STT系统手工样车的研究与开发

王建波，夏鸣春，江 逸

（神龙汽车有限公司技术中心，湖北 武汉 430056）

为使配置某1.6L发动机的车辆更加具备油耗竞争力，选择了搭载STT微混技术。STT是英文Stop and start的简写，译为智能起停技术。当车辆停下来时（遇到红灯、堵车等情况），STT系统会使发动机短时间停止运行来取代发动机的怠速运行，从而实现节油。因此也有称之为ISS（Idling stop-start）［1］，即是说发动机由起停系统控制而自动熄火时，前一个工况应该是怠速模式。根据文献［1-2］的研究，STT系统节油不仅是通过发动机熄火取代怠速而节油，该系统功能还可以回收部分制动能量和对电源进行管理，也有益于节油。起停方案主要有3种［2］，研究对象采用的起停系统方案，是采用独立的起动机和发电机，由起动机来带动发动机起动的技术方案。

选取质量级别、悬置系统、动力系统、电器架构等特征与未来目标车型综合比较，在接近的现有车辆上进行技术改造，使之能接近未来目标车型动力系统工作特征，用这样的车辆进行前期标定调校。手工样车就是轿车研发项目初期的重要交付物，制作成本高、周期长。因为手工样车的设计制造是个系统复杂的工程，常成为制约实际开发的瓶颈。在现有的量产车辆增加STT系统，并且达到功能指标要求，需要集成零部件研究与开发，装配布置研究，系统匹配和电器架构的研究等工作。

1 STT系统功能原理及结构布置

1.1 STT 系统功能原理

STT系统可以简单理解为2个动作控制系统，即发动机的“起”和“停”的动作，研究对象发动机的起动是通过起动机带动；发动机的停止是靠CMM（发动机控制单元）切断点火喷油系统实现。控制发动机的起或停的条件繁多［3］，按STT工况主要分类如下。

第1类，是STT系统可以正常工作的条件：发动机停运时车速为0；发动机转速低于设定范围；冷却剂温度在设定范围；制动真空度在设定范围；蓄电池电量监控系统的许可；蓄电池温度在设定范围；空气调节系统策略的许可等。

第2类，当发动机怠速熄火后允许发动机再次起动的条件：驾驶员已系上安全带（安全带锁已入扣）；发动机罩盖已关闭；驾驶员车门关闭；操作意图信息，比如手动变速器车型的离合器踏板位置、空挡位置、制动踏板位置信息等。

第3类，当发动机怠速熄火后即使驾驶员无意图也可以再次起动发动机的条件：行驶状态发生变化（如：手制动松开后车速的变化）；由乘员激活汽车内部系统（例如：激活除霜器、鼓风机、空调操作，解掉安全带等）；汽车系统的环境条件发生变化（例如：温度变化激活空调）；制动助力和转向助力系统需求；散热系统需求；蓄电池的电量状态不够等。

1.2 STT系统结构

STT的系统结构如图1所示。各个部件说明：空挡位置和离合位置传感器进行组合，可以判断驾驶员操作意图［4］；真空助力器压力传感器是帮助系统判断真空助力器压力是否足够，若不足则发动机不被许可熄火；发电机是否输出电压是可控的，系统电量充足时不输出电压，电量不足则发动机需带动发电机工作不被许可熄火，当车辆制动减速时，发电机工作回收少部分能量转化为电能；起动机是加强起停次数的加强型起动机，被BICD控制；网络稳压单元稳定网络电压，减少多次起停对车身电网电压波动；BICD控制起动机起动，并担任起动机继电器，与CMM通信告知起动机工作状态。大容量电池满足频繁起动的能量需求；电池传感器向电源管理系统反馈自生电量储备水平信号。起停系统主要被CMM（发动机电控单元）发出指令来控制，其在CAN网络的I/S（高速系统间网络）上与BVA（自动变速器电控单元）、ABS/ESP（制动防抱死和车身稳定系统电控单元）、GEP（转向助力系统电控单元）、BSI（伺服控制盒）进行通信。BSI（伺服控制盒）获取来自CAN的LS网信息，通过I/S网与CMM通信。

图1 STT的系统结构示意图

2 主要硬件的样件开发和车辆改造

2.1 起动机和蓄电池选型的设计

根据STT的工作原理，把STT的功能需求转化为技术指标和要求，指导手工样件状态的零件开发。手工零件可以采用快速模具或一次性模具，临时工装、工艺来打造，要求满足设计功能，对其鲁棒性、耐久性要求不高。

要保证起动机机械特性与发动机匹配，必须保证起动机的理论最大功率大于发动机的起动功率、扭矩、转速等指标，并且STT功能导致多次起停冲击，这也对起动机寿命提高了要求。蓄电池的选型也应该考虑起动机的需求，两者应当匹配［5-6］。

发动机低温起动转矩

式中：Mc——起动转矩，Nm；L——发动机排量；C——比例系数，0 ℃时汽油机选取范围30～40。

发动机低温起动所必须功率P0

式中：n——发动机点火所必须的最低转速，该机型参考值180 r/min。

得到P0后，起动机的起动功率P1

式中：η——起动齿与飞轮齿的啮合效率，通常选择0.9。

得到起动功率P1后，根据飞轮与起动机啮合齿比i，得到起动机起动点时需求的最低转速n1和最低转矩M1

低温下由于机油粘稠度的提高，起动难度增加，起动机功率和扭矩可以适当提高，还要考虑选择机油的牌号及性能。新型的起动机主要参数：额定功率1.8 kW，额定电压12 V，齿数15，制动力矩22 Nm，制动电流785A等，符合校核结果。

还需指出，对于STT系统对起动机多次起动要求，国标QC／T 29064—1992规定的3万次寿命已明显不适合该系统，目前尚无公开国内标准参考。依据我司及行业的其它公司标准为20万次。

继续确定电池的相关参数，起动机的制动电流

式中：η——起动机电磁功率转为输出功率P时的效率，1kW以上取为0.9；UH——蓄电池额定电压。

蓄电池（起动用铅酸电池）实际容量和温度经验关系式

式中：t——温度；Qt——温度为t时的蓄电池实际容量；Q20——温度为20 ℃时蓄电池实际容量。蓄电池内阻与蓄电池实际容量关系式

式中：K——系数，选择0.04，与普通型和薄极板型的类型相关。

根据（6）、（7）、（8）关系式确定

式中：UK——制动电压，按国家标准，12 V系的取4.8 V，但是考虑点火电压可以取6 V；RL——蓄电池和起动机连线的内阻，可取0.001Ω。

根据校核结果选择MAG70 Ah满足设计需求。

2.2 发动机起动时间的研究

发动机起动时间与驾驶员的驾驶愉悦度直接相关，因此各个企业自身都有起动时间标准。起动机的选择与起动时间相关，发动机起动时间分析如下。

当起动机起动发动机时［7］，有

式中：Td——起动机工作转矩，起动机工作时，电流大，蓄电池快速放电导致电压下降，Td也是波动变化的；Tr——发动机内阻力矩，主要是发动机的摩擦阻力矩和活塞泵气时的阻力矩，与机油温度和转速关系较大，通过倒拖试验方法可获得；J——发动机转动惯量；——曲轴转角角加速度；n——发动机转速；t——起动时间。对起动机的起动时间进行模拟仿真

式中：P——起动机功率；η——起动齿与飞轮齿的啮合效率；Tr——发动机阻力转矩，可以恒定阻力矩进行简化；ω——发动机的转动角速度；N——在t时间内的离散点数；Δt——时间步长。

数据采集输入，J通过试验测量在不同转速下结果不同，因为内燃机的曲柄连杆机构的转动惯量计算复杂，实际上试验测量值是个等效值，在发动机起动的整个低转速段时取0.286 kg.m2，考虑起动机功率传递到发动机的啮合效率取0.9，Δt根据仿真精度需求选择0.0001 s。由于在发动机转速400 r/min后起动齿已开始脱离起动齿圈，发动机已点火，因此起动时间主要参考400 r/min前的起动时间。仿真计算结果如图2所示。

图2 发动机起动时间-转速曲线仿真

根据仿真结果，该起动机在25Nm、27Nm和30Nm的发动机阻力矩下，起动发动机到400 r/min时间分别为281 ms、307 ms和360 ms，起动时间符合设计目标。

2.3 车辆加装STT系统的改造设计

在没有STT功能的基础车辆加装STT系统，对原车辆进行改造装配，需要设计一个更换和改制零件清单，从而指导车辆改装制造。具体方法是分析STT功能原理，比较现有车辆硬件配置与目标车辆硬件配置。主要基于如下5个方面比较考虑改造：①STT系统主要硬件单元改装，比如起动机及其控制器、蓄电池、发电机等；②代表性动力系统改装，主要为发动机、变速器；③通信、控制系统硬件单元的改装；④人机操作界面的改装；⑤配电系统改装。

通过上述分析，以手动挡车型为例，主要零部件改造清单如表1所示（未列举固定、支撑安装件，软件）。由于是手工样车，零部件装配性问题较多的采用临时措施解决，不予详述。

3 电器构架与线束的开发

3.1 STT系统的电器架构

STT 系统功能较为复杂，电器架构的拓扑见图3。该架构下的网络主要分为3个类型：第1种CAN网络，图中用双实线连接表示；第2种LIN网络，图中用粗单实线连接表示；第3种金属导线网络，图中用细单实线连接表示。CAN通信网络有较高的波特率设置和可靠信，满足实时大量数据进行交换［8］。CAN的网络涉及发动机控制、变速器控制、ABS/ESP系统控制、转向助力控制、配电系统控制，空调控制、仪表管理等模块，这些模块实时通信，信息量巨大。其中CAN I/S 是系统间网（高速，500 Kbit/s），CAN CAR 是车身网（低速，125 Kbit/s）。LIN通信网，LIN通信速度相对低，可以双向传输，是CAN网络一个很好的补充，LIN协议一主多从结构，通信只能从主节点的主任务发起，发电机的通信控制即是通过LIN网络与发动机电控单元（CMM）通信。金属导线网络只能传递高、低的电压信号的实时单向传输，比如3种传感器信号传递和起动机控制线即采用金属线。

表1 STT系统车辆改造主要零部件清单

图3 STT系统电器构架示意

3.2 基于STT电器架构需求的线束开发

智能起停系统其控制策略导致硬件、通信和配电变得复杂很多。传统的发动机非STT系统和STT系统线束拓扑如图4和图5所示。

图4 非STT系统线束拓扑图

图5 STT系统线束拓扑图

基于拓扑结构的差异，STT系统中增加了中央稳压器、起动控制接口盒、蓄电池充电状态盒和起停按钮等电器设备，其线束根据不同的功能（配电、通信）及环境而进行定义设计。因此拓扑结构为线束开发提供重要的功能依据。例如，设计配电系统压降合理性，根据拓扑结构中导线路径定义，可以计算出长度，进而计算阻抗和电压损耗，可以确认是否满足起动控制接口盒最小电压要求，若不满足则重新匹配选择导线。导线选定后，其熔断电流特性也相应得到，对应重要导线保护需要选择熔断丝，根据导线熔断温度特性选择对应熔断丝。

4 NEDC试验中的排放及油耗结果

NEDC是New Europe Driving Cycle的缩写，是国家法规规定的油耗和排放污染物的测试循环。因此比较的基础是基于NEDC循环标准工况进行分析，用同一款车辆，带STT的手工样车与非STT的量产车辆进行油耗及排放比较，综合结果参见表2。

表2 NEDC工况中非STT车辆和STT车辆试验结果

排放结果显示，STT系统的车辆排放3种主要污染物如HC、CO和NOx都有所增加，HC和CO上升幅度不大，但NOx增加明显，NOx浓度在NEDC循环的重浓度变化如图6所示。根据文献［9］的研究，在NEDC循环中，汽车由于发动机熄火工况代替怠速工况，因此部分污染物排放有一定的改善，但是熄火导致催化器冷却、催化能力下降，也会导致污染物增加，特别是对NOx有比较敏感的影响。由于项目处于初期时，标定成熟度不够，后续有很大的优化空间，改善方法主要从标定策略（催化器加热策略）、催化器配方及结构改善等，可以减少NOx污染物的排放。

图6 STT车辆和非STT车辆NOx浓度在NEDC循环中的浓度测量结果

在NEDC循环中，发动机怠速时间为298 s，智能起停车辆在该循环中实际停机时间约为191 s，油耗收益主要来自发动机停机取代怠速获得，如图7所示。NEDC工况的前195s内，发动机怠速时不会停机，因为考虑前期热机有利于催化器效率提升，利于排放，后期的工况循环中将累计达到10次停机。在NEDC中油耗的测算方法是参考CO2的排放量，根据碳在燃油中的密度系数换算成油耗。油耗收益达到4.6%，达到预期目标。

图7 STT车辆和非STT车辆CO2浓度在NEDC循环中的浓度测量结果

5 结论

通过对STT系统原理结构分析，实现手工样车自主研发制造。由于篇幅所限，选择样车的重要硬件如起动机、蓄电池、线束，进行设计计算，说明STT系统匹配的合理性。最终车辆实际在NEDC循环中的排放和油耗结果也达到预期，证明样车设计开发满足项目目标。

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