汽车智能启停系统及制动能量回收策略性能分析

yeshuheng 2020-10-20

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摘要:为了减少汽车行驶过程中能量消耗、减轻尾气排放对环境污染，同时对怠速及制动消耗能量再回收利用，对汽车智能启停技术及制动能量回收技术进行研究。首先介绍汽车启停系统研究背景、工作原理，及制动能量回收策略；其次运用advisor软件对汽车进行建模，并结合城市道路工况进行仿真分析；最后搭建试验台架，实验分析启停系统的燃油经济性及制动能量回收性能。结果表明：该启停系统百公里油耗降低，燃油经济性更好；能量回收策略通过回收制动能量更有效快速重启发动机，提高整车性能。

汽车的普及不仅消耗能源，同时还引起严重的环境污染问题，这些问题已经成为人类社会发展必须面对的问题。近年来，世界各国都在加强环境保护管理力度，各国对汽车尾气排放及油耗的管理越来越严格，法律法规在不断完善加强[1]。中国汽车工业进入迅速发展时期，逐年增加的汽车保有量，不仅需要消耗大量能源，同时还会造成严重的环境污染。为缓解能源供需压力及环境污染问题，要积极鼓励研发节能环保技术，促进新能源汽车的生产及使用。

随着石油资源存有量减少与能源需求量增多的矛盾加剧，中外对启停系统的研究开发在逐渐走向成熟，制动能量回收技术受到越来越多的关注，并取得一定的成效[2]。20世纪80年代，日本某公司研发出第一代启停系统，成功应用于货车和大型客车并进行性能测试分析，结果表明启停系统能节约14%燃油，减少13%尾气排放，节能减排效果显著[3]。解本欣[4]针对启停系统进行控制策略研发制定、系统操纵测试、实际工况下节油测试分析及研发应用遇到的故障及解决措施等方面的研究，提出一种安全有效的控制策略，通过不断试验，制定有效的功能测试规范及诊断规范，实现了自起动系统在汽车上的成功应用。20世纪60年代，有关再生制动能量回收已经有了初步的研究。近年来，能量回收在技术上取得一定的成就。王傅忠[5]分析对比能量转换装置子系统的选择差异设计了最优的飞轮式汽车制动能量回收系统，在Simulink环境下对制动减速工况及下坡工况的能量回收效果进行仿真分析，结果表明该系统可以有效回收10%～14%的制动能量。林仕立等[6]针对地铁制动对瞬时大功率的需求，提出一种超级电容与锂电池组合构成的混合储能系统，通过对混合储能系统功率的协调分配进行并仿真，结果表明，对制动能量的合理分配不仅可以减少锂电池使用数量，同时储能系统整体性能得到提升。邢恩辉等[7]通过对比分析几种常用于电动汽车储能技术的优缺点，提出一种超级电容器与蓄电池混合构成新电源的制动能量回馈系统，并突出相应的控制策略，在频繁处于制动工况的城市路面下，该控制策略能通过电液制动力的相互协调，提高制动能量回馈效率。

研究发现，发动机运行工况主要包括怠速运转工况、减速行驶工况、匀速行驶工况及加速行驶工况[8]。其中，汽车怠速时长约占总工况时长的25%，期间发动机不对外做功，仅维持某一转速运转且消耗能量，耗油量占总量的1/3，此过程消耗34%的汽车驱动能量，不仅发动机燃油燃烧不充分，燃油经济性降低，而且排放性能差，有害尾气排放量增加，降低发动机工作可靠性[9]。汽车制动过程中消耗能量最终以热能形式散失在空气中，造成能源浪费。因此，将启停系统和制动能量回收策略合理地应用于汽车上，通过仿真和试验分析其燃油经济性及对制动能量回收利用效果。

1 智能启停系统

1.1 智能启停系统

智能启停系统是一种应用于汽车上的微型混合动力技术，该系统控制算法是通过采集汽车行驶状况信号及驾驶员操纵状态信号，并进行判别，在条件满足时对发动机启动与停止自动控制的系统[10]。该系统判定汽车处于等待或停车等情况则关闭发动机停止工作，当驾驶员有启动发动机前行意图时则快速重新启动发动机，使发动机快速恢复正常工作状态[11]。目前汽车智能启停系统方案主要有起动机-发动机独立式系统、起动机-发动机集成式系统、(smart idle stop start,SISS智能怠速启停)系统三种方案[12]，主要组成部件包括发电机、控制单元(ECU)、起动电机、传感器、蓄电池、DC/DC稳压器、启停开关等。

1.2 智能启停系统结构及控制策略

汽车启停系统主要通过判断来自传感器的信号自发控制发动机启停，其控制策略需要在满足所有必要条件才会自发启动/关闭汽车发动机停机/启动功能，其条件控制规则如图1所示。

图1 汽车发动机起动/停止功能条件控制流程图
Fig.1 The control flow diagram of start-stop function
condition on automobile engine

触发汽车怠速自动起步/停机是以汽车怠速启停系统功能已开启为前提，判别驾驶员下一步意图操作，根据图2、图3所示条件进行判别并对发动机怠速起步/停机实施控制。

图2 触发汽车怠速自动启动控制流程图
Fig.2 The control flow diagram of triggering
automatic starting on vehicle idle

图3 触发汽车怠速自动停机控制流程图
Fig.3 The control flow diagram of triggering
automatic stop on vehicle idle

2 制动能量回收策略

2.1 制动能量回收策略

蓄电池具有成本低、比能量高等优点，增加汽车续驶里程，但其在强电流下长时间工作会受到电流冲击降低使用寿命[13]；相比蓄电池，超级电容可以利用冲击电流提供瞬时大功率满足汽车在加速或者爬坡时的功率需求，并且超级电容充放电效率更快、能量回收效率更高[14]。制动能量回收策略采用蓄电池与超级电容并联组成复合电源的方式，如图4所示。

图4 复合电源结构示意图
Fig.4 The Schematic diagram of composite power supply

其中蓄电池直接对外输出功率，DC/DC转换器连接超级电容，通过追踪蓄电池端电压来调控超级电容电压协调工作[15]。这种方式可以将蓄电池电流控制在安全范围内，且由于超级电容与蓄电池端电压不需要保证一致，电压调节更具有灵活性，能量回收效率得到提高。

2.2 制动能量回收控制策略

发动机功率会随着汽车行驶过程中工况的变化有不同需求，能量回收控制策略则是通过调配蓄电池与超级电容的输出功率，满足发动机对功率的不同需求，控制规则如图5所示控制策略。

图5 制动能量回收控制策略
Fig.5 The control strategy of braking energy recovery

发动机起步需求功率为正，且大于某一设定功率时，优先由超级电容提供功率；超级电容电量不足设定值时，则由蓄电池提供功率。若发动机需求功率不大于某设定值，则全部由蓄电池输出功率。

发动机制动需求功率为负，且超级电容电量未饱和，则优先对超级电容充电；超级电容电量饱和后，则对蓄电池进行充电。

3 建模及仿真分析

3.1 汽车模型

选用Advisor仿真软件进行建模分析，该软件综合了前向仿真和后向仿真的优点，具有计算量小、仿真精度高等优点。Advisor将汽车按模块划分并分别建模，根据需求对软件内混合动力汽车车型关键部位进行修改，通过添加超级电容模型、DC/DC模块、修改发动机控制策略、添加制动能量回收策略模型等组建合适的仿真模型，如图6所示。

gal为总燃油消耗模块；C为碳物质输入模块；emis为氮氧化合物模块；ex_cat_tmp为其他排放物模块
图6 汽车仿真模型
Fig.6 The model of automobile simulation

3.2 仿真结果分析

3.2.1 汽车启停系统仿真结果分析

以6个城郊道路行驶循环工况(CYC-ECE)城郊循环工况为研究对象，结果表明改进后的汽车可以实现汽车车速为0时，发动机转速为0；并且改进后汽车可以快速重启发动机，说明该汽车模型建立了正确的启停系统模型。

在CYC-ECE城郊工况下，汽车改进后百公里油耗由传统的7.7 L降低为6.7 L，下降了12.98%，尾气排放污染物含量也降低，结果表明改进后的汽车提高了汽车燃油经济性及排放性能。

3.2.2 制动能量回收仿真分析

在CYC-ECE循环工况下，改进后的汽车行驶过程中电源的电量(SOC)变化如图7所示。

图7中，曲线下降代表汽车需求功率为正，电源放电过程；曲线上升则代表电源对制动能量回收过程，能量回收随着汽车下降速度越快效果也明显，表明改进后的汽车具有显著回收制动能量效果。

图7 行驶过程中电源SOC变化
Fig.7 The SOC value changes of power
supply in the driving process

单一蓄电池与复合电源中蓄电池充放电电流变化如图8所示。由图8可知，单一蓄电池电流变化比复合电源电流变化波动大，且回收制动能量时，超级电容吸收了大部分电流，说明通过与超级电容相组合，可避免大电流对蓄电池的冲击，蓄电池充放电电流更稳定，延长其使用寿命。

对汽车在CYC-ECE循环工况工作时，制动损失功率进行仿真分析，结果如图9所示。由图9可知，采用复合电源的汽车制动能量比采用单一蓄电池汽车制动能量损失更低，说明复合电源的使用可以提高对制动能量回收率。

图8 单一电源与复合电源蓄电池充放电电流变化
Fig.8 The charge and discharge current changes of the
single power supply and composite power

图9 车轮制动损失功率
Fig.9 The loss power of wheel in the braking

4 搭建试验台及试验结果分析

4.1 试验台架搭建及工作原理

通过搭建试验台对汽车启停系统对燃油经济性的作用进行测试，同时分析汽车启动/制动时超级电容充放电情况。试验台主要包括发动机总成、控制面板、发电价、惯性飞轮、超级电容及蓄电池等部件，台架结构如图10所示。

图10 试验台架结构
Fig.10 The structure diagram of experiment platform

该试验台架启停系统控制原理为：发动机控制器ECU接收信号并进行判断，根据条件控制发动机停机熄火或者重启发动机。制动能量回收原理：启动发动机，使飞轮旋转，模拟汽车行驶的动能。系统接收信号并进行判断，当汽车制动滑行时，优先对超级电容充电，超级电容电量饱和后，由蓄电池会对制动能量进行回收；当汽车需要启动时，若超级电容电量充足，则由超级电容放电启动发动机，否则采用蓄电池启动。

4.2 试验结果分析

4.2.1 汽车启停系统试验分析

通过实验对发动机怠速油耗及启动并怠速油耗进行分析，具体实验操作如下：启动发动机将水加热到85 ℃时，按下油耗检测仪同时开始计时 1 min，关闭油耗仪并记录期间发动机怠速消耗的燃油。然后打开启停开关，断开系列开关，使得满足停机条件，发动机关闭；接下来打开系列开关，使发动机重新启动，此时按下油耗检测仪同时计时1 min，关闭油耗仪并记录期间发动机怠速启动并保持运转所消耗燃油。重复试验9次，记录数据如表1所示。

对表1中数据进行分析，按照6个CYC-ECE循环工况计算，折算为百公里油耗为6.39 L，理论仿真百公里油耗为6.7 L，误差为4.62%，证明仿真结果可靠；与传统汽车百公里油耗7.7 L相比，百公里油耗下降了17.01%，说明在城市交通状况下，汽车启停系统有着良好的燃油经济性。

4.2.2 制动能量回收试验分析

通过原起动机起动发动机，调节油门使飞轮转速达到2 000 r/min，关闭系列开关，使系统满足能量回收条件，开始能量回收试验，同时需要将发动机和变速器完全断开。

表1 发动机油耗情况
Table 1 The fuel consumption date table of engine

飞轮转速变化数据与超级电容充电电压变化数据结果分别如图11、图12所示。打开离合器开关，使系统满足重启条件，重启发动机，得到启动发动机时超级电容电压变化如图13所示。

图11 飞轮转速变化
Fig.11 The rotate speed changes of flywheel

图12 超级电容充电电压变化
Fig.12 The charging voltage changes of ultra capacitor

图13 启动发动机时超级电容电压变化
Fig.13 The voltage changes of ultra
capacitor when engine start

分析图11可知，飞轮转速在波动变化一段时间后趋于平稳，稳定转速为1 994 r/min，与设定数据 2 000 r/min 相差较小，误差在可接受范围内，可以证明试验有效性。

分析图12、图13可知，能量回收时，超级电容充电，电压从11 V增长为15 V；启动发动机时，超级电容放电，电压从15 V下降至13 V。且超级电容放电后13 V电压比原始11 V电压高，说明在下一次制动能量回收开始时，超级电容初始电量更高，充电更容易，因此对制动能量回收后的超级电容可以满足再次启动发动机的需求。