劉新波

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東 廣州511434）

0 引言

隨著我國(guó)城市車(chē)輛越來(lái)越多，堵車(chē)現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，車(chē)輛在堵車(chē)及怠速時(shí)消耗的燃油越來(lái)越多，釋放的二氧化碳等有害物質(zhì)也會(huì)大幅增加。安裝啟停裝置，在城市工況可以有效減少汽車(chē)有害氣體的排放、降低油耗[1]。

使用自動(dòng)啟停功能可以起到節(jié)省燃油的作用。當(dāng)車(chē)輛處于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工作情況時(shí)（如等紅燈，短暫停車(chē)等），在滿(mǎn)足一定的條件下，啟停系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。再次起步時(shí)，起動(dòng)機(jī)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)并拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)快速起動(dòng)。整個(gè)操作過(guò)程力求不改變駕駛員的正常的駕駛習(xí)慣，駕駛員也可以通過(guò)操作啟停系統(tǒng)主開(kāi)關(guān)關(guān)閉自動(dòng)啟停功能。

本文是基于手動(dòng)變速箱設(shè)計(jì)的一個(gè)多功能啟停系統(tǒng)，在此啟停功能的基礎(chǔ)上使用了帶LIN調(diào)節(jié)器的發(fā)電機(jī)，基于啟停系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了智能充電控制功能，通過(guò)控制帶LIN通訊功能的發(fā)電機(jī)，根據(jù)實(shí)際需求控制輸出電壓，可有效減小消耗扭矩，改善油耗，保證電池工作于良性區(qū)間，延長(zhǎng)電池壽命。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

啟停系統(tǒng)涉及到與整車(chē)多個(gè)控制模塊的交互，其需要實(shí)時(shí)檢測(cè)檔位、離合信號(hào)、制動(dòng)真空度、電池SOC、車(chē)速、空調(diào)狀態(tài)以及本身故障狀態(tài)等，只有多個(gè)控制模塊共同協(xié)調(diào)合作，才能成為一個(gè)穩(wěn)定高效的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

目前車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)大部分使用CAN、LIN等總線進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)傳輸非常方便，其他模塊節(jié)點(diǎn)只需接收或發(fā)送相關(guān)的CAN報(bào)文即可，而啟?？刂破髦恍枳鳛橐粋€(gè)CAN節(jié)點(diǎn)添加到CAN網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，即可完成信息的交互。

啟停系統(tǒng)正常工作時(shí)通常要求車(chē)門(mén)、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋關(guān)閉，保證駕駛員的安全，在這我們通過(guò)BCM（Body Control Module）將其狀態(tài)信息發(fā)出；發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)空調(diào)會(huì)失去制冷，通常增加空調(diào)判斷邏輯，保證啟停不影響駕乘舒適性；啟停系統(tǒng)工作需要在儀表上增加啟停狀態(tài)指示燈，實(shí)時(shí)顯示出啟停的狀態(tài)，是否存在故障等信息；同時(shí)系統(tǒng)需要增加制動(dòng)真空度傳感器，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)過(guò)程若制動(dòng)真空度低于閾值則啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，保證制動(dòng)安全。

根據(jù)車(chē)型的配置不同，使用的方案肯定也有所區(qū)別。針對(duì)手動(dòng)與自動(dòng)的車(chē)型，可提出多種方案。對(duì)于手動(dòng)變速器配置車(chē)輛，需要增加空擋、離合信號(hào)判斷車(chē)輛傳動(dòng)鏈狀態(tài)。對(duì)AT、CVT、DCT等自動(dòng)變速器配置，TCU（Transmission Control Unit）可以檢測(cè)檔位信息，無(wú)需額外傳感器。對(duì)于AT變速器配置車(chē)輛，需要增加電子油泵,用于保持油壓，以便能快速響應(yīng)系統(tǒng)的要求。

在此以自動(dòng)變速箱來(lái)設(shè)計(jì)我們的系統(tǒng)，其詳細(xì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

啟停系統(tǒng)主要包含 EMS （Engine Management System）、SSM（Start Stop Module）、空擋傳感器、離合傳感器、AGM蓄電池、電池傳感器、啟停專(zhuān)用起動(dòng)機(jī)、BCM、HVAC （Heating Ventilation and Air Conditioning）、智能發(fā)電機(jī)等。

除了常規(guī)的啟停功能外，系統(tǒng)根據(jù)車(chē)輛運(yùn)行的不同狀況，通過(guò)改變發(fā)電機(jī)的設(shè)定電壓，從而智能地在起動(dòng)/加速階段減少或關(guān)閉扭矩的消耗、在制動(dòng)階段增大扭矩消耗而回收能量。

智能充電系統(tǒng)原理如下圖2所示，通過(guò)EBS(Electronic Battery Sensor)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的狀態(tài)，包括蓄電池的電量、電壓、溫度及充放電電流等，并通過(guò)LIN總線將信號(hào)傳輸給EMS。發(fā)電機(jī)不同于常規(guī)發(fā)電機(jī)，采用LIN通訊型調(diào)節(jié)器，使得發(fā)電機(jī)能夠和主節(jié)點(diǎn)EMS進(jìn)行通訊，通過(guò)接收EMS的設(shè)定電壓值發(fā)電機(jī)可以調(diào)節(jié)輸出的電壓值，同時(shí)還能根據(jù)整車(chē)的用電需求及工況設(shè)定發(fā)電機(jī)的負(fù)載響應(yīng)時(shí)間、最大勵(lì)磁電流等，以改善啟動(dòng)加速性能和提高舒適性。

圖1 多功能啟停系統(tǒng)框圖

圖2 智能充電系統(tǒng)原理圖

LIN調(diào)節(jié)器有高精度的電壓設(shè)定、精確的勵(lì)磁電流限值、更為靈活的負(fù)載響應(yīng)時(shí)間設(shè)定、更為全面的故障檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，使得EMS能夠更精準(zhǔn)的控制發(fā)電機(jī)的輸出和響應(yīng)發(fā)電機(jī)的扭矩消耗。

2 軟硬件設(shè)計(jì)

該模塊的主控芯片使用飛思卡爾S12系列的16位單片機(jī)，內(nèi)置128kb flash，4KB Data flash，RAM達(dá)到6KB，完全滿(mǎn)足我們的要求，另外，其帶有1路CAN，8個(gè)16位的定時(shí)器以及10通道的12位ADC模塊，支持 SCI，SPI等通信功能[2]。

電源監(jiān)控系統(tǒng)使用BOSCH提供的EBS，EBS作為一個(gè)LIN的從站，主站可通過(guò)LIN總線實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前電池SOC、電流、電壓、電池溫度以及SOF，其通過(guò)總線來(lái)傳輸，硬線接口少，節(jié)約了成本。其內(nèi)置LIN診斷功能，使用LIN2.1通信，通信波特率為19200bps，可直接安裝在電池的負(fù)極。使用帶LIN調(diào)節(jié)器的發(fā)電機(jī)，通過(guò)主站可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)充電電壓，可進(jìn)一步節(jié)約油耗[3]。

在這里SSM模塊相當(dāng)于一個(gè)LIN的主站，從站為EBS和智能發(fā)電機(jī)，同時(shí)其作為一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)，波特率為500kbps，通過(guò)CAN總線與發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、儀表、車(chē)身控制器、空調(diào)等進(jìn)行通信。

采用總線通訊，可隨機(jī)的讀取各個(gè)功能模塊的軟、硬件版本信息，方便記錄與維修。

軟件采用多任務(wù)的設(shè)計(jì)方法，EMS與SSM之間的CAN通信，10ms的任務(wù)，LIN通信可根據(jù)優(yōu)先級(jí)別設(shè)計(jì)相關(guān)任務(wù)時(shí)間。

3 結(jié)論

采用常規(guī)的啟停系統(tǒng)，通?？梢怨?jié)約油耗4-5%，而我們系統(tǒng)中采用帶LIN調(diào)節(jié)器的發(fā)電機(jī)，通過(guò)基于蓄電池最優(yōu)電量區(qū)間的充電控制策略、基于溫度、車(chē)速、蓄電池老化程度的修正充電策略以及勵(lì)磁電流及負(fù)載響應(yīng)時(shí)間控制策略，實(shí)現(xiàn)了在減少油耗的同時(shí)延長(zhǎng)蓄電池壽命，改善啟動(dòng)和加速性能。

通過(guò)進(jìn)行實(shí)車(chē)搭載，驗(yàn)證功能和控制邏輯，經(jīng)模擬計(jì)算及實(shí)際測(cè)試NEDC工況，如圖3所示。

圖3 油耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，在啟停系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用智能充電時(shí)NEDC工況綜合油耗較之常規(guī)發(fā)電機(jī)不帶智能充電功能節(jié)省0．7%～1．1%，結(jié)果也表明，電氣負(fù)載越高時(shí)，節(jié)油效果越明顯。因?qū)嶋H車(chē)輛使用過(guò)程中用電負(fù)荷會(huì)高于NEDC工況負(fù)荷，故實(shí)際使用節(jié)油效果會(huì)更好。

在實(shí)際使用過(guò)程當(dāng)中，可以把智能充電功能以及啟停功能集成到EMS系統(tǒng)當(dāng)中，進(jìn)一步節(jié)約硬件成本。

［1］張穎劍．發(fā)動(dòng)機(jī)怠速啟動(dòng)停止系統(tǒng)研究及CRUISE仿真[D]合肥工業(yè)大學(xué)，2013．

［2］MC9S12XEP100Reference ManualCovers MC9S12XE Family freescale[Z]．2013．2

［3］Bosch．電池傳感器文檔[Z]．2011．