摘 要：為滿足混合動力汽車要隨時根據(jù)整車的運(yùn)行模式調(diào)整發(fā)動機(jī)輸出扭矩的需要，采用傳統(tǒng)節(jié)氣門閥，加裝 BOSCH公司DV-E5型節(jié)氣門控制直流電機(jī)和傳動裝置，開發(fā)了一種新型的高可靠并具有故障診斷功能的驅(qū)動電路。針對系統(tǒng)不同開度區(qū)間運(yùn)行特性的差異，應(yīng)用改進(jìn)的變結(jié)構(gòu)PID對系統(tǒng)進(jìn)行控制，并提出基于發(fā)動機(jī)最佳工作點(diǎn)的復(fù)合式混合動力汽車發(fā)動機(jī)目標(biāo)節(jié)氣門確定方法。臺架聯(lián)合調(diào)試結(jié)果表明，所開發(fā)的電控節(jié)氣門系統(tǒng)具有較好響應(yīng)速度和控制穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：電子節(jié)氣門控制；混合動力；PWM;變結(jié)構(gòu)PID

中圖分類號：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1004373X(2008)1915703

Development of Electrically Controlled Throttle System for Hybrid Electric Vehicle

HUANG Wei，ZHOU Yunshan，GONG Shuai

(State Key Laboratory of Automobile Body Advanced Design and Manufacture，Hunan Universigy，Changsha，410082，China)

Abstract：In order to satisfy the demand of hybrid electric vehicle，which needs regulate the engine output torque according to the running mode.The traditional mechanical throttle is modified into an electrically controlled throttle with DV-E5 of BOSCH.A new reliable drive circuit with fault diagnosis is designed，at the same time，the improved variable structure PID algorithm applied in the ETC system and optimization objective throttle degree of combined hybrid electric is put forward.Experiment results show that the electrically controlled throttle developed has high response speed and good control stability.

Keywords：electric throttle controller;hybrid electric vehicle;PWM;alterable structure PID

1 引 言

在混合動力系統(tǒng)中，內(nèi)燃機(jī)的工作負(fù)荷已不再由駕駛員加速踏板直接控制，而是由混合動力系統(tǒng)主控器根據(jù)轉(zhuǎn)矩策略來實(shí)時調(diào)整。因此，傳統(tǒng)電噴汽油機(jī)用于混合動力系統(tǒng)，必須采用電控節(jié)氣門。目前，由于國內(nèi)大多發(fā)動機(jī)控制單元并非自主開發(fā)，因此通過原車的發(fā)動機(jī)控制單元很難解決上述問題，同時國內(nèi)對電控節(jié)氣門研究起步較晚，一般采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動且存在控制電路復(fù)雜，控制精度不夠，可靠性不高等缺點(diǎn)^［1-3］。DV-E5是BOSCH公司直流電機(jī)型電子節(jié)氣門體，與步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)相比具有響應(yīng)速度快，隨動性能好的特點(diǎn)，作者針對CFA6470HEV混合動力汽車開發(fā)實(shí)際，將其加裝在原汽油機(jī)節(jié)氣門閥一側(cè)，電機(jī)沒有輸出扭矩的情況下，節(jié)氣門片在彈簧的作用下處于常閉狀態(tài)，利用原車ECU進(jìn)行怠速控制；當(dāng)直流電機(jī)的輸出扭矩克服了一部分彈簧扭矩時，節(jié)氣門片就旋轉(zhuǎn)到一定的開度并能保持穩(wěn)定，通過PWM 占空比的調(diào)節(jié)，改變電機(jī)兩端的電壓，就可以達(dá)到控制輸出扭矩的目的，由于利用了原機(jī)械節(jié)氣門機(jī)械限位和回位彈簧，只需要一路PWM信號實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的單方向的控制，并可有效避免雙PWM控制過程中可能出現(xiàn)的電源短路問題^［4］。 同時針對直流電機(jī)時滯、時變、非線性特性，采用改進(jìn)的變結(jié)構(gòu)PID對系統(tǒng)進(jìn)行控制^［5-6］，并設(shè)計(jì)一種高可靠并具有故障診斷功能的硬件控制電路，該驅(qū)動電路集成在整車控制器中，幾乎不占用整車控制器的軟硬資源。

2 CAF6470HEV混合動力系統(tǒng)

本項(xiàng)目采用的混合動力汽車是一款四輪驅(qū)動SUV汽車，整車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中前輪由前電機(jī)驅(qū)動，發(fā)動機(jī)與后電動機(jī)通過雙齒行星齒輪機(jī)構(gòu)耦合后通過CVT變速后驅(qū)動后橋，在能量回收的過程中，前后電機(jī)可分別給電池組充電，發(fā)動機(jī)也可以通過行星齒輪與后電機(jī)耦合后對電池組充電，發(fā)動機(jī)的啟動與發(fā)電則通過皮帶輪由ISG電機(jī)實(shí)現(xiàn)，取消了原車的發(fā)電機(jī)與啟動電機(jī)。整車的電池系統(tǒng)采用春蘭公司提供的NiMH電池(標(biāo)稱電壓為288 V，16 Ah)發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩180 N·m(3 000 rpm)，最大功率91.9 kW；后驅(qū)動電機(jī)13 kW，最大扭矩110 N·m;前驅(qū)動電機(jī)18 kW，最大扭矩150 N·m。

其中氣節(jié)門、離合器控制由能源總控器根據(jù)車速、SoC、檔位、油門開度等信息進(jìn)行運(yùn)行模式判別后進(jìn)行直接控制。而CVT控制、前后電機(jī)控制、ISG電機(jī)控制等是動力總成控制系統(tǒng)對其他子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，實(shí)際的控制參數(shù)通過CAN通信向各子系統(tǒng)發(fā)送，同時也通過CAN通信接收任務(wù)獲取各系統(tǒng)的信息，從而實(shí)現(xiàn)整個動力系統(tǒng)的分布式控制。

3 電控節(jié)氣門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 電控節(jié)氣門結(jié)構(gòu)

電控節(jié)氣門總成一般由執(zhí)行器，節(jié)氣門片，節(jié)氣門位置傳感器三部分組成，它們一般被封裝為一體。DV-E5的執(zhí)行器由一個直流電機(jī)、齒輪減速器、回位彈簧等機(jī)械傳動部件組成。系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳如圖2所示。

電控節(jié)氣門總成共有6個引腳，分別是：1、4腳為電機(jī)負(fù)極和正極，2腳接地；5腳為傳感器2的信號輸出IP2；3腳接+5 V電源；

6腳為傳感器1信號輸出IP1。由于節(jié)氣門位置傳感器的兩個電位計(jì)是反相安裝的，當(dāng)節(jié)氣門位置發(fā)生變化時，兩路信號電壓均線性變化，但傳感器2的信號IP2增加，同時傳感器1的信號IP1減小，從而可保證信號可靠性。

3.2 控制電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)一般納入至發(fā)動機(jī)ECU，而目前國內(nèi)發(fā)動機(jī)控制單元非自主開發(fā)，因此該控制單元集成于整車能源管理系統(tǒng)中，本系統(tǒng)中采用DSPTMS2812作為系統(tǒng)主控制芯片，傳統(tǒng)控制方法中采用H橋電路來實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，在該系統(tǒng)中采用限位方式，電機(jī)實(shí)現(xiàn)單方向轉(zhuǎn)動，通過控制電機(jī)驅(qū)動力矩和回位彈簧的平衡達(dá)到控制節(jié)氣門開度的目的，利用直流電機(jī)電感性特征，采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)斬波方式調(diào)節(jié)直流電機(jī)驅(qū)動力矩，同時電機(jī)系統(tǒng)在某位置的高頻震動信號可在一定程度上減少靜摩擦?？刂齐娐啡鐖D3 所示，其中PWMControl端為控制信號輸入端，采用ISP511芯片做PWM驅(qū)動^［7］，采用BCP56三級管進(jìn)行保護(hù)控制，控制信號從DSP輸出，經(jīng)過CPLD進(jìn)行一個反邏輯操作，輸入到三級管控制端，只有當(dāng)PWMPERMIT信號為高電平時三極管才導(dǎo)通，電機(jī)才能輸出扭矩，從而可有效避免調(diào)試過程中PWMCONTROL復(fù)位時導(dǎo)致節(jié)氣門全開的不可靠誤動作。當(dāng)系統(tǒng)工作正常時會通過STAFEEDBACK返回一組與輸入控制信號相關(guān)的PWM信號，而當(dāng)系統(tǒng)返回為某一固定電平時，通過對反饋信號與輸入信號的綜合分析，可有效檢測開路、過電流、溫度過高等系統(tǒng)故障，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

4 電控節(jié)氣門控制軟件

電子節(jié)氣門的開度控制是一個位置伺服跟蹤控制問題，如何精確、及時地控制電子節(jié)氣門的開度，是調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整車能源管理及扭矩分配的關(guān)鍵。同時節(jié)氣門在運(yùn)動過程中會受到彈簧回位轉(zhuǎn)矩、阻尼力矩及進(jìn)氣擾流等產(chǎn)生的不平衡力矩的影響，在不同的開度區(qū)間具有不同的運(yùn)行特性。在實(shí)際應(yīng)用過程中，PID控制因不需要知道被控制系統(tǒng)的模型，控制方法簡單有效，在現(xiàn)有ECT控制中應(yīng)用最為廣泛^［8］，在本項(xiàng)目中，我們根據(jù)節(jié)氣門在實(shí)際應(yīng)用過程中的特點(diǎn)，采用變結(jié)構(gòu)PID控制分別在三個區(qū)間［0~15%］，［15%~75%］，［75%~100%］分別進(jìn)行調(diào)試，并尋找到三組最優(yōu)控制變量KP［3］，KI［3］，KD［3］，并將其存入到系統(tǒng)FLASH中，在程序?qū)嶋H運(yùn)行中根據(jù)目標(biāo)開度的不同選擇不同的控制參數(shù)，同時對PID誤差進(jìn)行抗飽和處理、微分項(xiàng)加入一階線性環(huán)節(jié)等措施進(jìn)行改進(jìn)。混合動力目標(biāo)節(jié)氣門開度可根據(jù)發(fā)動機(jī)效率MAP圖、電池SoC、整車運(yùn)行工況等，確定最佳目標(biāo)節(jié)氣門開度。圖4為節(jié)氣門控制流程圖，在該項(xiàng)目整車系統(tǒng)中由于有CVT調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)速比、電機(jī)調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)扭矩，在滿足電池SoC、CVT速比、電機(jī)扭矩變化范圍前提下，優(yōu)先考慮發(fā)動機(jī)工作在全局的最佳燃油經(jīng)濟(jì)點(diǎn)或最佳排放點(diǎn)附近(根據(jù)控制目標(biāo))，只有在不滿足以上條件情況下才進(jìn)行節(jié)氣門調(diào)整并選擇局部最優(yōu)目標(biāo)節(jié)氣門開度。從而可大大提高整車能源效率并可有效減少發(fā)動機(jī)頻繁動態(tài)變化過程中的燃油消耗和排放增加。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證電子節(jié)氣門的控制效果，在長豐CFA6470HEV型混聯(lián)式混合動力SUV進(jìn)行試驗(yàn)。分別給電控節(jié)氣門輸入一個隨踏板變化的階躍信號和一個跟隨踏板信號緩慢變化的隨動信號，如圖5、圖6所示。結(jié)果表明：電控制節(jié)氣門從0~53%的階躍過程中響應(yīng)時間小于100 ms，穩(wěn)定時間小于300 ms，超調(diào)量小于1%。對隨動信號的跟蹤中，控制器基本可使節(jié)氣門及時地跟住目標(biāo)開度的變化，但變化較劇烈的點(diǎn)存在一定超調(diào)和滯后。

6 結(jié) 語

(1) 將節(jié)氣門控制系統(tǒng)集成到混合動力整車控制系統(tǒng)中，采用直流電機(jī)力矩單PWM斬波控制方式，大大簡化了驅(qū)動控制電路，并采用變結(jié)構(gòu)PID控制，以極少的軟硬件代價，實(shí)現(xiàn)了電控節(jié)氣門的有效控制。

(2) 混合動力系統(tǒng)臺架聯(lián)合調(diào)試結(jié)果表明，所開發(fā)的電控節(jié)氣門控制系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)速度和控制穩(wěn)定性和安全性，并能進(jìn)行自我故障的診斷。

(3) 電子節(jié)氣門在混合動力汽車中的應(yīng)用，可有效控制發(fā)動機(jī)功率輸出，根據(jù)運(yùn)行工況將發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)運(yùn)行在最佳燃油經(jīng)濟(jì)點(diǎn)或最佳排放點(diǎn)附近(根據(jù)控制目標(biāo))，同時，可降低發(fā)動機(jī)動態(tài)變化過程中的能量消耗。

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作者簡介 黃 偉 男，1979年出生，博士研究生。主要從事混合動力整車控制器軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。