發動機快速啟/停控制系統模式切換分析*

黃大星

（韶關學院汽車系）

為了提高汽車燃油經濟性，國內外一些汽車公司相繼開發了發動機快速啟/停系統并成功地運行于相關車型[1-4]。然而，由于發動機快速啟/停系統需通過關閉發動機使燃油供給系統停止工作，發動機的工作模式常需在啟動與停止之間轉換，從而導致發動機使用性能下降，汽車的乘坐舒適性也受到影響。為了改善發動機啟停所帶來的負面影響，文章利用模式切換理論，對發動機快速啟/停控制系統進行多模式切換分析，基于Matlab/Simulink 進行切換控制系統建模與仿真試驗，對切換系統進行性能分析。

1 發動機啟/停系統結構與工作模式

1.1 裝有發動機啟/停系統的汽車動力結構

裝有發動機啟/停系統的整車布置方案，如圖1 所示。由于BSG 電機集成了發電機和啟動機功能，工作時可以根據不同的運行工況，變換為發電機模式或啟動機模式，因此可利用BSG 電機來實現發動機停止和啟動功能。通常把裝有BSG 電機的汽車簡稱為BSG汽車。圖1 中BSG 電機布置于發動機前端（稱為Front-BSG），系統利用皮帶傳動將“啟動/發電集成電機”（ISG 電機）與發動機曲軸進行非同軸布置，此時BSG汽車的動力傳輸是通過皮帶傳動，BSG 集成電機通過皮帶與發動機曲軸相連，作為整車動力源。

1.2 BSG汽車工作模式

BSG汽車的設計是在保證不低于原有汽車動力性的前提下，利用電機技術來提高燃油經濟性和改善汽車的尾氣排放。根據BSG汽車動力傳動系統結構，當駕駛員判斷需要停車時，BSG 控制器自動判斷變速桿位于空擋及行車速度等信息，當符合BSG 系統設定的工況時，BSG 控制系統自動關閉發動機；當BSG 控制系統判斷發動機需要啟動時，系統控制器發出控制指令，將BSG 電機工作模式轉換為啟動機模式。系統控制BSG 電機轉速達到設定轉速，以拖動發動機啟動至怠速，隨后將BSG 電機關閉，這時汽車只由發動機單獨驅動，汽車進入正常行駛狀態；當系統控制器判斷汽車為減速、制動或下坡行駛時，BSG 集成電機進入發電機工作模式，系統通過轉換器向復合儲能系統鋰離子蓄電池充電，這時BSG 系統就把車輪制動工作時產生的機械能轉化為電能。

綜上，BSG 整車大致可以分為4 種工作模式，如圖2 所示。

1）啟動模式：BSG 電機作為啟動機，在較短時間（如0.4 s）內將發動機快速拖至怠速轉速（如800 r/min）以上，之后發動機獨立工作，驅動汽車正常行駛。這一工作模式系統的電力由復合儲能系統提供，其電力傳遞的方向，如圖2a 所示。

2）停車模式：當判斷汽車需要停止時，控制系統將燃油供給系統關閉，來切斷對發動機供油，使發動機處于停止狀態。這時，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：根據汽車運行狀態，當系統判斷駕駛員踩下制動踏板時，則向BSG 電機傳送控制信號，并隨即觸發復合儲能系統的轉換器，將汽車的動能轉化為電能，儲存在蓄電池中，其電力傳遞的方向，如圖2c 所示。

4）正常行駛模式：BSG汽車發動機運行與傳統汽車發動機工作一樣，當發動機高于某一設計功率運行時，為蓄電池系統充電，其電力傳遞的方向，如圖2d 所示。

對BSG 城市汽車的工作模式分析發現，啟動模式時發動機啟動，停止和減速模式時發動機停止，正常行駛模式時發動機正常工作。

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[5-6]定義：一個混雜切換系統（MHS）一般由一個四元組MHS=（F，D，SC，SD）構成，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 個子系統φ=fi（x，u）的向量域。Z+表示正整數集合，Rni和Rmi分別表示ni維和mi維歐氏空間。I={i1，i2，L，in}為系統的指標集，即離散狀態。并且fi，i∈I 關于x 是Lipschitz- 連續的，關于u 是一致連續的。

2）D={I，E}為一個簡單有向圖。I 代表離散狀態集。E={e=（i，j）：ii，ij∈I}是一族離散事件。若e=（i，j）發生，則表示系統狀態從第i 個子系統轉換到第j 個子系統。一般來說，系統中離散事件的發生是與系統內部的運行機制和外界的離散控制輸入μ 兩者有關。

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

4）函數SC：X×I×I×U×V→X，SD：X×I×U×V→I 分別表示系統離散事件發生時系統連續狀態的變化規律和離散狀態的變化規律。

直觀上，混雜切換系統可理解為，將連續狀態空間X 劃分為若干個不相交的區域，將這些區域用離散狀態q∈I 來表示，對于每一個區域則都有一個與之相對應的運動方程，系統的不同運動狀態則是按照一定規則在這些區域之間進行轉換或轉移。

對于BSG汽車運行模式切換的研究，假設在某一時刻t，駕駛員對發動機采用快速啟/停操作，此時汽車的初始條件包括車速、發動機轉速、擋位、離合器踏板位置、水溫以及電池SOC 均為t 的函數。發動機快速啟/停系統工作模式分別為：{發動機停止模式P1}，{發動機快速啟動模式P2} 和{發動機正常工作模式P3}，這里用{P1}，{P2}和{P3}表示這3 種模式。i（t）表示t 時刻汽車采取發動機控制的情形，即i（t）∈{{P1}，{P2}，{P3}}。

文章研究的發動機快速啟/停系統多模式混雜系統實質上可定義為是由一族定義在不同子空間上的連續動態行為F 和它們之間轉換邏輯D 構成的。在每個子空間Xi，i∈I 上，狀態x 是連續的，當在時刻t 時離散事件e=（i，j）發生，系統從離散狀態i 轉換到離散狀態j，同時系統的連續動態行為從子系統i 轉換到子系統j，因此系統的連續動態從狀態x（t-）∈Xi轉換到狀態x（t+）∈Xj，顯然狀態x（t-）與狀態x（t+）不相等，這時，系統的連續狀態發生了不連續的躍變。

根據混雜切換系統模型定義可得，系統的連續狀態在每個子系統上是連續的，即對每一個i（t）∈{{P1}，{P2}，{P3}}，系統的連續狀態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在某個時刻t時離散事件e=（i，j）發生，這時系統便會從子系統i 轉換到子系統j，同時當系統的連續狀態x 滿足ζ（t）=f [x（t），u（t），j（t）]，并且在離散事件發生之前，系統的連續狀態滿足x（t-）∈Xi，這時，當離散事件發生時系統的連續狀態變為x（t+）∈Xj，即系統在離散狀態發生變化的時候，其連續狀態也會發生不連續的躍變，系統則由一種連續狀態切換到另一種連續狀態。

2.2 模式切換邏輯[7-10]

1）當BSG 控制系統判斷汽車狀態為：點火開關斷開；踩下制動踏板；發動機暖機時間超過設計時間（如3 min）；由車速傳感器檢測到汽車已經停止，并經歷了2 個延遲周期。當上述條件滿足時，則表示汽車長時間處于停止狀態，系統將發出“close engine”信號關閉發動機。這一過程是通過繼電器驅動器將指令信號傳遞到點火控制繼電器，使點火系統失效，以控制發動機停止工作，這時發動機停止運轉，汽車進入發動機停止模式（P1）。

2）當BSG 控制系統判斷汽車狀態為：發動機關閉時延遲器指令反饋到ISP_TD 引腳；踩下加速踏板；發動機轉速為0；SOC 超過設定值（如25%），點火開關為開啟狀態；制動開關BR_ON 接合。當上述5 點條件滿足時，系統通過繼電器驅動器發出指令給BSG 電機控制繼電器，這時，復合儲能系統提供電力給BSG 電機來啟動發動機，汽車進入發動機快速啟動模式（P2）。

3）其他狀態下汽車進入發動機正常工作模式（P3）。發動機啟/停控制系統模式切換邏輯，如圖4 所示。

3 發動機啟/停模式切換仿真

3.1 系統MATLAB仿真模型

通過對汽車發動機啟動和怠速停止運行工況進行分析，確定發動機快速啟/停控制系統輸入與汽車轉換規則，如表1 所示。

表1 發動機快速啟/停控制系統輸入與汽車狀態轉換規則

基于轉換規則，利用MATLAB/Simulink 建立的發動機快速啟/停控制系統模式切換控制策略模型，如圖5 所示。

3.2 仿真分析

文獻[7]中利用模塊化與分層控制設計方法設計了模擬試驗系統，所設計的模擬試驗系統集成了制動能量回收模塊、道路模擬模塊、制動踏板模塊、驅動電機模塊、測控模塊、車用傳感器模塊及發動機ECU 等模塊，能模擬城市汽車怠速、起動（快速起動）、正常行駛、制動和停止等工況。針對中國典型城市循環工況，對發動機快速啟/停控制系統模式切換進行性能分析。

圖6 和圖7 示出發動機啟/停控制系統在硬件在環模擬系統的試驗情況。從圖6 中可以看出，當汽車停止時（車速為0），變速器處于空擋，離合器尚未接合時，發動機轉速迅速下降，直至轉速為0，表示發動機停止。從圖7 中可以看到，在滿足發動機停止的條件下，由于發動機自身慣性，發動機轉速沒有立刻下降至0，然而這時燃油消耗率顯示為0。這就表明，只要滿足發動機停止條件，發動機就會被關閉，即燃油供給系統停止工作。

從圖7 中還可得到，當發動機處于怠速停止期間，踩下離合器踏板時，發動機能快速啟動（啟動開關變為1），并能在短時間內驅動汽車進入正常行駛狀態。而且，在發動機啟/停系統運行過程中，沒有出現在啟/停狀態間短時間內的多次切換，說明發動機啟/停系統控制策略合理，具有良好的操作平順性。

4 結論

利用硬件在環模擬試驗系統對發動機快速啟/停系統的切換性能進行了仿真分析，結果發現，短時間內多模式間沒有出現頻繁切換，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動機快速啟/停系統的平順性，進一步提高了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對各局部控制器的設計。

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