某48V微混車(chē)輛鑰匙起動(dòng)策略?xún)?yōu)化與起動(dòng)沖擊控制

1 前言

基于48V技術(shù)的微混技術(shù)，是當(dāng)前主流的低成本實(shí)現(xiàn)混動(dòng)、降低油耗和排放的前瞻技術(shù)

，可以在對(duì)原有動(dòng)力總成改造較小的情況下實(shí)現(xiàn)微混，達(dá)到降低油耗與排放的效果

。48V微混系統(tǒng)在車(chē)輛原有12V供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了48V電機(jī)、48V電池及DC/DC模塊，如圖1所示。微混系統(tǒng)的核心部件48V電機(jī)，除具備傳統(tǒng)12V電機(jī)發(fā)電功能外，還具有自動(dòng)啟停(Auto Start)、加速助力(boost)與制動(dòng)能量回收(regen)的功能，既可以在自動(dòng)起動(dòng)(autostart)與加速工況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸提供驅(qū)動(dòng)力，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出更加平順，提高車(chē)輛動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性

，又可以作為曲軸負(fù)載提供車(chē)內(nèi)用電并在車(chē)輛滑行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收(regen)，進(jìn)一步達(dá)到降低油耗的目的

。

48V微混車(chē)輛的起動(dòng)策略分為key on start鑰匙起動(dòng)與auto start自動(dòng)起動(dòng)兩部分。Key on start策略為：鑰匙起動(dòng)過(guò)程中12V電池為起動(dòng)機(jī)供電，起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)至一定轉(zhuǎn)速(crank轉(zhuǎn)速)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火，完成起動(dòng)。Autostart策略為：自動(dòng)起動(dòng)過(guò)程中48V電池為48V電機(jī)供電，48V電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)至更高的怠速轉(zhuǎn)速后，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火完成起動(dòng)

。帶有啟停功能的48V電機(jī)功率大(一般為10kW左右)，較之傳統(tǒng)起動(dòng)機(jī)(功率一般為1.5kW左右)起動(dòng)能力更強(qiáng)，起動(dòng)過(guò)程更加平順、起動(dòng)頓挫感小。某48V微混車(chē)輛出現(xiàn)了key on start(起動(dòng)機(jī)起動(dòng))與auto start(48V電機(jī)起動(dòng))起動(dòng)平順性差異較大問(wèn)題，key on start過(guò)程的起動(dòng)沖擊與座椅抖動(dòng)較為嚴(yán)重。

按透平啟動(dòng)按鈕。透平將按照預(yù)設(shè)的冷態(tài)升速暖機(jī)曲線(xiàn)升速，升速至800 r/min后程序自動(dòng)停止升速，進(jìn)行150 min的低速暖機(jī)。

本文針對(duì)某48V微混車(chē)輛key on start(起動(dòng)機(jī)起動(dòng))起動(dòng)沖擊較大的問(wèn)題進(jìn)行研究，詳細(xì)對(duì)比了起動(dòng)機(jī)keyon start與48V電機(jī)auto start的起動(dòng)過(guò)程與起動(dòng)平順性，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了全新的key on start起動(dòng)策略，通過(guò)48V電機(jī)的介入輔助，改善起動(dòng)平順性。

2 Key on start與Auto start起動(dòng)平順性對(duì)比

某48V微混車(chē)輛key on start過(guò)程(起動(dòng)機(jī)起動(dòng))起動(dòng)平順性較差，駕駛員可以明顯感受到座椅抖動(dòng)與沖擊。而由48V電機(jī)完成的auto start過(guò)程起動(dòng)平順性好，駕駛員幾乎感受不到座椅抖動(dòng)。針對(duì)key on start與auto start的顯著差異，進(jìn)行起動(dòng)抖動(dòng)的理論分析與實(shí)車(chē)起動(dòng)平順性試驗(yàn)。

2.1 起動(dòng)抖動(dòng)的動(dòng)力學(xué)傳遞

本文研究的48V微混車(chē)輛動(dòng)力總成為前置，采用三點(diǎn)懸置系統(tǒng)，動(dòng)力總成通過(guò)三點(diǎn)式懸置與車(chē)身相連。起動(dòng)過(guò)程對(duì)車(chē)身響應(yīng)來(lái)說(shuō)屬于瞬態(tài)沖擊下的強(qiáng)迫振動(dòng)。建立12自由度動(dòng)力總成-車(chē)身動(dòng)力學(xué)模型

，將動(dòng)力總成與車(chē)身簡(jiǎn)化為剛體，各具有6個(gè)自由度，即3個(gè)延軸平動(dòng)自由度與3個(gè)繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度

；動(dòng)力總成與車(chē)身之間通過(guò)懸置連接

，3個(gè)懸置簡(jiǎn)化為3個(gè)相互垂直的線(xiàn)性彈簧阻尼原件

；懸架支撐在車(chē)身上，懸架簡(jiǎn)化為3個(gè)相互垂直的線(xiàn)性彈簧阻尼原件，假設(shè)車(chē)身通過(guò)4個(gè)懸架彈簧阻尼原件連接在剛性的質(zhì)量無(wú)限的基礎(chǔ)上。動(dòng)力總成與車(chē)身原點(diǎn)取各自平衡位置質(zhì)心，x軸指向汽車(chē)前進(jìn)方向反方向，y軸平行于曲軸指向發(fā)動(dòng)機(jī)前端，z軸垂直于xy平面并指向正上方。12自由度動(dòng)力總成-車(chē)身動(dòng)力學(xué)模型

如圖2所示。

建立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為

：

(1)

2018年以來(lái)，中國(guó)家電市場(chǎng)整體面臨的壓力較大，從下圖中的數(shù)據(jù)我們可以看出，2017年全年，中國(guó)家電市場(chǎng)零售額增速為11.8%，而2018年截至11月份，增速只有1.6%，大約只有去年全年增速的七分之一，今年的中國(guó)家電零售業(yè)可能將迎來(lái)整體“失速”的危機(jī)。

(1)試驗(yàn)對(duì)象：試驗(yàn)對(duì)象為某48V微混車(chē)輛，發(fā)動(dòng)機(jī)為1.3T 48V Micro BAS 三缸發(fā)動(dòng)機(jī)。

=diag(

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

)

(2)

式(2)中

為質(zhì)量，

為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，下標(biāo)

代表動(dòng)力總成(

)，

代表車(chē)身(

)。

由式(4)可知，起動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒做功轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，起動(dòng)瞬間由于發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火能量

較大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速

在短時(shí)間內(nèi)迅速上升，造成起動(dòng)沖擊，進(jìn)而導(dǎo)致車(chē)內(nèi)座椅沖擊抖動(dòng)，影響起動(dòng)平順性。故本文以起動(dòng)瞬間發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速上沖波動(dòng)與駕駛員座椅振動(dòng)加速度peakto peak值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，全面分析起動(dòng)平順性。并在實(shí)車(chē)上開(kāi)展起動(dòng)平順性試驗(yàn)，試驗(yàn)介紹如下：

=[

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

]

(3)

式(3)中

，

，

代表延

軸，

軸，

軸的位移，

代表動(dòng)力總成繞軸轉(zhuǎn)角，

代表車(chē)身繞軸轉(zhuǎn)角。

由動(dòng)力學(xué)模型可知，起動(dòng)瞬間發(fā)動(dòng)機(jī)大爆發(fā)壓力燃燒點(diǎn)火，會(huì)形成較大的沖擊，沖擊載荷

會(huì)通過(guò)懸置傳遞至車(chē)身，從而導(dǎo)致車(chē)內(nèi)座椅抖動(dòng)。Keyon start與auto start過(guò)程中，系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣

、剛度矩陣

與阻尼矩陣

不變，導(dǎo)致車(chē)身響應(yīng)

變化的原因?yàn)閮煞N起動(dòng)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊載荷

不同。故在實(shí)車(chē)上開(kāi)展起動(dòng)平順性試驗(yàn)，對(duì)比key on start與auto start的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程與車(chē)內(nèi)座椅抖動(dòng)。

As the electrons velocity was v(E), for high electric fields, the validity of the drain current was[13]:

2.2 起動(dòng)沖擊動(dòng)力學(xué)分析與起動(dòng)平順性試驗(yàn)介紹

起動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火燃燒，瞬間形成較大的起動(dòng)爆發(fā)能量，克服發(fā)動(dòng)機(jī)本身阻力等造成的能量損耗后，轉(zhuǎn)化為動(dòng)能推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)做功，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。根據(jù)能量法

建立動(dòng)力學(xué)方程為：

(4)

由于實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的開(kāi)展貼近行業(yè)實(shí)踐，校企合作剛好為學(xué)生提供了參與企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目的機(jī)會(huì)，并受到來(lái)自企業(yè)技術(shù)人員的專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)，增強(qiáng)了課程內(nèi)容的專(zhuān)業(yè)化水平。另一方面，企業(yè)也可以從學(xué)生參與項(xiàng)目的過(guò)程中，考量和挖掘人才。在實(shí)踐教學(xué)的有力助推下，生命科學(xué)學(xué)院獲批教育部“產(chǎn)教融合、協(xié)同育人”項(xiàng)目1項(xiàng)，填補(bǔ)了學(xué)院在該類(lèi)項(xiàng)目上的空白，也為校企合作的縱深發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

式(1)中

為動(dòng)力總成與車(chē)身的質(zhì)量矩陣，

為系統(tǒng)剛度矩陣，

為系統(tǒng)阻尼矩陣，

為位移向量，

為發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)向量。

注射日期或繳費(fèi)日期通知錯(cuò)誤對(duì)患者和/或患者家長(zhǎng)心理造成不利影響：本研究中5個(gè)選項(xiàng)及總量表的分值與Cronbach’s a系數(shù)見(jiàn)表2。各項(xiàng)的首次問(wèn)卷結(jié)果與第二次問(wèn)卷結(jié)果均無(wú)顯著差異；Cronbach’s a系數(shù)采用第二次問(wèn)卷結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，均在0.7以上，提示量表具有較好的內(nèi)部一致性，即能夠穩(wěn)定地測(cè)量到管理失誤對(duì)患者和/或患者家長(zhǎng)心理造成不利影響的表現(xiàn)；增加的“由患者自己記住治療日及繳費(fèi)日”項(xiàng)提示：患者為之可能造成的失誤感到很擔(dān)心。

(2)測(cè)點(diǎn)布置：

a. 振動(dòng)加速度：駕駛員座椅左導(dǎo)軌外側(cè)振動(dòng)加速度

b. 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：為精確測(cè)量起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置信號(hào)，轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，測(cè)試精度為曲軸每旋轉(zhuǎn)6°。

(3)試驗(yàn)工況：key on start與auto start

應(yīng)對(duì)場(chǎng)景：I）研究人員對(duì)其研究領(lǐng)域最新最重要的研究成果的需求，以幫助其更好的開(kāi)展研究工作；II）研究人員、高校教師、學(xué)生發(fā)表論文的需求（含寫(xiě)論文、投稿等）；

因?yàn)闀r(shí)代在不斷變化，所以“互聯(lián)網(wǎng)+”模式下的人力資源管理相比較傳統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生較大的改變，整體的組織結(jié)構(gòu)會(huì)更加扁平化，還可能會(huì)有一些新的組織形式不斷出現(xiàn)。所以人力資源管理者要不斷跟隨時(shí)代的變化，并且及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

2.3 Keyon start與auto start起動(dòng)平順性對(duì)比

Key on start與auto start的起動(dòng)平順性試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3(a)為key on start，(b)為auto start。圖3中藍(lán)色曲線(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，紅色曲線(xiàn)為座椅振動(dòng)加速度。由圖3(a)可知，key on start過(guò)程中，起動(dòng)機(jī)拖轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)至crank轉(zhuǎn)速(約400rpm)后發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機(jī)第一次點(diǎn)火后轉(zhuǎn)速迅速上升至約850rpm，形成較大的起動(dòng)沖擊，座椅振動(dòng)加速度peak to peak值達(dá)到1.8m/s

，起動(dòng)平順性較差。對(duì)比圖3(b)可知，由于48V電機(jī)功率大，auto start過(guò)程中48V電機(jī)可以平穩(wěn)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)加速，轉(zhuǎn)速上升至怠速轉(zhuǎn)速(約1000rpm)后發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火，其間無(wú)轉(zhuǎn)速劇烈上沖沖擊，座椅振動(dòng)加速度peak to peak值為0.7m/s

，起動(dòng)平順性好。

對(duì)比分析key on start與auto start可知，key on start平順性差的主要原因?yàn)槠饎?dòng)機(jī)crank轉(zhuǎn)速為約400rpm，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火后轉(zhuǎn)速需由約400rpm的crank轉(zhuǎn)速迅速上升至約1000rpm的發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，故第一次點(diǎn)火后轉(zhuǎn)速上升劇烈，起動(dòng)沖擊較大。Auto start過(guò)程中，48V電機(jī)可以將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)的拖至怠速轉(zhuǎn)速(約1000rpm)后噴油點(diǎn)火，起動(dòng)沖擊小。然而雖然48V電機(jī)起動(dòng)能力強(qiáng)，起動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，但48V電機(jī)起動(dòng)過(guò)程需由48V電池供電。而48V電池容量小，且低溫性能衰退較大，在48V電池電量低或環(huán)境溫度低的工況下(低于-10℃)，無(wú)法進(jìn)行48V電機(jī)起動(dòng)。故實(shí)車(chē)上48V電機(jī)不能取代起動(dòng)機(jī)完成key on start，需要對(duì)key on start起動(dòng)策略進(jìn)行優(yōu)化

。

3 面向起動(dòng)沖擊控制的“起動(dòng)機(jī)與48V電機(jī)聯(lián)合起動(dòng)策略”開(kāi)發(fā)

本文創(chuàng)新的開(kāi)發(fā)了面向起動(dòng)沖擊控制的“起動(dòng)機(jī)與48V電機(jī)聯(lián)合起動(dòng)”key on start策略，鑰匙起動(dòng)過(guò)程中引入48V電機(jī)輔助，降低第一次點(diǎn)火的沖擊激勵(lì)。

3.1 “起動(dòng)機(jī)與48V電機(jī)聯(lián)合起動(dòng)策略”

“起動(dòng)機(jī)與48V電機(jī)聯(lián)合起動(dòng)策略”控制邏輯如圖4所示，key on start過(guò)程共分三個(gè)階段：1)首先由起動(dòng)機(jī)拖轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)至crank轉(zhuǎn)速(約400rpm)；2)48V電機(jī)介入輔助，將發(fā)動(dòng)機(jī)由crank轉(zhuǎn)速繼續(xù)拖至穩(wěn)定怠速轉(zhuǎn)速(約1000rpm)；3)轉(zhuǎn)速到達(dá)較高的穩(wěn)定怠速轉(zhuǎn)速后發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火，降低第一次點(diǎn)火造成的轉(zhuǎn)速上沖，改善起動(dòng)沖擊。

3.2 起動(dòng)平順性實(shí)車(chē)驗(yàn)證

實(shí)車(chē)上測(cè)試“起動(dòng)機(jī)與48V電機(jī)聯(lián)合起動(dòng)策略”的起動(dòng)平順性，結(jié)果如圖5所示。

圖5(a)為原起動(dòng)機(jī)起動(dòng)策略，(b)為“起動(dòng)機(jī)與48V電機(jī)聯(lián)合起動(dòng)策略”，圖中藍(lán)色曲線(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，紅色曲線(xiàn)為座椅振動(dòng)加速度。由圖5(b)中藍(lán)色曲線(xiàn)起動(dòng)轉(zhuǎn)速歷程可知，采用“起動(dòng)機(jī)與48V電機(jī)聯(lián)合起動(dòng)策略”后，在48V電機(jī)的輔助下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由crank轉(zhuǎn)速(7.8s，約400rpm)平穩(wěn)上升至穩(wěn)定怠速轉(zhuǎn)速(8.5s，約1000rpm)，發(fā)動(dòng)機(jī)在到達(dá)較高的穩(wěn)定怠速轉(zhuǎn)速后噴油點(diǎn)火，轉(zhuǎn)速上沖沖擊較小，座椅振動(dòng)加速度peak to peak值由原起動(dòng)機(jī)起動(dòng)策略的1.8m/s

改善至0.9m/s

，顯著提高了起動(dòng)平順性。該起動(dòng)策略下48V電機(jī)工作區(qū)間為crank轉(zhuǎn)速至發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定怠速轉(zhuǎn)速，無(wú)需克服發(fā)動(dòng)機(jī)由靜止至旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的阻力與慣量，較之完全48V電機(jī)起動(dòng)，電機(jī)起動(dòng)負(fù)荷低，經(jīng)驗(yàn)證該策略可以滿(mǎn)足低溫條件下(-30℃至10℃)的起動(dòng)要求。

4 結(jié)論

本文針對(duì)某48V微混車(chē)輛key on start過(guò)程中的起動(dòng)沖擊問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。通過(guò)對(duì)比起動(dòng)機(jī)key on start與48V電機(jī)auto start的差異，識(shí)別出key on start沖擊大的根本原因?yàn)槠饎?dòng)機(jī)crank轉(zhuǎn)速低(約400rpm)，發(fā)動(dòng)機(jī)在crank轉(zhuǎn)速400rpm時(shí)噴油點(diǎn)火后轉(zhuǎn)速劇烈上升導(dǎo)致起動(dòng)沖擊。在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了“起動(dòng)機(jī)與48V電機(jī)聯(lián)合起動(dòng)”的key on start策略：起動(dòng)機(jī)拖轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)至crank轉(zhuǎn)速后48V電機(jī)介入輔助，將發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)由crank轉(zhuǎn)速拖至穩(wěn)定怠速轉(zhuǎn)速(約1000rpm)后發(fā)動(dòng)機(jī)噴油點(diǎn)火。實(shí)車(chē)起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明：“起動(dòng)機(jī)與48V電機(jī)聯(lián)合起動(dòng)策略”有效優(yōu)化了key on start過(guò)程，起動(dòng)轉(zhuǎn)速上升平穩(wěn)，車(chē)內(nèi)座椅抖動(dòng)與沖擊降低，顯著提高了起動(dòng)平順性。

[1]李金棟.淺談48V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)[J].汽車(chē)維修與保養(yǎng). 2018(8): 78-79.

[2]董學(xué)鋒,王軍雷,梁金廣.基于多種混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型的48V技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].汽車(chē)技術(shù).2019,(1).31-37.

[3]程吉鵬, 陳丁躍, 姜良超.48V ISG微混動(dòng)力系統(tǒng)車(chē)輛整車(chē)控制策略研究[J].汽車(chē)技術(shù). 2017(2): 1-4.

[4]張秋新, 祖潤(rùn)青.48V-BSG混合動(dòng)力系統(tǒng)研究[J].汽車(chē)電器. 2019(3): 14-16, 18.

[5]祁克光, 黃開(kāi)勝.增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)起停系統(tǒng)與48VBSG技術(shù)分析[J].汽車(chē)電器. 2016(6): 44-47.

[6]飯讓林, 呂振華.汽車(chē)動(dòng)力總成三點(diǎn)式懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法探討[J].汽車(chē)工程. 2005(3): 304-308.

[7]John Breti.OptimizationOf Engine Mounting Systems to Minimize Vehicle Vibration.SAE 931322

[8]左曙光, 靳曉雄.發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳遞系統(tǒng)建模及剛度參數(shù)影響分析[J].汽車(chē)工程. 2003(2): 119-123.

[9]Nicholas Powell. Optimization of powertrain mounting systems using multi-body dynamic simulation. SAE 97A075.

[10]余志生.汽車(chē)?yán)碚揫M].背景:機(jī)械工業(yè)出版社, 1996.

[11]D．H．Lee，W．S．Hwang.Design Sensitivity Analysis and Optimization of an Engine Mount System using An FRF-based Substructuring Method [J].Journal of Sound and vibration.2002(2): 383-397.

[12]Michael Muller, Thomas W. Siebler,Methods for the reduction of noise and vibration in vehicles using an appropriate engine mount system,SAE 942414.

[13]JinY,ZhangJ,GuanX.Theoretical Calculationand Experi mental Analysis of the Rigid Body Modes of Powertrain Mounting System[J].WSEAS Transactions on Applied and TheoreticalMechanics.2013,8(3):193-201.

[14]靳曉雄, 張立軍, 江浩.汽車(chē)振動(dòng)分析[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社, 2002.

[15]肖嘯.混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)啟?？刂茩C(jī)理與方法[D]. 燕山大學(xué),2018.76.