汽车智能启停系统控制策略及节能减排分析

李 刚，吴青青，余宗胜，刘前结

（华东交通大学机电与车辆工程学院，江西 南昌 330013）

1 引言

汽车发动机处于怠速时，对外不做功，仅耗能维持其空转。据有关数据显示，在城市工况下，发动机怠速约占总工况的25%，怠速消耗的燃油约占总油耗的30%，且怠速时噪音大，燃油燃烧不充分，有害尾气增加[1]。传统汽车无再生制动效果，制动时的动能都以热能的形式散失。汽车在都市工况下，制动减速过程中消耗的能量占牵引所需能量的（30～60）%[2]。若把制动减速过程中的能量利用起来，不但能提高燃油经济性，还可能延长整车的行驶里程。但蓄电池充放电慢，仅靠蓄电池来吸收的制动能量很有限。超级电容可快速充放电，在制动时能迅速吸收大部分的能量，减少蓄电池受到大电流冲击，提高了能量的回收率[3-4]。将蓄电池和超级电容组成的复合电源应用于汽车上，能充分发挥超级电容比功率大及蓄电池比能量大的优点，提升汽车的动力性能。提出了一种基于逻辑门限值的启停控制策略：当交通拥堵、等红灯时，发动机将自动关闭；当道路畅通、绿灯放行时，发动机将快速起动；并在制动减速过程中，通过电机与复合电源对制动能量进行回收。

2 启停系统的分析

2.1 启停控制系统的工作原理

汽车启停系统主要由发动机控制单元（ECU）、起动电机、发电机、蓄电池、DC/DC稳压器、启停主开关、电池传感器、轮速传感器、制动真空度传感器、踏板传感器等组成。装载有启停系统的手动挡车辆，先检查启停开关是否开启，若开启，满足条件后，系统执行怠速停机命令。红灯或道路堵塞时，启停系统控制器接收各种传感器传递的信号（如踩刹车，挂空挡，松离合等），判断驾驶员是否有停车意图，在满足停机的条件下，ECU便发出指令使发动机熄火；绿灯或道路畅通允许车辆通行时，启停系统控制器根据接收的信号来判断驾驶员是否有起动的意图，在满足发动机起动的条件下，ECU发出指令使发动机迅速起动[5]。

2.2 蓄电池与超级电容的性能

汽车的车载电源一般采用稳定性好、比能量大的蓄电池，但其比功率低、充放电慢、使用寿命短，而超级电容具备比功率高、循环寿命长、瞬时放电电流大和充放电时间短等优点。将两者组成的复合电源有以下功能：在减速制动时超级电容快速回收制动能量，比单一蓄电池回收能量的效率高；另外，在加速或爬坡时，超级电容可优先提供较大的瞬时驱动功率，避免蓄电池受到大电流的冲击，延长蓄电池的寿命；当超级电容电量不足时，具有比能量高的蓄电池给超级电容充电，为下一次输出大功率做准备。

3 启停系统的设计

3.1 汽车怠速系统的结构

根据启停系统的原理及复合电源的特点，设计出的汽车启停系统及能量回馈整体结构图，如图1所示。为了在冷机状态时能顺利起动，保留了传统起动电机。ISG电机能实现起动与发电功能[6]：该电机能在0.3s内起动发动机，所以等红灯或临时停车时，可将发动机关闭，实现随时怠速启停；减速制动时，该电机切换为发电模式，进行制动能量回收；当加速或爬坡时，该电机切换为驱动模式，提供辅助转矩。复合电源采用超级电容与DC/DC变换器相连后再与蓄电池并联的模式，通过DC/DC变换器跟踪检测蓄电池端电压，来调控超级电容的电压协调工作，且蓄电池和超级电容的端电压可以不同，能量转换效率高灵活性好[7]。

图1 汽车启停系统及能量回馈整体结构图Fig.1 The Start-Stop System and the Whole Structure of Energy Feedback

3.2 汽车启停系统起动/停止控制策略

启停系统起动/停止控制策略是研究的关键内容，其核心在于如何快速准确地判断汽车的运行状态，并及时做出相应的输出，实现启停功能。

3.2.1 怠速起动/停机使能条件判断

怠速起动/停止使能条件包括：启停系统有无故障、车门是否关闭、电池电量是否满足要求、制动真空度是否满足要求、发动机水温是否正常、车速是否低于某一值。所有条件都满足时，怠速停机功能开启，若任一条件不满足时，怠速停机功能关闭。

3.2.2 触发汽车怠速自动起动及自动停机条件

在怠速停机功能开启的前提下，进一步识别驾驶员的操作意图，来控制是否起动发动机，触发条件包含：怠速停机功能是否开启、档位是否为空挡、离合器踏板是否踩下。条件都具备时，触发汽车怠速起动成功；若任一条件不满足时，则起动失败。

在怠速停机功能开启的前提下，自动停机触发分无操作触发和有操作触发两种。触发汽车怠速自动停机流程图，如图2所示。该触发条件包括：怠速停机功能是否开启、无踏板操作、无档位操作、倒计时、加速踏板是否完全松开、档位是否空挡、离合器踏板是否完全松开等。条件都具备时，触发汽车怠速停机成功；若任一条件不满足时，则停机失败。

图2 触发汽车怠速自动停机流程图Fig.2 The Procedure Flow-Process Diagram of Triggering Automatic Stopping on Vehicle Idle

3.3 制动能量回收装置控制策略

汽车在不同的工作模式下，对蓄电池和超级电容的要求不同，因此需合理分配二者的工作。采用精确性高的逻辑门限值控制策略，并根据驱动电机所需的功率、超级电容和蓄电池的电量制定如下规则：（1）当电机需求的功率为正：若大于某一特定功率时，优先由超级电容提供功率，超级电容SOC值不足0.2时，则由蓄电池提供；若不大于某一特定功率时，所需的功率全由蓄电池提供。（2）当电机需求的功率为负：若超级电容SOC值未达到上限时，由超级电容进行能量回收；若超级电容SOC值达到上限时，由蓄电池进行能量回收。不同的道路工况，电机需求的功率不同，选取6个CYC-ECE循环工况为研究对象。根据上述控制规则，画出逻辑门限值控制策略示意图，如图3所示。

图3 制动能量回馈控制策略示意图Fig.3 The Control Strategy of Braking Energy Feedback

图中：Pm-red—电机的需求功率；Pte—特定功率；Pbat、SOCbat—蓄电池功率及电量值；Pultra、SOCultra—超级电容的功率及电量值；F1（s）、F2（s）—放电、充电过程中协调蓄电池的滤波函数。

4 仿真分析

4.1 整车参数

选取捷达1999款传统汽车为研究对象，其整车参数参数，如表1所示。

表1 整车及发动机关键参数Tab.1 Key Parameters of Vehicle and Engine

4.2 建立汽车关键部件模型

选择ADVISOR仿真软件进行研究，该软件综合了前向、后向仿真的优点，仿真结果精度高，计算时间短[8]。在软件原有的汽车顶层模型基础上，建立及修改相关的部件模型：按照启停要求，修改发动机控制策略，实现发动机的开与关；建立DC/DC变换器模块，添加RC模型的超级电容、Rint模型的蓄电池，并将三者组成复合电源；功率总线模型负责协调电池、超级电容、ISG电机之间的功率输出与输入的关系，需在原有的功率总线基础上，根据上述功率分配建立新的功率总线模型。其汽车顶层模块，如图4所示。

图4 改进后的汽车模型Fig.4 The Vehicle Model of Improved

4.3 仿真结果分析

4.3.1 启停系统仿真研究

对于无启停功能的传统汽车，燃料转换器的转速除了在起点和终点外均大于零，表明燃料转换器一直在消耗燃油；改进后的汽车，燃料转换器的转速为0的次数为18，而6个CYC-ECE城郊工况内车速为0的阶段正好也是18次，说明该启停控制模块能准确实现发动机怠速启停功能。传统汽车与改进后汽车的百公里油耗分别为 7.7L、6.7L，下降了 12.98%；传统汽车的 HC、CO、NOx的排放量分别为 0.695、2.224、0.359，而改进后的 HC、CO、NOx的排放量分别为0.551、1.998、0.316，分别下降了20.72%、10.16%、11.98%，则改进后的汽车的燃油经济性及排放性得到了提升。

4.3.2 制动能量回馈仿真研究

在6个CYC-ECE循环工况下，改进后的汽车行驶过程中超级电容的SOC值变化，如图5所示。SOC值的最初为0.8，在整个循环工况过程中，SOC值随着时间的变化呈现出一条上下起伏的曲线。当曲线下降时，说明超级电容在放电；当曲线上升时，说明汽车在进行制动回收，且上升速度越快时，说明回收效果越明显；单一电池与复合电源中蓄电池的电流变化所图6示，前者的电流变化比后者的电流变化幅度大，且由于制动回收时电流很大，充电电流几乎全被超级电容回收，说明加入超级电容后，减少了大电流对蓄电池的冲击，使蓄电池充放电电流更加平稳，使用寿命可得到延长。汽车制动时，会损失部分能量。在6个CYC-ECE循环工况下，改进后的单一蓄电池汽车与复合电源汽车因制动损失的能量分别为531.86kJ、494.87kJ，后者较前者的能量损失降低了6.95%，则加入超级电容后提高了制动回收率。

图5 行驶过程中电源SOC值变化Fig.5 The SOC Value Changes of Power Supply in the Driving Process

图6 单一电源与复合电源蓄电池充放电电流变化Fig.6 The Charge and Discharge Current Changes of the Single Battery and Combination Power

4.3.3 整车动力性研究

对传统汽车、单一电源汽车和复合电源汽车进行了动力性测试，其结果，如表2所示。改进后单一电源、复合电源汽车的整车动力性都有所提高，且后者提高的更显著。

表2 整车动力性对比Tab.2 The Comparison of the Vehicle Dynamic

5 结论

（1）改进后的汽车在怠速阶段，发动机关闭，有效避免了怠速空转耗能，证明该启停控制模块建立正确。（2）改进后的汽车相对于传统汽车，百公里油耗降低了12.98%，尾气排放均有所下降，节能减排效果明显。（3）改进后的制动回收装置中采用的复合电源比单一电源回收效率高，超级电容的加入使能量损失相对于单一电源降低了6.95%。且整车动力性得到了显著提高，也减少了大电流对蓄电池的冲击。（4）在此基础上可进一步分析影响制动能量回收的制约因素，设定合理的摩擦制动与电机制动的分配比例，从而进一步提高制动能量的回收率。