汽車(chē)智能啟停系統(tǒng)研究

李 敏，席忠民，李浙昆，何凱欣，董松梅

（廣州汽車(chē)集團(tuán)乘用車(chē)有限公司技術(shù)中心，廣東 廣州 511434）

啟停系統(tǒng) （Start Stop System）是一項(xiàng)微混合動(dòng)力技術(shù)。該系統(tǒng)使汽車(chē)在等待紅燈或者堵車(chē)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)［1］。啟停系統(tǒng)在城市工況可以有效降低怠速油耗，減少汽車(chē)有害氣體的排放。相對(duì)于重混合和純電動(dòng)技術(shù)，啟停系統(tǒng)能夠在新開(kāi)發(fā)車(chē)型或已有車(chē)型上進(jìn)行較小的技術(shù)改進(jìn)，快速達(dá)到降低油耗的目的，預(yù)計(jì)在2015～2016年推向市場(chǎng)的新車(chē)型中，大部分都將搭載啟停系統(tǒng)。對(duì)于啟停系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式，主要有BSG（Belt-driven Starter／Generator皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)／發(fā)電一體化電機(jī)）和智能啟停技術(shù) （Smart Start-Stop） 兩種［2］。 BSG使用了集成式的起動(dòng)—發(fā)電機(jī)一體化技術(shù)，除了能夠?qū)崿F(xiàn)怠速停機(jī)和快速啟動(dòng)功能外，還有制動(dòng)能量回收的作用，但由于整體的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)布置和匹配相對(duì)于非啟停車(chē)型發(fā)生了較大的變化，因此在已有車(chē)型或者小改款車(chē)型采用BSG技術(shù)，在工程周期和成本方面存在一定的困難。智能啟停技術(shù)可以在已有車(chē)型技術(shù)基礎(chǔ)上，加強(qiáng)蓄電池、起動(dòng)機(jī)的耐久壽命，增加傳感器，對(duì)EMS（Engine Management System發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)）重新進(jìn)行控制策略開(kāi)發(fā)和數(shù)據(jù)標(biāo)定，來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)快速的停機(jī)／啟動(dòng)。本文主要研究了智能啟停技術(shù)對(duì)于已有車(chē)型技術(shù)升級(jí)的系統(tǒng)性工作，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了排放和油耗試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的開(kāi)發(fā)效果。

1 智能啟停技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成

智能啟停技術(shù)的核心控制由EMS完成，其系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。

1.1 啟停發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)

整車(chē)啟?？刂撇呗杂蒃MS集中控制，為了確保發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)和啟動(dòng)的安全性和舒適性，EMS根據(jù)整車(chē)傳感器和相關(guān)電器模塊發(fā)出的狀態(tài)信號(hào)來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)／停機(jī)。EMS主要采集的信號(hào)如圖2所示。

為了確保起動(dòng)機(jī)控制的安全性，除了EMS發(fā)出起動(dòng)機(jī)啟動(dòng)信號(hào)外，同時(shí)在起動(dòng)機(jī)控制邏輯上，手動(dòng)變速器車(chē)型串聯(lián)了SSU （Start&Stop Unit，起?？刂破鳎?，雙離合變速器車(chē)型串聯(lián)了TCU（Transmission Control Unit，變速器控制單元），用于檢測(cè)傳動(dòng)鏈的狀態(tài)，判斷是否能夠吸合傳動(dòng)鏈繼電器，觸發(fā)起動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。串聯(lián)回路的控制原理如圖3所示。

在接收到離合器傳感器和空檔傳感器信號(hào)后，EMS和SSU／TCU使傳動(dòng)鏈繼電器和起動(dòng)繼電器同時(shí)吸合，起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟動(dòng)。

1.2 增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

裝備啟停系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)需要頻繁啟動(dòng)，因此對(duì)起動(dòng)機(jī)的耐久壽命提出了更高的要求。智能啟停系統(tǒng)要求起動(dòng)機(jī)耐久壽命由非啟停車(chē)輛的3.5萬(wàn)次提高到20萬(wàn)次以上，所采用的結(jié)構(gòu)和材料都發(fā)生了較大的變化，驅(qū)動(dòng)齒輪的支承由銅套改為滾針軸承，電刷和動(dòng)鐵心采用高壽命材料。起動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生約600 A電流會(huì)瞬間拉低整車(chē)系統(tǒng)的電壓，發(fā)動(dòng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)增加了整車(chē)電壓過(guò)低帶來(lái)EMS／TCU重啟的風(fēng)險(xiǎn)。在啟停系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以采用起動(dòng)機(jī)集成ICR（浪涌電流控制繼電器）或整車(chē)增加DC-DC（direct current-direct current直流-直流）模塊用于穩(wěn)定整車(chē)供電的電壓。ICR繼電器通過(guò)限流電阻消減峰值電流，降低起動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電壓降，從而降低負(fù)載端電壓降，穩(wěn)壓范圍在9～13V，工作電路如圖4所示。DC-DC模塊通過(guò)主動(dòng)穩(wěn)壓的方式，穩(wěn)壓范圍在11.5～12.5V，在測(cè)試過(guò)程中可以明顯改善儀表、導(dǎo)航、背光燈等元件由于啟動(dòng)過(guò)程電壓降低造成的亮度變化。DC-DC穩(wěn)壓模塊工作電路如圖5所示。

啟停發(fā)動(dòng)機(jī)在從停機(jī)→啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的時(shí)間延遲過(guò)長(zhǎng)將直接影響頻繁啟動(dòng)的舒適性，從發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間分析，有以下公式［3］：

式中：Td——起動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)矩；Tr——發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩，由發(fā)動(dòng)機(jī)特性決定；J——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω——發(fā)動(dòng)機(jī)角加速度；n——起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；P——起動(dòng)機(jī)功率。

根據(jù)公式 （1） （2）可知，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間與起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率成正比，因此選用1.6kW增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)代替原有1.4 kW普通起動(dòng)機(jī)，經(jīng)實(shí)車(chē)測(cè)試，啟動(dòng)時(shí)間由0.6 s減少到0.5 s，駕駛員基本上感受不到停滯感。

1.3 閥控式AGM蓄電池

啟停發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)造成普通富液式鉛酸蓄電池已經(jīng)不再適用，閥控式AGM（Absorptive Glass Mat超細(xì)玻璃纖維）鉛酸蓄電池由于其全封閉的結(jié)構(gòu)，采用無(wú)紡玻璃纖維氈隔板和鉛鈣合金板柵，解決了酸液分層的問(wèn)題，提高了鉛膏的粘附性，大幅提升了蓄電池的使用壽命，適用于目前智能啟停系統(tǒng)的技術(shù)要求。閥控式AGM鉛酸蓄電池主要由槽蓋、安全閥、極板、隔板組成，典型的閥控式AGM鉛酸蓄電池的構(gòu)成如圖6所示。AGM鉛酸蓄電池采用的材料、結(jié)構(gòu)工藝與普通富液式鉛酸蓄電池的差異見(jiàn)表1。經(jīng)脈沖放電測(cè)試，AGM蓄電池脈沖放電壽命可達(dá)到1100h。

表1 閥控式AGM蓄電池與富液式鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)、工藝差異

2 啟停系統(tǒng)怠速停機(jī)／啟動(dòng)邏輯

啟停系統(tǒng)控制邏輯主要是通過(guò)對(duì)整車(chē)安全狀態(tài)（如4門(mén)與發(fā)動(dòng)機(jī)罩開(kāi)閉狀態(tài)等）、傳動(dòng)鏈狀態(tài)、蓄電池電量、制動(dòng)真空度、空調(diào)請(qǐng)求、行駛工況來(lái)判斷是否怠速停機(jī)和啟動(dòng)［4］。怠速停機(jī)判斷流程如圖7所示。

啟停功能開(kāi)啟，車(chē)輛處于怠速時(shí)，EMS將對(duì)整車(chē)狀態(tài)進(jìn)行判斷，在4門(mén)和發(fā)動(dòng)機(jī)罩關(guān)閉、電池電量高于50%、制動(dòng)真空度高于設(shè)定值、起動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)滿(mǎn)足限值、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫在范圍內(nèi)、空調(diào)請(qǐng)求和車(chē)內(nèi)溫度滿(mǎn)足條件、坡度小于2°時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行自動(dòng)停機(jī)。停機(jī)過(guò)程中，若整車(chē)狀態(tài)出現(xiàn)任一條件不滿(mǎn)足或駕駛員踩下離合踏板時(shí)，車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)將自動(dòng)起動(dòng)。

3 試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證智能啟停系統(tǒng)在傳統(tǒng)車(chē)型上節(jié)能減排的效果，對(duì)某傳統(tǒng)手動(dòng)變速器車(chē)輛加裝智能啟停系統(tǒng)，改制所用啟停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)見(jiàn)表2。

在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)改制車(chē)輛進(jìn)行燃油消耗量和排放污染物的檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)。測(cè)試工況按照GB1835.3—2005《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法》， 進(jìn)行NEDC （New European Driving Cycle歐洲油耗及排放標(biāo)準(zhǔn)）循環(huán)測(cè)試，排放和燃油消耗結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 試驗(yàn)車(chē)輛智能啟停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，增加啟停系統(tǒng)后，節(jié)油效果可達(dá)到4.2%，排放稍有上升，主要是由于啟動(dòng)次數(shù)增加所導(dǎo)致，但是經(jīng)過(guò)標(biāo)定，也能夠?qū)⑴欧诺挠绊懣刂圃谳^小的范圍內(nèi)。但智能啟停系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行—停止—啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)駕乘舒適度的影響需要進(jìn)一步改進(jìn)，如何實(shí)現(xiàn)智能啟停系統(tǒng)車(chē)輛與傳統(tǒng)車(chē)輛系統(tǒng)零件的通用性也需要進(jìn)一步研究。

表3 NEDC循環(huán)排放和燃油經(jīng)濟(jì)性

4 結(jié)論

基于傳統(tǒng)車(chē)型增加智能啟停系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)的策略，對(duì)智能啟停系統(tǒng)的工作原理、關(guān)鍵技術(shù)和控制策略進(jìn)行了綜合分析和研究，通過(guò)樣車(chē)試制和NEDC循環(huán)試驗(yàn)，證明了技術(shù)改造的可行性和智能啟停系統(tǒng)良好的節(jié)油效果，以及較小的排放影響，為智能啟停系統(tǒng)的批量工業(yè)化生產(chǎn)鋪平了道路。

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