智能起停系統對整車油耗及排放影響的研究

張衛國　周　　碩　趙衛平　王云超　魯志遠（1-長城汽車股份有限公司技術中心　河北　保定　071000 2-河北省汽車工程技術研究中心）

智能起停系統對整車油耗及排放影響的研究

張衛國1，2周碩1，2趙衛平1，2王云超1，2魯志遠1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術研究中心）

摘要：本次研究通過對ECU控制策略的開發和整車相關零部件的改進，實現起動機加強技術型的智能起停系統，并據此完成整車NEDC循環試驗，對比整車狀態智能起停功能對整車油耗和排放的影響。實車試驗結果表明，配置智能起停功能的車型與不帶智能起停系統車輛排放基本相當，而油耗水平有較大提升。

關鍵詞：智能起停控制策略NE D C循環測試

引言

隨著節能環保呼聲的日益強烈，各國汽車排放和油耗法規也都越來越嚴格。同時伴隨著城市中汽車保有量的持續增加，交通擁堵已成為各大城市的普遍現象，汽車低速行駛及頻繁起動，既浪費燃油，也污染環境。

汽車智能起停技術可以很好地解決這些問題，通過對發動機的智能控制實現節能減排的目的。

圖1　城市工況燃油能量消耗情況

1　智能起停概述

據統計，短暫停車時發動機怠速空轉的能耗浪費竟達17%之多，如圖1所示。

智能起停技術是指汽車在等待紅燈或者擁堵等情況下暫停發動機工作，當車輛感受到駕駛員的起步意圖時，快速起動發動機，從而實現在城市工況下降低怠速油耗，減少汽車有害氣體排放的目的。在理想路況（道路非常平順且無風阻的情況）下，起停技術可實現3%～5%的節油率，實際路況中將大于此數據。

目前市場中各車型采用的起停技術主要有起動機加強技術、BSG技術和I-STOP技術。本次智能起停系統的研究主要以起動機加強技術的方式來進行[1]，如圖2所示。

圖2 智能起停模式

本次研究方案中，為滿足智能起停需求，對整車及發動機的改進主要體現在以下控制策略、主要零部件開發兩方面：

2　控制策略開發

整車起停控制策略集成于發動機ECU中，通過接收真空度傳感器信號，電池傳感器信號、檔位傳感器信號等，綜合判斷發動機所處的狀態，對發動機進行停止和起動控制。總策略如圖3所示。

圖3　智能起停總策略圖

起停控制策略包含三個方面：起停功能邏輯、怠速停機邏輯和發動機起停邏輯[2]。

起停功能正常開啟條件包含以下幾個方面：

1）電池電量充足；

2）制動真空度充足；

3）起停系統無故障運行；

4）滿足整車安全狀態；

5）起停主開關打開；

6）空調狀態允許起停；

7）電動助力轉向系統允許起停。

滿足以上條件，車輛自動起停功能可正常開啟。

怠速停機功能滿足以下條件可正常實現[3]：

1）車輛停止或車速低于某設定值；

2）檔位置于空擋；

3）離合器踏板松開；

4）油門踏板完全松開。

發動機處于自動停止狀態時，起動邏輯分為3類：

1）車輛需求觸發起動，如電池低電量觸發、制動真空度不足觸發等；

2）溜坡自動起動，包含空擋狀態或離合器踏板踩到底狀態等；

3）駕駛員觸發起動，觸發條件包括空擋、踩離合器踏板操作等判斷駕駛員的行車意圖，為智能起停功能的核心部分。

3　主要零部件開發

為滿足整車智能起停功能需求，需要在普通車輛基礎上進行配置升級，傳統車型與配置智能起停車型主要區別如表1所示。本文主要對發電機、起動機及電池的更改進行說明。

表1　智能起停車輛與傳統車輛主要零部件區別

3.1發電機

為了讓起停系統更好地發揮作用，首先通過優化發電機勵磁機構，提升發電機的工作效率；同時在不同的駕駛工況下，通過ECU對發電機的控制實現能源的回收功能。

能源回收的基本原理為：

1）行車過程中的減速階段，設置發電機高電壓發電，實現了對電池高效率充電的同時也實現了對發動機的快速制動；

2）行車過程中的加速階段，設置發電機低電壓，減少發電量或使之不發電，減少發動機扭矩負載，使之全部用于整車加速，實現快速啟動

通過對行車工況的判斷，從而控制發電機的策略，可有效實現對制動能量的回收，同時提高發電機本身工作效率，高效智能發電機與起停系統相結合，可有效降低城市交通狀況下的燃油消耗及CO2排放。

3.2起動機

采用智能起停系統車輛，要求起動機的壽命更長久，起動過程更迅速，起動噪聲更低。傳統的起動機（5萬次起動壽命）不能滿足智能起停車型的使用要求，起停系統專用起動機通過優化軸承和行星輪系、優化齒輪型線和增強嚙合構造、增加緩沖彈簧、增大磁極等手段，提高起動機使用壽命，滿足25萬次起停需求，使發動機迅速、安靜地啟動。整個起動過程的安全性更高，舒適性更好。

起動過程動力方程為[4]：

式中：

Te—起動機拖動扭矩，N·m；Tr—發動機阻力矩，N·m；

J—發動機等效轉動慣量，kg·m2；ω—發動機曲軸角速度，rad/s；n—發動機轉速，r/min。

由上述公式可知，如想發動機拖動轉速更高，更易著車，需提供更大的起動機拖動扭矩。為此在本研究中在更換原發動機起動機的基礎上，增大其輸出功率和扭矩。起動機更換前后參數對比見表2。

3.3蓄電池

采用智能起停系統后發動機的頻繁起動，必然導致蓄電池更多的充放電，這將會降低電池的使用壽命。

表2 起動機參數對比表

為解決此問題，將普通蓄電池更換為AGM蓄電池，其具有以下優勢：

1）循環充電能力比普通鉛酸電池高3倍，因此壽命也隨之延長；

2）電容量穩定性更高；

3）低溫性能也更高；

4）降低事故風險。

蓄電池更換前后參數對比見表3。

表3　蓄電池參數對比表

4　仿真計算與結果

在研究初期，為對智能起停效果進行初步評判，根據已經確定的整車計算參數，應用AVL CRUISE整車仿真軟件對起停樣車油耗進行模擬計算，整車模型如圖4所示。

設定起停邏輯和停機時間通過CRUISE內嵌的起停模塊實現。停機時間的選擇與實車ECU控制參數設定一致。

根據項目需求，進行NEDC循環工況模擬計算，起停功能開啟與關閉綜合油耗對比見表4。

5　試驗結果

5.1起動時間對比

采用智能起停系統后，在智能起停模式下，起動時間縮短，較常規啟動時間縮減約70%（正常啟動約1.3 s，智能起停啟動約0.4 s），如圖5所示。

5.2整車油耗和排放對比

在轉鼓試驗臺上進行實車NEDC循環測試，對比分析油耗和排放結果。測試循環如圖6所示，排放和油耗結果對比分別見表5與表6。

結果顯示開啟起停功能時整車的排放水平沒有明顯的變化，循環工況下可降低約3.3%的綜合油耗。

圖4　配置智能起停系統整車模型

表4　綜合油耗仿真對比結果

圖5　起動時間對比圖

圖6 NEDC循環工況

表5實車排放對比　　　g/k m

表6 實車對比

6　結束語

隨著國內環境污染的日益嚴重，全球環境法規對油耗和排放的要求也日益嚴格。而智能起停系統是眾多節能技術中值得大力推廣的一種有效且低成本的節能技術。

本次研究，通過對加強型起動機實現起停功能的方案進行實施及試驗，驗證起停功能應用于整車的節能減排效果，對滿足節能環保政策需求起到良好的促進作用，具有很好的市場應用前景。

參考文獻

1趙云峰，陳俊，朱自萍，等.中國車企起停技術發展現狀及分析[J].汽車工程師，2012（5）：26~30

2婓玉姣，紀天寶.發動機起停技術的研究 [J].汽車工程師，2012（7）：17~19

3周磊，霍宏煜，關懿峰，等.基于駕駛員意圖識別與車輛狀態判斷的發動機智能起停系統設計[J].車輛與動力技術，2011（3）：32~35

4李紅朋，秦大同，楊陽，等.汽車發動機起動過程的動力學仿真[J].重慶大學學報（自然科學版），2005，28（6）：4~ 8

中圖分類號：U461.8

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）02-0020-04

收稿日期：（2015-01-19）

作者簡介：張衛國（1987-），男，學士，工程師，主要研究方向為發動機設計開發及發動機與整車匹配。

Research on the Impactof Start-Stop System on FuelConsum ption and Em ission

ZhangW eiguo1，2，Zhou Shuo1，2，ZhaoW eiping1，2，W ang Yunchao1，2，Lu Zhiyuan1，2
1-Technical Center，GreatWallMotorCo.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）
2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Abstract：Thispaper introducesan i-stop（intelligent start-stop）system which contains new technologybased starter，bymeans of developing ECU（Electronic Control Unit）control strategies and improving components related to on vehicle.According to the resultsof vehicle NEDC（New European Driving Cycle）cycle test,itanalyzes theeffectsof this i-stop system on fuelconsumption and emission performance.As the test results indicate，the vehiclesequipped with thiskind of i-stop system getsome largebenefits from fuel consumption compared tooneswithout i-stop system，keeping theequalemission performance.

Keywords：Start-stop，Controlstrategies，NEDC