徐小東

（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)械工程系，安徽 合肥 230051）

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速自動(dòng)起停系統(tǒng)控制策略的試驗(yàn)研究

徐小東

（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)械工程系，安徽 合肥 230051）

文章在介紹發(fā)動(dòng)機(jī)怠速自動(dòng)起停系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，制定了怠速自動(dòng)起?？刂七壿嫾捌鋵?shí)現(xiàn)方法。為了實(shí)現(xiàn)ISG電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩輸出和避免發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始點(diǎn)火瞬間的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，ISG電機(jī)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)矢量控制，基于滑模變結(jié)構(gòu)控制方法設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器。試驗(yàn)結(jié)果表明，ISG電機(jī)不僅能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)高轉(zhuǎn)速啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，而且能避免低溫時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬間的轉(zhuǎn)速陡降，ECE工況下的節(jié)油率達(dá)到了16.91%，NEDC工況下的節(jié)油率達(dá)到了8.92%。

ISG電機(jī)；怠速自動(dòng)起停；燃油經(jīng)濟(jì)性；控制策略

0 引 言

為了克服傳統(tǒng)汽車中，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的燃油經(jīng)濟(jì)性與排放較差以及發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)不做功而空耗燃油的問(wèn)題，很多企業(yè)研究開(kāi)發(fā)了怠速自動(dòng)起停控制系統(tǒng)［1－5］。在啟動(dòng)工況下，怠速自動(dòng)起?？刂葡到y(tǒng)利用較大功率的電機(jī)快速地將發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)到怠速以上的轉(zhuǎn)速，然后噴油點(diǎn)火自行工作，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速啟動(dòng)；而在車輛行駛時(shí)需要短暫停車（如紅綠燈轉(zhuǎn)換）時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)斷油停機(jī)，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到駕駛員有起步意圖時(shí)，自動(dòng)控制大電機(jī)在極短暫的時(shí)間內(nèi)重新高轉(zhuǎn)速起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，消除發(fā)動(dòng)機(jī)不必要的怠速狀態(tài)，改善整車的燃油經(jīng)濟(jì)性［4－8］。

在傳統(tǒng)汽車上加裝怠速自動(dòng)起停系統(tǒng)通常存在的疑問(wèn)有［9－11］：① 怠速自動(dòng)起停系統(tǒng)對(duì)減少燃油消耗的效果到底如何；② 啟動(dòng)時(shí)間是否會(huì)有延遲。為了消除發(fā)動(dòng)機(jī)不必要的怠速狀態(tài)，改善整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，并保持與傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)動(dòng)機(jī)不熄火條件下相同的整車起步時(shí)間，本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速自動(dòng)起停系統(tǒng)控制策略進(jìn)行研究，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證所提出的控制策略。

1 怠速自動(dòng)起停系統(tǒng)控制策略

1.1 怠速自動(dòng)起?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速自動(dòng)起停控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由人機(jī)界面、車輛狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)部分、怠速自動(dòng)起停協(xié)調(diào)控制器、怠速自動(dòng)起停執(zhí)行部分組成。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速自動(dòng)啟停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

人機(jī)界面用于顯示當(dāng)前起停工作狀態(tài)和駕駛員起停指令。車輛狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)部分包括能量管理、熱量管理和真空度管理。能量管理用于檢測(cè)電池SOC和起停電力負(fù)載需求；熱量管理用于監(jiān)測(cè)空調(diào)工作狀態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度；真空度管理用于監(jiān)測(cè)駕駛員的制動(dòng)意圖。怠速自動(dòng)起停協(xié)調(diào)控制器根據(jù)監(jiān)測(cè)到的車輛狀態(tài)進(jìn)行起停判斷，并給怠速自動(dòng)起停執(zhí)行部分發(fā)送起停指令；怠速自動(dòng)起停執(zhí)行部分實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)起動(dòng)和自動(dòng)停機(jī)操作。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速自動(dòng)起停控制邏輯

1.2.1 怠速自動(dòng)停機(jī)控制邏輯

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)停止控制邏輯見(jiàn)表1所列。

按照怠速發(fā)生時(shí)間，發(fā)電機(jī)的怠速模式可以分為啟動(dòng)后怠速和減速停車熱怠速，按照負(fù)荷情況可分為無(wú)負(fù)荷怠速和負(fù)荷怠速。要實(shí)現(xiàn)怠速停機(jī)，怠速自動(dòng)起停系統(tǒng)需要根據(jù)怠速停止條件判斷怠速停止時(shí)刻。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于負(fù)荷怠速時(shí)，如給電池充電、空調(diào)開(kāi)等狀態(tài)時(shí)，此時(shí)應(yīng)保持怠速狀態(tài)。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后怠速時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，或減速停車熱怠速，且無(wú)負(fù)荷時(shí)，則進(jìn)入怠速自動(dòng)停機(jī)狀態(tài)，即發(fā)動(dòng)機(jī)斷油、自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，車輛進(jìn)入通電停車狀態(tài)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)停止控制邏輯

1.2.2 怠速停機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)控制邏輯

當(dāng)駕駛員有起步意圖時(shí)，如踩下離合器踏板、變速器掛上擋位（擋位為I、II）或踩下油門(mén)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)則進(jìn)入自動(dòng)啟動(dòng)狀態(tài)。在怠速停機(jī)過(guò)程中，若系統(tǒng)檢測(cè)到蓄電池SOC低于設(shè)定值或空調(diào)開(kāi)時(shí)，為了維持電池蓄電量或不影響乘客的舒適性，則需要強(qiáng)制發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。

2 控制策略的實(shí)現(xiàn)

2.1 ISG電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩／電流控制方法

2.1.1 最大轉(zhuǎn)矩／電流矢量控制結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)具有高效率、高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性及低振動(dòng)噪聲的特點(diǎn)，且由于ISG電機(jī)在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候應(yīng)具有穩(wěn)定的大轉(zhuǎn)矩性能，因此在本文中ISG電機(jī)采用永磁同步電機(jī)。不考慮磁路飽和、電機(jī)中的渦流損耗和磁滯損耗，反電動(dòng)勢(shì)為正弦形波形的永磁同步電機(jī)，其在轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d－q下的定子電壓方程為：

磁鏈方程為：

永磁同步電機(jī)（隱極）電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

運(yùn)動(dòng)方程為：

其中，ψd、ψq為定子磁鏈的d、q軸分量；ud、uq為定子電壓的d、q軸分量；id、iq為定子電流的d、q軸分量；Ld、Lq為定子繞組的d、q軸等效電感；ψf為永磁體磁鏈；Rs為定子繞組電阻；p為微分算子；ω為轉(zhuǎn)子角速度；np為極對(duì)數(shù)；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Tm為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B為阻尼系數(shù)。

對(duì)于隱極永磁同步電機(jī)，若使電機(jī)在低速時(shí)輸出最大轉(zhuǎn)矩，且使定子電流最小，則需滿足id＝0。將id＝0代入（1）～（4）式，可得最大轉(zhuǎn)矩電流控制下的電機(jī)數(shù)學(xué)模型為：

對(duì)于ISG電機(jī)高轉(zhuǎn)速起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，其要求的邊界條件為：

為實(shí)現(xiàn)ISG電機(jī)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩／電流控制，對(duì)永磁同步電機(jī)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)矢量控制，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

為解決傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器存在的抗干擾能力弱、魯棒性差等問(wèn)題，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法設(shè)計(jì)了永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，改進(jìn)了指數(shù)趨近律，以抑制滑模控制的抖振，保證系統(tǒng)的魯棒性。

圖2 ISG電機(jī)矢量控制結(jié)構(gòu)框圖

2.1.2 轉(zhuǎn)速滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)

（1）滑模面的設(shè)計(jì)。取狀態(tài)變量為：

速度調(diào)節(jié)狀態(tài)方程為：

定義轉(zhuǎn)速滑移面為：

為避免引入放大的噪聲信號(hào)，使速度控制性能變差，在滑模面中未引入微分項(xiàng)。在滑模面中引入積分項(xiàng)可提高速度調(diào)節(jié)精度，且不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能造成大的影響。

對(duì)滑模面求導(dǎo)，可得：

（2）滑模趨近律的設(shè)計(jì)。基于指數(shù)趨近律＝－εsgn（s）－ks，雖然能夠保證系統(tǒng)的漸進(jìn)穩(wěn)定性，但它的切換帶為帶狀，系統(tǒng)在切換帶中向原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，最終不能趨近于原點(diǎn)，而是趨近于原點(diǎn)附近的一個(gè)抖振，此高頻抖振不僅增加控制器的負(fù)擔(dān)，而且增加電機(jī)的磨損。

為了削弱滑模控制的抖振，對(duì)其進(jìn)一步改進(jìn)，得出一種變指數(shù)趨近律，即

其中，ε＞o，k＞0，0＜α＜1。

取Lyapunov函數(shù)V＝s2／2對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得

因此，變指數(shù)趨近律滿足滑模面存在性和到達(dá)條件。變指數(shù)趨近律以變速和指數(shù)2種速率趨向原點(diǎn)，在初始階段，誤差比較大，s、｜s｜α均比較大，此時(shí)趨近速度較快。當(dāng)接近原點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)的誤差較小，系統(tǒng)逐漸趨近于s＝0，s、｜s｜α也變小，此時(shí)趨近速度變慢，系統(tǒng)的抖動(dòng)變小，最終穩(wěn)定于原點(diǎn)，從而抑制抖振。

由（10）式和（12）式，可得速度控制器的輸出量為：

（3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇。在滑模面中，有積分時(shí)間常數(shù)c、趨近律常數(shù)ε、α、k4個(gè)參數(shù)。積分時(shí)間常數(shù)c的作用是消除轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。由于在啟動(dòng)時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，若c值選擇過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生大的超調(diào)量，且影響轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)精度。因此，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)值偏差較大時(shí)，令c＝0，而在實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)值偏差較小時(shí)，令c＝10。ε決定了抖振的幅值，k決定了收斂到滑動(dòng)面的速度，因此，k值應(yīng)取大，ε值應(yīng)取小。α的取值影響了實(shí)際轉(zhuǎn)速趨近于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的速率變化，其取值范圍為0＜α＜1。

2.1.3 電流滑模調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

取狀態(tài)變量為：

定義電流滑模面為：

電流滑模調(diào)節(jié)器仍選用（13）式的變指數(shù)趨近律。對(duì)滑模面求導(dǎo)，可得：

將（5）式代入（18）式，可得：

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)停止控制方法

常用的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和停機(jī)控制方法有2種：通過(guò)控制噴油來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作與否；通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)ECU工作與否來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作。為了降低開(kāi)發(fā)成本，采用控制發(fā)動(dòng)機(jī)ECU工作與否來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)與停止，將發(fā)動(dòng)機(jī)ECU系統(tǒng)看成一個(gè)黑匣子，通過(guò)整車控制器控制發(fā)動(dòng)機(jī)ECU點(diǎn)火開(kāi)關(guān)端口線路的通斷，控制發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的工作與否［9］。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU點(diǎn)火開(kāi)關(guān)端口線路的通斷由整車控制器控制的繼電器來(lái)完成。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)與停止控制如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)與停止控制框圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 ISG電機(jī)低溫啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)ISG電機(jī)在低溫情況下啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，基于M＆T Horizon發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，完成了在0、－10、－20℃下ISG電機(jī)冷起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)。

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)。4氣缸，氣缸直徑為74mm，長(zhǎng)徑比為0.33，活塞環(huán)數(shù)目為3，活塞組質(zhì)量為0.212kg，活塞環(huán)徑向?qū)挾葹?.2mm。

（2）ISG電機(jī)參數(shù)。額定功率為10kW，額定電壓為144V，定子電阻為0.04Ω，感應(yīng)系數(shù)為0.005 2H，磁通量為 0.13Wb，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.31kg·m2。

ISG電機(jī)在轉(zhuǎn)速電流PI閉環(huán)控制下，低溫啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)程如圖4所示。

圖4 PI閉環(huán)控制下低溫啟動(dòng)過(guò)程

由圖4可知，起動(dòng)溫度越低，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)所需的時(shí)間越長(zhǎng)，ISG電機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速后，在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火自行做功瞬間，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降越快，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火至發(fā)動(dòng)機(jī)怠速穩(wěn)定的過(guò)程中，需要制定合理的ISG電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制策略，避免發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降過(guò)大、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。ISG電機(jī)在轉(zhuǎn)速電流滑?？刂葡?，低溫啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)程如圖5所示。

圖5 滑?？刂葡碌蜏貑?dòng)過(guò)程

由圖5可知，在基于滑模變結(jié)構(gòu)控制方法設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器控制下，ISG電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，避免了低溫狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬間的轉(zhuǎn)速陡降，能很好地消除ISG電機(jī)高轉(zhuǎn)速冷啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)熄火的隱患。

3.2 燃油經(jīng)濟(jì)性臺(tái)架試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)車輛加裝發(fā)動(dòng)機(jī)怠速自動(dòng)起停系統(tǒng)對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的改善效果，根據(jù)文獻(xiàn)［12］，進(jìn)行了燃油經(jīng)濟(jì)性臺(tái)架試驗(yàn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)溫度達(dá)到正常工作范圍并穩(wěn)定后，分別按照ECE循環(huán)工況和NEDC循環(huán)工況連續(xù)進(jìn)行了4次試驗(yàn)，ECE工況燃油經(jīng)濟(jì)性臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2所列，NEDC工況燃油經(jīng)濟(jì)性臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所列。其中，C1、C2分別為ISG電機(jī)不工作、工作情況下百公里燃油消耗量。

表2 ECE工況燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)結(jié)果 L

表3 NEDC工況燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)結(jié)果 L

測(cè)試精度計(jì)算公式為：

其中，C為百公里燃油消耗量；n為試驗(yàn)次數(shù)；σ為n次C值的標(biāo)準(zhǔn)方差；k為常數(shù)，取3.2。

由表2可以看出，在ECE工況，由于車輛啟動(dòng)頻繁，加裝發(fā)動(dòng)機(jī)怠速自動(dòng)啟停系統(tǒng)的車輛，能夠取消發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況，比ISG電機(jī)不工作情況下，節(jié)油率達(dá)到了16.91%。由表3可知，加裝發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)啟停系統(tǒng)的車輛，在NEDC工況下，節(jié)油率達(dá)到8.92%。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速自動(dòng)起停系統(tǒng)控制策略，制定了怠速自動(dòng)起?？刂七壿嫼涂刂撇呗缘膶?shí)現(xiàn)方法；對(duì)ISG電機(jī)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)矢量控制，基于滑模變結(jié)構(gòu)控制方法設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器；對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)控制ECU工作與否控制其起停；分別進(jìn)行了ISG電機(jī)低溫冷啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)和燃油經(jīng)濟(jì)性臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在所提出的控制策略下，ISG電機(jī)不僅能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)高轉(zhuǎn)速啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，而且能避免低溫時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬間的轉(zhuǎn)速陡降。

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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

安徽省交通廳通達(dá)科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2008AHST0411）

徐小東（1973－），男，安徽合肥人，安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師.

（責(zé)任編輯 呂 杰）