李 敏，席忠民，李浙昆，何凱欣，董松梅

（廣州汽車集團(tuán)乘用車有限公司技術(shù)中心，廣東 廣州 511434）

啟停系統(tǒng) （Start Stop System）是一項微混合動力技術(shù)。該系統(tǒng)使汽車在等待紅燈或者堵車等情況下暫停發(fā)動機(jī)工作，當(dāng)車輛感受到駕駛員的起步意圖時，快速起動發(fā)動機(jī)［1］。啟停系統(tǒng)在城市工況可以有效降低怠速油耗，減少汽車有害氣體的排放。相對于重混合和純電動技術(shù)，啟停系統(tǒng)能夠在新開發(fā)車型或已有車型上進(jìn)行較小的技術(shù)改進(jìn)，快速達(dá)到降低油耗的目的，預(yù)計在2015～2016年推向市場的新車型中，大部分都將搭載啟停系統(tǒng)。對于啟停系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，主要有BSG（Belt-driven Starter／Generator皮帶傳動啟動／發(fā)電一體化電機(jī)）和智能啟停技術(shù) （Smart Start-Stop） 兩種［2］。 BSG使用了集成式的起動—發(fā)電機(jī)一體化技術(shù)，除了能夠?qū)崿F(xiàn)怠速停機(jī)和快速啟動功能外，還有制動能量回收的作用，但由于整體的動力傳動系統(tǒng)布置和匹配相對于非啟停車型發(fā)生了較大的變化，因此在已有車型或者小改款車型采用BSG技術(shù)，在工程周期和成本方面存在一定的困難。智能啟停技術(shù)可以在已有車型技術(shù)基礎(chǔ)上，加強(qiáng)蓄電池、起動機(jī)的耐久壽命，增加傳感器，對EMS（Engine Management System發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)）重新進(jìn)行控制策略開發(fā)和數(shù)據(jù)標(biāo)定，來實現(xiàn)發(fā)動機(jī)快速的停機(jī)／啟動。本文主要研究了智能啟停技術(shù)對于已有車型技術(shù)升級的系統(tǒng)性工作，并對該系統(tǒng)進(jìn)行了排放和油耗試驗，達(dá)到了預(yù)期的開發(fā)效果。

1 智能啟停技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成

智能啟停技術(shù)的核心控制由EMS完成，其系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。

1.1 啟停發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)

整車啟?？刂撇呗杂蒃MS集中控制，為了確保發(fā)動機(jī)停機(jī)和啟動的安全性和舒適性，EMS根據(jù)整車傳感器和相關(guān)電器模塊發(fā)出的狀態(tài)信號來控制發(fā)動機(jī)起動／停機(jī)。EMS主要采集的信號如圖2所示。

為了確保起動機(jī)控制的安全性，除了EMS發(fā)出起動機(jī)啟動信號外，同時在起動機(jī)控制邏輯上，手動變速器車型串聯(lián)了SSU （Start&Stop Unit，起?？刂破鳎?，雙離合變速器車型串聯(lián)了TCU（Transmission Control Unit，變速器控制單元），用于檢測傳動鏈的狀態(tài)，判斷是否能夠吸合傳動鏈繼電器，觸發(fā)起動機(jī)啟動。串聯(lián)回路的控制原理如圖3所示。

在接收到離合器傳感器和空檔傳感器信號后，EMS和SSU／TCU使傳動鏈繼電器和起動繼電器同時吸合，起動機(jī)帶動發(fā)動機(jī)快速啟動。

1.2 增強(qiáng)型起動機(jī)系統(tǒng)

裝備啟停系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)需要頻繁啟動，因此對起動機(jī)的耐久壽命提出了更高的要求。智能啟停系統(tǒng)要求起動機(jī)耐久壽命由非啟停車輛的3.5萬次提高到20萬次以上，所采用的結(jié)構(gòu)和材料都發(fā)生了較大的變化，驅(qū)動齒輪的支承由銅套改為滾針軸承，電刷和動鐵心采用高壽命材料。起動機(jī)工作時產(chǎn)生約600 A電流會瞬間拉低整車系統(tǒng)的電壓，發(fā)動機(jī)的頻繁啟動增加了整車電壓過低帶來EMS／TCU重啟的風(fēng)險。在啟停系統(tǒng)的設(shè)計中，可以采用起動機(jī)集成ICR（浪涌電流控制繼電器）或整車增加DC-DC（direct current-direct current直流-直流）模塊用于穩(wěn)定整車供電的電壓。ICR繼電器通過限流電阻消減峰值電流，降低起動機(jī)啟動時的電壓降，從而降低負(fù)載端電壓降，穩(wěn)壓范圍在9～13V，工作電路如圖4所示。DC-DC模塊通過主動穩(wěn)壓的方式，穩(wěn)壓范圍在11.5～12.5V，在測試過程中可以明顯改善儀表、導(dǎo)航、背光燈等元件由于啟動過程電壓降低造成的亮度變化。DC-DC穩(wěn)壓模塊工作電路如圖5所示。

啟停發(fā)動機(jī)在從停機(jī)→啟動過程中出現(xiàn)的時間延遲過長將直接影響頻繁啟動的舒適性，從發(fā)動機(jī)的啟動時間分析，有以下公式［3］：

式中：Td——起動機(jī)工作轉(zhuǎn)矩；Tr——發(fā)動機(jī)阻力矩，由發(fā)動機(jī)特性決定；J——發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；ω——發(fā)動機(jī)角加速度；n——起動機(jī)轉(zhuǎn)速；P——起動機(jī)功率。

根據(jù)公式 （1） （2）可知，發(fā)動機(jī)的啟動時間與起動機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率成正比，因此選用1.6kW增強(qiáng)型起動機(jī)代替原有1.4 kW普通起動機(jī)，經(jīng)實車測試，啟動時間由0.6 s減少到0.5 s，駕駛員基本上感受不到停滯感。

1.3 閥控式AGM蓄電池

啟停發(fā)動機(jī)頻繁啟動造成普通富液式鉛酸蓄電池已經(jīng)不再適用，閥控式AGM（Absorptive Glass Mat超細(xì)玻璃纖維）鉛酸蓄電池由于其全封閉的結(jié)構(gòu)，采用無紡玻璃纖維氈隔板和鉛鈣合金板柵，解決了酸液分層的問題，提高了鉛膏的粘附性，大幅提升了蓄電池的使用壽命，適用于目前智能啟停系統(tǒng)的技術(shù)要求。閥控式AGM鉛酸蓄電池主要由槽蓋、安全閥、極板、隔板組成，典型的閥控式AGM鉛酸蓄電池的構(gòu)成如圖6所示。AGM鉛酸蓄電池采用的材料、結(jié)構(gòu)工藝與普通富液式鉛酸蓄電池的差異見表1。經(jīng)脈沖放電測試，AGM蓄電池脈沖放電壽命可達(dá)到1100h。

表1 閥控式AGM蓄電池與富液式鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)、工藝差異

2 啟停系統(tǒng)怠速停機(jī)／啟動邏輯

啟停系統(tǒng)控制邏輯主要是通過對整車安全狀態(tài)（如4門與發(fā)動機(jī)罩開閉狀態(tài)等）、傳動鏈狀態(tài)、蓄電池電量、制動真空度、空調(diào)請求、行駛工況來判斷是否怠速停機(jī)和啟動［4］。怠速停機(jī)判斷流程如圖7所示。

啟停功能開啟，車輛處于怠速時，EMS將對整車狀態(tài)進(jìn)行判斷，在4門和發(fā)動機(jī)罩關(guān)閉、電池電量高于50%、制動真空度高于設(shè)定值、起動機(jī)熱狀態(tài)滿足限值、發(fā)動機(jī)水溫在范圍內(nèi)、空調(diào)請求和車內(nèi)溫度滿足條件、坡度小于2°時，發(fā)動機(jī)執(zhí)行自動停機(jī)。停機(jī)過程中，若整車狀態(tài)出現(xiàn)任一條件不滿足或駕駛員踩下離合踏板時，車輛發(fā)動機(jī)將自動起動。

3 試驗研究

為了驗證智能啟停系統(tǒng)在傳統(tǒng)車型上節(jié)能減排的效果，對某傳統(tǒng)手動變速器車輛加裝智能啟停系統(tǒng)，改制所用啟停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點見表2。

在轉(zhuǎn)鼓試驗臺上對改制車輛進(jìn)行燃油消耗量和排放污染物的檢測對比試驗。測試工況按照GB1835.3—2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》， 進(jìn)行NEDC （New European Driving Cycle歐洲油耗及排放標(biāo)準(zhǔn)）循環(huán)測試，排放和燃油消耗結(jié)果見表3。

表2 試驗車輛智能啟停系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點

通過試驗數(shù)據(jù)可知，增加啟停系統(tǒng)后，節(jié)油效果可達(dá)到4.2%，排放稍有上升，主要是由于啟動次數(shù)增加所導(dǎo)致，但是經(jīng)過標(biāo)定，也能夠?qū)⑴欧诺挠绊懣刂圃谳^小的范圍內(nèi)。但智能啟停系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)運行—停止—啟動過程中對駕乘舒適度的影響需要進(jìn)一步改進(jìn)，如何實現(xiàn)智能啟停系統(tǒng)車輛與傳統(tǒng)車輛系統(tǒng)零件的通用性也需要進(jìn)一步研究。

表3 NEDC循環(huán)排放和燃油經(jīng)濟(jì)性

4 結(jié)論

基于傳統(tǒng)車型增加智能啟停系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級的策略，對智能啟停系統(tǒng)的工作原理、關(guān)鍵技術(shù)和控制策略進(jìn)行了綜合分析和研究，通過樣車試制和NEDC循環(huán)試驗，證明了技術(shù)改造的可行性和智能啟停系統(tǒng)良好的節(jié)油效果，以及較小的排放影響，為智能啟停系統(tǒng)的批量工業(yè)化生產(chǎn)鋪平了道路。

［1］何仁，劉凱，黃大星，等.發(fā)動機(jī)智能怠速停止啟動系統(tǒng)控制策略的研究［J］.汽車工程，2010，32 （6）：466-469.

［2］魏廣杰，何瓊，涂安全.汽車發(fā)動機(jī)起停技術(shù)研究及應(yīng)用開發(fā)［J］.西華大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)版）， 2011， 30 （5）：14-17.

［3］楊振磊，林逸，龔旭.智能啟停微混轎車試驗研究［J］.汽車工程，2010，32 （8）：654-658.

［4］劉巨江，吳堅，黃銳景，等.起停系統(tǒng)控制策略開發(fā)及試驗研究［J］.車用發(fā)動機(jī)， 2012 （5）： 15-18.