汽車智能啟停系統(tǒng)控制策略及節(jié)能減排分析

李 剛，吳青青，余宗勝，劉前結(jié)

（華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

1 引言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速時(shí)，對(duì)外不做功，僅耗能維持其空轉(zhuǎn)。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在城市工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速約占總工況的25%，怠速消耗的燃油約占總油耗的30%，且怠速時(shí)噪音大，燃油燃燒不充分，有害尾氣增加[1]。傳統(tǒng)汽車無(wú)再生制動(dòng)效果，制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能都以熱能的形式散失。汽車在都市工況下，制動(dòng)減速過(guò)程中消耗的能量占牽引所需能量的（30～60）%[2]。若把制動(dòng)減速過(guò)程中的能量利用起來(lái)，不但能提高燃油經(jīng)濟(jì)性，還可能延長(zhǎng)整車的行駛里程。但蓄電池充放電慢，僅靠蓄電池來(lái)吸收的制動(dòng)能量很有限。超級(jí)電容可快速充放電，在制動(dòng)時(shí)能迅速吸收大部分的能量，減少蓄電池受到大電流沖擊，提高了能量的回收率[3-4]。將蓄電池和超級(jí)電容組成的復(fù)合電源應(yīng)用于汽車上，能充分發(fā)揮超級(jí)電容比功率大及蓄電池比能量大的優(yōu)點(diǎn)，提升汽車的動(dòng)力性能。提出了一種基于邏輯門限值的啟?？刂撇呗裕寒?dāng)交通擁堵、等紅燈時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將自動(dòng)關(guān)閉；當(dāng)?shù)缆窌惩ā⒕G燈放行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將快速起動(dòng)；并在制動(dòng)減速過(guò)程中，通過(guò)電機(jī)與復(fù)合電源對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收。

2 啟停系統(tǒng)的分析

2.1 啟?？刂葡到y(tǒng)的工作原理

汽車啟停系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）、起動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池、DC/DC穩(wěn)壓器、啟停主開(kāi)關(guān)、電池傳感器、輪速傳感器、制動(dòng)真空度傳感器、踏板傳感器等組成。裝載有啟停系統(tǒng)的手動(dòng)擋車輛，先檢查啟停開(kāi)關(guān)是否開(kāi)啟，若開(kāi)啟，滿足條件后，系統(tǒng)執(zhí)行怠速停機(jī)命令。紅燈或道路堵塞時(shí)，啟停系統(tǒng)控制器接收各種傳感器傳遞的信號(hào)（如踩剎車，掛空擋，松離合等），判斷駕駛員是否有停車意圖，在滿足停機(jī)的條件下，ECU便發(fā)出指令使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火；綠燈或道路暢通允許車輛通行時(shí)，啟停系統(tǒng)控制器根據(jù)接收的信號(hào)來(lái)判斷駕駛員是否有起動(dòng)的意圖，在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的條件下，ECU發(fā)出指令使發(fā)動(dòng)機(jī)迅速起動(dòng)[5]。

2.2 蓄電池與超級(jí)電容的性能

汽車的車載電源一般采用穩(wěn)定性好、比能量大的蓄電池，但其比功率低、充放電慢、使用壽命短，而超級(jí)電容具備比功率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、瞬時(shí)放電電流大和充放電時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。將兩者組成的復(fù)合電源有以下功能：在減速制動(dòng)時(shí)超級(jí)電容快速回收制動(dòng)能量，比單一蓄電池回收能量的效率高；另外，在加速或爬坡時(shí)，超級(jí)電容可優(yōu)先提供較大的瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)功率，避免蓄電池受到大電流的沖擊，延長(zhǎng)蓄電池的壽命；當(dāng)超級(jí)電容電量不足時(shí)，具有比能量高的蓄電池給超級(jí)電容充電，為下一次輸出大功率做準(zhǔn)備。

3 啟停系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 汽車怠速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)啟停系統(tǒng)的原理及復(fù)合電源的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出的汽車啟停系統(tǒng)及能量回饋整體結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。為了在冷機(jī)狀態(tài)時(shí)能順利起動(dòng)，保留了傳統(tǒng)起動(dòng)電機(jī)。ISG電機(jī)能實(shí)現(xiàn)起動(dòng)與發(fā)電功能[6]：該電機(jī)能在0.3s內(nèi)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，所以等紅燈或臨時(shí)停車時(shí)，可將發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)怠速啟停；減速制動(dòng)時(shí)，該電機(jī)切換為發(fā)電模式，進(jìn)行制動(dòng)能量回收；當(dāng)加速或爬坡時(shí)，該電機(jī)切換為驅(qū)動(dòng)模式，提供輔助轉(zhuǎn)矩。復(fù)合電源采用超級(jí)電容與DC/DC變換器相連后再與蓄電池并聯(lián)的模式，通過(guò)DC/DC變換器跟蹤檢測(cè)蓄電池端電壓，來(lái)調(diào)控超級(jí)電容的電壓協(xié)調(diào)工作，且蓄電池和超級(jí)電容的端電壓可以不同，能量轉(zhuǎn)換效率高靈活性好[7]。

圖1 汽車啟停系統(tǒng)及能量回饋整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The Start-Stop System and the Whole Structure of Energy Feedback

3.2 汽車啟停系統(tǒng)起動(dòng)/停止控制策略

啟停系統(tǒng)起動(dòng)/停止控制策略是研究的關(guān)鍵內(nèi)容，其核心在于如何快速準(zhǔn)確地判斷汽車的運(yùn)行狀態(tài)，并及時(shí)做出相應(yīng)的輸出，實(shí)現(xiàn)啟停功能。

3.2.1 怠速起動(dòng)/停機(jī)使能條件判斷

怠速起動(dòng)/停止使能條件包括：?jiǎn)⑼Ｏ到y(tǒng)有無(wú)故障、車門是否關(guān)閉、電池電量是否滿足要求、制動(dòng)真空度是否滿足要求、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫是否正常、車速是否低于某一值。所有條件都滿足時(shí)，怠速停機(jī)功能開(kāi)啟，若任一條件不滿足時(shí)，怠速停機(jī)功能關(guān)閉。

3.2.2 觸發(fā)汽車怠速自動(dòng)起動(dòng)及自動(dòng)停機(jī)條件

在怠速停機(jī)功能開(kāi)啟的前提下，進(jìn)一步識(shí)別駕駛員的操作意圖，來(lái)控制是否起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，觸發(fā)條件包含：怠速停機(jī)功能是否開(kāi)啟、檔位是否為空擋、離合器踏板是否踩下。條件都具備時(shí)，觸發(fā)汽車怠速起動(dòng)成功；若任一條件不滿足時(shí)，則起動(dòng)失敗。

在怠速停機(jī)功能開(kāi)啟的前提下，自動(dòng)停機(jī)觸發(fā)分無(wú)操作觸發(fā)和有操作觸發(fā)兩種。觸發(fā)汽車怠速自動(dòng)停機(jī)流程圖，如圖2所示。該觸發(fā)條件包括：怠速停機(jī)功能是否開(kāi)啟、無(wú)踏板操作、無(wú)檔位操作、倒計(jì)時(shí)、加速踏板是否完全松開(kāi)、檔位是否空擋、離合器踏板是否完全松開(kāi)等。條件都具備時(shí)，觸發(fā)汽車怠速停機(jī)成功；若任一條件不滿足時(shí)，則停機(jī)失敗。

圖2 觸發(fā)汽車怠速自動(dòng)停機(jī)流程圖Fig.2 The Procedure Flow-Process Diagram of Triggering Automatic Stopping on Vehicle Idle

3.3 制動(dòng)能量回收裝置控制策略

汽車在不同的工作模式下，對(duì)蓄電池和超級(jí)電容的要求不同，因此需合理分配二者的工作。采用精確性高的邏輯門限值控制策略，并根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的功率、超級(jí)電容和蓄電池的電量制定如下規(guī)則：（1）當(dāng)電機(jī)需求的功率為正：若大于某一特定功率時(shí)，優(yōu)先由超級(jí)電容提供功率，超級(jí)電容SOC值不足0.2時(shí)，則由蓄電池提供；若不大于某一特定功率時(shí)，所需的功率全由蓄電池提供。（2）當(dāng)電機(jī)需求的功率為負(fù)：若超級(jí)電容SOC值未達(dá)到上限時(shí)，由超級(jí)電容進(jìn)行能量回收；若超級(jí)電容SOC值達(dá)到上限時(shí)，由蓄電池進(jìn)行能量回收。不同的道路工況，電機(jī)需求的功率不同，選取6個(gè)CYC-ECE循環(huán)工況為研究對(duì)象。根據(jù)上述控制規(guī)則，畫(huà)出邏輯門限值控制策略示意圖，如圖3所示。

圖3 制動(dòng)能量回饋控制策略示意圖Fig.3 The Control Strategy of Braking Energy Feedback

圖中：Pm-red—電機(jī)的需求功率；Pte—特定功率；Pbat、SOCbat—蓄電池功率及電量值；Pultra、SOCultra—超級(jí)電容的功率及電量值；F1（s）、F2（s）—放電、充電過(guò)程中協(xié)調(diào)蓄電池的濾波函數(shù)。

4 仿真分析

4.1 整車參數(shù)

選取捷達(dá)1999款傳統(tǒng)汽車為研究對(duì)象，其整車參數(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 整車及發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)Tab.1 Key Parameters of Vehicle and Engine

4.2 建立汽車關(guān)鍵部件模型

選擇ADVISOR仿真軟件進(jìn)行研究，該軟件綜合了前向、后向仿真的優(yōu)點(diǎn)，仿真結(jié)果精度高，計(jì)算時(shí)間短[8]。在軟件原有的汽車頂層模型基礎(chǔ)上，建立及修改相關(guān)的部件模型：按照啟停要求，修改發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)與關(guān)；建立DC/DC變換器模塊，添加RC模型的超級(jí)電容、Rint模型的蓄電池，并將三者組成復(fù)合電源；功率總線模型負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)電池、超級(jí)電容、ISG電機(jī)之間的功率輸出與輸入的關(guān)系，需在原有的功率總線基礎(chǔ)上，根據(jù)上述功率分配建立新的功率總線模型。其汽車頂層模塊，如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的汽車模型Fig.4 The Vehicle Model of Improved

4.3 仿真結(jié)果分析

4.3.1 啟停系統(tǒng)仿真研究

對(duì)于無(wú)啟停功能的傳統(tǒng)汽車，燃料轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)速除了在起點(diǎn)和終點(diǎn)外均大于零，表明燃料轉(zhuǎn)換器一直在消耗燃油；改進(jìn)后的汽車，燃料轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)速為0的次數(shù)為18，而6個(gè)CYC-ECE城郊工況內(nèi)車速為0的階段正好也是18次，說(shuō)明該啟停控制模塊能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速啟停功能。傳統(tǒng)汽車與改進(jìn)后汽車的百公里油耗分別為 7.7L、6.7L，下降了 12.98%；傳統(tǒng)汽車的 HC、CO、NOx的排放量分別為 0.695、2.224、0.359，而改進(jìn)后的 HC、CO、NOx的排放量分別為0.551、1.998、0.316，分別下降了20.72%、10.16%、11.98%，則改進(jìn)后的汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性及排放性得到了提升。

4.3.2 制動(dòng)能量回饋仿真研究

在6個(gè)CYC-ECE循環(huán)工況下，改進(jìn)后的汽車行駛過(guò)程中超級(jí)電容的SOC值變化，如圖5所示。SOC值的最初為0.8，在整個(gè)循環(huán)工況過(guò)程中，SOC值隨著時(shí)間的變化呈現(xiàn)出一條上下起伏的曲線。當(dāng)曲線下降時(shí)，說(shuō)明超級(jí)電容在放電；當(dāng)曲線上升時(shí)，說(shuō)明汽車在進(jìn)行制動(dòng)回收，且上升速度越快時(shí)，說(shuō)明回收效果越明顯；單一電池與復(fù)合電源中蓄電池的電流變化所圖6示，前者的電流變化比后者的電流變化幅度大，且由于制動(dòng)回收時(shí)電流很大，充電電流幾乎全被超級(jí)電容回收，說(shuō)明加入超級(jí)電容后，減少了大電流對(duì)蓄電池的沖擊，使蓄電池充放電電流更加平穩(wěn)，使用壽命可得到延長(zhǎng)。汽車制動(dòng)時(shí)，會(huì)損失部分能量。在6個(gè)CYC-ECE循環(huán)工況下，改進(jìn)后的單一蓄電池汽車與復(fù)合電源汽車因制動(dòng)損失的能量分別為531.86kJ、494.87kJ，后者較前者的能量損失降低了6.95%，則加入超級(jí)電容后提高了制動(dòng)回收率。

圖5 行駛過(guò)程中電源SOC值變化Fig.5 The SOC Value Changes of Power Supply in the Driving Process

圖6 單一電源與復(fù)合電源蓄電池充放電電流變化Fig.6 The Charge and Discharge Current Changes of the Single Battery and Combination Power

4.3.3 整車動(dòng)力性研究

對(duì)傳統(tǒng)汽車、單一電源汽車和復(fù)合電源汽車進(jìn)行了動(dòng)力性測(cè)試，其結(jié)果，如表2所示。改進(jìn)后單一電源、復(fù)合電源汽車的整車動(dòng)力性都有所提高，且后者提高的更顯著。

表2 整車動(dòng)力性對(duì)比Tab.2 The Comparison of the Vehicle Dynamic

5 結(jié)論

（1）改進(jìn)后的汽車在怠速階段，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，有效避免了怠速空轉(zhuǎn)耗能，證明該啟?？刂颇K建立正確。（2）改進(jìn)后的汽車相對(duì)于傳統(tǒng)汽車，百公里油耗降低了12.98%，尾氣排放均有所下降，節(jié)能減排效果明顯。（3）改進(jìn)后的制動(dòng)回收裝置中采用的復(fù)合電源比單一電源回收效率高，超級(jí)電容的加入使能量損失相對(duì)于單一電源降低了6.95%。且整車動(dòng)力性得到了顯著提高，也減少了大電流對(duì)蓄電池的沖擊。（4）在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步分析影響制動(dòng)能量回收的制約因素，設(shè)定合理的摩擦制動(dòng)與電機(jī)制動(dòng)的分配比例，從而進(jìn)一步提高制動(dòng)能量的回收率。