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一種基于硬件在環(huán)的怠速起停功能開發(fā)方法

2020-12-09 22:36:58·  來源：天津汽車研究所  
　
摘要怠速起停功能是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要方法?；诎l(fā)動機控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)（EMS HIL），提出一種怠速起停功能的開發(fā)方法。在(Rint)電路模型基礎上，完善了
摘要
 
怠速起停功能是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要方法?；诎l(fā)動機控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)（EMS HIL），提出一種怠速起停功能的開發(fā)方法。在(Rint)電路模型基礎上，完善了蓄電池模型；依據(jù)目標發(fā)電電壓、勵磁電流限值，優(yōu)化了發(fā)電機模型；依據(jù)歧管壓力、考慮制動因素，改進了制動真空度模型。將上述模型集成到(HIL)臺架上，試驗結果表明，該方法可以高效、可靠地應用在怠速起停功能開發(fā)中。
 
隨著第五階段油耗標準的規(guī)劃制定，以及國Ⅵ排放標準的陸續(xù)實施，國內各大主機廠都致力于通過研發(fā)高效率發(fā)動機、增加電氣化智能配置、搭載新能源動力等手段來達到節(jié)能減排的目的。車輛怠速起停功能是實現(xiàn)上述目標的一種有效方法，其節(jié)油率超過3%，主要污染物排放降低5%。隨著車型開發(fā)周期的日益縮短和質量要求的不斷提高，高效、可靠地開發(fā)怠速起停功能，是主機廠所面臨的一項重要挑戰(zhàn)。文章提出一種基于發(fā)動機控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)（EMSHIL）的怠速起停功能開發(fā)方法，可有效地解決上述問題。
 
1 設計方案及實現(xiàn)
   
怠速起停功能通過在汽車怠速期間關閉發(fā)動機，達到節(jié)能減排的目的，其系統(tǒng)控制原理，如圖1所示。圖1中，v0，v1，v2表示車速；n0，n1表示發(fā)動機轉速；ε0，ε1表示誤差；T表示轉矩。
 
實現(xiàn)怠速起停功能，需要模擬的主要信號包括電池荷電狀態(tài)（SOC）、勵磁電流、發(fā)電機占空比及制動真空度信號等。
 
1.1 蓄電池模型設計
使用2階等效電路，根據(jù)改進的卡爾曼濾波算法，建立了SOC估算模型。但是上述算法對處理器算力要求很高，低硬件成本HIL平臺（2.3GHz主頻，實際可用內存2.79G，256kB×4緩存）在實時性上，無法滿足復雜算法要求。HIL設備處理器承載信號處理、模型仿真、數(shù)據(jù)運算等進程，在0.001s完成1次計算，這就需要既精簡又實用的模型，來達到同樣的起停系統(tǒng)開發(fā)的目的。
文章搭建的電池模型在Rint電路模型的基礎上進行改進和完善。
 
1.2 發(fā)電機模型設計
在汽車發(fā)電機整流器及調節(jié)器機理。在此基礎上，增加目標發(fā)電電壓控制和勵磁電流限值控制。
依據(jù)發(fā)電機臺架試驗，保持發(fā)電電壓（Ugen/V）恒定，生成基于發(fā)電機轉速（Wg/（rad/s））的發(fā)電機最大發(fā)電電流MAP圖：
 
1.3 制動真空度模型設計
制動真空度是起停系統(tǒng)的安全輸入條件，因此必須合理模擬出真空度數(shù)值。真空室通過單向閥與進氣歧管相連，基本原理是：當真空室壓力低于進氣歧管壓力時，單向閥關閉；當進氣歧管壓力低于真空室壓力，并且滿足單向閥開啟壓力時，單向閥打開，同時需要進行制動踏板開度修正。進氣歧管壓力由商業(yè)模型TESISenDyna計算得到。
 
1.4 模塊算法實現(xiàn)
蓄電池模型和發(fā)電機模型使用Simulink軟件開發(fā)，其計算流程圖，如圖2所示。
 
2 算法試驗
   
將上述Simulink模型加載到ECU硬件在環(huán)系統(tǒng)中，進行怠速起停功能開發(fā)，驗證SOC、真空度、發(fā)電機占空比及勵磁電流等在起停功能中的邏輯關系。試驗結果如圖3~圖7所示。
 
 
圖3表明，SOC在閾值以上，ECU控制停機，SOC在閾值以下，ECU控制起機；圖4表明，真空度在閾值以下，ECU控制停機，真空度在閾值以上，ECU控制起機；圖5表明，隨著電氣設備功率需求的提高，發(fā)電機已經以100!的占空比發(fā)電，但仍然無法滿足使用需求，需要蓄電池輔助供電，蓄電池放電，SOC 值不斷降低；圖6表明，目標發(fā)電電壓達到閾值以下時，發(fā)電機模型勵磁電流調節(jié)為0，以停止發(fā)電，其余工況勵磁電流和目標發(fā)電電壓成正相關；圖7表明，真空度數(shù)值符合單向閥開啟條件，同時考慮了制動踏板修正因素。模型仿真計算過程中，歧管壓力仿真存在振蕩現(xiàn)象、導致發(fā)動機轉速相應波動，但是對驗證怠速起停功能的邏輯開發(fā)暫無影響。
 
3 結論
   
文章設計了一種基于EMSHIL的怠速起停功能開發(fā)方法，在Rint電路模型的基礎上，依據(jù)功率守恒原理完善了蓄電池模型；依據(jù)目標發(fā)電電壓、勵磁電流限值，優(yōu)化了發(fā)電機模型；依據(jù)歧管壓力和真空度關系、考慮制動因素，改進了制動真空度模型。將上述模型集成到HIL臺架上，試驗證明，設計的模型應用在怠速起停功能開發(fā)中，滿足設計要求，達到了低成本開發(fā)的目的。
與此同時，該設計的方法存在一定的局限性，算法實現(xiàn)時需要基于試驗數(shù)據(jù)查詢MAP圖，沒有實現(xiàn)完全的模型計算，在一定程度上影響了應用范圍，需要后期加以完善。
 
作者：張志強 季昌健 王晨宇
公眾號編輯：冷棘宇
來源：《汽車工程師》
 
 
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