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文：Klaus Grambichler，英飞凌科技股份公司高级应用工程师
在混合动力汽车中，内燃机传感器面临着特殊挑战。现代曲轴传感器必须区分开发动机工作时的有意转动与随机的曲轴移动，如纯电动模式行驶过程中振动引起的移动。这是在内燃机与电机之间进行切换时确保平稳过渡的唯一途径。
只有通过这种方式，才能以最经济高效的方式，确定起动器和蓄电池等组件的外形尺寸。本文介绍了最新推出的XENSIV?曲轴传感器所采用的相应算法。
世界各地的汽车制造商都在努力壮大其驱动系统产品组合。除未来的燃料电池和合成燃料之外，还可以看到，有大量介于内燃机与电机之间的混合解决方案可供选择。
这些可选方案包括可在红灯路口让发动机暂时熄火数秒钟，再自动冷启动的智能启停内燃机，以及可在纯电动模式下轻松实现50 kmph车速，并在蓄电池电量不足时或当汽车在高速路上高速行驶时，由内燃机接棒电机的插电式混合动力汽车。
哪怕是最新的启停系统，市场上也已经有两种不同的实现方案。一种实现方案是，内燃机将如同它刚才并未工作过一小时那样，重新启动。第二种解决方案则是在发动机熄火时监测其移动，所以，当发动机重新启动时，汽车已经知道曲轴位置和接下来要点火的气缸。
只要看看起动器发电机可以安装在驱动轴的哪些不同位置，或者离合器可以将不同电机连接至驱动桥上的哪些点，我们很快就会发现，内燃机曲轴装配选项几乎无穷无尽。
图1. 传感器模块示意图
驾驶员感受到的驾驶交互作用
为了尽可能提高新型电驱动系统的接受度，制造商必须确保操作简便和可预测的顺畅驾驶体验，避免“出其不意的烦恼”，以争取到那些曾经热衷于内燃机的客户。重要的是，内燃机能够平稳地、几乎不易察觉地突然启动，就像在红绿灯路口或交通堵塞时在启停模式下所感受到的那样。这里的关键在于汽车一直都知道曲轴的角度。
如果交通堵塞导致汽车停下来三分钟，那么，曲轴传感器能够忽略轻微的温度变化，或者，更理想的是，进行温度补偿。然而，如果是在崎岖不平的道路上行驶30分钟，曲轴在与动轮脱离的状态下可以自由移动，那么，传感器可能会错误地统计轮齿的轻微晃动或振动，或者将这些移动解读为新的有效信号。
为确保内燃机能够平稳运转起来，必须确保传感器不会错误地统计任何经过它的轮齿。必须确保传感器不会漏数或多数任何轮齿或记错旋转方向。
这些要求在曲轴传感器内部被分解，因为传感器外壳内部基本上是一块磁铁而轮齿旋转经过时会改变其磁力线。这样一来，传感器的性能最终取决于磁场强度的波动。
这些都取决于若干因素，包括传感器与信号轮之间的气隙以及温度。为避免跑题，本文主要关注与传感器性能有关的机械部件。来自英飞凌的XENSIV TLE4929C曲轴传感器系列具备多种不同功能，可帮助实现上述目标。不久将推出这个系列的第三代传感器。
传统启停算法
对于降低油耗，“最小的”解决方案涉及关闭发动机。这种解决方案已得到广泛应用，可用作传统启停算法。这个功能能够正确解读交通拥挤时或等红灯时的短暂停车，并能补偿小幅温度变化。
温度大幅变化会影响到磁铁，在特定的温度范围内，磁场变化可能高达40%。在曲轴轴承严丝合缝的情况下，影响传感器性能的第二个最重要的因素是电源。第三个最重要的影响因素是曲轴上的信号轮与发动机组传感器模块之间的气隙的变化。
理想情况下，传感器始终保持完全校准状态，当内燃机重新启动时，只要信号轮的第一个齿转动经过，它就能够正确输出曲轴的位置和旋转方向。实现这个功能无需改变内燃机架构。只需要一个稍微大点的起动机电池、起动机电机以及修改控制器软件。
图2. 点火开关关闭后曲轴逐渐停止转动
图2和图3显示了关掉点火开关后，松开的曲轴如何逐渐停下来，以及当压缩空气仍在气缸中时，奥托（Otto）发动机以最快的速度启动（亦称直接启动）。
静止不动时的振动
从驾驶室车门打开的那一瞬间起，现代汽车就会自动进行一系列自诊断检查。这样可以缩短警告灯发出指示所需的时间。然而，从车门打开的那一刻到汽车开走时，中间还会发生许多其他事情。譬如，可能往汽车上装东西，或者必须让孩子在座位上坐好并系牢安全带。因此，汽车虽然静止不动却发生轻微摇晃，是完全正常的。
这些轻微移动经由驱动轮、变速器和离合器的传递，导致曲轴信号轮转动。在某些不凑巧的情况下，这可能导致曲轴传感器接收到有效的磁信号。
图3. 直接启动过程中曲轴的旋转特性
为了解决这个问题，英飞凌传感器实施了一种算法，用以删除发动机启动之前生成的校准数据。只要大致看一下各式各样的混合动力架构，很快就能明白，这个附加功能将帮助汽车制造商识别和忽略任何不准确的校准数据。
如图4所示，我们可以从传感器输出信号随时间的推移而变化的情况得出几个结论。首先，我们可以看到，传感器刚刚激活时，曲轴并未达到标称转速。因此，可以轻松重置在其达到标称转速之前采集的校准数据。其次，我们发现，如果传感器在特定时间段内并未识别出轮齿，则可以多次重复这个过程。
图4. 往汽车上装东西时曲轴传感器的信号输出
混合算法
插电式混合动力汽车解决方案需要一个新功能。为了正确识别曲轴信号轮的位置，传感器实施了一种算法，用以检测曲轴转速较慢、低于标称值的情况，并结合其他监测功能，防止错误的校准。
仅当系统正常工作时，才接受新的校准数据。得益于这个功能，可以捕捉到曲轴的每个振动，以及相应的前后移动信号，而不会使曲轴传感器错误地响应一些预期内的机械装置变化，如气隙的变化或一些其他的机械偏移。
在文中提及的这些算法的共同作用下，可以准确地观察并追踪曲轴触信号的运动。发动机控制装置随时都知道每个活塞的冲程位置，以及离下一次点火还有多长时间（基于曲轴角度）。如果算法*正确地匹配，系统将正常工作，确保发动机警告灯保持熄灭。
改良型曲轴传感器
归功于曲轴传感器始终提供可靠信息，可以缩小重新启动内燃机所需部件的尺寸。起动发电机通常拖动曲轴数圈，直至检测到曲轴标识位置，并达到超过几百转的最小转速。
图5. 混合动力模块行驶时曲轴传感器的信号输出
有了高级曲轴传感器，在半圈内就可以实现喷油点火。以这种方式启动发动机所消耗的蓄电池电量仅为冷启动所需的一小部分。因此，制造商既可以选择延长起动机和电池的使用寿命，也可以缩小尺寸以节省成本和减轻重量，这反过来又可以略微降低消耗。这种设计还可以让内燃机轻松平稳地启动，从而带来出色的驾驶体验。
更精确的切换点
安装在凸轮轴上的XENSIV TLE4929C可以利用其可编程切换阈值，补偿供应商和制造商在生产和装配过程中产生的公差。这项能力意味着这个位置传感器可以提高凸轮轴和曲轴的角度精度。
这里需要指出的是，受限于其本身的物理性质，仅当轮齿中心线在传感器前面时，差分霍尔传感器才会切换。从轮齿中心线开始向外移动，必须考虑以下公差：
1 轮齿本身的机械公差，导致磁心偏离机械中心。
2 发动机组模块的机械装配公差是最严重的偏差。
3 还必须加上模块中的磁铁和传感器的机械安装公差。
4 无需赘言，所安装的磁体并非100%同质；也不是以完美的90°角磁化。
5 最后，传感器制造商也造成了一定限值内的电气公差。
发动机控制单元可以补偿系统误差，不含在上列公差中。包括信号传输延迟，控制单元的定时器已经考虑了这种延迟。
上面列出的所有因素会导致随机误差，最好的情况是这种误差自行消失，但最糟的情况则可能造成严重故障。为了满足当今系统的高精度要求，现代传感器允许单独设置切换阈值。
模块制造商可以在生产过程结束时单独校准模块切换点，成本相对较低。也可以直接在干式发动机上执行校准，只是成本略高。
汽车制造商从中获得的好处是，校准也补偿了它们自身的生产公差。与此形成鲜明对比的是，一级供应商只能补偿模块本身；整车的安装误差一点也不会减轻。
简易校准程序
在切换阈值中点，使用适当的系统来测量轮齿机械中心与实际电气边缘之间的错位。然后，减去系统误差，并在程序中设置其余偏差量，将其永久存储在传感器中，作为可编程切换阈值。
图6. 位置误差细分图
如图6所示，这种方法可用于消除几乎所有误差源，使总精确度从+/-0.6°凸轮轴提高至+/-0.1°凸轮轴。
结语
内燃机曾经风光无限。从2020年到2025年，全球所有主要汽车制造商都将开发并发布其最新混合动力平台。自此之后，即使剩下的最后一批从事内燃机和变速器的开发工程师也不得不在燃料电池、蓄电池和电动驱动技术等领域寻找新的安身之所。英飞凌早已熟知混合动力发动机、曲轴和凸轮轴传感器在这些系统中面临的挑战，并正在成功地解决这些难题。
英飞凌XENSIV曲轴传感器概览:https://www.infineon.com/cms/en/product/sensor/magnetic-sensors/magnetic-speed-sensors/
TLE4929C-XAx——第一代低抖动霍尔曲轴传感器。
TLE4929C-XVA——第二代产品，含多个曲轴协议和一个定时器看门狗，以解决启动振动问题。
TLE4929C-XHA——第三代产品，增加了一个专用混合动力看门狗和一个新的校准功能，以满足更高的绝对相位精度要求。
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