汽車怠速啟停系統(tǒng)的研究

李油成

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

怠速啟停系統(tǒng)是現(xiàn)代汽車節(jié)能減排的一項關(guān)鍵技術(shù)，其能夠在車輛怠速時，控制發(fā)動機停止，在駕駛員有啟動車輛意圖時，自動啟動發(fā)動機[1]。通過該技術(shù)，可以使汽油發(fā)動機車輛的整車綜合油耗降低3%～5%。隨著近幾年該技術(shù)的不斷升級，系統(tǒng)實現(xiàn)難度和成本不斷降低，基本已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車的一種標(biāo)準(zhǔn)配置。文章以國內(nèi)某款經(jīng)濟型轎車為例，從怠速啟停系統(tǒng)構(gòu)成、控制策略、零部件等方面做出研究。

1 怠速啟停系統(tǒng)構(gòu)成

在非怠速啟停車輛基礎(chǔ)上，通過對發(fā)動機控制系統(tǒng)進行一定的升級即可實現(xiàn)怠速啟停的功能，怠速啟停系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1 所示。在現(xiàn)有發(fā)動機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對發(fā)動機控制單元（ECU）、交流發(fā)電機、組合儀表等部件進行功能升級，對起動機、蓄電池、起動機繼電器等部件進行性能強化，同時增加蓄電池電流傳感器、機艙蓋開關(guān)、離合器踏板位置開關(guān)、空擋開關(guān)、制動真空度傳感器、怠速啟停功能開關(guān)、前除霜開關(guān)等部件，即可構(gòu)建出一套完整的怠速啟停系統(tǒng)。

怠速啟停的控制主要通過ECU 來實現(xiàn)，ECU 采集各傳感器和開關(guān)的狀態(tài)信息，通過自身的控制策略，來控制發(fā)動機的停止與起動，控制交流發(fā)電機的工作狀態(tài)，同時控制組合儀表上的指示燈來顯示怠速啟停系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)、是否存在故障等信息，當(dāng)存在不當(dāng)操作或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，通過控制組合儀表內(nèi)的蜂鳴器來進行聲音提示[2]。

2 怠速啟停系統(tǒng)的基本控制策略

2.1 整體控制策略制定

怠速啟停系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，制定控制策略時需要從多方面進行考慮。以上述系統(tǒng)為例，在進行系統(tǒng)開發(fā)時，從用戶操作條件、安全條件、舒適條件、耐久條件4 個方面進行了設(shè)定，如圖2 所示。

圖1 怠速啟停系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖2 怠速啟停系統(tǒng)的整體控制策略

用戶操作條件主要是對駕駛員操作的判斷，包括：踩離合器、換擋、打開或關(guān)閉怠速啟停功能開關(guān)；安全條件主要是為保證車輛安全行駛而設(shè)定的條件，包括對機艙蓋、制動主缸負(fù)壓、前除霜開關(guān)、蓄電池電量、發(fā)電機狀態(tài)等的判斷；舒適條件主要是為保證車內(nèi)舒適性而設(shè)定的條件，主要是對空調(diào)是否打開的判斷[3]；耐久條件主要是為保證車輛耐久性而設(shè)定的條件，主要是對起動機啟動次數(shù)的判斷。

通過對上述4 個方面的條件進行綜合判定，系統(tǒng)可控制發(fā)動機的停止和啟動。

2.2 發(fā)動機停止的控制策略

表1 示出發(fā)動機停止的判定條件。當(dāng)駕駛員完成以下操作：1）變速器擋位調(diào)至空擋位置；2）松開離合器踏板，且ECU 判定表1 中的條件全部成立時，發(fā)動機將停止工作。

表1 發(fā)動機停止的判定條件

2.3 發(fā)動機啟動的控制策略

表2 示出發(fā)動機啟動的判定條件。在怠速啟停功能作用下發(fā)動機停止的過程中，踩下離合器踏板，發(fā)動機就會自動啟動。但是，在表2 中的任何一個條件成立時，無論是否踩下離合器踏板，發(fā)動機都會自動啟動。

表2 發(fā)動機啟動的判定條件

2.4 怠速啟停功能終止的控制策略

表3 示出怠速啟停功能終止的判定條件。在怠速啟停功能作用下發(fā)動機停止的過程中，一旦表3 中的任何一個條件成立，怠速啟停功能將被終止，無法實現(xiàn)發(fā)動機的自動啟動；同時，組合儀表內(nèi)的蜂鳴器會發(fā)出聲音提示。這種情況下，只有通過車鑰匙才能啟動發(fā)動機。這樣的設(shè)定主要是出于保證車輛和人員的安全。

表3 怠速啟停功能終止的判定條件

2.5 怠速啟停功能指示燈的控制策略

怠速啟停系統(tǒng)中很多判定條件的狀態(tài)是駕駛員所不能直接感知的，因此，通常會在車輛組合儀表中設(shè)置狀態(tài)指示燈，通過指示燈來提示駕駛員怠速啟停系統(tǒng)所處的狀態(tài)。在上述車型中，組合儀表內(nèi)設(shè)置了2 種顏色的指示燈，一個為黃色指示燈，一個為綠色指示燈。指示燈的狀態(tài)與怠速啟停系統(tǒng)的工作狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，如表4 所示。

表4 指示燈與怠速啟停系統(tǒng)工作狀態(tài)對應(yīng)關(guān)系

3 系統(tǒng)主要零部件選型分析

與非怠速啟停車輛相對比，怠速啟停車輛由于頻繁啟動，在所涉及的零部件選型時，對零部件的性能或功能提出了更高的要求。

3.1 蓄電池

非怠速啟停車輛多采用普通鉛酸蓄電池，容量一般較低，蓄電池使用壽命在5 000 次左右。對于怠速啟停車輛，系統(tǒng)對蓄電池使用壽命的設(shè)定值要求更高，以上述車型為例，使用壽命要求在3 萬次以上。為滿足系統(tǒng)要求，可以選用增強型富液蓄電池（EFB），同時通過系統(tǒng)對蓄電池更為嚴(yán)格的充放電管理，可進一步提升蓄電池的使用壽命。如果對蓄電池充放電速度以及使用壽命有更高的要求，則可以選用性能更好但成本相對較高的AGM蓄電池，其使用壽命可達6 萬次以上。

3.2 起動機、起動機繼電器

怠速啟停車輛因頻繁啟動，對起動機、起動機繼電器要求也更高。需要對起動機進行強化設(shè)計，包括對電磁開關(guān)、炭刷、減速裝置等關(guān)鍵部位進行強化設(shè)計或重新選型，強化后的起動機使用壽命可達30 萬次以上。與之相對應(yīng)，起動機繼電器也要選用性能更好的產(chǎn)品，可以從成熟的繼電器生產(chǎn)商的產(chǎn)品庫中直接進行選型。

3.3 發(fā)電機

怠速啟停系統(tǒng)需要對蓄電池進行充放電管理，因此需要發(fā)電機具有通信功能，發(fā)電機和ECU 通過特定的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)對發(fā)電機輸出電壓、發(fā)電時間的智能控制，保證發(fā)電機高效工作。為了進一步降低油耗，可以選用效率更高的發(fā)電機。

3.4 空擋開關(guān)

對于手動擋車型，擋位必須置于空擋時才允許發(fā)動機停機，一旦出現(xiàn)擋位誤判，發(fā)動機自動啟動時可能會引起車輛的突然闖出，出現(xiàn)安全隱患，因此對變速器擋位的準(zhǔn)確判斷至關(guān)重要。在上述車型中，采用了雙路霍爾式空擋開關(guān)，開關(guān)集成于變速器中，開關(guān)中的霍爾感應(yīng)元件與固定在變速器中的磁鋼為非接觸式，保證了開關(guān)的使用壽命；雙路開關(guān)設(shè)計可以使ECU 準(zhǔn)確判斷空擋開關(guān)的工作狀態(tài)，而且在開關(guān)出現(xiàn)故障時，ECU可以快速地識別故障，及時關(guān)閉怠速啟停功能。

3.5 離合器開關(guān)

根據(jù)怠速啟停系統(tǒng)的設(shè)計要求，離合器開關(guān)分為離合器上位開關(guān)和離合器下位開關(guān)，2 個開關(guān)均安裝在離合器踏板支架上。輕踩離合器踏板時，上位開關(guān)觸發(fā)，離合器踏板踩至總行程的90%時，下位開關(guān)觸發(fā)。上位開關(guān)的狀態(tài)主要用來判斷駕駛員是否踩離合器，下位開關(guān)與上位開關(guān)配合使用，可以使ECU 快速識別離合器開關(guān)是否存在故障，當(dāng)存在故障時，系統(tǒng)關(guān)閉怠速啟停功能。

3.6 其他零部件

除了上述零部件，系統(tǒng)還增加了蓄電池電流傳感器，安裝于蓄電池正極端子處，用于蓄電池電量的測量；在制動主缸上安裝了制動真空度傳感器，用于制動主缸負(fù)壓的測量；在機艙蓋鎖上安裝了機艙蓋鎖開關(guān)，用于機艙蓋開閉狀態(tài)的檢測；同時對燃油泵、燃油泵繼電器進行了強化設(shè)計，以保證其使用壽命。

4 結(jié)論

怠速啟停系統(tǒng)因其較低的系統(tǒng)成本和易實現(xiàn)性，目前已成為多數(shù)經(jīng)濟性轎車的一項關(guān)鍵配置。但隨著國家油耗法規(guī)的不斷加嚴(yán)，僅靠這項技術(shù)已很難滿足整車油耗法規(guī)的要求，除了對怠速啟停系統(tǒng)進行不斷的技術(shù)升級，例如通過增加DC/DC 等快速儲能裝置，實現(xiàn)深度電源管理和制動能量回收，還需要其他技術(shù)來進一步降低油耗，例如采用搭載BSG 電機的48 V 系統(tǒng)，降油耗的效果會更為明顯[4]。