汽車怠速起停系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)研究

王鑫

(煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院 汽車工程系, 山東 煙臺(tái) 265599)

0 引言

隨著我國(guó)科技以及經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，汽車逐漸代替步行、馬車等傳統(tǒng)交通方式，汽車行業(yè)的迅速崛起促使我國(guó)在國(guó)際中的地位顯著提高，但是，隨著汽車數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，間接導(dǎo)致環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，不但如此，汽車在怠速狀態(tài)下產(chǎn)生的毒素將直接危害人體健康，因此，迅速采取節(jié)能減排的方式有利于我國(guó)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。在城市道路中，汽車怠速工況的情況可高達(dá)20%以上，而汽車怠速的過程中，汽車尾氣的排放量不斷上升，缸內(nèi)的燃料并沒有應(yīng)用于汽車行駛，燃油的過度消耗對(duì)于空氣污染以及資源利用會(huì)造成較大影響，而汽車怠速起停系統(tǒng)的全面發(fā)展對(duì)于環(huán)境問題至關(guān)重要，可以有效解決環(huán)境污染等問題，真正意義上實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的，本文將通過汽車怠速起停系統(tǒng)控制方案及工作原理進(jìn)行合理展開，通過不斷優(yōu)化，設(shè)計(jì)了揚(yáng)長(zhǎng)避短的汽車怠速起停系統(tǒng)控制策略研究，具有重要意義。

1 汽車怠速起停系統(tǒng)控制方案及工作原理

1.1 怠速起停系統(tǒng)控制方案

汽車怠速起停系統(tǒng)控制策略的實(shí)現(xiàn)實(shí)際上取決于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，在汽車控制系統(tǒng)中最核心的部分是EMS，EMS全稱為Engine Management System，通過EMS發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)有利于對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒情況進(jìn)行良好管理，具有多種優(yōu)勢(shì)。EMS發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)在汽車怠速起停系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)接收傳感器所傳輸?shù)男盘?hào)，汽車怠速起停系統(tǒng)根據(jù)多種傳感器信號(hào)可以更好的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)所處狀態(tài)進(jìn)行分析，除此之外，還將采用智能傳感器單元(Start & Stop Unit, SSU)，智能傳感器單元(SSU)的應(yīng)用有利于汽車怠速起停系統(tǒng)的安全性能，并對(duì)汽車的起動(dòng)機(jī)進(jìn)行全面掌控，將智能傳感器單元(SSU)與EMS發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)相結(jié)合，可以觸發(fā)汽車怠速起停系統(tǒng)的起動(dòng)機(jī)進(jìn)行工作。在汽車怠速起停系統(tǒng)中，為保證該系統(tǒng)可以更加準(zhǔn)確地檢測(cè)駕駛員的行車意圖，應(yīng)加入雙路輸出非接觸式霍爾傳感器，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息最終將傳輸至智能傳感器單元(SSU)與EMS發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)中，為保證信息傳輸?shù)男剩瑢⑼ㄟ^CAN總線傳輸至EMS，并采用車身控制器BCM，使其將PCAN和BCAN建立聯(lián)系。EMS通過PCAN和BCAN獲取的整車起停狀態(tài)最終將通過BCM傳輸至儀表盤，駕駛員可以通過儀表盤的信號(hào)指示燈獲取起停狀態(tài)，該過程對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的選用要求十分嚴(yán)格，要求發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)耐久次數(shù)應(yīng)高達(dá)20萬次，對(duì)于電池的選取將采用AGM，該電池的使用壽命是普通電池的3倍，電池的狀態(tài)變化將通過LIN傳輸至EMS[1]。

1.2 怠速起停系統(tǒng)工作原理

汽車怠速起停系統(tǒng)的工作原理是利用汽車怠速起停系統(tǒng)中的電機(jī)起停功能取代傳統(tǒng)汽車工作的起動(dòng)電機(jī)，真正意義上實(shí)現(xiàn)汽車的自動(dòng)起停功能。汽車怠速起停系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程主要通過智能傳感器單元(SSU)與EMS發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)對(duì)駕駛員的意識(shí)進(jìn)行感知，根據(jù)駕駛員的意圖，汽車怠速起停系統(tǒng)將迅速響應(yīng)，并通過汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)控制汽車前進(jìn)。手動(dòng)擋起停操作流程為汽車行駛至紅綠燈前，駕駛員應(yīng)踩下離合器以及剎車，待汽車停穩(wěn)后掛空擋，并松開離合器，此時(shí)的汽車怠速起停系統(tǒng)中的起停功能將自動(dòng)熄滅發(fā)動(dòng)機(jī)，待起停指示燈點(diǎn)亮后即可重啟發(fā)動(dòng)機(jī)，而交通燈轉(zhuǎn)為綠燈時(shí)，駕駛員應(yīng)踩下離合器踏板，待起停功能重啟發(fā)動(dòng)機(jī)后，掛擋并松離合器，即可繼續(xù)前進(jìn)，完成起動(dòng)功能。手動(dòng)擋起停操作示意圖[2]，如圖1所示。

2 汽車怠速起停系統(tǒng)技術(shù)分析

2.1 BSG/ISG起停系統(tǒng)

汽車怠速起停系統(tǒng)中的BSG(Belt-driven Starter Generator)起停技術(shù)實(shí)際上是利用自身的電機(jī)實(shí)現(xiàn)汽車起停功能，該過程中的BSG電機(jī)實(shí)際上指的是啟發(fā)一體機(jī)，通過將BSG電機(jī)與汽車怠速起停系統(tǒng)中的發(fā)動(dòng)機(jī)建立連接，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，完成電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)一體化發(fā)展。汽車停止運(yùn)行時(shí)，汽車怠速起停系統(tǒng)將通過駕駛員的意識(shí)進(jìn)行相關(guān)操作，通過汽油噴射裝置對(duì)系統(tǒng)發(fā)出指令，系統(tǒng)將根據(jù)指令自動(dòng)結(jié)束怠速狀態(tài)；汽車重新起動(dòng)時(shí)，電源供給系統(tǒng)將持續(xù)供電，帶動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)開啟運(yùn)行模式，該過程將保留汽車的原始起動(dòng)電機(jī)，其目的是為了保證原始電機(jī)可以在持續(xù)低溫狀態(tài)下仍保證發(fā)動(dòng)機(jī)處于啟動(dòng)狀態(tài)。BSG起停系統(tǒng)的發(fā)展有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的，該系統(tǒng)所包含的回收系統(tǒng)，將成為節(jié)能減排的有效依據(jù)。ISG(Integrated Starter Generator)起停技術(shù)在汽車怠速起停系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)方面與BSG起停技術(shù)基本一致，二者可交替使用[3]。

2.2 ESM起停系統(tǒng)

ESM起停系統(tǒng)中的ESM技術(shù)實(shí)際上指的是增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)技術(shù)，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要依靠于將汽車原始的起動(dòng)機(jī)通過ESM技術(shù)替換成增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)，經(jīng)研究表明，增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)相對(duì)于原始起動(dòng)機(jī)的使用壽命更長(zhǎng)，汽車使用增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)可以啟動(dòng)更多的次數(shù)，除此之外，增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)還具有安裝成本低的優(yōu)勢(shì)，通過使用增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)可以更好的節(jié)約成本，不但如此，節(jié)約成本的同時(shí)，可以有效地提高發(fā)電機(jī)的效率，間接提高節(jié)油效率[4]。

2.3 GDI起停系統(tǒng)

GDI(Graphics Device Interface)起停系統(tǒng)的核心操作為缸內(nèi)直噴技術(shù)，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理為“噴油——點(diǎn)火——燃燒和起動(dòng)”，其實(shí)現(xiàn)的流程首先是起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)成功啟動(dòng)后，通過噴油裝置向氣缸內(nèi)噴射少量燃油，該過程應(yīng)保證氣缸處于壓縮行程狀態(tài)，此時(shí)點(diǎn)火系統(tǒng)將燃油燃燒，通過燃油瞬間爆發(fā)的推力實(shí)現(xiàn)曲軸反轉(zhuǎn)，而推動(dòng)曲軸反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的是活塞，曲軸反轉(zhuǎn)后汽車的氣缸將再次實(shí)現(xiàn)壓縮行程狀態(tài)，此時(shí)點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火后將促使曲軸正轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)處于起動(dòng)狀態(tài)。GDI起停系統(tǒng)與BSG/ISG起停系統(tǒng)和ESM起停系統(tǒng)相比，BSG/ISG起停系統(tǒng)中的BSG/ISG技術(shù)可以在實(shí)現(xiàn)汽車怠速起停系統(tǒng)起停功能的同時(shí)提高能源回收率，并增強(qiáng)節(jié)能減排的效果，但是成本較高，安裝汽車怠速起停系統(tǒng)的時(shí)候?qū)τ谄嚤旧淼母膭?dòng)較大；ESM起停系統(tǒng)中的ESM技術(shù)所選用的增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)可以促進(jìn)汽車的盡快適應(yīng)頻繁啟動(dòng)的現(xiàn)象，具有成本低、汽車改動(dòng)性小等優(yōu)勢(shì)，但是節(jié)能減排的效果較差；而GDI起停系統(tǒng)中的GDI技術(shù)可以將原始的起動(dòng)機(jī)進(jìn)行替換，具有節(jié)能減排、汽車啟動(dòng)速度迅速且噪聲較小等優(yōu)勢(shì)[5]。

2.4 其他起停系統(tǒng)

汽車怠速起停系統(tǒng)中除了包含BSG/ISG起停系統(tǒng)、ESM起停系統(tǒng)和GDI起停系統(tǒng)，還包含了其他類型的技術(shù)，主要包含了手動(dòng)擋和自動(dòng)擋起停系統(tǒng)以及低速和靜止熄火起停系統(tǒng)等。手動(dòng)擋和自動(dòng)擋起停系統(tǒng)中最主要的區(qū)別是傳動(dòng)部件，其中手動(dòng)擋起停系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要依靠離合器的傳動(dòng)，自動(dòng)擋起停系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要依靠液體傳動(dòng)系統(tǒng)。汽車安裝怠速起停系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)低速熄火，而傳統(tǒng)的怠速起停系統(tǒng)在汽車低速熄火的過程中將導(dǎo)致汽車無法在駕駛員重新起動(dòng)完全停止的汽車時(shí)，第一時(shí)間執(zhí)行指令，該過程主要通過汽車中的電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接方式而決定，相對(duì)于如今的汽車怠速起停系統(tǒng)，如今的汽車怠速起停系統(tǒng)可以真正實(shí)現(xiàn)低速熄火以及低速啟動(dòng)[6]。

3 汽車怠速起停系統(tǒng)中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題

3.1 啟動(dòng)速度慢

傳統(tǒng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)具有多種問題，由于汽車啟動(dòng)的過程中會(huì)發(fā)生汽油機(jī)滯后問題，該過程主要通過燃油噴射，將汽油與空氣混合后排放至氣缸內(nèi)，此時(shí)在齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下給汽車安裝怠速起停系統(tǒng)，將導(dǎo)致汽車啟動(dòng)緩慢以及時(shí)間延長(zhǎng)等問題。本文經(jīng)過優(yōu)化后的汽車怠速起停系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式主要通過直噴發(fā)動(dòng)機(jī)將汽油形成霧化狀態(tài)后噴入活塞缸中，該過程可以通過減少進(jìn)氣管內(nèi)混合的方法節(jié)約發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間，但是可以達(dá)到同樣的目的，因此，應(yīng)加強(qiáng)齒輪之間的連接方式，以此達(dá)到縮短起動(dòng)時(shí)間的目的[7]。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)磨損以及起動(dòng)機(jī)損傷

汽車長(zhǎng)時(shí)間頻繁的進(jìn)行起動(dòng)和停止操作，將導(dǎo)致汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)磨損嚴(yán)重，長(zhǎng)此以往，極容易導(dǎo)致安全問題發(fā)生，除此之外，汽車起動(dòng)電機(jī)磨損的過程中也會(huì)造成起動(dòng)電機(jī)因過熱而發(fā)生損壞。汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)磨損最嚴(yán)重的情況是在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的過程中若生成潤(rùn)滑油膜，對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)來講，可以起到良好的保護(hù)效果，而發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷啟動(dòng)的過程中由于未生成潤(rùn)滑油膜而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)磨損嚴(yán)重，因此，駕駛員在起動(dòng)汽車時(shí)應(yīng)暖機(jī)后起動(dòng)汽車怠速起停系統(tǒng)，除此之外，應(yīng)添加高級(jí)的機(jī)油。針對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)磨損以及起動(dòng)機(jī)損傷的多種問題應(yīng)采取汽車怠速起停系統(tǒng)控制策略，以便于解決磨損問題，通常來講新型電機(jī)的使用效果要比汽車的原有電機(jī)更具優(yōu)勢(shì)，因此汽車怠速起停系統(tǒng)控制策略將通過起停條件，對(duì)汽車進(jìn)行控制，增加汽車電機(jī)的使用時(shí)效[8]。

3.3 舒適性差

駕駛員在起動(dòng)汽車怠速起?？刂葡到y(tǒng)的時(shí)候會(huì)過于頻繁的啟動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，從而導(dǎo)致汽車產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，該過程將造成汽車內(nèi)的人員產(chǎn)生不適的感覺，針對(duì)該缺點(diǎn)的解決辦法應(yīng)通過汽車怠速起停系統(tǒng)控制策略進(jìn)行調(diào)和，汽車怠速起停系統(tǒng)控制策略可以將齒輪嚙和系統(tǒng)進(jìn)行永久開發(fā)，并通過雙螺旋管式皮帶傳動(dòng)的方式而達(dá)到減小汽車運(yùn)作過程中的振動(dòng)，以保證車內(nèi)人員的舒適感，通過控制策略優(yōu)化后的汽車怠速起停系統(tǒng)可以強(qiáng)化汽車的各部分功能，通過安裝高質(zhì)量的減震器也可以達(dá)到提高舒適性的目的[9]。

3.4 電池的損耗

汽車頻繁的啟動(dòng)會(huì)造成電池的損耗，從而導(dǎo)致電池的使用周期變短，而汽車怠速起停系統(tǒng)的安裝勢(shì)必會(huì)造成蓄電池的持續(xù)放電，將加劇汽車電池的使用壽命的縮短。汽車怠速起停系統(tǒng)控制策略的全方位實(shí)現(xiàn)可以將超級(jí)電容作為汽車電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)來源，此時(shí)的蓄電池將作為輔助能源，相對(duì)于蓄電池的多優(yōu)劣勢(shì)來講，超級(jí)電容更具優(yōu)勢(shì)，超級(jí)電容可以實(shí)現(xiàn)最快速度持續(xù)放電，并且不會(huì)造成二次污染以及儲(chǔ)存能量大等優(yōu)勢(shì)，真正意義上實(shí)現(xiàn)為汽車起動(dòng)機(jī)不間斷地持續(xù)供電[10]。

4 汽車怠速起停系統(tǒng)控制策略

在汽車怠速起停系統(tǒng)控制策略中，EMS將作為核心控制系統(tǒng)，此時(shí)的SSU將作為輔助控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)EMS核心控制系統(tǒng)在汽車怠速起停系統(tǒng)控制策略中共同發(fā)展，汽車怠速起停系統(tǒng)中還包含BCM，而BCM主要負(fù)責(zé)傳遞信息以及網(wǎng)關(guān)作用，汽車怠速起停系統(tǒng)中的HVAC可以根據(jù)車內(nèi)溫度信息向中心控制系統(tǒng)EMS發(fā)送信號(hào)，由中心控制系統(tǒng)進(jìn)行判斷并傳遞指令信息。汽車怠速起停系統(tǒng)通常分為手動(dòng)擋以及自動(dòng)擋，下面將針對(duì)手動(dòng)擋起停系統(tǒng)進(jìn)行控制策略。

4.1 EMS系統(tǒng)起停控制策略

EMS起停功能策略，如圖2所示。

圖2 EMS起停功能策略

從圖中可以看出EMS系統(tǒng)起?？刂撇呗灾饕獙⑾到y(tǒng)分為五個(gè)方面，該策略的主要功能是以汽車起動(dòng)狀態(tài)作為判斷汽車起動(dòng)過程所需要的條件的主要依據(jù)，除此之外，該策略還具有判斷傳感器傳動(dòng)過程中的連接狀態(tài)的功能。在開展EMS系統(tǒng)起?？刂撇呗詴r(shí)，起停條件的判斷是整個(gè)EMS系統(tǒng)起停控制策略的核心要素，作為EMS系統(tǒng)起?？刂撇呗缘臉屑~，可以通過汽車的協(xié)調(diào)狀態(tài)判斷是否滿足自身?xiàng)l件，從而進(jìn)行操作，該策略中需要空擋傳感器和離合傳感器之間的相互配合，空擋傳感器的實(shí)現(xiàn)主要通過占空比判斷擋位的變化，而離合傳感器可通過自身的開關(guān)量輸出滿足起停條件，空擋傳感器和離合傳感器二者之間的相互配合將傳動(dòng)鏈的狀態(tài)分為6種，各狀態(tài)之間的相互作用。通過狀態(tài)分析可知，EMS系統(tǒng)起?？刂撇呗詫⑵鹜顟B(tài)分為7種，通過各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位狀態(tài)，除此之外，EMS系統(tǒng)起停控制策略還將怠速起停系統(tǒng)中設(shè)置人機(jī)界面，滿足用戶對(duì)汽車的全面控制。

4.2 SSU控制策略

起動(dòng)機(jī)是保護(hù)汽車安全行駛的重要保障，但是不當(dāng)?shù)牟僮鲗⒃斐芍旅ｋU(xiǎn)，比如傳感器進(jìn)行傳動(dòng)的過程中發(fā)動(dòng)起動(dòng)機(jī)，將造成事故的發(fā)生，因此汽車怠速起停系統(tǒng)控制策略將選擇EMS和SSU串聯(lián)控制起動(dòng)機(jī)方案對(duì)起動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，通過該方法可以有效地避免起動(dòng)機(jī)出現(xiàn)紊亂。EMS和SSU串聯(lián)控制起動(dòng)機(jī)方案，如圖3所示。

圖3 EMS和SSU串聯(lián)控制起動(dòng)機(jī)方案

從圖中可以看出EMS通過汽車怠速起停系統(tǒng)控制策略的運(yùn)算后，認(rèn)為汽車的運(yùn)作過程是通過起動(dòng)機(jī)的牽引，引起發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)狀態(tài)，從而達(dá)到汽車正常行駛的目的，此時(shí)起動(dòng)機(jī)繼電器應(yīng)進(jìn)行吸合效應(yīng)。而SSU可以控制傳感器之間的傳動(dòng)鏈，根據(jù)傳動(dòng)鏈之間的狀態(tài)判斷信號(hào)之間的起動(dòng)條件。

5 汽車怠速起?？刂葡到y(tǒng)NEDC循環(huán)仿真分析

為保證汽車怠速起停系統(tǒng)控制策略的實(shí)現(xiàn)，將通過NEDC循環(huán)排放和油耗測(cè)試對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。NEDC循環(huán)排放和油耗測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

表1 NEDC循環(huán)排放和油耗測(cè)試結(jié)果

從表中可以看出汽車尾氣的排放物主要包括HC、CO、NOx等，通過測(cè)試分析可以得出該系統(tǒng)下的汽車排放的污染物不受起停功能的影響，為進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)的準(zhǔn)確控制性，將進(jìn)行實(shí)車道路測(cè)試以及耐久試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有良好的性能。

6 總結(jié)

汽車怠速起停系統(tǒng)控制策略的研究，顛覆以往的傳統(tǒng)起停系統(tǒng)，全方面優(yōu)化汽車怠速起停系統(tǒng)，主要從兩方面進(jìn)行開發(fā)，分別是EMS系統(tǒng)起停控制策略以及SSU控制策略，除此之外，還針對(duì)汽車怠速起?？刂葡到y(tǒng)進(jìn)行NEDC循環(huán)仿真分析，該過程主要通過實(shí)車道路測(cè)試以及耐久試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)表明怠速起停系統(tǒng)對(duì)汽車的各部分功能沒有影響，并且可以達(dá)到節(jié)能的目的，真正意義上實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，具有一定的研究?jī)r(jià)值，可以大量生產(chǎn)。