混合動力系統VVT響應性故障在線診斷策略開發

王沛，王字滿，張冬生，劉少飛

(1.北汽福田汽車股份有限公司，北京 102206；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081)

可變氣門正時系統在實現米勒循環、內部EGR等方面具有顯著優勢，目前已成為發動機節能減排所必不可少的一項基礎技術，這同時也意味著當該執行機構出現故障時，將對排放性能惡化帶來重要影響。

《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(以下簡稱國六法規)J.4.12.1要求，如果車輛使用了VVT系統，OBD系統應監測控制目標錯誤和響應遲緩故障。當前主流的診斷策略要求VVT從參考位置運行至較大開度位置，并在此期間實時監控目標VVT角度與實際VVT角度偏差以確認其響應性故障表現。《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》已明確指出混合動力技術是未來發展方向之一，各大整車企業已開始布局混動技術作為中長期方案。由于混動發動機主要運行在燃油經濟性區域且工況穩定，VVT的動作范圍與變化波動程度均小于純發動機驅動形式，此時傳統的診斷策略可能會出現診斷完成困難以及極端狀態下的誤診斷現象。

綜上所述，為適應混動發動機診斷需求，需要對VVT診斷策略進行優化，使之在不需要強實時性與大動作范圍診斷條件的同時，依然能夠在法規循環中實現故障模式判斷。

1 VVT診斷功能基礎

1.1 VVT工作原理

VVT系統主要由可變相位器(CVCP)以及機油控制閥(OCV)構成，ECU通過控制CVCP兩側腔室機油壓力變化，從而使得轉子(與凸輪軸相連)相對于正時鏈輪發生相對旋轉，實現相位調節的目的，其中CVCP兩側機油壓力變化通過控制OCV來實現，而OCV的位置調節則受控于目標與實際VVT位置的偏差。圖1示出VVT系統控制過程。

圖1 VVT系統控制過程

正常情況下，ECU根據各傳感器信號和發動機工況，計算當前最優目標VVT位置，并向OCV發出控制指令，完成凸輪相位調節，期間ECU通過曲軸與凸輪軸傳感器信號獲得實際VVT位置，并計算目標與實際位置偏差實現閉環控制。當VVT系統發生故障時，發動機將無法運行在最佳進氣充量與配氣相位工況，由此帶來排放與經濟性能惡化；同時VVT實際位置長時間無法響應目標位置，導致執行機構負載過高，嚴重時將造成VVT驅動級系統損壞。因此無論是考慮排放角度還是出于零部件保護目的，都有必要對VVT系統故障狀態進行診斷。

1.2 VVT診斷基礎

VVT響應性故障包括卡滯性故障與慢響應故障兩種類型，其中卡滯性故障表示實際VVT卡滯在某個角度位置并與目標位置存在較大的差距，慢響應故障雖然也表現為實際與目標位置的偏差，但其實際位置是可以向目標位置移動的，只是所需時間更長。

當前VVT響應性故障診斷策略主要基于目標與實際VVT實時位置偏差：當VVT響應存在嚴重問題時，二者動作偏差值會大于疑似故障閾值err_thr，此時系統進入疑似故障判定過程，并記錄當前實際VVT位置err_act，同時等待一定時間err_t；如果等待期內偏差值始終大于err_thr，當延時結束后，系統會比較此時實際VVT位置err_act與位置err_act偏差絕對值err_d，若err_d大于響應性故障診斷閾值，則診斷為VVT慢響應故障，否則認為此時VVT出現卡滯性故障。這一故障診斷過程如圖2所示。

圖2 VVT響應性故障診斷過程(當前策略)

2 診斷功能策略開發

2.1 診斷算法設計

當前的VVT診斷策略主要針對傳統發動機驅動結構，診斷對象為VVT目標與實際角度的實時位置偏差，診斷閾值設置為基于此位置偏差的絕對角度值。在面對混合動力工況時，VVT的動作范圍與變化程度均小于純發動機驅動工況，由此帶來了兩方面問題：1)VVT動作范圍變窄導致閾值設置區間縮短，卡滯與慢響應故障狀態區分度不足；2)變化程度的降低使得疑似故障狀態確認次數減小，導致診斷無法完成。

為解決上述問題，設計了一種針對混動系統的VVT診斷策略：1)以固定計算周期內目標與實際VVT動作角度的偏差累計值替代VVT動作范圍；2)以固定的統計窗口輸出疑似診斷結果，取代基于VVT動作變化程度的故障事件確認方式。

統計窗口為一個固定時間窗口，在駕駛循環開始后進行計時，同時一個統計窗口包含有固定的個計算周期。對于第個統計窗口T_window_內第個計算周期cycle_，動作角度偏差計算過程如圖3所示。

圖3 動作角度偏差計算

假設計算周期cycle_起始1時刻VVT所在位置為Ang_cycle__1，在計算周期結束后的2時刻運動至位置Ang_cycle__2，則該計算周期內動作角度變化值表達為

delta_cycle_=Ang_cycle__1-Ang_cycle__2。

(1)

式中：delta_cycle_為第個統計窗口內第個計算周期VVT目標(實際)動作角度變化值，單位為(°)。對于統計窗口T_window_內包含的個計算周期，其動作角度變化值分別為delta_cycle_1，delta_cycle_2，…delta_cycle_，則該統計窗口的VVT動作角度累計值表達為

(2)

式中：delta_window_為第個統計窗口VVT動作角度變化累計值，單位為(°)。在相同計算周期與統計窗口內分別計算目標VVT偏差累計值delta_window_(target)與實際VVT偏差累計值delta_window_(actual)，對應的偏差累計值比例ratio_delta_window_為

(3)

式中，依據VVT狀態表現與故障程度的不同，ratio_delta_window的具體表現特征如表1所示。

表1 VVT不同響應性狀態特征表現

表1中，A%為卡滯故障診斷閾值，當位置偏差比例系數ratio_delta_window≤A%時系統判斷當前統計窗口為卡滯故障狀態；B%為慢響應邊界診斷閾值，當ratio_delta_window處于(A%，B%)范圍時系統判定為慢響應故障狀態；而ratio_delta_window≥B%的狀態為無故障狀態，同時隨著ratio_delta_window的增加，VVT響應性表現更好。A%與B%的確定需要通過實車試驗標定與相關統計學分析完成。

同時在診斷適用性方面，當前診斷策略需要目標VVT能夠達到較大動作范圍以保證足夠的等待延時，但在混合動力工況下由于VVT動作范圍縮小，將會導致等待時間縮短，這對于響應性較差的VVT(如初始油壓建立較慢)便會帶來誤判故障風險；而對于偏差累計診斷算法，雖然VVT動作初始過程響應性較差，但只要在統計窗口內位置偏差比例系數不小于B%，便不會誤判為慢響應故障，因此不再需要VVT具有較強的響應性，其適用性范圍也更加廣泛。

2.2 策略邏輯架構

VVT響應性故障診斷功能通過軟件應用層模塊實現，按照2.1節算法設計內容與診斷數據流邏輯分為診斷條件使能、統計窗口計算、故障狀態判斷、故障模式確認與診斷結果輸出五項子功能模塊。以進氣側VVT診斷為例進行策略邏輯架構說明(見圖4)，邏輯關系示意以True表示邏輯“真”，False表示邏輯“假”，“==”表示數據判斷，“=”表示數據賦值；虛線為狀態路徑，傳遞邏輯狀態數據，當其表征的狀態為True時，虛線目標位置內的功能才會執行；實線為數據路徑，傳遞物理數據。

圖4 VVT診斷策略邏輯架構

2.2.1 診斷條件使能

診斷使能條件定義了車輛處于何種狀態時激活診斷功能，包括環境溫度及壓力、發動機水溫、機油溫度，以及VVT控制激活等條件，當這些信號條件滿足設定范圍后，診斷使能標志位寫為“True”，診斷功能隨之激活。

2.2.2 統計窗口計算

該子模塊的數據輸入為目標、實際VVT動作位置，主要進行計算周期內VVT動作偏差的計算，并在一個統計窗口內完成多個計算周期動作偏差絕對值累計。以目標VVT為例，其相應的邏輯功能如圖5所示。

圖5 VVT診斷統計窗口計算子模塊邏輯功能

計算過程為系統每100 ms完成一次實際VVT位置采樣，統計窗口開始時相應標志位置位并激活計算周期子模塊。每開始一個新的計算周期，系統會記錄當前時刻目標、實際VVT位置；當達到計算周期時間時，觸發計算當前時刻目標、實際VVT位置與計算周期起始時刻位置偏差，取絕對值后與對應偏差積分器循環相加，并在達到統計窗口時間后向故障狀態判斷模塊輸出積分計算值并重置偏差積分器。

2.2.3 故障狀態判斷

該子模塊通過計算統計窗口內的目標、實際VVT動作偏差比例結合閾值實現故障狀態判斷，并將當前的故障診斷狀態傳遞至故障模式確認子模塊。圖6示出了相應的邏輯功能。

圖6 VVT診斷故障狀態判斷子模塊邏輯功能

圖6中，B_sigerr，B_slowerr和B_noerr分別為VVT卡滯、慢響應以及無故障狀態標志位，當統計窗口結束時計算實際VVT與目標VVT偏差值比例，并進行故障狀態判斷；當不滿足卡滯故障閾值條件時，繼續進行慢響應故障判斷；如果不滿足慢響應故障閾值條件，則判定為該統計窗口內VVT無故障。

2.2.4 故障模式確認

故障狀態判斷針對當前統計窗口，為“疑似狀態”事件判定，而“疑似狀態”的確認需要經過一定次數的事件重復，只有當重復次數達到設定閾值后，才會最終確認該狀態。圖7示出了相應的故障模式確認邏輯功能。

圖7 VVT診斷故障模式確認子模塊邏輯功能

如圖7所示，sigerr_cnt，slowerr_cnt和noerr_cnt分別為卡滯、慢響應以及無故障狀態計數器，診斷功能將此三項狀態計數器定義為互斥關系，即一項事件發生后對應計數器增加而另外兩項計數器減小。設置狀態確認閾值為5，同時限定狀態計數器增長最大值為9，最小值為0。

3 診斷功能試驗驗證

診斷功能驗證在一款搭載1.5T GDI發動機的插電式混合動力車(pPlug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV)上進行，發動機配置有進/排氣VVT。試驗驗證以進氣VVT診斷為例，對其無故障、卡滯以及慢響應三種狀態的診斷情況進行分析說明。軟件策略中將統計窗口標定時間設置為100 s，計算周期標定時間設置為1 s。

3.1 無故障狀態診斷

VVT無故障狀態表現為實際VVT跟隨性良好，統計窗口時間內偏差累計值比例在1附近，并且整個診斷過程中不存在卡滯及慢響應故障計數器發生增長的情況。無故障狀態診斷主要驗證診斷算法的基礎功能實現情況，圖8示出WLTC循環下VVT響應性良好狀態下相應的診斷情況。

如圖8所示，無故障狀態WLTC循環中VVT響應性良好狀態下，在第900 s無故障計數器增長至5，并在第1 300 s達到計數器最大值。整個WLTC循環共進行了16次統計窗口計算，其中第3、第4次統計窗口目標VVT偏差累計值過小而不進行計數器統計計算。在14次有效統計窗口計算中，VVT偏差累計值比例均在95%以上，其中平均值為101%，標準差為0.034。診斷過程中無故障狀態計數器正確增加，同時兩項故障狀態計數器(卡滯&慢響應)并未出現誤診斷增長情況。

圖8 WLTC循環VVT響應性診斷驗證(良好狀態)

3.2 卡滯故障診斷

VVT卡滯故障表現為實際VVT執行機構卡滯在某一位置而無法響應目標位置請求，試驗過程分為實際城市道路功能驗證與排放循環閾值驗證兩部分，其中道路功能驗證主要驗證診斷功能的故障確認以及故障修復過程。圖9示出VVT卡滯故障診斷實際城市道路驗證過程。

圖9 VVT卡滯故障實際城市道路功能驗證

如圖9所示，為驗證故障報出與修復功能，試驗過程將統計窗口時間設定為15 s，試驗結果顯示，VVT無故障狀態下第110 s無故障計數器到達5次，完成無故障診斷；卡滯故障植入為第200 s，此后無故障計數器從6次逐漸減少，同時卡滯故障計數器逐漸增加，在第290 s完成5次故障狀態確認，報出VVT卡滯故障；第305 s移除卡滯故障狀態，卡滯故障計數器自350 s開始降低同時無故障計數器增加，在第410 s無故障計數器達到5次(此時卡滯故障計數器降低至0次)完成故障修復，最終在第470 s達到最大計數。

VVT卡滯狀態故障閾值設定通過WLTC循環來評估，植入VVT卡滯故障程度為-10°，試驗及診斷情況如圖10所示。

圖10 WLTC循環VVT響應性診斷驗證(卡滯狀態)

如圖10所示，在16次統計窗口計算中，第3、第4次統計窗口目標VVT偏差累計值過小而不進行計數器統計計算。14次有效統計窗口VVT偏差累計值比例平均值為1.8%，最大值為5.1%，基于這一計算結果設置卡滯閾值為8%，同時整個試驗過程慢響應故障計數器未出現增長情況。

3.3 慢響應故障診斷

VVT慢響應故障表現為實際VVT執行機構在響應目標VVT位置請求時出現一定時間的延遲，因此試驗主要基于WLTC循環進行功能驗證與閾值標定。設定慢響應故障植入程度為10 s。

如圖11所示，在11次有效統計窗口計算中，第1 100 s慢響應故障計數器為5次，完成故障模式確認，并在第1 600 s達到最大計數。所有有效統計窗口計算偏差累計值比例分布在10%～25%，大于卡滯故障判定閾值8%，不會出現誤判卡滯故障的情況。

圖11 WLTC循環VVT響應性診斷驗證(慢響應狀態)

慢響應故障診斷閾值上限的確定取決于所能接受的響應延遲極限，雖然在這種狀態下由于其結構原因導致跟隨性出現一定延遲，但并不會對車輛性能帶來明顯影響，因此診斷過程不期望將這種狀態判定為慢響應。設定響應延遲極限狀態為2 s。

如圖12所示，診斷過程共進行了14次有效窗口計算，其中偏差累計值比例平均值為81.5%，標準差為0.08。由于慢響應診斷閾值上限的設置將影響無故障的診斷結果，因此將這一極限情況設為無故障狀態，而VVT 10s慢響應則定義為故障狀態，采用統計學分析，使慢響應故障診斷閾值設定符合±3標準。

圖12 WLTC循環VVT響應性診斷驗證(響應極限狀態)

如圖13所示，VVT慢響應故障狀態+3邊界為26.6%，2 s響應極限狀態-3邊界為57.5%，考慮到存在2～10 s之間的慢響應情形，設置慢響應故障閾值為50%，相應的診斷有效概率大于99.995%，這意味著當VVT執行機構為正常響應狀態時不會出現誤判故障的風險。

圖13 VVT響應延遲狀態統計學分析

4 結束語

混合動力發動機由于VVT動作范圍的縮短，使得原有的基于VVT實時位置監控的診斷策略不再適用，故采用偏差累計值診斷策略，故障診斷過程不再需要VVT大范圍動作，診斷過程更加適用于混合動力工況，對于執行機構響應性不足，但不影響發動機性能的情形具備良好的診斷裕度。

試驗結果表明，實際城市道路試驗下VVT卡滯故障報出與修復功能正常執行；WLTC循環VVT卡滯故障狀態比例系數最大值為5.1%，故障判定閾值為8%，不會出現慢響應計數器增長情況；響應性良好狀態VVT偏差比例系數平均值為101%，標準偏差為0.034，診斷結果準確且計算穩定。

VVT慢響應故障診斷過程未出現誤診斷為卡滯以及誤修復情況，2 s響應性延遲極限條件下VVT偏差比例系數平均值為81.5%，采用統計學分析得到慢響應閾值為50%，符合±3診斷標準，相應的診斷有效概率大于99.995%，對于VVT正常響應狀態不會出現誤判故障的風險。