发动机怠速自动起停系统控制策略的试验研究

徐小东

（安徽交通职业技术学院 汽车与机械工程系，安徽 合肥 230051）

发动机怠速自动起停系统控制策略的试验研究

徐小东

（安徽交通职业技术学院 汽车与机械工程系，安徽 合肥 230051）

文章在介绍发动机怠速自动起停系统的基础上，制定了怠速自动起停控制逻辑及其实现方法。为了实现ISG电机启动发动机时的最大转矩输出和避免发动机开始点火瞬间的转速波动，ISG电机采用转速、电流双闭环矢量控制，基于滑模变结构控制方法设计了转速调节器和电流调节器。试验结果表明，ISG电机不仅能在规定的时间内高转速启动发动机，而且能避免低温时发动机点火瞬间的转速陡降，ECE工况下的节油率达到了16.91%，NEDC工况下的节油率达到了8.92%。

ISG电机；怠速自动起停；燃油经济性；控制策略

0 引 言

为了克服传统汽车中，发动机启动过程的燃油经济性与排放较差以及发动机怠速时不做功而空耗燃油的问题，很多企业研究开发了怠速自动起停控制系统［1－5］。在启动工况下，怠速自动起停控制系统利用较大功率的电机快速地将发动机拖动到怠速以上的转速，然后喷油点火自行工作，实现发动机的高转速启动；而在车辆行驶时需要短暂停车（如红绿灯转换）时，发动机自动断油停机，当控制系统检测到驾驶员有起步意图时，自动控制大电机在极短暂的时间内重新高转速起动发动机，消除发动机不必要的怠速状态，改善整车的燃油经济性［4－8］。

在传统汽车上加装怠速自动起停系统通常存在的疑问有［9－11］：① 怠速自动起停系统对减少燃油消耗的效果到底如何；② 启动时间是否会有延迟。为了消除发动机不必要的怠速状态，改善整车的燃油经济性，并保持与传统燃油汽车发动机不熄火条件下相同的整车起步时间，本文对发动机怠速自动起停系统控制策略进行研究，并通过试验验证所提出的控制策略。

1 怠速自动起停系统控制策略

1.1 怠速自动起停控制系统结构

发动机怠速自动起停控制系统结构如图1所示，主要由人机界面、车辆状态自动监测部分、怠速自动起停协调控制器、怠速自动起停执行部分组成。

图1 发动机怠速自动启停系统结构

人机界面用于显示当前起停工作状态和驾驶员起停指令。车辆状态自动监测部分包括能量管理、热量管理和真空度管理。能量管理用于检测电池SOC和起停电力负载需求；热量管理用于监测空调工作状态和发动机冷却液温度；真空度管理用于监测驾驶员的制动意图。怠速自动起停协调控制器根据监测到的车辆状态进行起停判断，并给怠速自动起停执行部分发送起停指令；怠速自动起停执行部分实现发动机的自动起动和自动停机操作。

1.2 发动机怠速自动起停控制逻辑

1.2.1 怠速自动停机控制逻辑

发动机启动停止控制逻辑见表1所列。

按照怠速发生时间，发电机的怠速模式可以分为启动后怠速和减速停车热怠速，按照负荷情况可分为无负荷怠速和负荷怠速。要实现怠速停机，怠速自动起停系统需要根据怠速停止条件判断怠速停止时刻。

当发动机处于负荷怠速时，如给电池充电、空调开等状态时，此时应保持怠速状态。

当发动机启动后怠速时间过长，或减速停车热怠速，且无负荷时，则进入怠速自动停机状态，即发动机断油、自动停止运转，车辆进入通电停车状态。

表1 发动机启动停止控制逻辑

1.2.2 怠速停机自动启动控制逻辑

当驾驶员有起步意图时，如踩下离合器踏板、变速器挂上挡位（挡位为I、II）或踩下油门时，发动机则进入自动启动状态。在怠速停机过程中，若系统检测到蓄电池SOC低于设定值或空调开时，为了维持电池蓄电量或不影响乘客的舒适性，则需要强制发动机起动。

2 控制策略的实现

2.1 ISG电机最大转矩／电流控制方法

2.1.1 最大转矩／电流矢量控制结构

永磁同步电机具有高效率、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声的特点，且由于ISG电机在起动发动机的时候应具有稳定的大转矩性能，因此在本文中ISG电机采用永磁同步电机。不考虑磁路饱和、电机中的涡流损耗和磁滞损耗，反电动势为正弦形波形的永磁同步电机，其在转子同步旋转坐标系d－q下的定子电压方程为：

磁链方程为：

永磁同步电机（隐极）电磁转矩方程为：

运动方程为：

其中，ψd、ψq为定子磁链的d、q轴分量；ud、uq为定子电压的d、q轴分量；id、iq为定子电流的d、q轴分量；Ld、Lq为定子绕组的d、q轴等效电感；ψf为永磁体磁链；Rs为定子绕组电阻；p为微分算子；ω为转子角速度；np为极对数；Te为电磁转矩；Tm为负载转矩；J为转子转动惯量；B为阻尼系数。

对于隐极永磁同步电机，若使电机在低速时输出最大转矩，且使定子电流最小，则需满足id＝0。将id＝0代入（1）～（4）式，可得最大转矩电流控制下的电机数学模型为：

对于ISG电机高转速起动发动机，其要求的边界条件为：

为实现ISG电机启动发动机时的最大转矩／电流控制，对永磁同步电机采用转速、电流双闭环矢量控制，其结构框图如图2所示。

为解决传统PI调节器存在的抗干扰能力弱、鲁棒性差等问题，采用滑模变结构控制方法设计了永磁同步电动机的转速调节器和电流调节器，改进了指数趋近律，以抑制滑模控制的抖振，保证系统的鲁棒性。

图2 ISG电机矢量控制结构框图

2.1.2 转速滑模控制器的设计

（1）滑模面的设计。取状态变量为：

速度调节状态方程为：

定义转速滑移面为：

为避免引入放大的噪声信号，使速度控制性能变差，在滑模面中未引入微分项。在滑模面中引入积分项可提高速度调节精度，且不会对系统的动态性能造成大的影响。

对滑模面求导，可得：

（2）滑模趋近律的设计。基于指数趋近律＝－εsgn（s）－ks，虽然能够保证系统的渐进稳定性，但它的切换带为带状，系统在切换带中向原点运动时，最终不能趋近于原点，而是趋近于原点附近的一个抖振，此高频抖振不仅增加控制器的负担，而且增加电机的磨损。

为了削弱滑模控制的抖振，对其进一步改进，得出一种变指数趋近律，即

其中，ε＞o，k＞0，0＜α＜1。

取Lyapunov函数V＝s2／2对其进行稳定性分析，得

因此，变指数趋近律满足滑模面存在性和到达条件。变指数趋近律以变速和指数2种速率趋向原点，在初始阶段，误差比较大，s、｜s｜α均比较大，此时趋近速度较快。当接近原点时，系统的误差较小，系统逐渐趋近于s＝0，s、｜s｜α也变小，此时趋近速度变慢，系统的抖动变小，最终稳定于原点，从而抑制抖振。

由（10）式和（12）式，可得速度控制器的输出量为：

（3）转速调节器参数选择。在滑模面中，有积分时间常数c、趋近律常数ε、α、k4个参数。积分时间常数c的作用是消除转速的稳态误差，提高控制精度。由于在启动时，短时间内系统输出有很大的偏差，若c值选择过大，则会产生大的超调量，且影响转速的调节精度。因此，当实际转速与目标值偏差较大时，令c＝0，而在实际转速与目标值偏差较小时，令c＝10。ε决定了抖振的幅值，k决定了收敛到滑动面的速度，因此，k值应取大，ε值应取小。α的取值影响了实际转速趋近于目标转速的速率变化，其取值范围为0＜α＜1。

2.1.3 电流滑模调节器设计

取状态变量为：

定义电流滑模面为：

电流滑模调节器仍选用（13）式的变指数趋近律。对滑模面求导，可得：

将（5）式代入（18）式，可得：

2.2 发动机起动停止控制方法

常用的发动机起动和停机控制方法有2种：通过控制喷油来控制发动机的工作与否；通过控制发动机ECU工作与否来控制发动机的工作。为了降低开发成本，采用控制发动机ECU工作与否来控制发动机起动与停止，将发动机ECU系统看成一个黑匣子，通过整车控制器控制发动机ECU点火开关端口线路的通断，控制发动机ECU的工作与否［9］。发动机ECU点火开关端口线路的通断由整车控制器控制的继电器来完成。发动机起动与停止控制如图3所示。

图3 发动机起动与停止控制框图

3 试验验证

3.1 ISG电机低温启动发动机试验

为了检验ISG电机在低温情况下启动发动机的性能，基于M＆T Horizon发动机冷启动测试系统，完成了在0、－10、－20℃下ISG电机冷起动发动机的试验。

（1）发动机参数。4气缸，气缸直径为74mm，长径比为0.33，活塞环数目为3，活塞组质量为0.212kg，活塞环径向宽度为1.2mm。

（2）ISG电机参数。额定功率为10kW，额定电压为144V，定子电阻为0.04Ω，感应系数为0.005 2H，磁通量为 0.13Wb，转动惯量为0.31kg·m2。

ISG电机在转速电流PI闭环控制下，低温启动发动机过程如图4所示。

图4 PI闭环控制下低温启动过程

由图4可知，起动温度越低，发动机起动所需的时间越长，ISG电机拖动发动机到点火转速后，在发动机点火自行做功瞬间，发动机转速下降越快，因此在发动机点火至发动机怠速稳定的过程中，需要制定合理的ISG电机转矩控制策略，避免发动机转速下降过大、发动机熄火。ISG电机在转速电流滑模控制下，低温启动发动机过程如图5所示。

图5 滑模控制下低温启动过程

由图5可知，在基于滑模变结构控制方法设计的转速调节器和电流调节器控制下，ISG电机转速稳定，系统抗干扰能力强，避免了低温状态下，发动机点火瞬间的转速陡降，能很好地消除ISG电机高转速冷启动发动机时熄火的隐患。

3.2 燃油经济性台架试验

为了检验车辆加装发动机怠速自动起停系统对燃油经济性的改善效果，根据文献［12］，进行了燃油经济性台架试验。在发动机温度达到正常工作范围并稳定后，分别按照ECE循环工况和NEDC循环工况连续进行了4次试验，ECE工况燃油经济性台架试验结果见表2所列，NEDC工况燃油经济性台架试验结果见表3所列。其中，C1、C2分别为ISG电机不工作、工作情况下百公里燃油消耗量。

表2 ECE工况燃油经济性试验结果 L

表3 NEDC工况燃油经济性试验结果 L

测试精度计算公式为：

其中，C为百公里燃油消耗量；n为试验次数；σ为n次C值的标准方差；k为常数，取3.2。

由表2可以看出，在ECE工况，由于车辆启动频繁，加装发动机怠速自动启停系统的车辆，能够取消发动机怠速工况，比ISG电机不工作情况下，节油率达到了16.91%。由表3可知，加装发动机自动启停系统的车辆，在NEDC工况下，节油率达到8.92%。

4 结束语

本文研究了发动机怠速自动起停系统控制策略，制定了怠速自动起停控制逻辑和控制策略的实现方法；对ISG电机采用转速、电流双闭环矢量控制，基于滑模变结构控制方法设计了转速调节器和电流调节器；对发动机通过控制ECU工作与否控制其起停；分别进行了ISG电机低温冷启动发动机试验和燃油经济性台架试验，试验结果表明，在所提出的控制策略下，ISG电机不仅能在规定的时间内高转速启动发动机，而且能避免低温时发动机点火瞬间的转速陡降。

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［12］GB／T 12545－90，汽车燃油消耗量试验方法［S］.

Experimental study of control strategy for engine intelligent idling stop and start system

XU Xiao－dong
（Dept.of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Communications Vocational and Technical College，Hefei 230051，China）

The engine intelligent idling stop and start system is introduced，and the control logic and realization method are proposed.In order to keep the maximum torque output and avoid engine speed large fluctuation at the fire moment，the speed controller and current controller based on sliding mode control with a new variable exponential rate reaching law are designed for the ISG motor.The test results show that under the proposed control strategy，the engine can be started at high speed by ISG motor in requested time without engine speed large fluctuation at the fire moment at extremely low temperatures，and 16.91%fuel saving ratio can be achieved in ECE cycle mode and 8.92%in NEDC cycle mode.

ISG motor；intelligent idling stop and start；fuel economy；control strategy

U464

A

1003－5060（2013）02－0133－05

10.3969／j.issn.1003－5060.2013.02.002

2012－03－05；

2012－06－10

安徽省交通厅通达科技计划资助项目（2008AHST0411）

徐小东（1973－），男，安徽合肥人，安徽交通职业技术学院高级实验师.

（责任编辑 吕 杰）