起停控制策略對(duì)整車油耗及排放的影響

黃 偉 李衛(wèi)兵 劉文彬 胡 波

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心）

1 前言

混合動(dòng)力汽車按混合度的不同可以分為微混合、輕度混合、中度混合和強(qiáng)混合動(dòng)力汽車。國外公司如日本豐田很早就著手混合動(dòng)力汽車的研究并推出了Prius，美國3大汽車公司則把精力主要集中在混合動(dòng)力皮卡和混合動(dòng)力SUV上，歐洲主流廠商如奔馳、沃爾沃則把目光聚集到混合動(dòng)力卡車上。國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)和主流汽車廠商雖然在混合動(dòng)力的研究方面起步較晚，但是也取得了很多成果，如長安混合動(dòng)力汽車杰勛、奇瑞A5、東風(fēng)的混合動(dòng)力客車和一汽的混合動(dòng)力汽車奔騰B70，這些混合動(dòng)力產(chǎn)品在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性上都可以取代傳統(tǒng)動(dòng)力汽車，但是由于成本的增加導(dǎo)致其在國內(nèi)的推廣進(jìn)度相對(duì)緩慢[1]。基于此，低成本的微混合解決方案引起了重視，本文論述的起停技術(shù)即屬于此種方案。該解決方案不會(huì)變動(dòng)原有車輛的動(dòng)力總成系統(tǒng)，僅通過增加和更換一些零部件就可以實(shí)現(xiàn)較好的節(jié)油效果。目前量產(chǎn)的車型中國品牌如長安CX30、長城C30、吉利GC6，國外品牌如Smart、寶馬X3等均采用了此方案。本文主要研究起停控制系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)車輛的特點(diǎn)，并對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能進(jìn)行對(duì)比分析。

2 起停系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 與傳統(tǒng)燃油車輛的差別

為了保證頻繁起動(dòng)的可靠性和起停的安全性，配置起停系統(tǒng)車輛在原有車輛的基礎(chǔ)上作了一些修改，傳統(tǒng)車輛與配置起停系統(tǒng)車輛的區(qū)別如表1所列。

配置起停系統(tǒng)對(duì)整車成本的增加不明顯[2]，整車改造也相對(duì)容易，不牽涉到發(fā)動(dòng)機(jī)輪系和傳動(dòng)系統(tǒng)的變更，而在城市擁堵路況下節(jié)油效果卻很明顯，因此得到了各大主機(jī)廠的廣泛關(guān)注，正逐步成為新上市車型的標(biāo)準(zhǔn)配置。

表1 傳統(tǒng)車輛與配置起停系統(tǒng)車輛區(qū)別

2.2 起動(dòng)過程的動(dòng)力學(xué)方程

起動(dòng)機(jī)通過和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸嚙合的驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)。起動(dòng)階段的動(dòng)力學(xué)方程[3]為:

式中，Te是起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)扭矩；Tr是發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩；J為發(fā)動(dòng)機(jī)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸角速度；t為起動(dòng)時(shí)間；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

為了克服發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的阻力，要求起停系統(tǒng)的起動(dòng)電機(jī)有足夠的拖動(dòng)扭矩，為此選取了Bosch的增強(qiáng)型起動(dòng)電機(jī)作為本文的起動(dòng)機(jī)。

2.3 試驗(yàn)樣車參數(shù)

試驗(yàn)樣車參數(shù)如表2所列。

2.4 起停系統(tǒng)的工作原理

圖1所示為起停系統(tǒng)的工作原理圖，可知ECU起停控制邏輯對(duì)每個(gè)輸入信號(hào)采集、處理后，把控制結(jié)果輸出給儀表，從而顯示當(dāng)前起停的狀態(tài)及控制發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的停機(jī)和起動(dòng)。總體來講，起停控制邏輯分為4大模塊，即起停功能使能模塊、自動(dòng)停機(jī)控制模塊、自動(dòng)起動(dòng)控制模塊、正常行駛控制模塊。

表2 試驗(yàn)樣車參數(shù)

2.4.1 起停功能使能模塊

起停系統(tǒng)會(huì)根據(jù)汽車的實(shí)際運(yùn)行情況，結(jié)合行駛安全和保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，在滿足以下全部條件的情況下，啟用起停功能。

a.駕駛員在駕駛座上 （車門關(guān)閉且有過踏板動(dòng)作）；

b.發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋關(guān)閉；

c.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度高于一定值 （設(shè)定為60℃）；

d.車輛在起動(dòng)后行駛的車速已經(jīng)超過一定值（設(shè)定為 10 km/h）；

e.無起停系統(tǒng)相關(guān)零部件 （如傳感器、繼電器、執(zhí)行器等）故障；

f.蓄電池SOC充足；

g.有足夠的制動(dòng)真空度。

滿足以上條件后，儀表盤上的起停工作狀態(tài)指示燈會(huì)顯示綠色。

2.4.2 自動(dòng)停機(jī)控制模塊

只有在起停工作狀態(tài)指示燈顯示為綠色時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)才會(huì)執(zhí)行自動(dòng)停機(jī)的指令。

2.4.2.1 駕駛員操作觸發(fā)停機(jī)

自動(dòng)起停系統(tǒng)是通過對(duì)擋位、離合器踏板以及加速踏板的操作識(shí)別駕駛員是否有停機(jī)意圖，可以通過以下操作向發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出怠速停機(jī)的指令:

a.當(dāng)前車速已經(jīng)降低至一定值；

b.如果車輛當(dāng)時(shí)的擋位在擋，當(dāng)踩下離合器并將擋位放置于空擋時(shí)，或如果擋位已經(jīng)在空擋，當(dāng)松開離合器踏板時(shí)。

以上的駕駛操作都會(huì)觸發(fā)停機(jī)的命令，在起停系統(tǒng)識(shí)別并確認(rèn)停機(jī)命令后，會(huì)讓發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)行。

2.4.2.2 無操作觸發(fā)停機(jī)

車輛在由起停系統(tǒng)觸發(fā)自動(dòng)起動(dòng)后，如果在一定的時(shí)間限值內(nèi)（15 s）駕駛員沒有任何的對(duì)踏板和擋位的操作，則起停系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為沒有起步行駛的意圖，因此在這種情況下自動(dòng)起停系統(tǒng)也會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)以節(jié)省不必要的燃油消耗。

如果當(dāng)前該自動(dòng)停機(jī)方式不符合駕駛員的意愿，可以通過按下起停主開關(guān)關(guān)閉起停功能。

2.4.3 自動(dòng)起動(dòng)控制模塊

只有在起停工作狀態(tài)指示燈顯示為綠色時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)才會(huì)執(zhí)行自動(dòng)起動(dòng)的指令。

2.4.3.1 駕駛員操作觸發(fā)自動(dòng)起動(dòng)

自動(dòng)起停系統(tǒng)是通過駕駛員的擋位和離合器踏板的操作識(shí)別駕駛員的停機(jī)意圖，可以通過以下操作向發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出自動(dòng)起動(dòng)的指令。

a.若擋位處于空擋，當(dāng)踩下離合器踏板時(shí)，發(fā)出起動(dòng)指令；

b.若離合器踏板踩到底并且擋位處于空擋，當(dāng)掛擋時(shí)，發(fā)出起動(dòng)指令；

c.若擋位處于空擋或者離合器踏板踩到底，當(dāng)按下起停主開關(guān)關(guān)閉起停功能時(shí)，發(fā)出起動(dòng)指令；

d.若擋位處于空擋或者離合器踏板踩到底，當(dāng)踩下油門踏板，發(fā)出起動(dòng)指令。

2.4.3.2 由其它條件觸發(fā)的自動(dòng)起動(dòng)

在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入自動(dòng)停機(jī)狀態(tài)后，如果出現(xiàn)下列情況，起停系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)起動(dòng):

a.車輛停機(jī)后發(fā)生溜坡現(xiàn)象，車速超過一定值（5 km/h）時(shí)；

b.當(dāng)電池傳感器檢測到電池電量不足時(shí)；

c.當(dāng)多次踩下制動(dòng)踏板后，制動(dòng)真空度不足時(shí)；

d.當(dāng)開啟空調(diào)或者除霧開關(guān)時(shí) （因?yàn)樾枰l(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)工作，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)自動(dòng)起動(dòng)）。

2.4.4 正常行駛控制模塊

在起停控制系統(tǒng)不滿足自動(dòng)起動(dòng)及自動(dòng)停機(jī)條件時(shí)，車輛處于正常行駛模式，與非起停車輛無異。

3 仿真模型與結(jié)果

在項(xiàng)目啟動(dòng)初期，由于整車硬件搭載尚未完成，根據(jù)已經(jīng)確定的整車計(jì)算參數(shù)，采用AVL Cruise整車仿真軟件對(duì)起停樣車油耗進(jìn)行模擬計(jì)算，整車模型如圖2所示。

設(shè)定的起停邏輯和停機(jī)時(shí)間通過Cruise內(nèi)嵌的Start-Stop以及蓄電池模塊實(shí)現(xiàn)，停機(jī)時(shí)間與蓄電池電壓閾值的選擇與實(shí)車ECU控制參數(shù)設(shè)定一致。根據(jù)項(xiàng)目需要，共進(jìn)行了4種測試循環(huán)工況下起停和非起停的綜合油耗計(jì)算對(duì)比，各個(gè)測試循環(huán)的特點(diǎn)對(duì)比見表3。

表3 測試循環(huán)對(duì)比

通過計(jì)算仿真的綜合油耗結(jié)果對(duì)比如表4所列。

表4 綜合油耗仿真結(jié)果對(duì)比

從表3和表4的仿真對(duì)比結(jié)果可以看出，雖然巴西L5測試循環(huán)的停機(jī)時(shí)間占總測試循環(huán)的比例和NEDC相當(dāng)，但是L5的起動(dòng)次數(shù)比NEDC多出近1倍，且其第2階段結(jié)束后要浸車300 s才能再開始第3階段的測試，此時(shí)起動(dòng)空燃比較濃，故綜合這兩個(gè)因素，燃油的節(jié)省效果會(huì)略差于NEDC工況。由于Cruise軟件中涉及排放仿真的模塊需要確定不同排溫下催化器對(duì)污染物的轉(zhuǎn)化效率、傳熱系數(shù)、熱損失系數(shù)以及催化器的熱容等參數(shù)，需要積累并分析大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然而受限于試驗(yàn)資源，目前還不能有效開展排放結(jié)果的仿真計(jì)算。

4 實(shí)車測試與結(jié)果分析

為了對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證以及對(duì)起停和非起停狀態(tài)下的整車油耗和排放結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，在轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)車油耗和排放結(jié)果的測試，通過起停主開關(guān)可以切換ECU的控制模式，從而靈活的進(jìn)行相關(guān)測試工作。

試驗(yàn)車輛按照相關(guān)法規(guī)規(guī)定的加載系數(shù)進(jìn)行加載，根據(jù)表3所述的4種測試循環(huán)進(jìn)行測試，試驗(yàn)車輛排出的廢氣經(jīng)過稀釋后進(jìn)入CVS-4000型定容采樣系統(tǒng)和AMA-4000型氣態(tài)排放物分析系統(tǒng)。

文獻(xiàn)[4]的研究結(jié)果表明，采用起停系統(tǒng)后，3種污染物的排放水平會(huì)有所惡化。本文對(duì)ECU標(biāo)定數(shù)據(jù)中起動(dòng)空燃比、催化器加熱時(shí)扭矩儲(chǔ)備和過渡工況等3個(gè)模塊優(yōu)化后，結(jié)果顯示起停和非起停的排放水平相當(dāng)，沒有顯著的惡化。考慮到實(shí)際的市場定位，對(duì)NEDC和巴西L5測試循環(huán)進(jìn)行了重點(diǎn)研究，實(shí)車測量曲線如圖3和圖4所示，采用起停控制邏輯后與非起停的排放和綜合油耗結(jié)果對(duì)比如表5和表6所示。

表6 實(shí)車油耗結(jié)果對(duì)比

對(duì)4種典型工況油耗的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用AVL Cruise軟件建立的整車模型滿足計(jì)算要求，在日本10-15工況下，開啟起停功能的整車相對(duì)于非起停整車在油耗上最高可以節(jié)省10%，而在巴西L5工況下，最少也可以節(jié)省3%的燃油，這說明Start-Stop控制策略對(duì)于怠速時(shí)間較長的城市擁堵路況的節(jié)油效果是相當(dāng)可觀的。根據(jù)項(xiàng)目的開發(fā)目標(biāo)，分別對(duì)國Ⅴ測試循環(huán)和巴西L5測試循環(huán)下起停功能開啟與關(guān)閉工況進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示開啟起停功能時(shí)整車的排放水平?jīng)]有明顯的負(fù)面影響，綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的原始排放水平和催化器性能，認(rèn)為這兩種測試循環(huán)下的排放結(jié)果是滿足開發(fā)設(shè)定目標(biāo)的。

5 結(jié)束語

探究了在傳統(tǒng)車輛基礎(chǔ)上進(jìn)行起停功能開發(fā)的可行性，在AVL Cruise仿真軟件中對(duì)4種工作循環(huán)進(jìn)行了油耗的仿真計(jì)算，結(jié)合某產(chǎn)業(yè)化研發(fā)項(xiàng)目，在NEDC循環(huán)中對(duì)非起停系統(tǒng)和起停系統(tǒng)的整車進(jìn)行了國Ⅴ排放和油耗的測試。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，怠速時(shí)間較長的城市擁堵路況下起停控制策略的節(jié)油效果是可觀的；加裝了起停系統(tǒng)的車輛排放性能基本與非起停車輛相當(dāng)；試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所建立的仿真模型的準(zhǔn)確性；整車成本增加不多，可以達(dá)到較好的節(jié)油效果。

1 馮坤.集成ISG的CVT傳動(dòng)模塊在混合動(dòng)力汽車上的應(yīng)用:[學(xué)位論文].長沙:湖南大學(xué)，2009.

2 李振磊，林逸，龔旭.智能起停微混轎車試驗(yàn)研究.汽車工程，2010，32（8）:654～658.

3 李紅朋，秦大同，楊陽，等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程的動(dòng)力學(xué)仿真.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，28（6）:4～8.

4 梁海波，高為民，朱軍，等.混合動(dòng)力Start_Stop控制策略對(duì)整車排放影響的研究.內(nèi)燃機(jī)工程，2008，29（2）:15～18.

5 Worldwide Emissions Standards（Passenger Cars and Light Duty Vehicles）.Delphi， Year 2011～2012.

6 吳瓊.基于FTP-75循環(huán)的某出口車型排放標(biāo)定研究.西華大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，11:5～8.

7 魏廣杰，吳瓊，涂安全.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)起停技術(shù)研究及應(yīng)用開發(fā).西華大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011，9:14～17.