STT系統手工樣車的研究與開發

王建波，夏鳴春，江 逸

（神龍汽車有限公司技術中心，湖北 武漢 430056）

為使配置某1.6L發動機的車輛更加具備油耗競爭力，選擇了搭載STT微混技術。STT是英文Stop and start的簡寫，譯為智能起停技術。當車輛停下來時（遇到紅燈、堵車等情況），STT系統會使發動機短時間停止運行來取代發動機的怠速運行，從而實現節油。因此也有稱之為ISS（Idling stop-start）［1］，即是說發動機由起停系統控制而自動熄火時，前一個工況應該是怠速模式。根據文獻［1-2］的研究，STT系統節油不僅是通過發動機熄火取代怠速而節油，該系統功能還可以回收部分制動能量和對電源進行管理，也有益于節油。起停方案主要有3種［2］，研究對象采用的起停系統方案，是采用獨立的起動機和發電機，由起動機來帶動發動機起動的技術方案。

選取質量級別、懸置系統、動力系統、電器架構等特征與未來目標車型綜合比較，在接近的現有車輛上進行技術改造，使之能接近未來目標車型動力系統工作特征，用這樣的車輛進行前期標定調校。手工樣車就是轎車研發項目初期的重要交付物，制作成本高、周期長。因為手工樣車的設計制造是個系統復雜的工程，常成為制約實際開發的瓶頸。在現有的量產車輛增加STT系統，并且達到功能指標要求，需要集成零部件研究與開發，裝配布置研究，系統匹配和電器架構的研究等工作。

1 STT系統功能原理及結構布置

1.1 STT 系統功能原理

STT系統可以簡單理解為2個動作控制系統，即發動機的“起”和“停”的動作，研究對象發動機的起動是通過起動機帶動；發動機的停止是靠CMM（發動機控制單元）切斷點火噴油系統實現。控制發動機的起或停的條件繁多［3］，按STT工況主要分類如下。

第1類，是STT系統可以正常工作的條件：發動機停運時車速為0；發動機轉速低于設定范圍；冷卻劑溫度在設定范圍；制動真空度在設定范圍；蓄電池電量監控系統的許可；蓄電池溫度在設定范圍；空氣調節系統策略的許可等。

第2類，當發動機怠速熄火后允許發動機再次起動的條件：駕駛員已系上安全帶（安全帶鎖已入扣）；發動機罩蓋已關閉；駕駛員車門關閉；操作意圖信息，比如手動變速器車型的離合器踏板位置、空擋位置、制動踏板位置信息等。

第3類，當發動機怠速熄火后即使駕駛員無意圖也可以再次起動發動機的條件：行駛狀態發生變化（如：手制動松開后車速的變化）；由乘員激活汽車內部系統（例如：激活除霜器、鼓風機、空調操作，解掉安全帶等）；汽車系統的環境條件發生變化（例如：溫度變化激活空調）；制動助力和轉向助力系統需求；散熱系統需求；蓄電池的電量狀態不夠等。

1.2 STT系統結構

STT的系統結構如圖1所示。各個部件說明：空擋位置和離合位置傳感器進行組合，可以判斷駕駛員操作意圖［4］；真空助力器壓力傳感器是幫助系統判斷真空助力器壓力是否足夠，若不足則發動機不被許可熄火；發電機是否輸出電壓是可控的，系統電量充足時不輸出電壓，電量不足則發動機需帶動發電機工作不被許可熄火，當車輛制動減速時，發電機工作回收少部分能量轉化為電能；起動機是加強起停次數的加強型起動機，被BICD控制；網絡穩壓單元穩定網絡電壓，減少多次起停對車身電網電壓波動；BICD控制起動機起動，并擔任起動機繼電器，與CMM通信告知起動機工作狀態。大容量電池滿足頻繁起動的能量需求；電池傳感器向電源管理系統反饋自生電量儲備水平信號。起停系統主要被CMM（發動機電控單元）發出指令來控制，其在CAN網絡的I/S（高速系統間網絡）上與BVA（自動變速器電控單元）、ABS/ESP（制動防抱死和車身穩定系統電控單元）、GEP（轉向助力系統電控單元）、BSI（伺服控制盒）進行通信。BSI（伺服控制盒）獲取來自CAN的LS網信息，通過I/S網與CMM通信。

圖1 STT的系統結構示意圖

2 主要硬件的樣件開發和車輛改造

2.1 起動機和蓄電池選型的設計

根據STT的工作原理，把STT的功能需求轉化為技術指標和要求，指導手工樣件狀態的零件開發。手工零件可以采用快速模具或一次性模具，臨時工裝、工藝來打造，要求滿足設計功能，對其魯棒性、耐久性要求不高。

要保證起動機機械特性與發動機匹配，必須保證起動機的理論最大功率大于發動機的起動功率、扭矩、轉速等指標，并且STT功能導致多次起停沖擊，這也對起動機壽命提高了要求。蓄電池的選型也應該考慮起動機的需求，兩者應當匹配［5-6］。

發動機低溫起動轉矩

式中：Mc——起動轉矩，Nm；L——發動機排量；C——比例系數，0 ℃時汽油機選取范圍30～40。

發動機低溫起動所必須功率P0

式中：n——發動機點火所必須的最低轉速，該機型參考值180 r/min。

得到P0后，起動機的起動功率P1

式中：η——起動齒與飛輪齒的嚙合效率，通常選擇0.9。

得到起動功率P1后，根據飛輪與起動機嚙合齒比i，得到起動機起動點時需求的最低轉速n1和最低轉矩M1

低溫下由于機油粘稠度的提高，起動難度增加，起動機功率和扭矩可以適當提高，還要考慮選擇機油的牌號及性能。新型的起動機主要參數：額定功率1.8 kW，額定電壓12 V，齒數15，制動力矩22 Nm，制動電流785A等，符合校核結果。

還需指出，對于STT系統對起動機多次起動要求，國標QC／T 29064—1992規定的3萬次壽命已明顯不適合該系統，目前尚無公開國內標準參考。依據我司及行業的其它公司標準為20萬次。

繼續確定電池的相關參數，起動機的制動電流

式中：η——起動機電磁功率轉為輸出功率P時的效率，1kW以上取為0.9；UH——蓄電池額定電壓。

蓄電池（起動用鉛酸電池）實際容量和溫度經驗關系式

式中：t——溫度；Qt——溫度為t時的蓄電池實際容量；Q20——溫度為20 ℃時蓄電池實際容量。蓄電池內阻與蓄電池實際容量關系式

式中：K——系數，選擇0.04，與普通型和薄極板型的類型相關。

根據（6）、（7）、（8）關系式確定

式中：UK——制動電壓，按國家標準，12 V系的取4.8 V，但是考慮點火電壓可以取6 V；RL——蓄電池和起動機連線的內阻，可取0.001Ω。

根據校核結果選擇MAG70 Ah滿足設計需求。

2.2 發動機起動時間的研究

發動機起動時間與駕駛員的駕駛愉悅度直接相關，因此各個企業自身都有起動時間標準。起動機的選擇與起動時間相關，發動機起動時間分析如下。

當起動機起動發動機時［7］，有

式中：Td——起動機工作轉矩，起動機工作時，電流大，蓄電池快速放電導致電壓下降，Td也是波動變化的；Tr——發動機內阻力矩，主要是發動機的摩擦阻力矩和活塞泵氣時的阻力矩，與機油溫度和轉速關系較大，通過倒拖試驗方法可獲得；J——發動機轉動慣量；——曲軸轉角角加速度；n——發動機轉速；t——起動時間。對起動機的起動時間進行模擬仿真

式中：P——起動機功率；η——起動齒與飛輪齒的嚙合效率；Tr——發動機阻力轉矩，可以恒定阻力矩進行簡化；ω——發動機的轉動角速度；N——在t時間內的離散點數；Δt——時間步長。

數據采集輸入，J通過試驗測量在不同轉速下結果不同，因為內燃機的曲柄連桿機構的轉動慣量計算復雜，實際上試驗測量值是個等效值，在發動機起動的整個低轉速段時取0.286 kg.m2，考慮起動機功率傳遞到發動機的嚙合效率取0.9，Δt根據仿真精度需求選擇0.0001 s。由于在發動機轉速400 r/min后起動齒已開始脫離起動齒圈，發動機已點火，因此起動時間主要參考400 r/min前的起動時間。仿真計算結果如圖2所示。

圖2 發動機起動時間-轉速曲線仿真

根據仿真結果，該起動機在25Nm、27Nm和30Nm的發動機阻力矩下，起動發動機到400 r/min時間分別為281 ms、307 ms和360 ms，起動時間符合設計目標。

2.3 車輛加裝STT系統的改造設計

在沒有STT功能的基礎車輛加裝STT系統，對原車輛進行改造裝配，需要設計一個更換和改制零件清單，從而指導車輛改裝制造。具體方法是分析STT功能原理，比較現有車輛硬件配置與目標車輛硬件配置。主要基于如下5個方面比較考慮改造：①STT系統主要硬件單元改裝，比如起動機及其控制器、蓄電池、發電機等；②代表性動力系統改裝，主要為發動機、變速器；③通信、控制系統硬件單元的改裝；④人機操作界面的改裝；⑤配電系統改裝。

通過上述分析，以手動擋車型為例，主要零部件改造清單如表1所示（未列舉固定、支撐安裝件，軟件）。由于是手工樣車，零部件裝配性問題較多的采用臨時措施解決，不予詳述。

3 電器構架與線束的開發

3.1 STT系統的電器架構

STT 系統功能較為復雜，電器架構的拓撲見圖3。該架構下的網絡主要分為3個類型：第1種CAN網絡，圖中用雙實線連接表示；第2種LIN網絡，圖中用粗單實線連接表示；第3種金屬導線網絡，圖中用細單實線連接表示。CAN通信網絡有較高的波特率設置和可靠信，滿足實時大量數據進行交換［8］。CAN的網絡涉及發動機控制、變速器控制、ABS/ESP系統控制、轉向助力控制、配電系統控制，空調控制、儀表管理等模塊，這些模塊實時通信，信息量巨大。其中CAN I/S 是系統間網（高速，500 Kbit/s），CAN CAR 是車身網（低速，125 Kbit/s）。LIN通信網，LIN通信速度相對低，可以雙向傳輸，是CAN網絡一個很好的補充，LIN協議一主多從結構，通信只能從主節點的主任務發起，發電機的通信控制即是通過LIN網絡與發動機電控單元（CMM）通信。金屬導線網絡只能傳遞高、低的電壓信號的實時單向傳輸，比如3種傳感器信號傳遞和起動機控制線即采用金屬線。

表1 STT系統車輛改造主要零部件清單

圖3 STT系統電器構架示意

3.2 基于STT電器架構需求的線束開發

智能起停系統其控制策略導致硬件、通信和配電變得復雜很多。傳統的發動機非STT系統和STT系統線束拓撲如圖4和圖5所示。

圖4 非STT系統線束拓撲圖

圖5 STT系統線束拓撲圖

基于拓撲結構的差異，STT系統中增加了中央穩壓器、起動控制接口盒、蓄電池充電狀態盒和起停按鈕等電器設備，其線束根據不同的功能（配電、通信）及環境而進行定義設計。因此拓撲結構為線束開發提供重要的功能依據。例如，設計配電系統壓降合理性，根據拓撲結構中導線路徑定義，可以計算出長度，進而計算阻抗和電壓損耗，可以確認是否滿足起動控制接口盒最小電壓要求，若不滿足則重新匹配選擇導線。導線選定后，其熔斷電流特性也相應得到，對應重要導線保護需要選擇熔斷絲，根據導線熔斷溫度特性選擇對應熔斷絲。

4 NEDC試驗中的排放及油耗結果

NEDC是New Europe Driving Cycle的縮寫，是國家法規規定的油耗和排放污染物的測試循環。因此比較的基礎是基于NEDC循環標準工況進行分析，用同一款車輛，帶STT的手工樣車與非STT的量產車輛進行油耗及排放比較，綜合結果參見表2。

表2 NEDC工況中非STT車輛和STT車輛試驗結果

排放結果顯示，STT系統的車輛排放3種主要污染物如HC、CO和NOx都有所增加，HC和CO上升幅度不大，但NOx增加明顯，NOx濃度在NEDC循環的重濃度變化如圖6所示。根據文獻［9］的研究，在NEDC循環中，汽車由于發動機熄火工況代替怠速工況，因此部分污染物排放有一定的改善，但是熄火導致催化器冷卻、催化能力下降，也會導致污染物增加，特別是對NOx有比較敏感的影響。由于項目處于初期時，標定成熟度不夠，后續有很大的優化空間，改善方法主要從標定策略（催化器加熱策略）、催化器配方及結構改善等，可以減少NOx污染物的排放。

圖6 STT車輛和非STT車輛NOx濃度在NEDC循環中的濃度測量結果

在NEDC循環中，發動機怠速時間為298 s，智能起停車輛在該循環中實際停機時間約為191 s，油耗收益主要來自發動機停機取代怠速獲得，如圖7所示。NEDC工況的前195s內，發動機怠速時不會停機，因為考慮前期熱機有利于催化器效率提升，利于排放，后期的工況循環中將累計達到10次停機。在NEDC中油耗的測算方法是參考CO2的排放量，根據碳在燃油中的密度系數換算成油耗。油耗收益達到4.6%，達到預期目標。

圖7 STT車輛和非STT車輛CO2濃度在NEDC循環中的濃度測量結果

5 結論

通過對STT系統原理結構分析，實現手工樣車自主研發制造。由于篇幅所限，選擇樣車的重要硬件如起動機、蓄電池、線束，進行設計計算，說明STT系統匹配的合理性。最終車輛實際在NEDC循環中的排放和油耗結果也達到預期，證明樣車設計開發滿足項目目標。

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