基于驾驶员意图识别与车辆状态判断的发动机智能起停系统设计

周 磊，霍宏煜，关懿峰，韦伦文，刘 凡

(上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804)

在全球石油资源日渐枯竭、世界环境问题日益严峻的大背景下，世界各国出台了相关政策、法规来限制车辆的能耗与排放，鼓励使用起停技术、限制车辆的怠速能耗即是其中一种.如英国、荷兰设计了特别的标识，提示车辆在遇到铁道岔口、吊桥以及交通信号等情况等待时关闭发动机.德国于20世纪80年代后期，曾经盛行过信号等待的怠速停机，并设置了不少怠速停机的信号装置.而在瑞士已经颁布了法规，只要不影响交通流动，就要实施怠速停机，并于2003年4月将实施怠速停用的内容加进考取驾驶证所用的教材中.在日本，公共汽车在信号等待时的怠速停机已相当普及，2000年投入的新公共汽车中60%已经安装了怠速停用辅助装置[1].根据法国PSA公司的研究，怠速停机可减少车辆的百公里油耗约2.5% ～10%[2].

为实现怠速停机的节能降耗目的，本文进行了基于驾驶员意图识别的发动机智能起停系统的研究.该系统具有以下特点:自动熄火与自动起动的过程由系统自动控制，不需要驾驶员的干预;自动熄火与自动起动的控制以驾驶员意图识别与车辆状态判断为基础，确保停机与起动满足驾驶员与车辆的需要.此外，该系统采用起动机-发电机分离式布置，最大程度地沿用了原车的电器架构，减少了开发成本.测试结果表明，该发动机智能起停系统可有效地根据驾驶员的需求与车辆状态进行发动机的停机与起动控制，并在NEDC标准工况下实现约3.9%的节油比例.

1 系统架构设计

本文所研究的发动机智能起停系统结构如图1所示，其主要由人机界面部分、驾驶员信号输入部分、车辆状态信号输入部分、自动起停执行部分和智能起停控制器等组成.其中人机界面部分包括起停功能开关、起停功能灯等，用于打开或关闭自动起停功能，并显示当前的起停工作状态.驾驶员信号输入部分包括离合器踏板信号、制动踏板信号、油门踏板信号、空挡信号、方向盘信号、钥匙起动信号，等等，用于判断驾驶员是否有停机或起动的意图.车辆状态信号输入部分包括真空度信号、电池传感器信号、空调信号、发动机温度信号等，用于判断车辆当前状态是否允许自动停机或自动起动.自动起停执行部分包括起动机控制部分与喷油器控制部分等，用于实现发动机自动停机与自动起动控制.

图1 发动机智能起停系统结构图

2 控制策略

2.1 自动停机控制

发动机自动停机控制如图2所示.首先采集与自动停机相关的各项信息，然后判断驾驶员是否有停机意图.如果有，则进一步判断停机意图是否得到系统的允许，如果系统允许，则进行发动机停机操作.如果驾驶员没有停机意图，或系统不允许停机，则不进行自动停机操作.

图2 发动机自动停机控制算法

对于自动挡车辆，驾驶员的停机意图可以通过其对制动踏板与变速箱杆位的操作组合来判断，如图3所示.如果变速箱杆位在D，并且驾驶员踩下制动踏板，则认为驾驶员有停机意图;如果变速箱杆位在P/N，驾驶员踩下或释放制动踏板，则认为驾驶员有停机意图;如果变速箱杆位在D，并且驾驶员没有踩下制动踏板，意味着驾驶员需要驱动力，不能进行发动机停机;如果变速箱杆位在R，意味着驾驶员正在进行泊车操作，不能进行发动机停机;如果变速箱杆位在S/M，意味着驾驶员需要进入动力性优先的模式，不能进行发动机停机.

图3 自动挡车辆的自动停机意图识别

对手动挡车辆，驾驶员的停机意图可以通过其对离合踏板与变速箱杆位的操作组合来判断，如图4所示.如果变速箱杆位由前进挡移到了N挡，并且离合器踏板被踩下，则认为驾驶员有停机意图;如果变速箱杆位在N挡，并且离合器踏板被松开，则认为驾驶员有停机意图;如果变速箱杆位在前进挡，认为驾驶员需要驱动力，不能进行发动机停机;如果变速箱杆位在R，则认为驾驶员正在进行泊车操作，不能进行发动机停机.

如果根据驾驶员当前操作判断出驾驶员确有停机意图，则进一步判断该停机意图是否被系统允许，具体包括:

1)发动机水温是否合适;

2)电池温度是否合适;

3)空调系统是否允许停机;

4)制动真空水平是否合适.

如果所有条件均满足要求，则进行停机操作.如果有一项条件不满足要求，则不进行停机操作，结束此次停机判断.

2.2 自动起动控制

发动机自动起动控制如图5所示.首先采集与自动起动相关的各项信息，然后判断驾驶员是否有起动意图.如果有，则进一步判断起步意图是否得到系统的允许，如果系统允许，则进行发动机起动操作.如果驾驶员没有起动意图，或系统不允许起动，则不进行自动起动操作.

图5 发动机自动起动控制算法

对于自动挡车辆，驾驶员的起动意图可以通过其对制动踏板与变速箱杆位的操作组合来判断，如图6所示.如果驾驶员在P/N挡踩下制动踏板，意味着驾驶员准备挂挡起步，需要起动发动机;如果驾驶员在D/R挡松开制动踏板，意味着驾驶员需要驱动力，要求发动机起动;如果驾驶员在踩制动踏板的情况下，将挡位移出P挡，意味着驾驶员准备挂挡起步，需要起动发动机;如果驾驶员在踩制动踏板的情况下，将挡位从N移到D挡，意味着驾驶员准备挂挡起步车辆，需要起动发动机;如果驾驶员在踩制动踏板的情况下，将挡位从D移到S/M挡，意味着驾驶员需要进入动力性优先的模式，要求起动发动机.

图6 自动挡车辆的自动起动意图识别

对于手动挡车辆，驾驶员的起动意图可以通过其对离合踏板与变速箱杆位的操作组合来判断，如图7所示.如果驾驶员在踩离合踏板的情况下，将挡位从N移到前进挡或R挡，意味着驾驶员准备挂挡起步，需要起动发动机;如果驾驶员在N挡踩下离合踏板，意味着驾驶员准备挂挡起步，需要起动发动机.

图7 手动挡车辆的自动起动意图识别

如果根据驾驶员当前操作判断出驾驶员确有起动意图，则进一步判断该起动意图是否满足安全条件，具体包括:

1)是否确认驾驶员在座位上;

2)是否确认传动链已脱开;

如果所有条件均满足要求，则进行起动操作.如果有一项条件不满足要求，则不进行起动操作，结束此次起动判断.

3 样车测试

在NEDC工况下对发动机智能起停系统的节油效果进行了测试，测试结果如图8所示.由图可见，在工况最初的200 s内，由于发动机未充分热机，发动机智能起停系统并未进行自动停机操作.在200 s以后，发动机已充分热机，发动机智能起停系统在车辆停止时自动切断发动机的燃油供给，减少了车辆的CO2排放及燃油消耗.

图8 NEDC工况下的CO2排放结果

在NEDC工况下进一步进行了关闭发动机智能起停系统的测试，其结果如表1所示.从测试结果可知，在发动机智能起停系统的控制下，车辆在NEDC工况下的HC等污染物排放没有发生明显变化，百公里油耗与二氧化碳排放均下降了约3.9%.

表1 样车测试结果

4 结论

1)该发动机智能起停系统实现了对发动机自动停机、自动起动的有效、可靠控制，其开发是成功的.

2)在发动机智能起停系统控制下，整个车辆在NEDC工况下的HC等污染物排放没有发生明显变化，百公里油耗与二氧化碳排放下降了约3.9%，证明了控制系统的有效性.

[1]谷口正明.怠速停用政策及其推行的状况[J].汽车工程，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.