混合動力汽車發動機啟動過程研究

汪茵

摘 要：隨著汽車行業的不斷發展，傳統燃油汽車已經逐漸無法滿足市場的發展需求，混合動力汽車在汽車市場中不斷占據著越來越多的市場銷售份額。發動機啟動是混合動力汽車雙驅動系統運行的關鍵，通過對混合動力汽車發動機啟動過程中的相關參數數據進行研究調整能夠有效的提高發動機啟動效率。因此本文將通過混合動力汽車發動機啟動過程、阻力矩特性、混合動力汽車發動機啟動仿真模型以及影響因素等幾個方面內容對其進行具體的研究分析。

關鍵詞：混合動力汽車 發動機 啟動 仿真模型

混合動力汽車指的是車輛驅動系統由兩個或多個能同時運轉的單個驅動系統聯合組成的車輛，車輛的行駛功率依據實際的車輛行駛狀態由單個驅動系統單獨或共同提供[1]?；旌蟿恿ζ嚢l動機的啟動狀態與其驅動系統的運行有著較為緊密的聯系，通過建立混合動力汽車發動機啟動仿真模型能夠發現ISG電機、幾何壓縮比等眾多因素都能夠直接影響到混合動力汽車的啟動性能，為了不斷提高混合動力汽車發動機的啟動性能，必須對這些影響因素進行有效的控制，這樣才能夠更好的推動混合動力汽車相關行業的發展。

1 混合動力汽車發動機啟動過程分析

1.1 基于ISG的混合動力汽車

混合動力汽車主要能夠分為輕度混合型、功率混合型和能量混合型三種類型，其中輕度混合型動力汽車便指的是采用發動機和電動機一體化的ISG混合動力發動機，其在整個混合動力汽車市場中占據的生產銷售比例是最大的[2]。相比于其它兩種類型混合動力汽車，ISG混合動力汽車的制造成本是比較低的，而且ISG混合動力汽車的結構和系統組成也更加的簡單些，容易實現規?；a?；贗SG的混合動力汽車指的是使用ISG電機來實現發動機啟動的混合動力汽車，這種車輛所配備的是ISG混合動力系統，發動機的起到主要是由ISG控制器來進行控制的，其內部的發動機管理系統與電池管理系統處于分開管理的狀態，車輛能夠隨著運行狀態來選擇最佳的驅動方式，既能夠保證車輛運行的安全性和穩定性，又能夠降低車輛運行產生的能源損耗[3]。

1.2 混合動力汽車發動機啟動過程

混合動力汽車發動機的啟動主要能夠分為啟動靜止、啟動加速和啟動終止三個階段，混合動力汽車行駛過程中，其車輛管理系統會自動對車輛行駛狀態進行監測，如若混合動力汽車的電池存儲量充足的話，那么其啟動的時候便會優先運行電機驅動系統，利用充足的電量來能夠滿足混合動力汽車的行駛需求；當蓄電池存儲電量下降至60%以下時，電機自身阻抗和發動機的靜摩擦阻力會越來越大，發動機便處于啟動靜止階段，等到電機的輸出轉矩小于發動機靜摩擦阻力矩時，混合動力汽車便會快速啟動發動機，而在發動機啟動終止后，電機便會停止運行，通過發動機來為汽車運行提供能量的同時給汽車蓄電池進行充電[4]?；旌蟿恿ζ嚢l動機在電機運行的情況下會處于怠速停機狀態，而當電機運行無法滿足汽車運行需求時便會快速啟動，而且ISG混合動力汽車的電機與發動機之間有著較為緊密的聯系，發動機啟動不需要像傳統燃油汽車一樣繁瑣，其能夠直接利用電機提供的大啟動轉矩來進行快速啟動。

1.3 混合動力汽車發動機啟動性能要求

混合動力汽車的雙驅動或多驅動系統主要是以電機為主、發電機為輔的，其能夠盡可能的使用電力能源，最大程度上減少車輛行駛過程中的油耗和排放?；旌蟿恿ζ噷Πl動機啟動性能有著較高的要求和標準，如若發動機啟動速度過慢的話那么將會使得混合動力汽車的整體運行安全性受到嚴重的影響，甚至還有可能因此對混合動力汽車的電機造成極其嚴重的磨損[5]。不同類型的混合動力汽車發電機的啟動性能要求也是有所不同的，電機所提供的啟動轉矩只要能夠滿足混合動力汽車發動機的預設點火轉速，才能夠推動混合動力汽車發電機的正常啟動，現如今大多數混合動力汽車對發動機的轉速要求是700-1000r/min，其電機需要在0.4s內便帶動發動機到達轉速要求范圍內，這樣才能夠實現混合動力汽車發動機的快速啟動。

2 混合動力汽車發動機啟動過程阻力矩特性

2.1 發動機啟動阻力

混合動力汽車發動機啟動的過程中會受到各種各樣的阻力，活塞環、氣門機構等部件的摩擦阻力會共同作用到曲軸上形成阻力矩，發動機的啟動阻力矩是決定其啟動速度的重要因素，混合動力汽車發動機啟動能夠分為熱啟動和冷啟動兩種狀態，兩種狀態最主要的區別在于發動機啟動過程中的溫度和潤滑油流動狀態，而且兩種狀態下的各個部件摩擦阻力也是有所不同的。如若混合動力汽車發動機處于熱啟動狀態時，發動機整體溫度會比較高，內部的潤滑油流動性也比較強，發動機各部件的阻摩擦力也要小一些；如若混合動力汽車發動機處于冷啟動狀態時，發動機內的潤滑油便會處于凝滯狀態，潤滑效果大打折扣，發動機各部件的阻摩擦力也要大一些。

2.2 啟動阻力矩的測量

在建立混合動力汽車發動機啟動仿真模型的時候需要對其發動機啟動時的阻力矩進行具體的測量，一般情況下所使用的測量方法是倒拖法。在進行混合動力汽車發動機啟動阻力矩測量的時候需要通過電機帶動發動機進行運轉，當發動機的運轉速度達到某一值數不在發生變化時便意味著電機的驅動力矩和發動機的阻力矩達到了統一標準水平，這時便能夠直接將電機的驅動力矩數據作為混合動力汽車發動機的啟動阻力矩[6]?；旌蟿恿ζ嚢l動機啟動阻力矩也需要通過熱啟動和冷啟動兩個方面來進行分別測量，同時還要注意將最終測量得到的阻力矩數據進行分析整合，構建混合動力汽車發動機啟動阻力矩的特性曲線，這樣才能夠更好的保證混合動力汽車發動機啟動仿真模型的建立，從而以此來達到控制混合動力汽車發動機啟動影響因素的目的。

3 混合動力汽車發動機啟動仿真模型

3.1 ISG電機數字模型和驅動控制

3.1.1 ISG電機數字模型

在對混合動力汽車發動機啟動仿真模型進行建立的時候需要對ISG電機的數字模型和驅動控制進行模擬應用。在混合動力汽車發動機啟動仿真模型中使用的ISG電機普遍為永磁同步電機，該電機的整體性能是比較好的，其具有高效、高控制精度、高轉矩密度、良好的轉矩平穩性及低振動噪聲的特點。假設永磁電機轉子無阻尼，忽略高次諧波、磁飽和、渦流、磁滯損耗及溫度等對電機參數的影響，來對ISG電機的數字模型進行建立并將其應用于混合動力汽車發動機啟動仿真模型中便能夠直觀的體現出ISG電機的各方面特性。

3.1.2 ISG電機的驅動控制

混合動力汽車的ISG電機輸出轉矩、輸出功率、定子電流及定子端電壓會隨著轉速變化而變化。為使混合動力汽車發動機啟動加速階段中ISG電機輸出轉矩實時跟蹤并克服發動機運行阻力矩，對ISG電機轉速進行PI控制。PI速度控制器的輸入為電機目標轉速與實際轉速的差值，輸出為交軸電流指令信號[7]。當給定某一指令角速度時，它與實際反饋角速度的差值為轉速PI調節器的輸入，調節器輸出經限幅后作為電機交軸給定電流，考慮電機實際轉速并計算直軸電流。至此，電機的定子電流矢量便已確定。定子電流矢量經坐標變換得到三相給定電流作為系統中電流控制的輸入。同時與實際反饋電流進行滯環比較，從而得到逆變器功率管的驅動信號，構成電流閉環，實現了電機轉速和電流的雙閉環控制。

3.2 混合動力汽車發動機啟動仿真模型

在進行混合動力汽車發動機啟動仿真模型構建的時候首先需要對各方面條件進行控制，確定混合動力汽車發動機啟動的冷、熱等條件，其次便是需要對控制對象進行明確，主要研究電機與發動機之間的關聯，這樣才能夠更好的在混合動力汽車發動機啟動仿真模型中明確各方面因素對發動機啟動速度造成的影響。

3.2.1 冷/熱條件

在混合動力汽車發動機啟動仿真模型中對發動機啟動速度進行測驗的時候需要對冷、熱條件進行管控，分別在水溫達到80攝氏度和20攝氏度的時候進行啟動，80攝氏度下混合動力汽車發動機處于熱啟動狀態，20攝氏度下混合動力汽車發動機則處于冷啟動狀態，啟動時間均設置為0.8s，通過發動機啟動情況能夠發現水溫越高，混合動力汽車發動機的轉速便越快，而且均能夠在0.8s內完成啟動工作，80攝氏度下的混合動力汽車發動機啟動速度為0.15s，20攝氏度下的混合動力汽車發動機啟動速度為0.25s，兩者之間有著較大的差距。

3.2.2 控制對象

混合動力汽車發動機啟動仿真模型的控制對象主要是ISG電機和發動機兩個部分，發動機轉矩和ISG電機轉矩共同作用于發動機和ISG電機的轉動慣量之和，經過積分器來得到發動機轉速[8]。當混合動力汽車初始啟動時只會啟動ISG電機，而后等到蓄電池的電量無法滿足混合動力汽車運行需求時，ISG電機便會帶動發動機進行轉速提升，發動機轉速提升速度則為混合動力汽車發動機啟動速度，通過混合動力汽車發動機啟動仿真模型來對影響發動機啟動速度的各方面因素全部進行有效檢測，分析發動機啟動過程中產生的大量數據，以此來研究混合動力汽車發動機的啟動過程，從而為控制混合動力汽車發動機啟動速度工作的開展奠定下堅實良好的基礎。

4 不同因素對混合動力汽車發動機啟動過程的影響

根據混合動力汽車發動機啟動仿真模型能夠發現，能夠對混合動力汽車發動機啟動過程造成影響的因素有很多種，其中影響最大的是發動機的幾何壓縮比，其次是混合動力汽車發動機啟動過程中產生的倒拖扭矩等因素，這些因素所能夠造成的影響都是較為嚴重的，通過混合動力汽車發動機啟動仿真模型來對這些因素的具體影響情況進行研究分析，從而以此來達到通過控制影響因素推動混合動力汽車發動機更加順利啟動的目的。

4.1 幾何壓縮比

幾何壓縮比是影響混合動力汽車發動機啟動過程最為嚴重的因素之一，在不同混合動力汽車類型的發動機啟動過程中，對幾何壓縮比的要求也是有所不同的，一般情況下混合動力汽車發動機過程中的幾何壓縮比是11、13或者15，幾何壓縮比既不能太大，也不能夠太小，在混合動力汽車發動機啟動仿真模型中能夠發現，混合動力汽車發動機啟動速度會隨著幾何壓縮比的變化而變化，幾何壓縮比越大，混合動力汽車發動機啟動速度便越慢，缸內的壓力也就越大一些，各缸的壓力峰值都會在幾何壓縮比的作用下出現或多或少的增加[9]。而且隨著幾何壓縮機的不斷增長，混合動力汽車發動機的氣缸在進行行程壓縮的時候還會出現阻力矩增高的問題，而阻力矩的增高則會嚴重影響到混合動力汽車發動機的轉速提升速度。因此在進行混合動力汽車發動機啟動過程中要盡可能的對幾何壓縮比進行控制，確保幾何壓縮比處于最佳的數值，這樣便能夠盡可能的減少幾何壓縮比對混合動力汽車發動機啟動造成的影響，從而以此來保證混合動力汽車發動機的啟動速度。

4.2 倒拖扭矩

倒拖扭矩和功率一樣均屬于混合動力汽車發動機的主要參數，通過倒拖扭矩能夠直接反應出混合動力汽車發動機的各個方面性能，倒拖扭矩主要指的是活塞在汽缸里的往復運動，往復一次做有一定的功，倒拖扭矩的單位是牛頓。在混合動力汽車發動機啟動仿真模型中能夠根據分析其倒拖扭矩來對該汽車發動機的好壞進行評判，倒拖扭矩越大，混合動力汽車發動機啟動速度便越快，汽缸內的峰值也會隨著倒拖扭矩的增加而出現上漲的現象，尤其是第3缸內的峰值會上漲到最高程度，其它缸內峰值上漲程度則會略低于第3缸峰值上漲程度，存在著一定的差異不同。因此在對混合動力汽車發動機啟動過程進行控制的時候，也能夠充分考慮倒拖扭矩帶來的影響，通過增加電機倒拖扭矩來提升混合動力汽車發動機的啟動速度，同樣也能夠通過降低倒拖扭矩來對混合動力汽車發動機啟動速度進行減速，確?；旌蟿恿ζ嚢l動機啟動一直處于較為安全可靠的環境中，從而以此來達到推動混合動力汽車發動機更加順利啟動運行的目的。

4.3 節氣門

節氣門指的是控制空氣進入發動機的一道可控閥門，氣體在進行發動機內部與汽油混合變成可燃混合氣后才能夠燃燒行車工做功，節氣門可以說是混合動力汽車發動機的咽喉，如若節氣門出現故障無法打開的話，那么混合動力汽車發動機便會處于無法啟動的狀態，同時節氣門的開放程度也會直接影響到混合動力汽車發動機啟動的速度[10]。根據混合動力汽車發動機啟動仿真模型能夠將節氣門的開放程度設置成90度、45度和0度分別進行測驗，90度為節氣門全開的狀態，45度為節氣門半開的狀態，0度則為節氣門全關的狀態，當節氣門處于半開狀態時，混合動力汽車發動機啟動速度要遠遠高于節氣門全關狀態，但要低于節氣門全開狀態，不過總體上來說相比其它幾種因素，節氣門所能夠造成的影響是最小的?；旌蟿恿ζ嚢l動機的汽缸峰值也會受到節氣門開關程度的影響，其主要會影響到混合動力汽車發動機除第3汽缸外的其它幾個汽缸，這些汽缸在壓縮和膨脹過程中會隨著節氣門的開放而降低內部的壓力峰值，從而以此來實現降低氣吱管壓力的目的。

5 結束語

總而言之，混合動力汽車發動機啟動過程中會受到諸多因素的影響，通過建立混合動力汽車發動機啟動仿真模型能夠將ISG電機與發動機之間的連接直面的體現出來，同時也能夠在模型模擬過程中將不同因素影響情況也全部進行標明，混合動力汽車發動機的幾何壓縮比越大、缸內峰值便越大、發動機的轉速波動也就越大，啟動速度自然也就會快很多?；旌蟿恿ζ囅嚓P行業在未來應當不斷加強對發動機啟動技術的研究，密切電機與發動機之間的關系，盡可能的減少其它因素對發動機啟動的影響，這樣才能夠更好的保證混合動力汽車運行的安全性和穩定性，從而推動混合動力汽車在未來汽車銷售市場中占據更加重要的地位。

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