胡明明 ，陳慶樟 ，許廣舉

（1.蘇州大學 機械工程學院，江蘇 蘇州 215000；2.常熟理工學院 汽車工程學院 江蘇 常熟 215500）

怠速起停系統(tǒng)被認為是未來汽車節(jié)能減排的一項關鍵技術，在典型城市道路中怠速工況可達20%以上，怠速工況時缸內燃燒完善程度較差，污染物排放較高，燃油消耗沒有用于車輛行駛做功[1].起停系統(tǒng)能夠在車輛怠速時，控制發(fā)動機自動熄火，當駕駛員有起動車輛的意圖時，自動起動發(fā)動機[2].怠速起停系統(tǒng)能夠有效提高城市行駛車輛的燃油經濟性，減少汽車污染物排放.

圍繞汽車怠速起停系統(tǒng)的開發(fā)與應用，國內外學者已經開展了大量的研究工作，主要有：博世公司采用增強起動電機替換原有電機的方法實現了汽車的怠速起停[3]；豐田汽車公司采用世界首款永久嚙合齒輪裝置，開發(fā)出新一代怠速起停系統(tǒng)[4]；長安汽車股份有限公司通過設計合理的控制算法及采用大容量高性能的電池開發(fā)出了國內首個自主研發(fā)的起停系統(tǒng)[5]；奇瑞公司通過采用BSG技術，不僅實現了汽車的怠速停止還能做到汽車的再生制動[6].

本文介紹了現代汽車怠速起停系統(tǒng)，分析了智能起停系統(tǒng)的控制策略，以及發(fā)展怠速起停技術面臨的挑戰(zhàn)及解決策略.

1 怠速起停系統(tǒng)工作原理

起停系統(tǒng)利用具有怠速起停功能的電機取代原有的起動電機，在必要的時候能夠實現自動起停.在駕駛員有啟動意圖時，控制系統(tǒng)迅速響應駕駛員操作，通過電機起動發(fā)動機，使汽車重新前進[7].

圖1是手動檔起停操作示意圖，在遇到紅燈時，控制芯片接收各傳感器和開關以及駕駛員傳遞的信息，分析具體狀況，判斷駕駛員是否有意圖停機，在條件允許的情況下，關閉發(fā)動機，當紅綠燈交換時，再次判斷駕駛員的起動意圖，接通電機，迅速起步[8].

圖1 手動檔起停操作示意圖

2 怠速起停系統(tǒng)技術

當前使用的怠速起停系統(tǒng)有手動擋/自動擋起停系統(tǒng)、低速熄火/靜止熄火起停系統(tǒng)、起動電機/輪轂電機起停系統(tǒng)和缸內直噴式起停系統(tǒng)等.根據起動機的不同，可以分為BSG/ISG起停系統(tǒng)、ESM起停系統(tǒng)、GDI起停系統(tǒng).

2.1 BSG/ISG起停系統(tǒng)

BSG（Belt Driven Starter Generator）技術是利用BSG電機（啟發(fā)一體機）實現汽車怠速起停的技術.圖2為BSG系統(tǒng)的結構原理圖.發(fā)動機和BSG電機通過皮帶相連接，電機帶動發(fā)動機起動.當車輛停止時，通過對汽油噴射裝置發(fā)出指令，停止噴油從而使發(fā)動機熄火，結束怠速狀態(tài).當汽車啟動時，對電池供電，由電機帶動發(fā)動機起動[9].之所以還保留原有的起動電機，是為了保證當溫度過低時，由原有電機保證發(fā)動機啟動.BSG起停系統(tǒng)還添加有制動能量回收系統(tǒng)，更有效地節(jié)約燃料.ISG（Integrated Starter and Generator）技術在起停功能的實現方面與BSG技術一致，只是用ISG電機替換了BSG電機，工作原理也是一致的[10].

圖2 BSG怠速起停系統(tǒng)原理圖

2.2 ESM起停系統(tǒng)

ESM（Energy Saving Motor）技術即增強型起動機技術，采用增強型起動機替換原有起動機.增強型起動機比原有起動機具有更長的使用壽命，更多的啟動次數.再給系統(tǒng)安裝上成本較低、發(fā)電效率更好的發(fā)電機，就能夠在原有基礎上進一步提高節(jié)油效率.圖3為ESM起停系統(tǒng)原理圖[11].

圖3 ESM怠速起停系統(tǒng)原理圖

2.3 GDI起停系統(tǒng)

圖4是缸內直噴起停系統(tǒng)的原理圖[2]，在發(fā)動機起動或者停止時，使活塞固定處于一個設定的位置，當需要起動發(fā)動機時，將少許燃油噴射到處于壓縮行程狀態(tài)的氣缸中，點火系統(tǒng)點火，燃油燃燒爆發(fā)的推力使活塞推動曲軸反轉，反轉使處于膨脹行程的氣缸再次進入壓縮行程狀態(tài)，等到達到適當的點火角后再次點火，從而使曲軸正轉，進而起動發(fā)動機[12].

圖4 缸內直噴技術原理圖

相較而言，BSG/ISG技術不僅能夠很好地實現汽車怠速起停功能，能量制動回收率較高，節(jié)能效果明顯，但與其他兩種相比，成本較高，對原車的改動較大；ESM技術利用增強型起動電機替換原有起動機，使汽車能夠適應頻繁的啟動，其最大的優(yōu)點就是成本低，對原車的改動小，缺點也很明顯，節(jié)能效率相對較低[13].GDI技術，是舍棄原有的起動電機，通過將燃油直接噴入缸內點火帶動發(fā)動機啟動，安裝該系統(tǒng)的汽車起動迅速，振動噪聲較小[14].

2.4 其他起停系統(tǒng)

怠速起停系統(tǒng)還可根據汽車手動擋和自動擋的不同分成手動擋起停系統(tǒng)和自動擋起停系統(tǒng).根據能否低速熄火分為低速熄火起停系統(tǒng)和靜止熄火起停系統(tǒng)等.

自動擋和手動擋汽車最主要的區(qū)別是傳動部件，手動擋依靠離合器傳動而自動擋則是依靠液體傳動系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)的區(qū)別導致汽車起動和停止所需要的操作及內部運轉的不一致，從而造成兩種怠速起停系統(tǒng)的差別.

安裝有怠速起停系統(tǒng)的汽車能否低速熄火，是由起動電機與發(fā)動機的連接方式決定的.傳統(tǒng)的起動電機與發(fā)動機通過伸出式齒輪傳動，這種連接方式是不能低速熄火的，因為如果在低速熄火，那么汽車將無法在完全停車前重新啟動（傳動齒輪無法在轉動的情況下連接）.

當起動電機與發(fā)動機通過永久嚙合型齒輪或者皮帶連接時，這種汽車就能夠在低速（發(fā)動機轉速低于起動電機工作轉速）狀況下重新啟動，故此安裝有該種起停系統(tǒng)的汽車能夠低速熄火.

3 怠速起停系統(tǒng)的控制策略

起停系統(tǒng)控制策略根據車速、發(fā)動機轉速、變速器擋位和離合器等輸入信號以及駕駛員的擋位、離合器等信號做出判斷，在特定的情況下給出自動停機指令或者自動起動指令.判斷駕駛員真正的意圖，并且能夠迅速做出響應，迅速啟動或停止汽車，并且不會對駕駛員的正常操作產生影響，綜合考慮所有相關情況，確保起停操作的安全[15].合理安排停機的時機，盡可能提高再次起動的速度，同時要求不會對空調等功能使用產生影響.圖5是汽車自動停車算法流程圖.起停系統(tǒng)不斷采集信號及駕駛員指令，判斷駕駛員是否有停機意圖，若有，再判斷系統(tǒng)是否允許停機，系統(tǒng)允許則停機，否則結束系統(tǒng)，等待下一次檢測[16].

起?？刂葡到y(tǒng)是一個綜合多項輸入信號，經過分析，再輸出信號的系統(tǒng)，可以將其分解成起停條件判斷、起停需求判斷、起停協(xié)調策略這3個相對獨立又相互聯(lián)系的模塊，通過各模塊之間互相合作，使怠速起停功能得以實現.圖6為怠速起停系統(tǒng)控制策略結構圖.

圖5 汽車自動停車算法流程圖

3.1 條件判定模塊

起停條件判定模塊專職收集汽車各方面的安全及控制信息，包括起停主開關狀態(tài)，車輛安全檢測，傳動鏈開關檢測，LIN（Local Interconnect Network）故障檢測，起動機狀態(tài)故障/檢測，電池狀態(tài)/傳感器故障檢測，制動真空度狀態(tài)傳感器故障檢測，空調等系統(tǒng)需求/故障檢測.將眾多的信息歸納成是否能起動汽車，是否能自動停車，是否要禁用起停系統(tǒng)，是否要起動發(fā)動機.并根據收集歸納出的條件，判斷情況，控制汽車的起動和停止.

3.2 需求判定模塊

起停需求判定模塊通過采集起停系統(tǒng)主開關、加速踏板和離合器上相應傳感器反饋的控制信息，以及車輛內部設備對起動發(fā)動機的需求，根據汽車當前的狀態(tài)發(fā)出相應的起停指令.以手動擋車輛為例，在滿足其他條件模塊的條件下，掛空擋且離合器踏板松開表明駕駛員想要停機，而離合器踏板被踩下則說明駕駛員想要再次起動汽車.

3.3 協(xié)調策略模塊

協(xié)調模塊收集條件模塊及需求模塊的信息，首先分析汽車是否滿足停機條件，其次判斷駕駛員是否有起停需求，綜合考慮汽車當前狀況，實時分析判斷，做出自動停機或起動的決策，并發(fā)出指令[17].

圖6 起停系統(tǒng)控制策略結構圖

4 需要解決的關鍵技術問題

當前怠速起停系統(tǒng)的關鍵技術問題主要有起動速度慢，發(fā)動機磨損，起動電機損傷，電池損耗等.

4.1 起動速度慢

傳統(tǒng)汽油機起動時有一定的滯后，燃油噴射在進氣管中，汽油/空氣充分混合后進入氣缸，起動電機與發(fā)動機依靠伸出式齒輪傳動，如果安裝怠速起停系統(tǒng)，將導致起動緩慢，起動時間增加[18].

直噴發(fā)動機直接將霧化的汽油噴入活塞缸中，而不需要在進氣管中混合，這樣就能節(jié)約發(fā)動機起動的時間.故此安裝直噴發(fā)動機的汽車起動速度會比安裝進氣管噴射發(fā)動機的快.同時用皮帶連接或永久齒輪嚙合的方式取代原有的伸出式齒輪的連接，極大地縮短了起動時間.

4.2 發(fā)動機磨損以及起動機損傷

頻繁起動停止容易造成發(fā)動機的磨損，也容易導致起動電機過熱損壞.發(fā)動機在冷起動時磨損的最厲害是因為還未形成潤滑油膜，因此最好不要在暖機完成前啟動起停系統(tǒng)，并且要使用高級的機油以減少不必要的磨損.

起動電機的問題可以通過開發(fā)新型高性能電機或者優(yōu)化控制策略的方式來解決.開發(fā)的新型電機要比原有電機有更長的使用壽命、更多的啟動次數.優(yōu)化策略即進一步考慮起停條件，在必要的時候熄火，盡量減少汽車的起停頻率，增加電機的使用壽命[19].

4.3 舒適性差

怠速起停系統(tǒng)的應用會頻繁起動發(fā)動機，而由于起動時的振動較大，會使車內的乘坐人員感到不適，尤其是冷起動時由于摩擦較大，振動也更劇烈.

針對舒適性差這一技術缺陷，需要開發(fā)永久齒輪嚙合系統(tǒng)、雙螺旋管式皮帶傳動等方式來減小起動的振動.同時通過優(yōu)化控制策略關閉起停系統(tǒng)，冷起動后，汽車運行一定距離或一段時間后再運行起停系統(tǒng)，也可以進一步安裝高性能的減震器減少車體振動[20].

4.4 電池的損耗

采用起停系統(tǒng)后發(fā)動機的頻繁啟動，必然導致蓄電池更多的充放電，這將會降低電池的使用壽命.

目前最佳的解決方法是使用超級電容作為電機的直接驅動源，蓄電池作為備用能源，由于超級電容具有充放電迅速、沒有污染、且不存在蓄電池的記憶問題、儲能量大的特點，能夠有效為起動電機提供能量[21].

[1]陳振輝，李聰聰，周國清，等.微混車輛ESM起停系統(tǒng)[J].新能源汽車，2011（11）：10-17.

[2]敏慧，lan Riches，揚士敏，等.stop-start的中國前景[J].技術與應用，2009（14）：20-24.

[3]劉艷.豐田起停系統(tǒng)概述[J].技術與應用，2010，31（8）：34-36.

[4]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.

[5]周磊，霍宏煜，關懿峰，等.基于駕駛員意圖識別與車輛狀態(tài)判斷的發(fā)動機智能起停系統(tǒng)設計[J].車輛與動力技術，2011（3）：32-35.

[6]陳漢玉，左承基，袁銀男.輕度混合動力車發(fā)動機Start/Stop系統(tǒng)控制策略[J].農業(yè)工程學報，2012，28（7）：97-102.

[7]李振磊，林逸，龔旭.智能起停微混轎車試驗研究[J].汽車工程，2010，38（8）：654-658.

[8]劉巨江，吳堅，黃瑞景，等.起停系統(tǒng)控制策略開發(fā)及實驗研究[J].車用發(fā)動機，2012，5（4）：15-19.

[9]何仁，劉凱.發(fā)動機智能怠速停止啟動系統(tǒng)控制策略的研究[J].汽車工程，2010，32（6）：466-469.

[10]詹迅，秦大同，楊陽，等.輕度混合動力汽車再生制動控制策略與仿真研究[J].中國機械工程，2006，17（3）：321-324.

[11]谷口正明.怠速停用政策及其推行的狀況[J].汽車工程，2004，26（6）：693-695.

[12]李紅朋，秦大同，楊陽，等.汽車發(fā)動機起動過程的動力學仿真[J].重慶大學學報：自然科學版，2005，28（6）：4-8.

[13]陳漢玉，袁銀南，張彤，等.基于全浮式ISG電機的混合動力轎車啟動過程[J].江蘇大學學報：自然科學版，2010，31（4）：403-407.

[14]葉先軍，趙韓，張炳力，等.BSG混合動力轎車動力系統(tǒng)參數設計及試驗研究[J].汽車技術，2008（6）：24-27.

[15]陳紹剛，李孟良，徐迭，等.基于PEMS的混合動力客車發(fā)動機啟動/停止對排放影響的研究[J].汽車工程，2010（3）：198-202.

[16]Vachtsevanos G,Farinwata S,Kang H.A systematic design method for fuzzy logic control with application to automotive idle speed control,Proc[J].Tucson,AZ:31st Conf.DecisionControl,1992,7(21):83-104.

[17]Motoda Y,Taniguchi M.A study on savingfuel by idling stops while driving vehicles.Proc[C].EasternAsia Society for Transportation Studies,2003,4(20):365-386.

[18]Ye Z,Modeling.Identification,design and implementation of nonlinear automotive idle speed control systems-an overview,IEEE Transactions on Systems[J].Man and Cybernetics,2007,3(12):76-84.

[19]Memering D,Meckl P.Comparison of adaptive control technique applied to diesel engine idle speed regulation[J].ASME Journal of Dynamic Systems Measurement and Control,2000,12(4):682-688.

[20]Gerhardt J,Honninger H,Bischof H.A new approach to functional and software structure for engine management systems[J].BOSCH ME7,SAE paper 98080,1998,20(4):108-136.

[21]Heywood J B.Internal combustion engine fundamentals[J].McGraw-Hill,1988,32(6):45-67.