電動汽車增程器的電子節氣門控制系統研究

謝有浩

（安徽長豐揚子汽車制造有限責任公司）

1 前言

增程式電動汽車是一種特殊的混合動力汽車，其增程器是一個由小型發動機、發電機、整流裝置組成的發電機組。該種車型電池自帶的電力可以保證一定里程內的正常行駛，一旦電量不足，增程器開始運轉，作為發電機為電池充電，增加了車輛的續駛里程。增程式電動汽車的技術模式簡單可靠，較長的續駛里程基本可達到傳統汽車水平[1～3]。

增程器控制系統，需要按照整車管理系統要求，控制增程器起動、停機、按特定電壓或電流實現發電輸出。增程器能量源來自于發動機，當增程器進行發電輸出時，發動機一般進行恒轉速閉環控制，而輸出扭矩隨負載自適應。因此，增程器發動機控制系統必須使用電子節氣門這一關鍵器件，實現發動機進氣量的自動控制[4]。

2 增程器控制系統組成

2.1 增程器控制系統結構

增程器控制系統模塊包括外圍傳感器信號、傳感器信號處理、系統狀態判斷、進氣模型、節氣門控制、點火控制、噴油控制。其中，外圍傳感器信號包括曲軸位置、凸輪軸位置、實際節氣門開度、進氣壓力、進氣溫度、冷卻液溫度。以上系統模塊集成一體，構成ECU系統。外圍傳感器信號經過傳感器信號處理模塊后，由電壓值轉變為具有實際意義的物理值，以便進行工況判斷和進氣量計算。系統狀態判斷模塊通過當前的發動機轉速、節氣門開度等數值所在的范圍，確定發動機當前的基本工作狀態，即停機、起動、怠速、發電4種工況，使用各自工況下的算法計算出相應的目標節氣門開度、點火提前角，進行節氣門開度控制和點火控制。同時，根據系統當前的進氣壓力和溫度，通過速度—密度法進氣模型計算出進氣流量，再根據理論空燃比原則，計算出基本噴油量，加上其它瞬態噴油補償量，得到最終噴油量，作為噴油控制的依據。

增程器控制系統結構如圖1所示。

2.2 增程器控制系統狀態判斷

發動機的基本狀態包括停機、起動、怠速、發電4種工況。

停機工況：對應于點火鑰匙通電而起動機沒有運轉、發動機沒有運行的狀態，要求增程器控制系統對轉速等關鍵參數進行初始化，此時轉速為0，輸出扭矩也為0。

起動工況：對應于起動機接合，發動機轉速從0開始上升到怠速的狀態。

怠速工況：對應于發動機已起動并平穩運轉但無負載的狀態，此時要求轉速穩定控制在怠速目標轉速附近，系統在怠速過程中，無論外界負載如何變化，轉速都在目標轉速附近，并且在轉速安全范圍內。

發電工況：此時發動機需要帶負載，有扭矩輸出，但要求轉速穩定于發電目標轉速附近（如3 600 r/min），系統在發電狀態中，無論外界負載如何變化，轉速都在發電目標轉速附近，并且在轉速安全范圍內。

以上發動機工況可作為電子節氣門開度的計算條件，從而確定電子節氣門位置。

3 電子節氣門控制策略

3.1 電子節氣門機械結構

電子節氣門的機械結構如圖2所示，包括加速踏板位置傳感器、復位彈簧、節氣門位置傳感器、節氣門控制電機等部分[5]。

加速踏板位置傳感器：由兩個無觸點線性電位器傳感器組成，由此產生反映加速踏板行程和變化速率的電壓信號輸入ECU。

復位彈簧：節氣門軸上有兩復位彈簧向相反方向起作用，保證在控制系統有故障時節氣門能夠回復到平衡位置，使發動機繼續運轉。

節氣門位置傳感器：電子節氣門系統采用兩個節氣門位置傳感器，兩傳感器輸出電壓信號隨節氣門開度增加變化趨勢相反，且兩輸出電壓之和始終等于傳感器的供電電壓。該冗余設計可使兩個傳感器相互檢測，很大程度上增加了系統可靠性。兩路信號均正確無誤，系統方可工作于正常安全狀態。

節氣門控制電機：電機輸出轉矩和脈寬調制信號的占空比成正比，方向則是由和節氣門相連的復位彈簧控制。當占空比一定，電機輸出轉矩與復位彈簧阻力矩保持平衡時，節氣門開度不變；當占空比增大時，電機輸出轉矩克服復位彈簧阻力矩，節氣門開度增大；當占空比減小時，電機輸出轉矩和節氣門開度也隨之減小。

3.2 電子節氣門位置控制的計算邏輯設計

基于增程器發動機的工況判斷，采用不同計算策略確定電子節氣門的目標開度。

起動控制：目標開度為與水溫和轉速直接相關的起動開度。

怠速控制：包括怠速基本開度、轉速閉環PID調節開度和外部載荷補償。由于增程式電動汽車的主要電氣負載由電池系統提供能源，因而怠速補償比常規發動機補償少，主要是風扇補償、溫度補償等。

發電控制：此時電子節氣門的調節量主要由基于發電目標轉速的轉速閉環PID調節模塊決定。ECU根據發電目標轉速和實際轉速的偏差輸入對PID模塊進行調節，最終調節量為電子節氣門的目標開度位置。

節氣門控制系統（ETC）目標位置計算完成后，通過ETC自身的閉環位置反饋調節電子節氣門的實際位置達到計算開度位置?？刂扑惴ㄟ壿嬃鞒倘鐖D3所示。

3.3 轉速閉環的PID調節實現方法

增程器ECU轉速閉環控制采用PI調節器，其P 項（ETC_SP_P）和 I項（ETC_SP_I）分別采用標定表來實現。P項和I項的標定表均是以轉速偏差為自變量的一維表，查得的函數值則是節氣門開度的P項、I項調節量。增程器ECU通過計算當前工作設定轉速與采集的實時轉速差值作為轉速偏差，分別查詢P項表和I項表，按照以下算法得到轉速閉環PI調節器的節氣門開度調節量。

ETC_SP表示節氣門目標開度，在n時刻：

ETC_SP_I_SUM （n）=ETC_SP_I_SUM （n-1）+ETC_SP_I（n）

ETC_SP=ETC_SP_P+ETC_SP_I_SUM

臺架標定試驗中模擬整車上的發電工況，通過可調電負載對增程器加載，在不同加載幅度下對P項、I項表進行詳細標定，最終達到發電控制的穩態、瞬態指標。

4 電子節氣門控制試驗

臺架測試試驗中，增程器發動機的初始工況為在發電目標轉速下（1 500 r/min）空載運轉。通過兩次突加負載，可以驗證發動機轉速控制的穩定性和電子節氣門控制的正確性。兩次加載的載荷分別為，第1次加載時負載由空載加載至增程器額定發電功率的38%，第2次加載時負載由增程器額定發電功率的38%增大至65%。試驗數據曲線如圖4所示?？梢?，在發動機轉速閉環PID調節模塊作用下，電子節氣門的目標開度位置在兩次加載時相應增大。而在電子節氣門位置閉環控制作用下，電子節氣門實際位置始終與目標位置基本重合，從而實現了兩次突加負載后發動機轉速的快速恢復并重新達到穩定。本試驗驗證了基于增程器發動機工況的電子節氣門控制算法，可以按照不同的發動機實際工況實現設計的控制功能。

5 結束語

增程器發動機的電子節氣門控制是決定增程器起動性、發電穩態指標、動態響應指標的關鍵技術。電子節氣門控制方法在增程器系統上的應用，實現了增程式電動汽車對增程器的相關功能要求，邏輯簡明清晰，軟件實現實用簡便。

后續工作主要是增程器負載突變時的動態響應指標優化，將繼續優化P、I項參數，增加負載需求值前饋邏輯等，以進一步提升增程器的發電品質。

1 吳韶建，陶元芳.增程式電動汽車的概念與設計方案.機械工程與自動化，2010（5）：209～210.

2 Tate E D， Michael O Harpster，Peter J Savagian.The electrification of the automobile:From conventional Hybrid，to Plug －in Hybrids， to Extended －Range Electric Vehicles.SAE 2008－01－0458.

3 宋柯，章桐.增程式純電驅動汽車動力系統研究.汽車技術，2011（7）：14～18.

4 謝輝，郝明德，周能輝.混合動力車用汽油機電控節氣門系統的開發研究.汽車工程，2006，28（1）：17～19.

5 錢偉康，李峰，錢建秋，曾義芳.汽車電子節氣門的控制策略研究.測控技術，2010，29（3）：47～51.