汽车怠速起停系统控制策略设计研究

王鑫

(烟台汽车工程职业学院 汽车工程系, 山东 烟台 265599)

0 引言

随着我国科技以及经济的迅速发展，汽车逐渐代替步行、马车等传统交通方式，汽车行业的迅速崛起促使我国在国际中的地位显著提高，但是，随着汽车数量的不断增长，间接导致环境问题日益严峻，不但如此，汽车在怠速状态下产生的毒素将直接危害人体健康，因此，迅速采取节能减排的方式有利于我国长远发展。在城市道路中，汽车怠速工况的情况可高达20%以上，而汽车怠速的过程中，汽车尾气的排放量不断上升，缸内的燃料并没有应用于汽车行驶，燃油的过度消耗对于空气污染以及资源利用会造成较大影响，而汽车怠速起停系统的全面发展对于环境问题至关重要，可以有效解决环境污染等问题，真正意义上实现节能减排的目的，本文将通过汽车怠速起停系统控制方案及工作原理进行合理展开，通过不断优化，设计了扬长避短的汽车怠速起停系统控制策略研究，具有重要意义。

1 汽车怠速起停系统控制方案及工作原理

1.1 怠速起停系统控制方案

汽车怠速起停系统控制策略的实现实际上取决于汽车发动机的控制系统，在汽车控制系统中最核心的部分是EMS，EMS全称为Engine Management System，通过EMS发动机管理系统有利于对汽车发动机的燃烧情况进行良好管理，具有多种优势。EMS发动机管理系统在汽车怠速起停系统中主要负责接收传感器所传输的信号，汽车怠速起停系统根据多种传感器信号可以更好的对发动机所处状态进行分析，除此之外，还将采用智能传感器单元(Start & Stop Unit, SSU)，智能传感器单元(SSU)的应用有利于汽车怠速起停系统的安全性能，并对汽车的起动机进行全面掌控，将智能传感器单元(SSU)与EMS发动机管理系统相结合，可以触发汽车怠速起停系统的起动机进行工作。在汽车怠速起停系统中，为保证该系统可以更加准确地检测驾驶员的行车意图，应加入双路输出非接触式霍尔传感器，产生的数据信息最终将传输至智能传感器单元(SSU)与EMS发动机管理系统中，为保证信息传输的效率，将通过CAN总线传输至EMS，并采用车身控制器BCM，使其将PCAN和BCAN建立联系。EMS通过PCAN和BCAN获取的整车起停状态最终将通过BCM传输至仪表盘，驾驶员可以通过仪表盘的信号指示灯获取起停状态，该过程对于发动机的选用要求十分严格，要求发动机的起动耐久次数应高达20万次，对于电池的选取将采用AGM，该电池的使用寿命是普通电池的3倍，电池的状态变化将通过LIN传输至EMS[1]。

1.2 怠速起停系统工作原理

汽车怠速起停系统的工作原理是利用汽车怠速起停系统中的电机起停功能取代传统汽车工作的起动电机，真正意义上实现汽车的自动起停功能。汽车怠速起停系统的实现过程主要通过智能传感器单元(SSU)与EMS发动机管理系统对驾驶员的意识进行感知，根据驾驶员的意图，汽车怠速起停系统将迅速响应，并通过汽车的发动机控制汽车前进。手动挡起停操作流程为汽车行驶至红绿灯前，驾驶员应踩下离合器以及刹车，待汽车停稳后挂空挡，并松开离合器，此时的汽车怠速起停系统中的起停功能将自动熄灭发动机，待起停指示灯点亮后即可重启发动机，而交通灯转为绿灯时，驾驶员应踩下离合器踏板，待起停功能重启发动机后，挂挡并松离合器，即可继续前进，完成起动功能。手动挡起停操作示意图[2]，如图1所示。

2 汽车怠速起停系统技术分析

2.1 BSG/ISG起停系统

汽车怠速起停系统中的BSG(Belt-driven Starter Generator)起停技术实际上是利用自身的电机实现汽车起停功能，该过程中的BSG电机实际上指的是启发一体机，通过将BSG电机与汽车怠速起停系统中的发动机建立连接，带动发动机起动，完成电机与发动机一体化发展。汽车停止运行时，汽车怠速起停系统将通过驾驶员的意识进行相关操作，通过汽油喷射装置对系统发出指令，系统将根据指令自动结束怠速状态；汽车重新起动时，电源供给系统将持续供电，带动汽车发动机开启运行模式，该过程将保留汽车的原始起动电机，其目的是为了保证原始电机可以在持续低温状态下仍保证发动机处于启动状态。BSG起停系统的发展有利于实现节能减排的目的，该系统所包含的回收系统，将成为节能减排的有效依据。ISG(Integrated Starter Generator)起停技术在汽车怠速起停系统的功能实现方面与BSG起停技术基本一致，二者可交替使用[3]。

2.2 ESM起停系统

ESM起停系统中的ESM技术实际上指的是增强型起动机技术，该系统的实现主要依靠于将汽车原始的起动机通过ESM技术替换成增强型起动机，经研究表明，增强型起动机相对于原始起动机的使用寿命更长，汽车使用增强型起动机可以启动更多的次数，除此之外，增强型起动机还具有安装成本低的优势，通过使用增强型起动机可以更好的节约成本，不但如此，节约成本的同时，可以有效地提高发电机的效率，间接提高节油效率[4]。

2.3 GDI起停系统

GDI(Graphics Device Interface)起停系统的核心操作为缸内直喷技术，该技术的实现原理为“喷油——点火——燃烧和起动”，其实现的流程首先是起动发动机，发动机成功启动后，通过喷油装置向气缸内喷射少量燃油，该过程应保证气缸处于压缩行程状态，此时点火系统将燃油燃烧，通过燃油瞬间爆发的推力实现曲轴反转，而推动曲轴反转运动的是活塞，曲轴反转后汽车的气缸将再次实现压缩行程状态，此时点火系统点火后将促使曲轴正转，从而实现发动机处于起动状态。GDI起停系统与BSG/ISG起停系统和ESM起停系统相比，BSG/ISG起停系统中的BSG/ISG技术可以在实现汽车怠速起停系统起停功能的同时提高能源回收率，并增强节能减排的效果，但是成本较高，安装汽车怠速起停系统的时候对于汽车本身的改动较大；ESM起停系统中的ESM技术所选用的增强型起动机可以促进汽车的尽快适应频繁启动的现象，具有成本低、汽车改动性小等优势，但是节能减排的效果较差；而GDI起停系统中的GDI技术可以将原始的起动机进行替换，具有节能减排、汽车启动速度迅速且噪声较小等优势[5]。

2.4 其他起停系统

汽车怠速起停系统中除了包含BSG/ISG起停系统、ESM起停系统和GDI起停系统，还包含了其他类型的技术，主要包含了手动挡和自动挡起停系统以及低速和静止熄火起停系统等。手动挡和自动挡起停系统中最主要的区别是传动部件，其中手动挡起停系统的实现主要依靠离合器的传动，自动挡起停系统的实现主要依靠液体传动系统。汽车安装怠速起停系统可以实现低速熄火，而传统的怠速起停系统在汽车低速熄火的过程中将导致汽车无法在驾驶员重新起动完全停止的汽车时，第一时间执行指令，该过程主要通过汽车中的电机与发动机的连接方式而决定，相对于如今的汽车怠速起停系统，如今的汽车怠速起停系统可以真正实现低速熄火以及低速启动[6]。

3 汽车怠速起停系统中存在的关键技术问题

3.1 启动速度慢

传统的汽车发动机具有多种问题，由于汽车启动的过程中会发生汽油机滞后问题，该过程主要通过燃油喷射，将汽油与空气混合后排放至气缸内，此时在齿轮转动的情况下给汽车安装怠速起停系统，将导致汽车启动缓慢以及时间延长等问题。本文经过优化后的汽车怠速起停系统的实现方式主要通过直喷发动机将汽油形成雾化状态后喷入活塞缸中，该过程可以通过减少进气管内混合的方法节约发动机起动时间，但是可以达到同样的目的，因此，应加强齿轮之间的连接方式，以此达到缩短起动时间的目的[7]。

3.2 发动机磨损以及起动机损伤

汽车长时间频繁的进行起动和停止操作，将导致汽车的发动机磨损严重，长此以往，极容易导致安全问题发生，除此之外，汽车起动电机磨损的过程中也会造成起动电机因过热而发生损坏。汽车的发动机磨损最严重的情况是在发动机冷启动的时候，发动机启动的过程中若生成润滑油膜，对于汽车发动机来讲，可以起到良好的保护效果，而发动机进行冷启动的过程中由于未生成润滑油膜而导致发动机磨损严重，因此，驾驶员在起动汽车时应暖机后起动汽车怠速起停系统，除此之外，应添加高级的机油。针对于发动机磨损以及起动机损伤的多种问题应采取汽车怠速起停系统控制策略，以便于解决磨损问题，通常来讲新型电机的使用效果要比汽车的原有电机更具优势，因此汽车怠速起停系统控制策略将通过起停条件，对汽车进行控制，增加汽车电机的使用时效[8]。

3.3 舒适性差

驾驶员在起动汽车怠速起停控制系统的时候会过于频繁的启动汽车发动机，从而导致汽车产生剧烈振动，该过程将造成汽车内的人员产生不适的感觉，针对该缺点的解决办法应通过汽车怠速起停系统控制策略进行调和，汽车怠速起停系统控制策略可以将齿轮啮和系统进行永久开发，并通过双螺旋管式皮带传动的方式而达到减小汽车运作过程中的振动，以保证车内人员的舒适感，通过控制策略优化后的汽车怠速起停系统可以强化汽车的各部分功能，通过安装高质量的减震器也可以达到提高舒适性的目的[9]。

3.4 电池的损耗

汽车频繁的启动会造成电池的损耗，从而导致电池的使用周期变短，而汽车怠速起停系统的安装势必会造成蓄电池的持续放电，将加剧汽车电池的使用寿命的缩短。汽车怠速起停系统控制策略的全方位实现可以将超级电容作为汽车电机的直接驱动来源，此时的蓄电池将作为辅助能源，相对于蓄电池的多优劣势来讲，超级电容更具优势，超级电容可以实现最快速度持续放电，并且不会造成二次污染以及储存能量大等优势，真正意义上实现为汽车起动机不间断地持续供电[10]。

4 汽车怠速起停系统控制策略

在汽车怠速起停系统控制策略中，EMS将作为核心控制系统，此时的SSU将作为辅助控制系统，协调EMS核心控制系统在汽车怠速起停系统控制策略中共同发展，汽车怠速起停系统中还包含BCM，而BCM主要负责传递信息以及网关作用，汽车怠速起停系统中的HVAC可以根据车内温度信息向中心控制系统EMS发送信号，由中心控制系统进行判断并传递指令信息。汽车怠速起停系统通常分为手动挡以及自动挡，下面将针对手动挡起停系统进行控制策略。

4.1 EMS系统起停控制策略

EMS起停功能策略，如图2所示。

图2 EMS起停功能策略

从图中可以看出EMS系统起停控制策略主要将系统分为五个方面，该策略的主要功能是以汽车起动状态作为判断汽车起动过程所需要的条件的主要依据，除此之外，该策略还具有判断传感器传动过程中的连接状态的功能。在开展EMS系统起停控制策略时，起停条件的判断是整个EMS系统起停控制策略的核心要素，作为EMS系统起停控制策略的枢纽，可以通过汽车的协调状态判断是否满足自身条件，从而进行操作，该策略中需要空挡传感器和离合传感器之间的相互配合，空挡传感器的实现主要通过占空比判断挡位的变化，而离合传感器可通过自身的开关量输出满足起停条件，空挡传感器和离合传感器二者之间的相互配合将传动链的状态分为6种，各状态之间的相互作用。通过状态分析可知，EMS系统起停控制策略将起停状态分为7种，通过各状态之间的转动实现复位状态，除此之外，EMS系统起停控制策略还将怠速起停系统中设置人机界面，满足用户对汽车的全面控制。

4.2 SSU控制策略

起动机是保护汽车安全行驶的重要保障，但是不当的操作将造成致命危险，比如传感器进行传动的过程中发动起动机，将造成事故的发生，因此汽车怠速起停系统控制策略将选择EMS和SSU串联控制起动机方案对起动机进行控制，通过该方法可以有效地避免起动机出现紊乱。EMS和SSU串联控制起动机方案，如图3所示。

图3 EMS和SSU串联控制起动机方案

从图中可以看出EMS通过汽车怠速起停系统控制策略的运算后，认为汽车的运作过程是通过起动机的牵引，引起发动机的协调状态，从而达到汽车正常行驶的目的，此时起动机继电器应进行吸合效应。而SSU可以控制传感器之间的传动链，根据传动链之间的状态判断信号之间的起动条件。

5 汽车怠速起停控制系统NEDC循环仿真分析

为保证汽车怠速起停系统控制策略的实现，将通过NEDC循环排放和油耗测试对系统进行仿真分析。NEDC循环排放和油耗测试结果，如表1所示。

表1 NEDC循环排放和油耗测试结果

从表中可以看出汽车尾气的排放物主要包括HC、CO、NOx等，通过测试分析可以得出该系统下的汽车排放的污染物不受起停功能的影响，为进一步验证该系统的准确控制性，将进行实车道路测试以及耐久试验，实验证明该系统具有良好的性能。

6 总结

汽车怠速起停系统控制策略的研究，颠覆以往的传统起停系统，全方面优化汽车怠速起停系统，主要从两方面进行开发，分别是EMS系统起停控制策略以及SSU控制策略，除此之外，还针对汽车怠速起停控制系统进行NEDC循环仿真分析，该过程主要通过实车道路测试以及耐久试验进行实现，实验表明怠速起停系统对汽车的各部分功能没有影响，并且可以达到节能的目的，真正意义上实现节能减排，具有一定的研究价值，可以大量生产。