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一种基于硬件在环的怠速起停功能开发方法

2020-12-09 22:36:58·  来源：天津汽车研究所  
　
摘要怠速起停功能是实现节能减排的重要方法。基于发动机控制器硬件在环测试系统（EMS HIL），提出一种怠速起停功能的开发方法。在(Rint)电路模型基础上，完善了
摘要
 
怠速起停功能是实现节能减排的重要方法。基于发动机控制器硬件在环测试系统（EMS HIL），提出一种怠速起停功能的开发方法。在(Rint)电路模型基础上，完善了蓄电池模型；依据目标发电电压、励磁电流限值，优化了发电机模型；依据歧管压力、考虑制动因素，改进了制动真空度模型。将上述模型集成到(HIL)台架上，试验结果表明，该方法可以高效、可靠地应用在怠速起停功能开发中。
 
随着第五阶段油耗标准的规划制定，以及国Ⅵ排放标准的陆续实施，国内各大主机厂都致力于通过研发高效率发动机、增加电气化智能配置、搭载新能源动力等手段来达到节能减排的目的。车辆怠速起停功能是实现上述目标的一种有效方法，其节油率超过3%，主要污染物排放降低5%。随着车型开发周期的日益缩短和质量要求的不断提高，高效、可靠地开发怠速起停功能，是主机厂所面临的一项重要挑战。文章提出一种基于发动机控制器硬件在环测试系统（EMSHIL）的怠速起停功能开发方法，可有效地解决上述问题。
 
1 设计方案及实现
   
怠速起停功能通过在汽车怠速期间关闭发动机，达到节能减排的目的，其系统控制原理，如图1所示。图1中，v0，v1，v2表示车速；n0，n1表示发动机转速；ε0，ε1表示误差；T表示转矩。
 
实现怠速起停功能，需要模拟的主要信号包括电池荷电状态（SOC）、励磁电流、发电机占空比及制动真空度信号等。
 
1.1 蓄电池模型设计
使用2阶等效电路，根据改进的卡尔曼滤波算法，建立了SOC估算模型。但是上述算法对处理器算力要求很高，低硬件成本HIL平台（2.3GHz主频，实际可用内存2.79G，256kB×4缓存）在实时性上，无法满足复杂算法要求。HIL设备处理器承载信号处理、模型仿真、数据运算等进程，在0.001s完成1次计算，这就需要既精简又实用的模型，来达到同样的起停系统开发的目的。
文章搭建的电池模型在Rint电路模型的基础上进行改进和完善。
 
1.2 发电机模型设计
在汽车发电机整流器及调节器机理。在此基础上，增加目标发电电压控制和励磁电流限值控制。
依据发电机台架试验，保持发电电压（Ugen/V）恒定，生成基于发电机转速（Wg/（rad/s））的发电机最大发电电流MAP图：
 
1.3 制动真空度模型设计
制动真空度是起停系统的安全输入条件，因此必须合理模拟出真空度数值。真空室通过单向阀与进气歧管相连，基本原理是：当真空室压力低于进气歧管压力时，单向阀关闭；当进气歧管压力低于真空室压力，并且满足单向阀开启压力时，单向阀打开，同时需要进行制动踏板开度修正。进气歧管压力由商业模型TESISenDyna计算得到。
 
1.4 模块算法实现
蓄电池模型和发电机模型使用Simulink软件开发，其计算流程图，如图2所示。
 
2 算法试验
   
将上述Simulink模型加载到ECU硬件在环系统中，进行怠速起停功能开发，验证SOC、真空度、发电机占空比及励磁电流等在起停功能中的逻辑关系。试验结果如图3~图7所示。
 
 
图3表明，SOC在阈值以上，ECU控制停机，SOC在阈值以下，ECU控制起机；图4表明，真空度在阈值以下，ECU控制停机，真空度在阈值以上，ECU控制起机；图5表明，随着电气设备功率需求的提高，发电机已经以100!的占空比发电，但仍然无法满足使用需求，需要蓄电池辅助供电，蓄电池放电，SOC 值不断降低；图6表明，目标发电电压达到阈值以下时，发电机模型励磁电流调节为0，以停止发电，其余工况励磁电流和目标发电电压成正相关；图7表明，真空度数值符合单向阀开启条件，同时考虑了制动踏板修正因素。模型仿真计算过程中，歧管压力仿真存在振荡现象、导致发动机转速相应波动，但是对验证怠速起停功能的逻辑开发暂无影响。
 
3 结论
   
文章设计了一种基于EMSHIL的怠速起停功能开发方法，在Rint电路模型的基础上，依据功率守恒原理完善了蓄电池模型；依据目标发电电压、励磁电流限值，优化了发电机模型；依据歧管压力和真空度关系、考虑制动因素，改进了制动真空度模型。将上述模型集成到HIL台架上，试验证明，设计的模型应用在怠速起停功能开发中，满足设计要求，达到了低成本开发的目的。
与此同时，该设计的方法存在一定的局限性，算法实现时需要基于试验数据查询MAP图，没有实现完全的模型计算，在一定程度上影响了应用范围，需要后期加以完善。
 
作者：张志强 季昌健 王晨宇
公众号编辑：冷棘宇
来源：《汽车工程师》
 
 
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