CN100559022C - 兼容24v与12v电压的气体燃料发动机电子控制单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了兼容24V与12V电压的气体燃料发动机电子控制单元，该电子单元由分别与微控制器连接的多路电源电压变换系统、输入处理电路、输出驱动电路和通信接口电路组成；+5V稳压电源采用输出电压为+5V的低跌落电压稳压芯片TLE4274GV50作为其电源芯片；+10V稳压电源之一和10V稳压电源之二为低跌落电压稳压芯片TLE4274GV10，+6.8V开关电源采用带同步协调功能的降压芯片L4973。本发明使+12V标准的执行部件既能在+12V电池电压的系统中可靠工作，也能在+24V电池电压的系统中可靠工作。本电子控制单元适合于采用普通轿车的发动机执行零件，把大功率柴油发动机改造为单燃料气体发动机。

Description

兼容24V与12V电压的气体燃料发动机电子控制单元
技术领域
本发明涉及一种发动机电子控制单元(ECU)，特别是适用于采用+24V电池作为系统电源的单燃料气体发动机，属于汽车电子领域。
背景技术
LPG(液化石油气)与CNG(压缩天然气)是较为洁净的气体燃料，特别适合用于城市公交车。以前城市公交车以柴油车为主，且一般采用+24V电池系统。在柴油发动机基础上，通过更换发动机活塞、配置相应的发动机电子控制系统，就能把柴油机改造为点燃式单一气体燃料发动机，相关的发动机控制系统部件如点火线圈、喷气嘴、怠速步进电机、氧传感器等一般采用普通轿车所采用的相应部件，这些部件量大面广，成熟可靠。普通轿车采用+12V电池作为电源，所以这些执行部件是按+12V电压标准设计。由于工作电流超出额定范围，所以不能简单地把这些部件用到以+24V电池为电源的系统中，必须针对不同发动机电子控制系统部件的特性，设计相应的处理方案。而传统方法是采用一个庞大的外置开关电源把+24V降为+12V，为整个发动机电子控制系统供电。而本发明则不采用上外置开关电源，而是通过设计发动机电子控制单元的硬件与软件，就能在+24V系统中，采用+12V标准的执行部件，实现单燃料气体发动机电子控制系统，并降低系统成本、提高系统可靠性。
燃气发动机由于稳定燃烧范围广，可以采用稀薄燃烧控制策略，以提高发动机的经济性，检测或估计燃烧空气/燃料比是实现稀薄燃烧控制的关键。
发明内客
本发明的目的在于提供一种适于+24V电压工作、有极高可靠性同时又成本低廉、软件智能化程度高的发动机电子控制单元。基于+24V电池电源，设计不同等级的电源变换电路，为不适应+24V电压的控制执行机构供电。
本发明目的通过如下技术方案实现：
兼容24V与12V电压的气体燃料发动机电子控制单元由分别与微控制器连接的多路电源电压变换系统、输入处理电路、输出驱动电路和通信接口电路组成；所述微控制器为带JTAG编程接口的ATMega128单片机；
所述多路电源电压变换系统包括+5V稳压电源、+10V稳压电源之一，10V稳压电源之二和+6.8V开关电源，其输入端都与电池直接相连；+5V稳压电源采用输出电压为+5V的低跌落电压稳压芯片TLE4274GV50作为其电源芯片；+10V稳压电源之一和10V稳压电源之二采用低跌落电压稳压芯片TLE4274GV10作为其电源芯片，+6.8V开关电源采用带同步协调功能的降压芯片L4973。
所述输入处理电路分为模拟信号处理与开关信号处理两部分，分别与微控制器相连；模拟信号处理电路采用巴特沃斯二阶滤波器，对发动机运行模拟输入信号的调理、滤波处理；数字信号信号处理电路采用74HC240缓冲器把开关信号变为单片机能接受的电平信号。
所述输出驱动电路包括TLE4729G怠速步进电机驱动芯片、VB325SP智能点火驱动芯片之一、VB325SP智能点火驱动芯片之二、BTS142D智能PWM驱动芯片之一、BTS142D智能PWM驱动芯片之二；怠速步进电机驱动芯片TLE4729G与+10v稳压电源连接，驱动怠速步进电机；VB325SP智能点火驱动芯片之一和VB325SP智能点火驱动芯片之二分别与+24V电池连接，分别驱动三个点火线圈和氧传感器加热线；BTS142D智能PWM驱动芯片之一与+6.8V喷气嘴稳压电源相连，驱动高速喷气嘴；BTS142D智能PWM驱动芯片之二与+24V电池连接，驱动保险电磁阀。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明所提供的单燃料气体发动机电子控制单元(ECU)，具有可靠的功能，无需更改软件与硬件，就能自动在+12V与+24V两种电压系统中工作。取消了额外的外置式把+24V降为+12V的开关电源。
(2)ECU内部则取消了额外的散热器，使发动机电子控制系统整体结构可靠性提高。同时使ECU能自动适应各种系统配置，令控制系统能方便地与各种型号的单燃料发动机匹配。通过硬件与软件的综合设计，使ECU正常工作发热大大减少，提高了电子控制单元的可靠性。
(3)发动机的部分执行部件采用恒定的降压工作电压，省去了复杂的电池电压变化对执行机构工作特性影响补偿的标定过程，简化了软件设计。
附图说明
图1本发动机电子控制单元的原理框图。
图2为喷气嘴供电的开关电源电路图。
图3带电流恒流功能的智能驱动电路图。
图4针对点火线圈与氧传感器加热的智能驱动软件流程图。
图5燃气流量计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，单燃料气体发动机电子控制单元由五大部分构成，它们是给电控单元不同部分供电的多路电源电压变换系统1、采用MEGA128高速单片机的中央控制单元2、处理模拟与数字输入信号的输入处理电路3、由智能驱动芯片构成的输出驱动电路4、符合ISO1941标准的通信接口电路5。
中央控制单元2负责软件的执行，通信接口电路5负责与外界通信。
多路电源电压变换系统1包括+5V稳压电源1-1、+10V稳压电源之一1-2，10V稳压电源之二1-3和+6.8V开关电源。其输入端都与电池直接相连；+5V稳压电源1-1采用输出电压为+5V的低跌落电压稳压芯片TLE4274GV50作为该部分的电源芯片。+10V稳压电源之一1-2和10V稳压电源之二1-3为低跌落电压稳压芯片TLE4274GV10，+6.8V开关电源采用带同步协调功能的降压芯片L4973。
普通汽车级电源稳压芯片都是针对+12V标准的，为保证+24V级稳压可靠，本发明+10V稳压电源之一1-2和10V稳压电源之二1-3采用正常工作电压范围为+11V～+42V的低跌落电压稳压芯片TLE4274GV10，该10.0V电压不仅提供给怠速步进电机，还提供给数据通信接口电路。
图1也给出了发动机电子控制系统中不同执行部件的供电方案，与单一电源集中供电不同，这是采取分散供电方案，即根据执行机构的特性配置不同的工作电源。点火线圈、氧传感器加热、保险电磁阀、怠速步进电机、喷气嘴是发动机控制系统中的具体执行机构，这些机构都是按+12V工作电压设计的，本发明中，这些机构的供电方式如下：
(1)点火线圈的供电。它能够耐受较高工作电压，把点火的闭合周期减半，再加上点火驱动芯片有恒流功能，就能改造成+24V下正常工作，且点火线圈不发热。所以点火线圈由电池直接供电，采用VB325SP智能点火驱动芯片作为其驱动。
(2)氧传感器加热供电。它能耐受+24V高工作电压，但必须限制其最大工作电流以免烧断加热丝。所以采用有恒流功能的点火驱动芯片作为氧传感器加热驱动，使工作电流在安全范围内，同时根据发动机工作状态，采用智能脉宽调制(PWM)方法减小平均工作电流，即保证氧传感器正常工作，又就能确保电能消耗最小。所以电池直接与氧传感器加热丝相连，并采用VB325SP智能点火驱动芯片作为加热驱动。
(3)保险电磁阀供电。气体燃料管道上的保险电磁阀，能耐受+24V高工作电压。采用智能脉宽调制(PWM)减小平均工作电流，就能确保电磁阀发热比+12V直接供电还小，以智能驱动芯片BTS142D作为其驱动。
(4)怠速步进电机供电。步进电机不能耐受+24V的高工作电压，采用发动机电子控制单元为其提供降压工作电源的方式，步进电机采用+10.0V工作电源，降压方式为线性稳压，采用TLE4274GV10作为稳压芯片。
(5)喷气嘴供电。喷气嘴能耐受+24V的高工作电压，但必须限制其工作电流，直接采用+12V作为其工作电压同样会导致工作电流过大，所以采用开关电源把电池电压降至+6.8V为其提供降压工作电源，同时确保足够的工作电流。开关电源芯片采用带同步协调功能的降压芯片L4973。
图2是为喷气嘴供电的开关电路原理图。每一个喷气嘴由两路并联工作的降压开关电源芯片L4973提供工作电源，开关电源芯片的输出不是直接连在一起，而是各自通过串联的电感线圈L11、L12与并联的电容Co1、Co2连在一起，从而保证两个开关电源能均分担负荷电流。另外L4973的同步端(第20管脚)连起来，确保两个芯片的斩波动作一致，使两个开关电源不仅平均负荷电流相等，而且瞬态工作电流也相等，确保L4973的最大瞬间电流不会超过最大额定值(3.5A)。采用较小工作电流的L4973并联，与采用单一大工作电流的开关电源器件相比L4973无需额外的散热器。
图3为带电流恒流功能的智能驱动电路原理图，电池31与点火线圈32相连，由驱动芯片VB325SP控制点火线圈充电电流，而点火线圈控制火花塞33放电。当单片机发出点火闭合脉冲后，不管电池电压是+24V还是+12V，VB325芯片都能能把线圈33的工作电流自动恒定在6.5A。VB325SP有诊断输出端，当工作电流超过4.5A，该引脚变为高电平，单片机读取该信号值以控制驱动闭合时间，自动适应电池电压的变化。
图4为针对点火线圈与氧传感器加热的智能驱动软件流程图。软件采用分发动机工况的控制方法，而不是单纯依靠测量电池电压来控制驱动。该软件把发动机分为启动、怠速、行驶三种工况。不同工况采用不同的驱动策略：启动时把点火闭合角加倍以保证点火能量；进入暖机过程以较大的占空比给氧传感器加热使氧传感器迅速达到正常工作温度；在发动机正常运行时，通过估计排气温度，控制氧传感器加热的占空比。怠速与行驶工况基本点火闭合角主要由电池电压决定。
图5为燃气供应量计算程序流程图。软件首先判断发动机工作状态(启动、怠速、行驶)，不同状态采取不同的燃料计算算法：
在启动状态，通过事先的实验获得基本的开环启动燃料供应量，软件再通过测量发动机实际的启动负荷以修正启动燃料供应量。
在怠速状态，根据事先的实验获得基本怠速燃料供应量，软件再根据怠速状态下的实际发动机稳态负荷修正燃料供应量。怠速采用偏稀的燃烧控制策略，为实现最佳怠速废气排放，基于开关型(λ型)氧传感器测量到的燃烧空燃比再修正一次燃料供应量。对于异常的怠速负荷冲击，根据经验设定值补偿额外的燃料以避免怠速激烈波动或发动机熄火。
在行驶状态，由于气体燃料的稳定燃烧范围比汽油宽，所以单燃料气体发动机可采用稀薄燃烧控制以达到节约燃料的目的。具体采用“前馈+反馈”的控制方案，首先根据发动机转速和负荷计算基本燃料供给量，然后根据气体燃料的温度与压力修正燃料供给量，从而计算出燃料的前馈供应值。为了使发动机的燃烧逼近稀燃临界值，根据开关型(λ型)氧传感器的测量值和指示转矩的在线估算计算出发动机燃烧空气/燃料比，作为减少燃料实现稀薄燃烧控制的反馈值，实现稳定的稀薄燃烧。
在行驶状态当汽车处于加速或减速时，根据油门变化速度，计算出相应的加减速补偿量。
最后在行驶状态中还实时判断发动机的工作负荷区域，分区域设置最佳的发动机燃料/空气比，在保证汽车动力性同时实现最小的燃料消耗量。
本发明对于适应+24V电压的执行机构，通过微控制器控制其工作电流在额定范围，并自动适应电池电压的大范围波动。通过减小功率驱动芯片的发热，并在印刷线路板上设计较大范围的裸露散热铜箔，使功率驱动芯片无需加装额外的散热器，使电子控制单元内部结构更加牢固。通过对发动机转矩进行预估，实现稀薄燃烧控制。
标准怠速步进电机的工作电压范围是9V-16V，工作电流为0.4A，采用输出稳压值为10.0V的低跌落电压线性稳压芯片TLE42774GV10，电池电压作为该稳压芯片的输入，稳压后恒定的10.0V电压给步进电机供电。这样不仅能保证步进电机可靠工作而且由于10.0V小于12V使步进电机驱动芯片发热减少。
喷气嘴把气体燃料喷射进发动机，喷气嘴一般是电流型，即喷气嘴的输入电阻非常小(如等效输入电阻为1欧母，不能直接用+24V或+12V电源来驱动喷气嘴，必须严格限制其工作电流，传统是采用峰值恒流的方法，本发明则通过开关电源把电池电压降为+6.8V的稳定电压给喷气嘴供电，开关电源芯片采用L4973，特别的是通过并联两个L4973的输出给一个喷气嘴供电，以加大稳压电源的驱动能力，同时保持L4973发热很小，无需加额外的散热器的特点。
点火线圈与氧传感器加热都采用自带恒流功能的驱动芯片VB325SP驱动，从而确保它们的工作电流不会超出额定范围，避免因电压升高后工作电流电压升高而变大烧毁线圈。通过控制线圈充电的闭合角，使控制系统能自动适应电池电压的波动。
保险电磁阀采用BTS142D作为其驱动芯片，通过软件控制输出脉冲的占空比。电磁阀的驱动采用智能控制方式，根据发动机的工作状态、电池电压、电磁阀的短时耐热能力综合决定控制脉冲占空比。
本发明TLE4274GV10、L4973、VB325SP、BTS142D芯片都是采用表面焊接的封装形式，通过设计较大的裸露铜箔作为散热面使电子控制单元的线路板无需加装额外的散热器，极大简化电子控制单元的结构设计。
本电子控制单元适合于采用普通轿车的发动机执行零件，把大功率柴油发动机改造为单燃料气体发动机。

Claims (3)

1.兼容24V与12V电压的气体燃料发动机电子控制单元，其特征在于，该电子单元由分别与微控制器连接的多路电源电压变换系统、输入处理电路、输出驱动电路和通信接口电路组成；所述微控制器为带JTAG编程接口的ATMega128单片机；
所述多路电源电压变换系统包括+5V稳压电源、+10V稳压电源之一，10V稳压电源之二和+6.8V开关电源，其输入端都与电池直接相连；+5V稳压电源采用输出电压为+5V的低跌落电压稳压芯片TLE4274GV50作为其电源芯片；+10V稳压电源之一和10V稳压电源之二采用低跌落电压稳压芯片TLE4274GV10作为其电源芯片，+6.8V开关电源采用带同步协调功能的降压芯片L4973。
2、根据权利要求1所述的兼容24V与12V电压的气体燃料发动机电子控制单元，其特征在于，所述输入处理电路分为模拟信号处理与开关信号处理两部分，分别与微控制器相连；模拟信号处理电路采用巴特沃斯二阶滤波器，对发动机运行模拟输入信号的调理、滤波处理；数字信号信号处理电路采用74HC240缓冲器把开关信号变为单片机能接受的电平信号。
3、根据权利要求1所述的兼容24V与12V电压的气体燃料发动机电子控制单元，其特征在于，所述输出驱动电路包括TLE4729G怠速步进电机驱动芯片、VB325SP智能点火驱动芯片之一、VB325SP智能点火驱动芯片之二、BTS142D智能PWM驱动芯片之一、BTS142D智能PWM驱动芯片之二；怠速步进电机驱动芯片TLE4729G与+10v稳压电源连接，驱动怠速步进电机；VB325SP智能点火驱动芯片之一和VB325SP智能点火驱动芯片之二分别与+24V电池连接，分别驱动三个点火线圈和氧传感器加热线；BTS142D智能PWM驱动芯片之一与+6.8V喷气嘴稳压电源相连，驱动高速喷气嘴；BTS142D智能PWM驱动芯片之二与+24V电池连接，驱动保险电磁阀。
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