喻金龍

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

汽車在城市道路中行駛時，常會因遇到紅燈和擁堵而停車，此時汽車處于怠速狀態(tài)，發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)運(yùn)行浪費(fèi)大量燃油，污染環(huán)境[1-3]。汽車智能啟停技術(shù)可以較好地解決這些問題，該系統(tǒng)可控制發(fā)動機(jī)在汽車怠速停車狀態(tài)時，自動關(guān)閉發(fā)動機(jī)，當(dāng)電控系統(tǒng)監(jiān)測到駕駛員有啟動意圖時，發(fā)動機(jī)則能夠快速啟動。因此在停車時就能夠減少不必要的燃油消耗和污染物的排放。相比而言，裝配了怠速停機(jī)功能的車輛的油耗可降低5%～15%[4]，CO2，HC，NOx也能夠有效降低，節(jié)能減排效果明顯?？刂七壿嬎惴ㄊ瞧噯⑼Ｏ到y(tǒng)的核心技術(shù)。文章分析了啟停系統(tǒng)的主要控制邏輯原理，提出了一種基于邏輯門限值的啟停系統(tǒng)控制算法。

1 怠速啟停系統(tǒng)主要控制邏輯算法

1.1 算法原理

PID（比例-積分-微分）控制算法、模糊控制算法、滑移變結(jié)構(gòu)控制算法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法等都是目前汽車啟?？刂葡到y(tǒng)研究領(lǐng)域的熱門算法[5]。然而在實(shí)際應(yīng)用中，上述控制算法難以對車輛運(yùn)行條件和駕駛員的操作意圖做出準(zhǔn)確的識別，依靠模型對某些參數(shù)進(jìn)行計(jì)算導(dǎo)致計(jì)算量過大，難以克服非線性動力學(xué)特性對汽車控制效果的影響。

邏輯門限值控制算法是產(chǎn)業(yè)化智能啟停系統(tǒng)的主流。控制邏輯優(yōu)化改進(jìn)對提升啟停系統(tǒng)的控制水平、推動產(chǎn)業(yè)化開發(fā)具有重要意義。邏輯門限值控制算法的特點(diǎn)是不需要建立具體的數(shù)學(xué)模型，在硬件設(shè)置上有易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，并且對系統(tǒng)的非線性控制效果明顯。該方法是通過接收各種傳感器信號，以及駕駛員對油門踏板和擋位的操作等信息，中央控制器據(jù)此再進(jìn)行分析做出判斷，從而控制啟停系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的熄火和啟動，并且一直處于監(jiān)控狀態(tài)，通過不斷的循環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)啟停功能。

1.2 基本算法組成

該控制算法主要針對手動擋汽車，包括以下5種算法。

1.2.1 怠速停機(jī)條件判斷算法

怠速停機(jī)條件判斷算法流程，如圖1所示。該算法主要用來判斷：啟停系統(tǒng)有無故障；發(fā)動機(jī)水溫是否符合要求；蓄電池溫度、電流及電量是否滿足要求；車輛狀態(tài)是否滿足停機(jī)條件，如空調(diào)系統(tǒng)或除霜是否開啟、制動真空度是否滿足要求。當(dāng)以上所有條件都滿足時，怠速停機(jī)功能開啟，激發(fā)怠速停機(jī)算法處于工作狀態(tài)，此時如果車輛需要怠速停機(jī)則可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)自動熄火；如果以上條件中有1個或多個不滿足時，怠速停機(jī)功能關(guān)閉，激發(fā)怠速停機(jī)算法處于非工作狀態(tài)。

圖1 怠速停機(jī)條件判斷算法流程圖

1.2.2 激發(fā)怠速停機(jī)算法

激發(fā)怠速停機(jī)算法流程，如圖2所示。該算法首先判斷駕駛員是否有油門踏板和擋位操作，當(dāng)ECU沒有接收到以上操作信號時，倒計(jì)時開始，達(dá)到設(shè)定的限值時，則判斷出駕駛員無操作或起步意圖，則激發(fā)怠速停機(jī)，進(jìn)而進(jìn)入怠速停機(jī)模式。當(dāng)有擋位操作和油門踏板操作時，則ECU會判斷怠速停機(jī)功能是否開啟、加速踏板是否完全松開、離合器踏板是否被完全松開且處于空擋、車速是否低于限值這些信號。當(dāng)以上條件都滿足時，則判斷出駕駛員有停機(jī)意圖，此時會激發(fā)怠速停機(jī)；如果以上條件中有1個或多個不滿足時，則返回判斷駕駛員是否有擋位操作或加速踏板操作步驟，進(jìn)入下一個循環(huán)。

圖2 激發(fā)怠速停機(jī)算法流程圖

1.2.3 怠速啟動條件判斷算法

怠速啟動條件判斷算法流程，如圖3所示。該算法主要用來判斷：啟停系統(tǒng)有無故障、駕駛員是否坐在座位上且系好安全帶、傳動鏈?zhǔn)欠衩撻_、離合器踏板是否被踩下、發(fā)動機(jī)艙蓋及各個車門是否都已經(jīng)關(guān)好。當(dāng)以上所有條件都滿足時，怠速啟動功能開啟，激發(fā)怠速啟動算法處于工作狀態(tài)，此時如果車輛需要怠速啟動則可實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)自動點(diǎn)火；如果以上條件中有1個或多個不滿足時，怠速啟動功能關(guān)閉，激發(fā)怠速啟動算法處于非工作狀態(tài)。

圖3 怠速啟動條件判斷算法流程圖

1.2.4 激發(fā)怠速啟動算法

激發(fā)怠速啟動算法流程，如圖4所示。該算法首先判斷車輛怠速啟動功能是否開啟，如已開啟則有條件進(jìn)行怠速啟動，如果沒有開啟則不能進(jìn)行怠速啟動。隨后判斷車輛是否處于空擋狀態(tài)，如不是空擋，則激發(fā)怠速啟動算法無法運(yùn)行；如果處于空擋狀態(tài)，則判斷離合器是否被踩下，如果被踩下則表明駕駛員有啟動意圖，此時則激發(fā)怠速啟動算法。否則無法激發(fā)怠速啟動算法，發(fā)動機(jī)不會自動點(diǎn)火，然后ECU返回判斷車輛的空擋信號。

圖4 激發(fā)怠速啟停算法流程圖

1.2.5 怠速啟停主控制算法

怠速啟停主控制算法流程，如圖5所示。該算法包含了以上4種算法，其對車輛的整個運(yùn)行過程進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)智能啟停功能。首先，駕駛員人工啟動車輛，發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，怠速停機(jī)條件判斷算法判斷出車輛是否具有怠速停機(jī)的條件，從而控制開啟或關(guān)閉怠速停機(jī)功能。如果怠速停機(jī)功能開啟，激發(fā)怠速停機(jī)算法判斷出是否需要進(jìn)行怠速停機(jī)，如果需要，則車輛怠速停機(jī)；如果怠速停機(jī)功能關(guān)閉或無需激發(fā)怠速停機(jī)，則繼續(xù)維持發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。車輛怠速停機(jī)后，怠速啟動條件判斷算法判斷出車輛是否具有怠速啟動的條件，從而控制開啟或關(guān)閉怠速啟動功能。如果怠速啟動功能開啟，激發(fā)怠速啟動算法判斷出是否需要進(jìn)行怠速啟動。如果不需要或者怠速啟動功能未開啟，則繼續(xù)維持車輛怠速停機(jī)狀態(tài)；如果需要怠速啟動，則判斷蓄電池電量是否充足且啟停主開關(guān)是否開啟，當(dāng)以上2個條件均滿足時，則智能啟動發(fā)動機(jī)，如果以上2個條件有1個或者1個以上不滿足，則需人工啟動發(fā)動機(jī)。車輛怠速啟動后，判斷發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速是否超過一定值。如果發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速未超過一定值，則返回怠速啟動步驟，繼續(xù)啟動發(fā)動機(jī)；如果超過一定值，則供油系統(tǒng)為發(fā)動機(jī)供油，發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)使車輛正常行駛[5]。

圖5 怠速啟停主控制算法流程圖

2 某車型怠速啟停功能標(biāo)定內(nèi)容

2.1 平原地區(qū)項(xiàng)目

2.1.1 輸入輸出信號檢查

試驗(yàn)?zāi)康臑楦鶕?jù)ECU設(shè)定的常數(shù)，確認(rèn)與怠速啟停相關(guān)的零部件的輸入輸出信號特性完全符合ECU內(nèi)部算法的設(shè)定，沒有任何異常。具體的試驗(yàn)方法是：根據(jù)相應(yīng)的硬件或者設(shè)計(jì)功能進(jìn)行操作，同時直接讀取ECU上的信號狀態(tài)，檢測是否有信號響應(yīng)，或者信號響應(yīng)是否正常，其中包含起動機(jī)、發(fā)電機(jī)、電流傳感器、空擋信號、離合器上下位信號、發(fā)動機(jī)艙蓋開關(guān)及怠速啟停功能開關(guān)等信號，只要以上各信號正常，即可符合設(shè)計(jì)要求。

2.1.2 電源控制

2.1.2.1 電池容量管理

試驗(yàn)?zāi)康臑楦鶕?jù)車輛電氣負(fù)載決定電容常數(shù)，以確保在怠速停機(jī)之后能夠保證車輛的部分電氣負(fù)荷正常工作。具體的試驗(yàn)方法是：在電池滿電狀態(tài)下，多次計(jì)測IG ON、低擋大燈、制動燈、低擋鼓風(fēng)機(jī)及音響等同時開啟時所消耗的電量，進(jìn)行計(jì)算處理，再與內(nèi)部基礎(chǔ)標(biāo)定值做比較，以決定是否需要調(diào)整。只要在IGON狀態(tài)時負(fù)載電流和各電氣負(fù)載及組合的消耗電量能在基礎(chǔ)值以內(nèi)，即可滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1.2.2 充電控制

試驗(yàn)?zāi)康臑榇_認(rèn)在給電池充電時充電能量始終大于放電能量，最終狀態(tài)為充電狀態(tài)。具體的試驗(yàn)方法是：在怠速啟停功能能夠正常工作的前提下，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的排放循環(huán)的模式走行試驗(yàn)。待試驗(yàn)結(jié)束后，觀察最終的電池容量為多少，來判斷電池的狀態(tài)。

2.1.2.3 電池溫度

試驗(yàn)?zāi)康臑榇_認(rèn)電池搭載環(huán)境變化對電池溫度的影響。具體的試驗(yàn)方法是：首先加工好電池，可以從其內(nèi)部計(jì)測溫度，然后分別在常溫環(huán)境、低溫環(huán)境以及高溫環(huán)境下按照標(biāo)準(zhǔn)的排放循環(huán)進(jìn)行多次連續(xù)走行試驗(yàn)，來觀察實(shí)際測量的溫度比ECU內(nèi)部的邏輯算法推算值偏差多少，以確保電池工作環(huán)境的合理性。

2.1.2.4 電池電壓-接線電阻

試驗(yàn)?zāi)康臑榇_認(rèn)啟動系統(tǒng)相關(guān)的線阻的增加對怠速啟停系統(tǒng)（電池）壽命的影響。電池所有接線上的電阻會影響啟動時電池、ECU的電壓下降，所以要確認(rèn)這些線阻的實(shí)際值。具體的試驗(yàn)方法是：將連接電池正負(fù)極的所有電線全部分別接入，外接測電壓電流設(shè)備，并且進(jìn)行多次啟動測試，分別用每次測量出來的電壓和電流值計(jì)算正負(fù)極上的線阻，再極端平均值。

2.1.2.5 電池電壓-電氣負(fù)載確認(rèn)

根據(jù)車輛電氣負(fù)載電流推算電池最低的電壓，以確保當(dāng)有多種電氣負(fù)載同時開啟時，最大的電壓波動對啟停系統(tǒng)不會造成影響。

2.1.3 怠速啟?？刂扑惴ù_認(rèn)

試驗(yàn)?zāi)康臑榇_認(rèn)與文章介紹的5種控制算法相關(guān)的所有邏輯項(xiàng)目是否能夠正常工作。其中涉及的對象或者項(xiàng)目較多，例如：在發(fā)動機(jī)進(jìn)入怠速停機(jī)狀態(tài)時，當(dāng)駕駛員踩下離合器踏板時，ECU接收到離合器踏板的信號，則怠速啟動算法被激活，然后按照1.2.4節(jié)所介紹，進(jìn)行內(nèi)部判斷。除此之外，還有很多其他因素，比如空擋開關(guān)信號、怠速啟停功能開關(guān)信號、機(jī)艙蓋開關(guān)、車門信號、水溫信號、大氣壓信號及空調(diào)開關(guān)信號等。在如2.1.1節(jié)介紹的所有信號檢查完畢、無問題的情況下，通過信號的控制算法均需要在標(biāo)定過程中進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。

2.1.4 與怠速啟停功能相關(guān)的故障檢出

2.1.4.1 制動負(fù)壓閾值設(shè)定及其異常檢出

試驗(yàn)?zāi)康臑榇_認(rèn)實(shí)車的制動壓力傳感器是否正常。通過實(shí)際測出的車輛（發(fā)動機(jī)）自身的最大減速度，從而判斷出車輛行駛狀態(tài)，即可判斷出制動壓力傳感器是否正常。如異常，則進(jìn)行報(bào)警提示。此最大減速度值也應(yīng)為多次測量后的平均值。

2.1.4.2 空擋開關(guān)判定常數(shù)設(shè)定及其異常檢出

試驗(yàn)?zāi)康臑榇_認(rèn)實(shí)車的空擋開關(guān)是否正常。通過車輛的參數(shù)，計(jì)算出各擋位下的理論傳動比。當(dāng)車輛在勻速行駛時，ECU內(nèi)部計(jì)算出實(shí)際的傳動比在理論值范圍之外，則應(yīng)當(dāng)判定為空擋開關(guān)異常。

2.1.4.3 車速信號異常檢出

對于整車控制來說，由于車速信號是重要的源信號之一，所以要對車速信號進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，以確保這一信號的可靠性。此款車型是通過采集2路車速信號進(jìn)行實(shí)時比較來相互監(jiān)控的。當(dāng)2路信號相差較大時，便會報(bào)出車速信號的故障。而怠速啟停系統(tǒng)利用的是通過ABS處理后的1路車速信號。具體的測試方法是，在各種路況下進(jìn)行正常駕駛，以檢測這個差值設(shè)置是否合理或者故障能否被檢測出來。

2.2 高原地區(qū)項(xiàng)目

2.2.1 高海拔失效推定

為了保證在高海拔地區(qū)車輛的安全性，怠速啟停系統(tǒng)會自動失效，以確保在停車時，能夠?yàn)檐囕v提供足夠的制動負(fù)壓，保證制動效果。具體的實(shí)施方法是：ECU通過各種信號能夠?qū)崟r更新外界環(huán)境的狀態(tài)，通過計(jì)算，當(dāng)發(fā)現(xiàn)外界條件達(dá)到設(shè)定的臨界值時，便會判定為不滿足怠速啟停系統(tǒng)要求，從而自動關(guān)閉其功能，同時發(fā)出報(bào)警聲以作提示，這樣就實(shí)現(xiàn)了保護(hù)功能。

2.2.2 怠速啟停系統(tǒng)的駕駛性評價

針對怠速啟停系統(tǒng)算法的設(shè)定進(jìn)行客觀評價，需要專業(yè)的測評工程師做實(shí)車的評價工作。其主要工作是更有針對性地測試5種控制算法以及相關(guān)設(shè)定的合理性。主要從以下方面進(jìn)行測試：發(fā)動機(jī)的停機(jī)和啟動、怠速停機(jī)的頻率、功能失效的合理性以及報(bào)警檢測相關(guān)等內(nèi)容。具體考核主要內(nèi)容包含停機(jī)啟動時的主觀感受、起步性能及電氣負(fù)載的影響程度等方面。

3 結(jié)論

邏輯門限值控制算法不需要建立具體的數(shù)學(xué)模型，在硬件設(shè)置上易于實(shí)現(xiàn)，對系統(tǒng)的非線性控制效果明顯。怠速啟停控制算法包括怠速停機(jī)條件判斷算法、激發(fā)怠速停機(jī)算法、怠速啟動條件判斷算法、激發(fā)怠速啟動算法以及怠速啟停主控制算法。怠速停機(jī)條件判斷算法和怠速啟動條件判斷算法，能夠控制開啟或關(guān)閉怠速停機(jī)及怠速啟動功能，激發(fā)怠速停機(jī)算法和激發(fā)怠速啟動算法則在需要的時候控制怠速停機(jī)或怠速啟動，實(shí)現(xiàn)智能啟停功能。