智能起停系統(tǒng)對(duì)整車(chē)油耗及排放影響的研究

張衛(wèi)國(guó)　周　　碩　趙衛(wèi)平　王云超　魯志遠(yuǎn)（1-長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心　河北　保定　071000 2-河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

智能起停系統(tǒng)對(duì)整車(chē)油耗及排放影響的研究

張衛(wèi)國(guó)1，2周碩1，2趙衛(wèi)平1，2王云超1，2魯志遠(yuǎn)1，2
（1-長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心）

摘要：本次研究通過(guò)對(duì)ECU控制策略的開(kāi)發(fā)和整車(chē)相關(guān)零部件的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)機(jī)加強(qiáng)技術(shù)型的智能起停系統(tǒng)，并據(jù)此完成整車(chē)NEDC循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)比整車(chē)狀態(tài)智能起停功能對(duì)整車(chē)油耗和排放的影響。實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果表明，配置智能起停功能的車(chē)型與不帶智能起停系統(tǒng)車(chē)輛排放基本相當(dāng)，而油耗水平有較大提升。

關(guān)鍵詞：智能起?？刂撇呗訬E D C循環(huán)測(cè)試

引言

隨著節(jié)能環(huán)保呼聲的日益強(qiáng)烈，各國(guó)汽車(chē)排放和油耗法規(guī)也都越來(lái)越嚴(yán)格。同時(shí)伴隨著城市中汽車(chē)保有量的持續(xù)增加，交通擁堵已成為各大城市的普遍現(xiàn)象，汽車(chē)低速行駛及頻繁起動(dòng)，既浪費(fèi)燃油，也污染環(huán)境。

汽車(chē)智能起停技術(shù)可以很好地解決這些問(wèn)題，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的智能控制實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

圖1　城市工況燃油能量消耗情況

1　智能起停概述

據(jù)統(tǒng)計(jì)，短暫停車(chē)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速空轉(zhuǎn)的能耗浪費(fèi)竟達(dá)17%之多，如圖1所示。

智能起停技術(shù)是指汽車(chē)在等待紅燈或者擁堵等情況下暫停發(fā)動(dòng)機(jī)工作，當(dāng)車(chē)輛感受到駕駛員的起步意圖時(shí)，快速起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)在城市工況下降低怠速油耗，減少汽車(chē)有害氣體排放的目的。在理想路況（道路非常平順且無(wú)風(fēng)阻的情況）下，起停技術(shù)可實(shí)現(xiàn)3%～5%的節(jié)油率，實(shí)際路況中將大于此數(shù)據(jù)。

目前市場(chǎng)中各車(chē)型采用的起停技術(shù)主要有起動(dòng)機(jī)加強(qiáng)技術(shù)、BSG技術(shù)和I-STOP技術(shù)。本次智能起停系統(tǒng)的研究主要以起動(dòng)機(jī)加強(qiáng)技術(shù)的方式來(lái)進(jìn)行[1]，如圖2所示。

圖2 智能起停模式

本次研究方案中，為滿(mǎn)足智能起停需求，對(duì)整車(chē)及發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)主要體現(xiàn)在以下控制策略、主要零部件開(kāi)發(fā)兩方面：

2　控制策略開(kāi)發(fā)

整車(chē)起?？刂撇呗约捎诎l(fā)動(dòng)機(jī)ECU中，通過(guò)接收真空度傳感器信號(hào)，電池傳感器信號(hào)、檔位傳感器信號(hào)等，綜合判斷發(fā)動(dòng)機(jī)所處的狀態(tài)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行停止和起動(dòng)控制?？偛呗匀鐖D3所示。

圖3　智能起?？偛呗詧D

起停控制策略包含三個(gè)方面：起停功能邏輯、怠速停機(jī)邏輯和發(fā)動(dòng)機(jī)起停邏輯[2]。

起停功能正常開(kāi)啟條件包含以下幾個(gè)方面：

1）電池電量充足；

2）制動(dòng)真空度充足；

3）起停系統(tǒng)無(wú)故障運(yùn)行；

4）滿(mǎn)足整車(chē)安全狀態(tài)；

5）起停主開(kāi)關(guān)打開(kāi)；

6）空調(diào)狀態(tài)允許起停；

7）電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)允許起停。

滿(mǎn)足以上條件，車(chē)輛自動(dòng)起停功能可正常開(kāi)啟。

怠速停機(jī)功能滿(mǎn)足以下條件可正常實(shí)現(xiàn)[3]：

1）車(chē)輛停止或車(chē)速低于某設(shè)定值；

2）檔位置于空擋；

3）離合器踏板松開(kāi)；

4）油門(mén)踏板完全松開(kāi)。

發(fā)動(dòng)機(jī)處于自動(dòng)停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，起動(dòng)邏輯分為3類(lèi)：

1）車(chē)輛需求觸發(fā)起動(dòng)，如電池低電量觸發(fā)、制動(dòng)真空度不足觸發(fā)等；

2）溜坡自動(dòng)起動(dòng)，包含空擋狀態(tài)或離合器踏板踩到底狀態(tài)等；

3）駕駛員觸發(fā)起動(dòng)，觸發(fā)條件包括空擋、踩離合器踏板操作等判斷駕駛員的行車(chē)意圖，為智能起停功能的核心部分。

3　主要零部件開(kāi)發(fā)

為滿(mǎn)足整車(chē)智能起停功能需求，需要在普通車(chē)輛基礎(chǔ)上進(jìn)行配置升級(jí)，傳統(tǒng)車(chē)型與配置智能起停車(chē)型主要區(qū)別如表1所示。本文主要對(duì)發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)及電池的更改進(jìn)行說(shuō)明。

表1　智能起停車(chē)輛與傳統(tǒng)車(chē)輛主要零部件區(qū)別

3.1發(fā)電機(jī)

為了讓起停系統(tǒng)更好地發(fā)揮作用，首先通過(guò)優(yōu)化發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)構(gòu)，提升發(fā)電機(jī)的工作效率；同時(shí)在不同的駕駛工況下，通過(guò)ECU對(duì)發(fā)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)能源的回收功能。

能源回收的基本原理為：

1）行車(chē)過(guò)程中的減速階段，設(shè)置發(fā)電機(jī)高電壓發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池高效率充電的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的快速制動(dòng)；

2）行車(chē)過(guò)程中的加速階段，設(shè)置發(fā)電機(jī)低電壓，減少發(fā)電量或使之不發(fā)電，減少發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩負(fù)載，使之全部用于整車(chē)加速，實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)

通過(guò)對(duì)行車(chē)工況的判斷，從而控制發(fā)電機(jī)的策略，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)能量的回收，同時(shí)提高發(fā)電機(jī)本身工作效率，高效智能發(fā)電機(jī)與起停系統(tǒng)相結(jié)合，可有效降低城市交通狀況下的燃油消耗及CO2排放。

3.2起動(dòng)機(jī)

采用智能起停系統(tǒng)車(chē)輛，要求起動(dòng)機(jī)的壽命更長(zhǎng)久，起動(dòng)過(guò)程更迅速，起動(dòng)噪聲更低。傳統(tǒng)的起動(dòng)機(jī)（5萬(wàn)次起動(dòng)壽命）不能滿(mǎn)足智能起停車(chē)型的使用要求，起停系統(tǒng)專(zhuān)用起動(dòng)機(jī)通過(guò)優(yōu)化軸承和行星輪系、優(yōu)化齒輪型線(xiàn)和增強(qiáng)嚙合構(gòu)造、增加緩沖彈簧、增大磁極等手段，提高起動(dòng)機(jī)使用壽命，滿(mǎn)足25萬(wàn)次起停需求，使發(fā)動(dòng)機(jī)迅速、安靜地啟動(dòng)。整個(gè)起動(dòng)過(guò)程的安全性更高，舒適性更好。

起動(dòng)過(guò)程動(dòng)力方程為[4]：

式中：

Te—起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)扭矩，N·m；Tr—發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩，N·m；

J—發(fā)動(dòng)機(jī)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ω—發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸角速度，rad/s；n—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

由上述公式可知，如想發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速更高，更易著車(chē)，需提供更大的起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)扭矩。為此在本研究中在更換原發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，增大其輸出功率和扭矩。起動(dòng)機(jī)更換前后參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

3.3蓄電池

采用智能起停系統(tǒng)后發(fā)動(dòng)機(jī)的頻繁起動(dòng)，必然導(dǎo)致蓄電池更多的充放電，這將會(huì)降低電池的使用壽命。

表2 起動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)比表

為解決此問(wèn)題，將普通蓄電池更換為AGM蓄電池，其具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）循環(huán)充電能力比普通鉛酸電池高3倍，因此壽命也隨之延長(zhǎng)；

2）電容量穩(wěn)定性更高；

3）低溫性能也更高；

4）降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

蓄電池更換前后參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3　蓄電池參數(shù)對(duì)比表

4　仿真計(jì)算與結(jié)果

在研究初期，為對(duì)智能起停效果進(jìn)行初步評(píng)判，根據(jù)已經(jīng)確定的整車(chē)計(jì)算參數(shù)，應(yīng)用AVL CRUISE整車(chē)仿真軟件對(duì)起停樣車(chē)油耗進(jìn)行模擬計(jì)算，整車(chē)模型如圖4所示。

設(shè)定起停邏輯和停機(jī)時(shí)間通過(guò)CRUISE內(nèi)嵌的起停模塊實(shí)現(xiàn)。停機(jī)時(shí)間的選擇與實(shí)車(chē)ECU控制參數(shù)設(shè)定一致。

根據(jù)項(xiàng)目需求，進(jìn)行NEDC循環(huán)工況模擬計(jì)算，起停功能開(kāi)啟與關(guān)閉綜合油耗對(duì)比見(jiàn)表4。

5　試驗(yàn)結(jié)果

5.1起動(dòng)時(shí)間對(duì)比

采用智能起停系統(tǒng)后，在智能起停模式下，起動(dòng)時(shí)間縮短，較常規(guī)啟動(dòng)時(shí)間縮減約70%（正常啟動(dòng)約1.3 s，智能起停啟動(dòng)約0.4 s），如圖5所示。

5.2整車(chē)油耗和排放對(duì)比

在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)車(chē)NEDC循環(huán)測(cè)試，對(duì)比分析油耗和排放結(jié)果。測(cè)試循環(huán)如圖6所示，排放和油耗結(jié)果對(duì)比分別見(jiàn)表5與表6。

結(jié)果顯示開(kāi)啟起停功能時(shí)整車(chē)的排放水平?jīng)]有明顯的變化，循環(huán)工況下可降低約3.3%的綜合油耗。

圖4　配置智能起停系統(tǒng)整車(chē)模型

表4　綜合油耗仿真對(duì)比結(jié)果

圖5　起動(dòng)時(shí)間對(duì)比圖

圖6 NEDC循環(huán)工況

表5實(shí)車(chē)排放對(duì)比　　　g/k m

表6 實(shí)車(chē)對(duì)比

6　結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，全球環(huán)境法規(guī)對(duì)油耗和排放的要求也日益嚴(yán)格。而智能起停系統(tǒng)是眾多節(jié)能技術(shù)中值得大力推廣的一種有效且低成本的節(jié)能技術(shù)。

本次研究，通過(guò)對(duì)加強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)起停功能的方案進(jìn)行實(shí)施及試驗(yàn)，驗(yàn)證起停功能應(yīng)用于整車(chē)的節(jié)能減排效果，對(duì)滿(mǎn)足節(jié)能環(huán)保政策需求起到良好的促進(jìn)作用，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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中圖分類(lèi)號(hào)：U461.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8234（2015）02-0020-04

收稿日期：（2015-01-19）

作者簡(jiǎn)介：張衛(wèi)國(guó)（1987-），男，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及發(fā)動(dòng)機(jī)與整車(chē)匹配。

Research on the Impactof Start-Stop System on FuelConsum ption and Em ission

ZhangW eiguo1，2，Zhou Shuo1，2，ZhaoW eiping1，2，W ang Yunchao1，2，Lu Zhiyuan1，2
1-Technical Center，GreatWallMotorCo.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）
2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Abstract：Thispaper introducesan i-stop（intelligent start-stop）system which contains new technologybased starter，bymeans of developing ECU（Electronic Control Unit）control strategies and improving components related to on vehicle.According to the resultsof vehicle NEDC（New European Driving Cycle）cycle test,itanalyzes theeffectsof this i-stop system on fuelconsumption and emission performance.As the test results indicate，the vehiclesequipped with thiskind of i-stop system getsome largebenefits from fuel consumption compared tooneswithout i-stop system，keeping theequalemission performance.

Keywords：Start-stop，Controlstrategies，NEDC