起停技术在商用车上的应用

2015-12-02张凌露

汽车电器 2015年3期

郁强，张凌露，宋伟

（1.上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200438；2.南京依维柯汽车有限公司产品工程部，江苏南京 210028）

为减少机动车污染排放，北京拟立法规定车主在停车超过3min时应熄火。北京还就此举行立法听证会，这看起来有点 “管太宽”的规定引起了热烈争议。停车3min熄火，对减少污染的问题，不存在争议。有争议的是制度的可操作性，对车辆有无损害，以及乘员适应感等。值得庆幸的是目前已经有了成熟的汽车技术手段来 “一步到位式”解决停车熄火的难题，这就是 “起动／停止”的技术。

1 商用车起停系统核心技术介绍

起停技术并不复杂，可以根据车辆遇到交通信号灯这种典型工况来说明其工作原理。当红灯亮起，驾驶员踩下制动踏板，停车摘档。这时候，Stop-start系统自动检测：发动机空转且没有挂档；底盘系统的车轮转速传感器显示为零；电子电池传感器显示有足够的能量进行下一次起动。满足这3个条件后，发动机自动停止转动。而当信号灯变绿后，驾驶员踩下离合器，随即就可以快速起动发动机。驾驶员挂档、踩油门，车辆快速起动。

虽然起停系统的匹配性很高，但它毕竟是一个集成系统，涉及到车辆的发动机、制动系统、安全性和舒适性，因此需要整车厂和供应商共同确定系统控制策略。实现发动机的起动和停止，目前主流技术路线有两种：一种是博世的增强型起动机技术和法雷奥的ReStart技术，一种是法雷奥的i-StARS技术。使用起停系统后因起停次数增加，对起动机的寿命要求大大提高。增强型起动机和ReStart都是在不改变原有起动机结构的情况下，对其关键机械件、运动件和易损件进行加强设计来达到这种要求，并通过紧凑性设计。法雷奥的i-StARS技术则将起动机集成到发电机中，取消了传统起动机。集成发电／起动机通过内置控制模块，实现起动、发电功能的自动切换。起停系统的技术实现，博世公司提供了一个标准的实现策略，如图1所示，该策略涉及5个方面：控制软件、起停、能量管理、安全和舒适。

博世起停系统的一般控制逻辑如下：当车辆停止并处于空档，电池电量充足，制动真空度充足，发动机状态良好，且满足安全条件（驾驶员在座、发动机前舱盖闭合等）时，起停系统控制发动机熄火。当制动真空度不足，或电池电量不足，或起停系统主开关断开，或踩下油门踏板，或车辆速度超过限值，或不满足安全起动前提条件时，发动机会保持在发动状态不停机。部分车型还对空调状态进行检测和控制，其电控架构如图2所示。

起停系统先进的技术，首先体现整个系统的寿命上。起停系统以减少整车的怠速时间来达到节油的目的，这样起动机的起动运行次数大大提高。以博世公司L系列起动机为例，通过强化轴承、加强行星齿轮机构、采用经强化的齿轮啮合机构、优化换向器等措施，延长起动机的寿命，如图3所示。通过采用以上专门的技术，保证起动机在车辆整个使用寿命中频繁起动而不损害。以BOSCH公司S78平台减速起动机为例，适用于2.0～2.8 L的柴油机，按BOSCH内部标准要求，起动机的使用寿命达到30万次。部分用于汽油机的起停起动机，因为发动机排量小、起动扭矩较小等因素，起动机的使用寿命能达到40万次以上。

使用起停系统后，发动机会频繁起动，对整车电气系统能量平衡以及蓄电池的使用寿命产生不利影响。为了解决这些问题，需要对蓄电池和发电机使用新的技术。

1.1 增加AGM型蓄电池

AGM型蓄电池是专为起停系统研发的。它也是铅酸型蓄电池，但和普通蓄电池不同的是，它内部没有自由流动酸液，酸液都被集成在纤维状组织中，以此减少酸液密度分层、极板电解质脱落这两个造成蓄电池老化的主要因素的影响，同时纤维组织存在也减少了离子移动过程中的阻力，因而，AGM蓄电池比普通蓄电池寿命更长，深度放电能力也更强。使用蓄电池传感器，随时监控蓄电池的充电状态，系统在关闭发动机前都会先判断当前蓄电池的电量是否足够重新起动发动机，只有当电量充足时才允许发动机熄火。如果发动机熄火时间较长，用电器持续用电，使蓄电池亏电达到某个预先设置的限值时，系统会立刻退出熄火状态，起动发动机补充电能，以此避免发动机因蓄电池电量不足而无法重新起动，给驾驶者带来不便。系统是通过传感器连续测量蓄电池充放电电流、电压和内部温度等参数，并根据模型计算出蓄电池的状态的，因此传感器和蓄电池之间需要进行匹配。

1.2 增加多功能调节器

由于起停系统在驻车怠速时关闭发动机，这样发电机在整个驾驶循环内总的发电量会减少，为保证系统电能平衡，最简单的办法是使用功率更大的发电机，但更好的办法是使用多功能调节器，优化发电机与整车的匹配，同时提高发电机的效率。使用多功能调节器的发电机，能够在ECU的控制下，实现两个有用的功能：一是能够根据蓄电池亏电程度，合理设置充电参数，提高充电效率，并减缓蓄电池的老化；二是能够根据车辆行驶状况，在发动机扭矩资源紧张的时候，减少发电机的扭矩需求，而在扭矩充裕的时候，适当提高发电功率。同时，高效发电机技术本身也是一项节能技术，因为发出同样的电量消耗的燃油更少。目前的高效发电机效率能够达到70%，相比普通发电机节能约1%。

1.3 增加DC／DC稳压控制器

部分带有起停功能的汽车，为了安全和减少客户对起停功能的不适应，装有DC／DC稳压控制器。在起停系统中，起动造成的电池电压跌落，一方面会造成一些用电器的重启而影响舒适性，另一方面欠压也会影响用电器的使用寿命。DC／DC在这种欠压环境下，能给如下这些用电器提供稳压：导航仪，CD机，内饰灯，ABS，空调控制面板和仪表等。

1.4 增加安全模块

安全模块包括4个传感器：前盖开关、变速器档位开关、制动真空传感器、门锁开关。当前舱盖或车门打开，或者档位不在空档时，出于安全目的，发动机不能被自动起动。而当制动真空度不足时，发动机应该被起动。在仪表上增加显示功能是为方便驾驶员掌握车辆运行状态信息的。

1.5 改进凸轮轴相位传感器和凸轮轴的目标轮

为了减少发动机起动时对乘客的冲击，增加整车舒适性，则要求尽可能减少起动机拖动发动机起动的时间。起停系统常用的解决方案是改进凸轮轴相位传感器和凸轮轴的目标轮。具体方案是将目标轮由4+1齿改为3齿。4+1齿信号轮支持跛行回家功能。4代表缸数，另加的1个齿用于产生同步信号，最坏情况下，需要1圈以上，才可实现曲轴与凸轮轴同步。而3个齿信号轮既支持跛行回家功能又支持快速起动功能。90°凸轮轴以后，即可实现曲轴与凸轮轴同步，具体原理如图4所示。

2 起停技术在依维柯车型上的应用案例

作为轻客行业的领航者，南京依维柯一直热衷于节能减排方面的研究。对于起停系统，也进行了功能样车的搭建和测试。

2.1 功能样车搭建

南京依维柯在其POWER DAILY2014（简称PD2014）款车型上搭建了功能样车，用于评估和演示起停功能。南京依维柯PD2014款装配的是SOFIM国Ⅳ2.8L的发动机，最大功率为100kW／3600r／min，最大扭矩为320 Nm／1 800 r／min，配IVECO2830.5的5档变速器。加装起停系统主要部件有MicroAutoBox（简称MAB）、继电器盒、触摸显示屏和蓄电池传感器（EBS）。MAB是整个起停系统的控制单元，它通过CAN总线读取整车的车速、发动机转速、制动、离合器、门状态、压缩机状态、发动机运行状态、瞬时油耗和发动机水温等信息，通过LIN总线读取蓄电池状态。MAB通过一定算法去控制起动继电器和停机继电器。整车所有信息均在显示屏上显示出来。整个控制系统如图5所示。

MAB在功能样车上作为一个单独的电控单元，可以通过计算机对其进行标定。MAB具有实时软件接口（简称RTI）和控制桌面。RTI桥能够控制MAB硬件中每个输入输出接口的逻辑，如A／D、CAN线、LIN线、数字信号输入和输出。控制桌面用于在线标定。该项目中，需要两路CAN总线通道，一路LIN总线通道，两路数字输出和一路数字输入。所有的I／O信号全部接入继电器盒，包括发动机起动继电器、关机继电器和通信接口等。它为MAB提供CAN和LIN线接口，并给EBS和通信接口提供驱动电路。使用一个专用电池为继电器盒提供电源，并由一个安全开关控制。继电器盒中有一些选择开关，可以提供5V和12V两种电源。

蓄电池传感器（EBS）被用于确认整车蓄电池的电流、电压和温度，通过特殊的蓄电池状态算法推算出充电状态（SOC）、功能状态（SOF），相关信息通过LIN线传输到MAB中。该蓄电池传感器是1-fit-all型，是一种能够适应各种蓄电池的智能传感器。它安装于蓄电池负极，不会改变整车电源线束的安装。

触摸屏是功能样车中重要的人机交互部件。从屏幕中能迅速读取起停系统的运行状态和整车参数，可以为不同试验设定不同的技术参数，并显示和记录试验数据。触摸屏中开发了足够的应用程序用于整车测试。触摸屏的COM端口可以直接用于CAN2.0A通信，LAN端口用于下载设计应用接口，USB端口用于输出记录的测试数据。

为了实现自动起停功能，必须改制整车线束，加入两个继电器（发动机起动和发动机停机）。发动机起动继电器中常闭引脚接到整车的起动继电器，常开引脚接到整车的蓄电池。一旦MAB输出高电平，发动机起动继电器接通蓄电池和原车起动继电器，发动机立即起动。如果MAB发生任何故障，驾驶员仍能正常起动车辆。发动机停机继电器联接到整车的F48熔断丝（发动机电控单元的钥匙信号）。F48熔断丝连接发动机停机继电器的常闭端。如果MAB损坏，发动机仍能正常运行。功能样车上装配了一个紧急开关，用于控制起停系统的供电电源。当断开该开关时，功能样车就没有起停功能。修改后的整车原理图如图6所示。

2.2 起停软件的开发

应用软件分为4个模块：起停使能计算、运行状态机（state machine）、集成软件（HMI）和I／O接口。每个模块都包含几个小模块。起停系统中输入应用软件的信号有制动踏板信号、离合器信号、车速、发动机转速、水温、蓄电池SOC、门状态、空调压缩机运行状态、发动机运行状态、起停开关。起停功能核心算法是在Simulink环境下用有限元技术仿真出来。起停使能计算模块决定了起停功能能否被激活。发动机自动停机和起动的条件是当前的水温高于设定保护温度、所有车门全部关闭、空调压缩机没有运行、蓄电池的SOC值高于门限值、起停开关接通、当前车速为0、变速器处于空档状态。如果以上所有的条件均满足，驾驶员按如图7所示的步骤进行操作，发动机能够自动起停。该操作为驾驶员遇到红灯的常规操作，并没有因为加入了起停系统而改变驾驶员的驾驶习惯。

运行状态机是起停系统的核心算法，它根据驾驶员的操作和车速，判断输出起动请求和停机请求，同时计算出发动机停机次数、停机时间等信息，发送到集成软件模块。集成软件模块接收到总停机时间的信号，计算出总的节省油耗、节油率并转化为CAN总线信号。所有的CAN总线信号信息可以在触摸屏上显示出来。集成软件模块接收到触摸屏上进行的数据标定值，如车速限制范围、起停开关状态等。I／O接口模块用于输入和输出信号。这个模块通过LIN线接收蓄电池传感器信号，通过CAN总线接收整车信号，并分配到其他模块。起动请求信号和停机请求信号被传输到继电器盒去控制起停继电器。

电源开关控制触摸屏的供电电源。初始化后，触摸屏进入主界面，上面会显示整车的一些重要信息，如车速、制动状态、离合器状态、油耗信息、蓄电池信息、整车行驶状态、节油比率等。用户通过主界面下方的按键可以选择不同的工作环境。“参数设计”环境内，可以标定起停功能的门限值：水温限值、最低车速限值、SOC门限值。适时数据界面内能够显示当前整车的发动机转速、车速，并记录每次测试时的数据。软件集成模块能将发动机的状态转发到触摸屏中，用户可以清楚观察到发动机所处的状态，起停功能能否适用。此人际交互界面能够读取、记录和存储起停系统的测试数据，如节油率、总的停机时间、运行里程等。MAB通过独立的CAN总线传输这些数据，与整车的CAN总线分开。

2.3 起停软件的测试

为了确定起停系统的功能，我们在苏州的真实城市道路和郊区道路进行测试。为了试验的安全性和有效性，所有的测试均是在工作日的非上下班拥堵时候进行。具体道路条件见表1。

表1 道路状况

为了保证数据的准确性，每次道路试验均是同一个驾驶员在非拥堵时候连续进行两次。遇到红绿灯无需刻意停车，视正常开车习惯和路况而定是否停车。两次城市路况测试时，总的停机时间是1343s，比两次郊区路况的停机时间多了261s。因为城市路况的总油耗稍微高一点，所以两种道路下的节油率是很接近的。城市路况平均车速比郊区路况的平均车速低了29%，所以城市路况的总油耗会高。具体数据见表2。

3 结束语

起停系统的节油贡献已获得认同，部件产业化和技术上的难点也已基本解决，主要瓶颈是从几百万元到几千万元的开发费用。目前国际上起停系统的主要供应商是博世、法里奥等国际汽车电子产品大企业，而我国车企和零部件企业在这方面的技术储备并不理想，若在起停系统的关键零部件方面长期 “受制于人”，成本原因肯定仍会制约对该技术的应用推广，特别在商用车领域。