汽車發動機智能啟停系統技術分析

湯超

摘要： 在汽車發動機運行控制上，采用智能啟停系統能否取得較好的節油環保效果，與采取的控制技術有關。在對智能啟停系統展開分析的基礎上，根據系統結構原理對系統控制策略和制動能量回收等關鍵技術進行了探究，為發動機控制優化提供參考。

Abstract： In the automotive engine operation control， whether the intelligent start stop system can achieve better fuel saving and environmental protection effect is related to the control technology adopted. Based on the analysis of intelligent start stop system， the key technologies of system control strategy and braking energy recovery are explored according to the principle of system structure， which provides reference for engine control optimization.

關鍵詞： 汽車發動機;智能啟停系統;控制策略;能量回收

Key words： automobile engine;intelligent start stop system;control strategy;energy recovery

中圖分類號：U464.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）23-0050-02

0? 引言

受能源緊張、環境污染等因素影響，汽車能耗問題引發了人們的關注。在城市道路交通運行過程中，時常遇到堵車或等紅燈等情況，造成汽車發動機處于怠速運行狀態，消耗燃油的同時，產生較多環境污染。而智能啟停系統的開發，能夠根據汽車行駛狀況實現發動機自動啟停控制，有效減少能耗和污染。因此應加強系統技術分析，確保系統可以取得較好應用效果，促進汽車行業可持續發展。

1? 汽車發動機智能啟停系統概述

現階段，市面上的發動機智能啟停系統主要包含STT系統、BSG系統、i-stop系統三類，擁有各自特點，而應用較廣的為STT系統。

STT系統屬于加強型，只需增設少量零部件即可實現智能啟停功能。從結構上來看，采用該系統需要將傳統發動機變為增強發動機，增加傳感器對閥控式鉛酸鋰電池進行檢測，并增設真空傳感器、踏板傳感器等獲得汽車操縱信號。為避免發動機頻繁啟停給駕駛舒適性帶來影響，需要增設電壓保持設備，避免起動機工作產生的600A電流造成整車系統電壓被拉低[1]。在發動機重新啟動后，無需對蓄電池或發動機提供的電壓進行轉換，即可確保汽車各用電設備運行電壓不低于12V。此外，為確保起動機達到耐久性要求，需要選用增強型設備，采用高壽命的電刷、鐵心等材料，使起動機壽命從3.5萬次提升至20萬次。配備起動機控制模塊，能夠利用限流電阻削減起動機工作的峰值電流，使負載端電壓降有所降低。從總體來看，STT系統成本較低，技術含量也較低，在多數品牌車輛上得到了推廣應用。

BSG系統需要對發電機和起動機功能進行集成，對電流進行交直流變換，由BSG電機、傳統起動機、整車控制器、發動機ECU、鎳氫/AGM電池、電機控制器、雙向張緊輪和傳感器等構成。除了對原蓄電池進行升級，系統需要對發動機控制器等進行升級，并增設發動機管理系統和車門傳感器、踏板傳感器、空擋位置傳感器等一系列傳感器。采取接近HEV車型的控制策略，導致系統成本較高，技術難度較大，因此系統應用受到了限制，僅用于少數品牌汽車。

i-stop系統由傳統發電機、智能啟停起動機、帶啟停功能ECU、ACM電池和系列傳感器構成，需要對起動機和ECU等結構進行優化改進，技術含量較高，僅馬自達公司使用。

2? 汽車發動機智能啟停系統的關鍵技術

2.1 系統工作原理

從總體上來看，智能啟停系統并未對汽車動力傳輸結構做出過大調整，僅替換了少數部件以增加功能。而發動機管理系統屬于系統核心部件，需要實現起動/停止協調程序，完成汽車各種狀態變量采集，對發動機狀態進行判斷和調控[2]。在汽車因擁堵或等待時，車速將變為0，根據傳感器確認駕駛員無停車意圖后，經2s將判斷能否達到停機條件，符合條件立即停機，避免發動機怠速運行。系統控制發動機停機后，即便駕駛員腳離開制動板依然不會改變發動機狀態，同時音響等設備也可以正常工作。踩下離合器踏板或加速踏板，發動機將會自動重啟。如圖1所示，系統工作時核心ECU可以對汽車狀態參數進行采集，根據預設運行策略通過CAN總線發送控制指令。進入停機模式，發動機停止點火、燃油噴射。進入重啟模式，起動機將自動激活，點火系統等也將恢復工作狀態。

2.2 系統控制策略

在發動機啟停控制方面，由于系統技術屬于微型混合動力技術，將根據汽車行駛狀況和駕駛員操縱信號進行判別，還應對駕駛舒適性、安全性、零部件使用壽命和汽車動力性等多重因素進行考量，提出科學控制策略。在系統工作時，首先不能犧牲其他系統正常工作，如在制動壓力達到臨界點、汽車向前或向后“溜車”、蓄電池電量超出限值等情況下，系統不會將發動機熄滅[3]。而即便發動機原本處于熄火狀態，遭遇上述情況也將重啟。利用電控單元實現發動機啟停控制，將對發動機、變速箱等動力設備參數進行監控，判斷能否達到開啟停機或重啟模式的要求，然后才會根據駕駛員意圖進行啟停控制。通常的情況下，冷卻液溫度不超40℃時，為確保發動機啟動時達到適合工作溫度，將禁止自動停機。而蓄電池電量超出最低限值或制動真空度不足，系統也將停止工作。在駕駛員停車時，不想關閉發動機可以將離合器踩住，確保系統不會自動發出停止指令。此外，也包含距上次重啟不超2s等系列控制邏輯。在自動重啟模式開啟方面，需要滿足檢測到故障、啟動倒車后、車速超過一定門檻值等系列條件。如圖2所示，為系統啟停流程。在系統功能開啟后，才會對駕駛員意圖進行判別。如在自動啟動控制過程中，先判斷檔位處于空擋后，檢測到駕駛員踩下離合器踏板，將觸發功能，期間任一環節無法達到要求將提示啟動失敗。在自動停機功能開啟后，需要先判斷是否有踏板操作，無踏板操作，將判斷是否存在檔位操作，確定滿足條件將判斷是否達到倒計時要求，達到規定時間將觸發停機。如果存在踏板操作，需要判斷加速踏板是否松開，松開后重新判斷檔位是否處于空擋。滿足空擋條件，確認離合器踏板松開，將觸發自動停機程序。為避免頻繁啟停給發動機零部件帶來較大損耗或產生過高油耗，也可以額外在邏輯上設置固定時間段內啟停次數限制。

2.3 制動能量回收

汽車處于不同工況條件下，對發動機將產生不同功率需求。而實現自動啟停控制，每次啟動需要依靠蓄電池提供功能，導致蓄電池可能長時間在強電流狀態下工作出現壽命下降問題。運用制動能量回收技術，可以將超級電容與蓄電池并聯，形成復合電源結構為汽車提供瞬時大功率。如汽車在加速或爬坡工況下，依靠沖擊電流，超級電容能夠快速放電，同時也能迅速實現能量回收，避免蓄電池受到過大電流沖擊。實際運用該技術，需要對電容電壓進行協調，即采用DC/DC轉換器與電容連接，對蓄電池端電壓進行檢測，然后由蓄電池直接對外提供功率。采取該種方案，可以靈活分配電容和蓄電池的電壓，達到較高能量回收效率。具體來講，就是先判斷電機需要的功率，如果比0小，將判斷電容是否處于飽和狀態。處于飽和狀態，將通過電容為蓄電池充電，否則將通過電容吸收能量。如果電機產生大于0的功率需求，先判斷是否超出設定值，未超出設定由蓄電池供電，電容功率為0。如果超出規定限值，將判斷電容電量是否超出設定值，超出的情況下由電容提供功率，蓄電池輸出為0。如果電容電量不足，將由蓄電池提供功率。相較于單一的電源結構，采用該結構可以充分回收制動能量，避免產生額外損失。依靠電源迅速為發動機提供需要的功率，也能確保汽車迅速啟動，體現良好的動力性。而依靠電容分擔大電流，可以避免蓄電池因發動機頻繁啟停受到反復沖擊，有效延長其使用壽命，使系統獲得良好經濟性。

3? 結論

應用智能啟停系統在發動機怠速運行時發送控制指令，能夠避免汽車產生空轉損耗。但頻繁進行發動機啟停將引發零部件損耗和瞬間啟動高油耗，所以可以從冷卻液溫度、駕駛員操作等方面設置控制邏輯，確保發動機不會經常進入停機狀態。而在汽車行駛工況變化時，需要根據不同發動機功率需求，調配蓄電池和超級電容輸出功率，通過回收制動能量延長蓄電池使用壽命的同時，確保汽車可以快速重啟發動機。

參考文獻：

[1]楊濤，宋丹丹.汽車智能啟停系統分析[J].農機使用與維修，2021（09）：37-39.

[2]李剛，徐榮霞，林豪，等.汽車智能啟停系統及制動能量回收策略性能分析[J].科學技術與工程，2020，20（12）：4962-4967.

[3]張良.公交智能啟停系統控制策略研究[J].輕工科技，2019，35（02）：58-59，61.