中，对发动机进行转矩
控制，这可以通过控制燃油喷射量来实现。具体而言，基于工作转矩限制
曲线计算单元4中确定的每个档位的发动机工作转矩限制曲线，确定每个
档位下对应于每个发动机转速值的最大喷油量(形成基于发动机转速的最
大喷油量曲线)。在车辆行驶中，在某一车速下(对应于相应的发动机转速)，
如果向发动机喷油量达到了这个最大喷油量，不论驾驶员如何进一步踩下
加速踏板，实际喷油量都不在增加。这样，能够避免因车辆的过高动力因
数而导致不必要的燃油浪费。
需要指出，在前面参照图1描述的智能转矩控制器的实施方式中，在
目标动力因数曲线计算单元1中计算出车辆处于满负载状态、且档位处于
最高档时的一条目标动力因数曲线，然后，在工作动力因数曲线计算单元2
中通过包含档位因素的修正得到各档位下的工作动力因数曲线。根据一种
改型实施方式，可以在目标动力因数曲线计算单元1中计算出辆处于满负
载状态时各档位下的相应目标动力因数曲线(曲线数量等于档位数)，然后
在工作动力因数曲线计算单元2中通过不含档位因素的修正得到各档位下
的工作动力因数曲线。
下面参照图2描述图1所示智能转矩控制器的实施方式的一个具体例
子。可以理解，这个例子中描述的各种特征同样适用于上述智能转矩控制
器的改型实施方式(如要必要，做适当改动)。
如图2所示，在目标动力因数曲线计算单元1中，首先根据发动机外
特性曲线，获取发动机在某个转速n(单位rpm)下的输出转矩Ttq(单位
Nm)。此外，获得传动系统各种参数，包括最高档位时的变速箱传动比(变
速箱最小传动比)ik，传动轴传动比(即变速箱与车轮之间的传动比)io，
车轮半径r(单位m)，传动效率η等。
接下来，利用下面的式(1)计算出最高档位时的车辆驱动力Fdriving(单
位N)：
Fdriving＝Ttq×io×ik×η/r (1)
接下来，利用下面的式(2)计算出对应于该发动机转速的车速Va(单
位km/h)：
Va＝0.337×n×r/ik/io (2)
接下来，利用下面的式(3)计算出对应于该车速的风阻Fwind(单位N)：
Fwind＝CD×A×Va2/21.15 (3)
其中，CD为风阻系数，A为车辆迎风面积(单位m2)。
接下来，利用下面的式(4)计算出应于该发动机转速的目标动力因数
D1：
D1＝(Fdriving-Fwind)/(M×g) (4)
其中，M(单位kg)为满负荷时的车重，为车辆自重与车辆最大载荷
能力之和，g为重力加速度(单位m/s2)。
针对每个发动机转速值(从低怠速到高怠速)，分别计算出上述目标动
力因数D1，就得到了一条目标动力因数曲线。该目标动力因数曲线被输入
到工作动力因数曲线计算单元2中。
在工作动力因数曲线计算单元2中，基于各种相关因素确定出修正系
数，以便对上述目标动力因数曲线进行修正。在图2所示的例子中，包含
下面描述的示例性修正系数。
K1，其为基于变速箱档位和发动机转速的修正系数，并且形成为与各
档位对应的多条线(例如曲线)。即，K1值与相应档位相关，并且在不同
的发动机转速值下可以具有不同的值，此时每个档位下的K1的各个值形成
为一条曲线。当然，根据一种最简单的方式，对于每个档位，对应于各发
动机转速值的K1值相同，即对应于各发动机转速值的K1值形成为一条水
平直线。需要指出，由于发动机转矩在发动机低转速和高转速区间较低，
因此相应的动力因数较小。因此，在确定K1线时，可以将发动机低转速和
/或高转速区间的K1值设置得高于中间转速区间的K1值。此外，K1线的
确定要充分调节车辆动力性和经济性之间的冲突，以实现二者之间最佳的
平衡。
K2，其为基于环境大气压(车辆所处海拔高度)的修正系数，与档位
和发动机转速无关。K2在不同的大气压力下具有不同的值，因此，K2可
以构成为一条基于环境大气压的曲线。
K3，其为基于环境温度的修正系数，与档位和发动机转速无关。K3
在不同的环境温度下具有不同的值，因此，K2可以构成为一条基于环境温
度的曲线。此外，也可将K3构造成基于环境温度和湿度的修正系数(同样
与档位和发动机转速无关)。K3在不同的环境温度和湿度下具有不同的值，
因此，K3可以构成为基于环境温度和湿度的查表或MAP图。
K4，其为基于客户需求(例如用户喜好、车型、车辆用途和环境等)
的修正系数，形成为与各档位无关的一条线。K4在不同的发动机转速值下
可以具有不同的值(K4形成为一条曲线)或相同的值(K4形成为一条水
平直线)。
上述各个修正系数的值(线)可以在出厂前预先设置好。或者，其中
的某个或某些修正系数，尤其是K4，可由用户设置或调节。
在确定了各个修正系数后，对于每个发动机转速值，利用各修正系数
对目标动力因数D1进行修正而计算出工作动力因数D2。这种修正可以是
将各修正系数与目标动力因数D1相乘，例如：
D2＝D1×K1×K2×K3×K4 (5)
对于各个档位，都计算出各个发动机转速下的工作动力因数D2，因此，
这些工作动力因数D2构成与各个档位对应的多条工作动力因数曲线，每条
工作动力因数曲线体现该档位的工作动力因数与发动机转速之间的关系。
此处可以看出，本发明基于发动机转速而非车速来构造动力因数曲线，
更容易进行上述修正计算。
在车辆实际重量计算单元3中，计算车辆实际重量M1(单位kg)。图
2所示例子中，采用了基于坡度传感器的方法计算车辆实际重量。具体而言，
首先得到道路纵向(前后方向)的坡度θ，并且得到车辆的纵向加速度a(单
位m/s2)。例如，通过测量间隔时间t的两个采样时间点处的车速可计算出
纵向加速度a。此外，查到或计算出对应于当前车速的车辆驱动力Fdriving
和风阻Fwind。
然后，利用下面的式(6)计算出车辆实际重量：
M1＝(Fdriving-Fwind-△W×a/g)/(a+sinθ+f×cosθ) (6)
其中△W为旋转运动件(车轮等)的等效质量，f为滚动阻力系数。
工作动力因数曲线计算单元2中计算出的工作动力因数曲线和车辆实
际重量计算单元3中计算出的车辆实际重量被输入到工作转矩限制曲线计
算单元4中，在工作转矩限制曲线计算单元4中利用下面的式(7)计算出
对应于车辆实际负荷的工作转矩限制值Ttq1：
Ttq1＝(Fwind+D2×M1×g)×r/(io×ik×η) (7)
对于每个档位下的每个发动机转速值，计算出相应的工作转矩限制值。
这样，在每个档位下，获得一条基于发动机转速的工作转矩限制曲线。在
该档位下，发动机输出转矩将被控制为不得超出该工作转矩限制曲线。
接下来，在可选的工作转矩限制单元5中，基于工作转矩限制曲线计
算单元4中确定的每个档位下的工作转矩限制曲线确定相应发动机喷油量
限制曲线。在该动机喷油量限制曲线下方，喷油量与加速踏板的行程相关。
在喷油量达到动机喷油量限制曲线时，喷油量保持不再升高，即使加速踏
板被进一步踩下。
可以看到，根据本申请的智能转矩控制器，确定了基于发动机转速的
车辆工作动力因数，并且车重即负荷被实时地计算出来，基于实际负荷和
工作动力因数，确定出适合于该负荷的限制扭矩曲线。这样，一方面确保
车辆具有适合于当前负荷的充足动力性，另一方面限制了车辆动力因数超
出实际需要，因而可以最优化燃料喷射，避免燃料浪费。换言之，本申请
在车辆的各种负荷状态下，实现了车辆动力性和经济性之间的平衡。
虽然这里参考具体的实施方式描述了本申请，但是本申请的范围并不
局限于所示的细节。在不偏离本申请的基本原理的情况下，可针对这些细
节做出各种修改。