張衛(wèi)國　周　　碩　趙衛(wèi)平　王云超　魯志遠（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心　河北　保定　071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

智能起停系統(tǒng)對整車油耗及排放影響的研究

張衛(wèi)國1，2周碩1，2趙衛(wèi)平1，2王云超1，2魯志遠1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定071000 2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

摘要：本次研究通過對ECU控制策略的開發(fā)和整車相關(guān)零部件的改進，實現(xiàn)起動機加強技術(shù)型的智能起停系統(tǒng)，并據(jù)此完成整車NEDC循環(huán)試驗，對比整車狀態(tài)智能起停功能對整車油耗和排放的影響。實車試驗結(jié)果表明，配置智能起停功能的車型與不帶智能起停系統(tǒng)車輛排放基本相當，而油耗水平有較大提升。

關(guān)鍵詞：智能起?？刂撇呗訬E D C循環(huán)測試

引言

隨著節(jié)能環(huán)保呼聲的日益強烈，各國汽車排放和油耗法規(guī)也都越來越嚴格。同時伴隨著城市中汽車保有量的持續(xù)增加，交通擁堵已成為各大城市的普遍現(xiàn)象，汽車低速行駛及頻繁起動，既浪費燃油，也污染環(huán)境。

汽車智能起停技術(shù)可以很好地解決這些問題，通過對發(fā)動機的智能控制實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

圖1　城市工況燃油能量消耗情況

1　智能起停概述

據(jù)統(tǒng)計，短暫停車時發(fā)動機怠速空轉(zhuǎn)的能耗浪費竟達17%之多，如圖1所示。

智能起停技術(shù)是指汽車在等待紅燈或者擁堵等情況下暫停發(fā)動機工作，當車輛感受到駕駛員的起步意圖時，快速起動發(fā)動機，從而實現(xiàn)在城市工況下降低怠速油耗，減少汽車有害氣體排放的目的。在理想路況（道路非常平順且無風阻的情況）下，起停技術(shù)可實現(xiàn)3%～5%的節(jié)油率，實際路況中將大于此數(shù)據(jù)。

目前市場中各車型采用的起停技術(shù)主要有起動機加強技術(shù)、BSG技術(shù)和I-STOP技術(shù)。本次智能起停系統(tǒng)的研究主要以起動機加強技術(shù)的方式來進行[1]，如圖2所示。

圖2 智能起停模式

本次研究方案中，為滿足智能起停需求，對整車及發(fā)動機的改進主要體現(xiàn)在以下控制策略、主要零部件開發(fā)兩方面：

2　控制策略開發(fā)

整車起?？刂撇呗约捎诎l(fā)動機ECU中，通過接收真空度傳感器信號，電池傳感器信號、檔位傳感器信號等，綜合判斷發(fā)動機所處的狀態(tài)，對發(fā)動機進行停止和起動控制?？偛呗匀鐖D3所示。

圖3　智能起?？偛呗詧D

起停控制策略包含三個方面：起停功能邏輯、怠速停機邏輯和發(fā)動機起停邏輯[2]。

起停功能正常開啟條件包含以下幾個方面：

1）電池電量充足；

2）制動真空度充足；

3）起停系統(tǒng)無故障運行；

4）滿足整車安全狀態(tài)；

5）起停主開關(guān)打開；

6）空調(diào)狀態(tài)允許起停；

7）電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)允許起停。

滿足以上條件，車輛自動起停功能可正常開啟。

怠速停機功能滿足以下條件可正常實現(xiàn)[3]：

1）車輛停止或車速低于某設(shè)定值；

2）檔位置于空擋；

3）離合器踏板松開；

4）油門踏板完全松開。

發(fā)動機處于自動停止狀態(tài)時，起動邏輯分為3類：

1）車輛需求觸發(fā)起動，如電池低電量觸發(fā)、制動真空度不足觸發(fā)等；

2）溜坡自動起動，包含空擋狀態(tài)或離合器踏板踩到底狀態(tài)等；

3）駕駛員觸發(fā)起動，觸發(fā)條件包括空擋、踩離合器踏板操作等判斷駕駛員的行車意圖，為智能起停功能的核心部分。

3　主要零部件開發(fā)

為滿足整車智能起停功能需求，需要在普通車輛基礎(chǔ)上進行配置升級，傳統(tǒng)車型與配置智能起停車型主要區(qū)別如表1所示。本文主要對發(fā)電機、起動機及電池的更改進行說明。

表1　智能起停車輛與傳統(tǒng)車輛主要零部件區(qū)別

3.1發(fā)電機

為了讓起停系統(tǒng)更好地發(fā)揮作用，首先通過優(yōu)化發(fā)電機勵磁機構(gòu)，提升發(fā)電機的工作效率；同時在不同的駕駛工況下，通過ECU對發(fā)電機的控制實現(xiàn)能源的回收功能。

能源回收的基本原理為：

1）行車過程中的減速階段，設(shè)置發(fā)電機高電壓發(fā)電，實現(xiàn)了對電池高效率充電的同時也實現(xiàn)了對發(fā)動機的快速制動；

2）行車過程中的加速階段，設(shè)置發(fā)電機低電壓，減少發(fā)電量或使之不發(fā)電，減少發(fā)動機扭矩負載，使之全部用于整車加速，實現(xiàn)快速啟動

通過對行車工況的判斷，從而控制發(fā)電機的策略，可有效實現(xiàn)對制動能量的回收，同時提高發(fā)電機本身工作效率，高效智能發(fā)電機與起停系統(tǒng)相結(jié)合，可有效降低城市交通狀況下的燃油消耗及CO2排放。

3.2起動機

采用智能起停系統(tǒng)車輛，要求起動機的壽命更長久，起動過程更迅速，起動噪聲更低。傳統(tǒng)的起動機（5萬次起動壽命）不能滿足智能起停車型的使用要求，起停系統(tǒng)專用起動機通過優(yōu)化軸承和行星輪系、優(yōu)化齒輪型線和增強嚙合構(gòu)造、增加緩沖彈簧、增大磁極等手段，提高起動機使用壽命，滿足25萬次起停需求，使發(fā)動機迅速、安靜地啟動。整個起動過程的安全性更高，舒適性更好。

起動過程動力方程為[4]：

式中：

Te—起動機拖動扭矩，N·m；Tr—發(fā)動機阻力矩，N·m；

J—發(fā)動機等效轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；ω—發(fā)動機曲軸角速度，rad/s；n—發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min。

由上述公式可知，如想發(fā)動機拖動轉(zhuǎn)速更高，更易著車，需提供更大的起動機拖動扭矩。為此在本研究中在更換原發(fā)動機起動機的基礎(chǔ)上，增大其輸出功率和扭矩。起動機更換前后參數(shù)對比見表2。

3.3蓄電池

采用智能起停系統(tǒng)后發(fā)動機的頻繁起動，必然導(dǎo)致蓄電池更多的充放電，這將會降低電池的使用壽命。

表2 起動機參數(shù)對比表

為解決此問題，將普通蓄電池更換為AGM蓄電池，其具有以下優(yōu)勢：

1）循環(huán)充電能力比普通鉛酸電池高3倍，因此壽命也隨之延長；

2）電容量穩(wěn)定性更高；

3）低溫性能也更高；

4）降低事故風險。

蓄電池更換前后參數(shù)對比見表3。

表3　蓄電池參數(shù)對比表

4　仿真計算與結(jié)果

在研究初期，為對智能起停效果進行初步評判，根據(jù)已經(jīng)確定的整車計算參數(shù)，應(yīng)用AVL CRUISE整車仿真軟件對起停樣車油耗進行模擬計算，整車模型如圖4所示。

設(shè)定起停邏輯和停機時間通過CRUISE內(nèi)嵌的起停模塊實現(xiàn)。停機時間的選擇與實車ECU控制參數(shù)設(shè)定一致。

根據(jù)項目需求，進行NEDC循環(huán)工況模擬計算，起停功能開啟與關(guān)閉綜合油耗對比見表4。

5　試驗結(jié)果

5.1起動時間對比

采用智能起停系統(tǒng)后，在智能起停模式下，起動時間縮短，較常規(guī)啟動時間縮減約70%（正常啟動約1.3 s，智能起停啟動約0.4 s），如圖5所示。

5.2整車油耗和排放對比

在轉(zhuǎn)鼓試驗臺上進行實車NEDC循環(huán)測試，對比分析油耗和排放結(jié)果。測試循環(huán)如圖6所示，排放和油耗結(jié)果對比分別見表5與表6。

結(jié)果顯示開啟起停功能時整車的排放水平?jīng)]有明顯的變化，循環(huán)工況下可降低約3.3%的綜合油耗。

圖4　配置智能起停系統(tǒng)整車模型

表4　綜合油耗仿真對比結(jié)果

圖5　起動時間對比圖

圖6 NEDC循環(huán)工況

表5實車排放對比　　　g/k m

表6 實車對比

6　結(jié)束語

隨著國內(nèi)環(huán)境污染的日益嚴重，全球環(huán)境法規(guī)對油耗和排放的要求也日益嚴格。而智能起停系統(tǒng)是眾多節(jié)能技術(shù)中值得大力推廣的一種有效且低成本的節(jié)能技術(shù)。

本次研究，通過對加強型起動機實現(xiàn)起停功能的方案進行實施及試驗，驗證起停功能應(yīng)用于整車的節(jié)能減排效果，對滿足節(jié)能環(huán)保政策需求起到良好的促進作用，具有很好的市場應(yīng)用前景。

參考文獻

1趙云峰，陳俊，朱自萍，等.中國車企起停技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及分析[J].汽車工程師，2012（5）：26~30

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3周磊，霍宏煜，關(guān)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(shè)計[J].車輛與動力技術(shù)，2011（3）：32~35

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中圖分類號：U461.8

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）02-0020-04

收稿日期：（2015-01-19）

作者簡介：張衛(wèi)國（1987-），男，學(xué)士，工程師，主要研究方向為發(fā)動機設(shè)計開發(fā)及發(fā)動機與整車匹配。

Research on the Impactof Start-Stop System on FuelConsum ption and Em ission

ZhangW eiguo1，2，Zhou Shuo1，2，ZhaoW eiping1，2，W ang Yunchao1，2，Lu Zhiyuan1，2
1-Technical Center，GreatWallMotorCo.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）
2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Abstract：Thispaper introducesan i-stop（intelligent start-stop）system which contains new technologybased starter，bymeans of developing ECU（Electronic Control Unit）control strategies and improving components related to on vehicle.According to the resultsof vehicle NEDC（New European Driving Cycle）cycle test,itanalyzes theeffectsof this i-stop system on fuelconsumption and emission performance.As the test results indicate，the vehiclesequipped with thiskind of i-stop system getsome largebenefits from fuel consumption compared tooneswithout i-stop system，keeping theequalemission performance.

Keywords：Start-stop，Controlstrategies，NEDC