手動擋汽車起停系統技術與應用

楊土超

（廣州汽車集團有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 510640）

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手動擋汽車起停系統技術與應用

楊土超

（廣州汽車集團有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 510640）

介紹了某款手動擋車起停系統的開發應用，包括系統方案、起停零部件開發、起停控制邏輯、油耗對比試驗。試驗結果證明，采用起停技術后車輛在市區工況油耗可以降低至少6.5%，可以滿足第三階段油耗要求（7.7L/100km），證明起停技術是一種有效的整車節油手段，可以用于大批量生產。

發動機；起停技術；起停系統；起停應用

CLC NO.:U471.1Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)07-85-04

前言

起停系統（Start Stop System），是指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。在城市工況下可以有效降低怠速油耗，減少汽車有害氣體的排放。根據《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》第三階段要求，油耗限值將較第二階段整體下降20%，乘用車平均燃料消耗量水平在2015年下降到7L/100km左右[1]。對于自主品牌車企而言，由于技術、資金的限制，僅依靠現有發動機、變速箱技術改進，達標難度大。配備起停系統，再配合其他技術，將較容易達標。2011年工信部網站發出通知，將怠速起停汽車按常規汽車進行《公告》管理，不再要求按照《新能源汽車企業及產品準入規則》進行企業及產品準入審查，這某種程度上影響了起停系統在國內的推廣[2]。本文主要針對手動擋汽車起動電機式起停技術進行研究，并通過一種起停系統證明了應用效果。

1、起停技術應用

1.1 起停系統方案

在現有某款2.0L MT車型基礎上增加起停控制功能，在

原來EMS基礎上增加起停控制邏輯，由EMS直接控制起動機。優點是在現有基礎上改動量小，開發周期短。結構如圖1所示。

整車起停控制策略集成于發動機管理單元EMS中，EMS負責接收真空度傳感器信號、電池傳感器EBS信號、空擋傳感器信號、車門信號和前艙蓋信號等，綜合判斷發動機所處的狀態，對發動機進行停止和起動控制。為了安全起見，空擋傳感器和離合傳感器都采用了雙路輸出非接觸式霍爾傳感器，用于檢測傳動鏈狀態，同時組合判斷駕駛員的行車意圖。由于EMS資源不足，自主開發一個智能傳感器單元SSU來接收空擋信號和離合信號進行安全監控，同時在總線上把空擋信號和離合信號發給EMS。BCM作為網關，把PCAN和BCAN連接起來，EMS通過BCM把起停相關信號發給儀表[3]。系統設計主要有以下優點：

（1）傳動鏈狀態雙路監控

發動機起動需要在傳動鏈徹底脫離的狀態進行。安全起見，對空擋傳感器、離合器傳感器進行雙路獨立監控。其中一路直接硬線接入EMS進行邏輯判斷，另外一路信號由SSU處理。信號故障檢測由EMS綜合判斷。

（2）起動機雙路控制

采用EMS和SSU兩個獨立的控制器對起動機繼電器串聯控制，保證在任何一個控制器出現錯誤的控制時，起動機也不會運轉。EMS和SSU各自判斷，SSU在ON檔電時判斷整車處于空擋或離合器頂開關有效時則控制傳動鏈繼電器吸合，保證了起動機一定是在傳動鏈脫開時工作。起動機雙路控制結構如圖2所示。

（3）低電壓保護

起動機工作瞬間大電流，會顯著拉低蓄電池電壓。低溫冷起動、長期停機等極端條件下，蓄電池電壓有可能低至7V，甚至更低。車內各控制器的要求電壓范圍為9V-16V，導航、音響、儀表等安全電壓要求10.5V以上，雨刮、大燈等功率型用電器在不同電壓下響應差異顯著。因此，該系統主要有兩種低電壓保護方式。首先是預留DCDC配置，保護導航儀表等用電器；若沒有DCDC的配置，起動機采用限流ICR繼電器保護。ICR繼電器、DCDC分別對應高低成本方案。防浪涌繼電器：抑制啟動瞬間電流，優點是成本便宜、改動小，缺點是啟動時間變慢、改善效果有限（1V左右）。DCDC：起動機工作時，升壓電源打開，優點是電壓穩定可保證10V以上（根據輸出功率變動），缺點是價格貴。實際采用ICR繼電器配合AGM電池，有較好效果。兩種低壓保護方式如圖3所示。

1.2 起停零部件

表1 起停零部件

手動擋起停系統零部件主要分兩部分，一部分是起停系統專用零件，包括蓄電池、電池傳感器、起動機、發電機、制動真空度傳感器、離合傳感器、空擋傳感器、起停開關等，另外一部分是起停系統配合模塊，包括車身控制模塊（BCM）、組合儀表（ICM）、空調系統（HVAC）、座椅通風模塊、電動助力轉向系統（EPS）、發動機管理單元（EMS）、

下線配置及診斷儀等。

起停零部件如表1所示。

1.3 起停控制策略

EMS的起停控制邏輯主要包括起停使能邏輯、怠速停機邏輯和發動機起停邏輯[4]。

起停使能條件有電池電量充足、制動真空度充足、起停系統無故障運行停機（起動機、發動機、各傳感器無故障）、滿足整車安全狀態（如駕駛員在座及前艙蓋閉合狀態）、起停主開關處于使能狀態、空調狀態允許起停（如制冷情況下，在外氣溫小于25度，且蒸發器出口空氣溫度小于15度；制暖情況下，在外氣溫大于10度，且水溫大于60度）、電動助力轉向系統運行起停等，滿足以上條件，車輛自動起停功能開啟。

怠速停機條件有車輛停止或車速低于閾值（可標定）、檔位由其他檔位換到空擋、離合器踏板松開、油門踏板完全松開，車輛滿足以上條件，車輛自動關閉發動機。

發動機處于自動停機狀態下，起動邏輯分為3類：車輛需求觸發、溜坡自動啟動和駕駛員操作觸發。車輛需求觸發的前提是處于空擋，主要有以下幾種情況：

1）電池低電量觸發

發動機怠速停機狀態下，若車輛用電將電池降低到一定程度，再進一步降低則有無法起動的風險時，觸發自動起動進行電池充電。

2）制動真空度不足觸發

在發動機怠速停機狀態下，如果連續踩制動等原因導致制動真空度不足，則觸發自動起動提供制動真空度，防止無法制動的風險。

3）空調狀態觸發

在怠速停機狀態，空調根據除霧模式、內外溫差等，判斷影響當前駕乘舒適度，發出總線信號請求起動發動機。

溜坡自動起動條件包括空擋狀態或離合器踏板踩到底狀態、車速超過匹配值。

駕駛員操作觸發條件包括處于空擋、有踩油門、離合踏板操作等判斷駕駛員的行車意圖，是起停功能策略的核心部分。離合器傳感器有2個開關量輸出，1個在離合器踏板行程踩下10%時頂開關觸發，1個在離合器踏板行程踩下90%時觸發底開關。空擋傳感器是一個非接觸式霍爾傳感器，通過2路PWM信號輸出判斷檔位。根據離合器和空擋傳感器的狀態可以把傳動鏈狀態分成6種（見下圖）。狀態1至狀態4表示傳動鏈脫開，狀態5、狀態6表示傳動鏈結合。從狀態1到狀態2、狀態2到狀態3的過程可以觸發停機，這一過程即處于空擋時駕駛員松離合踏板的過程；從狀態3到狀態2、狀態2到狀態1的過程可以觸發起動，這一過程即處于空擋時駕駛員踩離合器踏板的過程。EMS起停功能邏輯示意如圖4所示。

EMS根據起停使能條件、怠速停機條件和發動機啟動條件等判斷起停功能狀態，根據起停功能狀態控制發動機的停機和啟動。EMS對起停的控制狀態由7個，定義如下：

[0] non-start/stop mode Reset:表示起停功能被駕駛員禁止；

[1] Engine standby:表示發動機處于剛上電但尚未起動的狀態；

[2] Engine Stopped:發動機處于停機狀態（之前運行過，現在仍然是KeyOn）；

[3] Starter restart：自動起動中的起動機拖動過程；

[4] Engine restart：自動起動中的起動機脫離但未達到目標轉速；

[5] Engine Operation：發動機正常運轉狀態；

[6] Engine auto-stopping：發動機自動停機過程。各狀態的轉化關系。

起停狀態機如圖6所示，傳動鏈狀態如圖5所示。

第一次必須通過鑰匙啟動，沒通過鑰匙啟動不允許進入起停，從狀態1進入狀態5（發動機運行）。如果檢測到停機請求則進入狀態6（停機過程）：在狀態6時如果轉速小于20rpm，進入狀態2（停機完成）；在狀態6時檢測到啟動請求，如果發動機轉速大于450rpm，則進入狀態4（發動機啟動），直接噴油點火啟動發動機；在狀態6時如果發動機轉速低于100rpm則通過起動機啟動，轉速大于400rpm則進入狀態4（發動機啟動）。在狀態2時如果檢測到啟動請求則進入狀態3，轉速大于400rpm后進入狀態4；當轉速大于700rpm時由狀態4進入狀態5。

1.4 試驗驗證

對某傳統手動擋汽車進行上述的起停方案的改造后，對該試驗車進行了基礎功能標定試驗（包括起停邏輯驗證、起停邏輯閾值標定等）、高強度綜合耐久試驗和道路起停耐久試驗，結果證明該起停系統控制邏輯工作良好，零件工作正常，可以完成起停系統耐久試驗。

對裝備2.0L發動機、5擋手動變速箱的某自主品牌轎車進行了起停系統改造，以一般客戶的使用習慣，進行專項試驗——起停車型城市工況油耗對比測試，并與對標車進行對比，考察相同工況下起停版車型（開/閉起停功能）與非起停車型的油耗水平。油耗對比數據如表2所示。

表2 油耗對比試驗數據

從表2可見，增加起停系統后市區工況百公里油耗至少省6.5%，平均油耗省油15.5%。從排放結果來看，各種污染物都無明顯變化，證明起停功能基本不影響排放。因此，起停技術是一種有效的整車節油手段，可以用于大批量生產。

對起停系統油耗進行標定，采用滑行法，將汽車整備質量調整至1450kg，同時對車輛進行一定的充電，油耗可以做到7.7L/100km。在檢測中心進行ECE+EUDC循環試驗結果如表3所示。

表3 ECE+EUDC循環試驗結果

通過以上試驗過程總結，起停系統降低排放循環的油耗主要來源于：平衡怠速停機的時間和頻繁起動帶來的油耗增加，可以通過以下對策滿足第三階段油耗范圍內。

（1）在正常使用的情況下，盡量增加怠速停機時間，同時保證在極端條件下（高溫、高寒、高海拔）和起停系統影響到其他電氣設備的情況下（電池電量低等）禁止起停；

（2）在保證安全性的前提下，降低起停起動的進氣量和噴油量，減小起動時上沖轉速，同時減小起動后進入Lambda閉環控制的時間；

（3）保證起停系統的大容量電池在充足電量的基礎上進行油耗試驗，降低排放循環油耗的發電機負荷；

（4）采用合理的整備質量(1450kg)和合理的滑行曲線，起停版車輛可以達到第三階段油耗目標(7.7L/100km)。

2、結束語

完成了對某傳統手動擋車輛的起停系統相關零部件的改造設計和控制策略的開發，總結出起停系統的開發流程。經過基礎功能標定試驗（包括起停邏輯驗證、起停邏輯閾值標定等）、高強度綜合耐久試驗和道路起停耐久試驗，結果證明該起停系統控制邏輯工作良好，零件工作正常，能實現起停功能。通過市區工況的油耗對比試驗，證明加裝起停系統后至少可以省油6.5%，而對排放基本無影響。通過對起停系統進行標定，證明采用合理的整備質量和合理的滑行曲線，起停車輛可以滿足第三階段油耗限值目標。證明該起停系統是一種工作可靠且達到良好節油效果的系統，可以實現大批量生產。

[1] 中國汽車技術中心，奇瑞汽車股份有限公司，廣汽本田汽車有限公司，等.GB 27999-2011 乘用車燃料消耗量評價方法及指標[S].北京：中國標準出版社，2012.

[2] 趙云峰，陳俊，朱自萍，樂志國，趙福全.中國車企起停技術發展現狀及分析 [J].汽車工程師.2012(5):28-33.

[3] 周雪奎，陳崢峰，楚曉華.車輛快速起-停控制裝置現狀研究[J].汽車實用技術.2013(9):5-10.

[4] 斐玉姣，紀天寶.發動機起停技術的研究[J].汽車工程師.2012(7):66-82.

Auto start-stop system technology and application

Yang Tuchao

(Guangzhou Automobile Group Co., Ltd Automotive Engineering Institute, Guangdong Guangzhou 510640)

Introduces in detail a MT models start-stop system for development and application, including system solutions, start-stop components development, start-stop control logic, fuel consumption test. Experimental results show that after adopting start-stop technology condition of vehicles in urban areas fuel consumption can be reduced at least 6.5%, can meet the requirements of the third stage fuel consumption (7.7 L / 100 km), proof of start-stop technology is an effective means of vehicle fuel, can be used in mass production.

engine；start-stop technology；start-stop system；start-stop application

U471.1

A

1671-7988(2014)07-85-04

楊土超，工程師，就職于廣州汽車集團有限公司汽車工程研究院，主要研究方向為起停技術、起動機控制、車身電子控制、車身安全等。