發(fā)動機快速啟/停控制系統(tǒng)模式切換分析*

黃大星

（韶關學院汽車系）

為了提高汽車燃油經(jīng)濟性，國內外一些汽車公司相繼開發(fā)了發(fā)動機快速啟/停系統(tǒng)并成功地運行于相關車型[1-4]。然而，由于發(fā)動機快速啟/停系統(tǒng)需通過關閉發(fā)動機使燃油供給系統(tǒng)停止工作，發(fā)動機的工作模式常需在啟動與停止之間轉換，從而導致發(fā)動機使用性能下降，汽車的乘坐舒適性也受到影響。為了改善發(fā)動機啟停所帶來的負面影響，文章利用模式切換理論，對發(fā)動機快速啟/停控制系統(tǒng)進行多模式切換分析，基于Matlab/Simulink 進行切換控制系統(tǒng)建模與仿真試驗，對切換系統(tǒng)進行性能分析。

1 發(fā)動機啟/停系統(tǒng)結構與工作模式

1.1 裝有發(fā)動機啟/停系統(tǒng)的汽車動力結構

裝有發(fā)動機啟/停系統(tǒng)的整車布置方案，如圖1 所示。由于BSG 電機集成了發(fā)電機和啟動機功能，工作時可以根據(jù)不同的運行工況，變換為發(fā)電機模式或啟動機模式，因此可利用BSG 電機來實現(xiàn)發(fā)動機停止和啟動功能。通常把裝有BSG 電機的汽車簡稱為BSG汽車。圖1 中BSG 電機布置于發(fā)動機前端（稱為Front-BSG），系統(tǒng)利用皮帶傳動將“啟動/發(fā)電集成電機”（ISG 電機）與發(fā)動機曲軸進行非同軸布置，此時BSG汽車的動力傳輸是通過皮帶傳動，BSG 集成電機通過皮帶與發(fā)動機曲軸相連，作為整車動力源。

1.2 BSG汽車工作模式

BSG汽車的設計是在保證不低于原有汽車動力性的前提下，利用電機技術來提高燃油經(jīng)濟性和改善汽車的尾氣排放。根據(jù)BSG汽車動力傳動系統(tǒng)結構，當駕駛員判斷需要停車時，BSG 控制器自動判斷變速桿位于空擋及行車速度等信息，當符合BSG 系統(tǒng)設定的工況時，BSG 控制系統(tǒng)自動關閉發(fā)動機；當BSG 控制系統(tǒng)判斷發(fā)動機需要啟動時，系統(tǒng)控制器發(fā)出控制指令，將BSG 電機工作模式轉換為啟動機模式。系統(tǒng)控制BSG 電機轉速達到設定轉速，以拖動發(fā)動機啟動至怠速，隨后將BSG 電機關閉，這時汽車只由發(fā)動機單獨驅動，汽車進入正常行駛狀態(tài)；當系統(tǒng)控制器判斷汽車為減速、制動或下坡行駛時，BSG 集成電機進入發(fā)電機工作模式，系統(tǒng)通過轉換器向復合儲能系統(tǒng)鋰離子蓄電池充電，這時BSG 系統(tǒng)就把車輪制動工作時產(chǎn)生的機械能轉化為電能。

綜上，BSG 整車大致可以分為4 種工作模式，如圖2 所示。

1）啟動模式：BSG 電機作為啟動機，在較短時間（如0.4 s）內將發(fā)動機快速拖至怠速轉速（如800 r/min）以上，之后發(fā)動機獨立工作，驅動汽車正常行駛。這一工作模式系統(tǒng)的電力由復合儲能系統(tǒng)提供，其電力傳遞的方向，如圖2a 所示。

2）停車模式：當判斷汽車需要停止時，控制系統(tǒng)將燃油供給系統(tǒng)關閉，來切斷對發(fā)動機供油，使發(fā)動機處于停止狀態(tài)。這時，由于附件所需能量較少，其所需電力只由BSG 提供，其電力傳遞的方向，如圖2b 所示。

3）減速模式：根據(jù)汽車運行狀態(tài)，當系統(tǒng)判斷駕駛員踩下制動踏板時，則向BSG 電機傳送控制信號，并隨即觸發(fā)復合儲能系統(tǒng)的轉換器，將汽車的動能轉化為電能，儲存在蓄電池中，其電力傳遞的方向，如圖2c 所示。

4）正常行駛模式：BSG汽車發(fā)動機運行與傳統(tǒng)汽車發(fā)動機工作一樣，當發(fā)動機高于某一設計功率運行時，為蓄電池系統(tǒng)充電，其電力傳遞的方向，如圖2d 所示。

對BSG 城市汽車的工作模式分析發(fā)現(xiàn)，啟動模式時發(fā)動機啟動，停止和減速模式時發(fā)動機停止，正常行駛模式時發(fā)動機正常工作。

2 多模式切換控制方法

2.1 控制模式切換過程描述

切換系統(tǒng)[5-6]定義：一個混雜切換系統(tǒng)（MHS）一般由一個四元組MHS=（F，D，SC，SD）構成，四元組的具體解釋如下。

1）F={fi：Rni×Rmi→Rni；ni，mi∈Z+，i∈I}，其中fi，i∈I是描述第i 個子系統(tǒng)φ=fi（x，u）的向量域。Z+表示正整數(shù)集合，Rni和Rmi分別表示ni維和mi維歐氏空間。I={i1，i2，L，in}為系統(tǒng)的指標集，即離散狀態(tài)。并且fi，i∈I 關于x 是Lipschitz- 連續(xù)的，關于u 是一致連續(xù)的。

2）D={I，E}為一個簡單有向圖。I 代表離散狀態(tài)集。E={e=（i，j）：ii，ij∈I}是一族離散事件。若e=（i，j）發(fā)生，則表示系統(tǒng)狀態(tài)從第i 個子系統(tǒng)轉換到第j 個子系統(tǒng)。一般來說，系統(tǒng)中離散事件的發(fā)生是與系統(tǒng)內部的運行機制和外界的離散控制輸入μ 兩者有關。

3）x∈X=Ui∈IXi，（Xi?Rni，i∈I）表示系統(tǒng)的連續(xù)狀態(tài)，i∈I={i1，i2，L，in}表示系統(tǒng)的離散狀態(tài)；這時，對于H=X×I 來說則是系統(tǒng)的狀態(tài)空間，也稱混雜狀態(tài)空間。系統(tǒng)的狀態(tài)可以表示為（x，i）∈X×I，其中μ∈V 是系統(tǒng)的離散控制輸入，x∈X，i∈I 和u∈U=Ui∈IUi（U?Rmi，i∈I）是系統(tǒng)的連續(xù)時間控制。

4）函數(shù)SC：X×I×I×U×V→X，SD：X×I×U×V→I 分別表示系統(tǒng)離散事件發(fā)生時系統(tǒng)連續(xù)狀態(tài)的變化規(guī)律和離散狀態(tài)的變化規(guī)律。

直觀上，混雜切換系統(tǒng)可理解為，將連續(xù)狀態(tài)空間X 劃分為若干個不相交的區(qū)域，將這些區(qū)域用離散狀態(tài)q∈I 來表示，對于每一個區(qū)域則都有一個與之相對應的運動方程，系統(tǒng)的不同運動狀態(tài)則是按照一定規(guī)則在這些區(qū)域之間進行轉換或轉移。

對于BSG汽車運行模式切換的研究，假設在某一時刻t，駕駛員對發(fā)動機采用快速啟/停操作，此時汽車的初始條件包括車速、發(fā)動機轉速、擋位、離合器踏板位置、水溫以及電池SOC 均為t 的函數(shù)。發(fā)動機快速啟/停系統(tǒng)工作模式分別為：{發(fā)動機停止模式P1}，{發(fā)動機快速啟動模式P2} 和{發(fā)動機正常工作模式P3}，這里用{P1}，{P2}和{P3}表示這3 種模式。i（t）表示t 時刻汽車采取發(fā)動機控制的情形，即i（t）∈{{P1}，{P2}，{P3}}。

文章研究的發(fā)動機快速啟/停系統(tǒng)多模式混雜系統(tǒng)實質上可定義為是由一族定義在不同子空間上的連續(xù)動態(tài)行為F 和它們之間轉換邏輯D 構成的。在每個子空間Xi，i∈I 上，狀態(tài)x 是連續(xù)的，當在時刻t 時離散事件e=（i，j）發(fā)生，系統(tǒng)從離散狀態(tài)i 轉換到離散狀態(tài)j，同時系統(tǒng)的連續(xù)動態(tài)行為從子系統(tǒng)i 轉換到子系統(tǒng)j，因此系統(tǒng)的連續(xù)動態(tài)從狀態(tài)x（t-）∈Xi轉換到狀態(tài)x（t+）∈Xj，顯然狀態(tài)x（t-）與狀態(tài)x（t+）不相等，這時，系統(tǒng)的連續(xù)狀態(tài)發(fā)生了不連續(xù)的躍變。

根據(jù)混雜切換系統(tǒng)模型定義可得，系統(tǒng)的連續(xù)狀態(tài)在每個子系統(tǒng)上是連續(xù)的，即對每一個i（t）∈{{P1}，{P2}，{P3}}，系統(tǒng)的連續(xù)狀態(tài)x 滿足ζ（t）=f [x（t），u（t），i（t）]。也就是，任何一種工作模式下假設在某個時刻t時離散事件e=（i，j）發(fā)生，這時系統(tǒng)便會從子系統(tǒng)i 轉換到子系統(tǒng)j，同時當系統(tǒng)的連續(xù)狀態(tài)x 滿足ζ（t）=f [x（t），u（t），j（t）]，并且在離散事件發(fā)生之前，系統(tǒng)的連續(xù)狀態(tài)滿足x（t-）∈Xi，這時，當離散事件發(fā)生時系統(tǒng)的連續(xù)狀態(tài)變?yōu)閤（t+）∈Xj，即系統(tǒng)在離散狀態(tài)發(fā)生變化的時候，其連續(xù)狀態(tài)也會發(fā)生不連續(xù)的躍變，系統(tǒng)則由一種連續(xù)狀態(tài)切換到另一種連續(xù)狀態(tài)。

2.2 模式切換邏輯[7-10]

1）當BSG 控制系統(tǒng)判斷汽車狀態(tài)為：點火開關斷開；踩下制動踏板；發(fā)動機暖機時間超過設計時間（如3 min）；由車速傳感器檢測到汽車已經(jīng)停止，并經(jīng)歷了2 個延遲周期。當上述條件滿足時，則表示汽車長時間處于停止狀態(tài)，系統(tǒng)將發(fā)出“close engine”信號關閉發(fā)動機。這一過程是通過繼電器驅動器將指令信號傳遞到點火控制繼電器，使點火系統(tǒng)失效，以控制發(fā)動機停止工作，這時發(fā)動機停止運轉，汽車進入發(fā)動機停止模式（P1）。

2）當BSG 控制系統(tǒng)判斷汽車狀態(tài)為：發(fā)動機關閉時延遲器指令反饋到ISP_TD 引腳；踩下加速踏板；發(fā)動機轉速為0；SOC 超過設定值（如25%），點火開關為開啟狀態(tài)；制動開關BR_ON 接合。當上述5 點條件滿足時，系統(tǒng)通過繼電器驅動器發(fā)出指令給BSG 電機控制繼電器，這時，復合儲能系統(tǒng)提供電力給BSG 電機來啟動發(fā)動機，汽車進入發(fā)動機快速啟動模式（P2）。

3）其他狀態(tài)下汽車進入發(fā)動機正常工作模式（P3）。發(fā)動機啟/停控制系統(tǒng)模式切換邏輯，如圖4 所示。

3 發(fā)動機啟/停模式切換仿真

3.1 系統(tǒng)MATLAB仿真模型

通過對汽車發(fā)動機啟動和怠速停止運行工況進行分析，確定發(fā)動機快速啟/停控制系統(tǒng)輸入與汽車轉換規(guī)則，如表1 所示。

表1 發(fā)動機快速啟/停控制系統(tǒng)輸入與汽車狀態(tài)轉換規(guī)則

基于轉換規(guī)則，利用MATLAB/Simulink 建立的發(fā)動機快速啟/停控制系統(tǒng)模式切換控制策略模型，如圖5 所示。

3.2 仿真分析

文獻[7]中利用模塊化與分層控制設計方法設計了模擬試驗系統(tǒng)，所設計的模擬試驗系統(tǒng)集成了制動能量回收模塊、道路模擬模塊、制動踏板模塊、驅動電機模塊、測控模塊、車用傳感器模塊及發(fā)動機ECU 等模塊，能模擬城市汽車怠速、起動（快速起動）、正常行駛、制動和停止等工況。針對中國典型城市循環(huán)工況，對發(fā)動機快速啟/停控制系統(tǒng)模式切換進行性能分析。

圖6 和圖7 示出發(fā)動機啟/停控制系統(tǒng)在硬件在環(huán)模擬系統(tǒng)的試驗情況。從圖6 中可以看出，當汽車停止時（車速為0），變速器處于空擋，離合器尚未接合時，發(fā)動機轉速迅速下降，直至轉速為0，表示發(fā)動機停止。從圖7 中可以看到，在滿足發(fā)動機停止的條件下，由于發(fā)動機自身慣性，發(fā)動機轉速沒有立刻下降至0，然而這時燃油消耗率顯示為0。這就表明，只要滿足發(fā)動機停止條件，發(fā)動機就會被關閉，即燃油供給系統(tǒng)停止工作。

從圖7 中還可得到，當發(fā)動機處于怠速停止期間，踩下離合器踏板時，發(fā)動機能快速啟動（啟動開關變?yōu)?），并能在短時間內驅動汽車進入正常行駛狀態(tài)。而且，在發(fā)動機啟/停系統(tǒng)運行過程中，沒有出現(xiàn)在啟/停狀態(tài)間短時間內的多次切換，說明發(fā)動機啟/停系統(tǒng)控制策略合理，具有良好的操作平順性。

4 結論

利用硬件在環(huán)模擬試驗系統(tǒng)對發(fā)動機快速啟/停系統(tǒng)的切換性能進行了仿真分析，結果發(fā)現(xiàn)，短時間內多模式間沒有出現(xiàn)頻繁切換，即說明基于邏輯判斷方法制定的模式間的切換控制策略提高了發(fā)動機快速啟/停系統(tǒng)的平順性，進一步提高了BSG 城市車輛的操縱平順性。今后需主要研究基于混雜切換控制系統(tǒng)對各局部控制器的設計。

2014年4月基本型乘用車（轎車）銷售匯總表