增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)與48V BSG技術(shù)分析

祁克光，黃開(kāi)勝

（1.奇瑞汽車股份有限公司動(dòng)力總成技術(shù)中心電控部，安徽蕪湖　241009；2.清華大學(xué)汽車工程系，北京　100084）

增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)與48V BSG技術(shù)分析

祁克光1，黃開(kāi)勝2

（1.奇瑞汽車股份有限公司動(dòng)力總成技術(shù)中心電控部，安徽蕪湖241009；2.清華大學(xué)汽車工程系，北京100084）

對(duì)比分析起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)和48V BSG系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)和控制策略，并著重分析起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)起動(dòng)特性，展望其發(fā)展方向。

起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)；48V BSG；控制策略

1　控制結(jié)構(gòu)對(duì)比

參照先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的分類方法，目前市場(chǎng)上車輛所采用的怠速起停系統(tǒng)大致可以分為3類：第1類是起動(dòng)機(jī)起動(dòng)型；第2類是集成起動(dòng)機(jī)與交流發(fā)電機(jī)功能為一體的皮帶驅(qū)動(dòng)起動(dòng)型；第3類是利用直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，從發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)起，直接向其內(nèi)部噴射燃油，使其爆發(fā)的燃燒起動(dòng)型［1］。起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)是指使用類似于傳統(tǒng)起動(dòng)機(jī)的增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)怠速自動(dòng)起停這一類技術(shù)的統(tǒng)稱，48 V BSG系統(tǒng)是指第2類起停系統(tǒng)。由于直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有廣泛應(yīng)用，本文僅對(duì)起動(dòng)機(jī)自動(dòng)起停系統(tǒng)和48 V BSG系統(tǒng)這2類起停系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

1.1起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。與普通汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛的控制相比，起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)增加了起?？刂崎_(kāi)關(guān)、駕駛員車門開(kāi)關(guān)、前艙開(kāi)關(guān)、除霜除霧開(kāi)關(guān)、離合器開(kāi)關(guān)、空擋開(kāi)關(guān)、蓄電池傳感器、ISS（Idle-Start-Stop：怠速自動(dòng)起／停）指示燈、制動(dòng)真空度傳感器，12V低壓蓄電池和起動(dòng)機(jī)需要增強(qiáng)，增加成本較少。

為防止頻繁起停導(dǎo)致蓄電池虧電，12 V低壓蓄電池容量可適當(dāng)增加。另外，考慮到起動(dòng)機(jī)的壽命，起動(dòng)機(jī)性能也要增強(qiáng)。普通起動(dòng)機(jī)要求整個(gè)生命周期內(nèi)起動(dòng)次數(shù)達(dá)到4.5萬(wàn)次，而起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)則要求達(dá)到25萬(wàn)次。

圖1　起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

1.248VBSG系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

48 V BSG系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。與起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)相比，除了具備起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)功能增加的起?？刂崎_(kāi)關(guān)、駕駛員車門開(kāi)關(guān)、前艙開(kāi)關(guān)、除霜除霧開(kāi)關(guān)、離合器開(kāi)關(guān)、空擋開(kāi)關(guān)、蓄電池傳感器、起停指示燈外，還需要新增48 V蓄電池組、集成逆變器BSG電機(jī)、48 V轉(zhuǎn)12 V的DC／DC（Direct Current-Direct Current）轉(zhuǎn)換器、高壓線束、張緊輪等。另外，通常還需要選用電子轉(zhuǎn)向助力、電子制動(dòng)（如真空助力需增加真空壓力傳感器）、電子空調(diào)等裝置。相比起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)，成本又有增加。

圖2　48V BSG系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

表1　控制結(jié)構(gòu)成本分析表

1.3起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)與48 V BSG系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)成本分析

相對(duì)于傳統(tǒng)車，起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)與48 V BSG系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)新增或者變更件的成本分析見(jiàn)表1。起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)車成本增加約1 500元／輛，48 V BSG系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)車成本增加約5000元／輛。

無(wú)論是起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)，還是48 V BSG系統(tǒng)，相比HEV（Hybrid Electric Vehicle：混合動(dòng)力汽車）、PHEV、EV（ElectricVehicle：電動(dòng)汽車）整車，成本增加很少，都屬于弱混動(dòng)汽車技術(shù)。

起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)和48V BSG系統(tǒng)最核心的零部件就是起動(dòng)機(jī)。起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)的起動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)的起動(dòng)機(jī)基本相同，區(qū)別在于起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)的起動(dòng)機(jī)要求產(chǎn)品生命周期內(nèi)的起動(dòng)次數(shù)更高，所以稱之為增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)。博世、錦州漢拿、上海法雷奧等主流起動(dòng)機(jī)供應(yīng)商，都有滿足起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)要求的起動(dòng)機(jī)。如博世SSM1起動(dòng)次數(shù)達(dá)到25萬(wàn)次，博世SSM2起動(dòng)次數(shù)達(dá)到40萬(wàn)次，博世SSM3起動(dòng)次數(shù)則達(dá)到60萬(wàn)次［2］。48V BSG系統(tǒng)使用的則是起動(dòng)／發(fā)電一體式的電機(jī)，取消傳統(tǒng)車上發(fā)電機(jī)。起動(dòng)／發(fā)電一體式電機(jī)，既可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)起動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收。博世、大陸、德?tīng)柛５裙?yīng)商都有BSG電機(jī)產(chǎn)品，圖3所示為大陸某款BSG電機(jī)。

圖3　大陸某款BSG電機(jī)實(shí)物圖

2　控制策略分析

2.1起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)控制策略

起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)控制策略示意見(jiàn)圖4。相對(duì)于傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車，起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)僅僅是在怠速的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)起停功能。當(dāng)綠燈亮的時(shí)候，起動(dòng)機(jī)自動(dòng)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速（如600r／min）起動(dòng)機(jī)停止工作。當(dāng)遇到紅燈的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)。起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)就是怠速自動(dòng)停機(jī)和起動(dòng)功能，減少怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的油耗。

圖4　起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)控制策略示意圖

自動(dòng)起動(dòng)、自動(dòng)停機(jī)的條件要結(jié)合車速、離合器開(kāi)關(guān)狀態(tài)、制動(dòng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、油門踏板狀態(tài)、蓄電池電量狀態(tài)、真空制動(dòng)助力壓力信號(hào)等綜合判斷。

2.248V BSG系統(tǒng)控制策略

48 V BSG系統(tǒng)控制策略示意見(jiàn)圖5。在起動(dòng)時(shí)電機(jī)會(huì)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，且在加速時(shí)電機(jī)可以輔助助力，此后電機(jī)停止工作。當(dāng)減速或者踩制動(dòng)踏板時(shí)，可以進(jìn)行能量回收，給蓄電池充電。當(dāng)進(jìn)入怠速的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)。除與起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)一樣的怠速自動(dòng)停機(jī)和起動(dòng)外，48V BSG還多了輔助助力和制動(dòng)能量回收的功能。

圖5　48V BSG系統(tǒng)控制策略示意圖

2.3優(yōu)缺點(diǎn)分析

1）兩者都具有怠速自動(dòng)起停功能，但起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)僅有怠速自動(dòng)起停功能，而48V BSG控制系統(tǒng)除具備怠速自動(dòng)起停功能外，還具有加速助力和制動(dòng)能量回收的功能。起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)在NEDC工況，可實(shí)現(xiàn)節(jié)油5%。而48V BSG控制系統(tǒng)在NEDC工況，可實(shí)現(xiàn)節(jié)油10%。

2）由于起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)起動(dòng)是由普通的起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)運(yùn)行，起動(dòng)成功還需要自身的汽油做功，從起動(dòng)到發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)成功需要一定的時(shí)間。而48V BSG控制系統(tǒng)的自動(dòng)起動(dòng)是由電機(jī)拖動(dòng)運(yùn)行，待電機(jī)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速才拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)本身可以起步助力。因此，48V BSG系統(tǒng)起步運(yùn)行更快、更可靠，不影響駕駛者的主觀感受。而起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)因?yàn)樽詣?dòng)起動(dòng)到運(yùn)行大約需要1s的時(shí)間，駕駛者往往難以接受。

3）48VBSG系統(tǒng)相對(duì)起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)，增加了電機(jī)輔助助力功能，可以提升車輛起步時(shí)的動(dòng)力性，主觀感受更優(yōu)。

4）48VBSG系統(tǒng)相對(duì)起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)，增加了制動(dòng)能量回收功能，更好地優(yōu)化能量使用，具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

5）48VBSG系統(tǒng)雖然在油耗及駕駛者感受上優(yōu)于起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)，但起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)增加成本很少，且對(duì)車輛改動(dòng)較小。48 V BSG系統(tǒng)成本相對(duì)高，且對(duì)車輛改動(dòng)較大。

3　起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)起動(dòng)特性分析

起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)的自動(dòng)起動(dòng)是由起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到300 r／min左右，由發(fā)動(dòng)機(jī)自行點(diǎn)火完成起動(dòng)，所以起動(dòng)的可靠性必須保證。在保證可靠性的前提下，盡可能地降低發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的峰值轉(zhuǎn)速，減少起動(dòng)加濃噴油量，只有這樣才能確保起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)節(jié)油的目標(biāo)。起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖6。

圖6　起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程

把圖6起動(dòng)過(guò)程分為幾個(gè)階段：①發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?—300 r／min，由起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)可以識(shí)別曲軸和相位信號(hào)，可以進(jìn)行正時(shí)判斷；②300—600 r／min，發(fā)動(dòng)機(jī)識(shí)別正時(shí)后開(kāi)始點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒做功的能量使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，同時(shí)起動(dòng)機(jī)隨之一起運(yùn)轉(zhuǎn)（在600 r／min時(shí)，起動(dòng)機(jī)脫開(kāi)、停機(jī)）；③600 r／min到峰值轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)依靠預(yù)控的進(jìn)氣量和汽油燃燒做功，把發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到峰值轉(zhuǎn)速；④峰值轉(zhuǎn)速到怠速目標(biāo)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行。這4個(gè)階段順利完成，標(biāo)志著起動(dòng)成功。但起動(dòng)過(guò)程預(yù)控進(jìn)氣量要大于怠速工況，且要通過(guò)加濃來(lái)保證起動(dòng)的可靠性，所以起動(dòng)過(guò)程相對(duì)于同等時(shí)間的怠速運(yùn)行油耗要高。所以，對(duì)于起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，起動(dòng)的標(biāo)定尤其重要，如果處理不好，理論節(jié)油效果就難以得到體現(xiàn)。在確保起動(dòng)可靠性的前提下，盡可能降低起動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速上升峰值（即減少預(yù)控進(jìn)氣量），同時(shí)減少起動(dòng)加濃，快速進(jìn)入閉環(huán)控制。

在發(fā)動(dòng)機(jī)溫度為60±5℃時(shí)，通過(guò)標(biāo)定起動(dòng)預(yù)控進(jìn)氣量來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的峰值轉(zhuǎn)速。通過(guò)標(biāo)定起動(dòng)時(shí)燃油加濃系數(shù)，使起動(dòng)沉底Lambda分別等于0.7、0.8倍測(cè)試起動(dòng)時(shí)間（單位：s）和平均燃油噴射脈寬（單位：ms），來(lái)分析如何獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

某整車不同起動(dòng)加濃及預(yù)控進(jìn)氣量下的起動(dòng)時(shí)間和噴油量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)，當(dāng)標(biāo)定的預(yù)控進(jìn)氣量使發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)峰值轉(zhuǎn)速在900～950r／min，采用沉底LAM（Lambda）=0.8時(shí)，既可以保證起動(dòng)品質(zhì)，又可以確保起動(dòng)的燃油經(jīng)濟(jì)性。每輛車所獲得的結(jié)果不同，所以需要針對(duì)車輛進(jìn)行精細(xì)化的標(biāo)定。

圖7　不同起動(dòng)加濃及預(yù)控進(jìn)氣量下的起動(dòng)時(shí)間和噴油量

通過(guò)測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度為60±5℃時(shí)，怠速轉(zhuǎn)速為600r／min，閉環(huán)控制Lambda=1，怠速噴油脈寬為2.78 ms。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)峰值轉(zhuǎn)速950 r／min，采用沉底LAM= 0.8時(shí)，起動(dòng)平均噴油脈寬約為5ms，持續(xù)時(shí)間約為1s?？紤]到起動(dòng)后噴油量快速衰減進(jìn)入閉環(huán)控制的過(guò)程，怠速時(shí)間不超過(guò)3s的燃油消耗量和一次起動(dòng)燃油消耗量達(dá)到平衡。而在NEDC工況，可實(shí)現(xiàn)怠速停機(jī)11次（每次持續(xù)時(shí)間都在20s左右）［3］。

所以，只要通過(guò)精細(xì)化標(biāo)定，起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)可同時(shí)兼顧起動(dòng)的可靠性和自動(dòng)起停的燃油經(jīng)濟(jì)性。

4　結(jié)束語(yǔ)

起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)和48VBSG系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)。在NEDC（New European Driving Cycle：歐洲標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)）工況，亦或者是WLTC（World-wide Light-duty TestCycle：全球標(biāo)準(zhǔn)行駛測(cè)試循環(huán)）工況，都能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)油；而在真正的城市駕駛工況中，這種意義更大。起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整車改動(dòng)小，成本低；48VBSG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，整車改動(dòng)相對(duì)大一些，成本也高一些，但駕駛感覺(jué)和節(jié)油效果更優(yōu)。所以，未來(lái)幾年這兩種技術(shù)勢(shì)必會(huì)同時(shí)存在。

［1］周泉.怠速起停系統(tǒng)促進(jìn)起動(dòng)機(jī)革命［J］.汽車電器，2014（10）：39-43.

［2］沈超.Start／Stop系統(tǒng)所用起動(dòng)機(jī)可靠性研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)學(xué)位論文，2013.

［3］祁克光.汽車ISS控制技術(shù)節(jié)油研究與應(yīng)用［J］.安徽科技，2012（11）：37-38.

（編輯心翔）

Technology Analysis Start-stop System and 48V BSG Systemof the Starter

QI Ke-guang1，HUANG Kai-sheng2
（1.Chery Automobile Company Power Train Technical Centre，Wuhu 241009，China；2.School of Automotive Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

This paper conducts comparative analysis on controlling structure and strategy between start-stop system and 48V BSG system of the starter，specifically analyzes the starting feature of the start-stop system，outlooks on its development trend.

start-stop system；48V BSG；controlling strategy

A

1003-8639（2016）07-0044-04

2015-12-04；

2015-12-25

祁克光，奇瑞EMS自主研發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理，2002年從事汽車電控工作，2008年06月帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成中國(guó)第一個(gè)完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EMS系統(tǒng)CEMS1.0，并批量應(yīng)用，2011年獲得中國(guó)汽車工業(yè)部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)（課題：奇瑞自主EMS項(xiàng)目）。