汽车发动机智能启停系统技术分析

汤超

摘要： 在汽车发动机运行控制上，采用智能启停系统能否取得较好的节油环保效果，与采取的控制技术有关。在对智能启停系统展开分析的基础上，根据系统结构原理对系统控制策略和制动能量回收等关键技术进行了探究，为发动机控制优化提供参考。

Abstract： In the automotive engine operation control， whether the intelligent start stop system can achieve better fuel saving and environmental protection effect is related to the control technology adopted. Based on the analysis of intelligent start stop system， the key technologies of system control strategy and braking energy recovery are explored according to the principle of system structure， which provides reference for engine control optimization.

关键词： 汽车发动机;智能启停系统;控制策略;能量回收

Key words： automobile engine;intelligent start stop system;control strategy;energy recovery

中图分类号：U464.9                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）23-0050-02

0  引言

受能源紧张、环境污染等因素影响，汽车能耗问题引发了人们的关注。在城市道路交通运行过程中，时常遇到堵车或等红灯等情况，造成汽车发动机处于怠速运行状态，消耗燃油的同时，产生较多环境污染。而智能启停系统的开发，能够根据汽车行驶状况实现发动机自动启停控制，有效减少能耗和污染。因此应加强系统技术分析，确保系统可以取得较好应用效果，促进汽车行业可持续发展。

1  汽车发动机智能启停系统概述

现阶段，市面上的发动机智能启停系统主要包含STT系统、BSG系统、i-stop系统三类，拥有各自特点，而应用较广的为STT系统。

STT系统属于加强型，只需增设少量零部件即可实现智能启停功能。从结构上来看，采用该系统需要将传统发动机变为增强发动机，增加传感器对阀控式铅酸锂电池进行检测，并增设真空传感器、踏板传感器等获得汽车操纵信号。为避免发动机频繁启停给驾驶舒适性带来影响，需要增设电压保持设备，避免起动机工作产生的600A电流造成整车系统电压被拉低[1]。在发动机重新启动后，无需对蓄电池或发动机提供的电压进行转换，即可确保汽车各用电设备运行电压不低于12V。此外，为确保起动机达到耐久性要求，需要选用增强型设备，采用高寿命的电刷、铁心等材料，使起动机寿命从3.5万次提升至20万次。配备起动机控制模块，能够利用限流电阻削减起动机工作的峰值电流，使负载端电压降有所降低。从总体来看，STT系统成本较低，技术含量也较低，在多数品牌车辆上得到了推广应用。

BSG系统需要对发电机和起动机功能进行集成，对电流进行交直流变换，由BSG电机、传统起动机、整车控制器、发动机ECU、镍氢/AGM电池、电机控制器、双向张紧轮和传感器等构成。除了对原蓄电池进行升级，系统需要对发动机控制器等进行升级，并增设发动机管理系统和车门传感器、踏板传感器、空挡位置传感器等一系列传感器。采取接近HEV车型的控制策略，导致系统成本较高，技术难度较大，因此系统应用受到了限制，仅用于少数品牌汽车。

i-stop系统由传统发电机、智能启停起动机、带启停功能ECU、ACM电池和系列传感器构成，需要对起动机和ECU等结构进行优化改进，技术含量较高，仅马自达公司使用。

2  汽车发动机智能启停系统的关键技术

2.1 系统工作原理

从总体上来看，智能启停系统并未对汽车动力传输结构做出过大调整，仅替换了少数部件以增加功能。而发动机管理系统属于系统核心部件，需要实现起动/停止协调程序，完成汽车各种状态变量采集，对发动机状态进行判断和调控[2]。在汽车因拥堵或等待时，车速将变为0，根据传感器确认驾驶员无停车意图后，经2s将判断能否达到停机条件，符合条件立即停机，避免发动机怠速运行。系统控制发动机停机后，即便驾驶员脚离开制动板依然不会改变发动机状态，同时音响等设备也可以正常工作。踩下离合器踏板或加速踏板，发动机将会自动重启。如图1所示，系统工作时核心ECU可以对汽车状态参数进行采集，根据预设运行策略通过CAN总线发送控制指令。进入停机模式，发动机停止点火、燃油喷射。进入重启模式，起动机将自动激活，点火系统等也将恢复工作状态。

2.2 系统控制策略

在发动机启停控制方面，由于系统技术属于微型混合动力技术，将根据汽车行驶状况和驾驶员操纵信号进行判别，还应对驾驶舒适性、安全性、零部件使用寿命和汽车动力性等多重因素进行考量，提出科学控制策略。在系统工作时，首先不能牺牲其他系统正常工作，如在制动压力达到临界点、汽车向前或向后“溜车”、蓄电池电量超出限值等情况下，系统不会将发动机熄灭[3]。而即便发动机原本处于熄火状态，遭遇上述情況也将重启。利用电控单元实现发动机启停控制，将对发动机、变速箱等动力设备参数进行监控，判断能否达到开启停机或重启模式的要求，然后才会根据驾驶员意图进行启停控制。通常的情况下，冷却液温度不超40℃时，为确保发动机启动时达到适合工作温度，将禁止自动停机。而蓄电池电量超出最低限值或制动真空度不足，系统也将停止工作。在驾驶员停车时，不想关闭发动机可以将离合器踩住，确保系统不会自动发出停止指令。此外，也包含距上次重启不超2s等系列控制逻辑。在自动重启模式开启方面，需要满足检测到故障、启动倒车后、车速超过一定门槛值等系列条件。如图2所示，为系统启停流程。在系统功能开启后，才会对驾驶员意图进行判别。如在自动启动控制过程中，先判断档位处于空挡后，检测到驾驶员踩下离合器踏板，将触发功能，期间任一环节无法达到要求将提示启动失败。在自动停机功能开启后，需要先判断是否有踏板操作，无踏板操作，将判断是否存在档位操作，确定满足条件将判断是否达到倒计时要求，达到规定时间将触发停机。如果存在踏板操作，需要判断加速踏板是否松开，松开后重新判断档位是否处于空挡。满足空挡条件，确认离合器踏板松开，将触发自动停机程序。为避免频繁启停给发动机零部件带来较大损耗或产生过高油耗，也可以额外在逻辑上设置固定时间段内启停次数限制。

2.3 制动能量回收

汽车处于不同工况条件下，对发动机将产生不同功率需求。而实现自动启停控制，每次启动需要依靠蓄电池提供功能，导致蓄电池可能长时间在强电流状态下工作出现寿命下降问题。运用制动能量回收技术，可以将超级电容与蓄电池并联，形成复合电源结构为汽车提供瞬时大功率。如汽车在加速或爬坡工况下，依靠冲击电流，超级电容能够快速放电，同时也能迅速实现能量回收，避免蓄电池受到过大电流冲击。实际运用该技术，需要对电容电压进行协调，即采用DC/DC转换器与电容连接，对蓄电池端电压进行检测，然后由蓄电池直接对外提供功率。采取该种方案，可以灵活分配电容和蓄电池的电压，达到较高能量回收效率。具体来讲，就是先判断电机需要的功率，如果比0小，将判断电容是否处于饱和状态。处于饱和状态，将通过电容为蓄电池充电，否则将通过电容吸收能量。如果电机产生大于0的功率需求，先判断是否超出设定值，未超出设定由蓄电池供电，电容功率为0。如果超出规定限值，将判断电容电量是否超出设定值，超出的情况下由电容提供功率，蓄电池输出为0。如果电容电量不足，将由蓄电池提供功率。相较于单一的电源结构，采用该结构可以充分回收制动能量，避免产生额外损失。依靠电源迅速为发动机提供需要的功率，也能确保汽车迅速启动，体现良好的动力性。而依靠电容分担大电流，可以避免蓄电池因发动机频繁启停受到反复冲击，有效延长其使用寿命，使系统获得良好经济性。

3  结论

应用智能启停系统在发动机怠速运行时发送控制指令，能够避免汽车产生空转损耗。但频繁进行发动机啟停将引发零部件损耗和瞬间启动高油耗，所以可以从冷却液温度、驾驶员操作等方面设置控制逻辑，确保发动机不会经常进入停机状态。而在汽车行驶工况变化时，需要根据不同发动机功率需求，调配蓄电池和超级电容输出功率，通过回收制动能量延长蓄电池使用寿命的同时，确保汽车可以快速重启发动机。

参考文献：

[1]杨涛，宋丹丹.汽车智能启停系统分析[J].农机使用与维修，2021（09）：37-39.

[2]李刚，徐荣霞，林豪，等.汽车智能启停系统及制动能量回收策略性能分析[J].科学技术与工程，2020，20（12）：4962-4967.

[3]张良.公交智能启停系统控制策略研究[J].轻工科技，2019，35（02）：58-59，61.