混合动力车用汽油机的怠速问题
王　锴　张云龙
(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室　北京　100084)
摘　要：开发混合动力电动汽车，是传统发动机汽车向零排放汽车过渡的有效途径。混合动力汽车在怠
速工况下关闭发动机，避开了发动机工作不良的工况，可以降低油耗和减少排放。但是，目前由汽油车改造的混合动力车，若在怠速时关闭发动机将会带来一系列的问题。本文最后介绍了基于电子节气门的怠速控制方法。关键词：汽油机　混合动力　电子节气门　怠速中图分类号:TK414.3  　文献标识码:A    文章编号:1671-0630(2007)06-0034-04
Study of I dli n g O pera ti on i n Ga soli n e Eng i n e别克轿车价格
for Hybr i d Electr i c Veh i cle
W ang Ka i ,Zhang Y un long
State Key Laborat ory of Aut omotive Safety and Energy,Tsinghua University (Beijing 100084)
Abstract:Hybrid electric vehicle is an effective transiti on fr o m traditi onal vehicle t o zer o e m issi on vehicle .I n idling p r ocess,hybrid vehicles shut down engine t o avoid engine fr om poor operating conditi ons and reduce oil consump ti on and e m issi ons .However,as t o s ome hybrid electric vehicles transf or med fr om gas oline vehicles,it will bring a range of issues if engine is shut down in idling p r ocess .This article intr oduces the method we used in the devel opment of idle s peed contr ol syste m based on electric thr ottle .Keywords:Gas oline engine,HEV,Electr onic thr ottle contr ol,I dling
凌度1　混合动力的三种结构形式及其在怠
速时的性能特点
混合动力电动汽车(HEV )在一辆汽车上同时配备电力驱动系统辅助动力单元(Auxiliary Power Unit，简称AP U )。其中AP U 是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组。混合动力电动汽车将原动机、电动机、能量储存装置(蓄电池)按某种方式组合在一起有串联式、并联式和混合式3种布置形式。1.1　串联式驱动系统1.1.1　串联式驱动系统结构特点
图1为串联式驱动系统的示意图。发动机带动发电机发电，其电能直接输送到电动机，由电动机产生电
磁力矩驱动汽车。在发动机与驱动桥之间通过电实现动力传递。电池串接在发电机和电动机之间,.起功率平衡作用。即当发电机的发电功率大于电动机所需的功率时(如汽车减速滑行、低速行驶或短时停车等工况)，发电机向电池充电；而当发电机发出的功率低于
图1　串联式驱动系统简图
作者简介：王锴(1982-)，硕士研究生，主要研究方向为汽油机电控系统软件开发。
第36卷　第6期2007年12月小型内燃机与摩托车
S MALL I N TERNAL COMBUSTI O N ENGI N E AND MOT ORCYCLE Vol .36No .6
Dec .2007
电动机所需的功率时(如汽车起步、加速、高速行驶、
爬坡等工况)电池则向电动机提供额外的电能。1.1.2　串联式驱动系统在怠速时的性能特点
发动机功率是以汽车某一速度下稳定运行工况所需的功率选定的。当汽车运行工况变化，电动机所需的驱动功率与发动机输出功率不一致时，由发电机向电池充电(吸收发电机富余的电能)或使电池向电
动机放电(协助发电机供电)，电池充电和放电电流的大小根据电动机驱动功率的变化情况进行控制。这样的结构形式和控制方式，使以汽油机为原动机的串联式混合动力电动汽车在怠速时具有如下性能特点：汽油机工作状态不受汽车行驶工况的影响，始终在其最佳的工作区域内稳定运行，避免了怠速工况。因此，串联式混合动力的汽油机具有良好的经济性能和排放性能。1.2　并联式驱动系统1.2.1　并联式驱动系统结构特点
天津二手车评估图2为并联式驱动系统结构示意图。发动机通过机械传动装置与驱动桥连接。电动机通过动力复合装置也与驱动桥相连。汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。并联式混合动力电动汽车的电动机起“调峰”作用，即：当汽车运行工况所需的功率超过发动机的功率时，电动机从电池取得电能产生电磁力矩，并向驱动桥提供额外的驱动功率
。
图2　并联式驱动系统简图
1.2.2　并联式驱动系统在怠速时的性能特点
并联式混合动力电动汽车其发动机功率也是以汽车在某一速度下稳定行驶工况所需的功率选定的。当汽车在低速或变速工况行驶时，需通过加速踏板和变速器来调节发动机的功率输出；而在汽车高速行驶，发动机的输出功率低于汽车行驶所需功率时，则由电动机协助驱动。由于并联式驱动系统的汽油机运行工况要受汽车行驶工况的影响，因此在汽车行驶工况变化较多、较大时，汽油机就会比较多地在其不良工况下运行。在怠速时，仍由汽油机驱动，因此，汽油机在怠速时的排污比串联式的高。
1.3　混联式驱动系统
1.3.1　混联式驱动系统结构特点
混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，其结构示意图见图3。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥；另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电动机或电池；电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。
图3　混联式驱动系统简图
1.3.2　混联式驱动系统在怠速时的性能特点
混联式驱动系统的控制策略是：在汽车低速行驶
时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主。因此，在停车、起步或反复低速时，由电动机来进行驱动，发动机会自动熄火，从而使车辆不会因怠速运转而造成不必要的油耗和废气排放。1.4　目前汽油混合动力车常采用的结构形式
混联式驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联式的优点，能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配.，从而使系统在复杂的工况下工作在最优状态，降低油耗和减少排放，因此是目前汽油混合动力车常采用的结构形式。
2　汽油车改为混联式混合动力车时需
要考虑的问题
混联式结构的汽油混合动力车，由于建立在原有车型的基础上，能降低制造成本；同时汽油机能在稳定的较低耗油率状态下工作，获得较好的经济性能和排放性能。比如在怠速时，汽油机发动机会自动关闭，由电池向电动机电能来驱动，使车辆不会因怠速运转而造成不必要的油耗和废气排放。但在实际的开发过程中，混合动力车沿用了汽油车的相关部件，故还需要考虑以下问题。2.1　助力转向系统
对于混合动力汽车来说，助力转向系统大多选用电动助力转向(EPS:Electric Power Steering )。EPS 由电机提供助力，助力大小由控制单元ECU 实时调节与
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3第6期王锴等：混合动力车用汽油机的怠速问题  　
控制，且没有液压装置，系统只在转向时才工作，因此可以减少燃油消耗，降低排放。
但对于很多传统的汽油车来说，其助力转向系统大多仍选用液压助力转向系统。采用液压助力转向的汽车转向所需的能量，在正常情况下，只有小部分是驾驶员提供的体能，而大部分是发动机驱动的油泵所提供的液压能。
图4所示为液压助力转向中广泛应用的常流式液压助力转向系统。由图可知，转向液压泵由发动机驱动，一旦发动机熄火，则转向困难。而助力转向系统是汽车的重要的安全部件，用来改变或恢复汽车的行驶方向。由汽油车改装为混合动力车后，若助力转向系统仍然采用由发动机驱动的液压助力转向系统，则在怠速工况下，不能关闭发动机，否则汽车难以转向，带来严重的安全隐患。
图4　常流式液压转向助力系统图
2.2　制动系统
混合动力汽车与传统汽油车的一个重要的区别是可以实现再生制动，能回收一部分车辆在制动过程中损失的能量，提高汽车的燃油经济性。而对于传统的汽油轿车来说，广泛采用液压式制动系统。在这种制动系统中，用来进行制动的是油泵提供的液压能，而油泵是靠汽油机来驱动的。因此，在汽油车改装为混合动力车后，若制动系统未进行相应改造，则在怠速工况下，也不能关闭发动机，否则会减小制动助力，由此带来极大的危险。
2.3　空调系统
混合动力车和传统汽油车的空调系统有很大不同：混合动力车的空调压缩机由电机驱动，且没有用来采暖的发动机余热，一般采用热泵型空调系统，空调与发动机工作完全独立；而一般汽油车大多采用机械式的空调系统，由发动机驱动压缩机对冷却介质进行压缩，同时能利用发动机的余热进行采暖。因此，采用机械式空调系统的汽油车改为混合动力车时，在怠速工况下，若需要空调不停止工作，则不能关闭发动机，否则将无动力驱动压缩机制冷。
除此以外，怠速时若关闭发动机，还将会对混合动力车的车灯或其它大功率部件的使用带来很大影响，对汽车的行驶安全不利。因此，将汽油车改为混合动力车后，仍然需要对怠速进行控制。
3　基于电子节气门的怠速控制方法和实验验证
3.1　怠速控制系统结构
图5给出了电子节气门怠速闭环控制结构。它有两个输入参数，即当前的转速偏差e及转速偏差的变化e・；变参数P I D控制器是怠速控制系统的主体，它在不同的阶段可以动态地改变调节参数。通过变参数P I D控制器分别计算出积分项、微分项和比例项，相加得到闭环空气流量u；除了变参数P I D控制器之外，怠速控制系统还有失速补救、空调负荷、冷机流量等补偿项，可以对过渡工况进行针对性的瞬时开环补偿，提高发动机的怠速性能；将所有的开环补偿空气流量项与闭环空气流量项相加，就可得到怠速空气流量；最后查阅空气流量-电子节气门开度转换表得到电子节气门开度，通过控制汽油机的实际进气量调整发动机转速在目标转速附近。
抚顺二手车图5　基于电子节气门的怠速闭环控制结构图
3.2　怠速控制流程
图6给出了电子节气门怠速控制程序流程图。一般电控系统软件中，使用了查表算法实现空气流量转换为步进电机目标步数。使用的表格的输入变量为怠速空气流量百分比，输出变量为怠速步进电机目标步
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  　小　型　内　燃　机　与　摩　托　车            第36卷
数。算法修改的思路是将原来的表格替换为输入变量为怠速空气流量百分比，输出变量为目标节气门开度。这种算法改进对原有算法修改最小，能够最大程度利用原来的程序。
图6　怠速控制程序流程图
3.3　怠速控制功能验证
图7为台架试验中，在电子节气门的控制下，发动机从较高转速进入怠速工况的过程。在当前试验条件下发动机目标怠速为1200r/m in。从0s到第1s，电子节气门控制软件向电控系统发送的目标节气门开度为约12%。此目标开度大于默认开度(7%)，发动机转速稳定在2400r/m in左右。在第1s时，电子节气门
  图7　电子节气门的怠速控制功能验证图控制软件向电控系统发送0%的目标开度。此时，电控系统判断进入怠速工况，怠速控制逻辑通过减小节气门开度使转速降到目标怠速。发动机从第6s开始，转速基本稳定在目标转速附近。从而验证了电子节气门怠速控制功能。
4　总结
将汽油车改为混联式混合动力车，为了在工况变化的情况下，配合发动机ECU控制发动机的输出转矩，优化发动机性能，有效地降低油耗和排放，需要在混合动力车内部增加电动机、电池、电控节气
门系统，代替原有的节气门和怠速旁通空气阀；而又由于上面所说的原因，在怠速时不能让发动机停转，因此需要使用电子节气门来进行怠速控制。
汽油机的机械式节气门换为电子节气门后，取消了由步进电机驱动的怠速旁通空气阀，完全由节气门来控制怠速空气流量。由于电子节气门的节气门位置可以反馈给电控系统，相对于可能发生失步的怠速步进电机来讲，可以提高怠速空气流量的准确度。同时，怠速工况和非怠速工况的进气流量均由电子节气门控制，相对于怠速旁通空气阀来说，过渡工况更加平滑，并且可以取消节气门跟随器和节气门缓冲器逻辑，简化ECU的控制程序。因此，使用电子节气门进行怠速控制不仅是必要的，同时也是方便可行的。
由于相关的标定、算法优化等工作还未完成，因此电子节气门怠速控制的稳定性和精确性还有待进一步提高。
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Vehicle Electr onics Conference,1999.(I V EC’99)Pr o2
ceedings of the I EEE I nternati onal
众泰电动汽车
(收稿日期:2006-10-19)
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