怠速起停技术现状及法规动态分析

韩维维 全轶枫 付佳铭 胡志远

摘 要：汽车自动怠速起停系统是车辆循环外节能技术的重要措施之一，受到广泛的关注。本文对比分析了分离式起动/发电机起停系统、集成起动/发电机起停系统、智能怠速起停系统等不同怠速起停技术的实现方案、系统结构型式及特点；分析了各国怠速起停推广应用现状及油耗奖励法规发展动态，对比分析了美国、欧盟、中国等国家和地区关于配置怠速起停系统车辆油耗奖励政策的差异，以及油耗奖励计算方法的区别。分析结果可以为我国怠速起停系统等循环外节能技术的推广提供支持。

关键词：怠速起停；技术现状；法规动态

中图分类号：U471.23 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2018）05-0008-06

Abstract： The automatic idle start and stop system is one of the important measures of the off-cycle energy saving technology. This paper analysis the implementation of the scheme， system structure and characteristics of different idle start-stop technology such as the separate starter/generator start-stop system， integrated starter/generator start-stop system and intelligent idle start-stop system； at present the idle start-stop technology application around the world and the fuel consumption regulations development， this paper compares and analysis differences in fuel consumption incentive policies for vehicles with idle start - stop system and the differences in fuel consumption incentive calculation methods of the United States， the European Union， China and other countries. The analysis results can provide support for the promotion of off-cycle energy saving technologies such as idle start and stop system in China.

Key Words： idle start and stop； state of technology； regulatory changes

2017年，我国汽车保有量已达2.17亿辆，汽车在给人们提供交通便利的同时消耗了巨大的能源。为了缓解汽车工业发展带来的能源和环境压力，各国纷纷制定油耗限制目标和油耗奖励措施，在促进高效燃烧等缸内节能技术发展的同时，推动了怠速起停、高效空调、制动能量回收、辅助换档等循环外节能技术在汽车上的应用。中国一般城市工况的怠速比例可达20%～30%[1]，长时间的怠速工况不但浪费能源，还导致严重的排放污染。在此背景下，我国借鉴欧洲、美国等国家的经验，在推出油耗限值法规[2-3]的基础上，对利用怠速起停等循环外节能技术的汽车进行油耗奖励。因此，研究分析怠速起停技术现状并进行法规动态分析，为我国怠速起停系统的推广应用提供支撑，具有重要的现实意义。

1 怠速起停系统技术现状

怠速起停技术指车辆停止一定时间，发动机长时间怠速时熄火，车辆继续行驶时发动机快速起动的一项技术，发展前景极为广阔[4-5]。怠速起停技术起源于20世纪80年代，德国大众、菲亚特和日本丰田分别推出了相应车型[6-8]。一般情况下，当车辆速度低于一定值或遇到红灯需要怠速时，配置自动怠速起停系统的车辆自动检测驾驶员车门与发动机舱盖开关状态、驾驶员安全带状态、发动机温度、空调系统状态、蓄电池电量、制动真空度等怠速起停开启条件。当满足怠速开启条件时，搭载手动变速器的车型会通过离合器踏板位置和空挡位置传感器检测，当变速器被挂入空挡、且释放离合踏板时，发动机自动停止，当需要继續行驶时，只需要踩下离合踏板，发动机自动起动；搭载自动变速器的车型，依靠制动助力器传感器检测，当遇到红灯或停车时，踩下制动踏板，发动机自动熄火，松开制动器，则发动机立即自动起动。

怠速起停系统主要分为分离式起动/发电机起停系统、集成起动/发电机起停系统和智能怠速起停系统三类。统计数据表明，配置了怠速起停系统的车辆，一年能够减少120kg的二氧化碳排放，相当于节省了10%的市区油耗[9]。

1.1 分离式起动/发电机起停系统

分离式起动/发电机起停系统以汽车现有起动系统零部件构成为基础，增加起停系统控制开关、驾驶员车门位置传感器、发动机舱盖位置传感器、离合器踏板位置传感器、档位传感器、电池电量传感器、制动真空度传感器及起停系统（Idle Start-Stop， ISS）状态指示灯等，同时增强12V低压蓄电池电池容量和起动机性能[10]。分离式起动/发电机起停系统结构如图1所示：

当车辆速度低于一定值或遇到红灯需要怠速时，分离式起动/发电机起停系统自动检测驾驶员车辆位置、空调状态、电池电量等是否满足起停开启条件，控制汽车发动机的适时停止和重启，具有和汽车现有起动系统相容性强、技术方案简单特点，在汽车上的应用广泛。

1.2 集成起动/发电机怠速起停系统

集成式起动/发电怠速起停系统与分离式起动/发电机起停系统的主要区别是把发动机的起动电机和发电机的功能集成为一体[11]，其电气结构如图2所示，起停系统控制器接收蓄电池荷电状态（State of Charge ， SOC）值、电力负荷等参数判断蓄电池状态，进行能源管理控制；接收方向盘转角和制动系统压力等参数进行发动机起动控制；接收发动机舱盖、安全带、车门开关状态、离合器位置、空挡开关及倒挡开关等信息，进行发动机起停控制。

集成式起动/发电机怠速起停系统包括皮带传动起动/发电机（Belt Driven Starter Generator， BSG）和直接传动起动/发电机（Integrated Starter Generator， ISG）两种。BSG怠速起停系统结构如图3所示，起动/发电机通过皮带与发动机曲轴相联，从而实现车辆的快速起动，该系统对原车发动机改动较小，整车布置方便、易于实現。另外皮带驱动平稳、噪声小，具有良好的平顺性，对电池要求低，应用较为广泛[12-14]。

ISG系统采用更小更轻的起动电机，系统零部件少，安装方便，具有结构简单、紧凑，重量轻的特点。ISG电机可以布置在曲轴的一端、双离合器中间和变速器一侧，其结构示意图如图4所示。当遇到红灯或交通拥堵时自动关闭发动机，当驾驶员松开制动踏板或脚踩离合器时，ISG 电机能迅速起动发动机[15-17]。和传统起动机相比，ISG 电机能优化发动机起动过程，提高发动机起动喷油转速，减少起动过浓喷油量，使缸内混合气充分燃烧，从而降低起动模式下的燃油消耗和尾气排放量。

1.3 智能怠速停止系统

智能怠速停止系统（Smart Idle Stop-Start， SISS）是马自达发明的一种新型怠速起停技术，该系统启动后会在发动机停止过程中，在交流发电机的辅助控制下，将活塞停在目标位置，并打开节气门，此时活塞内部充满了新鲜空气，为下一步点火做准备。当需要起动发动机时，喷射燃油+火花塞点火（燃烧产生主要动力）+起动电机（少量辅助动力）产生动力来起动[18]，其工作示意图如图5所示。

SISS系统具有舒适性好、可靠性高，可以实现更快速起动等特点。但是由于起动时需要向发动机缸内喷射燃油，因此这种起停技术仅应用于缸内直喷发动机车型。

2 怠速起停系统相关法规动态

2.1 交通法规

为推动怠速起停技术在汽车上的应用，缓解汽车工业发展带来的能源和环境压力，日本、瑞士、德国、英国、荷兰等国家和地区在交通法规中强制实施“停车怠速熄火规定”[4]，如表1所示：

2.2 油耗奖励法规

除通过交通法规促进怠速起停技术在汽车上的应用之外，美国、欧盟、中国等国家和地区同时出台了油耗奖励政策，在车辆油耗认证过程中对配置怠速起停技术的车辆给予一定的节能效果奖励。

2.2.1 欧盟

2009年前，欧盟对怠速起停技术的鼓励是通过将其列入放宽10g/km的CO2排放的若干项技术之一，2009年开始以生态创新ECO-Innovation法规来认可和鼓励循环外技术发展[19]，后因怠速起停技术的普及率大于3%而取消。目前欧盟已经将怠速起停作为车辆必备系统之一，不再对怠速起停系统做出奖励。

2.2.2 美国

在美国，怠速起停技术节能效果的认定由美国环保局（Environmental Protection Agency，EPA）和高速公路管理局共同管理，通过减少一定数量的CO2体现，共有默认值法、实车测试法和基于制造商代表车队在典型城市实际道路行驶状况大数据生成等3种奖励值认定途径[20]，默认值法的奖励值如表2所示：

实车测试法采用联邦测试循环（Federal Test Procedure-75 FTP-75）和高速公路燃油消耗测试循环（Highway Fuel Economy Test Cycle，HWFET），实际测量配置怠速起停系统车辆在怠速起停功能开启与关闭时的CO2排放差值做为奖励值。

基于制造商代表车队在典型城市实际道路行驶状况大数据生成奖励值的典型案例为奔驰公司于2014年9月获EPA[21]批准的怠速起停油耗/CO2奖励申请，奖励值计算公式为：

循环外奖励值=开启怠速起停系统油耗改进值×实际道路发动机真实怠速比/测试循环工况发动机真实怠速比×（1-怠速起停关闭率）-开启怠速起停系统油耗改进值 （1）

式中，开启怠速起停系统油耗改进值等于怠速起停系统在FTP-75、HWFET循环2个工况下开启、关闭的油耗差值；实际道路真实怠速比=实际道路怠速比×怠速起停系统工作比；测试循环工况真实怠速比=测试循环工况怠速比×怠速起停系统工作比；怠速起停关闭率指实际使用过程中驾驶员关闭怠速起停系统的概率。奖励值折算如表3所示：

2.2.3 中国

为促进怠速起停系统的推广使用，2016年2月，我国发布《乘用车循环外技术/装置节能效果评价方法第2部分怠速起停系统》（征求意见稿），通过测量热车状态怠速起停功能开启和怠速起停功能关闭时GB18352.5-2013 Ⅰ型试验循环油耗，然后根据怠速修正系数、温度修正系数、使用频率系数和操作习惯系数等计算怠速起停系统的节能效果：

式中：FCJ为怠速起停的节能效果，单位为L/100km；FCOFF为关闭怠速起停系统时的燃料消耗量，单位为L/100km；FCON为开启怠速起停系统时的燃料消耗量，单位为L/100km；Ks为怠速修正系数，取1.9；Kt为温度修正系数，取0.85；Ku为使用频率系数，取0.95；Kh为操作习惯系数，手动档变速器取0.95，其余变速器类型取1.0。

3 结束语

目前，怠速起停技术的主要不足在于重启发动机时，起动机存在反应时间滞后、振动明显等现象，频繁起动影响起动机或传输皮带的使用寿命。一体化起动/发电机（ISG系统）是怠速起停系统的发展方向。对于缸内直喷发动机，SISS系统是很好的发展方向。

我国一般城市工况的怠速比例可达20%～30%，推广使用怠速起停系统有利于降低汽车的能源消耗，同时减少汽车污染物排放。随着我国怠速起停油耗法规的实施，配置怠速起停的车辆量将增加，可在一定程度上促进汽车行业的节能减排。

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[21]EPA-420-R-14-025 EPA Decision Document： Mercedes- Benz Off-cycle Credits for MYs 2012-2016[S].