祁克光，黃開勝

（1.奇瑞汽車股份有限公司動力總成技術(shù)中心電控部，安徽蕪湖　241009；2.清華大學汽車工程系，北京　100084）

增強型起動機起停系統(tǒng)與48V BSG技術(shù)分析

祁克光1，黃開勝2

（1.奇瑞汽車股份有限公司動力總成技術(shù)中心電控部，安徽蕪湖241009；2.清華大學汽車工程系，北京100084）

對比分析起動機起停系統(tǒng)和48V BSG系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)和控制策略，并著重分析起動機起停系統(tǒng)起動特性，展望其發(fā)展方向。

起動機起停系統(tǒng)；48V BSG；控制策略

1　控制結(jié)構(gòu)對比

參照先進工業(yè)國家的分類方法，目前市場上車輛所采用的怠速起停系統(tǒng)大致可以分為3類：第1類是起動機起動型；第2類是集成起動機與交流發(fā)電機功能為一體的皮帶驅(qū)動起動型；第3類是利用直噴發(fā)動機的優(yōu)點，從發(fā)動機停止時起，直接向其內(nèi)部噴射燃油，使其爆發(fā)的燃燒起動型［1］。起動機起停系統(tǒng)是指使用類似于傳統(tǒng)起動機的增強型起動機，實現(xiàn)怠速自動起停這一類技術(shù)的統(tǒng)稱，48 V BSG系統(tǒng)是指第2類起停系統(tǒng)。由于直噴發(fā)動機在國內(nèi)還沒有廣泛應用，本文僅對起動機自動起停系統(tǒng)和48 V BSG系統(tǒng)這2類起停系統(tǒng)進行對比分析。

1.1起動機起停系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

起動機起停系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。與普通汽油發(fā)動機車輛的控制相比，起動機起停系統(tǒng)增加了起?？刂崎_關(guān)、駕駛員車門開關(guān)、前艙開關(guān)、除霜除霧開關(guān)、離合器開關(guān)、空擋開關(guān)、蓄電池傳感器、ISS（Idle-Start-Stop：怠速自動起／停）指示燈、制動真空度傳感器，12V低壓蓄電池和起動機需要增強，增加成本較少。

為防止頻繁起停導致蓄電池虧電，12 V低壓蓄電池容量可適當增加。另外，考慮到起動機的壽命，起動機性能也要增強。普通起動機要求整個生命周期內(nèi)起動次數(shù)達到4.5萬次，而起動機起停系統(tǒng)增強型起動機則要求達到25萬次。

圖1　起動機起停系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

1.248VBSG系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

48 V BSG系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。與起動機起停系統(tǒng)相比，除了具備起動機起停系統(tǒng)功能增加的起?？刂崎_關(guān)、駕駛員車門開關(guān)、前艙開關(guān)、除霜除霧開關(guān)、離合器開關(guān)、空擋開關(guān)、蓄電池傳感器、起停指示燈外，還需要新增48 V蓄電池組、集成逆變器BSG電機、48 V轉(zhuǎn)12 V的DC／DC（Direct Current-Direct Current）轉(zhuǎn)換器、高壓線束、張緊輪等。另外，通常還需要選用電子轉(zhuǎn)向助力、電子制動（如真空助力需增加真空壓力傳感器）、電子空調(diào)等裝置。相比起動機起停系統(tǒng)，成本又有增加。

圖2　48V BSG系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

表1　控制結(jié)構(gòu)成本分析表

1.3起動機起停系統(tǒng)與48 V BSG系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)成本分析

相對于傳統(tǒng)車，起動機起停系統(tǒng)與48 V BSG系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)新增或者變更件的成本分析見表1。起動機起停系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)車成本增加約1 500元／輛，48 V BSG系統(tǒng)相對傳統(tǒng)車成本增加約5000元／輛。

無論是起動機起停系統(tǒng)，還是48 V BSG系統(tǒng)，相比HEV（Hybrid Electric Vehicle：混合動力汽車）、PHEV、EV（ElectricVehicle：電動汽車）整車，成本增加很少，都屬于弱混動汽車技術(shù)。

起動機起停系統(tǒng)和48V BSG系統(tǒng)最核心的零部件就是起動機。起動機起停系統(tǒng)的起動機和傳統(tǒng)的起動機基本相同，區(qū)別在于起動機起停系統(tǒng)的起動機要求產(chǎn)品生命周期內(nèi)的起動次數(shù)更高，所以稱之為增強型起動機。博世、錦州漢拿、上海法雷奧等主流起動機供應商，都有滿足起動機起停系統(tǒng)要求的起動機。如博世SSM1起動次數(shù)達到25萬次，博世SSM2起動次數(shù)達到40萬次，博世SSM3起動次數(shù)則達到60萬次［2］。48V BSG系統(tǒng)使用的則是起動／發(fā)電一體式的電機，取消傳統(tǒng)車上發(fā)電機。起動／發(fā)電一體式電機，既可以實現(xiàn)電機起動，也可以實現(xiàn)制動能量回收。博世、大陸、德爾福等供應商都有BSG電機產(chǎn)品，圖3所示為大陸某款BSG電機。

圖3　大陸某款BSG電機實物圖

2　控制策略分析

2.1起動機起停系統(tǒng)控制策略

起動機起停系統(tǒng)控制策略示意見圖4。相對于傳統(tǒng)汽油發(fā)動機汽車，起動機起停系統(tǒng)僅僅是在怠速的時候，實現(xiàn)發(fā)動機自動起停功能。當綠燈亮的時候，起動機自動拖動發(fā)動機起動，達到一定的轉(zhuǎn)速（如600r／min）起動機停止工作。當遇到紅燈的時候，發(fā)動機自動停機。起動機起停系統(tǒng)就是怠速自動停機和起動功能，減少怠速運轉(zhuǎn)的油耗。

圖4　起動機起停系統(tǒng)控制策略示意圖

自動起動、自動停機的條件要結(jié)合車速、離合器開關(guān)狀態(tài)、制動開關(guān)狀態(tài)、油門踏板狀態(tài)、蓄電池電量狀態(tài)、真空制動助力壓力信號等綜合判斷。

2.248V BSG系統(tǒng)控制策略

48 V BSG系統(tǒng)控制策略示意見圖5。在起動時電機會拖動發(fā)動機起動，且在加速時電機可以輔助助力，此后電機停止工作。當減速或者踩制動踏板時，可以進行能量回收，給蓄電池充電。當進入怠速的時候，發(fā)動機自動停機。除與起動機起停系統(tǒng)一樣的怠速自動停機和起動外，48V BSG還多了輔助助力和制動能量回收的功能。

圖5　48V BSG系統(tǒng)控制策略示意圖

2.3優(yōu)缺點分析

1）兩者都具有怠速自動起停功能，但起動機起停系統(tǒng)僅有怠速自動起停功能，而48V BSG控制系統(tǒng)除具備怠速自動起停功能外，還具有加速助力和制動能量回收的功能。起動機起停系統(tǒng)在NEDC工況，可實現(xiàn)節(jié)油5%。而48V BSG控制系統(tǒng)在NEDC工況，可實現(xiàn)節(jié)油10%。

2）由于起動機起停系統(tǒng)的發(fā)動機自動起動是由普通的起動機拖動運行，起動成功還需要自身的汽油做功，從起動到發(fā)動機起動成功需要一定的時間。而48V BSG控制系統(tǒng)的自動起動是由電機拖動運行，待電機達到一定的轉(zhuǎn)速才拖動發(fā)動機運轉(zhuǎn)，電機本身可以起步助力。因此，48V BSG系統(tǒng)起步運行更快、更可靠，不影響駕駛者的主觀感受。而起動機起停系統(tǒng)因為自動起動到運行大約需要1s的時間，駕駛者往往難以接受。

3）48VBSG系統(tǒng)相對起動機起停系統(tǒng)，增加了電機輔助助力功能，可以提升車輛起步時的動力性，主觀感受更優(yōu)。

4）48VBSG系統(tǒng)相對起動機起停系統(tǒng)，增加了制動能量回收功能，更好地優(yōu)化能量使用，具有更好的燃油經(jīng)濟性。

5）48VBSG系統(tǒng)雖然在油耗及駕駛者感受上優(yōu)于起動機起停系統(tǒng)，但起動機起停系統(tǒng)增加成本很少，且對車輛改動較小。48 V BSG系統(tǒng)成本相對高，且對車輛改動較大。

3　起動機起停系統(tǒng)起動特性分析

起動機起停系統(tǒng)的自動起動是由起動機拖動發(fā)動機運轉(zhuǎn)到300 r／min左右，由發(fā)動機自行點火完成起動，所以起動的可靠性必須保證。在保證可靠性的前提下，盡可能地降低發(fā)動機起動過程中的峰值轉(zhuǎn)速，減少起動加濃噴油量，只有這樣才能確保起動機起停系統(tǒng)節(jié)油的目標。起動機起停系統(tǒng)發(fā)動機起動過程見圖6。

圖6　起動機起停系統(tǒng)發(fā)動機起動過程

把圖6起動過程分為幾個階段：①發(fā)動機轉(zhuǎn)速從0—300 r／min，由起動機拖動發(fā)動機運轉(zhuǎn)，此時發(fā)動機可以識別曲軸和相位信號，可以進行正時判斷；②300—600 r／min，發(fā)動機識別正時后開始點火，發(fā)動機燃燒做功的能量使發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升，同時起動機隨之一起運轉(zhuǎn)（在600 r／min時，起動機脫開、停機）；③600 r／min到峰值轉(zhuǎn)速，發(fā)動機依靠預控的進氣量和汽油燃燒做功，把發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升到峰值轉(zhuǎn)速；④峰值轉(zhuǎn)速到怠速目標轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。這4個階段順利完成，標志著起動成功。但起動過程預控進氣量要大于怠速工況，且要通過加濃來保證起動的可靠性，所以起動過程相對于同等時間的怠速運行油耗要高。所以，對于起動機起停系統(tǒng)來說，起動的標定尤其重要，如果處理不好，理論節(jié)油效果就難以得到體現(xiàn)。在確保起動可靠性的前提下，盡可能降低起動過程中的轉(zhuǎn)速上升峰值（即減少預控進氣量），同時減少起動加濃，快速進入閉環(huán)控制。

在發(fā)動機溫度為60±5℃時，通過標定起動預控進氣量來控制發(fā)動機起動時的峰值轉(zhuǎn)速。通過標定起動時燃油加濃系數(shù)，使起動沉底Lambda分別等于0.7、0.8倍測試起動時間（單位：s）和平均燃油噴射脈寬（單位：ms），來分析如何獲得更好的燃油經(jīng)濟性。

某整車不同起動加濃及預控進氣量下的起動時間和噴油量測試結(jié)果見圖7。由圖7可見，當標定的預控進氣量使發(fā)動機起動峰值轉(zhuǎn)速在900～950r／min，采用沉底LAM（Lambda）=0.8時，既可以保證起動品質(zhì)，又可以確保起動的燃油經(jīng)濟性。每輛車所獲得的結(jié)果不同，所以需要針對車輛進行精細化的標定。

圖7　不同起動加濃及預控進氣量下的起動時間和噴油量

通過測試，發(fā)動機溫度為60±5℃時，怠速轉(zhuǎn)速為600r／min，閉環(huán)控制Lambda=1，怠速噴油脈寬為2.78 ms。發(fā)動機起動峰值轉(zhuǎn)速950 r／min，采用沉底LAM= 0.8時，起動平均噴油脈寬約為5ms，持續(xù)時間約為1s?？紤]到起動后噴油量快速衰減進入閉環(huán)控制的過程，怠速時間不超過3s的燃油消耗量和一次起動燃油消耗量達到平衡。而在NEDC工況，可實現(xiàn)怠速停機11次（每次持續(xù)時間都在20s左右）［3］。

所以，只要通過精細化標定，起動機起停系統(tǒng)可同時兼顧起動的可靠性和自動起停的燃油經(jīng)濟性。

4　結(jié)束語

起動機起停系統(tǒng)和48VBSG系統(tǒng)各有優(yōu)缺點。在NEDC（New European Driving Cycle：歐洲標準行駛循環(huán)）工況，亦或者是WLTC（World-wide Light-duty TestCycle：全球標準行駛測試循環(huán)）工況，都能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)油；而在真正的城市駕駛工況中，這種意義更大。起動機起停系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡單，整車改動小，成本低；48VBSG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復雜，整車改動相對大一些，成本也高一些，但駕駛感覺和節(jié)油效果更優(yōu)。所以，未來幾年這兩種技術(shù)勢必會同時存在。

［1］周泉.怠速起停系統(tǒng)促進起動機革命［J］.汽車電器，2014（10）：39-43.

［2］沈超.Start／Stop系統(tǒng)所用起動機可靠性研究［D］.武漢：武漢理工大學學位論文，2013.

［3］祁克光.汽車ISS控制技術(shù)節(jié)油研究與應用［J］.安徽科技，2012（11）：37-38.

（編輯心翔）

Technology Analysis Start-stop System and 48V BSG Systemof the Starter

QI Ke-guang1，HUANG Kai-sheng2
（1.Chery Automobile Company Power Train Technical Centre，Wuhu 241009，China；2.School of Automotive Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

This paper conducts comparative analysis on controlling structure and strategy between start-stop system and 48V BSG system of the starter，specifically analyzes the starting feature of the start-stop system，outlooks on its development trend.

start-stop system；48V BSG；controlling strategy

A

1003-8639（2016）07-0044-04

2015-12-04；

2015-12-25

祁克光，奇瑞EMS自主研發(fā)項目經(jīng)理，2002年從事汽車電控工作，2008年06月帶領團隊完成中國第一個完全自主知識產(chǎn)權(quán)的EMS系統(tǒng)CEMS1.0，并批量應用，2011年獲得中國汽車工業(yè)部科技進步二等獎（課題：奇瑞自主EMS項目）。