結合道路信息預測的啟停系統控制策略研究

王維強，周一鶴，于金泉，蔡凡昌，嚴運兵

（武漢科技大學 汽車與交通工程學院，武漢 430065）

0 引 言

混合動力汽車作為一種由燃油汽車向純電動汽車過渡的成熟的新能源汽車解決方案，與傳統燃油汽車相比，發動機啟停次數顯著增加。發動機的頻繁啟停不但會帶來發動機的油耗增加，啟動不平穩，還會降低車內乘客乘坐的舒適性，因此研究汽車啟停系統的優化措施對于混合動力汽車的應用具有重要意義。

1 啟停系統結構

目前國內外發動機怠速啟停系統根據組成不同分為3種方案：博世采用的獨立增強型起動機與發電機方案、以法雷奧為主的采用輔助啟動電機的集成起動電機／發電機方案、以馬自達為主的基于缸內直噴發動機的直接啟停方案。3種方案中，集成式起動機及發電機方案在歐洲部分車型中得到運用，但目前使用最多的還是獨立增強型起動機與發電機方案，即博世采用方案如圖1所示。

圖1 獨立增強型起動機與發電機方案Fig.1 Independent enhanced starter and generator scheme

該方案使用增強型起動機（Enhanced Start Motor ESM）代替傳統起動機，以齒輪嚙合的方式與發動機相連，使用循環壽命更長。在蓄電池方面，由于傳統鉛酸蓄電池使用壽命短，用在啟停系統中大概使用3個月就需要更換，所以選擇使用具有玻璃纖維隔板AMG蓄電池。發動機控制模塊ECM作為啟停系統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入啟停功能。當剎車松開，啟動命令發出后，AGM電池提供電能，一體機作為電動機使用，拖動發動機快速運轉至怠速以上。在車輛正常行駛時，一體機作為發電機使用，為AMG蓄電池充電。整體系統擁有響應迅速，使用壽命長，減少油耗，結構簡單等優點。

2 啟停系統對經濟性影響

發動機在起動后，燃燒做功的能量使得發動機轉速得以迅速上升，當發動機轉速超600 r／min時，ECM控制起動機脫離，然后停機，這時候由于慣性，起動機會慢慢停止運轉，而發動機繼續依靠燃油和進氣量燃燒產生動能，使得發動機轉速上升到峰值后才轉到怠速轉速。因此，在啟動瞬間噴油量和進氣量的控制十分關鍵。

文獻［5］對電控汽油發動機進氣量和噴油量的關系進行研究，提出了噴油量與進氣量的關系式（1）：

其中，F是噴油量；A為進氣量；為空燃比。且進氣量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測起動時汽油噴油量。由于實際行駛過程中存在駕駛習慣、汽油濃度等系列因素，僅通過進氣量很難準確對噴油量做出預估。所以從啟停停機時間與起動機起動油耗的關系出發再做研究。發動機怠速與起動油耗的關系如式（3）：

其中，為發動機停機節省的油耗；為發動機起動時消耗的油耗；為發動機怠速時燃油消耗；T為怠速停機時間。

于是可以得出只有0進入啟停才有意義，否則會更耗油。

所以并非啟停越頻繁，節油效果越好。相反，當啟停停機時間過短，發動機再啟動所需油耗會更大，并且燃燒不充分所產生的尾氣，將給節能減排帶來反效果。因此，如何控制進入啟停模式的時機，對啟?？刂撇呗詠碚f是十分重要的。

3 結合道路信息預測的啟?？刂撇呗?/h2>

在實際應用中，傳統控制策略難以對車輛運行條件做出有效判斷，不能準確識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別，捕捉紅綠燈倒計時顯示屏信息，來判斷是否進入啟停停機，以及是否提前啟動。受此啟發，且考慮到在車輛實際行駛路況中，除了紅綠燈會影響車輛啟停外，道路擁堵狀況也會在極大程度上影響發動機啟停次數，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，道路上車輛的數量、車輛的行駛速度等信息對是否進入啟停停機進行智能判斷，提出一種結合道路信息預測的擁堵路況啟停系統控制策略優化

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

3.1 信號燈引起的排隊擁堵

對于由交通信號燈引起的排隊擁堵來說，主要需要根據紅燈等待時長來判斷是否進入怠速停機，結合已有統計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，紅綠燈倒計時30 s，且當紅燈變綠燈時，第一輛車通過紅綠燈的平均時間至少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間為24.5 s。可以判斷，在此道路上倒計時30 s內，最多可以通過12輛汽車，紅燈前12輛車，主要需要根據紅燈等待時長來判斷是否進入怠速停機狀態，而第12輛車之后的車輛則主要根據前方12輛車的狀態來判斷。

針對交通信號燈引起的排隊擁堵，制定以下策略：根據道路信息判斷當前車輛是否為前12輛車輛之一，若是則：當紅燈倒計時T＜T時，車輛怠速運轉；當紅燈倒計時T＞T時，車輛停機。其中，T為怠速油耗與發動機起動一次油耗相等時，發動機怠速運轉的時長，計算公式（4）：

其中，為發動機怠速時燃油消耗。

若車輛是排隊車輛中第13輛及以后車輛，則根據道路信息進行判斷：當排隊車輛中有1／2以上車速為0 km／h，且100%車輛車速小于5 km／h時，車輛停機。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時交通信息判斷當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行判定。在由事故引起的長距離擁堵路段，傳統啟停策略為跟隨前車，即前車啟停發動機起動，前車停機發動機停機。在長距離擁堵路段，該策略具有顯著弊端，即燃油經濟性差，乘坐舒適性差，且容易損傷零部件，所以針對這一路況，做出改進來改善頻繁啟停工況：在前車后保險杠距離S大于臨界值S，后車輛再啟動，有效避免了在該距離中不必要的車輛啟停動作。S計算過程如公式（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。

另外在車輛啟動后，則啟用車速控制模塊，保證與前車后保險杠之間的距離始終為S，若在行駛過程中識別到前車有剎車動作直至停車，使與前車后保險杠距離S＜S，則將車速平穩降至怠速，直至與前車后保險杠距離S＝S時，發動機停機，啟停系統一個工作循環結束。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 仿真驗證及結果分析

針對無信號燈道路由交通擁堵引起的擁堵路況啟停策略，以啟停次數和燃油經濟性為考察指標與傳統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中整車被分為數個子系統，通過對各個子系統的參數與特性曲線進行設置完成建模。此次選用CarSim中C－Class預設模型，仿真車輛主要參數見表1。

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

4.2 搭建聯合仿真平臺

CarSim提供了與Simulink聯合仿真接口，并通過函數來實現兩者的連接和通信。在CarSim中建立好整車動力學模型，將發動機節氣門開度_、制動器的制動壓力_、左右輪的前輪轉角作為Simulink輸入的信號，將發動機轉速_、變速器傳動比、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聯合仿真模型Fig.4 Joint CarSim／Simulink simulation model

4.2.1 前車狀態模塊

這一模塊中對前車速度做出設置：在第［0 6 10 14 15 16 18 20 22 25］s，分別設置其速度為：［3 3 0 0 2 0 0 3 3 3］km／h，設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，得到目標車輛當前位置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，采用在前車后保險杠距離S大于臨界值S后車輛再啟動的啟?？刂撇呗?，有效避免了在該距離中不必要的車輛啟停動作，并添加計數器模塊，統計路程中啟停次數。

4.2.2 速度跟隨模塊與油耗計算模塊

在這一模塊中，對車輛進行驅動系統和制動系統的縱向動力學建模，隨后通過Simulink中PID模塊輸出期望車速，再通過控制節氣門開度使汽車按照設定的車速行駛，繼而達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（）之間的關系為式（6）：

改寫成傳遞函數形式（7）：

其中，K為比例系數；T為積分時間常數；T為微分時間常數。

對式（7）進行離散化處理，式（8）：

其中，為采樣信號；()為第個時刻的控制器輸出值；()為第個時刻的速度偏差值；()為第1個時刻的速度偏差值，最終經過仿真驗證，K取2，K取0.001，K取0。

再對行駛中的車輛進行縱向動力學分析，式（9）和式（10）：

其中，F為輪胎驅動力；F為制動力；取0.04；取0.06。

驅動時，制動力為0，則可得式（11）：

忽略傳動系統的彈性變性后，可得汽車驅動力F為公式（12）：

其中，T為輸入扭矩；（ω／ω）為轉矩特性函數；η為傳動系機械效率，則式（13）：

在忽略節氣門的滯后及扭轉剛度等因素對發動機性能影響后，可得到發動機輸出轉矩T與發動機轉速ω及節氣門開度間的函數關系，式（14）：

則節氣門開度，式（15）：

其中，（ω，T）為節氣門開度特性函數，則由發動機輸出扭矩可得到發動機節氣門開度MAP圖如圖5所示。

圖5 發動機節氣門開度MAP圖Fig.5 Engine throttle opening MAP diagram

同理，制動時節氣門開度為0，則有式（16）：

其中，F為發動機對汽車的反拖力；a為期望加速度；且另驅動力與制動力都為0時的期望加速度為a。

那么對于期望制動壓力，式（17）：

根據建立的驅動系統與制動系統逆縱向動力學模型在Simulink中完成車輛的驅動控制與制動控制，實現了對前車的車速跟隨。

而在油耗計算模塊中，輸入發動機轉速與節氣門開度，可以對照節氣門開度MAP圖獲取發動機輸出扭矩T，再對照發動機轉速特性曲線，可以得到對應的燃油消耗率及功率。那么燃油消耗量。可由公式（18）計算得出：

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，設置初始車速為18 km／h，仿真時間100 s。仿真結果如圖6、圖7所示。

圖6 使用改進后的發動機啟停策略后仿真結果Fig.6 Simulation result after using improved engine start－stop strategy

圖7 使用“即走即停”策略仿真結果圖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，車輛使用傳統跟隨前車即走即停的發動機啟停策略時，發動機啟停次數為16次，燃油消耗32 g，與前車距離均保持在6～10 m區間內，車速跟隨前車較為緊密；而使用基于道路信息預測的發動機啟?？刂撇呗詴r，發動機啟停次數為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內保持在5－10 m，在70－100 s內保持在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，采用結合道路信息預測的啟停系統控制策略后，整車的舒適性、燃油經濟性與安全性均得到提升，優化方案有效。

5 結束語

本文設計了一種結合道路信息預測的啟停系統控制策略，通過設置合理的等待距離來降低發動機啟停次數；搭建了CarSim與Simulink的聯合仿真軟件平臺，在一段1 200 m的水平擁堵路段中對優化前后的兩種控制策略進行對比試驗。通過仿真可以看出，所設計的發動機啟停控制策略可以明顯降低啟停次數與燃油消耗，改善乘坐舒適性、燃油經濟性與駕駛安全性，為汽車的發動機啟停系統控制策略提供了新的研究方法。