起停技術(shù)在商用車上的應(yīng)用

郁 強(qiáng)， 張凌露， 宋 偉

（1.上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438；2.南京依維柯汽車有限公司產(chǎn)品工程部，江蘇 南京 210028）

為減少機(jī)動(dòng)車污染排放，北京擬立法規(guī)定車主在停車超過3min時(shí)應(yīng)熄火。北京還就此舉行立法聽證會(huì)，這看起來有點(diǎn) “管太寬”的規(guī)定引起了熱烈爭(zhēng)議。停車3min熄火，對(duì)減少污染的問題，不存在爭(zhēng)議。有爭(zhēng)議的是制度的可操作性，對(duì)車輛有無損害，以及乘員適應(yīng)感等。值得慶幸的是目前已經(jīng)有了成熟的汽車技術(shù)手段來 “一步到位式”解決停車熄火的難題，這就是 “起動(dòng)／停止”的技術(shù)。

1 商用車起停系統(tǒng)核心技術(shù)介紹

起停技術(shù)并不復(fù)雜，可以根據(jù)車輛遇到交通信號(hào)燈這種典型工況來說明其工作原理。當(dāng)紅燈亮起，駕駛員踩下制動(dòng)踏板，停車摘檔。這時(shí)候，Stop-start系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)：發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)且沒有掛檔；底盤系統(tǒng)的車輪轉(zhuǎn)速傳感器顯示為零；電子電池傳感器顯示有足夠的能量進(jìn)行下一次起動(dòng)。滿足這3個(gè)條件后，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。而當(dāng)信號(hào)燈變綠后，駕駛員踩下離合器，隨即就可以快速起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。駕駛員掛檔、踩油門，車輛快速起動(dòng)。

雖然起停系統(tǒng)的匹配性很高，但它畢竟是一個(gè)集成系統(tǒng)，涉及到車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)系統(tǒng)、安全性和舒適性，因此需要整車廠和供應(yīng)商共同確定系統(tǒng)控制策略。實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和停止，目前主流技術(shù)路線有兩種：一種是博世的增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)技術(shù)和法雷奧的ReStart技術(shù)，一種是法雷奧的i-StARS技術(shù)。使用起停系統(tǒng)后因起停次數(shù)增加，對(duì)起動(dòng)機(jī)的壽命要求大大提高。增強(qiáng)型起動(dòng)機(jī)和ReStart都是在不改變?cè)衅饎?dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)其關(guān)鍵機(jī)械件、運(yùn)動(dòng)件和易損件進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)來達(dá)到這種要求，并通過緊湊性設(shè)計(jì)。法雷奧的i-StARS技術(shù)則將起動(dòng)機(jī)集成到發(fā)電機(jī)中，取消了傳統(tǒng)起動(dòng)機(jī)。集成發(fā)電／起動(dòng)機(jī)通過內(nèi)置控制模塊，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)、發(fā)電功能的自動(dòng)切換。起停系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，博世公司提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)策略，如圖1所示，該策略涉及5個(gè)方面：控制軟件、起停、能量管理、安全和舒適。

博世起停系統(tǒng)的一般控制邏輯如下：當(dāng)車輛停止并處于空檔，電池電量充足，制動(dòng)真空度充足，發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)良好，且滿足安全條件 （駕駛員在座、發(fā)動(dòng)機(jī)前艙蓋閉合等）時(shí)，起停系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。當(dāng)制動(dòng)真空度不足，或電池電量不足，或起停系統(tǒng)主開關(guān)斷開，或踩下油門踏板，或車輛速度超過限值，或不滿足安全起動(dòng)前提條件時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)保持在發(fā)動(dòng)狀態(tài)不停機(jī)。部分車型還對(duì)空調(diào)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和控制，其電控架構(gòu)如圖2所示。

起停系統(tǒng)先進(jìn)的技術(shù)，首先體現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的壽命上。起停系統(tǒng)以減少整車的怠速時(shí)間來達(dá)到節(jié)油的目的，這樣起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)運(yùn)行次數(shù)大大提高。以博世公司L系列起動(dòng)機(jī)為例，通過強(qiáng)化軸承、加強(qiáng)行星齒輪機(jī)構(gòu)、采用經(jīng)強(qiáng)化的齒輪嚙合機(jī)構(gòu)、優(yōu)化換向器等措施，延長(zhǎng)起動(dòng)機(jī)的壽命，如圖3所示。通過采用以上專門的技術(shù)，保證起動(dòng)機(jī)在車輛整個(gè)使用壽命中頻繁起動(dòng)而不損害。以BOSCH公司S78平臺(tái)減速起動(dòng)機(jī)為例，適用于2.0～2.8 L的柴油機(jī)，按BOSCH內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)要求，起動(dòng)機(jī)的使用壽命達(dá)到30萬次。部分用于汽油機(jī)的起停起動(dòng)機(jī)，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)排量小、起動(dòng)扭矩較小等因素，起動(dòng)機(jī)的使用壽命能達(dá)到40萬次以上。

使用起停系統(tǒng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)頻繁起動(dòng)，對(duì)整車電氣系統(tǒng)能量平衡以及蓄電池的使用壽命產(chǎn)生不利影響。為了解決這些問題，需要對(duì)蓄電池和發(fā)電機(jī)使用新的技術(shù)。

1.1 增加AGM型蓄電池

AGM型蓄電池是專為起停系統(tǒng)研發(fā)的。它也是鉛酸型蓄電池，但和普通蓄電池不同的是，它內(nèi)部沒有自由流動(dòng)酸液，酸液都被集成在纖維狀組織中，以此減少酸液密度分層、極板電解質(zhì)脫落這兩個(gè)造成蓄電池老化的主要因素的影響，同時(shí)纖維組織存在也減少了離子移動(dòng)過程中的阻力，因而，AGM蓄電池比普通蓄電池壽命更長(zhǎng)，深度放電能力也更強(qiáng)。使用蓄電池傳感器，隨時(shí)監(jiān)控蓄電池的充電狀態(tài)，系統(tǒng)在關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)前都會(huì)先判斷當(dāng)前蓄電池的電量是否足夠重新起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，只有當(dāng)電量充足時(shí)才允許發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。如果發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)間較長(zhǎng)，用電器持續(xù)用電，使蓄電池虧電達(dá)到某個(gè)預(yù)先設(shè)置的限值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立刻退出熄火狀態(tài)，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)充電能，以此避免發(fā)動(dòng)機(jī)因蓄電池電量不足而無法重新起動(dòng)，給駕駛者帶來不便。系統(tǒng)是通過傳感器連續(xù)測(cè)量蓄電池充放電電流、電壓和內(nèi)部溫度等參數(shù)，并根據(jù)模型計(jì)算出蓄電池的狀態(tài)的，因此傳感器和蓄電池之間需要進(jìn)行匹配。

1.2 增加多功能調(diào)節(jié)器

由于起停系統(tǒng)在駐車怠速時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣發(fā)電機(jī)在整個(gè)駕駛循環(huán)內(nèi)總的發(fā)電量會(huì)減少，為保證系統(tǒng)電能平衡，最簡(jiǎn)單的辦法是使用功率更大的發(fā)電機(jī)，但更好的辦法是使用多功能調(diào)節(jié)器，優(yōu)化發(fā)電機(jī)與整車的匹配，同時(shí)提高發(fā)電機(jī)的效率。使用多功能調(diào)節(jié)器的發(fā)電機(jī)，能夠在ECU的控制下，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)有用的功能：一是能夠根據(jù)蓄電池虧電程度，合理設(shè)置充電參數(shù)，提高充電效率，并減緩蓄電池的老化；二是能夠根據(jù)車輛行駛狀況，在發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩資源緊張的時(shí)候，減少發(fā)電機(jī)的扭矩需求，而在扭矩充裕的時(shí)候，適當(dāng)提高發(fā)電功率。同時(shí)，高效發(fā)電機(jī)技術(shù)本身也是一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，因?yàn)榘l(fā)出同樣的電量消耗的燃油更少。目前的高效發(fā)電機(jī)效率能夠達(dá)到70%，相比普通發(fā)電機(jī)節(jié)能約1%。

1.3 增加DC／DC穩(wěn)壓控制器

部分帶有起停功能的汽車，為了安全和減少客戶對(duì)起停功能的不適應(yīng)，裝有DC／DC穩(wěn)壓控制器。在起停系統(tǒng)中，起動(dòng)造成的電池電壓跌落，一方面會(huì)造成一些用電器的重啟而影響舒適性，另一方面欠壓也會(huì)影響用電器的使用壽命。DC／DC在這種欠壓環(huán)境下，能給如下這些用電器提供穩(wěn)壓：導(dǎo)航儀，CD機(jī)，內(nèi)飾燈，ABS，空調(diào)控制面板和儀表等。

1.4 增加安全模塊

安全模塊包括4個(gè)傳感器：前蓋開關(guān)、變速器檔位開關(guān)、制動(dòng)真空傳感器、門鎖開關(guān)。當(dāng)前艙蓋或車門打開，或者檔位不在空檔時(shí)，出于安全目的，發(fā)動(dòng)機(jī)不能被自動(dòng)起動(dòng)。而當(dāng)制動(dòng)真空度不足時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該被起動(dòng)。在儀表上增加顯示功能是為方便駕駛員掌握車輛運(yùn)行狀態(tài)信息的。

1.5 改進(jìn)凸輪軸相位傳感器和凸輪軸的目標(biāo)輪

為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)乘客的沖擊，增加整車舒適性，則要求盡可能減少起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的時(shí)間。起停系統(tǒng)常用的解決方案是改進(jìn)凸輪軸相位傳感器和凸輪軸的目標(biāo)輪。具體方案是將目標(biāo)輪由4+1齒改為3齒。4+1齒信號(hào)輪支持跛行回家功能。4代表缸數(shù)，另加的1個(gè)齒用于產(chǎn)生同步信號(hào)，最壞情況下，需要1圈以上，才可實(shí)現(xiàn)曲軸與凸輪軸同步。而3個(gè)齒信號(hào)輪既支持跛行回家功能又支持快速起動(dòng)功能。90°凸輪軸以后，即可實(shí)現(xiàn)曲軸與凸輪軸同步，具體原理如圖4所示。

2 起停技術(shù)在依維柯車型上的應(yīng)用案例

作為輕客行業(yè)的領(lǐng)航者，南京依維柯一直熱衷于節(jié)能減排方面的研究。對(duì)于起停系統(tǒng)，也進(jìn)行了功能樣車的搭建和測(cè)試。

2.1 功能樣車搭建

南京依維柯在其POWER DAILY2014（簡(jiǎn)稱PD2014）款車型上搭建了功能樣車，用于評(píng)估和演示起停功能。南京依維柯PD2014款裝配的是SOFIM國Ⅳ2.8L的發(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率為100kW／3600r／min，最大扭矩為320 Nm／1 800 r／min， 配IVECO2830.5的5檔變速器。加裝起停系統(tǒng)主要部件有MicroAutoBox（簡(jiǎn)稱MAB）、繼電器盒、觸摸顯示屏和蓄電池傳感器 （EBS）。MAB是整個(gè)起停系統(tǒng)的控制單元，它通過CAN總線讀取整車的車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、制動(dòng)、離合器、門狀態(tài)、壓縮機(jī)狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、瞬時(shí)油耗和發(fā)動(dòng)機(jī)水溫等信息，通過LIN總線讀取蓄電池狀態(tài)。MAB通過一定算法去控制起動(dòng)繼電器和停機(jī)繼電器。整車所有信息均在顯示屏上顯示出來。整個(gè)控制系統(tǒng)如圖5所示。

MAB在功能樣車上作為一個(gè)單獨(dú)的電控單元，可以通過計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。MAB具有實(shí)時(shí)軟件接口 （簡(jiǎn)稱RTI）和控制桌面。RTI橋能夠控制MAB硬件中每個(gè)輸入輸出接口的邏輯，如A／D、CAN線、LIN線、數(shù)字信號(hào)輸入和輸出。控制桌面用于在線標(biāo)定。該項(xiàng)目中，需要兩路CAN總線通道，一路LIN總線通道，兩路數(shù)字輸出和一路數(shù)字輸入。所有的I／O信號(hào)全部接入繼電器盒，包括發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)繼電器、關(guān)機(jī)繼電器和通信接口等。它為MAB提供CAN和LIN線接口，并給EBS和通信接口提供驅(qū)動(dòng)電路。使用一個(gè)專用電池為繼電器盒提供電源，并由一個(gè)安全開關(guān)控制。繼電器盒中有一些選擇開關(guān)，可以提供5V和12V兩種電源。

蓄電池傳感器 （EBS）被用于確認(rèn)整車蓄電池的電流、電壓和溫度，通過特殊的蓄電池狀態(tài)算法推算出充電狀態(tài) （SOC）、 功能狀態(tài) （SOF）， 相關(guān)信息通過LIN線傳輸?shù)組AB中。該蓄電池傳感器是1-fit-all型，是一種能夠適應(yīng)各種蓄電池的智能傳感器。它安裝于蓄電池負(fù)極，不會(huì)改變整車電源線束的安裝。

觸摸屏是功能樣車中重要的人機(jī)交互部件。從屏幕中能迅速讀取起停系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和整車參數(shù)，可以為不同試驗(yàn)設(shè)定不同的技術(shù)參數(shù)，并顯示和記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。觸摸屏中開發(fā)了足夠的應(yīng)用程序用于整車測(cè)試。觸摸屏的COM端口可以直接用于CAN2.0A通信，LAN端口用于下載設(shè)計(jì)應(yīng)用接口，USB端口用于輸出記錄的測(cè)試數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起停功能，必須改制整車線束，加入兩個(gè)繼電器 （發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)）。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)繼電器中常閉引腳接到整車的起動(dòng)繼電器，常開引腳接到整車的蓄電池。一旦MAB輸出高電平，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)繼電器接通蓄電池和原車起動(dòng)繼電器，發(fā)動(dòng)機(jī)立即起動(dòng)。如果MAB發(fā)生任何故障，駕駛員仍能正常起動(dòng)車輛。發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)繼電器聯(lián)接到整車的F48熔斷絲 （發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元的鑰匙信號(hào)）。F48熔斷絲連接發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)繼電器的常閉端。如果MAB損壞，發(fā)動(dòng)機(jī)仍能正常運(yùn)行。功能樣車上裝配了一個(gè)緊急開關(guān)，用于控制起停系統(tǒng)的供電電源。當(dāng)斷開該開關(guān)時(shí)，功能樣車就沒有起停功能。修改后的整車原理圖如圖6所示。

2.2 起停軟件的開發(fā)

應(yīng)用軟件分為4個(gè)模塊：起停使能計(jì)算、運(yùn)行狀態(tài)機(jī) （state machine）、 集成軟件 （HMI） 和I／O接口。每個(gè)模塊都包含幾個(gè)小模塊。起停系統(tǒng)中輸入應(yīng)用軟件的信號(hào)有制動(dòng)踏板信號(hào)、離合器信號(hào)、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、蓄電池SOC、門狀態(tài)、空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、起停開關(guān)。起停功能核心算法是在Simulink環(huán)境下用有限元技術(shù)仿真出來。起停使能計(jì)算模塊決定了起停功能能否被激活。發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)和起動(dòng)的條件是當(dāng)前的水溫高于設(shè)定保護(hù)溫度、所有車門全部關(guān)閉、空調(diào)壓縮機(jī)沒有運(yùn)行、蓄電池的SOC值高于門限值、起停開關(guān)接通、當(dāng)前車速為0、變速器處于空檔狀態(tài)。如果以上所有的條件均滿足，駕駛員按如圖7所示的步驟進(jìn)行操作，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠自動(dòng)起停。該操作為駕駛員遇到紅燈的常規(guī)操作，并沒有因?yàn)榧尤肓似鹜Ｏ到y(tǒng)而改變駕駛員的駕駛習(xí)慣。

運(yùn)行狀態(tài)機(jī)是起停系統(tǒng)的核心算法，它根據(jù)駕駛員的操作和車速，判斷輸出起動(dòng)請(qǐng)求和停機(jī)請(qǐng)求，同時(shí)計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)次數(shù)、停機(jī)時(shí)間等信息，發(fā)送到集成軟件模塊。集成軟件模塊接收到總停機(jī)時(shí)間的信號(hào)，計(jì)算出總的節(jié)省油耗、節(jié)油率并轉(zhuǎn)化為CAN總線信號(hào)。所有的CAN總線信號(hào)信息可以在觸摸屏上顯示出來。集成軟件模塊接收到觸摸屏上進(jìn)行的數(shù)據(jù)標(biāo)定值，如車速限制范圍、起停開關(guān)狀態(tài)等。I／O接口模塊用于輸入和輸出信號(hào)。這個(gè)模塊通過LIN線接收蓄電池傳感器信號(hào)，通過CAN總線接收整車信號(hào)，并分配到其他模塊。起動(dòng)請(qǐng)求信號(hào)和停機(jī)請(qǐng)求信號(hào)被傳輸?shù)嚼^電器盒去控制起停繼電器。

電源開關(guān)控制觸摸屏的供電電源。初始化后，觸摸屏進(jìn)入主界面，上面會(huì)顯示整車的一些重要信息，如車速、制動(dòng)狀態(tài)、離合器狀態(tài)、油耗信息、蓄電池信息、整車行駛狀態(tài)、節(jié)油比率等。用戶通過主界面下方的按鍵可以選擇不同的工作環(huán)境?！皡?shù)設(shè)計(jì)”環(huán)境內(nèi)，可以標(biāo)定起停功能的門限值：水溫限值、最低車速限值、SOC門限值。適時(shí)數(shù)據(jù)界面內(nèi)能夠顯示當(dāng)前整車的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速，并記錄每次測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)。軟件集成模塊能將發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)到觸摸屏中，用戶可以清楚觀察到發(fā)動(dòng)機(jī)所處的狀態(tài)，起停功能能否適用。此人際交互界面能夠讀取、記錄和存儲(chǔ)起停系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)，如節(jié)油率、總的停機(jī)時(shí)間、運(yùn)行里程等。MAB通過獨(dú)立的CAN總線傳輸這些數(shù)據(jù)，與整車的CAN總線分開。

2.3 起停軟件的測(cè)試

為了確定起停系統(tǒng)的功能，我們?cè)谔K州的真實(shí)城市道路和郊區(qū)道路進(jìn)行測(cè)試。為了試驗(yàn)的安全性和有效性，所有的測(cè)試均是在工作日的非上下班擁堵時(shí)候進(jìn)行。具體道路條件見表1。

表1 道路狀況

為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每次道路試驗(yàn)均是同一個(gè)駕駛員在非擁堵時(shí)候連續(xù)進(jìn)行兩次。遇到紅綠燈無需刻意停車，視正常開車習(xí)慣和路況而定是否停車。兩次城市路況測(cè)試時(shí)，總的停機(jī)時(shí)間是1343s，比兩次郊區(qū)路況的停機(jī)時(shí)間多了261s。因?yàn)槌鞘新窙r的總油耗稍微高一點(diǎn)，所以兩種道路下的節(jié)油率是很接近的。城市路況平均車速比郊區(qū)路況的平均車速低了29%，所以城市路況的總油耗會(huì)高。具體數(shù)據(jù)見表2。

3 結(jié)束語

起停系統(tǒng)的節(jié)油貢獻(xiàn)已獲得認(rèn)同，部件產(chǎn)業(yè)化和技術(shù)上的難點(diǎn)也已基本解決，主要瓶頸是從幾百萬元到幾千萬元的開發(fā)費(fèi)用。目前國際上起停系統(tǒng)的主要供應(yīng)商是博世、法里奧等國際汽車電子產(chǎn)品大企業(yè)，而我國車企和零部件企業(yè)在這方面的技術(shù)儲(chǔ)備并不理想，若在起停系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件方面長(zhǎng)期 “受制于人”，成本原因肯定仍會(huì)制約對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用推廣，特別在商用車領(lǐng)域。

表2 節(jié)油效果

［1］何仁，劉凱，王偉偉.帶有液壓儲(chǔ)能裝置的客車怠速停止起動(dòng)系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代制造工程，2010 （1）：131-134.

［2］朱敏慧.stop-start的中國前景［J］.汽車與配件，2009（14）：20-24.