基于ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)的電控柴油機(jī)扭矩監(jiān)控策略研究*

趙俊鵬，周文華，梁 恒

(浙江大學(xué)能源工程學(xué)系，浙江杭州310027)

0 引言

安全是汽車研發(fā)中的關(guān)鍵要素之一，隨著汽車電子在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，汽車電子產(chǎn)品的系統(tǒng)失效、部件失效等安全問(wèn)題日益嚴(yán)峻，如何避免功能失效引發(fā)人身傷害事故或?qū)⑽ｋU(xiǎn)事故發(fā)生的可能降到可接受的程度成為汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大挑戰(zhàn)［1-2］。為了有效限制發(fā)動(dòng)機(jī)功能失效時(shí)的扭矩輸出以使車輛處于安全狀態(tài)，在車輛行駛過(guò)程中需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩進(jìn)行監(jiān)控和限制，因此扭矩監(jiān)控算法是提高車輛安全性的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本研究通過(guò)ISO 26262 道路車輛功能安全標(biāo)準(zhǔn)在概念階段分析可能存在的安全風(fēng)險(xiǎn)并設(shè)定安全目標(biāo)，確定產(chǎn)品研發(fā)中每個(gè)項(xiàng)目元素的功能安全需求;在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中采用滿足技術(shù)安全規(guī)范的V 模型，并提供滿足功能安全需求的有效措施。本研究基于ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩輸出進(jìn)行分析，在基于模型的開發(fā)模式下，利用Matlab/ Simulink 工具完成發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩和安全限制扭矩比較監(jiān)控策略的開發(fā)，并通過(guò)RTW Embeded Coder 工具箱實(shí)現(xiàn)模型自動(dòng)代碼生成并編譯下載到控制器［3］，該監(jiān)控策略能準(zhǔn)確識(shí)別到非駕駛員需求的扭矩增加，并有效限制發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出，能夠保證車輛處于安全狀態(tài)。

1 扭矩監(jiān)控策略的概念設(shè)計(jì)

1.1 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容簡(jiǎn)介

ISO 26262 是從電子、電氣及可編程控制器功能安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508 派生出來(lái)的，主要定位在汽車行業(yè)中特定的電氣器件、電子設(shè)備、可編程電子器件等專門用于汽車領(lǐng)域的器件，旨在提高汽車電子、電氣產(chǎn)品功能安全的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)［4］。其主要提供了汽車生命周期(管理、研發(fā)、生產(chǎn)、運(yùn)行、服務(wù)、拆解)和生命周期中必要的改裝活動(dòng);提供了決定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的具體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法(汽車安全綜合等級(jí)ASILs);通過(guò)使用ASILs 方法來(lái)確定獲得可接受的殘余風(fēng)險(xiǎn)的必要安全需求;提供了確保獲得足夠的和可接受的安全等級(jí)的有效性和確定性措施。

ISO 26262 分別從概念階段、產(chǎn)品研發(fā)和開始生產(chǎn)以后3 個(gè)方面對(duì)產(chǎn)品的整個(gè)生命周期進(jìn)行了規(guī)范和要求，從而使得產(chǎn)品在各個(gè)生命周期都比較完善地考慮了其安全功能，產(chǎn)品研發(fā)流程如圖1所示。

圖1 ISO 26262 產(chǎn)品研發(fā)流程

1.2 功能安全需求分析及安全目標(biāo)設(shè)定

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩傳遞路徑如圖2所示，噴油系統(tǒng)噴射的燃油經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為扭矩，然后經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)輸出到車輪［5］?；谂ぞ氐目刂扑惴ǔ诵枰紤]保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的扭矩外，還需要考慮各種附件(如空調(diào)、交流發(fā)電機(jī)等)的額外扭矩以及各種扭矩限制等［6-7］，基于扭矩的控制策略流程圖如圖3所示。其分為兩部分:一部分是指示扭矩計(jì)算;另一部分是指示扭矩的輸出。需求扭矩包括汽車上所有動(dòng)力裝置的扭矩需求，這些需求通過(guò)CAN 總線傳給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU或者由ECU 根據(jù)傳感器信號(hào)計(jì)算獲得，ECU 對(duì)所有這些需求扭矩進(jìn)行協(xié)調(diào)，并計(jì)算當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)損失扭矩，得到發(fā)動(dòng)機(jī)需要輸出的總扭矩即指示扭矩。第2 部分是具體的執(zhí)行器輸出，對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)就是要轉(zhuǎn)變成噴油控制信號(hào)。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩傳遞路徑

需求扭矩直接影響供油系統(tǒng)的噴油控制值，最終影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩大小。根據(jù)ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)中的ASILs 方法對(duì)非駕駛員需求的扭矩增加進(jìn)行危險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估如下:非駕駛員需求的扭矩增加可能對(duì)駕駛員或其他交通參與人員造成危及生命的傷害或致命傷害，故設(shè)定嚴(yán)重性等級(jí)為S3;在操作條件下暴露于危險(xiǎn)中的可能性低，設(shè)定可能性等級(jí)為E2;當(dāng)該風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，駕駛員可以采取急收油門和緊急制動(dòng)等措施避免傷害，其可控性為正常可控，故設(shè)定可控性等級(jí)為C2。根據(jù)以上3 個(gè)參數(shù)的分級(jí)，查ASIL 等級(jí)表可得非駕駛員需求的扭矩增加相應(yīng)的ASIL 等級(jí)為A［8-10］。

圖3 基于扭矩的控制策略流程圖

根據(jù)以上分析，本研究設(shè)定扭矩輸出的安全目標(biāo)為限制發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩小于相應(yīng)工況下的安全限制扭矩。筆者將該安全目標(biāo)分配到軟件級(jí)產(chǎn)品研發(fā)，需要設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩的監(jiān)控策略，用于監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，并與該工況下的安全限制扭矩比較，根據(jù)比較結(jié)果做出相應(yīng)的響應(yīng)。

2 扭矩監(jiān)控策略

在基于扭矩的發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略中，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)合一定的試驗(yàn)方法學(xué)建立發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、軌壓和噴油控制與輸出扭矩間的關(guān)系［11］，通過(guò)扭矩油量轉(zhuǎn)換將計(jì)算所得的需求扭矩轉(zhuǎn)換為噴油控制信號(hào)，即噴射類型、噴油始點(diǎn)和噴油持續(xù)時(shí)間，以控制發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出。扭矩監(jiān)控策略則根據(jù)噴射類型、噴油始點(diǎn)和噴油持續(xù)時(shí)間等控制值逆向計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩，整體方案流程圖如圖4所示。

該方案根據(jù)加速踏板位置和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速冗余信號(hào)等計(jì)算安全限制扭矩，與發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩控制策略中的系統(tǒng)性能限制扭矩進(jìn)行比較，在兩者中取最小值，用于限制需求扭矩小于安全限制扭矩;同時(shí)將實(shí)際扭矩和安全限制扭矩比較，根據(jù)比較結(jié)果作出相應(yīng)的響應(yīng)，以使車輛處于安全狀態(tài)。因此，安全限制扭矩和實(shí)際扭矩的計(jì)算模型是扭矩監(jiān)控策略的核心，下面將進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

圖4 扭矩監(jiān)控策略整體方案流程圖

2.1 安全限制扭矩的計(jì)算模型

安全限制扭矩的計(jì)算是根據(jù)當(dāng)前工況下的駕駛員需求扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)扭矩?fù)p失和外部扭矩需求等計(jì)算允許輸出的發(fā)動(dòng)機(jī)指示扭矩，計(jì)算流程如圖5所示。車輪扭矩包括系統(tǒng)根據(jù)加速踏板位置和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速冗余信號(hào)計(jì)算所得的駕駛員需求扭矩與駕駛員輔助系統(tǒng)消耗扭矩，同時(shí)考慮附件及傳動(dòng)系統(tǒng)損失扭矩和外部扭矩需求，通過(guò)協(xié)調(diào)扭矩需求和計(jì)算附件補(bǔ)償獲得離合器扭矩和用于計(jì)算指示扭矩的附件損失扭矩。系統(tǒng)根據(jù)離合器扭矩、車輛附件損失扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)損失扭矩以及調(diào)速器和主動(dòng)阻尼器協(xié)調(diào)扭矩需求，獲得當(dāng)前工況下發(fā)動(dòng)機(jī)允許輸出的指示扭矩，即安全限制扭矩。

計(jì)算所得的安全限制扭矩用于扭矩限制和扭矩比較。在扭矩限制中，當(dāng)扭矩控制策略中計(jì)算所得的需求扭矩大于安全限制扭矩時(shí)，本研究采用安全限制扭矩進(jìn)行扭矩油量轉(zhuǎn)換獲得油量控制值，從而限制發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出，達(dá)到保護(hù)駕駛員安全的目的。

圖5 安全限制扭矩計(jì)算流程圖

2.2 實(shí)際扭矩的計(jì)算模型

實(shí)際扭矩的計(jì)算是基于扭矩的發(fā)動(dòng)機(jī)噴油控制值計(jì)算的逆過(guò)程，計(jì)算流程如圖6所示。系統(tǒng)根據(jù)噴油控制值、軌壓和轉(zhuǎn)速計(jì)算燃油質(zhì)量，并對(duì)燃油質(zhì)量進(jìn)行修正;然后對(duì)燃油質(zhì)量進(jìn)行軌壓波動(dòng)修正;根據(jù)運(yùn)行模式計(jì)算與扭矩相關(guān)的燃油質(zhì)量;最后根據(jù)扭矩相關(guān)的燃油質(zhì)量計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的指示扭矩，即實(shí)際扭矩。

圖6 實(shí)際扭矩計(jì)算流程圖

具體計(jì)算過(guò)程如下:

首先，系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速同步讀取扭矩控制策略中的噴油控制值，并根據(jù)噴射類型判斷噴油始點(diǎn)是否合理，如果不合理則可能造成非駕駛員需求的扭矩增加，通過(guò)觸發(fā)ICO 設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)為“跛行回家”能有效限制發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出，使車輛處于安全狀態(tài)。

然后，系統(tǒng)根據(jù)噴射時(shí)間和當(dāng)前軌壓查燃油體積MAP 圖得到噴射燃油體積，并對(duì)其進(jìn)行修正(包括油量調(diào)整和零油量自學(xué)習(xí)修正等，修正前對(duì)零油量標(biāo)定值進(jìn)行合理性校驗(yàn)，即將標(biāo)定值與軌壓相關(guān)的特性曲線進(jìn)行比較，如果不合理則噴油量有可能偏大，造成非駕駛員需求的扭矩增加，此時(shí)延時(shí)觸發(fā)ICO，以限制扭矩的增加，使車輛處于安全狀態(tài))，以標(biāo)準(zhǔn)的燃油密度作為應(yīng)用參數(shù)，計(jì)算得到燃油質(zhì)量。

此外，該計(jì)算模型還對(duì)燃油質(zhì)量進(jìn)行了軌壓波動(dòng)修正，主要對(duì)先導(dǎo)噴射Pil1、預(yù)噴射Pil2 和主噴射MI1的噴射燃油質(zhì)量進(jìn)行壓力波動(dòng)修正。修正燃油質(zhì)量與共軌壓力p、噴射燃油質(zhì)量q 和前一次噴射的間隔相關(guān)。

對(duì)運(yùn)行模式監(jiān)控的目的是確定每次噴射與扭矩的相關(guān)性，從而計(jì)算與扭矩相關(guān)的燃油質(zhì)量，計(jì)算模型如圖7所示。遠(yuǎn)后噴射Pol1 與扭矩不相關(guān)，先導(dǎo)噴射Pil1、預(yù)噴射Pil2 和主噴射MI1 與扭矩100%相關(guān)，后噴射Pol2 的效率與噴射時(shí)間、后噴射與主噴射的時(shí)間間隔、后噴射始點(diǎn)和噴射燃油質(zhì)量、共軌壓力相關(guān)。后噴始點(diǎn)對(duì)后噴射效率的影響因子根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速M(fèi)oFESpd_nEng 和后噴射始點(diǎn)MoFInjDat_ phiPol2 查MAP 得到;后噴射燃油質(zhì)量MoFQntCor_qPol2 對(duì)后噴射效率的影響因子通過(guò)查表得到;后噴射與主噴射的時(shí)間間隔MoFMode_tiMI1Pol2 對(duì)后噴射效率的影響因子根據(jù)該時(shí)間間隔和主噴射燃油質(zhì)量MoFQntCor_qMI1 查MAP 得到;共軌壓力MoFRailP_p 對(duì)后噴射效率的影響因子通過(guò)查表得到;這4 個(gè)影響因子乘積即為后噴射的效率因子MoFMode_facPol2Eff_mp。經(jīng)燃油質(zhì)量修正和軌壓波動(dòng)修正后的先導(dǎo)噴射Pil1、預(yù)噴射Pil2 和主噴射MI1 燃油質(zhì)量，加后噴射Pol2 燃油質(zhì)量與其效率因子的乘積，得到與扭矩相關(guān)的噴射燃油質(zhì)量MoFMode_qSetUnBal，用于計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)指示扭矩。

圖7 基于運(yùn)行模式的扭矩相關(guān)燃油質(zhì)量計(jì)算結(jié)構(gòu)圖

最后，系統(tǒng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩相關(guān)的噴射燃油質(zhì)量查扭矩油量轉(zhuǎn)換MAP 圖得到發(fā)動(dòng)機(jī)的指示扭矩，即發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際扭矩。

本研究采用Matlab/Simulink 工具完成上述扭矩監(jiān)控策略的建模，在快速原型階段監(jiān)控策略采用浮點(diǎn)運(yùn)算，然后通過(guò)Matlab/Fixed Point 工具箱進(jìn)行數(shù)據(jù)定標(biāo)，將浮點(diǎn)運(yùn)算轉(zhuǎn)化為目標(biāo)ECU 支持的定點(diǎn)運(yùn)算，由于缺少第三方工具的支持，本研究利用RTW Embeded Corder 工具箱實(shí)現(xiàn)自動(dòng)代碼生成，最后在集成編譯環(huán)境中完成編譯鏈接并下載到目標(biāo)ECU 以驗(yàn)證扭矩監(jiān)控策略。

3 模型仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證扭矩監(jiān)控策略中實(shí)際扭矩計(jì)算的準(zhǔn)確性和扭矩限制的有效性，本研究進(jìn)行了模型仿真，并在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，該試驗(yàn)過(guò)程采用德國(guó)Vector 公司的CANape 標(biāo)定軟件建立監(jiān)控和標(biāo)定平臺(tái)。試驗(yàn)用柴油機(jī)型號(hào)為4F20TCI，型式為直列、增壓中冷，缸徑為84 mm，活塞行程為90 mm，排量為1.995 L，標(biāo)定功率為75 kW(3 600 r/min)，標(biāo)定扭矩為223 N·m(2 500 r/min)。

3.1 模型仿真

開發(fā)過(guò)程中，在模型建立完之后，本研究根據(jù)由實(shí)驗(yàn)室多年的臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)所制成的MAP 圖，提取該控制策略所需要的數(shù)據(jù)填入到模型中。同時(shí)結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作狀況和建立完成的控制模型，近似給出輸入量模擬信號(hào)，通過(guò)Simulink 離線仿真功能，可得出安全限制扭矩和實(shí)際扭矩信號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升過(guò)程中的實(shí)際扭矩和安全限制扭矩仿真結(jié)果如圖8所示。

3.2 實(shí)際扭矩計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)姆€(wěn)定怠速轉(zhuǎn)速800 r/min 上升到1 700 r/min、2 300 r/min、3 100 r/min 和3 850 r/min 時(shí)實(shí)際扭矩與輸出扭矩曲線如圖9所示，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩通過(guò)電渦流測(cè)功器測(cè)得。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升的過(guò)程中，需求扭矩增加;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定以后，需求扭矩穩(wěn)定，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率為13.5%。實(shí)際扭矩比輸出扭矩偏小，這可能是扭矩?fù)p失、計(jì)算模型和標(biāo)定參數(shù)造成的，而這些誤差是可以接受的。

圖8 加速過(guò)程中的實(shí)際扭矩與安全限制扭矩仿真

圖9 加速過(guò)程中的實(shí)際扭矩與輸出扭矩曲線

3.3 扭矩限制

發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩限制包括扭矩控制策略中的系統(tǒng)性能限制扭矩和扭矩監(jiān)控策略中的安全限制扭矩。系統(tǒng)性能限制扭矩為系統(tǒng)故障扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)突增限制扭矩、機(jī)械保護(hù)扭矩和車輛性能限制扭矩四者中的最小值，當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)故障時(shí)用于協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)的指示扭矩限制。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上，發(fā)動(dòng)機(jī)從穩(wěn)定怠速800 r/min 逐步加速到1 700 r/min、2 300 r/min、3 100 r/min 和3 850 r/min過(guò)程中的系統(tǒng)性能限制扭矩、安全限制扭矩和輸出扭矩曲線如圖10所示。從圖10 中可以看出，安全限制扭矩大于系統(tǒng)性能限制扭矩，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的過(guò)程中其輸出扭矩小于系統(tǒng)性能限制扭矩，安全限制扭矩能有效地限制發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出扭矩。

3.4 故障響應(yīng)

圖10 加速過(guò)程中的扭矩限制曲線

為了模擬扭矩限制失效的故障，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由2 300 r/min 加速到3 100 r/min 的過(guò)程中，本研究通過(guò)CANape 標(biāo)定系統(tǒng)手動(dòng)設(shè)置需求扭矩為167 N·m，大于該工況下的安全限制扭矩156 N·m。試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，當(dāng)輸出扭矩大于安全限制扭矩時(shí)，系統(tǒng)輸出扭矩急劇下降，此后維持負(fù)荷率10% 和轉(zhuǎn)速1 100 r/min，即跛行回家設(shè)定的工況。分析結(jié)果表明當(dāng)實(shí)際扭矩大于安全限制扭矩時(shí)，系統(tǒng)觸發(fā)ICO 并將其設(shè)置為跛行回家模式，扭矩監(jiān)控策略能有效限制發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出，滿足扭矩的功能安全需求。

圖11 扭矩限制故障時(shí)的扭矩限制曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究針對(duì)ISO 26262 道路車輛功能安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩進(jìn)行危險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并設(shè)定其安全目標(biāo);采用Matlab/ Simulink 及RTW Embeded Corder 工具箱完成發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩和需求扭矩比較監(jiān)控策略建模及代碼自動(dòng)生成。

研究結(jié)果表明:該扭矩監(jiān)控策略能準(zhǔn)確識(shí)別非駕駛員需求的扭矩增加并限制發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出，實(shí)現(xiàn)設(shè)定的安全目標(biāo)。由于試驗(yàn)條件的限制，該扭矩監(jiān)控策略針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定和驗(yàn)證，還需對(duì)駕駛員輔助系統(tǒng)和附件等車輛相關(guān)的扭矩需求進(jìn)行標(biāo)定和試驗(yàn)驗(yàn)證，以完善扭矩監(jiān)控策略，這是下一步的研究重點(diǎn)。

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