隨著人們對(duì)于車輛駕駛性能的需求不斷提高，傳統(tǒng)的采用油門拉索控制節(jié)氣門開度的方式已經(jīng)無法滿足要求，取而代之的是采用“drive-by-wire”技術(shù)，利用電子油門踏板、電子節(jié)氣門和發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（ECU）組成的EGAS電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于扭矩模型的精確控制，從而獲得良好的動(dòng)力性、駕駛性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

EGAS系統(tǒng)

EGAS控制系統(tǒng)以扭矩控制為核心，駕駛員的動(dòng)力需求通過電子油門踏板開度輸入，在ECU中轉(zhuǎn)換為對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩需求，扭矩需求進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量需求（氣路）和點(diǎn)火提前角需求（火路）。進(jìn)氣量需求轉(zhuǎn)換為節(jié)氣門需求開度，并根據(jù)設(shè)置的空燃比換算成噴油量需求。節(jié)氣門電機(jī)將節(jié)氣門打開至需求開度，噴油器按照設(shè)置的噴油量進(jìn)行噴油，點(diǎn)火線圈按需求的點(diǎn)火提前角進(jìn)行點(diǎn)火，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)按照駕駛員期望的扭矩進(jìn)行輸出。

圖 1 EGAS系統(tǒng)示意圖

圖 2 扭矩結(jié)構(gòu)示意圖

EGAS安全監(jiān)控

EGAS系統(tǒng)的各種傳感器和執(zhí)行器經(jīng)常處于高溫、強(qiáng)電磁干擾的惡劣工作環(huán)境中，難免會(huì)產(chǎn)生和傳遞錯(cuò)誤信號(hào)。如果不提高系統(tǒng)的可靠性，故障信號(hào)或錯(cuò)誤的計(jì)算導(dǎo)致節(jié)氣門打開到錯(cuò)誤角度，則有可能造成車輛突然輸出過大或過小的扭矩。利用道路車輛功能安全國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO26262的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程進(jìn)行分析，EGAS系統(tǒng)輸出扭矩過小的安全等級(jí)僅為QM，不用額外的功能安全機(jī)構(gòu)保障；而輸出扭矩過大的安全等級(jí)可達(dá)B級(jí)，需要設(shè)置相關(guān)的功能安全架構(gòu)。EGAS安全監(jiān)控的主要內(nèi)容即為防止車輛輸出與需求不符的過大扭矩，出現(xiàn)非期望的突然加速。

因此，Bosch在EGAS系統(tǒng)中引入了安全監(jiān)控的概念，通過對(duì)硬件和軟件的冗余設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)始終處于可控的運(yùn)行狀態(tài)下。其主要架構(gòu)為：

硬件上，電子油門用兩路獨(dú)立供電的傳感器采集油門踏板的位置信號(hào)，正常情況下1路信號(hào)電壓始終為2路信號(hào)電壓的2倍，利用冗余信號(hào)的相互校驗(yàn)保證踏板輸入信號(hào)的正確性。

圖 3 油門踏板兩路傳感器信號(hào)示意圖

電子節(jié)氣門依靠ECU來驅(qū)動(dòng)節(jié)氣門上的直流電機(jī)，對(duì)節(jié)氣門開度進(jìn)行控制，并采用兩個(gè)傳感器采集節(jié)氣門的位置信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制的閉環(huán)。兩路信號(hào)幅值相同但方向相反，正常情況下兩路信號(hào)之和始終為定值，以此保證節(jié)氣門開度控制的準(zhǔn)確性。當(dāng)兩路信號(hào)校驗(yàn)出錯(cuò)時(shí)，系統(tǒng)還將引入充氣量反算出的節(jié)氣門開度對(duì)信號(hào)的正確性進(jìn)行進(jìn)一步的校驗(yàn)，提高了系統(tǒng)的安全性。此外，系統(tǒng)會(huì)檢驗(yàn)節(jié)氣門實(shí)際開度對(duì)目標(biāo)開度的跟隨情況，以確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)是否工作正常。

圖 4 節(jié)氣門兩路傳感器信號(hào)示意圖

ECU由獨(dú)立的主芯片和監(jiān)控芯片組成，兩套硬件系統(tǒng)通過查詢/應(yīng)答機(jī)制互相檢查和校驗(yàn)。

軟件上，設(shè)置了三層架構(gòu)，分別為L(zhǎng)evel 1功能層、Level 2功能監(jiān)控層和Level 3芯片監(jiān)控層。Level 1功能層包含了正常發(fā)動(dòng)機(jī)控制功能，如發(fā)動(dòng)機(jī)需求扭矩協(xié)調(diào)，節(jié)氣門控制，噴油、點(diǎn)火控制，零部件診斷，輸入輸出信號(hào)檢查，故障時(shí)產(chǎn)生各種系統(tǒng)響應(yīng)等。Level 2功能監(jiān)控層監(jiān)控Level 1功能層的各種重要軟件計(jì)算，如監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩。一旦檢測(cè)到故障，就觸發(fā)故障響應(yīng)。Level 3芯片監(jiān)控層分別運(yùn)行在主芯片和監(jiān)控芯片上，執(zhí)行查詢/應(yīng)答流程檢查功能。

圖 5 ECU安全監(jiān)控架構(gòu)示意圖

EGAS故障診斷

在EGAS安全監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)到相關(guān)的傳感器、控制器和執(zhí)行器發(fā)生故障時(shí)，安全監(jiān)控系統(tǒng)將根據(jù)故障的嚴(yán)重程度命令車輛進(jìn)入對(duì)應(yīng)的故障工作模式，降低故障的危害性，并通過儀表盤上的MIL、SVS等故障指示燈提示駕駛員車輛出現(xiàn)故障，盡快到維修站維修。

EGAS故障診斷的主要內(nèi)容有：

電子油門踏板診斷

正常情況下兩路油門踏板信號(hào)的比值滿足一定函數(shù)關(guān)系，踏板第一路信號(hào)始終為第二路信號(hào)的兩倍。如果兩個(gè)信號(hào)的函數(shù)關(guān)系的偏差超出了合理范圍，則可以認(rèn)為油門踏板信號(hào)不可信，報(bào)出相關(guān)故障。

電子節(jié)氣門診斷

正常情況下，兩路節(jié)氣門開度信號(hào)的變化方向相反，而且兩路信號(hào)之和始終為5V。在兩路信號(hào)校驗(yàn)出錯(cuò)的情況下，用由空氣充量反算虛擬節(jié)氣門開度，用來確定哪一個(gè)信號(hào)更可信。

此外，ECU會(huì)檢查節(jié)氣門的實(shí)際開度對(duì)目標(biāo)開度的跟隨性，以確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)是否正常工作。

在車輛上電時(shí)，節(jié)氣門會(huì)進(jìn)行初始化，以確定節(jié)氣門的彈簧等機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)都能正常工作。

剎車信號(hào)診斷

剎車踏板上裝有剎車信號(hào)傳感器和剎車燈信號(hào)傳感器，如果兩路信號(hào)不同步，會(huì)在計(jì)數(shù)器中進(jìn)行累加，當(dāng)計(jì)數(shù)器超過閾值時(shí)，認(rèn)為剎車信號(hào)不可信。

扭矩監(jiān)控診斷

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到當(dāng)前車輛產(chǎn)生的實(shí)際扭矩超過了當(dāng)前工況下的允許扭矩時(shí)，ECU會(huì)通過執(zhí)行器降低車輛輸出扭矩，使車輛保持在可控的狀態(tài)。調(diào)整點(diǎn)火提前角可以快速降低扭矩，但是調(diào)節(jié)范圍較小；調(diào)整節(jié)氣門開度從而調(diào)節(jié)進(jìn)氣量可以大范圍調(diào)節(jié)扭矩，但是需要的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。在以上兩種方法都無法限制住車輛扭矩時(shí)，系統(tǒng)將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)斷油，從而切斷發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩輸出。

在報(bào)出EGAS監(jiān)控的相關(guān)故障后，車輛的故障工作模式主要分為以下幾種：

油門/節(jié)氣門單路信號(hào)故障跛行

在油門踏板或節(jié)氣門的兩路信號(hào)中有一路信號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)，ECU會(huì)限制駕駛員的需求扭矩，使車輛進(jìn)入比較輕微的跛行模式。在這種模式下，車輛最高轉(zhuǎn)速被限制到5000～5500rpm左右，最大車速被限制在120km/h左右，駕駛員在低速行駛時(shí)幾乎感覺不到異常，但是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高后，會(huì)感覺到加速無力等異常現(xiàn)象。

油門兩路信號(hào)故障跛行

當(dāng)油門踏板兩路信號(hào)均出現(xiàn)故障時(shí)，ECU會(huì)把踏板開度強(qiáng)制設(shè)為0，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速被固定在某確定值（通常為1200rpm）。此時(shí)駕駛員如果踩下踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)有任何響應(yīng)。

電子節(jié)氣門NLP位置跛行

在節(jié)氣門出現(xiàn)彈簧檢查出錯(cuò)、目標(biāo)位置與實(shí)際位置偏離過大或PID控制超限等故障時(shí)，會(huì)觸發(fā)節(jié)氣門的NLP位置跛行。ECU對(duì)節(jié)氣門驅(qū)動(dòng)電機(jī)斷電，節(jié)氣門在彈簧的作用下回到平衡位置（NLP），其對(duì)應(yīng)的開度約在6～8％之間。在這種情況下，空檔發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速約在3000rpm左右，車輛加速無力，會(huì)有一定的抖動(dòng)。

安全斷油SKA跛行

在節(jié)氣門報(bào)出NLP位置自學(xué)習(xí)錯(cuò)誤或驅(qū)動(dòng)電壓不足等嚴(yán)重故障，或功能監(jiān)控層報(bào)出監(jiān)控故障時(shí)，ECU除了對(duì)節(jié)氣門斷電，還會(huì)限制發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過限值時(shí)，噴油器將停止噴油，限制轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升。在這種情況下，駕駛員踩下油門踏板會(huì)感到加速無力，同時(shí)會(huì)感到車輛劇烈抖動(dòng)。

ECU重新啟動(dòng)

在ECU兩組芯片校驗(yàn)出錯(cuò)或失去應(yīng)答時(shí)，系統(tǒng)為避免釀成嚴(yán)重事故會(huì)關(guān)閉ECU并重新啟動(dòng)，此過程可導(dǎo)致車輛突然熄火，進(jìn)入滑行狀態(tài)。

安全監(jiān)控的未來

隨著人們對(duì)車輛的駕駛性、舒適性和安全性需求的提高，新功能層出不窮地加入到了車輛的電子系統(tǒng)中，安全監(jiān)控覆蓋的范圍也隨之?dāng)U大。當(dāng)前，聯(lián)電已經(jīng)為ESP（車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)）、TCU增扭、巡航、自動(dòng)起停、遠(yuǎn)程起動(dòng)等功能開發(fā)了對(duì)應(yīng)的監(jiān)控軟件和測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)這些新增功能的安全監(jiān)控，保障了車輛的安全性能。

EGAS安全監(jiān)控的核心在于對(duì)扭矩結(jié)構(gòu)的監(jiān)控。在車輛動(dòng)力系統(tǒng)越來越復(fù)雜的今天，從扭矩結(jié)構(gòu)入手實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的安全監(jiān)控的概念已被越來越多的控制器應(yīng)用和發(fā)展。目前，聯(lián)合電子匹配團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了對(duì)48V混動(dòng)項(xiàng)目的匹配，掌握了對(duì)混動(dòng)系統(tǒng)的匹配能力；對(duì)純電驅(qū)系統(tǒng)的安全監(jiān)控研究也在緊鑼密鼓的開展之中。