（动力机械及工程专业论文）混合动力汽车发动机扭矩控制策略的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 目前，混合动力汽车已成为汽车发展的新热点，而混合动力汽车的能量管理 策略是混合动力汽车研究的关键内容，混合动力汽车的能量管理策略要求对混合 动力汽车发动机采用扭矩控制策略，然而目前传统汽油机控制策略不能满足混合 动力汽车对发动机控制策略的要求，所以本文针对混合动力汽车发动机扭矩控制 策略展开研究。 首先，本文以经典p d 控制理论为基础，设计了一套电子节气门控制算法， 并通过试验验证了该电子节气门控制算法的可行性，试验结果表明该算法满足发 动机扭矩控制策略对电子节气门控制的要求。 其次，为了实现扭矩控制的闭环反馈，本文还建立了一套发动机输出扭矩估 算算法，鉴于目前广泛使用的发动机平均值模型计算简单，精度较高，因而本文 中的发动机输出扭矩估算算法中的发动机模型采用了平均值模型；同时为了提高 估算的精度，本文在平均值模型的基础上增加了进气压力预估算模块，并通过台 架试验得出发动机输出扭矩，由实测结果与估算扭矩结果进行比较，说明输出扭 矩估算算法满足扭矩控制的要求。 最后，基于汽油机扭矩控制的基本原理，以热效率仇为基础建立扭矩输出模 型，即“输出扭矩= ( 指示扭矩一摩擦损失) x 点火提前角效率x 空燃比效率， 还根据扭矩算法的需要提出了长期和短期两种不同扭矩调节路径。为了验证建立 地扭矩控制策略的可行性和适应性，进行了台架试验，标定出发动机各工况下的 充量系数、最佳点火提前角，以及发动机不同转速和冷却液温度下的摩擦损失， 还得出了点火提前角和空燃比的偏离值对输出扭矩的影响关系，最后得出了汽油 机的万有特性和排放特性。 本文针对混动力发动机扭矩控制策略的研究工作，是混合动力汽车整车能量 管理策略和整车试验的基础，对混合动力汽车整车的排放性能、经济性能和动力 性能的优化，起到关键的作用。 关键词：混合动力汽车，发动机，电子节气门，扭矩，模型 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t , h e v ( h y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e ) b e c o m e san e wf o c u so f a u t o m o t i v ei n d u s t r y t h ee n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g yi st h ek e yp a r to fd e v e l o p m e n t o fh e v a n dh e v se n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g yr e q u i r e st h ee n g i n ei nh e vt ou s e t o r q u ec o n t r o ls t r a t e g y ，w h e r e a sc o n v e n t i o n a le n g i n e sc o n t r o ls t r a t e g i e sc a l l ts a t i s f y t h eq u a l i f i c a t i o n s oh e v se n g i n ec o n t r o ls t r a t e g yi sd e v e l o p e di nt h i st h e s i s f i r s t ，w i t ht h eb a s e so ft h ec l a s s i c a lp i d ( p r o p o r t i o n a li n t e g r a ld e r i v a t i v e ) c o n t r o lt h e o r y ，t h i st h e s i sd e s i g n e das e to fe t c ( e l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r 0 1 ) c o n t r o l a l g o r i t h m ，a n dt h ep i dc o n t r o lt h e o r yo fe t cw a sv a l i d a t e dt h a ti tc a ns a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to ft o r q u ec o n t r o ls t r a t e g yb ye x p e r i m e n t s e c o n d ，t h i st h e s i sd e s i g n e das e to fo u t p u tt o r q u ea l g o r i t h mo fe n g i n ef o rt h e t o r q u ef e e d b a c kc o n t r 0 1 d u et om v e m ( m e a n v a l u ee n g i n em o d e l ) t h a ti ss i m p l e ， w i d e l ya p p l i e da n dh i g hp r e c i s i o n ，t h e r e f o r et h i st h e s i sa d o p t e dm v e m i nt h eo u t p u t t o r q u ea l g o r i t h mo fe n g i n e i no r d e rt oi m p r o v et o r q u ee s t i m a t i o np r e c i s i o n ，t h et h e s i s a d d e dam a p ( m a n i f o l da b s o l u t ep r e s s u r e ) p r e - e s t i m a t i o nm o d u l eb a s e do nm v e m o t h e r w i s et h eo u t p u tt o r q u eo fe n g i n ee x p e r i m e n tw a sc o m p a r e d 而me s t i m a t i o n t o r q u e ，w h i c hc l a i m e dt h a to u t p u t t o r q u ee s t i m a t i o na l g o r i t h mc o u l ds a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to ft o r q u ec o n t r 0 1 a tl a s t ，t o r q u em o d e li s d e v e l o p e db a s e d0 1 1b a s i cp r i n c i p i u ma n dt h e r m a l e f f i c i e n c y ：“o u t p u tt o r q u e = ( i n d i c a t e dt o r q u e f r i c t i o nl o s s e s ) e f f i c i e n c yo f i g n i t i o na d v a n c ea n g l e e f f i c i e n c yo fe x c e s sa i rc o e f f i c i e n t a n dt h i st h e s i sa l s o a d v i s e sl o n ga n ds h o r ta d j u s t i n gw a y sf o rd i f f e r e n tm o ( i e so ft o r q u e f o rt h es a k eo f v a l i d a t i n gt h ef e a s i b i l i t ya n da d a p t a b i l i t yo ft o r q u ec o n t r o ls t r a t e g y ，ab e n c ht e s t i s c a r r i e do u t ；e n g i n e sv o l u m e t r i ce f f i c i e n c y ，m b t ( m i n i m u ms p a r ka d v a n c ef o rb e s t t o r q u e ) u n d e rd i f f e r e n tm o d ea n df r i c t i o nl o s s e su n d e rd i f f e r e n ts p e e d ，a n dd i f f e r e n t e n g i n ec o o l a n tt e m p e r a t u r eh a v e b e e nc a l i b r a t e d o t h e r w i s ef u n c t i o n a lr e l a t i o n s b e t w e e ns p a r ki g n i t i o na n g l e s ，a i rf u e lr a t i od e p a r t u r ea n do u t p u tt o r q u ea l s oa r e p r o v e d ，a n de n g i n e sm a p p i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n de m i s s i o n sc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e n t e s t e d 江苏大学硕士学位论文 t h ew o r ko fe n g i n et o r q u ec o n t r o ls t r a t e g yo fh e vi nt h i st h e s i se s t a b l i s h e dt h e b a s e so fh e v se n e r g ym a n a g e m e n ts t r a t e g ya n de x p e r i m e n t ，a n dp l a y e dak e yr o l ei n t h eo p t i m i z a t i o np e r f o r m a n c eo fp o l l u t i o ne m i s s i o n ，f u e le c o n o m ya n dp o w e r k e yw o r d s ：h y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e ，e n g i n e ，e l e c t r o n i ct h r o t t l ec o n t r o l ，t o r q u e ， m o d e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密d 。 学位论文作者签名：侮纽毒k 指导教师签名： 2 0 1 0 年月眵日 2 0 1 0 年多月哆e t 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：弹红垂久 日期：2 0 1 0 年月眵日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1 混合动力汽车发展背景和优势 随着全球汽车工业的飞速发展，全球汽车的产销量和保有量正逐年攀升，汽 车数量的增加直接加速了石油资源的日益枯竭，同时汽车排出的尾气，以及产生 的噪声都对人类生活环境造成了一定的破坏，因此世界各国纷纷制定一系列严厉 的汽车尾气排放法规，迫使汽车生产厂家设计和生产出低油耗、低排放的汽车。 随着内燃机电控技术和排气净化技术的研究与应用，汽车的油耗和排放均大幅降 低，已达到了很高的水平，但是能源紧张和排放污染问题还是没有从根本上得到 解决。为此，世界各国汽车制造商都在大力研究开发新型节能、低污染的汽车【1 1 。 世界各国从事汽车工程的科研人员都在积极探索开发节能无污汽车的新技 术，对比各种新材料、新能源和新动力技术，电动汽车成为主要选择。电动汽车 采用电池组作为储能动力源，由电池组提供电能，驱动电动机给车辆提供动力， 它具有低噪声零排放的优点。但是，目前电动汽车最大的问题来自于动力电池技 术，电池的能量密度低，使得车辆行驶里程短，而且电池还存在质量过大、寿命 短、动力不足、价格高等缺点。另外，较长的充电时间和难以近期建造大量电池 充电站也限制了电动汽车的推广使用。 在电动汽车电池技术取得突破性进展之前，混合动力电动汽车( h y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 是在近期内能达到环境保护要求的一种可行方案。根据 国际电子技术委员会的定义，混合动力电动汽车是能够根据特定的行驶要求，从 两种或两种以上的能量源、能量储存器或转化器获取驱动力的汽车，在运行中至 少有一种能量储存器或转化器直接驱动汽车，并且至少有一种能量源、能量储存 器或转化器能够传递电能。混合动力汽车是通过控制系统使两种动力装置协调工 作，实现最佳能量分配，达到低能耗、低污染和高度自动化的汽车。混合动力汽 车可分为串联、并联、混联及复杂式混合动力四种类型，各种类型都综合了传统 江苏大学硕士学位论文 内燃机汽车和纯电动汽车的优点，并最大限度地克服了它们的缺点。混合动力系 统发挥了发动机持续工作时间长，动力性好以及电动机无污染、低噪声的优点， 发动机和电动机二者可以取长补短。试验表明，轻度混合的混合动力汽车油耗可 下降1 0 以上，废气排放可减少3 0 以上，混合动力汽车与传统燃油汽车和纯电 动汽车相比，在经济性和环保方面存在巨大的优势【2 j 。 1 1 2 混合动力汽车能量控制管理策略 混合动力汽车有两种车载能量源，一种是具有高能量密度的能量源( 燃油) ， 另外一种是具有高功率密度的能量源( 蓄电池) 。必须运用合理的能量管理策略 才能使这两种不同性质的能量源配合好，以满足汽车动力性和其它基本技术要 求，进而实现混合动力整车系统效率最大化，获得整车最佳燃油经济性、最低排 放性能和平稳驾驶性。 能量管理策略是混合动力汽车控制系统研究最多的内容之一，核心问题是如 何合理分配发动机和电动机之间的动力，既要满足驾驶员对整车驱动力的需求， 同时又要优化发动机、电动机、蓄电池以及整车的效率。而且，动力分配过程还 受到发动机最高转速、电动机最高转速、发动机最大功率、电动机最大功率、电 动机最小功率和发电机最大功率等条件的限制。目前，使用最广泛的混合动力汽 车能量管理策略，是基于规则的稳态能量管理策略，又称逻辑门控制策略，或电 力辅助控制策略，是目前并联式混合动力汽车较为常用的一种控制策略。逻辑门 控制策略的控制算法主要是根据蓄电池的电荷状态s o c ( s t a t eo fc h a r g e ) 值、 车速和负载来确定发动机和电机的运行状态，图1 1 所示为逻辑门控制策略的基 本原则，为了取得最佳的经济性，逻辑门控制策略充分运用电机和蓄电池充、放 电的功能，最优分配发动机和电机的扭矩，使发动机尽可能工作在较高效率区域 内，图1 1 中瓦o p t 扭线最佳效率扭矩曲线，为发动机最高效率曲线，当需求扭矩 较大时，高出细f 曲线附近区域，电机对发动机助力；需求扭矩较小时，低于 瓦印f 曲线附近区域，则发动机多余扭矩通过电机发电给蓄电池充电。混合动力 汽车逻辑门控制策略主要思想可概括为以下四个方面【3 】： ( 1 ) 当行驶车速低于一个设定的最低值，利用电机单独提供驱动扭矩，发 动机停机，避开发动机的小负荷工作区域； ( 2 ) 当发动机在其运行转速范围内无法提供所需要的扭矩，电机开始工作 2 江苏大学硕士学位论文 为发动机提供辅助动力； ( 3 ) 在减速制动过程中利用电机回收制动能量为蓄电池充电； ( 4 ) 当蓄电池的荷电状态s o c 低于一定的水平，发动机将提供额外的扭矩 通过电机给蓄电池充电。 图1 1 逻辑门控制策略的基本原则不意图 f i g 1 1t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fl o g i ct h r e s h o l dc o n t r o ls t r a t e g y 1 1 3 混合动力汽车的国内外研究发展现状 混合动力汽车不但能满足严格的排放法规，而且整车燃油经济性也较好，所 以自上世纪9 0 年代以来，世界各大汽车公司纷纷开始研制混合动力汽车。1 9 9 7 年1 2 月，丰田公司首次推出批量生产的p r i u s 混合动力电动轿车，2 0 0 1 年，丰田公 司推出了第二代p f i u s 4 1 。2 0 0 5 年，通过与一汽集团的合作，第二代p r i u s 登陆中国。 本田公司继1 9 9 9 年1 1 月推出h s i 曲t 混合动力电动轿车，2 0 0 2 年推出d u a l n o t e 运动 型概念车，2 0 0 3 年款本田混合动力轿车比i n s i g h t 电池体积减少4 2 ，重量减轻 3 0 ，性能更加出色。美国通用汽车公司在2 0 0 0 年推出p r e c e p t 混合动力概念车。 美国福特公司在2 0 0 0 年推出d i g y 混合动力概念车，随着不断改进与提高，于 2 0 0 2 年推出f o c u s 新一代燃料电池混合动力轿车。欧洲各大汽车厂也各推出了其 混合动力车，如法国的b e r l i n g e ，德国西门子和b o s c h 等著名零部件公司也积极联 手开发混合动力汽车。截至到2 0 0 8 年5 月，丰田混合动力汽车全球累计销售突破 1 0 0 万辆，其中7 0 是p f i u s 。国内的各大汽车生产厂家，如：一汽、东风、长安、 3 一e弓、卜瑷饕曩 江苏大学硕士学位论文 奇瑞、华普等都积极实施各自的混合动力汽车的研发及产业化计划i s 。2 0 0 7 年1 2 月，长安杰勋h e v 混合动力车型在长安重庆工厂下线，并开始量产，这是中国首 款自主品牌混合动力轿车。国内众多高校科研机构，如：清华大学、上海交通大 学、江苏大学等也对混合动力汽车进行了广泛深入的研究。 1 2 基于扭矩的发动机控制策略 1 2 1 传统的汽油机管理系统 传统的发动机管理系统基本原理如图1 2 所示，发动机管理系统的主要任务 是根据驾驶员的要求( 油门踏板的位置) 控制发动机的输出功率，这就需要计算 所需的进气量和相应的喷油量、最佳点火正时等控制参数。一旦喷油量、点火和 进气量这些参数确定，e c u 立即对执行器实施控制，发动机获得这些参数后，发 动机工作输出功率，但是功率是否与驾驶员的目标要求相符，无法判断和实时调 节。此外，发动机管理系统还设定了许多附加功能( 如怠速控制、转速调节、空 调操作等) ，以及汽车的牵引力控制系统和车辆电子稳定系统等，而且其中许多 控制对象都消耗发动机功率嗍。 鼍l 厂一 充气量的控制 节气门 点火角 _ _ _ _ - _ _ - 。- 。_ 。 点火提l 前角 上 x 一控制( 喷油量) 喷油时间 执行器机构 图1 2 传统汽油机管理系统示意图 f i g 1 2t h es k e t c hm a po ft r a d i t i o n a lg a s o l i n ee n g i n em a n a g es y s t e m 由于排放法规的限制，以及用户对整车驾驶稳定性、经济性、可靠性等方面 越来越高的要求，因而对汽车控制系统的要求也在急剧增加。因此，控制系统变 的越来越复杂，控制难度也在增加。与这些问题相矛盾的是，汽车制造商和e c u 4 江苏大学硕士学位论文 供应商都希望减少研发周期和费用。在传统的汽车控制系统中，内、外子系统如： 怠速转速、巡航系统等，都直接影响发动机各参数的调节质量。发动机的控制参 数必须被包含在发动机控制系统中，同时也应包含在对应的子系统里；因为对于 发动机的执行器而言，控制参数的设定值在很多情况下都受到各个子系统影响， 但是对于传统的控制系统，由于没有统一的接口，很多子系统的工作，影响了发 动机控制参数最佳值的输出。例如：发动机空调系统打开后，一般情况发动机为 了满足要求，都会提高转速，增加扭矩输出满足空调需求；这样发动机的点火提 前角、喷油量等参数会偏离原来的最佳工作状态。同时两个不同子系统的需求之 间还会相互影响，以后每增加一个与发动机相关的子系统，就需要对发动机重新 进行一次标定工作，这导致了发动机更高的开发费用和更长的开发周期。这是传 统发动机管理系统无法克服的问题。而且当同时有几个来自子系统的不同需求 时，就需要复杂的优先级算法，如果再加上更深层的子系统，发动机控制算法就 需要全面改变。在这样的情况下，发动机扭矩控制算法应运而生。 1 2 2 基于扭矩的汽油机管理系统 在基于扭矩控制的控制系统中，发动机管理系统首先采集所有的扭矩需求， 扭矩协调控制单元确定不同的扭矩需求的优先级并进行协调，然后将最重要的扭 矩需求进行优先实现，扭矩控制策略能使发动机从每次协调操作中，获得最佳的 排放和燃油消耗。在喷油和点火的控制方面，基于扭矩控制的发动机管理系统和 传统的发动机管理系统相似，只是增加了点火提前角和空燃比效率的修正，但在 进气充量控制即节气门的控制方面却有很大的区别：在传统的汽油机管理系统 中，驾驶员给出加速踏板开度，决定了节气门开度，e c u 利用速度密度法计算 出循环进气量，再根据空然比给出喷油量；而基于扭矩汽油机管理系统中，踏板 向e c u 输入节气门期望的开度的信号，但这仅反映了驾驶员的扭矩需求，e c u 在协调其它的扭矩需求，并最终则根据扭矩需求来确定合适的空气需求量，e c u 根据空气需求量反算出节气门的实际开度【一。同时指示扭矩的控制还可以采用闭 环控制，扭矩测量可利用扭矩传感器，或利用发动机模型设计一套扭矩在线估算 算法来对扭矩进行估算，从而实现发动机扭矩闭环控制。图1 3 是基于扭矩控制 策略的发动机管理系统的基本原理【8 】。 5 江苏大学硕士学位论文 图1 3 基于扭矩控制策略的发动机管理系统 f i g 1 3e n g i n em a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nt o r q u ec o n t r o ls t r a t e g y 采用扭矩控制策略的发动机管理系统不仅能控制喷油和点火，还能较好地兼 顾很多复杂的功能，如起动、怠速、三效催化器加热、发动机最高转速限制和零 部件过热保护等控制功能，还能接受来自驱动系统和车辆动态控制系统的请求， 如防震颤控制、巡航控制、最高车速限制、变速箱控制的换挡优化和牵引力控制 等。与传统的汽油机管理系统相比，扭矩控制策略主要优势如下： ( 1 ) 扭矩控制策略属于前馈控制，由发动机的最终输出扭矩反向确定发动 机喷油量、点火、节气门开度等基本控制参数，显然比传统汽油机管理系统中由 喷油量、点火、节气门开度确定输出扭矩的控制方式，更符合实际的扭矩需要， 控制也更加精确。 ( 2 ) 目前模型化的发动机控制形式，越来越受到关注，如果将一个与发动 机近似的数学物理模型存入e c u 中，将会比目前传统发动机管理系统中的脉谱控 制形式更为准确，因为脉谱空间的大小和脉谱的数量都是有限的，模型是仿真发 动机实际的工作状态，不存在数据脉谱大小和数量的问题。而基于扭矩的汽油机 管理系统正是建立在发动机模型的基础之上。 ( 3 ) 随着汽车的发展，越来越先进的车型将不断增加子系统( 如：e s p ， a b s 等) ，这些系统都需要与发动机有接口，并需要得到合理的扭矩分配，如果 采用传统的电控系统，发动机和整车将需要重新标定，及针对新增的子系统要重 6 江苏大学硕士学位论文 新优化发动机和整车的控制参数，这样增加了整车和发动机的开发成本和周期， 采用扭矩控制策略这样问题就不会存在，只要将新增子系统的扭矩需求优先级设 定即可。 另外，由于在混合动力汽车中一般拥有发动机和电机两个动力源，而扭矩是 这两个动力源之间相互协调和分配的唯一接口，因而混合动力汽车要求发动机采 用基于扭矩的控制管理策略，因而在混合动力汽车上，发动机扭矩控制策略的优 势才可能得到最大程度的发挥。 1 2 3 扭矩控制策略国内外的研究现状 目前很多国外汽油机管理系统都采用扭矩控制策略，德国b o s c h 公司在2 0 世纪9 0 年代末期在著名的汽油机管理系统m o t r o n i c 基础上推出了m e 系统，图 1 4 是m e 7 系统的发展历程。 目前 图1 4m e 7 系统的发展历程 f i g 1 4t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo fm e 7s y s t e m 这套全新系统与之前的m 1 和m 3 系统最大的区别就是控制策略是基于扭矩 控制，扭矩控制策略可以灵活地将众多系列m o t r o n i c 系统功能移植到不同的发 动机和使用环境，同时m e 系统集成了电子节气门控制系统，m e 7 系统是m e 家族中最先进的，也是使用最广泛的。m e 7 系统还在不断的发展，更为先进的 m e d 7 系统是专门为缸内直喷汽油机设计的，m e g 7 系统同时集成了电子节气门 和传统控制系统，还会出现集成越来越多子系统的发动机管理系统。 文献9 1 介绍了日本电装公司研发出了一种更为先进基于扭矩的控制算法， 7 江苏大学硕士学位论文 该控制算法是基于整车的特性设计的。e c u 通过加速踏板确定出驾驶员需求的整 车速度和加速度，根据整车的特性参数如：车身重量和轮胎参数等确定轮胎需求 的滚动阻力，再根据当前的传动比确定出发动机的需求扭矩。该控制算法能够满 足整车控制的需求，当车辆参数变化时只需要改变e c u 中车辆的特性参数就能使 整车达到较好的行驶性能，这样基于整车控制的扭矩控制算法更为先进。 由于目前汽油机管理系统主要是几家跨国公司垄断，汽油机e ( 、u 几乎没有国 产品牌，因而国内汽油机扭矩控制策略的研究开展较少。但是由于混合动力汽车 成为国内各大汽车厂商及科研院所研究的热点，混合动力汽车涉及到多个动力源 能量之间分配与协调，基于扭矩控制是目前普遍采用的控制方式。清华大学童毅 博士等人对发动机与电机之间的扭矩动态协调、发动机扭矩在线估算等问题做了 大量仿真和试验研究。上海交通大学、吉林大学、江苏大学等院校在研究混合动 力控制策略的同时，也对发动机扭矩控制策略进行了相关研究。 国内对于柴油机电控系统也有不少机构在继续积极开展研究，并取得了令人 瞩目的成绩，如：无锡油泵油嘴研究所在高压共轨系统方面的研究。因而扭矩控 制策略在国内柴油机控制上也有一定的研究，浙江大学刘巨江【1 0 1 将扭矩控制算 法应用到了高压共轨系统上，取得了很好的控制效果。 1 3 国内外电子节气门控制系统发展状况 电子节气门作为发动机进气系统控制的新一代产品，在国外应用较早，已有 2 0 多年的历史，产品已大规模投入市场【1 l 】。电子节气门在控制策略上由先前的 线性控制到现在的非线性控制；驱动由步进电机到直流电机；从为了单一提高驾 驶性能到现在为提高发动机的经济性、排放性及乘驾舒适性等多项综合性能，集 成了多种控制功能；采用冗余设计( 配备功能相同的组件并相互检测，防止信号 及功能失误而产生故障) 和系统故障检测与失效保护等。 2 0 0 0 年，美国d e l p h i 公司开发出第二代e t c 系统【1 z l ，主要用于大排量汽车 上，系统示意图如图1 5 所示。与第一代系统不同，第二代e t c 的处理器集成 到发动机e c u 中，并采用一个单独的微处理器监测e t c 主要输入信号及主e c u 是否正常工作。第二代电子节门集成了几项独特的驾驶性能，如改变车辆对加速 踏板响应的灵敏度；驾驶模式选择( 正常模式，动力模式，雪地模式) ；对海拔 8 江苏大学硕士学位论文 高度的补偿；发动机蛙高转速及车速控制等 加速踏板 电干节气门体 h1 5d e l p h i 第1 【n 子节气f 】拄制系统 f i g 15 e l e c t r o n i c t h r o t t l e c o n t r o ls y s t e mo f d e l p h is e c o n d g e n e r a t i o n b o s c h 的发动机管理系统m e 7 集成了电子节气fj 控制系统( 如图1 6 所示) ， 发动机e c u 接收各个传感器采集到的信弓，同时接收加速踣板模块的输入信号， 经过微处理计算后输出控制信号驱动电子节气门。系统巾自专用的检测模块对电 子1 ，气门进行榆测和故障渗断，提高了安全性和可靠性。 # 晴器n # 嚣 嘲1 6 b o s c hl u 子节气控制系统 f i 9 1 6 e l e c t r o n i c t h r o t t l e c o n t r o ls y t t t t ：m o f b o s c h 电子节气门位置传感器电位计随着节气门阀颓繁运动，处在高频振动的1 ：作 王 = 境中，其精度u r 能会因为机械磨损向f 降。英e 凌( i n f i n e o n ) 开发出了一种 电子节气门，采用非接触型节气门位置传感器( g m r c 6 ) ，并进一步将节气门 驱动芯片集成于节气门体内【1 i 】。 国内近年来在捷达、宗来、波罗等轿车上广泛采用了引进的电子节气门，但 对于引进的电子节气门只是处于使用阶段，对其核心技术知之甚少。国内的电子 江苏大学硕士学位论文 节气门控制系统的研究远远落后于国外，只有关于电子节气门结构探讨、实现功 能等综述性报道。目前清华大学、北京理工大学等几家单位进行过控制系统设计 方面的研究。清华大学李雅博【1 3 】等人设计出了一种电子节气门控制系统。其单 片机试验系统如图1 7 所示。控制器以摩托罗拉的单片机m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 为核心，用m c 3 3 1 8 6 作h 桥驱动芯片。测试系统向节气门控制器发送目标开度 值，控制节气门完成动作，同时记录并分析实际控制效果。在该控制系统硬件电 路中，需要单片机产生两路p w m 分别控制m c 3 3 1 8 6 的i n l 和i n 2 ，以分别控 制电机的正转和反转。因此，系统需要复杂的控制算法保证两路p w m 信号的配 合，以避免电机与电源短路，控制的灵活性降低，控制难度加大。节气门控制单 元没有与发动机管理系统有机结合起来，且节气门的目标位置由测试系统给定， 只能用于试验研究，与国外控制系统相比还有差距。 1 4 本文研究内容 图1 7 电子节气门单片机测试系统 f i g 1 7m c u t e s ts y s t e mo fe l e c t r o n i ct h r o t t l e 混合动力汽车控制策略研究的内容非常丰富，但是核心问题是混合动力多动 力源的扭矩分配和协调的问题，即要求将扭矩作为各个动力源之间的传递量。因 而混合动力汽车发动机的控制必须采用扭矩控制策略，这样才能使发动机的控制 有效地融入到混合动力汽车整车控制体系中，才能充分发挥出混合动力汽车节 能、减排的优势。因此发动机扭矩控制策略是混合动力汽车发动机控制策略的最 佳选择。 本文的研究内容以国家“8 6 3 计划“节能与新能源汽车 ( 课题名称：新型 电容混合动力轿车整车产品研发，课题编号是2 0 0 6 a a l l a l 2 8 ) 为背景，开展混 l o 江苏大学硕士学位论文 合动力汽车发动机扭矩控制策略研究工作。 本文各章主要的研究内容如下： 第一章，主要介绍混合动力汽车发展的背景和混合动力汽车国内外发展的现 状；还介绍汽油机扭矩控制策略与传统汽油机控制策略的不同；以及电子节气门 系统目前的研究现状。 第二章，介绍扭矩控制策略中最关键的控制部件电子节气门，运用经典 的p i d 控制，设计一套基于位置反馈式的电子节气门控制策略，并进行了试验 验证。 第三章，主要是为发动机扭矩控制设计一套扭矩估算算法，标定出一个虚拟 的扭矩测量仪，使发动机扭矩控制能够实现闭环控制，扭矩测量仪以汽油机平均 值模型为基础，对发动机指示扭矩进行实时在线估算。 第四章，全文的核心内容，主要是发动机扭矩控制策略的建立，建立了发动 机扭矩输出模型，不同类型扭矩调节路径的选择，进气量的估算和控制模块，并 通过试验得到了点火提前角和空燃比偏离值与输出扭矩的变化关系。 第五章，通过台架试验测试扭矩控制策略的相关参数：点火提前角、充量系 数和摩擦损失；并测试发动机的万有特性和排放特性，对扭矩控制策略进行了实 际的验证。 第六章，对全文的工作进行总结，介绍本文研究的研究结论；同时提出本文 的不足，并对下一步工作进行了展望。 江苏大学硕士学位论文 第二章电子节气门的控制策略及控制效果验证 并联式混合动力发动机必须采用扭矩控制策略，而进气量的控制是汽油机扭 矩控制策略与传统汽油机控制策略的最大区别。因此混合动力汽车发动机进气量 的控制必须采用电子节气门，电子节气门也成为了实现扭矩控制策略最关键的零 部件。e c u 可在不同的工况下，根据实际的扭矩需求，对电子节气门开度实现 柔性协调控制【1 4 1 。电子节气门位置的控制精度和节气门开度变化的响应速度， 直接影响整个扭矩控制策略地顺利实施，本章采用p i d 的控制理论来实现电子 节气门的控制，并进行了试验进行，验证基于p i d 的节气门控制策略可以满足 扭矩控制策略对节气门控制的需要。 2 1 电子节气门系统 电子节气门系统如图2 1 所示，它没有了传统的机械拉锁式节气门的刚性连 接装置，而采用电控柔性控制的方式，在电子节气门系统中，控制器输出两路 p w m 占空比信号，经过功率驱动管，驱动电流放大，实现对电子节气门电机的 正转和反转驱动控制，同时采集节气门开度的两路反馈信号，进行闭环控制。整 个电子节气门系统由以下几个部分组成【1 5 】： i i 传动齿 轮机构 图2 1 电子节气门系统结构图 f i g 2 1t h ec o n f i g u r a t i o no fe l e c t r o n i ct h r o t t l e ( 1 ) 加速踏板：加速踏板是反映驾驶员意图的装置，它的核心是两个电位 计式位置传感器，其内部主要是一个根据位移量变化的可变电阻，电压值变化范 江苏大学硕士学住论文 隔为o v 到5 v 之问。根据踏板位移量的多少转化成不同的电压信号并传递给发 动机e c u 。小同于传统节气门，电子节气门开度不再由油门踏板照接线性控制。 ( 2 ) 屯了节气门件总成：山节气门体、驱动电机、节气门阀片、节气门位 置传感器、减速齿轮机构等组成。 ( 3 ) 电子控制单元：目前电了节气门控制单元散都集成到发动机的控制 单元巾，电子控制单元是整个电子节气门控制系统的核心。驾驶员的意图经出 e c u 分析做出判断，向驯动电机发出指令由电机驱动忸气门阀片转动，调节 其丌度变化。 2 2 电子节气门结构 在所有零部件中，电子节气门体是整个电子节气门系统的核心部件。奉文采 用b o s c h 的电子节气门体，图2 2 所示为节气门的实物照片，电子节气门体的内 部结构示意如图2 3 所示，电子节气门组成主要包括节气门驱动电机、齿轮减速 机构、节气门空气流量控制阀片、两路节气门位置传感器和节气门复值弹簧。电 了节气门接r n 包括六个管脚，其中两路电子节气门p w m 驱动信号，两路电子节 气门位霞反馈信号，一路5 v 电源和地信号。在节气门体中，电机根据e c u 发 出的控制信号运转，并驱动减速齿轮组，从而带动节气门的转动( 减速齿轮与节 气门同轴安装) ，节气门的角度变化引起进气通道截面积的变化，进而引起发动 机空燃比的变化从而昂终达到调节发动机转速和扭短的目的【1 6 1 。 刚2 2 l ur 1 y 气fj 文物j ! ( 【儿 f i 9 2 2 t h ep i c i u n ：o fe l e c t r o n i c t h r o t t l e 江苏大学硕士学位论文 图2 3 节气门体结构示意图 f i g 2 3 t h es k e t c hm a po f t h r o t t l eb o d y ( 1 ) 节气门空气控制阀片 因为节气门空气控制阀片具有一定厚度，为避免全部关闭时卡死，节气门在 全关时保持有2 0 的夹角，而非0 0 夹角，节气门形状也设计成椭圆形，节气门的 开度范围为o o 一8 8 0 ( 图2 4 a ) 。节气门在静态时并非完全关闭，靠复位弹簧保持 在9 0 的开度( 图2 4 b ) 。当节气门开度为部分开度0 时，其有效节流面积为节气 门在垂直于空气流动面积的投影面积( 图2 4 c ) 。 d h斛 a ) 节气门全关b ) 节气门静态开度c ) 节气门部分开度 图2 4 电子节气门不同开度时位置示意图 f i g 2 4t h es k e t c hm a po fe l e c t r o n i ct h r o t t l ew h e n i ti si nd i f f e r e n tp o s i t i o n s ( 2 ) 驱动电机 用于节气门驱动的电机通常有步进电机和直流电机两种型式，由于节气门 要求有较高的动态响应性能，所以大多选用直流电机驱动。此外，对直流电机的 1 4 江苏大学硕士学位论文 控制多采用脉宽调制( p w m ) 方式，h 利用功率品体管的开关特性来调制 u 压 t l j 定的直流屯源，通过改变占窄比米改变电枢的半均电雎，以此控制直流 u 机的 f 矩。 ( 3 ) 减速齿轮组 直流电机的扭矩通过减述齿轮组驱动节i 门转轴，与没有减速齿轮的系统柑 比可以采用功率较小的电机。直流电机驱动齿轮齿数为1 2 ，r | _ l 问过渡人齿轮齿 数为6 0 ，巾间过渡小齿轮齿数为1 6 ，节气门转轴扇形齿轮齿数为5 6 。则肖气门 转轴到电机转轴的传动比为1 75 ：1 ( 幽2 5 ) 。 图2 5 电子节气门齿轮传动系统 f i 9 2 5 t h e g e a rs y s t e mo f e l e c t r o n i c t h i o t t l e ( 4 ) 节气门位冒传媾器 节气门位置传感器t p s ( f l u o t c l ep o s i t i o n , s e n s o r ) 用于实时采集节气fj 开 度，对闭环控制进行位置反馈，是节气门状态的唯一榆测组件。研究位置传感 器输出电压特性，找到输出电压与h 气门位置之间的对应关系，刊能精确控制 电子节气门的开度。 ( 5 ) 复位弹簧 在静态时，节气门开度靠复位弹簧的扭矩保持在9 0 的开度，这个位置即是 “踱行回家”( l i m ph o m e ) 位置。驱动电机断电仃气门在复位弹簧的作用下 返回到“跛行回家”位置，使汽车能“跛行回家”。节气门复位弹簧及其非线性 在节气门工作时，当节气门需要从较大开度位置降到较小开度或回到竹气门关闭 江苏大学硕士学位论文 位置时，为保证系统的可靠性及响应的快速性，在节气门阀片中心轴另一端设计 有复位弹簧，该弹簧提供一个较大的扭转力矩，使节气门阀片可以快速地回到要 求位置。 2 3 电子节气门控制策略 电子节气门地控制要求节气门具有较快的响应性、良好的稳定性和位置跟随 性。因此控制软件设计是电子节气门控制系统的一个重要组成部分，对控制效果 具有决定性的影响。本文采用经典p i d 算法对电子节气门进行控制，取得了较 为理想的控制效果。 2 3 1 p i d 控制算法 p i d 控制是现代控制技术中最经典的控制方法，它是按偏差的比例 ( p - p r o p o r t i o n a l ) 、积分( i i n t e g r a l ) 、微分( d - d e r i v a t i v e ) 线性组合进行控制的 方式。三种控制作用各有优缺点f 1 7 1 。 比例控制的特点是：误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被控制量 向减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数，其缺点是：对于具 有自平衡性( 即系统阶跃响应终值为一有限值) 的被控对象存在静差。加大局， 可减小静差，但岛过大时，会导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。 积分控制的特点是：积分控制系数k 能对误差进行记忆并积分，有利于消 除静差。但它的不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使控 制的动态性能变差，以至于使系统不稳定。 微分控制的特点是：微分控制系数能对误差进行微分，对误差的变化趋 势敏感，增大微分控制作用可加快系统响应，使超调量减少，增加系统的稳定性。 它的缺点是对于干扰同样敏感，使系统抑制干扰能力降低。 比例控制系数饧、积分控制系数k 和微分控制系数肠对系统稳定性的影响 如表2 1 所示。 1 6 江苏大学硕士学位论文 将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，用 这一控制量对被控对象进行控制，就构成了p i d 控制器。常规的p i d 控制系统 原理框图如图2 6 所示。 图2 6p i d 控制系统原理图 f i g 2 6t h ep r i n c i p l ed i a g r