轻度混合动力车发动机Start_Stop系统控制策略.pdf

第 28 卷第 7 期农 业 工 程 学 报Vol.28No.72012 年4 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringApr.201297轻度混合动力车发动机 Start/Stop 系统控制策略陈汉玉1，左承基1，袁银男2（1.合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥 230009；2.南通大学机械工程学院，南通 226019）摘要：发动机怠速自动起停是轻度混合动力车的重要工作模式，它能避免发动机在怠速工况下运行，可减少燃油消耗及尾气排放。该文对集成起动机/发电机（ISG）轻度混合动力车发动机起动动力学和发动机 Start/Stop 系统控制策略进行了研究，同时在 Matlab/Simulink 中建立了整车控制器模型，在 NEDC 循环工况下对发动机和 ISG 电机的协调输出转矩进行了仿真分析，最后进行了发动机起动及整车转鼓对比试验。仿真及试验结果表明，Start/Stop 系统能保证发动机在怠速工况下正常停机，通过 Start/Stop 系统的协调控制，发动机在整个循环工况下运转平稳，转矩输出值在低油耗区；和传统车相比，加装 Start/Stop 系统的轻度混合动力车 HC 和 CO 排放下降明显，百公里油耗由 8.60 L 下降到 7.30 L，节油效果显著。关键词：仿真，试验，控制系统，混合动力汽车，起停系统doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.07.017中图分类号：U469.79文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-07-0097-06陈汉玉，左承基，袁银男.轻度混合动力车发动机 Start/Stop 系统控制策略J.农业工程学报，2012，28(7)：97102.Chen Hanyu,Zuo Chengji,Yuan Yinnan.Control strategy for engine Start/Stop system of mild hybrid electric vehicleJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(7):97102.(in Chinesewith English abstract)0引言在城市交通及道路拥堵时，车辆停车时因发动机怠速会消耗相当数量的燃油。轻度混合动力车之所以省油且排放较低，主要原因是发动机怠速起停（Start/Stop）和制动能量回收1-3。发动机怠速 Start/Stop 系统工作原理是发动机怠速时，当满足怠速停机条件时发动机自动停机；当驾驶员有重新起动车辆的意图时，发动机自动起动以驱动车辆行驶4-6。博世、法雷奥和电装等厂家，自2007 年以来分别为宝马、菲亚特、雪铁龙和丰田等 OEM提供了几百万套 Start/Stop 系统。怠速停机可减少不必要的燃油消耗及 CO2排放，和传统车相比，配备有 Start/Stop系统的轻型混合动力车综合油耗约降低 12%7。国内外对轻度混合动力车发动机 Start/Stop 系统的研究，主要可分为新型机械结构设计、起停过程动力学分析和起停控制策略优化 3 类8-11。对起停系统控制策略优化的研究，主要通过燃油经济性、排放、NVH 和发动机起动时间来评价12-13。本研究以某款 ISG（integratedstarter/generator，集成起动机/发电机）轻度混合动力车为研究对象，分析了发动机起动时受力情况，以及发动机Start/Stop 系统控制策略，具体包括起停使能/触发条件、起停协调控制逻辑、发动机工作模式控制逻辑、发动机收稿日期：2011-10-01修订日期：2011-11-14基金项目：校博士学位专项资助基金（2011HGBZ0927）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（2011HGQC1008）；内燃机燃烧学国家重点实验室开放基金项目（K2011-09）作者简介：陈汉玉（1981），男，博士后，讲师，研究方向为混合动力汽车控制策略及自动代码生成。合肥合肥工业大学机械与汽车工程学院，230009。Email:起动结束控制逻辑和停机过程控制逻辑。同时在Matlab/Simulink 中建立了整车控制器模型，在给定的循环工况下对发动机和 ISG 电机的协调输出转矩进行了仿真分析，最后通过发动机起动及整车转鼓对比试验，验证了 Start/Stop 系统控制策略的实用性。1发动机起动过程动力学分析所研究的 ISG 轻度混合动力车结构新颖，ISG 电机直接安装在曲轴输出端，取代了原机的飞轮、起动机及发电机，电机转子和发动机曲轴直接相连，定子固定在发动机机体上14。当遇到红灯或交通拥堵时自动关闭发动机，当驾驶员松开制动踏板或脚踩离合器时，ISG 电机能迅速起动发动机。和传统起动机相比，ISG 电机能优化发动机起动过程，提高发动机起动喷油转速，减少起动过浓喷油量，使缸内混合气充分燃烧，从而降低起动模式下的燃油消耗和尾气排放量。发动机要成功起动，需克服一定的阻力矩。发动机起动过程的阻力矩主要包括：气缸压缩阻力矩、活塞摩擦阻力矩、气门机构摩擦阻力矩、活塞组往复运动惯性力矩以及附件运行阻力矩。1.11.1气缸压缩阻力矩Tg气缸内压缩空气作用在活塞顶部，推动活塞往复运动。当活塞处于压缩、排气行程时，缸内压缩空气作负功，成为发动机的阻力矩；当活塞处于进气、作功行程时，缸内压缩空气作正功，推动活塞运动。Tg计算公式为90()ggaspTPP S rK（1）式中，Pgas为气缸内的空气压力，MPa；P0为大气压力，农业工程学报2012 年98MPa；Sp为活塞顶部的有效面积，m2；r 为曲柄半径，m；K 为转换系数，大小为2sinsincos/1(sin)rrKll式中，为曲柄转角，CA；l 为连杆长度，m。1.21.2活塞摩擦阻力矩TF活塞摩擦阻力矩由活塞环摩擦阻力矩TFr和活塞裙部摩擦阻力矩 TFs构成。根据发动机起动时的冷却液温度和润滑油流动状态，发动机起动可分为冷起动与热起动。不同的起动过程，活塞摩擦阻力矩是不同的。除了发动机初次起动通常为冷起动外，ISG 轻度混合动力车在实际路面工况下的 Start/Stop 系统通常为热起动，因为等红灯及短暂停车时间均较短，此时发动机处于热机状态。活塞环-缸套间摩擦力对曲轴阻力矩 TFr计算式为9120()(0.4)FrgascTv PPD nn（2）式中，1为活塞环形状系数；为润滑油的运动黏度，kg/(m s)；为活塞环厚度，m；D 为气缸直径，m；n0为油环个数；nc为气环个数。活塞裙部-缸套摩擦力对曲轴的阻力矩 TFs计算式为2()FsvTDMr Kh（3）式中，2为油膜厚度的影响系数；h 为油膜厚度，m；M为活塞裙部的长度，m。1.31.3气门机构摩擦阻力矩Tv气门机构的摩擦阻力发生在凸轮/挺杆、摇臂/气门支点之间，其阻力矩 Tv计算公式为150.26svGL r KT（4）式中，G 为单个气缸内气门的数量；LS为气门弹簧的载荷，kN/s2；为曲轴角速度，rad/s。1.41.4活塞组往复运动惯性力矩Tm活塞组往复运动惯性力矩是由活塞及连杆往复运动，其质量所产生的力矩。基于牛顿力学和运动件的非线性惯量思想，惯性力矩 Tm计算公式为1322sincos(sin)sinmmTrFR（5）式中，r 为曲柄半径，m；Fm为往复惯性力，kN；为曲柄转角，CA；R 为转换系数，其大小为：R=l/r。1.51.5附件运行阻力矩Ta发动机附件运行阻力矩包括水泵、机油泵、燃油泵和发电机等部件的运行阻力矩及空载下曲轴和凸轮轴的摩擦阻力矩，其大小与曲轴转速成正比，其计算式为93aT（6）式中，3为附件载荷系数。1.61.6发动机成功起动的边界条件要保证发动机起动成功必须满足如下条件：1）ISG电机必须在短时间内提供足够大的转矩使发动机达到设定转速；2）发动机喷油、点火前的转速足够高，在压缩行程终了、点火之前，缸内可形成能够着火的可燃混合气。所研究的 ISG 轻度混合动力车，要求发动机起动到850 r/min 所需的时间不超过 0.4 s，且起动过程平稳，起动过程的边界条件为060d85020.4egFLmtTTTTTJtt（7）式中，Te为增强型起停电机的驱动力矩，N m；J 为发动机机组与起停电机转换在曲轴上的转动惯量，kg m2；为曲轴的角加速度，rad/s2；TL为作用在曲轴上的总阻力矩，N m，为气缸压缩阻力矩、活塞摩擦阻力矩、气门机构摩擦阻力矩、活塞组往复运动惯性力矩及附件运行阻力矩之和。2发动机 Start/Stop 系统控制策略在满足怠速停机条件下，所开发的 ISG 轻度混合动力车 Start/Stop 系统自动关闭发动机，在保证车辆动力性的前提下能够降低燃油消耗量和排放。2.12.1Start/Stop 系统使能/触发条件2.1.1自动停机（Stop）条件自动停机使能条件包括：无起停系统相关故障、无禁止停机的车辆及发动机需求。起停系统相关故障包括：车门及前机舱开关故障、制动真空度传感器故障、起动机控制电路及继电器故障、起动机堵转故障、离合器高位开关故障和电池传感器故障等。禁止停机的车辆需求包括：电池 SOC 值过低、引擎盖处于开启状态、驾驶员不在驾驶座上、制动真空度过低、空调状态不允许停机、起动机起动频次超过极限值、空挡开关及离合器高/低位开关的预检未完成。禁止停机的发动机需求包括：炭罐处于高负荷状态、扭矩损失自学习未完成、发动机相应的传感器故障、催化器未达到工作温度、发动机水温过高或过低等。自动停机触发条件包括：驾驶员操作触发和驾驶员无操作触发。驾驶员操作触发包括：当前车速降至限值以下（5 km/h）、加速踏板完全松开、当前挡位为空挡。驾驶员无操作触发是当发动机自动起动成功后，在一定的时间限值内，驾驶员无任何踏板及挡位操作，则认为驾驶员无起动车辆的意图，发动机将自动关闭。2.1.2自动起动（Start）条件自动起动使能条件包括：无起停系统相关故障、起动机结合的前提条件满足、驾驶员在驾驶座上、发动机前舱盖已盖上、自动起动的失败持续次数小于某一限值。自动起动触发条件包括：驾驶员操作触发、车辆需求触发以及溜坡自动起动触发。驾驶员操作触发包括：1）若空挡且离合器踏板松开，当踩下 10%离合器踏板时自动起动；2）若空挡且离合器踏板处于 10%90%位置，当踩下 90%离合器踏板时自动起动；3）若空挡且离合器踏板处于 90%以上位置，当挂挡时自动起动；4）若空挡第 7 期陈汉玉等：轻度混合动力车发动机 Start/Stop 系统控制策略99或离合器踏板踩到底，当加速踏板踩下时自动起动。车辆需求触发的前提条件是处于空挡或离合器踏板踩到底，其触发条件包括：1）电池状态触发；2）制动真空度不足触发；3）空调需求触发。在发动机自动停机状态下，若当前电池 SOC 下降到某一限值，再进一步降低则有无法起动的风险时，触发自动起动给电池充电。在发动机自动停机状态下，如果连续踩制动踏板等原因导致制动真空度不足，则触发自动起动提供制动真空度，避免无法制动的风险。在发动机自动停机状态下，若 ECU从CAN线上接收到自动空调系统或电动空调有对发动机运行的请求时，则自动起动发动机。2.2发动机 Start/Stop 协调控制当发动机 ECU 接收到 Start/Stop 协调指令时，通过与制动踏板信号、车速信号进行逻辑运算后，输出发动机起动或停机指令。图 1 是发动机 Start/Stop 协调控制逻辑图。当 ECU 通过 CAN 从整车控制器 HCU 读取发动机Start/Stop 协调指令的第 0 位 start_stop_0，若 start_stop_0等于 1，即输出停机指令（B_engstop=1）；若读取发动机 Start/Stop 协调指令的第 1 位 start_stop_1 等于 1，且制动踏板标志位 B_brake 置 1、当前车速 V_speed 等于 0，即输出停机指令（B_engstop=1）。否则输出禁止停机指令（B_engstop=0）。图 1发动机 start/stop 系统协调控制Fig.1Coordinated control of engine Start/Stop system2.3发动机工作模式控制逻辑图 2 是发动机工作模式控制逻辑图，首先处于等待Waiting 状态，此时主继电器置位，根据点火钥匙信号key_on 和发动机断油指令 eng_fuel_cut，分别进入相应的工作模式。当 key_on=1 且 eng_fuel_cut=0 时，发动机进入运行模式 EngRun；当 eng_fuel_cut=1 时，发动机断油进入停机模式 IdleOff。当发动机停机后，若接收到喷油信号 eng_fuel_cut=0，且 ISG 电机拖转速度 eng_actual_spd小于发动机怠速转速（850 r/min）时，发动机进入起动模式 EngStart；若 ISG 电机拖转速度大于 850 r/min，发动机进入工作模式 EngRun。在 EngRun 模式中，根据油门踏板信号 PPS 和电子节气门开度信号 ETC 来判断发动机进入怠速充电模式 Idle_on_control 和正常工作模式Eng_work。图 2发动机工作模式控制逻辑Fig.2Control logic diagram of engine running mode2.4发动机起动结束控制逻辑发动机从转点火钥匙至转速超过某一限值时的过程称为起动结束。图 3 是发动机起动结束控制逻辑图，当发动机转速 eng_actual_spd 大于起动稳定转速阈值eng_norm_threshold，且不小于起动转速阈值 eng_start_threshold 时，发动机起动结束（B_start_end=1）；若发动机转速 eng_actual_spd 小于起动转速阈值 eng_start_threshold 时，发动机仍处于起动过程（B_start_end=0）。否则发动机仍处于起动过程（B_start_end=0）。图 3发动机起动结束控制逻辑Fig.3Control logic diagram of engine starting over2.5发动机停机过程控制逻辑发动机 Start/Stop 协调控制逻辑会输出停机请求（B_engstop=1），发 动 机 ECU 将 执 行 断 油 指 令（eng_fuel_cut=1）。尽管发动机停机过程很短，通常不超过 1.5 s，然而在停机过程中仍存在因驾驶员改变意图而重新起动发动机的可能性。图 4 是发动机停机 stop 过程控制逻辑图。在停机过程中，应根据首循环起动结束标志位 B_first_start_end 和停机时间t_eng_stop 来调用废气系统控制模型Exhaust_mdl，输出氧传感器是否应加热的标志位 B_lam_heat。根据Start/Stop 协调系统的停机请求 B_engstop、发动机冷却水温信号 T_cooling、发动机转速信号 eng_actual_spd、开始农业工程学报2012 年100喷油的最低转速阈值 Injection_spd 及发动机同步信号状态 Syn_state，经过相应的逻辑运算和调用相关子系统，分别输出发动机停机指令标志位B_stopping、发动机断油指令eng_fuel_cut 和调用发动机重起模块标志位B_restart。图 4发动机停机过程控制逻辑Fig.4Control logic diagram of engine stop process3仿真及试验结果分析3.1车辆基本参数及系统结构本研究对象是某款 ISG 轻度混合动力车，其基本参数如表 1 所示。表 1混合动力车基本参数Table 1Basic parameters of hybrid electric vehicle参数名称数值整车整备质量/kg1130迎风面积/m21.96风阻系数0.315变速器速比3.182，1.895，1.25，0.909，0.703主减速比4.308发动机额定功率、转速/kW、(r min-1)69/6000发动机最大转矩、转速/(N m)、(r min-1)128/3400ISG 电机额定功率/kW6超级电容能量密度/(W h kg-1)6所研究的 ISG 轻度混合动力车，其系统结构如图 5所示。双离合器与 ISG 电机集成装配，前离合器为自动离合器，连接发动机和 ISG 电机；后离合器为机械离合器，连接 ISG 电机和手动变速器。ISG 电机具备 Start/Stop功能，和传统的起动机相比，提高了起动机的起停次数和功率，能保证车辆快速起动及在理想的使用工况下的寿命。图 5整车系统结构示意图Fig.5Schematic of hybrid electric vehicle3.23.2循环工况及仿真结果分析图 6 是仿真所选用的 NEDC 循环工况，其中城市工况运行 820 s，城郊工况运行 400 s，发动机怠速状态约占26%。在配备 Start/Stop 系统的混合动力车中，怠速停机要考虑当前发动机水温、电池电量、催化器工作温度以及车辆起步时间等因素，由于排放因素的影响在 NEDC工况下前一小段时间内 Start/Stop 功能应禁止，因此发动机实际停机时间约 186 s。整车节油及降低排放的主要贡献来源于发动机停机时间段内，然而发动机频繁的重起会影响起动部件的寿命，同时当发动机短暂停机后再次重起，由于起动过浓喷油可能会导致消耗更多的燃油。因此 Start/Stop 协调控制要考虑诸多影响因素，从而决定发动机的停机及起动时刻。第 7 期陈汉玉等：轻度混合动力车发动机 Start/Stop 系统控制策略101图 6NEDC 循环工况Fig.6NEDC driving cycle图 7、图 8 分别是在 NEDC 循环工况下，发动机和ISG 电机的协调转矩输出仿真结果。图 7发动机转矩输出仿真值Fig.7Torque output simulation of engine图 8ISG 电机转矩输出仿真值Fig.8Torque output simulation of ISG motor由图 7 可知，发动机在多数工况点的转矩输出在60 N m 附近，属于低油耗区。在怠速工况下，Start/Stop系统能保证发动机正常停机。当车辆急加速时，发动机输出转矩约 97 N m，剩余动力由 ISG 电机补充，解决了车辆急加速时油耗和排放偏高的问题，发动机在整个循环工况下运转平稳。由图 8 可知，在助力模式下 ISG 电机的最大输出转矩约 12 N m，在发电模式下 ISG 电机的充电转矩在26 N m 附近。发动机和 ISG 电机协调工作，在保证整车动力性的同时，尽可能使发动机工作在最佳经济性区域。3.33.3试验与结果分析图 9 是冷却水温为 75时发动机转速、起动标志位及起动结束标志位与起动时间的关系图。由图 9 可知，从转动点火钥匙开始计时，当发动机 ECU 接收到起动指令时，起动标志位置 1，在 0.15 s 内起动电机可将发动机转速拖到 350 r/min 左右，发动机开始喷油点火，起动过程结束，此时起动结束标志位置 1。由于发动机怠速与冷却水温有关，在 75的冷却水温下从起动标志位置 1 开始直至转速稳定在 800 r/min 左右，所需时间约 2.6 s，起动时间短且转速波动小。图 9发动机起动曲线Fig.9Curve of the engine starting为验证加装 Start/Stop 系统的轻度混合动力车的优点，参照GB18352.3-2005 轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国、阶段）和GB/T19233-2003 轻型汽车燃料消耗量试验方法的要求，在转鼓试验台上进行了改装前后传统车和带 Start/Stop 系统的轻度混合动力车排放及油耗对比试验，试验结果如表 2 所示。表 2排放及油耗对比Table 2Contrast test of emission and fuel consumptionHC 排放量/(g km-1)CO 排放量/(g km-1)NOx排放量/(g km-1)100 km 油耗/L传统车0.150.600.058.60Start/Stop 系统0.040.390.047.30由表 2 可知，加装 Start/Stop 系统的轻度混合动力车与传统车相比，HC 和 CO 排放下降明显，百公里油耗由8.60 L 下降到 7.30 L，节油效果显著。由于加装 Start/Stop系统的轻度混合动力车取消了怠速工况，同时在车辆正常行驶过程中，ISG 电机和发动机协调工作，除了提高整车加速性能外，通过超级电容频繁充放电还可提高发动机负荷率，优化发动机工作区间，使发动机尽可能工作在高效区，因此车辆排放及节油效果明显。4结论1）详尽分析了发动机 Start/Stop 系统控制策略，具体包括起停使能/触发条件、起停协调控制逻辑、发动机工作模式控制逻辑、发动机起动结束控制逻辑和停机过程控制逻辑。农业工程学报2012 年1022）在给定的 NEDC 循环工况下，Start/Stop 系统能保证发动机在怠速工况下正常停机。同时通过 Start/Stop系统的协调控制，发动机在整个循环工况下运转平稳，转矩输出值在低油耗区。3）通过发动机起动及整车转鼓对比试验可知，发动机在 ISG 电机拖转下起动时间短且转速波动小。和传统车相比，加装 Start/Stop 系统的轻度混合动力车 HC 和 CO排放下降明显，百公里油耗由 8.60 L 下降到 7.30 L，节油效果显著。参考文献1John B,Ashok N,Gregory O,et al.An engine start/stopsystem for improved fuel economyC/SAE 2007-01-1777,2007.2Luigi O,Fabrizio A,Bruno D,et al.An integrated approachforenergymanagementanalysisofconventionalandinnovative vehicle:Drivetrain 3.0C/SAE 2004-01-3056,2004.3Schaeck S,Stoermer A O,Hockgeiger E.Micro-hybridelectric vehicle application of valve-regulated lead-acidbatteries in absorbent glass mat technology:Testing apartial-state-of-charge operation strategyJ.Journal of PowerSources,2009,190(1):173183.4Victor E G.Pneumatic start-stop systemC/SAE 2007-01-2767,2007.5Alberto B.Improvements of vehicle fuel economy usingmechanicalregenerativebrakingC/SAE2010-01-1683,2010.6Jason C,SamuelT.Technological evaluation of fuelefficiency improvement concepts to meet future regulatoryrequirementsintheNorthAmericanmarketC/SAE2002-01-2809,2002.7Carla S,Marc R,Tiago F.Analysis and simulation of“low-cost”strategiestoreducefuelconsumptionandemissions in conventional gasoline light-duty vehiclesJ.EnergyConversion and Management,2009,50(2):215222.8Lianghui Y,Hongwen H,Fengchun S,et al.Research of fuzzylogic control strategy for engine start/stop in dual-clutch hybridelectric vehicleC/Seventh International Conference onFuzzy Systems and Knowledge Discovery,2010:912917.9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)：48.Li Hongpeng,Qin Datong,Yang Yang,et al.Dynamicssimulation of ISG-HEV engine during startingJ.Journal ofChongqing University:Natural Science Edition,2005,28(6):48.(in Chinese with English abstract)10 Michael B L,Shailesh S K,Jeffrey E C.Hybrid powertrainwith an engine-disconnecting clutchC/SAE 2002-01-0930,2002.11 Kerem K,Andrea P,Beth B,et al.Application of model-based design techniques for the control development andoptimization of a 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ofmild hybrid electric vehicleChen Hanyu1,Zuo Chengji1,Yuan Yinnan2(1.School of Mechanical and Automobile Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.School of Mechanical Engineering,Nantong University,Nantong 226019,China)Abstract:The behavior of engine automatic start and stop under idle speed is an important working mode for a mildhybrid electric vehicle(HEV),which can avoid engine running under idle operating mode.So it can reduce engine fuelconsumption and exhaust gas emission.The engine start dynamics and the control strategy of start/stop system forISG(integrated starter/generator)mild HEV were studied.The hybrid controller unit(HCU)model was built inMatlab/Simulink environment,and the coordinated output torque between engine and ISG motor was simulated in theNEDC driving cycle.Finally the engine start and the drum contrasted test were carried out.The simulation and testresults showed that the start/stop system could ensure the engine stop normally under idle operating mode.With thestart/stop system coordinated control,the engine run smoothly in the whole driving cycle,and the output torque wasalways in the low fuel consumption area.The HC and CO emissions of HEV equipped with start/stop system declinedobviously compared to the traditional vehicle.The 100-kilometer fuel consumption dropped from 8.60 liter to 7.30 liter,and the fuel saving effect was remarkable.Key words:computer simulation,testing,control systems,hybrid electric vehicle,start/stop system