混合动力汽车EMS系统开发分析

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1、羹墨圜墨囱固固l混合动力汽车EMs系统开发分析 30 混合动力汽车EMS系统开发分析 Analysis on Hybrid EMS System Development 动机管理系统(后文简称EMS 及系统，En e Management System)是混合动力汽车的关键技 术之一，也是国内相关企业研发混 合动力汽车的瓶颈所在。 相关研究表明，发动机工作效 率的优化对混合动力汽车燃油经 济性的贡献率大概在1535左 右。而目前国内很多企业、研究所 和高校在研发混合动力汽车时，仍 然将EMS系统作为一个黑匣子使 用，仅通过调节节气门开度来控制 发动机的扭矩输出，而不对发动机 的喷油量、点火角等

2、主要控制参数 进行主动控制，也没有涉及诊断系 统和安全监控系统的功能升级。 这种设计方法不能针对混合动 力汽车的特点优化发动机的工作特 性，特别是优化发动机的瞬态工 作特性，也不能满足国内外排放和 EOBD法规的要求，在安全监控方 面还存在较大的安全隐患问题，因 此只能作为功能样车使用，不可能 大批量生产。 混合动力汽车分类和主要功能特性 根据混合动力汽车的功能特 征，可以将混合动力汽车划分为微 度混合动力(Micro hybrid，简称微 混)、轻度混合动力(Mild hyb rid， 简称轻混)和强度混合动力(Strong hybrid。简称强混)。 微度混合动力汽车的主要功能 是智能起停

3、，即在车辆怠速时自动 关闭发动机，等到车辆运行前再 自动起动发动机，因此又称为起停 系统。由于减少了发动机怠速，发 动机怠速时消耗的燃油就被节省下 来。轻度混合动力汽车除了起停功 撰文联合汽车电子有限公司何海李君郭晓潞 能外，还具有制动能量回收和扭矩 辅助的功能。制动能量回收指在车 辆减速或制动时，通过电机提供负 扭矩制动力，将车辆的动量转化为 电能存储到电池中，该部分电能又 可以通过电机在适当的时候以机械 能输出。制动能量回收功能能够降 低油耗514左右。扭矩辅助是 指电机能够在某些工况下和发动机 一起共同提供扭矩输出，以满足车 辆在极限工况下的扭矩需求，如全 加速和上坡工况等。传统汽车一般

4、 采用较大功率的发动机以满足这些 极限工况的扭矩需求，而混合动力 汽车由于有电机的扭矩辅助，可以 采用较小功率的发动机就能达到同 样的动力输出。该功能能够降低油 耗达614左右。强度混合动力 汽车除了具备轻度混合动力汽车的 功能以外，还有纯电动驱动功能， 即电机可以单独驱动车辆运行。由 于电机的功率较大，能够实现较复 杂的控制算法，燃油经济性得到进 一步提高。 混合动力汽车ElIS系统的技术要求 根据以上混合动力汽车类型和 功能特性分析，混合动力汽车EMS 系统需要具备以下功能： 发动机智能起停 目前，我国车辆型式认证主 要采用综合工况(NEDC，New European Driving Cy

5、cIe)测试车辆 的油耗和排放。在综合工况下，发 动机总共有12次怠速，除了用于 自学习和诊断的怠速外，大部分怠 速都可以停止发动机，测试结果 显示，该功能能够降低油耗达4 8左右 对常规汽车来说。如果在ECU 上电的情况下，发动机转速降为 0，将视为一种发动机憋死故障， 如果不将ECU下电就直接起动发动 机，EMS将以一种跛行起动模型工 作，喷入较多的油，并以较大的空 气负荷起动发动机，以确保发动机 起动成功，从而造成油耗和排放恶 化。同时，常规发动机的暖机起动 时间大概为400ms左右，将会导致 怠速起动发动机时的较长延时，造 成驾驶员困惑或烦躁。混合动力汽 车的EMS系统需要解决以上问题

6、， 降低发动机怠速起停时的油耗和排 放，缩短起动时间，并及时诊断可 能的起停故障。在具体功能升级方 面，需要对燃油系统，空气系统， 排气系统，诊断功能等多个子系统 进行相应的功能更改。 发动机扭矩晌应 在混合动力汽车中， HCU(Hybrid Control Unit)是主控制 器，EMS需要响应HCU的扭矩需 求，而不再直接受驾驶员踏板的控 制。图3是常规车辆的EMS系统扭 矩控制结构，分为三层：控制层、 限制层和安全监控层。控制层根据 发动机和车辆当前运行参数，将驾 驶员的踏板信号转化为扭矩需求， 并与巡航控制、空调控制、换档控 制等外部扭矩需求进行协调，再综 合考虑驾驶性功能，得到最终发

7、动 机扭矩需求，并转化为对节气门、 点火角和喷油量的控制量，从而通 过燃油的燃烧过程来产生发动机的 扭矩输出。 为了确保发动机的扭矩输出与 驾驶员的意图一致，EMS系统又设 计了限制层和安全监控层，对控制 技术与应用APA(No5)2010-18 Analysis on Hybrid EMS System Development 层的控制输出进行限制和监控，以 确保发动机扭矩输出的安全性。限 制层主要计算发动机的最大允许扭 矩输出，而安全监控层则采用另外 一种控制算法计算发动机的输出 值，并将发动机实际输出和该冗余 模型计算的结果进行比较，如果两 个结果差别较大，将调用故障处理 功能。为了防止

8、单个控制器的物理 故障导致安全问题发生，安全监控 层采用了单独的安全监控控制器， 通过两个控制器的互相监控，能够 确保任一个控制器出现故障时，另 一个控制器都能及时监控，并采取 安全的处理措施。 混合动力)EMS系统不再是车 辆的主控制器，它与驾驶员踏板之间 没有直接联系，因此传统汽车的EMS 系统扭矩控制结构被从中间截断，相 关的车辆功能，如驾驶性模块，以及 上述扭矩结构需要进行较大更改，以 较准确地响应HCU的扭矩需求，并 保证扭矩跟随的安全性。 发动机安全监控 除了上述扭矩跟随安全监控 外，由于HCU和EMS主要通过 CAN通讯交互扭矩命令等主要信 号，混合动力汽车EMS系统还需要 确保

9、CAN通讯安全性。常见的CAN 通讯故障包括：控制器同步问题、 消息丢失或没有刷新、数据破坏等 问题，需要根据不同的故障模式开 发相应的安全监控模块，确保当 CAN故障发生时，车辆的运行状态 仍然受到驾驶员控制，避免非驾驶 员预期的突然加速或突然减速等问 题发生。 排放和EOBD法规需求 对批产项目来说，排放和EOBD 法规是强制性要求。目前，中国、 欧洲和美国的法规对混合动力汽车 的测试都有一些特殊的要求，同时 混合动力汽车的功能更改也为法规 测试带来了较大的困难，如当发动 机单缸随机失火发生时，如果电机 2010-18(No 5)APA技术与应用 以较大功率运行，发动机转速的波 动有可能很

10、小，将导致该失火诊断 不出来。另一方面，如果电机在某 些工况下转速波动较大，EMS系统 监测到发动机转速波动较大，可能 会误判为失火。因此需要根据法规 的要求，分析EMS和电机系统的各 种故障模式，进行合理的诊断功能 分工，以确保各种故障都能得到及 时诊断，以满足法规要求。 发动机油耗优化 降低油耗是混合动力汽车开发 的最终目标，混合动力汽车EMS系 统需要根据混合动力汽车的工作特 点，优化和升级相关的控制策略， 以提高整车的燃油经济性。例如， 控制发动机稳定运行于高效区。如 果发动机状态频繁切换，将导致点 火角调整和喷油补偿等动作发生， 从而引起油耗增加和排放恶化。 混合动力EMS系统研究进

11、展 微混合动力汽车 微混合动力汽车EMS系统根据 加速踏板、制动踏板、档位信号和 电池电量等传感器信号，判断驾驶 员的意图，自动控制发动机起停动 作，不需要驾驶员主动干预，驾驶 习惯与传统汽车一致。微度混合 动力汽车又可以划分为增强起动 机型起停系统和BSG(Beltd riven Starter Generator)型起停系统。 增强起动机型起停系统使用增 强起动机代替常规起动机，主要目 的是提高起动机的寿命，降低起动 噪音。由于增强起动机在外形尺寸 和安装位置等与常规起动机相同， 因此该起停系统对常规车的改动量 很小，是目前性价比最高的起停系 统，非常适合批量生产，未来几年 有可能成为标准

12、配置。有些高级的 增强起动机型起停系统还有发电机 控制功能，即根据车辆的运行状态 智能调节发电机的发电扭矩，例如 当车辆加速时禁止发电机工作，在 车辆减速或制动时加大发电扭矩， 从而动态调整发动机的工作负荷， 达到降低油耗的目的。 BSG型起停系统使用BSG代替 传统汽车的发电机，同时BSG还可 以起动发动机，所以可以取消常规 起动机。为了降低成本，一些BSG 系统仍然使用1 2V的供电系统。与 增强起动机相比，BSG是一个交 流电机，需要逆变器作为电机控制 器，加上其它的功率器件，该系统 的成本比增强起动机型起停系统高 50100。由于使用皮带式连 接，该系统除了起停功能外，还 具备改变主意

13、再起动功能(change of mind restart)，即发动机正在执 行停机动作，但是驾驶员突然踩加 速踏板，该系统可以立即起动发动 机。而增强起动机型起停系统，由 31 l猛豳 圜圈l混合动力汽车EMS系统开发分析 _ 团 田 团 V 、r 、r 20001 2001I2002 2003I2o04】2005l2006 200712008 2009 2010 2011】2012 2013I 2014l 2015 本 本 _ 田圆田 圈一团 于起动机和起动齿圈之间是机械齿 轮连接，需要等到发动机转速较低 或完全停止运行的情况下才能啮 合，否则会有打齿的现象发生。 轻混合动力汽车 图4是联合

14、汽车电子开发的轻 度混合动力汽车的结构示意图。 该系统一般采用ISG系统 nteg rate Starter Generator)，由一个整车控 制器(HCU)从车辆层次协调发动机 和电机动作，主要功能包括：起停 协调，驾驶员扭矩需求计算，扭矩 分配等。EMS通过CAN与HCU进 行通讯，响应HCU的起停和扭矩 需求等命令，并确保输出的扭矩与 HCU需求一致，达到扭矩跟随的安 全性。 强混合动力汽车 目前，基于强混合动力汽车的 插电式混合动力汽车(简称PHEV， Plug-in Hybrid Electric Vehicle)， 是全球范围内最热门的混合动力汽 车。与强度混合动力汽车相比， P

15、HEV的电池容量更大，能够满足 在纯电动工况下运行几十公理的需 求，更长的行驶里程需要发动机参 与工作。据统计，大部分人每天上 下班的路程在3050km以内。那 么PHEV的纯电动功能可以满足日 常上下班需求，即每天晚上在家里 将电池充满电，就可以满足白天上 下班纯电动运行，从而避免了燃油 消耗。而在周末出游，或较远距离 出行，当电池能量消耗到一定时， 可以起动发动机，以强度混合动力 汽车方式工作。对EMS系统而言， 由于纯电动时发动机不工作，所以 PHEV和强度混合动力汽车对发动 机控制系统的要求类似。 未来的混合动力EMS系统研发方向 当前，国内绝大部分混合动力 汽车研发项目都是基于常规汽

16、车改 型开发，仍然使用常规发动机，使 得混合动力汽车的优点并没有得到 充分发挥。随着混合动力汽车被越 来越多的终端客户接受并使用，有 必要开发专门用于混合动力汽车的 发动机和EMS系统。结合多年的混 合动力汽车EMS系统开发工程经 验，本文认为未来可能的混合动力 汽车EMS系统研发方向为： 满足越来越严格的法规需求 如今国内一些主机厂也提出希 望将混合动力汽车出口到欧洲，那 么EMS系统设计时就需要充分考 虑欧洲法规的需求，如欧V对在线 诊断率有一定要求，那么就需要综 合评价相关控制器是否具有足够的 存储空间和运行能力。以及需要升 级相关的诊断功能，以满足诊断率 要求。同时，针对美国加州更加严 格的OBD ll法规的研究也需要加 快进行，以配合主机厂相关的出口 计划。这里需要特别强调，在欧美 相关法规中，明确禁止针对某一驾 驶循环的控制策略优化工作，一旦 发现将面临处罚和召回的风险，应 该引起国内相关研发单位的足够重 视。 提高发动机的燃烧效率 混合动力汽车有两个动力源， 而且电机的高效区很大，相应的发