結(jié)合道路信息預(yù)測的啟停系統(tǒng)控制策略研究

王維強(qiáng)，周一鶴，于金泉，蔡凡昌，嚴(yán)運(yùn)兵

（武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，武漢 430065）

0 引 言

混合動力汽車作為一種由燃油汽車向純電動汽車過渡的成熟的新能源汽車解決方案，與傳統(tǒng)燃油汽車相比，發(fā)動機(jī)啟停次數(shù)顯著增加。發(fā)動機(jī)的頻繁啟停不但會帶來發(fā)動機(jī)的油耗增加，啟動不平穩(wěn)，還會降低車內(nèi)乘客乘坐的舒適性，因此研究汽車啟停系統(tǒng)的優(yōu)化措施對于混合動力汽車的應(yīng)用具有重要意義。

1 啟停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)外發(fā)動機(jī)怠速啟停系統(tǒng)根據(jù)組成不同分為3種方案：博世采用的獨(dú)立增強(qiáng)型起動機(jī)與發(fā)電機(jī)方案、以法雷奧為主的采用輔助啟動電機(jī)的集成起動電機(jī)／發(fā)電機(jī)方案、以馬自達(dá)為主的基于缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)的直接啟停方案。3種方案中，集成式起動機(jī)及發(fā)電機(jī)方案在歐洲部分車型中得到運(yùn)用，但目前使用最多的還是獨(dú)立增強(qiáng)型起動機(jī)與發(fā)電機(jī)方案，即博世采用方案如圖1所示。

圖1 獨(dú)立增強(qiáng)型起動機(jī)與發(fā)電機(jī)方案Fig.1 Independent enhanced starter and generator scheme

該方案使用增強(qiáng)型起動機(jī)（Enhanced Start Motor ESM）代替?zhèn)鹘y(tǒng)起動機(jī)，以齒輪嚙合的方式與發(fā)動機(jī)相連，使用循環(huán)壽命更長。在蓄電池方面，由于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池使用壽命短，用在啟停系統(tǒng)中大概使用3個(gè)月就需要更換，所以選擇使用具有玻璃纖維隔板AMG蓄電池。發(fā)動機(jī)控制模塊ECM作為啟停系統(tǒng)的核心控制單元通過接受電池、檔位、剎車等各種信號判斷是否進(jìn)入啟停功能。當(dāng)剎車松開，啟動命令發(fā)出后，AGM電池提供電能，一體機(jī)作為電動機(jī)使用，拖動發(fā)動機(jī)快速運(yùn)轉(zhuǎn)至怠速以上。在車輛正常行駛時(shí)，一體機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用，為AMG蓄電池充電。整體系統(tǒng)擁有響應(yīng)迅速，使用壽命長，減少油耗，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

2 啟停系統(tǒng)對經(jīng)濟(jì)性影響

發(fā)動機(jī)在起動后，燃燒做功的能量使得發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速得以迅速上升，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超600 r／min時(shí)，ECM控制起動機(jī)脫離，然后停機(jī)，這時(shí)候由于慣性，起動機(jī)會慢慢停止運(yùn)轉(zhuǎn)，而發(fā)動機(jī)繼續(xù)依靠燃油和進(jìn)氣量燃燒產(chǎn)生動能，使得發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速上升到峰值后才轉(zhuǎn)到怠速轉(zhuǎn)速。因此，在啟動瞬間噴油量和進(jìn)氣量的控制十分關(guān)鍵。

文獻(xiàn)［5］對電控汽油發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量和噴油量的關(guān)系進(jìn)行研究，提出了噴油量與進(jìn)氣量的關(guān)系式（1）：

其中，F是噴油量；A為進(jìn)氣量；為空燃比。且進(jìn)氣量A又可以由公式（2）得出：

其中，A為空氣容積率，A為空氣密度。

由此可以通過空氣流量傳感器及氣壓傳感器來預(yù)測起動時(shí)汽油噴油量。由于實(shí)際行駛過程中存在駕駛習(xí)慣、汽油濃度等系列因素，僅通過進(jìn)氣量很難準(zhǔn)確對噴油量做出預(yù)估。所以從啟停停機(jī)時(shí)間與起動機(jī)起動油耗的關(guān)系出發(fā)再做研究。發(fā)動機(jī)怠速與起動油耗的關(guān)系如式（3）：

其中，為發(fā)動機(jī)停機(jī)節(jié)省的油耗；為發(fā)動機(jī)起動時(shí)消耗的油耗；為發(fā)動機(jī)怠速時(shí)燃油消耗；T為怠速停機(jī)時(shí)間。

于是可以得出只有0進(jìn)入啟停才有意義，否則會更耗油。

所以并非啟停越頻繁，節(jié)油效果越好。相反，當(dāng)啟停停機(jī)時(shí)間過短，發(fā)動機(jī)再啟動所需油耗會更大，并且燃燒不充分所產(chǎn)生的尾氣，將給節(jié)能減排帶來反效果。因此，如何控制進(jìn)入啟停模式的時(shí)機(jī)，對啟?？刂撇呗詠碚f是十分重要的。

3 結(jié)合道路信息預(yù)測的啟?？刂撇呗?/h2>

在實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)控制策略難以對車輛運(yùn)行條件做出有效判斷，不能準(zhǔn)確識別駕駛員下一步操作意圖。何仁、劉凱等人提出利用攝像頭圖像識別，捕捉紅綠燈倒計(jì)時(shí)顯示屏信息，來判斷是否進(jìn)入啟停停機(jī)，以及是否提前啟動。受此啟發(fā)，且考慮到在車輛實(shí)際行駛路況中，除了紅綠燈會影響車輛啟停外，道路擁堵狀況也會在極大程度上影響發(fā)動機(jī)啟停次數(shù)，所以利用地圖信息中獲取到的車輛所在道路有無紅綠燈，以及距離紅綠燈的距離，道路上車輛的數(shù)量、車輛的行駛速度等信息對是否進(jìn)入啟停停機(jī)進(jìn)行智能判斷，提出一種結(jié)合道路信息預(yù)測的擁堵路況啟停系統(tǒng)控制策略優(yōu)化

道路擁堵在實(shí)際路況中又分為事故引起的擁堵和信號燈引起的排隊(duì)擁堵。下面針對兩種擁堵路況進(jìn)行分析。

3.1 信號燈引起的排隊(duì)擁堵

對于由交通信號燈引起的排隊(duì)擁堵來說，主要需要根據(jù)紅燈等待時(shí)長來判斷是否進(jìn)入怠速停機(jī)，結(jié)合已有統(tǒng)計(jì)信息和筆者所在武漢市黃家湖西路道路觀測信息得到：黃家湖三街黃家湖路至黃家湖三街黃家湖西路段，紅綠燈倒計(jì)時(shí)30 s，且當(dāng)紅燈變綠燈時(shí)，第一輛車通過紅綠燈的平均時(shí)間至少2 s，第二輛車之后隨著每輛車增加2.5 s，依次類推，第十輛車過紅綠燈平均時(shí)間為24.5 s?？梢耘袛啵诖说缆飞系褂?jì)時(shí)30 s內(nèi)，最多可以通過12輛汽車，紅燈前12輛車，主要需要根據(jù)紅燈等待時(shí)長來判斷是否進(jìn)入怠速停機(jī)狀態(tài)，而第12輛車之后的車輛則主要根據(jù)前方12輛車的狀態(tài)來判斷。

針對交通信號燈引起的排隊(duì)擁堵，制定以下策略：根據(jù)道路信息判斷當(dāng)前車輛是否為前12輛車輛之一，若是則：當(dāng)紅燈倒計(jì)時(shí)T＜T時(shí)，車輛怠速運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)紅燈倒計(jì)時(shí)T＞T時(shí)，車輛停機(jī)。其中，T為怠速油耗與發(fā)動機(jī)起動一次油耗相等時(shí)，發(fā)動機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)長，計(jì)算公式（4）：

其中，為發(fā)動機(jī)怠速時(shí)燃油消耗。

若車輛是排隊(duì)車輛中第13輛及以后車輛，則根據(jù)道路信息進(jìn)行判斷：當(dāng)排隊(duì)車輛中有1／2以上車速為0 km／h，且100%車輛車速小于5 km／h時(shí)，車輛停機(jī)。起控制邏輯程序框圖如下圖2所示。

圖2 信號燈引起的排隊(duì)擁堵路況啟停策略流程圖Fig.2 Traffic flowchart of the start－stop strategy for queuing congestion caused by traffic lights

3.2 事故引起的擁堵

對于事故擁堵可以通過實(shí)時(shí)交通信息判斷當(dāng)前路段有無交通信號燈，車輛擁擠程度及車輛行駛速度來進(jìn)行判定。在由事故引起的長距離擁堵路段，傳統(tǒng)啟停策略為跟隨前車，即前車啟停發(fā)動機(jī)起動，前車停機(jī)發(fā)動機(jī)停機(jī)。在長距離擁堵路段，該策略具有顯著弊端，即燃油經(jīng)濟(jì)性差，乘坐舒適性差，且容易損傷零部件，所以針對這一路況，做出改進(jìn)來改善頻繁啟停工況：在前車后保險(xiǎn)杠距離S大于臨界值S，后車輛再啟動，有效避免了在該距離中不必要的車輛啟停動作。S計(jì)算過程如公式（5）：

其中，V為車輛怠速行駛車速，為在低速行駛路段，車輛需要與前車之間保持的安全距離。

另外在車輛啟動后，則啟用車速控制模塊，保證與前車后保險(xiǎn)杠之間的距離始終為S，若在行駛過程中識別到前車有剎車動作直至停車，使與前車后保險(xiǎn)杠距離S＜S，則將車速平穩(wěn)降至怠速，直至與前車后保險(xiǎn)杠距離S＝S時(shí)，發(fā)動機(jī)停機(jī)，啟停系統(tǒng)一個(gè)工作循環(huán)結(jié)束。事故引起的擁堵路況流程圖如圖3所示。

圖3 事故引起的擁堵路況啟停策略流程圖Fig.3 Flowchart of the start－stop strategy for congestion caused by the accident

4 仿真驗(yàn)證及結(jié)果分析

針對無信號燈道路由交通擁堵引起的擁堵路況啟停策略，以啟停次數(shù)和燃油經(jīng)濟(jì)性為考察指標(biāo)與傳統(tǒng)的跟隨前車即停即走策略在CarSim／Simulink做出仿真對比。

4.1 CarSim／Simulink聯(lián)合仿真模型

CarSim是面向特性的車輛仿真軟件，在CarSim中整車被分為數(shù)個(gè)子系統(tǒng)，通過對各個(gè)子系統(tǒng)的參數(shù)與特性曲線進(jìn)行設(shè)置完成建模。此次選用CarSim中C－Class預(yù)設(shè)模型，仿真車輛主要參數(shù)見表1。

表1 仿真車輛主要參數(shù)Tab.1 The main simulation parameters of the vehicle

4.2 搭建聯(lián)合仿真平臺

CarSim提供了與Simulink聯(lián)合仿真接口，并通過函數(shù)來實(shí)現(xiàn)兩者的連接和通信。在CarSim中建立好整車動力學(xué)模型，將發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度_、制動器的制動壓力_、左右輪的前輪轉(zhuǎn)角作為Simulink輸入的信號，將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速_、變速器傳動比、車速、車輛位置1、車輛加速度ax1作為輸出信號。搭建的模型如圖4所示。

圖4 CarSim／Simulink聯(lián)合仿真模型Fig.4 Joint CarSim／Simulink simulation model

4.2.1 前車狀態(tài)模塊

這一模塊中對前車速度做出設(shè)置：在第［0 6 10 14 15 16 18 20 22 25］s，分別設(shè)置其速度為：［3 3 0 0 2 0 0 3 3 3］km／h，設(shè)置完成后對前車速度積分即得前車位置，隨后與跟車安全距離相加，得到目標(biāo)車輛當(dāng)前位置Xo1，并將前車速度與位置輸入至控制策略模塊和速度跟隨模塊。

在控制策略模塊中，針對由事故引起的擁堵路況，采用在前車后保險(xiǎn)杠距離S大于臨界值S后車輛再啟動的啟停控制策略，有效避免了在該距離中不必要的車輛啟停動作，并添加計(jì)數(shù)器模塊，統(tǒng)計(jì)路程中啟停次數(shù)。

4.2.2 速度跟隨模塊與油耗計(jì)算模塊

在這一模塊中，對車輛進(jìn)行驅(qū)動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)的縱向動力學(xué)建模，隨后通過Simulink中PID模塊輸出期望車速，再通過控制節(jié)氣門開度使汽車按照設(shè)定的車速行駛，繼而達(dá)到控制與前車間距為期望間距，并保持車速跟隨的目的。

本模塊中PID控制器由比例單元、積分單元、微分單元3部分組成，其輸入()＝V()（）與輸出（）之間的關(guān)系為式（6）：

改寫成傳遞函數(shù)形式（7）：

其中，K為比例系數(shù)；T為積分時(shí)間常數(shù)；T為微分時(shí)間常數(shù)。

對式（7）進(jìn)行離散化處理，式（8）：

其中，為采樣信號；()為第個(gè)時(shí)刻的控制器輸出值；()為第個(gè)時(shí)刻的速度偏差值；()為第1個(gè)時(shí)刻的速度偏差值，最終經(jīng)過仿真驗(yàn)證，K取2，K取0.001，K取0。

再對行駛中的車輛進(jìn)行縱向動力學(xué)分析，式（9）和式（10）：

其中，F為輪胎驅(qū)動力；F為制動力；取0.04；取0.06。

驅(qū)動時(shí)，制動力為0，則可得式（11）：

忽略傳動系統(tǒng)的彈性變性后，可得汽車驅(qū)動力F為公式（12）：

其中，T為輸入扭矩；（ω／ω）為轉(zhuǎn)矩特性函數(shù)；η為傳動系機(jī)械效率，則式（13）：

在忽略節(jié)氣門的滯后及扭轉(zhuǎn)剛度等因素對發(fā)動機(jī)性能影響后，可得到發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速ω及節(jié)氣門開度間的函數(shù)關(guān)系，式（14）：

則節(jié)氣門開度，式（15）：

其中，（ω，T）為節(jié)氣門開度特性函數(shù)，則由發(fā)動機(jī)輸出扭矩可得到發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度MAP圖如圖5所示。

圖5 發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度MAP圖Fig.5 Engine throttle opening MAP diagram

同理，制動時(shí)節(jié)氣門開度為0，則有式（16）：

其中，F為發(fā)動機(jī)對汽車的反拖力；a為期望加速度；且另驅(qū)動力與制動力都為0時(shí)的期望加速度為a。

那么對于期望制動壓力，式（17）：

根據(jù)建立的驅(qū)動系統(tǒng)與制動系統(tǒng)逆縱向動力學(xué)模型在Simulink中完成車輛的驅(qū)動控制與制動控制，實(shí)現(xiàn)了對前車的車速跟隨。

而在油耗計(jì)算模塊中，輸入發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度，可以對照節(jié)氣門開度MAP圖獲取發(fā)動機(jī)輸出扭矩T，再對照發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速特性曲線，可以得到對應(yīng)的燃油消耗率及功率。那么燃油消耗量。可由公式（18）計(jì)算得出：

4.3 仿真分析

選取一段長1 200 m的水平道路作為仿真道路，設(shè)置初始車速為18 km／h，仿真時(shí)間100 s。仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 使用改進(jìn)后的發(fā)動機(jī)啟停策略后仿真結(jié)果Fig.6 Simulation result after using improved engine start－stop strategy

圖7 使用“即走即停”策略仿真結(jié)果圖Fig.7 Simulation results after using the Walk－and－Go strategy

可以看出，在這段1 200 m的擁堵路段中，車輛使用傳統(tǒng)跟隨前車即走即停的發(fā)動機(jī)啟停策略時(shí)，發(fā)動機(jī)啟停次數(shù)為16次，燃油消耗32 g，與前車距離均保持在6～10 m區(qū)間內(nèi)，車速跟隨前車較為緊密；而使用基于道路信息預(yù)測的發(fā)動機(jī)啟?？刂撇呗詴r(shí)，發(fā)動機(jī)啟停次數(shù)為10次，同比減少31.5%，燃油消耗為30 g，同比下降6.25%，與前車距離在0～70 s內(nèi)保持在5－10 m，在70－100 s內(nèi)保持在10 m以上，車速跟隨前車十分緊密。由此可見，在這段1 200 m的擁堵路段中，采用結(jié)合道路信息預(yù)測的啟停系統(tǒng)控制策略后，整車的舒適性、燃油經(jīng)濟(jì)性與安全性均得到提升，優(yōu)化方案有效。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)合道路信息預(yù)測的啟停系統(tǒng)控制策略，通過設(shè)置合理的等待距離來降低發(fā)動機(jī)啟停次數(shù)；搭建了CarSim與Simulink的聯(lián)合仿真軟件平臺，在一段1 200 m的水平擁堵路段中對優(yōu)化前后的兩種控制策略進(jìn)行對比試驗(yàn)。通過仿真可以看出，所設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)啟?？刂撇呗钥梢悦黠@降低啟停次數(shù)與燃油消耗，改善乘坐舒適性、燃油經(jīng)濟(jì)性與駕駛安全性，為汽車的發(fā)動機(jī)啟停系統(tǒng)控制策略提供了新的研究方法。