一种基于硬件在环的怠速起停功能开发方法

张志强 季昌健 王晨宇

（一汽奔腾轿车有限公司奔腾开发院）

随着第五阶段油耗标准的规划制定，以及国Ⅵ排放标准的陆续实施，国内各大主机厂都致力于通过研发高效率发动机、增加电气化智能配置、搭载新能源动力等手段来达到节能减排的目的。车辆怠速起停功能是实现上述目标的一种有效方法，其节油率超过3%[1]，主要污染物排放降低5%[2-3]。随着车型开发周期的日益缩短和质量要求的不断提高，高效、可靠地开发怠速起停功能，是主机厂所面临的一项重要挑战。文章提出一种基于发动机控制器硬件在环测试系统（EMS HIL）的怠速起停功能开发方法，可有效地解决上述问题。

1 设计方案及实现

怠速起停功能通过在汽车怠速期间关闭发动机，达到节能减排的目的，其系统控制原理，如图1 所示。图 1 中，v0，v1，v2表示车速；n0，n1表示发动机转速；ε0，ε1表示误差；T 表示转矩。

实现怠速起停功能，需要模拟的主要信号包括电池荷电状态（SOC）、励磁电流、发电机占空比及制动真空度信号等。

1.1 蓄电池模型设计

文献[4]使用2 阶等效电路，根据改进的卡尔曼滤波算法，建立了SOC 估算模型。但是上述算法对处理器算力要求很高，低硬件成本HIL 平台（2.3 GHz 主频，实际可用内存2.79 G，256 kB×4 缓存）在实时性上，无法满足复杂算法要求。HIL 设备处理器承载信号处理、模型仿真、数据运算等进程，在0.001 s 完成1 次计算，这就需要既精简又实用的模型，来达到同样的起停系统开发的目的。

文章搭建的电池模型在Rint 电路模型的基础上进行改进和完善。

式中：Uout——输出端电压，V；

Uoc——开路电压，V；

I——电池电流，A；

Rint——电池等效内阻，Ω。

通过试验数据，生成基于电池SOC 和电池温度（Tbat/℃）的MAP 图：Uoc=f（SOC，Tbat），Rint=g（SOC，Tbat）。

基于功率守恒原理，整车电量需要维持平衡状态[5]：

式中：Pbat——电池放电功率，W；

Pload——负载消耗功率，W；

Pgen——发电机输出功率，W。

式中：ci——加权系数，即电气设备的使用频率；

Pi——电气设备的额定功率，W。

车载用电气设备包括喷油器、点火线圈、电子节气门、电动助力转向、真空泵及电磁阀等。

电池放电功率及电池电量的计算，如式（4）和式（5）所示。

式中：Qsum——电池当前状态下的总电量，A·h；

t0——开始充电时刻；

Δt——电池电荷不再变化时所经历的总时间，h。

使用安时积分法，同理可以计算电荷消耗量（Qused/A·h），则电池当前荷电状态（SOCt）表示为：

1.2 发电机模型设计

文献[6]阐述了汽车发电机整流器及调节器机理。文章在此基础上，增加目标发电电压控制和励磁电流限值控制。

依据发电机台架试验，保持发电电压（Ugen/V）恒定，生成基于发电机转速（ωg/（rad/s））的发电机最大发电电流MAP 图：Imax=h（Ugen，ωg）。

式中：Tg——发电机转矩，作为发动机负载转矩，N·m；

η——发电机效率。

依据发动机转速和速比，计算出ωg，然后通过查询MAP 图 h（Ugen，ωg），可以得出当前转速下发电机的最大发电电流（Imax/A），使用式（8）计算发电机占空比。

式中：PWMg——发电机输出占空比；

Ioutput——发电机实际输出电流，A。

同时在上述计算数值基础上，发电机占空比需要依据SOC 值进行修正，尤其在SOC 值较高时，需要减小发电机占空比。

利用相数（K）、绕组匝数（N）、频率（f/Hz）、磁导率（μ/（H/m））、磁路长度（l/m），基于式（9）计算励磁电流。

式中：IE——励磁电流，A；

Utarget——由ECU 给出的目标发电电压，V；

S——与磁场方向垂直的磁阻面积，m2；

IEmax——ECU 给出的励磁电流最大值，A。

1.3 制动真空度模型设计

制动真空度是起停系统的安全输入条件，因此必须合理模拟出真空度数值。真空室通过单向阀与进气歧管相连，基本原理是：当真空室压力低于进气歧管压力时，单向阀关闭；当进气歧管压力低于真空室压力，并且满足单向阀开启压力时，单向阀打开，同时需要进行制动踏板开度修正。进气歧管压力由商业模型TESIS enDyna 计算得到。

式中：Pn,vcm——第n 个采样周期真空室压力，Pa；

Pn,mnf——第n 个采样周期进气歧管压力，Pa；

C——单向阀开启压力，是一个设定常数，Pa；

l（α）——修正函数；

α——制动踏板开度，可依据试验数据生成MAP图l（α），%。

1.4 模块算法实现

蓄电池模型和发电机模型使用Simulink 软件开发，其计算流程图，如图2 所示。

图2 蓄电池发电机模型计算流程图

依据驾驶员对电气功率的需求，计算电池端电压、SOC、发电机占空比及励磁电流等；其中，需要使用电池内阻、端电压、发电机转速和电流等试验数据。

2 算法试验

将上述Simulink 模型加载到ECU 硬件在环系统[7]中，进行怠速起停功能开发，验证SOC、真空度、发电机占空比及励磁电流等在起停功能中的逻辑关系。试验结果如图3～图7 所示。

图3 怠速起停-转速和SOC 曲线

图4 怠速起停-转速和真空度曲线

图5 发电机占空比和SOC 曲线

图6 目标发电电压和励磁电流曲线

图7 歧管压力和真空度曲线

图 3 表明，SOC 在阈值以上，ECU 控制停机，SOC在阈值以下，ECU 控制起机；图4 表明，真空度在阈值以下，ECU 控制停机，真空度在阈值以上，ECU 控制起机；图5 表明，随着电气设备功率需求的提高，发电机已经以100%的占空比发电，但仍然无法满足使用需求，需要蓄电池辅助供电，蓄电池放电，SOC 值不断降低；图6 表明，目标发电电压达到阈值以下时，发电机模型励磁电流调节为0，以停止发电，其余工况励磁电流和目标发电电压成正相关；图7 表明，真空度数值符合单向阀开启条件，同时考虑了制动踏板修正因素。模型仿真计算过程中，歧管压力仿真存在振荡现象、导致发动机转速相应波动，但是对验证怠速起停功能的逻辑开发暂无影响。

3 结论

文章设计了一种基于EMS HIL 的怠速起停功能开发方法，在Rint 电路模型的基础上，依据功率守恒原理完善了蓄电池模型；依据目标发电电压、励磁电流限值，优化了发电机模型；依据歧管压力和真空度关系、考虑制动因素，改进了制动真空度模型。将上述模型集成到HIL 台架上，试验证明，设计的模型应用在怠速起停功能开发中，满足设计要求，达到了低成本开发的目的。

与此同时，该设计的方法存在一定的局限性，算法实现时需要基于试验数据查询MAP 图，没有实现完全的模型计算，在一定程度上影响了应用范围，需要后期加以完善。