汽車發(fā)動機智能啟停系統(tǒng)技術(shù)分析

湯超

摘要： 在汽車發(fā)動機運行控制上，采用智能啟停系統(tǒng)能否取得較好的節(jié)油環(huán)保效果，與采取的控制技術(shù)有關(guān)。在對智能啟停系統(tǒng)展開分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理對系統(tǒng)控制策略和制動能量回收等關(guān)鍵技術(shù)進行了探究，為發(fā)動機控制優(yōu)化提供參考。

Abstract： In the automotive engine operation control， whether the intelligent start stop system can achieve better fuel saving and environmental protection effect is related to the control technology adopted. Based on the analysis of intelligent start stop system， the key technologies of system control strategy and braking energy recovery are explored according to the principle of system structure， which provides reference for engine control optimization.

關(guān)鍵詞： 汽車發(fā)動機;智能啟停系統(tǒng);控制策略;能量回收

Key words： automobile engine;intelligent start stop system;control strategy;energy recovery

中圖分類號：U464.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0050-02

0? 引言

受能源緊張、環(huán)境污染等因素影響，汽車能耗問題引發(fā)了人們的關(guān)注。在城市道路交通運行過程中，時常遇到堵車或等紅燈等情況，造成汽車發(fā)動機處于怠速運行狀態(tài)，消耗燃油的同時，產(chǎn)生較多環(huán)境污染。而智能啟停系統(tǒng)的開發(fā)，能夠根據(jù)汽車行駛狀況實現(xiàn)發(fā)動機自動啟停控制，有效減少能耗和污染。因此應(yīng)加強系統(tǒng)技術(shù)分析，確保系統(tǒng)可以取得較好應(yīng)用效果，促進汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1? 汽車發(fā)動機智能啟停系統(tǒng)概述

現(xiàn)階段，市面上的發(fā)動機智能啟停系統(tǒng)主要包含STT系統(tǒng)、BSG系統(tǒng)、i-stop系統(tǒng)三類，擁有各自特點，而應(yīng)用較廣的為STT系統(tǒng)。

STT系統(tǒng)屬于加強型，只需增設(shè)少量零部件即可實現(xiàn)智能啟停功能。從結(jié)構(gòu)上來看，采用該系統(tǒng)需要將傳統(tǒng)發(fā)動機變?yōu)樵鰪姲l(fā)動機，增加傳感器對閥控式鉛酸鋰電池進行檢測，并增設(shè)真空傳感器、踏板傳感器等獲得汽車操縱信號。為避免發(fā)動機頻繁啟停給駕駛舒適性帶來影響，需要增設(shè)電壓保持設(shè)備，避免起動機工作產(chǎn)生的600A電流造成整車系統(tǒng)電壓被拉低[1]。在發(fā)動機重新啟動后，無需對蓄電池或發(fā)動機提供的電壓進行轉(zhuǎn)換，即可確保汽車各用電設(shè)備運行電壓不低于12V。此外，為確保起動機達到耐久性要求，需要選用增強型設(shè)備，采用高壽命的電刷、鐵心等材料，使起動機壽命從3.5萬次提升至20萬次。配備起動機控制模塊，能夠利用限流電阻削減起動機工作的峰值電流，使負載端電壓降有所降低。從總體來看，STT系統(tǒng)成本較低，技術(shù)含量也較低，在多數(shù)品牌車輛上得到了推廣應(yīng)用。

BSG系統(tǒng)需要對發(fā)電機和起動機功能進行集成，對電流進行交直流變換，由BSG電機、傳統(tǒng)起動機、整車控制器、發(fā)動機ECU、鎳氫/AGM電池、電機控制器、雙向張緊輪和傳感器等構(gòu)成。除了對原蓄電池進行升級，系統(tǒng)需要對發(fā)動機控制器等進行升級，并增設(shè)發(fā)動機管理系統(tǒng)和車門傳感器、踏板傳感器、空擋位置傳感器等一系列傳感器。采取接近HEV車型的控制策略，導(dǎo)致系統(tǒng)成本較高，技術(shù)難度較大，因此系統(tǒng)應(yīng)用受到了限制，僅用于少數(shù)品牌汽車。

i-stop系統(tǒng)由傳統(tǒng)發(fā)電機、智能啟停起動機、帶啟停功能ECU、ACM電池和系列傳感器構(gòu)成，需要對起動機和ECU等結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，技術(shù)含量較高，僅馬自達公司使用。

2? 汽車發(fā)動機智能啟停系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)工作原理

從總體上來看，智能啟停系統(tǒng)并未對汽車動力傳輸結(jié)構(gòu)做出過大調(diào)整，僅替換了少數(shù)部件以增加功能。而發(fā)動機管理系統(tǒng)屬于系統(tǒng)核心部件，需要實現(xiàn)起動/停止協(xié)調(diào)程序，完成汽車各種狀態(tài)變量采集，對發(fā)動機狀態(tài)進行判斷和調(diào)控[2]。在汽車因擁堵或等待時，車速將變?yōu)?，根據(jù)傳感器確認駕駛員無停車意圖后，經(jīng)2s將判斷能否達到停機條件，符合條件立即停機，避免發(fā)動機怠速運行。系統(tǒng)控制發(fā)動機停機后，即便駕駛員腳離開制動板依然不會改變發(fā)動機狀態(tài)，同時音響等設(shè)備也可以正常工作。踩下離合器踏板或加速踏板，發(fā)動機將會自動重啟。如圖1所示，系統(tǒng)工作時核心ECU可以對汽車狀態(tài)參數(shù)進行采集，根據(jù)預(yù)設(shè)運行策略通過CAN總線發(fā)送控制指令。進入停機模式，發(fā)動機停止點火、燃油噴射。進入重啟模式，起動機將自動激活，點火系統(tǒng)等也將恢復(fù)工作狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)控制策略

在發(fā)動機啟?？刂品矫?，由于系統(tǒng)技術(shù)屬于微型混合動力技術(shù)，將根據(jù)汽車行駛狀況和駕駛員操縱信號進行判別，還應(yīng)對駕駛舒適性、安全性、零部件使用壽命和汽車動力性等多重因素進行考量，提出科學(xué)控制策略。在系統(tǒng)工作時，首先不能犧牲其他系統(tǒng)正常工作，如在制動壓力達到臨界點、汽車向前或向后“溜車”、蓄電池電量超出限值等情況下，系統(tǒng)不會將發(fā)動機熄滅[3]。而即便發(fā)動機原本處于熄火狀態(tài)，遭遇上述情況也將重啟。利用電控單元實現(xiàn)發(fā)動機啟停控制，將對發(fā)動機、變速箱等動力設(shè)備參數(shù)進行監(jiān)控，判斷能否達到開啟停機或重啟模式的要求，然后才會根據(jù)駕駛員意圖進行啟?？刂?。通常的情況下，冷卻液溫度不超40℃時，為確保發(fā)動機啟動時達到適合工作溫度，將禁止自動停機。而蓄電池電量超出最低限值或制動真空度不足，系統(tǒng)也將停止工作。在駕駛員停車時，不想關(guān)閉發(fā)動機可以將離合器踩住，確保系統(tǒng)不會自動發(fā)出停止指令。此外，也包含距上次重啟不超2s等系列控制邏輯。在自動重啟模式開啟方面，需要滿足檢測到故障、啟動倒車后、車速超過一定門檻值等系列條件。如圖2所示，為系統(tǒng)啟停流程。在系統(tǒng)功能開啟后，才會對駕駛員意圖進行判別。如在自動啟動控制過程中，先判斷檔位處于空擋后，檢測到駕駛員踩下離合器踏板，將觸發(fā)功能，期間任一環(huán)節(jié)無法達到要求將提示啟動失敗。在自動停機功能開啟后，需要先判斷是否有踏板操作，無踏板操作，將判斷是否存在檔位操作，確定滿足條件將判斷是否達到倒計時要求，達到規(guī)定時間將觸發(fā)停機。如果存在踏板操作，需要判斷加速踏板是否松開，松開后重新判斷檔位是否處于空擋。滿足空擋條件，確認離合器踏板松開，將觸發(fā)自動停機程序。為避免頻繁啟停給發(fā)動機零部件帶來較大損耗或產(chǎn)生過高油耗，也可以額外在邏輯上設(shè)置固定時間段內(nèi)啟停次數(shù)限制。

2.3 制動能量回收

汽車處于不同工況條件下，對發(fā)動機將產(chǎn)生不同功率需求。而實現(xiàn)自動啟?？刂?，每次啟動需要依靠蓄電池提供功能，導(dǎo)致蓄電池可能長時間在強電流狀態(tài)下工作出現(xiàn)壽命下降問題。運用制動能量回收技術(shù)，可以將超級電容與蓄電池并聯(lián)，形成復(fù)合電源結(jié)構(gòu)為汽車提供瞬時大功率。如汽車在加速或爬坡工況下，依靠沖擊電流，超級電容能夠快速放電，同時也能迅速實現(xiàn)能量回收，避免蓄電池受到過大電流沖擊。實際運用該技術(shù)，需要對電容電壓進行協(xié)調(diào)，即采用DC/DC轉(zhuǎn)換器與電容連接，對蓄電池端電壓進行檢測，然后由蓄電池直接對外提供功率。采取該種方案，可以靈活分配電容和蓄電池的電壓，達到較高能量回收效率。具體來講，就是先判斷電機需要的功率，如果比0小，將判斷電容是否處于飽和狀態(tài)。處于飽和狀態(tài)，將通過電容為蓄電池充電，否則將通過電容吸收能量。如果電機產(chǎn)生大于0的功率需求，先判斷是否超出設(shè)定值，未超出設(shè)定由蓄電池供電，電容功率為0。如果超出規(guī)定限值，將判斷電容電量是否超出設(shè)定值，超出的情況下由電容提供功率，蓄電池輸出為0。如果電容電量不足，將由蓄電池提供功率。相較于單一的電源結(jié)構(gòu)，采用該結(jié)構(gòu)可以充分回收制動能量，避免產(chǎn)生額外損失。依靠電源迅速為發(fā)動機提供需要的功率，也能確保汽車迅速啟動，體現(xiàn)良好的動力性。而依靠電容分擔大電流，可以避免蓄電池因發(fā)動機頻繁啟停受到反復(fù)沖擊，有效延長其使用壽命，使系統(tǒng)獲得良好經(jīng)濟性。

3? 結(jié)論

應(yīng)用智能啟停系統(tǒng)在發(fā)動機怠速運行時發(fā)送控制指令，能夠避免汽車產(chǎn)生空轉(zhuǎn)損耗。但頻繁進行發(fā)動機啟停將引發(fā)零部件損耗和瞬間啟動高油耗，所以可以從冷卻液溫度、駕駛員操作等方面設(shè)置控制邏輯，確保發(fā)動機不會經(jīng)常進入停機狀態(tài)。而在汽車行駛工況變化時，需要根據(jù)不同發(fā)動機功率需求，調(diào)配蓄電池和超級電容輸出功率，通過回收制動能量延長蓄電池使用壽命的同時，確保汽車可以快速重啟發(fā)動機。

參考文獻：

[1]楊濤，宋丹丹.汽車智能啟停系統(tǒng)分析[J].農(nóng)機使用與維修，2021（09）：37-39.

[2]李剛，徐榮霞，林豪，等.汽車智能啟停系統(tǒng)及制動能量回收策略性能分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（12）：4962-4967.

[3]張良.公交智能啟停系統(tǒng)控制策略研究[J].輕工科技，2019，35（02）：58-59，61.