谈电子油门和整车电气系统的匹配设计

汪 晖， 计 红

（东风商用车技术中心， 湖北 武汉 430056）

电子油门在整车中有扭矩控制 （油量控制）、怠速控制（高、低怠速）、减速断油控制、跛行回家控制等功能。下文就油门结构、工作原理和失效分析等结合说明整车电气系统的匹配设计。

1 电子油门系统介绍

1.1 系统说明［1］

驾驶员操纵油门踏板，电子油门踏板位置传感器产生相应的电压信号输入发动机控制单元ECU，ECU经过CAN总线和整车控制单元进行通信，获取其它工况信息以及各种传感器信号如车速、节气门位置等，由此计算出整车是否满足控制函数。通过对节气门转角进行补偿，得到节气门的最佳开度，并把相应的电压信号发送到驱动电路模块，驱动控制电机使节气门达到最佳的开度位置。节气门位置传感器则把节气门的开度信号反馈给ECU，形成闭环的位置控制。电子油门系统如图1所示。

图1 电子油门系统

1.2 传感器介绍［2］

1.2.1 内部处理模块功能介绍

图2为传感器内部结构图。具体模块功能如下。

图2 传感器内部结构图

1） Internally stabilized Supply and Protection Devices：内部供电电压稳定和保护装置。用于稳定供电电压，当外部电压过高时，实现对传感器的保护。

2） Temperature Dependent Bias：温度传感装置。用来实时检测传感器的工作环境温度。

3） Oscillator：内部振荡器。实现传感器正常工作。

4） Open-circuit，Overvoltage，Undervoltage，Detection：开路，过压，欠压检测电路。用于检测供电管脚是否开路，过压，欠压，以便于传感器进行保护，同时输出诊断信号供ECU进行判断、处理。

5） Protection Devices：输出管脚保护装置。用于保护输出引脚不会过反向电压损坏。

6） Switched Hall Plate：霍尔效应敏感片。用于感受外部磁场的变化。

7） A/D Converter：模数转换器。用于将模拟电信号转变成数字信号，供DSP进行处理。

8） Digital Signal Processing：数字信号处理器。用于处理经过转换来的反映外界磁场变化的数据信号。

9） D/A Converter：数模转换器。用于将被DSP处理好的数字信号转换为模拟信号。

10） EEPROM：电可擦除可编程只读存储器。用来存储温度、磁场范围、灵敏度、静态输出电压、锁定等各种DSP进行数据处理时需要的信息。

11） Lock Control：锁定控制单元。用于确定传感器是否锁定，如果锁定了，不能再进行任何的读写操作。

12） Open-Circuit Detection：开路检测单元。用于检测传感器的输出管脚、搭铁管脚是否开路。

1.2.2 传感器失效模式

在Tj=-40～140℃范围内，25℃的典型温度条件下，传感器开路测试。表1为传感器失效模式。

表1 传感器失效模式

1.3 霍尔式传感器应用

1.3.1 传感器

传感器置于均匀的可旋转磁场内，如图3所示。旋转磁场，改变通过芯片的霍尔基板的磁场强度，产生变化的霍尔电压，通过传感器内部处理，将磁场的旋转角度变化转换为电压变化输出。

1.3.2 角位移测量

由霍尔电压计算公式可知，尽可能地利用磁感应强度B的变化与旋转角度之间的近似线性关系，通过磁感应强度B的线性变化从而使Vh线性变化，再通过芯片内部的DSP处理，从而最终得到磁感应强度B的线性变化与输出Uout的线性输出曲线关系，最终将角位移以模拟电压的形式输出。如图4所示。

图3 磁片与传感器位置

图4 角位移

1.4 霍尔油门实现原理

1） 利用霍尔位移传感器的小角度测量方法。电子油门踏板总成通过脚踏连杆带动磁场旋转，霍尔传感器固定于电子盒中，当霍尔传感器感受到磁场的旋转变化时从而输出与角度相对应的电压信号的线性输出。图5为电子油门外形图，图6为电子油门局部放大图。

图5 电子油门外形图

图6 电子油门局部放大图

2） 同步度信号输出。采用2颗霍尔芯片完全独立分开供电设计，输出两路同步独立的线性模拟信号。图7为电路框图。

图7 电路框图

2 电子油门的快速检测试验

2.1 台架固定

首先将油门踏板固定在振动台上，模拟车辆行驶过程中的状态，实时检测油门踏板信号。因振动实验只能是怠速状态或全速状态，根据需求，全速状态有行程角，更符合要求，故将油门踏板绑定为全速状态，固定牢固。

2.2 试验准备

将油门踏板线束与油门过程性能检测仪相连。参照图8油门踏板图纸参数，设置检测参数，见图9。

图8 油门踏板功能图

图9 参数设置

其中，信号1对应图纸中S1，全速状态下电压为84±3%，信号输入电压为5V，故将信号1电压设为4.2V，公称值设为0.15V。信号2类似。

油门过程性能检测仪能实时检测油门踏板输出信号电压，并在电压超出所设定的公称值范围时，自动亮起红色报警灯，同时记录此时的非正常数据，如图10所示。

图10 油门踏板检测

参照GB/T 28046.3—2011《道路车辆 电气和电子设备的环境条件和试验 第3部分：机械负荷》中4.1.2.7做随机振动实验，振动参数设置见表2。

表2 振动参数设置

2.3 试验结果

在整个24h振动试验过程中，各方向信号范围如表3所示。

表3 各方向信号范围

振动完后，再次检测输出信号电压如表4所示，怠速状态和全速状态信号电压均在正常范围内。

表4 再次检测输出信号电压

其中同步度=S1/2-S2，同步度正常范围为：绝对值小于0.05。

3 电子油门故障解析及整车电气系统设计

3.1 电子油门故障、诊断原理及对发动机的影响

电子油门故障、诊断原理及对发动机的影响说明见表5。

表5 电子油门故障、 诊断原理及对发动机的影响

3.2 电子油门失效分析与整车电气系统的匹配设计

3.2.1 案例1：康明斯共轨系统

某匹配康明斯发动机车型在路试中出现电子油门失效现象，并且仪表报“传感器供电电压-电压过低或短路到搭铁”，随后消失，伴随行驶时间加长，油门失效问题出现频繁，最后车辆进入跛行模式。

1） 解析 现车排查，发现计量泵线束磨破，即计量泵电源线短路。康明斯发动机ECU内部将计量泵电源和电子油门2电源设计做为共电源，因此，当计量泵电源短路时，油门电源也短路，最终导致电子油门失效。

2） 匹配设计 整车电气系统在设计时，应关注发动机ECU内部电子油门的电源或搭铁与其他系统是否有共电情况，如果有，针对这些系统的线束需要增加线束固定点，避免线束出现干涉、活摆、磨损等不正常的情况。

3.2.2 案例2：康明斯共轨系统

在颠簸路况下，某匹配康明斯发动机车型在路试中电子油门信号突然丢失，500km路程大概出现过8、9次。插接件重新插拔后故障未消除，更换电子油门后目前没有故障再现。

1） 解析 检测油门踏板报文，油门踏板信号1可以随油门踏板行程角做相应变化，但油门踏板信号2一直为102%。经分析，确认康明斯发动机ECU接收油门踏板两路信号，通过两路信号计算油门踏板百分比，但只对外转发信号1的数据，不发信号2的数据。同时康明斯发动机ECU标定与油门踏板相关的数据只有2个：油门信号的最低有效电压、最高有效电压。

因此，整车系统要求油门踏板有一个失效模式：当搭铁线断开，要求信号输出高于91%供电电压（第1路） 和50%供电电压（第2路）。对于整车车型不相同，布线、连接器都不尽相同，加上商用车一般振动比较大，容易导致虚接。如果油门连接器或者ECU端连接器搭铁线出现虚接就会报信号偏高故障。

2） 匹配设计 整车电气系统在设计时，对于振动比较大的车型，所有连接器应采用锁紧式的，连接器端子的公头和母头的材质要求一致；传感器和执行器的线束要走不同的路径，线束走线避免急转弯，线束必须采用保护措施能够防御喷水；发动机ECU、蓄电池和发动机应一起接到汽车底盘上一点，确保共搭铁。

线束从蓄电池到喷油器及喷油器本身再回到蓄电池的阻值决定了共轨系统在蓄电池容量低的情况下的总体功能状态。为实现系统的全部功能，喷射系统需要从蓄电池获得一个最小的工作电流，也就需要蓄电池能够提供给喷射系统一个最小的供电电压，这个最小电压取决于线束电阻。基于上述在ECU接头处的电压，需要严格限制线束的阻值。

BOSCH推荐的线束阻值见表6［3］。

表6 线束阻值

3.2.3 案例3：玉柴单体泵和气体机

某匹配玉柴单体泵发动机车型，多车反馈踩油门无反应。更换同供应商的油门后，故障消失，但运行一段时间后仍出现油门失效故障。

3.2.3.1 解析

油门供应商有2家，更换另一家供应商后，原多辆故障车不再重现油门失效问题。故障车的随机油门故障信息见图11～图13。

为此，重新核查ECU与油门踏板的匹配性。首先确认玉柴对油门匹配的要求及故障机理。

3.2.3.1.1 油门踏板要求及接口电路、信号识别

1） 玉柴自主单体泵和气体机要求使用的电子油门，其特性曲线如图14所示。

2） 玉柴ECU油门接口电路见图15。

3） 玉柴ECU对怠速开关信号的识别如下：电平大于3.1V，怠速开关标志识别为1 （怠速状态）；电平小于2.5V，怠速开关标志识别为0 （非怠速状态）。

图11 故障车1随机油门故障信息

图12 故障车2随机油门故障信息

图13 故障车3随机油门故障信息

3.2.3.1.2 玉柴ECU的油门开度不合理故障诊断策略

1） 油门开度不合理故障进入条件：①油门开度＞20%，且怠速开关闭合（idle switch为1） 或②油门开度＜2%，且怠速开关断开（idle switch 为0）。

2） 油门开度不合理故障退出条件：油门开度≤20%，且怠速开关闭合（idle switch为1）。

3） 满足所有进入条件时才进入软故障，经过确认延时后，成为硬故障。一旦硬故障确认，必须满足退出判断条件才能退出故障。故障确认延时5s （可标定），故障退出延时2s （可标定）。

图14 油门踏板

图15 玉柴ECU油门接口电路

3.2.3.1.3 结果

根据3个油门开度与怠速开关信号的波形可知，在油门开度变化的过程中，ECU识别到的怠速开关标志始终为1，根据油门接口电路，即油门在变化过程中，怠速开关线输出的信号电压始终大于3.1V。

根据故障车采集的油门波形图以及油门开度不合理故障诊断原理，可知：ECU会检测到油门开度不合理故障，从而进入limp home或限扭功能。

怠速开关信号一直为1，即输入到ECU内部的怠速开关信号电压电平一直大于3.1V。具体和油门内部的怠速开关信号的处理电路有关。

3.2.3.2 匹配设计

因该油门踏板大量匹配BOSCH和康明斯发动机，并未出现油门失效问题，对此玉柴自主ECU适应性较窄，需要优化玉柴发动机ECU特性。

4 结束语

整车电气系统，不仅要考虑油门踏板的参数、油门接口电路的匹配、油门1和2的电源及共搭铁，还有整车线路的匹配设计。

对于某些如信号要求精准、发动机温度较高部位、插拔次数较多的部位，插接件端子不建议采用镀锡，一般镀层厚度在0.25um，在这些特殊部位需要导电性能好、接触电阻小，建议采用镀金端子。同时还需要考虑端子的许可线截面。对于电子油门线束需打断处理的，建议插接件端子采用镀金方式。同时为避免电子油门与其他电器件之间的相互干扰，线路必须采用双绞线，最大绞制间距为25mm。

对于油门共搭铁的线束，整车电气需要加强对这些部位的线束固定、搭铁线的处理，避免出现影响油门信号的情况。