1.1 动力总成电控技术的发展

动力总成系统是车辆上最早采用电子控制技术的子系统，正是由于电子控制技术的采用才大幅度提升了动力总成乃至车辆的性能。电子控制系统通常包含传感器、电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）和执行机构，是一个典型工业自动化控制的应用。但是，由于控制对象实时性、高精度的控制要求，以及车辆自身排放、经济性等多方面的特殊约束，使得这类系统成为一类特殊的电子控制系统，其核心技术往往掌握在少数主机厂和大供应商手中，对于我国也属于“卡脖子”技术之一。近年来，新能源技术在车辆领域不断发展，其核心的“三电”技术仍然包含“电控技术”，足见在不同类型的动力总成系统中，电控系统都是核心关键。动力总成的电控系统宛如车辆“大脑”，直接影响其功能和性能实现。车辆正向着智能化、网联化发展，而动力总成控制技术作为底层技术是其实现的前提。

追溯动力总成电控技术的发展史，源于20世纪80年代。1983年，丰田公司采用的发动机控制单元ECU可以与电控机械变速器的电控单元（Transmission Control Unit，TCU）进行信息交换，从而实现了对动力传动的一体化控制［4］。几乎同时，博世公司通过在一款发动机控制器中加入变速器控制功能，也开发出了动力总成的集成控制单元，在其变速器换档逻辑的设计中，首次提供了在经济模式、动力模式和手动模式之间切换的功能。1986年，福特公司宣布针对稀薄燃烧汽油机和机械无级变速器，开发了动力总成综合电控系统，该系统具有燃油喷射控制、点火正时控制、节气门开度控制、怠速控制、废气再循环（EGR）控制、可变进气涡流控制、进气歧管可变几何控制、自动换档控制等功能，在动力性、经济性、排放性和车辆操纵性等方面都取得了较好的结果。针对动力总成的一体化控制系统，叫法很多，比如“综合”“集成”等，本文统称之为动力总成综合控制系统（Powertrain Control Module，PCM）。

20世纪90年代，随着动力总成综合控制系统的不断发展，出现了动力系统与传动系统的协调控制，比如在起步与换档过程中干预发动机循环供油量。然而，随着人们对车辆各项性能要求的日益提高，这种简单的协调控制已经无法满足需求。因此，在动力总成综合控制的策略方面，呈现出勃勃生机。虽然与传统控制相比，动力总成综合控制系统的基本控制功能没有发生大的变化，仍然由发动机功率控制、变速器档位控制、变矩器/离合器闭锁控制等组成，但是其控制策略的设计出发点已经悄然发生了变化，主要的设计思路是通过将动力总成视为一个整体系统，通过控制理论设计出一系列最优的集成控制策略，同时，针对整车换档过程中存在的纵向冲击问题，在发动机与换档离合器协调控制方面提出了许多新的控制理论。

进入21世纪以来，动力总成控制领域开始大量采用现代控制，其中也出现了一些智能控制的雏形。2002年，丰田公司开发出一套名为NAVI·AI-SHIFT的换档辅助控制系统（以下简称NAVI系统），这套系统的PCM根据前方路面曲率将路面分为急弯、中等弯道、大半径弯道和直路共四类，再根据车辆的入弯路线、车速和制动点来判断是否需要干预换档。后续开发的NAVI系统还引入了坡道信息，以防止在不同路面状况下，发动机制动力和车辆驱动力随路面斜率变化，以更好地执行驾驶员意图。2007年，通用公司与密歇根大学联合发表了一篇基于电子节气门式发动机和电液自动变速器动力总成控制策略方面的文章，文中将驾驶员对于加速踏板的操作设定为对动力传动装置输出功率的需求，通过仿真计算寻找该功率需求下的最优油耗档位与节气门位置，并最终得出了基于功率需求和车速的双参数节气门控制规律和换档规律。基于美国国家环境保护局（Environmental Protection Agency，EPA）的相关道路循环试验，表明该控制策略能够有效地改善动力总成功率输出的平顺性，且对车辆的燃油经济性也有所改善。近些年来，针对节能降碳的需求，动力总成的控制也更多转向排放控制和效率提升上，2021年，西南研究院（Southwest Research Institute，SwRI）在其未来动力总成的展望中，对传统内燃动力提出的要求主要是提高热效率，满足几乎“近零”的排放法规，并逐渐从纯内燃动力系统发展到混合动力，这里面也涉及复杂的燃烧和排放控制，是当代动力总成控制的首要任务。

国内的许多科研机构在20世纪90年代开始跟踪国际研究动向，开始了动力总成综合控制技术的尝试。北京理工大学致力于发动机与机械自动变速器协调控制方面的研究工作，开展了许多柴油动力总成的控制。通过对现有机械调速器式发动机和手动变速器进行自动化改造，并自行设计电磁式油门伺服控制系统，将发动机控制和机械自动变速器（Automatic Mechanical Transmission，AMT）控制作为一个整体的动力系统控制进行综合设计，实现了单一控制单元的动力总成综合控制。在2000年，进行了基于双微处理器联合控制的动力总成综合控制方案的研究，在换档过程中变速器控制单元（TCU）向发动机ECU传送减转矩信号，使发动机推迟点火，降低输出转矩，从而减小换档冲击。

进入21世纪后，随着车辆上采用的控制单元越来越多，基于总线的分布式控制系统逐渐成为各厂家和研究机构开发的动力总成系统的控制架构，总线类型很多，比如CAN、LIN、FLEXRAY等。在控制功能与PCM基本相同的情况下，由于高速总线数据交互，可以实现类似单一控制器的实时性。这种控制模式下除需要研究ECU和TCU之间的数据交互方法和模式外，针对动力总成在车辆上的集成，还需要研究整车的组网方法，在这种情形下，人们习惯于仍然将动力与传动视为一个整体，也就是基于网络的动力总成控制。例如，在2009—2010年，同济大学和湖南大学相继就FLEXRAY在车辆上的应用进行了研究。

在这期间，动力总成在车辆上的应用技术日臻成熟，而其外围“汽车-交通环境”以及“人机协同”控制理念已成为广义车辆动力系统的外延，如吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室在这一领域开展了大量的研究工作，将车辆本身具有的能力和汽车实际使用环境条件结合，探讨了牵引越野汽车和公路运输汽车的发动机、传动系统、轮胎、路面与使用工况在动力性、燃料经济性方面的综合控制问题，使得动力总成控制的内涵更加丰富。

进入21世纪20年代，车辆动力总成技术发展出现了巨大变化，传统内燃动力的地位日益受到挑战，逐渐出现了包含内燃动力的混动系统、燃料电池和纯电动动力总成，其发展趋势日新月异，相关领域的电子控制技术也在迅猛发展。国内外的研究机构如俄亥俄州立大学、苏黎世理工学院、清华大学、上海交通大学、华中科技大学等，以及各大厂商如通用、大众、丰田，一汽、东风、上汽、长安等，在传统动力性能提升以及新能源动力技术的推广方面都进行了大量的研究或者工程实践，使得车辆的动力总成性能近乎完美。总结起来，不论技术如何发展，动力总成在车辆中的核心地位无法撼动，而动力总成的控制技术是其最为关键的技术之一。