基于CAN总线的多功能启停控制系统的设计

刘新波

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州511434）

0 引言

随着我国城市车辆越来越多，堵车现象越来越严重，车辆在堵车及怠速时消耗的燃油越来越多，释放的二氧化碳等有害物质也会大幅增加。安装启停装置，在城市工况可以有效减少汽车有害气体的排放、降低油耗[1]。

使用自动启停功能可以起到节省燃油的作用。当车辆处于发动机怠速工作情况时（如等红灯，短暂停车等），在满足一定的条件下，启停系统将自动关闭发动机。再次起步时，起动机自动运转并拖动发动机快速起动。整个操作过程力求不改变驾驶员的正常的驾驶习惯，驾驶员也可以通过操作启停系统主开关关闭自动启停功能。

本文是基于手动变速箱设计的一个多功能启停系统，在此启停功能的基础上使用了带LIN调节器的发电机，基于启停系统开发了智能充电控制功能，通过控制带LIN通讯功能的发电机，根据实际需求控制输出电压，可有效减小消耗扭矩，改善油耗，保证电池工作于良性区间，延长电池寿命。

1 系统设计方案

启停系统涉及到与整车多个控制模块的交互，其需要实时检测档位、离合信号、制动真空度、电池SOC、车速、空调状态以及本身故障状态等，只有多个控制模块共同协调合作，才能成为一个稳定高效的实时系统。

目前车辆网络架构大部分使用CAN、LIN等总线进行通信，数据传输非常方便，其他模块节点只需接收或发送相关的CAN报文即可，而启停控制器只需作为一个CAN节点添加到CAN网络当中，即可完成信息的交互。

启停系统正常工作时通常要求车门、发动机盖关闭，保证驾驶员的安全，在这我们通过BCM（Body Control Module）将其状态信息发出；发动机停机空调会失去制冷，通常增加空调判断逻辑，保证启停不影响驾乘舒适性；启停系统工作需要在仪表上增加启停状态指示灯，实时显示出启停的状态，是否存在故障等信息；同时系统需要增加制动真空度传感器，发动机停机过程若制动真空度低于阈值则启动发动机，保证制动安全。

根据车型的配置不同，使用的方案肯定也有所区别。针对手动与自动的车型，可提出多种方案。对于手动变速器配置车辆，需要增加空挡、离合信号判断车辆传动链状态。对AT、CVT、DCT等自动变速器配置，TCU（Transmission Control Unit）可以检测档位信息，无需额外传感器。对于AT变速器配置车辆，需要增加电子油泵,用于保持油压，以便能快速响应系统的要求。

在此以自动变速箱来设计我们的系统，其详细的系统结构框图如图1所示。

启停系统主要包含 EMS （Engine Management System）、SSM（Start Stop Module）、空挡传感器、离合传感器、AGM蓄电池、电池传感器、启停专用起动机、BCM、HVAC （Heating Ventilation and Air Conditioning）、智能发电机等。

除了常规的启停功能外，系统根据车辆运行的不同状况，通过改变发电机的设定电压，从而智能地在起动/加速阶段减少或关闭扭矩的消耗、在制动阶段增大扭矩消耗而回收能量。

智能充电系统原理如下图2所示，通过EBS(Electronic Battery Sensor)实时监测蓄电池的状态，包括蓄电池的电量、电压、温度及充放电电流等，并通过LIN总线将信号传输给EMS。发电机不同于常规发电机，采用LIN通讯型调节器，使得发电机能够和主节点EMS进行通讯，通过接收EMS的设定电压值发电机可以调节输出的电压值，同时还能根据整车的用电需求及工况设定发电机的负载响应时间、最大励磁电流等，以改善启动加速性能和提高舒适性。

图1 多功能启停系统框图

图2 智能充电系统原理图

LIN调节器有高精度的电压设定、精确的励磁电流限值、更为灵活的负载响应时间设定、更为全面的故障检测等优势，使得EMS能够更精准的控制发电机的输出和响应发电机的扭矩消耗。

2 软硬件设计

该模块的主控芯片使用飞思卡尔S12系列的16位单片机，内置128kb flash，4KB Data flash，RAM达到6KB，完全满足我们的要求，另外，其带有1路CAN，8个16位的定时器以及10通道的12位ADC模块，支持 SCI，SPI等通信功能[2]。

电源监控系统使用BOSCH提供的EBS，EBS作为一个LIN的从站，主站可通过LIN总线实时获取当前电池SOC、电流、电压、电池温度以及SOF，其通过总线来传输，硬线接口少，节约了成本。其内置LIN诊断功能，使用LIN2.1通信，通信波特率为19200bps，可直接安装在电池的负极。使用带LIN调节器的发电机，通过主站可以实时调节充电电压，可进一步节约油耗[3]。

在这里SSM模块相当于一个LIN的主站，从站为EBS和智能发电机，同时其作为一个CAN网络的结点，波特率为500kbps，通过CAN总线与发动机管理系统、仪表、车身控制器、空调等进行通信。

采用总线通讯，可随机的读取各个功能模块的软、硬件版本信息，方便记录与维修。

软件采用多任务的设计方法，EMS与SSM之间的CAN通信，10ms的任务，LIN通信可根据优先级别设计相关任务时间。

3 结论

采用常规的启停系统，通常可以节约油耗4-5%，而我们系统中采用带LIN调节器的发电机，通过基于蓄电池最优电量区间的充电控制策略、基于温度、车速、蓄电池老化程度的修正充电策略以及励磁电流及负载响应时间控制策略，实现了在减少油耗的同时延长蓄电池寿命，改善启动和加速性能。

通过进行实车搭载，验证功能和控制逻辑，经模拟计算及实际测试NEDC工况，如图3所示。

图3 油耗实验结果

从测试结果来看，在启停系统的基础上，采用智能充电时NEDC工况综合油耗较之常规发电机不带智能充电功能节省0．7%～1．1%，结果也表明，电气负载越高时，节油效果越明显。因实际车辆使用过程中用电负荷会高于NEDC工况负荷，故实际使用节油效果会更好。

在实际使用过程当中，可以把智能充电功能以及启停功能集成到EMS系统当中，进一步节约硬件成本。

［1］张颖剑．发动机怠速启动停止系统研究及CRUISE仿真[D]合肥工业大学，2013．

［2］MC9S12XEP100Reference ManualCovers MC9S12XE Family freescale[Z]．2013．2

［3］Bosch．电池传感器文档[Z]．2011．