基于CAN總線的多功能啟停控制系統的設計

劉新波

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州511434）

0 引言

隨著我國城市車輛越來越多，堵車現象越來越嚴重，車輛在堵車及怠速時消耗的燃油越來越多，釋放的二氧化碳等有害物質也會大幅增加。安裝啟停裝置，在城市工況可以有效減少汽車有害氣體的排放、降低油耗[1]。

使用自動啟停功能可以起到節省燃油的作用。當車輛處于發動機怠速工作情況時（如等紅燈，短暫停車等），在滿足一定的條件下，啟停系統將自動關閉發動機。再次起步時，起動機自動運轉并拖動發動機快速起動。整個操作過程力求不改變駕駛員的正常的駕駛習慣，駕駛員也可以通過操作啟停系統主開關關閉自動啟停功能。

本文是基于手動變速箱設計的一個多功能啟停系統，在此啟停功能的基礎上使用了帶LIN調節器的發電機，基于啟停系統開發了智能充電控制功能，通過控制帶LIN通訊功能的發電機，根據實際需求控制輸出電壓，可有效減小消耗扭矩，改善油耗，保證電池工作于良性區間，延長電池壽命。

1 系統設計方案

啟停系統涉及到與整車多個控制模塊的交互，其需要實時檢測檔位、離合信號、制動真空度、電池SOC、車速、空調狀態以及本身故障狀態等，只有多個控制模塊共同協調合作，才能成為一個穩定高效的實時系統。

目前車輛網絡架構大部分使用CAN、LIN等總線進行通信，數據傳輸非常方便，其他模塊節點只需接收或發送相關的CAN報文即可，而啟停控制器只需作為一個CAN節點添加到CAN網絡當中，即可完成信息的交互。

啟停系統正常工作時通常要求車門、發動機蓋關閉，保證駕駛員的安全，在這我們通過BCM（Body Control Module）將其狀態信息發出；發動機停機空調會失去制冷，通常增加空調判斷邏輯，保證啟停不影響駕乘舒適性；啟停系統工作需要在儀表上增加啟停狀態指示燈，實時顯示出啟停的狀態，是否存在故障等信息；同時系統需要增加制動真空度傳感器，發動機停機過程若制動真空度低于閾值則啟動發動機，保證制動安全。

根據車型的配置不同，使用的方案肯定也有所區別。針對手動與自動的車型，可提出多種方案。對于手動變速器配置車輛，需要增加空擋、離合信號判斷車輛傳動鏈狀態。對AT、CVT、DCT等自動變速器配置，TCU（Transmission Control Unit）可以檢測檔位信息，無需額外傳感器。對于AT變速器配置車輛，需要增加電子油泵,用于保持油壓，以便能快速響應系統的要求。

在此以自動變速箱來設計我們的系統，其詳細的系統結構框圖如圖1所示。

啟停系統主要包含 EMS （Engine Management System）、SSM（Start Stop Module）、空擋傳感器、離合傳感器、AGM蓄電池、電池傳感器、啟停專用起動機、BCM、HVAC （Heating Ventilation and Air Conditioning）、智能發電機等。

除了常規的啟停功能外，系統根據車輛運行的不同狀況，通過改變發電機的設定電壓，從而智能地在起動/加速階段減少或關閉扭矩的消耗、在制動階段增大扭矩消耗而回收能量。

智能充電系統原理如下圖2所示，通過EBS(Electronic Battery Sensor)實時監測蓄電池的狀態，包括蓄電池的電量、電壓、溫度及充放電電流等，并通過LIN總線將信號傳輸給EMS。發電機不同于常規發電機，采用LIN通訊型調節器，使得發電機能夠和主節點EMS進行通訊，通過接收EMS的設定電壓值發電機可以調節輸出的電壓值，同時還能根據整車的用電需求及工況設定發電機的負載響應時間、最大勵磁電流等，以改善啟動加速性能和提高舒適性。

圖1 多功能啟停系統框圖

圖2 智能充電系統原理圖

LIN調節器有高精度的電壓設定、精確的勵磁電流限值、更為靈活的負載響應時間設定、更為全面的故障檢測等優勢，使得EMS能夠更精準的控制發電機的輸出和響應發電機的扭矩消耗。

2 軟硬件設計

該模塊的主控芯片使用飛思卡爾S12系列的16位單片機，內置128kb flash，4KB Data flash，RAM達到6KB，完全滿足我們的要求，另外，其帶有1路CAN，8個16位的定時器以及10通道的12位ADC模塊，支持 SCI，SPI等通信功能[2]。

電源監控系統使用BOSCH提供的EBS，EBS作為一個LIN的從站，主站可通過LIN總線實時獲取當前電池SOC、電流、電壓、電池溫度以及SOF，其通過總線來傳輸，硬線接口少，節約了成本。其內置LIN診斷功能，使用LIN2.1通信，通信波特率為19200bps，可直接安裝在電池的負極。使用帶LIN調節器的發電機，通過主站可以實時調節充電電壓，可進一步節約油耗[3]。

在這里SSM模塊相當于一個LIN的主站，從站為EBS和智能發電機，同時其作為一個CAN網絡的結點，波特率為500kbps，通過CAN總線與發動機管理系統、儀表、車身控制器、空調等進行通信。

采用總線通訊，可隨機的讀取各個功能模塊的軟、硬件版本信息，方便記錄與維修。

軟件采用多任務的設計方法，EMS與SSM之間的CAN通信，10ms的任務，LIN通信可根據優先級別設計相關任務時間。

3 結論

采用常規的啟停系統，通常可以節約油耗4-5%，而我們系統中采用帶LIN調節器的發電機，通過基于蓄電池最優電量區間的充電控制策略、基于溫度、車速、蓄電池老化程度的修正充電策略以及勵磁電流及負載響應時間控制策略，實現了在減少油耗的同時延長蓄電池壽命，改善啟動和加速性能。

通過進行實車搭載，驗證功能和控制邏輯，經模擬計算及實際測試NEDC工況，如圖3所示。

圖3 油耗實驗結果

從測試結果來看，在啟停系統的基礎上，采用智能充電時NEDC工況綜合油耗較之常規發電機不帶智能充電功能節省0．7%～1．1%，結果也表明，電氣負載越高時，節油效果越明顯。因實際車輛使用過程中用電負荷會高于NEDC工況負荷，故實際使用節油效果會更好。

在實際使用過程當中，可以把智能充電功能以及啟停功能集成到EMS系統當中，進一步節約硬件成本。

［1］張穎劍．發動機怠速啟動停止系統研究及CRUISE仿真[D]合肥工業大學，2013．

［2］MC9S12XEP100Reference ManualCovers MC9S12XE Family freescale[Z]．2013．2

［3］Bosch．電池傳感器文檔[Z]．2011．