一種基于硬件在環(huán)的怠速起停功能開發(fā)方法

張志強(qiáng) 季昌健 王晨宇

（一汽奔騰轎車有限公司奔騰開發(fā)院）

隨著第五階段油耗標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)劃制定，以及國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的陸續(xù)實施，國內(nèi)各大主機(jī)廠都致力于通過研發(fā)高效率發(fā)動機(jī)、增加電氣化智能配置、搭載新能源動力等手段來達(dá)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(biāo)的一種有效方法，其節(jié)油率超過3%[1]，主要污染物排放降低5%[2-3]。隨著車型開發(fā)周期的日益縮短和質(zhì)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(jī)廠所面臨的一項重要挑戰(zhàn)。文章提出一種基于發(fā)動機(jī)控制器硬件在環(huán)測試系統(tǒng)（EMS HIL）的怠速起停功能開發(fā)方法，可有效地解決上述問題。

1 設(shè)計方案及實現(xiàn)

怠速起停功能通過在汽車怠速期間關(guān)閉發(fā)動機(jī)，達(dá)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(jī)轉(zhuǎn)速；ε0，ε1表示誤差；T 表示轉(zhuǎn)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(jī)占空比及制動真空度信號等。

1.1 蓄電池模型設(shè)計

文獻(xiàn)[4]使用2 階等效電路，根據(jù)改進(jìn)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（2.3 GHz 主頻，實際可用內(nèi)存2.79 G，256 kB×4 緩存）在實時性上，無法滿足復(fù)雜算法要求。HIL 設(shè)備處理器承載信號處理、模型仿真、數(shù)據(jù)運(yùn)算等進(jìn)程，在0.001 s 完成1 次計算，這就需要既精簡又實用的模型，來達(dá)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(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和完善。

式中：Uout——輸出端電壓，V；

Uoc——開路電壓，V；

I——電池電流，A；

Rint——電池等效內(nèi)阻，Ω。

通過試驗數(shù)據(jù)，生成基于電池SOC 和電池溫度（Tbat/℃）的MAP 圖：Uoc=f（SOC，Tbat），Rint=g（SOC，Tbat）。

基于功率守恒原理，整車電量需要維持平衡狀態(tài)[5]：

式中：Pbat——電池放電功率，W；

Pload——負(fù)載消耗功率，W；

Pgen——發(fā)電機(jī)輸出功率，W。

式中：ci——加權(quán)系數(shù)，即電氣設(shè)備的使用頻率；

Pi——電氣設(shè)備的額定功率，W。

車載用電氣設(shè)備包括噴油器、點(diǎn)火線圈、電子節(jié)氣門、電動助力轉(zhuǎn)向、真空泵及電磁閥等。

電池放電功率及電池電量的計算，如式（4）和式（5）所示。

式中：Qsum——電池當(dāng)前狀態(tài)下的總電量，A·h；

t0——開始充電時刻；

Δt——電池電荷不再變化時所經(jīng)歷的總時間，h。

使用安時積分法，同理可以計算電荷消耗量（Qused/A·h），則電池當(dāng)前荷電狀態(tài)（SOCt）表示為：

1.2 發(fā)電機(jī)模型設(shè)計

文獻(xiàn)[6]闡述了汽車發(fā)電機(jī)整流器及調(diào)節(jié)器機(jī)理。文章在此基礎(chǔ)上，增加目標(biāo)發(fā)電電壓控制和勵磁電流限值控制。

依據(jù)發(fā)電機(jī)臺架試驗，保持發(fā)電電壓（Ugen/V）恒定，生成基于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速（ωg/（rad/s））的發(fā)電機(jī)最大發(fā)電電流MAP 圖：Imax=h（Ugen，ωg）。

式中：Tg——發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，作為發(fā)動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；

η——發(fā)電機(jī)效率。

依據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和速比，計算出ωg，然后通過查詢MAP 圖 h（Ugen，ωg），可以得出當(dāng)前轉(zhuǎn)速下發(fā)電機(jī)的最大發(fā)電電流（Imax/A），使用式（8）計算發(fā)電機(jī)占空比。

式中：PWMg——發(fā)電機(jī)輸出占空比；

Ioutput——發(fā)電機(jī)實際輸出電流，A。

同時在上述計算數(shù)值基礎(chǔ)上，發(fā)電機(jī)占空比需要依據(jù)SOC 值進(jìn)行修正，尤其在SOC 值較高時，需要減小發(fā)電機(jī)占空比。

利用相數(shù)（K）、繞組匝數(shù)（N）、頻率（f/Hz）、磁導(dǎo)率（μ/（H/m））、磁路長度（l/m），基于式（9）計算勵磁電流。

式中：IE——勵磁電流，A；

Utarget——由ECU 給出的目標(biāo)發(fā)電電壓，V；

S——與磁場方向垂直的磁阻面積，m2；

IEmax——ECU 給出的勵磁電流最大值，A。

1.3 制動真空度模型設(shè)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(jìn)氣歧管相連，基本原理是：當(dāng)真空室壓力低于進(jìn)氣歧管壓力時，單向閥關(guān)閉；當(dāng)進(jìn)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(jìn)行制動踏板開度修正。進(jìn)氣歧管壓力由商業(yè)模型TESIS enDyna 計算得到。

式中：Pn,vcm——第n 個采樣周期真空室壓力，Pa；

Pn,mnf——第n 個采樣周期進(jìn)氣歧管壓力，Pa；

C——單向閥開啟壓力，是一個設(shè)定常數(shù)，Pa；

l（α）——修正函數(shù)；

α——制動踏板開度，可依據(jù)試驗數(shù)據(jù)生成MAP圖l（α），%。

1.4 模塊算法實現(xiàn)

蓄電池模型和發(fā)電機(jī)模型使用Simulink 軟件開發(fā)，其計算流程圖，如圖2 所示。

圖2 蓄電池發(fā)電機(jī)模型計算流程圖

依據(jù)駕駛員對電氣功率的需求，計算電池端電壓、SOC、發(fā)電機(jī)占空比及勵磁電流等；其中，需要使用電池內(nèi)阻、端電壓、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流等試驗數(shù)據(jù)。

2 算法試驗

將上述Simulink 模型加載到ECU 硬件在環(huán)系統(tǒng)[7]中，進(jìn)行怠速起停功能開發(fā)，驗證SOC、真空度、發(fā)電機(jī)占空比及勵磁電流等在起停功能中的邏輯關(guān)系。試驗結(jié)果如圖3～圖7 所示。

圖3 怠速起停-轉(zhuǎn)速和SOC 曲線

圖4 怠速起停-轉(zhuǎn)速和真空度曲線

圖5 發(fā)電機(jī)占空比和SOC 曲線

圖6 目標(biāo)發(fā)電電壓和勵磁電流曲線

圖7 歧管壓力和真空度曲線

圖 3 表明，SOC 在閾值以上，ECU 控制停機(jī)，SOC在閾值以下，ECU 控制起機(jī)；圖4 表明，真空度在閾值以下，ECU 控制停機(jī)，真空度在閾值以上，ECU 控制起機(jī)；圖5 表明，隨著電氣設(shè)備功率需求的提高，發(fā)電機(jī)已經(jīng)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(biāo)發(fā)電電壓達(dá)到閾值以下時，發(fā)電機(jī)模型勵磁電流調(diào)節(jié)為0，以停止發(fā)電，其余工況勵磁電流和目標(biāo)發(fā)電電壓成正相關(guān)；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(dǎo)致發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)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(jié)論

文章設(shè)計了一種基于EMS HIL 的怠速起停功能開發(fā)方法，在Rint 電路模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)功率守恒原理完善了蓄電池模型；依據(jù)目標(biāo)發(fā)電電壓、勵磁電流限值，優(yōu)化了發(fā)電機(jī)模型；依據(jù)歧管壓力和真空度關(guān)系、考慮制動因素，改進(jìn)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(shè)計的模型應(yīng)用在怠速起停功能開發(fā)中，滿足設(shè)計要求，達(dá)到了低成本開發(fā)的目的。

與此同時，該設(shè)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(yīng)用范圍，需要后期加以完善。