某车型怠速启停系统原理及其标定

喻金龙

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

汽车在城市道路中行驶时，常会因遇到红灯和拥堵而停车，此时汽车处于怠速状态，发动机空转运行浪费大量燃油，污染环境[1-3]。汽车智能启停技术可以较好地解决这些问题，该系统可控制发动机在汽车怠速停车状态时，自动关闭发动机，当电控系统监测到驾驶员有启动意图时，发动机则能够快速启动。因此在停车时就能够减少不必要的燃油消耗和污染物的排放。相比而言，装配了怠速停机功能的车辆的油耗可降低5%～15%[4]，CO2，HC，NOx也能够有效降低，节能减排效果明显。控制逻辑算法是汽车启停系统的核心技术。文章分析了启停系统的主要控制逻辑原理，提出了一种基于逻辑门限值的启停系统控制算法。

1 怠速启停系统主要控制逻辑算法

1.1 算法原理

PID（比例-积分-微分）控制算法、模糊控制算法、滑移变结构控制算法及神经网络控制算法等都是目前汽车启停控制系统研究领域的热门算法[5]。然而在实际应用中，上述控制算法难以对车辆运行条件和驾驶员的操作意图做出准确的识别，依靠模型对某些参数进行计算导致计算量过大，难以克服非线性动力学特性对汽车控制效果的影响。

逻辑门限值控制算法是产业化智能启停系统的主流。控制逻辑优化改进对提升启停系统的控制水平、推动产业化开发具有重要意义。逻辑门限值控制算法的特点是不需要建立具体的数学模型，在硬件设置上有易于实现的优点，并且对系统的非线性控制效果明显。该方法是通过接收各种传感器信号，以及驾驶员对油门踏板和挡位的操作等信息，中央控制器据此再进行分析做出判断，从而控制启停系统，实现发动机的熄火和启动，并且一直处于监控状态，通过不断的循环控制来实现启停功能。

1.2 基本算法组成

该控制算法主要针对手动挡汽车，包括以下5种算法。

1.2.1 怠速停机条件判断算法

怠速停机条件判断算法流程，如图1所示。该算法主要用来判断：启停系统有无故障；发动机水温是否符合要求；蓄电池温度、电流及电量是否满足要求；车辆状态是否满足停机条件，如空调系统或除霜是否开启、制动真空度是否满足要求。当以上所有条件都满足时，怠速停机功能开启，激发怠速停机算法处于工作状态，此时如果车辆需要怠速停机则可实现发动机自动熄火；如果以上条件中有1个或多个不满足时，怠速停机功能关闭，激发怠速停机算法处于非工作状态。

图1 怠速停机条件判断算法流程图

1.2.2 激发怠速停机算法

激发怠速停机算法流程，如图2所示。该算法首先判断驾驶员是否有油门踏板和挡位操作，当ECU没有接收到以上操作信号时，倒计时开始，达到设定的限值时，则判断出驾驶员无操作或起步意图，则激发怠速停机，进而进入怠速停机模式。当有挡位操作和油门踏板操作时，则ECU会判断怠速停机功能是否开启、加速踏板是否完全松开、离合器踏板是否被完全松开且处于空挡、车速是否低于限值这些信号。当以上条件都满足时，则判断出驾驶员有停机意图，此时会激发怠速停机；如果以上条件中有1个或多个不满足时，则返回判断驾驶员是否有挡位操作或加速踏板操作步骤，进入下一个循环。

图2 激发怠速停机算法流程图

1.2.3 怠速启动条件判断算法

怠速启动条件判断算法流程，如图3所示。该算法主要用来判断：启停系统有无故障、驾驶员是否坐在座位上且系好安全带、传动链是否脱开、离合器踏板是否被踩下、发动机舱盖及各个车门是否都已经关好。当以上所有条件都满足时，怠速启动功能开启，激发怠速启动算法处于工作状态，此时如果车辆需要怠速启动则可实现发动机自动点火；如果以上条件中有1个或多个不满足时，怠速启动功能关闭，激发怠速启动算法处于非工作状态。

图3 怠速启动条件判断算法流程图

1.2.4 激发怠速启动算法

激发怠速启动算法流程，如图4所示。该算法首先判断车辆怠速启动功能是否开启，如已开启则有条件进行怠速启动，如果没有开启则不能进行怠速启动。随后判断车辆是否处于空挡状态，如不是空挡，则激发怠速启动算法无法运行；如果处于空挡状态，则判断离合器是否被踩下，如果被踩下则表明驾驶员有启动意图，此时则激发怠速启动算法。否则无法激发怠速启动算法，发动机不会自动点火，然后ECU返回判断车辆的空挡信号。

图4 激发怠速启停算法流程图

1.2.5 怠速启停主控制算法

怠速启停主控制算法流程，如图5所示。该算法包含了以上4种算法，其对车辆的整个运行过程进行控制，以实现智能启停功能。首先，驾驶员人工启动车辆，发动机正常运转，怠速停机条件判断算法判断出车辆是否具有怠速停机的条件，从而控制开启或关闭怠速停机功能。如果怠速停机功能开启，激发怠速停机算法判断出是否需要进行怠速停机，如果需要，则车辆怠速停机；如果怠速停机功能关闭或无需激发怠速停机，则继续维持发动机正常运转状态。车辆怠速停机后，怠速启动条件判断算法判断出车辆是否具有怠速启动的条件，从而控制开启或关闭怠速启动功能。如果怠速启动功能开启，激发怠速启动算法判断出是否需要进行怠速启动。如果不需要或者怠速启动功能未开启，则继续维持车辆怠速停机状态；如果需要怠速启动，则判断蓄电池电量是否充足且启停主开关是否开启，当以上2个条件均满足时，则智能启动发动机，如果以上2个条件有1个或者1个以上不满足，则需人工启动发动机。车辆怠速启动后，判断发动机转速是否超过一定值。如果发动机转速未超过一定值，则返回怠速启动步骤，继续启动发动机；如果超过一定值，则供油系统为发动机供油，发动机正常运转使车辆正常行驶[5]。

图5 怠速启停主控制算法流程图

2 某车型怠速启停功能标定内容

2.1 平原地区项目

2.1.1 输入输出信号检查

试验目的为根据ECU设定的常数，确认与怠速启停相关的零部件的输入输出信号特性完全符合ECU内部算法的设定，没有任何异常。具体的试验方法是：根据相应的硬件或者设计功能进行操作，同时直接读取ECU上的信号状态，检测是否有信号响应，或者信号响应是否正常，其中包含起动机、发电机、电流传感器、空挡信号、离合器上下位信号、发动机舱盖开关及怠速启停功能开关等信号，只要以上各信号正常，即可符合设计要求。

2.1.2 电源控制

2.1.2.1 电池容量管理

试验目的为根据车辆电气负载决定电容常数，以确保在怠速停机之后能够保证车辆的部分电气负荷正常工作。具体的试验方法是：在电池满电状态下，多次计测IG ON、低挡大灯、制动灯、低挡鼓风机及音响等同时开启时所消耗的电量，进行计算处理，再与内部基础标定值做比较，以决定是否需要调整。只要在IGON状态时负载电流和各电气负载及组合的消耗电量能在基础值以内，即可满足设计要求。

2.1.2.2 充电控制

试验目的为确认在给电池充电时充电能量始终大于放电能量，最终状态为充电状态。具体的试验方法是：在怠速启停功能能够正常工作的前提下，进行标准的排放循环的模式走行试验。待试验结束后，观察最终的电池容量为多少，来判断电池的状态。

2.1.2.3 电池温度

试验目的为确认电池搭载环境变化对电池温度的影响。具体的试验方法是：首先加工好电池，可以从其内部计测温度，然后分别在常温环境、低温环境以及高温环境下按照标准的排放循环进行多次连续走行试验，来观察实际测量的温度比ECU内部的逻辑算法推算值偏差多少，以确保电池工作环境的合理性。

2.1.2.4 电池电压-接线电阻

试验目的为确认启动系统相关的线阻的增加对怠速启停系统（电池）寿命的影响。电池所有接线上的电阻会影响启动时电池、ECU的电压下降，所以要确认这些线阻的实际值。具体的试验方法是：将连接电池正负极的所有电线全部分别接入，外接测电压电流设备，并且进行多次启动测试，分别用每次测量出来的电压和电流值计算正负极上的线阻，再极端平均值。

2.1.2.5 电池电压-电气负载确认

根据车辆电气负载电流推算电池最低的电压，以确保当有多种电气负载同时开启时，最大的电压波动对启停系统不会造成影响。

2.1.3 怠速启停控制算法确认

试验目的为确认与文章介绍的5种控制算法相关的所有逻辑项目是否能够正常工作。其中涉及的对象或者项目较多，例如：在发动机进入怠速停机状态时，当驾驶员踩下离合器踏板时，ECU接收到离合器踏板的信号，则怠速启动算法被激活，然后按照1.2.4节所介绍，进行内部判断。除此之外，还有很多其他因素，比如空挡开关信号、怠速启停功能开关信号、机舱盖开关、车门信号、水温信号、大气压信号及空调开关信号等。在如2.1.1节介绍的所有信号检查完毕、无问题的情况下，通过信号的控制算法均需要在标定过程中进行相关验证。

2.1.4 与怠速启停功能相关的故障检出

2.1.4.1 制动负压阈值设定及其异常检出

试验目的为确认实车的制动压力传感器是否正常。通过实际测出的车辆（发动机）自身的最大减速度，从而判断出车辆行驶状态，即可判断出制动压力传感器是否正常。如异常，则进行报警提示。此最大减速度值也应为多次测量后的平均值。

2.1.4.2 空挡开关判定常数设定及其异常检出

试验目的为确认实车的空挡开关是否正常。通过车辆的参数，计算出各挡位下的理论传动比。当车辆在匀速行驶时，ECU内部计算出实际的传动比在理论值范围之外，则应当判定为空挡开关异常。

2.1.4.3 车速信号异常检出

对于整车控制来说，由于车速信号是重要的源信号之一，所以要对车速信号进行实时监控，以确保这一信号的可靠性。此款车型是通过采集2路车速信号进行实时比较来相互监控的。当2路信号相差较大时，便会报出车速信号的故障。而怠速启停系统利用的是通过ABS处理后的1路车速信号。具体的测试方法是，在各种路况下进行正常驾驶，以检测这个差值设置是否合理或者故障能否被检测出来。

2.2 高原地区项目

2.2.1 高海拔失效推定

为了保证在高海拔地区车辆的安全性，怠速启停系统会自动失效，以确保在停车时，能够为车辆提供足够的制动负压，保证制动效果。具体的实施方法是：ECU通过各种信号能够实时更新外界环境的状态，通过计算，当发现外界条件达到设定的临界值时，便会判定为不满足怠速启停系统要求，从而自动关闭其功能，同时发出报警声以作提示，这样就实现了保护功能。

2.2.2 怠速启停系统的驾驶性评价

针对怠速启停系统算法的设定进行客观评价，需要专业的测评工程师做实车的评价工作。其主要工作是更有针对性地测试5种控制算法以及相关设定的合理性。主要从以下方面进行测试：发动机的停机和启动、怠速停机的频率、功能失效的合理性以及报警检测相关等内容。具体考核主要内容包含停机启动时的主观感受、起步性能及电气负载的影响程度等方面。

3 结论

逻辑门限值控制算法不需要建立具体的数学模型，在硬件设置上易于实现，对系统的非线性控制效果明显。怠速启停控制算法包括怠速停机条件判断算法、激发怠速停机算法、怠速启动条件判断算法、激发怠速启动算法以及怠速启停主控制算法。怠速停机条件判断算法和怠速启动条件判断算法，能够控制开启或关闭怠速停机及怠速启动功能，激发怠速停机算法和激发怠速启动算法则在需要的时候控制怠速停机或怠速启动，实现智能启停功能。