湯超

摘要： 在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制上，采用智能啟停系統(tǒng)能否取得較好的節(jié)油環(huán)保效果，與采取的控制技術(shù)有關(guān)。在對(duì)智能啟停系統(tǒng)展開(kāi)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理對(duì)系統(tǒng)控制策略和制動(dòng)能量回收等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探究，為發(fā)動(dòng)機(jī)控制優(yōu)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(guān)鍵詞： 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī);智能啟停系統(tǒng);控制策略;能量回收

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

中圖分類(lèi)號(hào)：U464.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）23-0050-02

0? 引言

受能源緊張、環(huán)境污染等因素影響，汽車(chē)能耗問(wèn)題引發(fā)了人們的關(guān)注。在城市道路交通運(yùn)行過(guò)程中，時(shí)常遇到堵車(chē)或等紅燈等情況，造成汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速運(yùn)行狀態(tài)，消耗燃油的同時(shí)，產(chǎn)生較多環(huán)境污染。而智能啟停系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，能夠根據(jù)汽車(chē)行駛狀況實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)啟?？刂?，有效減少能耗和污染。因此應(yīng)加強(qiáng)系統(tǒng)技術(shù)分析，確保系統(tǒng)可以取得較好應(yīng)用效果，促進(jìn)汽車(chē)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1? 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)智能啟停系統(tǒng)概述

現(xiàn)階段，市面上的發(fā)動(dòng)機(jī)智能啟停系統(tǒng)主要包含STT系統(tǒng)、BSG系統(tǒng)、i-stop系統(tǒng)三類(lèi)，擁有各自特點(diǎn)，而應(yīng)用較廣的為STT系統(tǒng)。

STT系統(tǒng)屬于加強(qiáng)型，只需增設(shè)少量零部件即可實(shí)現(xiàn)智能啟停功能。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，采用該系統(tǒng)需要將傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)變?yōu)樵鰪?qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)，增加傳感器對(duì)閥控式鉛酸鋰電池進(jìn)行檢測(cè)，并增設(shè)真空傳感器、踏板傳感器等獲得汽車(chē)操縱信號(hào)。為避免發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟停給駕駛舒適性帶來(lái)影響，需要增設(shè)電壓保持設(shè)備，避免起動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生的600A電流造成整車(chē)系統(tǒng)電壓被拉低[1]。在發(fā)動(dòng)機(jī)重新啟動(dòng)后，無(wú)需對(duì)蓄電池或發(fā)動(dòng)機(jī)提供的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即可確保汽車(chē)各用電設(shè)備運(yùn)行電壓不低于12V。此外，為確保起動(dòng)機(jī)達(dá)到耐久性要求，需要選用增強(qiáng)型設(shè)備，采用高壽命的電刷、鐵心等材料，使起動(dòng)機(jī)壽命從3.5萬(wàn)次提升至20萬(wàn)次。配備起動(dòng)機(jī)控制模塊，能夠利用限流電阻削減起動(dòng)機(jī)工作的峰值電流，使負(fù)載端電壓降有所降低。從總體來(lái)看，STT系統(tǒng)成本較低，技術(shù)含量也較低，在多數(shù)品牌車(chē)輛上得到了推廣應(yīng)用。

BSG系統(tǒng)需要對(duì)發(fā)電機(jī)和起動(dòng)機(jī)功能進(jìn)行集成，對(duì)電流進(jìn)行交直流變換，由BSG電機(jī)、傳統(tǒng)起動(dòng)機(jī)、整車(chē)控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、鎳氫/AGM電池、電機(jī)控制器、雙向張緊輪和傳感器等構(gòu)成。除了對(duì)原蓄電池進(jìn)行升級(jí)，系統(tǒng)需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器等進(jìn)行升級(jí)，并增設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)和車(chē)門(mén)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(chē)型的控制策略，導(dǎo)致系統(tǒng)成本較高，技術(shù)難度較大，因此系統(tǒng)應(yīng)用受到了限制，僅用于少數(shù)品牌汽車(chē)。

i-stop系統(tǒng)由傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)、智能啟停起動(dòng)機(jī)、帶啟停功能ECU、ACM電池和系列傳感器構(gòu)成，需要對(duì)起動(dòng)機(jī)和ECU等結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，技術(shù)含量較高，僅馬自達(dá)公司使用。

2? 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)智能啟停系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)工作原理

從總體上來(lái)看，智能啟停系統(tǒng)并未對(duì)汽車(chē)動(dòng)力傳輸結(jié)構(gòu)做出過(guò)大調(diào)整，僅替換了少數(shù)部件以增加功能。而發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)屬于系統(tǒng)核心部件，需要實(shí)現(xiàn)起動(dòng)/停止協(xié)調(diào)程序，完成汽車(chē)各種狀態(tài)變量采集，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行判斷和調(diào)控[2]。在汽車(chē)因擁堵或等待時(shí)，車(chē)速將變?yōu)?，根據(jù)傳感器確認(rèn)駕駛員無(wú)停車(chē)意圖后，經(jīng)2s將判斷能否達(dá)到停機(jī)條件，符合條件立即停機(jī)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行。系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后，即便駕駛員腳離開(kāi)制動(dòng)板依然不會(huì)改變發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)，同時(shí)音響等設(shè)備也可以正常工作。踩下離合器踏板或加速踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)自動(dòng)重啟。如圖1所示，系統(tǒng)工作時(shí)核心ECU可以對(duì)汽車(chē)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集，根據(jù)預(yù)設(shè)運(yùn)行策略通過(guò)CAN總線發(fā)送控制指令。進(jìn)入停機(jī)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)停止點(diǎn)火、燃油噴射。進(jìn)入重啟模式，起動(dòng)機(jī)將自動(dòng)激活，點(diǎn)火系統(tǒng)等也將恢復(fù)工作狀態(tài)。

2.2 系統(tǒng)控制策略

在發(fā)動(dòng)機(jī)啟?？刂品矫?，由于系統(tǒng)技術(shù)屬于微型混合動(dòng)力技術(shù)，將根據(jù)汽車(chē)行駛狀況和駕駛員操縱信號(hào)進(jìn)行判別，還應(yīng)對(duì)駕駛舒適性、安全性、零部件使用壽命和汽車(chē)動(dòng)力性等多重因素進(jìn)行考量，提出科學(xué)控制策略。在系統(tǒng)工作時(shí)，首先不能犧牲其他系統(tǒng)正常工作，如在制動(dòng)壓力達(dá)到臨界點(diǎn)、汽車(chē)向前或向后“溜車(chē)”、蓄電池電量超出限值等情況下，系統(tǒng)不會(huì)將發(fā)動(dòng)機(jī)熄滅[3]。而即便發(fā)動(dòng)機(jī)原本處于熄火狀態(tài)，遭遇上述情況也將重啟。利用電控單元實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)啟停控制，將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等動(dòng)力設(shè)備參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，判斷能否達(dá)到開(kāi)啟停機(jī)或重啟模式的要求，然后才會(huì)根據(jù)駕駛員意圖進(jìn)行啟?？刂啤Ｍǔ５那闆r下，冷卻液溫度不超40℃時(shí)，為確保發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)達(dá)到適合工作溫度，將禁止自動(dòng)停機(jī)。而蓄電池電量超出最低限值或制動(dòng)真空度不足，系統(tǒng)也將停止工作。在駕駛員停車(chē)時(shí)，不想關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)可以將離合器踩住，確保系統(tǒng)不會(huì)自動(dòng)發(fā)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(dòng)重啟模式開(kāi)啟方面，需要滿足檢測(cè)到故障、啟動(dòng)倒車(chē)后、車(chē)速超過(guò)一定門(mén)檻值等系列條件。如圖2所示，為系統(tǒng)啟停流程。在系統(tǒng)功能開(kāi)啟后，才會(huì)對(duì)駕駛員意圖進(jìn)行判別。如在自動(dòng)啟動(dòng)控制過(guò)程中，先判斷檔位處于空擋后，檢測(cè)到駕駛員踩下離合器踏板，將觸發(fā)功能，期間任一環(huán)節(jié)無(wú)法達(dá)到要求將提示啟動(dòng)失敗。在自動(dòng)停機(jī)功能開(kāi)啟后，需要先判斷是否有踏板操作，無(wú)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(dá)到倒計(jì)時(shí)要求，達(dá)到規(guī)定時(shí)間將觸發(fā)停機(jī)。如果存在踏板操作，需要判斷加速踏板是否松開(kāi)，松開(kāi)后重新判斷檔位是否處于空擋。滿足空擋條件，確認(rèn)離合器踏板松開(kāi)，將觸發(fā)自動(dòng)停機(jī)程序。為避免頻繁啟停給發(fā)動(dòng)機(jī)零部件帶來(lái)較大損耗或產(chǎn)生過(guò)高油耗，也可以額外在邏輯上設(shè)置固定時(shí)間段內(nèi)啟停次數(shù)限制。

2.3 制動(dòng)能量回收

汽車(chē)處于不同工況條件下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生不同功率需求。而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟?？刂?，每次啟動(dòng)需要依靠蓄電池提供功能，導(dǎo)致蓄電池可能長(zhǎng)時(shí)間在強(qiáng)電流狀態(tài)下工作出現(xiàn)壽命下降問(wèn)題。運(yùn)用制動(dòng)能量回收技術(shù)，可以將超級(jí)電容與蓄電池并聯(lián)，形成復(fù)合電源結(jié)構(gòu)為汽車(chē)提供瞬時(shí)大功率。如汽車(chē)在加速或爬坡工況下，依靠沖擊電流，超級(jí)電容能夠快速放電，同時(shí)也能迅速實(shí)現(xiàn)能量回收，避免蓄電池受到過(guò)大電流沖擊。實(shí)際運(yùn)用該技術(shù)，需要對(duì)電容電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)，即采用DC/DC轉(zhuǎn)換器與電容連接，對(duì)蓄電池端電壓進(jìn)行檢測(cè)，然后由蓄電池直接對(duì)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(dá)到較高能量回收效率。具體來(lái)講，就是先判斷電機(jī)需要的功率，如果比0小，將判斷電容是否處于飽和狀態(tài)。處于飽和狀態(tài)，將通過(guò)電容為蓄電池充電，否則將通過(guò)電容吸收能量。如果電機(jī)產(chǎn)生大于0的功率需求，先判斷是否超出設(shè)定值，未超出設(shè)定由蓄電池供電，電容功率為0。如果超出規(guī)定限值，將判斷電容電量是否超出設(shè)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(jié)構(gòu)，采用該結(jié)構(gòu)可以充分回收制動(dòng)能量，避免產(chǎn)生額外損失。依靠電源迅速為發(fā)動(dòng)機(jī)提供需要的功率，也能確保汽車(chē)迅速啟動(dòng)，體現(xiàn)良好的動(dòng)力性。而依靠電容分擔(dān)大電流，可以避免蓄電池因發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟停受到反復(fù)沖擊，有效延長(zhǎng)其使用壽命，使系統(tǒng)獲得良好經(jīng)濟(jì)性。

3? 結(jié)論

應(yīng)用智能啟停系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行時(shí)發(fā)送控制指令，能夠避免汽車(chē)產(chǎn)生空轉(zhuǎn)損耗。但頻繁進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)啟停將引發(fā)零部件損耗和瞬間啟動(dòng)高油耗，所以可以從冷卻液溫度、駕駛員操作等方面設(shè)置控制邏輯，確保發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)經(jīng)常進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。而在汽車(chē)行駛工況變化時(shí)，需要根據(jù)不同發(fā)動(dòng)機(jī)功率需求，調(diào)配蓄電池和超級(jí)電容輸出功率，通過(guò)回收制動(dòng)能量延長(zhǎng)蓄電池使用壽命的同時(shí)，確保汽車(chē)可以快速重啟發(fā)動(dòng)機(jī)。

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