怠速起停技術現狀及法規(guī)動態(tài)分析

韓維維 全軼楓 付佳銘 胡志遠

摘 要：汽車自動怠速起停系統是車輛循環(huán)外節(jié)能技術的重要措施之一，受到廣泛的關注。本文對比分析了分離式起動/發(fā)電機起停系統、集成起動/發(fā)電機起停系統、智能怠速起停系統等不同怠速起停技術的實現方案、系統結構型式及特點；分析了各國怠速起停推廣應用現狀及油耗獎勵法規(guī)發(fā)展動態(tài)，對比分析了美國、歐盟、中國等國家和地區(qū)關于配置怠速起停系統車輛油耗獎勵政策的差異，以及油耗獎勵計算方法的區(qū)別。分析結果可以為我國怠速起停系統等循環(huán)外節(jié)能技術的推廣提供支持。

關鍵詞：怠速起停；技術現狀；法規(guī)動態(tài)

中圖分類號：U471.23 文獻標識碼：A 文章編號：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，我國汽車保有量已達2.17億輛，汽車在給人們提供交通便利的同時消耗了巨大的能源。為了緩解汽車工業(yè)發(fā)展帶來的能源和環(huán)境壓力，各國紛紛制定油耗限制目標和油耗獎勵措施，在促進高效燃燒等缸內節(jié)能技術發(fā)展的同時，推動了怠速起停、高效空調、制動能量回收、輔助換檔等循環(huán)外節(jié)能技術在汽車上的應用。中國一般城市工況的怠速比例可達20%～30%[1]，長時間的怠速工況不但浪費能源，還導致嚴重的排放污染。在此背景下，我國借鑒歐洲、美國等國家的經驗，在推出油耗限值法規(guī)[2-3]的基礎上，對利用怠速起停等循環(huán)外節(jié)能技術的汽車進行油耗獎勵。因此，研究分析怠速起停技術現狀并進行法規(guī)動態(tài)分析，為我國怠速起停系統的推廣應用提供支撐，具有重要的現實意義。

1 怠速起停系統技術現狀

怠速起停技術指車輛停止一定時間，發(fā)動機長時間怠速時熄火，車輛繼續(xù)行駛時發(fā)動機快速起動的一項技術，發(fā)展前景極為廣闊[4-5]。怠速起停技術起源于20世紀80年代，德國大眾、菲亞特和日本豐田分別推出了相應車型[6-8]。一般情況下，當車輛速度低于一定值或遇到紅燈需要怠速時，配置自動怠速起停系統的車輛自動檢測駕駛員車門與發(fā)動機艙蓋開關狀態(tài)、駕駛員安全帶狀態(tài)、發(fā)動機溫度、空調系統狀態(tài)、蓄電池電量、制動真空度等怠速起停開啟條件。當滿足怠速開啟條件時，搭載手動變速器的車型會通過離合器踏板位置和空擋位置傳感器檢測，當變速器被掛入空擋、且釋放離合踏板時，發(fā)動機自動停止，當需要繼續(xù)行駛時，只需要踩下離合踏板，發(fā)動機自動起動；搭載自動變速器的車型，依靠制動助力器傳感器檢測，當遇到紅燈或停車時，踩下制動踏板，發(fā)動機自動熄火，松開制動器，則發(fā)動機立即自動起動。

怠速起停系統主要分為分離式起動/發(fā)電機起停系統、集成起動/發(fā)電機起停系統和智能怠速起停系統三類。統計數據表明，配置了怠速起停系統的車輛，一年能夠減少120kg的二氧化碳排放，相當于節(jié)省了10%的市區(qū)油耗[9]。

1.1 分離式起動/發(fā)電機起停系統

分離式起動/發(fā)電機起停系統以汽車現有起動系統零部件構成為基礎，增加起停系統控制開關、駕駛員車門位置傳感器、發(fā)動機艙蓋位置傳感器、離合器踏板位置傳感器、檔位傳感器、電池電量傳感器、制動真空度傳感器及起停系統（Idle Start-Stop， ISS）狀態(tài)指示燈等，同時增強12V低壓蓄電池電池容量和起動機性能[10]。分離式起動/發(fā)電機起停系統結構如圖1所示：

當車輛速度低于一定值或遇到紅燈需要怠速時，分離式起動/發(fā)電機起停系統自動檢測駕駛員車輛位置、空調狀態(tài)、電池電量等是否滿足起停開啟條件，控制汽車發(fā)動機的適時停止和重啟，具有和汽車現有起動系統相容性強、技術方案簡單特點，在汽車上的應用廣泛。

1.2 集成起動/發(fā)電機怠速起停系統

集成式起動/發(fā)電怠速起停系統與分離式起動/發(fā)電機起停系統的主要區(qū)別是把發(fā)動機的起動電機和發(fā)電機的功能集成為一體[11]，其電氣結構如圖2所示，起停系統控制器接收蓄電池荷電狀態(tài)（State of Charge ， SOC）值、電力負荷等參數判斷蓄電池狀態(tài)，進行能源管理控制；接收方向盤轉角和制動系統壓力等參數進行發(fā)動機起動控制；接收發(fā)動機艙蓋、安全帶、車門開關狀態(tài)、離合器位置、空擋開關及倒擋開關等信息，進行發(fā)動機起停控制。

集成式起動/發(fā)電機怠速起停系統包括皮帶傳動起動/發(fā)電機（Belt Driven Starter Generator， BSG）和直接傳動起動/發(fā)電機（Integrated Starter Generator， ISG）兩種。BSG怠速起停系統結構如圖3所示，起動/發(fā)電機通過皮帶與發(fā)動機曲軸相聯，從而實現車輛的快速起動，該系統對原車發(fā)動機改動較小，整車布置方便、易于實現。另外皮帶驅動平穩(wěn)、噪聲小，具有良好的平順性，對電池要求低，應用較為廣泛[12-14]。

ISG系統采用更小更輕的起動電機，系統零部件少，安裝方便，具有結構簡單、緊湊，重量輕的特點。ISG電機可以布置在曲軸的一端、雙離合器中間和變速器一側，其結構示意圖如圖4所示。當遇到紅燈或交通擁堵時自動關閉發(fā)動機，當駕駛員松開制動踏板或腳踩離合器時，ISG 電機能迅速起動發(fā)動機[15-17]。和傳統起動機相比，ISG 電機能優(yōu)化發(fā)動機起動過程，提高發(fā)動機起動噴油轉速，減少起動過濃噴油量，使缸內混合氣充分燃燒，從而降低起動模式下的燃油消耗和尾氣排放量。

1.3 智能怠速停止系統

智能怠速停止系統（Smart Idle Stop-Start， SISS）是馬自達發(fā)明的一種新型怠速起停技術，該系統啟動后會在發(fā)動機停止過程中，在交流發(fā)電機的輔助控制下，將活塞停在目標位置，并打開節(jié)氣門，此時活塞內部充滿了新鮮空氣，為下一步點火做準備。當需要起動發(fā)動機時，噴射燃油+火花塞點火（燃燒產生主要動力）+起動電機（少量輔助動力）產生動力來起動[18]，其工作示意圖如圖5所示。

SISS系統具有舒適性好、可靠性高，可以實現更快速起動等特點。但是由于起動時需要向發(fā)動機缸內噴射燃油，因此這種起停技術僅應用于缸內直噴發(fā)動機車型。

2 怠速起停系統相關法規(guī)動態(tài)

2.1 交通法規(guī)

為推動怠速起停技術在汽車上的應用，緩解汽車工業(yè)發(fā)展帶來的能源和環(huán)境壓力，日本、瑞士、德國、英國、荷蘭等國家和地區(qū)在交通法規(guī)中強制實施“停車怠速熄火規(guī)定”[4]，如表1所示：

2.2 油耗獎勵法規(guī)

除通過交通法規(guī)促進怠速起停技術在汽車上的應用之外，美國、歐盟、中國等國家和地區(qū)同時出臺了油耗獎勵政策，在車輛油耗認證過程中對配置怠速起停技術的車輛給予一定的節(jié)能效果獎勵。

2.2.1 歐盟

2009年前，歐盟對怠速起停技術的鼓勵是通過將其列入放寬10g/km的CO2排放的若干項技術之一，2009年開始以生態(tài)創(chuàng)新ECO-Innovation法規(guī)來認可和鼓勵循環(huán)外技術發(fā)展[19]，后因怠速起停技術的普及率大于3%而取消。目前歐盟已經將怠速起停作為車輛必備系統之一，不再對怠速起停系統做出獎勵。

2.2.2 美國

在美國，怠速起停技術節(jié)能效果的認定由美國環(huán)保局（Environmental Protection Agency，EPA）和高速公路管理局共同管理，通過減少一定數量的CO2體現，共有默認值法、實車測試法和基于制造商代表車隊在典型城市實際道路行駛狀況大數據生成等3種獎勵值認定途徑[20]，默認值法的獎勵值如表2所示：

實車測試法采用聯邦測試循環(huán)（Federal Test Procedure-75 FTP-75）和高速公路燃油消耗測試循環(huán)（Highway Fuel Economy Test Cycle，HWFET），實際測量配置怠速起停系統車輛在怠速起停功能開啟與關閉時的CO2排放差值做為獎勵值。

基于制造商代表車隊在典型城市實際道路行駛狀況大數據生成獎勵值的典型案例為奔馳公司于2014年9月獲EPA[21]批準的怠速起停油耗/CO2獎勵申請，獎勵值計算公式為：

循環(huán)外獎勵值=開啟怠速起停系統油耗改進值×實際道路發(fā)動機真實怠速比/測試循環(huán)工況發(fā)動機真實怠速比×（1-怠速起停關閉率）-開啟怠速起停系統油耗改進值 （1）

式中，開啟怠速起停系統油耗改進值等于怠速起停系統在FTP-75、HWFET循環(huán)2個工況下開啟、關閉的油耗差值；實際道路真實怠速比=實際道路怠速比×怠速起停系統工作比；測試循環(huán)工況真實怠速比=測試循環(huán)工況怠速比×怠速起停系統工作比；怠速起停關閉率指實際使用過程中駕駛員關閉怠速起停系統的概率。獎勵值折算如表3所示：

2.2.3 中國

為促進怠速起停系統的推廣使用，2016年2月，我國發(fā)布《乘用車循環(huán)外技術/裝置節(jié)能效果評價方法第2部分怠速起停系統》（征求意見稿），通過測量熱車狀態(tài)怠速起停功能開啟和怠速起停功能關閉時GB18352.5-2013 Ⅰ型試驗循環(huán)油耗，然后根據怠速修正系數、溫度修正系數、使用頻率系數和操作習慣系數等計算怠速起停系統的節(jié)能效果：

式中：FCJ為怠速起停的節(jié)能效果，單位為L/100km；FCOFF為關閉怠速起停系統時的燃料消耗量，單位為L/100km；FCON為開啟怠速起停系統時的燃料消耗量，單位為L/100km；Ks為怠速修正系數，取1.9；Kt為溫度修正系數，取0.85；Ku為使用頻率系數，取0.95；Kh為操作習慣系數，手動檔變速器取0.95，其余變速器類型取1.0。

3 結束語

目前，怠速起停技術的主要不足在于重啟發(fā)動機時，起動機存在反應時間滯后、振動明顯等現象，頻繁起動影響起動機或傳輸皮帶的使用壽命。一體化起動/發(fā)電機（ISG系統）是怠速起停系統的發(fā)展方向。對于缸內直噴發(fā)動機，SISS系統是很好的發(fā)展方向。

我國一般城市工況的怠速比例可達20%～30%，推廣使用怠速起停系統有利于降低汽車的能源消耗，同時減少汽車污染物排放。隨著我國怠速起停油耗法規(guī)的實施，配置怠速起停的車輛量將增加，可在一定程度上促進汽車行業(yè)的節(jié)能減排。

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