內燃機引擎中的感測器用於混合動力汽車時面臨特殊的挑戰。現今曲柄軸感測器必須區分引擎運轉時的有意旋轉和隨機曲柄軸運動，例如純電動驅動期間由震動引起的曲柄軸運動。這是確保在內燃機引擎和電動馬達之間能平穩切換的方法。唯有如此，才能以最符合成本效益的方式訂定發動機和電池等元件的尺寸，本文介紹曲柄軸感測器中的相應演算法。
全球汽車製造商正在擴展其驅動系統的產品組合。即使展望未來的燃料電池和合成燃料，在內燃機引擎與電動馬達之間仍有許多混和動力的選項。這些選項包括啟停內燃機引擎(在等紅燈時關閉馬達幾秒鐘然後進行冷啟動)到插電式混合動力車(在電池電量不足或車輛在高速公路上高速行駛時，可以在內燃機引擎啟動之前以全電動模式達到時速50公里)等。
即便是最新的啟停系統，市場上也已經有兩種不同的實作方式。在第一種方式中，內燃機引擎會以彷彿已一小時未啟動的狀態再次啟動。在第二種方式中，引擎會在熄火時監測引擎的運動，因此，引擎再次啟動時，車輛已經知道曲柄軸和下一個要點燃的氣缸位置。查看啟動發電機可連接到驅動軸的不同位置，或者離合器將不同馬達連接到驅動軸的點，很快就會發現內燃機引擎曲柄軸元件幾乎有無限多種選擇。
感測器準確感知曲柄軸角度
為了讓大眾儘可能接受新的電力驅動系統，製造商必須以容易操作和可預測、平穩的駕駛體驗，且不能發生任何惹人厭的「驚喜」，才能贏得過往內燃機引擎愛好者的信心。重要的是，內燃機引擎能夠平穩地、幾乎不被察覺地啟動，例如在紅綠燈或塞車時啟停模式的體驗。其中，車輛必須即時知道曲柄軸的角度。
如果車輛因塞車而停止三分鐘，曲柄軸感測器能夠忽略輕微的溫度漂移，或者，最好能進行補償。不過，在崎嶇不平的道路上行駛30分鐘時，曲柄軸在與牽引輪分離時可以自由移動，不過感測器可能會錯誤計算出輪齒的輕微晃動或震動，或者將這些運動解釋為新的有效訊號。為了確保內燃機引擎能夠滑行運作，感測器不能錯誤計算任何經過的輪齒。感測器不可錯過任何齒數、計算任何額外的齒數，或錯誤辨識旋轉方向。
這些標準會在曲柄軸感測器內部分散執行，感測器機殼內基本上會有一塊磁鐵，而這塊磁鐵的磁力線在這些旋轉經過時由輪齒調整。因此，感測器的效能最終是由磁場強度的波動所決定。這些波動取決於許多因素，包括感測器和觸發輪之間的氣隙以及溫度。為了確保不會偏離正題，本文主要著重於與感測器效能相關的機械元件。英飛凌的XENSIV TLE4929C曲柄軸感測器系列具有多種功能，有助於達成上述目標。
傳統的啟停演算法
降低油耗的「最小」解決方案包括關閉引擎。這已經過廣泛部署，並做為傳統的啟停演算法使用。此功能可以正確解釋塞車或紅燈時的短暫停留，而且可以補償較小的溫度漂移。磁鐵會受到相當強烈的溫度漂移影響，在特定的溫度範圍內，這可以將磁場改變多達40%。對於有良好軸承的曲柄軸，影響感測器行為的第二個最重要因素是電源。第三個最重要因素是曲柄軸上的觸發輪和引擎缸體上的感測器模組之間的氣隙變化。
在理想情況下，感測器會保持完全校準，內燃機引擎再次啟動時，只要觸發輪的第一個齒輪旋轉經過，就能夠正確輸出曲柄軸的位置和旋轉方向。不需要對內燃機引擎架構進行任何修改即可實作此功能。這只需要使用稍大的啟動電池、啟動馬達，和對控制器中的軟體進行修改即可。圖2和圖3顯示點火裝置關閉時分離的曲柄軸如何到達頂部，以及壓縮空氣仍在氣缸中時Otto引擎的最快啟動(稱為直接啟動)。
靜止時的震動
現今汽車會在駕駛座車門打開後立即進行一系列自我診斷檢查。這可減少警示燈點亮所需的時間。不過，從車門打開時到汽車駛離時，還有可能發生其他許多情況。例如把貨物搬到車上，或將兒童繫在座位上。因此正常情況下，汽車在靜止時仍會輕微晃動。這些輕微的運動穿過驅動輪、變速器和離合器，而且導致曲柄軸觸發輪轉動。這偶爾會導致曲柄軸感測器接收到有效的磁訊號。
為了克服這個問題，英飛凌感測器採用演算法，刪除引擎啟動前產生的校準資料。如果簡單地看一下各種混合架構，很快就會發現這個附加功能有助於汽車製造商識別和忽略任何不準確的校準資料。如圖4所示，隨時間推移，可以從感測器的輸出訊號中得出一些結論。首先可以看到，一旦感測器啟動，就不會達到額定轉速。因此，可以重新設定直到達到標稱轉速時收集的校準資料。其次，如果感測器在一段時間內並未識別出輪齒，這個過程可以重複多次。
混合演算法
插入式混合解決方案需要新功能。為了正確識別曲柄軸觸發輪的位置，感測器採用演算法偵測低於額定的較慢曲柄軸旋轉，而且與其他監控功能相結合，防止不正確的校準。只有在系統正常運轉時才接受新的校準資料。此功能可以使用相對應的向前和向後運動的訊號來擷取每一次曲柄軸震動，而曲柄軸感測器不會錯誤回應機械設定的假設變化，例如氣隙的變化或其他一些機械未對準。
整體來說，這裡提到的演算法能夠準確觀察和追蹤曲柄軸觸發輪的運動。引擎控制單元始終掌握每個活塞處於哪個衝程以及距離下一次點燃剩餘多少時間(依據曲柄軸角度)。如果演算法正確對齊，系統將正確運轉，確保引擎警示燈保持關閉狀態。
改進的曲柄軸感測器
由於曲柄軸感測器始終提供可靠的資訊，因此可以縮減重新啟動內燃機引擎所需的元件尺寸。啟動發電機通常會使曲柄軸轉動幾圈，直到偵測到曲柄軸的原始位置並達到超過幾百轉的最小轉速(圖5)。
藉由先進的曲柄軸感測器，只需半轉即可噴射和點燃燃料。以這種方式啟動引擎只需要冷啟動所需電池能量的一小部份。因此，製造商可以選擇延長啟動機和電池的使用壽命，或者縮小尺寸，並節省成本和重量，如此更進一步使得消耗量輕微下降。這種設計也可以帶來絕佳的驅動體驗，因為內燃機引擎可以輕鬆平穩地啟動。
更精確的開關點
XENSIV TLE4929C安裝在凸輪軸上，由於可程式設計切換臨界值，因此能夠補償供應商和製造商的生產和裝配誤差。這種能力表示這個位置感測器提高凸輪軸和曲柄軸的角度精確度。而就物理性質而言，差分霍爾感測器僅在輪齒的中心線位於感測器前面時才切換。從輪齒的中心線開始向外移動，必須考慮下列誤差：
・輪齒本身的機械誤差導致磁心偏離機械中心。
・引擎缸體上模組的機械裝配誤差以最大偏差計算。
・也必須加算模組中磁鐵和感測器的機械安裝誤差。
・當然，安裝的磁鐵不是100%同質，也不是以完美的90°角磁化。
・最後，感測器製造商也存在一定限度內的電氣誤差。
系統誤差由引擎控制單元補償，不包含在上述清單中。包括訊號傳播延遲，這些延遲已經在控制單元的計時器中加以考量。上面列出的所有元件都會導致隨機錯誤，不過仍然可以自行解決，然而，在最不理想的情況下，可能導致重大的故障。為了滿足現今系統的精確度要求，現代感測器允許單獨設定開關臨界值。
模組製造商可以在生產過程結束時，以相對較低的成本單獨校準模組的開關點。這也可以在乾式引擎本身上以較高的成本完成。對於汽車製造商來說，其中的效益是校準也可以補償本身的生產誤差。相較之下，一級供應商只能對模組本身進行補償；OEM的安裝錯誤完全未減輕。
簡單的校準程序
在切換臨界值的中點，使用適合的系統來測量輪齒的機械中心與實際電氣邊緣之間的錯位。然後減去系統誤差，剩餘的偏移經過設定後永久儲存在感測器中做為可程式設計開關臨界值。如圖6所示，這個方法可用於消除幾乎所有的誤差根源，而且將整體精確度從+/-0.6°凸輪軸提高到+/-0.1°凸輪軸。
內燃機引擎已經過時。從2020年到2025 年，全球所有主要汽車製造商都將開發和推出最後的混合動力平台。此後，即使是最後僅存從事內燃機引擎和變速箱工作的開發工程師，也將需要在燃料電池、電池和電力驅動技術領域另謀出路。混合動力引擎、曲柄軸和凸輪軸感測器在這些系統中面臨的挑戰相當明顯。
(本文作者為英飛凌科技Infineon資深應用工程師)
