增強型起動機起停系統與48V BSG技術分析

祁克光，黃開勝

（1.奇瑞汽車股份有限公司動力總成技術中心電控部，安徽蕪湖　241009；2.清華大學汽車工程系，北京　100084）

增強型起動機起停系統與48V BSG技術分析

祁克光1，黃開勝2

（1.奇瑞汽車股份有限公司動力總成技術中心電控部，安徽蕪湖241009；2.清華大學汽車工程系，北京100084）

對比分析起動機起停系統和48V BSG系統控制結構和控制策略，并著重分析起動機起停系統起動特性，展望其發展方向。

起動機起停系統；48V BSG；控制策略

1　控制結構對比

參照先進工業國家的分類方法，目前市場上車輛所采用的怠速起停系統大致可以分為3類：第1類是起動機起動型；第2類是集成起動機與交流發電機功能為一體的皮帶驅動起動型；第3類是利用直噴發動機的優點，從發動機停止時起，直接向其內部噴射燃油，使其爆發的燃燒起動型［1］。起動機起停系統是指使用類似于傳統起動機的增強型起動機，實現怠速自動起停這一類技術的統稱，48 V BSG系統是指第2類起停系統。由于直噴發動機在國內還沒有廣泛應用，本文僅對起動機自動起停系統和48 V BSG系統這2類起停系統進行對比分析。

1.1起動機起停系統控制結構

起動機起停系統控制結構如圖1所示。與普通汽油發動機車輛的控制相比，起動機起停系統增加了起停控制開關、駕駛員車門開關、前艙開關、除霜除霧開關、離合器開關、空擋開關、蓄電池傳感器、ISS（Idle-Start-Stop：怠速自動起／停）指示燈、制動真空度傳感器，12V低壓蓄電池和起動機需要增強，增加成本較少。

為防止頻繁起停導致蓄電池虧電，12 V低壓蓄電池容量可適當增加。另外，考慮到起動機的壽命，起動機性能也要增強。普通起動機要求整個生命周期內起動次數達到4.5萬次，而起動機起停系統增強型起動機則要求達到25萬次。

圖1　起動機起停系統控制結構圖

1.248VBSG系統控制結構

48 V BSG系統控制結構如圖2所示。與起動機起停系統相比，除了具備起動機起停系統功能增加的起停控制開關、駕駛員車門開關、前艙開關、除霜除霧開關、離合器開關、空擋開關、蓄電池傳感器、起停指示燈外，還需要新增48 V蓄電池組、集成逆變器BSG電機、48 V轉12 V的DC／DC（Direct Current-Direct Current）轉換器、高壓線束、張緊輪等。另外，通常還需要選用電子轉向助力、電子制動（如真空助力需增加真空壓力傳感器）、電子空調等裝置。相比起動機起停系統，成本又有增加。

圖2　48V BSG系統控制結構圖

表1　控制結構成本分析表

1.3起動機起停系統與48 V BSG系統控制結構成本分析

相對于傳統車，起動機起停系統與48 V BSG系統控制結構新增或者變更件的成本分析見表1。起動機起停系統相對于傳統車成本增加約1 500元／輛，48 V BSG系統相對傳統車成本增加約5000元／輛。

無論是起動機起停系統，還是48 V BSG系統，相比HEV（Hybrid Electric Vehicle：混合動力汽車）、PHEV、EV（ElectricVehicle：電動汽車）整車，成本增加很少，都屬于弱混動汽車技術。

起動機起停系統和48V BSG系統最核心的零部件就是起動機。起動機起停系統的起動機和傳統的起動機基本相同，區別在于起動機起停系統的起動機要求產品生命周期內的起動次數更高，所以稱之為增強型起動機。博世、錦州漢拿、上海法雷奧等主流起動機供應商，都有滿足起動機起停系統要求的起動機。如博世SSM1起動次數達到25萬次，博世SSM2起動次數達到40萬次，博世SSM3起動次數則達到60萬次［2］。48V BSG系統使用的則是起動／發電一體式的電機，取消傳統車上發電機。起動／發電一體式電機，既可以實現電機起動，也可以實現制動能量回收。博世、大陸、德爾福等供應商都有BSG電機產品，圖3所示為大陸某款BSG電機。

圖3　大陸某款BSG電機實物圖

2　控制策略分析

2.1起動機起停系統控制策略

起動機起停系統控制策略示意見圖4。相對于傳統汽油發動機汽車，起動機起停系統僅僅是在怠速的時候，實現發動機自動起停功能。當綠燈亮的時候，起動機自動拖動發動機起動，達到一定的轉速（如600r／min）起動機停止工作。當遇到紅燈的時候，發動機自動停機。起動機起停系統就是怠速自動停機和起動功能，減少怠速運轉的油耗。

圖4　起動機起停系統控制策略示意圖

自動起動、自動停機的條件要結合車速、離合器開關狀態、制動開關狀態、油門踏板狀態、蓄電池電量狀態、真空制動助力壓力信號等綜合判斷。

2.248V BSG系統控制策略

48 V BSG系統控制策略示意見圖5。在起動時電機會拖動發動機起動，且在加速時電機可以輔助助力，此后電機停止工作。當減速或者踩制動踏板時，可以進行能量回收，給蓄電池充電。當進入怠速的時候，發動機自動停機。除與起動機起停系統一樣的怠速自動停機和起動外，48V BSG還多了輔助助力和制動能量回收的功能。

圖5　48V BSG系統控制策略示意圖

2.3優缺點分析

1）兩者都具有怠速自動起停功能，但起動機起停系統僅有怠速自動起停功能，而48V BSG控制系統除具備怠速自動起停功能外，還具有加速助力和制動能量回收的功能。起動機起停系統在NEDC工況，可實現節油5%。而48V BSG控制系統在NEDC工況，可實現節油10%。

2）由于起動機起停系統的發動機自動起動是由普通的起動機拖動運行，起動成功還需要自身的汽油做功，從起動到發動機起動成功需要一定的時間。而48V BSG控制系統的自動起動是由電機拖動運行，待電機達到一定的轉速才拖動發動機運轉，電機本身可以起步助力。因此，48V BSG系統起步運行更快、更可靠，不影響駕駛者的主觀感受。而起動機起停系統因為自動起動到運行大約需要1s的時間，駕駛者往往難以接受。

3）48VBSG系統相對起動機起停系統，增加了電機輔助助力功能，可以提升車輛起步時的動力性，主觀感受更優。

4）48VBSG系統相對起動機起停系統，增加了制動能量回收功能，更好地優化能量使用，具有更好的燃油經濟性。

5）48VBSG系統雖然在油耗及駕駛者感受上優于起動機起停系統，但起動機起停系統增加成本很少，且對車輛改動較小。48 V BSG系統成本相對高，且對車輛改動較大。

3　起動機起停系統起動特性分析

起動機起停系統的自動起動是由起動機拖動發動機運轉到300 r／min左右，由發動機自行點火完成起動，所以起動的可靠性必須保證。在保證可靠性的前提下，盡可能地降低發動機起動過程中的峰值轉速，減少起動加濃噴油量，只有這樣才能確保起動機起停系統節油的目標。起動機起停系統發動機起動過程見圖6。

圖6　起動機起停系統發動機起動過程

把圖6起動過程分為幾個階段：①發動機轉速從0—300 r／min，由起動機拖動發動機運轉，此時發動機可以識別曲軸和相位信號，可以進行正時判斷；②300—600 r／min，發動機識別正時后開始點火，發動機燃燒做功的能量使發動機轉速上升，同時起動機隨之一起運轉（在600 r／min時，起動機脫開、停機）；③600 r／min到峰值轉速，發動機依靠預控的進氣量和汽油燃燒做功，把發動機轉速上升到峰值轉速；④峰值轉速到怠速目標轉速穩定運行。這4個階段順利完成，標志著起動成功。但起動過程預控進氣量要大于怠速工況，且要通過加濃來保證起動的可靠性，所以起動過程相對于同等時間的怠速運行油耗要高。所以，對于起動機起停系統來說，起動的標定尤其重要，如果處理不好，理論節油效果就難以得到體現。在確保起動可靠性的前提下，盡可能降低起動過程中的轉速上升峰值（即減少預控進氣量），同時減少起動加濃，快速進入閉環控制。

在發動機溫度為60±5℃時，通過標定起動預控進氣量來控制發動機起動時的峰值轉速。通過標定起動時燃油加濃系數，使起動沉底Lambda分別等于0.7、0.8倍測試起動時間（單位：s）和平均燃油噴射脈寬（單位：ms），來分析如何獲得更好的燃油經濟性。

某整車不同起動加濃及預控進氣量下的起動時間和噴油量測試結果見圖7。由圖7可見，當標定的預控進氣量使發動機起動峰值轉速在900～950r／min，采用沉底LAM（Lambda）=0.8時，既可以保證起動品質，又可以確保起動的燃油經濟性。每輛車所獲得的結果不同，所以需要針對車輛進行精細化的標定。

圖7　不同起動加濃及預控進氣量下的起動時間和噴油量

通過測試，發動機溫度為60±5℃時，怠速轉速為600r／min，閉環控制Lambda=1，怠速噴油脈寬為2.78 ms。發動機起動峰值轉速950 r／min，采用沉底LAM= 0.8時，起動平均噴油脈寬約為5ms，持續時間約為1s。考慮到起動后噴油量快速衰減進入閉環控制的過程，怠速時間不超過3s的燃油消耗量和一次起動燃油消耗量達到平衡。而在NEDC工況，可實現怠速停機11次（每次持續時間都在20s左右）［3］。

所以，只要通過精細化標定，起動機起停系統可同時兼顧起動的可靠性和自動起停的燃油經濟性。

4　結束語

起動機起停系統和48VBSG系統各有優缺點。在NEDC（New European Driving Cycle：歐洲標準行駛循環）工況，亦或者是WLTC（World-wide Light-duty TestCycle：全球標準行駛測試循環）工況，都能夠實現節油；而在真正的城市駕駛工況中，這種意義更大。起動機起停系統控制結構簡單，整車改動小，成本低；48VBSG系統結構相對復雜，整車改動相對大一些，成本也高一些，但駕駛感覺和節油效果更優。所以，未來幾年這兩種技術勢必會同時存在。

［1］周泉.怠速起停系統促進起動機革命［J］.汽車電器，2014（10）：39-43.

［2］沈超.Start／Stop系統所用起動機可靠性研究［D］.武漢：武漢理工大學學位論文，2013.

［3］祁克光.汽車ISS控制技術節油研究與應用［J］.安徽科技，2012（11）：37-38.

（編輯心翔）

Technology Analysis Start-stop System and 48V BSG Systemof the Starter

QI Ke-guang1，HUANG Kai-sheng2
（1.Chery Automobile Company Power Train Technical Centre，Wuhu 241009，China；2.School of Automotive Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

This paper conducts comparative analysis on controlling structure and strategy between start-stop system and 48V BSG system of the starter，specifically analyzes the starting feature of the start-stop system，outlooks on its development trend.

start-stop system；48V BSG；controlling strategy

A

1003-8639（2016）07-0044-04

2015-12-04；

2015-12-25

祁克光，奇瑞EMS自主研發項目經理，2002年從事汽車電控工作，2008年06月帶領團隊完成中國第一個完全自主知識產權的EMS系統CEMS1.0，并批量應用，2011年獲得中國汽車工業部科技進步二等獎（課題：奇瑞自主EMS項目）。