混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陸廣華　田愛(ài)軍　王德銘

摘 要： 當(dāng)前各國(guó)對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的研究尚不健全，所研究出的產(chǎn)品穩(wěn)定性較差、節(jié)能效果不佳。因此，設(shè)計(jì)兼顧高穩(wěn)定性和高節(jié)能效果的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器。該節(jié)能控制器的X186單片微控制器利用PID控制，對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和行駛指令等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，并經(jīng)由信號(hào)二次處理電路進(jìn)行轉(zhuǎn)速信號(hào)再處理，降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)的能耗。由X186單片微控制器和信號(hào)二次處理電路獲取到的節(jié)能控制信號(hào)，傳輸?shù)捷敵隹刂齐娐愤M(jìn)行匯總和解析，最終輸出最優(yōu)節(jié)能方案?？刂破鞯膶?shí)現(xiàn)部分給出了其功能圖，以及控制器采用PID控制算法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能控制的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的節(jié)能控制效果較為明顯，并具有較高的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞： 混合動(dòng)力汽車(chē)； 發(fā)動(dòng)機(jī)； 節(jié)能控制器； X186單片微控制器

中圖分類號(hào)： TN245?34； TPK414.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(dāng)前汽車(chē)已成為人們生活中必不可少的交通工具，由汽車(chē)行業(yè)發(fā)展所帶來(lái)的資源短缺問(wèn)題也不容小覷?；谝陨显?，產(chǎn)生了能夠綜合利用電能、燃?xì)夂兔翰裼偷幕旌蟿?dòng)力汽車(chē)。對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的研究與發(fā)展，是交通運(yùn)輸領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要技術(shù)革新[1?3]。由于各國(guó)對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的研究尚不健全，所研究出的產(chǎn)品往往穩(wěn)定性較差、節(jié)能效果不佳。因此，開(kāi)發(fā)出兼顧高穩(wěn)定性和高節(jié)能效果的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器，是當(dāng)前交通運(yùn)輸領(lǐng)域的重點(diǎn)研究項(xiàng)目[4?6]。

各科研組織研究出的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器均存在一定的問(wèn)題，如文獻(xiàn)[7]開(kāi)發(fā)THS?Ⅱ混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器，該節(jié)能控制器能夠?qū)旌蟿?dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)駕駛系統(tǒng)實(shí)施全方位的節(jié)能控制，其節(jié)能效果較好。但其價(jià)格昂貴，不利用廣泛推廣。文獻(xiàn)[8]開(kāi)發(fā)Honda混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器，該節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)者意識(shí)到混合動(dòng)力汽車(chē)在急停時(shí)的耗能量最大，故設(shè)計(jì)者在發(fā)動(dòng)機(jī)處于高速運(yùn)行的情況下，為混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)添加了慢減速功能，進(jìn)而縮減混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的耗能量。但該節(jié)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(xiàn)[9]開(kāi)發(fā)基于線控制的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器，該節(jié)能控制器利用發(fā)動(dòng)機(jī)能耗線控制圖，將混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)分成三個(gè)等級(jí)的能耗區(qū)間，分別對(duì)三個(gè)能耗區(qū)間進(jìn)行節(jié)能控制。由于該節(jié)能控制器要求相關(guān)人員需具有較高的控制水平，因而其節(jié)能效果并不理想。文獻(xiàn)[10]開(kāi)發(fā)基于實(shí)時(shí)節(jié)能優(yōu)化算法的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器，該節(jié)能控制器通過(guò)構(gòu)建能耗目標(biāo)函數(shù)，預(yù)測(cè)混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗趨勢(shì)，進(jìn)而最大限度地縮減發(fā)動(dòng)機(jī)能耗。但該節(jié)能控制器的穩(wěn)定性較差，對(duì)全局能耗的掌控有待加強(qiáng)。

為了解決以上問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了穩(wěn)定性較強(qiáng)、節(jié)能效果明顯的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器節(jié)能控制效果較為明顯，并具有較高的穩(wěn)定性。

1 混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)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(shè)計(jì)

混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的控制芯片是單片微控制器，由于混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部元件較多，故所選用的單片微控制器必須擁有較強(qiáng)的硬件兼容性，且能夠?qū)崟r(shí)修正混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的高耗能信號(hào)，并將其準(zhǔn)確輸出。

基于以上約束條件，混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)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(shè)計(jì)人員針對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的耗能特點(diǎn)，為X186單片微控制器匹配了實(shí)時(shí)節(jié)能控制功能，使其能夠有針對(duì)性地進(jìn)行混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)的開(kāi)采和處理，并強(qiáng)有力地保證了發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)的完好傳輸。

當(dāng)混合動(dòng)力汽車(chē)開(kāi)始調(diào)用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速行駛時(shí)，如何保證汽車(chē)行駛的安全穩(wěn)定，是混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器需要考慮的首要問(wèn)題。X186單片微控制器中利用PID控制方法，針對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，其旨在將混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的多余機(jī)械能轉(zhuǎn)換成汽車(chē)行駛中利用率較高的電能?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩主要包括轉(zhuǎn)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(jìn)行其采集到的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)的扭矩識(shí)別工作，其主要識(shí)別內(nèi)容為混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以及駕駛?cè)藛T給予汽車(chē)的行駛指令。X186單片微控制器根據(jù)其所識(shí)別出的扭矩類型進(jìn)行分步處理。不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的扭矩直接進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)扭矩轉(zhuǎn)換操作并輸出；需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的扭矩則進(jìn)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?cè)藛T給予汽車(chē)的行駛指令是不可控變量，雖存在需要處理的信號(hào)，但無(wú)法進(jìn)行PID控制，直接將其輸出即可），再進(jìn)行扭矩調(diào)節(jié)工作，即將發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)中多余的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。在扭矩調(diào)節(jié)工作中，X186單片微控制器將應(yīng)盡可能地減少PID控制能量的損失，以提高混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的能量利用率。

經(jīng)由X186單片微控制器PID控制后的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)，會(huì)傳輸?shù)叫盘?hào)二次處理電路進(jìn)行進(jìn)一步的節(jié)能控制。

1.2 信號(hào)二次處理電路設(shè)計(jì)

由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)的能耗影響較大，故混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器構(gòu)建了信號(hào)二次處理電路進(jìn)行轉(zhuǎn)速信號(hào)的二次處理工作。該信號(hào)的處理工作要求信號(hào)二次處理電路擁有極高的信號(hào)傳輸速度。

轉(zhuǎn)速信號(hào)主要采集于混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸。信號(hào)二次處理電路在曲軸處安裝了特定傳感器，經(jīng)由傳感器進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的二次采集，再結(jié)合X186單片微控制器PID控制的輸出信號(hào)，對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗進(jìn)行優(yōu)化，如圖2所示。

當(dāng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上安裝的傳感器會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行濾波、整波等處理。為避免汽車(chē)行駛中環(huán)境因素對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)節(jié)能控制器帶來(lái)的干擾，在設(shè)計(jì)圖2所示的信號(hào)二次處理電路時(shí)，二極管和信號(hào)隔離器是必不可少的。

信號(hào)二次處理電路工作結(jié)束后，根據(jù)公式[ek=][TPS2k-TPS1k]，求取混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化偏差[ek]。其中：[TPS1k]是信號(hào)二次處理電路的信號(hào)輸出值；[TPS2k]是X186單片微控制器PID控制的信號(hào)輸出值。優(yōu)化偏差直接影響著混合動(dòng)力汽車(chē)節(jié)能控制器的穩(wěn)定性，若該值較大，則應(yīng)重新進(jìn)行優(yōu)化工作；否則，則將X186單片微控制器和信號(hào)二次處理電路獲取到的節(jié)能控制信號(hào)反饋到輸出控制電路。

1.3 輸出控制電路設(shè)計(jì)

輸出控制電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將X186單片微控制器和信號(hào)二次處理電路的輸出信號(hào)匯總、解析，最終輸出最優(yōu)節(jié)能方案，如圖3所示。

圖3所示的輸出控制電路能夠?qū)⒒旌蟿?dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器中的所有已處理信號(hào)接入進(jìn)來(lái)，經(jīng)由格式轉(zhuǎn)換和構(gòu)建傳輸文件夾的方式，將發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能方案快速傳輸出去。文件會(huì)在其傳輸過(guò)程中分離到特定位置，以對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同位置進(jìn)行特定的節(jié)能控制。輸出控制電路也能夠調(diào)節(jié)混合動(dòng)力汽車(chē)電子節(jié)氣門(mén)的電流傳輸規(guī)律，進(jìn)而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩。輸出控制電路利用并行串行傳輸接口2，3，14，15進(jìn)行電路同發(fā)動(dòng)機(jī)的串行傳輸，也能夠同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行故障檢測(cè)和故障排除。

2 混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的實(shí)現(xiàn)

2.1 混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器功能設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器具有信號(hào)管理、故障檢測(cè)、信號(hào)解析、后臺(tái)監(jiān)控等功能，如圖4所示。圖4中的信號(hào)管理功能主要是對(duì)X186單片微控制器和信號(hào)二次處理電路的信號(hào)采集和信號(hào)處理進(jìn)行管理，其管理方式主要是編碼控制；故障檢測(cè)功能是通過(guò)檢測(cè)硬件部分的傳輸信號(hào)，實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器故障的預(yù)警與處理，其與輸出控制電路對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的故障排查內(nèi)容不同，應(yīng)加以區(qū)分；信號(hào)解析功能管理著輸出控制電路的解析工作；后臺(tái)監(jiān)控功能能夠?qū)旌蟿?dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器和混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和異常項(xiàng)預(yù)測(cè)，包括信號(hào)采集超時(shí)、電路負(fù)載趨勢(shì)不正常、能耗超限等。

2.2 PID控制算法設(shè)計(jì)

X186單片微控制器中的PID控制算法較為簡(jiǎn)單，其擁有比例、積分、微分三種控制方式，在混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)這三種方式的特點(diǎn)選擇較為適合的PID控制。

比例PID控制能夠?qū)旌蟿?dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生的多余機(jī)械能進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)械能應(yīng)為無(wú)限增長(zhǎng)的，一旦機(jī)械能維持在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值不變，其控制誤差便會(huì)急速增長(zhǎng)，進(jìn)而降低混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的穩(wěn)定性；積分PID控制與比例PID控制相反，其要求混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中多余機(jī)械能的增減幅度應(yīng)較為平穩(wěn)。但該控制方式的控制能力有效，不能給予發(fā)動(dòng)機(jī)較高的節(jié)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(shè)PID控制工作時(shí)間為[t]，PID控制的輸出值為[u（t）]，則PID控制算法的函數(shù)表達(dá)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(shù)，三者協(xié)同作業(yè)且互相限制；[e（t）]代表混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的信號(hào)輸入值與混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的輸出值之差；[u0]代表PID控制常數(shù)。

3 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)對(duì)本文設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的穩(wěn)定性和節(jié)能效果進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)定實(shí)驗(yàn)中的自變量為發(fā)動(dòng)機(jī)的總扭矩和轉(zhuǎn)速，總扭矩直接反應(yīng)了混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的總能耗；在汽車(chē)行駛中，其發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越大，電子節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度就越大，實(shí)時(shí)耗能量就越大。因此，縮減發(fā)動(dòng)機(jī)總扭矩和轉(zhuǎn)速便能夠得到良好的節(jié)能控制效果。同時(shí)，節(jié)能控制后的兩者曲線波動(dòng)越小，混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的穩(wěn)定性就越強(qiáng)。

實(shí)驗(yàn)將發(fā)動(dòng)機(jī)未采用本文節(jié)能控制器進(jìn)行控制的混合動(dòng)力汽車(chē)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(guò)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(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的總扭矩曲線和轉(zhuǎn)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(jié)能控制器的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的4檔位總扭矩最高值為70 N·m，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最高值為2 000 r/min。排除汽車(chē)行駛的起步狀態(tài)（此時(shí)汽車(chē)行駛動(dòng)力主要依靠電機(jī)給予，故排除），在200～2 000 m的行駛距離內(nèi)，4檔位總扭矩的平均值約為48 N·m，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最高值為1 980 r/min。在200～2 000 m的行駛距離內(nèi)，2檔位總扭矩的平均值約為40 N·m，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平均值為1 402 r/min。

現(xiàn)給出采用本文節(jié)能控制器，進(jìn)行節(jié)能控制后的發(fā)動(dòng)機(jī)總扭矩曲線圖和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線圖，如圖7、圖8所示。對(duì)比圖5～圖8可得知，本文設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器能夠進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)能控制，且節(jié)能控制效果較為明顯。

圖7、圖8中的曲線波動(dòng)較比圖5、圖6曲線有明顯下降，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器具有較高的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)兼顧高穩(wěn)定性和高節(jié)能效果的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器。該節(jié)能控制器的X186單片微控制器利用PID控制，對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和行駛指令等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，并經(jīng)由信號(hào)二次處理電路進(jìn)行轉(zhuǎn)速信號(hào)再處理，降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)的能耗。由X186單片微控制器和信號(hào)二次處理電路獲取到的節(jié)能控制信號(hào)，傳輸?shù)捷敵隹刂齐娐愤M(jìn)行匯總和解析，最終輸出最優(yōu)節(jié)能方案?？刂破鞯膶?shí)現(xiàn)部分給出了其功能圖，以及控制器采用PID控制算法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能控制的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的節(jié)能控制效果較為明顯，并具有較高的穩(wěn)定性。

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