汽車智能啟停系統研究

李 敏，席忠民，李浙昆，何凱欣，董松梅

（廣州汽車集團乘用車有限公司技術中心，廣東 廣州 511434）

啟停系統 （Start Stop System）是一項微混合動力技術。該系統使汽車在等待紅燈或者堵車等情況下暫停發動機工作，當車輛感受到駕駛員的起步意圖時，快速起動發動機［1］。啟停系統在城市工況可以有效降低怠速油耗，減少汽車有害氣體的排放。相對于重混合和純電動技術，啟停系統能夠在新開發車型或已有車型上進行較小的技術改進，快速達到降低油耗的目的，預計在2015～2016年推向市場的新車型中，大部分都將搭載啟停系統。對于啟停系統的實現方式，主要有BSG（Belt-driven Starter／Generator皮帶傳動啟動／發電一體化電機）和智能啟停技術 （Smart Start-Stop） 兩種［2］。 BSG使用了集成式的起動—發電機一體化技術，除了能夠實現怠速停機和快速啟動功能外，還有制動能量回收的作用，但由于整體的動力傳動系統布置和匹配相對于非啟停車型發生了較大的變化，因此在已有車型或者小改款車型采用BSG技術，在工程周期和成本方面存在一定的困難。智能啟停技術可以在已有車型技術基礎上，加強蓄電池、起動機的耐久壽命，增加傳感器，對EMS（Engine Management System發動機管理系統）重新進行控制策略開發和數據標定，來實現發動機快速的停機／啟動。本文主要研究了智能啟停技術對于已有車型技術升級的系統性工作，并對該系統進行了排放和油耗試驗，達到了預期的開發效果。

1 智能啟停技術系統構成

智能啟停技術的核心控制由EMS完成，其系統總體構成如圖1所示。

1.1 啟停發動機管理系統

整車啟停控制策略由EMS集中控制，為了確保發動機停機和啟動的安全性和舒適性，EMS根據整車傳感器和相關電器模塊發出的狀態信號來控制發動機起動／停機。EMS主要采集的信號如圖2所示。

為了確保起動機控制的安全性，除了EMS發出起動機啟動信號外，同時在起動機控制邏輯上，手動變速器車型串聯了SSU （Start&Stop Unit，起停控制器），雙離合變速器車型串聯了TCU（Transmission Control Unit，變速器控制單元），用于檢測傳動鏈的狀態，判斷是否能夠吸合傳動鏈繼電器，觸發起動機啟動。串聯回路的控制原理如圖3所示。

在接收到離合器傳感器和空檔傳感器信號后，EMS和SSU／TCU使傳動鏈繼電器和起動繼電器同時吸合，起動機帶動發動機快速啟動。

1.2 增強型起動機系統

裝備啟停系統的發動機需要頻繁啟動，因此對起動機的耐久壽命提出了更高的要求。智能啟停系統要求起動機耐久壽命由非啟停車輛的3.5萬次提高到20萬次以上，所采用的結構和材料都發生了較大的變化，驅動齒輪的支承由銅套改為滾針軸承，電刷和動鐵心采用高壽命材料。起動機工作時產生約600 A電流會瞬間拉低整車系統的電壓，發動機的頻繁啟動增加了整車電壓過低帶來EMS／TCU重啟的風險。在啟停系統的設計中，可以采用起動機集成ICR（浪涌電流控制繼電器）或整車增加DC-DC（direct current-direct current直流-直流）模塊用于穩定整車供電的電壓。ICR繼電器通過限流電阻消減峰值電流，降低起動機啟動時的電壓降，從而降低負載端電壓降，穩壓范圍在9～13V，工作電路如圖4所示。DC-DC模塊通過主動穩壓的方式，穩壓范圍在11.5～12.5V，在測試過程中可以明顯改善儀表、導航、背光燈等元件由于啟動過程電壓降低造成的亮度變化。DC-DC穩壓模塊工作電路如圖5所示。

啟停發動機在從停機→啟動過程中出現的時間延遲過長將直接影響頻繁啟動的舒適性，從發動機的啟動時間分析，有以下公式［3］：

式中：Td——起動機工作轉矩；Tr——發動機阻力矩，由發動機特性決定；J——發動機轉動慣量；ω——發動機角加速度；n——起動機轉速；P——起動機功率。

根據公式 （1） （2）可知，發動機的啟動時間與起動機轉矩、功率成正比，因此選用1.6kW增強型起動機代替原有1.4 kW普通起動機，經實車測試，啟動時間由0.6 s減少到0.5 s，駕駛員基本上感受不到停滯感。

1.3 閥控式AGM蓄電池

啟停發動機頻繁啟動造成普通富液式鉛酸蓄電池已經不再適用，閥控式AGM（Absorptive Glass Mat超細玻璃纖維）鉛酸蓄電池由于其全封閉的結構，采用無紡玻璃纖維氈隔板和鉛鈣合金板柵，解決了酸液分層的問題，提高了鉛膏的粘附性，大幅提升了蓄電池的使用壽命，適用于目前智能啟停系統的技術要求。閥控式AGM鉛酸蓄電池主要由槽蓋、安全閥、極板、隔板組成，典型的閥控式AGM鉛酸蓄電池的構成如圖6所示。AGM鉛酸蓄電池采用的材料、結構工藝與普通富液式鉛酸蓄電池的差異見表1。經脈沖放電測試，AGM蓄電池脈沖放電壽命可達到1100h。

表1 閥控式AGM蓄電池與富液式鉛酸蓄電池結構、工藝差異

2 啟停系統怠速停機／啟動邏輯

啟停系統控制邏輯主要是通過對整車安全狀態（如4門與發動機罩開閉狀態等）、傳動鏈狀態、蓄電池電量、制動真空度、空調請求、行駛工況來判斷是否怠速停機和啟動［4］。怠速停機判斷流程如圖7所示。

啟停功能開啟，車輛處于怠速時，EMS將對整車狀態進行判斷，在4門和發動機罩關閉、電池電量高于50%、制動真空度高于設定值、起動機熱狀態滿足限值、發動機水溫在范圍內、空調請求和車內溫度滿足條件、坡度小于2°時，發動機執行自動停機。停機過程中，若整車狀態出現任一條件不滿足或駕駛員踩下離合踏板時，車輛發動機將自動起動。

3 試驗研究

為了驗證智能啟停系統在傳統車型上節能減排的效果，對某傳統手動變速器車輛加裝智能啟停系統，改制所用啟停系統結構特點見表2。

在轉鼓試驗臺上對改制車輛進行燃油消耗量和排放污染物的檢測對比試驗。測試工況按照GB1835.3—2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》， 進行NEDC （New European Driving Cycle歐洲油耗及排放標準）循環測試，排放和燃油消耗結果見表3。

表2 試驗車輛智能啟停系統結構及特點

通過試驗數據可知，增加啟停系統后，節油效果可達到4.2%，排放稍有上升，主要是由于啟動次數增加所導致，但是經過標定，也能夠將排放的影響控制在較小的范圍內。但智能啟停系統在發動機運行—停止—啟動過程中對駕乘舒適度的影響需要進一步改進，如何實現智能啟停系統車輛與傳統車輛系統零件的通用性也需要進一步研究。

表3 NEDC循環排放和燃油經濟性

4 結論

基于傳統車型增加智能啟停系統進行技術升級的策略，對智能啟停系統的工作原理、關鍵技術和控制策略進行了綜合分析和研究，通過樣車試制和NEDC循環試驗，證明了技術改造的可行性和智能啟停系統良好的節油效果，以及較小的排放影響，為智能啟停系統的批量工業化生產鋪平了道路。

［1］何仁，劉凱，黃大星，等.發動機智能怠速停止啟動系統控制策略的研究［J］.汽車工程，2010，32 （6）：466-469.

［2］魏廣杰，何瓊，涂安全.汽車發動機起停技術研究及應用開發［J］.西華大學學報 （自然科學版）， 2011， 30 （5）：14-17.

［3］楊振磊，林逸，龔旭.智能啟停微混轎車試驗研究［J］.汽車工程，2010，32 （8）：654-658.

［4］劉巨江，吳堅，黃銳景，等.起停系統控制策略開發及試驗研究［J］.車用發動機， 2012 （5）： 15-18.