一種基于硬件在環的怠速起停功能開發方法

張志強 季昌健 王晨宇

（一汽奔騰轎車有限公司奔騰開發院）

隨著第五階段油耗標準的規劃制定，以及國Ⅵ排放標準的陸續實施，國內各大主機廠都致力于通過研發高效率發動機、增加電氣化智能配置、搭載新能源動力等手段來達到節能減排的目的。車輛怠速起停功能是實現上述目標的一種有效方法，其節油率超過3%[1]，主要污染物排放降低5%[2-3]。隨著車型開發周期的日益縮短和質量要求的不斷提高，高效、可靠地開發怠速起停功能，是主機廠所面臨的一項重要挑戰。文章提出一種基于發動機控制器硬件在環測試系統（EMS HIL）的怠速起停功能開發方法，可有效地解決上述問題。

1 設計方案及實現

怠速起停功能通過在汽車怠速期間關閉發動機，達到節能減排的目的，其系統控制原理，如圖1 所示。圖 1 中，v0，v1，v2表示車速；n0，n1表示發動機轉速；ε0，ε1表示誤差；T 表示轉矩。

實現怠速起停功能，需要模擬的主要信號包括電池荷電狀態（SOC）、勵磁電流、發電機占空比及制動真空度信號等。

1.1 蓄電池模型設計

文獻[4]使用2 階等效電路，根據改進的卡爾曼濾波算法，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，實際可用內存2.79 G，256 kB×4 緩存）在實時性上，無法滿足復雜算法要求。HIL 設備處理器承載信號處理、模型仿真、數據運算等進程，在0.001 s 完成1 次計算，這就需要既精簡又實用的模型，來達到同樣的起停系統開發的目的。

文章搭建的電池模型在Rint 電路模型的基礎上進行改進和完善。

式中：Uout——輸出端電壓，V；

Uoc——開路電壓，V；

I——電池電流，A；

Rint——電池等效內阻，Ω。

通過試驗數據，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[5]：

式中：Pbat——電池放電功率，W；

Pload——負載消耗功率，W；

Pgen——發電機輸出功率，W。

式中：ci——加權系數，即電氣設備的使用頻率；

Pi——電氣設備的額定功率，W。

車載用電氣設備包括噴油器、點火線圈、電子節氣門、電動助力轉向、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——電池當前狀態下的總電量，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），則電池當前荷電狀態（SOCt）表示為：

1.2 發電機模型設計

文獻[6]闡述了汽車發電機整流器及調節器機理。文章在此基礎上，增加目標發電電壓控制和勵磁電流限值控制。

依據發電機臺架試驗，保持發電電壓（Ugen/V）恒定，生成基于發電機轉速（ωg/（rad/s））的發電機最大發電電流MAP 圖：Imax=h（Ugen，ωg）。

式中：Tg——發電機轉矩，作為發動機負載轉矩，N·m；

η——發電機效率。

依據發動機轉速和速比，計算出ωg，然后通過查詢MAP 圖 h（Ugen，ωg），可以得出當前轉速下發電機的最大發電電流（Imax/A），使用式（8）計算發電機占空比。

式中：PWMg——發電機輸出占空比；

Ioutput——發電機實際輸出電流，A。

同時在上述計算數值基礎上，發電機占空比需要依據SOC 值進行修正，尤其在SOC 值較高時，需要減小發電機占空比。

利用相數（K）、繞組匝數（N）、頻率（f/Hz）、磁導率（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 給出的目標發電電壓，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 制動真空度模型設計

制動真空度是起停系統的安全輸入條件，因此必須合理模擬出真空度數值。真空室通過單向閥與進氣歧管相連，基本原理是：當真空室壓力低于進氣歧管壓力時，單向閥關閉；當進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，同時需要進行制動踏板開度修正。進氣歧管壓力由商業模型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 個采樣周期進氣歧管壓力，Pa；

C——單向閥開啟壓力，是一個設定常數，Pa；

l（α）——修正函數；

α——制動踏板開度，可依據試驗數據生成MAP圖l（α），%。

1.4 模塊算法實現

蓄電池模型和發電機模型使用Simulink 軟件開發，其計算流程圖，如圖2 所示。

圖2 蓄電池發電機模型計算流程圖

依據駕駛員對電氣功率的需求，計算電池端電壓、SOC、發電機占空比及勵磁電流等；其中，需要使用電池內阻、端電壓、發電機轉速和電流等試驗數據。

2 算法試驗

將上述Simulink 模型加載到ECU 硬件在環系統[7]中，進行怠速起停功能開發，驗證SOC、真空度、發電機占空比及勵磁電流等在起停功能中的邏輯關系。試驗結果如圖3～圖7 所示。

圖3 怠速起停-轉速和SOC 曲線

圖4 怠速起停-轉速和真空度曲線

圖5 發電機占空比和SOC 曲線

圖6 目標發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，SOC在閾值以下，ECU 控制起機；圖4 表明，真空度在閾值以下，ECU 控制停機，真空度在閾值以上，ECU 控制起機；圖5 表明，隨著電氣設備功率需求的提高，發電機已經以100%的占空比發電，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，目標發電電壓達到閾值以下時，發電機模型勵磁電流調節為0，以停止發電，其余工況勵磁電流和目標發電電壓成正相關；圖7 表明，真空度數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象、導致發動機轉速相應波動，但是對驗證怠速起停功能的邏輯開發暫無影響。

3 結論

文章設計了一種基于EMS HIL 的怠速起停功能開發方法，在Rint 電路模型的基礎上，依據功率守恒原理完善了蓄電池模型；依據目標發電電壓、勵磁電流限值，優化了發電機模型；依據歧管壓力和真空度關系、考慮制動因素，改進了制動真空度模型。將上述模型集成到HIL 臺架上，試驗證明，設計的模型應用在怠速起停功能開發中，滿足設計要求，達到了低成本開發的目的。

與此同時，該設計的方法存在一定的局限性，算法實現時需要基于試驗數據查詢MAP 圖，沒有實現完全的模型計算，在一定程度上影響了應用范圍，需要后期加以完善。