混合動力汽車EMS系統(tǒng)開發(fā)研究

1、9 / 7混合動力汽車EMS系統(tǒng)開發(fā)分析2018-05-07 點擊 (401 作者 : 撰文 / 聯(lián)合汽車電子有限公司何海 李君 郭曉潞來源 : 文字大小: 大 中 小 發(fā)動機管理系統(tǒng)( 后文簡稱EMS系統(tǒng)，Engine Management System 是混合動力汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是國內(nèi)相關(guān)企業(yè)研發(fā)混合動力汽車的瓶頸所在。相關(guān)研究表明，發(fā)動機工作效率的優(yōu)化對混合動力汽車燃油經(jīng)濟性的貢獻率大概在15%35%左右。而目前國內(nèi)很多企業(yè)、研究所和高校在研發(fā)混合動力汽車時，仍然將EMS系統(tǒng)作為一個黑匣子使用，僅通過調(diào)節(jié)節(jié)氣門開度來控制發(fā)動機的扭矩輸出，而不對發(fā)動機的噴油量、點火角等主要控制參數(shù)進

2、行主動控制，也沒有涉及診斷系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能升級。這種設(shè)計方法不能針對混合動力汽車的特點優(yōu)化發(fā)動機的工作特性，特別是優(yōu)化發(fā)動機的瞬態(tài)工作特性，也不能滿足國內(nèi)外排放和EOBD法規(guī)的要求，在安全監(jiān)控方面還存在較大的安全隱患問題，因此只能作為功能樣車使用，不可能大批量生產(chǎn)?；旌蟿恿ζ嚪诸惡椭饕δ芴匦愿鶕?jù)混合動力汽車的功能特征， 可以將混合動力汽車 劃分為微度混合動力 (Micro hybrid ，簡稱微混、輕度混合動力 (Mild hybrid ， 簡稱輕混和強度混合動力(Stronghybrid ，簡稱強 混 。微度混合動力汽車的主要功能是智能起停，即在車輛怠速時自動關(guān)閉發(fā)動機，等到車輛

3、運行前再自動起動發(fā)動機，因此又稱為起停系統(tǒng)。由于減少了發(fā)動機怠速，發(fā)動機怠速時消耗的燃油就被節(jié)省下來。輕度混合動力汽車除了起停功能外，還具有制動能量回收和扭矩輔助的功能。制動能量回收指在車輛減速或制動時，通過電機提供負扭矩制動力，將車輛的動量轉(zhuǎn)化為電能存儲到電池中，該部分電能又可以通過電機在適當(dāng)?shù)臅r候以機械能輸出。制動能量回收功能能夠降低油耗5%14左右。扭矩輔助是指電機能夠在某些工況下和發(fā)動機一起共同提供扭矩輸出，以滿足車輛在極限工況下的扭矩需求，如全加速和上坡工況等。傳統(tǒng)汽車一般采用較大功率的發(fā)動機以滿足這些極限工況的扭矩需求，而混合動力汽車由于有電機的扭矩輔助，可以采用較小功率的發(fā)動機就

4、能達到同樣的動力輸出，該功能能夠降低油耗達6%14%左右。強度混合動力汽車除了具備輕度混合動力汽車的功能以外，還有純電動驅(qū)動功能，即電機可以單獨驅(qū)動車輛運行。由于電機的功率較大，能夠?qū)崿F(xiàn)較復(fù)雜的控制算法，燃油經(jīng)濟性得到進一步提高?；旌蟿恿ζ嘐MS系統(tǒng)的技術(shù)要求根據(jù)以上混合動力汽車類型和功能特性分析，混合動力汽車EMS系統(tǒng)需要具備以下功能：發(fā)動機智能起停目前，我國車輛型式認證主要采用綜合工況(NEDC， New European Driving Cycle>測試車輛的油耗和排放。在綜合工況下，發(fā)動機總共有12 次怠速，除了用于自學(xué)習(xí)和診斷的怠速外，大部分怠速都可以停止發(fā)動機，測試結(jié)果顯示

5、，該功能能夠降低油耗達48左右。對常規(guī)汽車來說，如果在ECU上電的情況下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速降為0，將視為一種發(fā)動機憋死故障，如果不將ECU下電就直接起動發(fā)動機，EMS將以一種跛行起動模型工作，噴入較多的油，并以較大的空氣負荷起動發(fā)動機，以確保發(fā)動機起動成功，從而造成油耗和排放惡化。同時，常規(guī)發(fā)動機的暖機起動時間大概為400ms左右，將會導(dǎo)致怠速起動發(fā)動機時的較長延時，造成駕駛員困惑或煩躁?；旌蟿恿ζ嚨腅MS系統(tǒng)需要解決以上問題，降低發(fā)動機怠速起停時的油耗和排放，縮短起動時間，并及時診斷可能的起停故障。在具體功能升級方面，需要對燃油系統(tǒng)，空氣系統(tǒng)，排氣系統(tǒng)，診斷功能等多個子系統(tǒng)進行相應(yīng)的功能更改。發(fā)

6、動機扭矩響應(yīng)在混合動力汽車中，HCU(HybridControl Unit> 是主控制器，EMS需要響應(yīng) HCU的扭矩需求，而不再直接受駕駛員踏板的控制。圖3 是常規(guī)車輛的EMS系統(tǒng)扭矩控制結(jié)構(gòu)，分為三層：控制層、限制層和安全監(jiān)控層?？刂茖痈鶕?jù)發(fā)動機和車輛當(dāng)前運行參數(shù)，將 駕駛員的踏板信號轉(zhuǎn)化為扭矩需求，并與巡航控制、空調(diào)控制、換檔控制等外部扭矩需求進行協(xié)調(diào)，再綜合考慮駕駛性功能，得到最終發(fā)動機扭矩需求，并轉(zhuǎn)化為對節(jié)氣門、點火角和噴油量的控制量，從而通過燃油的燃燒過程來產(chǎn)生發(fā)動機的扭矩輸出。為了確保發(fā)動機的扭矩輸出與駕駛員的意圖一致，EMS系統(tǒng)又設(shè)計了限制層和安全監(jiān)控層，對控制層的控制輸

7、出進行限制和監(jiān)控，以確保發(fā)動機扭矩輸出的安全性。限制層主要計算發(fā)動機的最大允許扭矩輸出，而安全監(jiān)控層則采用另外一種控制算法計算發(fā)動機的輸出值，并將發(fā)動機實際輸出和該冗余模型計算的結(jié)果進行比較，如果兩個結(jié)果差別較大，將調(diào)用故障處理功能。為了防止單個控制器的物理故障導(dǎo)致安全問題發(fā)生，安全監(jiān)控層采用了單獨的安全監(jiān)控控制器，通過兩個控制器的互相監(jiān)控，能夠確保任一個控制器出現(xiàn)故障時，另一個控制器都能及時監(jiān)控，并采取安全的處理措施?；旌蟿恿ζ嘐MS系統(tǒng)不再是車輛的主控制器，它與駕駛員踏板之間沒有直接聯(lián)系，因此傳統(tǒng)汽車的EMS系統(tǒng)扭矩控制結(jié)構(gòu)被從中間截斷，相關(guān)的車輛功能，如駕駛性模塊，以及上述扭矩結(jié)構(gòu)需要

8、進行較大更改，以較準確地響應(yīng)HCU的扭矩需求，并保證扭矩跟隨的安全性。發(fā)動機安全監(jiān)控除了上述扭矩跟隨安全監(jiān)控外，由于HCU和 EMS主要通過CAN通訊交互扭矩命令等主要信號，混合動力汽車EMS系統(tǒng)還需要確保CAN通訊安全性。常見的CAN通訊故障包括：控制器同步問題、消息丟失或沒有刷新、數(shù)據(jù)破壞等問題，需要根據(jù)不同的故障模式開發(fā)相應(yīng)的安全監(jiān)控模塊，確保當(dāng)CAN故障發(fā)生時，車輛的運行狀態(tài)仍然受到駕駛員控制，避免非駕駛員預(yù)期的突然加速或突然減速等問題發(fā)生。排放和EOBD法規(guī)需求對批產(chǎn)工程來說，排放和EOBD法規(guī)是強制性要求。目前，中國、歐洲和美國的法規(guī)對混合動力汽車的測試都有一些特殊的要求，同時混合

9、動力汽車的功能更改也為法規(guī)測試帶來了較大的困難，如當(dāng)發(fā)動機單缸隨機失火發(fā)生時，如果電機以較大功率運行，發(fā)動機轉(zhuǎn)速的波動有可能很小，將導(dǎo)致該失火診斷不出來。另一方面，如果電機在某些工況下轉(zhuǎn)速波動較大，EMS系統(tǒng)監(jiān)測到發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動較大，可能會誤判為失火。因此需要根據(jù)法規(guī)的要求，分析EMS和電機系統(tǒng)的各種故障模式，進行合理的診斷功能分工，以確保各種故障都能得到及時診斷，以滿足法規(guī)要求。發(fā)動機油耗優(yōu)化降低油耗是混合動力汽車開發(fā)的最終目標，混合動力汽車EMS系統(tǒng)需要根據(jù)混合動力汽車的工作特點，優(yōu)化和升級相關(guān)的控制策略，以提高整車的燃油經(jīng)濟性。例如，控制發(fā)動機穩(wěn)定運行于高效區(qū)。如果發(fā)動機狀態(tài)頻繁切換，將

10、導(dǎo)致點火角調(diào)整和噴油補償?shù)葎幼靼l(fā)生，從而引起油耗增加和排放惡化?；旌蟿恿MS系統(tǒng)研究進展微混合動力汽車微混合動力汽車EMS系統(tǒng)根據(jù)加速踏板、制動踏板、檔位信號和電池電量等傳感器信號，判斷駕駛員的意圖，自動控制發(fā)動機起停動作，不需要駕駛員主動干預(yù)，駕駛習(xí)慣與傳統(tǒng)汽車一致。微度混合動力汽車又可以劃分為增強起動機型起停系統(tǒng)和BSG(Belt-driven Starter Generator> 型起停系統(tǒng)。增強起動機型起停系統(tǒng)使用增強起動機代替常規(guī)起動機，主要目的是提高起動機的壽命，降低起動噪音。由于增強起動機在外形尺寸和安裝位置等與常規(guī)起動機相同，因此該起停系統(tǒng)對常規(guī)車的改動量很小，是目前性

11、價比最高的起停系統(tǒng)，非常適合批量生產(chǎn)，未來幾年有可能成為標準配置。有些高級的增強起動機型起停系統(tǒng)還有發(fā)電機控制功能，即根據(jù)車輛的運行狀態(tài)智能調(diào)節(jié)發(fā)電機的發(fā)電扭矩，例如當(dāng)車輛加速時禁止發(fā)電機工作，在車輛減速或制動時加大發(fā)電扭矩，從而動態(tài)調(diào)整發(fā)動機的工作負荷，達到降低油耗的目的。BSG型起停系統(tǒng)使用BSG代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽車的發(fā)電機，同時BSG還可以起動發(fā)動機，所以可以取消常規(guī)起動機。為了降低成本，一些BSG系統(tǒng)仍然使用12V的供電系統(tǒng)。與增強起動機相比，BSG是一個交流電機，需要逆變器作為電機控制器，加上其它的功率器件，該系統(tǒng)的成本比增強起動機型起停系統(tǒng)高50 100。由于使用皮帶式連接，該系統(tǒng)除了起停

12、功能外，還具備改變主意再起動功能(change of mind restart>，即發(fā)動機正在執(zhí)行停機動作，但是駕駛員突然踩加速踏板，該系統(tǒng)可以立即起動發(fā)動機。而增強起動機型起停系統(tǒng)，由于起動機和起動齒圈之間是機械齒輪連接，需要等到發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低或完全停止運行的情況下才能嚙合，否則會有打齒的現(xiàn)象發(fā)生。輕混合動力汽車圖 4 是聯(lián)合汽車電子開發(fā)的輕度混合動力汽車的結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)一般采用ISG系統(tǒng) (Integrate Starter Generator> ，由一個整車控制器(HCU>從車輛層次協(xié)調(diào)發(fā)動機和電機動作，主要功能包括：起停協(xié)調(diào)，駕駛員扭矩需求計算，扭矩分配等。EMS

13、通過CAN與 HCU進行通訊，響應(yīng)HCU的起停和扭矩需求等命令，并確保輸出的扭矩與HCU需求一致，達到扭矩跟隨的安全性。強混合動力汽車目前，基于強混合動力汽車的插電式混合動力汽車( 簡稱PHEV， Plug-in HybridElectric Vehicle> ，是全球范圍內(nèi)最熱門的混合動力汽車。與強度混合動力汽車相比，PHEV的電池容量更大，能夠滿足在純電動工況下運行幾十公理的需求，更長的行駛里程需要發(fā)動機參與工作。據(jù)統(tǒng)計，大部分人每天上下班的路程在3050km以內(nèi)，那么PHEV的純電動功能可以滿足日常上下班需求，即每天晚上在家里將電池充滿電，就可以滿足白天上下班純電動運行，從而避免了

14、燃油消耗。而在周末出游，或較遠距離出行，當(dāng)電池能量消耗到一定時，可以起動發(fā)動機，以強度混合動力汽車方式工作。對EMS系統(tǒng)而言，由于純電動時發(fā)動機不工作，所以PHEV和強度混合動力汽車對發(fā)動機控制系統(tǒng)的要求類似。未來的混合動力EMS系統(tǒng)研發(fā)方向當(dāng)前，國內(nèi)絕大部分混合動力汽車研發(fā)工程都是基于常規(guī)汽車改型開發(fā)，仍然使用常規(guī)發(fā)動機，使得混合動力汽車的優(yōu)點并沒有得到充分發(fā)揮。隨著混合動力汽車被越來越多的終端客戶接受并使用，有必要開發(fā)專門用于混合動力汽車的發(fā)動機和EMS系統(tǒng)。結(jié)合多年的混合動力汽車EMS系統(tǒng)開發(fā)工程經(jīng)驗，本文認為未來可能的混合動力汽車EMS系統(tǒng)研發(fā)方向為：滿足越來越嚴格的法規(guī)需求如今國內(nèi)一

15、些主機廠也提出希望將混合動力汽車出口到歐洲，那么EMS系統(tǒng)設(shè)計時就需要充分考慮歐洲法規(guī)的需求，如歐對在線診斷率有一定要求，那么就需要綜合評價相關(guān)控制器是否具有足夠的存儲空間和運行能力，以及需要升級相關(guān)的診斷功能，以滿足診斷率要求。同時，針對美國加州更加嚴格的OBD法規(guī)的研究也需要加快進行，以配合主機廠相關(guān)的出口計劃。這里需要特別強調(diào)，在歐美相關(guān)法規(guī)中，明確禁止針對某一駕駛循環(huán)的控制策略優(yōu)化工作，一旦發(fā)現(xiàn)將面臨處罰和召回的風(fēng)險，應(yīng)該引起國內(nèi)相關(guān)研發(fā)單位的足夠重視。提高發(fā)動機的燃燒效率混合動力汽車有兩個動力源，而且電機的高效區(qū)很大，相應(yīng)的發(fā)動機可以穩(wěn)定運行于高效率區(qū)，使得一些高效率燃燒控制算法可以

16、得以實現(xiàn)，如采用艾金森循環(huán)發(fā)動機或均質(zhì)壓燃發(fā)動機等。艾金森循環(huán)發(fā)動機采用延遲關(guān)閉進氣門等特殊的結(jié)構(gòu)和控制策略，使得發(fā)動機的壓縮比和膨脹比可以不同，從而單獨提高膨脹比以提高燃油經(jīng)濟性。目前，豐田的Prius 混合動力汽車就是采用艾金森循環(huán)發(fā)動機，取得了非常高的燃油經(jīng)濟性?；旌蟿恿ζ嚨奶攸c可以保證發(fā)動機運行于該中度負荷穩(wěn)定區(qū)域，從而能夠充分發(fā)揮均質(zhì)壓燃發(fā)動機的優(yōu)點。另外，還有其它一些技術(shù)可以提高發(fā)動機的燃燒效率和降低排放，如稀燃，外部廢氣循環(huán)，可變氣門控制，缸內(nèi)直噴，分層燃燒等。開發(fā)新燃料混合動力EMS系統(tǒng)混合動力技術(shù)與新燃料發(fā)動機結(jié)合，能夠做到優(yōu)勢互補，也是一個非常有意義的研發(fā)方向，如壓縮天然

17、氣混合動力系統(tǒng)和甲醇混合動力系統(tǒng)的開發(fā)，已經(jīng)引起了一些企業(yè)的重視。近期，豐田就發(fā)布了一款采用壓縮天然氣混合動力系統(tǒng)的凱美瑞車型。中國具有大量的天然氣儲備量，特別是西部地區(qū)，天然氣的經(jīng)濟性非常高，開發(fā)這種壓縮天然氣混合動力系統(tǒng)將會具有廣闊的市場前景。發(fā)動機輕量化在滿足車輛功率輸出要求的前提下，使用較小和較輕的發(fā)動機，既可以降低車輛重量，又可以減小發(fā)動機部件的摩擦損失，還可以減小發(fā)動機的泵氣損失，從而提高燃油經(jīng)濟性。常用的發(fā)動機輕量化方法有：全鋁發(fā)動機，電機扭矩輔助，增壓控制等。長安汽車應(yīng)用dSPACE 系統(tǒng)進行自主混合動力汽車< 杰勛）開發(fā)2008 年 12 月，新型混合動力車長安杰勛成功

18、下線，該款車包含復(fù)雜的混合動力控制算法，而這些算法就是借助dSPACE 產(chǎn)品進行開發(fā)和測試。長安在2008 年的奧運會期間作為汽車供應(yīng)商提供了該款車。大約80% 的控制算法代碼都是借助dSPACE TargetLink 自動生成的。并且長安也使用dSPACE MicroAutoBox 和 dSPACE Simulator 成功開發(fā)了控制算法以及后續(xù)的硬件在環(huán)測試。節(jié)能與減排中國市場需要更低排放更經(jīng)濟環(huán)保的商務(wù)車，基于這個需求，在2005 年下半葉長安開始了“杰勛 ” 混合動力工程。作為新型混合動力車，杰勛提供了例如基于電子控制的泊車< 在怠速情況下發(fā)動機不工作）、電源輔助以及再生制動。不

19、同于全混合車，當(dāng)前新型杰勛混合還并不提供電子驅(qū)動。然而，這種全混合車型很快就會被介紹進入中國市場。油耗為百公里6.8 升或者每加侖34.6 邁 < 城市交通或者高速路），排放滿足歐四標準。在奧運期間，杰勛帶來綠色奧運，綠色環(huán)保新概念。長安為此次盛會提供了1,000 輛新型混合動力杰勛轎車。開發(fā)新型控制單元開發(fā)工程共由3 個主要開發(fā)階段組成，A 為功能型車，B 為樣車，C 為最終產(chǎn)品車。工程重點集中在多能源管理系統(tǒng)、電池控制技術(shù)以及電機技術(shù)上。和同類型車相比，長安開發(fā)了新型混合控制單元<HCU ）。在整個開發(fā)周期內(nèi)，需要一個高效的、基于工程的工具鏈來保證開發(fā)進度。長安信賴dSPACE ，整個開發(fā)過程中都使用了dSPACE 產(chǎn)品，并在未來工程中會繼續(xù)應(yīng)用dSPACE 產(chǎn)品。杰勛混合動力電子系統(tǒng)除了汽油發(fā)動機外，長安還集成了電動機。IPU 控制電動機，并實現(xiàn)了汽油機和電機的耦合關(guān)系，例如在不同情況下的扭矩分布。IPU 能源由電池供應(yīng)。長安使用鎳-氫電池，因此最大電壓可達200V ，而最大電流可達200A 。實際電池輸出可為144V 。電