一種微混電動車起停系統及其對車輛性能影響的分析

李聰聰，陳 強，喻 凡，陳振輝，周國清，李 君

(1.上海交通大學，汽車電子控制技術國家工程實驗室，上海 200240; 2.聯合汽車電子有限公司，上海 201206)

前言

混合動力汽車(HEV)由傳統內燃機和電力驅動系統共同驅動，通過先進的車輛控制系統，可提高整車經濟性能和降低排放。受益于環境保護的壓力、不斷上漲的能源價格、更加嚴格的排放標準和節能目標，HEV得到了各國政策的支持、引導和各廠商的大力推廣［1］，成為現階段新能源汽車中最具競爭力和市場前景的汽車之一。

與強HEV和輕HEV相比，雖然微HEV系統(起停系統)的混合程度和節油率不及前者，但因成本低和對現有系統改動小等優點，使其具有很好的應用前景，見表1。

表1 各種混合動力系統比較［2－4］

國內外典型市區工況的車輛怠速油耗占總油耗的比例十分可觀;如歐洲城市道路行車工況(ECE)，車輛平均停車怠速時間約占總行車時間的28%，怠速油耗約占總油耗的17%。根據Bosch公司估計，在理想工況下，采用起停系統后可達到高于15%的節能減排率;而實際的市區工況往往更加擁堵，起停系統可以有更大的發揮空間。

基于以上背景，本文中系統介紹了一種主流的微HEV起停系統，分析了其對車輛各種性能的影響，最后結合出臺的相關政策對該系統的應用前景作出展望。

1 起停系統概述

1.1 起停系統工作原理

起停系統工作原理見圖1［5］。

車輛遇紅燈開始停車，系統通過傳感器和開關采集駕駛員的操作信息(如踩制動踏板，掛空擋和松離合器踏板等)以判斷駕駛員停車意圖，在整車狀況滿足發動機熄火的條件下，系統將自動控制發動機熄火，轉入等待車輛再次起動狀態;當判斷出駕駛員起動意圖時(踩離合器踏板、掛擋等)，迅速接通起動機起動發動機。

1.2 起停系統的分類和應用

微HEV起停系統有3種主流技術方案:(1)采用皮帶傳動式集成起動/發電機(BSG);(2)采用獨立的增強型起動電機(ESM)和發電機;(3)利用缸內直噴技術(GDI)起動發動機［6］。前兩種方案結構示意圖見圖 2 和圖 3［7］。

BSG 起停系統［3，8-9］中的 BSG 電機布置在發動機前端，通過皮帶傳動機構和發動機連接，既可在熱機起動時作為起動機，又可取代原有發電機的功能，進而實現混合動力系統的一體化。但BSG系統一般須保留傳統起動機，以保證低溫起動時的可靠性。

ESM起停系統采用ESM起動電機在原有位置代替傳統起動機，發動機前端輪系無須改動，即可保證起動機起動次數、速度、功率和壽命等方面更高的要求。同時通過換裝成本較低和發電效率更高的智能型發電機，可在原有基礎上進一步提高1% ～2%的節油率。ESM電機雖因和發動機之間采用直接齒輪嚙合，在平順性和噪聲等方面比皮帶傳動略有不足，但在整體成本、冷起動能力、ECU功能集成性和使用排量范圍等方面卻具有優勢。

BSG和ESM系統均能很好地兼容機械式自動變速器，如AMT和DCT，而與AT和CVT等液力自動變速器匹配時，由于起動時液力變矩器儲備液壓不足(液壓的獲得依賴發動機工作時帶動油泵)，從而導致變速器換擋遲滯。為消除此弊端，須額外加裝電動油泵或者液壓儲能裝置。

GDI的起停系統有一種方案是在發動機停止或者起動時，將活塞調整到恰當的位置，當接到重新起動信號時，將少量燃油直接噴射到壓縮行程氣缸中，然后點火以產生向下的活塞壓力使曲軸反轉;反轉時原膨脹行程的氣缸進入壓縮行程，待其達到合適的點火角點火，使曲軸正轉進而起動發動機。和前兩種方案相比，GDI起停方案起動速度更快(300ms左右)和更安靜，是未來起停技術發展的新方向。本文中主要介紹ESM起停系統。

2 ESM起停系統組件

ESM系統主要由發動機控制單元(ECU)、ESM起動電機、(智能)發電機、AGM電池、電池傳感器(EBS)、DC/DC、起停主開關和人機界面，以及曲軸、輪速、踏板和制動真空度等傳感器組成。

車輛裝配起停系統之后，熱起動次數大幅增加，對起動機起動性能和耐久性提出了更高要求。ESM電機通過優化軸承和輪系之間的嚙合，可達到大約30萬次的起動能力;通過增加接合緩沖彈簧，降低了起動噪聲，提高了起動的平順性;通過提高磁極磁性，增強了輸出功率和快速起動能力，可在短時間內將發動機轉速提升到300r/min左右，然后開始噴油點火，整個起動時間控制在400ms左右。

頻繁的起動會造成電池充放電次數的增加，因而對電池充放電能力提出了更高要求。ESM系統通常采用 AGM 電池［5，10］，相比普通富液型鉛酸電池，最大的不同在于正負極之間采用具有優良吸收性和多孔性的玻璃纖維作為電解液載體，不但穩定還能提高水合氧分子在電解液中的穿透能力，進而提高電池內部的化學反應效率，因而具有更好的深循環性能、2倍以上的生命周期和1.5倍以上的起動放電能力。

電池荷電狀態(SOC)滿足一定水平是起停系統正常工作的前提之一;此外電池的功能狀態(SOF)和老化狀況(SOH)也會不同程度地影響系統的正常工作。因此，通常在電池負極加裝EBS，通過采集負極電流、電壓和溫度等信息，實時計算SOC、SOF和SOH，并通過LIN線與ECU或者其它控制器(xCU)實現通信。智能發電機工作原理如圖4所示。

從圖4可看出，ECU根據加速少發電和減速多發電的基本原則，結合EBS反饋的SOC和車輛的行駛信息進行發電時機控制;并通過調整電壓控制信號，實時控制發電強度;與此同時，發電機將發電負荷通過LIN信號反饋給ECU，以提高發動機需求轉矩的計算精度，保證發動機運行的平順性。

由于發動機起動電流很大，會導致電路大幅度降壓，并產生相應的電壓波動，此時須要電壓穩定器給收音機、導航儀等電壓敏感型通信和娛樂設備提供穩定的電壓環境。電壓穩定器本質上是一個DC/DC轉換器。

駕駛室的起停系統主開關可滿足駕駛員根據駕駛風格和實際需要，人為禁用/激活起停功能;同時也可通過多功能儀表板上起停系統指示燈，直觀了解系統當前的工作狀態。如采用指示燈的亮滅對應于起停功能的開啟和關閉，采用不同色彩的指示燈可傳遞更多的起停系統狀態。一個簡單的起停系統指示燈跳變示例見圖5，其中儀表板有4種起停指示燈色彩，分別對應不同的起停狀態和觸發原因。

3 ESM起停系統通信

起停系統的功能實現須要與車輛的其它部件和子系統交互信息、相互協作。圖6分別為ESM起停系統兩種結構示意圖:在ECU資源充分的情況下，起停功能可由ECU單獨實現(標準型);但是對于已經具有復雜功能的發動機，ECU資源緊張，或者在須要實現復雜整車能量控制等附加功能的情況下，起停功能的部分輸入輸出可借助xCU通過CAN通信實現(擴展型)。

擴展型ESM起停系統數據通信結構見圖7。ECU起停協調單元根據與之相關的信號(如xCU發出的車輛層禁止自動停機或者請求重新起動的信號)，經過控制策略的加工處理，轉化為發動機自動停機或者自動起動的需求，再與xCU通信，進而控制執行器完成相應的起停功能。

4 ESM起停系統控制策略

起停系統控制策略應在保證安全和舒適性的前提下，通過監測車輛狀態和駕駛員的操作，正確判斷起停意圖并在合適的時機發出自動停機或自動起動指令［8］，同時確保執行過程中和其它子系統之間協調工作。

起停控制結構是一個復雜的多輸入多輸出系統，通過將其解耦為起停條件匯總、起停需求判定和起停協調策略3個相對獨立的模塊，進而實現復雜的起停控制策略，見圖8。

起停條件匯總模塊采集車輛和發動機的各種相關信息，并將其歸納成自動起動禁止、自動停機禁止、起停功能禁用和車輛層自動起動需求等條件。

起停需求判定模塊采集駕駛員對踏板、擋位和開關操作，以及車輛層起動需求，并根據當前的起停狀態可生成相應的起停需求。比如手動擋車輛，在前提條件滿足的情況下，變速器掛空擋且離合器踏板被松開可用來判斷駕駛員的停機需求，而離合器踏板被重新踩下則可用來判斷駕駛員的起動需求;自動擋車輛，制動踏板的踩下和松開可分別用來判斷駕駛員的停機和起動需求。

起停協調模塊綜合前兩個模塊輸出的起停禁止條件和起停需求，并根據車輛和發動機的當前狀態，使用狀態機方式實現起停控制各狀態之間的切換，并輸出自動起動/停機指令。

圖9為起停協調策略狀態機的一個簡單示例。將起停發動機的不同狀態簡化為6種，各狀態之間依據相應的觸發條件進行跳轉。其中，除禁用狀態之外，其它狀態都是起停功能開啟后的狀態;而待機狀態代表ECU已加電但發動機尚未起動的狀態。

5 ESM系統對車輛性能的影響

5.1 駕駛性

快速響應駕駛員的起動需求和不影響正常的駕駛習慣是起停系統存在的前提條件。控制面板上的起停主開關為駕駛員根據個人偏好對系統進行選擇提供了方便，而起停系統所能達到的最佳工作品質還應包括在開啟時，讓駕駛員感覺不到其存在，因而起動速度十分重要。

ESM電機和傳統起動機的冷機起動速度(時間)對比見圖10。

從圖10可看出，ESM電機和傳統起動機相比，在起動速度和平順性方面均有所提高，同時也為改善車輛的起動性能提供了基礎。

在實際駕駛實踐中，有時駕駛員在完成停止發動機的操作后，又改變主意，想重新起動發動機。此時，傳統起動機只能在發動機停穩之后重起車輛，這勢必增加駕駛員的起動等待時間。為此，一種在發動機尚未停穩之前重新快速起動的功能(Change of Mind)［3］應運而生，圖11示出這種功能的工作原理。圖中的狀態3是傳統發動機的狀況;而具有重新快速起動功能的ESM系統通過控制策略升級，允許發動機在一定轉速范圍內自行重起(狀態1)，其將來發展趨勢是在更低的轉速范圍內通過與ESM電機嚙合并由后者帶動重新起動(狀態2)。

5.2 燃油經濟性和排放

為了驗證起停系統對經濟性和排放性能的影響，首先建立起停系統燃油經濟性計算模型;然后針對起停功能關閉和開啟的情況，在轉鼓試驗臺上進行了燃油消耗量和排放污染物的檢測試驗，并對模型精度進行了驗證。

試驗車輛均由普通車輛加裝ESM系統改造完成。測試工況參考GB18352.3—2005輕型汽車污染物排放限值及測量方法，采用4次ECE工況加1次NEDC工況(新歐洲混合行車工況)進行試驗［11］。NEDC工況起停系統燃油經濟性計算模型中停機時間計算公式為

式中:Tidle為計算停機時間;T1為車速等于0的時間;T2為因發動機水溫過低而禁止自動停機的時間;T3為車速從自動停機觸發限值到停穩的短時間段，根據ECU停機觸發策略，由于NEDC規定的離合器踏板操作已在車速降至限值之前完成，車速限值即為自動停機觸發條件;T4為駕駛員從踩下離合器踏板到車輛起動(車速不為0)的短時間段，根據ECU的起動觸發策略，NEDC規定的車輛起動前離合器踏板操作會觸發發動機自行起動;Nstop為自動停機次數。燃油經濟性計算公式為

式中:nidle為平均怠速轉速;Vinj為每次噴射的平均進氣量;λ 為理論空燃比;ρfuel、ρair分別為燃油與空氣密度;cinj為每次噴射的燃油消耗量;csec為每秒的理論燃油消耗量;η為考慮怠速噴油加濃和電池充電消耗等因素的折算系數;cfe為計算100km節油量;Dnedc為NEDC理論行駛距離。

根據以上公式，采用真實的發動機數據，得到不同排量車型起停系統開啟后燃油經濟性提高的計算值，對比實驗測試數據，計算模型精度較高，甚至優于一些仿真軟件，見表2。

表2 NEDC工況ESM起停系統燃油經濟性*

從表2可看出，在中小排量范圍內起停技術對燃油經濟性的貢獻隨排量增加而提高，而對于大排量車型，這種趨勢將更加明顯。這是因為排量越大，絕對進氣量越大，標準怠速時須要克服的倒拖轉矩(主要由氣體壓縮阻力矩和機械摩擦阻力矩組成)也相應增大，因而對發動機本身將提出更多的燃油消耗需求，所以起停系統的節油效果會更加明顯。

選取表2中的1.8L車型進一步分析。為了防止因發動機水溫過低造成排放惡化等問題，起停系統在水溫尚未升至最低溫度之前被禁止。從第1個ECE循環最后1次停車到整個NEDC循環結束，起停系統共自動停機11次，自動起動10次，見圖12。

通過調整式(1)中參數T1、Nstop可計算出ECE工況的100km燃油經濟性提高值;加入T2進一步調整，可得出熱機狀態下的對比值，見表3。

表3 ECE工況ESM起停系統燃油經濟性

從表3可看出，相比NEDC綜合工況，在代表市區工況、起停更加頻繁的ECE工況，起停系統的節油潛力進一步發揮，熱機狀態下超過了10%。

起停功能開啟、關閉狀態排放物對比見圖13。

從圖13可看出，起停功能開啟后各種排放物水平均有一定程度降低。CO2排放在自動停機時停止，而CO、HC和NOx的排放主要集中在第1個ECE循環，此時發動機仍處于冷機狀態，三效催化轉化器溫度也比較低;經過1個ECE循環，發動機處于熱機狀態，催化轉化器溫度已處于合適范圍，污染物的轉換效果明顯提高。具體的排放累計值對比見表4。

表4 污染排放物累計值對比

6 結論

通過建模計算和試驗驗證，采用起停系統可使100km油耗減少3% ～6%，主要污染物的排放降低5%～20%，且隨著排量增大和路況的復雜化，會進一步發揮其節能減排的潛力。

隨著節能政策的推進，短期內起停系統會得到進一步的推廣和普及。從長期來看，效仿歐洲OEM的做法，將起停系統納入標配的范疇，是未來發展的必然趨勢。

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