公交智能啟停系統(tǒng)控制研究

張　良，貝紹軼，汪　偉，張?zhí)m春，汪永志

（江蘇理工學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，江蘇常州213001）

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公交智能啟停系統(tǒng)控制研究

張良，貝紹軼，汪偉，張?zhí)m春，汪永志

（江蘇理工學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，江蘇常州213001）

摘要：為解決公交車節(jié)油環(huán)保和動(dòng)力問(wèn)題，采用智能啟停系統(tǒng)來(lái)改善公交車的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。通過(guò)分析智能啟停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方法，在AVL-Cruise軟件中對(duì)加裝智能啟停系統(tǒng)前后公交車整車進(jìn)行建模。通過(guò)仿真，分別計(jì)算裝載智能啟停系統(tǒng)前后公交車在ECE、EUDC、NEDC循環(huán)工況下的燃油消耗量、NEDC循環(huán)工況下的尾氣排放量以及車輛動(dòng)力性，結(jié)果顯示加裝智能啟停系統(tǒng)后，公交車在燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性和動(dòng)力性方面有顯著改善。最后通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證智能啟停系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞：公交車；智能啟停系統(tǒng)；AVL-Cruise軟件；仿真；實(shí)車試驗(yàn)

0　引言

智能啟停系統(tǒng)最早由博世公司提出，系統(tǒng)基于原有部件進(jìn)行改造優(yōu)化，改造成本低，節(jié)油減排效果明顯，且能夠改善車輛動(dòng)力性，因此成為汽車行業(yè)的首選[1]。智能啟停技術(shù)提出后，國(guó)外很多公司便開(kāi)始致力于該技術(shù)的研究，大眾、寶馬、福特等汽車公司已推出配備智能啟停系統(tǒng)的車輛[2]。但是，國(guó)內(nèi)智能啟停系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用滯后于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，長(zhǎng)安CX30是第一款配備這項(xiàng)技術(shù)的國(guó)產(chǎn)轎車；華晨FSV啟停出租車在大連批量投產(chǎn)使用；上汽榮威、奇瑞等汽車公司也計(jì)劃推出配備智能啟停系統(tǒng)的車型[3]。雖然在國(guó)內(nèi)有越來(lái)越多的汽車公司開(kāi)始重視這項(xiàng)技術(shù)，但是在公共交通領(lǐng)域，很少有針對(duì)智能啟停系統(tǒng)的研發(fā)，至今為止搭載智能啟停系統(tǒng)的公交車在國(guó)內(nèi)很少投入使用。將智能啟停系統(tǒng)應(yīng)用在公交車上是一次大膽的創(chuàng)新，相信在不久的將來(lái)，智能啟停系統(tǒng)必將成為每輛公交車的標(biāo)準(zhǔn)配置，本次實(shí)踐將為該系統(tǒng)的推廣普及奠定基礎(chǔ)，對(duì)公共交通領(lǐng)域的創(chuàng)新研究具有積極的作用。公交車作為“耗油大戶”，平均每日的柴油消耗量高達(dá)80L，而且行駛中發(fā)動(dòng)機(jī)排放的“黑煙”對(duì)環(huán)境造成了極大污染。隨著節(jié)能減排的呼聲越來(lái)越高漲，對(duì)于公交車的改造勢(shì)在必行。因此，采用智能啟停系統(tǒng)來(lái)改善公交車的燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性和動(dòng)力性具有重要的理論意義和市場(chǎng)推廣價(jià)值。

1　智能啟停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前市場(chǎng)上的智能啟停系統(tǒng)主要有3種技術(shù)方案：分離式啟動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)（SMG）、集成發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)（IMG）和馬自達(dá)SISS。但是，上述方案幾乎都針對(duì)轎車設(shè)計(jì)，并不適用于大型柴油車。因此，本文采用針對(duì)大型柴油車所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為參考。

如圖1所示，該系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、電機(jī)和變速箱組成。相比以上3類較為復(fù)雜的啟停系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)只需在離合器與變速箱之間加裝一個(gè)控制電機(jī)，用以控制發(fā)動(dòng)機(jī)停止與啟動(dòng)，對(duì)于原有車輛結(jié)構(gòu)的改造更為簡(jiǎn)單，成本更低，而且在節(jié)油減排方面效果十分明顯。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，當(dāng)駕駛?cè)藛T遇到紅燈或者堵車狀況時(shí)，松開(kāi)加速踏板和離合器踏板，踩下剎車，將檔位回至空檔，即可使發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作；再次啟動(dòng)時(shí)，只需踩下離合器踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)立刻開(kāi)始運(yùn)行。

圖1　智能啟停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　智能啟停系統(tǒng)控制方法

智能啟停系統(tǒng)控制方法是針對(duì)手動(dòng)檔公交車所提出的。

2.1智能啟停功能開(kāi)啟判定

1）發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度合適；

2）蓄電池電量達(dá)到要求；

3）制動(dòng)系統(tǒng)真空度滿足要求。

同時(shí)滿足上述條件時(shí)，智能啟停功能開(kāi)啟。

2.2智能啟停系統(tǒng)停機(jī)判定

1）加速踏板完全松開(kāi)；

2）檔位回到空檔；

3）離合器踏板完全松開(kāi)。

同時(shí)滿足上述條件時(shí)，智能停機(jī)功能開(kāi)啟，發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3智能啟停系統(tǒng)開(kāi)機(jī)判定

1）離合器踏板被踩下；

2）前后車門都己關(guān)好。

同時(shí)滿足上述條件時(shí)，智能啟停系統(tǒng)開(kāi)機(jī)。

2.4智能啟停系統(tǒng)啟動(dòng)判定

1）智能啟停系統(tǒng)已開(kāi)啟；

2）檔位處于空擋；

3）離合器踏板被踩下。

同時(shí)滿足上述條件時(shí)，智能啟停系統(tǒng)啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.5智能啟停系統(tǒng)主控制方法

主控制方法對(duì)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行控制，如圖2[4-6]所示。人工啟動(dòng)公交車，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)判斷是否需要停機(jī)，從而控制開(kāi)啟或關(guān)閉智能停機(jī)功能。公交車智能停機(jī)后，系統(tǒng)判斷是否需要開(kāi)機(jī)，開(kāi)機(jī)后，若需要啟動(dòng)，則判斷蓄電池電量是否充足；主開(kāi)關(guān)是否開(kāi)啟，滿足條件時(shí)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是否達(dá)到設(shè)定值，超過(guò)設(shè)定值，則供油系統(tǒng)為發(fā)動(dòng)機(jī)供油，車輛開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。

3　仿真測(cè)試

3.1公交車動(dòng)力學(xué)和油耗方程

公交車啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程為

式中：K——蓄電池放電比例；

U——蓄電池電壓；

X——車輛設(shè)定行駛距離；

P——發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率；

J——發(fā)動(dòng)機(jī)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

ω——發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸角速度；

n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

公交車運(yùn)行時(shí)的燃料消耗量方程為

式中：Q——綜合燃料消耗量；

QOi——在第i個(gè)車速下的燃油消耗量；

ki——在第i個(gè)車速下的燃油消耗權(quán)重系數(shù)，

圖2　智能啟停系統(tǒng)主控制流程圖

如表1所示。

表1　規(guī)定車速下的燃料消耗量權(quán)重系數(shù)k

3.2公交車加速時(shí)間方程

公交車加速時(shí)間反映公交車的加速能力，其計(jì)算方程[7]為

式中：T0——起步時(shí)間；

u0——最小穩(wěn)定車速；

u1——加速結(jié)束時(shí)的車速；

Ft——行駛阻力；

Ff——流動(dòng)阻力；

Fw——空氣阻力。

3.3公交車最大爬坡度方程

公交車最大爬坡度通常表示公交車在1檔時(shí)，滿載情況下的爬坡性能，其計(jì)算方程[8]為

公交車總長(zhǎng)10450mm、寬2600mm、高3200mm，整車質(zhì)量12000 kg、最大運(yùn)載質(zhì)量17000 kg，軸距5000mm，最小離地距離190mm，空氣阻力系數(shù)為0.6，迎風(fēng)面積8.078m2。

3.4仿真模型與測(cè)試結(jié)果

利用AVL-Cruise軟件建立整車模型。與未采用智能啟停系統(tǒng)的傳統(tǒng)公交車模型相比，只增加了一個(gè)智能啟停模塊，圖3為公交車整車仿真模型[9-10]。該模型根據(jù)公交車實(shí)際情況，采用發(fā)動(dòng)機(jī)后置模式，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)機(jī)械鍵連接離合器，離合器與變速箱相連，再連接差速器，帶動(dòng)后輪，采用后輪驅(qū)動(dòng)。智能啟停模塊通過(guò)數(shù)據(jù)總線與離合器、制動(dòng)器、蓄電池、駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)分別相連，設(shè)定的啟停方法邏輯和相應(yīng)的停機(jī)時(shí)間通過(guò)Cruise內(nèi)嵌的Start-Stop模塊實(shí)現(xiàn)，停機(jī)時(shí)間的選擇與ECU控制參數(shù)設(shè)定一致。另外添加了監(jiān)視器模塊，用于監(jiān)測(cè)智能啟停系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。

圖3　公交車整車仿真模型

根據(jù)計(jì)算需要，利用Cruise軟件對(duì)采用智能啟停系統(tǒng)前后，在ECE、EUDC、NEDC 3種循環(huán)工況下的公交車油耗、NEDC循環(huán)工況下的尾氣排放以及公交車的動(dòng)力性進(jìn)行了仿真計(jì)算。

3.4.1燃油經(jīng)濟(jì)性

圖4和圖5為采用智能啟停系統(tǒng)前后ECE循環(huán)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油耗變化情況，通過(guò)對(duì)比可見(jiàn)：當(dāng)?shù)缆非闆r比較復(fù)雜，需要頻繁停車時(shí)，智能啟停系統(tǒng)能夠在很短的時(shí)間內(nèi)停下發(fā)動(dòng)機(jī)，避免不必要的燃油消耗。因此，越是需要頻繁停車等待的復(fù)雜路況中，智能啟停系統(tǒng)發(fā)揮的作用越大。

圖6和圖7為采用智能啟停系統(tǒng)前后EUDC循環(huán)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油耗變化情況，通過(guò)對(duì)比可見(jiàn)：采用智能啟停系統(tǒng)后，車速降為0 km/h時(shí)，智能啟停系統(tǒng)迅速停下發(fā)動(dòng)機(jī)；滿足智能啟動(dòng)條件時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟動(dòng)，循環(huán)過(guò)程中基本消除了怠速時(shí)不必要的油耗損失。

圖4　采用啟停系統(tǒng)前ECE循環(huán)工況

圖5　采用啟停系統(tǒng)后ECE循環(huán)工況

圖6　采用啟停系統(tǒng)前EUDC循環(huán)工況

圖8和圖9所示為采用智能啟停系統(tǒng)前后NEDC循環(huán)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油耗變化情況，通過(guò)對(duì)比可見(jiàn)：需要長(zhǎng)時(shí)間停車時(shí)，智能啟停系統(tǒng)能夠迅速使發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，消除發(fā)動(dòng)機(jī)怠速過(guò)程中的燃油損失。因此，越是需要長(zhǎng)時(shí)間停車的情況下，智能啟停系統(tǒng)的作用越為明顯。

圖7　采用啟停系統(tǒng)后EUDC循環(huán)工況

圖8　采用啟停系統(tǒng)前NEDC循環(huán)工況

圖9　采用啟停系統(tǒng)后NEDC循環(huán)工況

表2為公交車采用智能啟停系統(tǒng)前后的油耗變化。如表所示，采用智能啟停系統(tǒng)后，公交車在EUDC和NEDC循環(huán)工況下，油耗減少比例分別為3.9%和6.9%，在ECE循環(huán)工況下減少的油耗比例高達(dá)12.1%。由此可見(jiàn)，該智能啟停在交通情況復(fù)雜的道路中，對(duì)減少油耗有著較為明顯的效果。

表2　采用智能啟停系統(tǒng)前后的油耗變化

3.4.2尾氣排放性

為了進(jìn)一步說(shuō)明智能啟停系統(tǒng)的有效性，在NEDC循環(huán)工況下，對(duì)比分析采用智能啟停系統(tǒng)前后尾氣排放量的變化。

表3為NEDC循環(huán)工況下采用智能啟停系統(tǒng)前后尾氣排放量的變化，可以看出，采用智能啟停系統(tǒng)后，公交車尾氣中CO、NOx、HC排放量分別減少了13.8%，4.9%，11.3%。由此可見(jiàn)，該系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境保護(hù)也起到了積極的作用。

表3　NEDC工況下采用啟停系統(tǒng)前后的尾氣排放量變化

3.4.3車輛動(dòng)力性

圖10和圖11為傳統(tǒng)公交車和裝載智能啟停系統(tǒng)的公交車超車時(shí)的加速度和速度對(duì)比，通過(guò)對(duì)比可見(jiàn)，裝載智能啟停系統(tǒng)的公交車超車時(shí)的加速度能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值，安裝智能啟停系統(tǒng)后，公交車在超車時(shí)的速度明顯高于傳統(tǒng)公交車，能夠?qū)崿F(xiàn)快速超車。由此可見(jiàn)，裝載智能啟停系統(tǒng)的公交車在超車性能上要優(yōu)于傳統(tǒng)公交車。

圖10　超車加速度對(duì)比圖

圖11　超車速度對(duì)比圖

圖12為傳統(tǒng)公交車和裝載智能啟停系統(tǒng)的公交車在滿載情況下的爬坡曲線對(duì)比，通過(guò)對(duì)比可見(jiàn)，傳統(tǒng)公交車滿載時(shí)1檔的最大爬坡度為32%，安裝智能啟停系統(tǒng)后，公交車滿載時(shí)1檔的最大爬坡度為34%。由此可見(jiàn)，智能啟停系統(tǒng)對(duì)于公交車的爬坡性能具有一定的改善效果。

圖12　各檔位爬坡曲線對(duì)比圖

表4所示為傳統(tǒng)公交車與裝載智能啟停系統(tǒng)的公交車的動(dòng)力性能參數(shù)對(duì)比，可以看出，裝載智能啟停系統(tǒng)的公交車和傳統(tǒng)公交車相比，在最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度等方面都有顯著改善。

表4　傳統(tǒng)公交車與智能啟停公交車動(dòng)力性對(duì)比

4　實(shí)車試驗(yàn)

為驗(yàn)證智能啟停系統(tǒng)的有效性，在實(shí)際路況下對(duì)安裝智能啟停系統(tǒng)的公交車進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5　公交車實(shí)車測(cè)試時(shí)間

由表可知：在擁堵的城市道路中，智能啟停系統(tǒng)工作時(shí)的停機(jī)總時(shí)間平均占公交車行駛總時(shí)間的28%以上，因此，減少了公交車運(yùn)行過(guò)程中的燃油消耗。據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，使用智能啟停系統(tǒng)前，該公交車平均耗油量約為34.85 L/100km，安裝智能啟停系統(tǒng)后，油耗約為30.91 L/100 km，節(jié)省燃油量約為11.2%。基本符合試驗(yàn)預(yù)想。

為了驗(yàn)證智能啟停系統(tǒng)在公交車動(dòng)力性方面的改善效果，對(duì)安裝智能啟停系統(tǒng)的公交車進(jìn)行了實(shí)車動(dòng)力性測(cè)試，結(jié)果如表6所示。

表6　智能啟停系統(tǒng)實(shí)車測(cè)試結(jié)果

由表可見(jiàn)，在實(shí)車試驗(yàn)中，裝載智能啟停系統(tǒng)的公交車最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度都能達(dá)到仿真測(cè)試中的動(dòng)力性要求，試驗(yàn)結(jié)果基本符合預(yù)想。

5　結(jié)束語(yǔ)

在公交智能啟停系統(tǒng)控制研究中，首先利用AVLCRUISE軟件建立了公交車整車模型，在ECE、EUDC和NEDC循環(huán)工況下，計(jì)算了啟用智能啟停系統(tǒng)前后公交車的燃油消耗量，比較了在NEDC循環(huán)工況下的尾氣排放量變化，計(jì)算了公交車動(dòng)力性。結(jié)果顯示：?jiǎn)⒂弥悄軉⑼Ｏ到y(tǒng)后的公交車在燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性和動(dòng)力性方面有顯著改善。最后通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證了加裝智能啟停系統(tǒng)后，公交車的燃油消耗明顯降低，動(dòng)力性有顯著改善。由此可見(jiàn)，從上述角度考慮的智能啟停系統(tǒng)能夠成功地應(yīng)用到實(shí)際中，對(duì)于公交車智能啟停系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

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（編輯：李妮）

The control research on intelligent bus start-stop system

ZHANG Liang，BEI Shaoyi，WANG Wei，ZHANG Lanchun，WANG Yongzhi
（School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001，China）

Abstract:An intelligent start-stop system was adopted to improve the fuel economy and dynamic performance of buses. The structure and control method of the system was analyzed. Models were established by AVL-Cruise software for buses installed with the system and without it. The fuel consumption of these buses was calculated in the ECE，EUDC，and NEDC circulation conditions. The exhaust emission and the dynamic performance were calculated in the NEDC circulation condition. The results show the bus installed with the intelligent start -stop system has been improved in fuel economy，emission performance and dynamic properties. Ultimately，the intelligent start-stop system has been verified by real vehicle tests.

Keywords:bus；intelligent start-stop system；AVL-cruise software；simulation；real vehicle test

通訊作者：貝紹軼（1968-），男，山東泰安市人，教授，博士，主要從事汽車智能啟停系統(tǒng)與電動(dòng)汽車研究。

作者簡(jiǎn)介：張良（1988-），男，江蘇蘇州市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)槠囍悄軉⑼Ｏ到y(tǒng)。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51305175）江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK2012586）江蘇省“六大人才高峰”資助項(xiàng)目（ZBZZ-023）

收稿日期：2015-02-29；收到修改稿日期：2015-04-17

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.024

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2016）02-0105-06