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1、混合动力汽车EMS系统开发分析 2010-05-07 点击(401) 作者:撰文/联合汽车电子有限公司 何海 李君 郭晓潞 来源: 文字大小:大中小 发动机管理系统(后文简称EMS系统，Engine 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15%35%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、点火角等主要控制参数进行主动控制，也没有涉
2、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 hybrid，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，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，
3、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5%14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
4、功能能够降低油耗达6%14%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EMS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 Cycle)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48
5、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，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。 发动机扭矩响应 在混合动
6、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，对控制层的控制输出进行限制和监控，以确保发动机
7、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。 混合动力汽车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
8、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
9、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，如果电机以较大功率运行，发动机转速的波动有可能很小，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
10、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(Belt-driven 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
11、，非常适合批量生产，未来几年有可能成为标准配置。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12V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
12、主意再起动功能(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(Integrate 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
13、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，PHEV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
14、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
15、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，相应的发动机可以稳定运行于高效率区，使得一些高效率燃烧控制算法可以得以实现，如采用艾金森循环发动机或均质压燃发动机等。 艾金森循环发动机采用延迟关闭进气门等特殊的结构和控制策略，使得发动机的压缩比和膨胀比可以不同，从而单独提高膨胀比以提高燃油经济性。目前，丰田的Prius混合动力汽车就是采用艾金森循环发动机，取得了非常高的燃油经济性。 混合动力汽车的特点可以保证发动机运行于该中度负荷稳定区域，从而能够充分发挥均质压燃发动机的优点。另外，还有其它一些技术可以提高发动机的燃烧效率和
