混合动力汽车发动机节能控制器的设计与实现

陆广华　田爱军　王德铭

摘 要： 当前各国对混合动力汽车发动机节能控制器的研究尚不健全，所研究出的产品稳定性较差、节能效果不佳。因此，设计兼顾高稳定性和高节能效果的混合动力汽车发动机节能控制器。该节能控制器的X186单片微控制器利用PID控制，对混合动力汽车发动机转速和行驶指令等信号进行实时监管，并经由信号二次处理电路进行转速信号再处理，降低发动机转速对混合动力汽车的能耗。由X186单片微控制器和信号二次处理电路获取到的节能控制信号，传输到输出控制电路进行汇总和解析，最终输出最优节能方案。控制器的实现部分给出了其功能图，以及控制器采用PID控制算法对发动机进行节能控制的过程。实验结果表明，所设计混合动力汽车发动机节能控制器的节能控制效果较为明显，并具有较高的稳定性。

关键词： 混合动力汽车； 发动机； 节能控制器； X186单片微控制器

中图分类号： TN245?34； TPK414.3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）06?0084?04

Abstract： The research on engine energy?saving controller of hybrid power automobile is not perfect in various countries， which has caused poor stability of the researched products and poor energy?saving effect. Therefore， the engine energy?saving controller with high stability and high energy?saving effect for hybrid power automobile are considered. X186 single chip microcontroller of the energy?saving controller is controlled by PID to mornitor the engine speed and driving instruction signals of the hybrid power vehicle in real time. The signal secondary processing circuit is used to reprocess speed signal to reduce energy consumption of hybrid power automobile caused by engine speed. The energy?saving control signals acquired by X186 single chip microcontroller and the signal secondary processing circuit are transmitted to the output control circuit for the summary and analysis to output an optimal energy?saving solution finally. The functional diagram and the process of engine energy?saving control adopting PID control algorithm are given in the Controller Paragraph. The experiment result shows that the energy?saving control effect of the engine energy?saving controller for hybrid power automobiles is more obvious， and has high stability.

Keywords： hybrid power automobile； engine； energy?saving controller； X186 single chip microcontroller

0 引 言

当前汽车已成为人们生活中必不可少的交通工具，由汽车行业发展所带来的资源短缺问题也不容小觑。基于以上原因，产生了能够综合利用电能、燃气和煤柴油的混合动力汽车。对混合动力汽车发动机节能控制器的研究与发展，是交通运输领域中的一项重要技术革新[1?3]。由于各国对混合动力汽车发动机节能控制器的研究尚不健全，所研究出的产品往往稳定性较差、节能效果不佳。因此，开发出兼顾高稳定性和高节能效果的混合动力汽车发动机节能控制器，是当前交通运输领域的重点研究项目[4?6]。

各科研组织研究出的混合动力汽车发动机节能控制器均存在一定的问题，如文献[7]开发THS?Ⅱ混合动力汽车发动机节能控制器，该节能控制器能够对混合动力汽车发动机驾驶系统实施全方位的节能控制，其节能效果较好。但其价格昂贵，不利用广泛推广。文献[8]开发Honda混合动力汽车发动机节能控制器，该节能控制器的设计者意识到混合动力汽车在急停时的耗能量最大，故设计者在发动机处于高速运行的情况下，为混合动力汽车发动机添加了慢减速功能，进而缩减混合动力汽车发动机的耗能量。但该节能控制器的能耗缩减效果并不明显，控制能力有待提高。文献[9]开发基于线控制的混合动力汽车发动机节能控制器，该节能控制器利用发动机能耗线控制图，将混合动力汽车发动机分成三個等级的能耗区间，分别对三个能耗区间进行节能控制。由于该节能控制器要求相关人员需具有较高的控制水平，因而其节能效果并不理想。文献[10]开发基于实时节能优化算法的混合动力汽车发动机节能控制器，该节能控制器通过构建能耗目标函数，预测混合动力汽车发动机的能耗趋势，进而最大限度地缩减发动机能耗。但该节能控制器的稳定性较差，对全局能耗的掌控有待加强。

为了解决以上问题，开发了稳定性较强、节能效果明显的混合动力汽车发动机节能控制器。实验结果表明，所设计的混合动力汽车发动机节能控制器节能控制效果较为明显，并具有较高的稳定性。

1 混合动力汽车发动机节能控制器设计

所设计的混合动力汽车发动机节能控制器主要由控制芯片和各功能电路组成。

1.1 控制芯片设计

混合动力汽车发动机节能控制器的控制芯片是单片微控制器，由于混合动力汽车发动机的内部元件较多，故所选用的单片微控制器必须拥有较强的硬件兼容性，且能够实时修正混合动力汽车发动机的高耗能信号，并将其准确输出。

基于以上约束条件，混合动力汽车发动机节能控制器选用某公司最新出品的嵌入式X186單片微控制器。该公司的设计人员针对混合动力汽车发动机的耗能特点，为X186单片微控制器匹配了实时节能控制功能，使其能够有针对性地进行混合动力汽车发动机信号的开采和处理，并强有力地保证了发动机信号的完好传输。

当混合动力汽车开始调用发动机进行减速行驶时，如何保证汽车行驶的安全稳定，是混合动力汽车发动机节能控制器需要考虑的首要问题。X186单片微控制器中利用PID控制方法，针对混合动力汽车发动机扭矩进行实时控制，其旨在将混合动力汽车发动机中的多余机械能转换成汽车行驶中利用率较高的电能。混合动力汽车发动机的扭矩主要包括转速、行驶指令、功率等。图1是X186单片微控制器PID控制原理图。

由图1可知，X186单片微控制器的PID控制流程为：X186单片微控制器先进行其采集到的混合动力汽车发动机信号的扭矩识别工作，其主要识别内容为混合动力汽车发动机的转速，以及驾驶人员给予汽车的行驶指令。X186单片微控制器根据其所识别出的扭矩类型进行分步处理。不需要进行调节的扭矩直接进入标准扭矩转换操作并输出；需要进行调节的扭矩则进入PID控制。在PID控制中，X186单片微控制器先将扭矩等比例放大（其中，驾驶人员给予汽车的行驶指令是不可控变量，虽存在需要处理的信号，但无法进行PID控制，直接将其输出即可），再进行扭矩调节工作，即将发动机信号中多余的机械能转换成电能。在扭矩调节工作中，X186单片微控制器将应尽可能地减少PID控制能量的损失，以提高混合动力汽车发动机节能控制器的能量利用率。

经由X186单片微控制器PID控制后的混合动力汽车发动机信号，会传输到信号二次处理电路进行进一步的节能控制。

1.2 信号二次处理电路设计

由于发动机转速对混合动力汽车的能耗影响较大，故混合动力汽车发动机节能控制器构建了信号二次处理电路进行转速信号的二次处理工作。该信号的处理工作要求信号二次处理电路拥有极高的信号传输速度。

转速信号主要采集于混合动力汽车发动机的曲轴。信号二次处理电路在曲轴处安装了特定传感器，经由传感器进行发动机转速的二次采集，再结合X186单片微控制器PID控制的输出信号，对混合动力汽车发动机的能耗进行优化，如图2所示。

当汽车发动时，发动机曲轴上安装的传感器会对发动机转速信号进行滤波、整波等处理。为避免汽车行驶中环境因素对混合动力汽车节能控制器带来的干扰，在设计图2所示的信号二次处理电路时，二极管和信号隔离器是必不可少的。

信号二次处理电路工作结束后，根据公式[ek=][TPS2k-TPS1k]，求取混合动力汽车发动机的优化偏差[ek]。其中：[TPS1k]是信号二次处理电路的信号输出值；[TPS2k]是X186单片微控制器PID控制的信号输出值。优化偏差直接影响着混合动力汽车节能控制器的稳定性，若该值较大，则应重新进行优化工作；否则，则将X186单片微控制器和信号二次处理电路获取到的节能控制信号反馈到输出控制电路。

1.3 输出控制电路设计

输出控制电路的设计目标是将X186单片微控制器和信号二次处理电路的输出信号汇总、解析，最终输出最优节能方案，如图3所示。

图3所示的输出控制电路能够将混合动力汽车发动机节能控制器中的所有已处理信号接入进来，经由格式转换和构建传输文件夹的方式，将发动机节能方案快速传输出去。文件会在其传输过程中分离到特定位置，以对混合动力汽车发动机的不同位置进行特定的节能控制。输出控制电路也能够调节混合动力汽车电子节气门的电流传输规律，进而控制发动机的扭矩。输出控制电路利用并行串行传输接口2，3，14，15进行电路同发动机的串行传输，也能够同时对发动机进行故障检测和故障排除。

2 混合动力汽车发动机节能控制器的实现

2.1 混合动力汽车发动机节能控制器功能设计

设计的混合动力汽车发动机节能控制器具有信号管理、故障检测、信号解析、后台监控等功能，如图4所示。图4中的信号管理功能主要是对X186单片微控制器和信号二次处理电路的信号采集和信号处理进行管理，其管理方式主要是编码控制；故障检测功能是通过检测硬件部分的传输信号，实现混合动力汽车发动机节能控制器故障的预警与处理，其与输出控制电路对混合动力汽车发动机的故障排查内容不同，应加以区分；信号解析功能管理着输出控制电路的解析工作；后台监控功能能够对混合动力汽车发动机节能控制器和混合动力汽车发动机进行实时监控和异常项预测，包括信号采集超时、电路负载趋势不正常、能耗超限等。

2.2 PID控制算法设计

X186单片微控制器中的PID控制算法较为简单，其拥有比例、积分、微分三种控制方式，在混合动力汽车发动机节能控制器的实际应用中，应根据这三种方式的特点选择较为适合的PID控制。

比例PID控制能够对混合动力汽车发动机中产生的多余机械能进行实时控制，其控制效率高、效果好。比例PID控制要求其所控制的多余机械能应为无限增长的，一旦机械能维持在一个稳定的数值不变，其控制误差便会急速增长，进而降低混合动力汽车发动机节能控制器的稳定性；积分PID控制与比例PID控制相反，其要求混合动力汽车发动机中多余机械能的增减幅度应较为平稳。但该控制方式的控制能力有效，不能给予发动机较高的节能效果；微分PID控制的控制能力和控制要求则介于比例PID控制和积分PID控制之间。

设PID控制工作时间为[t]，PID控制的输出值为[u（t）]，则PID控制算法的函数表达式为：

[u（t）=KPe（t）+KI0te（t）dt+KDde（t）dt+u0] （1）

式中：[KP]，[KI]，[KD]分别代表比例、积分、微分三种PID控制方式的比例系数，三者协同作业且互相限制；[e（t）]代表混合动力汽车发动机的信号输入值与混合动力汽车发动机节能控制器的输出值之差；[u0]代表PID控制常数。

3 实 验

实验对本文设计的混合动力汽车发动机节能控制器的稳定性和节能效果进行验证。设定实验中的自变量为发动机的总扭矩和转速，总扭矩直接反应了混合动力汽车发动机的总能耗；在汽车行驶中，其发动机转速越大，电子节气门的开度就越大，实时耗能量就越大。因此，缩减发动机总扭矩和转速便能够得到良好的节能控制效果。同时，节能控制后的两者曲线波动越小，混合动力汽车发动机节能控制器的稳定性就越强。

实验将发动机未采用本文节能控制器进行控制的混合动力汽车在相同的路况和天气下，以2档位和4档位分别行驶2 000 m，行驶过程中的急停、起步、加速度等驾驶员操作因素均相同，其行驶过程中发动机的总扭矩曲线和转速曲线如图5、图6所示。

由图5和图6可知，在相同情况下，未采用本文节能控制器的混合动力汽车发动机的4档位总扭矩最高值为70 N·m，发动机转速最高值为2 000 r/min。排除汽车行驶的起步状态（此时汽车行驶动力主要依靠电机给予，故排除），在200～2 000 m的行驶距离内，4档位总扭矩的平均值约为48 N·m，发动机转速的平均值为1 355 r/min；2档位总扭矩的最高值为68 N·m，发动机转速最高值为1 980 r/min。在200～2 000 m的行驶距离内，2档位总扭矩的平均值约为40 N·m，发动机转速的平均值为1 402 r/min。

现给出采用本文节能控制器，进行节能控制后的发动机总扭矩曲线图和发动机转速曲线图，如图7、图8所示。对比图5～图8可得知，本文设计的混合动力汽车发动机节能控制器能够进行发动机的节能控制，且节能控制效果较为明显。

图7、图8中的曲线波动较比图5、图6曲线有明显下降，验证了本文所设计的混合动力汽车发动机节能控制器具有较高的稳定性。

4 结 论

本文设计兼顾高稳定性和高节能效果的混合动力汽车发动机节能控制器。该节能控制器的X186单片微控制器利用PID控制，对混合动力汽车发动机转速和行驶指令等信号进行实时监管，并经由信号二次处理电路进行转速信号再处理，降低发动机转速对混合动力汽车的能耗。由X186单片微控制器和信号二次处理电路获取到的节能控制信号，传输到输出控制电路进行汇总和解析，最终输出最优节能方案。控制器的实现部分给出了其功能图，以及控制器采用PID控制算法对发动机进行节能控制的过程。实验结果表明，所设计混合动力汽车发动机节能控制器的节能控制效果较为明显，并具有较高的稳定性。

参考文献

[1] 张娜，赵峰，罗禹贡，等.基于电机转速闭环控制的混合动力汽车模式切换动态协调控制策略[J].汽车工程，2014，36（2）：134?138.

[2] 崔挺，严运兵.并联混合动力汽车从纯电动到发动机驱动的协调切换控制[J].公路交通科技，2014，31（6）：153?158.

[3] 凌滨，马梅.关于混合动力汽车节能减排优化控制研究[J].计算机仿真，2015，32（12）：102?106.

[4] 来晓靓，管成，肖扬，等.并联油液型混合动力挖掘机发动机转速控制方法[J].农业机械学报，2014，45（1）：14?20.

[5] 李志豪，沈卫东，阮喻，等.混合动力汽车怠速启停与制动能量回收控制策略改进研究[J].内燃机与动力装置，2015，32（6）：38?41.

[6] 郭新峰，孟春岩.汽车发动机节能优化控制仿真与研究[J].计算机仿真，2014，31（12）：160?163.

[7] 杨世平，余浩，刘金刚，等.液压挖掘机动力系统功率匹配及其节能控制[J].机械工程学报，2014，50（5）：152?160.

[8] 蒋南希.刍议汽车发动机怠速控制技术[J].科技资讯，2015，13（5）：82.

[9] 王宝昌，董丽.基于PAM?STAMP的汽车发动机盖板拉延成形仿真设计[J].森林工程，2014，30（4）：107?109.

[10] 王慶年，李峰，王鹏宇，等.基于发动机高频使用区的混合动力汽车发动机优选方法[J].吉林大学学报（工学版），2014，44（1）：1?4.