李聰聰，陳 強，喻 凡，陳振輝，周國清，李 君

(1.上海交通大學，汽車電子控制技術國家工程實驗室，上海 200240; 2.聯合汽車電子有限公司，上海 201206)

前言

混合動力汽車(HEV)由傳統(tǒng)內燃機和電力驅動系統(tǒng)共同驅動，通過先進的車輛控制系統(tǒng)，可提高整車經濟性能和降低排放。受益于環(huán)境保護的壓力、不斷上漲的能源價格、更加嚴格的排放標準和節(jié)能目標，HEV得到了各國政策的支持、引導和各廠商的大力推廣［1］，成為現階段新能源汽車中最具競爭力和市場前景的汽車之一。

與強HEV和輕HEV相比，雖然微HEV系統(tǒng)(起停系統(tǒng))的混合程度和節(jié)油率不及前者，但因成本低和對現有系統(tǒng)改動小等優(yōu)點，使其具有很好的應用前景，見表1。

表1 各種混合動力系統(tǒng)比較［2－4］

國內外典型市區(qū)工況的車輛怠速油耗占總油耗的比例十分可觀;如歐洲城市道路行車工況(ECE)，車輛平均停車怠速時間約占總行車時間的28%，怠速油耗約占總油耗的17%。根據Bosch公司估計，在理想工況下，采用起停系統(tǒng)后可達到高于15%的節(jié)能減排率;而實際的市區(qū)工況往往更加擁堵，起停系統(tǒng)可以有更大的發(fā)揮空間。

基于以上背景，本文中系統(tǒng)介紹了一種主流的微HEV起停系統(tǒng)，分析了其對車輛各種性能的影響，最后結合出臺的相關政策對該系統(tǒng)的應用前景作出展望。

1 起停系統(tǒng)概述

1.1 起停系統(tǒng)工作原理

起停系統(tǒng)工作原理見圖1［5］。

車輛遇紅燈開始停車，系統(tǒng)通過傳感器和開關采集駕駛員的操作信息(如踩制動踏板，掛空擋和松離合器踏板等)以判斷駕駛員停車意圖，在整車狀況滿足發(fā)動機熄火的條件下，系統(tǒng)將自動控制發(fā)動機熄火，轉入等待車輛再次起動狀態(tài);當判斷出駕駛員起動意圖時(踩離合器踏板、掛擋等)，迅速接通起動機起動發(fā)動機。

1.2 起停系統(tǒng)的分類和應用

微HEV起停系統(tǒng)有3種主流技術方案:(1)采用皮帶傳動式集成起動/發(fā)電機(BSG);(2)采用獨立的增強型起動電機(ESM)和發(fā)電機;(3)利用缸內直噴技術(GDI)起動發(fā)動機［6］。前兩種方案結構示意圖見圖 2 和圖 3［7］。

BSG 起停系統(tǒng)［3，8-9］中的 BSG 電機布置在發(fā)動機前端，通過皮帶傳動機構和發(fā)動機連接，既可在熱機起動時作為起動機，又可取代原有發(fā)電機的功能，進而實現混合動力系統(tǒng)的一體化。但BSG系統(tǒng)一般須保留傳統(tǒng)起動機，以保證低溫起動時的可靠性。

ESM起停系統(tǒng)采用ESM起動電機在原有位置代替?zhèn)鹘y(tǒng)起動機，發(fā)動機前端輪系無須改動，即可保證起動機起動次數、速度、功率和壽命等方面更高的要求。同時通過換裝成本較低和發(fā)電效率更高的智能型發(fā)電機，可在原有基礎上進一步提高1% ～2%的節(jié)油率。ESM電機雖因和發(fā)動機之間采用直接齒輪嚙合，在平順性和噪聲等方面比皮帶傳動略有不足，但在整體成本、冷起動能力、ECU功能集成性和使用排量范圍等方面卻具有優(yōu)勢。

BSG和ESM系統(tǒng)均能很好地兼容機械式自動變速器，如AMT和DCT，而與AT和CVT等液力自動變速器匹配時，由于起動時液力變矩器儲備液壓不足(液壓的獲得依賴發(fā)動機工作時帶動油泵)，從而導致變速器換擋遲滯。為消除此弊端，須額外加裝電動油泵或者液壓儲能裝置。

GDI的起停系統(tǒng)有一種方案是在發(fā)動機停止或者起動時，將活塞調整到恰當的位置，當接到重新起動信號時，將少量燃油直接噴射到壓縮行程氣缸中，然后點火以產生向下的活塞壓力使曲軸反轉;反轉時原膨脹行程的氣缸進入壓縮行程，待其達到合適的點火角點火，使曲軸正轉進而起動發(fā)動機。和前兩種方案相比，GDI起停方案起動速度更快(300ms左右)和更安靜，是未來起停技術發(fā)展的新方向。本文中主要介紹ESM起停系統(tǒng)。

2 ESM起停系統(tǒng)組件

ESM系統(tǒng)主要由發(fā)動機控制單元(ECU)、ESM起動電機、(智能)發(fā)電機、AGM電池、電池傳感器(EBS)、DC/DC、起停主開關和人機界面，以及曲軸、輪速、踏板和制動真空度等傳感器組成。

車輛裝配起停系統(tǒng)之后，熱起動次數大幅增加，對起動機起動性能和耐久性提出了更高要求。ESM電機通過優(yōu)化軸承和輪系之間的嚙合，可達到大約30萬次的起動能力;通過增加接合緩沖彈簧，降低了起動噪聲，提高了起動的平順性;通過提高磁極磁性，增強了輸出功率和快速起動能力，可在短時間內將發(fā)動機轉速提升到300r/min左右，然后開始噴油點火，整個起動時間控制在400ms左右。

頻繁的起動會造成電池充放電次數的增加，因而對電池充放電能力提出了更高要求。ESM系統(tǒng)通常采用 AGM 電池［5，10］，相比普通富液型鉛酸電池，最大的不同在于正負極之間采用具有優(yōu)良吸收性和多孔性的玻璃纖維作為電解液載體，不但穩(wěn)定還能提高水合氧分子在電解液中的穿透能力，進而提高電池內部的化學反應效率，因而具有更好的深循環(huán)性能、2倍以上的生命周期和1.5倍以上的起動放電能力。

電池荷電狀態(tài)(SOC)滿足一定水平是起停系統(tǒng)正常工作的前提之一;此外電池的功能狀態(tài)(SOF)和老化狀況(SOH)也會不同程度地影響系統(tǒng)的正常工作。因此，通常在電池負極加裝EBS，通過采集負極電流、電壓和溫度等信息，實時計算SOC、SOF和SOH，并通過LIN線與ECU或者其它控制器(xCU)實現通信。智能發(fā)電機工作原理如圖4所示。

從圖4可看出，ECU根據加速少發(fā)電和減速多發(fā)電的基本原則，結合EBS反饋的SOC和車輛的行駛信息進行發(fā)電時機控制;并通過調整電壓控制信號，實時控制發(fā)電強度;與此同時，發(fā)電機將發(fā)電負荷通過LIN信號反饋給ECU，以提高發(fā)動機需求轉矩的計算精度，保證發(fā)動機運行的平順性。

由于發(fā)動機起動電流很大，會導致電路大幅度降壓，并產生相應的電壓波動，此時須要電壓穩(wěn)定器給收音機、導航儀等電壓敏感型通信和娛樂設備提供穩(wěn)定的電壓環(huán)境。電壓穩(wěn)定器本質上是一個DC/DC轉換器。

駕駛室的起停系統(tǒng)主開關可滿足駕駛員根據駕駛風格和實際需要，人為禁用/激活起停功能;同時也可通過多功能儀表板上起停系統(tǒng)指示燈，直觀了解系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)。如采用指示燈的亮滅對應于起停功能的開啟和關閉，采用不同色彩的指示燈可傳遞更多的起停系統(tǒng)狀態(tài)。一個簡單的起停系統(tǒng)指示燈跳變示例見圖5，其中儀表板有4種起停指示燈色彩，分別對應不同的起停狀態(tài)和觸發(fā)原因。

3 ESM起停系統(tǒng)通信

起停系統(tǒng)的功能實現須要與車輛的其它部件和子系統(tǒng)交互信息、相互協(xié)作。圖6分別為ESM起停系統(tǒng)兩種結構示意圖:在ECU資源充分的情況下，起停功能可由ECU單獨實現(標準型);但是對于已經具有復雜功能的發(fā)動機，ECU資源緊張，或者在須要實現復雜整車能量控制等附加功能的情況下，起停功能的部分輸入輸出可借助xCU通過CAN通信實現(擴展型)。

擴展型ESM起停系統(tǒng)數據通信結構見圖7。ECU起停協(xié)調單元根據與之相關的信號(如xCU發(fā)出的車輛層禁止自動停機或者請求重新起動的信號)，經過控制策略的加工處理，轉化為發(fā)動機自動停機或者自動起動的需求，再與xCU通信，進而控制執(zhí)行器完成相應的起停功能。

4 ESM起停系統(tǒng)控制策略

起停系統(tǒng)控制策略應在保證安全和舒適性的前提下，通過監(jiān)測車輛狀態(tài)和駕駛員的操作，正確判斷起停意圖并在合適的時機發(fā)出自動停機或自動起動指令［8］，同時確保執(zhí)行過程中和其它子系統(tǒng)之間協(xié)調工作。

起停控制結構是一個復雜的多輸入多輸出系統(tǒng)，通過將其解耦為起停條件匯總、起停需求判定和起停協(xié)調策略3個相對獨立的模塊，進而實現復雜的起停控制策略，見圖8。

起停條件匯總模塊采集車輛和發(fā)動機的各種相關信息，并將其歸納成自動起動禁止、自動停機禁止、起停功能禁用和車輛層自動起動需求等條件。

起停需求判定模塊采集駕駛員對踏板、擋位和開關操作，以及車輛層起動需求，并根據當前的起停狀態(tài)可生成相應的起停需求。比如手動擋車輛，在前提條件滿足的情況下，變速器掛空擋且離合器踏板被松開可用來判斷駕駛員的停機需求，而離合器踏板被重新踩下則可用來判斷駕駛員的起動需求;自動擋車輛，制動踏板的踩下和松開可分別用來判斷駕駛員的停機和起動需求。

起停協(xié)調模塊綜合前兩個模塊輸出的起停禁止條件和起停需求，并根據車輛和發(fā)動機的當前狀態(tài)，使用狀態(tài)機方式實現起?？刂聘鳡顟B(tài)之間的切換，并輸出自動起動/停機指令。

圖9為起停協(xié)調策略狀態(tài)機的一個簡單示例。將起停發(fā)動機的不同狀態(tài)簡化為6種，各狀態(tài)之間依據相應的觸發(fā)條件進行跳轉。其中，除禁用狀態(tài)之外，其它狀態(tài)都是起停功能開啟后的狀態(tài);而待機狀態(tài)代表ECU已加電但發(fā)動機尚未起動的狀態(tài)。

5 ESM系統(tǒng)對車輛性能的影響

5.1 駕駛性

快速響應駕駛員的起動需求和不影響正常的駕駛習慣是起停系統(tǒng)存在的前提條件。控制面板上的起停主開關為駕駛員根據個人偏好對系統(tǒng)進行選擇提供了方便，而起停系統(tǒng)所能達到的最佳工作品質還應包括在開啟時，讓駕駛員感覺不到其存在，因而起動速度十分重要。

ESM電機和傳統(tǒng)起動機的冷機起動速度(時間)對比見圖10。

從圖10可看出，ESM電機和傳統(tǒng)起動機相比，在起動速度和平順性方面均有所提高，同時也為改善車輛的起動性能提供了基礎。

在實際駕駛實踐中，有時駕駛員在完成停止發(fā)動機的操作后，又改變主意，想重新起動發(fā)動機。此時，傳統(tǒng)起動機只能在發(fā)動機停穩(wěn)之后重起車輛，這勢必增加駕駛員的起動等待時間。為此，一種在發(fā)動機尚未停穩(wěn)之前重新快速起動的功能(Change of Mind)［3］應運而生，圖11示出這種功能的工作原理。圖中的狀態(tài)3是傳統(tǒng)發(fā)動機的狀況;而具有重新快速起動功能的ESM系統(tǒng)通過控制策略升級，允許發(fā)動機在一定轉速范圍內自行重起(狀態(tài)1)，其將來發(fā)展趨勢是在更低的轉速范圍內通過與ESM電機嚙合并由后者帶動重新起動(狀態(tài)2)。

5.2 燃油經濟性和排放

為了驗證起停系統(tǒng)對經濟性和排放性能的影響，首先建立起停系統(tǒng)燃油經濟性計算模型;然后針對起停功能關閉和開啟的情況，在轉鼓試驗臺上進行了燃油消耗量和排放污染物的檢測試驗，并對模型精度進行了驗證。

試驗車輛均由普通車輛加裝ESM系統(tǒng)改造完成。測試工況參考GB18352.3—2005輕型汽車污染物排放限值及測量方法，采用4次ECE工況加1次NEDC工況(新歐洲混合行車工況)進行試驗［11］。NEDC工況起停系統(tǒng)燃油經濟性計算模型中停機時間計算公式為

式中:Tidle為計算停機時間;T1為車速等于0的時間;T2為因發(fā)動機水溫過低而禁止自動停機的時間;T3為車速從自動停機觸發(fā)限值到停穩(wěn)的短時間段，根據ECU停機觸發(fā)策略，由于NEDC規(guī)定的離合器踏板操作已在車速降至限值之前完成，車速限值即為自動停機觸發(fā)條件;T4為駕駛員從踩下離合器踏板到車輛起動(車速不為0)的短時間段，根據ECU的起動觸發(fā)策略，NEDC規(guī)定的車輛起動前離合器踏板操作會觸發(fā)發(fā)動機自行起動;Nstop為自動停機次數。燃油經濟性計算公式為

式中:nidle為平均怠速轉速;Vinj為每次噴射的平均進氣量;λ 為理論空燃比;ρfuel、ρair分別為燃油與空氣密度;cinj為每次噴射的燃油消耗量;csec為每秒的理論燃油消耗量;η為考慮怠速噴油加濃和電池充電消耗等因素的折算系數;cfe為計算100km節(jié)油量;Dnedc為NEDC理論行駛距離。

根據以上公式，采用真實的發(fā)動機數據，得到不同排量車型起停系統(tǒng)開啟后燃油經濟性提高的計算值，對比實驗測試數據，計算模型精度較高，甚至優(yōu)于一些仿真軟件，見表2。

表2 NEDC工況ESM起停系統(tǒng)燃油經濟性*

從表2可看出，在中小排量范圍內起停技術對燃油經濟性的貢獻隨排量增加而提高，而對于大排量車型，這種趨勢將更加明顯。這是因為排量越大，絕對進氣量越大，標準怠速時須要克服的倒拖轉矩(主要由氣體壓縮阻力矩和機械摩擦阻力矩組成)也相應增大，因而對發(fā)動機本身將提出更多的燃油消耗需求，所以起停系統(tǒng)的節(jié)油效果會更加明顯。

選取表2中的1.8L車型進一步分析。為了防止因發(fā)動機水溫過低造成排放惡化等問題，起停系統(tǒng)在水溫尚未升至最低溫度之前被禁止。從第1個ECE循環(huán)最后1次停車到整個NEDC循環(huán)結束，起停系統(tǒng)共自動停機11次，自動起動10次，見圖12。

通過調整式(1)中參數T1、Nstop可計算出ECE工況的100km燃油經濟性提高值;加入T2進一步調整，可得出熱機狀態(tài)下的對比值，見表3。

表3 ECE工況ESM起停系統(tǒng)燃油經濟性

從表3可看出，相比NEDC綜合工況，在代表市區(qū)工況、起停更加頻繁的ECE工況，起停系統(tǒng)的節(jié)油潛力進一步發(fā)揮，熱機狀態(tài)下超過了10%。

起停功能開啟、關閉狀態(tài)排放物對比見圖13。

從圖13可看出，起停功能開啟后各種排放物水平均有一定程度降低。CO2排放在自動停機時停止，而CO、HC和NOx的排放主要集中在第1個ECE循環(huán)，此時發(fā)動機仍處于冷機狀態(tài)，三效催化轉化器溫度也比較低;經過1個ECE循環(huán)，發(fā)動機處于熱機狀態(tài)，催化轉化器溫度已處于合適范圍，污染物的轉換效果明顯提高。具體的排放累計值對比見表4。

表4 污染排放物累計值對比

6 結論

通過建模計算和試驗驗證，采用起停系統(tǒng)可使100km油耗減少3% ～6%，主要污染物的排放降低5%～20%，且隨著排量增大和路況的復雜化，會進一步發(fā)揮其節(jié)能減排的潛力。

隨著節(jié)能政策的推進，短期內起停系統(tǒng)會得到進一步的推廣和普及。從長期來看，效仿歐洲OEM的做法，將起停系統(tǒng)納入標配的范疇，是未來發(fā)展的必然趨勢。

［1］Masakazu Sasaki.Hybrid Vehicle Technology-Current Status and Future Challenges-Effective Hybrid System Factor on Vehicle Efficiency［J］.Review of Automotive Engineering，2005，26(2):111-115.

［2］Eckhard Karden，et al.Energy Storage Devices for Future Hybrid Electric Vehicles［J］.J.Power Sources，2007，168:2-11.

［3］Gao B，Svancara K，Walker A.Development of a BSG Micro-Hybrid System［C］.SAE Paper 2009-01-1330.

［4］GB QC/T837—2010，混合動力電動汽車類型［S］.天津:中國汽車技術研究中心，2010.

［5］Schaeck S，Stoermer A O，Hockgeiger E.Micro-hybrid Electric Vehicle Application of Valve-regulated Lead-acid Batteries in Absorbent Glass Mat Technology:Testing a Partial-State-of-Charge Operation Strategy［J］.J.Power Sources，2009，190:173-183.

［6］Ueta K，et al.Idling Stop System Coupled with Quick Start Features of Gasoline Direct Injection［C］.SAE Paper 2001-01-0545.

［7］李振磊，林逸，龔旭.基于Start-Stop技術的微混轎車仿真及試驗研究［J］.中國機械工程，2010，21(1):110-114.

［8］Prucka Michael J.Development of an Engine Start/Stop at Idle System［C］.SAE Paper 2005-01-0069.

［9］John Bishop，et al.An Engine Start/Stop System for Improved Fuel Economy［C］.SAE Paper 2007-01-1777.

［10］Joern Albers，Eberhard Meissner，Sepehr Shirazi.Lead-acid Batteries in Micro-Hybrid Vehicles［J］.J.Power Sources，2011，196:3993-4002.

［11］李振磊，林逸，龔旭.智能起停微混轎車實驗研究［J］.汽車工程，2010，32(8):654-658.