基于WoodwardECM的重型载货汽车电器系统的开发

基于WOODWARDECM的重型载货汽车电器系统的开发，郭喜祥西安石油大学，陕西西安710200摘要介绍笔者2010年6月在陕汽开发的一款装配潍柴动力LNGLIQUIDNATURALGAS发动机的重型载货汽车电器系统。该系统的主要特点是以伍德沃德WOODWARD公司的气体机电控单元升级版本OH20PCM128一HD的主要功能为背景，根据重型载货汽车的主要特点，选用其中适合重型载货汽车的功能进行开发，开发出来的电器系统，具有驾驶舒适、功能多样、主动安全性强的特点，满足当今重型车辆电器控制系统的要求。关键词LNG发动机；重型汽车；WOODWARD；潍柴中图分类号U4692文献标识码A文章编号10038639201102000606DEVELOPINGELECTRICALSYSTEMFORHEAVYDUTYVEHICLEBASEDONWOODWARDECMGUOXIXIANGXIANSHIYOUUNIVERSITY，XIAN710200，CHINAABSTRACTTHEAUTHORINTRODUCESANELECTRICALSYSTEMFORHEAVYDUTYVEHICLEASSEMBLEDWITHWEICHAILNGENGINEDEVELOPEDBYSHAANXIHEAVYDUTYVEHICLECOMPANYINJUNE2010ACCORDINGTOTHEMAINCHARACTERISTICSOFHEAVYDUTYVEHICLEBASEDONTHEMAINFUNCTIONSOFTHENATURALGASELECTRONICUNITOFWOODWARDINITSUPGRADEDVERSIONOH20PCM128一HD，ASYSTEMHASBEENDEVELOPEDWITHCOMFORTABLEDRIVINGANDHIGHACTIVESAFETYMEETINGTHEDEMANDSOFTHECONTROLSYSTEMONHEAVYDUTYVEHICLEKEYWORDSLNGLIQUEFIEDNATURALGASENGINE；HEAVYDUTYVEHICLE；WOODWARD；WEICHAI随着国家对环境保护力度的加大和要求的越来越严格，作为污染大户的汽车生产企业，承受着越来越大的环保压力。为了缓解自身压力主机厂一方面要求发动机生产企业采用先进技术加大对环保发动机的开发力度。生产符合国家环保要求的发动机；另一方面自己主动联合发动机厂家开发新能源环保发动机，以满足自己对发动机的要求。显示自己的科技实力。2O06年，作为环保新能源车辆开发的龙头企业陕西汽车集团有限责任公司，向国家科技部申请国家863计划中重型液化天然气载货汽车的研发任务。笔者作为该项目中电器系统设计的核心成员，从LNGLIQUIDNATURALGAS发动机电控系统设计、整车电气系统的设计到最后的整车设计以及整车试验，直至国家科技部专家验收团的验收，全程参与。通过科技部专家团验收，专家们一致认为陕汽开发的重型液化天然气汽车的各项技术指标均达到了既定指标，顺利通过国家验收，也拉开了陕汽开发新能源汽车的序幕。从此陕汽由当初开发CNG发动机汽车、LNG发动机汽车到现在的纯电动重型汽车，无不显示陕汽的科技实力，也更加显示了陕汽人对环保事业的支持力度。1电器系统的组成本套电器系统由中央电器装置板、发动机电控系统ECM、各种功能开关仪表及相应的专用线束组成。由于中央电器装置板、功能开关仪表不是本次开发的重点，故本文不对电器装置板的原理作出说明。2发动机电控系统21发动机电器控制的核心ECM简介和许多新型环保动力设备一样，环保发动机ECMELECTRONICCONTROLMODULE是当今制造新能源发动机控制的核心。2010I的LNG发动机的ECM是WOODWARD司0HL2ECM版本的控制系统见图1，目前潍柴LNG发动机用的ECM是WOODWARD公司的升级版本0H20PCM128一HD见图2。新版本PCM128HD128PINSI0的主要功能特修改稿收稿日期2010一LL一22作者简介郭喜祥1971一，男，陕西宝鸡人，工程师，现主要从事汽车电器设计工作。_E；汽车电器2011年第2期朋友问保持一定的距离。能使友谊永存点有最大有34个模拟量输入电压输入；最大5个数字输入；可以控制2个UEGO；2个额外的EGO传感器控制除UEGO外；ISPEEDPWM输入霍耳式或磁电式，可以通过软件进行设置最图2OH20PCM128HD的外形图多支持12个喷嘴驱动，1个驱动单独对应一个喷嘴；可控制16个点火驱动或低功率指示灯驱动器；使用爆震传感器时，最高可有44平坦响应曲线FLATRESPONSE；11个低端输出；2个5A的HBRIDGE驱动；1个L0A的HBRIDGE驱动；ISO一9141；2个CAN通信口；1个RS一485通信口。22OH20PCM128HD和OH12ECM的性能比较2_2_1OH20PCM128一HD和0H12ECM处理器比较见表1表1OH20PCM128一HD和OH12ECM处理器B较222OH20和0H12电控单元应用比较2221OH12ECMECM可装在底盘上，ICM一般装在发动机上；ECMSEZ温度最高可到85，ICM工作温度最高可到95；程序比较固定；使用点火模块点火；兼容NGKUEGO；仅仅支持单点喷射；不支持CAN通信。22220H2OPCM128HDECM可以装在发动机上最高工作温度可达105；有足够多的空闲IO通道以满足车辆对发动机功能的需求；全部使用GAP编程类似于MATLAB的图形软件；可以使用SMARTCOIL点火线圈或EDMHD点火模块点火；使用BOSCHLSU42氧传感器；支持单点和多点喷射；支持CAN通信SAEJ1939。可见，新版本的ECMJ能更加强大，可以满足当今整车电器的个性化功能需求。23OH2OPCM128一HD点火系统的控制原理W0ODWARD点火控制系统包括控制器ECM和电子分配器点火模块。控制器的作用是根据发动机上装配的传感器采集的发动机系统信息，经过分析计算，向发动机的点火控制器发出点火信号，点火模块根据发动机气缸的工作顺序点火。231点火模块EDMHD点火模块EDMHD电子分配器，见图3仅仅是一个驱动模块，它从电控单元接收气缸点火控制指令，根据指令的要求决定何时给点火线圈提供DWELL电流以及何时给哪一个气缸点火。该点火模块的主要功能是点火模块对点火回路进行开环控制，无反馈；点火提图3点火模块EDMHD外部结构图前角从程序的列表中查取此表的坐标为RPMMAP数据由发动机的相关传感器采集，虚拟成RPMMAP坐标图；采集的水温ECT信号可对查表所得数值进行一定补偿；提供电控单元IMON点火监控信号其作用是反馈高压线圈的状态；每次点火，每个线圈维持65A电流所需要的DWELL调整量的反馈信号。232点火模块的工作原理当电控单元的触发TRIGGER信号上升沿传递给点火模块PCMHD时，点火模块做以下工作。1点火模块打开点火驱动，以选定对应点火线圈。2点火线圈高压包初级绕组回路电流持续上升，一直达到65A并保持，直到触发信号下降沿出现3当触发信号下降沿出现时，点火模块自动切断点火线圈初级绕组回路的电流。4由于出现电流突变。点火线圈次级产生高压放电现象，从而产生火花点火。5复位RESET脉冲信号触发时电控O元指示点火模块选择第I缸212作。以此类推，循环212作见图4。蕾RN几TRIGGER触发信号几RESET复位信号L1IIMON点火监控信号图4点火单元和点火控制单元的信号传递关系233点火线圈的作用感应式点火线圈的作用是根据发动机控制单元ECM发送过来的控制信号完成发动机气缸的点火。其初级绕组匝数的主要作用是储存电流，为点火做好准备。其次级有更多的绕组匝数，主要是专为个体设计的小I型、壁挂式蓄电池用水设备详见彩13广告汽车电器2O11年第2期7控系统工作原理A高压包原理图B高压包的实物图LNG发动机图5点火线圈的高压包的ECM通过传感器采集发动机的信号和外界信号，统一送到控制单元ECM。ECM通过分析计算，输出相应的控制信号控制发动机的运行。对于0H20PCML28HD的控制系统按其使用的SMARTCOIL点火线圈或EDMHD点火模块可分为直接点火图6和通过点火模块点火图7两种形式。3基于发动机电控单元ECM进行电控功能设计OH20版本的主要功能有支持CANJ1939通信；支持RS一485接口通信微机；支持车速控制RSG；支持巡航功能；支持排气制动；支持自动变速器控制；支持混合动力；支持电子风扇控制；支持远程油门控制REMOTEPRO；支持门锁保护功能；支CANTSC1扭矩限值控制。31利用其支持CANJ1939通信及RS一485通信微机的设计由于OH20采用SAEJ1939协议进行CAN通信，其发送的所有报文都符合J193931及J193921中定义的CAN20B一29位拓展数据帧格式。使用的波特率为J193911中定义的250KBS。在J193971中定义有标准的JL939PGNSANDSPNS，包括报文的传输速度、优先级、数据长度、参数缩放和数据范围。WOODWA自定义的PGNS也符合J19397L标准。0H20系统也支持DM1激活故障码，DM2历史故障码，DM3重置历史故障码。WOODWAECM使用DM2作为激活条件激活历史故障码。由于使用标准CANJL939，因此在整车电路设计时充分利用此功能。在仪表设计时。采用步进电机驱动型组合仪表，其中发动机水温、发动机转速、机油压力等信号从发动机ECM上通过CAN总线获取对于发动机的当前故障码、历史故障码的J雷汽车电器2O11年第2期图6通SMARTCOIL点火线圈直接点火原理图胄皂够延长蓄电池使用寿命的制，L设备详见彩33广告。DESIGNERESARCH湖南肖期予J优专栏岛L巷墨图7通过EDMHD点火模块点火原理图获取采用从发动机的ECM上引出标准的RS485接口，和专用的微机相连，通过专用软件进行读取；对于有无故障代码。通过从发动机的ECM上引出线到组合仪表上，通过指示灯的颜色来判断故障的严重程度提醒驾驶员注意车辆的工作状态。WOODWARDECM支持采用标准的RS485接口与微机通信来实现数据的读取与修改。同时也支持使用RS_485USB转换器连接到微机USB接口通信。所以设计预留标准的通信接口，检测时只需要安装好转换器驱动，连接微机，就可以读取大多数发动机的状态信息。这些连线已经在线束设计时做了预留，测试时直接接上专用微机就可以实现实时测试。32车速控制RSG功能的设计在WOODWARDECM中可通过开关量进行车速控制设置，来激活和使用车速控制功能。鉴于此，在线束设计时预留了设置开关的接口开关需为具有自复位功能的开关。要实现车速控制功能，只需在驾驶室线束上安装车速控制翘板开关和软件上开通此功能。由于此功能与车速有关，所以WOODWARDECM必须采集车速信号。车速信号采集投资热点建电解液、补充液厂详见彩侣广告国有2种方式一种是直接由车速传感器采集另一种是从CAN总线上获取。这款车车速信号是从CAN总线上获取的总线上的车速信号是通过车速传感器获取，再通过线束传递给带有CAN3J能的组合仪表，带有CAN功能的组合仪表一方面显示车速，另一方面把车速信号经过整形发送到CAN线上，通过CAN总线让其它设备直接采集和利用。车速控制RSG的目的是让发动机ECM自有车速控制功能来控制车速。减少驾驶员的疲劳。RSG功能的原理是控制车速，并使其低于设定限值。需要清楚的是，RSG功能仅仅为控制车速限值，只有当油门超过当前车速控制下的节气门需求值时，才对车速进行PID控制。在实际设计时根据需要可对车速控制的PID参数和车速设定限值，来实现车速稳定。通过设置，可使实际车速维持在设定车速5KMH范围内波动。控制参数设置界面如图8所示。车速控制原理如下。1RSG控制车速设定值一般为RSGREFEFENCE96KMHPIDTHRESHOLD20KMHPIDTHRESHOLD汽车电器2O11年第2期IHYSTERIES5KMH。2当实际车速J、于76KMH即RSGRERERENEEPIDTHRESHOLD76KMH由脚踏板控制发动机。3当实际车速到达76KMH此时RSG功能的PID参数开始起作用。4此后如果实际车速快速靠近RSGREFEFENCE。PID将全面图8车速控制参数的设置界面替代脚踏板，由系统对车速进行控制。5降速，且当实际车速低于7LKMH即RSGREREFENCEPIDTHRESHOLDPIDTHRESHOLDHYSTERIES7LKMH时，PID不再起作用，由脚踏板进行控制。6注意在任何期间，如果发动机ECM接收到变速器过来的空档信号NEUTRA1，或者离合信号CLUTCH中的任何一个为TRUE时，立即退出RSG功能。33巡航功能CRUISECONTRO1的设计巡航功能也是WOODWARD制器的一个新功能。设置巡航功能的目的是让发动机ECM自己控制车速在一个驾驶员的设定值上。其实现原理是发动机ECM通过控制系统控制节气门位置来实现。要实现巡航功能。必须有4个输入输出开关量通过线束直接连接到ECM上，它们分别如下。1巡航激活开关CRUISEENABLEONOFF开关量输入，控制是否激活巡航功能。2巡航设置开关CRUISESET点动式开关输人，巡航功能激活后，按下并松开此开关，系统捕捉当前车辆车速并将其设置为巡航功能车速设定值。3车速降低开关CRUISESPEEDDOWN点触式开关输入，降低巡航功能的车速设定值。4车速提升开关CRUISESPEEDUP点触式开关输入，提高巡航功能的车速设定值。在实际设计时，把车速提升和车速降低开关集成在一个开关里，开关为点动式。巡航功能激活时，发动机本身为PID控制正确的PID参数可以调控车速在5KMH的波动范围内行驶，可很大程度地降低驾驶员的疲劳。巡航退出功能当下列任何一个输入信号NEUTRAL空档，CLUTCH离合，BRAKE制动为TRUE时，系统将退出巡航功能；当脚踏板值高于之前巡航激活时的脚踏板值时，系统退出巡航功能，由脚踏板对发动机进行控制。J汽车电器2011年第2期34发动机排气制动的设计排气制动是发动机制动的方式之一。该制动方式的优点是，通过控制发动机的排气，降低发动机的转速，实现车速的降低。此功能一般在车辆下长坡时使用，该方式的最大特点是车辆的安全性好对车辆的主制动有很好的保护。设计主要包括发动机排气制动软件参数的设计和排气制动开关的选择、线束的连接以及排气制动信号的使用设计。本款车的排气制动是电控气操作，也就是由发动机ECM输出的控制信号去控制电磁阀，电磁阀控制压缩空气，压缩空气通过气缸驱动排气制动蝶阀，从而实现排气制动，降低车辆的速度。排气制动有2个输入、输出量需要连接到ECM上，它们分别是排气制动开关EXHAUSTBRAKEONOFF开关量输入，用于是否激活排气制动；发动机制动信号ENGINEBRAKE输出量，输出一个低电平信号给继电器或排气控制器。但是排气制动的激活必须满足下列条件。1排气制动开关激活。2发动机转速超过设定值并且满足这些条件已在软件中设定软件中已经开通排气制动功能；节气门处于FSO模式；激活延迟时间满足；燃气切断激活；跟CAN信号相关的ABSASR未激活PTO模式处于非激活状态；离合器信号为OFF状态；空档开关为OFF状态。35自动变速器控制设计OH20系统有支持自动变速器的控制单元通CAN总线与自动变速器进行通信可实现匹配自动变速器。这项功能在电气设计时已预留有关接口，要实现其控制需进行相关参数的设置。36混合动力模式设计由于WOODWARDECM通过总线可由其他控制器控制，所以混合动力模式设计主要是IWOODWARD的系统由另外的控制器控制如混合动力车辆IGS集成起动发电机。此项功能主要通过CAN总线传递，由混合动力控制器发送控制报文给WOODWARDECU此报文通知WOODWARDECU何时正常运行，何时进入特殊的混合动力关机模式要实现此功能必须进行必要的参数设置。37电子风扇控制设计鉴于当今燃气价格日益走高的实际情况，设计电子风扇控制的必要性越显重要，使用电子节能风扇。发动机可节省燃气58左右，降低使用成本。其主要设计原理是降低发动机外部可控元件无功运行时的能源消耗据测定发动机风扇在发动机水温低于90OC时可不用风扇降温自行降温即可；当发动机水温高于90时才要求强制降温，风投资15000元可建年产千吨电解液厂详见彩13广告扇运行可增加燃气58的消耗。前提条件是发动机必须配备电磁离合器风扇，只有这个条件满足发动机ECM才能根据获取的水温信号，经过计算自行决定何时去控制风扇的电磁离合器。离合器闭合与否决定风扇的运转与否，从而达到节气的目的。WOODWARDECM有2A控制风扇转速的引脚，这2个引脚输出量需要从ECU连接到风扇控制器上，分别是FAN1低电平输出和FAN2低电平输出。风扇控制器提供相对开环的电子风扇控制以控制发动机水温ECT和中冷后的混合气温度MAT，达到节能目的。发动机ECM参数可由软件设定电磁离合器风扇设置界面如图9所示。FAN1、FAN2输出信号的控制原理见表2。38远程油门控制REMOTEPTO设计PT0功能为具有多种速度设定的控制方式。O功能可以由2个部件来激活和控制1个主控制和1个远程控制。一般来说，主控制豳9电磁离合器风扇设置ILLI表2FANL、FAN2输出信号的控制原理在驾驶室内，远程控制在驾驶室外围。在PT0功能下，可以实现发动机转速在设定的范围内调整如8001500RMIN，此转速设定范围也可根据客户需要进行调整。以满足用户要求。根据“提高降低0转速”按钮来设定发动机转速用户可以通过软件设置一定转速变化率来调整转速。激活后，转速的控制由PID参数来控制。具体参数可根据实际情况优化。需要接入3个信号线到ECU分别是车速信号、离合信号、空档信号可以不接，不会影响。功能的正常使用。整车需要安装的开关有PTO设置