基于數學優化的汽車點火系統能量管理策略
2025-11-17 00:00:00李淑煥
汽車電器 2025年10期
中圖分類號：U463.64 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）10-0106-03
【Abstract】The automotive ignition system is the core component of spark-ignition engines，responsible for generating high-voltagesparksat precise intervals toignite thefuel-air mixture.Itsperformance directly impacts engine eficiency，poweroutput，andemissionslevels.Bothtraditionalignitionstategiesandemerging electroniccontrolsstems must effectively addressthe instantaneous power surges caused by the system's high-frequency on-off cycles while ensuringreliable ignition.Optimizing the eficiencyofenergyextraction，conversion，andtransmissonduring theignition process can help reduce system energy consumption and improve vehicle fuel economy.Therefore， this paper conducts an in-depth studyand discusionon the development ofan energy management strategy for ignition systems basedon mathematical optimization，aiming to more precisely control the charging and discharging process of ignition coils， effectively reduce energy loss，and enhance system efficiency.
【Key words】mathematical optimization； automotive ignition system;energy management
0 引言
發動機的正常運轉依賴于點火系統在精確時刻產生足夠強度的高壓電火花。該系統的核心功能在于將由蓄電池或發電機提供的低壓電，通過點火線圈的電磁感應作用，轉換并輸送高達15000～30000V的高壓電至火花塞完成放電，進而可靠點燃壓縮混合氣。從構造維度來看，點火系統由點火線圈、分電器、火花塞及高壓線等關鍵部件組成，需滿足嚴格的擊穿電壓、火花能量（ 80～100mJ ）等參數要求。
1汽車點火系統基礎與能量管理需求
1.1 點火系統工作原理
汽車點火系統確保汽油發動機可靠運轉的關鍵，在于其精確的時間控制能力與高效的能量轉換能力。在發動機啟動后，系統將嚴格按照預設的各缸點火順序運行，如圖1所示。點火系統的關鍵工作流程始于車輛電源（通常為蓄電池）：電路接通后，低壓直流電持續流經點火線圈的初、次級繞組，在鐵芯內部逐步構建強磁場，此過程實質是完成電磁能量的儲存。
圖1汽車點火裝置圖
當發動機控制模塊ECU或機械分電器，根據發動機實時工況判定某一汽缸需點火時，點火線圈的低壓初級電路會被瞬時切斷。電路的驟然斷開使鐵芯中累積的磁場瞬間消失，高速變化的磁力線切割次級繞組，從而感應產生高壓電。在傳統機械點火系統中，分電器的旋轉分火頭與對應端子會配合曲軸運動，在精確時機將高壓電依次輸送至待點火氣缸的火花塞頭部，最終實現火花放電。
1.2能量管理的基本要求
點火系統能量管理的核心目標是確保每次點火都能準時、有效地產生強度足夠的高壓電火花，并對系統內有限的電氣資源進行合理調配與高效利用，這是平衡系統可靠性與整車能效的關鍵[2]
作為能量轉換的核心部件，點火線圈需持續、安全地從電源中獲取足量電能，并在毫秒級的極短時間窗口內，將電能高效積聚并轉換為構建高壓電場所需的磁能。該轉換過程需具備穩定可靠性：即便在發動機高轉速運行或電源電壓波動工況下，仍需為每個汽缸的每次點火儲備等量的基礎儲能，以滿足點火能量下限要求。
同時，生成的高壓電需具備明確的傳輸路徑，能在指定時刻輸送至目標燃燒缸適配的點火塞；爆震傳感器、節氣門位置傳感器等采集的信號，會同步反饋至ECU，ECU結合發動機實時轉速與負荷狀態，對點火時刻進行動態修正與預判，確保火花擊穿間隙的瞬間，與燃燒波理論的理想火焰生長點精準契合。上述動態調控機制，可充分發揮點火能量的利用效能，有效規避因燃油不完全燃燒導致的能量浪費，同時避免異常燃燒對發動機機構造成的損傷。
2數學優化模型構建與求解方法
2.1數學模型的建立
建立點火線圈能量轉換的動態模型是優化點火系統能量管理的基礎，其關鍵在于精準描述初級充能階段線圈的儲能過程，以及該過程與高壓生成、火花放電之間的內在聯系。在構建模型時，通常選取初級繞組電流 ip（t） 和其激發的磁鏈 ψ（t） 作為主要狀態變量。
模型建立的核心物理原理是楞次定律和基爾霍夫電壓定律。根據基爾霍夫電壓定律，初級回路滿足電壓平衡方程：
式中： 
——電源電壓，向初級電路提供能量的來源； Rp ——初級繞組等效電阻，包含線圈直流電阻及開關導通壓降的等效損耗； ip（t） 初級電流，隨時間變化的待求量； Lp. —初級繞組電感，決定線圈儲能能力的關鍵參數。
電流增長速率和最終可達穩態值，由 Rp ！ Lp 以及允許的導通時間 t 共同決定。對初級電流進行積分，得到的結果就是系統通過電源輸入的能量。在能量轉換過程中，絕大部分輸入能量會經轉換后儲存于磁場中，進而形成磁能 
。此模型刻畫了電能輸入、磁場儲能積累的動力學本質，為后續優化電能使用效率提供了堅實的數學演繹基礎。
2.2 優化目標與約束條件
點火能量管理的核心優化目標是在確保絕對可靠點火的前提下，實現系統功耗的最小化。這一目標通常可表述為帶約束的最小化問題：
minJ=Eavg
約束條件為：
式中： J? —優化目標函數； Eavg —平均點火功耗，主要包含線圈充能損失和開關損耗等； Espk 一單次火花塞釋放能量，必須大于可靠點燃混合氣的最小閾值能量 Emin Vpeak —次級線圈感應峰值電壓，必須大于確保火花塞擊穿所需的最小擊穿電壓 Vbd Tcoil ——線圈工作時的最高溫升，不得超過材料安全限值 Tmax ; ip-max. 初級電流峰值，其取值受到開關器件電流容量的限制。
優化的過程，就是在上述約束條件下，尋找合適的點火參數組合，使線圈能夠建立恰好滿足 Espk≥ Emin 所需初始磁能的狀態，同時盡可能降低驅動此儲能過程的平均功耗 J ，并確保各項參數滿足安全性界限要求。這些核心約束條件，明確限定了策略搜索的可行區域邊界[3]。
2.3求解方法的選擇與分析
針對點火系統能量管理中帶約束的非線性優化問題，考慮到實際應用中需滿足在線快速求解的需求，模型預測控制（ModelPredictiveControl，MPC）框架結合二次規劃（QuadraticProgramming，QP）是適配性較高的求解方案。該方法的核心邏輯是：在每個控制周期 k 內，通過滾動優化求解有限時域內的優化問題，動態生成控制策略，以適應系統實時工況變化。具體表達式為：
Δumin?Δu（k+j）?Δumax
式中： Δu（k） ——待優化的控制增量序列，如點火線圈導通時間調整量、初級電流目標調整量； 
一預測時域長度； J（k） ——當前時刻 k 的價值函數；Emag（k+j∣k） 時刻 k 對 （k+j） 時刻磁能目標值期望值基于點火需求 Emin 計算； Emag（k+j∣k） 時刻 k 基于模型與初始狀態，對 （k+j ）時刻磁能的預測值; Q 、R 一一加權矩陣，能權衡磁能跟蹤誤差與控制增量幅值； Δumin/max ， umin/max 控制增量的硬約束。
這種結構能有效處理能量轉換動態和非線性約束，在保證系統運行安全性前提下進行高效的點火能量在線調節，計算負擔主要在于求解QP優化問題，需保證電控單元能滿足數值算法的實時性需求。
3點火系統能量管理策略的優化設計
3.1 優化策略的設計原則
建立高效點火系統能量管理策略，需以三項相互關聯且具有強制約束性的基礎原則為核心支撐，三者共同構成策略設計的三角穩定結構，缺一不可。
1）可靠點火是點火系統的核心功能底線，也是能量管理策略的首要前提。所有以降低能耗為目標的優化動作，均需嚴格框定在不損害任何工況下成功點燃混合氣的安全與功能紅線內[4。
2）能效最優化是能量管理的核心目標。策略需具備實時動態辨識發動機運行狀態的能力，精確定義當前工況下維持可靠點火所需的最小能量基準值，并驅動系統精確投送無限貼近但不低于此值的能量，最大限度減少能量溢出消耗。
3）系統魯棒性與長期穩定性是策略落地的關鍵保障，需覆蓋工況適應與硬件保護雙維度。工況適應性方面，策略需能應對寬廣多變的發動機轉速、負荷、溫度乃至部分元器件老化帶來的參數偏差，確保核心效能目標與點火可靠性不受外部擾動影響；在硬件保護方面，策略需恪守電路電流峰值、功率元器件溫升等核心硬性安全邊界，確保系統在持續運行下的長期耐受性與耐久根基牢固，主動防御失效風險侵蝕系統可靠性。
3.2 策略實施的關鍵技術
策略實現在于構建高效的最小能量需求估算通道并轉化為精確的控制動作。其數學表達的關鍵在于建立 Ereq 與實際可測量發動機運行狀態參數 s 的映射關系（如轉速 N ，進氣歧管絕對壓力 Pman ，冷卻液溫度 Tcool ）：
Ereq（k）=f（s（k））+Δ（k）
式中： Ereq（k） —第 k 個工作循環所需的最小點火能量估計值，目標是為恰好可靠點火設定能量基準； s（k） 一第 k 個循環可測發動機狀態向量，核心變量通常包含 N? Pman 、 Tcool ，表征燃燒環境；f（?） 一一映射函數，是基于物理/經驗的參數化模型、通過基礎標定獲取的查找表，或是在線學習機制的輸出函數形式； Δ（k） ——估計誤差/自適應修正量，高級策略能納入自適應濾波器或觀測器對基本模型的偏差進行實時補償估計，提升精度達成任務使命[5]
3.3 策略的評估與驗證方法
優化策略的實際效能需通過定量指標在多維場景下嚴格驗證，確認其在保障可靠點火前提下的節能效益與系統適應性。能耗效能驗證是在穩態與瞬態工況下，精確測量并比較采用優化策略前后的系統平均輸入功率 
式中： 
基準策略，如固定最大能量充電的平均輸入功率； 
應用所提優化策略后的平均輸入功率，衡量優化后實際能耗；
———輸入功率降低百分比，正值越大，節能量越大。需在整個發動機運行圖譜上呈現顯著正值。
燃燒穩定性與可靠性驗證是監測關鍵燃燒參數評估對核心功能的保障。燃燒穩定性是計算選定工況下指示平均有效壓力的循環變動系數（ COVIMEP ），優化后的 COVIMEP?3%～5% ，表明燃燒未因能量精調而劣化。
4結論
文章明確了點火系統能量管理在于可靠點火的絕對保障與能量使用效率的深度優化之間的動態平衡。而實現此平衡的關鍵在于建立工況自適應的最小能量需求辨識機制，并通過精準控制使能量輸出無限趨近該臨界值。所提出的策略以保障可靠點火為根基，通過動態匹配最小需求能量實現高效輸出，同時強化了系統對工況波動與硬件老化的適應能力。該策略的應用不僅有助于降低汽車能耗、提升燃油經濟性，更為汽車點火系統的智能化與可持續發展提供了新的技術路徑。
參考文獻
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（編輯 楊景）
