基于用戶場景的怠速啟停控制策略優化

黃炎　張光亞　牟兵兵

摘 要：為促進實現碳達峰、碳中和目標，降低汽車油耗，國家有關部門和各大車企都在推行怠速啟停技術。但怠速啟停雖然可以降低油耗，卻也影響了用戶的駕乘體驗，從而影響了啟停功能的使用率和實際節油效果。本文基于用戶實際使用場景，論述了如何通過軟硬件相結合的方式，優化控制策略，從而設計出讓用戶樂于使用的怠速啟停功能。

關鍵詞：怠速啟停 用戶場景 控制策略

Optimization of Idle Start-Stop Control Strategy Based on User Scenarios

Huang Yan，Zhang Guangya，Mu bingbing

Abstract：In order to promote achieve carbon peaking， carbon neutrality goals， and reduce vehicle fuel consumption， relevant state departments and major car companies are implementing idling start-stop technology. However， although the idling start-stop can reduce fuel consumption， it also affects the user's driving experience， thereby affecting the utilization rate of the start-stop function and actual fuel saving effect. Based on the actual use scenarios of users， this paper discusses how to optimize the control strategy through the combination of software and hardware， so as to design the idle start-stop function that users are happy to use.

Key words：idle start-stop， user scenario， control strategy

1 引言

為促進實現碳達峰、碳中和目標，鼓勵先進節能減排技術應用，國家有關部門制定了油耗雙積分政策并逐年加嚴要求，這都推動著車企不斷提升技術水平降低汽車油耗。同時面對新能源汽車和混動汽車的日益普及以及高企的油價壓力，燃油車要在新的市場環境中尋求生機，延續生命，也必須持續降低油耗，留住用戶的心。

2021年初，工信部發布了《關于2020年度乘用車企業平均燃料消耗量和新能源汽車積分管理有關事項的通知》，首次將循環外技術/裝置計入燃料消耗量核算，對標準配置怠速起停系統、制動能量回收系統、換擋提醒裝置的車型，其燃料消耗量可相應減免一定額度。雖然在2021-2023年的新文件中，將計入油耗核算的技術更改為制動能量回收系統和高效空調，但怠速啟停系統依然是公認行之有效的節油措施。

怠速啟停系統有節油的優勢，但也存在影響用戶駕駛體驗的不足。自動啟動速度慢、有噪音、有抖動，停機時功能受限等多種因素，導致了怠速啟停系統的綜合使用率僅有60%左右，對實際節油效果影響較大。

因此，怠速啟停系統的控制策略至關重要，必須基于實際用戶場景來設計和優化，才能做出用戶喜歡愛用的怠速啟停系統。

2 用戶場景分析

從整車的角度來看，怠速啟停的使能條件十分復雜[1]，與蓄電池電量、制動真空度、水溫、催化器溫度、TCU、ECU狀態等諸多因素有關[2]，但這些主要為汽車廠商出于性能和安全因素所設置的參數，一般用戶往往并不了解，也不關注。對于用戶而言，怠速啟停只是省油省錢的工具，并不能帶來駕乘體驗的提升。相反，怠速啟停帶來的短暫動力中斷和車輛抖動的不適感反而會影響正常駕乘體驗，啟停功能也因此可能會被用戶關閉。所以必須開發好怠速啟停系統，才能讓用戶愿意用，喜歡用。這樣一個“好的”怠速啟停系統，應該符合“無感”和“有數”兩個原則。

“無感”指的是讓啟停工作時的車輛工作模式盡量與未開啟時保持一致，不要讓啟停影響其他功能的使用。比如自動停機時，中控、空調等功能都可以正常使用，轉向、換擋時也可以任意控制，且根據用戶的操作意圖可以及時改變自動停機或啟動，讓車輛回到工作狀態。

“有數”指的是讓用戶知道什么時候會自動停機，什么時候會再次啟動。用戶在特殊場景下行駛時，比如停車入庫、擁堵道路、短暫紅燈等，不想激活啟停時也可根據自己意圖進行操作，或選擇手動開關啟停功能，即使無法操作也有停機的心理預期。

3 控制邏輯研究

為研究最符合用戶使用場景和實際需求的怠速啟停控制策略，選取了市面上不同品牌具有怠速啟停功能的車型進行了全場景的測試試駕，包括國產和合資品牌共5款車型。

基于用戶實際使用場景，在用戶能直觀感受到的控制邏輯中對啟停標識、自動停機條件、自動啟動條件、自動停機中止等四個方面進行分析。

3.1 啟停標識

3.1.1 啟停開關

啟停開關是開啟和關閉怠速啟停系統的總開關，一般以實體按鍵為主，帶指示燈，圖標為字母A上加一個順時針的箭頭，旁邊還有“OFF”，燈滅時默認“啟停系統開啟”，按下燈亮時表示“啟停系統關閉”。按鍵一般設置在儀表上方向盤旁或副儀表上。

部分車型的啟停開關無實體按鍵，而是集成在車機內。這類集成式的開關方式相對繁瑣，也不易找到，更適合不在意或不使用此功能的用戶，長期關閉或長期開啟。

3.1.2 儀表顯示

當怠速啟停系統開啟或關閉時，儀表會有相應的指示燈顯示。較為常見的是開啟時不亮任何狀態燈，關閉時才顯示紅色或橙色的“啟停關閉燈”——啟停標志上劃斜杠。在按下開關鍵時，部分車型還會在儀表上用文字顯示“怠速啟停已開啟/關閉”。

3.1.3 啟停提示

當啟停系統工作，并觸發進入停機狀態時，儀表上會顯示停機狀態燈，一般為綠色的啟停標志。部分車型在停機未能觸發時還會顯示“自動啟停不提供”、“怠速啟停系統故障”等狀態提示。

3.2 自動停機條件

在發動機運行過程中，如下觸發條件和使能條件滿足則觸發自動停機[3]，見圖4。

3.2.1 停機觸發條件

自動停機基本觸發邏輯，即為汽車行駛時，踩下制動踏板將車輛剎停并保持不放，即可觸發停機，同時滿足如下觸發條件：

a.行駛時需要超過一定速度再剎停才可以觸發，一般為15-20km/h，也有部分車型不限車速，低速蠕行后亦能觸發。

b.制動踏板加速度不能超過一定限值，即緊急制動時無法觸發。

3.2.2 停機使能條件

用戶使用啟停功能時，經常會遇到剎停時也無法停機，是因為車輛還設置了諸多停機使能條件。設置這些條件所考量的主要是用戶是否有停車意圖、行車安全性以及車輛本身條件。

a.所有車門、發罩關閉。

b.駕駛員安全帶鎖止。

c.自動停機時要求方向盤轉向不能大于一定角度，一般為90°至270°，但也有車型不對方向盤轉向角做限制。

d.空調壓縮機A/C開啟時一般禁止停機，僅開啟鼓風機則不影響，部分車型開A/C時也能停機，但停機后壓縮機也會暫停工作，直到車輛重啟。

e.車輛無其他發動機、變速箱等影響啟停功能的故障燈亮。

3.3 自動啟動條件

在發動機自動停機的狀態下，滿足一定條件則觸發自動啟動。啟動條件也分為使能條件和觸發條件，但車輛通常能自動停機時即能滿足啟動的使能條件，除非有其他啟動中止的情況發生，后文會有相應論述。基于用戶的實際使用場景，在此僅對觸發條件進行論述。

3.3.1 啟動觸發條件

a.松開剎車：停機后保持D檔不變，松開剎車即可啟動，這也是最常用的觸發方式。

b.切換檔位：從D檔切到R檔、S檔、L檔等其他行駛檔位都會觸發啟動，切到N檔或P檔則不會觸發，且此時可以放開剎車。但如果切到P檔經過R檔停留時間過長，也會被系統認為要進入R檔導致觸發。部分車型第二次切入D檔或N檔時會啟動，但還有少數車型可反復多次切換檔位也不會啟動。

c.踩下油門：踩下油門就會立即啟動，不管是否同時踩下剎車或處于P檔等其他狀態。

d.打方向盤：操作方向盤會被認為有駕駛意圖，所以車輛檢測到方向盤轉向力就會觸發啟動。部分車型停機狀態下是沒有方向盤助力的，因此停機時打的第一下方向會比較吃力，直到車輛啟動完成才會恢復助力。

e.打開空調：發動機皮帶直連的空調壓縮機在停機時無法使用，此時再開啟空調并開啟A/C時，部分車型就會觸發啟動，從而帶動空調壓縮機運行。

f.若開啟了AutoHold功能，則停機時可以松開剎車也不會啟動，直到再次踩下剎車踏板或其他方式觸發。

3.4 自動啟動中止

在自動啟動過程中，如果發生一些被系統認為影響啟動或行駛安全的情況，就會中止啟動，并發出警報，直到用戶重新點火啟動車輛。

a.松開主駕安全帶。

b.打開車門。

c.關閉啟停開關。

d.拔出鑰匙。

4 控制策略優化

要開發出讓用戶愿意用，喜歡用的怠速啟停系統，必須結合車型本身各項性能和定位的實際情況，再根據“無感”和“有數”兩個原則進行設計。

4.1 啟停系統硬件匹配

由于不同車型的產品定位、成本、技術水平等多種因素影響，各車型所選擇的啟動機、蓄電池、發動機等相關零件以及相關的標定匹配情況也各不相同，所以實際做出來的啟停性能也有所差異。比如停機和啟動時的抖動竄動情況、啟動延遲時間、啟動聲音大小等，原則上當然是抖動越小、延遲越短、聲音越小越好，但并非所有車型都能做到最好，那么啟停的控制策略設計就應與這些性能表現相結合。

4.1.1 高性能策略

如果車輛的啟停性能十分優異，抖動小啟動快聲音也安靜，且啟動機和蓄電池使用壽命足夠長，就可以采取相對激進的啟停策略。比如啟停開關放置在比較顯眼的位置，并默認開啟；觸發啟停時不設置車速限制，車只要走動再停，即可觸發停機；停機時檔位從D切到R檔即使會啟動，再切回N檔或P檔時亦可再次停機；剎車觸發停機時間設置較短，在非緊急制動的情況下，只要制動踏板踩得夠深，系統認為用戶需要停車，就盡快觸發停機，甚至無需等車完全停穩。

此外，啟停對空調的策略也可以優化，比如空調制冷和隔熱效果較好的車型，可以在開啟A/C的工況下允許停機，在通過傳感器檢測到車內溫度明顯升高時自動激活啟動車輛，繼續制冷[4]。

4.1.2 低性能策略

如果車輛的啟停性能表現一般，抖動不小啟動不快，或者啟動機與蓄電池沒那么耐用，則可以采取相對保守的啟停策略。比如將啟停開關設在非明顯位置或子級菜單中，并設置默認關閉；觸發啟動時設置較高車速和間隔時間；延長停機判斷時間；不設置可以原地反復停機啟動的工況，并增加短時間內停機次數限制。

4.2 啟停系統設計優化

啟停系統要以讓用戶“無感”和“有數”兩個原則進行邏輯設計。“無感”的設計相對簡單，如前文所述，就是指的是盡可能讓啟停工作時車輛的工作模式盡量與未開啟時保持一致，不要讓啟停影響其他功能的使用，在此不做贅述。下面主要對如何做到“有數”進行論述。

“有數”指的是讓用戶知道什么時候會停機，什么時候會啟動，可以通過如下多個方面進行優化。

a.使用時提示明確的狀態描述，在怠速啟停功能開啟或關閉時，除了狀態燈點亮熄滅，也要增加文字的描述，讓每一個用戶第一次使用這個功能就能看懂，而不是僅僅點亮一盞燈。

b.簡化控制邏輯，減少觸發時需要同時達成的條件數量，讓用戶能夠輕松理解如何觸發啟停功能，想停就停。

c.對于停機使能條件中用戶不易感知的水溫、催化器溫度、蓄電池狀態等限制條件，應盡快讓車輛自行調整到使用范圍內。功能開啟并剎停車輛卻無法滿足停機條件時，給予用戶相應提醒。

d.將啟停基本的控制邏輯和常見的使能工況寫到用戶手冊或中控的使用說明中，并培訓4S店銷售人員，在用戶購車時進行講解。

5 結語

a. 怠速啟停系統的開發，必須根據“無感”和“有數”兩個原則，結合車型本身硬件條件，對控制策略進行設計和優化；

b. 硬件條件好、啟停性能優異的車型可采取較為激進的啟停策略，反之則可適當限制啟停的觸發場景；

c. 讓用戶啟停“無感”，即使車輛自動停機時也不影響其他功能的正常使用；讓用戶啟停“有數”，知道什么時候會停機，什么時候會啟動，想停就停，想走就走。

d. 創新基于用戶場景從用戶的視角，對控制策略進行了優化，讓用戶“看得見，摸得著”，而非僅從工程的角度進行參數優化；

e. 本論文可以指導開發出真正符合用戶需求、用戶愛用愿用的怠速啟停系統，同時相關的設計方法和思路也可以指導開發其他用戶喜愛的關聯功能。

參考文獻：

[1]陳石侯.用于發動機怠速啟停控制裝置設計研究[J].內燃機與配件，2020（18）：5-6.

[2]喻金龍.某車型怠速啟停系統原理及其標定[J].汽車工程師，2018（07）：51-55.

[3]李油成.汽車怠速啟停系統的研究[J].汽車工程師，2020（05）：41-44.

[4]田鈞，郭偉，趙南.基于發動機怠速啟停功能的蓄冷式空調系統設計[J].制冷與空調，2021，21（07）：10-13+32.