汽車智能啟停系統及制動能量回收策略性能分析

李 剛,徐榮霞,林 豪,歐陽娜,余宗勝,胡國良

(1.華東交通大學機電與車輛工程學院，南昌 330013；2.南昌市車輛智能裝備與控制重點實驗室，南昌 330013；3.江西省交通技工學校，南昌 330015)

汽車的普及不僅消耗能源，同時還引起嚴重的環境污染問題，這些問題已經成為人類社會發展必須面對的問題。近年來，世界各國都在加強環境保護管理力度，各國對汽車尾氣排放及油耗的管理越來越嚴格，法律法規在不斷完善加強[1]。中國汽車工業進入迅速發展時期，逐年增加的汽車保有量，不僅需要消耗大量能源，同時還會造成嚴重的環境污染。為緩解能源供需壓力及環境污染問題，要積極鼓勵研發節能環保技術，促進新能源汽車的生產及使用。

隨著石油資源存有量減少與能源需求量增多的矛盾加劇，中外對啟停系統的研究開發在逐漸走向成熟，制動能量回收技術受到越來越多的關注，并取得一定的成效[2]。20世紀80年代，日本某公司研發出第一代啟停系統，成功應用于貨車和大型客車并進行性能測試分析，結果表明啟停系統能節約14%燃油，減少13%尾氣排放，節能減排效果顯著[3]。解本欣[4]針對啟停系統進行控制策略研發制定、系統操縱測試、實際工況下節油測試分析及研發應用遇到的故障及解決措施等方面的研究，提出一種安全有效的控制策略，通過不斷試驗，制定有效的功能測試規范及診斷規范，實現了自起動系統在汽車上的成功應用。20世紀60年代，有關再生制動能量回收已經有了初步的研究。近年來，能量回收在技術上取得一定的成就。王傅忠[5]分析對比能量轉換裝置子系統的選擇差異設計了最優的飛輪式汽車制動能量回收系統，在Simulink環境下對制動減速工況及下坡工況的能量回收效果進行仿真分析，結果表明該系統可以有效回收10%～14%的制動能量。林仕立等[6]針對地鐵制動對瞬時大功率的需求，提出一種超級電容與鋰電池組合構成的混合儲能系統，通過對混合儲能系統功率的協調分配進行并仿真，結果表明，對制動能量的合理分配不僅可以減少鋰電池使用數量，同時儲能系統整體性能得到提升。邢恩輝等[7]通過對比分析幾種常用于電動汽車儲能技術的優缺點，提出一種超級電容器與蓄電池混合構成新電源的制動能量回饋系統，并突出相應的控制策略，在頻繁處于制動工況的城市路面下，該控制策略能通過電液制動力的相互協調，提高制動能量回饋效率。

研究發現，發動機運行工況主要包括怠速運轉工況、減速行駛工況、勻速行駛工況及加速行駛工況[8]。其中，汽車怠速時長約占總工況時長的25%，期間發動機不對外做功，僅維持某一轉速運轉且消耗能量，耗油量占總量的1/3，此過程消耗34%的汽車驅動能量，不僅發動機燃油燃燒不充分，燃油經濟性降低，而且排放性能差，有害尾氣排放量增加，降低發動機工作可靠性[9]。汽車制動過程中消耗能量最終以熱能形式散失在空氣中，造成能源浪費。因此，將啟停系統和制動能量回收策略合理地應用于汽車上，通過仿真和試驗分析其燃油經濟性及對制動能量回收利用效果。

1 智能啟停系統

1.1 智能啟停系統

智能啟停系統是一種應用于汽車上的微型混合動力技術，該系統控制算法是通過采集汽車行駛狀況信號及駕駛員操縱狀態信號，并進行判別，在條件滿足時對發動機啟動與停止自動控制的系統[10]。該系統判定汽車處于等待或停車等情況則關閉發動機停止工作，當駕駛員有啟動發動機前行意圖時則快速重新啟動發動機，使發動機快速恢復正常工作狀態[11]。目前汽車智能啟停系統方案主要有起動機-發動機獨立式系統、起動機-發動機集成式系統、(smart idle stop start,SISS智能怠速啟停)系統三種方案[12]，主要組成部件包括發電機、控制單元(ECU)、起動電機、傳感器、蓄電池、DC/DC穩壓器、啟停開關等。

1.2 智能啟停系統結構及控制策略

汽車啟停系統主要通過判斷來自傳感器的信號自發控制發動機啟停，其控制策略需要在滿足所有必要條件才會自發啟動/關閉汽車發動機停機/啟動功能，其條件控制規則如圖1所示。

圖1 汽車發動機起動/停止功能條件控制流程圖Fig.1 The control flow diagram of start-stop function condition on automobile engine

觸發汽車怠速自動起步/停機是以汽車怠速啟停系統功能已開啟為前提，判別駕駛員下一步意圖操作，根據圖2、圖3所示條件進行判別并對發動機怠速起步/停機實施控制。

圖2 觸發汽車怠速自動啟動控制流程圖Fig.2 The control flow diagram of triggering automatic starting on vehicle idle

圖3 觸發汽車怠速自動停機控制流程圖Fig.3 The control flow diagram of triggering automatic stop on vehicle idle

2 制動能量回收策略

2.1 制動能量回收策略

蓄電池具有成本低、比能量高等優點，增加汽車續駛里程，但其在強電流下長時間工作會受到電流沖擊降低使用壽命[13]；相比蓄電池，超級電容可以利用沖擊電流提供瞬時大功率滿足汽車在加速或者爬坡時的功率需求，并且超級電容充放電效率更快、能量回收效率更高[14]。制動能量回收策略采用蓄電池與超級電容并聯組成復合電源的方式，如圖4所示。

圖4 復合電源結構示意圖Fig.4 The Schematic diagram of composite power supply

其中蓄電池直接對外輸出功率，DC/DC轉換器連接超級電容，通過追蹤蓄電池端電壓來調控超級電容電壓協調工作[15]。這種方式可以將蓄電池電流控制在安全范圍內，且由于超級電容與蓄電池端電壓不需要保證一致，電壓調節更具有靈活性，能量回收效率得到提高。

2.2 制動能量回收控制策略

發動機功率會隨著汽車行駛過程中工況的變化有不同需求，能量回收控制策略則是通過調配蓄電池與超級電容的輸出功率，滿足發動機對功率的不同需求，控制規則如圖5所示控制策略。

圖5 制動能量回收控制策略Fig.5 The control strategy of braking energy recovery

發動機起步需求功率為正，且大于某一設定功率時，優先由超級電容提供功率；超級電容電量不足設定值時，則由蓄電池提供功率。若發動機需求功率不大于某設定值，則全部由蓄電池輸出功率。

發動機制動需求功率為負，且超級電容電量未飽和，則優先對超級電容充電；超級電容電量飽和后，則對蓄電池進行充電。

3 建模及仿真分析

3.1 汽車模型

選用Advisor仿真軟件進行建模分析，該軟件綜合了前向仿真和后向仿真的優點，具有計算量小、仿真精度高等優點。Advisor將汽車按模塊劃分并分別建模，根據需求對軟件內混合動力汽車車型關鍵部位進行修改，通過添加超級電容模型、DC/DC模塊、修改發動機控制策略、添加制動能量回收策略模型等組建合適的仿真模型，如圖6所示。

gal為總燃油消耗模塊；C為碳物質輸入模塊；emis為氮氧化合物模塊；ex_cat_tmp為其他排放物模塊圖6 汽車仿真模型Fig.6 The model of automobile simulation

3.2 仿真結果分析

3.2.1 汽車啟停系統仿真結果分析

以6個城郊道路行駛循環工況(CYC-ECE)城郊循環工況為研究對象，結果表明改進后的汽車可以實現汽車車速為0時，發動機轉速為0；并且改進后汽車可以快速重啟發動機，說明該汽車模型建立了正確的啟停系統模型。

在CYC-ECE城郊工況下，汽車改進后百公里油耗由傳統的7.7 L降低為6.7 L，下降了12.98%，尾氣排放污染物含量也降低，結果表明改進后的汽車提高了汽車燃油經濟性及排放性能。

3.2.2 制動能量回收仿真分析

在CYC-ECE循環工況下，改進后的汽車行駛過程中電源的電量(SOC)變化如圖7所示。

圖7中，曲線下降代表汽車需求功率為正，電源放電過程；曲線上升則代表電源對制動能量回收過程，能量回收隨著汽車下降速度越快效果也明顯，表明改進后的汽車具有顯著回收制動能量效果。

圖7 行駛過程中電源SOC變化Fig.7 The SOC value changes of power supply in the driving process

單一蓄電池與復合電源中蓄電池充放電電流變化如圖8所示。由圖8可知，單一蓄電池電流變化比復合電源電流變化波動大，且回收制動能量時，超級電容吸收了大部分電流，說明通過與超級電容相組合，可避免大電流對蓄電池的沖擊，蓄電池充放電電流更穩定，延長其使用壽命。

對汽車在CYC-ECE循環工況工作時，制動損失功率進行仿真分析，結果如圖9所示。由圖9可知，采用復合電源的汽車制動能量比采用單一蓄電池汽車制動能量損失更低，說明復合電源的使用可以提高對制動能量回收率。

圖8 單一電源與復合電源蓄電池充放電電流變化Fig.8 The charge and discharge current changes of the single power supply and composite power

圖9 車輪制動損失功率Fig.9 The loss power of wheel in the braking

4 搭建試驗臺及試驗結果分析

4.1 試驗臺架搭建及工作原理

通過搭建試驗臺對汽車啟停系統對燃油經濟性的作用進行測試，同時分析汽車啟動/制動時超級電容充放電情況。試驗臺主要包括發動機總成、控制面板、發電價、慣性飛輪、超級電容及蓄電池等部件，臺架結構如圖10所示。

圖10 試驗臺架結構Fig.10 The structure diagram of experiment platform

該試驗臺架啟停系統控制原理為：發動機控制器ECU接收信號并進行判斷，根據條件控制發動機停機熄火或者重啟發動機。制動能量回收原理：啟動發動機，使飛輪旋轉，模擬汽車行駛的動能。系統接收信號并進行判斷，當汽車制動滑行時，優先對超級電容充電，超級電容電量飽和后，由蓄電池會對制動能量進行回收；當汽車需要啟動時，若超級電容電量充足，則由超級電容放電啟動發動機，否則采用蓄電池啟動。

4.2 試驗結果分析

4.2.1 汽車啟停系統試驗分析

通過實驗對發動機怠速油耗及啟動并怠速油耗進行分析，具體實驗操作如下：啟動發動機將水加熱到85 ℃時，按下油耗檢測儀同時開始計時 1 min，關閉油耗儀并記錄期間發動機怠速消耗的燃油。然后打開啟停開關，斷開系列開關，使得滿足停機條件，發動機關閉；接下來打開系列開關，使發動機重新啟動，此時按下油耗檢測儀同時計時1 min，關閉油耗儀并記錄期間發動機怠速啟動并保持運轉所消耗燃油。重復試驗9次，記錄數據如表1所示。

對表1中數據進行分析，按照6個CYC-ECE循環工況計算，折算為百公里油耗為6.39 L，理論仿真百公里油耗為6.7 L，誤差為4.62%，證明仿真結果可靠；與傳統汽車百公里油耗7.7 L相比，百公里油耗下降了17.01%，說明在城市交通狀況下，汽車啟停系統有著良好的燃油經濟性。

4.2.2 制動能量回收試驗分析

通過原起動機起動發動機，調節油門使飛輪轉速達到2 000 r/min，關閉系列開關，使系統滿足能量回收條件，開始能量回收試驗，同時需要將發動機和變速器完全斷開。

表1 發動機油耗情況Table 1 The fuel consumption date table of engine

飛輪轉速變化數據與超級電容充電電壓變化數據結果分別如圖11、圖12所示。打開離合器開關，使系統滿足重啟條件，重啟發動機，得到啟動發動機時超級電容電壓變化如圖13所示。

圖11 飛輪轉速變化Fig.11 The rotate speed changes of flywheel

圖12 超級電容充電電壓變化Fig.12 The charging voltage changes of ultra capacitor

圖13 啟動發動機時超級電容電壓變化Fig.13 The voltage changes of ultra capacitor when engine start

分析圖11可知，飛輪轉速在波動變化一段時間后趨于平穩，穩定轉速為1 994 r/min，與設定數據 2 000 r/min 相差較小，誤差在可接受范圍內，可以證明試驗有效性。

分析圖12、圖13可知，能量回收時，超級電容充電，電壓從11 V增長為15 V；啟動發動機時，超級電容放電，電壓從15 V下降至13 V。且超級電容放電后13 V電壓比原始11 V電壓高，說明在下一次制動能量回收開始時，超級電容初始電量更高，充電更容易，因此對制動能量回收后的超級電容可以滿足再次啟動發動機的需求。

5 結論

(1)改進后的汽車在怠速階段，發動機關閉，有效避免了發動機怠速空轉耗能，證明該啟停控制模塊建立正確。

(2)采用啟停系統的汽車相對于傳統汽車，理論仿真百公里油耗降低了12.98%，試驗百公里油耗降低了17.01%，節能減排效果明顯。

(3)與單一電源相比，復合電源回收制動能量效率更高，降低了制動能量損失；且復合電源的使用能更快速啟動發動機，提高整車動力性能，同時超級電容的加入可以減少大電流對蓄電池的沖擊，延長蓄電池壽命。

(4)該實驗臺架的啟停系統及制動能量回收策略都能達到預期效果，驗證汽車啟停系統具有良好的燃油經濟性，對制動能量的再次利用可以快速重啟發動機。

(5)在此研究基礎上可深入分析研究制動能量回收的制約因素，研究多種路面工況下啟停系統及制動能量回收策略的合理性，優化臺架試驗裝備，通過研究不斷完善啟停系統并加強對制動能量的回收效率。