電動汽車增程器的電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)研究

謝有浩

（安徽長豐揚子汽車制造有限責任公司）

1 前言

增程式電動汽車是一種特殊的混合動力汽車，其增程器是一個由小型發(fā)動機、發(fā)電機、整流裝置組成的發(fā)電機組。該種車型電池自帶的電力可以保證一定里程內(nèi)的正常行駛，一旦電量不足，增程器開始運轉(zhuǎn)，作為發(fā)電機為電池充電，增加了車輛的續(xù)駛里程。增程式電動汽車的技術(shù)模式簡單可靠，較長的續(xù)駛里程基本可達到傳統(tǒng)汽車水平[1～3]。

增程器控制系統(tǒng)，需要按照整車管理系統(tǒng)要求，控制增程器起動、停機、按特定電壓或電流實現(xiàn)發(fā)電輸出。增程器能量源來自于發(fā)動機，當增程器進行發(fā)電輸出時，發(fā)動機一般進行恒轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，而輸出扭矩隨負載自適應。因此，增程器發(fā)動機控制系統(tǒng)必須使用電子節(jié)氣門這一關(guān)鍵器件，實現(xiàn)發(fā)動機進氣量的自動控制[4]。

2 增程器控制系統(tǒng)組成

2.1 增程器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

增程器控制系統(tǒng)模塊包括外圍傳感器信號、傳感器信號處理、系統(tǒng)狀態(tài)判斷、進氣模型、節(jié)氣門控制、點火控制、噴油控制。其中，外圍傳感器信號包括曲軸位置、凸輪軸位置、實際節(jié)氣門開度、進氣壓力、進氣溫度、冷卻液溫度。以上系統(tǒng)模塊集成一體，構(gòu)成ECU系統(tǒng)。外圍傳感器信號經(jīng)過傳感器信號處理模塊后，由電壓值轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袑嶋H意義的物理值，以便進行工況判斷和進氣量計算。系統(tǒng)狀態(tài)判斷模塊通過當前的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度等數(shù)值所在的范圍，確定發(fā)動機當前的基本工作狀態(tài)，即停機、起動、怠速、發(fā)電4種工況，使用各自工況下的算法計算出相應的目標節(jié)氣門開度、點火提前角，進行節(jié)氣門開度控制和點火控制。同時，根據(jù)系統(tǒng)當前的進氣壓力和溫度，通過速度—密度法進氣模型計算出進氣流量，再根據(jù)理論空燃比原則，計算出基本噴油量，加上其它瞬態(tài)噴油補償量，得到最終噴油量，作為噴油控制的依據(jù)。

增程器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 增程器控制系統(tǒng)狀態(tài)判斷

發(fā)動機的基本狀態(tài)包括停機、起動、怠速、發(fā)電4種工況。

停機工況：對應于點火鑰匙通電而起動機沒有運轉(zhuǎn)、發(fā)動機沒有運行的狀態(tài)，要求增程器控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)進行初始化，此時轉(zhuǎn)速為0，輸出扭矩也為0。

起動工況：對應于起動機接合，發(fā)動機轉(zhuǎn)速從0開始上升到怠速的狀態(tài)。

怠速工況：對應于發(fā)動機已起動并平穩(wěn)運轉(zhuǎn)但無負載的狀態(tài)，此時要求轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制在怠速目標轉(zhuǎn)速附近，系統(tǒng)在怠速過程中，無論外界負載如何變化，轉(zhuǎn)速都在目標轉(zhuǎn)速附近，并且在轉(zhuǎn)速安全范圍內(nèi)。

發(fā)電工況：此時發(fā)動機需要帶負載，有扭矩輸出，但要求轉(zhuǎn)速穩(wěn)定于發(fā)電目標轉(zhuǎn)速附近（如3 600 r/min），系統(tǒng)在發(fā)電狀態(tài)中，無論外界負載如何變化，轉(zhuǎn)速都在發(fā)電目標轉(zhuǎn)速附近，并且在轉(zhuǎn)速安全范圍內(nèi)。

以上發(fā)動機工況可作為電子節(jié)氣門開度的計算條件，從而確定電子節(jié)氣門位置。

3 電子節(jié)氣門控制策略

3.1 電子節(jié)氣門機械結(jié)構(gòu)

電子節(jié)氣門的機械結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括加速踏板位置傳感器、復位彈簧、節(jié)氣門位置傳感器、節(jié)氣門控制電機等部分[5]。

加速踏板位置傳感器：由兩個無觸點線性電位器傳感器組成，由此產(chǎn)生反映加速踏板行程和變化速率的電壓信號輸入ECU。

復位彈簧：節(jié)氣門軸上有兩復位彈簧向相反方向起作用，保證在控制系統(tǒng)有故障時節(jié)氣門能夠回復到平衡位置，使發(fā)動機繼續(xù)運轉(zhuǎn)。

節(jié)氣門位置傳感器：電子節(jié)氣門系統(tǒng)采用兩個節(jié)氣門位置傳感器，兩傳感器輸出電壓信號隨節(jié)氣門開度增加變化趨勢相反，且兩輸出電壓之和始終等于傳感器的供電電壓。該冗余設(shè)計可使兩個傳感器相互檢測，很大程度上增加了系統(tǒng)可靠性。兩路信號均正確無誤，系統(tǒng)方可工作于正常安全狀態(tài)。

節(jié)氣門控制電機：電機輸出轉(zhuǎn)矩和脈寬調(diào)制信號的占空比成正比，方向則是由和節(jié)氣門相連的復位彈簧控制。當占空比一定，電機輸出轉(zhuǎn)矩與復位彈簧阻力矩保持平衡時，節(jié)氣門開度不變；當占空比增大時，電機輸出轉(zhuǎn)矩克服復位彈簧阻力矩，節(jié)氣門開度增大；當占空比減小時，電機輸出轉(zhuǎn)矩和節(jié)氣門開度也隨之減小。

3.2 電子節(jié)氣門位置控制的計算邏輯設(shè)計

基于增程器發(fā)動機的工況判斷，采用不同計算策略確定電子節(jié)氣門的目標開度。

起動控制：目標開度為與水溫和轉(zhuǎn)速直接相關(guān)的起動開度。

怠速控制：包括怠速基本開度、轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID調(diào)節(jié)開度和外部載荷補償。由于增程式電動汽車的主要電氣負載由電池系統(tǒng)提供能源，因而怠速補償比常規(guī)發(fā)動機補償少，主要是風扇補償、溫度補償?shù)取?/p>

發(fā)電控制：此時電子節(jié)氣門的調(diào)節(jié)量主要由基于發(fā)電目標轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID調(diào)節(jié)模塊決定。ECU根據(jù)發(fā)電目標轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的偏差輸入對PID模塊進行調(diào)節(jié)，最終調(diào)節(jié)量為電子節(jié)氣門的目標開度位置。

節(jié)氣門控制系統(tǒng)（ETC）目標位置計算完成后，通過ETC自身的閉環(huán)位置反饋調(diào)節(jié)電子節(jié)氣門的實際位置達到計算開度位置?？刂扑惴ㄟ壿嬃鞒倘鐖D3所示。

3.3 轉(zhuǎn)速閉環(huán)的PID調(diào)節(jié)實現(xiàn)方法

增程器ECU轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制采用PI調(diào)節(jié)器，其P 項（ETC_SP_P）和 I項（ETC_SP_I）分別采用標定表來實現(xiàn)。P項和I項的標定表均是以轉(zhuǎn)速偏差為自變量的一維表，查得的函數(shù)值則是節(jié)氣門開度的P項、I項調(diào)節(jié)量。增程器ECU通過計算當前工作設(shè)定轉(zhuǎn)速與采集的實時轉(zhuǎn)速差值作為轉(zhuǎn)速偏差，分別查詢P項表和I項表，按照以下算法得到轉(zhuǎn)速閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器的節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)量。

ETC_SP表示節(jié)氣門目標開度，在n時刻：

ETC_SP_I_SUM （n）=ETC_SP_I_SUM （n-1）+ETC_SP_I（n）

ETC_SP=ETC_SP_P+ETC_SP_I_SUM

臺架標定試驗中模擬整車上的發(fā)電工況，通過可調(diào)電負載對增程器加載，在不同加載幅度下對P項、I項表進行詳細標定，最終達到發(fā)電控制的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)指標。

4 電子節(jié)氣門控制試驗

臺架測試試驗中，增程器發(fā)動機的初始工況為在發(fā)電目標轉(zhuǎn)速下（1 500 r/min）空載運轉(zhuǎn)。通過兩次突加負載，可以驗證發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制的穩(wěn)定性和電子節(jié)氣門控制的正確性。兩次加載的載荷分別為，第1次加載時負載由空載加載至增程器額定發(fā)電功率的38%，第2次加載時負載由增程器額定發(fā)電功率的38%增大至65%。試驗數(shù)據(jù)曲線如圖4所示?？梢?，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID調(diào)節(jié)模塊作用下，電子節(jié)氣門的目標開度位置在兩次加載時相應增大。而在電子節(jié)氣門位置閉環(huán)控制作用下，電子節(jié)氣門實際位置始終與目標位置基本重合，從而實現(xiàn)了兩次突加負載后發(fā)動機轉(zhuǎn)速的快速恢復并重新達到穩(wěn)定。本試驗驗證了基于增程器發(fā)動機工況的電子節(jié)氣門控制算法，可以按照不同的發(fā)動機實際工況實現(xiàn)設(shè)計的控制功能。

5 結(jié)束語

增程器發(fā)動機的電子節(jié)氣門控制是決定增程器起動性、發(fā)電穩(wěn)態(tài)指標、動態(tài)響應指標的關(guān)鍵技術(shù)。電子節(jié)氣門控制方法在增程器系統(tǒng)上的應用，實現(xiàn)了增程式電動汽車對增程器的相關(guān)功能要求，邏輯簡明清晰，軟件實現(xiàn)實用簡便。

后續(xù)工作主要是增程器負載突變時的動態(tài)響應指標優(yōu)化，將繼續(xù)優(yōu)化P、I項參數(shù)，增加負載需求值前饋邏輯等，以進一步提升增程器的發(fā)電品質(zhì)。

1 吳韶建，陶元芳.增程式電動汽車的概念與設(shè)計方案.機械工程與自動化，2010（5）：209～210.

2 Tate E D， Michael O Harpster，Peter J Savagian.The electrification of the automobile:From conventional Hybrid，to Plug －in Hybrids， to Extended －Range Electric Vehicles.SAE 2008－01－0458.

3 宋柯，章桐.增程式純電驅(qū)動汽車動力系統(tǒng)研究.汽車技術(shù)，2011（7）：14～18.

4 謝輝，郝明德，周能輝.混合動力車用汽油機電控節(jié)氣門系統(tǒng)的開發(fā)研究.汽車工程，2006，28（1）：17～19.

5 錢偉康，李峰，錢建秋，曾義芳.汽車電子節(jié)氣門的控制策略研究.測控技術(shù)，2010，29（3）：47～51.