公交智能啟停系統控制研究

張　良，貝紹軼，汪　偉，張蘭春，汪永志

（江蘇理工學院汽車與交通工程學院，江蘇常州213001）

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公交智能啟停系統控制研究

張良，貝紹軼，汪偉，張蘭春，汪永志

（江蘇理工學院汽車與交通工程學院，江蘇常州213001）

摘要：為解決公交車節油環保和動力問題，采用智能啟停系統來改善公交車的燃油經濟性和動力性。通過分析智能啟停系統結構和控制方法，在AVL-Cruise軟件中對加裝智能啟停系統前后公交車整車進行建模。通過仿真，分別計算裝載智能啟停系統前后公交車在ECE、EUDC、NEDC循環工況下的燃油消耗量、NEDC循環工況下的尾氣排放量以及車輛動力性，結果顯示加裝智能啟停系統后，公交車在燃油經濟性、排放性和動力性方面有顯著改善。最后通過實車試驗驗證智能啟停系統的有效性。

關鍵詞：公交車；智能啟停系統；AVL-Cruise軟件；仿真；實車試驗

0　引言

智能啟停系統最早由博世公司提出，系統基于原有部件進行改造優化，改造成本低，節油減排效果明顯，且能夠改善車輛動力性，因此成為汽車行業的首選[1]。智能啟停技術提出后，國外很多公司便開始致力于該技術的研究，大眾、寶馬、福特等汽車公司已推出配備智能啟停系統的車輛[2]。但是，國內智能啟停系統的開發應用滯后于歐美等發達國家，長安CX30是第一款配備這項技術的國產轎車；華晨FSV啟停出租車在大連批量投產使用；上汽榮威、奇瑞等汽車公司也計劃推出配備智能啟停系統的車型[3]。雖然在國內有越來越多的汽車公司開始重視這項技術，但是在公共交通領域，很少有針對智能啟停系統的研發，至今為止搭載智能啟停系統的公交車在國內很少投入使用。將智能啟停系統應用在公交車上是一次大膽的創新，相信在不久的將來，智能啟停系統必將成為每輛公交車的標準配置，本次實踐將為該系統的推廣普及奠定基礎，對公共交通領域的創新研究具有積極的作用。公交車作為“耗油大戶”，平均每日的柴油消耗量高達80L，而且行駛中發動機排放的“黑煙”對環境造成了極大污染。隨著節能減排的呼聲越來越高漲，對于公交車的改造勢在必行。因此，采用智能啟停系統來改善公交車的燃油經濟性、排放性和動力性具有重要的理論意義和市場推廣價值。

1　智能啟停系統結構

目前市場上的智能啟停系統主要有3種技術方案：分離式啟動機和發電機（SMG）、集成發動機/發電機（IMG）和馬自達SISS。但是，上述方案幾乎都針對轎車設計，并不適用于大型柴油車。因此，本文采用針對大型柴油車所設計的系統結構作為參考。

如圖1所示，該系統主要由發動機、離合器、電機和變速箱組成。相比以上3類較為復雜的啟停系統而言，該系統只需在離合器與變速箱之間加裝一個控制電機，用以控制發動機停止與啟動，對于原有車輛結構的改造更為簡單，成本更低，而且在節油減排方面效果十分明顯。該系統操作簡便，當駕駛人員遇到紅燈或者堵車狀況時，松開加速踏板和離合器踏板，踩下剎車，將檔位回至空檔，即可使發動機停止工作；再次啟動時，只需踩下離合器踏板，發動機立刻開始運行。

圖1　智能啟停系統結構圖

2　智能啟停系統控制方法

智能啟停系統控制方法是針對手動檔公交車所提出的。

2.1智能啟停功能開啟判定

1）發動機冷卻液溫度合適；

2）蓄電池電量達到要求；

3）制動系統真空度滿足要求。

同時滿足上述條件時，智能啟停功能開啟。

2.2智能啟停系統停機判定

1）加速踏板完全松開；

2）檔位回到空檔；

3）離合器踏板完全松開。

同時滿足上述條件時，智能停機功能開啟，發動機停止運轉。

2.3智能啟停系統開機判定

1）離合器踏板被踩下；

2）前后車門都己關好。

同時滿足上述條件時，智能啟停系統開機。

2.4智能啟停系統啟動判定

1）智能啟停系統已開啟；

2）檔位處于空擋；

3）離合器踏板被踩下。

同時滿足上述條件時，智能啟停系統啟動，發動機運轉。

2.5智能啟停系統主控制方法

主控制方法對整個運行過程進行控制，如圖2[4-6]所示。人工啟動公交車，發動機運轉，系統判斷是否需要停機，從而控制開啟或關閉智能停機功能。公交車智能停機后，系統判斷是否需要開機，開機后，若需要啟動，則判斷蓄電池電量是否充足；主開關是否開啟，滿足條件時，啟動發動機。發動機啟動后，判斷發動機轉速是否達到設定值，超過設定值，則供油系統為發動機供油，車輛開始運轉。

3　仿真測試

3.1公交車動力學和油耗方程

公交車啟動時的動力學方程為

式中：K——蓄電池放電比例；

U——蓄電池電壓；

X——車輛設定行駛距離；

P——發動機額定功率；

J——發動機等效轉動慣量；

ω——發動機曲軸角速度；

n——發動機轉速。

公交車運行時的燃料消耗量方程為

式中：Q——綜合燃料消耗量；

QOi——在第i個車速下的燃油消耗量；

ki——在第i個車速下的燃油消耗權重系數，

圖2　智能啟停系統主控制流程圖

如表1所示。

表1　規定車速下的燃料消耗量權重系數k

3.2公交車加速時間方程

公交車加速時間反映公交車的加速能力，其計算方程[7]為

式中：T0——起步時間；

u0——最小穩定車速；

u1——加速結束時的車速；

Ft——行駛阻力；

Ff——流動阻力；

Fw——空氣阻力。

3.3公交車最大爬坡度方程

公交車最大爬坡度通常表示公交車在1檔時，滿載情況下的爬坡性能，其計算方程[8]為

公交車總長10450mm、寬2600mm、高3200mm，整車質量12000 kg、最大運載質量17000 kg，軸距5000mm，最小離地距離190mm，空氣阻力系數為0.6，迎風面積8.078m2。

3.4仿真模型與測試結果

利用AVL-Cruise軟件建立整車模型。與未采用智能啟停系統的傳統公交車模型相比，只增加了一個智能啟停模塊，圖3為公交車整車仿真模型[9-10]。該模型根據公交車實際情況，采用發動機后置模式，發動機通過機械鍵連接離合器，離合器與變速箱相連，再連接差速器，帶動后輪，采用后輪驅動。智能啟停模塊通過數據總線與離合器、制動器、蓄電池、駕駛室、發動機分別相連，設定的啟停方法邏輯和相應的停機時間通過Cruise內嵌的Start-Stop模塊實現，停機時間的選擇與ECU控制參數設定一致。另外添加了監視器模塊，用于監測智能啟停系統與發動機的工作狀態。

圖3　公交車整車仿真模型

根據計算需要，利用Cruise軟件對采用智能啟停系統前后，在ECE、EUDC、NEDC 3種循環工況下的公交車油耗、NEDC循環工況下的尾氣排放以及公交車的動力性進行了仿真計算。

3.4.1燃油經濟性

圖4和圖5為采用智能啟停系統前后ECE循環工況下的發動機轉速和油耗變化情況，通過對比可見：當道路情況比較復雜，需要頻繁停車時，智能啟停系統能夠在很短的時間內停下發動機，避免不必要的燃油消耗。因此，越是需要頻繁停車等待的復雜路況中，智能啟停系統發揮的作用越大。

圖6和圖7為采用智能啟停系統前后EUDC循環工況下的發動機轉速和油耗變化情況，通過對比可見：采用智能啟停系統后，車速降為0 km/h時，智能啟停系統迅速停下發動機；滿足智能啟動條件時，發動機快速啟動，循環過程中基本消除了怠速時不必要的油耗損失。

圖4　采用啟停系統前ECE循環工況

圖5　采用啟停系統后ECE循環工況

圖6　采用啟停系統前EUDC循環工況

圖8和圖9所示為采用智能啟停系統前后NEDC循環工況下的發動機轉速和油耗變化情況，通過對比可見：需要長時間停車時，智能啟停系統能夠迅速使發動機停止工作，消除發動機怠速過程中的燃油損失。因此，越是需要長時間停車的情況下，智能啟停系統的作用越為明顯。

圖7　采用啟停系統后EUDC循環工況

圖8　采用啟停系統前NEDC循環工況

圖9　采用啟停系統后NEDC循環工況

表2為公交車采用智能啟停系統前后的油耗變化。如表所示，采用智能啟停系統后，公交車在EUDC和NEDC循環工況下，油耗減少比例分別為3.9%和6.9%，在ECE循環工況下減少的油耗比例高達12.1%。由此可見，該智能啟停在交通情況復雜的道路中，對減少油耗有著較為明顯的效果。

表2　采用智能啟停系統前后的油耗變化

3.4.2尾氣排放性

為了進一步說明智能啟停系統的有效性，在NEDC循環工況下，對比分析采用智能啟停系統前后尾氣排放量的變化。

表3為NEDC循環工況下采用智能啟停系統前后尾氣排放量的變化，可以看出，采用智能啟停系統后，公交車尾氣中CO、NOx、HC排放量分別減少了13.8%，4.9%，11.3%。由此可見，該系統對于環境保護也起到了積極的作用。

表3　NEDC工況下采用啟停系統前后的尾氣排放量變化

3.4.3車輛動力性

圖10和圖11為傳統公交車和裝載智能啟停系統的公交車超車時的加速度和速度對比，通過對比可見，裝載智能啟停系統的公交車超車時的加速度能夠在短時間內達到最大值，安裝智能啟停系統后，公交車在超車時的速度明顯高于傳統公交車，能夠實現快速超車。由此可見，裝載智能啟停系統的公交車在超車性能上要優于傳統公交車。

圖10　超車加速度對比圖

圖11　超車速度對比圖

圖12為傳統公交車和裝載智能啟停系統的公交車在滿載情況下的爬坡曲線對比，通過對比可見，傳統公交車滿載時1檔的最大爬坡度為32%，安裝智能啟停系統后，公交車滿載時1檔的最大爬坡度為34%。由此可見，智能啟停系統對于公交車的爬坡性能具有一定的改善效果。

圖12　各檔位爬坡曲線對比圖

表4所示為傳統公交車與裝載智能啟停系統的公交車的動力性能參數對比，可以看出，裝載智能啟停系統的公交車和傳統公交車相比，在最高車速、加速時間和最大爬坡度等方面都有顯著改善。

表4　傳統公交車與智能啟停公交車動力性對比

4　實車試驗

為驗證智能啟停系統的有效性，在實際路況下對安裝智能啟停系統的公交車進行了實車試驗，試驗結果如表5所示。

表5　公交車實車測試時間

由表可知：在擁堵的城市道路中，智能啟停系統工作時的停機總時間平均占公交車行駛總時間的28%以上，因此，減少了公交車運行過程中的燃油消耗。據試驗統計數據顯示，使用智能啟停系統前，該公交車平均耗油量約為34.85 L/100km，安裝智能啟停系統后，油耗約為30.91 L/100 km，節省燃油量約為11.2%?；痉显囼烆A想。

為了驗證智能啟停系統在公交車動力性方面的改善效果，對安裝智能啟停系統的公交車進行了實車動力性測試，結果如表6所示。

表6　智能啟停系統實車測試結果

由表可見，在實車試驗中，裝載智能啟停系統的公交車最高車速、加速時間和最大爬坡度都能達到仿真測試中的動力性要求，試驗結果基本符合預想。

5　結束語

在公交智能啟停系統控制研究中，首先利用AVLCRUISE軟件建立了公交車整車模型，在ECE、EUDC和NEDC循環工況下，計算了啟用智能啟停系統前后公交車的燃油消耗量，比較了在NEDC循環工況下的尾氣排放量變化，計算了公交車動力性。結果顯示：啟用智能啟停系統后的公交車在燃油經濟性、排放性和動力性方面有顯著改善。最后通過實車試驗驗證了加裝智能啟停系統后，公交車的燃油消耗明顯降低，動力性有顯著改善。由此可見，從上述角度考慮的智能啟停系統能夠成功地應用到實際中，對于公交車智能啟停系統的研究開發具有一定的參考價值。

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（編輯：李妮）

The control research on intelligent bus start-stop system

ZHANG Liang，BEI Shaoyi，WANG Wei，ZHANG Lanchun，WANG Yongzhi
（School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001，China）

Abstract:An intelligent start-stop system was adopted to improve the fuel economy and dynamic performance of buses. The structure and control method of the system was analyzed. Models were established by AVL-Cruise software for buses installed with the system and without it. The fuel consumption of these buses was calculated in the ECE，EUDC，and NEDC circulation conditions. The exhaust emission and the dynamic performance were calculated in the NEDC circulation condition. The results show the bus installed with the intelligent start -stop system has been improved in fuel economy，emission performance and dynamic properties. Ultimately，the intelligent start-stop system has been verified by real vehicle tests.

Keywords:bus；intelligent start-stop system；AVL-cruise software；simulation；real vehicle test

通訊作者：貝紹軼（1968-），男，山東泰安市人，教授，博士，主要從事汽車智能啟停系統與電動汽車研究。

作者簡介：張良（1988-），男，江蘇蘇州市人，碩士研究生，專業方向為汽車智能啟停系統。

基金項目：國家自然科學基金項目（51305175）江蘇省自然科學基金項目（BK2012586）江蘇省“六大人才高峰”資助項目（ZBZZ-023）

收稿日期：2015-02-29；收到修改稿日期：2015-04-17

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.02.024

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2016）02-0105-06