混合動力汽車電控節氣門系統開發研究

摘 要：為滿足混合動力汽車要隨時根據整車的運行模式調整發動機輸出扭矩的需要，采用傳統節氣門閥，加裝 BOSCH公司DV-E5型節氣門控制直流電機和傳動裝置，開發了一種新型的高可靠并具有故障診斷功能的驅動電路。針對系統不同開度區間運行特性的差異，應用改進的變結構PID對系統進行控制，并提出基于發動機最佳工作點的復合式混合動力汽車發動機目標節氣門確定方法。臺架聯合調試結果表明，所開發的電控節氣門系統具有較好響應速度和控制穩定性。

關鍵詞：電子節氣門控制；混合動力；PWM;變結構PID

中圖分類號：TP23文獻標識碼：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

在混合動力系統中，內燃機的工作負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主控器根據轉矩策略來實時調整。因此，傳統電噴汽油機用于混合動力系統，必須采用電控節氣門。目前，由于國內大多發動機控制單元并非自主開發，因此通過原車的發動機控制單元很難解決上述問題，同時國內對電控節氣門研究起步較晚，一般采用步進電機驅動且存在控制電路復雜，控制精度不夠，可靠性不高等缺點^［1-3］。DV-E5是BOSCH公司直流電機型電子節氣門體，與步進電機系統相比具有響應速度快，隨動性能好的特點，作者針對CFA6470HEV混合動力汽車開發實際，將其加裝在原汽油機節氣門閥一側，電機沒有輸出扭矩的情況下，節氣門片在彈簧的作用下處于常閉狀態，利用原車ECU進行怠速控制；當直流電機的輸出扭矩克服了一部分彈簧扭矩時，節氣門片就旋轉到一定的開度并能保持穩定，通過PWM 占空比的調節，改變電機兩端的電壓，就可以達到控制輸出扭矩的目的，由于利用了原機械節氣門機械限位和回位彈簧，只需要一路PWM信號實現對電機的單方向的控制，并可有效避免雙PWM控制過程中可能出現的電源短路問題^［4］。 同時針對直流電機時滯、時變、非線性特性，采用改進的變結構PID對系統進行控制^［5-6］，并設計一種高可靠并具有故障診斷功能的硬件控制電路，該驅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

本項目采用的混合動力汽車是一款四輪驅動SUV汽車，整車系統結構如圖1所示，其中前輪由前電機驅動，發動機與后電動機通過雙齒行星齒輪機構耦合后通過CVT變速后驅動后橋，在能量回收的過程中，前后電機可分別給電池組充電，發動機也可以通過行星齒輪與后電機耦合后對電池組充電，發動機的啟動與發電則通過皮帶輪由ISG電機實現，取消了原車的發電機與啟動電機。整車的電池系統采用春蘭公司提供的NiMH電池(標稱電壓為288 V，16 Ah)發動機最大轉矩180 N·m(3 000 rpm)，最大功率91.9 kW；后驅動電機13 kW，最大扭矩110 N·m;前驅動電機18 kW，最大扭矩150 N·m。

其中氣節門、離合器控制由能源總控器根據車速、SoC、檔位、油門開度等信息進行運行模式判別后進行直接控制。而CVT控制、前后電機控制、ISG電機控制等是動力總成控制系統對其他子系統的協調控制，實際的控制參數通過CAN通信向各子系統發送，同時也通過CAN通信接收任務獲取各系統的信息，從而實現整個動力系統的分布式控制。

3 電控節氣門系統結構

3.1 電控節氣門結構

電控節氣門總成一般由執行器，節氣門片，節氣門位置傳感器三部分組成，它們一般被封裝為一體。DV-E5的執行器由一個直流電機、齒輪減速器、回位彈簧等機械傳動部件組成。系統內部結構及引腳如圖2所示。

電控節氣門總成共有6個引腳，分別是：1、4腳為電機負極和正極，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。由于節氣門位置傳感器的兩個電位計是反相安裝的，當節氣門位置發生變化時，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 控制電路設計

傳統電子節氣門控制系統一般納入至發動機ECU，而目前國內發動機控制單元非自主開發，因此該控制單元集成于整車能源管理系統中，本系統中采用DSPTMS2812作為系統主控制芯片，傳統控制方法中采用H橋電路來實現電機正反轉，在該系統中采用限位方式，電機實現單方向轉動，通過控制電機驅動力矩和回位彈簧的平衡達到控制節氣門開度的目的，利用直流電機電感性特征，采用脈沖寬度調制(PWM)斬波方式調節直流電機驅動力矩，同時電機系統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驅動^［7］，采用BCP56三級管進行保護控制，控制信號從DSP輸出，經過CPLD進行一個反邏輯操作，輸入到三級管控制端，只有當PWMPERMIT信號為高電平時三極管才導通，電機才能輸出扭矩，從而可有效避免調試過程中PWMCONTROL復位時導致節氣門全開的不可靠誤動作。當系統工作正常時會通過STAFEEDBACK返回一組與輸入控制信號相關的PWM信號，而當系統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、溫度過高等系統故障，從而進一步提高系統的可靠性。

4 電控節氣門控制軟件

電子節氣門的開度控制是一個位置伺服跟蹤控制問題，如何精確、及時地控制電子節氣門的開度，是調節發動機工作點，實現整車能源管理及扭矩分配的關鍵。同時節氣門在運動過程中會受到彈簧回位轉矩、阻尼力矩及進氣擾流等產生的不平衡力矩的影響，在不同的開度區間具有不同的運行特性。在實際應用過程中，PID控制因不需要知道被控制系統的模型，控制方法簡單有效，在現有ECT控制中應用最為廣泛^［8］，在本項目中，我們根據節氣門在實際應用過程中的特點，采用變結構PID控制分別在三個區間［0~15%］，［15%~75%］，［75%~100%］分別進行調試，并尋找到三組最優控制變量KP［3］，KI［3］，KD［3］，并將其存入到系統FLASH中，在程序實際運行中根據目標開度的不同選擇不同的控制參數，同時對PID誤差進行抗飽和處理、微分項加入一階線性環節等措施進行改進。混合動力目標節氣門開度可根據發動機效率MAP圖、電池SoC、整車運行工況等，確定最佳目標節氣門開度。圖4為節氣門控制流程圖，在該項目整車系統中由于有CVT調節發動機速比、電機調節發動機扭矩，在滿足電池SoC、CVT速比、電機扭矩變化范圍前提下，優先考慮發動機工作在全局的最佳燃油經濟點或最佳排放點附近(根據控制目標)，只有在不滿足以上條件情況下才進行節氣門調整并選擇局部最優目標節氣門開度。從而可大大提高整車能源效率并可有效減少發動機頻繁動態變化過程中的燃油消耗和排放增加。

5 實驗結果

為驗證電子節氣門的控制效果，在長豐CFA6470HEV型混聯式混合動力SUV進行試驗。分別給電控節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。結果表明：電控制節氣門從0~53%的階躍過程中響應時間小于100 ms，穩定時間小于300 ms，超調量小于1%。對隨動信號的跟蹤中，控制器基本可使節氣門及時地跟住目標開度的變化，但變化較劇烈的點存在一定超調和滯后。

6 結 語

(1) 將節氣門控制系統集成到混合動力整車控制系統中，采用直流電機力矩單PWM斬波控制方式，大大簡化了驅動控制電路，并采用變結構PID控制，以極少的軟硬件代價，實現了電控節氣門的有效控制。

(2) 混合動力系統臺架聯合調試結果表明，所開發的電控節氣門控制系統具有較高的響應速度和控制穩定性和安全性，并能進行自我故障的診斷。

(3) 電子節氣門在混合動力汽車中的應用，可有效控制發動機功率輸出，根據運行工況將發動機調節運行在最佳燃油經濟點或最佳排放點附近(根據控制目標)，同時，可降低發動機動態變化過程中的能量消耗。

參考文獻

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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設計研究。