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混合动力汽车EMS系统开发分析 发动机管理系统(后文简称EMS系统，Engine Management System)是混合动力汽车的关键技术之一，也是国内相关企业研发混合动力汽车的瓶颈所在。 ??? 相关研究表明，发动机工作效率的优化对混合动力汽车燃油经济性的贡献率大概在15%~35%左右。而目前国内很多企业、研究所和高校在研发混合动力汽车时，仍然将EMS系统作为一个黑匣子使用，仅通过调节节气门开度来控制发动机的扭矩输出，而不对发动机的喷油量、点火角等主要控制参数进行主动控制，也没有涉及诊断系统和安全监控系统的功能升级。 ??? 这种设计方法不能针对混合动力汽车的特点优化发动机的工作特性，特别是优化发动机的瞬态工作特性，也不能满足国内外排放和EOBD法规的要求，在安全监控方面还存在较大的安全隐患问题，因此只能作为功能样车使用，不可能大批量生产。 混合动力汽车分类和主要功能特性 ??? 根据混合动力汽车的功能特征，可以将混合动力汽车划分为微度混合动力(Micro hybrid，简称微混)、轻度混合动力(Mild hybrid，简称轻混)和强度混合动力(Strong hybrid，简称强混)。 ??? 微度混合动力汽车的主要功能是智能起停，即在车辆怠速时自动关闭发动机，等到车辆运行前再自动起动发动机，因此又称为起停系统。由于减少了发动机怠速，发动机怠速时消耗的燃油就被节省下来。轻度混合动力汽车除了起停功能外，还具有制动能量回收和扭矩辅助的功能。制动能量回收指在车辆减速或制动时，通过电机提供负扭矩制动力，将车辆的动量转化为电能存储到电池中，该部分电能又可以通过电机在适当的时候以机械能输出。制动能量回收功能能够降低油耗5%~14％左右。扭矩辅助是指电机能够在某些工况下和发动机一起共同提供扭矩输出，以满足车辆在极限工况下的扭矩需求，如全加速和上坡工况等。传统汽车一般采用较大功率的发动机以满足这些极限工况的扭矩需求，而混合动力汽车由于有电机的扭矩辅助，可以采用较小功率的发动机就能达到同样的动力输出，该功能能够降低油耗达6%~14%左右。强度混合动力汽车除了具备轻度混合动力汽车的功能以外，还有纯电动驱动功能，即电机可以单独驱动车辆运行。由于电机的功率较大，能够实现较复杂的控制算法，燃油经济性得到进一步提高。 混合动力汽车EMS系统的技术要求 ??? 根据以上混合动力汽车类型和功能特性分析，混合动力汽车EMS系统需要具备以下功能： ??? 发动机智能起停 ??? 目前，我国车辆型式认证主要采用综合工况(NEDC，New European Driving Cycle)测试车辆的油耗和排放。在综合工况下，发动机总共有12次怠速，除了用于自学习和诊断的怠速外，大部分怠速都可以停止发动机，测试结果显示，该功能能够降低油耗达4％~8％左右。 ??? 对常规汽车来说，如果在ECU上电的情况下，发动机转速降为0，将视为一种发动机憋死故障，如果不将ECU下电就直接起动发动机，EMS将以一种跛行起动模型工作，喷入较多的油，并以较大的空气负荷起动发动机，以确保发动机起动成功，从而造成油耗和排放恶化。同时，常规发动机的暖机起动时间大概为400ms左右，将会导致怠速起动发动机时的较长延时，造成驾驶员困惑或烦躁。混合动力汽车的EMS系统需要解决以上问题，降低发动机怠速起停时的油耗和排放，缩短起动时间，并及时诊断可能的起停故障。在具体功能升级方面，需要对燃油系统，空气系统，排气系统，诊断功能等多个子系统进行相应的功能更改。 ??? 发动机扭矩响应 ??? 在混合动力汽车中，HCU(Hybrid Control Unit)是主控制器，EMS需要响应HCU的扭矩需求，而不再直接受驾驶员踏板的控制。图3是常规车辆的EMS系统扭矩控制结构，分为三层：控制层、限制层和安全监控层。控制层根据发动机和车辆当前运行参数，将驾驶员的踏板信号转化为扭矩需求，并与巡航控制、空调控制、换档控制等外部扭矩需求进行协调，再综合考虑驾驶性功能，得到最终发动机扭矩需求，并转化为对节气门、点火角和喷油量的控制量，从而通过燃油的燃烧过程来产生发动机的扭矩输出。 ??? 为了确保发动机的扭矩输出与驾驶员的意图一致，EMS系统又设计了限制层和安全监控层，对控制层的控制输出进行限制和监控，以确保发动机扭矩输出的安全性。限制层主要计算发动机的最大允许扭矩输出，而安全监控层则采用另外一种控制算法计算发动机的输出值，并将发动机实际输出和该冗余模型计算的结果进行比较，如果两个结果差别较大，将调用故障处理功能。为了防止单个控制器的物理故障导致安全问题发生，安全监控层采用了单独的安全监控控制器，通过两个控制器的互相监控，能够确保任一个控制器出现故障时，另一个控制器都能及时监控，并采取安全的处理措