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

EGAS系統

EGAS控制系統以扭矩控制為核心，駕駛員的動力需求通過電子油門踏板開度輸入，在ECU中轉換為對發(fā)動機的扭矩需求，扭矩需求進一步轉換為發(fā)動機的進氣量需求（氣路）和點火提前角需求（火路）。進氣量需求轉換為節(jié)氣門需求開度，并根據設置的空燃比換算成噴油量需求。節(jié)氣門電機將節(jié)氣門打開至需求開度，噴油器按照設置的噴油量進行噴油，點火線圈按需求的點火提前角進行點火，最終實現發(fā)動機按照駕駛員期望的扭矩進行輸出。

圖 1 EGAS系統示意圖

圖 2 扭矩結構示意圖

EGAS安全監(jiān)控

EGAS系統的各種傳感器和執(zhí)行器經常處于高溫、強電磁干擾的惡劣工作環(huán)境中，難免會產生和傳遞錯誤信號。如果不提高系統的可靠性，故障信號或錯誤的計算導致節(jié)氣門打開到錯誤角度，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際標準ISO26262的風險評估流程進行分析，EGAS系統輸出扭矩過小的安全等級僅為QM，不用額外的功能安全機構保障；而輸出扭矩過大的安全等級可達B級，需要設置相關的功能安全架構。EGAS安全監(jiān)控的主要內容即為防止車輛輸出與需求不符的過大扭矩，出現非期望的突然加速。

因此，Bosch在EGAS系統中引入了安全監(jiān)控的概念，通過對硬件和軟件的冗余設計保證系統始終處于可控的運行狀態(tài)下。其主要架構為：

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

圖 3 油門踏板兩路傳感器信號示意圖

電子節(jié)氣門依靠ECU來驅動節(jié)氣門上的直流電機，對節(jié)氣門開度進行控制，并采用兩個傳感器采集節(jié)氣門的位置信號，實現控制的閉環(huán)。兩路信號幅值相同但方向相反，正常情況下兩路信號之和始終為定值，以此保證節(jié)氣門開度控制的準確性。當兩路信號校驗出錯時，系統還將引入充氣量反算出的節(jié)氣門開度對信號的正確性進行進一步的校驗，提高了系統的安全性。此外，系統會檢驗節(jié)氣門實際開度對目標開度的跟隨情況，以確定驅動電機是否工作正常。

圖 4 節(jié)氣門兩路傳感器信號示意圖

ECU由獨立的主芯片和監(jiān)控芯片組成，兩套硬件系統通過查詢/應答機制互相檢查和校驗。

軟件上，設置了三層架構，分別為Level 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)動機控制功能，如發(fā)動機需求扭矩協調，節(jié)氣門控制，噴油、點火控制，零部件診斷，輸入輸出信號檢查，故障時產生各種系統響應等。Level 2功能監(jiān)控層監(jiān)控Level 1功能層的各種重要軟件計算，如監(jiān)控發(fā)動機扭矩。一旦檢測到故障，就觸發(fā)故障響應。Level 3芯片監(jiān)控層分別運行在主芯片和監(jiān)控芯片上，執(zhí)行查詢/應答流程檢查功能。

圖 5 ECU安全監(jiān)控架構示意圖

EGAS故障診斷

在EGAS安全監(jiān)控系統檢測到相關的傳感器、控制器和執(zhí)行器發(fā)生故障時，安全監(jiān)控系統將根據故障的嚴重程度命令車輛進入對應的故障工作模式，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故障，盡快到維修站維修。

EGAS故障診斷的主要內容有：

電子油門踏板診斷

正常情況下兩路油門踏板信號的比值滿足一定函數關系，踏板第一路信號始終為第二路信號的兩倍。如果兩個信號的函數關系的偏差超出了合理范圍，則可以認為油門踏板信號不可信，報出相關故障。

電子節(jié)氣門診斷

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

此外，ECU會檢查節(jié)氣門的實際開度對目標開度的跟隨性，以確定驅動電機是否正常工作。

在車輛上電時，節(jié)氣門會進行初始化，以確定節(jié)氣門的彈簧等機械結構和驅動電機都能正常工作。

剎車信號診斷

剎車踏板上裝有剎車信號傳感器和剎車燈信號傳感器，如果兩路信號不同步，會在計數器中進行累加，當計數器超過閾值時，認為剎車信號不可信。

扭矩監(jiān)控診斷

當系統檢測到當前車輛產生的實際扭矩超過了當前工況下的允許扭矩時，ECU會通過執(zhí)行器降低車輛輸出扭矩，使車輛保持在可控的狀態(tài)。調整點火提前角可以快速降低扭矩，但是調節(jié)范圍較小；調整節(jié)氣門開度從而調節(jié)進氣量可以大范圍調節(jié)扭矩，但是需要的時間相對較長。在以上兩種方法都無法限制住車輛扭矩時，系統將對發(fā)動機斷油，從而切斷發(fā)動機的扭矩輸出。

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

油門/節(jié)氣門單路信號故障跛行

在油門踏板或節(jié)氣門的兩路信號中有一路信號出現故障時，ECU會限制駕駛員的需求扭矩，使車輛進入比較輕微的跛行模式。在這種模式下，車輛最高轉速被限制到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幾乎感覺不到異常，但是當發(fā)動機轉速提高后，會感覺到加速無力等異?，F象。

油門兩路信號故障跛行

當油門踏板兩路信號均出現故障時，ECU會把踏板開度強制設為0，發(fā)動機轉速被固定在某確定值（通常為1200rpm）。此時駕駛員如果踩下踏板，發(fā)動機不會有任何響應。

電子節(jié)氣門NLP位置跛行

在節(jié)氣門出現彈簧檢查出錯、目標位置與實際位置偏離過大或PID控制超限等故障時，會觸發(fā)節(jié)氣門的NLP位置跛行。ECU對節(jié)氣門驅動電機斷電，節(jié)氣門在彈簧的作用下回到平衡位置（NLP），其對應的開度約在6～8％之間。在這種情況下，空檔發(fā)動機最高轉速約在3000rpm左右，車輛加速無力，會有一定的抖動。

安全斷油SKA跛行

在節(jié)氣門報出NLP位置自學習錯誤或驅動電壓不足等嚴重故障，或功能監(jiān)控層報出監(jiān)控故障時，ECU除了對節(jié)氣門斷電，還會限制發(fā)動機的最高轉速。當發(fā)動機轉速超過限值時，噴油器將停止噴油，限制轉速繼續(xù)上升。在這種情況下，駕駛員踩下油門踏板會感到加速無力，同時會感到車輛劇烈抖動。

ECU重新啟動

在ECU兩組芯片校驗出錯或失去應答時，系統為避免釀成嚴重事故會關閉ECU并重新啟動，此過程可導致車輛突然熄火，進入滑行狀態(tài)。

安全監(jiān)控的未來

隨著人們對車輛的駕駛性、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中，安全監(jiān)控覆蓋的范圍也隨之擴大。當前，聯電已經為ESP（車身電子穩(wěn)定系統）、TCU增扭、巡航、自動起停、遠程起動等功能開發(fā)了對應的監(jiān)控軟件和測試方法，實現了對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)控的核心在于對扭矩結構的監(jiān)控。在車輛動力系統越來越復雜的今天，從扭矩結構入手實現對車輛的安全監(jiān)控的概念已被越來越多的控制器應用和發(fā)展。目前，聯合電子匹配團隊已經完成了對48V混動項目的匹配，掌握了對混動系統的匹配能力；對純電驅系統的安全監(jiān)控研究也在緊鑼密鼓的開展之中。