王維強(qiáng)，周一鶴，于金泉，蔡凡昌，嚴(yán)運(yùn)兵

（武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，武漢 430065）

0 引 言

混合動(dòng)力汽車作為一種由燃油汽車向純電動(dòng)汽車過渡的成熟的新能源汽車解決方案，與傳統(tǒng)燃油汽車相比，發(fā)動(dòng)機(jī)啟停次數(shù)顯著增加。發(fā)動(dòng)機(jī)的頻繁啟停不但會(huì)帶來發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗增加，啟動(dòng)不平穩(wěn)，還會(huì)降低車內(nèi)乘客乘坐的舒適性，因此研究汽車啟停系統(tǒng)的優(yōu)化措施對于混合動(dòng)力汽車的應(yīng)用具有重要意義。

1 啟停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)怠速啟停系統(tǒng)根據(jù)組成不同分為3種方案：博世采用的獨(dú)立增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)方案、以法雷奧為主的采用輔助啟動(dòng)電機(jī)的集成起動(dòng)電機(jī)／發(fā)電機(jī)方案、以馬自達(dá)為主的基于缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的直接啟停方案。3種方案中，集成式起動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)方案在歐洲部分車型中得到運(yùn)用，但目前使用最多的還是獨(dú)立增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)方案，即博世采用方案如圖1所示。

圖1 獨(dú)立增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)方案Fig.1 Independent enhanced starter and generator scheme

該方案使用增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)（Enhanced Start Motor ESM）代替?zhèn)鹘y(tǒng)起動(dòng)機(jī)，以齒輪嚙合的方式與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，使用循環(huán)壽命更長。在蓄電池方面，由于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池使用壽命短，用在啟停系統(tǒng)中大概使用3個(gè)月就需要更換，所以選擇使用具有玻璃纖維隔板AMG蓄電池。發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊ECM作為啟停系統(tǒng)的核心控制單元通過接受電池、檔位、剎車等各種信號判斷是否進(jìn)入啟停功能。當(dāng)剎車松開，啟動(dòng)命令發(fā)出后，AGM電池提供電能，一體機(jī)作為電動(dòng)機(jī)使用，拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)快速運(yùn)轉(zhuǎn)至怠速以上。在車輛正常行駛時(shí)，一體機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用，為AMG蓄電池充電。整體系統(tǒng)擁有響應(yīng)迅速，使用壽命長，減少油耗，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

2 啟停系統(tǒng)對經(jīng)濟(jì)性影響

發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)后，燃燒做功的能量使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速得以迅速上升，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超600 r／min時(shí)，ECM控制起動(dòng)機(jī)脫離，然后停機(jī)，這時(shí)候由于慣性，起動(dòng)機(jī)會(huì)慢慢停止運(yùn)轉(zhuǎn)，而發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)依靠燃油和進(jìn)氣量燃燒產(chǎn)生動(dòng)能，使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到峰值后才轉(zhuǎn)到怠速轉(zhuǎn)速。因此，在啟動(dòng)瞬間噴油量和進(jìn)氣量的控制十分關(guān)鍵。

文獻(xiàn)［5］對電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量和噴油量的關(guān)系進(jìn)行研究，提出了噴油量與進(jìn)氣量的關(guān)系式（1）：

其中，F是噴油量；A為進(jìn)氣量；為空燃比。且進(jìn)氣量A又可以由公式（2）得出：

其中，A為空氣容積率，A為空氣密度。

由此可以通過空氣流量傳感器及氣壓傳感器來預(yù)測起動(dòng)時(shí)汽油噴油量。由于實(shí)際行駛過程中存在駕駛習(xí)慣、汽油濃度等系列因素，僅通過進(jìn)氣量很難準(zhǔn)確對噴油量做出預(yù)估。所以從啟停停機(jī)時(shí)間與起動(dòng)機(jī)起動(dòng)油耗的關(guān)系出發(fā)再做研究。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速與起動(dòng)油耗的關(guān)系如式（3）：

其中，為發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)節(jié)省的油耗；為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)消耗的油耗；為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)燃油消耗；T為怠速停機(jī)時(shí)間。

于是可以得出只有0進(jìn)入啟停才有意義，否則會(huì)更耗油。

所以并非啟停越頻繁，節(jié)油效果越好。相反，當(dāng)啟停停機(jī)時(shí)間過短，發(fā)動(dòng)機(jī)再啟動(dòng)所需油耗會(huì)更大，并且燃燒不充分所產(chǎn)生的尾氣，將給節(jié)能減排帶來反效果。因此，如何控制進(jìn)入啟停模式的時(shí)機(jī)，對啟?？刂撇呗詠碚f是十分重要的。

3 結(jié)合道路信息預(yù)測的啟?？刂撇呗?/h2>

在實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)控制策略難以對車輛運(yùn)行條件做出有效判斷，不能準(zhǔn)確識(shí)別駕駛員下一步操作意圖。何仁、劉凱等人提出利用攝像頭圖像識(shí)別，捕捉紅綠燈倒計(jì)時(shí)顯示屏信息，來判斷是否進(jìn)入啟停停機(jī)，以及是否提前啟動(dòng)。受此啟發(fā)，且考慮到在車輛實(shí)際行駛路況中，除了紅綠燈會(huì)影響車輛啟停外，道路擁堵狀況也會(huì)在極大程度上影響發(fā)動(dòng)機(jī)啟停次數(shù)，所以利用地圖信息中獲取到的車輛所在道路有無紅綠燈，以及距離紅綠燈的距離，道路上車輛的數(shù)量、車輛的行駛速度等信息對是否進(jìn)入啟停停機(jī)進(jìn)行智能判斷，提出一種結(jié)合道路信息預(yù)測的擁堵路況啟停系統(tǒng)控制策略優(yōu)化

道路擁堵在實(shí)際路況中又分為事故引起的擁堵和信號燈引起的排隊(duì)擁堵。下面針對兩種擁堵路況進(jìn)行分析。

3.1 信號燈引起的排隊(duì)擁堵

對于由交通信號燈引起的排隊(duì)擁堵來說，主要需要根據(jù)紅燈等待時(shí)長來判斷是否進(jìn)入怠速停機(jī)，結(jié)合已有統(tǒng)計(jì)信息和筆者所在武漢市黃家湖西路道路觀測信息得到：黃家湖三街黃家湖路至黃家湖三街黃家湖西路段，紅綠燈倒計(jì)時(shí)30 s，且當(dāng)紅燈變綠燈時(shí)，第一輛車通過紅綠燈的平均時(shí)間至少2 s，第二輛車之后隨著每輛車增加2.5 s，依次類推，第十輛車過紅綠燈平均時(shí)間為24.5 s?？梢耘袛啵诖说缆飞系褂?jì)時(shí)30 s內(nèi)，最多可以通過12輛汽車，紅燈前12輛車，主要需要根據(jù)紅燈等待時(shí)長來判斷是否進(jìn)入怠速停機(jī)狀態(tài)，而第12輛車之后的車輛則主要根據(jù)前方12輛車的狀態(tài)來判斷。

針對交通信號燈引起的排隊(duì)擁堵，制定以下策略：根據(jù)道路信息判斷當(dāng)前車輛是否為前12輛車輛之一，若是則：當(dāng)紅燈倒計(jì)時(shí)T＜T時(shí)，車輛怠速運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)紅燈倒計(jì)時(shí)T＞T時(shí)，車輛停機(jī)。其中，T為怠速油耗與發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)一次油耗相等時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)長，計(jì)算公式（4）：

其中，為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)燃油消耗。

若車輛是排隊(duì)車輛中第13輛及以后車輛，則根據(jù)道路信息進(jìn)行判斷：當(dāng)排隊(duì)車輛中有1／2以上車速為0 km／h，且100%車輛車速小于5 km／h時(shí)，車輛停機(jī)。起控制邏輯程序框圖如下圖2所示。

圖2 信號燈引起的排隊(duì)擁堵路況啟停策略流程圖Fig.2 Traffic flowchart of the start－stop strategy for queuing congestion caused by traffic lights

3.2 事故引起的擁堵

對于事故擁堵可以通過實(shí)時(shí)交通信息判斷當(dāng)前路段有無交通信號燈，車輛擁擠程度及車輛行駛速度來進(jìn)行判定。在由事故引起的長距離擁堵路段，傳統(tǒng)啟停策略為跟隨前車，即前車啟停發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，前車停機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。在長距離擁堵路段，該策略具有顯著弊端，即燃油經(jīng)濟(jì)性差，乘坐舒適性差，且容易損傷零部件，所以針對這一路況，做出改進(jìn)來改善頻繁啟停工況：在前車后保險(xiǎn)杠距離S大于臨界值S，后車輛再啟動(dòng)，有效避免了在該距離中不必要的車輛啟停動(dòng)作。S計(jì)算過程如公式（5）：

其中，V為車輛怠速行駛車速，為在低速行駛路段，車輛需要與前車之間保持的安全距離。

另外在車輛啟動(dòng)后，則啟用車速控制模塊，保證與前車后保險(xiǎn)杠之間的距離始終為S，若在行駛過程中識(shí)別到前車有剎車動(dòng)作直至停車，使與前車后保險(xiǎn)杠距離S＜S，則將車速平穩(wěn)降至怠速，直至與前車后保險(xiǎn)杠距離S＝S時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，啟停系統(tǒng)一個(gè)工作循環(huán)結(jié)束。事故引起的擁堵路況流程圖如圖3所示。

圖3 事故引起的擁堵路況啟停策略流程圖Fig.3 Flowchart of the start－stop strategy for congestion caused by the accident

4 仿真驗(yàn)證及結(jié)果分析

針對無信號燈道路由交通擁堵引起的擁堵路況啟停策略，以啟停次數(shù)和燃油經(jīng)濟(jì)性為考察指標(biāo)與傳統(tǒng)的跟隨前車即停即走策略在CarSim／Simulink做出仿真對比。

4.1 CarSim／Simulink聯(lián)合仿真模型

CarSim是面向特性的車輛仿真軟件，在CarSim中整車被分為數(shù)個(gè)子系統(tǒng)，通過對各個(gè)子系統(tǒng)的參數(shù)與特性曲線進(jìn)行設(shè)置完成建模。此次選用CarSim中C－Class預(yù)設(shè)模型，仿真車輛主要參數(shù)見表1。

表1 仿真車輛主要參數(shù)Tab.1 The main simulation parameters of the vehicle

4.2 搭建聯(lián)合仿真平臺(tái)

CarSim提供了與Simulink聯(lián)合仿真接口，并通過函數(shù)來實(shí)現(xiàn)兩者的連接和通信。在CarSim中建立好整車動(dòng)力學(xué)模型，將發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度_、制動(dòng)器的制動(dòng)壓力_、左右輪的前輪轉(zhuǎn)角作為Simulink輸入的信號，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速_、變速器傳動(dòng)比、車速、車輛位置1、車輛加速度ax1作為輸出信號。搭建的模型如圖4所示。

圖4 CarSim／Simulink聯(lián)合仿真模型Fig.4 Joint CarSim／Simulink simulation model

4.2.1 前車狀態(tài)模塊

這一模塊中對前車速度做出設(shè)置：在第［0 6 10 14 15 16 18 20 22 25］s，分別設(shè)置其速度為：［3 3 0 0 2 0 0 3 3 3］km／h，設(shè)置完成后對前車速度積分即得前車位置，隨后與跟車安全距離相加，得到目標(biāo)車輛當(dāng)前位置Xo1，并將前車速度與位置輸入至控制策略模塊和速度跟隨模塊。

在控制策略模塊中，針對由事故引起的擁堵路況，采用在前車后保險(xiǎn)杠距離S大于臨界值S后車輛再啟動(dòng)的啟停控制策略，有效避免了在該距離中不必要的車輛啟停動(dòng)作，并添加計(jì)數(shù)器模塊，統(tǒng)計(jì)路程中啟停次數(shù)。

4.2.2 速度跟隨模塊與油耗計(jì)算模塊

在這一模塊中，對車輛進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)的縱向動(dòng)力學(xué)建模，隨后通過Simulink中PID模塊輸出期望車速，再通過控制節(jié)氣門開度使汽車按照設(shè)定的車速行駛，繼而達(dá)到控制與前車間距為期望間距，并保持車速跟隨的目的。

本模塊中PID控制器由比例單元、積分單元、微分單元3部分組成，其輸入()＝V()（）與輸出（）之間的關(guān)系為式（6）：

改寫成傳遞函數(shù)形式（7）：

其中，K為比例系數(shù)；T為積分時(shí)間常數(shù)；T為微分時(shí)間常數(shù)。

對式（7）進(jìn)行離散化處理，式（8）：

其中，為采樣信號；()為第個(gè)時(shí)刻的控制器輸出值；()為第個(gè)時(shí)刻的速度偏差值；()為第1個(gè)時(shí)刻的速度偏差值，最終經(jīng)過仿真驗(yàn)證，K取2，K取0.001，K取0。

再對行駛中的車輛進(jìn)行縱向動(dòng)力學(xué)分析，式（9）和式（10）：

其中，F為輪胎驅(qū)動(dòng)力；F為制動(dòng)力；取0.04；取0.06。

驅(qū)動(dòng)時(shí)，制動(dòng)力為0，則可得式（11）：

忽略傳動(dòng)系統(tǒng)的彈性變性后，可得汽車驅(qū)動(dòng)力F為公式（12）：

其中，T為輸入扭矩；（ω／ω）為轉(zhuǎn)矩特性函數(shù)；η為傳動(dòng)系機(jī)械效率，則式（13）：

在忽略節(jié)氣門的滯后及扭轉(zhuǎn)剛度等因素對發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響后，可得到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω及節(jié)氣門開度間的函數(shù)關(guān)系，式（14）：

則節(jié)氣門開度，式（15）：

其中，（ω，T）為節(jié)氣門開度特性函數(shù)，則由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩可得到發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度MAP圖如圖5所示。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度MAP圖Fig.5 Engine throttle opening MAP diagram

同理，制動(dòng)時(shí)節(jié)氣門開度為0，則有式（16）：

其中，F為發(fā)動(dòng)機(jī)對汽車的反拖力；a為期望加速度；且另驅(qū)動(dòng)力與制動(dòng)力都為0時(shí)的期望加速度為a。

那么對于期望制動(dòng)壓力，式（17）：

根據(jù)建立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)逆縱向動(dòng)力學(xué)模型在Simulink中完成車輛的驅(qū)動(dòng)控制與制動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了對前車的車速跟隨。

而在油耗計(jì)算模塊中，輸入發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度，可以對照節(jié)氣門開度MAP圖獲取發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩T，再對照發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性曲線，可以得到對應(yīng)的燃油消耗率及功率。那么燃油消耗量?？捎晒剑?8）計(jì)算得出：

4.3 仿真分析

選取一段長1 200 m的水平道路作為仿真道路，設(shè)置初始車速為18 km／h，仿真時(shí)間100 s。仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 使用改進(jìn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)啟停策略后仿真結(jié)果Fig.6 Simulation result after using improved engine start－stop strategy

圖7 使用“即走即?！辈呗苑抡娼Y(jié)果圖Fig.7 Simulation results after using the Walk－and－Go strategy

可以看出，在這段1 200 m的擁堵路段中，車輛使用傳統(tǒng)跟隨前車即走即停的發(fā)動(dòng)機(jī)啟停策略時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟停次數(shù)為16次，燃油消耗32 g，與前車距離均保持在6～10 m區(qū)間內(nèi)，車速跟隨前車較為緊密；而使用基于道路信息預(yù)測的發(fā)動(dòng)機(jī)啟?？刂撇呗詴r(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟停次數(shù)為10次，同比減少31.5%，燃油消耗為30 g，同比下降6.25%，與前車距離在0～70 s內(nèi)保持在5－10 m，在70－100 s內(nèi)保持在10 m以上，車速跟隨前車十分緊密。由此可見，在這段1 200 m的擁堵路段中，采用結(jié)合道路信息預(yù)測的啟停系統(tǒng)控制策略后，整車的舒適性、燃油經(jīng)濟(jì)性與安全性均得到提升，優(yōu)化方案有效。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)合道路信息預(yù)測的啟停系統(tǒng)控制策略，通過設(shè)置合理的等待距離來降低發(fā)動(dòng)機(jī)啟停次數(shù)；搭建了CarSim與Simulink的聯(lián)合仿真軟件平臺(tái)，在一段1 200 m的水平擁堵路段中對優(yōu)化前后的兩種控制策略進(jìn)行對比試驗(yàn)。通過仿真可以看出，所設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟?？刂撇呗钥梢悦黠@降低啟停次數(shù)與燃油消耗，改善乘坐舒適性、燃油經(jīng)濟(jì)性與駕駛安全性，為汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)啟停系統(tǒng)控制策略提供了新的研究方法。