黃大星

（韶關(guān)學(xué)院汽車系）

為了提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性，國(guó)內(nèi)外一些汽車公司相繼開發(fā)了發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟/停系統(tǒng)并成功地運(yùn)行于相關(guān)車型[1-4]。然而，由于發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟/停系統(tǒng)需通過關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)使燃油供給系統(tǒng)停止工作，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作模式常需在啟動(dòng)與停止之間轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)使用性能下降，汽車的乘坐舒適性也受到影響。為了改善發(fā)動(dòng)機(jī)啟停所帶來的負(fù)面影響，文章利用模式切換理論，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟/停控制系統(tǒng)進(jìn)行多模式切換分析，基于Matlab/Simulink 進(jìn)行切換控制系統(tǒng)建模與仿真試驗(yàn)，對(duì)切換系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)啟/停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作模式

1.1 裝有發(fā)動(dòng)機(jī)啟/停系統(tǒng)的汽車動(dòng)力結(jié)構(gòu)

裝有發(fā)動(dòng)機(jī)啟/停系統(tǒng)的整車布置方案，如圖1 所示。由于BSG 電機(jī)集成了發(fā)電機(jī)和啟動(dòng)機(jī)功能，工作時(shí)可以根據(jù)不同的運(yùn)行工況，變換為發(fā)電機(jī)模式或啟動(dòng)機(jī)模式，因此可利用BSG 電機(jī)來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)停止和啟動(dòng)功能。通常把裝有BSG 電機(jī)的汽車簡(jiǎn)稱為BSG汽車。圖1 中BSG 電機(jī)布置于發(fā)動(dòng)機(jī)前端（稱為Front-BSG），系統(tǒng)利用皮帶傳動(dòng)將“啟動(dòng)/發(fā)電集成電機(jī)”（ISG 電機(jī)）與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行非同軸布置，此時(shí)BSG汽車的動(dòng)力傳輸是通過皮帶傳動(dòng)，BSG 集成電機(jī)通過皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連，作為整車動(dòng)力源。

1.2 BSG汽車工作模式

BSG汽車的設(shè)計(jì)是在保證不低于原有汽車動(dòng)力性的前提下，利用電機(jī)技術(shù)來提高燃油經(jīng)濟(jì)性和改善汽車的尾氣排放。根據(jù)BSG汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)駕駛員判斷需要停車時(shí)，BSG 控制器自動(dòng)判斷變速桿位于空擋及行車速度等信息，當(dāng)符合BSG 系統(tǒng)設(shè)定的工況時(shí)，BSG 控制系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)；當(dāng)BSG 控制系統(tǒng)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)需要啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)控制器發(fā)出控制指令，將BSG 電機(jī)工作模式轉(zhuǎn)換為啟動(dòng)機(jī)模式。系統(tǒng)控制BSG 電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，以拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)至怠速，隨后將BSG 電機(jī)關(guān)閉，這時(shí)汽車只由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，汽車進(jìn)入正常行駛狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)控制器判斷汽車為減速、制動(dòng)或下坡行駛時(shí)，BSG 集成電機(jī)進(jìn)入發(fā)電機(jī)工作模式，系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換器向復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)鋰離子蓄電池充電，這時(shí)BSG 系統(tǒng)就把車輪制動(dòng)工作時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

綜上，BSG 整車大致可以分為4 種工作模式，如圖2 所示。

1）啟動(dòng)模式：BSG 電機(jī)作為啟動(dòng)機(jī)，在較短時(shí)間（如0.4 s）內(nèi)將發(fā)動(dòng)機(jī)快速拖至怠速轉(zhuǎn)速（如800 r/min）以上，之后發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)立工作，驅(qū)動(dòng)汽車正常行駛。這一工作模式系統(tǒng)的電力由復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)提供，其電力傳遞的方向，如圖2a 所示。

2）停車模式：當(dāng)判斷汽車需要停止時(shí)，控制系統(tǒng)將燃油供給系統(tǒng)關(guān)閉，來切斷對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)供油，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。這時(shí)，由于附件所需能量較少，其所需電力只由BSG 提供，其電力傳遞的方向，如圖2b 所示。

3）減速模式：根據(jù)汽車運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)判斷駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，則向BSG 電機(jī)傳送控制信號(hào)，并隨即觸發(fā)復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器，將汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存在蓄電池中，其電力傳遞的方向，如圖2c 所示。

4）正常行駛模式：BSG汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行與傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作一樣，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高于某一設(shè)計(jì)功率運(yùn)行時(shí)，為蓄電池系統(tǒng)充電，其電力傳遞的方向，如圖2d 所示。

對(duì)BSG 城市汽車的工作模式分析發(fā)現(xiàn)，啟動(dòng)模式時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，停止和減速模式時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)停止，正常行駛模式時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。

2 多模式切換控制方法

2.1 控制模式切換過程描述

切換系統(tǒng)[5-6]定義：一個(gè)混雜切換系統(tǒng)（MHS）一般由一個(gè)四元組MHS=（F，D，SC，SD）構(gòu)成，四元組的具體解釋如下。

1）F={fi：Rni×Rmi→Rni；ni，mi∈Z+，i∈I}，其中fi，i∈I是描述第i 個(gè)子系統(tǒng)φ=fi（x，u）的向量域。Z+表示正整數(shù)集合，Rni和Rmi分別表示ni維和mi維歐氏空間。I={i1，i2，L，in}為系統(tǒng)的指標(biāo)集，即離散狀態(tài)。并且fi，i∈I 關(guān)于x 是Lipschitz- 連續(xù)的，關(guān)于u 是一致連續(xù)的。

2）D={I，E}為一個(gè)簡(jiǎn)單有向圖。I 代表離散狀態(tài)集。E={e=（i，j）：ii，ij∈I}是一族離散事件。若e=（i，j）發(fā)生，則表示系統(tǒng)狀態(tài)從第i 個(gè)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到第j 個(gè)子系統(tǒng)。一般來說，系統(tǒng)中離散事件的發(fā)生是與系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行機(jī)制和外界的離散控制輸入μ 兩者有關(guān)。

3）x∈X=Ui∈IXi，（Xi?Rni，i∈I）表示系統(tǒng)的連續(xù)狀態(tài)，i∈I={i1，i2，L，in}表示系統(tǒng)的離散狀態(tài)；這時(shí)，對(duì)于H=X×I 來說則是系統(tǒng)的狀態(tài)空間，也稱混雜狀態(tài)空間。系統(tǒng)的狀態(tài)可以表示為（x，i）∈X×I，其中μ∈V 是系統(tǒng)的離散控制輸入，x∈X，i∈I 和u∈U=Ui∈IUi（U?Rmi，i∈I）是系統(tǒng)的連續(xù)時(shí)間控制。

4）函數(shù)SC：X×I×I×U×V→X，SD：X×I×U×V→I 分別表示系統(tǒng)離散事件發(fā)生時(shí)系統(tǒng)連續(xù)狀態(tài)的變化規(guī)律和離散狀態(tài)的變化規(guī)律。

直觀上，混雜切換系統(tǒng)可理解為，將連續(xù)狀態(tài)空間X 劃分為若干個(gè)不相交的區(qū)域，將這些區(qū)域用離散狀態(tài)q∈I 來表示，對(duì)于每一個(gè)區(qū)域則都有一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程，系統(tǒng)的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)則是按照一定規(guī)則在這些區(qū)域之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)移。

對(duì)于BSG汽車運(yùn)行模式切換的研究，假設(shè)在某一時(shí)刻t，駕駛員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)采用快速啟/停操作，此時(shí)汽車的初始條件包括車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、擋位、離合器踏板位置、水溫以及電池SOC 均為t 的函數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟/停系統(tǒng)工作模式分別為：{發(fā)動(dòng)機(jī)停止模式P1}，{發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟動(dòng)模式P2} 和{發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作模式P3}，這里用{P1}，{P2}和{P3}表示這3 種模式。i（t）表示t 時(shí)刻汽車采取發(fā)動(dòng)機(jī)控制的情形，即i（t）∈{{P1}，{P2}，{P3}}。

文章研究的發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟/停系統(tǒng)多模式混雜系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上可定義為是由一族定義在不同子空間上的連續(xù)動(dòng)態(tài)行為F 和它們之間轉(zhuǎn)換邏輯D 構(gòu)成的。在每個(gè)子空間Xi，i∈I 上，狀態(tài)x 是連續(xù)的，當(dāng)在時(shí)刻t 時(shí)離散事件e=（i，j）發(fā)生，系統(tǒng)從離散狀態(tài)i 轉(zhuǎn)換到離散狀態(tài)j，同時(shí)系統(tǒng)的連續(xù)動(dòng)態(tài)行為從子系統(tǒng)i 轉(zhuǎn)換到子系統(tǒng)j，因此系統(tǒng)的連續(xù)動(dòng)態(tài)從狀態(tài)x（t-）∈Xi轉(zhuǎn)換到狀態(tài)x（t+）∈Xj，顯然狀態(tài)x（t-）與狀態(tài)x（t+）不相等，這時(shí)，系統(tǒng)的連續(xù)狀態(tài)發(fā)生了不連續(xù)的躍變。

根據(jù)混雜切換系統(tǒng)模型定義可得，系統(tǒng)的連續(xù)狀態(tài)在每個(gè)子系統(tǒng)上是連續(xù)的，即對(duì)每一個(gè)i（t）∈{{P1}，{P2}，{P3}}，系統(tǒng)的連續(xù)狀態(tài)x 滿足ζ（t）=f [x（t），u（t），i（t）]。也就是，任何一種工作模式下假設(shè)在某個(gè)時(shí)刻t時(shí)離散事件e=（i，j）發(fā)生，這時(shí)系統(tǒng)便會(huì)從子系統(tǒng)i 轉(zhuǎn)換到子系統(tǒng)j，同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)的連續(xù)狀態(tài)x 滿足ζ（t）=f [x（t），u（t），j（t）]，并且在離散事件發(fā)生之前，系統(tǒng)的連續(xù)狀態(tài)滿足x（t-）∈Xi，這時(shí)，當(dāng)離散事件發(fā)生時(shí)系統(tǒng)的連續(xù)狀態(tài)變?yōu)閤（t+）∈Xj，即系統(tǒng)在離散狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)候，其連續(xù)狀態(tài)也會(huì)發(fā)生不連續(xù)的躍變，系統(tǒng)則由一種連續(xù)狀態(tài)切換到另一種連續(xù)狀態(tài)。

2.2 模式切換邏輯[7-10]

1）當(dāng)BSG 控制系統(tǒng)判斷汽車狀態(tài)為：點(diǎn)火開關(guān)斷開；踩下制動(dòng)踏板；發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間超過設(shè)計(jì)時(shí)間（如3 min）；由車速傳感器檢測(cè)到汽車已經(jīng)停止，并經(jīng)歷了2 個(gè)延遲周期。當(dāng)上述條件滿足時(shí)，則表示汽車長(zhǎng)時(shí)間處于停止?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)將發(fā)出“close engine”信號(hào)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。這一過程是通過繼電器驅(qū)動(dòng)器將指令信號(hào)傳遞到點(diǎn)火控制繼電器，使點(diǎn)火系統(tǒng)失效，以控制發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，汽車進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)停止模式（P1）。

2）當(dāng)BSG 控制系統(tǒng)判斷汽車狀態(tài)為：發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)延遲器指令反饋到ISP_TD 引腳；踩下加速踏板；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0；SOC 超過設(shè)定值（如25%），點(diǎn)火開關(guān)為開啟狀態(tài)；制動(dòng)開關(guān)BR_ON 接合。當(dāng)上述5 點(diǎn)條件滿足時(shí)，系統(tǒng)通過繼電器驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令給BSG 電機(jī)控制繼電器，這時(shí)，復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)提供電力給BSG 電機(jī)來啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，汽車進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟動(dòng)模式（P2）。

3）其他狀態(tài)下汽車進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作模式（P3）。發(fā)動(dòng)機(jī)啟/?？刂葡到y(tǒng)模式切換邏輯，如圖4 所示。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)啟/停模式切換仿真

3.1 系統(tǒng)MATLAB仿真模型

通過對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和怠速停止運(yùn)行工況進(jìn)行分析，確定發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟/?？刂葡到y(tǒng)輸入與汽車轉(zhuǎn)換規(guī)則，如表1 所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟/?？刂葡到y(tǒng)輸入與汽車狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則

基于轉(zhuǎn)換規(guī)則，利用MATLAB/Simulink 建立的發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟/?？刂葡到y(tǒng)模式切換控制策略模型，如圖5 所示。

3.2 仿真分析

文獻(xiàn)[7]中利用模塊化與分層控制設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)集成了制動(dòng)能量回收模塊、道路模擬模塊、制動(dòng)踏板模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、測(cè)控模塊、車用傳感器模塊及發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 等模塊，能模擬城市汽車怠速、起動(dòng)（快速起動(dòng)）、正常行駛、制動(dòng)和停止等工況。針對(duì)中國(guó)典型城市循環(huán)工況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟/停控制系統(tǒng)模式切換進(jìn)行性能分析。

圖6 和圖7 示出發(fā)動(dòng)機(jī)啟/?？刂葡到y(tǒng)在硬件在環(huán)模擬系統(tǒng)的試驗(yàn)情況。從圖6 中可以看出，當(dāng)汽車停止時(shí)（車速為0），變速器處于空擋，離合器尚未接合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，直至轉(zhuǎn)速為0，表示發(fā)動(dòng)機(jī)停止。從圖7 中可以看到，在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)停止的條件下，由于發(fā)動(dòng)機(jī)自身慣性，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有立刻下降至0，然而這時(shí)燃油消耗率顯示為0。這就表明，只要滿足發(fā)動(dòng)機(jī)停止條件，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)被關(guān)閉，即燃油供給系統(tǒng)停止工作。

從圖7 中還可得到，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速停止期間，踩下離合器踏板時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)能快速啟動(dòng)（啟動(dòng)開關(guān)變?yōu)?），并能在短時(shí)間內(nèi)驅(qū)動(dòng)汽車進(jìn)入正常行駛狀態(tài)。而且，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟/停系統(tǒng)運(yùn)行過程中，沒有出現(xiàn)在啟/停狀態(tài)間短時(shí)間內(nèi)的多次切換，說明發(fā)動(dòng)機(jī)啟/停系統(tǒng)控制策略合理，具有良好的操作平順性。

4 結(jié)論

利用硬件在環(huán)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟/停系統(tǒng)的切換性能進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，短時(shí)間內(nèi)多模式間沒有出現(xiàn)頻繁切換，即說明基于邏輯判斷方法制定的模式間的切換控制策略提高了發(fā)動(dòng)機(jī)快速啟/停系統(tǒng)的平順性，進(jìn)一步提高了BSG 城市車輛的操縱平順性。今后需主要研究基于混雜切換控制系統(tǒng)對(duì)各局部控制器的設(shè)計(jì)。

2014年4月基本型乘用車（轎車）銷售匯總表