整車Change of Mind耐久試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

翟成超，孫 毅，鐘玲亮，劉慧芳，周 倫，潘 偉，瞿天驕，馮文龍

（1.福特汽車工程研究（南京）有限公司，江蘇 南京 211100；2.成都華川電裝有限責(zé)任公司，四川 成都 610100；3.長(zhǎng)安福特汽車有限公司，重慶 401120）

在城市交通道路中，開車經(jīng)常會(huì)遇到等紅燈的情況，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)所消耗的燃油是一種毫無意義的浪費(fèi)。為了節(jié)省能源，減少排放，最大限度地減少發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)燃油的損耗，發(fā)動(dòng)機(jī)啟停技術(shù)（Start-Stop）應(yīng)運(yùn)而生［1］。而隨著油價(jià)的持續(xù)上升，汽車啟停系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性也是越發(fā)明顯，在越是擁堵的城市工況，效果就會(huì)越明顯。而常常會(huì)遇到當(dāng)我們準(zhǔn)備停車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開始停下來不過還處于慣性運(yùn)動(dòng)的過程時(shí)，突然我們又想要開走了，需求發(fā)動(dòng)機(jī)重新進(jìn)入工作模式，這也是比較常見的情景。Change of Mind（后續(xù)簡(jiǎn)稱COM）控制邏輯就是一種不必等發(fā)動(dòng)機(jī)完全靜止就能再次啟動(dòng)，即使在擁堵跟車狀態(tài)下，也能迅速響應(yīng)，毫無停頓地跟上車流節(jié)奏。

而在這執(zhí)行過程中，汽車啟動(dòng)系統(tǒng)中起動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久性就尤為重要。起動(dòng)機(jī)的品質(zhì)關(guān)系到汽車的正常啟動(dòng)與運(yùn)行。為了驗(yàn)證及保證起動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久性，設(shè)計(jì)了一整車COM耐久試驗(yàn)，該試驗(yàn)?zāi)苣M交通擁堵的實(shí)車工況，滿足整車耐久試驗(yàn)要求，同時(shí)具有良好的人機(jī)交互界面，為產(chǎn)品提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 整車起動(dòng)機(jī)COM耐久試驗(yàn)的總體方案概述

1.1 COM耐久試驗(yàn)要求和試驗(yàn)周期

COM耐久試驗(yàn)要求針對(duì)起停起動(dòng)機(jī)，整車起動(dòng)機(jī)COM耐久試驗(yàn)?zāi)M發(fā)動(dòng)機(jī)熱啟動(dòng)的過程，如圖1及圖2所示，要求駐車熄火期間，發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪轉(zhuǎn)速下降至（+200～0）r/min和下降至（0～-70）r/min時(shí)，再次啟動(dòng)起動(dòng)機(jī)；試驗(yàn)過程中，抽取最惡劣工況+200r/min和-70r/min轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行耐久試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)車在駐車熄火過程中正負(fù)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)的概率性，要求+200r/min轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行耐久試驗(yàn)10000次，-70r/min轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行耐久試驗(yàn)5000次。其中耐久試驗(yàn)周期為20s。

圖1 COM控制邏輯

圖2 COM控制邏輯正負(fù)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)

1.2 整車COM耐久試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成和方案概述

整車COM耐久試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3所示。包括車載定制PCM、整車發(fā)動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器、單片機(jī)、起動(dòng)機(jī)及蓄電池等。具體原理如下：起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)使其工作在怠速狀態(tài)然后熄滅發(fā)動(dòng)機(jī)，利用飛思卡爾單片機(jī)MCU檢測(cè)旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖一路信號(hào)的周期，同時(shí)利用編碼器的A、B兩相信號(hào)差實(shí)時(shí)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的旋向，從而實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速并給出熄火和點(diǎn)火控制信號(hào)，MCU程序依據(jù)獲取的上述數(shù)據(jù)根據(jù)COM試驗(yàn)條件實(shí)時(shí)給出再次啟動(dòng)信號(hào)控制起動(dòng)機(jī)工作。用上位機(jī)監(jiān)控轉(zhuǎn)速和起動(dòng)時(shí)刻。最后依據(jù)試驗(yàn)周期完成整車COM耐久試驗(yàn)。

圖3 整車COM耐久試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

2 整車COM耐久試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

2.1 整車啟停功能自檢

COM耐久試驗(yàn)的順利進(jìn)行，首先進(jìn)行整車啟停功能自檢，自檢流程如圖4所示。

圖4 整車啟停功能自檢

2.2 指定轉(zhuǎn)速點(diǎn)及小齒輪嚙合時(shí)間的數(shù)據(jù)采集

根據(jù)整車COM耐久試驗(yàn)的要求，需要使用車載定制的PCM控制器在整車上進(jìn)行起動(dòng)后停機(jī)信號(hào)到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降到指定轉(zhuǎn)速點(diǎn)（200r/min，-70r/min）點(diǎn)時(shí)間的檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)及起動(dòng)信號(hào)到起動(dòng)機(jī)小齒輪與飛輪齒圈嚙合時(shí)刻的時(shí)間檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)，根據(jù)上述兩個(gè)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)指定起動(dòng)電機(jī)COM試驗(yàn)控制的時(shí)序條件。通過上位機(jī)labview編制程序?qū)囕d定制的PCM控制的整車進(jìn)行起停控制，同時(shí)完成對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)即旋轉(zhuǎn)編碼器A，B信號(hào)的采集，然后根據(jù)采集的兩路信號(hào)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速并判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向；同時(shí)檢測(cè)起動(dòng)控制信號(hào)到起動(dòng)電流突變時(shí)刻及小齒輪嚙合時(shí)刻的時(shí)間。數(shù)據(jù)采集流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程圖

用數(shù)字表監(jiān)控試驗(yàn)電壓即車上蓄電池電壓為13.5±0.5V，用上位機(jī)軟件LABVIEW控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停；發(fā)動(dòng)機(jī)熄火持續(xù)時(shí)間為2s，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間為6s。每次數(shù)據(jù)采集前將發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱觀察儀表板轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到900r/min左右才開始數(shù)據(jù)采集，每次連續(xù)采集數(shù)據(jù)為30個(gè)左右，休息時(shí)間為20min左右（防止起動(dòng)機(jī)過熱及蓄電池虧電）。共采集50組數(shù)據(jù)。50組采集數(shù)據(jù)圖形如圖6、圖7所示。

圖6 50次到達(dá)（+200r/min和-70r/min）轉(zhuǎn)速點(diǎn)的時(shí)間

圖7 50次小齒輪嚙合時(shí)間

根據(jù)上述實(shí)車檢測(cè)結(jié)果，COM試驗(yàn)的控制時(shí)序如下。

1）200 r/min試驗(yàn)：控制起停的點(diǎn)火信號(hào)相對(duì)于熄火信號(hào)延遲時(shí)間為1.240489s。

2）-70r/min試驗(yàn)：控制起停的點(diǎn)火信號(hào)相對(duì)于熄火信號(hào)延遲時(shí)間為1.344439s。

根據(jù)上述實(shí)車檢測(cè)結(jié)果，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)信號(hào)的時(shí)序是：起動(dòng)控制信號(hào)到小齒輪嚙合時(shí)間的平均值為0.235401s。

2.3 MCU控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于上述數(shù)據(jù)采集的時(shí)間，則在上位機(jī)編程并燒寫至單片機(jī)MCU，單片機(jī)依據(jù)采集的轉(zhuǎn)速控制起動(dòng)機(jī)的起停并統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)次數(shù)。為了保證試驗(yàn)中的工作電壓，蓄電池充電控制電路在起動(dòng)機(jī)不工作時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。COM耐久試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)流程如圖8所示。

圖8 MCU控制起動(dòng)機(jī)COM耐久試驗(yàn)流程

2.3.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)整車COM耐久試驗(yàn)的要求及上述數(shù)據(jù)采集的時(shí)序，設(shè)計(jì)的硬件電路原理圖如圖9所示。作為控制核心，選用飛思卡爾半導(dǎo)體專用于汽車電機(jī)控制的MC9S12ZVM系列微處理器，是16位單片機(jī)，其集成度高、片內(nèi)資源豐富、體積小且功耗低［4］。是目前選用的經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。本方案用到的單片機(jī)資源有定時(shí)器、Eeprom、開門狗、捕獲、IO口等。為了使整個(gè)系統(tǒng)工作在穩(wěn)定的狀態(tài)，使用了其VERG及Wdog功能定義為電源反接保護(hù)及程序異常重啟。本硬件設(shè)計(jì)中所用單片機(jī)引腳及功能如表1所示。

圖9 硬件電路原理圖

表1 單片機(jī)上引腳說明

2.3.2 軟件設(shè)計(jì)

COM耐久試驗(yàn)的軟件流程圖如圖10所示。本軟件設(shè)計(jì)采用C++作為程序語言來編程。并采用了結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法。程序上電前，要確保實(shí)車COM試驗(yàn)相關(guān)接線準(zhǔn)確無誤，無接線松動(dòng)、短路現(xiàn)象。程序上電啟動(dòng)后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并開始自檢，系統(tǒng)自檢成功，則按照程序設(shè)定的延時(shí)進(jìn)行COM試驗(yàn)和蓄電池充電，直到在指定的轉(zhuǎn)速點(diǎn)（+200r/min，-70r/min）耐久循環(huán)完成則表示試驗(yàn)完成。

圖10 COM耐久試驗(yàn)的軟件流程圖

3 結(jié)語

本文從整車COM耐久試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析及設(shè)備的搭建及硬件軟件電路的實(shí)現(xiàn)，完成了整車COM耐久試驗(yàn)。利用MCU實(shí)現(xiàn)的整車COM耐久試驗(yàn)系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確控制耐久試驗(yàn)的周期，同時(shí)具有良好的人機(jī)交互界面，實(shí)際運(yùn)行可靠，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，為起動(dòng)機(jī)的耐久性和可靠性做了很好的評(píng)估，充分保證了起動(dòng)機(jī)在實(shí)車上的可靠性。