基于駕駛員意圖識(shí)別與車(chē)輛狀態(tài)判斷的發(fā)動(dòng)機(jī)智能起停系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 磊，霍宏煜，關(guān)懿峰，韋倫文，劉 凡

(上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

在全球石油資源日漸枯竭、世界環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻的大背景下，世界各國(guó)出臺(tái)了相關(guān)政策、法規(guī)來(lái)限制車(chē)輛的能耗與排放，鼓勵(lì)使用起停技術(shù)、限制車(chē)輛的怠速能耗即是其中一種.如英國(guó)、荷蘭設(shè)計(jì)了特別的標(biāo)識(shí)，提示車(chē)輛在遇到鐵道岔口、吊橋以及交通信號(hào)等情況等待時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī).德國(guó)于20世紀(jì)80年代后期，曾經(jīng)盛行過(guò)信號(hào)等待的怠速停機(jī)，并設(shè)置了不少怠速停機(jī)的信號(hào)裝置.而在瑞士已經(jīng)頒布了法規(guī)，只要不影響交通流動(dòng)，就要實(shí)施怠速停機(jī)，并于2003年4月將實(shí)施怠速停用的內(nèi)容加進(jìn)考取駕駛證所用的教材中.在日本，公共汽車(chē)在信號(hào)等待時(shí)的怠速停機(jī)已相當(dāng)普及，2000年投入的新公共汽車(chē)中60%已經(jīng)安裝了怠速停用輔助裝置[1].根據(jù)法國(guó)PSA公司的研究，怠速停機(jī)可減少車(chē)輛的百公里油耗約2.5% ～10%[2].

為實(shí)現(xiàn)怠速停機(jī)的節(jié)能降耗目的，本文進(jìn)行了基于駕駛員意圖識(shí)別的發(fā)動(dòng)機(jī)智能起停系統(tǒng)的研究.該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):自動(dòng)熄火與自動(dòng)起動(dòng)的過(guò)程由系統(tǒng)自動(dòng)控制，不需要駕駛員的干預(yù);自動(dòng)熄火與自動(dòng)起動(dòng)的控制以駕駛員意圖識(shí)別與車(chē)輛狀態(tài)判斷為基礎(chǔ)，確保停機(jī)與起動(dòng)滿足駕駛員與車(chē)輛的需要.此外，該系統(tǒng)采用起動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)分離式布置，最大程度地沿用了原車(chē)的電器架構(gòu)，減少了開(kāi)發(fā)成本.測(cè)試結(jié)果表明，該發(fā)動(dòng)機(jī)智能起停系統(tǒng)可有效地根據(jù)駕駛員的需求與車(chē)輛狀態(tài)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的停機(jī)與起動(dòng)控制，并在NEDC標(biāo)準(zhǔn)工況下實(shí)現(xiàn)約3.9%的節(jié)油比例.

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)智能起停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由人機(jī)界面部分、駕駛員信號(hào)輸入部分、車(chē)輛狀態(tài)信號(hào)輸入部分、自動(dòng)起停執(zhí)行部分和智能起停控制器等組成.其中人機(jī)界面部分包括起停功能開(kāi)關(guān)、起停功能燈等，用于打開(kāi)或關(guān)閉自動(dòng)起停功能，并顯示當(dāng)前的起停工作狀態(tài).駕駛員信號(hào)輸入部分包括離合器踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)、油門(mén)踏板信號(hào)、空擋信號(hào)、方向盤(pán)信號(hào)、鑰匙起動(dòng)信號(hào)，等等，用于判斷駕駛員是否有停機(jī)或起動(dòng)的意圖.車(chē)輛狀態(tài)信號(hào)輸入部分包括真空度信號(hào)、電池傳感器信號(hào)、空調(diào)信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度信號(hào)等，用于判斷車(chē)輛當(dāng)前狀態(tài)是否允許自動(dòng)停機(jī)或自動(dòng)起動(dòng).自動(dòng)起停執(zhí)行部分包括起動(dòng)機(jī)控制部分與噴油器控制部分等，用于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)與自動(dòng)起動(dòng)控制.

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)智能起停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 控制策略

2.1 自動(dòng)停機(jī)控制

發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)控制如圖2所示.首先采集與自動(dòng)停機(jī)相關(guān)的各項(xiàng)信息，然后判斷駕駛員是否有停機(jī)意圖.如果有，則進(jìn)一步判斷停機(jī)意圖是否得到系統(tǒng)的允許，如果系統(tǒng)允許，則進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)操作.如果駕駛員沒(méi)有停機(jī)意圖，或系統(tǒng)不允許停機(jī)，則不進(jìn)行自動(dòng)停機(jī)操作.

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)控制算法

對(duì)于自動(dòng)擋車(chē)輛，駕駛員的停機(jī)意圖可以通過(guò)其對(duì)制動(dòng)踏板與變速箱桿位的操作組合來(lái)判斷，如圖3所示.如果變速箱桿位在D，并且駕駛員踩下制動(dòng)踏板，則認(rèn)為駕駛員有停機(jī)意圖;如果變速箱桿位在P/N，駕駛員踩下或釋放制動(dòng)踏板，則認(rèn)為駕駛員有停機(jī)意圖;如果變速箱桿位在D，并且駕駛員沒(méi)有踩下制動(dòng)踏板，意味著駕駛員需要驅(qū)動(dòng)力，不能進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī);如果變速箱桿位在R，意味著駕駛員正在進(jìn)行泊車(chē)操作，不能進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī);如果變速箱桿位在S/M，意味著駕駛員需要進(jìn)入動(dòng)力性?xún)?yōu)先的模式，不能進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī).

圖3 自動(dòng)擋車(chē)輛的自動(dòng)停機(jī)意圖識(shí)別

對(duì)手動(dòng)擋車(chē)輛，駕駛員的停機(jī)意圖可以通過(guò)其對(duì)離合踏板與變速箱桿位的操作組合來(lái)判斷，如圖4所示.如果變速箱桿位由前進(jìn)擋移到了N擋，并且離合器踏板被踩下，則認(rèn)為駕駛員有停機(jī)意圖;如果變速箱桿位在N擋，并且離合器踏板被松開(kāi)，則認(rèn)為駕駛員有停機(jī)意圖;如果變速箱桿位在前進(jìn)擋，認(rèn)為駕駛員需要驅(qū)動(dòng)力，不能進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī);如果變速箱桿位在R，則認(rèn)為駕駛員正在進(jìn)行泊車(chē)操作，不能進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī).

如果根據(jù)駕駛員當(dāng)前操作判斷出駕駛員確有停機(jī)意圖，則進(jìn)一步判斷該停機(jī)意圖是否被系統(tǒng)允許，具體包括:

1)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫是否合適;

2)電池溫度是否合適;

3)空調(diào)系統(tǒng)是否允許停機(jī);

4)制動(dòng)真空水平是否合適.

如果所有條件均滿足要求，則進(jìn)行停機(jī)操作.如果有一項(xiàng)條件不滿足要求，則不進(jìn)行停機(jī)操作，結(jié)束此次停機(jī)判斷.

2.2 自動(dòng)起動(dòng)控制

發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)起動(dòng)控制如圖5所示.首先采集與自動(dòng)起動(dòng)相關(guān)的各項(xiàng)信息，然后判斷駕駛員是否有起動(dòng)意圖.如果有，則進(jìn)一步判斷起步意圖是否得到系統(tǒng)的允許，如果系統(tǒng)允許，則進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)操作.如果駕駛員沒(méi)有起動(dòng)意圖，或系統(tǒng)不允許起動(dòng)，則不進(jìn)行自動(dòng)起動(dòng)操作.

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)起動(dòng)控制算法

對(duì)于自動(dòng)擋車(chē)輛，駕駛員的起動(dòng)意圖可以通過(guò)其對(duì)制動(dòng)踏板與變速箱桿位的操作組合來(lái)判斷，如圖6所示.如果駕駛員在P/N擋踩下制動(dòng)踏板，意味著駕駛員準(zhǔn)備掛擋起步，需要起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī);如果駕駛員在D/R擋松開(kāi)制動(dòng)踏板，意味著駕駛員需要驅(qū)動(dòng)力，要求發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng);如果駕駛員在踩制動(dòng)踏板的情況下，將擋位移出P擋，意味著駕駛員準(zhǔn)備掛擋起步，需要起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī);如果駕駛員在踩制動(dòng)踏板的情況下，將擋位從N移到D擋，意味著駕駛員準(zhǔn)備掛擋起步車(chē)輛，需要起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī);如果駕駛員在踩制動(dòng)踏板的情況下，將擋位從D移到S/M擋，意味著駕駛員需要進(jìn)入動(dòng)力性?xún)?yōu)先的模式，要求起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī).

圖6 自動(dòng)擋車(chē)輛的自動(dòng)起動(dòng)意圖識(shí)別

對(duì)于手動(dòng)擋車(chē)輛，駕駛員的起動(dòng)意圖可以通過(guò)其對(duì)離合踏板與變速箱桿位的操作組合來(lái)判斷，如圖7所示.如果駕駛員在踩離合踏板的情況下，將擋位從N移到前進(jìn)擋或R擋，意味著駕駛員準(zhǔn)備掛擋起步，需要起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī);如果駕駛員在N擋踩下離合踏板，意味著駕駛員準(zhǔn)備掛擋起步，需要起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī).

圖7 手動(dòng)擋車(chē)輛的自動(dòng)起動(dòng)意圖識(shí)別

如果根據(jù)駕駛員當(dāng)前操作判斷出駕駛員確有起動(dòng)意圖，則進(jìn)一步判斷該起動(dòng)意圖是否滿足安全條件，具體包括:

1)是否確認(rèn)駕駛員在座位上;

2)是否確認(rèn)傳動(dòng)鏈已脫開(kāi);

如果所有條件均滿足要求，則進(jìn)行起動(dòng)操作.如果有一項(xiàng)條件不滿足要求，則不進(jìn)行起動(dòng)操作，結(jié)束此次起動(dòng)判斷.

3 樣車(chē)測(cè)試

在NEDC工況下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)智能起停系統(tǒng)的節(jié)油效果進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示.由圖可見(jiàn)，在工況最初的200 s內(nèi)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)未充分熱機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)智能起停系統(tǒng)并未進(jìn)行自動(dòng)停機(jī)操作.在200 s以后，發(fā)動(dòng)機(jī)已充分熱機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)智能起停系統(tǒng)在車(chē)輛停止時(shí)自動(dòng)切斷發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油供給，減少了車(chē)輛的CO2排放及燃油消耗.

圖8 NEDC工況下的CO2排放結(jié)果

在NEDC工況下進(jìn)一步進(jìn)行了關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)智能起停系統(tǒng)的測(cè)試，其結(jié)果如表1所示.從測(cè)試結(jié)果可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)智能起停系統(tǒng)的控制下，車(chē)輛在NEDC工況下的HC等污染物排放沒(méi)有發(fā)生明顯變化，百公里油耗與二氧化碳排放均下降了約3.9%.

表1 樣車(chē)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

1)該發(fā)動(dòng)機(jī)智能起停系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)、自動(dòng)起動(dòng)的有效、可靠控制，其開(kāi)發(fā)是成功的.

2)在發(fā)動(dòng)機(jī)智能起停系統(tǒng)控制下，整個(gè)車(chē)輛在NEDC工況下的HC等污染物排放沒(méi)有發(fā)生明顯變化，百公里油耗與二氧化碳排放下降了約3.9%，證明了控制系統(tǒng)的有效性.

[1]谷口正明.怠速停用政策及其推行的狀況[J].汽車(chē)工程，2004，26(6):693-695.

[2]Jose Pessis. PSA PeugeotCitroen Stop ＆ Start.[C]//The 21st Worldwide Battery，Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium＆Exhibition.