智能起停系统对整车油耗及排放影响的研究

张卫国　周　　硕　赵卫平　王云超　鲁志远（1-长城汽车股份有限公司技术中心　河北　保定　071000 2-河北省汽车工程技术研究中心）

智能起停系统对整车油耗及排放影响的研究

张卫国1，2周硕1，2赵卫平1，2王云超1，2鲁志远1，2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定071000 2-河北省汽车工程技术研究中心）

摘要：本次研究通过对ECU控制策略的开发和整车相关零部件的改进，实现起动机加强技术型的智能起停系统，并据此完成整车NEDC循环试验，对比整车状态智能起停功能对整车油耗和排放的影响。实车试验结果表明，配置智能起停功能的车型与不带智能起停系统车辆排放基本相当，而油耗水平有较大提升。

关键词：智能起停控制策略NE D C循环测试

引言

随着节能环保呼声的日益强烈，各国汽车排放和油耗法规也都越来越严格。同时伴随着城市中汽车保有量的持续增加，交通拥堵已成为各大城市的普遍现象，汽车低速行驶及频繁起动，既浪费燃油，也污染环境。

汽车智能起停技术可以很好地解决这些问题，通过对发动机的智能控制实现节能减排的目的。

图1　城市工况燃油能量消耗情况

1　智能起停概述

据统计，短暂停车时发动机怠速空转的能耗浪费竟达17%之多，如图1所示。

智能起停技术是指汽车在等待红灯或者拥堵等情况下暂停发动机工作，当车辆感受到驾驶员的起步意图时，快速起动发动机，从而实现在城市工况下降低怠速油耗，减少汽车有害气体排放的目的。在理想路况（道路非常平顺且无风阻的情况）下，起停技术可实现3%～5%的节油率，实际路况中将大于此数据。

目前市场中各车型采用的起停技术主要有起动机加强技术、BSG技术和I-STOP技术。本次智能起停系统的研究主要以起动机加强技术的方式来进行[1]，如图2所示。

图2 智能起停模式

本次研究方案中，为满足智能起停需求，对整车及发动机的改进主要体现在以下控制策略、主要零部件开发两方面：

2　控制策略开发

整车起停控制策略集成于发动机ECU中，通过接收真空度传感器信号，电池传感器信号、档位传感器信号等，综合判断发动机所处的状态，对发动机进行停止和起动控制。总策略如图3所示。

图3　智能起停总策略图

起停控制策略包含三个方面：起停功能逻辑、怠速停机逻辑和发动机起停逻辑[2]。

起停功能正常开启条件包含以下几个方面：

1）电池电量充足；

2）制动真空度充足；

3）起停系统无故障运行；

4）满足整车安全状态；

5）起停主开关打开；

6）空调状态允许起停；

7）电动助力转向系统允许起停。

满足以上条件，车辆自动起停功能可正常开启。

怠速停机功能满足以下条件可正常实现[3]：

1）车辆停止或车速低于某设定值；

2）档位置于空挡；

3）离合器踏板松开；

4）油门踏板完全松开。

发动机处于自动停止状态时，起动逻辑分为3类：

1）车辆需求触发起动，如电池低电量触发、制动真空度不足触发等；

2）溜坡自动起动，包含空挡状态或离合器踏板踩到底状态等；

3）驾驶员触发起动，触发条件包括空挡、踩离合器踏板操作等判断驾驶员的行车意图，为智能起停功能的核心部分。

3　主要零部件开发

为满足整车智能起停功能需求，需要在普通车辆基础上进行配置升级，传统车型与配置智能起停车型主要区别如表1所示。本文主要对发电机、起动机及电池的更改进行说明。

表1　智能起停车辆与传统车辆主要零部件区别

3.1发电机

为了让起停系统更好地发挥作用，首先通过优化发电机励磁机构，提升发电机的工作效率；同时在不同的驾驶工况下，通过ECU对发电机的控制实现能源的回收功能。

能源回收的基本原理为：

1）行车过程中的减速阶段，设置发电机高电压发电，实现了对电池高效率充电的同时也实现了对发动机的快速制动；

2）行车过程中的加速阶段，设置发电机低电压，减少发电量或使之不发电，减少发动机扭矩负载，使之全部用于整车加速，实现快速启动

通过对行车工况的判断，从而控制发电机的策略，可有效实现对制动能量的回收，同时提高发电机本身工作效率，高效智能发电机与起停系统相结合，可有效降低城市交通状况下的燃油消耗及CO2排放。

3.2起动机

采用智能起停系统车辆，要求起动机的寿命更长久，起动过程更迅速，起动噪声更低。传统的起动机（5万次起动寿命）不能满足智能起停车型的使用要求，起停系统专用起动机通过优化轴承和行星轮系、优化齿轮型线和增强啮合构造、增加缓冲弹簧、增大磁极等手段，提高起动机使用寿命，满足25万次起停需求，使发动机迅速、安静地启动。整个起动过程的安全性更高，舒适性更好。

起动过程动力方程为[4]：

式中：

Te—起动机拖动扭矩，N·m；Tr—发动机阻力矩，N·m；

J—发动机等效转动惯量，kg·m2；ω—发动机曲轴角速度，rad/s；n—发动机转速，r/min。

由上述公式可知，如想发动机拖动转速更高，更易着车，需提供更大的起动机拖动扭矩。为此在本研究中在更换原发动机起动机的基础上，增大其输出功率和扭矩。起动机更换前后参数对比见表2。

3.3蓄电池

采用智能起停系统后发动机的频繁起动，必然导致蓄电池更多的充放电，这将会降低电池的使用寿命。

表2 起动机参数对比表

为解决此问题，将普通蓄电池更换为AGM蓄电池，其具有以下优势：

1）循环充电能力比普通铅酸电池高3倍，因此寿命也随之延长；

2）电容量稳定性更高；

3）低温性能也更高；

4）降低事故风险。

蓄电池更换前后参数对比见表3。

表3　蓄电池参数对比表

4　仿真计算与结果

在研究初期，为对智能起停效果进行初步评判，根据已经确定的整车计算参数，应用AVL CRUISE整车仿真软件对起停样车油耗进行模拟计算，整车模型如图4所示。

设定起停逻辑和停机时间通过CRUISE内嵌的起停模块实现。停机时间的选择与实车ECU控制参数设定一致。

根据项目需求，进行NEDC循环工况模拟计算，起停功能开启与关闭综合油耗对比见表4。

5　试验结果

5.1起动时间对比

采用智能起停系统后，在智能起停模式下，起动时间缩短，较常规启动时间缩减约70%（正常启动约1.3 s，智能起停启动约0.4 s），如图5所示。

5.2整车油耗和排放对比

在转鼓试验台上进行实车NEDC循环测试，对比分析油耗和排放结果。测试循环如图6所示，排放和油耗结果对比分别见表5与表6。

结果显示开启起停功能时整车的排放水平没有明显的变化，循环工况下可降低约3.3%的综合油耗。

图4　配置智能起停系统整车模型

表4　综合油耗仿真对比结果

图5　起动时间对比图

图6 NEDC循环工况

表5实车排放对比　　　g/k m

表6 实车对比

6　结束语

随着国内环境污染的日益严重，全球环境法规对油耗和排放的要求也日益严格。而智能起停系统是众多节能技术中值得大力推广的一种有效且低成本的节能技术。

本次研究，通过对加强型起动机实现起停功能的方案进行实施及试验，验证起停功能应用于整车的节能减排效果，对满足节能环保政策需求起到良好的促进作用，具有很好的市场应用前景。

参考文献

1赵云峰，陈俊，朱自萍，等.中国车企起停技术发展现状及分析[J].汽车工程师，2012（5）：26~30

2婓玉姣，纪天宝.发动机起停技术的研究 [J].汽车工程师，2012（7）：17~19

3周磊，霍宏煜，关懿峰，等.基于驾驶员意图识别与车辆状态判断的发动机智能起停系统设计[J].车辆与动力技术，2011（3）：32~35

4李红朋，秦大同，杨阳，等.汽车发动机起动过程的动力学仿真[J].重庆大学学报（自然科学版），2005，28（6）：4~ 8

中图分类号：U461.8

文献标识码：A

文章编号：2095-8234（2015）02-0020-04

收稿日期：（2015-01-19）

作者简介：张卫国（1987-），男，学士，工程师，主要研究方向为发动机设计开发及发动机与整车匹配。

Research on the Impactof Start-Stop System on FuelConsum ption and Em ission

ZhangW eiguo1，2，Zhou Shuo1，2，ZhaoW eiping1，2，W ang Yunchao1，2，Lu Zhiyuan1，2
1-Technical Center，GreatWallMotorCo.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）
2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Abstract：Thispaper introducesan i-stop（intelligent start-stop）system which contains new technologybased starter，bymeans of developing ECU（Electronic Control Unit）control strategies and improving components related to on vehicle.According to the resultsof vehicle NEDC（New European Driving Cycle）cycle test,itanalyzes theeffectsof this i-stop system on fuelconsumption and emission performance.As the test results indicate，the vehiclesequipped with thiskind of i-stop system getsome largebenefits from fuel consumption compared tooneswithout i-stop system，keeping theequalemission performance.

Keywords：Start-stop，Controlstrategies，NEDC