某車型怠速啟停系統原理及其標定

喻金龍

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

汽車在城市道路中行駛時，常會因遇到紅燈和擁堵而停車，此時汽車處于怠速狀態，發動機空轉運行浪費大量燃油，污染環境[1-3]。汽車智能啟停技術可以較好地解決這些問題，該系統可控制發動機在汽車怠速停車狀態時，自動關閉發動機，當電控系統監測到駕駛員有啟動意圖時，發動機則能夠快速啟動。因此在停車時就能夠減少不必要的燃油消耗和污染物的排放。相比而言，裝配了怠速停機功能的車輛的油耗可降低5%～15%[4]，CO2，HC，NOx也能夠有效降低，節能減排效果明顯。控制邏輯算法是汽車啟停系統的核心技術。文章分析了啟停系統的主要控制邏輯原理，提出了一種基于邏輯門限值的啟停系統控制算法。

1 怠速啟停系統主要控制邏輯算法

1.1 算法原理

PID（比例-積分-微分）控制算法、模糊控制算法、滑移變結構控制算法及神經網絡控制算法等都是目前汽車啟停控制系統研究領域的熱門算法[5]。然而在實際應用中，上述控制算法難以對車輛運行條件和駕駛員的操作意圖做出準確的識別，依靠模型對某些參數進行計算導致計算量過大，難以克服非線性動力學特性對汽車控制效果的影響。

邏輯門限值控制算法是產業化智能啟停系統的主流。控制邏輯優化改進對提升啟停系統的控制水平、推動產業化開發具有重要意義。邏輯門限值控制算法的特點是不需要建立具體的數學模型，在硬件設置上有易于實現的優點，并且對系統的非線性控制效果明顯。該方法是通過接收各種傳感器信號，以及駕駛員對油門踏板和擋位的操作等信息，中央控制器據此再進行分析做出判斷，從而控制啟停系統，實現發動機的熄火和啟動，并且一直處于監控狀態，通過不斷的循環控制來實現啟停功能。

1.2 基本算法組成

該控制算法主要針對手動擋汽車，包括以下5種算法。

1.2.1 怠速停機條件判斷算法

怠速停機條件判斷算法流程，如圖1所示。該算法主要用來判斷：啟停系統有無故障；發動機水溫是否符合要求；蓄電池溫度、電流及電量是否滿足要求；車輛狀態是否滿足停機條件，如空調系統或除霜是否開啟、制動真空度是否滿足要求。當以上所有條件都滿足時，怠速停機功能開啟，激發怠速停機算法處于工作狀態，此時如果車輛需要怠速停機則可實現發動機自動熄火；如果以上條件中有1個或多個不滿足時，怠速停機功能關閉，激發怠速停機算法處于非工作狀態。

圖1 怠速停機條件判斷算法流程圖

1.2.2 激發怠速停機算法

激發怠速停機算法流程，如圖2所示。該算法首先判斷駕駛員是否有油門踏板和擋位操作，當ECU沒有接收到以上操作信號時，倒計時開始，達到設定的限值時，則判斷出駕駛員無操作或起步意圖，則激發怠速停機，進而進入怠速停機模式。當有擋位操作和油門踏板操作時，則ECU會判斷怠速停機功能是否開啟、加速踏板是否完全松開、離合器踏板是否被完全松開且處于空擋、車速是否低于限值這些信號。當以上條件都滿足時，則判斷出駕駛員有停機意圖，此時會激發怠速停機；如果以上條件中有1個或多個不滿足時，則返回判斷駕駛員是否有擋位操作或加速踏板操作步驟，進入下一個循環。

圖2 激發怠速停機算法流程圖

1.2.3 怠速啟動條件判斷算法

怠速啟動條件判斷算法流程，如圖3所示。該算法主要用來判斷：啟停系統有無故障、駕駛員是否坐在座位上且系好安全帶、傳動鏈是否脫開、離合器踏板是否被踩下、發動機艙蓋及各個車門是否都已經關好。當以上所有條件都滿足時，怠速啟動功能開啟，激發怠速啟動算法處于工作狀態，此時如果車輛需要怠速啟動則可實現發動機自動點火；如果以上條件中有1個或多個不滿足時，怠速啟動功能關閉，激發怠速啟動算法處于非工作狀態。

圖3 怠速啟動條件判斷算法流程圖

1.2.4 激發怠速啟動算法

激發怠速啟動算法流程，如圖4所示。該算法首先判斷車輛怠速啟動功能是否開啟，如已開啟則有條件進行怠速啟動，如果沒有開啟則不能進行怠速啟動。隨后判斷車輛是否處于空擋狀態，如不是空擋，則激發怠速啟動算法無法運行；如果處于空擋狀態，則判斷離合器是否被踩下，如果被踩下則表明駕駛員有啟動意圖，此時則激發怠速啟動算法。否則無法激發怠速啟動算法，發動機不會自動點火，然后ECU返回判斷車輛的空擋信號。

圖4 激發怠速啟停算法流程圖

1.2.5 怠速啟停主控制算法

怠速啟停主控制算法流程，如圖5所示。該算法包含了以上4種算法，其對車輛的整個運行過程進行控制，以實現智能啟停功能。首先，駕駛員人工啟動車輛，發動機正常運轉，怠速停機條件判斷算法判斷出車輛是否具有怠速停機的條件，從而控制開啟或關閉怠速停機功能。如果怠速停機功能開啟，激發怠速停機算法判斷出是否需要進行怠速停機，如果需要，則車輛怠速停機；如果怠速停機功能關閉或無需激發怠速停機，則繼續維持發動機正常運轉狀態。車輛怠速停機后，怠速啟動條件判斷算法判斷出車輛是否具有怠速啟動的條件，從而控制開啟或關閉怠速啟動功能。如果怠速啟動功能開啟，激發怠速啟動算法判斷出是否需要進行怠速啟動。如果不需要或者怠速啟動功能未開啟，則繼續維持車輛怠速停機狀態；如果需要怠速啟動，則判斷蓄電池電量是否充足且啟停主開關是否開啟，當以上2個條件均滿足時，則智能啟動發動機，如果以上2個條件有1個或者1個以上不滿足，則需人工啟動發動機。車輛怠速啟動后，判斷發動機轉速是否超過一定值。如果發動機轉速未超過一定值，則返回怠速啟動步驟，繼續啟動發動機；如果超過一定值，則供油系統為發動機供油，發動機正常運轉使車輛正常行駛[5]。

圖5 怠速啟停主控制算法流程圖

2 某車型怠速啟停功能標定內容

2.1 平原地區項目

2.1.1 輸入輸出信號檢查

試驗目的為根據ECU設定的常數，確認與怠速啟停相關的零部件的輸入輸出信號特性完全符合ECU內部算法的設定，沒有任何異常。具體的試驗方法是：根據相應的硬件或者設計功能進行操作，同時直接讀取ECU上的信號狀態，檢測是否有信號響應，或者信號響應是否正常，其中包含起動機、發電機、電流傳感器、空擋信號、離合器上下位信號、發動機艙蓋開關及怠速啟停功能開關等信號，只要以上各信號正常，即可符合設計要求。

2.1.2 電源控制

2.1.2.1 電池容量管理

試驗目的為根據車輛電氣負載決定電容常數，以確保在怠速停機之后能夠保證車輛的部分電氣負荷正常工作。具體的試驗方法是：在電池滿電狀態下，多次計測IG ON、低擋大燈、制動燈、低擋鼓風機及音響等同時開啟時所消耗的電量，進行計算處理，再與內部基礎標定值做比較，以決定是否需要調整。只要在IGON狀態時負載電流和各電氣負載及組合的消耗電量能在基礎值以內，即可滿足設計要求。

2.1.2.2 充電控制

試驗目的為確認在給電池充電時充電能量始終大于放電能量，最終狀態為充電狀態。具體的試驗方法是：在怠速啟停功能能夠正常工作的前提下，進行標準的排放循環的模式走行試驗。待試驗結束后，觀察最終的電池容量為多少，來判斷電池的狀態。

2.1.2.3 電池溫度

試驗目的為確認電池搭載環境變化對電池溫度的影響。具體的試驗方法是：首先加工好電池，可以從其內部計測溫度，然后分別在常溫環境、低溫環境以及高溫環境下按照標準的排放循環進行多次連續走行試驗，來觀察實際測量的溫度比ECU內部的邏輯算法推算值偏差多少，以確保電池工作環境的合理性。

2.1.2.4 電池電壓-接線電阻

試驗目的為確認啟動系統相關的線阻的增加對怠速啟停系統（電池）壽命的影響。電池所有接線上的電阻會影響啟動時電池、ECU的電壓下降，所以要確認這些線阻的實際值。具體的試驗方法是：將連接電池正負極的所有電線全部分別接入，外接測電壓電流設備，并且進行多次啟動測試，分別用每次測量出來的電壓和電流值計算正負極上的線阻，再極端平均值。

2.1.2.5 電池電壓-電氣負載確認

根據車輛電氣負載電流推算電池最低的電壓，以確保當有多種電氣負載同時開啟時，最大的電壓波動對啟停系統不會造成影響。

2.1.3 怠速啟停控制算法確認

試驗目的為確認與文章介紹的5種控制算法相關的所有邏輯項目是否能夠正常工作。其中涉及的對象或者項目較多，例如：在發動機進入怠速停機狀態時，當駕駛員踩下離合器踏板時，ECU接收到離合器踏板的信號，則怠速啟動算法被激活，然后按照1.2.4節所介紹，進行內部判斷。除此之外，還有很多其他因素，比如空擋開關信號、怠速啟停功能開關信號、機艙蓋開關、車門信號、水溫信號、大氣壓信號及空調開關信號等。在如2.1.1節介紹的所有信號檢查完畢、無問題的情況下，通過信號的控制算法均需要在標定過程中進行相關驗證。

2.1.4 與怠速啟停功能相關的故障檢出

2.1.4.1 制動負壓閾值設定及其異常檢出

試驗目的為確認實車的制動壓力傳感器是否正常。通過實際測出的車輛（發動機）自身的最大減速度，從而判斷出車輛行駛狀態，即可判斷出制動壓力傳感器是否正常。如異常，則進行報警提示。此最大減速度值也應為多次測量后的平均值。

2.1.4.2 空擋開關判定常數設定及其異常檢出

試驗目的為確認實車的空擋開關是否正常。通過車輛的參數，計算出各擋位下的理論傳動比。當車輛在勻速行駛時，ECU內部計算出實際的傳動比在理論值范圍之外，則應當判定為空擋開關異常。

2.1.4.3 車速信號異常檢出

對于整車控制來說，由于車速信號是重要的源信號之一，所以要對車速信號進行實時監控，以確保這一信號的可靠性。此款車型是通過采集2路車速信號進行實時比較來相互監控的。當2路信號相差較大時，便會報出車速信號的故障。而怠速啟停系統利用的是通過ABS處理后的1路車速信號。具體的測試方法是，在各種路況下進行正常駕駛，以檢測這個差值設置是否合理或者故障能否被檢測出來。

2.2 高原地區項目

2.2.1 高海拔失效推定

為了保證在高海拔地區車輛的安全性，怠速啟停系統會自動失效，以確保在停車時，能夠為車輛提供足夠的制動負壓，保證制動效果。具體的實施方法是：ECU通過各種信號能夠實時更新外界環境的狀態，通過計算，當發現外界條件達到設定的臨界值時，便會判定為不滿足怠速啟停系統要求，從而自動關閉其功能，同時發出報警聲以作提示，這樣就實現了保護功能。

2.2.2 怠速啟停系統的駕駛性評價

針對怠速啟停系統算法的設定進行客觀評價，需要專業的測評工程師做實車的評價工作。其主要工作是更有針對性地測試5種控制算法以及相關設定的合理性。主要從以下方面進行測試：發動機的停機和啟動、怠速停機的頻率、功能失效的合理性以及報警檢測相關等內容。具體考核主要內容包含停機啟動時的主觀感受、起步性能及電氣負載的影響程度等方面。

3 結論

邏輯門限值控制算法不需要建立具體的數學模型，在硬件設置上易于實現，對系統的非線性控制效果明顯。怠速啟停控制算法包括怠速停機條件判斷算法、激發怠速停機算法、怠速啟動條件判斷算法、激發怠速啟動算法以及怠速啟停主控制算法。怠速停機條件判斷算法和怠速啟動條件判斷算法，能夠控制開啟或關閉怠速停機及怠速啟動功能，激發怠速停機算法和激發怠速啟動算法則在需要的時候控制怠速停機或怠速啟動，實現智能啟停功能。