混合動力汽車發動機節能控制器的設計與實現

陸廣華　田愛軍　王德銘

摘 要： 當前各國對混合動力汽車發動機節能控制器的研究尚不健全，所研究出的產品穩定性較差、節能效果不佳。因此，設計兼顧高穩定性和高節能效果的混合動力汽車發動機節能控制器。該節能控制器的X186單片微控制器利用PID控制，對混合動力汽車發動機轉速和行駛指令等信號進行實時監管，并經由信號二次處理電路進行轉速信號再處理，降低發動機轉速對混合動力汽車的能耗。由X186單片微控制器和信號二次處理電路獲取到的節能控制信號，傳輸到輸出控制電路進行匯總和解析，最終輸出最優節能方案?？刂破鞯膶崿F部分給出了其功能圖，以及控制器采用PID控制算法對發動機進行節能控制的過程。實驗結果表明，所設計混合動力汽車發動機節能控制器的節能控制效果較為明顯，并具有較高的穩定性。

關鍵詞： 混合動力汽車； 發動機； 節能控制器； X186單片微控制器

中圖分類號： TN245?34； TPK414.3 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）06?0084?04

Abstract： The research on engine energy?saving controller of hybrid power automobile is not perfect in various countries， which has caused poor stability of the researched products and poor energy?saving effect. Therefore， the engine energy?saving controller with high stability and high energy?saving effect for hybrid power automobile are considered. X186 single chip microcontroller of the energy?saving controller is controlled by PID to mornitor the engine speed and driving instruction signals of the hybrid power vehicle in real time. The signal secondary processing circuit is used to reprocess speed signal to reduce energy consumption of hybrid power automobile caused by engine speed. The energy?saving control signals acquired by X186 single chip microcontroller and the signal secondary processing circuit are transmitted to the output control circuit for the summary and analysis to output an optimal energy?saving solution finally. The functional diagram and the process of engine energy?saving control adopting PID control algorithm are given in the Controller Paragraph. The experiment result shows that the energy?saving control effect of the engine energy?saving controller for hybrid power automobiles is more obvious， and has high stability.

Keywords： hybrid power automobile； engine； energy?saving controller； X186 single chip microcontroller

0 引 言

當前汽車已成為人們生活中必不可少的交通工具，由汽車行業發展所帶來的資源短缺問題也不容小覷?；谝陨显?，產生了能夠綜合利用電能、燃氣和煤柴油的混合動力汽車。對混合動力汽車發動機節能控制器的研究與發展，是交通運輸領域中的一項重要技術革新[1?3]。由于各國對混合動力汽車發動機節能控制器的研究尚不健全，所研究出的產品往往穩定性較差、節能效果不佳。因此，開發出兼顧高穩定性和高節能效果的混合動力汽車發動機節能控制器，是當前交通運輸領域的重點研究項目[4?6]。

各科研組織研究出的混合動力汽車發動機節能控制器均存在一定的問題，如文獻[7]開發THS?Ⅱ混合動力汽車發動機節能控制器，該節能控制器能夠對混合動力汽車發動機駕駛系統實施全方位的節能控制，其節能效果較好。但其價格昂貴，不利用廣泛推廣。文獻[8]開發Honda混合動力汽車發動機節能控制器，該節能控制器的設計者意識到混合動力汽車在急停時的耗能量最大，故設計者在發動機處于高速運行的情況下，為混合動力汽車發動機添加了慢減速功能，進而縮減混合動力汽車發動機的耗能量。但該節能控制器的能耗縮減效果并不明顯，控制能力有待提高。文獻[9]開發基于線控制的混合動力汽車發動機節能控制器，該節能控制器利用發動機能耗線控制圖，將混合動力汽車發動機分成三個等級的能耗區間，分別對三個能耗區間進行節能控制。由于該節能控制器要求相關人員需具有較高的控制水平，因而其節能效果并不理想。文獻[10]開發基于實時節能優化算法的混合動力汽車發動機節能控制器，該節能控制器通過構建能耗目標函數，預測混合動力汽車發動機的能耗趨勢，進而最大限度地縮減發動機能耗。但該節能控制器的穩定性較差，對全局能耗的掌控有待加強。

為了解決以上問題，開發了穩定性較強、節能效果明顯的混合動力汽車發動機節能控制器。實驗結果表明，所設計的混合動力汽車發動機節能控制器節能控制效果較為明顯，并具有較高的穩定性。

1 混合動力汽車發動機節能控制器設計

所設計的混合動力汽車發動機節能控制器主要由控制芯片和各功能電路組成。

1.1 控制芯片設計

混合動力汽車發動機節能控制器的控制芯片是單片微控制器，由于混合動力汽車發動機的內部元件較多，故所選用的單片微控制器必須擁有較強的硬件兼容性，且能夠實時修正混合動力汽車發動機的高耗能信號，并將其準確輸出。

基于以上約束條件，混合動力汽車發動機節能控制器選用某公司最新出品的嵌入式X186單片微控制器。該公司的設計人員針對混合動力汽車發動機的耗能特點，為X186單片微控制器匹配了實時節能控制功能，使其能夠有針對性地進行混合動力汽車發動機信號的開采和處理，并強有力地保證了發動機信號的完好傳輸。

當混合動力汽車開始調用發動機進行減速行駛時，如何保證汽車行駛的安全穩定，是混合動力汽車發動機節能控制器需要考慮的首要問題。X186單片微控制器中利用PID控制方法，針對混合動力汽車發動機扭矩進行實時控制，其旨在將混合動力汽車發動機中的多余機械能轉換成汽車行駛中利用率較高的電能?；旌蟿恿ζ嚢l動機的扭矩主要包括轉速、行駛指令、功率等。圖1是X186單片微控制器PID控制原理圖。

由圖1可知，X186單片微控制器的PID控制流程為：X186單片微控制器先進行其采集到的混合動力汽車發動機信號的扭矩識別工作，其主要識別內容為混合動力汽車發動機的轉速，以及駕駛人員給予汽車的行駛指令。X186單片微控制器根據其所識別出的扭矩類型進行分步處理。不需要進行調節的扭矩直接進入標準扭矩轉換操作并輸出；需要進行調節的扭矩則進入PID控制。在PID控制中，X186單片微控制器先將扭矩等比例放大（其中，駕駛人員給予汽車的行駛指令是不可控變量，雖存在需要處理的信號，但無法進行PID控制，直接將其輸出即可），再進行扭矩調節工作，即將發動機信號中多余的機械能轉換成電能。在扭矩調節工作中，X186單片微控制器將應盡可能地減少PID控制能量的損失，以提高混合動力汽車發動機節能控制器的能量利用率。

經由X186單片微控制器PID控制后的混合動力汽車發動機信號，會傳輸到信號二次處理電路進行進一步的節能控制。

1.2 信號二次處理電路設計

由于發動機轉速對混合動力汽車的能耗影響較大，故混合動力汽車發動機節能控制器構建了信號二次處理電路進行轉速信號的二次處理工作。該信號的處理工作要求信號二次處理電路擁有極高的信號傳輸速度。

轉速信號主要采集于混合動力汽車發動機的曲軸。信號二次處理電路在曲軸處安裝了特定傳感器，經由傳感器進行發動機轉速的二次采集，再結合X186單片微控制器PID控制的輸出信號，對混合動力汽車發動機的能耗進行優化，如圖2所示。

當汽車發動時，發動機曲軸上安裝的傳感器會對發動機轉速信號進行濾波、整波等處理。為避免汽車行駛中環境因素對混合動力汽車節能控制器帶來的干擾，在設計圖2所示的信號二次處理電路時，二極管和信號隔離器是必不可少的。

信號二次處理電路工作結束后，根據公式[ek=][TPS2k-TPS1k]，求取混合動力汽車發動機的優化偏差[ek]。其中：[TPS1k]是信號二次處理電路的信號輸出值；[TPS2k]是X186單片微控制器PID控制的信號輸出值。優化偏差直接影響著混合動力汽車節能控制器的穩定性，若該值較大，則應重新進行優化工作；否則，則將X186單片微控制器和信號二次處理電路獲取到的節能控制信號反饋到輸出控制電路。

1.3 輸出控制電路設計

輸出控制電路的設計目標是將X186單片微控制器和信號二次處理電路的輸出信號匯總、解析，最終輸出最優節能方案，如圖3所示。

圖3所示的輸出控制電路能夠將混合動力汽車發動機節能控制器中的所有已處理信號接入進來，經由格式轉換和構建傳輸文件夾的方式，將發動機節能方案快速傳輸出去。文件會在其傳輸過程中分離到特定位置，以對混合動力汽車發動機的不同位置進行特定的節能控制。輸出控制電路也能夠調節混合動力汽車電子節氣門的電流傳輸規律，進而控制發動機的扭矩。輸出控制電路利用并行串行傳輸接口2，3，14，15進行電路同發動機的串行傳輸，也能夠同時對發動機進行故障檢測和故障排除。

2 混合動力汽車發動機節能控制器的實現

2.1 混合動力汽車發動機節能控制器功能設計

設計的混合動力汽車發動機節能控制器具有信號管理、故障檢測、信號解析、后臺監控等功能，如圖4所示。圖4中的信號管理功能主要是對X186單片微控制器和信號二次處理電路的信號采集和信號處理進行管理，其管理方式主要是編碼控制；故障檢測功能是通過檢測硬件部分的傳輸信號，實現混合動力汽車發動機節能控制器故障的預警與處理，其與輸出控制電路對混合動力汽車發動機的故障排查內容不同，應加以區分；信號解析功能管理著輸出控制電路的解析工作；后臺監控功能能夠對混合動力汽車發動機節能控制器和混合動力汽車發動機進行實時監控和異常項預測，包括信號采集超時、電路負載趨勢不正常、能耗超限等。

2.2 PID控制算法設計

X186單片微控制器中的PID控制算法較為簡單，其擁有比例、積分、微分三種控制方式，在混合動力汽車發動機節能控制器的實際應用中，應根據這三種方式的特點選擇較為適合的PID控制。

比例PID控制能夠對混合動力汽車發動機中產生的多余機械能進行實時控制，其控制效率高、效果好。比例PID控制要求其所控制的多余機械能應為無限增長的，一旦機械能維持在一個穩定的數值不變，其控制誤差便會急速增長，進而降低混合動力汽車發動機節能控制器的穩定性；積分PID控制與比例PID控制相反，其要求混合動力汽車發動機中多余機械能的增減幅度應較為平穩。但該控制方式的控制能力有效，不能給予發動機較高的節能效果；微分PID控制的控制能力和控制要求則介于比例PID控制和積分PID控制之間。

設PID控制工作時間為[t]，PID控制的輸出值為[u（t）]，則PID控制算法的函數表達式為：

[u（t）=KPe（t）+KI0te（t）dt+KDde（t）dt+u0] （1）

式中：[KP]，[KI]，[KD]分別代表比例、積分、微分三種PID控制方式的比例系數，三者協同作業且互相限制；[e（t）]代表混合動力汽車發動機的信號輸入值與混合動力汽車發動機節能控制器的輸出值之差；[u0]代表PID控制常數。

3 實 驗

實驗對本文設計的混合動力汽車發動機節能控制器的穩定性和節能效果進行驗證。設定實驗中的自變量為發動機的總扭矩和轉速，總扭矩直接反應了混合動力汽車發動機的總能耗；在汽車行駛中，其發動機轉速越大，電子節氣門的開度就越大，實時耗能量就越大。因此，縮減發動機總扭矩和轉速便能夠得到良好的節能控制效果。同時，節能控制后的兩者曲線波動越小，混合動力汽車發動機節能控制器的穩定性就越強。

實驗將發動機未采用本文節能控制器進行控制的混合動力汽車在相同的路況和天氣下，以2檔位和4檔位分別行駛2 000 m，行駛過程中的急停、起步、加速度等駕駛員操作因素均相同，其行駛過程中發動機的總扭矩曲線和轉速曲線如圖5、圖6所示。

由圖5和圖6可知，在相同情況下，未采用本文節能控制器的混合動力汽車發動機的4檔位總扭矩最高值為70 N·m，發動機轉速最高值為2 000 r/min。排除汽車行駛的起步狀態（此時汽車行駛動力主要依靠電機給予，故排除），在200～2 000 m的行駛距離內，4檔位總扭矩的平均值約為48 N·m，發動機轉速的平均值為1 355 r/min；2檔位總扭矩的最高值為68 N·m，發動機轉速最高值為1 980 r/min。在200～2 000 m的行駛距離內，2檔位總扭矩的平均值約為40 N·m，發動機轉速的平均值為1 402 r/min。

現給出采用本文節能控制器，進行節能控制后的發動機總扭矩曲線圖和發動機轉速曲線圖，如圖7、圖8所示。對比圖5～圖8可得知，本文設計的混合動力汽車發動機節能控制器能夠進行發動機的節能控制，且節能控制效果較為明顯。

圖7、圖8中的曲線波動較比圖5、圖6曲線有明顯下降，驗證了本文所設計的混合動力汽車發動機節能控制器具有較高的穩定性。

4 結 論

本文設計兼顧高穩定性和高節能效果的混合動力汽車發動機節能控制器。該節能控制器的X186單片微控制器利用PID控制，對混合動力汽車發動機轉速和行駛指令等信號進行實時監管，并經由信號二次處理電路進行轉速信號再處理，降低發動機轉速對混合動力汽車的能耗。由X186單片微控制器和信號二次處理電路獲取到的節能控制信號，傳輸到輸出控制電路進行匯總和解析，最終輸出最優節能方案?？刂破鞯膶崿F部分給出了其功能圖，以及控制器采用PID控制算法對發動機進行節能控制的過程。實驗結果表明，所設計混合動力汽車發動機節能控制器的節能控制效果較為明顯，并具有較高的穩定性。

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