电动汽车增程器的电子节气门控制系统研究

谢有浩

（安徽长丰扬子汽车制造有限责任公司）

1 前言

增程式电动汽车是一种特殊的混合动力汽车，其增程器是一个由小型发动机、发电机、整流装置组成的发电机组。该种车型电池自带的电力可以保证一定里程内的正常行驶，一旦电量不足，增程器开始运转，作为发电机为电池充电，增加了车辆的续驶里程。增程式电动汽车的技术模式简单可靠，较长的续驶里程基本可达到传统汽车水平[1～3]。

增程器控制系统，需要按照整车管理系统要求，控制增程器起动、停机、按特定电压或电流实现发电输出。增程器能量源来自于发动机，当增程器进行发电输出时，发动机一般进行恒转速闭环控制，而输出扭矩随负载自适应。因此，增程器发动机控制系统必须使用电子节气门这一关键器件，实现发动机进气量的自动控制[4]。

2 增程器控制系统组成

2.1 增程器控制系统结构

增程器控制系统模块包括外围传感器信号、传感器信号处理、系统状态判断、进气模型、节气门控制、点火控制、喷油控制。其中，外围传感器信号包括曲轴位置、凸轮轴位置、实际节气门开度、进气压力、进气温度、冷却液温度。以上系统模块集成一体，构成ECU系统。外围传感器信号经过传感器信号处理模块后，由电压值转变为具有实际意义的物理值，以便进行工况判断和进气量计算。系统状态判断模块通过当前的发动机转速、节气门开度等数值所在的范围，确定发动机当前的基本工作状态，即停机、起动、怠速、发电4种工况，使用各自工况下的算法计算出相应的目标节气门开度、点火提前角，进行节气门开度控制和点火控制。同时，根据系统当前的进气压力和温度，通过速度—密度法进气模型计算出进气流量，再根据理论空燃比原则，计算出基本喷油量，加上其它瞬态喷油补偿量，得到最终喷油量，作为喷油控制的依据。

增程器控制系统结构如图1所示。

2.2 增程器控制系统状态判断

发动机的基本状态包括停机、起动、怠速、发电4种工况。

停机工况：对应于点火钥匙通电而起动机没有运转、发动机没有运行的状态，要求增程器控制系统对转速等关键参数进行初始化，此时转速为0，输出扭矩也为0。

起动工况：对应于起动机接合，发动机转速从0开始上升到怠速的状态。

怠速工况：对应于发动机已起动并平稳运转但无负载的状态，此时要求转速稳定控制在怠速目标转速附近，系统在怠速过程中，无论外界负载如何变化，转速都在目标转速附近，并且在转速安全范围内。

发电工况：此时发动机需要带负载，有扭矩输出，但要求转速稳定于发电目标转速附近（如3 600 r/min），系统在发电状态中，无论外界负载如何变化，转速都在发电目标转速附近，并且在转速安全范围内。

以上发动机工况可作为电子节气门开度的计算条件，从而确定电子节气门位置。

3 电子节气门控制策略

3.1 电子节气门机械结构

电子节气门的机械结构如图2所示，包括加速踏板位置传感器、复位弹簧、节气门位置传感器、节气门控制电机等部分[5]。

加速踏板位置传感器：由两个无触点线性电位器传感器组成，由此产生反映加速踏板行程和变化速率的电压信号输入ECU。

复位弹簧：节气门轴上有两复位弹簧向相反方向起作用，保证在控制系统有故障时节气门能够回复到平衡位置，使发动机继续运转。

节气门位置传感器：电子节气门系统采用两个节气门位置传感器，两传感器输出电压信号随节气门开度增加变化趋势相反，且两输出电压之和始终等于传感器的供电电压。该冗余设计可使两个传感器相互检测，很大程度上增加了系统可靠性。两路信号均正确无误，系统方可工作于正常安全状态。

节气门控制电机：电机输出转矩和脉宽调制信号的占空比成正比，方向则是由和节气门相连的复位弹簧控制。当占空比一定，电机输出转矩与复位弹簧阻力矩保持平衡时，节气门开度不变；当占空比增大时，电机输出转矩克服复位弹簧阻力矩，节气门开度增大；当占空比减小时，电机输出转矩和节气门开度也随之减小。

3.2 电子节气门位置控制的计算逻辑设计

基于增程器发动机的工况判断，采用不同计算策略确定电子节气门的目标开度。

起动控制：目标开度为与水温和转速直接相关的起动开度。

怠速控制：包括怠速基本开度、转速闭环PID调节开度和外部载荷补偿。由于增程式电动汽车的主要电气负载由电池系统提供能源，因而怠速补偿比常规发动机补偿少，主要是风扇补偿、温度补偿等。

发电控制：此时电子节气门的调节量主要由基于发电目标转速的转速闭环PID调节模块决定。ECU根据发电目标转速和实际转速的偏差输入对PID模块进行调节，最终调节量为电子节气门的目标开度位置。

节气门控制系统（ETC）目标位置计算完成后，通过ETC自身的闭环位置反馈调节电子节气门的实际位置达到计算开度位置。控制算法逻辑流程如图3所示。

3.3 转速闭环的PID调节实现方法

增程器ECU转速闭环控制采用PI调节器，其P 项（ETC_SP_P）和 I项（ETC_SP_I）分别采用标定表来实现。P项和I项的标定表均是以转速偏差为自变量的一维表，查得的函数值则是节气门开度的P项、I项调节量。增程器ECU通过计算当前工作设定转速与采集的实时转速差值作为转速偏差，分别查询P项表和I项表，按照以下算法得到转速闭环PI调节器的节气门开度调节量。

ETC_SP表示节气门目标开度，在n时刻：

ETC_SP_I_SUM （n）=ETC_SP_I_SUM （n-1）+ETC_SP_I（n）

ETC_SP=ETC_SP_P+ETC_SP_I_SUM

台架标定试验中模拟整车上的发电工况，通过可调电负载对增程器加载，在不同加载幅度下对P项、I项表进行详细标定，最终达到发电控制的稳态、瞬态指标。

4 电子节气门控制试验

台架测试试验中，增程器发动机的初始工况为在发电目标转速下（1 500 r/min）空载运转。通过两次突加负载，可以验证发动机转速控制的稳定性和电子节气门控制的正确性。两次加载的载荷分别为，第1次加载时负载由空载加载至增程器额定发电功率的38%，第2次加载时负载由增程器额定发电功率的38%增大至65%。试验数据曲线如图4所示。可见，在发动机转速闭环PID调节模块作用下，电子节气门的目标开度位置在两次加载时相应增大。而在电子节气门位置闭环控制作用下，电子节气门实际位置始终与目标位置基本重合，从而实现了两次突加负载后发动机转速的快速恢复并重新达到稳定。本试验验证了基于增程器发动机工况的电子节气门控制算法，可以按照不同的发动机实际工况实现设计的控制功能。

5 结束语

增程器发动机的电子节气门控制是决定增程器起动性、发电稳态指标、动态响应指标的关键技术。电子节气门控制方法在增程器系统上的应用，实现了增程式电动汽车对增程器的相关功能要求，逻辑简明清晰，软件实现实用简便。

后续工作主要是增程器负载突变时的动态响应指标优化，将继续优化P、I项参数，增加负载需求值前馈逻辑等，以进一步提升增程器的发电品质。

1 吴韶建，陶元芳.增程式电动汽车的概念与设计方案.机械工程与自动化，2010（5）：209～210.

2 Tate E D， Michael O Harpster，Peter J Savagian.The electrification of the automobile:From conventional Hybrid，to Plug －in Hybrids， to Extended －Range Electric Vehicles.SAE 2008－01－0458.

3 宋柯，章桐.增程式纯电驱动汽车动力系统研究.汽车技术，2011（7）：14～18.

4 谢辉，郝明德，周能辉.混合动力车用汽油机电控节气门系统的开发研究.汽车工程，2006，28（1）：17～19.

5 钱伟康，李峰，钱建秋，曾义芳.汽车电子节气门的控制策略研究.测控技术，2010，29（3）：47～51.