汽車怠速起停系統控制策略設計研究

王鑫

(煙臺汽車工程職業學院 汽車工程系, 山東 煙臺 265599)

0 引言

隨著我國科技以及經濟的迅速發展，汽車逐漸代替步行、馬車等傳統交通方式，汽車行業的迅速崛起促使我國在國際中的地位顯著提高，但是，隨著汽車數量的不斷增長，間接導致環境問題日益嚴峻，不但如此，汽車在怠速狀態下產生的毒素將直接危害人體健康，因此，迅速采取節能減排的方式有利于我國長遠發展。在城市道路中，汽車怠速工況的情況可高達20%以上，而汽車怠速的過程中，汽車尾氣的排放量不斷上升，缸內的燃料并沒有應用于汽車行駛，燃油的過度消耗對于空氣污染以及資源利用會造成較大影響，而汽車怠速起停系統的全面發展對于環境問題至關重要，可以有效解決環境污染等問題，真正意義上實現節能減排的目的，本文將通過汽車怠速起停系統控制方案及工作原理進行合理展開，通過不斷優化，設計了揚長避短的汽車怠速起停系統控制策略研究，具有重要意義。

1 汽車怠速起停系統控制方案及工作原理

1.1 怠速起停系統控制方案

汽車怠速起停系統控制策略的實現實際上取決于汽車發動機的控制系統，在汽車控制系統中最核心的部分是EMS，EMS全稱為Engine Management System，通過EMS發動機管理系統有利于對汽車發動機的燃燒情況進行良好管理，具有多種優勢。EMS發動機管理系統在汽車怠速起停系統中主要負責接收傳感器所傳輸的信號，汽車怠速起停系統根據多種傳感器信號可以更好的對發動機所處狀態進行分析，除此之外，還將采用智能傳感器單元(Start & Stop Unit, SSU)，智能傳感器單元(SSU)的應用有利于汽車怠速起停系統的安全性能，并對汽車的起動機進行全面掌控，將智能傳感器單元(SSU)與EMS發動機管理系統相結合，可以觸發汽車怠速起停系統的起動機進行工作。在汽車怠速起停系統中，為保證該系統可以更加準確地檢測駕駛員的行車意圖，應加入雙路輸出非接觸式霍爾傳感器，產生的數據信息最終將傳輸至智能傳感器單元(SSU)與EMS發動機管理系統中，為保證信息傳輸的效率，將通過CAN總線傳輸至EMS，并采用車身控制器BCM，使其將PCAN和BCAN建立聯系。EMS通過PCAN和BCAN獲取的整車起停狀態最終將通過BCM傳輸至儀表盤，駕駛員可以通過儀表盤的信號指示燈獲取起停狀態，該過程對于發動機的選用要求十分嚴格，要求發動機的起動耐久次數應高達20萬次，對于電池的選取將采用AGM，該電池的使用壽命是普通電池的3倍，電池的狀態變化將通過LIN傳輸至EMS[1]。

1.2 怠速起停系統工作原理

汽車怠速起停系統的工作原理是利用汽車怠速起停系統中的電機起停功能取代傳統汽車工作的起動電機，真正意義上實現汽車的自動起停功能。汽車怠速起停系統的實現過程主要通過智能傳感器單元(SSU)與EMS發動機管理系統對駕駛員的意識進行感知，根據駕駛員的意圖，汽車怠速起停系統將迅速響應，并通過汽車的發動機控制汽車前進。手動擋起停操作流程為汽車行駛至紅綠燈前，駕駛員應踩下離合器以及剎車，待汽車停穩后掛空擋，并松開離合器，此時的汽車怠速起停系統中的起停功能將自動熄滅發動機，待起停指示燈點亮后即可重啟發動機，而交通燈轉為綠燈時，駕駛員應踩下離合器踏板，待起停功能重啟發動機后，掛擋并松離合器，即可繼續前進，完成起動功能。手動擋起停操作示意圖[2]，如圖1所示。

2 汽車怠速起停系統技術分析

2.1 BSG/ISG起停系統

汽車怠速起停系統中的BSG(Belt-driven Starter Generator)起停技術實際上是利用自身的電機實現汽車起停功能，該過程中的BSG電機實際上指的是啟發一體機，通過將BSG電機與汽車怠速起停系統中的發動機建立連接，帶動發動機起動，完成電機與發動機一體化發展。汽車停止運行時，汽車怠速起停系統將通過駕駛員的意識進行相關操作，通過汽油噴射裝置對系統發出指令，系統將根據指令自動結束怠速狀態；汽車重新起動時，電源供給系統將持續供電，帶動汽車發動機開啟運行模式，該過程將保留汽車的原始起動電機，其目的是為了保證原始電機可以在持續低溫狀態下仍保證發動機處于啟動狀態。BSG起停系統的發展有利于實現節能減排的目的，該系統所包含的回收系統，將成為節能減排的有效依據。ISG(Integrated Starter Generator)起停技術在汽車怠速起停系統的功能實現方面與BSG起停技術基本一致，二者可交替使用[3]。

2.2 ESM起停系統

ESM起停系統中的ESM技術實際上指的是增強型起動機技術，該系統的實現主要依靠于將汽車原始的起動機通過ESM技術替換成增強型起動機，經研究表明，增強型起動機相對于原始起動機的使用壽命更長，汽車使用增強型起動機可以啟動更多的次數，除此之外，增強型起動機還具有安裝成本低的優勢，通過使用增強型起動機可以更好的節約成本，不但如此，節約成本的同時，可以有效地提高發電機的效率，間接提高節油效率[4]。

2.3 GDI起停系統

GDI(Graphics Device Interface)起停系統的核心操作為缸內直噴技術，該技術的實現原理為“噴油——點火——燃燒和起動”，其實現的流程首先是起動發動機，發動機成功啟動后，通過噴油裝置向氣缸內噴射少量燃油，該過程應保證氣缸處于壓縮行程狀態，此時點火系統將燃油燃燒，通過燃油瞬間爆發的推力實現曲軸反轉，而推動曲軸反轉運動的是活塞，曲軸反轉后汽車的氣缸將再次實現壓縮行程狀態，此時點火系統點火后將促使曲軸正轉，從而實現發動機處于起動狀態。GDI起停系統與BSG/ISG起停系統和ESM起停系統相比，BSG/ISG起停系統中的BSG/ISG技術可以在實現汽車怠速起停系統起停功能的同時提高能源回收率，并增強節能減排的效果，但是成本較高，安裝汽車怠速起停系統的時候對于汽車本身的改動較大；ESM起停系統中的ESM技術所選用的增強型起動機可以促進汽車的盡快適應頻繁啟動的現象，具有成本低、汽車改動性小等優勢，但是節能減排的效果較差；而GDI起停系統中的GDI技術可以將原始的起動機進行替換，具有節能減排、汽車啟動速度迅速且噪聲較小等優勢[5]。

2.4 其他起停系統

汽車怠速起停系統中除了包含BSG/ISG起停系統、ESM起停系統和GDI起停系統，還包含了其他類型的技術，主要包含了手動擋和自動擋起停系統以及低速和靜止熄火起停系統等。手動擋和自動擋起停系統中最主要的區別是傳動部件，其中手動擋起停系統的實現主要依靠離合器的傳動，自動擋起停系統的實現主要依靠液體傳動系統。汽車安裝怠速起停系統可以實現低速熄火，而傳統的怠速起停系統在汽車低速熄火的過程中將導致汽車無法在駕駛員重新起動完全停止的汽車時，第一時間執行指令，該過程主要通過汽車中的電機與發動機的連接方式而決定，相對于如今的汽車怠速起停系統，如今的汽車怠速起停系統可以真正實現低速熄火以及低速啟動[6]。

3 汽車怠速起停系統中存在的關鍵技術問題

3.1 啟動速度慢

傳統的汽車發動機具有多種問題，由于汽車啟動的過程中會發生汽油機滯后問題，該過程主要通過燃油噴射，將汽油與空氣混合后排放至氣缸內，此時在齒輪轉動的情況下給汽車安裝怠速起停系統，將導致汽車啟動緩慢以及時間延長等問題。本文經過優化后的汽車怠速起停系統的實現方式主要通過直噴發動機將汽油形成霧化狀態后噴入活塞缸中，該過程可以通過減少進氣管內混合的方法節約發動機起動時間，但是可以達到同樣的目的，因此，應加強齒輪之間的連接方式，以此達到縮短起動時間的目的[7]。

3.2 發動機磨損以及起動機損傷

汽車長時間頻繁的進行起動和停止操作，將導致汽車的發動機磨損嚴重，長此以往，極容易導致安全問題發生，除此之外，汽車起動電機磨損的過程中也會造成起動電機因過熱而發生損壞。汽車的發動機磨損最嚴重的情況是在發動機冷啟動的時候，發動機啟動的過程中若生成潤滑油膜，對于汽車發動機來講，可以起到良好的保護效果，而發動機進行冷啟動的過程中由于未生成潤滑油膜而導致發動機磨損嚴重，因此，駕駛員在起動汽車時應暖機后起動汽車怠速起停系統，除此之外，應添加高級的機油。針對于發動機磨損以及起動機損傷的多種問題應采取汽車怠速起停系統控制策略，以便于解決磨損問題，通常來講新型電機的使用效果要比汽車的原有電機更具優勢，因此汽車怠速起停系統控制策略將通過起停條件，對汽車進行控制，增加汽車電機的使用時效[8]。

3.3 舒適性差

駕駛員在起動汽車怠速起停控制系統的時候會過于頻繁的啟動汽車發動機，從而導致汽車產生劇烈振動，該過程將造成汽車內的人員產生不適的感覺，針對該缺點的解決辦法應通過汽車怠速起停系統控制策略進行調和，汽車怠速起停系統控制策略可以將齒輪嚙和系統進行永久開發，并通過雙螺旋管式皮帶傳動的方式而達到減小汽車運作過程中的振動，以保證車內人員的舒適感，通過控制策略優化后的汽車怠速起停系統可以強化汽車的各部分功能，通過安裝高質量的減震器也可以達到提高舒適性的目的[9]。

3.4 電池的損耗

汽車頻繁的啟動會造成電池的損耗，從而導致電池的使用周期變短，而汽車怠速起停系統的安裝勢必會造成蓄電池的持續放電，將加劇汽車電池的使用壽命的縮短。汽車怠速起停系統控制策略的全方位實現可以將超級電容作為汽車電機的直接驅動來源，此時的蓄電池將作為輔助能源，相對于蓄電池的多優劣勢來講，超級電容更具優勢，超級電容可以實現最快速度持續放電，并且不會造成二次污染以及儲存能量大等優勢，真正意義上實現為汽車起動機不間斷地持續供電[10]。

4 汽車怠速起停系統控制策略

在汽車怠速起停系統控制策略中，EMS將作為核心控制系統，此時的SSU將作為輔助控制系統，協調EMS核心控制系統在汽車怠速起停系統控制策略中共同發展，汽車怠速起停系統中還包含BCM，而BCM主要負責傳遞信息以及網關作用，汽車怠速起停系統中的HVAC可以根據車內溫度信息向中心控制系統EMS發送信號，由中心控制系統進行判斷并傳遞指令信息。汽車怠速起停系統通常分為手動擋以及自動擋，下面將針對手動擋起停系統進行控制策略。

4.1 EMS系統起停控制策略

EMS起停功能策略，如圖2所示。

圖2 EMS起停功能策略

從圖中可以看出EMS系統起停控制策略主要將系統分為五個方面，該策略的主要功能是以汽車起動狀態作為判斷汽車起動過程所需要的條件的主要依據，除此之外，該策略還具有判斷傳感器傳動過程中的連接狀態的功能。在開展EMS系統起停控制策略時，起停條件的判斷是整個EMS系統起停控制策略的核心要素，作為EMS系統起停控制策略的樞紐，可以通過汽車的協調狀態判斷是否滿足自身條件，從而進行操作，該策略中需要空擋傳感器和離合傳感器之間的相互配合，空擋傳感器的實現主要通過占空比判斷擋位的變化，而離合傳感器可通過自身的開關量輸出滿足起停條件，空擋傳感器和離合傳感器二者之間的相互配合將傳動鏈的狀態分為6種，各狀態之間的相互作用。通過狀態分析可知，EMS系統起停控制策略將起停狀態分為7種，通過各狀態之間的轉動實現復位狀態，除此之外，EMS系統起停控制策略還將怠速起停系統中設置人機界面，滿足用戶對汽車的全面控制。

4.2 SSU控制策略

起動機是保護汽車安全行駛的重要保障，但是不當的操作將造成致命危險，比如傳感器進行傳動的過程中發動起動機，將造成事故的發生，因此汽車怠速起停系統控制策略將選擇EMS和SSU串聯控制起動機方案對起動機進行控制，通過該方法可以有效地避免起動機出現紊亂。EMS和SSU串聯控制起動機方案，如圖3所示。

圖3 EMS和SSU串聯控制起動機方案

從圖中可以看出EMS通過汽車怠速起停系統控制策略的運算后，認為汽車的運作過程是通過起動機的牽引，引起發動機的協調狀態，從而達到汽車正常行駛的目的，此時起動機繼電器應進行吸合效應。而SSU可以控制傳感器之間的傳動鏈，根據傳動鏈之間的狀態判斷信號之間的起動條件。

5 汽車怠速起停控制系統NEDC循環仿真分析

為保證汽車怠速起停系統控制策略的實現，將通過NEDC循環排放和油耗測試對系統進行仿真分析。NEDC循環排放和油耗測試結果，如表1所示。

表1 NEDC循環排放和油耗測試結果

從表中可以看出汽車尾氣的排放物主要包括HC、CO、NOx等，通過測試分析可以得出該系統下的汽車排放的污染物不受起停功能的影響，為進一步驗證該系統的準確控制性，將進行實車道路測試以及耐久試驗，實驗證明該系統具有良好的性能。

6 總結

汽車怠速起停系統控制策略的研究，顛覆以往的傳統起停系統，全方面優化汽車怠速起停系統，主要從兩方面進行開發，分別是EMS系統起停控制策略以及SSU控制策略，除此之外，還針對汽車怠速起停控制系統進行NEDC循環仿真分析，該過程主要通過實車道路測試以及耐久試驗進行實現，實驗表明怠速起停系統對汽車的各部分功能沒有影響，并且可以達到節能的目的，真正意義上實現節能減排，具有一定的研究價值，可以大量生產。