手動(dòng)擋汽車起停系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用

楊土超

（廣州汽車集團(tuán)有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 510640）

使用維修

手動(dòng)擋汽車起停系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用

楊土超

（廣州汽車集團(tuán)有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 510640）

介紹了某款手動(dòng)擋車起停系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，包括系統(tǒng)方案、起停零部件開發(fā)、起?？刂七壿?、油耗對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明，采用起停技術(shù)后車輛在市區(qū)工況油耗可以降低至少6.5%，可以滿足第三階段油耗要求（7.7L/100km），證明起停技術(shù)是一種有效的整車節(jié)油手段，可以用于大批量生產(chǎn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)；起停技術(shù)；起停系統(tǒng)；起停應(yīng)用

CLC NO.:U471.1Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)07-85-04

前言

起停系統(tǒng)（Start Stop System），是指汽車在等待紅燈或者堵車等情況下暫停發(fā)動(dòng)機(jī)工作，當(dāng)車輛感受到駕駛員的起步意圖時(shí)，快速起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。在城市工況下可以有效降低怠速油耗，減少汽車有害氣體的排放。根據(jù)《乘用車燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》第三階段要求，油耗限值將較第二階段整體下降20%，乘用車平均燃料消耗量水平在2015年下降到7L/100km左右[1]。對(duì)于自主品牌車企而言，由于技術(shù)、資金的限制，僅依靠現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱技術(shù)改進(jìn)，達(dá)標(biāo)難度大。配備起停系統(tǒng)，再配合其他技術(shù)，將較容易達(dá)標(biāo)。2011年工信部網(wǎng)站發(fā)出通知，將怠速起停汽車按常規(guī)汽車進(jìn)行《公告》管理，不再要求按照《新能源汽車企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入規(guī)則》進(jìn)行企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入審查，這某種程度上影響了起停系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的推廣[2]。本文主要針對(duì)手動(dòng)擋汽車起動(dòng)電機(jī)式起停技術(shù)進(jìn)行研究，并通過一種起停系統(tǒng)證明了應(yīng)用效果。

1、起停技術(shù)應(yīng)用

1.1 起停系統(tǒng)方案

在現(xiàn)有某款2.0L MT車型基礎(chǔ)上增加起?？刂乒δ?，在

原來EMS基礎(chǔ)上增加起?？刂七壿?，由EMS直接控制起動(dòng)機(jī)。優(yōu)點(diǎn)是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上改動(dòng)量小，開發(fā)周期短。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整車起?？刂撇呗约捎诎l(fā)動(dòng)機(jī)管理單元EMS中，EMS負(fù)責(zé)接收真空度傳感器信號(hào)、電池傳感器EBS信號(hào)、空擋傳感器信號(hào)、車門信號(hào)和前艙蓋信號(hào)等，綜合判斷發(fā)動(dòng)機(jī)所處的狀態(tài)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行停止和起動(dòng)控制。為了安全起見，空擋傳感器和離合傳感器都采用了雙路輸出非接觸式霍爾傳感器，用于檢測(cè)傳動(dòng)鏈狀態(tài)，同時(shí)組合判斷駕駛員的行車意圖。由于EMS資源不足，自主開發(fā)一個(gè)智能傳感器單元SSU來接收空擋信號(hào)和離合信號(hào)進(jìn)行安全監(jiān)控，同時(shí)在總線上把空擋信號(hào)和離合信號(hào)發(fā)給EMS。BCM作為網(wǎng)關(guān)，把PCAN和BCAN連接起來，EMS通過BCM把起停相關(guān)信號(hào)發(fā)給儀表[3]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）傳動(dòng)鏈狀態(tài)雙路監(jiān)控

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)需要在傳動(dòng)鏈徹底脫離的狀態(tài)進(jìn)行。安全起見，對(duì)空擋傳感器、離合器傳感器進(jìn)行雙路獨(dú)立監(jiān)控。其中一路直接硬線接入EMS進(jìn)行邏輯判斷，另外一路信號(hào)由SSU處理。信號(hào)故障檢測(cè)由EMS綜合判斷。

（2）起動(dòng)機(jī)雙路控制

采用EMS和SSU兩個(gè)獨(dú)立的控制器對(duì)起動(dòng)機(jī)繼電器串聯(lián)控制，保證在任何一個(gè)控制器出現(xiàn)錯(cuò)誤的控制時(shí)，起動(dòng)機(jī)也不會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)。EMS和SSU各自判斷，SSU在ON檔電時(shí)判斷整車處于空擋或離合器頂開關(guān)有效時(shí)則控制傳動(dòng)鏈繼電器吸合，保證了起動(dòng)機(jī)一定是在傳動(dòng)鏈脫開時(shí)工作。起動(dòng)機(jī)雙路控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（3）低電壓保護(hù)

起動(dòng)機(jī)工作瞬間大電流，會(huì)顯著拉低蓄電池電壓。低溫冷起動(dòng)、長(zhǎng)期停機(jī)等極端條件下，蓄電池電壓有可能低至7V，甚至更低。車內(nèi)各控制器的要求電壓范圍為9V-16V，導(dǎo)航、音響、儀表等安全電壓要求10.5V以上，雨刮、大燈等功率型用電器在不同電壓下響應(yīng)差異顯著。因此，該系統(tǒng)主要有兩種低電壓保護(hù)方式。首先是預(yù)留DCDC配置，保護(hù)導(dǎo)航儀表等用電器；若沒有DCDC的配置，起動(dòng)機(jī)采用限流ICR繼電器保護(hù)。ICR繼電器、DCDC分別對(duì)應(yīng)高低成本方案。防浪涌繼電器：抑制啟動(dòng)瞬間電流，優(yōu)點(diǎn)是成本便宜、改動(dòng)小，缺點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)間變慢、改善效果有限（1V左右）。DCDC：起動(dòng)機(jī)工作時(shí)，升壓電源打開，優(yōu)點(diǎn)是電壓穩(wěn)定可保證10V以上（根據(jù)輸出功率變動(dòng)），缺點(diǎn)是價(jià)格貴。實(shí)際采用ICR繼電器配合AGM電池，有較好效果。兩種低壓保護(hù)方式如圖3所示。

1.2 起停零部件

表1 起停零部件

手動(dòng)擋起停系統(tǒng)零部件主要分兩部分，一部分是起停系統(tǒng)專用零件，包括蓄電池、電池傳感器、起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、制動(dòng)真空度傳感器、離合傳感器、空擋傳感器、起停開關(guān)等，另外一部分是起停系統(tǒng)配合模塊，包括車身控制模塊（BCM）、組合儀表（ICM）、空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）、座椅通風(fēng)模塊、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）、發(fā)動(dòng)機(jī)管理單元（EMS）、

下線配置及診斷儀等。

起停零部件如表1所示。

1.3 起?？刂撇呗?/p>

EMS的起?？刂七壿嬛饕ㄆ鹜Ｊ鼓苓壿?、怠速停機(jī)邏輯和發(fā)動(dòng)機(jī)起停邏輯[4]。

起停使能條件有電池電量充足、制動(dòng)真空度充足、起停系統(tǒng)無故障運(yùn)行停機(jī)（起動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、各傳感器無故障）、滿足整車安全狀態(tài)（如駕駛員在座及前艙蓋閉合狀態(tài)）、起停主開關(guān)處于使能狀態(tài)、空調(diào)狀態(tài)允許起停（如制冷情況下，在外氣溫小于25度，且蒸發(fā)器出口空氣溫度小于15度；制暖情況下，在外氣溫大于10度，且水溫大于60度）、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)行起停等，滿足以上條件，車輛自動(dòng)起停功能開啟。

怠速停機(jī)條件有車輛停止或車速低于閾值（可標(biāo)定）、檔位由其他檔位換到空擋、離合器踏板松開、油門踏板完全松開，車輛滿足以上條件，車輛自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。

發(fā)動(dòng)機(jī)處于自動(dòng)停機(jī)狀態(tài)下，起動(dòng)邏輯分為3類：車輛需求觸發(fā)、溜坡自動(dòng)啟動(dòng)和駕駛員操作觸發(fā)。車輛需求觸發(fā)的前提是處于空擋，主要有以下幾種情況：

1）電池低電量觸發(fā)

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速停機(jī)狀態(tài)下，若車輛用電將電池降低到一定程度，再進(jìn)一步降低則有無法起動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，觸發(fā)自動(dòng)起動(dòng)進(jìn)行電池充電。

2）制動(dòng)真空度不足觸發(fā)

在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速停機(jī)狀態(tài)下，如果連續(xù)踩制動(dòng)等原因?qū)е轮苿?dòng)真空度不足，則觸發(fā)自動(dòng)起動(dòng)提供制動(dòng)真空度，防止無法制動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

3）空調(diào)狀態(tài)觸發(fā)

在怠速停機(jī)狀態(tài)，空調(diào)根據(jù)除霧模式、內(nèi)外溫差等，判斷影響當(dāng)前駕乘舒適度，發(fā)出總線信號(hào)請(qǐng)求起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

溜坡自動(dòng)起動(dòng)條件包括空擋狀態(tài)或離合器踏板踩到底狀態(tài)、車速超過匹配值。

駕駛員操作觸發(fā)條件包括處于空擋、有踩油門、離合踏板操作等判斷駕駛員的行車意圖，是起停功能策略的核心部分。離合器傳感器有2個(gè)開關(guān)量輸出，1個(gè)在離合器踏板行程踩下10%時(shí)頂開關(guān)觸發(fā)，1個(gè)在離合器踏板行程踩下90%時(shí)觸發(fā)底開關(guān)?？論鮽鞲衅魇且粋€(gè)非接觸式霍爾傳感器，通過2路PWM信號(hào)輸出判斷檔位。根據(jù)離合器和空擋傳感器的狀態(tài)可以把傳動(dòng)鏈狀態(tài)分成6種（見下圖）。狀態(tài)1至狀態(tài)4表示傳動(dòng)鏈脫開，狀態(tài)5、狀態(tài)6表示傳動(dòng)鏈結(jié)合。從狀態(tài)1到狀態(tài)2、狀態(tài)2到狀態(tài)3的過程可以觸發(fā)停機(jī)，這一過程即處于空擋時(shí)駕駛員松離合踏板的過程；從狀態(tài)3到狀態(tài)2、狀態(tài)2到狀態(tài)1的過程可以觸發(fā)起動(dòng)，這一過程即處于空擋時(shí)駕駛員踩離合器踏板的過程。EMS起停功能邏輯示意如圖4所示。

EMS根據(jù)起停使能條件、怠速停機(jī)條件和發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)條件等判斷起停功能狀態(tài)，根據(jù)起停功能狀態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的停機(jī)和啟動(dòng)。EMS對(duì)起停的控制狀態(tài)由7個(gè)，定義如下：

[0] non-start/stop mode Reset:表示起停功能被駕駛員禁止；

[1] Engine standby:表示發(fā)動(dòng)機(jī)處于剛上電但尚未起動(dòng)的狀態(tài)；

[2] Engine Stopped:發(fā)動(dòng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)（之前運(yùn)行過，現(xiàn)在仍然是KeyOn）；

[3] Starter restart：自動(dòng)起動(dòng)中的起動(dòng)機(jī)拖動(dòng)過程；

[4] Engine restart：自動(dòng)起動(dòng)中的起動(dòng)機(jī)脫離但未達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速；

[5] Engine Operation：發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；

[6] Engine auto-stopping：發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)過程。各狀態(tài)的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

起停狀態(tài)機(jī)如圖6所示，傳動(dòng)鏈狀態(tài)如圖5所示。

第一次必須通過鑰匙啟動(dòng)，沒通過鑰匙啟動(dòng)不允許進(jìn)入起停，從狀態(tài)1進(jìn)入狀態(tài)5（發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行）。如果檢測(cè)到停機(jī)請(qǐng)求則進(jìn)入狀態(tài)6（停機(jī)過程）：在狀態(tài)6時(shí)如果轉(zhuǎn)速小于20rpm，進(jìn)入狀態(tài)2（停機(jī)完成）；在狀態(tài)6時(shí)檢測(cè)到啟動(dòng)請(qǐng)求，如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于450rpm，則進(jìn)入狀態(tài)4（發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)），直接噴油點(diǎn)火啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)；在狀態(tài)6時(shí)如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于100rpm則通過起動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速大于400rpm則進(jìn)入狀態(tài)4（發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)）。在狀態(tài)2時(shí)如果檢測(cè)到啟動(dòng)請(qǐng)求則進(jìn)入狀態(tài)3，轉(zhuǎn)速大于400rpm后進(jìn)入狀態(tài)4；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于700rpm時(shí)由狀態(tài)4進(jìn)入狀態(tài)5。

1.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)某傳統(tǒng)手動(dòng)擋汽車進(jìn)行上述的起停方案的改造后，對(duì)該試驗(yàn)車進(jìn)行了基礎(chǔ)功能標(biāo)定試驗(yàn)（包括起停邏輯驗(yàn)證、起停邏輯閾值標(biāo)定等）、高強(qiáng)度綜合耐久試驗(yàn)和道路起停耐久試驗(yàn)，結(jié)果證明該起停系統(tǒng)控制邏輯工作良好，零件工作正常，可以完成起停系統(tǒng)耐久試驗(yàn)。

對(duì)裝備2.0L發(fā)動(dòng)機(jī)、5擋手動(dòng)變速箱的某自主品牌轎車進(jìn)行了起停系統(tǒng)改造，以一般客戶的使用習(xí)慣，進(jìn)行專項(xiàng)試驗(yàn)——起停車型城市工況油耗對(duì)比測(cè)試，并與對(duì)標(biāo)車進(jìn)行對(duì)比，考察相同工況下起停版車型（開/閉起停功能）與非起停車型的油耗水平。油耗對(duì)比數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 油耗對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表2可見，增加起停系統(tǒng)后市區(qū)工況百公里油耗至少省6.5%，平均油耗省油15.5%。從排放結(jié)果來看，各種污染物都無明顯變化，證明起停功能基本不影響排放。因此，起停技術(shù)是一種有效的整車節(jié)油手段，可以用于大批量生產(chǎn)。

對(duì)起停系統(tǒng)油耗進(jìn)行標(biāo)定，采用滑行法，將汽車整備質(zhì)量調(diào)整至1450kg，同時(shí)對(duì)車輛進(jìn)行一定的充電，油耗可以做到7.7L/100km。在檢測(cè)中心進(jìn)行ECE+EUDC循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 ECE+EUDC循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

通過以上試驗(yàn)過程總結(jié)，起停系統(tǒng)降低排放循環(huán)的油耗主要來源于：平衡怠速停機(jī)的時(shí)間和頻繁起動(dòng)帶來的油耗增加，可以通過以下對(duì)策滿足第三階段油耗范圍內(nèi)。

（1）在正常使用的情況下，盡量增加怠速停機(jī)時(shí)間，同時(shí)保證在極端條件下（高溫、高寒、高海拔）和起停系統(tǒng)影響到其他電氣設(shè)備的情況下（電池電量低等）禁止起停；

（2）在保證安全性的前提下，降低起停起動(dòng)的進(jìn)氣量和噴油量，減小起動(dòng)時(shí)上沖轉(zhuǎn)速，同時(shí)減小起動(dòng)后進(jìn)入Lambda閉環(huán)控制的時(shí)間；

（3）保證起停系統(tǒng)的大容量電池在充足電量的基礎(chǔ)上進(jìn)行油耗試驗(yàn)，降低排放循環(huán)油耗的發(fā)電機(jī)負(fù)荷；

（4）采用合理的整備質(zhì)量(1450kg)和合理的滑行曲線，起停版車輛可以達(dá)到第三階段油耗目標(biāo)(7.7L/100km)。

2、結(jié)束語

完成了對(duì)某傳統(tǒng)手動(dòng)擋車輛的起停系統(tǒng)相關(guān)零部件的改造設(shè)計(jì)和控制策略的開發(fā)，總結(jié)出起停系統(tǒng)的開發(fā)流程。經(jīng)過基礎(chǔ)功能標(biāo)定試驗(yàn)（包括起停邏輯驗(yàn)證、起停邏輯閾值標(biāo)定等）、高強(qiáng)度綜合耐久試驗(yàn)和道路起停耐久試驗(yàn)，結(jié)果證明該起停系統(tǒng)控制邏輯工作良好，零件工作正常，能實(shí)現(xiàn)起停功能。通過市區(qū)工況的油耗對(duì)比試驗(yàn)，證明加裝起停系統(tǒng)后至少可以省油6.5%，而對(duì)排放基本無影響。通過對(duì)起停系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，證明采用合理的整備質(zhì)量和合理的滑行曲線，起停車輛可以滿足第三階段油耗限值目標(biāo)。證明該起停系統(tǒng)是一種工作可靠且達(dá)到良好節(jié)油效果的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

[1] 中國(guó)汽車技術(shù)中心，奇瑞汽車股份有限公司，廣汽本田汽車有限公司，等.GB 27999-2011 乘用車燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[2] 趙云峰，陳俊，朱自萍，樂志國(guó)，趙福全.中國(guó)車企起停技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及分析 [J].汽車工程師.2012(5):28-33.

[3] 周雪奎，陳崢峰，楚曉華.車輛快速起-停控制裝置現(xiàn)狀研究[J].汽車實(shí)用技術(shù).2013(9):5-10.

[4] 斐玉姣，紀(jì)天寶.發(fā)動(dòng)機(jī)起停技術(shù)的研究[J].汽車工程師.2012(7):66-82.

Auto start-stop system technology and application

Yang Tuchao

(Guangzhou Automobile Group Co., Ltd Automotive Engineering Institute, Guangdong Guangzhou 510640)

Introduces in detail a MT models start-stop system for development and application, including system solutions, start-stop components development, start-stop control logic, fuel consumption test. Experimental results show that after adopting start-stop technology condition of vehicles in urban areas fuel consumption can be reduced at least 6.5%, can meet the requirements of the third stage fuel consumption (7.7 L / 100 km), proof of start-stop technology is an effective means of vehicle fuel, can be used in mass production.

engine；start-stop technology；start-stop system；start-stop application

U471.1

A

1671-7988(2014)07-85-04

楊土超，工程師，就職于廣州汽車集團(tuán)有限公司汽車工程研究院，主要研究方向?yàn)槠鹜＜夹g(shù)、起動(dòng)機(jī)控制、車身電子控制、車身安全等。